KR102014823B1 - 마이크로 금속와이어를 이용한 고해상도 3d 프린팅 방법 - Google Patents

마이크로 금속와이어를 이용한 고해상도 3d 프린팅 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 마이크로 금속와이어를 이용한 고해상도 3D 프린팅 방법은 a) 기재를 마련하는 단계; b) 상기 기재 상에서 펄스레이저를 마이크로 금속와이어에 조사하여, 상기 마이크로 금속와이어가 용융되어 형성된 금속층을 제조하는 단계; 및 c) 상기 금속층을 냉각하여 비정질상의 미소 적층구조물을 제조하는 단계를 포함한다.

Description

마이크로 금속와이어를 이용한 고해상도 3D 프린팅 방법{Method of high resolution 3D printing using micro metal wire}
본 발명은 열원으로서 레이저를 이용하여 비정질의 3D 미소 구조물을 제조하는 마이크로 금속와이어를 이용한 고해상도 3D 프린팅 방법에 관한 것이다.
3D 프린팅은 통상 적층 제조 또는 AM(additive manufacturing) 이라는 용어로 통칭되고 있는 기술로, 고밀도 열원을 이용해 형상을 3차원적으로 쌓아 올리는 제조 기법을 말한다. 기존의 용접에서의 육성 용접 혹은 오버레이 용접과 동일한 기법과 원리를 가지고 있지만, 최근의 3D 프린팅 기술의 인기에 힘입어 새롭게 주목받고 있는 분야이다.
레이저를 이용한 3D 프린팅(적층 제조)은 과거 쾌속 조형 기술 개발 단계에서 매우 정밀한 부품을 단 한 번의 공정으로 만들어 낼 수 있는 장점으로 주목을 받았으나, 생산 단가가 높고, 생산 시간이 길며, 생산 가능한 부품 사이즈에 한계가 있어 시장이 크게 확대되지는 않았다.
레이저 적층 제조 기술은 크게 세 가지로 분류할 수 있다. 첫 번째는 레이저 소결(LS, laser sintering)이고, 두 번째와 세 번째는 각각 레이저 용융(LM, laser melting)과 레이저 금속 증착(LMD, laser metal deposition)이다.
이러한 레이저 적층 제조 기술은 금속 분말과 레이저의 상호 작용 메카니즘에 따라 분류된 것으로, 금속 분말이 부분 용융되는지 완전 용융되는지에 따라 LS와 LM/LMD로 분류되고, 금속 분말 공급 방식에 따른 분류 방식에서 LS/LM은 금속 분말이 소결 베드에 판상으로 깔리는 형태로 공급되는 반면, LMD에서는 분말이 레이저와 동축으로 공급된다.
그러나, 이러한 레이저 적층 제조 기술은 기본적으로 금속 분말을 사용하는 방법이기 때문에, 생산성, 재료효율성, 산화오염 위험성 등에서 문제를 가지며, 특히, 마이크로 단위의 고분해능 3D 프린팅 구현시 형상, 크기 등을 제어하는데 어려움이 있다.
한편, 비정질 금속 재료는 원자 구조 배열의 성질에 의해 결정질 금속 재료 보다 훨씬 더 높은 인장강도를 가지며, 인성 및 내식성 등 우수한 특성을 갖는다.
만약, 3D 프린팅 방법시, 최종 제조된 구조물(또는 적층물)이 상기한 비정질 특성을 가진다면, 기존 결정질 미소 구조물의 기계적 및 화학적 물성의 단점을 보완할 수 있을 것이다.
한국등록특허 제10-1682087호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로, 열원으로서 레이저를 이용하여 비정질의 3D 미소 구조물을 제조하는 마이크로 금속와이어를 이용한 고해상도 3D 프린팅 방법을 제공함에 있다.
또한 본 발명은 마이크로 금속와이어의 평균직경, 펄스레이저의 파워 등을 조절함으로써, 기계적 강도가 우수하면서 비정질상을 가지는 마이크로 금속와이어를 이용한 고해상도 3D 프린팅 방법을 제공함에 있다.
또한 본 발명은 기존의 분말 공급방식의 문제점을 해결하고, 비정질의 3D 미소 구조물을 대량으로 생산할 수 있으며, 3D 미소 구조물의 형상을 제어할 수 있고, 3D 미소 구조물의 크기를 마이크로 단위 또는 나노 단위까지도 제어할 수 있는 고해상도 3D 프린팅 방법을 제공함에 있다.
한편, 본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내에서 추가로 고려될 것이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 금속와이어를 이용한 고해상도 3D 프린팅 방법은 a) 기재를 마련하는 단계; b) 상기 기재 상에서 펄스레이저를 마이크로 금속와이어에 조사하여, 상기 마이크로 금속와이어가 용융되어 형성된 금속층을 제조하는 단계; 및 c) 상기 금속층을 냉각하여 비정질상의 미소 적층구조물을 제조하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 금속와이어를 이용한 고해상도 3D 프린팅 방법에 있어, 상기 마이크로 금속와이어의 평균직경은 60 내지 150 ㎛ 일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 금속와이어를 이용한 고해상도 3D 프린팅 방법에 있어, 상기 펄스레이저의 파워는 40 W 이상 90 W 미만일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 금속와이어를 이용한 고해상도 3D 프린팅 방법에 있어, 상기 마이크로 금속와이어의 평균직경 및 상기 펄스레이저의 파워는, 하기 관계식 1을 만족하는 마이크로 금속와이어를 이용한 고해상도 3D 프린팅 방법:
[관계식 1]
E = a×D + b
(관계식 1에서, E는 상기 마이크로 금속와이어의 단위면적(㎛2)에 조사되는 상기 펄스레이저의 파워(W)이고, D는 상기 마이크로 금속와이어의 평균직경(㎛)이며, 상기 a는 -2.7×10-4 ≤ a ≤ -1.1×10-4, 상기 b는 1.7×10-3 ≤ b ≤ 4.7×10- 2 이다.)
본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 금속와이어를 이용한 고해상도 3D 프린팅 방법에 있어, 상기 a) 단계 및 b) 단계를 일 단위공정으로 하여, 상기 단위공정을 반복 수행하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 금속와이어를 이용한 고해상도 3D 프린팅 방법에 있어, 상기 b) 단계시,
상기 기재의 표면에 대한 상기 금속층의 접촉각은 20 내지 100˚ 일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 금속와이어를 이용한 고해상도 3D 프린팅 방법에 있어, 상기 미소 적층구조물의 비커스 경도는 770 내지 850 kg/mm2 일 수 있다.
또한 본 발명은 상술한 고해상도 3D 프린팅 방법으로 제조된 비정질상의 미소 적층구조물을 포함한다.
본 발명에 따른 마이크로 금속와이어를 이용한 고해상도 3D 프린팅 방법은 마이크로 금속와이어에 펄스레이저를 조사함으로써 비정질상의 미소 적층구조물을 제조할 수 있다.
본 발명에 따른 마이크로 금속와이어를 이용한 고해상도 3D 프린팅 방법은 마이크로 금속와이어의 평균직경, 펄스레이저의 파워 등을 조절함으로써, 매끄러운(smooth) 표면 형상을 가지는 비정질의 3D 미소 구조물을 제조할 수 있고, 마이크로 단위 또는 나노 단위의 크기를 가지는 비정질의 3D 미소 구조물을 제조할 수 있다.
본 발명에 따른 마이크로 금속와이어를 이용한 고해상도 3D 프린팅 방법은, 종래의 분말을 이용한 3차원 물질을 만드는 방법과 비교하면, 소결 공정, 가압공정 등이 요구되지 않으므로 공정이 간소화 되며, 또한 원하는 위치에 마이크로 금속와이어를 용융할 수 있으므로 형태의 제한이 없는 다양한 3D 미소 구조물을 제조할 수 있다.
본 발명에 따른 마이크로 금속와이어를 이용한 고해상도 3D 프린팅 방법은 기계적 물성이 우수한 비정질상의 미소 적층구조물을 제조할 수 있다.
한편, 여기에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라 하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 이하의 명세서에서 기재된 효과 및 그 잠정적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급됨을 첨언한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 금속와이어를 이용한 고해상도 3D 프린팅 방법의 공정순서도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 2 및 비교예 2에 사용된 마이크로 금속와이어의 단면 SEM 사진이다.
도 3은 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 미소 적층구조물의 SEM 사진이다.
도 4는 본 발명의 비교예 2에 따라 제조된 미소 적층구조물의 SEM 사진이다.
도 5는 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 미소 적층구조물의 단면 BSE 사진 및 XRD 그래프이다.
도 6은 본 발명의 비교예 2에 따라 제조된 미소 적층구조물의 단면 BSE 사진 및 XRD 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예 및 비교예에서 사용된 마이크로 금속와이어에 가해지는 E(단위면적당 조사되는 펄스레이저의 파워)와 마이크로 금속와이어의 D(직경) 간의 상관관계를 나타낸 그래프이다.
이하 본 발명에 관하여 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 실시예 및 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 또한, 본 발명의 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
본 발명을 상술함에 있어, 용어 "미소 적층구조물"은 마이크로 오더의 적층구조물을 의미한다. 예를 들면, 상기 미소 적층구조물의 평균높이는 500 ㎛ 이하이고, 평균폭은 200 ㎛ 이하일 수 있다.
본 발명을 상술함에 있어, 용어 "적층구조물"은 금속층이 적층된 후 형성된 구조물을 의미할 수 있다. 또한, 상기 적층구조물은 상기 금속층이 기재의 일면을 따라 이어져서 형성된 것을 포함할 수 있다.
본 발명을 상술함에 있어, 용어 "3D 구조물"은 상기 미소 적층구조물 또는 복수의 미소 적층구조물을 의미할 수 있다. 또한 상기 3D 구조물은 상기 미소 적층구조물 상에 미소 적층구조물이 적층되어 형성된 구조물을 의미할 수 있다.
본 발명에 따른 마이크로 금속와이어를 이용한 고해상도 3D 프린팅 방법은 a) 기재를 마련하는 단계; b) 상기 기재 상에서 펄스레이저를 마이크로 금속와이어에 조사하여, 상기 마이크로 금속와이어가 용융되어 형성된 금속층을 제조하는 단계; 및 c) 상기 금속층을 냉각하여 비정질상의 미소 적층구조물을 제조하는 단계를 포함한다.
상세하게, 본 발명은 비정질상의 미소 적층구조물을 제조하기 위하여, 마이크로 오더의 금속와이어 및 펄스파형 레이저를 이용한다.
또한, 본 발명은 상기 마이크로 금속와이어를 이용함으로써, 원하는 위치에 금속층을 형성시켜 최종 미소 적층구조물을 제조할 수 있다.
또한 본 발명은 상기 마이크로 금속와이어를 이용함으로써, 최종 미소 적층구조물의 표면이 매끈할 수 있고(smooth), 기계적 강도 또한 우수할 수 있다.
이러한 본 발명의 효과는 기존에 분말을 이용하여 최종 제조한 3D 구조물과 비교하면, 미소 적층구조물의 형상을 정밀하게 제어할 수 있고, 기계적 특성이 우수하여 보다 안정적으로 미소 적층구조물을 제조할 수 있다.
또한, 본 발명은 기존의 분말을 이용하는 3D 프린팅 방법과 비교하면, 기존에는 분말을 용융시키기 위하여, 전자빔, 연속적 레이저, 플라즈마 등과 같은 강한 에너지원을 사용하기 때문에, 최종 제조되는 3D 구조물은 결정질상을 가지는 문제점이 있으나, 본 발명은 마이크로 오더의 금속와이어 및 펄스레이저를 사용하기 때문에 비정질상의 3D 구조물을 제조할 수 있다.
더욱 상세하게, 상기 마이크로 금속와이어에 사용될 수 있는 금속 또는 합금으로서, 열전도도가 10 W/mK 이하이고 융점이 1000 ℃ 이하인 것을 사용할 수 있다.
일 예를 들자면, 상기 마이크로 금속와이어는 비정질상의 미소 적층구조물을 제조할 수 있도록, Mg계 비정질 합금, Ca계 비정질 합금, Al계 비정질 합금, Ti계 비정질 합금, Zr계 비정질 합금, Hf계 비정질 합금, Fe계 비정질 합금, Co계 비정질 합금, Ni계 비정질 합금 및 Cu계 비정질 합금 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상의 것일 수 있다.
다른 일 예를 들자면, 상기 펄스레이저(pulsed laser 또는 Quasi-CW fiber lasers라 부름)는 이 분야에서 통상적으로 사용되는 것이면 족하나, 본 발명의 목적 달성을 위해서 상기 펄스레이저는 40 W 이상의 파워를 출력할 수 있는 것이면 좋다. 만약, 상기한 a) 단계에서, 연속파형 레이저를 이용하는 경우, 상기 마이크로 금속와이어에 가해지는 에너지가 증가하므로, 결정질상의 3D 구조물이 제조될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 금속와이어를 이용한 고해상도 3D 프린팅 방법의 공정순서도이다.
도 1을 참조하면 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 금속와이어를 이용한 고해상도 3D 프린팅 방법은 기재 마련 단계(S100), 레이저 조사 단계(S200) 및 냉각 단계(S300)을 포함할 수 있다.
상기 기재 마련 단계(S100)는 기재 상에 상술한 금속층이 형성될 수 있도록 기재를 마련하는 단계를 의미할 수 있다.
상기 기재는 상술한 마이크로 금속와이어, 금속층 등을 지지할 수 있는 것이면 족하다. 일 예를 들자면, 상기 기재는 유리, 세라믹, 금속 등의 리지드 기재일 수 있으나, 본 발명이 상기 기재의 종류에 한정되지 않는다.
다음으로, 상기 레이저 조사 단계(S200)는 상술한 기재를 마련한 후, 마이크로 금속와이어에 펄스레이저를 조사하는 단계를 의미할 수 있다.
상기 레이저 조사 단계(S200) 시, 상기 마이크로 금속와이어가 용융된 금속층이 상기 기재 상에 원하는 형상으로 형성될 수 있도록, 또는 비정질상의 미소 적층구조물이 제조될 수 있도록, 상기 마이크로 금속와이어의 평균직경 및 상기 펄스레이저의 파워를 조절할 수 있다.
상세하게, 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 금속와이어를 이용한 고해상도 3D 프린팅 방법에 있어, 상기 마이크로 금속와이어의 평균직경은 60 내지 150 ㎛일 수 있다. 상기 마이크로 금속와이어의 평균직경이 60 ㎛ 미만인 경우, 결정질상의 미소 적층구조물이 형성될 수 있으며 원하는 형상의 제어가 어렵다. 상기 마이크로 금속와이어의 평균직경이 150 ㎛ 초과인 경우, 용융된 금속층을 형성하기 위해 펄스레이저의 파워를 상승시키거나 펄스레이저의 조사량을 증가시켜야 한다. 본 발명의 일 실시예를 살피면, 상기 마이크로 금속와이어의 평균직경이 150 ㎛ 초과인 경우에는, 상기 마이크로 금속와이어를 용융시키기 위하여 펄스레이저의 파워를 적어도 1.5배 또는 2배 이상 더 가해야 하므로, 결정상의 미소구조물이 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 금속와이어를 이용한 고해상도 3D 프린팅 방법에 있어, 상기 펄스레이저의 파워는 40 W 이상 90 W 미만일 수 있다.
상세하게, 상기 펄스레이저의 파워가 40 W 미만인 경우에는 상기 마이크로 금속와이어를 용융시키기 위해 과도한 시간이 소요되거나, 상기 마이크로 금속와이어에 공급되는 열에너지가 너무 낮아서 상술한 금속층의 형성이 어려울 수 있다. 또한 상기 펄스레이저의 파워가 90 W 이상인 경우에는, 제조된 미소 적층구조물과 상술한 기재 사이에서 열영향부(HAZ: Heat Affected Zone)가 형성될 수 있다. 즉, 미소 적층구조물과 기재 사이에서 열영향부가 형성되는 경우, 최종 미소 적층구조물에서 기계적 강도, 내식성 등의 특성이 저하될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 금속와이어를 이용한 고해상도 3D 프린팅 방법에 있어, 상기 마이크로 금속와이어의 평균직경 및 상기 펄스레이저의 파워는 하기 관계식 1을 만족할 수 있다:
[관계식 1]
E = a×D + b
(관계식 1에서, E는 상기 마이크로 금속와이어의 단위면적(㎛2)에 조사되는 상기 펄스레이저의 파워(W)이고, D는 상기 마이크로 금속와이어의 평균직경(㎛)이며, 상기 a는 -2.7×10-4 ≤ a ≤ -1.1×10-4, 상기 b는 1.7×10-3 ≤ b ≤ 4.7×10- 2 이다.)
즉, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 마이크로 금속와이어를 이용한 고해상도 3D 프린팅 방법에 있어, 상기한 관계식 1의 조건을 만족하는 경우 고품위의 비정질상의 미소 적층구조물을 제조할 수 있다.
상세하게, 상술한 관계식 1에서 상기 마이크로 금속와이어의 평균직경이 60 내지 150 ㎛이고, 마이크로 금속와이어의 단위면적(㎛2)에 조사되는 상기 펄스레이저의 파워가 40 W 이상 90 W 미만인 경우, 상술한 적층구조물의 높이가 50 내지 200 ㎛이고, 상술한 적층구조물의 평균폭은 100 내지 300㎛로 제조될 수 있으며, 이에 따라 형상제어가 가능한 비정질 구조를 가지는 3D 미소 적층구조물을 제조할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 금속와이어를 이용한 고해상도 3D 프린팅 방법에 있어, 상기 기재의 표면에 대한 상기 금속층의 접촉각은 20 내지 100˚일 수 있다.
본 발명에서, "접촉각(contact angle)"이란 용어는 기재 표면과 상기 금속층의 접촉점으로부터 상기 금속층의 반지름에 접하는 직선간의 각도를 의미할 수 있다.
상기 금속층의 접촉각의 측정방법은 이 분야에서 통상적으로 사용되는 방법이면 족하다. 예컨대, 상기 금속층의 접촉각은 상술한 마이크로 금속와이어를 용융시키고, 용융된 마이크로 금속와이어를 상술한 기재 상에 적가하여 형상 비드를 형성한 후, 형상 비드의 단면 형상으로부터 계산할 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 금속층의 접촉각이 20° 미만이거나, 100° 초과인 경우에는 형상 비드가 적층이 되지 않거나 퍼져서 형성제어가 어려울 수 있다.
마지막으로, 상기 냉각 단계(S300)는 상술한 금속층을 냉각시켜 비정질상의 미소 적층구조물을 제조하는 단계를 의미할 수 있다.
상기 냉각 단계(S300) 시, 냉각은 자연 냉각하는 것을 의미할 수 있다.
또한, 상기한 레이저 조사 단계(S200) 및 냉각 단계(S300)는 대기 중에서 수행하는 것일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 금속와이어를 이용한 고해상도 3D 프린팅 방법에 있어, 상기 미소 적층구조물은 비정질상일 수 있다. 상기 미소 적층구조물이 비정질상이 아닌 경우, 상기 미소 적층구조물의 기계적 강도가 급격히 저하될 수 있다.
예컨대, 본 발명에 따른 상기 미소 적층구조물은 비커스 경도값이 770 내지 850 kg/mm2 를 만족할 수 있다. 상기 비커스 경도값 범주를 만족하는 경우, 본 발명에 따른 미소 적층구조물은 고강도가 요구되는 항공산업 또는 우주산업 분야, 자동차 분야, 반도체 분야 등으로 응용될 수 있다.
본 발명에서 상기 비커스 경도를 측정하는 방법은 특별히 제한되지 않고, 이 분야에서 공지되어 있는 일반적인 비커스 경도 측정법을 사용할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 금속와이어를 이용한 고해상도 3D 프린팅 방법은, 상기한 미소 적층구조물을 복수회 적층하여 미소 적층구조물이 적층된 3D 구조물을 제조할 수 있다.
상세하게, 상기 3D 구조물은 상술한 레이저 조사 단계(S200) 및 냉각 단계(S300)를 일 단위공정으로 하여, 상기 단위공정을 반복 수행함으로써 제조되는 것일 수 있다.
또한, 본 발명은 상술한 마이크로 금속와이어를 이용한 고해상도 3D 프린팅 방법을 이용하여 제조된 비정질상의 미소 적층구조물을 포함한다.
또한, 본 발명은 비정질상의 미소 적층구조물이 적층된 고해상도 3D 구조물을 포함할 수 있다.
이하 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 다만 하기 실시예는 본 발명의 여러 실시 형태 중 일예일 뿐, 본 발명이 하기 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
실시예 1~2, 비교예 1~4
Cu가 50 원자% 이상인 Cu-Zr 이원계 합금으로된 비정질상의 마이크로 금속와이어를 준비하였다. 상기 마이크로 금속와이어에 펄스레이저를 조사하여 상기 마이크로 금속와이어가 용융된 금속층을 SUS304 상에 형성하였다. 상세한 실험 조건은 하기 표 1에 수록하였다.
실시예1 실시예2 비교예1 비교예2 비교예3 비교예4
직경(㎛) 60 150 60 150 60 150
파워(W) 72 66 90 120 39 25
E(W/㎛2) 0.02548 0.00374 0.03185 0.00679 0.01083 0.00111
주파수(Hz) 500
속도(mm/sec) 20
듀티(%) 10
spot size(mm) 약 0.35
펄스레이저
조사장치		 qcw600/6000 laser
표 1에서, E는 상기 마이크로 금속와이어의 단위면적(㎛2)에 조사되는 상기 펄스레이저의 파워(W)를 의미한다. 속도(mm/sec)는 상기 펄스레이저의 이동속도를 의미한다. 듀티(%)는 듀티비(duty ratio)라 부르며, 동일한 주기를 가지는 펄스에서 주기(T)에 대한 하이(high) 구간(H)의 비율을 의미한다. spot size는 원형이며, 상기 펄스레이저의 빔 크기(직경)을 의미한다.
또한, 표 1을 참조하면, 비교예 1에 기재된 E 값 대비 실시예 1에 기재된 E 값은 약 20% 감소하나, 비교예 2에 기재된 E 값 대비 실시예 2에 기재된 E 값은 약 45% 감소하는 것을 알 수 있다. 이러한 감소율의 차이는 상기 마이크로 금속와이어의 직경에 따른 열전도도 차이로 인해 감소비율이 다른 것이며, 즉, 방열문제와 밀접한 관련이 있는 것으로 보인다.
도 2는 상기 실시예 2 및 비교예 2에 사용된 마이크로 금속와이어의 단면 SEM 사진이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 사용된 마이크로 금속와이어는 균일한 직경을 가지며, 기공이 없는 치밀한(dense) 구조를 가지는 것을 확인하였다.
도 3은 상기 실시예 2에 따라 제조된 미소 적층구조물의 SEM 사진이고, 도 4는 상기 비교예 2에 따라 제조된 미소 적층구조물의 SEM 사진이다. 도 3 및 도 4에 도시된 좌측 사진은 저배율 사진, 우측 사진은 좌측 사진의 사각 점선을 확대한 고배율 사진을 나타낸다. 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 미소 적층구조물은 폭이 약 166.5㎛인 것을 알 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 미소 적층구조물은 상술한 금속층이 Fe 기재의 표면을 따라 서로 이어져서 형성된 적층구조물인 것을 알 수 있다.
도 5는 상기 실시예 2에 따라 제조된 미소 적층구조물의 단면 BSE 사진 및 XRD 그래프이다. 도 6은 상기 비교예 2에 따라 제조된 미소 적층구조물의 단면 BSE 사진 및 XRD 그래프이다. 도 5를 참조하면, 미소 적층구조물(1)은 상술한 Fe 기재(2) 상에 형성되며, 약 86.5˚의 접촉각을 가지고, 약 100㎛의 평균높이를 가지는 것을 알 수 있다. 또한, 도 5에 도시된 XRD 그래프를 참조하면, 본 발명에 따른 미소 적층구조물은 상술한 Fe 기재(2)와 반응하지 않으며, 결정구조의 변화가 없는 비정질상 구조를 유지할 수 있는 것을 알 수 있다. 반면, 도 6을 참조하면, 비교예 2에 따라 제조된 미소 적층구조물은 약 17.3˚의 접촉각을 가지고, 약 45㎛의 평균높이를 가지는 것을 알 수 있다. 또한, 도 6에 도시된 XRD 그래프를 참조하면, 비교예 2에 따라 제조된 미소 적층구조물(3)은 상술한 Fe 기재(4)와 반응하여 오스테나이트, 페라이트 등의 결정상을 가지는 것을 알 수 있다.
도 7은 상기 실시예 및 비교예의 결과를 바탕으로, 마이크로 금속와이어에 가해지는 E(단위면적당 조사되는 펄스레이저의 파워)와 마이크로 금속와이어의 D(직경) 간의 상관관계를 나타낸 그래프이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 상기 E 및 D의 크기에 따라 (a) Crystalline Zone(결정질 영역), (b) Amorphous Zone(비정질 영역), 및 (c) Not Melting Zone(비용융 영역 또는 Cold Zone)으로 구분될 수 있다. 상세하게, Crystalline Zone은 도 7의 빨간색 선 상부에 형성된 영역이고, Not Melting은 도 7의 검정색 선 하부에 형성된 영역이며, Amorphous Zone은 도 7의 빨간색 선 및 검정색 선 사이에 형성된 영역이다. 더욱 상세하게, Amorphous Zone은 E = -2.78×10-4×D + 0.0485 로 그려진 빨간색 선과 E = -1.08×10-4×D + 0.0173 로 그려진 검정색 선 사이에 위치한다. 이에 따라, 본 발명에 따른 미소 적층구조물은 상기 E, D, a 및 b를 제어함으로써 비정질상의 미소 적층구조물로 제조할 수 있다.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims (8)

  1. a) 기재를 마련하는 단계;
    b) 상기 기재 상에서 펄스레이저를 마이크로 금속와이어에 조사하여, 상기 마이크로 금속와이어가 용융되어 형성된 금속층을 제조하는 단계; 및
    c) 상기 금속층을 냉각하여 비정질상의 미소 적층구조물을 제조하는 단계를 포함하고,
    상기 마이크로 금속와이어는 열전도도가 10 W/mK 이하이고 융점이 1000 ℃ 이하인 금속 또는 합금인 것을 특징으로 하며,
    상기 마이크로 금속와이어의 평균직경 및 상기 펄스레이저의 파워는,
    하기 관계식 1을 만족하는 마이크로 금속와이어를 이용한 고해상도 3D 프린팅 방법.
    [관계식 1]
    E = a×D + b
    (관계식 1에서, E는 상기 마이크로 금속와이어의 단위면적(㎛2)에 조사되는 상기 펄스레이저의 파워(W)이고, D는 상기 마이크로 금속와이어의 평균직경(㎛)이며, 상기 a는 -2.7×10-4 ≤ a ≤ -1.1×10-4, 상기 b는 1.7×10-3 ≤ b ≤ 4.7×10-2 이다.)
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 마이크로 금속와이어의 평균직경은 60 내지 150 ㎛인 마이크로 금속와이어를 이용한 고해상도 3D 프린팅 방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 펄스레이저의 파워는 40 W 이상 90 W 미만인 마이크로 금속와이어를 이용한 고해상도 3D 프린팅 방법:
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 b) 단계 및 c) 단계를 일 단위공정으로 하여, 상기 단위공정을 반복 수행하는 것인 마이크로 금속와이어를 이용한 고해상도 3D 프린팅 방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 b) 단계시,
    상기 기재의 표면에 대한 상기 금속층의 접촉각은 20 내지 100˚인 마이크로 금속와이어를 이용한 고해상도 3D 프린팅 방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 미소 적층구조물의 비커스 경도는 770 내지 850 kg/mm2 인 마이크로 금속와이어를 이용한 고해상도 3D 프린팅 방법.
  8. 삭제
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