KR20240063278A - Camphene/mixture of monomers solution based photopolymerization-assisted ceramic 3D printing technique for the control of microscale porous structures and manufactured structures - Google Patents

Camphene/mixture of monomers solution based photopolymerization-assisted ceramic 3D printing technique for the control of microscale porous structures and manufactured structures Download PDF

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Abstract

본 발명은 3D 프린팅 기술을 기반으로, 수백 ㎛ 이상의 임의 기공 구조 제어와, 수~수십 ㎛ 수준의 연결된 수지상의 기공 구조 및 수십~수백 nm 수준의 기공 구조 조절이 가능한 멀티스케일의 3차원 다공성 지지체의 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명에서는 기공형성제인 캠핀과 상온에서 이를 잘 녹이는 단량체와 잘 녹이지 않는 단량체를 적절히 섞는 방법으로 슬러리 조성물을 제조하여, 마이크로스케일의 다공성 제어를 위해 캠핀 함량을 조절하여도, 일정한 온도 조건에서 캠핀의 상분리가 가능한 슬러리 조성물을 제공할 수 있다.
The present invention is based on 3D printing technology and provides a multi-scale three-dimensional porous support capable of controlling arbitrary pore structures of hundreds of ㎛ or more, connected dendritic pore structures of several to tens of ㎛, and pore structures of tens to hundreds of nm. It is about manufacturing method.
In the present invention, a slurry composition is prepared by appropriately mixing campine, a pore-forming agent, and monomers that dissolve well at room temperature and monomers that do not dissolve well, and even if the campine content is adjusted to control microscale porosity, campine is produced under constant temperature conditions. A slurry composition capable of phase separation can be provided.

Description

마이크로 기공 제어를 위한 캠핀/혼합 포토폴리머 용액 기반 광경화 방식의 다공성 세라믹 3D 프린팅 기술 및 제조된 구조체{Camphene/mixture of monomers solution based photopolymerization-assisted ceramic 3D printing technique for the control of microscale porous structures and manufactured structures}Camphene/mixture of monomers solution based photopolymerization-assisted ceramic 3D printing technique for the control of microscale porous structures and manufactured structures }

본 발명은 마이크로 기공 제어를 위한 캠핀/포토폴리머 용액 기반 광경화 방식의 다공성 세라믹 3D 프린팅 기술에 관한 것이다. The present invention relates to a campine/photopolymer solution-based photocuring porous ceramic 3D printing technology for micro-pore control.

3D 프린팅 기술의 개발로 다양한 방식의 개인 맞춤형의 제조 공정이 가능하다. 그 중 세라믹은 비교적 화학적 안정성이 높고, 녹는점이 높아 3D 프린팅 기술에 직접 적용하기 어려워 우회하는 다양한 방식이 개발되었다. 세라믹 분말의 형태로 성형을 위하여, 상기 세라믹 분말을 기타 물질에 분산시키고 성형과정 후 열처리하여 기타 물질을 제거한 다음 치밀화를 위한 소결 과정을 통해 세라믹 지지체를 제조할 수 있다.The development of 3D printing technology allows for a variety of personalized manufacturing processes. Among them, ceramics have relatively high chemical stability and a high melting point, so it is difficult to apply them directly to 3D printing technology, so various methods to circumvent them have been developed. For molding in the form of ceramic powder, the ceramic powder can be dispersed in other materials, heat treated after the molding process to remove other materials, and then subjected to a sintering process for densification to produce a ceramic support.

서로 연결된 기공 구조는 에너지, 화학, 바이오 등의 다양한 분야에 적용된다. 기공 구조를 형성하기 위한 방법 중 하나인 동결주조(freeze casting) 방법은, 성형과정 후 제거되어 결정 형상의 기공을 형성하는 동결매체들이 사용된다. 물, tert-butyl alcohol, 캠핀 등이 이에 해당하며, 녹는점 이상의 온도에서 세라믹 분말이 분산된 슬러리를 제조하고, 성형틀(mold)에서 냉각하여 고체 결정을 형성한 뒤 상분리를 통해 동결매체를 제거하여 기공을 형성한다. 특히, 캠핀은 수지상 결정을 형성하여 서로 연결된 기공을 구현할 수 있으며, 상온 및 상압에서도 고체로 형상이 유지되어 제거가 가능하다.The interconnected pore structure is applied to various fields such as energy, chemistry, and bio. The freeze casting method, which is one of the methods for forming a pore structure, uses freezing media that are removed after the molding process to form crystal-shaped pores. These include water, tert-butyl alcohol, and camphine. A slurry containing dispersed ceramic powder is prepared at a temperature above the melting point, cooled in a mold to form solid crystals, and the freezing medium is removed through phase separation. This forms pores. In particular, cam pins can form dendritic crystals to create interconnected pores, and can be removed as they maintain their solid shape even at room temperature and pressure.

동결주조 방법은 사용되는 재료에 따라 결정 형상과 더불어 녹고, 어는 온도가 특정되므로, 캠핀의 경우 성형 단계 전까지 약 50℃ 이상의 온도 조건이 필요하다.In the freeze casting method, the melting and freezing temperature along with the crystal shape are specified depending on the material used, so in the case of cam pin, a temperature condition of about 50℃ or higher is required before the molding step.

광경화를 이용한 세라믹 3D 프린팅은 한 층씩 세라믹 슬러리를 적층하고, 3차원 디자인을 높이에 따라 2차원으로 자른 빛을 조사하여 포토폴리머를 광경화하는 방식으로, 대표적으로 레이저를 이용한 stereolithography(SL)와 DMD칩 기반 digital light processing(DLP) 방식이 있다. 이 중, DLP 방식은 한 층을 한 번에 경화시켜 우수한 해상도와 빠른 프린팅 속도를 가질 수 있다.Ceramic 3D printing using photocuring is a method of stacking ceramic slurry one layer at a time and photopolymer photopolymer by irradiating light that cuts the three-dimensional design into two dimensions according to the height. Representative methods include stereolithography (SL) using a laser and There is a DMD chip-based digital light processing (DLP) method. Among these, the DLP method can achieve excellent resolution and fast printing speed by curing one layer at a time.

과거 해외에서 캠핀/포토폴리머 기반 성형틀을 이용한 다공성 세라믹 제조 기술에 대한 보고가 있었다. 그러나, 슬러리 제조시 캠핀의 녹는점 이상의 온도를 유지해야 하므로, 에너지 효율 저하, 공정간 캠핀의 증발 등의 문제가 있었다(비특허문헌 1).In the past, there were reports overseas on porous ceramic manufacturing technology using a campine/photopolymer-based mold. However, since the temperature must be maintained above the melting point of campine during slurry production, there were problems such as reduced energy efficiency and evaporation of campine between processes (Non-patent Document 1).

이를 해결하고자 본 발명에서는 상온에서 캠핀을 녹이는 포토폴리머를 사용하여, 캠핀/포토폴리머를 용액 기반 세라믹 슬러리 조성물 및 이를 사용한 3D 프린팅 기술을 개발하였다. 상기 기술은 캠핀의 상온 이상의 어는점(녹는점)에 따른 한계를 극복하고, 프린팅 과정에서 슬러리의 온도를 상분리 온도 이하로 낮춰 열적 유도 상분리를 통해 다공성 세라믹을 제조하였다(비특허문헌 2). To solve this problem, the present invention developed a Campin/photopolymer solution-based ceramic slurry composition using a photopolymer that melts Campin at room temperature, and a 3D printing technology using the same. The above technology overcomes the limitations of cam pin's freezing point (melting point) above room temperature and manufactures porous ceramic through thermally induced phase separation by lowering the temperature of the slurry to below the phase separation temperature during the printing process (Non-patent Document 2).

하지만, 위의 기술은 포토폴리머 재료에 따라 상온에서 캠핀을 녹일 수 있는 양이 정해지고, 또한, 캠핀 함량에 따라 상분리 온도가 변하여 캠핀 함량 조절을 통해 캠핀 유도 마이크로스케일 기공 구조 조절 (기공도, 기공 형상 등)에 한계가 있었다.However, in the above technology, the amount of campin that can be melted at room temperature is determined depending on the photopolymer material, and the phase separation temperature changes depending on the campin content, so the campin-induced microscale pore structure can be controlled by adjusting the campin content (porosity, pore size, etc.) There were limitations in shape, etc.).

1. Journal of the American Ceramic Society, 95(12), 3763-37681. Journal of the American Ceramic Society, 95(12), 3763-3768 2. Journal of the European Ceramic Society, 41(1), 655-662,2. Journal of the European Ceramic Society, 41(1), 655-662,

본 발명은 서로 다른 캠핀 용해도를 가지는 두 포토폴리머를 적용한 캠핀/포토폴리머 용액을 기반으로, 정해진 재료에서도 두 포토폴리머 간의 비율을 조절함으로써 캠핀 함량이 변하여도 일정한 상분리 온도를 가질 수 있는 광경화성 세라믹 슬러리 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다. The present invention is based on a campine/photopolymer solution using two photopolymers with different campine solubilities, and is a photocurable ceramic slurry that can have a constant phase separation temperature even when the campine content changes by adjusting the ratio between the two photopolymers even in a given material. The purpose is to provide a composition.

본 발명은 20 내지 30℃에서 캠핀 및 포토폴리머를 혼합하여 캠핀/포토폴리머 용액을 제조하는 단계; 및 The present invention includes the steps of mixing campine and photopolymer at 20 to 30°C to prepare a campine/photopolymer solution; and

상기 캠핀/포토폴리머 용액, 세라믹 분말, 분산제 및 광경화 개시제를 혼합하여 광경화성 세라믹 슬러리 조성물을 제조하는 단계를 포함하고,Comprising the step of mixing the campine/photopolymer solution, ceramic powder, dispersant, and photocuring initiator to prepare a photocurable ceramic slurry composition,

상기 포토폴리머는 트리에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트(TEGDMA) 및 폴리에틸렌 글리콜 디아크릴레이트(PEGDA)를 포함하며, The photopolymer includes triethylene glycol dimethacrylate (TEGDMA) and polyethylene glycol diacrylate (PEGDA),

상기 광경화성 세라믹 슬러리 조성물에서 캠핀의 결정화 온도는 5 내지 15℃인, 광경화성 세라믹 슬러리 조성물의 제조 방법을 제공한다. A method for producing a photocurable ceramic slurry composition is provided, wherein the crystallization temperature of cam pin in the photocurable ceramic slurry composition is 5 to 15°C.

또한, 본 발명은 전술한 제조 방법에 의해 제조되고, In addition, the present invention is manufactured by the above-described manufacturing method,

캠핀, 포토폴리머, 세라믹 분말, 분산제 및 광경화 개시제를 포함하며,Contains campine, photopolymer, ceramic powder, dispersant and photocuring initiator,

20 내지 30℃에서 캠핀은 조성물 내에서 액상으로 존재하고, 상기 캠핀의 결정화 온도는 5 내지 15℃인 광경화성 세라믹 슬러리 조성물을 제공한다. Provided is a photocurable ceramic slurry composition in which campin exists in a liquid state in the composition at 20 to 30°C, and the crystallization temperature of the campin is 5 to 15°C.

또한, 본 발명은 광경화성 세라믹 슬러리 조성물을 3D 프린팅 베드에 도포하여 3D 프린트용 세라믹 슬러리 층을 형성하는 단계;In addition, the present invention includes forming a ceramic slurry layer for 3D printing by applying a photocurable ceramic slurry composition to a 3D printing bed;

캠핀의 고화 유도 후, 미리 디자인된 형상으로 광경화하여 세라믹 구조물을 성형하는 단계;After inducing solidification of the cam pin, forming a ceramic structure by photocuring it into a pre-designed shape;

상기 세라믹 구조물을 동결건조하여 마이크로 기공이 형성된 다공성 세라믹 구조물을 형성하는 단계; 및Forming a porous ceramic structure with micropores by freeze-drying the ceramic structure; and

상기 다공성 세라믹 구조물을 고온에서 열 처리하는 단계를 포함하며,It includes heat treating the porous ceramic structure at a high temperature,

상기 3D 프린팅 베드의 온도는 -20 내지 15℃인 The temperature of the 3D printing bed is -20 to 15°C.

3차원적으로 연결된 마이크로 기공 구조를 가지는 3차원 다공성 지지체의 제조 방법을 제공한다. A method for manufacturing a three-dimensional porous support having a three-dimensionally connected micro-pore structure is provided.

본 발명에서는 캠핀에 대한 용해도가 다른 포토폴리머의 혼합물을 적용하여, 캠핀의 녹는점과 상관없이 캠핀 함량을 조절하여도 일정한 상분리 온도 설정이 가능하여, 특정 프린팅 온도 조건에서 미세 기공 구조가 제어된 다공성 세라믹 프린팅을 수행할 수 있다.In the present invention, by applying a mixture of photopolymers with different solubilities for campin, it is possible to set a constant phase separation temperature even by adjusting the campine content regardless of the melting point of campin, thereby creating porosity with a controlled micropore structure under specific printing temperature conditions. Ceramic printing can be performed.

본 발명에 따른 광경화성 세라믹 슬러리 조성물은 다공성 형성을 위한 캠핀의 상분리 온도 및 이를 위한 프린팅 온도 설정이 자유로워, 별도의 가열 없이 상온에서도 제조될 수 있다. 또한, 기공도 조절을 위해 캠핀 함량을 조절한 여러 슬러리 조성물에 대하여, 다공성 형성을 위한 상분리 온도 설정이 개별적으로 가능하여 동일한 프린팅 온도 조건에서 프린팅 할 수 있다. 또한, 다양한 캠핀 함량을 가진 상기 슬러리 조성물는 별도의 가열 없이 상온에서 제조할 수 있고, 비교적 상온에 가까운 상분리 온도 설정이 가능하여, 에너지 효율적이며, 기존 수분 흡착의 문제를 해결할 수 있다..The photocurable ceramic slurry composition according to the present invention can be freely set at the phase separation temperature of the cam pin for forming porosity and the printing temperature for this, and can be manufactured at room temperature without separate heating. In addition, for various slurry compositions in which the campine content is adjusted to control porosity, the phase separation temperature for porosity formation can be set individually, allowing printing under the same printing temperature conditions. In addition, the slurry composition with various campine contents can be manufactured at room temperature without separate heating, and the phase separation temperature can be set relatively close to room temperature, making it energy efficient and solving the problem of existing moisture adsorption.

또한, 본 발명에 따른 슬러리 조성물은 온도가 조절되는 프린팅 베드 위에서 캠핀이 상분리되며 반고체 상태로 되므로, 3차원 프린팅 기술에서 일정 수준 이상의 오버행 각도(overhang angle)를 가지는 구조의 적층 제조시 무너짐을 방지하기 위한 프린팅 서포터가 불필요하다.In addition, the slurry composition according to the present invention has cam pins phase separated on a temperature-controlled printing bed and becomes a semi-solid state, so it prevents collapse during laminated manufacturing of a structure with an overhang angle above a certain level in 3D printing technology. There is no need for a printing supporter for this purpose.

본 발명에 의해 제조된 3차원 다공성 지지체는 미세 기공 구조가 제어되어 3차원 복잡형상을 가질 수 있다. 구체적으로, 3차원 프린팅을 통한 100 ㎛ 이상의 기공 구조와 캠핀에 의해 유도된 수~수십 ㎛ 수준의 기공 구조를 가지고, 소결 조건 조절을 통한 세라믹 분말의 치밀화 정도(간격) 조절을 통해 수십~수백 nm 수준의 기공 혹은 표면 제어가 가능하여, 골 대체제와 같은 바이오 및 에너지 분야 등에 다양하게 활용될 수 있다.The three-dimensional porous support manufactured by the present invention has a controlled micropore structure and can have a three-dimensional complex shape. Specifically, it has a pore structure of more than 100 ㎛ through 3D printing and a pore structure of several to several tens of ㎛ induced by cam pin, and the degree of densification (spacing) of the ceramic powder by controlling the sintering conditions is adjusted to tens to hundreds of nm. It can be used in a variety of areas such as bio and energy fields, such as bone substitutes, as it can control pores or surfaces at any level.

도 1은 상온에서 각 포토폴리머에서의 캠핀 용해 양상을 나타낸다.
도 2는 상온에서의 캠핀/TEGDMA/PEGDA 상평형도를 나타낸다.
도 3은 캠핀 함량과 각 포토폴리머의 함량이 조절된 조성 별 DSC 측정 결과를 나타낸다.
도 4는 DLP 방식의 다공성 세라믹 3D 프린팅 모식도를 나타낸다.
도 5는 제조 과정 별 슬러리의 상태 변화를 나타낸다.
도 6은 실시예 조성 별 TGA 측정 결과를 나타낸다.
도 7은 실시예 조성 별 다공성 세라믹 구조물을 나타낸다.
도 8은 실시예 조성 별 다공성 세라믹 구조물의 내부 미세 구조 SEM 사진을 나타낸다.
도 9는 실시예 조성 별 다공성 세라믹 구조물의 외부 미세 구조 SEM 사진을 나타낸다.
도 10은 실시예 조성 별 다공성 지지체를 나타낸다.
도 11은 실시예 조성 별 다공성 지지체의 내부 미세 구조 SEM 사진 (1550℃ 소결)를 나타낸다.
도 12는 실시예 조성 별 다공성 지지체의 마이크로 CT 사진을 나타낸다.
도 13은 실시예 3-3의 최종 열처리 온도(1350, 1450, 1550℃) 조건에 따른 세라믹 미세 구조를 나타낸다.
Figure 1 shows the dissolution pattern of campine in each photopolymer at room temperature.
Figure 2 shows the phase equilibrium diagram of Campine/TEGDMA/PEGDA at room temperature.
Figure 3 shows the DSC measurement results for each composition in which the camphine content and the content of each photopolymer were adjusted.
Figure 4 shows a schematic diagram of porous ceramic 3D printing using the DLP method.
Figure 5 shows changes in the state of slurry according to the manufacturing process.
Figure 6 shows TGA measurement results for each composition in the examples.
Figure 7 shows porous ceramic structures according to composition in Examples.
Figure 8 shows SEM photographs of the internal microstructure of porous ceramic structures for each composition in Examples.
Figure 9 shows SEM photographs of the external microstructure of porous ceramic structures for each composition in Examples.
Figure 10 shows porous supports according to composition in Examples.
Figure 11 shows SEM photographs (sintered at 1550°C) of the internal microstructure of porous supports for each composition in Examples.
Figure 12 shows micro-CT images of porous supports for each composition in Examples.
Figure 13 shows the ceramic microstructure according to the final heat treatment temperature (1350, 1450, 1550°C) conditions of Example 3-3.

본 발명은 20 내지 30℃에서 캠핀 및 포토폴리머를 혼합하여 캠핀/포토폴리머 용액을 제조하는 단계; 및The present invention includes the steps of mixing campine and photopolymer at 20 to 30°C to prepare a campine/photopolymer solution; and

상기 캠핀/포토폴리머 용액, 세라믹 분말, 분산제 및 광경화 개시제를 혼합하여 광경화성 세라믹 슬러리 조성물을 제조하는 단계를 포함하는 광경화성 세라믹 슬러리 조성물의 제조 방법에 관한 것이다.It relates to a method for producing a photocurable ceramic slurry composition, including the step of preparing a photocurable ceramic slurry composition by mixing the campine/photopolymer solution, ceramic powder, dispersant, and photocuring initiator.

기존의 동결주조 방식의 캠핀을 이용한 다공성 세라믹 제조 방법들은, 상온에서 고체인 캠핀을 녹이기 위해 지속적으로 열을 가하여 액상을 유지하면서 세라믹 분말을 고르게 분산시킨 슬러리를 제조하고, 몰드 등을 이용해 형상을 고정한 후 캠핀을 응고시켰다. 이로 인해 에너지 소모가 많고, 가열하며 세라믹 분말을 분산시키는 별도의 장비가 필요했다. Existing methods for manufacturing porous ceramics using cam pins using freeze casting methods involve continuously applying heat to melt solid cam pins at room temperature to produce a slurry in which ceramic powder is evenly dispersed while maintaining the liquid state, and fixing the shape using a mold, etc. After that, the camphin was solidified. As a result, it consumed a lot of energy and required separate equipment to heat and disperse the ceramic powder.

본 발명의 발명자의 기존 연구에서는 캠핀을 녹이는 포토폴리머를 기반으로 열적 유도 상분리하여 다공성 세라믹을 제조하는 3D 프린팅 기술을 개발하였다. 그러나, 포토폴리머 종류 및 캠핀 함량 등에 따라 상기 캠핀의 상분리 온도가 변화하여, 마이크로스케일 기공 구조 제어를 위한 캠핀 함량 조절에 한계가 있었다. 구체적으로, 특정 온도에서 캠핀을 녹일 수 있는 양(용해도)이 일정하므로, 기공도 조절을 위해 캠핀 함량을 조절할 경우 슬러리 조성물에서 캠핀의 포화도가 달라져 상분리를 위해 필요한 온도 또한 달라지게 된다. 이에 의해, 캠핀의 함량에 따라 3D 프린팅 시의 플랫폼의 온도가 달라지게 되고, 이는 층 사이마다 수분이 흡착되어 프린팅이 어렵다는 단점을 가진다.In the previous research of the inventor of the present invention, a 3D printing technology was developed to manufacture porous ceramics through thermally induced phase separation based on photopolymer that melts cam pins. However, the phase separation temperature of the campine varies depending on the type of photopolymer and the campine content, so there is a limit to controlling the campine content to control the microscale pore structure. Specifically, since the amount of campine that can be dissolved (solubility) at a specific temperature is constant, when the campine content is adjusted to control porosity, the saturation degree of campine in the slurry composition changes, and the temperature required for phase separation also changes. As a result, the temperature of the platform during 3D printing varies depending on the content of cam pin, which has the disadvantage of making printing difficult because moisture is adsorbed between layers.

이에, 본 발명에서는 상온에서 캠핀을 다량(50 중량부 이상) 녹일 수 있는 포토폴리머와 소량(50 중량부 미만) 녹이거나, 녹이지 않는 포토폴리머를 선정하고, 캠핀과 두 포토폴리머가 서로 잘 섞여 용액을 형성할 수 있는 포토폴리머를 선택하였다. 그리고, 캠핀/포토폴리머 용액의 상온에서의 삼성분계 상평형도(ternary phase diagram)을 통해 성분 비율에 따른 상분리 지점을 파악하고, 5 내지 15℃의 온도에서 원하는 함량의 캠핀이 상분리되는 조성을 선정하였다. Therefore, in the present invention, a photopolymer that can melt a large amount (50 parts by weight or more) of cam pin at room temperature and a photopolymer that melts a small amount (less than 50 parts by weight) or does not melt cam pin are selected, and the cam pin and the two photopolymers are well mixed. A photopolymer capable of forming a solution was selected. In addition, the phase separation point according to the component ratio was identified through a ternary phase diagram of the campine/photopolymer solution at room temperature, and a composition in which the desired amount of campine phase separated at a temperature of 5 to 15°C was selected. .

선정된 캠핀/포토폴리머 용액과 세라믹 분말, 분산제 및 광경화 개시제를 혼합하여 광경화성 세라믹 슬러리 조성물을 제조하였다. 제조된 슬러리 조성물은 캠핀 함량에 따라 조절된 포토폴리머의 비율(두 단량체 간 비율)에 의해 캠핀 함량에 관계없이 5 내지 15℃에서 상분리될 수 있다.A photocurable ceramic slurry composition was prepared by mixing the selected campine/photopolymer solution with ceramic powder, dispersant, and photocuring initiator. The prepared slurry composition can be phase-separated at 5 to 15°C regardless of the campine content by adjusting the ratio of the photopolymer (ratio between the two monomers) according to the campine content.

상기 광경화성 세라믹 슬러리 조성물을 온도 제어가 가능한 3D 프린팅 베드에 일정 두께로 도포하고, 캠핀의 상분리(고화)를 유도하였다. 그 다음, 3차원 디자인 형상을 각 층에 맞게 슬라이스한 2차원 DLP 광에 의해 선택적 경화 과정을 반복하여 3차원 구조물을 제조하였다(세라믹 구조물 제조). 제조된 세라믹 구조물은 세척 후 동결건조 등을 통해 상분리된 고체 캠핀이 제거되어 마이크로스케일 기공이 형성되며, 일정 수준 이상의 캠핀 함량에서 3차원적으로 연결된 기공 구조를 형성한다(다공성 세라믹 구조물 제조). 그 다음, 제어된 열처리 과정을 통해 유기 화합물(세라믹 이외의 재료)이 제거되고, 소결 과정을 통해 세라믹 분말 사이의 수십~수백 나노스케일의 기공 또는 세라믹 구조의 표면이 제어될 수 있다.The photocurable ceramic slurry composition was applied to a certain thickness on a temperature-controllable 3D printing bed, and phase separation (solidification) of the cam pin was induced. Next, a 3D structure was manufactured by repeating the selective curing process using 2D DLP light that sliced the 3D design shape for each layer (ceramic structure manufacturing). In the manufactured ceramic structure, microscale pores are formed by removing phase-separated solid campines through washing and freeze-drying, and at a campine content above a certain level, a three-dimensionally connected pore structure is formed (porous ceramic structure manufacturing). Next, organic compounds (materials other than ceramics) are removed through a controlled heat treatment process, and the surface of the ceramic structure or tens to hundreds of nanoscale pores between ceramic powders can be controlled through a sintering process.

결과적으로, 본 발명에서는 광경화성 세라믹 슬러리 조성물의 3D 프린팅을 통해 100 ㎛ 이상의 기공 구조가 제어되고, 캠핀 함량 조절을 통해 수~수십 ㎛ 수준의 기공 구조가 제어되며, 열처리(소결) 조건 제어를 통해 세라믹 분말 간 치밀화 정도를 조절하여 수십~수백 nm 수준의 기공 혹은 세라믹 구조의 표면이 제어된 다공성 지지체를 제공한다.As a result, in the present invention, the pore structure of 100 ㎛ or more is controlled through 3D printing of the photocurable ceramic slurry composition, the pore structure of several to tens of ㎛ is controlled by controlling the cam pin content, and the pore structure is controlled at the level of several to tens of ㎛ by controlling the heat treatment (sintering) conditions. By adjusting the degree of densification between ceramic powders, a porous support with controlled pores of tens to hundreds of nm or the surface of the ceramic structure is provided.

이하, 본 발명의 광경화성 세라믹 슬러리 조성물의 제조 방법을 보다 상세하게 설명한다. Hereinafter, the method for producing the photocurable ceramic slurry composition of the present invention will be described in more detail.

슬러리(slurry)는 일반적으로 고농도의 현탁 물질을 함유한 유동성이 적은 액체 상태를 의미한다. 본 발명에서는 하기에 설명할 캠핀, 포토폴리머, 세라믹 분말, 분산제 및 광경화 개시제를 포함하는 조성물을 슬러리라 표현할 수 있다. Slurry generally refers to a liquid state with low fluidity containing a high concentration of suspended substances. In the present invention, a composition containing campine, photopolymer, ceramic powder, dispersant, and photocuring initiator, which will be described below, can be expressed as a slurry.

본 발명에 따른 광경화성 세라믹 슬러리 조성물(이하, 슬러리 조성물)의 제조 방법은 (S1) 20 내지 30℃에서 캠핀 및 포토폴리머를 혼합하여 캠핀/포토폴리머 용액을 제조하는 단계; 및 The method for producing a photocurable ceramic slurry composition (hereinafter, slurry composition) according to the present invention includes the steps of (S1) mixing campine and photopolymer at 20 to 30°C to prepare a campine/photopolymer solution; and

(S2) 상기 캠핀/포토폴리머 용액, 세라믹 분말, 분산제 및 광경화 개시제를 혼합하여 광경화성 세라믹 슬러리 조성물을 제조하는 단계를 포함한다. (S2) comprising mixing the campine/photopolymer solution, ceramic powder, dispersant, and photocuring initiator to prepare a photocurable ceramic slurry composition.

먼저, 단계 (S1)은 캠핀/포토폴리머 용액을 제조하는 단계이다. First, step (S1) is a step of preparing a campine/photopolymer solution.

본 발명에서 캠핀(Camphene)은 동결매체로 기공제로 사용되어 다공성 지지체 내에 서로 연결된 기공을 구현하게 할 수 있다. 상기 캠핀은 상온에서 고체상태지만 특정 온도에서는 액체 상태가 되는 특성을 가진다. 구체적으로, 캠핀은 액체 상태에서 냉각되면 고체 결정을 형성하며 본 물질 외의 물질들을 밀어내고, 성형 과정 이후 제거되어 기공을 형성할 수 있다.In the present invention, Camphene can be used as a freezing medium and a pore agent to create interconnected pores within a porous support. The cam pin is in a solid state at room temperature, but has the property of being in a liquid state at a certain temperature. Specifically, when campine is cooled from a liquid state, it forms a solid crystal and pushes out materials other than the original material, and can be removed after the molding process to form pores.

본 발명에서 상기 캠핀은 상온의 광경화성 세라믹 슬러리 조성물 내에서 액체 상태로 존재할 수 있다. In the present invention, the cam pin may exist in a liquid state in a photocurable ceramic slurry composition at room temperature.

본 발명에서 포토폴리머(광경화성 단량체)는 상온에서 캠핀을 용해시킬 수 있다. 또한, 상기 포토폴리머는 세라믹 분말의 균일한 복합화, 및 광경화성 세라믹 슬러리 조성물의 점도 및 성형체의 강도의 제어하는 역할을 수행할 수 있다. In the present invention, the photopolymer (photocurable monomer) can dissolve campine at room temperature. In addition, the photopolymer can play a role in uniformly forming ceramic powder and controlling the viscosity of the photocurable ceramic slurry composition and the strength of the molded body.

본 발명에서 포토폴리머는 사전적 의미인 '빛의 조사에 의해 고분자를 형성할 수 있는 단위분자'뿐만 아니라, 상기 단위분자가 낮은 정도로 중합하여 생성되는 소중합체인 올리고머를 포함하는 의미로 사용될 수 있다. In the present invention, photopolymer can be used in the dictionary meaning of 'unit molecule capable of forming a polymer by irradiation of light', as well as oligomer, which is an oligomer produced by polymerizing the unit molecule to a low degree. .

이러한 포토폴리머는 상온에서 캠핀을 다량(50 중량부 이상) 녹일 수 있는 포토폴리머와 소량(50 중량부 미만) 녹이거나, 녹이지 않는 포토폴리머의 혼합물이다.This photopolymer is a mixture of a photopolymer that can dissolve a large amount (more than 50 parts by weight) of campine at room temperature and a photopolymer that can dissolve a small amount (less than 50 parts by weight) or does not melt it.

일 구체예에서, 상온에서 캠핀을 다량 녹일 수 있는 포토폴리머와 상온에서 캠핀을 소량 녹이거나, 녹이지 않는 포토폴리머는 혼합성(miscibility)을 가져 안정적으로 섞일 수 있고, 점도가 충분히 낮아 캠핀 함량이 변하여 혼합 비율이 조절되어도 슬러리 조성물의 제조가 가능하다.In one embodiment, a photopolymer that can dissolve a large amount of campine at room temperature and a photopolymer that melts a small amount of campine at room temperature or does not melt a small amount of campine at room temperature have miscibility and can be stably mixed, and the viscosity is sufficiently low that the campine content is low. Even if the mixing ratio is adjusted, it is possible to produce a slurry composition.

일 구체예에서, 상온에서 캠핀을 다량 녹일 수 있는 포토폴리머는 트리에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트(Triethylene glycol dimethacrylate, TEGDMA)이며, 상온에서 캠핀을 소량 녹이거나, 녹이지 않는 포토폴리머는 폴리에틸렌 글리콜 디아크릴레이트(Polyethylene glycol diacrylate, PEGDA)이다.In one embodiment, the photopolymer that can dissolve a large amount of campine at room temperature is triethylene glycol dimethacrylate (TEGDMA), and the photopolymer that melts a small amount of campine or does not dissolve campine at room temperature is polyethylene glycol diacrylate. It is polyethylene glycol diacrylate (PEGDA).

본 발명에서는 상온에서 캠핀을 다량 녹일 수 있는 포토폴리머와 상온에서 캠핀을 소량 녹이거나, 녹이지 않는 포토폴리머를 혼합 사용함으로써, 캠핀의 농도(함량)에 관계없이 일정한 온도 조건에서 광경화 방식의 3D 프린팅이 가능한 슬러리 조성물을 제조할 수 있다. 또한, 캠핀의 함량에 관계없이 슬러리 조성물 내에서 캠핀의 상분리 온도를 일정하게 조절할 수 있어, 공정을 간소화할 수 있다.In the present invention, by using a mixture of a photopolymer that can melt a large amount of campin at room temperature and a photopolymer that melts a small amount of campin or does not melt a small amount of campin at room temperature, 3D photocuring is achieved under constant temperature conditions regardless of the concentration (content) of campin. A slurry composition capable of printing can be prepared. In addition, regardless of the content of campine, the phase separation temperature of campine can be constantly controlled within the slurry composition, thereby simplifying the process.

일 구체예에서, 슬러리 조성물에서 캠핀의 결정화 온도는 5 내지 15℃ 또는 10 내지 12℃일 수 있다. In one embodiment, the crystallization temperature of campine in the slurry composition may be 5 to 15°C or 10 to 12°C.

일 구체예에서, 상기 캠핀의 함량은 슬러리 조성물 100 중량부에 대하여 10 내지 60 중량부, 또는 10 내지 40 중량부일 수 있으며, 부피비로는 5 내지 80 vol%, 10 내지 70 vol%, 20 내지 60 vol% 또는 20 내지 50 vol%일 수 있다. 또한, 포토폴리머의 함량은 슬러리 조성물 100 중량부에 대하여 5 내지 40 중량부, 또는 10 내지 25 중량부일 수 있다. In one embodiment, the content of the campine may be 10 to 60 parts by weight, or 10 to 40 parts by weight, based on 100 parts by weight of the slurry composition, and the volume ratio is 5 to 80 vol%, 10 to 70 vol%, and 20 to 60 parts by weight. It may be vol% or 20 to 50 vol%. Additionally, the content of the photopolymer may be 5 to 40 parts by weight, or 10 to 25 parts by weight, based on 100 parts by weight of the slurry composition.

일 구체예에서, 캠핀 및 포토폴리머의 중량비는 2:8 내지 7:3 또는 3:7 내지 7:3일 수 있다. 상기 범위에서 캠핀과 포토폴리머의 상분리가 일어나지 않으며, 상온에서 캠핀을 포토폴리머에 최대한 용해시킬 수 있다. 바인더 역할을 하는 광경화 단량체의 함량을 너무 적게 사용하거나 캠핀을 너무 많이 사용하는 경우에는 기공율이 높아지고 지지체의 강도가 약해 쉽게 부서질 우려가 있으며, 광경화 단량체의 함량이 너무 많이 사용되는 경우에는 마이크로 기공 구현이 어려울 우려가 있으므로 상기 범위로 조절하는 것이 좋다. In one embodiment, the weight ratio of campine and photopolymer may be 2:8 to 7:3 or 3:7 to 7:3. In the above range, phase separation between campin and photopolymer does not occur, and campin can be maximally dissolved in the photopolymer at room temperature. If too little of the photocurable monomer that acts as a binder is used or too much cam pin is used, the porosity will increase and the strength of the support will be weak, which may cause it to break easily. If too much of the photocurable monomer is used, the support may be easily broken. Since there are concerns that it may be difficult to implement pores, it is recommended to adjust it to the above range.

일 구체예에서, 상온에서 캠핀을 다량 녹일 수 있는 포토폴리머와 상온에서 캠핀을 소량 녹이거나, 녹이지 않는 포토폴리머의 중량비는 2:8 내지 9:1 또는 4:6 내지 9:1일 수 있다. In one embodiment, the weight ratio of the photopolymer that can dissolve a large amount of campin at room temperature and the photopolymer that melts a small amount of campin or does not melt campin at room temperature may be 2:8 to 9:1 or 4:6 to 9:1. .

일 구체예에서, 단계 (S1)에서 캠핀 및 포토폴리머를 혼합하여 캠핀/포토폴리머 용액을 제조하며, 상기 단계는 20 내지 30℃ 또는 상온에서 수행될 수 있다. In one embodiment, in step (S1), campine and photopolymer are mixed to prepare a campine/photopolymer solution, and this step may be performed at 20 to 30° C. or room temperature.

본 발명에서 단계 (S2)는 단계 (S1)에서 제조된 캠핀/포토폴리머 용액, 세라믹 분말, 분산제 및 광경화 개시제를 혼합하는 단계이다. 상기 단계를 통해 광경화성 세라믹 슬러리 조성물을 제조할 수 있다. In the present invention, step (S2) is a step of mixing the campine/photopolymer solution prepared in step (S1), ceramic powder, dispersant, and photocuring initiator. A photocurable ceramic slurry composition can be prepared through the above steps.

본 발명에서 슬러리 조성물은 세라믹 분말을 포함하여 세라믹 구조물 및 지지체의 물성을 향상시킬 수 있다. 이러한 세라믹 분말은 슬러리 조성물에 5 내지 40 vol%의 부피로 포함될 수 있다. 5 vol% 미만의 저함량의 슬러리 조성물의 경우, 제조는 용이하나 품질 저하가 발생할 우려가 있다.In the present invention, the slurry composition can improve the physical properties of ceramic structures and supports by including ceramic powder. This ceramic powder may be included in a volume of 5 to 40 vol% in the slurry composition. In the case of a slurry composition with a low content of less than 5 vol%, it is easy to manufacture, but there is a risk of quality deterioration.

일 구체예에서, 세라믹 분말의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 수산화인회석(Hydroxy Apatite; HA), 불소 함유 수산화인회석(Fluoridated Hydroxy Apatite, FHA), 삼인산칼슘(tricalciumphosphate, TCP), BCP(biphasic calcium phosphate), 알루미나(alumina), 지르코니아(zirconina), 실리카(silica) 및 바이오글래스로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상을 사용할 수 있다. In one embodiment, the type of ceramic powder is not particularly limited, and for example, Hydroxy Apatite (HA), Fluoridated Hydroxy Apatite (FHA), tricalciumphosphate (TCP), BCP ( One or more selected from the group consisting of biphasic calcium phosphate, alumina, zirconina, silica, and bioglass may be used.

일 구체예에서, 세라믹 분말의 평균 입자 크기는 특별히 제한되지 않으며, 0.05 내지 10 ㎛, 구체적으로 0.1 내지 5 ㎛, 보다 구체적으로 0.1 내지 1 ㎛일 수 있다. 상기 범위에서 분산이 용이하다.In one embodiment, the average particle size of the ceramic powder is not particularly limited and may be 0.05 to 10 ㎛, specifically 0.1 to 5 ㎛, and more specifically 0.1 to 1 ㎛. Dispersion is easy within the above range.

또한, 세라믹 분말의 함량은 슬러리 조성물 100 중량부에 대하여 10 내지 70 중량부 또는 20 내지 60 중량부일 수 있다. 상기 함량 범위에서 물성이 우수한 세라믹 구조물 및 지지체를 제조할 수 있다. Additionally, the content of the ceramic powder may be 10 to 70 parts by weight or 20 to 60 parts by weight based on 100 parts by weight of the slurry composition. Within the above content range, ceramic structures and supports with excellent physical properties can be manufactured.

본 발명에서 분산제는 포토폴리머, 캠핀 및 세라믹 분말을 균일하게 혼합시키기 위해 사용할 수 있다. In the present invention, the dispersant can be used to uniformly mix photopolymer, campine, and ceramic powder.

일 구체예에서, 분산제의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 자일렌(xylene), 아세테이트(acetate)를 가지는 유기물, 알킬암모늄염 공중합체 화합물, 폴리에스터/폴리에테르(Polyester/polyether)계 화합물, 인산(Phosphoric acid)기를 함유한 공중합체 및 아민기를 가지는 공중합체로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상을 사용할 수 있다. In one embodiment, the type of dispersant is not particularly limited and includes, for example, xylene, an organic material containing acetate, an alkylammonium salt copolymer compound, and a polyester/polyether-based compound. , one or more selected from the group consisting of a copolymer containing a phosphoric acid group and a copolymer having an amine group may be used.

일 구체예에서, 분산제의 함량은 슬러리 조성물 100 중량부에 대하여 1 내지 10 중량부, 1 내지 5 중량부, 또는 1 내지 3 중량부일 수 있다. 상기 범위에서 균일한 슬러리 조성물을 제조할 수 있다. 함량이 1 중량부 미만이면, 세라믹 분말 입자들이 서로 응집하여 균일한 조성을 갖는 슬러리를 제조하기 어렵고, 10 중량부를 초과하면, 강도가 저하될 우려가 있다.In one embodiment, the content of the dispersant may be 1 to 10 parts by weight, 1 to 5 parts by weight, or 1 to 3 parts by weight based on 100 parts by weight of the slurry composition. A uniform slurry composition can be prepared within the above range. If the content is less than 1 part by weight, it is difficult to produce a slurry with a uniform composition due to the ceramic powder particles agglomerating with each other, and if it exceeds 10 parts by weight, there is a risk that the strength may decrease.

또한, 본 발명에서 광경화 개시제는 선택적으로 조절되는 특정 파장대의 전자기파에 의해 자유라디칼을 형성하여 포토폴리머를 중합시킬 수 있다. Additionally, in the present invention, the photocuring initiator can polymerize the photopolymer by forming free radicals using electromagnetic waves in a selectively controlled specific wavelength range.

일 구체예에서, 광경화 개시제의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 페닐비스(2,4,6-트리메틸 벤조일포스핀 옥사이드)(Phenylbis(2, 4, 6-trimethyl benzoylphosphine oxide), PPO), 페닐비스(2,4,6-트리메틸 벤조일포스핀 옥사이드)(Phenylbis(2, 4, 6-trimethyl benzoylphosphine oxide), PPO), 1-하이드록시-사이클로헥실-펜닐-케톤(1-Hydroxy-cyclohexyl-phenyl-ketone), 2-하이드록시-2-메틸-1-페닐-1-프로판온(2-Hydroxy-2-methyl-1-phenyl-1-propanone), 2-히드록시-1-[4-(2-하이드록시에톡시)페닐]-2-메틸-1-프로판온(2-Hydroxy-1-[4-(2-hydroxyethoxy) phenyl]-2-methyl-1-propanone), 메틸벤조일포르메이트(Methylbenzoylformate), 옥시-페닐-아세트산-2-[2-옥소-2-페닐-아세톡시-에톡시]-에틸 에스테르(oxy-phenyl-acetic acid -2-[2 oxo-2phenyl-acetoxy-ethoxy]-ethyl ester), 옥시-페닐-아세트산-2-[2-하이드록시-에톡시]-에틸 에스테르(oxy-phenyl-acetic acid-2-[2-hydroxy-ethoxy]-ethyl ester), 알파-디메톡시-알파-페닐아세토페논(alpha-dimethoxy-alpha-phenylacetophenone), 2-벤질-2-(디메틸아미노)1-[4-(4-모르폴리닐) 페닐]-1-부타논(2-Benzyl-2-(dimethylamino)-1-[4-(4-morpholinyl) phenyl]-1-butanone), 2-메틸-1-[4-(메틸티오)페닐]-2-(4-모르폴리닐)-1-프로판온(2-Methyl-1-[4-(methylthio)phenyl]-2-(4-morpholinyl)-1-propanone) 및 디페닐 (2,4,6-트리메틸벤조일)-포스핀 옥사이드(Diphenyl (2,4,6-trimethylbenzoyl)-phosphine oxide, TPO)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상을 사용할 수 있다. In one embodiment, the type of photocuring initiator is not particularly limited, and for example, Phenylbis(2,4,6-trimethyl benzoylphosphine oxide), PPO ), Phenylbis(2, 4, 6-trimethyl benzoylphosphine oxide), PPO), 1-Hydroxy-cyclohexyl-phenyl-ketone (1-Hydroxy- cyclohexyl-phenyl-ketone), 2-Hydroxy-2-methyl-1-phenyl-1-propanone (2-Hydroxy-2-methyl-1-phenyl-1-propanone), 2-hydroxy-1-[ 4-(2-hydroxyethoxy)phenyl]-2-methyl-1-propanone (2-Hydroxy-1-[4-(2-hydroxyethoxy) phenyl]-2-methyl-1-propanone), methylbenzoyl Formate (Methylbenzoylformate), oxy-phenyl-acetic acid -2-[2-oxo-2-phenyl-acetoxy-ethoxy]-ethyl ester (oxy-phenyl-acetic acid -2-[2 oxo-2phenyl-acetoxy- ethoxy]-ethyl ester), oxy-phenyl-acetic acid-2-[2-hydroxy-ethoxy]-ethyl ester (oxy-phenyl-acetic acid-2-[2-hydroxy-ethoxy]-ethyl ester), alpha -Dimethoxy-alpha-phenylacetophenone (alpha-dimethoxy-alpha-phenylacetophenone), 2-benzyl-2-(dimethylamino)1-[4-(4-morpholinyl) phenyl]-1-butanone (2 -Benzyl-2-(dimethylamino)-1-[4-(4-morpholinyl) phenyl]-1-butanone), 2-methyl-1-[4-(methylthio)phenyl]-2-(4-morpholinyl) Nyl)-1-propanone (2-Methyl-1-[4-(methylthio)phenyl]-2-(4-morpholinyl)-1-propanone) and diphenyl (2,4,6-trimethylbenzoyl)-phosphenyl One or more selected from the group consisting of diphenyl (2,4,6-trimethylbenzoyl)-phosphine oxide (TPO) can be used.

일 구체예에서, 광경화 개시제의 함량은 슬러리 조성물 100 중량부에 대하여 0.1 내지 1 중량부 또는 0.2 내지 0.6 중량부일 수 있다. 또한, 광경화 개시제의 함량은 포토폴리머 100 중량부 대비 1 내지 5 중량부 또는 1 내지 3 중량부일 수 있다. 상기 범위에서 포토폴리머의 광경화가 용이하게 수행될 수 있다. In one embodiment, the content of the photocuring initiator may be 0.1 to 1 part by weight or 0.2 to 0.6 part by weight based on 100 parts by weight of the slurry composition. Additionally, the content of the photocuring initiator may be 1 to 5 parts by weight or 1 to 3 parts by weight based on 100 parts by weight of the photopolymer. Photocuring of the photopolymer can be easily performed within the above range.

일 구체예에서, 단계 (S2)에서 전술한 성분들, 즉, 캠핀/포토폴리머 용액, 세라믹 분말, 분산제 및 광경화 개시제의 혼합은 당업계의 일반적인 방법을 통해 수행될 수 있다. In one embodiment, mixing of the above-described components in step (S2), i.e., campine/photopolymer solution, ceramic powder, dispersant, and photocuring initiator, may be performed through a general method in the art.

일 구체예에서, 먼저, 캠핀/포토폴리머 용액, 세라믹 분말, 분산제를 혼합한 뒤, 광경화 개시제를 혼합할 수 있다. 또한, 세라믹 분말의 혼합시 지르코니아 볼을 추가하여 분말을 고르게 분산시킬 수 있다. In one embodiment, the campine/photopolymer solution, ceramic powder, and dispersant may first be mixed, and then the photocuring initiator may be mixed. Additionally, when mixing ceramic powder, zirconia balls can be added to evenly disperse the powder.

일 구체예에서, 상기 단계 (S2)는 단계 (S1)의 온도 조건, 즉 20 내지 30℃에서 수행될 수 있다.In one embodiment, step (S2) may be performed under the temperature conditions of step (S1), that is, 20 to 30°C.

전술한 단계 (S1) 및 (S2)를 통해 광경화성 세라믹 슬러리 조성물이 제조될 수 있다. 상기 제조된 광경화성 세라믹 슬러리 조성물의 온도는 20 내지 30℃일 수 있다. A photocurable ceramic slurry composition can be prepared through the above-described steps (S1) and (S2). The temperature of the prepared photocurable ceramic slurry composition may be 20 to 30°C.

또한, 본 발명은 전술한 광경화성 세라믹 슬러리 조성물의 제조 방법에 의해 제조된 광경화성 세라믹 슬러리 조성물에 관한 것이다. Additionally, the present invention relates to a photocurable ceramic slurry composition prepared by the method for producing the photocurable ceramic slurry composition described above.

본 발명에 따른 광경화성 세라믹 슬러리 조성물은 전술한 캠핀, 포토폴리머, 세라믹 분말, 분산제 및 광경화 개시제를 포함할 수 있다. The photocurable ceramic slurry composition according to the present invention may include the above-described cam pin, photopolymer, ceramic powder, dispersant, and photocure initiator.

상기 포토폴리머는 상온에서 캠핀을 다량 녹일 수 있는 포토폴리머와 상온에서 캠핀을 소량 녹이거나, 녹이지 않는 포토폴리머의 혼합물일 수 있다.The photopolymer may be a mixture of a photopolymer that can dissolve a large amount of campin at room temperature and a photopolymer that melts a small amount of campin or does not melt campin at room temperature.

일 구체예에서, 광경화성 세라믹 슬러리 조성물의 온도는 20 내지 30℃일 수 있다. 본 발명에서 사용되는 캠핀은 본 발명의 슬러리 조성물 내에서 액상으로 존재하므로, 3D 프린팅시 온도 조건에 영향을 받지 않고, 3D 프린팅을 수행할 수 있다. In one embodiment, the temperature of the photocurable ceramic slurry composition may be 20 to 30°C. Since the campin used in the present invention exists in a liquid state in the slurry composition of the present invention, 3D printing can be performed without being affected by temperature conditions during 3D printing.

또한, 캠핀의 함량과 관계없이 광경화성 세라믹 슬러리 조성물에서 캠핀의 상분리 온도는 일정하게 유지되므로, 3D 프린팅 시 캠핀의 함량에 따른 온도 및 습도에 영향을 받지 않는다.In addition, regardless of the content of campin, the phase separation temperature of campin is maintained constant in the photocurable ceramic slurry composition, so it is not affected by temperature and humidity depending on the content of campin during 3D printing.

또한, 본 발명은 전술한 광경화성 세라믹 슬러리 조성물을 사용한 세라믹 구조체의 제조 방법에 관한 것이다. Additionally, the present invention relates to a method of manufacturing a ceramic structure using the photocurable ceramic slurry composition described above.

본 발명의 세라믹 구조체의 제조 방법은 (A) 광경화성 세라믹 슬러리 조성물을 3D 프린팅 베드에 도포하여 3D 프린트용 세라믹 슬러리 층을 형성하는 단계;The method for manufacturing a ceramic structure of the present invention includes the steps of (A) applying a photocurable ceramic slurry composition to a 3D printing bed to form a ceramic slurry layer for 3D printing;

(B) 캠핀의 고화 유도 후, 미리 디자인된 형상으로 광경화하여 세라믹 구조물을 성형하는 단계;(B) forming a ceramic structure by inducing solidification of the cam pin and then photocuring it into a pre-designed shape;

(C) 상기 세라믹 구조물을 동결 건조하여 마이크로 기공이 형성된 다공성 세라믹 구조물을 형성하는 단계; 및(C) forming a porous ceramic structure with micropores by freeze-drying the ceramic structure; and

(D) 상기 다공성 세라믹 구조물을 고온에서 열 처리하는 단계를 포함한다. (D) heat treating the porous ceramic structure at high temperature.

본 발명에서는 전술한 광경화성 세라믹 슬러리 조성물을 사용하여 세라믹 구조물 및 세라믹 지지체의 형상을 유지할 수 있으며, 또한 상기 세라믹 지지체의 물성을 조절할 수 있다. In the present invention, the shape of the ceramic structure and the ceramic support can be maintained by using the photocurable ceramic slurry composition described above, and the physical properties of the ceramic support can also be adjusted.

본 발명에서는 컴퓨터 제어 기반의 3차원 프린팅 기술과 광경화 성형기술의 융합을 통해 기상용화된 3D 프린터에 적용 가능한 광경화성 세라믹 기반 3D 프린팅 기술을 제공할 수 있다. The present invention can provide a photocurable ceramic-based 3D printing technology applicable to vapor phase 3D printers through the fusion of computer control-based 3D printing technology and photocuring molding technology.

일 구체예에서, 본 발명의 광경화성 세라믹 슬러리 조성물은 탑-다운(Top-down) 프린팅 방식에 테이프-케스팅(tape casting) 기법을 적용시켜, 열전소자를 활용해 저온으로 설정 가능한 프린팅 베드 위에 얇은 슬러리 층을 쌓으며 캠핀 결정 형성 후 405 nm 파장대의 DLP 프로젝터로 광경화를 시킬 수 있는 장비에서 프린팅 될 수 있다. In one embodiment, the photocurable ceramic slurry composition of the present invention applies a tape casting technique to the top-down printing method, using a thermoelectric element to form a thin layer on a printing bed that can be set to a low temperature. After forming campine crystals by stacking slurry layers, they can be printed in equipment that can be photocured using a DLP projector in the 405 nm wavelength range.

본 발명에서 단계 (A)는 광경화성 세라믹 슬러리 조성물을 도포하는 단계로서, 3D 프린트용 세라믹 슬러리 층을 형성한다.In the present invention, step (A) is a step of applying a photocurable ceramic slurry composition to form a ceramic slurry layer for 3D printing.

본 발명에서 3D 프린팅은 컴퓨터로 미리 디자인된 프로그램을 따라 3차원 도면 데이터를 프린터를 이용하여 프린트할 수 있다.In the present invention, 3D printing can print 3D drawing data using a printer according to a program designed in advance on a computer.

구체적으로, 광경화성 세라믹 슬러리 조성물을 프린팅 베드에 도포하고, 20 내지 30℃의 온도 조건에서 닥터 블레이드를 이용하여 일정한 두께의 세라믹 슬러리 층을 형성할 수 있다. Specifically, the photocurable ceramic slurry composition may be applied to the printing bed, and a ceramic slurry layer of a constant thickness may be formed using a doctor blade at a temperature of 20 to 30°C.

이때, 프린팅 베드의 온도는 -20 내지 15℃일 수 있다. 상기 온도 범위에서 광경화성 세라믹 슬러리 조성물에서 적당한 속도로 캠핀이 고체로 상분리(고화)될 수 있다. 즉, 상기 온도에서 슬러리 코팅이 잘 일어날 뿐만 아니라, 캠핀의 결정 형성이 충분히 일어날 수 있다. At this time, the temperature of the printing bed may be -20 to 15°C. In the above temperature range, the cam pin may be phase separated (solidified) into a solid at an appropriate rate in the photocurable ceramic slurry composition. In other words, not only slurry coating can easily occur at the above temperature, but also crystal formation of cam pin can sufficiently occur.

특히, 마이크로스케일 기공을 구현하기 위한 슬러리 조성물 내에 포함되어 있는 캠핀은 상온에서 슬러리 조성물 내에 액상으로 존재하므로, 별도의 온도 조건의 설정 없이 상온에서 프린팅이 가능하다. 이를 통해, 종래 3D 프린팅 시 별도 프린팅 베드 가열을 하지 않을 경우 캠핀이 매우 빠르게 고화되어 닥터 블레이드를 사용하여 슬러리 층 형성 시, 균일하지 못한 두께를 가지게 되던 현상을 방지할 수 있다. In particular, campin contained in the slurry composition for realizing microscale pores exists in a liquid state in the slurry composition at room temperature, so printing is possible at room temperature without setting separate temperature conditions. Through this, when separate printing bed heating is not performed during conventional 3D printing, the cam pin solidifies very quickly, thereby preventing the phenomenon of having an uneven thickness when forming a slurry layer using a doctor blade.

일 구체예에서, 세라믹 슬러리 층의 두께는 닥터 블레이드를 이용하여 제어 가능하며, 25 내지 200 ㎛일 수 있다.In one embodiment, the thickness of the ceramic slurry layer is controllable using a doctor blade and may be 25 to 200 μm.

본 발명에서 단계 (B)는 단계 (A)에서 형성된 세라믹 슬러리 층에서 캠핀의 고화 유도 후, 광경화하는 단계이다. 본 발명에서는 미리 디자인된 형상으로 세라믹 슬러리 층을 광경화할 수 있다.In the present invention, step (B) is a step of inducing solidification of cam pin in the ceramic slurry layer formed in step (A) and then photocuring. In the present invention, the ceramic slurry layer can be photocured into a pre-designed shape.

본 발명에서는 세라믹 슬러리 층의 형성/광경화 과정을 연속적으로 반복 시행하여, 마이크로 기공을 갖는 세라믹 구조물을 성형할 수 있다.In the present invention, a ceramic structure with micropores can be formed by continuously repeating the ceramic slurry layer formation/photocuring process.

일 구체예에서, 고화 유도 시간은 슬러리 내 캠핀의 함량에 따라 조절될 수 있다.In one embodiment, the solidification induction time can be adjusted depending on the content of campine in the slurry.

일 구체예에서, 광경화는 405nm 파장대의 DLP 프로젝터에서 조사되는 가시광선 혹은 자외선에 의해 수행될 수 있다. 상기 자외선 조사는 UV 빔 등에 의해 수행될 수 있으며, 이때, 조사되는 자외선의 세기는 1 내지 300 W/m2일 수 있다.In one embodiment, photocuring may be performed by visible light or ultraviolet light emitted from a DLP projector in the 405 nm wavelength range. The ultraviolet irradiation may be performed using a UV beam, etc., and in this case, the intensity of the irradiated ultraviolet rays may be 1 to 300 W/m 2 .

일 구체예에서, 광경화 시간은 세라믹 슬러리 한층을 완벽하게 광경화시킬 수 있도록 결정될 수 있으며, 이때 시간이 짧으면 세라믹 성형층 간의 결합이 매우 약한 현상이 발생할 수 있다.In one embodiment, the photocuring time may be determined to completely photocure one layer of the ceramic slurry. If the time is short, the bond between the ceramic forming layers may be very weak.

또한, 광경화 시간은 세라믹 슬러리 층 한층이 완벽히 경화되고 전에 경화된 상부 층과의 결합을 위하여, 광경화시 층의 결합부위가 기존 프로그램화된 한층의 두께보다 조금 더 깊게 경화될 수 있도록 적절히 조절할 수 있다. 이를 통해, 경화되는 층이 상부 층과 오버랩 될 수 있다.In addition, the photocuring time can be adjusted appropriately so that the bonding area of the layer during photocuring can be cured a little deeper than the previously programmed layer thickness in order to completely cure one layer of the ceramic slurry and bond it to the previously cured upper layer. You can. This allows the layer to be cured to overlap the upper layer.

단계 (C)는 동결 건조 단계로, 동결 건조하여 동결매체, 즉, 캠핀을 제거하여 3차원적으로 연결된 마이크로 기공이 형성된 다공성 세라믹 구조물을 형성하는 단계이다.Step (C) is the freeze-drying step, which is a step of freeze-drying to remove the freezing medium, that is, campine, to form a porous ceramic structure with three-dimensionally connected micropores.

일 구체예에서, 세라믹 구조물 내 존재하는 3차원적으로 연결된 캠핀을 제거하면 그 자리가 마이크로 기공으로 남게 된다.In one embodiment, when three-dimensionally connected cam pins present in the ceramic structure are removed, micropores remain in their place.

일 구체예에서, 동결건조는 -70℃ 내지 0℃ 또는 -50℃ 내지 -10℃의 온도 및 0.1 내지 20 mTorr 또는 1 내지 10 mTorr의 압력 조건에서 세라믹 구조물의 손상 없이 상기 캠핀이 용이하게 제거될 수 있다.In one embodiment, freeze-drying is performed at a temperature of -70°C to 0°C or -50°C to -10°C and a pressure of 0.1 to 20 mTorr or 1 to 10 mTorr so that the cam pin can be easily removed without damaging the ceramic structure. You can.

상기 "3차원적으로 연결된 마이크로 기공"이라 함은 다 방향으로 연결된 마이크로 기공으로, 예를 들어 기포와 같이, 갇혀있는 기공(close pore)이 아니라, 시편 내에서 위, 아래, 양 옆 할 것 없이 다 방향으로 연결되어 있는 기공(open pore) 구조를 의미한다.The term "three-dimensionally connected micropores" refers to micropores connected in multiple directions, for example, not closed pores, such as air bubbles, but located inside the specimen regardless of the top, bottom, or both sides. It refers to an open pore structure connected in multiple directions.

본 발명에서 단계 (D)는 다공성 세라믹 구조물을 고온에서 열 처리하는 단계로서, 상기 단계를 통해 잔류 고분자를 제거하고, 세라믹 벽을 치밀화할 수 있다.In the present invention, step (D) is a step of heat treating the porous ceramic structure at a high temperature. Through this step, residual polymers can be removed and the ceramic wall can be densified.

본 발명에서 열 처리는 100 내지 600℃에서 1 내지 40 시간 동안 1차 열처리를 수행한 후, 600 내지 1700℃에서 1 내지 10 시간 동안 2차 열처리(소결)를 수행할 수 있다. In the present invention, heat treatment may be performed at 100 to 600°C for 1 to 40 hours, followed by secondary heat treatment (sintering) at 600 to 1700°C for 1 to 10 hours.

일 구체예에서, 1차 열처리는 광경화 방식으로 제조된 다공성 세라믹 구조물 내부에 존재하는 고분자를 효과적으로 제거할 수 있다. In one embodiment, the primary heat treatment can effectively remove polymers present inside a porous ceramic structure manufactured by photocuring.

상기 1차 열처리는 100 내지 600℃에서 1 내지 40 시간 동안 수행될 수 있다. 상기 열처리 온도가 너무 낮거나 시간이 너무 짧은 경우에는, 기계적 강도가 낮아지고 고분자 및/또는 분산제가 잘 제거되지 않을 우려가 있다. 또한, 온도를 단계별로 높여가면서 열처리를 수행함으로써 불순물의 제거를 더욱 용이하게 수행할 수 있다.The first heat treatment may be performed at 100 to 600°C for 1 to 40 hours. If the heat treatment temperature is too low or the time is too short, there is a risk that the mechanical strength will be lowered and the polymer and/or dispersant may not be easily removed. In addition, the removal of impurities can be more easily performed by performing heat treatment while increasing the temperature step by step.

2차 열처리(소결)에서는 세라믹 벽을 치밀화할 수 있으며, 세라믹 벽간의 접착을 증진시킬 수 있다.Secondary heat treatment (sintering) can densify ceramic walls and improve adhesion between ceramic walls.

상기 2차 열처리는 600 내지 1700℃ 또는 1300 내지 1700℃에서 1 내지 10 시간 동안 수행될 수 있다. 상기 2차 열처리 온도가 너무 높거나 시간이 길면, 기공 구조와 세라믹 구조체의 화학적 조성이 달라질 우려가 있다.The secondary heat treatment may be performed at 600 to 1700°C or 1300 to 1700°C for 1 to 10 hours. If the secondary heat treatment temperature is too high or the time is long, there is a risk that the pore structure and chemical composition of the ceramic structure may differ.

또한, 본 발명은 전술한 제조 방법에 의해 제조된 다공성 지지체에 관한 것이다. Additionally, the present invention relates to a porous support prepared by the above-described manufacturing method.

본 발명에 의해 제조된 다공성 지지체는 미세 기공 구조가 제어되어 3차원 복잡형상을 가질 수 있다. 상기 다공성 지지체는 3차원 프린팅을 통한 100 ㎛ 이상의 기공 구조, 캠핀에 의해 유도된 수~수십 ㎛ 수준의 기공 구조를 가지고, 또한, 소결 조건 조절을 통한 세라믹 분말의 치밀화 정도(간격) 조절을 통해 수십~수백 nm 수준의 기공을 가질 수 있다. The porous support manufactured by the present invention has a controlled micropore structure and can have a three-dimensional complex shape. The porous support has a pore structure of 100 ㎛ or more through 3D printing, and a pore structure of several to tens of ㎛ induced by Campin, and also has a pore structure of several tens of ㎛ by controlling the degree of densification (spacing) of the ceramic powder through adjustment of sintering conditions. It can have pores of ~hundreds of nm.

또한, 본 발명은 상기 다공성 지지체를 포함하는 제품에 관한 것이다.Additionally, the present invention relates to a product comprising the porous support.

본 발명에 따른 다공성 지지체는 규칙적인 기공 구조 및 우수한 기계적 물성을 가지므로, 이온 배터리, 필터, 촉매 지지체, 약물 전달체 또는 골 대체제와 같은 생체재료 등으로 사용될 수 있다.Since the porous scaffold according to the present invention has a regular pore structure and excellent mechanical properties, it can be used as a biomaterial such as an ion battery, filter, catalyst support, drug carrier, or bone substitute.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. The advantages and features of the present invention and methods for achieving them will become clear with reference to the embodiments described in detail below. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below and will be implemented in various different forms, and the present embodiments are merely intended to ensure that the disclosure of the present invention is complete and to include common knowledge in the technical field to which the present invention pertains. It is provided to fully inform those who have the scope of the invention, and the present invention is only defined by the scope of the claims.

실시예Example

제조예 1. 캠핀/포토폴리머 용액 제조Preparation Example 1. Campine/photopolymer solution preparation

상온에서 캠핀을 다량 녹일 수 있는 포토폴리머 및 상온에서 캠핀을 소량 녹이거나, 녹이지 않는 포토폴리머를 선정하였다.A photopolymer that can melt a large amount of campin at room temperature and a photopolymer that melts a small amount of campin or does not melt campin at room temperature were selected.

구체적으로, 상온에서 캠핀을 다량 녹일 수 있는 포토폴리머로 트리에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트(TEGDMA)를 선정하고, 캠핀을 소량 녹이거나, 녹이지 않는 포토폴리머로 폴리에틸렌 글리콜 디아크릴레이트(PEGDA)를 선정하여, 이들이 캠핀과 함께 잘 섞임을 확인하였다. Specifically, triethylene glycol dimethacrylate (TEGDMA) was selected as a photopolymer that can dissolve a large amount of campine at room temperature, and polyethylene glycol diacrylate (PEGDA) was selected as a photopolymer that does not or does not dissolve a small amount of campine. Thus, it was confirmed that they mixed well with campin.

도 1은 상온에서 포토폴리머의 캠핀 용해 양상을 나타내는 사진이다. 도면에서 용기에 붙은 비율은 캠핀 및 TEGDMA(또는 PEGDA)의 질량비를 나타낸다. Figure 1 is a photograph showing the campine dissolution pattern of photopolymer at room temperature. The ratio attached to the container in the drawing represents the mass ratio of camphine and TEGDMA (or PEGDA).

상기 도 1에 나타난 바와 같이, 상온에서 캠핀 및 TEGDMA 용액에서 캠핀은 70 중량% 정도까지 완전히 용해되며, 캠핀 및 PEGDA 용액에서 캠핀이 10 중량% 정도까지 용해되는 것을 확인할 수 있다.As shown in Figure 1, it can be seen that up to 70% by weight of campine is completely dissolved in the campine and TEGDMA solution at room temperature, and up to 10% by weight of campine is dissolved in the campine and PEGDA solution.

제조예 2. 캠핀/TEGDMA/PEGDA 삼성분계 상평형도 작성Preparation Example 2. Creation of Campine/TEGDMA/PEGDA ternary phase equilibrium diagram

상온(25℃)에서 캠핀, TEGDMA 및 PEGDA 용액의 상평형도를 작성하였다.Phase equilibrium diagrams of campine, TEGDMA, and PEGDA solutions were prepared at room temperature (25°C).

도 2는 상온에서의 캠핀/TEGDMA/PEGDA의 상평형도를 나타낸다. Figure 2 shows the phase equilibrium diagram of campine/TEGDMA/PEGDA at room temperature.

상기 도 2에 나타난 바와 같이, 용액/캠핀 결정이 형성되는 경계를 기준으로, 원하는 캠핀 함량에서 상온에서는 캠핀이 녹아있고, 온도를 일정 수준 낮추면 캠핀 결정이 형성되는 포토폴리머 간 비율을 확인할 수 있다.As shown in FIG. 2, based on the boundary where solution/campine crystals are formed, campine is melted at room temperature at the desired campine content, and the ratio between photopolymers in which campine crystals are formed when the temperature is lowered to a certain level can be confirmed.

제조예 3. 캠핀 함량에 따른 포토폴리머 간 비율 설정 Preparation Example 3. Setting the ratio between photopolymers according to campine content

미세 기공 구조 조절을 위한 캠핀 함량 조절 및 이에 따른 포토폴리머 함량(비율)이 조절된 조성을 설정하였다. 이를 통해, 캠핀 함량이 변함에 따라 변화하는 캠핀의 상분리 온도를 임의로 설정할 수 있다.A composition was set in which the campine content was adjusted to control the fine pore structure and the photopolymer content (ratio) was adjusted accordingly. Through this, the phase separation temperature of campin, which changes as the campine content changes, can be arbitrarily set.

실시예 1-1 내지 1-3. 슬러리 조성물 제조Examples 1-1 to 1-3. Slurry composition preparation

설정된 캠핀/포토폴리머 용액 조성에 세라믹 분말, 세라믹 분말의 분산을 위한 분산제, 광경화 개시(라디칼 형성)를 위한 광경화 개시제를 첨가하여 광경화성 3차원 프린팅을 위한 세라믹 슬러리를 제조하였다(하기 표 1). Ceramic slurry for photocurable 3D printing was prepared by adding ceramic powder, a dispersant for dispersing the ceramic powder, and a photocuring initiator for photocuring initiation (radical formation) to the set campine/photopolymer solution composition (Table 1 below) ).

실시예 1-1Example 1-1 실시예 1-2Example 1-2 실시예 1-3Example 1-3 기공제Qigong Festival 캠핀campine 12.5 g
(30 vol%)
12.5g
(30vol%)
17 g
(40 vol%)
17g
(40vol%)
21 g
(50 vol%)
21g
(50vol%)
포토폴리머photopolymer TEGDMATEGDMA 11.08 g11.08g 12.82 g12.82 g 13.43 g13.43 g PEGDAPEGDA 11.82 g11.82g 6.96 g6.96g 2.58 g2.58g 세라믹분말ceramic powder Al2O3Al2O3 43.89 g43.89 g 38.37 g38.37 g 31.6 g31.6 g 분산제dispersant BYK180BYK180 2.19 g2.19g 1.92 g1.92g 1.58 g1.58g 광경화 개시제photocuring initiator TPOTPO 0.34 g0.34 g 0.4 g0.4g 0.48 g0.48g

비교예 1-1 내지 1-3.Comparative Examples 1-1 to 1-3. 슬러리 조성물 제조Slurry composition preparation

하기 표 2의 조성 및 함량으로 슬러리 조성물을 제조하였다. A slurry composition was prepared with the composition and content shown in Table 2 below.

비교예 1-1Comparative Example 1-1 비교예 1-2Comparative Example 1-2 비교예 1-3Comparative Example 1-3 기공제Qigong Festival 캠핀campine 18 g18g 18 g18g 21 g21g 포토폴리머photopolymer TEGDMATEGDMA XX 6 g6g 9 g9g HDDAHDDA 6g6g XX XX PEGDAPEGDA XX XX XX UDMAUDMA 10.7 g10.7 g 10.7 g10.7 g XX GlycerinGlycerin XX XX 13 g13g 세라믹분말ceramic powder Al2O3Al2O3 59 g59g 59 g59g 66 g66g 분산제dispersant BYK106BYK106 0.885 g0.885 g 0.885 g0.885 g 0.99 g0.99 g 광경화 개시제photocuring initiator TPOTPO 0.5 g0.5g 0.5 g0.5g 0.66 g0.66g

비교예에서 제조된 슬러리 조성물은 슬러리 조성물의 점성이 높아 흐름성이 없거나, 광경화 후 강도가 충분하지 않거나, 포토폴리머가 서로 섞이지 않는 문제가 있었다. The slurry composition prepared in the comparative example had problems such as no flowability due to the high viscosity of the slurry composition, insufficient strength after photocuring, or photopolymers not mixing with each other.

구체적으로, 캠핀 함량이 비교적 낮은 조성의 경우, 캠핀을 다량 녹이는 점성이 낮은 모노머(HDDA 및/또는 TEGDMA)의 사용량을 줄여야 하므로, 이를 위해 캠핀 및 HDDA 및/또는 TEGDMA와 서로 잘 용해되는 물질을 첨가해야 한다. Glycerin과 같은 비경화성 물질이 첨가될 경우, 경화 후 강도가 저하될 우려가 있다. 또한, UDMA와 같이 캠핀을 녹이지 않고 광경화성의 점도가 높은 물질을 사용할 경우, 점도가 매우 높아져 3D 프린팅에 적용이 어렵다.Specifically, in the case of compositions with relatively low campine content, the amount of low-viscosity monomers (HDDA and/or TEGDMA) that dissolve a large amount of campine must be reduced, so to this end, substances that dissolve well with campine and HDDA and/or TEGDMA are added. Should be. If non-hardening substances such as glycerin are added, there is a risk that strength will decrease after curing. In addition, when using a high viscosity material such as UDMA that is photocurable without dissolving the cam pin, the viscosity becomes very high, making it difficult to apply to 3D printing.

PEGDA는 캠핀 용해도가 낮고, 캠핀 및 TEGDMA 용액에 잘 섞이며, 점도가 비교적 낮은 포토폴리머이므로, 상기 문제를 해결할 뿐만 아니라, 캠핀의 상분리 온도를 일정하게 조절할 수 있다는 장점을 가진다.PEGDA has low campine solubility, mixes well with campine and TEGDMA solutions, and is a photopolymer with relatively low viscosity, so it not only solves the above problems, but also has the advantage of being able to constantly control the phase separation temperature of campine.

실험예 1. 슬러리 조성물의 상분리 온도 측정Experimental Example 1. Measurement of phase separation temperature of slurry composition

실시예에서 제조된 슬러리 조성물의 상분리 온도를 측정하였다. The phase separation temperature of the slurry composition prepared in the examples was measured.

구체적으로, 상분리 온도는 슬러리 조성물을 DSC(differential scanning calorimetry) 장비를 이용해 일정 속도로 냉각하며 캠핀이 상분리되어 응고되는 온도를 측정하였다.Specifically, the phase separation temperature was measured by cooling the slurry composition at a constant rate using differential scanning calorimetry (DSC) equipment and measuring the temperature at which campine phase separates and solidifies.

하기 표 3 및 도 3은 캠핀 함량과 포토폴리머의 함량이 조절된 슬러리 조성물 별 DSC측정 결과를 나타낸다. 표 및 도면에서 30 vol%, 40 vol% 및 50 vol%는 각각 실시예 1-1, 실시예 1-2 및 실시예 1-3의 슬러리 조성물을 의미한다. Table 3 and Figure 3 below show the DSC measurement results for each slurry composition in which the campine content and photopolymer content were adjusted. In the tables and figures, 30 vol%, 40 vol% and 50 vol% refer to the slurry compositions of Examples 1-1, 1-2 and 1-3, respectively.

상기 표 및 도면에 나타난 바와 같이, 실시예 1-1 내지 1-3의 슬러리 조성물은 모두 10℃ 부근에서 캠핀이 상분리 됨을 확인할 수 있다.As shown in the table and drawings, it can be confirmed that the cam pins in the slurry compositions of Examples 1-1 to 1-3 all undergo phase separation around 10°C.

한편, 하기 표 4는 광경화 단량체로 TEGDMA 만을 사용했을 경우의 캠핀:TEGDMA 비율(질량비)에 따른 상변화 온도 측정 결과를 나타낸다. Meanwhile, Table 4 below shows the phase change temperature measurement results according to the Campine:TEGDMA ratio (mass ratio) when only TEGDMA was used as the photocurable monomer.

상기 표에 나타난 바와 같이, 포토폴리머로 TEGDMA 만을 사용하는 경우, 캠핀의 상변화 온도를 일정하게 유지할 수 없음을 확인할 수 있다. 또한, 캠핀의 함량이 50 중량% 미만일 경우, 상분리 온도가 매우 낮아져 기공 형성이 어렵고 프린팅이 어렵다는 문제를 가진다. As shown in the table above, it can be confirmed that when only TEGDMA is used as the photopolymer, the phase change temperature of cam pin cannot be maintained constant. In addition, when the campin content is less than 50% by weight, the phase separation temperature becomes very low, making pore formation difficult and printing difficult.

본 발명과 같이 포토폴리머로 TEGDMA 및 PEGDA를 함께 사용할 경우, 10℃ 부근에서 캠핀이 상분리되는 슬러리 조성을 설정할 수 있다. 이를 통해, 캠핀 함량이 변함에 따라 변화하는 캠핀의 상분리 온도를 조절할 수 있음을 확인할 수 있다. When TEGDMA and PEGDA are used together as photopolymers as in the present invention, a slurry composition in which campines phase separates at around 10°C can be set. Through this, it can be confirmed that the phase separation temperature of campine, which changes as the campine content changes, can be adjusted.

실시예 2-1 내지 2-3. 다공성 세라믹 구조물 제조Examples 2-1 to 2-3. Manufacturing of porous ceramic structures

실시예 1-1 내지 1-3에서 제조된 슬러리 조성물을 사용하여, 광경화 방식의 3D 프린터를 통해 캠핀 함량에 따라 미세 기공 구조가 제어된 다공성 세라믹을 제작하였다. Using the slurry compositions prepared in Examples 1-1 to 1-3, porous ceramics with a micropore structure controlled according to the campine content were manufactured using a photocuring 3D printer.

도 4는 DLP 방식의 다공성 세라믹 3D 프린팅 모식도를 나타내며, 상기 모식도의 과정에 따라 미세 기공 구조가 제어된 세라믹 구조물을 제조하였다.Figure 4 shows a schematic diagram of porous ceramic 3D printing using the DLP method, and a ceramic structure with a controlled micropore structure was manufactured according to the process of the schematic diagram.

본 발명에서는 조성별로 캠핀 함량이 조절되었음에도 캠핀의 상분리 온도가 유사하게 설정되므로, 조성이 변하여도 동일한 온도 조건에서 프린팅이 가능하다는 장점을 가진다.In the present invention, although the campine content is adjusted for each composition, the phase separation temperature of the campine is set similarly, so that printing is possible under the same temperature conditions even if the composition changes.

실시예 3-1 내지 3-3. 다공성 지지체 제조Examples 3-1 to 3-3. Porous scaffold fabrication

실시예 2-1 내지 2-3에서 제조된 다공성 세라믹 구조물을 후처리하여 다공성 지지체를 제조하였다.A porous support was prepared by post-processing the porous ceramic structures prepared in Examples 2-1 to 2-3.

도 5는 제조 과정별 슬러리 상태 변화를 나타내는 모식도이다. Figure 5 is a schematic diagram showing changes in slurry state by manufacturing process.

제조된 세라믹 구조물은 에탄올 초음파 세척 등을 통해 주변 광경화되지 않은 슬러리를 제거한다. 상온/상압 또는 동결건조를 통해 캠핀이 제거된 다공성 세라믹 구조물을 제조한 후, TGA 측정 결과를 바탕으로 점차적인 열처리 조건 설정을 통해 손상 없이 폴리머를 제거한 다음, 조절된 소결 온도에서 소결 과정을 거쳐 다공성 지지체를 제조한다. The manufactured ceramic structure is subjected to ethanol ultrasonic cleaning to remove surrounding unphotocured slurry. After manufacturing a porous ceramic structure with cam pins removed through room temperature/normal pressure or freeze-drying, the polymer is removed without damage by gradually setting heat treatment conditions based on the TGA measurement results, and then the porous structure is formed through a sintering process at a controlled sintering temperature. Prepare the support.

하기 표 5는 열처리 조건을 나타낸다. Table 5 below shows heat treatment conditions.

실험예 2. TGA 측정 결과Experimental Example 2. TGA measurement results

제조예 2-1 내지 2-3에서 제조된 다공성 세라믹 구조물의 TGA를 측정하였다. The TGA of the porous ceramic structures prepared in Preparation Examples 2-1 to 2-3 was measured.

도 6은 실시예 2-1 내지 2-3의 다공성 세라믹 구조물의 TGA 측정 결과를 나타낸다. Figure 6 shows the TGA measurement results of the porous ceramic structures of Examples 2-1 to 2-3.

상기 도면을 통해, 각 조성에서 세라믹을 제외한 유기화합물들이 열분해되는 온도와 온도별 열분해 속도를 알 수 있다. 이를 기반으로, 구조물의 손상 없이 유기화합물을 제거하기 위해 열분해가 천천히 일어나기 시작하는 각 온도 지점에서 표 5와 같이 단계적 열처리 조건을 설정할 수 있다. Through the above figure, the temperature at which organic compounds excluding ceramics in each composition are thermally decomposed and the thermal decomposition rate at each temperature can be seen. Based on this, step-by-step heat treatment conditions can be set as shown in Table 5 at each temperature point where thermal decomposition begins to occur slowly in order to remove organic compounds without damaging the structure.

실험예 3. 다공성 세라믹 구조물의 기공 구조 측정Experimental Example 3. Measurement of pore structure of porous ceramic structure

실시예 2에서, 3D 프린팅 및 광경화 후 경화되지 않은 슬러리를 세척한 다음, 동결건조 과정을 거쳐 100 um 이상의 복잡 형상의 기공 구조를 가지면서 미세 기공 구조가 제어된 다공성 세라믹 구조물을 제조하였다. In Example 2, after 3D printing and photocuring, the uncured slurry was washed, and then a freeze-drying process was performed to manufacture a porous ceramic structure with a complex pore structure of 100 um or more and a controlled micropore structure.

도 7은 제조된 다공성 세라믹 구조물의 사진을 나타낸다. 이하, 도면에서, 30, 40, 50은 각각 실시예 2-1, 실시예 2-2 및 실시예 2-3의 구조물를 의미한다. Figure 7 shows a photograph of the manufactured porous ceramic structure. Hereinafter, in the drawings, 30, 40, and 50 refer to the structures of Example 2-1, Example 2-2, and Example 2-3, respectively.

본 실험예에서는 육각형의 벌집구조를 가지는 원통 구조의 구조물을 제작하였다. 일정 수준 이상의 캠핀 함량을 가지는 경우, 표면에서도 연결된 다공성을 가질 수 있음을 확인할 수 있다.In this experimental example, a cylindrical structure with a hexagonal honeycomb structure was manufactured. When the campine content is above a certain level, it can be confirmed that the surface can also have connected porosity.

또한, 도 8은 다공성 세라믹 구조물의 내부 미세 구조 SEM 사진을 나타내며, 도 9는 외부 미세 구조 SEM 사진을 나타낸다. Additionally, Figure 8 shows an SEM image of the internal microstructure of the porous ceramic structure, and Figure 9 shows an SEM image of the external microstructure.

상기 도면에 나타난 바와 같이, 캠핀에 의해 수지상의 미세 기공 구조가 형성되고, 조성에 따라 기공구조가 제어되었으며, 캠핀 함량에 따라 내부뿐만 아니라 외부까지 연결된(open) 미세 기공 구조가 형성되었음을 확인할 수 있다.As shown in the figure, it can be confirmed that a dendritic fine pore structure was formed by campin, the pore structure was controlled depending on the composition, and a fine pore structure connected not only to the inside but also to the outside was formed depending on the campin content. .

실험예 4. 소결체의 기공 구조 측정Experimental Example 4. Measurement of pore structure of sintered body

실시예 3에서, 다공성 세라믹 구조물을 열처리하여 세라믹을 제외한 재료들을 점차적으로 손상 없이 제거하고, 고온에서 세라믹 분말을 소결(치밀화)하였다. 소결 온도를 다르게 설정하여 치밀화 정도를 조절하여 나노스케일의 기공을 형성시키거나 미세 구조의 표면을 제어할 수 있다. In Example 3, the porous ceramic structure was heat treated to gradually remove materials other than ceramic without damage, and the ceramic powder was sintered (densified) at high temperature. By setting the sintering temperature differently, the degree of densification can be adjusted to form nanoscale pores or control the surface of the microstructure.

최종적으로 복잡 형상(100 ㎛ 이상 수준의 기공 구조)을 가지며, 미세 기공 구조(캠핀 기반의 수~수십 ㎛ 수준의 기공 구조, 세라믹 분말 치밀화 정도 조절을 통한 수십에서 수백 나노미터 수준의 기공 혹은 미세 구조 표면)가 제어가 된 다공성 세라믹 구조체를 제조하였다.Ultimately, it has a complex shape (pore structure at the level of 100 ㎛ or more) and a fine pore structure (cam pin-based pore structure at the level of several to tens of ㎛, pores or microstructure at the level of tens to hundreds of nanometers by controlling the degree of densification of ceramic powder. A porous ceramic structure with a controlled surface was manufactured.

도 10은 제조된 다공성 지지체의 사진을 나타낸다(1550℃ 소결). 이하, 도면에서, 30, 40, 50은 각각 실시예 3-1, 실시예 3-2 및 실시예 3-3의 다공성 지지체를 의미한다.Figure 10 shows a photograph of the prepared porous support (sintered at 1550°C). Hereinafter, in the drawings, 30, 40, and 50 refer to the porous supports of Example 3-1, Example 3-2, and Example 3-3, respectively.

상기 도면에 나타난 바와 같이, 캠핀 함량 조절을 통해 미세 기공 구조가 제어된 벌집구조를 가지는 원통형의 각 성형체에서, 열처리를 통해 세라믹을 제외한 유기물이 제거되고 분말이 치밀화된 세라믹 구조가 제조되었음을 확인할 수 있다.As shown in the figure, it can be confirmed that in each cylindrical molded body having a honeycomb structure in which the fine pore structure is controlled by controlling the campine content, organic substances other than ceramics have been removed through heat treatment, and a ceramic structure in which the powder has been densified has been manufactured. .

또한, 도 11은 다공성 지지체의 내부 미세 구조 SEM 사진을 나타내며, 도 12는 마이크로 CT 사진을 나타낸다. Additionally, Figure 11 shows an SEM image of the internal microstructure of the porous support, and Figure 12 shows a micro CT image.

상기 도면에 나타난 바와 같이, 캠핀 기반의 수~수십 μm 수준의 기공 구조가 열처리 후에도 유지되고, 세라믹이 치밀화되었으며, 3D 프린팅으로 구현한 전체 구조의 손상없이 지지체가 제조되었음을 확인할 수 있다.As shown in the figure, it can be confirmed that the campine-based pore structure of several to tens of μm was maintained even after heat treatment, the ceramic was densified, and the support was manufactured without damage to the overall structure implemented by 3D printing.

또한, 도 13은 실시예 3-3의 최종 열처리 온도(1350, 1450, 1550℃) 조건에 따른 세라믹 미세 구조를 나타낸다.Additionally, Figure 13 shows the ceramic microstructure according to the final heat treatment temperature (1350, 1450, 1550°C) conditions of Example 3-3.

상기 도면에 나타난 바와 같이, 열처리를 통해 세라믹 분말의 치밀화 정도(간격)를 조절할 수 있으며, 수십~수백 nm 수준의 기공이 형성된 것을 확인할 수 있다. As shown in the figure, the degree of densification (spacing) of the ceramic powder can be adjusted through heat treatment, and it can be confirmed that pores of tens to hundreds of nm are formed.

Claims (14)

20 내지 30℃에서 캠핀 및 포토폴리머를 혼합하여 캠핀/포토폴리머 용액을 제조하는 단계; 및
상기 캠핀/포토폴리머 용액, 세라믹 분말, 분산제 및 광경화 개시제를 혼합하여 광경화성 세라믹 슬러리 조성물을 제조하는 단계를 포함하고,
상기 포토폴리머는 트리에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트(TEGDMA) 및 폴리에틸렌 글리콜 디아크릴레이트(PEGDA)를 포함하며,
상기 광경화성 세라믹 슬러리 조성물에서 캠핀의 결정화 온도는 5 내지 15℃인, 광경화성 세라믹 슬러리 조성물의 제조 방법.
Preparing a campine/photopolymer solution by mixing campine and photopolymer at 20 to 30°C; and
Comprising the step of mixing the campine/photopolymer solution, ceramic powder, dispersant, and photocuring initiator to prepare a photocurable ceramic slurry composition,
The photopolymer includes triethylene glycol dimethacrylate (TEGDMA) and polyethylene glycol diacrylate (PEGDA),
A method for producing a photocurable ceramic slurry composition, wherein the crystallization temperature of cam pin in the photocurable ceramic slurry composition is 5 to 15°C.
제 1 항에 있어서,
광경화성 세라믹 슬러리 조성물에서 캠핀의 함량은 5 내지 80 vol%인 광경화성 세라믹 슬러리 조성물의 제조 방법.
According to claim 1,
A method for producing a photocurable ceramic slurry composition, wherein the content of campine in the photocurable ceramic slurry composition is 5 to 80 vol%.
제 1 항에 있어서,
캠핀 및 포토폴리머는 내지 2:8 내지 7:3의 중량비로 혼합되는 것인 광경화성 세라믹 슬러리 조성물의 제조 방법.
According to claim 1,
A method for producing a photocurable ceramic slurry composition, wherein campine and photopolymer are mixed at a weight ratio of 2:8 to 7:3.
제 1 항에 있어서,
TEGDMA 및 PEGDA는 2:8 내지 9:1의 중량비로 혼합되는 것인 광경화성 세라믹 슬러리 조성물의 제조 방법.
According to claim 1,
A method for producing a photocurable ceramic slurry composition, wherein TEGDMA and PEGDA are mixed at a weight ratio of 2:8 to 9:1.
제 1 항에 있어서,
세라믹 분말은 수산화인회석(Hydroxy Apatite; HA), 불소 함유 수산화인회석(Fluoridated Hydroxy Apatite, FHA), 삼인산칼슘(tricalciumphosphate, TCP), BCP(biphasic calcium phosphate), 알루미나(alumina), 지르코니아(zirconina), 실리카(silica) 및 바이오글래스로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 것인 광경화성 세라믹 슬러리 조성물의 제조 방법.
According to claim 1,
Ceramic powders include Hydroxy Apatite (HA), Fluoridated Hydroxy Apatite (FHA), tricalciumphosphate (TCP), biphasic calcium phosphate (BCP), alumina, zirconina, and silica. A method for producing a photocurable ceramic slurry composition comprising at least one selected from the group consisting of (silica) and bioglass.
제 1 항에 있어서,
분산제는 자일렌(xylene), 아세테이트(acetate)를 포함하는 유기물, 알킬암모늄염 공중합체 화합물, 폴리에스터/폴리에테르(Polyester/polyether)계 화합물, 인산(Phosphoric acid)기를 함유한 공중합체 및 아민기를 가지는 공중합체로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 것인 광경화성 세라믹 슬러리 조성물의 제조 방법.
According to claim 1,
Dispersants include organic substances containing xylene and acetate, alkylammonium salt copolymer compounds, polyester/polyether-based compounds, copolymers containing phosphoric acid groups, and amine groups. A method for producing a photocurable ceramic slurry composition comprising at least one selected from the group consisting of copolymers.
제 1 항에 있어서,
광경화 개시제는 페닐비스(2,4,6-트리메틸 벤조일포스핀 옥사이드) (PPO), 1-하이드록시-사이클로헥실-펜닐-케톤, 2-하이드록시-메틸-1-페닐-1-프로판온, 2-히드록시-1-[4-(2-하이드록시에톡시)페닐]-2-메틸-1-프로판온, 메틸벤조일포르메이트, 옥시-페닐-아세트산-2-[2-옥소-2-페닐-아세톡시-에톡시]-에틸 에스테르, 옥시-페닐-아세트산-2-[2-하이드록시-에톡시]-에틸 에스테르, 알파-디메톡시-알파-페닐아세토페논, 2-벤질-2-(디메틸아미노)1-[4-(4-모르폴리닐) 페닐]-1-부타논, 2-메틸-1-[4-(메틸티오)페닐]-2-(4-모르폴리닐)-1-프로판온 및 디페닐(2,4,6-트리메틸벤조일)-포스핀 옥사이드(TPO)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 것인 광경화성 세라믹 슬러리 조성물의 제조 방법.
According to claim 1,
The photocuring initiator is phenylbis(2,4,6-trimethyl benzoylphosphine oxide) (PPO), 1-hydroxy-cyclohexyl-phenyl-ketone, 2-hydroxy-methyl-1-phenyl-1-propanone. , 2-hydroxy-1-[4-(2-hydroxyethoxy)phenyl]-2-methyl-1-propanone, methylbenzoyl formate, oxy-phenyl-acetic acid-2-[2-oxo-2 -phenyl-acetoxy-ethoxy]-ethyl ester, oxy-phenyl-acetic acid-2-[2-hydroxy-ethoxy]-ethyl ester, alpha-dimethoxy-alpha-phenylacetophenone, 2-benzyl-2 -(dimethylamino)1-[4-(4-morpholinyl) phenyl]-1-butanone, 2-methyl-1-[4-(methylthio)phenyl]-2-(4-morpholinyl) A method for producing a photocurable ceramic slurry composition comprising at least one selected from the group consisting of -1-propanone and diphenyl (2,4,6-trimethylbenzoyl)-phosphine oxide (TPO).
제 1 항에 있어서,
광경화성 세라믹 슬러리 조성물의 온도는 20 내지 30℃인 광경화성 세라믹 슬러리 조성물의 제조 방법.
According to claim 1,
A method for producing a photocurable ceramic slurry composition, wherein the temperature of the photocurable ceramic slurry composition is 20 to 30°C.
제 1 항에 따른 제조 방법에 의해 제조되고,
캠핀, 포토폴리머, 세라믹 분말, 분산제 및 광경화 개시제를 포함하며,
20 내지 30℃에서 캠핀은 조성물 내에서 액상으로 존재하고, 상기 캠핀의 결정화 온도는 5 내지 15℃인 광경화성 세라믹 슬러리 조성물.
Manufactured by the manufacturing method according to claim 1,
Contains campine, photopolymer, ceramic powder, dispersant and photocuring initiator,
A photocurable ceramic slurry composition in which campin exists in a liquid state in the composition at 20 to 30°C, and the crystallization temperature of the campin is 5 to 15°C.
제 9 항에 따른 광경화성 세라믹 슬러리 조성물을 3D 프린팅 베드에 도포하여 3D 프린트용 세라믹 슬러리 층을 형성하는 단계;
캠핀의 고화 유도 후, 미리 디자인된 형상으로 광경화하여 세라믹 구조물을 성형하는 단계;
상기 세라믹 구조물을 동결건조하여 마이크로 기공이 형성된 다공성 세라믹 구조물을 형성하는 단계; 및
상기 다공성 세라믹 구조물을 고온에서 열 처리하는 단계를 포함하며,
상기 3D 프린팅 베드의 온도는 -20 내지 15℃인
3차원적으로 연결된 마이크로 기공 구조를 가지는 3차원 다공성 지지체의 제조 방법.
Forming a ceramic slurry layer for 3D printing by applying the photocurable ceramic slurry composition according to claim 9 on a 3D printing bed;
After inducing solidification of the cam pin, forming a ceramic structure by photocuring it into a pre-designed shape;
Forming a porous ceramic structure with micropores by freeze-drying the ceramic structure; and
It includes heat treating the porous ceramic structure at a high temperature,
The temperature of the 3D printing bed is -20 to 15°C.
Method for manufacturing a three-dimensional porous support having a three-dimensionally connected micropore structure.
제 10 항에 있어서,
세라믹 슬러리 층의 두께는 닥터 블레이드를 이용하여 25 내지 200 ㎛로 제어되는 것인 3차원 다공성 지지체의 제조 방법.
According to claim 10,
A method of manufacturing a three-dimensional porous support, wherein the thickness of the ceramic slurry layer is controlled to 25 to 200 ㎛ using a doctor blade.
제 10 항에 있어서,
동결건조는 -70℃ 내지 0℃의 온도 및 0.1 내지 20 mTorr의 압력 조건 하에서 수행되는 것인 3차원 다공성 지지체의 제조 방법.
According to claim 10,
A method of producing a three-dimensional porous support, wherein freeze-drying is performed under conditions of a temperature of -70°C to 0°C and a pressure of 0.1 to 20 mTorr.
제 10 항에 있어서,
열 처리는 100 내지 600℃에서 1 내지 40 시간 동안 1차 열처리를 수행한 후, 600 내지 1700℃에서 1 내지 10 시간 동안 2차 열처리(소결)를 수행하는 것인 3차원 다공성 지지체의 제조 방법.
According to claim 10,
The heat treatment is a method of producing a three-dimensional porous support in which a primary heat treatment is performed at 100 to 600 ° C. for 1 to 40 hours, and then a secondary heat treatment (sintering) is performed at 600 to 1700 ° C. for 1 to 10 hours.
제 10 항에 따른 방법으로 제조된 3차원적으로 연결된 마이크로 기공 구조를 가지는 3차원 다공성 지지체.
A three-dimensional porous support having a three-dimensionally connected micropore structure manufactured by the method according to claim 10.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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1. Journal of the American Ceramic Society, 95(12), 3763-3768
2. Journal of the European Ceramic Society, 41(1), 655-662,

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