특허 개요
본 특허는 실리카 입자와 아크릴레이트 레진을 이용해 색을 내는 입체물을 만드는 빙햄 유체 콜로이드 잉크 및 지지대 없는 3차원 직접 인쇄 방법입니다. 물 및 알코올 극성 용매가 실리카 입자 주변의 용매화층과 입자 간 인력을 조절해, 노즐 내부 전단력에서는 잉크가 흐르고 토출 후에는 항복응력에 의해 고체와 유사하게 형상을 유지합니다. 상향 이동하는 노즐로 잉크를 적층한 뒤 광경화하며, 규칙 배열된 실리카 입자의 콜로이드 광결정이 구조색을 발현합니다.
- 핵심 기능
실리카 입자, 아크릴레이트 레진 및 물·알코올 극성 용매의 조성으로 항복응력을 갖는 잉크를 만들고, 노즐의 전단력 하에서 이를 토출합니다. 토출 뒤에는 잉크가 자립 형상을 유지하도록 하면서 노즐을 상부 방향으로 이동해 구조물을 형성하고, 광경화로 고체 구조체를 제작합니다.
- 차별 강점
종래 직접 인쇄는 낮은 형상 유지력, 느린 인쇄, 겔 형성제 제거에 따른 구조 수축 문제가 있었고, DLP 방식은 지지 구조체 없이 인쇄하기 어려웠습니다. 본 특허는 물·알코올 조성으로 빙햄 유동 특성을 구현해 지지대 없는 직접 인쇄를 가능하게 하고, 낮은 극성 용매 함량으로 경화 중 수축을 없애거나 최소화하는 점이 차별점입니다.
- 활용 범위
기술·연구 측면에서는 구조색 3차원 프린팅, 콜로이드 광결정, 맞춤형 광학·디자인 구조체, 물성 구배형 기계 구조체 및 충격흡수 구조 연구에 활용 가능하며, 구조색과 형상을 함께 설계하는 소재 개발로 확장할 수 있습니다. 사업 측면에서는 친환경 구조색 페인트·코팅, 위조방지 패치 등 보안 소재, 화장품용 구조색 소재, 맞춤형 광학 부품 및 디자인 제품으로 확장할 수 있습니다.
연구 개발 단계
실리카 입자-폴리우레탄 아크릴레이트-물·에탄올 조성의 콜로이드 잉크를 대상으로 유변학 특성과 직접 인쇄 가능성을 확인했습니다. 극성 용매 무첨가, 에탄올 단독 및 에탄올·물 혼합 조성을 비교했으며, 대면적·고속 제조 재현성, 장기 내구성 및 실제 제품 환경 성능은 추가 검증이 필요합니다.
- 시료: 실리카 입자-폴리우레탄 아크릴레이트-물·에탄올 콜로이드 잉크 및 광경화 구조체
- 비교 조성: 극성 용매 무첨가, 에탄올 단독 첨가, 에탄올·물 혼합 조성
- 인쇄 조건: 실리카 입자 부피비 0.41, 실리카 직경 190 nm, 200 ㎛ 플라스틱 시린지 노즐, 에탄올 12 중량부·물 8 중량부 조성 포함
현재 성과
극성 용매가 추가된 콜로이드 잉크는 일정 전단률 이상에서 전단력 증가가 제한되는 빙햄 유체 특성을 형성했습니다. 노즐 내부에서는 흐르고 토출 후에는 형상을 유지해 지지대 없는 3차원 직접 인쇄에 적용할 수 있습니다. 경화 과정에서는 구조 수축을 없애거나 최소화하는 것을 목표로 합니다.
실리카 입자 100 중량부 기준 에탄올 12 중량부와 물 8 중량부 조성에서 가장 높은 직경 대비 높이 비율을 확인했습니다. 실리카 입자 부피비 0.41, 입자 직경 190 nm 및 200 ㎛ 노즐 조건을 포함한 실시예 기반 조성·유변학·직접 인쇄 검증으로 확인했습니다. 물이 9 중량부 이상인 경우에는 노즐 막힘 현상이 나타났습니다.
물은 실리카 입자 주변 용매화층을 약화시켜 입자 간 인력을 높이고, 알코올은 공용매로 작용해 응집체 형성을 억제합니다. 이 조합으로 인쇄 중 유동성과 토출 후 형상 유지성을 함께 설계하는 점이 핵심 차별성입니다. 실리카 입자의 규칙 배열을 활용해 구조색 발현과 3차원 구조 형성을 결합합니다.
상용화까지 남은 부분
대면적·고속 제조 조건에서 조성별 인쇄 재현성 검증
장기 내구성, 구조색 균일성 및 실제 제품 환경에서의 성능 검증
광경화 공정과 노즐 토출 조건의 최적화 및 제조 공정 확립
기술 이전 형태·도입 과정
도입은 이렇게 진행됩니다.
검토 미팅
귀사 상황·데이터 구조 기준으로 적합성을 논의합니다. 자료 검토만으로 끝나도 됩니다.
PoC 공동 검증
연구팀 동행 하에 귀사 데이터 기준 재학습·성능을 확인합니다.
라이센싱 계약
PoC 결과를 기반으로 희망 형태(실시권·공동연구 등)를 협의합니다.
기술지도·후속
도입 초기 기술지도, 필요 시 후속 공동연구·정부과제 연계까지 진행합니다.
특허 정보
빙햄 특성을 가진 콜로이드 잉크 및 이를 이용한 구조색 소재의 3차원 인쇄 방법
10-2024-0008686 (2024.01.19)
1020250114175 (2025.07.29)
미등록 (심사 중)
김신현 (한국과학기술원), 김종빈 (한국과학기술원), 이환영 (한국과학기술원)
한국과학기술원