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자신이 원하는 물건을 스스로 만드는 사람들이 점점 더 많이 이용하고 있는 3차원 인쇄술이 플라즈마 물리학(plasma physics)의 연구에도 활용되고 있다. 일련의 실험을 통하여 실험실 환경에서 3차원 인쇄기가 중요한 도구가 될 수 있다는 것을 미국의 프린스턴 플라즈마 물리 연구소(PPPL: Princeton Plasma Physics Laboratory) 소속의 연구자들이 발견하였다.

“이제 3차원 인쇄기는 우리 연구실에서 중요한 요소이며, 정기적으로 사용되고 있다”고 프린스턴 플라즈마 물리 연구소(PPPL)에서 과학 교육 부문의 책임자이며, 이러한 실험 결과를 물리학과 관련된 한 국제 학술지(명칭: American Journal of Physics)에 발표한 앤드류 츠뷔커(Andrew Zwicker)가 말했다.

“3차원 인쇄기가 가지는 다재다능함으로 말미암아 이제 과학 장비의 수요에 대한 우리의 첫 번째 반응은 그 장비가 요구하는 부품을 우리가 찾거나 구매할 수 있는가가 더 이상 아니며, 우리가 과연 그 부품을 인쇄할 수 있을까에 관한 것”이라고 앤드류 츠뷔커가 설명하였다.

3차원 인쇄기는 플라스틱, 금속, 세라믹, 유기물 등을 포함하는 다양한 재료의 층을 쌓아서 물체를 만든다. 컴퓨터는 컴퓨터 지원 설계(CAD: computer aided design) 파일에 따라 고온의 재료를 압출하는 움직이는 노즐을 제어한다. 각각의 층은 얇으며, 종종 높이가 단지 수십 나노미터에 불과할 수 있다. 

취미 생활자들은 3차원 인쇄기를 이용하여 서로 맞물리는 한 쌍의 고리와 같이 진귀한 것을 만들고 있다. 그러나 연구자들은 3차원 인쇄기가 실험에 필요한 부품을 종종 매우 저렴한 가격으로 맞춤형으로 제작할 수 있기 때문에 관심을 가지게 되었다. 

그리고 3차원 인쇄기는 부품을 신속하게 만들 수 있기 때문에 어떠한 부품이 필요하다고 인식한 때부터 실제 그 부품이 준비되어 설치되기까지의 시간이 단지 수 시간에 불과할 수 있다.

앤드류 츠뷔커의 연구팀은 실험을 수행하는 동안에 크기, 형상, 전기 절연체로의 용도, 진공에서 사용될 수 있는 능력 등과 같은 기본적인 특성을 시험하기 위하여 원뿔이나 원통을 포함하는 플라스틱 부품들을 인쇄하였다. 

또한, 연구자들은 플라즈마 물리학 실험에서 전극을 위한 부품, 냉각 팬을 위한 안내판, 시험 장비를 위한 손잡이 등과 같은 대체 부품을 3차원 인쇄하였다. 

앤드류 츠뷔커는 이러한 부품들이 일부 플라즈마 물리학 실험에서 적당한 진공 환경을 견디고, 물리적 응력을 이겨낼 수 있는지를 살펴볼 필요가 있었다. 또한, 연구팀은 이러한 부품의 치수가 설계 규격과도 부합되는지를 결정할 필요가 있었다.

실험 결과에 따르면 치수는 어느 정도 정확하였다. 개별 층은 평균적으로 수백 마이크로미터 정도의 두께를 가져서 규격보다 좀 더 크거나 좀 더 작았다. 비록 이러한 수준의 정밀도는 높은 수순의 정밀도로 제작되어야 하는 물체에는 충분하지 않았지만, 많은 실험실에서 사용할 수 있는 용도로는 충분하였다. 

3차원 인쇄된 플라스틱 부품은 진공 시험과 응력 시험을 통과하였다. 앤드류 츠뷔커는 플라스틱 부품에서 때때로 나타나는 것처럼 이러한 부품이 탄화수소 기체를 방출하기 시작하는지를 알고 싶었다. 탄화수소 기체는 진공을 오염시키고 적당한 압력에서의 플라즈마 실험을 망치는 경향이 있다. 그러나 실험을 수행한 결과에 따르면 플라스틱이 섭씨 75도 미만으로 유지되는 한 탄화수소 기체는 탐지되지 않았다. 

다음으로 연구팀은 재료가 당기는 힘을 견딜 수 있는지를 시험하는 기계에 3차원 인쇄된 플라스틱의 소형 막대기를 넣었다. 그 결과 3차원 인쇄된 부품의 강도는 일반적으로 플라스틱 덩어리가 가지는 특성과 일치하였다. 

마지막으로 앤드류 츠뷔커는 3차원 인쇄기가 전극을 위한 유전성의 절연체(dielectric insulator)를 만드는 데에 중요한 도구가 된다는 것을 발견하였다. “임의의 크기, 형상, 구성을 가지는 이러한 재료를 인쇄할 수 있는 능력은 서로 다른 실험 조건에서 새로운 구성에 대한 아이디어를 빠르고 효율적으로 시험할 수 있게 하여 타의 추종을 불허하는 유연성을 제공하였다”라고 앤드류 츠뷔커가 덧붙였다.

[관련 논문의 서지 정보] Andrew P. Zwicker, Josh Bloom, Robert Albertson and Sophia Gershman, "The suitability of 3D printed plastic parts for laboratory use." Am. J. Phys. 83, 281 (2015); DOI: 10.1119/1.4900746



KISTI 미리안 글로벌동향브리핑 2015-03-02






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