잉크젯 프린팅 기술은 디지털화된 디자인 패턴을 미세 잉크 토출 방식으로 기판에 직접 출력하는 프린팅 기술이다. 잉크젯 프린팅은 패턴 생성 및 수정의 간편성, 높은 잉크 효율, 비접촉 방식으로 인한 프린팅 기판의 재질 및 형상을 폭넓게 선택 가능 등의 장점이 있다. 이러한 장점들 때문에 최근 잉크젯 프린팅 기술은 다양한 산업 및 연구 분야에서 주목을 받고 있다.
세라믹 재료는 일반적으로 뛰어난 내열성, 내광성, 내화학성 등을 갖추고 있어 매우 다양한 분야에 기능성 재료로 적용할 수 있다. 하지만 세라믹 재료를 여러 분야에 적용하는 데에는 가공의 어려움이라는 단점이 있다. 이러한 세라믹 재료를 잉크젯 프린팅 기술과 결합하면 기존 세라믹 재료가 가지고 있는 가공 측면에서의 약점을 보완할 수 있다. 그뿐만 아니라 세라믹 재료의 활용 분야를 지금보다 더 확장 시키는 것도 가능하다.
본 연구에서는 기존의 세라믹 타일 프린팅에 사용되는 잉크젯 프린팅용 유기용매 기반 세라믹 잉크를 대체하는 친환경 수계 세라믹 잉크를 개발하였다. 나아가 복수의 세라믹 소재를 잉크젯 프린팅으로 동시 적층하여 다중 소재로 구성된 3차원 구조물을 프린팅하였다.
첫 번째 연구는 세라믹 타일 잉크젯 프린팅용 친환경 수계 고화도 세라믹 잉크를 개발하였다. 고온 열처리(>1000?C) 과정이 있는 세라믹 타일 공정에서 선명한 컬러 잉크젯 프린팅을 구현하기 위해 고온의 열처리 조건에서도 안정적인 발색이 가능한 세라믹 안료를 사용하였다. 잉크젯 프린팅에서 요구하는 안료 입자 크기를 충족시키기 위해 고에너지 밀링법으로 세라믹 안료를 미립화 하였다. 그리고 미립화 된 세라믹 안료가 미립화 공정과 1000?C 이상의 고온 열처리를 거친 후에도 원래의 색상을 유지하는 것을 확인하였다. 미립화된 세라믹 안료를 증류수 기반의 수계 세라믹 잉크로 합성하였다. 유기 용매 기반의 세라믹 잉크와 비교하면 상대적으로 낮은 분산안정성을 보이는 수계 세라믹 잉크의 분산안정성을 보완하기 위해 정전 입체 반발력(electrosteric repulsion)을 이용하는 그래프트 폴리머(graft polymer)를 분산제로 도입하였다. 그래프트 폴리머는 정전기적 반발력(electrostatic repulsion)을 이용하는 주쇄와 입체장애(steric hindrance)를 이용하는 측쇄를 동시에 사용하는 효과에 의해 우수한 분산안정성을 나타내는 것을 확인하였다. 또한, 증류수 기반의 잉크에 첨가제를 첨가할 때 흔히 보이는 거품 발생 문제도 현저하게 줄어드는 것을 확인하였다. 수계 세라믹 잉크의 유변학적 특성(점도, 표면장력)과 잉크젯 프린트 헤드의 구동 조건(전압, 전압 유지시간)을 조절하여 잉크젯 프린팅 토출 특성을 최적화하였다. 이 과정에서 수계 세라믹 잉크의 유변학적 특성 중 점도가 잉크 토출 특성에 큰 영향을 미치는 것으로 확인하였다. 개발된 수계 세라믹 잉크를 잉크젯 프린팅에 적용하여 테스트 프린팅을 진행하였다. 그리고 프린팅된 결과물의 프린팅 품질 비교를 통해 본 연구에서 합성된 친환경 수계 세라믹 잉크가 기존의 유기 세라믹 잉크를 대체할 수 있다고 평가하였다.
두 번째 연구에서는 UV 광경화 모노머와 세라믹 안료를 이용하여 잉크젯 프린팅용 세라믹 잉크를 합성하였다. 광경화 세라믹 잉크와 잉크젯 프린터로 다중 세라믹 소재 3D 프린팅을 진행하였고, 광경화 세라믹 잉크의 3차원 적층 거동을 분석하였다. 먼저 광경화 세라믹 잉크에 첨가되는 광개시제 양을 조절하였다. 광개시제의 첨가량이 증가할수록 적층되는 세라믹 잉크 액적의 직경은 감소하였고, 적층 높이는 증가하여 프린팅 해상도와 적층 속도가 향상되는 것을 확인하였다. 그리고 과량의 광개시제를 첨가할 경우 오히려 적층되는 잉크 액적의 직경이 증가하고, 적층 높이가 감소하는 것을 확인하였다. 또한, 광경화 세라믹 잉크와 세라믹 기판 사이의 접촉각이 세라믹 잉크의 3D 적층 거동에 미치는 영향을 확인하였다. 세라믹 잉크와 세라믹 기판 사이의 접촉각이 증가할수록 기판에 탄착 되는 세라믹 잉크 액적의 직경이 감소하고 적층 높이가 증가하여 프린팅 해상도와 적층 속도가 향상되는 것을 확인하였다. 복수의 광경화 세라믹 잉크를 잉크젯 프린팅으로 동시 3D 적층하였고, 다양한 형상의 다중 소재 3차원 형상을 프린팅하였다. 이것으로 잉크젯 프린팅을 이용한 다중 세라믹 소재 3차원 프린팅에 대한 가능성을 확인하였다.