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국립부경대 황윤호 교수 연구팀, 3D 프린팅 기반 이중 에멀젼 마이크로캡슐 대량 제조 기술 개발

병렬형 미세유체 플랫폼 구현-기능성 캡슐 공정 스케일업 가능성 입증

국립부경대학교 황윤호 교수(고분자공학전공) 연구팀과 포항공과대학교 김동표 교수 연구팀은 3D 프린팅 기술을 활용하여 이중 에멀젼(double emulsion) 기반 마이크로캡슐을 대량 제조할 수 있는 미세유체 플랫폼을 성공적으로 개발하였습니다. 본 연구는 단일 에멀젼 생성 기술을 넘어 기능성 마이크로캡슐 제조를 위한 확장 가능한 공정 플랫폼을 제시하며, 학계 및 산업계에 중요한 기여를 할 것으로 판단됩니다.

에멀젼 제형의 산업적 활용

에멀젼은 서로 섞이지 않는 두 가지 액체로 구성된 제형을 의미하며, 일반적인 단일 에멀젼(single emulsion)은 식품, 화장품, 제약 등 다양한 산업 분야에서 광범위하게 활용되고 있습니다. 이처럼 에멀젼은 현대 산업에 필수적인 기초 기술로 자리 잡았습니다.

이중 에멀젼의 중요성 및 요구 조건

약물 전달체, 기능성 캡슐, 보호층을 포함하는 미립자 등 고도화된 마이크로캡슐을 제조하기 위해서는 내부 코어와 외부 쉘 구조를 동시에 정밀하게 제어할 수 있는 이중 에멀젼(double emulsion) 제조가 필수적입니다. 이중 에멀젼의 구조적 균일성은 마이크로캡슐의 크기, 쉘 두께, 핵심적인 방출 특성을 결정하는 주요 요소로 작용합니다.

기존 제조 기술의 한계점 분석

기존의 벌크유화법(Bulk Emulsification)은 대량생산 측면에서 유리한 장점을 가지고 있으나, 이중 에멀젼의 정밀한 구조 제어에는 어려움이 있어 균일한 마이크로캡슐 제조에 한계가 명확하였습니다. 이에 미세유체기술(Microfluidics)을 활용하여 균일한 이중 에멀젼을 생성하고 이를 주형(template)으로 사용하는 연구가 지속적으로 진행되어 왔습니다.

하지만 기존 미세유체 소자는 생산량이 상대적으로 낮고 유량 분배의 불균일성 문제로 장시간 안정적인 제조가 어렵다는 기술적 한계가 지적되었습니다. 이러한 문제점들은 고품질 마이크로캡슐의 대량 생산을 가로막는 주요 요인으로 작용하였습니다.

3D 프린팅 기반 병렬형 미세유체 플랫폼 설계

공동연구팀은 이러한 기존 기술의 한계를 극복하기 위하여 3D 프린팅 기술을 도입하여 병렬형 미세유체 플랫폼을 새롭게 설계하고 제작하였습니다. 이는 마이크로캡슐 제조 공정의 효율성을 획기적으로 개선하기 위한 핵심적인 접근 방식입니다.

표면처리 기술 개발을 통한 난제 극복

특히 마이크로캡슐 제조에 필수적인 이중 에멀젼의 안정적인 구현을 위해 3D 프린팅 표면처리 기술을 독자적으로 개발하였습니다. 일반적으로 3D 프린팅 소재는 화학적 안정성이 높아 친수성 표면처리가 어려운 경향이 있으나, 연구팀은 산성 및 고온 조건에서 실리카(Silica) 나노입자를 내부 표면에 균일하게 코팅하는 혁신적인 방식으로 이러한 난제를 성공적으로 해결하였습니다.

마이크로캡슐의 연속적 대량 생산 구현

이러한 기술적 진보를 바탕으로, 3D 프린팅 기반 미세유체 플랫폼에서 이중 에멀젼을 활용한 마이크로캡슐의 연속적이고 대량 생산을 최초로 구현하였습니다. 또한, 다수의 이중 에멀젼 발생기를 동시에 안정적으로 구동할 수 있음을 실험적으로 입증하였습니다. 특히 내부 코어 비율과 쉘 구조를 정밀하게 제어함으로써 마이크로캡슐의 방출 특성을 자유롭게 설계할 수 있는 기반을 마련하였습니다.

3D 프린팅 기반의 병렬화 장치를 개발하여 이중 에멀젼의 고속-대량 생산을 구현함으로써 마이크로캡슐 공정의 스케일업 가능성을 입증하였습니다.

나기수 박사는 이와 같이 설명하였습니다.

학술적 가치 및 폭넓은 산업 적용 가능성

본 연구는 마이크로캡슐 제조 플랫폼 개발을 넘어 구조와 방출 특성을 정밀하게 제어할 수 있다는 점에서 학문적 가치와 상업적 활용 가능성이 모두 높습니다.

황윤호 교수는 이러한 연구의 중요성을 강조하였습니다.

이러한 혁신적인 기술은 약물 전달체, 바이오 캡슐, 기능성 소재 캡슐화 기술 등 다양한 분야에 폭넓게 적용될 수 있을 것으로 전망됩니다. 이번 연구 성과는 화학공학 분야의 세계적인 국제 학술지인 Chemical Engineering Journal (IF 13.2)에 최근 게재되어 그 학술적 우수성을 인정받았습니다.

국립부경대학교와 포항공과대학교 공동 연구팀은 3D 프린팅 기술을 활용하여 이중 에멀젼 기반 마이크로캡슐의 대량 제조를 위한 미세유체 플랫폼을 성공적으로 개발하였습니다. 본 기술은 기존 마이크로캡슐 제조의 한계를 극복하고, 정밀한 구조 제어를 통해 다양한 기능성 소재 개발의 기반을 제공합니다. 이는 3D 프린팅 기술이 정밀 화학 및 바이오 산업 분야의 혁신을 주도할 수 있는 잠재력을 다시 한번 확인시켜 준 중요한 사례로 평가할 수 있습니다.

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선진적인 3D프린팅 기술은 정밀 화학 및 바이오 산업 분야의 혁신을 가속화하며, 한양3D팩토리는 이러한 첨단 제조 솔루션으로 미래 기술 발전에 기여할 수 있습니다.

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초고속 3D 프린팅으로 제조 산업의 지형을 바꾼 기술 혁신 사례

중국 스타트업 폴리폴리머가 구현한 초고속 3D 프린팅 기술이 로봇 산업과 신발 제조 분야에 새로운 전환점을 제공하고 있습니다. 생체 근육 개발부터 글로벌 브랜드 제품의 대량 생산까지, 기존 제조 방식을 대체할 수 있는 실질적 가능성이 부각되고 있습니다. 제조업 전반의 효율성과 맞춤화를 동시에 실현하고 있는 해당 기술의 특징과 산업적 파급력을 분석하였습니다.

로봇 산업을 진전시킨 생체 근육 기술의 실제 적용 사례

중국 내 주요 로봇 기업들과의 협업을 통해 3D 프린팅 기술이 고성능 바이오닉 근육 구현에 적용되고 있습니다. 대표적인 사례로 최근 주목받은 샤오펑의 휴머노이드 로봇은 사실적인 움직임으로 기술적 주목을 받았습니다. 해당 로봇의 핵심 부품인 근육은 폴리폴리머가 자체 개발한 고탄성 소재를 기반으로 제작되었습니다.

이 소재는 약 300% 이상의 신장률을 가지며, 피부와 유사한 질감을 유지하는 동시에 내열성, 내마모성을 고루 갖춘 것이 특징입니다. 분자 구조 측면에서도 개선된 공정을 도입하여 고강도와 유연성의 균형을 확보하는 데 성공하였습니다. 또한, 유비텍(UBTech), 엔진AI(EngineAI) 등 약 20여 개의 중국 내 로봇 기업과 공동 연구개발 파트너십을 체결하여 기술의 범용성과 안정성을 검증하였습니다.

바이오닉 부품 제조에 3D 프린팅 기술이 실질적으로 사용되면서, 과거 금형 기반 부품 생산이 가진 시간적 제약이나 비용 부담을 극복할 수 있는 가능성이 확인되고 있습니다.

HALS 기술 기반 생산성 향상: 기존 대비 100배 빠른 프린팅 속도

폴리폴리머는 2017년 재료 전문 과학자 왕원빈에 의해 설립되었으며, 핵심 기술로’방해 비동기 광합성(HALS, Hindered Asynchronous Light Synthesis)&39;을 개발하였습니다. 이 기술은 기존 3D 프린팅 방식 대비 최대 100배 향상된 인쇄 속도를 제공하며, 대량 생산 체제를 갖추는 데 핵심적인 역할을 하고 있습니다.

현재 전체 매출의 약 60%는 신발 부문에서 발생하고 있으며, 글로벌 브랜드인 스케쳐스(Skechers)와 콜 한(Cole Haan)과의 협업을 통해 연간 200만 켤레 이상의 생산 규모를 확보한 상태입니다. 향후 2026년까지 이 생산량을 두 배로 확대한다는 계획이 수립되어 있습니다.

"HALS 기술은 전통적인 금형 사용 없이도 맞춤 설계를 빠르게 실현할 수 있는 길을 열어주었습니다."

나아가 디즈니와의 생산 프로젝트에서는 금형을 생략하고도 3D 디자인을 통해 정밀한 구현이 가능하였고, 이에 따라 전체 제작 시간이 약 70% 단축되었습니다. 이는 대량 맞춤 생산이라는 미래 제조 방식에 매우 적합한 사례로 평가되고 있습니다.

소비자 접점을 확장한 글로벌 진출 전략

B2B 산업용 부품 공급을 넘어, 폴리폴리머는 폴리팹(POLLYFAB)이라는 자체 브랜드를 통해 소비자 대상 시장(B2C) 진출을 본격화하였습니다. 해당 브랜드는 맞춤형 스니커즈, 액세서리, 홈 데코 등을 중심으로 청년층 소비자층을 주 타겟으로 설정하고 있습니다.

현재 전체 매출의 25%를 해외 시장이 차지하고 있으며, 향후 3년 내 이를 50% 이상으로 확대하는 게 전략 목표입니다. 이를 실현하기 위해 미국, 프랑스, 일본 등 주요 국가에서 오프라인 매장 설립을 추진하고 있으며, 3D 프린팅 기술을 활용한 개인화 디자인 제품과의 융합 전략이 적용되고 있습니다.

이러한 글로벌 사업 전략은 단순 기술 수출을 넘어 브랜드 차원의 경쟁력을 강화하는 계기가 될 수 있으며, 기술기반 스타트업이 자립형 소비재 기업으로 성장하는 방향성을 보여주고 있습니다.

대기업과의 협력 확대 및 R&D 기반 강화

폴리폴리머는 3D 프린팅 기술의 고도화 과정에서 삼성전자, 보쉬(Bosch) 등 글로벌 테크 기업들과의 협력 사례를 통해 기술 수준을 검증받고 있습니다. 특히, 이들 기업의 연구개발 부문에 공급한 3D 프린팅 프로토타입은 제품 개발 초기 단계에서의 테스트 효율성 향상에 기여한 것으로 평가됩니다.

이외에도 국내외 다수의 제조 파트너들로부터 소재와 기술 공급에 대한 안정적인 수요를 확보하고 있으며, 이는 향후 기술 확산과 매출 성장의 기반으로 작용할 전망입니다. 또한, 연구개발 역량을 보강하기 위한 독립 연구 실험실도 운영 중이며, 새로운 복합 소재 개발에 집중하고 있습니다.

기술 상용화를 넘어 응용 분야 확장까지 고려할 때, R&D와 산업 간 접점 구축은 전략적으로 중요한 접근이라 할 수 있습니다.

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3D프린팅 기술은 제조 산업에 혁신적인 변화를 가져오고 있습니다. 한양3D팩토리는 이러한 기술 발전을 이끌며, 다양한 산업 분야에 실용적이고 신뢰할 수 있는 솔루션을 제공하고 있습니다. 앞으로도 지속적인 연구 개발을 통해 보다 향상된 3D프린팅 기술을 기대할 수 있습니다.