2차원 흑린 원자막 메모리 소자 제작 성공, 차세대 2차원 반도체 소자 연구 박차 - 2차원 흑린 원자막과 강유전성 고분자 물질을 이용한 메모리소자 개발 - 세계 최초의 2차원 흑린 원자막 기반 메모리 소자 실리콘을 대체하는 새로운 차세대 반도체 소재로써 전 세계적으로 2차원 원자막 재료에 대한 관심이 높아지고 있다. 대형 가전제품의 폭발적인 수요 증대와 더불어 보다 값싸고 양질의 반도체 소재를 찾기 때문이다. 반도체로써 현재까지 발견된 2차원 원자막 소재 중에서 가장 큰 관심을 받고 있는 소재가 바로 인의 동소체 중의 하나인 흑린이다. 흑린은 상온에서 다른 원자막 소재에 대비 10배 이상의 빠른 전하 이동도를 보이며, 단일 원소로 구성되어 대면적 공정이 가능한 꿈의 소재이다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 황도경/최원국 박사 연구팀과 연세대학교 물리학과 임성일 교수 연구팀은(이하 연구팀) 흑린 원자막 (Black Phosphorus)와 강유전성 고분자 물질[P(VDF-TrFE)]을 반도체 채널 및 유전층으로 사용하여 안정적인 비휘발성 메모리 소자를 제작하는데 성공하였으며 이러한 메모리 특성을 전압 신호 (Digital signal)로 직접 읽을 수 있는 신개념의 메모리 소자 개발에 성공하였다. 2차원 흑린 원자막 소재는 가장 최근에 발견된 새로운 반도체 소재로써 0.3-2.0 eV의 밴드갭을 가지고 있어서 밴드갭이 없는 그래핀 원자막의 반도체 특성의 한계를 뛰어 넘는 차세대 반도체 물질이다. 상온에서 수천의 전하이동도를 가지지만 공기 중의 산소 및 수분과 빠르게 반응하여 흑린 원자막의 산화 및 붕괴를 일으키는 문제가 있다. 연구팀은 강유전성 고분자 물질을 유전체 및 흑린 보호층으로 동시에 사용함으로써 흑린 원자막의 산화를 막고 보다 안정적인 메모리 소자를 구현할 수 있었다. 아날로그 신호인 전류 구동 소자는 메모리 컴퓨팅 기반의 구동 소자에서 완전한 형태의 메모리 소자로 동작하지 못하는 문제를 가진다. 연구진은 2차원 원자막 메모리 소자의 완전한 메모리 소자 구현을 위해 흑린 기반의 비휘발성 메모리소자에 외부 저항을 연결하는 인버터 형태의 소자를 제작하였으며, 보다 발전된 형태인 n형 반도체 (MoS2, 이황화 몰리브덴)와 p형 반도체 (흑린)로 구성된 CMOS？ (Complementary Metal Oxide Semiconductor) 구조의 강유전성 인버터 소자를 제작함으로써 세계 최초의 강유전성 CMOS 인버터 메모리 소자를 구현하는데 성공하였다. ？ . CMOS : n형 트랜지스터와 p형 트랜지스터로 이루어진 인버터 논리회로 가장 기본 적인 반도체 단위 응용소자이다. 이황화물리브덴/흑린 강유전성 CMOS 인버터 메모리소자는 전압 구동의 완전한 메모리 소자로써 우수한 메모리 특성을 보여주며 약 98%의 메모리 저장 효율을 가지는 신 개념의 메모리 소자이다. 최원국 박사는　“흑린 (BP)이 가지는 높은 전하이동도와 대면적화 공정의 가능성을 고려해 볼 때, 현재 반도체 산업에서 가장 많이 사용되고 있는 실리콘 소재를 대체 할 수 있는 꿈의 소재로 판단되며, 이 연구는 2차원 원자막 소재 기반의 복합 논리회로 및 반도체 응용소자로의 응용 가능성에 대한 의구심을 해소시켜 주는 중요한 결과이다” 라고 밝혔다. 본 연구는 KIST의 기관고유 미래원천연구사업, 산업통상자원부 제조기반산업핵심기술개발사업 및 미래창조과학부 중견연구자 도약 사업의 지원으로 수행되었으며, 10월 27일(화) (Off-Line 출판)자 ACS Nano에 온라인 게재되었다. (논문명) “Nonvolatile Ferroelectric Memory Circuit Using Black Phosphorus Nanosheet-Based Field-Effect Transistors with P(VDF-TrFE) Polymer” (DOI: 10.1021/acsnano.5b04592) - (공동 제1저자) 한국과학기술연구원 이영택 박사 - (공동 제1저자) 연세대학교 물리학과 권혁재 박사과정 - (공동교신저자) 한국과학기술연구원 황도경 박사 - (공동교신저자) 한국과학기술연구원 최원국 박사 - (공동교신저자) 연세대학교 물리학과 임성일 교수 <그림자료> <그림> 이황화몰리브덴(n형) 및 흑린(p형)으로 구성된 강유전성 CMOS 인버터 메모리 소자. (a) 광학 현미경 이미지 (b) 사용된 원자막의 두께 분석 (c) 완성된 강유전성 CMOS 메모리 소자의 모식도 (d) 각 n형 및 p형 메모리 소자의 전류 구동 특성 (e) 강유전성 CMOS 인버터 메모리 소자의 전압 구동 메모리 특성 (f) 강유전성 CMOS 인버터 메모리 소자의 전압 구동 메모리 유지 특성

2차원 흑린 원자막 메모리 소자 제작 성공, 차세대 2차원 반도체 소자 연구 박차 - 2차원 흑린 원자막과 강유전성 고분자 물질을 이용한 메모리소자 개발 - 세계 최초의 2차원 흑린 원자막 기반 메모리 소자 실리콘을 대체하는 새로운 차세대 반도체 소재로써 전 세계적으로 2차원 원자막 재료에 대한 관심이 높아지고 있다. 대형 가전제품의 폭발적인 수요 증대와 더불어 보다 값싸고 양질의 반도체 소재를 찾기 때문이다. 반도체로써 현재까지 발견된 2차원 원자막 소재 중에서 가장 큰 관심을 받고 있는 소재가 바로 인의 동소체 중의 하나인 흑린이다. 흑린은 상온에서 다른 원자막 소재에 대비 10배 이상의 빠른 전하 이동도를 보이며, 단일 원소로 구성되어 대면적 공정이 가능한 꿈의 소재이다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 황도경/최원국 박사 연구팀과 연세대학교 물리학과 임성일 교수 연구팀은(이하 연구팀) 흑린 원자막 (Black Phosphorus)와 강유전성 고분자 물질[P(VDF-TrFE)]을 반도체 채널 및 유전층으로 사용하여 안정적인 비휘발성 메모리 소자를 제작하는데 성공하였으며 이러한 메모리 특성을 전압 신호 (Digital signal)로 직접 읽을 수 있는 신개념의 메모리 소자 개발에 성공하였다. 2차원 흑린 원자막 소재는 가장 최근에 발견된 새로운 반도체 소재로써 0.3-2.0 eV의 밴드갭을 가지고 있어서 밴드갭이 없는 그래핀 원자막의 반도체 특성의 한계를 뛰어 넘는 차세대 반도체 물질이다. 상온에서 수천의 전하이동도를 가지지만 공기 중의 산소 및 수분과 빠르게 반응하여 흑린 원자막의 산화 및 붕괴를 일으키는 문제가 있다. 연구팀은 강유전성 고분자 물질을 유전체 및 흑린 보호층으로 동시에 사용함으로써 흑린 원자막의 산화를 막고 보다 안정적인 메모리 소자를 구현할 수 있었다. 아날로그 신호인 전류 구동 소자는 메모리 컴퓨팅 기반의 구동 소자에서 완전한 형태의 메모리 소자로 동작하지 못하는 문제를 가진다. 연구진은 2차원 원자막 메모리 소자의 완전한 메모리 소자 구현을 위해 흑린 기반의 비휘발성 메모리소자에 외부 저항을 연결하는 인버터 형태의 소자를 제작하였으며, 보다 발전된 형태인 n형 반도체 (MoS2, 이황화 몰리브덴)와 p형 반도체 (흑린)로 구성된 CMOS？ (Complementary Metal Oxide Semiconductor) 구조의 강유전성 인버터 소자를 제작함으로써 세계 최초의 강유전성 CMOS 인버터 메모리 소자를 구현하는데 성공하였다. ？ . CMOS : n형 트랜지스터와 p형 트랜지스터로 이루어진 인버터 논리회로 가장 기본 적인 반도체 단위 응용소자이다. 이황화물리브덴/흑린 강유전성 CMOS 인버터 메모리소자는 전압 구동의 완전한 메모리 소자로써 우수한 메모리 특성을 보여주며 약 98%의 메모리 저장 효율을 가지는 신 개념의 메모리 소자이다. 최원국 박사는　“흑린 (BP)이 가지는 높은 전하이동도와 대면적화 공정의 가능성을 고려해 볼 때, 현재 반도체 산업에서 가장 많이 사용되고 있는 실리콘 소재를 대체 할 수 있는 꿈의 소재로 판단되며, 이 연구는 2차원 원자막 소재 기반의 복합 논리회로 및 반도체 응용소자로의 응용 가능성에 대한 의구심을 해소시켜 주는 중요한 결과이다” 라고 밝혔다. 본 연구는 KIST의 기관고유 미래원천연구사업, 산업통상자원부 제조기반산업핵심기술개발사업 및 미래창조과학부 중견연구자 도약 사업의 지원으로 수행되었으며, 10월 27일(화) (Off-Line 출판)자 ACS Nano에 온라인 게재되었다. (논문명) “Nonvolatile Ferroelectric Memory Circuit Using Black Phosphorus Nanosheet-Based Field-Effect Transistors with P(VDF-TrFE) Polymer” (DOI: 10.1021/acsnano.5b04592) - (공동 제1저자) 한국과학기술연구원 이영택 박사 - (공동 제1저자) 연세대학교 물리학과 권혁재 박사과정 - (공동교신저자) 한국과학기술연구원 황도경 박사 - (공동교신저자) 한국과학기술연구원 최원국 박사 - (공동교신저자) 연세대학교 물리학과 임성일 교수 <그림자료> <그림> 이황화몰리브덴(n형) 및 흑린(p형)으로 구성된 강유전성 CMOS 인버터 메모리 소자. (a) 광학 현미경 이미지 (b) 사용된 원자막의 두께 분석 (c) 완성된 강유전성 CMOS 메모리 소자의 모식도 (d) 각 n형 및 p형 메모리 소자의 전류 구동 특성 (e) 강유전성 CMOS 인버터 메모리 소자의 전압 구동 메모리 특성 (f) 강유전성 CMOS 인버터 메모리 소자의 전압 구동 메모리 유지 특성

3D 프린터를 이용한 점자 및 촉각 형상 제작 기술, 이제 시각장애인들의 교육 속으로! - 크기, 형태, 색깔을 올록볼록 다양하게, 3D 프린터로 촉각형상 제작 - 평면적인 교과서 그림 입체화되어 시각장애인용 교육 자료로 활용 - 표면 처리로 친환경, 튼튼한 제작물 제작 점자(點字)는 솟아있는 점으로 만든 글자로 시각장애인들이 촉각을 통해 정보를 습득할 수 있게 도와주는 수단이다. 최근 점자 프린터 등의 개발로 시각장애인들의 편의성이 높아졌지만 책자의 부피나 내구성 등 해결할 문제가 많다. 또한 점자책 외에 시각장애인들이 사용할 수 있는 제작물 종류가 많지 않다는 점도 문제이다. 생산기술의 혁명이라고 일컬어지는 3D 프린팅 기법과 3차원 표면 열처리 기술을 결합하여 쉽고 빠르게 시각장애인을 위한 촉각 제작물을 만들 수 있는 기술이 개발되었다. 기술을 활용하면 점자책 뿐 아니라, 점자 그림책, 교육도구 등 다양한 제작물을 만들 수 있고, 색깔과 높이를 자유자재로 조절 할 수 있다. UV 코팅과 같은 화학처리 공정이 없어 인체에도 무해하다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 다원물질융합연구소 문명운 박사 연구팀은 ‘재료를 적층해 원하는 물질을 만드는 3D 프린팅 기법과 3차원 열처리 기술을 결합하여 선, 곡면 등 다양한 형상과 높이가 가능한 3차원 촉각 제작물을 만들었다. 연구팀은 제작물의 내구성과 접착력을 강화하기 위해 열처리 기법을 표면에 도입했다. 개발된 연구 성과는 국내특허로 출원되었다. 현재 시각 장애인들을 위한 제작물은 종이에 점을 찍어 글로 표현한 점자문서나 책이 대부분이다. 사과, 나무 등 기초적인 사물의 외곽선을 점자의 솟아있는 점을 이용하여 종이에 표현한 그림책이나 지하철이나 관공서 안내판 위에 찍은 점자들은 있지만 판별이 어려울 뿐만 아니라 복잡한 지도의 등고선이나 형태가 복잡한 지진발생과정과 같은 교육 자료를 만들기는 어려웠다. 연구팀은 3D 프린터 기법 중 3차원의 모델 자료를 기반으로 필라멘트를 한층 한층 쌓아 올리는 적층가공 기법을 이용했다. 이 기법은 컴퓨터지원설계(Computer Aided Drawing, CAD) 데이터를 활용하여 짧은 시간에 저렴한 가격으로 복잡한 3차원 형상의 축소된 모델이나 시제품을 제작하는 것이 가능하다 (그림 1a 참고). 이러한 방식은 최종 제작물의 재료가 되는 필라멘트를 적층하는 횟수를 조절하여 제작물의 크기와 모양, 두께를 쉽게 조절할 수 있다. 이렇게 만들어진 제작물은 글자위주였던 점자 문서 안에서 표나 그림을 다양하게 표현할 수 있어 시각장애인들이 내용을 쉽게 이해할 수 있게 되었고, 필라멘트의 색깔을 달리하면 3차원 입체 구조물을 다양한 색깔로 바꿀 수 있기 때문에 (그림 1b 참고) 산의 모양이나 지도의 등고선 등 복잡한 구조를 실제 색깔과 유사하게 만들 수 있다. 뿐만 아니라 몇 달이 걸리는 제작시간을 몇 시간으로 단축할 수 있어 교육현장의 수요를 빨리 반영할 수 있다는 장점도 있다. 시각 장애인을 위한 촉각 제작물은 대부분의 정보 습득이 손의 감각으로 이루어지기 때문에 인체에 무해해야 하고, 내구성을 확보하는 것이 관건이다. 이러한 문제를 해결하기 위해 연구팀은 촉각 제작물 제작 후 표면을 Thermal Flow 방식으로 처리하는 방법을 선택했다. 160도 이상의 열로 표면을 처리하게 되면 고체화된 필라멘트가 녹으면서 표면의 미세 구조 내로 스며들어 제작물 사이에 접착력이 향상된다 (그림 2 참고). 표면 처리한 제작물은 플라스틱 소재여서 기존 종이 재료보다 재료 자체의 내구성이 높아졌을 뿐 아니라, 외부 충격에 대한 내구성 또한 향상되었다.(그림 3 참고). 이러한 열처리 기법은 3D 프린터 적층 제작시 발생하는 경계면에 의한 표면 거칠기 또한 완화시킬 수 있어 매끄러운 표면 처리공정도 가능하다. 본 연구는 표면처리 기술을 통한 점자와 표면과의 접착력의 제어가 가능하기 때문에 종이뿐만 아니라, 플라스틱, 금속, 세라믹 등 다양한 소재로 이루어진 표면에 적용가능하다. 또한 3D 프린터를 이용하므로 시각장애 학생들이 쉽게 만져서 알 수 있는 우리나라 지도나 동식물의 성장 과정 모델 등의 학습자료를 만들 수 있다. 또한 이날 다원물질융합연구소(소장 이광렬)와 서울 맹학교(교장 이유훈)는 3D 프린팅 기술을 이용하여 시각 장애 학생들이 사용할 수 있는 입체 학습 자료 개발에 협력하기로 하였으며 이를 위한 공동연구 양해 각서를 체결하였다. KIST 다원물질융합연구소 이광렬 소장은 “개발된 자료는 시각 장애인들의 교육과 생활의 질을 향상하기 위해 개발되었지만, 색깔과 형태가 다양해 비장애인 학생의 교육에도 활용될 수 있을 것이라 기대된다”며, “장애인의 교육과 행복을 위한 따뜻한 R&D를 위해 더욱 노력하겠다”고 밝혔다. <추가 설명> ** 3D 프린팅 기법 : 최근에 사용되고 있는 3D 프린터 방식 중에서 FDM 프린팅 기법을 사용하며 이 방식은 열가소성 필라멘트를 순간적으로 가열하여 노즐 장치에 의해 압출시킨 후 얇게 쌓아 올리는 방식으로 견고하고 열적으로 안정적인 결과물을 출력할 수 있다. 이러한 이점들 때문에 건축, 자동차 및 산업용 부품 소재, 의류에 이르기까지 매우 다양한 분야에서 광범위하게 사용되고 있다. ** Thermal reflow 방식 : 3D 프린팅 기법에 의해 출력된 제작물에 열이 가해지면 열판의 온도가 열가소성 필라멘트의 용융점에 도달하게 되어 분자간 결합이 느슨해지고 점성이 낮아져 다시 재용융된다. 이러한 과정에서 적층된 형상 내의 표면에너지를 축소화하려는 표면장력에 의해 표면이 리플로우 (reflow) 되어 매끄러워지는 효과를 얻을 수 있다. 또한 재융용되는 동안 접촉하고 있는 기판의 빈 공간 내에 필라멘트가 스며들어 완벽하게 접착될 수 있다. <그림 설명> <그림 1> (a) FDM 3D 프린팅 기법의 장치에 대한 도식도, (b) 프린팅 기법에 의해 제작된 사과 모양의 3차원 촉각 형상과 사과 내부에 점자 영문 표기법에 따라 APPLE을 점자 규격에 맞춰 점자로 제작한 촉각 패턴을 보여주는 이미지이다. <그림 2> Thermal reflow 처리 전 종이 기판에서 탈착된 점자 형상의 뒷면 이미지 (a,b)와 탈착된 자리를 보여주는 종이 기판 이미지 (c,d); Thermal reflow 처리 전에는 필라멘트와 종이 사이의 부분적인 접착으로 인해 외부 압력에 의해 점자 형상이 쉽게 탈착되었으며 점자 형상의 뒷면에 종이를 구성하고 있는 셀룰로우즈에 의해 형성된 눌린 자국만이 남아 있음을 확인하였다. Thermal reflow 처리 후에 해당되는 점자 형상 뒷면 이미지 (e,f)와 종이 기판 이미지 (g,h); 처리 후에는 재용융되는 동안 필라멘트가 셀룰로우즈 구조 내의 빈 공간으로 스며들어 접착력이 강해져서 인위적인 탈착시 셀룰로우즈가 함께 뜯겨졌음을 점자 형상 뒷면 이미지를 통해 볼 수 있고, 종이 기판에서도 뜯겨진 자국이 확연하게 들어났다. <그림 3> (a-c) 기존의 천공방식과 (d-f) 본 발명에 의해 제작된 점자 형상의 내구성 테스트를 통해 변화된 결과를 비교한 이미지. 내구성 테스트는 5 N의 무게를 지닌 쇠구슬을 패턴 형상 위에서 100 mm/s의 속력으로 12.5 m 돌려 측정 전(a,d)과 측정 후(b,e)의 이미지를 비교하였다. 천공방식에 의해 제작된 점자는 형상이 쉽게 눌려 찌그러지는 반면, 3D 프린팅 기법과 thermal reflow 처리를 통해 제작된 점자는 형상 변화가 없이 강한 내구성을 보였다. <그림 4> 제작물 샘플

3D 프린터를 이용한 점자 및 촉각 형상 제작 기술, 이제 시각장애인들의 교육 속으로! - 크기, 형태, 색깔을 올록볼록 다양하게, 3D 프린터로 촉각형상 제작 - 평면적인 교과서 그림 입체화되어 시각장애인용 교육 자료로 활용 - 표면 처리로 친환경, 튼튼한 제작물 제작 점자(點字)는 솟아있는 점으로 만든 글자로 시각장애인들이 촉각을 통해 정보를 습득할 수 있게 도와주는 수단이다. 최근 점자 프린터 등의 개발로 시각장애인들의 편의성이 높아졌지만 책자의 부피나 내구성 등 해결할 문제가 많다. 또한 점자책 외에 시각장애인들이 사용할 수 있는 제작물 종류가 많지 않다는 점도 문제이다. 생산기술의 혁명이라고 일컬어지는 3D 프린팅 기법과 3차원 표면 열처리 기술을 결합하여 쉽고 빠르게 시각장애인을 위한 촉각 제작물을 만들 수 있는 기술이 개발되었다. 기술을 활용하면 점자책 뿐 아니라, 점자 그림책, 교육도구 등 다양한 제작물을 만들 수 있고, 색깔과 높이를 자유자재로 조절 할 수 있다. UV 코팅과 같은 화학처리 공정이 없어 인체에도 무해하다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 다원물질융합연구소 문명운 박사 연구팀은 ‘재료를 적층해 원하는 물질을 만드는 3D 프린팅 기법과 3차원 열처리 기술을 결합하여 선, 곡면 등 다양한 형상과 높이가 가능한 3차원 촉각 제작물을 만들었다. 연구팀은 제작물의 내구성과 접착력을 강화하기 위해 열처리 기법을 표면에 도입했다. 개발된 연구 성과는 국내특허로 출원되었다. 현재 시각 장애인들을 위한 제작물은 종이에 점을 찍어 글로 표현한 점자문서나 책이 대부분이다. 사과, 나무 등 기초적인 사물의 외곽선을 점자의 솟아있는 점을 이용하여 종이에 표현한 그림책이나 지하철이나 관공서 안내판 위에 찍은 점자들은 있지만 판별이 어려울 뿐만 아니라 복잡한 지도의 등고선이나 형태가 복잡한 지진발생과정과 같은 교육 자료를 만들기는 어려웠다. 연구팀은 3D 프린터 기법 중 3차원의 모델 자료를 기반으로 필라멘트를 한층 한층 쌓아 올리는 적층가공 기법을 이용했다. 이 기법은 컴퓨터지원설계(Computer Aided Drawing, CAD) 데이터를 활용하여 짧은 시간에 저렴한 가격으로 복잡한 3차원 형상의 축소된 모델이나 시제품을 제작하는 것이 가능하다 (그림 1a 참고). 이러한 방식은 최종 제작물의 재료가 되는 필라멘트를 적층하는 횟수를 조절하여 제작물의 크기와 모양, 두께를 쉽게 조절할 수 있다. 이렇게 만들어진 제작물은 글자위주였던 점자 문서 안에서 표나 그림을 다양하게 표현할 수 있어 시각장애인들이 내용을 쉽게 이해할 수 있게 되었고, 필라멘트의 색깔을 달리하면 3차원 입체 구조물을 다양한 색깔로 바꿀 수 있기 때문에 (그림 1b 참고) 산의 모양이나 지도의 등고선 등 복잡한 구조를 실제 색깔과 유사하게 만들 수 있다. 뿐만 아니라 몇 달이 걸리는 제작시간을 몇 시간으로 단축할 수 있어 교육현장의 수요를 빨리 반영할 수 있다는 장점도 있다. 시각 장애인을 위한 촉각 제작물은 대부분의 정보 습득이 손의 감각으로 이루어지기 때문에 인체에 무해해야 하고, 내구성을 확보하는 것이 관건이다. 이러한 문제를 해결하기 위해 연구팀은 촉각 제작물 제작 후 표면을 Thermal Flow 방식으로 처리하는 방법을 선택했다. 160도 이상의 열로 표면을 처리하게 되면 고체화된 필라멘트가 녹으면서 표면의 미세 구조 내로 스며들어 제작물 사이에 접착력이 향상된다 (그림 2 참고). 표면 처리한 제작물은 플라스틱 소재여서 기존 종이 재료보다 재료 자체의 내구성이 높아졌을 뿐 아니라, 외부 충격에 대한 내구성 또한 향상되었다.(그림 3 참고). 이러한 열처리 기법은 3D 프린터 적층 제작시 발생하는 경계면에 의한 표면 거칠기 또한 완화시킬 수 있어 매끄러운 표면 처리공정도 가능하다. 본 연구는 표면처리 기술을 통한 점자와 표면과의 접착력의 제어가 가능하기 때문에 종이뿐만 아니라, 플라스틱, 금속, 세라믹 등 다양한 소재로 이루어진 표면에 적용가능하다. 또한 3D 프린터를 이용하므로 시각장애 학생들이 쉽게 만져서 알 수 있는 우리나라 지도나 동식물의 성장 과정 모델 등의 학습자료를 만들 수 있다. 또한 이날 다원물질융합연구소(소장 이광렬)와 서울 맹학교(교장 이유훈)는 3D 프린팅 기술을 이용하여 시각 장애 학생들이 사용할 수 있는 입체 학습 자료 개발에 협력하기로 하였으며 이를 위한 공동연구 양해 각서를 체결하였다. KIST 다원물질융합연구소 이광렬 소장은 “개발된 자료는 시각 장애인들의 교육과 생활의 질을 향상하기 위해 개발되었지만, 색깔과 형태가 다양해 비장애인 학생의 교육에도 활용될 수 있을 것이라 기대된다”며, “장애인의 교육과 행복을 위한 따뜻한 R&D를 위해 더욱 노력하겠다”고 밝혔다. <추가 설명> ** 3D 프린팅 기법 : 최근에 사용되고 있는 3D 프린터 방식 중에서 FDM 프린팅 기법을 사용하며 이 방식은 열가소성 필라멘트를 순간적으로 가열하여 노즐 장치에 의해 압출시킨 후 얇게 쌓아 올리는 방식으로 견고하고 열적으로 안정적인 결과물을 출력할 수 있다. 이러한 이점들 때문에 건축, 자동차 및 산업용 부품 소재, 의류에 이르기까지 매우 다양한 분야에서 광범위하게 사용되고 있다. ** Thermal reflow 방식 : 3D 프린팅 기법에 의해 출력된 제작물에 열이 가해지면 열판의 온도가 열가소성 필라멘트의 용융점에 도달하게 되어 분자간 결합이 느슨해지고 점성이 낮아져 다시 재용융된다. 이러한 과정에서 적층된 형상 내의 표면에너지를 축소화하려는 표면장력에 의해 표면이 리플로우 (reflow) 되어 매끄러워지는 효과를 얻을 수 있다. 또한 재융용되는 동안 접촉하고 있는 기판의 빈 공간 내에 필라멘트가 스며들어 완벽하게 접착될 수 있다. <그림 설명> <그림 1> (a) FDM 3D 프린팅 기법의 장치에 대한 도식도, (b) 프린팅 기법에 의해 제작된 사과 모양의 3차원 촉각 형상과 사과 내부에 점자 영문 표기법에 따라 APPLE을 점자 규격에 맞춰 점자로 제작한 촉각 패턴을 보여주는 이미지이다. <그림 2> Thermal reflow 처리 전 종이 기판에서 탈착된 점자 형상의 뒷면 이미지 (a,b)와 탈착된 자리를 보여주는 종이 기판 이미지 (c,d); Thermal reflow 처리 전에는 필라멘트와 종이 사이의 부분적인 접착으로 인해 외부 압력에 의해 점자 형상이 쉽게 탈착되었으며 점자 형상의 뒷면에 종이를 구성하고 있는 셀룰로우즈에 의해 형성된 눌린 자국만이 남아 있음을 확인하였다. Thermal reflow 처리 후에 해당되는 점자 형상 뒷면 이미지 (e,f)와 종이 기판 이미지 (g,h); 처리 후에는 재용융되는 동안 필라멘트가 셀룰로우즈 구조 내의 빈 공간으로 스며들어 접착력이 강해져서 인위적인 탈착시 셀룰로우즈가 함께 뜯겨졌음을 점자 형상 뒷면 이미지를 통해 볼 수 있고, 종이 기판에서도 뜯겨진 자국이 확연하게 들어났다. <그림 3> (a-c) 기존의 천공방식과 (d-f) 본 발명에 의해 제작된 점자 형상의 내구성 테스트를 통해 변화된 결과를 비교한 이미지. 내구성 테스트는 5 N의 무게를 지닌 쇠구슬을 패턴 형상 위에서 100 mm/s의 속력으로 12.5 m 돌려 측정 전(a,d)과 측정 후(b,e)의 이미지를 비교하였다. 천공방식에 의해 제작된 점자는 형상이 쉽게 눌려 찌그러지는 반면, 3D 프린팅 기법과 thermal reflow 처리를 통해 제작된 점자는 형상 변화가 없이 강한 내구성을 보였다. <그림 4> 제작물 샘플

3D 프린터를 이용한 점자 및 촉각 형상 제작 기술, 이제 시각장애인들의 교육 속으로! - 크기, 형태, 색깔을 올록볼록 다양하게, 3D 프린터로 촉각형상 제작 - 평면적인 교과서 그림 입체화되어 시각장애인용 교육 자료로 활용 - 표면 처리로 친환경, 튼튼한 제작물 제작 점자(點字)는 솟아있는 점으로 만든 글자로 시각장애인들이 촉각을 통해 정보를 습득할 수 있게 도와주는 수단이다. 최근 점자 프린터 등의 개발로 시각장애인들의 편의성이 높아졌지만 책자의 부피나 내구성 등 해결할 문제가 많다. 또한 점자책 외에 시각장애인들이 사용할 수 있는 제작물 종류가 많지 않다는 점도 문제이다. 생산기술의 혁명이라고 일컬어지는 3D 프린팅 기법과 3차원 표면 열처리 기술을 결합하여 쉽고 빠르게 시각장애인을 위한 촉각 제작물을 만들 수 있는 기술이 개발되었다. 기술을 활용하면 점자책 뿐 아니라, 점자 그림책, 교육도구 등 다양한 제작물을 만들 수 있고, 색깔과 높이를 자유자재로 조절 할 수 있다. UV 코팅과 같은 화학처리 공정이 없어 인체에도 무해하다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 다원물질융합연구소 문명운 박사 연구팀은 ‘재료를 적층해 원하는 물질을 만드는 3D 프린팅 기법과 3차원 열처리 기술을 결합하여 선, 곡면 등 다양한 형상과 높이가 가능한 3차원 촉각 제작물을 만들었다. 연구팀은 제작물의 내구성과 접착력을 강화하기 위해 열처리 기법을 표면에 도입했다. 개발된 연구 성과는 국내특허로 출원되었다. 현재 시각 장애인들을 위한 제작물은 종이에 점을 찍어 글로 표현한 점자문서나 책이 대부분이다. 사과, 나무 등 기초적인 사물의 외곽선을 점자의 솟아있는 점을 이용하여 종이에 표현한 그림책이나 지하철이나 관공서 안내판 위에 찍은 점자들은 있지만 판별이 어려울 뿐만 아니라 복잡한 지도의 등고선이나 형태가 복잡한 지진발생과정과 같은 교육 자료를 만들기는 어려웠다. 연구팀은 3D 프린터 기법 중 3차원의 모델 자료를 기반으로 필라멘트를 한층 한층 쌓아 올리는 적층가공 기법을 이용했다. 이 기법은 컴퓨터지원설계(Computer Aided Drawing, CAD) 데이터를 활용하여 짧은 시간에 저렴한 가격으로 복잡한 3차원 형상의 축소된 모델이나 시제품을 제작하는 것이 가능하다 (그림 1a 참고). 이러한 방식은 최종 제작물의 재료가 되는 필라멘트를 적층하는 횟수를 조절하여 제작물의 크기와 모양, 두께를 쉽게 조절할 수 있다. 이렇게 만들어진 제작물은 글자위주였던 점자 문서 안에서 표나 그림을 다양하게 표현할 수 있어 시각장애인들이 내용을 쉽게 이해할 수 있게 되었고, 필라멘트의 색깔을 달리하면 3차원 입체 구조물을 다양한 색깔로 바꿀 수 있기 때문에 (그림 1b 참고) 산의 모양이나 지도의 등고선 등 복잡한 구조를 실제 색깔과 유사하게 만들 수 있다. 뿐만 아니라 몇 달이 걸리는 제작시간을 몇 시간으로 단축할 수 있어 교육현장의 수요를 빨리 반영할 수 있다는 장점도 있다. 시각 장애인을 위한 촉각 제작물은 대부분의 정보 습득이 손의 감각으로 이루어지기 때문에 인체에 무해해야 하고, 내구성을 확보하는 것이 관건이다. 이러한 문제를 해결하기 위해 연구팀은 촉각 제작물 제작 후 표면을 Thermal Flow 방식으로 처리하는 방법을 선택했다. 160도 이상의 열로 표면을 처리하게 되면 고체화된 필라멘트가 녹으면서 표면의 미세 구조 내로 스며들어 제작물 사이에 접착력이 향상된다 (그림 2 참고). 표면 처리한 제작물은 플라스틱 소재여서 기존 종이 재료보다 재료 자체의 내구성이 높아졌을 뿐 아니라, 외부 충격에 대한 내구성 또한 향상되었다.(그림 3 참고). 이러한 열처리 기법은 3D 프린터 적층 제작시 발생하는 경계면에 의한 표면 거칠기 또한 완화시킬 수 있어 매끄러운 표면 처리공정도 가능하다. 본 연구는 표면처리 기술을 통한 점자와 표면과의 접착력의 제어가 가능하기 때문에 종이뿐만 아니라, 플라스틱, 금속, 세라믹 등 다양한 소재로 이루어진 표면에 적용가능하다. 또한 3D 프린터를 이용하므로 시각장애 학생들이 쉽게 만져서 알 수 있는 우리나라 지도나 동식물의 성장 과정 모델 등의 학습자료를 만들 수 있다. 또한 이날 다원물질융합연구소(소장 이광렬)와 서울 맹학교(교장 이유훈)는 3D 프린팅 기술을 이용하여 시각 장애 학생들이 사용할 수 있는 입체 학습 자료 개발에 협력하기로 하였으며 이를 위한 공동연구 양해 각서를 체결하였다. KIST 다원물질융합연구소 이광렬 소장은 “개발된 자료는 시각 장애인들의 교육과 생활의 질을 향상하기 위해 개발되었지만, 색깔과 형태가 다양해 비장애인 학생의 교육에도 활용될 수 있을 것이라 기대된다”며, “장애인의 교육과 행복을 위한 따뜻한 R&D를 위해 더욱 노력하겠다”고 밝혔다. <추가 설명> ** 3D 프린팅 기법 : 최근에 사용되고 있는 3D 프린터 방식 중에서 FDM 프린팅 기법을 사용하며 이 방식은 열가소성 필라멘트를 순간적으로 가열하여 노즐 장치에 의해 압출시킨 후 얇게 쌓아 올리는 방식으로 견고하고 열적으로 안정적인 결과물을 출력할 수 있다. 이러한 이점들 때문에 건축, 자동차 및 산업용 부품 소재, 의류에 이르기까지 매우 다양한 분야에서 광범위하게 사용되고 있다. ** Thermal reflow 방식 : 3D 프린팅 기법에 의해 출력된 제작물에 열이 가해지면 열판의 온도가 열가소성 필라멘트의 용융점에 도달하게 되어 분자간 결합이 느슨해지고 점성이 낮아져 다시 재용융된다. 이러한 과정에서 적층된 형상 내의 표면에너지를 축소화하려는 표면장력에 의해 표면이 리플로우 (reflow) 되어 매끄러워지는 효과를 얻을 수 있다. 또한 재융용되는 동안 접촉하고 있는 기판의 빈 공간 내에 필라멘트가 스며들어 완벽하게 접착될 수 있다. <그림 설명> <그림 1> (a) FDM 3D 프린팅 기법의 장치에 대한 도식도, (b) 프린팅 기법에 의해 제작된 사과 모양의 3차원 촉각 형상과 사과 내부에 점자 영문 표기법에 따라 APPLE을 점자 규격에 맞춰 점자로 제작한 촉각 패턴을 보여주는 이미지이다. <그림 2> Thermal reflow 처리 전 종이 기판에서 탈착된 점자 형상의 뒷면 이미지 (a,b)와 탈착된 자리를 보여주는 종이 기판 이미지 (c,d); Thermal reflow 처리 전에는 필라멘트와 종이 사이의 부분적인 접착으로 인해 외부 압력에 의해 점자 형상이 쉽게 탈착되었으며 점자 형상의 뒷면에 종이를 구성하고 있는 셀룰로우즈에 의해 형성된 눌린 자국만이 남아 있음을 확인하였다. Thermal reflow 처리 후에 해당되는 점자 형상 뒷면 이미지 (e,f)와 종이 기판 이미지 (g,h); 처리 후에는 재용융되는 동안 필라멘트가 셀룰로우즈 구조 내의 빈 공간으로 스며들어 접착력이 강해져서 인위적인 탈착시 셀룰로우즈가 함께 뜯겨졌음을 점자 형상 뒷면 이미지를 통해 볼 수 있고, 종이 기판에서도 뜯겨진 자국이 확연하게 들어났다. <그림 3> (a-c) 기존의 천공방식과 (d-f) 본 발명에 의해 제작된 점자 형상의 내구성 테스트를 통해 변화된 결과를 비교한 이미지. 내구성 테스트는 5 N의 무게를 지닌 쇠구슬을 패턴 형상 위에서 100 mm/s의 속력으로 12.5 m 돌려 측정 전(a,d)과 측정 후(b,e)의 이미지를 비교하였다. 천공방식에 의해 제작된 점자는 형상이 쉽게 눌려 찌그러지는 반면, 3D 프린팅 기법과 thermal reflow 처리를 통해 제작된 점자는 형상 변화가 없이 강한 내구성을 보였다. <그림 4> 제작물 샘플

3D 프린터를 이용한 점자 및 촉각 형상 제작 기술, 이제 시각장애인들의 교육 속으로! - 크기, 형태, 색깔을 올록볼록 다양하게, 3D 프린터로 촉각형상 제작 - 평면적인 교과서 그림 입체화되어 시각장애인용 교육 자료로 활용 - 표면 처리로 친환경, 튼튼한 제작물 제작 점자(點字)는 솟아있는 점으로 만든 글자로 시각장애인들이 촉각을 통해 정보를 습득할 수 있게 도와주는 수단이다. 최근 점자 프린터 등의 개발로 시각장애인들의 편의성이 높아졌지만 책자의 부피나 내구성 등 해결할 문제가 많다. 또한 점자책 외에 시각장애인들이 사용할 수 있는 제작물 종류가 많지 않다는 점도 문제이다. 생산기술의 혁명이라고 일컬어지는 3D 프린팅 기법과 3차원 표면 열처리 기술을 결합하여 쉽고 빠르게 시각장애인을 위한 촉각 제작물을 만들 수 있는 기술이 개발되었다. 기술을 활용하면 점자책 뿐 아니라, 점자 그림책, 교육도구 등 다양한 제작물을 만들 수 있고, 색깔과 높이를 자유자재로 조절 할 수 있다. UV 코팅과 같은 화학처리 공정이 없어 인체에도 무해하다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 다원물질융합연구소 문명운 박사 연구팀은 ‘재료를 적층해 원하는 물질을 만드는 3D 프린팅 기법과 3차원 열처리 기술을 결합하여 선, 곡면 등 다양한 형상과 높이가 가능한 3차원 촉각 제작물을 만들었다. 연구팀은 제작물의 내구성과 접착력을 강화하기 위해 열처리 기법을 표면에 도입했다. 개발된 연구 성과는 국내특허로 출원되었다. 현재 시각 장애인들을 위한 제작물은 종이에 점을 찍어 글로 표현한 점자문서나 책이 대부분이다. 사과, 나무 등 기초적인 사물의 외곽선을 점자의 솟아있는 점을 이용하여 종이에 표현한 그림책이나 지하철이나 관공서 안내판 위에 찍은 점자들은 있지만 판별이 어려울 뿐만 아니라 복잡한 지도의 등고선이나 형태가 복잡한 지진발생과정과 같은 교육 자료를 만들기는 어려웠다. 연구팀은 3D 프린터 기법 중 3차원의 모델 자료를 기반으로 필라멘트를 한층 한층 쌓아 올리는 적층가공 기법을 이용했다. 이 기법은 컴퓨터지원설계(Computer Aided Drawing, CAD) 데이터를 활용하여 짧은 시간에 저렴한 가격으로 복잡한 3차원 형상의 축소된 모델이나 시제품을 제작하는 것이 가능하다 (그림 1a 참고). 이러한 방식은 최종 제작물의 재료가 되는 필라멘트를 적층하는 횟수를 조절하여 제작물의 크기와 모양, 두께를 쉽게 조절할 수 있다. 이렇게 만들어진 제작물은 글자위주였던 점자 문서 안에서 표나 그림을 다양하게 표현할 수 있어 시각장애인들이 내용을 쉽게 이해할 수 있게 되었고, 필라멘트의 색깔을 달리하면 3차원 입체 구조물을 다양한 색깔로 바꿀 수 있기 때문에 (그림 1b 참고) 산의 모양이나 지도의 등고선 등 복잡한 구조를 실제 색깔과 유사하게 만들 수 있다. 뿐만 아니라 몇 달이 걸리는 제작시간을 몇 시간으로 단축할 수 있어 교육현장의 수요를 빨리 반영할 수 있다는 장점도 있다. 시각 장애인을 위한 촉각 제작물은 대부분의 정보 습득이 손의 감각으로 이루어지기 때문에 인체에 무해해야 하고, 내구성을 확보하는 것이 관건이다. 이러한 문제를 해결하기 위해 연구팀은 촉각 제작물 제작 후 표면을 Thermal Flow 방식으로 처리하는 방법을 선택했다. 160도 이상의 열로 표면을 처리하게 되면 고체화된 필라멘트가 녹으면서 표면의 미세 구조 내로 스며들어 제작물 사이에 접착력이 향상된다 (그림 2 참고). 표면 처리한 제작물은 플라스틱 소재여서 기존 종이 재료보다 재료 자체의 내구성이 높아졌을 뿐 아니라, 외부 충격에 대한 내구성 또한 향상되었다.(그림 3 참고). 이러한 열처리 기법은 3D 프린터 적층 제작시 발생하는 경계면에 의한 표면 거칠기 또한 완화시킬 수 있어 매끄러운 표면 처리공정도 가능하다. 본 연구는 표면처리 기술을 통한 점자와 표면과의 접착력의 제어가 가능하기 때문에 종이뿐만 아니라, 플라스틱, 금속, 세라믹 등 다양한 소재로 이루어진 표면에 적용가능하다. 또한 3D 프린터를 이용하므로 시각장애 학생들이 쉽게 만져서 알 수 있는 우리나라 지도나 동식물의 성장 과정 모델 등의 학습자료를 만들 수 있다. 또한 이날 다원물질융합연구소(소장 이광렬)와 서울 맹학교(교장 이유훈)는 3D 프린팅 기술을 이용하여 시각 장애 학생들이 사용할 수 있는 입체 학습 자료 개발에 협력하기로 하였으며 이를 위한 공동연구 양해 각서를 체결하였다. KIST 다원물질융합연구소 이광렬 소장은 “개발된 자료는 시각 장애인들의 교육과 생활의 질을 향상하기 위해 개발되었지만, 색깔과 형태가 다양해 비장애인 학생의 교육에도 활용될 수 있을 것이라 기대된다”며, “장애인의 교육과 행복을 위한 따뜻한 R&D를 위해 더욱 노력하겠다”고 밝혔다. <추가 설명> ** 3D 프린팅 기법 : 최근에 사용되고 있는 3D 프린터 방식 중에서 FDM 프린팅 기법을 사용하며 이 방식은 열가소성 필라멘트를 순간적으로 가열하여 노즐 장치에 의해 압출시킨 후 얇게 쌓아 올리는 방식으로 견고하고 열적으로 안정적인 결과물을 출력할 수 있다. 이러한 이점들 때문에 건축, 자동차 및 산업용 부품 소재, 의류에 이르기까지 매우 다양한 분야에서 광범위하게 사용되고 있다. ** Thermal reflow 방식 : 3D 프린팅 기법에 의해 출력된 제작물에 열이 가해지면 열판의 온도가 열가소성 필라멘트의 용융점에 도달하게 되어 분자간 결합이 느슨해지고 점성이 낮아져 다시 재용융된다. 이러한 과정에서 적층된 형상 내의 표면에너지를 축소화하려는 표면장력에 의해 표면이 리플로우 (reflow) 되어 매끄러워지는 효과를 얻을 수 있다. 또한 재융용되는 동안 접촉하고 있는 기판의 빈 공간 내에 필라멘트가 스며들어 완벽하게 접착될 수 있다. <그림 설명> <그림 1> (a) FDM 3D 프린팅 기법의 장치에 대한 도식도, (b) 프린팅 기법에 의해 제작된 사과 모양의 3차원 촉각 형상과 사과 내부에 점자 영문 표기법에 따라 APPLE을 점자 규격에 맞춰 점자로 제작한 촉각 패턴을 보여주는 이미지이다. <그림 2> Thermal reflow 처리 전 종이 기판에서 탈착된 점자 형상의 뒷면 이미지 (a,b)와 탈착된 자리를 보여주는 종이 기판 이미지 (c,d); Thermal reflow 처리 전에는 필라멘트와 종이 사이의 부분적인 접착으로 인해 외부 압력에 의해 점자 형상이 쉽게 탈착되었으며 점자 형상의 뒷면에 종이를 구성하고 있는 셀룰로우즈에 의해 형성된 눌린 자국만이 남아 있음을 확인하였다. Thermal reflow 처리 후에 해당되는 점자 형상 뒷면 이미지 (e,f)와 종이 기판 이미지 (g,h); 처리 후에는 재용융되는 동안 필라멘트가 셀룰로우즈 구조 내의 빈 공간으로 스며들어 접착력이 강해져서 인위적인 탈착시 셀룰로우즈가 함께 뜯겨졌음을 점자 형상 뒷면 이미지를 통해 볼 수 있고, 종이 기판에서도 뜯겨진 자국이 확연하게 들어났다. <그림 3> (a-c) 기존의 천공방식과 (d-f) 본 발명에 의해 제작된 점자 형상의 내구성 테스트를 통해 변화된 결과를 비교한 이미지. 내구성 테스트는 5 N의 무게를 지닌 쇠구슬을 패턴 형상 위에서 100 mm/s의 속력으로 12.5 m 돌려 측정 전(a,d)과 측정 후(b,e)의 이미지를 비교하였다. 천공방식에 의해 제작된 점자는 형상이 쉽게 눌려 찌그러지는 반면, 3D 프린팅 기법과 thermal reflow 처리를 통해 제작된 점자는 형상 변화가 없이 강한 내구성을 보였다. <그림 4> 제작물 샘플

3D 프린터를 이용한 점자 및 촉각 형상 제작 기술, 이제 시각장애인들의 교육 속으로! - 크기, 형태, 색깔을 올록볼록 다양하게, 3D 프린터로 촉각형상 제작 - 평면적인 교과서 그림 입체화되어 시각장애인용 교육 자료로 활용 - 표면 처리로 친환경, 튼튼한 제작물 제작 점자(點字)는 솟아있는 점으로 만든 글자로 시각장애인들이 촉각을 통해 정보를 습득할 수 있게 도와주는 수단이다. 최근 점자 프린터 등의 개발로 시각장애인들의 편의성이 높아졌지만 책자의 부피나 내구성 등 해결할 문제가 많다. 또한 점자책 외에 시각장애인들이 사용할 수 있는 제작물 종류가 많지 않다는 점도 문제이다. 생산기술의 혁명이라고 일컬어지는 3D 프린팅 기법과 3차원 표면 열처리 기술을 결합하여 쉽고 빠르게 시각장애인을 위한 촉각 제작물을 만들 수 있는 기술이 개발되었다. 기술을 활용하면 점자책 뿐 아니라, 점자 그림책, 교육도구 등 다양한 제작물을 만들 수 있고, 색깔과 높이를 자유자재로 조절 할 수 있다. UV 코팅과 같은 화학처리 공정이 없어 인체에도 무해하다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 다원물질융합연구소 문명운 박사 연구팀은 ‘재료를 적층해 원하는 물질을 만드는 3D 프린팅 기법과 3차원 열처리 기술을 결합하여 선, 곡면 등 다양한 형상과 높이가 가능한 3차원 촉각 제작물을 만들었다. 연구팀은 제작물의 내구성과 접착력을 강화하기 위해 열처리 기법을 표면에 도입했다. 개발된 연구 성과는 국내특허로 출원되었다. 현재 시각 장애인들을 위한 제작물은 종이에 점을 찍어 글로 표현한 점자문서나 책이 대부분이다. 사과, 나무 등 기초적인 사물의 외곽선을 점자의 솟아있는 점을 이용하여 종이에 표현한 그림책이나 지하철이나 관공서 안내판 위에 찍은 점자들은 있지만 판별이 어려울 뿐만 아니라 복잡한 지도의 등고선이나 형태가 복잡한 지진발생과정과 같은 교육 자료를 만들기는 어려웠다. 연구팀은 3D 프린터 기법 중 3차원의 모델 자료를 기반으로 필라멘트를 한층 한층 쌓아 올리는 적층가공 기법을 이용했다. 이 기법은 컴퓨터지원설계(Computer Aided Drawing, CAD) 데이터를 활용하여 짧은 시간에 저렴한 가격으로 복잡한 3차원 형상의 축소된 모델이나 시제품을 제작하는 것이 가능하다 (그림 1a 참고). 이러한 방식은 최종 제작물의 재료가 되는 필라멘트를 적층하는 횟수를 조절하여 제작물의 크기와 모양, 두께를 쉽게 조절할 수 있다. 이렇게 만들어진 제작물은 글자위주였던 점자 문서 안에서 표나 그림을 다양하게 표현할 수 있어 시각장애인들이 내용을 쉽게 이해할 수 있게 되었고, 필라멘트의 색깔을 달리하면 3차원 입체 구조물을 다양한 색깔로 바꿀 수 있기 때문에 (그림 1b 참고) 산의 모양이나 지도의 등고선 등 복잡한 구조를 실제 색깔과 유사하게 만들 수 있다. 뿐만 아니라 몇 달이 걸리는 제작시간을 몇 시간으로 단축할 수 있어 교육현장의 수요를 빨리 반영할 수 있다는 장점도 있다. 시각 장애인을 위한 촉각 제작물은 대부분의 정보 습득이 손의 감각으로 이루어지기 때문에 인체에 무해해야 하고, 내구성을 확보하는 것이 관건이다. 이러한 문제를 해결하기 위해 연구팀은 촉각 제작물 제작 후 표면을 Thermal Flow 방식으로 처리하는 방법을 선택했다. 160도 이상의 열로 표면을 처리하게 되면 고체화된 필라멘트가 녹으면서 표면의 미세 구조 내로 스며들어 제작물 사이에 접착력이 향상된다 (그림 2 참고). 표면 처리한 제작물은 플라스틱 소재여서 기존 종이 재료보다 재료 자체의 내구성이 높아졌을 뿐 아니라, 외부 충격에 대한 내구성 또한 향상되었다.(그림 3 참고). 이러한 열처리 기법은 3D 프린터 적층 제작시 발생하는 경계면에 의한 표면 거칠기 또한 완화시킬 수 있어 매끄러운 표면 처리공정도 가능하다. 본 연구는 표면처리 기술을 통한 점자와 표면과의 접착력의 제어가 가능하기 때문에 종이뿐만 아니라, 플라스틱, 금속, 세라믹 등 다양한 소재로 이루어진 표면에 적용가능하다. 또한 3D 프린터를 이용하므로 시각장애 학생들이 쉽게 만져서 알 수 있는 우리나라 지도나 동식물의 성장 과정 모델 등의 학습자료를 만들 수 있다. 또한 이날 다원물질융합연구소(소장 이광렬)와 서울 맹학교(교장 이유훈)는 3D 프린팅 기술을 이용하여 시각 장애 학생들이 사용할 수 있는 입체 학습 자료 개발에 협력하기로 하였으며 이를 위한 공동연구 양해 각서를 체결하였다. KIST 다원물질융합연구소 이광렬 소장은 “개발된 자료는 시각 장애인들의 교육과 생활의 질을 향상하기 위해 개발되었지만, 색깔과 형태가 다양해 비장애인 학생의 교육에도 활용될 수 있을 것이라 기대된다”며, “장애인의 교육과 행복을 위한 따뜻한 R&D를 위해 더욱 노력하겠다”고 밝혔다. <추가 설명> ** 3D 프린팅 기법 : 최근에 사용되고 있는 3D 프린터 방식 중에서 FDM 프린팅 기법을 사용하며 이 방식은 열가소성 필라멘트를 순간적으로 가열하여 노즐 장치에 의해 압출시킨 후 얇게 쌓아 올리는 방식으로 견고하고 열적으로 안정적인 결과물을 출력할 수 있다. 이러한 이점들 때문에 건축, 자동차 및 산업용 부품 소재, 의류에 이르기까지 매우 다양한 분야에서 광범위하게 사용되고 있다. ** Thermal reflow 방식 : 3D 프린팅 기법에 의해 출력된 제작물에 열이 가해지면 열판의 온도가 열가소성 필라멘트의 용융점에 도달하게 되어 분자간 결합이 느슨해지고 점성이 낮아져 다시 재용융된다. 이러한 과정에서 적층된 형상 내의 표면에너지를 축소화하려는 표면장력에 의해 표면이 리플로우 (reflow) 되어 매끄러워지는 효과를 얻을 수 있다. 또한 재융용되는 동안 접촉하고 있는 기판의 빈 공간 내에 필라멘트가 스며들어 완벽하게 접착될 수 있다. <그림 설명> <그림 1> (a) FDM 3D 프린팅 기법의 장치에 대한 도식도, (b) 프린팅 기법에 의해 제작된 사과 모양의 3차원 촉각 형상과 사과 내부에 점자 영문 표기법에 따라 APPLE을 점자 규격에 맞춰 점자로 제작한 촉각 패턴을 보여주는 이미지이다. <그림 2> Thermal reflow 처리 전 종이 기판에서 탈착된 점자 형상의 뒷면 이미지 (a,b)와 탈착된 자리를 보여주는 종이 기판 이미지 (c,d); Thermal reflow 처리 전에는 필라멘트와 종이 사이의 부분적인 접착으로 인해 외부 압력에 의해 점자 형상이 쉽게 탈착되었으며 점자 형상의 뒷면에 종이를 구성하고 있는 셀룰로우즈에 의해 형성된 눌린 자국만이 남아 있음을 확인하였다. Thermal reflow 처리 후에 해당되는 점자 형상 뒷면 이미지 (e,f)와 종이 기판 이미지 (g,h); 처리 후에는 재용융되는 동안 필라멘트가 셀룰로우즈 구조 내의 빈 공간으로 스며들어 접착력이 강해져서 인위적인 탈착시 셀룰로우즈가 함께 뜯겨졌음을 점자 형상 뒷면 이미지를 통해 볼 수 있고, 종이 기판에서도 뜯겨진 자국이 확연하게 들어났다. <그림 3> (a-c) 기존의 천공방식과 (d-f) 본 발명에 의해 제작된 점자 형상의 내구성 테스트를 통해 변화된 결과를 비교한 이미지. 내구성 테스트는 5 N의 무게를 지닌 쇠구슬을 패턴 형상 위에서 100 mm/s의 속력으로 12.5 m 돌려 측정 전(a,d)과 측정 후(b,e)의 이미지를 비교하였다. 천공방식에 의해 제작된 점자는 형상이 쉽게 눌려 찌그러지는 반면, 3D 프린팅 기법과 thermal reflow 처리를 통해 제작된 점자는 형상 변화가 없이 강한 내구성을 보였다. <그림 4> 제작물 샘플

3D 프린터를 이용한 점자 및 촉각 형상 제작 기술, 이제 시각장애인들의 교육 속으로! - 크기, 형태, 색깔을 올록볼록 다양하게, 3D 프린터로 촉각형상 제작 - 평면적인 교과서 그림 입체화되어 시각장애인용 교육 자료로 활용 - 표면 처리로 친환경, 튼튼한 제작물 제작 점자(點字)는 솟아있는 점으로 만든 글자로 시각장애인들이 촉각을 통해 정보를 습득할 수 있게 도와주는 수단이다. 최근 점자 프린터 등의 개발로 시각장애인들의 편의성이 높아졌지만 책자의 부피나 내구성 등 해결할 문제가 많다. 또한 점자책 외에 시각장애인들이 사용할 수 있는 제작물 종류가 많지 않다는 점도 문제이다. 생산기술의 혁명이라고 일컬어지는 3D 프린팅 기법과 3차원 표면 열처리 기술을 결합하여 쉽고 빠르게 시각장애인을 위한 촉각 제작물을 만들 수 있는 기술이 개발되었다. 기술을 활용하면 점자책 뿐 아니라, 점자 그림책, 교육도구 등 다양한 제작물을 만들 수 있고, 색깔과 높이를 자유자재로 조절 할 수 있다. UV 코팅과 같은 화학처리 공정이 없어 인체에도 무해하다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 다원물질융합연구소 문명운 박사 연구팀은 ‘재료를 적층해 원하는 물질을 만드는 3D 프린팅 기법과 3차원 열처리 기술을 결합하여 선, 곡면 등 다양한 형상과 높이가 가능한 3차원 촉각 제작물을 만들었다. 연구팀은 제작물의 내구성과 접착력을 강화하기 위해 열처리 기법을 표면에 도입했다. 개발된 연구 성과는 국내특허로 출원되었다. 현재 시각 장애인들을 위한 제작물은 종이에 점을 찍어 글로 표현한 점자문서나 책이 대부분이다. 사과, 나무 등 기초적인 사물의 외곽선을 점자의 솟아있는 점을 이용하여 종이에 표현한 그림책이나 지하철이나 관공서 안내판 위에 찍은 점자들은 있지만 판별이 어려울 뿐만 아니라 복잡한 지도의 등고선이나 형태가 복잡한 지진발생과정과 같은 교육 자료를 만들기는 어려웠다. 연구팀은 3D 프린터 기법 중 3차원의 모델 자료를 기반으로 필라멘트를 한층 한층 쌓아 올리는 적층가공 기법을 이용했다. 이 기법은 컴퓨터지원설계(Computer Aided Drawing, CAD) 데이터를 활용하여 짧은 시간에 저렴한 가격으로 복잡한 3차원 형상의 축소된 모델이나 시제품을 제작하는 것이 가능하다 (그림 1a 참고). 이러한 방식은 최종 제작물의 재료가 되는 필라멘트를 적층하는 횟수를 조절하여 제작물의 크기와 모양, 두께를 쉽게 조절할 수 있다. 이렇게 만들어진 제작물은 글자위주였던 점자 문서 안에서 표나 그림을 다양하게 표현할 수 있어 시각장애인들이 내용을 쉽게 이해할 수 있게 되었고, 필라멘트의 색깔을 달리하면 3차원 입체 구조물을 다양한 색깔로 바꿀 수 있기 때문에 (그림 1b 참고) 산의 모양이나 지도의 등고선 등 복잡한 구조를 실제 색깔과 유사하게 만들 수 있다. 뿐만 아니라 몇 달이 걸리는 제작시간을 몇 시간으로 단축할 수 있어 교육현장의 수요를 빨리 반영할 수 있다는 장점도 있다. 시각 장애인을 위한 촉각 제작물은 대부분의 정보 습득이 손의 감각으로 이루어지기 때문에 인체에 무해해야 하고, 내구성을 확보하는 것이 관건이다. 이러한 문제를 해결하기 위해 연구팀은 촉각 제작물 제작 후 표면을 Thermal Flow 방식으로 처리하는 방법을 선택했다. 160도 이상의 열로 표면을 처리하게 되면 고체화된 필라멘트가 녹으면서 표면의 미세 구조 내로 스며들어 제작물 사이에 접착력이 향상된다 (그림 2 참고). 표면 처리한 제작물은 플라스틱 소재여서 기존 종이 재료보다 재료 자체의 내구성이 높아졌을 뿐 아니라, 외부 충격에 대한 내구성 또한 향상되었다.(그림 3 참고). 이러한 열처리 기법은 3D 프린터 적층 제작시 발생하는 경계면에 의한 표면 거칠기 또한 완화시킬 수 있어 매끄러운 표면 처리공정도 가능하다. 본 연구는 표면처리 기술을 통한 점자와 표면과의 접착력의 제어가 가능하기 때문에 종이뿐만 아니라, 플라스틱, 금속, 세라믹 등 다양한 소재로 이루어진 표면에 적용가능하다. 또한 3D 프린터를 이용하므로 시각장애 학생들이 쉽게 만져서 알 수 있는 우리나라 지도나 동식물의 성장 과정 모델 등의 학습자료를 만들 수 있다. 또한 이날 다원물질융합연구소(소장 이광렬)와 서울 맹학교(교장 이유훈)는 3D 프린팅 기술을 이용하여 시각 장애 학생들이 사용할 수 있는 입체 학습 자료 개발에 협력하기로 하였으며 이를 위한 공동연구 양해 각서를 체결하였다. KIST 다원물질융합연구소 이광렬 소장은 “개발된 자료는 시각 장애인들의 교육과 생활의 질을 향상하기 위해 개발되었지만, 색깔과 형태가 다양해 비장애인 학생의 교육에도 활용될 수 있을 것이라 기대된다”며, “장애인의 교육과 행복을 위한 따뜻한 R&D를 위해 더욱 노력하겠다”고 밝혔다. <추가 설명> ** 3D 프린팅 기법 : 최근에 사용되고 있는 3D 프린터 방식 중에서 FDM 프린팅 기법을 사용하며 이 방식은 열가소성 필라멘트를 순간적으로 가열하여 노즐 장치에 의해 압출시킨 후 얇게 쌓아 올리는 방식으로 견고하고 열적으로 안정적인 결과물을 출력할 수 있다. 이러한 이점들 때문에 건축, 자동차 및 산업용 부품 소재, 의류에 이르기까지 매우 다양한 분야에서 광범위하게 사용되고 있다. ** Thermal reflow 방식 : 3D 프린팅 기법에 의해 출력된 제작물에 열이 가해지면 열판의 온도가 열가소성 필라멘트의 용융점에 도달하게 되어 분자간 결합이 느슨해지고 점성이 낮아져 다시 재용융된다. 이러한 과정에서 적층된 형상 내의 표면에너지를 축소화하려는 표면장력에 의해 표면이 리플로우 (reflow) 되어 매끄러워지는 효과를 얻을 수 있다. 또한 재융용되는 동안 접촉하고 있는 기판의 빈 공간 내에 필라멘트가 스며들어 완벽하게 접착될 수 있다. <그림 설명> <그림 1> (a) FDM 3D 프린팅 기법의 장치에 대한 도식도, (b) 프린팅 기법에 의해 제작된 사과 모양의 3차원 촉각 형상과 사과 내부에 점자 영문 표기법에 따라 APPLE을 점자 규격에 맞춰 점자로 제작한 촉각 패턴을 보여주는 이미지이다. <그림 2> Thermal reflow 처리 전 종이 기판에서 탈착된 점자 형상의 뒷면 이미지 (a,b)와 탈착된 자리를 보여주는 종이 기판 이미지 (c,d); Thermal reflow 처리 전에는 필라멘트와 종이 사이의 부분적인 접착으로 인해 외부 압력에 의해 점자 형상이 쉽게 탈착되었으며 점자 형상의 뒷면에 종이를 구성하고 있는 셀룰로우즈에 의해 형성된 눌린 자국만이 남아 있음을 확인하였다. Thermal reflow 처리 후에 해당되는 점자 형상 뒷면 이미지 (e,f)와 종이 기판 이미지 (g,h); 처리 후에는 재용융되는 동안 필라멘트가 셀룰로우즈 구조 내의 빈 공간으로 스며들어 접착력이 강해져서 인위적인 탈착시 셀룰로우즈가 함께 뜯겨졌음을 점자 형상 뒷면 이미지를 통해 볼 수 있고, 종이 기판에서도 뜯겨진 자국이 확연하게 들어났다. <그림 3> (a-c) 기존의 천공방식과 (d-f) 본 발명에 의해 제작된 점자 형상의 내구성 테스트를 통해 변화된 결과를 비교한 이미지. 내구성 테스트는 5 N의 무게를 지닌 쇠구슬을 패턴 형상 위에서 100 mm/s의 속력으로 12.5 m 돌려 측정 전(a,d)과 측정 후(b,e)의 이미지를 비교하였다. 천공방식에 의해 제작된 점자는 형상이 쉽게 눌려 찌그러지는 반면, 3D 프린팅 기법과 thermal reflow 처리를 통해 제작된 점자는 형상 변화가 없이 강한 내구성을 보였다. <그림 4> 제작물 샘플

3D 프린터를 이용한 점자 및 촉각 형상 제작 기술, 이제 시각장애인들의 교육 속으로! - 크기, 형태, 색깔을 올록볼록 다양하게, 3D 프린터로 촉각형상 제작 - 평면적인 교과서 그림 입체화되어 시각장애인용 교육 자료로 활용 - 표면 처리로 친환경, 튼튼한 제작물 제작 점자(點字)는 솟아있는 점으로 만든 글자로 시각장애인들이 촉각을 통해 정보를 습득할 수 있게 도와주는 수단이다. 최근 점자 프린터 등의 개발로 시각장애인들의 편의성이 높아졌지만 책자의 부피나 내구성 등 해결할 문제가 많다. 또한 점자책 외에 시각장애인들이 사용할 수 있는 제작물 종류가 많지 않다는 점도 문제이다. 생산기술의 혁명이라고 일컬어지는 3D 프린팅 기법과 3차원 표면 열처리 기술을 결합하여 쉽고 빠르게 시각장애인을 위한 촉각 제작물을 만들 수 있는 기술이 개발되었다. 기술을 활용하면 점자책 뿐 아니라, 점자 그림책, 교육도구 등 다양한 제작물을 만들 수 있고, 색깔과 높이를 자유자재로 조절 할 수 있다. UV 코팅과 같은 화학처리 공정이 없어 인체에도 무해하다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 다원물질융합연구소 문명운 박사 연구팀은 ‘재료를 적층해 원하는 물질을 만드는 3D 프린팅 기법과 3차원 열처리 기술을 결합하여 선, 곡면 등 다양한 형상과 높이가 가능한 3차원 촉각 제작물을 만들었다. 연구팀은 제작물의 내구성과 접착력을 강화하기 위해 열처리 기법을 표면에 도입했다. 개발된 연구 성과는 국내특허로 출원되었다. 현재 시각 장애인들을 위한 제작물은 종이에 점을 찍어 글로 표현한 점자문서나 책이 대부분이다. 사과, 나무 등 기초적인 사물의 외곽선을 점자의 솟아있는 점을 이용하여 종이에 표현한 그림책이나 지하철이나 관공서 안내판 위에 찍은 점자들은 있지만 판별이 어려울 뿐만 아니라 복잡한 지도의 등고선이나 형태가 복잡한 지진발생과정과 같은 교육 자료를 만들기는 어려웠다. 연구팀은 3D 프린터 기법 중 3차원의 모델 자료를 기반으로 필라멘트를 한층 한층 쌓아 올리는 적층가공 기법을 이용했다. 이 기법은 컴퓨터지원설계(Computer Aided Drawing, CAD) 데이터를 활용하여 짧은 시간에 저렴한 가격으로 복잡한 3차원 형상의 축소된 모델이나 시제품을 제작하는 것이 가능하다 (그림 1a 참고). 이러한 방식은 최종 제작물의 재료가 되는 필라멘트를 적층하는 횟수를 조절하여 제작물의 크기와 모양, 두께를 쉽게 조절할 수 있다. 이렇게 만들어진 제작물은 글자위주였던 점자 문서 안에서 표나 그림을 다양하게 표현할 수 있어 시각장애인들이 내용을 쉽게 이해할 수 있게 되었고, 필라멘트의 색깔을 달리하면 3차원 입체 구조물을 다양한 색깔로 바꿀 수 있기 때문에 (그림 1b 참고) 산의 모양이나 지도의 등고선 등 복잡한 구조를 실제 색깔과 유사하게 만들 수 있다. 뿐만 아니라 몇 달이 걸리는 제작시간을 몇 시간으로 단축할 수 있어 교육현장의 수요를 빨리 반영할 수 있다는 장점도 있다. 시각 장애인을 위한 촉각 제작물은 대부분의 정보 습득이 손의 감각으로 이루어지기 때문에 인체에 무해해야 하고, 내구성을 확보하는 것이 관건이다. 이러한 문제를 해결하기 위해 연구팀은 촉각 제작물 제작 후 표면을 Thermal Flow 방식으로 처리하는 방법을 선택했다. 160도 이상의 열로 표면을 처리하게 되면 고체화된 필라멘트가 녹으면서 표면의 미세 구조 내로 스며들어 제작물 사이에 접착력이 향상된다 (그림 2 참고). 표면 처리한 제작물은 플라스틱 소재여서 기존 종이 재료보다 재료 자체의 내구성이 높아졌을 뿐 아니라, 외부 충격에 대한 내구성 또한 향상되었다.(그림 3 참고). 이러한 열처리 기법은 3D 프린터 적층 제작시 발생하는 경계면에 의한 표면 거칠기 또한 완화시킬 수 있어 매끄러운 표면 처리공정도 가능하다. 본 연구는 표면처리 기술을 통한 점자와 표면과의 접착력의 제어가 가능하기 때문에 종이뿐만 아니라, 플라스틱, 금속, 세라믹 등 다양한 소재로 이루어진 표면에 적용가능하다. 또한 3D 프린터를 이용하므로 시각장애 학생들이 쉽게 만져서 알 수 있는 우리나라 지도나 동식물의 성장 과정 모델 등의 학습자료를 만들 수 있다. 또한 이날 다원물질융합연구소(소장 이광렬)와 서울 맹학교(교장 이유훈)는 3D 프린팅 기술을 이용하여 시각 장애 학생들이 사용할 수 있는 입체 학습 자료 개발에 협력하기로 하였으며 이를 위한 공동연구 양해 각서를 체결하였다. KIST 다원물질융합연구소 이광렬 소장은 “개발된 자료는 시각 장애인들의 교육과 생활의 질을 향상하기 위해 개발되었지만, 색깔과 형태가 다양해 비장애인 학생의 교육에도 활용될 수 있을 것이라 기대된다”며, “장애인의 교육과 행복을 위한 따뜻한 R&D를 위해 더욱 노력하겠다”고 밝혔다. <추가 설명> ** 3D 프린팅 기법 : 최근에 사용되고 있는 3D 프린터 방식 중에서 FDM 프린팅 기법을 사용하며 이 방식은 열가소성 필라멘트를 순간적으로 가열하여 노즐 장치에 의해 압출시킨 후 얇게 쌓아 올리는 방식으로 견고하고 열적으로 안정적인 결과물을 출력할 수 있다. 이러한 이점들 때문에 건축, 자동차 및 산업용 부품 소재, 의류에 이르기까지 매우 다양한 분야에서 광범위하게 사용되고 있다. ** Thermal reflow 방식 : 3D 프린팅 기법에 의해 출력된 제작물에 열이 가해지면 열판의 온도가 열가소성 필라멘트의 용융점에 도달하게 되어 분자간 결합이 느슨해지고 점성이 낮아져 다시 재용융된다. 이러한 과정에서 적층된 형상 내의 표면에너지를 축소화하려는 표면장력에 의해 표면이 리플로우 (reflow) 되어 매끄러워지는 효과를 얻을 수 있다. 또한 재융용되는 동안 접촉하고 있는 기판의 빈 공간 내에 필라멘트가 스며들어 완벽하게 접착될 수 있다. <그림 설명> <그림 1> (a) FDM 3D 프린팅 기법의 장치에 대한 도식도, (b) 프린팅 기법에 의해 제작된 사과 모양의 3차원 촉각 형상과 사과 내부에 점자 영문 표기법에 따라 APPLE을 점자 규격에 맞춰 점자로 제작한 촉각 패턴을 보여주는 이미지이다. <그림 2> Thermal reflow 처리 전 종이 기판에서 탈착된 점자 형상의 뒷면 이미지 (a,b)와 탈착된 자리를 보여주는 종이 기판 이미지 (c,d); Thermal reflow 처리 전에는 필라멘트와 종이 사이의 부분적인 접착으로 인해 외부 압력에 의해 점자 형상이 쉽게 탈착되었으며 점자 형상의 뒷면에 종이를 구성하고 있는 셀룰로우즈에 의해 형성된 눌린 자국만이 남아 있음을 확인하였다. Thermal reflow 처리 후에 해당되는 점자 형상 뒷면 이미지 (e,f)와 종이 기판 이미지 (g,h); 처리 후에는 재용융되는 동안 필라멘트가 셀룰로우즈 구조 내의 빈 공간으로 스며들어 접착력이 강해져서 인위적인 탈착시 셀룰로우즈가 함께 뜯겨졌음을 점자 형상 뒷면 이미지를 통해 볼 수 있고, 종이 기판에서도 뜯겨진 자국이 확연하게 들어났다. <그림 3> (a-c) 기존의 천공방식과 (d-f) 본 발명에 의해 제작된 점자 형상의 내구성 테스트를 통해 변화된 결과를 비교한 이미지. 내구성 테스트는 5 N의 무게를 지닌 쇠구슬을 패턴 형상 위에서 100 mm/s의 속력으로 12.5 m 돌려 측정 전(a,d)과 측정 후(b,e)의 이미지를 비교하였다. 천공방식에 의해 제작된 점자는 형상이 쉽게 눌려 찌그러지는 반면, 3D 프린팅 기법과 thermal reflow 처리를 통해 제작된 점자는 형상 변화가 없이 강한 내구성을 보였다. <그림 4> 제작물 샘플

3D 프린터를 이용한 점자 및 촉각 형상 제작 기술, 이제 시각장애인들의 교육 속으로! - 크기, 형태, 색깔을 올록볼록 다양하게, 3D 프린터로 촉각형상 제작 - 평면적인 교과서 그림 입체화되어 시각장애인용 교육 자료로 활용 - 표면 처리로 친환경, 튼튼한 제작물 제작 점자(點字)는 솟아있는 점으로 만든 글자로 시각장애인들이 촉각을 통해 정보를 습득할 수 있게 도와주는 수단이다. 최근 점자 프린터 등의 개발로 시각장애인들의 편의성이 높아졌지만 책자의 부피나 내구성 등 해결할 문제가 많다. 또한 점자책 외에 시각장애인들이 사용할 수 있는 제작물 종류가 많지 않다는 점도 문제이다. 생산기술의 혁명이라고 일컬어지는 3D 프린팅 기법과 3차원 표면 열처리 기술을 결합하여 쉽고 빠르게 시각장애인을 위한 촉각 제작물을 만들 수 있는 기술이 개발되었다. 기술을 활용하면 점자책 뿐 아니라, 점자 그림책, 교육도구 등 다양한 제작물을 만들 수 있고, 색깔과 높이를 자유자재로 조절 할 수 있다. UV 코팅과 같은 화학처리 공정이 없어 인체에도 무해하다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 다원물질융합연구소 문명운 박사 연구팀은 ‘재료를 적층해 원하는 물질을 만드는 3D 프린팅 기법과 3차원 열처리 기술을 결합하여 선, 곡면 등 다양한 형상과 높이가 가능한 3차원 촉각 제작물을 만들었다. 연구팀은 제작물의 내구성과 접착력을 강화하기 위해 열처리 기법을 표면에 도입했다. 개발된 연구 성과는 국내특허로 출원되었다. 현재 시각 장애인들을 위한 제작물은 종이에 점을 찍어 글로 표현한 점자문서나 책이 대부분이다. 사과, 나무 등 기초적인 사물의 외곽선을 점자의 솟아있는 점을 이용하여 종이에 표현한 그림책이나 지하철이나 관공서 안내판 위에 찍은 점자들은 있지만 판별이 어려울 뿐만 아니라 복잡한 지도의 등고선이나 형태가 복잡한 지진발생과정과 같은 교육 자료를 만들기는 어려웠다. 연구팀은 3D 프린터 기법 중 3차원의 모델 자료를 기반으로 필라멘트를 한층 한층 쌓아 올리는 적층가공 기법을 이용했다. 이 기법은 컴퓨터지원설계(Computer Aided Drawing, CAD) 데이터를 활용하여 짧은 시간에 저렴한 가격으로 복잡한 3차원 형상의 축소된 모델이나 시제품을 제작하는 것이 가능하다 (그림 1a 참고). 이러한 방식은 최종 제작물의 재료가 되는 필라멘트를 적층하는 횟수를 조절하여 제작물의 크기와 모양, 두께를 쉽게 조절할 수 있다. 이렇게 만들어진 제작물은 글자위주였던 점자 문서 안에서 표나 그림을 다양하게 표현할 수 있어 시각장애인들이 내용을 쉽게 이해할 수 있게 되었고, 필라멘트의 색깔을 달리하면 3차원 입체 구조물을 다양한 색깔로 바꿀 수 있기 때문에 (그림 1b 참고) 산의 모양이나 지도의 등고선 등 복잡한 구조를 실제 색깔과 유사하게 만들 수 있다. 뿐만 아니라 몇 달이 걸리는 제작시간을 몇 시간으로 단축할 수 있어 교육현장의 수요를 빨리 반영할 수 있다는 장점도 있다. 시각 장애인을 위한 촉각 제작물은 대부분의 정보 습득이 손의 감각으로 이루어지기 때문에 인체에 무해해야 하고, 내구성을 확보하는 것이 관건이다. 이러한 문제를 해결하기 위해 연구팀은 촉각 제작물 제작 후 표면을 Thermal Flow 방식으로 처리하는 방법을 선택했다. 160도 이상의 열로 표면을 처리하게 되면 고체화된 필라멘트가 녹으면서 표면의 미세 구조 내로 스며들어 제작물 사이에 접착력이 향상된다 (그림 2 참고). 표면 처리한 제작물은 플라스틱 소재여서 기존 종이 재료보다 재료 자체의 내구성이 높아졌을 뿐 아니라, 외부 충격에 대한 내구성 또한 향상되었다.(그림 3 참고). 이러한 열처리 기법은 3D 프린터 적층 제작시 발생하는 경계면에 의한 표면 거칠기 또한 완화시킬 수 있어 매끄러운 표면 처리공정도 가능하다. 본 연구는 표면처리 기술을 통한 점자와 표면과의 접착력의 제어가 가능하기 때문에 종이뿐만 아니라, 플라스틱, 금속, 세라믹 등 다양한 소재로 이루어진 표면에 적용가능하다. 또한 3D 프린터를 이용하므로 시각장애 학생들이 쉽게 만져서 알 수 있는 우리나라 지도나 동식물의 성장 과정 모델 등의 학습자료를 만들 수 있다. 또한 이날 다원물질융합연구소(소장 이광렬)와 서울 맹학교(교장 이유훈)는 3D 프린팅 기술을 이용하여 시각 장애 학생들이 사용할 수 있는 입체 학습 자료 개발에 협력하기로 하였으며 이를 위한 공동연구 양해 각서를 체결하였다. KIST 다원물질융합연구소 이광렬 소장은 “개발된 자료는 시각 장애인들의 교육과 생활의 질을 향상하기 위해 개발되었지만, 색깔과 형태가 다양해 비장애인 학생의 교육에도 활용될 수 있을 것이라 기대된다”며, “장애인의 교육과 행복을 위한 따뜻한 R&D를 위해 더욱 노력하겠다”고 밝혔다. <추가 설명> ** 3D 프린팅 기법 : 최근에 사용되고 있는 3D 프린터 방식 중에서 FDM 프린팅 기법을 사용하며 이 방식은 열가소성 필라멘트를 순간적으로 가열하여 노즐 장치에 의해 압출시킨 후 얇게 쌓아 올리는 방식으로 견고하고 열적으로 안정적인 결과물을 출력할 수 있다. 이러한 이점들 때문에 건축, 자동차 및 산업용 부품 소재, 의류에 이르기까지 매우 다양한 분야에서 광범위하게 사용되고 있다. ** Thermal reflow 방식 : 3D 프린팅 기법에 의해 출력된 제작물에 열이 가해지면 열판의 온도가 열가소성 필라멘트의 용융점에 도달하게 되어 분자간 결합이 느슨해지고 점성이 낮아져 다시 재용융된다. 이러한 과정에서 적층된 형상 내의 표면에너지를 축소화하려는 표면장력에 의해 표면이 리플로우 (reflow) 되어 매끄러워지는 효과를 얻을 수 있다. 또한 재융용되는 동안 접촉하고 있는 기판의 빈 공간 내에 필라멘트가 스며들어 완벽하게 접착될 수 있다. <그림 설명> <그림 1> (a) FDM 3D 프린팅 기법의 장치에 대한 도식도, (b) 프린팅 기법에 의해 제작된 사과 모양의 3차원 촉각 형상과 사과 내부에 점자 영문 표기법에 따라 APPLE을 점자 규격에 맞춰 점자로 제작한 촉각 패턴을 보여주는 이미지이다. <그림 2> Thermal reflow 처리 전 종이 기판에서 탈착된 점자 형상의 뒷면 이미지 (a,b)와 탈착된 자리를 보여주는 종이 기판 이미지 (c,d); Thermal reflow 처리 전에는 필라멘트와 종이 사이의 부분적인 접착으로 인해 외부 압력에 의해 점자 형상이 쉽게 탈착되었으며 점자 형상의 뒷면에 종이를 구성하고 있는 셀룰로우즈에 의해 형성된 눌린 자국만이 남아 있음을 확인하였다. Thermal reflow 처리 후에 해당되는 점자 형상 뒷면 이미지 (e,f)와 종이 기판 이미지 (g,h); 처리 후에는 재용융되는 동안 필라멘트가 셀룰로우즈 구조 내의 빈 공간으로 스며들어 접착력이 강해져서 인위적인 탈착시 셀룰로우즈가 함께 뜯겨졌음을 점자 형상 뒷면 이미지를 통해 볼 수 있고, 종이 기판에서도 뜯겨진 자국이 확연하게 들어났다. <그림 3> (a-c) 기존의 천공방식과 (d-f) 본 발명에 의해 제작된 점자 형상의 내구성 테스트를 통해 변화된 결과를 비교한 이미지. 내구성 테스트는 5 N의 무게를 지닌 쇠구슬을 패턴 형상 위에서 100 mm/s의 속력으로 12.5 m 돌려 측정 전(a,d)과 측정 후(b,e)의 이미지를 비교하였다. 천공방식에 의해 제작된 점자는 형상이 쉽게 눌려 찌그러지는 반면, 3D 프린팅 기법과 thermal reflow 처리를 통해 제작된 점자는 형상 변화가 없이 강한 내구성을 보였다. <그림 4> 제작물 샘플