SLA 3D프린터에서 수지의 광중합 과정은?

# 3D 프린팅 원리 : SLA에서 수지의 광중합 과정에 대해서 알아보자

광중합 수지는 보통 두 가지 이상의 모노머(monomer) 또는 올리고머(oligomer)와 광개시제(photoinitiator)로 이루어져 있고 추가 첨가제나 색소를 포함하기도 합니다.
모노머의 분자 구조와 크기 그리고 올리고머의 비율 등은 수지의 점성에 영향을 줍니다. 각 요소의 역할은 다음과 같습니다.

- 모노머/올리고머 1 - 폴리머를 구성할 기본 빌딩 블록

- 모노머/올리고머 2 - 연결고리를 둘 이상 가질 수 있는 소재로 폴리머 체인을 연결하는 크로스링커

- 광개시제 – 특정 파장대의 광 흡수 후 라디컬로 바뀌어 광중합을 시작한다. 파장은 광개시제에 따라 다르다.

- 색소 - 프린트 모델을 멋있어 보이게 한다.

- 기타 첨가물 - 플라스틱, 세라믹, 메탈 등 폴리머 매트릭스 사이에 얽혀 결과물에 특성을 추가한다.

분자는 이온결합이나 공유결합 등으로 원자들이 결합함으로써 원자 상태보다 에너지가 낮은 안정적인 상태가 됩니다. 어떤 사건으로 인하여 분자 내 공유결합이 끊기면 분자는 짝을 이루지 않은 전자를 가지는 전자껍질을 갖는, 그리고 전기적으로는 중성인 두 개의 원자 또는 분자로 나누어질 수 있습니다.
이렇게 최 외각 전자껍질에 쌍을 이루지 못한 전자가 있는 원자 또는 분자를 라디컬이라 합니다. 라디컬은 일종의 댕글링 본드(dangling bond)를 가졌다고 볼 수 있습니다.
전자는 다시 쌍을 이루어 에너지가 낮은 상태로 돌아가려고 하므로 라디컬은 다른 원자나 분자가 접근하면 쉽게 결합합니다.

광개시제가 UV를 흡수하면 분자는 두 개의 라디컬(1차 라디컬)로 분리됩니다. 이 1차 라디컬(R･)은 가까운 모노머(M)와 반응하여 개시 라디컬(RM･)을 생성합니다.
좀 더 구체적으로 살펴보면 1차 라디컬의 댕글링 본드 내 원자가 모노머 분자 내 원자 A와 공유결합을 이루면 이 원자 A와 공유결합 중이었던 원자 B는 공유결합을 잃고 댕글링 본드를 가지게 됩니다.이로 인해 1차 라디컬과 모노머의 결합은 전체가 하나의 새로운 라디컬(개시 라디컬)이 되는 것입니다.

개시 라디컬(RM･)은 모노머(M)와 반응하여 폴리머 라디컬(P･)을 생성합니다. 폴리머 라디컬(P･)은 중합 반응이 진행됨에 따라 모노머(M)와의 부가 반응을 반복합니다. 이 과정을 통해 폴리머의 주사슬이 형성됩니다.
크로스링커는 댕글링 본드를 형성하는 약한 고리가 두 개 이상인 분자로 두 개 이상의 라디컬과 반응할 수 있으므로 더욱 꼬인 폴리머 사슬이 가능해집니다.

아래 그림은 위 그림의 광중합 개시 과정의 예를 분자구조로 표시하여 조금 더 전문적으로 묘사하고 있습니다. 위의 그림을 이해한 상태이므로 아래는 두려움 없이 살짝 훑고 넘어가시면 되겠습니다.

광개시제 2-hydroxy-2-methyl-1-phenyl-propan-1-one의 1차 라디컬 생성과정과

1차 라디컬과 모노머 Isooctyl acrylate가 만나 개시 라디컬을 생성하는 과정