# 3D 프린팅 원리 : SLA에서 수지의 광중합 과정에 대해서 알아보자
- 광개시제가 UV를 흡수하면 분자는 두 개의 라디컬로 분리됩니다.
- 이 라디컬은 모노머와 결합하여 새로운 라디컬이 되고 또 다른 모노머와 결합합니다.
- 이 연쇄반응은 액체인 광중합 수지를 고분자 사슬을 만들어 고체상태로 만듭니다.
- SLA 3D프린터는 광중합으로 수지를 경화 시킨다는 것은 아시죠?
- 그 경화의 구체적인 과정이 어떻게 되는 것인지 알고 싶다는 생각이 들지 않으셨나요?
- 그래서 이번 포스팅에는 수지의 광중합 과정이 어떻게 전개되는지를 조금은 자세히 정성적으로 살펴보겠습니다.
- 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.
1. 공유결합과 라디컬
- 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.
2. 광중합 과정
1) 개시 (Initiation)
- 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.
2) 전파 (Propagation)
- 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.
3) 해지 (Termination)
- 이렇게 연쇄반응으로 전파되는 라디컬은 다른 라디컬과 만나 결합을 하면 서로의 댕글링 본드가 상쇄되어 반응성을 잃고 광중합이 해지됩니다.
- 광중합이 끝난 최종 상태의 수지는 고분자 폴리머 사슬이 되어 유동성이 없어지고 고체로 경화됩니다.
- 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