나일론 메쉬 강화 광경화성 복합체의 DLP 3D 프린팅 및 특성 분석 = DLP 3D Printing of Nylon Mesh?Reinforced Photocurable Polymer Composites and Their Characterization

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 디지털 광처리(Digital Light Processing, DLP) 기반 광경화성 수지에 나일론 메쉬를 직접 삽입·복합화하는 공정을 제안하여, 단일 수지 기반 3D 프린팅 구조체의 낮은 기계적 물성과 기능 통합성의 한계를 극복하고자 하였다. Cyclic Trimethylolpropane Formal Acrylate (CTFA) 수지는 나일론 섬유망 내부로 우수한 젖음성을 기반으로 침투·경화되며, 이후 고농도 황산을 이용한 선택적 용해 공정을 통해 경화되지 않은 섬유만 제거하여 목표 형상만을 남기는 이원적 제조 전략을 확립하였다. 본 방식은 별도의 다중 소재 프린팅이나 조립 없이도 다공성·다층 구조체를 제조할 수 있다는 공정적 장점을 지닌다. 제조된 복합체는 메쉬 격자 수 증가에 따라 인장강도, 인성, 굽힘 강도 가 모두 향상되어, 섬유 충진밀도 증가가 기계적 보강에 크게 기여함을 확인하였다. 다층 보강 시 강도·연성 향상과 더불어 균열 진행 지연 현상도 관찰되어, 계면 일체화가 복합체의 파괴 저항성을 증가시킴을 검증하였다. 또한 120~500 메쉬 섬유를 층별로 배치한 다층 구조체를 제작하여 폴리메틸메타크릴레이트 (Poly(methyl methacrylate), PMMA) 입자 기반 분리 실험을 수행한 결과, 각 층은 설계된 공극 크기에 따라 입자를 단계적으로 분획하였으며, 공초점 형광현미경 분석에서도 층별 분리 효과가 명확히 확인되었다. 이는 단일 프린팅 공정으로 연속적 여과 기능을 구현할 수 있음을 보여준다. 본 연구에서 제안한 나일론 메쉬 기반 복합체는 기계적 강화뿐 아니라 다공성 메쉬 구조를 활용한 필터링 디바이스로의 응용으로 확장 가능하며, DLP 3D 프린팅의 기능 통합성을 크게 향상시키는 소재·공정 플랫폼으로 평가된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study proposed a process of directly inserting and complexing nylon mesh into a digital light processing (DLP)-based photocurable resin to overcome the limitations of low mechanical properties and functional integration of a single resin-based 3D printing structure. . Cyclic Trimethylolpropane Formal Acrylate (CTFA) resin penetrates and hardens based on excellent wettability into the nylon fiber network and then establishes a dual manufacturing strategy that only the target shape is left by removing uncured fibers through a selective melting process using high-concentration sulfuric acid. This method has the advantage of a process that a porous/multilayer structure can be manufactured without separate multi-material printing or assembly. As the number of mesh gratings increases, the tensile strength, toughness, and bending strength of the manufactured composite all improved, confirming that an increase in fiber filling density greatly contributed to mechanical reinforcement. In multilayer reinforcement, strength and ductility were improved, and a delay in crack progression was also observed, and it was verified that interface integration increased the destructive resistance of the composite. In addition, because of conducting a Poly(methyl methacrylate)(PMMA) particle-based separation experiment by manufacturing a multilayer structure in which 120 to 500 mesh fibers were placed by layers, each layer fractionated particles step by step according to the designed pore size, and the separation effect by layer was clearly confirmed in CLSM analysis. This shows that a single printing process can implement a continuous filtration function. In addition to mechanical reinforcement, the nylon mesh-based composite proposed in this study can be expanded to various applications such as filtering devices, biochip housings, and organoid support using porous mesh structures and is evaluated as a material and process platform that greatly improves the functional integration of DLP 3D printing.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 제 2 장 문헌 연구 4
• 2.1. DLP 기반 3D 프린팅 기술 4
• 2.2. 나일론 메쉬 기반 섬유 보강 복합체 4
• 2.3. 메쉬 크기, 배향 및 적층 층수에 따른 복합체 물성 변화 5
• 2.4. 광경화 수지의 종류 및 계면 젖음성, 복합화 성능 향상 기법 6
• 2.5. 나일론 메쉬를 활용한 디바이스 8
• 제 3 장 재료 및 방법 9
• 3.1. 재료 9
• 3.2. DLP 3D 프린팅 공정 10
• 3.3. 미경화 섬유 제거 10
• 3.4. 물성 평가 11
• 3.5. PMMA 입자의 형광 염색 12
• 3.6. 나일론 메쉬 기반 입자 분리 장치 제작 12
• 3.7. 이미지 분석 13
• 3.7.1. 공초점 주사현미경 13
• 3.7.2. 주사 전자현미경 13
• 제 4 장 결과 및 고찰 14
• 4.1. DLP 기반 나일론 메쉬–레진 복합체의 제조 공정 14
• 4.2. DLP 기반 나일론 메쉬–광경화성 수지 복합체의 선택적 섬유 제거 공정 22
• 4.3. 용매 처리 후 복합체의 물성 평가 27
• 4.4. 나일론 메쉬 보강 복합체의 구조적 유연성 향상 30
• 4.5. 나일론 메쉬 기반 입자 분리 장치의 구조, 작동 및 응용 33
• 제 5 장 결 론 42
• 참고문헌 43
• Abstract 47