레진 3D 프린터 안내서: SLA vs. DLP vs. MSLA vs. LCD

3D 프린팅에서 해상도는 장비와 제조사 사이에서 특성화 및 표준화가 어려운 지표입니다. 궁극적으로 프린트물의 품질과 정확도를 가르는 요인은 아주 많고, 이들을 열거해 보자면 크기, 형태, 레진 광경화 시의 힘 분배, 레진의 분산도, 블리드(색이나 냄새가 스며드는 것), 광중합 특성 같은 것들이 있습니다. 예를 들어 어떤 레진은 다른 레진보다 빛을 분산시키는 정도가 커서 경화에 동일한 조도의 빛을 사용할 때 경화되는 레진의 양이 적고 프린트물의 디테일은 떨어집니다.

해상도는 한때는 종이와 잉크를 사용하는 프린터를 연구한 자료에서 ‘인치당 도트 수’ 또는 DPI로 표현했던 것으로, X와 Y 축 방향을 덮는 잉크로 이해하면 쉽습니다. 3D 프린팅을 채택하는 분야가 늘어나면서, Z 축 관련 지표가 추가되었고 3D 해상도의 표준은 정의하는 데도 측정하는 데도 더 복잡해졌습니다.

해상도가 가장 높은 3D 프린팅 기술과 제조사를 결정하려면 XY 평면과 최소 Z축 레이어 높이를 모두 구체적으로 추적할 수 있는 성능을 고려해야 합니다. 그렇지만 의도한 패턴을 구체적으로 추적하는 성능은 몇 가지 요소에 따라 달라집니다.

레이저 구동 SLA 3D 프린터의 해상도는 레이저 스팟 크기, 레이저 스팟의 힘 분배, 검류계가 XY 평면 위에 빛을 배치할 때의 정밀도, Z축 최소 레이어 높이의 네 가지 인자에 따라 결정됩니다.

언뜻 보기에 레이저 스팟 크기는 구현 가능한 최소 피처 크기를 나타내는 것처럼 보이지만 그렇지 않습니다. 파트 전체가 단일 원형 도트나 구형이라면 최소 피처 크기가 레이저 스팟 크기로 결정된다는 사실이 옳더라도 스팟 크기보다 작은 피처는 경화시켜 구현할 수 없습니다. 그렇지만 도트 형태나 아주 작은 구형 파트는 현실에 존재하지 않습니다. 현실의 파트에서는 레이저가 스팟 크기보다 작은 형태와 피처를 추적할 수 있는데, 이것은 레이저가 XY 평면 위를 스팟 크기보다 작은 증분으로 움직여 아주 작은 피처의 '바깥쪽' 부분을 추적할 수 있기 때문입니다.

한 예로, Form 3+의 레이저 스팟 크기는 85 미크론이지만, XY 해상도는 25 미크론입니다. 여기서 XY 해상도는 프린터가 XY(수평 방향) 평면 위를 움직일 때의 정밀도입니다.

DLP 3D 프린터의 해상도는 레이저 구동 SLA 프린터와 유사하게 픽셀 크기(X 방향과 Y 방향 측정치), 조도와 빛의 균일성, 안티 애일리어싱 사용 유무, Z 축 최소 레이어 높이가 좌우합니다.

픽셀 크기가 작을 수록, 해상도는 커지며, 이는 TV나 휴대용 전자 기기에 사용되는 익숙한 기술들과 유사합니다. DLP 3D 프린팅에서 XY 해상도는 프로젝터가 단일 레이어 안에서 재현할 수 있는 가장 작은 형상인 픽셀 크기로 정의합니다. 이는 프로젝터의 해상도와 광학 윈도우까지의 거리에 따라 다르며 해상도의 가장 일반적인 값은 완전 HD(1080p)입니다. 결과적으로 데스크톱 DLP 3D 프린터의 XY 해상도는 고정되어 있으며 대개 35~100 μm 사이의 값입니다.

빌드 볼륨이 커지면 DLP 3D 프린터의 해상도는 줄어드는 데 이는 픽셀 수가 크게 늘어나면 처리 가능한 프로젝터가 존재하지 않기 때문입니다. 따라서 광원으로부터의 거리를 늘어난 픽셀 수 만큼 늘려야 하고 이에 따라 해상도와 프린트물 품질은 떨어집니다. 

MSLA 3D 프린터의 해상도는 LCD의 픽셀 크기, 광원의 시준 정도와 균일성, 안티 애일리어싱 사용 유무, Z 축 최소 레이어 높이에 따라 결정됩니다. 

DLP 3D 프린터와 유사하게 픽셀 크기가 작을 수록 해상도는 커집니다. 그렇지만 다른 프린터보다 작은 픽셀은 하나의 인자일 뿐입니다. MSLA 프린터에서 빛은 고도로 시준(광선이 수평을 이루게 한다는 의미)되어 LCD 스크린 상의 픽셀을 통과할 때 퍼지지 않아야 합니다. 또한, 빛이 아주 균일해야 LCD 스크린 내 픽셀을 각각 통과한 빛이 동일한 조도로 레진을 경화시킬 수 있습니다.

다행히도 Z축 최소 레이어 높이는 레진 3D 프린터는 표준 레이어 높이가 대부분 25미크론에서 200미크론 사이로 계산이 덜 복잡합니다. 상향식 레진 3D 프린터에서 레이어 높이는 빌드 플랫폼과 레진 탱크 바닥 사이에서 압착되는 레진의 수직 높이로 결정되며 이 수치가 각 레이어에서 경화된 레진의 실질적인 높이입니다. 

간단히 말해, 레진 3D 프린팅에서 해상도가 정말 중요할까요? 답은 '예'입니다. 그렇지만 해상도 자체가 허영 지표일 뿐인 사례를 종종 찾아볼 수 있습니다. 해상도가 어느 정도 지표가 될 수는 있지만 정확도, 정밀도, 프린트 품질과는 직접적인 상관관계가 없기 때문입니다. 해상도가 비교적 높으면(XY 평면상 픽셀이나 레이저 스팟 크기가 작거나 Z축 차원에서 레이어가 작음) 일반적으로 속도나 심지어 안정성의 저하(레이어가 늘어날수록 오류가 발생할 가능성이 함께 늘어나므로)가 수반됩니다.

3D 프린팅은 적층 공정이므로 레이어가 한 층씩 쌓여갈 때마다 치수상의 부정확성이 발생할 가능성이 생겨납니다. 각 레이어가 형성되면, 파트의 단면에서 의도한 형태로부터 극소의 편차가 전체 정확도에 영향을 미쳐 정확도의 저하를 가져옵니다. 정확도를 좌우하는 것은 3D 프린팅 공정, 하드웨어 디자인, 레진의 물성, 프린트 설정, 후처리 워크플로로 구성된 다양한 인자입니다. 일반적으로 레진 3D 프린터는 대체로 정확하고 정밀한 3D 프린팅 장비입니다. 정확도와 정밀도의 차이는 기술 방식보다는 모델 데이터 및 제조사에 따라 더 긴밀하게 달라집니다.

레진 3D 프린팅에서는 정확도에 영향을 끼치는 첫 번째 주요 인자는 프린터의 광학적 성능이며 구체적으로는 레진을 경화시키는 광선의 스팟 크기, 모양, 균일성입니다. Form 3+와 Form 3B+ 같은 전문가용 레이저 구동 3D 프린터는 고품질 검류계와 광범위한 보정으로 레이저 광선을 레진에서 의도한 부분까지 정밀하게 조사할 수 있으며 해당 레이저 경로를 따르며 편차가 생기지 않습니다.

DLP 3D 프린터의 정확도은 라이트 프로젝터의 해상도와 강도, 그리고 마이크로미러 장치의 품질과 보정에서 영향을 받습니다. DLP 프린터는 빌드 영역 가장자리에서 일어나는 픽셀 왜곡으로 인해 정확도가 제한되는 경우가 많은데, 픽셀 왜곡은 마이크로미러 장치가 광원에서 더 멀리까지(가장자리) 빛을 조사해야 하기 때문에 발생합니다.

LCD와 MSLA 3D 프린터의 정확도는 광원의 균일성과 시준, LCD 화면의 픽셀 크기와 품질에 따라 달라집니다. LCD 프린터는 대부분 광원을 덮는 렌즈가 있지만 대체로 기본에 가까워 빛이 고르지 않고 검은점과 왜곡이 생길 수 있고 프린팅해서 얻은 파트가 정확하지 않을 수 있습니다. LCD 화면의 품질 또한 중요합니다. 품질이 우수하다는 것은 LCD 화면이 어느 부분의 빛을 차단하고 어느 부분은 투과해야할 지를 알려주는 소프트웨어 프로그램에 응답할 수 있다는 의미합니다.

Formlabs의 광처리 장치 4(Light Processing Unit 4, LPU 4)에는 픽셀 크기 50 μm의 맞춤형 LCD 화면과 사전 튜닝된 안티 애일리어싱 기능을 탑재하여 치수 정확도가 탁월합니다. 60개의 LED와 플라노 컨벡스(평면 볼록) 렌즈 어레이, 광학 배플을 사용한 Form 4의 백라이트 장치는 일정한 영역에 초고조도의 빛을 균일하게 투사하며 이 빛은 조도가 높아도 고도로 시준되어 균일하게 조사됩니다.

정확도에 영향을 끼치는 두 번째 주요인은 프린팅 과정에서 파트에 가해지는 힘입니다. 상향식 레진 프린터는 모두 두 가지 유형의 힘을 사용합니다. 박리력은 새 레이어를 형성하기 전에 빌드 플랫폼이 상승하고 경화된 레이어가 레진 탱크에서 분리되면서 각 레이어의 박리 과정에서 파트에 가해지는 힘입니다. 압착력은 빌드 플랫폼이 하강하여 프린트물을 액상 레진 풀에 밀어 넣을 때 각 레이어를 압착하면서 발생하는 힘입니다. 이 힘은 레이어의 이동과 변형을 이끄는 힘이지만 궁극적으로는 치수 정확도를 낮출 수 있습니다.

어떤 프린터는 기본으로 플렉서블 필름 레진 탱크가 장착되어 경화된 레이어에서 부드럽게 분리되고 박리력을 최소화합니다. 이런 탱크가 박리력을 줄여주지만 여기에는 핵심적인 문제가 두 가지 있습니다. 이런 탱크에 사용하는 필름은 내구성이 좋지 않아 쉽게 손상되고 자주 교체해야 합니다. 여기에는 흡착력이 생기기가 쉬운데 플렉서블한 필름이 LCD 화면에 흡착되면 박리력이 갑자기 커지게 됩니다.

전문가용 MSLA 프린터인 Form 4에는 이중 레이어 플렉서블 필름 탱크를 사용해 박리력은 최소화하고 극도로 견고하여 웬만한 손상에는 끄떡 없습니다. Form 4에는 독점 기술인 마이크로 텍스처 광학 필름도 사용합니다. 분리 텍스처라는 이 필름은 레진 탱크와 LCD 스크린 사이에 공기를 유입시켜 흡착이 생기는 것을 방지하고 정확도를 향상시킵니다.

Form 4 MSLA 3D 프린터의 분리 텍스처는 레진 탱크와 LCD 스크린 사이에 공기를 유입시켜 흡착이 생기는 것을 방지하고 정확도를 향상시킵니다.

정확도에 영향을 미치는 마지막 주요인은 프린터 내 액상 레진의 물성입니다. 액상 레진을 경화시키는 과정은 레진의 온도, 균질성, 산란, 점도 등 수많은 변수들이 좌우합니다. 이들 변수는 조금만 변경해도 레진을 지나치게 경화시키거나 덜 경화시키게 되어 경화된 레이어의 크기와 형태에 수백 마이크로 미터의 편차가 발생합니다. 레진 3D 프린터는 대부분 이런 변수를 제어하는 기능이 없어 예기치 못한 치수 상의 편차가 자주 발생합니다.

Form 4에는 이런 문제에 대응할 방법이 몇 가지 있습니다. 우선, Form 4는 정밀한 히터와 적외선 온도 감지 기술, 고속 레진 믹서로 액상 레진의 온도와 규일성을 제어합니다. 또한, Formlabs은 자체적으로 소재를 개발하고 제조하면서 각 소재의 반응성, 점도, 분산도를 면밀히 제어합니다. 더욱이 Form 4에는 첨단 슬라이싱 소프트웨어, 프린터 하드웨어 보정 기능, 검증된 프린트 설정이 탑재되어 속도가 빨라지더라도 각 소재의 물성이 저하되지 않도록 자동으로 제어할 수 있습니다.

다시 한 번 강조하자면 3D 프린터의 정확도와 정밀도는 비단 기술에만 좌우되는 것이 아니라 정확한 하드웨어 디자인, 액상 레진의 물성, 프린트 설정 및 보정, 후처리 워크플로 모두 긴밀히 관련되어 있습니다.

상향식 SLA 3D 프린팅이 도입되기 전에는 레진 3D 프린터의 빌드 볼륨이 대체로 거대했으며 가격 또한 아주 고가였습니다. 상향식 레진 3D 프린팅은 기술의 진입 장벽을 낮췄지만 정작 더 중요한 점은 장비가 기존 레진 3D 프린터보다 훨씬 작아서, 빌드 볼륨이 큰 프린터로는 박리력이 커서 성공하기가 극도로 어려웠던 작업들도 처리할 수 있게 된 것입니다.

지금은 (대형 액층 대신 레진을 필요한 만큼만 사용해도 되는) 상향식 SLA 기술과 새로운 박리 기술이 합쳐져 기존 대형 포맷 레진 3D 프린팅 시스템에 $100,000이 넘는 비용을 쏟아붓지 않도고 대형 빌드 작업도 거뜬히 해낼 수 있습니다. 소비재, 제품 디자인, 헬스케어 같은 업계에서는 휴먼 스케일 파트 같은 거대한 파트를 프린팅할 수 있는 대형 포맷 레진 프린터가 이상적인 솔루션일 수 있습니다.

어떤 크기의 레진 프린터가 자사에 적합한지 평가하고자 하는 분들은 가장 먼저 응용 분야를 고려해야 합니다. 레이저로 구동되는 레진 프린터에는 데스크톱, 벤치톱, 산업용 규모의 세 가지 범주가 있습니다.

산업용 규모의 시스템은 수십 년 전, 하향식 광경화성 수지 조형 프린팅의 고가의 구매 비용과 유지 관리 뿐만 아니라 거대한 설치 공간과 인프라스트럭쳐 요구사항을 감당할 수 있었던 대기업에서나 일반적으로 사용되던 것입니다.

데스크톱 규모의 레진 3D 프린터는 상향식 SLA 3D 프린팅의 발명으로 탄생한 결실로, 제조 업체들 사이에서 상향식 SLA 3D 프린팅 기술의 저변이 확대됨에 따라 각 방향으로 길이가 10~20cm인 장방형 빌드 공간을 갖추고 비교적 규모가 더 작은 프린터가 보편화되었습니다. 예를 들어, Formlabs의 Form 3+는 빌드 볼륨이 14.5 × 14.5 × 19.3 cm이고, Form 4 에서는 빌드 볼륨이 30% 더 확장되어 20.0 × 12.5 × 21.0 cm입니다.

이와 유사하게 벤치톱 레진 3D 프린팅 기술도 상향식 SLA 기술과 개선된 박리 테크닉의 조합으로 실현되었습니다. Form 3L 같은 벤치톱 3D 프린터는 빌드 볼륨이 33.5 x 20 x 32 cm이며, 휴먼 스케일 소비재의 프로토타입 제작과 최종 사용 제품 제작에 사용되는 3D 프린팅 신속 툴링 부분에서 우수한 성능을 발휘하고 있습니다.

DLP 3D 프린터의 경우 해상도와 빌드 볼륨 사이에 반대급부가 존재합니다. 해상도는 프로젝터 마다 다르고 사용 가능한 픽셀/복셀 수로 정의합니다. 프로젝터를 광학 윈도우에 더 가까이 가져가면 픽셀이 더 작아지고 이는 해상도는 증가하지만 가용 빌드 영역에는 제한이 생긴다는 의미가 됩니다. 어떤 제조사는 4K 또는 8K 프로젝터로 얻을 수 있는 비교적 높은 해상도를 사용하지만 이들은 엄청나게 고가여서 최종 제품 가격도 늘어나게 됩니다.

대형 포맷 DLP 프린터는 아직도 대부분 하향식 기술을 채택하고 있습니다. 상향식과는 달리 하향식에서는 한 번에 소비해야 하는 레진의 양이 많습니다. 결과적으로, 데스크톱용 소형 포맷 DLP 3D 프린터는 특별한 사용 사례에 최적화 된 제품이 주를 이루고 있습니다. 어떤 프린터는 빌드 볼륨이 더 작고 해상도가 높아 주얼리 같이 작고 섬세한 제품을 제작하는 데 사용한다면, 또 어떤 프린터는 해상도는 더 낮지만 크기가 더 큰 파트를 제작하는 데 사용합니다.

LCD 3D 프린터는 LED 어레이(배열)와 유사한 크기의 마스킹 LCD 스크린에 그 성능이 좌우되므로, 빌드 볼륨이 커지더라도 정확도와 정밀도 면에서 얻는 성능은 저하되지 않고 그대로 유지됩니다. 픽셀 크기의 LCD 스크린과 균일성과 시준 상태가 동일한 LED 광원을 비교적 규모가 작은 버전과 동일하게 사용한다고 가정한다면, 대형 포맷 LCD나 MSLA 레진 3D 프린터에서도 동일한 정확도를 얻을 수 있습니다.

그렇지만 이런 방식은 레이저로 구동되는 SLA 3D 프린터와 달리 LED 추가와 늘어나는 LCD 면적 (제곱 센티미너당)에 따라 비용이 약간 증가합니다. 레이저로 구동되는 레진 프린터에서는 빌드 볼륨이 커졌을 때 검류계가 더 먼 지점까지 경로를 지시할 수 있으므로 빌드 볼륨 크기와 무관하게 동일한 레이저를 사용할 수 있습니다. 그렇지만 Form 3L 같이 레이저로 구동되는 대형 포맷 벤치톱 프린터에는 프린트 속도를 고려하여 레이저 장치를 하나 더 추가했으므로 규모가 큰 LED 어레이와 LCD 스크린을 사용했을 때와 유사하게 가격이 약간 상승합니다.

레진 3D 프린터로 제작된 파트에서는 레이어들끼리 화학적으로 결합할 뿐만 아니라 Z 축 방향으로 물리적 결합도 이루고 있어 수직 방향 레이어를 좀처럼 알아차리기가 어려울 뿐만 아니라 매끄러운 외관을 확인할 수 있습니다.

Clear 레진 같은 투명한 소재를 사용하면 파트에서 이렇게 매끄러운 표면을 얻을 수 있다는 것은 더 우수한 투과도를 얻을 수 있는 것으로 해석될 수 있어 광학적 투과도를 요하거나 내부 피처를 관찰해야 할 필요가 있는 파트를 제작하기에 제격입니다.

Form 3+와 Form 3L 같은 레이저 구동 3D 프린터는 완벽에 가깝도록 매끄러운 파트를 생산할 수 있어서 인기 있습니다. 레이저는 스팟이 원형이고 크기가 작아서 가장자리가 곡선이 부분을 정원으로 표현할 수 있고 파트의 전체적인 외관은 아주 매끄럽습니다.

DLP와 LCD 3D 프린터로 제작한 파트도 대개는 놀랍도록 매끄러운 표면 마감을 갖추고 있으며 최소한의 샌딩이나 폴리싱 작업만 거쳐도 사출 성형 플라스틱과 비슷한 마감을 얻을 수 있습니다. 그렇지만 DLP와 LCD 프린터는 모두 복셀이나 픽셀을 통해 빛을 투사하므로 이때 스팟은 사각형을 띠게 됩니다. 지금까지 이런 복셀과 픽셀은 X와 Y축에 가시적인 '계단'이나 '애일리어싱' 흔적을 만들고 대개 이런 흔적을 복셀 라인이나 픽셀라인이라고 합니다.

최근에는 DLP와 LCD 3D 프린터에 픽셀 크기가 아주 작은 고해상도 프로젝터나 LCD 스크린과 어떤 픽셀은 일부분만 켤 수 있는 안티애일리어싱 테크닉을 사용하기 시작했습니다. 결과적으로 현대 DLP와 LCD 3D 프린터를 사용해도 대체로 레이저 구동 SLA 프린터에서 얻을 수 있는 표면 마감과 구별하기 어려운 표면 마감을 얻을 수 있게 되었습니다.

소규모 파트의 경우 레이저로 구동되는 레진 프린터는 속도면에서 DLP와 LCD 3D 프린터에 필적할만합니다. 이때는 레이저가 넓은 면적을 덮어 레진을 경화할 필요가 없고 따라서 각 레이어를 빠르게 완성할 수 있기 때문입니다. 그렇지만 중대형 파트나 일괄 생산에서는 레이저 구동 3D 프린터의 속도가 그에 대치되는 DLP나 MSLA 제품의 속도보다 현저히 느립니다.

DLP 프린터는 치기공 업계처럼 기본적으로 빠른 프린팅 속도가 중요하게 작용하는 업계에서 인기가 좋습니다. 그렇지만 빌드 영역 전체에서 광학적 왜곡이 생기기가 더 쉬워서 정확도를 높이려면 미세하게 보정해야 합니다. 대체로 동일한 성능을 얻으려면 LCD 3D 프린터보다 비용이 많이 듭니다.

Form 4 같은 첨단 MSLA 기술은 3D 프린팅 기술 전체에서 속도가 가장 빠르고 안정적입니다. 각 레이어를 한 번에 경화하는 것이 속도를 견인하는 가장 큰 요소지만 Form 4의 이중 레이어 플렉서블 필름 레진 탱크, 분리 첵스처, 고속 자동 레진 충전, 빠른 레진 가열 또한 전체적인 프린트 시간을 단축해주는 또 다른 요소입니다.

생산에 MSLA 프린터를 고려한다면 프린터로 제작할 컴포넌트의 품질과 안정성을 우선 시 해야 합니다. LCD 프린터는 대개 수명이 짧은 것으로 유명세를 떨치고 있는데, 이는 처음부터 LCD 스크린을 3D 프린터에 사용되는 조건으로 제작한 것이 아니기 때문입니다. Form 4 내 Light Processing Unit 4는 수명이 600,000~1,900,000 레이어 적층 시까지이며 사용자가 저렴한 가격에 손쉽게 교체할 수 있습니다.

데스크톱용 레진 3D 프린터를 사용하면 처리량을 확장하기가 쉽습니다. 어디서나 사용하기 편한 크기라 장비 몇 대를 더 추가하는 과정도, 더 많은 파트를 생산하도록 확장하는 과정도 간단합니다. 장비 몇 대에 자동화 기능을 추가할 수 있는 옵션도 있습니다. Formlabs 레진 프린터에서는 for Form 3/B/+용 Form Auto같은 진보한 워크플로 도구를 활용해 파트 수거를 자동화하여 연중무휴로 프린팅할 수 있습니다. 비교적 크기가 작고 (치과 치료용이나 교정용 모형 같이) 대체로 형태가 비슷한 파트를 휴지기가 거의 없이 프린팅해야 하는 작업일 경우 Formlabs 자동화 에코시스템 같은 자동화 도구를 이용하면 프린트 공정에서 필요한 접촉점 수가 줄어들고 워크플로가 단순해집니다.