소재 혼합 압출식 초콜릿 3D 프린터 개발

1. 서론

3D 프린팅 기술은 복잡한 구조의 부품도 도면화만으로 바로 3차원 형상으로 제작이 가능하다는 장점 때문에 다양한 시제품 및 특수 목적용 부품 제작에 많이 활용되고 있다.^1,2 이에 3D 프린팅 기술은 그 적용 영역이 점차 확대되어 기계, 건축, 전자, 의료, 식품 등 다양한 산업 분야에서 그 중요성이 커지고 있다.^3-6 이와 같이 3D 프린팅 기술의 적용 범위가 점차 늘어감에 따라 다양한 소재를 기반으로 단순 형상 제작을 넘어서서 실제 활용 가능한 구조 제작으로의 시도가 적극적으로 이루어지고 있다.

이러한 시도는 최근 식품 산업에도 큰 영향을 미쳐 실제 섭취가 가능한 푸드 프린팅이 다양하게 연구되고 있다. 식품 산업에서의 3D 프린팅은 단순히 다채로운 모양이나 데코레이션 용도뿐만 아니라 식품 섭취에 제한이 있는 사회 약자층에게 다채로운 식감과 적절한 영양분 공급 등을 수행할 수 있으므로 기능적 가치도 매우 높다고 볼 수 있다.^7,8

다양한 3D 프린팅 방법 중 이러한 푸드 프린팅에 주로 사용되는 형태는 분말에 기반한 방식과 압출 방식으로 크게 두 가지로 나눌 수 있다. 설탕, 밀가루뿐만 아니라 채소, 과일 등 많은 종류의 식재료가 분말 형태로 손쉽게 제작이 가능하므로 이러한 식재료 분말을 한 층씩 얇게 도포한 후 고출력 레이저 혹은 고온 열원으로 국부 용융으로 형상을 만드는 방식이 있을 수 있다.⁹ 또는 좀 더 다채로운 색상과 재료 구현을 위해 식용 가능한 액상 접착제를 이용하여 다채로운 컬러를 구현한 푸드 프린터도 소개되었다.¹⁰ 이러한 분말 기반 프린터는 소재 및 장비 측면에서 제한이 있어서 손쉽게 사용할 수 있는 압출 기반 방식을 활용한 푸드 프린팅이 많이 시도되고 있다.

압출 기반 푸드 프린팅은 장비 구조가 간단하고 재료 제약이 거의 없어서 초콜릿, 브리또, 파스타, 치즈, 피자 등의 다양한 음식에 대한 출력 사례가 소개되었다.^11,12 특히 초콜릿 재료는 액상화 및 고상화가 용이하고 후처리 없이 독자적으로 상품화가 가능하여 많은 푸드 프린팅 연구에서 활용되고 있다. 초콜릿 재료는 재료 특성상 온도에 민감하므로 원활한 압출과 형상 유지를 위해서는 용융 및 냉각 온도를 적절히 유지하는 것이 매우 중요하다.¹³ 또한 출력 각도 및 압출 속도 등에도 형상 품질이 매우 민감하게 변화한다.¹⁴ 이에 출력의 용이성을 높이기 위해 최근에는 별도의 용융이나 냉각 과정 없이 상온에서 손쉽게 출력할 수 있는 초콜릿 재료 및 이에 연동된 장비에 대한 연구도 소개되었다. 특히 해당 연구에서는 2개의 시린지 펌프에 초콜릿 소재의 조성을 달리하여 압출 후 상온에서 상태가 다르게 함으로써 외부와 내부의 식감이 다른 형태로도 제작 가능함을 소개하였다.¹⁵ 또한, 이러한 초콜릿 식감의 변화는 동일 재료를 사용하더라도 내부 충진 구조를 변화함으로써 다양하게 바꿀 수 있다. 즉, 전통적 초콜릿 제조에서는 내부가 가득찬 형태로만 제작이 가능하지만, 푸드 프린팅 기술을 이용하면 허니컴, 힐버트 커브 등 다양한 메쉬 구조에 기반한 내부 구조를 제작할 수 있게 된다. 이러한 내부 구조 및 채움 정도의 변화는 소비자가 섭취 시 치아에 가해지는 압력의 변화를 유발하여 다양한 식감의 변화를 가져오게 된다.^16,17 이러한 초콜릿 프린터는 여러 회사에서 상용화하여 USD $2,000-6,000 수준의 다양한 제품으로도 판매되고 있다. 가장 기본적인 형태는 사전 용융된 초콜릿을 하나의 시린지에 채워 넣은 후 출력하는 방식이 대표적이라 할 수 있다.¹⁸ 2가지 소재의 순차 출력을 가능케 하기 위해 2개의 시린지 구조를 지닌 제품도 상용화되었다.¹⁹ 기존 제품들의 경우 대부분 소재의 사전 예열이 필요하였으나 최근에는 별도의 상부 투입구를 통해 미소 형상으로 잘라진 초콜릿의 직접 투입도 가능케 되었다.²⁰ 하지만, 기존 대부분 연구 및 제품들에서는 단색 초콜릿만을 기반하고 있으며 일부에서도 두 가지 색상을 각각 순차 출력하는 정도만 가능하였다. 즉, 소비자에게 좀 더 다양한 심미적 경험을 주는 것에는 제약이 많았다.

음식은 “눈으로 먹는다”라는 표현이 있을 정도로 맛뿐만 아니라 보여지는 심미적 품질 수준도 매우 중요하다. 특히 초콜릿과 같은 기호 식품의 경우 이러한 섭식의 시작과 중단에 있어서 시각 정보가 맛에 못지 않게 중요하다고 알려져 있다.²¹ 또한 최근에는 동일한 초콜릿이지만 색소 첨가로 색상을 다양하게 변화시킬 경우 소비자가 받아들이는 맛의 종류가 유의미하게 차이날 수 있다는 연구 결과도 발표되었다.²² 이에 본 연구에서는 폴리머 압출 방식 프린팅에서 다양하게 다루어진 소재 혼합을 통한 다양한 색상 및 물성 구현연구를^23,24 활용하여 푸드 프린팅에서의 적용 가능성을 살펴보려 한다. 이미 시중에 데코레이션 용도의 다색 초콜릿이 판매되고 있으므로 이러한 식재료를 기반으로 좀 더 다양한 색상 구현을 위한 혼합 출력의 가능성을 확보함으로써 다채로운 심미성 제공의 가능성을 제공하고자 한다.

2. 실험 구성

2.1 소재

본 연구의 목적은 단순히 형상을 만드는 것이 아니라 실제 식용이 가능한 3차원 구조의 초콜릿 제품을 만드는 것이므로 실험에 사용될 소재는 시중에 식품으로 판매가 승인된 제품 중 선정하였다. 이에 시중에 판매되는 다양한 제품 중 색상 종류가 비교적 많은 ㈜브레드가든사의 초코데코펜 시리즈를 주재료로 사용하였다. 기본 색상인 다크 초콜릿은 원재료 색상이 너무 짙어서 다른 색상의 초콜릿과 혼합하여도 변화를 관찰하기가 어려웠다. 이에 색상 차이가 두드러지면서 혼합 시 일반적인 초콜릿색인 옅은 갈색을 띄는 노란색과 보라색 계열의 제품을 기본 재료로 선정하였다. 각 제품의 영양 성분과 주 성분은 Table 1과 같다.

Table 1

Main nutrient and ingredient of used chocolate (Quantity per 20 g)

2.2 소재 압출부

초콜릿 소재의 출력 중 색상 변화를 구현하기 위해서는 색이 다른 2개의 초콜릿을 선택적으로 혼합하면서 압출하는 것이 중요하다. 일반적으로 혼합 소재의 점도가 매우 낮은 경우에는 별다른 장치 없이도 두 소재를 동시 압출할 경우 쉽게 혼합이 된다. 초콜릿 소재는 온도와 점도가 일정 구간까지는 반비례하므로 점도를 낮추기 위해서는 초콜릿 소재의 가열 온도를 높여야 한다. 하지만, 이 경우 소재 변성과 출력 후 흘러내림 등의 문제가 발생하므로 가열 온도는 최소한으로 유지하는 것이 품질에 유리하다. 이에 점성 유체를 별도의 부가 장치 없이 간단히 혼합할 수 있는 정적 믹서를 사용하였다. 정적 믹서의 내부는 일반적으로 나선형 구조를 지니고 있으며 각 단을 통과하면서 분할, 전환, 반전 작용이 연속적으로 발생하여 유체의 혼합을 유도한다. 유체의 분할 수는 2ⁿ이 되므로 스크류 단의 수가 많을수록 혼합 성능이 크게 향상된다. 하지만, 압출부 길이도 증가되므로 장비 크기가 과도하게 커지는 문제가 발생한다. 이에 본 연구에서는 Fig. 1(a)에 보인 바와 같이 시린지 길이와 유사한 전체 길이 99, 믹서 내경 4.8 mm에 16단 스크류로 구성된 제품(Ratio Pak Static Mixer, Plas-Pak, USA)을 사용하였다. 해당 제품은 외부 튜브는 폴리 프로필렌이며 내부 스크류는 폴리 아세탈로 제작되었다. 실험 중 온도가 45^oC 이하이며 두 소재 모두 식품 용기로 흔히 사용되는 소재이므로 초콜릿에 닿아도 문제가 없다.

Fig. 1

Material extruder

여기에 서로 다른 색상의 초콜릿을 각각 제어하면서 공급하기 위해 Fig. 1(b)에 보인 바와 같이 30 ml 용량의 2액형 카트리지 시린지(Dual Syringe 30 ml, Plas-Pak, USA)를 연결하여 압출부를 구성하였다. 사용된 제품은 헬스케어, 치과용 등으로 판매되므로 식품 사용에 문제가 없으며 초콜릿 제품의 일반적인 융점이 35-45^oC이므로 가열 압출에도 무리가 없다. 정적 믹서 앞부분에는 압출 압력에 의한 소재 누설을 막기 위해 루어락 팁과 내경 0.6 mm의 20 게이지 금속 노즐을 장착하였다.

초콜릿은 비교적 융점이 낮은 재료지만 온도에 따라 유변학적 특성이 크게 변화하므로 프린팅 공정 중 적절한 온도를 일정하게 유지하는 것이 매우 중요하다. 이에 본 연구에서는 초콜릿 압출부 전체의 온도를 일정하게 유지하기 위하여 열전달이 우수하면서 가공이 용이한 알루미늄(Al 6061)을 이용하여 압출가열부 히팅 블록을 제작하였다. 전체 히팅 블록의 온도 불균형을 최소화하고 효과적인 가열을 위하여 3개의 세라믹 카트리지 히터(Ceramic Cartridge Heater, 12 V, 40 W, Reprap, USA)와 2개의 K타입 열전대(K-Type Thermocouple)을 장착하였으며 모든 구성품이 공차 없이 밀착되도록 구성하였다. 열전대로부터 입력된 신호로 정밀 온도 제어를 위해 자동 PID 제어가 가능한 별도의 온도 제어기(TX4S-14S, Autonics Co., Korea)를 이용하였다. 전체 압출부의 온도 유지와 외부 열손실을 최소화하기 위하여 히팅 블록 외부를 모두 코르크 보드를 이용하여 단열하였다.

초콜릿은 점소성 특성을 지니고 있는데다 가열하면서 압출이 이루어지므로 온도 및 압력에 민감한 공압 압출 보다는 시린지에 모터를 이용한 직접 압출 형태로 구조를 제작하였다. 점성 유체를 압출하기 위한 충분한 토크를 제공하기 위해 0.8 N∙m의 2상 하이브리드 스텝 모터(JLB, 17HS2310-P4120)를 사용하였으며 전류 공급과 위치 제어를 위해 마이크로 스텝용 드라이버(Aplus, A4988)를 사용하였다. 여기에 2 : 1 평기어 감속기를 각각의 압출 모터에 부착하여 압출 토크를 높였다. 이후 직선 운동을 위해 각각의 출력 기어에 직경 8, 피치 2 mm, 리드 8 mm/rev의 리드나사를 부착하였으며 정밀한 직선 운동을 위해 LM 가이드를 추가로 설치하였다.

2.3 전체 장비 구성

원활한 3차원 형상 조형을 위해 Fig. 2에 보인 바와 같이 2개의 시린지로 구성된 압출부를 H-Bot 구조 이송부에 설치하여 X-Y의 2축 움직임을 구현하였다. 각 축의 구동을 위해서 소형 2상 스텝 모터(Aplus, Nema 17 5.0)을 사용하였으며 마이크로 스텝용 드라이버(Aplus, A4988)로 전류를 공급하였다. 조형 베드에 해당하는 Z축은 H-Bot 구조의 수평 이송부 아래에 별도로 수직 이송이 가능하게 설치하였다. 제작된 장비의 최대 이송 가능 영역은 200 × 200 × 250 mm이다.

Fig. 2

Multi colored chocolate 3D printer

전체 프린터를 제어하기 위해서는 3개의 이송 모터와 2개의 압출 모터를 각각 제어할 수 있는 아두이노 메가 2560 보드 기반의 MKS 통합보드(MKS GEN V1.4, UTY, China)를 사용하였다. 이와 함께 FDM (Fused Deposition Modeling) 방식의 프린터에 널리 사용되는 오픈소스 기반 Marlin 펌웨어(Firmware)를 2개의 소재가 동시 압출이 가능하도록 일부 수정하여 적용하였다.

3. 초콜릿 프린팅 실험 결과

3.1 온도별 실험

압출부 구조 중 알루미늄으로 제작된 부분은 열전도도가 높아서 온도 불균형 등의 문제가 없으나 그 외 폴리머 및 초콜릿 소재 부분은 상대적으로 열전도도가 낮아서 실험에 적합한 정상 상태 온도에 도달하기까지 충분한 시간이 필요하다. 또한, 압출 중 초콜릿 소재의 실제 온도를 지속적으로 측정하는 것이 어려우므로 사전에 측정이 용이한 부분과의 온도 차이를 관찰하는 것이 필요하다. 이에 실험실 상온 환경인 23^oC에서 소재 투입 및 압출부 체결을 완료한 후 세라믹 카트리지 히터로 가열하면서 각 부위의 온도 변화를 관찰하였다. 실험 온도는 Fig. 3에서 전체 압출부의 가운데 부분에 해당되는 D (Near Mixer) 부분을 40^oC로 설정한 후 진행하였다. 그 결과 알루미늄으로 제작된 부분은 모두 5분 이내에 정상 상태 목표 온도에 도달하였으나 실제 초콜릿 내부에 센서를 두고 온도를 측정한 A와 B 부분은 약 35분이 지난 후에 일정 온도로 수렴하였다. 이를 토대로 모든 실험은 가열 시작 후 초콜릿 온도가 안정화되는 35분이 지난 후에 진행하였다. 또한, 실험 결과에서 보듯이 세라믹 카트리지 히터를 통해 가열 시 초콜릿 소재가 수렴한 온도는 압출부 평균온도보다 약 2^oC가량 낮다는 것을 볼 수 있다. 이는 초콜릿 소재가 담겨있는 시린지 구조상 상하 운동을 하는 피스톤 부분은 단열재를 설치할 수가 없으므로 주변 공기에 의한 열 손실 때문으로 추정된다. 이에 실제 압출에 중요한 온도는 초콜릿 소재의 온도이므로 설정 온도를 초콜릿 소재 목표 온도보다 2^oC 높게 두어 실험을 진행하였다.

Fig. 3

Measured extruder temperature according to time

본 실험에 사용된 초콜릿의 제조사에서는 제품의 용융 온도를 50^oC로 알려줬으며 기존 연구들에서 대부분 사용된 온도가 35-45^oC 수준이므로 본 연구에서도 해당 구간에 대해 온도별 경향을 실험하였다. 온도에 따른 압출 선폭 및 적층 구조물의 안정성을 확인하기 위하여 모든 출력물은 한변의 길이가 25mm인 정사각형 타워 형태로 적층이 이루어졌다. 그 결과 Fig. 4에 보인 바와 같이 초콜릿 온도가 35^oC로 비교적 낮은 경우에는 소재 흐름성이 충분히 확보되지 못하여 압출 모터의 허용 토크를 초과한 부하가 가해졌다. 이로 인한 탈조 현상으로 인해 불규칙한 압출이 이루어져서 형상 적층이 불가능하였다. 반대로 초콜릿 온도를 45^oC 수준으로 높인 경우에는 손쉽게 압출은 되었으나 과도한 점도 저하로 인해 압출 후 형상 유지가 불가능하였다. 초콜릿 온도를 42^oC로 낮춘 경우 흘러내림이 줄어들긴 하였으나 여전히 적층 구조를 유지할 수는 없었다. 초콜릿 온도가 40^oC인 경우 약간의 형상 무너짐은 있었으나 대체로 적층 후 형상 유지가 가능하였다. 온도를 38^oC로 조금 더 낮춘 경우 흘러내림 현상이 거의 관찰되지 않았으며 층간 적층 형상도 뚜렷이 관찰되었다. 여기에서 온도를 더 낮출 경우에는 35^oC와 비슷하게 조금씩 탈조 현상이 관찰되면서 형상 정밀도가 낮아지기 시작하여 본 실험에서는 출력에 적합한 최적 초콜릿 온도를 38^oC로 정하고 실험을 진행하였다.

Fig. 4

Printed specimens according to chocolate temperature

3.2 압출량 변화 실험

압출식 초콜릿 프린팅에서 온도 못지않게 중요한 것이 압출량을 적절하게 제어하는 것이다. Fig. 5에 보인 바와 같이 압출량이 부족한 경우에는 선폭이 노즐 직경보다 얇아지면서 압출량이 불안정해지고 형상 적층 시 압출 선간의 접합력이 부족하여 형태 유지가 어렵게 된다. 반면, 압출량이 과도한 경우에는 재료가 퍼진 형태로 출력되면서 형상 정밀도가 떨어지고 압출 중 부하도 많이 걸리게 된다. 이에 일반적으로 Fig. 6과 같은 형태로 압출된다고 가정했을 때 바닥에 쌓이는 재료의 양(A_N × F)과 시린지 내부에서 압출되는 재료의 양(πD_s²/4 × F_P)이 서로 같아지게 된다.²⁶ 이때, A_N은 압출된 재료의 단면적을 의미한다. 기존 초콜릿 프린팅 연구들에 의하면 프린팅 이송속도(F)는 300-700 mm/min 수준에서는 선폭 및 실험 결과에 큰 영향이 없으므로 생산성을 고려하여 최대 속도인 720 mm/min으로 고정하였다.¹³ 또한 적층 높이(h)는 노즐 내경과 유사한 수준이 초콜릿 프린팅 시 품질에 유리하므로 0.65 mm로 고정하였다.¹⁶ 이를 토대로 Table 2와 같이 실험 인자를 결정할 경우 압출 선폭은 시린지 피스톤의 이송속도에 의해서 결정되게 된다. 본 연구에서는 시린지 피스톤의 이송속도를 1.9-3.0 mm/min까지 변경하면서 압출된 선폭을 관찰하였다. 그 결과 Table 3에 보인 바와 같이 피스톤 이송속도에 따라 선폭이 증가하는 양상을 관찰할 수 있었다. 일반적으로 우수한 형상 정밀도를 위해서는 노즐 직경의 110-115% 수준의 선폭이 적절하므로^14,26 본 실험에서는 15% 수준인 0.69 mm를 최적 수준으로 결정하고 피스톤 이송속도를 2.5 mm/min으로 고정하였다.

Fig. 5

Printed specimens according to extrusion amount

Fig. 6

Parameters for chocolate printing

Table 2

Experimental parameters

Table 3

Extruded line width

3.3 색 혼합 실험

앞선 실험들에서 얻어진 공정 조건과 제작된 장비를 활용하여 Fig. 7(a)에 보인 바와 같이 보라색과 노란색 초콜릿 단독 및 혼합 출력을 진행하였다. 노즐을 통해 압출되는 초콜릿의 양을 일정하게 유지하기 위해 혼합 출력 시에는 각 소재의 피스톤 이송 속도를 기준값의 절반으로 설정하였다. 출력 형태는 내부 채움 없이 외곽선만 출력하였으며 출력 후 정해진 조명 환경 아래에서 촬영을 진행하여 Fig. 7(b)와 같은 이미지를 획득하였다. 각각의 색상 영역의 가운데 부분을 Color Cop 프로그램의 5 × 5 픽셀 평균값 추출 기능을 활용하여 색상 코드를 얻었다. 그 결과 보라색 영역은 RGB(106, 75, 105), 노란색 영역은 RGB(232, 187, 33)로 각각 측정되었다. 측정된 색상을 기반으로 색상 혼합 프로그램으로 가상 혼합을 하면 Table 4에 보인 것처럼 RGB(171, 129, 82)의 값이 얻어진다.²⁷ 이 값은 실제 혼합 영역에서 측정한 RGB(171, 115, 98)와 유사한 색상코드로 황토색을 의미한다. 이를 통해 제작된 정적 믹서를 기반으로 한 초콜릿 혼합 출력이 가능함을 확인하였다.

Fig. 7

Color mixing test

Table 4

Experimental parameters

이러한 공정을 통해 Fig. 8과 같이 바닥부는 보라색으로 제작하고, 중간 부분은 노란색으로 제작된 다양한 내부 채움 정도를 지닌 구조물 제작이 가능하다. 이는 내부 구조물 변화에 따른 식감 변화뿐만 아니라 시각적으로도 내부가 꽉 찬 보라색 영역과 내부에 비움 정도를 다양하게 구현한 노란색 영역으로 나뉘어 보임으로써 소비자에게 다양한 시각적 경험을 가능케 한다. 또한 개발된 기술은 Fig. 9에 보인 것과 같은 다양한 입체 구조물 형상의 다색 초콜릿 프린팅을 가능케 한다.

Fig. 8

Printed specimens according to infill density

Fig. 9

Various printed results

4. 결론

본 연구에서는 정적 믹서를 기반으로 소재 혼합 압출을 통해 새로운 색상 혼합이 가능한 초콜릿 프린터를 제작하고 다양한 형태의 구조물 출력을 진행하였다. 초콜릿 출력에 있어서 가장 중요한 부분 중 하나가 소재의 적절한 온도 유지이므로 실제 소재 내부에 온도 센서를 삽입하여 주변 알루미늄 구조물과의 온도 차이 및 압출 거동에 미치는 영향을 살펴보았다. 또한, 시린지 모터의 이송 압출 배수를 다양하게 변화하여 압출량에 따른 선폭 변화를 관찰하고 이를 토대로 정밀도 유지에 적합한 선폭을 선정하였다. 그 결과 초콜릿 소재 온도가 38^oC를 유지하면서 시린지 피스톤 이송속도를 2.5 mm/min으로 고정하였을 때 가장 최적의 결과를 얻을 수 있었다.

얻어진 공정 조건을 기반으로 색상이 혼합된 초콜릿 구조물을 제작하였을 때, 이론적 혼합 색상과 실제 측정된 혼합 색상이 유사한 색상 계열로 이루어졌음을 확인할 수 있었다. 이는 다양한 구조와 색상을 지니는 3차원 초콜릿 구조물 제작의 가능성을 시사하므로 향후 실제 사용자에게 식감뿐만 아니라 다양한 시각적 경험도 제공할 수 있음을 의미한다.

Acknowledgments

이 연구는 서울과학기술대학교 교내연구비의 지원으로 수행되었습니다.

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