2.1.1 마이크로파를 활용한 소결 기술

마이크로파 소결은 주파수가 300 MHz에서 300 GHz 사이인 마이크로파를 사용하여 소결 과정을 수행하는 기술이다. 이러한 마이크로파는 파장이 1 mm에서 1 m에 이르는 전자기파 형태로 나타난다. 마이크로파 소결은 재료 내부의 쌍극자가 전기장에 의해 정렬되어 고주파 진동을 유발하며, 이로써 전자기 에너지가 열로 변환되어 소결 과정이 진행된다. 마이크로파는 소결 대상인 재료의 내부로 침투하여 내부에서 열을 생성하므로, 재료의 내부 중심에서 외부 표면보다 더 높은 온도를 형성할 수 있는 특성이 있다^{(Farries et al. 2021)}.

2.1.2 마이크로파 가열 속도와 입력 전력 간의 관계 분석

Fig. 1과 같이 동일한 900 kJ 마이크로파 에너지의 입력 전력 차이에 따른 가열 속도 비교 실험 결과를 살펴보면, 입력 전력이 250 W에서 400, 600, 800, 1,000 W로 증가할수록 JSC- 1A의 인공 월면토가 최대 가열 온도에 도달하는 소요 시간이 감소하는 것을 확인할 수 있다^{(Lim et al. 2021)}.

실제로, 최고 입력 전력인 1,000 W와 최소 입력 전력인 250 W의 소요 시간 간에는 약 4 배의 차이가 있는 것으로 나타났다. 높은 전력을 가질수록 더 빠르게 목표 온도에 도달하는 것으로 나타났다. 따라서 동일한 마이크로파 에너지 하에서 입력 전력이 증가할수록 제조 과정의 효율성이 향상되는 것을 알 수 있다.

Fig. 1 Comparison of heating rates depending on microwave input power (fromLim et al. 2021)

2.1.3 마이크로파 소결에서의 열 폭주(thermal runaway) 문제

월면토는 실제로 고온에서 마이크로파와 강한 상호작용을 보이는 높은 민감성을 가지고 있어 마이크로파로 잘 결합된다. 그러나 이로 인해 재료의 유전(dielectric) 특성과 관련된 열 폭주가 발생하여 급속한 가열을 유발할 수 있다^{(Allan et al. 2013)}. 월면토의 마이크로파 흡수 능력은 온도가 상승함에 따라 증가하는데, 이는 월면토가 결정질 물질로 이루어져 있어 고온에서 재료 내에 격자 결함이 형성되기 때문이다. 이러한 문제는 월면토와 같이 열전도율이 낮은 재료에서 더 악화될 수 있다. 이로 인해 재료 자체가 절연체 역할을 하여 소결 대상 재료의 외부 영역이 소결되기 전에 재료의 중심이 과도하게 가열되는 상황이 발생한다. 이러한 불균일한 가열은 결국 소결체 제작 품질에 영향을 미칠 수 있으므로 마이크로파 소결에서의 열 폭주 현상 문제는 심각한 문제로 여겨지고 있다.

2.1.4 하이브리드 마이크로파 소결의 혁신적 활용

열 폭주 문제에 대한 해결책으로 하이브리드 마이크로파 소결 기술이 제안되었다. 하이브리드 마이크로파 소결은 저온에서의 소결이 어려운 약점을 극복하고 열 폭주를 효과적으로 방지하는데 주목할 가치가 있다. 하이브리드 마이크로파 소결은 마이크로파 소결의 장점을 유지하면서도 열을 더욱 효과적으로 제어하여 소결 과정에서 발생할 수 있는 문제를 크게 완화시킬 수 있는 유용한 기술이다. 하이브리드 마이크로파 소결은 Fig. 2와 같이 마이크로파 소결과 복사 소결의 장점을 융합한 혁신적인 소결 기술을 의미한다. 하이브리드 마이크로파 소결이 효과적인 접근 방식으로 인식되고 있다^{(Jin et al. 2021)}. 실제 달 표토 샘플을 대상으로 한 실험에서는, JSC-1A 인공 월면토에서 더 낮은 전력으로 빠른 가열이 가능하다는 결과를 도출하였다^{(Taylor and Meek 2005)}. 이러한 연구 결과는 하이브리드 마이크로파 소결이 달 표토 소재의 가공에 매우 유망한 기술임을 시사하고 있다. 따라서 다음 연구 단계에서는 생산 과정에 관한 논의에서 하이브리드 마이크로파 소결에 집중하겠다.

Fig. 2 Temperature change of sintered materials according to types of sintering techniques (fromFarries et al. 2021)

2.1.5 하이브리드 소결의 장점과 제약

Fig. 3과 같이 하이브리드 마이크로파 소결은 하이브리드 마이크로파 소결로 내에서 진행되는 기술로, 이 과정에서 탄화규소와 같은 마이크로파 흡수 물질인 서셉터(susceptor)가 소결 대상 재료를 둘러싸고 있는 형태로 이루어진다^{(Bhattacharya and Basak 2016)}. 이러한 과정에서 서셉터는 일부 마이크로파 에너지를 흡수하여 복사열을 발생시키고, 동시에 서셉터를 투과한 나머지 마이크로파는 소결 대상 재료를 직접 가열한다. 이로써 소결 대상 재료 전체가 균일하게 가열되는 메커니즘을 형성하게 된다.

월면토는 고온에서 마이크로파에 대한 높은 민감성을 가지고 있어 소결 대상 재료를 신속하게 가열할 수 있는 특성을 보유한다. Fig. 4에서는 JSC-1AC 인공 월면토를 25 °C부터 250 °C까지, 그리고 250 °C부터 용융까지 가열하는 데 필요한 마이크로파 에너지를 비교하였다^{(Allan et al. 2013)}. 서셉터를 사용한 경우와 비교했을 때, 서셉터 없이 마이크로파만을 사용하여 가열한 경우, 특히 25 °C부터 250 °C까지 가열하는 과정에서 에너지 효율이 크게 저하되는 것을 확인할 수 있다. 그러나 250 °C부터 용융까지 가열된 경우, 서셉터가 없는 경우보다는 서셉터를 사용한 경우의 에너지 효율이 상승하는 것을 알 수 있다.

서셉터를 사용하면 초기 가열 속도가 빨라져 마이크로파 단독 가열과 비교했을 때 에너지 절약이 가능하다. 그러나 250 °C 이상 가열하는 경우, 월면토의 마이크로파 흡수 능력이 온도 상승에 따라 증가하고, 서셉터도 고온으로 가열해야 하므로, 마이크로파 단독 가열과 비교했을 때 마이크로파 단독 가열이 더 효율적임을 확인할 수 있다. 전반적으로 보면, 250 °C 전후의 온도 범위에서 서셉터를 사용하는 경우에도 에너지 효율성 차이가 있을 수 있지만, 서셉터를 사용하는 경우 전체적으로 마이크로파 에너지 소비를 약 60 % 정도 줄일 수 있다.

하이브리드 마이크로파 소결 기술은 저온에서 소결이 어려운 단일 마이크로파 소결 기술의 한계를 극복하고 열 폭주 문제를 완화하는 데 성공하였다. 이러한 기술은 하이브리드 소결 과정을 통해 우수한 결과를 도출할 수 있지만, 과정에서의 매개변수 변화가 월면토나 소결 대상 재료의 특성에 민감하다는 한계가 있다.

Fig. 3 Hybrid microwave sintering configuration (fromFarries et al. 2021)

Fig. 4 Comparison of required microwave energy for heating at different temperatures with and without susceptor (fromAllan et al. 2013)

2.2.1 마이크로파 소결체의 기본적 재료 특성

다양한 연구 및 실험 결과를 토대로 마이크로파 소결 및 하이브리드 마이크로파 소결 기술에 대한 이해가 증가하고 있다. 이에 대한 간략한 결과는 Table 1에 정리하였다. 이러한 연구들은 기체 환경, 마이크로파 또는 하이브리드 마이크로파의 소결 방식, 마이크로파의 전력 및 소결 시간, 그리고 소결 최대 온도와 같은 프로세스 매개변수의 변화가 소결체의 강도와 밀도에 어떤 영향을 미치는지를 다양한 관점에서 조사되어졌다^{(Meek et al. 1987)}. 달의 특수한 진공 환경을 모방하기 위해 사용된 환경 대기는 비활성 특징을 가지는 아르곤을 이용하여 산소 부족 환경을 만들어 철 성분의 산화를 최소화하는데 활용되었다^{(Allan et al. 2013)}.

또한 연구에서는 일반적으로 콘크리트의 밀도를 경량 콘크리트, 보통 콘크리트, 중량 콘크리트로 나누어 1.44~1.84 (g/cm³), 2.24~2.40(g/cm³), 2.60(g/cm³) 이상의 범위로 분류하였는데, 이를 통해 소결체의 밀도는 보통 밀도 이상의 콘크리트 밀도 범위를 대상으로 연구되었다^{(Meek et al. 1985; Vaniman et al. 1986; Wright et al. 1986; Meek et al. 1987; Allen 1998; Allan et al. 2013; Barmatz et al. 2014; Fateri et al. 2019a)}. 이런 다양한 연구 결과를 종합하면 마이크로파 소결 및 하이브리드 마이크로파 소결 기술의 성능과 적용 가능성을 평가하는 데 중요한 인사이트를 제공하고 있음을 확인할 수 있다.

2.2.2 마이크로파 소결체의 압축강도

마이크로파 소결 기술은 실험 조건에 따라 압축강도가 변동할 수 있으며, 이에 관한 연구 결과를 Table 1과 같이 정리할 수 있다. Fig. 5와 같이 공극률에 따른 복사 소결과 하이브리드 마이크로파 소결의 압축강도를 비교한 결과^{(Farries et al. 2021)}, 하이브리드 마이크로파 소결은 압축강도가 약 30 MPa 미만으로 다공성의 영향을 적게 받는 것으로 나타났다. 반면, 복사 소결은 공극률에 따라 10 MPa에서 230 MPa까지 큰 차이를 보이는 것을 확인할 수 있다.

특히, 공극률이 30 % 이하인 경우, 복사 소결에 의한 압축강도가 현저히 높아져 하이브리드 마이크로파 소결의 압축강도와 큰 차이를 나타내며, 공극률이 40 % 이상인 경우에는 두 기술의 압축강도 차이가 크게 줄어든다는 사실을 알 수 있다. 또한, 하이브리드 마이크로파 소결은 공극률에 관계없이 균일한 압축강도 특성을 보이는 반면, 복사 소결에 의한 압축강도는 전반적으로 하이브리드 마이크로파 소결보다 높음을 확인할 수 있다.

이는 하이브리드 마이크로파 소결은 복사 소결에 비하여 프로세스 매개변수에 민감하며, 가열의 불균일한 분포나 속도가 적절히 조절되지 않을 경우 열 폭주로 인한 균열이 발생할 수 있어 Fig. 5와 같은 결과가 나온 것으로 의심된다.

Fig. 5 Compressive strength versus porosity by sintering method: ■-radiant sintering, ▲-hybrid microwave sintering (fromFarries et al. 2021)

3.1.1 직접 태양열 소결 적용 현장 제조 기술

일반적으로 태양열을 이용한 직접 소결 및 용융(sintered or melted regolith, SoMR) 기술과 태양광 적층 제조(additive manufacturing, AM) 기술은 마이크로파 소결로와 같은 고정된 제조 시설을 필요로 하지 않는 특징을 지니고 있다. 월면토와 태양의 무한한 에너지를 활용하는 이 기술들은 달 기지 건설 분야에서 현장 제조에 적합한 방법으로 간주되고 있다. 달의 지리적 조건과 주기에 따라 연속적인 광원을 확보하여 지속적인 사용이 가능하다. ^{Zhang et al. (2023)}의 연구에 따르면, 달은 대기가 없어 연평균 약 1.1×1013 ergs/cm²의 태양 에너지가 표면에 직접 도달하며, 음영이 없는 특정 지역에서는 무한한 태양 에너지를 수확할 수 있는 잠재력을 갖추고 있다. 또한, 태양광 적층 제조 소결체는 생산 효율성에서 우수한 결과를 나타내었다.

3.1.2 태양열 발전 시스템을 이용한 소결

Fig. 6과 같이 ^{Nakamura and Smith (2011)} 연구는 저손실 광섬유로 이루어진 광 도파관(optical waveguide, OW) 태양열 발전 시스템을 개발하여 토양 소결 실험을 수행한 내용을 다루고 있다. 이 연구에서는 70 W/m²의 열 플럭스, 1,100도의 소결 온도로 15 in2 면적의 단일 층 소결체를 생성하였다.

광학장치와 소결 재료 사이의 높이에 따른 태양열 플럭스 변화를 분석한 결과, 광학장치와 소결 재료 사이 거리를 늘릴수록 태양열 플럭스가 줄어들었으며, 광학장치의 중심에서부터 멀어질수록 가우시안 분포를 따르는 열 플럭스의 변화를 확인할 수 있다. 광학장치의 중심을 기준으로 태양열이 집중되기 때문에 균일한 소결이 이루어지지 않는 문제가 있었으며, 이에 따라 더 넓고 균일한 태양열 공급을 위한 광학장치의 개발이 필요함을 시사하고 있다.

^{Hintze and Quintana (2013)} 연구는 모바일 프레넬 렌즈를 사용한 1 m² 크기의 태양광 집광기를 활용하여 인공 월면토인 JSC-1A를 소결하는 실험에 관한 결과를 다루고 있다. 소결은 몇 분 이내에 완료되었으나, 소결 깊이는 최대 6 mm로 한정되었으며 소결 과정을 더 이어도 깊은 두께로의 소결은 관찰되지 않았다. 따라서, 두꺼운 크러스트 생성이나 벽돌 등의 제작을 위해서는 인공 월면토를 추가로 적층하여 소결하는 절차가 필요하다. 더불어, 소결된 영역과 소결되지 않은 영역 사이의 온도 차로 인해 소결 경로를 따라 균열이 발생하는 현상도 보고되었다(Hintz and Quintana 2013).

Fig. 6 Illustration of sintering method using solar thermal power generation system (fromNakamura et al. 2011)

3.2.1 유사 태양열을 이용한 적층 제조 기술

적층 제조기술을 위하여 인공 월면토 JSC-2A를 기반으로하여 6 kW Xenon 램프 세트로부터 나오는 광선을 이용하여 태양열 소결 실험을 수행하였다^{(Urbina et al. 2017; Imhof et al. 2018)}. Xenon 램프는 태양과 유사한 스펙트럼을 제공하며 날씨 영향을 받지 않아 이상적인 모방 광원이다.

유사 광선과 적층 제조 기법을 적용하여 100 µm 두께의 층을 소결하는 3D 프린팅 시스템을 개발하여 블록을 제작하였다. 또한 모바일 프린팅 헤드와 프레넬 렌즈를 활용하여 구현하였으며, 이를 통해 1 cm 미만의 광선을 활용한 소결 실험을 수행하였다.

달의 진공 환경을 재현하기 위해, 1×10-4 mbar의 진공 챔버를 이용하여 소결 실험을 진행하였다. 진공에서는 더욱 층간 결합이 향상되며 천천히 균일하게 냉각되어 강도를 향상시킬 수 있을 것으로 판단하였다. 하지만 소결 과정에서 용융으로 인하여 발생하는 가스가 대류를 유발할 수 있고 이 과정에서 소결체 내부에 가스가 갇히게 되어 기공 형성에 영향을 줄 수 있다.

3.2.2 헬리오스탯을 활용한 태양광 집광의 적층 제조

^{Meurisse et al. (2018)}의 연구에서는 JSC-1A 및 JSC-2A 인공 월면토를 활용하여 Fig. 7과 같이 147개의 거울로 구성된 헬리오스탯을 통해 태양광을 집중시켜 실험실 내부의 한 초점으로 집중한 후, 생성된 태양 에너지와 소결할 재료를 적층시켜 각 층을 소결하여 최초의 3D 프린팅 벽돌을 제작하였다. 이러한 3D 프린팅 기술을 활용하여 약 15×5×30 cm 크기의 벽돌을 제작하는 데 30분 정도 소요되었다.

지구에서 맑은 날의 경우 태양광의 직접 에너지 양인 DNI (direct normal irradiance)가 800 W/m² 이상일 때 피크 플럭스 밀도(peak flux density)가 4 MW/m²로 최대 20 kW의 전력을 획득할 수 있으며 이는 태양광을 소결 기술에 활용하는 데 충분한 전력을 확보할 수 있음을 나타낸다.

태양열 소결의 중요한 매개변수로는 광도, 소결 스캐닝 속도, 초점이 지나가는 경로의 간격 등이 있다. 대류가 없는 달 환경에서 열이 소결체 내에 균일하게 분포될 수 있는 이점을 고려하면 지구에서 헬리오스탯을 이용한 소결 적층 기술은 달 환경에서도 충분히 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

Fig. 7 Additive manufacturing (AM) description of solar concentration using heliostat (fromMeurisse et al. 2018)

3.3.1 달 환경 조건에서의 적층 소결체 특성

^{Fateri et al.(2019a)}은 대기 환경 조건에서의 태양열 소결 공정 매개변수를 조사하였다. 이 연구에서는 1.2 MW/m²의 태양열 플럭스 밀도(flux density)와 47 mm/s의 스캐닝 속도로 100 µm 두께의 층을 제작할 수 있었으며, 400개의 적층 공정을 통해 다양한 형태의 벽돌을 생산하였다. 최대 압축 강도는 4.2±0.1 MPa로 ^{Goulas et al. (2019)}의 연구에서 나온 레이저를 이용한 소결체의 역학적 특성과 유사하였다.

진공 조건에서의 태양열 소결 공정 매개변수는 1 MW/m²의 태양열 플럭스 밀도(flux density)와 65 mm/s의 스캐닝 속도로 1 mm 두께의 층을 제작하였다. 이러한 조건에서의 소결체는 이전 연구에서 언급한 것과 같이 방출되는 가스로 인한 다공성을 나타내며 파손될 수 있는 구조를 보였다.

실험 결과에 따르면 대기 환경 조건에서의 소결체 밀도는 1.70 g/cm³이며, 진공 조건에서는 1.21 g/cm³으로 나타났다. 대기 환경에서의 소결체는 최대 0.4 mm의 기공을 가지며, 연결된 기공의 경우 최대 0.5 mm의 길이를 갖는다. 반면 진공 조건에서의 소결체는 다수의 0.4 mm 이상의 기공과 최대 1.5 mm 길이의 연결된 기공을 나타내었다.

3.3.2 태양열 소결을 활용한 적층 소결체 재료 특성

태양열 소결을 이용한 적층 제조 기술에 관한 기존 연구 및 실험 매개변수를 Table 2와 같이 정리할 수 있다. 태양광 집광기를 활용한 태양열 소결은 다른 에너지 전환 과정에서의 손실을 최소화하며, 태양광 집광기의 면적 및 개수를 확장함으로써 소결 시스템의 전력을 증가시킬 수 있어 실용적인 장점을 가지고 있다.

하지만 태양광 집광기는 초점 크기의 제한과 균일한 태양열 유속의 어려움으로 인해 소결 장치 중심과 가장자리 간의 소결 불균일성 문제가 발생할 수 있다. 넓은 표면을 래스터링하는 과정에서도 용융된 영역과 초점이 지나지 않은 주변 사이의 온도 차로 인한 균열 발생 가능성이 있다.

또한 태양광 집광기에 의한 소결 깊이가 얕아 두꺼운 소결체 제작이 필요한 경우, 월면토를 적층하여 소결하는 복잡한 공정을 필요로 한다. 또한 태양열 소결로 제작된 소결체는 소결로 또는 챔버 등 제한된 공간에서 제작된 복사 소결체보다 취성과 결함 면에서 더 낮은 성능을 보이는 것으로 나타났다.

^{Hintze and Quintana (2013)}의 연구에 따르면 태양열 소결로 제작된 소결체는 강도가 585 kPa로 측정되었는데, 동일한 양의 인공 월면토를 사용하여 소결로에서 제작된 소결체는 2,170 kPa의 높은 강도를 나타냈다. 또한 ^{Meurisse et al. (2018)}의 연구에서는 태양열 3D 프린팅을 통해 소결된 인공 월면토의 압축강도가 약 2.31 MPa로 나타났다. 이는 전통적인 복사 소결에 의한 압축강도인 150 MPa에 비해 현저히 낮은 수치를 보여주었다. 이러한 결과로부터 현재의 태양열 소결 기술이 강도 측면에서는 아직 제한된 성능을 보이고 있음을 확인할 수 있다.

이러한 한계를 극복하고 태양열 소결 기술을 향상시키기 위해서는 태양광 집광기의 성능 영향을 완화할 수 있는 방안과 소결 과정의 효율성을 향상시키기 위한 노력이 필요하다.

4.1.1 달 환경 적합 레이저 소결 기술

레이저 기술의 고집중 강도와 낮은 전력 요구량을 활용하여 마이크로파나 태양열 소결과 같은 기존 기술과 비교하여 더욱 효율적인 소결 과정을 레이저 소결을 이용하여 가질 수 있다. 특히 금속 용접에서 효과적으로 활용되는 진공 환경의 이점을 이용하여 금속 성분이 많은 월면토에 레이저 소결 기술을 적용함으로써 달 환경에서 적합한 소결 기술로 개발될 수 있어 달의 특수한 조건을 고려한 첨단기술의 개발 가능성을 보여주고 있다.

4.1.2 선택적 레이저 소결

선택적 레이저 소결 및 용융은 파우더 베드 표면 위에 적재된 소결 재료를 필요한 형상의 단면에 맞추어 레이저를 사용하여 직접 소결하거나 녹여서 점진적으로 한 층씩 적층하여 물체를 제작하는 기술이다. Fig. 8에서 볼 수 있듯이, 빌드 플랫폼은 파우더 베드가 존재하는 영역을 점진적으로 낮추고 파우더 저장소의 플랫폼은 새로운 파우더 층을 추가하기 위해 조금씩 올려서 작동한다. 이렇게 다층으로 파우더를 적층한 후 레이저 소결 또는 용융 과정을 통해 최종적으로 3D 물체가 제작되는 원리를 갖는다. 이 기술은 자동화된 적층 제조 프로세스를 통해 다양한 형상과 디자인의 제품을 높은 정밀도와 효율성으로 제작하는 데 활용되고 있다.

Fig. 8 Illustration of selective laser sintering and melting method (fromFarries et al. 2021)

4.1.3 LENS(laser engineered net shaping) 프린팅

LENS(laser engineered net shaping) 프린팅은 Fig. 9와 같이 레이저를 사용하여 소결할 재료를 정교하게 조절할 수 있는 프린트 헤드를 이용하는 고급 3D 프린팅 기술이다. 이 기술에서는 가압 가스가 사용되어 소결할 재료가 레이저 초점 축으로 정밀하게 이동하며, 레이저에 의해 소결된 영역은 빌드 플랫폼이 점차 낮아지면서 새로운 파우더가 프린트 헤드에서 공급되는 과정을 반복하면서 3D 물체가 제작된다. LENS 프린팅은 정교한 재료 제어와 다층 소결 과정을 통해 복잡한 형태와 구조의 제품을 높은 정밀도와 효율성으로 제작할 수 있다.

Fig. 9 Illustration of the LENS (laser engineered net shaping) method (fromFarries et al. 2021)

4.2.1 재료 특성 비교

레이저 소결 기술은 Table 3과 같이 다양한 연구와 실험을 통해 수립된 기존 연구 결과를 정리할 수 있다. 이전 연구들은 레이저 소결 기술의 응용 가능성을 보여주며, 다양한 재료의 소결 경로와 매개변수 설정에 대한 통찰을 제공한다. 이러한 선행 연구 결과는 레이저 소결 기술의 달 건설기지 건설을 위한 중요한 지식을 제공하며, 미래 연구 및 산업 응용에 큰 영향을 미칠 것으로 기대된다.

4.2.2 압축강도와 공극률 관계 연구

Fig. 10은 레이저 소결 기술의 압축강도와 공극률 간의 상관관계를 규명하였다^{(Goulas et al. 2019; Caprio et al. 2020; Farries et al. 2021)}. vFarries et al.(2021)의 연구 결과에 따르면 공극률이 42 % 이하인 경우, 45 MPa 이상의 압축강도를 나타내는 반면, 42 % 이상인 경우 대부분 15~30 MPa 범위의 압축강도를 나타냈다. ^{Goulas et al. (2019)}의 연구에서는 45 % 근처의 공극률과 10 MPa 이하의 낮은 압축강도를 확인할 수 있었으며, 이는 두 변수 간에 반비례 관계를 시사한다. 또한 ^{Caprio et al. (2020)}의 연구 결과에서도 다공성이 증가함에 따라 압축강도가 감소하는 경향을 확인하였다. 프로세스 매개변수에 민감한 하이브리드 마이크로파 소결은 프로세스 매개변수를 최적화하지 않은 경우 복사 소결보다 낮은 압축강도를 나타내지만, 공극률에 상관없이 균일한 강도를 유지한다. 그러나 레이저 소결에서는 공극률에 따라 압축강도가 다양하게 변화하며, 다공성이 증가함에 따라 압축강도가 감소하는 경향을 보인다. 따라서 공극률을 낮추는 것은 압축강도를 증가시키는데 기여하며, 사전에 재료를 압축하여 밀도를 높이면 압축강도가 향상될 수 있음을 ^{Farries et al. (2021)}의 연구 결과를 통해 확인할 수 있었다.

Fig. 10 Relationship between porosity and compressive Strength in laser sintering (●:Goulas et al. 2019;◆:Caprio et al. 2020;▲:Farries et al. 2021)

4.2.3 공극률와 입력에너지 관계 연구

Fig. 11은 레이저 소결 기술에서의 입력 에너지와 공극률 간의 관계를 실험적으로 조사한 내용을 정리하였다^{(Goulas et al. 2019; Caprio et al. 2020; Farries et al. 2021)}. 과도한 에너지 입력은 불규칙하고 부족한 용융을 유발하며, 기화로 인한 다공성 증가를 야기할 수 있다. ^{Farries et al. (2021)} 및 ^{Goulas et al. (2019)}의 연구 결과에서는 입력 에너지 증가에 따른 공극률 변화를 확인하였는데, 입력 에너지가 증가함에 따라 공극률이 감소하는 경향을 보였다. 높은 에너지 입력은 점도를 감소시키고 생성된 가스를 효과적으로 배출시킴으로써 층간 결합을 강화시키고 공극률을 감소시키는 결과를 나타냈다.

반면에 ^{Caprio et al. (2020)}의 연구 결과에서는 10 kJ/g 이상의 높은 에너지 입력에 따라 공극률이 증가하는 경향을 확인할 수 있었다. 높은 에너지 입력이 용융 재료의 기화로 인한 가스가 빠져나가지 못한 상태를 초래하여 다공성이 증가할 수 있다는 것을 시사하였다. 따라서 적절한 입력 에너지의 선택은 공극률을 감소시키고 압축강도를 향상시킬 수 있는 중요한 공정 매개변수임을 알 수 있었다. 이 연구 결과는 레이저 소결 공정의 최적화를 위해 입력 에너지의 조절이 중요하다는 것을 보여주고 있다.

Fig. 11 Relationship between porosity and specific energy in laser sintering (●:Goulas et al. 2019;◆:Caprio et al. 2020;▲:Farries et al. 2021)