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1 IT 기획시리즈 3D 프린팅 산업 동향 1) 강민호 한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원 박종규, 박세환 한국과학기술정보연구원 1. 서언 2. 3D 프린팅 기술개발 동향 3. 3D 프린팅 특허성 관련 이슈 4. 3D 프린팅 글로벌 시장 동향 5. 결언 1. 서언 3D 프린팅 기법을 이용한 제품제조 기술의 기본 원리는 고분자 물질이나 프라스틱 및 금속성 가루 등의 소재를 2) 설계도에 맞게 적층 제조법(additive manufacturing)으로 점차 제품을 형상화 하는 것이다. 밀링(milling) 공정에서 3) 선반을 이용하여 가공재료를 점차 제 거해가면서 제품을 만들어내는 제거 제조법(reductive manufacturing)과는 반대의 개념으 로 볼 수 있다. 제거 제조법은 수천년 동안 인간의 삶을 지배해온 아주 오래된 아이디어이 다. 인류의 생활방식이 점차 진화하면서 제거 제조법과 반대로 서로 다른 부품들을 좀 더 복잡한 형태로 조립해가는 제조방법을 통해 보다 더 복잡한 구조를 갖는 대형 제품들을 제조하게 된 것이다. 즉, 원시시대 화살촉의 사용에서부터 로켓을 제조하는 현대에 이르기 까지 다양한 재료나 부품들을 드릴링, 성형 및 형단조(Stamping) 등의 제조법과 그 변형 을 통해 이루어진 것이다. 이처럼 지속적인 제조방법의 변화는 미래 인간 생활방식을 변 화시켜가고 있다[1]. 3D 프린팅 기술은 인터넷의 발달, 협업 및 오픈 소스 커뮤니티 문화, 소프트웨어 및 컴 * 본 내용과 관련된 사항은 한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 강민호 전문연구위원( )에게 문의하시기 바랍니다. * 본 내용은 필자의 주관적인 의견이며 NIPA 의 공식적인 입장이 아님을 밝힙니다. 1) 이 연구는 미래창조과학부의 과학기술진흥기금과 복권기금 출연사업인 한국과학기술정보연구원이 수행하는 ReSEAT 프로그램 의 지원으로 수행되었습니다. 2) 3D 프린터에 적용 가능한 소재가 합성수지(플라스틱), 금속소재, 목재, 고무 및 바이오 재료 등 다양하게 확대되어 가면서 적용 분야도 크게 확대될 것으로 전망된다. 3) 밀링 머신(선반)은 공작물을 테이블에 고정하고 절삭공구를 회전운동시키면서 이송하며 공작물을 평면이나 입체 모양으로 가공 할 수 있다. 이는 원기둥 모양의 제품은 쉽게 가공할 수 있으나, 정육면체 모양의 제품은 가공하기가 어려운 점이 있다. 13

2 주간기술동향 퓨팅 파워 등 획기적인 기술 발전에 힘입어 제품을 직접 생산해냄으로써 제조업의 혁명을 일으키고 있다. 3D 프린팅 기술의 산업적 응용 분야 및 제조 가능한 제품들은 다음과 같다. - 생활용품: 칫솔, 신발, 의류, 보석, 완구, 각종 계기판, 스마트폰 케이스, 액세서리, 장 난감 등 - 식품: 액상 초콜릿 등의 음식재료 4) - 엔터테인먼트: 영화용 캐릭터, 애니메이션용 툴 등 - 가전: 카메라, GPS 디바이스, 각종 전자부품 등 - 의료: 인공뼈, 인공귀, 인공관절, 인공치아, 치과 보형물, 임플란트, 의료용 로봇팔, 보청기, 이식 가능한 의수 및 의족 등 의료용 생체조직 - 기계: 자전거, 자동차, 5) 항공기 6) 등 - 건축: 구조가 매우 복잡한 사무실이나 건물의 건축모형 및 건축자재 등 이처럼 3D 프린팅 기술은 거의 전 산업 분야에 적용될 수 있으며, 음식재료에서부터 항공기 부품에 이르기까지 이론적으로 거의 모든 것을 제조할 수 있다[2],[3]. 3D 프린팅 기술의 역사는 약 10 년 전으로 거슬러 올라간다. 초기의 기술은 건축이나 자동차 설계 등의 분야에서 모델을 만들기 위해 주로 사용되어 왔다. 이후 CAD(Computer Aided Design) 소프트웨어 및 ICT 기술력의 발전과 함께 연구자, 개발자, 작업자 및 기업 가 등이 모두 함께 연결되는 이른바 초연결 사회가 형성되면서 획기적인 기술혁신을 일으 키고 있다[4]. 3D 프린팅 기술을 이용하면 원재료의 소모가 더 적고, 공급라인(supply chain)이 더 짧아짐에 따라 화석연료의 사용을 줄일 수 있다. 아울러 과거의 제조기술로는 만들 수 없 는 새롭게 설계된 3 차원 물체를 제조할 수도 있다. 이러한 기술혁신의 물결은 새롭고 획 기적인 설계방법을 통해 보다 더 향상된 품질의 주문제작을 가능하게 할 것이다. 7) 이 연구에서는 3D 프린팅 기술 관련 글로벌 기업들의 기술개발 사례와 국가 R&D 과 제 수행 현황을 중심으로 국내 개발 동향, 특허성과 관련한 기술 사업화와 아울러 이에 커 4) 식품 분야에서 액상 초콜릿 등의 음식재료를 사용하여 특정 형상이나 맛을 낼 수 있는 음식을 제조할 수 있다. 5) 자동차의 경우 대시보드 및 바디패널 등의 시제품을 제작할 수 있다. 6) 항공기의 경우 알루미늄 동체의 주요 부품을 제작할 수 있다. 미국 보잉항공사는 300 여개의 부품을 3D 프린터로 생산하고 있다. 7) 이처럼 디지털 제작(digital fabrication) 기술은 설계도면에 정형화된 시장에서 대량생산보다는 맞춤형으로 창의력을 발휘하도록 하는 주문생산 방식에 적용할 수 있어 재료비, 제조 기간, 운송비 등의 측면에서 큰 장점을 갖는다. 14

3 다란 장애요인으로 부각되고 있는 글로벌 기업들의 특허괴물(patent troll)에 대한 대응방 안에 대해 설명한다. 그리고 글로벌 시장규모와 메이저 기업의 시장점유율 추이에 대한 조사결과를 토대로 국내 3D 프린팅 산업 활성화를 위한 방향을 제시한다. 2. 3D 프린팅 기술개발 동향 가. 글로벌 동향 3D 프린팅 기술을 적용하여 제조시간을 단축하고 가격 경쟁력과 아울러 견고성이 탁 월하여 상용화 단계에 접어든 글로벌 기술개발 사례를 간단히 요약하면 다음과 같다[1],[2]. - 미국의 응용연구소(Applied Research Laboratory)는 차세대 우주선 부품과 하드웨 어를 개발하는 데 3D 프린팅 기술을 적용하고 있다. 이를 위해 관련 기업 등과 기술 제휴를 통해 기하학적인 개선점과 가격 경쟁력을 가진 로켓 엔진을 제작하고 있다. - 미국의 쉐입웨이즈(Shapeways)는 3D 프린팅 기술을 적용하여 반도체 제조기술을 상용화 단계에 진입시켰으며, 시제품으로 배터리를 제조하였다. 이처럼 반도체와 배 터리를 제조할 수 있다면 이들을 조립하여 반도체 장비를 제조할 수도 있을 것으로 평가 받고 있다. - 미국 라스베이가스에서 열린 CES 2013 에서 큐비파이는 3D 프린터 큐브 X 와 2 세 대 큐브를 공개한바 있다. 이는 최대 1070 인치까지 인쇄가 가능하고 한 번에 3 색 을 출력할 수 있으며, 크기가 작고 WiFi 기능이 있어 컴퓨터에서 바로 원본 디자인 을 다운로드 받을 수도 있으므로 업계의 주목을 받고 있는 제품이다[5]. - 미국 NBC 방송에서는 캐나 다의 한 남성이 3D 프린터 로 3 일 간에 걸쳐 22 구경 소총을 만들어 발사에 성공 했다고 보도한 바 있다((그림 1) 참조)[6]. 8) (그림 1) 캐나다 남성이 3D 프린터로 만든 22 구경 소총 8) 3D 프린터로 총기를 제작하는 사례가 잇따르면서 무분별한 총기제작에 대한 우려가 있어 미국연방의회에서는 규제법안을 만들 려는 움직임이 일고 있다. 15

4 주간기술동향 미국의 나이키는 축구화의 바닥면을 3D 프린터로 제조하였는바 불과 수일 후에 제 품의 완성도를 확인해 볼 수 있어 제조 기간을 획기적으로 단축할 수 있었다. - 영국에서는 3D 프린팅 기술을 적용하여 티타늄으로 항공기 부품을 제조하는 방법을 개 발하고 있다. 이는 티타늄 가루를 레이저나 전자빔으로 녹여서 부품을 제조하고 여분의 티타늄 가루는 재활용될 수 있어 상용화의 가치가 매우 큰 것으로 평가 받고 있다. 9) - 스페인의 쿠니코드(Cunicode) 디자인 회사는 아동교육용 만화나 그림을 3D 프린터 를 이용하여 피규어(figure)로 제작하는 혁신적인 서비스를 제공하고 있으며, 카메라, 자전거 및 비행기 등 다양한 제품을 제작하고 있다[7]. - 네덜란드에서는 세계 최초로 3D 프린터를 이용하여 뫼비우스 띠처럼 생긴 2 층짜리 건물을 찍어내겠다는 계획을 추진하고 있다. 나. 국내 동향 2013 년 6 월 현재 RP(Rapid Prototyping), AM(Additive Manufacturing) 및 3D 프린 팅 기술과 관련된 국내 연구과제는 매우 미미한 실정이다. 최근 우수기술연구센터(ATC) 기술개발 사업을 통해 (주)쓰리디시스템즈코리아의 3 차원 프린팅 기반의 디지털 설계 및 제조환경 구축을 위한 융합 데이터처리 및 모델링 원천기술 개발 과제가 IT 관련 과제로 진행되고 있는 것으로 나타났다[8]. 10) <표 1> 3D 프린팅 기술 관련 국가 R&D 과제 현황 과제명 주관기관 총 개발기간 - 지형 데이터의 3 차원 모델링 - 쾌속실물조형 SW 개발 (주)가이아쓰리디 ~ CAD 설계 및 RP 기술 기반 귀금속장식부품 개발 - 가변성 적용 완제품 개발 (주)아이비씨쥬얼리 ~ 스마트폰용 300dpi 급 무안경식 3D 프린터 엔진 개발 (주)프리닉스 ~ 인쇄형 지폐 결속기의 양산설계 - 디지털 디자인 개발 - 3D 프린팅 기반 디지털 설계 - 제조환경 구축을 위한 융합 데이터 처리 - 모델링 원천기술 개발 (주)유일뱅킹앤시큐리티 ~ (주)쓰리디시스템즈코리아 ~ <자료>: 장웅성 외, 3D 프린팅 제조혁명에 대한 한국 금속산업의 대응전략, 한국산업기술평가관리원, PD ISSUE REPORT, Vol.13-6, ) 90%의 고가의 재료를 낭비하는 절삭공정 대신 완성된 부품은 10%의 재료만을 필요로 하기 때문에 가격 경쟁력이 있다. 10) 국가과학기술정보시스템(NTIS) 및 산업통상자원부 과제관리 시스템을 통한 검색결과 16

5 2000 년 초반에 RP 관련 과제들이 일부 연구되었으나, 관련 시장규모의 한계와 기반기 술이 성숙되지 않아 연구결과의 활용이 효과적으로 이루어지지 않은 상황이다 년 6 월 미래창조과학부는 3D 프린팅 활용기술을 기술영향평가 대상기술로 선정하고, 기술영 향평가위원회를 거쳐 2013 년 12 월 최종 평가결과를 발표하여 국가 연구개발 사업의 연 구기획에 반영할 계획이다[8] 년 6 월부터 현재까지 3D 프린팅 기술 관련 국가 R&D 과제 현황은 <표 1>과 같다. 3. 3D 프린팅 특허성 관련 이슈 가. 기술 사업화 이슈 3D 프린팅 기술 관련 특허출원은 2005 년까지 19 건에 불과하던 것이 2006~2011 년 사이 59 건이 출원되면서 증가 추세를 나타내고 있다. 이는 3D 프린터가 모형이나 시제품 을 제작하는 2000 년대 초반의 단순 기술에서 다양한 원료물질이 개발되면서 적용 분야 가 확대되고 있음을 알 수 있다. 향후 3D 프린터 관련 특허출원은 지속적으로 증가할 것 으로 전망된다[9]. 3D 프린팅 기술 관련 특허출원은 1986 년 후반 미국의 3D 시스템즈에서 출원한 특허 가 최초이며, 11) 이후 1990 년경에 표준특허가 출원되었다. 이처럼 약 20 년 전에 발명된 3D 프린팅 기술이 이제서 화제가 된 이유는 무엇일까? 3D 시스템즈는 해당 분야의 특허 를 가장 많이 보유하고 있어 빈번한 특허침해 소송으로 인해 기술 상용화나 시장진입이 쉽지가 않았다. 20 년이 지나 표준특허 권리기간이 만료되어 이제는 특허 침해에 상관없이 3D 프린터를 제조할 수 있게 된 것이다[10]. 이는 기업의 생명과도 같은 특허가 오히려 기술발전을 저해하는 요인이 된 것이다. 이 처럼 특허의 권리기간이 족쇄가 되어 유망기술이 상용화되지 못하거나 라이센스 비용 부 담으로 인해 고급 브랜드의 값비싼 제품이 시장을 점유하다가 특허 유효기간 종료와 함께 저가의 유용한 기술시장이 확산되는 경우가 많다. 이에 권리기간이 만료된 특허를 기술 사업화 하는 방법도 좋은 대안이 될 수도 있을 11) 최초 3D 프린팅 기술을 개발하여 특허를 출원한 발명자는 Charles W. Hull 로 알려져 있다. 액체 상태에서 빛을 받으면 굳어지 는 성질을 가진 광경화성 수지(플라스틱)를 사용하여 제품의 단면을 인쇄/적층하는 광조형법(Stereo lithography)으로 시제품을 생산하는 기술을 출원한 것이다. 17

6 주간기술동향 것이다. 즉, 미래 유망기술로 예측되지만 특허권으로 인해 시장이 확산되지 못한 신기술을 발굴하여 상용화 하는 것이다. 이는 권리기간이 만료된 특허도 중요한 가치를 발휘할 수 있다는 점을 시사하고 있다. 나. 특허괴물의 대응방안 전술한 바와 같이 커다란 시장창출 잠재력이 있는 유망기술이 특허권으로 인해 시장이 확산되지 못하는 사례가 많다. 이는 강소 기업에 대한 대기업의 특허권 횡포이다. 이른바 특허괴물의 문제점을 시사하고 있으며, 이에 국내 기업과 정부는 2009~2014 년까지 5,000 억 원의 발명 자본을 조성하여 국내 유망기술의 해외 유출을 막고, 글로벌 특허괴물의 국 내 산업계 공격에 맞서기 위해 적극 대응하기로 하였다[11]. 특허권을 무기로 수익을 독과점하는 세계 유수의 글로벌 기업들의 특허괴물에 맞서 지 식재산의 효과적인 보존을 위한 대응에 전 산업계의 관심이 집중되고 있다. 1 만 5,300 여 건에 달하는 국내 대학과 연구소의 연평균 기술개발 건수에 비해 기술이전 전담인력(수행 인력 포함)은 8.5 명에 그쳐 기술개발 건수에 비해 크게 부족한 실정이다. 12) 이에 국가 차 원에서 특허권을 보호하고 관리할 수 있는 전문 인력을 적극 양성할 필요가 있다[12]. 4. 3D 프린팅 글로벌 시장 동향 가. 시장규모 추이 3D 프린터 시스템의 판매와 서비스를 통한 매출이 2009~2013 년 사이 두 배로 급격 히 성장하고 있으나, 3D 프린터 시스템의 실제 활용은 미국, 독일 및 일본 3 개국이 60% 이상을 차지하고 있다 년 3D 프린터 시장규모는 항공기나 자동차, 의료 분야를 중심으로 한 많은 기업 들이 의욕적으로 도입하여 22 억 400 만 달러에 이른 것으로 추정되고 있으며, 2021 년에 는 2012 년 실적 대비 약 5 배인 108 억 달러 규모에 이를 것으로 전망되고 있다 년 이면 기업용 3D 프린터를 2,000 달러 이하에 구입 가능할 것이며, 2018 년까지 세계 제조 12) 미국은 개발건수 1 만 9,600 여 건에 기술이전 전담인력은 명, EU 는 개발건수가 3,400 여 건으로 한국의 25%에 불과하 지만 기술이전 전담인력은 10.7 명으로 오히려 많은 것으로 나타났다(특허 괴물에 대응할 지식재산 전문인력 양성, 전자신문 ). 18

7 <표 2> 글로벌 3D 프린터 시장 추이 구분 CAGR[%] 시장규모[억 달러] 판매가격[달러] 73,220 (2011 년) 2,000 (2016 년) <자료>: 3D 프린팅(프린터, 소재) 시장,기술 전망과 국내외 참여업체 사업전략, IRS 글로벌, 년 3D 프린터 시장규모, Wohlers Associates, 2012 / 재구성. 업체의 25% 이상이 3D 프린터를 도입할 것으로 전망된다[13],[14]. 글로벌 3D 프린터 시장 추이는 <표 2>와 같다. - 나. 시장점유율 추이 2013 년 6 월 현재 산업용 3D 프린터 글로벌 시장점유율은 13) Stratasys 가 38.9%로 1 위, 3DSystems 가 17.5%, Envisiontec 가 11.3%로 뒤를 잇고 있으며 기타 기업들의 전 체 점유율은 32.3%를 기록하고 있다. 시장점유율 1 위인 Stratasys 는 핵심특허인 FDM (Fused Deposition Modeling)과 잉크젯 기반 폴리젯(Polyjet) 기술을 보유하고 있으며, 2011 년 매출액 2 억 7,700 만 달러, 판매량 6,500 대(평균 판매가격 73,220 달러)를 기 록하였다. 산업용 3D 프린팅 글로벌 시장을 주도하고 있는 상위 10 대기업 중 Objet, Envisiontech 및 Beijing Tiertime 등 3 개 업체를 제외하고 모두 미국 기업이 64.4%의 가장 높은 점유율을 나타내고 있다[8],[15] 년 6 월 현재 산업용 3D 프린터 글로벌 시장점유율은 (그림 2)와 같다. 기타 32.3% Stratasys 38.9% Envisiontec 11.3% 3DSystems 17.5% <자료>: 장웅성 외, 3D 프린팅 제조혁명에 대한 한국 금속산업의 대응전략, 한국산업기술평가관리원, PD ISSUE REPORT, Vol.13-6, Artificial blood vessels created on a 3D printer, BBC, / 재구성. (그림 2) 산업용 3D 프린터 글로벌 시장점유율(2013 년 6 월 현재) 13) 세계 최대의 3D 프린터 제조업체인 Stratasys 는 2013 년 2 월 21 일 서울 소공동 프라자호텔서 기자간담회를 열고 자사 3D 프린터 한국 공략을 본격 실시한다고 밝힌바 있다.(국내, 3D 프린터 시장 확대,, ) 19

8 주간기술동향 결언 ICT 시장에 3 차 산업혁명이라 불리는 3D 프린팅 기술이 등장하면서 전 세계적으로 빠르게 확산되고 있다. 3D 프린터는 물체를 원형에 가깝게 만들어 공유와 수정이 용이하 며, 어디서나 원하는 형태의 제품을 빠른 시간에 생산할 수 있다. 이러한 획기적인 특장점 으로 인해 국내 제조 업계에도 커다란 변화를 예고하고 있다. 3D 프린팅 기술의 확산은 구조가 복잡하거나 내부가 비어 있는 디자인처럼 기존의 생 산방식으로는 제작하기 어려운 제품 디자인의 혁신으로 이어질 수 있다. 아울러 글로벌 제조업의 경쟁력을 재편하게 될 것이며, 장기적으로는 비행기와 같은 대형 제품도 3D 프 린터로 인쇄할 수 있을 것이다. 3D 프린팅 기술은 MEMS 기술과 접목되어 마이크로 미터 (μm) 단위의 제품을 생산하는 초정밀 생산기술과도 연결될 수 있을 것으로 전망된다. 3D 프린팅 기술이 국내 시장에서 상용화되기까지는 넘어야 할 기술 장벽도 많겠지만 기존의 제조(생산) 기술 영역을 넘어 새로운 가능성을 보이고 있다[16]. 향후 3D 프린팅 기술은 단순히 제품 제조 차원을 넘어 생명공학, 나노(Nano)공학 등 다양한 기술과 접목되어 인간의 삶의 질을 향상시키는데 중요한 역할을 담당하게 될 것으 로 전망된다. 애니메이션이나 영화 속에 등장하는 캐릭터와 같이 흥미를 유발하거나 자신 만의 차별화된 소비니즈를 반영한 제품의 제작에 적극 이용될 것으로 예상된다. 아울러 미래에는 2 차원 평면에 글자나 도형 등을 인쇄하는 것처럼 3D 프린터를 이용하여 자신 만의 독특한 디자인을 갖는 3 차원 물건을 직접 만들어 사용하는 날도 기대된다[9]. 3D 프린팅 기술은 어떤 물건이든지 손쉽게 설계하고 제조할 수 있어 총기류와 같은 불법 무기제조 확산에 대한 우려가 있다. 아울러 기술의 대중화와 함께 제품 디자인의 저 작권 침해에 대한 우려도 제기되고 있다. 이에 대해서는 초연결 사회로의 변화과정에 대 한 긍정정인 인식의 전환과 아울러 관련 업계 간에 공동연구 개발을 통해 개발자와 수요 자의 공동이익을 추구할 수 있는 기반을 조성해 나갈 필요가 있다. 정부는 최근 국가 차원의 대응 필요성을 느끼고 3D 프린팅 산업 발전전략 포럼 을 통 해 발전방안을 수립하고 관계부처 간 협의를 거쳐 2013 년 3 분기까지 정책화시킬 계획을 발표한바 있다. 3D 프린팅 기술은 제조업의 혁신을 통해 새로운 유통서비스업을 확산시켜 미래 소비 시장을 변화시켜 나갈 것이다. 이에 전문가의 산업분석 정보를 기반으로 글로벌 시장선점 20

9 을 위한 핵심 및 원천기술(특허) 개발에 산ㆍ학ㆍ연ㆍ관ㆍ민의 지혜를 모아야 할 때이다. <참 고 문 헌> [1] 3 차원 인쇄기를 이용한 공학 교육, 한국과학기술정보연구원, 글로벌동향브리핑, [2] [3] 3D 프린터, 차세대 제조업 혁신 주도 전망,, 주간기술동향, [4] 전승수, 초연결 사회의 빅데이터 생태계 분석과 시사점, 한국과학기술기획평가원, ISSUE PAPER, [5] 국내, 3D 프린터 시장 확대,, IT 융합시스템 36 호, [6] 3D 프린터로 만든 소총 격발 성공, 그 후엔, 머니투데이, [7] 3D printing and the future, WIPO MAGAZINE, No.2, [8] 장웅성 외, 3D 프린팅 제조혁명에 대한 한국 금속산업의 대응전략, 한국산업기술평가관리원, PD ISSUE REPORT, Vol.13-6, [9] 3D 프린터 특허출원 동향, 특허청, [10] 3D 프린팅 기술과 디자인, YTN SCIENCE, 사이언스 24_특허&이슈, [11] 특허괴물(특허료로 먹고사는 외국 기업)을 퇴치하자, Chosun.com, [12] 특허괴물에 대응할 지식재산 전문인력 양성, 전자신문, [13] 3D 프린팅(프린터, 소재) 시장,기술 전망과 국내외 참여업체 사업전략, IRS 글로벌, [14] 2012 년 3D 프린터 시장규모, Wohlers Associates, [15] Artificial blood vessels created on a 3D printer, BBC, [16] 홍일선, 3D 프린팅, 제조업의 개념을 바꾼다, LG 상남도서관, LG Business Insight_Weekly 포커스,

3D 프린팅 시장 동향 한국과학기술정보연구원 ReSeat프로그램 박종만 전문연구위원 Ⅰ. 개 요 5 1. 3D 프린팅 기술의 특징 및 산업적 이슈 5 2. 3D 프린팅 산업의 규모와 구성 5 Ⅱ. 동향 분석 6 1. 국내 동향 6 2. 해외 동향 7 Ⅲ. 향후 전망 9 11 3D 프린팅 시장 동향_3 Green Technology Trend Report

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