특집 : 3D 프린팅기술과미래식품산업의응용 표 1. 3D 프린팅의기술적측면의특징 (Wellet et al. (6) 에서발췌 ) 장점도구혹은주형의제작없이 3차원입체물을디지털작업으로직접생산가능추가비용의희생없이생산물의디자인변경가능추가비용없이디자인의복잡도 ( 경량화, 열효율성

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예담 한
6 years ago
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1 특집 미래식품의현황과전망 3D 프린팅기술과미래식품산업의응용 3D printing technology and its applications in the future food industry: a review 윤형선 1,2, 이미현 2, 김현연 2, 김수진 2, 이소윤 2, 김연비 2, 유영선 3, 이진규 2 * Hyung-Sun Yoon 1,2, Mihyun Lee 2, Xuanyan Jin 2, Soyeon Lee 2, Young-Sun You 3, and Jin-Kyu Rhee 2 * 1 쓰리디시스템즈코리아, 2 이화여자대학교식품공학과, 3 가톨릭대학교생명공학전공 1 3D Systems Cooperation, 2 Department of Food Science and Engineering, Ewha Womans University, 3 Division of Biotechnology, The Catholic University of Korea ABSTRACT The potentialities of 3D printing technology are discussed from technical and research-oriented perspectives for industrial manufacturing of a variety of food products. Currently, 3D printing technology has advanced to enable us to process or cook innovative foods. However, food-based materials for 3D printing are still limited in terms of eating qualities, nutritional values and functionality as well as industrial production. Therefore, this uprising issue on alternative food processing techniques especially focused on the exploration of new food materials combined with these 3D printing technologies needs to be re-spotlighted, and then solved to pave the way to this innovative and sensational area of investigation with more accessibility. In this review, previous research work and industrial applications conducted by frontier research groups in this field are covered, then to open discussion for future research on the 3D printing of food. Key words : 3D printing, food processing, food materials, innovative foods 서론 x, y 평면에대한 2 차원적인인쇄술에 z 축으로의적층을통해입체물을생산 (additive manufacturing) 하는기술에대한연구가 1983 년처음시작되었고, 그로부터 3 년이지나최초특허가미국 * Corresponding Author: Prof. Jin-Kyu Rhee, Ph.D., Department of Food Science and Engineering, Ewha Womans University, Seoul 03760, Republic of Korea Tel: Fax: jkrhee@ewha.ac.kr 55 Food Science and Industry (Vol.49 No.4)

2 특집 : 3D 프린팅기술과미래식품산업의응용 표 1. 3D 프린팅의기술적측면의특징 (Wellet et al. (6) 에서발췌 ) 장점도구혹은주형의제작없이 3차원입체물을디지털작업으로직접생산가능추가비용의희생없이생산물의디자인변경가능추가비용없이디자인의복잡도 ( 경량화, 열효율성등 ) 증대가능추가노역없이생산공정의고도유연적변경가능단일공정으로기능통합적디자인의생산가능투입원자료및공정중발생되는폐기물저감화가능 제한점 인쇄가능 재료의종류가매우한정적으로만적용가능주변환경적요인에대한인장도및재현성이부족함생산방식의한계로표면가공에많은노동과수고가필요함활용가능한디자인도구와가이드라인이여전히모자름생산속도및그물량이상대적으로매우낮음소수의고도노동기술과제작경험이요구됨 의 Chuck Hull 에의해등록되었다 (1). 이어서, 신속조형 (rapid prototyping) 과동의어처럼사용되는 3D 프린터 라는명명이 MIT 대학의 Sachs 에의해제안되었으며 (2), 30 여년이지난최근에이르러서는미래의제조업기술로새롭게주목받고있다. 이러한 3D 프린터에대한개발및연구는프린터기기자체의동작원리나기술의발전및최적화에대한영역과최근에는이기술의새로운이용방식및적용가능한신소재개발에보다더초점을맞추고있는실정이다. 현재시제품및완성품제작에도널리사용되는 3D 프린터는입체물의인쇄혹은제조방식에부합되는재료의종류에따라분류가가능하다. Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS), Polylactic Acid (PLA), photopolymer 등을포함하는가소성재료군, sintering 기술과금속파우더등의금속재료군, 이에더해다양한색상이구현가능한 plaster 재료등이많이쓰이고있으나, 3D 인쇄물표현의제한성으로보다다양한재료의탐색및개발에대한요구가여전히있다. 그럼에도불구하고 3D 프린터의장점을활용하는새로운제조공법에의한신소재개발을목적으로여러산업에서 3D 프린터를적극적으로도입하고있으며, 특히음식제조기술이나식품소재개발에도이러한 3D 프린터를활용하려는시도가활발하게이루어지고있다 (3). 현재공산품의대량생산을위해널리사용되고있는압출 (extrusion) 이나사출 (injection mounding) 같 은전통적인제조공법이식품가공및제조공정에도널리도입되어적용되고있는것처럼, 현존의 3D 프린터를활용한독자적인제조공법들이향후식품의생산공정에분명히적용될것으로예측된다. 이를위해많은연구그룹들이다양한시도를하고있으며, 더불어 3D 프린터용신규식품소재개발역시진행중이다. 본총설에서는현재개발되어사용중인여러종류의 3D 프린터의종류및그특성을분류하여정리하고, 이를활용한식품용 3D 프린터기술및식품소재의연구사례들에대해다루고자한다. 3D 프린팅기술과식품제조 현존하는 3D 프린팅기술 Sun et al. 은식품의대량생산제조공정에있어로봇공학기술과 3D 프린터기술을비교하였다 (4,5). 일반적인로봇팔및관절은식품생산공정에투입되는경우, 단순수작업을대체하게되어노동부담의경감, 인건비절감그리고효율성증대에기여한다. 반면, 3D 프린팅기술은전자제어에의한정밀로봇장치에의해상변화혹은화학반응에의존한적층방식으로식품을제조할수있다는큰차이점이있다 (6,7). 또한, 기존식품생산과정에서는형태, 색상, 향, 텍스쳐, 쳐그리고영양학적요소를고도의숙현된조리기술 56 식품과학과산업 12 월호 (2016)

3 그림 1. Fused Deposition Modeling 방식 자나그에의한분자요리 (molecular gastronomy) 를통해구현해왔다면, 3D 프린팅기술은전산제어기술과통합하여소량혹은산업화스케일로주문대응형제조공정에이용이가능하다 ( 표 1, (5,6,8)). 3D 입체조형제조법은크게두가지의방식으로가루나액체를굳혀가며한층씩쌓는적층형 (additive manufacturing) 과합성수지덩어리를깎아가며모양을만드는절삭형 (milling) 으로나뉘지만, 식품의제조를위한 3D 프린팅에는주로적층형이사용된다. 압축적층조형 (Fused Deposition Modeling, FDM) 현재가장대중화되어개인용 3D 프린터로도널리보급된기술인 FDM 방식은주로 ABS 나 PLA 로이루어진필라멘트를노즐을통해가열, 적층하여상온에서응고시켜적층하는방식 ( 그림 1) 으로, 식품의경우설탕이나초콜렛을이용하여장식용음식을조형하는방법이시도되었다 (9). 온도의변화에따른상태변화를이용하여적층하는 FDM 방식은다른모든 3D 프린터방식과마찬가지로 SolidWorks, AutoCAD, Pro/ENGI- NEER, GeoMagic, Rhino 와같은 CAD (computer aided design) 소프트웨어를이용하여원하는 3D 모양으로디자인하거나, 역설계 (reverse engineering) 및 3D 스캐닝을통하여 CAD 파일을추출하 는방식으로원하는모양을자유롭게디자인할수있는새로운식품가공방식으로쓰이고있다. 미국 Cornell 대학의 Fab@Home 은 2006 년 open innovation project 의일환으로초콜렛, 쿠키반죽그리고치즈를활용할수있는 FDM 방식 3D 프린팅장비의보급화를위해노력한대표적사례이다 (10). 싱가폴국립대의 Daniel Peng Zhuo 는이러한 open-source FDM 방식의 3D 프린터에쿠키도우를소재로하여압출한결과물을굽는방식으로쿠키를출력하였으며, 쿠키도우뿐만아닌으깬감자나초콜렛크림과같은압출이가능한여러식재료도사용할수있도록응용하여그성과를발표하였다 (11,12). 이렇게 FDM 방식은비교적단순한원리로압출이가능하며서로달라붙는식재료라면 3D 출력이가능하며노즐의개수를늘려두가지이상의식재료를함께사용할수있다. 이방식을사용하는미국 Stratasys 사의 FDM 프린터는 3 가지의독립노즐을사용하여여러색이조합된입체물을구현하였다. 노즐에서압출되어나오는순간고체화가진행되기때문에압출이후재료간의혼합은어려워가열된노즐내에서혼합하는방식도연구되고있다 (13). 단, 노즐의크기에따라해상도가변하며, 지지대 (support) 를추가로조형해야하는단점이있으며, 재료가노즐에달라붙지않으면서이미응고된하단적층면과점착이되야한다는제약이까다롭기에이에대한해결책이요구된다. 염료분사인쇄 (Color Jet Printing, CJP) 대부분의 3D 프린터는적층제조기법을사용하여주조나절삭과같은다른제조기법에비하여재료낭비가적으며제품디자인에제약이없다는장점이있다. 이러한 CJP 이라고불리는 3D 프린팅방식역시이두가지장점을살린대표적인방식으로, 1993 년 MIT 에서개발되어 Z Corp 사로기술이전되고, 현재는미국 3D Systems 사로합병되어재출시된 3D 프린터이다. Z 축적층 57 Food Science and Industry (Vol.49 No.4)

필라멘트형태의열가소성물질을노즐안에서녹여적층 플라스터파우더재료위에점착체 (binder) 를 InkJet 방식을사용, 배합하여경화후적층 액체 UV광경화성수지표면에 UV laser를 Layer 모양대로쬐어경화, 적층파우더재료에 laser를 layer 모양대로쬐어소결 (sintering) 하여적층 Resin상태의재료위에 UV DLP를이용

4 특집 : 3D 프린팅기술과미래식품산업의응용 표 2. 3D 프린트방식에따른식품재료조건 프린트방식설명식품재료조건 Fused Deposition Modeling (FDM) Color Jet Printing (CJP) Stereolithograpy (SLA) Selective Laser Sintering (SLS) Digital Light Processing (DLP) Multi Jet Modeling (MJM) 필라멘트형태의열가소성물질을노즐안에서녹여적층 플라스터파우더재료위에점착체 (binder) 를 InkJet 방식을사용, 배합하여경화후적층 액체 UV광경화성수지표면에 UV laser를 Layer 모양대로쬐어경화, 적층파우더재료에 laser를 layer 모양대로쬐어소결 (sintering) 하여적층 Resin상태의재료위에 UV DLP를이용 layer이미지를투영하여경화, 적층 Resin이나 wax를 piezo printhead를이용 layer모양대로분사한뒤 UV로경화, 적층 열을가했을때녹아노즐을통해나올수있으며, 상온에서굳는재료 파우더상태의식용재료및파우더와결합하였을때점착성이있는액체상태의식용점착재 UV에반응하여응고가능한액체상태의재료 Laser로소결이나융용이가능한파우더형태의재료 UV에반응하여응고가능한 resin상태의재료 Resin상태로 printerhead를통해분사가능하며 UV에의해경화되는재료 두께는 0.1 mm 내외이며, X 와 Y 축의해상도는 600 dpi 이상의 InkJet 을이용하여가정용 2D 프린터의해상도와비슷하게구현된다. 플라스터재질의재료에 InkJet printhead 를이용하여점착제 (binder) 를적층면에고착하는방식으로 ( 그림 2) CMYK 색상이들어간점착제와 5 개의 InkJet printhead 를사용하여 6 만가지이상의색상을구현할수있다. 제조과정중열처리가필요없이파우더재질의재료와점착제의사용으로, 상태변화를이용하는 FDM 방식과는식품재료의선택이다르다 년미국 LA 의건축가 Kyle 과 Liz von Hasseln 에의해설립된 Sugar Lab 은 CJP 방식 그림 2. Color Jet Printing 방식 을응용, 설탕파우더에알코올과물을섞은점착제를뿌리는방식으로식용조형물을출력하였다 (14). 파우더입자크기와 InkJet 의결정크기가작을수록해상도가높아지는 CJP 방식의특성상노즐입구넓이에해상도를의존하며, 지지대형성이필요한 FDM 방식에비해파우더재료자체가지지대역할을하는 CJP 방식이현재까지는더정교하고보다복잡한형태의디자인조형이가능하다. 직접적층 (Directed Energy Deposition, DED) 파우더나 resin 상태의재료를 layer 별로녹이거나경화하는방식으로, 재료를쌓아가는 FDM 방식이나재료를배합하는 CJP 와는달리, 재료에에너지를공급하여적층하는방식이다. Stereolithograpy apparatus(sla) 방식의경우미국 3D Systems 의척헐 (Chuck Hull) 에의해개발된최초의 3D 프린팅기법으로액상폴리머 (liquid polymer) 재료표면에레이저를이용한자외선으로하나의 layer 를경화 (cure) 시켜쌓는방식이다 ( 그림 3). 정밀도는 5 μm 내외로현재가장정밀한 58 식품과학과산업 12 월호 (2016)

3D 프린팅기술과미래식품산업적용전망 그림 3. Stereolithograpy 방식 3D 프린팅방식으로알려져있다. Selective laser sintering(sls) 의경우 SLA 와비슷하나파우더재료를레이저의열에너지로소결 (sintering) 하여적층하는방식이다.

5 3D 프린팅기술과미래식품산업적용전망 그림 3. Stereolithograpy 방식 3D 프린팅방식으로알려져있다. Selective laser sintering(sls) 의경우 SLA 와비슷하나파우더재료를레이저의열에너지로소결 (sintering) 하여적층하는방식이다. Digital Light Processing(DLP) 역시 SLA 와비슷한방식으로자외선 (ultraviolet, UV) 소스를레이저대신빔프로젝터와자외선등 (UV lamp) 의결합으로사용한다. 이러한세가지방식을이용한식품에응용한사례는아직까지는발표된바는없다. UV 경화나소결이가능한식품에적용할수있는재료가개발된다면위세가지방식이식품제조에도입될것으로기대되며, 비슷한방식을응용한식품제작도가능할것이다. UV 나소결이아닌열에너지를파우더에직접조사하여녹이는방식이미국 Windell Oskay 와 Lenore Edman 에의해시도되었다 년부터캘리포니아소재 Evil Mad Science LLC 사에서수행중인 CandyFab 이라는프로젝트에서응용된방법은입상의굵은설탕으로부터복잡한형태의 toffee 사탕을제조하기위해설탕가루위에온풍기로직접열을가열하여경화시키는방식으로 XY 축이동은 FDM 의방식과유사하게구성되어있다 (15). 이와같이현존하는다양한 3D 프린터를사용하여식품제조에사용하려는시도가여러연구그룹에의해진행되고있다. 현재까지는각 3D 프린터방식마다다른재료의적합도라는현실적인제약조건이있어 ( 표 2), 대부분시행되는연구및개발성과들은기존의식품을재현하고고급화하는데주로집중하고있다. 호주를비롯여러나라의경우, 기술장인에의해주로생산되고있는주문생산방식의고부가가치케잌시장도소비자들의요구를경제적으로맞추기위해 3D 프린팅기술을도입한사례를소개하고있다 (16). 하지만, 3D 프린터를이용한식품제조는단순히원하는모양을조형할수있는잇점뿐만아니라형태, 색상, 향, 텍스쳐, 영양학적요소등의조합을정밀하게제어하여소량주문이나식품산업규모의제조공정에이용이가능하다는장점을가지고있다 (5,6,8). NASA 의우주식품개발과제로유통기한 30 년의영양소로피자형태의식품을제조하는 3D 프린팅기술, Food Synthesizer 를개발한앤한컨트랙터 (Anjan Contractor) 는 3D 프린터가미래의식품제조산업에가져다줄장점으로각각다른영양소가필요한남녀노소, 그리고환자등, 개개인에게필요한영양을정확히제공할수있는개인화영양식 (personalized nutrition) 이가능하다고제시한다 (17-19). 더나아가서는각자의요구와상황에적합한텍스쳐의제공그리고음식물쓰레기저감화, 궁극적으로는미래의기아문제까지해결할수있는기술이라고주장하고있다. 3D 프린팅기술에사용되는다양한재료의경우, 30 년이상보존되는 organic molecule 단위의 sugars, complex carbohydrates, proteins 등을파우더형태로만들어더오래보관할수있을것이다. 이를통해식품원료의낭비를줄이며다가올인구증가에따른식량문제를해소할수있게되어, 궁극적으로는농수산업전반에걸쳐큰전환점을마련할것이라고예상된다. 미국샌프란 59 Food Science and Industry (Vol.49 No.4)

6 특집 : 3D 프린팅기술과미래식품산업의응용 시스코소재 AlgaVia 사는바다의미세조류를활용하여대체단백질원을공급할수있는식품을개발중으로식품기능및영양학적으로매우우수한대체단백질원을추출, 개발하였다. 이러한원료를이용한제품개발시소비자의미세조류에대한거부감을완화하여제공하는방안으로 3D 프린팅기술을활용한치킷너겟이나스테이크와유사식감을가진대체축산식품재로의조형화를위해노력중에있다. 결론 최근에이르러 3D 프린팅하드웨어기술은식품제조산업에적용가능한단계로급속하게발전되었다. 그러나, 3D 프린터용식품소재개발은주로식품장식이나예술분야에국한되어있으며, 공정화를비롯하여식감, 영양학적, 기능적측면의구현에있어서는제한적인수준에머물러있다. 이를극복하고미래의식품가공신기술로자리잡기위해식품공학계를비롯하여기계공학, 컴퓨터공학, 신소재공학등다양한학제간의융합연구가절실한상황이다. 감사의글 본연구는농림수산식품부고부가가치식품개발사업 (316058), 이화여자대학교교내연구비지원에의해이루어진것임. 참고문헌 1. Hull CW, Apparatus for production of three-dimensional objects by stereolithography, U.S. patent 5,204,055 A (1986) 2. Sachs EM, Haggerty JS, Cima MJ, Williams PA, Three-dimensional printing techniques, U.S. patent 5,204,055 (1993) 3. Yang J, Wu LW, Liu J, Rapid prototyping and fabrication method for 3-D food objects, U.S. patent 6,280,785 (2001) 4. Sun J, Zhou WB, Huang DJ, Fuh JYH, Hong GS. An Overview of 3D Printing Technologies for Food Fabrication. Food Bioprocess Technol. 8: (2015) 5. Sun J, Peng Z, Yan L, Fuh J, Hong GS. 3D food printing-an innovative way of mass customization in food fabrication. Int. J. Bioprint. (2015) 6. Weller C, Kleer R, Piller FT. Economic implications of 3D printing: Market structure models in light of additive manufacturing revisited. Int. J. Product. Econ. 164: (2015) 7. Wegrzyn TF, Golding M, Archer RH. Food Layered Manufacture: A new process for constructing solid foods. Trends Food Sci. & Technol. 27: (2012) 8. van Bommel K, Spicer A. Hail the Snail: Hegemonic Struggles in the Slow Food Movement. Organization Studies. 32: (2011) 9. Hao L, Mellor S, Seaman O, Henderson J, Sewell N, Sloan M. Material characterisation and process development for chocolate additive layer manufacturing. Virtual Phys. Prototyp. 5: (2010) 10. Malone E, Lipson H. Fab@Home: the personal desktop fabricator kit. Rapid Prototyp. J. 13: (2007) 11. Sun J, Peng Z, Zhou W, Fuh JYH, Hong GS, Chiu A. A Review on 3D Printing for Customized Food Fabrication in 43rd Proceedings of the North American Manufacturing Research Institution of SME. (2015) 12. 3D Printed Food, Are we ready for it? com/3d-printed-food-are-we-ready-for-it Accessed Aug. 15, The Diamond single nozzle hotend for perfect multi-color 3D printing launches on Kickstarter the-diamond-single-nozzle-hotend-for-perfectmulti-color-3d-printing-launches-on-kickstarter.html Accessed Sep. 11, The Sugar Lab by Kyle and Liz von Hasseln. com/2013/07/04/3d-printed-sugar-cubes-by-the-sugar-labkyle-and-liz-von-hasseln/. 15. The CandyFab Project. Accessed Aug. 10, Lipton JI, Cutler M, Nigl F, Cohen D, Lipson H. Additive manufacturing for the food industry. Trends Food Sci. & Technol. 43: (2015) 17. Lin C. 3D Food Printing: A Taste of the Future. J. Food Sci. Edu. 14: (2015) 18. The audacious plan to end hunger with 3-D printed food. qz.com/86685/the-audacious-plan-to-end-hunger-with-3-dprinted-food/ Accessed Aug. 15, Why astrounaut food is healthier when it is made with a 3D printer. Accessed Aug. 10, 식품과학과산업 12 월호 (2016)

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