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5 Ⅰ. 제목 건축물대상 3D 프린팅장비및설계기술개발기획 기술의정의 본연구에서는 3D 프린팅건축상품의지속가능한생태계구축을위해융복합건축상품기획, 건축물단위복합프린팅기술, 융복합 3D 프린팅소재, 수요자중심의마켓플랫폼등의개발과파일럿제작및성능평가를위한기술개발과제도출기획연구임. 연구개발의필요성 3D 프린팅기술은 Mckinsey 社가선정한 12대와해성기술 (Disruptive technology) 중하나이며, 2025년까지 $550억의경제적파급효과뿐만아니라, 제조업, 건설업등모든산업의생산체계, 비즈니스모델을변화시킬것으로예상하고있음. 현재미국, 유럽, 중국등의국가에서는전통적인건축재료에기반을둔기초적수준의 3D 프린팅건축상품 ( 소규모구조체, 특정부위, 인테리어등 ) 이연구 / 개발되고있음. 현재까지 3D 프린팅생산체계가적용되어경제성, 상품성, 효율성등이확보된상품사례는존재하지않음. 이에따라, 건설또는건축분야에서상품의규모, 형상, 기능등종합적 / 구체적인상품기획을설정하고, 이와연계된 3D 프린팅소재및장비를선제적으로개발하는것은글로벌건설시장에서 First-Mover가되어기술선도와독점적시장지위를확보를가능하게함. 결과적으로 3D 프린팅기술을이용한건축상품, 3D 프린팅장비, 대체가능한소재는상품의종류 ( 건축물, 외장재, 인테리어등 ) 에따라단일패키지로연구 / 개발이필요함. 이유는, 개별건축상품의요구기능및성능이독립적이며, 이에따른소재, 3D 프린팅방식에서많은차이가존재하기때문임. - i -

6 최근건설산업에서는비정형건축물생산단가상승, 정밀한생산방식필요, 생산의비효율성급증등의기술적한계에도달한실정에따라, 이러한상황에서의대응방안을마련하기위해건축특화 3D 프린팅생산플랫폼개발이필요함. 건설산업의복잡하고다양한공급사슬구조에서설계및구조, 기계 / 설비, 실내마감등을연계하여생산프로세스를통합하고효율화시키기위해 3D 프린팅기술활용이필요함. 3D 프린팅을이용하여건설산업공급사슬구조통합및효율화뿐만아니라, 시장니즈를충족시킬수있는다품종대량생산체제에대응하기위해 3D 프린팅기술의활용이필요함. 영국시장조사기관인 Canalys 에따르면, 현재건축분야 3D 프린팅글로벌시장점유율은 3% 에불과할정도인실정이나역으로 3D 프린팅시장의확대가능성이가장큰분야임이자명함. 현재미국, 유럽, 중국등의국가에서는전통적인건축재료에기반을둔기초적수준의 3D 프린팅건축상품 ( 소규모구조체, 특정부위, 인테리어등 ) 이연구 / 개발되고있음. 현재까지 3D 프린팅생산체계가적용되어경제성, 상품성, 효율성등이확보된상품사례는존재하지않음. 이와같이현재건설산업에서 3D 프린팅적용사례를살펴보면, 대부분사례가기초 실험적수준이대부분이고, 구조체단위의 3D 프린팅기술적용사례는기존의 Tilt-up Building, Precast Concrete 방식과비교해보면, 더낮은성능 / 품질, 더긴공사기간, 더높은비용이발생되어품질, 경제성, 생산성측면에서미흡하기에건축상품으로의상용화가어려운실정임. 이에따라, 건설산업에서건축상품의규모, 형상, 기능등 3D 프린팅을통해건축상품의기획및연계된 3D 프린팅소재및장비를개발하는것은글로벌건설시장에서기술선도와독점적시장지위를확보할가능성이높음. 하지만, 기획의결과에따른연구개발구성규모는시장이불투명한상태에서일반기업의참여가주도적참여가어려운것이현실이기에정부정책에입각하여정부지원이절실한분야이며, 그리고정부지원결과는노동집약적인저부가가치건설산업을기술집약적고부가가치산업으로의패러다임전환을기대할수있음. - ii -

7 연구개발과제구성 추진전략 본연구는 1단계 4년 (2016년부터 2019년까지 ) 의연구기간을통해원천기술개발, 2단계 3년 (2020년부터 2022년까지 ) 의연구기간을통해파일럿제작과성능평가로기획함. 1단계 1차년도목표는 3D 프린팅기술을이용한건축상품기획 / 설계, 소재, 장비, 제반연구개발인프라기획으로기획상품축소모형검증단계임. 1단계 2차년도목표는 3D 프린팅건축상품군별설계 ( 안 ), 소재, 장비원천기술개발기획및평가체계수립으로상품부분모형검증단계임. 1단계 3차년도목표는건축상품군별개발검증및건축물용 3D 프린팅장비및소재기술개발로상품 Mock-up 테스트베드검증단계임. 1단계 4차년도목표는 3D 프린팅장비및소재기술안정화와건축상품생산플랫폼개발및장비, 소재검증단계임. 2단계 1차년도목표는 3D 프린팅건축상품개발및원천기술고도화로융복합성능소재와대형화다중복합화장비개발및대형화 / 고층화단위모듈모형검증단계임. 2단계 2차년도목표는 3D 프린팅건축상품및마켓플랫폼프로토타입개발과융복합성능소재및장비개발로대형화 / 고층화단위모듈축소모형검증단계임. 2단계 3차년도목표는 3D 프린팅건축상품및마켓플랫폼개발로대형화 / 고층화 - iii -

8 단위모듈테스트베드검증단계임. 정책적타당성 정책적타당성검토는 1. 국가전략적중요성, 2. 정부관련부처사업추진의지를중점으로검토하였고, 2012년도미국정부의 3D 프린팅산업육성 및미항공우주국 (NASA) 과유럽우주국 (ESA) 등에서달탐사기지건설을위한 3D 프린팅기술개발연구에대해전세계적으로 3D 프린팅기술이주목받는시점에서건설분야와의연계가시기적절하며, 글로벌건설기술산업에서의주도권을잡기위해건설분야에 3D 프린팅기술을접목하기위한기술은최우선연구분야라고할수있음. 또한국내에서는미래창조과학부에서경제재도약계기를마련하기위해 3D 프린팅관련기술개발분야에적극적인 R&D 예산지원을계획중에있음. 기술적타당성 기술적타당성검토는 1. 기술개발계획의적절성, 2. 기술수준및성공가능성, 3. 기존사업과의중복성을중점으로검토하였고, 본연구는연구단형태로추진하는것이타당하다고판단되며, 추진조직및연구개발기술에대해상세하게기술하였으며, 세부과제별로기대성과물과활용계획, 성과평가를위한성과지표를제시하고있음. 기술수준및성공가능성의경우국내외특허, 논문, 시장및기술동향및인프라분석을통해선진국대비인프라부족하여정부의적극적인사업추진이없다면, 연구성과도출이다소어려울것으로판단됨. 경제적타당성 경제적타당성검토는비용 / 편익분석 (Benefit/Cost Analysis) 을통해 건축물대상 3D 프린팅장비및설계기술연구단 의 3D 프린터건축시장에대해분석하였고, 시장재화에대한추가창출부가가치와 R&D 예산을고려한, 본연구단의경제성분석결과는 B/C ratio가 2.9로나타나, 본사업의경제성측면에서긍정적으로판단됨. - iv -

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19 제 1 장기술의정의및필요성 제 1 절기술의정의및필요성 1. 기술의정의및필요성 3D 프린팅기술은설계데이터에따라액체 파우더형태의폴리머 ( 수지 ), 금속등의재료를가공및적층방식으로쌓아올려 3D 형상의조형물을제조하는장비를통해레이저와파우더재료를활용하여신속조형하는기술이며, 기술적의미는 Rapid Prototyping(RP) 에서유래되었음. 기계가공및레이저를이용하여자르거나깎는방식으로조형물을생산하는절삭가공 (Subtractive Manufacturing) 과반대되는개념으로공식적인기술용어는적층가공 (Additive Manufacturing) 임. 3D 프린팅기술은적층방식과재료에따라표 1과같이구분할수있음. [ 표 1] 적층방식및재료에따른 3D 프린팅기술구분 적층방식은압출, 잉크젯방식의분사, 광경화, 파우더소결, 인발, 시트접합등으로구분하며, 활용가능한재료로는폴리머 ( 수지 ), 금속, 종이, 목재, 식재료등으로분류됨. 3D 프린팅기술및정의는표 2와같음

20 [ 표 2] 3D 프린팅기술및정의 - 2 -

21 2020년세계인구는 82억명에도달 (UN, 2006) 하고, 세계건설시장은 2020년 12.7 조달러로예상됨. 2050년까지 10만명규모의도시 1만 4천개조성이전세계적으로필요하며, 시장규모는 1,000조달러로예상되고있음. 도시성장에따른환경문제점을해결하기위해건축도시분야에서지속가능개발을위한창의적원천기술개발이필요함. [ 그림 1] 2050년건설시장및도시거주인구비율 에너지과소비및폐기물이대량발생되는건설시장내의한계점을극복하고, 지속가능, 친환경, 에너지자립등이글로벌건설시장점유율을높이기위한새로운패러다임으로나타남. 이에따라, 기후 / 인구 / 사회학적환경변화대응, 에너지의생산 / 소비균형, 폐기물배출과재사용 / 재활용순환, 이산화탄소배출과흡수순환등의핵심기술개발을위해건설및 3D 프린팅기술이간의융복합건축상품 ( 기술 ) 이필요함. 건설산업에서건축양식에대해살펴보면, 1900 년대이전은 정형과비정형의조화, 1900~2000 년대는 극단적정형및효율성추구, 2000 년대를넘어오면서부터는 극단적인비정형건축 으로의시대적변화가파악됨

22 [ 그림 2] 시대흐름에따른건축양식패러다임의변화 최근건설산업에서비정형건축물생산에서구조부재의맞춤형제작생산, 내외부마감의맞춤형제작생산, 맞춤형곡면노출콘크리트등에대한생산단가상승, 정밀한생산방식필요, 생산의비효율성급증등의기술적한계에도달한실정임. [ 그림 3] 비정형건축물생산의기술적한계 이에따라, 비정형건축물생산에직면한기술적한계에대응할수있는새로운생 산체계의마련으로건축특화 3D 프린팅생산플랫폼개발이필요할것으로판단됨

23 복잡하고다양한공급사슬구조인건설산업에서건축설계및구조, 기계 / 설비, 실내 마감등의연계체계를구축하여건축물의생산프로세스를통합하고효율화시키기 위해 3D 프린팅기술의이용이필요할것으로판단됨. [ 그림 4] 3D 프린팅을이용한건설산업공급사슬구조통합개념도 3D 프린팅을이용하여건설산업공급사슬구조통합및효율화뿐만아니라, 시장니즈를충족시킬수있는다품종대량생산체제에대응하기위해 3D 프린팅기술의활용이필요할것으로판단됨. [ 그림 5] 3D 프린팅활용가능한건설산업내다양한시장니즈 (Needs) - 5 -

24 글로벌시장별 3D 프린팅건축상품 ( 기술 ) 특성은다음표 3 과같이구분할수있음. [ 표 3] 글로벌시장별 3D 프린팅건축상품 ( 기술 ) 특성 영국시장조사기관인 Canalys 에따르면, 현재건축분야 (3.0%) 의 3D 프린터활용은매우미미한실정이나역으로이것이 3D 프린팅시장으로확대될가능성이가장큰분야임은자명함. 산업분야별 3D 프린터활용현황에의하면건축은전산업분야중 3.0% 를차지하고있으며, 현재시점에서다품종소량생산방식의기존타산업분야와비교해서활용도는작다고할수있으나성장의가능성은크다고판단됨. 건설산업내 3D 프린팅을활용부분은기존생산방식과의융복합을통해비정형설계상품의효율적인구현, 특정부재생산에필요한공급사슬통합을통해생산기간단축및효율화, 건축소재및부재에특수기능을추가하여새로운부가가치창출, 완전히변화된새로운 3D 프린팅건축상품등으로예상될수있음. 현재건설산업에서 3D 프린팅적용사례를살펴보면, 대부분사례가기초 실험적수준의 3D 프린팅기술이활용 / 적용되고있고, 구조체단위의 3D 프린팅기술적용사례는기존의전통적인건설생산방식에서설계, 구조, 재료등은유지하며, 단지생산수단 (tool) 만 3D 프린팅방식으로전환하는수준임

25 [ 그림 6] 건설산업내 3D 프린팅예상활용부분 - 7 -

26 [ 그림 7] 건설산업내 3D 프린팅사례 [ 그림 8] 3D 프린팅과유사한전통건설기술 기존의 Tilt-up Building, Precast Concrete 방식과비교해보면, 더낮은성능 / 품질, 더긴공사기간, 더높은비용이발생되어품질, 경제성, 생산성측면에서우위를확보하기힘들기에건축상품에대한상용화가어려운실정임

27 현재미국, 유럽, 중국등의국가에서는전통적인건축재료에기반을둔기초적수준의 3D 프린팅건축상품 ( 소규모구조체, 특정부위, 인테리어등 ) 이연구 / 개발되고있음. 현재까지 3D 프린팅생산체계가적용되어경제성, 상품성, 효율성등이확보된상품사례는존재하지않음. 그이유는, 정형적설계 ( 안 ) 에서는전통적생산방식 ( 철근콘크리트및모듈공법등 ) 의효율성과경제성을극복하기매우힘듦. 모듈러건축기술은생산체계를생력화 공업화하여생산성과경제성을극한으로끌어올리기위한목적을가지고있지만, 최근비정형적설계 ( 안 ) 으로는형태적 ( 디자인 ) 요소에집중되어건축상품의다양성만이부각되고, 시장성, 생산성, 편의성, 안전성에대한부분은고려되지못한실정임. 대표적으로동대문디자인플라자 (DDP), 카타르박물관 (Qatar Museum) 등극단적인비정형건축물의경우, 전통적인건설생산체계의낮은생산성으로인해막대한시간과비용손실이발생하였음. 비정형적설계 ( 안 ) 의경우, 3D 프린팅생산체계를적절한수단으로활용할수있으나, 생산규모의문제, 이종재료의복합생산, 대체가능한소재, 소재와연계된 3D 프린팅장비개발에많은어려움이산재되어있기때문임. 비정형구조체의경우내부의인테리어, 배관, 공조, 전기 / 기계등규격화된산업재의비정형화를불러오게됨. 이에따라, 건축물대상 3D 프린팅기술을적용하여, 외부형상의모듈화를통해생산체계의효율성을높이고, 내부형상과기능의다양성을통해건설시장에서의사용자니즈 (Needs) 에대응할필요가있을것으로판단됨. 건설산업에서건축상품의규모, 형상, 기능등종합적 / 구체적인상품기획을설정하고, 이와연계된 3D 프린팅소재및장비를선제적으로개발하는것은글로벌건설시장에서 First-Mover 가되어기술선도와독점적시장지위를확보를가능하게만듦. 만약, 건설분야의 3D 프린팅소재및장비의원천기술을선점할수없다면막대한금액의기술사용료와소재구매비용을지불하는결과를초래함. 결과적으로 3D 프린팅기술을이용한건축상품, 3D 프린팅장비, 대체가능한소재는상품의종류 ( 건축물, 외장재, 인테리어등 ) 에따라단일패키지로연구 / 개발이필요함. 이유는, 개별건축상품의요구기능및성능이독립적이며, 이에따른소재, 3D 프린팅방식에서많은차이가존재하기때문임. 건축물 3D 프린팅기술개발은전통적건설산업생산체계의변화유도가가능하며이른바 IT 융합건설의대표적인산출물이될것임. 현재건축용 3D 프린팅시장은시장형성시기이며, 각국은시장형성을위한건축용 3D 프린터장비, 재료등의개발에주력하고있음. 기존제조업분야의 3D 프린팅산업은저가대량공급시장을향해가고있으며, 또한새로운시장창출이매우시급한실정임

28 건축물 3D 프린팅기술개발을통한글로벌건설시장선점을위한연구기획은건축 3D 프린팅장비, 재료, 설계, 엔지니어링, 서비스, 법제도를규모, 생산방식, 조달방식에따른위계와연계가분명한기획이어야함. 또한기획의결과에따른연구개발구성규모는시장이불투명한상태에서일반기업의참여가주도적참여가어려운것이현실임. 따라서, 정부정책에입각하여정부지원이절실한분야이며, 그리고정부지원결과는노동집약적인저부가가치건설산업을기술집약적고부가가치산업으로의패러다임전환을기대할수있음. ICT 융합기술인결정체인건축물 3D 프린팅기술은다양한어플리케이션개발을통해청년들의진입장벽이매우낮아지므로청년창업 창직에매우유리하여청년실업해소에크게기여하리라판단됨. 건축물 3D 프린팅기술개발결과로인한글로벌시장선점은경제적효과뿐만아니라미래기술보유국의이미지, 건설산업의국제적위상강화, 관련핵심기술의자립화및기술수출을통해국가이미지제고에기여할것으로판단됨

29 2. 기술의범위 본연구는건축물 3D 프린팅산업의시장가능성을비롯하여, 글로벌시장선점을위한건축물 3D 프린팅산업의가능성과한계를고려한파일럿제작과성능평가 2단계로기획함. 이를위한포괄적의미의건축요소별 ( 구조재료, 가설, MEP, 인테리어등 ) 건축물 3D 프린팅산업의생산방식과규모에따른포지셔닝과현재시장포지션과의비교분석을통한건축현장의 3D 프린팅기술도입전략분석을실시하고및시장선점을위한프레임웍을구축함. 본연구의기술범위는사회적패러다임변화를선제적으로대응하기위해, 건축물 3D 프린팅장비, 재료개발기술을포함하고, 기존건설시장의혁신적변화를유도하는새로운시장창출및시장선점이가능한영역발굴을위한설계, 엔지니어링및시스템분야를포괄함. First Mover( 유럽, 미국, 중국등 ) 와동등레벨의기술수준및시장점유를목표로, 1단계는기획한건축상품축소모형검증및건축상품부분모형검증, 건축상품 Mock-up 테스트베드검증을거쳐건축물대상 3D 프린팅관련원천기술개발을목표로설정하고, 2단계는미래기술기반유닛모듈축소모형검증및미래기술기반유닛모듈축소모형검증, 미래기술기반유닛모듈실물규모테스트베드검증을거쳐건축물대상 3D 프린팅관련상품과생산플랫폼의파일럿제작과성능평가를목표로함. 연구전략은연구단계와매칭되는연구전략을연구기간별로설정하여현재의 3D 프린팅기술, 건설자재제조방식변화에따른공급망진화, On demand형, 스마트기술융복합 3D 프린팅상품진화, 대규모 On demand On site 조달및양방향고객피드백을통한사업모델진화를고려한연구전략수립 연구단계, 연구전략, 핵심역량을만족하고, Machine, Material, Design, Engineering, Construction, Market Platform 별소요기술의도출 본연구의연구개발기술의범위는 3D 프린팅분야요소기술인 3D 스케닝, 3D 디자인 SW, 미세노즐, 미세분사기술, 에너지원 ( 열, 레이저, 전자빔등 ) 출력및조절기술, 정밀위치제어, 고속제어기술, 적정융점및경화제어기술등을기반으로건축물설계, 시공, 유지관리기술및건축물생산특화장비및공정프로세스기술, 3D 프린팅소재 ( 세라믹, 메탈, 폴리머, 목재등 ) 개발기술등도포함됨

30 제 2 장국내외동향및환경분석 제 1 절국내외정책동향 1. 국외정책동향 3D 프린팅기술이향후제조업과각종산업의혁신동력으로자리잡을것이라는데는이견이없으며, 이에따라세계각국에서는 3D 프린팅기술의활성화를위한연구기관설립과정책적지원책을추진하고있음. 1) 미국을중심으로일본, 영국, 독일등선진국과중국, 싱가포르등아시아신흥국이 3D프린팅및첨삭제조 (AM) 관련기술확보투자가진행중임. 독일정부는경찰분야에서는 3D 프린팅의실용적인활용, 바이오프린팅분야에서는독자성을확보하는방향으로투자가진행중임. 제조업기반일본과중국, 싱가포르는미래경쟁력확보를위해산 학 연프로젝트를중심으로원천기술개발연구에투자가진행중임. 중국은최근산업용 3D 프린터제조업체인 Beijing Tiertime 社를비롯하여, 우주 항공기술에이용하기위한개발뿐만아니라, 상업화수준에도달할정도의성공적인기술개발에대한투자가진행중이며, 혁신센터를통한기술확산을실시하고있는중임. 2) 미국정부는오바마대통령 (2012) 이 3D 프린팅산업육성을위해, 10억달러를투자하겠다고공표할정도로관련정책을본격화하고있음. 2013년연두교서 (2013 state of the union) 에서오바마대통령은 the first manufacturing house 설립에대해발언하고, 3D printing의혁명적인제조방법을통해미국제조업의부흥및선도를강조하였음. 미국제조업의혁신을가져다줄 3D 프린팅관련허브를증설하고, 생산성을높이기위해성장의모멘텀이될신규정책사업을추진할계획임 오바마대통령은오하이오의 3D 프린팅기술관련제조업혁신네트워크의성공적인사례를벤치마킹하여, 향후다른지역 15곳에제조업허브구축을통해첨단기술의메카로육성할계획을추진하고있음. 우주항공, 방위산업및의료분야를중심으로 3D 프린팅을통한다양한적용분야를개척해나가고있음. 1) ScienceNews, ) 최근중국은단거리여객기용티타늄날개 동체부속제작, 우주비행사용맞춤형좌석을 3D 프린팅기술로제작함

31 미국정부는현재 ' 아메리카메이크 (America Makes)' 로명칭이변경된연구기관 NAMII( 이하아메리카메이크 ) 를 3D 프린팅관련기술개발및활용방안과관련된연구를집중적으로수행하기위해 2012년 8월설치함. NAMII는 3D 프린팅기술을산업과대학의연구실에도입하는것을지원하고제조업체들이 3D 프린팅원료와기기를시험해볼수있는훈련프로그램을운영할것으로알려짐. 미국 AM기술개발에 1디자인, 2공정모델링과제어, 3재료, 공정과설비, 4 생의학적응용, 5에너지와지속가능한응용, 6교육, 7연구개발과공동체, 8국가테스트베드센터로총 8개부분으로세분화하여연구개발이필요하다는 AM 정책의로드맵을작성함. 미국정부는 2012년 8월제조업혁신및발전을목표로 3D 프린팅기술개발에 3천만달러규모의 3D 프린팅특화연구소건립계획을공개함. 3D 프린팅특화연구소 ( 국립첨삭가공핵심연구소 ) 는오하이오주 ( 州 ) 의 Youngstown 에설립될것으로보이며향후 3D 프린팅관련투자를 9천만달러수준으로기금을확대할예정임. 오하이오, 펜실베니아, 웨스트버지니아주 ( 州 ) 의제조기업 대학 기관들로구성된컨소시엄으로부터정부자금과별도로 4천만달러를지원받을예정임. 미국정부는중국, 인도등저임금국가로이전된제조업분야를다시미국으로가져오고자 3D 프린팅기술개발에집중투자할계획임. 2012년 3월미국에서는최대 15개국방부직할부대및기관이참여하고 10억달러를투자하는 제조업혁신국가네트워크 법령초안을국회에제출함. 미국정부의 3D 프린팅기술개발및관련산업육성을통해리쇼어링 (Reshoring) 과리로컬라이제이션 (Relocalization) 이더욱확대될것으로기대됨. 3D 프린터의생산과작동을담당하는인력이외에다수노동자고용이불필요해짐에따라인건비절약이가능하고그로인해리쇼어링 3) 이가능해질요인이존재함. 3D 프린팅산업의활성화를통해다양한제품을수입할필요없이생산및유통이가능해짐에따라리로컬라이제이션 4) 도가능함. 유럽내 3D 프린팅기술관련주요국가들은보다고부가가치를창출할수있는 3D 프린팅관련산업발굴에주력하고있음. 단순부품제조공정상에 3D 프린팅기술을도입하기보다는, 3D 프린팅기술 3) Reshoring : 비용절감등을위해해외로생산기지를옮기는 Offshoring 과반대되는개념으로해외로생산기지를이전한기업들이본국으로되돌아오는현상을의미 4) Relocalization : 음식, 대안에너지, 상품등을지역에서생산 유통하고공동체정치, 지역문화와교육, 의료를자체적으로해결할수있는지역공동체를만드는작업을의미

32 활용효과를좀더극대화하여새로운수요를창출하는전략을계획하고있음. 유럽위원회는 2020년까지제조업이 GDP에서차지하는비중을현 16% 에서 20% 로늘리기위한대안으로 3D 프린팅기술을주요트렌드로설정하고이에대한전략개발및개발자금투자를논의중임. 유럽내에영국, 독일, 네덜란드를중심으로 3D 프린팅기술개발성과를보이고있으나상업화수준이미국에비해낮아시장은크지않은상황임. (1) 독일 독일의경우전체 3D 프린팅시장규모의약절반을차지할것이라고예상하고있는 3D 바이오프린팅 (3D Bioprinting) 관련분야연구에주력하고있음. 3D 바이오프린팅 (3D Bioprinting) 은 3D 프린팅기술을이용해생체조직이나생체구조물을제작하는기술로써, 컨설팅업체 ID테크익스 (IDTechEx) 에따르면 2025년전체 3D 프린팅시장의약 43% 를 3D 바이오프린팅산업이차지할것으로예상하고있음. 이에따라, 독일정부는국책연구소프라운호퍼 (Fraunhofer) 산하프라운호퍼 IGB를중심으로 2009년부터프로젝트 ' 바이오랩 (BioRap)' 을통해관련기술개발연구를진행중임. 프라운호퍼 IGB는 2011년도에 3D 프린터를이용한인공혈관제작에성공한바있고, 2013년에는인체조직과장기의 3D 프린팅을위한원료로사용될 젤라틴형태의바이오잉크 를공개함. 현재는인공피부의제작을위한나노수준의 3D 프린팅기술개발프로그램인 아티바스크 3D(ArtiVasc 3D) 등을추진하여 3D 바이오프린팅 (3D Bioprinting) 분야의입지를확보함. (2) 영국 영국정부는 2010년에기술전략위원회가 700만파운드를투자하여노팅엄대와셰필드대등에 3D 프린터연구센터를설립함. 그외에도최근초등학교교과과정에 3D 프린팅을추가하는등작은부분까지 3D 프린팅활성화전략을수립및추진중임. 영국의 Big Innovation Centre는정부에 3D 프린팅정책추진을 6개영역에걸쳐제안함. 영국기업혁신기술부 (BIS) 를중심으로기업학계간의견통합및연계강화등의활동과다양한정책발굴및조정을지원방안을구축함.(3D프린팅전담팀구성 ) 3D프린팅의지적재산권이미칠영향력연구실시함.( 지적재산권영향력검토 ) 3D프린팅관련기술의이해경험확대를목표로파일럿워크샵및자금조달체계구축함.( 마케팅지원 )

33 3D프린팅을위한비즈니스모델개발및디지털저작권거래소와유사한디지털디자인거래소구현에대한예비타당성조사함.( 상업화지원 ) 신소재개발목표로각종경쟁 R&D 프로그램추진및선별적지원용자금조성방안구축함.( 신소재개발 ) 3D프린팅도입으로인해발생가능한위험요소를조사하여해결방안모색함.( 사라질직업군예측및새로운직업에대한교육체계마련등 )( 리스크관리 ) 영국정부는 2013년도부터헬스케어, 에너지등산업분야별로 3D 프린팅기술을적용할수있는제조솔루션개발에착수하고있음. 특히영국정부는여타산업분야와함께항공 / 우주산업을미래핵심산업으로상정하고, 이와관련된 3D 프린팅기술개발을적극적으로진행하고있음. 항공 / 우주산업관련부품의경우, 복잡한구조로인해제조공정시장시간소요및고가의소재 ( 티타늄등 ) 를활용한다는점에서재료낭비의최소화가요구되기에, 항공 / 우주산업에있어적층방식 3D 프린팅기술활용이매우효과적일것으로판단하고있음. 이에따라, 영국정부는 2014년도에 3D 프린팅센터 (3D Printing Center) 설립계획을발표하고, 해당센터의목표를항공 / 우주산업관련 3D 프린팅기술개발연구로설정함. 2015년도에개설예정인 3D 프린팅센터 (3D Printing Center) 에서는비행기와제트엔진, 민간헬기제조에사용되는신소재의개발및 3D 프린터를이용한부품생산관련연구를진행할계획임. 중국과학기술부 ( 中國科學技術部 ; Chinese Ministry of Science and Technology, MOST) 는 2013년 4월에 3D 프린팅을첨단기술 R&D 분야로선정함. 중국과학기술부는국가 R&D 전략인 국가첨단기술연구및개발프로그램 ( 国家高技术研究发展计划 ) 에 3D 프린팅을미래핵심기술로선정함. 이에따라, 중국정부는연구개발비로써, 4,000만위안 ( 약 6,500만달러 ) 을 3D프린팅핵심기술개발에투입할것으로공표함. 중국과학기술부는 국가첨단기술연구개발프로그램 에따라 4대영역을구분하여 3D 프린팅산업경쟁력을보유하기위한기술연구에착수함. 4대영역은레이저 3D 프린터를이용한대형항공우주부품제작시스템의개발및적용, 복잡한부품및금형의제조를위한대형 3D 프린팅장비의개발, 복잡한부품및금형제작을위한재료연구, 3D 프린터제작기술의개발및시연으로구성되어있음. 중국정부는공격적투자가이루어지고있으며특히중국`군으로부터의투자를

34 통해우주항공분야에서 3D Printing 상용화노력을기울이고있음. Laser를활용한적층기술로티타늄부품의가격을기존대비 5% 까지낮추고강도와무게감소의효과를동시에꾀할수있음. 중국 website인 Guancha Zhe의보고에따르면 F-22에적용된티타늄단조부품을 3D 프린팅을통해 40% 까지줄일수있었다는보고가있음. 중국 Northwestern Polytechnical University of China에서는 5미터의 C919 승합기에적용되는 5미터의티타늄빔을만들고있으며 2016년상용화를계획하고있음. 공업정보화부 ( 工业和信息化部 ; Ministry of Industry and Information Technology, MIIT) 는향후 3D 프린팅기술혁신을위한 R&D 시스템을구축하고, 연매출 5 억위안 ( 약 8,160만달러 ) 이상의 3D 프린팅기업을 5-10개까지육성할것이라고언급함. 공업정보화부는 2014년 9월에 3D 프린팅산업활성화를위해정책과제가포함된 국가성장재료제조산업발전계획 ( 国家增材制造产业发展推进计划, 2014~2016 年 ) 을최종발표함. 공업정보화부는천연재료, 합성고분자재료등 3D 프린팅에사용되는혁신적인특수소재를연구할것이라고명시하고있음. 또한, 인공뼈등을제작하는바이오 3D 프린팅산업을촉진하기위해관련재료및장비의개발을진행할것으로언급함. 중국과학기술부, 공업정보화부등의지원을받고있는아시아제조협회는 2012 년 10월에베이징 ( 北京 ) 에 중국 3D 프린팅기술산업연맹 ( 中国 3D 打印技术产业联盟 ; China 3D Printing Technology Industry Alliance) 을설립하였으며, 현재는각지방정부에혁신센터건립을추진중에있음. 중국정부는 2015년부터향후 2년간약 40만초등학교에 3D 프린터를설치하여육성할예정임. 5) 일본정부의 3D 프린팅기술에대한프로젝트는경제산업성 ( 経済産業省 ) 을중심으로진행되고있음. 2013년도부터경제산업성은별도의금형을사용하지않고, 복잡한형상의주조틀을제작할수있는 3D 프린터개발을추진함. 이프로젝트의목표는기존외산제품대비 1/10 가격인대당 2,000만엔이하의산업용 3D 프린터를개발하는것이고, 2013년에만 1억 5,000만엔이투입됐으며 2018년까지총 30억엔의예산이투입될예정임. 경제산업성산하산업기술종합연구소 (AIST) 가프로젝트를총괄하고 3D 프린터 5) 3D 프린트닷컴,

35 업체인시메트, 구네이화학공업, 고이와이, 고마쓰, IHI, 닛산자동차등민간기업이역할을나눠개발예정임. 주타깃은건설, 선박용디젤엔진 ( 실린더헤드 ) 등고융점주철적층용, 자동차실린더헤드등임. 2014년도에는산 학 관연계 3D 프린팅프로젝트추진기구 차세대 3D 적층조형기술종합개발기구 ( 次世代 3D 積層造形技術総合開発機構 ) 가발족함. 최근일본정부는미국및유럽을추격하기위해 3D 프린팅관련기술특허권관리에집중하고있는실정임. 2013년 9월경제산업성은특허청과함께 3D 프린터특허기술동향을조사하기위한전문위원회를설치하여, 정부차원선행특허유무나특허존속기간을조사하고, 이를토대로특허회피및확보전략을수립함으로써일본내사업자의기술경쟁력증진및시장진입장벽제거하려하고있음. 이외에도일본정부는미국및유럽보다뒤쳐진 3D 프린팅기술경쟁력을확보하기위해기존사업자의시장점유율이높은 3D 프린터분야대신 3D 프린터소재분야개발연구에집중하고있음. 일회성구매에그치는단말과달리지속적인소비가수반된다는점에서재료시장의성장세를예상하고있음. 실제시장조사업체카날리스 (Canalys) 는 3D 프린팅관련서비스및프린팅소재시장이 2018년까지 43.8% 의연평균성장률을기록하고, 단말시장의두배규모에도달할것으로예측함. 이에따라, 일본정부는우선적으로 3D 프린터소재중산업현장에서요구도가높은금속소재연구에집중하고있음. 이와관련해 2014년 3월경제산업성은대학및민간기업과산업기술총합연구소가공동으로참여하는 금속분말 3D 프린팅기술개발프로젝트 를추진한다고발표함. 2014년부터진행될본프로젝트 (5년) 는시작첫해에만 37억엔의예산이투입될예정이며, 금속분말을이용하는 3D 프린팅단말및관련소재개발에주력하고있음

36 2. 국내정책동향 미래창조과학부 ( 미래부 ) 와산업통상자원부 ( 산업부 ) 는 3D 프린팅산업발전전략 을공동으로수립하여, 2014년 4월 23일국가기술심의위원회를열어 2020년까지전세계 3D 프린터산업의선두로올라선다는목표하에국내 3D 프린터산업지원정책을의결함. 3D프린팅활용수요창출및국내장비 소재 SW 관련산업성장을위한 4대추진전략및 11대세부추진과제를마련함. [ 표 4] 3D 프린터산업육성핵심에따른 4 개분야및세부내용 [ 성장기반조성분야-기업제조혁신 ] 산업현장에서 3D프린팅기술을시범적으로적용하여해당사업에활용할수있도록종합지원기반을마련함. 6) 특정거점별 3D프린팅공정전반 ( 모델링 프린팅 후처리 ) 관련장비를통합구축하고중소기업에기술도입및컨설팅등을지원함. 전국장비보유현황및관련기술전문가등인프라를활용할수있도록온라인정보제공시스템을구축함. 온라인시스템의활용도를높이기위해중소 벤처기업대상주문형소량생산 (On-demand) 시범사업을추진함. 3D프린팅도입필요성에공감대가부족한영세 중소기업대상으로 찾아가는시제품제작서비스 7) 를운영함. [ 성장기반조성분야-국민참여촉진 ] 일반국민의접근성과사용편의성을고려한체험환경조성및경진대회개최등대중의관심을제고함. 과학관, 도서관등무한상상실에 3D프린터를보급하고, 일반인스스로창작 체험할수있는셀프제작소를구축 운영함. 과학관, 박물관등공공시설중심시범설치 접근성용이한주민센터등을확대함. 6) `3D 프린팅기술기반제조혁신지원센터구축 ' 사업 ( 14, 20 억원 ) 수행함. 7) 3D 프린팅장비를탑재한차량이현장을방문, 시제품제작등수행함

37 무한상상실, 셀프제작소의상호정보공유를위한지역거점으로창조경제혁 신센터내국민참여네트워크를구축 운영함. 3D프린팅활용우수사례발굴을위한 3D프린팅창의아이디어개발 경진대회 개최등대국민홍보를추진함. [ 성장기반조성분야 -인력양성 ] 교육프로그램운영 개발및실습용장비보급추진함. 초 중 고, 대학등에 3D프린팅관련교육커리큘럼개발및실무형교육을추진함. 무한상상실 ( 초 중 고, 과학관등 ), 마이스터고등을대상으로장비보급을추진함. 3D프린팅을활용할수있는인적기반조성을위해기초 실무 지도자급수준별 교육프로그램을운영함. [ 시장활성화 분야-모델발굴 사업화 지원 ] 응용분야별 新시장창출을 위한 비즈니스모델발굴및업계정보교류의장을마련함. 제품 서비스에대한아이디어, 사업계획을발굴하여, 사업화지원, 마케팅및 경영컨설팅등종합지원을제공함. 3D프린팅컨퍼런스 개최, 비즈니스리뷰발간등정보교류지원함. [ 시장활성화분야-콘텐츠시장 ] 3D프린팅용디자인콘텐츠생태계조성을위해 3D프린팅디자인유통플랫폼 을구축함. 앱스토어사례와같이프리랜서, 디자이너등의디자인 설계창업확산및 3D프린팅산업저변확대를도모함. 향후 3D프린팅관련원스톱정보서비스제공및각시스템의연계운용을 위한 3D프린팅콘텐츠유통플랫폼 을구축 운영함. 미래부 ( 특허지원시스템 ), 산업부 ( 디자인유통플랫폼등 ), 무한상상실및지자체 시스템과연동및창조경제타운과연계함. [ 시장활성화분야-창업 글로벌화지원 ] 소자본창업을위한종합지원체계마련 및유망한비즈니스모델의글로벌진출지원전략을수립함. 창업 전주기별 지원을 위해 전문창업 지원 프로그램을 개발, 특허 정보제공 IP-R&D전략 8) 확대를추진함. 국가별 모델별해외진출을위한컨설팅및파트너발굴등해외시장판로 개척을지원함 ( 미래글로벌창업지원센터연계 ). 국가간 3D프린팅콘텐츠상호유통및보호방안을검토함. [ 기술확보분야-전략기술로드맵수립 ] 3D프린팅요소기술분야별기초 원천 연구에서사업화까지全주기적세부기술개발전략을수립함. 국내산업수요연계 ( 단기 ), 세계시장선도 ( 중장기 ) 를목표로융 복합형기술을 중점발굴하고지원전략을마련함. 장비 소재 SW분야의산 학 연전문가및수요기업으로구성된작업반을운영함. 8) 특허지원센터를통한국내외특허현황분석 제공, 첨단소재부품 IP-R&D 전략지원사업등에 3D 프린팅분야추가검토함

38 [ 기술확보분야-소재 장비기술경쟁력강화 ] 소재 장비연계형기술개발및사업화를위한 R&D 과제를추진함. 개발된소재를장비와연계해사업화할수있는전용소재-장비종합形기술개발및차세대창의신소재를개발함. 고속 고해상도, 다색 다소재프린팅, 하이브리드장비기술, 스캐닝디바이스등산업용장비기술개발을추진함. [ 기술확보분야-SW 기술개발 ] 국산SW 기술개발및대중화를촉진함.1 3D프린팅 SW원천 응용기술확보등 ICT 융합기술개발및인터넷 모바일연계등이가능한지능형 SW기술개발을지원함. 향후장비운용 SW 등기술자산정보를 SW뱅크에등록하여결과물의상용화를촉진함. [ 제도정비분야-법 제도개선 ] 법 제도상장애 개선요인을발굴 정비하고, 표준및품질평가체계를마련함. 3D프린팅산업진흥과역기능 ( 무기류, 환경안전관리등 ) 방지등을위한법규제등개선방안을마련함. 3D프린팅장비, 소재및 SW 등표준및거래 유통 환경품질평가체계를마련함. [ 제도정비분야-보안강화 ] 3D프린팅시스템 서비스보안을강화함. 정보보호가이드마련및시스템해킹방지기술개발등을추진함. 최근우수기술연구센터 (ATC) 기술개발사업을통해지원된 3D 프린팅기반의디지털설계및제조환경구축을위한융합데이터처리및모델링원천기술개발 과제가근접한것으로판단됨. 산업통상자원부에서는 3D 프린팅산업발전전략포럼 을개최하고, 2013년 7월정책수립계획을발표함. 제도분과, 기술분과및산업응용 사업화분과위원회를구성하여산업기반조성및활성화방안을수립할예정임. 현재 3D 프린팅기술관련 R&D 지원은비교적제한적임. 2013년미래창조과학부는경제 윤리 사회 문화 과학기술 환경의관점에서 3D 프린팅활용기술 의기술영향평가를진행중임. 소재, 3D 스캐닝 모델링, 3D 프린팅공정및활용등에한해기술영향평가를수행하며, 단기 (5년내 ) 및중장기 (5년후 ) 로나누어분석함. 기술영향평가결과는국가연구개발사업의연구기획에반영되거나, 기술개발의부정적영향을최소화하기위한대책마련에활용됨. R&D 과제로는 2010년부터 2015년까지연구개발중인 나노스케일 3D 프린팅시스템 사업을지원중에있음. 2009년부터 2016년까지의 3D 프린팅관련정부부처주관연구개발현황은표 6과같이조사됨

39 [ 표 5] 3D 프린팅관련정부 R&D 현황

40 μ

41 μ

42 3D 프린팅관련정부 R&D 총과제중각기관별차지한비중을살펴보면, 전체국가R&D 연구과제중건축분야의경우는단 3건으로약 3% 정도인것으로조사됨. 과제내용을살펴보면, 융 복합 3D 프린터개발, 플랫폼및시스템개발, 의료분야, 제조분야등다양한산업군에서 3D 프린팅을연구하고있었으나, 건축분야에서는 3D 프린팅적용건설기술및건축대상에대한연구실적이미비해걸음마단계수준인것으로조사됨. 3. 결론및시사점 현재 3D 프린팅기술선진국은제조업기반으로집중적인지원정책및예산투자를해오고있기에, 본연구범위인건설업관련 3D 프린팅국가정책에대한정부투자및전략계획이아직은시도되지않고있는것으로조사됨. 국내 3D 프린팅관련지원정책은 3D 프린팅기술선진국실정과마찬가지로, 제조및 IT 산업에대한지원방향및투자가형성되어있고, 국가 R&D 중건축분야에해당되는연구과제는단 3건으로다른분야에비해상당히부족한실정으로조사됨. 국내외정책동향조사결과에따라, 현재국내외국가에서는정부주도의건설업내 3D 프린팅적용지원정책및예산투자의흐름이전무할정도로미흡한시작단계이지만, 지속적인관련기술개발및예산투자를통해국내건설업의성장수단으로건축특화 3D 프린팅관련기술및출력물개발이필요함. 국외 3D 프린팅선진국에비해후발주자이지만, 국외선진국조차도대부분이제조업을살리기위한전략이기에글로벌 3D 프린팅적용건설시장선점을위해국내정부주도의 3D 프린팅적용건설업에특화된지원정책및예산투자를통한적극적인기술개발이필요함, 또한, 현재 3D 프린팅기술의특허가만료된점을토대로건설업특화된새로운방식의원천기술개발이필요함

43 제 2 절국내외시장현황및전망 1. 국외 3D 프린팅시장규모및전망 3D 프린팅시장규모는일반프린터에비해미미한수준이나두자리수의높은성장세가기대됨. 영국시장조사기관인 Canalys 에서는세계 3D 프린팅시장은 2013년 25억달러에서 2018년 162억달러까지성장할것으로보이며, 연평균성장률 (CAGR) 은 2013~2018년기간동안 45.7% 로예측함. 9) [ 그림 9] 세계 3D 프린팅및관련서비스시장규모전망 3D 프린터의국가별시장점유율현황은미국 (38.3%), 일본 (10.2%), 독일 (9.3%), 중국 (8.5%) 등의선진국중심으로시장이형성되어있으며, 한국은 (2.2%) 의점 유율을차지함. 9) 2015 년기준으로전체시장규모는있으나, 세부사항이없음

44 산업별점유율 [2011] 국가별누적점유율 [ ] [ 그림 10] 글로벌시장산업 / 국가별점유율 산업별점유율을보면, 소비재 / 전자제품이 20.3% 로가장많은비중을차지하며, 다음으로자동차 / 운송 (19.5&), 의료 / 치과 (15.1%), 항공 / 우주 (12.1%) 순이며건축은 3% 의점유율을차지함. 현재미국, 일본, 독일, 중국시장이전체시장의절반이상을차지하고있으며, 소비재 / 전자제품, 자동차, 의료 / 치과, 산업기계 / 사무기기, 항공 / 우주등의순으로산업분야별높은 3D 프린팅활용비중을나타냄. 10) 2013년기준산업별점유율은소비자 / 전자제품영역이 22% 가장높으며, 자동차 (19%), 의료 / 치과 (17%), 산업기계 / 사무기기 (13%), 항공 / 우주 (10%) 순으로높은점유율을나타남. 2. 국내 3D 프린팅시장현황 11) 국내 3D 프린팅시장은 2009년부터전년대비 30~40% 의고성장하여 2012년시장규모는약 300억원으로추정되고있지만, 국내시장은아직초기단계이고, 국내시장에서활용되는 3D 프린터의 90% 가수입품인실정임. 국내 3D 프린터활용분야는휴대폰케이스, 자동차, 가전, 의료기기, 완구, 방위산업, 신발산업등제조업이대부분이며, 건설업에서의활용은시도조차전무하고, 3D 프린팅산업내산업별시장규모및전망이파악조차되지않는상황임. 12) 3D 프린터장비관련원천기술취약, 소재및소프트웨어개발부족등으로우리기업들의세계시장참여는미진한상황이며미국등글로벌선도기업 10) 자료출처 : Wohlers Associates, ) 한국과학기술정보연구원,

45 이 3D프린터핵심원천기술 (SLS, SLA 등 ) 을주도하고있기에, 현재의국내기업들의장비제조기술력으로는시장점유율을높이기어려운실정임. 국내외 3D 프린팅기술시장점유율로인한관련기술개발의미흡으로 3D 프린팅소재및소프트웨어개발도진행되지않고있어대부분외국기업에의존하는악순환이반복되고있음. 이러한실정에서국내 3D 프린터제조업체중캐리마社와로킷社가내수시장에서는그나마가장활발하게 3D 프린터시장을공략하고있음. < 캐리마社 > 의 3D 프린터 마스터 > < 로킷社 3D 프린터 에디슨 > [ 그림 11] 캐리마社와로킷社의 3D 프린터 캐리마社는 5년의연구개발기간과 50억원을투자하여 2009년거의모든부품이국산화되어제품의조립및생산된 3D 프린터 마스터 를개발함. 로킷社는 3D 프리터오픈소스기반으로국내최초데스크톱형상용프린터인 에디슨 을개발함. 이외에산업용 3D 프린팅시장에서두각을나타내는회사는현재까지기술개발및상품화를완료한인스텍社가있음. 인스텍社는 DMT기술을기반으로금속분말과레이저를활용하여금형과조형물을생산가능한장비를개발뿐만아니라, 원천기술을보유하고있고국내전자회사, 의료회사, 연구소등에납품하고있음. 국내에서는 3D 프린터사업을진행하는기업이많지않은실정에서상장기업으로는엔피케이社가 3D 프린터주원료인열가소성수지의착색컴파운드및고농도안료의뱃지설계-개발-생산-판매를진행하고있음. 세중社의경우지분 68.53% 를보유한연결대상자회사인세중정보기술이미국 3D 프린팅업체인 3D시스템스 (3DSYSTEMS) 社의한국시장내판권을보유및 A/S를지원하고있음. 현재까지의국내 3D 프린터시장은산업소재, IT 부품, 의료부품등의소재분야가높은비중을차지하고있는실정임

46 장비제작과원천기술측면에서기술개발속도가더딘실정이나, IT 및정밀화학등의연관산업과의시너지가본격화될경우시장의성장및발전속도가활발해질것으로전망함. 13) 건축분야에서의활용은전무한수준이며, 일부건축모형과인테리어소품제작에만한정되어활용함. 최근케이디씨 (KDC) 업체가 MOU를통해중국의 3D프린트건축전문기업 ( 윈선 ) 과 3D프린팅건축기술제휴를맺으며 3D프린팅건축분야에진출함 3. 결론및시사점 국외 3D 프린팅시장은 2013년 25억달러에서 2018년 162억달러까지성장할것으로예측되고있음. 국외시장점유율은건축분야가전체의 3% 정도이고, 한국은전체의 2.2.% 정도를점유하고있음. 국내 3D 프린팅시장규모는 2012년약 300억원으로추정되고있지만, 국내 3D 프린팅활용산업별시장점유율및전망이정량적으로파악되지못하는실정임. 국내시장내활용되는 3D 프린터의 90% 가수입할정도로국내기술력이상당히미흡한실정임. 이는 3D 프린팅선진국 / 기업들이전체시장을주도하기에 3D 프린팅장비, 소재, 소프트웨어등의개발에대한진행이어려운상황임. 이에따라, 3D 프린팅기술개발후발주자로써, 제조업관련기술개발뿐만아니라, 시장선점을위해 3D 프린팅기술활용이미흡한건축분야의 3D 프린팅관련원천기술개발에집중할필요가있음. 현재까지건축물을출력할수있는 3D 프린팅기술이전무하기에인간이거주및사용할수있는적정규모의구조체를출력할수있는건축분야의특화된 3D 프린터개발이필요함. 또한, 3D 프린터로출력된건축물이기존건축물성능을구현하기위해장비개발뿐만아니라, 동시다발적으로설계및시공기술, 소재등의관련기술개발이필요함. 13) IRS Global, 3D 프린팅 ( 프린터, 소재 ) 시장, 기술전망과국내외참여업체사업전략,

47 제 3 절기술동향분석 1. 특허동향분석 본연구에서는국가별 3D 프린팅기술관련특허조사를위하여약 1억건의특허데이터베이스를구축한지식재산전문기업인 WIPS(Worldwide Intellectual Property Service) 내 wips on 을통해특허청지정선행기술전문조사기관의특허정보검색및기술현황을파악하였음. [ 표 6] 검색 DB 및검색범위 [ 표 7] 검색키워드및로우데이터 [ 표 8] 국가별유효데이터 특허검색 DB 대상및검색범위 본분석에서는한국, 미국, 일본및유럽의공개 / 등록특허를분석대상으로하여, 각기술트리에부합하는유효특허를추출하였고, 1995년 1월 1일부터 2015년현재까지출원공개및등록된특허를분석대상으로하였음

48 검색키워드및로우데이터 본분석에서는 3D 프린팅기술에대한핵심키워드를추출하여검색키워드를작성하였으며, 작성된키워드를 WIPS DB에적용하여총 6,697건의로우데이터를추출하였음. 키워드를이용한키워드입력시중요특허를누락시키지않도록하기위하여외래어나외국어, 동의어및유사어, 단복수, 변화형, 하이픈 (-), 절단자 (*) 등여러가지표현을고려하여작성하였음. 유효데이터 국제특허분류, 발명의명칭, 요약및특허청구범위를참조하여총 5,158건의로우데이터에서노이즈에해당되는건을제거하는방식을통해총 4,724건의유효데이터를추출하였으며, 국가별연도별출원건수는표 15과같음. 특허기술현황조사 특허기술현황에서는조사대상국인한국, 미국, 일본및유럽에서의주요국가기술개발활동현황, 구간별출원인수와출원건수의증감정도의분석을통한기술시장성장단계등의확인을통해국가간기술경쟁력현황을조사하였음. 상위 Top 10의출원인도출을통하여주요경쟁자현황및 IP로주요시장국가를분류하고, 주요경쟁자들의최근 3년증감률을통해주요경쟁자들의최근기술개발상황과신규시장진입자를파악하였으며, 상위 Top 10 경쟁자들의연도별기술개발현황을조사하였음. [ 표 9] 연도별 3D 프린팅기술관련특허출원건수 단위 : 건수

49 3D 프린팅기술분야관련특허주요보유국가의연도별특허점유율및증가 율은그림 19 와같음. [ 그림 12] 국가별특허점유율과증가율 3D 프린팅기술관련특허검색결과, 해당기술분야의관련특허는 2000년을기점으로 2010년까지지속적인성장곡선을보이고있음. 3D 프린팅기술관련기기의상용화및보급형제품이출시되고, 기존산업용샘플위주로찍어내던기술에서시계, 신발, 휴대전화케이스, 자동차부속품까지 3D 출력이가능한기술이개발되어발전하는시기와일치함. 3D 프린팅관련기술은 2010년을기점으로감소세를보이고있으나, 2015년세계시장조사기관들은 가장주목받는 IT기술 중하나로선정되어지속적인증가세가전망됨. 2013년미국오바마정부가제조업부흥을위한 10대핵심제조기술로선정하였고, MIT, 맥킨지 (Mckinsey Global Institute), 다보스포럼의 유망기술글로벌어젠다카운슬 등에서주목받는기술로선정됨에따라지속적인연구개발및특허출원이발생될것으로판단됨. 미국 IT분야 Research&Advisory 전문업체인 Garther 는 3D 스캐너및디자인도구관련의발전으로 3D 프린팅기술이단기제조분야를포함해건설, 엔지니어링, 토목, 의료분야등으로확대될것으로전망함에따라 3D 프린팅관련특허는향후에도지속적으로출원될것으로보임. 특허문헌은특허출원후 1년 6개월이경과한후에출원정보가공개되므로, 2013 년이후의감소세는미공개특허출원이공개되는시점에회복될가능성이있을것으로판단됨

50 ( 가 ) 국가별 3D 프린팅기술관련특허출원현황 1 한국 한국은총 1,267 건의 3D 프린팅기술관련특허를보유하고있으며, 특허출원 건수는그림 20 과같음. [ 그림 13] 연도별한국 3D 프린팅기술관련특허출원건수 한국의경우 3D 프린팅기술관련특허출원이 1995년에 30건을넘지못하나, 1999년부터 33건을시작으로소폭증가하기시작하였음. 매년약 50~70건의 3D 프린팅기술관련특허출원을하였으며, 2000년 44건을기점으로증가세를보이기시작함. 이후 2009년 76건에서 2010년에 141건으로출원건수가약 86% 의가장큰폭으로증가하였으며, 2011년에 163건의출원을하며현재까지가장많은특허출원을하였음. 그러나 2012년부터다시특허출원건수가감소하는것을확인할수있음. 1995년부터 2014년까지평균 63.35건의특허출원건수를기록하고있음. 한국의경우, 최근 3D 프린팅기술관련특허의출원비율이점차높아지고있으나, 선진국에비하여출원건수가매우적으므로앞으로정부의시장점유율을높일수있는산업의전략적인지원정책및투자가필요할것으로판단됨

51 2 미국 미국은총 2,204 건의 3D 프린팅기술관련특허를보유하고있으며, 특허출원 건수는그림 21 과같음. [ 그림 14] 연도별미국 3D 프린팅관련특허출원건수 미국은가장독보적인특허출원건수및성장세를보이며, 매년한국대비약 2~3배의 3D 프린팅기술관련특허를출원해왔음. 실제로 3D 프린팅기술관련전체특허출원건수 (5158건) 중미국이보유한특허는 1658건으로 32.14% 비중을차지하고있음. 또한, 미국내특허출원건수 (2326건) 중여타국가국적출원인이 815건으로 35.04% 비중을차지하고있는실정이기에현재까지 3D 프린팅기술관련특허출원건수는미국이압도적으로시장을주도하고있음. 3D 프린팅기술관련특허보유업체중 1, 2위를차지하고있는 Stratasys 와 3D Systems 가미국기업임을감안하면, 향후에도 3D 프린팅기술개발에있어미국의강세는지속될것으로판단됨. 14) 이에따라, 전략적으로시장점유율을높일수있는 3D 프린팅기술개발이가능한산업별핵심분야를파악하는것이필요할것으로판단됨. 14) 그림 26 참조

52 3 일본 일본은총 995 건의 3D 프린팅기술관련특허를보유하고있으며, 특허출원건 수는그림 22 와같음. [ 그림 15] 연도별일본 3D 프린팅기술관련특허출원건수 일본의경우, 1995년에 56건으로 2000년까지미국 (23건) 보다상대적으로더많은특허출원건수를기록하였고, 1995년부터 2009년까지연평균 44.2건의출원건수가지속되고있음. 일본에서 1980년 4월, 코다마히데오가 ( 나고야공업시험소 ) 출원한액상광경화수지를고체층으로형성하여제품으로만드는 특개소 : 입체도형작성장치 가 3D 프린터의시초였으며, 이후파생적으로많은특허들이출원되기도하였음. 3D 프린팅기술관련특허출원건수가 2009년 (56건) 대비 2010년 (97건) 에약 73% 의증가율을보이며, 가장많은특허출원건수를기록하였고, 2011년에 96건의특허출원을기록하면서, 이후로는특허출원건수가감소하고있는추세임

53 4 유럽 유럽은총 258 건의 3D 프린팅기술관련특허를보유하고있으며, 특허출원건 수는그림 23 과같음. [ 그림 16] 연도별유럽 3D 프린팅기술관련특허출원건수 유럽의경우, 1995년에특허출원건수가 14건을시작으로, 1997년 8건으로해당연도다른국가들 ( 한국 : 25건, 미국 : 38건, 일본 : 28건 ) 에비하여낮은특허출원건수를기록하였으며, 1995년부터 2014년까지연간 20건을넘지않는특허출원건수를보이고있음. 3D 프린팅기술관련특허보유업체중상위 1,2위를차지하고있는미국국적의기업인 3D시스템스 (3D Systems) 와스트라타시스 (Stratasys) 의경우에도유럽및일본을비롯하여다수의지역에서 3D 프린팅기술관련특허를출원중임. ( 나 ) 3D 프린팅기술관련특허보유주요국가출원인 / 기관현황 각국가별 3D 프린팅기술관련특허의주요출원인을조사한결과, 미국출원인이각국가별최상위특허출원건수를기록하고있음. Z CORP, 3D시스템스 (3D Systems), 스트라타시스 (Stratasys) 가가장활발한특허출원활동을보이고있음. 상기의주요기업들은자국내의특허출원뿐만아니라, 타국가내특허출원활동도활발히진행중이며, 3D시스템스 (3D Systems) 와스트라타시스 (Stratasys) 는

54 해외특허출원건수의 70% 이상이유럽에집중되어있고, Z CORP 의경우, 해외 출원의 60% 가한국, 일본, 중국등아시아에집중되어기업별전략적활동국 가가구분되어있는실정임. 산업용은 3D 시스템스 (3D Systems) 와스트라타시스 (Stratasys) 가, 개인용은렙랩과메 이커봇이 3D 프린팅기술시장을독과점하고있음. [ 표 10] 3D 프린팅기술관련특허등록및출원주요국가출원인 / 기관현황 15) 한국지식전략개발원은특허출원건수를조사대상에포함하였기에국가별특허출원건수를조사한통계자료의수치가본연구기관과의조사통계수치가상이함

55 ( 다 ) 출원인 / 기관별 3D 프린팅기술관련특허보유현황 3D 프린팅기술관련분야의주요특허출원인의점유율은그림 24 와같음. 16) [ 그림 17] 주요기업의 3D 프린팅기술관련특허점유율 ( 출원인 / 기관 ) [ 표 11] 3D 프린팅기술관련특허보유출원인 / 기관 Top 10 16) 기업명이아닌개인명으로특허를출원하는경우가발생되어, Stratasys 의경우 21 건으로검색되어 3D 프린팅기술관련특허점유율에서제외되었음

56 최다출원기업으로조사된 3D시스템스 (3D SYSTEMS) 의경우현재 3D 프린팅시장에서특허주요출원국가를대상으로다수의패밀리 ( 연계 ) 특허를출원하여관리하고있음. 그러나국내출원인의경우에는엘지전자주식회사, SAMSUNG 및한국전자통신연구원의수치를통하여, 대부분자국에서특허를출원하여자국내시장을점유하기위한것으로판단할수있음. 미래기술연구센터 (ETRC) 와특허DB 전문업체광개토연구소등의조사기관에서는미래 3D프린터시장판도를좌우할 핵심기술 Top9 을발표하였음. [ 표 12] 미래 3D 프린터시장핵심기술 Top 9 컴퓨터그래픽처리기술 3D 형상을컴퓨터상에서구현하는그래픽처리기술을말하며, 최근 1년간특허거래가가장많은기술로분석되었음. 최근 1년간거래된특허의수는 24건으로, 이는 3D프린터주목기술중가장높은수치임. 현재 3D시스템즈 (3D Systems) 의경우관련특허를 27건보유하고있음. 3D 형상제조법 현재까지총 71건의특허가등록되어특허등록이가장많은기술로분석되었음. 최근 3년동안에만 19건의특허가등록되었으며이는 3D프린터핵심기술중가장높음. 3D시스템스 (3DSystems) 는관련특허를 43건, 스트라타시스 (Stratasys) 는 19건보유하고있음

57 스테레오리소그래픽형상기술 액체상태의수지에레이저를조사해고체상태의형상을제조하는기술임. 최근 1년간특허출원이가장급등한기술로분석되었으며, 최근 1년간출원된특허수는총 6건으로 3D프린터핵심기술의최근 1년간평균출원특허수가 2.7건임을감안할때상대적으로높은수준임. 3D시스템스 (3DSystems) 는관련특허를 37건, 스트라타시스 (Stratasys) 는 3건보유하고있음. 방사에너지적용기술 레이저또는전자빔을직접작업에활용하기위한방식으로, 지난 10년간등록된특허수가총 20건이며, 이중 7건이최근 3년내등록이되었음. 이기술은지난 3년간관련기업들로부터총 267건인용되는등 3D프린터핵심기술로주목받고있음. 방사에너지애플리케이션기술 레이저또는전자빔을물체에조사하며작업하는응용기술로써, 최근 3년간 13 건의특허가등록되었으며, 3D시스템스 (3DSystems) 와스트라타시스 (Stratasys) 는관련특허를각각 22건, 13건보유하고있음. 특히방사에너지기술은최근 3년간관련업체들로부터총 139건인용되는등최근영향력이높은 3D프린터기술로평가받았음. 잉크젯매커니즘및제어기술 3D프린터전통방식중하나인압출적층방식 (FDM) 의헤드제어에속하며주로재료를뿌릴때활용되는기술로써, 최근 1년간거래가가장활발한영역으로나타났으며, 지난해에만총 18건의특허가거래됨. 3D시스템스 (3DSystems) 와스트라타시스 (Stratasys) 는잉크젯매커니즘및제어기술관련특허를각각 25건, 4건을보유중임. 적층형몰딩기술 소재를한층씩쌓아가면서입체형상을만드는기술로압출적층방식 (FDM) 에해당되며, 최근개인용 3D프린터에서주로활용되고있음. IP 분쟁리스크 17) 가가장급등한기술로써, 지난해에만관련총 9건의소송이발생함. 이는미래 3D프린터핵심기술가운데가장높은수치이며, 현재 3D프린터시장이초기단계로소송수가높지않지만, 향후특허소송발생가능성이높은기술로분석되고있음. 이동형패턴제어부분 3D프린터헤드또는물체를올려놓는플랫폼의이동을제어하는기술로써, 3D프린터핵심기술중에서 IP Activity( 피인용지수 ) 가활발한특허임. 3D시스템스 (3DSystems) 와스트라타시스 (Stratasys) 는이기술의관련특허를각각 24건, 10건보유하고있음. 3D프린팅소재기술 최근 3년간특허가급등하였으며, 현재총 57건의특허가등록되었음. 이가운데 19건특허가최근 3년사이등록되었으며, 3D시스템스 (3DSystems) 는 3D프린팅 17) 특허소송이빈발하거나, 발생가능성이높아진기술

58 소재기술관련특허를 24건, 스트라타시스 (Stratasys) 는 7건을보유하고있음. 3D프린터기업을분석한결과 3D시스템스 (3DSystems) 는전체보유특허 417개중 58.7% 가, 스트라타시스 (Stratasys) 는보유특허 156개중 44.2% 가미래 3D 프린터핵심기술에포함되어있음. 그외 3D프린터전문기업들도평균 60% 대의관련특허기술을보유하고있음. 대표적인사례로스트라타시스 (Stratasys) 가보유한객체 (Object) 프린터기술이있으며, 이기술은프린터헤드를여러개만들어최대 18개물질까지한꺼번에출력할수있도록해주는기술로써, 프로토타입을대량으로제작하는데유용한기술임. 이외에도스트라타시스 (Stratasys) 와 3D시스템스 (3DSystems) 등의소수주요업체들이보유한수많은특허권때문에 3D 프린터업체들이여전히쉽게제품을만들지못하고있음. 전자프론티어재단 (EEF) 을비롯한많은단체들이 3D 프린팅기술을오픈소스로만들기위해노력하고있지만특허문제가쉽게풀리지는않고있음. ( 라 ) 3D 프린팅기술관련특허의만료및소송사례 3D 프린팅기술관련보유기관별만료된 3D 프린팅기술관련특허건수는표 18과같음. [ 표 13] 2014 년기준 3D 프린팅기술관련특허만료현황 출처 : WIPS 특허정보서비스 DB 지난 2009년스트라타시스 (Stratasys) 가보유한압출적층방식 (FDM: Fused Deposition Modeling) 특허가만료되면서렙랩 (RepRap) 과같은오픈소스프로젝트가가능해졌음. FDM은필라멘트형태의플라스틱소재를녹여노즐을통해분사, 재료를층층이쌓아물체를만드는방식으로, 이특허의만료로인하여저가 3D프린터시장이확대되기시작했으며, 국내기업의 3D 프린터제품을쉽게만날수있게되었음. 특허만료이전에는 FDM 3D프린터가격이수천만원에달했으나특허가만료된현재다양한저가 3D프린터가출시돼개인용시장이활성화되었음. FDM 방식특허는 3D프린터선도기업인스트라타시스 (Stratasys) 가가장많이보유했고, 현재까지 9건이만료됐으며, 향후 3년내 1건이추가적으로만료될예정임

59 2014년 2월에는 3D시스템스 (3DSystems) 가보유한선택적레이저소결조형방식 (SLS: Selective Laser Sintering) 의주요핵심특허만료가되었음. FDM 특허의만료와마찬가지로이를응용한제품활성화및가격하락이예상됨. 이에미국, 독일등주요장비제조기업이외에도후발주자들의연구개발 (R&D) 과특허기술확보움직임이가속화되고있는추세이며, 3D 프린터시장의성장도유지될것으로판단됨. 특히 SLS 방식은 FDM 방식이단순히플라스틱정도에만활용했던것과달리금속, 세라믹등다양한소재를활용할수있기때문에, 이에따라금속소재가많이활용되는자동차, 항공, 선박, 의료등제조업패러다임에큰변화가일어날전망임. SLS 방식특허는원천특허기술을보유하고있던 3D시스템스 (3DSystems) 가가장많이보유했으며, 그중 22건이만료되었음. 향후 3년내추가적으로 6건이만료될예정임. 3D시스템스 (3DSystems) 는광경화수지조형방식 (SLA:Stereo Lithographic Apparatus) 기술에, 스트라타시스 (Stratasys) 는 FDM 분야에서만료특허가됨. SLA 방식은액체광경화성수지가담긴수조안에저전력, 고밀도의 UV 레이저를투사해경화시키는방식으로정교한출력이가능한것이특징이며, 각기업이 FDM과 SLA 방식의독점및선두주자였던만큼, 이로인하여선도기업의핵심특허만료로후발기업들은 SLA는물론 FDM과 SLS 기술관련특허장벽도약화돼시장진입이보다쉬워질것으로보였음. 또만료특허를다량보유한선발기업들은자본력을바탕으로 M&A나특허매입등선점전략을펼칠것으로예상됨. SLA 방식특허는 3D시스템스 (3D Systems) 가가장많이보유했으며, 이중현재까지 52건이만료되었음. 향후 3년내 31건이추가적으로만료될예정임. 지금까지 3D프린팅대표기업인 3D시스템스 (3D Systems) 와스트라타시스 (Stratasys) 가보유한특허중각각 75개, 16개가만료되었음. 18) 선도기업의핵심특허만료로후발기업들은 SLA는물론 FDM과 SLS 기술관련특허장벽도약화돼신규기업의시장진입이보다쉬워질것으로보임. 만료특허를다량보유한선발기업들은자본력을바탕으로 M&A나특허매입등선점전략을펼칠것으로예상됨. 그러나만료가된 3D 프린팅기술관련특허외에도아직보유중인객체프린터관련디자인핵심기술및주변기술등은여전히선두기업에종속되어있으며, 사용하려면거액의로열티를물어야함. 그렇기때문에신규국가및기업이단기간에선점기업들과어깨를나란히할수는없다고판단됨. 18) IP 노믹스보고서 3D 프린터, 기회인가?, 전자신문미래기술연구센터 (ETRC),

60 [ 표 14] 2015 년이후 3D 프린팅기술관련특허만료예정현황 출처 : WIPS 특허정보서비스 DB 향후 3년내추가적으로만료될 3D 프린팅기술관련특허는 3D시스템스 (3DSystems) 가 41개, 스트라타시스 (Stratasys) 가 3개예정되어있음. 3D시스템스 (3DSystems) 는광경화수지조형방식 (SLA:Stereo Lithographic Apparatus) 기술에, 스트라타시스 (Stratasys) 는압출적층방식 (FDM: Fused Deposition Modeling) 기술에만료특허가집중되어있음. 향후 3D프린팅기술시장은선도기업의핵심특허만료로인해이를응용한제품활성화및가격하락이예상되며, 이에미국, 독일등주요장비제조기업이외에도후발주자들의연구개발 (R&D) 과 3D 프린팅기술관련특허기술확보움직임이빨라지고있음. 실제로 3D시스템스 (3DSystems) 와스트라타시스 (Stratasys) 가보유한 3D프린터핵심만료특허가운데인용수가많은특허가소송에많이활용되고있음. 3D 프린팅기술관련핵심특허를보유한기업이나단체는해당핵심특허에관련된수많은개량특허를보유하여견고한특허장벽을구축하고있음. 대표적으로국내시장공략에적극적인것으로평가되는스트라타시스 (Stratasys) 가아피니아를상대로 2013년미네소타지방법원에제기한특허침해소송이있음. 피고인아피니아는마이크로보즈 (Microboards Technology, LLC) 의자회사로서중국에서 3D 프린터 (Afinia H-Series) 을수입해서판매하고있음. 최근 3년동안총 15건의특허소송이발생했고, 이중 3D시스템스 (3D Systems) 社가제기한소송이 7건에달하고있음. 3D시스템스 (3D Systems) 와스트라타시스 (Stratasys) 는국내에도각각 77건, 12건의 3D 프린팅기술관련특허를보유하고있으며, 특히이들기업은보유특허중인용수가많은특허를소송에활용하고있으므로이에대한주의가필요함. 또한, 우리나라의경우, 미국및일본, 중국등에비해기술개발및특허권확보가부족한상황이므로, 이에대한민관합동의전략적인투자및마스터플랜수립이필요함 3D시스템스 (3D Systems) 와스트라타시스 (Stratasys) 를필두로하여, 현재상용화된대부분의 3D프린터주요기술들의특허가일부기업에의해독점이되고있는상황임

61 한때급속한성장을보이며 3D 프린팅에관한연구가진행이되었으나, 현재주요독점기업이있는미국의출원건수저하로미루어기존의기술은이미포화상태에있다고볼수있음. 그러나 3D 프린팅의필요및발전분야는여전히존재하기때문에지속적으로연구및실용화는되고있으나, 원천기술이이미기존기업에게권리가있기때문에사용이여의치않고, 만료된기술을중심으로하여개선제품을선보여도연관특허및선점기업들의전략으로인해활성화되지못하고있음. 이에따라, 기존의기술및기업과부딪히지않는새로운기술의개발이필요하며, 이를통해신규특허출원의감소를다시증가세로돌릴수있는계기가될것으로판단됨

62 3D 프린팅관련하여조사되었던기존자료들에서건축과직접적으로관련된특 허를추출하였음. [ 표 15] 국가별 3D 프린팅건축특허현황 [ 표 16] 국가별 3D 프린팅건축특허내용

63 1 한국 한국은총 1건의 3D 프린팅건축기술특허를보유하고있음. 3D 프린팅장치를이용한시공방법에관한것으로, 베이스프레임과, 베이스프레임의상부에설치되는이동부위, 프린트원료를토출하는압출헤드, 분말금속을분사하는분사노즐을포함하는 3D 프린팅장치기술을개발함. 또한, 이를이용한시공방법을출원하였음

64 2 미국 미국은총 2건의 3D 프린팅건축기술특허를보유하고있음. 미국의특허는생산시스템과관련된것으로, 다수의 3D 프린터를연결하여제품을제작하고전달하는방식임

65 3 중국 중국은총 11건의 3D 프린팅건축기술특허를보유하고있음. 중국은현재가장많은 3D 프린팅건축기술의특허를출원하였으며, 실제로현재 3D 프린터를활용한건설사례도다수존재하고있음. 3D 프린팅건축용재료의시험및기존콘크리트재료의 3D 프린터출력가능기술이있으며, 이를현장에서활용하기위한타워 3D 프린터개발및시공용장비개발과공법개발등으로다양하게출원을하고있음

66 霍

67 洁

68 - 50 -

69 - 51 -

70 - 52 -

71 현재 3D 프린팅관련특허는매우많이출원되어있으나, 건축에활용한기술은매우적으며, 주요선진국의보유특허를확인하면 14개정도에불과함. 대다수의 3D 프린팅건축관련특허는중국에서보유중이며, 11개의특허에는시스템, 재료, 공법등이다양하게존재하고있음. 한국은단 1개의특허만을보유하고있으며, 이는생산시스템특허로써 3D 프린팅건축기술의원천특허로볼수없음. 중국에서는이미다방면에서 3D 프린팅건축특허를보유하고있음에미루어볼때, 한국이이후 3D 프린팅건축시장을선도하기위해서는특허의양적 질적인면에서원천특허를다수보유해야만경쟁력을확보할수있을것임

72 2. 논문동향분석 논문동향을분석하기위하여국내논문의경우 RISS 논문검색사이트에서 3D 프린터와 3D printer, 그리고 3D printing을키워드로사용하여 2000년부터 2015 년현재까지의논문동향을조사하였음. 논문동향을분석하기위하여국외논문의경우 Web Of Science 논문검색사이트에서 3D printer 와 3D printing을키워드로사용하여 2000년부터 2015년현재까지논문동향을조사하였음. 국내논문의수와국외논문의수를해당연도별로나누어각연도별로 3D 프린터관련논문의발행건수를조사하였음. 위와같은키워드로국내, 국외논문의전체모집단을추출후국내논문, 국외논문각각의세부키워드로분류하여조사하였음. 국내논문의키워드는상품, 기획, 건축, 장비 / 시스템, 조달, 서비스 / 제도 ( 법 )/ 마켓, 재료 / 소재, 성능평가 / 표준화 8가지의세부키워드로분류하여조사하였음. 국외논문의키워드는 product, material, equipment, market-platform, test-bed, architecture, 6가지의세부키워드로분류하여조사하였음. [ 표 17] 논문검색용세부키워드 국내 외논문을각각의키워드를통해 2000년부터 2015년까지연도별로논문수를조사하고, 연도 / 연구분야별동향을파악하였음. 2000년부터 2015년까지 3D프린터관련국내논문수를조사하였음. 조사대상은국내학술지논문과국내학위발표논문으로한정하여총 914개의관련논문을조사하였음. 총 914건의국내논문중연구진들의검토결과일부논문이해당연구주제와맞지않은논문이포함되어있어, 연구주제및내용을파악하여본연구범위와연관성이떨어지는논문은제외하였음. 19) 19) 총 914 개의논문중 617 개 ( 약 68%) 의논문이연구주제와상관없는논문으로분석되었다. 이러한논문의연구주제및내용은 3D 애니메이션, 인쇄출력물, 컴퓨터 3D 시각화등의내용으로파악되었음

73 [ 그림 18] 국내 3D 프린터논문중본연구와거리가먼 논문의비율 2000년부터 2015년 4월까지국내 3D프린터관련논문의연도별동향을조사하였음. 해당기간동안 3D프린터관련논문의수는총 914건으로조사하였음. 2000년부터 2015년현재까지각각의연도에발행된국내 3D프린터관련논문의수를살펴보면 2000년 20건, 2001년 25건, 2002년 34건, 2003년 24건, 2004년 28건, 2005년 27건, 2006년 36건, 2007년 64건, 2008년 45건, 2009년 48건, 2010년 53건, 2011년 42 건, 2012년 50건, 2013년 102건, 2014년 240건, 2015년 4월까지 76건발표되었음. 2012년까지 50건이하의논문발표동향을보였으며, 2013년부터최근까지전년대비 2배의논문발표수를보이며논문수가늘어나고있음. 해당연구의추세그래프를살펴보면 2015년의논문수는 2014년발행된논문수이상의논문이발행될것으로예상됨. 국내관련 3D프린터관련논문의동향은 2012년이전에는주로해당연구분야가아닌애니메이션, 3D 시각화, 인쇄등에집중되어있으며, 2012년이후전산업분야에걸친 3D프린터논문이나오기시작하였음. [ 그림 19] 연도별국내 3D 프린터관련논문수

74 2000 년부터 2015 년 4월까지 3D 프린터관련논문을조사하여총 914건의논문결과를 8 개세부분야로정하여조사하였음. 해당기간중상품에관련된논문은총58 건, 기획에관련된논문은 83건, 건축에관련된논문은 5건, 장비 / 서비스에관련된논문은 76건, 서비스 / 제도 ( 법 )/ 마켓에관련된논문은 22 건, 재료 / 소재에관련된논문은 22건, 성능평가 / 표준화에관련된논문은 31건으로분석되었으며, 8개세부카테고리중하나인조달에관련된논문은없는것으로조사하였음. 또한전체 914건의 3D 프린터관련논문중 617건은해당연구분야에연관성이떨어지는주제로분류되었음. 본연구와관련된 297 개의논문을 8개의세부분야별로분석한결과기획부분이 28% 으로가장높았으며, 장비 / 시스템분야가 26%, 상품분야가 20% 순서로조사되었음. [ 표 18] 국내 3D 프린터관련연도별 / 분야별논문수 단위 : 개 국내의 3D 프린터관련논문분야는 75% 이상이기획분야, 장비 / 시스템분야, 상품분야에집중되어있는것으로확인되었음. 건축분야의 3D 프린터관련논문은총 5 건으로해당분야에건축관련연구는 상당히부족한것으로조사됨

75 2000년부터 2015년현재까지 3D프린터관련국외논문수를분석하였음. 국외논문은 Web Of Science를통하여 SCI급학술지에개제된논문을대상으로조사하였으며해당기간동안총 1885건의논문이발표되었음. 총 1885건의해당논문중연구진들의검토결과해당연구주제와맞지않은논문이포함되어있었기때문에각논문을분석하여연구와관련없는논문은제외하였음.. 20) 국외논문수조사결과총 1885개의논문중 825개, 비율은전체논문중 44% 의논문이연구주제와상관없는논문으로분석되었고, 1060개, 비율은전체논문의 56% 의논문이연구와관련된논문으로분석되었음. [ 그림 20] 국외 3D프린터관련논문중연구해당분야비율 국외논문수에서는과반이상이본연구와관련이있는논문으로조사되었으며국내에비해본연구와관련된연구활동이활발한것으로분석되었음. 국외 3D프린터관련논문연도별동향은 2000년부터 2015년 4월까지기간으로하여조사하였음. 해당기간의 3D프린터관련국외논문은총 1885건으로조사되었음. 각각의연도에발행된 3D 프린터관련국외논문의수를살펴보면 2000년 16건, 2001년 20건, 2002년 11건, 2003년 28건, 2004년 7건 2005년 32건, 2006년 25건, 2007년 67건, 2008년 78건, 2009년 100건, 2010년 95건, 2011년 130건, 2012년 172건, 2013년 297건, 2014년 586건, 2015년 4월까지 221건이발표되었음. 20) 국외논문수의경우도국내논문과마찬가지로비연구분야의주된논문내용은 3D 프린터와연관성이떨어지는 3D 애니메이션, 인쇄출력물, 컴퓨터 3D 시각화등의내용으로조사되었다

76 [ 그림 21] 연도별국외 3D프린터관련논문수 국내 3D 프린터관련논문의동향과마찬가지로 2012년이후로관련된논문이전년대비약 2배의논문발표수를보였음. 이는지난 2009년스트라타시스 (Stratasys) 가보유한압출적층방식 (FDM: Fused Deposotion Modeling) 의특허가만료되며렙렙 (RepRep) 과같은오픈소스프로젝트가가능해짐에따라개인용 3D프린터를활용한다양한분야의연구가활발해지면서관련논문이활발히발표되는것으로파악되었음. 특히논문의주제를살펴보면 2010년발표된총논문수 95건중비연구관련분야논문수가 68건으로 3D 프린터관련논문에서 70% 이상본연구주제와관계가먼연구분야논문이많았지만 2015년의경우와 2013년의논문수에서는 221건중 3건, 297건중 62 건으로점차최근으로다가올수록본연구주제와관계가밀접한연구주제로한논문이발표건수가증가하는것으로파악되었음. 국외논문의분야별세부키워드를 6가지로분류하여조사하였음. 2000년부터 2015년 4월까지 3D 프린터관련논문을조사하여총 1885개의논문을 6개세부분야로분석하였음. 해당기간중 product 에관련된논문은 674건, material 에관련된논문은 190건, equipment 에관련된논문은 101건, market-platform 에관련된논문은 36건, test-bed 에관련된논문은 11건, 건축에관련된논문은 5건, 이론에관련된논문은 43건으로조사되었음

77 [ 표 19] 국외 3D 프린터관련연도별 / 분야별논문수 단위 : 개 또한전체 1885건의 3D프린터관련논문중 825건은해당연구분야에연관성이떨어지는주제로분류함. 본연구와관련된 1060개의논문을 7개의세부분야별로분석한결과 product부분이약64% 로가장높았으며, material 분야가약 18%, equipment분야가약 10% 순서로조사되었음. 국외의 3D프린터관련논문동향은 90% 이상이 product, material, equipment분야에집중되어있는것으로분석하였음. 국외 3D 프린팅관련 product 부분논문은전체연구관련 3D 프린터논문중 674건으로 64% 의비중을차지하는것으로파악되었음. 연도별해당연구분야논문수를살펴보면 2000년 4건, 2001년 5건, 2002년 2 건, 2003년 13건, 2004년 2건, 2005년 13건, 2006년 6건, 2007년 18건, 2008년 28 건, 2009년 21건, 2010년 27건, 2011년 51건, 2012년 69건, 2013년 235건, 2014년 292건, 2015년 4월까지 218건으로조사되었음

78 [ 그림 22] 국외 3D 프린터관련논문분야별비율 product 논문부분은 2010 년까지 20 건전후의논문발행수를보이다가 2011 년 부터증가하기시작하여 2013 년부터는 150 건이상의관련논문이발표되었음. [ 그림 23] 국외 3D 프린터 product 부분논문연도별발행수 국외 3D 프린팅관련 material 부분논문은전체연구관련 3D 프린터논문중 190건으로 18% 의비중을차지하는것으로파악되었음. 연도별해당연구분야논문수를살펴보면 2000년 2건, 2001년 0건, 2002년 2 건, 2003년 1건, 2004년 0건, 2005년 1건, 2006년 1건, 2007년 7건, 2008년 6건, 2009년 2건, 2010년 3건, 2011년 2건, 2012년 11건, 2013년 51건, 2014년 40건, 2015년 4월까지 61건으로조사되었음

79 [ 그림 24] 국외 3D프린터 material 부분논문연도별발행수 2011년이전에는해당분야의관련논문의거의발행되지않았으며 2007년과 2008년에각 7건과 6건으로논문이발행되었음. 국내논문동향의재료 / 소재부분과마찬가지로 3D프린터의특허기술이대중화되면서해당프린터를사용하기위한재료나소재에대한연구가활발히진행된것으로분석되었음. 국외 3D 프린팅관련 equipment 부분논문은전체연구관련 3D 프린터논문중 101건으로 10% 의비중을차지하는것으로파악되었음. 연도별해당연구분야논문수를살펴보면 2000년 0건, 2001년 1건, 2002년부터 2004년까지 0건, 2005년 1건, 2006년 0건, 2007년 6건, 2008년 7건, 2009년4건, 2010년 1건, 2011년 0건, 2012년 5건, 2013년 11건, 2014년 49건, 2015년 4월까지 16건으로조사되었음. [ 그림 25] 국외 3D 프린터 equipment 부분논문연도별발행수 2014 년부터해당연구분야논문수가급증하였으며추세그래프를살펴보면 2015 년이후해당분야논문발행수가증가할것으로분석되었음

80 국외 3D 프린팅관련 market-platform 부분논문은전체연구관련 3D 프린터 논문중 36 건으로 3% 의비중을차지하는것으로파악되었음. [ 그림 26] 국외 3D프린터 market-platform부분논문연도별발행수 연도별해당연구분야논문수를살펴보면 2000년부터 2002년까지 0건, 2003년 1 건, 2004년부터 2006년까지 0건, 2007년 1건, 2008년부터 2010년까지 0건, 2011년 1 건, 2012년 2건, 2013년 14건, 2014년 2건, 2015년 14월까지 5건으로조사되었음. 국외 3D 프린팅관련 test-bed 부분논문은전체연구관련 3D 프린터논문중 11건으로 1% 의비중을차지하는것으로파악되었음. [ 그림 27] 국외 3D프린터 test-bed 부분논문연도별발행수 연도별해당연구분야논문수를살펴보면 2000년부터 2014년이전까지총 4건의해당연구논문이발표되었으며, 2014년 6건, 2015년 4월까지 1건의논문이발표된것으로조사되었음. 국외 3D 프린팅관련건축부분은전체연구관련 3D 프린터논문중 5건으로 0.2% 의비중을차지하는것으로파악되었음

81 [ 그림 28] 국외 3D 프린터 architecture 부분논문연도별발행수 연도별해당연구분야논문수를살펴보면 2007년 1건, 2010년 2건, 2014년 1건으로조사되었음. 이는 3D 프린터가건축분야에서는아직연구가많이진행되지않은부분이며앞으로연구가활발히진행될수있는여력이있는부분이라고판단됨

82 앞서조사하였던자료를바탕으로하여, 3D 프린팅논문중에서건축과밀접하 게관련된연구를필터링하였음. [ 표 20] 주요 3D 프린팅건축특허내용 3D 프린팅기술의전체동향과비교하였을때, 건축분야의논문은매우소수만진행되고있음. 국내 외주요 3D 프린팅연구는국내총 3건, 국외총 3건정도임. 그리고해당연구도주로 2014년에발표되었던것으로미루어볼때, 3D 프린팅건축은최근에서야관심을받고있는연구라는것을알수있음. 3D 프린터기술을이용한건축공법메커니즘개발 본논문은 3D 프린터기술을이용한건축공법메커니즘을개발하였음. 건설현장에서무거운건축자재운반및폐자재수거등을위한것으로, 멘델형 3D 프

83 린터방식인직교좌표로봇시스템과델타형 3D 프린터방식인델타로봇시스템으로구성되어있음. 시스템이건물프레임에설치되어 Global moving과 Local moving을할수있도록두부분으로나누어져있으며, 직교좌표로봇시스템은네모난건물모양의프레임과볼스크류로구성되어있음. 멘델형 3D 프린터의장점으로는, x, y 축을따라델타로봇을정밀하게이동시키고, z 축을따라건물프레임의상판을움직여서 Global moving이가능함. 델타형 3D 프린터의장점인빠른스피드로건축자재를정확하게운반할수있으며, 심플한구조로무게가가벼워서엔드이펙터가 Local 영역에서자유자재로이동할수있음. 이를이용하여건축자재운반및폐자재를모으는역할을하고건설현장에서무거운건축자재운반및폐자재수거역할을통해건설자동화와안전사고를줄일수있도록설계하였음. [ 그림 29] 3D 프린터기술을이용한건축공법메커니즘 건축물 3D 프린팅을위한프린터규모및프린팅재료에관한연구 본논문은건축물형상을출력할때 3D 프린터의기술적인측면에서가장중요한고려사항인프린터규모와프린팅재료로한정하여연구하였음. 이론고찰및사례분석을통해현재건축분야에적용되고있는 3D 프린팅기술의

84 사례에대해조사하고, 건축물형상의재현과프린팅재료및프린터규모와의관계를분석하였음. 이후실제사례를재료및규모에따른항목에대해적합여부를판별하고단계별로분류함. 그리고각단계별로향후건축물 3D 프린팅의연구방향을분석하였음. 건축물 3D 프린팅의연구에있어서단계를구분하고각단계에서중요하게다루어져야할기술유형을제시하되각기술유형이건축물의형상요소와어떠한관계로연관되어있는지를밝혔음. 그리고각단계별로프린터의재료및규모에한계를소거하는기술개발이뒤따라야만 3D 프린팅기술이건축생산시스템에전방위적으로적용될수있을것이라고발표하였음. 3D 프린팅기술과건축적활용 3D 프린팅기술이무엇이며앞으로어떠한분야에활용가능성이있는지를확인하였으며, 건축분야에서의 3D 프린팅기술활용현황을파악하였음 건축분야에서가장활발하게 3D 프린팅기술이활용되는부분은지형지물과인테리어를포함한건축모형분야임. 과거와달리건물의외형이비선형적형식일경우 3D 프린팅은가장빠른제작방법이될수있음. 폴리젯 (Polyjet) 제작방식은잉크젯프린터노즐에서나오는재료가자외선에의해순간경화되면서형상을조형하는방식으로정밀도가우수한모형제작이가능하지만단강도가약하다는단점이있음. SLA방식은액상기반의 3D 프린팅기술로빛에반응하는광경화성수지에레이저를주사하여경화된파트를제작하며, 수작업으로제작하기에는거의불가능한형상으로치수조립정밀도와표면조도가우수함. 영국러프버러대 (Loughborough University) 의건축학과 Russ Harris 교수는포스터 (Poster) 파트너스건축사무소와공동연구중에비정형건축에사용될수있는곡면과크기가다른콘크리트재료의패널들을만들었으며, 이는앞으로비정형건축의패널제작에사용될수있는응용기술로볼수있음. 디-셰이프 (D-Shape) 프린터를개발한 Enrico Dini 라는이탈리아발명가의건물 3D 프린터는사람의개입없이도풀-사이즈샌드스톤 (full-size sandstone) 빌딩을건축할수있음. 컨투어크라프팅 (Contour Crafting) 3D 프린팅기술은 3D 프린터의원리로콘크리트를분사하여구조체를만들고중간에로봇기술에의해골조나기타부속품을결합해가며구조물을완성하는방식임. 디지털그로테스크 (Digital Grotesque) 는프린팅시에별도의바인더가분사되어딱딱하게모래알갱이들이교결됨

85 Exploring the Emerging Design Territory of Construction 3D Printing - Project Led Architectural Research 본논문은 J. B. Gardiner의학위논문으로써건설산업내에서확장되고있는 3D 프린팅기술을소개하고있음. 건설 3D 프린팅은건설산업내에서상당한발전을이끌수있으며, 기술의개발을위해상당한투자가되어지고있음. 현재실제건물크기로만들어낼수있는몇가지의사례들이있음. 중요한과제는현장에서의제조방법및디지털설계프로그램과결합한건설 3D 프린팅디자인에초점을맞추어더상세한건축의개발을통해건설 3D 프린팅기술의한계까지얻어낼필요가있음. 내용은크게두부분으로나뉘어있으며, 첫번째부분은디자인, 오프사이트제작, 디지털설계툴, 건설및병렬산업 ( 항공, 우주, 자동차, 제조, 조선 ) 내에서 3D 프린팅의주제에초점을맞추고인터뷰, 현장방문및문헌고찰을기반으로한배경조사를제시하였음. 두번째부분은건설 3D 프린팅을사용하여제작하는디자인에초점을맞춰설계한세가지건축프로젝트의사례연구를제시함. 이연구의목적은건설및연관산업내에서새로운동향의주요현장조사에있었으며, 새로운설계및시공방법을형성하기위해문헌검토와현장조사에를통한소개임. How will 3D Printing affect architecture as we know it today 본논문은 Cristina Maria Radu의학위논문으로써 3D 프린터기술의배경과역사에관한연구를하였으며, 전문가의의견을통한미래비전에관해서술하였음. 3D 프린팅건축은혁명적이며비정형적구조가가능해질것이라고하였으며, 그형상에는제한이없기때문에건축가에게완전한자유를줄수가있게됨. 그리고기존의콘크리트및벽돌을대체하고에너지절감을할수가있어서환경적으로기여가가능하고, 시공이빠르고정확하기때문에매우큰잠재력을가지고있음. 앞으로는 3D 프린팅을사용하여달에임시주택을건설할수있으며, 재활용플라스틱등을활용한건물이나대량생산이가능해질것임. Performance of 3D computers and 3D printed models as a fundamental means for spatial engineering information visualization 엔지니어링정보는해당정보의오류와누락등의잘못된해석으로인하여비효율적인의사소통이발생하는원인이될수있음. 기존에는건축도면의시각화및계획을지원하고시공을순차적으로진행할수있도록하기위하여건축모형을제공하였음. 그러나 3D CAD 및빌딩정보모

86 델링기술의도입이후감소하기시작하였으며, 최근 3D CAD 모델의프린팅이 가능하게되었음. 3D 프린팅모델은생산성측면에서 2D 도면과 3D 컴퓨터소 프트웨어를상회하는공학의산물임. 3D 프린터기술관련논문은 SCI 등재지를기준으로 4건밖에존재하지않았음. 미등재지의경우에는더많은수가있을것으로예상되나국내학술지의조사결과에미루어짐작하면그수는미미할것으로판단됨. 주요논문을살펴보면, 국내 3건, 국외 3건이존재하였음. 그러나국내는학술발표대회 2건에리뷰논문 1건이었으며, 국외는학위논문 2건에학술지 1건이었음. - 내용면에서살펴보면국내논문들은모두 3D 프린팅기술현황을통한소개가주내용이었으나, 국외논문은현황을포함한주요건축활용기술의소개를하고있음

87 3. 유사기술및 3D 프린팅적용건설기술사례 제품개발관련연구및제품상용화단계까지진행중인기계, 의료, 항공등의분야에비해건축분야는최근기초적인연구개발및 Mock-up수준의 Test-bed 정도가진행되는실정임. 건축분야에서는실질적인상품생산에있어서는제품의비정형화, 제작환경여건, 타산업대비생산품의거대화, 제품의안전성, 기존공법및재료 / 소재대비경제성및시공성등의타분야와는상이한조건을충족시켜야하는어려움이있음

88 현재건설산업과관련하여가장활발히적용되는 3D 프린팅기술분야는 3D 프린터를활용한소형의건축물모형제작임. 최근비정형건축설계와관련하여시도가많아진시점에서소형목업 (Mock-Up) 모델을통한사전프로젝트시에 3D 프린터를이용한건축모형제작을통해비정형건축형태의복잡하고정밀한외형을빠른시간내에간편하게제작할수가있으며, 이를통해불필요한시간및노동력의소비와모델제작비용또한절감하는효과가있음. 2012년 9월, 미국의메이커봇 (Makerbot) 社에서는 PLA 수지를사용하여인쇄할수있는 FDM 방식의 MakerBot Replicator 2를개발하였으며, 미국백악관의모형제작을통하여이 3D 프린터의성능을시연하였음. [ 그림 30] MakerBot Replicator 2 를이용하여만든 Mock-Up 백악관 2012 년 4 월에스트라타시스 (Stratasys) 社는즉각적으로생성된 100 가지이상의디지털재 료를비롯한 140 가지의재료옵션을통해제품을만들수있는 Connex 3D 프린터를사 용하여오브젯베로클리어 (vero clear) 라는투명재료를사용해에펠탑모형을제작함. [ 그림 31] 3D 프린팅기술을통해제작한에펠탑모형

89 잉크젯기반의오브젯 3D프린팅기술을통해에펠탑구조물의세밀한틈사이까지구현하였으며, 에펠탑이가지고있는구조물의아주세밀한틈사이에도불필요한잔여물을전혀남기지않는뛰어난디테일을보여주었음. 모형의출력에는즉각적으로생성된 100가지이상의디지털재료를비롯한 140 가지의재료옵션을통해제품을만들수있는 Connex 3D 프린터를사용함. 미국의 Steelblue와 Autodesk는최근 3D 프린터로출력을하여미국샌프란시스코의스카이라인을미니어처로만들어내었음. [ 그림 32] 3D 프린팅기술로제작한샌프란시스코의스카이라인 이모델의제작시간은 18시간이걸렸으며, 도시에변화가생길경우에다시제작하는일이없도록각건물은개별적으로제작되었음. 의뢰는부동산업자인 Tishman Speyer가의뢰를하였으며, 기존에광고용으로이용하였던 3D 디지털모델을사용하여제작하였음. 모델은 1:1250의스케일로만들어졌으며, 이스카이라인모델의규모는가로세로 6피트정도의크기로제작되었음. Steelblue의사장인 O Brien Chalmers가답변한인터뷰에서는, 이스카이라인모델은퍼즐조각처럼완벽히맞도록 3D 프린팅출력을하였으며, 이토록상세한건물들을제작할수있다는것은매우많은이점을준다고하였음. 미니어처의제작은스트라타시스 (Stratasys) 의 3D 프린터를이용하여제작하였으며, VeroClear 재료를사용하여투명하고광택이있는모습으로만들었음. 인도의 FTP 3D에서는 3D 프린팅을통해기존과달리단순히건물모형만을출력하는것이아닌, 대상건축물주변경관까지디자인하여프로토타입모델을제작하여주는일을하고있음

90 [ 그림 33] FTP3D 에서서비스하는 3D 출력모델 이회사는인도내의건축스튜디오와협업을하여스튜디오에서받은설계파일을기반으로하여 3D 프린터로건물모델을출력하고, FTP3D의자체적인전문가팀에의하여나무, 녹지등다른풍경요소를미니어처로준비를함. FTP3D는 Mahindra Lifespaces. 의파트너로서, 최근뭄바이에서진행중인프로젝트 Navya 에 FTP3D의프린팅서비스를사용하고있으며, 운반의편의를위하여쉽게해체하고다시조립할수있도록제작함. 또한, MMRF Realty과합작하여진행하는첸나이빌라프로젝트는, 인테리어도표현을하여고객에서디자인을설명하는것이용이하도록하였음. 2012년 4월에스트라타시스 (Stratasys) 社의오브젯보스턴지사의직원들은자사의장비중가장큰복합재료 3D 프린터인오브젯코넥스 500 (Objet Connex500) 를사용하여보스턴레드삭스 (Boston Red Sox) 의홈경기장인펜웨이파크 (Fenway Park) 를제작함. [ 그림 34] 3D 프린터를통해제작한보스턴레드삭스야구장모형 펜웨이파크구장의 3D 모델은오브젯의장비중가장큰복합재료 3D 프린터인오브젯코넥스500 (Objet Connex500) 를사용하여, 40개의각기다른조립부품으로나뉘어제작되었으며, 조립을마친완성품모델의무게는약 105 파운드 ( 약 47.6kg) 임. 최종완성 3D 모델은오브젯장비의뛰어난고해상도를출력기술을통해펜웨이파크의상징인우측펜스의페스키기둥 (Pesky's Pole), 전설의 4할타자테드

91 윌리엄스의레드시트 (Ted Williams' red sear), 그린몬스터 (the Green Monster) 와상단의좌석등주요디테일을모두표현해냄. 작은구장의모형에서실제팬웨이파크구장의조명갯수, 중앙광장, 덕아웃및불펜에이르기는세부적인디테일까지정확하게재현을하였음. 이후펜웨이파크 3D 모델은보스턴 TD Garden에위치한보스턴스포츠박물관 (Boston Sports Museum) 에기증되었음. 런던에서활동하고있는예술가 Daniel widrig는프랑스 Orleans에서열린건축전시회 Frac Center를위해실험적인의자를선보였음. [ 그림 35] 3D 프린팅기술을통해제작한 Degenerate Chair 친환경소재인설탕, 사케, 석고를혼합한재료를사용하여 3D프린터를통해구조적으로불필요한부분을선택제거하여경량화한인테리어스툴인 Degenerate Chair을제작함. 영화나컴퓨터게임에서사용되는디지털기술을이용한조각기술을통해, 약 30억픽셀로구성되어진의자를설계하였으며, 의자가마치나무의뿌리를연상시키는디자인으로제작. 최근중국에서는중국내현존하는가장큰규모의제단인천단 ( 天壇 ) 기년전 의복제품을초대형건축용 3D 프린터를이용하여실물크기로제작을하는작업을진행하고있음. [ 그림 36] 초대형 3D 프린터를이용한중국의천단 기년전 복제 3D 프린팅

92 2014년 6월, 중국의 3D 프린터제조사인 Qingdao Unique Products Develop는중국칭다오에서열린 2014 세계 3D 프린팅기술산업컨퍼런스와전시회를통해초대형건축용 3D 프린터를공개함. 기년전 의복제품을제작하기위하여 6개월의제작기간을거쳐무게 20톤, 규모는 12m*12m*12m의출력물을제작가능한초대형 3D프린터를개발함. 현재 6~8개월의제작기간동안 12톤의콘크리트와 8톤의신소재혼합물을사용하여바닥넓이 100m2로제작할예정에있음. 이것은 3D 프린팅기술로만들어진세계에서가장큰구조물임. 초대형 3D 프린터는 120톤이상의무게의크레인및기타장비를사용해조립하였으며, 현재이지역의프린팅산업단지의첨단기술영역에배치되어일반인에게도공개하게되었음. 3D 프린팅조형기술은 FDM 방식을이용하게제작되었고, 출력용재료는가볍고튼튼하면서내식성이강한친환경소재인그래핀유리섬유강화플라스틱이사용되었음. 2013년 12월, 네덜란드의 LEAP FROG 3D PRINTERS 사는네덜란드 De Nieuwe Kerk 지역에서자사의 3D프린터를사용하여, 중국자금성을구성하는부속건물총 980개 ( 사원, 홀, 타워, 다리, 벽등 ) 제작을통해, 실물자금성과같은미니어처를제작함. [ 그림 37] 3D 프린터를이용한중국자금성의축소모형 이작업은 2013년 10월 5일부터시작이되었으며, 총 2대의 Leapforg사의 3D 프린터를쉬는시간이없이매일 24시간을가동시켜서완성하였음. 제작된모형의크기는 1:300 스케일로만들어졌으며, 제작방식은 FDM 적층방식의이중압축으로출력하였으며, 압출재료는 PLA 재료인 Laybrick 필라멘트를사용하여출력하였음. 자금성의부속된각각건물의인쇄공정은평균적으로 4~5시간이걸렸으며. 현재는암스테르담에있는 ' 밍 ' 전시회에서전시중에있음

93 미국남부캘리포니아대학교 (USC) 의 'Behrokh Khoshnevis' 교수연구팀은기존의 FDM 3D 프린팅방식을사용하여, 기존의미니어처모형이아닌하루만에주택 ( 주거공간 ) 을지을수있는초대형 3D 콘크리트프린팅기술인 'Contour Crafting' 을발표하였음. [ 그림 38] 캘리포니아대학교 (USC) 의초대형 3D 콘크리트프린팅 'Contour Crafting' 방식 이시스템은산업계에서널리사용되는 CAD(Computer-Aided Design)/ CAM(Computer-Aided Manufacturing) 소프트웨어로설계된 3차원물체디자인을 3D 프린터을통해플라스틱레이어들로연속적으로적층하여출력하는쾌속시작기 (Rapid Prototyping Machine) 의개념을가지고기존의 3D 프린터를일정한비율로증대하여제작한것임. 규모를키운 FDM 방식의 3D 프린터로경화속도를조절한콘크리트모르타르를적층시켜거푸집이없이기성건축자재를사용하여로보틱스기술과전통적인건축법을융합하여주거공간을제작함. 건물규모는 230평방미터이며, 약 20시간내주택 ( 주거공간 ) 을시공함. 현재 'Behrokh Khoshnevis' 교수의 'Contour Crafting' 방식을이용한건축프로젝트는 NASA의미항공우주국 (NASA) 의도움을받아진행되고있음. [ 그림 39] 캘리포니아대학교 (USC) 가 Contour Crafting을통하여건축중인모습예상도 집의설치와해체가쉬워지고재료의재활용이쉽기때문에비용이적게듬. 전문가의조종이없이 3D 프린터가자동으로건물을만들기때문에화성이나달같은우주공간에서흔한재료를모아집을짓는것도가능

94 미국의미네소타주 ( 州 ) 에거주하는안트레이루덴코는그가직접설계한 3D 프 린터를이용해약 4 개월동안본인의주택뒷마당에약 3.6m 높이의성을제작함. [ 그림 40] 개인이 3D 프린팅을통하여만든콘크리트성 오픈소스 3D 프린팅소프트웨어인렙랩 (RepRap) 프로젝트를이용하였으며, 콘크리트와모래로이뤄진고유재료를활용하여 FDM 기법으로제작함. 루덴코가설계한이 3D 프린터는, 한층당가로 30mm 세로 10mm의사이즈로원료를압출시켜조형할수있으며용도에따라압출되는사이즈를조절할수있음. 이 3D 프린터를이용하여해당성건설에투자한시간은불과 8시간임. 루덴코는본인이제작한이 3D 프린터를소규모의건축회사들도감당할수있는더작은사이즈의제품으로개선할예정으로, 제작비용은 30,000 ~ 50,000 달러를예상하고있음. 예술가인루카스오미겐과마르셀테슬러가공동창업한독일 3D프린터제조업체빅렙은뉴욕에서열린 3D프린트쇼 에서가구를만들수있는 3D프린터 빅렙원 을선보임. [ 그림 41] 빅렙원의모습과가구출력물 빅렙원은오픈소스프로젝트 렙랩 (REPRAP) 을바탕으로만들어졌으며, 카트리지재료를보통의플라스틱과나무느낌이나는필라멘트, 모래느낌이나는필라멘트등을씀. 기존 FDM방식의 3D프린터도나무느낌이나모래느낌이나는필라멘트를카트리지에끼우는게원칙적으로안되는건아니지만, 노즐이막힐우려가있어권장되진않았음

95 빅렙원은 ABS와 PLA, 나일론, 레이우드등 9개의재료중고를수있으며, 빅렙원이다양한재료를쓸수있는까닭은노즐크기가 1mm로크기때문임. 개인용 3D프린터메이커봇 리플리케이션2x 는노즐크기가 0.1mm이지만, 노즐이작을수록재료를얇게뽑아정교한작품을만들수있음. 그러나이와반대로재료가두껍게뽑히면제품표면이매끈하지않고울퉁불퉁하게됨. 빅렙원은다양한재료를쓰는대신정교한품질을양보하였음. 빅렙은 FDM 방식의 3D프린터가운데서빅렙원이가장큰물체를만들수있다고하였으며. 빅렙원은가로 세로 높이 cm인제품까지출력을할수있음. 2014년 4월윈선장식디자인엔지니어링社는자사에서제작한 4대의거대한 3D 프린터를이용해기업본사건물을 10,000m2에 30일간프린트하여세웠음. [ 그림 42] 윈선이공개한상하이공업단지사무실용건물의건축모습 윈선장식디자인엔지니어링社는지난 10년동안 3D 프린팅기술을활용한주택연구를해왔으며, 현재섬유강화석고와특수유리섬유시멘트등건축자재에대하여약 77개의특허를보유하고있음. 제작에사용된대형 3D 프린터의크기는높이 20피트 ( 약 6.09미터 ), 가로 33피트 (10.05미터), 세로 132피트 (40.23미터) 가량임. 기존의데스크탑톱 3D 프린터와마찬가지로, 이건축용 3D 프린터역시 FDM(Fused Deposition Modeling) 기술을사용하여치약튜브에서치약을짜내듯한번에한층씩쌓아올리는방식 ( 적층방식 ) 을택하고있음. 주택 1채의모듈의규모는 15m*10m*6.5m이고, 각섹터별로제작하여기존의프리캐스트공법과유사한방식으로접합함. 하루만에프린트되는집들은약간의공학적작업, 배관설비, 전기공사, 냉난방등은모듈화를통해조립하게됨. 덕트, 배관, 배선채널구조는프린트가가능하며. 물, 전력, 히터만따로추가하면금방들어가서살수있는집으로완성됨. CAD 디자인을기반으로하여, 컴퓨터가 3D 프린터의출력노즐 (extruder) 을조종하

96 여콘크리트를적층하는데, 이콘크리트에는특별경화제가추가돼있어각층이다음층을지지할수있을만큼단단하게굳어지게됨. 회사는공장에서건물의벽들을각각 3D 프린터로출력하여제조한뒤건축현장에서이들을한곳에조립함. 윈선장식디자인엔지니어링社는현재기존일반적인주택건설에서필요한공사기간은 70% 재료의 60%, 기존노동력의 80% 정도를절약할수있고, 건축폐기물을활용하여시공이가능하다고발표함. 기존에도 3D 프린팅을사용해건축물을지으려는시도는있었으나, 하루만에여러채의건물을건설한건잉추앙이처음이었음. FDM방식을모사, 모듈화시공방법활용및대량생산계획중에있음. 2014년 3월 29일중국의윈선장식디자인엔지니어링社는 3D프린터를사용하여 6층주거용빌라를상하이에만들었음. [ 그림 43] 중국소주시두개의건축프로젝트 제작된이빌라의면적은 1100 m2이며비용은우리나라돈으로약 1억 7천만원정도임. 약 16만 1000 달러임. 이빌라를통해이집트정부와단층집 2만개공급계약을성사시킴. 제작에사용된 3D 프린터는윈선장식디자인엔지니어링社에서자체개발한높이 6.6m, 너비 10m, 길이 40m의초대형프린터를통해제작하였음. 이프로젝트는외형뿐만이아니라건물내부및외부장식을완벽하게제공하였으며, 건물의바닥과벽은공장에서 3D 프린터로제작후에다시적당한크기로분리하여현장으로운반함. 이 3D 프린터에는콘크리트, 유리섬유, 모래등을비롯하여, 건축폐기물, 광물찌꺼기, 도시폐기물등도활용이가능하여친환경적임. 그동안 3D 프린팅건설은건설과정에서철골을삽입할수가없기때문에이러한철골및철근누락으로말미암은골조안정성의문제가가장큰걸림돌로지적되어왔음. 그리하여인형이사는집이라거나 1층이상은활용할수없다는말이있었음

97 그러나윈선장식디자인엔지니어링社는 6층빌라의건설을통해이와같은 3D 프린팅건설의고질적인문제점들에대한해결책을제시함. 벽체를건설할때벽체의단면을 지그재그 패턴으로출력을하여, 빈공간에철근이나철골등의보강재와단열재를넣을수있도록설계하여정부의기본적인건축기준을충족시켰음. 윈선장식디자인엔지니어링社는이건물이사람이거주하기에안전하며, 총 12층까지건축이가능하다고하였음. 그러나전문가들은안전에대해서는부정적인시각임. D-shape 社는특수한강도를지닌분말을사용하여, 3D 프린팅적층공법을통해실제구조적재료로사용할수있는건물형상을 3차원형태로제작함. 기본적인구조는잉크젯프린터를거대하게한것으로, 6m 사방의프레임안에앞뒤로이동하는프린트헤드가설치되어있으며, 헤드에서모래를분사하고그위에 300개의노즐이결합제를인쇄함. [ 그림 44] D-shape 의 3 D 프린터와제작결과물 경량섬유보강콘크리트재료를이용하여 6m 9m 크기의패널모듈들을낱개로프린팅을한뒤조립하는방식으로 24시간의응고시간후기존의시멘트보다강도가높고, 가벼운무독성친환경적인인조대리석과같은마감으로처리함. 각층의두께는 5~10mm이며, 결합제가인쇄된부분만응고하고그후에주위의모래를제거하면 3D 형상이나타남. 응고될때까지주위의모래는토대와같은역할로그형상을지지하는것으로, 모래는이탈리아의도로미티지방것을원료로하고있음. 모래와분말형반응제를섞어뿜은뒤액체형결합재를뿌리고, 결합재와반응제가만나면서모래가굳어돌이되는것으로써소재의분출굵기가 5mm에불과해기존방법으로는만들기어려웠던정밀한곡선모양도저렴한가격에제작할수있음. D-Shape 社의재료는가격이높지만, 콘크리트처럼철근과거푸집이불필요하기때문에에기존의건축물시공방식보다 30~50% 정도비용이절감되는경제적효과가있음

98 이와관련하여이기술을이용해 2 층건물을개발할수있도록계획을하고있으며, D-Shape printer 를발명한 Enrico Dini 이라는이탈리아발명가와함께진행을하고있음. D-Shape는사람의개입없이도면파일의입력만으로 3D 프린터가 Full-Size Sandstone 빌딩을건축할수있는기술을보유하고있음. D-Shape의이방식은기존의프로세스보다네배빠른속도로건설가능하며, 미래에는먼지를재료로서이용할수있는방법도추진중임. 각층의두께는 5~10mm이며, 결합제가인쇄된부분만응고하고그후에주위의모래를제거하면 3D 형상이나타남. 응고될때까지주위의모래는토대와같은역할로그형상을지지하는것으로, 모래는이탈리아의도로미티지방것을원료로하고있음. 영국러프버러 (Loughborough) 대학교소속의 IMCRC (Innovative Manufacturing and Construction Research Centre) 센터는 프리폼컨스트럭션 (Freeform Construction) 프로젝트를통해 2007년이후로줄곧콘크리트 3D 프린팅기술을연구하여왔음. IMCRC 센터는연구의성과로서지난 2010년, 1톤무게의강화콘크리트벤치를 3D 프린팅하는데성공하였고, 이어서 S자형으로구부러진복잡한형태의콘크리트패널을제작할수있는수준까지개발함. [ 그림 45] IMCRC 센터의프리폼컨스트럭션 (Freeform Construction) 이는콘크리트원료와적층방식의 3D 프린팅기술을이용해새로운건축물제작공정을개발하기위한시도로서, 3D 프린터기술이가진무한한가능성에힘입어, 건축가에게하여금어떠한복잡한형태도구현해내는상당한수준의디자인자유도를제공할수있게되었음. IMCRC센터는최근, 세계최대규모의건축회사중하나인스웨덴의 스칸스카 (Skanska) 사를비롯해, 각전문분야업체들과의파트너쉽을통해콘크리트 3D 프린팅로봇의본격적인상용화를준비중임. 영국왕립미술원에서디자인을전공한마커스카이저는몇달전발전이외에태양에너지로할수있는프로젝트를찾고있었음. 그는모래를녹는점까지가열했다가식혀서유리를만드는공정에대해알게되었으며, 커다란렌즈로태양열을모아모래를가열하는 3D 프린터개발을함

99 프린터의작동효율향상을위해서는렌즈의초점을모래표면에정확히조준하는것 이중요함. 그러나태양은이동하기때문에작업도중초점이바뀔수있었다. 그래서 마커스는폭 1.4m 의대형렌즈를주문하고렌즈를얹을모터구동식프레임을제작함. [ 그림 46] 마커스카이저의태양에너지를이용한 3D 프린터 작품이프린팅될중앙의모래상자는모든방향으로움직일수있으며프린터전체가모래상자를중심으로회전하도록설계함. 병렬식으로배치된두개의알루미늄프레임한쪽에는렌즈, 다른한쪽에는태양전지패널이부착되며태양의각도에맞춰 45~90도사이로이동이가능함. 이프린터는모래상자에태양열을집중시켜녹인뒤한층씩쌓아서모양을만듬. 이후모래가식으면서유리작품이완성됨. 제작완료후마커스는런던에서실험을하려했지만영국특유의우중충한날씨때문에어려움이생김. 그래서태양이작열하는이집트에서 11시간동안차를몰고달려사하라사막에기기를설치하였음. 2014년 3월네덜란드는 3D프린트캐널하우스 프로젝트를통하여, 3D 프린터를이용하여건물을제작하고있음. 3D 프린트캐널하우스는암스테르담북부지역운하에 2층건물을짓는 3년짜리프로젝트이며, 네덜란드건축업체더스아키텍츠社가맡아진행하고있음. [ 그림 47] 두스아키텍츠가 3D 프린팅기술을이용하여만든건축부품

100 더스아키텍츠社는기존의소형 3D프린터를대형화하여높이 6m 크기의실제건물시공이가능한 카머메이커 (Kamer maker) 라는거대 3D프린터를제작하였음. 이대형 3D 프린터의이름은 룸빌더 (room builder) 라는의미임. 이대형 3D 프린터를이용하여 3년정도의시공기간을통해암스테르담의북부지역에위치한운하주변에 2층짜리빌딩 (Canal house) 건설을진행함. 실제이카머메이커 3D 프린터는 Ultimaker( 얼티메이커 ) 사의 3D 프린터를개조하여만든것으로, 건물전체만큼은아니지만방만큼큰크기를가지고있으며, 각각의건물구조들을따로출력하여레고블록처럼쌓아올릴계획임. 지금까지진행된상황은계단을붙인집의측면부분을제작하였고부품의무게는약 400파운드이며매주하나씩제작하여조립하며커널하우스를짓는계획임. 각부품의단면은벌집구조로되어있으며, 구조적강도확보를위하여거품 (foam) 재료로채워져콘크리트수준의강도를구현함. 이 3D 프린터를통해제작후남은재료는재활용을하기때문에건축자재의조달비용도줄일수있음. 스페인바르셀로나에소재한 IAAC (Advanced Architecture of Catalonia) 의연구원들은 3D 프린팅기술과로봇공학을결합하여자신의크기보다훨씬더큰조형물을만들어낼수있는세대의로봇그룹을개발함. 이시스템의명칭은미니빌더스 (Minibuilders) 로, 구성원인로봇들은각각다른임무를실행하도록설계되었으며, 함께협업하여커다란크기의출력물을만들어냄. [ 그림 48] IAAC (Advanced Architecture of Catalonia) 의미니빌더스 (Minibuilders) 미니빌더스는총 3단계로나뉘어작동하며, 첫번째단계는구조물의기반을세우기위해 20층의원료를쌓는파운데이션로봇이담당함. 파운데이션로봇내부에탑재된센서는미리정의된경로를따라방향을제어하며, 원형의경로를따라이동하면서재료를쌓음. 파운데이션로봇이구조물의기반을세우고나면두번째단계를그립로봇이담당함. 그립로봇은 4개의롤러집게로앞서구축된조형물의상단부에고정되어조형물의형태를따라이동할수있도록설계된로봇으로, 내장된히터로재료를굳혀가면서추가로층을쌓음. 그립로봇또한미리정의된경로를따라움직이도록설계되어있지만에러가발생할경우경로를중간에수정할수있음

101 마지막단계는버큠로봇이내장된흡입컵과진공발생기를이용해조형물의표면에붙은채로방향과기울기에상관없이자유롭게이동해가며조형물의벽이나천장표면에재료를쌓아보강함. MIT MEDIA LAB은기존의거푸집제작방식으로는비정형구조체를제작하기어려운상황에서, 폴리우레탄을재료로하는 3D프린팅기술을개발함. [ 그림 49] MIT MEDIA LAB 개발된 3D 프린터로출력한비정형거푸집제작모습 이러한 3D프린팅기술을통한제작방식은전통건축제작방식보다출력속도가빠르며, 비정형형태의구조체를상대적으로저렴한비용으로제작할수있음. 미국매사추세츠공대 (MIT) 다니엘라루스교수팀에서열을가하면스스로조립되는토끼모형을만듬. 코끼리나축구공의평면설계도를나무나탄소섬유가채워진 3D 프린터에넣고출력한뒤물에담그면입체코끼리나축구공으로변신하는방식으로, 최근에는길이 15m 막대를 3D 프린팅한뒤물에담가입체구조로만드는데도성공했다. [ 그림 50] MIT 다니엘라루스교수팀에서개발한자가변형출력물 나무잉크가든 3D 프린터에코끼리의평면설계도를출력한뒤물에담그면저 절로조립돼코끼리모형으로완성됨. 이와같은 4D 프린팅기술을이용하면저 절로만들어지는상자나글자를만드는것도가능함

102 현재건설산업내기업및대학연구진에서 3D 프린팅기술을활용이다양하게시도되고있음. 국외의경우, Mock-up수준의건축모형부터실물규모의주거공간이건축되고있고, 이처럼이미국외에서는 3D 프린팅기술을적용하여, 건축상품을위한제작하기위한기초수준에서적정수준까지의기술을보유하고있으며, 일부건설업체는 3D 프린팅기술을활용한실물규모의주택, 빌라등을건설하여분양사업을시도하고있음. [ 표 21] 국외에서시도되고있는 3D 프린팅건축유사사례

103 Steelblue 미국샌프란시스코스카이라인 ( 모형 )

104 그러나대부분의시도는 FDM 방식으로이루어지고있으며, 이 FDM 방식은출력물의표면이고르지않고, 현재사용중인소재는일정수준이상의강도를보장할수없기때문에당장실용화가될수는없음. 또한, 일부건설산업에서시도되는 3D 프린팅활용건축물은단지내 외부벽체단위모듈생산시 3D 프린팅기술을적용할뿐내부설비및단열등은건축물내필수요소들에대한추가작업은기존모듈러공법와생산체계가동일함. 이에따라, 기존건축방식과의경제성, 효율성, 생산성등을비교에서실질적으로성능및품질등이현저히떨어져건축상품으로써, 글로벌시장에서의상요화가어려울것으로판단됨. 그러므로이러한시점에서온전히상용화될수있는건축상품으로써, 건축물대상 3D 프린팅기술개발및파일럿제작후성능검증단계까지실현된다면현재글로벌건설시장내 3D 프린팅기술및건축상품을선도할수있을것으로판단됨

105 4. 결론및시사점 현재 3D 프린팅관련특허는매우많이출원되어있으나, 건축에활용한기술은매우적으며, 주요선진국의보유특허를확인하면 14개정도에불과함. 대다수의 3D 프린팅건축관련특허는중국에서보유중이며, 11개의특허에는시스템, 재료, 공법등이다양하게존재하고있음. 한국은단 1개의특허만을보유하고있으며, 이는생산시스템특허로써 3D 프린팅건축기술의원천특허로볼수없음. 중국에서는이미다방면에서 3D 프린팅건축특허를보유하고있으며, 한국이이후 3D 프린팅건축시장을선도하기위해서는새로운기술의개발및특허출원을통하여선도국가들의기존특허에제한받지않는원천기술특허를다수보유할필요가있음. 3D 프린터기술관련논문은 SCI 등재지를기준으로 4건밖에존재하지않았음. 미등재지의경우에는더많은수가있을것으로예상되나국내학술지의조사결과를기반으로생각하면그수는미미할것으로판단됨. 주요논문을살펴보면, 국내 3건, 국외 3건이존재하였음. 그러나국내는학술발표대회 2건에리뷰논문 1건이었으며, 국외는학위논문 2건에학술지 1건이었음. 내용면에서살펴보면국내논문들은모두 3D 프린팅기술현황을통한소개가주내용이었으나, 국외논문은현황을포함한주요건축활용기술의소개를하고있음. 현재국내 외논문모두 3D 프린팅건축분야의연구는미비하며, 이러한상황에서현재와같은동향파악보다는국내연구자들이주도적으로 3D 프린팅건축을연구하여논문들이지속적으로나올필요가있음. 국외에서는이미 3D 프린팅을활용한건축기술을실용화하기위해다양한실험들이이루어지고있으며, 이미대부분기초연구의수준이상으로개발되었으며, 일부국가에서는실용화단계까지이르렀음. 주요연구의성과물은 2010년경부터발표되기시작하였으며, 당시에는단순구조체였음. 그리고 2014년중국 WINSUN에서완성한 3D 프린팅건축물시공을통해현재실용화직전수준까지개발되었음. 그러나현재실용화단계까지도달한것은중국뿐이며, 활용기술은 FDM 3D 프린팅방식으로강도및표면처리에서많은단점을가진기술임 또한, 이실험은각부재를모듈화하여출력한뒤결합하여건축물을만드는것으로써완전한 3D 프린팅건축이라고하기에는미흡한부분이있음. 이러한시점에서기존선도국가및기업들의부족한기술로불완전한 3D 프린팅건축물을만들어내기보다국내에서 3D 프린팅건축을위한새로운소재및공법을개발하여글로벌 3D 프린텅건축을선도하고이후 3D 프린팅건축상품의시장을선점할필요가있음

106 제 4 절연구개발인프라분석 ( 현재장비, 재료에대한현황 ) 1. 장비 현재유통되고있는산업용 3D 프린터는스트라타시스 (Stratasys), 3D 시스템즈 (3D Systems), EOS 의 3D 프린터가시장점유율이비중이높은것으로조사되며, 각 업체의 3D 프린터별사양은다음표 25 와같음. [ 표 22] 회사별가장큰출력사이즈를가진 3D 프린터 회사방식모델명 STRATASYS 3D SYSTEMS EOS FDM POLYJET SLA SLS DMP SLS (Plastic) SLS (Metal) Fortus 900mc Fortus 400mc Object 1000 Object Eden500V ProX950 ProX800 spro230hs spro140hs ProX400 ProX300 EOS P 760 EOS P 396 EOS M 400 EOS M 290 조형크기 (mm) 레이어두께 장비크기 (mm) 장비무게 (kg) 조형판크기 (mm) 914x / ,772x1,683 x914 /0.330 x2,027 (mm) 2, / x355 /0.254/ ,281x896 x406 (mm) x1, ,000x800 x500 16/30 (μm) 2,800x1,800 x1,800 1,950 1,000x x390 x200 16/30 (μm) 1,320x990 x1, x400 1,500x750 x550-2,420x1,730 x2,540 1, x750 x550-1,900x1,630 x2,480 1, x550 x ~0.15 (mm) x550 x ~0.15 (mm) x500 x500 10~100 (μm) - 약6, x250 x300 10~50 (μm) - 약5, x /0.1/0.1 4,800x4,800 x580 2/0.15/0.18 x3,000 (mm) 2, x340 x /0.1/0.1 2/0.15/0.18 (mm) 400x400 x x250 x325-4,300x3,900 x3,000 6,500x6,000 x3,300 4,800x3,600 x2,900 1,060-4,635-1,250 - 현재스트라타시스에서산업용으로가장큰출력물을프린팅할수있는 3D 프린터는 FDM방식의 FORTUS 900MC이며, 최대조형크기는 914mm 610mm 914mm인것으로조사되었음. 스트라타시스에서잉크젯방식의가장큰출력물을프린팅할수있는 3D 프린터는 Objet1000 으로 1000mm 800mm 500mm 의최대조형크기를가진것으로조사되었음. 3D 시스템즈의산업용 3D프린터의경우 SLA 방식의 ProX950이가장큰출력크기를가진것으로조사되었고, 크기는 1500mm 750mm 550mm 임

107 3D 시스템즈의산업용 3D프린터중 SLS 방식의경우 spro230hs가가장큰조형크기를가진것으로조사되었고, 크기는 550mm 550mm 750mm 임. 3D 시스템즈의산업용 3D프린터중 DMP 방식의경우 ProX400가가장큰조형크기를가진것으로조사되었고, 크기는 500mm 500mm 500mm 임. 독일의 EOS사의경우는 SLS방식의 3D프린터를집중생산하며플라스틱과메탈재료에따라 3D프린터의종류가달라지는것으로조사되었음. 그중플라스틱재료를사용하는 EOS P750의크기는 700mm 380mm 580mm로최대조형크기를가지는것으로조사됨. 메탈재료를사용하는 EOS M400의크기는 400mm 400mm 400mm로최대조형크기를가지는것으로조사됨. 이처럼현재산업분야에서사용되는 3D프린터의최대크기는약 1000mm 1000mm 500mm정도인것으로조사되었음. 이에따라, 최대조형크기의 3D 프린터로는실제건축물에서부재혹은구조체로의역할을할수있는조형물을프린터하기위해사용되기는어려움이있으며, 유통되는산업용 3D프린터를건축분야에사용하게될경우건축물을무수히많은조각으로모듈화또는분해해야하는문제점이발생할것으로판단됨. 반면, 중국 3D 프린팅건설기업인 윈선 (Winsun) 社 의경우, 자체적으로제작한 3D프린터를사용하여집을건축한사례가있지만, 이는대형화된 3D프린터장비가아닌거푸집없이쉽게경화하는콘크리트재료를사용하여일정한두께로분사하는방식으로직접적인 3D프린팅장비가아닌재료적측면에서의시도라고판단됨. 향후건축분야에서 3D프린팅기술을활용하기위한장비로써는최소약 1.2m 1.2m 1.2m 이상의조형크기가가능해야될것으로판단됨. 또한현재의 3D 프린팅장비로는특정상품또는특정재료를사용하여조형크기를늘리는것은어느정도가능하다고볼수있지만, 조형시간이장시간이걸리는것으로조사됨. 건축물에직접적으로 3D프린팅장비를사용하기위해서는상기에서설명한 3D 프린팅방식이복합적으로사용될수있는 3D프린터의조형크기가최소한의조건으로판단됨. 2. 3D 프린터재료 현재유통되고있는 3D프린팅방식별재료및소재의물성치를표 23, 표 24, 표 25 와같이조사하였음. 재료의경우, 3D프린터를제작하는회사가장비에맞는재료를독점공급하고사용하도록유도하는환경이조성되어있는것으로조사됨

108 이는고가의 3D 프린터장비를각프린터제조회사가공급하지않는재료를사용하여 생기는고장사항에대해제조사를통한 A/S 가불가능한정책때문인것으로판단됨. [ 표 23] FDM, Polyjet 재료물성치 [ 표 24] SLS 재료물성치

109 [ 표 25] SLA 재료물성치 주요산업용 3D프린팅의재료는산업용 3D프린터를만드는스트라타시스, 3D 시스템즈, EOS에서나온재료가시장에서주로유통되며, ABS수지, 아크릴, 합성폴리머플라스틱계열, 금속파우더, 세라믹파우더계열인것으로조사됨. ABS수지나아크릴계열의재료는 FDM방식또는잉크젯방식을사용하여두가지이상의색상조합이가능하며, 부분적으로복합프린팅이가능한것으로조사됨. 이는동종소재의다양한물성치를가진재료를조합하여새로운재료를만들어낼수있고, 기존재료간의융합을통해보다다양한재료를개발할수있을것으로판단됨. 건축분야에서일반적으로가장많이사용되는콘크리트의경우는 24Mpa 의강도, 초고강도콘크리트의경우는 100Mpa 의강도를나타냄에있어, 3D프린팅재료의경우에도인장강도의경우는콘크리트보다높은구조적성능을가지고있는것으로조사됨. 3D프린팅재료의압축강도는적층방식에따라달라지기에, 재료의제조사에서도각재료의압출강도물성치를표준화시키지못하는실정인것으로파악되고, 이는 FDM방식또는 polyjet/inkjet방식에많이나타나는사례로써재료와재료간의접착에따른구조적성능이발휘되기때문인것으로조사됨. 이처럼건축분야에서활용하기위해서는재료의적층방식, 관련정책 / 제도등의기준에대한표준화연구및개발이필요할것으로판단됨. FDM방식의경우스트라타시스 (Stratasys) 의 ULTEM9085(PEI 계열의엔지니어링플라스틱 ) 의경우구조적성능이가장높은것으로조사되었고, 인장강도의경우알루미늄의 1.5배, 콘크리트의 25배, 이는적층방식에따라다르지만압축강도는약 70Mpa이상으로의료기기, 선박, 자동차분야등에서활용하기에가장이상적인재료로조사됨

110 SLS방식의경우주로금속계열의 3D프린팅출력에적합하며, 재료의구조적성능역시건축부재에필적하거나뛰어넘는것으로조사됨. EOS Nickel Alloy MX 시리즈의재료등은가공이쉽고, 비교적열에강하며항복강도와인장강도도높은것으로조사됨. 이처럼 FDM방식의 3D프린팅재료는건축분야에서콘크리트를대신할재료로적합하고, SLS방식의 3D프린터재료는건축분야에서철근이나금속부재를대신할재료로적합한것으로판단됨. 그러나대부분의산업용 3D프린팅재료는열성형을통해출력함으로인해열에취약한부분이가장주요한특성이며, 일부 3D프린팅재료의경우는약 100 의온도에도구조적성능이발휘되지못하는것으로조사됨. 특히, 건축분야에서 3D 프린팅재료를통해출력된구조체에대한건축법 / 제도기반의피난, 방재, 안전등에대한기준에현재까지는거리감이있는것으로조사됨. 또한현재산업용 3D프린터에사용되는상당수의재료의가격이고가에유통되고있기에단기적인측면에서는기존건축부재대비경제성이현저히떨어지는것으로판단되기에, 건축분야에서 3D 프린팅기존재료의활용및새로운재료를개발하기위해서는중 / 장기적인연구개발계획이필요함. 3. 국내 3D 프린팅관련제조및유통업체현황조사 국내 3D 프린팅장비및재료의제조사, 공급사등은제조업에서가장활발히 3D 프린팅을산업용으로활용하여시제품의개발주기를단축시키고, 원가절감및의료분야에서맞춤형의료도구및수술연습용도구와같은정밀한도구제작에사용되고있음. 제조업에서는전자제품, 자동차부품, 건설기계의조이스틱, 완구제작등에활용되고, 의료산업에서는사용자혹은환자에게적합한맞춤형안경, 보청기, 치과교정기또는신체의일부를 3D 프린팅으로제작하는사례가증가되고있음. 최근기업에서는엔터테인먼트사업을위해 3D 프린팅을적극적으로활용하고있는것으로조사됨. 국내에서는세중정보기술에서는 3D Systems, USL( 美 ), Formtech 등의제품을판매하고있으며, 시스옵엔지니어링은 Stratasys, Objet 제품을판매하고있으며, 2012 년 10월 3D Systems 는국내 3D 스캐너및 SW 개발업체아이너스기술을 3,500 만달러에인수한실정임. 국내기업중실제산업용 3D 프린터를개발 판매하는기업은캐리마, 인스텍등에불과하고, 2012년도기준국내에설치된 3D 프린터 1,300 여대중캐리마社와인스텍社의제품은약 40대정도로시장점유율면에서극히미미한상황이며, 캐리마社의 3D 프린터누적판매대수는약 70대정도이며, 그중 60% 는해외수출에의존하고있음

111 [ 표 26] 국내 3D 프린터제조및유통업체현황 [ 표 27] 2012 년도기준국내 3D 프린터재료및소재관련업체현황

112 [ 표 28] 국내 3D 프린터유통및솔루션제공업체현황

113 제 5 절종합분석 1. 국내외정책및시장분석 최근까지국외에서 3D 프린팅기술이향후각종산업의혁신동력으로자리잡을것이라는데는이견이없으며, 이에따라세계각국에서는 3D 프린팅기술의활성화를위한연구기관설립과정책적지원책을추진하고있음. 미국을중심으로일본, 영국, 독일등선진국과중국과같은신흥국들은현재제조업기반의 3D프린팅및첨삭제조 (AM) 관련산학연프로젝트를중심으로원천기술개발에대한기술개발연구에지속적인투자를하고있음. 이와같이국외 3D 프린팅기술선진국대부분이제조업에집중투자하며, 건설업관련 3D 프린팅국가정책에대한정부투자및전략계획이현재미흡한것으로조사됨. 3D 프린팅관련정부 R&D 총과제중각기관별차지한비중을살펴보면, 전체국가R&D 연구과제중건축분야의경우는단 3건으로약 3% 정도인것으로조사됨. 국내 3D 프린팅관련지원정책은 3D 프린팅기술선진국실정과마찬가지로, 제조및 IT 산업에대한지원방향및투자가형성되어있고, 국가 R&D 중건축분야에해당되는연구과제는단 3건으로다른분야에비해상당히부족한실정으로조사됨. 현재국내건축분야국가 R&D 연구과제는 3D 프린팅적용건설기술및건축물구현에대한기술개발연구의대상에대한연구의초기단계인것으로판단되기에, 3D 프린팅기술개발후발주자로써, 전체시장선점을목표로시장성을보고접근할수있는연구가필요한것으로판단됨. 현재국내정부주도의건설업내 3D 프린팅적용지원정책및예산투자의흐름이전무할정도로미흡한시작단계이지만, 지속적인관련기술개발및예산투자를통해건축특화 3D 프린팅관련기술및출력물개발을통해국내건설업의성장의주요수단이될것으로판단됨. 국외 3D 프린팅선진국에비해후발주자이지만, 국외선진국조차도대부분이제조업을살리기위한전략및투자이기에 3D 프린팅적용건설업에특화된지원정책및예산투자를통한적극적인기술개발을통해세계 3D 프린팅시장건축분야선점이가능할것으로판단됨. 이러한기술개발은현재선진국 / 기업에서주도하는 3D 프린팅기술과는상이한건설업기반새로운방식의원천기술개발을통한 3D 프린팅건축물, 공정, 소재등뿐만아니라, 시장형성관련기술및마켓도고려한복합적인연구가필요한것으로판단됨

114 2013 년기준 3D 프린팅글로벌시장규모는 25 억달러에서연평균 45.7% 로성장 해 2018 년에는 162 억달러의초대규모시장이형성될것으로전망하고있음. [ 그림 51] 세계 3D 프린팅시장규모및전망 국내 3D 프린터활용분야는휴대폰케이스, 자동차, 가전, 의료기기, 완구, 방위산업, 신발산업등제조업이대부분이며, 건설업에서의활용은시도조차전무하고, 3D 프린팅산업내산업별시장규모및전망이파악조차되지않는상황임. 세계 3D 프린팅시장에서의산업별점유율을살펴보면, 건축분야는 3% 로상당히적은비중을차지하고있기에국가별건축분야에서 3D 프린팅기술개발및활용수준에있어서는여타산업에비해기술격차가낮다고판단할수있음. 국내산업별 3D 프린팅활용상황은국외와마찬가지로건축분야에서의 3D 프린팅활용은미진하나, 일부건축모형및인테리어소품제작정도로한정되어활용되고있기에실질적인건축물구현을위한기술수준은전무한것으로판단됨. 국내시장에서는사용되고있는 3D 프린터의 90% 가수입품인실정이기에, 3D 프린터개발및연계된소재및소프트웨어개발도진행되지못하고있는상황임. 이에따라, 3D 프린팅기술개발후발주자로써, 제조업관련기술개발뿐만아니라, 시장선점을위해 3D 프린팅기술활용이미흡한건축분야의 3D 프린팅관련원천기술개발에집중할필요가있음. 현재까지건축물을출력할수있는 3D 프린팅기술이전무하기에인간이거주및사용할수있는적정규모의구조체를출력할수있는건축분야의특화된 3D 프린터개발이필요함. 또한, 3D 프린터로출력된건축물이기존건축물성능을구현하기위해장비개발뿐만아니라, 동시다발적으로설계및시공기술, 소재등의관련기술개발이필요함

115 2. 기술개발동향및인프라분석 2015 년기준국가별 3D 프린팅관련특허출원건수를조사한결과, 미국 2,204 건, 한국 1,267 건, 일본 995 건, 유럽 258 건으로미국다음으로한국의 3D 프린팅 관련특허출원건수가높은것으로파악되었음. 출처 : WIPS 특허정보서비스 DB [ 그림 52] 3D 프린팅기술관련특허출원총출원건수및국가별비율 [ 표 29] 주요 3D 프린터업체의각국가별순위현황 글로벌산업용 3D 프린터시장은스트라타시스 (Stratasys) 와 3D시스템스 (3D SYSTEMS) 양사의과점체제가구축되어있으며, 그중에서 Z CORP, 3D시스템스 (3D SYSTEMS), 스트라타시스 (Stratasys) 社가활발한 3D 프린팅기술관련특허활동을보이고있음,

116 그러나위선도기업들은특허주요출원국가를대상으로다수의패밀리 ( 연계 ) 특허를출원하여관리하고있으며, 독자적인 3D 프린터관련특허를충분히확보하지못한다면향후특허분쟁에서어려움을겪을가능성이높을것으로판단됨. 2009년스트라타시스 (Stratasys) 가보유한압출적층방식 (FDM: Fused Deposition Modeling) 특허가만료되면서보급형프린터들이생겨날수있는기회가되었으며, 향후 3년내에 3D시스템스 (3D Systems) 가보유한 SLA 방식과 SLS 방식 31건이추가적으로만료될예정임. 핵심특허를보유한기업이나단체는해당핵심특허에관련된수많은개량특허또한보유하고있기때문에, 다른특허와연계되는견고한특허장벽을구축하고있음. [ 표 30] 3D 시스템스 (3D Systems) 와스트라타시스 (Stratasys) 의만료특허피인용수및소송활용현황 단위 : 건 최근 3년동안 3D 프린팅기술원천기술특허의완료에따라총 15건의특허소송이발생하였으며, 이중 3D시스템스 (3D Systems) 社가제기한소송이 7건에달하고있음. 주로산업용 3D 프린터제조에힘을기울이던거대 3D 프린터제조업체들이개인용 3D 프린터를제조하는중소업체들에대하여이와같은압력을행사하는것은개인용 3D 프린터시장의성장속도및가능성이이미무시할수없는수준에올라와있기때문인것으로보임. 한국의경우최근 3D 프린팅기술관련특허의출원비율이점차높아지고있으나, 선진국에비해출원건수가매우적으므로정부의전략적인투자가뒷받침된전략이필요할것으로보임. 최근에주요국가들이 3D 프린팅을건축에활용하기위한기술을개발하여특허를출원하고있으며, 그중에서도중국은가장많은특허를출원중에있으며 3D 프린팅건축기술개발의선두주자역할을하고있음. 중국은장비, 시공, 재료뿐만아니라시스템관련특허까지다방면에서기술개발을하고있으며, 이를통해 3D 프린팅을건설에활용하기위한기술을출원함. 또한해당기술들을활용한실제건축사례도보유하고있음

117 [ 표 31] 국가별 3D 프린팅건축특허내용 최근에주요국가들이 3D 프린팅을건축에활용하기위한기술을개발하여특허를출원하고있으며, 그중에서도중국은가장많은특허를출원중에있으며 3D 프린팅건축기술개발의선두주자역할을하고있음. 한국은 3D 프린팅건축기술의후발주자로서이미선도국가들의특허와충돌이있을수밖에없으며, 이를대비하기위한전략적인기술개발이필요할것으로판단됨. 이를위해기존국가들이시도하고있는 FDM 방식을벗어난새로운방식의기술활용이필요하며이를통해기존의불완전한공장제조방식의 3D 프린팅건축기술이아닌수요자취향에맞춰현장에서직접제작이가능한 3D 프린팅모듈형건축기술의개발이가능하게될것으로판단됨. 기존과다른신규원천기술의확보를통해후발주자였던한국이 3D 프린팅건축기술의선도국가로자리매김할수있는기회가될것으로보임

118 2000 년부터 2015 년현재까지 3D 프린팅관련국내 / 외논문을살펴보면, 국내는 총 914 건 21), 국외는총 1885 건 22) 으로조사됨. [ 그림 53] 국내 외 3D 프린터관련논문분야별비율 국내논문의경우기획, 장비 / 시스템, 상품분야의논문건수가전체건수의약 75% 를차지하는것으로파악되었고, 국외논문의경우 product, material, equipment 분야의논문건수가약 90% 이상을차지하는것으로파악되었음. 국내 / 외 3D 프린팅관련논문중건축분야는국내 / 외각각 5건정도로써, 타분야에비해현저히연구개발이미흡한것으로파악됨. 이를통해, 글로벌시장에서기술경쟁력을갖추기위해서는 product, material, equipment 분야의연구개발뿐만아니라, market platform, Test-bed, architecture 분야의연구를통해기술경쟁력을확보할수있을것으로판단됨. 특히, architecture 분야는 0.2% 로써기술경쟁력을높여시장선점을기대할수있을것으로판단됨. 연도별국내 3D 프린팅관련논문연구분야를살펴보면, 2013년이후논문건수급증을통해국내에서는 2013년도기준으로 3D 프린팅대한관심이높아진것으로판단됨. 2014년도에총 141건으로가장많은논문건수를기록하며, 연구분야중 기획분야 가 37건으로가장많은연구가진행된것으로조사됨. 연도별국외 3D프린팅관련논문연구분야를살펴보면, 국내논문동향과마찬가지로, 2013년이후논문건수급증을통해 2013년도기준으로 3D 프린팅에대한관심이높아진것으로판단됨. 2014년도총 292건이고연구분야로는 product 가 159건으로가장많은연구가진행된것으로조사됨. 21) 총 914 건의논문중 617 건 ( 약 68%) 의논문이본연구와의연계성이미흡한 3D 이미지, 3D 애니메이션, 인쇄술, 컴퓨터 3D 시각화에관련된논문인것으로파악되었음. 22) 총 1885 건의논문중 825 건 ( 약 44%) 이본연구와의연계성이미흡한것으로조사되었음

119 [ 그림 54] 연도별국내 3D 프린터관련논문세부분야동향 [ 그림 55] 연도별국외 3D 프린터관련논문세부분야동향

120 그러나 3D 프린팅건축분야와관련된논문은 2009년 1건, 2014년 2건, 2015년 1 건으로총 4건의논문이발행되었으며, 전체동향과비교하였을때, 앞으로활발한연구가필요할것으로분석되었음. 전체논문동향을확인하면국내에서는 3D 프린팅기획 (28%), 장비 / 시스템 (26%), 상품 (20%) 등으로고르게분포되었으나국외에서는상품 (66%) 으로연구분야가편중된현상을보임. SCI 학술지외에국내 외의주요 3D 프린팅연구는국내총 3건, 국외총 3건정도임. 그리고해당연구도주로 2014년에발표되었던것으로미루어볼때, 3D 프린팅건축은최근에서야관심을받고있는연구라고판단되었음. [ 표 32] 주요 3D 프린팅건축특허내용 관련논문중에서국내논문은학술발표대회 2건, 리뷰 1건이있으며, 국외논문은학위논문 2건, 학술지 1건이존재함. 국내논문은학술발표의경우전반적인 3D 프린팅분야의조사를통해건축분야에활용가능한기술을소개하는수준이었으며, 리뷰의경우에도학술발표와마찬가지로기술동향을다루는내용이었음. 국외논문은학위논문및학술지가있었으며, 국내논문에비하여내용이방대하고, 구체적이었으나건축관련사례들을제외하면대부분 3D 프린팅기술의현황들을다루고있었음. 3D 프린팅건축관련논문을조사한결과, 건축분야에서일부논문이발표는되고있으나전반적인동향을다루는수준이었으며, 논문내에서소개된건축사례들도기존 3D 프린팅기술을활용한실험이었음. 국내연구자들의지속적인 3D 프린팅건축기술의연구를통해신규원천기술을연구한다면향후현재의선도국가들을추월할수있는충분한상황이라고판단됨

121 3. 기술개발연구추진방향성도출 국내 / 외정책, 시장, 기술 ( 특허, 논문, 유사사례 ) 동향분석결과를기반으로내부 환경에서의강점 (Strengths), 약점 (Weaknesses) 과외부환경에서의기회 (Opportunities), 위협 (Threats) 요인을도출하여, SWOT 분석을실시함

122 SO전략 건축분야사용가능한 3D 프린팅장비, 재료, 설계핵심요소기술개발을통한글로벌건축시장선점우위확보 3D 프린팅기술기반건축분야법 / 제도표준화정립을통한핵심기술국산화구축 3D 프린팅건축분야지원정책및투자확대를통한글로벌시장선점 3D 프린팅기술활용비정형건축물맞춤형구조부재, 내 외부인테리어등에대한핵심기술및생산체계개발을통한글로벌 3D 프린팅건축물시장선점 모듈러공법과같은기존건축물생산체계에서생산수단 (tool) 뿐만아니라, 3D 프린팅특화장비, 재료 / 소재, 생산플랫폼등의개발을통해시장니즈 (Needs) 맞춤형다품종대량생산 (1000개이하 ) 체계인프라구축 3D 프린팅건축물생산인프라구축을위한관련원천기술우선개발기초 실험적연구진행시급 ST전략 기존선진국비집중지원및투자분야인건축분야 3D 프린팅산업지원을통한원천기술특허를통한시장선점가능 글로벌시장선점 FDM 방식이외의출력방식을활용한건축물설계, 장비, 재료 / 소재관련원천기술개발을통한선진국 / 기업대상기술및상품역수출가능 선진국여타산업집중투자대비국내건축분야집중투자를통한 3D 프린팅건축상품상용화수준진입으로 3D 프린팅기술력확보가능 건축분야 3D 프린팅상품기획및설계, 장비, 소재개발과같은생산플랫폼구축과상품생애주기관점에서소비자와공급자를연결하기위한 3D 프린팅마켓플랫폼을최단기간에추진함으로써해당시장분야의주도적입지를점유할수있음. WO전략 3D 프린팅건축물설계, 장비, 재료 / 소재등개발관련원천기술확보를통한주요선진기업특허장벽극복 3D 프린팅특화생산플랫폼및조달, 유지관리기술개발을통한단순생산수단 (tool) 활용 3D 프린팅기술글로벌시장선점선진국 / 기업과의차별화되고범용적인시장선점확보가능 WT전략 글로벌시장 3D 프린팅선점국가 / 기업집중투자및기술개발분야 ( 에너지, 바이오, 자동차, 항공기등 ) 이외의시장규모가큰건축분야핵심기술개발을통한시장접근및선점전략수립필요 건축물대상 3D 프린팅특화설계, 장비, 재료 / 소재개발을통한 3D 프린터장비, 재료 / 소재 ) 선진국의존수입률저하가능 건축분야 3D 프린팅기획및설계, 공정프로세스등기술개발을통한국내기술

123 수준이미흡한소프트웨어측면보강 글로벌시장선점을위한 3D 프린팅건축물특화설계, 장비, 재료 / 소재핵심기술개발국내기술개발인프라구축및투자추진 상기와같이, 국내 / 외동향및환경분석기반 SWOT 분석을통해도출한기술개발연구추진방향은다음과같음. 현재건축분야 3D 프린팅활용은정형적인설계 ( 안 ) 에서기존건축재료기반을둔기초적수준 ( 소규모구조체, 인테리어등 ) 의 3D 프린팅건축상품으로써, 건축분야의 3D 프린팅장비및소재의원천기술선점및시장을선도하기에어려움이있음. 건축분야 3D 프린팅활용을위해선결적으로규모의한계를극복하기위해건설시장및환경과연동하여유연화된연구기획이필수적일것이며, 이는글로벌시장선점및원천기술확보를위한연구기반으로판단됨. 이에따라, 건축분야에서상품의규모, 형상, 기능등종합적인건축상품기획을설정하고, 이와연계된건축특화 3D 프린팅소재및장비를선제적으로개발하여 3D 프린팅건축분야글로벌시장에서의기술선도와독점적시장점유율확보가가능한연구기획이필요함. 전통적인기존건축분야생산체계대비경제성, 효율성, 상품성등을극복할수있는 3D 프린팅기술을활용한건축기획및설계기술, 3D 프린팅장비및소재의핵심원천기술에대한연구기획이필요함. 또한, 상기의 3D 프린팅기획및설계, 장비, 소재와연계되어건축상품의유형 ( 구조체, 외장재, 인테리어등 ) 에따른 3D 프린팅생산체계까지의패키지화된연구기획이필요함. 이와더불어건축분야 3D 프린팅건축물특화설계, 장비, 재료 / 소재핵심원천기술개발뿐만아니라, 글로벌시장선점을위한건축물생산플랫폼및조달, 유지보수기술개발도동시에추진되어야할것으로판단됨. 또한, 글로벌시장선점및선진국 / 기업역수출을위한생산된건축상품검증및평가체계표준화및관련법 / 제도개정또는수립하여상용화시킬수있는마켓플랫폼까지구축하여, 소프트웨어적인부분도동시에추진되어야할것으로판단됨

124 제 3 장연구개발과제구성및추진전략 제 1 절비전및목표 v 비전 (Vision) : 3D 프린팅기술을건설산업에성공적으로도입함으로써새로운상품 니즈 시장 기술을창조함. 이를통해산업의새로운성장동력으로자리매김하며, 일자리창출, 글로벌경쟁력증가등창조경제실현에이바지함. v 연구개발목표 (Goal) -건축분야 3D 프린팅설계 생산기술세계 1위 -3m x 6m x 3m 규모 ( 안 ) 의주거 복합용도단위모듈구조체 1일생산 -신규건축용 3D 프린팅소재의기존건축자재 소재대비 100% 성능구현 v 연구개발전략 (Strategy) : 3D 프린팅건축상품의다양성확보와소비자- 공급자간의지속가능한생태계구축을위해 3D 프린팅기술기반주거 복합용도단위모듈및내외부건축요소, 단위모듈규모의복합 3D 프린팅장비및시스템, 기존건축소재전환및건축용 3D 프린팅융복합소재 에기반을둔 생산플랫폼 (Production Platform) 과새로개발된건축상품의시장구축및제도 정책적기저환경구축을위한 마켓플랫폼 (Market Platform) 개발을연구개발전략으로설정함. v 상품개발경로 (Product Development Path) : 시장의다양성에기초하여광범위한용도의적정기술시장확보전략, 산업의점진적변화를유도하기위한기존기술기반고도화상품전략, 과도기하이브리드 (Hybrid) 상품전략, 미래형융복합고부가가치상품전략으로세분화함. v 시장다양성 (Market Diversity) : 상품수요자 ( 국가, 기업, 개인등 ) 가당면한사회 경제 기후 환경 자원 에너지환경은모두다르며, 이에대응하는수요자의니즈 (Needs) 는다양한스펙트럼 (Spectrum) 을가지고있음. 이에따라상품개발은최소한의필요조건만을충족하며, 형상적 기능적다양성을확보할수있도록개방형생태계 (Open ecosystem) 를추구해야함

125 제 2 절기술개발에따른미래상 1. 현황및미래상 건설산업에서건축양식에대해살펴보면, 1900 년대이전은 정형과비정형의조화, 1900~2000 년대는 극단적정형및효율성추구, 2000 년대를넘어오면서부터는 극단적인비정형건축 으로의시대적변화가파악됨. 정형적설계 ( 안 ) 에서는전통적생산방식 ( 철근콘크리트및모듈공법등 ) 의효율성과경제성을극복할수없기때문에, 최근건설산업에서비정형건축물생산에서구조부재의맞춤형제작생산, 내외부마감의맞춤형제작생산, 맞춤형곡면노출콘크리트등에대한생산단가상승, 정밀한생산방식필요, 생산의비효율성급증등의기술적한계에도달한실정임. 현재건설산업내기업및대학연구진에서 3D 프린팅기술을활용한사례들을보면, Mock-up수준의건축물모형부터실물규모의주거공간등이시도되어왔고, 건축상품을제작하기위한기초수준에서적정수준까지기술을보유한것으로판단될정도임. 또한, 일부건설업체의경우 3D프린팅기술을활용하여실물규모의주택, 빌라등을건설하여분양사업을시도하고있음. 이로인해개발된모듈러건축기술은생산체계를생력화 공업화하여생산성과경제성을극한으로끌어올리기위한목적을가지고있지만, 최근비정형적설계 ( 안 ) 으로는형태적 ( 디자인 ) 요소에집중되어건축상품의다양성만이부각되고, 시장성, 생산성, 편의성, 안전성에대한부분은고려되지못한실정임. 그러므로시장니즈를충족하는다품종대량생산체제에대응하기위해 3D 프린팅기술을활용한건축상품및생산플랫폼, 마켓플랫폼이필요할것으로판단됨. 현재미국, 유럽, 중국등의국가에서는전통적인건축재료에기반을둔기초적수준의 3D 프린팅건축상품 ( 소규모구조체, 특정부위, 인테리어등 ) 이연구 / 개발되고있고, 최근까지 3D 프린팅생산체계가적용되어상품성, 안전성, 효율성등이확보된상품사례는존재하지않음. 3D 프린팅기술이응용된건축상품은규모, 형상, 소재, 기능, 적층방식등다양성이매우높을것으로판단되며, 기개발된타산업분야의활용사례에근거하면수요자의용도 / 목적등에따라다양한파생상품들이개발될것으로판단됨. 그러나현재까지개발된 3D 프린팅기술및사례에근거하면, 건축물생산에대한원천적 / 종합적접근은매우제한되어있음. 특히규모, 소재, 장비등생산방식과관계된원천기술은현재까지존재하지않음. 건설 건축분야내 3D 프린팅기술의수용은형상의다양성, 정밀성뿐만아니라, 대량생산기반의제조업의특성을건축분야에효과적으로도입할수있음. 또한건설업이가지고있는다품종소량생산, 노동집약적생산, 현장생산등전통적이고복잡한생산체계를다양한규모및형태, 성능에대한

126 시장수요에대응할수있도록혁신적인변모가가능할것으로판단됨. 이에따라본기획연구진은상술된국내외시장 기술동향에근거하여, 향후건축물용 3D 프린팅상품 ( 기획및설계 ), 생산플랫폼 ( 장비, 소재 ), 마켓플랫폼 (Test-bed 및제도 / 정책 ) 으로최종성과물을설정하였음. 또한향후개발될건축상품이건축물로써기본적인기능을수행할수있도록단위모듈 (Unit Module) 을생산물의기본모델 (Base Model) 로설정하였음. 이는단위모듈의다양한규모및형태구현과독립적활용 (Stand Alone) 뿐만아니라, 조립 (Fabrication), 확장 (Expansion), 배열 (Arrangement) 을통한규모적확대를용이하게하며, 사용자의다양한기능적 (Functional) 요구를효과적으로반영할수있기때문임. 플랫폼화 (Platformization) 된생산체계와이를구성하는원천기술을기반으로단위모듈을생산할경우, 향후글로벌건축상품시장의기술선도와독점적시장지위확보가가능함. 3D 프린팅건축상품군의생산플랫폼과예상되는최종성과물에대한미래상의예시 ( 안 ) 은다음과같음

127 [ 그림 56] 3D 프린팅건축기술의미래상

128 2. 건축물용 3D 프린팅최종성과물과성능수준 본연구의예상최종성과물인단위모듈형건축상품은내구성, 내수성, 내화성, 내열성, 내진성, 차음성등과같이기본적인주택성능기준에 100% 부합하여야함. 특히벽체 ( 내 외벽마감포함 ), 바닥 ( 보, 슬라브등 ), 내부인테리어는전통적건축물의기능적 형태적한계점을극복함으로써사용자의내외부비정형공간과같은다양한규모및형태, 성능등에대한사용자및공급자의니즈에대응할수있을것으로판단됨. 또한, 시장니즈를충족하는다품종대량생산체제에대응하기위해 3D 프린팅기술의활용이필요할것으로판단됨. 이를통해 3D 프린팅기술이적용된단위모듈은기존소극적인건설 +IT(ex. Home automation 등 ) 기술을벗어나, 공간과공간, 인간, 사물과의관계를긴밀히연결해줄것으로예상됨. 특히 ICT(Information and Communication Technologies) 임베디드 (Embedded), 사물인터넷 (Internet of Things) 등과같은이종기술과의적극적인융합을통해공간에대한새로운사용자경험 (User experience) 을창출하며, 상품의부가가치향상을이끌어낼것으로판단됨. [ 그림 57] 예상최종성과물의특징 ( 예시 )

129 기획연구진은그림 58과같이 3D 프린팅기술이적용된공장형태의생산플랫폼을제시함. 생산플랫폼은단위모듈규모의건축상품군을생산하기위해 3D 프린팅소재와장비를이용한 1) 모듈프린팅 Zone, 2) 모듈조립 Zone, 3) 모듈양생및함침 Chamber Zone, 4) 완제품모듈패키징, 출하및선적 Zone과같은프로세스로구성됨. [ 그림 58] 모듈프린팅 Zone( 예시 ) [ 모듈프린팅 Zone] 이부분은복합소재동시 순차프린팅, 프린팅방식의전환기술, 점형 (Spot) 선형 (Linear) 레이저소결전환기술, 고출력및고온용광로, 출력환경조절기술, 다목적프린팅헤드 (Head), 각종기계제어알고리즘, X Y Z축이동형또는틸팅 (Tilting) 프린팅 Bed 등의기술개발이필요할것으로예상됨. [ 그림 59] 모듈조립 Zone( 예시 )

130 [ 모듈조립 Zone] 이부분은서브모듈 (Sub-module) 및단위모듈의전처리과정 (Pre-processing) 으로모듈간접합을위한전처리, 서브모듈조립, 확장, 배열을통한단위모듈의규모적다양성확보, 배열접합을통한형상다양화등의기술개발이필요할것으로예상됨. 건축물용 3D 프린팅기술이발전할수록서브모듈의생산규모도커지게되며, 궁극적으로단위모듈일체생산이가능할것으로판단됨. [ 그림 60] 모듈양생및함침 Chamber Zone( 예시 ) [ 모듈양생및함침 Chamber Zone] 이부분은서브모듈접합및단위모듈의양생과 함침에활용되는공정이며, 출력물의표면마감, 강도향상, 진공, 온도. 습도조절과관련된기술개발이필요할것으로예상됨. [ 그림 61] 완제품모듈패키징, 출하및선적 Zone( 예시 ) 완제품모듈패키징, 완제품모듈출하및선적 Zone] 이부분은 생산공정을통해완성된단위모듈을사용자의기호에맞게부분적으로 수정하거나보정하며, 제품배송또는운송을위한패키징공정임

131 본연구예상최종성과물인단위모듈형건축상품, 생산플랫폼 ( 장비, 소재 ), 마켓플랫폼의기본성능수준은다음과같이예시로제시함. [ 표 33] 예상최종성과물의성능 ( 예시 ) 3m 6m 3m 규모 ( 안 ) 을갖는단위모듈형구조체및내 외부건축요소 통합설계 ( 건축, 구조, 설비, 시공 ) 소프트웨어 3D 프린팅기술기반설계 엔지니어링가이드라인 압축강도 ( 콘크리트강도기준 ) : 바닥 24MPa, 벽 27MPa 인장강도 ( 철근강도기준 ) : 500MPa 단위모듈출력가능규모방안 : 3m 6m 3m 이종소재동시프린팅및 FDM+SLS 혼용가능 200μm ( 미세부분 )~1,000μm ( 일반 ) 정밀제어가능 수십 ~ 수만KW 급레이저가공및고온용광로 평면 / 곡면상프린팅가능 X, Y, Z 축이동형또는틸팅 (Tilting) Printing Bed 내화성 ( 철근내화성기준 ) : 538 C 차음성 ( 공동주택건설기준 ) : 50dB 이하 열관류율 ( 건축물설비기준 ) : 3.00 W/ m2 K 이하및 2.58kl / m2h. 이하 경량화 ( 고성능경량콘크리트기준 ) : 1.6~1.9t/m³ 복합성능 : 이종재료혼합 3D 프린팅기술기반융복합건축상품군성능평가시스템 웹기반 3D 프린팅건축상품오픈마켓플랫폼 3D 프린팅기술기반융복합건축상품확산을위한제도및정책 ( 안 )

132 3. 기술개발전략및효과 Mckinsey & Company는 3D 프린팅기술을산업근간을뒤흔드는 12가지와해성기술 (Distruptive Technology) 중하나로지목하였음 23). 또한이기술을통해파급되는경제적효과는총 550억달러로추정하였음. 와해성기술 : 정치, 경제, 군사, 기타사회적측면등다양한분야에서국가경쟁력에위협이될수있거나혹은국력신장에기여할정도로파급효과가큰기술을의미함 24). 이는곧업계를완전히재편성하고시장대부분을점유하게될신제품이나서비스로이해될수있음. 3D 프린팅기술은와해성기술의기본적특성이외에도일자리에대한감소, 직종감소에대해막연한불안감을발생시켰으나, 기존직종이변화된비즈니스모델변화로인한직종계승및직업수준향상으로진행되고있음. 과거 3D 프린팅기술의등장에따른불안감은점차상쇄되고산업의재편과혁신의발판으로이해되고있으며, 국가전략화, 기업의혁신매개로재평가되고있는상황임. [ 그림 62] 3D 프린팅기술의파급효과 건설산업의경우, 제조업과다르게생산규모가비교할수없을정도로거대함에따라, 국가적차원의 3D 프린팅기술도입전략에서언급된사례가적음. 앞서사례조사에서언급된바와같이, 미국, 중국, 영국등소수국가건설산업에서소극적으로도입되고있는상황임. 3D 프린팅기술은다품종생산, 소비자지향적, 생산체계의통합, 생산물의정확성, 신속성부분에가장큰강점을가지고있음. 건설산업또는건설상품의경우다품종소량생산, 복잡한공급사슬구조, 생산체계의비효율성, 생산기간의장기화등다양한산업적특성이존재함. 23) McKinsey Global Institute, Disruptive Technologies: Advances that will transform life, business, and the global economy, ) National Intelligence Council, Disruptive Civil Technologies: Six Technologies with Potential Impacts on US Interests out to 2025,

133 본기획연구진은위와같은 3D 프린팅기술의강점과건설산업의약점에 집중하여건설산업에미칠파급효과를살펴보았으며, 예상되는 3D 프린팅기술 도입시나리오를고려하였음. [ 그림 63] 건설산업내 3D 프린팅기술도입시나리오 [ 그림 64] 3D 프린팅기술도입으로인한건설참여자및최종수요자의변화 3D 프린팅기술도입이심화될수록건설참여자및최종수요자에게미치는 파급효과가점진적으로커지게됨. 궁극적으로수요자는스스로건축상품을

134 기획, 설계, 생산, 거래할수있으며, 건설참여자는건축상품, 엔지니어링기술, 건축물단위 3D 프린터를거래하는시장으로변화될가능성이있음. 건축물대상 3D 프린팅관련기술개발결과로인한글로벌시장선점은경제적효과뿐만아니라미래기술보유국의이미지, 건설산업의국제적위상강화, 관련핵심원천기술의자립화및기술수출을통해국가이미지제고에기여가가능함. 건축규모를극복하는건축물대상 3D 프린팅관련핵심기술의개발이성공하면침체된건설경기부양효과및글로벌시장내새로운분야로의진출, 청년창업의영역이대폭적으로확대될것이며, 이른바 IT융합건설산업의대표적인산출물이될것임. ICT 기술적융합의결정체인건축물대상 3D 프린팅은다양한어플리케이션개발을통해청년들의진입장벽이매우낮아지므로청년창업에매우유리하여청년실업해소에크게기여하리라판단됨. 국가발전의핵심사업으로활용하기위한건축물대상 3D 프린팅관련핵심기술에대한정책으로활용가능한로드맵을제시하여, 국가신성장동력으로써의역할을할수있을것으로판단됨. 글로벌시장에서전무한건축물대상 3D 프린팅관련기술개발을통해원천기술특허확보및관련첨단건설산업활성화를통한국제경쟁력확보가가능하며, 적정 하이브리드 미래기술대응을고려하였기에지속가능한건설경제구조로의전환이가능함. 경제적측면에서건축물전생애주기단계에서에너지소비절감을달성하고, 더나아가국가온실가스감축목표치를달성이가능할것으로판단됨. 본기획에의한연구가진행되면, 1단계에서는건축용 3D 프린팅관련원천기술확보를통해국제경쟁력강화및 3D 프린팅산업진출후발주자로서선두주자의기술수준이동등또는추월이예상됨. 또한 2단계에서건축상품관련마켓플랫폼및파일럿제작후성능평가및법 / 제도, 정책을통해 3D 프린팅기반스마트건축물구현이가능하게되고, 3D 프린팅기반스마트건축물구현은차세대의와해성기술과융합되어신규산업창출에기여를하리라판단됨. 과제기획을통해건축물대상 3D 프린팅관련기술및건축상품에대한 R&D 추진의토대를마련하여기술의융복합협력체계를구축할수있을것으로판단됨

135 제 3 절연구개발과제구성 2장국내 / 외동향및환경분석을통해도출한기술개발연구추진방향을기반으로 3D 프린팅시장내재료, 장비, 설비, 평가각분야에서독보적인활동을하고있는연구진들에게기술자문을구해연구개발후보기술을선정하고최종적으로자문위원과기획연구진간의회의및워크샵을통해최종연구개발과제를도출함. 최종적으로도출한총 4개세부의연구개발과제는연구개발목표인건축분야 3D 프린팅설계 생산기술세계 1위, 3mx6mx3m( 안 ) 규모의주거 복합용도단위모듈구조체 1일생산, 신규건축용 3D 프린팅소재의기존건축자재 소재대비 100% 성능구현을위해 1단계원천기술개발 및 2단계파일럿제작및성능평가 로연구단계를구분함. [ 그림 65] 기획연구과제도출과정

136 최초기획연구제안당시도출된 32개의주요기획연구내용은 Material( 재료및소재, 성능평가등 ) 개발, Equipment( 장비, 장비제어등 ) 개발, Product( 설계, 시공, 유지관리, 서비스 ) 개발, Market Platform( 조달, 오픈마켓, 법 / 제도등 ) 개발및 Test-bed, 사업화추진으로구성되어있음. [ 표 34] 기획연구제안당시기획연구목표와주요기획연구내용

137 표 35 와표 36 은총 11 번의회의와 1 번의워크샵의날짜에따른회의리스트와 자문위원과연구진들간의대화를적은표이다. 각회의와워크샵를통하여나온 대화를토대로연구개발과제들이도출됨. [ 표 35] 기술자문

138 [ 표 36] 회의참여리스트

139 [ 표 37] 회의문답내용

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143 제 4 절핵심기술요소선정및 TRL 목표 기술성숙도 (TRL: Technology Readiness Level) 는개발기술의성숙도또는이행단계를평가하기위한정량화된측정지표로서연구자-관리자-사업자간의공통된의사소통수단으로활용될수있음 기술성숙도를적용하여관리함으로써연구개발의기획단계부터성능평가까지단계별기술수준을투명하게제공할수있으며, Top-down 프로세스로서사업자의요구사항을기획단계에서부터반영이가능함 R&D과제연구목표를설정함에있어표준화된기술성숙도 (TRL) 를적용하여사용함으로써주관적이고모호하지않은객관적이고정량적인목표설정을유도하고핵심기술요소의성능목표달성여부를관리하여연구과제핵심성과중심의관리를지향하기위함임 기술성숙도적용절차는먼저국토교통 R&D 성과특성을고려하여기술성숙도관리를위해 5가지분류유형중 R&D 유형을선택하고, 해당유형에따라단계별로기술성숙도를분류하며, 목표연구개발사업의핵심기술요소를선정한후기술성숙도를평가하는절차로이루어짐 [ 그림 66] 기술성숙도적용절차 국토교통과학기술진흥원의기술성숙도 (TRL) 시범적용방안에서는국토교통 R&D 성과특성을고려한기술성숙도관리를위하여 R&D 유형을아래표와같이 5가지유형으로분류함 [ 표 35] R&D 유형분류

144 건축물대상 3D 프린팅장비및설계기술개발기획 연구개발은 3D 프린팅기술을활용한건축기술개발을수행하기위해조직화되고상호작용하는설계 장비 재료 검증의집합으로서 [ 표 35] 을참고하여다양한장치와소프트웨어가결합하여운영되는시스템유형으로분류함 단계별기술성숙도는연구개발환경 ( 실험실, 유사환경, 실제환경 ), 연구개발결과물 ( 시제품, 완제품 ), 기술수준 ( 개념, 시현, 성능검증 ) 에따라분류하는기술성숙도로서기초연구, 실험, 시작품, 성능평가, 양산의 R&D 5단계와 9세부단계로분류할수있음 [ 그림 67] 단계별기술성숙도분류

145 핵심기술요소 (CTE: Critical Technology Elements) 는과제의성패를좌우하는중요한기술로서개발기술이완성되기위하여충족되어야할필수기술을의미함 CTE는기술개발최종목표의성공여부를결정짓는소재나부품, 시스템으로그자체로시연이가능하여시험평가항목에대한측정이가능하여야하며, 세부과제당 1개이상도출될수있음 본 건축물대상 3D 프린팅장비및설계기술개발기획 연구개발을위해도출된핵심기술요소는아래표와같음 기획위원회운영을통해상기 32개의주요기획연구내용을 5개분야 (Product, Equipment, Material, Market Platform 및 Test-bed 추진 ) 를기반으로 114개의후보기술로도출하였음. 해당후보기술은기술의속성에따라 15가지의소구분으로나누어짐. Product (3개): 상품기획및서비스, 설계, 시공및유지관리 ; Equipment (4개): 3D 프린팅장비기획, 시스템및환경제어기술, 장비설계및제작, 적층및소결기술 ; Material (4개): 3D 프린팅재료기획및상품개발, 3D 프린팅재료생산기술, 3D 프린팅재료성능평가, 신소재개발 ; Market Platform 및 Test-bed 추진 (4개): 3D 프린팅건축상품플랫폼, 조달 제도 정책, 기술개발평가, 실증사업. [ 표 36] 핵심기술요소후보

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149 [ 표 37] Product 핵심기술요소 (CTE) 선정

150 표 38 Equipment 핵심기술요소 (CTE) 선정

151 표 39 Material 핵심기술요소 (CTE) 선정

152 표 40 Market Platform 개발및 Test-Bed 추진핵심기술요소 (CTE) 선정

153 표 41 핵심기술요소 (CTE) 목록

154 표 42 기술성숙도 (TRL) 단계별목표

155 본기획연구진은앞서제시된비전과연구목표를이용하여 5 개분야 (Product, Equipment, Material, Market Platform 및 Test-bed 추진 ) 114 개의후보기술과 29 개의핵심요소기술 (CTE) 을기반으로후보연구개발과제를구성하였음. [ 표 43] 예상되는연구개발과제구성

156 제 5 절세부과제별주요내용및추진전략 본연구는서도출된연구개발과제에대해 1단계 (4년) 원천기술개발 을통해개발된설계와장비, 소재개발을통한 3D 건축상품및원천기술관련성과 ( 물 ) 을 2단계 (3년) 파일럿제작및성능평가 에서활용하여 3D 건축상품의성능고도화및마켓플랫폼을개발하기위한연구개발과제별주요연구내용을배치하였음. [ 표 44] 세부과제별주요연구내용

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160 1 세부과제 : 3D 프린팅기술기반단위모듈형건축상품군기획및엔지니어링기술개발 [ 표 45] 1 세부과제의핵심성과및목표수준

161 성과목표기술수준 : TRL(Technology Readiness Level) 9 단계를적용함

162 [ 표 46] 1 세부과제의성과항목및성과지표

163 2 세부과제 : 단위모듈기반건축상품군출력을위한대형 3D 프린팅생산플랫폼개발 [ 표 47] 2 세부과제의핵심성과및목표수준

164 성과목표기술수준 : TRL(Technology Readiness Level) 9 단계를적용함

165 [ 표 48] 2 세부과제의성과항목및성과지표

166 3 세부과제 : 단위모듈규모건축상품군개발을위한융복합 3D 프린팅소재개발 [ 표 49] 3 세부과제의핵심성과및목표수준 성과목표기술수준 : TRL(Technology Readiness Level) 9단계를적용함

167 [ 표 50] 3 세부과제의성과항목및성과지표

168 4 세부과제 : 3D 프린팅기술기반건축상품군성능평가및검증과마켓플랫폼개발 [ 표 51] 4 세부과제의핵심성과및목표수준

169 성과목표기술수준 : TRL(Technology Readiness Level) 9 단계를적용함

170 [ 표 52] 4 세부과제의성과항목및성과지표

171 제 6 절세부과제간연계관계 1세부는 3D 프린팅기술기반단위모듈형건축상품군기획및엔지니어링기술개발을하기위한기획및엔지니어링기술개발로써, 단위모듈기반의설계, 구조, 설비, 유지보수관련알고리즘, 프로세스, Tool, 가이드라인등의기술개발로구성되어있음. 2세부는단위모듈규모건축상품군출력의대형 3D 프린팅생산플랫폼개발을위한단위모듈규모의대형 3D 프린팅장비제작및환경제어, 생산공정등의기술개발로구성되어있음. 3세부는단위모듈규모건축상품의융복합 3D 프린팅소재개발을위한미래기술대응형 3D 프린팅건축소재, 단위모듈건축자재생산을위한 3D 프린팅용융복합기술, 3D 프린팅건축재료의종합성능평가및표준화, 선도형 3D 프린팅건축전략소재생산을위한기술개발로구성되어있음. 4세부는 3D 프린팅기술기반건축상품군성능평가및마켓플랫폼개발을위한연구이기에 1, 2, 3세부연구를통해개발, 생산된 3D 프린팅건축상품군에대한성능평가및수요시장에서의확산및보급을위한오픈마켓플랫폼, 법 / 제도및정책개발로구성되어있음. [ 그림 68] 세부과제간연계관계

172 제 7 절과제별 연차별기술로드맵및성과로드맵 본연구는최종성과물인 3D 건축상품, 생산플랫폼 ( 장비, 재료 ), 마켓플랫폼을개발하기위해 1단계 4년 (2016년부터 2019년까지 ) 의연구기간을통해 3D 건축상품관련설계, 장비, 소재개발을위한원천기술개발연구가선행으로추진되고, 2단계 3년 (2020년부터 2022년까지 ) 의연구기간은 1단계연구성과 ( 물 ) 활용기반으로다양한규모및형태의 3D 건축상품및마켓플랫폼개발을위한파일럿제작과성능평가로기획함. 1단계 1차년도목표는 3D 프린팅기술을이용한건축상품기획 / 설계, 소재, 장비, 제반연구개발인프라기획으로기획상품축소모형검증단계임. 1단계 2차년도목표는 3D 프린팅건축상품군별설계 ( 안 ), 소재, 장비원천기술개발기획및평가체계수립으로상품부분모형검증단계임. 1단계 3차년도목표는건축상품군별개발검증및건축물용 3D 프린팅장비및소재기술개발로상품 Mock-up 테스트베드검증단계임. 1단계 4차년도목표는 3D 프린팅장비및소재기술안정화와건축상품생산플랫폼개발및장비, 소재검증단계임. 1단계 4년연구기간을통해단위모듈건축상품및구조공법기획보고서, 건축상품설계 ( 건축, 구조, 설비 ) 및시공시뮬레이션 S/W, 건축상품설계및시공 유지관리가이드라인, 고 (3kW급)/ 저출력 (30W급) 레이저헤드, Multi-Inkjet 헤드. 이종소재압출헤드, 3D 복합프린팅 S/W( 경쟁사대비 70%), 3D 복합프린팅장비시제품 ( 가공속도 10m/sec, 가공정밀도 500um), 인라인생산시스템시제품, 3D 프린팅용융복합건축자재및신뢰성평가기법, 3D 프린팅단위모듈규모건축상품 Test-bed 기술및검증프로세스및관련기술종합평가체계등의성과물이도출될수있을것으로판단됨. 2단계 1차년도목표는 3D 프린팅건축상품개발및원천기술고도화로융복합성능소재와대형화다중복합화장비개발및대형화 / 고층화단위모듈모형검증단계임. 2단계 2차년도목표는 3D 프린팅건축상품및마켓플랫폼프로토타입개발과융복합성능소재및장비개발로대형화 / 고층화단위모듈축소모형검증단계임. 2단계 3차년도목표는 3D 프린팅건축상품및마켓플랫폼개발로대형화 / 고층화단위모듈테스트베드검증단계임. 2단계 3년연구기간에는 1단계연구성과 ( 물 ) 을기반으로다양한규모및형태의단위모듈형구조체및내외부건축요소통합설계 ( 건축, 구조, 설비, 시공 ) S/W, 3D 프린팅기술기반설계엔지니어링가이드라인, 3D 복합프린팅파일롯장비 ( 레이저출력 : 50W/5kW급, 가공속도 : 15m/sec이하, 가공정밀도 : 200um이하 ), 융복합 3D 프린팅소재및신뢰성평가시스템, 3D 프린팅건축물활성화를

173 위한법, 제도개선 ( 안 ), 시장지향형 3D 프린팅건축상품군오픈마켓 플랫폼 ( 플랫폼개발 100%, 건설업체 50 곳이상활용 ) 등의성과물이도출될수 있을것으로판단됨. [ 그림 69] 총괄로드맵

174 1. 세부과제별기술및성과로드맵 [ 그림 70] 1 세부기술로드맵

175 [ 그림 71] 1 세부성과로드맵

176 [ 그림 72] 2 세부기술로드맵

177 [ 그림 73] 2 세부성과로드맵

178 [ 그림 74] 3 세부기술로드맵

179 [ 그림 75] 3 세부성과로드맵

180 [ 그림 76] 4 세부기술로드맵

181 [ 그림 77] 4 세부성과로드맵

182 제 8 절성과의활용방안 3D 프린팅기술기반단위모듈형건축상품군기획및엔지니어링기술개발 은 3D 프린팅기술을활용한설계및단위모듈건축상품의출력을통해공정이단순화되어노무비용의절감및안전의확보를통해시공비용을줄일수있음. 또한, 필요에따라저층및고층화선택이가능하게되며, 수요자의취향에따른즉각적인적용및변경이가능하게됨. 단위모듈기반건축상품군출력을위한대형 3D 프린팅생산플랫폼개발 은기존건축재료및 3D 프린팅건축용신소재를출력하여 3D 프린팅건축상품의생산이가능하도록하는 3D 프린팅건축용출력장비의개발을목적으로함. 이를통하여단위모듈형건축상품을사전제작및현장제작이가능하도록하여거주가가능하고건축물로서의역할이가능한 3D 프린팅단위모듈건축상품을제작할수있음. 단위모듈규모건축상품군개발을위한융복합 3D 프린팅소재개발 은 3D 프린팅건축용재료의개발을목적으로, 기존건축재료를활용할수있는기술을우선으로개발하여 3D 프린팅건축상품이기존의건축물과동일하거나그이상의성능을확보할수있도록함. 또한이후 3D 프린팅건축용신소재를개발하여차후건축상품이고층화및고도화를할수있는기반을마련함. 3D 프린팅기술기반건축상품군성능평가및검증과마켓플랫폼개발 은설계, 장비, 소재의연구를통해나온건축상품을수요자가손쉽게구매가가능하도록하는바탕을만들어주며, 기존의건축물과공법및재료가다르기때문에벌어질수있는제도및법적인문제를사전에연구하고개선하여 3D 프린팅건축상품이기존건설시장에원활히자리잡을수있도록하는기초로서활용이가능함. 이를위해, 기술을개발하고적극적으로활용이가능한 3D프린팅장비, 건축설계, 건설시공, 건설재료등의전문분야별로기업체의참여가필요함. [ 표 53] 세부과제별목표성과물의활용방안

183

184 제 9 절연구수행체계제안 1. 연구추진체계정립 본연구과제의경우, 3D 프린팅을활용하여건설전반적인생태계를바꾸기위한목적을가지고, 해당 3D 프린팅건축산업의기반이되는핵심요소기술개발및각세부간의유기적연계를통해만들어지는패키지기술의성격임. 또한, 해당기술의 Test-Bed 기간을포함하여전체기술의성능평가를목적으로하고있으므로, 이연구의목적상사업단수준의구성이적합한것으로판단되었음. 2. 추진조직 건축물대상 3D 프린팅장비및설계기술개발기획 사업단은기초 원천기술, 성능평가기술, 관리정책및법 / 제도제안등의다양한성격의연구를총괄해야하므로산, 학, 관과유연한관계를유지하고객관적관리가가능한연구기관및총괄연구책임자가필요함. 원천기술은이론정립, 실험등의위주로기술정립이필요하므로학교또는연구기관에서주도하도록추진함. 성능평가기술은현장적용가능기술로생산현장또는시공현장을보유한기업에서주도하도록추진함. 추진과제중 1개의과제는연구단개발성과물의파일럿제작및성능평가를위한 Pilot Test를계획하고추진계획및관리가가능한적정규모의연구기관및기업체로구성하도록함. 전체연구조직은산, 학, 연이고루연계되어상호보완및지원이이루어지도록구성함. 3. 추진체계 연구추진시주관및협동, 위탁기관및참여기업은모두성과물이발생되고이의활용이이루어지도록연구추진체계를구성. 연구계획시부터달성이가능한성과목표및성과지표를제안 유도하고연구진행중성과목표의달성및관리방안을정립하고, 주기적인관리시행. 성과물의파일럿제작및성능평가를우선하여기술실시대상기업을명확히결정하고, 대상기술이실용화가가능한수준으로성과물이도출되도록상시관리체계수립

185 각세부별로담당하게되는기술개발을진행하면서 건축물대상 3D 프린팅장비및설계기술개발기획 사업단을총괄조정하고외부의여건을반영하여각세부과제를통합적으로운영하며, 성과물의통합활용등을효과적으로적용하는역할의수행이필요함. 추후전체예산규모에따라과제별성과를고려한예산의배정및과제진행기간조정을통한우수한과제지원을고려함. 상호정보를공유하고, 상호활용, 기술지원이가능한체계를수립함. 본연구의비전을달성하기위해서는미래유망한 3D 프린팅장비및설계기술의지속적인개발을통해최고수준의기술력을확보하고, 3D 프린팅기술의상용화를통해국가적으로에너지및온실가스저감에대한목표달성, 침체된건설경기활성화, 신시장창출, 청년창업 신규직업창출의대폭확대에기반한국가신성장동력으로서의새로운가치를창출하여야함. 이러한맥락에서보았을때다음과같이건축물대상 3D 프린팅장비및설계기술연구단을중심으로 4가지세부과제에따라연구수행체계를마련해야할것으로판단됨. [ 그림 78] 연구단의 4 개세부과제 따라서, 도출된후보과제를연구개발성격에따라 Material( 재료및소재, 성능평가등 ) 개발, Equipment( 장비, 장비제어등 ) 개발, Product( 설계, 시공, 유지관리서비스 ) 개발, Market Platform( 조달, 오픈마켓, 법 / 제도등 ) 개발및 Test-Bed, 성능평가추진으로그룹핑하여관리의효율성을높이고, 국가목표를전략적으로달성할수있을것으로기대되는연구단을연구수행체계로선택하여다음절에서세부과제구성체계를제시하고자함

186 2) 연구단

187 제 4 장사전타당성검토 제 1 절정책적타당성 1. 국가전략적중요성 3D 프린팅기술은다품종소량생산, 제품의제작비용및시간절감, 맞춤형제작, 복잡한형상제작및재료비절감, 제조공정간소화, 인건비 조립비용절감의가능성을내세우며연구되어왔지만핵심특허보호기간에의해널리확산되지못하였음. 하지만적층식 (FDM) 3D 프린팅기술의핵심특허의보호기간이 2009년에만료됨에따라 FDM 방식 3D 프린팅기술이세계각분야로급속확산 연구되기시작하였음. 3D 프린팅기술은다양한분야로적용연구가진행되고있으며, 각산업분야의시장진출까지는일반적으로 10~20년정도의시간이소요될것으로전망됨. Graham Tromans는주요연구분야와기술성장및발전을기반으로예측한유망 3D 프린팅기술분야중건설산업과관련된기술개발은 2017년주를이룰것이라예상함. 미항공우주국 (NASA) 과유럽우주국 (ESA) 등에서달탐사기지건설을위해 3D 프린팅기술에대한연구를시작하면서 3D 프린팅과건설산업과의연계가전세계적으로더욱주목받고있어기술선점을위한연구개발진행이시급한상황임. 3D 프린팅을건축에접목하는것이어렵다는편견을깨고최근중국에서 5층규모의실증주택을건설함에따라관련기술및시장이주목을받고있음. 기술에대한연구와시장진출까지의확산시간을고려했을때향후건설기술산업의주도권을잡기위해건설분야에 3D 프린팅을접목하기위한기술은더이상미룰수없는최우선연구분야라고할수있어시기적절한과제라판단됨. 2012년도미국대통령 (Barack Obama) 의 3D 프린팅산업육성 의일환으로 3D 프린팅관련기술개발연구의거점인 America Makes ( 구 NAMII) 를설립하여 8개분야로세분화하여로드맵및기술개발사업을추진중에있음. Reuters에따르면지난해 10월 EU는첨단기술육성을통해 2020년까지 GDP의제조업비중을 16% 에서 20% 로늘릴계획을세웠으며대안으로 3D 프린팅을언급함. 또한영국의경우 3D 프린팅이항공에서주얼리에이르기까지다양한산업에영향력을미칠수있는잠재력을가진기술로평가하면서기술전략위원회를통해

188 700만파운드를투자하기로함. 중국의경우, 국가 R&D 전략인 국가첨단기술연구및개발프로그램 에서 3D 프린팅을미래핵심기술로선정하여정부에서약 6,500만달러를연구개발비로투자하였으며향후 3D 프린팅분야의선진국으로도약하기위해다양한지원책을발표함. 일본정부에서는기술경쟁력확보를위해시장점유율이낮은 3D 프린터분야대신 3D 프린터소재분야개발연구에집중하며, 우선적으로산업현장에서요구도가높은금속소재연구를추진하고있음. 국내에서는 2014년 3D프린팅산업발전전략 을수립을통해국내의수요창출및장비 / 소재 /SW 관련산업성장을위한 4대추진전략및 11대세부추진과제를마련하였으며 2020년까지전세계 3D 프린터산업의선두로올라선다는정책을발표했음. 3D 프린팅 S/W에 2018년까지 464억원의예산을투입한다고발표함. 다음표는미래창조과학부에서계획하고있는 3D프린팅 S/W 기술개발과제임. [ 표 ] 국내정부 3D 프린팅 S/W 기술개발계획 ( 미래창조과학부 ) 과제명과제기간연간투입예정예산 ( 원 ) 3D 콘텐츠생성및편집 의료용 3D프린터응용 S/W 플랫폼및서비스모바일웹기반 3D프린팅원천 응용 고속 3D 프린팅 저작물보호 3년 (2013년 9월 ~ 2016년 8월 ) 5년 (2014년하반기 ~ ) 3년 (2015년 ~ ) 3년 (2015년 ~ ) 3년 (2015년 ~ ) 28 억 40 억 30 억 10 억 20 억 또한, 2014년미래창조과학부와산업통상자원부공동주관 3D 프린팅인력양성과기반조성사업지원을위한 창의메이커 1000만명양성프로젝트를추진중에있고, 3D 프린팅기술기반제조혁신지원센터를설립함. 현재국내 3D 프린팅정책및전략의주요쟁점은외국을따라가는기술을개발하는것보다외국과차별점을가질수있는실질적인기술을개발하고이를지원하는것이주요핵심임. 3D 프린터장비및재료등주요요소기술은미국등선진국이기보유하고있고국내는후발주자이지만핵심기술을단기간에 Follow-Up 하기는어려우나, 응용분야인건축은시장진입단계이기때문에 Fast Follower 가가능할경우 First Mover 로의역할수행이가능하리라판단됨

189 2. 정부관련부처사업추진의지 미래창조과학부는경제재도약계기마련등을위해 3D 프린터등기술개발분야에대한적극적인 R&D 예산지원예정임. 2015년 1월미래창조과학부는기초기술, 기술개발, 성능평가, 표준화, 기반조성분야에대한전략적투자로 R&D를통한국민행복실현및경제재도약에기여하겠다는취지아래과학기술 ICT분야 R&D 4조에대한종합시행계획을확정함 동종합시행계획은미래부전체 R&D 예산 6조 5,138억원중국가과학기술연구회, 직할출연연구기관연구운영비등을제외한것으로, 과학기술분야 2조 9,037 억원, ICT 분야 1조 483억원에대한사업을대상으로함. 부문별투자액으로는 ( 기초연구 ) 7,443억원, ( 기술개발 ) 2조 2,508억원, ( 성능평가 표준화 ) 1,617억원, ( 인력양성 ) 1,550억원, ( 기반조성 ) 6,402억원임. [ 그림 ] 미래창조과학부보도자료 건축물 3D 프린팅기술경제재도약및창조경제실현에일조가가능함. 3D프린팅을이용한공정패러다임변화를건축분야에적용할경우자재이동에소요되는비용및기간축소, 1인설계시장창출로인한설계비용저감등의효과가있을것으로예상됨. 또한, 건축물 3D 프린팅신소재시장개척, 표준플랫폼개발에따른 3D 프린팅시장형성, 건축설계시장변화, 다양한중소기업창업등정부에서추진중인창조경제실현에일조가능할것으로판단됨

190 제2절 기술적 타당성 1. 기술개발 계획의 적절성 가. 사업목표와 내용의 구체성 (1) 사업목표의 구체성 건축물 대상 3D 프린팅 장비 및 설계기술 의 총괄목표를 단계적으로 정량적 이고 구체적으로 제시함 본 연구단의 비전은 3D 프린팅 기술을 건설산업에 성공적으로 이식시킴으로써 새로운 상품 니즈 시장 기술을 창조를 통해 산업의 새로운 성장동력으로 자 리매김, 일자리 창출, 글로벌 경쟁력 증가 등 창조경제 실현에 이바지 이며, 이 를 달성하기 위한 목표로 3D 프린팅 기술 기반 단위모듈형 건축상품군 기획 및 엔지니어링 기술 개발, 단위모듈 규모 건축상품군 개발을 위한 융복합 3D 프린팅 소재 개발, 융복합 3D 프린팅 소재 개발 및 3D 프린팅 기술 기 반 건축상품군 성능평가 및 검증과 마켓플랫폼 개발 을 제시함 연구단을 4개의 세부로 세분화하고 관련 요소기술 개발 및 파일럿 제작을 위해 총 7년(4+3)으로 기획하였으며 1단계는 원천기술을 개발, 2단계는 파일럿 제작과 성능평가로 구분하였음 각각의 총괄목표를 달성하기 위하여 세부목표와 최종성과물을 제시함. 또한 연 구단 총괄목표를 단계별로 구분하여 구체적으로 제시하였으며 단계별 목표를 달 성하기 위해 핵심과제와 핵심과제별로 도출되는 성과물에 대해 파악이 가능하도 록 타당하게 제시된 것으로 분석됨 [표 58] 세부과제별 성과물 세세부과제 단위모듈형 구조체 및 내외부 건축요소 기획 및 설계 기술 개발 단위모듈형 구조체 및 내외부 건축요소의 구조 환경 성과항목 논문 지식재산권 기획/계획 수립 인력양성 연구성과 확산 노력 논문 성과지표 학술지 게재 논문 건수(국내/국외) 학술회의 발표 논문 건수(국내/국외) SCI급 학술지 게재 논문 건수 특허출원 건수(국내/국외) 특허등록 건수(국내/국외) 기획결과의 적절성 분야별 인력양성 배출 실적 연구개발 관련 홍보 학술지 게재 논문 건수(국내/국외) 학술회의 발표 논문 건수(국내/국외) 건수

191

192 연구개발후보기술도출을위해정책 / 기출동향분석, 논문 / 특허분석, 인프라분석및기획운영회운영결과연구개발후보기술 114개를도출하였으며도출된후보기술의속성에따라 15개의소구분으로나누었음. 비전및최종목표를달성하기위해 3D 프린팅건설장비, 재료, 설계 / 시공 / 유지관리기술, Market Platform 등 4개분야및소구분이적절하게도출된것으로판단됨 Product (3개): 상품기획및서비스, 설계, 시공및유지관리 Equipment (4개): 3D 프린팅장비기획, 시스템및환경제어기술, 장비설계및제작, 적층및소결기술 Material (4개): 3D 프린팅재료기획및상품개발, 3D 프린팅재료생산기술, 3D 프린팅재료성능평가, 신소재개발 Market Platform 및 Test-Bed 추진 (4개): 3D 프린팅건축상품플랫폼, 조달 제

193 도 정책, 기술개발평가, 실증사업 3D 프린팅관련기술선점을위해요소기술개발및파일럿제작으로나누어진행할예정으로국내의기술수준및국내외시장고려시효율적인구성으로판단됨 본기획에따른연구가진행되면 1단계에서는건축용 3D 프린팅요소기술및단위상품의개발이가능하게되며, 후발주자로서선두주자와동등한기술수준에도달하리라판단됨 또한 2단계에서요소기술및단위상품의개발은 3D 프린팅기반스마트건축물구현이가능하게되고, 3D 프린팅기반스마트건축물구현은차세대의와해성기술과융합되어신규산업창출에기여를하리라판단됨 4개의세부과제의연구내용은본연구단의총괄목표달성을위해적절하게구성되었음 1세부는 3D 프린팅기술기반단위모듈형건축상품군기획및엔지니어링기술을개발하기위한단위모듈기반의설계, 구조, 설비, 유지보수관련알고리즘, 프로세스, Tool, 가이드라인등의기술개발과연구과제총괄운영및검증으로구성되어있음. 2세부는단위모듈기반건축상품군출력을위한대형 3D 프린팅생산플랫폼개발및환경제어, 생산공정, 고속복합출력등의기술개발로구성되어있음. 3세부는단위모듈규모건축상품군개발을위한융복합 3D 프린팅소재개발을위한 3D 프린팅건축소재, 3D 프린팅용융복합건축자재, 3D 프린팅건축재료의종합성능평가및표준화, 선도형 3D 프린팅건축전략소재생산을위한기술개발로구성되어있음. 4세부는 3D 프린팅기술기반건축상품군성능평가및검증과마켓플랫폼개발을위해 1, 2, 3세부연구를통해개발된 3D 프린팅건축상품군을마켓시장내확산 보급할오픈마켓플랫폼, 법 / 제도및정책개발과건축상품군및기술의경제성, 효율성, 상품성등을평가하여성능을검증하는것으로구성되어있음. 각세부과제는세부과제를구성하는기술을명확히제시하고각구성기술별내용을구체적으로기술하였으며특히 3D 프린팅건설을적용하기위한마켓플랫폼등 3D 프린팅시장생태계구축에주안점을둔것으로판단됨 연구개발과제의도출프로세스를제시함으로써본연구단세부과제도출의적절성을제시함 기획검토위원회결과를반영하여세부사업내용을확정함에따라사업내용의선정절차는적절한것으로판단됨 국내외기술수요조사, 경제 / 기술동향, 인프라, 선행사업분석을실시하여후보과제를선정, 기술전문가를통한후보과제의검토및 Screening, 국토교통과학기술진흥원기획타당성위원회를통한기획대상과제를확정함 사업추진방식은건기평의기획타당성평가위원회결과를바탕으로연구단으로추진함

194 [ 그림 ] 연구개발과제도출프로세스 국토교통과학기술진흥원의기획타당성위원회를통하여건축물대상 3D 프린팅장비및설계기술연구단으로추진하는것으로확정됨 본연구단은산학연전문가로구성된기획위원회를통하여총괄목표및세부목표의단계별목표를수립하고이를달성하기위한 4개의세부과제와 15개의세세부과제를구성함 각세부과제별로기존사업과의중복성분석결과를바탕으로연구개발추진전략, 기술개발성공가능성에대하여구체적으로제시하였음 핵심기술위주의개발전략을수립함 국내 3D 프린팅장비및재료와관련된기보유기술등의적극활용을통한기술연계시너지극대화 국가연구개발사업에서개발되었거나현재개발중인기술과접목하는전략수립 철저한실험검증전략을수립함 현장적용및성능평가를위해 1~2층규모의 Test-Bed를통한철저한검증및테스트베드구축을위한전략수립 기술성능검증추진을통한실용화효율극대화전략을수립함 관련시장창출을위한오픈마켓플랫폼과지식포탈운영계획수립 기술성능검증추진을위한실시기업연계및실시기업의기술개발참여도확대전략수립 연구개발내용별로기준수립과파일럿제작및성능평가로분류하여목표수준을수립함 3D 프린팅건설활성화를위한기존법제도개선방안수립 동연구단은건축물대상 3D 프린팅장비및설계기술의기획타당성검토위원회를통하여 4개세부과제로이루어진사업으로과제의특성을고려하여연구단형태로추진하는것이타당하다고판단됨 본사업의연구비 ( 정부출연금기준 ) 는 1단계 (4년) 168억, 2단계 (3년) 180억으로국

195 토교통과학기술진흥원의연구수행형태구분중정부출연금기준의연구수행형태구분 25) 에만족함. 연구단추진조직의구성에대해상세하게기술함. 건축물대상 3D 프린팅장비및설계기술연구단 은기초 원천기술, 파일럿제작기술, 제도개선등다양한성격의연구를총괄해야하므로산 학 연 관간의유연한조직체계및객관적관리가가능한연구기관및총괄책임자가필요함. 전체연구조직은산 학 연이연계되어상호보완및지원이이루어지도록구성필요 연구단의총괄운영, 지원및홍보를위한사무국을구성하고연구단운영관련중요사항심의를위한운영위원회를구성함. 기초응용성격의기술은기술정립이필요하므로연구기관또는대학에서주도하도록추진함 개발기술의최종보유주체가세부과제기술의최종보유주체가되도록연구기관을구성하고핵심기술개발단계부터적극참여하도록유도함. 성능평가는현장적용기술로 IT 및건설전문기업이참여하여연구들진행 과제수행중에테스트베드등의구축이필요하므로이를위한공공기관등의참여가필요함 연구추진시주관, 협동, 위탁기관및참여기업은실용적인성과물을개발하고이를현장에서활용할수있도록연구추진체계를구성해야함. 연구계획시부터달성이가능한성과목표및성좌지표를제안 유도하고연구진행중성과목표의달성및관리방안을정립하고주기적인성과모니터링을실시하여단기난내에실증적인연구가되도록함. 성과물의성능평가를위해기술실시대상기업을명확히결정하고대상기술이실용화가가능한수준으로성과물이도출되도록상시관리체계를수립함. 본연구단의추진체계에대하여보다세부적인추진계획을수립하는것이필요하며, 향후본연구단을수행하는총괄주체가세부적인추진체계를수행할것으로기대됨. [ 그림 80] 사업추진체계의구성

196 2. 기술수준및성공가능성 동연구단관련분야의보유기술및기술수준을파악하기위하여논문 / 특허분석을수행함. 국내논문동향분석결과 2000~2015년까지 3D 프린팅관련국내논문을살펴보면, 총 914건으로연구분야로는기획 (28%), 장비 / 시스템 (26%), 상품 (20%) 순으로건수가전체의 78% 를차지하였고, 건축분야의논문은총 5건으로조사됨. 국내에서는 2014년이후로 3D 프린팅관련논문의수가급증하여, 다른연구분야와달리장비 / 시스템분야는 2007년부터지속적인연구가진행되어왔음 국외논문동향분석결과 2000~2015년까지 3D 프린팅관련국외논문은총 1885 건으로연구분야로는 product(66%), material, equipment 순으로건수가전체의 90% 를차지하였고, 건축분야의논문은총 5건으로국내와같음 2011년부터국외 3D 프린팅관련논문건수가매년국내대비약 2배이상의차이를보이고있고, 2013년도이후논문건수급증하여, 다른연구분야와달리 product 가 159건으로가장많은연구가진행되었음 전세계적으로 3D 프린팅건축과관련된논문은국내는 2%, 국외는 0.2% 수준이며연구가활발히이루어지고있는것에반해논문수가적은이유는그동안은 3D 프린팅요소기술중심의논문들이많았던것으로판단됨 3D 프린팅건축분야에대한연구가전세계적으로초창기단계라향후엔논문수가기하급수적으로증가할것으로예상됨 특허분석결과, 1995~2015년까지 3D 프린팅관련특허출원건수는총 4,724건으로미국 (2,204건), 한국 (1,267건), 일본 (995건), 유럽 (256건) 으로나타나고, 2013년기준으로미국은한국대비약 1.8배정도특허출원건수가높음 3D 프린팅관련특허출원인전체 1위인 3D Systems 社는미국, 유럽, 일본등에서총출원건수가 1위이고, 중국 5위, 한국 6위를차지했고, 전체 2위인 Stratasys 社의경우중국 1위, 미국, 유럽 2위를차지하고있음 각주요국가별특허출원현황을살펴보면, 주로미국과이스라엘에의해 3D 프린팅기술개발이이루어지고있는데, 특히시장을주도하는주요출원인은 3D Systems와 Stratasys로판단됨. 국내에서는한국기계연구원, 한국과학기술원이내수시장출원건수는높지만, 해외국가에서는출원이현저히떨어지는것으로보임. 3D 프린팅기술은미국정부주도의정책과투자에힘입어미국출원의증가세가

197 두드러지며이는최근까지전반적인출원증가로이어지고있음미국의 3D SYSTEMS 社, STRATASYS 社, Z CORP 社, MIT 등을중심으로기술과시장을주도하는형태를보이며, 이들출원인은자국뿐만아니라해외출원도적극적으로진행하고있음. 기술단계로볼때, 3D 프린팅기술은현재경쟁이격화된성장단계의후기에근접한상황인것으로사료되며, 이는어느레벨까지기술개발이완료되었으며다른분야로의확장이필요한시점으로판단됨. 최근 3D 프린터를이용한건축물실제시공이성공한사례가있고비용과효율측면을비롯하여향후전망에서긍정적인평가가있어이분야의시장성은매우높은것으로예측됨. SLS, FDM 방식의원천특허가소멸됨에따라자율실시가가능하므로, 기존의 3D 프린팅기술을기반으로건설분야의특유한특성 ( 재료, 강도, 규모등 ) 을고려한요소기술에대한기술개발과지적재산권확보를통해기술선점이매우필요함. 기술개발을위한전문인력보유정도, 기술구축정도, 연구시설및설비, 등에대하여국내와선진국과의인프라수준을비교분석한결과, 향후본과제를추진시산학연공동연구가필요할것으로판단됨. 건축물대상 3D 프린팅장비및설계기술과관련하여기술수준및역량을분석시, 관련분야전문가는확보된상황이나, 연구소및기업에핵심인력이존재하고대학등에는전문인력이부족한상황이므로정부민간공동연구가필요한상황임 선진국대비국내연구인프라수준을비교시, 기술이전및거래, 국제기술협력기반및업계현황은다소부족한상황임. 본연구단의세세부과제수준으로연구개발수행중발생할수있는기술적위험요인, 기술확보위험요인을분석하고이에따른대응방안을수립하였음. 현건축물대상 3D 프린팅기술의문제점을명확히파악하고이를해결할수있는기술적 / 제도적요인별로구분하여제시하였음. 핵심과제 ( 세세부과제 ) 15개를도출하고과제별로세부기술을구체적으로제시하였음 국내의 3D 프린팅장비기술, 3D 설계기술, 재료관련전문인력및산업체기술을적극활용하여기술을확보함. 해외에서수행중인관련기술일부를활용하고기술자문그룹및성능검증운영을통하여기술개발성공가능성을높임

198 핵심기술위주의개발전략수립을통하여기존관련기술과의연계시너지극대화전략을수립함. 상용화를위해요구되는기술을상세히세분화하고참여기관연구역량을고려하여연구개발업무를분담함. 건축물대상 3D 프린팅장비및설계기술관련분야의국내기술수준, 연구역량및위험요인에대한대응방안수립을종합적으로고려할때, 본연구단에서수행하는기술개발은성공가능성이높을것으로판단됨. 세세부과제별성공여부를결정하는핵심요소기술의성공가능성을분석한결과, 건축물대상 3D 프린팅장비및설계기술중 3D 프린팅재료및마켓중심으로개발이수행된다면본과제추진시기술개발의성공가능성이높을것으로기대됨. 논문 / 특허분석결과우리나라의기술개발수준은높지않은편이나, 세계최고수준의국내 IT 기술력및 R&D 연구역량을고려하고기개발된국외의사례및연구실적을연계 / 활용한다면기술개발성공가능성이높을것으로판단됨. 관련연구인력부족은국내외산학연협력및공동연구수행으로극복할수있을것이며관련법제도개선과관련하여정부의적극적인지원이이루어진다면기술개발및파일럿제작의성공가능성을높일수있을것으로기대됨. 3. 기존사업과의중복성 본연구단에서추진하는과제는 2단계의기획과정을거쳐추진하였으며, 기획과정과 1차례의기획타당성평가를통해기존연구와의중복성을검토하였음. 본연구에대한중복성조사는 1차적으로 NTIS 자료및각부처 R&D 계획자료를이용하여중복가능성이있는사업과과제들을스크리닝하였음. 각단계별로전문가워크샵을추진하여, 1차스크리닝결과에대해검토를하였으며, 착수보고및 1차례의기획타당성평가시제기된중복과제에대해면밀한검토를하였음. 중복성검토는세부과제별로기존과제연구성과활용을통한시간단축및시행착오최소화를위한연계가능방안, 기존과제연구성과의성능및수준향상을통한성과의고도화방안으로구분하여분석함. 분석결과, 3D 프린팅요소기술과의료및제조분야적용에대한연구들은많았으나, 건축에적용가능한 3D 프린팅기술과관련된연구는 1건으로조사됨. 국토교통과학기술진흥원에서 14 ~ 16년까지 2년동안추진중인 건축물신속조형을위한 3D 프린터핵심부품및프린팅알고리즘의원천기술개발 과제는프린터일부및이를제어하는알고리즘을개발하는과제로본기획과제의결과물인건축물 3D 프린팅 Product, Market, Equipment 등과는차별됨

199 제 3 절경제적타당성 1. 경제성분석방법 비용 / 편익분석 (Benefit/Cost Analysis) B/C ratio는분석대상에비용규모대비혜택규모의비율로 1보다높으면경제성이높은것으로판단할수있음. 분석대상 건축물대상 3D 프린팅장비및설계기술연구단 의 3D 프린터건축시장에대해분석하였으며, 총괄적인비용 / 혜택분석결과를도출함. 편익범위 본연구단의기술개발에의한편익은미래시장규모추정이가능한시장재화에대한추가창출부가가치증대이므로시장접근법을사용함. 본연구단의연구기간을 2016년 ~2022년으로가정하고, 파일럿제작및성능평가기간을 3~4년으로볼때본연구단의결과물이시장에반영되는시기는 2026년이후라볼수있음. 2026년 ~2035년 (10년간) 3D 프린터건축시장을예측하여반영하였음. 비용의설정 각세부과제의향후 7년간예산 ( 안 ) 으로정부출연금과민간참여금의합한금액으로산정함. Benefit 산출을위한요소 R&D에의한부가가치의증대를환산하기위하여, 추가창출시장규모, 부가가치비중, 시장점유율, 기술기여도, 기술개발성공률, R&D기여도, 할인율고려함. Benefit = ( 국내시장규모 시장점유율 기술성공률 기술기여도 ) ( 부가가치비중 R&D 기여도 ) 추가창출시장규모 : 기술개발과제추진을통한연구결과물이파급되는산업의시장규모시장점유율 : 해당산업의관련국내시장에서의점유비율기술개발성공률 : 2010년산업기술연구회등에대한국정감사결과에의하면정부연구개발 (R&D) 성과의사업화성공률이 30% 수준으로조사되었으며, 이를준용하여적용함부가가치비중 : 부가가치비중은한국은행의 2009년산업연관표를기준으로건설업종의 40.1% 를적용함 R&D 기여도 : 본연구과제를통해달성된기술개선비중 26)

200 기술기여도 : 제품 / 공법에서기술이차지하는비중 27) 할인율 : 할인율은 5 년만기국고채금리인 2.2%(2015, 5,12 기준 ) 를적용함 2. 경제성분석결과 세부과제별로적용시장을구분하여시장재화에대한추가창출부가가치와 R&D 예산을산정하고, 이를취합하여연구단전체 B/C ratio를산정함 시장재화에대한추가창출부가가치와 R&D 예산을고려한, 본연구단의경제성분석결과는 B/C ratio가 2.9로나타나, 본사업의경제성측면에서긍정적으로판단됨 연도별시장재화에대한추가창출부가가치및 R&D 예산을고려한금액및 B/C ratio 산출식의산정결과는다음과같음 편익 = 시장규모의현재가치 ( 국내 + 국외NPV = 373,451억원 ) 기술개발성공률 (30%) 부가가치비중 (40.1%) R&D기여도(10.9%) 기술기여도 (25%) 비용 (422 억원 ) = 연도별소요예산의현재가치 ( 연구비 NPV) 편익 / 비용 = 2.9 [ 표 ] 건축물대상 3D 프린팅장비및설계기술연구단 B/C 분석결과

201 동기술이 3D 프린팅건설시장에적극활용될경우, B/C 분석값은더욱높아질 것으로예상됨

202 제 4 절기술개발필요성 건축물 3D 프린팅기술개발은장비, 소재를중심으로이와관련한연구가유럽, 미국, 중국을중심으로활발히진행되고있으며, 신시장진입의여명기로서시장선점자가없는상황임. 따라서건축물관련 3D 프린팅산업은, First Mover와 Fast Follower가혼재되어있는상황이며, 이것은 3D 프린팅의산출물의특성과건설현장에소요되는부품의특성의차이에따른시장의불확실성에근거하고있음. 본기획은건축물 3D 프린팅의규모와그에따른생산방식및조달방식이기획의기본철학이되며, 이를바탕으로장비, 재료, 설계, 엔지니어링, 시스템, 법 제도연구에대한기획이이루어져야함. 3D 프린팅으로생산하는제품의규모에따른생산방식및조달방식의포지셔닝및유연화된시장창출패스를구축하게되면글로벌신시장창출이가능하며시장선도형기술로서자리매김하리라판단됨. 1제품의규모에따른생산방식및조달방식확정 2연구기간및단계별생산제품및생산방식을바탕으로한시장창출패스구축 3각규모별, 단계별장비, 재료, 설계, 엔지니어링, 법제도와관련한연구수행 4테스트베드적용및검증 5상용화및상품화의단계를거치게되면, 기존의장비제조에있어서 Fast Follower의역할에서탈피하여건축분야에서는 First Mover의역할이가능하다고판단됨. 건축물 3D 프린팅산업의 Target Market & Killer Items의발굴및이에따른기술개발이절실하고긴급을요함. [ 그림 81] 건축물 3D 프린팅기술의생산방식전개방향