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1 김선호한국과학기술정보연구원 / 기술기회연구실

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3 3D 프린팅개요 5 3D 프린팅요소기술 13 3D 프린팅의기술기회 29 3D 프린팅관련연구개발현황 45 맺음말 61 참고문헌 64

4 2013 정보분석보고서 3D 프린팅기술동향및기술기회연구

5 3D 프린팅기술동향및기술기회연구 3D 프린팅개요 04 5

6 3D 프린팅개요 3D 프린팅이란 3차원 (3D, 3 dimensions) 공간에인쇄를한다는개념으로지금까지가정이나사무실에서문서를출력하는잉크젯프린터나레이저프린터와같은 2차원적프린팅개념에서한차원더나아가공간상에프린팅재료를출력하여 3차원물체를조형하는기술을말한다. 3D 프린팅재료로는파우더나필라맨트형태의플라스틱, 금속, 고무, 레진, 나무, 모래, 시멘트, 유리, 세라믹, 초코렛, 생체세포등매우다양하며사용가능한재료의범위가지속적으로넓어지고있다. 3D 프린팅에대한상세한소개및산업체동향은이미많은보고서 [ 지식산업정보원, 2013] 와서적 [ 허제외, 2013; 김소연외, 2013] 으로출간되어있다. 따라서이보고서에서는다른보고서나서적에소개된내용을다시서술하는것을최소화하고3D 프린팅에서의기술기회, 즉기술개발및비즈니스가능성에초점을맞추어집필하였다. 3D 프린팅에서의기술기회를찾기위해현재 3D 2013 정보분석보고서 3D 프린팅기술동향및기술기회연구

7 프린팅에적용된기술들을간략히요약하고, 현재의 3D 프린팅기술이극복해야할한계를분석하고미래의 3D 프린팅기술을예상하는방법으로기술기회를찾고자하였다. 끝으로 3D 프린팅분야의고인용연구논문및주요미국특허를분석하였다. 3D 프린팅이란? 1986년처음발명된 3D 프린팅기술은신속한제품생산이가능하다는이점때문에주로시제품제작 (Rapid Prototyping) 에많이이용되어왔으며, 적용가능범위가점차확대되어이제는주얼리디자인, 헬스케어, 취미, 교육, 예술, 방위, 건축및산업디자인등의분야에도적용되고있다. < 그림 1> 3D 프린터와출력물 출처. MakerBot, 2013; shapeways, 2013 < 그림 1> 은개인용 3D 프린터의하나인 MakerBot사의 3D 프린터 ( 좌측 ), 3D 프린터로출력한금속반지 ( 중앙 ), 그리고 3D 프린팅을위해모델링한제트엔진의모습을보여준다. 3D 프린팅기술은 FDM( 압출적층 ) 방식의 3D 프린팅설계가 2006년오픈소스프로젝트로전환된이후전세계엔지니어들이프린터개발에참여할수있게됨으로써기술발전과함께개인도 3D 프린터를구매할수있을정도의가격하락이이루어져최근관심이집중되고있다. 3D 프린팅은제조업진입장벽을낮추어아이디어만으로창업을가능하게하고, 실수요자가집에서쉽게물건을 6 7

8 생산할수있게함으로써기존공장과마켓중심의대량생산유통 체제에큰변화를일으킬잠재력이있는것으로예상하고있으며, 이를 제 3 차산업혁명의도래로보는관점도있다 [ 김소연외, 2013]. 3D 프린팅시장동향 3D 프린팅기술은 additive manufacturing 이라는이름으로 1980년대부터존재해왔으나최근대중화가진행되면서더직관적인 3D 프린팅 이라는용어가더자주쓰이게되었다. 3D 프린팅기술은이제막대중화가시작되는초기단계이며소형개인용 3D 프린터는 1,000달러이하의가격으로구입할수있어디자이너, 엔지니어, 건축가들에게는이미일반화되어있다. < 그림 2> 2013 년부상기술하이프사이클 출처. Gartner, 2013 < 그림 2> 는 Gartner에서발표한 2013년부상기술하이프사이클상에서의 3D 프린팅기술의위치를보여준다. 3D 프린팅기술은현재기대감피크에달해있으며 3D 스캐너기술과 3D 바이오프린팅기술도그뒤를따라기대감이증폭되고있는모습이다. 컨설팅구룹인 McKinsey의최근보고서 [McKinsey, 2013] 에의하면 2013 정보분석보고서 3D 프린팅기술동향및기술기회연구

9 개인용 3D 프린터판매량은 2011년에 23,000대정도로아직까지는그리많은판매량을보이진않고있으나, 2007년부터 2011년까지매년 200에서 400% 씩증가해왔다. 또한 3D 프린팅관련서비스의확대속도는더가파르게증가하였는데, 3D 프린팅종합솔류션업체인 shapeways는이미 8천개이상의온라인쇼핑몰을운영하고있고 2012년에만 1백만개이상의 3D 프린팅출력물을판매하였다. 2012년에는세계최대사무용품유통업체인 Staples도 3D 프린팅산업에뛰어들겠다고발표하였다. McKinsey 보고서는 2025년까지 3D 프린팅의경제적영향력이개인용프린팅분야에서연간 4조달러에이르고, 직접생산분야에서연간 1천억달러에서 2천억달러, 의료용임플란트나엔진부품제조분야에서연간 7천700억달러, 도구나금형시장에서연간 300~500억달러의시장확대가예상되었고전분야로연간 2,300억에서 5,500억달러에이르는시장파급력을예상하였다. 구글을통해본 3D 프린팅의관심도 < 그림 3> 구글검색으로본시간에따른 3D 프린팅기술에대한관심변화 위그림은구글의트렌드분석 [Google Trends, 2013] 을활용한것으로 2005년이후 3D 프린팅에대해인터넷검색을통해드러난관심정도의변화를시간에따른그래프로표현한것이며, 최대치인 B지점에서의관심을 100으로두고나머지를정규화 (normalize) 하여표현한것이다. B 지점은 3D 프린터를이용한총기류의불법제작 8 9

10 유통가능성이주요언론에보도된시점으로대중의관심이폭발적으로 증가한시점이다. 시기별주요 Events A : 3D Hubs의 3D 프린팅소셜비즈니스모델시작 B : 3D 프린터를이용한총기제작및실탄발사실험성공 C : MarketWatch의 3D 프린팅혁명소개 M : ABI Research에서 3D 프린팅시장이 2013년까지 7.82억달러로성장할것으로예측 < 표 1> 주제별관심도 (Score) 에따른순위 ( 구글트렌드분석결과 ) No Top searches for graphene Score 1 3D printer price D printers D print 85 4 makerbot 85 5 makerbot 3D printer D printer gun D printer youtube 65 8 buy 3D printer 55 9 reprap make 3D printer 50 Google 트렌드에따른 3D 프린팅관련검색어중관심도 (Score) 가높은 10개의검색어를순위별로나열하면위의 < 표 1> 과같다. 이결과에의하면 3D 프린터의가격에대한관심이가장높게나타나고있으며, 그다음으로 3D 프린터자체기술, makerbot의 3D 프린터, 자기복제가가능한프린터를개발하고자하는 reprap 프로젝트, 그리고 3D 프린터제작등이많은관심을받고있는것을알수있다. 구체적으로지역 ( 국가, 도시 ) 별관심의분포를살펴보면아래의그림과같다. 파란색계통으로채도를바탕으로지역별 3D 프린팅에 2013 정보분석보고서 3D 프린팅기술동향및기술기회연구

11 대한관심의정도를표현하였는데, 미국에서가장높은수치를보였고오스트레일리아, 싱가포르, 뉴질랜드, 남아프리카, 네덜란드, 홍콩, 캐나다, 영국의순서로 3D 프린팅에관심이많은것으로나타났다. 고도의 IT기술, 로봇기술, 소재기술이필요한 3D 프린팅기술을통해중국, 인도등저임금국가에빼앗긴제조업의영역을다시찾기위한선진국의노력과, 이에대비해 3D 프린팅연구에더많은투자를하고있는저임금국가의관심정도가지역별관심도지도를통하여확인된다. < 그림 4> 3D 프린팅에대한국가별관심정도 10 11

12 2013 정보분석보고서 3D 프린팅기술동향및기술기회연구

13 3D 프린팅기술동향및기술기회연구 3D 프린팅요소기술

14 3D 프린팅요소기술 3D 프린팅기술은기계, 화학, 재료, IT, 서비스등매우다양한분야의기술이복합적으로결합하여이루어진융합기술이다. 어느하나의요소기술이라도불가능하다면현재와같이 3D 프린팅기술의대중화를눈앞에두는상황까지이르지못했을것이다. 3D 프린팅의기술기회를찾기에앞서이장에서는현재의 3D 프린팅기술에적용된요소기술들을살펴본다. 3D 모델링기술 3D 모델링은컴퓨터를이용하여 3D 물체의형태정보를데이터화하는것으로크게 CAD 등의소프트웨어를이용하여기존에없는물체를직접모델링하는방법과 3D 스캐너를이용하여이미있는물체의형태정보를수집하여모델링하는방법이있다. CAD 소프트웨어를이용하여직접모델링하는방법은새롭게디자인된물체의시제품을만들기위해주로사용되며, 3D 스캐너를 2013 정보분석보고서 3D 프린팅기술동향및기술기회연구

15 이용하는모델링은기존의물건을보완하거나변형을할때, 또는해당 물체를복제하기위해사용된다. < 그림 5> Autodesk 123D Make 를이용한 3D 모델링화면 출처. Appsmirror, 2013 < 그림 5> 는 CAD에기반한 3D 모델링소프트웨어의하나인 Autodesk사의 123D Make라는맥용 3D 모델링툴을이용하여자동차의모형을모델링하는모습이다. 이소프트웨어는이미만들어진예제모델들을이용하여변형을가하여새로운모델을만들거나완전히새로운모델을처음부터생성할수있는기능도제공한다. 123D Make는완성된 3D 모델을여러개의 2D 단면으로나누어각각의 2D 단면의데이터를 3D 프린터로차례로출력한후적층하여하나의 3D 물체를만들수있게한다. 3D 스캐너는크게 3가지로나뉘는데접촉방식, 능동형비접촉방식, 수동형비접촉방식이있다. 접촉방식스캐너는사물의표면을바늘과같은형태의가늘고미세한센서로실제로접촉을하며스켄하는방식이다. 사물표면에서각점의위치는스캐너암의위치와관절의각도를이용하여측정한다. < 그림 6> 은접촉방식의스캐너의작동모습이다. 좌측그림의스캐너와같이센서의방향이수직으로고정되어있는스캐너는사물의위쪽표면만을스켄할수있다. 그러한단점을해결하고자오른쪽

16 그림과같이다양한각도로사물에접촉할수있는스캐너도있으나 센서가들어가기힘든복잡한구조의사물, 특히오목하게내부로 들어간구조의사물을스캔하는데에는한계가있다. < 그림 6> 접촉방식 3D 스캐너 출처. umich, 2013; blendernation, 2013 능동형비접촉방식 3D 스캐너는레이저를사물의표면에쏘아표면까지의거리를측정하거나표면의굴곡을인식하여모델링하는방법이며이것은다시세분할수있다. 사물에쏜레이저빛이반사되는시간을이용하여거리를측정하여모델링하는방법, 제3의지점에카메라센서를추가하여 3각측량법으로사물표면까지의거리를측정하여모델링하는방법, 동심원이나메쉬모양등정해진패턴의레이저빛을사물에쏘아사물의표면에서패턴의모양이굽어지는모양을분석하여모델링하는방법등이있다. < 그림 7> 능동형비접촉 3D 스캐닝 출처. wikipedia, 정보분석보고서 3D 프린팅기술동향및기술기회연구

17 < 그림 7> 의좌측은능동형비첩촉방식중카메라를추가한 3각측량법을이용하여사물표면을모델링하는모습을보여준다. 오른쪽그림은여러개의직선광선을표면에비추어직선이굴곡되는모양을분석하여사람얼굴을모델링하는모습이다. 수동형비접촉방식 3D 스캐너는레이저나초음파등을이용하지않고사물로부터들어오는가시광선이나적외선을센서로감지하여표면을스캐닝하는방법이다. 가장간단한예로두개의약간떨어져있는일반디지털카메라를이용하는것인데스캐닝하고자하는사물을찍어사물표면의각포인트가보는각도에따라차이가나는것을분석하여표면의굴곡을측정하는방법이다. 또다른방법은 < 그림 8> 과같이하나의카메라를이용하여조명의위치를바꾸어가며사물을촬영한후음영이바뀌는모습을분석하거나 [Gary, 2011], 또다른방법으로사물을회전시키며사물의실루엣을분석하는방법도있다. < 그림 8> 음영을이용한수동형비접촉방식 3D 스캐닝 출처. uwe.ac.uk, D 프린터와컴퓨터 CAD 소프트웨어와의데이터교환에사용되는표준데이터포맷은 STL(Standard Tessellation Language) 포맷으로색상이나질감등의정보없이 3차원상의 3각형단위표면 (facet) 에대한위치정보만을저장하는데이터포맷이다. < 그림 9> 는 ASCII 형태 ( 좌측 ) 와 binary 형태 ( 우측 ) 의 STL 데이터의양식이다. 이예는하나의 facet을표현하기위한양식이고여러개의 facet은이양식을반복하여사용하면된다

18 < 그림 9> STL format: ASCII format (left), binary format (right) facet normal ni nj nk outer loop vertex v1x v1y v1z vertex v2x v2y v2z vertex v3x v3y v3z endloop endfacet UINT8[80] Header UINT32 Number of triangles foreach triangle REAL32[3] Normal vector REAL32[3] Vertex 1 REAL32[3] Vertex 2 REAL32[3] Vertex 3 UINT16 Attribute byte count end 최근에는 AMF(Additive Manufacturing File Format) 라고하는 3D 프린팅을위한전용표준데이터포맷이사용되기도하는데, 기존 SLT을발전시킨포맷으로삼각면의위치정보외에색상, 소재, 질감, 곡률, 그리고같은삼각면의군집을효율적으로프린트하기위한군집정보가포함되었다. < 그림 10> AMF 데이터의예 <?xml version="1.0" encoding="utf-8"?> <amf unit= millimeter > <object id= 0 > <mesh> <vertices> <vertex> <coordinates> <x>0</x> <y>1.32</y> <z>3.715</z> </coordinates> </vertex>... </vertices> <volume> <triangle> <v1>0</v1> <v2>1</v2> <v3>3</v3> </triangle>... </volume> </mesh> </object> </amf> 출처. wikipedia, 정보분석보고서 3D 프린팅기술동향및기술기회연구

19 < 그림 10> 은하나의삼각면이 AMF로어떻게표현되는지를보여준다. AMF는 xml 양식으로표현되며삼각면의세꼭지점 <vertex> 들의좌표를먼저선언한후이꼭지점정보를인용하여삼각면 <triangle> 를선언하는방식이다. AMF는물체의곡면을표현하기위해모든삼각면은 < 그림 11> 과같이재귀적으로하부 4개의삼각면으로구성되어있다고가정한다. < 그림 12> 는 AMF에서곡면을표현하는방법의예이다. vertex에 <normal> 이라는 element를추가하여그 vertex를공유하는모든삼각면은 normal 이가리키는평면에평행하도록삼각면의하위삼각면이굽어진다. vertex에곡면정보가없는경우 edge에곡면정보를포함할수있는데이때는 <edge> 라는 element를사용하여 edge 양끝의 vertex에서의곡면정보를표시한다. < 그림 13> 은 AMF에서색상정보를입력하는예를보여준다. R,G,B 정보와투명도 (A) 정보를표시한다. < 그림 14> 는 AMF의질감표현의예이다. 질감을표현하는 <texture> element가먼저선언된후 <color> element에서이를인용하여사용한다. 질감은대상에따라 2차원이나 3차원 array로표현되고 Base64 인코딩된문자열이나바이트로표현된다. 한바이트로 256단계의명암을표현할수있다. < 그림 11> 곡면삼각면

20 < 그림 12> AMF 의 <normal> 과 <edge> 를사용한곡면정보 <texture id="1" width="10" height="26" depth="1"> TWFuIGlzIGRpc3Rpbmd1aXNoZWQsIG5vdCB vbmx5igj5ighpcybyzwfzb24sigj1dcbies B0aGlzIHNpbmd1bGFyIHBhc3Npb24gZnJvb SBvdGhlciBhbmltYWxzLCB3aGljaCBpcyBh... </texture> <triangle> <v1>0</v1> <v2>1</v2> <v3>3</v3> <color> <r>tex(1,x,y,z)</r> <g>tex(2,x,y,z)</g> <b>tex(3,x,y,z)</b> <a>0.1</a> </color> </triangle> < 그림 13> AMF 의색상정보 <volume materialid="1"> <color> <r>0.9</r> <g>0.9</g> <b>0.2</b> <a>0.8</a> </color> 정보분석보고서 3D 프린팅기술동향및기술기회연구

21 < 그림 14> AMF 의질감정보 <texture id="1" width="10" height="26" depth="1"> TWFuIGlzIGRpc3Rpbmd1aXNoZWQsIG5vdCB vbmx5igj5ighpcybyzwfzb24sigj1dcbies B0aGlzIHNpbmd1bGFyIHBhc3Npb24gZnJvb SBvdGhlciBhbmltYWxzLCB3aGljaCBpcyBh... </texture> <triangle> <v1>0</v1> <v2>1</v2> <v3>3</v3> <color> <r>tex(1,x,y,z)</r> <g>tex(2,x,y,z)</g> <b>tex(3,x,y,z)</b> <a>0.1</a> </color> </triangle> 일반적으로 3D 모델링은매우전문적인기술이나일반인이쉽게쓸수있게하기위해 CAD의복잡하고잘안쓰이는기능을빼고필수적인기능과직관적인인터페이스를이용한간략화된 3D 모델링툴들이많이개발되고있다. 헤드버블사 [ 헤드버블, 2013] 는촬영각도가다른 2장의인물사진을이용한 3차원인물모델링소프트웨어를사용하여 3D 버블헤드인물모형을프린팅하고있으며, shapeways사는웹용 3D 모델링서비스를제공하여간단한반지와그릇과같은물체의모델링을웹에서바로수행하고 3D 프린팅을주문할수있도록하고있다. 3D 프린팅기술 광경화성수지를이용한프린팅기술 광경화성수지는빛을조사하면응고되는액상의플라스틱수지로서

22 이액체에빛을쪼여얇은단면의물체를만들고이를적층하여 3D 물체를조형하는기술이다. 빛의조영방식과광경화성수지의이용방법에따라 SLA(Stereolithography Apparatus) 와 DLP(Digital Light Processing) 방식으로나눌수있다. a) SLA SLA 기술은얇은광경화성수지 (photocurable resin) 막에자외선을쏘아물체를출력하는방식이다. < 그림 15> 는 SLA의구조를보여준다. SLA는액체상태의광경화성수지가들어있는수조를포함하고있는데이수조의하부가물체를지탱하는출력대를겸하게된다. 수조상부에서자외선을출력하는렌즈가있다. < 그림 16> 은 SLA 방식 3D 프린터의작동원리를설명한다. 출력하고자하는물체의한층 (layer) 을 2차원프린터가종이에문서를출력하듯수조에고인광경화성수지에자외선으로출력을하면자외선이닿은수지가경화되고얇은한층의물체단면이된다. 그다음수조의베드가한층 (layer) 의깊이만큼하강하면서이미경화가된부분의위쪽에다시액체상태의광경화성수지가올라가다음층의출력을대기한다. 이와같은과정을반복하여모든층을다출력하면출력하고자하는 3D 물체를얻게된다. < 그림 15> SLA 프린터의구조 출처. Solid Concepts inc 정보분석보고서 3D 프린팅기술동향및기술기회연구

23 이방식을빛과액체를이용한방식으로결과물의정밀도가높고제작속도가빠르다는장점이있지만, 출력물의소재와색상이제한적이고원료가비싸다는단점이있다. 광경화성수지는리터당 $80~$210이며이기술을이용한 3D 프린터의가격도다른기술을사용하는프린터보다비싸 $100,000에서많게는 $500,000에까지이르는등매우고가이다. < 그림 16> SLA (Stereolithography Apparatus) 방식의원리 출처. wikipedia b) DLP 이기술은 SLA와비슷하나빛을광경화성수지에뿌리기위해흔히프로젝터에사용되는 DLP(Digital Light Processing) 기술을이용한다. 즉 SLA가자외선빔을원하는점들에순차적으로쏘아출력하는것과는달리 DLP를이용하여 2차원적빛을광경화성수지에투영하여 2차원적출력물을얻어내는원리이다. 이 2차원적출력물을층층히쌓아 3차원출력물을만든다. - 압출적층이기술은열가소성플라스틱에열을가해용융시킨프린팅소재를정해진위치에압출하여적층시켜출력물을만드는기술이다. 원료의형태와압출방법에따라 FDM(Fused Deposition Modeling), PJP(Plastic Jet Printing) 등으로세분되기도한다

24 a) FDM FDM 은 < 그림 17> 과같이필라멘트형태의플라스틱이나금속등프린팅소재를고온으로녹여노즐을통해분사하여적층하는방식의 3D 프린팅기술이다. 소재를압출하는노즐이나출력물을지탱하는테이블이모터에의해제어되어원하는위치에정확히소재를분사하는것이핵심기술이다. FDM이라는용어는 Staratasys사의등록상표이므로사용에법적이제한이있고이때문에 FFF(Fused Filament Fabrication) 이라는용어를쓰기도하는데둘은같은기술을지칭한다. < 그림 17> FDM: Fused Deposition Modeling 출처. wikipedia, 2013 b) PJP PJP 기술은프린팅원료인열가소성플라스틱의작은입자를고온에녹여잉크젯프린터와같은방식으로정해진위치에분사하여출력물을만드는방식이다. 이기술은원료와프린터의가격이가장저렴한방식이기때문에 3D 프린터의대중화를위해가장많이주목받고있는방식이다. 실제도대부분의저가형가정용 3D 프린터는이방식을이용하고있다. 하지만 PJP 방식은출력물의디테일이깔끔하지않으며표면이거칠어후처리에많은노력이필요하다 정보분석보고서 3D 프린팅기술동향및기술기회연구

25 - 라미네이트라미네이트방식은프린팅소재의얇은층을칼이나레이저로절단한후적층시켜 3D 출력물을만드는기술이며, LOM(Laminated Object Manufacturing) 이라고한다. < 그림 18> 은라미네이트방식 3D 프린터의구조를보여주고있다. 이그림에서 1,8은각각프린팅소재인종이등의두루마리와사용된후의두루마리이다. 2는접착재료를칠하는로울러이고, 3은레이저를이용하여원료를절단하는부분, 4와 5는레이저출력부와콘트롤부를표시한다. 6은적층되고있는 3D 출력물, 7은원료의두께만큼조금씩하강하며층을쌓는출력물지지대이다. 라미네이트방식 3D 프린팅의소재는플라스틱필름뿐아니라종이, 금속호일, 얇은목재판등여러가지가가능하다. 이방식은빠르고저렴하게 3D 출력물을얻을수있고종이와같은소재의경우자유로운채색이가능하여실물과같은색상의출력이가능하다는장점이있으나내구성이약하다는단점이있다. < 그림 18> LOM: Laminated Object Manufacturing 방식 출처. wikipedia - 분말소결방식 분말소결방식은분말형태의프린팅소재에레이저나전자빔을쏘아 융해시킨후적층하여출력물을만드는방식으로 DMLS(Direct Metal

26 Laser Sintering), SLS(Selective Laser Sintering), SLM(Selective Laser Melting), DMT (Laser-aided Direct Metal Tooling) 등레이저를이용하는여러가지비슷한기술이이방식에포함되고, EMB(Electron Beam Melting) 와같이전자빔을이용한기술도포함된다. a) SLS SLS는이산화탄소레이저와같은고출력레이저를이용하여분말형태의플라스틱, 금속, 세라믹, 유리등의출력소재를녹여원하는 3D 물체를만들어내는기술이다. 작업테이블위에얇게덮인분말형태의소재위를선택적으로레이저를가하여녹이고그위에다시분말형태의소재를얇게덮은후선택적으로레이저를가하고, 이런절차를반복적으로행하여최종출력물을얻는다. < 그림 19> 의좌측그림참조. < 그림 19> 의우측그림과같이이방식은 SLA(Stereolithography Apparatus) 나 FDM(Fused deposition modeling) 기법과달리레이저를맞아용융되어가공된출력물부분이레이저를맞지않은출력소재에파묻혀있는형태로프린팅이진행되므로출력물을지탱하기위한추가적인지지구조를추가하여출력할필요가없다. 따라서, 지지구조물을출력물과분리하기위한추가적인후처리작업이필요하지않다. < 그림 19> SLS: Selective Laser Sintering 출처. wikipedia 2013 정보분석보고서 3D 프린팅기술동향및기술기회연구

27 b) DMT DMT는한국의인스텍사 (insstek.com) 에서개발한기술로원료베드위에레이저를쏘아용융된부분을적층하고용융되지않은부분을털어내어조형하는방식이아니고 3D 출력물자체에직접레이저를쏘아용융풀을만들면서동시에원료를공급하여녹여붙이는방식이다. < 그림 20> 참조. 이기술은원료소비가적으며값비싼 3D 프린팅전용금속분말이아닌일반산업용금속분말을그대로사용할수있어경제적이기때문에귀금속가공등에도이용하기좋다. 또한고출력레이저를이용하여원료를용융시켜만드는방식이므로출력물의금속물성이우수하며, 출력도중원료의비율을조정하는방식으로하나의부품에부위별로또는점차다른물성을갖는합금부품의제작도가능하다. 그리고내부에복잡한구조를갖는금속부품도제작할수있고손상된제품의손상부위에재료를직접녹여붙여손상전의원형으로재생하는것도가능하다. < 그림 20> DMT: Direct Metal Tooling 공정 출처. insstek,

28 2013 정보분석보고서 3D 프린팅기술동향및기술기회연구

29 3D 프린팅기술동향및기술기회연구 3D 프린팅의기술기회

30 3D 프린팅의기술기회 지금까지 3D 프린팅의요소기술에대해정리를하였다. 3D 프린팅은최근에갑자기개발된기술이아니고이미오래전부터 additive manufa cturing 혹은 rapid prototyping 등의용어로제조산업전반에서활용되고있었다. 최근에 3D 프린팅이다시주목받게된이유는 FDM 방식의프린터개발이오픈소스로전환되면서많은개발자들이참여하게되었고, 기술발달과 3D 프린터자체와프린팅소재의가격하락이이루어졌기때문이다. 또한과거의잉크젯프린터나레이저프린터와같이일반가정과소형사무실에도비치할수있을정도의 3D 프린터의대중화되기시작하였다. 이러한상황에서 3D 프린팅산업에서유발될수있는기술기회는무엇인지조사하였다. 이장에서는현재 3D 프린팅기술이해결해야할기술적문제점과 3D 프린팅산업의향후방향성예측에근거한 3D 프린팅산업의기술기회를서술한다 정보분석보고서 3D 프린팅기술동향및기술기회연구

31 3D 모델링어려움극복을위한기술기회기존잉크젯프린터의사용을위해서는워드프로세서나이미지편집툴과같이데이터를 2차원적종이평면상에출력하기위한프린팅소프트웨어가있어야했던것과같이 3D 프린팅을위해서도출력하고자하는 3D 물체를 3차원상의공간에출력하기위한모델링소프트웨어가필요하다. 3D 물체의모델링은 CAD, 3ds Max와같은값비싸고전문적인훈련이필요한프로그램을통하여가능한데일반인이이러한 3D 모델링툴을쉽게사용하기에는어려움이많다. 최근에는무료나저렴하게쓸수있는 3D 모델링소프트웨어들, 예를들면 Autodesk사의 123D나 freecad 등이사용가능하지만일반인에게 3D 모델링을어렵게하는이유는단지가격적문제만은아니다. 항공기의부품이나엔진설계와같이고성능컴퓨팅이필요한 3D 모델링의영역을차치하고서라도단순한일상용품의부품을설계하는것도일반인이하기에는쉽지않다. 일반인이 2차원문서의프린팅을위한에디터의사용방법을처음습득하는데만도적지않은시간이걸리는데 3차원물체를모델링하는것은그것보다훨씬복잡한문제다. 잘못된모델링으로인한프린팅으로프린팅소재의낭비와그시간동안값비싼 3D 프린터를사용하지못하게됨으로발생하는손해를줄이기위해서는전문적인교육과많은훈련시간이필요하다. 일반인이 3D 모델링을빠르고쉽게할수있도록지원하기위한소프트웨어나지원서비스를개발하는데많은기술기회가존재한다. 3D 스캐닝을통한모델링에도기술적어려움이있다. 능동형비접촉 3D 스캐닝의경우레이저반사를통한거리측정방식은아직까지정확도가매우낮다. 빛의반사속도를측정하기에는아직센서의정밀도가충분하지않고사물의표면상태에따라난반사가발생하므로모델링데이터에노이즈가섞이게된다. 3각점측량방식을이용한거리측정방식은반대로매우정밀하지만큰물체나멀리떨어져있는 30 31

32 물체의스캔시에는정확도가떨어진다는문제가있다. 실제로 3D 모델링의어려움이 3D 프린팅을대중화에가장큰걸림돌이될가능성이크다. 하지만, 이는또달리해석하면 3D 프린팅산업에서의기술기회, 비즈니스기회로해석할수도있다. 보다직관적이고사용하기편한 3D 모델링소프트웨어의개발, 3D 모델링데이터의데이터베이스구축및유통, 3D 스캐닝을통한 3D 물체의모델링및데이터베이스화, 주문에의한 3D 모델링서비스등다양한기술기회및비즈니스기회가존재한다. Shapeways는일반인이쉽게반지나꽃병등간단한물체를모델링할수있는웹서비스를제공하고있고, 미리만들어진다양한디자인모델중단순히선택하는것이아닌크기나일그러짐, 비틀림, 글씨새김, 소재등개인적취향에따른변형을가하여자신만의디자인물체를만들수있는 3D 프틴팅서비스를제공하기도한다. 3D 프린팅속도향상을위한기술기회 3D 프린터로원하는출력물을만드는속도는 3D 프린터에적용된기술종류, 3D 프린터의프로세서의속도, 프린팅소재와경화속도, 프린팅하고자하는출력물의크기등여러가지요소에의해결정되지만일반적으로수시간에서수일이걸리는등매우느린것이일반적이다. 대부분의 3D 프린터에적용되는적층을통한방식, 예를들면 SLA, SLS, FDM 방식의경우한번에한개의층내부만을프린트할수있으며, 소재를녹여서조형하는방식이므로소재가굳을때까지지연이있을수밖에없다. 또노즐에서소재를쏘는방식은한시점에한개의점만을프린트할수있다. 3D 출력물은크기에따라수백개에서수천개층의결합으로이루어지고한개의층은또수천개의점으로이루어진다고봤을때이러한방법은시간적으로매우비효율적이라할수있다. 노즐의수를늘리거나출력물의부위에따라노즐의모양을달리하여한순간에출력할수있는출력양을 2013 정보분석보고서 3D 프린팅기술동향및기술기회연구

33 늘릴수있다면 3D 프린터의속도를획기적으로향상시킬수있을것이다. 현재도몇가지모델은 2개혹은 3개의노즐을가지고있으나그목적이주로색깔이다른원료나다른소재를각노즐에배치하여출력물에색깔과소재의변형을주기위한것으로아직까지개선의여지가많다. 또 3D 프린팅의속도향상을꾀할수있는부분은노즐이나출력물을지탱하고있는베드의움직임을빠르게하는것이고, 무거운베드를움직이는것보다는노즐을움직이도록하고, 베드와노즐이모두움직이게한다면더빠른출력이가능할것으로보인다. Utrecht Fab Lab의 Ultimaker 3D 프린터는일반적인 2축으로움직이는노즐이아닌 3축으로움직이는 3D 프린터를이용하여더빠른 3D 출력을가능하게하였다. 출력물의한계극복을위한기술기회 3D 프린팅이기존생산방법에서불가능하던것을가능하게한측면도있지만반대로기존생산방법에서는쉽게가능하던것이 3D 프린팅에서는어려운것들이있다. 출력물의크기면에서 3D 프린팅에는한계가있다. 3D 프린팅은프린터내부에서제품을조형하므로생산하고자하는제품의크기가 3D 프린터의크기보다크다면출력할수없다. 현재기술로는건물등을 3D 프린터로프린트하고자할때는 < 그림 21> 과같이건축하고자하는건물크기보다큰 3D 프린터를먼저건축해야하는문제가있다

34 < 그림 21> 건물을프린트하는 3D 프린터 출처. wimp, 2013) 이러한한계를극복하기위해서는 3D 프린터의형태를개선하여생산제품을 3D 프린터의밖에서출력할수있는형태로개발되어야하고, 3D 프린터가자체적으로생산제품주위를움직인다든가출력노즐을멀리뻗어출력할수있는형태로개선되어야한다. MIT media lab. 에서는 < 그림 22> 과같은대형물체조형을위한 3D 프린터를연구하고있다. < 그림 22> MIT media lab. 의대형물체의프린팅을위한 3D 프린터 2013 정보분석보고서 3D 프린팅기술동향및기술기회연구

35 출력물의크기외에도 3D 프린팅으로얻은출력물은강도, 내구성, 정밀도, 완성도측면에서기존생산방식으로생산된제품보다일반적으로안좋은품질을보인다. 물론 3D 프린팅기술에따라출력물의이러한특성중일부는기존생산방법으로생산된제품의특성보다더뛰어난경우가있으나일반적으로는그렇지못하다. 출력소재를녹여쌓고층을붙여출력물을만들다보니소재를완전히용융하여틀에부어제작하는방식으로제작된제품에비해구조가치밀하지않고그로인해강도와내구성이떨어지게된다. 고출력레이저등을이용하여금속소재를용융하여적층하는 3D 프린팅방식은용융풀의주변이깔끔하지않기때문에최종출력물의표면이거칠고정밀도가떨어지게된다. 또한 3D 프린팅과정에출력물이뒤틀리고내려앉는것을막기위해지지물을같이출력하는경우도많은데이러한지지물은현재까지는일일이사람이제거해줘야만하는번거로운일이다. 결과적으로 3D 프린팅으로생산된제품은그자체가최종결과물이아니고표면가공이나치밀도향상및정밀도, 완성도향상을위해화학적, 물리적후처리가필요한것이대부분이다. 이러한후처리공정을없애도록정교하고치밀한 3D 프린팅기술을개발하거나후처리공정을단순화시키는부분에많은기술기회가있다고볼수있다. 후처리공정에는열처리, 화학적처리, 도색, 샌딩, 밀링, 폴리싱, 3D 프린팅소재를이용한코팅, 유리나세라믹등다른소재를이용한코팅등다양한기술이연구되고있다. 소재의한계극복을위한기술기회현재 3D 프린팅에사용되는소재는금속, 유리, 세라믹, 시멘트, 플라스틱, 초코렛등매우많은재료가가능하다. 심지어목재나생체와같은느낌을주는소재도이용되고있다. 이러한소재를적절하게조합한다면원하는물체를무엇이든출력해낼수있을듯하다. 하지만이러한생각은기존제품생산방식이물리학, 화학, 기계학, 생물학 34 35

36 등수세기동안축적되어온인간지식의산물이라는근본적원리를자각하지못하는것이다. 3D 프린터로원하는재료를이용하여원하는모양의제품을만들수는있다. 하지만모양이같다고제품으로서갖추어야할특성까지같은것은아니다. 3D 프린팅된손톱깎이나골프클럽헤드가기존생산방식으로생산된손톱깎이와클럽헤드를아무문제없이대체할수있을지는의문이다. 소재의선택에서도제한이있다. 현재의 3D 프린터는하나의소재로출력되는것을기본으로설계되어있지만, 우리주변의대부분의물건들은다양한소재의매우복잡한조립품이다. 또한현재의개인용 3D 프린터는대부분합성수지의출력만가능하다. 금속소재제품용 3D 프린터는가격이아직은비싸개인이소유하기는어렵지만금속출력프린터의핵심기술인 SLS 기술의특허가 2014년 6월에풀릴예정이므로또한번의전반적인가격하락으로대중화가본격화될것이다. 하지만금속출력프린터에서는고출력레이저의사용이필수인데가정용 3D 프린터에그러한고출력레이저를장착할수있도록하는데는안전을위한기술적장치의개발뿐아니라해결해야할법제도적인문제도있다. 3D 프린터로출력할수있는물체의한계도있다. 전자회로나반도체부품과같이도체와반도체가매우정밀하면서복잡한구조의물체를 3D 프린팅방법으로생산하기위해서는아직도가야할길이멀다. 3D 프린터를출력하는 3D 프린터, 즉생명체의가장큰특징인자기복제가가능한기계를만들고자하는 Reprap 프로젝트 [RepRap, 2013] 등이성공하려면전자회로와반도체부품의출력등아직도해결해야할기술적어려움이많다. 복잡한사용및유지보수지원을위한기술기회 3D 프린터는적용된기술, 사용되는프린팅소재, 프린팅할수있는 물체의크기에따라종류가다양하며그사용법및관리보수방법이 2013 정보분석보고서 3D 프린팅기술동향및기술기회연구

37 매우복잡하다. 3D 모델링의복잡성, 연결및통신방법의복잡성, 운영소프트웨어사용및업데이트의복잡성과같이정상적인 3D 프린터의사용에따른복잡성외에도관리보수의복잡성문제가있다. 프린팅시발생하는찌꺼기및오염물에대한청소의문제도있고, 프린팅소재의종류에따라프린팅소재를뿜는노즐및 SLA 프린터의수조의관리방법이다르다. 또한프린팅소재가화학재품이므로이에따른화재및인체접촉에의한안전성문제도발생한다. 또한 3D 프린터의원활한사용및서비스유지를위해프린팅소재의수요량예측이나물량확보의복잡성도있다. 이러한 3D 프린터사용에따른사용자가겪게되는다양한복잡성의해결을위한서비스를제공하거나사용자교육을제공하는등다양한기술기회가가능하다. 법률적문제극복을위한기술기회 3D 프린팅기술은 IT와제조업이융합된기술로서디자인과 3D 모델링데이터는지적저작권행사의대상이된다. 3D 모델링데이터는컴퓨터에저장되는파일형태기때문에인터넷을통해쉽게복제및공유가가능하다는문제가있으며이는과거 mp3가대중화되던시기 Napster를통해음원이불법공유되던것과같다. Napster 사태이후 mp3의유통에필요한여러가지지적저작권기술이개발되었던것과마찬가지로 3D 프린팅시대에도 3D 모델링콘텐츠의지적저작권보호를위한기술개발이필요하다. 즉, 사용자는 3Dsystems와같은모델링전문회사에원하는자신만의 3D 제품의모델링을주문하고모델링회사는암호화되고완성된 3D 모델을주문자에게전송한다. 암호화된 3D 모델은주문자만이 3D 프린팅할수있고혹시인터넷을통해불법공유되더라고이를다운받은사용자는암호를모르면출력할수없도록하는등지적저작권보호장치의개발분야에다양한기술 36 37

38 기회가존재한다. 3D 프린팅의또다른법률적문제로는오픈소스를이용한프린터와모델링툴의개발에있다. 오픈소스는소프트웨어개발에소요되는인력과비용을줄이고손쉽게변형을하고최적화할수있다. 또한일반적으로여러개발자가개발과디버깅과정에참여하므로독점개발된프로그램에비해안정적이고신뢰할수있다고여겨지기때문에개인이나중소기업에서널리쓰이는추세이다 [ 한국저작권위원회, 2007]. 그러나오픈소스는책임성있는주체의지휘아래탄탄한로드맵에기초하여체계적으로개발된소프트웨어가아니기때문에문제가있을경우해결하기가쉽지않다. 유지보수의주체가없고업그레이드가번거로우며체계적인문서화가되어있지않는경우가많다. 소프트웨어는시대의요구에맞게계속바뀌어야하는데오픈소스를사용하면이에적절하고능동적으로대응할수없게되고, 오픈소스개발자들이업데이트해주기만을수동적으로기다릴수밖에없게된다. 그래서개발자네트워크가활성화되지않은오픈소스의사용은더욱위험하며, 법적인분쟁가능성도있다. 오픈소스에대해흔히잘못알고있는것이오픈소스는무료로마음껏쓰고이를적용한상용제품도자유롭게만들어팔수있다고생각하는것이다. 하지만오픈소스라이센스에서는오픈소스를포함하여개발된소프트웨어의소스코드를다시오픈소스로공개할것을요구한다. 기업이보유한특허나고유기술의소스코드가오픈소스와같이사용되었더라도특허에대한사용료없이같이배포하여야하는것이다. 그렇지않은경우오픈소스의사용권한이박탈되고이미판매중인제품은리콜해야한다. 이것은기업의입장에서는오픈소스를사용하는댓가로기존자신들의고유기술을무료로오픈해야하는위험성을의미한다. 따라서오픈소스의라이센스를잘못이해하여자신의독자적인기술이나특허를오픈소스를이용하여 3D 프린터나모델링, 서비스소프트웨어등의개발에이용하지않도록주의해야한다 정보분석보고서 3D 프린팅기술동향및기술기회연구

39 서비스모델개발을위한기술기회 3D 프린팅에서의기술기회는비즈니스모델의개발이나소비자지원을위한생태계 (ecosystem) 의구축에서도찾을수있다. 기존공장과시장중심의대량생산체제를대체할것으로주목받는 3D 프린팅의비즈니스모델은물건을사용할실사용자가제품의디자인, 모델링, 주문, 출력, 배송에이르는전단계를참여할수있으며소셜네트워킹을통한의견교환이나디자인, 모델링기술및데이터를거래할수도있을것이다. 3Dsystems나 Stratasys와같이모델링소프트웨어부터하드웨어판매, 프린팅서비스등통합적인 3D 프린팅솔루션을제공하는대형회사도있지만개인이나소규모회사가추진하고있는비즈니스모델들도많이있다. 헤드버블이라는회사 [ 헤드버블, 2013] 는주문자가전송한인물사진으로부터 3D 모델링을하여버블헤드인형을 3D 프린팅하여판매하는비즈니스를영유하고있으며, 2D 사진을입체적인액자로만들어주는회사도있다. 3D Hubs[3Dhubs, 2013] 는 3D 프린터를소유한사람들과 3D 프린터의사용을원하는사람들을연결시켜주는위치기반소셜네트워크서비스를제공하고있으며, shapeways는 < 그림 23> 과같이모델링, 주문, 3D 출력물의판매및배송까지겸하는온라인비즈니스를하고있다. Shapeways에서는반지, 목걸이, 휴대폰케이스, 컵등단순하고수요가많은제품은전용온라인모델링서비스를이용하여크기, 디자인, 소재등을주문자가직접선택할수있으며, 게임이나애니메이션의캐릭터, 디자이너가디자인한생활용품들을개인의취향에맞게조금씩변형하여출력주문하고배송받을수있다

40 < 그림 23> Shapeways 서비스모델 출처. Shapeways, 2013 UC Berkeley의학생기업가들이창업한 Dreambox라는회사는 3D 프린터자판기를만들어교내에설치하기도하였다. 3D 프리팅자판기는누구나손쉽게 3D 프린터를사용할수있게하겠다는아이디어에서출발하였다. 사용자는온라인상의 dreambox 스토어를통해원하는물건을선택하거나자신만의디자인을업로드하여프린팅을주문할수있으며정해진자판기에서출력이끝나기를기다렸다가스스로픽업할수있다. 3D 출력물뿐아니라모델링데이터에대한유통시스템도생각해볼수있다. 3D 모델링데이터는소프트웨어와같이생산하는데많은시간과전문적지식이필요한고부가제품이므로이를전문적으로생산하는기업도생길수있으며, 이를데이터베이스화하고비용을받고사용자가엑세스할수있도록하는유통시스템도생각할수있다. 또소프트웨어산업의 shareware나오픈소스의개념을수정적용하여모델링데이터에대한유통생태계를구성할수있으며이영역에도많은기술기회가존재한다 정보분석보고서 3D 프린팅기술동향및기술기회연구

41 비용절감을위한기술기회 3D 프린팅이차세대제조업의혁신을주도하기위해서해결해야할문제중의하나가비용문제이다. 3D 프린터출력물의가격은대략출력물에사용된원료의무게에비례하는경향이있다. 출력물의복잡성이나디자인의우수성보다출력물에사용된원료의가격에맞추어가격이결정되고있는것이다. 그렇기때문에대량주문에의한가격할인도없다. 제품 1개주문에 1달러이었다면 100개주문에는 100달러인것이다. 이러한현상은아직까지 3D 프린팅에사용되는원료가고가이기때문에발생하는것으로 3D 프린팅의대중화에있어걸림돌이된다. 누구나원하는물건을쉽게집에서프린트해서사용할수있다는 3D 프린팅기술이현실에서는소량의고부가가치물건의출력에서만유용한것이다. 일반적으로 3D 프린팅소재의가격은기존금형주입식생산에이용되던소재의가격의 50~100배정도이다. 이는 3D 프린팅이가격이문제가되지않는소수의디자이너나시제품개발자, 발명가등의전유물이되고대중화에실패할위험성을보여준다. 광경화성수지를사용하는 SLA 방식이나전용분말이나필라멘트를쓰는 FDM 방식등의 3D 프린터를개선하여값싼일반산업용수지나재활용플라스틱을사용하는기술을개발한다면 3D 프린팅의비용을줄일수있을것이다. 3D 프린팅의비용문제는프린팅소재뿐만아니라 3D 프린터구입및운영의비싼비용문제도포함한다. 최근에특허가풀린 FDM 방식의프린터의경우싸게는 300달러에구입할수도있지만매우조악한수준이며산업용 FDM이나 SLA 방식의프린터는가격이수십만달러이상나가기도한다. 금속제품출력이가능한산업용 SLS 방식의 3D 프린터는비금속프린터보다더고가이다. 비용적이슈에는프린팅소재와 3D 프린터자체의비싼비용문제외에도기존대량생산체제에대비한 3D 프린팅으로생산되는생산품의상대적제작비용문제도포함된다. 똑같은제품을만드는데 40 41

42 3D 프린팅이더비싸다면 3D 프린팅의매력이없어지게된다. 프린터의구조를단순화하고값싼소재를사용할수있게하고부품과소모품을규격화하는등가격을낮추기위한지속적인기술개발이필요하다. 응용분야확대에따른기술기회 3D 프린팅의잠재력이어느정도인지정확하게예측하기는어렵다. 그러나 3D 프린팅은처음에그기술이출현했을당시예상하지못한분야에서도그유용성이밝혀지고있고활용영역이계속해서넓어지고있다. 컴퓨터가처음발명되었을때단순히군사용탄도계산기로만쓰였으나오늘날은거의모든영역에사용되고있는것처럼 3D 프린터도비슷한길을갈것으로보인다. 앞으로수십년동안그것을가능하게하기위한수많은기술이개발될것으로보인다. 즉 3D 응용분야확대에따른풍부한기술기회가존재한다. < 그림 24> Wake Forest Institute 의콩팥을출력하는 3D printer 출처. Popsci.com, 2013 현재 3D 프린팅기술은의료분야에서치열교정기나의족, 의수, 안경등개인의신체사이즈에정확히맞는개인화된의료보조기기를생산하는수준이나, 가까운시일내에는뼈나연골등의이식수술용 2013 정보분석보고서 3D 프린팅기술동향및기술기회연구

43 신체부위를생산하는수준에이를것이다. 더나아가 10여년후에는자신의신체세포를프린팅소재로이용하여심장조직이나콩팥과같이활발한생체활동을하는이식가능한장기를프린트할수있을것으로예상되며줄기세포연구에도활용될것으로보인다 [Savas Tasoglu, 2013]. < 그림 24> 는 Wake Forest Institute에서생체세포를이용하여콩팥을프린트하고있는모습이다. < 그림 25> 는 hydrogel( 파란색 ) 과 bio-ink( 오렌지색 ) 을이용해인간의세포로구성된혈관구조를프린팅하는모습을설명하고있다. 출력이완료된후 hydrogel이제거되면혈관구조만이남게된다. 이와같은방식으로더복잡한장기의 3D 프린트도가능하다 [Karoly Jakab, et. al, 2010]. < 그림 25> Univ. of Missouri 의혈관벽을출력하는 3D 프린팅기술 출처. Popsci.com 식품분야에도 3D 프린팅의응용이가능하다. < 그림 26> 참조. 현재는초코렛이나설탕과같이열가소성식재료를이용하여다양한모양의음식물을출력하는정도의수준이나, 앞으로는공상과학만화에등장하던음식자판기와같이더다양한식재료를이용하여더자연스러운맛과모양의요리를출력하는시대가도래할것으로보인다. 이러한음식물프린터는일반가정이나레스토랑은물론우주선에서도복잡한조리장비없이음식을만드는일에유용할것으로보인다. 실제로 NASA는장시간의우주여행시필요한음식물자동생산시스템의개발을위해 125,000달러를지원하여연구를진행하고있다. 음식물프린팅분야에서 3D 프린터가주목받는또하나의이유는 3D 프린터의특성상재료의손실이거의없다는것이고이로인해장기적으로는지구의음식물부족을해결하는데도움을줄 42 43

44 것이라는기대감이다. < 그림 26> 식품을프린트하는 3D 프린터 출처. 좌측 popularmechanics.com, 우측 evilmadscientist.com 미국에너지부 (Department of Energy) 에의하면음식물뿐아니라모든산업분야에서 3D 프린팅은산업폐기물의양을줄이고, 재료와완재품의장거리운송에필요한에너지를줄이는역할을함으로써환경에좋은영향을줄것으로전망하였다 [Energy Gov, 2013] 정보분석보고서 3D 프린팅기술동향및기술기회연구

45 3D 프린팅기술동향및기술기회연구 3D 프린팅관련연구개발현황 44 45

46 3D 프린팅관련연구개발현황 본장에서는 3D 프린팅관련연구동향을분석하고자논문분석과특허분석을수행하였다. 논문분석을위해서 Web of Science(Thomson Reuters) 의데이터를사용하여검색어 3d print* or 3-d print* or rapid prototy* or additive manuf* or three dimen* print* or three-dimen* print 와관련된 1998년부터 2012년까지의논문 4,466편을분석대상으로하였고, 특허분석에서는같은검색어로기간 2001년부터 2012년까지미국특허 2,994편을대상으로분석하였다. 논문분석 < 표 2> 는 3D printing으로검색된논문의출판수와누적출판수, 한국의논문수를보여주고있으며분석대상기간의연평균증가율은논문수기준 8.98%, 누적논문수기준 28.02% 인것으로나타났다 정보분석보고서 3D 프린팅기술동향및기술기회연구

47 < 표 2> 연도별논문수 연도 논문수 누적논문수 한국논문 , , , , , , , , , , < 표 3> 은국가별연도별 3D 프린팅관련논문수를보여준다. 전세계 74개국가에서 3D 프린팅관련연구논문이발표되고있으며미국이전체논문의 27.97% 를점유하며가장활발히연구를수행하고있으며중국이 10.99%, UK가 10.86% 로그뒤를따르고있다. 한국도 4.9% 의논문점유율을보이며 5위의자리를차지하고있다. < 표 3> 국가별연도별논문수 연도 총합 USA ,120 China UK Germany South Korea Italy Taiwan Singapore Japan Canada

48 < 그림 27> 국가별연도별논문수 < 표 4> 고피인용논문 저자논문제목학술지 Volume, Page 피인용수 연도 Duffy, DC; McDonald, JC; Schueller, OJA; Whitesides, GM Rapid prototyping of microfluidic systems in poly(dimethylsiloxane) ANALYTICAL CHEMISTRY 70, Unger, MA; Chou, HP; Thorsen, T; Scherer, A; Quake, SR Monolithic microfabricated valves and pumps by multilayer soft lithography SCIENCE 288, Dey, AK; Abowd, GD; Salber, D A conceptual framework and a toolkit for supporting the rapid prototyping of context-aware applications HUMAN- COMPUTER INTERACTION 16, Hutmacher, DW; Schantz, T; Zein, I; Ng, KW; Teoh, SH; Tan, KC Mechanical properties and cell cultural response of polycaprolactone scaffolds designed and fabricated via fused deposition modeling JOURNAL OF BIOMEDICAL MATERIALS RESEARCH 55, Jeon, NL; Dertinger, SKW; Chiu, DT; Choi, IS; Stroock, AD; Whitesides, GM Generation of solution and surface gradients using microfluidic systems LANGMUIR 16, Zein, I; Hutmacher, DW; Tan, KC; Teoh, SH Fused deposition modeling of novel scaffold architectures for tissue engineering applications BIOMATERIALS 23, Anderson, JR; Chiu, DT; Jackman, RJ; Cherniavskaya, O; McDonald, JC; Wu, HK; Whitesides, SH; Whitesides, GM Fabrication of topologically complex three-dimensional microfluidic systems in PDMS by rapid prototyping ANALYTICAL CHEMISTRY 72, 정보분석보고서 3D 프린팅기술동향및기술기회연구

49 저자논문제목학술지 Volume, Page 피인용수 연도 Leong, KF; Cheah, CM; Chua, CK Solid freeform fabrication of threedimensional scaffolds for engineering replacement tissues and organs BIOMATERIALS 24, Takayama, S; McDonald, JC; Ostuni, E; Liang, MN; Kenis, PJA; Ismagilov, RF; Whitesides, GM Patterning cells and their environments using multiple laminar fluid flows in capillary networks PROCEEDINGS OF THE NATIONAL ACADEMY OF SCIENCES OF THE UNITED STATES OF 96, Williams, JM; Adewunmi, A; Schek, RM; Flanagan, CL; Krebsbach, PH; Feinberg, SE; Hollister, SJ; Das, S Bone tissue engineering using polycaprolactone scaffolds fabricated via selective laser sintering BIOMATERIALS 26, Pfurtscheller, G; Neuper, C Motor imagery and direct braincomputer communication PROCEEDINGS OF THE IEEE 89, Chabinyc, ML; Chiu, DT; McDonald, JC; Stroock, AD; Christian, JF; Karger, AM; Whitesides, GM An integrated fluorescence detection system in poly(dimethylsiloxane) for microfluidic applications ANALYTICAL CHEMISTRY 73, Fan, HY; Lu, YF; Stump, A; Reed, ST; Baer, T; Schunk, R; Perez-Luna, V; Lopez, GP; Brinker, CJ Rapid prototyping of patterned functional nanostructures NATURE 405, Sherwood, JK; Riley, SL; Palazzolo, R; Brown, SC; Monkhouse, DC; Coates, M; Griffith, LG; Landeen, LK; Ratcliffe, A Woodfield, TBF; Malda, J; de Wijn, J; Peters, F; Riesle, J; van Blitterswijk, CA A three-dimensional osteochondral composite scaffold for articular cartilage repair Design of porous scaffolds for cartilage tissue engineering using a threedimensional fiber-deposition technique BIOMATERIALS 23, BIOMATERIALS 25, Fernandez-Pello, AC Micropower generation using combustion: Issues and approaches PROCEEDINGS OF THE COMBUSTION INSTITUTE 29, Kim, SS; Utsunomiya, H; Koski, JA; Wu, BM; Cima, MJ; Sohn, J; Mukai, K; Griffith, LG; Vacanti, JP Survival and function of hepatocytes on a novel three-dimensional synthetic biodegradable polymer scaffold with an intrinsic network of channels ANNALS OF SURGERY 228,

50 저자논문제목학술지 Volume, Page 피인용수 연도 Landers, R; Hubner, U; Schmelzeisen, R; Mulhaupt, R Rapid prototyping of scaffolds derived from thermoreversible hydrogels and tailored for applications in tissue engineering BIOMATERIALS 23, Gu, T; Pung, HK; Zhang, DQ A service-oriented middleware for building context-aware services JOURNAL OF NETWORK AND COMPUTER APPLICATIONS 28, Kruger, J; Singh, K; O'Neill, A; Jackson, C; Morrison, A; O'Brien, P Development of a microfluidic device for fluorescence activated cell sorting JOURNAL OF MICROMECHANICS AND MICROENG INEERING 12, Janney, MA; Omatete, OO; Walls, CA; Nunn, SD; Ogle, RJ; Westmoreland, G Development of low-toxicity gelcasting systems JOURNAL OF THE AMERICAN CERAMIC SOCIETY 81, Sachlos, E; Reis, N; Ainsley, C; Derby, B; Czernuszka, JT Novel collagen scaffolds with predefined internal morphology made by solid freeform fabrication BIOMATERIALS 24, Tan, KH; Chua, CK; Leong, KF; Cheah, CM; Cheang, P; Abu Bakar, MS; Cha, SW Scaffold development using selective laser sintering of polyetheretherketonehydroxyapatite biocomposite blends BIOMATERIALS 24, Pham, DT; Gault, RS A comparison of rapid prototyping technologies INTERNATIONAL JOURNAL OF MACHINE TOOLS & MANUFACTURE 38, Vozzi, G; Flaim, C; Ahluwalia, A; Bhatia, S Fabrication of PLGA scaffolds using soft lithography and microsyringe deposition BIOMATERIALS 24, Lam, CXF; Mo, XM; Teoh, SH; Hutmacher, DW Scaffold development using 3D printing with a starch-based polymer MATERIALS SCIENCE & ENGINEERING C- BIOMIMETIC AND SUPRAMOLECULAR SYSTEMS 20, Gunasekaran, A Agile manufacturing: enablers and an implementation framework INTERNATIONAL JOURNAL OF PRODUCTION RESEARCH 36, Sarment, DP; Sukovic, P; Clinthorne, N Accuracy of implant placement with a stereolithographic surgical guide INTERNATIONAL JOURNAL OF ORAL & MAXILLOFACIAL IMPLANTS 18, 정보분석보고서 3D 프린팅기술동향및기술기회연구

51 저자논문제목학술지 Volume, Page 피인용수 연도 Cooke, MN; Fisher, JP; Dean, D; Rimnac, C; Mikos, AG Use of stereolithography to manufacture critical-sized 3D biodegradable scaffolds for bone ingrowth JOURNAL OF BIOMEDICAL MATERIALS RESEARCH PART B-APPLIED BIOMATERIALS 64B, Duffy, DC; Schueller, OJA; Brittain, ST; Whitesides, GM Rapid prototyping of microfluidic switches in poly(dimethyl siloxane) and their actuation by electroosmotic flow JOURNAL OF MICROMECHANICS AND MICROENGINEERING 9, 특허분석 < 표 5> 과 < 그림 28> 은연도별 2001 년부터 2012 년까지의연도별 미국의특허수를보여준다. 분석대상기간의연평균증가율은특허수 기준 11.05%, 누적특허수기준 32.37% 인것으로나타났다. < 표 3> 국가별연도별논문수연도 특허수 누적특허수 한국특허수 , , , , , , ,

52 < 그림 28> 연도별특허수 < 표 6> 과 < 그림 29> 는출원인의국적별연도별특허수를보여주고있다. 미국은전체 2,994건의특허중 69.24% (2,073건) 를점유하여가장많은특허를발표하였고, Germany 5.61% (168건), Japan 3.51% (105건) 을점유하여그뒤를따르고있다. 한국은 24편 (0.8%) 의특허를발표하여 10위에위치하였다. < 표 6> 출원인국적별연도별특허수 연도 총합 United States of America ,073 Germany Japan Australia Switzerland Israel United Kingdom Canada Netherlands Korea, Republic France China 정보분석보고서 3D 프린팅기술동향및기술기회연구

53 < 그림 29> 출원인국적별연도별특허수 < 표 7> 과 < 그림 30> 은출원인국적별특허의수준을나타내고있다. 특허의수준을정한방법은특정기술분야전체특허의평균피인용수에대한특정국가발표특허의평균피인용수의비를계산하여정하였는데이는피인용수에기반을둔문헌의질적수준평가지표로많이사용되는방법이다. 이방법에서수준특정국가의특허수준지수가 1.0이라면해당국가가발표한특허의평균피인용수가해당분야전체특허의평균피인용수와같음을의미하여, 1.0보다크다면해당분야평균피인용수에비해피인용수가높아특허의수준이평균보다높음을의미한다

54 < 표 7> 출원인국적별연도별특허수준지수 국가특허수특허당피인용수수준지수 United Kingdom United States of America 2, Israel Canada Germany Korea, Republic Netherlands Switzerland Australia France Japan China < 그림 30> 출원인국적별특허수준지수 국가별특허수준지수는 UK가 1.327로가장높았으며미국도 1.048로평균이상의수준임을보여준다. 한국의특허수준지수는 0.593으로세계평균이하임을알수있다. < 표 8> 과 < 그림 31> 은 3D 프린팅분야경쟁자 ( 출원인 ) 와특허수를보여준다. 3D 프린팅토탈솔루션업체인 3D systems가전체 2013 정보분석보고서 3D 프린팅기술동향및기술기회연구

55 2,994 건의특허중 3.07% (92 건 ) 을점유하여가장많은특허를발표한 것으로나타났으며, MIT 가 2.17% (65 건 ), Align Technology 가 1.97% (59 건 ) 을점유하여각각 2, 3 위를차지하고있다. < 표 8> 출원인별특허수순위 출원인 특허수 비중 (%) 1 3D Systems, Inc Massachusetts Institute of Technology Align Technology, Inc The Boeing Company California Institute of Technology Microfabrica Inc The MathWorks, Inc Silverbrook Research Pty Ltd M Innovative Properties Company Nanostream, Inc < 그림 31> 출원인별특허수 < 표 9> 는특허수에의한 3D 프린팅분야의핵심경쟁자 ( 출원인 ) 리스트와그들의특허수, 특허수준지수, 분야평균대비평균패밀리크기를보여준다. 3D systems 가가장많은특허를보유하고있고 MIT와 Align Technology가그뒤를따르고있다

56 < 표 9> 핵심경쟁자리스트 순위 핵심경쟁자 ( 출원인 ) 특허수 (P) 수준지수 (Q) 분야평균대비평균패밀리크기 1 3D Systems, Inc Massachusetts Institute of Technology Align Technology, Inc The Boeing Company California Institute of Technology Microfabrica Inc The MathWorks, Inc Silverbrook Research Pty Ltd M Innovative Properties Company Nanostream, Inc General Electric Company Hewlett-Packard Development Company, L.P Stratasys, Inc The Invention Science Fund I, LLC President and Fellows of Harvard College Phonak AG EOS GmbH Electro Optical Systems Objet Geometries Ltd Z Corporation Sonitus Medical, Inc Intel Corporation The Regents of the University of California The United States of America as represented by the Secretary of the Navy University of Southern California International Business Machines Corporation Fluidigm Corporation Micron Technology, Inc Kimberly-Clark Worldwide, Inc Honeywell International Inc Sandia Corporation Siemens Aktiengesellschaft Envisiontec GmbH 정보분석보고서 3D 프린팅기술동향및기술기회연구

57 < 표 10> 은 3D 프린팅분야의특허중피인용수가가장높은특허들 30 개의특허제목과출원인, 특허번호, 피인용수를보여준다. < 표 10> 고피인용특허목록 번호특허제목 ( 미국특허번호 ) 출원인피인용수 Intelligent electronic appliance system and method Adaptive pattern recognition based control system and method Media recording device with packet data interface Automated processor generation system for designing a configurable processor and method for the same Tensilica, Inc. (Santa Clara, CA, US) Ergonomic man-machine interface incorporating adaptive pattern recognition based control system Electrophoretic displays using nanoparticles Microfabricated elastomeric valve and pump systems Media recording device with remote graphic user interface Electrophoretic displays using nanoparticles Apparatus and method for three dimensional model printing System for optimizing interactionamong agents acting on multiple levels Forming structures from CAD solid models Slot machine game having a plurality of ways to designate one or more wild symbols (select-a-wild) Resource management in a clustered computer system E Ink Corporation (Cambridge, MA, US) California Institute of Technology (Pasadena, CA, US) E Ink Corporation (Cambridge, MA, US) Objet Geometries Ltd. (Rehovot, IL) iterations LLC (Hilton Head Island, SC, US) Optomec Design Company (Albuquerque, NM, US) PTT, LLC (Nanuet, NY, US) Novell, Inc. (Provo, UT, US) System, method and article of manufacture for signal constructs in a programming language capable of programming hardware architectures Celoxica Ltd. (Abingdon, GB)

58 번호특허제목 ( 미국특허번호 ) 출원인피인용수 16 Orthopedic implant DePuy AcroMed, Incorporated (Raynham, MA, US) Methods, systems, and associated implantable devices for dynamic monitoring of physiological and biological properties of tumors Sicel Technologies, Inc. (Morrisville, NC, US); North Carolina State University (Raleigh, NC, US) Shaped load-bearing osteoimplant and methods of making same Osteotech, Inc. (Eatontown, NJ, US) System for web content management based on serverside application Acquisition Corporation (Costa Mesa, CA, US) Converification system and method Using a high level programming language with a microcontroller Reconfigurable processor devices Axis Systems, Inc. (Sunnyvale, CA, US) Schlumberger Technologies, Inc. (Austin, TX, US) Elixent, Ltd. (GB) Resource management in a clustered computer system Novell, Inc. (Orem, UT, US) Surgically implantable knee prothesis Mass production of dental restorations by solid free-form fabrication methods Jeneric/Pentron, Inc. (Wallingford, CT, US) Method of making a microfabricated elastomeric valve California Institute of Technology (Pasadena, CA, US) Microneedle device for extraction and sensing of bodily fluids Georgia Tech Research Corporation (Atlanta, GA, US) Business rules user interface for development of adaptable enterprise applications Corticon Technologies, Inc. (San Mateo, CA, US) Expandable stent with sliding and locking radial elements MD3, Inc. (San Diego, CA, US) Seamless, maskless lithography system using spatial light modulator Anvik Corporation (Hawthorne, NY, US) 정보분석보고서 3D 프린팅기술동향및기술기회연구

59 논문특허분석결과이장에서는 3D 프린팅기술분야의논문과특허를분석하여그결과를살펴보았다. 3D 프린팅기술이비교적최신기술이며응용과학기술임에도불구하고대부분의고인용논문연구가주로미국, 영국, 독일등기술선진국에집중되어있음을알수있고, 특히특허의경우미국이압도적인점유율을차지하고있다. 비슷한진입장벽을가진스마트폰이나로봇과같은분야에서의한국의특허점유율과비교했을때그동안얼마나 3D 프린팅기술의연구와특허등록에무관심했는지를알수있다. 기존생산시스템의근간을바꿀수있는기술로여겨지는 3D 프린팅기술은다른응용과학기술보다그중요도와우선순위가높다고할수있으며, 지금부터라도 3D 프린팅분야의기술개발과특허등록에더많은관심과투자가이루어지도록하여야한다

60 2013 정보분석보고서 3D 프린팅기술동향및기술기회연구

61 3D 프린팅기술동향및기술기회연구 맺음말 60 61

62 맺음말 본보고서에서는기존공산품의설계, 생산, 유통, 판매방식을완전히바꿀혁신적인기술이라고여겨지면서최근많은기대를받고있는 3D 프린팅기술의시장동향을서술하였고, 그요소기술들에대해간략히살펴보았다. 또한, 현재 3D 프린팅기술이가지고있는한계들과앞으로의방향성예측을통해발견할수있는기술기회들을서술하였다. 마지막으로 3D 프린팅기술과관련된전세계고인용논문및중요특허들의목록을제공하여관심있는독자가스스로더깊이연구할수있도록하였다. 3D 프린팅기술은최근에발명된새로운기술은아니지만주요기술특허가만료되고많은개발자가 3D 프린터를만들면서가격이폭락하여이제막대중화의시작점에있는기술이다. 과거개인용컴퓨터의대중화때겪었듯이앞으로 10년에서 20년사이 3D 프린팅관련기술이폭발적으로발전할것이며성능향상과활용영역의확대가예상되어진다. 그러나 3D 프린팅기술은이보고서에서술한것과같이앞으로해결해야할많은문제들이있다. 컴퓨터기술의경우 2013 정보분석보고서 3D 프린팅기술동향및기술기회연구

63 반도체집적기술과관련되어무어의법칙으로표현되는 2년에 2배의성능향상이이루어졌다. 또컴퓨터기술은기존에없던디지털영역에대한기술개발이므로새로운수요를꾸준히만들어가며발전할수있었다. 하지만 3D 프린팅기술은한두가지기술이아닌기계, 화학, 전자, 소재, 컴퓨터, 의학등폭넓은분야의다양한기술이연관되어있으며무엇보다도기존에있던, 그리고만족하며사용하고있던, 공산품의대량생산유통시스템을대체해가며발전해야하는어려움이있다. 즉, 3D 프린팅기술의대중화를위해서는기술의발전만이요구되는것이아니라사회적변화를필요로하기때문에가까운미래에기존의생산시스템을단기간에바꿀거대한혁신을일으키기는쉽지않을것이다. 그럼에도불구하고 3D 프린터는지속적으로고정밀화, 고속화, 저비용화, 소형화, 다양화되고, 기존생산시스템과공존하면서 3D 프린팅만의고속, 소량, 개인화된고부가가치제품생산영역을구축할것으로보인다

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