(편집) KEIT PD(15-6)-2차.indd

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1 ISSN VOL FOCUSING ISSUE PD 기술이슈 ISSUE 1 3D 프린터최근개발동향 ISSUE 2 The Internet of Things(IoT기술개발동향 ) ISSUE 3 중소형조선현황과생산성개선 ISSUE 4 국내항공소재산업생태계현황과육성전략 ISSUE 5 탄소섬유강화복합재 (CFRP) 산업의동향과기술개발방향 특집 첨단제조기술과 3D

2 VOL KEIT PD ISSUE REPORT ➊ ➊ [ FOCUSING [ ISSUE ISSUE ] 웨어러블 ] 인류편익을, 플랫폼화에높이는집중하자컴퓨팅 ➋ ➋ [ PD [ PD 기술기술이슈이슈 1 ] 13D ] PACS(Picture 프린터최근개발동향 Archiving and Communication System) ➌ [ PD 기술이슈 2 ] The 기술 Internet 및산업 of Things(IoT 동향기술개발동향 ) ➍ ➌ [ PD [ PD 기술기술이슈이슈 3 ] 2 중소형 ] 고령친화형조선현황과정보서비스의생산성개선현황과시사점 ➎ ➍ [ PD [ PD 기술기술이슈이슈 4 ] 3 국내 ] 유동안정성항공소재산업생태계확보기술및현황과발전전망육성전략 5781 ➏ ➎ [ PD [ PD 기술기술이슈이슈 5 ] 4 탄소섬유강화 ] 북극항로개방현황복합재 (CFRP) 및관련산업의조선동향과산업기술동향기술개발방향 ➐ ➏ [ 특집 [ PD ] 기술첨단이슈제조기술과 5 ] 스마트홈 3D 미들웨어기술동향및산업융합전략 ➏ [ PD 기술이슈 5 ] 건축물의안전관리를위한 IT융합기술동향 131 ➑ [ 특집 1 ] 2013년도정보통신기술진흥투자방향및계획 145 ➑ [ 특집 2 ] 전문가- 논문-특허 -시장관점에서바라본 S/W, 165 시스템반도체분야기술수준

3 ISSN VOL FOCUSING ISSUE PD 기술이슈 ISSUE 1 3D 프린터최근개발동향 ISSUE 2 The Internet of Things(IoT기술개발동향 ) ISSUE 3 중소형조선현황과생산성개선 ISSUE 4 국내항공소재산업생태계현황과육성전략 ISSUE 5 탄소섬유강화복합재 (CFRP) 산업의동향과기술개발방향 특집 특집 첨단제조기술과 3D

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5 KEIT PD ISSUE REPORT VOL 15-6 FOCUSING ISSUE 웨어러블, 플랫폼화에집중하자 한상철 / 한국산업기술평가관리원산업융합 PD

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7 KEIT PD Issue Report 웨어러블, 플랫폼화에 집중하자 ㅣ저 자ㅣ 한상철 / 한국산업기술평가관리원 산업융합 PD Focusing Issue 웨어러블, 플랫폼화에 집중하자

8 KEIT PD Issue Report PD ISSUE REPORT JUNE 2015 VOL 15-6 웨어러블, 플랫폼화에집중하자 웨어러블디바이스가새로운블루오션으로각광받고있다. 실제로국제전자제품박람회 (CES), 모바일월드콩그레스 (MWC) 등국제적인전자쇼에서웨어러블디바이스가경쟁적으로소개되고있으며, 최근애플이출시한애플워치도업계의관심이집중되고있다. 하지만시장의반응은아직미미한실정이다. 그이유를세가지로살펴볼수있다. 첫째, 사용되는부품이아직인간친화적이지않다. 현재의웨어러블제품은사람의몸에부착되는제품임에도인간친화적인부품보다는기존의전자제품에사용되는부품을활용 개발하는수준에그치고있다. 웨어러블부품은단순구조의벤더블디스플레이가아니라구겨지는디스플레이어야한다. 음성떨림, 근육운동등을전기로변환시켜디바이스에에너지를공급하는배터리가필요하다. 또섬유와결합해잡아당겨도동작가능한트랜지스터와반도체의개발도시급하다. 둘째, 다양한산업과의융합이부족한상황이다. 현재의웨어러블디바이스는스마트폰의연장선상에서건강정보를측정하는등간단한기능만을제공하고있다. 그러나앞으로지속성장이가능하려면융합이가능해야한다. 예를들어, 모바일결제및송금이가능한금융기술인핀테크 (Fintech) 와웨어러블이결합한다면그수요는가히폭발적일것이다. 셋째, 서비스화와플랫폼화의지연이다. 아무리좋은기능의웨어러블디바이스를구현하더라도주기적으로시스템이개선되지않거나사용자가원하는대로디자인을바꿀수없다면사용자는금세싫증을느끼고말것이다. 이러한문제는네트워크와의연결 (Connectivity) 을통한서비스화로해결할수있으며, 이때디바이스는하드웨어 (HW) 나소프트웨어 (SW) 측면에서플랫폼의형태로출시돼야한다. 예를들어, 웨어러블스마트워치의경우다양한디자인을갖춘시곗줄이출시되고, 디스플레이콘텐츠와플랫폼 개발툴이함께공급된다면사용자들은제품에흥미를갖게되고, 지속성도유지될것이다. 8 한국산업기술평가관리원

9 Focusing Issue 웨어러블, 플랫폼화에집중하자 스마트폰의종속성에서벗어날수록웨어러블의서비스는더욱다양하게창출가능하다는사실인식해야 웨어러블디바이스시장은아직개화되지않았다. 그럼에도블루오션으로평가받는데는이유가있다. 먼저, 웨어러블에맞는인간친화형부품과다양한산업에맞는특화된융합디바이스가개발되고, 서비스화와플랫폼화도가속화될것이라전망된다. 또, 포스트스마트폰에대한요구를웨어러블디바이스가채워줄수있을것으로보인다. 웨어러블디바이스는스마트폰과는달리두손을사용하지않아도되고, 사람들의주의력을빼앗지않으면서도필요한정보를간편히제공한다. 일부오피니언리더들은웨어러블디바이스의중심에스마트폰이있는것처럼주장하기도한다. 이는스마트폰의수명이다하면웨어러블의수명도끝난다는발상과도같다. 스마트폰의종속성에서벗어날수록웨어러블의서비스는더욱다양하게창출가능하다는사실을인식해야할것이다. 마지막으로프로슈머 ( 개발, 생산, 유통등에참여하는소비자 ) 의등장을들수있다. 웨어러블의서비스화와플랫폼화는결국많은프로슈머의참여를촉발시킬것이다. 향후우리나라는미국, 유럽과함께웨어러블산업의 3대강국이될것으로전망되고있다. 얼리어댑터기질이강하고새로운것에대한도전과적응력이강한민족성때문일것이다. 웨어러블의성공여부는제품화도중요하지만서비스화와플랫폼화의여부가더중요하다. 제품화와대량생산에만집중하던스마트폰시대와는달리서비스와플랫폼화에집중하는한국기업들이많이탄생하기를기대한다. 디지털타임스 ( ) Korea Evaluation Institute of Industrial Technology 9

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11 KEIT PD ISSUE REPORT VOL 15-6 PD 기술이슈 ISSUE 1 3D 프린터최근개발동향 - KEIT 홈정보가전 PD 실 ISSUE 2 The Internet of Things(IoT기술개발동향 ) - KEIT 지식서비스 PD실 ISSUE 3 중소형조선현황과생산성개선 - KEIT 조선 PD실 ISSUE 4 국내항공소재산업생태계현황과육성전략 - KEIT 금속재료 PD실 ISSUE 5 탄소섬유강화복합재 (CFRP) 산업의동향과기술개발방향 - KEIT 섬유의류 PD실

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13 3D 프린터최근개발동향 l 저자 l 윤기권 PD / KEIT 홈정보가전 PD 실 이연옥책임 / KEIT 홈정보가전 PD 실 신진국본부장 / 전자부품연구원 SUMMARY 목적 3D 프린팅의표준화동향에기반을한분류체계를소개하고방식별기본작동원리를소개하여 3D프린팅프린팅장비에대한공감과이해도를높이고자함 3D 프린터의최신개발동향을소개함으로써글로벌선도기술의현황과기술적이슈에대하여점검하고향후 3D프린팅산업의개발방향에대한검토와토론의기회가만들고자함 주요현황 3D프린팅장비의장점을극대화하고단점을보완하기위한신기술개발이급속히진행되면서현재대비공정속도의수십배개선, 출력물의크기확대, 적층과후가공의공정복합화등으로혁신이진행되고있음복합가공기, 탄소섬유프린터, 초고속광조형프린터, 전자회로 / 전자부품과 3차원인쇄전자프린터, 세계최고수준의다중헤드폴리머프린터등다양한산업에응용을위한 3D 프린터개발이진행되며빠른속도로상용화되고있음 시사점및정책제안다양한용도및방식, 성능향상을위한혁신적인방식의연구가활발히진행됨국내프린터개발대기업의미참여와벤처기업의자금력부족으로산업용 3D장비분야의시장진출지연과신기술개발투자부진으로국제경쟁에뒤쳐질우려상존 3D 프린터산업의중요성과기술발전방향에대한공감을통하여투자환경의개선이필요하며장비와소재의연계발전이요구되는분야로정책적지원필요

14 KEIT PD Issue Report PD ISSUE REPORT JUNE 2015 VOL D 프린팅의 6 가지원리 3D 프린팅에대한분류는용도, 소재, 크기등다양한기준에의해서할수있다. 이러한분류중프린팅의동작원리를기반으로한분류가기술적인이해도빠르고, 특허분석및대처에도유리한듯하다. 미국은이미 ASTM에서 7가지방식으로분류하고있으며, ISO도올해 1월미국과같은 7가지방식으로분류하기로합의하였다. 또한일본도 ASTM을따르는분위기이다. 국제표준에대응하기위하여우리나라도 7가지방식에따르기로하였으며산업적파급효과등을고려하여 6가지방식에대한전략기술로드맵을수립하였다. 재료압출방식 (ME, Material Extrusion) ( 보급형프린터 ) 흔히 FDM(Fused Deposition Modeling) 이라불리는방식으로가장널리알려지고보편화된방식이다. 그러나 FDM는 Staratasys가상표권을가지고있는이름으로 FFF(Fused Filament Fabrication) 로도불린다. 정확한명칭은 Material Extrusion이다. ABS나 PLA 수지를 1~2mm 직경의필라멘트형태로만들고이필라멘트를가열하여녹이면서기판위에그리는형태로일종의 XY테이블이달린 glue gun의개념이다. 그림 1 재료압출방식의구성과작동원리 ( 한계와발전방향 ) 그림과같이스풀에감긴필라멘트를당겨주는 Roller가있고이롤러에의해당겨서 heater로들어간다. 가열은보통 200도정도로해주며, 히터 ( 플라스틱의녹는온도 Tmr과전이온도 Tg 사이의온도로가열함 ) 를통과하여녹아노즐밖으로나오게된다. 노즐과기판의상대적인운동에의해서 XY방향으로움직이고, XY면에서의프린팅이다끝나면스테이지의 Z축을내려다음층을전층의위에프린팅하는방법으로 3차원프린팅이이루어진다. 가장간단한원리의 3D 프린터로해상도는 200um정도로거칠고, 수직방향으로강도가약하며, 표면의조도가고르지못한등의단점을가지고있다. ABS나 PLA 수지의넘어서기타엔지니어링플라스틱, 슈퍼엔지니어링플라스틱, 14 한국산업기술평가관리원

15 ISSUE 1 3D 프린터최근개발동향 의료용플라스틱등에대한연구도많이이루어지고있다. ABS/PLA 수지를사용할경우히터의온도가 220도근처이나, 울템등의소재를사용할경우 380도정도로히터의온도를올려야하는문제가있어, 히터의내열 / 방열설계가중요해진다. 플라스틱이히터의끝부분에서녹아야향후막힘현상이적으므로히터의열설계를잘하여야한다. 아울러 ME 프린터는챔버 (chamber) 의온도조절에따라고형화가다르게진행되어챔버의온도관리는물성제어의중요한부분을차지한다. 향후고속화, 고정세화, 멀티 / 가변노즐화및소재다양화가진행될것으로보이며, 소재와장비를연계한고정세화및고속화가관건인방식이다. 광중합방식 (PP, Photo Polymerization) (Photo-Polymer) 포토폴리머는빛 ( 자외선이나가시광 ) 을조사하였을때, 물성의변화가일어나는폴리머를말한다. 이러한물성의변화가구조적인관점에서딱딱해지는형태로나타나는포토폴리머가 3D프린팅에서소재로사용되고있으며, 이는빛을조사하였을때폴리머내의 cross-link가일어나기때문이다. 그림과같이모노머, 올리고머, 광촉매가존재할경우에빛이조사되면 cross-link 반응이일어나고결과적으로딱딱해진폴리머가생기는것이다. 이러한과정을 큐어링 (curing) 이라한다. 그림 2 광중합방식의작동원리 (SLA, DLP and Others) 포토큐어링을일으키는기구는여러가지방식이있을수있으며이에따라 SLA(Stereolitho graphy), DLP(Digital Light Processing) 방식으로다시나뉜다. 그림은수조 (vat) 를이용한 SLA방식의프린터로일명 vat-(photo)polymerization이라불린다. Vat이라불리는수조안에포토폴리머를채우고, 고형화를수평면상의원하는부분에레이저빔을주사 (scanning) 방식으로조사한다. 빔에노출된폴리머는포토큐어링이일어나딱딱하게굳어지고, 나머지부분은액체로남아있는다. 가운데있는피스톤을내리면서그위의수평면에같은일을반복하여수직방향으로쌓아가는방법이다. 포토큐어링을일으키는다른방법을사용할수도있다. 아래그림은레이저빔의스캐닝방식이아니라, 빔프로젝터 (DLP) 를이용하여수평면상의정보를한번에보내어포토큐어링을시키는 DLP 방식의 3D 프린터이다. 스캐닝방식에대한장점은빠른속도이다. 한면의정보를한번에보내는방식으로스캐닝에걸리는시간이필요하지않아빠르게처리할수있으며, 포토폴리머의반응속도가충분하면엄청난프린팅속도를보일수있으며, 그것이 2장에서설명할 CLIP 방식이다. 광원으로 DLP이외에 LCD 등의디스플레이를바로사용할수도있으며, 이경우디스플레이기술에서사용되던해상도증진기술적용이가능하여대면적과고속두가지성과를다잡을수도있다. 이것이 2장에서설명할 Epson의특허와 Prismlab에대한것이다. Korea Evaluation Institute of Industrial Technology 15

16 KEIT PD Issue Report PD ISSUE REPORT JUNE 2015 VOL 15-6 그림 3 SLA 방식과 DLP 방식의구성 ( 한계와발전방향 ) PP 방식은레이저빔이나 DLP를이용하므로아주높은해상도의구현이가능하다. 정교함은 PP 방식의큰장점이다. 반면, 포토폴리머를이용하는방식은 SLA, DLP, LCD, CLIP, Material Jetting(MJ) 등이있는데, 어떤방식을이용하거나포토폴리머가가지는본질적인한계를보인다. 나쁜기계적강도 (strength) 와견딤성 (durability) 은포토폴리머의본질적인문제이며, 가시광이나자외선에계속적으로노출되므로색변색 (discolor) 이나품질퇴하 (degrade) 가지속적으로일어난다. 이러한이유로 PP, MJ 방식으로출력된 3D 조형물은단순히형상을보여주는견본의역할을하거나프로토타입으로설계를확인하는정도의응용에그치고있다. PP 방식의향후발전방향은이러한단점을완화하는새로운포토폴리머의개발에있다고보는견해가지배적이다. 2 재료분사방식 (MJ, Material Jetting) ( 재료분사-Inkjet) PP방식은포토폴리머로수조를만들어전면적에소재 ( 포토폴리머 ) 가존재하게하고에너지빔이선택적으로그소재를굳혀서원하는형상을얻는방식이다. 이와같은방식은많은양의소재를필요로하며오염등의문제로수조내에남은포토폴리머를회수하여재사용하는것도까다롭다. 이와같은단점을해결하는방법으로개발된 MJ방식은재료를선택적으로뿌리는방법이다. 사무실에서사용하는잉크젯프린터의헤드를이용하여포토폴리머를원하는패턴에만뿌리고 UV램프를켜포토큐어링을일으킨다. 이와같은방법은수직방향으로반복하면 3D 프린터가되는것이다. 16 한국산업기술평가관리원

17 ISSUE 1 3D 프린터최근개발동향 Support material Build material Inkjet print head Part Support structure Built part Build platform 그림 4 재료분사방식의구성과작동원리 (Supporter) 그림상에표시된 Build material은원하는 3D 소재이며, Support material은좌측의공룡그림과같이원하는출력물의형태가 free-hang의구조를가질때, 즉공중에떠있는모양을가질때공중에바로프린팅을할수는없으므로원하는소재를프린팅하기전에그기반이되는구조물 ( 건축물의비계와같은 ) 을임시로만들어주는것이다. 서포트는임시적인출력물이므로재료낭비와시간절감을위하여사용을최소화해야하는방향으로설계해야하고, 프린터의 OS가스마트하게서포트구조를최소화하도록동작방식 ( 슬라이서와 G-code에서 ) 을결정해야한다. 서포트는후처리시탈착하기쉬운구조로만들어야하고, 수용성재료를사용하는등아주손쉽게제거되어야한다. PP의경우 vat내의수지가셀프서포터역할을하므로서포트물질이따로필요하지않고, BJ/PBF의경우베드내의분말이자체서프터역할을하고있다. DED는구조적으로서포팅이되어있는구조물에프린팅하므로서포트방식을거의사용하지않는다. 그림 5 출력물과 Supporter 의구성 Korea Evaluation Institute of Industrial Technology 17

18 KEIT PD Issue Report PD ISSUE REPORT JUNE 2015 VOL 15-6 ( 디지털소재 ) MJ 방식은헤드가간단하고대중적이며장치의구성과제어가아주용이하다는장점을가지고있다. 최근에는 2 3개의헤드를동시에사용하는멀티헤드방식이출시되었으며이헤드들간의재료혼합이가능해졌다. 2개 ~ 3개의베이스레진을특정농도와구조에서혼합하여사전에설정된시각적, 기계적특성을맞추어제공하는이른바, 디지털소재가탄생하였다. 다양한재료개발을통하여디지털재료, 디지털 ABS, 내온성, 투명성, 경질불투명재료, 폴리프로필렌모사재료, 고무유사성재료, 생체적합성재료, 치과재료등이제공되고있다 (* 출처 : 접착제분사방식 (BJ, Binder Jetting) ( 접착제분사 ) BJ방식은블레이드와롤러등을이용하여스테이지에분말을편평하게깔고그위에잉크젯헤드로접착제를선택적으로분사하는방식이다. 접착제가뿌려진부분은분말이서로붙어서굳고, 접착제가뿌려지지않은부분은분말상태그대로존재한다. 이위에다시분말을곱게밀어서편평하게깔고또접착제를원하는패턴에뿌리면서수직위방향으로적층을계속한다. 원리적으로는베드에분말을얇고편평하게적층하는방식과잉크젯으로접착제를분사하는방식을결합한것이다. 분말을적층하는방식은뒤에설명할 PBF 방식과같고, 접착제를분사하는방식은 MJ에서사용된잉크제헤드는물질만바꾸어사용한것이다. 분말이자체서포팅을하므로서포트헤드는필요하지않다. Inkjet: Binder Jetting Powder Supply Leveling Roller Inkjet Printhead Binder Feeders Powder Bed Powder Feed Piston Build Piston 그림 6 접착제분사방식의구성과작동원리 ( 잠재력이큰 BJ방식 ) 어떤면에서보면 BJ 방식은첨단기술이라고보기에는어딘가부족해보인다. 그러나, 이방식은후처리와연계될경우아주활용성이높은기술이된다. 이방식의대표적인장점은 3D 소재가분말형태로공급되므로플라스틱, 세라믹, 금속분말이다가능하다. 또이분말들이마이크로스케일이므로대단히정교한인쇄물을만들수있다. 또잉크젯헤드에바인더를넣고여기에다양한색소를바로첨가할수있어, 풀칼라의구현이즉시실현된다. 즉원하는소재와원하는색상을낼수있다.BJ 방식은스케일업이아주쉬어건축물용프린터로만들수있다. 또주물을위한모래를바인더로붙혀서거푸집으로활용이가능하고, 금속분말을바인더로붙여서금속구조물을만든 18 한국산업기술평가관리원

19 ISSUE 1 3D 프린터최근개발동향 후후처리 ( 열처리또는 infiltration) 를통해금속조형물을바로만들수있다. 원리가간단하여대면적화가고속화 및저가화가가능해기존의공정과잘연계될경우산업적인파급력이상당히있는잠재력이큰 3D 프린팅기술로 평가된다. 그림 7 접착제분사방식의 3D 프린터로만든출력물 분말적층용융방식 (PBF, Powder Bed Fusion) ( 대표적인금속프린터 ) SLS(Selective Laser Sintering, 선택적레이저소결 ) 방식이라널리알려진방식으로정식명칭은분말적층용융방식이다. BJ 방식과같이분말을블레이드와롤러등을이용하여분말베드에얇고편평하게깐다. 얇게깔린분말에레이저를선택적으로조사하여수평면상에서원하는턴을만든다. 다시이위에분말을얇게깔고평탄화를하여이분말에다시레이저를선택적으로조사하는방식이다. 레이저이외에전자빔등의에너지원을사용할수도있다. PBF 방식의경우금속분말을주로사용하고고에너지원을사용하므로금속산화의우려가있어산화방지 ( 혹은부수적으로분말비산방지 ) 등의이유로불활성가스로채운챔버 (chamber) 구조를채용하며, 이챔버로인하여대형화에는아직한계가있다. Korea Evaluation Institute of Industrial Technology 19

20 KEIT PD Issue Report PD ISSUE REPORT JUNE 2015 VOL 15-6 그림 8 분말적층용융방식의구성과작동원리 ( 분말프린터 ) 보통사용되는분말은수십um 직경이며, 최근에는 5um 직경의분말이사용된다. 이런분말을사용할경우수직방향의해상도인 layer resolution은 20um 40um 정도수준에서맞출수있어매우정교한프린팅이가능하다. 보통의방법으로는제조가까다로운하드메탈이나 precipitation이있는합금들의경우, 분말적층용융방식은아주좋은대안이될수있다. 금속분말을주로사용하며필요에따라플라스틱계열, 세라믹계열 ( 수지로코팅된 ) 의사용이가능하다. 플라스틱계열의프린팅시에는수축과변형이가장큰이슈이며이를완화하기위한히터, 빔분산등의기법이특허로청구되어있다. 금속계열의경우응력이큰문제이므로응력분산을위한에너지빔의패턴화된조사방식, 스마트조사방식등이기술적이슈이다. 그림 9 분말적층용융방식으로출력한금속구조물 * 출처 : EOS/HDC ( 전시회 ) 20 한국산업기술평가관리원

21 ISSUE 1 3D 프린터최근개발동향 고에너지직접조사방식 (DED, Direct Energy Deposition) (DED 헤드 ) SLS 방식에서사용된베드형분말공급방식의불편함을해소하고이를헤드에집적시키고자했던시도가 DED 방식이며, 헤드부에분말의공급과에너지원을공급, 산화차단가스노즐을한꺼번에채용한컴팩트한기술이다. 고에너지원으로바로분말을녹여서붙이는방식이므로 3차원구조체를만들수도있지만기존의금속구조물에대한표면처리, 수리등에서있어서강력한수단으로작용한다. 헤드의구조가간단하고제어가쉬워기존의공작기계와결합할경우큰산업적파급력을보인다. 대표적인경우가마쯔우라와디엠지-모리의복합가공기이다. DED 헤드의보편화와더불어절삭과적층을결합한가공기의보편화를선도할것으로보이는 3D 프린팅기술이다. 그림 10 고에너지직접조사방식의 3D 프린팅헤드 ( 진정한하드메탈프린터 ) 앞서설명한 PBF 방식의금속프린터는금속분말을소결하는것이므로완전히금속을용융하여붙이는 DED 방식과는큰차이를보인다. 즉조형된금속구조물의밀도가 DED의경우이론밀도에가깝고급속응고로인하여단단하고치밀한금속구조물을보인다. 물론단점은후가공이반드시필요하다는점이다. 하지만 PBF 방식의경우구형 ( 분말의유동성확보를위하여구형을선호함 ) 에가까운금속분말을단순히소결하는것이므로, 원하는강도를얻기는어렵다. 물론용침소결등의후속공정을이용하여저융점금속을침투시키기도한다. 이와같은의미에서 DED는복합화, 대형화가가능한진정한금속프린터로볼수있다. 특히 PBF의경우독일회사들의기술력과특허장벽이높아국산화에어려움이있다. DED의경우, 국내에는독자기술을보유한인스텍이있다. 그림 11 인스텍의 3D 출력물 * 출처 : 인스텍 ( 전시회 ) Korea Evaluation Institute of Industrial Technology 21

22 KEIT PD Issue Report PD ISSUE REPORT JUNE 2015 VOL 15-6 표 1 ASTM F a/ISO TC261 에따른 3D 프린팅방식별분류 명칭원리비고 재료압출방식 (ME, Material Extrusion) 광중합방식 (PP, Photo Polymerization) 재료분사방식 (MJ, Material Jetting) 접착제분사방식 (BJ, Binder Jetting) 분말적층용융방식 (PBF, Power Bed Fusion) 고에너지직접조사방식 (DED, Direct Energy Deposition) Sheet Lamination 고온가열한재료를노즐을통해압력으로연속적으로밀어내며위치를이동시켜물체를형성시킴빛의조사로플라스틱소재를중합반응을일으켜선택적으로고형화시키는방식용액형태의소재자체를제팅으로토출시키고자외선등으로경화시킴가루형태의모재위에액체형태의접착제를토출시켜모재를결합시킴가루형태의모재위에고에너지빔 ( 레이저나전자빔등 ) 을주사하며조사해선택적으로결합시킴고에너지원 ( 레이저나전자빔등 ) 으로원소재를녹여부착시킴얇은필름형태의재료를열, 접착제등으로붙여가며적층시킴 FDM, FFF SLA, DLP, CLIP Polyjet Sand SLS DMT 2. 3D 프린터최신개발동향 작년말과올해초는 3D 프린팅에새로운도전이많이이루어졌다. Mark-1, Voxel-8, Carbon3D 등전통적인 3D 프린터를뛰어넘어새로운소재를사용하는프린터들이많이출시되었으며, Lasertec 65 3D, S-Max, M-Flex, Lumex Avance-25 등기존산업과의융합을빠르게시도하고있는프린터들도있다. 최근급속한변화와혁신이진행중인프린터의최신개발동향을살펴보고자한다. ExOne의접착제분사방식프린터, S-Max과 M-Flex ( 제본기술기반으로속도향상 ) ExOne은 binder-jet( 접착제분사, BJ) 방식을기반으로주물용거푸집과금속구조체를프린팅할수있는 3D 프린터의전문메이커이다. 접착제분사방식을택한이유는제본기술과유사하여프린팅속도를빠르게할수있기때문이다. ( 다양한소재를이용한프린팅가능 ) 접착제분사기반프린터메이커로성장한 ExOne의프린터는크게샌드프린터계열인 S 시리즈와메탈프린터계열인 M 시리즈로대별된다. 여기서우리가눈여겨볼점은 ExOne의 BJ 프린터에서사용가능한소재들이다. 22 한국산업기술평가관리원

23 ISSUE 1 3D 프린터최근개발동향 표 2 ExOne 바인더젯프린터용소재 Silica Sand (/Furan Binder (No bake) 420 SUS60% (/Bronze 40% infiltrant) 316sus60% (/bronze 40% infitrant) 17-4 SUS Cerabeads( 주조용합성모래 ) + binder InAlloy 625 (Ni-Cr superalloy) In Alloy 718 Iron60% (/Bronze 40% infiltrant) 철 - 크롬 - 알루미늄합금 Chromite (Cr + 산화철 ) Co-Cr (medical) 지르콘 ( 낮은열팽창, 높은열전도, 낮은용탕젖음성 ) 소다라임유리 ( 바인더, 킬른소결 ) Bonded 텅스텐 WC (Cutting tool) * 출처 : - 샌드프린터 (S 시리즈 ) 는모래에바인더를뿌려서주물을위한거푸집을만드는것이주용도이다. 거푸집소재가가져야할특성은경우에따라다르지만대체적으로저가격, 빠른가스방출, 높은열전달율, 낮은열팽창율등이다. 대표적인샌드로분류될수있는실리카샌드는석영을분쇄하여만든다. 분말을베드에적층할때의유동성문제로인하여, 단일한크기를가지는구형의입자가선호된다. 물론적층밀도가문제시되거나더뛰어난유동특성이요구될경우입도분포가넓은샌드또는쌍봉 (Bimodal) 분포를가지는샌드를고려해볼수도있으나현재사용되고있는샌드는현미경으로볼때, 모노사이즈인것이주로사용되고있다. 여기서페놀계와퓨란계의바인더를다사용할수있으며, 퓨란계바인더를사용할경우추가적인베이킹공정없이바로주물을부을수있다는장점이있다. 유사한재료로는세라비즈 (cerabeads) 라불리는합성모래가있다. 또다른재료인지르콘 (zircon) 은낮은열팽창율, 높은열전도도, 주물의용탕에대한낮은젖음성을보여가장이상적인거푸집용샌드재료로알려져있으며바다모래에서얻어진다. 매끈한표면을얻을수있어각광받는재료이다. 또한재활용유리가루를소재로사용하여바인더를뿌려형상을만들고킬른 (kiln, 로 ) 에서소결하는방식으로조각작품이나장식물을만들수있다. - 메탈프린터 (M 시리즈 ) 는 BJ 방식의금속프린터이다. 한층 (layer) 을프린팅하는데걸리는시간이 30~60초로대단히짧은것이이시리즈의프린터가가지는장점이다. 대신오븐이나로를사용하거나후속소결을하거나도가니를이용하여후속용침소결을하는방법으로기계적강도를얻는다. 사용가능한재료로는스테인레스스틸부터니켈합금, 철, 철-크롬-알루미늄합금, 텅스텐등다양하며의료용으로많이쓰이는코발트크롬에서부터절삭도구에많이쓰이는텅스텐카바이드까지다양하다. Infiltration 재료로는융점이낮은청동 (Bronze) 이주로사용된다. ( 전후공정의내재화가뛰어난 3D프린터 ) 엑스온의프린터는주물과금형에대해이해도가높은엔지니어에의해설계되었다는점이곳곳에눈에띈다. 모델중하나인 S-Max의구성을보자. 좌측에보이는샌드믹서는샌드프린터의주재료인각종샌드를섞어서프린터에디스펜싱방법으로공급되게된다. SLS(Selective Laser Sintering) 방식의프린터에서는분말을균일하게까는작업이중요하다. 주로블레이드가이역할을담당하는데, 이장비에서는디스펜서의끝부분이이러한블레이드역할을충분히하고있는것으로추측된다. 이러한방식의디스펜서는향후 Korea Evaluation Institute of Industrial Technology 23

24 KEIT PD Issue Report PD ISSUE REPORT JUNE 2015 VOL 15-6 adaptive slicing 을채용할때두께조절이용이하여, 장비의속도증진면에서의고려도돋보인다. 샌드의준비공정을 단순하게하고프린팅속도를높이고장비의구성을간단하게만들기위해서채용된구조이다. 오른쪽에구성된잡 박스는후속공정중오븐이나로 (furnace) 에넣기편하게채용된구조로공정내재화와호환성향상을위하여노력한 흔적이보인다. 향후전통뿌리산업에이장비가많이보급되면이러한잡박스 (job box) 의표준규격을만들어전후공정 사이의호환성을확보하는일이선행되어야한다. 3 Twin Source Sand Mixer filled with vacuum or screw conveyor Control Cabinet Job Box for building and unloading process on motorized roller conveyor twin Job Box optional Fluid Connectors for safe handting of liquid media Operating Panet. 시사점및정책제안 DMG-MORI 의복합가공기, Lasertec 65 3D 그림 12 S-Max 의구성 * 출처 : ( 절삭가공과 3D프린팅을하나로 ) 디엠지-모리는길드마이스터와모리세이키가중심인글로벌기업으로절삭가공기분야세계적인선도기업이다. 최근디엠지모리에서보여준신모델 Lasertec 65 시리즈는 3D 프린팅의비지니스발굴측면에서시사하는바가크다. 지금의현실을냉정하게바라보면, 3D 프린팅기술은기술의인지도에비해산업적파급력이미약하다. 이는신기술이기존의시장에서겪는진입장벽이며기존공법과의융합과정에서시장의요구를반영하지못하는문제일것이다. 모리는기존절삭가공기의기술에 3D 프린팅헤드를결합하고하나의제어소프트웨어로통합하면서이러한시장진입장벽자체를극복하고자시도했다. 즉기존의절삭가공기시장에부가식적층가공헤드만을결합하여차별화를시도하고그결과, 이미이모델은전부판매가완료되었으며, 시장의반응또한매우우호적이다. 올해 1월인터몰드에서보여준 Lasertec 65 3D는 DED(Direct Energy Deposition) 방식의헤드를채용하였다. 약 2년전보여주었던 Lasertec 65 shape라는모델을개선한것으로 shape 모델은 PBF(Powder Bed Fusion) 방식을사용했던것으로보인다. 이번모델은 2년전모델에비해작업속도가 10배정도빨라졌다. 24 한국산업기술평가관리원

25 ISSUE 1 3D 프린터최근개발동향 그림 13 Lasertec 65 제품과 3D 프린팅용 DED 헤드 * 출처 : kr.dmgmori.com LASERTEC Shape 원칙 레이저광원 수평층의레이저가공 ( 레이저나재료별층두께 :0.3~10 μm 다양한초첨렌즈 (S 옵션 ) 스캐너평면필드렌즈 ( 표준 ) 윤곽을매끄럽게마무리하는레이저가공 (S 옵션 ) 공작물 경사진벽면용으로채택된레이저빔으로가공 그림 14 Lasertec 65 의 3D 프린팅방식 * 출처 : kr.dmgmori.com 5축밀링머신과 fiber 레이저를통합하여 5분안에밀링에서레이저작업으로교체가가능하며, 하나의제어소프트웨어로통합되어프로그램상의호환문제가없고, 절삭작업과 3D 프린팅작업을동시에진행할때발생할수있는절삭유로인한레이저헤드의오염및손상, 분말형태의 3D 프린팅소재로인한절삭헤드의오염및손상문제등은해결했다고한다. 마쯔우라의장비에서모티브를제공받은것으로추측된다. Korea Evaluation Institute of Industrial Technology 25

26 KEIT PD Issue Report PD ISSUE REPORT JUNE 2015 VOL 15-6 Markforged사의탄소섬유프린터, Mark-One ( 세계최초의탄소섬유 3D 프린터 ) 마크포지드사의마크원은절단하지않은탄소섬유를사용한세계최초의탄소섬유프린터로 CES(Consumer Electronic Show) 2015에서많은주목을받았다. 자동차경주가취미인대표이사 Mark가가볍고강한자동차용경량복합소재에대해서고민하다가마크원을만들게되었다하니개발동기가재미있다. 프린터의구성은단순하다. Dual quick 헤드시스템으로 FDM(Fused Deposition Modeling) 방식의헤드둘을결합한형태이다. 하나의헤드는나일론등의열가소성수지만을사용하고 ABS, PLA 수지는지원하지않는다. 나일론필라멘트를이용한 FDM 방식의 3D 프린터이다. 다른하나의헤드는그소재가특이한데절단하지않은탄소섬유를나일론으로코팅한이른바 CFF(Composite Filament Fabrication) 을소재로하는변형된구조의 FDM 헤드이다. 이헤드에는 carbon fiber, fiberglass, kevlar 소재를사용할수있다. 탄소섬유를코팅한나일론수지는 FDM 헤드에서나오는수지와결합이되는수지를택하였으며, 탄소섬유와의결합력도좋은수지를택하였다. 즉양쪽헤드에서프린팅되는소재사이의이형성문제가없도록수지를최적화하였다는뜻이다. 이러한결합력이좋은나일론수지의적절한제조와선정이이장비의핵심으로보인다. 마크원을이용하여나일론층과탄소섬유층을교대로프린팅하여적층할수있다. 2 Heads Build Size Material Layer Resolution Extruders Filament sizes Fused Filament Fabrication Composite Filament Fabrication 320 x 132 x 160 mm Carbon Fiber, Fiberglass, Kevlar, NylonKevlar, Nylon FFF Printing : 100 micron / CFF Printing : 200 micron X-Y plane : 6.25um Dual Quick Change FFF: 1.75mm ( 나일론 ) CFF: MF4 ( 나일론코팅된탄소섬유 ) 그림 15 마크포지드의탄소섬유프린터 * 출처 : markforged.com 다음의구조는이프린터를이용하여제작한 plate이다. 나일론층에허니컴구조를넣을수도있어경량화구조를채택하기쉬운장점이있다. 무게비로환산했을경우알루미늄 6061보다높은강도를보이는 plate로일반적인 FDM 프린터로만든구조체보다 5배 20배높은강도의구조체를만들수있다. 앞으로대면적이슈와속도이슈를극복하고, 곡면가공기법을추가하면바야흐로탄소섬유복합플라스틱구조체의활용도가급증할것으로보인다. 26 한국산업기술평가관리원

27 ISSUE 1 3D 프린터최근개발동향 그림 16 마크원으로 3D 프린팅한나일론 / 탄소섬유 / 나일론복합구조체 * 출처 : markforged.com 100배빠른 DLP프린터카본3D의 CLIP (100배빠른프린터 ) 앞에서설명한바와같이광중합방식 (PP, Photo Polymerization) 에근거한 3D 프린터는광원의방식에따라또다시세분류를할수있다. 갈바노미터나 XY-table을이용하여레이저를스캔하는방식, DLP(Digital Light Processing) 프로젝터나 LCD 스크린을이용하여한페이지의정보를한번에조사하여광중합반응을일으키는방식등이다. 비록 DLP 방식이레이저스캔방식에비해서속도면에서빠르다고는하나, 사용자입장에서는늘느리다는지적을받아왔다. 소비자는현존의프린터보다 100배빠른프린터를원할것이라는지적이많았고, 올해보란듯이나온 DLP 프린터가 Carbon3D사의 CLIP이다. ( 광화학반응을이용한프린터 ) CLIP(Continuous Liquid Interface Production) 이라는새로운제조법을기반으로한초고속프린터, 에펠탑을 7분에찍는초고속프린터이며적층간격이없이연속으로인쇄하는 3D 프린터로주목받고있다. Build Platform UV Curable Resin Oxygen Permeable Window Projector Dead Zone UV Curable Resin Dead Zone Oxygen Permeable Layer 그림 17 CLIP(Continuous Liquid Interface Production) 의원리 * 출처 : Korea Evaluation Institute of Industrial Technology 27

28 KEIT PD Issue Report PD ISSUE REPORT JUNE 2015 VOL 15-6 이작동원리를살펴보자. 노스캐롤라니아대학의화학전공교수인데시몬은빛 ( 통상적으로 UV) 을쬐면고형화가일어나는광폴리머의고형화원리에산소가관여할수있다는현상에주목을하였다. 즉빛을쬐면광폴리머의고형화가일어나지만, 산소가존재하면이반응은일어나지않는다. 만약산소가선택적으로투과할수있는막을광폴리머의수조 (vat) 바닥면에만들면빛이조사되더라도고형화반응이일어나지않는구간 ( 일명, dead zone) 을만들수있고, 폴리머가이구간을벗어나면서부터차츰고형화가진행되게할수있다. 이원리를이용하면광폴리머의층단위고형화방식에서산소의농도차이로인한연속적인고형화방식으로바꿀수있다. 수조내에서산소의농도구배를이용할수있기때문이다. 광폴리머에조사되는빛을프로젝터를통하여조사하면동영상프레임속도에가까운고속조사가가능하고, 폴리머의광반응속도가충분히높다면 layer by layer 를쌓는적층이아닌연속적인고형화가가능하다. 그리하여이제조법의이름은 연속적액체계면을이용한생산 이다. 통상적으로 3D 프린팅을적층제조방식이라하는데, CLIP의등장으로인하여적층제조가아닌부가 (additive) 제조라고개념을재설정해야할지도모른다. ( 수직방향의이질성이없는연속적인적층방식 ) CLIP 방식은속도가빠르다는장점이외에도인쇄물의미세조직상의장점이있다. 보통의 3D 프린터는 2차원평면의적층을통해서인쇄물을만들기때문에수직방향으로의이질성이존재한다. 인쇄물의단면, 층간이질성이없는연속적인미세구조 CLIP 과타 3D 프린터의인쇄속도 (10cm 크기의에펠탑기준 ) CLIP 3D PRINTING 그림 18 CLIP 방식과의비교 * 출처 : Caron3D FDM 프린터를예로들면 2차원평면이다굳어지고난이후에위의층을인쇄하므로수직방향으로의결합은약해지기마련이다. 즉층과층사이의결합력은취약하다. 물론 FDM의이러한단점을해결하기위하여, Material Extrusion의속도와플라스틱의고형화시간을절묘하게조절하거나챔버의온도의조절하여층간결합력의취약성을완화시킬수는있다. 광중합방식의경우도적층을통해서고형화를시키면이러한단점이존재한다. 그림에서알수있듯이 CLIP의연속공정은층간이질성이없는인쇄물을구현할수있다. 우측의비교표는 10cm 크기의에펠탑을출력했을때방식별속도를비교한것이다. 일반적인 SLA(Stereolithography) 프린터가거의 12시간이걸리는데반해 7분이내에인쇄가능하다는것이가장큰장점이다. 28 한국산업기술평가관리원

29 ISSUE 1 3D 프린터최근개발동향 Gizmo 3D의 100배빠른 Top-down 방식프린터 (CLIP을이용한탑다운프린터 ) Carbon3D에서보여준 CLIP의원리를이용하면서인쇄방향을반대로바꾼 3D프린터가있다. 호주에서제안된기즈모3D 프린터이다. 아직특허가공개되지않아정확한작동원리와 carbon3d사와의특허분쟁여부가불투명하나, 이미공개된모델과가격으로유추해볼수는있다. 데시몬교수와비슷한원리를사용했다. 즉산소가존재하면광폴리머가굳어지지않는다는원리이다. 다만데시몬교수는산소를투과할수있는막을수조 (vat) 의아래바닥면으로사용했는데, 기즈모는수조에담은수지의윗면수면을산소투과막처럼활용했다. 즉데시몬교수는 bottom-up 구조로인쇄물을위로끌어당기면서산소가부족한수조의상층부로인쇄물을당겨서굳히는구조를사용했는데, 기즈모는 top-down 프린팅방식으로위쪽에서부터수지가굳어져아래로내려오는방식이다. 상층의수면가까이는산소가존재하므로굳어지지않고수심깊숙이내려올수록산소의농도가낮아져굳어지는방식을이용한것으로추측된다. 인쇄중에는구조체가항상수조에잠겨있을것으로생각된다. 데시몬교수의경우처럼특별한산소투과막이존재하지않아도된다는장점이있다. 표 3 Gizmo3D 사의프린터사양 Item GiziMax GiziMax HD GiziMax HD+ Maximum XY resolution 50 micron 35 micron 35 micron Maximum Z resolution 1 micron 1 micron 1 micron Maximum build height 850mm 850mm 850mm Maximum build platform 400mm x 250mm 400mm x 250mm 400mm x 250mm Projector lumens * 출처 : Gizmo3D.com ( 광중합 3D 프린터의궁극적인사양을제시 ) Carbon3D 사와 Gizmo3D 사에서보여준광중합 3D 프린터를보면, 광중합방식의 3D 프린터에대한개발방향과궁극적인사양을추측해볼수있다. Gizmo3D에서제시하는 XYplane상에서의해상도는 35um 정도이며, Z축방향으로의해상도인 layer resolution은 1um 정도이다. 속도는 10cm 크기의에펠탑정도의복잡성을가지는구조물을 10분정도에출력할수있으면, 대부분의사용자는만족할것으로생각된다. 세계최초의전자회로프린터, Voxel8 (100배빠른프린터 ) (FDM과 silver paste dispensing을결합한프린터 ) 하버드대학의제니퍼루이스교수팀은 PLA 필라멘트를이용한 FDM 프린터에은페이스트를디스펜싱하는노즐을붙혀전기회로를플라스틱구조체에인쇄할수있는복합프린터를만들어 CES(Consumer Electronics Show) 에출품하였다. 이제까지출시되었던 3D 프린터는모두그소재가금속이거나플라스틱이거나구조체자체로서존재했다. 즉구조적인기능만을담당하는구조체만을출력해왔다. Voxel8의의미는 3D 구조체만을출력하는것이아니라여기서배선기능을담아전기적기능을부가했다는 Korea Evaluation Institute of Industrial Technology 29

30 KEIT PD Issue Report PD ISSUE REPORT JUNE 2015 VOL 15-6 것이다. 사양을살펴보면빌드볼륨을 150X100X100mm3이며, FDM 필라멘트의직경은통상적인 1.75mm이다. Z축방향의정밀도인 layer resolution도 FDM의통상적인해상도인 200 um이다. 은잉크를위한노즐은마치 은으로된치약을짜는것과같은 페이스트디스펜싱방식이다. 해상도는 250 um로다소넓게잡았다. 은페이스트의고형화및소결을위하여후속공정으로오븐에서의열처리를택해 Optomec 등에서사용하는레이저동시소성기술은택하지않은것으로보인다. 이러한기술은한계는향후복층구조를만들때상당한걸림돌이되므로, 옵토멕등에서채용한방식을도입해야할것으로보인다. 이러한 Voxel8 프린터로드론을제작하여보여줌으로써 CES에서도주목을받았거니와미국 CIA의투자도받고있는중이다. 이유는전통적이제조방식이주는툴링, 인벤토리, 스플라이체인의불편함을해소하여유저가새로운디바이스를만들도록해주는 multi-material 프린터라는점때문이다. 하지만, 이러한언론의주목과는달리기술적인점에서짚어볼사항은몇가지존재한다. 첫번째는용도에대한질문이다. 구조적인기능만을담당하던 3D 프린터의인쇄물에전기적인기능을탑재했다는것은참신하다. 그러나드론자체에대한용도와더불어이프린터의용도를제시해야한다는숙제가있다. 두번째는 FDM 방식으로만든 PLA 구조체로는강성이나충격강도결합력등에서기계적인한계를가질것이라는점이다. 또한 FDM 방식으로만구조체를만들경우, 구조체는 FDM의단점을그대로답습한다는단점이외에도, 다양한이종소재에대응하기가어려워진정한 multimaterial이라고보기는어렵다는점이다. 실용화가가능한고강도소재를사용한새로운방식을시도해볼필요가있어보인다. 마지막으로실버페이스트를이용한회로구성방식이과연정답인지고민해볼필요가있다. 아무튼신선한시도였고, 제조방식을바꾼다는점에서의미는있는 3D 프린터이다. PLA 용 FFF 노즐 Silver Ink 용노즐 Voxel8 으로제작한드론 그림 19 Voxel8, 세계최초의 multi-material electronics printer * 출처 : voxel8.com 교수팀은 PLA 필라멘트를이용한 FDM 프린터에은페이스트를디스펜싱하는노즐을추가하여전기회로를플라스틱구조체에인쇄할수있는복합프린터를만들어 CES(Consumer Electronics Show) 에출품하였다. 이제까지출시되었던 3D 프린터는모두그소재가금속이거나플라스틱이거나구조체자체로서존재했다. 즉구조적인기능만을담당하는구조체만을출력해왔다. Voxel8의의미는 3D 구조체만을출력하는것이아니라여기서배선기능을담아전기적기능을부가했다는것이다. 사양을살펴보면빌드볼륨을 150X100X100mm3이며, FDM 필라멘트의직경은 30 한국산업기술평가관리원

31 ISSUE 1 3D 프린터최근개발동향 통상적인 1.75mm이다. Z축방향의정밀도인 layer resolution도 FDM의통상적인해상도인 200 um이다. 은잉크를위한노즐은마치 은으로된치약을짜는것과같은 페이스트디스펜싱방식이다. 해상도는 250 um로다소넓게잡았다. 은페이스트의고형화및소결을위하여후속공정으로오븐에서의열처리를택해 Optomec 등에서사용하는레이저동시소성기술은택하지않은것으로보인다. 이러한 Voxel8 프린터로드론을제작하여보여줌으로써 CES에서도주목을받았거니와미국 CIA의투자도받고있는중이다. 이유는전통적이제조방식이주는툴링, 인벤토리, 스플라이체인의불편함을해소하여유저가새로운디바이스를만들도록해주는 multi-material 프린터라는점때문이다. 하지만, 이러한언론의주목과는달리기술적인점에서짚어볼사항은몇가지존재한다. 첫번째는용도에대한질문이다. 구조적인기능만을담당하던 3D 프린터의인쇄물에전기적인기능을탑재했다는것은참신하다. 그러나이프린터의용도를제시해야한다는숙제가있다. 두번째는 FDM 방식으로만든 PLA 구조체로는강성이나충격강도결합력등에서기계적인한계를가질것이라는점이다. 또한 FDM 방식으로만구조체를만들경우, 구조체는 FDM의단점을그대로답습한다는단점이외에도, 다양한이종소재에대응하기가어려워진정한 multi-material이라고보기는어렵다는점이다. 실용화가가능한고강도소재를사용한새로운방식을시도해볼필요가있어보인다. 마지막으로도선구조에서실버페이스트를이용한회로구성방식이과연정답인지고민해볼필요가있다. 아무튼신선한시도였고, 전자회로를 3D로구현한의미는있는 3D 프린터이다. 양산중인세계최고수준의 Color 프린터, Objet500 Connex3 ( 다양한소재를출력할수있는프린터 ) 대표적인 3D프린터기업인스트라타시스는 FDM 프린터와 MJ(Material Jetting) 방식의광경화프린터를생산하고있다. FDM 프린터는고강도의플라스틱부품제작을위한열가소성수지를이용하는방식이며광경화프린터는 Polyjet 시리즈로 material jetting 방식의헤드에 UV를노광시켜폴리머를경화시키는방식이다. 그림 20 Stratasys 의 Objet500 Connex3 와출력물 * 출처 : stratasys.co.kr Korea Evaluation Institute of Industrial Technology 31

32 KEIT PD Issue Report PD ISSUE REPORT JUNE 2015 VOL 15-6 사용가능한재료는수백여가지의디지털재료옵션과혼합적용이가능하며단일빌드에서 3가지기본레진의조합으로최대 82가지의재료특성구현이가능하다. 또한필요할때재료를바꿀수있는재료핫스와핑기능이있으며, 500가지이상의복합재료에대한재료옵션 ( 일명디지털재료라부름 ) 을가지고있다. 또고무계열의컬러재료와투명, 다양한색상의반투명재료의사용이가능하여현존하는플라스틱계열프린터중가장다양한소재와색상을구현하고있다고평가되고있다. ( 세계적인추세인멀티헤드, Connex3의 triple 헤드 ) 폴리젯의걸작이라불리는 Connex3 모델은 triple 헤드를탑재하고있으며, 이헤드들간의재료혼합이가능하다. 이혼합을통해서다양한색상을구현할수있다. 사용가능한구조용재료는경질뷸투명재료 (Vero 제품군 ), 폴리프로필렌유사재료 (Durus 및 Endur), 투명재료 (Veroclear, RGD720), 내열성파트 (RGD525), 생체적합성재료 (MED610), 고무재질재료 (Tango 제품군 ), 디지털재료등이다. 평면상에서의해상도는 600dpi를지원하며, layer resolution은 16um정도이다. LCD 기술을이용한 PP프린터의새로운시도 (PP 프린터의다양한광원 ) 포토폴리머를소재로사용하고 UV 등의광원을이용하여광경화방식으로조형물을만드는 PP(Photo Polymerization) 프린터는광원으로여러가지방식을채용할수있다. 가장널리알려진 SLA(Stereo Lithography) 방식은수조 (vat) 에포토폴리머를채우고 UV 빔을스캐닝하는방식으로조사하여경화하는방식이다. UV 빔의 XY 운동을갈바노를이용하거나 XY 테이블방식의광학계를이용할수있다. 갈바노방식은제어가까다로운반면속도가 XY테이블방식보다빠르다는장점이있다. XY 테이블운동방식은속도면에서는빠르지않으나테이블의구성이쉽고가격이싸다는장점이있다. 물론고정도의 XY테이블을채용할경우가격은상승한다. 이러한 SLA 방식의단점을극복하기위하여도입된것이 DLP이다. DLP는하나의평면에대해서하나의면광원으로조사하는방식이므로 1 plane 1 shot 방식이다. UV빔을스캐닝하지않으므로속도가빠르며, 높은해상도를가지는텍사스인스트루먼트사의 DMD(Digital Mirror Device) 미러를사용하므로해상도또한높다. 다만, 대면적의빔을한번에조사할경우거리가멀어질수록해상도가나빠진다는단점이존재한다. 이경우여러개의 DLP를사용하여대면적으로커버할수는있지만시스템이커지고가격이상승하는단점이존재한다. 최근이러한 DLP를전통적인디스플레이인 LCD로대체하고자하는노력이있다. (LCD 광원을이용한 Prismlab) 프리즘랩의 PP프린터는광원으로 LCD를사용한다. 이를통해서동종의프린터보다 5 10배정도빠른속도를구현할수있다. 또한 Epson사의특허인 Pixel Resolution Enhancement 기법을이용하여해상도를증진시켰다. Epson의 4K 해상도증진기법은 3개의반사형 LCD를이용하고픽셀을대각선방향으로 0.5픽셀쉬프트시키는방법으로해상도는 1920X1080에서 3840X2160으로증진시킬수있는기법이다. 2차원인쇄전자프린터에서 3차원으로의진화를시도하는 Optomec (Aerosol Jet 5X) 옵토멕은 Aerosol Jet 기술을이용한미세배선인쇄기술에 5축제어기술을결합하여굴곡이있는표면이나입체구조표면에배선을형성할수있는 Aerosol Jet 5X를출시하였다. 미세배선을형성하는 Aerosol Jet 기술의기본적인원리는분무기와유사하다. 단계별로나누어보면, 용기에담긴잉크는외부에서주입된기체에의해크기 5 μm이하의미세한안개형태가된후, 운반기체에의해분사노즐까지이동하고, 노즐근처에서원통형태의 sheath 32 한국산업기술평가관리원

33 ISSUE 1 3D 프린터최근개발동향 gas에의해노즐중심으로집중되어기판또는표면에분사된다. 이방식으로선폭 10 μm수준의미세배선을만들수있으나, 분무가만들어져야노즐로분사할수있기때문에사용가능한점도에제한이있어 (1 ~ 1000 cp) 경사진면에인쇄하기매우어렵다. Aerosol Jet에 5축제어를도입하여 3차원표면에패턴인쇄를구현할수있도록개발된시스템이 Aerosol Jet 5X 이다. 그림 21 Aerosol Jet Process 개념도와 5 축제어표면패터닝 * 출처 : Optomec.com 옵토멕의 Aerosol Jet은 5축제어를통해평면에서탈피하였으나, 사용가능한잉크의점도에제한이있어급격한굴곡이심한면에서의패터닝은여전히난제로남아있다. (Lens 850-R) 옵토멕이노즐제어기술을바탕으로개발한 Lens 850-R은금속가공용대형 3D프린팅시스템으로제조영역이 mm 3 에이른다. 중심부에고정된파이버레이저주변에장착된노즐을통해레이저가조사되는위치에금속입자를분사함으로써, 분사와동시에소결하는 Direct Metal Laser Sinter (DMLS) 방식의 additive manufacturing 시스템인 Lens 850-R은파우더베드를사용하여구조체를제조하는 SLS 방식과달리기계류및기계부품의특정부위에구조를형성하거나망가진부분을수리하는용도를표방하고있다. 그림 22 Lens 850-R 의작동원리와금속구조물의수리장면 * 출처 : Optomec.com Korea Evaluation Institute of Industrial Technology 33

34 KEIT PD Issue Report PD ISSUE REPORT JUNE 2015 VOL 15-6 마이크로펌프를이용한 nscrypt 의 3D 프린터 ( 마이크로펌프방식의디스펜서 ) nscrypt의디스펜서기반프린팅시스템은 Smart PumpTM 라부르는이회사고유의디스펜싱기술에기반하고있다. 공압을이용하여잉크의토출을제어하는 Smart Pump 기술은밸브제어와 suck-back 이라부르는압력제어를통해 20 pl ( 피코리터 ) 수준의유체제어가가능하며, 1-1,000,000 cp 범위의넓은점도변화에대응이가능하다. 그림 23 마이크로펌프 * 출처 : nscrypt (3Dn 시리즈 ) 디스펜싱용마이크로펌프와 XYZ 스테이지를결합하여내놓은 3Dn 시리즈는 4 종류로기능적인면에서는 동일하고이송거리만달라진다. 마이크로펌프를이용하기때문에고점도의잉크를사용할수있어높은단차를 극복하고배선을연결할수있으며, 정밀한토출제어로 via hole 과같은곳에도인쇄가가능하다는장점이있다. 그림 24 수직단차의배선연결및 via hole 인쇄 * 출처 : nscrypt 34 한국산업기술평가관리원

35 ISSUE 1 3D 프린터최근개발동향 Matsuura의복합가공기, LUMEX Avance-25 (3D프린팅과 Milling 공정을하나로 ) 일본마츠우라의금속광조형복합가공기 LUMEX Avance-25는 SLS방식의금속광조형과엔드밀을이용한고속ㆍ고정도절삭가공을반복하며조형하는복합가공기이다. SLS방식은베드에도포되어있는파우더에선택적으로레이저를조사하여소결시키는 3D 프린팅방식으로, 빠른조형속도, 광범위한재료사용과함께조형물의변형이없는등의장점들이많지만기계가공과비교해가공정도나면조도에한계가있기때문에방전, 절삭등많은후가공이필요하다. 하지만일본마츠우라의 LUMEX Avance-25는이 SLS방식광조형과절삭가공을한장비내에서번갈아시행함으로서기계가공과동일한수준의치수정도및조도를실현한다. 뿐만아니라기계가공으로는불가능했던 Rib가공도가능하게해준다. 이로써여러번의공정이아닌단한번의 Process로고도의금형제작이가능하게되었다. 형분할, 전극설계와방전가공, 냉각회로제작, 조립및조정등의복잡한공정없이일체의구조로금형을생산할수있기때문에설계및가공시간이크게줄어든다. 또한 Rib가공이가능하고, 3D 구조설계로자유롭게배치된냉각회로는후가공으로형성된일반적인냉각회로와비교하여월등한냉각효과를보이며냉각시간을최대 40% 까지단축시킨다. 이로서전체적인생산성을향상시키게된다. 깊은리브, 자유곡면형상, 다공질조형외에도 3D mesh, 중공 ( 中空 ) 구조등기존공법에서는제작이불가능했던형상의제품을한번의프로세스로조형할수있기때문에금형을포함한다양한제품제작에활용이가능하다. 엔진부품같은복잡한형상의제품과인공관절, 치아임플란트등커스터마이징제품도쉽고간단하게만들수있다. KOIWAI, 일본주물산업의새로운변화 (3D프린팅을주물산업속으로 ) 일본의 KOIWAI사는전통의주물기업이다. 최근코이와이사는일본의미래주물산업의형태를변화시키는데큰역할을하고있다. 코이와이사는기존주물회사와달리 3D프린터를도입하였다. 3D프린터를도입한이유는크게 4 가지이다. 첫번째로고속 고정밀주조제품의수요증가이다. 시장에서는얇고 고기능 정밀주조제품을단기간에공급하는것을요구하지만기존의목형ㆍ마스터형제작및사형반전공법은그요구에대응할수가없었다. 이에따라고객의요구에대응하기위하여새로운공법을개척할시장적니즈가있었다. 두번째로목형업자의후계자부족이다. 주조산업과마찬가지로목형업계에서도기술자의고령화와후계자부족이계속되어마스터형 목형제작에서고정밀, 고기능제품의저가신속납기가시장의이슈이다. 이러한시장의요구에부응하기위해서는목형을대체하는새로운공법이필요했던것이다. 세번째로주조업계타사와의차별화이며마지막으로젊은인재의확보이다. 주조산업는 3D(Dirty, Difficult, Dangerous) 직종이라는인식이뿌리산업에뿌리깊히박혀있어수도권에서는신입채용은물론경력자도채용하기힘들었다. 또, 작업환경개선에대한대처와매력있는직장구조에대한대응이늦는기업의이미지를불식시키기위하여기존의주물공장과는다른형태로주조공법을만들필요가있었다. 이러한이유로코이와이사는 3가지방식의 3D프린터를도입하였다. 레이저를사용하는 EOS사의 EOSINT-S, 잉크젯타입의 S-print 그리고 E-beam을사용하는 Arcam사의 Arcam A2를적용하여기존제품의제작기간을 1/10로단축시키는성과를이루어낼수있었다. Korea Evaluation Institute of Industrial Technology 35

36 KEIT PD Issue Report PD ISSUE REPORT JUNE 2015 VOL 15-6 EOSINT-S Laser sintering lamination process S-Print Inkjet print lamination process Arcam A2 E-beam melting technology 그림 25 코이와이의 3D 프린터모델 * 출처 : Koiwai 또한주조현장에서는장인의기술, 숙련된기술을수치로바꾸어관리가가능해졌다. 또한도입이후, 연간 10회이상에이르는각종전시회를통한 PR효과도있어현재는 적층사형은곧코이와이 라불릴정도로시장에깊히침투하여연간 600종이상에이르는 prototype 주물생산을하고있다. 3D프린터에의한주물구조는작업환경도개선, 기존의주조공장의이미지의불식에성공, 매년우수한신입사원을맞이할수있게되었다. 이는 3D 프린팅을하나의프린터로만인식할것이아니라전반적인생태계관리의차원에서인식해야함을잘보여주는아주모범적인사례라생각된다. PCB 3D Circuit Board Printer, Cartesian Co. 의 EX1 프린터 (Rapid Electronics Prototyping을위하여 ) 2013년부터아이디어가구상되어클라우드펀딩을완료한신선한프린터가있다. 천이나게임패드, 손목시계등에마치사진을프린팅하듯이은잉크을배선하는프린터이다. 발상은사진을찍듯이회로를아주쉽게찍어빠른시간내에일렉트로닉스의프로토타입을만들자는데에서시작된듯하다. 게임패드를프린팅하여동작할정도이니파워선을대체하기에는아직부족하더라도신호선을대체할수준은달성된것으로보인다. 참신한발상에비해아직기술적인수준은높아보이지않으며주로 2차원상의배선프린팅이주용도라 3D 프린터로보기에는무리가있지만, 다양한종류의기판에배선을할수있다는점은높게살만하다. 기본적인구조가잉크젯헤드기반의 MJ(Material Jetting) 프린터이므로구조체를만드는기존의 3D 프린터와의결합이용이하며, 결합될경우 Voxel8과같은 multi-material 3D printer로발전할수도있다. 36 한국산업기술평가관리원

37 ISSUE 1 3D 프린터최근개발동향 그림 26 Cartesian 社의 EX1 Printer, PCB 3D Circuit Board Printer 3. 시사점과정책제안 3D 프린팅의최근신제품출시동향을살펴보고그발전추세에대한전망을통하여향후 3D 프린팅이발전방향에대한전망과대처방안을제안한다. ( 융복합화 ) 전통제조산업과 3D프린팅의복합화를구현한디엠지모리의복합가공기에대한시장의호평이나샌드프린터에대한시장수요등을고려할때, 3D 프린팅은하나의독자적인산업이아니라타산업과의융복합화를통해서빠른발전을이룰수있음을알수있다. 뿌리산업이나기존의주력산업과의융합을통한적용우위분야를선정하고이들산업분야와의적극적인융복합화가필요함 ( 속도와정밀도 ) 속도와정밀도, 그리고인쇄물의품질에대한요구는그동안 3D프린팅산업성장의중요한장애요인으로지적되어왔다. 속도향상, 정밀도개선, 그리고후처리를최소화할수있는인쇄물을품질향상에대한연구는 3D프린팅산업이타산업과의융합과대체공정으로발전하기위한필수요구조건이다. 핵심부품인헤드 / 노즐에대한연구와에너지원과광학계에대한연구, 소재의원재료의특성과반응에대한연구, 임베디드소프트웨어기술, 공정최적화기술등이상호협력하고공동으로참여하는종합적인연구가필요함 Korea Evaluation Institute of Industrial Technology 37

38 KEIT PD Issue Report PD ISSUE REPORT JUNE 2015 VOL 15-6 ( 멀티헤드및가변헤드의출현 ) 탄소섬유프린터, 전자회로용프린터, 폴리젯등의많은경우에서이제는단일헤드방식의시대가아니라다른방식과다른소재에근간한다중헤드방식의시대가도래했음을의미한다. 이는그동안 3D 프린팅의약점으로지적되었던복합소재의문제와속도개선, 색상과인쇄후의표면조도문제등에서좋은해법이될것이다. 이종의방식과소재를결합한복합프린터에대한연구는 3D프린팅의응용분야를획기적으로확장하는형태로활발히발전될예정임으로핵심부품인헤드에대한연구가요구됨 (3D 소재 ) 카본3D에서보여준 100배빠른출력기술 CLIP은 3DP에서소재가차지하는중요성을잘보여주고있다. 국내프린팅산업의발전을위하여또원천특허확보를위하여장비와연계한소재의개발에대한노력이더이루어져야할것이다. 단순한소재국산화를넘어새로운소재에대한도전이요구됨 ( 대형화와공정기술 ) 프린터의용도가수송기기용에서발전용, 건축용, 우주항공등으로늘어남에따라프린터는대형화될전망이다. 대형화시에발생할수있는속도저하와출력물의균일성, 효율적인제어를위한공정개발에대한연구가필요함 ( 강점산업과의연계 ) 각국의프린터개발동향은자국의강점산업을 3D프린팅을통하여강화한것으로전략이추진중으로분석되고있다. 우리나라는우리의강점산업분야인 IT, 자동차, 조선등의주력분야와의료, 에너지, 나노등의신산업분야와연계를통한전략적인선택과집중을통한육성전략이필요함 ( 참고문헌 ) 1. J. Lim et al., All-inkjet-printed Metal-Insulator-Metal (MIM) capacitor, C. Appl. Phys. 12: e14, Y. Kong et al., 3D Printed Quantum Dot Light-Emitting Diodes, Nano Lett. 14: 7017, C. Zhao et al., Three dimensional (3D) printed electrodes for interdigitated supercapacitors, Electrochem. Commun. 41: 20, K. sun et al., 3D Printing of Interdigitated Li-Ion Microbattery Architectures, Adv. Mater. 25: 4539, J. J. Adams et al., Conformal Printing of Electrically Small Antennas on Three-Dimensional Surfaces, 23: 1335, K. Church et al., Printed electronic processes for flexible hybrid circuits and antennas, Flexible Electronics & Displays Conference and Exhibition, 1, D. Espalin et al., 3D Printing multifunctionality: structures with electronics, Int J Adv Manuf Technol. 72: 963, M. Hedges et al., 3D Aerosol Jet Printing - Adding Electronics Functionality to RP/RM, DDMC 2012 Conference UBALDO ROBLES DOMINGUEZ, 3D PRINTED IMPEDANCE ELEMENTS BY MICRO-DISPENSING, The University of Texas at El Paso MS thesis, D 프린팅전략기술로드맵, 미래부-산업부, 2014년 12월 38 한국산업기술평가관리원

39 The Internet of Things(IoT 기술개발동향 ) SUMMARY l 저자 l Swapnadeep Nayak / Frost & Sullivan 한형상 PD / KEIT 지식서비스 PD 실 박현섭 PD / KEIT 로봇 PD 실 목적글로벌시장패러다임이공급자관점에서사용자관점으로전환되면서개인맞춤형스마트상품및서비스개발의중요성이크게부각되고있음이를실현하는가장중요한인프라로서현재학계, 연구계, 산업계의주목을받고있는사물인터넷 (IoT) 의현황과발전방향에대한종합적인시각을제공하고자함주요현황과거한동안 Any time any where 를표방한유비쿼터스 (Ubiquitous) 관련기술이미래사회로가는길을열어줄돌파구로서세계학계와연구기관, 기업들의뜨거운주목을받았었음. 그러나통신ㆍ센싱ㆍ분석등이의실현에필요한기반기술과제반법적ㆍ제도적인프라의미성숙으로관련기술및서비스개발이기대에미치지못하여 u 로시작되는기술과서비스들도세간의관심에서멀어졌음사물인터넷 (IoT: Internet of Things) 은스마트센싱기술과무선통신기술을융합하여인터넷을통해계기ㆍ기계ㆍ장비뿐아니라사람ㆍ자원ㆍ상품등모든사물을양방향으로연결하고관련데이터의상호공유ㆍ활용을실현하는인프라를제공함. 이를통하여이전에는상상하기어려웠던실시간상태파악과실제데이터에기반한최적화가가능해짐으로써 Any time anywhere 의이상실현에보다가까이접근할수있게되었음고객및환경에대한상태와취향을감지하여최적화된서비스를제공하는기술은다양한개인맞춤형헬스케어와웰니스서비스를창출했고나아가자동차ㆍ건설ㆍ로봇ㆍ에너지ㆍ제조분야와의융합을통해사회전반에걸쳐본격적인스마트서비스시대의도래를예고하고있음. 모든기반기술들이충분히성숙된것은아니나시장의상품및서비스수요에따라기술개발이다각적으로진행되는한편, 법적ㆍ제도적환경개선이추진됨에따라보다완성도높은다양한스마트서비스들이출현하여 Any time any where 를실현하게될것임시사점및정책제언과거유비쿼터스서비스들이부족한기술및제도적여건으로사장된경험을거울삼아유망한서비스모델을개발하고그목적에부합하는특화된센싱및분석기술의개발을통해완성도높은서비스를개발, 출시하는전략적접근방법이바람직함 IoT 기반서비스들은정보의공유및활용을위한개방형아키텍처를필요로하기때문에정보보안등부작용을최소화하기위한법적, 제도적인프라의정비가기술진보에발맞춰지속적으로검토, 시행되어야함 IoT의확산은사회전체분야에걸쳐혁신적인상품및서비스시장을창출할뿐아니라스마트센서및분석플랫폼등기반기술에대해서도거대한시장을제공할것으로예견되므로이러한기반산업의육성에도노력을기울일필요가있음

40 KEIT PD Issue Report PD ISSUE REPORT JUNE 2015 VOL 개요 1.1 정의 사물인터넷 (IoT: Internet of Things) 은센서가포함된단거리모바일송수신기를일상생활에사용되는도구나물건에내장시킴으로써 ICT의영역에새로운차원이전개될수있게한기술혁명임. 완전히새로운개념인 네트웍들의네트웍 창조를위하여무선센서로부터나노기술에이르기까지급속한발전이이루어지고있음. IoT는이미전산업에걸쳐변신이필요함을시사하고있으며앞으로더욱심대한변화를가져올것으로기대됨. IoT는기업들이보유자원을보다효율적, 혁신적으로활용한새로운상품과서비스를시장에출시하여부가적인수입원을확보하게할수있음. 그리고 IoT 네트웍이제공한방대한규모의정보를통하여의사결정과정을개선하고예지적통찰력 (Predictive Insights) 과같은첨단기능의보다정확한실천을가능하게해줄것임 INTERNET OF THINGS PubNub Figure 1 The Internet of Things (Source: PubNub) 1.2 배경 사물인터넷 (IoT) 명칭은 1999년 MIT의 Auto-ID 센터소장인 Kevin Aston이향후 RFID와센서를일상생활에서사용되는사물에탑재한사물인터넷이일반화될것이라고전망한데서유래했다는것이정설임. IoT 개념은새로운것이아님. 인터넷이곧 IoT 라고할수있는지는종종논란이되고있음. 처음태동시부터인터넷은지식과데이터의공유를위해정부ㆍ학교ㆍ조직을함께연결하는네트웍들의네트웍이었음. 인터넷을통한연결은 90년대들어기업과소비시장으로서서히침투하기시작했으나네트웍의상호연결성이부족하여보다광범위한확산은이루어지지못했음. 2000년대들어인터넷은많은기업과소비자분야에서급속히일반화되었음. 오랜시간에걸친기술적진화로인터넷에연결된형태의기계와장비가등장하게되었음지난수십년동안멀리있거나움직이고있는기계와통신하고기업네트웍과연결하는기술은고성능무선통신과저가의센서에힘입어급격히발전해왔음. 컴퓨터네트웍의개념을사물의네트웍으로확장하기위하여산업계는발전된실현기술들을이용하여서서히변화하고있음. IoT의근간이되는개념을만들어낸주역은에너지효율이 40 한국산업기술평가관리원

41 ISSUE 2 The Internet of Things(IoT 기술개발동향 ) 높은무선통신프로토콜, 저가의프로세서, 고성능센서, 그리고고성능어플리케이션운영 SW 를보유한혁신적인 창업기업들임. 운영과장비감시를위한인간의개입은점진적으로사라지고있으며눈에보이지않는분석기술이모든 물건의배후에서작동하며부여된기능을수행하고있음 1.3 구성요소 IoT는센서, 유무선통신인프라, 그리고서비스인터페이스로구성됨. 센서는유형의사물및주위환경으로부터설치목적에맞는징후를감지하고데이터로공유시키는역할을담당함. 온도ㆍ습도ㆍ압력ㆍ열ㆍ가스ㆍ조도ㆍ힘ㆍ거리ㆍ속도ㆍ기울기ㆍ모션ㆍ존재등센서가감지하는물리적데이터는 IoT기반서비스의확장에따라무한대로확장되고있음. 이에더하여센서와 CPU를일체화시켜오류의자동보정, 정보해석, 다른스마트센서와의교신, 환경변화에대한적응, 판단능력을구비한스마트센서로진화하고있음. 유무선통신인프라는사물과인터넷의연결을실현하는인프라임. 블루투스, 근거리무선통신 (NFC, WPAN, WLAN 등 ), 이동통신 (2G, 3G 등 ), 그리고유선통신 (EtherNet 등 ) 이널리사용되고있음. 서비스인터페이스는수집된각종데이터를분석ㆍ처리하고 (Analytics) 다른기술들과융합하여다양한 IoT기반서비스의요구에적합하게가공하는기능을수행함. IoT 기반의상품및서비스는가전및전자기기에서출발하여헬스케어ㆍ에너지관리ㆍ스마트카ㆍ스마트홈으로확산되었고근래에는스마트팩토리, 로봇등으로범위가계속확장되고있음 2. 산업및기술개발동향 2.1 동인 (Motivations) IoT 개념의확산을촉진하는요인들은다음과같이몇가지로대별할수있음 M2M 커뮤니케이션 M2M(Machine to Machine) 커뮤니케이션은위성통신이나무선통신망을사용하는장비간의연결성에도움이됨. 근래들어 RFID, 센서, 클라우드컴퓨팅그리고무선통신망같은 M2M 커뮤니케이션기술들이크게발전하면서비용대비효과가우수한성능들을제공하며 IoT 확산의주요동인으로작용하고있음 자원의최적화 에너지소비효율화가오늘날가장중요한문제의하나로인식됨에따라 IoT 개념은미래를향한가장에너지효율이 높고친환경적이며 (green), 자원절약적인 ( 에너지활용 ) 프로세스의실현을보장하고있음 Korea Evaluation Institute of Industrial Technology 41

42 KEIT PD Issue Report PD ISSUE REPORT JUNE 2015 VOL 15-6 소형화 나노기술의발전과더불어 CO2 의배출을줄이고 IoT 를통해연결될수있는모든사물에걸맞게보다소형화된기기의 개발을가능케하는소형센서칩의등장이현실화되었음 유비쿼터스서비스오늘날급변하는라이프스타일의변화에보다빠르게대응하려는욕구는시간과장소에관계없이모든것을연결하는데대한사람들의관심을가열시켰음. 연결된세계에대한이같은사람들의관심증대야말로 IoT가등장할수있게한가장중요한동인의하나임 새로운사업모델의개발을위한기회 IoT 아키텍처를구성하는다양한계층간의연결은이해당사자들로하여금사업을확장하거나, 홈오토메이션사업과연계해서사용자에게스마트홈시설을판매하는판매모형같이새로운사업모형의등장에도움이되는좋은기회를제공함 2.2 장애요인 상호연결된네트웍은조직과소비자에게여러가지로운영및사업상의혜택을제공함. 그러나연결된인터넷세계의 혜택을실제로실현하기위해서는다음과같이반드시극복해야하는과제들이있음 보안및개인정보보호개인정보보호및네트웍보안은인터넷과클라우드컴퓨팅의주요이슈임. 사용자간의상시적인정보공유는관계된사람들의동의없이도 IoT 환경에서이루어질수있음. 스마트센서를사용하면사용자의습관과동작을항상추적할수있음. IoT 개념의확산을촉진하려면데이터비밀보장의원칙과개인정보보호정책이시행될필요가있음. 이같은정책은기술보호뿐아니라정보공유를위한범세계적규제기준의운영도역시중요하게다루어야함. ISO-18000의보안기준은이러한문제를어느정도다루고있지만, 컴퓨팅및커뮤니케이션기술과함께스마트센서기술의발전은향후수년내에기술개발자들이데이터공유에따른개인정보보호및보안문제를해소할수있도록도움을줄것임 연결된사물의이질성 범세계적인지역간주파수대역과인구분포의차이는 IoT 개념의대량확산에핵심장애요인이될것임. 표준화된통신을 지원하는오픈플랫폼을통한모든사물과기기들의연결이이러한장애를관리하는해답이될수있음 2. 디스플레이 산업국제표준현황 42 한국산업기술평가관리원

43 ISSUE 2 The Internet of Things(IoT 기술개발동향 ) 불충분한기반시설연결된기기들의인터넷유입이가속화되면기존의무선통신으로는통신체증이유발될수있음. 범세계적통신망 HW 갱신작업이느리게진행된다면 IoT 기술의신속한확산을저해할수있음. IoT에서사용되고있는주요프로토콜의하나인 IPv4는퇴장하고있지만고성능 IPv6의채택은더디게진행되고있음 복잡성 IoT 의아키텍처가가지는설계의다양성은시스템의효율적운영을복잡하게만들고있음. 분산저장, 관리된서비스 그리고자가치료네트웍같은첨단네트웍관리기술들은여러 IoT 관련연구기관들의핵심연구대상이되고있음 스마트센서의가용성센서는 IoT의기본적인실현도구임. 출시되어있는센서들이감지하는대상은빛ㆍ소리ㆍ거리ㆍ습도ㆍ압력ㆍ위치 / 동작ㆍ개스 / 화학물질등다양함. 그러나기존의센서들만으로는미래의 IoT 잠재력을뒷받침하기에충분치못함. 예컨대현재상용화되어있는저가의센서들은헬스케어분야에서혈압및체온, 제조분야에서일부단순한기계가동데이터같이극히일반적인데이터셋을전달할수있을뿐임. 현재의헬스케어나제조관련스마트서비스들이지향하는목표와이를뒷받침하는실현기술과의사이에는아직큰거리가있음. 일상적으로섭취하는소금및지방의양이나스트레스같이웨어러블기기를통해수집하는보다고급의정성적인데이터는오직스마트바이오센서를통해서만얻을수있고이는개인맞춤형헬스케어서비스의정확도를향상시켜줄것임. 스마트센서는고급서비스의개발능력을제공함으로써 IoT에대한높은기대와취약한현실간의간극을좁히는데기여할수있음. 또한스마트센서는모든 IoT기반스마트상품및서비스의공통기본요소로서산업적잠재력이매우큼. 현재산업적활용이가능한스마트센서들은극히제한적이지만미래 IoT 기반의스마트서비스의잠재력을고려하면스마트센서의시장은기존의센서시장과는차원을달리하는규모가될것임. 기술적진입장벽이높아표준화및지식재산권을중심으로시장선점을위한국가간경쟁이치열해질것임 발전된데이터분석도구의부족서비스제공을위해 IoT의데이터를다룸에있어대부분개발자들은다양한원천들로부터많은양의데이터를수집하는데주안점을두고있음. 그러나이러한관점에서가장핵심적인의제는수집된데이터를처리하고데이터풀에서가치있는핵심요인을찾아내는효과적인방법임. 데이터분석을통해지식을추출하는훈련이잘된전문가가절대적으로부족하기때문에실제로 IoT를구성하기위한벽돌들을찾아내기는쉽지않음. 따라서고성능오픈데이터분석플랫폼에대한사회적수요가제기되고있는바, 이들은데이터처리를용이하게하여어플리케이션개발과정을촉진하고, 데이터전문가뿐아니라모든사람에게새로운시장을만들어줄것임 Korea Evaluation Institute of Industrial Technology 43

44 KEIT PD Issue Report PD ISSUE REPORT JUNE 2015 VOL 주요트렌드근래이루어진 LTE(Long Term Evolution) 와클라우드컴퓨팅플랫폼같은첨단무선통신망인프라의융합은어플리케이션의실시간성능구현을지원하는 IoT에힘입은바큼. 대부분의주요통신사업자들은더넓은대역을제공할수있는 IP 네트웍을이용하고있는바, 이는향후관련기술을주도하는요소가될수있음. 무선통신의연결성을개선시킨 ac 표준의도입은 IoT 확산에큰도움이될것임이에더하여, 보급이확산되고있는클라우드컴퓨팅과스마트폰은향후 IoT 확산을촉진하는두가지핵심요소가될것임. 빅데이터같은새로운기술의확산에따라향후 4~5년안에 IoT의확산도현저하게진행될것임 전력저소모형기기기기들이더많이연결됨에따라상호연동성 (Interoperability) 도역시향상될것임. 이는에너지효율화기술과효율이높은배터리에대한수요를높일것임. 에너지효율이높은장비의개발을위하여시장은장비의진동등을에너지로이용하여배터리의수명을연장하는에너지하베스팅 (Energy Harvesting) 같은첨단기술을채택하는방향으로움직일것임 센서의소형화장비들의소형화기술개발추세에따라센서의크기도현저하게소형화되고있음. 일부분야에서는 HW의경량화요구도높음. 센서와칩단위집적회로의소형화는이러한맥락에서센서제조기업들이그러한수요에능동적으로대응하는핵심수단이되고있음 센서가격의하락기술진보에힘입어지난수년동안센서가격이현저하게내려갔음. 그러나, 통신에쓰이는 Fiber 센서같이다른분야에서개발된특수한센서기술을활용하면비용대비효과가더우수한센서에대한수요를충족할수있음. Fiber 센서는감지를위해소형광학섬유를사용하며원거리작동에에너지가필요없음 전력소비가적은소형제어기 (MCU: Micro Controller Unit) MCU들은동작센서, 가속도센서, 온도센서등다양한센서들의운영을위해항시적으로상태를파악하며가동되고있는, IoT 장비들의핵심부품임. 널리사용되고있는기존의 8bit MCU보다센서데이터를융합해서정확한정보를보다효율적으로전달할수있는고성능전력저소비형 32 bit MCU를필요로함 2.4 기술가치사슬 다양한유형의장비들과어플리케이션간의상호통신을위한기술적아키텍처는역시다양한이해당사자들에게 IoT 시장을겨냥한제품을개발할수있는기회를제공함 44 한국산업기술평가관리원

45 ISSUE 2 The Internet of Things(IoT 기술개발동향 ) Internet of Things Architecture Figure 2 IoT 가치사슬 구조적으로, IoT는어플리케이션, 데이터관리, 통신게이트웨이, 그리고데이터획득계층의 4계층으로구분할수있음어플리케이션계층은적용대상산업 / 부문이효율을개선할수있도록사업을영위하고운영및관리하는방법을결정함. 이러한영역에있는기업들은헬스케어, 소매, 에너지등의특정산업에게어플리케이션을제공하는데주안점을두고있음. 개발자들은최상위계층의구축을위하여사용자인터페이스를만들고데이터의확보와통신을위하여생태계내의다른이해관계자들과시스템을통합함. ( 가치사슬의특정영역에서솔루션을제공하고있는회사사례 : Libelium. ThingWorx 등 ) 데이터관리계층은중앙집중적 IoT를위한솔루션셋으로서, 단말및연결된기기들의관리와제어, 센서들로부터수집되는방대한데이터의분석작업을통합해주는 IoT 아키텍처의필수요소임. 이계층은통합프레임웍, IoT의미들웨어, 그리고산업용어플리케이션솔루션같은 SW 셋으로구성됨. 미들웨어는경영, 인증ㆍ허가ㆍ계정 (AAA: Authentification, Authorization, Account) 관리, 데이터관리, 그리고서비스관리같은기본적인기능들을수행함. 보안과개인정보보호도이영역에종사하는개발자들의관심사로서 IoT 개념의확산을저해할수있는주요위협요인의하나임. IoT 시스템의대규모보급확산을위하여향후수년동안보안솔루션의개발에더많은사람과기업들이참여할것으로전망됨. ( 가치사슬의특정영역에서솔루션을제공하고있는회사사례 : Cosm, Evrythng. Gemalto 등 ) 통신게이트웨이계층은 IoT의정보트럭이라고비유할수있음. 이계층은 ISP가제공한다양한 IP 광역망 (WAN) 으로구성되어있는바, 이에는유선망 (ATMㆍxDSLㆍfibers) 과모바일무선망 (2Gㆍ3Gㆍ4G) 이포함됨. 모든상위계층의프로토콜은 TCP/IP 스택하에구축되어있음. 무선광대역통신망과게이트웨이모듈의향상에힘입어 M2M 서비스 Korea Evaluation Institute of Industrial Technology 45

46 KEIT PD Issue Report PD ISSUE REPORT JUNE 2015 VOL 15-6 개발과 M2M 어플리케이션을위한우선적인선택으로서 3G 네트웍채택이가속화되고있음. ( 가치사슬의특정영역에서솔루션을제공하고있는회사사례사례 : SigFox, Sensinode. Hikob 등 ) 센싱및데이터저장계층, 즉데이터획득계층은 RFID 라벨, GPS, 센서및액츄에이터같은감지, 계산, 통신기능을가진현장기기들로구성됨. 이계층에는최신의 ZigBee 프로토콜등다양한표준을갖춘단거리무선망이포함됨. 이계층의개발자들은기본적으로다양한데이터源으로부터수집된데이터를통합해야함. ( 가치사슬의특정영역에서솔루션을제공하고있는회사사례 : AutoID Lab, Zero G 등 ) 2.5 핵심수단 (Enablers) 미세전자공학 (Microelectronics) 시장은 IoT 개념을실현하고촉진하는역할을수행하고있음. 통신을위해사용하는스마트폰, 업무용컴퓨터, 자동차, 전자장비등일상적으로사용하는모든기기들은기반기술로서반도체, 프로세서그리고센서들을사용하고있음미세전자공학은 IoT를위한 SW 어플리케이션의개발을가능케하는 HW의역할을담당함. 기술가치사슬상의첫두계층, 즉물리적객체를디지털세계와연결하는데이터획득및상호연결계층과대역폭및 latency에대한통신조건의충족을지원하는게이트웨이계층이핵심미세전자공학기술에해당됨. 가치사슬은이분야의개발자들에게연결된세상개념의실현을지향하는관련산업의잠재력과중요성을분명히보여주고있음 3. IoT 의산업파급효과 IoT는여러산업분야를망라하여각기관련된다양한수요에맞춰효과를발휘해왔음. 이러한모든부문에 IoT 프레임워크를적용한다면전반적으로업무성과가향상되고새로운추가수입원도확보할수있을것임. 이제연결된네트웍의필요성과특정부문의신참자들에게 ( 새로운시장의창출을지원하고기존기술을대체할수있는혁신기회를제공하는 ) 파괴적인기회를보여주는산업별시나리오를제시함 3.1 수송시스템에대한파급효과 a) 현재의수요실시간정보의필요성효과적인수송시스템이되려면인프라와차량간에효과적인통신이필요함. 보다신속한다중모드수송시스템이되려면승객들은개인용차량을주차시키고기차나공유차량으로바꿔타야함. 붐비는구역에서는주차공간을찾기가어려우므로공간활용의효율이떨어지게됨. 주차공간에대한실시간정보는통근자들이개인차량을쉽게주차하고최선의교통시스템을선택하는데도움이될수있음 46 한국산업기술평가관리원

47 ISSUE 2 The Internet of Things(IoT 기술개발동향 ) 협력적시스템의필요성당국의교통관제는급속한차량의증가로인하여갈수록어려움이가중되고있음. 비효율적인교통관제는이동소요시간을늘려차량의에너지소모도증가시킴. 교통혼잡상황을파악하는협력적차량데이터플랫폼은운전자들의최적경로찾기와에너지소비절감에도도움을줄수있음. 더하여, 효과적인교통관제는사고를줄여도로에서의안전도향상에도도움이됨 감시의필요성차량들에서는종종감지하기어려운기계적, 기술적문제들이발생하고있음. 사용자의자동진단을지원하는대쉬보드센서가일부있기는하지만분석의수준이낮고문제의정확한원인을밝혀주지는못함. 따라서기계고장을감지하고가용스페어부품이있는지여부를확인시켜주며서비스센터에즉시지원을요청하는지속적인감시시스템이필요함 b) 미래의시나리오 수송시스템에대한차세대 IoT 프레임웍은정보방송센터, 무선통신에의한배차시스템및관리솔루션같은요소들로 구성됨. 수송시스템의미래시나리오는다음과같음 Figure 3 IoT 수송시스템프레임웍 정보방송정보방송서비스센터는차량과위성통신간의플랫폼역할을담당함. 차량들과주차공간, 교통관제시스템등에설치된센서로부터얻어지는무선데이터들이여기에수집되어위성통신을통해방송됨. 이는차량간의통신범위를늘려주는후원자의역할을담당함 차량위치정보단거리전용 (DSRC: Dedicated Short Range) 양방향통신과 GPS는센서와의융합을통하여차량간 (V2V: Vehicle to Vehicle) 통신을가능하게함. V2V 텔리매틱스데이터활용은단거리통신을이용하기때문에에너지소모를줄이면서도사각지대감지, 야간시력보강, 내비게이션같은고급성능의구현에도움이될수있음 Korea Evaluation Institute of Industrial Technology 47

48 KEIT PD Issue Report PD ISSUE REPORT JUNE 2015 VOL 15-6 교통혼잡정보공유 정보서비스인프라 (V2I) 통신을통해차량들이교통신호기로부터얻는보행자정보는교차로에서의운행속도를최적화 해줌으로써안전도향상에도움이될수있음 차량의자동진단자가진단솔루션은호스트컴퓨터의지원없이마이크로-콘트롤러및장비들과통신하는계측제어기통신망 (CAN: Controller Area Netwrok) 과연결된버스에서수집된데이터를이용하여기기고장을감지하고즉시운전자에게비상상황을알려줌. 자가진단은클라우드분석기에연결되어과거에수집된방대한양의데이터분석을통해진단의정확도를향상시킬수있음 톨게이트에서의자동결제시스템스마트폰, 근거리무선통신 (NFC: Near Field Communication), 차량번호판자동식별 (ANPR: Automatic Number Plate Recognition) 그리고대쉬보드에내장된스마트 RFID 칩은톨게이트자동결제에활용될수있음. 이들은톨게이트에서의대기시간을크게줄여줄것임. 미리결제시스템에계정이설정되어있으면톨게이트통과시자동으로금액이기록됨 무선충전소 차량과전기그리드 (V2G) 의융합은하이브리드전기차량이무선충전시스템을통해충전할수있는충전소에서현실화 될것임 사고를방지하는안전시스템정보방송센터와위성통신을이용한도로폐쇄나사고정보에대한메시지방송은운전자들이교통체증을피하는데도움을줄수있음효율적인주차솔루션대쉬보드센서와클라우드연결을통하여무료주차공간에대한데이터를공유하면운전자들이인근의빈주차공간을찾는데도움이될것임 c) 신참자들을위한파괴적기회차내거동분석음성과제스처를제어하는미디어플레이어같은차내오락어플리케이션용상호작용플랫폼과함께미래의차내정보오락 (Infotainment) 시스템은안전도향상을위하여운전자건강모니터링같은첨단의대쉬보드내장형기능을제공할수있음 48 한국산업기술평가관리원

49 ISSUE 2 The Internet of Things(IoT 기술개발동향 ) 원격데이터분석 빅데이터분석솔루션들은엔지니어들로하여금차량에내장된다양한센서들로부터얻은데이터의분석을통해 안전도와성능을향상시킬수있도록실시간솔루션을제공함 적응적조명시스템 날씨, 도로사정, 주행시간대에따라조명센서는자동으로조명밀도와차량의상향등및하향등을조정함 에너지하베스트형전기차량 전기차운영시스템은차량의진동과동작을이용하여에너지를수확하고에너지소모비용을줄일수있음. 효과적인 솔루션의통합을위하여자동차 HW 기술개발자들과에너지기술개발자들간의협력을필요로할것임 TELEMATICS SERVICES Usage-based Insurance Young Drivers Coaching Fleet Management Road Charging Infotainment Traffic END USER AND ADMIN INTERFACES Smartphone Tablet Desktop Computer In-Vehicle Systems DriveSync R Connected Car Platform VALUE ADDED SERVICES Driver Scoring Vehicle Health Roadside Assistance Weather IN-VEHICLE ENABLERS OBD-II / EOBD Mobile Embedded OEM Figure 4 IoT 수송플랫폼적용사례 (Source: IMS DriveSync platform) 3.2 헬스케어에대한파급효과 a) 현재의수요상호연동 (Interoperability) 이가능한시스템에대한수요현재헬스케어어플리케이션들은특정솔루션을제공하는데주안점이있음. 그러한목적을위해사용되는다양한장비들은각기다른성능, 기능, 운영체제및구조와디자인을가지고있으므로보다효과적인정보공유를위한상호연동능력이결여되어있음장비들의상호연동성은의료전문가로하여금데스크탑ㆍ모바일ㆍ태블릿등모든형태의장비들을활용하여시간과장소에관계없이중요한정보에접근할수있게해줌으로써유연성을향상시킬것임 Korea Evaluation Institute of Industrial Technology 49

50 KEIT PD Issue Report PD ISSUE REPORT JUNE 2015 VOL 15-6 실시간정보의필요성정보의가용성은사이버인프라와의연결성이부족한데따른또다른주요장애요인임. 분산형네트웍아키텍처의보급으로정보는여러정보저장소 (Repository) 에분산되어있어중요한시점에정보통합을통해가치있는통찰력을제공하지못하고있음. 이로인해분산된데이터들간의매끄러운통신과필요시실시간정보제공이가능한중앙집중식아키텍처의필요성이제기되고있음 비용절감의필요성개별적인정보시스템과통신장비들의배치를위한인프라구축은비용부담이매우크므로중소건강관련기관들의새로운시스템도입에장애요인이됨. 중앙집중식아키텍처는모든데이터源으로부터데이터를수집하는정보저장소를하나만제공함으로써이문제를해결할수있음. 장비들의상호연동이가능하면모든유자격기관들은극히적은비용만으로대단위데이터셋에쉽게접근하게될것임 b) 미래의시나리오 미래형헬스케어프레임웍은주로중앙집중식정보저장소, 장비연결성센터그리고건강모니터링장비의 3 개요소들로 구성됨 Figure 5 IoT 헬스케어프레임웍 50 한국산업기술평가관리원

51 ISSUE 2 The Internet of Things(IoT 기술개발동향 ) 중앙집중식정보저장소중앙집중식정보저장소는개별장비들로부터수집된방대한규모의정보들의백본 (Backbone) 역할을담당함. 이는어플리케이션서버플랫폼으로서무선통신을통해다양한센서들로부터데이터를수집하고클라우드분석을통해원거리및지정된사용자에게정확한정보를제공함. 건강정보서비스제공자들은전자건강기록 (EHR: Electronic Health Record), 건강정보교환 (HIE: Health Information Exchange), 개인건강기록 (PHR: Personal Health Record) 그리고국가건강정보네트웍 (NHIN: Nationwide Health Information Network) 같은다양한어플리케이션서버들로부터수집한데이터를클라우드컴퓨팅인터페이스를통해통합하고사용자들로하여금모바일ㆍ데스크탑ㆍ태블릿같은개인호스팅기기를통해방대한데이터셋에접근할수있게해줌 장비연결센서들중앙집중식정보저장소와바이오파라미터감지장비들간의연결성은저장소에서의데이터처리를위한다수의계층을갖고있는센서게이트웨이를통해실현이가능함. 운영시스템은와이파이, Zigbee, 블루투스같은표준무선통신인터페이스를제공하여센서데이터에대한보안성이있는통신이가능함. 센서프로토콜들은센서노드로부터정보전달프로세스의에너지효율을높여줌. 미들웨어는센서노드들과어플리케이션인터페이스간의상호작용을관리함. API들은장비와혈압모니터링, 체중측정같은목적에따라사용자에게특정정보를제공함. 바이오파라미터들을감지하는장비들과중앙집중식정보저장소의연결은데이터처리를위한다수의계층을가진센서게이트웨이를통해실현할수있음 건강모니터링장비바이오파라미터감지장비들은혈압ㆍ혈당ㆍ산소ㆍ맥박ㆍ심박등생체데이터수집을위한센서들을융합하여사용자들이신체의생리적상태를즉각적으로이해할수있는손쉬운통신수단을제공함. 이러한센서들은블루투스같은개인영역통신망 (PAN: Personal Area Network) 인터페이스나 Zigbee 같은근거리통신망 (LAN: Local Area Network) 인터페이스를통하여장비로부터클라우드저장소를경유하여호스팅장비로데이터를전송할수있어분석에유용한많은정보를제공함 c) 신참자들을위한파괴적기회카메라내장알약소형비디오카메라및이미지센서와함께소화되지않는캡슐에내장되어외부의자석을통해제어되는 MMS(Micro Machined Sensors) Reed 센서들은헬스케어부문 HW 개발자들로하여금신체내부에대한효과적이고정확한진단기술의개발기회를제공할수있음 환자감시 RFID 칩과바이오파라미터센서의융합을통해병원환경에서환자에대한지속적인모니터링을용이하게실행할수 Korea Evaluation Institute of Industrial Technology 51

52 KEIT PD Issue Report PD ISSUE REPORT JUNE 2015 VOL 15-6 있음. 이는헬스케어부문에서가장유망한어플리케이션의하나로서웨어러블제조사들에게매우큰기회를제공함 예측지원 환자데이터의분석을통해예지적통찰력을제공하는분석어플리케이션도미래에매우큰잠재력을가지고있음. 다양한센서노드들로부터수집된방대한데이터를이용하여중요한시점에정확도높은정보를실시간으로제공함 3D 프린터로제조된장기 3D 프린팅장비제조사들은빅데이터분석을이용하여신체장기제조과정에서다양한주요파라미터들을제어하여 정확도를향상시킴으로써병원에서의장기이식및교체과정에도움을줄수있음 Figure 6 IoT 헬스케어플랫폼적용사례 (Source: Neusoft Corporation) 3.3 에너지산업에대한파급효과 a) 현재의수요실시간모니터링의필요성연한이오래된발전장비와기기는수명의예측이불가능하여종종고장난부품의파악과단전의원인을밝혀내기 52 한국산업기술평가관리원

53 ISSUE 2 The Internet of Things(IoT 기술개발동향 ) 어려운정전사태의발생을야기시킴. 센서데이터를이용한장비수명주기의지속적인모니터링은조기경보와 엔지니어들의문제해결노력에도움이됨 예지적지능의필요성특정지역의전력수급예측실패에따른정전은많은곳에서흔히있는일임. 수요는종종공급을초과하고이는에너지솔루션제공자들이추적하기에어려움이있음. 시스템에예지적지능을도입하게되면전력공급사들은수요를예측하고무정전전원공급기 (Uninterrupted Power Supply) 를통하여전기의발전과사용을최적화하는데도움을받을수있음 제어의필요성가정과사무실에서정교한전기기구들의사용이늘면서정확한전력소비패턴의추적에실패한나머지사용자들은많은전력요금을부담하고있고전력을도용당할위험도있음. 이에따라모든연결된장비들로부터데이터를수집하여포괄적인제어와관리능력을제공함으로써장기적으로사용자들의전력소비비용을절감케해주는스마트미터링시스템에대한수요가제기되었음 b) 미래의시나리오 에너지부문의미래형프레임웍은 Figure-7 의맨좌측에위치한발전단계부터우측에위치한최종사용단계에 이르기까지에너지흐름의모든단계마다 IoT 를도입하는것임 Figure 7 IoT 에너지프레임웍 발전기기존의발전기들은미래의스마트그리드네트웍에서도주요에너지원이될것임. 풍력및태양에너지같은부수적인전력원들은추가적인전력을생성하는데활용될것임. 미래의그리드는양방향통신을통해최종사용자의수요파악을가능하게하고고성능분석기능들은전력생성을수요에맞춰제어할수있도록해줄것임 Korea Evaluation Institute of Industrial Technology 53

54 KEIT PD Issue Report PD ISSUE REPORT JUNE 2015 VOL 15-6 에너지변전소변전소들은모든전력원들을통합하고배전채널을관리하게될것임. 모든장비에는스마트센서가설치되어기기들의수명을상시적으로모니터링하게됨. 전력감시제어시스템 (SCADA: Supervisory Control and Data Acquisition) 이송전선을관리할것임 배전 스마트배전망은배전자동화 SW 가설치되어스마트그리드네트웍과에너지저장네트웍에대한전력및전압 모니터링과최적전력공급을지원할것임 스마트파워그리드네트웍시스템대폭적인탈바꿈이추진될핵심분야임. SW 산업은사용자수요와전력공급사이의격차를해소하기위하여블루투스나 Zigbee 같은전력저소모형네트웍프로토콜과고성능통신망인 IPv6에기반한고성능그리드분석및고객분석과함께서비스지향적통합기술을향해나아가고있음. 보안클라우드컴퓨팅아키텍처는센서로부터실시간으로수집된데이터의감시를통해전력해커들을색출하는고성능보안기능을제공하고전력망을통한전력공급을최적화해줄것임 최적화된에너지저장 배터리는그리드네트웍의균형유지를위한백업에너지역할을담당함. 배터리는전력수요가정점에도달하는시점에 발전기운영비용을절감하는데도움이됨 가정 / 건물의스마트미터 공급사들은전력저소모형 RF를이용하여메쉬네트웍과유선전력선통신망을통해서최종사용자들을추적함. 이는또한 Zigbee나 RF 선을통해홈네트웍제어게이트웨이에장비들의전력사용정보를제공하여전력사용패턴을파악할수있게하고실시간가격정보를제공할것임. NFC(Near Field Communication) 같은선진기술도손쉬운결제솔루션의실행에사용될수있음. 그리고무선통신을이용한전력제어 SW의업그레이딩작업도용이하게수행할수있음 재충전이가능한배터리 미래의스마트홈은사용자가가진대체전력원으로부터전력을끌어오고필요시전력백업을제공하는재충전이가능한 배터리로구성될것임. 이는또한인근의건물이나충전이필요한전기자동차와의전력공유를가능하게해줄것임 센서네트웍제어기제어기는무선가정통신망 (HAN: Home Area Network) 을통해빛ㆍ온도ㆍ개스ㆍ물등의스마트센서네트웍을모니터링하게될것임. 사용자들과장비간의양방향통신으로장비들의최적화된활용이가능해져에너지소비를절감시켜줄것임 54 한국산업기술평가관리원

55 ISSUE 2 The Internet of Things(IoT 기술개발동향 ) c) 신참자들을위한파괴적기회동적에너지가격시스템클라우드로연결된 SW 서비스솔루션은공급자들이제안하는가격들을종합적으로분석하여사용자들이각기자신의사용패턴에따른최선의전력원을찾아내는작업을지원하는선진적인동적가격시스템의개발을가능하게해줄것임 에너지공유인프라홈네트웍에재충전이가능한개별배터리를설치하면사용자들은미래에사용할수있도록전력을저장할수있음. 그리고실시간업그레이드를통해인근의건물ㆍ사무실ㆍ병원등과즉각적으로에너지를공유함으로써용이하게전력의평준화를실현할수있음 발전최적화를위한예지적분석 빅데이터를이용한예지분석 SW 솔루션은전력사용실태에대한효과적인모니터링을가능하게할뿐아니라스마트 그리드네트웍제어시스템에서미래의전력수요를예측하고이에따라발전원천을최적화하는데중요한수단이될것임 보안스마트그리드네트웍제어기 에너지해킹에대응하는사이버통신망보안기술과통합된고성능네트웍제어기들은전력손실과정전의발생을방지할 수있음. IoT 에서장비의보안이주요이슈로등장함에따라이기술분야는개발자들에게큰보상을제공해줄수있음 Figure 8 IoT 에너지플랫폼적용사례 (Source: GE) Korea Evaluation Institute of Industrial Technology 55

56 KEIT PD Issue Report PD ISSUE REPORT JUNE 2015 VOL 항공우주산업에대한파급효과 a) 현재의수요실시간데이터의필요성군사시설들이바다ㆍ지상ㆍ공간으로분산되어있어다양한정보원들로부터의정보수집과임무수행에필수적인어플리케이션을위한계획수립에어려움이있음. 이러한문제들은모든시설들로부터실시간으로정보를갱신하고의사결정과정을용이하게해주는연결된戰場혹은네트웍중심戰場의개념을도입함으로써해결할수있음 정보협력의필요성항공우주산업용으로제조되는부품들은대부분여러지역에분산되어있는제조기업들로부터조달되고있음. 제조기지간의협력이부족하면가치사슬상의수요와공급에불균형을야기할수있음. 가치사슬상의모든이해당사자들을연결하는중앙집중적아키텍처는수요와공급상황을즉시투명하게파악할수있게하여고객수요를보다효과적으로만족시키는데도움이될것임 사용자친화적시스템의필요성항공우주조종시스템은정교한기술과통합된가장복잡한기술인터페이스중의하나로서항공기조종은고도의기술을지닌조종사를필요로함. 마찬가지로탑재시스템은데이터원천의확보제약과연결성의부족으로조종사들이조치를취하는데도움이되는통찰력을제공하지못하고있음. 따라서중앙정보저장소와사용자친화적상호작용및연결을지원하는고성능센서를설치하여, 대량데이터의분석을통한대응조치를지원하는통찰력을제공하고조종실에서인적오류의여지를줄일필요성이제기되었음 b) 미래의시나리오 항공우주및방위산업에 IoT 를도입하게되면공급망의효과적인관리를통한운영효율개선에도움이될뿐아니라 중앙집중식데이터공유를통해戰時에병력과항공기의운영을용이하게해줄것임 Figure 9 IoT 항공우주및방위산업프레임웍 56 한국산업기술평가관리원

57 ISSUE 2 The Internet of Things(IoT 기술개발동향 ) 戰場정보공유戰場에서사용되는무기와장비들은센서융합을통해원격으로장비운영을감시하거나장비수명을분석하는등성능이고도화되고있음. 이들은위성통신 (SATCOM) 을통해중앙집중식클라우드정보저장소와연결되어군사령부가戰場의상황을정확히파악하는데도움이됨. 미래의네트웍통신은데이터통신에있어높은보안성과신뢰성을제공하는 IPv6 통신을더많이활용하게될것임 군사령부의의사결정항공우주및방위산업의일부장비는지능화되어신뢰성및보안성이있고안전한모니터링시스템의지원을받아자율적인운영이가능함. 군사령부는클라우드연결과고성능빅데이터분석기능을이용하여가치사슬전체를대상으로센서통신과연결된장비들을관리할수있음. 정교한감시기능과이종장비간상호운영성향상에힘입어실시간모니터링과그과정이최적화됨으로써필수적인임무수행을위한신속한전략실행이가능하게될것임 재고예측분석재고관리솔루션은사령부와제조부문간양방향통신을통하여수요와재고를예측하는데필요한정보를실시간으로수집할수있게되어재고관리의최적화를지원할것임. 비축된재고품에 GPS 추적센서를설치함으로써제품의추적이용이해질것임 제조기계제조부문이클라우드인프라와연결됨으로써공급망프로세스를이해하는데필요한재고와공급선에대한실시간정보수집및갱신이가능해질것임. 센서를내장한기계들은고장을사전에감지할수있어생산공정의중단사태를예방하는데도움이될것임 설비공급사설비공급사들은자사의브랜드정책에반영할수있도록범세계적인규범및안전정책들의수시변동정보를많은노력을들이지않고확보할수있음. 공급자들과의투명한통신으로브랜드기업들은보다효과적인가격전략의수립에도움을받을것임 차세대조종시스템선진적인조종시스템은주변에대한가시성을향상시켜주는고성능비전시스템, 양방향정보디스플레이를위한증강현실기술, 시스템과의상호작용노력을덜어주는촉감및음성인식기술, 그리고조종사에게조치가능한통찰력을제공하는빅데이터분석같은차세대기술들로구성될것임. 차세대조종실은다양한항공기센서들과정보저장소및항공기주변환경으로부터수집되는데이터를이용하여의사결정을위한포괄적이고정확한통찰력을제공할것임 Korea Evaluation Institute of Industrial Technology 57

58 KEIT PD Issue Report PD ISSUE REPORT JUNE 2015 VOL 15-6 c) 신참자들을위한파괴적기회항공우주산업공급망에대한예지적분석협업적공급망관리솔루션은시장수요를예측하기위한예지적분석기능을제공하고시장수요의충족을위한프로세스의최적화를용이하게할수있음. 이러한영역에서빅데이터분석솔루션은매우큰시장잠재력이있음 조종실을위한뇌신경형 (Neuromorphic) 칩 차세대로봇들은고성능분석기능과함께뇌신경형칩들을내장하여인간의두뇌처럼에너지효율적으로작동하고 생각하게됨으로써조종사의작업부하를줄여줄것임 장비통합을위한플랫폼다양한장비의통합과센서데이터융합을지원하는오픈아키텍처플랫폼은고성능협업솔루션들을배치하려는방위산업고객들에게는매우큰관심사일수있음. 단일플랫폼환경하에서최고의성능들을함께제공하기위해서는센서및방산기술개발자들과통신및 SW 솔루션제공자들간의협력이필요함 음성으로작동되는조종솔루션음성명령은유연성이좋으므로모바일기기어플리케이션들에서활용이급속히확산되고있음. 음성인식기술은조종사를위한상호작용성과사용자친화성을향상시키는기술개발을통하여차세대조종시스템에서큰사업기회를갖게될것임 Figure 10 IoT 항공우주및방위산업적용사례 (Source: Thales) 58 한국산업기술평가관리원

59 ISSUE 2 The Internet of Things(IoT 기술개발동향 ) 3.5 제조산업에대한파급효과 a) 현재의수요디지털화의필요성세계화확산에따라기업들이범지구적으로분산되면서원격으로아날로그제품과서비스정보를경험하기가어려워졌음. 이로인해제조사들이다른지역에소재한고객을끌어들여제품을판매하기도어려워졌음. 따라서물리적제품과서비스에대한정확한정보제공과가상적인제시를가능하게해주는디지털시대의구현이필요해졌음 원격모니터링의필요성장비고장에기인하는손실의방지를위하여공장에서진행되는작업들은지속적인모니터링이필요함. 그러나수작업에의한지속적인장비모니터링은종종오류를적기에감지하지못하여제조공정의중단을야기시킴. 공장관리자는스마트폰어플리케이션이제공하는자동작업모니터링과실시간공지를이용하여장소에상관없이모든공정오류및중단정보를상시적으로얻을수있음 협력적공급망의필요성오늘날의경쟁적인시장환경에서고객서비스의지연은종종잠재적사업기회의상실로이어질수있음. 수요와공급에대한부정확한정보는고객수요의적기충족을저해함. 이에따라제조사들에게가치사슬상의수요와공급에대한실시간정보를제공하여정보기반의의사결정을통해더나은고객서비스를지원하는투명한협업플랫폼의수요가제기되었음 b) 미래의시나리오 Industry 4.0 추진이대세로자리잡으면서, 근래제조산업은 IoT 프레임웍의운영을통하여크게변모하고있음. 무선통신망에의하여제조가치사슬상의모든부문들은공급망네트웍안에투명성과공정효율성을도입하는방향으로계속진화하고있음 Figure 11 IoT 제조프레임웍 Korea Evaluation Institute of Industrial Technology 59

60 KEIT PD Issue Report PD ISSUE REPORT JUNE 2015 VOL 15-6 협력적공급망관리다른이해당사자들및다양한부문간의협업은차세대공장을실현하기위한필수적인조치중의하나임. 클라우드컴퓨팅을실행하면조직들은가치사슬상의정보를실시간으로수집할수있음. 이를통해조직들은공급자들로부터최종사용자들에게이르기까지투명한정보공유를통해공급과수요의균형을맞출수있게될것임. 협업은공장내물류흐름파악, 재고추적, 그리고분석을통한미래시장수요의예측을가능하게해줄수있음 기계와공정의실시간모니터링장비와기기들로부터의무선통신은위성통신을통해클라우드인프라에접속하여장비와프로세스의실시간모니터링정보를공유시킬수있음. 이정보는장비고장의예측과생산공정의중단을방지하는능동적보전공정의실행에도움이될수있음. 장비에고장이발생할경우장비에내장된센서는이를감지하고자동으로예방조치를취함으로써오작동을방지할수있음 사이버 - 물리시스템개발 차세대공장은물리적객체들과빅데이터및클라우드컴퓨팅같은컴퓨팅요소, 그리고가치사슬상의방대한정보협력에기초한고성능분석기능들과의융합을통해실현될것임. 위치선정기술및센서들로인해공장내제품및인원들의추적이쉬워질것임. 자가조달 (BYO: Bring Your Own) 장비의개념은많은제조공정들이다양한어플리케이션에접근할수있게하고사회적데이터들을제조공장데이터와통합시켜가용데이터셋을더욱풍부하게해줄것임. 연결된스마트장비들은서로소통하고실시간으로정보를공유하며전체가치사슬을변모시킬것임 c) 신참자들을위한파괴적기회증강현실기반의공장모니터링증강현실기술은어느곳에서나획득할수있는상호작용정보와함께공장의가시성향상에도움이됨. 이는또한장비나공정에대한정보를즉시제공함으로써제품개발프로세스를향상시킴 고성능 3D 프린팅 제조장비, 제품혹은설비의인쇄 ( 제조 ) 를위한고성능 3D 프린팅공정은빅데이터분석기술을이용하여설계공정과 작업모니터링의정확도를향상시킬수있음 옥내추적솔루션 (Indoor Tracking Solution) GPS 와센서들로부터수집되는데이터를이용하여복잡한제조환경속에서인력ㆍ장비ㆍ설비의신속한추적을 지원하는옥내추적솔루션들이크게주목을받고있음 60 한국산업기술평가관리원