3D 프린팅기술현황과응용사례 Korea Communications Agency 2013.11.07
요약 프린팅에대한관심이높아지고있다 지금까지는주로시제품제작에이용되었으나 최근에차세대생산기술중하나로주목받기시작했기때문이다 지난해 에서는제 차산업혁명을촉발시킬수있는기술로 프린팅을소개했으며 올해초미국의오바마대통령은거의모든것의생산방식을바꿀잠재력을가진기술로 프린팅을언급했다 또한롱테일의저자크리스앤더슨은제조업의민주화를가져올기술중하나로 프린팅을꼽고있다 하지만대부분의사람들은여전히 프린팅의잠재력에의구심을가지고있다 본고에서는 프린팅의기술동향을통해향후 프린팅이차세대생산기술중하나로자리잡을수있을지살펴보고자한다 1. 서론 년대후반 처음으로상용 프린터가출시된이래주로시제품제작에이용되어왔다 기존생산방식은제품디자인이바뀔때마다금형이나생산장비를바꿔야하지만 프린팅은제품디자인만바꾸면즉각적으로새로운시제품을제작할수있기때문이다 시제품제작단계에서는제품결함을발견하고수정하는과정이몇차례반복될수있다는점을감안하면 기업이 프린팅을도입함으로써절감할수있는시간과비용은적지않다 때문에자동차 비행기 가전제품 운동화 장난감등다양한분야에서이미많은기업이시제품제작에 프린팅을도입하고있다 최근 프린팅은시제품제작도구를넘어차세대생산기술로주목받기시작했다 제작속도가빨라지고 출력물의완성도가높아졌으며 사용할수있는소재가다양해지는등기술자체가고도화되고있기때문이다 기술이발달하면서일반사용자도손쉽게제품을디자인할수있게되었을뿐만아니라 여러사람과디자인을공유하는것도쉬워졌다 게다가 프린터와관련된주요특허가만료되기시작하면서제품개발에참여하는기업이늘어났으며 이는향후가격하락및기술혁신으로이어질수있을것이다 게다가미국 유럽 일본 중국등각국정부역시차세대생산기술중하나로 프 린팅을주목하고있다 지난해미국정부가미국제조업부흥을위해발족했던 첨단 2
3D 프린팅기술현황과응용사례 제조업파트너십 에서는차세대생산기술중 하나로적층가공을선정했으며 오하이오주의 에는적층가공에특화된연 구기관 를설립했다 미국내첨단제조업육성을위해 억달러를투자해서 개의제조업혁신연구센 터를구축하는 국가제조업혁신네트워크 의일환이다 는정부기관에서 천만달러 민간기업컨소시엄에서 천만달러를출자에서설립한것으로 등 프린터업체와함께 등글로벌제조업체들도참여하고있다 는미국내에서적층가공과관련된기술을개발하는지역적거점인동시에글로벌혁신센터가되는것을목표로하고있다 또한기초 와기술상용화사이의간극을좁히고 기술대중화를위한인프라구축에앞장설계획이다 더나아가오바마대통령은 가미국의제조업강화의시작이며 자국일자리창출에기여할것이라고전망했다 중국역시 프린팅산업육성에박차를가하고있다 지난해 프린팅기술의산업화와시장화를추진하고 국제교류를가속화하기위해 프린터기술산업연맹 을조직했다 최근중국의과학기술부는 프린팅을 국가기술발전연구계획및 년국가과학기술제조영역프로젝트지침 에포함시켜총 만위안을투자할계획이다 또한 개도시에는 프린터기술산업혁신센터가건립될예정이다 유럽과일본역시 프린팅시장의성장가능성을주시하고있다 지난해 는첨단기술육성을통해 년 중제조업비중을 까지늘리는방안중하나로 프린팅을언급했다 또한지난 월 영국에서는정부와민간기업이 프린팅산업에 만파운드를투자할계획이라고발표했다 일본역시제조업육성을위해 조엔을투입하기로한가운데 차세대 프린터개발에나서고있다 그렇다면 프린팅이란과연무엇인가 프린팅은미래제조업에영향을미칠만한 1)http://www.commerce.gov/news/press-releases/2012/08/16/obama-administration-announces-new-publi c-private-partnership-support 2) 미래창조과학부블로그, 중국화제의중심, 3D 프린터 (2013.7) 3) Duduchina, 중국정부지원사격에 3D 프린터뜬다 (2013.6) 4) www.gov.uk, UK businesses are set to benefit from a 14.7 million investment to develop 3D printing projects, Business Secretary Vince Cable announced (2013.6). 5) 주간조선, 3D 프린터후발국한국, 언제쫓아가나? (2013.8) 3
잠재력이있을까 여기서는 프린팅의기술현황및응용사례에대해알아보고 향 후 프린팅이제조업에미칠수있는파급효과에대해서전망하고자한다 2. 3D 프린팅기술소개 프린팅은제품을제작하는방식중하나로소재를층층이쌓는방식이다 기존프린터가잉크를분사하듯 프린터는다양한소재로제품단면을인쇄하여적층하는방식이다 때문에재료를자르거나깎는방식의기존생산방식을절삭가공 이라하는반면 새로운층을켜켜이쌓는 프린팅은적층가공 이라한다 프린팅을하려면먼저제품을디자인해야한다 오늘날엔지니어 디자이너 건축가등은전문소프트웨어 를사용해서디지털화된 차원제품디자인을작성한다 현실속에실재하는사물을디지털화된제품디자인으로옮기기위해서 스캐너를사용하는경우도있다 최근에는일반대중들도손쉽게제품을디자인할수있는소프트웨어들도보급되고있다 의 이대표적인사례이다 그림판에서도형을그리듯이제품을디자인할수있다 또한 차원공간에서사람의움직임을인지하는 의 는일반대중이쉽게접할수있는 스캐너가되기도한다 전문소프트웨어로제작된파일은업계에서공통적으로사용되는파일형식으로저장 4
3D 프린팅기술현황과응용사례 된다 다양한종류가있지만주로 파일형식이사용된다 광조형법 에사용되던파일형식이다 제품디자인이작은삼각형의집합으로변환되어저장되는것으로 꼭지점의조밀함이제품의완성도에영향을미친다 최근에는새로운파일포맷도등장하고있다 일례로기존방식이제품형태에관한정보만담고있다면 파일은색상 소재등보다세부적인디자인정보를포함한다 제품디자인이실제로출력되기위해서 파일을 프린터가이해할수있는명령으로변환하는과정이필요하다 차원제품디자인을연속적인 차원제품단면으로재구성해야할뿐만아니라 프린터헤드의물리적인이동경로 적층해야할소재의양등을미리계획해야하기때문이다 일례로 처럼 등의파일을읽어들여 프린터를구동할수있는명령으로전환해주는무료프로그램이등장하기도한다 이는 등다양한업체의 프린터에서사용할수있다 실제 프린터가제품을제작하는공정은다양하다 사용할수있는소재및제작방식에따라보다다양한기술이존재한다 가장대표적인방식으로광조형법 압출적층법 레이저소결법 등이있다 가 광조형법 년대후반 의창업자 이개발한방식이다 빛을받으면굳어지는성질을가진액체상태의광경화성수지에자외선레이저를쬐어제품단면을인쇄 적층하는방식이다 자외선레이저가닿은광경화성수지는굳어지지만 닿지않은부분은그대로남아있게된다 한층이완성되고나면 그위를다시광경화성수지로채우고인쇄를시작한다 상대적으로정밀하다는장점이있다 다만한번에하나의재료만사용할수있다는제약이있다 제품을프린트한후에는사후공정이필요할수도있다 프린트된제품에서여분의물질을씻어내거나 표면을매끄럽게다듬기위해서사포질을해야할때도있기때문이다 제품에따라서는때때로추가적인경화작업이필요할수도있다 6) 웹사이트 (http://slic3r.org/) 5
나 압출적층법 오늘날 프린팅업계의또다른강자 의창업자 가개발한기술이다 열을가하면녹는성질을가진플라스틱을프린터노즐에넣고온도를높이면 노즐끝에서재료가부드러워지거나녹아서제품의단면을인쇄할수있다 두개의노즐을사용해서 하나는제품을제작하고 다른하나는제품을받치는지지체를제작하는방법도있다 물론지지체는제품이완성되면제거된다 주로 등플라스틱이사용되며 최근에는치즈 초콜릿 쿠키반죽등다양한식재료부터콘크리트처럼건축재료에이르기까지등다양한소재들이시도되고있다 가느다란플라스틱을녹여서층층이쌓는방식이기때문에표면상태가고르지않아추가적인사후공정이필요하다 하지만레이저를사용하지않기때문에학교 사무실 집등에서안전하게사용할수있고 상대적으로기계장치가단순해서유지보수가쉽다 저가화 대중화에유리할것으로예상되며 현재오픈소스하드웨어형태로개발되고있는 프린터는대부분 방식이다 6
3D 프린팅기술현황과응용사례 다 레이저소결법 텍사스대학의 와 이미국 의지원을받아개발한기술이다 분말형태의소재에레이저를쬐어제품단면을인쇄하는방식이다 한층이완성되면그위에새로운분말을덮어다음층을제작한다 나일론 티타늄 세라믹등다양한소재를사용할수있다는장점이있다 또한주변에남아있는분말이지지체역할을할수있어복잡한디자인의제품도비교적쉽게제작할수있다는장점이있다 반면고출력레이저를사용하기때문에비싸고 집 학교등에서는사용하기쉽지않다 어떤종류의분말은잘못취급하면폭발할수있어질소로가득찬밀폐된공간에서제품을제작해야하는경우도있다 또한레이저를사용하는공정자체가상당한열을발생시킬수도있기때문에일정기간냉각이필요할수도있다 7
이외에도금속분말에전자빔을쬐는 종이처럼얇은막 을층층이쌓아올리는 등다양한기술이존 재한다 이에따라 미국시험재료협회 에서는사용되는소재와가공방식에따라 프린팅기술을크게 가지로분류했다 의기술분류에따르면 방식은 방식은 방식은 에속한다 3. 3D 프린팅의응용사례및잠재력 지금까지 프린팅은주로시제품제작에이용되어왔다 제품디자인만입력하면그자리에서시제품을제작할수있을뿐만아니라오류를발견한경우손쉽게다시제작할수있어 제품개발에드는시간및비용을획기적으로단축시킬수있기때문이다 이에따라자동차 항공기 운동화 가전제품 장난감등다양한분야에서 프린팅을시제품제작에활용하고있다 일례로람보르기니는스포츠카 시제품제작에 프린팅을활용함으로써기존에는 달동안 달러가소요되던일을 일동안 달러를투자해서완료할수있었다 7) NAMII, Additive Manufacturing for Metalformers (2013.7) 8
3D 프린팅기술현황과응용사례 하지만최근 프린팅은시제품제작을넘어직접제품을제작하는차세대생산기술로주목받기시작했다 기술자체가고도화되면서제작할수있는제품이다양해졌기때문이다 오늘날 프린팅은기존생산기술의한계를보완할뿐만아니라 새로운제조업을열어갈수있는가능성을제시하고있다 가 개인맞춤화 프린팅의등장은개인맞춤형제품이확산되는계기가될수있다 오늘날생산시스템은표준화된제품을대량으로생산하는것이비용측면에서유리하다 때문에사람들은자신의체형 취향 스타일에꼭맞는제품을원하면서도가격때문에표준화된제품을구매한다 하지만 프린팅은개인맞춤형제품을합리적인비용으로생산할수있는잠재력이있다 별도의금형이나생산설비가필요하지않아 매번다른제품을제작하더라도추가비용이크게발생하지않기때문이다 보청기 치아 의족 임플란트등개인맞춤형제품이반드시필요한영역에서 프린팅이빠르게도입될전망이다 최근환자의턱뼈를대체할수있는임플란트가 프린팅으로제작됐다 티타늄으로골격을만들고바이오세라믹으로코팅을한것이다 근육과신경이지나는자리까지고려했을때기존생산기술로는제작하기어려운디자인이었다 더나아가 프린팅은이미대량생산에익숙한제품도개인맞춤형제품으로돌려놓을수있는잠재력이있다 올해초 는운동선수를대상으로발모양과발의움직임까지고려한개인맞춤형운동화를선보였다 신생기업 는개인맞춤형으로안경테를디자인해서 프린터로제작할계획이다 아직까지는개인맞춤형제품이특별한고객을대상으로한정적으로제공되고있으나 중장기적관점에서는일부산업에서개인맞춤형제품이대중화될가능성도무시할수는없다 8) BBC, Transplant jaw made by 3D printer claimed as first (2012.2) 9
나 디자인고도화 프린팅은혁신적인제품디자인을가능케할것이다 기존생산방식은복잡한내부구조나속이비어있는디자인은제작하기어려웠다 하지만 프린팅은제품단면을한층씩인쇄하면서적층하기때문에복잡한디자인도손쉽게제작할수있다는장점이있다 때문에식물의줄기나사람의뼈와같은구조를모방하여중량을줄이면서내구성이큰제품을제작하는것이가능해질것이다 향후디자이너들이생산기술에의한제약없이자신의아이디어를실현할수있는가능성도높아질전망이다 최근액세서리 주방기구 생활용품 조명기구등다양한영역에서 프린팅으로제작된창의적인디자인의제품들이속속등장하고있다 네덜란드의디자이너 가 프린팅으로제작한독특한디자인의의류와악세서리를선보인이후 프린팅으로제작된구두 드레스 수영복등이등장하고있다 신생기업 은 방식을이용해서나일론입자로제작한비키니수영복과신발을판매하고있다 이처럼 프린팅으로제작된패션아이템들은대부분수많은점과선으로구성되어있어기존생산기술로는제작하기어려운경우가많다 10
3D 프린팅기술현황과응용사례 다 생산공정간소화 향후 프린팅은생산공정자체를바꿔놓을수도있을것이다 기존에는부품을개별생산해서조립하던것을 프린팅은단숨에생산해낼수있기때문이다 이는조립 용접등일부생산공장을단축할수있음을의미한다 는제트기엔진의연료노즐을제작하는데 프린팅을활용할계획이다 개가량의부품을용접하는대신코발트 크롬파우더 에레이저를쬐어 마이크로미터두께로제품단면을쌓아올림으로써생산비절감및제품경량화가가능하기때문이다 또한 가 프린팅으로제작한자전거 는축 바퀴 베어링등을단번에인쇄함으로써조립 용접과정을대폭단축시킬수있다 더나아가 프린팅공정으로자동차몸체자체를인쇄할수도있다 신생기업 의디자이너 는 프린터로자동차 의몸체를제작했다 이때수많은부품을이어붙이는대신 소재를적층함으로써자동차무게를줄일수있었을뿐만아니라 이를통해자동차연비도높일수있었다 물론아직까지는생산성 효율성 안전성등검증되어야할부분이많지만 아직까지 프린팅이태동단계임을감안한다면향후생산공정의변화가불가능한일만은아닐것이다 라 제조 중장기적인관점에서 프린팅은생산시스템자체를바꿔놓을수있을것이다 고객이원할때 고객과가까운곳에서고객이원하는제품을제작하는것이가능해질수있기때문이다 필요할것으로예상되는재고를비축하는대신 필요할때제품디자인을다운받아제품을생산할수있을것이다 이런변화는궁극적으로생산공정및공급망을간소화시킴으로써비용절감을가져올뿐만아니라 자연재해를포함해서예기치못한국지적사고로인한피해를줄일수도있다 프린팅을통해 방식으로제품을제작하는조짐은나타나고있다 는고장난제빵기의부품을구하기힘들자 직접필요한부품을디자인하여 프린팅으로제작했다 사용자가필요한시점에필요한제품을디자인해서제작한것이다 향후자동차수리점에서는부품재고대신디지털도면을보관하다가 필요 9) MIT Technology review, 10 Breakthrough technologies 2013, Additive Manufacturing (2013.4) 10) Wired, 3D printed car is as strong car is strong as steel, half the weight, and nearing production (2013.2) 11) Shapeways 의블로그, Repairing Appliances with Shapeways 3D Printed Ceramic Parts (2013.3) 11
하면 프린터로제작하는것도가능해질것이란예측도있다 가장이상적인형태는현장에서필요한제품을자체제작하는것이다 에서는우주탐사중주변광물을이용하여필요한제품을제작하는 프린터를연구하고있다 특히워싱턴주립대학의 교수는달의흙을가공할수있는 프린터개발을시도함으로써실현가능성을타진하고있다 마 개인제작도구 프린팅의또다른잠재력은개인이제품을제작할수있는도구라는점이다 즉 상당규모의설비투자나숙련된생산기술이없더라도제품디자인만있으면개인이제품을제작할수있게된것이다 게다가최근저렴한가격대의 프린터가보급되기시작하면서 개인이필요한물건을스스로제작해서사용하는것은더욱쉬워지고있다 하지만향후에도개인이 프린터를보유하는경우는흔치않을수있다 자주사용하지않는다면굳이 프린터를구매할필요는없기때문이다 이에따라최근개인이디자인한제품을 프린터로대신제작해주는업체가등장하고있다 와같은웹사이트가대표적인사례이다 개인이디자인파일을업로드하고 원하는소재를선정하면 는 프린터로제작해서배송해준다 이외에도 등에서유사한서비스를제공하고있다 최근에는사무용품전문회사 유통업체 등은오프라인매장에서제작대행서비스를제공하기시작했다 더나아가 와같은웹사이트는개인이디자인한제품을다른사람들에게도판매할수있는온라인마켓플레이스가되고있다 과거아마존이기업이제작한물건을고객에게판매하는온라인마켓플레이스의선구자였다면 는개인이디자인한물건을글로벌고객에게판매할수있는온라인마켓플레이스를열어가고있는것이다 이는개인의창의적인아이디어가보다손쉽게상품으로탄생할수있음을시사한다 바 바이오프린팅 프린팅의또다른가능성은차세대유망산업에적합한생산기술이될수있다는 12) Wall Street Journal, Next 3-D Frontier: Printed Plane Parts (2012.7) 12
3D 프린팅기술현황과응용사례 점이다 최근인공혈관 인공신장 인공피부등을만드는데 프린팅을활용하는바 이오프린팅 이대표적인사례이다 유럽에서는독일의연구기관 주도로 프린팅을통해인공혈관을만드는 프로젝트가진행되고있다 인공피부나인공장기가현실화되기위해서는이들조직에필요한영양분을공급할수있는인공혈관이필요하기때문이다 레이저를정밀하게제어하여나노미터단위로소재를인쇄하는방식이다 또한 년설립된신생기업 는수만개의세포로만들어진바이오잉크 를원하는모양으로적층하는 프린팅기술을개발했다 향후신약개발의독성실험에사용될인공간세포를제작하는데사용될전망이다 사 마이크로 나노프린팅 최근 프린팅을이용해서마이크로미터 나노미터단위의제품을생산하려는시도가있다 비교적장기적인관점에서접근해야하지만적용할수있는영역이다양하다는장점이있다 일례로신생기업 는미세하게레이저를조정하여 나노미터단위의구조물을생산할수있는 프린터를선보였다 특히기존에는한시간넘게걸리던작업을 분이하로단축시킬만큼빨라졌다 프린터를사용해서마이크로미터크기로인쇄한초소형배터리가소개되기도했다 연구진은머리카락보다가는두께로전극을인쇄 적층함으로써모래알크기의리튬이온배터리를제작한것이다 초소형배터리이지만충방전속도 배터리수명 에너지밀도등은상용제품에근접한다 향후의료기기나초소형로봇에활용될수있을것이다 13) BBC, Artificial blood vessels created on a 3D printer (2011.9) 14) Optics.org, Fraunhofer leads project to grow artificial tissues (2012.2) 15) Technology Review, Micro 3-D Printer Creates Tiny Structures in Seconds (2013.3) 16) Cnet, 3D Printed pinhead battery could power robots (2013.6) 13
4. 결론 물론 프린팅이차세대생산기술로서기존생산기술을대체할것으로전망하기는다소이르다 프린팅기술로는규모의경제가적용되는오늘날의대량생산시스템처럼저렴하게제품을제작하기는어렵기때문이다 프린팅이해결해야할기술적인과제들역시적지않다 활용의폭을넓히기위해서는 프린터가격이사용할수있는소재의종류도다양해져야할뿐만아니라 프린터기기자체가보다빠르고정밀하게제품을제작할수있어야한다 최근 프린터의기술발전속도가빨라질수있는조짐이나타나고있다 핵심특허가만료되면서다양한기업이시장에참여하기시작했기때문이다 이는기술개발속도를가속화시킬뿐만아니라가격하락의여지를넓힐것이다 일례로 방식의특허가만료되고 개인이 방식의 프린터를직접제작할수있도록관련정보를웹에공유하는 프로젝트가시작되면서 개인용 프린터의가격은빠르게하락하고 성능은급격히개선되고있다 게다가여기서공유된아이디어들은저렴한 프린터를제작하는신생기업이탄생할수있는밑거름이되고있다 다른기술방식들역시핵심특허가만료되었거나 조만간만료될전망이다 관련전문 가인 에따르면 년에는 방식의원천특허역시만료된다 물론 14
3D 프린팅기술현황과응용사례 방식은레이저를사용하기때문에 처럼기기를단순화하거나저가화하는것이쉽지않겠지만 다수의기업이참여할경우새로운혁신의가능성이높아질잠재력이있는것도사실이다 일부에서는 가레이저를사용하는광학기술이기때문에특허가만료된후 여러업체가경쟁에뛰어들면인쇄속도가급격히빨라져제품을대량생산하는것도가능해질것이라는의견도제시하고있다 이에따라 프린팅의진화방향성에주목할필요가있다 특히 오늘날 프린팅은기존생산기술의한계를보완할뿐만아니라새로운제조영역에서가능성을제시하고있다 고객이원하는시점에고객과가까운곳에서고객이상상하는제품을제작하는것도가능해지고있는것이다 비록아직까지는조짐에불과하지만기존제조업이가치를창출하는방식역시바꿔가고있다 이런변화는중장기적인관점에서제조업의패러다임자체를바꿔놓을수도있을것이다 이와같은상황에서미국 유럽 일본 중국등각국정부는 프린팅산업화에적극투자하고있다 기존 프린터시장의강자들역시 를통해세력을넓혀가고있다 우리나라의경우 지난 월 미래창조과학부에서 프린팅활용기술 을 년도기술영향평가대상으로선정하였고 월에는산업통상자원부에서 프린팅산업발전전략포럼 을발족한바있다 비교적시작은더뎠지만 적극육성함으로써새로운기회를잡을수있을것이다 17) 한국경제, 뭐든찍어내는 3 차원프린터특허 2014 년초만료 산업계지각변동 ' (2013.8) 15
크리스앤더슨 윤태경옮김 메이커스 주 알에이치코리아 호드립슨 프린팅의신시계 한스미디어 허제 고산 기획 프린터의모든것 동아시아 홍일선 프린팅 제조업의개념바꾼다 포커스 16
방송통신기술시장 정책콘텐츠 발행호 2013 년제 6 호 발간물명 3D 프린팅기술현황과응용사례