( 특집 ) 산업창조화시리즈 Ⅰ. 제조업공정혁신의기폭제 3D 프린팅산업 Ⅰ Ⅱ 제조업공정혁신의기폭제 3D 프린팅산업 초대형해상구조물 (VLFS) 실용화를통한조선해양산업의재도약 요 약 3D 프린팅은 거의모든것을제조하는방법의혁신 으로일컬어지면서, 장차제조업공정을혁신하는기폭제로작용할전망이다. 3D 프린팅을이용해복잡구조제품을생산하고, 시제품제조시간을단축하며, 소재낭비를줄일수있다. 한편, 3D 프린터의크기에따른제품크기제한, 소재제약, 지식재산권침해, 총기류제작등안전성문제도대두되고있다. 성장하는 3D 프린팅산업의혁신요소와경제적효과를분석한결과, 3D 프린팅산업을통해제조업은점차 주문생산 (Build to Order) 으로진화할것으로예상된다. 또한디자인 S/W 와접목하면서생산효율성측면에서시너지효과가발생할것이며, 사회적잉여역시소비자와생산자측면에서모두증가할전망이다. 현재주요국에서는 3D 프린팅산업분야의경쟁심화에대비하여제조원천기술과 S/W 포맷의표준선점, 3D 프린팅서비스기업의창업지원등을활발히실시하고있다. 우리정부도경쟁력확보를위해저가 3D 프린터보급을통한대중화와창업지원을추구하면서, 기술및디자인포맷선점을위한정책방안을모색해야할것이다. 36 K I E T 산업경제
1. 서론 2013년오바마대통령이연두국정연설에서 3D 프린팅 (3D printing) 을 거의모든것을제조하는방법의혁신 으로언급하였다. 2012년원천기술의특허만료와함께프린팅플레이스 (Makers Place) 1), 온라인커뮤니티의결합이시너지효과를내면서미국을중심으로 3D 프린팅산업이폭발적으로성장하고있다. 3D 프린팅은디자인을 3차원으로출력하는일련의과정을말한다. 이를통해소비자의제품선택권을일대일완전맞춤까지확장하여 주문생산 (Build to Order) 시대를이끈다. 동시에생산자에게는재료의낭비를줄이고빠른디자인변경이가능한생산방식을제공한다. 따라서주요국은 3D 프린팅산업을미래제조혁신기술로보고기술 R&D 및인력양성과창업을적극적으로지원하고있다. 본고에서는 3D 프린팅을이용한생산과정과혁신요소분석을통해제조업에미칠경제적효과를살펴보고, 국내외시장현황과제조업활용사례를통해 3D 프린팅산업과연관분야의창조산업화방안을모색하고자한다. 2. 3D 프린팅을이용한생산과정과응용분야 3D 프린팅은 3차원설계도를 3D 프린터에전송하여플라스틱, 금속, 세라믹, 세포등의각종소재를층층이쌓아제조하는생산방식 을말하며, 이러한제조법을첨삭가공 (Additive Manufacturing) 으로명명한다. 3D 프린터의기계적특성은기존공작기계와거의유사하며, 기본적으로 3개의축을가진 CNC(Computerized Numerical Control, 컴퓨터수치제어 ) 기계라고할수있다. 2) 기존절삭가공 (Subtractive Manufacturing) 3) 은수공업에비해공학적효율성이높지만벌집구조 (Honeycomb structure) 와같은복잡구조제품생산시, 재료낭비가심하고제작도어렵다. 3D 프린팅을이용하면내부구조를벌집으로설계한채프린트함으로써재료의낭비를줄 1) 메이커스플레이스 (Makers Place) 는해커스페이스 (Hacker Space) 라고도하며, 개인이능동적으로제품을생산하는데필요한아이디어및생산장비 (CNC 머신, 레이저커터, 3D 프린터, 3D 스캐너등 ) 의공유의장을말한다 (Steven Kurutz, The Rise of the Hacker Space : One Big Workbench, The New York Times, 2013. 3. 1.). 2) 메이커스 (2013) 인용. 3) 덩어리소재를늘리거나다듬고깎아내는공정을말한다. 2 0 1 4 0 3 37
제조업공정혁신의기폭제 3D 프린팅산업 이고내구성도높일수있다. 3D 프린팅을이용한생산과정은제품구상및설계, 3D 프린트 (3D Print), 후처리및배송의순서로이루어진다. 3D 프린터에제품인쇄를명령하기위해설계관련기술과기계제어기술, 후처리기술이필요하다. 설계과정에서는 3D 스캐닝, 3D 디자인, 인쇄용소재가필요하다. 3D 스캐닝한이미지를 3D 프린터가인식할수있도록단면을절개한 3D 디자인파일을이용하며, 재료는주로플라스틱폴리머, 금속분말, 나무분말등을사용한다. 3D 프린트 ( 인쇄 ) 과정에서는프린터기기제어기술이필요하며, 프린팅완료된제품을실제사용하기위한후처리기술도필요하다. 3D 프린팅의응용분야는제조업외에도바이오 의료, 생활용품등으로확산되고있다. 일반제조업분야에서는시제품제조 (RP) 4) 와목업 (Mock up), 콘셉트디자인구현, 사출금형용몰드 (injection mold) 5) 제조에 3D 프린팅을사용중이다. 바이오 의료분야는디자인변경이용이한 3D 프린팅의장점을극대화시켜환자맞춤형제품과서비스를적기에제공한다. 생활용품분야에서는구매자의주문에맞춰디자 < 그림 1> 3D 프린팅응용분야 자료 : Z corp. 브로셔 (2008), 두산인프라코어 (2009), Bespoke; Bloomberg Buisiness week(2012) 재인용, Shapeways; Flickr(2012) 재인용, GE aviation(2013), 삼성서울병원 (2013), Princeton Univ.(2013), Nike inc.(2013). 4) RP 란 Rapid Prototype 의약어로빠른속도로시제품을만드는시스템구현기술을말한다. 5) 용융된재료를압출하여원하는형태로만드는사출공정에사용되는금형틀을말한다. 38 K I E T 산업경제
( ) 특집 인한공예품, 생활용품, 장난감제조에활용중이다. 최근에는 3D 스캐닝과프린트를이용한유물의복제품제작을통해고고학연구에활용하는등소량의주문제작이필요한분야에서활용되고있다. 3. 3D 프린팅의혁신요소및경제적효과 3D 프린팅의혁신요소를살펴보기위해서는먼저 3D 프린팅의강점과약점을분석할필요가있다. 강점은높은디자인가변성과제품설계및생산효율성확보, 제조업공정의단축을통한비용절감을들수있다. 기존공정으로생산불가능한제품을소재낭비와무게는줄이고, 강도와기능을향상시켜빠르게생산가능하다. 3D 프린팅의약점은디자인복제와총기생산등의지적재산권및안전성문제를들수있다. 또 3D 프린터의기계적제약으로인한고정재료비투입과소재내구성부족, 아직은느린제작속도, 제품크기제한및완성도부족등을들수있다. 이와같은 3D 프린팅의강점과약점을종합해볼때, 다음의혁신요소를도출할수있다. 첫째, 3D 프린팅은디자인변경성이용이하고복잡한구조를구현하며제조단계를단축시키는 공정혁신 이다. 3D 프린팅을이용해소비자의만족감을높이고제조업효율성에기여하면서 다품종주문생산 의시대를열것이다. 다만 3D 프린팅제품의단가는 3D 프린터의기기와소재의제약으로대량생산제품에비해상대적으로높다. 따라서 3D 프린팅은자본재 ( 부품, 완제품 ), 소비재를막론하고맞춤형제품이필요한주문생산분야를중심으로확산될전망이다. 둘째, 3D 프린터만으로는소비자에게바로판매가능한완제품을생산할수없다. 설계를위한 3D 스캐너와디자인 S/W, 후처리가공기기 (CNC기계, 레이저커터, 표면연마기등 ) 등이필요하다. 따라서 S/W를개발하는 IT산업, 디자인산업, 후처리공정산업등타산업과의시너지효과를창출하면서 제조업생태계의변화 를이끌어갈것이다. 셋째, 디자인혁신이필요한제조업에응용하면서 소재절감 을통한생산효율성을제고할수있다. 공장내에서필요한맞춤공구를직접생산하거나, 재료를절감한디자인집약제품을생산할수있다. 3D 프린팅의혁신요소를분석한결과, 다음과같은경제적효과가발생한다. 먼저, 소비자및생산자의잉여가증가하면서전체사회적인잉여가증가한다는점을 2 0 1 4 0 3 39
제조업공정혁신의기폭제 3D 프린팅산업 들수있다. 소비자잉여의경우, 소량의맞춤형생산에적합한 3D 프린터가확산되면서수요자의기호에적합한주문생산 (Build to Order) 을통해증가한다. 주문양산 (Mass Customization) 을통해소비자의선택다양성이늘어났다고해도주문생산이줄수있을만큼의만족도는제공할수없다. 3D 프린팅을이용하면사용자의만족도가높은제품을비교적빠르게생산할수있다. 생산자의잉여는생산의비효율성보완을통해증가한다. 제조기업에 3D 프린팅을이용한 RP 속도향상, 베타테스트기간단축, 재료낭비소거는비단생산비용의감소뿐아니라시장변화대응에유연성을가져온다. 특히테스트기간이짧고상용화가빠를수록선점자의이익이증대되는스마트프로덕트구현시장에서는 3D 프린팅의활용성이높다. 또한설비비, 물류비의아웃소싱이가능한주문생산은제조진입장벽을상쇄하면서, 제조업생산기반이없는곳에서도제품생산과소비를가능하게할것으로예상된다. 그리고틈새시장창업을통해제품에대한대량수요가발생할경우, 자동화제조공장신설과신규고용증가가능성도존재한다. 둘째, 절삭공정및뿌리기술에대한대체성뿐만아니라보완성도존재한다. 제조업생산에있어가장기반이되는주조, 금형, 소성가공등의뿌리기술은절삭가공공정과더불어 3D 프린팅기술간에일부대체성이있으나, 최근들어보완성이더욱부각되고있다. 3D 프린팅은압출과완성품의빠른생산을통해사출성형및용접부문과대체성이큰편 6) 이나, 3D 프린팅을발전시킬경우복합사출성형부문에서원천기술과상용화기술개발가능성이존재한다. 3D 인쇄의후처리공정에서는뿌리기술중표면처리, 열처리등의분야와보완성을가지며시너지효과도발생할수있다. 셋째, 3D 프린팅산업의성장에따라생산비용부담해소와숙련인력의필요성, 기술경쟁의확산이예상된다. 다품종주문생산에뛰어드는사업자의안정적인성장을담보하기위해서는먼저 3D 프린터와재료가격등생산관련비용의하락이필요하다. 3D 프린터사용에필요한제어기술과후처리기술은숙련곡선을따르고있어, 해외에서도해당기술보유인력에대한수요가증가하고있다. 또한 3D 프린팅기술과함께소재, 디자인및서비스경쟁의심화가예상된다. 최초기술특허를보유한미국이가장많은 3D 프린팅기술을보유하고있으며, 주요국에서는이에대응하기위해신기술뿐만아니라디자인포맷, 소재, 프린팅서비스개발에매진하고있다. 중국, 일본, 싱가포르등아시아지역에서는주로국가가주도하여신기술을개 6) 조수현, 3D 프린터혁명 뿌리산업에약될까독될까?, 대덕넷, 2013. 6. 20 참조. 40 K I E T 산업경제
( ) 특집 발하고있으며벨기에, 네덜란드, 독일등에서는 3D 전문인쇄 7) 서비스, 디자인포맷 개발, 소재개발업체에대한창업을지원하고있다. 4. 3D 프린팅시장현황과제조업활용사례 (1) 국내외 3D 프린팅시장과생산업체현황 120 100 Wohlers Associates 에따르면 2012 년제품과서비스를포함한세계 3D 프린팅 80 60 40 20 < 그림 2> 세계 3D 프린팅시장현황과전망 ( 억달러 ) 17 0 2011 2012 2015 2017 2019 2021 자료 : Wohlers Associates(2013). < 그림 3> 주요국 3D 프린터시장점유율 한국 2.3% 프랑스 3.2% 이탈리아 3.8% 영국 4.2% 22 37 기타 20.7% 중국 8.7% 자료 : Wohlers Associates(2013). 주 : 2012 년누적설치수기준. 60 일본 9.7% 80 미국 38.0% 독일 9.4% 108 시장규모를전년대비 28.6% 증가한 22억달러로추산하였다. 상용화가시작된 1987년부터 2012년까지 3D 프린팅은연평균 25.4% 의성장세를보이고있다. 3D 프린터와서비스를포함한전체프린팅시장은 2021년까지는 108억달러규모로성장할것으로전망하고있다. 2012년현재 3D 프린터누적설치대수 (5만 6,856대 ) 를기준으로본시장규모는미국, 독일, 일본, 중국, 영국순으로나타났으며 5개국이전체시장의약 70% 를차지한다. IRS Global 에의하면국내 3D 프린팅시장규모는 2012년약 300억원규모로추정되며, 판매중인프린터의 90% 가수입품으로구성되어있다. 기존 RP 분야 7) 전문인쇄란소비자의요구에맞춰 3D 디자인부터프린트, 후처리까지완료한제품을생산해전달해주는서비스를말한다. 2 0 1 4 0 3 41
제조업공정혁신의기폭제 3D 프린팅산업 와더불어최근에는치과와정형외과등의료분야에서수술에필요한환자맞춤형수술가이드와임플란트제조에 3D 프린팅을활용중이다. 2013년현재산업용및개인용 3D 프린터와 3D 프린팅서비스를제공하는주요업체는각분야별로 Stratasys, RepRap, Shapeways 등이있다. 산업용 3D 프린터제조업체는 3D 프린팅원천기술을보유한 Syratasys, 3D systems 를중심으로구성된다. 개인용 3D 프린터의경우, 프린터설계도와소재아이디어를공유하는 RepRap 프로젝트를통해 MakerBot 와같은업체가파생되었다. 최근 3년간전체 3D 프린팅시장의규모가커지면서 3D 프린터제조업체도함께성장하였으며, 동시에산업용과개인용으로분리된시장구조를통합하고시너지를얻기위해업계 M&A가활발히진행중이다. 또한 2D 인쇄기기업체와마찬가지로자사의기기에호환되는소재카트리지 ( 필라멘트, 바이오잉크등 ) 판매시장을구축하고있다. 국내에서 3D 프린터관련원천기술을보유한업체는 캐리마 와 인스텍 으로산업용 3D 프린터와스캐너를제조하고있다. 또 3차원역설계 S/W를개발하여 3D Systems에인수된 아이너스기술 등이있다. 개인용 3D 프린터는주로오픈소스에기반하며, 커뮤니티와결합하여완제품, 키트, 설계권을거래하는시장을형성하고있다. 현재원천기술보유와기술확산성의문제로세계시장뿐아니라국내에서도기술표준과사용경험측면에서선도자 (First Mover) 가시장을점유하고있는상황이다. 국내에서는기존기술의세계특허로인해현재사용중인기기시장의접근이어렵고, 미국시장특허를꾸준히모방하는등기업차원의노력은진행되고있으나국가적으로원천기술 R&D 개발지원이미비하다. 그리고 3D 프린터나 S/W 개발은이루어지고있으나 3D 프린팅용신소재관련개발시스템이부족하다. 미국은탄소섬유, 중국은티타늄, 일본은모래, 독일은생체조직등각국에서는원천기술개발과함께신소재개발부문에서도국가또는업체주도의 R&D가활발하다. 국내는소재개발업체도전무하며, 산학연이협동하여 3D 프린팅신소재를개발하는 R&D 시스템도 2014년들어시작 8) 하였다. (2) 제조업활용사례 해외주요제조업체는 3D 프린팅의혁신요소를적극활용하여생산효율화와단 8) 김준배 이상호, 3D 프린팅활성화정책, HW( 산업부 ) SW( 미래부 ) 함께나온다, 전자신문, 2014. 1. 22. 42 K I E T 산업경제
( ) 특집 종부품생산, 개인용주문생산을실시하고있다. 9) 항공, 방산, 특수차량분야에서는기존절삭가공공정으로생산이어렵거나생산효율성이떨어지는특수부품과단종부품을생산하고있다. 해당산업은 3D 프린팅의소량맞춤형생산에적합하기때문이다. 보잉은민간항공기에 200개, F-18에 90개의 3D 프린팅제조부품을사용중이다. 맥도널더글러스는생산중단된 MD80 제트기의플라스틱부품을 3D 프린팅으로제조해서대체하였다. 포드와페라리는특수차량의복잡한패널부품을기존대비 30~40% 절감된비용으로생산하고있다. GE는무인자동차및항공기용특수엔진부품의경량화를위해 3D 프린팅기술보유업체를인수하였으며, 2020년까지수만개부품생산이가능할것으로전망하고있다. 개인용맞춤제품생산이요구되는휴대폰, 공구, 의료기기, 소비재산업에서도 3D 프린팅이널리활용되고있다. 휴대폰의경우, 모토로라는조립형스마트폰을제작하는 Ara 프로젝트 10) 를진행하고, 노키아는루미아820 의커버케이스에대한상세디자인데이터 ( 사양, 소재, 치수등 ) 를 3D 디자인파일형태로공개하였다. 공구의경우, BMW는생산공장에서노동자들의손에맞춘공구와필요부품을직접디자인하고, 현장에서 3D 프린트해사용하면서신규시험생산라인구축의셋업 (Set-up) 속도를향상시켰다. 의료기기는맞춤형보청기와고관절구체등이 3D 프린터로생산되고있다 ( 포낙, 짐머등 ). 마지막으로소비재분야는아이패드발매 4일만에출시된아이패드케이스 (Shapeways), 선수의발에맞춘구조적축구화바닥판 (Nike) 과생산비용을절감한장난감생산 ( 마텔 ) 도활발히이루어지고있다. 5. 주요국정책및창조산업화를위한국내정책과제 미국을중심으로일본, 영국, 독일등선진국과중국, 싱가포르등아시아신흥국이 3D 프린팅및첨삭제조 (AM) 관련기술확보를위해투자중이다. 미국과영국은제조업의선진화또는고도화를꾀하는방안으로 3D 프린팅을채택하였으며, 독일은바이오프린팅분야에서독자성을확보하는방향으로투자하고있다. 대량생산기반을보유한일본과중국, 싱가포르는미래경쟁력확보를위해산학연프로젝트 9) Economist(2013), McKinsey(2013), Wohlers Associates(2013), ゼットロセンサー (2013) 를참조하였다. 10) 이프로젝트는각부품기능 (GPS, 카메라, 스피커등 ) 의모듈화를통해소비자가필요한기능만골라조립할수있도록하는것이목표이다. 2 0 1 4 0 3 43
제조업공정혁신의기폭제 3D 프린팅산업 < 표 1> 주요국의 3D 프린팅육성정책현황 미국 일본 담당부처 상무부 (DOC), 국방부 (DOD), 에너지부 (DOE), NASA 국립과학재단 (NSF) 경산성제조산업국 해당정책및주요내용 5 개부처 ( 기관 ) 협동으로 선진제조업 (Advanced Manufacturing) 포털사이트운영 NAMII 에 3,000 만달러투자 2013 년 5월 초정밀입체조형시스템기술개발프로젝트 진행중, 1억 5,000만엔을투자하여 < 주물양산용 3D 프린터 > 개발 ( 산학연공동프로젝트 ) 영국기술전략위원회 (TSB) 영국전체첨삭가공투자금 1 조 4,000 만달러 독일 경찰청 Fraunhofer 연구소 경찰의 3D 프린팅권총사용여부검토중 인공혈관바이오프린팅성공 중국과학기술부, 공업정부화부 7 년간 15 억위안 (2,450 만달러 ) 투자 싱가포르 싱가포르경제개발위원회 2013 년 3 월, Future of Manufacturing (FoM) 발표 향후 5 년간 5 억싱가포르달러 (4 억 300 만달러 ) 투자발표 자료 : Wohlers Associates(2013), IRS Global(2013), ゼットロセンサー (2013) 를참조하여산업연구원작성. 를중심으로원천기술 R&D에투자중이다. 중국은우주 항공기술에이용하기위한개발부터시작하여상업화수준에달할정도로성공적으로투자중이며, 지방정부의혁신센터연결을통한기술확산을실시하고있다. 또한미국, 영국, 일본에서는 3D 프린팅숙련인력을양성하기위해중고등학교과정에서 3D 모델링, 3D 프린터를이용한과학실습등의교육프로그램을도입한상황이다. 이상국내외 3D 프린팅산업의현황과정책을분석한결과, 국내 3D 프린팅산업의성장을위한정책과제가다음과같이도출된다. 첫째, 잠재역량이높은 S/W 디자인산업과의융합을지원해야한다. 특히 S/W의표준선점이중요한데, 선점자의 3D 디자인포맷에우회적인접근만시도하는제3자 11) 로만남아있으면자유로운디자인수정과프로그램구동, 서비스지원에한계가존재한다. 따라서기본역량을보유한 S/W 및디자인업체의 3D 프린팅시장진출을촉진하기위한지원전략이필요하다. 둘째, 기존산업에 3D 프린팅을응용할방안을모색해야한다. 일본은경산성주도로 주물양산용 3D 프린터 개발계획을진행하고있으며, 그외주요국에서도산관협력을강화중이다. 최근휴대폰에이어자동차산업에서도조립제작을모색중이며, 향후모듈화및조립제작이가능한전분야로 3D 프린팅의활용범위가확대될 11) S/W 의포맷이란 *.hwp, *.pdf 등과같이특정업체 (Leader) 가제작한프로그램으로생성된파일에붙이는확장자를말하며, 한글 과 어도비 외에도해당포맷프로그램을볼수있게호환되는 S/W 나파생상품제조업체를제 3 자 (Third Party) 라고한다. 3D 프린팅 S/W 분야에서는 *.stl, *.zpr, *.mgx 등과같이특정프로그램이나기업전용포맷이시장을선점중이다. 44 K I E T 산업경제
( ) 특집 가능성이있다. 따라서기존산업분야에서 3D 프린팅을응용할수있도록산학협력및지원시스템구축이필요하며, 3D 프린팅을활용하는기술과제를발굴하고지원하는방안을모색해야한다. 셋째, 저가 3D 프린터를보급하고 3D 프린팅플레이스접근성을높여야한다. 미국의개인용 3D 프린팅확산은프린팅플레이스공유를통한사용자경험이네트워크와결합했기때문에가능하였다. 국내에도이미경기중소기업청의 시제품제작터 와같이미국의 메이커스플레이스 기능을하는공간이존재하나, 홍보가부족하여사용자들의접근성이낮은편이다. 국가차원에서 3D 프린팅플레이스를늘리고사용자와사용경험을확대시켜궁극적으로수요를늘려야할것이다. 넷째, 3D 프린팅숙련인력양성을위한교육훈련시스템을마련해야한다. 3D 프린팅을이용한생산과정에서볼수있듯이제어기술과후처리기술이숙련되어야만완성품생산이가능하다. 따라서 3D 프린팅관련기술에대한성인의교육훈련과미래세대육성이필요하다. 이를위해중고등교육용저가 3D 프린터와 3D 디자인 S/W 보급도실시할필요가있다. 다섯째, 아이디어의사업화지원제도마련이필요하다. 3D 프린터를이용하는대중소기업과개인이용자, 실습학생들이실제로 3D 프린팅을하는현장에서신제품아이디어가발생할가능성이존재한다. 아이디어사업화 지원은아이디어를정기적으로공모하여, 사업화가능성이존재할시벤처창업지원과연계하도록제도를마련해야한다. 여섯째, 특허만료기술의보급과원천기술및소재활용능력의선제적인확보가필요하다. 단기적으로는특허만료 3D 프린터의기술을빠르게개선하여저가로보급, 활용할수있는상용화지향형 R&D 전략이필요하다. 장기적으로는 3D 프린팅의핵심원천기술개발과더불어소재활용능력을선제적으로확보하여특허및 S/W 포맷과핵심소재, 기술등의표준선점을위한원천기술 R&D전략이필요하다. 조은정성장동력산업연구실연구원경북대학교경제학석사 ejjo@kiet.re.kr / 02-3299-3270 < 주요저서 > 로봇산업의 R&D 투자성과분석과시사점 (2013, 공저 ) 예비전력문제해결을위한방안 : 일본의사례와태양광 (PV)+ 에너지저장시스템 (ESS) 을중심으로 (2013, 공저 ) 2 0 1 4 0 3 45