정책연구 2015-12-03 신기술발전에따른산업지형의변화전망과대응전략 How Will the Emerging Technologies Change Industrial Landscapes?: Forecasting the Future and Its Strategic Implications 제 3 권 : 3D 프린팅 최병삼ㆍ유진
연구진 연구책임자연구참여자 최병삼 과학기술정책연구원연구위원유진 과학기술정책연구원연구원 연구자문위원 백오현 삼성전자 DMC연구소수석박석희 한국생산기술연구원선임연구원 정책연구 2015-12-03 신기술발전에따른산업지형의변화전망과대응전략 : 제3권 3D 프린팅 2015 년 12 월 24 일인쇄 2015 년 12 월 30 일발행 發行人ㅣ송종국發行處ㅣ과학기술정책연구원세종특별자치시시청대로 370 세종국책연구단지과학 인프라동 5~7F Tel: 044)287-2000 Fax: 044)287-2068 登錄ㅣ 2003년 9월 5일제20-444호組版및印刷ㅣ경성문화사 Tel: 02)786-2999 Fax: 02)782-1391 ISBN 978-89-6112-374-7 94560
발간사 세계경제의저성장기조속에서신기술 (emerging technologies) 은새로운성장동력의맹아가될수있다는기대때문에기업과정부의관심대상이되어왔다. 이러한기대를반영해서매년여러기관에서미래유망신기술을발표하고있으나, 신기술에대한현실적인대응전략을수립하기위해서는단지유망기술을뽑는수준에서벗어나서그기술들이산업에어떤영향을미칠지에대해서가능한포괄적이고도구체적인예측이필요하다. 본연구에서는공통의분석틀을도출한뒤인지컴퓨팅, 3D 프린팅, 사물인터넷, 핀테크등 4가지신기술분야에이를적용해서산업지형의변화가능성을구체적으로전망하고이에대응하기위한정책을제시하였다. 3권에서는 3D 프린팅으로인한산업지형의변화를전망하고이에대한대응전략을제안하였다. 이러한연구결과가신기술분야에서일어나는급격한변화에대응하고자하는정부와기업에게구체적이고도좋은지침서가되기를바란다. 끝으로본보고서의내용은저자개인의의견을정리한것으로본연구원의공식견해와다를수있음을밝힌다. 2015년 12월과학기술정책연구원원장송종국
목차 요약 ⅰ 제1장서론 1 제1절연구배경및목적 1 제2 절 3D 프린팅기술의개요 6 제3 절연구문제및연구방법론 8 제2장 3D 프린팅기술분석 13 제1절 3D 프린팅기술의개요 13 제2 절 3D 프린팅기술의공학적특성 32 제3 절 3D 프린팅기술의경제적특성 45 제3장 3D 프린팅으로인한산업변화전망 49 제1절 3D 프린팅전문가인식조사 49 제2 절제품ㆍ서비스ㆍ수익모델의변화 62 제3 절산업구조의변화 84 제4장영향요인전망 93 제1절 3D 프린팅기술의발전가능성 93 제2절시장및소비자특성 96 제3절제도적요인 99
제5장정책제언 102 제1절 3D 프린팅관련정책현황 102 제2 절해외주요국정책 107 제3절정책제언 110 참고문헌 125 [ 부록 ] 3D 프린팅전문가조사문항 131 Summary 139 Contents 143
표목차 < 표 1-1> 10 대미래산업기술분석연구 에서선정한 10대기술 5 < 표 1-2> 제조기술의종류 7 < 표 2-1> 3D 프린팅기술의 7가지방식 14 < 표 2-2> 3D 프린팅기술평가를위한 5대기술요소 33 < 표 2-3> 3D 프린팅기술방식별특성비교 41 < 표 3-1> 3D 프린팅전문가인식조사의개요 49 < 표 3-2> 3D 프린팅기술분석및전문가인식조사의결과비교 58 < 표 3-3> 세계자동차시장점유율 ( 생산대수기준 ) 73 < 표 3-4> 세계의료기기제조업체매출액순위 (2014 년 10월현재 ) 80 < 표 3-5> 제조서비스업체현황 88 < 표 5-1> 해외주요국의 3D 프린팅관련정책 107 < 표 5-2> 미국제조업혁신연구기관연합체 NNMI 참여기관 108 < 표 5-3> 가트너의시기별 3D 프린팅기술평가 114
그림목차 [ 그림 1-1] 키워드 3D printer', 3D printing 에대한구글트렌드검색결과 1 [ 그림 1-2] 3D 프린팅에대한가트너 Hype Cycle 2015 3 [ 그림 1-3] 3D 프린팅제조업체주가추이 4 [ 그림 1-4] 적층가공개념도 6 [ 그림 1-5] 3D 프린팅의 3단계공정 7 [ 그림 1-6] 3D 프린팅의응용분야 10 [ 그림 1-7] 국내주식시장시가총액순위 11 [ 그림 1-8] 3D 프린팅기술이야기하는산업지형의변화전망 12 [ 그림 2-1] Material Extrusion (FDM) 방식의작동원리 16 [ 그림 2-2] FDM 방식의주요제품 17 [ 그림 2-3] Vat photo polymerization (SLA) 방식의작동원리 22 [ 그림 2-4] SLA 방식의주요제품 23 [ 그림 2-5] Powder bed fusion (SLS) 방식의작동원리 27 [ 그림 2-6] SLS 방식의주요제품 29 [ 그림 2-7] 3D 프린팅기술의표면품질 34 [ 그림 2-8] 3D 프린팅과기존제조방식의복잡도에따른평균비용 35 [ 그림 2-9] 3D 프린팅기술의제품구현능력 36 [ 그림 2-10] 3D 프린팅으로제작된 EADS 의일체형자전거 36 [ 그림 2-11] 3D 프린팅에활용가능한소재의종류 37 [ 그림 2-12] 산업용과개인용 3D 프린터의평균가격 (ASP) 비교 38 [ 그림 2-13] 3D 프린팅과기존제조방식의제조물량에따른평균비용 39 [ 그림 2-14] 3D 프린팅의후처리공정 40 [ 그림 2-15] FDM 방식과기존제조기술의특성비교 42 [ 그림 2-16] SLA 방식과기존제조기술의특성비교 43 [ 그림 2-17] SLS 방식과기존제조기술의특성비교 44
[ 그림 2-18] 3D 프린팅의경제적특성 45 [ 그림 3-1] 일반가정에서의 3D 프린팅활용시나리오 51 [ 그림 3-2] 일반가정에서의 3D 프린팅활용시나리오를결정하는요인 51 [ 그림 3-3] 소비자의스마트폰관련 3D 프린팅활용시나리오 52 [ 그림 3-4] 소비자의스마트폰관련 3D 프린팅활용시나리오결정요인 53 [ 그림 3-5] 스마트폰제조사의 3D 프린팅활용시나리오 53 [ 그림 3-6] 스마트폰제조사의 3D 프린팅활용시나리오결정요인 54 [ 그림 3-7] 소비자의자동차관련 3D 프린팅활용시나리오 55 [ 그림 3-8] 소비자의자동차관련 3D 프린팅활용시나리오결정요인 56 [ 그림 3-9] 자동차제조사의 3D 프린팅활용시나리오 56 [ 그림 3-10] 자동차제조사의 3D 프린팅활용시나리오결정요인 57 [ 그림 3-11] 초기시장과주류시장간의대단절 ( 캐즘 ) 60 [ 그림 3-12] 리비히의법칙 61 [ 그림 3-13] 단절적혁신의등장메커니즘 62 [ 그림 3-14] 기존기술대비 3D 프린팅기술의위상 64 [ 그림 3-15] 3D 프린팅을제조장치로사용할때의과제와해결책 65 [ 그림 3-16] 구글이개발중인모듈형스마트폰, 프로젝트아라 (Project Ara) 66 [ 그림 3-17] 액션카메라고프로 (GoPro) 에활용되는액세서리 69 [ 그림 3-18] 미국 Normal 社는개인맞춤형이어폰 70 [ 그림 3-19] 구글글래스와기존안경을연결하는어댑터 71 [ 그림 3-20] 자동차산업의 3D 프린팅활용현황및전망 72 [ 그림 3-21] 3D 프린팅으로 URBEE 와 2015년출시예정인 URBEE2 74 [ 그림 3-22] 로컬모터스사의 Strati (2014) 74 [ 그림 3-23] 3D 프린팅된스포츠카 Blade 75 [ 그림 3-24] 미국 ARPA-E의컨셉카디자인공모전당선작, WaterBone 76 [ 그림 3-25] GE의항공기용엔진 LEAP 와 3D 프린팅된연료노즐 78 [ 그림 3-26] 미국퍼듀대학교가개발한고강도알루미늄합금격자 78 [ 그림 3-27] 3D 프린팅으로인한보청기제작프로세스단축 79 [ 그림 3-28] 3D 프린터시장의분야별구성 80
[ 그림 3-29] 3D 프린터시장의업체별시장점유율 85 [ 그림 3-30] 세계 3D 프린팅서비스시장 87 [ 그림 3-31] 벨기에 Materialise 의 3D 프린팅서비스 89 [ 그림 3-32] Industry 4.0 의개념 90 [ 그림 3-33] 3D 프린팅으로인한미국연방우체국 (USPS) 의매출증가시나리오 92 [ 그림 4-1] 3D 프린팅기술요소간교환관계 96 [ 그림 4-2] 세계 3D 프린팅시장규모 97 [ 그림 4-3] 산업용및개인용 3D 프린터시장규모 98 [ 그림 5-1] 정부의 3D 프린팅산업발전전략 102 [ 그림 5-2] 정부의 3D 프린팅기술개발비전및목표 103 [ 그림 5-3] 정부의제조업혁신전략 : 제조업혁신 3.0 전략 105 [ 그림 5-4] 제조업혁신 3.0 전략 의 3D 프린팅활용공정혁신과제 105 [ 그림 5-5] 8대스마트제조기술의활용시나리오 106 [ 그림 5-6] 독일학계, 산업계의 Industry 4.0' 프로젝트참여기관 109 [ 그림 5-7] 세계제조장비 (machinery and equipment) 시장의국가별점유율 110 [ 그림 5-8] 3D 프린팅기술관련정책제언 113 [ 그림 5-9] 3D 프린팅에대한가트너 Hype Cycle 2015 115 [ 그림 5-10] 3D 프린팅기술의위상재평가및정책방향 116 [ 그림 5-11] 독립형및패키지형기술개발의상황별적합성 118 [ 그림 5-12] 3D 프린팅전략기술로드맵 의 15대전략기술 119 [ 그림 5-13] 국가별산업용 3D 프린터의누적보유대수비중 (1988~2014) 120
요약 i 요약 제1절서론 1. 연구배경및목적 3D 프린팅은빅데이터, 사물인터넷, 무인자동차등과함께미래유망기술로주목받고있음 최근 3D 프린팅에대한관심도가점차증가하다가 2013 년최고수준을기록 3D 프린팅이정책적인관점에서세계각국정부의관심을모으게된직접적인계기는미국오바마대통령의 2013 년초국정연설 - 3D 프린팅이미국제조업을부활시킬원동력이라고언급 정부도이와같은 3D 프린팅에대한기대와전망에부응하여미래부ㆍ산업부공동으로 2014 년 4월 3D 프린팅산업발전전략 ( 안 ) 을마련 최근 3D 프린팅에대해지나친낙관론을경계하는중립적인시각과 3D 프린팅무용론과같은극단적인시각도제기 미국시장조사기관인가트너 (Gartner) 는 2014 년 8월소비자용 3D 프린팅이대중화되기까지는 5~10년이상걸릴것으로전망 대표적인 3D 프린터제조사인 3D Systems와 Stratasys 의 2015 년 10 월말현재주가가최고점 (2014 년 1월초 ) 대비각각 18.7%, 10.4% 수준으로하락 본연구의목적은 3D 프린팅이향후산업지형을재편할것이라는전망은실현될것인가, 우리정부의 3D 프린팅전략은옳은방향으로가고있는가등의질문에대한답을제시하는것 주력제조업에서시제품이나금형제작이상으로최종제품이나부품제조에도 3D 프린팅을활용할것인지여부가문제의핵심
ii 신기술발전에따른산업지형의변화전망과대응전략 : 제 3 권 3D 프린팅 2. 3D 프린팅기술의개요 3D 프린팅은디지털디자인데이터를이용하여소재를적층 ( 積層 ) 하여 3차원물체를제조하는프로세스 3D 프린팅공정은모델링, 프린팅, 후처리의 3 단계로구성 기존제조기술대비복잡한공구세팅이나금형제작없이대상물을만들수있다는것이장점 기존전통적인제조기술로는재료를자르거나깎는절삭가공 ( 제거가공 ), 틀에액화된재료를넣어굳히거나압력을가해원하는모양을만드는소성가공 ( 변형가공 ) 등이대표적 < 표 1> 제조기술의종류 기술절삭가공또는제거가공부가가공소셩가공또는변형가공 대표적인제조방식 절삭, 방전가공, 연삭용접, 적층 (3D 프린팅 ) 프레스, 주조 기기 머시닝센터, 방전가공기, 선반 용접기, 3D 프린터 프레스성형기, 사출성형기, 금형 생산량단품생산, 소량생산대량생산 자료 : 미즈호은행 ( みずほ銀行 ), 2013.9.27, p. 3 3. 연구문제및연구방법론 본연구의주제는 3D 프린팅과같은신기술이산업구조와경쟁지형에어떤변화를가져올것인가를전망하는것 첫번째연구문제는 3D 프린팅의기술적특성을분석하여 3D 프린팅이산업구조와경쟁지형에미칠영향력을전망하는것 두번째연구문제는 3D 프린팅이주요산업에어떤영향을가져올지에대해전망 세번째연구문제는 3D 프린팅이가져올변화의수혜기업과피해기업을전망
요약 iii 한국의대표적인제조업인휴대폰산업과자동차산업을주로분석 우리나라전체수출에서차지하는비중이무선통신기기 6.2% ( 전자 전기는 34.4%), 자동차 8.6% ( 자동차부품포함시 13.5%) 국내주식시장에서시차총액상위 2개사가삼성전자와현대차 [ 그림 1] 3D 프린팅기술이야기하는산업지형의변화전망
iv 신기술발전에따른산업지형의변화전망과대응전략 : 제 3 권 3D 프린팅 제 2 절 3D 프린팅기술분석 1. 3D 프린팅기술의개요 3D 프린팅기술은재료에따라고체방식, 액체방식, 분말방식등크게 3종류로구분 3D 프린팅의대표적인기술방식은 Material extrusion, Sheet lamination, Vat photo polymerization, Material jetting, Binder jetting, Powder bed fusion, Directed energy deposition 등 7가지 FDM( 고체방식 ) 은필라멘트를녹여수직으로 3 차원형상을조형 필라멘트형태의플라스틱또는왁스소재의원료가고온의노즐을통과하며용융되어조형판위에서노즐의움직임에따라형상을만들고경화 SLA( 액체방식 ) 는액상의광경화수지를레이저로경화 광경화액상수지가담겨있는수조내의조형플랫폼위에 3차원조형단면을 UV 레이저에의해스캔하면서레이저에노광된액상소재를고체로경화 SLS( 분말방식 ) 는레이저로분말표면을녹여붙임 금속이나고분자분말을분말통에넣고조형하고자하는단면적에고에너지의레이저빔을스캔하면분말표면이용융되면서분말입자들사이에서소결 2. 3D 프린팅기술의공학적특성 제품품질 : 제품정밀도및강도낮음 사출성형등기존제조기술대비매끈하고정밀한표면을구현하기곤란 소재를녹이거나접착하여적층한다는기술의본질적인특성으로인해수직강도나충격강도가취약
요약 v 제품구현능력 : 최대크기는작지만, 복잡한형상의제작이용이 장비나소재에따라다르지만통상약 1m급의제품제작이가능 기존제조방식은제품이복잡해질수록제조의평균비용도상승하지만 3D 프린팅은복잡한형상도상대적으로쉽게추가적인비용을들이지않고제작 소재다양성 3D 프린팅에사용가능한소재가점차확대되고있으나, 여전히대부분의장비는플라스틱과일부금속으로한정 티타늄등과같이용접등기존공정으로제조가어려웠던소재의제조가능 공정효율성 3D 프린터가격은과거대비하락해개인이구매가능한수준까지낮아졌지만고성능의산업용 3D 프린터와개인용 3D 프린터는가격차이가큼 ( 약 70배 ) 기존제조공정에사용되는소재에비해 3D 프린팅소재는수십 수백배고가 3D 프린팅이대량생산에활용되기어렵게만드는중요한요인은제조속도 사용편의성 3D 프린팅은제조노하우가디지털도면에모두담겨있으므로누구나디지털도면과 3D 프린터만있으면제조가가능 디지털도면도직접제작하지않더라도인터넷과 3D 스캐너를통해입수가능 3D 프린팅기술방식별비교 3D 프린팅기술의고체방식 (FDM), 액체방식 (SLA), 분말방식 (SLS) 에대해각방식별로최고사양의장비를활용한다고가정하고기존제조기술과비교
vi 신기술발전에따른산업지형의변화전망과대응전략 : 제 3 권 3D 프린팅 < 표 2> 3D 프린팅기술방식별특성비교 사양구분고체방식 (FDM) 액체방식 (SLA) 분말방식 (SLS) 제품품질제품구현능력 표면정밀도강도 / 내구성최대크기제품복잡도소재 다양성제조속도 ~ ~ ~ ( 플라스틱 ) ( 금속 ) ~ ~ ~ ~ ~ ~ 공정효율성사용편의성 기기가격소재가격사용자숙련도도면가용성 ~ ~ 주 : 기존제조기술대비매우미흡 기존제조기술보다미흡 기존제조기술에거의근접 기존제조기술보다도우수 ) 자료 : 백오현 (2015) 와박석희 (2015) 등을바탕으로연구팀작성
요약 vii [ 그림 2] FDM 방식과기존제조기술의특성비교 자료 : 백오현 (2015) 와박석희 (2015) 등을바탕으로연구팀작성 [ 그림 3] SLA 방식과기존제조기술의특성비교 자료 : 백오현 (2015) 와박석희 (2015) 등을바탕으로연구팀작성
viii 신기술발전에따른산업지형의변화전망과대응전략 : 제 3 권 3D 프린팅 [ 그림 4] SLS 방식과기존제조기술의특성비교 자료 : 백오현 (2015) 와박석희 (2015) 등을바탕으로연구팀작성 3. 3D 프린팅기술의경제적특성 제조진입장벽낮춤 3D 프린팅은고정비용이낮으므로소량생산에서는기존제조방식보다평균비용이더낮음 설계역량이부족한일반개인들도 3D 프린터와재료만구매하고전문가가제공하는디지털도면을다운로드하면제조 고객맞춤의경제성증가 개인에맞는디자인이가능하고소수고객의니즈에맞게맞춤생산가능
요약 ix 제품의구조혁신 기존제조기술로만들기어려운형태도손쉽게구현할수있기때문에제품의경량화, 효율화가가능 부품을개별생산해조립하는기존의제조방식에서탈피하여일체형으로설계해생산공정을단축 개발효율화 복잡한공구세팅이나금형제작없이디지털도면으로부터시제품을만들수있고제작기간도수주일에서 1 2 일로단축 시제품제작기간이단축되므로설계팀과생산팀간의커뮤니케이션과디자인수정이용이해져제품설계단계에서의설계오류가감소 재고필요성감소 재고를보유하는대신수요발생시점에수요발생지인근에서제조하여공급 장소제약감소 디지털도면에제조노하우가모두포함되어있으므로통상적으로기존제조기술로는제조가어려운수요지, 전장, 우주등의장소에서도제조가가능 제약사항 남은분말을털어내거나열처리, 연마등을하는후공정이필요 3D 프린팅은기존것을더잘만드는기술이아니라, 기존에못만들던 것을만들수있는기술
x 신기술발전에따른산업지형의변화전망과대응전략 : 제 3 권 3D 프린팅 기존제조방식의제약조건들을완화하여제조를대중화 : 전문가가아닌누구라도 ( 제조주체 ) 어떤복잡한모양이나다양한제품도 ( 대상물의범위 ) 언제어디서든 ( 시간, 장소 ) 제조가가능 [ 그림 5] 3D 프린팅의경제적특성 자료 : 연구팀작성
요약 xi 제 3 절 3D 프린팅으로인한산업변화전망 1. 3D 프린팅전문가인식조사 일반가정에서일상적으로사용하는시나리오의가능성은낮게평가 대부분현재와같이얼리어답터들만 3D 프린터를이용할것으로전망 결정요인으로 제품의품질 (25.0%), 소재의다양성 (22.2%), 3D 프린터및소재의가격 (19.4%) 등을지적 소비자는스마트폰케이스나악세사리제조에활용 소비자가케이스나일부악세사리를직접만들어사용 (68.0%), 소비자는스마트폰제조에 3D 프린터를사용하지않음 (28.0%) 등 스마트폰제조사는시제품및최종제품제조에활용 현재와같이시제품 (rapid prototyping) 을만드는용도로만사용 (52.0%) 과 최종제품 ( 부품, 전체제품 ) 을만드는데사용 (48.0%) 을응답한비율이비슷 결정요인으로 제품의품질 ( 강도, 표면정밀도 ) (27.3%) 이가장많았고생산성관련의견 ( 기존생산라인과의통합 (21.2%), 3D 프린터의속도 (12.1%), 기타의견 ( 대량생산시생산단가및생산성 ) 도다수 소비자는자동차에대해 3D 프린팅활용도낮음 소비자는자동차제조에 3D 프린터를사용하지않음 (56.0%) 을응답한비율이스마트폰의경우 ( 소비자는스마트폰제조에 3D 프린터를사용하지않음 (28.0%) 보다 2배
xii 신기술발전에따른산업지형의변화전망과대응전략 : 제 3 권 3D 프린팅 자동차제조사는현재와같이시제품제조에활용 현재와같이시제품 (rapid prototyping) 을만드는용도로만 3D 프린터를사용 (64.0%), 최종제품 ( 부품, 전체제품 ) 을만드는데 3D 프린터를사용 (36.0%) 결정요인으로 제품의품질 ( 강도, 표면정밀도 ) (31.6%) 응답비율이높음 3D 프린팅기술분석과 3D 프린팅전문가인식조사는독립적으로수행되었지만그결과는대체로유사 제품품질 ( 표면정밀도, 강도 / 내구성 ) 과공정효율성 ( 제조속도, 기기 / 소재가격 ) 이 3D 프린팅의가장큰단점으로지적 < 표 3> 3D 프린팅기술분석및전문가인식조사의결과비교 기술요소 기술분석결과 3D 프린팅의활용가능성 전문가인식조사결과 제품품질 적층하는방식이므로표면정밀도와강도가주조, 절삭등에비해낮음 표면정밀도, 강도등이낮아스마트폰, 자동차의실제제품 / 부품에활용이곤란 제품구현능력 복잡한제품제조가용이하고, 대형제품도대체로제조가능 스마트폰, 자동차에서는최대크기등의이슈가크지않음 소재다양성 플라스틱과일부금속으로제한적 소재가제한되어일반가정에서의 3D 프린팅활용을저해 공정효율성 기존제조기술과제조속도등생산성격차가매우큼 기존제조라인과의통합, 제조속도, 생산성등이활용여부를결정 사용편의성 제조노하우나대규모초기투자없이누구나제조가능 제조에대한소비자숙련도, 고객화에대한소비자의니즈등이제약요인 자료 : 연구팀작성
요약 xiii 2. 제품ㆍ서비스ㆍ수익모델의변화 3D 프린팅은잠재적인단절적혁신기술 3D 프린팅에의해제조저변이개인이나벤처기업에게확대되어업계의판도를바꿀신기술이나신제품, 신서비스, 즉단절적혁신을창출 3D 프린팅기술이기존제조기술의대체재 (substitute) 가아니라보완재 (complement) 성격이강하기때문에기존제조기업도이를전략적으로활용 3D 프린팅은최근까지기존제조기술을대체할역량파괴형불연속혁신 (competence-destroying discontinuities) 으로기대를모았으나, 기술적특성을고려할때그와같은가능성은높지않음 [ 그림 6] 기존기술대비 3D 프린팅기술의위상 자료 : 연구팀작성
xiv 신기술발전에따른산업지형의변화전망과대응전략 : 제 3 권 3D 프린팅 현재 3D 프린팅기술이다양한한계를갖고있지만이를활용하는기업입장에서는다양한해결책을모색가능 [ 그림 7] 3D 프린팅을제조장치로사용할때의과제와해결책 자료 : 일경모노츠쿠리, 2014.6 를바탕으로연구팀재구성 고객맞춤형스마트폰 2014 년 4월구글은디스플레이, 전지, 카메라, 프로세서, 케이스등의부품을블록처럼조합하여개인취향이나용도에맞게단말기를만들어낸다는 Project Ara' 라는스마트폰개발계획을선언 추진이연기되고있으나장기적으로 3D 프린팅으로스마트폰케이스나기타모듈외장을제조할가능성을확인 외관디자인혁신 애플은아이폰에알루미늄을활용한고급스럽고세련된외관디자인을적용하여스마트폰디자인을혁신한것처럼 3D 프린팅과리퀴드메탈을이용한새로운형태의디자인혁신을준비중
요약 xv 스마트기기액세서리제조 고프로는스포츠등으로인한활동적인움직임을동영상이나정지영상으로촬영하는액션카메라의일종 고프로마운트및액세서리는다양한형태가요구되므로 3D 프린팅을활용할적절한분야 개인맞춤형웨어러블기기 미국 Normal 社는개인맞춤형이어폰을 3D 프린팅으로제조하여판매 이어폰외에도안경, 반지등과관련해서도 3D 프린팅이활용될가능성 자동차프로토타입제작 자동차산업에서는오래전부터 3D 프린팅을프로토타입제작에활용 고객맞춤형자동차부품제조 제품이중후장대해물류비용이크고사용기간이길어부품등교체수요큼 자동차산업은다수부품에 3D 프린팅이이미활용되고있고향후확대전망 자동차구조혁신 3D 프린팅의장점을활용하여새로운구조로설계된자동차들이등장 로컬모터스의전기차스트라티는대중앞에서 3D 프린터로 44시간에제작 미국 ARPA-E 는 Local Motors 와공동으로현재미국자동차안전기준을만족시키면서도혁신적으로경량화시키는컨셉카디자인을공모하는이벤트 LITECAR Challenge 개최
xvi 신기술발전에따른산업지형의변화전망과대응전략 : 제 3 권 3D 프린팅 3. 산업구조의변화 신규진입기업에의한주도기업의변화는나타나지않을전망 3D 프린팅과관련된경쟁의양상은기존제조기술을가진기업을 3D 프린팅기술을가진기업이이기는것이아니라, 기존기술을가진기업이 3D 프린팅기술을활용해서경쟁에서우위에서는양상 3D 프린팅은기존것을더잘만드는기술이아니라, 기존에못만들던것을만들수있는기술즉, 기존제조기술의대체재 (substitute) 가아니라보완재 (complement) 의성격 기존제조기업이 3D 프린팅기술을활용하는방법은자체개발과제휴나인수합병 자체개발은핵심특허만료로 3D 프린팅기술의진입장벽은낮아지는추세 - 1986 년 3D Systems가최초출원한특허와 1990 년전후출원한기본특허의유효기간이만료, 1992 년출원된, 가장저렴한방식인 Stratasys 의 FDM 의원천특허도유효기간이만료, 2014 년 SLS 특허만료 3D 프린터산업은 Stratasys와 3D Systems 의양강구도 - 2014 년시장점유율 Stratasys 51.9%, 3D Systems 16.5%, Envisiontec 10.0% 등 - Stratasys 는 FDM 원천특허, 3D Systems 는 SLA, SLS 원천특허를다수보유하고있으며, 양사는 2011 년이후인수합병을통해시장점유율을확대 개인대신프린팅을수행하는전문제조서비스사업자성장 제조서비스시장은 2013 년 9억달러에서 2014 년 13억달러로 35.1% 성장 벨기에의 Materialize 는 1990 년설립이후의료, 자동차등다양한분야의고객으로부터제조의뢰를받아설계, SW 개발, 제조등을수행 - 온라인의아마존처럼제조부문의롱테일 (long-tail) 효과를창출
요약 xvii 경쟁지형의변화는기술표준화와스마트제조가결정할전망 현재 3D 프린팅분야의데이터포맷은 STL 이사실상의표준 (de facto standard) 이나기술적결점을해결하기위해 AMF (Additive Manufacturing File Format) 의표준화가추진 3D 프린팅, 사물인터넷 (Internet of Things), 빅데이터등을적용한 ' 스마트공장 (smart factory)' 의구현이제조경쟁력을결정 제4절영향요인전망 1. 3D 프린팅기술의발전가능성 기술적한계점인제조방식과소재에대한연구개발활발 적층제조기술의한계를뛰어넘기위해고분자를활용한프린팅기술, 연속생산공정, 복합가공기술등이개발 소재는최근 3D 프린팅관련하여가장활발한혁신이일어나는분야로, 3D 프린팅에사용할수있는소재의폭이지속적으로확대 기술요소간교환관계 (trade-off) 로인해단기간에기존제조기술대비 열위를역전하기는곤란 2. 시장및소비자특성 세계 3D 프린팅시장은최근두자릿수성장률을기록하며급성장세 세계 3D 프린팅시장규모는 2014 년 41.0 억달러로전년대비 35.2% 증가 최근 3년간 (2012~2014) 연평균증가율 (CAGR) 33.8%, 과거 26년간의연평균증가율 27.3% 를기록 산업용 3D 프린터가현재전체시장의 87% 를차지하고있으나개인용 3D 프린터시장이급속도로성장
xviii 신기술발전에따른산업지형의변화전망과대응전략 : 제 3 권 3D 프린팅 - 산업용 3D 프린터시장은 2014 년 11.2 억달러로개인용시장의 6 배이상 - 개인용 3D 프린터시장은전년대비 98.2%, 산업용은전년대비 25.4% 증가 3D 프린팅이최근발전하게된배경은 IT 및프린터하드웨어기술발전, 제조자운동 (maker movement), 연비경쟁등 3. 제도적요인 3D 프린팅의확산으로인해제도적요인에대한논의가활발하게진행 개인들의 3D 프린팅활용증가로지적재산권, 제조물책임, 위험물제조등이이슈로부상 산업적활용에대해서는지적재산권등의이슈가기술확산의장애요인 이되지는않을것으로전망
요약 xix 제 5 절정책제언 1. 3D 프린팅관련정책현황 2014 년 4월미래부와산업부는 3D 프린팅산업발전전략 ( 안 ) 을발표 2020 년장비, 소재, SW 분야글로벌선도기업 5개육성, 세계시장점유율 15%, 미국대비특허출원비중 20% 등의목표를설정 수요기반, 사업모델, 기술개발, 제도개선등 4대전략, 11개추진과제를제시 - 3D 프린팅기술기반제조혁신지원센터구축 사업수행등 [ 그림 8] 정부의 3D 프린팅산업발전전략
xx 신기술발전에따른산업지형의변화전망과대응전략 : 제 3 권 3D 프린팅 2014년 12월발표된 3D프린팅전략기술로드맵 에서는 10대핵심활용분야, 15대전략기술에대한기술개발목표가마련 10대핵심활용분야로는 의과용의료기기, 인체이식의료기기, 맞춤형치료물, 스마트금형, 맞춤형개인용품, 3D 전자부품, 수송기기부품, 발전용부품, 3D 프린팅디자인서비스, 3D 프린팅콘텐츠유통서비스 등 15 대전략기술은장비분야의 대형금속구조물용프린터, 복합가공 (AM/SM) 용프린터, 공정혼합용다중복합선택적레이저소결기술 (SLS) 프린터, 고속 / 고정밀광조형프린터, 정밀검사및역설계용스캐너, 소재분야의 생체적합성소재, 맞춤형금속분말소재및공정기술, 세라믹소재및공정기술, 복합기능성고분자소재, 능동형하이브리드스마트소재, 소프트웨어분야의 변환합성기반비정형입체 3D모델링소프트웨어 (SW), 개방형협업 저작솔루션, 입체 (3D) 프린팅시뮬레이터, 지능형출력 계획관리솔루션, 저작물관리 활용오용방지솔루션 등 산업부는 2014 년 6월 제조업혁신 3.0 전략 을수립 과거경공업중심수입대체형전략 ( 제조업혁신 1.0 전략 ) 이나조립 장치산업중심추격형전략 ( 제조업혁신 2.0 전략 ) 에이어 IT SW 융합으로제조업전반에걸쳐새로운부가가치창출및경쟁우위확보를지향 제조업혁신 3.0 전략 을통해 2017 년까지구체적인성과를창출하기위해 제조업혁신 3.0 전략실행대책 발표 제조업혁신 3.0 전략실행대책 의세부추진과제인 8대스마트제조기술에대해 스마트제조 R&D 중장기로드맵 을 2015 년 12월 10일발표 - 8대스마트제조기술은스마트센서, 스마트통합공정 (CPS), 3D프린팅, 에너지절감, 사물인터넷, 클라우드, 빅데이터, 홀로그램
요약 xxi 2. 해외주요국정책 미국, EU, 일본등은 3D 프린팅기술을새로운성장동력으로주목하고 정부주도하에적극적으로육성 < 표 4> 해외주요국의 3D 프린팅관련정책 국가정책미국 제조업부활을위해 3D 프린팅기술개발및인프라조성에집중투자 - 오바마대통령, 3D프린팅산업육성을위해 10억달러투자발표 (2012.3) - 전문연구기관 (NAMII) 설립 (2012.8) - 3D프린팅테크벨트건설 (7천만달러) : 오하이오-웨스트버지니아 2020 년까지 GDP 중제조업비중을늘리기위해 (16% 20%) 3D프린팅기술을주요수단으로설정 [ 독일 ] - 제조업혁신전략 Industry 4.0' 발표유럽 - 프라운호퍼를중심으로 '09년부터프로젝트 바이오랩 진행 - 2011 년프라운호퍼인공혈관프린팅성공 - 인공피부제작을위한 아티바스크 3D 프로젝트추진중 - 프라운호퍼레이저연구소에서각종금속소재기술연구진행중 [ 영국 ] - 정부산하기술전략위원회, 연구위원회에 3D프린터기술분야 18개 R&D 프로젝트지원 (840만파운드, 2013.6) - 2014년 1월 3D프린팅센터설립공표 : 비행기와제트엔진, 민간헬기제조에사용되는신소재의개발과관련부품생산일본 미국및유럽에비해뒤쳐진 3D프린터산업을추격하기위해소재부문기술개발에집중투자 (5년간총 30억엔 ) - 2014년 5월부터금속분말 3D프린팅기술개발프로젝트추진 : 첫해에만 37억엔을투입할예정, 30여개대학 / 기업 / 산업기술종합연구소참여 - 경쟁력강화방안및기술로드맵발표예정 (2014.4) 제조대국에서제조강국으로도약하기위해제조업혁신을추진중국 - 국가발전연구계획 및 2014 년국가과학기술프로젝트지침 에 3D프린팅을포함시켜기술개발에총 4천만위안투자 (4개프로젝트 ) - 3D프린팅혁신센터 (R&D) 구축 : 총 10개구축예정, 기존산업과 3D프린팅기술연계지원 - ' 천연재료, 합성고분자등의특수소재연구 : 2014 년 9월국가성장재료제조산업발전계획발표 - 2015년 5월 중국제조 2025 발표자료 : 국과심 (2014.4), 미래부ㆍ산업부 (2014.12), 산업연구원 (2015.5) 을바탕으로연구팀재구성
xxii 신기술발전에따른산업지형의변화전망과대응전략 : 제 3 권 3D 프린팅 3. 정책제언 현 3D 프린팅정책은신속성과균형적관점등은우수하나, 낙관적전망, 주요제조업대상정책부족, 민간보완역할미흡등은개선필요 3D 프린팅에대한업계의평가가변화하고있는상황에서 3D 프린팅기술에대한낙관적인전망에기초한정책방향에대한재검토필요 3D 프린팅전략기술로드맵의 10대핵심활용분야의다수가의료, 개인용품등과같이이미 3D 프린팅이활발하게적용되고있는분야 필수기능제공, 협력유도, 제도정비등개별민간기업이해결하기어려운이슈들에대한정부역할이부족 3D 프린팅전략의방향전환, 수요지향적패키지형기술개발, 초기시장 조성지원, 관련제도정비등이필요 [ 그림 9] 3D 프린팅기술관련정책제언
요약 xxiii ( 전략방향 ) 3D 프린팅전략방향전환 3D 프린팅은기존제조기술을근본적으로대체할것이라는기대와달리그자체적으로불연속혁신이되기에는부족 제품구현능력, 사용편의성이우수하여단절적혁신을창출할잠재력을보유 [ 그림 10] 3D 프린팅기술의위상재평가및정책방향 기존의정책방향이장비, 소재, SW 등의부문에대한전방위적기술개발추진이라면이제필요한정책방향은 선택집중적기술개발 장기적으로는정부정책의장기적인성과제고를위해유망신기술에대한기술평가프로세스를확립 ( 기술개발 ) 수요지향적패키지형기술개발 기술개발을추진할기술의선택은철저하게 수요지향적 : 전자, 자동차등주력산업에대한정책적비중확대
xxiv 신기술발전에따른산업지형의변화전망과대응전략 : 제 3 권 3D 프린팅 기술개발의방식은 패키지형 : 장비, 소재, 공정, SW 등을독립적으로개발하는것이아니라특정산업, 그중에서도킬러애플리케이션을정하고 3D 프린팅기술, 소재, SW, 장비등을연계하여개발을추진 ( 시장조성 ) 초기시장조성지원 정부가주도적으로 3D 프린터구매하여개인및기업에게제공 단순히 3D 프린터나관련장비를개인이나기업에제공하는수준을넘어전문화된제조서비스를제공하는방안도검토 시장성장을위해서는업계내부뿐만아니라국가전체적인붐 (boom) 조성도필요 : 단순한인식제고나홍보차원이아닌구체적인혁신아이템을발굴할수있는 3D 프린팅의활용가능성을탐색하는혁신의장을마련 ( 장애요인제거 ) 관련제도정비 3D 프린팅관련제도이슈, 즉, 지적재산권, 제조물책임, 위험물제조등의규제를정비 - 지적재산권 : 유튜브등에서이루어지고있는것처럼저작권자의요청이있을경우분쟁을해소하는방향이바람직 - 위험물제조 : 불법제품의 3D 프린팅제작, 판매, 소지등을규제하는별도법규정을선제적으로마련하고현행총포도검법및관련법규를정비 - 제조물책임 : 3D 프린팅출력물의불량발생시책임소재및범위에대한내용을제조물책임법에반영하고소재, 설계, 스캐너, 기기등제조사의책임소재와범위를규정하고비상업적 ( 임시, 개인 ) 판매자에대한법적용여부를결정
제 1 장서론 1 제 1 장 서론 제 1 절연구배경및목적 3D 프린팅 (3D printing) 은최근빅데이터 (big data), 사물인터넷 (Internet of things, IoT), 무인자동차 (driverless car) 등과함께미래유망기술의대명사로주목받고있다. 구글트렌드 (Google Trends) 에서 3D printer' 과 3D printing' 을키워드로검색하면 2011 년부터 3D 프린팅에대한관심도가점차증가하다가 2013 년최고수준을기록했음을알수있다 1). 지역적으로는오세아니아, 아시아, 북미등에서, 특히아시아에서는싱가포르, 홍콩, 한국등이관심도가높게나타났다. [ 그림 1-1] 키워드 3D printer', 3D printing 에대한구글트렌드검색결과 자료 : http://www.google.co.kr/trends/, 2015.10.27 최종접속 1) http://www.google.co.kr/trends/, 2015.10.27 최종접속
2 신기술발전에따른산업지형의변화전망과대응전략 : 제 3 권 3D 프린팅 세계적으로많은미디어와전문가들이 3D 프린터가 PC처럼가정마다한대씩보급될것이며산업혁명에버금가는제조업에변화를가져올것이라고전망하고있다 (Anderson, 윤태경역, 2013; Barnatt, 길이훈김상태역, 2014). 예를들어미래학자인크리스토퍼바넷은인터넷이전세계인에게가상공간에서창조할수있는능력을부여했다면 3D 프린팅은물리공간에서창조할수있는능력을부여했다고설명하면서다음과같이전망한다. 3D 프린팅은비효율적인 20 세기의제조기술을파괴하고, 설계에서생산까지걸리는시간을단축하고, 창고와운송에드는비용을없애고, 재료의낭비를줄이고, 이전에는불가능했던제품을생산할수있게해주고, 말그대로모든사람이만들어내는창의적인생각을실제로제작할수있게하는새로운패러다임으로이전의제조기술을대체할것입니다. 3D 프린팅이제조에서하는역할은인터넷이의사소통에서혁신을이룬것과같을것입니다 (Barnatt, 길이훈김상태역, 2014, p. 247). 롱테일 (long tail)' 과 공짜경제학 (freeconomics)' 이론의창시자인크리스앤더슨은모든사람은타고난제조자 (maker) 이며 3D 프린터를통해많은소비자가제조에참여하는 제조자운동 (maker movement) 이확산될것이라고전망했다 (Anderson, 윤태경역, 2013). McKinsey Global Institute 는 2025년 3D 프린팅이가져올경제효과를 2,300~5,500억달러로전망했다 (McKinsey Global Institute, 2013, p. 110). 3D 프린팅이정책적인관점에서세계각국정부의관심을모으게된직접적인계기는미국오바마대통령의 2013 년초국정연설 (State of the Union Address) 이다. 오바마대통령은 3D 프린팅이제조방식을혁신하여미국제조업을부활시킬원동력이라고언급하면서누구나 3D 프린팅등의제조장비를활용하여혁신을만들어가는공간인 15개의제조혁신센터 (Manufacturing Innovation Institute) 를설립하겠다고발표했다 2). 2) https://www.whitehouse.gov/the-press-office/2013/02/12/remarks-president-state-union-address, 2016.1.12 최종접속
제 1 장서론 3 국내에서도 3D 프린팅에대한기대와낙관적인전망은크게다르지않다. 박영숙등 (2013) 은 15년후인 2030 년을다음과같이예측한다. 각가정에서 3D 프린터를보유하게되어제조업이대부분사라지며, 무엇이든집에서만들어사용하는시대가된다 ( 박영숙등, 2013, p. 23). 정부도이와같은 3D 프린팅에대한기대와전망에부응하여미래부ㆍ산업부공동으로 2014 년 4월 3D 프린팅산업발전전략 ( 안 ) 을마련한바있다 ( 국과심, 2014.4). 2014 년 12월에는산학연전문가들로로드맵수립위원회를구성하고 3D 프린팅전략기술로드맵 을발표하였다 ( 미래부 산업부, 2014.12). 그러나, 최근 3D 프린팅에대해지나친낙관론을경계하는중립적인시각과함께 3D 프린팅무용론과같은극단적인시각도제기되고있다. 미국시장조사기관인가트너 (Gartner) 는 2014 년 8월소비자용 3D 프린팅이대중화되기까지는 5~10년이상걸릴것으로전망했다 (Gartner Press Releases, 2014.8.19). 2015 년발표된 Hype Cycle 에서도의료, 시제품제작등과같이안정적인성장단계에들어선응용분야도있지만소비자용 3D 프린팅, 일반제조용 3D 프린팅등에대해도입까지여전히 5~10년이상걸릴것으로평가하고있다 (Gartner Press Releases, 2015.8.25). [ 그림 1-2] 3D 프린팅에대한가트너 Hype Cycle 2015 자료 : Gartner Press Releases (2015.8.25)
4 신기술발전에따른산업지형의변화전망과대응전략 : 제 3 권 3D 프린팅 대표적인 3D 프린터제조사인 3D Systems 와 Stratasys 의주가추이를살펴보더라도 3D 프린팅에대한시장의전망이밝지만은않다는사실을알수있다. 2015 년 10월말현재세계 3D 프린터시장의 1, 2위기업인 Stratasys 와 3D Systems 의주가는최고점을기록했던 2014 년 1월초대비각각 18.7%, 10.4% 수준으로하락했다 3). [ 그림 1-3] 3D 프린팅제조업체주가추이 (a) Stratasys (b) 3D Systems 자료 : https://www.google.com/finance, 2015.11.3 최종접속 서울대학교에서 2015 년수행한 10 대미래산업기술분석연구 를통해 3D 프린팅에대한대중과전문가의인식차이를살펴볼수있다. 국민인식조사에서는 3D 프린팅이 산업의전망이밝고국가발전에기여할것으로기대되는기술 1위에선정되었으나, 이결과를기초로이루어진전문가회의결과에서최종적으로선정된 10대기술에는 3D 프린팅이포함되지못했다 ( 서울대학교산학협력단, 2015). 일반국민에비해전문가들은 3D 프린팅의미래에대해보다비관적인전망을하고있음을알수있다. 3) https://www.google.com/finance, 2015.11.3 최종접속
제 1 장서론 5 < 표 1-1> 10 대미래산업기술분석연구 에서선정한 10 대기술 국민인식조사 1 3D 프린팅 /3D 프린팅소재 2 빅데이터 3 유전자치료제 4 바이오센서 5 에너지저장장치 6 인공지능 / 적응형지능 7 자율주행차 / 무인자동차 8 사물인터넷플랫폼 9 무선전력전송 10 에너지하베스팅 전문가회의결과최종선정 10대기술 1 빅데이터 2 바이오신약 3 바이오센서 4 분산형에너지시스템 5 인공지능 6 자율주행차 7 사물인터넷 8 전기자동차 9 웨어러블기기 10 로봇 자료 : 서울대학교산학협력단, 2015, p. 99, p. 102 이와같은전문가들의비판적인견해는저자가인터뷰또는이메일을통해수행한 3D 프린팅전문가인식조사에서도확인할수있다. 본보고서 3장에서상세하게소개되는바와같이 3D 프린팅분야전문가들은 3D 프린팅이제조물의품질, 생산성, 소재다양성측면에서문제점을갖고있어서 5년내에는전자, 자동차등주요제조업에제한적인영향만을미칠것으로전망했다. 본연구의목적은 3D 프린팅이향후산업지형을재편할것이라는전망은과연실현될것인가, 그리고우리정부의 3D 프린팅전략은옳은방향으로가고있는것일까등의질문에대한답을제시하는것이다. 3D 프린팅과관련된기존문헌및정부정책은주로개인이나중소기업이제조에참여할수있다는측면을강조하거나의료, 항공등 3D 프린팅이적합한산업의예를들어 3D 프린팅이향후에도다양한분야에서활용될수있다고평가한다. 그러나 3D 프린팅이산업구조와경쟁지형에미치는영향을전망하기위해서는개인, 벤처뿐아니라주력산업, 특히대량생산이필요한제조업에대한고려가필수적이다. 개인및벤처의제조역량강화는사회전반의활력제고와혁신제품탄생에기여할수있으나그자체만으로는산업지형변화나국가경제에미치는영향력이제한적일수있다. 현재주력제조업에서는 3D 프린팅을시제품 (prototyping) 이나
6 신기술 발전에 따른 산업 지형의 변화 전망과 대응 전략: 제3권 3D 프린팅 금형 제작 등 제한적인 용도로 활용하고 있는데 그 이상으로 최종 제품이나 부품 제조에도 3D 프린팅을 활용할 것인지 여부가 문제의 핵심인 것이다. 본 연구의 목적은 3D 프린팅 기술을 평가하고 그 영향을 전망할 수 있는 분석 틀을 마련하여 3D 프린팅에 대한 지나친 낙관론과 비관론의 양극단을 지양하고 3D 프린팅의 잠재력을 객관적으로 평가하는 것이다. 즉, 3D 프린팅 기술의 특성을 분 석하여 주요 제조업의 제품, 서비스, 공정, 산업 구조 등을 어떻게 변화시킬 것인지 를 전망하고자 한다. 그리고 향후 기술 변화, 시장 및 소비자 변화, 제도적 이슈 등의 변화에 따라 3D 프린팅 기술의 경제효과가 어떻게 달라질 것인지도 전망한다. 이와 같은 논의를 바탕으로 현재 우리 정부의 전략과 정책 방향을 평가하고 향후 정부 정책을 제언한다. 제2절 3D 프린팅 기술의 개요 3D 프린팅은 디지털 디자인 데이터를 이용하여 소재를 적층(積層)하여 3차원 물 체를 제조하는 프로세스이다(국과심, 2014.4, p.2). [그림 1-4] 적층 가공 개념도 자료: 최성권(2015)
제 1 장서론 7 3D 프린팅공정은모델링, 프린팅, 후처리의 3단계로구성된다 ( 국과심, 2014.4, p.2). 모델링은 CAD 등디자인소프트웨어 (SW) 나 3D스캐너로 3차원디지털도면을제작하는단계이고, 프린팅은이에따라 3차원디지털도면에따라실제소재를쌓아원하는형상을만드는단계이며, 후처리는프린팅과정에서제품의모양유지를위해사용했던서포터를제거하고연마, 염색, 표면재료증착등을통해최종상품화를하는마무리공정이다. [ 그림 1-5] 3D 프린팅의 3 단계공정 자료 : 국과심, 2014.4, p.2 기존전통적인제조기술로는재료를자르거나깎는 절삭가공 (subtractive manufacturing) 또는제거가공, 틀에액화된재료를넣어굳히거나압력을가해원하는모양을만드는 소성가공 (formative manufacturing) 또는변형가공등이대표적이다 (Dunne, 2012; 미즈호은행 ( みずほ銀行 ), 2013.9.27). < 표 1-2> 제조기술의종류 기술절삭가공또는제거가공부가가공소셩가공또는변형가공 대표적인제조방식 절삭, 방전가공, 연삭용접, 적층 (3D 프린팅 ) 프레스, 주조 기기 머시닝센터, 방전가공기, 선반 용접기, 3D 프린터 프레스성형기, 사출성형기, 금형 생산량단품생산, 소량생산대량생산 자료 : 미즈호은행 ( みずほ銀行 ), 2013.9.27, p. 3
8 신기술발전에따른산업지형의변화전망과대응전략 : 제 3 권 3D 프린팅 절삭가공이나소성가공과달리 3D 프린팅은단면을겹겹이쌓는방식이므로 적층가공 (Additive Manufacturing) 또는부가가공이라고도부르고, 주로시제품제작에사용되기때문에쾌속조형 (RP Rapid Prototyping) 이라고도한다. 현재대량생산의대표적제조공정인사출 (Injection Molding) 방식과비교하여복잡한공구세팅 (Tooling) 이나금형 (mold) 제작없이대상물을만들수있다는것이장점이다 ( 백오현, 2015). 제 3 절연구문제및연구방법론 본연구의주제는 3D 프린팅과같은신기술이산업구조와경쟁지형에어떤변화를가져올것인가를전망하는것이다. 3D 프린팅이주요산업의제품, 서비스, 공정을어떻게변화시킬것인지를살펴보고, 이를통해주도기업이변할것인지, 가치사슬에변화가일어날지, 더나아가산업전체에어떤변화가일어날것인지를고찰한다. 주요연구문제는첫째, 3D 프린팅의기술적특성을분석하여 3D 프린팅이산업구조와경쟁지형에미칠영향력을전망하는것이다. 물론산업이변화하기위해서는기술뿐아니라소비자, 법제도등다양한요인이복합적으로작용해야하겠지만기술자체의속성만으로도어느정도산업에미칠영향을전망할수있다는것이본연구의가설이다. 산업에미칠영향력중에서도특히기존제조기술을대체할가능성이있는가가주된관심사이다. 둘째, 3D 프린팅이주요산업에어떤영향을가져올지에대해전망한다. 먼저, 3D 프린팅이전자, 자동차등주요제조업의경쟁지형을변화시킬가능성은없는가이다. 또한, 3D 프린터가 PC처럼모든가정에 1대씩보급되고일상생활에서사용되는많은제품들이가정에서제조될것인가이다. 셋째, 3D 프린팅이가져올변화의수혜기업과피해기업은누구인가이다. 다르게표현하면 3D 프린팅은기존기업에게기회인가위기인가이다. 본연구의주요결론은첫째, 3D 프린팅은기존제조기술과의가성비
제 1 장서론 9 (price-performance ratio) 격차가크기때문에향후수년내에기존제조기술을대체하기어렵다. 제품의표면정밀도및강도가낮고 ( 제품품질 ), 사용할수있는소재가플라스틱및일부금속등으로제한되며 ( 소재다양성 ), 제조속도가느리고소재가격이높기때문이다 ( 공정효율성 ). 적층방식의본질적인한계를고려할때가까운미래에기존제조기술을추월할가능성은크지않다. 3D 프린팅기술은기술적한계에도불구하고복잡한구조의제품도상대적으로용이하게만들수있고 ( 제품구현능력 ), 제조노하우가부족한개인이나기업도상대적으로작은투자비로제품을만들수있다 ( 사용편의성 ). 따라서, 3D 프린팅은기존에만들던것을더잘만드는기술이라기보다는기존에만들수없었던것을만들수있는기술이다. 기존제조기술의대체재 (substitute) 가아니라보완재 (complement) 로서의가치가크다는것이다. 또한, 기존에만들수없었던이들이활용할수있는기술이다. 둘째, 3D 프린팅은복잡한구조의부품이나제품의제조가용이하여전자, 자동차등주요제조업에서제품혁신을촉진시킬것이다. 기존제조업체도 3D 프린팅을기존제조기술과결합하여설계혁신, 현지맞춤제조등을통해제품, 비즈니스모델, 공급사슬 (supply chain) 을변화시킬가능성이높다. 예를들어, 격자 (lattice) 구조를활용한경량화, 다수부품을통합하는구조단순화등을통해자동차산업등에서제품혁신을촉진시킬수있다. 수요가발생할때마다소량제조가가능하므로부품등의재고를사전에대량보유할필요가없다. 개인과벤처로부터혁신제품과비즈니스모델이등장할수도있다. 클레이튼크리스텐슨교수가주장한 혁신기업의딜레마 ("Innovator's Dilemma") 와단절적혁신등장시나리오가 3D 프린팅에의해실현될수있다 (Christensen, 1997). 다만, 주방기구, 소형가구등일상생활에서사용되는제품들을제조할수있는고기능 3D 프린터를대다수가정에서보유하여사용하는것은경제성과사용자숙련도측면에서가능성이낮다는것이다. 일반인은최신개인용제조시스템을각자의집에두는것보다전문서비스업체에구비된대형고성능 3D 프린터를공유하는것이경제적으로합리적이다 (Barnatt, 길이훈김상태역, 2014, p. 37). 소비자가 3D 프린터를직접사용하는대신디지털모델로부터소비자가원하는맞춤형제품을즉시
10 신기술발전에따른산업지형의변화전망과대응전략 : 제 3 권 3D 프린팅 만들어낼수있는대형고성능 3D 프린터를구비한서비스업이성장할것으로전망된다. [ 그림 1-6] 3D 프린팅의응용분야 자료 : 미즈호은행 ( みずほ銀行 ), 2013.9.27, p. 16 을바탕으로연구팀재구성 셋째, 앞서지적한것처럼 3D 프린팅은기존제조기술의대체재라기보다는보완재의성격이크므로기존기업에게위기보다는기회로작용할것으로전망된다. 다만, 선발자가표준화등을통해시장을선점할것으로예상되므로 3D 프린팅의영향이기업별로상이할것이다. 본연구는위의연구문제를효과적으로분석하기위해한국의대표적인제조업인휴대폰산업과자동차산업의사례를중점적으로논의한다. 우리나라전체수출에서차지하는비중이무선통신기기 6.2% ( 전자 전기는 34.4%), 자동차 8.6% ( 자동차부품포함시 13.5%) 로휴대폰산업과자동차산업은국내수출을주도하는대표산업이다 ( 산업부보도자료, 2016.1.1). 또한, 휴대폰과자동차관련기업은기업가치측면에서도국가경제를주도하고있다. 즉, 국내주식시장에서시차총액상위 2개사가삼성전자와현대차로나타나고있다.
제 1 장서론 11 [ 그림 1-7] 국내주식시장시가총액순위 자료 : http://finance.naver.com/sise/sise_market_sum.nhn?sosok=0, 2015.12.24 최종접속 기존문헌에서 3D 프린팅이산업에미치는영향을이야기할때등장하는주로항공산업이나보청기등의의료산업을다루고있다. 물론이와같이 3D 프린팅이현재에도잘활용되고있는산업을논의하는것도의미가있으나 3D 프린팅이주요제조업, 특히국내제조업체에미치는영향을분석함에있어서휴대폰과자동차산업을빼놓고는현실적인적용가능성이높지않다. 연구방법론으로는문헌분석, 전문가인터뷰, 사례조사등을통해연구문제에대한논리적인틀을수립하고객관적인근거를바탕으로분석한다. 본보고서의구성은다음과같다. 2장에서는 3D 프린팅기술의공학적ㆍ경제적특성을분석한다. 기술은시장및소비자와상호작용하며확산되기때문에기술의특성만으로산업의변화를전망할수는없겠지만, 특성에따라각기술이산업에미치는영향력의잠재력과한계를어느정도예측할수있을것이다. 3장에서는 3D 프린팅이주요산업의제품, 서비스, 공정을어떻게변화시킬것인지, 주도기업, 가치사슬등을통해산업구조를어떻게변화시킬것인지를논의한다. 마지막으로 4장에서는 3D 프린팅기술로인한산업변화정도에영향을미치는기술발전, 시장및소비자, 제도적요인등에대해설명한다.
12 신기술발전에따른산업지형의변화전망과대응전략 : 제 3 권 3D 프린팅 [ 그림 1-8] 3D 프린팅기술이야기하는산업지형의변화전망
제 2 장 3D 프린팅기술분석 13 제 2 장 3D 프린팅기술분석 제 1 절 3D 프린팅기술의개요 4) 1. 3D 프린팅기술의분류 3D 프린팅기술이산업구조와경쟁지형에어떤변화를가져올것인가를전망하기위해본장에서는 3D 프린팅기술의공학적, 경제적특성을분석한다. 3D 프린팅기술의특성을분석할때주의할점은 3D 프린팅은하나의기술이아니라 7개의서로다른기술의합이라는사실이다 (Gartner Press Releases, 2014.8.19). 3D 프린팅을활용하는개인이나기업은 7개의방식중에서활용분야에맞는특정방식을선택하게되므로 3D 프린팅기술의특성분석도 7가지방식을구분하여이루어져야한다. 예를들어, 누구나큰초기투자없이어떤형상이든만들수있다는 3D 프린팅의장점은주로 FDM (Material extrusion) 방식의저사양장비에는해당되지만대당 10억원이 SLS (Powder bed fusion) 방식의고사양장비에는해당되지않는다 ( 백오현, 2015). 3D 프린팅기술에대한공식산업표준용어는 AM (additive manufacturing) 이며, 2012 년 1월미국시험재료학회인 ASTM (American Society for Testing and Materials) International F42 Committee 에서현존하는 3D 프린팅방식을 Material extrusion, Sheet lamination, Vat photo polymerization, Material jetting, Binder jetting, Powder bed fusion, Directed energy deposition 등 7가지로분류하였다 (Wohlers Associates, 2015, p. 32). 현존하는다양한 3D 프린팅기술들은조형재료의특징에따라, 재료를압출하여층을하나하나쌓는방식 ( 고체방식 ), 액체를빛에노출하여응고하는방식 ( 액체방식 ), 분말을물체의모양대로굳히는방식 ( 분말방식 ) 등세가지범주로분류할수있다 (Barnatt, 길이훈김상태역, 2014, p. 52; 백오현, 2015). 4) 본절의내용은삼성전자백오현수석의자문을바탕으로작성되었음.
14 신기술발전에따른산업지형의변화전망과대응전략 : 제 3 권 3D 프린팅 이하에서는고체방식의대표기술인 Material extrusion (FDM; Fused Deposition Modeling), 액체방식의대표기술인 Vat photo polymerization (SLA; Stereolithography), 분말방식의대표기술인 Powder bed fusion (SLS; Selective Laser Sintering) 을중점적으로분석한다. < 표 2-1> 3D 프린팅기술의 7 가지방식 분류 방식명조형원리특징 고체방식 Material extrusion Sheet lamination - 필라멘트형상의플라스틱소재를고온으로인가된압출헤드 (Head) 에통과시켜용융된상태로설계단면형상에선택적으로토출 -1차원형상을수직방향으로적층하여 3 차원형상으로조형 - 필름형상의조형소재를차례로적층하고필름사이를접착시켜 3차원형상을조형 -2차원평면을수직으로적층하여 3차원형상으로조형 액체방식 Vat photo polymerizati on Material jetting -액상의광경화성수지가담긴수조에조형을위한기판을위치시키고수지의경화를위한광에너지를선택적으로인가하여조형 - 조형단면을 2차원레이저스캐닝으로경화시켜형상을조형. - 잉크젯헤드로미소액적 (droplet) 의광경화액상수지를선택적으로분사하고이후에광에너지를조사하여수지를경화하여조형 - 조형단면을잉크젯프린터와같이인쇄된점 (Dot) 의형상을통해얻으며인쇄후 UV 광원을이용하여해당층 (Layer) 을동시에경화
제 2 장 3D 프린팅기술분석 15 Binder jetting - 분말상태의소재에액상의접착제를잉크젯헤드를통해선택적으로분사하여접착 -접착된분말을통해 3차원형상을조형 분말방식 Powder bed fusion - 분말상태의소재에선택적으로고에너지의레이저를인가하여분말소재표면을용융접착시키고향후소결을통하여 3차원형상을조형 Directed energy deposition - 분말소재에선택적으로높은에너지의레이저를인가하여분말소재를용융하여 3차원형상을조형 - 분말표면만용융하여입자간접착하는 Powder bed fusion 방식과달리, 분말입자전체를용융하여액상의상태로조형하는방식 자료 : Barnatt, 길이훈김상태역, 2014; 백오현, 2015; http://www.custompartnet.com/wu/additive-fabrication, 2015.12.24 최종접속 ; http://www.me.vt.edu/dreams/binder-jetting/ 2016.01.08. 최종접속 ; https://www.utwente.nl/ctw/opm/research/design_engineering/rm/additive%20manufacturin g/overview-of-additive-manufacturing-processes/, 2016.01.08 최종접속 2. FDM ( 고체방식 ) 기술현황 필라멘트나필름등의고체소재를활용하는고체방식에는 Material Extrusion 과 Sheet lamination 등 2가지방식이대표적이다. 보다일반적인 Material Extrusion(FDM) 방식으로개념및기술현황을설명한다. 개념및제조방식 Material Extrusion 방식은일반적으로 FDM (Fused Deposition Modeling) 으
16 신기술발전에따른산업지형의변화전망과대응전략 : 제 3 권 3D 프린팅 로불리며, 필라멘트 ( 실 ) 형태의플라스틱또는왁스소재의원료가고온의노즐을통과하며용융되어조형판위에서노즐의움직임에따라형상을만들고경화된다 5). 이후에조형판이수직으로이동하여다음층을형성하고반복적인동작을통하여 3차원형상을조형한다. 내부공간은상부구조물지지를위하여서포트 (support) 재질을사용하여만든후제거하거나조형소재를최소한으로조형한후작업완료후제거한다. [ 그림 2-1] Material Extrusion (FDM) 방식의작동원리 자료 : http://www.custompartnet.com/wu/fused-deposition-modeling, 2015.12.24 최종접속 주요제품미국의 Stratasys 社가가장대표적인제조업체이며, 설립자인 Scott Crump 가 1988년 FDM 기술을발명하였다 6). 용도에따라서아이디어구현검증목적의 Ideas Series, 시제품제작목적의 Design Series, 그리고제품생산이가능한 Production Series 의 3개제품군으로구성된다 7). Idea Series 는탁상형제품인 5) http://www.custompartnet.com/wu/fused-deposition-modeling, 2016.01.08. 최종접속 6) http://www.stratasys.com/corporate/about-us, 2016.01.08. 최종접속 7) http://www.stratasys.com/3d-printers, 2016.01.08. 최종접속
제 2 장 3D 프린팅기술분석 17 Mojo( 조형크기 13cm 이하 ) 와 uprint SE( 조형크기 20cm 이하 ) 가있으며 Design Series 는 Fortus 250mc 모델이 9가지색상과 30cm 크기의객체를조형할수있으며온도제어를통해우수한정밀도를구현한다. Production Series 의경우, Fortus 900mc 가가장고사양의제품으로최대 914 mm 610 mm 914 mm의형상을 21가지의소재를사용하여조형할수있다. 적층두께를 0.330mm, 0.254mm, 0.178 mm 등 3가지로선택하여사용할수있으며, 조형된제품의정확도는 0.15% 로구현가능하다. 장비의가격은 7억원이며소재의가격은 ABS 소재의경우 1500cc 카트리지기준으로 60만원수준이며높은강도및내열특성을가지는 ULTEM 소재는가격이 115 만원에달한다 8). [ 그림 2-2] FDM 방식의주요제품 (a) Stratasys 의저사양모델 uprint SE (b) Stratasys 의고사양모델 Fortus 900mc (c) Makerbot Replicator 자료 : http://www.stratasys.com/3d-printers, 최종접속 2016.01.08 8) http://www.stratasys.com/3d-printers/production-series, 2016.01.08. 최종접속
18 신기술발전에따른산업지형의변화전망과대응전략 : 제 3 권 3D 프린팅 근래에들어개인용 3D 프린터가각광을받고있는데수많은벤처및중소기업이개방형아키텍처기술인 FDM 기술을이용하여제품을출시하고있으나, Stratasys 社로인수된 Makerbot Replicator 및 3D Systems 社의 Cubejet이가장안정적이고우수한제품을출시한다. Replicator 의경우, 미국내소비자기준으로 $2,899이며 252 mm 199 mm 150 mm의제품을조형할수있으며적층두께는 0.1 mm까지가능하고조형필라멘트소재는 0.9kg 카트리지기준으로 60만원수준이다 9). 주요기술요소별현재수준 조형체의품질을좌우하는것은노즐의직경으로일반적으로 0.2mm 정도를사용한다 10). 일부제조업체에서 0.1mm 이하를구현하는것으로발표하고있으나안정적인토출측면에서는양호한결과를보이지못한다. 곡선형상의실과같은모양을연속적으로이어서조형단면을그리는방식이므로소재의직경이표면정밀도를결정하므로다른 3D 프린팅방식에비하여표면품질이열악한단점이있으며, 단색의필라멘트를사용하게되므로천연칼라색상을구현할수없다. 또한한층의조형을완료한후다음층을조형할때경화된기존단면위에실모양의용융된조형소재를적층하게되므로, 구조적으로조형수직면의강도가수평면에비하여취약한단점이있다 11). 열에의하여녹는열가소성수지를사용하므로액상의광경화소재나파우더소재를쓰는방식에비하여소재의강도가우수하다. 가장많이사용하는소재인 ABS(acrylonitrile-butadiene-styrene) 의경우열변형온도 (HDT: Heat Deflection Temperature) 가통상 80 도이상이고유리전이온도도 100 이상, 항복강도는 31MPa 으로현재시판되는플라스틱계열의 3D 프린팅소재중에서는 9) http://makerbot3d.co.kr/kr-replicator.html, 2016.01.08. 최종접속 ; Wohlers Associates, 2015, p. 303; 백오현, 2015 10) http://www.stratasys.com/3d-printers/technologies/fdm-technology/faqs 최종접속 2016.01.08; 백오현, 2015 11) https://www.additively.com/en/learn-about/fused-deposition-modeling#read-chain, 최종접속 2016.01.08; 백오현, 2015
제 2 장 3D 프린팅기술분석 19 가장열적, 기계적특성이우수하다 12). 대형및고정밀도의제품을조형함에있어서, 이미조형된부분은냉각되어있고새로이조형되는부분은온도가높으므로온도차에의한뒤틀림형상을막기위해서대형시제품제작이나제품생산용장비에는조형공간을일정고온으로유지하는장치가적용되어있다 13). 적용가능한소재는현재 ABS 를비롯하여 PC(polycarbonate), 나일론, PPS(polyphenylene sulfide) 등과같은열가소성수지들이적용가능하며, 지속적인소재개발을통하여적용소재범위를늘리고있으나금속은고융점이필요하므로적용이불가능하다 14). ABS 와같은석유화학플라스틱소재의경우, 조형을위하여소재를녹이기위하여 220 로가열시유해가스및특유의냄새가발생하여가정이나학교에서는사용이어려우므로개인용장비에는옥수수전분에서추출하는친환경소재인 PLA(Ploy Lactic Acid) 를주로사용한다. 그러나 PLA 는열변형온도가 50 ~55 로내열성이낮고수분에취약하여조형제품의적용범위가제한적이다 15). 제조속도측면을보면, FDM 방식은단일노즐을적용하는관계로조형속도가느린편이며필라멘트기준으로 50-150 mm/sec 수준이다 16). 다만, 조형하는형상의종류및크기및적층두께에따라서조형속도가영향을받아일반적으로정의하기는어렵다. 사용편의성측면에서는개인용제품인 Makerbot Replicator 의경우, 일반사용자가인터넷이나 3D 스캐너등을통해서얻은 STL 형식의 3D 이미지파일을별도의전문적인 3D CAD 작업없이제공된지원도구 (Tool) 에의해서 3D 프린터에서바로조형이가능한 G 코드 (G Code) 로손쉽게변환하여사용할수있다 17). Fortus 900mc의경우, 전문적인사용자가제품생산및동작가능한시제품 12) https://www.stratasysdirect.com/materials/fused-deposition-modeling/ 최종접속 2016.01.08; 백오현, 2015 13) http://www.custompartnet.com/wu/fused-deposition-modeling; 백오현, 2015 14) http://www.custompartnet.com/wu/fused-deposition-modeling 최종접속 2016.01.08; 백오현, 2015 15) https://www.stratasysdirect.com/materials/fused-deposition-modeling/ 최종접속 2016.01.08; http://www.fargo3dprinting.com/polypropylene-vs-pla-one-better-3d-printing/, 최종접속 2016.01.08; 백오현, 2015 16) http://3dprint.com/63766/create-it-real-3d-rpt-fast/ 최종접속 2016.01.08 17) http://makerbot3d.co.kr/kr-replicator.html 최종접속 2016.01.08; 백오현, 2015
20 신기술발전에따른산업지형의변화전망과대응전략 : 제 3 권 3D 프린팅 제작을위하여다수부품의배치및최대강도, 매끄러운표면구현을위한서포트구조와압출경로가자동으로생성되며작업관리및생산상태모니터링이가능한통합솔루션을사용하여고기능제품및다수제품생산에대응한다 18). 주요응용분야 FDM 방식의가장큰장점은열에녹는열가소성플라스틱소재를사용할수있다는것으로다른 3D 프린팅방식에비해우수한특성으로열화학및기계적응력에견딜수있는시제품이나실제사용이가능한완제품을만들수있다 ( 백오현, 2015). 다만고온의노즐에서토출되는 1차원실형상의 3차원적층으로이루어지는조형원리로인하여표면외관품질은기존방법대비열세이므로스마트폰또는 TV 와같은외관의디자인및외관품질이중요한고가제품의경우에는활용이어렵다 ( 백오현, 2015). 부품의크기가작고정밀도가높은휴대폰내장부품도제작이현실적으로어려운상황이다. 소량의복잡형상제품또는외관용으로사용되지않는내부부품, 예를들면배기덕트, 팬또는각종복합지지구조등의소량제작이나생산현장에서의사용되는각종특수목적의고정구등에적합하다 ( 백오현, 2015). 복합컬러구현이나소재다양화를통하여디자인시제품또는동작이가능한시제품이나자동차내장부품이나생산용치구와같은외관품질이필요없는분야에서사용이확장될것으로판단된다. 향후기술발전전망 FDM 방식의기술발전방향은 3D 프린팅장비와소재의두가지방향으로살펴볼수있다. 프린팅장비에대해서는표면굴곡개선을위한노즐직경의감소를통한정밀도개선방향이있다. 현재 0.1mm 이하의노즐을가진제품이일부소개 18) http://www.stratasys.com/3d-printers/production-series, 2016.01.08. 최종접속 ; 백오현, 2015
제 2 장 3D 프린팅기술분석 21 되고있으나이로인해동반되는조형속도의급격한감소, 안정적인토출조건확보곤란등으로인하여기술혁신의한계에봉착해있어서조형체의대형화및정밀도향상, 다수헤드 (Head) 적용에따른조형속도및다색조형구현등의방향으로기술이발전될것으로예상된다 ( 백오현, 2015). 또한조형체의천연 Color 구현을위하여 cyan, magenta, yellow, black, white 의 5가지색의필라멘트를하나의헤드에서가열하여섞어서천연색을구현하는 BotObjects 社제품등의시도가진행되고있으며향후지속적인기술혁신이예상된다 19). 조형소재에관련하여 3D 프린팅의혁신방향인조형소재의다양화추세에따라많은조형소재의개발이이루어지고있으며, TPE(Thermo Plastic Elastomer) 소재를적용하여탄성조형체를만들수있는 Ninjaflex 제품이나도전성전극패턴을만들수있는소재등이새로이소개되고있다 (Wohlers Associates, 2015, p. 52). 기존열가소성소재에있어서도내열, 각종화학물질에안정적인내화학성을증가하여엔지니어링플라스틱수준의제품을조형할수있는고성능소재들이소개되고있고식품접촉안정성및생체적합성이인증된소재들도구현이되어수술용각종기구등의료용제품이나항공, 우주산업에적용가능한소재의개발이이루어지고있어향후적용분야가증가가예상된다 ( 백오현, 2015). 3. SLA ( 액체방식 ) 기술현황 액상의광경화수지를소재로활용하는액체방식에는 Vat photo polymerization 과 Material jetting 등 2가지방식이대표적이다. 보다일반적인 Vat photo polymerization(sla) 방식으로개념및기술현황을설명한다. 개념및제조방식 Vat photo polymerization 방식은일반적으로 SLA(Stereolithography) 라고불 19) http://techcrunch.com/2014/02/05/an-exclusive-look-at-the-botobjects-prodesk3d-color-3dprinter/ 최종접속 2016.01.08; 백오현, 2015
22 신기술발전에따른산업지형의변화전망과대응전략 : 제 3 권 3D 프린팅 리는방식으로, 1988 년 Charles Hull 에의해고안되어 3D Systems 社에의해최초로시장에소개된 3D 프린팅방식이다 20). 빛에의해경화되는광경화액상수지가담겨있는수조 (Vat) 내의조형플랫폼 (Platform) 위에 3차원조형단면을 UV(Ultraviolet) 레이저에의해스캔하면서레이저에노광된액상소재를고체로경화시켜일정두께의층를완성한다. 이후에조형플랫폼을수직방향으로이동하여동일공정을반복하여 3차원형상의플라스틱조형체를완성한다. [ 그림 2-3] Vat photo polymerization (SLA) 방식의작동원리 자료 : http://www.custompartnet.com/wu/stereolithography, 2015.12.24 최종접속 주요제품최초로상품화한 3D Systems 社가주요제조업체이며, 일반개인도사용이가능한소형 Desktop Series, 전문가용 Professional Series, 산업용정밀모델이나동작시제품을생산할수있는 Production Series 등 3가지제품군으로나누어출시하고있다 21). Desktop 모델로는 Projet1200은 43mm 27mm 150mm 까지조형이가능하고적층두께가 0.03mm, 585dpi 의해상도를구현하여보석이나치과 20) http://www.custompartnet.com/wu/stereolithography 최종접속 2016.01.08 21) http://www.3dsystems.com/ 최종접속 2016.01.08
제 2 장 3D 프린팅기술분석 23 모형, 그리고소규모부품모형제작에사용가능하다 22). Professional Series 는 Projet7000이 380mm 380mm 250mm 까지조형이가능하며적층두께가 0.05mm, 제품정확도가 0.1% ~ 0.2% 이내로제작이가능하다. 조형소재는투명색상이포함된 8가지의소재가담긴 2리터카트리지로제공된다 23). Production Series 의가장상위기종인 ProX950 은고속대형시스템으로서 1500mm 750mm 550mm 까지조형이가능하고제품정확도 0.1% ~ 0.2% 를가지고있으며 10리터카트리지, 13종의플라스틱소재를제공한다 24). [ 그림 2-4] SLA 방식의주요제품 (a) 3D Systems 의저사양모델 Projet1200 (b) 3D Systems 의고사양모델 ProX950 (c) Formlabs 의 Form2 자료 : http://www.3dsystems.com/ 최종접속 2016.01.08; http://formlabs.com/products/3d-printers/form-2/ 최종접속 2016.01.08 22) http://www.3dsystems.com/3d-printers/desktop 최종접속 2016.01.08 23) http://www.3dsystems.com/3d-printers/professional/overview 최종접속 2016.01.08 24) http://www.3dsystems.com/3d-printers/production/overview 최종접속 2016.01.08
24 신기술발전에따른산업지형의변화전망과대응전략 : 제 3 권 3D 프린팅 고가의레이저스캐닝광학계로인하여산업용장비로사용되던 SLA 방식도최근 3D 프린터의개인화추세에맞추어저가소형시스템이발표되고있으며 2012 년최초출시된 Formlabs 社의제품이대표적이다. 2015 년 9월출시된 Form2 의경우 145mm 145mm 175mm 조형이가능하고적층두께는 0.025mm 까지구현할수있으며기기의크기가 25 cm 33 cm 52cm 에불과하다 25). 미국내판매가격기준으로 $3,499이며, 4가지색상 ( 투명, 흰색, 회색, 검정 ) 의액상의조형소재의경우 1리터카트리지기준으로 $149 이다. 주요기술요소별현재수준 현재시판되는 3D 프린터중에서표면품질이가장우수하고미세한형상도표현이가능하다 ( 백오현, 2015). 조형된제품의표면정밀도를결정하는것은소재를경화하기위하여인가되는레이저빔초점 (Beam Spot) 직경및세기로서현재 0.025mm 에서 0.2mm 수준으로구현된다 ( 백오현, 2015). 기계적인구동부가적어신뢰성및조형정밀도가높으며별도의서포트소재가필요없다 (Wohlers Associates, 2015, p. 38). 수조 (Vat) 에조형소재를넣어서조형하는방식이므로단일색상의제품만조형이가능하며, 하나의제품에여러물질을동시에적용하여조형하는것이불가능하다. 조형소재는광경화고분자소재를사용하며, 광경화메커니즘은고분자화합물의구성단위가되는저분자단위체인모노머 (monomer) 가용매및기타첨가제와혼합된액체상태에서특정빛의파장에의해활성화되는광개시제에의해서서로연결되어고분자폴리머 (polymer) 가되는원리이다 26). 폴리머소재의종류는아크릴레이트를주로사용하여열변형온도 (HDT) 가 60 도이하이고상변이온도는 70 정도로서열가소성수지를사용하는 FDM 방식이나 SLS (Powder bed fusion) 방식에비해내열특성이열세이다 27). 최근소재의개선을통하여조형후열처리 25) http://formlabs.com/products/3d-printers/form-2/ 최종접속 2016.01.08 26) https://www.theseus.fi/bitstream/handle/10024/80083/pandey_ramji.pdf?sequence=1 최종접속 2016.01.09; https://en.wikipedia.org/wiki/photopolymer 최종접속 2016.01.08; 백오현, 2015 27) https://www.theseus.fi/bitstream/handle/10024/80083/pandey_ramji.pdf?sequence=1 최종접속 2016.01.09; 백오현, 2015
제 2 장 3D 프린팅기술분석 25 공정을통하여열변형온도를 110 이상으로개선한소재도출시되고있다. 광경화소재의경우모노머특유의냄새로인하여조형중환기장비가필요하며이로인하여가정이나사무실에서는사용이곤란하다. SLA 방식도조형하는제품의단면의크기, 높이, 적층두께에따라서각단면의조형속도및적층속도가변하므로조형속도를일률적으로정의하기는어렵다. 다만, FDM 에비해서는고속이고, SLS 보다는다소느린수준이다. 3D 프린터에서가장일반적으로사용되는 3D 모델데이터형식이 STL 포맷으로 3D 프린터최초로출시된 Vat Photo Polymerization의 Stereolithography 의약자를사용한다 ( 백오현, 2015). STL 포맷은컬러조형이불가능한 SLA 방식을위해고안되어컬러정보가없는 3차원표면형상을정의하고있어 Formlabs 사장비와같은소형시스템의경우별도의그래픽처리가없이서포트생성후 2D 조형단면을생성하여손쉽게조형을진행할수있다. 최상위기종인 3D Systems 사의 ProX950의경우제품을생산하는사용자가손쉽게공정을진행할수있도록 STL 파일생성, 기존 3D CAD 파일의변환, 3D 프린터파일생성및제품배치등의기능을통합적으로제공한다. 주요응용분야상기에서언급한기술적특징으로인해복잡하고정밀한형상을검증하기위한플라스틱시제품이나모형제작에적합하다. 특히각종정밀고정구또는의료용모델이나기구, 그리고정밀한주조용주형또는사출금형모형등에사용이가능하다. 가공정밀도와표면이우수하여스마트폰이나 TV 등의제품에적용할수는있으나, 광경화소재의낮은열특성으로인하여장기적인내구성이부족하여실제적으로는적용이곤란하다. 정밀모형이나진공주형등의마스터로서실제동작하지는않는모형으로주로적용이가능하다. 3D 프린터의특성상대량제작에는경쟁력이없으므로소재의특성이개선되면소형의정밀한형상제작을비교적저가의장비로제작이가능하므로스마트폰부
26 신기술발전에따른산업지형의변화전망과대응전략 : 제 3 권 3D 프린팅 품의 AS 시 3D 프린터로직접제작하여부품재고를없애는사업모델이구현될수있다. 향후기술발전전망 SLA 방식의발전방향은조형속도의향상및조형소재의다양화의두가지방향으로예측된다. 조형속도관련하여가장중요한요소는레이저스캔광학계로서통상 UV 파장대의 Spot 광을사용하여조형단면을스캔하여경화하는시간이조형시간을결정하는가장큰기술장벽이다. 이를개선하기위하여 Spot 광이아닌조형단면을프로젝터영사기에사용하는 DLP (Digital Light Processing) 를이용한기술이소개되고있다 (Wohlers Associates, 2015, p. 38). 조형단면전체를한번에조사 ( 照射 ) 하여광경화를진행하므로 Spot 광원인 SLA 방식에비하여높은조형속도를얻을수있다. DLP 방식은프로젝터광학계의특성으로인해조형크기는 SLA 방식보다열세이다. EnvisionTEC 社가 DLP 방식의 3D 프린터의가장대표적인제조사이다 28). 국내에는캐리마 에서 DLP 방식으로제품을생산하고있다 29). FDM(Material Extrusion) 방식과같이원천특허가만료되어다양한제품개발이이루어지고있다. 특히조형시간단축에대한요구가커지고있으므로, 조형단면경화및수직방향이동을동시에진행하여기존 SLA 방식대비 100 배이상의조형속도를갖는 Carbon 3D 社의 CLIP(Continuous Liquid Interface Production) 기술과같은파괴적혁신이이어질것으로예측된다 30). 조형소재다양화에관련하여, 고기능성소재인 ABS, PP, PC와같은특성을갖는소재를개발하고있으며, 고온특성을개선하거나, 기계적강성을개선한소재를별도로제공하여사용자가사용목적에따라선택할수있는소재의범위를확대하는방향으로기술개발이예상된다 ( 백오현, 2015). 28) http://envisiontec.com/3d-printers/ 최종접속 2016.01.08 29) http://www.carima.com/ 최종접속 2016.01.08 30) http://carbon3d.com/ 최종접속 2016.01.08
제 2 장 3D 프린팅기술분석 27 4. SLS ( 분말방식 ) 기술현황플라스틱이나금속의분말을소재로활용하는분말방식에는 Binder jetting, Powder bed fusion, Directed energy deposition 등 3가지방식이대표적이다. 가장일반적인 Powder bed fusion(sls) 방식으로개념및기술현황을설명한다. 개념및제조방식 Powder bed fusion 방식은일반적으로 SLS(Selective Laser Sintering) 라고불리며, 텍사스오스틴대학의 Carl Deckard 박사가처음으로고안한개념으로 1989 년특허등록이되었다 31). 금속이나고분자분말을분말통 (Powder bed) 에넣고균일화롤러로평탄화시킨후, 조형하고자하는단면적에고에너지의레이저빔을점 (spot) 형태로스캔하면레이저에의해분말의표면이용융되면서분말입자들사이에서소결 (Sintering) 이이루어진다 32). [ 그림 2-5] Powder bed fusion (SLS) 방식의작동원리 자료 : http://www.custompartnet.com/wu/selective-laser-sintering, 2015.12.24 최종접속 31) http://www.custompartnet.com/wu/selective-laser-sintering 최종검색 2016.01.09 32) http://www.custompartnet.com/wu/selective-laser-sintering 최종검색 2016.01.09
28 신기술발전에따른산업지형의변화전망과대응전략 : 제 3 권 3D 프린팅 하나의층에서조형단면의공정이완료되면조형플랫폼이조형두께만큼내려가고균일화롤러가공급부의분말소재를내려간두께만큼회전하면서공급하고다시레이저스캔작업이반복된다. 3차원조형체의조형작업이완료된후분말통에서조형체를꺼내어고온챔버에서열처리를하면입자간소결면적이증가면하서입자간의접착력이증가하고내부공극이감소하게된다. 레이저가인가되지않은분말이지지구조역할을하므로별도의서포트구조가필요하지않으며, 레이저인가시분말표면의용융을용이하기위하여소재의융점이하로분말통을가열한상태에서공정이진행된다. 분말형태의소재를사용하므로조형후, 조형되지않는분말소재는재활용이가능하고별도의서포트구조를필요로하지않으므로재료의효율성이다른방식에비하여우수하다. 단, 금속분말소재의경우에는고온의환경에서장시간사용시소재에따라열에의한산화가발생하여재활용이제한적이거나별도의재생과정이필요할수있으며조형후조형체주변분말제거시, 비산이발생하여장비주변환경유지에별도의주의가필요하다. 주요제품본기술을처음으로상품화한 DTM 社를 2001 년 3D Systems 社가인수하여특허권을보유하고있으며폴리머분말소재관련하여가장주요제조업체이나금속소재조형장비에대해서는독일의 EOS, Concept Laser 사가주요업체이다. 3D Systems 사의폴리머소재 SLS 방식 3D 프린터는고용량레이저를사용하는이유로 Production Series 에위치하고있으며 spro 230 이가장고사양모델이다 33). 조형사이즈는 550mm 550mm 750mm 까지가능하고조형속도는 5.0 litter/hr 이고 200W CO 2 레이저를광원으로사용한다. 분말소재의직경은 0.1~0.2mm 수준으로조형체의표면은분말소결후입자간경계면이나타나므로매끈한면이얻어지지는않으며최소적층두께는분말소재의직경수준인 0.1mm 수준이다 34). 33) http://www.3dsystems.com/3d-printers/production/spro-230 최종접속 2016.01.08 34) http://www.3dsystems.com/3d-printers/production/spro-230 최종접속 2016.01.08
제 2 장 3D 프린팅기술분석 29 금속소재를조형하는독일 EOS 제품으로는 EOS M400 이고성능시스템으로 400mm 400mm 400mm 의조형플랫폼을가지고있으며 1kW 용량의 Yb-fibre 레이저를사용하고있으며 7.0 m/s 의스캔속도를구현한다. 레이저 Spot의직경은 0.009mm 로높은가공정밀도를보유한다 35). [ 그림 2-6] SLS 방식의주요제품 (a) 3D Systems 의고사양모델 spro 230 (b) EOS 의고사양모델 M400 자료 : http://www.awp1.com/spro-230.html 최종접속 2016.01.08; https://www.3printr.com/product/eos-m-400/ 최종접속 2016.01.08 주요기술요소별현재수준 SLS 방식의표면품질은 SLA 다음으로우수한수준이다 ( 백오현, 2015). 고사양모델의경우분말소재의직경은 0.1~0.2mm 수준이고조형체의표면은분말소결후입자간경계면이나타나므로 SLA 처럼매끈한면이얻어지지는않는다 36). Powder Bed Fusion 방식은적용가능한소재의범위가매우넓은것이특징이다 ( 백오현, 2015). 플라스틱소재, 고강도금속소재이외에도모래, 고무재질 (TPE) 과같은소재도조형이가능하다. Powder Bed Fusion 방식은분말상태의소 35) http://www.eos.info/systems_solutions/metal/systems_equipment/eos_m_400 최종접속 2016.01.08 36) http://www.3dsystems.com/3d-printers/production/spro-230 최종접속 2016.01.08
30 신기술발전에따른산업지형의변화전망과대응전략 : 제 3 권 3D 프린팅 재의표면을레이저의열로녹여접착하는방식이므로열가소성수지를사용할수있으며고기능성부품제작을위하여 PS(polystyrene), PP(polypropylene), ABS, PA(polyamide) 등각종소재를활용가능하며 TPE와같은탄성소재및불연성소재등도가능하다 (Duraform)(Wohlers Associates, 2015, p. 53; 백오현, 2015). 특히 150 도이상의고온에서사용가능한엔지니어링플라스틱소재인 PEEK(polyether ether ketone) 를사용가능하여다른 3D 프린터보다고신뢰성제품을조형할수있으며복잡형상이나 3D 곡면의형상을갖는부품의제작이가능하다 37). 금속소재관련해서는분말상태의소재를녹이는 SLM(Selective Laser Melting) 으로칭하기도한다 ( 백오현, 2015). 사용되는금속소재는고가의기능성소재로서티타늄 ($295/kg), 스테인레스이외에코발트크롬 ($190/kg), 텅스텐카바이드, Iron-Chrome-Aluminum 등외에여러고기능성소재가있다. 기존사용하던금속소재에비하여강도가높고가벼우며내화학성이뛰어난무독성소재인티타늄은인체에자극이적고생체적합성을가지고있으므로항공기엔진의핵심부품이나인체내부에삽입되는인공기구로사용이늘고있다. 특히티타늄은강도가높아기존의절삭가공같은일반금속가공방법으로는가공이난이하나, 입자를녹여붙이는 SLS 방식을사용하면용이하게가공할수있다. 특히가공시내부에형성되는공극은가공된제품의중량을낮출수있고, 인체이식재있어서기존뼈조직과의연결에필요한구조이다. 스테인레스의경우도내부식성이뛰어나항공분야에널리사용되나, 소재의강한인성 (Toughness) 으로인하여기존의가공방법으로는가공이난이하나 SLS 방식을사용할경우분말을이용하여소결을통한제작이가능하다. 특히복잡한형상을갖는항공기엔진이나기타터빈의부품제각에있어다수의부품을복잡한조립공정을통해제작하는기존방식에비하여복잡한형상을한번에조형가능하다. 의료에사용한체내이식재경우, CT나 MRI 와같은 Tomography 정보로부터각개인별 3D 형상데이터를얻고 3D CAD 를이용하여필요한제작형상을설계하여 3차원형상의이식재를직접제작할 37) https://www.whiteclouds.com/3dpedia-index/polyether-ether-ketone-peek 최종접속 2016.01.08
제 2 장 3D 프린팅기술분석 31 수있다. 다만조형방식의특성상, 조형입자의표면이거칠게나타나므로제품의요구사양에따라서고온의장시간의열처리또는표면조도개선을위한연마작업이필요하다. 제조속도측면을보면, FDM, SLA과비교할때조형속도가가장빠르다. 주요응용분야 SLS 방식은각종산업분야가실제적으로가장많이적용되고있다. 대표적인분야는항공분야인데항공산업의경우제한된수량을고가재료로매우복잡한부품을제작하여야하기때문이다. 항공기부품에많이사용되는티타늄이일반가공이곤란하고항공기부품의특성상각종복잡한형상의유체덕트또는블레이드제작시가공이난이하고복잡한형상을구현하기위해 SLS 방식이많이활용된다. 2013 년 5월중국중장비전문제조사인 AVIC 사에서는 J-20,J-31 항공기에들어가는대형티타늄부품을조형하여기존방법을이용할경우 4백만불이소요되는것을 21만불에제작하고있다 38). 미국의 GE 는제트엔진의노즐을생산하는공장을미국앨라바마주에세우고있으며 2015 년 4월 SLS 방식으로제작한항공엔진압축기온도센서부품이미연방항공청으로부터사용승인을획득했다 39). Airbus 社는향후 5년내에수백개이상의부품을제작예정이고 A350의알미늄시트메탈 (Sheet Metal) 부품을제작했으며, 2018년에매달 30톤의파트생산을추진예정이다 (Wohlers Associates, 2015, p. 267). 의료산업의경우, 인체내독성이없는티타늄의특성을이용하여체내이식재로사용되고있으며대표적인사례로는인공고관절로서 SLS 방식의일종인 EBM(Electron Beam Melting) 방식을적용하여만든장비를이용하여제작된고관절부가 2007 년유럽에서인증된이후, 제작된수가 4만여개에이르고있다. 대표적인업체로는스웨덴 Arcam 社가있다 40). 38) http://www.avic2.com/ 최종접속 2016.01.09 39) http://www.ge.com/ 최종접속 2016.01.09 40) http://www.arcam.com/technology/electron-beam-melting/ 최종접속 2016.01.09
32 신기술발전에따른산업지형의변화전망과대응전략 : 제 3 권 3D 프린팅 이처럼의료분야에서도각환자별로다른의료영상데이터로부터개인별맞춤제작되는 3D 프린터의속성을활용하여인체에안전한소재를적용한고가의맞춤형제작서비스를만들어실제산업에적용하고있으며갈수록시장이확대될것으로예측되고있다. SLS 방식은, 조형소재를분말형태로준비하여열에의하여선택적으로접착하는방식으로적용가능한소재가넓고금속소재에가장많이사용되는방식으로 3D 프린터조형방식중에서단순시제품이아닌실제사용제품으로서가장광범위하고사용중이다. 향후기술발전전망 SLS 방식에서기술적으로개선할부분은고에너지광원사용에따른고가의장비가격과입자표면으로인하여나타나는표면품질저하이다. 높은장비가격과관련해서는장비시장의확대가이루어지면관련된기술의혁신을통하여지속적인장비가격이점차떨어질것으로예측된다. 낮은표면품질의경우외관부품보다는내장부품이나의료용제품으로사용하는현재의추세가지속될것으로보이나파우더입자의사이즈축소를통한표면품질향상에대한기술개발이예측된다. 다만이로인해수반되는조형속도저하및흩날리는파우더에대한관리문제는반드시해결되어야할기술적인이슈이다. 소재의적용이상대적으로자유로운본방식의특성으로인하여저가의소품종대량제품생산보다는조형소재의개발과더불어고가의신규어플리케이션의개발로이어질것으로예상된다. 제 2 절 3D 프린팅기술의공학적특성 신기술이산업에미치는영향을평가하기위해서는기술의특성을파악해야한다. 이를위해기술의공학적특성 (engineering properties) 과경제적특성 (economic properties) 구분할필요가있다. 기술의경제적특성은상당부분공학
제 2 장 3D 프린팅기술분석 33 적특성으로인해결정된다. 신기술평가에서중요한점은사실상절대평가가어렵고무의미하기때문에기존기술과의상대평가가필수적이라는것이다. 신기술이등장하기전소비자의기대수준을충족시키고있던기존기술대비신기술이우위또는열위인지, 그격차는어느정도인지를평가해야한다. 물론기존기술이없는경우라면신기술의특성과소비자의기대수준을직접비교해야한다. 3D 프린팅의경우평가의비교대상은사출, 프레스, 절삭등기존제조기술이다. 이하에서는 3D 프린팅기술의공학적특성을제품품질, 제품구현능력, 소재다양성, 공정효율성, 사용편의성등 5가지기술요소로평가한다. < 표 2-2> 3D 프린팅기술평가를위한 5 대기술요소 기술요소 내용 제품품질 표면정밀도 - 3D 프린팅으로제조된제품의표면이매끈한가 - 원하는형상과실제제조된제품의오차는얼마인가 강도 / 내구성 - 3D 프린팅으로제조된제품의강도는우수한가 ( 수평, 수직 ) 제품구현능력 최대크기 제품복잡도 - 3D 프린팅으로제조할수있는제품의최대크기는얼마인가 ( 가로 세로 높이 ) - 복잡한구조의제품을큰추가비용없이제조할수있는가 소재다양성 - 활용할수있는소재는다양한가 ( 플라스틱, 금속등 ) 제조속도 - 단위시간에얼마나제조할수있는가 공정효율성 기기가격 - 3D 프린터의가격은얼마인가 ( 저사양, 고사양 ) 소재가격 - 소재의가격은얼마인가 ( 플라스틱, 금속등 ) 사용편의성 사용자숙련도 도면가용성 - 일반개인도도면만있으면사용가능한가또는전문가만사용가능한가 - 일반사이트에서쉽게입수가능한가또는전용도면이필요하여사용자자체설계가필요한가 자료 : 연구팀작성
34 신기술발전에따른산업지형의변화전망과대응전략 : 제 3 권 3D 프린팅 1. 제품품질소재를녹이거나접착하여적층한다는기술의본질적인특성으로인해기존제조공정에비해제품정밀도, 강도ㆍ내구성등제품의품질이상대적으로낮다. 사출성형으로제품을생산할경우거울면과같은매끈하고정밀한표면을구현할수있지만대부분의 3D 프린팅장비로는이와같은표면구현이어렵다. 일반적으로스마트폰제조등에활용되는금형의정밀도는수μm (1/1000mm) 수준인데 3D 프린팅은장비가격과방식에따라차이가크지만수십 수백μm수준이다 ( 임영모ㆍ박봉원, 2014). 특히, 개인용장비의경우육안으로도적층된단층을볼수있을정도로정밀도가낮다. 따라서제조한물품을실제로활용하기위해서는 3D 프린팅을마친후후처리 (post-processing) 공정을추가적으로거치는경우가많다. [ 그림 2-7] 3D 프린팅기술의표면품질 자료 : Fraunhofer Institute for Production Technology (2015) 강도측면에서도소재를녹여서쌓는방식의본질적인한계로인해고성능의장비를사용하더라도제품의강도와내구성이기존제조기술에비해낮다. FDM 방식은실과같은모양을연속적으로수직으로이어서만드는방식이므로구조적으로조형수직방향으로의강도가수평방향에비하여취약하다. SLA 의경우광경화성소재를사용하는데일반적으로강도, 특히충격강도가매우취약하다 ( 박석희, 2015). SLS 는소재를분말로만들고레이저로일부를녹여붙이는방식이므로소
제 2 장 3D 프린팅기술분석 35 재를완전히녹여제조하는주조등에비해강도가낮지만, 기존에사용하던금속소재에비하여강도가높고가벼운티타늄을사용할수있다는점이장점이다. 2. 제품구현능력 3D 프린팅은제조할수있는제품의크기제약에서기존제조기술대비상대적으로자유롭지못하다. 장비나소재에따라다르지만통상약 1m급의제품제작이가능하다 ( 박석희, 2015). FDM 방식은재료분사노즐이송거리를확장할경우대형제품도제조할수있지만, SLA 방식은광경화수지를통 (Vat) 안에채워야하기때문에크기를무제한으로키우기가곤란하다 ( 박석희, 2015). SLS 방식도분말핸들링의어려움으로인해일정사이즈이상제작하기가어렵다. 주조, 절삭공정등기존제조기술대비 3D 프린팅의최대강점중하나는복잡한형상의제품제작이가능하다는것이다. 기존제조방식은제품이복잡해질수록제조의평균비용도상승하지만 3D 프린팅은아무리복잡한형상도도면화만되어있다면그에따라한층씩쌓아가며제작하기때문에상대적으로쉽게추가적인비용을들이지않고제작할수있다. [ 그림 2-8] 3D 프린팅과기존제조방식의복잡도에따른평균비용 자료 : 연구팀작성
36 신기술발전에따른산업지형의변화전망과대응전략 : 제 3 권 3D 프린팅 다공성 (porous) 이나내부가비어있는 (hollow) 디자인을활용하여제품경량화, 열특성제고등의효과를기대할수있고, 복수부품을조립하여만들던제품을일체형으로제작할수도있다. 예를들어 EADS 社는주요부품을일체형으로만든자전거를개발하여기존자전거보다 65% 정도가볍고원료사용량을 1/10로줄일수있었다 41). [ 그림 2-9] 3D 프린팅기술의제품구현능력 자료 : Fraunhofer Institute for Production Technology (2015) [ 그림 2-10] 3D 프린팅으로제작된 EADS 의일체형자전거 자료 : http://www.gizmag.com/eads-bristol-announces-nylon-airbike-manufactured-by-almtechnology /18094/ 최종접속 2015.10.28 41) http://www.gizmag.com/eads-bristol-announces-nylon-airbike-manufactured-by-alm-tech nology /18094/ 최종접속 2015.10.28
제 2 장 3D 프린팅기술분석 37 3. 소재다양성 3D 프린팅에사용가능한소재가점차확대되고있으나, 여전히대부분의장비는플라스틱과일부금속으로한정되어있다. FDM 은필라멘트로만들수있는소재는모두활용할수있어일반적인공업용소재중대부분의열가소성수지를활용할수있지만금속은불가능하다 ( 박석희, 2015). SLA는광경화성수지만사용가능하여주요 3가지방식중가장제약이크다. SLS 방식은분말형태로만들수있는소재는모두활용할수있다. 특히티타늄등과같이용접등기존공정으로제조가어려웠던소재의제조가가능하다는점은주목할만하다. 다만필라멘트전처리에비해고가의시설이필요하다 ( 박석희, 2015). [ 그림 2-11] 3D 프린팅에활용가능한소재의종류 자료 : http://www.shapeways.com/materials, 최종접속 2015.10.28
38 신기술발전에따른산업지형의변화전망과대응전략 : 제 3 권 3D 프린팅 4. 공정효율성 3D 프린터가격은과거대비대폭하락하여개인이구매가능한수준까지낮아졌다. 하지만고성능의산업용 3D 프린터와개인용 3D 프린터는가격차이가크며 ( 현재약 70배 ) 향후에도유지될전망이다 (Wohlers Associates, 2015). 고성능 3D 프린터의경우대당수억원의고가이므로제조의고정비를낮추어제조저변을확대한다는 3D 프린팅의장점은산업용의경우는해당되지않는다. 산업용 3D 프린터는제작사이즈별로가격차이가매우크다. 예를들어금속 SLS의경우 70mm 급은 2~3 억원인반면 250mm급은 12~13억원수준이다. 최근프린터의평균가격추이를보면상승하는추세이며단기에개인이나벤처기업에폭넓게보급되기는어려울것으로전망된다. [ 그림 2-12] 산업용과개인용 3D 프린터의평균가격 (ASP) 비교 자료 : Wohlers Associates (2015) 를바탕으로연구팀재구성 3D 프린팅의경제성을낮추는다른요인은소재이다. 3D 프린팅에사용되는소재는기존제조공정에비해수십 수백배고가이기때문이다 ( 임영모ㆍ박봉원, 2014). 예를들어스마트폰제조의경우사출성형에사용되는플라스틱은양산가기준 20원 /kg 이하이나 3D 프린팅에사용되는플라스틱은 15만원 /kg 수준이다 ( 백
제 2 장 3D 프린팅기술분석 39 오현, 2015). 3D 프린팅이대중적으로주목을받게된것은한개의제품도상대적으로낮은고정비용으로만들수있다는장점때문이다. 기존제조방식은금형, 대규모생산라인등이필요하여고정비용이높고한계비용이낮은반면, 3D 프린팅은고정비용이낮으므로소량생산에서는기존제조방식보다평균생산비용이더낮다. 다만제조물량과상관없이평균생산비용이일정하기때문에대량생산보다는소량생산에서만경제성을갖는다는것이단점이다. [ 그림 2-13] 3D 프린팅과기존제조방식의제조물량에따른평균비용 자료 : 연구팀작성 3D 프린팅이대량생산에활용되기어렵게만드는가장중요인요인은제조속도이다. 3D 프린팅의경우설계에서제품출시까지의전체시간은단축할수있지만실제생산에소요되는시간은기존제조방식에비해매우느리다 ( 임영모ㆍ박봉원, 2014). 예를들어단위생산속도가사출성형의경우수십초에불과하지만 3D 프린팅은수시간에서수십시간까지소요된다 ( 백오현, 2015). 3D 프린터및소재의가격은보급대수와활용도가늘어나면현재보다하락할것이지만적층방식의한계로인해기존제조기술대비속도의개선은단기간에기대하기어렵다. 기존제조공정이서로통합되어단일생산라인에서이루어지고있으나 3D 프린
40 신기술발전에따른산업지형의변화전망과대응전략 : 제 3 권 3D 프린팅 팅은기존제조공정과의연계가부족한독립공정으로서상품성이낮다. 3D 프린팅기술방식은서포트구조를제거하거나남은분말을털어내거나표면품질또는강도개선을위해열처리나연마등의후공정이필요하다. [ 그림 2-14] 3D 프린팅의후처리공정 자료 : Fraunhofer Institute for Production Technology (2015) 5. 사용편의성사출, 금형가공, 절삭가공모두제품및금형설계, 실제제조과정등에전문적인노하우가필요하다. 하지만, 3D 프린팅은제조노하우가디지털도면에모두담겨있으므로누구나디지털도면과 3D 프린터만있으면제조가가능하다. 디지털도면도직접제작하지않더라도인터넷이나 3D 스캐너등을통해입수할수있다. 또한, 고사양 3D 프린터의경우기본적인설계를제공하므로디자인역량이부족한경우에도제조가가능하다. 단, 3D 프린팅방식, 재료등의선택은전문가의지식이필요하다. 기존에존재하는제품을복제하거나구조가단순한물품을단순제조하는단계를넘어구조가복잡하거나혁신적인형태의새로운제품을설계하는단계에서는그제품을 3D 프린팅으로구현하는엔지니어링및 SW 역량이필요하다.
제 2 장 3D 프린팅기술분석 41 6. 3D 프린팅기술방식별비교 < 표 2-3> 은 3D 프린팅기술의대표적인방식인고체방식 (FDM), 액체방식 (SLA), 분말방식 (SLS) 에대해각방식별로최고사양의장비를활용한다고가정하고주요기술요소별로특성을기존제조기술과상대적으로평가한것이다. 특정산업을염두에둔비교는아니지만전자, 일반제조업분야의전문가인터뷰및관련문헌을바탕으로작성된것이고, 비교대상이되는기존제조기술로는주로사출공정을염두에두고비교한것이다. < 표 2-3> 3D 프린팅기술방식별특성비교 사양구분고체방식 (FDM) 액체방식 (SLA) 분말방식 (SLS) 제품품질제품구현능력 표면정밀도강도 / 내구성최대크기제품복잡도소재 다양성 ~ ~ ~ ( 플라스틱 ) ( 금속 ) ~ ~ ~ ~ 공정효율성사용편의성 제조속도기기가격소재가격사용자숙련도도면가용성 ~ ~ ~ ~ 주 : 기존제조기술대비매우미흡 기존제조기술보다미흡 기존제조기술에거의근접 기존제조기술보다도우수 ) 자료 : 백오현 (2015) 와박석희 (2015) 등을바탕으로연구팀작성
42 신기술발전에따른산업지형의변화전망과대응전략 : 제 3 권 3D 프린팅 [ 그림 2-15], [ 그림 2-16],[ 그림 2-17] 은 < 표 2-3> 의결과를그래픽으로표현한것이다. [ 그림 2-15] FDM 방식과기존제조기술의특성비교 (a) 세부항목비교 (b) 5 대기술요소비교 자료 : 백오현 (2015) 와박석희 (2015) 등을바탕으로연구팀작성
제 2 장 3D 프린팅기술분석 43 [ 그림 2-16] SLA 방식과기존제조기술의특성비교 (a) 세부항목비교 (b) 5 대기술요소비교 자료 : 백오현 (2015) 와박석희 (2015) 등을바탕으로연구팀작성
44 신기술발전에따른산업지형의변화전망과대응전략 : 제 3 권 3D 프린팅 [ 그림 2-17] SLS 방식과기존제조기술의특성비교 (a) 세부항목비교 (b) 5 대기술요소비교 자료 : 백오현 (2015) 와박석희 (2015) 등을바탕으로연구팀작성 3D 프린팅기술의다양한방식들은적층이주된제조메커니즘이라는점은공통적이지만응용분야, 사용하는소재등에따라특성의편차가매우크다. 3D 프린
제 2 장 3D 프린팅기술분석 45 팅기술과기존제조기술을비교하기위해서는 3D 프린팅기술이적용되는구체적인산업과용도를정의하고어떤기술방식을선택할것인지, 그용도에대해기존제조기술은무엇이주로사용되는지등을결정한후구체적인분석이이루어져야한다. 예를들어, 소비자개인이휴대폰케이스를만드는용도로 FDM 방식을사용할때와자동차제조업체가엔진부품을만드는용도로 SLS 방식을사용할때의 3D 프린팅의장단점은완전히다를것이기때문이다. 따라서기술간비교결과는산업이나응용분야에따라달라질수있다. 제 3 절 3D 프린팅기술의경제적특성 3D 프린팅기술의공학적특성과그로인한경제적특성은다음과같다. [ 그림 2-18] 3D 프린팅의경제적특성 자료 : 연구팀작성
46 신기술발전에따른산업지형의변화전망과대응전략 : 제 3 권 3D 프린팅 1 제조진입장벽낮춤기존제조방식은금형, 대규모생산라인등이필요하여고정비용이높고한계비용이낮은반면, 3D 프린팅은고정비용이낮으므로소량생산에서는기존제조방식보다평균비용이더낮다. 설계역량이부족한일반개인들도 3D 프린터와재료만구매하고전문가가제공하는디지털도면을다운로드하면제조할수있다. 단, 일반개인들에게제조가능성이열렸다는것과사용할제품을직접제조할의향 (consumer demand for customization) 이나숙련도 ( 제조, 조립 )(consumer proficiency level for manufacturing) 가있느냐는별개의문제이므로주의를요한다. 2 고객맞춤의경제성증가과거에는사실상불가능했던고객맞춤형제품생산을효율적으로할수있다. 표준화된제품을대량생산하여비용을낮추는현대의대량생산방식에서는고객맞춤형제품을생산하는것이비효율적이다. 3D 프린팅은물체의 3차원데이터를생성하는 3D 스캐너와연계하여작동하기때문에개인특성에맞게디자인할수있고, 소수고객의니즈에맞게제품을맞춤생산할수있다 ( 임영모ㆍ박봉원, 2014). 개인마다같은종류의제품을만드는것과다른제품을만드는것의비용차이가크지않다. 이와같은이유로보청기, 임플란트등과같이고객맞춤형제품이필요한의료분야에서 3D 프린팅이폭넓게활용되고있는것이다. 3 제품의구조혁신주조, 절삭등의공정없이원하는모양을만들수있으므로호리병, 격자등복잡한모양도제조가용이하다. 기존제조기술로만들기어려운형태도손쉽게구현할수있기때문에제품의경량화, 효율화가가능해진다. 기존에여러개의부품을만들어조립 용접하던방식에서벗어나일체형으로설계함으로써제조공정을단축할수도있다.
제 2 장 3D 프린팅기술분석 47 4 제품개발효율화제품개발에소요되는시간과비용을대폭절감할수있다. 제품개발과정은최종제품생산전에 설계 시제품 설계수정 의과정을반복한다 ( 임영모ㆍ박봉원, 2014). 시제품제작에숙련된기술과고가장비가필요하므로일부대기업을제외한대부분의기업들은외부전문업체에의존하며, 시제품을외주제작할경우수주일이소요된다 ( 임영모ㆍ박봉원, 2014). 그러나, 3D 프린팅은복잡한공구세팅이나금형제작없이디지털도면으로부터시제품을만들수있기때문에자체제작이가능하고제작기간도수주일에서 1 2 일로단축할수있다. 시제품제작기간이단축되므로설계팀과생산팀간의커뮤니케이션과디자인수정이용이해져제품설계단계에서의설계오류가감소된다. 5 재고필요성감소기존제조방식에서는대량생산후수요발생시점까지재고를보유해야한다. 하지만 3D 프린팅을활용하면재고를보유하는대신수요발생시점에수요발생지인근에서제조하여공급하면된다. 6 장소제약감소디지털도면에제조노하우가모두포함되어있으므로통상적으로기존제조기술로는제조가어려운장소에서도제조가가능해진다. 수요지근처가대표적으로 3D 프린팅을이용할수있는사례이고, 미국, 유럽등서구국가들이중국등아시아로이전했던제조공장들이 3D 프린팅시대를맞아자국으로회귀할것으로기대하고있는이유도이때문이다. 기존제조기술로는제조가어려웠던전장, 우주등에서도제조가가능해진다. 예를들어미국 NASA 는무중력상태에서 3D 프린팅을활용하는실험 (3D Printing In Zero-G) 을진행중이다. 42) 42) http://www.nasa.gov/mission_pages/station/research/experiments/1115.html, 2015.12.24 최종접속
48 신기술발전에따른산업지형의변화전망과대응전략 : 제 3 권 3D 프린팅 7 제약사항수많은장점과잠재력에도불구하고 3D 프린팅은만들어내는제품의품질이기존제조기술대비미흡하므로실제산업에서활용되기에는제약이많다. 예를들어매끄러운표면이필요한모바일기기나, 안전이유로상당수준의강도가요구되는자동차등에는현재와가까운미래에는부적합할전망이다. 남은분말을털어내거나열처리, 연마등을하는후공정이필요하기때문에현재로서는기존제조공정과의결합및대량생산에적합하지않다. 종합하면, 3D 프린팅은기존것을더잘만드는기술이아니라, 기존에못만들던것을만들수있는기술이라고평가할수있다. 전문가가아닌누구라도 ( 제조주체 ) 어떤복잡한모양이나다양한제품도 ( 대상물의범위 ) 언제어디서든 ( 시간, 장소 ) 제조가가능해진것이다. 3D 프린팅은기존제조방식의제약조건들을완화하여제조의대중화를가능하게한다. 하지만, 현재제품품질, 소재다양성, 공정효율성등에서다양한문제점을갖고있고향후단기간내해결되기어려운부분도있으므로실제활용할때주의를요한다.
제 3 장 3D 프린팅으로인한산업지형의변화전망 49 제 3 장 3D 프린팅으로인한산업변화전망 제 1 절 3D 프린팅전문가인식조사 1. 조사개요 국내외에서 3D 프린팅에대한관심이높고주요산업을중심으로막대한영향을미칠것으로기대되고있다. 그러나제2장에서살펴본바와같이 3D 프린팅은수많은장점에도불구하고현재소비자나제조사가상용제품을제작하는데에는많은한계를보이고있다. 기존제조기술이라는대안이있는상황에서 3D 프린팅이현장에서활용되기위해서는모든기술요소측면에서기존제조기술과대등하거나우월해야하기때문이다. 일부기술요소의경우향상되기까지장기간이소요될수도있고일부기술요소의경우적층가공이라는본질적인한계로인해기존제조기술보다우수한성능을보이기가어려울수도있다. 본연구는 3D 프린팅에대한일반적인기대수준과기술의현실적인한계라는상반된상황에서 3D 프린팅분야의전문가들은 3D 프린팅의활용가능성을어떻게전망하는지전반적인내용을조사하였다. < 표 3-1> 3D 프린팅전문가인식조사의개요 구분목적대상방법 내용 -국내외 3D 프린팅전문가들의 3D 프린팅의미래 ( 향후 5년내 ) 에대한전반적인견해를청취 -국내외에서전문적인저작물을집필한전문가, 3D 프린팅과관련된사업을하는기업인, 3D 프린팅도입을검토하는기업인등 ( 전체 73명중응답 25명 ) - 응답자소속기관 : ( 국내 ) 경기과학기술진흥원, 과학기술정책연구원, 삼성경제연구소, 삼성전자, 서울과학기술대학교, 소프트웨어정책연구소, 캐리마, 한국과학기술정보연구원, 한국생산기술연구원, 한국정보화진흥원 ( 해외 ) blender.org, Botspot, Deloitte, Fraunhofer, IBM, IoT Analytics, Royal Academy of Engineering - 대면인터뷰, 이메일 자료 : 연구팀작성
50 신기술발전에따른산업지형의변화전망과대응전략 : 제 3 권 3D 프린팅 본조사는통계적인가설검증목적은아니며 3D 프린팅의미래에대한전반적인견해를청취하여본연구의가설의방향성을점검하고자하는것이그목적이다. 특히, 전문가들은어떤요인이 3D 프린팅이산업에미치는영향을결정할것이라고생각하고있는지알아보고자했다. 전망시점은최근스마트폰등주요산업에서혁신주기가단축되고있음을고려하여 향후 5년내 로정하였다. 조사대상은일반인은제외하고국내외에서전문적인저작물을집필한전문가, 3D 프린팅과관련된사업을하는기업인, 3D 프린팅도입을검토하는기업인등 3D 프린팅기술에대한이해도가높은전문가들로한정하였다. 전체 73명을대상으로방문섭외또는이메일송부를하여대면인터뷰또는이메일을통해 25명의응답을얻었다. 논점을명확히하기위해본연구에서주로다루고자하는스마트폰과자동차분야에서 3D 프린팅을활용하는상황에대해질문하였다. 언론등에서 3D 프린팅의잠재력을논의할때주로항공, 의료서비스등과같이 3D 프린팅의특성에맞고이미활발하게이용되고있는분야가언급되고있으나국내산업에미치는영향을파악하기위해서는두산업에대한논의가가장중요하기때문이다. 전체적으로 3D 프린팅전문가들은 3D 프린팅이갖는기술적, 경제적한계에대해전반적으로인식하고있었고, 언론, 일반인등에비해 3D 프린팅에대해신중한입장을보였다. 그럼에도불구하고스마트폰, 자동차등과같은현재 3D 프린팅의활용이상대적으로활발하지않은분야에서도향후활용할가능성이있다고전망했다. 2. 조사결과향후 5년내일반가정에서 3D 프린팅을활용하는시나리오를묻는질문에대해각가정마다 3D 프린터가보급되어소비자들이식기, 소형가구등의생활용품을직접만들어사용하는시나리오를전망한전문가는 10% 미만이었다. 대부분현재와같이얼리어답터들만 3D 프린터를이용할것으로전망했다.
제 3 장 3D 프린팅으로인한산업지형의변화전망 51 [ 그림 3-1] 일반가정에서의 3D 프린팅활용시나리오 현재와같이, 기술에관심이많은얼리어답터들만 3D 프린터를이용 92.0% 각가정마다 3D 프린터가보급되어소비자들이식기, 소형가구등다양한생활용품을직접만들어사용 8.0% 자료 : 연구팀작성 일반가정에서의 3D 프린팅이용시나리오를결정하는요인으로 제품의품질 (25.0%), 소재의다양성 (22.2%), 3D 프린터및소재의가격 (19.4%) 등의요인에대한답변이많았다. 기술에대한호기심이나취미로 3D 프린터를사용할때와달리실제생활에서사용할제품을만들때에는표면이거칠거나강도가낮다는것, 대부분의 3D 프린터가한종류플라스틱만을사용할수있다는것등이제약요인이될수있을것이다. [ 그림 3-2] 일반가정에서의 3D 프린팅활용시나리오를결정하는요인 기타 규제이슈 2.8% 2.8% 제조에대한소비자의숙련도 고객화에대한소비자의니즈 11.1% 13.9% 3D 프린터및소재의가격 소재의다양성 19.4% 22.2% 만들수있는제품의최대크기 0.0% 제품의품질 ( 강도, 표면정밀도 ) 25.0% 3D 프린터의속도 2.8% 주 : 기타는 디지털도면에대한접근성, 중복답변허용자료 : 연구팀작성
52 신기술발전에따른산업지형의변화전망과대응전략 : 제 3 권 3D 프린팅 향후 5년내에스마트폰과관련한소비자의 3D 프린팅활용시나리오를묻는질문에대해 소비자가케이스나일부악세사리를직접만들어사용 (68.0%), 소비자는스마트폰제조에 3D 프린터를사용하지않음 (28.0%) 등의응답이많았고 소비자가스마트폰의몇몇모듈 ( 칩, 배터리, 안테나등 ) 을 3D 프린터로직접만들어조립하여사용 은 4.0%, 소비자가스마트폰전체를 3D 프린터로만들어사용 은무응답으로나타났다. 대다수의전문가가향후 5년내에는스마트폰과관련하여소비자가 3D 프린팅을활발하게활용할가능성이낮다고전망했다. [ 그림 3-3] 소비자의스마트폰관련 3D 프린팅활용시나리오 소비자는스마트폰제조에 3D 프린터를사용하지않음 28.0% 소비자가케이스나일부악세사리를 3D 프린터로직접만들어사용 68.0% 소비자가스마트폰의몇몇모듈 ( 칩, 배터리, 안테나등 ) 을 3D 프린터로직접만들어조립하여사용소비자가스마트폰전체를 3D 프린터로만들어사용 4.0% 0.0% 자료 : 연구팀작성 스마트폰과관련한소비자의 3D 프린팅활용시나리오를결정하는요인으로 3D 프린터및소재의가격 (32.3%) 과 제품의품질 ( 강도, 표면정밀도 ) (29.0%), 제조에대한소비자의숙련도 (19.4%) 등을주로지적했고, 고객화에대한소비자의니즈 (12.9%) 를답변한비율도높았다. 현재와같이스마트폰의가격이하락하는시장상황에서고가의소재를구입하여조악한품질의부품을자신이직접만들어사용하려는소비자는많지않을것이라는전망이다.
제 3 장 3D 프린팅으로인한산업지형의변화전망 53 [ 그림 3-4] 소비자의스마트폰관련 3D 프린팅활용시나리오결정요인 기타 규제이슈 0.0% 0.0% 제조에대한소비자의숙련도 19.4% 고객화에대한소비자의니즈 12.9% 3D 프린터및소재의가격 32.3% 소재의다양성 6.5% 만들수있는제품의최대크기 0.0% 제품의품질 ( 강도, 표면정밀도 ) 29.0% 3D 프린터의속도 0.0% 주 : 중복답변허용자료 : 연구팀작성 스마트폰제조사가향후 5년내에스마트폰제조에 3D 프린터를어느정도활용할것인지에대해서는 현재와같이시제품 (rapid prototyping) 을만드는용도로만사용 (52.0%) 과 최종제품 ( 부품, 전체제품 ) 을만드는데사용 (48.0%) 을응답한비율이거의같았다. [ 그림 3-5] 스마트폰제조사의 3D 프린팅활용시나리오 현재와같이, 스마트폰제조사들은시제품 (rapid prototyping) 을만드는용도로만 3D 프린터를사용 52.0% 스마트폰제조사들은최종제품 ( 부품, 전체제품 ) 을만드는데 3D 프린터를사용 48.0% 자료 : 연구팀작성
54 신기술발전에따른산업지형의변화전망과대응전략 : 제 3 권 3D 프린팅 전문가들은향후 5년내에스마트폰제조사들이최종제품 ( 부품, 전체제품 ) 을만드는데 3D 프린팅을활용할가능성을높게평가했는데, 이는구글이모듈형스마트폰을개발하기위해 3D 프린터제조업체인 3D 시스템즈와협력을추진한사례 43), 애플이리퀴드메탈과 3D 프린팅관련특허를등록한사례 44) 등이영향을미쳤을것으로추정된다. 스마트폰제조사가스마트폰제조에 3D 프린터를어느정도활용할것인지를결정하는요인으로는 제품의품질 ( 강도, 표면정밀도 ) (27.3%) 에대한답변이가장많았다. 기존생산라인과의통합 (21.2%), 3D 프린터의속도 (12.1%), 기타의견 ( 대량생산시생산단가및생산성 ) 등을종합하면 3D 프린팅의낮은생산성이스마트폰제조사의활용을저해하는주요요인이될수있다. [ 그림 3-6] 스마트폰제조사의 3D 프린팅활용시나리오결정요인 기타 6.1% 규제이슈 제조에대한소비자의숙련도 0.0% 3.0% 고객화에대한소비자의니즈 3D 프린터및소재의가격 소재의다양성 9.1% 9.1% 12.1% 만들수있는제품의최대크기 0.0% 제품의품질 ( 강도, 표면정밀도 ) 27.3% 3D 프린터의속도 12.1% 기존생산라인과의통합 21.2% 주 : 기타는 대량생산시생산단가및생산성, 스마트폰전체를제조할수없는기술의한계, 중복답변허용자료 : 연구팀작성 43) http://www.pcmag.com/article2/0,2817,2457491,00.asp, 2015.12.24 최종접속 44) 차원용 (2015.10.12), [IP노믹스] 차원용의 IP로보는미래 / `애플`, 리퀴드메탈채택한다, 전자신문, http://www.etnews.com/20151012000224, 2015.12.24 최종접속
제 3 장 3D 프린팅으로인한산업지형의변화전망 55 향후 5년내에럭셔리카가아닌일반자동차와관련한소비자의 3D 프린팅활용시나리오를묻는질문에대해 소비자는자동차제조에 3D 프린터를사용하지않음 (56.0%) 을응답한비율이스마트폰의경우 ( 소비자는스마트폰제조에 3D 프린터를사용하지않음 (28.0%)) 보다 2배높았다. 스마트폰의경우소비자들이케이스나일부악세사리를직접만들가능성이있지만자동차와관련해서는대부분의소비자가 3D 프린터를전혀사용하지않을가능성이클것으로전망했다. [ 그림 3-7] 소비자의자동차관련 3D 프린팅활용시나리오 소비자는자동차제조에 3D 프린터를사용하지않음 56.0% 소비자가그릴, 스포일러, 전자기기거치대등일부부품이나악세사리를 3D 프린터로직접만들어사용 36.0% 소비자가차체, 섀시등큰모듈들을 3D 프린터로직접만들어조립하여사용 8.0% 소비자가자동차전체를 3D 프린터로만들어사용 0.0% 주 : 럭셔리카가아닌일반자동차에대해질문자료 : 연구팀작성 이와같이자동차분야에서의 3D 프린팅활용가능성에대해비관적으로전망한요인은압도적으로 제품의품질 ( 강도, 표면정밀도 ) (41.2%) 였다. 스마트폰과비교하면자동차는안전을위해강도가중요하기때문인것으로보인다. 그다음으로 고객화에대한소비자의니즈 (11.8%), 제조에대한소비자의숙련도 (11.8%) 등의응답이뒤를이었다.
56 신기술발전에따른산업지형의변화전망과대응전략 : 제 3 권 3D 프린팅 [ 그림 3-8] 소비자의자동차관련 3D 프린팅활용시나리오결정요인 기타 규제이슈 2.9% 5.9% 제조에대한소비자의숙련도고객화에대한소비자의니즈 3D 프린터및소재의가격소재의다양성만들수있는제품의최대크기 11.8% 11.8% 8.8% 5.9% 8.8% 제품의품질 ( 강도, 표면정밀도 ) 41.2% 3D 프린터의속도 2.9% 주 : 중복답변허용자료 : 연구팀작성 제조사가자동차제조에 3D 프린터를어느정도활용할것인지에대해서는 현재와같이시제품 (rapid prototyping) 을만드는용도로만 3D 프린터를사용 (64.0%) 을응답한비율이 최종제품 ( 부품, 전체제품 ) 을만드는데 3D 프린터를사용 (36.0%) 보다매우높았다. 제조사관점에서도자동차분야가부품제조등에 3D 프린팅이활용될가능성이스마트폰분야보다낮다고전망한것이다. [ 그림 3-9] 자동차제조사의 3D 프린팅활용시나리오 현재와같이, 자동차제조사들은시제품 (rapid prototyping) 을만드는용도로만 3D 프린터를사용 64.0% 자동차제조사들은최종제품 ( 부품, 전체제품 ) 을만드는데 3D 프린터를사용 36.0% 자료 : 연구팀작성
제 3 장 3D 프린팅으로인한산업지형의변화전망 57 자동차제조사의 3D 프린터활용시나리오를결정하는요인으로 제품의품질 ( 강도, 표면정밀도 ) (31.6%) 응답비율이높은것은소비자시나리오에서와동일하다. 자동차제조사의경우 기존생산라인과의통합 (15.8%), 3D 프린터의속도 (15.8%), 기타의견 ( 대량생산시생산단가및생산성 ) 등을종합하면자동차의제조에 3D 프린팅이활용되려면생산성이해결되어야한다는의견도많았다. [ 그림 3-10] 자동차제조사의 3D 프린팅활용시나리오결정요인 기타규제이슈제조에대한소비자의숙련도고객화에대한소비자의니즈 3D 프린터및소재의가격 2.6% 2.6% 2.6% 5.3% 7.9% 소재의다양성 13.2% 만들수있는제품의최대크기 2.6% 제품의품질 ( 강도, 표면정밀도 ) 31.6% 3D 프린터의속도 기존생산라인과의통합 15.8% 15.8% 주 : 기타는 대량생산시생산단가및생산성, 중복답변허용자료 : 연구팀작성 기타의견들은다음과같다. 5년은큰변화를기대하기에는너무짧은타임프레임일수있음 실현가능성은단순히몇가지동인만으로는해결되지않을것임. 프린터가격이낮아지면소재가문제고, 소재나제조SW 가갖춰지면이용자숙련도가문제가되고, 이것이해결되면규제문제가뒤따를것임. 특정한문제하나가해결된다고해서활성화되기는어렵기때문에다양한문제를함께해결해나가는방안을마련해야할것임. 특히, 한국의경우는시장이더욱뒤떨어져있고소비자
58 신기술발전에따른산업지형의변화전망과대응전략 : 제 3 권 3D 프린팅 인식도낮기때문에이에대한해결방안도필요함. 3D 프린터이용에있어서소비자와제조사입장에서는차이가있을것임. 제조사는생산라인의변화외에도제조 SW개발이나표준, 저작권문제, 플랫폼구축문제, 품질문제, 제품의정밀도등이더중요한문제일것같음. 소비자가고객화를할때 3D 프린팅보다레이저커팅 (laser engravers), 모듈기반시스템등이더나은대안임. 3. 시사점 제2장의 3D 프린팅기술분석과제3 장의 3D 프린팅전문가인식조사는독립적으로수행되었지만그결과는대체로유사하다. 기술분석에서제품품질 ( 표면정밀도, 강도 / 내구성 ) 과공정효율성 ( 제조속도, 기기 / 소재가격 ) 이 3D 프린팅의가장큰단점으로지적되었는데이는전문가인식조사에서도확인할수있었다. < 표 3-2> 3D 프린팅기술분석및전문가인식조사의결과비교 기술요소 기술분석결과 3D 프린팅의활용가능성 전문가인식조사결과 제품품질제품구현능력소재다양성공정효율성사용편의성 적층하는방식이므로표면정밀도와강도가주조, 절삭등에비해낮음복잡한제품제조가용이하고, 대형제품도대체로제조가능플라스틱과일부금속으로제한적기존제조기술과제조속도등생산성격차가매우큼제조노하우나대규모초기투자없이누구나제조가능 표면정밀도, 강도등이낮아스마트폰, 자동차의실제제품 / 부품에활용이곤란스마트폰, 자동차에서는최대크기등의이슈가크지않음소재가제한되어일반가정에서의 3D 프린팅활용을저해기존제조라인과의통합, 제조속도, 생산성등이활용여부를결정제조에대한소비자숙련도, 고객화에대한소비자의니즈등이제약요인 자료 : 연구팀작성
제 3 장 3D 프린팅으로인한산업지형의변화전망 59 3D 프린팅기술분석과 3D 프린팅전문가인식조사결과의차이중에서한가지주목할사실은 3D 프린팅의가장큰장점중하나로지적되어온사용편의성, 즉제조노하우나대규모초기투자없이누구나제조가가능하다는사실이실제산업관점에서활용여부에큰영향을미치지않을수있다는사실이다. 과거대형제조장비를보유한기업만제조에참여할수있었지만 3D 프린팅으로인해제조활동의장벽이대폭낮아진것은사실이다. 하지만그것은제조에대한장애요인이해결되었다는것일뿐개인이제조에참여할의향과는다른문제인것이다. 예를들어, 소비자취향을겨냥한다양한스마트폰케이스가상점마다저렴한가격에판매되고있는상황에서재미요소를제외한다면조악한품질의스마트폰케이스를직접만들어사용하고자하는소비자들의니즈는크지않을것이다. 현재 3D 프린팅이제공하는 저품질의고객화 에대해소비자가과연지갑을열것인가의문제이다. 3D 프린팅기술분석과 3D 프린팅전문가인식조사결과로부터 3D 프린팅에대한대중의높은기대와달리전문가들이왜보수적이거나비관적인시각을갖고있는지에대한설명을찾을수있다. 언론에서는우주공간에서의원격제조, 피자등음식제조, 의족제작, 맞춤형의복제작등과같이대중의관심을끄는특이한상황에서 3D 프린팅이활용되는모습을주로소개하고있다. 하지만, 3D 프린팅기술의내용을잘알고직접경험한전문가들은그장점과함께단점을명확히알고있기때문에주요산업에서 3D 프린팅의활용가능성에대해신중한입장을견지하는것이다. 하지만, 3D 프린팅의장점과단점이공존하는상황에서제품품질, 공정효율성등단점을이유로산업에서의활용가능성을낮게평가하는것을설명하기위해서는새로운혁신이시장에어떻게진입하는가에대해추가적인논의가필요하다. 조프리무어 (Geoffrey Moore) 는그의베스트셀러 Crossing the Chasm (1991) 에서초기에대성공을거둔혁신제품이나서비스가주류시장에진입하지못하는이유를얼리어답터로이루어진초기시장과실용주의자와보수주의자로구성된주류시장사이에대단절, 즉캐즘이있기때문이라고설명한다 (Moore, 1991). 얼리어답터와주류시장의소비자들은특성이다르기때문에새로운전략이필요하다는점을지적한다.
60 신기술발전에따른산업지형의변화전망과대응전략 : 제 3 권 3D 프린팅 [ 그림 3-11] 초기시장과주류시장간의대단절 ( 캐즘 ) 자료 : http://www.huffingtonpost.com/jeff-bussgang/scaling-the-chasm_b_6478622.html, 2015.12.24 최종접속 3D 프린팅이얼리어답터의초기시장에서이미성공을거두었는지여부는확실치않지만적어도주류산업에영향을미치기위해서는캐즘을넘어주류시장에진입해야한다는사실만은분명하다. 이와관련하여 리비히의최소량의법칙 (Liebig's law of the minimum) 을상기할필요가있다. 45) 독일의식물학자유스투스리비히 (Justus Liebig) 는 1840 년질소, 인산, 칼리등식물성장에필요한필수영양소중성장을좌우하는것은넘치는요소가아니라가장부족한요소에의해성장이결정된다는법칙을발표했다. 이는비단식물학에만적용되는것이아니라시장에서소비자가구매등의행태를결정하는과정에도적용될수있다. 45) 안나까레니나법칙 (Anna Karenina principle) 도이와유사한개념이다. 여러조건중하나라도만족하지못하면목표를이룰수없다는 안나카레니나법칙 은진화생물학자제레드다이아몬드 (Jared Diamond) 가 1997년 총, 균, 쇠 에서제시한이론이다. 그는인류가오랜역사에걸쳐야생동물을가축화하기위해노력해왔는데왜얼룩말이나코끼리같은것은가축화되지못했는가를 안나카레니나법칙 으로설명하고있다. 요컨대야생동물이가축화되려면먹이를많이필요로하지않고, 성장속도가빠르며, 큰무리를이루어원만하게지낼수있어야하는데, 그중어느조건하나라도충족시키지못한다면가축화가어렵다는이야기다 ( 최병삼, 2014, p. 303~304).
제 3 장 3D 프린팅으로인한산업지형의변화전망 61 [ 그림 3-12] 리비히의법칙 자료 : http://www.slideshare.net/pabitramani/soil-fertility-evaluation-pkm, 2015.12.24 최종접속 소비자가제품의구매할때한두가지요인에의해결정할수도있고, 대안들을몇가지요인들에대해평가한후가중평균한값을토대로결정할수도있다. 하지만, 대부분의경우각요인들에대해소비자의최소한의기대치를만족시켰다는전제가있어야한다. 3D 프린팅의경우에도유사한논리를적용할수있다. 3D 프린팅이소비자나제조사에의해활용되어주요산업에영향을미칠것인지여부는가장우수한기술요소보다는가장부족한기술요소가결정할가능성이크다. 제품품질측면에서소비자가갖고있는최소한의기준을만족하지못할경우소비자의 3D 프린팅활용은기대하기어렵고, 공정효율성측면에서제조사가갖고있는최소한의기준을만족하지못할경우제조사는기존제조기술을고수할것이다. 3D 프린팅이낮은고정비와탁월한제품구현능력으로얼리어답터의니즈에부응하고있지만, 그것만으로는주요산업에영향을미치기에는부족하다. 기존제조기술이라는대안이있는상황에서 3D 프린팅이현장에서활용되기위해서는제품품질, 제품구현능력, 소재다양성, 공정효율성, 사용편의성등모든측면에서기존제조기술과대등하거나더나은성능을보여야하기때문이다.
62 신기술발전에따른산업지형의변화전망과대응전략 : 제 3 권 3D 프린팅 제 2 절제품ㆍ서비스ㆍ수익모델의변화 이제까지 3D 프린팅에대한대중의높은기대수준을현실적으로평가하기위해 3D 프린팅의기술적한계를강조했으나, 신기술에균형적인시각을견지하고활용방안을모색하기위해 3D 프린팅의가능성에대해초점을맞출필요가있다. 하버드대학클레이튼크리스텐슨교수의경영서 The Innovator's Dilemma 는기존기업이지속적으로혁신하는가운데파괴적혁신 (disruptive technology) 이어떻게등장하는지의메커니즘을제시한다 (Christensen, 1997). 초기에신기술은기존기술대비열등하지만한두가지장점 ( 예. 저가 ) 을무기로하급 (low end) 시장에진입하여지속적으로성능이개선되어결국고급 (high end) 시장에서도기존기술을대체하게된다는것이다. 물론, 기존기술도개선을지속하지만이미시장이원하는수준을넘어선과잉성능일가능성이크다. [ 그림 3-13] 단절적혁신의등장메커니즘 자료 : Christensen, 1997, p. xvi
제 3 장 3D 프린팅으로인한산업지형의변화전망 63 3D 프린팅의경우에도똑같은상황이발생할수있다. 앞서살펴본바와같이개인이가정에 3D 프린터를 1대씩보유하고일상생활에서사용하는많은제품들이제조하는시나리오의가능성은현실적으로낮다. 피규어등취미용물품이아니라실제생활에서사용될소비자제품을제조하기위해서는다양한재료와다양한색상을제조할수있는고성능 3D 프린터가필요하다. 하지만, 일반개인들까지는아니더라도얼리어답터가제조역량을보유하게된것은산업적으로큰의미를갖는다. 3D 프린팅에의해제조저변이개인이나벤처기업에게확대되어업계의판도를바꿀신기술이나신제품, 신서비스, 즉단절적혁신을창출할수있는것이다. 현재는대기업에비해자원이나역량에서비교할수없을정도로미미하지만그렇기때문에현재시장에주력할수밖에없는대기업에비해혁신을도입할인센티브는더욱큰것이다. 3D 프린팅기술이기존제조기술의대체재 (substitute) 가아니라보완재 (complement) 의성격이강하기때문에기존제조기업도이를전략적으로활용할수있다. 복수부품을조립하여만들던제품을일체형으로재설계하거나다공성 (porous) 이나내부가비어있는 (hollow) 디자인을활용하여제품경량화등을추진하는것이다. 따라서 3D 프린팅의한계는명확히인식하더라도다양한가능성을열어두어야한다. Tushman and Anderson(1986) 은기존기술대비가격대비성능비율이대폭개선되는기술변화 (sharp price-performance improvement over existing technologies), 즉불연속혁신 (discontinuities) 을역량파괴형불연속혁신 (competence-destroying discontinuities) 과역량강화형불연속혁신 (competence-enhancing) 으로구분했다 (Tushman and Anderson, 1986). 역량파괴형불연속혁신은완전히새로운종류의제품등장이나전혀새로운역량에기반한제조기술을말한다. 역량강화형불연속혁신은기존역량을활용하여기존제품의가격대비성능이나제조효율성을대폭향상시키는기술을말한다. Tushman and Anderson(1986) 은반도체산업을예로들어진공관을대체한트랜지스터나 IC(Integrated Circuit) 는역량파괴형불연속혁신, IC칩기술내에서의고집적화는역량강화형불연속혁신이라고설명한다.
64 신기술발전에따른산업지형의변화전망과대응전략 : 제 3 권 3D 프린팅 [ 그림 3-14] 기존기술대비 3D 프린팅기술의위상 자료 : 연구팀작성 불연속혁신은산업내지배력의분포를변화시킨다 (Tushman and Anderson, 1986). 역량파괴형불연속혁신은새로운역량을갖춘신규기업의진입을촉진하고, 역량강화형불연속혁신은기존기업의지배력을강화시킨다. [ 그림 3-14] 에서기존기술대비가격-성능격차가우위에있거나다소열위이나단기간내에추월이가능한기술들은불연속혁신이고신규역량이필요할경우역량파괴형불연속혁신, 기존역량으로습득이가능할경우역량강화형불연속혁신이라고할수있다. 최근주목받고있는모바일인터넷, 클라우드컴퓨팅, 빅데이터, 인지컴퓨팅등의기술들은모두역량파괴형불연속혁신으로해당역량을보유한기업, 주로 IT기업의산업진입을촉진하고있다. 3D 프린팅은최근까지기존제조기술을대체할역량파괴형불연속혁신으로기대를모았으나, 기술적특성을고려할때그와같은가능성은높지않다고판단된다. 다만, 기존기술과의가격대비성능격차를단기간내에추월하기는어려울지
제 3 장 3D 프린팅으로인한산업지형의변화전망 65 라도 Christensen 의파괴적혁신처럼특정산업, 특정응용분야에서활용될수있다면 3D 프린팅은잠재적인단절적혁신기술이될수있다. 현재 3D 프린팅기술이다양한한계를갖고있지만이를활용하는기업입장에서는다양한해결책을모색할수있다 ( 일경모노츠쿠리, 2014.6). 첫째, 3D 프린팅의단점을다른제조기술과조합하여보완할수있다. 예를들어, 3D 프린팅으로제작한제품의표면이거칠경우연마기등으로표면을부드럽게할수있다. 둘째, 조형조건등을최적화할수있다. 다른모든제조장비와마찬가지로 3D 프린터도어떻게활용하느냐에따라성능이달라지기때문이다. 노하우를축적하고활용하는조건과패러미터를최적화하여기존장비의성능을높일수있다. 셋째, 제품을 3D 프린팅에적합하게설계할수있다. 기존제품에 3D 프린팅을활용하는것에그치지않고 3D 프린팅에적합한설계를적극적으로찾아내는것이다. 일반적으로 3D 프린팅의특성상어떤산업에적용되기에유망하다거나한계가있다고일률적으로평가하기보다는각산업별로 3D 프린팅의강점이유지되면서도단점이보완되는응용분야가무엇일지를적극적으로탐색해야한다. [ 그림 3-15] 3D 프린팅을제조장치로사용할때의과제와해결책 자료 : 일경모노츠쿠리, 2014.6 를바탕으로연구팀재구성
66 신기술발전에따른산업지형의변화전망과대응전략 : 제 3 권 3D 프린팅 스마트폰, 자동차등의산업을중심으로 3D 프린팅이적합한응용분야, 제품설계, 제조방식에는어떤것이있는지탐색해보자. 1. 스마트폰산업 고객맞춤형스마트폰스마트폰산업은삼성과애플이주도하는집중도가높은 (concentrated) 산업이다. 슬림화, 경량화추세에따라부품의고집적화가요구되고외관등품질에대한소비자들의기대수준도높다. 스마트폰은개인용기기임에도불구하고고객화에대한소비자들의니즈가클지에대해서는의문이다. 그러나, 다른어떤개인용제품의경우처럼고객맞춤형기기의성공가능성을배제할수는없다. 2014 년 4월구글은 Project Ara' 라는스마트폰개발계획을선언했다 46). 디스플레이, 전지, 카메라, 프로세서, 케이스등의부품을블록처럼조합하여개인취향이나용도에맞게단말기를만들어낸다는구상이다. 2015 년초출시예정이었으나현재연기되어있다. [ 그림 3-16] 구글이개발중인모듈형스마트폰, 프로젝트아라 (Project Ara) 자료 : http://3dprint.com/33331/google-project-ara-3d-print/, 2015.12.24 최종접속 46) http://www.pcmag.com/article2/0,2817,2457491,00.asp, 2015.12.24 최종접속
제 3 장 3D 프린팅으로인한산업지형의변화전망 67 모듈형스마트폰의장점은다양하다. 사용자가스마트폰을구입한후에도부품만인터넷에서주문하면스마트폰전체를교체하지않아도계속하여최신사양의기기를사용할수있다. 조합부품에따라서약 50달러에스마트폰을만들수도있다. 경제력이낮은개발도상국소비자들은최소한의모듈을탑재한저가단말을구매한후여력이생길때마다부품을추가로구입하면된다. 구글은이와같은야심찬프로젝트를추진하기위해 3D 프린터제조업체인 3D 시스템즈와협력을추진했다. 구글은소비자가원하는대로선택할수있는외장케이스를 3D 프린팅으로만들계획이었고 3D 시스템즈는기존의컨베이어벨트와유사한방식으로 3D 프린터를연결하여대량생산에적합한연속생산공정을구축할계획이었고이를통해제조속도가약 50배이상개선될것으로기대되었다. 그러나, 2014 년말언론보도에따르면구글의프로젝트아라책임자는 3D 프린팅기술로제작한스마트폰케이스가구글의기준에맞지않아당분간이를사용하지않을것이라고밝혔다. 47) 3D 프린팅기술을현실에서적용하는것이쉽지않다는사실을반증하는사례라고할수있다. 하지만, 다른한편으로는단기적으로는실현되지않았지만, 구글의프로젝트아라책임자의말처럼, 장기적으로는 3D 프린팅으로스마트폰케이스나기타모듈외장을제조할가능성을확인했다고도할수있다. 3D 프린팅의전망이매우밝다고생각한다. 장기적으로성숙기에접어들면비용은감소할것이다. 기술진보가무어의법칙 (Moore's law) 과비슷한경로를따라갈것이다. 장기적으로 3D 프린팅비용에대해서는염려하지않으며그능력은매우놀랍다. (http://3dprint.com/33331/ google-project-ara-3dprint/, 2015.12.24 최종접속 ) 47) http://3dprint.com/33331/google-project-ara-3d-print/, 2015.12.24 최종접속
68 신기술발전에따른산업지형의변화전망과대응전략 : 제 3 권 3D 프린팅 외관디자인혁신 애플은아이폰에알루미늄을활용한고급스럽고세련된외관디자인을적용하여스마트폰디자인을혁신했다. 애플은이를위해일본화낙 (Fanuc) 의자동절삭기계 (CNC) 를팍스콘공장에 10만대나설치하는투자를감행했다 48). 화낙의공작기계와로봇은애플아이폰뿐아니라테슬라모터스의자동차제조에도사용된다. 스마트폰산업에서외관디자인의중요성을나타내는사례이자, 새로운제조기술을활용하여기존상식을뛰어넘는혁신을만들어낼수있음을보여주는사례이기도하다. 애플은 3D 프린팅과리퀴드메탈을이용한새로운형태의디자인혁신을준비하고있는것으로알려지고있다 ( 차원용, 2015.10.5). 애플의 3D 프린팅과리퀴드메탈활용가능성 -리퀴드메탈 (Liquid Metal) 은영화 터미네이터 2 에나오는살인로봇 T-1000 의소재로, 액체상태로몸을자유롭게변형하고순식간에뭉쳐고체형태의로봇이됨 -리퀴드메탈은철보다가볍고강도는 3배이상강하며, 일반금속과달리부식도전혀없음. 고온에서는플라스틱처럼자유자재로모양을만들어내고, 강도대비얇은두께로제조할수있음. - 액체금속특허는 2002년 Liquidmetal Techonologies사가개발한기술이나애플은 2010년 Liquidmetal Techonologies사로부터독점적으로사용할수있는라이센싱체결, 2015년 6월 Liquidmetal Techonologies사는애플과의독점라이센싱을 2016년까지연장 - 애플은리퀴드메탈을 3D 프린팅기술과함께스마트기기에적용할것으로전망. 리퀴드메탈파우더 (Powder) 를레이저빔이나전자빔을이용해열을가해액체금속으로전환시킨후, 3D 프린팅방식인클립 (CLIP, Continuous Liquid Interface Production) 기술을적용하면, 이론적으로는어떤전자제품도제조가능 - 실제로애플은 3차원프린팅방식으로리퀴드메탈을원하는구조와형태로찍어효율성및생산성을향상시키는연구를진행중이며, 리퀴드메탈복층프린팅, 리퀴드메탈스마트기기용밴드 ( 케이스 ) 및베젤제조, 리퀴드메탈부품및미세구조물제조등액체금속 3D 프린팅관련다양한특허를확보 -300개이상의부품으로이루어진아이폰에서 3~5개부품을 3D 프린팅으로제조하는하이브리드제조 (HM, Hybrid Manufacturing) 전략을선택할것으로예상 ( 자료 : 차원용, 2015.10.5 를요약정리 ) 48) 최연진 (2015.4.10), 갤럭시S6와아이폰6를낳은핵심기업, 한국일보, http://www.hankookilbo.com/v/96f4f0e34f384043a10d3876f5976fed, 2015.12.24 최종접속
제 3 장 3D 프린팅으로인한산업지형의변화전망 69 스마트기기액세서리제조벨기에의 Materialise 사가운영하는 3D 프린트서비스사이트 i.materialise 에서가장활발하게거래되고있는상품중하나는고프로 (GoPro) 액세서리이다 ( 일경비즈니스, 2014.9). 고프로는스포츠등으로인한활동적인움직임을동영상이나정지영상으로촬영하는액션카메라의일종이다. 고프로는액션카메라카테고리를최초로개척한기업으로 2004 년최초출시이후 2013 년매출약 10억달러를기록하였다 49). 고프로를이용하기위해서는인체나기타물체에부착하여야하기때문에이에사용되는마운트 (mount) 및다양한액세서리가필요하다. [ 그림 3-17] 액션카메라고프로 (GoPro) 에활용되는액세서리 자료 : http://www.aliexpress.com, 2015.12.24 최종접속 인체 ( 머리, 가슴, 허리등 ), 자전거, 자동차, 윈드서핑보드, 드론등고프로를고정시킬수있는대상은무궁무진하다. 2013 년고프로판매대수가약 380만대이고 ( 일경비즈니스, 2014.9) 고프로 1대당여러개의마운트또는액세서리가필요하다는점을고려하면고프로마운트및액세서리는 3D 프린팅을활용할적절한분야임에틀림이없다. 49) https://en.wikipedia.org/wiki/gopro, 2015.12.24 최종접속
70 신기술발전에따른산업지형의변화전망과대응전략 : 제 3 권 3D 프린팅 개인맞춤형웨어러블기기 이어폰은일상생활의필수품으로서착용시간이길기때문에개인체형에맞는제품에대한수요가클것으로예상되는제품이다. 실제로미국 Normal 社는개인맞춤형이어폰을 3D 프린팅으로제조하여 199 달러에판매하고있다 50) 기존제조방식으로개인맞춤형이어폰을제조하려면근처의사에게가서귀의모형을만드는등수천달러의비용과수주일간의기간이소요되었다. Normal 社는전용앱 (app) 을이용하여양쪽귀의사진을촬영하여송부하는방식으로기간을 2일로단축하였다. 이어폰전체중에서귀에접촉되는부분만을 3D 프린팅으로제작하는데 Stratasys 의 Fortus 250mc 모델을사용한다. [ 그림 3-18] 미국 Normal 社는개인맞춤형이어폰 자료 : http://techcrunch.com/2014/07/08/normal-makes-headphones-3d-printed-to-your-ear, 2015.1.11 최종접속 50) http://techcrunch.com/2014/07/08/normal-makes-headphones-3d-printed-to-your-ear/ 2016.1.11 최종접속
제 3 장 3D 프린팅으로인한산업지형의변화전망 71 이어폰외에도안경, 반지등과관련해서도 3D 프린팅이활용될수있다. 재료비 1달러만있으면각자자신이쓰는안경에구글글래스를설치할수있는어댑터가개발되기도했다 51). [ 그림 3-19] 구글글래스와기존안경을연결하는어댑터 자료 : http://techcrunch.com/2014/02/28/save-224-with-this-3d-printed-adapter-to-affixgoogle-glass-to-standard-frames/ 2016.1.11 최종접속 2. 자동차산업 프로토타입제작 자동차산업에서는오래전부터 3D 프린팅을프로토타입제작에활용하고있다. 르노포뮬러 1 레이싱팀은 1998 년부터공기역학적특성을평가하기위해자동차부품의프로토타입을 3D 프린터로만들고있고, GM, 포드등다수자동차메이커가이미 3D 프린팅을프로토타입제조등에활용하고있다. 고객맞춤형부품제조 자동차는 2~3 만개의부품으로이루어진복잡한구조이다. 제품이중후장대하 51) http://techcrunch.com/2014/02/28/save-224-with-this-3d-printed-adapter-to-affix-googleglass-to-standard-frames/ 2016.1.11 최종접속
72 신기술발전에따른산업지형의변화전망과대응전략 : 제 3 권 3D 프린팅 여물류비용이크고사용기간이길어서부품등의교체수요가큰산업이기도하다. 또한, 최근자동차제조사간연비경쟁이치열하고전기차, 하이브리드차등새로운기술개발이활발하게전개되고있다. 자동차산업에서는다수부품에 3D 프린팅이이미활용되고있고향후더많은부품으로확대될전망이다 (Deloitte University Press, 2014a). 포드는운전자에최적화된부품생산을위해벤처기업인카본 3D와제휴하는등 3D 프린팅기술을적극활용하고있다. 1차자동차부품공급업체인 Delphi 는 3D 프린팅을활용하여부품단순화를적극추진중이다. [ 그림 3-7] 자동차산업의 3D 프린팅활용현황및전망 자료 : Deloitte University Press(2014a, p. 13)
제 3 장 3D 프린팅으로인한산업지형의변화전망 73 자동차구조혁신고객니즈가다양하거나고객별로주문생산을하는산업이나제품의구조가복잡한산업에서는기존기업이제품진화를적극적으로추진할가능성이크다. 그런관점에서자동차산업은 3D 프린팅이제품혁신및공급사슬혁신, 비즈니스모델혁신으로이어질조건을일정정도는갖춘산업이라고볼수있다. 자동차산업은상위 5개사점유율이 50% 로산업집중도가낮지않으나제조사별로다양한모델을지속적으로출시하는등고객니즈가상대적으로다양하다. < 표 3-3> 세계자동차시장점유율 ( 생산대수기준 ) 순위 제조사 생산대수 점유율 1 도요타 10,324,995 11.9% 2 GM 9,628,912 11.1% 3 폭스바겐 9,379,229 10.8% 4 현대 7,233,080 8.3% 5 포드 6,077,126 7.0% 6 닛산 4,950,924 5.7% 7 피아트 4,681,704 5.4% 8 혼다 4,298,390 4.9% 9 스즈키 2,842,133 3.3% 10 PSA 2,833,781 3.3% 기타 24,706,535 28.4% 합계 86,956,809 100.0% 자료 : http://www.oica.net/category/production-statistics/2013-statistics/ 2015.12.24 최종접속 3D 프린팅의장점을활용하여새로운구조로설계된자동차들이등장하기시작했다. KOR Ecologic 社는전기차 URBEE 의다수부품을 3D 프린팅으로제작했다. URBEE 은 3D 프린팅으로제작된 20개의패널로외부프레임이조립되었으며 URBEE2의경우 3D 프린팅으로제작된부품수가 40~50개로늘어나며외부뿐아니라내부에도활용되었다 (Deloitte University Press, 2014a, p. 14).
74 신기술발전에따른산업지형의변화전망과대응전략 : 제 3 권 3D 프린팅 [ 그림 3-8] 3D 프린팅으로 URBEE 와 2015 년출시예정인 URBEE2 자료 : Deloitte University Press(2014a, p. 14) 2015 디트로이트모터쇼에서로컬모터스社의전기자동차스트라티 (Strati) 는대중들이지켜보고있는가운데 3D 프린터로 44 시간만에제작되었다 52). 3m 길이의물체를만들수있는자동차제작용 3D 프린터 BAAM을이용해차체를제작한다음, CNC 라우터로표면을깎고다듬었으며약 40여개에이르는부품과기계장치들을조립했다. 스트라티는무게 200 kg의초경량차로시속 60~96km의속력을낼수있다. [ 그림 3-9] 로컬모터스사의 Strati (2014) 자료 : https://localmotors.com/adc/strati/, 2015.12.24 최종접속 52) 이강봉 (2015.1.15), 시판앞둔 3D 프린터차 스트라티, 사이언스타임즈
제 3 장 3D 프린팅으로인한산업지형의변화전망 75 미국의 Kevin Czinger 는 61파운드의알루미늄파우더와카본파이버튜브를이용해 3D 프린팅한섀시로만든스포츠카 Blade 를제작하여 2015 년 6월 O Reilly Solid conference 에서공개했다. 53) 무게가 1400 파운드로포르쉐동종모델의 1/3 에불과하다. [ 그림 3-10] 3D 프린팅된스포츠카 Blade 자료 : http://www.dailymail.co.uk/sciencetech/article-3138145/the-gas-powered-3d-printedsupercar-0-60-two-seconds.html, 2015.12.24 최종접속 2015년 1월미국 ARPA-E 는 Local Motors 와공동으로 LIghtweighting Technologies Enabling Comprehensive Automotive Redesign (LITECAR) Challenge 를개최하였다. 54) 현재미국자동차안전기준을만족시키면서도혁신적으로경량화시키는컨셉카디자인을공모하는이벤트였다. 250 개출품작중알루미늄합금을사용해 3D 프린팅된구조를채용한자동차 WaterBone 이 1위로선정되었다. 미국인디아나대학교수와학생팀이개발하였다. 53) http://www.dailymail.co.uk/sciencetech/article-3138145/the-gas-powered-3d-printed-supercar -0-60-TWO-seconds.html, 2015.12.24 최종접속 54) http://arpa-e.energy.gov/?q=news-item/arpa-e-litecar-challenge-unveils-future-lightweightvehicle-design, 2015.12.24 최종접속
76 신기술발전에따른산업지형의변화전망과대응전략 : 제 3 권 3D 프린팅 [ 그림 3-11] 미국 ARPA-E 의컨셉카디자인공모전당선작, WaterBone 자료 : http://arpa-e.energy.gov/?q=news-item/arpa-e-litecar-challenge-unveils-future-lightw eight-vehicle-design, 2015.12.24 최종접속 이처럼 3D 프린팅은부품, 차체, 전체설계등의혁신을통해자동차산업에단절적혁신을가져올수있는잠재력이있다. 다만, 3D 프린팅은자동차산업에서요구되는기술수준에비해제품의품질 ( 특히, 강도 ), 생산성 ( 제조속도, 소재가격및다양성 ) 등이미흡하므로부품을대체하는것부터시작하여설계를혁신하는방향으로활용될것으로전망된다. 자동차산업에혁신이더딘이유에대해김재윤 (2011) 은다음과같이설명한다. 미래예측중가장잘틀리는것이운송수단과관련된전망이다. 탈것의핵심인엔진등에서이노베이션이더디기때문이다. 그간엔진에서는많은기술혁신이있었지만탈것의형태나성능을근본적으로바꾼혁신은아직없었다... 통상기
제 3 장 3D 프린팅으로인한산업지형의변화전망 77 계나기구가포함된제품은대개혁신이더디다. 가격하락도크지않다. 또사람의생명과연관된부분에서는혁신의성과를보수적으로적용하는경우도많다. 그래서아주혁신적인기술이나타나더라도실제상용화에는상당한기간이걸리거나, 때로는시장에서수용되지않는경우도허다하다 ( 김재윤, 2011, p. 41). 3. 기타산업 항공산업항공산업은고강도의재료를사용하고경량화또한중요한이슈이며고객수요에맞추어소량제작하기때문에다른어떤산업보다 3D 프린팅이활용되기에적합한산업이다. 항공산업에서보잉, 에어버스, GE 등은 3D 프린팅을활용하여부품을고강도재료의격자구조를만들어경량화하고있다. 보잉787 에는이미 3D 프린팅된플라스틱공조기기부품이탑재되어있다. 에어버스의소규모팀이 3D 프린팅기술을적용하여플라스틱으로기존항공기보다 65% 가벼운항공기를설계중이며 2050년출시계획이다. 에어버스의모회사 EADS 는 2011 년엑스터대학의제조센터개설에 45억원을투자했는데센터의목표는 A380을포함한항공기부품을 3D 프린터로만드는것이다. GE Aviation 은차세대엔진 LEAP' 에탑재되는금속제연료노즐을 3D 프린터로제작한다 55). 항공기용엔진부품을 3D 프린터로제작하는것은세계최초이다. 용접부분을줄여내구성을기존제품의 5배로높일수있다. 에어버스가개발하고있는여객기 310neo 등에탑재되어 2016 년에는시장에등장할것이다. 2013 년 GE Aviation 이 Morris Technologies 와그자매회사인 Rapid Quality Manufacturing 을인수하여 3D 프린팅활용을강화하고있다. 55) http://www.geaviation.com/manufacturing/cfm-leap.html, 2015.12.24 최종접속
78 신기술 발전에 따른 산업 지형의 변화 전망과 대응 전략: 제3권 3D 프린팅 [그림 3-12] GE의 항공기용 엔진 LEAP와 3D 프린팅된 연료 노즐 자료: http://www.geaviation.com/manufacturing/cfm-leap.html; http://www.gereports.kr/3d-pri nted-jet-engine-leap/, 2015.12.24 최종접속 항공산업의 부품 경량화 사례를 자동차, 조선, 기계 등 다른 증후장대형 산업에 적용한다면 경량화를 통해 연비 등의 효율성을 획기적으로 개선 가능하다. 전통적 인 생산기술로는 제조가 불가능한 내부가 빈 공간이나 열린 격자공간을 갖도록 설 계가 가능하여 가벼운 부품을 생산할 수 있도록 함으로써 항공 산업, 자동차 산업 등에서는 중요한 혁신의 동인이 될 수 있다. 이와 같은 새로운 형태의 구조물 개발 이 지속적으로 시도되고 있다. 예를 들어, 미국 퍼듀대학교에서는 3D 프린터로 3.9g의 알루미늄 합금 격자를 제작했는데 400kg 이상의 무게를 지탱할 수 있다.56) [그림 3-13] 미국 퍼듀대학교가 개발한 고강도 알루미늄 합금 격자 자료: http://3dprint.com/29958/3d-printed-aluminum-lattice/, 2015.12.24 최종접속 56) http://3dprint.com/29958/3d-printed-aluminum-lattice/, 2015.12.24 최종접속
제 3 장 3D 프린팅으로인한산업지형의변화전망 79 의료산업항공산업과함께 3D 프린팅이적용되기에가장적합한분야가의료이다. 보청기, 치아보철물등은환자 1인맞춤형제작이필수적이기때문이다. 예를들어보청기를제작할때기존프로세스에서는 10단계를거쳐야하지만 3D 프린팅을활용하면 4단계로단축될수있다. [ 그림 3-14] 3D 프린팅으로인한보청기제작프로세스단축 자료 : Deloitte University Press(2014b, p. 7~8) 3D 프린팅제조사인 EOS 에따르면, 치과용기구제작자가기존에는 1일 20개의치관 (crown) 을만들수있는데 3D 프린팅을활용하면 450개까지만들수있다 (Deloitte University Press, 2014b, p. 8). 2013 년 EOS 의 3D 프린터를통해 150 만개의치과용기구가제작되었다고한다. 단, 보청기, 치아보철물등은의료산업의일부이며, 영상진단기기, 치료기기, 수술용로봇등시장규모가상대적으로큰분야의메이저기업들이 3D 프린팅을적극적으로도입할지는미지수이다. 따라서, 3D 프린팅이의료산업전반을재편한다고평가하기는어렵다.
80 신기술발전에따른산업지형의변화전망과대응전략 : 제 3 권 3D 프린팅 < 표 3-4> 세계의료기기제조업체매출액순위 (2014 년 10 월현재 ) ( 단위 : 십억달러 ) 순위 제조업체 매출액 시가총액 1 Johnson & Johnson 28.7 294.2 2 General Electric 18.1 243.6 3 Medtronic 17.1 61.2 4 Siemens 17.0 92.2 5 Baxter International 16.4 38.7 6 Fresenius Medical Care 15.2 21.1 7 Philips 11.8 26.1 8 Cardinal Health 11.0 25.1 9 Novartis 10.7 227.5 10 Covidien 10.4 40.1 자료 : http://www.mddionline.com/article/top-40-medical-device-companies, 2015.12.24 최종접속 산업별 3D 프린팅활용가능성 현재 3D 프린터시장의산업분야별구성을보면산업장비 (17.5%), 소비재 / 전자 (16.6%), 자동차 (16.1%), 항공우주 (14.8%), 의료 (13.1%) 등 5대분야의비중이약 78% 로대부분을차지한다 (Wohlers Associates, 2015). [ 그림 3-15] 3D 프린터시장의분야별구성 자료 : Wohlers Associates (2015)
제 3 장 3D 프린팅으로인한산업지형의변화전망 81 3D 프린팅은고정비용이낮고시간과장소의제약이적으므로생산량이작고고객화가중요한산업에적합하다. Morgan Stanley (2013) 의산업매트릭스는이를잘나타낸다. 그림에서의료와항공은 3D 프린팅이적용될수있는적합성측면에서상대적으로높은정도에위치해있고스마트폰 ( Personal Electronics ), 자동차 ( Auto Manufacturers ) 는중간정도라고할수있다. 위의산업매트릭스는전반적인경향을보여주는것일뿐개별산업을구체적으로살펴보면산업별로적용대상이나시점에서큰차이가있다. 그런관점에서 3D 프린팅의산업별영향을파악하기에는 Fraunhofer Institute for Production Technology (2015) 가보다현실적으로유용하다.
82 신기술발전에따른산업지형의변화전망과대응전략 : 제 3 권 3D 프린팅
제 3 장 3D 프린팅으로인한산업지형의변화전망 83
84 신기술발전에따른산업지형의변화전망과대응전략 : 제 3 권 3D 프린팅 제 3 절산업구조의변화 1. 주도기업의변화 앞서살펴본바와같이 3D 프린팅은기존것을더잘만드는기술이아니라, 기존에못만들던것을만들수있는기술이다. 즉, 기존제조기술의대체재 (substitute) 가아니라보완재 (complement) 의성격이강하다. 따라서, 3D 프린팅과관련된경쟁의양상은기존제조기술을가진기업을 3D 프린팅기술을가진기업이이기는것이아니라, 기존기술을가진기업이 3D 프린팅기술을활용해서경쟁에서우위에서는양상이될것이다. 즉, 3D 프린팅은기존제조기업에게위기가아니라기회이다. 기존제조기업이 3D 프린팅기술을활용하는방법은자체개발과제휴나인수합병이다. 자체개발의경우핵심특허만료로 3D 프린팅기술의진입장벽은낮아지는추세이다. 1986 년 3D Systems 가최초출원한특허와 1990년전후출원한기본특허의유효기간이만료되었고 1992 년출원된, 가장저렴한방식인 Stratasys 의 FDM의원천특허도유효기간이만료되었다. 이를계기로 2012 년 1월첫번째개인용 3D 프린터인큐브 (The Cube) 가 1,299 달러에출시되었다 57). 2014 년 SLS 특허가만료되었기때문에향후에도개인용시장을중심으로다시한번시장확대가예상된다. 3D 프린터산업은 Stratasys 와 3D Systems 의양강구도이다. 2014 년시장점유율은 Stratasys 51.9%, 3D Systems 16.5%, Envisiontec 10.0% 등이다 (Wohlers Associates, 2015). 현재 Stratasys, 3D Systems 등기존 3D 프린팅제조사가시장을주도하고있으나 HP, 캐논, 앱손, 리코등 2D 프린터제조사도속속시장에진출하고있다. 57) http://www.3ders.org/articles/20120604-unboxing-cube-3d-printer-and-first-test-runs.html, 2016.1.12 최종접속
제 3 장 3D 프린팅으로인한산업지형의변화전망 85 [ 그림 3-16] 3D 프린터시장의업체별시장점유율 자료 : Wohlers Associates (2015) Stratasys는 FDM 원천특허, 3D Systems 는 SLA, SLS 원천특허를다수보유하고있으며, 양사는 2011년이후인수합병을통해시장점유율을확대해왔다. Stratasys와 Objet은 2012 년합병을완료했고 58), 3D systems 는서비스업체, 온라인콘텐츠업체, 3D 스캐닝및디자인소프트웨어업체를지속적으로인수하고있다. 원천특허만료후에도응용특허에의한진입장벽이여전히존재하며양사는공격적인특허경영을진행하고있다. 또한, 3D 프린팅의핵심특허를구미와일본기업들이선점하고있다. 3D 프린팅관련특허순위 1 3D Systems 3 Stratasys 8 HP ( 이상미국 ) 2 EOS 5 Evonik Degussa 9 Voxeljet Technology ( 이상독일 ) 4 Panasonic 10 JSR ( 이상일본 ) 6 DSM ( 네덜란드 ) 7 Huntsman Advanced Materials ( 스위스 ) * 2001~2011 년미국 / 유럽 / 중국 / 일본 / 한국에출원된 4천여건의특허분석결과 ( 일경모노츠쿠리, 2014.6) 58) http://www.wired.com/2012/12/stratasys-objet-merger/, 2016.1.12 최종접속
86 신기술발전에따른산업지형의변화전망과대응전략 : 제 3 권 3D 프린팅 따라서 3D 프린팅기술의진입장벽은낮아지고있지만선발기업과후발기업간기술격차는상당기간존재할것이다. 따라서향후기존제조업체의 3D 프린팅활용이확대됨에따라업계내인수합병이더욱활발해질전망이다. 2. 전문제조서비스사업자의성장많은전문가들이 3D 프린터가 PC 나 2D 프린터처럼가정마다한대씩보급될것이며산업혁명에버금가는제조업에변화를가져올것이라고전망했다. 최근 3D 프린터가격이과거대비하락하여개인이구매가능한수준까지낮아졌다. 그러나, 개인이가정에피규어등취미용물품이아니라일반적인소비자제품을제조하는것은현실성이낮다. 저가형장비는아직제품완성도가낮고추가적인재료비용이들어가며, 무엇보다서포트구조를제거하거나연마등의후공정이필요하여비전문가들이사용하기에는한계가많다. 다양한재료와다양한색상을제조할수있는고성능 3D 프린터는향후에도개인이구매하기에는고가일것이며개인이고가의장비를개별적으로보유하는것은경제성이맞지않는다. 가트너는 3D 프린터가소비자주류시장에진입하기까지는 5~10 년이소요될것이며그보다산업용시장이먼저성장할것으로전망했다 (Gartner Press Releases, 2014.8.19). 개인이직접제조하는것이아니라업체가대신제조해주는형태가현실적으로보다가능성이높다. 소비자가원하는사양의제품을주문하거나 3D 도면을보내면고성능 3D 프린터를구비한전문서비스업체가이를프린팅하여배송해주는것이다. 이와같은제조서비스시장은 2014년 13억달러규모로성장했다 (Wohlers Associates, 2015). 2013년 9억달러규모에서 35.1% 성장한것이다. 최근제조서비스시장의성장세는 2011 년 26.4%, 2012년 24.2%, 2013 년 21.1% 등과같이고공행진을해오고있다.
제 3 장 3D 프린팅으로인한산업지형의변화전망 87 [ 그림 3-17] 세계 3D 프린팅서비스시장 자료 : Wohlers Associates (2015) 전세계제조서비스주요업체리스트는 < 표 > 와같다. 59) 그러나, 3D 프린팅을활용한제조서비스를제공하는기업은그밖에도많다. 예를들어, 2013 년 ebay는소비자들이아이폰케이스, 금속반지등다양한제품을맞춤형으로주문할수있는 3D 프린팅서비스를시작했다 ( 임영모ㆍ박봉원, 2014). 3D 프린터제조사인 Stratasys 도대량의 3D 프린터를도입하고전세계고객기업으로부터시제품및부품생산을수탁하는비즈니스 RedEye 를 2008 년시작했다. 미국미네소타주레드아이공장의경우 2008년무렵에는시제품의뢰가주를이루었으나점차공장에서사용하는지그 (jig) 주문이증가했고최근에는최종제품의뢰가중가하여최종제품에사용하는부품이주문전체의 30% 가넘는다고한다 ( 일경비즈니스, 2014.9). 중국, 두바이등 9곳에거점을두고거점끼리 CAD 데이터를주고받으며수요지와가까운곳에서제조한다. 2014 년 Harvest Technologies, Solid Concepts 등제조서비스기업을인수하며사업을확장하고있다. 59) http://www.wohlersassociates.com/service-providers.html, 2015.12.24 최종접속
88 신기술발전에따른산업지형의변화전망과대응전략 : 제 3 권 3D 프린팅 < 표 3-5> 제조서비스업체현황 북미유럽아시아, 오세아니아 국가미국캐나다독일영국프랑스네덜란드벨기에스페인스웨덴핀란드스코틀랜드북아일랜드이탈리아인도중국일본호주 업체 Addaero, Aerosport, Alpha Prototypes, American Precision Prototyping, Aristo-Cast, ARRK Product Development, Applied Rapid Technologies Corp, Automated 3D Modeling, Avid 3D Printing, Bastech, Brooks Technical Solutions, CAM-LEM, C.ideas, CY3D Printing, df3d, Dinsmore and Associates, Eagle Design & Technology, Engineering & Manufacturing Services, EoPlex, Figulo, FineLine Prototyping, GPI Prototype & Manufacturing Services, InterPRO, Ionic Models, i3dmfg, Laser Innovations and Solid Imaging, Laser Reproductions, LGM, Make-Parts.com, Northern Lights Technology Center, NRI, The Outside, Paramount Industries, PartSnap, PERIDOT, Phoenix Analysis & Design Technologies, Powdered Metal Parts, ProtoCAM, Proto Labs, Protogenic, Proto Technologies, rapid prototype + manufacturing (rp+m), Realize, Schmit Prototypes, Sherpa Design, SICAM, Solid Image 3D Printing, Stratasys Direct Manufacturing, Synergeering Group, 3D-CAM, 3D Creation Systems, 3rd Dimension Industrial 3D Printing, 3D Innovations, ThatsMyFace.com, The Technology House Anubis 3D, Axis Prototypes, The Casting Haus, Javelin, Bertrandt, 4D Solution, FIT, microtec, Schneider Prototyping, 3D-LABS Materials Solutions, Omega Plastics, Pentagon Plastics, 3D Creation Lab, 3Dealise, 3T RPD Impression 3D, Sculpteo, 3BIGGG Shapeways LayerWise, Materialise IDELT Digital Mechanics AB RPC Technologies CA Models Laser Prototypes Europe Spring Srl Marco Polo Products, Protosys Technologies Private Limited, RapiTech, Ren Technologies India Ltd., 3D Product Development KAIAO Rapid Manufacturing, Star Prototype Aspect, Solize Advanced Manufacturing Services, Arptech 자료 : http://www.wohlersassociates.com/service-providers.html, 2015.12.24 최종접속
제 3 장 3D 프린팅으로인한산업지형의변화전망 89 벨기에의 Materialize 는 1990 년설립이후의료, 자동차등다양한분야의고객으로부터제조의뢰를받아설계, SW 개발, 제조등을수행하고있다. 이와같이 3D 프린팅을활용한제조서비스는제조부문의롱테일 (long-tail) 효과를만들어내고있다 ( 백오현, 2015). 아마존등이수요가작은수많은종류의상품을취급하여거대기업이되었듯이 Materialise 같은제조서비스기업은수요가작은생산장비, 부품, 제품을제조함으로써거대기업으로성장하고있다. 2014 년나스닥에상장되었고 2014 년 9,600만달러의매출을기록했고 2015 년 3월현재시가총액은 3.2 억달러이다 (Wohlers Associates, 2015). [ 그림 3-18] 벨기에 Materialise 의 3D 프린팅서비스 자료 : http://www.materialise.com/about-materialise, 2015.12.24 최종접속 3. 경쟁지형의변화 3D 프린팅은기존제조기업에게위기가아니라기회이다. 그러나, 기회를어떻게활용하느냐에따라주요제조업체의경쟁지형에변화가올것이다. 3D 프린팅과관련하여제조업의경쟁지형에영향을미칠 2가지이슈는기술표준화와스마
90 신기술발전에따른산업지형의변화전망과대응전략 : 제 3 권 3D 프린팅 트제조이다. 현재 3D 프린팅분야의데이터포맷은 STL 로사실상의표준 (de facto standard) 이다. 그러나, 이는형상외에는표현할수없는제한적인방식이다. 예를들어대상물체의내부나소재에대해서는정보를표현할수없다. 이와같은결점을해결하기위해 AMF (Additive Manufacturing File Format) 의표준화가추진되고있다. 모든기술경쟁이그렇듯이 3D 프린팅분야에서도표준선점이중요하다. 따라서, 제조업내에서표준화와제휴등을위한생태계구성이활발하게전개될것이다. 최근독일업체를중심으로표준화움직임이활발한것도이와같은맥락이다. 스마트제조의경우전통적인제조업에최근발전하고있는 IT 기술, 즉사물인터넷 (Internet of Things), 빅데이터등을적용하는것이다. 이를통해생산효율성을높이고상황에유연하게대응하고다양한고객니즈에대응할수있다. 독일등을중심으로추진되고있는 제조업 4.0 (Industry 4.0)' 이바로그것이다. [ 그림 3-19] Industry 4.0 의개념 자료 : Fraunhofer Institute for Production Technology (2015) 3D 프린팅은과거복수의부품을개별생산해조립하던공정을일체형으로설계하여조립, 용접등일부생산공정을단축할수있고, 기존방식으로구현이어려운복잡한형태의제품을손쉽게제작할수있으며, 재고를보유할필요없이수요가
제 3 장 3D 프린팅으로인한산업지형의변화전망 91 발생할때마다생산할수있기때문에스마트제조의개념에정확히부합하는제조방식이다. 제조업 4.0 을현실에반영한것이 ' 스마트공장 (smart factory)' 인데아직 3D 프린팅을활용한스마트공장을산업적으로구현한사례는보고되고있지않다. 기존제조설비, 컨베이어벨트, 로봇등자동화기계등과 3D 프린팅을어떻게결합할것인가가제조업 4.0 과스마트공장의효율성을높이는중요한이슈이다. 혁신적인전기자동차업체테슬라모터스 (Tesla Motors) 가하나의사례가될수있다 (Anderson, 윤태경역, 2013). 테슬라의공장은현재세계에서가장첨단기술이적용된공장으로알려지고있다. 이공장은주로자동차를만들고있지만뭐든지만들수있다. 다용도쿠카 (KUKA) 로봇팔이금속을구부리고부품을조립한다. 평평한로봇자동차들이자동차의기본골격을이루는차대를운반하고, 건전지가떨어지면스스로충전한다. 일본화낙 (Fanuc) 사가제조한로봇팔이자동차문을열어도색하고, 도색이끝나면문을닫는다. 테슬라는이공장에서연간 2만대의자동차를제조할계획이다. 이는글로벌자동차기업들의생산량에비하면매우적다. 하지만일반인의눈에는여전히거대한규모다... 전통적휘발유차량은엔진, 변속장치, 구동장치등복잡한기계부품들을조립해만드는반면테슬라자동차는리튬이온전지, 전기모터, 정교한전자부품과소프트웨어를조립해만든다. 테슬라자동차는전통적자동차보다훨씬적은단순한기계부품을사용한다... 테슬라공장은거대한 CNC 기계와같아서무엇이든만들수있다. 전체공장설비를컴퓨터로제어하기에모든차량을각기다르게제조할수있다. 각기완전히다른부품을사용하는다른모델의차량들을동시에제조할수있다... 테슬라공장은고객에게주문받은대로생산하는대량맞춤생산원리에따라운영된다 (Anderson, 윤태경역, 2013). 테슬라모터스는모델 S (Model S) 에컵홀더가적다는소비자의불만에대해온라인서비스업체 Thingverse 를통해컵홀더를소비자가 3D 프린팅할수있도록
92 신기술발전에따른산업지형의변화전망과대응전략 : 제 3 권 3D 프린팅 했다. 물론 3D 프린팅이본격적으로활용된사례는아니지만테슬라모터스공장에 3D 프린터가도입되어다른로봇들과같이동작한다면스마트공장의모습에가까울것이다. 4. 기타산업에미치는영향 3D 프린팅은제조업뿐아니라기타산업, 예를들어운송산업에도기회이자위협이될전망이다. 개인및대형제조사의 3D 프린팅활용이늘어날수록완성품의장거리배송수요가감소할것이다. 통상제품구매가격의 1/7 이운송비라고한다. 이로인해배송업체의매출이감소하는것이위협요인이다. 그러나, UPS 등과같이지역사무실에 3D 프린터를설치하고제품을제작해주는서비스제공하는운송업체에게는새로운수익원이될수있다. 또한, 3D 프린팅소재의배송도늘어날것이다. 3D 프린팅된소화물과소재의배송은미연방우체국에연간 4,850 억달러의추가매출을발생시킬것으로추정된다 (USPS, 2014). [ 그림 3-20] 3D 프린팅으로인한미국연방우체국 (USPS) 의매출증가시나리오 자료 : USPS(2014, p. 25)
제 4 장영향요인전망 93 제 4 장 영향요인전망 제 1 절 3D 프린팅기술의발전가능성 3D 프린팅이아직대량생산에적용되거나대다수가정에보급되지못하고있는가장큰기술적한계점은제조방식과소재때문이다. 3D 프린팅은다양한제조방식이있지만소재를층층이쌓아올린다는점은동일한데, 새로운층을쌓기위해서는아래층소재가굳을때까지기다려야하므로금형으로제품을찍어내는전통적인제조방식에비해속도가매우느릴수밖에없고, 층과층사이에는나이테처럼무늬가생기고제품표면이거칠어디자인완결성이떨어진다. 3D 프린팅에사용할수있는소재는대부분의경우 ABS 나폴리에틸렌등조형이용이한플라스틱을사용하고텅스텐, 티타늄등일부금속소재를의료나항공분야에서제한적으로사용하는등매우제한적이다. 가격역시사출성형같은전통제조방식에서사용하는소재보다 100 배정도비싸다. 하지만, 제조방식측면에서는적층제조기술의한계를뛰어넘기위해고분자를활용한프린팅기술, 연속생산공정, 복합가공기술등이개발되고있다. 카본 3D는고분자화학기술을활용해기존 3D 프린터보다최대 100배빠른프린팅기술을선보였다. 카본 3D는화학및재료공학분야의전문가들이모여 2013 년설립된기업이다. 액상수조에빛과산소를선택적으로투과시키면고분자물질끼리서로달라붙게되며분자끼리쉼없이서로결합하기때문에소재를한층쌓고굳을때까지기다려야하는기존방식보다혁신적으로속도를개선할수있다. 영화터미네이터 2에서액체로봇 T-1000이만들어지는과정과유사하다고보면된다. 3D 시스템즈는 3D 프린터를전통제조기술인컨베이어벨트로연결해대량생산에적합한연속생산공정을구축할계획이다. 3D 시스템즈는 80년대후반부터 3D 프린팅산업을주도해오고있다. 제품을기차에, 3D 프린터를역에비유하면기차가선로, 즉컨베이어벨트를따라가면서여러개의역에정차하고역에비치된노즐에서다양한소재를쌓아올리면서제품을완성해가는방식이다. 프린터마다다른소재를사용
94 신기술발전에따른산업지형의변화전망과대응전략 : 제 3 권 3D 프린팅 할수있기때문에복합소재로제품을만들수있을뿐만아니라 3D 프린터간분업을통해속도가약 50배이상개선된다. 파나소닉은 3D 프린터로소재를쌓아올리면서동시에절삭스핀들을이용해울퉁불퉁한표면을깎아내는복합가공기술을도입했다. 적층기술이나절삭기술중하나를선택하는것이아니라형태의자유도가높다는적층기술의장점과표면정밀도가높다는절삭기술의장점을모두취할수있는것이다. 소재는최근 3D 프린팅관련하여가장활발한혁신이일어나는분야로, 3D 프린팅에사용할수있는소재의폭이넓어지고있다. HP는기존 2D 프린터잉크를활용한신소재나유리소재, 특히투명한유리제품을만들수있는기술을개발중이다. 2013 년 3D 프린터사업진출을공식화하기전부터이미소재연구를진행해왔다. 일본의소재업체 JSR은유연성이높은의료용소재 FABRIAL 을개발했다. 고무와플라스틱의중간특성을지닌 'Elastomer' 라는소재를가공해서의족, 의수, 인공피부등신체와밀착되는제품을 3D 프린팅하게되면부작용을없애고몸에딱맞는제품개발이가능하다. MIT 의자기조립연구소는기존의사출방식에서는불가능한혁신적인소재인 3D 프린터용형상기억소재를개발했다. 형상기억소재는변형을가해도특정한자극을주면다시원래의모습으로복원이되는특성을갖고있으므로예를들어형상기억소재로 3D 프린팅한상하수도관은유량에따라크기를변화시켜중복투자와홍수등을예방할수있다. 기계적강도, 정밀도, 조형속도, 대상물크기, 다종물질조형, 컬러구현, 경제성, 환경성등 3D 프린팅의기타문제점도향후개선될전망이다. SLS 방식은정밀도가우수하고조형속도가매우빠르지만고출력레이저를사용하므로경제성이낮다는것이문제점이고 SLA는소재경화시냄새가발생하여환경성이낮다는것이제약요인이다. 3D 프린팅은나노제조, 바이오제조등전혀새로운제조기술로의발전가능성도있다. 나노제조는원자나분자단위의제조를말하고, 바이오제조는생물학적재료를사용한제조로신체장기등을만드는것이다. 단기에기술이상용화될가능성은낮지만국가적으로나기업관점에서지속적으로기술동향을모니터링할필요가있다.
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96 신기술발전에따른산업지형의변화전망과대응전략 : 제 3 권 3D 프린팅 3D 프린팅분야의다양한기술개발에도불구하고단기간에기존제조기술대비열위를역전하기어렵다고판단되는이유는한가지기술요소가개선되기위해서는다른기술요소가악화되는교환관계 (trade-off) 때문이다. [ 그림 4-1] 3D 프린팅기술요소간교환관계 자료 : 연구팀작성 예를들어표면정밀도가좋아지면그만큼가늘게적층해야하므로속도를희생해야한다.(1). 복잡하고정밀한제품을다양한소재로만들기위해서는고난도의설계가요구되고누구나제조할수있다는제조저변확대가더이상어려울수도있다.(2, 3) 제 2 절시장및소비자특성 1. 시장현황및전망세계 3D 프린팅시장규모는 2014 년 41.0 억달러로전년대비 35.2% 증가했다. 시장에는제품 ( 하드웨어시스템, 재료, 소프트웨어, 레이저 ) 과서비스 ( 서비스업체가제공하는부품, 유지보수, 교육, 행사, 컨설팅등 ) 가포함되며, 산업용 (5천달러
제 4 장영향요인전망 97 이상 ) 과개인용 (5 천달러이하 ) 가모두포함된다. [ 그림 4-2] 세계 3D 프린팅시장규모 자료 : Wohlers Associates (2015) 최근 3년간 (2012~2014) 연평균증가율 (CAGR) 33.8%, 과거 26년간의연평균증가율 27.3% 를기록할정도로세계 3D 프린팅시장은최근급성장세이다. 전체시장에서제품은 48.7%, 서비스 51.3% 를차지하여거의 1:1 비율이다. 세계 3D 프린팅시장은 2020 년 212 억달러로성장할것으로전망된다 (Wohlers Associates, 2015). 2014~2020년연평균성장률 31.5% 를기록하여 2014 년대비 4배이상의규모로성장할것으로예상된다. 세계경제규모가 80조달러이고그중제조부문이 16% 인 12.8 조달러임을고려하고, 3D 프린팅이 5% 만을차지한다고가정하더라도 3D 프린팅의공략가능한시장규모 (addressable market) 는 6,400 억달러에이른다. 가트너 (2014.10) 의세계 3D 프린터출하대수전망을보면 2014 년 108,151 대, 2015 년 217,350 대에서 2015~2018 년매년 2배이상증가하여 2018
98 신기술발전에따른산업지형의변화전망과대응전략 : 제 3 권 3D 프린팅 년 230 만대를기록할것으로전망했다. 산업용 3D 프린터가현재전체시장의 87% 를차지하고있으나개인용 3D 프린터시장이급속도로성장하고있다. 산업용 3D 프린터시장은 2014년 11.2억달러로개인용시장의 6배이상이다. 개인용 3D 프린터시장은전년대비 98.2% 증가했고, 산업용은전년대비 25.4% 증가했다. [ 그림 4-3] 산업용및개인용 3D 프린터시장규모 자료 : Wohlers Associates (2015) 2. 시장환경의변화 3D 프린팅이최근발전하게된배경에는 IT기술, 프린터하드웨어기술등관련기술의발전과함께제조및창업을장려하는 제조자운동 (maker movement), 연비경쟁등이있다. 첫째, IT기술은컴퓨터의연산능력, 저장공간, 통신네트워크, 소셜네트워크등의기술이비약적으로발전한반면가격은대폭하락했다. 1980 년대후반에서 1990 년대초반 1세대 3D 프린터가시장에출시되었을때 3D 모델링을할수있는개인용장비는너무고가였고인터넷으로대용량의데이터를상호교환하기도곤란했다. IT기술의발전과보급확대로디지털도면의유통이용이해졌다. 컴퓨터연산능력, 저장공간, 통신네트워크, 소셜네트워크등의기술이비약적으로발전해왔다.
제 4 장영향요인전망 99 둘째, 프린터하드웨어기술은 2D 프린터의세계에서쌓은기술적진보가 3D 프린팅기술의혁신을촉진하고있다. 작동모터, 공급메커니즘, 레이저와잉크젯프린터의분사기, 전자장치기반의제어기등하드웨어의진보가계속되고있다. 셋째, 제조자운동은 2000년대중반이후필요한물건을직접만들고이를통해창업까지시도하는제조자운동이활발하게전개되고있다. 2005 년은제조자운동의원년으로 O'Reilly 의 Make 잡지가출간되고실리콘밸리에서메이커페어가개최되고최초의오픈소스데스크톱 3차원프린터 RepRap 과소비자친화적인 3차원프린터메이커봇 (MakerBot) 이출시되었다. 제조자운동의 3가지특징은데스크톱디지털도구를사용해제품과디자인을구상하고시제품을제작하며 ( 디지털 DIY), 온라인커뮤니티에서다른사람과디자인을공유하고공동작업을하고, 제조업체에보내생산할수있도록디자인파일공유, 아이디어가제품화되는경로를대폭단축하는것이다. 넷째, 연비경쟁은항공, 자동차등의산업에서제품경량화를통한연비개선이경쟁의주요차원으로부상하고있다. 연비개선은단순한환경보전차원이아니라소비자의제품선택을좌우할수있다. 제 3 절제도적요인 3D 프린팅의확산으로인해지적재산권, 제조물책임, 위험물제조등의제도적요인에대한논의가활발하게진행되고있다. 특히, 개인들의 3D 프린팅활용증가가이슈가되고있으며산업적활용에대해서는지적재산권등의이슈가기술확산의장애요인이되지는않을것으로전망된다. 1. 지적재산권지적재산권은산업재산권과저작권으로크게구분되며, 산업재산권은다시특허권, 실용신안권, 디자인권, 상표권으로구성된다. 3D 프린터로디자인을복제, 판매할경우주로저작권침해에해당된다. 3D 디지털설계도면의불법유통과변조
100 신기술발전에따른산업지형의변화전망과대응전략 : 제 3 권 3D 프린팅 가능성이우려되고있다. 타인의아이디어를도용하거나타인의모습, 예술작품의무단스캐닝, 복제, 합성, 유포등이가능하고온라인커뮤니티에서 3D 설계도면이불법유통될가능성도있다. 또는저작권을가진상품의불법복제로인한지적재산권분쟁도우려된다. 현재주요국에서 3D 프린팅데이터의지적재산권문제를다루고있는규제는없는상황이다. 미국에서는 Digital Millenium Copyright Act (DMCA) 에의거하여저작권자가요청할경우온라인에게시된저작물을내리도록하고있다. 영국, 일본등의경우특허로등록된대상에대한 3D 디자인, CAD 파일을유통하는행위는특허권침해로간주한다 ( 손수정, 2015). 지적재산권보호기술개발도시도되고있다. 디자인파일에 DRM 기술을도입하여프린터작동여부를제어할수있다. 예를들어인털렉추얼벤처스는 DB화된 3D 도면으로만프린터가동작하는특허를출원하였다. 버지니아텍에서는재료에첨가시형상을스캔할수없는소재를개발중이다. 2. 위험물제조총기등사회적으로금지된제품을제작하거나동전, 열쇠등의무단복제가발생할우려도있다. 3D 프린팅으로제작된불법제품및무단복제품은적발이어렵고범죄에악용될우려가있다. 현재주요국에서 3D 프린팅을통한위험물제조 ( 예. 총기 ) 문제를다루고있는규제는거의없는상황이다. 최근 3D 프린터를이용한총기디자인도면이공개되고총기사용동영상이공개되면서사회적이슈로부각되었다. 미국에서는 'Defense Distributed' 라는사이트에서총기의 3D 프린팅파일이업로드되어이틀만에 10만번다운로드되는일이발생하자미국국무부가파일을내리라고지시했다. 국무부는총기의 3D 프린팅파일출판은군수품의해외수출과유사한사안으로판단하여국무부의허가를받아야한다는입장이고 Defense Distributed 는이에반대하는소송을진행중이다.
제 4 장영향요인전망 101 총기제조허가를보유한업체가 3D 프린팅으로총기를제조하는것은현재가능하고업체측은이를규제하지말아야한다고주장한다. 탐지를피할수있는무기의제조및운반을금지하는 Undetectable Firearms Act 가 3D 프린팅에적용될수있다. 이법안은 2013 년 10년연장된바있다. 예를들어플라스틱만으로총기를제조할경우불법이고금속을사용할경우합법인것이다. 연방정부의규제가미비한상황에서일부지방정부 (Philadelphia 등 ) 에서 3D 프린터로무기를제조하는것을불법으로규정하고있다. 3. 제조물책임품질및안전규정에따른테스트를거치지않은부품이제조되거나제품판매에필요한품질인증을받지않은제품이판매될경우제조물책임이슈가불거질수있다. 3D 프린터로제작한제품사용시오작동으로인한사고발생시에도 3D 프린팅제조물에대한책임여부가문제가될수있다. 3D 프린팅으로제조된제품으로인해문제발생시책임소재구분및입증이어려운것이다.
102 신기술발전에따른산업지형의변화전망과대응전략 : 제 3 권 3D 프린팅 제 5 장 정책제언 제 1 절 3D 프린팅관련정책현황 2014 년 4월미래부와산업부는공동으로 3D 프린팅산업발전전략 ( 안 ) 을발표했다 ( 국과심, 2014.4). 2020 년장비, 소재, SW 분야글로벌선도기업 5개육성, 세계시장점유율 15%, 미국대비특허출원비중 20% 등의목표를설정하고, 수요기반, 사업모델, 기술개발, 제도개선등 4대전략, 11개추진과제를제시했다. [ 그림 5-1] 정부의 3D 프린팅산업발전전략 자료 : 국과심 (2014.4, p. 8)
제 5 장정책제언 103 대표적인추진과제는, 산업별로 3D 프린팅기술을시범적으로적용하여활용할수있도록 3D 프린팅기술기반제조혁신지원센터구축 사업을수행하는등기업의제조혁신을지원하는것이다 ( 국과심, 2014.4, p. 9). 또한, 3D 프린팅요소기술분야 ( 장비, 소재, SW 등 ) 별기초ㆍ원천연구에서사업화까지전주기적세부기술개발전략을수립하는등수요연계형전략기술로드맵을수립하는것이다 ( 국과심, 2014.4, p. 15). 2014 년 12월발표된 3D 프린팅전략기술로드맵 에서는 10대핵심활용분야, 15 대전략기술에대한기술개발목표가마련되었다 ( 미래부 산업부, 2014.12). [ 그림 5-2] 정부의 3D 프린팅기술개발비전및목표 자료 : 미래부 산업부 (2014.12, p. 15)
104 신기술발전에따른산업지형의변화전망과대응전략 : 제 3 권 3D 프린팅 3D 프린팅전략기술로드맵 은기존 先기술개발後사업화 의공급자중심의한계를탈피하여시장수요를고려한미래유망제품선정후이에필요한기술을확보하는 先시장後기술 의수요자관점을지향하였다 ( 미래부 산업부, 2014.12, p. 7). 10대핵심활용분야로는 의과용의료기기, 인체이식의료기기, 맞춤형치료물, 스마트금형, 맞춤형개인용품, 3D 전자부품, 수송기기부품, 발전용부품, 3D 프린팅디자인서비스, 3D 프린팅콘텐츠유통서비스 등이다. 이미 3D 프린팅이활발하게적용되고있는의료분야가상대적으로다수를차지하고있고, 전자, 자동차등국내주요제조업관련분야가상대적으로비중이낮다는점이개선할점으로지적될수있다. 15대전략기술은장비분야의 대형금속구조물용프린터, 복합가공 (AM/SM) 용프린터, 공정혼합용다중복합선택적레이저소결기술 (SLS) 프린터, 고속 / 고정밀광조형프린터, 정밀검사및역설계용스캐너, 소재분야의 생체적합성소재, 맞춤형금속분말소재및공정기술, 세라믹소재및공정기술, 복합기능성고분자소재, 능동형하이브리드스마트소재, 소프트웨어분야의 변환합성기반비정형입체 3D모델링소프트웨어 (SW), 개방형협업 저작솔루션, 입체 (3D) 프린팅시뮬레이터, 지능형출력 계획관리솔루션, 저작물관리 활용오용방지솔루션 등이다. 장비, 소재, SW 등전부문에걸쳐개발할기술을망라하고있다는점에서긍정적으로평가할수있으나, 한편으로는전자, 자동차등국내주요제조업의니즈에부합하는일부핵심기술에선택및집중하는전략과의비교검토도추가적으로필요하다. 산업부는 2014 년 6월 3D 프린팅기술을활용하여제조업을한단계진화시키기위한 제조업혁신 3.0 전략 을수립하였다 ( 산업부, 2014.6). 과거경공업중심수입대체형전략 ( 제조업혁신 1.0 전략 ) 이나조립 장치산업중심추격형전략 ( 제조업혁신 2.0 전략 ) 에이어 IT SW 융합으로제조업전반에걸쳐새로운부가가치창출및경쟁우위확보를지향하는 제조업혁신 3.0 전략 의추진이필요하다는것이다 ( 산업부, 2014.6, p. 2).
제 5 장정책제언 105 [ 그림 5-3] 정부의제조업혁신전략 : 제조업혁신 3.0 전략 자료 : 산업부 (2014.6, p. 4) 3D 프린팅과관련된전략은 융합형新제조업창출 이며 과제 1: IT SW 기반공정혁신 은 스마트공장보급 확산, 3D 프린팅생산기반확충 60) 등을포함한다. [ 그림 5-4] 제조업혁신 3.0 전략 의 3D 프린팅활용공정혁신과제 자료 : 산업부 (2014.6, p. 5) 60) 3D프린팅생산기반확충 과제는 2014 년 4월발표된 3D 프린팅산업발전전략 ( 안 ) 에서발표된내용과동일하다.
106 신기술발전에따른산업지형의변화전망과대응전략 : 제 3 권 3D 프린팅 제조업혁신 3.0 전략 을통해 2017 년까지구체적인성과를창출하기위해 제조업혁신 3.0 전략실행대책 이발표되었고 ( 산업부보도자료, 2015.3.19), 미래부와산업부는 제조업혁신 3.0 전략실행대책 의세부추진과제인 8대스마트제조기술개발을전략적으로뒷받침하기위하여 스마트제조 R&D 중장기로드맵 을 2015 년 12월 10일최종발표하였다 ( 산업부보도자료, 2015.12.11). 8대스마트제조기술은스마트센서, 스마트통합공정 (CPS), 3D프린팅, 에너지절감, 사물인터넷, 클라우드, 빅데이터, 홀로그램이다. 스마트제조 R&D 중장기로드맵 에서는 3D 프린팅이제조업의제품설계단계에서시제품제작에주로활용되는시나리오를제시하고있다 ( 산업부보도자료, 2015.12.11). 그밖에도기계 / 중공업고정밀기계부품출력, 친환경자동차부품제조기술혁신, 개인맞춤형패션아이템제조및유통, 다기능맞춤형전자제품으로고부가가치수요창출등의시나리오도제시하였다 ( 스마트제조 R&D 중장기로드맵추진위원회, 2015.12.10). [ 그림 5-5] 8 대스마트제조기술의활용시나리오 자료 : 산업부보도자료, 2015.12.11
제 5 장정책제언 107 제 2 절해외주요국정책 미국, EU, 일본등은 3D 프린팅기술을새로운성장동력으로주목하고정부주도하에적극적으로육성하고있다 ( 국과심, 2014.4). < 표 5-1> 해외주요국의 3D 프린팅관련정책 국가정책미국 제조업부활을위해 3D 프린팅기술개발및인프라조성에집중투자 - 오바마대통령, 3D프린팅산업육성을위해 10억달러투자발표 (2012.3) - 전문연구기관 (NAMII) 설립 (2012.8) - 3D프린팅테크벨트건설 (7천만달러) : 오하이오-웨스트버지니아 2020 년까지 GDP 중제조업비중을늘리기위해 (16% 20%) 3D프린팅기술을주요수단으로설정 [ 독일 ] - 제조업혁신전략 Industry 4.0' 발표유럽 - 프라운호퍼를중심으로 '09년부터프로젝트 바이오랩 진행 - 2011 년프라운호퍼인공혈관프린팅성공 - 인공피부제작을위한 아티바스크 3D 프로젝트추진중 - 프라운호퍼레이저연구소에서각종금속소재기술연구진행중 [ 영국 ] - 정부산하기술전략위원회, 연구위원회에 3D프린터기술분야 18개 R&D 프로젝트지원 (840만파운드, 2013.6) - 2014년 1월 3D프린팅센터설립공표 : 비행기와제트엔진, 민간헬기제조에사용되는신소재의개발과관련부품생산일본 미국및유럽에비해뒤쳐진 3D프린터산업을추격하기위해소재부문기술개발에집중투자 (5년간총 30억엔 ) - 2014년 5월부터금속분말 3D프린팅기술개발프로젝트추진 : 첫해에만 37억엔을투입할예정, 30여개대학 / 기업 / 산업기술종합연구소참여 - 경쟁력강화방안및기술로드맵발표예정 (2014.4) 제조대국에서제조강국으로도약하기위해제조업혁신을추진중국 - 국가발전연구계획 및 2014 년국가과학기술프로젝트지침 에 3D프린팅을포함시켜기술개발에총 4천만위안투자 (4개프로젝트 ) - 3D프린팅혁신센터 (R&D) 구축 : 총 10개구축예정, 기존산업과 3D프린팅기술연계지원 - ' 천연재료, 합성고분자등의특수소재연구 : 2014 년 9월국가성장재료제조산업발전계획발표 - 2015년 5월 중국제조 2025 발표자료 : 국과심 (2014.4), 미래부ㆍ산업부 (2014.12), 산업연구원 (2015.5) 을바탕으로연구팀재구성
108 신기술발전에따른산업지형의변화전망과대응전략 : 제 3 권 3D 프린팅 미국은중국등신흥국에추월당한제조업리더십을되찾기위해 'Making in America' 등의제조업혁신계획과포털 Manufacturing.gov 를마련하였고, 기술개발을위해연구기관의연합체인 National Network for Manufacturing Innovation (NNMI) 를구성하였다. < 표 5-2> 미국제조업혁신연구기관연합체 NNMI 참여기관 기관 개요 America Makes - 설립 : 2012.8 - 연방정부파트너 : Department of Defense -재원: Federal $50 million, Matching $55 million - 연구분야 : Additive Manufacturing Digital Manufacturing and Design Innovation Institute (DMDII) - 설립 : 2014.2 - 연방정부파트너 : Department of Defense -재원: Federal $70 million, Matching $106 million - 연구분야 : Integrated Digital Design and Manufacturing LIFT: Lightweight Innovations For - 설립 : 2014.2 Tomorrow - 연방정부파트너 : Department of Defense -재원: Federal $70 million, Matching $78 million - 연구분야 : Lightweight Technology PowerAmerica - 설립 : 2015.1 - 연방정부파트너 : Department of Energy -재원: Federal $70 million, Matching $70 million - 연구분야 : Wide Bandgap Semiconductors Institute of Advanced Composites Manufacturing Innovation (IACMI) - 설립 : 2015.1 - 연방정부파트너 : Department of Energy -재원: Federal $70 million, Matching $180 million - 연구분야 : Advanced Fiber-Reinforced Polymer Composites Manufacturing Innovation Institute for Integrated Photonics - 설립 : 2015.7 - 연방정부파트너 : Department of Defense -재원: Federal $110 million, Matching $500 million+ - 연구분야 : Integrated Photonics NEXTFLEX - Flexible Hybrid Electronics Manufacturing Institute - 설립 : 2015.8 - 연방정부파트너 : Department of Defense -재원: Federal $75 million, Matching $90 million+ - 연구분야 : Flexible Hybrid Electronics 자료 : http://www.manufacturing.gov/institutes.html), 2015.12.28 최종접속
제 5 장정책제언 109 3D 프린팅 ( 또는적층가공 ) 을담당하는 'America Makes ( 또는 National Additive Manufacturing Innovation Institute, NAMII)' 도 NNMI 의참여기관중하나이다. 독일의경우 2012 년제조업혁신전략 Industry 4.0 (Industrie 4.0)' 을발표하여미국등세계다른국가의제조업혁신논의를촉발하였다. 제조업혁신및 3D 프린팅관련하여학계및산업계가연구및논의를주도하고있다는사실은주목할만하다. [ 그림 5-6] 독일학계, 산업계의 Industry 4.0' 프로젝트참여기관 자료 : Germany Trade & Invest (2015) 독일은자국이세계시장에서경쟁력을유지하고있는기계장비 (machinery and equipment), 의료등의분야에서리더십을강화하기위한수단으로 3D 프린팅에주목하고있다. 예를들어독일은현재기계장비분야에서수년째세계 1위를차지하고있다 (Germany Trade & Invest, 2015).
110 신기술발전에따른산업지형의변화전망과대응전략 : 제 3 권 3D 프린팅 [ 그림 5-7] 세계제조장비 (machinery and equipment) 시장의국가별점유율 자료 : Germany Trade & Invest (2015) 일본은 3D 프린팅기술개발을자국이강점을보유하고있는소재분야에집중하고있다 ( 국과심, 2014.4, 미래부ㆍ산업부, 2014.12). 특히 2014 년 5월부터금속분말 3D 프린팅기술개발프로젝트를추진하고있고 30여개의대학 / 기업 / 산업기술종합연구소가참여하고있다. 제 3 절정책제언 본보고서에서 3D 프린팅기술에대해분석한결과의시사점을요약하면다음과같다. 첫째, 3D 프린팅기술은향후 5년내에국내주요제조업에서기존제조기술 ( 사출, 주조등 ) 을대체하는것이사실상불가능할것으로전망된다. 스마트폰, 자동차등의산업에서현재와같이시제품제작에주로활용될것이다. 그이유는제품의표면정밀도및강도가낮고 ( 제품품질 ), 사용할수있는소재가플라스틱및일부금속등으로제한되며 ( 소재다양성 ), 제조속도가느리고소재가격이높아서 ( 공정효율성 ) 기존제조기술과의가성비 (price-performance ratio) 격차가크기때문이다. 적층방식의본질적인한계를고려할때제품품질, 소재다양성, 공정효율성등에서기존제조기술의가성비를추월할가능성이가까운미래에는크
제 5 장정책제언 111 지않다. 둘째, 3D 프린팅기술은기술적한계에도불구하고복잡한구조의제품도상대적으로용이하게만들수있고 ( 제품구현능력 ), 제조노하우가부족한개인이나기업도상대적으로작은투자비로제품을만들수있다는 ( 사용편의성 ) 분명한장점이있다. 따라서최근전문가들사이에서형성되고있는 3D 프린팅기술의유용성에대한비관론에빠지지말고 3D 프린팅의활용분야와이를위해필요한기술개발을지속적으로추진해야한다. 기존제조기업입장에서 3D 프린팅은기존제조기술과잘결합한다면제품및공정혁신을가져올수있는잠재력이크다. 따라서, 3D 프린팅기술은기존제조기술의대체기술 (substitute) 이아닌보완기술 (complement) 로인식되어야한다. 개인이나벤처기업입장에서 3D 프린팅은과거에는참여하기어려웠던제조영역에참여할수있도록하는새로운혁신도구이다. 인터넷이온라인세상에서정보생성과공유의주체를확장한것과같이, 3D 프린팅은오프라인세상에서물리적인제품제조의주체를기존제조업체뿐아니라모든개인과벤처기업으로확장한것이다 (Barnatt, 길이훈김상태역, 2014, p. 247). 5장 1절에서개괄적으로살펴본현재 3D 프린팅관련정책을평가하면다음과같다. 첫째, 3D 프린팅에특화된정책을해외주요국과비교해도손색이없을만큼신속하게수립한것은높게평가할만하다. 즉, 2014 년 4월 3D 프린팅산업발전전략 ( 안 ) 을마련한것이다 ( 국과심, 2014.4). 예를들어, 2012 년 Industry 4.0 을수립하여세계적으로국가제조혁신전략을선도했던독일에서도 3D 프린팅에특화된정책은현재까지수립된바가없다 61). 둘째, 최근발표된 3D 프린팅실행전략이현장에존재하는 3D 프린팅에대한낙관론과비관론사이에서균형을유지하고있다는점이다. 즉, 2015년 12월 10일발표된 스마트제조 R&D 중장기로드맵 에서 3D 프린팅과관련하여제조업의제품설계단계에서시제품제작에주로활용되는시나리오를제시하고있다 ( 스마트제조 R&D 중장기로드맵추진위원회, 2015.12.10). 이와같은활용시나리오는수년전부터제시되었던 3D 프린팅에대한높은기대에는미치지못하지만실행가능성 61) 2015년 9월 Germany Trade & Invest (Industry 4.0의글로벌마케팅담당기관 ) 의제조업담당자인터뷰결과.
112 신기술발전에따른산업지형의변화전망과대응전략 : 제 3 권 3D 프린팅 이고려한현실적인전략이라고평가된다. 셋째, 제조저변을개인과벤처기업으로확대하는다양한정책과제를제시하고있다는점이다. 예를들어, 3D 프린터와관련장비를직접보유하기어려운개인과벤처기업을위해특정거점별로 3D 프린팅공정전반 ( 모델링, 프린팅, 후처리 ) 관련장비를구축하는것, 3D 프린팅도입필요성에대해공감대가부족한영세 중소기업들을대상으로 3D 프린팅장비를탑재한차량이현장을방문하여시제품제작서비스를제공하는것등이다 ( 국과심, 2014.4). 하지만, 현재 3D 프린팅관련정책은몇가지문제점또는한계도포함하고있다. 첫째, 전체적인정책기조가 3D 프린팅기술에대한낙관적인전망에기반을두고있다는점이다. 3D 프린팅산업발전전략 ( 안 ) ( 국과심, 2014.4) 과 제조업혁신 3.0 전략 ( 산업부, 2014.6) 은각각 3D 프린팅과제조혁신과관련된국가기본전략을담고있다. 이를통해 3D 프린팅, 스마트제조등에대한국가적인관심제고, 국가정책의지시연, 기술개발및창업유도등소기의성과를거두었다. 그러나, 3D 프린팅에대한업계의평가가변화하고있는상황에서 3D 프린팅기술에대한낙관적인전망에기초한정책방향을그대로유지할것인가에대해서는재검토가필요하다. 둘째, 국내주요제조업을대상으로한정책이부족하다. 수출, 시가총액등국가경제에미치는영향력을고려할때전자, 자동차등국내주요제조업의중요성과국가의정책적지원의필요성은더이상강조할필요가없다. 하지만, 2014 년 12월발표된 3D프린팅전략기술로드맵 ( 미래부 산업부, 2014.12) 에서제시한 10대핵심활용분야 ( 의과용의료기기, 인체이식의료기기, 맞춤형치료물, 스마트금형, 맞춤형개인용품, 3D 전자부품, 수송기기부품, 발전용부품, 3D프린팅디자인서비스, 3D 프린팅콘텐츠유통서비스 ) 의다수가의료, 개인용품등과같이이미 3D 프린팅이활발하게적용되고있어민간의시장원리에의해충분히성장할수있는분야들이다. 하지만, 대량생산이중요한전자, 자동차등의분야에서는 3D 프린팅의활용을다각도로모색하고있으나시제품제작, 금형제작등제한적인영역에그치고있다. 전자, 자동차분야에서민간기업이해결하기어려운과제를지원하는것이정부가담당해야할역할이다.
제 5 장정책제언 113 셋째, 개별민간기업이해결하기어려운이슈들에대한정부역할이부족하다. 도입초기에있는 3D 프린팅이성장에필요한기능을제공하거나관련기업간협력을유도하거나관련제도를정비하는활동등이대표적인예이다. 본보고서의분석결과와현재정책의문제점을바탕으로향후추진되어야할정책을제언하면다음과같다. 첫째, 3D 프린팅기술의경제적가치에대한재평가와국가적기술개발및활용전략의방향전환이이루어져야한다. 둘째, 국내개인, 벤처및주요제조업의니즈를반영하여수요지향적패키지형기술개발을추진해야한다. 셋째, 제조서비스초기제공, 혁신의장마련등을통해초기시장의형성을지원해야한다. 넷째, 지적재산권, 제조물책임, 위험물제조등 3D 프린팅시장의성장여부를결정할관련제도를정비하는것이다. 3D 프린팅기술관련정책제언도출과정은 [ 그림 5-8] 과같다. [ 그림 5-8] 3D 프린팅기술관련정책제언 자료 : 연구팀작성
114 신기술발전에따른산업지형의변화전망과대응전략 : 제 3 권 3D 프린팅 1. ( 전략방향 ) 3D 프린팅전략방향전환 3D 프린팅에대한국가기본전략은 3D 프린팅산업발전전략 ( 안 ) ( 국과심, 2014.4) 이고, 제조혁신과관련된국가기본전략은 제조업혁신 3.0 전략 ( 산업부, 2014.6) 에나타나있다. 이기본전략들은 3D 프린팅기술에대한낙관적인전망에기반을두고있다. 예를들어 3D 프린팅산업발전전략을수립하는배경에서 3D프린팅은기존산업의패러다임을변화시켜주력산업의고부가가치화, 기업제조경쟁력강화를촉진할핵심기술 이라고전제하고있다 ( 국과심, 2014.4). 하지만, 3D 프린팅에대한업계의평가가보수적인방향으로선회하고있는현시점에서 3D 프린팅이정말국가주력산업을변화시킬파급력이있는지에대한면밀한평가가필요하다. 시장조사기관가트너 (Gartner) 는과거 3D 프린팅기술의활용가능성에대해높은기대를나타냈으나점차보수적으로방향을수정하고있다. 2013 년에는 3D 프린팅이다양한산업에서최종제품제조에도광범위하게활용될것으로전망했으나, 2014 년이후부터는시제품제작, 의료이외의분야에서는대중적인활용되려면 5년이상이소요될것으로전망하고있다. < 표 5-3> 가트너의시기별 3D 프린팅기술평가 시기 2013년 3월보도자료 2014년 8월보도자료 2015년 8월보도자료 3D 프린팅기술평가 3D 프린팅은주류시장도입에급속히다가가고있음 전자상거래 (e-commerce) 가상품과서비스의판매장벽을낮춘것처럼저렴한 3D 프린터가제조진입비용을낮추고있음 3D 프린터로최종제품을만들어소비자가구매하게될것임 3D 프린팅은빠르게발전하고있지만여전히소비자용 3D 프린팅등다수기술은대중화되기까지는 5~10년가까이걸릴것임 기업용 3D 프린팅시장은소비자용시장과매우다름... 용도와요구사항이다르므로두시장에대한평가는분리하여이루어져야함 ㆍ시제품제작, 의료 ( 보청기, 치과치료 ) 등과같이안정적인성장단계에들어선응용분야도있지만소비자용 3D 프린팅, 일반제조용 3D 프린팅등다수응용분야는도입까지여전히 5~10년이상걸릴것으로평가 자료 : Gartner Press Releases (2013.3.26), Gartner Press Releases (2014.8.19), Gartner Press Releases (2015.8.25) 를바탕으로연구팀구성
제 5 장정책제언 115 이와같은관점은 2015 년발표된 'Hype Cycle for 3D Printing' 62) 에도나타나있다. 시제품제조나의료분야를제외하면대부분의응용분야에대해서는여전히시장의검증을거치지못한것으로평가하고있다 (Gartner Press Releases, 2015.8.25). [ 그림 5-9] 3D 프린팅에대한가트너 Hype Cycle 2015 자료 : Gartner Press Releases (2015.8.25) 앞서분석한바와같이 3D 프린팅은제품의표면정밀도및강도가낮고 ( 제품품질 ), 사용할수있는소재가플라스틱및일부금속등으로제한되며 ( 소재다양성 ), 제조속도가느리고소재가격이높다 ( 공정효율성 ). 기존제조기술과의가격- 성능비율 (price-performance ratio) 격차가크기때문이다. 적층방식의본질적인한계를고려할때제품품질, 소재다양성, 공정효율성측면에서기존제조기술를추월할가능성은 5년내에는크지않다. 따라서, 3D 프린팅은기존제조기술을 62) 가트너의 'Hype Cycle for 3D Printing' 은 2014 년최초로작성되었고, 2014 년이전에 3D 프린팅은 Hype Cycle for Emerging Technologies 에포함되어있었음.
116 신기술발전에따른산업지형의변화전망과대응전략 : 제 3 권 3D 프린팅 근본적으로대체할것이라는기대와달리그자체적으로불연속혁신이되기에는부족하다. 다만, 복잡한구조의제품도상대적으로용이하게만들수있고 ( 제품구현능력 ), 제조노하우가부족한개인이나기업도상대적으로작은투자비로제품을만들수있으므로 ( 사용편의성 ), 단절적혁신을창출할잠재력을갖고있다. 이와같은관점을도식적으로표현하면 [ 그림 5-10] 과같다. [ 그림 5-10] 3D 프린팅기술의위상재평가및정책방향 자료 : 연구팀작성 본연구에서주장하고자하는 3D 프린팅전략의방향전환은과거전략부재상태로의회귀를의미하는것은아니다. 3D 프린팅산업발전전략 ( 안 ) ( 국과심, 2014.4) 과 제조업혁신 3.0 전략 ( 산업부, 2014.6) 은백지상태에서 3D 프린팅에대한업계의높은기대를반영하여수립된전략이었다 ( 정책변화 1). 수년이경과한지금업계의수정된전망을반영하여보다현실적이고실행가능한전략으로의변화가필요하다는것이다 ( 정책변화 2).
제 5 장정책제언 117 예를들어기술개발관점에서기존의정책방향이장비, 소재, SW 등의부문에대한전방위적기술개발추진이라면이제필요한정책방향은 선택집중적기술개발 63) 인것이다. 물론, 3D 프린팅기술에필요한역량이과거와다른신규역량이므로정책의주된대상이개인, 벤처등을포함한신규기업이되어야한다는점은과거와다를바가없다. 부가적으로, 3D 프린팅은단절적혁신을창출할잠재력을갖고있으므로기존기업들도활용방안을모색해야하고정부는이를지원해야한다. 한번수립된정책방향을수정하는것은정책담당자나관련업계입장에서쉽지않다. 기존정책의실패와유사하게인식될수있기때문이다. 특히, 3D 프린팅처럼아직그잠재력이나한계를확실하게단정하기어려운기술일경우더욱그렇다. 하지만, 최근과같이기술과시장환경이급변하는상황에서이에대응하는정부의정책방향의전환은오히려필수적이다. 국가전체적으로자원이제한되어있는상황에서전방위적기술개발은자원의낭비를초래하고업계수요도분명하지않기때문에기술개발방향성도표류할수있다. 장기적으로는정부정책의성과제고를위해유망신기술에대한기술평가프로세스를확립해야한다. 유망신기술로주목받을때는대대적인지원정책을만들어내고현실에서의활용이지지부진하거나관심이시들해지면정책추진의동력을잃어버리는것이아니라, 기술에대한현실적인평가를반영하여주기적으로관련정책을수정해나가는것이다. 즉, 정부의신기술관련정책은신기술의속성상무빙타겟 (moving target) 이되어야한다. 2. ( 기술개발 ) 수요지향적패키지형기술개발앞서현시점에서는 3D 프린팅기술에대해 선택집중적기술개발 이바람직하다고언급했다. 그렇다면어떤기술및개발방식에선택집중할것인가? 먼저, 기술개발을추진할기술의선택은철저하게 수요지향적 이어야한다. 의 63) 선택집중형기술개발의구체적인내용에대해서는다음항에서설명한다.
118 신기술발전에따른산업지형의변화전망과대응전략 : 제 3 권 3D 프린팅 료, 항공등과같이고객맞춤형소량생산이필요한산업에서는현재에도 3D 프린팅의활용이활발하다. 하지만, 이들산업이국가경제에미치는파급효과가제한적이다. 국가경제에대한영향력을고려하고우리나라의강점을살리기위해서는전자, 자동차등주력산업에대한정책적비중을높여야한다. 예를들어, 스마트폰등전자제품외관을 3D 프린팅한다면소비자가만족할만큼표면품질, 강도, 소재다양성을높일수있을것인가, 전자제품의소형화및경량화추세에맞게 3D 프린팅하려면어떤내부부품이나구조물이적절할것인가, 자동차의연비개선을위해부품이나구조물을 3D 프린팅할경우품질기준을만족하는강도를확보할수있는가등이현실적으로의미있는이슈일것이다. 다음으로기술개발의방식은 패키지형 이어야한다. 일반적인산업을염두에두고장비, 소재, 공정, SW 등을독립적으로개발하는것이아니라특정산업, 그중에서도킬러애플리케이션을정하고 3D 프린팅기술, 소재, SW, 장비등을연계하여개발을추진해야한다. 그이유는 [ 그림 5-] 의 (a) 상황의경우에는독립형기술개발이적합하지만, (b) 상황처럼 3D 프린팅에대한수요가크지않고불확실한경우에는특정응용분야로목표를명확히하고 장비A+ 소재2, 장비B+ 소재3, 장비 D+ 소재1, 장비E+ 소재4 등의조합에대해연구하는것이효과적 효율적이다. [ 그림 5-11] 독립형및패키지형기술개발의상황별적합성 (a) 독립형기술개발이적합 (b) 패키지형기술개발이적합 자료 : 연구팀작성
제 5 장정책제언 119 따라서 3D 프린팅전략기술로드맵 의경우예를들어, 장비분야의 공정혼합용다중복합선택적레이저소결기술 (SLS) 프린터 기술과 맞춤형금속분말소재및공정기술 기술은각각독립적인방식이아니라하나의연구개발과제로추진되어야효율적일것이다. [ 그림 5-12] 3D 프린팅전략기술로드맵 의 15 대전략기술 자료 : 미래부 산업부 (2014.12, p. 20)
120 신기술발전에따른산업지형의변화전망과대응전략 : 제 3 권 3D 프린팅 3. ( 시장조성 ) 초기시장조성지원기술혁신및산업활성화를위해정부가담당해야하는중요한역할중하나는초기시장조성을지원하는것이다. 정부가주도적으로 3D 프린터구매하여개인및기업에게제공하는것은초기수요를창출하여 3D 프린팅제조업체를지원하는동시에 3D 프린터를직접보유하여활용하기어려운개인과기업을수요층으로유도하여잠재시장을성장시키는효과가있다. 1988~2014 년국가별산업용 3D 프린터누적보유대수비중은미국 (38.1%), 일본 (9.3%), 중국 (9.2%), 독일 (8.7%), 영국 (4.4%), 이탈리아 (3.4%), 프랑스 (3.2%), 한국 (2.7%) 등이다 (Wohlers Associates, 2015). 국내 3D 프린터보유대수가해외주요국대비부족한현실을고려할때정부주도의 3D 프린터보급정책은더욱의미가있다. [ 그림 5-13] 국가별산업용 3D 프린터의누적보유대수비중 (1988~2014) 자료 : Wohlers Associates, 2015 다만, 단순히 3D 프린터나관련장비를개인이나기업에제공하는수준을넘어전문화된제조서비스를제공하는방안도검토할필요가있다. 제조서비스는국내몇몇업체가제공하고있는것처럼, 고객이의뢰한제품을단순히대신제조하여
제 5 장정책제언 121 배송하는것이아니라개인이나기업의제조의뢰를받아제품설계, SW 및콘텐츠개발, 제조등의활동을종합적으로제공하는것이다. 기존에존재하는제품을복제하거나구조가단순한물품을단순제조하는단계를넘어구조가복잡하거나혁신적인형태의새로운제품을설계하는단계에서는그제품을 3D 프린팅으로구현하는엔지니어링및 SW 역량이필수적이다. 벨기에 Materialise 등의기업은제조서비스분야를선점하여엔지니어링및 SW 역량을지속적으로축적하고있다. 아직국내제조서비스산업이본격적으로성장하지못하고있으므로 3D 프린팅기술기반제조혁신지원센터 등을통해공공주도로제공되는방안도필요하다. 시장성장을위해서는업계내부뿐만아니라국가전체적인붐 (boom) 조성도필요하다. 3D 프린팅산업발전전략 ( 안 ) 에서 3D 프린팅창의아이디어개발경진대회 개최등대국민홍보를추진하는것은이와같은맥락이다 ( 국과심, 2014.4). 단, 단순한인식제고나홍보차원이아닌구체적인혁신아이템을발굴할수있는 3D 프린팅의활용가능성을탐색하는혁신의장 ( 場 ) 을만들어야한다. 미국에너지부의 ARPA-E (Advanced Research Projects Agency-Energy) 가개최한프로젝트는시사점을제공한다.
122 신기술 발전에 따른 산업 지형의 변화 전망과 대응 전략: 제3권 3D 프린팅 3D 프린팅을 활용한 자동차 경량화 프로젝트, LITECAR Challenge - 미국 에너지부 ARPA-E는 2015년 1월 오픈소스 자동차 제조사 Local Motors와 공동으로 공모 전 LITECAR (Lightweight Technologies Enabling Complete Automotive Redesign)를 개최 - 현재 미국 자동차 안전기준을 만족시키면서도 혁신적으로 경량화시키는 컨셉카 디자인을 개발 - 공모전 참가자들은 중량, 안전을 포함하여 차세대 소재, 고등 제조기술, 기타 디자인 요소 등 다 양한 차원을 고려하여 혁신적인 자동차 설계 기술을 제안 - 총 상금 15만 달러 규모, 1등 상금 6만 달러 자료: http://arpa-e.energy.gov/?q=news-item/arpa-e-litecar-challenge-unveils-futurelight weight-vehicle-design, 2015.12.24 최종접속 (이미지 출처: http:// www.ccs.msstate.edu/news/events_info.php?d=57, 2014.12.28 최 종접속)