3D 프린팅 고분자 소재의 현황과 연구방향 l저자l 남두현 PD / KEIT 화학공정 PD실 조혜영 선임 / KEIT 화학공정 PD실 이수복 박사 / 화학연구원 하종욱 박사 / 화학연구원 SUMMARY 목적 3D 프린팅 기술은 미래 제조업의 혁신을 가져올 수 있는 주목받고 있는 기술로 국내외 3D 프린팅 기술과 소재 현황, 산업적 활용사례 및 3D프린팅고분자 소재 국내외 기술현황 및 연구동향 분석을 통해 향후 우리나라의 3D프린팅 고분자 소재 연구 방향을 제시함 주요현황 3D 프린팅 기술은 미래 제조업을 혁신시킬 수 있는 기술로 현재 전 세계적으로 도입단계에 있음. 3D 프린팅의 미래는 소재에 의해 좌우될 것으로 전망되고, 현재까지 3D 프린팅 소재 연구는 FDM 고체기반소재, SLA 액체기반소재, SLS 분말기반소재 등으로 Printer기술에 따라 소재가 구분됨 현재 세계적으로 연구초기단계인 3D프린팅 소재는 향후 우수한 기계적 물성 및 정밀한 형상 구현이 가능한 소재의 개발이 필요 시사점 및 정책제안 3D 프린팅의 잠재력을 인식하여 국가차원에서 3D 산업의 발전을 위한 정책을 수립하고 지원하고 있음 우리나라는 산업통상자원부와 미래창조과학부가 공동으로 2014년 3D프린팅 산업 발전 전략 을 통해 4대 전략을 수립하는 등 정책적 지원을 진행하고 있음 상기 4대 전략과 함께 3D 프린팅 산업 발전을 위한 정책이 필요 - 경쟁력 및 산업 파급효과가 큰 국가 산업인 자동차 산업용 3D 프린팅 소재 집중 개발 및 이를 타산업에 응용하는 발전 전략 필요 - 소재의 기초적인 연구가 반드시 동반되어야 성공 가능성이 큼 - 명확한 국가 발전 로드맵의 조기 제시 및 장기적 안목의 선행적 제도 준비 필요
KEIT PD Issue Report PD ISSUE REPORT AUGUST 2014 VOL 14-8 1. 3D 프린팅의 개요 및 활용사례 3D 프린팅의 개요 (3D 프린팅의 개념) 3D 프린팅은 소재를 층층이 쌓아 제작하는 방식 - 디지털 데이터화된 3차원 제품 디자인을 2차원 단면으로 연속적으로 재구성하여 소재를 한 층씩 인쇄 적층 - 이러한 특성으로 Additive Manufacturing(AM, 적층 가공)이라 하며, STL 이라는 3차원 데이터의 형태로 저장되어 3D 프린터를 통해 3차원 입체물로 제조 3D 프린팅은 생산혁명을 유발한 혁신적인 미래기술로 주목 세계 주요 기관 및 미디어는 3D 프린팅에 대한 중요성을 강조 기관/미디어 내 용 Time 紙 2012년 최고의 발명품 26종 선정에 3D 프린터 포함 Economist 紙 3D 프린터가 내연기관과 컴퓨터에 이어 3차 산업혁명의 주역이 될 것 Foreign Policy 紙 2013년 주목받을 10대 뉴스로 선정 세계 미래 학회 2013~2025 미래 예측 20 에 3D 프린터가 생산 혁명을 유발할 것 세계 경제 포럼 미래 10대 기술에 3D 프린터를 포함 2013년 미국 정부는 미국제조 부흥을 위한 10대 핵심 제조 기술 로 지정하였으며, MIT, 맥킨지, 다보스 포럼 등에서 주목받는 기술로 선정 3D 프린팅의 개발 연혁 1984년 Charles Hull이 디지털 데이터로부터 3D 물건을 인쇄할 수 있는 Stereolithography를 개발 Charles Hull은 3D system 社 를 설립하고 1992년 SLA (Stereolithographic Apparatus)를 개발 이 후 지속적인 발전을 거듭하여 3D 프린팅 기술은 의학, 항공, 자동차, DIY (Do-it-yourself), 보석류 등의 다양한 분야와 생산 시스템 발전에 기여 표 3-1 3D 프린팅의 개발 연혁 연 도 1984년 1992년 1999년 주 요 개 발 사 항 Charles Hull의 3D 프린팅 기술 (Stereolithography) 발명 3D System 社 의 SLA (Stereolithographic apparatus) 개발 Wake Forest Institute for Regenerative Medicine 에서 신장 보조기구를 3D 프린터로 제조 054 한국산업기술평가관리원
ISSUE 3 3D 프린팅 고분자 소재의 현황과 연구방향 연 도 2002년 2005년 2006년 2008년 2009년 2011년 2012년 소형 신장을 3D 프린터로 제작, 이식 성공 주 요 개 발 사 항 - Bath 대학의 Adrinan Bowyer 박사가 RepRap Project를 시작하여 3D 프린팅의 오픈소스 접근법 도입 - DIY (Do-it-yourself) 상품군에 응용 SLS (Selective Laser Sintering) 기술 개발로 맞춤형 대량 제조 가능 - RepRap Project에서 자기복제 3D 프린터 Darwin 개발 - Shapeway 社 공공창조 시범 Project 시작 - MakerBots Industries 社 DIY 키트 출시 - Organovo 社 Gabor Forgacs 박사의 기술을 사용하여 혈관 인쇄 무인 비행기를 3D 프린터로 제조 LayerWise 社 맞춤형 턱을 인쇄, 이식 성공 2. 3D 프린팅과 제조업 3D 프린팅 기술은 주요 산업뿐만 아니라 개인 생산 (Personal Manufacturing) 시대의 개막을 촉진 컴퓨터 네트워크 3D 프린팅의 순환으로 개인 생산 시대 개막을 촉진하고 소비자의 아이디어가 바로 소비자가 되는 새로운 유통 구조의 형성 가능 - 만드는 즐거움 : 개인 취미 생활의 활성화, DIY 족의 증가 및 교육기관과 학생들의 3D 프린터에 대한 구매 증가 예상 (자료 : Wohlers Associates, Wholers Report 2013 Reveals Continued Growth in 3D Printing and Additive Manufacturing, 2013) * 시장조사기관인 SmarTech 社 : 개인 제작 취미와 이들이 속한 Maker Community 를 3D 프린팅의 주요 수요층으로 지목 (자료 : Y-Axis Magazine, Continued grown Projected, 2013.08) - 나만을 위한 제품 : 세상에서 하나밖에 없는 자신의 취향대로 디자인된 제품을 손쉽게 제작. Shapeways 社 의 새로운 Korea Evaluation Institute of Industrial Technology 055
KEIT PD Issue Report PD ISSUE REPORT AUGUST 2014 VOL 14-8 사업 모델은 개인의 아이디어와 자신의 디자인을 이용하여 자신의 제품을 만들도록 지원 그림 3-1 Shapeways 社 의 새로운 사업 모델 - 구매의 불편함을 제거 : 소비자의 입장에서 구매와 소비의 시간적, 공간적 간격을 제거, 재고 부족 및 단종의 문제점 해결 등 이점 3D 프린팅은 방위산업, 항공산업, 자동차 산업 및 건강산업 등 다양한 산업에 활용 가능성을 증명하며 급격하게 발전 표 3-2 3D 프린팅의 활용 사례, / ( ), ( ) GPS 056 한국산업기술평가관리원
ISSUE 3 3D 프린팅 고분자 소재의 현황과 연구방향 - 자동차 분야에는 대시보드, 바디패널 등의 시제품 제작에 활용 - 항공ㆍ우주 분야에는 알루미늄 동체 제작, 무인 정찰기 등의 제작에 활용. 특히, 보잉사는 항공기의 주요 부품 제조에 직접 이용 - 의료분야에는 인공 치아, 인공 뼈, 인공 관절 등의 보형물 제작에 활용 - 건축 분야에는 건축 모형 제작에 활용 - 이외에 구두 시제품 제작, 영화용 캐릭터 제작, 완구류 모형 제작 및 GPS 디바이스 등 각종 가전 모형 제작 등에 활용 전통 제조업에서 개발 과정의 모형(Prototype)제작에는 고급 인력 및 고비용이 들 뿐만 아니라, 개발경쟁에서 우위를 점하기 위한 시간과의 경쟁이 중요. 이에 3D 프린터를 사용하여 고품질의 모형을 한 번에 제작하고 시간을 절약하려는 시도가 많이 되어 미래 제조업에서 핵심기술로 발전할 것으로 전망 현재의 3D 프린터 시장은 소비자/가전 분야, 의료 분야 및 자동차 분야의 시장 규모가 크며, 향후에는 자동차 분야와 항공분야의 시장 비율이 크게 증가할 것으로 예상되고, 의료 및 치과 분야는 무한한 성장 잠재력 보유 그림 3-2 3D 프린터 활용 산업별 시장 비율 (Wohlers Report, 2013) 항공기산업과 자동차 산업에서의 3D 프린팅 기술 활용 사례 항공산업과 자동차산업에서 부품의 3D Printing 기술로 성능 향상, 유지보수의 감소, 부품의 견고화, 경량 소재의 사용에 의한 연료비의 절감 등 가능 - Boeing은 3D Printing으로 항공기에 사용하는 22,000개의 부품을 제작 * Boeing 787 항공기의 ECD(Environmental Control Ducting)의 전통 제조기술로는 20개 부품으로 제조하는데, 3D printing 기술을 이용하여 1개의 부품으로 제작. 이에 재고 감소, 조립 불필요, 검사 시간 감소 등의 효과. Korea Evaluation Institute of Industrial Technology 057
KEIT PD Issue Report PD ISSUE REPORT AUGUST 2014 VOL 14-8 그림 3-3 3D-printed metal Airbus wing bracket(경량 및 고강도 효과) 메이저 자동차 제조사들은 prototyping에 3D Printing을 작은 소모품의 모형만이 아니라 부품제조에 사용 중. * KOR Ecologic 社 는 세계 최초의 인쇄자동차 Urbee(하이브리드 모형 자동차의 외형(껍데기)만 인쇄)를 제조 * BMW는 가벼운 조립기구 제조에 3D printing을 활용, 노동생산성을 향상 그림 3-4 Urbee ( urban electric ) 현대차는 미국 스트라타시스, 프랑스 피닉스와 공동으로 3D 프린터를 활용하여 부품 금형을 개발 중 * 스트라타시스와 공동으로 차량 문짝 밑바닥 부분에 사용하는 간이 사출금형 개발 중 * 피닉스와 공동으로 차량 오디오 부분에 사용하는 정밀 금속부품의 금형을 개발 중 * 3D 프린터를 이용하면 부품개발 시간을 기존보다 1개월 정도 감축이 가능 현대차는 2002년부터 3D 프린터로 생산한 부품을 시험차량 제작이나 설계검증 등에 활용 중 3D 프린팅 소재로 복합재료의 사용이 가능해지고 자동차 제조사들이 사용하게 되어 자동차 제조기술이 혁신될 것으로 전망 * 일본 혼다는 소비자들이 Honda-3D.com을 이용하여 소비자 자신들의 자동차 모델을 인쇄 * Ford는 CAD(computer aided design) data와 소재에 대한 정보를 제공하여 소비자들이 보수 및 수리용 부품을 직접 인쇄할 수 있도록 할 예정 * 미래에는 소비자들이 직접 자신의 자동차를 인쇄할 수 있는 시대가 도래할 것으로 예상 058 한국산업기술평가관리원
ISSUE 3 3D 프린팅 고분자 소재의 현황과 연구방향 3. 3D 프린팅 기술의 특허 분석 3D 프린터 기술과 원천 특허 현재 시장에서 중점적으로 활용되고 있는 주요 3D 프린터 기술에 대하여 원리, 소재, 장단점 및 특허 만료 등은 (표 3-3)에 요약 이외에 DMLS(Direct Metal Laser Sintering) 기술은 2014년 8월, 3DP(3 Dimension Printing) 기술은 2016년 9월에 각각 원천특허가 만료될 예정 정밀성과 효율성이 높아 3D 프린터 시장을 주도하는 SLA, SLS, FDM 기술을 비롯한 대부분의 기술(LOM과 Polyjet 기술 제외)이 2014년도까지 원천특허가 만료될 예정 - 이에 세계 주요 3D 프틴터 제조 기업들은 3D 프린터의 공급 확대가 예상되고, 향후 3D 프린터의 활용도 크게 증가될 것으로 예상 - 3D 프린팅 시장은 다양한 부품과 소재, 제품 구성방식, 시스템 등 복합적으로 구성되어 있음 - 선도 3D 프린터 기업들은 주변 특허와 응용 특허로 기술보호를 하고 있어, 3D 프린터 시장 진출에 앞서 원천특허 관련 기술에 대한 체계적인 파악이 필수 표 3-3 3D 프린터의 원천 기술 특허 요약 SLS(Selective Laser Sintering) : 3D Systems FDM(Fused Deposition Modeling) : Stratasys SLA(Stereo Lithography Apparatus) : 3D Systems LOM(Laminated Object Manufacturing) : Helisys Polyjet (Photopolymer Jetting Technology) : Objet PBP(Powder Bed&Inkjet head Printing) : Massachusetts Inst. of Tech. Powder 기반 : 레이저를 이용해 분말을 가열하여 응고시킴 :, : :,,,,,,,,,,,,,,,, 액체 기반 : 액체 photopolymer를 노즐을 통해 분사한 후 UV로 경화, / :,,, 2014. 2 2009. 10. 2004. 8 Sanding, curing 등 후 처 리 공 정 필 요, 재료 제한적 2016. 5. 2026. 5 2013 Korea Evaluation Institute of Industrial Technology 059
KEIT PD Issue Report PD ISSUE REPORT AUGUST 2014 VOL 14-8 3D 프린팅 특허 출원 추이 분석 전 세계 3D 프린팅 관련 특허 출원 추이는 다음의 (그림 3-5)와 같다. - 최근 5년간 3D 프린팅에 대한 특허출원이 급격하게 증가, 향후 3D 프린팅 기술의 혁신이 더욱 빠르게 진전될 것으로 전망 그림 3-5 3D 프린팅의 특허 출원 추이 전 세계 3D 프린팅 관련 기업의 특허 출원 추이는 다음의 (그림 3-6)와 같다. - 미국의 3D Systems, Stratasys, Massachusetts Inst.와 HP 등이 3D 프린팅 기술을 주도 그림 3-6 세계 주요 3D 프린터 제조기업의 특허 출원 추이 060 한국산업기술평가관리원
ISSUE 3 3D 프린팅 고분자 소재의 현황과 연구방향 전 세계 3D 프린팅 관련 주요 국가의 특허 출원 추이는 다음의 (그림 3-7)과 같다. - 미국이 가장 많은 특허를 출원하고, 이어서 일본, 중국, 한국, 독일 순으로 특허를 출원. 향후 3D 프린터 기술과 시장을 이들 5개국이 주도할 것으로 전망 전 세계 3D 프린터 제조기업의 3D 프린터 기술별로 출원한 소재 특허는 다음의 (그림 3-8)과 같다. - FDM, SLA & SLS 기술 관련 소재가 중점적으로 연구되고 있음 - 3D 프린터 기업인 Stratasys와 Materialise가 FDM 소재의 연구개발을 주도하고, 3D Systems와 Materialise가 SLA와 SLS 소재의 연구개발을 주도 - 현재는 3D 프린터 기업이 소재의 연구개발까지 주도적으로 수행 그림 3-7 세계 주요 국가별 특허 출원 현황 그림 3-8 3D 프린터 제조기업의 3D 프린터 기술별로 출원한 소재 특허 Korea Evaluation Institute of Industrial Technology 061
KEIT PD Issue Report PD ISSUE REPORT AUGUST 2014 VOL 14-8 전 세계 3D 프린터 제조기업이 출원한 특허의 소재별 추이는 (그림 3-9)과 같다. - 미국의 3D Systems(SLA와 SLS 기술)은 세라믹, Al 등 금속 및 PA, Wax, PC, Thermoplastic, Epoxy, PET, PE 등의 다양한 소재를 연구 - Massachusetts Inst.(PBP 기술)은 세라믹, Photopolymer 소재를 중점적으로 연구하고, Stratasys(FDM 기술)은 Thermoplastic, PE, Epoxy 소재를 중점적으로 연구하며, 항공업체인 Boeing은 Ti, A1 등 금속 소재와 PC 고분자 소재에 연구 집중 그림 3-9 3D 프린터 제조기업의 특허 출원 소재 062 한국산업기술평가관리원
ISSUE 3 3D 프린팅 고분자 소재의 현황과 연구방향 3D 프린터 제조기업이 산업별로 어떤 분야에 집중하는지 특허 추이로 보면 (그림 3-10)와 같다. - 3D 프린터 기업별로 소재 특허를 출원하는 산업 분야가 다르지만, 인체조직공학(Tissue Engineering), 자동차, 기계, 항공산업에 대해 중점적으로 연구 - 3D Systems과 Massachusetts Inst.은 특정 산업에 치우치지 않고 다양한 산업 소재특허를 출원 - Stratasys는 인체조직공학, 기계 및 의료 분야 소재 특허를 주로 출원 - Boeing은 자동차, 항공, 방위산업 관련 응용소재를 중심으로 특허를 출원하고, 자동차산업용 소재 연구는 Boeing, 3D Systems, Massachusetts Inst., Therics Inc.와 HP 등이 주도 그림 3-10 3D 프린터 제조기업의 산업별 출원 특허 Korea Evaluation Institute of Industrial Technology 063
KEIT PD Issue Report PD ISSUE REPORT AUGUST 2014 VOL 14-8 자동차 산업과 항공산업에서 가장 활발하게 3D 프린팅 기술을 응용하고 있으며 이 두 산업에서 많이 사용하는 소재는 다음의 (표 3-4)와 같다. 표 3-4 자동차 산업과 항공산업의 3D 프린팅 소재 특허 자동차 산업 항공 산업 소 재 특허 수 소 재 특허 수 Ceramic 35 Aluminum 38 Thermoplastic 34 Ceramic 34 PC 27 Thermoplastic 29 Aluminum 26 Nickel 28 Paper 25 PC 28 Epoxy 22 ABS 20 PET 21 PA 11 ABS 18 Epoxy 11 PA 17 PET 11 Nickel 17 Titanium 15 PP 14 PE 14 Rubber 14 Silver 11 - 자동차산업 및 항공산업 분야의 3D 프린팅 소재는 세라믹과 A1, Ti, Ni 등 금속 및 Thermoplastic, PC, Epoxy, PA 등 고분자 소재를 중점적으로 출원 - 두 산업의 특성상 고강도 소재를 요구하므로 금속 소재의 비중이 고분자 소재에 비하여 상대적으로 큼 - 자동차산업 및 항공산업용 3D 프린팅 고분자 소재는 경량이라는 장점을 가지고 있지만 강도가 부족한 것이 단점 - 자동차산업 및 항공산업용 고분자 소재의 개발에서는 고강도를 부여할 수 있는 polymer composite과 같은 소재를 중점적으로 고려할 필요가 있음 064 한국산업기술평가관리원
ISSUE 3 3D 프린팅 고분자 소재의 현황과 연구방향 4. 3D 프린팅 소재 3D 프린팅 산업의 한계 3D 프린팅에 대해 조형속도, 표면 해상도, 가공재료의 제한 등이 한계로 지적 - 조형속도가 느리고 규모가 큰 물체의 프린팅에 한계 * 수직으로 1 인치를 인쇄하는 데에 수 시간이 소요. 모형제작에는 충분하지만, 대량생산에는 고비용 등의 문제 - 표면해상도가 아직 높지 않음 - 적층방식제조로 단층방향의 힘에 약하고 조형물 강도가 약함 - 광경화성 수지, 레이저 소결 수지, ABS 필라멘트 및 금속소재 일부만 활용가능하고 가공재료의 한계 - 고가의 3D 프린터 및 고가의 소재 : 최고수준의 3D 프린터는 1백만 달러 정도 * 3D Systems, Stratasys, EOS 및 Arcam 등의 선도 3D 프린터 제조사들이 장비와 연계하여 고가의 소재 가격 전략을 추구 * 나일론 분말 소재와 ABS filament 소재의 가격은 $80~$100/kg, stainless steel 분말 소재 가격은 $120/kg으로 원소재의10~100배 * 현재는 잉크젯 프린터의 잉크 카트리지와 유사한 전략으로 프린터 제조업자들이 브랜드화된 자기들만의 소재를 소비자들이 사용하게 하여 이익 추구 3D 프린팅 산업의 성장전망 3D 프린팅은 모형이나 완구류 등의 제작에 주로 활용되고 있지만, 아직은 자동차, 항공기 등의 부품제작에 직접 활용되지 못함 3D 프린팅으로 직접 제품을 생산하는 경우, 모형이나 금형을 따로 만들 필요가 없어 생산원가의 저렴화 및 생산주기의 감축이 가능하여 제조업 혁신을 선도 - 시장조사업체인 월러스 어소시에이츠는 2018년까지 세계 제조업체의 25% 이상이 3D 프린팅을 적극적으로 활용할 것으로 예상 향후 해상도 향상, 소재 선택 및 소재의 기계적인 물성 개선 등이 전망 - 이에 따라 3D printing은 모형 제작 도구에서 제조업의 생산도구로 점차적으로 전환되어갈 것으로 예상 - 향후 자동차, 의료, 항공 등의 3D Printing 시장의 증가에 힘입어 아래 (그림 3-11)과 같이 핵심산업의 시장이 2025년도에 84억 달러로 증가하고, 제조업 생산에만 44억 달러에 달할 것으로 예측 Korea Evaluation Institute of Industrial Technology 065
KEIT PD Issue Report PD ISSUE REPORT AUGUST 2014 VOL 14-8 그림 3-11 3D 프린팅 시장 전망 * 자료 : Lux Research, Inc. 3D 프린팅 소재 3D 프린팅의 미래는 소재가 좌우 그림 3-12 3D 프린팅 소재와 기술 혁신 066 한국산업기술평가관리원
ISSUE 3 3D 프린팅 고분자 소재의 현황과 연구방향 현재 사용하고 있는 주요 고분자 소재는 PLA, ABS, Nylon, Urethane, PLA/ABS Alloy, PC, PEI 그리고, UV Resin과 Photo-polymer 등 - 이와 같은 폴리머 소재들은 강도가 약하고, 냄새가 나는 등의 문제점 - 강도 개선을 위해 유리섬유, 탄소섬유, 그라펜 등을 함침한 소재의 개발이 진행 * Carbon Nanotube 또는 Carbon Fiber Reinforced Polymer, Glass Fiber Reinforced Polymer, Triboplastic (Self Lubricating), Graphene Alloy Polymer, UV Resin/Fiber reinforced 등 현재 사용하는 3D 프린팅 소재는 제한적으로 다음의 (표 3-5)와 같다. 표 3-5 3D 프린팅 주요 소재 소재 형태 3D 프린팅 소재 비고 Thermoplastic Powder Resin(액체) 금속 PLA ABS PVA, HIPS P o l y c a r b o n a t e, N y l o n, Polyphenylsulfone ULTEM, PEEK와PAEK 등의 엔지니어링 플라스틱 Polyamide Alumide Multi-color 고정밀 UV 레진 페인트형 레진 투명레진 Titanium Stainless steel 동(Bronze) Brass, Silver, Gold - 국내서 FDM용으로 가장 많이 사용하는재료. 용융시 프린터를 끈적끈적하게 하여 작업하기 어렵고, 자연 분해되는 친환경 소재이나 재순환이 어려운 소재, 흡습이 높아 재료보관 주의 세계적으로 가장 많이 사용하는 소재, 용융시 냄새 문제큼. 출력 후 물과 Oil에 녹여내는 supporter로 주로 사용됨 열변형온도(HDT)가 100~150 인 기능성고분자로 열수축 주의 필요. 열변형온도 150 이상인 고강도 엔지니어링재료. Utem 상용화 Nylon 12가 많이 사용되는 소재 회색의 aluminum powder와 polyamide의 blend 미세 그래뉼 분말로 제조 Photo-polymer 액체 매끈한 표면과 미관 형성 경화 가능한 액체 (광경화 아님) 경량 & 최고 강도 3DP 소재, 분말을 레이저로 소결시킴 동 함침 분말, 가장 저렴한 금속, 고강도 분말 세라믹 유리, 알루미나, 실리카 분말 등 열저항성, 재순환 가능, 음식물 안전 선도 3D 프린터 제조업체들이 소재를 프린터와 연계하여 독점적으로 공급 - 다른 소재 업체가 진입하기에는 장벽이 높고, 시장 진입에 성공하더라도 제한적 시장 점유의 문제 3D Printing 소재는 크게 고체 형태의 Photo-polymer와 Thermoplastic(filament 및 pellet), 분말 형태의 Thermoplastic, 분말 형태의 금속, 분말 형태의 세라믹 등으로 구분 - 고체 형태의 Photo-polymer와 Thermoplastic이 중단기적으로 성장 유망 Korea Evaluation Institute of Industrial Technology 067
KEIT PD Issue Report PD ISSUE REPORT AUGUST 2014 VOL 14-8 현재 소재의 시장은 6억 1500만 달러 (2014년 기준)이며 2018년도에 8억 6800만 달러로 성장할 것으로 전망 (시장조사업체 아이디테크엑스 보고서) - 플라스틱 소재의 시장은 연평균 23.3% 성장률을 보여 2012년도에 1억 8300만 달러에서 2018년도에 5억 8300만 달러로 증가할 것으로 예상 - 현재 가장 많이 사용하는 소재는 광경화형 고분자물질인 Photo-polymer로 전체 시장의 56%를 차지 - 다음으로는 자유롭게 녹고 굳는 고체형태의 Thermoplastics (열가소성 플라스틱)이며 시장의 40% 정도를 점유 - 섬유와 입자 복합 소재, 분말 형태의 열가소성 플라스틱, 잉크젯 조형 분말 등의 다양한 소재도 각광 예상 - 현재 전체시장의 1.4%인 금속분말도 성장이 예상 3D 프린팅 소재의 연구 3D 프린팅 소재의 핵심적인 연구목표는 우수한 기계적 물성과 정밀한 형상 구현이 가능한 소재 개발임 - 금속소재는 상기의 목표를 달성하는데 유리 - 플라스틱 소재는 3D 프린팅 과정에서 충분하게 압력을 가할 수 없어 치밀한 인쇄물을 얻기에는 한계 - 단지 공학적으로 필요한 물성을 모사하는 수준 - 플라스틱 소재는 용해와 재결정과정의 물성이 더욱 민감하여 나일론5, 나일론6,6 또는 PP 등과 같은 공학적 물성을 갖는 새로운 소재의 개발이 어려움 3D 프린팅 플라스틱 소재는 금속소재에 비하여 여러 물성이 요구됨 - 입자 크기와 분포, 입자형상, 분자량, 융점, 재결정온도, 용해 시 점성, 레이저에 대한 반응성, 휘발성, 잔존 단량체 & 휘발물질 함유 문제, 장시간 고온에서 분자적 변화 양상(열안정성) 등 - 플라스틱 소재의 모든 중요 물성을 조절하기 어려워 3D 프린터에 사용이 가능한 플라스틱 소재가 제한적 - FDM과 SLS의 경우에 플라스틱 융점 부근의 온도에서 장시간 체류하므로 플라스틱의 열안정성이 매우 중요 - SLS용 고분자 소재인 thermoplastic은 전형적으로 crystalline melting point를 보여야 함 * 프린팅 작업온도(T)는 결정화 온도(Tc)보다는 높고 융점(Tm)보다는 낮아야 함 (Tc(Crystallization temp) T Tm(Melting point)) * 3D 프린팅 과정에서 변형 (deformation 또는curling) 방지를 위하여 (Tm Tc) 차이가 가능한 한 큰 분말을 사용하는 것이 바람직 * 레이저 조사 직후 프린터 내의 분말의 온도가 Tc 이상인데, 새로운 차가운 분말층의 도입으로 인하여 이미 형성된 인쇄물의 온도가 급격하게 Tc 이하로 떨어져 변형 발생 * (Tm Tc) 차이가 클수록 고체화하는 과정에서 shrinkage양이 작아짐 - SLS용 고분자 소재인 thermoplastic은 용융엔탈피(enthalpy of fusion: H f )가 가능한 한 클수록 유리 * 용융엔탈피가 클수록 제조된 제품의 기하학적 형태가 양호 068 한국산업기술평가관리원
ISSUE 3 3D 프린팅 고분자 소재의 현황과 연구방향 * 용융엔탈피가 작으면 레이저로 공급된 에너지가 열전도에 의해서 이미 형성된 벽면 부근에 있는 분말입자들을 케이크화하기 때문 * 케이크화에 의하여 기하학적 정밀도 저하 불소고분자와 공중합체는 laser와 infra-red(ir) sintering 소재로 사용이 가능 - 불소고분자와 공중합체는 내열성, 내후성, 발수성, 방오성, 내인화성, 내화학성, 압전성 등이 우수 - SLS 레이저 신터링에 이용되는 불소고분자 또는 불소고분자 공중합체/아크릴 또는 메타크릴 고분자 blend도 포함 - Polyvinylidenefluoride(PVDF)와 Polychlorotrifluoroethylene(PCTFE)와 이들의 공중합체가 3D 프린팅 SLS 소재로 적합 - 보다 바람직한 PVDF 공중합체는 적합한 양의 crystallinity를 가지고 있어 확실한 융점을 보여야 하며, 3D 프린팅 인쇄제품의 brittleness를 줄이기 위해 약간의 non-crystallinity도 필요 3D 프린팅 소재의 연구개발 현황 3D 프린터 제조업체가 3D 프린팅 소재를 독점 - 3D Systems Inc.(US), Stratasys Ltd.(US), Arcam AB(Sweden), ExOneGmbH(Germany)가 전 세계시장의 약 75.0%의 시장 점유 - 프린터 제조사는 기계적 물성, 미관, 치수안정성, 수율, 시스템 안정성 등을 고려하여 프린터 시스템과 소재를 서로 최적화 * 다른 소재를 사용하는 경우 신뢰성과 품질에 문제가 발생할 가능성이 큼 * 프린터가 제대로 작동되지 않으면 사용자들은 프린터의 사용을 기피 * 이에 대한 대처 방안으로 프린트 제조사들은 소재를 프린터에 최적화 3D 프린터용 소재를 개발하기 위해서는 장기간의 연구와 장비, 소재 및 수요 업체들과의 종합적인 협력체제가 필요 - 미국의 전문 고분자 소재업체인 PolyOne은 3D Printing용 첨단소재를 개발하기 위하여 2012년부터 3년 동안 협력연구 프로젝트(US $3백만grant)를 수행 * 연구개발 초기에는 항공산업 및 자동차산업에 필요한 특수응용소재 연구를 수행 * 다음 단계에서 의료 포함 모든 분야의 소재연구를 수행할 예정 * 연구프로젝트에 참여하는 기업은 GE Aviation, 항공기 부품제조 기업, Rapid prototyping bureau(rapid Prototype&Manufacturing(RP+M)), 3D prototyping 장비 제조기업인 Stratasys 등 기존의 PLS, ABS 소재 외에도 여러 가지 소재에 대한 개발이 발표되고 있음 - 실리콘밸리 소재의 Arevo는 카본 복합재료를 출시 * PEEK, PAEK와 카본 복합 고강도 3D Printing 복합재료를 출시하여 항공산업, 방위산업 및 의료산업에 활용하는 것이 목표 Korea Evaluation Institute of Industrial Technology 069
KEIT PD Issue Report PD ISSUE REPORT AUGUST 2014 VOL 14-8 - ULTEM, Solvay의 KetaSpire PEEK&AvaSpire PAEK, PrimoSpire self-reinforced polyphenylene, Radel polyphenylsulfone(ppsu) resins 등을 3D Printing 소재로 활용하기 위한 연구가 진행 중 - MadeSolid는 2014년 초 차세대 소재 PET+ 개발을 발표 - 현재 가장 많이 사용되고 있는 소재인 ABS는 냄새 문제가 있고, PLA는 부서지기 쉽고 습기에 약한 문제가 있음. PET+ 소재는 ABS와 PLA 두 소재의 장점만을 가진 새로운 소재로서 유연성이 우수하고, 수축과 변형이 없으며 재활용이 가능 - MS 레진은 SLA 프린터용 소재로서 PET+의 경우와 마찬가지로 현재 사용되고 있는 소재의 단점을 없앤 특수 제조 레진 * 선명한 색상이 가능하고, 점성이 낮아 세척이 용이한 장점 - Stratasys는 2013년 말 고강도 재료인 디지털ABS2 를 출시 * 폴리젯(PolyJet) 방식의 3D 프린터용 소재로서 높은 치수안정성을 부여하여 박벽(thin-walled) 구조의 모형 제작에 이상적인 소재 * 기존 녹색 외에 아이보리색도 출시 * 투명한 소재를 개발하여 화장품과 향수병의 prototype을 제작 이외에 미국을 중심으로 이루어지고 있는 최근의 3D 프린팅 소재의 연구동향은 다음의 (표 3-6)과 같다 표 3-6 3D 프린팅 소재의 개발 동향 기업 LomikoMetals & American Graphite s Ventures Lawrence Livermore Windform DSM EOS ExOne Madesolid Metalysis Texas Tech graphene 소재 소재 개발 동향 항공, 자동차와 우주선용 초경량, 초경도, 고강도 소재 카본섬유, 유리 강화 polyamide 소재 365nm 포함 높은 파장대에서 사용 가능한 photo-polymer 소재, 항공과 자동차산업의 열안정성과 정밀성, 신속성 작업에 적합 Titanium Ti64ELI와 Stainless Steel 316L 소재 청동 함유 316 stainless steel, 청동 함유 420 stainless steel, 동 함유 철과 접합된 텅스텐 소재 레진 출시, 점성이 작아 프린터, 잉크통의 세척 용이 자동차 부품용 저렴한 titanium 분말 플라스틱과 카본나노튜브 복합 소재 - Texas Tech은 플라스틱과 카본 나노튜브 복합소재를 개발 * Steel보다 강하고 열에 의하여 다른 물질과 결합하는 카본 나노큐브를 플라스틱 필라멘트에 코팅한 소재를 개발 070 한국산업기술평가관리원
ISSUE 3 3D 프린팅 고분자 소재의 현황과 연구방향 * 카본 나노튜브는 플라스틱 층 사이에 샌드위치 상태로 존재하고, 인쇄 후 인쇄물을 마이크로웨이브로 처리하여 카본 나노튜브가 플라스틱과 결합 * 카본 나노튜브와 플라스틱 사이의 결합은 매우 강하고, 가볍고 고강도로 자동차, 항공기, 우주선 등에 이용 가능 국내 소재 전문업체들은 3D 프린팅 소재를 신성장 동력으로 추진 중이나, 현재는 소재시장에 진입하는 초기 단계 - LG화학은 ABS 생산에 집중 * ABS는 충격에 강하면서도 가벼워 금속 대체가 가능 * 스트라타시스 등이 LG화학의 ABS를 가공해 완제품 성형소재로 활용 - 대림화학은 3D 프린터용 플라스틱 필라멘트를 생산 - 대주전자재료는 터치패널용 나노잉크재료의 개발에 주력 자동차 산업과 3D 프린팅 고분자 소재 세계 자동차 시장의 경량화 요구가 강화되면서 금속 대체 가능한 고분자 (플라스틱) 시장이 빠르게 증가 - 자동차용 플라스틱 소재 시장의 증가 추이는 (표 3-7)과 같다 * 자동차용 플라스틱 소재 시장은 연평균 17.5% 증가율을 보여 2016년도에 274억 달러에 달할 것으로 추정 표 3-7 자동차용 플라스틱 소재의 세계시장 (단위: 억 달러) 2012 2013 2014 2015 2016 CAGR(%) 75 72 93 115 131 15.0 5 EP 40 52 58 65 75 17.0 5 EP 18 22 26 34 40 22.1 11 15 18 22 28 26.3 144 161 195 236 274 17.5 * 자료 : 자동차용 플라스틱 소재의 세계시장, 자동차업계 2010~2017년 예상치 기준 추정. 미국 EPA가 발표한 향후 10년 동안에 자동차의 연비와 이산화탄소(CO 2 ) 배출량 저감에 대한 달성 목표치는 아래의 (그림 3-13)와 같다. - 연비는 2016년도에 35.5mile/gallon(15.1km/liter)에서 2025년에는 1.5배 정도 향상된 54.4mile/gallon(23.2km/ liter)을 목표로 설정 - 이산화탄소 배출량은 2016년도 250g CO 2 /mile에서 약 36% 정도 감소된 163 g CO 2 /mile로 목표치를 설정 Korea Evaluation Institute of Industrial Technology 071
KEIT PD Issue Report PD ISSUE REPORT AUGUST 2014 VOL 14-8 그림 3-13 자동차의 연비와 이산화탄소(CO 2 ) 배출량 저감 달성 목표치 플라스틱을 메탈로 대체하기 위해서는 여러 가지 조건을 만족하여야 함 - 다음의 (그림 3-14)은 자동차용 소재로 사용 가능한 충진 플라스틱(filled plastic)과 고분자 복합재료(polymer composite)의 고분자 소재와 금속소재의 강도와 무게(밀도)를 보여줌 - 이 그림에서 보는 바와 같이 충진 플라스틱과 고분자 복합재료가 금속을 대체할 수 있는 강도를 가지면서 무게는 금속 대비 20~30% 정도 - 따라서 고분자 복합재료와 충진 플라스틱이 미래 자동차의 연비 향상과 이산화탄소 배출량 저감을 위한 경량화 소재로 중요하게 활용될 가능성이 큼 그림 3-14 고분자 소재와 금속 소재의 강도와 밀도 비교 072 한국산업기술평가관리원
ISSUE 3 3D 프린팅 고분자 소재의 현황과 연구방향 5. 우리나라의 3D 프린팅 플라스틱 소재 연구 방향 미래 제조업의 혁신기술인 3D 프린팅 산업 3D 프린팅 기술은 미래의 제조업을 혁신시킬 수 있는 기술이며, 현재 전 세계적으로 도입 단계 3D 프린팅 기술은 항공산업과 자동차산업의 시제품 제작에서 최종 부품생산에 이르기까지 활용이 크게 증가할 것으로 예상 3D 프린팅 산업은 소재와 프린터의 동반 발전이 핵심 3D 프린팅 산업 성장의 핵심기술은 소재기술 3D 프린팅 소재는 3D Printer 기술에 종속 3D Printer 주요 핵심기술은 FDM, SLS와 SLA이며 3D 프린터 시장을 주도 FDM 고체기반 소재, SLA 액체기반 소재, SLS 분말기반 소재 등으로 3D 프린터 기술에 따라서 소재가 구분 현재까지 3D 프린팅 소재연구는 3D Printer 제조사 중심으로 진행 세계적으로 연구 초기인 3D 프린트용 소재 3D 프린팅 소재 연구는 세계적으로도 연구 초기단계 현재의 고분자 소재 연구개발 수준은 기존 고분자 소재의 물성을 개선하는 연구가 중심이며, 새로운 소재 연구개발은 아주 미흡 3D 프린팅 소재 개발의 최대의 도전 목표는 우수한 기계적 물성과 정밀한 형상 구현이 가능한 소재를 개발하는 것 가장 큰 수요산업이며 세계적인 경쟁력을 갖춘 자동차 산업과 연계하여 우선적으로 3D 프린팅용 소재 연구 전략 필요 3D 프린팅 소재 개발에 많은 비용이 소요되나 비용 대비 수요가 작아, 큰 수요가 있거나 큰 성장이 전망되는 소재에 연구개발의 집중 필요 3D 프린팅 소재 개발은 세계시장 규모가 크고 국내산업 중에서 국제적 경쟁력이 있는 자동차산업 관련 소재를 중점적으로 개발하는 것이 바람직 자동차산업용 3D 프린팅 소재를 개발한 다음 이를 다른 산업에 응용하는 전략이 필요 자동차산업용 소재로서 FDM, SLS와 SLA 기술 대상 소재를 중점적으로 개발할 필요가 있으며 다음의 (표 3-8)에 정리 Korea Evaluation Institute of Industrial Technology 073
KEIT PD Issue Report PD ISSUE REPORT AUGUST 2014 VOL 14-8 표 3-8 중점 연구개발 자동차용 3D 프린팅 고분자 소재 3D FDM SLS SLA 3D 열가소성(또는 엔지니어링 플라스틱), 충진 열가소성(또는 엔지니어링) 플라스틱, 고분자 복합재료(Polymer Composite) 열가소성(또는 엔지니어링 플라스틱), 충진 열가소성(또는 엔지니어링) 플라스틱, 고분자 복합재료(Polymer Composite) UV 경화 레진(Photopolymer) 물성& 기능성 향상 고분자 소재: 강도, 탄성, 내열성, 내후성 & 특수 기능성(발수성, 방오성, 내인화성, 내화학성, 압전성, 미관성 등) 6. 정책 제언 세계 각국은 3D 프린팅 산업을 미래 유망산업으로 인식하여 여러 가지 정부의 지원 정책 시행 3D 프린팅이 가진 잠재력을 인식하면서 많은 나라에서 국가 차원에서 3D 산업의 발전을 위한 정책을 수립하고 지원 우리나라는 산업 통상 자원부 - 미래 창조 과학부가 공동으로 2014년 4월 23일 3D 프린팅 산업 발전 전략 을 국가 과학 기술 심의회에서 의결하고 범부처 3D 프린팅 산업 발전 협의회 구성 및 다음의 4대 전략을 수립 - 4대 전략 1. 수요 연계형 성장 기반 조성 2. 비즈니스 활성화 지원 3. 기술 경쟁력 확보 4. 법ㆍ제도 개선 위와 같은 국가 4대 전략에 맞추어 다음과 같은 정책을 제안함 (제안 1) 국가 산업의 세계적 경쟁력이 있고 산업의 파급효과가 큰 자동차 산업용 3D 프린팅 소재를 집중적으로 개발하고, 개발된 자동차 산업용 소재를 다른 산업에 응용하는 발전 전략 - 산업규모가 크고 경쟁이 심한 분야의 R&D의 경우 개발 시간과 개발 비용 중 개발 시간 단축이 우선 사항 - 자동차는 많은 부품 수와 긴 개발 기간을 필요로 함 - 부품의 단순화로 획기적 개선이 가능 (제안 2) 소재의 기초적인 연구가 반드시 동반되어야 성공 가능성이 큼 - 3D 프린팅 기술은 미래 기술로 세계적으로 개발 초기 단계 - 소재와 기계, 수요자의 필요를 종합한 긴 안목의 개발 필요 - 향후 개발이 필요한 상황을 종합하면, 074 한국산업기술평가관리원
ISSUE 3 3D 프린팅 고분자 소재의 현황과 연구방향 플라스틱 내구성 문제 소재 특성에 의한 약한 층간 결합 한계 극복을 위한 소재 기초 연구 (기계의 진화 소재의 진화) 즉, 소재의 기초 문제 해결과 새로운 기계의 개발은 동시에 같은 과제로 진행되어야 효율적 (제안 3) 명확한 국가 발전 로드맵의 조기 제시 필요 - 3D 프린터 산업에 대한 성급한 기대치 - 실제 기술 능력 대비 과도한 경쟁의 장비 산업 * 12년 $10억 불 규모의 시장에 100여 개 업체의 과도한 경쟁 - 성급한 시장 진입 일부 상용화 실패 및 성장의 한계 시장 기대 급감 및 시장 퇴출 현상 우려 (제안 4) 장기적 안목의 선행적 제도 준비 - 개인 생산 시대의 서막 및 새로운 Business Model - 디자인에 관련된 소프트웨어의 발전과 분쟁의 우려 * 디자인 라이브러리 유형의 사업 예상 * 디자인과 관련된 지적 재산권 분쟁 예상 지적 재산권에 대한 명확한 기준 정립 및 적절한 관리 방안 과거 Napster의 P2P 음원 공개에 따른 분쟁 사례 참조 [참고문헌] 1. Reserch and Market : Global 3D Printing Materials(Photopolymers, THermoplastics and Powder) 2. 3D 프린터, 차세대 조업 혁신 주도 전망, 정보통신산업진흥원 정책기획단 산업분석팀 3. 3D printing Technology Insight Report : An analysis of patenting activity around 3D-Printing from 1990-Current, Gridlogics Technologies Pvt Ltd. 4. Use of fluoropolymers in laser sintering, WO2007133912 A2, 2007. 4. 26. 5. 유무기 소재 및 공정, 2013 중소기업 기술로드맵, 중소기업청, 2012 6. "Plastics and Polymer Composites Technology Roadmap Automotive Markets", Plastic Division, American Chemistry Council, 2014 Korea Evaluation Institute of Industrial Technology 075