Journal of the KSME
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2014.3.31 9:47 AM 페이지33 장에서 우위를 점하고 있는 미국은 기술의 적용 사례로 NASA(미국항공우주국) 엔진 연료 분사장치 제작에 3D 프린터 기술을 이용하고 있다고 발표했다. 이러한 분야의 경우 이전에는 3D 프린팅기술이 적용할 수 없는 분야였지만 이와 같은 적용사례를 기 반으로 볼 때 3D 프린팅기술이 정밀도와 제작 속도 측면에서도 다른 산업에 충분히 활용될 수 있는 수준으로 올라 왔다는 평가 도 나오고 있다. 또한, 그림 2에 나타나 있 그림 2 3D 프린팅의 산업적 응용 분야 듯이 명품 브랜드의 신발 디자인 시제품에 서부터 자동차 대시보드의 시제품 제작, 치 과 교정기 등에 폭넓게 활용되고 있다. 그 렇지만 아직까지는 시제품 위주로 3D 프린 팅기술이 이용되고 있으며, 향후 이 기술이 완성품이나 부품제작에 이용될 것으로 예 상된다. 따라서, 3D 프린팅 시장은 향후 크게 성 장 할 것으로 예상되며, 일반 프린터 시장보 다 훨씬 더 큰 시장으로 자리잡을 것으로 생각된다. 부가적으로 다양한 제품과 산업 그림 3 기존 제조방법 vs 3D 프린팅 방법 비교 그림(한국기술평가원 2013 KEIT PD 보고서) 에 적용될 수 있기 때문이다. Wohlers Associate는 세계 3D 프린터 시장이 2015년 37억 달러에서 2021년 108억 달러로 성장 할 것이라고 예상하고 있다. 그러나 아직까 지는 국내 3D 프린팅 관련 연구 개발 및 Test Bed 기반 구축이 전무하다. 3D 프린팅 기법의 기술적 개요 및 분류 3D 프린팅 기술은 적층 제조기술(AM: Additive Manufacturing)이라고도 하며, 그 림 3에 나타나 있듯이 기존의 재료를 절삭 이나 드릴을 통해 입체물을 제조 및 조립하 그림 4 3D 프린팅에 사용되고 있는 소재 는 방식에서 벗어나 다양한 방법의 적층 2014. 4., Vol. 54, No. 4 33
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2014.3.31 9:47 AM 페이지35 개발도상국이면서 세계의 공장이라고 불리 는 중국의 경우에도 중국 과학기술부 국가 기 술발전 연구계획 및 2014년 국가과학기술 제조 영역 프로젝트 지침에 3D 프린터 사업을 포함 하고, 3D 프린터 재료 핵심기술, 장비를 확보할 계획이다. 특히, 중국의 경우 정부출연연구소 중심의 기술개발 및 관련 기업육성 등에 주완 점을 두면서 3D 프린팅에 대한 연구를 진행하 고 있다. 한 예로 중국 Northwestern Polytech nical University of China에서는 5m의 C919 승 (a) 합기에 적용되는 5m의 티타늄 빔을 만들고 있 (b) 그림 5 (a) 적층공장 (b) 적층기술로 만든 5m 티타늄빔(한국기술평가 원 2013 KEIT PD 보고서) 으며 2016년 상용화를 계획하고 있다. 이와 같 이 주요 선진국뿐만 아니라 중국에서도 3D 프 린팅기술에 대한 산업 경쟁력을 확보하기 위해 서 활발하고 연구 개발 및 응용 분야 확대에 주 력하고 있다. 3D 프린팅기술은 디지털 디자인 데이터를 기반으로, 소재를 적층하는 방식으로 3차원 물 체를 인쇄하듯 만들어내는 기술로서 타 산업과 의 융합을 통한 파급효과가 큰 차세대 제조 핵 심 기술이다. 미국, 일본, EU 등 주요국에서는 산업 클러스터 형성, 산학 연계, 원천기술, 제 그림 6 UC버클리대에 설치된 3D 프린팅 자판기(한국기술평가원 2013 KEIT PD 보고서), 품 디자인 기법 개발 등의 분야에 연구지원을 통해 산업육성에 나서고 있으며, 그 외에 3D 프린팅기술의 응용 분야 확대 및 관련 산업의 및 응용 분야를 확대하고, 개발된 신소재의 산업표준 경쟁력에 대한 증대에 힘쓰고 있다. 이들 선진국에 비 분야에 대해서 집중하고 있다. 영국의 경우 2012년 10 하면 국내 3D 프린팅기술은 아직 걸음마 단계이며, 국 월 기술전략위원회에서 3D 프린팅 연구개발에 700만 내 3D 프린팅 관련 연구 개발 및 Test Bed 기반 구축이 유로의 투자를 발표하였으며, Inspiring New Design 전무하다. 또한, 국내 3D 프린팅업체들 대부분은 외국 Freedoms in Additive Manufacturing 전략위원회 보고 제품을 카피해 제작하는 수준에 머물고 있다. 그렇지 서에서 영국은 9,600만 유로를 측정 생산기술에 투자한 만, 전 세계적으로 3D 프린팅산업의 경우 아직은 성장 것으로 보고되고 있다. 바로 옆에 있는 일본의 경우 중 초기 단계이며, 국가차원의 대응전략을 통해 원천기술 소기업 중심으로 의료분야 기술개발 및 제품 확산을 진 국산화 및 관련 산업 생태계 조성이 필요한 시점이다. 행하고 있으며, 한 예로 의료기기 전문업체 파소텍은 의료기구, 틀니 등을 3D 프린팅을 통해 생산하고 있다. 2014. 4., Vol. 54, No. 4 35
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2014.3.31 9:47 AM 페이지40 3D Printing 기술의 나노/마이크로분야 응용 그림 7 일반 크루즈 컨트롤 스위치와 3DCD 크루즈 컨트롤 스위치 차이점 및 3DCD 크루즈 컨트롤 스위치 제작 간, 비용, 인력이 많이 요구되었지만 이 기술을 이용하 을 보안할 경우 조립의 공정수가 감소될 뿐 아니라 부 게 되면 이러한 단점을 보완할 수가 있다. 이러한 단점 품의 신뢰성 또한 향상될 것으로 예상된다. 기계용어해설 40 이광자 스테레오리소그래피(Two-Photon Stereolithography) 펨토초 레이저를 이용한 이광자 흡수 광경화 현상을 통하 여 3차원 형상을 제작하는 방법 입자 통과시간(Particle Transit Time) 유체 내에서 흐르는 입자가 특정한 구역을 통과하는 데 걸리는 시간 일계신뢰성방법(FORM) 한계상태방정식(LSF : Limit State Function)의 Taylor 급 수 전개식의 1차 항만 사용하여 파손확률을 구하는 방법 자긴가공모델(Autofrettage Model) 실린더의 내경에 소성가공을 하는 것. 해석 방법에 따른 자긴가공 후 잔류응력식을 자긴가공이라 함. 임계속도(Critical Speed) 회전 디스크에서 후진파 고유진동수가 제로가 되는 회전 속도 입자영상 유속계(Particle Image Velocimetry) 유체 내에서 흐르는 입자의 움직임을 영상으로 기록하고 이를 분석하여 유동을 분석하는 장치 기계저널
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2014.3.31 9:47 AM 페이지42 3D Printing 기술의 교육분야 응용 그림 1 서울과학기술대 기계시스템디자인공학과 CAD 관련 교과목 구성도 그림 2 CAD를 이용한 캐릭터모델 형상모델링 및 제작 사례 수행한다. 또한 설계과제를 통해 학생들의 성취도를 평 품의 형상을 측정하고 3차원 CAD를 사용하여 형상모 가하는데, 중간고사 이후에 3~4명의 학생들로 팀을 구 델링을 수행하는 역설계(Reverse Engineering)를 수행 성하여 CAD 활용 설계과제를 수행한다. 하는 형태로 진행되며, 역설계된 형상정보를 사용하여 CAD 설계과제는 학생들이 수업시간에 배운 CAD 능 3차원 프린터로 실제 제품을 제작해보는 과정까지 활용 력을 활용하여 실제 제품의 형상모델링을 수행함으로 할 수 있다. 역설계 주제로는 캐릭터 모델에 대한 역설 써 CAD 실무를 익히는 것을 목표로 한다. 주로 실제 제 계(그림 2 참조)나 실제 제품에 대한 역설계(그림 3 참 42 기계저널
2014.3.31 9:47 AM 페이지43 조) 등의 주제를 부여하였다. 전자의 경 우 학생들로 하여금 흥미를 유발하는 장점이 있는 반면, 후자의 경우는 실제 사용되는 제품에 대한 역설계를 수행함 으로써 단순한 형상모델링에 국한되지 않고 제품의 설계특성에 대해 고찰해보 는 기회를 부여할 수 있는 장점이 있다. CAD 설계과제 진행과정 최근 실시된 CAD 설계과제(캐릭터 그림 3 CAD를 이용한 신개념 리모컨 형상설계 및 제작 사례 역설계)의 진행과정에 대해 간략하게 소개해보겠다. 국산 애니메이션인 뽀 로로와 친구들 에 등장하는 총 5개의 캐릭터(뽀로로, 루피, 에디, 크롱, 포비) 에 대한 역설계를 수행하도록 하였다. 학생들은 총 10팀으로 구성(팀별 3~4 명)하여 1개의 캐릭터당 2개의 팀을 할 당하여 상호 경쟁하도록 유도하였으며, 팀별 캐릭터는 추첨을 통해 결정하였 다. 수행과정은 기초형상 측정, 형상모 델링 및 3차원 프린팅의 3단계로 구분 그림 4 캐릭터 모델의 특징곡선 추출 사례(출처: 박근, 이현중, 한국CAD/CAM 학회 학술발표회 논문집, 2014) 하였으며, 1, 2단계에서는 보고서를 통 해 3단계에서는 발표평가를 통해 결과 를 평가하였다. 1단계에서는 캐릭터의 특징곡선을 추출하기 위한 측정과정이 주로 수행되 며, 그림 4에 다양한 방법을 사용한 특 징곡선 추출 사례를 예시하였다. 측정 방법으로는 실물모형을 사용하여 측정 하는 방법과 그림/애니메이션 영상에 서 다양한 특징곡선을 추출하는 방법 등이 사용되었다. 일부 학생들의 경우 3차원 스캐너를 사용하여 실물모형의 그림 5 특징곡선을 사용한 3차원 형상모델링 수행과정 예시(출처: 박근, 이현 중, 한국CAD/CAM학회 학술발표회 논문집, 2014) 스캔을 수행하고 영상을 획득하는 방법 을 사용하기도 하였다. 2014. 4., Vol. 54, No. 4 43
2014.3.31 9:47 AM 페이지44 3D Printing 기술의 교육분야 응용 2단계는 형상모델링 과정으로 1단계에서 작성된 특징곡선들을 사용하여 수행된다. 우선 여러 방향과 단면의 특징곡선들을 사 용하여 자유곡면을 만들고, 이후 생성된 곡 면을 사용하여 입체형상을 완성하는 과정 을 거친다. 그림 5에 등고선 형태의 특징곡 선을 사용하여 곡면을 생성하고 이후 캐릭 터 두상에 대한 3차원 모델을 생성하는 과 정을 나타내었으며, 또한 상기 과정을 거쳐 주요 부위(머리, 몸통, 팔, 다리 등)에 대한 그림 6 3차원 프린터로 제작된 뽀로로와 친구들 캐릭터 모델 형상모델링을 수행하고 이후 각자 완성한 3 차원 모델을 사용한 가상조립(Virtual Assembling) 과정을 거쳐 최종 형상을 완성 한 사례를 도시하였다. 3단계에서는 완성된 CAD 모델을 사용하 여 3차원 프린팅을 수행하는 과정이다. 이 를 위해 CAD 모델로부터 3차원 프린터로 전송하기 위한 STL 파일을 생성하도록 지 도하였으며, 이때 제작된 곡면을 충분히 묘 사할 수 있도록 해상도를 조절하도록 지도 하였다. 또한 3차원 프린팅에 대한 이론강 의를 추가하였으며, 2종의 3차원 프린터를 보유하고 있는 본교 공동실험실습관 시제 품제작실 견학 및 참관수업을 수행하였다. 그림 7 종합설계 교과목을 통한 졸업작품 제작 사례(출처: H. W. Lee et al., ASME Asia-Pacific Engineering Education Congress, 2009) 학생들은 해당 장비를 사용하여 본인이 제 작한 CAD 모델을 사용하여 캐릭터 모델을 제작하였으 을 1994년부터 지속적으로 진행하고 있다. Capstone 며, 직접 후처리 과정에 참여하도록 하였다. 그림 6에 Design 교과목은 실무중심의 교육과정을 통해 창의적 제작된 다양한 캐릭터 모델의 형상을 도시하였다. 인 기계시스템 설계인력을 배출하고자 하는 과목으로, 특히 졸업작품이라는 교육모델을 개발하여 학부 4학년 종합설계 교과목에서의 3차원 프린팅 활용 학생들로 하여금 졸업시험 대신 스스로 작품을 기획, 설계, 제작, 시험하는 일련의 과정을 체험하게 함으로 써 학생들에게 강한 자신감을 부여하고 창의적 엔지니 종합설계 교과목 개요 어를 양성하는 특성화된 프로그램으로 발전시켜 왔다. 서울과학기술대학교 기계시스템디자인공학과에서 Capstone Design은 학부 4학년 학생들을 대상으로 는 종합설계 교과목으로서의 Capstone Design 교과목 하여 1, 2학기 연계과목으로 운영하고 있다. 1학기에는 44 기계저널
2014.3.31 9:47 AM 페이지45 구물 제작은 물론 회로 구성, 부품 구입 및 조립, 동작시험 등을 거쳐 작품을 완 성하게 된다. 완성된 작품은 내부 심사 를 거쳐 교내/외 전시회에 출품하여 학 생들이 직접 본인의 작품을 전시하도록 한다. 그림 7에 주요 작품 사례를 나타 내었다. 종합설계 교과목에서의 3차원 프 린팅 활용 종합설계 교과목에서는 대부분의 작 품에 기구물이 필수적으로 요구된다. 그림 8 반주용 Robot hand 제작 시 3차원 프린팅 활용 기구물 제작 사례 본교에서는 종합설계 교과목을 수행하 는 학생들이 자유롭게 사용할 수 있도 록 공동공작실을 운영하고 있으며, 선 반, 밀링머신 및 CNC 조각기 등의 가공 장비가 구비되어 있다. 이를 통해 학생 들이 간단한 형태(2.5차원 형상)의 부품 은 직접 가공할 수 있으나, 형상이 복잡 한 경우 가공에 한계가 있어 외주가공 에 의존하는 경우가 많다. 이러한 문제 점을 개선하기 위해 본교 공동실험실습 관 시제품제작실에서 보유하고 있는 2 그림 9 거북이로봇 등껍질(Shell) 구조물 제작 시 3차원 프린팅 활용 사례(출처: K. Park and H. J. Lee, Proc. Global 3D Tech Forum Conf., 2013) 종의 3차원 프린터를 활용하여 학생들 이 복잡한 3차원 형상의 기구물을 손쉽 게 제작할 수 있도록 지도하고 있다. 그 림 8과 9에 3차원 프린팅을 사용한 종합 주로 작품 구상 및 설계를 진행하며, i) 아이디어 도출, 설계 작품에서의 기구물 제작사례를 도시하였으며, 이 ii) 개념설계, iii) 상세설계, iv) 설계검증 및 도면작성 과 러한 활용을 통해 학생들이 본인이 설계한 작품을 손쉽 정을 거친다. 학생들은 한 학기 동안 진행한 종합설계 게 구현할 수 있게 지원함은 물론 졸업 후에도 적절한 과제의 결과를 정리하여 1학기 종료 시 설계된 작품에 용도에 3차원 프린팅을 활용할 수 있게 하는 경험을 습 대한 설계보고서를 작성하여 제출한다. 2학기에는 설 득할 수 있을 것으로 기대된다. 계사양을 토대로 작품을 제작하게 되는데, 여기에는 기 2014. 4., Vol. 54, No. 4 45
2014.3.31 9:47 AM 페이지46 3D Printing 기술의 금형산업분야 응용 안 동 규 조선대학교 기계공학과 교수 ㅣ e-mail : smart@chosun.ac.kr 이 글에서는 3D Printing 기술의 금형산업분야 응용에 대해 소개하고자 한다. 1984년 Charles Hull에 의한 광조형(SL: Stereo 은 층 적층형 쾌속조형공정(Thin Layered Rapid lithography) 공정이 개발된 후로 40종 이상의 쾌속조형 Prototyping Process)과, 측면에 경사각을 가지는 두꺼 및 생산(RP&M: Rapid Prototyping & Manufacturing) 공 운 층을 적층하여 제품을 제작하는 두꺼운 층 적층형 쾌 정들이 개발되었다. 쾌속조형 공정은 그림 1과 같이 수 속조형공정(Thick Layered Rapid Prototyping Process) 직벽을 가지는 얇은 층을 적층하여 제품을 제작하는 얇 으로 분류할 수 있다. 상용화된 공정은 대부분 얇은 층 그림 1 쾌속조형 공정의 분류 46 기계저널
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2014.3.31 9:48 AM 페이지50 3D Printing 기술의 금형산업분야 응용 직접식 쾌속 툴링 기술을 이용한 금형 제작 직접식 쾌속 툴링 방식에서는 3차원 형상 에 대한 적층 경로에 따라 고에너지 열원으 로 금속 재료를 직접 절단 및 적층, 소결, 클 레딩, 융착하여 금형을 직접 제작한다. 그 그림 5 3단 역전 공정 예(한국, 조선대학교) 러므로 간접식 금형 제작 방식에서 소요되 었던 패턴의 제작과 이 패턴을 이용한 역전 공정에 소요되는 시간과 비용이 소요되지 않는다. 그림 6은 금형 제작에 적용된 직접 식 쾌속 툴링 공정들을 기반 공정별로 분류 하여 나타내었다. 적층부 표면의 측면 단차 (Stair Step)가 발생과 적층부의 수축 및 내 부 잔류응력에 의한 금형 후변형 등에 의하 여 직접식 쾌속 툴링 공정으로 제작된 금형 을 실제 제품 생산에 적용하기 위해서는 금 형면의 후가공(Post-processing)이 필수적 으로 요구된다. 또한, 직접식 툴링 공정으 그림 6 직접식 쾌속 툴링 공정의 분류 로 금형 전체를 제작할 경우, 기계가공으로 금형을 제작하는 시간보다 제작시간이 증 가하게 된다. 이러한 문제점들을 해결하기 위해서 금형의 기저부는 기계가공으로 생 성하고 기능성을 가진 금형 형상부는 직접 식 쾌속툴링 공정으로 적층한 후, 금형면의 최종 형상은 후가공 공정을 이용하여 생성 그림 7 형상적응형 냉각채널을 가진 사출성형 금형과 열전도성 금형 예(한국, 조선대학교) 하는 하이브리드 쾌속툴링(Hybrid Rapid Tooling) 공정에 대한 연구가 폭넓게 진행되고 있다. 한 균일/고속 냉각 금형인 열전도 사출성형 금형 하이브리드 쾌속툴링 공정이 개발된 초기에는 이 공 (Thermal Conductive Mould)을 들 수 있다. 이 금형들 정을 이용하여 박판성형 금형 및 사출성형 금형을 직접 의 경우 균일 냉각을 통하여 사출성형 제품의 변형을 제작하는 연구가 많이 수행되었다. 그러나 최근의 하이 최소화하고 냉각 시간 감소를 통한 사출성형 공정의 생 브리드 쾌속툴링 공정이 사출성형 금형에 적용 예는 그 산성 향상을 도모할 수 있다. 하이브리드 쾌속툴링 공 림 7과 같은 형상적응형 냉각채널(Conformal cooling 정이 박판성형 금형에 적용된 예는 핫 스템핑(Hot channels)을 가진 균일 냉각 사출성형 금형과 경사기능 Stamping) 금형의 균일/고속 냉각을 유도하기 위한 형 재료(FGM: Functionally Graded Material) 개념을 이용 상적응형 냉각채널을 가진 핫 스템핑 금형, 고장력 강 50 기계저널
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2014.3.31 9:48 AM 페이지52 3D Printing 기술의 바이오분야 응용 심 진 형 포스텍 쾌속조형기반 조직/장기 프린팅 연구단 연구원 ㅣ e-mail : happyshim@postech.ac.kr 윤 원 수 한국산업기술대학교 기계공학과 교수 ㅣ e-mail : wsyun@kpu.ac.kr 이 글에서는 최근 산업분야에서 각광받고 있는 3D Printing 기술의 바이오분야에의 적용 사례와 앞으로의 발전 가능 성에 대해 소개하고자 한다. 최근 들어 대중들의 뜨거운 관심을 받고 있는 3D 3D 프린팅 기술의 바이오분야 해외 적용 사례 Printing 기술은 복잡한 3차원 형상을 적층 제조 기법을 통해 생산하는 생산제조 기술 중 하나로서, 2013년 2월 해외의 3D 프린팅 기술의 바이오분야로의 적용은 매 미국 오바마 대통령 국정연설에서 제조 방식의 혁신을 우 활발히 진행되고 있다. 이미 임상적용에 성공하여 가져올 기술로 소개되며 주목을 받았고, 영국의 이코노 생명을 살린 경우도 보고되었고, 상품화에 성공하여 큰 미스트(Economist) 지는 3D Printer가 내연기관과 컴퓨 수입을 일으키고 있는 사례도 보고되고 있다. 그 사례 터에 이어 3차 산업혁명을 이끌 기술 중 하나로 소개하 를 자세히 살펴보도록 한다. 였다. 이러한 3D Printing 기술은 기존 생산제조 기술에 서 널리 사용되는 CAD/CAM 기술을 기반으로 기존 생산 아이의 생명을 구한 3D 프린터 제조 기술에 비해 내/외부 구조가 좀더 복잡한 3차원 형 미국 미시간 대학 병원의 의료진과 공대 연구진은 상을 비교적 간단하게 제작할 수 있다는 장점을 가지고 3D Printer를 활용하여 희귀 장애로 호흡 곤란을 겪던 있다. 이러한 제조 기술의 특성 상 바이오 메디컬 분야에서 그 활용 가치가 높게 평가되고 있 다. 인간의 체내 조직 및 장기는 사람마다 조금씩 서로 다른 형 상을 지니고 있기 때문이다. 따 라서, 향후 개인 맞춤형 의료기 기 시장의 핵심 제조 기술의 하 나로 3D Printing 기술이 각광을 받고 있다. 지금부터 3D 프린팅 기술의 바이오메디컬 분야로의 적용 사례 및 앞으로의 발전 가 능성에 대해 소개하고자 한다. 52 기계저널 그림 1 (a) 수술 후 카이바 모습, (b) MRI를 통한 병변부위 분석, (c) 3D Printing으로 제 작한 기도 부목, (d) 수술 후 결과
2014.3.31 9:48 AM 페이지53 두개골 재건용 프린터 영국의 Oxford Performance Materials 라는 회사에 서는 의료용 임플란트에 이용되는 고성능 폴리머 (Polyethere theketone (PEEK), polyether ketone (PEK), polyke tones)를 판매하고 있으며, 더욱이 이를 이용하여 Osteofab 이라는 환자 맞춤형 두개골 지지 체를 3D Printing으로 제작하는 데 성공하였다. Osteofab 은 2013년 2월에 미국인 남성 환자의 두개골 모양에 75% 맞게 모델링하고 3D printing하여 미국 식 그림 2 미국 FDA 승인을 획득한 환자맞춤형 두개골 재건용 인공지지체 osteofab 품의약국(FDA)의 승인을 획득한 바 있다. 3D 프린팅 투명 교정기 미국의 얼라인테크놀러지 (Align technology) 사에서는 환자 맞춤형 투명교정기인 인 비절라인 을 개발하여 판매 중 이다. 기존의 치아 교정기는 금 속의 철사가 드러나는 형태로 인해 환자는 교정 기간 동안 심 그림 3 3D 프린팅 기술로 제작된 투명 교정기 형태와 환자 착용 사례 미적 불편함을 감수하여야 했 아기의 생명을 구했다고 보도하였다. 세 살 아기인 카 다. 그러나 얼라인테크놀러지 사의 투명교정기는 투명 이바는 기관지연골연화증 을 겪으며 숨만 쉬어도 기 한 재료를 이용하여 3D 프린팅함으로써 외관상 표시가 도벽이 무너져 내려 생명에 위협을 받고 있었다. 이러 나지 않는 장점과 함께 환자의 부정교합 정도에 맞춘 한 카이바에게 미국 미시간 대학의 공동연구진은 아이 환자 맞춤형 치아 교정기를 제공한다. 이를 통해 전 세 의 기도 형상을 MRI로 촬영해 분석한 뒤, 3D 프린팅 기 계 250만 명 이상의 부정교합환자들이 치료를 받았다. 술로 맞춤형 기도 부목을 제작하였다. 이 기도 부목은 생분해성 고분자인 Polycapro Lactone으로 제작되어 3 3D 프린팅 보청기 년 후 분해되어 없어지도록 설계되었다. 카이바의 수술 덴마크의 글로벌 보청기기업인 오티콘에서는 3D 프 은 대성공이었다. 제작한 부목 주변으로 새로운 조직이 린터를 이용한 환자 맞춤형 보청기를 발표하였다. 귓속 생성되었고, 이제는 스스로 정상적인 호흡을 할 수 있 모형을 3D 스캐너로 스캔한 후 이를 3D 프린터로 제작 게 되었다. 수술 후 1년 동안 카이바는 건강하게 성장하 하였다. 이러한 보청기는 고객의 귓속 모형을 3D 데이 였고, 이 결과는 2013년 5월 The New England Journal 터화하는 까닭에 인체공학적이고 편리할 뿐만 아니라, of Medicine에 소개되었다. 이 사례는 대표적인 3D 프 보청기 제작 전 3D 가상 시뮬레이션을 통해 부품들을 린팅 기술이 바이오분야에서 이룬 쾌거라 할 수 있다. 배치할 수 있어 보다 작은 크기의 보청기 제작도 가능 하게 하였다. 2014. 4., Vol. 54, No. 4 53
2014.3.31 9:48 AM 페이지54 3D Printing 기술의 바이오분야 응용 3D 프린팅 기술의 바이오분야 국내 적용 사례 해외의 활발한 적용 사례에 비해 국내의 경우는 아직 시작 단계이며, 아직 그 사례가 다양하지 못하다. 그러나 최근 괄목할만한 사례도 보고되고 있어, 주목해 볼 필요가 있 다고 판단된다. 국내 최소 3D 프린터 활용 암수술 성공 삼성서울병원 이비인후과 백정환 교수팀 은 국내 최초로 부비동암 수술에 3D 프린 그림 4 오티콘 사의 3D 프린팅 기술로 제작된 맞춤형 보청기 터를 이용함에 따라 수술 후 발생할 수 있 는 안면부 함몰 및 비대칭 부작용 가능성을 최소화할 수 있었다. 백 교수팀은 부비동 암 수술이 필요한 환자의 안면부 CT 데이터 를 기반으로 미리 환자의 안면골 상태를 그 대로 반영한 골격 모형을 3D 프린팅 기술 로 제작한 후, 그 모형을 토대로 가상 수술 시뮬레이션을 수행하여 수술 계획을 사전 에 논의할 수 있었다. 그로 인해 수술 중 예 상되는 얼굴 골격 절제 범위를 미리 확인할 수 있을 뿐 아니라, 절제 부위의 뼈의 두께, 절제 방향의 중요 구조물 등을 실시간으로 그림 5 국내 처음으로 외과 수술에 활용된 3D 프린팅 모형(왼쪽)과 수술을 집도한 백정환 교수 확인하며 수술할 수 있었다. 일반적으로 기 존의 CT 등 영상자료에만 의존해 수술할 경우 얼굴 골 게 3D 프린팅 기술을 이용하여 코로 숨을 쉴 수 있게 해 격을 정확히 확인하기 힘들어 수술 과정에서 부정교합 주었다. 서울성모병원 의료진은 먼저 코 없이 태어난 이 발생하고, 또 시간이 지나면 심각한 비대칭으로 이 소년에게 18시간에 걸친 대수술 끝에 코를 재건해 주고 어질 수 있다. 콧구멍을 뚫어주었다. 그러나 성공의 환희도 잠시, 뚫 어 놓은 콧구멍의 구강 점막이 쪼그라들어 다시 막혔 3D 프린터로 만든 기도 지지체 6세 소년에 이식 성공 다. 막힌 콧구멍을 다시 뚫어주지 않으면 수술이 실패 로 돌아갈 수도 있었다. 이때, 새로운 콧구멍의 폐쇄를 서울성모병원 성형외과 이종원 교수, 이비인후과 김 막기 위한 맞춤형 지지체가 필요하였고, 기존 상용화된 성원 교수, 포스텍 기계공학과 조동우 교수로 이루어진 제품으로는 그 기능을 대체할 수 없었다. 이를 위해 포 연구팀이 코 없이 태어난 6세 몽골 소년 네르구이 에 스텍 연구팀은 네르구이에게 맞춤형 기도 지지체를 3D 54 기계저널
2014.3.31 9:48 AM 페이지55 그림 6 환자 수술 전후 사진(왼쪽), 기도 지지체 제작 과정(가운데), 수술 성공 후 환자와 연구진이 함께 찍은 사진(오른쪽) 그림 7 바이오 프린팅 개념도(왼쪽) 및 실험을 통해 보여진 프린팅된 세포의 조직으로의 생성 가능성(오른쪽) 프린팅 기술을 이용하여 제작해 주었다. 이렇게 제작된 고자 한다. 기도 지지체는 원하는 대로 이식될 수 있었고, 기도는 유지되어 점막 조직 재생에 성공하였고, 네르구이는 태 세포/조직/장기 프린팅 시대 어나서 처음 코로 스스로 숨을 쉴 수 있게 되었다. 고령화 사회가 도래함에 따라, 장기 수급 불균형의 문 제는 사회 문제로까지 대두되고 있다. 해를 거듭할수록 3D 프린팅 기술의 바이오분야로의 적용에 관한 미래 전망 장기 이식 대기자수는 증가하는 추세를 보이고 있으며, 반면 장기 기증자의 수는 답보 상태에 있다. 이러한 문 제의 근본 해결책으로서 조직 및 장기의 재생을 가능케 위의 국내 외 사례들을 통해 확인할 수 있듯이, 3D 하는 조직공학이 각광을 받고 있으며, 더욱이 세포 및 프린팅 기술의 바이오 메디컬 분야로의 적용 가능성은 조직/장기를 직접 프린팅하는 개념인 바이오 프린팅 기 매우 무궁무진하다 할 수 있다. 따라서, 향후 3D 프린팅 술은 많은 사람들의 관심을 끌고 있는 분야이다. 바이오 기술이 가져올 바이오 메디컬 분야의 미래를 전망해 보 프린팅 기술은 살아있는 세포를 원하는 형상 또는 패턴 2014. 4., Vol. 54, No. 4 55
2014.3.31 9:48 AM 페이지56 3D Printing 기술의 바이오분야 응용 인공지지체의 경우 면밀한 안전 성 검증 절차가 동반되어야 한 다. 또한 관련 제도의 개선 또한 필수적이다. 앞서 언급하였듯이 3D 프린팅 기술은 환자 개인 맞 춤형 의료 시장에 상당한 가능 그림 8 (a) 피부 프린터 개념도, (b) 피부 프린터의 프로토타입 성을 지니고 있다. 또한 그 시장 의 가치도 대단히 크다고 판단 으로 적층하여 조직이나 장기를 제작하는 3D 프린팅 기 된다. 그러나 현재까지 환자 개인 맞춤형 의료시술에 술의 한 분야로 장기 프린팅 분야에 적용될 수 있다. 대한 관계 제도가 제대로 확립되어 있지 않은 실정이 이러한 바이오 프린팅의 가능성을 확인한 사례로, 미 다. 따라서, 고부가 가치 시장이 될 전망이 큰 환자 개 국의 웨이크 포레스트 대학의 James Yoo 교수팀에서 인 맞춤형 의료시술에 대한 관계 제도를 서둘러 개선할 는 화상 환자의 피부에 직접 세포를 프린팅할 수 있는 필요가 있다. 3D 프린터 개발 연구를 미국 국방부 연구 과제(AFIRM) 를 받아 수행하고 있다. 이 프린터의 개념은 전쟁터에 맺음말 서 전투 중 화상을 입은 환자의 피부를 레이저로 스캔 하여 손상된 정도를 파악한 후, 손상된 정도에 따라 그 최근 혁신 제조 기술로 불리는 3D 프린팅 기술의 바 에 맞는 세포를 층층이 프린팅 해주는 프린터 개발을 이오 메디컬 분야로의 가능성은 매우 크다고 판단된다. 목표로 한다. 이를 통해 살아있는 세포가 포함된 피부 따라서, 고부가가치 산업 중 하나인 바이오 메디컬 분 를 프린팅할 수 있는 프린터의 개발이 멀지 않았음을 야에서의 3D 프린팅 적용을 통한 새로운 가치 창출을 알 수 있다. 위한 준비를 지금부터라도 철저히 해야 할 것이다. 이 를 위해 대학 및 교육 기관에서는 관련 인력 양성에 힘 3D 프린팅 기술의 바이오분야로의 적용에 관한 향후 과제 써야 할 것이며, 관계 정부 부처에서는 정책적 장려 및 지원을 아끼지 않아야 할 것이다. 우리나라는 세계 최 고수준의 ICT 및 제조 기술 인프라를 보유하고 있으며, 이러한 3D 프린팅 기술의 바이오분야로의 적용과 관 우수한 보건의료분야 인재를 확보하고 있다. 따라서, 련하여 장밋빛 전망만 존재하는 것은 아니다. 기존의 바이오 메디컬 분야에서의 3D 프린팅 기술은 국제적 제도 안에서 생각해 보아야할 과제도 산적해 있다. 먼 경쟁력을 선점할 수 있을 것으로 예상되며, 앞으로의 저 3D 프린팅 기술로 제작된 의료기기 제품의 충분한 행보를 눈여겨 봐야 할 것이다. 안전성 검증이 필수적이다. 특히 인체 내에 삽입되는 56 기계저널