미래 창조 과학기술
3D 프린팅
3D 프린팅은 3차원 제품 형상을 디지털로 스캔·설계한 후, 다양한 소재를 얇은 층으로 여러 겹 쌓아 올리는 방식으로 입체 구조물을 제작하는 기술이다.
1. 기술의 발전 과정과 개발 동향 기술의 발전 과정 3D 프린팅 기술은 1984년 미국 찰스 헐(Charles Hull)이 광경화성 수지 Photo-Polymer, 평소 액상으로 존재하나 자외선에 일정 시간 노출시켰을 때 경화(굳음) 현상이 나타나는 고분자 물질이며, 3D 프린팅의 주요 재료로 많이 쓰인다. 광경화성수 사용하여 3차원으로 적층하는 스테레오 리소그래피(Stereolithography) 기술을 최 초로 구현한 것이 시초다. 1986년에는 3D 시스템스(3D Systems) 사가 첫 상용 3D 프린터(SLA)를 출시하였고, 이후 10년간 적층 조형기술을 사용하여 시작 품을 빠른 시간에 제작하기 위한 쾌속조형(RP) 장비들이 개발되었다. 쾌속조형 Rapid Prototyping, 설계단계에 있는 3차원 모델을 실용적이고 현실적인 모형이나 시제품(Prototype)으로 만들어 주는 기술을 뜻한다 1992년에는 미국의 스트라타시스(Stratasys) 사가 열가소성 필라멘트 50)를 압출하여 적층 하는 방식인 압출 적층 조형(FDM) ) Fused Deposition Modeling, 압출기가 노즐을 통해 원료를 밀어 얇게 짜면서 이를 층층이 쌓아 올리는 것을 말한다. 장비를 출시했고, 미 국 디티엠(DTM) 사는 레이저로 분말을 소결 시켜 적층 하는 방식인 선택 적 레이저 소결(SLS, Selective Laser Sintering) 장비를 선보였다. 1년 후 미국 MIT에서 잉크젯 분사방식을 적용한 3차원 프린팅 방식을 개발하여 3DP(Three Dimensional Printing)라고 명명하였으며, 1995년 지코 퍼 레이션(Z-Corporation) 사에서 관련 기술을 활용한 첫 상용화 장비를 출시하였다. 3D 프린터 대중화는 2006년 영국 바스(Bath) 대학의 보이어(Bowyer) 교수가 렙랩(RepRap) 프로젝트를 통해 개방형 소스에 기반한 재료 압출형(FDM과 유사) 3D 프린터를 제작하여 무료로 공개하면서 이루어졌다. 산업적으로는 독일의 다수 기업(EOS, SLM, Concept Laser 등)이 금속 3D 프린터를 개발하여 출시함으로써 시작품 제작을 넘어 제품을 직접 제조하는 데까지 용도의 범위를 넓혀 가고 있다
기술 개발 동향 세계적으로는 다양한 재료를 활용한 3D 프린팅 기술이 개발되면서 건축모 형· 건축자재·주택 등 건축분야, 자전거·자동차·항공기·산업용 기계 등 제조분야, 인공뼈·인공관절·치아보형물 등 의료 분야의 일부 제품을 3D 프 린팅 제품으로 대체하고 있으며, 식품 등으로 활용분야가 계속 확장 중이다. 한 예로 2014년 미국의 제너럴 일렉트릭(GE)에서는 금속 3D 프린터를 사용하여 기 존 20개의 부품으로 조립되던 항공기 엔진용 노즐을 일체화하여 생산하였다. 같은 해 미국의 로컬 모터스(Local Motors) 사는 3D 프린터로 외형이 제작된 전기자 동차를 선보였으며, 현재 양산 준비 중이다. 2015년 중국의 윈선(Winsun) 사에서 는 대형 건축용 3D 프린터를 사용하여 6층 건물을 건축하였다. 한편 2016년 8 월에는 세계 최초의 3D 프린팅 레스토랑 푸드 잉크(Food Ink)가 영국 런던에서 개 장하여, 총 9가지 코스로 구성된 3D 프린팅 음식 서비스를 제공하고 있다
우리나라에서도 많은 기업이 오픈소스 기술에 기반한 재료압출형 개인 용 3D 프린터를 판매하고 있으며, 일부 기업에서는 산업용 프린터를 출시하여 글로벌 기업과 경쟁하고 있다. 대표적으로 캐리마에서 DLP(Digital Light Processing) 고정밀 이미지를 구현하는 DMD 칩을 이용해 프로젝션 방식으로 광경화성 수지를 적층하는 방식이다. 방식을 이용한 프린터를 출시하여 소형 고정밀 제품(의료기기, 보석 등)에 적용하고 있다. 인스텍에서는 DED(Direct Energy Deposition) 고출력 레이저를 금속 표면에 조사하여 금속 표면에 용융 풀(Melt pool)을 생성하고, 동시에 용융 풀 안으로 금속 분말을 공급하면서 헤드를 정해진 공구 경로에 따라 이동시켜 원하는 형상을 제작한다. 방식을 사용한 금속 프린터를 출시하여 금형 보수, 무기 부품, 임플란트 등에 적용하고 있다. 최근 센트롤, 윈포시스, 스맥 등의 업체에서 PBF(Powder Bed Fusion) 금속 프린 터를 개발하여 산업용 프린터의 대중화에 기여할 것으로 기대되고 있다. 스맥 등의 업체에서 PBF(Powder Bed Fusion)는 분말소결/용융 방식, 금속 분말을 얇게 깔고 레이저 프린터와 동일한 원리로 고출력 레이저를 분말에 조사해 소결 혹은 용융시키는 방식으로 형상을 만든다.
2. 기술확산점의 도달 시기와 단계별 발전 전망 기술 확산점 3D 프린팅의 기술 확산점 도달 시기를 전문가들을 대상으로 델파이 조사한 결과, 세계 기준으로는 미국에서 2021년에, 국내 기준으로는 2024년에 해당 기술이 사회적으로 확산될 것으로 예측되었다. 기술 확산점 도달 시기 예측을 위한 기술 확산점의 정의는 3D 프린터의 일반 가정 보급률이 3%가 되는 시점으로 보았다.
3D 프린터가 혁신적인 이유는 집집마다 제조시설을 갖추는 개인맞춤 형 생산 시대를 열 수 있기 때문이다. 그러므로 일반 가정 보급률이 가장 의미가 크다. 이에 따라 현재 가정에 보급된 전자기기 중 개념적으로 가장 비슷한 일반 프린터(2D)의 대략적인 보급률을 기준으로 기술 확산점을 정 의하였다. 즉, 3D 프린터의 확산이 끝나면 현재 일반 프린터 보급률과 비슷한 수준인 전체 가구 중 20%가 보유할 것으로 예상되므로, 기술 확산점 은 그의 16%에 해당하는 3%로 설정하였다. 기술 확산점 도달 이후의 단계별 발전 전망 3D 프린팅 기술은 기술 확산점 도달 이후 복합소재 프린팅, 4D 프린팅, 바이오 프린팅으로 발전해 갈 것으로 전망된다. 일단 기술 확산점에 이르면 소비재 분야에서 개인이 디자인하고 생산하는 1인 제조기업 붐이 일기 시작하며 주문형 생산 방식이 활성화될 것이 다. 이어 3D 프린팅 재료가 합금, 유리, 나노 소재 등으로 다양화되고, 자 동차, 건설, 신발·의류 제조 등 산업 전반에 확산되며 ‘복합소재 프린팅’의 시대를 열어갈 것으로 예상된다. 이후 자가조립(Self-assembly) 현상 등을 이용한 4D 프린팅 기술이 개발돼 어 기존의 제조공법으로는 불가능했던 신개념의 제품 제작이 가능하게 돼 고, 3D 프린팅으로 인공혈관이나 인공신장 등 장기 및 인체 조직을 제작해 인체에 이식 가능한 ‘바이오 프린팅’의 시대가 도래할 전망이다.
3. 미래사회 변화 전망 3D 프린팅 제품의 시장규모는 2013년에 8,100만 달러에서 2025년 32 억 달러로 연평균 35.8%씩 성장할 전망이다. 연관분야 전체로는 2,300억 ~5,500억 달러 범위의 생산성을 가져올 것으로 예상된다. 연관분야 전체의 시장규모는 시제품 제작, 치공구(Jig & Fixture), 직접 생산제품(최종 부품/제품)을 모두 포함한 것이 며, 앞줄의 3D 프린팅으로 출력한 제품 시장 규모는 이중 직접 생산제품(최종 부품/제품) 시장 규모이다. Lux Research(2014.4). LG Business Insight 재인용(2016.1).
기술확산점에 도달하는 시기에 3D 프린팅은 제조업 영역을 넘어 서비스 업 등 산업 전반에 걸쳐 기반기술로 정착될 것으로 보인다. 개인의 일상에 도 일반적으로 사용되면서 가정, 사무 공간 등에서 3D 프린팅으로 필요한 기본적인 물품을 바로 만들어 쓸 수 있는 시대가 도래할 것으로 예상된다. 3D 프린팅이 고도화되면 설비투자의 비용이 절감되며, 별도의 부대설비 없이 누구나 혼자서도 각종 제품을 생산할 수 있어 1인 제조업이 활성화될 전망이다. 또한, 나노기술, 의학, 우주·항공 등 다른 기술 분야와의 융합을 통해 마이크로 단위의 초정밀 가공으로 인공장기·인체조직 등을 재현할 수 있게 되고, 대형 복합 3D 프린터를 활용해 비행기, 우주선 등의 첨단제품 까지도 제작할 수 있을 것이다.
4. 기술확산 실현을 위한 과제 3D 프린팅이 사회적으로 확산되려면 정부는 무엇을 해야 할까? 전문가 델파이 조사 결과, 정부가 우선적으로 시행해야 할 방안으로는 기술 개발(32.2%), 인력 양성(25.2%), 인프라 구축(22.1%) 등의 순으로 나타났다. 현존하는 3D 프린팅 제품의 단점(비교적 낮은 해상도·정밀도·강도·작업 속도 등)을 극복하기 위해서는 3차원 프린팅용 기능성 소재 기술 및 처리 기술(3D 프린팅을 위한 레이저 기술, 용융 기술, 적층 기술 등)이 지속적으로 개발되어야 한다. 3D 프린터 주변기기 시장에서 활용될 기술도 적극 육성할 필요가 있다. 대표적인 주변기기인 3D 스캐너는 간편하게 피사체의 3D 모델을 만들어 초·중급 사용자들에게 유용하므로 사회적 확산에 도움이 될 것이다. 또한 3D 프린터로 제작한 출력물의 표면 거칠기나 내부 물성 향상을 위한 후처 리 장비도 3D 프린팅을 활용한 제품의 직접 제조와 더불어 수요가 증가하 고 있다. 3D 설계 소프트웨어 기술도 현재 선진국에 비해 많이 뒤처져 있어 시급 한 육성이 필요하다. 3D 설계도를 제작하기 위해 사용되는 CAD 소프트웨 어는 대부분 해외 제품에 의존하고 있는데, 최근에는 일반인들이 손쉽게 사 용할 수 있는 3D 설계 소프트웨어가 출시될 정도로 보편화되고 있음을 감 안 할 때 국내 관련 기술도 조속히 육성할 필요가 있다. 또한 기존의 제조기 술 기반 설계 59)의 한계를 극복하기 위한 3D 프린팅 특화 설계기술 60) 및 관련 설계 소프트웨어 기술의 체계적인 육성도 필요하다. 본체 원격 조종이나 인쇄물 미리 보기 등 3D 프린팅 관련 애플리케이션의 개발 또한 요구된다. 이와 함께, 3D 프린팅과 연관된 기술과 산업(로봇, 드론, 시 제품 제작 등)이 매우 포괄적이고 광범위한 만큼, 융합의 방향과 범위에 대한 추적과 예측을 통하여, 융합기술의 선행개발에 꾸준히 노력해야 할 것이다.
3D 프린팅 기술의 사회적 확산을 위해서는 소비자가 생산자가 되는 기 술의 특성상 3D 프린팅에 대한 교육을 학교 교육 과정에 포함하여 어린 시 절부터 기술에 대한 이해도를 제고하는 것이 무엇보다 필요하다. 이를 위하 여 3D 모델링 교육, 제조 역량의 강화, 전문지식을 보유한 강사의 양성 등 을 골자로 한 교육 시스템을 마련해야 할 것이다. 파생 산업의 확대, 기존 산 업의 축소 등에 따른 일자리 변화에 대비하여 인력 재교육 프로그램도 개발 및 운영해야 한다. 3D 프린팅에 특화된 전문 설계인력과 제조기술자의 체 계적인 양성 또한 요구된다. 3D 프린터·스캐너 등의 자유로운 활용과 시제품 아이디어 공유 등을 위한 개방형 공간을 마련하고, 온라인 마켓 등 3D 설계도를 손쉽게 사고팔 수 있는 시장을 조성할 필요도 있다. 3D 프린터 기술을 활용한 제품 개발을 위한 규격의 개발, 호환성 확보를 위한 표준 포맷의 확보 등을 위해서도 노 력해야 한다. 이와 함께 학교나 공공기관에 일반인이 손쉽게 활용할 수 있는 3D 프린터를 비치하고, 중소기업에서 활용할 수 있도록 산업용 3D 프린 터를 설치한 전문센터를 구축하는 등 3D 프린팅의 사회적 저변을 확대하기 위한 노력이 필요하다.
현재 선진국의 거대 기업이 국내 시장을 잠식하고 있고 국내 기업은 대 부분 중소기업인 점을 감안하여 국내 기업이 초기의 재정적·기술적 장벽 을 극복하고 글로벌 기업과 경쟁할 수 있도록 범정부적인 지원과 산·학· 연 간 협력을 강화해야 한다. 또한, 개별적이고 산재되어 있는 3D 프린팅 관련 소재/부품, 장비, 공정, 소프트웨어 및 콘텐츠 관련 협력을 강화하고, 3D 프린터가 다양한 산업에서 활용될 수 있도록 비즈니스 모델 개발과 적용을 연계하여 연구 개발해야 할 것이다.
끝으로 제도 면에서는 기존의 양산 기반 제조기술 규제에 얽매이지 않 도록 3D 프린팅 제품에 특화된 검인정 제도가 도입되어야 하며, 관련 장 비·소재의 수출입 관련 제도를 정비하여 국내 산업을 보호할 수 있도록 제도 개선이 필요하다. 3D 설계도의 유통이 활성화될 경우 저작권 보호 및 유통에 관련된 제도도 제정해야 한다. 기본적으로 네거티브 방식의 규제를 채택하여 기술발전 및 확산이 저해되지 않도록 하되, 무기 제작이나 저작 권 침해 등의 불법적 사용 여지가 있는 내용물 출력에 대한 규제안을 마련하여야 한다.
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