특별기획 - 3D 프린팅 개요 및 산업 전망
‘3D 프린팅’은 3차원의 모델링 데이터를 한층 한층(Layer by Layer) 적층하여, 손으로 직접 만질 수 있는 물리적 형상으로 빠
르게 제작하는 기술로 정의 할 수 있다.
이러한 3D 프린팅 기술은 현재의 금형공정으로는 제조가 불가능한 어떠한 형상이라도 제작이 가능하며, 사용재료 또한 플라스틱, 금속, 바이오까지 제조 산업에서의 활용가치는 물론 소비시장 및 인간의 삶을 크게 변화 시킬 잠재력과 가치를 가진 기술이다.
또한 모형 수준이 아닌 직접 사용 가능한 제품을 바로 제작 할 수 있고, 1:1 고객 맞춤형 상품 제작과 다품종 소량생산에도 적합한 기술이다.
여기에 디지털 데이터의 변용과 장거리 전송이 쉽기에 현재 제조업의 공급체인이 가진 운송비, 물류를 획기적으로 줄여 경제적 이득을 주게 된다.
이는 지구 환경 보호를 위한 국제적 저탄소 녹색성장(Green Growth)이나 지속가능한 제조(Sustainable Production) 환경경영 기조에도 부합되는 필수적인 기술이다.
3D 프린팅의 개요
최근 들어 국내는 물론 국제적인 이슈로 떠오른 “3D 프린팅”은 제3의 산업혁명(The third industrial revolution)으로 불릴 정도로 미래 제조업과 우리의 삶의 변화시킬 산업으로 회자되는 가운데 3D 프린팅이라는 것이 무엇이며 어떠한 산업적인 중요성을 가지는지 생각해 보겠다.
3D 프린팅이란 ‘3D 프린팅’은 컴퓨터 내에서 작업된 3차원의 솔리드(Solid) CAD 모델링 데이터를 한층 한층(Layer by Layer) 적층하여 손으로 직접 만질 수 있는 물리적 형상으로 빠르게 제작하는 기술로 정의할 수 있다.
이러한 3D 프린팅 공정에는 가장 큰 특징이자 공통점은 바로 재료를 공구를 깎아 내는 것 아닌 한층 한층 적층(Additive) 하여 원하는 형상을 만드는 것이다.
또 하나의 중요한 공통점은 바로 컴퓨터로 작업된 3차원의 모델링 데이터가 필요하다는 것이다.
이러한 디지털 데이터의 획득 방법으로는 직접 소프트웨어를 가지고 3D 차원의 모델링을 하거나 3차원 스캐닝을 하는 것이다.
스캐닝 방법에는 여러 가지가 있으나 휴대용 스캐너, 의료용 단층촬영(CT), 자기공명(MRI)을 포함, 산업용 3D 스캐닝(Scanning & Digitizing) 방법이 있다.
용어의 이해
앞으로 전개되는 내용의 이해를 돕기 위해 우리가 흔히 말하는 “3D 프린팅”이라는 용어에 대해 집고 넘어가야 할 듯하다.
용어의 변화 과정을 통해 3D 프린팅 기술의 변화 양상을 좀 더 쉽게 이해 할 수 있기 때문이다.
3D 프린팅과 같은 개념으로 주로 통용되는 용어로는 RP(Rapid Prototyping)가 있다.
우리말로는 신속조형기술 또는 쾌속조형기술이라 한다.
말 그대로 빠르게 시제품을 만드는 기술로 주로 산업용 3D 프린팅 시스템을 지칭한다.
이와 함께 좀 더 대중이 이해하기 쉬운 용어가 바로 3D Printing으로 데스크 탑 수준의 저가형 프린팅 시스템과 방법을 주로 지칭하는 개념이다.
하지만 2012년 이러한 용어들이 국제적 공식용어로 통일 되었는데 미국 ASTM(American Society for Testing and Materials) International F42 committee 에서 과거 신속조형기술(RP)이라는 용어에서 적층가공기술 또는 관련 산업을 통칭하여 AM(Additive Manufacturing)이라는 용어로 공식 용어와 되었다.
또한 추가적으로 3D Printing 이라는 용어도 동시 공식 용어화 되었다.
여기서 용어의 변화가 주는 중요한 시사점은 RP (Rapid Prototyping) 즉 빠르게 프로토 타입 모형(Mock-up)과 같은 시작품을 만들 수 있는 수준에서 이제 바로 사용가능한 수준의 제품을 직접 소량 또는 대량 생산 할 수 있는 AM(Additive Manufacturing)이라는 생산(제조) 개념이 들어갔다는 것이다.
이는 향후 3D 프린팅 산업이 어떻게 발전할 수 있는지를 가늠케 하는 작은 단서가 된다.
국내 3D 프린팅 산업 현황
1987년 미국 3D Systems 사에서 첫 상업용 광경화성수지경화적층방식의 SLA(Stereolithography) 1을 출시한 이후 한국은 1989년 대우자동차에 첫 상업용 RP(=3D Printer)장비가 설치 · 운용 되었고 약 25년이라는 짧지 않은 활용 역사를 가지고 있다.
미국 Terry Wohlers의 Annual Worldwide Progress Report 인 Wohlers Report 2012에 따르면 한국은 2013년 기준 보급용을 제외하고 전국에 1,300여 대의 산업용 장비가 누적 설치된 것으로 나타났다.
이는 세계 7위 수준의 보유 수준이다.
이는 아마도 한국이 제조업 기반의 상품 수출 국가라는 방증이기도 하다.
초기 이러한 산업용 RP 장비들과 재료들은 약 3억 원~10억 원 이상 상당히 고가로 100% 수입에 의존했다.
현재도 그러한 상황은 크게 개선되지 못하고 있는 실정이다.
설치 또한 자금력이 있는 자동차, 전기전자 등의 대기업이나 산업용 장비의 특성상 각 지자체내 산업단지 근교 기술지원센터(DIC : Design Innovation Center), 테크노 파크(Techno Park) 또는 대학 장비운영실에 개별적인 지원 전략으로 설치 활용되고 있는 실정이다.
물론 이러한 대부분의 장비들은 생각보다 활용을 제대로 못하거나 하지 않는 곳도 많으며, 이는 지속적 활용의지 부족, 재료비, 운영 관리비 등 예산 부족, 전반적인 관리체계의 부실, 전문 인력부족, 활용방법에 관련된 정보부족, 지역적 접근성 불편 등이 복합적으로 작용한 것으로 보여 진다.
그마나 현실적으로 운용이 잘되는 거점들을 보면 호서대학교 통합장비운영센터, 대구 카톨릭대학교, 경북 IT 융합센터, 부산테크노파크, 울산과학기술대학교, 인천 송도 테크노파크 등은 그래도 실정이 나은 편이다.
최근에 이러한 고가의 연구실험장비들을 통합 관리하는 전산시스템이 완성되고 바우처 제도를 이용해 중소기업에서 활용도를 높이려는 노력은 긍정적인 현상이다.
제조업 비중이 높은 한국의 경우 3D프린팅 기술은 사용하는 영역은 나날이 증가되고 있다.
가장 많은 활용을 하는 부분은 분야를 막론하고 시제품 제작을 통한 검사용이 가장 크다.
산업적으로 보면 자동차, 전기전자, 항공, 선박, 소비제품, 주얼리 분야가 활용도가 양호한 편이며, 특히 최근 의료분야 중에서 치과용 임플란트(Implant) 제작이나 고관절 대체, 보청기(Hearing Aid) 산업, 수술관련 검사용으로 급부상 하고 있다.
특히 국내 시장규모는 아직 작지만 신발, 안경, 패션 주얼리(장신구) 분야도 좋은 활용 모습들을 볼 수 있다.
특히 2007년 주얼리 분야는 급속하게 디지털디자인 공정으로 변모한 산업이다.
이는 관련 3D 소프트웨어, 고품질의 3D 프린터 공급과 시기 같이 한다.
예를 들어 반지와 같은 원본을 수작업이 아닌 디지털 모델링을 하여 완전연소가 가능한 수지(Resin)나 WAX 재료로 출력하는 3D 프린팅 후 캐스팅(Casting)과정을 거쳐 바로 금속으로 변환하는 방법으로 상품개발이 활발히 진행되고 있다.
향후 이 분야는 의료 임플란트(Implant) 제작과 함께 Metal 3D 프린팅기술이 가장 선호되는 산업이 될 것으로 예측된다.
참고로 서울 종로 귀금속 상가 밀집지역 5km 반경 내에 약 60여대의 초정밀 3D 프린터 장비가 보급 운영되고 있다.
주얼리 산업의 경우 장비별로는 마스크 투영 프로젝션 방식인 독일 Envisiontec사의 DLP(Digital Light Processing), 이탈리아 DWS(Digital Wax System)사의 SLA(Stereolithography Aparatus), 미국 3D Systems사의 MJM(Multi-Jet Modeling), 미국 스트라타시스사의 3DP(WAX 프린팅) 방식이 주로 사용되고 있다.
다만 한국의 경우 해외와 비슷하게 전체적인 산업적인 부분에서는 정밀도와 표면조도가 우수한 광경화성수지경화적층 방법인 SLA(SL), 내구성과 기능성 테스트에 적합한 용융압출수지적층방식인 FDM(Fused Depostion Modeling), 풀 컬러 표현이 가능한 3DP(Inkjet Printing), 탄력성과 내열성, 내구성이 뛰어난 선택적 레이저 소결방식인 SLS(Selective Laser Sintering), 이방성 재료를 동시에 분사 가능한 Poly Jet, Multi Jet 방식 등의 활용도가 높은 편이다.
사용 영역은 아래 해외 지표와 거의 동일하다.
아쉬운 점은 한국의 경우 산업용 3D 프린팅 시스템을 개발, 제조하는 회사가 Wohlers Report 2012에 게재된 약 3개사(Menix, InssTek, Carima)에 불과에 거의 없다고 볼 수 있다.
그나마도 자금부족으로 추가적인 제품 생산이 쉽지 않은 상황이며 판매도 매우 저조한 실정이다.
특히 비슷한 원리이지만 해외 유수의 제품들과 경쟁해야 하는 상황에서 품질면에서도 약점을 보이고 있다.
또한 재료 개발도 100% 국내산이 아니라 일부 핵심 물질을 수입하여 사용하고 있다.
이렇게 한국의 경우 아직 가야할 길이 멀지만 긍정적인 것은 최근 이슈가 되고 있는 3D 프린팅 산업에 대해 본견적인 국가적 차원의 기본 개념들이 생기고 있다는 것이다.
“3D 프린팅 산업 활성화를 위한 발전전략”이라는 주제로 산업통상자원부 주관 “3D 프린팅 전략포럼”이 열리고 중장기 발전전략을 적극적으로 모색하기 시작했다는 것입니다.
특히 3개의 핵심 분과로 나누어 분과 회의가 진행 되었는데 첫째 제도 분과로 주로 국가적 차원의 3D 프린팅 산업 활성화를 위한 제도 정비 내용 등이 다루어 졌다.
특히 대량 복제 문제에 의한 지적재산권 영역과 한계, 무기류 활용, 교육, 기타 3D 프린팅 촉진법등에 관한 다양한 의견들이 수렴 정리 되었다.
둘째, 기술 분과로 3D 프린팅 원천 기술과 제조, 소프트웨어, 디자인 모델링, 3D 스캐닝 기술, 소재 등 핵심 기술을 포함하는 하는 내용이 다루어 졌다.
셋째, 산업응용-사업화 분과로 주로 제조공정에서 어떻게 활용되어야 하는지와 신사업-응용산업 창출과 같은 내용들이 다루어 졌다.
이러한 분위기에 더하여 산업통상자원부, 미래창조과학부, 문화체육관광부 등 다부처 공동기획 융합사업의 일환으로 검토 중인 것은 매우 고무적인 현상으로 보여 진다.
해외 3D 프린팅 산업 전망
해외의 경우 Wohlers Report 2012 에 따르면 3D 프린팅 보급률은 지난한해 6,494대(개인용 포함)이며 1988년부터 집개된 누적 댓수는 총 49,035대이다.
해외 국가들 또한 3D 프린팅 기술을 활용하는 부분은 한국과 거의 같다.
물론 미국은 우주, 항공, 자동차 분야의 활용이 어떤 나라보다 크다.
또한 가장 많이 활용되는 재료 또한 비슷한 경향을 보인다.
다만 미국, 유럽(독일, 영국, 프랑스, 이탈리아, 스웨덴 등) 국가와 아시아에서는 일본의 경우 초기부터 3D 프린팅 원천 기술을 가지고 관련 장비나 소프트웨어들을 사용해 자국의 제조 산업에 기여를 하고 있으며, 전 세계에 자국의 장비들을 수출하여 또 다른 부가 가치를 창출하고 있다.
중국은 미국 장비를 초기에 카피해서 자국에서 소화했으니 이제는 기술력이 향상되어 특허가 풀린 장비(예 : FDM 타입 장비)들을 해외에도 판매하는 상황이다.
참고로 중국은 자국의 첨단 전투기를 개발에 세계 최대의 티타늄파트를 제작하는데 3D 프린팅기술을 시도한바 있다.
유럽은 플라스틱은 물론 산업적으로 활용도가 높은 메탈기반 시스템 기술 향상에 많은 부분을 할애하고 있다.
일본 또한 고부가가치의 의료 관련 3D 프린팅 산업에 3D 프린팅 기술을 적극 활용하고 있다.
해외의 경우 3D 프린팅의 활용방법과 다양성 면에서는 한국과 많은 차이를 보이고 있다.
앞서 언급한 바처럼 해외의 경우도 3D 프린팅 기술이 상용화되어 사용 된지는 약27년 정도가 되었다.
하지만 최근 들어 국제적인 이슈가 된 배경은 그동안의 비약적인 장비 및 재료 기술을 넘어 다른 원인이 있어 보인다.
그중에 하나는 바로 3D 프린팅 핵심 공정 중에 하나였던 FDM(Fused Deposition Modeling) 방식의 특허가 풀린 것이다.
동시에 관련 기술을 이용한 저가형 보급용 3D 프린터가 만들어지고, 세계 최대의 가전 쇼 중에 하나인 CES에 선보이면서 대중화의 서막이 오르면서 부터로 예상 할 수 있다.
이즈음 3D 프린팅 관련하여 미국에서는 엄청난 매스컴 노출이 이루어졌다.
여기에 해외 중요 기관에서 3D 프린팅 기술을 미래 제조 산업의 핵심으로 평가하고 경제적 파급효과를 하루가 멀다 하고 쏟아 내면서 3D 프린팅은 진정 핫이슈가 되었다.
주요기관별 대표적인 언급이나 전망들을 보면 다음과 같다.
• 영국의 경제 주관지 이코노미스트(Economist)는 ‘3차 산업혁명(The third industrial revolution)'이라는 특별 리포트를 통해 3D 프린팅 기술이 내연기관과 컴퓨터에 이어 3차 산업혁명을 이끌 것으로 예측하였다.
• 미국 Wohlers Report의 저자 Terry Wohlers는 3D 프린팅 시장이 지난해 13억 달러(1조 5000억원)에서 오는 2020년에는 52억 달러(6조원)로 커질 것이라고 내다봤다.
• 맥킨지(McKinsey) 보고서에서 제임스 메니카(James Manyika)는 2025년까지 12가지 폭발력 있는 기술에 9번째로 3D 프린팅 기술을 선정하였다. 또한 2025년까지 14조~33조 달러의 경제적 파급효과를 예상했다.
• 가트너(Gartner)는 기업용 3D 프린터가 오는 2016년 2천 달러 이하에 구입이 가능할 것이며, 2018년까지 세계 제조업체의 25% 이상이 3D 프린터를 도입할 것으로 전망 했다.
• 삼성경제연구소는 ‘미래를 바꿀 파괴적 7대 혁신기술’로 3D 프린팅을 2번째로 선정하였다. 이를 통해 예상되는 변화는 개인 맞춤형 제조 확대, 나노, 생명공학, 우주항공 분야의 활용을 들었다.
• 세계미래학회는 ‘2013~2025 미래예측’ 보고서에서 3D 프린터가 생산혁명을 유발 할 것으로 예측하였다.
• 창조경제와 산업이 발전한 영국의 BBC 방송은 “3D 프린팅은 20세기의 대량생산 방식을 대체하는 새로운 맞춤형 생산혁명을 가져올 것”이라고 전망했다.
• 미국 MIT에서는 ‘2013년 혁신기술 10선’에 AM(Additive Manufacturing) 즉 적층 가공 기술을 4번째로 선정하였다.
• 세계경제포럼에서는 ‘미래 10대 기술’에 3D 프린터를 포함시켰다.
• TIME지에서는 ‘2012년 최고의 발명품 26종’에 3D 프린터를 포함시켰다.
하지만 이러한 전망들이 비단 미래 예측이 아닌 현실이라는 결정적인 메시지를 전달한 이슈 메이커(Issue Maker)는 다름 아닌 미국 오바마(Barack Hussein Obama) 대통령이다(참조 : 버락 오바마(President Obama), 2013.2.13일 연두교서, “The 3D printing has the potential to revolutionize the way we make almost everything”.).
2013년 2월 13일 대통령 연두교서에서 ‘3D 프린팅 기술은 거의 모든 것을 만들 수 있는 제조의 혁명을 가져다 줄 잠재력을 지닌 기술’로 언급한 것이다.
이것은 미국이 중국에 잃어버린 기술 10년을 되찾고 고용을 늘리고 첨단산업 위주의 국가로 체질을 바꾸어놓겠다는 계획이다.
이를 위해 2012년 8월 NAMII(National Additive Manufacturing Innovation Institute)를 주축으로 미국 오하이오주 영스타운(Youngstown)에 테크벨트(Techbelt)를 조성하고, 여기에 첨단 대기업 기술 및 자금유치를 위한 마스터 플랜을 동시에 진행하고 있다.
이에 뒤질세라 유럽연합에서는 미래 제조 기술 확보 및 표준화를 위한 준비를 영국 정부 주도하에 진행하고 있으며, 현재 제조업이 총 GDP에서 차지하는 비중 16%를 2020년까지 20%로 끌어올리기 위한 노력의 일환으로 3D 프린팅 기술도입에 적극적 투자를 계획 중이다.
일본의 경우 국가의 산업경쟁력 제고 차원에서 투자 계획을 발표하고 정부 주도의 산학연 프로젝트 추진 계획을 발표하였다.
중국은 지속적인 제조 경쟁력 확보를 위해 10개 도시에 3D 프린팅 혁신센터 설립을 계획하고 있다.
이유가 어떠하든 간에 전문가들조차도 언젠가 이러한 상황이 전개 될 것으로 예측하였고 3D 프린팅은 분명 초기 개념화 단계부터 엄청난 잠재력을 가진 기술이었음을 부인할 수 없다.
맺음말
종합해보면 한국은 제조업 규모나 수출 경제 규모에 비해 향후 AM 기반이 매우 열악한 수준으로 경쟁력을 높이기 위한 정부, 학교, 기업, 기관별 다각적인 대책 마련이 시급하다.
특히 인력 양성이 중요한데 유치원, 초 · 중 · 고, 대학까지 체계적인 교육 방법론 개발이 시급하다.
또한 해외에서 들어오는 장미 빛 전망들에 대해서는 경계를 해야 한다.
한국의 상황은 그들과 다르기 때문이다.
또한 근거의 기준도 다르기에 세심한 주의 요구 된다.
또한 기술의 오남용이나 저작권 침해 등 긍정적인 면만큼 부정적인 부분을 잘 조정하는 지혜가 요구된다.
2014년 또 하나의 3D 프린팅 핵심 공정인 선택적레이저소결(SLS- : Selective Laser Sintering) 특허가 풀리면 직접생산에 가까운 상품 제작이 가능하기에 용융압출적층조형방식인 FDM방식 이상의 대대적인 파급 효과가 예상된다.
물론 특허가 풀렸다고 하여 SLS는 쉽게 흉내 낼 수 있는 시스템이 아니지만 언젠가는 보다 많은 사람들이 편리하게 사용할 수 있게 될 것이라고 본다.
산업용, 특히 보급용 3D 프린터 장비들은 춘추전국시대가 도래 할 것이며 장비 가격이나 재료는 더욱 다양해지도 저렴해질 것이다.
또한 오픈소스에 의한 보급용 장비의 태생적인 한계를 극복한 안정된 장비들이 많이 등장 할 것이다.
다만 산업용처럼 고 품질의 제품 제작은 향후 5년 이내는 힘들 것으로 보인다.
따라서 소형장비보다는 소모성 재료의 다양한 개발이 새로운 돌파구가 될 수 있다.
여기에 독자적인 로직과 관련 보급용 소프트웨어의 개발이 시급하다.
소형 장비를 팔아 큰 수익을 내기는 향후엔 곤란할 것으로 보인다.
물론 관련 서비스 플랫폼을 어떻게 구성하고 운영하느냐에 달린 문제가 될 듯하다.
또한 스마트폰이나 태블릿 PC에서도 3D 모델링이 쉽게 구현되는 킬러 앱(Killer App. : 특정 제품을 성공시키는 결정적인 기술)의 개발은 자라나는 학생들의 교육을 위해서도 정책적인 지원책이 필요한 시점이다.
또한 영화와 애니메이션 등 기 개발된 국내 디지털 콘텐츠를 보완하여 플랫폼으로 서비스하는 것도 필요하다.
중요한 것은 과거에도 그랬지만 좋은 장비가 중요한 것이 아니라 우리만의 3D 프린팅 기술을 활용하는 콘텐츠를 만들고 전 세계를 상대로 관련 비즈니스를 적극적으로 하는 것이다.
특히 3D 프린팅 기술은 상상하는 어떤 형상이든 모델링만 된다면 현실화 시킬 수 있는 강력한 제작 수단이다. 또한 누구나 소비와 제조가 가능한 프로슈머(Prosumer)의 시대와 1인 제조기업의 탄생이 가속화될 것이다.
추가적으로 1:1 맞춤형 상품(Customization Goods) 제작이 가능한 장점과 환경 친화적 재료와 공정, 디지털 파일 교환에 의한 운송비, 물류비의 절감은 향후에도 경쟁력 있는 기술로 살아남을 것이다.
마지막으로 위의 개략적인 내용을 통해서라도 한국의 실정을 좀 더 현실적으로 인식하고 제대로 된 준비를 하여 산업적 활용과 가치를 극대화했으면 하는 바람이다.
또한 ‘빨리 빨리’ 문화로 대변되는 근면한 민족성과 추진력, 첨단 인력, 세계 최고 수준의 디지털 IT 인프라가 있기에 향후 3D 프린팅 산업분야에도 선도적인 역할을 할 것으로 기대해본다.