특별기획 - 3D 프린팅 국내외 기술 현황 및 활용
2013년 들어 산업분야에 있어서 핫이슈 중 가장 눈에 띄는 분야는 단연 3D 프린팅 관련 산업분야라고 봐도 될 것 같다.
물론 정치권이나 미디어의 힘도 있었지만 3D 프린팅 관련 종사자들의 꾸준한 기술개발과 시장확대를 위한 노력이 지금의 결과를 만들었다고 봐야 할 것이다.
‘롱테일 경제학’의 창시자인 크리스 앤더슨은 최근 출간한 ‘메이커스’에서 3차 산업혁명을 통해 앞으로 다가올 시대에는 누구나 디자이너도 제조자도 될 수 있다고 내다봤다.
이러한 예측을 회의적으로 볼 수 도 있겠지만 오늘날의 인터넷 환경이 어떻게 변해 왔는지 되짚어 본다면 결코 간과 할 수 없을 것이다.
앞으로 3D 프린팅이 변화 시켜나갈 미래가 기대된다.
들어가며
3D 프린팅은 1984년 Charles W. Hull이 처음 ‘Stereolithography’로 특허를 받은 이후로 지난 30년간 꾸준히 관련 기술들이 발전해왔다.
2013년 들어 많은 매체에서 3D 프린팅 관련 기사를 싣고 있지만 이 기술은 어느 날 짠 하고 우리 앞에 나타난 것이 아니라는 말이다.
그동안 다양한 산업분야에서 여러 용도로 사용되어 왔으나 일반 대중들에게는 먼 나라 이야기나 마찬가지였다.
그렇다면 왜 하필 2013년 들어서 이렇게 전 세계적으로 이슈가 되고 있는 것일까?
그 이유가 필자는 용어 때문이라는 생각이 매우 강하다.
과거에는 Rapid Prototyping이라는 용어로 불려지면서 관련 산업분야의 전문가 집단이 아니면 관심을 가지기 어려웠었다.
반면 최근에는 3D TV의 등장과 함께 ‘3D’라는 용어가 일상 생활용어가 되었고 누구나 쉽게 ‘프린터’를 접하는 세상이다 보니 ‘3D 프린터’는 누구나 쉽게 이해하고 받아들일 수 있는 생활용어가 되어 가고 있다.
그리고 그 이슈의 중심에는 1~2백만 원대의 보급형 3D 프린터가 자리잡고 있다.
이러한 보급형 3D 프린터를 이용해 이제는 누구나 쉽게 자신만의 제품을 직접 만들수 있는 시대가 오고 있다.
3D 프린터 방식 및 기술 현황
3D 프린터 장비군들을 분류하는데 있어서는 사용하는 소재가 액체냐, 고체냐, 분말이냐에 따라서 분류를 할 수 있으며, 이러한 소재를 어떤 방식으로 형상화하느냐에 따라서도 분류를 할 수 있다.
우선 사용하는 소재의 형태를 중심으로 알아보자.
액상 형태인 원재료를 레이저빔이나 UV를 이용해 순간적으로 경화시켜주는 방식으로는 SLA(Stereo Lithography Apparatus), Polyjet(Photopolymer Jetting Technology), DLP(Digital Light Processing) 등이 있으며, 고체 상태의 원재료를 사용하는 방MANAGEMENT식으로는 FDM(Fused Deposition Modeling), MJM(Multijet Modeling) 등이 있다.
이외에도 판지, 롤타입 PVC, 시트 형태의 재료를 커너로 가공 후 열접착하는 방식도 있다.
마지막으로 분말 형태의 재료를 사용하는 SLS(Selective Laser Sintering), 3DP(3D Dimensional Printing) 등이 있다.
최근에 보급형으로 제작되어 판매되고 있는 3D 프린터들은 2009년 특허가 풀린 FDM 방식을 채용하고 있다.
또한, 2014년 2월에는 미국의 3D Systems 사가 가지고 있는 SLS 방식에 대한 특허도 만료가 된다.
현존하는 3D 프린팅 방식에 있어서 상품으로서의 가치를 가장 인정받을 수 있다고 판단되는 SLS 방식에 대한 특허가 풀리게 되면 SLS 방식을 채택하는 저가형 프린터의 개발도 발 빠르게 진행될 것으로 기대가 된다.
국내에는 아직 하이앤드급 3D 프린터를 제조하는 곳은 전무하다고 볼 수 있다.
2009년 (주)캐리마가 국산화에 성공하여 판매하고 있는 DLP 방식의 3D 프린터가 있기는 하나 DLP 방식의 프린터들은 주로 산업용 시제품 제작에 적합한 장비로 외국산 장비들과 힘겨운 싸움을 하고 있는 상황이다.
이러한 하이앤드 장비들은 관련 특허들을 이미 외국기업들이 선점하고 있어 후발주자들의 입장에서는 피해가기가 어려운 상황이다.
하이앤드급에 비해 보급형 프린터 개발은 좀 더 활발하게 움직이고 있다.
(주)로킷에서는 에디슨이라는 브랜드로 보급형 3D 프린터를 제조하여 판매하고 있으며, 대학생 스타트업 기업으로 유명세를 탄 오픈크리에이터도 REPRAP 프로젝트의 일환으로 제작해 판매하였던 초기모델을 넘어 조만간 신제품을 출시할 것으로 보인다.
이 외에도 서울공대 출신의 주승환 씨가 개발해 공개한 윌리봇이 있다.
10월 16일부터 23일까지 독일 뒤셀도르프에서 열리는 K-2014 (International Trade Fair for Plastics and Rubber) 전시회에서는 플라스틱 인젝션 장비로 유명한 독일의 ARBURG 사가 “Freeformer”라는 새로운 개념의 3D 프린터를 선보이고 있다.
이 제품은 기존의 인젝션 몰드에서 사용하는 Batch(알겡이) 타입의 소재를 그대로 사용하여 프린팅할 수 있으며 서로 다른 물성을 가진 소재를 붙여서 출력할 수 있다고 한다.
출력 시 기존 3D 프린터에서 사용하는 3축 가공뿐만 아니라 5축 가공이 가능한 제품이다.
기존 장비들은 Table이 Z축으로만 움직이지만 이 장비는 Table이 상하좌우 그리고 회전이 가능하기 때문이다.
한편, NASA(미국항공우주국)는 2014년 3D 프린터를 우주정거장으로 쏘아 올릴 예정이다.
MADE IN SPACE가 나사의 마샬 우주비행센터와 공동으로 제조하였으며, 이 프린터는 우주공간의 환경 문제를 처리할 수 있도록 제작되었다고 한다.
이 프린터가 우주정거장의 나머지 30%를 구축할 것으로 추정되며 특수개체, 도구 및 장비 업그레이드에도 사용될 것이라고 한다.
1985년부터 2010년 사이에 3D 프린터는 45,000여 대가 팔려나갔다.
2011년에는 15,000여 대가 팔렸으며, 2012년 한 해 동안만 무려 45,000여 대가 팔려나갔다.
3D 프린터로 무엇을 출력할 것인가?
일반적으로 기업이건 개인이건 장비를 구입할 때는 구입할 장비로 무엇을 할 것인지를 먼저 결정해야한다.
그래야만 큰 돈을 들여 구입한 장비를 제대로 활용할 수 있기 때문이다.
현재 대부분의 하이앤드 장비들은 장비를 구입한 회사로부터 재료를 구매해서 사용하고 있다.
장비를 제조하는 업체들이 장비의 특성에 맞게끔 소재를 개발하여 카트리지 형태로 공급하고 있기 때문이다.
일반적인 분류로 이야기를 하자면 SLA 방식은 광경화성 액상 수지를 주재료로 사용하고 있으며, FDM 방식은 노즐을 통해 압출하는 방식이므로 열가소성 수지(ABS, PC 등)를 사용한다.
파우더 타입의 재료를 사용하는 SLS 방식은 좀 더 다양한 소재를 사용할 수 있다.
어떤 파우더를 사용하느냐에 따라 플라스틱, 금속, 모래와 같은 물성을 가지게 되는데, 플리스틱 재료에는 Polystyrene, Polyamide가 대표적이며, DMLS(Direct Metal Laser Sintering)용으로는 Bronze를 기본으로 합금형식의 강철과 스테인리스 스틸이 대표적이며, 의료 및 우주항공 산업에서 사용되는 티타늄과 코발트크롬 등이 있다.
3D 프린터를 이용해 이제 우리는 어떤 형태의 제품이든 다 만들어 낼 수 있게 되었다.
그렇지만 아직 그 재료들은 전통적인 생산방식에서 사용하던 플라스틱이나 금속류를 벗어나지 못하고 있다.
우수한 성능의 장비를 개발하는 것도 중요하지만 앞으로 다가올 미래에는 어떤 소재를 사용하느냐가 더욱 이슈가 될 것으로 보인다.
Emerging Objects(www.emergingobjects.com)는 이 분야에서 선구자 역할을 하고 있다.
두 명의 건축가에 의해 만들어진 이 스튜디오는 많은 사람들이 3D 프린터 장비 그 자체에 관심을 가질 때 소재에 관심을 가지고 연구를 진행해 왔다.
이들은 샌프란시스코에서 생산되는 소금과 나무로 만든 펄프 그리고 점토를 파우더 타입의 3D 프린터를 이용해 벽돌, 건축용 부품 그리고 재활용한 재료를 이용한 가구들을 만들어 냈다.
어떤 제품을 쓰느냐는 소비자의 선택이다.
다만 소재 전쟁이 될 수도 있는 3D 프린팅 산업의 미래를 위해서 우리도 신소재 개발에 대한 관심을 가져야 할 것이다.
산업분야별 적용 및 활용 사례
3D 프린터와 관련된 기사들을 접하다 보면 AM(Additive Manufacturing)이라는 용어가 항상 따라 나온다.
그럼 3D 프린터와 AM은 어떤 차이가 있을까?
3D 프린터는 아마추어적이면서 일반 소비자들을 위한 용어라면 AM은 좀 더 프로페셔널한 전문가들 사이에서 사용되며 말 그대로 한두 개 만들어 보는 게 아니라 양산을 염두에 두고 있다는 것이다.
또한, AM은 Sustainable Technology로도 주목을 받고 있는데 그 이유는 최소한의 재료사용과 재생산이 가능하기 때문이다.
자동차와 항공산업에서는 이미 오래전부터 3D 프린터로 프로토타입을 만들거나 패턴을 캐스팅할 때 많이 사용해왔다.
최근에는 직접적인 부품 제작에 관련된 뉴스들이 계속 올라오고 있다.
그렇다면 AM은 자동차와 항공산업에 있어 어떤 부분이 주목받고 있는 것일까?
중국의 차세대 전투기 개발 사업(J-15)에 3D 프린터가 광범위하게 사용되었다고 한다.
전통적인 티타늄 가공방식을 사용했을 때와 비교하면 원료를 90% 가까이 절약할 수 있고 비용은 기존 제조 방식의 5%정도 수준이라고 한다.
유럽 우주국 ESA도 최근에 ‘Amaze Project’를 발표했다.
Amaze Project는 3D 프린터로 항공기와 우주선에 필요한 금속 부품을 제조한다는 계획이다.
이는 금속부품 제조 시 발생하는 산업페기물을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 제조비용 절감효과를 가져올 것이다.
즉, 기존제품보다 더 강하면서 가볍고 저렴한 금속 부품을 제조할 수 있게 된다는 것이다.
Bio산업 관련 다양한 활용사례도 속속 들려오고 있다.
지난 2월에는 스코틀랜드 에딘버러의 헤리옷-와트 대학의 과학자들이 배아줄기세포의 3D 프린팅 방식을 개발했으며, 의족, 의수, 임플란트처럼 개인 맞춤형 제품들도 등장하고 있다.
머지않은 미래에는 영화에서처럼 각 개인의 가정에서 유전정보를 이용한 자가치료도 가능해질 것으로 보인다.
이 외에도 3D 프린팅을 활발하게 접목하고 있는 분야는 패션업계이다.
패션디자이너 Iris van Herpen은 벨기에에 본사를 둔 Materialise를 통해 3D 프린터로 드레스를 만들어서 선보인바 있다.
3D 프린터로 출력한 악세서리를 판매하고 있는 Nervous System은 자체적으로 개발한 Generative Modeling기법을 이용해 악세서리를 디자인하고 있다.
또한, 자체 홈페이지를 통해 소비자들이 직접 자신들이 원하는 디자인을 완성한 후 주문할 수 있는 시스템을 갖추고 있다.
맺음말
디자이너와 제조자 그리고 소비자들의 경계가 무너지고 있다.
AM(Additive Manufacturing)시대에 다가올 새로운 변화들을 미리 예견하고 대체하지 않으면 우리는 또다시 뒤쳐지게 될지도 모른다.