상상이 현실이 되는
3D프린터의 마법
DLP 연속적층 방식의 초정밀 초고속 3D프린터 상용화 성공사례
㈜캐리마
3D프린팅은 4차 산업혁명 시대의 촉망받는 기술 중 하나로 산업 전방의 여러 분야에서 상용화되고 있다. 미국 기업들이 강세를 보이고 있는데 이들은 M&A를 통해 세계시장을 석권하기 위해 공격적으로 움직이고 있다. 이러한 가운데 자체 기술개발을 통해 미국 기업들과 경쟁하며 시장을 확장하고 있는 국내 강소기업이 있다. 1세대 3D프린팅 업체인 ㈜캐리마(이하 캐리마)가 그 주인공으로 33년 디지털광학기술 노하우를 바탕으로 3D프린터 분야에서 세계 최고 수준의 성능과 품질을 인정받고 있다. 세계적 권위를 인정받는 미국의 연간보고서 홀러스리포트 (Wohlers Report)는 캐리마를 3D프린팅 산업에서 미국 기업들과 경쟁하는 대한민국 대표 기술기업으로 소개했다. 캐리마는 어떻게 3D프린터 분야에서 세계 최고가 되었는지 기술혁신 과정을 알아보고, 3D프린터를 다양한 산업과 제품에 어떤 잠재적 가치로 활용할 수 있을지 알아본다.
4차 산업혁명의 주역 3D프린터
3D프린터 또는 3D프린팅 기술은 모르는 사람보다 아는 사람들이 훨씬 많아진 만큼 우리에게 꽤나 친숙해진 기술이다. 또한 마음만 먹으면 주변의 가까운 메이커 스페이스에서 이용할 수 있으니 새로운 기술처럼 느껴지지 않을 수도 있다. 하지만 3D프린터가 어떤 잠재적 가치를 가지고 있으며, 어떻게 활용할 수 있을지에 대해 좀 더 진지하게 생각해볼 시점이 되었다. 상상이 현실이 되는 시간이 매우 짧아진 4차 산업혁명의 시대에 접어들었기 때문이다.
3D프린터는 1984년 미국에서 처음 개발된 이래 1986년 3D시스템즈(3D Systems)라는 회사가 설립됨으로써 본격적인 역사가 시작되었다. 3D프린터가 일반인의 관심 속에 들어오기 시작한 것은 2013년 미국 오바마 대통령의 신년 국정연설에서 3D프린터의 잠재력이 언급된 이후로 볼 수 있다.
4차 산업혁명은 어느 순간 갑자기 이루어진 기술적 진보가 아니다. 4차 산업혁명의 대표 기술 중 하나인 인공지능과 인터넷만 보더라도 1950년대부터 태동된 것으로 볼 수 있으며, 공장자동화와 제어시스템인 스마트팩토리 역시 1950년대에 그 원형이 시작되었다. 4차 산업혁명의 대표 기술들이 탄생하고 성장한 시점에 비해 3D프린터는 시기적으로 동생 격인 셈이다. 다시 말해 3D프린터가 4차 산업혁명의 대표 선수로 선출될 잠재적 가치는 이제부터 시작이라는 것이다.
국산화를 넘어 시장의 판도를 바꾼 세계 최초 DLP 사진 인화기 개발
디지털카메라와 스마트폰이 세상에 나오기 전까지는 ‘사진’하면 동네마다 있던 사진관과 코닥, 후지, 아그파 같은 카메라 필름 브랜드들이 가장 먼저 떠오른다. 45분 즉석 칼라, 27분 사진 현상 같은 익숙한 문구들도 기억이 난다. 지금은 대부분 자취를 감추었지만 불과 얼마 전만 해도 대형마트 입구에 사진을 종이에 인화해주는 점포를 흔하게 볼 수 있었다. 커다란 자동기계에서 20~30분 안에 디지털이든 필름이든 관계없이 원본을 집어넣으면 종이에 사진이 인쇄되어 나오곤 했다.
갑자기 사진현상에 대해 얘기하는 이유는 국내 최초로 DLP 3D프린터를 개발한 캐리마의 출발이 세계 최초의 DLP 사진 인화기를 만든 것에 기술적 뿌리를 두고 있기 때문이다. 1983년에 설립된 캐리마의 전신인 CK산업은 당시 9천만 원이나 하는 외산 인화기를 국산화하기 위해 기술개발에 매진한 결과 90년대 들어 외산 인화기 가격의 60%가 채 되지 않는 5천 3백만 원 대의 DLP 사진 인화기를 개발하는데 성공했다.
이 기술 개발의 성공은 단지 가격 경쟁력을 갖는 국산화를 의미하는 정도가 아니라 아예 시장의 판도를 바꾸어 놓았다. 기업의 기술개발은 본질적으로 시장화가 목적이기 때문에 기술 그 자체로서의 의미보다 시장으로부터 의미가 부여되었을 때 비로소 그 가치를 갖게 된다. 가격이 저렴해졌다는 이유만으로 시장이 열광하지 않을 뿐더러 당시 기술력과 품질, 시장 점유율 등 모든 면에서 압도적인 외산 제품인 일본 제품이 있었기 때문에 CK산업이 개발한 인화기는 가격뿐만 아니라 기술과 품질 모든 면에서 일본 제품과 비교를 당하며 검증받을 수밖에 없었다. 하지만 그 결과는 놀라웠다. 국내 시장 점유율 1위를 넘어 일본 수출 성공이라는 성과를 이뤄냈다.
축적된 기술력을 바탕으로 3D프린팅 시장에 본격 진출
DLP(Digital Light Processing·빛의 디지털 처리 기술)는 쉽게 말해 이미지를 빛으로 정밀하게 구현해 손에 잡히는 현실화를 하는 기술이다. 처음 개발 목표는 인화된 사진이었지만 현재는 원하는 입체 형태를 모두 프린트 할 수 있는 기술로 발전한 것이다.
캐리마의 국내 최초 DLP 3D프린터가 개발되고 상용화되기까지는 무려 1980년대부터 시작된 기술개발 과정을 생략하고는 그 무게감을 이해하기 어렵기 때문에 부득이하게 자동 인화기 개발부터 소개하게 되었다.
사진인화기 시장은 호황기를 지나 정점을 찍고 디지털카메라, 스마트폰으로 이어지는 디지털 시대에 접어들며 시장 수요가 급감하게 되었고 CK산업은 큰 전환점을 맞이하게 되었다. ‘핵심 기술인 광학기술을 활용하여 다른 가치를 만들어 낼 순 없을까?’하는 고민을 시작한 것이다.
캐리마의 이병극 대표이사가 걸어온 길을 보면 특유의 발명가 기질을 확인할 수 있다. 마치 1984년 SLA(Stereolithography) 방식의 3D프린팅 기술을 세계 최초로 발명한 이래 글로벌 1위 3D프린터 제조기업이 된 3D시스템즈의 설립자인 척 헐(Chuck Hull)의 궤적과도 닮아 보인다. 이병극 대표는 캐리마의 모토를 ‘상상의 현실화’로 정하고, ‘상상하는 데로 이끈다(carry+ imagine)’는 뜻을 담아 사명을 캐리마로 지었다. 그만큼 발명가의 열정이 강한 것을 엿볼 수 있다.
그럼 지금부터 캐리마의 DLP 3D프린터가 처음 세상에 나오기까지의 기술혁신의 과정을 살펴보고, 그 속에 담긴 기술들도 함께 알아보자.
국내 최초 DLP 3D프린터의 개발
캐리마는 2000년에 설립되었다. 그리고 2010년 국내 최초 DLP 3D프린터 Master를 처음 선보였다. 많은 기술혁신 사례들에서 공통적으로 나타난 것이지만 다시 확인해보면 기술혁신이란 몇 개월 정도의 짧은 노력으로 쉽게 얻어지지 않는다는 점이다. 무려 10년의 개발 기간, 사진 인화기 사업을 통해 벌어들인 큰 돈을 모두 개발에 투자하고도 모자라 개인 사재까지 털어 넣었다. 3D프린터라는 용어 자체가 생소하던 2010년에 나온 첫 제품은 그동안의 투자를 모두 만회해줄 만큼 사업적인 성공을 거두지는 못했지만 기술적인 면에 있어서는 10년의 세월이 헛되지 않았다.
대표적인 일화가 있다. 현재 3D프린터의 세계 1위 기업은 스트라타시스(Stratasys)인데 2010년 당시 해외 전시회에서 이제 갓 개발된 캐리마의 DLP 3D프린터 제품을 우연히 보게 된 스트라타시스의 스콧 파울스 사장이 2개월 뒤 한국으로 날아와 캐리마를 방문하고는 기업 인수 의사를 타진한 일이 있었다. 아직 시장에서 별다른 실적도 없는 제품을 보고 첫 눈에 기업 인수 의사가 생긴다는 것은 ‘기술력’이외에는 달리 설명할 길이 없다. 상당수의 국내 3D프린터 제조업체가 활성화되기 시작한 시기가 대략 2012~2013년경이라는 것을 감안하면 캐리마는 이미 2010년에 글로벌 넘버원 회사로부터 기술력을 인정받는 수준에 도달해 있었던 것이다.
2000년부터 현재까지 20년 동안 쏟아 부은 기술개발의 흔적들은 신기술인증, 산업통상자원부, 교육과학기술부, 한국광학회 등에서 받은 각종 수상이나 인증서 외에 23건의 특허가 등록되었고 63건이 출원 중인 기술 자산만 보아도 짐작할 수 있으며 국내 3D프린터 제조사 중 제일 많은 특허를 보유한 기업임을 증명한다.
캐리마의 첫 3D프린터 제품이 나온 2010년 이후가 시적 성과가 나타남과 동시에 기술 개발은 더욱 가속화되어 2018년 3D프린터의 종주국인 미국에 세라믹 DLP 3D프린터를 수출하기에 이른다. 세라믹 프린터는 세계적으로도 초기 단계일 뿐만 아니라 기술적 난이도가 높아 하드웨어인 3D프린터만을 잘 만든다고 기술적인 우수성이 인정되는 제품이 아니다. 구체적으로 어떤 점이 기술적으로 우수한 것인지 살펴보자.
그림 1. 캐리마의 광중합 DLP 방식 3D프린터와 프린팅 제품
그림 2. DLP(Digital Light Processing)의 원리(a) DLP 3D프린터 의 출력(b) DLP 방식과 SLA 방식의 차이(c)
상상과 현실 사이 빛의 마법 DLP 3D프린터
캐리마 제품의 핵심기술은 과연 무엇일까? 3D프린터를 기술적인 유형으로 구분하면 크게 3가지 또는 6~7가지로 나뉜다. 지면상 기술 자체를 모두 소개할 수는 없으나 적어도 DLP가 어떤 것인지에 대한 기본적인 이해는 필요할 것 같다.
DLP는 기술적인 유형 중 광조형경화 방식에 속하는 기술로 아주 쉽게 상상을 해보면 빛을 조사하면 경화가 되는 액체(Photocurable resin) 안에서 특정 부분만 인쇄된 면들이 연속적으로 적층되어 3차원 형상의 입체형상이 나오도록 하는 것을 연상하면 된다. 만화영화나 공상과학 영화에서 본 것처럼 액체로부터 어떤 무언가가 형상을 갖추어 나오는 그런 장면을 생각해보면 조금 더 이해가 쉬울 것 같다.
DLP의 원리를 이해하려면 우선 내가 만들고 싶은 어떤 입체적인 형상의 3차원 도면(3D모델링 파일)이 있다고 가정해보자. 이 입체 모양을 아주 얇게 슬라이싱을 하면 수천 장에서 수만 장의 슬라이싱이 된 도면이 생기게 된다. 이 각각의 도면 중 인쇄가 되어야 할 부분만 빛을 조사하여 레진을 경화시킨다. 그렇게 이 수천만 장의 인쇄된 도면을 연속적으로 포개게 되면 빛이 쪼여진 위치와 모양에 따라 입체적인 모양을 갖춘 조형물이 만들어지게 된다.
따라서 DLP 3D프린터의 핵심기술은 빛을 얼마나 정밀하게 다룰 수 있는가이다. 광원을 얼마나 고해상도로 다룰 수 있는가에 따라 제품의 정밀도에 차이가 나게 되고 정밀도는 같은 제품을 계속 프린팅 했을 때의 반복성 그리고 동일 제품을 여러 대의 프린터로 제조했을 때의 재현성과 직결된다. 다시 말해 정밀성의 확보는 제품 양산성의 핵심요소이다. 캐리마의 3D프린터는 이미 30~67㎛의 초정밀 해상도를 구현하여 세계 최고 수준을 확보하고 있다. 상상한 것을 현실의 실물로 만드는데 빛의 마법이란 표현을 사용한 이유가 조금 설명되었을 것이다.
기술혁신 성공의 3가지 핵심 요인
핵심기술에 집중
“4차 산업혁명에서 기업들이 유리한 고지를 선점하고자 하는 시도는 예외 없이 내(우리)가 잘 하고 있는 부분에 방점이 찍혀 있다”
삼성 뉴스룸 2017년 5월 18일자 ‘세상을 잇(IT)는 이야기 오피니언’에서 최재홍 강릉원주대 멀티미디어 공학과 교수는 이렇게 얘기하고 있다.
많은 제조업 중심의 기업들이 4차 산업혁명 시대를 맞이하면서 비슷한 고민들을 하리라 생각된다. 과연 우리는 무엇을 어떻게 준비해야 하는가?
캐리마의 성공 요인 중 첫 번째로 꼽을 수 있는 것이 바로 자사가 가장 잘 알고 있는 핵심기술에 오랜 시간 동안 집중해왔다는 것이다. 전자동 사진 인화기로 사업을 하던 시절부터 광제어 기술을 핵심기술로 개발·성장시켰기 때문에 국내의 다른 어떤 경쟁사보다도 가장 먼저 DLP 3D프린터를 상용화시키는데 성공 할 수 있었고 첫 제품의 개발과 동시에 세계 최고 수준의 성능에 도달하는 기염을 토해낼 수 있었던 것으로 볼 수 있다. 스트라타시스(Stratasys)의 사장이 2010년 첫 눈에 캐리마를 인수하려 했다는 사실을 다시 상기해보자.
글로벌 최고 수준의 품질 경쟁력
두 번째는 제품 품질 수준을 개발 시작단계부터 글로벌 최고 수준으로 잡은 것이다. 3D프린터의 고객들이 가장 기본적으로 바라는 Must Be 요소는 무엇일까? 아마도 정밀성이 높아 반복성과 재현성이 뛰어난 것을 바랄 것이다. 그리고 연속 생산이 가능하도록 빠른 속도를 기대할 것이다. 또 중요한 것은 원하는 물성의 제품이 나올 수 있도록 소재 선택의 폭이 다양하기를 원할 것이다. 이것은 모든 3D프린터 제조사와 3D프린터에 사용되는 소재 제조사가 간절하게 원하는 바이기도 하다. 하나 더 추가로 생각해보자면 원하는 크기의 제품을 자유롭게 만들 수 있도록 대형화되었으면 하는 바람이 있을 것이다.
발명가이기도 한 이병극 대표이사가 10년이라는 긴 개발 기간 동안에도 적당한 타협 없이 글로벌 수준을 추구한 것이 바로 이 4가지 요소다. 말이 쉬워 10년이지 성공여부를 확신할 수 없는 상태에서 사재까지 털어 개발에만 10년을 투자한다는 것은 보통의 노력으로는 꿈도 꾸기 어려운 일이다.
그 노력은 첫 제품이 출시된 이후에도 현재까지 계속되고 있는 진행형이니 무려 20년간 기술 축적의 목표를 초지일관 글로벌 수준에 맞춘 셈이다. 현재도 전 직원의 절반이 연구원이다. ‘기술과 품질에 목숨을 걸었다’라는 표현이 더 적절할 것 같다.
그림 3. 2014년 미래창조과학부와 산업통상자원부 주관 3D프린팅 전략기술로드맵 일부
전략적인 접근
세 번째 핵심 요인은 두 번째 요인을 달성하기 위한 필수적인 요인으로 ‘전략적인 접근’을 했다는 것이다. 10년이라는 긴 개발 기간을 거쳐 첫 제품이 상용화되기까지 회사에는 뚜렷한 캐시카우가 없는 상태였기 때문에 구체적이고 장기적인 개발계획 없었다면 10년간 회사를 유지한다는 것 자체가 불가능한 일이다.
캐리마의 이병극 대표이사는 이때 축적한 계획과 실행의 노하우를 2014년 미래창조과학부 및 산업통상자원부가 주관한 3D프린팅 전략기술로드맵 수립위원으로 활동하며 발휘하게 된다. 또한 중소벤처기업부의 2019~2021년 3D프린팅 중소기업 전략기술 로드맵에서 3D프린팅 제조시스템 기술 분야 주요 연구 인력으로 선정된 서울과학기술대학교 기계시스템디자인공학과 박근 교수는 현재 캐리마의 연구소장을 겸임하며 기술 구현의 최전선에서 캐리마 제품의 월드 베스트화에 앞장서고 있다.
사실 전략이라는 것은 프로젝트로 연계시켜 구체적인 실행을 하지 않으면 보기 좋은 그림에 불과하다. 전략만 잘 세운다고 성공하는 것도 아니고, 각각의 개별 프로젝트가 각자 성공했다고 해서 전략 목표가 달성된다는 보장도 없다. 두 가지는 함께 가야 한다. 개별 전투에서는 많이 이겼지만 전체적인 전쟁에서는 패배할 수도 있기 때문이다.
특히 R&D 전략 또는 기술전략이라고 하는 것은 미래를 현재에서 다루는 것이기 때문에 전략 실행의 구체적 단위인 R&D 프로젝트 역시 성공에 대한 불확실성이 매우 높다. 전략과 프로젝트를 종합적으로 연계하기 위해서는 상당 부분을 합리적 상상에 의존할 수밖에 없는 이유다.
박근 연구소장은 ‘과제를 위한 과제는 하지 않는다.’, ‘과제는 철저히 사업화를 전제로 기획되고 실행된다.’고 강조한다. 회사의 전략과 얼라인되지 않은 연구, 즉 연구를 위한 연구는 하지 않는다는 것이다. 상상의 현실화를 강조하는 대표이사와 과제를 위한 과제는 하지 않는다는 연구소장은 전략과 프로젝트의 환상적인 조화를 완벽하게 설명해준다.
3D프린터의 잠재적 가치와 미래 비즈니스 모델
3D프린터는 많은 제조업과 서비스업 분야에서 활용 잠재력이 매우 큰 훌륭한 도구이다. 1차 산업혁명의 증기기관은 방적기계를 돌리기도 했고 기관차나 선박의 엔진이 되기도 한 것처럼 3D프린터 역시 어떤 분야에 어떻게 사용하느냐에 따라 활용방법이나 활용 효과가 다양하게 나타날 수 있는 플랫폼 기술이다.
어느 분야 또는 어떤 제품에 활용하는 것이 효과적일지에 대한 아이디어를 얻고 싶다면 앞서 언급한 3D프린팅 기술로드맵이나 3D프린팅 산업 발전전략 등의 공개된 자료를 참고하면 좋을 것 같다.
그보다 미래의 비즈니스에 있어 더 중요한 것은 다양한 산업 분야의 연구개발자들이 3D프린터를 가지고 어떤 가치를 제안할 수 있을지에 대한 고민을 통해 다방면의 노력이 축적되는 것이다. 여기서 가치란 두 가지의 의미를 포함한다. 내가 3D프린터를 활용해서 우리 회사에 어떤 가치를 가져올 수 있을지가 첫 번째이고, 우리의 고객에게 어떤 특별한 가치를 줄 수 있을지가 두 번째이다. 3D프린팅 기술 그 자체에 대한 진보는 캐리마와 같은 기업이나 연구기관에서 추진되어야 할 문제이지만 3D프린팅을 이용해 잠재적인 고객 가치를 찾아내고 비즈니스화 할 수 있는 것은 각 분야 전문 연구개발자들의 ‘관심’에 달려있다.
이제 캐리마가 수립하고 실행해야 할 중점 전략 항목 중 하나는 3D프린팅을 활용할 잠재력 있는 연구개발자들의 저변 확대를 어떻게 할 것인가? 라는 주제라고 생각된다. 세미나나 설명회 같은 단발성 이벤트만으로는 매우 불충분하다. 취미 수준의 학습 강연을 늘리는 것도 좋은 방법이지만 충분하다고 할 수는 없다. 전문적인 연구개발자들의 관심을 붙잡아야만 실질적인 집단지성이 되어 줄 수 있고, 미래의 비즈니스 모델이 성공에 가까워지게 될 것이다.
이병극 대표
㈜캐리마
공동 작성/ 이장욱 컨설턴트(씨앤아이컨설팅)
이정선 전문작가(프리랜서)