[FA저널 스마트팩토리 박규찬 기자] 3D 프린팅산업은 미래산업의 형태를 탈바꿈할 주요한 기술로 전망되면서 전 세계적인 주목을 받고 있다. 3D 프린터 시장의 성장 속도 역시 폭발적이다. 2015년 한해 약 52억달러(한화 약 6조원)로 최근 3년 동안 연평균 30%가 넘는 성장률을 기록했다. 세계 경제 전문가들은 3D 프린팅의 발달로 기존의 제조업 형태를 뛰어넘어 대량의 제품들을 저장해 놓을 필요 없이 주문량에 맞춰 생산하는 새로운 형태의 제조업이 등장할 것으로 예측하고 있다.

일상 생활소품에서부터 대형 산업제품까지 산업현장에서 3D 프린터의 활용도는 점점 높아지고 있다. 최근 미국의 한 보고서에 따르면 2025년까지 3D 프린터의 보급대수는 6,000만대에 이를 것으로 내다봤다. 지난 2014년 전 세계에 출하된 13만3,000대에 견주어 보면 엄청난 규모의 성장 속도를 보인다.

3D 프린터는 최근 들어 부각되고 있지만 사실 최신 기술은 아니다. 이미 30여년 전부터 선보인 기술로 산업계에서는 다양한 분야에서 활용되고 있었다. 그러나 기술의 발달로 인해 소형화되고 활용범위도 넓혀 대중에까지 알려지게 되면서 전 세계적으로 각광을 받게 됐다. 3D 프린팅 전문 시장조사기관인 월러스에 따르면 최근 3년 동안 보급형 프린터의 전 세계 판매량은 해마다 늘어 2007년 66대이던 것이 지난해는 약 27만8,000대로 급증했다. 월러스는 오는 2020년에는 210억달러 규모로 성장할 것이라고 전망했다.

우리 정부 역시 최근 3D 프린팅 전략기술 로드맵을 발표하며 2020년까지 글로벌 시장을 선도할 기술경쟁력 확보를 위해 10대 핵심 활용분야와 사업화 전략을 발표한 바 있다.

의료·항공 등 다양한 분야 활용
현재 3D 프린팅 기술은 일상생활에서 사용하는 제품을 만들거나 신제품의 목각이나 시제품 등 실제품을 만드는 과정에서 모형을 제작하는데 주로 쓰인다.

3D 프린팅은 제조 분야로 가장 활발하게 활용되는 곳 역시 제조업이다. 기존 공정방식은 틀을 만들고 실물 제품을 제작하는데 걸리는 시간이 오래 걸리는 반면 3D 프린터를 활용하면 별 다른 공간 제약 없이 그 자리에서 몇 시간이면 만들 수 있다. 복잡한 제품이나 다양한 소재를 섞어 만들어야 하는 부품 제작에도 유리하다. 의료, 항공, 첨단산업 등에서 3D 프린팅을 주목하는 이유다.

한 의료전문 3D 프린팅 업체는 “3D 프린팅은 환자의 상태와 구조를 정밀하고 입체감 있게 파악할 수 있어 안면 윤곽술과 같은 고난이도 수술에서 의사의 기량에 영향을 주지 않고 실제 수술에 앞서 시뮬레이션 수술이 가능하다”고 설명했다.

특히 의료기기 제조업체들의 3D 프린팅 기술이 활발하다. 3D 프린팅 기술을 이용해 신체를 측정하고 틀을 제작하는 과정을 거치지지 않고 인체 스캔을 통해 바로 3D 프린터로 출력할 수 있는 간편함 때문이다. 더불어 그에 따른 제작비용과 시간 제약에서 벗어날 수 있다. 미국의 경우에는 3D 프린터만을 이용해 부품을 만들어 무인항공기 제작에도 성공한 바 있다.

이외에도 자동차, 피규어, 교육용품, 생활소품 등에도 3D 프린터가 많이 활용되고 있다. 교육용품의 경우 아이들이 직접 생각한 제품을 바로 앞에서 제작하고 제작과정 역시 눈으로 볼 수 있어 교육적인 측면에서도 유리하다.

3D 프린팅 음식점까지 등장
전 세계적으로 여러 분야에서 3D 프린팅이 활용되고 있는 가운데 최근에는 3D 프린팅 기술을 이용해 음식을 만드는 팝업 레스토랑도 등장했다.

푸드링크(Food Link) 회사는 전 세계를 무대로 여러 가지 새로운 경험을 제공하고자 3D 프린팅 음식을 제공하는 팝업 레스토랑을 운영한다. 지난 7월 영국 런던에서 열린 행사에서는 3D 프린터를 이용해 만든 음식을 맛볼 수 있는 자리가 마련됐다. 이날 행사장에는 음식 뿐만이 아닌 식기, 가구 등 모두 3D 프린터로 제작해 시민들의 눈길을 끌었다.

지난 4월에는 네덜란드에서 3D 푸드 프린팅 컨퍼런스가 개최돼 3D 프린터를 이용해 만든 사탕과 초콜렛 등 디저트류와 피자, 파스타 같은 음식들이 소개되기도 했다.

그러나 아직은 초기 단계라는 점과 여전히 사람의 손이 많이 가는 등의 단점이 지적되고 있지만 향후 3D 푸드프린팅 기술의 정교함을 이용한 새로운 분야에 대한 활용도가 기대되고 있다.

국내 3D 프린팅산업 동향
정부는 3D 프린팅 전략기술 로드맵을 발표하면서 10대 핵심 활용분야를 공개했다. 산업부에 따르면 글로벌 시장전망, 국내 산업구조 분석, 전문가 및 수요업계 의견을 종합해 의료, 뿌리산업, 문화체육·국방, 전기·전자, 수송기기, 에너지 등 8개 제품군과 디자인, 유통 등 3개 서비스군에서 도출했다.

10대 핵심 활용분야 주요 내용을 보면 의료 분야에서는 치술 시행에 사용되는 치아 모델과 임시치아, 투명교정기 등과 같은 치료용 또는 치료보조용 의료기기, 치과용 임플란트 구성물 등의 치과용 의료기기에 활용한다.

또한 인체조직 또는 기능을 대체할 수 있는 스캐폴드, 인공연골, 인체 삽입형 디바이스 등 인체에 이식돼 영구·반영구적으로 사용되는 치료용 의료기기에도 적극 활용할 방침이다. 특히 기존 방식으로 제작이 어렵거나 불가능한 체외용 치료물과 시술을 위해 임시로 인체에 삽입 또는 시술 보조용으로 사용되는 장치에도 활용된다.

스마트 금형으로는 특수한 기능을 가진 금형코어 및 복잡형상의 지능형 금형 관련 제품 개발에도 적극 지원한다. 이외에 개인이 착용할 수 있는 다양한 종류의 기능성 용품과 전자기기 부품, 자동차, 항공, 조선 등 수송기기에 사용되는 부품류 개발에도 집중할 방침이다.

해외 3D 프린팅 시장은 어떻게 변하고 있나
미국과 이스라엘이 전체 점유율 80% 차지
현재 해외 3D 프린터 시장은 주요 선진국인 미국, EU, 일본 등의 장비가 시장을 점유하고 있으며 장비기술 보유업체가 소재기술도 동시 보유하고 있는 것으로 나타났다. 국가별 장비 점유율로는 2014년 기준 미국이 63.4%, 이스라엘 16.6%, EU 12.9%, 중국 3.6%, 일본 2.8% 순이다.

이들은 소비재, 전자, 자동차, 의료, 항공 분야 등으로 활용범위를 확대 중이며 신규 원천기술 개발에도 집중하고 있다.

각 나라별 신규 기술개발 분야도 흥미롭다. 미국은 보잉사 항공기에 부품 적용과 치아·뼈재생 물질개발, 3D 프린팅 치아교정기 등을 개발하고 있으며 독일은 인공혈관 제조기술, 일본은 MRI 영상을 활용한 뱃속 태아 형상을 제조하는 등 각 나라별로 신규 원천기술 개발에 몰두하고 있다. 특히 영국은 3D 프린터만으로 제작한 무인비행기 ‘SULSA’를 제작해 업계의 주목을 받았다.

최근 미국의 한 보고서에 따르면 3D 프린터의 대중적 보급은 향후 10년 내에 가능할 것으로 전망된다. 더불어2025년까지 전 세계 3D 프린터 보급 대수는 6,000만대에 이를 것으로 보고 있으며 일반 가구에도 약 4%가 소유할 것으로 예상하고 있다.
장비·소재 중심에서 ‘서비스’ 중심으로 변화
세계 3D 프린팅 산업계는 장비와 소재 중심에서 점차 서비스 중심으로 전환하고 있는 추세다. 이에 소프트웨어 및 서비스 기술들도 같이 발전하고 있다. 3D 프린팅 제조 서비스에는 미국과 벨기에 등이 주도하고 있으며 3D 프린팅 온라인 서비스는 벨기에, 프랑스, 미국 등이 주축으로 진행하고 있다.

국가별 중점분야 선정 후 전략적 연구개발 추진
주요 선진국은 3D 프린팅산업 육성을 위해 자국의 상황에 맞게 중점 분야를 선정한 후 연구개발을 전략적으로 추진하고 있다.

미국은 제조업 원가절감과 에너지 소재절감을 중점으로 관련 연구를 진행하고 있다. 세계 최고 수준의 기술력을 기반으로 국방, 항공, 자동차, 의료 등 다양한 제조 분야에서의 원가 절감을 추구하고 있으며 대표적인 사례로 록히드 마틴사는 공동연구를 통해 50%의 비용 점감에 성공했다.

또한 3D 프린팅 기술 도입을 통해 제품 생산에 소요되는 에너지 및 소재절감을 추구하고 원가 경쟁력 확보는 물론 지속가능한 성장을 위한 제조 인프라 혁신을 추진하고 있다.일본은 콘텐츠 중심으로 경쟁우위의 콘텐츠 산업과 연계해 지원하고 있으며 2013년부터 모형제작을 위한 초정밀 입체조형 기술개발을 시행하고 있다.

더불어 금형을 사용하지 않고 복잡한 형상의 주조틀을 제작할 수 있는 3D 프린터 개발에 착수했으며 산학연 컨소시엄을 통해 2018년까지 30억엔에 달하는 예산을 투입했다. 2014년에는 금속 분말 3D 프린팅 기술개발 프로젝트를 추진하고 있으며 첫 해에만 37억엔을 투입, 30여개 대학 및 기업, 산업 기술종합연구소가 참여했다.

세계적인 기술을 보유한 독일은 의료와 바이오 분야에 중점을 두고 프로젝트를 진행하고 있다. 이미 2011년에는 3D 프린터를 통한 인공혈관 제작에 성공했으며 2013년에는 인체조직과 인공장기용 젤라틴 형태의 바이오 잉크를 공개한 바 있다. 현재는 인공피부 제작을 위한 나노 수준의 3D 프린팅 기술개발 프로젝트인 ‘아티바스크 3D’를 추진 중에 있다. 또한 3D 프린팅 선도국 지위 유지를 위해 수요가 큰 금속소재 개발에 집중하고 있다.

중국 역시 정부 주도하에 우주·항공 및 신소재 개발을 위한 프로젝트를 진행하고 있다. 항공 프로젝트의 경우 정부 주도의 상업 항공 프로젝트를 위해 베이징 대학의 항공 및 우주비행연구소에 인프라를 지원하고 있다. 베이징항공항천대학은 세계 최초로 티타늄합금을 이용한 복합 구조물 인쇄 기술개발에 성공했다. 2014년에는 국가 성장 재료 제조산업 발전계획을 발표하고 천연재료, 합성고분자 등의 특수소재 연구에 집중하고 있다.

영국 역시 우주·항공 분야와 제조 솔루션에 중점을 둔 연구개발을 진행 중이다. 2014년 우주·항공 분야 3D 프린팅센터를 설립했으며 비행기와 제트엔진, 민간 헬기 제조에 사용되는 신소재 개발과 관련 부품 생산을 하고 있다.

특히 2011년에는 영국 사우스햄튼대학에서 레이저 소결방식을 이용한 3D 프린터로 제작한 14개의 부품으로 비행기 Sulsa를 제작했다. 제조 솔루션에는 지난 2013년부터 총 1,470만달러를 투입해 헬스케어, 에너지 등 산업별로 특화된 솔루션을 개발하고 있다.

국내 3D 프린팅 시장 확대 위한 극복과제는
우리만의 고유 영역 확보와 표준화 선점
세계 3D 프린팅 시장이 급성장하면서 우리나라도 더 이상 표준화 대응을 지체해서는 안된다는 지적이 나왔다. 경쟁력을 키우기 위해서는 우리가 갖고 있는 고유 영역의 확보와 표준화 선점이 우선과제로 떠올랐다.

지난 6월 산업통상자원부 국가기술표준원이 발간한 ‘3D 프린팅 국내외 표준화 동향’에 따르면 3D 프린팅 관련 세계 표준화 경쟁이 치열하게 번지고 있는 것으로 나타났다. 국표원 이정근 연구관은 “현재 3D 프린팅과 관련한 데이터 포맷이나 프로토콜 정도만 ISO 국제표준이 나온 상태”라며, “현재 독일과 미국 등의 주요 3D 프린팅 업체의 제품 표준도 각각 다른 상황”이라고 설명했다.

이는 아직 어느 나라도 글로벌 표준 전체를 주도할 만한 기업이 없는 것으로 해석되며 우리나라도 얼마든지 국제 표준의 주도국이 될 수 있다는 전망이다. 또한 우리나라는 기술과 표준이 안정기에 접어들기 전에 선제적으로 대응해야 세계 3D 프린터 시장에서 경쟁력을 갖출 수 있다.

최근의 세계 3D 프린팅 소재의 대상특허 약 2,600건에 대한 연도별 출원동향을 살펴보면 전반적으로 유지 및 증가 추세를 보이고 있으나 2013년 이후부터 최근까지 하락한 것으로 나타났다. 국가별로는 일본이 약 900건으로 전체 34%를 차지했으며 이머 미국이 약 800건으로 31%, 한국은 약 700건으로 27%, 유럽이 11건으로 8%의 점유율을 보였다.

우리나라에 3D 프린터가 보급되기 전부터 국내에 3D 프린터 보급 사업을 시작한 케이티씨 김진호 대표는 “3D 프린터는 단순히 장비만을 개발해서 발전할 수 있는 산업이 아니다”며, “각 분야별 특징에 맞는 기술개발을 위해 계획을 수립하고 3D 프린터 시장에 접근해야 한다”고 조언했다.

인재양성과 인프라 구축
현재 3D 프린팅 시장을 키워나가는데 가장 큰 걸림돌은 3D 모델링이다. 대부분의 일반인들은 3D 프린터를 뉴스로만 접했지 자세한 사용법은 알지 못한다. 사무실, 혹은 집에 3D 프린터가 있다고 해도 제품을 만드는데 있어서 가장 중요한 3D 모델링 작업을 할 수가 없어 사용을 하지 못하는 문제점이 있다.

포머스팜 윤정록 대표는 “자신만의 아이디어를 바로 바로 만들어 볼 수 있다는 것이 3D 프린터의 장점인데 3D 모델링을 할 수 없다면 3D 프린터는 무용지물일 뿐”이라고 말했다.

이를 위해 정부 및 일부 지자체에서는 국가지원 3D 모델링 수업을 활발히 하고 있으며 산업계에서도 좀더 쉽게 3D 모델링을 할 수 있도록 가벼운 3D 모델링 툴을 개발해 보급하고 있다.

그러나 지난해 정부는 3D 프린팅 인력 양성을 목표로 17억원을 투자했던 예산이 올해 들어 15억원으로 줄였다. 이는 막상 인력을 활용할 수 있는 교육 기관 및 인프라가 구성돼 있지 않기 때문인 것으로 파악된다.

3D 프린팅의 활용도가 점점 높아지고 있는 산업현장에서도 전문 인력 문제는 마찬가지다. 이조 이정훈 기획이사는 “현재 3D 프린팅을 활용하고 있는 기업에서는 개발품의 시제품 및 목업 제작에 많이 사용하고 있다”며, “시제품 제작시 중요한 요소인 정밀도, 사이즈, 속도, 등의 기술이 받쳐주지 못한다면 실제 산업분야에서 활용하기는 어렵다”고 말했다.

반면 미국의 경우 교과과정에 3D 프린팅 교육과정이 포함돼 학생들이 보다 쉽고 일찍 3D 프린터를 접할 수 있다. 영국 역시 아이디어를 소프트웨어로 구현하고 3D 프린터로 직접 만드는 교육을 만 5세부터 정규교육 과정으로 편입해 접근성을 높였다.

하지만 국내는 일반인들에게 3D 프린팅 교육과정을 가르칠 강사조차 확보하기 어려운 실정이며 업계 관계자들 또한 산업현장에서 전문 인력 확보에 어려움을 겪고 있다고 고충을 털어놨다. 이처럼 국내 3D 프린팅산업의 저변 확대와 발전을 위해서는 폭넓은 교육 프로그램 마련이 우선시 돼야 할 것이다.

소프트웨어 및 소재 개발
3D 프린터가 세계 및 국내에서 다양한 장점을 바탕으로 높은 시장성을 인정받고 있지만 아직 국내에서는 갈 길이 먼 것이 현실이다.

현재 국내 3D 프린팅 시장은 장비에 초점이 맞춰져 있지만 실질적으로는 장비, 소프트웨어, 소재 등 3가지가 모두가 갖춰져야 한다. 그러나 대부분은 이를 인식하지 못하고 장비 성능에만 집중한 채 비슷한 제품을 복사하듯이 만들어 내고 있다.

업계 관계자에 따르면 현재 3D 프린터 장비 수준은 완성 단계에 도달했지만 소프트웨어 및 소재 개발에 있어서는 기술 발전이 더디게 진행되고 있다. 이에 오픈소스 기반의 3D 프린터를 제작하고 있는 이들이 하드웨어에만 집중하고 있는 현상은 개선돼야 할 부분이라고 지적했다.

또한 3D 프린팅산업에 있어 가장 중요한 것은 소프트웨어다. 향후 3D 프린팅 시장에서 살아남기 위해서는 다양한 콘텐츠를 보유해야 하며 전문가들 역시 소재 및 공정에 대한 연구가 필수적이라고 언급하고 있다.

정부의 적극적인 정책 지원
주요 선진국은 3D 프린팅 산업 육성을 위해 자국의 상황에 맞게 중점 분야를 선정한 후 연구개발을 전략적으로 추진하고 있다. 최근 정부는 3D 프린팅 전략기술 로드맵을 발표하는 등 국내 3D 프린팅산업 발전을 위해 노력하고 있지만 정작 업계에서는 현실적으로 와 닿지 않는다는 의견이다.

현재 3D 프린팅 분야의 거대 기업들은 우수한 기술과 특허를 보유한 기업을 인수·합병하는 식으로 시장을 장악하고 있다. 국내 기업들 역시 이러한 거대 기업들에게 잠식 당하지 않으려면 우수한 기술력을 보유하고 있어야 한다. 그러기 위해 정부는 적극적인 인프라 구축과 전문 인력양성에 힘써야 하며 국내 3D 프린팅 기업들을 위한 정부 보조금 등을 지원해 국내 기업들이 고유의 기술을 보유할 수 있도록 적극적인 지원이 필요한 시점이다.

현재 해외 3D 프린터 시장은 주요 선진국인 미국, EU, 일본 등의 장비가 시장을
점유하고 있으며 장비기술 보유업체가 소재기술도 동시 보유하고 있다. 최근 미국의 한 보고서에 따르면 3D 프린터의 대중적 보급은 향후 10년 내에 가능할 것으로 전망된다. 2025년까지 전 세계 3D 프린터 보급 대수는 6,000만대에 이를 것으로 예상되며 일반 가구에도 약 4%가 소유할 것으로 예상하고 있다.

현재 3D 프린팅 시장을 키워나가는데 가장 큰 걸림돌은 3D 모델링이다. 대부분의 일반인들은 3D 프린터를 뉴스로만 접했지 자세한 사용법은 알지 못한다.

- Tech Tip -
3D 프린팅 기술 방식과 분류

3D 프린팅 기술 방식에는 매우 다양한 종류가 있지만 사용되는 원료의 특징에 따라 액체, 파우더, 고체 기반으로 분류된다. 이들은 아래와 같이 각각의 장·단점을 갖고 있다. 조형 속도와 조형의 정확도, 세부적인 디테일에 차이가 있고 색상을 자유롭게 할 수 있는가 하면 단색으로만 표현이 가능한 방식도 있다.

• 액체 기반 방식(SLA) : 주로 액체 상태의 폴리머 합성수지와 그 외의 합성수지를 이용해 물체의 모양을 따라 한 층씩 쌓은 후 광경화 시키는 과정을 거친다. 이 방식은 일반적으로 가장 널리 쓰이는 방식으로 정확하고 세부적인 모형 제작이 가능하다.

• 파우더 기반 방식(SLS) : 파우더 형태의 폴리머나 메탈 원료에 레이저를 쏴 고형화 시켜 막을 형성하는 방식이다. 합성수지에서부터 금속, 세라믹까지 다양한 원료를 사용할 수 있으며 조형 속도가 빠름과 동시에 액체 연료의 광경화 과정을 거친 결과물보다 견고하다는 장점이 있다.

• 적층 방식(FDM) : 플라스틱을 한 층씩 쌓아올리는 방식으로 스트라타시스사가 최초로 이 기술을 선보였다.
이 방식은 주로 개인이나 기업 중심에서 디자인 관련 시제품을 제작하는 용도로 사용되다. 또한 소비자들 사이에서도 가장 보편적인 제작 방식으로 알려져 있다.

• 광원 방식(DLP) : 프로젝터의 광원에서 UV를 이용해 UV 경화성수지를 굳혀가며 프린팅하는 방식으로 국내에서는 캐리마가 이 원천 기술을 보유하고 있다.

FA저널 스마트팩토리 박 규 찬 기자 (fa@infothe.com)

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