[과학을 읽다]3D 프린터 大혁명

핵심은 정밀…다양한 소재 개발

▲3D 프린터 대혁명이 시작되고 있다.[사진=아시아경제DB]

[아시아경제 정종오 기자] 대량생산과 대량소비의 시대가 저물고 있습니다. 맞춤형 생산으로 변화 중입니다. 그 중심에 3D 프린팅이 존재합니다. 다가오는 시대에 3D 프린팅이 변화시킬 흐름과 그에 따른 시스템을 고민해야 할 시점에 와 있습니다.

이 분야는 어느 특정기업과 연구단체가 할 수 있는 일이 아닙니다. 아직 시장이 형성돼 있지 않기 때문입니다. 융·복합 시대에 맞는 새로운 연구 시스템이 필요한 셈이죠. 한국기계연구원, 한국생산기술연구원, 재료연구소, 한국전자통신연구원(ETRI)이 '고성능 금속 3D 프린팅과 소재개발 융합 연구단(Metal 3D Printing, 이하 M3P 연구단)'을 운영하고 있습니다.

3D 프린팅으로 제작한 전자부품의 기술적 파급효과는 소비패턴의 변화, 창업 활성화, 신제품, 서비스 창출은 물론 생산성 증가를 중심으로 전개될 것으로 전망됩니다. 소량 생산하더라도 기존의 3D 디자인 파일만 있으면 매번 디자인이 다른 제품을 생산하더라도 추가 비용이 거의 발생하지 않습니다. 생산과 소비의 대혁명이 시작되고 있습니다.

◆3D 프린팅, 제조 혁명=3D 프린팅은 기존의 생산 시스템을 혁명적으로 변화시킬 것으로 예상됩니다. 미래학자 중 한 명인 제레미 리프킨은 '한계비용 제로사회'라는 책을 통해 "3D 프린팅은 맞춤형 제조와 단가 하락으로 기존의 생산 시스템에 일대 변혁을 가져올 것"이라고 예견했습니다. 전 세계적으로 관련 시장도 급증할 것으로 전망됩니다.

3D 프린팅 기술 완성도가 높아지면서 활용분야가 급격하게 확대되고 있습니다. 2012년 기준으로 소비재 전자 21.8%, 자동차 18.6%, 메디컬 16.4%, 산업기계 사무기기 13.4%, 항공 우주 10.2%로 다양한 분야에 기능성 부품 제조에 활용되고 있습니다.

▲3D 프린팅 시장전망.[자료제공=월러스리포트]

월러스 리포트(Wohlers Report)의 2014년 보고서를 보면 3D 프린팅 세계시장은 2014년 40억 달러에서 2018년에는 124억9000만 달러로 4년 동안 연평균 33% 신장을 예상했습니다. 3배 이상의 높은 성장을 전망했습니다. 3D 프린팅은 또한 맥킨지가 선정한 2025년 경제적 파급효과가 큰 12대 기술로 선정됐고 2025년 시장규모가 230억~550억 달러로 추산했습니다.

◆3D 프린팅, 융합에 답=3D 프린팅의 경쟁력은 어디에 있을까요. 프린터의 생산성과 정밀도, 기능 구현도를 높이는 것이 필요합니다. 여기에 소재 가격은 떨어트리는 것이 중요합니다. 소재의 다양성도 필요합니다. 이 같은 목적을 위해 정부출연연구소가 M3P 연구단을 만들었습니다. 2018년 9월15일까지 M3P 연구단이 활동합니다. 총 연구개발비는 261억 원, 참여 인력만 122명에 이릅니다.

연구단은 산업계 기술 현안인 제조·의료 등 신성장 동력 창출을 위한 3D 프린팅 기술 상용화를 해결하기 위해 DED(Direct Energy Deposition) 방식 금속 프린터, SLM(Selective Laser Melting) 방식 금속 프린터, 디스팬싱 방식 다기능 소재 프린터의 3가지 장비와 이와 관련된 공정기술과 재료 개발로 세부과제를 잡았습니다.

프린터의 생산성은 한국기계연구원이 맡았습니다. 기존의 3D 프린터 속도의 5배 이상을 목표로 삼았습니다. 정밀도 역시 한국기계연구원이 수행합니다. 기존 3D 프린터와 비교했을 때 정밀도를 5배 이상 높이겠다는 것이 목표입니다.

기능 구현도는 한국생산기술연구원이 진행합니다. 기존 제품 기능 특성의 90% 이상 골 접촉률을 거두겠다는 게 목표입니다. 소재 가격은 재료연구소가 수행하는데 기존 3D 프린터용 소재 가격의 절반 이하로 낮추는 것이 주요 임무입니다. 마지막으로 소재 다양성은 ETRI가 진행하는데 금속, 세라믹, 플라스틱, 바이오, 복합소재 등 다양한 기능성 소재를 활용하는 곳에 초점이 맞춰져 있습니다.

◆3D 프린팅, 어디에 쓰나=심지어 앞으로 주택도 3D 프린팅으로 뚝딱 만들어낼 수 있을 것이란 전망도 나옵니다. 미국 항공우주국(NASA)은 국제우주정거장에 3D 프린팅 시스템을 구축했습니다. 매번 지구에서 필요한 물자를 수송해야 하는데 우주공간에서 3D 프린팅 제품이 나오면 공수하지 않아도 됩니다. 간단한 장비는 그때그때 제작해 사용하면 되는 것이죠.

3D 프린팅 제품은 이외에도 금속과 폴리머 재료를 활용한 완구, 패션, 엔터테인먼트 산업은 물론 기술적 난이도가 높은 자동차, 항공·우주, 방위산업, 의료용, 스마트폰, 이어폰 등의 다양한 분야의 전자 부품제작에 활용이 가능합니다. 휴대폰 케이스, 악기, 운동기구 등의 상품에도 개인의 취향을 반영해 이른바 '맞춤형 생산'이 이뤄질 것으로 기대됩니다. 한 마디로 전 분야에 적용 가능하다는 이야기입니다.

무엇보다 3D 프린팅 산업이 포커싱하고 있는 분야는 인체와 관련이 많습니다. 금속 3D 프린팅을 활용한 인체삽입 맞춤형 제품 제작이 가능합니다. 교통사고, 외부 충격에 의한 외상은 물론 뇌를 감싸고 있는 두개골 결손에 대해 환자의 결손된 두개골과 동일한 모양, 기능을 갖는 금속 3D 프린팅 제품 공급이 이뤄집니다.

뇌와 두개골 사이의 공간을 환자의 함몰된 뇌와 동일한 부피로 3D 프린팅을 이용해 회복해 줌으로써 수술 후 후유증을 최소화할 수 있습니다. 기존 수술시간(7~8시간)과 비교했을 때 빠른(1~3시간)수술 시간으로 환자 회복은 물론 수출 성공률이 매우 높은 서비스 제공이 가능합니다.

의료기술 발달에 따라 각종 질병에 대한 대처 능력이 발달하면서 인간 수명이 연장되고 있습니다. 인간이 늙으면서 자연적으로 발생하는 관절계통 증상을 치료할 수 있는 인공 무릎(Artificial Knee) 제품도 만들어질 것으로 기대됩니다. 3D 프린팅을 활용해 인공무릎 제품을 상용화 할 경우 좌·우 대칭은 물론 각각의 신체 조건과 동일한 제품을 스캔해 활용할 수 있습니다.

◆3D 프린팅, 기대효과=2018년까지 M3P 연구단이 일정에 맞게 3D 프린팅 관련 기술이 개발되면 여러 가지 기대되는 효과가 큽니다. 과학·기술적 측면에서 선진국 수준을 뛰어넘어 세계시장을 선도하는 신개념 3D 프린팅 소재 원천기술을 마련할 수 있습니다. 선진국 기술수준을 단시간 내에 추격함으로써 세계시장에서의 기술우위를 선점하고 다양한 산업분야 발굴이 가능합니다.

경제·산업적 효과도 만만치 않습니다. 3D 프린팅용 소재시장은 2018년 약 4억1000만 달러에 이를 것이란 전망이 있습니다. 제조 산업 분야로 확대될 경우 시장 규모는 폭발적으로 증가합니다. 기존 제조가공 산업 분야의 고도화를 통해 주력산업의 육성과 시장 선도형 신산업 창출이 이뤄집니다.

3D 시제품의 제작비용과 시간 절감, 다품종 소량 생산(Mass Customization), 개인 맞춤형 제작이 쉬워진다는 것도 기대효과 중 하나입니다. 부품의 신뢰성 또한 높아질 것으로 예측되면서 맞춤형 전자 부품을 포함하는 고부가 산업용 부품과 공구에서 2025년 시장규모는 약 230억~550억 달러로 추정됩니다.
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◆이창우 M3P 연구단장 "더 정밀.단단하게 만드는 기술 필요"◆

▲이창우 단장

이창우 M3P 연구단장은 지금까지 3D 프린팅의 제품의 대부분이 '모양'에만 집중했다면 앞으로 3D 프린팅 시장은 '기능'으로 발전할 것이라고 내다봤다. 이 단장은 "3D 프린팅의 터닝 포인트가 다가오고 있다"며 이는 기능성 제품으로 3D 프린터가 옮아가고 있다는 것을 의미한다고 설명했다.

3D 프린팅 제품의 정밀도와 강도 등이 중요해지고 있다는 것이다. 3D 프린팅을 일반인들이 사용하기에는 어려울 것으로 예상했다. 이 단장은 "3D 프린팅을 하기 위해서는 3D 캐드(CAD)를 알아야 하는데 일반인들이 이를 다루기에는 무리가 있다"고 지적했다. 또 일반인들이 주로 액세서리 제작에 3D 프린팅을 사용하는데 컬러가 되는 경우 단가가 억 단위까지 올라간다고 밝혔다.

이 단장이 금속 3D 프린팅에 주목하는 이유도 여기에 있다. 이 단장은 "현재 금형 시장과 인공 무릎 등 메디컬 시장에서 3D 프린팅 수요가 증가하고 있다"고 말했다. 우리나라 금형 시장은 올해 약 10조 원 정도이고 이중 플라스틱이 약 43%를 차지한다. 플라스틱 분야 금형 시장에 3D 프린터가 적용될 수 있다는 것이다.

무엇보다 3D 프린터는 다품종 소량 생산이 가능하다. 이런 특징으로 인체 모형 제작에 적용될 수 있다. 이 단장은 " 인공 무릎 등은 고령화 사회가 되면서 수요가 급증하고 있는 분야"라며 "3D 프린터를 통해 제작할 수 있는 가장 이상적 시장"이라고 강조했다. 여기에 발전소 설비와 항공우주 분야에서도 3D 프린터의 역할이 점점 커질 것이라고 예상했다.

서로 다른 연구소에 있는 인력이 한 곳에 모여 연구하는 것을 두고 이 단장은 "문제점을 해결하기 위해 곧바로 의견을 교환할 수 있고 정기적 회의를 통해 소통할 수 있어 융합연구의 장점이 있다"며 "다만 각 연구소마다 행정절차가 달라 이 부분은 조금 아쉬운 부분"이라고 말했다. 이 단장은 "3D 프린팅에 대한 지나친 장밋빛 전망은 자제해야 한다"고 전제 한 뒤 "이번 융합 연구에 국민의 세금인 261억 원이 투자되는 만큼 부가가치를 높일 수 있도록 최선을 다하겠다"고 덧붙였다.
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