3D Printing 기술의 개요

-최근 재료 및 응용-

조 원 진_ 한국과학기술연구원 다원물질융합연구소 Post-Doc
이 헌 주_ 한국과학기술연구원 다원물질융합연구소 선임연구원
문 명 운_ 한국과학기술연구원 다원물질융합연구소 책임연구원

서 론
케익 제작부터 달표면에 집짓는 프로젝트까지 최근, 3D 프린터의 활용 가능성에 많은 국민들이 큰 관심을 보이고 있다. 3D 프린터는 이제 막 개발이 시작된 새로운 기술이 아니다. 1984년 최초로 개발된 이래 2000년대 초반까지 제품 모형이나 시제품을 제작하는 범위에서 계속적으로 사용되어 왔다 (그림 1). 최근 들어, 미국을 비롯한 국가들에서 제조업의 글로벌 메가트렌드를 이끌 생산기술로 3D Printing을 발표하면서 3D Printing의 맞춤형 다품종 소량 생산의 특징이 크게 주목 받게 되었다. 단순한 제조 공정을 뛰어 넘어 스포츠, 문화, 생명, 나노과학 등과의 융합 기술이 이루어져, 보석류, 완구류, 패션 및 엔터테인먼트 산업과 기술적 난이도가 높은 자동차, 항공/우주, 방위산업 및 의료기 등 다양한 산업 분야에서 제품 개발에 활용되고 있다 (그림 2). 또한, 전 세계적으로 3D 프린터 시장을 양분하고 있는 Stratasys사의 원천기술 특허가 2007년 만료되었고, 3D Systems사의 특허도 2014년 2월 만료되면서 영국의 RepRap과 같은 오픈소스 프로젝트가 시작되었으며 프린터 제작을 위한 중요한 기술적 자료들이 인터넷에 공유되면서 폭발적으로 이 분야가 활성화되고 있다. 특히 Shapeway이나 Thingiverse 등 3D 소프트웨어 및 디자인 데이터의 거래 등 인터넷을 기반한 3D Printing 관련 시장의 급속한 확대가 이루어지고 있다.

1. 3D Printing 산업의 국내외 현황
3D 프린터와 관련된 시장은 매년 높은 성장률과 함께 향후 제조업과 각종 산업 분야에서 혁신 동력이 될 것으로 예측되고 있다. 세계 각국에서는 표 1에 제시한 것과 같이 3D Printing을 통한 혁신을 꾀하기 위해 국가 차원의 대대적인 지원 및 육성이 이루어지고 있다.

미국의 경우 버락 오바마 대통령이 2013년 공식석상에서 미국의 제조업 부흥과 선도 및 새로운 일자리 창출을 위한 방안으로 3D Printing을 언급하면서 국가 주도적 산학연 중심의 로드맵을 작성하였다. NASA와 국립과학재단, 국방부, 에너지상무부의 재정지원으로 국립 적층 가공(Additive Manufacturing, AM) 혁신연구소(National Additive Manufacturing Innovation Institute, NAMII)를 개설하여 3D Printing 개발 및 실용화에 집중 투자를 하고 있다 [2]. 한 분야에 치우치기 보다는 기술 개발을 세분화하여 디자인, 공정모델링과 제어, 재료와 설비, 응용, 교육, 연구개발과 센터 설립에 이르기까지 전분야에 걸쳐 체계적인 시스템을 갖추는 범위에서 진행하고 있다. 유럽연합은 첨단기술 육성을 통해 현재 제조업이 총 GDP에서 차지하는 비중을 2020년까지 16%에서 20%까지 늘리는 프로젝트에 3D Printing을 중점과제로 내세우고 있다. 일본에서는 국가 산업 경쟁력 향상을 위해 2013년 경제 산업성 3D 프린터 개발 계획을 발표하고 2018년 완성 시기를 목표로 소재 개발에 5년간 총 30억엔(약 330억 원) 투자를 결정하였다. 중국에서는 전자산업 연구를 포함해 항공, 고정밀 부품 제조 연구개발 분야에 총 4,000만 위안(약 72억 원)의 대대적인 투자를 하고 있다 [3]. 이러한 흐름과 경쟁 가치를 반영하듯 정보 기술에 대한 연구와 자문을 전문적으로 하는 가트너(Gartner, Inc)는 ‘2014년 올해의 10대 전략기술’에 3D Printing을 선정하였으며 특히 미래 혁신적 파괴 기술(disruptive technology)로 구분하였다(그림 3)[4].

한국에서도 국내 3D 프린터의 활용 수요는 해가 거듭될수록 고성장을 이루고 있다. 3D Printing의 순회 국제행사인 ‘Inside 3D Printing Conference & Expo’의 국내 1회차 행사 (2014년. 6월)에 약 9천명, 25개국 이상의 글로벌 및 국내 500대 기업이 참여했다는 보고는 한국에서도 3D 프린터의 활용 수요와 관심이 점차 증가하고 있음을 보여주는 일례이다.  최근 들어, 박근혜 대통령의 3D printing 기술의 언급과 더불어 국내에서도 3D Printing에 대한 관심이 높아지는 가운데 2013년 산업통상자원부는 산학연과 함께 ‘3D Printing 산업 발전 전략 포럼’ 발대식을 개최하여 육성 방안을 고려 중이다. 또한, 2014년 1월 국가중점과학기술로써 3D Printing을 선정하는 등 (그림 4) 세계적 흐름 속에서 경쟁력을 갖기 위한 시도를 점차 넓혀가고 있는 추세이다. 하지만 주요 국가들이 3D 프린터 제조 및 관련 기술에 대대적인 지원을 가하는 반면 국내 연구나 투자는 미미한 수준이어서 제품 개발은 미약한 수준이다. 그로 인해, 3D Printing 관련 기술을 보유한 업체는 양산체계를 구축한 캐리마와 로킷, 인스텍을 비롯한 일부 중소/벤처기업과 조립형 판매방식에 의존하고 있다. 본 논문에서는 전 국내외로 급속한 확대가 이루어지고 있는 3D Printing 산업의 전반적인 동향과 소재, 응용 및 온라인 서비스에 대해 살펴보고 기대효과 등에 대해 다루고자 한다.

2. 3D Printing 개요
3D Printing은 한 층씩 재료를 쌓아 올려 3차원 입체를 만들어 내는 적층가공 기술의 일종으로서, 스캐닝이나 모델링을 통한 3차원 이미지 데이터 정보를 기반으로 매우 복잡한 형상을 빠르고 용이하게 구현할 수 있다. 3D Printing 과정은 크게 Modeling-Printing-Finishing 단계로 구분된다 [1]. Modeling 과정에서는 CAD와 같은 컴퓨터 그래픽 설계 소프트웨어를 통해 3차원으로 형상을 디자인하고 3D 프린터에서 사용되는 STL 파일 포맷으로 변환되어 저장된다. 다음의 Printing 과정에서는 STL 파일을 각각의 3D 프린터에 포함된 전용 프로그램에서 불러들이고 프린터 해상도에 따라 가로 방향으로 레이어를 분할한다. 3D 프린터는 이 정보를 입력 받아 단일 층(layer)을 적층하여 입체적인 형상을 완성시킨다. 마지막으로 Finishing 과정에서는 사용된 재료와 프린터 타입에 따라 경화 및 부산물 제거 등의 후처리 작업을 거치게 되어 최종적으로 원하는 3D 출력물이 제작된다 (그림 5). 3D Printing을 통한 제조방식은 기존 공정에 비해 조립비용을 크게 낮출 수 있으며, 제작에 소요되는 에너지가 약 50% 이상, 소재는 약 90% 이상 절감할 수 있다고 알려져 있다 [5].
3D Printing 기술 방식에는 다양한 종류가 있으며 사용되는 재료에 있어서도 여러 가지로 분류된다 (그림 6). 아래의 도표 2는 3D Printing의 주요 기술 방식과 그에 따라 사용 가능한 재료를 보여준다. 대표적으로, 플라스틱 소재를 기반으로 하는 압출 적층방식과 파우더 기반 방식, 광경화성 액체 기반 방식 등으로 분류되며 각각의 방식도 세세한 공정의 차이로 다양하게 구분이 된다. 한 번에 적층되는 층의 두께와 선폭도 3D 프린터에 따라 약 16~100 μm (0.016~0.10 mm) 정도로 다양하다 [6-11].

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<세라믹코리아 2014년 7월호에서 더 자세한 내용을 확인할 수 있습니다.정기구독 회원은 지난호 보기에서 PDF파일을 보실 수 있습니다.>