저자

신 기 진_ ㈜쓰리디커넥션 대표이사

1. 3D프린팅 기술의 산업 응용 의의

2013년 2월 오바마 대통령이 일반교서 연설에서 미국 제조업의 활성화를 위해 3D프린팅 기술을 지목하면서 3D프린팅 기술에 대한 관심은 미국 뿐만 아니라 전 세계적으로 이슈가 되기 시작했다. 사실 3D프린팅 기술은 지금으로부터 30년 전인 1986년 미국의 3D Systems 사를 설립한 Charles Hull 이 Stereolithography(SLA)방식을 이용해 디지털 데이터를 Tangible 한 3D 오브젝트로 만드는 특허를 출원하면서부터 시작되었다고 볼 수 있다. 최초에는 아크릴 레진을 주재료로 사용하였지만 89년에는 분말형태의 재료를 사용하는 SLS(Selective Laser Sintering) 방식에 대한 특허가 처음 출원되었다. 당시만 해도 이 기술은 3D프린팅이 아니라 RP(Rapid Prototyping)라는 용어로 통용 되었으며, 국내에서는 쾌속조형으로 번역되어 사용되어졌다. 90년대 들어오면서 3D프린팅 산업분야는 굉장히 왕성한 활동을 보였다. 독일의 EOS 사가 첫 번째 시스템인 ‘Stereos’를 판매했으며, 92년에는 미국의 Stratasys 사가 FDM 방식에 대한 특허를 출원하였다. Sanders Prototype(이후에 Solidscape로 변경)와 ZCorportion이 96년에 회사를 세우면서 3D프린팅 시장에 뛰어 들었고, Arcam사는 97년에 Objet Geometries사는 98년에 비지니스를 시작하였다. 기술적인 측면에서의 90년대는 가능성을 넘어 실무에서 다양한 형태로 적용하는 시기였다고 볼 수 있다. 90년대 초반에는 완벽하지는 않지만 적층 형태로 굉장히 복잡한 부품을 하루 밤이면 만들 수 있다는 것을 보여주었으며, 1999년에는 의학 분야에서 3D 프린팅을 활용한 사례가 처음으로 나온 시기이기도 하다. 2000년대는 보급용 프린터의 시작을 알리는 RepRap 3D프린터가 Bath University 의 Dr. Adrian Bowyer 에 의해 선보였다. RepRap 프로젝트의 비전은 RepRap 을 싸게 공급함으로서 누구나 자기가 원하는 오브젝트를 매일 매일 스스로 생산할 수 있게 함으로써 제조의 민주주의를 이루고자 하는 것이었다. 또한, 대표적인 3D프린팅 온라인 플랫폼인 Shapeways 가 베타 버전을 선보였으며, 2009년에는 MakerBot 사가 오픈소스 형태로 소비자들이 구매 후 조립해서 사용할 수 있는 첫 번째 보급형 프린터인 Replicator를 출시하였다. 바이오프린팅 전문회사인 Organovo사는 Dr. Gabor Forgacs의 기술을 기반으로 3D바이오 프린터를 이용해 혈관을 프린팅 하는데 성공하였다. 2010년을 지나면서 더욱 다양한 결과물들이 나오기 시작했다. 그 중 하나가 KOR ECOLOGIC에서 선보인 환경 친화적인 자동차 ‘Urbee’이다. Urbee는 고속도로에서는 200mpg를 시내주행에서는 100mpg 의 속도를 낼 수 있으며, 최종 완성되어 시판 될 경우 $10,000 ~ $50,000 사이로 판매될 것으로 예상이 되고 있다. 해외에 비해 국내 3D프린팅 관련 분야는 2013년 이후 정부차원에서 과감한 투자가 시작되면서 주목받기 시작했다. 오픈소스를 이용해 보급용 레벨의 프린터를 제조하는 회사들이 생겨났으며, 관련 협회 및 일반인을 대상으로 한 다양한 형태의 3D프린팅 교육프로그램들이 선을 보이고 있다. 또한, 정부와 관련 산하기관 및 기업들이 중심이 되어 2024년 까지 3D프린팅 로드맵을 완성 중에 있으며 로드맵을 기반으로 정부지원 사업들을 통해 한국형 3D프린팅 생태계를 조성해 나갈 것으로 전망이 된다.

2. 3D프린팅 기술의 방식과 재료

3D프린팅 기술은 다양한 방식이 존재하지만 재료의 형태에 따라 방식이 결정되며 크게 고체, 액체, 분말 이렇게 세 가지로 분류할 수 있다. 고체는 주로 필라멘트라고 불리는 재료인데 일반 플라스틱 재료인 ABS와 바이오 플라스틱인 PLA를 와이어 타입으로 롤에 말아서 판매하고 있으며 노즐을 통해 재료를 녹여서 형상을 쌓아가는 방식인 FDM 방식에서 사용되는 재료이다. 액상을 사용하는 SLA 방식과 DLP 방식은 빛에 반응하는 아크릴이나 에폭시 계열의 광경화성 수지(Photocurable resin) 등의 재료를 사용하며, SLS 방식은 분말 타입의 재료를 사용하는데 레이저를 이용해 소결시키는 방식에서는 나이론 계열의 PA(폴리아미드)나 메탈재료인 알루마이드(Alumide), 스테인레스스틸, 티타늄 등을 사용한다. SLS 방식 중 하나인 3DP(3D Printing=Inkjet)방식은 분말재료(강화석고)와 액상 바인더(Liquid Binder)를 번갈아 분사하여 형상을 만들어 가는데, 특히 3D프린터로 피규어를 만들 때 사용되며 잉크젯 프린터처럼 칼라 잉크를 프린터 시 오브젝트의 외곽에 입혀줌으로서 칼라 피규어를 만들어낼 수 있다. 위에서 나열한 방식 중 세라믹 분야에서 활용되고 있는 방식은 FDM, SLS, 3DP 방식이다. FDM 방식을 사용하는 경우 노즐을 통해 흙을 갠 재료를 짜내면서 형상을 만들어 나가는 방식을 사용한다. 기존에 판매되고 있는 보급용 3D프린터를 개조해서 사용하는 경우가 많으며 흙을 교반하여 사용한다는 점에서는 전통적인 방식에 3D프린팅 기술을 적절히 잘 조합한 방법이라고 할 수 있다.
다만 이 방식은 각 레이어의 층이 확연히 들어난다는 점과 지지대가 필요한 형상을 표현하는데 한계가 있기 때문에 이 방식으로 표현이 가능한 형상을 미리 검토 한 후 제작하여야 한다. 이에 반해 SLS 방식과 3DP 방식은 분말형태의 재료를 레이저로 소결하거나 Binding 해서 형태를 만들기 때문에 표현할 수 있는 형상에 한계는 없다. 또한, 재료 자체가 지지대의 역할을 하기 때문에 형상을 만드는데 있어 작가가 원하는 형상을 자유롭게 구상해서 표현할 수 있다. 언 듯 보기에 3D프린터만 있으면 모든 게 해결될 것 같지만 장비뿐만 아니라 소재의 중요성 또한 간과할 수는 없다.

(자세한 내용은 세라믹 코리아 5월호에서 확인하세요)