4차 산업혁명, 3D프린팅이란?

기획연재⑥ 3D프린팅은 제조업의 혁명을 가져올 기술

지금 우리 앞에 전개되고 있는 4차 산업혁명의 흐름을 되돌릴 수 없다. 이 혁명이 어디를 향해 갈지, 그 과정에서 우리 삶이 어떻게 바뀔지 궁금하다. 그러나 이런 흐름을 남의 일처럼 지켜볼 수만은 없다. 우리는 새로운 기술을 용기 있게 수용함으로써 경제적 번영과 우리들의 행복을 위하여 할 일이 무엇인가를 알 필요가 있다. 이번 기획에서는 4차 산업혁명의 주요 기술들을 중심으로 일반 시민들이 다소나마 쉽게 이해할 수 있도록 소개하고자 한다. 따라서, 구체적인 내용을 알고 싶은 독자께서는 별도의 참고서적을 참고하기 바란다.<편집자 주>

3D프린터는 3차원 설계도를 바탕으로 입체적으로 물건을 인쇄하는 기계자체를 의미하며, 3D프린팅은 3D프린터로 입체적인 물건을 인쇄하는 모든 과정으로 입체적인 물건을 인쇄하는 것뿐만이 아니라, 물건을 인쇄하기 위해 디자인하고, 설계하는 모든 과정을 통하여 원하는 결과를 만드는 과정을 3D프린팅이라고 한다. 즉, 입력한 설계도에 따라 연속적인 계층의 물질(실, 액체, 가루형태 등)을 뿌려 3차원 입체물품을 만들어내는 제조기술이며, 3D 바이오프린팅 기술의 개발로 인공장기 시대를 열 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다.

3D프린팅의 개념

3D프린터는 3차원의 입체물을 만들어 내는 프린터이다. 사실상 3D프린터 기술은 30년 전(1984)에 미국의 찰스 훌(Charles W.Hull)이 설립한 회사 3D시스템즈에서 발명된, 나름대로 오래된 기술이라고 한다. 항공이나 자동차 산업에서도 시제품을 만드는 용도로 산업용 3D프린터를 사용해 오고 있었다는 것이다. 신속조형(Rapid Prototyping:RP)을 의미하는 RP가 3D프린팅의 동의어로 종종 사용되기도 하였다.

3D프린팅 기술은 미국의 버락 오바마 대통령이 2013년 초에 국정 연설 당시 "3D프린팅이 기존 제조방식에 혁명을 가져올 잠재력을 가지고 있다”고 언급하면서 관심을 고조시켰다.

3D프린팅이란 '여러 물질들을 사용해서 현실 세계에 3차원적으로 물건을 만드는 것'이며, 여기서 사용되는 전자적인 파일은 3D모델링으로 만들어진 파일들이 되는 것이다. 그렇지만, 3D프린터가 나오기 이전에도 사람들은 물건을 만들어왔다. 이전까지 '물건을 만든다'라는 것은 굉장히 어려운 일이었다. 보통은 CNC 등으로 어떤 물체를 깎아서 만들거나, 따로 거푸집 등을 만들어 '압출성형' 방식으로 물건을 만들기 때문에 기술도 굉장히 고차원적이고 복잡하며 들어가는 돈도 많이 들었다. 그래서 '제조업자' 혹은 '생산자'가 아니면 어떤 물건을 만들기가 굉장히 힘들었다. 그렇지만 이러한 과정을 3D프린터로 해결할 수 있으니 이를 차세대 기술로 보는 것이다.

3D프린팅 기술은 3D로 모델링 된 파일만 있으면 몇 시간 만에 뚝딱 현실에 물건을 만들어 준다. 3D모델링까지가 약간 어렵다고해도 한번 만들어 놓기만 하면 무한대로 물건을 만들어낼 수 있다. 심지어 자신이 만들지 못해도 3D모델을 공유하는 사이트에서 파일만 받으면 물건을 만들어 낼 수 있다.

3D프린팅 방식

3D프린터는 크게는 절삭형과 적층형으로 나눌 수가 있다. 절삭형의 경우에는 큰 덩어리를 조각하듯 깎아내는 것이고, 적층형은 층층이 쌓아 올라가는 것이다. 최근 나오고 있는 프린터는 대부분 적층형 프린트 방식으로 나오고 있다. 절삭형의 경우 여분을 깎아내기에 재료의 손실이 큰 반면에, 적층형은 여분 재료의 손실이 없다는 것이 큰 장점이기도 하다. 적층형 원리를 이용하는 방식에도 약 20가지가 있는데, 여기서는 이 중에 가장 많이 쓰이는 FDM, SLA, SLS 방식을 소개한다.

FDM(Fused Deposition Modeling) 방식은 고체형으로 대부분의 보급형 프린터들이 사용하는 방식이다. 필라멘트라고 불리는 얇은 플라스틱 실을 녹여서 아래부터 위로 층층이 쌓아가는 방식으로서, 글루건(Glue gun)으로 물체를 만드는 걸 상상한다면 더 쉽게 이해할 수 있다. FDM 방식의 프린터는 SLA나 SLS 방식에 비해 프린터 가격이 저렴한 편이지만 출력물 표면이 다소 거칠다는 단점이 있다.

SLA(Setero Lithography Apparatus) 방식은 액체형 재료를 사용한 것으로 광경화조형방식이라고도 한다. 빛을 받으면 고체로 변하는 광경화성수지(photopolymer : 평상시에는 액체 상태이지만 레이저 등의 특수한 빛을 쏘이면 고체처럼 단단하게 굳는 특이한 성질을 갖는 플라스틱)가 들어있는 수조에 레이저 빔을 쏘아서 필요한 부분만을 고체화 시키는 방식이다. 레이저 광선이다 보니, 속도가 빠르고 FDM 방식에 비해서 제품 표면이 매끄럽지만 내구성이 떨어진다. 따라서 정밀도가 높고, 소형을 제작하기 쉬우며, 뛰어난 형상 구현 능력이 있다. 반면에 하드웨어 구매 비용이 높고 , 유지보수의 어려움이 있어 일반인이 접근하기에는 힘든 방식이다.

SLS(selective Laser Sintering) 방식은 파우더형 재료(미세한 플라스틱 분말, 모래, 금속 가루 등)를 사용하는 것으로 SLA방식과 비슷하다. 파우더가 담겨있는 수조에 레이저를 쏴서 얇은 막(Layer)를 형성하는 원리이다. 막이 형성된 뒤에 다시 파우더를 뿌리고. 다시 레이저를 쏘는 과정을 반복해서 물체를 조형한다고 한다. 레이저가 아니라 접착제를 사용하는 형태도 있다. 프린팅이 끝난 다음에 가루 더미에서 물체를 꺼내는 과정이 재미를 더한다. 마치 모래 더미에서 보물을 발견하는 느낌이라고 한다. 속도도 빠르며, 재료도 다양하고, 완제품도 정교하지만 프린터 자체가 고가이며 부피가 크고, 사용하기 위해서는 전문적인 교육이 필요하다는 게 단점이다.

3D프린팅 진행 과정

3D프린팅은 모델링→프린팅→후처리 등과 같은 3과정으로 진행된다. 여기서 모델링이 인쇄할 파일을 만들어 주는 과정, 프린터가 실제로 프린팅 하는 과정 그리고, 후처리 과정을 거친다.

1) 모델링

모델링은 직접 사람이 만들거나, 3D스캐너 등을 활용하여 역설계 방식으로 만들 수 있다. 3D모델링을 할 수 있는 프로그램은 정말 많다. 123D 디자인, Fusion 360 부터 많은 사람들이 들어보았을 오토 캐드, 라이노, 카티아, 3D MAX, sculptris, SketchUp 등 모든 모델링 프로그램을 사용할 수 있다. 그리고 사실 모든 모델링 프로그램들이 각자 특화되어 있는 부분이 다르기 때문에 만약에 모델링을 전문적으로 하는 사람이라면 다양한 프로그램을 모두 다룰 줄 아는 것이 좋을 것 같다.

3D모델링 작업이 끝났으면 STL파일로 변환해 주어야하는데, 여기서 STL파일은 3D프린터 출력 전에 거치게 되는 슬라이싱(slicing, 절편화)이라는 작업을 위한 파일이다. 슬라이싱도 나중에 프로그램이 하게 되는데, 모델링 프로그램들이 너무 많아 이 모든 파일들을 해석할 수 없는 문제로 STL이라는 파일 형식을 제정하였다.

2) 프린팅

프린팅 과정은 다시 2단계로 나뉜다. 첫번째는 슬라이싱 과정으로 이전의 모델링 과정에서 만든 STL파일을 불러서 3D프린터가 한 층씩 쌓을 수 있도록 한 층씩 잘라주는 작업이다. 이때 생성되는 것이 G 코드인데, 3D 프린터는 이 G 코드로 프린팅을 하게 된다. 두 번째는 실제로 프린팅하는 과정으로 한 층씩 쌓아서 만들며, 이때는 물리적인 여러 변수들(냉각, 프린팅 속도 등)이 간섭하기 때문에 의외로 프린트 하는데 시간이 약간 걸린다.

3) 후처리

후처리는 프린팅 후 표면 가공, 도색 등을 포함하여 실제로 사용하기 전에 사용에 적합하게 하는 모든 작업을 칭한다. 분야에 따라서 그 방식들이 달라지기 때문에 이 부분에서 많은 전문적인 지식을 요구한다. 즉, 진행 과정상 어려움이 있는 부분은 세 부분으로, 모델링에서 실제 3차원 모델을 만드는 과정(그러나 3D 프린팅은 오픈소스를 지향하기 때문에 상당히 많은 모형이 인터넷에 공유되고 있다), 프린팅에서 여러 환경변수를 제어하는 과정, 적절한 후처리 과정 등이 있다.

3D프린팅 기술의 응용 분야

1) 자동차 분야/우주항공 분야

자동차의 대시보드, 바디패널 및 부품의 시제품에 3D프린터를 사용하고 있는 추세이다. 고급 스포츠카 람보르기니는 아벤타도르(Aventador) 시제품 제작에 3D프린터를 사용해 4개월 동안 4만 달러가 소요되는 기존 작업을 20일 동안 3천 달러 수준으로 제조 단가를 줄일 수 있었다. 비슷한 사례로 GM은 2014년 중형 세단 말리브 제작 시 3D프린터를 사용하여 2년 정도 제작 기간을 단축시켰다.

기존의 점토 조각으로 만들던 방식에서 SLS와 SLA를 혼합한 공정을 통해 비용과 시간을 줄이는 효과를 얻었다. 최근 3D프린터를 이용해서 자동차 콘셉트 카를 만드는 업체들이 생겨나고 있다. 자동차 문틀의 소재를 알루미늄에서 3D프린팅으로 만든 탄소봉으로 바꾸어서 무게를 90%까지 낮춘 사례가 보고되었으며, 소형 자동차 차체를 3일 안에 프린팅할 수 있는 기술도 선보이고 있다. 특히 항공기의 엔진과 같은 고부가가치 부품을 제작하고, 나사 등에서 추진하는 달기지 건설을 위한 특수 환경 3D프린팅 기술이 개발되고 있다.

2) 교육 분야

3D프린팅을 이용한 수업은 학생들의 수업 이해력과 창의력을 향상시킬 수 있으며, 더 나아가 학생들이 직접 프린터 제작 및 디자인을 설계, 형상 제작에 이르기까지 여러 각도에서 참여할 수 있어 교육 분야에서의 활용 분야는 무궁무진하다. 최근 창업보육센터나 대학교에서 특별 강좌를 개설하여 3D프린터 교육을 하는 곳이 늘어나고 있다. 한국과학기술연구원(KIST)에서는 시각장애 학생들을 위한 교재인 3차원 입체 교구를 개발하고 있다. 시각장애 학생들이 배우고 있는 점자 중심의 점자책에는 생략되어 있는 그림들을 3D프린팅 기술을 이용하여 3차원 형상의 촉각 교재로 제작하고 있다. 서울맹아학교와 함께 개발하고 있는 3차원 입체 교구는 고인돌, 석굴암, 첨성대 등의 유물이나 꽃의 성장 과정이나 빛의 굴절 등에 이르기까지 다양하게 제작되고 있다. 사회 교과 과정에서 배우는 역사 시대 유물과 유적, 지도나 물리, 생물 과목 등에 사용되는 입체 교구는 초등학교 시각장애 학생들의 인지력을 고려하여 적합한 크기와 형상의 정밀도를 맞춤형 방식으로 제작하여 이를 실제 수업 시간에 사용하고 있다.

3) 에너지∙나노 분야

미국의 하버드대학교와 어바나샴페인 대학교의 연구진은 3D프린터로 세계에서 가장 작은 리튬이온 배터리를 프린트해 만든 후 의료용 로봇을 가동하는 데 성공했다. 이 때 초미세 3D프린터로 사용된 노즐의 크기는 30마이크로미터에 불과했다. 연구진은 16겹의 리튬 금속산화물 층을 쌓음으로써 서로 엇갈린 방식의 다섯 갈래로 된 전극을 만들었고 충방전 기능, 수명, 에너지 밀도 등을 통해 본 이 전지의 전기화학적 성능은 상업용 배터리에 견줄 만하다고 보고했다. 3D프린팅 소재가 갖는 한계인 전도성이나 신축성을 극복하기 위하여 그래핀 에어로젤 기반의 나노소재를 대량 합성하여 3D프린팅이 가능한 소재를 개발하였으며, 그래핀 소재를 이용하여 다공성 대변형 구조체를 프린팅하는 데 성공했다는 보고도 있다.

4) 주택건설 분야

3D프린터는 주택건설시장에도 적용되고 있다. 집채만한 3D프린터 하나면 소형주택이며 가구를 불과 몇 시간 안에 출력할 수 있다. 중국 건축회사 윈선(Win Sun)은 2015년에 처음으로 3D프린터를 이용해 주택을 건설했다. 특히 윈선은 그 건물에 사용되는 자재들을 산업폐기물을 이용하여 만들었다는 점에서 남다른 의미를 부여할 수 있었다. 2016년께 러시아와 샌프란시스코에 본사를 두고 있는 Apis Cor. 회사의 3D 전문가들은 현지에서 모바일 프린터를 사용해 한 채의 집을 완성했다. 회사 측에 따르면 집의 벽이 먼저 프린트되었고, 그 다음 페인트칠을 했다고 한다. Apis 프로세스의 장점은 보편적인 3D프린터 기술이 현장이 아닌 다른 곳에서 건물에 사용되는 부분을 프린트해서 옮기게 되지만 Apis Cor. 회사의 3D 작업은 현장에서 이루졌다고 한다. 그밖에 우크라이나 한 주택 건설회사는 최근 3D인쇄로봇을 이용한 주택인 패시브돔(PassivDom)을 완성하여 사람이 직접 집을 짓는 시간과 비용을 훨씬 절감해줄 뿐 아니라 이동이 가능하다는 점에서 효율적이라는 평가를 받고 있다.

5) 의료용 3D프린팅 기술

3차원 스캔 이미지를 기반으로 맞춤형 제작 기술이 가장 필요로 하는 분야는 의학이나 헬스케어 분야이다. 모든 사람의 몸체가 각기 다른 특징 및 형상을 갖기 때문에 맞춤형 기술인 3D프린팅 기술은 최적의 기술이다. 의료용 3D프린팅 기술은 보청기, 임플란트, 인공 뼈, 의학 보조기 등의 분야에서 활발하게 연구가 진행 중이다. 미국 델라웨어 병원은 희귀성 근골격계 질환인 관절 만곡증을 갖고 출생한 환자를 위해 3D프린터를 이용해 의료용 로봇 팔을 제작하였다. 미국의 하버드대학교와 어바나샴페인 대학교의 연구진은 3D프린터로 세계에서 가장 작은 리튬이온 배터리를 프린트해 만든 후 의료용 로봇을 가동하는 데 성공했다. 또한 미국 코넬 의대에서는 살아 있는 세포로 만들어진 주입용 겔과 3D프린팅 기술을 사용해 실제 귀와 동일한 모양의 인공 귀를 제작하였으며, 최근에는 세포를 직접 프린팅할 수 있는 기술들을 개발하고 있다. 미국의 3D 바이오프린터 벤처기업인 오가노보 사에서는 3D프린터로 만든 간, 콩팥 등의 바이오 프린팅 소재를 개발해 상용화 단계에까지 도달했다고 한다. 이와 같이 바이오 3D프린팅 기술을 이용한 인공장기 기술이 개발되고 있어 환자의 체형과 거의 유사한 회형과 재질도 금속이나 가죽, 플라스틱 등을 다양하게 사용할 수 있고, 디자인을 다양하게 표현하여 개인의 취향을 살릴 수 있는 인류의 건장증진에 기여할 것으로 주목받고 있다.

3D 프린팅의 미래

현재 세계 3D프린팅 시장은 미국의 스트라타시스(Stratasys)와 3D시스템즈가 주도하고 있다. 그러나 앞으로 이들 두 회사의 독점구도는 깨질 수도 있다. 앞으로는 3D프린팅에 이어 4D프린팅이 보급될 것이다. 2013년 4월 미국 MIT의 스카일러 티비츠 교수는 ‘4D프린팅’이라는 제목의 TED강연을 통해 4D프린팅을 세상에 알렸다. 이 강연회에서 획기적인 영상을 소개했는데, 1차원의 선들이 3차원 정육면체로 변화하는 과정을 보여주었다. 4D프린팅은 물리적, 생물학적 물질들이 모양과 특성을 바꿀 수 있다는 것이다. 예를 들면, 4D프린팅을 통해 형상기억합금과 같은 신소재를 프린터로 출력할 수 있다. 출력된 물체는 시간 등 환경이 변하면 다른 모양으로 변화한다. 이 기술에 4D라는 이름이 붙은 것은 기존의 3차원 입체(3D)에 시간이라는 1차원(1D)이 추가되었기 때문이다. 어떤 조건에서 어떤 모양으로 변화할지 그 재료 안에 프로그램이 입력되어 있다. 실제로 4D프린터로 찍어낸 물체는 인간의 개입 없이 열이나 진동, 중력, 공기 등 다양한 환경이나 에너지원의 자극을 받아 변화할 수 있다. 4D프린터가 이용될 수 있는 분야는 매우 다양하다. 소재산업, 항공우주, 자동차, 의류, 건설, 국방, 헬스케어 등에 이르기까지 광범위한 분야에서 이 기술이 적용될 수 있을 것이다.

3D프린팅 기술은 고객 맞춤형 제품을 생산하는 의료와 의류 등의 분야에도 강한 영향력을 끼칠 것으로 보인다. 이 기술은 투명 치아 보철뿐만 아니라 각 사용자에게 맞춤화된 보청기 등의 의료기구나 인공장기 등을 제작하는 데도 이상적이다. 그럼에도 불구하고 앞으로 10년 후까지 소품종 대량생산을 하는 데는 3D프린팅이 보편화되지는 않을 것이라는 주장도 있다. 일반적인 대량생산 방식에 필요한 산업 인프라를 이미 갖춘 국가에서는 3D프린팅으로 제품을 제작하는 비용이 기존의 방식으로 제작하는 비용보다 저렴하지는 않을 것이기 때문이다.

그렇지만 3D프린터는 개발도상국에서 소규모 제조업의 시대를 열어줄 것 같다. 이들 국가에서 3D프린터를 보유한 소규모 상공업자가 이웃들의 필요에 따라 제품을 제작할 수 있다. 외국에서 수입하는 것보다 더 저렴한 비용의 3D프린팅 기술로 보다 광범위하게 쓰이는 제품을 생산하기 위해 약간 더 큰 공장을 계획할 수도 있다.

3D프린팅 기술은 보다 발전해 상당한 진보를 이뤄낼 것이다. 앞으로는 아주 작은 크기의 제품을 디자인할 때 사용되는 분말 재료도 개발되고 있다는 것이다. 앞으로 3D프린팅은 음식을 요리하는 데도 더 확산될 수 있다. 그런 후에는 3D프린터는 가정에서도 유용하게 쓰일 것이다.

3D프린팅 생태계에서는 사람들과 제품 디자인 소스를 연계시키거나 제품 디자이너와 제조업자를 연계시키는 네트워크 구축을 통해 승자가 될 수도 있다는 것이다. 또 다른 기회는 3D프린터의 가능성을 넓혀주는 프린팅 재료를 개발하는 데 있을 것이다. 또한 3D 대상을 디자인하는데 사용하는 간편한 소프트웨어를 개발하는 것도 기회가 될 수 있을 것이다. 3D프린팅산업은 PC가 어느 순간에 패러다임을 바꿨듯이, 우리가 사는 세상을 급격하게 변화시킬 수 있는 잠재력을 지니고 있다.