스마트 소재 접목된 ‘4D프린팅’도 온다 ‘3D 시대’의 변화를 통찰하라

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 영국의 라브로대 연구팀은 2ⅹ2.5ⅹ5m 부피의 모르타르를 출력하는 3D프린팅을 개발해 1t의 콘크리트 건물을 출력했다. 영국에선 골수염을 앓고 있는 한 83세 여성이 3D프린팅으로 제작한 티타늄 소재의 인공 턱으로 새 삶을 얻었다. 현재 3D프린팅은 콘텐츠의 글로벌 유통(플랫폼)과 정보통신기술과 융합된 생산 인프라를 기반으로 다양하고 광범위한 맞춤형 제작에 활용되고 있다. 또 전자산업, 항공·자동차 산업, 의료산업, 교육·패션산업 등 다양한 분야에 걸쳐 적용되며 혁신을 이끌고 있다. 스마트 소재와 3D프린팅 기술이 발전함에 따라 앞으로는 더욱 다양한 스마트 소재가 개발될 것으로 예상된다. 이에 맞춰 앞으로의 산업은 스마트소재가 접목된 ‘4D프린터 시대’로 이어질 것이다.

미국, 일본 등에 비해 뒤진 국내 기술개발

국가별로 3D프린팅 기술을 활용하는 수준은 미국이 가장 높고 일본, 독일, 중국이 뒤를 잇고 있다. 한국은 약 2.3%의 미미한 수준으로 기술개발이 많이 뒤처져 있는 상황이다. 3D프린터의 경우 글로벌 선도 기업이 핵심 원천기술(SLS, SLA)을 주도하고 있으며 나라별로 소재에 따라 주도하는 기술이 조금씩 다르다. 미국은 고분자 플라스틱 소재를 기반으로 하는 장비 기술을 선도하고 있으며 유럽은 금속소재를 기반으로 한 장비 기술이 앞섰다. 우리나라는 이들 국가와 10년 이상 기술 격차가 나는 것으로 알려져 있다.

소재 면에서도 현재까지는 열가소성필라멘트, 광경화성수지, 레이저 소결수지 및 금속 등 일부에 그쳐 현실적인 한계가 있다. 그러나 전 세계적으로는 산업 현장에서 나름 다양하게 사용되면서 생산성과 효율성을 높여주고 있다. 특히 금속 소재는 시제품 제작에 널리 사용되고 있다.

람보르기니는 스포츠카 아벤타도르(Aventador) 시제품 제작에 3D프린터를 사용해 기존 시제품 제작 시간 및 비용(4개월, 4만 달러)을 각각 6분의 1, 8분의 1로 절감했다. 또 포드사는 실린더 헤드, 브레이크 로터, 후륜 엑셀 등의 부품 시제품을 3D프린터로 제작해 제작기간을 3개월에서 1∼2개월로 단축했다. 미국항공우주국(NASA)는 로켓 연료분사장치 생산에 EBF3(Electron Beam Freeform Fabrication3) 기술을 적용해 기존 가공방식으로 최소 2∼3년이 소요되는 매우 복잡한 부품을 4개월 만에 생산했다.

3D프린팅에 적합한 소재의 개발과 원료의 고품질 저비용 제조 기술력은 필수적이며 이는 높은 진입 장벽으로 작용해 기술경쟁력에서 우위를 점할 수 있을 것으로 판단된다.

한편 전 세계적으로 3D프린팅 관련 특허출원은 2005년까지 19건에 불과하던 것이 2006∼2011년 사이 59건이 출원되면서 증가 추세를 보이고 있다. 다양한 원료물질이 개발되면서 적용 분야가 확대되고 있으며, 특히 FDM(수지 적층방식 3D프린터) 특허가 만료된 이후 저가 3D프린터들이 시장에 등장하면서 대중화가 빠른 속도로 진행되고 있다.

제조업 판도의 변화

현재 3D프린팅은 콘텐츠의 글로벌 유통(플랫폼)과 정보통신기술과 융합된 생산 인프라를 기반으로 다양하고 광범위한 맞춤형 제작에 활용되고 있으며 전자 산업, 항공·자동차 산업, 의료 산업, 교육·패션 산업 등 다양한 분야에 걸쳐 적용되고 있다.

 

3D프린팅 기술과 기존 제조공정과의 차이점은 금형제작 없이 시제품을 생산할 수 있다는 점이다. 따라서 시제품 제작에 걸리는 비용과 시간이 줄어들고 창의적인 제품의 아이디어를 가지고 있는 개인 및 회사들이 실제로 제품화하기 어려웠던 장벽들이 대폭 낮아진다.