안녕하세요? LG CNS 대학생 기자단 이덕입니다.

『3D 프린팅』 이제는 모두 한 번쯤 들어본 용어일 텐데요. 3D 프린팅은 IT 분야의 전문 컨설팅 업체인 가트너가 최근 2년 연속 선정한 전략기술 중 하나입니다.

설계도만 있으면 3차원 공간 안에 실제 사물을 만들어낼 수 있는 3D 프린팅은 기존에 상상만으로 가능하던 기술의 가능성을 다른 차원으로 열어줍니다. 미래학자들은 3D 프린터가 미래 제조업의 지도를 완전히 바꿔놓을 것이라 예견하기도 하는데요. 오늘은 우리의 상상을 현실로 출력해주는 3D 프린터를 소개해 드리도록 하겠습니다.

3D 프린터의 개념과 주목 받는 이유

3D 프린터는 미리 입력한 설계도에 따라 3차원 입체의 사물을 찍어내는 기계입니다. 3차원의 입체로 만든 설계도만 있으면 실제 사물을 만들어낼 수 있습니다.

우리가 일반적으로 생각하는 프린터의 기능인 인쇄와는 다른 것인데요. 컴퓨터에서 데이터를 내보내서 만든다는 기본적인 매커니즘 때문에 프린터라고 불리는 것입니다. 3D 프린터를 이용하면 우리가 구매하는 제품의 대부분을 만들어낼 수 있습니다.

가트너가 3D 프린터를 2년 동안 전략 기술로 선정한 이유는 이처럼 가상과 현실을 통합하는 교두보로서의 가능성 때문입니다. 3D 프린팅은 이미 의료나 디자인 산업 등 다양한 분야에서 다양하게 활용되고 있는데요. 의료산업에서는 개인 맞춤형 의족이나 틀니를 만들 수 있습니다. 디자인 분야에서도 시제품 제작을 통해 제품의 문제점을 확인할 수 있어 사용이 확대되고 있는 추세이죠.

또한, 초창기의 3D 프린터는 플라스틱 소재로만 제작할 수 있었지만, 최근에는 종이, 고무, 식품, 금속까지 재료의 범위가 넓어지고 있습니다. 영국의 크리스 라이얼 교수는 3D 프린터를 산타클로스 기계라고 부르기도 했습니다.

3D 프린터, 기술 방식에 따른 분류

3D 프린터의 인쇄 방식은 기존의 방식과 차원이 다른데요, 인쇄방식과 재료에 따라 일반적으로 세 가지 기술로 분류할 수 있습니다.

3D 프린터 종류	생산방식	재료	생산된 제품의 품질	가격
FDM(Fused Deposition Modeling)	수지 용융 압출 기술	고체	낮음	낮음
SLA(Stereolithography)	광경화성 수지조형기술	액체	높음	중간
SLS(Selective Laser Sintering)	선택적 레이저소결기술	분말	높음	높음

1) 수지 용융 압출기술(Fused deposition modeling, FDM)

위 영상에서 그 방식을 확인할 수 있는데요. FDM 방식의 재료는 플라스틱 재질인 ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene)나 식물에서 추출한 원료로 만든 PLA(Polylactic Acid)등 입니다. 이러한 재료는 열을 가하면 마음대로 모양을 변형할 수 있는 열가소성 수지를 실처럼 길게 늘인 필라멘트(Filament)들이죠.

제품을 인쇄하는 순서는 다음과 같습니다. 압출기(Extruder)를 사용해 필라멘트를 노즐로 밀어줍니다. 노즐은 필라멘트를 녹일 수 있도록 히트블록이나 히트코일로 이루어져 있습니다. 즉, 필라멘트가 노즐로 들어오면 열로 용해되어 설계도의 모양으로 출력되는 것입니다. 이때 모터는 X, Y, Z의 축으로 움직이면서 필라멘트를 얇게 쌓아 올립니다.

FDM 기술의 장점은 플라스틱 같은 소재를 사용하기 때문에 강도가 높고, 습도에 강해 내구성이 다른 방식들에 비해 뛰어나고 가격이 저렴하다는 점입니다. 다른 3D 프린터들과 다르게 레이저를 사용하지 않기 때문에 구매비용이 저렴하고 열가소성 수지 등도 1kg에 10,000원 안쪽으로 유지비용도 낮은 편이죠. 반면, 제품의 질이 상대적으로 낮고 제품 생산 속도가 느리다는 단점도 있습니다.

2) 광경화성 수지 조형기술(Stereolithography, SLA)

이 방식은 1984년에 발명된 첫 번째 3D 프린팅 기술입니다. 영상과 같이 레이저를 거울로 반사해 광경화성 액체 수지라는 액체 플라스틱에 자외선 레이저를 쏘는 방식이죠. 조형판을 조금씩 올리면서 한층 한층 쌓아 올리며 플라스틱을 굳게 합니다. 제품을 만들 때는 그 무게를 지탱할 수 있도록 지지대도 함께 만들게 되는데요. 인쇄 후에는 천천히 지지대를 제거하고, 화학품과 자외선 오븐으로 후처리를 합니다.

SLA기술의 장점은 레이저를 이용해 FDM 기술보다 인쇄속도가 빠르고, 완성된 제품에 쌓아 올린 층이 보이지 않아 질 좋은 제품을 생산할 수 있다는 점입니다.

그만큼 유지비용이 굉장히 비싼 방식이기도 합니다. 재료 역시 FDM 방식보다 훨씬 비싼데요. SLA 기술에 사용하는 광경화성 액체수지는 1ℓ에 179달러 정도이며, 제품을 만들 때 사용하는 레이저의 교체 비용도 상당히 고가라고 합니다.

이렇게 유지비나 생산비가 비싼데도 불구하고, 제품의 내구성은 좋지 않아 충격이나 열에 굉장히 약하다고 하는데요. 60도 이상의 온도나 과도한 수분에 노출될 경우 변형될 수 있다고 하니 아직 보완이 필요해 보입니다.

3) 선택적 레이저 소결기술(Selective Laser Sintering, SLS)

SLS 기술에서는 작은 입자로 된 플라스틱, 금속, 세라믹 등 분말 형태의 다양한 재료가 사용됩니다. 조형 분말함에 이러한 재료를 넣고, 고열의 레이저 빔을 쏴서 녹인 후 응고시키는 방식이죠. 제품을 조형한 뒤에는 롤러를 움직여 분말을 보충하여 완성도를 높입니다.

SLS 방식의 장점은 다양한 원료를 활용할 수 있고, 지지대가 필요 없으며, 제품의 강도가 좋다는 점입니다. 특히, 다양한 재료를 사용할 수 있어서 시제품뿐 아니라 바로 사용할 수 있는 상용품까지 생산할 수 있습니다. 재료가 다양한 만큼 레이저의 세기 조절이 중요한데요, 각 재료에 맞게 녹는점 온도를 잘 맞추어 주어야 합니다. SLS 방식의 프린터는 최소 1억 원 정도로 프린터의 가격이 상당히 비싼데요, 그래서 주로 산업용으로 사용하고 있습니다.

주목받는 3D 프린터 생산 회사

전세계 3D 프린터 시장의 양대산맥은 미국의 ‘3D 시스템즈(3D Systems)’와 ‘스트라타시스(Stratasys)’입니다. 두 기업의 3D 프린터 시장 점유율을 합치면 무려 80% 정도가 될 정도로 두 회사가 3D 프린터 시장을 이끌어가고 있죠.

먼저 3D 시스템즈를 소개하겠습니다. 이 회사는 3D 프린터를 최초로 발명한 미국의 찰스 헐(Charles Hull)이 1984년 설립한 업체입니다. 현재 가장 큰 규모의 3D 프린터 생산업체로 3D 시스템즈는 SLA 프린터를 기반으로 성장했는데요. 현재는 SLA방식, PJP((Plastic Jet Printing)방식, SLS방식 등 다양한 기술을 바탕으로 한 프린터를 생산하고 있습니다.

스트라타시스는 1989년 스콧 크럼프(Scott Crump)가 설립한 회사입니다. 딸을 위해 장난감 개구리를 만들다 3D 프린터 회사를 설립하게 된 스콧 크럼프의 일화는 이미 유명한 이야기이죠. FDM 기술을 기반으로 성장한 스트라타시스는 현재 3D 프린터 시장 점유율 50%가 넘는 1위 업체입니다. 스트라타시스는 FDM 기술과 광경화성 수지를 분사해 자외선으로 한 층씩 쌓아올리는 폴리젯(PolyJet) 방식으로 3D 프린터를 생산하고 있습니다.

그런데 이 두 회사에는 묘한 공통점이 한 가지 있는데요, 바로 두 회사 모두 적극적인 인수합병을 통해 회사를 성장시키고, 특허권을 확보해왔다는 것입니다.

3D 시스템즈는 개인용 3D 프린터 제작회사인 비츠 프롬 바이츠(Bits from Bytes), SLS 기술을 가진 피닉스 시스템(Phenix Systems) 등 40개에 이르는 3D 프린팅 업체를 인수•합병하였는데요. 이를 통해 3D 프린터 시장 점유율 확대를 노리고 있습니다.

스트라타시스 역시 50%에 이르는 현재의 시장 점유율을 달성하는데 인수합병 전략을 적극적으로 구사하였습니다. 특히, 2013년 개인용 3D 프린터 점유율 1위인 FDM 인수가 대표적입니다.

3D 프린팅은 그 활용분야가 방대한 만큼 생활의 새로운 패러다임을 열어줄 것으로 기대됩니다. 앞서 설명해 드린 의료분야나 디자인 산업뿐만 아니라, 1인 제조업의 가능성을 열어주는 것이 바로 3D 프린터 기술입니다.

내가 휴대폰 케이스를 만들 계획이 있다고 가정해보죠. 기존에는 디자인부터 실물모형 제조까지 혼자 힘으로는 감당하기 힘든 부분이 많았지만, 3D 프린터는 이 모든 과정을 단순화시켜서 간단히 제조할 수 있도록 해줍니다.

이는 제품의 공급망 자체를 바꾸는 엄청난 혁신인데요. 특히 최근에는 3D 프린터 가격이 점점 낮아지고 있고, 그 정확도도 높아지고 있어 활용이 더욱 확대될 것으로 보입니다. 앞으로 3D 프린터를 이용한 제조혁신이 어디까지 이어질지 관심을 가지고 지켜봐야 하는 이유입니다.