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21세기 세상을 프린트하다. 3D 프린팅
작성자 : 강대신문 학술부
작성일 : 2016-08-11 20:52:50
조회 : 172
호년월일 : 제1222호 2015년 10월 12일
발행일 : 2015-10-12

21세기, 세상을 프린트하다 3D 프린팅



  최근 들어 IT 업계에서 3D 프린팅이 21세기의 산업혁명이라고 불리며 차세대 생산 기술로 주목받고 있다. 3D프린팅은 3차원으로 특정 물체를 찍어내는 프린팅 기술로, 입체적으로 만들어진 설계도만 있으면 종이에 인쇄하듯 3차원 공간 안에 실제 사물을 만들어 낼 수 있는 기술이다. 미래학자들은 앞으로 3D 프린터가 생산비용을 낮춰 전 세계 제조업 지도를 완전히 바꿔 놓을 것으로 예견했다.
  이번 학술면에서는 3D프린트의 역사와 발전 과정, 그리고 최근에 3D프린팅이 주목을 받고 있는 이유에 대해 알아보고자 한다.


IT분야의 차세대 혁명, 3D 프린팅

  3D 프린팅은 2000년대 후반에 전 세계에서 미래유망기술로써 주목 받기 시작했다. 2013년 미국의 MIT에서는 ‘10대 혁신기술’에 3D 프린팅 기술(AM)을 선정했다. 아울러 컨설팅 전문업체인 멕킨지(McKinsey), 삼성 경제 연구소에서도 3D 프린팅을 미래의 주요 기술로 발표했다.
  3D프린팅은 컴퓨터 내에서 작업된 3차원 모델링 데이터를 직접 손으로 만질 수 있는 물리적인 형상으로 빠르게 제작하는 기술로 정의 된다. 넓은 의미로 보면 3D 프린터가 작동하는 방식은 오늘날 사무실과 가정에서 흔히 사용되는 2D 프린터의 논리적 진화일 뿐이다. 문서와 사진을 출력하는 데 활용되는 2D 프린터는 종이의 표면에 잉크의 위치를 정해 글자나 이미지를 출력하는 원리이다. 3D 프린터도 이와 유사하다. 다만 2D 프린터가 종이 위에 위치를 정하는 대신 3D 프린터는 3차원 공간에 물체를 위치시켜 물건을 출력하는 것이 다를 뿐이다.
  놀랍게도 이 기술은 등장한지 서른 해를 훌쩍 뛰어 넘었다. 1984년, 미국 3D시스템즈 사는 플라스틱 액체를 굳혀 물건을 만드는 프린터를 세계 최초로 개발했다. 개발 초기에는 프린터가 너무 비싸고 소재가 한정돼 컨셉 모델, 프로토 타입, 금형(金型) 등의 생산도구를 만드는 장치로 특정 산업 분야에서 사용됐으나, 현재는 미국 등에서 수백만 원대의 보급형 제품이 나오고 부피도 줄어들어 일반에 확산되는 추세이다. 소재 또한 플라스틱, 금속, 석재, 종이 등으로 범위가 확산됐다. 산업용 샘플을 찍어내던 것에서 발전해 시계, 신발, 휴대전화 케이스, 자동차 부속품까지 출력할 수 있다.
  3D프린터는 의료 및 생명공학, 항공, 운송, 예술 등 다양한 분야에 활용되고 있다. 또한 3D 기술을 활용하면 비용 효율성을 높일 수 있기 때문에 변화가 빠른 제조업 분야에 활용도가 매우 높은 편이다. 일본, 미국 등에서는 3D 프린팅 기술을 본격 상용화하고 있다.


3D에서 4D로!

  4D 프린팅은 재작년 4월, 미국 MIT 자가조립연구소 스카일러 티빗츠 교수가 ‘4D 프린팅의 출현’이라는 제목의 TED 강연을 하며 세상에 처음 알려졌다.
  4D 프린팅의 핵심은 ‘형상기억합금’ 같은 스마트재료를 3D 프린터로 출력하는 것이다. 자가변형 또는 자가조립 기능이 가능한 스마트재료를 3D 프린터로 출력하고, 출력된 물체는 재료에 내장했던 프로그램에 따라 시간 또는 주변 환경이 변하면 다른 모양으로 변신한다. 이 기술에 4D란 이름이 붙은 것도 기존의 3차원 입체에 ‘시간’이라는 1차원이 추가됐기 때문이다. ‘4D 프린터’로 찍어낸 물체는 인간의 개입 없이 열이나 진동, 중력, 공기 등 다양한 환경이나 에너지원에 자극 받아 변한다. 형상은 엔지니어가 미리 어떻게 프로그래밍을 하느냐에 따라 달라진다.
  4D 프린팅은 머지않은 미래에 우주 공학, 의학 등의 다양한 분야에서 폭넓게 활용될 전망이다. 전문가들은 4D 프린팅 기술로 만든 완구 같은 단순한 물체는 5년, 보다 복잡한 형태는 20년 안에 상용화될 것으로 보고 있다.


3D 프린팅의 한계

  그렇다고 3D 프린팅이 무엇이든 뚝딱 만들어낼 수 있는 만능기술은 아니다. 현재 3D 프린팅의 기술적인 부분의 한계는 분명히 있다. 우선 제품 크기에 한계를 지닌다. 프린터의 크기가 제품의 크기를 한정 지을 수밖에 없기 때문이다. 또한 적층 구조로 인해 금형(金型)으로 제작된 타 제조품 보다 낮은 내구성과 표면 조도(해상도)의 문제도 한 몫 한다. 사회적 측면에서는 지적 재산권 문제와 고임금 노동자인 숙련 노동의 영역을 축소시킬 가능성도 단점으로 꼽히고 있다.
  3D 프린팅 전문가 제이알텍(JRTECH) 이정렬 대표는 “3D 프린팅 기술의 발달로 무기 혹은 동전 출력이 가능해 질 수 있다”다는 것을 우려했다. 실제로 2013년 5월 미국에서 ‘3D권총’사건으로 이슈가 된 사례가 있다. 총기 제작 기술 개발사 디펜스디스트 리뷰티드 그룹이 3D 프린터로 생산한 총 ‘리버레이터’의 설계도면을 인터넷에 공개하자 순식간에 다운로드 횟수가 10만 건을 돌파한 것이다. 이에 미정부는 인터넷에 올린 도면을 삭제하라고 요청했다.
  이 대표는 “국가 차원의 3D 프린팅 관련 법규와 정책 마련이 필요하다”며 “기술적 한계점은 앞으로 3D 프린팅 기술이 점차 발전하면서 충분히 극복할 수 있는 문제”라고 전했다.


3D프린터가 보여줄 새로운 미래

  현대에 들어 우리 삶에서 가장 많은 부분을 변화시킨 기술은 단연 인터넷이라고 할 수 있다. 인터넷 기술이 혁명으로 재조명 받기까지 30년이라는 시간이 걸렸다는 점으로 보아 3D 프린팅 기술 또한 앞으로 주류 기술로 채택될 가능성이 크다는 전망이다.
  미래학자 크로스토퍼 바넷은 그의 저서 『3D 프린팅 넥스트 레볼루션』에서 3D 프린팅을 “혁명을 일으키는 기술”이라며 “앞으로 몇 년 또는 몇십 년 후에 우리의 삶을 여러 가지 방법으로 바꿀 것”이라고 말한 바 있다. 그는 장차 이 기술이 밝고 혁신적인 미래를 가져올 것이라 예측했다.
  바이오 3D 프린터를 이용한 ‘인공장기’, 3D 프린터로 음식을 만드는 ‘디지털 푸드’ 등의 상상 속의 일들이 현실화되고 있으며, 3D 프린팅의 여명이 우리 삶의 특정 부분을 변화시킬 것은 분명하다. 그러므로 3D 프린팅의 잠재력을 지켜보고 미래를 대비할 필요가 있다.


우리대학교 3D 프린팅 프로그램

  우리대학교 ‘아이디어 팩토리’ 사업단은 3D 프린팅 관련 교육 프로그램을 운영 중에 있다. 교육 프로그램은 정기/상시 운영 프로그램으로 나뉜다. 12주 정기교육프로그램은 매주 수,목 오후 7시부터 9시까지 운영되며, 현재 1기 교육생들이 도면화 작업과 3D 모델링 교육을 받고 있다. 상시 운영 프로그램은 ‘1day 수시프로그램(habitto-idea)’이라는 이름으로 학생들을 대상으로 설계 및 장비운용 지원을 통해 1day 프로그램을 지원하고 있다.
  한편 아이디어 팩토리 공용장비센터에는 여러 대의 3D 프린터를 보유하고 있으며 그 외에도 레이저 스캐너, 조각기와 와이어컷 방전 가공기 등 다양한 장비가 구비돼 있다.


■ 3D 프린팅(적층 가공)의 원리

  3D 프린팅은 과거에는 RP(Rapid Prototyping, 쾌속 조형)으로 불렸지만, 요즘은 일반적으로 AM(Additive Manufacturing, 적층 가공)이란 용어로 지칭되고 있다. ‘적층 가공’은 3차원 물체를 만들어내기 위해 원료를 여러 층으로 쌓거나 결합시키는 3D 프린팅의 작동 방식이다. 즉 컴퓨터의 지시에 따라 원료를 ‘층(layer)’으로 겹쳐 쌓아서 3차원의 물체를 만들어내는 것이다.
  적층 가공은 크게 FDM, SLS, SLA의 세가지 기본 방식으로 나눠진다. 

  FDM(Fused Deposition Modeling) 방식 FDM 공정은 필라멘트나 와이어 형태로 공급되는 재료를 열에 녹여 일정 압력으로 노즐을 통해 압출해가며 적층 조형하는 방식이다. 즉 열가소성수지가 프린터 헤드 노즐에서 떨어질 때 급속하게 굳는 것을 이용한 기술이다. 이 기술로 플라스틱 뿐 아니라 금속을 출력하거나 초콜릿, 치즈, 케이크 프로스팅으로 실제 먹을 수 있는 음식을 출력할 수도 있다. 콘크리트를 출력하는 매우 실험적인 3D 프린터도 있다.

  SLS(Selective Laser Sintering) 방 매우 고운 분말을 굳히는 이 기술은 분말을 결합시켜 물체의 층을 만든다. 우선 자동으로 제어되는 재료 공급 장치에서 분말이 조형 판에 공급되면 분말을 리코팅 롤러가 평탄화 시켜준다. 다음 상단부에서 레이저를 주사하거나 바인더를 분사하여 분말을 결합시킨다. 파트는 가장 밑바닥 부분부터 적층이 이뤄진다. 현재 나일론, 왁스, 코발트 크롬, 티타늄 등을 재료로 한 제품이 제작되고 있다.

  SLA(Stereo Lithography Apparatus) 방식 레이저나 다른 광원에 노출됐을 때 고체로 변하는 광폴리머라는 액체로 물체를 만드는 기술이다. 액체 광폴리머가 담긴 탱크에 레이저나 광원을 쏘아주면 광폴리머가 굳어 하나의 완전한 물체가 되는 원리이다. 한 층이 만들어질 때마다 한 층두께만큼 밑으로 내려가면서 다시레이저를 주사하게 된다. 수지의 표면 평탄화와 재료 코팅은 리코터의 수평 날에 의해 이뤄진다.

<참고문헌>

주승환, 『스타트 업!! 3D 프린터 활용 마스터』, 인포더북스, 2015
크리스토퍼 바넷, 『3D 프린팅 넥스트 레볼루션』, 한빛비즈, 2014
호드 립슨·멜바컬만, 『3D 프린팅의 신세계』, 한스미디어, 2013


김건회 기자 <ghfl5634@kangwon.ac.kr>