3D 프린터의 역할은 기존 절삭가공, 사출성형 기술과 같은 대량생산 체제를 보완하는 관점으로 접근하면 이해하기 쉽다.
3D 프린터의 관련 세계 시장 규모는 2012~2013년 현재 약 25억 달러 규모로, 제품 시장 규모가 약 11억 달러, 서비스 시장 규모가 약 14억 달러로 추정되고 있다.
산업용 3D 프린터 시장은 M&A를 통해 성장한 스트라타시스(Stratasys)(美)와 3D시스템즈(美) 양사의 과점 체제가 구축돼 있다. 업계 1위 스트라타시스는 2011년 5월 솔리드스케이프(Solidscape)(美), 2012년 12월 오브젯(Objet)(伊)를 인수하면서 50% 이상의 시장 점유율을 보이고 있다. 오브젯인수를 통해 기존의 FDM 및 Polyjet 기술에 대한 원천 특허를 확보하는데 성공한 셈이다.
업계 2위 3D시스템즈는 SLA과 SLS 기술에 대한 원천 특허를 보유하고 있으며, 2011년 이후에만 25건의 M&A를 통해 시장 점유율을 확대하고 있다.
개인용 3D 프린터 시장 역시 산업용 제품 시장에서 지배적인 위치를 차지하고 있는 기업의 자회사들이 시장을 주도하고 있다. 지난 해 6월 스트라타시스가 인수한 메이커봇(MakerBot)은 2009년 이후 총 2만2천대의 개인용 3D 프린터를 판매하며 시장 점유율 25%를 기록하기도 했다. 전체적인 시장 흐름은 현재 3D시스템즈의 자회사(Bits From Bytes, Cubify)와 Beijing Tiertime 3사가 전체 시장규모의 절반을 차지하는 것으로 추정된다.
3D 프린터 기술과 대중화
3D 프린터는 설계 데이터에 따라 액체와 파우더 형태의 폴리머(수지), 금속 등의 재료를 가공·적층 방식(Layer-by-layer)으로 쌓아올려 입체물을 제조하는 장비다. 3차원 CAD에 따라 생산코자 하는 형상을 신속 조형하는 기술인 RP(Rapid Prototyping)를 구현한 시스템으로도 이해할 수 있다. 이는 입체의 재료를 기계가공·레이저를 이용해 절단하거나 깎는 방식으로 입체물을 생산하는 절삭가공(Subtractive Manufacturing)과 반대되는 개념으로 공식적인 기술 용어는 2009년 미국재료시험학회(ASTM)에서 정의한 적층가공(Additive Manufacturing)이다.
최초의 3D 프린팅 기술은 1981년 일본 나고야 시립연구소의 히데오 코다마가 개발했지만 이를 최초로 시스템화해 상용화를 달성한 사람은 1986년 3D시스템즈를 창업한 미국의 찰스 훌로 알려져 있다.
3D 프린팅 기술은 적층 방식과 입체물 제조에 활용 가능한 재료에 따라 다양한 기술로 분류된다. 적층 방식은 압출, 잉크젯 방식의 분사, 광경화, 파우더 소결, 인발, 시트 접합 등으로 구분가능하며, 활용 가능 재료는 폴리머, 금속, 종이, 목재, 식재료 등 매우 다양하다. 현재는 폴리머를 활용해 적층하는 기술이 가장 많이 개발됐으며, 금속 재료의 경우 티타늄, 알루미늄, 코발트, 스테인리스 강, 구리, 마그네슘 등의 소재에 기반한 합금, 산화물질 등 복합재료의 적용이 확산되고 있다.
3D 프린팅 기술 가운데 최근 주목받고 있는 기술은 FDM과 SLS, DMD 등이 있다. FDM(Fused Deposition Modeling)은 가는 실(필라멘트) 형태의 열가소성물질을 노즐 안에서 녹여 얇은 필름형태로 출력하는 방식으로 적층하는 기술로 2009년 11월 특허 만료에 따라 저가이면서 오픈 소스 형태의 장비가 빠른 속도로 보급되고 있다.
SLS(Selective Laser Sintering)는 베드에 도포된 파우더(분말)에 선택적으로 레이저를 조사ㆍ소결하고, 파우더를 도포하는 공정을 반복해 적층하는 기술로 재료 강도가 강하면서도 응용 분야가 광범위한 장점이 있다. 올해 2월 말에 특허 권리가 만료되면 고부가가치 3D 프린터의 대중화에 크게 기여할 것으로 전문가들은 예측하고 있다.
한국기계연구원의 곽기호 선임연구원은 ‘3D 프린터 기술 및 산업 동향’ 보고서에서 “3D 프린터는 제품 혁신의 촉발, 고부가가치 부품 제조, 바이오/의료 등 신성장 동력 창출 등 무한한 가능성을 보유하고 있는 만큼 우리나라 또한 시장 및 R&D 주도권을 확보하기 위한 노력이 필요하다”며 “궁극적으로는 3D 프린터뿐 아니라 3D 스캐너, 재료 등 생산 가치사슬 전반을 포괄하는 생태계 구축의 발전전략이 필요하다”고 진단했다.
장비 산업 규모에 비해 업체 수가 과도하게 많은 시장 상황을 고려해 장비와 재료의 병행 개발을 통한 시장 주도권 및 경영 안정성을 확보하기 위한 노력이 필요하다는 말로 해석된다.
곽 연구원은 “특히 3D 프린터에 최적화된 3D 스캐너가 개발된다면 CAD 없이도 3D 모델링이 가능하기 때문에 3D 프린터의 보급 가속화는 물론 경로 생략형 기술 추격을 통한 시장 침투가 가능할 것으로 기대된다“며 ”개인용 3D 프린팅 서비스, 3D 디자인 파일 등을 거래하는 온라인 마켓플레이스 개발 등 다양한 비즈니스 모델을 창출해야 할 것“이라고 강조했다.
그는 해외에서는 이미 다양한 3D 프린팅 서비스 플랫폼이 개발 운영 중에 있는 만큼 우리나라도 3D 프린터(제조업)와 프린팅서비스(서비스업)의 동반 육성 및 융합 비즈니스 모델을 통해 경제 구조의 고부가가치화는 물론 고용 창출의 선순환 조성에 박차를 가해야 할 것이라고 주문했다.
국·내외 현황
산업 초기단계지만 장비성능향상, 가격하락 및 관련 서비스산업 발전에 힘입어 2012년 22억 불에서 2021년 108억 불로 고속성장이 점쳐지고 있다.
장비 및 소재를 개발·생산하는 제조업, 생산대행·제작지원을 제공하는 서비스업 등 다양한 유형의 기업들로 구성된 소수 선두업체들이 시장의 70% 이상을 과점하며, 장비업체가 직접 소재개발을 통해 소재 공급도 주도하고 있다.
3D 프린팅 확산 기조 속에서 미국 정부도 금융과 재정위기(2008, 2010) 이후 제조업의 중요성을 재인식하고 미국 내 제조업 부활을 위한 투자 실시 중이다.
2012년 7월 미국 정부는 ‘선진제조업(Advanced Manufacturing)’ 육성에 관한 이니셔티브를 발안했으며, 제조업 혁신 역량 강화의 일환으로 3D 프린팅을 주목하고 있다.
2012년부터 15개 제조혁신센터와 네트워크(National Network for Manufacturing Innovation, NNMI) 구축을 위해 10억 달러를 투자하는 등 본격적인 첨삭제조(AM) 투자를 시작했다.
지난 해 오바마 대통령이 연두 국정연설에서 3D 프린팅을 “거의 모든 것을 제조하는 방법의 혁신”으로 언급하면서 전 세계적인 이슈로 부상했기 때문이다.
3D 프린팅을 통한 제조업 패러다임 변화는 규모의 경제, 저임 노동비 우위와 같은 전통적인 제조업 경쟁력 요인에 영향을 미칠 것으로 예상된다.
이에 따라 국내 전문가들도 3D프린팅이 제조업에 가져올 영향을 해당 산업과 연관산 업 측면에서 분석하고, 향후 국내 수요 및 공급 활성화에 대한 모색이 필요하다는 데는 뜻을 같이하고 있다.
산업용은 Stratasys(53.4%), 3D Systems(17.5%), 개인용은 RepRap(60%), MakerBot(22%), Bits from Bytes(13%) 등의 기업이 시장과점 중이며 정부주도의 연구·장비 지원 인프라뿐만 아니라 민간기업의 인프라가 많아 기업·일반인의 3D프린팅 활용 접근성도 양호한 편이다.
글로벌 시장 성장에 따라 국내 시장도 급속히 성장 중이지만, 시장규모는 아직 미미한 수준에 그치고 있다.
소재 역시 해외 수입에 의존하는 구조를 띠고 있지만 향후 국내 소재기업의 글로벌 시장 진출 전망도 예상된다.
아직까지 제조업 중심 생태계로 저가 산업용 장비를 생산하는 중소·중견기업들로 구성돼 있고 2012년 국내기업 산업용장비 세계시장 점유율면에서도 1.7%(Wohlers Report 2013 기반 추정치)에 불과하다.
최근 오픈소스 H/W 기반 개인용 장비 생산업체들도 성장을 거듭하면서 제품디자인, SW 파일 등을 무료로 공개하고, 자유롭게 사용을 허용하는 HW도 등장하고 있다.
IRS Global에 따르면 2012년 국내 3D 프린팅 시장 규모는 약 300억 원 규모로 추정되며, 판매 중인 프린터의 90%가 수입품이다.
국내에는 약 20년 전부터 ‘RP장비’라는 명칭으로 자동차업체 등에 시제품 제조를 위한 산업용 3D 프린터가 도입됐으며, 기술고등학교의 학습이나 대학교 건축학과 졸업 작품 제작을 위해 교육기관에서도 구입하고 있다.
최근 가장 활발하게 3D 프린팅 수요가 발생하는 분야는 치과와 정형외과 등 의료분야이며, 병원 수술에 필요한 환자 맞춤형 수술가이드와 임플란트 제조에 활용 중이다.
기술수준의 경우, 2012년 현재 미국에 공개된 3D 프린팅 관련 특허를 기준으로 상위 10개국(기관 포함) 중 6위 수준에 머물고 있다.
삼성전자와 LG디스플레이를 중심으로 특허를 보유 중이며, 각각 미국 특허를 48건, 41건씩 보유 중인 가운데 국내에서 3D 프린터 관련 원천기술을 보유한 업체는 ‘캐리마’와 ‘인스텍’으로 산업용 3D 프린터와 스캐너를 제조하고 있다.
캐리마는 프린터 기기의 세분화와 기존 광학기기 제조 노하우를 바탕으로 3D 스캐닝 기술에서 두각을 나타내고 있으며, 인스텍은 금형생산 분야를 개척하고 있다.
국내 S/W기업으로 3차원 역설계 기술을 개발한 아이너스 기술의 경우, 3D Systems사에 390억 원에 인수돼 해당 기술이 전 세계적인 솔루션에 통합됐다.
무엇보다 3D 프린팅 기술을 활용할 경우, 디자인의 반복적인 수정이 용이해 제품디자인에 소요되는 시간을 단축할 수 있다는 데 있다. 과거 제품디자인에 1년가량 소요되었으나, S/W 발달과 쾌속 조형(RP) 등 시제품 제조방법이 보급되면서 3개월 정도로 단축된다는 게 업체 관계자들의 말이다.
의족, 보청기, 임플란트와 같이 재료와 기본적인 디자인 틀(인체)은 존재하지만 개인별 차이 때문에 1:1 맞춤 생산이 필요한 제품을 3D 스캔과 3D 프린트를 통해 쉽고 빠르게 맞춤 제작이 가능하다는 데 있다.
수작업 대비 투입되는 재료와 노동시간이 단축될 수 있어 생산비용은 감소하고, 신체 맞춤형 제품 덕분에 기능과 제작시간, 안정성 측면에서 소비자의 만족도는 증가할 것이라고 덧붙였다.
절삭공정 및 뿌리기술 보완, 그리고 활용도
기존 절삭공정 제조에 비해 소재 낭비를 줄이고, 강도 향상은 물론 수시로 디자인을 변경하고 생산기간까지 단축되면서 기존 제조방식이 가진 비효율성을 보완할 수 있다는 점은 높은 평가를 받고 있다.
제품 판매 후 사후관리를 위해 각 업체에서는 기한을 두고 각종 제품별 부품의 수급을 관리해야 하는데, 향후에는 해당 부품의 3D 디자인 파일을 보유하는 것으로 대체 가능하다는 점도 매력으로 꼽힌다.
제조업 생산에 있어 가장 기반이 되는 주조, 금형, 소성가공 등의 뿌리기술은 절삭가공 공정과 더불어 3D 프린팅 기술 간에 일부 대체성이 있으나, 보완성이 더욱 부각되고 있다.
3D 프린팅은 압출과 완성품의 빠른 생산을 통해 사출성형과 용접 부문과 대체성이 큰 편이나, 3D 프린팅을 발전시킬 경우 복합사출성형 부문에서 원천기술과 상용화 기술 개발 가능성이 상존하고 있다. 3D 프린팅 후처리 공정에서는 뿌리기술 전 분야와 보완성을 가지며 시너지 효과도 발생할 것으로 업계는 내다보고 있다.
3D 프린팅 완제품은 외장재로서의 내구성이 기존 절삭공정 제품에 비해 부족하기 때문에 완제품보다는 부품 제조가 현실적이라는 말도 설득력을 더하고 있지만 3D 프린팅으로 기존 공정의 제조비를 절감하면서 동시에 3D 프린트된 제품에 필요한 가공을 더함으로써 제조업 전체의 경쟁력 향상을 가져올 것이라는 긍정적 시각이 강하게 작용하고 있다.
활용사례를 보면 보잉사의 경우 10개의 민간 항공기 플랫폼에 200개 부품을 프린트해서 사용하고 있으며, F-18의 경우 90개의 3D 프린팅 부품을 사용 중이다.
록히드 마틴은 F-35에 900개 부품을 3D 프린팅으로 생산하고 있고, 포드와 페라리는 특수차량의 복잡한 패널 부품을 기존 대비 30~40% 절감된 비용으로 생산하고 있다.
GE 역시 무인자동차 및 항공기용 특수 엔진의 부품 경량화를 위해 3D 프린팅 기술 보유 업체를 인수했으며, 2020년까지 수만 개 부품 생산이 가능할 것으로 점치고 있다.
맥도널 더글러스의 경우도 생산이 중단된 MD80 제트기의 플라스틱 부품을 3D 프린팅으로 생산해서 대체하고 있고, 구글에 인수된 모토로라는 안드로이드 플랫폼을 이미 보유한 상태에서, 3D Systems와 함께 조립형 스마트폰을 제작하는 ‘Ara 프로젝트’를 진행 하고 있다.
단순히 소비자의 기호에 맞는 디자인과 애플리케이션 선택뿐 아니라, 부품 기능(GPS, 카메라, 스피커 등)을 소비자가 직접 선택해 조립하고 있는 작업이 한창이다.
노키아는 지난해 루미아 820 기기의 커버케이스에 대한 상세 디자인 데이터(사양, 소재, 치수 등)를 3D 디자인 파일 형태로 공개한데 이어 BMW도 생산 공장에서 노동자들의 손에 맞춘 공구와 포지션 부품을 직접 디자인하고 현장에서 3D 프린팅해 사용하고 있다.
공장에서 직접 프린팅한 플라스틱 모듈과 다이(die)를 이용해 신규 시험생산 라인을 구축함으로써 초기 셋업(Set-up) 속도 향상에도 기여하고 있다.
맞춤형 보청기는 2011년 현재 100만개 이상 판매되었으며, 고관절 구체는 약 4,000개, 치과용 제품은 매일 5만~6만 개가 SLA(3D 디자인)파일 방식을 이용한 3D 프린터로 생산하고 있다. 포낙사(보청기), 짐머/바이오멧/신텍스사(정형외과, 치과용 임플란트)가 대표적인 케이스다. 이 외에도 사용자 맞춤형 의족이 생산 중이며, 세포를 이용한 바이오 프린팅 제품(인공혈관, 인공 귀 등)은 시제품 단계에 이르렀다.
다만 기기에 의한 제작 속도와 제품 크기·완성도에 따른 제약은 여전히 풀어야 할 숙제다.
소모품을 시장에 론칭하기 위한 완제품 제조시간은 전반적으로 단축되지만, 단계별 프린트가 필요하기 때문에 개당 생산에 필요한 속도는 기존 자동화 생산기계에 비해 느리다는 문제가 있다.
가정용 FDM 제품의 경우 1시간에 3cm 작업만 가능하다. 특히 단일 제품을 생산할 때와 100개를 생산할 때 단위당 재료 투입량의 변화가 없이 고정적으로 재료를 소모함으로써, 대량 생산으로 발생하는 규모의 경제 달성은 불가능한 실정이다.
취약한 기술역량과 미흡한 활용여건
이미 구축된 장비를 기업들이 활용하기에 전·후처리 장비가 부족하고, TP·연구기관은 산발적으로 장비 구축·운영 중이다.
3D프린팅 장비는 있으나, 메탈제품의 서포터를 제거하는 후처리 장비 등이 종합적으로 구축되어 있지 않아 유휴설비가 많은 실정이다.
대부분 시제품 출력 위주로 사용되고 있으며, 구축된 장비의 종류·적용범위 등 정보 파악도 어려운 상황이다.
여기에 일반 접근성도 떨어진다. 3D프린팅에 대한 높은 관심에 비해 일반 국민이 이를 체험·활용할 수 있는 인프라가 부족하다.
인력부족도 문제다. 3D프린팅의 도입·보급이 확대되고 있으나, 이를 활용할 수 있는 인력이 부족하고, 관련 교육, 인재양성 체계가 미흡하다는 지적을 받고 있다.
국내 3D프린팅 관련업체의 자생과 신 비즈니스 창출을 위해 비즈모델 발굴 및 초기시장 형성이 필요하지만 정부의 지원 부재, 제품·서비스 아이디어의 체계적인 사업화 연계지원이 시급하며, 사업화 최신동향 등 정보 교류 활성화를 위한 소통의 장 부족도 한 몫 하고 있다.
글로벌 선도 기업이 핵심 원천기술(SLS, SLA 등)을 주도 중이어서 국내는 고부가가치 장비 개발을 위한 기술력이 아직은 힘을 발휘하지 못하고 있다.
디지털광학기술(DLP; Digital Light Processing)의 A사, 레이저 금속 성형기술(DMT; Direct Metal Tooling)의 B사 등 일부기업이 독자기술을 보유 중임에도 불구, Stratasys(美) 등 해외 선진기업 대비 기술경쟁력은 취약하기 때문이다.
목업(Mock-up)용에서 고부가가치 소재(세라믹, 바이오, 복합소재 등)로 활용분야가 다양화되고 있으나 국내 관련 연구개발 전무, SW 역시 대부분 외산에 의존(70~80%)하고 있으며, 특히 산업 활성화의 촉매가 되는 콘텐츠 생성관련 SW기술 개발이 시급한 상황이다.
설계도면, 제작품 등 지식재산권 관련 제도 및 3D프린팅 산업진흥·역기능 방지를 위한 제도도 아직 마련돼 있지 않고 KS규격 등 표준화 전략 및 품질 평가 체계 역시 낮은 점수를 받고 있다.
ISO TC261 등을 통해 3D프린팅 관련 국제표준이 제정되고 있으나, 이에 대응한 KS규격이 없어 표준화된 국산 장비·소재 개발 지연과 국내 생산 장비·소재의 성능, 안전성 등 품질평가체계 부재로 국산 제품의 공신력 확보에 애를 먹고 있다.
이를 타개하기 위한 전략의 일환으로 정부는 우선 수요 연계형 성장기반을 조성한다는 계획을 세워둔 상태다.
중소기업 등 3D프린팅 기술 도입·확산을 위한 인프라 구축과 일반인에 3D프린팅 체험 기회를 제공하여 사회적 관심 유도, 3D프린팅을 활용할 수 있는 기초·전문 인력양성에 주력한다는 방침이다.
정부 ‘3D프린팅 산업발전전략’ 제시
미래창조과학부와 산업통상자원부는 제조업의 혁신과 창조경제 신시장 창출은 물론 사회 전반에 새로운 패러다임 변화를 선도하기 위한 ‘3차원(3D)프린팅 산업 발전전략’을 공동으로 수립했다.
이 전략은 ‘2020년 3차원(3D)프린팅 글로벌 선도국가 도약’을 비전으로 정하고 ▲수요연계형 3차원(3D)프린팅 성장기반 조성 ▲비즈니스 활성화 지원 ▲기술경쟁력 확보 ▲법제도 개선 등 4대 분야, 11대 중점 과제를 선정해 추진하는 것을 내용으로 하고 있다.
우선 3차원(3D)프린팅 활용을 위한 여건 조성에 집중할 계획이다.
3차원(3D)프린팅 수요 창출을 위해 중소기업 등 기존 산업현장에서 3차원(3D)프린팅 기술을 시범적으로 활용함으로써 제조공정 개선으로 이어질 수 있도록 종합적 지원기반을 구축, 무한 상상실 및 셀프제작소를 통해 일반 국민들도 3차원(3D)프린팅을 체험해 볼 수 있도록 지원할 예정이다.
아울러, 인적기반 조성을 위해 수준별 교육 프로그램을 운영하고 마이스터고 등을 대상으로 실습용 장비보급도 추진한다.
이어 국내 기업의 자생력을 강화하고 초기시장을 활성화할 방침이다.
신시장 창출을 위한 비즈니스 모델을 발굴·확산하고, 3차원(3D)프린팅 콘텐츠 생산·유통을 위한 기반환경을 조성해 창업을 지원하고 유망 비즈니스 모델의 경우 해외진출도 촉진시켜 나갈 계획이다.
3차원(3D)프린팅산업 선순환 생태계 조성을 위해 다양한 정보를 공유하고 특히, 디자인 등 타 분야 시스템과의 연계가 가능한 콘텐츠 유통 플랫폼 구축 추진을 서두르고 있다.
정부는 2020년까지 2012년 최선도국 대비 현재 6.3%에 불과한 특허출원 비중을 20%까지 끌어올린다는 목표 하에 3차원(3D)프린팅 원천·융합기술 개발에도 나서기로 했다.
개발되는 기술의 시장성을 사전에 확보하기 위해 미래 기술수요 등을 반영한 중장기 기술전략 로드맵을 수립하고 장비, 소재, 소프트웨어(SW) 등 각 분야별로 상호 연계형 기술개발 연구개발(R&D)를 추진한다는 전략이다.
특히, 장비운용 및 설계 소프트웨어(SW) 등 연구개발(R&D)를 통한 기술자산정보는 소프트웨어(SW)뱅크에 등록하고 기술이전, 사업화 지원 등을 통해 연구 결과물의 활용을 촉진시킬 생각이다.
마지막으로 3차원(3D)프린팅 산업진흥 및 역기능 방지를 위한 법·제도 정비도 추진한다.
3차원(3D)프린팅산업의 진흥과 지적재산권 보호를 위한 복제품 방지, 불법 무기류 제작 등 역기능의 사전 차단을 위해 법·제도적 개선사항을 발굴해 정비한다.
장비 성능 및 소프트웨어(SW) 품질 등에 대해 표준 및 품질평가 체계를 마련하고, 정보보안을 위한 분야별 가이드라인을 수립해 제시키로 했다.
정부는 이 같은 추진전략을 통해 2020년에는 장비, 소재, 소프트웨어(SW) 등에 있어 2013년 기준으로 전무한 글로벌 선도 기업 5개 육성, 2012년 1.7%에 불과한 글로벌 시장 점유율 15%라는 목표를 달성할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
미래부와 산업부는 민간과 정부의 역량을 총체적으로 결집하기 위해 ‘3차원(3D)프린팅산업 발전협의회’ 및 ‘3차원(3D)프린팅산업 발전추진단’을 구성해, 3차원(3D)프린팅 정책·과제 발굴, 인프라 조성, 기업 지원 등에 적극 나서기로 했다.
한편 3D프린팅 산업은 새로운 산업과 양질의 일자리 창출의 핵심 수단으로 부상할 전망이다. 디자인 콘텐츠 유통, 모델링, 플랫폼 서비스 등 각종 서비스 산업과 다양한 제품을 위한 소재산업 활성화는 물론 3D프린팅 장비제조, SW·콘텐츠 제작 및 서비스까지 전 주기적으로 고급, 전문, 현장인력 등의 수요가 급증할 것으로 예상된다.