백과

3D 프린팅 기술의 응용 분야

자동차 분야/우주항공 분야

자동차의 대시보드, 바디패널 및 부품의 시제품에 3D 프린터를 사용하고 있는 추세이다. 고급 스포츠카 람보르기니는 아벤타도르(Aventador) 시제품 제작에 3D 프린터를 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 3D 프린터를 사용하여 2년 정도 제작 시간을 단축시켰다.

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

교육 분야

3D 프린팅을 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 3D 프린터 교육을 하는 곳이 늘어나고 있으며 3D 프린터 강사 자격증 시험 등이 생겨나고 있다. 일부 초등학교나 중학교에서는 방과 후 수업과 같은 프로그램을 통해서 3D 프린팅 기술을 가르치고 있다. 소프트웨어를 다루는 방법이라든지 자기가 그린 도면을 직접 프린팅할 수 있는 기술들이 주 내용이다.

한국과학기술연구원(KIST)에서는 시각장애 학생들을 위한 교재인 3차원 입체 교구를 개발하고 있다. 시각장애 학생들이 배우고 있는 점자 중심의 점자책에는 생략되어 있는 그림들을 3D 프린팅 기술을 이용하여 3차원 형상의 촉각 교재로 제작하고 있다. 서울맹학교와 함께 개발하고 있는 3차원 입체 교구는 고인돌, 석굴암, 첨성대 등의 유물이나 꽃의 성장 과정이나 빛의 굴절 등에 이르기까지 다양하게 제작하고 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.

에너지 · 나노 분야

미국의 하버드대학교와 어바나샴페인 대학교의 연구진은 3D 프린터로 세계에서 가장 작은 리튬이온 배터리를 프린트해 만든 후 의료용 로봇을 가동하는 데 성공했다. 그림에서 보이듯이 초미세 3D 프린터로 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. 3D 프린팅 소재가 갖는 한계인 전도성이나 신축성을 극복하기 위하여 그래핀 에어로젤 기반의 나노소재를 대량 합성하여 3D 프린팅이 가능한 소재를 개발하였으며 그래핀 소재를 이용하여 다공성 대변형 구조체를 프린팅하는 데 성공한 보고도 있다.

3D 프린터로 인쇄한 초소형 배터리

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생명을 살리는 바이오 3D 프린팅

의료용 3D 프린팅 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 3D 프린팅 기술은 최적의 기술이다. 의료용 3D 프린팅 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 3D 프린터를 이용해 의료용 로봇 팔을 제작하였다. 어깨와 팔 등의 신체 크기에 맞게 제작된 로봇 팔은 팔의 움직임을 도와줌과 동시에 성장 속도에 따라 제작 및 교체가 가능해졌다. 의학 보조기로써 의수와 의족에 대한 연구 및 실용화 기술 개발이 한창이다. 3D 프린팅 기술이 가지는 맞춤형 특징을 활용함으로써 환자의 체형에 거의 유사한 회형과 재질도 금속이나 가죽, 플라스틱 등 다양하게 사용할 수 있고 디자인을 다양하게 표현하여 개인의 취향을 살릴 수 있는 장점을 가진다.

3D 바이오프린팅 모형 제작 응용 사례

바이오 메디컬 분야에서 최근 많은 사례가 나오는 것 중 장기 모형 제작이 있다. 수술 전에 복잡한 내부 구조와 실제 물성에 가까운 소재로 장기를 프린트하여 수술 시뮬레이션을 진행하거나 환자에게 미리 설명하여 환자와 의사 간 이해도를 높여 복잡하고 위험한 수술에 대한 환자의 신뢰도가 높아지는 장점을 가진다. 또한 모형물들은 의대생과 전공의를 대상으로 하는 수술시 실제 시체를 가지고 하는 해부실습 교육에 활용될 수 있을 것이다.

초기의 연구로 2002년 미국 캘리포니아주립대 의대에서는 샴쌍둥이의 붙어 있는 신체부분을 MRI로 촬영한 후 모형을 제작하여 두 아이의 내장과 뼈가 다치지 않도록 분리하는 예행연습을 실시하여 위험한 수술을 빠르고 안전하게 성공적으로 마친 사례가 있다. 일반적으로 100시간 가까이 걸리는 수술 시간을 22시간으로 단축한 사례이다. 또한 삼성서울병원 이비인후과에서는 국내에서는 처음으로 부비동암 수술에 3D 프린터를 활용해 주목을 받았다. 부비동암을 앓고 있는 환자의 수술에 앞서 환자의 CT 영상 데이터로부터 환자의 수술 부위 골격을 3D 모형으로 제작해 얼굴에서 절제 범위를 확인하고 절제부위와 뼈 두께 등을 확인하며 수술에 이용하였다. 일본에서는 뇌와 유사한 모양과 질감, 신축성 및 반응성을 가지는 3D 모형 장기를 이용하여 수술 전에 실습함으로써 수술 성공률을 높일 수 있는 기술 개발이 진행되고 있다.

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• 13D 프린팅 기술을 이용하여 만든 심장 모형
• 23D 프린팅 기술을 이용하여 만든 귀 모형

바이오 3D 프린팅 기술 이용한 인공장기 개발

미국 코넬 의대에서는 살아 있는 세포로 만들어진 주입용 겔과 3D 프린팅 기술을 사용해 실제 귀와 동일한 모양의 인공 귀를 제작하였으며 최근에는 세포를 직접 프린팅할 수 있는 기술들이 개발되고 있다. 미국의 3D 바이오프린터 벤처기업인 오가노보 사에서는 3D 프린터로 만든 간, 콩팥 등의 바이오 프린팅 소재를 개발해 상용화 단계에까지 도달하였다고 한다.

특히 인간 간에서 발견되는 3가지 종류의 세포로 만들어진 3D 간 조직을 판매하고 있는데 이 조직은 42일간 생존이 가능하다는 연구 결과를 보고하고 있다. 간 조직 모델을 위한 바이오잉크를 사용함으로써 신약의 개발 속도가 매우 빨라지고 비용도 절감할 수 있을 것으로 기대된다. 미국의 웨이크포레스트 대학에서는 3D 프린터 기술을 이용하여 환자의 상처를 확인하고 상처 부위 바로 위에서 상처의 깊이와 폭을 측정하여 인공피부를 직접 출력하는 3D 바이오 프린터를 개발하였다.

돼지에게 10센티미터의 피부이식이 성공적으로 진행되었다는 보고가 있다. 포스텍의 조동우 교수 연구팀은 최근 혈관조직이 내 · 외부로 분포된 뼈조직을 3D 프린팅 기술을 이용해 프린트하였다. 그동안 줄기세포를 이용해 손상된 조직이나 장기 재생 가능성에 관한 연구가 진행됐다. 그러나 재생시킬 수 있는 조직과 장기의 크기가 작아 결손 장기를 회복시키기에는 어려움이 존재했으나 혈관과 뼈조직으로 분화할 수 있는 치아 내부의 연조직인 '치수' 줄기세포와 뼈형성 단백질 등을 재료로 3D 프린팅을 함으로써 조직이나 장기 재생이 가능하게 되었다.

소셜 매뉴팩처링을 위한 3D 프린팅

이러한 제조업에서의 디지털화는 미래 공장의 모습을 지금과는 사뭇 다르게 그려가고 있다. 미래의 공장은 지금보다는 훨씬 스마트한 소프트웨어에 의해서 돌아갈 것이고, 통신이나 사진, 음악 및 영화와 같이 디지털에 의해서 혁신적 변화를 겪은 산업만큼 제조업에서의 디지털화는 혁신을 가져올 것이다. 특히 디지털화로의 변화는 대기업보다는 유연한 대처가 가능한 중견 혹은 중소 벤처 기업에서 시작될 것이라 기대한다. 3D 프린팅 기술을 제공할 수 있는 기업이나 SNS 네트워크 기반의 3D 프린팅 제품 서비스를 하는 곳들이 진화하고 있으며 이는 사회관계 기반 제조(social manufacturing)라고도 알려져 있다.

3D 프린팅 기술이 차세대 제조업에 중요한 역할을 할 것으로 기대하는 이유는 최근 급속도록 발전하고 있는 ICT와의 결합 및 융합 가능성 때문일 것이다. 현재는 스마트 네트워크나 클라우드 컴퓨팅 환경 그리고 3D 프린팅 기술에 의해서 다양한 분야에서 디지털화가 이루어지고 있으며 이를 기반한 제조업의 디지털화가 빠르게 진행되고 있다. 여기에서 새로운 비즈니스 모델과 생산/유통/소비의 패턴들이 새롭게 형성되고 있다.

3D 프린팅 관련 인터넷 서비스 마켓플레이스인 쉐이프웨이즈

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3D 프린팅 기술의 발전은 제조업을 디지털화하여 인터넷과 SNS등을 통해 소셜 매뉴팩처링을 더욱 가속화하고 있으며 전 세계를 대상으로 생산, 유통, 소비를 가능케 하고 있다. 창의적인 아이디어의 실현이 가능하게 하는 클라우드 펀딩 혹은 소셜 펀딩의 대표 주자인 킥스타터(Kickstarter)나 인디고고(indiegogo) 등이 활발한 활동을 하고 있다. 킥스타터의 경우 개인이나 소규모 업체에서 좋은 아이디어(프로젝트)가 제안되었을 때 일반인들을 상대로 후원금을 모아서 프로젝트를 가능하게 하는 펀딩을 하여 창업으로 연결되게 도와주는 프로그램이다. 물론 후원자들은 나중에 아이디어가 제품화되면 그 제품을 받을 수 있는 일종의 예약 구매가 가능하다.

또한 쉐이프웨이즈, 싱기버스, 버블샵(Thebobbleshop), 큐비파이(Cubify) 등과 같이 온라인에서 3D 모형의 데이터파일을 사고팔고 있는 마켓플레이스가 생겨나고 있다. 주문한 파일을 출력하여 배달하는 다양한 서비스를 제시하며 온라인 마켓플레이스는 다양한 형태로 진화하고 있다. 쉐이프웨이즈는 네덜란드 회사로, 뉴욕에서 3D 프린팅 마켓플레이스 및 서비스를 제공하고 있다. 사용자가 디자인을 하여 이를 프린팅 가능한 파일로 쉐이프웨이즈 웹사이트에 업로드하면 쉐이프웨이즈를 통해서 실제 모형 프린팅이 가능하며 이를 다른 사용자에게 팔 수도 있다. 특히 3D 프린팅 팩토리가 뉴욕에 설립되어 사용자가 직접 디자인한, 1년에 수백만 개의 유저 디자인을 만들어내고 있다.

또한 모토로라가 2013년 10월 발표한 아라 프로젝트는 개방형 모듈러 스마트폰 플랫폼(Modular Smartphone Platform)을 구현하는 것으로 소프트웨어 플랫폼을 넘어선 하드웨어 플랫폼을 기반한 개인 맞춤형 서비스를 추진하고 있다. 이렇듯 모듈형 스마트폰 제조에 3D 프린팅 기술을 도입함으로써 개인이 디자인한 스마트 기기를 만들 수 있는 새로운 방식을 선보이고 있다. 2014년 말에 발표한 구글의 현재 상황 리포트에 따르면 아직 3D 프린팅 기술을 이용한 스마트폰 플랫폼은 어렵지만 향후 기술의 성숙을 바탕으로 3D 프린팅으로 원하는 스마트폰 플랫폼 기술을 선보일 예정이다.

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• 1~2아라 프로젝트

  아라 프로젝트의 기본 컨셉인 개인형 3D 프린팅 모듈 및 관련 부품의 전개도

3D 프린팅 기술의 진화: 4D 프린팅 기술

3D 프린팅 기술이 디지털 정보와 3D 프린터를 이용하여 원하는 입체를 구현하는 것을 의미한다면, 4D 프린팅 기술은 이러한 3D 프린터에 의해서 나온 구조체가 환경에 반응하여 시간에 따라서 변화하는 개념을 추가하고 있다. 3D 프린팅 기술을 이용해 만든 물체가 온도, 햇빛, 물 등의 요인에 따라 스스로 변형되도록 만드는 기술이 4D 프린팅 기술이다. 예를 들어 3D 프린터로 의수를 출력했다고 하면, 특정 온도나 압력 혹은 외력의 특정 조건에 의해서 출력물의 손가락이 접히거나 움직일 수 있게 프린팅하는 것이 4D 프린팅이라 할 수 있다.

4D 프린팅 기술을 이루고 있는 핵심 요소 기술은 스마트 소재와 변화 과정을 예측할 수 있는 설계 기술, 그리고 스마트 소재를 프린트할 수 있는 고기능성 3D 프린터 및 공정기술이다. 4D 프린팅이라는 용어는 2013년 미국 MIT 자가조립연구실 스카일러 티비츠 교수의 TED 강연을 통해 알려졌다. 당시 '4D 프린팅의 출현(The emergence of 4D printing)'이라는 제목으로 강연을 진행했으며, 이후 4D 프린팅 기술은 3D 프린팅의 진화된 개념으로 여겨지고 있다.

기존의 3D 프린팅 소재는 플라스틱, 금속, 세라믹 등 종류도 매우 다양해지고 있지만 4D 프린팅 기술에서 사용하기에는 소재의 측면에서 여러 가지 제약이 따르는 경우가 많다. 특정 기능성 소재는 기존의 3D 프린터로 프린팅 할 수 없는 경우도 발생하고 있지만, 이를 프린팅 할 수 있는 3D 프린터 및 공정 기술이 점차 개발되고 있다. 4D 프린팅 기술에서 소재의 선택은 매우 중요한 부분이다. 현재 4D 프린팅 기술에서 사용되고 있는 스마트 소재는 온도에 반응하여 길이나 형상이 변화하는 소재를 사용한다. 또한 UV 에너지에 반응하는 소재를 3D 프린팅 소재로 사용하여 프린팅할 경우 햇빛과 같은 UV에너지에 반응할 수 있는 4D 프린팅이 가능하다. 물이나 액체를 쉽게 흡수하는 소재를 이용한 3D 프린팅 기술에 대한 연구가 이루어지고 있다.

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• 1~23D 프린팅 기술의 진화

4D 프린팅 기술을 설명할 때 대표적으로 언급되는 소재 중의 하나는 바이오 소재이다. 앞서 제시한 환경 반응 소재는 반응 속도가 수초 혹은 1시간 이내로 짧다. 하지만 바이오 소재는 시간에 따라 변화하긴 하지만 그 변화를 완료하는 시간이 1달이나 1년 정도로 매우 긴 시간 동안 변화하는 특징을 가진다. 바이오 3D 프린팅 기술은 공학용 3D 프린팅 기술과 함께 발전해 오고 있지만 소재가 생체 친화적인 소재를 사용하거나 세포 자체를 사용하는 기술이다. 특히 생체 친화적 소재의 경우 우리 몸에 들어가서 시간이 지나면 녹을 수 있는 자기분해(self-degradable) 특성을 가진 것이 많다. 생분해성 소재는 시간이 지나면 체내에서 스스로 분해가 되어 변화하게 되기 때문에 4D 바이오 소재로 사용된다.

3D 프린팅 기술이 시작한 지는 벌써 30년이 넘었다. 하지만 3년 정도 지난 4D 프린팅은 다양한 가능성을 보여주고 있기에 최근 한창 흥미진진해지고 있다. 4D 프린팅 기술이 발전할 경우 3D 프린터의 출력 한계, 즉 물체의 크기와 부피의 한계를 극복하는 대안이 될 수 있다. 예를 들어 3D프린터로 한 번에 테이블을 만들기 위해서는 그 크기에 맞는 대형프린터가 필요하다. 그렇지만, 4D 프린팅으로는 평면으로 출력한 뒤에 나중에 스스로 형태를 변형하여 조립되는 테이블을 만들 수 있다. 더 나아가서 3D 프린터의 급속한 기술 발달과 관련 분야의 소프트웨어 발달과 함께 4D 프린팅도 더욱 활성화 될 것이다. 특히 3D 프린터에 스마트 소재와 스마트 설계가 결합되어야 하기 때문에 한동안 4D 프린팅 소재인 소재 개발에 초점이 맞춰질 것으로 예상된다.

3D 프린팅 기술이 현재의 관심 수준을 넘어서 응용 분야가 다변화되고 4D 프린팅의 발전이 가능하기 위해서는 현재 기술이 가지는 많은 이슈를 넘어서야 한다. 3D 프린팅 기술의 핵심 요소인 해상도, 소재, 소프트웨어 및 복합화 등에서 많은 기술 개선이 선결 과제이다. 먼저 프린터의 해상도가 현재의 수십 마이크로미터에서 수 마이크로미터 내지 100나노미터급으로의 발전이 필요하다. 프린터 속도의 경우 최근 기술의 급격한 발전이 이루고 있으며 실제로 카본 3D 사에서 개발한 SLA 타입의 프린터가 기존 대비 거의 100배 빠른 속도 향상을 보이고 있다. 추가적인 기술 발전이 이뤄지면 속도와 해상도의 획기적인 향상이 가능할 것으로 기대된다. 다만 보급형 프린터나 금속 프린터에서의 속도 문제는 여전히 중요한 이슈가 되고 있다.

프린팅 소재의 경우 다양한 소재가 프린팅 소재로 사용되고 있지만 복합 소재나 기능성 소재의 프린팅 연구가 필요하다. 금속이나 세라믹, 바이오 소재 등의 단일 소재에 대한 프린팅이 가능하지만 금속-세라믹, 금속-플라스틱 등 2개 이상의 다종 소재에 대한 프린팅 기술은 3D 프린팅 기술의 폭발적 응용 확대를 가져올 것이다. 특히 친환경, 고기능성(형상 기억, 고강도, 고전도성 등)의 소재를 프린팅할 수 있는 공정 개발이 요구되고 있다. 이 밖에도 3D 프린팅 기술의 특징을 살릴 수 있는 제품의 설계 기술 및 일반인도 쉽게 사용할 수 있는 소프트웨어의 개발이 필요하다. 3D 프린팅 분야의 소재, 프린팅 공정 및 소프트웨어에서의 발전을 통해서 복합소재, 복합 구조체 등을 구현할 수 있을 것이며 비로소 기존 제조기술을 대체할 수 있는 많은 혁신적 응용 아이템이 나타날 수 있을 것이다.