문서 인쇄하듯 물건 찍어내는 입체 출력 기술, 3D프린터 붐

[백한진]

[Weekly BIZ] 치아 교정기·스포츠카 업계, 이미 3D 프린팅 혁명

홍콩=이신영 기자

조선일보 : 2013.02.22 15:04

 

3D 프린팅 기술 어디서 강점 발휘될까?

미국 의료 장비 제작사인 '얼라인 테크놀로지(Align Technology)'는 창립 16년 만인 지난해 매출 5억6000만달러를 올렸다. 이는 전년 대비 17% 정도 늘어난 것인데 성장 비결은 3D 프린터이다. 특수 강화 플라스틱으로 틀을 만들어 투명하고 탈·부착이 가능하며 기존 치아 모습을 유지하는 '인비절라인(Invisalign)'이라는 투명 교정기를 3D 프린터로 생산해 전 세계 고객 200만명을 확보한 덕분이다. 매일 투명 교정기 5000~6000개를 3D 프린터로 만드는 이 기업의 주가는 3년 전 대비 360% 올랐다.

텍사스주의 '공군훈련개발(TDF)'이란 훈련 기관은 3D 프린터를 이용해 2011년 예산 80만달러(3년치)를 절약했다. 기존 방식으로 만든 비싼 군용 부속품을 구매하지 않고 3D 프린터로 비행기 날개 모형, 연료탱크 등을 찍어내 사용한 결과이다. 미첼 웨덜리 TDF 대표는 "3D 프린팅 기술은 소품종과 맞춤형 생산이 필요한 군 훈련에 꼭 맞는다"며 "향후 10~15년간 공군 훈련 분야에서만 예산 1500만달러가 절감될 것"이라고 했다.

◇"틈새시장 발굴해 수억달러 매출, 정부 예산 절약도… 4개월 걸릴 일을 3주 만에 처리"

세계 1위 기업인 '스트라타시스'에 따르면 산업디자인(기존 대비 시간 절약 96%)과 우주 항공(75%), 자동차(67%) 등이 수혜 업종이다.

자동차 전문 잡지 '탑 기어'가 선정한 '올해의 수퍼카'(2011년)인 람보르기니의 아벤타도르(Aventador). 40만달러짜리로 최대 시속 370㎞를 내는 이 차의 생산 과정에도 3D 프린터가 있다. 파올로 페라볼리(Feraboli) 람보르기니 연구소장은 "탄소섬유로 만든 차체와 무게를 정확히 6분의 1로 축소한 시제품을 만들려면 기존 방식으로는 많은 시행착오에다 평균 4만달러에 4개월이 소요되는데, 3D 프린터를 이용해 단 한 번에 우리가 원하는 디자인대로 뽑아냈다"고 했다.

람보르기니 연구팀은 3D 프린터를 이용해 탄소섬유에 근접한 재료와 인건비 등에 3000달러만 쓰고 20일 만에 성공시켰다. 기존 방식에 비해 비용은 93%, 시간은 83% 정도 아낀 것이다. BMW도 3D 프린터를 이용해 범퍼 등 차 부품 부착 과정에 이용할 연장을 개발하고 있다. BMW의 군터 슈미트(Schmidt) 엔지니어는 "똑같은 도구를 만들어도 전통적인 밀링머신이나 CNC로 18일에 420달러가 들지만, 3D 프린터로는 1.5일에 176달러만 든다"고 했다.

◇金·유리는 아직 못 써… 전통 제조업 대비 내구성 80% 수준

하지만 3D 프린팅 기술이 본격 보급되려면 과제가 많다. 먼저 이용 가능한 재료가 제한돼 있다. 가격 측면(3D 프린팅용 플라스틱 1㎏에 35~40달러)에선 경쟁력이 있지만, 현재까지 3D 프린터로는 합성수지류 등만 가능하다. 콘크리트나 나일론, 금속 분말 등은 연구 단계이며 유리나 금·은 같은 물질은 실험 단계이다.

내구성도 약하다. 레이스 CEO는 "전통 제조업에서 제작했을 경우와 비교해 80% 정도의 품질"이라며 "적층형 방식으로 밑에서 위로 수직으로 층을 쌓기 때문에 가로 방향으로 힘을 강하게 가할 경우 내구성이 약하다"고 했다. 현재 기술로는 소비자용으로는 가로세로 200~300㎜, 전문가용은 가로세로 1m 이상 제품을 만들 수 없다는 것도 한계이다. 호드 립슨 코넬대 교수는 "제조 현장에서 완제품을 생산할 만한 산업용 3D 프린터는 대당 40만~50만달러로 너무 비싸 가격 혁신이 필요하다"고 했다. 마지막으로 아직 대량생산이 쉽지 않으며 실제 물건을 디자인 할 수 있는 3D 설계 프로그램 이용자가 부족하다.

하지만 경영 전략가인 리처드 다베니(D'Aveni) 다트머스대 교수는 "까다로운 글로벌 소비자들의 욕구를 채워가고 있다는 측면에서 절대 '미래적인 상상'이 아니며 성장 가능성이 무한하다"고 했다.

◇중국·EU도 3D 프린팅 산업 집중 육성

한국에선 3D 프린터 개발 중소기업이 1~2개 있지만, 3D 프린터 수요의 95% 이상을 수입하고 있다. 관련 연구도 사실상 전무하며, 3D 프린팅 산업의 경제 효과를 분석한 보고서조차 없다.

하지만 세계 각국의 움직임은 현란하다. 중국의 베이징타이얼푸더(北京泰�k福德科技發展)는 2011년에 3D 프린터를 3000대 팔아 세계시장의 4%를 차지했다. 독자 기술을 확보한 중국 기업만 4곳이다. 유럽연합(EU)도 2020년까지 제조업을 GDP의 20% 수준(현재 16%)으로 높인다는 목표 아래 지난해부터 유럽 최대 응용과학 기술 연구 기관인 프라운호퍼(Fraunhofer) 연구소에서 3D 프린터 연구개발 지원을 시작했다.

3D 프린터가 국민경제에 미치는 영향을 영국 란체스터대 연구진이 지난해 조사한 결과, 소비재·제약 등 15개 업종에 3D 프린터가 도입될 경우 창출될 부가가치는 1382억파운드로 산출됐다. 이는 2012년 영국 GDP의 8% 수준이다. 전 세계 3D 프린터 생산량의 73%(2011년)는 미국 몫이며, 3D 프린터 설치 비중(1988~2010년)도 한국은 1.9%로 미국(41.1%), 일본(10.5%)에 비해 턱없이 낮다.

안성훈 서울대 교수(기계항공공학부)는 "3D 프린터는 고부가가치 산업을 창출할 수 있는 원천인데도 한국에선 극소수 대학 내 개인 연구에 머물고 있다. 미국처럼 3D 프린터를 국책 과제로 육성해야 한다"고 했다.

[Weekly BIZ] [Cover Story] 문서 인쇄하듯 물건 찍어내는 입체 출력 기술, 3D프린터 붐… 3차 산업혁명 벌써 시작됐다

홍콩=이신영 기자

조선일보 : 2013.02.23 00:00

['3D 프린터' 세계 1위 스트라타시스社 라이스 CEO 인터뷰]
공장 필요 없는 1인 제조업 시대… 설계도만 있으면 즉시 제품 출력 가능
복잡한 구조 쉽게 구현, 폐기물도 없어… 플라스틱₩고무 등 4~5개 재료 동시 사용
대량 생산 시대의 관행 뒤바뀐다… 필요할 때만 바로 생산, 재고관리 사라져
맞춤 생산이라 도매·소매 유통질서 붕괴… 신흥국의 저임금 아웃소싱 매력 줄어

▲ 1 1차 산업혁명의 상징인 증기기관차. 2생산 표준화·컨베이어 시스템을 통해 대량생산체제를 구축한 2차 산업혁명. 3 3차 산업혁명의 아이콘인 3D프린터로 만든 시제품을 꺼내는 모습.

"지금 여러분은 미래를 흔들 혁명의 현장에 와 있습니다. 세계를 뒤바꿀 주역인 3D(입체)프린터를 소개합니다."

지난달 28일 홍콩 리갈 호텔에서 열린 세계 1위 3D프린터기업 스트라타시스(Stratasys)의 제품 전시회. 데이비드 라이스(Reis·52) CEO가 가로 4㎝ 세로 3㎝짜리 오각형 모양의 화장품 병 설계도가 그려진 컴퓨터의 3D캐드(CAD)프로그램에서 '복사' 버튼을 누르자, 이 컴퓨터와 연결된 일반 가정용 프린터처럼 생긴 네모난 3D프린터에 불이 들어왔다.

프린터 안에서 노즐이 움직이며 분사하는 플라스틱 실(열경화성 플라스틱을 실처럼 자아낸 반고체)이 '직직' 소리와 함께 설계도대로 제품 밑바닥부터 0.01~0.03㎜씩 계단처럼 층을 쌓아 올리며 섭씨 700~800도의 고온에서 응고됐다. 30분 뒤 한국·중국·일본 등에서 온 기업인·투자자 300여명은 '와!' 하며 탄성을 질렀다. 설계도를 빼닮은 매끈한 화장품 병이 뜨거운 열기를 뿜어내며 눈앞에 등장한 것이다.

"기존 제조업에서 이 화장품 병과 똑같은 것을 만들려면 외주제작 업체에 의뢰해 금형(金型)을 따로 만들어 시제품 제작을 맡기고 그것을 받기까지 2~3주 정도 걸리지만, 3D프린터를 이용하면 잉크를 종이에 바로 찍어내는 것처럼 1시간 내에 만들 수 있습니다."

3D프린팅은 컴퓨터 디자인 프로그램으로 만든 설계도를 바탕으로 실물의 입체 모양 그대로 찍어내는 기술이다. 어떤 제품 아이디어든 설계도만 있으면 플라스틱은 물론 고무·금속·세라믹 등 150여개 소재로 1시간~하루 안에 실물로 만든다. 계란 크기 물체는 45분, 300mL짜리 캔 크기는 4시간이 각기 소요된다. 최대 가로세로 1m 크기의 제품을 만드는 기술까지 나왔다.

3D프린팅 기술이 글로벌 제조업의 총아(寵兒)로 떠오르고 있다. 2012년 세계경제포럼(WEF)은 '떠오르는 10대 기술'의 두 번째로 3D프린터를 꼽았다. 3D프린터는 의류와 하늘을 나는 무인(無人)비행기에 이어 최근에는 인간 배아 줄기세포 복제와 바이오 프린팅(Bio printing)까지 성공시켰다. 이 기술은 3년 전까지는 로봇 팔·자동차 엔진부품·치아 임플란트·보청기·보석 등 소형 시제품 생산에 주로 사용됐으나 최근 자동차·항공기 부품·의료기기 같은 대형 제품 제조로 진전하고 있다.

실제 미국 GE는 작년 3D전문 기업인 모리스테크놀로지 등 2개 기업을 인수하고 별도 연구센터를 세워 2020년까지 10만 종류의제트엔진 관련 부품을 3D프린터로 생산하기로 확정했다.

보잉은 이미 3D프린터로 군용기·여객기의 2만2000여개의 부품을 만들어 공급하고 있다.

3D프린팅이 각광받는 핵심 이유는 ▲재료가 가볍고 ▲필요한 소량만 낭비 없이 맞춤 생산할 수 있고 ▲제품 출시가 획기적으로 빠른 '꿈의 기술'이기 때문이다. 실제로 글로벌 항공 기업인 EADS(유럽항공방위우주산업)는 최근 3D프린팅 기술로 에어버스 항공기에서 연간 연료낭비를 3000㎏ 줄였다. 티타늄 원재료의 10%만 사용하는 분쇄 가루를 이용해 3D프린터로 필요한 부품만 생산한 덕분이다.

"3차 산업혁명의 특징은 누구나 기업가가 돼 혁신적 아이디어를 제품으로 만드는 것이다. 3D프린터는 3차 산업혁명의 주인공이다"(제러미 리프킨·미 펜실베이니아대 교수).

"3D프린터가 데스크톱으로 사용이 보편화되면 3차 산업혁명이 본격화할 것이다"(크리스 앤더슨·IT잡지 '와이어드' 편집장).

버락 오바마 미국 대통령이 이달 12일 연방의회에서 한 연두교서 국정 연설에서 "제조업 혁명이 미국에서 일어날 수 있도록 모든 것을 만드는 3D프린팅을 육성하겠다"고 선언한 것은 이런 배경에서다. 미 행정부는 7000만달러를 들여 작년 8월 오하이오주에 3D프린팅 연구개발기관(NDIM)을 세웠고 미국 전역에 3D R&D센터를 15개 만들기로 했다. 영국은 3D프린팅 기술 육성을 위해 작년 10월 700만파운드 투자를 발표했고 중국은 기업·교육기관 10곳 주도로 '3D프린터 기술연맹'을 결성했다.

하지만 3D프린팅 산업에 대해 한국은 정부와 기업 모두 관심이 부족한 실정이다. Weekly BIZ가 현지 취재를 통해 3D프린팅 산업의 현재와 미래를 해부했다.

▲ 스트라타시스의 데이비드 라이스 CEO(왼쪽)와 스콧 크럼프 이사회 의장이 3D프린터로 찍어낸 가로 1m짜리 대형 렌치를 같이 들고 포즈를 취하고 있다. 블룸버그가 전망하는 스트라타시스의 2013년 매출은 4억3000만달러로 2011년보다 59% 많은 수치다. 레이스 CEO는“일반 가정집에서도 3D프린터가 수천, 수만개 들어설 때까지 지속적으로 혁신하겠다”고 말했다. / 홍콩=이신영 기자

"우리의 고객은 애플·BMW·삼성전자·벤츠 등 세계 8000개 기업입니다. 앞으로 3D프린터로 상용화가 가능한 완제품을 만드는 '디지털 제조업(Digital direct manufacturing)' 시대가 열릴 것입니다. 아직도 세계 수요의 99%가 남아 있습니다."

세계 11개국에 진출해 있는 3D프린터 시장 세계 1위(점유율 55%)사인 스트라타시스의 데이비드 라이스(Reis) CEO는 자신감이 넘쳤다. IBM·GE·록히드마틴 등과 함께 작년 8월 오하이오주에 세운 3D프린터 연구개발기관 내 40개 기업·연구기관 중 하나인 이 회사는 총 매출액의 10%를 R&D에 투자하며 매년 20~30%씩 매출이 불고 있다. 2009년 대비 이달 15일 현재 3년 만에 주가(株價)는 660% 올랐다. 작년 12월에 글로벌 3D프린팅 기업 이스라엘의 오브젯(Objet)과 합병해 규모를 두 배(임직원 1100명)로 키웠고 디자인·시제품·생산 등 세 분야에서 개당 1만~40만달러짜리 3D프린터를 만들고 있다. 그는 오브젯 출신이다.

◇"개구리 장난감 만들다 얻은 아이디어가 첨단 기술 '총아'로"

―3D프린팅이 전통 제조업보다 왜 더 효율적인가?

"전통 제조업에선 소재를 밖에서 안으로 깎는 절삭가공으로 제품을 만든다. 내부가 비거나 복잡한 모델이면 정교한 구현이 힘들고 재료 낭비가 많다. 반면 한 층씩 쌓는 3D프린터 기술인 적층(積層·additive) 가공은 복잡한 구조도 쉽게 표현하고 폐기되는 재료가 없다. 디자인상 오류가 발견되면 즉각 재수정이 가능하다. 그래서 시장도달시간(time to market)을 최소화하고 경쟁자보다 먼저 만들 수 있다. 전 세계에 컴퓨터디자인설계(CAD) 사용자는 4000만명인데, 이 중 500만명이 3D설계를 하고 있다. 기업들이 3D디자인을 점점 적극적으로 활용하는 흐름도 긍정적이다."

―3D프린팅 기술은 어떻게 태동·발전했나?

"1988년 창립한 스트라타시스가 효시이다. 창립자인 스콧 크럼프(Krump) 이사회 의장은 딸에게 글루건(glue gun·접착제를 바를 때 사용하는 분사기)을 통해 개구리 장난감을 만들어주다가 얻은 아이디어에 착안해 회사를 차렸다. 1992년 3D프린터가 출시됐는데 대당 25만달러에 5대만 팔렸다. 사용 가능한 재료는 광택제로 쓰이는 왁스 하나였다. 혁신을 거듭해 지금은 대당 가격이 1만달러까지 낮아졌고, 사용 재료도 150개가 넘는다. 지금은 최대 4~5개 재료를 한 제품으로 동시 생산할 수 있고, 이용 가능한 색깔도 다양하다. 리모컨 모형을 만들 경우, 합성 플라스틱 수지로 만든 껍데기와 고무로 만든 버튼을 한 프린터로 생산할 수 있다."

―3D프린터로 똑같은 물건을 대량 복제 가능한가?

"100단위, 1000단위까진 가능해도 수만개 생산은 현재 기술로 어렵다. 3D프린팅은 '짧은 주기'로 나에게 꼭 필요한 제품 등을 맞춤형으로 소량만 만들려는 기업에 적합하다. 예컨대 유럽 시트로앵(Citroen) 등 자동차 기업들이 특정 행사 등을 기념해 1~2대의 스포츠카를 만든다. 그런데 필요한 부품은 전부 혁신적이어야 하지만, 소량만 있으면 된다. 우주항공국(NASA)의 화성탐사로봇도 마찬가지다. 실제 화성탐사로봇 로버(Rover)에 우리 3D프린터를 이용한 부품이 70개나 들어가 있다."

―최근 3D프린터로 총기(銃器)류를 찍어내는 등 부작용을 우려하는 시선도 있는데.

"'발명자의 딜레마(Inventor's Dilemma)'다. 발명의 긍정적 의도와 달리 무기나 마약 등 부정적인 의도로 쓰일 수 있다. 실제 지난해 말 대형 총기류 수집·판매조직인 '디펜스 디스트리뷰티드(Defense Distributed)'에 대여해줬다가, 총기를 만든다길래 계약 해지하고 즉각 반납하도록 했다. 혁신엔 한계가 없지만 거기엔 적합한 자격과 법률 준수 의무가 뒤따라야 한다."

▲ 하루가 멀다 하고 3D 프린터를 이용해 기발한 아이디어로 만든 제품들이 세계 곳곳에서 탄생하고 있다. 1합성고무 등을 이용해 만든 머리 빗, 2폴리프로필렌과 플라스틱으로 만든 의료·해부학실습용 발 모형, 3네덜란드 디자이너 아이리스 반 헤르펜이 플라스틱 등 여러 재료를 혼합해 만들어 지난달 파리 패션위크에 선보인 드레스. 모두 3D 프린터를 통해 제조된 것들이다.  / 조선닷컴

◇"1인 제조업 시대 열리고 중국 위상 흔들릴 것"

―3D프린터가 제조업 분야에 불러올 변화는?

"세 가지를 예상한다. 첫째, 기업들의 혁신 가속화이다. 가령 한국 지사에서 미국 본부에 설계 파일을 보내주고, 본부에서 그 파일로 제품을 3D프린터로 찍어낸 뒤 그것으로 지사와 화상회의를 통해 디자인과 제품 생산까지 결정하면, 10~20분 안에도 결정이 가능하다. 시간·비용을 대폭 줄여 혁신 속도가 수십 배 빨라진다. 둘째, 글로벌 물류 산업이 요동칠 것이다. 맞춤형 제품이 대세가 되면 대량 생산·납품 관행과 '대규모 재고관리'가 사라진다. 제조업자가 소비자와 직접 소통해 제품을 집에 배달하면, 제조-도매-소매업이란 삼자(三者) 관계가 붕괴할 수 있다. 신흥국의 저임금 아웃소싱 매력이 줄면서 '세계의 공장'인 중국의 위상이 흔들리고 국가별 제조업 혁신 경쟁은 더 치열해질 것이다."

―최근 3D프린팅 산업 흐름은?

"2년 전부터 벤처캐피털들의 지원이 급증, 3D프린터 전문 기업이 40여개 생겼다. 전 세계 3D프린터 기업은 100여개사인데 매년 5000여개 기업·교육기관 등이 3D프린터를 구입하고 있다. 3D프린팅 시장은 지난해 15억달러에서 2020년 52억달러로, 3배 이상으로 성장할 것이다. 가격도 가정용은 최저 400달러까지 낮아져 시장이 커지고 있다. 예컨대 셰이프웨이(Shapeway)라는 3D프린팅 기업은 25만명 회원을 상대로 웹사이트에 디자인을 고르게 한 다음, 원하는 디자인을 3D프린터로 복제해 배달해주는 서비스를 한다. 이 회사는 1만개가 넘는 제품을 서비스했다. 보급형 3D프린터 판매량은 2007년 66대에서 2011년 2만3000대로 늘었다. '3D프린터를 이용한 '1인 제조업' 시대가 열리고 있다."

―산업 외에 3D프린팅이 주목받는 측면이 있는가.

"학생들에게 창의력과 혁신을 불어넣는 교육 수단이라는 점이다. MIT·하버드 등 세계 수백개 대학이 3D프린팅 기술을 연구하고 있고 MIT는 팝팹(PopFab)이라는 손으로 들고 다니는 서류가방에 들어갈 작은 3D프린터까지 개발했다. 네바다주립대는 미국 최초로 지난해 3D프린터로 실험하는 3층짜리 실험실과 제품 전시실을 만들어 공과대학생은 물론 모든 학생과 지역 주민에게 개방했다. 버지니아공대는 초·중·고 학생을 3D프린터로 공부시키는 프로그램을 개발 중이다."

[백한진]

산업 외에 3D프린팅이 주목받는 측면에 대해 "학생들에게 창의력과 혁신을 불어넣는 교육 수단이라는 점이다."라고 강조하는 스트라타시스의 데이비드 라이스 CEO 말에 명심한다.