레이저를 이용한 3D스캐너 산업

[OpTaliX a_g]

3D 스케너 기술은 레이저를 이용하여 대상물 물체의 외형에 투사해 스캔하고, 그 실루엣 정보를 디지털 정보로 변환 후 전달하여 3차원 형상을 구현해 내는 기술이다. 최근 문화재 실측에 많이 사용되고 있으며 숭례문 복원에도 큰 역할을 해 주목을 받기도 했다. 최근 화제가 되고 있는 3D 프린터 기술은 ‘제조업의 혁명’이라 불린다. 선진국을 중심으로 시장이 커지고 있다. 전문가들은 5년내 3배 이상 시장이 커질 것으로 전망하고 있다. 3D 프린터에 이어 ‘3D 스캐너’시장에도 ‘빅뱅’이 일어날 조짐이다. 정밀 3D스캐너는 지금까지 일부에서만 사용하던 고가의 장비다.

3차원 레이저 스캐너는 레이저 빛을 이용하여 측정하고자하는 목표물에 주사하여 반사되어온 빛의 왕복시간을 측정하여 빛의 속도를 반영한 거리정보와 스캔각도 정보를 반영하여 3차원 공간좌표 정보를 획득하여 3차원 점군 데이터로 표현한다. 이렇게 취득된 점군 데이터를 활용분야별로 처리하게 되는데, 토목, 건축분야에서는 점군 데이터를 도면화하여 현장시공의 정도 관리 등 여러 용도로 사용되며, 로봇이나, 자동차분야에서는 형상을 인식하여 자동주행 정보로 활용되고, 3D 콘텐츠 제작 분야에서는 고정밀도의 영상을 만드는 기본 데이터로 활용된다.
3차원 레이저 스캐너의 동작은 레이저 유니트에서 레이저 빛을 발사하여 수평방향모터와 수직방향의 미러를 회전시켜 주어진 공간의 데이터(거리, 각도, 빛의 반사강도)를 취득하고, 각 위치정보에 해당하는 2D 카메라 정보를 매핑(Mapping)하여, 점군 데이터형태로 3차원 공간좌표를 표현한다.
3차원 레이저 스캐너는 레이저 광학 설계 기술과 정밀 모터 및 제어 기술, 정밀기계 설계 및 가공기술, 점군 데이터 처리 기술 분야가 융합되는 분야로서, 국내 기반 기술이 취약하여 그동안 연구개발을 통하여 핵심 부품 및 평가기술을 확보하여, 여러 산업분야에서 요구되는 3차원 레이저 스캐너를 개발 할 수 있게 되었다.
비접촉 측정에 필수 기술인 광학 설계 제작 기술은 물론 레이저를 이용한 밀리미터(mm) 단위의 정밀 거리 측정기술과 초 단위(1/3600°) 정밀 각도 측정기술, 정밀 서보모터 제작 및 제어기술들은 여러 산업에 응용하여 적용이 가능하고 관련 핵심 부품은 국내 중소기업과 협조하여 제작 노하우를 확보하였고, 성능평가 기술은 국내 연구기관과 긴밀 협조하여 관련 설비를 갖추었다. 또한 3차원 레이저 스캐너의 국내개발 성공으로 산업 여러 분야에서 특화된 레이저 스캐너가 요구되고 있으며, 응용 분야별로 점군 데이터 처리 소프트웨어 개발도 활발하게 진행되고 있어, 향후 국내 산업기반인 IT산업과 융합하여 세계 시장을 선도 할 수 있을 것으로 기대된다.
프린터와 스캐너는 동전의 양면 같은 관계다. 3D 프린터는 3D CAD를 다룰 줄 알아야 한다든지 스캐너를 다룰 줄 알아야 한다든지 전문성이 요구된다. 지금 전 세계적으로 좀 더 보편화시키기 위해서 소프트웨어를 누구나 사용하기 쉽게 만드는 과정이다.
3D 스캐닝은 성형, 치기공, 정형, 외과 등 의료 산업, 자동차 및 부품 제조업, 산업 디자인, 건축 디자인, 사진, 기계 디자인 및 로봇 분야, 완구 및 캐릭터 산업 등 산업계 전반을 2D에서 3D로 빠르게 변화 시키는 계기가 될 것으로 예상되고 있다.
3D 스캐너는 스캔 방식에 따라서 Optical Scanner, Arm Scanner, CT Scanner, Hand held Scanner 등으로 나뉘기도 한다. 이러한 다양한 스캐닝 솔루션을 제품의 크기와 정확도로 구분을 해 보면, 광학방식은 Laser point를 이용하여 측정하는 방식이다. 이러한 측정기는 기계 가공 중에 발생하는 Burr의 측정이나, 반도체와 미세 기구물의 측정에 적합하다.
산업용 CT는 과거에는 인체의 측정에 사용되다 근래 산업체 제품 측정에 많이 사용되고 있는 방식으로 내부의 형상이 복잡하거나 혹 은 절단이 불가능한 제품의 측정에 적합하다.
레이저 방식은 Laser Line을 이용한 측정방식으로 이러한 측정기 는 측정이 어려운 검은색 재질이나 반사가 심한 제품의 측정에 적합 하다.
백색광 방식은 근래 가장 많이 사용하는 방식으로 정밀도가 높으 며, 근래에는 할로겐을 사용하는 광원에서 LED 방식으로 바뀌고 있다. LED의 경우 램프의 수명뿐만 아니라 재질에 대한 영향을 적 게 받는다. 광대역 측정(Time of Flight) 방식은 건물이나 대형물의 측정 및 측량에 사용이 된다.

현대중공업은 해양플랜트의 정밀한 오차 측정을 위해 '3차원(3D) 스마트 정도(精度)관리 시스템'을 개발, 현재 제작 중인 FPSO(부유식 원유생산저장하역설비)에 성공적으로 적용했다. 이 시스템은 기존의 광파(光波)거리측정기와 함께 3D 스캐너를 병행 사용해 해양구조물의 입체영상을 만들고 이를 자동으로 3D 설계도면과 비교, 오차를 분석하는 기술이다. 현대중공업이 개발한 시스템은 해양구조물에 초당 약 100만 개의 레이저 빔을 3㎜ 간격으로 발사해 입체영상을 만든다. 이를 통해 해양구조물의 전체 모습을 한꺼번에 측정함으로써 신속한 결과를 얻을 수 있고 광파거리측정기만으로는 발견할 수 없었던 오차를 찾아내 더욱 정밀한 교정이 가능해졌다. 또 해양구조물 1개당 오차 측정시간이 기존 10시간에서 2시간으로 줄어 생산성이 크게 향상됐다. 이 시스템은 두 개의 구조물을 조립하기 전 시뮬레이션을 통해 조립과정에서 발생할 수 있는 문제점을 사전에 파악, 조치할 수 있다는 장점도 갖췄다.

3D 스캐너 기술의 기술성을 평가할 경우 기술의 융복합 정도는 기존 평면 스캔과 다르게 입체 도형 등을 3차원하여 스캐닝해주는 융합기술로 평가할 수 있다. 기술의 현재 위치는 국내 3D 스캐닝 기술은 많은 전문 인력과 연구비가 사용되는 3D스캐너 하드웨어 기술 보다는 소프트웨어쪽에 치우쳐져 있으며, 이미 아이너스기술에서 래피드폼이란 제품을 출시하였고, 전세계 3D 프린터 시장 1위 기업인 3D 시스템과 인수 합병하였다. 또한 현재 3D 스캐너로 시작해 3D 콘텐츠를 만들고 곧바로 3D 프린팅으로 출력해 볼 수 있는 '쇼룸'을 오픈할 예정이다. 기술의 난이도의 경우 현재의 거대한 산업용, 의료용으로 주로 쓰이는 3D 스캐너가 3D 프린터 시장의 확대로 인하여 점점 소형화, 축소화 하고 있고, 해외 기업의 경우 이미 소형화 개발에 성공하였으므로 하드웨어적인 기술의 난이도는 높지 않으나, 점점더 정교하고 정확한 스캐닝이 필요하므로 소프트웨어 기술의 난이도가 높다.

3차원 레이저 스캐너는 공간을 3차원 점 데이터로 표현한다. 이러한 3차원 공간정보는 3D 영화와 같은 콘텐츠 산업, 스테레오 카메라와 같은 영상분야, 로봇의 자동주행용 시각센서 등 다양한 분야에서 3차원 공간정보 기술이 적용되고 있다. 3차원 스캐너는 공간을 3차원 점군 데이터로 획득하고, 여기에 디지털 영상을 결합하여 현실공간을 사실대로 표현 할 수 있어, 문화재와 같은 설계 도면이 없는 건축물 복원이 가능도록하며, 산업현장의 플랜트와 같은 구조물을 스캔하여 제작된 구조물을 3D 도면으로 보존은 물론 공정검사와 사후 유지관리용 정보로서 활용되고 있다. 3차원 점군 데이터를 이용한 건물의 정밀 모델링, 구조물의 변위 계측을 위한 정밀도 분석과 철골 보의 안전 모니터링을 위한 변위 계측기법 등에 활용되고 있다. 또한 암반사면과 댐의 특성 및 안정성 평가를 통한 모니터링 분야, 그리고 문화재 분야에서 문화재 복원, 안전진단, 정밀실측, 보수보강, 데이터베이스 구축, 도면복구 및 동굴 문화재에도 활용되고 있으며, 골프장, 건설공사 등의 설계분야에서도 운영되고 있다. 지상용 3차원 레이저 스캐너는 그 활용범위가 점차 확대되고 있으며 향후에는 3차원 분야의 핵심장비로 자리를 확고히 할 것으로 기대된다.
3D프린팅 선두 국가는 단연 미국이다. 미국 컨설팅기관 홀러스 어소시에이츠(Wohlers Associates)에 따르면 지난해 미국은 세계 3D 프린팅시장의 38.3%를 차지하고 있다.
현재 미국은 차세대 생산 기술중 하나로 3D프린팅을 주목하고 있다. 버락 오바마 미국대통령은 올해초 국정연설에서 3D프린팅을 언급하며 거의 모든 생산 방식을 바꿀 수 있는 잠재력을 갖춘 기술이라고 높이 평가했다. 오바마 대통령은 저임금 국가에서 미국으로 돌아오는 제조업체들이 연구개발(R&D) 역량과 기술력을 바탕으로 3D프린팅 기술의 경쟁우위를 차지할 것으로 기대했다.

유럽연합(EU)도 3D프린팅을 제조업이 한 단계 도약할 수 있는 기회로 삼고 있다. EU는 지난해 10월 첨단 기술을 육성해 GDP대비 제조업 비중을 현재 16%에서 오는 2020년까지 20%로 늘릴 계획이다. EU는 3D프린팅이 첨단 제조업 육성의 견인차 역할을 할 것으로 예상했다. 영국 정부도 3D프린팅이 항공에서 주얼리산업까지 다양한 산업에 영향을 미칠 수 있는 잠재 기술로 평가하고 기술전략 위원회를 통해 700만 파운드(약 120억원)를 투자하기로 했다. 세계 3D프린팅 부문 2위인 일본(10.2%)과 4위 중국(8.6%)도 3D기술 개발에 박차를 가하고 있다. 일본은 정부가 3D프린팅 기술 개발을 주도하고 있다. 중국은 10개 도시에 3D프린팅 혁신센터를 세울 계획이다.
이에 반해 한국은 소규모 부품·소프트웨어 업체가 다수를 이루고 있는 등 아직 걸음마 단계다. 세계 시장에서도 한국의 시장 점유율은 2.2%로 이탈리아(3.9%)는 물론 프랑스(3.0%)에도 밀린다.

< 출처:> KISTI 미리안『미래기술 지식베이스』자료 정리>
(http://mirian.kisti.re.kr/futureknow/tech_define.jsp)