▲이미지=3D프린터, 재료만 바꾸면 회로 없는 WIFI 기기도 개발 -인포그래픽 ⓒ데일리매거진
[데이리매거진=이상은 기자] 최근 고용노동부는 산업현장에 필요한 전문가 육성을 위해 3D프린터개발산업기사, 3D프린터운용기능사, 식육가공기사, 잠수기능장, 농작업안전보건기사 등 총 5개 국가기술 자격을 신설한다고 밝힌 가운데 3D(3 Dimensional)프린턴에 대한 관심이 뜨겁 달아 오르고 있다.
3D 프린터는 3 Dimensional 프린터의 약자, 한글로 3차원 프린터 정도로 번역할 수 있는데 최근 차세대 산업 기술로서 주목을 받고 있다. 특히 3D 프린터에 ‘보텀업’ 방식이 접목되면서 3D 프린팅 기술은 향후 산업계의 패러다임을 바꿀 수 있을 정도의 영향력을 발휘할 수 있을 것으로 기대되고 있다.
원하는 형상을 만드는 방식은 크게 두 가지로 나눌 수 있는데 하나는 큰 재료를 깎아서 만드는 ‘탑다운(Top down)’ 방식이고, 나머지 하나는 작은 재료를 쌓아 만드는 방식이다. 이때 ‘보텀업’ 방식은 작은 재료를 쌓아 만드는 방식, 일명 적층식이라고도 하는 방식을 말한다.
보텀업 방식은 탑다운 방식에 비해서 결정적인 이점 몇 가지를 가진 것으로 평가되는데 그 중 하나로 정밀한 절삭 기구를 가질 필요가 없다는 것을 들 수 있다.
탑다운 방식은 원재료를 깎아서 만드는 방식이기 때문에 원하는 모양 별로 정밀 절삭 기구를 가져야 하고, 특히 나노(Nano) 단위로 절삭해야할 경우에는 나노보다 작은 정밀 절삭 기구가 요구될 수밖에 없다.
반면 보텀업 방식은 작은 블록을 쌓는 것처럼 재료를 쌓아서 형상을 만드는 방식이기 때문에 원하는 모양별 기구가 필요 없고, 나노 단위로 형상을 만드는 경우에도 재료를 분사하는 노즐을 조절하면 되기 때문에 탑다운 방식에 비해서 많은 기구를 요구하지 않는다.
또한 보텀업 방식은 재료를 절삭하는 방식이 아니기 때문에 탑다운 방식에서 나올 수밖에 없는 가공 후 폐기물이 거의 없고, 탑다운 방식에 비해서 정밀한 형상을 제조하는 것이 가능하기 때문에 산업계에서 주목을 받고 있다.
현재 3D 프린팅 기술을 특히 주목하고 있는 산업 분야는 항공우주, 의료, 나노산업 분야인데, 3D 프린터 기술이 개선될수록 적용 산업 분야가 늘어날 것으로 기대되고 있다.
■ 우주 항공 산업과 3D 프린터
3D 프린팅 기술이 본격적으로 대중화되었다고 보기 어려운 현재에도 우주항공 산업 부분에서는 꾸준히 3D 프린팅 기술이 적용되고 있다. 미국 보잉은 올해 2월 월스트리트 저널과의 인터뷰를 통해 “3D 프린팅 기술을 통해 모듈화된 부품들을 생산, 인공위성 제작에 활용할 계획”이라고 밝혔다.
현재는 숙련 기술자들이 일일이 수작업으로 인공위성 부품을 제작하는 방식을 채용하고 있는데, 이는 대규모 수요가 없는 우주 항공 산업의 특성상 원가가 많이 들고 제조 공정 시간이 오래 걸리는 수작업 방식을 고수할 수밖에 없는 면이 있었다.
하지만 보잉은 이번 3D 프린팅 기술의 적용으로 최대 60% 정도의 제조비용을 절감할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 숙련된 기술자들의 수작업에 비해 3D 프린팅 기술을 적용할 경우 플라스틱이나 범용 자재를 사용하고, 제조 공정 시간도 줄일 수 있기 때문에 보잉의 기대는 근거가 없는 것은 아니란 평가를 받고 있다.
한편 작년에 ISS(국제 우주 정거장)에서는 3D 프린터로 렌치를 제조하기도 하였다. 아직은 실험 단계에 불과한 것으로 평가받고 있지만, 우주 공간에서 3D 프린터로 필요한 물품을 제조하는 계획은 계속 추진될 것으로 알려졌다.
ISS는 여러 가지 상황에 대비해서 많은 예비 물품이 필요한데 이 물품들은 지구에서 보급을 하는 방법 외에는 다른 대안이 없었던 것이 사실이었다. 하지만 ISS 내에서 어떤 상황이 발생할지 100% 예측을 할 수도 없을뿐더러, 그 모든 상황을 예측하여 예비 물품을 저장하는 것은 가뜩이나 부족한 ISS의 공간을 비효율적으로 사용하는 것이었다.
이에 대해 ISS는 3D 프린터를 탑재하여 각 상황 발생 시에 맞는 부품을 생산하는 방안을 추진하고 있다. 이 방식은 부품이 아니라 원료만 저장하면 되기 때문에 ISS 내 저장 공간이 줄어들 것으로 기대되고 있고, 긴급 상황이 왔을 때 즉시 필요한 물품을 자체 생산할 수도 있기 때문에 3D 프린팅 기술은 우주 산업에 높은 기여를 할 것으로 기대되고 있다.
■ 바이오 산업과 3D 프린터
바이오 프린팅은 3D 프린팅 기술 중 하나로 살아있는 세포를 원하는 구조 및 패턴으로 배열해 조직이나 장기를 만드는 것을 말한다. 또한, 생체 적합성을 가진 고분자 물질을 이용해 치과의 보철이나 인공 뼈, 인공 장기, 인공 혈관 등 다양한 인공 대체품을 만드는 것을 의미하는데 해외 뿐 아니라 국내에도 시술 사례가 다수 존재할 정도로 연구가 활발히 진행되고 있다.
최근에는 국내에서도 바이오 프린팅을 이용한 시술 수행되었는데 지난 12월 4일 건양대병원 의료진은 3D 프린팅 기술을 이용한 맞춤형 인공관절 수술에 성공했다고 발표했다. 이번 수술은 건양대병원 정형외과 김광균 교수와 건양대 의료신소재학과 김정성 교수의 공동연구팀에 의해서 진행된 것으로 알려졌다.
수술을 맡은 김광균 교수는 환자마다 뼈의 생김새나 변형상태, 연골 마모정도가 모두 다르기 때문에 관절의 오차범위를 최소화하는 것이 중요하고, 3D 프린팅 기술을 접목하면 수술과정을 줄일 수 있고 그에 따라 합병증 등의 부작용을 최소화 할 수 있기 때문에 바이오 프린팅 기술의 향후 전망이 밝다는 취지로 말한 바 있다.
한편 아직은 연구단계이지만 관절 뿐 아니라 심장이나 폐와 같은 장기도 바이오 프린팅 기술을 활용하려고 하는 시도가 활발하게 진행되고 있다.
지난해 기준으로 국내의 장기 이식 대기자는 3만 1923명인데 반해 실제 수술이 이뤄진 경우는 4천684건에 불과하고, 기증자가 증가하고 있는 추세지만 여전히 이식 대기자와 비교할 수 없을 정도로 적은 상황이기 때문에 3D 바이오 프린팅 기술로 장기나 의료기기를 만드는 분야는 향후 높은 성장세를 보일 것으로 기대되고 있다.
■ 성장하고 있는 3D 프린터 시장
시장조사기관 ‘Wohlers Associates’는 2017년 3D 프린팅 시장의 규모가 약 60억 달러에 이를 것이라고 예측했고, 3D 프린팅 시장이 2011년 이래 매년 20 ~ 40% 수준의 빠른 성장세를 보이기 때문에 오는 2021년에는 약 1.8배 규모인 108억 불이 될 것으로 전망했다.
이에 대해 KOTRA의 김민지 중국 충칭무역관은 세계 3D 프린터 시장 중에서 중국을 특별히 눈 여겨 볼 필요가 있다고 주장했다.
김 무역관에 의하면 중국은 2015년 초부터 공업정보화부와 국가발전개혁위원회, 재정부가 함께 ‘2015~2016년 국가증재제조산업발전추진계획(国家增材制造产业发展推进计划)’을 발표해 3D 프린팅 산업의 발전방향과 목표를 제시했고 이를 추진해온 것으로 알려졌다.
계획에 따르면 중국은 2017년까지 3D 프린팅 산업 플랫폼을 구축하고, 연간 30% 이상의 성장할 것을 목표로 세웠다. 이에 대해 2015년 80억 위안, 2016년에 150억 위안으로 중국 내 3D 프린터 시장이 성장하면서 목표 성장률을 무난하게 달성할 것으로 전망되고 있다.
이런 높은 성장률을 보이는 중국 3D 프린터 시장은 향후 미국에 이어 세계 2위의 시장을 형성할 것으로 보이기 때문에, 한국은 중국 시장을 포함한 세계 3D 프린터 시장에 진출하는 것을 미리 준비할 필요가 있다고 김 무역관은 전했다.
■ 정부와 산업계는 머리를 맞댈 필요가 있다
3D 프린터 산업 뿐 아니라 첨단 산업으로 분류되는 산업의 종사자들은 정부에 대해 공통적으로 요구하는 사항이 있다. 그것은 바로 과거의 잣대로 첨단산업에 대해서 규제를 해서는 안 된다는 것이다.
3D 프린팅 뿐 아니라 바이오, 우주 항공 등의 첨단 산업은 이제까지 산업계가 경험을 해보지 못한 분야라고 할 수 있다. 따라서 과거 산업에 맞는 기준을 엄격하게 들이대면 첨단 산업의 특성을 살리지 못해서 사업을 시작도 할 수 없는 경우가 종종 생기게 된다.
예를 들어 의료 기기인지, 산업 기기인지 애매한 분야에서는 어느 부분의 기준을 적용할지 몰라서 사업을 시작할 수 없는 상황까지 벌어질 수 있는 것이다. 기술이 없어서가 아니라 허용할 수 있는 근거 법령이 미비해서 새로운 사업을 시작조차 하지 못하는 경우가 생긴다면 산업계 뿐 아니라 국가적인 측면에서도 막대한 손실이 아닐 수 없다.
특히 첨단 산업 부분에서는 이런 경우가 희귀한 경우가 아니라 빈번하게 일어나고 있는 실정이기 때문에 업계에서는 이를 위해 최근에 실시되었던 ‘2차 규제혁파를 위한 현장대화’와 같은 정부와 산업계가 서로 소통할 수 있는 협의 기구를 마련할 필요가 있다고 입을 모으고 있다.
규제를 무조건 철폐하는 것이 아니라 산업계와 사회의 이익을 조절할 수 있는 기구나 기회를 제공하여, 산업계와 정부가 3D 프린팅 산업을 위시한 첨단 산업에 관련한 제반 문제를 해결하는데 머리를 맞대야 한다는 것이 업계의 주장이다.
■ 3D프린터 재료만 바꾸면 전자회로 없는 정보 전달 기기도 개발
최근 미국의 워싱턴 대학 연구 팀은 3D프린터로 성형한 전도성 있는 재료를 이용한 부품으로 무선 LAN(Wi-Fi)의 전파에 반응하고 쉬운 정보를 전송 가능한 디바이스의 개발에 성공하기도 했다.
이 연구팀의 기술은 전자 회로나 전원도 탑재하지 않고 Wi-Fi 지역에서 정보가 전달되도록 하는 기기가 실현했다.
해당 기술은 전파가 어떤 물질에 있어서 발산되는 후방 발산이란 현상을 이용해 전자 회로를 갖추지 않았으면서도 "Printed WiFi"방식의 장치에서 필요한 정보를 취득한다.
해당 장치는 3D프린터에 의한 성형에서 쓰는 일반적인 수지(ABS)와 구리를 섞어 전도성을 부여한 원료인 수지로 만든다. 그리고 이런 수지재료로 발판과 기어, 스위치와 같은 부품을 조합 구성한 Wi-Fi의 전파를 자체 발산하는 것으로 예를 들어 이번에 개발된 해당 제품에 설치되어 있는 버튼이 밀리거나 스위치가 움직이거나 하면 후방의 WIFI신호가 발산되는 특성이 변화한다.
Wi-Fi라우터에서 나오는 전파 신호를 PC와 스마트 폰 등에서 수신하고 다양한 전파의 세기를 분석과 이를 해석하면 이 장치의 움직임을 알 수 있다는 것이다
워싱턴 대학 연구 팀의 무선 LAN(Wi-Fi)응용 예로서 연구 팀은 세탁용 세제의 잔량을 감지 할 수 있는 디바이스를 보였다.
해당 디바이스는 액체 세제 병의 입구에 이 장치를 설치하면 세제를 기울일 때 디바이스 안의 톱니 바퀴가 돌도록 해 두면 톱니 바퀴의 회전 데이터를 Wi-Fi경유에서 취득할 수 있다.
그리고, 이 데이터를 이용하면 PC등의 앱으로 세제의 잔량을 파악하고 나머지가 적어진 시점에서 자동적으로 주문하는 방식으로 처리가 되어 기술 실현이 가능하다고 연구팀은 밝혔다.
또한 이 연구 팀은 자신들이 연구 개발한 디바이스의 CAD데이터를 공개할 예정으로 이 데이터를 사용하면 누구든 3D프린터로 같은 기능을 갖춘 디바이스를 만들 수 있을 것이라고 설명했다.
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