3D프린팅 기술, ‘고지’가 보인다

#가능성의 발견: 점이 모여 평면으로, 평면이 모여 입체로

1970년대 후반, 컴퓨터에 연결해 쓸 수 있는 잉크젯 프린터가 보급되기 시작했다. 그중에서도 가장 대중적으로 보급된 ‘드롭 온 디맨드(DOD)’ 잉크젯 프린팅은 잉크를 담은 헤드가 지나가면서 컴퓨터의 지시에 따라 필요한 곳에 필요한 양만큼의 잉크를 분사해 글자나 그림을 만드는 방식이었다. 이 과정에서의 분출 단위는 개당 폭이 10분의 1㎜도 안 되는 사각형 점이다. 이 작은 점이 무수히 모여 육안으로 보면 평면적인 글자나 그림 모양을 만들어낸다.

당시 잉크젯 프린팅 원리를 접한 업계 개발자 사이에선 재밌는 얘기 하나가 떠돌았다. 점이 무수히 모이면 평면이, 평면이 무수히 쌓이면 입체가 된다. 무수한 점으로 평면적 이미지를 얼마든지 찍어낼 수 있다면 무수한 평면을 쌓아 입체적 이미지를 찍어내는 일도 가능하지 않을까?

1981년, 일본 나고야시 공업연구소 연구원이었던 코다마 히데오는 최초의 3D 프린터를 개발했다. 자외선을 쐬면 굳는 성질을 지닌 폴리머(중합체)를 한 켜 분사한 후 자외선을 쬐고, 그 위에 또 한 켜 분사해 자외선을 쬐어 굳히는 공정을 반복해 입체적 조형물을 만들어내는 방식이었다. 이어 1984년엔 알랭 르 메오떼 등이 유사한 공정을 특허 등록했다. 하지만 일본도, 프랑스도 당시엔 이 기술의 시장성을 크게 보지 않았다. 결국 두 기술 모두 사실상 사장(死藏)됐다.

르 메오떼가 특허 등록을 마친 지 2주 후, 미국 개발자 찰스 헐(Charles W. Hull)은 코다마가 개발한 3D 인쇄술을 손쉽게 이용할 수 있는 컴퓨터 파일 포맷을 내놓았다. 이 소프트웨어의 등장으로 3D 인쇄술 개발엔 확연히 가속도가 붙기 시작했다. 헐은 그 추세를 업고 ‘3D 시스템즈’란 회사를 설립했다. 그리고 다시 20여 년이 흘렀다. 오늘날 3D프린팅은 다양한 작업을 구현해내기도, 기대 이하의 결과물로 사람들을 실망시키기도 하면서 여전히 IT 산업에서 가장 뜨거운 화두 중 하나로 자리매김하고 있다.

#최초 개발 후 36년: 3D프린팅 기술의 숨가쁜 변화상

스페셜 리포트는 △초읽기 들어간 ‘모든 것의 정보’ 시대(2016년 6월 29일) △무섭게 진화하는 기계, 그 종착역은?(2016년 7월 20일) 두 차례에 걸쳐 글로벌 정보기술 연구·자문 기업 가트너가 꼽은 ‘2016 10대 전략 기술 동향(Top 10 Strategic Technology Trends for 2016)’을 소개한 적이 있다. 3D프린팅 역시 이 목록에 포함돼 있다. 그만큼 3D 인쇄술에 대한 사람들의 열망과 개발 노력이 뜨겁단 얘기다. 하지만 이 기술의 실제 적용과 관련해선 여전히 회의적 시선이 존재하는 게 사실이다. ‘기껏해야 플라스틱 장난감이나 만들어내는 기술 아니냐’는 것이다.

3D프린팅은 그 원리만 떠올려도 무궁무진한 응용 가능성을 기대하게 하는 기술이다. ‘입체적 모양을 아주 정교한 수준으로, 아주 빠른 속도로, 얼마든지 복제해 만들어내는’ 일은 말 그대로 모든 제조업이 꿈꾸는 공정이기 때문이다. 실제로 제레미 리프킨(Jeremy Rifkin) 등 세계적 미래학자들은 “종전의 인쇄술, 즉 2D 프린팅이 (무형 자산인) 지식과 정보의 생산∙보급에 혁신을 가져왔듯 3D프린팅은 (거의 모든 유형 자산인) 물건의 생산과 보급에 혁신을 안겨줄 것”이라고 입을 모은다.

1986년 찰스 헐이 3D시스템사(社)를 설립한 이래 스트라타시스·헬리시스·큐비탈 등 유수 업체가 3D프린팅 기술 개발에 도전했다. 비슷한 시기에 SLS·FDM 등 신기술이 속속 탄생했고 3D 프린터도 대중이 이용하기 쉽도록 ‘보다 작고 저렴한’ 버전으로 개발됐다. 당연히 적용 범위도 확장됐다.

3D프린팅이 의료 분야에 최초로 적용된 건 1999년이었다. 한 청년의 방광 모양을 3D프린팅으로 완성한 후 그 표면에 청년의 세포를 코팅, 제자리에 넣는 수술에서였다. 이 같은 이식(transplant) 수술은 자칫 위험할 수 있다. 이식된 기관을 인체 내 면역세포들이 공격할 수 있기 때문이다. 일명 ‘과잉면역 반응’이다. 하지만 3D프린팅 방광 이식술의 경우, (프린팅된) 방광 표면이 환자 환자 자신의 세포로 둘러싸여 있어 그 같은 문제에서 자유로울 수 있었다. 이후 이 원리를 이용한 의료용 3D 조형물 개발은 한층 활발해졌다. 2002년엔 귀나 신장, 뼈 등 신체조직을 미세하게 3D프린팅으로 구현한 인공 기관이 첫선을 보였다.

2006년엔 다양한 재료를 복합적으로 이용한 3D프린팅 기술이 개발됐다. 그 시초는 3D프린팅 시스템∙자재 공급 기업 ‘오브제’가 엘라스토머와 폴리머를 활용해 선보인 최초의 3D자전거였다. 2008년엔 의족에까지 관련 기술이 적용돼 무릎부터 발까지 완벽하게 일체형으로 구현된 3D의족에 의지해 걷는 사람이 생겨났다. 2010년 11월엔 3D프린팅 자동차가, 그해 12월엔 인공혈관이 각각 등장했다.

2011년, 3D프린팅은 식품 분야에까지 적용되기 시작했다. 영국 엑셀러대학교와 브루넬대학교가 소프트웨어 개발자 데클람과 제휴, 새로운 온도 조절∙냉각장치를 장착한 잉크젯 스타일 3D프린터로 초콜릿을 정밀 가공하는 데 성공한 것. 이 같은 시도에 힘입어 오늘날 영국엔 다양한 식자재를 3D프린팅으로 가공, 고객의 눈길과 입맛을 사로잡는 레스토랑이 다수 성업 중이다. 같은 해 (비록 모형이긴 하지만) 3D프린팅으로 제작된 일체형 비행기가 비행에 성공하기도 했다.

2010년대에 들어서며 3D프린팅 소재는 비교적 가공하기 쉬운 플라스틱을 넘어 까다로운 금속으로까지 확장됐다. 금속을 가루로 만들어 합성수지와 섞어 사용하는 방식이었다. 이 같은 기술 발달의 결과, 2013년엔 로켓 부품을 3D프린팅으로 만들어 사용하기에 이르렀다. 또한 강도와 내구성이 높은 금속의 특성을 활용, 의수족이나 보행보조 기구 등이 다양하게 선보이기 시작했다.

이렇게 볼 때 인쇄술은 여느 신기술에 비해 결코 개발∙성장 속도가 느리지도, 적용 범위가 제한적이지도 않다. 실제로 3D프린터에 대한 수요도 만만찮아서 2016년 9월 현재 몇 백 달러(몇 십만 원) 선에 구입 가능한 보급용 제품도 다수 나와있다. 대부분 PC 옆에 두고 손쉽게 쓸 수 있는 데스크톱 형태다. 하지만 21세기 들어 (새로 선보이거나 꽃피우기 시작한 다른 모든 기술과 마찬가지로) 3D프린팅 역시 “더 빠르게, 더 작게, 더 편리하게”란 방향으로 노력을 이어가야 하는 지점에 있다.

#어떻게 하면 좀 더 ‘사용자 친화적’ 기술이 될 수 있을까?

불과 20여 년의 역사로, 과학기술로선 이제 막 걸음마를 떼기 시작한 3D프린팅. 보다 많은 사용자의 일상에서 사랑 받는 기술로 성장하려면 그 방향을 어떻게 잡아가야 할까? 이 질문에 대한 답은 지난해 연말 경제 전문지 ‘포춘(FORTUNE)’에 연재된 3D프린팅의 현주소와 미래 가능성에 대한 특집 기사에서 찾아볼 수 있다. 이 기사에서 제시된 세 가지 포인트는 다음과 같다.

①골프공 법칙_“작게, 가치 있게, 그리고 독특하게”

“골프공 안에 들어갈 수 있는 것이라면 3D프린팅을 일상화하는 타깃 아이템이 될 수 있다.” 3D프린팅 소프트웨어∙서비스 제공 기업 ‘머티리얼라이즈(Materialise)’가 만든 일명 ‘골프공 법칙’의 요지다. 실제로 3D프린팅 컨설턴트로 활동 중인 조리스 필즈는 “작고 가치가 높으며 독특해야 하는 아이템이라면 3D프린팅 대상으로 딱 좋다”고 말한다.

지난해 7월 8일자 스페셜 리포트 ‘3D프린팅 유니버스가 몰려온다’에서 언급한 것처럼 ‘나만의 개성’을 돋보이게 하는 액세서리는 이 같은 기준에 완벽히 부합하는, 일반 사용자용 아이템이다. 좀 더 전문적 직종에서도 그리 크지 않은 데스크톱 3D프린터를 이용하면 보청기나 치과용 보조물 따위를 손쉽게 만들어낼 수 있을 것이다. 물론 더 큰 물품에 들어가는 소형 부품도 여기에 해당한다.

②색채 프린터_단 한 번의 흐름으로 원하는 제품을!

요즘 시판 중인 데스크톱 3D프린터는 아직 하나의 제품에 다양한 색상을 입히지 못한다. 마치 컬러 인쇄술이 개발되지 못했던 시절, 모든 2D 출력물이 흑백으로만 제공되던 때처럼 말이다. 하지만 총천연색 프린팅에 익숙해진 오늘날 소비자는 자신이 원하는 아이템이 프린터에서 원하는 색깔까지 갖춰 완벽한 모양으로 출력돼 나오길 바란다. 단색 폴리머로 제작, 출력되는 아이템에 색을 입히는 작업은 일반 사용자 차원에서 쉽게 할 수 있는 일이 아니기 때문이다.

이건 결코 쉬운 과제가 아니다. 3D프린팅 자체가 가는 끈 모양의 폴리머에 열을 가해 파일에서 제시된 디자인대로 분사하며 한 층 한 층 쌓아가야 하는 공정인 만큼 하나의 층은 한 가지 색깔을 갖게 된다. 이런 방식에서 완성된 아이템의 표면에 원하는 대로 다양한 색깔이 구현되게 하려면 표면에 색을 입히는 또 하나의 공정이 프린터에 통합돼야 할지 모른다. 실제로 3D프린터 개발자들은 기계를 더욱 단순하게, 더욱 작게, 그래서 더 값싸게 하는 과제와 씨름 중이다. 최근엔 여기에 전혀 새로운 공정을 컴퓨터 소프트웨어와 연동∙개발∙통합하는 과제까지 더해지는 추세다.

그래도 인간은 ‘일단 품은 꿈이라면 어떻게든 이뤄내는’ 끈기와 열정을 갖고 있다. 단 한 번의 흐름(flow)으로 원하는 색상까지 갖춘 최종 제품을 만들어 내놓는 3D프린터를 구현하기 위해 ‘메이커봇’이나 3D시스템 같은 ‘강자’들은 지극 이 시각에도 경합을 벌이고 있다.

③금속 프린팅_3D프린팅에 최적화된 원자재, 개발될까?

다양한 기계가 사용되는 현대 생활에서 작은 금속 부품은 ‘절대 필수 아이템’이다. 하지만 이를 견고하고 정교하게 만드는 건 오랫동안 축적된 노하우가 필요한 동시에 양질의 금속 원자재 확보도 필요한 고난도 작업이다. 사실 대다수 기계 제조업체의 경쟁력은 정교한 부품 생산 능력에 크게 좌우된다. 3D프린팅은 ‘대단히 정교한 모양을 얼마든지 똑같이 만들 수 있다’는 강점을 갖고 있다. 따라서 이 기술을 금속 아이템 제작에 이용할 수 있다면 응용 범위는 크게 확장될 것이다.

미국 피츠버그 소재 알루미늄 생산 대기업 ‘알코아’는 “금속 3D프린팅에 최적화된 원자재 개발”이란 목표를 갖고 있다. 스트라타시스나 3D시스템 같은 기존 3D프린팅 업체들도 관련 기술 확보에 열을 올리고 있다. “금속 아이템을 인쇄해낼 수 있다면 3D프린팅의 미래는 확실할 것”이란 전문가 전망의 사실 여부가 밝혀질 날이 머지않았다.