미국 매사추세츠공과대학(MIT)이 발행하는 격월간 잡지 ‘MIT 테크놀로지 리뷰’는 매년 ‘10대 혁신 기술(10 Breakthrough Technologies)’을 선정, 발표한다. 올 2월 발표된 2018년 편에선 그 첫 번째 기술로 ‘금속3D프린팅(metal 3D printing)’이 선정됐다(참고로 함께 언급된 기술은 인공지능이었다).

기사에 따르면 금속3D프린팅은 원래 디자인 검증용 시제품 제작 기술로 널리 쓰였지만[1] 오늘날은 “충분히 크고” “매우 복잡하며” “(항공기 제조에 사용될 정도의) 신뢰성과 내구성을 갖춘” 금속 부품을 만들 수 있는 수준까지 발전했다. 머지않아 제품 양산을 목적으로 조성된 생산 시설이 3D프린터로 인해 단순화되고, 물류 센터까지 갖춘 대형 공업 단지가 분산형 연구∙생산 복합 시설로 바뀔 거란 예측도 있다. 기사만 읽으면 4차 산업혁명 시대가 정말 코앞으로 다가왔구나, 싶다.

흥미로운 대목도 있었다. 기사에 소개된 금속3D프린팅의 ‘키플레이어(key player)’는 전부 미국 회사였다. 그중 두 곳은 MIT 졸업생과 교수가 세운 스타트업이었다. 4차 산업혁명을 준비 중인 우리나라가 예의주시해야 할 대목이다.

산업계에선 3D프린팅 시장을 장비와 소재, 소프트웨어(관련 서비스 포함) 등 크게 세 부문(sector)으로 나눈다. 장비와 소재를 하드웨어로 묶으면 하드웨어가 한 축, 소프트웨어가 다른 한 축이 된다. 하지만 3D프린팅 시장의 현실을 들여다보면 이런 구분이 편협한 시각의 산물이란 사실을 금세 알 수 있다. 그보다 중요한 건 기술의 사업적 가치보다 기술이 만들어낼 ‘보이지 않는 부가가치’란 게 내 생각이다. 3D프린터 시장은 그 자체 규모보다 기기 활용에 따라 새롭게 창출되는 규모가 훨씬 더 크기 때문이다.

가치공학적으로도 입증된 3D프린팅의 시장성

특정 재화나 서비스의 가치를 분석할 때 가장 기본적인 접근 공식은 다음과 같다.

2차 세계대전 당시 미국 제너럴일렉트릭(GE)사가 고안한 가치 분석 방법이기도 한 이 공식을 풀어 쓰면 가치는 ‘재화나 서비스의 전 주기에서 얻는 질적 수준(품질) 대비 지불 비용’이라고 할 수 있다. 이때 질적 수준은 최종 결과물뿐 아니라 과정까지 아우르며, 비용 또한 단순히 지불된 돈뿐 아니라 소비된 에너지·시간·인력 등을 포함하는 경우가 일반적이다. 이 방식으로 3D프린팅 기술의 가치를 판단하면 어떻게 될까?

3D프린팅의 시장 가치를 입증하려면 기존 방식과 비교했을 때 시간(혹은 비용)을 줄여주거나 성능(혹은 품질)이 월등해야 한다. 편의상 전자를 A, 후자를 B라고 하자. 먼저 A의 경우부터. 제품 개발 과정에서 시제품을 만들 때 3D프린팅 기술을 활용하면 개발 전체에 드는 시간과 비용을 어느 정도 절감할 수 있다. 실제로 대부분의 기업이 3D프린터를 이렇게 사용하고 있다. 여기에 컴퓨터 시뮬레이션 기술 발전까지 더해지며 제품 개발 주기는 날로 단축되는 추세다.

다품종 소량 생산 제품이나 맞춤형 제품을 만들 때에도 3D프린팅 기술을 활용하면 양산 공정 개발과 금형 제작에 드는 시간과 노력, 비용을 절감할 수 있다. 대표적 분야가 의료 기구. 두개골 부분 이식이나 치아 교정 등 꽤 많은 사례가 국내외에서 보고되고 있다. 특히 치아 교정의 경우, 2000년대 중반 미국 얼라인테크놀로지(Align Technology)사가 3D프린팅 기술 활용 맞춤형 투명 교정 장치 브랜드 ‘인비절라인(Invisalign)’을 선보이며 큰 화제를 불러 모았다. 2016년엔 미국의 한 대학생이 3D프린팅 기술을 활용, 단돈 60달러로 투명 교정기를 만들어 셀프(self) 교정에 성공한 동영상이 유튜브에 공개되며 주목 받기도 했다.

▲ 티타늄 합금을 이용한 두개골 부분 이식 수술 장면 (출처: 김남훈 교수 제공)

다음은 B에 해당하는 사례들. 항공우주∙에너지 분야에서, 특히 난가공성(難加工性) 특수 소재를 활용한 기능성(혹은 경량화) 설계가 필요한 상황에서 3D프린팅 기술은 꽤 유용하다(항공기 부품을 가볍게 만들고 효율적으로 생산하기 위해 3D프린팅 기술을 활용 중인 글로벌 기업 사례는 지난 회차 칼럼에서 소개한 적이 있다). 록히드마틴(Lockheed Martine)이나 노스롭그루만(Northrop Grumman) 같은 미국 군수업체는 차세대 전투기 제작에 금속 3D프린팅 기술을 활용하고 있다. 국내 도입이 예정된 F35[2] 부품에도 3D프린팅 기술이 적용된 걸로 알려졌다. 이들 기업은 요구되는 성능을 갖춘 부품을 개발하기 위해 3D프린팅용 합금 소재 기술을 개발하고 있기도 하다.

물론 가장 좋은 건 A·B 두 경우가 공존하며 혁신적 가치를 이뤄내는 상황일 것이다(앞선 공식에 따르면 분모<비용>는 작아지고 분자<품질>는 커지는 셈이 되니 가치 상승 폭은 더 가팔라진다). 이런 결과를 얻기 위해서라도 (Design For Additive Manufacturing)의 효율적 활용은 반드시 필요하다(DFAM 개념은 역시 이전 회차 칼럼에서 자세히 다뤘다).

GM, 3D프린터로 신차 14종 무게 160㎏ 줄여

얼마 전 3D프린터 도입으로 비용을 절감한 미국 제너럴모터스(GM)사 공장 사례가 보도된 적이 있다. 기사에 따르면 3만5000달러(약 4000만 원)짜리 3D프린터 한 대를 구매, 제조 공정에 활용한 이 공장은 2년간 30만 달러(약 3억4000만 원) 이상을 아꼈다. 프린터 한 대 가격치곤 결코 낮지 않지만 자동차 양산 공정에 쓰이는 장비 중 하나라고 생각하면 그리 비싼 것도 아니다.

기사를 좀 더 꼼꼼히 읽어보니 그 3D프린터는 자동차 부품을 직접 만드는 데 쓰인 게 아니라 자동차 조립 공정 시 소모품으로 사용되는 소형 부품 제작에 활용된 거였다. 다시 말해 3D프린터 한 대가 자동차 조립 공정에 약간의 변화를 불러일으켰고 그 결과, 투입 비용의 10배에 해당하는 ‘가치’ 창출에 성공한 것이다.

그뿐 아니다. GM은 오토데스크[3]와 손잡고 자동차 섀시 등 주요 부품의 강성(剛性)은 유지하면서 가볍게 설계하는 데 DFAM 기술을 적극 활용해왔다. 최근 10년간 GM이 도입한 3D프린터는 50대 이상. 이들 기기를 활용, 시제품을 생산∙점검한 신차는 25만 대가 넘는다. 이 같은 노력 덕에 GM은 2016년 이후 출시된 신차 14종의 평균 차체 무게를 약 160㎏ 줄였다. 3D프린터 활용으로 타사보다 더 많이, 더 빨리 설계를 검증하고 그 결과를 실제 제품에 적용해 안전성을 점검한 덕분이다.

▲ GM이 오토데스크와 공동으로 개발한 자동차 안전벨트 브래킷(bracket, 비교적 커다란 부품을 장착하거나 받치기 위해 설치되는 연결용 부품). 생성적 디자인(generative design)이 적용된 부품이다(생성적 디자인에 대해 좀 더 자세히 알고 싶으면 여기 클릭) (출처: 김남훈 교수 제공)

GE의 3D프린팅 경쟁력이 놀랍고 무서운 이유

GE 사례는 이 칼럼 연재를 시작한 후 여러 차례 언급했었다. GE는 항공기용 엔진과 발전기용 부품 등 특수 분야 제품의 설계, 생산에 3D프린팅을 활용해왔다. 그러다 재작년 독일과 스웨덴에서 금속 3D프린팅 업체를 잇따라 인수, 합병했고 사내에 3D프린팅 사업 전담 부서 ‘GE 어디티브(GE Additive)’를 출범시키기에 이르렀다. 요즘은 3D프린터로 항공기용 부품을 만드는 데서 한 걸음 더 나아가 3D프린터를 직접 만들기도 한다. 3D프린터를 활용한 제품 개발·양산 대행 서비스 사업을 펼치고 그 과정에서 필요한 특수 금속 소재도 자체적으로 개발, 판매하고 있다.

요컨대 GE는 앞서 언급한 3D프린팅 기술의 세 부문, 즉 장비·소재·소프트웨어를 모두 취급하고 있을 뿐 아니라 응용 분야에 대해서도 전 주기적 가치 창출이 가능한 구조를 갖췄다. 단순히 3D프린팅 장비만 취급하거나 3D프린팅 제품 제작 서비스만 대행했을 때 기대할 수 있는 이익의 몇 곱절을 얻을 수 있는 시장 지배력을 확보한 것이다. ‘항공기 부품을 생산하고 부품 제조에 필요한 3D프린터를 만들며 그 노하우를 사업화하는’ GE는 놀라운 동시에 무섭기도 한 존재가 돼가고 있다. 3D프린팅 기술을 중심으로 연쇄적 가치를 끊임없이 창출해내고 있기 때문이다. 향후 우주항공 외에 다른 분야로 사업을 확장할 때에도 유리할 수밖에 없는 구조다.

사실 3D프린팅 기술 활용(과 그로 인한 가치 창출) 사례는 국내에서도 찾아볼 수 있다. 물론 기업 입장에선 그 모든 게 자체 노하우인 만큼 외부 공개를 꺼리는 경우가 태반이다. 하지만 당장 내가 직∙간접적으로 경험한 것들만 해도 그 수가 적지 않다. ‘설마 이런 것까지 될까?’ 싶은 응용 분야, 이를테면 고온∙고압의 극한 환경에서 사용되는 부품 관련 기술 개발에 도전해 성공한 사례도 여럿 존재한다. ‘3D프린팅 선진국’ 미국만큼은 아니겠지만 국내 기술 수준도 지속적으로 높아지고 있다.

4차 산업혁명의 미래가 인류에 희망적일지, 위협적일지 현재로선 판단하기 어렵다. 하지만 혁명이 어떤 방향으로 진행되든 그 모습은 오늘날 인류가 살고 있는 세상과는 확연히 다를 것이다. 3D프린팅 기술도 마찬가지다. 3D프린팅이 바꿔놓을, 다소 생소할 산업 환경에선 전에 없이 새로운 가치의 먹이사슬이 만들어질 전망이다. 인공지능 기술이 가까운 미래에 산업 기술과 경제 균형의 지도를 바꾸리란 건 이제 누구나 다 안다. 동일한 논리로 3D프린팅 기술은 생산과 물류 지도를 바꿔놓을 게 분명하다. 결국 지금 우리에게 가장 필요한 건 우리 산업 환경에 적합한 ‘한국형 3D프린팅’ 기술(과 시장)을 갖추려는 노력일 것이다.

※이 칼럼은 해당 필진의 개인적 소견이며 삼성전자의 입장이나 전략을 담고 있지 않습니다

[1] 이런 용도에서의 명칭은 ‘쾌속조형(rapid prototyping)’으로 더 많이 알려져 있다
[2] 공군∙해군∙해병대에서 사용되는 항공기 기능을 하나의 기종으로 통합한 지상공격용 전투기. JSF(Joint Strike Fighter)라고도 불린다. 미국 주도로 개발됐으며 록히드마틴과 보잉이 참여했다
[3] Autodesk. 2∙3차원 디자인 소프트웨어 개발 전문 기업으로 오토캐드∙3D스튜디오 등이 대표작이다. 미국 캘리포니아주(州)에 본사를 두고 있다

일본 만화 ‘도라에몽[1]’엔 4차원 주머니가 등장한다. 주인공은 필요한 물건이 있으면 크기와 모양에 관계없이 이 주머니에서 언제든 쉽게 꺼내 쓴다. 만화를 본 사람이라면 누구나 ‘나도 저런 주머니 하나 갖고 싶다’고 한 번쯤 생각해봤을 것이다. 그런가 하면 영화 ‘미션 임파서블’ 주인공은 극중 다른 인물로 변장하기 위해 첨단 장비를 활용, 3차원 가면 제작에 나선다. 관객의 흥미를 끌기에 충분히 매력적인 아이디어다. 혹자는 “상상 속에서나 가능한 기술”이라 말하겠지만 생각하기에 따라 “가까운 미래에 일상에서 접하게 될 장면”일 수도 있다. 그런데 만약 “이런 세상의 출현을 앞당길 기술이 3D프린팅”이라고 말한다면 지나친 비약일까?

연평균 성장률 30% 시장… 국내 점유율은 3.7% 불과

최근 국내 산업, 특히 제조업은 글로벌 시장에서 고전하고 있다. 한편에선 “한국 제조업을 부흥시키려면 4차 산업혁명을 통한 경쟁력 제고가 절실하다”는 주장도 나온다. 아닌 게 아니라 여기저기서 4차 산업혁명에 대한 얘기가 들려온다. 바야흐로 4차 산업혁명 시대가 열린 걸까? 이 글에서 지난(혹은 다가올) 산업혁명을 깊이 있게 얘기할 생각은 없다. 하지만 그 본질만큼은 짚고 넘어갈 필요가 있다.

1·2·3차 산업혁명은 인류 사회·문화 전반에 지대한 영향을 끼쳤다. 그와 동시에 인간 삶의 방식을 바꾸는 계기로 작용했다. 특히 기술적 측면에선 물류(나 제조) 수단 혁신의 단초를 제공했다. 그래서일까, 전문가들은 “4차 산업혁명에선 (드론·로봇·자율주행·인공지능 등으로 대표되는) 물류·데이터 혁명과 (3D프린팅으로 대표되는) 제조 공법 혁신이 특히 부각될 것”이라고 입을 모은다.

사실 3D프린팅 기술과 관련 시장은 4차 산업혁명이 논의되기 훨씬 전부터 세계적으로 주목 받으며 폭발적 성장을 거듭해왔다. 아래 표에서 확인할 수 있듯 3D프린팅 시장 규모는 내년에 117억 달러(약 13조280억 원)를 넘어선 후 매해 30% 이상의 성장률을 기록할 전망이다. 제품 관련 시장과 동일한 규모의 서비스 시장이 창출되고 있단 사실에 주목하면 3D프린팅 기술 발전이 초래할 제조업과 (제품) 서비스 시장 변화는 상상을 초월할 전망이다. 하지만 안타깝게도 2017년 현재 국내 3D프린팅 시장의 글로벌 점유율은 3.7%에 불과하다(2018 홀러스리포트[2]). ‘IT 강국’이니 ‘제조업 강국’이니 하는 말이 무색할 정도다.

△ 글로벌 3D프린팅 시장 규모 추이(장비∙소재∙소프트웨어∙서비스 합계 수치)

최초 개념 30년 전 등장… ‘전시용 샘플’ 벗어나기까지

3D프린팅 기술은 한때 ‘쾌속조형(Rapid Prototyping)’이란 용어로 불렸다. 하지만 최근엔 ‘적층제조(Additive Manufacturing)’란 표현이 더 널리 쓰인다. 이 같은 변화 이면엔 3D프린팅의 의미가 ‘단순 3차원 형상 제작’에서 ‘소재 특유의 물성과 신뢰성까지 감안한 기능성 제품 제조’로 확장돼온 사실이 숨어있다. 탄소복합소재가 쓰였거나 금속 성형이 가능한 고성능 장비가 속속 개발, 보급되고 있는 현실 역시 이 같은 흐름에 속도를 더한다. 더 이상 3D프린팅을 ‘높은 분들 보시는 전시용 샘플 제작 과정’으로 치부할 수 없게 된 것이다.

3D프린팅 개념이 처음 제안된 건 1980년대 들어서면서부터. 상용 3D프린터가 시장에 등장한 건 1980년대 말이었다. 1986년 미국 발명가 척 헐(Chuck Hull)이 최초로 특허 출원한 기술 SLA(StereoLithogrAphy)는 1988년 미국 3D시스템즈사(3D Systems社)에 의해 정식 제품으로 출시됐다. 이듬해인 1989년엔 역시 미국 발명가 스콧 크럼프(Scott Crump)의 특허 기술 FDM(Fused Deposition Method)을 활용한 3D프린터가 미국 스트라타시스사(Stratasys社)에서 출시됐다. (3D시스템즈와 스트라타시스는 오늘날 세계 시장에서 가장 영향력 있는 3D프린팅 기업이기도 하다.)

오늘날 생산·제조 분야에서 3D프린팅 기술의 장점은 일일이 열거할 수 없을 정도로 많다. 굳이 4차 산업혁명을 논할 필요도 없다. 일단 아이디어 구상에서 제품 생산까지의 과정이 놀라울 만큼 단축된다. 디자인(혹은 설계) 관점이 180도 달라져 획기적 적용도 가능해진다. 그뿐 아니다. 이론상으로만 존재했던 최적 구조, 이를테면 초경량 생체 모사 구조 따위도 얼마든지 구현해낼 수 있다. 형태가 복잡한 제품을 까다로운 조립 과정 없이 한 번에 생산할 수 있는 건 물론이고 서로 다른 소재를 동시에 적용, 제작하는 일도 문제없다.

비행기 부품, 자율주행 버스… 우주기지 구축에도 활용

△ GE사가 3D프린팅 기술을 활용, 선보인 제트 엔진용 연료분사노즐(출처: GE 공식 홈페이지)

3D프린팅 기술을 활용할 수 있는 분야 역시 △우주항공 △자동차 산업 △첨단 전자 산업 등 이미 그 폭이 상당하다. 몇 가지 예를 들어보자. 미국 제너럴일렉트릭사(GE社)는 2016년 세계 최초로 항공기 연료분사노즐(leap fuel nozzle)의 3D프린팅 생산에 성공했다. 당초 22개 부속품으로 구성되던 이 장비는 3D프린팅 절차를 거치며 단일 부품으로 제작됐고, 항공기 엔진에 성공적으로 장착됐다. GE 측은 “2020년까지 3D프린팅 기술로 만드는 항공용 엔진 부품 수를 10만 개까지 늘릴 계획”이라고 밝히기도 했다.

2014년 국제생산기술박람회에선 미국 기업 로컬모터스(Local Motors)가 3D프린팅 기술로 만들어진 소형 전기차 ‘스트라티(Strati)’를 선보였다. 고속도로를 주행할 만한 수준은 아니었지만 차체 제조에 소요된 시간은 단 이틀. 디자인 작업을 거쳐 차량을 완성하기까지의 기간을 다 합쳐도 1주일이 채 안 걸렸다. 상용화되려면 시간이 좀 더 걸리겠지만 자신이 원하는 자동차를 직접 디자인하고 만드는 시대가 머지않은 것이다. 로컬모터스는 2016년 자율주행 기능을 갖춘 소형 버스 ‘올리(Olli)’를 3D프린팅 기술로 제작, 공개하기도 했다. 이런 추세를 감안할 때 3D프린팅은 가까운 미래에 자동차·비행기 등 운송 수단 제조 시 필수 기술로 떠오를 전망이다.

△ 로컬모터스가 공개한 전기차 ‘스트라티’(왼쪽 사진)와 자율주행 소형 버스 ‘올리’. 둘 다 3D프린팅 기술로 완성됐다(출처: 로컬모터스 공식 홈페이지)

3D프린팅 기술은 이 밖에도 건축·가구·의류·신발·의료 등 다양한 분야에서 알게 모르게 널리 쓰이고 있다. 미래 활약상은 더 기대를 모은다. 이미 유럽우주국(ESA)은 3D프린터로 우주기지 건설 프로젝트를 기획 중이다. 인공 장기를 만들기 위한 ‘줄기세포 3D프린팅’ 연구도 세계적으로 활발히 진행되고 있다. 특히 우주기지 건설 프로젝트의 경우, 3D프린터만 우주선에 실어 행성으로 보내고 현지 토양에서 건설 재료를 구해 기지를 세울 예정이라니 ‘도라에몽 4차원 주머니’가 따로 없다. ‘3D프린팅으로 세워진 화성의 어느 병원에서 3D프린팅으로 제작된 인공심장을 이식하는 수술이 집도되는’ 날이 곧 올지도 모른다.

△ ESA가 기획 중인 ‘3D프린팅 우주기지’ 개념도(왼쪽 사진)과 기지 건설에 쓰일 3D프린터(출처: ESA 공식 홈페이지)

국내 현실은 열악… 원천기술 확보와 시장 발굴 등 시급

3D프린팅 기술의 가능성은 무궁무진하다. 당장 나만 해도 불과 이삼 년 전 국내외 기술 전시회나 학회에서 보고 들은 얘기와 작년 이후 확인한 사실 간 차이가 상당하다. 과거 3D프린팅의 가능성을 타진하는 흐름이 주를 이뤘다면, 요즘은 자동차·항공·의료 등 실제 수요 업체나 업종을 중심으로 3D프린팅의 실제 공정 적용 사례와 제품 제작 성공담이 훨씬 더 자주 보고된다. 관련 기술이 발전하고 수요 시장이 성장하는 속도 둘 다 너무 빨라 3D프린팅의 미래를 감히 예측하기도 조심스럽다. 하지만 3D프린팅 기술이 제조업 현장과 사람들의 일상 환경을 크게 바꾸리란 것, 따라서 우리도 하루 빨리 그 변화를 받아들일 준비를 마쳐야 한단 건 분명한 사실이다.

아쉽게도 3D프린팅 분야에서 국내 기술 수준은 미국∙독일∙일본 등 해외 선진국에 비해 다소 열악한 게 사실이다. 3D프린팅 기술이 적용되는 부문도 상대적으로 제한적이다. 가장 큰 원인은 산업용 3D프린팅 관련 원천기술[3] 부재, 그리고 한정적 수요 시장이다. 창의적 발상과 시도로 3D프린팅 기술을 한발 앞서 이해, 응용하려는 제조 현장에서의 노력도 아쉽다.

3D프린팅은 단순히 기존 제작 방식을 대체하는 기술이 아니다. 3D프린팅 기술이 본격적으로 도입되면 △시스템을 디자인(혹은 설계)하고 △재료를 선정하며 △실제로 제작한 후 △(제작에 쓰인) 시스템의 신뢰성을 검증하는 전 과정이 이전과는 달라져야 한다. 이와 관련, 최근엔 디자인(혹은 설계) 분야에서 3D프린팅 기술의 장점을 극대화하는 방법론의 하나로 일명 ‘DFAM(Design For Additive Manufacturing)’의 중요성이 강조되고 있기도 하다. (다음 번 칼럼에선 DFAM 방법론에 대해 좀 더 상세히 살펴보고 DFAM이 적용된 국내외 사례도 소개하고자 한다.)

※이 칼럼은 해당 필진의 개인적 소견이며 삼성전자의 입장이나 전략을 담고 있지 않습니다

[1]ドラえもん(Doraemon). 일본 작가 후지코 후지오가 집필한 어린이 공상과학 만화. 1969년 어린이 잡지 쇼가쿠칸에 연재되며 인기를 끌었고 동명의 애니메이션도 세계적 화제를 불러일으켰다
[2]Wohlers Report. 미국 컨설팅 기업 홀러스어소시에이츠(Wohlers Associates)가 매년 펴내는 글로벌 3D프린팅 산업 현황 보고서
[3]여기서 ‘원천기술’이란 장비나 소재의 특허에 국한되지 않고 응용 부분 일체를 포함하는 개념이다

#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.