1981년 日서 착안… 급속 성장 / 복잡한 형상도 척척 ‘제조혁명’ / 2026년 산업 전반에 활용 전망 / 정부도 진흥계획 수립 ‘잰걸음’
3차원 인쇄 기술은 영화에 자주 등장한다. 주인공이 상대방 얼굴을 스캔해 3차원 프린터로 재빨리 제작한 후 능숙하게 그 사람의 역할을 대신한다. 3차원 인쇄 기술은 영화적 상상을 넘어 우리의 현실에 깊숙이 들어와 있다. 3차원 인쇄 기술로 복잡한 입체 형상을 쉽게 제작할 수 있다. 3차원 인쇄 기술은 제조 혁명을 이끌 뿐만 아니라 세상을 바꿀 혁신 아이콘이다. 최근 세계 제조 산업에서 핵심 기술로 급성장하고 있으며, 우리 정부도 2019년 ‘3D 프린팅 산업 진흥 시행계획’을 수립해 국가적 차원에서 기술력 확보에 노력하고 있다.
3차원 인쇄 기술의 아이디어는 1981년 일본 고다마 히데오가 처음 착안했고, 1986년 미국 척 헐이 설립한 3D 시스템스가 3차원 인쇄 기술을 최초로 제품화했다. 2009년 스트라타시스가 보유한 압출적층 방식의 3차원 인쇄 기술 특허가 공개되면서 관련 기술은 2010년 이후 시장에서 주목 받았다. 이 기술은 플라스틱을 녹인 액체를 분사해 층층이 쌓는 방식인데, 액체를 층층이 쌓아 굳히면서 사물의 입체 형상을 완성한다. 여러 층을 쌓아 전체 형상을 만드는 데 시간이 걸리지만 프린터 외에 별다른 설비가 필요하지 않은 매력적인 제조 기술이다.
원병묵 성균관대 교수 신소재공학
2014년 3D 시스템스가 보유하고 있던 레이저 소결 특허도 공개되면서 관련 분야의 발전을 촉진했다. 레이저는 한 점으로 집중하기 쉽다. 이 원리를 이용하면 레이저를 집중해 한 점에서 가열할 수 있다. 금속이나 플라스틱 분말은 레이저 가열에 의해 녹았다가 응고하면서 분말끼리 달라붙어 소결이 일어난다. 분말이 담긴 용기에 레이저를 집중 조사해 입체 형상으로 만든다.
이외에도 빛을 쬐면 단단하게 굳는 광경화 수지를 활용하는 방법도 있다. 1997년 텍사스 인스트루먼트가 개발한 이 방법은 특수한 투영기로 빛을 조사하면 광중합 반응을 일으키는 광경화 수지가 굳어 입체 형상을 만든다. 빛을 이용하면 층층이 쌓는 것보다 빠르게 입체 형상을 만들 수 있다. 아크릴 수지는 빛을 흡수하면 중합 반응이 일어나 분자끼리 결합한다. 액체 아크릴 수지는 빛에 의해 순식간에 고체로 응고해 입체 형상으로 바뀐다. 이 방법은 빛에 반응하는 광경화 수지만 가능하다.
아이디어는 빠르게 발전하고 있다. 2019년 1월 미국 로런스 리버모어 국립연구소와 캘리포니아 대학 연구진은 기존의 엑스선 단층 촬영 기술을 활용해 새로운 인쇄 기술을 제안했다. 병원에서 환자 내부를 엑스선으로 찍어 입체로 분석하는 기술이 엑스선 단층 촬영 기술이다. 이 기술을 역이용해 컴퓨터가 제공한 입체 형상 정보를 액체 수지가 담긴 용기에 투사해 입체 형상을 단번에 찍어내는 방식이다. 지금까지의 3차원 인쇄 기술 중 가장 빠르다. 미래 기술 전문가들은 현재의 개발 속도라면 3차원 인쇄 기술은 2026년쯤 산업 전반에 널리 활용돼 안정기에 들어갈 것이라 전망하고 있다. 3차원 인쇄는 복잡한 디자인, 소량 생산, 주문형 제조에 적합하다. 입체 형상 정보가 있으면 어떤 디자인도 제조할 수 있다. 거대 제조 설비가 필요하지 않고 제작 단가가 비교적 저렴하며 모양이 복잡한 형상도 제작 가능하다. 3차원 인쇄 기술을 활용하면 제조 자유도가 무한대에 이른다. 개인 맞춤형 산업에서 3차원 인쇄 기술을 주목하는 것도 이 때문이다.
3차원 인쇄가 만능은 아니다. 여전히 금속을 포함한 많은 소재가 3차원 인쇄로 제작할 수 없다. 분말을 사용할 경우 미세 분말에 따른 작업 안전이 중요하며 분사된 분말을 단단하게 굳히기 위한 후처리가 필요하다. 빛을 활용할 경우 소재와 빛의 반응이 관건이며 빛에 반응이 없는 소재는 이 방법으로 인쇄가 불가능하다. 생체 소재를 인쇄하는 기술도 아직 갈 길이 멀다. 입체 형상 제작이 가능하고 기계적 물성이 뛰어나며 생체 적합성이 확보돼야 한다. 3차원 인쇄를 위한 소재 개발이 절실하다. 지금까지 평면 인쇄를 기반으로 인류가 이룩한 사회 변화는 입체 인쇄를 정점으로 다시 한번 대변혁을 겪을 것이다. 제조 혁신은 물론 의료 혁신에 이르기까지 3차원 인쇄 기술은 인류에게 새로운 도전의 가능성을 열어주고 있다.