3D 프린터로 만들 수 없는 것은 무엇일까?

우리가 일상 속에서 흔히 사용하는 프린터는 종이와 같은 2차원 평면에 인쇄하는 기계를 말한다. 몇 년 전부터 이슈화되고 있는 3D 프린터는 3차원 그래픽 설계 데이터를 기반으로 플라스틱, 금속, 종이 등의 특정 물질을 적층방식(Layer by-layer)으로 쌓아 올려 3차원의 입체물을 형상화하는 프린터이다. 최근에는 이 3D 프린터로 온갖 것들을 만들어내고 있다. 만들어내지 못할 것이 없을 것처럼 보이는데. 3D 프린터가 만들어 내는 오묘한 세상 속으로 들어가보자.

3D 프린터가 일반인들에게 알려지기 시작한 건 최근의 일이지만 처음 개발된 건 1980년대로 거슬러 올라간다고 한다. 미국의 3D 시스템즈라는 회사는 플라스틱 액체를 굳혀 입체 물품을 만들어내는 3D 프린터를 최초로 개발해냈다. 당시에 3D 프린터로 만들어낸 제품들은 높은 생산 비용 및 지적재산권 등의 이유로 시제품 정도로만 활용됐다고 한다. 

3D 프린터는 적층형과 절삭형으로 구분된다. 적층형은 2차원 면을 층층이 쌓아올리는 방식이고, 절삭형은 덩어리를 깎아 인쇄물을 만드는 방식인데 최근에 보급되는 3D 프린터는 재료의 손실이 적은 적층형 프린터가 대부분이다. 처음에는 주 재료가 플라스틱 소재였는데 고무나 금속, 세라믹 등 다양한 소재로 폭이 넓어지고 있고 활용하는 분야도 전통적인 제조업 분야에서 의료, 건설, 소매, 식품, 의료 등으로 넓어지는 추세다. 

활용 범위가 넓어지고 있는 3D 프린팅 시장

특정 분야에 한정돼 있던 3D 프린터의 활용 범위가 넓어지면서 시장도 기하급수적으로 커지고 있다. 비즈니스 리서치 컴퍼니(The Business Research Company)에 의하면, 글로벌 3D 프린터 시장의 규모는 지난해 862억 달러에서 연평균 23% 성장해 2025년 2천526억 달러에 이를 전망이다.

미국은 전 세계 상업용 3D 프린터 시장의 35% 이상을 차지하는 대규모 시장이자 세계에서 가장 성장 속도가 빠른 국가로 꼽힌다. 마켓앤드마켓은 2025년 전 세계 시장의 45% 이상을 미국이 차지할 것으로 전망하고 있다.

글로벌 3D 프린터 시장에서 상위 10개 기업 중 5개가 미국 기업이다. 스트라타시스(Stratasys), 3D 시스템즈, GE 애디티브 3사가 전체 시장의 30% 이상을 차지하고 있다. PitchBook 보고서에 따르면, 전 세계 3D프린터 회사의 45% 이상(787/1,711개사)이 미국에 본사를 두고 있다. 그 중에서 스트라타시스와 3D 시스템즈가 독보적으로 시장을 주도하고 있다. 이 밖에도 옵토멕(Optomec), 마크포지드(Markforged), 프로토랩스(Protolabs), 데스크톱 메탈(Desktop Metal), 카본(Carbon) 등의 유니콘 기업 등이 있으며 제너럴 일렉트릭(General Electric)과 휴렛 팩커드(Hewlett-Packard) 등 글로벌 기업의 3D 프린터 시장 진출도 활발하다.

상업용 3D 프린터 시장을 이끄는 주요 산업은 항공우주 및 방위, 자동차, 전자제품, 의료산업이다. 미국 내 3D 프린터 산업은 미래 유망기술로 주목받기 시작하면서 R&D에 지속적인 투자가 이어졌다. 덕분에 그 활용도가 초기 단계에는 완성품의 디자인 검증 용도나 프로토 타입용으로만 활용됐으나 최근 들어 기술이 발전하여 항공우주 및 방위, 자동차산업, 의료·보석산업 등까지 확대되고 있다. PwC에 따르면 전체 제조업체 약 67%가 3D 프린터를 활용 중인 것으로 알려졌다.

특히 항공우주 및 방위, 산업용품 및 의료기기 산업 내 3D 프린터 R&D 활동이 활발하다. 로켓 엔진을 3D 프린터로 제작하는 스타트업 렐러티비티 스페이스(Relativity Space)가 7억 달러의 투자를 유치, 미국 항공우주국(NASA)와 프로젝트를 진행 중이다. 자동차 제조사 포드(Ford)도 2019년 4500만 달러를 투자해 첨단제조센터(Advanced Manufacturing Center)를 오픈했으며 자동차 부품 생산에 3D 프린터 활용을 확대했다. 또 다른 자동차 제조사 GM도 전기차 생산에 3D 프린터를 활용할 것이라 밝혔다.

우주 분야에서 3D 프린터 활용 돋보여

민간 우주 시대가 도래하며 우주 산업에서 3D 프린팅 기술이 각광받고 있다. 로켓 제작부터 우주정거장 유지·보수, 우주 식민지 건설, 식량 생산까지 다양한 분야에서 3D 프린팅 기술이 개발 중이다. 

우주 기업들이 3D 프린팅을 활용하는 가장 큰 이유는 개발 비용과 시간을 단축할 수 있기 때문이다. 일반적으로 로켓 부품은 주물로 찍어내는 방식으로 제작한다. 로켓 엔진은 수천 개의 부품을 제각각 만들어 조립해야 하지만 렐러티비티 스페이스는 3D 프린터를 활용해 3개의 부품으로 엔진을 만들었다. 부품 수를 기존 로켓의 100분의 1로, 로켓 제작 기간은 60일 이내로 줄이는 것이 회사의 목표다. 높이 66m에 최대 20톤을 실어나를 수 있는 테란R은 2024년 발사될 예정이다. 렐러티비티 스페이스는 기술력을 인정받아 최근 투자금 6억5000만달러(약 7200억원)도 유치하며 스페이스X의 뒤를 잇는 우주 업체로 평가받고 있다.

테슬라의 CEO(최고경영자) 일론 머스크가 설립한 스페이스X도 로켓 ‘팰컨9’ 엔진 밸브를 3D 프린터로 제작해 몇 달이 걸릴 공정을 단 이틀로 줄였다. 3D 프린팅에 많이 쓰이는 탄소 복합재는 금속보다 강하면서도 가볍다. 뉴질랜드 우주기업 로켓랩은 탄소복합재로 고온·고압을 견디는 로켓 엔진을 개발해 발사하는 데 성공했다.

미국 우주 스타트업 아이콘은 달 먼지를 콘크리트와 같은 물질로 바꿀 수 있는 기술을 개발 중이다. 이 회사의 3D 프린터는 단층 주택을 약 48시간, 비용은 1만달러(약 1100만원) 이하에 건설할 수 있다. 아이콘은 방사능과 극한의 온도를 견디는 우주 서식지 건설을 하는 것이 목표다. 또 다른 스타트업 AI 스페이스팩토리는 3일에 걸쳐 높이 약 4.57m의 집을 짓는 기술을 확보했다.

우리나라도 3D 프린터로 우주선 개발에 착수했다. 한국형 발사체 누리호를 개발하고 있는 항공우주연구원이 로켓엔진에서 불을 뿜는 연소기를 3D 프린터로 만들어낸 것이다. 10초 동안의 실험에서 추진력과 연료주입, 냉각시스템 등 주요 기능이 모두 합격점을 받았다. 이 연소기는 복잡한 구조의 부품을 찍어내듯 제작하는 3D 프린팅 기술로 만들었다. 수백 개의 부품을 단 4개로 줄여서 비용을 1/3로 감축했다. 

(사진 제공=항공우주연구원)

항공기 엔진 제작에도 3D 프린터 활약

항공모함에서 항공기의 엔진 부품을 외부에서 보급받지 않고도 항공모함에 실린 3D 프린터로 신속히 제조하는 시대가 열린다. 미국 군사매체 디펜스뉴스는 미국 해군대학원이 금속 물체를 만드는 3D 프린터를 통해 함재기 부품 공급망을 혁신하는 방안을 연구하고 있다고 보도했다.

미국 해군은 3D 프린팅 기술로 군함에서 활용되는 원통형 안테나도 만들고 있다. 미국 해군 연구소(NRL)는 3D 프린터로 군함용 안테나를 생산했다. NRL은 3D 프린팅 기술로 단 몇 시간 만에 이 부품을 만들어 생산 시간을 획기적으로 줄였다. 원통형으로 만들어진 이 안테나는 X-밴드 레이다를 탑재하고 있고, 360도 전방을 탐지할 수 있는 등 기술 면에서도 뒤지지 않는다.

3D 프린터가 비행기도 찍어내기 시작했다. 유럽항공기 제조업체 에어버스는 독일 베를린에서 열린 국제항공우주박람회인 'ILA 베를린 에어쇼'에서 3D 프린터로 만든 미니 비행기를 공개했다. 길이 약 4m, 무게 20kg의 이 창문없는 비행기는 2개의 전기모터와 송수신 장치를 제외하고는 모두 3D 프린터로 제작됐다. 에어버스는 향후 3D 프린터로 비행기의 부품 수준이 아닌 전체를 제작할 수 있을 것으로 내다보고 있다.

국내 기업 두산중공업도 최초의 국산 전투기 KF-21(한국형전투기)에 3D 프린팅 기술로 제작한 부품을 공급했다. 해당 부품은 전투기 내 공기 순환 시스템을 구성하는 기자재 중 하나다. 최근 출고식에서 공개된 KF-21 시제 1호기에 장착된 것을 포함해 시제기 2~6호기에도 공급할 예정이다.

두산중공업은 지난 2019년 한국항공우주산업과 ‘항공용 소재 단조 및 3D프린팅 공정 기술 국산화 협력’에 관한 업무협약을 맺고 KF-21 전투기 부품에 3D프린팅 기술을 적용하기 위해 노력해 왔다. 양사는 부품 국산화율 확대를 위해 향후 양산 단계에서도 3D프린팅 기술을 적극 활용할 계획이다.

3D 프린터로 인공근육과 식량도 만든다

한국인 과학자들이 인간의 세포가 들어간 바이오잉크를 이용해 3D프린팅으로 인공근육을 만들어냈다. 뒷다리 근육이 손실된 실험 쥐에 이 바이오잉크로 만든 인공근육섬유를 이식한 결과 8주만에 90% 이상이 회복됐다.

성균관대 김근형 교수팀은 미국 웨이크 포레스트 재생의학연구소(WFIRM)의 이상진 교수, 전남대 연구진과 공동연구를 통해 근육 재생과 기능을 복원하는 3D프린팅 기술을 개발했다. 이 기술이 근육 조직뿐만 아니라 뼈 조직과 신경조직, 심장근육, 인대 등에 효과적으로 응용될 수 있을 것이라고 전망했다.

이렇게 만들어진 인공근육을 길이 15㎜ 정도의 근육이 손실된 실험 쥐에 이식했는데 8주 후 이식 한 부위의 조직이 실제 근육과 같이 완벽히 재생됐다. 특히 프린팅된 인간 근육 전구세포는 기존 근육 구조체 보다 근섬유가 빠르게 형성돼 재생 및 기능 복구에 도움을 줬다는 것이다.

호주 연구진은 3D 프린팅을 이용한 인공뼈를 만드는 기술 개발에 성공했다. 인공뼈는 생체 친화적 소재 '생체적합형 하이드로겔'을 이용해 뼈 구조물을 개발했다. 때문에 실제 인공뼈를 20분 안에 만들 수 있다. 연구진은 기존 3D 프린터로 만드는 것보다 빠른 시간 내 인공뼈 구조물을 얻을 수 있다고 밝혔다.

3D 프린터로 식량 생산도 가능하다. 이스라엘 대체육 개발 업체인 알레프 팜스는 2019년 ISS에서 고기를 만들었다. 동물에서 수집한 세포를 3D 프린터 잉크로 사용해 고기와 맛과 질감이 유사한 조직을 만든 것이다. 동물을 키울 땅이나 물, 사료가 필요하지 않고 언제 어디서든지 고기를 만들어 낼 수 있다는 장점이 있다.

3D 프린터는 집도 뚝딱 찍어낸다. 이탈리아 건축가 마리오 쿠치넬라와 3D프린팅 기업 WASP가 지난달 이탈리아 북부의 도시 라벤나에서 실제로 집을 찍어내는 데 성공했다. 둥근 호박 두 개가 이어진 모양의 이 주택은 3D프린터로 현지의 진흙을 200시간(8.3일)동안 ‘출력’해서 지은 것이다.

면적 60㎡(약 18평). 진흙을 두께 12㎜씩 350겹으로 쌓아 벽을 세웠다. 출력된 진흙을 한줄로 연결하면 총 150㎞. 둥근 천창이 있는 자리에 크레인을 세우고, 크레인의 팔에 매달린 특수 3D 프린터가 컴퍼스 끝의 연필처럼 돌아가며 진흙을 쌓았다. 테클라는 단기간에 주택 수요가 급증하는 지역이나 만성적 주택 부족에 시달리는 저개발 국가에서 활약할 것으로 기대하고 있다. 

미국의 로컬모터스라는 업체는 3D 프린터로 44시간 만에 전기자동차를 만들었다. ‘스트라티(Strati)’로 불리는 이 전기차는 2명까지 탑승 가능하며, 최대 시속 60㎞로 달릴 수 있다. 타이어, 배터리 같은 핵심부품은 일반 부품을 사용했지만, 49개 부품만을 사용한 것이 특징이다. 일반적으로 차 한 대를 만드는데 약 2만개 부품이 들어가는 것을 감안하면 부품 수를 400분의 1로 줄인 셈이다.