8일이면 집 한 채 '뚝딱'...2년 후 119조 '3D 프린팅 시장' 열린다

3D 프린팅한 안경을 연마하고 있는 모습. /사진제공=브리즘

2000년대초 3D 프린터는 '21세기 연금술사'로 불렸다. 자신이 원하는 물건을 원하는 소재로 만들 수 있다는 점이 부각되면서다. 많은 사람들은 3D 프린터를 4차 산업혁명을 이끌 제조 혁신의 아이콘으로 치켜세웠다. 높은 기대만큼 실망도 컸다. 느린 출력 속도와 낮은 품질 때문이다.

그러나 기술 발전으로 출력 시간이 줄어들고 품질이 높아지면서 3D 프린터가 다양한 산업군에서 활약하고 있다. 간단한 부품을 찍어내는 수준을 넘어 이제는 집을 짓고, 음식까지 만든다. 2020년 370억달러(약 52조7805억원) 규모였던 글로벌 3D 프린팅 시장은 2024년 840억달러(119조8260억원)로 성장할 전망이다.
FDM·SLA·SLS…장단점 확실한 3D 프린팅 기술3D 프린팅 방식은 크게 3가지로 나뉜다. 융용 적층 모델링(FDM), 광경화성 수지 조형 방식(SLA), 선택적 레이저 소결(SLS) 등이다. FDM은 흔히 우리가 인식하고 있는 3D 프린팅 방식이다. 열가소성 필라멘트에 열을 가해 녹이고 압출해 층층이 쌓아가는 방식이다.


FDM의 장점은 소재의 가격이 저렴하고 운용이 쉽다는 점이다. 실제 가정에 보급된 3D 프린터 대부분이 FDM 방식이다. 단점은 출력 품질이다. 열로 녹인 필라멘트를 압출해 한 층씩 쌓아가는 방식이어서 표면이 울퉁불퉁하다. 후처리에 많은 시간이 소요된다. 출력 시간도 길다.

SLA는 레이저에 굳는 성질을 가진 광경화성 레진을 사용한 3D 프린팅 기술이다. 액체화된 광경화성 레진에 레이저를 쏴 켜켜이 원하는 모양의 물체를 쌓아 만드는 방식이다. SLA의 장점은 높은 해상도와 정확도다. FDM과 비교해 표면이 매끄럽고, 복잡한 구조도 손쉽게 뽑아낸다. 문제는 소재다. 액체화된 레진은 독극물이기 때문에 세심한 관리가 필요하다. 또 레이저를 이용한 설계 방식 탓에 FDM과 비교해 운용과 설계가 어렵다는 점도 단점으로 꼽힌다.

SLS는 분말 형태의 재료를 얇게 깐 다음 레이저로 가열해 녹이고 굳히는 방식이다. SLA와 비교해 다양한 소재를 이용할 수 있다는 점이 장점이다. 분말 입자만 균일하게 만들 수 있다면 어떤 소재든 이용할 수 있다. 다만 후처리가 문제다. 녹지 않고 남은 분말을 직접 떼어내야 한다. 이때 나오는 초미세먼지는 인체에 치명적이어서 세심한 관리가 필요하다.
SLS 방식 이용 브리즘…폴리아미드 맞춤형 안경테 선봬3개 프린팅 기술 모두 장단점이 확실한 만큼 쓰이는 영역이 각기 다르다. 기술 난이도가 낮은 FDM 방식은 다양한 분야에 사용되고 있다. 그중에서도 최근 눈길을 끄는 산업군은 건축이다.


미국 3D 프린팅 전문기업 아이콘은 지난해 10월 미국 텍사스주 오스틴에 3D 프린팅 주택 100채를 공급하겠다고 밝혔다. 아이콘의 건축용 3D 프린터인 '벌컨'(Vulcan)은 적층 방식을 이용한다. 3D 프린트에 연결된 호스로 콘크리트를 치약처럼 짜내 주택 내외부 벽을 만든다.

2000제곱피트(약 185.81㎡) 면적의 주택 내외부 벽을 만드는 데 8일이면 충분하다. 건축에 필요한 인력도 기존의 4분의 1 수준인 3명이면 충분하다. 비용절감 효과가 크다.

3D 프린터를 활용해 개인 맞춤형 안경을 만드는 국내 스타트업 브리즘은 SLS 방식을 이용한다. SLS를 선택한 이유는 별도의 지지대가 없기 때문이다. 지지대가 없으면 그만큼 제품을 프린팅할 수 있는 면적이 늘어나고, 대량 생산이 가능하다. 브리즘이 폴리아미드 안경테 3만장을 생산할 수 있었던 것도 이 덕분이다.
수 초 만에 뚝딱 찍어내는 3D 프린터…패러다임 전환

CAL 3D 프린팅 방식 /사진=UC버클리

3D 프린팅 기술은 계속 진화하고 있다. 2017년 로렌스 리버모어 국립연구소(LLNL)와 미국 UC(캘리포니아주립대)버클리에서 발표한 컴퓨터 축 리소그래피(CAL) 3D 프린팅 기술이 대표적이다.

CAL은 한 층씩 쌓아가는 기존 적층 방식의 3D 프린팅 기술과는 완전히 다르다. 액체화 광경화성 레진이 담긴 용기에 3D 이미지를 여러 차례 쏘는 방식으로 출력물을 한 번에 뽑아낸다. 레진이 담긴 용기가 일정 속도로 회전하면 그때마다 적절한 3D 이미지를 쏴주는 게 중요하다.

CAL 방식으로 출력했을 때 가장 큰 장점은 빠른 출력 속도다. 층층이 쌓는 과정이 필요 없다 보니 출력 속도가 그만큼 빠르다. CAL이 출력물을 뽑아내는 데 걸리는 시간은 수초에 불과하다. 3D 프린팅 상업화의 가장 큰 걸림돌인 출력 속도를 큰 폭으로 줄였다.

CAL 연구에 함께 참여했던 스타트업 졸로(Xolo)는 2020년 말 CAL 기술을 적용한 3D 프린터 '쥬브'(Xube)를 선보였다. 아직 출력 사이즈도 작고, 세밀함도 떨어진다. 그러나 압도적인 출력 속도는 3D 프린팅에 대한 패러다임을 전환할 신기술로 관심이 집중되고 있다.

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