3D 프린터, 날개를 달다

 

남자는 액체 표면에 레이저를 쐈다. 액체가 얇은 동전 모양으로 굳었다. 딱딱히 굳은 층을 1mm 아래로 내린 뒤, 또 다시 액체를 채우고 레이저를 쐈다. 이번엔 조금 더 큰 원형으로 굳혔다. 이 과정을 수십 번 반복한 끝에 그는 작은 푸른색 컵을 만드는 데 성공했다. 3D 프린터로 만든 세계 최초의 물건이었다. 1983년, 이렇게 스테레오리소그라피(SLA) 방식의 3D 프린터가 탄생했다. 남자는 미국의 발명가이자 오늘날 세계 최대 3D프린터 업체인 ‘3D시스템즈’사 창업자인 척 헐이다. 그는 자외선을 이용해 광폴리머를 안정적으로 굳혀 표면 코팅제를 만드는 실험을 하던 중 아이디어를 얻었다.


그로부터 5년 뒤, 전혀 다른 방식의 3D 프린터가 개발됐다. 요즘 우리에게도 익숙한, 뜨거운 열로 녹인 플라스틱 재료를 치약처럼 짜내 층층이 쌓는 방식(FDM)이다. 이 기술은 미국의 발명가 스캇 크럼프가 어느 날 딸을 위해 글루건(고형 접착제를 녹여 짜내는 기계)으로 장난감 개구리를 만들다가 아이디어를 얻었다. 그는 이듬해 아내 리사와 함께 ‘스트라타시스’사를 창업했다. ‘3D 프린터’라는 용어는 본래 이 회사의 고유 상표였는데, 크럼프가 1999년 공용어로 쓰는 걸 허락하면서 이제는 일반명사가 됐다.


하지만 지난 30년 동안 두 ‘원조’는 적자를 면치 못했다. 말 그대로 겨우 버텨왔다. 심진형 한국산업기술대 기계공학과 교수는 “기존의 제조업은 금속을 깎거나 금형을 만들어 플라스틱을 찍어내는 두 가지 방식이 주류를 이뤘다”며 “그동안 3D 프린팅 기술은 응용 분야를 찾지 못해 늘 고전했다”고 말했다. 실제로 두회사의 3D 프린터는, 본격적인 양산 전에 테스트용 시제품을 만드는 용도로 오랫동안 쓰여왔다. 그런데 세상이 달라지고 있었다.


 

처음으로 판도가 바뀐 건, 2004년 8월의 일이었다. 척 헐의 SLA 특허가 만료된것. 이 때 프린터 가격이 크게 떨어지면서 많은 사람이 3D 프린터에 관심을 갖게 됐다. 특히 더 저렴하고 쓰기 쉬운 스캇 크 럼프의 FDM 특허가 2009년 10월 풀리면서, 렙랩(RepRap) 같은 오픈소스 프로젝트가 널리 확산됐다. 렙랩은 영국 배스대의 수학자 겸 기계공학자인 에이드리언 보이어 교수가 2005년에 시작한 프로젝트로, 누구나 자유롭게 만들어 쓸 수 있는 3D 프린터를 개발하는 게 목표였다. 이를 계기로 FDM 방식을 사용하는 수많은 개인용 3D 프린터가 시장에 나왔다.

2015년, 3D 프린터는 또 다시 ‘오픈소스’라는 날개를 달게 됐다. 지난해 핵심 특허권이 줄줄이 만료되면서 기술 개발 문턱이 확 낮아졌다. SLA, FDM과 함께 3D 프린터의 3대 축을 이루는 SLS 기술(분말로 만든 재료를 레이저로 굳히는 방식)의 특허가 지난해 2월 만료됐다. 8월엔 금속을 찍어내는 DMLS 기술이, 9월엔 자연색상을 구현하는 3DP 방식이 특허가 풀렸다. 양동열 KAIST 기계공학과 교수는 “요즘 나오는 개인용 3D 프린터가 대부분 FDM 방식인 건, 특허가 만료돼 누구든 자유롭게 만들어 쓸 수 있기 때문”이라며 “앞으로 가격은 더 싸고 성능은 개선된 프린터들이 생산될 것”이라고 말했다.
 

 

하드웨어는 이처럼 눈부시게 발전했지만, 3D 프린터가 실제로 적용된 분야는 아직 많지 않다. 국내뿐 아니라 전 세계가 마찬가지다. 왜일까. 취재 과정에서 만난 전문가들은 입을 모아 ‘소재의 한계’를 꼽았다. 양동열 교수는 “3D 프린터용으로 쓸 수 있는 소재를 찾기가 아직 쉽지

않다”고 말했다.
 

실제로 SLS방식에서 쓰는 금속 분말은 3D 프린터로 출력하려면 적절한 유동성과 일정한 결합력을 갖춰야 한다. 특히 주변으로 열을 잘 전달하지 않아야 한다. 알루미늄이나 텅스텐처럼 열전도성이 높으면 레이저 같은 고온의 열을 받았을 때 주변 금속분말을 같이 녹여 정밀도가 떨어진다. 다시 말해, 순수 알루미늄이나 텅스텐으로는 3D 프린터로 제품을 생산할 수 없다.

 

[미국 스크립스 연구소(TSRI) 아서 올슨 박사팀이 분말을 레이저로 굳혀 단백질 모델을 만든 모습(위). 녹여 짜내는 플라스틱 필라멘트(아래 첫번째 사진)에 비해 3D 프린팅에 알맞은 분말은 개발하기 더 어렵다. 아래 두 번째 사진은 아일랜드 나노스틸사가 개발한 3D 프린팅용 강철

분말. ]
 

소재를 찾아도 이를 출력할 프린터는 별도로 만들어야 한다. 소재마다 녹는점이나 제어방식이 다르기 때문. 실제로 각 업체의 프린터는 그 회사에서 생산한 재료만 출력할 수 있다. 업계 1, 2위인 스트라타시스와 3D시스템즈가 전체 매출의 약 30%를 재료 판매에서 얻는 이유다. 장민호 고려대 기계공학과 교수는 “3D 프린팅 산업에서 하드웨어와 신소재 개발은 떼려야 뗄 수 없다”며 “새로운 분야에 응용하려면 소재를 개발할 때 프린터도 맞춤으로 개발해야 한다”고 말했다.

 

다행히 최근 해외에서는 3D 프린팅에 적합한 알루미늄 합금, 티타늄 합금, 초내열 합금 등이 개발됐다. 펄프, 탄소나노튜브, 생체조직 등 금속이 아닌 신소재개발도 활발하다. 이를 출력할 하드웨어도 함께 개발되고 있다. 아이언맨 수트와 초콜릿, 피자 등이 3D 프린터로 출력돼

전 세계가 깜짝 놀랐던 것처럼, 올해는 신소재와 새로운 프린터가 만나 어떤 물체가 출력될지 기대할 만하다.





 

앞으로는 최적화 문제가 주목 받을 것이다. 수학적 계산 결과를 토대로 재료를 정확한 위치에 정확한 양만 배치해 제품의 강도나 무게, 제작시간을 획기적으로 개선하는 기술이다. 이를 전문 용어로 ‘위상기하학 최적화’라고 부른다.

 

미국의 유명 미래학자 크리스토퍼 바넷은 저서 ‘3D 프린팅 넥스트 레볼루션’에서 세계의 다양한 최적화 프로젝트를 소개했다. 영국의 대형 방산업체인 이에이디에스 (EADS)는 에어버스 여객기 A380의 경첩을 금속 레이저 소결 방식(DMLS) 3D 프린터로 생산했다.

사용한 금속의 양은 기존의 절반. 구조적으로 불필요한 부분을 제거해 재설계한 덕분인데, 이런 디자인은 3D 프린터로만 만들 수 있다. 미국과 유럽을 중심으로 한 이 같은 ‘세이빙 프로젝트(saving project)’는 이제 어느 정도 성과를 축적했다. 2015년에는 더 다양한 분야로 확장될 예정이다.

기존의 3D 프린터는 재료를 제품 모양대로 쌓는 단순한 방식이었다. 만들 수 있는 제품도 한계가 있었다. 최근 개발되는 3D 프린터는 다양한 모양의 완제품을 찍어낼 수 있다. 출력공정, 즉 프로세스의 혁신 덕분이다. 1월 6일부터 9일까지 미국 라스베가스에서 열린 ‘국제소비자가전 박람회(CES)2015’에서 세계 최초로 전자제품을 한 번에 출력하는 프린터가 공개 됐다. 하버드대 제니퍼 루이스 교수팀이 플라스틱과 전도성 잉크를 한꺼번에 출력할 수 있는 3D 프린터 ‘보셀(VOXEL)8’을 개발한 것. 이 프린터는 서로 다른 종류의 헤드 두 개를 장착했다. 플라스틱 헤드로 제품 외형을 출력하다가 필요한 위치에서 전도성 잉크 헤드로 전자회로를 인쇄하는 방식이다. 이 제품을 이용해 한 번에 찍어낸 소형 무인기도 함께 공개됐다. 연구팀은 “향후 보청기 같은 복잡한 전자기기도 사용자 귀 모양에 맞춰 찍어 낼 수 있을 것”이라고 밝혔다.

 

이 외에도 영국 러프버러대 연구진이 개발한 레이저 용형기술은 현재 SLS기법보다 훨씬 빠른 속도를 자랑하며, 덴마크 룩세셀사의 프린트옵티컬 기술은 출력 후 표면을 다듬는 과정을 생략할 수 있다. 3D 프린팅 기술은 지금도 혁신을 거듭하는 중이다. 양동열 교수는 “기억소재 같은 새로운 재료들이 3D 프린팅에 쓰이는 추세”라며 “한번 만들어진 뒤 시간이나 환경조건에 맞게 모양이 변하는 물체를 만들 수 있다”고 말했다. 그가 말한 기술은 바로 2013년 세상에 처음 공개된 뒤, 대중과 언론의 집중적인 스포트라이트를 받으며 2년 사이 크게 성장한 ‘4D 프린팅’ 기술이다. 3D 프린팅을 한 차원 더 성장시킬 이 신기술을 3파트에서 만나보자.

         과학동아