우리는 흔히 프린터를 모니터상에 출력 중인 글자와 그림을 종이에 인쇄하는 기능을 하는 사무용 기기로 알고 있다.

달리 말해 작성된 텍스트나 이미지 파일을 인쇄매체의 조건을 선택하여 원하는 방식으로 출력하는 단순한 형태의 반복이었다.

일상생활 속에서는 노트북이나 개인용PC는 소유하고 있지만, 정작 프린터는 가지고 있지 않은 것을 흔히 볼 수 있다.

흔히 텍스트나 이미지 파일을 열어놓은 상태에서 인쇄 버튼을 누르면 출력용지에 인쇄조건을 선택하여 출력하면 그대로 출력되는 것이 일반적인 형태의 프린팅이었다.

그러나 몇 해 전부터 기존의 형태를 벗어나 새로운 방식으로 결과물을 산출하는 3차원(3D) 프린터가 점차 그 사용범위를 넓혀가고 있다.

특수한 방식과 소프트웨어를 이용하여 그린 3차원 설계도를 바탕으로 특수한 매질인 필라멘트를 이용해 간단한 완구, 주택, 슈퍼카에 이르기까지 다양한 입체적인 출력물을 인쇄하는 기술이 현재 선풍적인 인기를 얻고 있으며, 그 관련기술과 적용범위가 엄청나게 빠른 속도로 확대되고 있는 것이다.

이러한 최신기술의 시초는 약 30년 전에 탄생하였다. 1984년 미국의 찰스 홀이 설립한 회사인 3D 시스템즈社는 플라스틱 액체를 굳혀 원하는 물건을 출력해 내는 프린터를 세계 최초로 선보인 것이 그 작은 시작이 있었다.

이러한 3D프린팅 기술은 항공/자동차 산업에서는 시제품을 만드는 용도로 산업용 3D 프린터를 사용해 오고 있어, Rapid Prototyping을 의미하는 기계가 3D 프린터의 동의어로 종종 사용되고 있다.

이러한 발전 속도와 광범위한 적용분야에 따라 제러미 리프킨은 “3차 산업혁명의 특징은 누구나 손쉽게 창업할 수 있으며, 이를 바탕으로 1인 기업주가 되어 혁신적 아이디어를 제품으로 바로 실행해 옮길 수 있는 신속성을 특징으로 할 수 있는 것이다. 3D 프린터는 3차 산업혁명의 주인공이다.”라고 극찬했다.

3D 프린터가 주목받는 핵심 이유는 재료가 가볍고 필요한 제품을 소재의 낭비 없이 맞춤 생산할 수 있으며, 제품 출시가 획기적으로 빠르기 때문이다.

또 하나의 3D프린터 선풍의 이유는 기존의 3D프린팅 기술 관련 특허가 만료되고, 이로 인해 가정에까지 보급될 수 있는 저렴한 프린터가 속속 만들어 지고 있기 때문인데, 현재 대부분의 보급형 프린터는 수 백만원의 비교적 저렴한 가격으로 구입, 설치하여 목적에 맞게 이용이 가능하다.

이러한 흐름에 발맞춰 세계 각국에서 3D 프린터를 상용화하기 위한 노력들이 늘어나고 있으며, 기술 개발에 박차를 가하고 있다.

간략하게 3D프린팅 방식에 대해 살펴보면, 3D 프린터는 인쇄 방식에 따라 크게 두 가지로 나누어진다.

Top - down 형식으로 인쇄하는 절삭방식과 Bottom - up 형식으로 인쇄하는 적층방식으로 구분된다.

현재 보급형 프린터들은 대부분 첨가방식의 가공원리를 사용하는 적층방식의 프린트로, 각각의 방식에서 차이가 명확히 나타난다.

절삭방식은 커다란 원소재를 깎아내 재료의 손실을 야기하는 반면, 적층방식은 이론상으로 재료의 손실이 없이 100% 사용할 수 있다는 점이 매우 매력적인 부분으로 작용하고 있다.

다음으로 3D프린터에 사용되는 잉크개념의 필라멘트에 대해 간단히 알아보면, 가장 널리 쓰이는 재료는 플라스틱 성분의 재료이다.

하지만 이는 어디까지나 가정용에 적용되는 이야기이며, 고가의 산업용 프린터에는 티타늄, 알루미늄, 세라믹, 금, 은 등의 고가의 금속재료들도 사용되고 있다.

이렇게 고가의 재료들이 주류를 이루는 이유는 앞서 잠시 언급한 바와 같이 3D 프린터를 사용하면 재료의 낭비가 없기 때문이다. 특히, 3D 프린터의 발명은 폴리에틸렌 (PE)이 있었기에 가능했다.

이 외에도 Metal, Plastic, Glass, Chocolate, Bio-materials, Wood, Ceramics 등도 사용하는데, 일반 가정용이 아니라 산업용 고가의 3D 프린터에 사용된다.

다음으로 3D 프린터의 활용 형태에 대해서 알아보면, 3D 프린트의 활용 및 응용방안은 매우 광범위하게 분포되어있다.

우리들의 일생생활에서부터 우주왕복선까지 광범위한 사용 흔적을 찾아볼 수 있는데, 우선 일상생활에서는 간단한 생활용품을 즉석에서 만들어 사용할 수 있게 된다.

아직 형태나 기능, 원료의 한계로 인하여 제작 가능 여부가 미지수인 제품의 경우에 아이디어에 따라 유용한 물건들을 큰 비용 없이 직접 제작해낼 수 있다.

이러한 실패비용의 최소화는 창업이나 벤처기업 등지에도 영향을 급속도로 미치고 있다.

3D 프린팅 기술 지원 중 가장 많이 요청되는 제품의 형태는 사출 금형의 가공형태를 가지는 제품인데, 이 경우 약 50% 이상을 차지하는 금형 플레임 제작비용의 부담을 극복할 수 있어 시제품 단계에서 비용과 위험을 감소시키는 방안으로 인기를 얻고 있다.

또한 주목할 점은 우리 장애인과 불가분의 관계가 있는 의료용 제품에 대한 적용이 증가하고 있는데, 의료용 제품은 다양한 곡면형상의 외형을 포함하고 있어 단순히 화면을 통해 보는 것과 실제 제품에는 많은 차이가 있기 때문이다.

특히, 생체⋅의공학 분야에 있어 2000년을 전후로 앞서 소개한 고체 필라멘트를 녹여서 한층 한층 쌓아가며 3D 프린팅하는 방식인 FDM (Fused deposition modeling) 기술에 열가소성 생체적합 고분자를 적용하여 조직공학용 인공지지체를 제작함에 따라, 3D 프린팅 기술이 바이오 조형기술에 급속하게 활용되기 시작하였다.

최근 이러한 3D 프린팅 기술의 활용이 조직공학용 지지체 이외에도 가상수술 시뮬레이션 및 수술, 치아 임플란트 제작, 맞춤형 보형물 제작, 인공혈관, 인공간(肝) 등 의학 분야에서 다양하게 적용되고 있다.

3D 프린팅 기술을 재생의학용 지지체(scaffold) 제작에 활용할 경우, 살아있는 세포를 직접적으로 원하는 형태로 프린팅 할 수 있기 때문에 플라스틱이나 금속으로만 제작된 지지체보다 기존 조직과의 유착률을 높일 수 있고 이를 위해 다양한 생체재료 개발 및 세포활성을 높이기 위한 미세 환경(micro-environment) 조절에 관한 연구가 활발히 이루어지고 있다.

최근 3D 프린팅 기술이 본격적으로 의료에 접목되면서, 보건의료 분야에서도 대대적인 변화를 이끌고 있다.

예를 들어, 가상 시뮬레이션을 통한 꾸준한 수련을 통해 수술 시간 단축 및 성공률 향상에 기여하고 있으며, 의료 인력의 교육실습에 활용되고 있다.

최근에는 보청기, 틀니, 의족 등 개인 맞춤형 의료보형물 제작에도 3D 프린팅 기술이 사용되고 있다.

또한 수많은 연구자 및 의사들이 3D 프린터를 이용하여 인공 장기를 만드는 것에 성공하였으며, 제대로 기능을 유지하는 것까지 확인하였다.

물론 아직 사람을 대상으로 한 임상단계에 까지 활용할 수 있는 정도는 아니지만 이와 같은 기술이 계속해서 발전하게 된다면 3D 프린터가 생명을 살리는 의료업계에 매우 중요한 기술로 채택될 것이다.

그 외에도 의족이나 의수의 제작에도 매우 큰 장점을 나타내고 있는데 의족이나 의수는 제작 과정에는 비용과 시간이 소요되는데, 실제로 성장기에 있는 장애인의 경우 신체 조직이 성장하는 정도에 따라 지속적으로 보조기기를 교체해줘야 하므로 대상자의 부담이 매우 큰 것이 현실이다.

이러한 문제점의 해결책으로 3D 프린터를 활용해 저렴하게 의수나 의족을 제작해 활용하는 사례가 크게 증가하고 있다.

그리고 이러한 3D프린팅 기술은 인공치아나 인공관절을 비롯한 각종 보형물 제작에 사용될 수도 있다.

이러한 잇점에 착안한 영국의 한 기업에서는 손상된 신체 부위를 대체할 수 있는 보형물을 상업적 3D 프린터로 제작하는데 성공하였는데, 이전에 수작업으로 만들던 방식에 비해 기간은 3달 가량에서 2일로, 비용은 700만 원에서 20만 원 수준으로 낮춰졌다.

이 외에도 인공 턱뼈를 제작하거나, 자신의 귀에 꼭 맞는 보청기를 제작하는 등 의료 분야에서 3D 프린터는 개인에게 꼭 맞는 제품을 보다 저렴하고 빠른 시일 내에 제작해준다는 점에서 각광받고 있다.

또한 최근 미국에서 한 공대 학생들이 3D 프린터를 이용하여 장애인들을 위한 휠체어 제작을 시도하였는데, 기존 제품에 비해 매우 경량화되어 있고 구조를 개선하여 많은 힘을 들이지 않고도 움직일 수 있는 휠체어를 만들어 세간의 주목을 받은 사례도 있다.

마지막으로 예술, 문화, 패션 부분에서도 사용될 수 있는데 예술-문화의 경우 세계적인 박물관들이 보유하고 있는 미술품들 중 그간 공개하지 못했던 작품들을 사람들이 쉽게 접할 수 있게 될 전망이다.

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출처 : 에이블 뉴스 : 칼럼니스트 김경식 (bioman92@hanmail.net)

 

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