나만의 맞춤형 개성을 인쇄한다, 3D 프린터!

‘쿠키커터(cookie-cutter)’란 쿠키를 만들 때 쓰는 틀을 말한다. 또한 영어에서는 ‘판에 박은’, ‘개성이 없는’이라는 뜻의 형용사로도 사용된다. 같은 틀을 사용하니 똑같은 모양의 쿠키를 만들어낼 수밖에 없기 때문이다. 그런데 앞으론 ‘쿠키커터’의 형용사적 의미가 바뀔지도 모른다. ‘개성이 없는’이 아니라 ‘나만의 맞춤형 개성’ 정도로 말이다.

우리나라 스타트업 기업 중 하나인 ‘아이빌디어’에서는 곰돌이나 크리스마스트리 등 다양한 모양의 쿠키커터를 제작해 판매하고 있다. 이 회사에서는 소비자들이 직접 만든 새로운 문양의 쿠키커터를 의뢰해 와도 그대로 제작해줄 수 있다. 3D 프린터를 이용해 맞춤형 쿠키커터를 제작하고 있기 때문이다.

3D 프린터는 우리가 디지털카메라로 찍은 사진을 프린터로 인쇄하듯이 신발이나 휴대폰 케이스, 장난감 같은 상품의 설계도를 내려 받아 3차원의 입체적인 물건을 인쇄하는 기계다. 예전엔 이 같은 상품을 만들기 위해선 단단한 덩어리로 된 재료를 자르거나 찍거나 깎아야 했다. 또는 거푸집을 만들어 그 안에 액체 형태의 플라스틱이나 금속을 붓고 식혀서 만드는 방법이 있다.

하지만 3D 프린터는 완전히 다른 방법이다. 여러 재료를 바닥부터 매우 얇은 층으로 차곡차곡 쌓아올려 3차원의 입체적 모양을 만들어낸다. 따라서 이 기술은 금속 프레스나 절단기, 플라스틱 사출 금형 등을 갖춘 작업장 없이도 설계도면과 똑같은 물건을 만들 수 있다.

흔히 3D 프린터라고 하면 근래에 개발된 최신 기술로 알지만, 놀랍게도 이 기계는 나이가 서른 살에 가까운 전통 기술이다. 1981년 일본 나고야 시립연구소의 히데오 고마다가 처음 개발하고, 1984년 미국의 찰스 헐이 특허 출원을 했다. 그리고 1988년 미국의 3D시스템즈라는 회사가 상용화에 성공해 본격적으로 출시했다.

이후 주로 산업용 시제품을 제작하거나 고가의 소량 부품을 제조할 때 사용되던 3D 프린터는 최근 들어 저가형 모델이 보급되면서 대중화되고 있다. 초창기 3D 프린터의 가격은 약 20만 달러에 달했으나 지금은 저가형 모델의 경우 약 1천 달러에 불과하다. 따라서 요즘은 시제품보다 3D 프린터를 이용해 완성품을 생산하는 사례가 점차 늘어나고 있는 추세다. 2003년 3D 프린터의 완성품 생산 비율은 3.9% 수준이었으나 2012년에는 28.3%로 상승했다.

선진국에서는 3D 프린팅을 제조 혁신의 핵심으로 여기고 집중적으로 육성하고 있다. 기존 산업의 제조 공정을 고도화해서 제조업 혁신을 유도할 것으로 예측되는 새로운 성장 동력 후보이기 때문이다. 특히 3D 프린팅의 가장 큰 강점은 다품종 소량 생산에 있다. 이는 ‘나만의 맞춤형 개성’을 강조하는 현대인들과의 취향과도 잘 맞아떨어진다.

올해 초에 개최된 ‘2015 디트로이트모터쇼’에서는 ‘스트라티(Strati)’란 전기 자동차가 단연 화제가 됐다. 그 이유는 이 차가 모든 사람들이 지켜보고 있는 가운데 3D 프린터로 44시간 만에 제작됐기 때문이다.

보통 3D 프린터를 통해 인쇄할 수 있는 크기는 30㎝ 이내지만, 자동차 제작용인 ‘BAAM’은 3m 길이의 물체를 만들 수 있다. 이를 통해 차체를 제작한 다음 CNC 루팅기를 이용해 표면을 깎고 다듬는 절삭가공 작업을 거쳤다. 이후 약 40여 개에 이르는 부품과 기계장치들을 조립해 무게 200㎏의 초경량 차가 만들어진 것.

일반적으로 자동차에 들어가는 부품 수는 약 2만 개 정도지만 스트라티의 경우 제작 공정을 단순화해 부품 수를 대폭 줄였다. 그럼에도 스트라티는 공식 테스트에서 시속 60~96㎞의 속력을 낼 수 있는 것으로 밝혀졌다.

스트라티를 만든 ‘로컬 모터스’라는 회사의 최종 목표는 세계에서 가장 저렴하면서도 친환경적인 3D 프린터 차의 제작이라고 한다. 실제로 올해 말경에는 3D 프린터로 제작된 자동차를 시중에서 볼 수 있을 것으로 예상된다. 소비자가 원하는 다양한 형태의 개성 있는 자동차를 도로에서 볼 수 있게 될 날도 멀지 않은 셈이다.

자연에서 찾을 수 있는 색상들을 다양하게 조합해 자신만의 개성 있는 색조 화장품을 제작할 수 있는 3D 프린터도 출시됐다. 지난해 미국 뉴욕의 한 창업 컨퍼런스 행사장에서 선보인 ‘밍크(Mink)’라는 제품이 바로 그것. 이 3D 프린터는 소비자가 자신이 원하는 색상을 마음대로 골라 립스틱이나 아이섀도 같은 색조 화장품을 만들 수 있다. 이 제품을 잘 활용할 경우 이전에 볼 수 없었던 수백 가지 색상의 화장품을 마음대로 제작할 수 있어 화장품 업계에 큰 혁신을 몰고 올 것으로 전망되고 있다.

3D 프린터로 인해 가장 큰 수혜를 받을 것으로 예상되는 분야는 무엇보다 의료 산업이다. 개개인의 체형에 맞는 제품 생산이 가능해져 의료 기기, 인공 장기 제조, 나노 의학 등 다양한 분야에 걸쳐 엄청난 변화를 몰고 올 것으로 예상되기 때문이다.

예를 들면 이전의 보청기는 최소한 10년 이상 경력의 숙련공들이 정성 들여 깎고 다듬는 방식으로 제작돼 왔다. 그런데 3D 프린터가 등장하면서 숙련공의 손을 거치지 않아도 환자 귀 모양에 꼭 맞는 보청기를 생산할 수 있게 된 것. 3D 프린트로 인해 보청기 제작 작업 속도가 빨라질 뿐만 아니라 불량률이 크게 낮아지고 고객들의 착용감 역시 예전에 비해 크게 좋아질 것으로 보인다.

장기이식 수술이나 성형수술 등에도 3D 프린터는 큰 도움을 주고 있다. CT로 촬영한 이미지를 활용해 장기 복제품을 미리 출력하면 실제 수술 환자 장기의 어느 부분을 어떻게 절개해야 할지 미리 시뮬레이션 할 수 있기 때문이다. 또한 이전에는 의사의 눈대중에 기대야 했던 성형 시술에서도 3D 프린터로 보형물을 제작하면 손상 전의 모양을 완벽히 재생할 수 있어 시술 후 부작용 발생을 크게 줄일 수 있다.

지금의 프린터처럼 앞으로 집집마다 3D 프린터가 한 대씩 놓일 경우 어떤 새로운 형태의 상품과 서비스가 등장할지, 기대해 볼 만하다.

글 : 이성규 과학칼럼니스트

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우주여행, 3D 프린터에 맡겨라

장마가 끝나면 뜨거운 여름이 시작된다. 한여름엔 ‘피서(避暑)’라는 말처럼 더위를 피해 시원한 강이나 산으로 떠나야 제격이다. 요즘은 적지 않은 사람들이 바닥이 보일 정도로 투명한 바다를 자랑하는 외국으로 떠나고 있다. 외국 여행이 평범한 일상이 되고 있다.

외국이 아니라 달이나 화성으로 떠나는 우주여행은 어떨까. 피서와는 거리가 있지만 색다른 경험에 자신만의 추억을 쌓는 데는 최고일 것이다. 물론 우리가 우주여행을 떠날 수 있으려면 여러 가지 문제가 해결돼야 한다.

대표적인 것이 의식주에서 ‘식(食)’과 ‘주(住)’에 해당하는 먹고 마시며 거주하는 문제다. 달로 여행을 떠나더라도 그곳에 머물 수 없으면 멀리서 달을 구경하고 그냥 돌아와야 한다. 또 화성으로 여행을 떠나려면 오고 가는 데만 3개월이 넘게 걸리는데, 그동안 맛없기로 유명한 우주식량으로 배를 채워야 한다.

이런 문제 해결에 3D프린터가 나섰다. 3D프린터는 잉크젯프린터가 종이에 글자를 인쇄하듯이 플라스틱이나 고무 같은 재료를 이용해 물건을 입체적으로 인쇄하는 프린터다. 손으로 만들기 어렵거나 어딘가를 끊었다가 꼬거나 붙여야 하는 복잡한 모양도 한 번에 인쇄할 수 있다.

재료도 플라스틱이나 고무에서 금속이나 음식, 살아있는 세포까지 다양해져 3D프린터로 만들 수 있는 물건은 무궁무진하다. 전문가들은 3D프린터가 의료와 건축, 의류, 음식 같이 생활 곳곳에 쓰여 우리 삶에 혁신적인 변화를 이끌 것으로 기대하고 있다.

3D프린터가 물건을 인쇄하는 원리는 간단하다. 피규어를 인쇄한다면 먼저 컴퓨터를 이용해 사람이나 캐릭터를 입체적으로 수천~수만 개 이상의 얇은 층으로 잘게 쪼개서 분석한다. 이렇게 얻은 정보에 따라 발바닥부터 머리까지 얇은 층을 한 층씩 쌓아 올린다. 물건에 따라 위치와 크기를 조절하면서 조금씩 층을 쌓으며 인쇄한다.

•달의 흙과 돌로 달 기지 건설

미국 워싱턴대학교 연구팀은 달에서 얻은 재료로 부품을 인쇄할 수 있다는 사실을 밝혀 2012년 11월 ‘쾌속조형저널(Rapid Prototyping Journal)’에 논문으로 발표했다. 연구팀은 미국항공우주국(NASA)으로부터 달에서 가져온 돌과 거의 비슷한 물질을 얻었다. 그 다음 3D프린터를 이용해 이 물질로 어떤 것을 만들 수 있는지 직접 실험을 했다. 연구팀은 달과 비슷한 물질로 부품과 같은 여러 가지 형태를 만들어냈다.

3D프린터를 이용하면 달의 흙이나 돌을 재료로 지구에서처럼 원하는 것을 대부분 만들 수 있다는 얘기다. NASA는 오래전부터 3D프린터를 활용하고 있다. 실제로 화성탐사로봇 로버(Rover)에는 3D프린터를 이용한 부품이 70개나 들어가 있다.

3D프린터로 건물을 만든다는 얘기가 자칫 황당하게 들릴 수 있지만 2013년 5월 말 네덜란드에서는 뫼비우스 띠처럼 생긴 2층 건물을 3D프린터로 찍어 내겠다는 계획을 발표했다. 5m 높이의 대형 3D프린터를 이용할 계획인데 이미 돌, 모래 등 다양한 건축 재료로 모형을 찍어내는데 성공했다. 미국과 영국에서도 3D프린터로 건물을 짓는 계획을 추진하고 있다.


[그림 1]5m 높이의 대형 3D프린터로 만들 예정인 네덜란드의 건축물. 사진 제공 : Universe Architecture

•어떤 음식이든 만드는 3D푸드프린터

장거리 우주여행에서 먹는 일은 아주 중요하다. 다양한 음식에는 그만큼 재료나 준비해야 할 게 많이 필요하다. 하지만 우주선은 공간이 제한적이라서 조금 밖에 실을 수 없고, 요리할 수 있는 환경을 갖추는 것도 불가능에 가깝다. 그런데 우주에서도 지구에서처럼 먹을 수 있게 하려는 움직임이 일고 있다.

2012년 NASA는 우주인이 이용할 수 있는 ‘3D푸드프린터’를 6개월 안에 개발해 달라고 한 기업에 요청했다. 이 기업의 연구팀은 15년이 지나도 먹을 수 있는 조건을 갖춰야 하는 장거리 우주여행용 음식을 위해 재료를 모두 가루 형태로 만들고 있다. 식재료의 습기를 빼고 가루로 만들면 상온에서 30년이 지나도 썩거나 변하지 않는다. 연구팀은 2012년 11월에 3D푸드프린터로 초콜릿을 입힌 쿠키를 만드는 데 성공했다.

3D푸드프린터로 음식을 만드는 방법은 어떻게 될까. 연구팀이 생각하는 피자 인쇄 방법은 다음과 같다. 우선 뜨겁게 달군 쟁반 위에 도우를 인쇄한다. 쟁반이 달궈져 있어 인쇄와 동시에 도우가 구워진다. 이 위에 가루 형태로 저장해둔 토마토소스를 물과 기름을 섞어서 인쇄한다. 마지막으로 맛있는 단백질 층을 쌓아 토핑을 하면 완성된다. 모든 재료를 가루로 만들어 합성하기 때문에 단백질 층 재료는 동물이나 우유, 식물을 포함해 어떤 것을 써도 괜찮다.

[그림 2]3D푸드프린터로 만든 꼬인 띠 모양의 과자(좌)와 영국 엑세터대학교와 브루넬대학교 연구팀이
개발한 초콜릿 3D프린터(우). 사진 제공 : oskay, 엑세터대학교

특히 3D푸드프린터는 재료를 모두 가루 형태로 만들어 쓰기 때문에 원재료를 다양하게 바꿀 수 있다는 큰 장점이 있다. 단백질 성분으로 고기류 대신 벌레나 콩과 같이 자연에 널려 있지만 직접 먹기에 거부감이 있거나 잘 먹지 않는 수많은 동식물을 음식 재료로 사용할 수 있다는 얘기다. 해조류나 풀, 각종 씨앗, 벌레 같은 다양한 요소를 음식으로 활용한다면 지구 환경 보호에도 크게 기여할 수 있다.

3D프린터를 잘만 활용하면 달이나 화성에 기지를 세울 수도 있고, 지구에서처럼 맛있고 다양한 음식을 먹을 수도 있다. 달이나 화성에서 몇 달을 머무는 긴 우주여행이 좀 더 실현 가능한 이야기가 되는 것이다. 우주여행을 앞당기는데 발 벗고 나선 3D프린터의 다양한 활약상을 기대해 본다.

글 : 박응서 과학칼럼니스트

 

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3D 프린터로 찍어낸 비행기, 하늘을 날다

비행기를 프린터로 찍어내듯 생산할 수 있을까?
아마도 가까운 미래에 가능해질 것 같다. 2011년 7월 말 무인동력기 연구분야에서 명성을 쌓아온 영국 사우스햄튼대 연구팀이 무인비행기 ‘설사(SULSA, Southampton University Laser Sintered Aircraft)’를 비행시키는데 성공했다. 길이 2.1m의 날개에 무게 3kg짜리 SULSA는 배터리로 가동되는 엔진을 이용해 최고 시속 160km의 속도로 날았다.

400W짜리 모터엔진을 얹은 이 작은 무인비행기가 관심을 끈 이유는 3D 프린터로 ‘찍어낸’ 비행기라는 데 있다. 즉 날개, 액세스 해치, 그리고 나머지 비행기의 구조물을 모두 3D 프린터를 이용해 만들고 속이 텅 빈 동체 속에 전기로 작동되는 엔진과 배터리를 클립으로 얹어서 조립한 것이다. 특히 동체와 날개는 3D 프린터로 나일론 재질로 쌓아서 만들었기 때문에 연결부위에 볼트나 나사 등을 전혀 사용하지 않은 것이 특징이다.


[그림 1] 영국 사우스햄튼대 연구팀이 개발한 무인비행기 ‘SULSA’가 비행하는 모습. 사진 출처 : UNIVERSITY OF Southampton

사실 ‘레이저소결기(Laser sintering)’라 불리는 3D 프린터의 역사는 20년이 넘는다.
3D 프린터에는 잉크 대신 금속이나 고무, 플라스틱 같은 원재료가 들어 있다. 설계도에 맞게 이 재료들을 층층이 쌓아나가면서 실제 물체처럼 입체감 있게 만드는 것이다. 컴퓨터에 오토캐드(AUTO CAD)와 같은 프로그램을 사용해 만들고자 하는 물건을 설계한 다음, 이 데이터를 3D 프린터로 전송하면 인쇄하듯이 초기모형이 뚝딱 만들어진다. 때문에 자동차, 항공회사들은 신제품을 개발할 때마다 초기모델(prototype)을 만들어 실험하기 위해 오랫동안 3D 프린터를 활용해 왔다.

그럼에도 SULSA의 비행 성공이 주목을 받는 것은 실제로 비행을 한 무인항공기라는 특이성 때문이다.
여객기나 군용기 등의 동체와 날개는 날개에 걸리는 하중에 견딜 수 있게 튼튼하고도 가벼운 구조로 돼 있다. 동체의 경우 보통 알루미늄 합금의 박판(薄板)으로 외형을 형성하고 그 내면(內面)에 보강재를 장치한 세미모노코크(semi-monocoque) 구조로 만든다. 타원 모양의 속이 빈 달걀을 상상하면 쉽다.

특히 날개의 경우 불꽃을 내뿜는 모양의 타원형 형태로 가공할 때 비행에 가장 효율적이다. 문제는 이런 항공기 동체와 날개를 가공하기가 쉽지 않다는 점이다. 일반적으로 작은 알루미늄 조각을 이어 붙여서 동체와 날개를 만들게 되는데, 시간이 많이 걸리고 가공하기가 힘들다. 그러다 보니 낭비되는 재료도 많고 제작비용이 엄청 비쌀 수밖에 없다.

그런데 SULSA 날개와 동체는 3D 프린터를 이용해 아주 간단하게 만들었다.
비록 날개 길이 1.2m의 소형 항공기이긴 하지만 이런 방식으로 만들어진 SULSA가 비행에 성공했다는 것이 시사하는 바는 크다. 만약 보잉 787과 같은 거대한 비행기를 3D 방식으로 만들 수만 있다면, 항공기 제조 분야에 혁명을 불러일으키게 될 것이기 때문이다. 현재의 화물기에는 7만여 개의 부품이, 군용기에는 20만~30만여 개의 부품이 사용될 정도로 복잡하다. 게다가 날개를 만드는 것은 여전히 가장 어려운 분야의 하나로 꼽힌다.

항공기의 타원형 동체와 불꽃 모양의 날개를 만들기 위해서는 수많은 종류의 도구들이 필요하고 공간과 자원을 낭비할 수밖에 없는 구조다. 하지만 3D 프린터로 소재를 층층이 쌓아가는 방식을 사용할 경우는 설계자들이 가상적으로 여러 부품을 만들어 인쇄만 하면 되기 때문에 낭비가 없다.

디자이너들은 캐드 프로그램 상에서 여러 가지 모형을 만들어 두고 필요한 원형을 다양하게 만들어 볼 수 있다. 3D 프린팅에서는 모양이 복잡하다고 해서 가공이 어렵거나 비용이 더 비싸지지 않기 때문이다. 항공기 동체와 날개를 인쇄할 수만 있다면, 전통적인 생산 공정 기술을 사용해서 수개월 걸려야 생산할 수 있는 것을 단지 하루 만에 만들어낼 수 있게 된다.

게다가 한 자리에서 다양한 모양을 만들어 내기 때문에, 여러 지역에서 부품을 만들어 공수해 와야 하는 부품 수급망을 획기적으로 줄일 수 있다. 말하자면 SULSA에 적용된 생산 방식은 항공기 제작사들에게는 꿈의 기술인 셈이다.

또 한 가지 주목할 점은 3D 프린터에 사용되는 소재가 크게 진화하고 있다는 점이다. 최근 3D 프린터들은 과거와는 달리 유리, 플라스틱, 콘크리트 등에서 더 나아가 티타늄, 심지어는 설탕이나 초콜릿을 쌓아 올릴 수 있는 수준으로 발전하고 있다. 인쇄에 쓸 수 있는 소재가 다양화될수록 전통적인 생산방식을 대체해 제품을 만들어 내는 분야가 다양해진다는 것을 의미한다. 실제 항공기에 필요한 날개나 핵심부품들을 생산해내지 못할 이유가 없어지는 것이다.

실제로 에어버스(Airbus)사의 엔지니어들은 3D 프린팅 기술을 활용해 승객들을 실어 나르는 진짜 제트 항공기의 날개와 부품들을 만들기 위해 연구하고 있다. 에어버스 계열사인 영국 EADS는 여객기 날개 전체를 찍어내는 연구를 진행 중이다. 이 회사 연구진들은 초음속 여객기 ‘콩코드(Concord)’를 만들었던 바로 그 시설에서 이미 일부 비행부품들을 인쇄하고 있다. 그들은 가까운 미래에는 여객기의 주요한 부분들을 인쇄방식으로 만들어 내리라는 희망을 갖고 있다.

3D 프린트 기술 분야에서만큼은 에어버스가 성공하는 것이 다른 모든 제조업에도 좋은 것임에 틀림이 없다.
날개를 이 방식으로 생산해서 풍동테스트*를 통과할 정도라면 제조하지 못할 제품이 없어지기 때문이다. 그렇게 되면 좋은 디자인이 곧 좋은 생산으로 직결되는 시대가 올 것이다. 이러한 추세는 이미 큰 흐름으로 나타나고 있다. 전문가들은 현재 3D 프린터에서 인쇄되는 물품의 20% 가량을 초기 모델이 아닌 최종 완성품으로 보고 있다. 이러한 수치는 좀 더 상승할 전망이어서 2020년까지는 50% 정도로 늘어날 것으로 보고 있다. 이는 3D 프린터가 상품을 ‘생산하는 기계’로 진화하고 있음을 보여주는 것이다. 물론 그 연구의 선두에는 3D 프린터로 제작되는 항공기가 있다.

*풍동테스트
아주 센 바람을 낼 수 있는 터널에서 진행하는 테스트. 강한 바람으로 항공기가 특정한 속도를 냈을 때의 상황을 재현해 이 때 일어날 수 있는 상황을 실험실에서 확인해 보는 실험으로 항공기, 자동차 등의 개발에 필수적인 절차다.

글 : 유상연 과학칼럼니스트
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