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[기획] 3D 프린팅 적용 분야
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작성일2024-04-09
3D로 프린트하는 해저도시
‘3D프린팅으로 건물을 짓는다.’ 크게 특별한 것 없어 보이는 문장이다. 거대한 프린터가 거대한 구조물을 인쇄할 뿐이다.
그렇다면 ‘물속에서 3D프린팅으로 건물을 짓는다.’라는 문장은 어떤가?
일반적으로 콘크리트를 수중에 타설하는 것은 불가능하다. 콘크리트가 경화되는 데에 최소 8시간이 필요하고, 흐르는 물과 만나면 구성물이 모두 씻겨 내려가기 때문이다.
건축 시 비가 올 땐 콘크리트 작업을 하지 않는 것도 이런 이유다.
2024년 2월, 한국건설기술연구원의 구조연구본부가 32개월의 연구 끝에 수중 건설용 3D프린팅 기술을 선보였다.
기술의 핵심은 굵은 자갈이다. 재료에 섞인 굵은 자갈들은 지지력과 마찰력을 갖게 되고, 적층 공사를 수월하게 한다. 수중 건설용 3D 프린트 기술은 작업인력이 투입되기 힘든 극한 환경에서 인간의 작업 부담을 덜어준다. 또한 수중 구조물 보수보강 작업을 할 때에도 산업 잠수사 대신 수중 건설용 3D 프린트 기술을 활용할 수 있다.
건설기술 연구원은 해당 기술이 고령화와 산업이탈로 심각해지고 있는 산업 잠수사 공동화 현상을 막아줄 것이라고 기대한다.
등장부터 꾸준히 관심 받아온 3D프린팅 기술이 새로운 신소재 및 재료, 기술의 등장과 함께 다시금 산업업계의 주목을 받고 있다.
작은 부품을 만들던 3D프린팅 산업은 꾸준한 발걸음으로 어디까지 걸어왔을까.
3D 프린팅이 활발히 사용되는 분야
3D 프린팅 기술은 복잡하고 정밀한 부품을 빠르고 저렴하게 제작하는 장점이 있어 항공 모빌리티 제조업에서 널리 활용되고 있다.
미국의 민간 항공 우주 기업 런처(Launcher)는 NASA 스테니스 우주센터에서 3D 프린터로 만든 고성능 구리 합금 소재의 액체 로켓 엔진 'E-2'의 테스트를 성공적으로 마쳤다.
제작된 부품은 시험 연소 후에도 붕괴하지 않아 재사용이 가능해 비용 절감 효과 또한 기대된다.
세계 굴지의 온라인 플랫폼 아마존(Amazon Inc.)사 또한 에어로젯 로켓다인 (AJRD, Aerojet Rocketdyne)과 유나이티드 론치 얼라이언스 {ULA, United Launch Alliance}의 합작인 로켓 엔진 'RL10C-X'을 통신 위성 프로젝트에 사용하기 위해 계약을 체결했다. ULA 최고경영자 토리 브루노는 이번 계약이 “미국의 산업 기반을 두 배로 늘릴 것”으로 예상했다.
한편 3D 프린터로 만든 로켓 발사가 실제로 시도되고 있다. 지난 3월 미국 스타트업 기업 랠러티비티 스페이스(Relativity Space)의 로켓 ‘테란 1’의 85%는 3D 프린터로 제작됐다.
3D 프린팅 기술로 연료 탱크부터 엔진까지 제작해 기존 로켓보다 부품 수를 100분의 1로 줄이고, 제작 기간도 60일 이내로 단축했다.
발사 시도는 실패했지만 랠러티비티 스페이스는 검증 과정을 거쳐 ‘테란 R’을 올해 케이프 커내버럴 우주군 기지(CCAFS, Cape Canaveral Air Force Station)에서 발사할 예정이다.
‘테란 R’이 발사에 성공한다면 3D 프린팅 기술이 발사체 제작 과정에 소모되는 비용을 획기적으로 줄일 수 있다는 사실이 검증되기 때문에 관련 업계 전체가 결과에 주목하고 있다.
이처럼 3D 프린팅 기술은 항공우주산업을 비롯해 다양한 분야에서 기존 제조 방식의 한계를 넘어서는 새로운 가능성을 열고 있다.
국내에서는 지난 2월 두산에너빌리티가 금속 3D 프린팅 사업을 기존 항공 우주와 자동차 모빌리티 부품 생산에서 나아가 대형 선박, 해양 분야로 사업을 확장할 계획임을 밝혔다.
재료의 한계를 넘어서
미국 우주항공기업 NASA의 3D 푸드 프린팅 기술을 사업화한 미국 스타트업 비헥스(BeeHex)는 2017년 3D 프린터로 6분 만에 수요자가 원하는 모양과 재료를 갖춘 피자를 만드는 기술을 선보였다. 최근 비헥스는 폐플라스틱을 미생물과 반응시켜 추출한 단백질 성분을 3D 프린터에 원료로 넣어 스테이크나 닭가슴살 등을 제조하는 푸드테크 시스템이 연구개발 중이다. 비헥스는 해당 연구를 활용해 국제우주정거장(ISS)과 향후 건설 예정인 달 유인 기지에 3D 프린팅 식품을 들일 계획이다.
지난해 11월, 취리히 연방공과대학교와 MIT 스타트업 잉크비트 공학자들이 기존의 단단한 소재가 아닌 유연한 소재로도 출력할 수 있는 3D 프린터 기술에 관한 논문을 네이처 저널에 발표했다. 일반적으로 3D 프린터는 굳는 속도가 빠른 폴리아크릴레이트 플라스틱을 재료로 사용한다. 가소성 플라스틱이 프린터 노즐에서 나와 층층이 쌓이면서 경화되는 방식으로 모형을 제작하는 것이다. 프린팅 소재가 빠르게 굳기 때문에 만들 수 있는 결과물의 형태, 기능, 유연성에 제한이 있었다. 플라스틱 대신 유연한 에폭시나 티올렌은 프린팅 재료로 사용할 수 없었다.
그러나 연구팀은 우수한 탄성을 가진 동시에 느리게 경화하는 티올렌 폴리머에 적합한 3D 프린팅 기술을 개발했다. 이 기술은 연성, 탄성, 경성 재료들이 서로 쉽게 결합할 수 있도록 만들어 원하는 대로 섬세한 구조와 부품을 만들 수 있다. 실제로 연구팀은 3D 스캔 기술을 세밀하게 적용해 인공적으로 제작한 심장 펌프, 힘줄, 인대 등을 만들 수 있었다. 게다가 뼈와 관절이 있는 부드러운 로봇의 손까지 출력해 낼 수 있었는데, 이 손은 내장된 센서 패드를 사용해 물체를 짚는 것도 가능했다.
지난 7일, 가톨릭중앙의료원 김성원 가톨릭대 이비인후과 교수 연구팀은 공동연구를 통해 지난해 8월 동종 성체줄기세포 기반 3D 바이오프린팅 인공기관을 성공적으로 이식했다고 밝혔다. 공동 연구팀은 살아있는 세포를 실제 장기 구조와 유사하게 마이크로 프린팅하여 활성화된 이식용 장기와 조직을 만드는 3D 바이오 프린팅 방식을 활용했다. 이는 의치•보청기 등의 단순 의료기기나 수술 시뮬레이션에 사용되는 인체 장기 모사체를 제작하던 기존 3D 프린팅 기술에서 한발 더 나아간 방식이다.
3D 프린팅 기술이 뇌 질환 치료 연구 분야에 활용된 사례도 있다. 지난해 10월, 기초과학연구원(IBS)은 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 3D 프린팅 기술로 쥐의 두개골 표면에 전자회로를 인쇄해 뇌파를 장기간 송수신하는 데 성공해 연구 결과를 게재했다. 해당 연구는 인간의 뇌를 컴퓨터에 연결해 뇌파를 통해 외부 기기를 제어할 수 있는 ‘뇌-컴퓨터 인터페이스’(BCI•Brain Computer Interface) 분야로, BCI에서는 뇌의 신호를 감지하는 신경 전극과 감지된 신호를 외부 기기로 송수신하는 전자회로가 핵심이다.
지금까지는 BCI의 신경 전극과 전자회로에 딱딱한 금속과 반도체 소재를 사용했는데, 이는 이질감, 뇌 조직의 감염 유발 등 많은 부작용을 낳았다. 연구진은 기존의 소재 대신 뇌 조직과 유사한 액체금속을 이용해 신경 전극을 만들어 뇌 조직 손상을 최소화하여 생체 적합성을 증명했다. 이때 3D 프린터 기술을 활용해 사용자 맞춤형 생체 전극과 두개골 곡면에 따라 얇게 인쇄한 전자회로를 제작했다. 아직 종의 차이로 인해 발생하는 안전성 문제와 같은 임상 적용에 대한 잠재적인 문제는 남아있으나, 이번 연구는 생체에 적합한 액체 금속을 활용한 바이오 3D 프린팅 분야의 무궁무진한 발전 가능성을 시사했다.
사회문화에 끼치는 영향
지난 18일(현지시간) 유튜브에 '3D 프린트된 풀사이즈 매킨토시'라는 제목의 영상이 올라왔다. 해당 영상에는 3D 프린팅 기술을 활용해 애플의 개인용 컴퓨터 ‘매킨토시 플러스’를 제작하는 과정이 자세히 담겼다. 3D 프린팅 기술로 탄생한 메킨토시가 실제로 작동하는 모습을 본 네티즌들은 충격적이라는 반응을 쏟아냈다.
3D 프린팅 기술은 산업의 발전과 혁신을 가져온 동시에 사회적 문제와 윤리적 논점도 제시했다. 도면만 있다면 무엇이든 복제할 수 있는 3d 프린팅 기술의 이면에는 무기류 등 프린팅 범죄, 지식 재산권 침해, 3D 프린팅 활용에 따른 기존 산업 및 종사 인력에 대한 피해, 제조물 책임 및 윤리 문제, 플라스틱 소재로 인한 환경오염 등의 문제들이 쟁점화될 수 있다.
빠른 속도로 변화하는 3D 프린팅 기술의 발전에 맞춰 사회 구성원 간의 충분한 논의와 협의가 필요하다.
아직 해결해야 할 과제가 많음에도 새로운 기술이 가져올 긍정적인 면과 부정적인 면을 함께 고려하여 대비한다면 3D 프린팅 기술이 가져올 미래는 밝을 것이다.
[참고기사]
심장 펌프부터 로봇 손까지, 취리히 공대와 MIT 스타트업의 3D프린터 혁신
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[참고자료]
2022 국내 3D프린팅 산업 실태조사
특별기고 | 지능정보사회를 맞는 우리의 자세
[참고문헌]
박현진 외(2017. 06. 08) "세계 3D 식품 프린팅 기술 및 산업동향과 미래 전망"
(2021. 06. 20) "3D프린팅 산업의 현황, 전망, 사례, 직업세계의 변화, 정책방향 및 시사점"
Kim, Hyeon-Chang. (2015). A Study on the socio-economic impact of 3D Printing. Journal of Digital Convergence, 13(7), 23–31.
