[3D Printing] 3D Printing 역사 소개 [it 동아 자료]

[it 동아 연재 글]

작년부터 언론에 3D프린터 관련 내용이 연일 보도되기 시작했다. 

모든 것을 뚝딱 만들어 낸다는 보도로 인해, 3D프린터를 잘 모르는 일반 사람들은 3D프린터가 최신 기술이라고 생각한다. 

또한 '3차 산업혁명을 일으킬 수 있는 혁신적인 물건'으로 포장되면서, 사물인터넷(IoT, Internet of Thing)이나 인공지능(AI, Artificial Intelligence)처럼 일반 사람들이 접근하거나 활용하기 매우 어려운 기술로 여겨지고 있다.

그래도 언론 보도에 힘입어 3D프린팅 교육이 작년을 기점으로 급증했다. 

1~2시간짜리 특강부터 모델링과 프린터 조립까지 배울 수 있는 장기간 교육까지 다양해 졌다. 하지만 수강생들 중 상당 수는 개인용 3D프린터의 한계와 산업용 프린터의 단점을 알고 실망한다. 3D프린터에 대한 기대감에 들떠 교육을 받았지만, 전혀 생각하지 못한 한계와 단점에 실망하고는 아예 3D프린터를 쳐다 보지 않는 사람도 생겨났다. 3D프린터가 만능인양 보도된 기사와 어설픈 수준의 교육 때문에 오히려 역효과가 났다. 

이런 상황에서는 3D프린터의 역사를 정확히 알아야 거품 없는 비전을 수립할 수 있다. 

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3D프린터의 시초는 1981년 일본 나고야시공업연구소의 히데오 코다마(Hideo Kodama)의 보고서다. 

빛을 이용하여 액상광경화수지를 고체층으로 형성하여 제품을 만드는 내용이었다. 

히데오 코다마는 이 보고서만 내고 실제 상용화시키지는 못했다. 더불어 특허 출원하기에도 내용이 부족하여 특허가 아닌 그저 기술 문서에 머물고 말았다.

 <일본 Hideo Kodama 관련 기록 :  http://kai-u.jp/english/staff01.html>

 만약 이때 특허가 출원되고 3D프린팅이 상용화됐다면, 이웃인 우리나라에서도 3D프린터 관련 연구가 이때부터 시작될 수 있었지 않았을까 하는, 엉뚱하지만 아쉬운 생각이 든다. 

아무튼 실제 상용화는 미국에서 이루어진다. 가구 회사를 다니던 콜로라도 출신의 척 헐(Chuck Hull)을 통해서다. 이 가구 회사에는 자외선을 이용하여 플라스틱 판을 경화시키는 공정이 있었는데 그는 여기서 3D프린터의 힌트를 얻었다. 

1983년에 시작한 그의 연구는 1986년 입체인쇄술(Stereolithography)라는 이름으로 특허 출원된다.

(특허명: Apparatus for production of three-dimensional objects by stereolithography. 특허번호: US 4575330 A).

<척 헐의 세계 최초 3D프린터 관련 특허 : 미국 특허청 >

척 헐은 이후 1986년 캐나다로부터 투자를 받아 회사를 설립한다. 

이 회사가 바로 세계적으로 3D프린터로 유명한 3D시스템즈(3D Systems)다. 

2년 후 3D프린터가 세계 최초로 판매됐다. 지금으로부터 무려 27년 전이며, 이름은 SLA-1이다. SLA 방식은 광경화성액상수지를 수조에 담고, 여기에 자외선 레이저를 조사하여 원하는 형상을 굳혀가며 만들어 간다.

세계 최초로 등장한 SLA 방식에 이어 상용화된 방식은 개인용 3D 프린터에서 많이 볼 수 있는 FDM 방식이다. 

FDM은 'Fused Deposition Modeling'의 약자로 또 다른 3D프린터 업체인 스트라타시스(Stratasys)의 상표다. 일반 용어는 FFF라고 하며, 'Fused Filament Fabrication'를 의미한다. 하지만 통상 FDM으로 부른다. 

FDM 방식은 1989년 S. 스콧 크룸(S. Scott Crump)에 의해 특허 출원된다(특허명 : Apparatus and method for creating three-dimensional objects, 특허번호 : US 5121329 A).

스콧 크룸의 FDM 특허 도면< 스콧 크룸의 FDM 특허 도면 : 미국 특허청 >

스콧 크룸은 딸에게 글루건으로 장난감을 만들어 주다가 아이디어를 얻었다고 한다. 이 아이디어로 스트라타시스를 설립하고 특허를 출원한다. 스트라타시스는 현재 3D 프린터 세계 점유율 1위다.

< FDM 방식 구조 : 출처 reprap.org >

FDM 방식은 열가소성 플라스틱을 노즐 안에서 녹여 적층하면서 제품을 만든다. 

레이저가 필요 없어 장비가 상대적으로 저렴하기에 대다수의 3D 프린터가 FDM 방식을 채택한다. 

광개시제가 필요 없기에 상대적으로 강도도 높다. 

열에 의해 재료가 식으면서 변형 및 수축이 발생한다.

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1986년 SLA 방식, 1989년 FDM 방식이 특허 출원된 후 다시 5년 뒤인 1994년 새로운 기술인 SLS 방식 특허가 출원된다. 

SLS는 'Selective Laser Sintering'의 약자로 '선택적 레이저 소결 조형 방식'이라 부른다. 유사 용어로는 DMLS(Direct Metal Laser Sintering)이 있다. 

미국 텍사스대학에서 기술 개발되어 특허로 출원되었고, DTM사가 상용화에 성공한다(특허명 : Apparatus for producing parts by selective sintering. 특허번호 : US 5597589 A).

< 텍사스 대학의 SLS 특허 도면 : 미국 특허청 >

이후 3D시스템즈에 인수되어 3D시스템즈가 SLS 기술을 보유하게 된다. 

하지만 SLS 기술은 독일 업체인 에오스(EOS)사에서도 상용화됐다. 

이에 특허 분쟁이 발생했고 2004년 상호 특허를 사용할 수 있도록 계약했다.

< SLS 방식 구조 : 출처 위키디피아 >

SLS 방식은 분말 형태의 재료에 SLA에서 사용하는 레이저보다 강한 CO2 레이저를 사용하여 재료를 녹여 굳게 함으로써 제품을 만든다. 

레이저 소결 후 롤러를 통해 분말 재료를 얇게 올리고 다시 레이저 소결하는 것을 반복한다. 

사용 가능한 재질로는 폴리스티렌, 나일론, 왁스, 금속합금, 세라믹, 알루미늄, SUS, 코발트 등 분말 형태의 다양하다. 

제품의 강도가 높고 분말이 써포트(지지대) 역할을 하니 써포트가 필요 없다. 

프린터 내부에 롤러 구현 및 고가의 레이저 소스가 필요함에 따라 장비가 매우 비싸긴 하다. 

SLS 방식에서 금속 소재를 사용할 경우 3D시스템즈에서는 DMP(Direct Metal Printing)라는 별도의 용어로 제품을 소개하고 있으며, 에오스에서는 DMLS(Direct Metal Laser Sintering)라는 용어를 사용하고 있다. 

 2002년 독일의 엔비전텍(Envisiontec)에서 최초로 DLP 3D 프린터를 출시했다. 

DLP는 'Digital Light Processing'의 약자로 빛을 디지털로 처리한다는 뜻이다. DLP 기술은 흔히 알고 있듯 빔프로젝터에 많이 사용된다. 

DLP의 핵심은 DMD칩으로, 1999년 텍사스 인스트루먼트(Texas Instrument)에 의해 만들어져 현재도 세계에서 유일한 칩으로 사용되고 있다. 따라서 DLP 기술을 사용하여 경화시키는 방식은 SLA, FDM, SLS, Polyjet 등의 방식과 달리 그 자체로 특허가 문제될 것은 없다. 

이에 다양한 업체들이 제품을 속속 출시하고 있다. 하지만 2012년 Formlabs에서 만든 DLP 방식의 3D 프린터에 대해 3D시스템즈에서 특허 제소를 한다. 3D시스템즈에서 1984년 출원한 SLA 방식 일부를 침해했다고 소송을 제기한 것이다.

그런데 2013년 11월 소송은 법원에 의해 기각됐다. 그러나 바로 다시 소송에서 기각된 'US 4575330' 외에 다른 특허를 빌미 삼아 다시 뉴욕 법원에 특허 소송을 제기하게 된다(세부 사항은 http://3dprinterdlp.com/patent-issues에서 확인할 수 있다).  

DLP 3D 프린터가 확산되고 있는 분위기에서 이 소송의 결말이 미칠 영향은 매우 클 것으로 보인다. 3D 프린터 스타트업(벤처) 기업들이 늘어나고 있다. 이런 상황에서 이 소송의 끝이 어떻게 결론이 날 지 지켜볼 필요가 있겠다.

 이 외에도 Polyjet(Photopolymer Jetting Technology : 폴리젯 적층 조형) 방식, PBP(Powder Bed & inkjet head 3d Printing : 분말 배드와 잉크젯 투사) 방식, MJM(Multi Jet Modeling : 멀티젯 조형) 방식, DED(Directed Energy Deposition), DMD(Direct Metal Deposition), SLM(Selective Laser Melting), DMT(Laser Aided Direct Metal Tooling) 방식 등이 있으나 지면상 생략한다.

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여기서 2가지 중요한 포인트가 있다.

첫 번째, 특허는 20년이 경과되면 만료된다는 것. 적정 기간 특허 출원자에게 혜택을 주되 해당 기술의 발전을 저해하지 않기 위함이다. 세계적으로 20년을 특허 존속 기간으로 한정하고 있다. 현재 SLA 방식 2006년, FDM방식 2009년, SLS 방식 2014년, 에오스의 DMLS 방식이 2014년 만료됐다.

두 번째, 영국의 아드리안 보이어(Adrian Bowyer ) 교수는 2005년부터 Reprap(Replication Rapid Prototyping) 이라는 오픈 소스(Open Source) 프로젝트를 진행하고 있다(www.reprap.org). 

누구나 참여 가능하고 무료로 사용할 수 있는 3D프린터 공개 소스인 것이다. 특히 상업적 활용을 포함한 모든 권리가 제약 없이 공개됐다. 

만약 아드리안 보이어 교수의 오픈 소스가 없었다면, 구글의 안드로이드나 애플의 iOS처럼 특정 회사에 종속되거나 로열티를 내야지만 3D 프린터 관련 사업을 해야 했다. 

FDM 방식과 관련된 오픈 소스지만 음식, 건축 3D프린터 등 적층 방식 대부분의 3D 프린터가 이 오픈 소스를 이용하고 있다.

이 두 가지로 누구나 3D프린터를 만들 수 있는 상황이 됐다. 미국의 메이커봇, 네덜란드의 얼티메이커 및 국내 대부분 3D프린터 생산 기업의 개인용 3D프린터가 여기에 속한다. 레이저나 롤러 등이 필요 없고 원재료도 저렴하기에, FDM 방식의 3D프린터는 지금도 메이커가 급속히 늘어나고 있다. 100만 원 이하의 저렴한 3D프린터가 탄생한 것도 이 때문이다.

하지만 FDM 방식 외에 특허가 만료된 다른 방식은 FDM 방식의 원천 특허가 만료되었을 때처럼 폭발적으로 신규 프린터가 나오지 않고 있다. 이유는 공개 소스로 되어 있지 않은 부분에 대한 연구가 필요하며, 만료된 원천 특허 외 다양한 주변 특허가 신규 제품의 등장을 막고 있는 것으로 보인다. 하지만 전반적 3D프린터의 수요 증가로 인해 경쟁이 촉발되고, 결국에는 상당부분 보편화될 것으로 예측한다.  

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2014년 6월 산업용 레이저 기술의 선도 기업인 독일의 트럼프(TRUMPH)가 스위스의 메탈 3D 프린터 제조사인 시스마(SISMA)와 벤처 협약을 맺었다. 

세계적인 레이저 원천 기술을 보유하고 있고, 직원이 만 명에 이르는 트럼프가 직원 130명의 작은 이탈리아 메탈 3D 프린터 제조사와 협약을 맺은 이유는 무얼까? 분명 기존 메탈 3D 프린터 전문 기업(EOS 등)들 제품보다 경쟁력 있는 메탈 3D 프린터를 생산하는 것을 목표로 할 것이다.

<시스마와 트럼프의 협약을 언급한 시스마 홈페이지  : http://www.sisma.com>

3D프린팅의 미래는 어떨까?

미국 록히드 마틴(Lockheed Martin)은 직원이 11만 명이 넘는 세계 최고 항공기 제작사이며, 세계 최대 군수 업체다. 이 업체에서 생각한 미래의 3D프린팅을 보여주는 동영상이 있다. 전투 비행기를 3D프린터로 만드는 가상 영상이다.

<록히드 마틴에서 제작한 3D Pirnting Advance3d Manufacturing>

Reprap 오픈 소스로 개인용 3D 프린터 제조가 촉발된 것처럼, 트럼프와 같은 기업들의 노력으로 메탈 3D 프린터의 가격대와 기능이 기존대비 획기적으로 개선될 것으로 기대된다. 이렇게 기존에 없던 시도는 ‘록히드 마틴사가 꿈꾸는 3D프린터로 전투기를 만들기’처럼 ,지금 비현실적으로 보이는 부분들을 가능하게 만들어 줄 것이다.

[내용 출처 : http://it.donga.com/20408/ ]