3D프린터의 적용 분야가 점차 확대되고 있다.
3D프린터는 ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene), PET(Polyethylene Terephthalate) 등 플래스틱과 마레이징강, 스테인리스 등 금속소재를 이용해 기계부품부터 개인의 취미용품에 이르기까지 다품종 소량생산 니즈에 대응하고 있다.
최근에는 의료를 비롯한 헬스케어 분야로 적용을 확대하고 있으며 수술 전 시뮬레이션 뿐만 아니라 장기 조형기술 개발도 잇따르고 있다.
프린팅 방식은 플래스틱 및 금속의 얇은 층을 가공하면서 겹겹이 쌓아 입체형태를 만드는 적층법이 주류를 이루었으나 최근 단시간에 매끄럽게 가공할 수 있는 연속조형법이 개발됨에 따라 양산이 가속화될 것으로 예상되고 있다.
3D프린터 사업은 GE(General Electric)가 2016년 유럽 메이저 2사를 인수하는 등 미국이 적극적으로 추진하고 있다.
일본에서는 니콘(Nikon), 캐논(Canon), 리코(Ricoh) 등 광학 관련기업들이 정밀측정 및 헬스케어 사업 확대의 일환으로 3D프린터 관련 대책을 강화하고 있는 가운데 Mitsui Chemicals(MCC), Taiyo Nippon Sanso, JSR 등 화학기업들도 성장시장으로 주목하고 있다.

연속조형방식으로 프린팅 속도 대폭 향상
미국 실리콘밸리 소재 벤처기업인 Carbon(구 Carbon 3D)이 개발한 연속조형 기술은 헬스케어, 스포츠용품 등 다양한 분야에서 주목받고 있다.
액상 계면 연속생산 조형방식(CLIP: Continuous Liquid Interface Production)으로 광경화성 액체 플래스틱을 사용하며 적층 단면에 대한 프린팅을 개별로 진행하지 않고 경화를 원하는 부분에만 가변하는 다수의 마이크로 미러를 이용해 파장 257-266nm의 자외선(Ultra-Violet Light)을 조사함으로써 연속적으로 빠르게 조형하는 기술이다.
재료탱크 밑면에 있는 산소 투과 창(Oxygen Permeable Window)으로 산소를 투과해 재료의 유량을 조절함으로써 자외선 투과와 동시에 직경 30μm 정도가 빠르게 경화됨에 따라 경화된 부분과 경화되지 않은 부분이 공존하는 특징이 있다.
산소 농도를 미세하게 조절함으로써 경화되지 않은 영역인 사각지대(Dead Zone)를 유지하는 기술이 가장 중요한 것으로 평가되고 있다.
또 액체 면에서 조형된 입체구조물을 직접 끌어올린 후 열을 가해 열경화하는 등 광경화 및 열경화 방식을 모두 이용해 강성, 내마모성을 향상시킬 수 있으며 적층법과 달리 이음매가 보이지 않을 뿐만 아니라 이방성이 없는 강점이 있다.
부드러운 수지로 조형한 구조물을 세게 비틀어도 손상되지 않기 때문에 항공기, 자동차 뿐만 아니라 치과 등 헬스케어 관련 수요도 증가하고 있으며 외과 관련 로봇공학(Robotics), DDS(Drug Delivery System) 등에도 적용되고 있다.
아울러 강도와 유연성이 뛰어나고 복잡한 구조의 조형이 가능함에 따라 독일 스포츠화 메이저가 운동화의 바닥 부분에 적용해 양산을 준비하고 있는 것으로 알려졌다.

미국·일본 경쟁구도로 발전
Carbon은 유저 입장에서 가장 많은 시간이 소요되는 소재와 장치 매칭 작업을 자동화해 편리성을 향상시킴으로써 독특한 비즈니스 모델을 구축하고 있다.
유저는 장치와 소프트웨어를 포함해 연간 4만달러의 계약을 체결함으로써 새로운 수지에 적합한 제어용 소프트웨어를 5-6주마다 받을 수 있으며 장치도 1년 반 주기로 교체할 수 있는 것으로 알려졌다.
항공기부품에는 경질 폴리우레탄(Polyurethane), 의료기기에는 고순도 실리콘(Silicone)을 적용하는 등 용도에 알맞은 다양한 소재를 보유하고 있으며 금속소재는 이노베이션을 일으킬 여지가 없을 것으로 판단해 폴리머에 집중하고 있다.
스마트폰 카메라용 마이크로렌즈 메이저인 일본 Kantatsu는 광조형법 3D프린터를 신규사업으로 육성하고 있다.
Kantatsu는 Carbon과 마찬가지로 미러로 광선을 투과해 수지를 경화시키는 기술을 보유하고 있다.
다만, 마이크로 미러가 아닌 대형 미러 1개를 사용하는 차이점이 있다.
광원은 파장 405nm의 LD(Laser Diode), 빔 지름은 500μm로 8분 이내에 높이 35mm의 에펠탑 모형을 만들 수 있는 것으로 파악되고 있다.
미국 광학기기 벤처기업인 MicroVision과 공동개발한 기술로 MEMS(Micro-Electro-Mechanical System) 미러와 삼원색 LD를 활용해 프로젝터를 개발하던 중 3D프린터용으로 적용해 기술 개발에 성공한 것으로 알려졌다.
Kantatsu의 3D프린터 기술은 세계에서 유일하게 프린트 배선판 회로 형성에도 적용할 수 있는 특징이 있다.
도전성 실버 페이스트를 도포한 시트 등을 활용해 수지, 유리, 세라믹 등에 배선폭 0.15mm, 배선간격 0.15mm의 전기회로를 형성할 수 있으며 0.1mm로 미세화해 전자기기 등으로 적용을 확대할 방침이다.
곡면으로도 회로를 형성할 수 있어 혈당치 측정기능이 있는 콘택트렌즈 등에도 투입이 기대되고 있다.

MCC에 GE도 사업 확대 적극화
화학기업들도 3D프린터 시장을 주목하고 있다.
치과소재 사업에 주력하고 있는 Mitsui Chemicals은 치과용 3D프린터 판매를 시작했다.
독일 자회사인 Kulzer가 미국 벤처기업과 공동으로 개발한 자외선 수지 경화 기술을 채용하고 있으며 전용 잉크도 개발해 2018년 출하할 예정이다.
유럽, 미국에서는 치과기공사가 3D프린터를 사용하는 사례가 증가하고 있으며 일본에서도 수요가 증가할 것으로 예상되고 있다.
Taiyo Nippon Sanso는 특수가스, 용접 사업을 통해 축적한 노하우를 바탕으로 해외기업과 제휴해 금속 3D프린터 사업을 추진하고 있으며 항공기, 자동차 관련 분야와 함께 인공뼈·관절 등 헬스케어 시장을 주목하고 있다.
3D프린터 사업은 특히 미국이 적극적으로 추진하고 있다.
GE는 2016년 14억달러를 투자해 글로벌 금속 조형 3D프린터 메이저인 스웨덴 Arcam과 독일 SLM Solutions Group을 인수했다.
Arcam은 티타늄(Titanium)을 사용한 체내 삽입 인공관절 등의 금속조형 기술이 뛰어난 것으로 평가되고 있다.
티타늄은 일반적으로 파우더화한 후 레이저를 조사하면서 조형하며 신뢰성은 높으나 복잡한 형태를 매끄럽게 가공하기 어려운 단점이 있으나 GE는 터빈과 항공기용 부품 가공에 3D프린터를 활용해 생산성을 향상시킬 계획이다.

3D System과 Stratasys가 메이저 군림
글로벌 3D프린터 시장은 미국 3D Systems과 Stratasys가 주도하고 있다.
미국에서는 벤처기업 참여가 증가하고 있으며 2012년 설립된 Formlabs는 광조형법을 이용한 3D프린터 시스템과 전용소재를 개발하고 있는 가운데 최근 커스터마이징 성능이 뛰어난 의수용으로 세라믹 레진을 개발했다.
일본에서는 디지털카메라를 생산하는 광학 메이저가 3D프린터 사업에 높은 관심을 보이고 있다.
니콘은 Carbon 3D에 투자하고 있고, 캐논은 3D Systems의 대리점을 맡으면서 자체 개발도 진행하고 있다.
생산성과 강성이 부족한 문제를 해결하기 위해 얇은 시트에 만들어 넣은 패턴을 적층해 입체화하는 프로세스를 개발하고 있으며 소형 정밀부품 시장을 공략할 방침이다.
3D Systems은 UV 경화형 아크릴수지, 엘라스토머(Elastomer) 소재, 투명 클리어 소재 등을 이용해 장기 및 뼈 모형을 만들어 수술 전 시뮬레이션용으로 제안하고 있다.
2016년 헬스케어 시장에 진입한 리코는 3D프린터로 박동하는 심근을 만드는데 성공했다.
리코는 잉크젯 프린터의 기간부품으로 보유하고 있는 고강성 범용헤드의 응용방안을 검토하던 중 프린터로 iPS 세포를 증식하는 기술을 개발했다.
오사카대학이 개발한 코팅소재를 도포하면서 적층하는 기술로, 조형 후 방치해두면 세포끼리 자연스럽게 붙어 박동하는 것으로 알려졌다.
조형한 장기 등을 생체에 직접 적용할 수는 없으나 동물실험 없이 고품질 시뮬레이션을 실시할 수 있어 신약 개발 등에 유용하게 활용될 것으로 기대되고 있다.
장기적으로는 다양한 세포에 대응 가능하고 장시간 가동할 수 있는 프린터 헤드를 개발할 방침이다.