3D프린터 소재는 글로벌 시장이 성장세를 계속하고 있다.
야노경제연구소(Yano Research)에 따르면, 글로벌 3D프린터 소재 시장은 2018년 최종 소비자 구입액 기준 1조8134억원으로 전년대비 126.9% 증가했고 2018-2023년 연평균 21.2% 성장해 2023년에는 4조7507억원에 달할 것으로 예상되고 있다.
조형방식 관련 기술혁신이 이루어지면서 소재가 다양화‧고기능화되고 시험제작제품에서 최종제품으로 적용이 확대됨에 따라 시장이 급성장하고 있다.
특히, 2015년 이후 강도 향상 등을 실현할 수 있는 새로운 조형방식이 개발됐고 3D프린터 시장에 새롭게 진출하는 곳이 잇따르면서 성장이 가속화되고 있다.

2023년 3D프린터 소재 시장 5조원 육박
3D프린터용 소재압출(ME: Material Extrusion) 방식 소재는 장치와 함께 진화하면서 용도와 최종 소비가 확대돼 필라멘트를 중심으로 높은 성장세를 나타내고 있다.
분말상용융결합(PBF: Power Bed Fusion) 방식 소재도 생산기업들이 설립한 소재 개발을 위한 오픈 플랫폼에서 사용할 수 있는 수지 분말이 다양화됨으로써 최종제품에서 수요가 늘어나고 있다.
반면, 장치 생산기업의 움직임에 따라 조형방식 사이의 경쟁이 치열해지면서 PBF 장치용 금속분말 시장은 2020년 이후 성장률이 둔화될 것으로 판단된다.
액조광중합(VP: Vat Photopolymerization) 방식 소재는 저가의 장치 보급과 소재 전문 생산기업을 중심으로 한 공동개발 플랫폼이 열림으로써 앞으로도 시험제작제품의 적용 및 최종제품의 신규 용도 창출 등이 이루어질 것으로 기대되고 있다.
소재분사(MJ: Matrial Jetting) 방식 소재는 치공구 용도에서 ME 장치와 필라멘트를 조합하는 등 경쟁 분야가 등장하고 있으나 컬러를 요구하는 디자인 모델용 수요가 꾸준히 증가하고 있다. 금형과 의료 분야에서도 수요가 증가하면서 시장 성장을 뒷받침하고 있다.
야노경제연구소는 앞으로도 조형방식의 기술혁신과 소재 다양화‧고기능화로 최종제품에 대한 적용이 확대되고 3D프린터산업이 제조업에서 공작기기에 가까운 형태로 변화할 것으로 예상하고 있다.
다만, 공작기기를 전면 대체하지는 못하고 시험제작제품이나 치공구 혹은 소량다품종 생산제품, 커스터마이즈 조형 등이 주류를 이룸으로써 자동차부품 등과는 다른 틈새시장을 대상으로 3D프린터 특유의 용도 개척이 필요한 것으로 판단하고 있다.

미츠비시, 미국에서 필라먼트 상업 생산…
일본 화학기업들은 3D 프린터 시장 공략을 본격화하고 있다.
최대 메이저 미츠비시케미칼(Mitsubishi Chemical)은 3D 프린트에 사용하는 수지 필라먼트를 미국에서 생산할 계획이다.
최근 IoT(사물인터넷) 보급 확대를 바탕으로 미국, 유럽의 제조현장에서 개발·시험제작 공정에 3D 프린트를 사용하는 사례가 늘어남에 따라 수요 증가에 대응하기 위한 것으로, 기능성 수지를 생산하고 있는 자회사의 2개 공장에 생산설비를 도입함으로써 2019년 상업 생산에 들어갔다.
미츠비시케미칼은 2018년 3D 프린터용 수지 필라먼트 분야 메이저인 네덜란드 Dutch Filaments(현재 MCPP Netherlands)를 인수함으로써 해당 분야에 진출했다.
글로벌 최대시장인 미국에서 직접 소재를 생산함으로써 시장의 니즈를 적극적으로 반영하고 신규시장 개척에도 속도를 낼 수 있을 것으로 기대하고 있다.
미츠비시케미칼 그룹은 3D 프린터용 필라먼트 외에 파우더, UV(자외선) 경화수지 등 관련 소재를 다수 공급하고 있으며 특색 있는 기술과 조합함으로써 시장을 계속 리드해나갈 계획이다.
최근 시장에서 새로운 성형가공기술이 등장하는 등 혁신이 빠르게 이루어지고 있다는 점을 감안해 적절한 소재를 신속하게 공급할 수 있도록 주요 수요처 근처에 생산설비를 마련하는 것이 중요하다고 판단하고 미국시장 진출을 결정했다.
미국에는 수지 컴파운드 등 기능성 수지를 제조·판매하는 현지법인 Mitsubishi Chemical Performance Polymers가 있으며 오하이오의 벨뷰(Bellevue) 공장과 미시간의 디트로이트(Detroit) 공장, 사우스캐롤라이나의 그리어(Greer) 공장을 가동하고 있다.
앞으로 벨뷰와 디트로이트 공장에 3D 프린트용 수지 필라먼트 설비를 도입할 계획인 것으로 알려졌다.
3D 프린트는 미국과 유럽 등을 중심으로 시장이 확대되고 있다.
개인 소비자용 DIY(Do it Yourself) 용도는 물론 제조업에서도 시험제품 생산과 견본 제작 등에 3D 프린트를 사용하는 흐름이 확산되고 있기 때문이다.
특히, 제조현장에서 3D 프린트를 활용하면 세계 각지의 현장에서도 정밀도가 높은 시험제품이나 견본을 바로 공유할 수 있어 개발기간 단축 등에 도움이 된다는 점에서 앞으로도 보급이 확대될 것으로 기대하고 있다.

JSR, 카본 기술 적용해 가능성 창출
JSR도 미국 카본(Carbon)의 3D프린터 기술을 활용해 미래전략을 모색하고 있다.
카본은 세계에서 유일하게 열과 빛의 경화를 조합하는 방식을 이용해 수지 조형물의 과제인 강도를 극복하는 기술을 보유하고 있으며 아디다스(Adidas)와 부품 생산에 성공해 일체성형으로 부위마다 특성을 변화시키는 알고리즘을 구축하는 등 노하우를 확충하고 있다.
일본에서 카본 생산제품을 대리 판매하고 있는 JSR은 초기 채용자를 중심으로 파트너와 제휴를 강화할 방침이다.
JSR은 2016년 500만달러, 2017년 2500만달러를 카본에 투입했다.
기존 3D프린터는 소재를 적층하면서 자외선 또는 열로 경화하는 방식을 채용하고 있으나 경화한 층을 순서대로 적층함으로써 층간 계면이 잘 밀착되지 않아 조형물 강도가 떨어지는 단점이 있으며 주로 시험제작 및 개발 단계에 사용하는 용도에 머무르고 있다. 
최근에는 금속을 적층소재로 이용해 강도를 강화하는 방식이 채용되고 있으나 중량 문제로 특정 용도에만 제한적으로 활용되고 있다.
카본은 세계에서 유일하게 수지부품 경화에 자외선과 열을 병용하는 시스템을 채용하고 있다. 
일반적인 적층방식과는 반대로 경화한 층을 위쪽으로 보내는 방식으로 산소 공급을 통해 자외선 경화를 방해함에 따라 완전히 경화하지 않은 층의 아랫부분이 다음 층과 동시에 경화하도록 함으로써 계면이 매끄럽게 밀착되는 것으로 파악되고 있다.
여기에 후공정인 오븐 열경화 프로세스에 따라 열경화계가 경화함으로써 기존 조형물에는 없는 강도를 발휘할 수 있는 것으로 알려졌다.
아디다스와 공동 개발한 중간창은 격자구조 설계에 따라 부위별로 쿠션성, 안정성 등 서로 상이한 특성을 단일부품으로 실현할 수 있는 기술을 도입했으며 소재 및 구조에 대한 빅데이터, AI(인공지능), 기계학습을 이용한 것으로 알려졌다. 
아디다스는 2018년 중국에서 카본의 3D프린터로 생산한 중간창을 채용한 Futurecraft4D를 15만켤레 공급했으며 2019년에는 10배에 달하는 약 150만켤레를 생산한 것으로 알려졌다.
카본은 미국 포드(Ford)의 자동차부품, 미식축구용 헬멧 소재를 생산하는 등 개발 뿐만 아니라 실제제품 생산에도 나서고 있으며 JSR은 기기 생산기업 등 다양한 업종의 수요처를 대상으로 일본시장 침투를 가속화하고 있다.

TNS, 항공기‧자동차용 금속소재 시장 공략
Taiyo Nippon Sanso(TNS)는 금속 3D프린터 사업을 본격화하고 있다.
TNS는 미국의 장치 생산기업 및 위탁가공기업과 제휴하고 있는 가운데 금속 적층조형의 품질 및 안전성을 향상시키는 주변 소재를 개발해 항공우주, 자동차, 기계 분야에 대한 제안을 강화하고 있다.
유럽 및 미국은 항공기 기간부품을 금속 3D프린터로 양산하는 시대에 진입했으며 일본에서도 활용 움직임이 확대되고 있어 조기에 금속 3D프린터 사업을 크게 육성할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
금속 3D프린터는 디지털 데이터를 토대로 복잡한 형태의 부품을 직접 성형할 수 있어 설계자유도가 높고 금속가공부품에 비해 공정수를 줄일 수 있어 다품종 소량생산에 적합한 이점이 있다.
스테인리스, 티타늄, 인코넬, 알루미늄 등 다양한 금속을 사용하며 동일한 금속을 붙이는 용접과 기술적 친화성이 높은 것으로 파악되고 있다.
금속소재는 산소와 수분에 약하기 때문에 금속 3D프린터는 챔버를 아르곤, 질소 등 불활성 가스로 채우며 용접은 산화 등을 방지하기 위해 산소를 차단하는 보호가스를 이용한다.
조형, 용접할 때 발생하는 스패터 등을 억제하기 위해 장치 및 금속 특성에 따라 불활성 가스 성상 및 가공조건을 최적화할 필요가 있는 공통점도 있다.
TNS는 용접용 보호가스를 Sunark 브랜드로 공급하고 있는 가운데 30년 이상 축적한 기술 및 지식을 활용할 수 있는 분야로 금속 3D프린터를 주목하고 2016년 일본 야마나시(Yamanashi) 연구소에 시험설비를 도입하고 서모그래피(Thermography) 등을 이용해 조형할 때 일어나는 현상을 해석함으로써 불활성가스, 조형조건을 최적화하는 애플리케이션 기술을 개발했다.

미국 전문기업과 제휴해 경쟁력 강화
TNS는 생산제품, 기술 포트폴리오를 확충하기 위해 외부기업과도 잇따라 제휴관계를 맺고 있다.
2017년에는 미국 금속 3D프린터 생산기업 Optomec에 투자해 세계 판매권을 취득했고 2018년에는 금속 적층조형 위탁가공기업 Sintavia와 자본제휴했다.
2019년에는 금속 3D프린터 생산기업 Vero 3D와 전략적 업무제휴를 체결해 일본 판매권을 취득했다.
금속 3D프린터 조형방식은 금속용착(Metal Deposition)과 분말소결(Powder Bed)로 분류된다.
금속용착은 열로 녹인 금속소재를 적층하는 방식으로 대형 조형에 알맞으며 후가공, 보수가 가능한 특징이 있는 반면, 분말소결은 금속소재로 밑바탕을 만든 후 조형할 부분만 선택적으로 열로 녹여 적층하는 방식으로 복잡한 형태로 조형할 수 있어 금속 3D프린터 시장의 대부분을 차지하고 있다.
Optomec이 공급하는 LENS는 금속용착 방식으로 20년 이상의 공급실적을 보유하고 있고, Vero 3D가 개발한 Sapphire는 세계 최초로 분말소결 방식을 채용했다.
금속소재는 일반적으로 굳을 때 수축이 발생함에 따라 형태 변화를 억제하기 위해 보강재를 투입하나 Vero 3D는 해석기술을 활용해 보강재를 사용하지 않는 조형기술을 개발했다.
Sintavia는 부품 설계부터 소재 분석, 금속 적층조형, 후처리, 평가시험에 이르기까지 일련의 공정을 자체적으로 진행할 수 있는 체제를 구축하고 있다.
항공우주 분야 품질규격인 AS9100 등 인증도 취득해 고도의 기술과 품질 관리로 다양한 산업분야에 부품을 공급하고 있다.
TNS는 산업가스 취급기술을 응용함으로써 금속 3D프린터의 품질 및 안전성 향상에 기여하는 주변 소재도 개발했다.
Sintavia에 시험설비를 도입해 테스트를 거듭한 이후 2019년 가을부터 3D Pro 브랜드로 공급을 본격화하고 있다.
금속 3D프린터로 만드는 부품의 재현성, 생산성, 품질을 좌우하는 산소와 수분을 제거하는 불활성가스 정밀제조장치, 산소농도와 결로가 시작되는 온도를 관리해 분진 폭발, 산화 등을 방지하는 금속소재 보관장치, 수십시간 이상 소요되는 조형 중 불활성가스가 끊기지 않도록 하는 자동전환기능이 있는 가스 충전장치 등이 포함돼 있다.
장치와 연동해 컴퓨터 등으로 가동상태를 실시간으로 감시할 수 있는 원격 모니터링 시스템도 개발했다.

3D 금속프린터 시장 2030년 2조엔 상회
일본 신에너지‧산업기술종합개발기구(NEDO)는 2030년 장치, 금속소재, 조형제품을 포함한 금속 3D프린터 시장이 2조엔을 넘어 2016-2017년에 비해 20배 이상 확대될 것으로 예상하고 있다.
미국에서는 보잉(Boeing)이 차세대 대형 여객기 777X에 금속 3D프린터로 만든 부품 30개로 이루어진 최신 소형 엔진을 탑재했으며, 일본은 신형 로켓 H3 엔진에 금속 3D프린팅 기술을 적용할지 검토하고 있는 것으로 알려졌다.
금속 3D프린팅 기술은 연비향상, 경량화가 요구되는 항공우주, 자동차 분야에서 보급이 확대될 것으로 예상되며 숙련공 감소 등을 극복할 수 있는 기술로도 주목받고 있다. (J)