신소재경제신문·재료연구소 공동기획 소재기술백서 2017(9)-제2장 3D 프린팅 소재-금속 3D 프린팅 소재기술(3)-집필 강민철 3D프린팅연구조합 이사

신소재경제신문·재료연구소 공동기획 소재기술백서 2017(9)-제2장 3D 프린팅 소재-금속 3D 프린팅 소재기술(3)-집필 강민철 3D프린팅연구조합 이사

기사등록 2019-05-23 17:44:15

정부, 3D 프린팅 발전 강력한 리더십 必

■ 국내 동향

1) 시장규모 및 전망

금속적층제조와 관련한 국내시장 규모는 조사된 바가 없으나 정보통신산업진흥원(NIPA)의 3D 프린팅 기술 수준 자료를 보면 2014년 1,815억원에서 2015년 2,230억원으로 증가하였고 2019년까지 5,082억원 규모로 연평균 22.9%성장할 것으로 전망하고 있다.

국내 시장의 경우 제조업에서의 활용 수요 부족 및 시장 미성숙 등으로 세계 시장 성장(CAGR 31%)보다 낮을 것으로 전망하고 있으나 국내 금속장비의 보급이 가속화되고 있고 있으며, 그간 정부기관이나 연구기관의 구입에서 최근 기업 위주로 전환되는 시점이다.

최근 국내 장비 제조업체의 시장성을 확보하는 단계에 있고, 국내 분말제조사에서도 양산을 준비하고 있어 연평균 시장 성장률은 30% 내외를 나타낼 것으로 판단된다.

2) 기업 현황

국내에 금속장비를 제작하는 업체는 총 7개 업체로 <표 3-2-1-14>에 나타내었으며 PBF(윈포시스센트롤, 대건테크, 스멕 등)와 DED(인스텍, 맥스로텍 등) 방식으로 제작하는 장비회사가 존재하나 해외 제품대비 적층 사이즈가 소형이다.

국내 장비의 경우 비교적 짧은 역사에도 불구하고 정부 지원사업 등을 통하여 개발이 진행되고 있으며 일부 판매가 이루어지고 있으나 영업실적은 미진한 상태이다. 이들 업체들은 특허권, 해외 영업력 등이 부족한 중소기업으로 글로벌 경쟁력이 다소 부족할 것으로 예상되나 제품의 수준은 향상되고 있으며 새로운 응용분야 창출을 위해 노력하고 있다. 최근 DED 방식의 인스텍이 러시아 등에 수출하는 등 기술력을 인정받고 있다.

국내에는 금속분말제조 업체가 존재하여 가스분무, 수분무, 화학반응, 분쇄 등의 다양한 방법으로 분말을 생산 중에 있으며 주요 수요기업은 분말야금용이다.

전통적인 금속분말을 이용한 분말야금기업들(창성, MPT, 하나 AMT, 풍산, 고려아연, 선광엠파, 메탈플레이어 등)이 존재하여 기존 기업의 컨소시엄 활용을 통해 단기간 분말 공급 루트 확보 가능하다. 현재 적층제조용 분말에 대한 부분적인 양산이나 연구개발 중인 업체는 <표 3-2-1-15>에 나타내었다. 구형분말을 전용으로 적용하기 위해 장비기업 및 분말제조기업간의 협력체계 구축 필요한 실정이다.

■ 해외 동향

적층제조 전 세계 시장은 2016년 60억 6400만달러(약 7조 원)에 육박하며 시장성장률은 20% 이상의 고속 성장 중에 있으며 금속시장의 경우 1조7천억 원 시장으로 추정된다. 전체 시장 규모를 보면, 2010년 이후 그 규모가 급격하게 증가 추세인 것으로 나타나고 있는데, 이는 2010년대 이후부터 실제 제품 또는 부품 제조에 활용되기 시작했기 때문이다.

적층제조 시장은 프린터 장비 및 소재 등의 ‘제품시장(AM products)’과 프린팅 서비스 제공 등의 ‘서비스 시장(AM services)’으로 구분되며 서비스 시장이 규모가 더 크다. 적층제조 시장은 2010년 이후 매년 20∼40% 수준의 빠른 성장세를 보이고 있다.

2016년 세계 AM 제품시장의 시장규모는 위의 그림에 나타낸 바와 같이 266,900만 달러로, AM 서비스 시장규모를 보면 2016년 339,500만 달러로 성장률은 감소하고 있으나 전체 시장은 지속적으로 성장하고 있다. 최근 연도별 성장률을 살펴보면, 기존의 급속한 성장률은 최근 1∼2년 사이 둔화되는 것으로 나타났으며 이는 관련 시장이 성장주기 상 성숙 단계에 진입하고 있음을 간접적으로 보여주고 있다.

2016년 전 세계 장비 판매시장도 플라스틱의 경우 기존의 강자였던 Stratasys, 3D Systems 등은 경쟁업체의 등장에 따라 성장률이 둔화되고 있다.

1) 금속 분야 시장규모 및 전망

적층제조 응용분야에는 크게 산업용 및 기계부품, 우주항공, 소비재 및 전자부품, 의치과용, 자동차, 방산용 등의 분야가 있다.

<그림 3-2-1-9>에 나타낸 바와 같이 2016년의 응용분야를 살펴보면 산업용 및 기계부품, 우주항공, 방산분야에서 급격한 증가가 이루어지고 있다. 이는 금형, 연료분사 노즐 등 항공용 부품, 방산 무기 분야의 성공사례가 바로 시장에 반영된 것이며 이것은 금속장비 및 분말시장의 성장률과 밀접한 연관이 있다.

복잡한 설계 변수와 소량 맞춤형 생산 특징이 강한 항공, 산업기기 및 의료산업 등에서 적층가공을 통한 수요가 강하게 발생하고 있으며, 특히 항공 및 산업기기 분야는 시장규모뿐 아니라 시장점유율 모두에서 급속하게 성장하고 있다.

기존부터 꾸준한 수요가 있던, 금형 및 주조용 패턴 제작(사형몰드 및 정밀주조용 패턴) 등도 매출액이 안정적으로 증가세를 보이고 있다. 반면, 연속공정 및 대량생산 등이 중요한 변수인 자동차 및 소비재 산업에서는 매출액의 증가세가 주춤하고 있는 실정이다.

금속 장비의 경우 <그림 3-2-1-11>에 나타낸 바와 같이 2012년 판매대수가 202대에 불과했으나 매년 급성장하여 지난해에만 957대가 판매되었다. 지난해까지 금속장비의 총 누적 판매대수는 3,366대이며 2025년에는 10배 이상인 35,000대로 예상하고 있다. 2016년 세계 금속 적층장비 판매금액은 54,220만 달러로 추정되며 금속 적층장비의 1대 값은 평균 약 566,570달러로 추정하고 있다.

적층제조 소재시장은 2010년 이후부터 고속 성장하고 있다. 시장 규모는 <그림 3-2-1-11>에 나타낸 바와 같이 약 1조원 규모이며 광경화성 수지, SLS용 분말수지, FDM용 필라멘트 수지, 금속분말 순이다. 플라스틱은 연평균 20% 성장에 불과하나 금속분말의 경우 최근 80% 이상의 고속성장 추세에 있다. 이는 응용분야의 확대에 따라 관련 금속 장비판매 급증에 따른 금속분말의 수요도 동반성장 중이란 것을 의미한다. 향후 금속 적층장비를 비롯한 분말 소재시장분말 등 관련 시장의 전망은 2020년에는 현재 시장의 4배에 해당하는 6,400M$에 이를 것으로 전망된다.

2) 기업 현황

적층제조 시장은 크게 장비, 소재, 서비스업체로 나눌 수 있으며 이를 <그림 3-2-1-14>에 나타내었으며, 금속장비를 제조하는 회사는 PBF 방식이 월등이 많으며 2016년 기업체별 판매는 <그림 3-2-1-15>에 나타내었다.

<표 3-2-1-17>은 PBF 또는 DED 용으로 제조된 구상화분말을 제조하는 업체 및 업체별 생산하는 분말의 종류 및 제조공법 등을 나타내었다.

비즈니스 모델 수요 대상 융합 플랫폼 구축
한국형 3D 프린팅 기술의 모범사례 만들어야

■ 미래의 연구방향

1) 장비개발 강화

최근 장비시장 동향을 살펴보면 소형장비는 국내뿐만 아니라 중국 등 많은 업체가 생산하고 있으나 대형장비는 독일 등 선도국가가 주도하고 있다. 따라서 적층속도를 증대하고 대형화된 장비개발이 중요하리라 판단된다.

향후 단일재료에서 융합형 소재 성형이 가능한 장비 개발이 요구되며 이를 통한 MMC, ODS, 경사기능재료 등의 적층이 가능한 복합소재 장비 개발도 요구되고 인쇄전자용 3차원 MID 등 미래지향적인 장비도 절실하다.

2) 장비 및 분말에 대한 국제 표준 역량 강화

다양한 적층제조기술들이 표준화 개념 없이 제 각각 개발되고 있어 장기적으로 제조단가 인하와 호환성 제고를 위한 소재, 부품, 모듈 등은 물론이고 품질평가에 대한 표준화 요구가 증대되고 있다.

따라서 개발되는 장비와 분말에 대한 국제 표준 역량을 강화할 필요가 있어 연구방향과 이를 대비해야 할 것으로 판단된다.

3) 저가격 분말제조

분말의 제조 기술은 합금별로 다양하나 현재 가격은 잉곳에 비해 20-30배의 비싼 가격으로 유통되고 있다. 그러나 향후 5년 내로 현재 가격에 대비하여 절반 이상으로 떨어질 가능성이 있다. 따라서 품질 수준을 유지하면서 저가격의 분말제조를 위해서는 첫째, 기존 공정을 대체하거나 가스 등 운용비를 절감(예를 들어 hot gas atomization)하고 회수율을 높이는 방법, 둘째로는 기존의 bulk 소재대신 전구체를 사용하여 바로 환원하는 공정(TiCl4를 플라즈마 분위기에서 바로 환원하여 분말을 제작), 마지막으로는 스크랩을 활용하여 원소재 가격을 낮추는 방법 등이 연구되고 있다.

4) 특수목적용 맞춤형 분말개발

현재 구입이 가능한 분말은 30여종으로 기존 벌크소재를 단순히 구형분말로 제조한 것에 불과하다. 적층에 필요한 주된 에너지원은 레이저나 전자빔으로 급속 가열에 의한 분말의 용융 결합이며 급랭이 수반된다. 따라서 기존의 합금계가 가지는 물성을 100% 발휘하는데는 한계가 있기 때문에 이에 따른 합금을 새롭게 개발하여 최적의 물성을 나타낼 합금개발이 필수적이다.

특히 <그림 3-2-1-15>에 나타낸 바와 같이 적층제조에 적합한 맞춤형 합금 개발부터 시작하여 비정질, 형상기억합금, 생분해성 등과 같은 기능성을 부여하는 소재개발이 필수적이다. 더 나아가 내열성 및 내마모성을 확보할 수 있는 복합소재의 개발과 연구도 필수적으로 수행되어야 할 것이다.

5) 경량 및 통합 설계 기술개발

적층제조기술은 전통적인 설계기술로 단순한 부품제조는 아무런 의미가 없다. 분리된 각각의 부품을 조립하는 것이 아니라 부품의 수를 줄이고 냉각효과 등의 기능성과 경량성, 고강성이 겸비되는 부품에 적용해야 의미가 있다.

따라서 이를 위한 설계를 DfAM(Design for Additive Manufacturing)이라고 정의하며 다른 용어로는 Bionical design, Topology optimization도 유사한 개념으로 사용하고 있다. 즉 벌집이나 새의 뼈 등 자연계에 존재하는 최적의 형상을 구현하여 고강성 경량구조를 의미하며 이를 최적화하기 위해서는 단순한 CAD 프로그램으로는 구현이 불가능하다. 따라서 내부를 중공화하고 구조강성해석을 위한 FEM과 디자인 최적화를 위한 프로그램, 그리고 레이저 빔 오리엔테이션 등 통합적인 설계기술이 요구된다. <그림 3-2-1-16>은 가스를 액체로 액화시키는 열교환장치로 내부를 나선형 구조로 설계하여 내부압력을 낮추고 경량화할 수 있는 부품을 예시로 나타내었다.

■ 정책 제언

1) 수요기업 주도의 시장 확산을 통한 기술자립화와 민간투자 유도

우리나라에서도 최근 수년간 미래부와 산업부를 중심으로 시장 확대, 기술 개발,인프라 강화 및 인력 양성, 법제도 기반 조성 등 국가 3D 프린팅 산업 경쟁력 강화를 위한 정책 및 발전 전략을 수립하고 추진하는 데 많은 노력을 해왔다.

특히 2014년에는 국가 3D 프린팅 기술 개발 로드맵을 수립하고, 향후 산업 수요 및 발전이 예상되는 10대 활용 분야와 15대 전략 기술에 대한 지원을 해오고 있어 이에 따른 가시적인 성과가 나타나고 있다.

이러한 그간의 성과와 노력을 기반으로 2016년 12월에는 정부부처 합동으로 구성된 정보통신전략위원회에서 ‘3D 프린팅 산업 진흥기본계획 2017~19’를 마련하고, 2019년 3D 프린팅글로벌 선도 국가로의 도약을 목표로 4대전략과 12대 정책과제를 수립한 바 있다.

그러나 정부의 노력에도 불구하고 3D 프린팅 산업의 글로벌 환경은 우리의 상상을 초월할 정도로 급변하고 있다. 금속 기반 3D 프린팅 기술의 문제점도 다양한 돌파구 기술로 하나씩 해결되고 있다. 이제는 공공기관 중심에서의 서비스나 교육이 아니라 수요기업 위주로 전환해야 할 시점이다.
공공기관이 수익을 위한 기관이 아니기에 디자인과 새로운 디자인을 위한 지원으로 전환해야 한다. 따라서 한국인 가지고 있는 신속성을 기반으로 한국형 3D 프린팅 기술의 모범사례를 만들어 제조산업이 글로벌 경쟁력을 갖도록 태어나고 성장해야 할 때다.

따라서 비즈니스 모델이 있는 산업 수요 제품을 대상으로 3D 프린팅의 산업데이터, 수집 공유 및 활용, 기반 기술 연계, 통합 기술 개발, 시제작·시험평가 및 신뢰성 검증을 일괄적으로 수행할 수 있는 융합 플랫폼 구축이 절실하다.

정부는 당장 가시적인 성과를 요구할 것이 아니라 기업중심의 인프라의 구성을 연구기관과 협력하여 수평적인 협력 시스템으로 작동해야 산업을 창출하고 발전시킬 수 있는 강력한 리더십의 컨트롤타워역할을 해야 할 것이다.

2) 소형장비 보다는 대형장비를 구축한 Smart AM Fab 구축

적층제조방식을 사용하면 단종이나 조달이 어려운 미사일 발사체 연소기 부품 등 방산무기나 발전부품, 신규 수송기계의 대형부품을 개발 또는 다양한 부품개발에 사용될 수 있다.

특히 수십년 사용되는 군수무기 특성상 단종되어 부품조달과 수리보수가 어려운 경우가 많은데 적층제조 기술을 통해 부품의 제조에 시간과 비용을 크게 줄일 수 있다.

그러나 국내의 현실을 돌아보면 아쉬움이 많은데 그 이유는 간단하다. 대형부품 제조를 위한 장비 및 활용 기술의 부족이다. 국내에는 소형장비는 보급이 되어 있으나 대당 30억 이상을 호가하는 대형장비는 전무한 상태이다.

현재 한정된 재원으로 장비가 소형에 머물 수밖에 없으나, 향후 대형 적층제조장비 및 주조장비, 후공정 등이 일괄 구축된 ‘3D 스마트 AM 팹’ 또는 실증하 센터를 구축하여 대형 장비를 일괄 도입하여 수요기업들이 공동으로 활용하는 것이 절실하다.

3) 부품개발의 패러다임의 전환

최근 해외에서 개발되는 신규 부품에 대한 적용분야는 매일 쏟아지고 있다. 한국에서 추진하는 부품개발은 선발주자를 따라하는 소위 ‘기술추격형’이 위주이다. <표 3-2-1-16>에 나타낸 바와 같이 최근의 적용분야 보다는 현재의 기술적 문제점을 뛰어넘는 ‘기술선도형’의 정책을 지원해야 한다. 더불어 정부 지원 과제의 중복성 문제를 전향적으로 인정하고 개발에 따른 위험성이 다소 있더라도 도전적인 주제에 대한 과감한 투자가 요구되는 시점이다.