원천기술 확보·적극적 투자 必

■ 국내·해외 동향

1) 세계 산업 동향

2014년 월러스 어소시에이츠(Wohlers Associates)의 자료에 의하면 세계 3D 프린팅 시장은 2014년 40억 6천 5백만 달러 규모에서, 연평균 31.3%로 성장하여 2020년 210억 달러 규모의 시장을 형성할 것으로 전망하고 있다. 3D 프린터 기술의 진화는 조형된 제품의 질 향상과 조형 속도의 향상 등에 있지만, 산업분야 적용에 있어서 제조의 폭을 넓히는 요소는 소재의 다양화에 있다. 초기의 3D 프린팅의 소재는 수지, 금속, 석고가 대부분이었지만 최근에는 다양한 소재의 연구가 진행되면서 여러 분야에서 3D 프린터를 이용하는 연구가 활발하게 진행 중이다. 항공, 의료, 에너지 및 군수산업 같은 분야에서 3D 프린터의 실용적인 용도가 확장되면서 사용자의 수요를 이끌고 있다.

2014년 세계 항공산업 시장규모는 약 5,108억 달러로 추정하고 있다. 가장 큰 시장규모를 가지는 부품/장비 시장은 2005년 이후 연평균 7.9%로 성장하여 2014년 기준 1,814억 달러 수준으로 성장하였다. 아시아 지역의 경제성장으로 항공여객 수요 및 항공 화물 운송량 증가로 글로벌 항송 수요 점유율이 아시아로 확대 이동 중이다. 노후기 대체 및 기술 향상에 의한 부품 개발 성공에 따른 신형 항공기의 수요로 앞으로 20년간 성장세를 유지할 것으로 기대된다. 이러한 수요는 항공우주용 3D 프린팅 시장을 견인할 것으로 예상된다. 항공우주산업을 선도하는 미국은 2013년 오바마 대통령의 국정연설에서 3D 프린팅을 거의 모든 제품의 생산방식을 바꿀 수 있는 잠재력을 가진 기술로 언급하며, 3D 프린터에 대한 진흥과 R&D를 위한 프로그램 그리고 응용 생산 등을 국가 차원에서 지원하고 있다. 이처럼 다양한 3D 프린터 관련 프로젝트가 활성화되며 장비 가격의 하락, 사용자 편의성 증대, 적층 속도 및 재료의 개선 등이 빠르게 진전될 것으로 보이며 이로 인해 3D 프린터 보급도 증가할 것으로 예상된다.

세라믹 인공치아 및 바이오 세라믹 관련 3D 프린팅 분야에서 미국, 영국, 독일 일본 등의 선진국과 말레이시아와 같은 개발도상국 모두 디지털, 바이오, 물리학 등의 경계를 융합하는 4차 기술혁명으로 모든 것이 연결되고 보다 지능적인 사회로 진화하기 위한 경쟁력 확보 차원에서 시장 선점을 위해 정책적으로 투자하고 있다.

독일은 의료기술 혁신 전략(Innovationen in der Medizintechnik)을 위한 의료기술 전문 프로그램(Fachprogramm Medizintechnik)을 발표하고 의료장비 개발 과정 개선 및 공급체인 통합 등 헬스케어에 지식의 접근성 강화 및 관련 기업과 연구를 환자의 요구에 부응하도록 지원하고 있다. 일본은 문부과학성, 후생노동성, 경제산업성의 의료분야 R&D 예산을 통합 관리하기 위해 의료분야 컨트롤타워인 AMED(일본 의료연구개발 기술)를 2015년 4월 설립하고 전략적 혁신 창조 프로그램(SIP)를 추진하는 등 범부처적 융합하기 위한 노력을 하고 있다. 중국은 13년 차 5개년 계획을 바탕으로 바이오 전반의 기술에 대한 산업적 활용도를 제고하여 기업을 육성할 계획을 제시하고 초기 시장 형성 분야에 대해서는 유연한 규제 정책을 추구함으로 바이오산업을 하이테크 산업으로 선정하고 바이오산업 발전 계획의 수립 등 정책적 지원을 강화하고 있다.

2019년에 이르러 3D로 인쇄할 수 있는 소재의 범위가 확대됨에 따라 기업용 3D 프린터 출하량이 64.1%의 연평균 성장률을 기록할 것으로 전망되고 있다. 미국의 시장조사 회사인 Markets and Markets 사의 자료에 의하면 2018년도 3D프린터 소재 시장은 4억 800만 달러에 달할 것으로 전망하였다. 이중 플라스틱, 세라믹, 금속 등의 3D 프린터용 분말 소재 시장은 2015년부터 2020년까지 연 24.4%의 성장을 보이며, 2020년에는 6억 3,990만 달러 규모까지 성장할 것으로 예상하고 있다. 리서치 업체 canalys의 3D 프린팅 시장 규모로서 2018년 3D 프린터 단말 및 관련 서비스와 소재 등의 규모가 162억 달러 규모까지 성장할 것으로 내다봤다 <표 3-2-2-7>. 또한, 2013년 18억 달러 수준이었던 관련 서비스 및 소재 시장은 2018년 108억 달러에 달할 것으로 예상했으며, 2013년부터 향후 5년간 연평균 성장률(CAGR)은 43.8%에 달할 것으로 전망했다.

2) 국내 기업 현황

국내 세라믹 3D 프린팅을 선도하는 기업들은 중소기업 단위로 대부분 덴탈과 바이오세라믹에 편중되어있으며, 그 외의 다른 분야는 찾아볼 수 없었다. 이는 생활 도자기에서부터 덴탈, 바이오 건축 등 다양한 분야에 세라믹 3D 프린팅 기술을 적용하는 해외의 사례와 비교되는 부분으로 더 다양한 세라믹 소재 3D 프린팅 기술의 연구개발이 필요하다는 것을 시사한다. 여기에 함께 수반되어야 할 것이 바로 소재 개발이다. 3D 프린팅을 위한 다양한 소재를 개발하고 이를 프린팅 할 수 있는 공정성 확보를 통해 더 많은 분야에 3D 프린팅 기술을 접목시키는 연구가 필요하다. 우리나라의 대표적인 3D 프린팅을 연구, 개발하는 기업들은 다음과 같다. 캐리마는 산업용 부품 및 건축물 그리고 덴탈 부분에서 3D 프린팅 관련 사업을 활발히 진행하고 있다. 일루미네이트는 3D 프린터 장비에 대한 연구를 진행 중이며, 이를 덴탈 분야에 활용하고 있다. 시지바이오와 바이오알파는 환자 결손부에 맞춘 생체 세라믹 인공뼈와 환자 맞춤형 의료기기 개발을 3D 프린팅 기술을 이용해 사업을 진행 중에 있다.

가공비용 차지하는 수준 낮춰야
선진국 AM기술 난 성형성 극복

3) 해외 기업 현황

정부의 정책뿐만 아니라 기업들도 3D 프린팅 보급에 앞장서고 있다. Boeing 사는 3D 프린팅 기술로 2만 개 항공부품을 제작하고 있으며, GE 사는 LEAP 제트엔진의 연료노즐(Fuel nozzle)을 3D 프린팅으로 생산을 시작으로 2017년 개최된 air show에서는 3D 프린팅 기술로 제조한 실물크기의 엔진을 선보였다 <그림 3-2-2-6>. 사용온도의 한계를 극복하기 위하여 신소재 개발 및 세라믹 소재에 대한 수요는 분명하나, 현재까지는 금속 소재를 기반으로 하고 있고 1400 ℃ 내외 초고온 용도의 세라믹 부품 개발은 미미한 실정이다. 이에, HRL Laboratories 사는 NASA와의 공동연구로 광조형 프리 세라믹을 이용한 3D 프린팅 기술을 개발하였고, 내열안정성 고정밀 성형체를 선보였으며 대대적으로 홍보 중이다.

세계 치과용 제품 시장은 2020년까지 연평균 8.3%로 성장이 전망되고 있으며, 국내의 경우 최근 5년간 연평균 18.9%로 크게 성장하는 추세이다. 미국 FDA에 따르면 2015년 3D 프린팅 의료기기로 85개의 제품이 허가되었으며, 3D 프린팅 의료기기 허가 제품은 4개로, 그중 환자 맞춤형 임플란트와 치과용 브리지가 포함되어 있다. 독일의 DeltaMed 사와 미국의 Stratasys 사는 3D 데이터를 활용하여 환자의 구강을 스캔하고 3D 프린터로 맞춤형 보철을 출력하는 방식으로 치과보철 및 브리지를 제조하고 판매하고 있다.

stratasys와 3D Systems의 경우 기업 간 인수합병을 통해 글로벌 시장에서 점유율을 끌어올리고 있으며, 구글은 스마트폰의 표준 모듈 생산속도와 물량을 대량 확보하기 위해 아라 프로젝트에 3D 프린팅을 활용하고 있다. 채플 또한 3D 프린팅 기술 특허를 다수 출원하며 스마트폰이나 태블릿 제조에 활용할 것으로 예측된다. 미국의 일반 프린터 글로벌 기업인 휴렛팩커드(HP)는 2014년 10월‘멀티 젯 퓨전(Multi Jet Fusion)’이라는 새로운 3D 프린터 기술을 개발함으로써 3D 프린터 시장에 진입하였으며, 세라믹 3D 프린터 개발도 진행하고 있다.

영국의 Argilasys와 벨기에의 Unfold는 전통방식으로 구현하기 어려운 3차원 복잡 형상의 도자기들을 소비자 맞춤형으로 세라믹 3D 프린팅 기술로 제작하여 판매하고 있으며<그림 3-2-2-7>, 프린터 판매 사업도 함께 진행 중이다. 일본의 NEXT 21와 프랑스의 Prodways는 인산칼슘계 생체 세라믹을 CT 데이터와 보정된 모델의 데이터로 출력하여 두개골 또는 하악골을 환자에게 이식하는 기술을 보유하고 있다.

오스트리아의 Lithoz에서는 지르코니아 세라믹 구조체를 생산할 수 있는 3D 프린터와 세라믹 소재를 판매 중이며, 미국의 EXOne은 세라믹 제품뿐만 아니라 금속용 세라믹 사형 금형 제작이 가능한 3D 프린터와 원료를 판매 중이다. 마지막으로 중국의 Winsun은 건축용 3D 프린터로 이집트에 2만 채의 주택 건설 계약을 체결하고 이를 진행 중이다 <그림 3-2-2-9>. 이처럼 생활 자기, 바이오, 덴탈 그리고 건축에 이르기까지 우리 생활 깊숙이 세라믹 3D 프린팅 기술이 많은 부분을 차지하고 있으며 관련 사업도 세계적으로 활발히 진행되고 있다.

하지만 우리나라는 바이오와 덴탈 분야에만 편중되어 있어 더 많은 분야에 세라믹 3D 프린팅 기술을 접목시키는 연구 개발이 활발히 이루어져야 할 것이다.

■ 미래의 연구방향

의료용 세라믹, 건축용 세라믹 쪽으로 일부 상용화 사례가 나오고 있지만 기초적인 수준인 관계로 기술 개발 여지는 무궁무진하다. 예를 들어 의료용 세라믹의 경우 단순 구조체 수준에 머물러 있는 현 기술 상황에서 약물이나 세포가 결합된 기능성 부여는 아직 걸음마 단계이며, 건축물의 경우도 3D 프린팅용으로 특화된 고강도 몰탈 및 시멘트 개발까지는 아직 갈 길이 멀다. 또한, 에너지용 세라믹, 전자부품용 세라믹의 개발 단계는 실험실 수준을 벗어나지 못하고 실정이며, 내열성이 중요한 내연기관 및 항공우주용 세라믹 3D 프린팅은 개념과 가능성만 제시된 단계라 할 수 있다. 정부에서는 10년을 내다보고 미래부-산업부 합동 사업으로 3D 프린팅 전략기술 로드맵을 지난 2014년 말에 발표하고 로드맵에 기반을 둔 R&D 지원을 시행 중이다.

바이오세라믹스 3D 프린팅 산업은 뼈와 가장 친화적인 소재임에도 불구하고 세계적으로도 시장경쟁 초기 단계이지만 산업적 파급효과가 지대하다. 현재 국내의 경우 독자적인 기술과 특허를 보유하고 있음에도 임상시험과 기술 상용화에 이르지 못한 상태이다. 3D 프린팅 제작물 임상 적용은 의료법 규제심의 통과가 매우 까다롭고 의사의 관심도가 낮아 현재까지 대부분의 사례가 R&D에 머물러 있는 실정이다. 향후 3D 프린팅 기술 응용을 위해 소재의 지속적인 개발뿐만 아니라 체내 적용의 무해성 검증이 계속적으로 이루어져 활용 사례를 늘려나가기 위해 정부 지원이 매우 시급하다. 특히, 바이오 세라믹은 본질적으로 세라믹 소재의 고유 특성상 탈지나 소결 등 후 공정이 필요하며 이때 발생되는 3차원적 수축의 정밀한 계산과 결함 방지를 위한 소재 개발이 필요하다.

■ 정책 제언

세라믹은 금속, 고분자, 섬유 등의 소재에 비해 내마모성, 내식성, 생체적합성 등 여러 우수한 특성을 보유하고 있어 전자, 에너지·환경, 바이오, 엔지니어링 세라믹의 다양한 분야에 활용되고 있다. 그러나 세라믹 소재는 매우 단단(경도) 하고 쉽게 깨짐(취성)으로 인해 가공성이 어려워 오랜 공정시간과 비싼 가공비용 등의 어려움에 직면해 있다. 현존하는 세라믹 생산 공정은 소품종 대량 생산 시스템으로 이루어져 있어 경제성이 확보되어 있다. 세라믹 제품 제조의 난이도가 높으면 전체 비용 중 가공 비용이 최대 80%를 차지하기도 한다. 이는 복잡한 형상을 갖는 세라믹 제품 상용화를 제한하거나 불가능하게 하는 주요 요인이다. 이로 인해 4차 산업혁명 기반 미래 핵심 산업에서 요구되는, 고효율의 복잡형, 맞춤형 세라믹 제품 제작을 위한 다양한 설계 및 디자인 제작 대응에 매우 취약한 상황이다.

해외 선진국들은 세라믹 소재의 난 성형성을 극복하기 위해 세라믹 3D 프린팅 기술인 적층기술(AM, additive manufacturing) 연구에 적극적인 투자를 진행하고 있으며 해외 글로벌 대기업들이 대부분의 원첨 및 설비기술을 보유하고 있다. 이러한 투자의 주목적은 세라믹 성형 한계로 인해 금속 및 고분자 소재부품을 사용할 수밖에 없는 수요를 복잡형상 세라믹 소재/부품으로 대체하여 주력산업의 부가가치 제고를 이루는 것이다. 이에 반해 국내 세라믹 산업은 대기업 종속형 구조로 공급망 최하단에 위치하여 가격 절감 압력 등 동반성장 여건이 매우 취약한 상태이다. 이러한 문제점을 타개하기 위하여 세라믹 3D 프린팅 기술의 원천기술 확보와 산업기반 육성을 위하여 정부차원의 적극적인 투자와 지원이 절실한 시점이다. 세라믹 3D 프린팅 원천기술 확보를 통해 고효율을 갖는 복잡, 맞춤형 세라믹 제품 제작을 가능케 하고 4차 산업혁명 기반이 되는 신산업들인 스마트 자동차, 로봇, 항공 우주, 첨단 바이오 등에 활발하게 적용될 것이다. 이는 세라믹 산업을 고부가가치 산업으로 바꾸는 계기가 될 것이다.

▲ <표 3-2-2-7>전 세계 3D프린팅 시장 규모 현황 및 전망(2013-2018)

▲ <그림 3-2-2-5>3D 프린팅 기술을 활용한 덴탈 분야 응용 캐리마(좌), 일루미네이트(우)

▲ <그림 3-2-2-6>미국 GE사의 3D 프린팅 항공기 엔진

▲ <그림 3-2-2-7>영국 Argilasys사의 3D 세라믹프린터로 제작된 도자기

▲ <그림 3-2-2-8>일본의 NEXT의 생체 세라믹 3D프린팅 기술

▲ <그림 3-2-2-9>중국 Winsun의 3D프린팅 하우스

▲ <표 3-2-2-8>세라믹 3D 프린팅 기술 - 국내 선도기업

▲ <표 3-2-2-9>세라믹 3D 프린팅 기술 - 해외 선도기업