4차 산업혁명이라는 이슈로 많은 산업의 트렌드 변화가 빨라지고 있는 가운데 혁신적인 공정 파괴 기술로 적층제조 기술인 3D프린팅 기술이 각광받고 있다. 3D프린팅은 기존의 제조 방식을 대체하는 혁신 제조기술로 제품의 디자인 자유도가 높고, 소재의 사용 효율이 높으며 생산과정에서 에너지 효율이 높은 기술이다. 3D프린팅 산업이 자리를 잡아가면서 점차 관심은 소재로 이어지고 있으며 궁극적으로 3D프린팅 공정에 최적화된 소재의 확보가 본 산업에서 주도권을 갖는 형국이 될 것으로 전망하고 있다.

본 글에서는 3D프린팅용 금속 소재 시장의 글로벌 현황과 금속 소재 중에서 금속 분말의 제조법과 요구 특성 등에 대해 논하고자 한다.

■3D프린팅 금속 소재 시장 가파른 성장세
2018년 전세계 3D프린팅용 소재의 구성은 2017년과 마찬가지로 Photopolymers(감광성 수지)가 가장 많은 비중(32.9%)을 차지하였고, 그 다음으로 polymer Powders(26.9%), Filaments(20.6%), Metals(17.4%)이 차지한다. 사용량면에서 네번째 소재이지만 기계적 특성과 내성이 우수하여 첨단 소재부품을 대체할 수 있는 금속 소재의 산업화가 활발히 진행되고 있다. 금속 소재인 금속 분말을 3D프린팅하기 위하여 다양한 3D프린팅 공정중에서 PBF와 DED방식을 채택하고 있으며 3D프린팅 장비에 최적화된 금속분말 소재의 개발도 활발히 진행되고 있다.

금속 3D프린팅 기술은 항공 우주산업, 의료산업, 자동차 산업, 금형산업과 쥬얼리와 같은 일반 소비재 산업의 발전에 기여할 것으로 보인다. 항공 우주산업에서 요구하는 소재는 극한 환경에서 사용하는 경량 소재로서 부품 통합으로 조립공정을 최소화할 수 있고 고가의 소재 사용효율을 높일 수 있는 장점이 있다. 의료산업 분야에서는 임플란트로 대표되는 소재로서 개인 맞춤형 시장 대응이 가능하다는 점에서 3D프린팅 기술 적용이 활발할 것으로 예상된다.

자동차 산업은 표준화, 규격화된 대량생산 부품 대응이 가능하여 수요기업에서 생산설비를 갖추고 부품 내재화가 이루어지게 되면 조립공정 단축 등의 기대효과가 있다. 금형산업은 복잡한 형상의 금형을 제작하고 사용 중 파손시 수리 및 보수가 가능하며 국부적인 고강도 특성을 부여하기에 적합하여 발전이 기대되는 산업분야이다.

3D프린팅용 금속분말 소재의 사용량은 향후 10년간 지속적으로 성장할 것으로 예상된다. 금속 분말의 총 시장은 2018년 17억 달러에서 2028년 108억 달러로 연평균 21% 성장이 예상된다. 단위 단가가 높은 금(gold)를 제외하게 되면 타이타늄과 코발트 소재가 시장 점유율을 주도하고 있다.

타이타늄의 성장은 항공 우주 산업의 수요에 의해 주도되며 2028년까지 시장 점유율이 50% 수준이 될 것이다. 코발트(Co) 소재는 임플란트와 같은 바이오 소재에 적용되고 있으며 시장 성장과 함께 점유율이 향상될 것으로 예상된다.

이러한 소재 사용 예측을 통해 향후 금속 3D프린팅 산업의 발전 방향을 예측할 수 있다. 또한 소재의 사용량이 증가하면서 타이타늄과 코발트 소재 분말의 가격이 인하되고 이로 인한 관련 산업 활성화로 이어지는 선순환이 기대된다. 현재 3D프린팅용 타이타늄 분말은 $250/kg 정도로 유통되고 있어 관련 산업의 확대 발전에 걸림돌이 되고 있지만 주요 생산업체들은 $150/kg 수준을 목표로 생산성을 높이고 있다.

금속 3D프린팅 산업은 프린팅 장비, 분말 제조 장비(아토마이징, 플라즈마 설비), 금속분말, 부품 산업으로 구성되며 2016년 대비 2020년에 금속분말 분야가 5배의 성장을 예상하고 있어서 향후 금속분말 산업이 본 산업 전체를 주도할 것으로 예상된다. 3D프린팅 장비와 부품은 4배 성장하는 것으로 예상되고 있다.

▲ 3D프린팅용 금속소재 시장 전망

■임플란트용 코발트계 소재 각광
3D프린팅 산업에서 활발히 적용되고 개발이 진행중인 금속 소재는 그 사용 목적에 따라 철계, 니켈계, 코발트계, 타이타늄계, 알루미늄계로 구분된다.

철계는 STS와 Maraging steel이며 주로 자동차 부품과 금형 부품시장 시장에서 그 수요가 증가하고 있으며 사용량이 가장 큰 시장이다. 니켈계는 Inconel과 Ni계 super alloy이며 항공과 발전용 고온 터빈 부품에 적용되며 향후 성장세와 시장 규모면에서 기대가 높은 소재이다.

코발트계는 CoCrMo가 대표적인 소재로서 내식성이 우수하고 인체 친화적인 특성으로 임플란트 소재로 적용되고 있다. 임플란트는 개인 맞춤형으로 3D프린팅이 추구하는 다품종 대응과 디자인 자유도 면에서 경쟁력이 높은 시장이다.

타이타늄계는 순 Ti과 Ti6Al4V이며 Ti은 임플란트용으로 사용되며 Ti6Al4V은 비강도가 높은 특성을 갖는 소재로 항공 부품에 적용된다. 특히 타이타늄은 판재로 제조시 생산단가가 높고 가공의 어려움이 있어 부품 소재로서 적용의 한계가 있었으나 3D프린팅 공정을 통해 복잡 형상 제조가 가능해 지고 부품의 단일화를 통해 항공 부품의 조립 공정을 생략할 수 있다는 점에서 각광 받고 있다.

이와 같이 첨단 소재 분야에서 공정의 단순화가 가능하고 디자인 자유도가 높은 3D프린팅 공정을 통해 소재의 한계를 넘어서는 것이 가능하기에 금속 소재 시장의 새로운 국면을 기대하게 된다.

▲ 금속 3D프린팅 산업 성장 전망

■3D프린팅 공정 최적화 금속분말 제조가 관건
분말야금 산업의 원료가 되는 금속분말을 제조하는 공정은 크게 4가지로 구분된다. 가장 일반적인 방법은 분사법으로 용해된 금속 용탕을 일정 속도로 공급하면서 이 공급되는 용탕을 가스나 물로 때려서 응고시켜 가루로 만드는 방법으로 아토마이징이라고도 한다. 생산성과 품질면에서 가장 우수한 방법이다.

기계적 밀링법은 편상의 금속분말을 만들 수 있는 방법으로 필름과 페이스트등에 사용되는 전자기용 분말 생산에 적합하다. 화학법은 금속을 산(acid)에 녹여 용액을 만들고 다시 환원 석출하여 미세한 분말을 만드는 방법이다. 주로 칩과 같은 전자부품에 사용된다. 전기분해법은 금속을 황산과 같은 산에 녹여 이온화시킨 후 음극에서 석출하게 하여 표면적이 매우 큰 형상의 금속분말을 만드는 방법이다. 넓은 표면 특성으로 전도성과 마찰 특성이 우수한 분말을 생산할 수 있다.

이러한 여러 가지 금속분말 생산 방법 중에 3D프린팅 공정에 적합한 방식은 분사법이라고 볼 수 있다. 3D프린팅 공정 특성상 분말의 흐름성이 우수하고 산화도를 포함한 불순물이 적어야 하며 분말 패킹 특성을 좌우하는 구형도가 좋아야 한다. 또한 분사법은 분말 생산성도 우수하기에 3D 프린팅용 분말의 가격을 낮추어 관련 산업의 활성화를 이룰 수 있는 방법이다.

3D프린팅 공정에서 요구되는 금속분말의 특성 중 가장 중요한 특성은 분말의 흐름성인 유동도이다. 금속분말을 이용한 3D프린팅 공정은 PBF와 DED이며 공정 특성상 분말의 원활한 공급이 중요하다. 유동도에 미치는 관련 인자로는 분말 입도, 형상, 분말 밀도, 표면 상태이다. 적층 제조 후 부품의 기계적 특성을 만족시키기 위해서는 이러한 분말의 특성을 확보하고 3D프린팅 공정에 최적화되어야 한다.

▲ 금속 분말 제조공정

이와 같이 3D프린팅 공정에서 요구되는 금속분말을 제조하기 위해서는 기존 분말 생산공정을 더욱 개선하는 노력이 필요하게 된다. 특히 3D프린팅 시장에서 성장세에 있는 소재인 타이타늄 합금, 코발트 합금과 같은 고온용 소재를 분말로 생산하기 위해서는 금속의 용해 과정부터의 개선이 필요하다.

분말의 고순도와 우수한 구형도 확보를 위하여 Arc 용해, skull 용해, EIGA와 같은 용해 방식을 채택하여 용해시 도가니로부터 용탕의 오염을 최소화하고 금속분말 표면 개선과 구형도를 확보하고 있다. 또한 플라즈마 공정을 이용하여 고특성 소재 분말의 표면과 구형도 개선을 극대화하고 있다.

제조된 금속분말을 3D프린팅 공정인 PBF와 DED 공정에 최적화하기 위해 분말의 입도를 맞추는 분급 과정이 뒤따르게 된다. 통상 PBF 공정에는 15~45um의 입도 분포를 갖는 분말이 사용되고 DED 공정에는 45~150um의 입도 분포를 갖는 분말이 사용된다. 따라서 분사법을 통한 분말 생산 과정에서 요구되는 입도 분포에 근접한 분말을 제조하는 것이 분말 제품 수율에 직접 영향을 미치고 결국에는 분말의 가격을 결정하는 가장 중요한 요소가 된다. 분사 설비에서 아토마이저와 분사 공정의 설계를 통해 입도를 조절할 수 있고 이러한 기술을 확보하는 것이 분말의 가격 경쟁력을 확보하는 길이다.

오랜 기간 금속분말을 생산하여 업력을 갖추고 있는 글로벌 금속분말 제조업체들이 본 시장에 진입을 하게 되면 단 시간내에 시장을 선도해 나갈 것으로 생각되는 이유이다.

▲ 3D프린팅용 금속 소재 종류

■국내 3D프린팅 산업 발전을 위한 소재 기업의 역할
글로벌 메이저 분말 제조업체들의 변화와 발전을 보고 국내 3D프린팅 산업의 발전을 위한 관련 소재 업체들의 역할과 과제에 대해 생각해 볼 수 있었다.

첫째 3D프린팅용 부품 특성 평가와 데이터베이스 구축이 필요하다. 3D프린팅 공정에 최적화된 새로운 소재 개발과 이에 대한 지속적인 평가를 진행하여 분말-3D프린팅 공정-부품제조-평가 피드백을 통한 데이터를 쌓아 나가야 한다. 소재-부품-장비의 네트워크를 조속히 마련해야 한다. 한국이 가장 뒤쳐지고 있는 부분이기도 하다. 이를 위해 국내 분말 제조업체들의 경쟁력을 높이고 부품 수요기업들의 참여를 통한 사업화가 필요하다.

둘째 분말 소재 특성의 플랫폼화다. 3D프린팅 장비에 따라 사용 가능한 분말의 메이커가 다르고 한정적으로 되는 경우가 있다. 이미 장비 최적화가 이루어졌다는 것이 이유이다. 각 장비마다 프린팅 공정 조건이 상이하여 원료분말을 자사 장비에 최적화하려는 요구가 있다.

이렇게 장비와 업체에 최적화되고 특화되게 되면 마치 경쟁력이 있을 것으로 보이지만 결국에는 시장의 활성화를 저해할 것이라 생각된다. 분말 제조업체들이 다양한 장비에 자사 분말을 적용하여 공통적인 분말의 요구 특성을 도출하여 플랫폼화해야 한다. 장비 중심이 아닌 3D프린팅용 분말의 최적화라는 큰 틀에서 접근해야 한다.

▲ 3D프린팅용 금속분말 입도

셋째 금속분말 시장 가격의 합리화이다. 상용화되고 있는 금속분말은 철계, 니켈계 (Inconel, Super Alloy), 코발트계, 타이타늄계이다. 분말의 사이즈는 10~45um, 45~150um 수준이다. 기존 분말 야금 입장에서 보면 STS 분말의 시장가격은 특수한 경우에도 3만원/kg 미만이다. 하지만 3D프린터용으로 통용되는 가격은 5만원/kg 이상이다.

물론 양산 진입 단계가 아니고 양산 단계에서도 기존 분말 야금과 같이 수십 톤 이상을 사용하지 않을 수도 있고 프린팅 공정단가가 높기에 원료분말의 전체 원가 부분이 작다고 생각을 할 수도 있겠으나 원료를 자유롭게 선택하고 원가면에서 부담없이 적용하기에는 어려운 것이 현실이다.

분말 업체들이 합리적인 시장가격을 제시할 필요가 있다. 해외 분말 제조업체들이 국내를 선점하면서 가격을 낮추는 단계에 진입하고 있기에 3D프린팅 부품 제조사들이 국내 소재를 선택할 수 있는 기반을 마련해야 한다.