적층제조, 차세대 로봇 핵심 생산기술 부상

로봇 복잡도 및 생산비 증대, 경량·통합설계·無금형 가능 적층제조 활용↑

엑추에이터·열관리 부품 등 적용 확대, 로봇 구조 설계 혁신 기술 자리매김

최근 전 세계 산업은 인공지능(AI)과 자동화 기술의 발전에 힘입어 빠르게 변화하고 있다. 특히 로봇 기술은 제조업뿐 아니라 물류, 서비스, 의료, 국방 등 다양한 분야로 확산되며 새로운 산업 생태계를 형성하고 있다.

이러한 로봇 산업의 확대는 단순히 소프트웨어나 인공지능 기술만의 발전으로 이루어지는 것이 아니다. 로봇의 구조와 성능을 결정하는 기계 구조와 부품 제조 기술 역시 동시에 발전해야 한다.

특히 로봇 산업이 요구하는 경량화, 고강성 구조, 복잡한 내부 설계 등을 실현하기 위해서는 기존 제조 방식만으로는 한계가 존재한다. 이 지점에서 주목받고 있는 기술이 과거 3D프린팅으로 불리웠던 적층제조(Additive Manufacturing, AM)이다.

■제조·서비스 로봇 시장 지속 성장, ’30년 453조

로봇 산업은 현재 약 1,300억달러(196조원) 규모로 산업용, 서비스, 의료, 물류, 국방 등 다양한 분야로 확대되고 있다. 이 중 서비스 로봇과 산업용 로봇이 가장 큰 비중을 차지하며 시장 성장을 주도하고 있다.

향후 2030년에는 약 3,000억달러(한화 약 453조) 규모로 확대될 것으로 전망되며, 특히 휴머노이드 로봇, 서비스 로봇, 물류 로봇 분야에서 높은 성장률이 예상된다.

▲ 7대 로봇 분야별 2030년 글로벌 시장 구조와 성장 전망(출처: Global Market Insights 등 종합)

이러한 시장 확대는 로봇의 활용 범위가 제조업을 넘어 물류, 의료, 국방, 생활 서비스 영역으로 빠르게 확산되고 있기 때문이다.

국제로봇연맹(IFR)에 따르면 전 세계 산업용 로봇 설치 대수는 이미 연간 50만대를 넘어섰으며, 연간 설치가 4년 연속 50만대를 기록했다. 2023년 말 기준 전 세계 공장 가동 로봇은 428만대를 넘어섰다. 지역별로는 아시아 74%, 유럽 16%, 미주 9%이다. 아시아 집중도가 매우 높은 이유는 제조업 중심 산업 구조, 자동화 수요 증가, 노동력 부족, 정부 정책 지원, 로봇 기업 집중 등에 따른 것이다.

서비스 로봇은 현재 시장의 핵심은 물류·모바일 로봇(AMR/AGV), 병원·청소·배송, 전문 서비스 로봇이다. IFR는 2025년 로봇산업 트렌드로 AI 기반 활용 확대, 디지털 트윈·가상 시뮬레이션, 노동력 부족 대응, 새로운 비제조 분야 확장을 꼽고 있다.

최근 뜨고 있는 휴머노이드는 아직 산업용 로봇처럼 검증된 대량 시장은 아니다. 다만 여러 시장조사기관이 향후 5년간 매우 높은 성장률을 전망하고 있다. MarketsandMarkets는 글로벌 휴머노이드 시장이 2025년 29.2억달러에서 2030년 152.6억달러로 성장할 것으로 예상하고 있다. 다른 기관에서도 공통적으로 ‘아직 초기 시장이며 변동성이 크다’고 전망하고 있다.

그러나 적층제조를 이용한 경량 구조, 액추에이터 하우징, 열관리 부품에서는, 산업용·국방·물류 로봇이 현실적인 시장이고, 휴머노이드는 중장기 선점 분야로 보는 것이 가장 전략적으로 판단된다.

■로봇 복잡도·생산비 증가, 적층제조로 해결

현재 대부분의 로봇 부품은 전통적인 제조 방식으로 생산된다. 대표적인 방식으로는 CNC 절삭 가공, 단조, 주조, 판금 등이 있다. 이러한 공정은 오랜 기간 동안 검증된 기술이며 대량 생산에 적합하다. 그러나 로봇 구조가 점점 복잡해지고 성능 요구 수준이 높아지면서 기존 공정의 한계도 점차 드러나고 있다.

로봇은 일반적인 기계 장비와 달리 높은 경량화 요구, 복잡한 관절 구조, 내부 배선 및 냉각 채널, 고강성, 다양한 센서 및 전자부품 통합 등과 같은 설계 요구조건을 가진다.

이러한 구조를 전통 제조 방식으로 제작하려면 다양한 공정으로 제조된 다수의 부품을 조립해야 하며, 결과적으로 구조가 복잡해지고 제조비용이 증가하는 문제가 발생한다. 특히 최근 등장한 휴머노이드 로봇과 자율 이동 로봇(AMR)은 기존 산업용 로봇보다 훨씬 복잡한 구조를 가지고 있어 새로운 제조 기술의 도입이 요구되고 있다.

적층제조는 기존의 절삭 가공과 달리 재료를 층층이 쌓아 구조를 만드는 방식이다. 이러한 제조 방식은 로봇 구조 설계에서 여러 가지 중요한 장점을 제공한다.

첫째, 경량화 설계가 가능하다. 적층제조에서는 높은 디자인의 자유도를 가지기에 격자 구조(lattice structure)나 내부 중공 구조를 설계할 수 있어 동일한 강성을 유지하면서도 무게를 크게 줄일 수 있다. 로봇에서는 관절 부품의 무게가 줄어들수록 구동 효율이 높아지고 에너지 소비도 감소한다.

둘째, 부품 통합 설계가 가능하다. 기존 제조 방식에서는 여러 개의 부품을 조립해야 했던 구조를 하나의 부품으로 통합할 수 있다. 이는 조립 공정을 단순화하고 구조 강성을 높이며 유지보수 비용을 줄이는 효과를 가져온다.

셋째, 복잡한 내부 구조 설계가 가능하다. 적층제조는 내부에 배선 통로, 냉각 채널, 센서 장착 구조 등을 설계할 수 있다. 이러한 기능 통합 설계는 로봇 시스템의 소형화와 효율 향상에 중요한 역할을 한다.

넷째, 금형이 필요 없는 생산 방식이라는 점도 큰 장점이다. 로봇 산업은 아직 대량 생산 단계에 이르지 않은 분야가 많기 때문에 금형 제작비용이 큰 부담이 될 수 있다. 적층제조는 금형 없이도 부품 생산이 가능하므로 초기 개발 단계에서 매우 유리하다.

현재 로봇 산업에서 적층제조가 적용 가능한 대표적인 부품은 다음과 같다. 첫째는 관절 구조 부품이다. 예를 들어 Hip joint housing, Shoulder frame, Knee bracket과 같은 구조 부품은 로봇의 하중을 전달하는 핵심 부품이다.

이러한 부품은 복잡한 리브 구조와 내부 공간을 가지기 때문에 적층제조를 활용하면 경량화와 구조 최적화를 동시에 달성할 수 있다. 적층제조 기술 중 분말베드용융(Powder Bed Fusion, PBF)과 대형 구조물 제작이 가능한 와이어아크적층제조(Wire Arc Additive Manufacturing, WAAM) 기술이 있다.

둘째는 감속기 구조 부품이다. 로봇 관절에는 모터와 감속기가 결합된 액추에이터가 사용되는데, 이때 Planet carrier나 Actuator housing과 같은 부품은 복잡한 구조를 가지면서도 높은 강성을 요구한다. 이러한 부품 역시 적층제조를 활용하면 설계 자유도를 크게 높일 수 있다.

현재 적용되는 주력 기술은 단조 후 가공 공정 또는 다이캐스팅이다. 분말 야금 또는 분말사출성형(Metal Injection Molding, MIM)과 접착제 분사기술(Binder Jetting, BJ) 적용이 확대될 가능성이 높다.

▲ 로봇의 근육 역할을 하는 엑추에이터

셋째는 기능 통합 부품이다. 센서 하우징, 냉각 매니폴드, 케이블 통합 구조와 같은 부품은 기존 다이 캐스팅에서 구현하지 못하는 내부 채널과 복잡한 형상이 가능하여 적층제조의 장점이 가장 크게 나타나는 분야이다.

■로봇 제조의 미래, 하이브리드 생산 방식

로봇의 모든 부품을 적층제조로 생산하는 것은 현실적으로 어렵다. 예를 들어 감속기에 사용되는 기어와 베어링과 같은 고정밀 부품은 여전히 단조나 정밀 가공 방식이 더 적합하다. 따라서 앞으로의 로봇 제조 방식은 적층제조와 전통 제조기술의 융합으로 본고에서는 하이브리드 생산 방식으로 정의하고자 한다.

금속 적층제조 기술 중 가장 널리 알려진 방식은 PBF 기술이다. PBF는 복잡한 구조를 직접 금속으로 제작할 수 있는 장점이 있으며 항공우주와 의료 분야에서 이미 활발하게 사용되고 있다. 그러나 PBF 방식은 장비 가격과 분말 소재 비용이 높고 생산 속도가 상대적으로 느리다는 한계를 가지고 있다. 특히 구조 부품의 크기가 커지거나 생산 수량이 증가할 경우 제조비용이 크게 상승하는 문제가 있다.

로봇 산업은 아직 대량 생산 단계에 완전히 진입하지 않았지만, 동시에 일정 수준 이상의 생산량을 요구하는 산업이다. 이러한 상황에서 금속 적층제조를 모든 부품에 직접 적용하기에는 부품 단가가 대단히 높다. 따라서 최근에는 적층제조와 전통적인 정밀주조(로스트 왁스) 공정과 샌드 프린터를 결합한 하이브리드 생산 방식이 새로운 대안으로 주목받고 있다.

그 중 하나가 burn-out 특성을 가진 광경화성 수지 또는 PMMA 소재로 정밀주조 패턴을 적층제조 하는 기술이다. 이 방식은 금속 부품을 직접 적층제조로 만드는 대신, 적층제조를 이용해 정밀주조용 패턴을 제작하는 방법이다. 전통적인 정밀주조에서는 금형을 제작한 후 왁스를 사출하여 패턴을 만드는 공정을 사용하지만, 적층제조 기술을 활용하면 이러한 금형 제작 과정을 생략할 수 있다.

▲ 휴머노이드 로봇 부품에 적층제조로 적용 가능한 부품

구체적인 공정은 다음과 같다. 먼저 CAD 설계를 기반으로 패턴을 적층한다. 이 패턴은 일반 왁스 패턴과 동일하게 세라믹 슬러리 코팅을 통해 쉘 몰드를 형성한다. 이후 고온에서 패턴을 소각(burn-out) 또는 용융하면 내부에 빈 공간이 형성되고, 이 공간에 금속 용탕을 주입하여 정밀주조 부품을 생산하게 된다.

이 공정의 가장 큰 장점은 금형 없이 복잡한 주조 패턴을 제작할 수 있다는 점이다. 특히 로봇 구조 부품과 같이 내부 리브 구조나 복잡한 형상을 가진 부품의 경우 설계 자유도가 크게 향상된다. 또한 초기 생산 단계에서 금형 제작 비용을 절감할 수 있어 소량 또는 중간 규모 생산에 매우 유리하다.

경제성 측면에서도 이 방식은 중요한 의미를 가진다. PBF와 같은 금속 적층제조는 고부가가치 부품에 매우 적합하지만, 로봇 구조 부품 전체에 적용하기에는 비용 부담이 크다. 반면 적층제조 패턴을 이용한 정밀주조는 전통적인 주조 공정의 경제성과 적층제조의 설계 자유도를 동시에 확보할 수 있고 부품 설계 변경이 자유롭다.

특히 로봇 산업에서는 다음과 같은 부품에 적용 가능성을 타진해 본다. 관절 하우징(Hip joint housing, Shoulder frame), 액추에이터 하우징, 구조 브라켓 및 프레임, 감속기 캐리어(Planet carrier), 냉각 매니폴드 및 구조 통합 부품 등이다.

이러한 부품들은 일반적으로 복잡한 형상을 가지며 생산량이 수십에서 수백 개 수준인 경우가 많기 때문에 금형 기반 대량 생산보다는 적층제조 패턴 정밀주조 방식이 경제적으로 더 유리할 수 있다.

또한 이 방식은 로봇 산업뿐 아니라 항공우주, 방산, 에너지 산업에서도 이미 활용하고 있다. 실제로 항공기 엔진 부품이나 터빈 구조 부품의 개발 단계에서는 이미 적층제조 패턴 정밀주조 방식이 활용되고 있으며, 로봇 산업에서도 유사한 생산 전략이 적용될 가능성이 높다.

결과적으로 로봇 산업에서 적층제조 기술의 역할은 단순히 금속 부품을 직접 제작하는 데에만 있는 것이 아니다. 오히려 정밀주조와 결합된 적층제조 패턴 기술이 로봇 구조 부품 생산의 새로운 패러다임을 제시할 수 있다.

■韓 제조업, 로봇과 적층제조 융합 통해 신성장동력 확보해야

로봇 산업의 성장은 단순히 로봇 제품을 생산하는 기업만의 기회가 아니다. 오히려 로봇 산업의 확장은 소재, 부품, 제조 장비, 생산 공정 등 다양한 산업 분야에 새로운 시장을 만들어낸다. 특히 적층제조와 정밀주조 기술을 결합한 생산 방식은 한국 제조업이 새로운 경쟁력을 확보할 수 있는 중요한 기회가 될 수 있다.

한국은 이미 세계적으로 높은 수준의 제조 인프라를 보유하고 있다. 자동차, 조선, 반도체, 기계 산업을 통해 축적된 주조, 용접, 가공, 열처리 기술 등 뿌리 산업은 로봇 산업에서도 큰 강점이 될 수 있다.

또한 한국은 산업용 로봇 밀도가 세계 최고 수준인 국가 중 하나로, 자동화 기술에 대한 산업 기반이 이미 구축되어 있다. 이러한 환경은 로봇 기술의 빠른 도입과 산업 확산에 유리한 조건을 제공한다.

특히 주목할 부분은 로봇 부품 산업의 성장 가능성이다. 로봇 한 대에는 수백 개의 부품이 사용되며, 그 중 상당수가 기계 구조 부품이다. 예를 들어 휴머노이드 로봇의 경우 약 25~40개의 액추에이터가 사용되며, 각 액추에이터에는 감속기, 하우징, 구조 프레임 등 다양한 금속 부품이 포함된다. 이러한 부품들은 대부분 고강도 경량 구조를 요구하기 때문에 적층제조와 전통 제조방식의 기술이 결합된 생산 방식이 매우 적합하다.

특히 한국이 강점을 가질 수 있는 분야는 다음과 같다. 첫째, 금속 소재 산업과의 연계이다. 적층제조와 정밀주조 공정에서는 알루미늄 합금, 스테인리스강, 고강도 합금 등의 소재 기술이 중요하다. 한국은 철강 및 금속 소재 산업에서 높은 경쟁력을 가지고 있기 때문에 이러한 소재 기술을 로봇 산업과 연결할 수 있다.

둘째, 국방 및 무인체계 산업과의 연계 가능성이다. 최근 국방 분야에서는 무인 시스템과 로봇 기술의 중요성이 크게 증가하고 있다. 국방 로봇과 무인체계는 일반 산업용 로봇보다 생산량은 적지만 고성능 구조 부품을 요구하는 경우가 많기 때문에 적층제조와 정밀주조 기술이 결합된 생산 방식이 특히 유리하다.

셋째, 로봇 산업의 공급망 구축이다. 현재 글로벌 로봇 시장에서는 핵심 부품의 상당 부분이 특정 국가에 집중되어 있는 상황이다. 이러한 상황에서 로봇 구조 부품과 제조 공정 기술을 확보하는 것은 단순한 산업 경쟁력을 넘어 공급망 안정성 확보라는 측면에서도 중요한 의미를 가진다.

결과적으로 로봇 산업은 단순한 제품 시장을 넘어 새로운 제조 생태계를 형성하는 산업이다. 로봇 기술과 적층제조 기술의 융합은 한국 제조업이 기존 산업 기반을 활용하면서도 새로운 성장 동력을 확보할 수 있는 중요한 기회가 될 수 있다.

■적층제조, 제조 혁신과 로봇 경쟁력 확보 기술 자리매김

로봇 산업은 단순한 자동화 기술을 넘어 미래 산업 경쟁력을 좌우하는 핵심 분야로 평가된다. 특히 인구 감소와 노동력 부족 문제가 심화되는 상황에서 로봇 기술은 국가 경제의 중요한 기반이 될 가능성이 높다.

이러한 관점에서 볼 때 로봇 산업의 경쟁력은 단순히 소프트웨어 기술뿐 아니라 부품 제조 기술과 소재 기술에 의해서도 크게 좌우된다. 특히 금속 적층제조 기술은 로봇 구조 설계를 혁신할 수 있는 잠재력을 가지고 있으며, 향후 항공우주 산업과 마찬가지로 로봇 산업에서도 중요한 역할을 하게 될 것으로 예상된다.

로봇 산업은 앞으로 인공지능, 센서 기술, 구동 시스템, 그리고 제조 기술이 결합된 융합 산업으로 발전할 것이다. 이러한 변화 속에서 적층제조는 단순한 생산 기술을 넘어 로봇 구조 설계를 바꾸는 핵심 기술로 자리 잡을 가능성이 크다.

앞으로 로봇 산업의 경쟁력은 단순히 로봇을 얼마나 많이 생산하는가가 아니라 어떤 제조 기술과 부품 생태계를 구축하느냐에 의해 결정될 가능성이 높다. 이러한 관점에서 적층제조 기반 기술은 한국 제조업이 로봇 시대에 새로운 역할을 할 수 있는 중요한 기술적 기반이 될 것으로 기대된다.