3d 프린팅과 기술 기회 - 화학공학소재연구정보센터(cheric)3d 프린팅과 기술...

KIC News, Volume 18, No. 1, 2015 11

3D 프린팅과 기술 기회

김 선 호

한국과학기술정보연구원 미래정보연구센터

Technology Opportunities in 3D Printing

Seonho Kim

Center for Future Information Research, Korea Institute of Science and Technology Information,

Seoul 130-741, Korea

Abstract: 3D 프린팅이란 3차원(3D, 3 dimensions) 공간에 인쇄를 한다는 개념으로 지금까지 가정이나 사무실에서

문서를 출력하는 잉크젯 프린터나 레이저 프린터와 같은 2차원적 프린팅 개념에서 한 차원 더 나아가 공간상에 프린

팅 재료를 출력하여 3차원 물체를 조형하는 기술을 말한다. 3D 프린팅에 대한 상세한 소개 및 산업체 동향은 이미

많은 보고서[지식산업정보원, 2013]와 서적[허제 외, 2013; 김소연 외, 2013]으로 출간되어 있다. 따라서 이 논문에서

는 다른 보고서나 서적에 소개된 내용을 다시 서술하는 것을 최소화하고 3D 프린팅에서의 기술 기회, 즉 기술 개발

및 비즈니스 기회의 발굴에 초점을 맞추어 기술하였다. 3D 프린팅에서의 기술 기회를 찾기 위해 현재 3D 프린팅에

적용된 기술들을 간략히 요약하고, 현재의 3D 프린팅 기술이 극복해야 할 한계를 분석하고 미래의 3D 프린팅 기술을

예상하는 방법으로 기술 기회를 찾고자 하였다. 끝으로 3D 프린팅 분야의 고인용 연구 논문에 대해 수행한 계량 분석

결과를 첨부하였다.

Keywords: 3D printer, 3D printing, Rapid Prototyping, additive manufacturing

1. 서 론

1)

최근에 산업계와 학계에서 큰 주목을 받고 있는

3D 프린팅 기술은 기존의 공장과 시장 기반의 대

량 생산 유통 체제를 근본적으로 변화시킬 제3의

산업혁명으로 불리우며 관심과 기대를 한껏 받고

있다. 의료, 예술, 교육, 디자인 등 새로운 응용분

야가 속속 소개되면서 3D 프린팅 기술이 마치 마

법의 기술인 것처럼 비춰지기도 한다. 또, 한편으

로는 이렇게 성급하게 과열된 3D 프린팅에 대한

기대감을 경계해야 한다는 주장도 있다. 하지만

3D 프린팅 기술이 향후 10여 년간 꾸준히 기술 개

발이 이루어져 그 활용 영역을 넓히고 대중에 더

가까워질 것은 틀림없는 사실이다. 3D 프린팅 기

저자 (E-mail: [email protected])

술에 대한 막연한 기대감이나 경계심을 갖는 것

보다는 그 기술을 냉철히 파악하고 그 기술에 존

재하는 새로운 기회를 발견하여 이용하는 것이 올

바른 자세일 것이다. 이 글에서는 3D 프린팅 기술

의 요소 기술을 살펴보고 현재의 3D 프린팅이 해

결해야 할 문제들과 미래의 3D 프린팅의 방향을

예측하는 방법으로 그 안에 있는 기술 기회를 논

하고자 한다.

2. 3D 프린팅 개요

1986년 처음 발명된 3D 프린팅 기술은 신속한

제품 생산이 가능하다는 이점 때문에 주로 시제품

제작(Rapid Prototyping)에 많이 이용되어 왔으며,

적용 가능 범위가 점차 확대되어 이제는 주얼리

디자인, 헬스 케어, 취미, 교육, 예술, 방위, 건축

기획특집: 3D 프린팅 기술


12 공업화학 전망, 제18권 제1호, 2015

* 출처: MakerBot, 2013; shapeways, 2013

Figure 1. 3D 프린터와 출력물.

및 산업 디자인 등의 분야에도 적용되고 있다.

Figure 1은 개인용 3D 프린터의 하나인 MakerBot

사의 3D 프린터(좌측), 3D 프린터로 출력한 금속

반지(중앙), 그리고 3D 프린팅을 위해 모델링한

제트 엔진의 모습을 보여준다.

3D 프린팅 기술은 FDM (압출 적층) 방식의 3D

프린팅 설계가 2006년 오픈 소스 프로젝트로 전환

된 이후 전 세계 엔지니어들이 프린터 개발에 참여

할 수 있게 됨으로써 기술 발전과 함께 개인도 3D

프린터를 구매할 수 있을 정도의 가격하락이 이루

어져 최근 관심이 집중되고 있다. 3D 프린팅은 제

조업 진입 장벽을 낮추어 아이디어만으로 창업을

가능하게 하고, 실수요자가 집에서 쉽게 물건을

생산할 수 있게 함으로써 기존 공장과 마켓 중심의

대량 생산 유통 체제에 큰 변화를 일으킬 잠재력이

있는 것으로 예상하고 있으며, 이를 제3차 산업혁

명의 도래로 보는 관점도 있다[김소연 외, 2013].

3D 프린팅과 관련된 기술은 크게 프린팅에 사

용하는 소재를 연구하는 프린팅 소재 기술, 프린

트할 3D 물체를 컴퓨터가 이해할 수 있는 형태로

입력하는 3D 모델링 기술, 그리고 프린팅 소재 3

차원공간의 정확한 위치에 쌓아 3D 물체를 만드

는 3D 프린팅 기술로 분류할 수 있다.

특히 3D 프린팅 기술은 매우 다양하여 광경화성

수지를 이용한 SLA (Stereolithography Apparatus)

기술과 DLP (Digital Light Processing)방식 등이

있고, 압출 적층을 이용한 FDM (Fused Deposition

Modeling) 기술과 PJP (Plastic Jet Printing) 기술,

얇은 프린팅 소재층을 적층하는 방식의 라미네이

팅 기술, 그리고 프린팅 소재 분말을 녹여 결합시

키는 방식에 SLS (Selective Laser Sintering),

DMLS (Direct Metal Laser Sintering), SLM

(Selective Laser Melting), DMT (Laser-aided

Direct Metal Tooling), EMB (Electron Beam

Melting) 등의 기술이 있다. 이 논문에서는 이 기

술들에 대한 상세 설명은 기술하지 않기로 한다.

3. 3D 프린팅 기술 동향

3.1. 3D 프린팅 시장 동향

3D 프린팅 기술은 ‘additive manufacturing’이

라는 이름으로 1980년대부터 존재해왔으나 최근

대중화가 진행되면서 더 직관적인 ‘3D 프린팅’이

라는 용어가 더 자주 쓰이게 되었다. 3D 프린팅

기술은 이제 막 대중화가 시작되는 초기 단계이며

소형 개인용 3D 프린터는 1,000달러 이하의 가격

으로 구입할 수 있어 디자이너, 엔지니어, 건축가

들에게는 이미 일반화되어있다.

Figure 2는 Gartner에서 발표한 2014년 하이프

사이클상에서의 3D 프린팅 기술의 위치를 보여준다.

3D 프린팅 기술은 현재 기대감 피크에 달해 있으

며 3D 스캐너 기술과 3D 바이오 프린팅 기술도

그 뒤를 따라 기대감이 증폭되고 있는 모습이다.

컨설팅 그룹인 McKinsey의 최근 보고서



* 출처: Gartner, 2014

Figure 2. 2014년 3D 프린팅 기술 하이프 사이클.

Figure 3. 구글 검색으로 본 시간에 따른 3D 프린팅 기술에 대한 관심 변화.

[McKinsey, 2013]에 의하면 개인용 3D 프린터 판

매량은 2011년에 23,000대 정도로 아직까지는 그

리 많은 판매량을 보이진 않고 있으나, 2007년부

터 2011년까지 매년 200에서 400%씩 증가해왔다.

또한 3D 프린팅 관련 서비스의 확대 속도는 더 가

파르게 증가하였는데, 3D 프린팅 종합 솔류션 업

체인 shapeways는 이미 8천개 이상의 온라인 쇼

핑몰을 운영하고 있고 2012년에만 1백만개 이상

의 3D 프린팅 출력물을 판매하였다. 2012년에는

세계 최대 사무용품 유통업체인 Staples도 3D 프

린팅 산업에 뛰어들겠다고 발표하였다.

McKinsey 보고서는 2025년까지 3D 프린팅의

경제적 영향력이 개인용 프린팅 분야에서 연간 4

조 달러에 이르고, 직접 생산 분야에서 연간 1천억

달러에서 2천억 달러, 의료용 임플란트나 엔진 부

품 제조 분야에서 연간 7천700억 달러, 도구나 금

형 시장에서 연간 300∼500억 달러의 시장 확대

가 예상되었고 전분야로 연간 2,300억에서 5,500억

달러에 이르는 시장 파급력을 예상하였다.

3.2. 구글을 통해 본 3D 프린팅의 관심도

Figure 3은 구글의 트렌드 분석[Google Trends,

2015]을 활용한 것으로 2005년 이후 3D 프린팅에

대해 인터넷 검색을 통해 드러난 관심 정도의 변

화를 시간에 따른 그래프로 표현한 것이며, 최대

치인 현재 A지점에서의 관심을 100으로 두고 나


14 공업화학 전망, 제18권 제1호, 2015

No Top searches for graphene Score

1 3D printer price 100

2 3D printers 85

3 3D print 85

4 makerbot 85

5 makerbot 3D printer 75

6 3D printer gun 65

7 3D printer youtube 65

8 buy 3D printer 55

9 reprap 50

10 make 3D printer 50

Table 1. 주제별 관심도(Score)에 따른 순위(구글 트렌드 분석결과)

Figure 4. 3D 프린팅에 대한 국가별 관심 정도.

머지를 정규화(normalize)하여 표현한 것이다.

시기별 주요 Events

A : Programmable DNA glue를 이용한 자연 물

질의 선택적 제조

B : 사무용품 업체 Staples에서 몰입형 3D 출력

센터 시험 운영

E : 3D 프린터를 이용한 총기 제작 및 실탄 발

사 실험 성공

F : MarketWatch의 3D 프린팅 혁명 소개

G : ABI Research에서 3D 프린팅 시장이 2013

년까지 7.82억 달러로 성장할 것으로 예측

Google 트렌드에 따른 3D 프린팅 관련 검색어

중 관심도(Score)가 높은 10개의 검색어를 순위별

로 나열하면 위의 Table 1과 같다. 이 결과에 의하

면 3D 프린터의 가격에 대한 관심이 가장 높게 나

타나고 있으며, 그 다음으로 3D 프린터 자체 기술,

makerbot의 3D 프린터, 자기 복제가 가능한 프린

터를 개발하고자 하는 reprap 프로젝트, 그리고

3D 프린터 제작 등이 많은 관심을 받고 있는 것을

알 수 있다.

구체적으로 지역(국가, 도시)별 관심의 분포를

살펴보면 Figure 4와 같다. 파란색 계통으로 채도

를 바탕으로 지역별 3D 프린팅에 대한 관심의 정

도를 표현하였는데, 미국에서 가장 높은 수치를

보였고 오스트레일리아, 싱가포르, 뉴질랜드, 남아

프리카, 네덜란드, 홍콩, 캐나다, 영국의 순서로

3D 프린팅에 관심이 많은 것으로 나타났다. 고도

의 IT기술, 로봇기술, 소재 기술이 필요한 3D 프

린팅 기술을 통해 중국, 인도 등 저임금 국가에 빼

앗긴 제조업의 영역을 다시 찾기 위한 선진국의

노력과, 이에 대비해 3D 프린팅 연구에 더 많은

투자를 하고 있는 저임금 국가의 관심 정도가 지

역별 관심도 지도를 통하여 확인된다.

4. 3D 프린팅의 기술 기회

지금까지 3D 프린팅의 요소 기술에 대해 정리

를 하였다. 3D 프린팅은 최근에 갑자기 개발된 기

술이 아니고 이미 오래전부터 ‘additive manu-



facturing’ 혹은 ‘rapid prototyping’ 등의 용어로

제조 산업 전반에서 활용되고 있었다. 최근에 3D

프린팅이 다시 주목받게 된 이유는 FDM 방식의

프린터 개발이 오픈 소스로 전환되면서 많은 개발

자들이 참여하게 되었고, 기술 발달과 3D 프린터

자체와 프린팅 소재의 가격 하락이 이루어졌기 때

문이다. 또한 과거의 잉크젯 프린터나 레이저 프

린터와 같이 일반 가정과 소형 사무실에도 비치할

수 있을 정도로 작은 크기의 3D 프린터가 대중화

되기 시작하였다.

이러한 상황에서 3D 프린팅 산업에서 유발될

수 있는 기술 기회는 무엇인지 조사하였다. 현재

3D 프린팅 기술이 해결해야 할 기술적 문제점과

3D 프린팅 산업의 향후 방향성 예측에 근거한 3D

프린팅 산업의 기술 기회를 서술한다.

4.1. 3D 모델링의 어려움 극복을 위한 기술 기회

기존 잉크젯 프린터의 사용을 위해서는 워드 프

로세서나 이미지 편집툴과 같이 데이터를 2차원적

종이 평면상에 출력하기 위한 프린팅 소프트웨어

가 있어야 했던 것과 같이 3D 프린팅을 위해서도

출력하고자 하는 3D 물체를 3차원상의 공간에 출

력하기 위한 모델링 소프트웨어가 필요하다. 3D

물체의 모델링은 CAD, 3ds Max와 같은 값비싸고

전문적인 훈련이 필요한 프로그램을 통하여 가능

한데 일반인이 이러한 3D 모델링 툴을 쉽게 사용

하기에는 어려움이 많다.

최근에는 무료나 저렴하게 쓸 수 있는 3D 모델

링 소프트웨어들, 예를 들면 Autodesk사의 123D

나 freeCAD 등이 사용 가능하지만 일반인에게

3D 모델링을 어렵게 하는 이유는 단지 가격적 문

제만은 아니다. 항공기의 부품이나 엔진 설계와

같이 고성능 컴퓨팅이 필요한 3D 모델링의 영역

을 차치하고서라도 단순한 일상 용품의 부품을 설

계하는 것도 일반인이 하기에는 쉽지 않다. 일반

인이 2차원 문서의 프린팅을 위한 에디터의 사용

방법을 처음 습득하는 데만도 적지 않은 시간이

걸리는데 3차원 물체를 모델링하는 것은 그것보다

훨씬 복잡한 문제다. 잘못된 모델링으로 인한 프

린팅으로 프린팅 소재의 낭비와 그 시간동안 값

비싼 3D 프린터를 사용하지 못하게 됨으로 발생

하는 손해를 줄이기 위해서는 전문적인 교육과 많

은 훈련 시간이 필요하다. 일반인이 3D 모델링을

빠르고 쉽게 할 수 있도록 지원하기 위한 소프트

웨어나 지원 서비스를 개발하는데 많은 기술 기회

가 존재한다.

3D 스캐닝을 통한 모델링에도 기술적 어려움이

있다. 능동형 비접촉 3D 스캐닝의 경우 레이저 반

사를 통한 거리 측정방식은 아직까지 정확도가 매

우 낮다. 빛의 반사 속도를 측정하기에는 아직 센

서의 정밀도가 충분하지 않고 사물의 표면 상태에

따라 난반사가 발생하므로 모델링 데이터에 노이

즈가 섞이게 된다. 3각점 측량 방식을 이용한 거리

측정 방식은 반대로 매우 정밀하지만 큰 물체나

멀리 떨어져 있는 물체의 스캔 시에는 정확도가

떨어진다는 문제가 있다.

실제로 3D 모델링의 어려움이 3D 프린팅을 대

중화에 가장 큰 걸림돌이 될 가능성이 크다. 하지

만, 이는 또 달리 해석하면 3D 프린팅 산업에서의

기술 기회, 비즈니스 기회로 해석할 수도 있다. 보

다 직관적이고 사용하기 편한 3D 모델링 소프트

웨어의 개발, 3D 모델링 데이터의 데이터베이스

구축 및 유통, 3D 스캐닝을 통한 3D 물체의 모델

링 및 데이터베이스화, 주문에 의한 3D 모델링 서

비스 등 다양한 기술 기회 및 비즈니스 기회가 존

재한다. Shapeways는 일반인이 쉽게 반지나 꽃병

등 간단한 물체를 모델링 할 수 있는 웹 서비스를

제공하고 있고, 미리 만들어진 다양한 디자인 모

델 중 단순히 선택하는 것이 아닌 크기나 일그러

짐, 비틀림, 글씨 새김, 소재 등 개인적 취향에 따

른 변형을 가하여 자신만의 디자인 물체를 만들

수 있는 3D 프틴팅 서비스를 제공하기도 한다.

4.2. 프린팅 속도 향상을 위한 기술 기회

3D 프린터로 원하는 출력물을 만드는 속도는

3D 프린터에 적용된 기술 종류, 3D 프린터의 프

로세서의 속도, 프린팅 소재와 경화 속도, 프린팅

하고자 하는 출력물의 크기 등 여러 가지 요소에


16 공업화학 전망, 제18권 제1호, 2015

* 출처: wimp, 2013

Figure 5. 건물을 프린트 하는 3D 프린터.

Figure 6. MIT media lab.의 대형 물체의 프린팅을 위한 3D

프린터.의해 결정되지만 일반적으로 수 시간에서 수 일이

걸리는 등 매우 느린 것이 일반적이다.

대부분의 3D 프린터에 적용되는 적층을 통한

방식, 예를 들면 SLA, SLS, FDM 방식의 경우 한

번에 한 개의 층 내부만을 프린트할 수 있으며, 소

재를 녹여서 조형하는 방식이므로 소재가 굳을 때

까지 지연이 있을 수밖에 없다. 또 노즐에서 소재

를 쏘는 방식은 한 시점에 한 개의 점만을 프린트

할 수 있다. 3D 출력물은 크기에 따라 수 백개에

서 수 천개 층의 결합으로 이루어지고 한 개의 층

은 또 수 천개의 점으로 이루어진다고 봤을 때 이

러한 방법은 시간적으로 매우 비효율적이라 할 수

있다. 노즐의 수를 늘리거나 출력물의 부위에 따

라 노즐의 모양을 달리하여 한 순간에 출력할 수

있는 출력 양을 늘릴 수 있다면 3D 프린터의 속도

를 획기적으로 향상 시킬 수 있을 것이다. 현재도

몇 가지 모델은 2개 혹은 3개의 노즐을 가지고 있

으나 그 목적이 주로 색깔이 다른 원료나 다른 소

재를 각 노즐에 배치하여 출력물에 색깔과 소재의

변형을 주기 위한 것으로 아직까지 개선의 여지가

많다. 또 3D 프린팅의 속도 향상을 꾀할 수 있는

부분은 노즐이나 출력물을 지탱하고 있는 베드의

움직임을 빠르게 하는 것이고, 무거운 베드를 움

직이는 것보다는 노즐을 움직이도록 하고, 베드와

노즐이 모두 움직이게 한다면 더 빠른 출력이 가

능할 것으로 보인다. Utrecht Fab Lab의 Ultimaker

3D 프린터는 일반적인 2축으로 움직이는 노즐이

아닌 3축으로 움직이는 3D 프린터를 이용하여 더

빠른 3D 출력을 가능하게 하였다.

4.3. 출력물의 한계 극복을 위한 기술 기회

3D 프린팅이 기존 생산 방법에서 불가능하던

것을 가능하게 한 측면도 있지만 반대로 기존 생

산 방법에서는 쉽게 가능하던 것이 3D 프린팅에

서는 어려운 것들이 있다.

출력물의 크기면에서 3D 프린팅에는 한계가 있

다. 3D 프린팅은 프린터 내부에서 제품을 조형하

므로 생산하고자 하는 제품의 크기가 3D 프린터

의 크기보다 크다면 출력할 수 없다. 현재 기술로

는 건물 등을 3D 프린터로 프린트하고자 할 때는

Figure 5와 같이 건축하고자 하는 건물 크기보다

큰 3D 프린터를 먼저 건축해야 하는 문제가 있다.

이러한 한계를 극복하기 위해서는 3D 프린터의

형태를 개선하여 생산 제품을 3D 프린터의 밖에

서 출력할 수 있는 형태로 개발되어야 하고, 3D

프린터가 자체적으로 생산 제품 주위를 움직인다

든가 출력 노즐을 멀리 뻗어 출력할 수 있는 형태

로 개선되어야 한다. MIT media lab.에서는

Figure 6과 같은 대형 물체 조형을 위한 3D 프린

터를 연구하고 있다.

출력물의 크기 외에도 3D 프린팅으로 얻은 출

력물은 강도, 내구성, 정밀도, 완성도 측면에서 기



존 생산 방식으로 생산된 제품보다 일반적으로 안

좋은 품질을 보인다. 물론 3D 프린팅 기술에 따라

출력물의 이러한 특성 중 일부는 기존 생산 방법

으로 생산된 제품의 특성보다 더 뛰어난 경우가

있으나 일반적으로는 그렇지 못하다. 출력 소재를

녹여 쌓고 층을 붙여 출력물을 만들다 보니 소재

를 완전히 용융하여 틀에 부어 제작하는 방식으로

제작된 제품에 비해 구조가 치밀하지 않고 그로

인해 강도와 내구성이 떨어지게 된다. 고출력 레

이저 등을 이용하여 금속 소재를 용융하여 적층하

는 3D 프린팅 방식은 용융풀의 주변이 깔끔하지

않기 때문에 최종 출력물의 표면이 거칠고 정밀도

가 떨어지게 된다. 또한 3D 프린팅 과정에 출력물

이 뒤틀리고 내려 앉는 것을 막기 위해 지지물을

같이 출력하는 경우도 많은데 이러한 지지물은 현

재까지는 일일이 사람이 제거해줘야만 하는 번거

로운 일이다. 결과적으로 3D 프린팅으로 생산된

제품은 그 자체가 최종 결과물이 아니고 표면가공

이나 치밀도 향상 및 정밀도, 완성도 향상을 위해

화학적, 물리적 후처리가 필요한 것이 대부분이다.

이러한 후처리 공정을 없애도록 정교하고 치밀한

3D 프린팅 기술을 개발하거나 후처리 공정을 단

순화시키는 부분에 많은 기술 기회가 있다고 볼

수 있다. 후처리 공정에는 열처리, 화학적 처리, 도

색, 샌딩, 밀링, 폴리싱, 3D 프린팅 소재를 이용한

코팅, 유리나 세라믹 등 다른 소재를 이용한 코팅

등 다양한 기술이 연구되고 있다.

4.4. 소재의 한계 극복을 위한 기술 기회

현재 3D 프린팅에 사용되는 소재는 금속, 유리,

세라믹, 시멘트, 플라스틱, 초코렛 등 매우 많은 재

료가 가능하다. 심지어 목재나 생체와 같은 느낌

을 주는 소재도 이용되고 있다. 이러한 소재를 적

절하게 조합한다면 원하는 물체를 무엇이든 출력

해 낼 수 있을 듯하다. 하지만 이러한 생각은 기존

제품 생산 방식이 물리학, 화학, 기계학, 생물학 등

수 세기 동안 축적되어 온 인간 지식의 산물이라

는 근본적 원리를 자각하지 못하는 것이다. 3D 프

린터로 원하는 재료를 이용하여 원하는 모양의 제

품을 만들 수는 있다. 하지만 모양이 같다고 제품

으로서 갖추어야 할 특성까지 같은 것은 아니다.

3D 프린팅된 손톱깎이나 골프 클럽 헤드가 기존

생산 방식으로 생산된 손톱깎이와 클럽 헤드를 아

무 문제없이 대체할 수 있을지는 의문이다.

소재의 선택에서도 제한이 있다. 현재의 3D 프

린터는 하나의 소재로 출력되는 것을 기본으로 설

계되어 있지만, 우리 주변의 대부분의 물건들은

다양한 소재의 매우 복잡한 조립품이다. 또한 현

재의 개인용 3D 프린터는 대부분 합성 수지의 출

력만 가능하다. 금속 소재 제품용 3D 프린터는 가

격이 아직은 비싸 개인이 소유하기는 어렵지만 금

속 출력 프린터의 핵심 기술인 SLS 기술의 특허

가 2014년 6월에 풀렸으며 이로 인한 또 한번의

전반적인 가격 하락으로 대중화가 본격화될 것으

로 보인다. 하지만 금속 출력 프린터에서는 고출

력 레이저의 사용이 필수인데 가정용 3D 프린터

에 그러한 고출력 레이저를 장착할 수 있도록 하

는데는 안전을 위한 기술적 장치의 개발 뿐 아니

라 해결해야 할 법제도적인 문제도 있다.

3D 프린터로 출력할 수 있는 물체의 한계도 있

다. 전자 회로나 반도체 부품과 같이 도체와 반도

체가 매우 정밀하면서 복잡한 구조의 물체를 3D

프린팅 방법으로 생산하기 위해서는 아직도 가야

할 길이 멀다. 3D 프린터를 출력하는 3D 프린터,

즉 생명체의 가장 큰 특징인 자기 복제가 가능한

기계를 만들고자 하는 Reprap 프로젝트[RepRap,

2013] 등이 성공하려면 전자 회로와 반도체 부품

의 출력등 아직도 해결해야 할 기술적 어려움이

많다.

4.5. 사용 편의성 향상과 유지 보수 어려움 극복

을 위한 기술 기회

3D 프린터는 적용된 기술, 사용되는 프린팅 소

재, 프린팅할 수 있는 물체의 크기에 따라 종류가

다양하며 그 사용법 및 관리 보수 방법이 매우 복

잡하다.

3D 모델링의 복잡성, 연결 및 통신 방법의 복잡

성, 운영 소프트웨어 사용 및 업데이트의 복잡성


18 공업화학 전망, 제18권 제1호, 2015

과 같이 정상적인 3D 프린터의 사용에 따른 복잡

성 외에도 관리 보수의 복잡성 문제가 있다. 프린

팅시 발생하는 찌꺼기 및 오염물에 대한 청소의

문제도 있고, 프린팅 소재의 종류에 따라 프린팅

소재를 뿜는 노즐 및 SLA 프린터의 수조의 관리

방법이 다르다. 또한 프린팅 소재가 화학 재품이

므로 이에 따른 화재 및 인체 접촉에 의한 안전성

문제도 발생한다.

또한 3D 프린터의 원활한 사용 및 서비스 유지

를 위해 프린팅 소재의 수요량 예측이나 물량 확

보의 복잡성도 있다.

이러한 3D 프린터 사용에 따른 사용자가 겪게

되는 다양한 복잡성의 해결을 위한 서비스를 제공

하거나 사용자 교육을 제공하는 등 다양한 기술

기회가 가능하다.

4.6. 법률적 문제 극복을 위한 기술 기회

3D 프린팅 기술은 IT와 제조업이 융합된 기술

로서 디자인과 3D 모델링 데이터는 지적저작권

행사의 대상이 된다. 3D 모델링 데이터는 컴퓨터

에 저장되는 파일 형태기 때문에 인터넷을 통해

쉽게 복제 및 공유가 가능하다는 문제가 있으며

이는 과거 mp3가 대중화되던 시기 Napster를 통

해 음원이 불법 공유되던 것과 같다. Napster 사태

이후 mp3의 유통에 필요한 여러 가지 지적저작권

기술이 개발되었던 것과 마찬가지로 3D 프린팅

시대에도 3D 모델링 콘텐츠의 지적저작권 보호를

위한 기술 개발이 필요하다. 즉, 사용자는

3Dsystems와 같은 모델링 전문 회사에 원하는 자

신만의 3D 제품의 모델링을 주문하고 모델링 회

사는 암호화되고 완성된 3D 모델을 주문자에게

전송한다. 암호화된 3D 모델은 주문자만이 3D 프

린팅할 수 있고 혹시 인터넷을 통해 불법 공유되

더라고 이를 다운받은 사용자는 암호를 모르면 출

력 할 수 없도록 하는 등 지적저작권 보호 장치의

개발 분야에 다양한 기술 기회가 존재한다.

3D 프린팅의 또 다른 법률적 문제로는 오픈 소

스를 이용한 프린터와 모델링 툴의 개발에 있다.

오픈 소스는 소프트웨어 개발에 소요되는 인력과

비용을 줄이고 손쉽게 변형을 하고 최적화할 수

있다. 또한 일반적으로 여러 개발자가 개발과 디

버깅 과정에 참여하므로 독점 개발된 프로그램에

비해 안정적이고 신뢰할 수 있다고 여겨지기 때문

에 개인이나 중소기업에서 널리 쓰이는 추세이다

[한국저작권위원회, 2007]. 그러나 오픈 소스는 책

임성 있는 주체의 지휘 아래 탄탄한 로드맵에 기

초하여 체계적으로 개발된 소프트웨어가 아니기

때문에 문제가 있을 경우 해결하기가 쉽지 않다.

유지 보수의 주체가 없고 업그레이드가 번거로우

며 체계적인 문서화가 되어 있지 않는 경우가 많

다. 소프트웨어는 시대의 요구에 맞게 계속 바뀌

어야 하는데 오픈 소스를 사용하면 이에 적절하고

능동적으로 대응할 수 없게 되고, 오픈 소스 개발

자들이 업데이트 해주기만을 수동적으로 기다릴

수밖에 없게 된다. 그래서 개발자 네트워크가 활

성화되지 않은 오픈 소스의 사용은 더욱 위험하

며, 법적인 분쟁 가능성도 있다. 오픈 소스에 대해

흔히 잘못 알고 있는 것이 오픈 소스는 무료로 마

음껏 쓰고 이를 적용한 상용 제품도 자유롭게 만

들어 팔 수 있다고 생각하는 것이다. 하지만 오픈

소스 라이센스에서는 오픈 소스를 포함하여 개발

된 소프트웨어의 소스 코드를 다시 오픈 소스로

공개할 것을 요구한다. 기업이 보유한 특허나 고

유 기술의 소스 코드가 오픈 소스와 같이 사용되

었더라도 특허에 대한 사용료 없이 같이 배포하여

야 하는 것이다. 그렇지 않은 경우 오픈 소스의 사

용권한이 박탈되고 이미 판매 중인 제품은 리콜해

야 한다. 이것은 기업의 입장에서는 오픈 소스를

사용하는 댓가로 기존 자신들의 고유 기술을 무료

로 오픈해야 하는 위험성을 의미한다. 따라서 오

픈 소스의 라이센스를 잘못 이해하여 자신의 독자

적인 기술이나 특허를 오픈 소스를 이용하여 3D

프린터나 모델링, 서비스 소프트웨어 등의 개발에

이용하지 않도록 주의해야 한다.

4.7. 서비스 모델 개발을 위한 기술 기회

3D 프린팅에서의 기술 기회는 비즈니스 모델의

개발이나 소비자 지원을 위한 생태계(ecosystem)



* 출처: Shapeways, 2013

Figure 7. Shapeways 서비스 모델.

의 구축에서도 찾을 수 있다. 기존 공장과 시장 중

심의 대량 생산 체제를 대체할 것으로 주목받는

3D 프린팅의 비즈니스 모델은 물건을 사용할 실

사용자가 제품의 디자인, 모델링, 주문, 출력, 배송

에 이르는 전 단계를 참여할 수 있으며 소셜네트

워킹을 통한 의견 교환이나 디자인, 모델링 기술

및 데이터를 거래할 수도 있을 것이다.

3Dsystems나 Stratasys와 같이 모델링 소프트웨

어부터 하드웨어 판매, 프린팅 서비스 등 통합적

인 3D 프린팅 솔루션을 제공하는 대형 회사도 있

지만 개인이나 소규모 회사가 추진하고 있는 비즈

니스 모델들도 많이 있다.

헤드버블이라는 회사[헤드버블, 2013]는 주문

자가 전송한 인물사진으로부터 3D 모델링을 하여

버블헤드 인형을 3D 프린팅하여 판매하는 비즈니

스를 영유하고 있으며, 2D 사진을 입체적인 액자

로 만들어 주는 회사도 있다. 3D Hubs[3Dhubs,

2013]는 3D 프린터를 소유한 사람들과 3D 프린터

의 사용을 원하는 사람들을 연결시켜주는 위치기

반 소셜 네트워크 서비스를 제공하고 있으며,

shapeways는 Figure 7과 같이 모델링, 주문, 3D

출력물의 판매 및 배송까지 겸하는 온라인 비즈니

스를 하고 있다. Shapeways에서는 반지, 목걸이,

휴대폰 케이스, 컵 등 단순하고 수요가 많은 제품

은 전용 온라인 모델링 서비스를 이용하여 크기,

디자인, 소재 등을 주문자가 직접 선택할 수 있으

며, 게임이나 애니메이션의 캐릭터, 디자이너가 디

자인한 생활 용품들을 개인의 취향에 맞게 조금씩

변형하여 출력 주문하고 배송받을 수 있다.

UC Berkeley의 학생 기업가들이 창업한 Dreambox

라는 회사는 3D 프린터 자판기를 만들어 교내에

설치하기도 하였다. 3D 프리팅 자판기는 누구나

손쉽게 3D 프린터를 사용할 수 있게 하겠다는 아

이디어에서 출발하였다. 사용자는 온라인 상의

dreambox 스토어를 통해 원하는 물건을 선택하거

나 자신만의 디자인을 업로드하여 프린팅을 주문

할 수 있으며 정해진 자판기에서 출력이 끝나기를

기다렸다가 스스로 픽업할 수 있다.

3D 출력물 뿐 아니라 모델링 데이터에 대한 유

통 시스템도 생각해 볼 수 있다. 3D 모델링 데이

터는 소프트웨어와 같이 생산하는데 많은 시간과

전문적 지식이 필요한 고부가 제품이므로 이를 전

문적으로 생산하는 기업도 생길 수 있으며, 이를

데이터베이스화 하고 비용을 받고 사용자가 엑세


20 공업화학 전망, 제18권 제1호, 2015

* 출처: Popsci.com, 2013

Figure 8. Wake Forest Institute의 콩팥을 출력하는 3D

printer.

스할 수 있도록 하는 유통시스템도 생각할 수 있

다. 또 소프트웨어 산업의 shareware나 오픈 소스

의 개념을 수정 적용하여 모델링 데이터에 대한

유통 생태계를 구성할 수 있으며 이 영역에도 많

은 기술 기회가 존재한다.

4.8. 비용 절감을 위한 기술 기회

3D 프린팅이 차세대 제조업의 혁신을 주도하기

위해서 해결해야 할 문제 중의 하나가 비용 문제

이다. 3D 프린터 출력물의 가격은 대략 출력물에

사용된 원료의 무게에 비례하는 경향이 있다. 출

력물의 복잡성이나 디자인의 우수성보다 출력물

에 사용된 원료의 가격에 맞추어 가격이 결정되고

있는 것이다. 그렇기 때문에 대량 주문에 의한 가

격 할인도 없다. 제품 1개 주문에 1달러이었다면

100개 주문에는 100달러인 것이다. 이러한 현상은

아직까지 3D 프린팅에 사용되는 원료가 고가이기

때문에 발생하는 것으로 3D 프린팅의 대중화에

있어 걸림돌이 된다. 누구나 원하는 물건을 쉽게

집에서 프린트해서 사용할 수 있다는 3D 프린팅

기술이 현실에서는 소량의 고부가가치 물건의 출

력에서만 유용한 것이다. 일반적으로 3D 프린팅

소재의 가격은 기존 금형 주입식 생산에 이용되던

소재의 가격의 50∼100배 정도이다. 이는 3D 프

린팅이 가격이 문제가 되지 않는 소수의 디자이너

나 시제품 개발자, 발명가 등의 전유물이 되고 대

중화에 실패할 위험성을 보여준다. 광경화성 수지

를 사용하는 SLA 방식이나 전용 분말이나 필라멘

트를 쓰는 FDM 방식 등의 3D 프린터를 개선하여

값싼 일반 산업용 수지나 재활용 플라스틱을 사용

하는 기술을 개발한다면 3D 프린팅의 비용을 줄

일 수 있을 것이다.

3D 프린팅의 비용 문제는 프린팅 소재뿐만 아

니라 3D 프린터 구입 및 운영의 비싼 비용 문제도

포함한다. 최근에 특허가 풀린 FDM 방식의 프린

터의 경우 싸게는 300달러에 구입할 수도 있지만

매우 조악한 수준이며 산업용 FDM이나 SLA 방

식의 프린터는 가격이 수 십만 달러 이상 나가기

도 한다. 금속 제품 출력이 가능한 산업용 SLS 방

식의 3D 프린터는 비금속 프린터보다 더 고가이다.

비용적 이슈에는 프린팅 소재와 3D 프린터 자

체의 비싼 비용 문제 외에도 기존 대량 생산 체제

에 대비한 3D 프린팅으로 생산되는 생산품의 상

대적 제작 비용 문제도 포함된다. 똑같은 제품을

만드는데 3D 프린팅이 더 비싸다면 3D 프린팅의

매력이 없어지게 된다. 프린터의 구조를 단순화하

고 값싼 소재를 사용할 수 있게 하고 부품과 소모

품을 규격화하는 등 가격을 낮추기 위한 지속적인

기술 개발이 필요하다.

4.9. 응용 분야 확대에 따른 기술 기회

3D 프린팅의 잠재력이 어느 정도인지 정확하게

예측하기는 어렵다. 그러나 3D 프린팅은 처음에

그 기술이 출현했을 당시 예상하지 못한 분야에서

도 그 유용성이 밝혀지고 있고 활용 영역이 계속

해서 넓어지고 있다. 컴퓨터가 처음 발명되었을

때 단순히 군사용 탄도 계산기로만 쓰였으나 오늘

날은 거의 모든 영역에 사용되고 있는 것처럼 3D

프린터도 비슷한 길을 갈 것으로 보인다. 앞으로

수 십년 동안 그것을 가능하게 하기 위한 수많은

기술이 개발될 것으로 보인다. 즉 3D 응용 분야

확대에 따른 풍부한 기술 기회가 존재한다.

현재 3D 프린팅 기술은 의료 분야에서 치열 교

정기나 의족, 의수, 안경 등 개인의 신체사이즈에

정확히 맞는 개인화된 의료 보조 기기를 생산하는



* 출처: Popsci.com

Figure 9. Univ. of Missouri의 혈관벽을 출력하는 3D 프린팅기술.

* 출처: 좌측 popularmechanics.com, 우측 evilmadscientist.com

Figure 10. 식품을 프린트하는 3D 프린터.

수준이나, 가까운 시일내에는 뼈나 연골 등의 이

식 수술 용 신체 부위를 생산하는 수준에 이를 것

이다. 더 나아가 10여년 후에는 자신의 신체 세포

를 프린팅 소재로 이용하여 심장 조직이나 콩팥과

같이 활발한 생체 활동을 하는 이식 가능한 장기

를 프린트할 수 있을 것으로 예상되며 줄기 세포

연구에도 활용될 것으로 보인다[Savas Tasoglu,

2013]. Figure 8은 Wake Forest Institute에서 생체

세포를 이용하여 콩팥을 프린트하고 있는 모습이

다. Figure 9는 hydrogel (파란색)과 bio-ink (오렌

지색)를 이용해 인간의 세포로 구성된 혈관 구조

를 프린팅하는 모습을 설명하고 있다. 출력이 완

료된 후 hydrogel이 제거되면 혈관 구조만이 남게

된다. 이와 같은 방식으로 더 복잡한 장기의 3D

프린트도 가능하다[Karoly Jakab, et. al, 2010].

식품 분야에도 3D 프린팅의 응용이 가능하다.

또 한 예로 현재는 초코렛이나 설탕과 같이 열가

소성 식재료를 이용하여 다양한 모양의 음식물을

출력하는 정도의 수준이나, 앞으로는 공상과학 만

화에 등장하던 음식 자판기와 같이 더 다양한 식

재료를 이용하여 더 자연스러운 맛과 모양의 요리

를 출력하는 시대가 도래할 것으로 보인다(Figure

10 참조). 이러한 음식물 프린터는 일반 가정이나

레스토랑은 물론 우주선에서도 복잡한 조리 장비

없이 음식을 만드는 일에 유용할 것으로 보인다.

실제로 NASA는 장시간의 우주 여행시 필요한 음

식물 자동 생산 시스템의 개발을 위해 125,000달

러를 지원하여 연구를 진행하고 있다. 음식물 프

린팅 분야에서 3D 프린터가 주목 받는 또 하나의

이유는 3D 프린터의 특성상 재료의 손실이 거의

없다는 것이고 이로 인해 장기적으로는 지구의 음

식물 부족을 해결하는데 도움을 줄 것이라는 기대

감이다.

미국 에너지부(Department of Energy)에 의하

면 음식물 뿐 아니라 모든 산업 분야에서 3D 프린

팅은 산업 폐기물의 양을 줄이고, 재료와 완재품

의 장거리 운송에 필요한 에너지를 줄이는 역할을

함으로써 환경에 좋은 영향을 줄 것으로 전망하였

다[Energy Gov, 2013].

5. 3D 프린팅 관련 연구 개발 현황

본 장에서는 3D 프린팅 관련 연구 동향을 분석

하고자 고인용 논문에 대한 계량 분석을 수행하였

다. 분석에 사용된 논문은 Web of Science

(Thomson Reuters)의 논문 데이터를 사용하여 검

색어 “TI=((3d print*) or (3-d print*) or (rapid

prototy*) or (additive manuf*) or (three dimen*

print*) or (three-dimen* print*))”를 사용하여 검

색된 1998년부터 2014년까지의 논문 2060편을 분

석 대상으로 하였다.


22 공업화학 전망, 제18권 제1호, 2015

연도 논문수 누적 논문 수 한국 논문

1998 50 50 0

1999 48 98 0

2000 57 155 4

2001 69 224 3

2002 83 307 5

2003 99 406 3

2004 89 495 1

2005 99 594 5

2006 88 682 9

2007 96 778 4

2008 96 874 3

2009 100 974 8

2010 118 1,092 3

2011 160 1,252 8

2012 160 1,412 6

2013 233 1,645 6

2014 415 2,060 25

Table 2. 연도별 3D 프린팅 관련 논문 수

* 출처: COMPAS

Figure 11. 연도별 3D 프린팅 관련 논문 수.

Figure 12. 국가별 연도별 논문 수.

5.1. 논문 분석

Table 2와 Figure 11은 3D printing으로 검색된

논문의 출판수와 누적 출판 수, 한국의 논문 수를

보여주고 있으며 분석 대상 기간의 연평균 증가율

은 논문 수 기준 8.98%, 누적 논문 수 기준

28.02%로 나타났다.

Figure 12는 국가별 연도별 3D 프린팅 관련 논

문수를 보여준다. 전 세계 74개 국가에서 3D 프린

팅 관련 연구 논문이 발표되고 있으며 미국이 전

체 논문의 27.97%를 점유하며 가장 활발히 연구

를 수행하고 있고 중국이 10.99%, 영국이 10.86%

로 그 뒤를 따르고 있다. 한국도 4.9%의 논문 점

유율을 보이며 5위의 자리를 차지하고 있다.

Table 3에서는 일반적으로 좋은 논문으로 평가

받는 지표인 인용수를 기준으로 가장 빈번히 피인

용되는 논문들을 정리하였다.

3D 프린팅 기술이 비교적 최신 기술이며 응용

과학 기술임에도 불구하고 대부분의 고인용 논문

연구가 주로 미국, 영국, 독일 등 기술 선진국에

집중되어 있음을 알 수 있고, 특히 미국이 압도적

인 점유율을 차지하고 있다. 비슷한 진입 장벽을

가진 스마트 폰이나 로봇과 같은 분야에서의 한국

의 점유율과 비교했을 때 그동안 우리가 얼마나

3D 프린팅 기술의 연구와 특허 등록에 무관심했

는지를 알 수 있다. 기존 생산 시스템의 근간을 바

꿀 수 있는 기술로 여겨지는 3D 프린팅 기술은 다

른 응용 과학 기술보다 그 중요도와 우선 순위가

높다고 할 수 있으며, 지금부터라도 3D 프린팅 분

야의 기술 개발과 특허 등록에 더 많은 관심과 투

자가 이루어지도록 하여야 한다.



저자 논문 제목 학술지Volume,

Page

피인용

수연도

Duffy, DC; McDonald,

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Whitesides, GM

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Mulhaupt, R

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RESEARCH PART

B-APPLIED

BIOMATERIALS

74B, 782 169 2005

Table 3. 3D 프린팅 관련 고인용 논문


24 공업화학 전망, 제18권 제1호, 2015


Page

피인용

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Landers, R; Pfister, A; Hubner, U; John, H; Schmelzeisen, R; Mulhaupt, R

Fabrication of soft tissue engineering scaffolds

by means of rapid prototyping techniques

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37, 3107 153 2002

Duffy, DC; Schueller, OJA; Brittain, ST; Whitesides, GM

Rapid prototyping of microfluidic switches in

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Three-dimensional microimaging (MR mu I and

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prototyping provide unique insights into bone

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Douglas, SM; Marblestone, AH; Teerapittayanon, S; Vazquez, A; Church, GM; Shih, WM

Rapid prototyping of 3D DNA-origami shapes

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NUCLEIC ACIDS RESEARCH

37, 5001 119 2009

Boland, T; Mironov, V; Gutowska, A; Roth, EA; Markwald, RR

Cell and organ printing 2: Fusion of cell

aggregates in three-dimensional gels

ANATOMICAL RECORD PART

A-DISCOVERIES IN MOLECULAR

CELLULAR AND

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Rapid prototyping of an EEG-based brain-computer

interface (BCI)

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Design and fabrication of standardized

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bone-tissue-engineering research

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BIOMATERIALS 26, 4281 108 2005

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JOURNAL OF ORAL AND

MAXILLOFACIAL SURGERY

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microstructures for micro total analytical

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microfabrication in the general laboratory

ANALYTICA CHIMICA ACTA

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Rapid prototyping technology in medicine -

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COMPUTERIZED

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Large-area flexible 3D optical negative index

metamaterial formed by nanotransfer printing

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Xurography: Rapid prototyping of microstructures

using a cutting plotter

JOURNAL OF

MICROELECTROMEC

HANICAL SYSTEMS

14, 1364 86 2005

6. 맺음말

본 보고서에서는 기존 공산품의 설계, 생산, 유

통, 판매 방식을 완전히 바꿀 혁신적인 기술이라

고 여겨지면서 최근 많은 기대를 받고 있는 3D 프

린팅 기술의 시장 동향을 서술하였고, 그 요소 기

술들에 대해 간략히 살펴보았다. 또한, 현재 3D

프린팅 기술이 가지고 있는 한계들과 앞으로의 방

향성 예측을 통해 발견할 수 있는 기술 기회들을

서술하였다. 마지막으로 3D 프린팅 기술과 관련

된 전 세계 고인용 논문 및 중요 특허들의 목록을

제공하였다.

3D 프린팅 기술은 최근에 발명된 새로운 기술

은 아니지만 주요 기술 특허가 만료되고 많은 개

발자가 3D 프린터를 만들면서 가격이 폭락하여

이제 막 대중화의 시작점에 있는 기술이다. 과거

개인용 컴퓨터의 대중화 때 겪었듯이 앞으로 10년

에서 20년 사이 3D 프린팅 관련 기술이 폭발적으

로 발전할 것이며 성능 향상과 활용 영역의 확대

가 예상되어진다. 그러나 3D 프린팅 기술은 앞으

로 해결해야 할 많은 문제들이 있다. 컴퓨터 기술

의 경우 반도체 집적 기술과 관련되어 무어의 법

칙으로 표현되는 2년에 2배의 성능 향상이 이루어

졌다. 또 컴퓨터 기술은 기존에 없던 디지털 영역

에 대한 기술 개발이므로 새로운 수요를 꾸준히

만들어 가며 발전할 수 있었다. 하지만 3D 프린팅

기술은 한 두 가지 기술이 아닌 기계, 화학, 전자,

소재, 컴퓨터, 의학 등 폭넓은 분야의 다양한 기술

이 연관되어 있으며 무엇보다도 기존에 있던, 그

리고 만족하며 사용하고 있던, 공산품의 대량 생

산 유통 시스템을 대체해가며 발전해야 하는 어려

움이 있다. 즉, 3D 프린팅 기술의 대중화를 위해


26 공업화학 전망, 제18권 제1호, 2015

서는 기술의 발전만이 요구되는 것이 아니라 사회

적 변화를 필요로하기 때문에 가까운 미래에 기존

의 생산 시스템을 단기간에 바꿀 거대한 혁신을

일으키기는 쉽지 않을 것이다.

그럼에도 불구하고 3D 프린터는 지속적으로 고

정밀화, 고속화, 저비용화, 소형화, 다양화되고, 기

존 생산 시스템과 공존하면서 3D 프린팅만의 고

속, 소량, 개인화된 고부가가치 제품 생산 영역을

구축할 것으로 보인다.

참 고 문 헌

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김 선 호

2008 버지니아 공과대학교 컴퓨터

과학과 공학박사

1997∼현재 한국과학기술정보연구원 미래

정보연구센터 선임연구원

3d 프린팅과 기술 기회 - 화학공학소재연구정보센터(cheric)3d 프린팅과 기술...

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