김 선 호 한국과학기술정보연구원 / 기술기회연구실

3D 프린팅 개요 5

3D 프린팅 요소 기술 13

3D 프린팅의 기술 기회 29

3D 프린팅 관련 연구 개발 현황 45

맺음말 61

참고문헌 64

4042013 정보분석보고서

3D 프린팅 기술동향 및 기술 기회 연구

5404


3D 프린팅 개요



3D 프린팅이란 3차원 (3D, 3 dimensions) 공간에 인쇄를 한다는

개념으로 지금까지 가정이나 사무실에서 문서를 출력하는 잉크젯

프린터나 레이저 프린터와 같은 2차원적 프린팅개념에서 한 차원

더 나아가 공간상에 프린팅 재료를 출력하여 3차원물체를 조형하는

기술을 말한다. 3D 프린팅 재료로는 파우더나 필라맨트 형태의

플라스틱, 금속, 고무, 레진, 나무, 모래, 시멘트, 유리, 세라믹, 초코렛,

생체 세포 등 매우 다양하며 사용 가능한 재료의 범위가 지속적으로

넓어지고 있다.

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 보고서에서는 다른 보고서나

서적에 소개된 내용을 다시 서술하는 것을 최소화하고3D 프린팅에서의

기술 기회, 즉 기술 개발 및 비즈니스 가능성에 초점을 맞추어

집필하였다. 3D 프린팅에서의 기술 기회를 찾기 위해 현재 3D

3D 프린팅 개요

76

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 논문 및 주요 미국 특허를 분석하였다.

3D 프린팅이란?

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 및 산업 디자인등의

분야에도 적용되고 있다.

출처. MakerBot, 2013; shapeways, 2013

<그림 1>은 개인용 3D 프린터의 하나인 MakerBot사의 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 전환된 이후 전세계 엔지니어들이

프린터 개발에 참여 할 수 있게 됨으로써 기술 발전과 함께 개인도

3D 프린터를 구매할 수 있을 정도의 가격하락이 이루어져 최근

관심이 집중되고 있다. 3D 프린팅은 제조업 진입 장벽을 낮추어

아이디어만으로 창업을 가능하게 하고, 실수요자가 집에서 쉽게 물건을

<그림 1> 3D 프린터와 출력물

생산할 수 있게 함으로써 기존 공장과 마켓 중심의 대량 생산 유통

체제에 큰 변화를 일으킬 잠재력이 있는 것으로 예상하고 있으며, 이를

제3차 산업혁명의 도래로 보는 관점도 있다[김소연 외, 2013].

3D 프린팅 시장 동향

3D 프린팅 기술은 ‘additive manufacturing’이라는 이름으로

1980년대부터 존재해왔으나 최근 대중화가 진행되면서 더 직관적인

‘3D 프린팅’이라는 용어가 더 자주 쓰이게 되었다. 3D 프린팅 기술은

이제 막 대중화가 시작되는 초기 단계이며 소형 개인용 3D 프린터는

1,000달러 이하의 가격으로 구입할 수 있어 디자이너, 엔지니어,

건축가들에게는 이미 일반화 되어 있다.

출처. Gartner, 2013

<그림 2>는 Gartner에서 발표한 2013년 부상기술 하이프

사이클상에서의 3D 프린팅 기술의 위치를 보여준다. 3D 프린팅 기술은

현재 기대감 피크에 달해 있으며 3D 스캐너 기술과 3D 바이오 프린팅

기술도 그 뒤를 따라 기대감이 증폭되고 있는 모습이다.

컨설팅 구룹인 McKinsey의 최근 보고서[McKinsey, 2013]에 의하면

<그림 2> 2013년 부상 기술 하이프 사이클

time

expectations

Big Data

Internet of Things

Mobile Robots3D Scanners

NeurobusinessBiochips

Affective ComputingElectrovibration

Quantified Self

Consumer 3D PrintingGamificationWearable User Interfaces

Complex-Event ProcessingContent Analytics

In-Memory Database Management SystemsVirtual Assistants

Augmented RealityMachine-to-Machine Communication ServicesMobile Heaith Monitoring

Mesh Networks : SensorCloudComputing

Predictive AnalyticsSpeech Recognition

Location IntelligenceConsumer Telematics

Biometric Authentication MethodsEnterprise 3D PrintingActivity Streams

Gesture ControlIn-Memory Analytics

Virtual Reality

NFC

Natural-Language Question Answering

Volumetric and Holographic DisplaysHuman Augmentation

Brain-Cimputer Interface3D Bioprinting

Autonomous Vehicles

Presscriptive Analytics

Quantum Computing

Speesh-to-Speech Translation

Smart DustBioacoustic Sensing

InnovationTrigger

Peak ofInflated

Expectations

Trough ofDisillusionment

Plateau ofProductivity

Slope of Enlightenment

Plateau will be reached in:less than 2 years 2 to 5 years 5 to 10 years more than 10 years obsolete

before plateau

98

개인용 3D 프린터 판매량은 2011년에 23,000대 정도로 아직까지는

그리 많은 판매량을 보이진 않고 있으나, 2007년부터 2011년까지

매년 200에서 400%씩 증가해왔다. 또한 3D 프린팅 관련 서비스의

확대 속도는 더 가파르게 증가하였는데, 3D 프린팅 종합 솔류션

업체인 shapeways는 이미 8천개 이상의 온라인 쇼핑몰을 운영하고

있고 2012년에만 1백만개 이상의 3D 프린팅 출력물을 판매하였다.

2012년에는 세계 최대 사무용품 유통업체인 Staples도 3D 프린팅

산업에 뛰어들겠다고 발표하였다.

McKinsey 보고서는 2025년까지 3D 프린팅의 경제적 영향력이

개인용 프린팅 분야에서 연간 4조달러에 이르고, 직접 생산

분야에서 연간 1천억달러에서 2천억달러, 의료용 임플란트나 엔진

부품 제조 분야에서 연간 7천700억달러, 도구나 금형 시장에서

연간 300~500억달러의 시장 확대가 예상 되었고 전분야로 연간

2,300억에서 5,500억달러에 이르는 시장 파급력을 예상하였다.

구글을 통해본 3D 프린팅의 관심도

위 그림은 구글의 트렌드 분석[Google Trends, 2013]을 활용한

것으로 2005년 이후 3D 프린팅에 대해 인터넷 검색을 통해 드러난

관심 정도의 변화를 시간에 따른 그래프로 표현한 것이며, 최대치인

B지점에서의 관심을 100으로 두고 나머지를 정규화(normalize)하여

표현한 것이다. B 지점은 3D 프린터를 이용한 총기류의 불법 제작

<그림 3> 구글 검색으로 본 시간에 따른 3D 프린팅 기술에 대한 관심 변화

2005 2007 2009 2011 2013

100

80

60

40

20 NM L M J I

HCF ED

C

B

A

3D 프린팅 기술동향 및 기술 기회 연구10

유통 가능성이 주요 언론에 보도된 시점으로 대중의 관심이 폭발적으로

증가한 시점이다.

시기별 주요 Events

A : 3D Hubs의 3D 프린팅 소셜 비즈니스 모델 시작

B : 3D 프린터를 이용한 총기 제작 및 실탄 발사 실험 성공

C : MarketWatch의 3D 프린팅 혁명 소개

M : ABI Research에서 3D 프린팅 시장이 2013년까지 7.82억

달러로 성장할 것으로 예측

Google 트렌드에 따른 3D 프린팅 관련 검색어 중 관심도(Score)가

높은 10개의 검색어를 순위별로 나열하면 위의 <표 1>과 같다. 이

결과에 의하면 3D 프린터의 가격에 대한 관심이 가장 높게 나타나고

있으며, 그 다음으로 3D 프린터 자체 기술, makerbot의 3D 프린터,

자기 복제가 가능한 프린터를 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 아래의

그림과 같다. 파란색 계통으로 채도를 바탕으로 지역별 3D 프린팅에

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

<표 1> 주제별 관심도(Score)에 따른 순위(구글 트렌드 분석결과)

11101110

대한 관심의 정도를 표현하였는데, 미국에서 가장 높은 수치를 보였고

오스트레일리아, 싱가포르, 뉴질랜드, 남아프리카, 네덜란드, 홍콩,

캐나다, 영국의 순서로 3D 프린팅에 관심이 많은 것으로 나타났다.

고도의 IT기술, 로봇기술, 소재 기술이 필요한 3D 프린팅 기술을

통해 중국, 인도 등 저임금 국가에 빼앗긴 제조업의 영역을 다시 찾기

위한 선진국의 노력과, 이에 대비해 3D 프린팅 연구에 더 많은 투자를

하고 있는 저임금 국가의 관심 정도가 지역별 관심도 지도를 통하여

확인된다.

<그림 4> 3D 프린팅에 대한 국가별 관심 정도

01301212


3D 프린팅 요소 기술



3D 프린팅 기술은 기계, 화학, 재료, IT, 서비스 등 매우 다양한

분야의 기술이 복합적으로 결합하여 이루어진 융합 기술이다. 어느

하나의 요소 기술이라도 불가능하다면 현재와 같이 3D 프린팅 기술의

대중화를 눈앞에 두는 상황까지 이르지 못했을 것이다. 3D 프린팅의

기술 기회를 찾기에 앞서 이 장에서는 현재의 3D 프린팅기술에 적용된

요소 기술들을 살펴본다.

3D 모델링 기술

3D 모델링은 컴퓨터를 이용하여 3D 물체의 형태 정보를 데이터화

하는 것으로 크게 CAD 등의 소프트웨어를 이용하여 기존에 없는

물체를 직접 모델링 하는 방법과 3D 스캐너를 이용하여 이미 있는

물체의 형태 정보를 수집하여 모델링 하는 방법이 있다.

CAD 소프트웨어를 이용하여 직접 모델링하는 방법은 새롭게

디자인된 물체의 시제품을 만들기 위해 주로 사용되며, 3D 스캐너를

3D 프린팅 요소 기술

015014

이용하는 모델링은 기존의 물건을 보완하거나 변형을 할 때, 또는 해당

물체를 복제하기 위해 사용된다.

출처. Appsmirror, 2013

<그림 5>는 CAD에 기반한 3D 모델링 소프트웨어의 하나인

Autodesk사의 123D Make라는 맥용 3D 모델링 툴을 이용하여 자동차의

모형을 모델링하는 모습이다. 이 소프트웨어는 이미 만들어진 예제

모델들을 이용하여 변형을 가하여 새로운 모델을 만들거나 완전히 새로운

모델을 처음부터 생성할 수 있는 기능도 제공한다. 123D Make는 완성된

3D 모델을 여러 개의 2D 단면으로 나누어 각각의 2D 단면의 데이터를 3D

프린터로 차례로 출력한 후 적층하여 하나의 3D 물체를 만들 수 있게 한다.

3D 스캐너는 크게 3가지로 나뉘는데 접촉 방식, 능동형 비접촉방식,

수동형 비접촉방식이 있다.

접촉 방식 스캐너는 사물의 표면을 바늘과 같은 형태의 가늘고

미세한 센서로 실제로 접촉을 하며 스켄하는 방식이다. 사물 표면에서

각 점의 위치는 스캐너 암의 위치와 관절의 각도를 이용하여 측정한다.

<그림 6>은 접촉 방식의 스캐너의 작동 모습이다. 좌측 그림의

스캐너와 같이 센서의 방향이 수직으로 고정되어있는 스캐너는 사물의

위쪽 표면만을 스켄할 수 있다. 그러한 단점을 해결하고자 오른쪽

<그림 5> Autodesk 123D Make를 이용한 3D 모델링 화면

그림과 같이 다양한 각도로 사물에 접촉할 수 있는 스캐너도 있으나

센서가 들어가기 힘든 복잡한 구조의 사물, 특히 오목하게 내부로

들어간 구조의 사물을 스캔하는데에는 한계가 있다.

출처. umich, 2013; blendernation, 2013

능동형 비접촉 방식 3D 스캐너는 레이저를 사물의 표면에 쏘아

표면까지의 거리를 측정하거나 표면의 굴곡을 인식하여 모델링하는

방법이며 이것은 다시 세분할 수 있다. 사물에 쏜 레이저 빛이 반사되는

시간을 이용하여 거리를 측정하여 모델링하는 방법, 제3의 지점에

카메라 센서를 추가하여 3각 측량법으로 사물 표면까지의 거리를

측정하여 모델링하는 방법, 동심원이나 메쉬 모양 등 정해진 패턴의

레이저 빛을 사물에 쏘아 사물의 표면에서 패턴의 모양이 굽어지는

모양을 분석하여 모델링하는 방법 등이 있다.

출처. wikipedia, 2013

<그림 6> 접촉 방식 3D 스캐너

<그림 7> 능동형 비접촉 3D 스캐닝

017016

<그림 7>의 좌측은 능동형 비첩촉 방식중 카메라를 추가한 3각

측량법을 이용하여 사물 표면을 모델링하는 모습을 보여준다. 오른쪽

그림은 여러개의 직선 광선을 표면에 비추어 직선이 굴곡되는 모양을

분석하여 사람 얼굴을 모델링하는 모습이다.

수동형 비접촉방식 3D 스캐너는 레이저나 초음파 등을 이용하지 않고

사물로부터 들어오는 가시광선이나 적외선을 센서로 감지하여 표면을

스캐닝하는 방법이다. 가장 간단한 예로 두 개의 약간 떨어져 있는 일반

디지털 카메라를 이용하는 것인데 스캐닝하고자 하는 사물을 찍어 사물

표면의 각 포인트가 보는 각도에 따라 차이가 나는 것을 분석하여 표면의

굴곡을 측정하는 방법이다. 또 다른 방법은 <그림 8>과 같이 하나의

카메라를 이용하여 조명의 위치를 바꾸어 가며 사물을 촬영 한 후 음영이

바뀌는 모습을 분석하거나 [Gary, 2011], 또 다른 방법으로 사물을

회전시키며 사물의 실루엣을 분석하는 방법도 있다.

출처. uwe.ac.uk, 2013

3D 프린터와 컴퓨터 CAD 소프트웨어와의 데이터 교환에 사용되는

표준 데이터 포맷은 STL(Standard Tessellation Language) 포맷으로

색상이나 질감 등의 정보 없이 3차원상의 3각형 단위 표면(facet)에

대한 위치 정보만을 저장하는 데이터 포맷이다. <그림 9>는 ASCII

형태(좌측)와 binary 형태(우측)의 STL 데이터의 양식이다. 이 예는

하나의 facet을 표현하기 위한 양식이고 여러개의 facet은 이 양식을

반복하여 사용하면 된다.

<그림 8> 음영을 이용한 수동형 비접촉방식 3D 스캐닝

최근에는 AMF(Additive Manufacturing File Format)라고 하는

3D 프린팅을 위한 전용 표준 데이터 포맷이 사용되기도 하는데, 기존

SLT을 발전시킨 포맷으로 삼각면의 위치 정보외에 색상, 소재, 질감,

곡률, 그리고 같은 삼각면의 군집을 효율적으로 프린트하기 위한 군집

정보가 포함되었다.


facet normal ni nj nk outer loop vertex v1x v1y v1z vertex v2x v2y v2z vertex v3x v3y v3z endloopendfacet

UINT8[80] HeaderUINT32 Number of triangles

foreach triangleREAL32[3] Normal vectorREAL32[3] Vertex 1REAL32[3] Vertex 2REAL32[3] Vertex 3UINT16 Attribute byte countend

<그림 9> STL format: ASCII format (left), binary format (right)

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?><amf unit=”millimeter”> <object id=”0”> <mesh> <vertices> <vertex> <coordinates> <x>0</x> <y>1.32</y> <z>3.715</z> </coordinates> </vertex> ... </vertices> <volume> <triangle> <v1>0</v1> <v2>1</v2> <v3>3</v3> </triangle> ... </volume> </mesh> </object></amf>

<그림 10> AMF 데이터의 예

019018

<그림 10>은 하나의 삼각면이 AMF로 어떻게 표현되는지를

보여준다. AMF는 xml 양식으로 표현되며 삼각면의 세 꼭지점

<vertex>들의 좌표를 먼저 선언한 후 이 꼭지점 정보를 인용하여

삼각면 <triangle>를 선언하는 방식이다.

AMF는 물체의 곡면을 표현하기 위해 모든 삼각면은 <그림 11>과

같이 재귀적으로 하부 4개의 삼각면으로 구성되어 있다고 가정한다.

<그림 12>는 AMF에서 곡면을 표현하는 방법의 예이다. vertex에

<normal>이라는 element를 추가하여 그 vertex를 공유하는 모든

삼각면은 normal 이 가리키는 평면에 평행하도록 삼각면의 하위

삼각면이 굽어진다. vertex에 곡면정보가 없는 경우 edge에 곡면

정보를 포함 할 수 있는데 이때는 <edge>라는 element를 사용하여

edge 양끝의 vertex에서의 곡면 정보를 표시한다.

<그림 13>은 AMF에서 색상 정보를 입력하는 예를 보여준다. R,G,B

정보와 투명도(A)정보를 표시한다. <그림 14>는 AMF의 질감 표현의

예이다. 질감을 표현하는 <texture> element가 먼저 선언된 후

<color> element에서 이를 인용하여 사용한다. 질감은 대상에 따라

2차원이나 3차원 array로 표현되고 Base64 인코딩된 문자열이나

바이트로 표현된다. 한 바이트로 256단계의 명암을 표현할 수 있다.

<그림 11> 곡면 삼각면

<texture id="1" width="10" height="26" depth="1">

TWFuIGlzIGRpc3Rpbmd1aXNoZWQsIG5vdCB

vbmx5IGJ5IGhpcyByZWFzb24sIGJ1dCBieS

B0aGlzIHNpbmd1bGFyIHBhc3Npb24gZnJvb

SBvdGhlciBhbmltYWxzLCB3aGljaCBpcyBh

...

</texture>

<triangle>

<v1>0</v1>

<v2>1</v2>

<v3>3</v3>

<color>

<r>tex(1,x,y,z)</r>

<g>tex(2,x,y,z)</g>

tex(3,x,y,z)

<a>0.1</a>

</color>

</triangle>

<그림 12> AMF의 <normal>과 <edge>를 사용한 곡면 정보

<volume materialid="1">

<color>

<r>0.9</r>

<g>0.9</g>

0.2

<a>0.8</a>

</color>

...

<그림 13> AMF의 색상 정보

021020

일반적으로 3D 모델링은 매우 전문적인 기술이나 일반인이 쉽게 쓸

수 있게 하기 위해 CAD의 복잡하고 잘 안 쓰이는 기능을 빼고 필수적인

기능과 직관적인 인터페이스를 이용한 간략화된 3D 모델링 툴들이

많이 개발되고 있다. 헤드버블사[헤드버블, 2013]는 촬영 각도가 다른

2장의 인물 사진을 이용한 3차원 인물 모델링 소프트웨어를 사용하여

3D 버블헤드 인물 모형을 프린팅하고 있으며, shapeways사는 웹용 3D

모델링 서비스를 제공하여 간단한 반지와 그릇과 같은 물체의 모델링을

웹에서 바로 수행하고 3D 프린팅을 주문할 수 있도록 하고 있다.

3D 프린팅 기술

광경화성 수지를 이용한 프린팅 기술

광경화성 수지는 빛을 조사하면 응고되는 액상의 플라스틱 수지로서

<그림 14> AMF의 질감 정보

<texture id="1" width="10" height="26" depth="1">

TWFuIGlzIGRpc3Rpbmd1aXNoZWQsIG5vdCB

vbmx5IGJ5IGhpcyByZWFzb24sIGJ1dCBieS

B0aGlzIHNpbmd1bGFyIHBhc3Npb24gZnJvb

SBvdGhlciBhbmltYWxzLCB3aGljaCBpcyBh

...

</texture>

<triangle>

<v1>0</v1>

<v2>1</v2>

<v3>3</v3>

<color>

<r>tex(1,x,y,z)</r>

<g>tex(2,x,y,z)</g>

tex(3,x,y,z)

<a>0.1</a>

</color>

</triangle>

이 액체에 빛을 쪼여 얇은 단면의 물체를 만들고 이를 적층하여 3D

물체를 조형하는 기술이다. 빛의 조영 방식과 광경화성 수지의 이용

방법에 따라 SLA(Stereolithography Apparatus)와 DLP(Digital

Light Processing) 방식으로 나눌 수 있다.

a) SLA

SLA 기술은 얇은 광경화성 수지 (photocurable resin)막에 자외선을

쏘아 물체를 출력하는 방식이다. <그림 15>는 SLA의 구조를 보여준다.

SLA는 액체 상태의 광경화성 수지가 들어 있는 수조를 포함하고

있는데 이 수조의 하부가 물체를 지탱하는 출력대를 겸하게 된다.

수조 상부에서 자외선을 출력하는 렌즈가 있다. <그림 16>은 SLA

방식 3D 프린터의 작동 원리를 설명한다. 출력하고자 하는 물체의

한 층(layer)을 2차원 프린터가 종이에 문서를 출력 하듯 수조에

고인 광경화성 수지에 자외선으로 출력을 하면 자외선이 닿은 수지가

경화 되고 얇은 한 층의 물체 단면이 된다. 그 다음 수조의 베드가 한

층(layer)의 깊이만큼 하강하면서 이미 경화가 된 부분의 위쪽에 다시

액체상태의 광경화성 수지가 올라가 다음 층의 출력을 대기한다. 이와

같은 과정을 반복하여 모든 층을 다 출력하면 출력하고자하는 3D

물체를 얻게 된다.

출처. Solid Concepts inc.

<그림 15> SLA 프린터의 구조

023022

이 방식을 빛과 액체를 이용한 방식으로 결과물의 정밀도가 높고

제작 속도가 빠르다는 장점이 있지만, 출력물의 소재와 색상이

제한적이고 원료가 비싸다는 단점이 있다. 광경화성 수지는 리터당

$80~$210이며 이 기술을 이용한 3D 프린터의 가격도 다른 기술을

사용하는 프린터보다 비싸 $100,000에서 많게는 $500,000에까지

이르는 등 매우 고가이다.

출처. wikipedia

b) DLP

이 기술은 SLA와 비슷하나 빛을 광경화성 수지에 뿌리기 위해

흔히 프로젝터에 사용되는 DLP(Digital Light Processing) 기술을

이용한다. 즉 SLA가 자외선 빔을 원하는 점들에 순차적으로 쏘아

출력하는 것과는 달리 DLP를 이용하여 2차원적 빛을 광경화성 수지에

투영하여 2차원적 출력물을 얻어내는 원리이다. 이 2차원적 출력물을

층층히 쌓아 3차원 출력물을 만든다.

- 압출 적층

이 기술은 열가소성 플라스틱에 열을 가해 용융시킨 프린팅 소재를

정해진 위치에 압출하여 적층시켜 출력물을 만드는 기술이다. 원료의

형태와 압출 방법에 따라 FDM(Fused Deposition Modeling),

PJP(Plastic Jet Printing) 등으로 세분되기도 한다.

<그림 16> SLA (Stereolithography Apparatus) 방식의 원리

a) FDM

FDM 은 <그림 17>과 같이 필라멘트 형태의 플라스틱이나 금속등

프린팅 소재를 고온으로 녹여 노즐을 통해 분사하여 적층하는 방식의

3D 프린팅 기술이다. 소재를 압출하는 노즐이나 출력물을 지탱하는

테이블이 모터에 의해 제어되어 원하는 위치에 정확히 소재를

분사하는 것이 핵심 기술이다. FDM이라는 용어는 Staratasys사의

등록 상표이므로 사용에 법적이 제한이 있고 이 때문에 FFF(Fused

Filament Fabrication)이라는 용어를 쓰기도 하는데 둘은 같은 기술을

지칭한다.


b) PJP

PJP 기술은 프린팅 원료인 열가소성 플라스틱의 작은 입자를 고온에

녹여 잉크젯 프린터와 같은 방식으로 정해진 위치에 분사하여 출력물을

만드는 방식이다. 이 기술은 원료와 프린터의 가격이 가장 저렴한

방식이기 때문에 3D 프린터의 대중화를 위해 가장 많이 주목 받고 있는

방식이다. 실제도 대부분의 저가형 가정용 3D 프린터는 이 방식을

이용하고 있다. 하지만 PJP 방식은 출력물의 디테일이 깔끔하지 않으며

표면이 거칠어 후처리에 많은 노력이 필요하다.

<그림 17> FDM: Fused Deposition Modeling

025024

- 라미네이트

라미네이트 방식은 프린팅 소재의 얇은 층을 칼이나 레이저로 절단한

후 적층시켜 3D 출력물을 만드는 기술이며, LOM(Laminated Object

Manufacturing)이라고 한다. <그림 18>은 라미네이트 방식 3D

프린터의 구조를 보여주고 있다. 이 그림에서 1,8은 각각 프린팅 소재인

종이 등의 두루마리와 사용된 후의 두루마리이다. 2는 접착재료를

칠하는 로울러이고, 3은 레이저를 이용하여 원료를 절단하는 부분,

4와 5는 레이저 출력부와 콘트롤부를 표시한다. 6은 적층되고 있는

3D 출력물, 7은 원료의 두께만큼 조금씩 하강하며 층을 쌓는 출력물

지지대이다.

라미네이트 방식 3D 프린팅의 소재는 플라스틱 필름 뿐 아니라 종이,

금속 호일, 얇은 목재판 등 여러 가지가 가능하다. 이 방식은 빠르고

저렴하게 3D 출력물을 얻을 수 있고 종이와 같은 소재의 경우 자유로운

채색이 가능하여 실물과 같은 색상의 출력이 가능하다는 장점이 있으나

내구성이 약하다는 단점이 있다.

출처. wikipedia

- 분말 소결 방식

분말 소결 방식은 분말 형태의 프린팅 소재에 레이저나 전자빔을 쏘아

융해시킨 후 적층하여 출력물을 만드는 방식으로 DMLS(Direct Metal

<그림 18> LOM: Laminated Object Manufacturing 방식

Laser Sintering), SLS(Selective Laser Sintering), SLM(Selective

Laser Melting), DMT (Laser-aided Direct Metal Tooling) 등 레이저를

이용하는 여러 가지 비슷한 기술이 이 방식에 포함되고, EMB(Electron

Beam Melting)와 같이 전자빔을 이용한 기술도 포함 된다.

a) SLS

SLS는 이산화탄소 레이저와 같은 고출력 레이저를 이용하여 분말 형태의

플라스틱, 금속, 세라믹, 유리 등의 출력 소재를 녹여 원하는 3D 물체를

만들어 내는 기술이다. 작업 테이블위에 얇게 덮인 분말 형태의 소재 위를

선택적으로 레이저를 가하여 녹이고 그 위에 다시 분말 형태의 소재를 얇게

덮은 후 선택적으로 레이저를 가하고, 이런 절차를 반복적으로 행하여

최종 출력물을 얻는다. <그림 19>의 좌측 그림 참조. <그림 19>의 우측

그림과 같이 이 방식은 SLA(Stereolithography Apparatus)나 FDM(Fused

deposition modeling) 기법과 달리 레이저를 맞아 용융되어 가공된 출력물

부분이 레이저를 맞지 않은 출력 소재에 파묻혀 있는 형태로 프린팅이

진행되므로 출력물을 지탱하기 위한 추가적인 지지구조를 추가하여 출력할

필요가 없다. 따라서, 지지 구조물을 출력물과 분리하기 위한 추가적인

후처리 작업이 필요하지 않다.

출처. wikipedia

<그림 19> SLS: Selective Laser Sintering

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b) DMT

DMT는 한국의 인스텍사(insstek.com)에서 개발한 기술로 원료

베드위에 레이저를 쏘아 용융된 부분을 적층하고 용융되지 않은

부분을 털어내어 조형하는 방식이 아니고 3D 출력물 자체에 직접

레이저를 쏘아 용융풀을 만들면서 동시에 원료를 공급하여 녹여 붙이는

방식이다. <그림 20> 참조.

이 기술은 원료 소비가 적으며 값 비싼 3D 프린팅 전용 금속 분말이

아닌 일반 산업용 금속 분말을 그대로 사용할 수 있어 경제적이기

때문에 귀금속 가공 등에도 이용하기 좋다. 또한 고출력 레이저를

이용하여 원료를 용융시켜 만드는 방식이므로 출력물의 금속 물성이

우수하며, 출력 도중 원료의 비율을 조정하는 방식으로 하나의 부품에

부위별로 또는 점차 다른 물성을 갖는 합금 부품의 제작도 가능하다.

그리고 내부에 복잡한 구조를 갖는 금속 부품도 제작할 수 있고

손상된 제품의 손상 부위에 재료를 직접 녹여 붙여 손상전의 원형으로

재생하는 것도 가능하다.

출처. insstek, 2013

<그림 20> DMT: Direct Metal Tooling 공정

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3D 프린팅의 기술 기회



지금까지 3D 프린팅의 요소 기술에 대해 정리를 하였다. 3D 프린팅은

최근에 갑자기 개발된 기술이 아니고 이미 오래전부터 ‘additive manufa

cturing’ 혹은 ‘rapid prototyping’ 등의 용어로 제조 산업 전반에서 활용되고

있었다. 최근에 3D 프린팅이 다시 주목 받게 된 이유는 FDM 방식의 프린터

개발이 오픈 소스로 전환되면서 많은 개발자들이 참여하게 되었고, 기술

발달과 3D 프린터 자체와 프린팅 소재의 가격 하락이 이루어졌기 때문이다.

또한 과거의 잉크젯 프린터나 레이저 프린터와 같이 일반 가정과 소형

사무실에도 비치할 수 있을 정도의 3D 프린터의 대중화되기 시작하였다.

이러한 상황에서 3D 프린팅 산업에서 유발될 수 있는 기술 기회는

무엇인지 조사하였다. 이 장에서는 현재 3D 프린팅 기술이 해결해야

할 기술적 문제점과 3D 프린팅 산업의 향후 방향성 예측에 근거한 3D

프린팅 산업의 기술 기회를 서술한다.

3D 프린팅의 기술 기회

3130

3D 모델링 어려움 극복을 위한 기술 기회

기존 잉크젯 프린터의 사용을 위해서는 워드 프로세서나 이미지

편집툴과 같이 데이터를 2차원적 종이 평면상에 출력하기 위한

프린팅 소프트웨어가 있어야 했던 것과 같이 3D 프린팅을 위해서도

출력하고자 하는 3D 물체를 3차원상의 공간에 출력하기 위한 모델링

소프트웨어가 필요하다. 3D 물체의 모델링은 CAD, 3ds Max와

같은 값 비싸고 전문적인 훈련이 필요한 프로그램을 통하여 가능한데

일반인이 이러한 3D 모델링 툴을 쉽게 사용하기에는 어려움이 많다.

최근에는 무료나 저렴하게 쓸 수 있는 3D 모델링 소프트웨어들,

예를 들면 Autodesk사의 123D나 freeCAD 등이 사용 가능하지만

일반인에게 3D 모델링을 어렵게 하는 이유는 단지 가격적 문제만은

아니다. 항공기의 부품이나 엔진 설계와 같이 고성능 컴퓨팅이 필요한

3D 모델링의 영역을 차치하고서라도 단순한 일상 용품의 부품을

설계하는 것도 일반인이 하기에는 쉽지 않다. 일반인이 2차원 문서의

프린팅을 위한 에디터의 사용 방법을 처음 습득하는데만도 적지 않은

시간이 걸리는데 3차원 물체를 모델링하는 것은 그것보다 훨씬 복잡한

문제다. 잘못된 모델링으로 인한 프린팅으로 프린팅 소재의 낭비와

그 시간동안 값 비싼 3D 프린터를 사용하지 못하게 됨으로 발생하는

손해를 줄이기 위해서는 전문적인 교육과 많은 훈련 시간이 필요하다.

일반인이 3D 모델링을 빠르고 쉽게 할 수 있도록 지원하기 위한

소프트웨어나 지원 서비스를 개발하는데 많은 기술 기회가 존재한다.

3D 스캐닝을 통한 모델링에도 기술적 어려움이 있다. 능동형 비접촉

3D 스캐닝의 경우 레이저 반사를 통한 거리 측정방식은 아직까지

정확도가 매우 낮다. 빛의 반사 속도를 측정하기에는 아직 센서의

정밀도가 충분하지 않고 사물의 표면 상태에따라 난반사가 발생하므로

모델링 데이터에 노이즈가 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 대중화에 가장 큰

걸림돌이 될 가능성이 크다. 하지만, 이는 또 달리 해석하면 3D 프린팅

산업에서의 기술 기회, 비즈니스 기회로 해석할 수도 있다. 보다

직관적이고 사용하기 편한 3D 모델링 소프트웨어의 개발, 3D 모델링

데이터의 데이터베이스 구축 및 유통, 3D 스캐닝을 통한 3D 물체의

모델링 및 데이터베이스화, 주문에 의한 3D 모델링 서비스 등 다양한

기술 기회 및 비즈니스 기회가 존재한다. Shapeways는 일반인이

쉽게 반지나 꽃병 등 간단한 물체를 모델링 할 수 있는 웹 서비스를

제공하고 있고, 미리 만들어진 다양한 디자인 모델 중 단순히 선택하는

것이 아닌 크기나 일그러짐, 비틀림, 글씨 새김, 소재 등 개인적 취향에

따른 변형을 가하여 자신만의 디자인 물체를 만들 수 있는 3D 프틴팅

서비스를 제공하기도 한다.

3D 프린팅 속도 향상을 위한 기술 기회

3D 프린터로 원하는 출력물을 만드는 속도는 3D 프린터에 적용된

기술 종류, 3D 프린터의 프로세서의 속도, 프린팅 소재와 경화 속도,

프린팅하고자 하는 출력물의 크기등 여러 가지 요소에 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, 소재를 녹여서 조형하는 방식이므로 소재가 굳을 때까지

지연이 있을 수 밖에 없다. 또 노즐에서 소재를 쏘는 방식은 한

시점에 한 개의 점만을 프린트할 수 있다. 3D 출력물은 크기에 따라

수 백개에서 수 천개 층의 결합으로 이루어지고 한 개의 층은 또 수

천개의 점으로 이루어진다고 봤을 때 이러한 방법은 시간적으로 매우

비효율적이라 할 수 있다. 노즐의 수를 늘리거나 출력물의 부위에

따라 노즐의 모양을 달리하여 한 순간에 출력할 수 있는 출력 양을

3332

늘릴 수 있다면 3D 프린터의 속도를 획기적으로 향상 시킬 수 있을

것이다. 현재도 몇 가지 모델은 2개 혹은 3개의 노즐을 가지고 있으나

그 목적이 주로 색깔이 다른 원료나 다른 소재를 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 움직이는 것보다는 노즐을 움직이도록 하고,

베드와 노즐이 모두 움직이게 한다면 더 빠른 출력이 가능할 것으로

보인다. Utrecht Fab Lab의 Ultimaker 3D 프린터는 일반적인

2축으로 움직이는 노즐이 아닌 3축으로 움직이는 3D 프린터를

이용하여 더 빠른 3D 출력을 가능하게 하였다.

출력물의 한계 극복을 위한 기술 기회

3D 프린팅이 기존 생산 방법에서 불가능하던 것을 가능하게 한

측면도 있지만 반대로 기존 생산 방법에서는 쉽게 가능하던 것이 3D

프린팅에서는 어려운 것들이 있다.

출력물의 크기면에서 3D 프린팅에는 한계가 있다. 3D 프린팅은

프린터 내부에서 제품을 조형하므로 생산하고자 하는 제품의 크기가

3D 프린터의 크기보다 크다면 출력할 수 없다. 현재 기술로는 건물등을

3D 프린터로 프린트하고자 할 때는 <그림 21>과 같이 건축하고자하는

건물 크기보다 큰 3D 프린터를 먼저 건축해야 하는 문제가 있다.

출처. wimp, 2013)

이러한 한계를 극복하기 위해서는 3D 프린터의 형태를 개선하여

생산 제품을 3D 프린터의 밖에서 출력할 수 있는 형태로 개발되어야

하고, 3D 프린터가 자체적으로 생산 제품 주위를 움직인다든가 출력

노즐을 멀리 뻗어 출력할 수 있는 형태로 개선되어야 한다. MIT media

lab.에서는 <그림 22>과 같은 대형 물체 조형을 위한 3D 프린터를

연구하고 있다.

<그림 21> 건물을 프린트 하는 3D 프린터

<그림 22> MIT media lab.의 대형 물체의 프린팅을 위한 3D 프린터

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출력물의 크기 외에도 3D 프린팅으로 얻은 출력물은 강도, 내구성,

정밀도, 완성도측면에서 기존 생산 방식으로 생산된 제품보다

일반적으로 안 좋은 품질을 보인다. 물론 3D 프린팅 기술에 따라

출력물의 이러한 특성 중 일부는 기존 생산 방법으로 생산된 제품의

특성보다 더 뛰어난 경우가 있으나 일반적으로는 그렇지 못하다. 출력

소재를 녹여 쌓고 층을 붙여 출력물을 만들다 보니 소재를 완전히

용융하여 틀에 부어 제작하는 방식으로 제작된 제품에 비해 구조가

치밀하지 않고 그로 인해 강도와 내구성이 떨어지게 된다. 고출력

레이저 등을 이용하여 금속 소재를 용융하여 적층하는 3D 프린팅

방식은 용융풀의 주변이 깔끔하지 않기 때문에 최종 출력물의 표면이

거칠고 정밀도가 떨어지게 된다. 또한 3D 프린팅 과정에 출력물이

뒤틀리고 내려 앉는 것을 막기위해 지지물을 같이 출력하는 경우도

많은데 이러한 지지물은 현재까지는 일일이 사람이 제거 해줘야만

하는 번거로운 일이다. 결과적으로 3D 프린팅으로 생산된 제품은 그

자체가 최종 결과물이 아니고 표면가공이나 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 단순화시키는 부분에 많은 기술 기회가

있다고 볼 수 있다. 후처리 공정에는 열처리, 화학적 처리, 도색, 샌딩,

밀링, 폴리싱, 3D 프린팅 소재를 이용한 코팅, 유리나 세라믹 등 다른

소재를 이용한 코팅 등 다양한 기술이 연구되고 있다.

소재의 한계 극복을 위한 기술 기회

현재 3D 프린팅에 사용되는 소재는 금속, 유리, 세라믹, 시멘트,

플라스틱, 초코렛등 매우 많은 재료가 가능하다. 심지어 목재나 생체와

같은 느낌을 주는 소재도 이용되고 있다. 이러한 소재를 적절하게

조합한다면 원하는 물체를 무엇이든 출력해 낼 수 있을 듯하다. 하지만

이러한 생각은 기존 제품 생산 방식이 물리학, 화학, 기계학, 생물학



등 수세기 동안 축적되어 온 인간 지식의 산물이라는 근본적 원리를

자각하지 못하는 것이다. 3D 프린터로 원하는 재료를 이용하여 원하는

모양의 제품을 만들 수는 있다. 하지만 모양이 같다고 제품으로서

갖추어야 할 특성까지 같은 것은 아니다. 3D 프린팅된 손톱깎이나 골프

클럽 헤드가 기존 생산 방식으로 생산된 손톱깎이와 클럽 헤드를 아무

문제 없이 대체할 수 있을지는 의문이다.

소재의 선택에서도 제한이 있다. 현재의 3D 프린터는 하나의 소재로

출력되는 것을 기본으로 설계되어 있지만, 우리 주변의 대부분의

물건들은 다양한 소재의 매우 복잡한 조립품이다. 또한 현재의 개인용

3D 프린터는 대부분 합성 수지의 출력만 가능하다. 금속 소재 제품용

3D 프린터는 가격이 아직은 비싸 개인이 소유하기는 어렵지만 금속

출력 프린터의 핵심 기술인 SLS 기술의 특허가 2014년 6월에 풀릴

예정이므로 또 한번의 전반적인 가격 하락으로 대중화가 본격화될

것이다. 하지만 금속 출력 프린터에서는 고출력 레이저의 사용이

필수인데 가정용 3D 프린터에 그러한 고출력 레이저를 장착할 수

있도록 하는데는 안전을 위한 기술적 장치의 개발 뿐 아니라 해결해야

할 법제도적인 문제도 있다.

3D 프린터로 출력할 수 있는 물체의 한계도 있다. 전자 회로나

반도체 부품과 같이 도체와 반도체가 매우 정밀하면서 복잡한 구조의

물체를 3D 프린팅 방법으로 생산하기 위해서는 아직도 가야할 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 부품의 출력등 아직도

해결해야 할 기술적 어려움이 많다.

복잡한 사용 및 유지 보수 지원을 위한 기술 기회

3D 프린터는 적용된 기술, 사용되는 프린팅 소재, 프린팅할 수 있는

물체의 크기에 따라 종류가 다양하며 그 사용법 및 관리 보수 방법이

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매우 복잡하다.

3D 모델링의 복잡성, 연결 및 통신 방법의 복잡성, 운영 소프트웨어

사용 및 업데이트의 복잡성과 같이 정상적인 3D 프린터의 사용에 따른

복잡성 외에도 관리 보수의 복잡성 문제가 있다. 프린팅시 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 재품이므로 이에 따른 화재 및 인체

접촉에 의한 안전성 문제도 발생한다.

또한 3D 프린터의 원활한 사용 및 서비스 유지를 위해 프린팅 소재의

수요량 예측이나 물량 확보의 복잡성도 있다.

이러한 3D 프린터 사용에 따른 사용자가 겪게 되는 다양한 복잡성의

해결을 위한 서비스를 제공하거나 사용자 교육을 제공하는 등 다양한

기술 기회가 가능하다.

법률적 문제 극복을 위한 기술 기회

3D 프린팅 기술은 IT와 제조업이 융합된 기술로서 디자인과 3D

모델링 데이터는 지적저작권 행사의 대상이 된다. 3D 모델링 데이터는

컴퓨터에 저장되는 파일 형태기 때문에 인터넷을 통해 쉽게 복제 및

공유가 가능하다는 문제가 있으며 이는 과거 mp3가 대중화되던 시기

Napster를 통해 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 자신만의 3D 제품의 모델링을 주문하고

모델링 회사는 암호화되고 완성된 3D 모델을 주문자에게 전송한다.

암호화된 3D 모델은 주문자만이 3D 프린팅할 수 있고 혹시 인터넷을

통해 불법 공유되더라고 이를 다운받은 사용자는 암호를 모르면 출력

할 수 없도록 하는 등 지적저작권 보호 장치의 개발 분야에 다양한 기술



기회가 존재한다.

3D 프린팅의 또 다른 법률적 문제로는 오픈 소스를 이용한 프린터와

모델링 툴의 개발에 있다. 오픈 소스는 소프트웨어 개발에 소요되는

인력과 비용을 줄이고 손 쉽게 변형을 하고 최적화할 수 있다. 또한

일반적으로 여러 개발자가 개발과 디버깅 과정에 참여하므로 독점

개발된 프로그램에 비해 안정적이고 신뢰할 수 있다고 여겨지기 때문에

개인이나 중소기업에서 널리 쓰이는 추세이다[한국저작권위원회,

2007]. 그러나 오픈 소스는 책임성 있는 주체의 지휘 아래 탄탄한

로드맵에 기초하여 체계적으로 개발된 소프트웨어가 아니기 때문에

문제가 있을 경우 해결하기가 쉽지 않다. 유지 보수의 주체가 없고

업그레이드가 번거로우며 체계적인 문서화가 되어 있지 않는 경우가

많다. 소프트웨어는 시대의 요구에 맞게 계속 바뀌어야 하는데 오픈

소스를 사용하면 이에 적절하고 능동적으로 대응할 수 없게 되고, 오픈

소스 개발자들이 업데이트 해주기만을 수동적으로 기다릴 수 밖에 없게

된다. 그래서 개발자 네트워크가 활성화 되지 않은 오픈 소스의 사용은

더욱 위험하며, 법적인 분쟁 가능성도 있다. 오픈 소스에 대해 흔히

잘못 알고 있는 것이 오픈 소스는 무료로 마음껏 쓰고 이를 적용한 상용

제품도 자유롭게 만들어 팔 수 있다고 생각하는 것이다. 하지만 오픈

소스 라이센스에서는 오픈 소스를 포함하여 개발된 소프트웨어의 소스

코드를 다시 오픈 소스로 공개할 것을 요구한다. 기업이 보유한 특허나

고유 기술의 소스 코드가 오픈 소스와 같이 사용되었더라도 특허에

대한 사용료 없이 같이 배포하여야 하는 것이다. 그렇지 않은 경우 오픈

소스의 사용권한이 박탈되고 이미 판매중인 제품은 리콜해야 한다.

이것은 기업의 입장에서는 오픈 소스를 사용하는 댓가로 기존 자신들의

고유 기술을 무료로 오픈해야 하는 위험성을 의미한다. 따라서 오픈

소스의 라이센스를 잘못 이해하여 자신의 독자적인 기술이나 특허를

오픈 소스를 이용하여 3D 프린터나 모델링, 서비스 소프트웨어 등의

개발에 이용하지 않도록 주의해야한다.

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서비스 모델 개발을 위한 기술 기회

3D 프린팅에서의 기술 기회는 비즈니스 모델의 개발이나 소비자

지원을 위한 생태계(ecosystem)의 구축에서도 찾을 수 있다. 기존 공장과

시장 중심의 대량 생산 체제를 대체할 것으로 주목 받는 3D 프린팅의

비즈니스 모델은 물건을 사용할 실사용자가 제품의 디자인, 모델링,

주문, 출력, 배송에 이르는 전 단계를 참여할 수 있으며 소셜네트워킹을

통한 의견 교환이나 디자인, 모델링 기술 및 데이터를 거래할 수도 있을

것이다.

3Dsystems나 Stratasys와 같이 모델링 소프트웨어부터 하드웨어

판매, 프린팅 서비스등 통합적인 3D 프린팅 솔루션을 제공하는 대형

회사도 있지만 개인이나 소규모 회사가 추진하고 있는 비즈니스

모델들도 많이 있다.

헤드버블이라는 회사[헤드버블, 2013]는 주문자가 전송한

인물사진으로부터 3D 모델링을 하여 버블헤드 인형을 3D 프린팅하여

판매하는 비즈니스를 영유하고 있으며, 2D 사진을 입체적인 액자로

만들어 주는 회사도 있다. 3D Hubs[3Dhubs, 2013]는 3D 프린터를

소유한 사람들과 3D 프린터의 사용을 원하는 사람들을 연결시켜주는

위치기반 소셜 네트워크 서비스를 제공하고 있으며, shapeways는

<그림 23>과 같이 모델링, 주문, 3D 출력물의 판매 및 배송까지 겸하는

온라인 비즈니스를 하고 있다. Shapeways에서는 반지, 목걸이,

휴대폰 케이스, 컵 등 단순하고 수요가 많은 제품은 전용 온라인 모델링

서비스를 이용하여 크기, 디자인, 소재 등을 주문자가 직접 선택할 수

있으며, 게임이나 애니메이션의 캐릭터, 디자이너가 디자인한 생활

용품들을 개인의 취향에 맞게 조금씩 변형하여 출력 주문하고 배송

받을 수 있다.

출처. Shapeways, 2013

UC Berkeley의 학생 기업가들이 창업한 Dreambox라는 회사는

3D 프린터 자판기를 만들어 교내에 설치하기도 하였다. 3D 프리팅

자판기는 누구나 손쉽게 3D 프린터를 사용할 수 있게 하겠다는

아이디어에서 출발하였다. 사용자는 온라인 상의 dreambox 스토어를

통해 원하는 물건을 선택하거나 자신만의 디자인을 업로드하여

프린팅을 주문할 수 있으며 정해진 자판기에서 출력이 끝나기를

기다렸다가 스스로 픽업할 수 있다.

3D 출력물 뿐 아니라 모델링 데이터에 대한 유통 시스템도 생각해

볼 수 있다. 3D 모델링 데이터는 소프트웨어와 같이 생산하는데 많은

시간과 전문적 지식이 필요한 고부가 제품이므로 이를 전문적으로

생산하는 기업도 생길 수 있으며, 이를 데이터베이스화 하고 비용을

받고 사용자가 엑세스할 수 있도록 하는 유통시스템도 생각할 수 있다.

또 소프트웨어 산업의 shareware나 오픈 소스의 개념을 수정 적용하여

모델링 데이터에 대한 유통 생태계를 구성할 수 있으며 이 영역에도

많은 기술 기회가 존재한다.

<그림 23> Shapeways 서비스 모델

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비용 절감을 위한 기술 기회

3D 프린팅이 차세대 제조업의 혁신을 주도하기 위해서 해결해야 할

문제 중의 하나가 비용 문제이다. 3D 프린터 출력물의 가격은 대략

출력물에 사용된 원료의 무게에 비례하는 경향이 있다. 출력물의

복잡성이나 디자인의 우수성보다 출력물에 사용된 원료의 가격에

맞추어 가격이 결정되고 있는 것이다. 그렇기 때문에 대량 주문에 의한

가격 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

출력에서만 유용한 것이다. 일반적으로 3D 프린팅 소재의 가격은 기존

금형 주입식 생산에 이용되던 소재의 가격의 50~100배 정도이다.

이는 3D 프린팅이 가격이 문제가 되지 않는 소수의 디자이너나

시제품 개발자, 발명가등의 전유물이 되고 대중화에 실패할 위험성을

보여준다. 광경화성 수지를 사용하는 SLA 방식이나 전용 분말이나

필라멘트를 쓰는 FDM 방식 등의 3D 프린터를 개선하여 값싼 일반

산업용 수지나 재활용 플라스틱을 사용하는 기술을 개발한다면 3D

프린팅의 비용을 줄일 수 있을 것이다.

3D 프린팅의 비용 문제는 프린팅 소재뿐만 아니라 3D 프린터 구입

및 운영의 비싼 비용 문제도 포함한다. 최근에 특허가 풀린 FDM

방식의 프린터의 경우 싸게는 300달러에 구입할 수도 있지만 매우

조악한 수준이며 산업용 FDM이나 SLA 방식의 프린터는 가격이 수

십만달러 이상 나가기도 한다. 금속 제품 출력이 가능한 산업용 SLS

방식의 3D 프린터는 비금속 프린터보다 더 고가이다.

비용적 이슈에는 프린팅 소재와 3D 프린터 자체의 비싼 비용 문제

외에도 기존 대량 생산 체제에 대비한 3D 프린팅으로 생산되는

생산품의 상대적 제작 비용 문제도 포함된다. 똑 같은 제품을 만드는데

3D 프린팅이 더 비싸다면 3D 프린팅의 매력이 없어지게 된다.

프린터의 구조를 단순화하고 값싼 소재를 사용할 수 있게하고 부품과

소모품을 규격화하는 등 가격을 낮추기 위한 지속적인 기술 개발이

필요하다.

응용 분야 확대에 따른 기술 기회

3D 프린팅의 잠재력이 어느 정도인지 정확하게 예측하기는 어렵다.

그러나 3D 프린팅은 처음에 그 기술이 출현했을 당시 예상하지 못한

분야에서도 그 유용성이 밝혀지고 있고 활용 영역이 계속해서 넓어지고

있다. 컴퓨터가 처음 발명되었을 때 단순히 군사용 탄도 계산기로만

쓰였으나 오늘날은 거의 모든 영역에 사용되고 있는 것처럼 3D

프린터도 비슷한 길을 갈 것으로 보인다. 앞으로 수 십년 동안 그것을

가능하게 하기 위한 수 많은 기술이 개발될 것으로 보인다. 즉 3D 응용

분야 확대에 따른 풍부한 기술 기회가 존재한다.

출처. Popsci.com, 2013

현재 3D 프린팅 기술은 의료 분야에서 치열 교정기나 의족, 의수,

안경 등 개인의 신체사이즈에 정확히 맞는 개인화된 의료 보조 기기를

생산하는 수준이나, 가까운 시일내에는 뼈나 연골 등의 이식 수술 용

<그림 24> Wake Forest Institute의 콩팥을 출력하는 3D printer

4342

신체 부위를 생산하는 수준에 이를 것이다. 더 나아가 10여년 후에는

자신의 신체 세포를 프린팅 소재로 이용하여 심장 조직이나 콩팥과

같이 활발한 생체 활동을 하는 이식 가능한 장기를 프린트 할 수 있을

것으로 예상되며 줄기 세포 연구에도 활용될 것으로 보인다[Savas

Tasoglu, 2013]. <그림 24>는 Wake Forest Institute에서 생체

세포를 이용하여 콩팥을 프린트하고 있는 모습이다. <그림 25>는

hydrogel(파란색)과 bio-ink(오렌지색)을 이용해 인간의 세포로

구성된 혈관 구조를 프린팅하는 모습을 설명하고 있다. 출력이 완료 된

후 hydrogel이 제거되면 혈관 구조만이 남게 된다. 이와 같은 방식으로

더 복잡한 장기의 3D 프린트도 가능하다[Karoly Jakab, et. al, 2010].

출처. Popsci.com

식품 분야에도 3D 프린팅의 응용이 가능하다. <그림 26> 참조.

현재는 초코렛이나 설탕과 같이 열가소성 식재료를 이용하여 다양한

모양의 음식물을 출력하는 정도의 수준이나, 앞으로는 공상과학

만화에 등장하던 음식 자판기와 같이 더 다양한 식재료를 이용하여

더 자연스러운 맛과 모양의 요리를 출력하는 시대가 도래할 것으로

보인다. 이러한 음식물 프린터는 일반 가정이나 레스토랑은 물론

우주선에서도 복잡한 조리 장비 없이 음식을 만드는 일에 유용할

것으로 보인다. 실제로 NASA는 장시간의 우주 여행시 필요한 음식물

자동 생산 시스템의 개발을 위해 125,000달러를 지원하여 연구를

진행하고 있다. 음식물 프린팅 분야에서 3D 프린터가 주목 받는 또

하나의 이유는 3D 프린터의 특성상 재료의 손실이 거의 없다는 것이고

이로 인해 장기적으로는 지구의 음식물 부족을 해결하는데 도움을 줄

<그림 25> Univ. of Missouri의 혈관벽을 출력하는 3D 프린팅기술

3D 프린팅 기술동향 및 기술 기회 연구442013 정보분석보고서


것이라는 기대감이다.

출처. 좌측 popularmechanics.com , 우측 evilmadscientist.com

미국 에너지부(Department of Energy)에 의하면 음식물 뿐 아니라

모든 산업 분야에서 3D 프린팅은 산업 폐기물의 양을 줄이고, 재료와

완재품의 장거리 운송에 필요한 에너지를 줄이는 역할을 함으로써

환경에 좋은 영향을 줄 것으로 전망하였다[Energy Gov, 2013].

<그림 26> 식품을 프린트하는 3D 프린터




3D 프린팅 관련 연구개발 현황

본 장에서는 3D 프린팅관련 연구 동향을 분석하고자 논문분석과

특허분석을 수행하였다. 논문 분석을 위해서 Web of Science(Thomson

Reuters)의 데이터를 사용하여 검색어 “3d print*” or “3-d print*”

or “rapid prototy*” or “additive manuf*” or “three dimen* print*”

or “three-dimen* print”와 관련된 1998년부터 2012년까지의 논문

4,466편을 분석 대상으로 하였고, 특허 분석에서는 같은 검색어로 기간

2001년부터 2012년까지 미국특허 2,994편을 대상으로 분석하였다.

논문 분석

<표 2>는 3D printing으로 검색된 논문의 출판수와 누적 출판 수,

한국의 논문수를 보여주고 있으며 분석 대상 기간의 연평균 증가율은

논문수 기준 8.98%, 누적 논문 수 기준 28.02% 인 것으로 나타났다.

3D 프린팅 관련 연구개발 현황

<표 3>은 국가별 연도별 3D 프린팅 관련 논문수를 보여준다. 전 세계

74개 국가에서 3D 프린팅 관련 연구 논문이 발표되고 있으며 미국이

전체 논문의 27.97%를 점유하며 가장 활발히 연구를 수행하고 있으며

중국이 10.99%, UK가 10.86%로 그 뒤를 따르고 있다. 한국도 4.9%의

논문 점유율을 보이며 5위의 자리를 차지하고 있다.

<표 2> 연도별 논문 수

연도 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 총합

USA 42 49 65 64 63 72 71 73 74 77 71 88 102 111 98 1,120

China 2 8 5 22 18 23 34 23 38 36 26 57 46 61 41 440

UK 21 20 17 22 18 32 28 28 29 34 29 29 41 45 42 435

Germany 9 13 19 13 18 20 30 28 18 28 34 24 40 41 40 375

SouthKorea

5 2 7 9 18 11 7 16 20 21 10 17 15 22 16 196

Italy 5 4 3 4 6 8 9 13 10 14 17 13 22 17 23 168

Taiwan 3 4 8 11 5 10 10 11 15 7 14 8 21 16 15 158

Singapore 8 12 8 13 21 23 8 14 9 11 3 5 9 9 2 155

Japan 7 5 4 9 8 12 13 11 13 11 11 11 16 9 12 152

Canada 5 2 6 4 7 5 4 7 5 15 17 9 9 19 21 135

<표 3> 국가별 연도별 논문 수

연도 논문수 누적 논문 수 한국 논문

1998 126 126 5

1999 142 268 2

2000 159 427 7

2001 184 611 9

2002 217 828 18

2003 249 1,077 11

2004 262 1,339 7

2005 271 1,610 16

2006 276 1,886 20

2007 304 2,190 21

2008 285 2,475 10

2009 312 2,787 17

2010 370 3,157 15

2011 427 3,584 22

2012 420 4,004 16

저자 논문 제목 학술지 Volume,Page

피인용수

연도

Duffy, DC; McDonald, JC; Schueller, OJA;

Whitesides, GM

Rapid prototyping of microfluidic systems in poly(dimethylsiloxane)

ANALYTICAL CHEMISTRY 70, 4974 2338 1998

Unger, MA; Chou, HP; Thorsen, T; Scherer, A;

Quake, SR

Monolithic microfabricated valves and pumps by multilayer soft lithography SCIENCE 288, 113 1583 2000

Dey, AK; Abowd, GD; Salber, D

A conceptual framework and a toolkit for supporting the rapid prototyping of context-aware applications

HUMAN-COMPUTER

INTERACTION16, 97 573 2001

Hutmacher, DW; Schantz, T; Zein, I; Ng, KW; Teoh,

SH; Tan, KC

Mechanical properties and cell cultural response of polycaprolactone scaffolds designed and fabricated via fused deposition modeling

JOURNAL OF BIOMEDICAL MATERIALS RESEARCH

55, 203 457 2001

Jeon, NL; Dertinger, SKW; Chiu, DT; Choi, IS; Stroock,

AD; Whitesides, GM

Generation of solution and surface gradients using microfluidic systems LANGMUIR 16, 8311 424 2000

Zein, I; Hutmacher, DW; Tan, KC; Teoh, SH

Fused deposition modeling of novel scaffold architectures for tissue engineering applications

BIOMATERIALS 23, 1169 405 2002

Anderson, JR; Chiu, DT; Jackman, RJ; Cherniavskaya, O; McDonald, JC; Wu, HK; Whitesides, SH;

Whitesides, GM

Fabrication of topologically complex three-dimensional microfluidic systems in PDMS by rapid prototyping


<그림 27> 국가별 연도별 논문 수

<표 4> 고 피인용 논문

120

120

1998

1999

2000

2001

2002

2003

2004

2005

2006

2007

2008

2009

2010

2011

2012

100

80

연도

논문

수

40

20

0

USA China UK Germany South Korea

Italy Taiwan Singapore Japan Canada




피인용수

연도

Leong, KF; Cheah, CM; Chua, CK

Solid freeform fabrication of three-dimensional scaffolds for engineering replacement tissues and organs


Takayama, S; McDonald, JC; Ostuni, E; Liang, MN; Kenis, PJA; Ismagilov, RF;

Whitesides, GM

Patterning cells and their environments using multiple laminar fluid flows in capillary networks

PROCEEDINGS OF THE

NATIONAL ACADEMY OF SCIENCES OF THE UNITED STATES OF

96, 5545 344 1999

Williams, JM; Adewunmi, A; Schek, RM; Flanagan,

CL; Krebsbach, PH; Feinberg, SE; Hollister, SJ;

Das, S

Bone tissue engineering using polycaprolactone scaffolds fabricated via selective laser sintering


Pfurtscheller, G; Neuper, C

Motor imagery and direct brain-computer communication

PROCEEDINGS OF THE IEEE 89, 1123 292 2001

Chabinyc, ML; Chiu, DT; McDonald, JC; Stroock,

AD; Christian, JF; Karger, AM; Whitesides, GM

An integrated fluorescence detection system in poly(dimethylsiloxane) for microfluidic applications


Fan, HY; Lu, YF; Stump, A; Reed, ST; Baer, T; Schunk, R; Perez-Luna, V; Lopez,

GP; Brinker, CJ

Rapid prototyping of patterned functional nanostructures NATURE 405, 56 282 2000

Sherwood, JK; Riley, SL; Palazzolo, R; Brown, SC; Monkhouse, DC; Coates, M; Griffith, LG; Landeen,

LK; Ratcliffe, A

A three-dimensional osteochondral composite scaffold for articular cartilage repair


Woodfield, TBF; Malda, J; de Wijn, J; Peters, F;

Riesle, J; van Blitterswijk, CA

Design of porous scaffolds for cartilage tissue engineering using a three-dimensional fiber-deposition technique


Fernandez-Pello, AC Micropower generation using combustion: Issues and approaches

PROCEEDINGS OF THE

COMBUSTION INSTITUTE

29, 883 209 2002

Kim, SS; Utsunomiya, H; Koski, JA; Wu, BM; Cima,

MJ; Sohn, J; Mukai, K; Griffith, LG; Vacanti, JP

Survival and function of hepatocytes on a novel three-dimensional synthetic biodegradable polymer scaffold with an intrinsic network of channels

ANNALS OF SURGERY 228, 8 202 1998




피인용수

연도

Landers, R; Hubner, U; Schmelzeisen, R;

Mulhaupt, R

Rapid prototyping of scaffolds derived from thermoreversible hydrogels and tailored for applications in tissue engineering


Gu, T; Pung, HK; Zhang, DQ

A service-oriented middleware for building context-aware services

JOURNAL OF NETWORK AND

COMPUTER APPLICATIONS

28, 1 199 2005

Kruger, J; Singh, K; O'Neill, A; Jackson, C; Morrison, A; O'Brien, P

Development of a microfluidic device for fluorescence activated cell sorting

JOURNAL OF MICROMECHANICS

AND MICROENGINEERING

12, 486 192 2002

Janney, MA; Omatete, OO; Walls, CA;

Nunn, SD; Ogle, RJ; Westmoreland, G

Development of low-toxicity gelcasting systems

JOURNAL OF THE

AMERICAN CERAMIC SOCIETY

81, 581 189 1998

Sachlos, E; Reis, N; Ainsley, C; Derby, B;

Czernuszka, JT

Novel collagen scaffolds with predefined internal morphology made by solid freeform fabrication


Tan, KH; Chua, CK; Leong, KF; Cheah,

CM; Cheang, P; Abu Bakar, MS; Cha, SW

Scaffold development using selective laser sintering of polyetheretherketone-hydroxyapatite biocomposite blends


Pham, DT; Gault, RS A comparison of rapid prototyping technologies

INTERNATIONALJOURNAL OF

MACHINE TOOLS & MANUFACTURE

38, 1257 162 1998

Vozzi, G; Flaim, C; Ahluwalia, A; Bhatia, S

Fabrication of PLGA scaffolds using soft lithography and microsyringe deposition


Lam, CXF; Mo, XM; Teoh, SH; Hutmacher,

DW

Scaffold development using 3D printing with a starch-based polymer

MATERIALS SCIENCE & ENGINEERING C-BIOMIMETIC AND

SUPRAMOLECULAR SYSTEMS

20, 49 155 2002

Gunasekaran, A Agile manufacturing: enablers and an implementation framework

INTERNATIONAL JOURNAL OF PRODUCTION

RESEARCH

36, 1223 154 1998

Sarment, DP; Sukovic, P;

Clinthorne, N

Accuracy of implant placement with a stereolithographic surgical guide

INTERNATIONAL JOURNAL OF

ORAL & MAXILLOFACIAL

IMPLANTS

18, 571 152 2003

피인용수

연도

Cooke, MN; Fisher, JP; Dean, D; Rimnac,

C; Mikos, AG

Use of stereolithography to manufacture critical-sized 3D biodegradable scaffolds for bone ingrowth

JOURNAL OF BIOMEDICAL MATERIALS

RESEARCH PART B-APPLIED

BIOMATERIALS

64B, 65 150 2003

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

Rapid prototyping of microfluidic switches in poly(dimethyl siloxane) and their actuation by electro-osmotic flow

JOURNAL OF MICROMECHANICS

AND MICROENGINEERING

9, 211 139 1999

특허 분석

<표 5>과 <그림 28>은 연도별 2001년부터 2012년까지의 연도별

미국의 특허 수를 보여 준다. 분석 대상 기간의 연평균 증가율은 특허수

기준 11.05%, 누적 특허 수 기준 32.37% 인 것으로 나타났다.

<표 3> 국가별 연도별 논문 수

연도 특허 수 누적 특허 수 한국 특허 수

2001 137 137 1

2002 170 307 1

2003 198 505 3

2004 209 714 1

2005 163 877 2

2006 231 1,108 0

2007 252 1,360 1

2008 212 1,572 3

2009 242 1,814 1

2010 371 2,185 5

2011 375 2,560 4

2012 434 2,994 2

<표 6>과 <그림 29>는 출원인의 국적별 연도별 특허 수를 보여주고

있다. 미국은 전체 2,994건의 특허 중 69.24% (2,073건)를 점유하여

가장 많은 특허를 발표하였고, Germany 5.61% (168건), Japan 3.51%

(105건)을 점유하여 그 뒤를 따르고 있다. 한국은 24편 (0.8%)의

특허를 발표하여 10위에 위치하였다.

<표 6> 출원인 국적별 연도별 특허 수

연도 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 총합

United Statesof America

0 0 0 103 132 137 155 108 159 171 149 167 251 246 295 2,073

Germany 0 0 0 6 5 13 8 14 14 11 8 6 29 27 27 168

Japan 0 0 0 2 4 7 8 12 9 10 9 7 15 11 11 105

Australia 0 0 0 0 0 0 1 1 5 12 5 4 9 5 6 48

Switzerland 0 0 0 0 2 3 4 2 4 3 8 4 5 4 5 44

Israel 0 0 0 1 0 3 0 2 0 5 4 6 6 8 9 44

United Kingdom

0 0 0 3 2 7 2 2 0 2 1 2 9 4 7 41

Canada 0 0 0 2 3 4 3 2 3 1 1 2 3 1 7 32

Netherlands 0 0 0 2 1 0 3 3 1 3 1 1 3 6 4 28

Korea, Republic

0 0 0 1 1 3 1 2 0 1 3 1 5 4 2 24

France 0 0 0 0 0 0 3 2 3 1 1 3 3 5 3 24

China 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 2 4 7

<그림 28> 연도별 특허 수

440

400

360

320

280

240

200

160

120

80

40

0

특허수(전

체) 특

허수(한

국)

5

4

3

2

1

0

2001

2002

2003

2004

2005

2006

2007

2008

2009

2010

2011

2012

연도

<표 7>과 <그림 30>은 출원인 국적별 특허의 수준을 나타내고 있다.

특허의 수준을 정한 방법은 특정 기술 분야 전체 특허의 평균 피인용

수에 대한 특정 국가 발표 특허의 평균 피인용 수의 비를 계산하여

정하였는데 이는 피인용 수에 기반을 둔 문헌의 질적 수준 평가 지표로

많이 사용되는 방법이다. 이 방법에서 수준 특정 국가의 특허 수준

지수가 1.0이라면 해당 국가가 발표한 특허의 평균 피인용 수가 해당

분야 전체 특허의 평균 피인용 수와 같음을 의미하여, 1.0보다 크다면

해당 분야 평균 피인용 수에 비해 피인용 수가 높아 특허의 수준이

평균보다 높음을 의미한다.

<그림 29> 출원인 국적별 연도별 특허 수

280

160

240

200

1998

1999

2000

2001

2002

2003

2004

2005

2006

2007

2008

2009

2010

2011

2012

연도

논문수

120

80

40

0

US DE JP AU FRCH IL GB CA

NL KR CN

국가별 특허 수준 지수는 UK가 1.327로 가장 높았으며 미국도

1.048로 평균 이상의 수준임을 보여준다. 한국의 특허 수준 지수는

0.593으로 세계 평균 이하임을 알 수 있다.

<표 8>과 <그림 31>은 3D 프린팅 분야 경쟁자(출원인)와 특허

수를 보여준다. 3D 프린팅 토탈 솔루션 업체인 3D systems가 전체

<표 7> 출원인 국적별 연도별 특허 수준 지수

국가 특허 수 특허 당 피인용 수 수준 지수

United Kingdom 41 11.293 1.327

United States of America

2,073 8.912 1.048

Israel 44 8.364 0.983

Canada 32 8.219 0.966

Germany 168 5.238 0.616

Korea, Republic 24 5.042 0.593

Netherlands 28 4.714 0.554

Switzerland 44 3.75 0.441

Australia 48 3.604 0.424

France 24 3.083 0.362

Japan 105 3.038 0.357

China 7 0.143 0.017

<그림 30> 출원인 국적별 특허 수준 지수

0.017

0.357

China

Japan

France

Australia

Switzerland

Netherlands

Korea, Republic

Germany

Canada

Isreal

United States of America

United Kingdom

0.362

0.424

0.441

0.554

0.593

0.616

0.966

0.983

1.048

1.327

국가

수준지수

0.000 0.200 0.400 0.600 0.800 1.000 1.200 1.400

2,994건의 특허중 3.07% (92건)을 점유하여 가장 많은 특허를 발표한

것으로 나타났으며, MIT가 2.17% (65건), Align Technology가 1.97%

(59건)을 점유하여 각각 2, 3위를 차지하고 있다.

<표 9>는 특허 수에 의한 3D 프린팅 분야의 핵심 경쟁자(출원인)

리스트와 그들의 특허 수, 특허 수준 지수, 분야 평균 대비 평균 패밀리

크기를 보여준다. 3D systems 가 가장 많은 특허를 보유하고 있고

MIT와 Align Technology가 그 뒤를 따르고 있다.

<그림 31> 출원인별 특허 수

<표 8> 출원인별 특허 수

순위 출원인 특허 수 비중 (%)

1 3D Systems, Inc. 92 3.07

2 Massachusetts Institute of Technology 65 2.17

3 Align Technology, Inc. 59 1.97

4 The Boeing Company 56 1.87

5 California Institute of Technology 48 1.6

6 Microfabrica Inc. 42 1.4

7 The MathWorks, Inc. 41 1.37

8 Silverbrook Research Pty Ltd 37 1.24

9 3M Innovative Properties Company 35 1.17

10 Nanostream, Inc. 32 1.07

특허수

출원

인

0 20 40 60 80 100

32

35

37

41

42

48

56

59

65

92

Nanostream, Inc.

3M Innovative Properties Company

Silverbrook Research Pty Ltd.,

The Mathworfs,Inc.

Microfabrica Inc.

California Institute of Technology

The Boeing Company

Align Technology, Inc.

Massachusetts Institute of Technology

3D Systems, Inc.

<표 9> 핵심 경쟁자 리스트

순위핵심 경쟁자

(출원인)특허 수 (P) 수준 지수 (Q)

분야 평균 대비평균 패밀리 크기

1 3D Systems, Inc. 92 0.971 0.936

2 Massachusetts Institute of Technology 65 1.503 1.123

3 Align Technology, Inc. 59 1.381 1.445

4 The Boeing Company 56 0.218 0.577

5 California Institute of Technology 48 1.729 1.346

6 Microfabrica Inc. 42 0.372 0.534

7 The MathWorks, Inc. 41 0.261 0.445

8 Silverbrook Research Pty Ltd 37 0.492 2.394

9 3M Innovative Properties Company 35 0.769 1.804

10 Nanostream, Inc. 32 1.679 0.841

11 General Electric Company 31 0.3 0.898

12 Hewlett-Packard Development Company, L.P. 30 0.278 0.668

13 Stratasys, Inc. 29 1.172 1.114

14 The Invention Science Fund I, LLC 26 0.068 0.38

15 President and Fellows of Harvard College 26 0.669 1.185

16 Phonak AG 25 0.588 0.491

17 EOS GmbH Electro Optical Systems 22 0.326 1.686

18 Objet Geometries Ltd. 21 1.534 1.14

19 Z Corporation 21 1.422 1.752

20 Sonitus Medical, Inc. 20 0.259 2.274

21 Intel Corporation 19 0.291 0.929

22 The Regents of the University of California 18 0.444 0.432

23The United States of America as represented

by the Secretary of the Navy17 0.857 0.44

24 University of Southern California 17 0.636 1.725

25 International Business Machines Corporation 17 0.996 0.37

26 Fluidigm Corporation 16 2.329 1.066

27 Micron Technology, Inc. 16 0.94 0.636

28 Kimberly-Clark Worldwide, Inc. 15 1.842 1.596

29 Honeywell International Inc. 15 0.321 0.758

30 Sandia Corporation 14 1.402 0.299

31 Siemens Aktiengesellschaft 14 0.378 0.962

32 Envisiontec GmbH 14 0.42 1.325

3D 프린팅 기술동향 및 기술 기회 연구 5756

<표 10>은 3D 프린팅 분야의 특허중 피인용수가 가장 높은 특허들

30개의 특허 제목과 출원인, 특허번호, 피인용 수를 보여준다.

번호 특허제목 (미국 특허 번호) 출원인 피인용 수

1Intelligent electronic appliance system and method

678-6850252

2

Adaptive pattern recognition based control system and method 546-6400996

3Media recording device with packet data interface

304-6640145

4

Automated processor generation system for designing a configurable processor and method for the same Tensilica, Inc.

(Santa Clara, CA, US)204

-6477683

5

Ergonomic man-machine interface incorporating adaptive pattern recognition based control system 192-6418424

6Electrophoretic displays using nanoparticles E Ink Corporation

(Cambridge, MA, US)187

-6538801

7Microfabricated elastomeric valve and pump systems-6408878

California Institute of Technology

(Pasadena, CA, US)187

8Media recording device with remote graphic user interface

183-7006881

9Electrophoretic displays using nanoparticles E Ink Corporation

(Cambridge, MA, US)163

-6721083

10

Apparatus and method for three dimensional model printing Objet Geometries Ltd.

(Rehovot, IL)162

-6259962

11

System for optimizing interactionamong agents acting on multiple levels iTerations LLC

(Hilton Head Island, SC, US)157

-6292830

12Forming structures from CAD solid models-6391251

Optomec Design Company (Albuquerque, NM, US)

148

13

Slot machine game having a plurality of ways to designate one or more wild symbols (select-a-wild) PTT, LLC

(Nanuet, NY, US)147

-6604740

14Resource management in a clustered computer system Novell, Inc.

(Provo, UT, US)146

-6353898

15

System, method and article of manufacture for signal constructs in a programming language capable of programming hardware architectures Celoxica Ltd. (Abingdon, GB) 145

-6691301

<표 10> 고피인용 특허 목록



번호 특허제목 (미국 특허 번호) 출원인 피인용 수

16Orthopedic implant-6520996

DePuy AcroMed, Incorporated

(Raynham, MA, US)142

17

Methods, systems, and associated implantable devices for dynamic monitoring of physiological and biological properties of tumors-6402689

Sicel Technologies, Inc. (Morrisville, NC, US); North Carolina State University

(Raleigh, NC, US)

126

18Shaped load-bearing osteoimplant and methods of making same-6696073

Osteotech, Inc.(Eatontown, NJ, US)

125

19System for web content management based on server-side application-6560639

3565 Acquisition Corporation (Costa Mesa, CA, US)

117

20Converification system and method-6389379

Axis Systems, Inc. (Sunnyvale, CA, US)

113

21Using a high level programming language with amicrocontroller-6308317

Schlumberger Technologies, Inc. (Austin, TX, US)

111

22Reconfigurable processor devices-6353841

Elixent, Ltd. (GB) 101

23Resource management in a clustered computer system-6338112

Novell, Inc. (Orem, UT, US)

98

24Surgically implantable knee prothesis

97-6206927

25

Mass production of dental restorations by solid free-form fabrication methods Jeneric/Pentron, Inc.

(Wallingford, CT, US)96

-6322728

26Method of making a microfabricated elastomeric valve-6793753

California Institute ofTechnology

(Pasadena, CA, US)92

27

Microneedle device for extraction and sensing of bodily fluids Georgia Tech Research

Corporation (Atlanta, GA, US)

90

-7344499

28

Business rules user interface for development of adaptable enterprise applications Corticon Technologies, Inc.

(San Mateo, CA, US)

90

-7020869

29Expandable stent with sliding and locking radial elements MD3, Inc. (San Diego,

CA, US)

90

-6623521

30

Seamless, maskless lithography system using spatial light modulator Anvik Corporation

(Hawthorne, NY, US)

88

-6312134



논문 특허 분석 결과

이 장에서는 3D 프린팅 기술 분야의 논문과 특허를 분석하여 그

결과를 살펴보았다. 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 특허의

경우 미국이 압도적인 점유율을 차지하고 있다. 비슷한 진입 장벽을

가진 스마트 폰이나 로봇과 같은 분야에서의 한국의 특허 점유율과

비교했을 때 그 동안 얼마나 3D 프린팅 기술의 연구와 특허 등록에

무관심했는지를 알 수 있다. 기존 생산 시스템의 근간을 바꿀 수

있는 기술로 여겨지는 3D 프린팅 기술은 다른 응용 과학 기술보다 그

중요도와 우선 순위가 높다고 할 수 있으며, 지금 부터라도 3D 프린팅

분야의 기술 개발과 특허 등록에 더 많은 관심과 투자가 이루어지도록

하여야 한다.


3D 프린팅 기술동향 및 기술 기회 연구 61602013 정보분석보고서



3D 프린팅 기술동향 및 기술 기회 연구 61602013 정보분석보고서



맺음말



본 보고서에서는 기존 공산품의 설계, 생산, 유통, 판매 방식을

완전히 바꿀 혁신적인 기술이라고 여겨지면서 최근 많은 기대를 받고

있는 3D 프린팅 기술의 시장 동향을 서술하였고, 그 요소 기술들에

대해 간략히 살펴보았다. 또한, 현재 3D 프린팅 기술이 가지고 있는

한계들과 앞으로의 방향성 예측을 통해 발견할 수 있는 기술 기회들을

서술하였다. 마지막으로 3D 프린팅 기술과 관련된 전 세계 고인용 논문

및 중요 특허들의 목록을 제공하여 관심 있는 독자가 스스로 더 깊이

연구 할 수 있도록 하였다.

3D 프린팅 기술은 최근에 발명된 새로운 기술은 아니지만 주요

기술 특허가 만료되고 많은 개발자가 3D 프린터를 만들면서 가격이

폭락하여 이제 막 대중화의 시작점에 있는 기술이다. 과거 개인용

컴퓨터의 대중화 때 겪었듯이 앞으로 10년에서 20년 사이 3D 프린팅

관련 기술이 폭발적으로 발전할 것이며 성능 향상과 활용 영역의

확대가 예상되어진다. 그러나 3D 프린팅 기술은 이 보고서에 서술한

것과 같이 앞으로 해결해야 할 많은 문제들이 있다. 컴퓨터 기술의 경우

맺음말



반도체 집적 기술과 관련되어 무어의 법칙으로 표현되는 2년에 2배의

성능 향상이 이루어졌다. 또 컴퓨터 기술은 기존에 없던 디지털 영역에

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 폭 넓은 분야의 다양한 기술이 연관되어

있으며 무엇보다도 기존에 있던, 그리고 만족하며 사용하고 있던,

공산품의 대량 생산 유통 시스템을 대체해가며 발전해야하는 어려움이

있다. 즉, 3D 프린팅 기술의 대중화를 위해서는 기술의 발전만이

요구되는 것이 아니라 사회적 변화를 필요로 하기 때문에 가까운

미래에 기존의 생산 시스템을 단기간에 바꿀 거대한 혁신을 일으키기는

쉽지 않을 것이다.

그럼에도 불구하고 3D 프린터는 지속적으로 고정밀화, 고속화,

저비용화, 소형화, 다양화되고, 기존 생산 시스템과 공존하면서 3D

프린팅만의 고속, 소량, 개인화된 고부가가치 제품 생산 영역을 구축할

것으로 보인다.



3Dhubs, 2013, http://www.3dhubs.com

지식산업정보원, 2013, 3D 프린팅산업 시장/기술동향과 주요

산업분야별 활용사례분석

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한스미디어

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PB662013 정보분석보고서


김 선 호 한국과학기술정보연구원 / 기술기회연구실 -...

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