[3D 프린터 기술 트렌드]

재료와 속도의 한계를 극복한다

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R&D TrendⅠ 자료_ 정보통신기획평가원

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​3D 프린터는 이미 일반 가정에까지 널리 보급되고 있는 제품으로, 중화되어 있는 기술이지만 아직 “긴급한 상황”, “유리와 같이 특정 재료로 만들고 싶은 상황”에서는 기술적 한계로 활용성 이 다소 떨어진다. 최근 이러한 기술적 한계를 극복하기 위한 방법들이 개발되어 3D 프린터의 응용 분야가 더욱 넓어질 것으로 예상된다.

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영화적 상상이 현실로

영화 ‘스타트랙’에서 우주선 안에서 음식을 조리하는 것이 아니라 공기 중의 분자로부터 물, 스테이크 등의 음식을 만드는 기술이 등장한다. 일명 리플리케이터(Replicator)라 불리는 기술로써 재료가 없이도 음식의 분자 구조를 복제하여 공기 분자를 이용해 똑같이 만드는 것으로 소개된다. 무엇보다 순식간에 내가 원하는 음식이나 제품이 만들어지기 때문에서 즉시성 측면에서 매우 효과적인 기술로 보인다.

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2019년 2월 UC버클리의 연구진은 빛을 젤라틴수지 용액의 일부 영역에 분사하여, 순식간에 형상을 만드는 기술인 리플리케이터(Replicator)를 개발했다. 빛이 액체에 닿으면 산소가 고갈되어 수지 내의 분자가 굳어짐으로써 형상이 만들어지는 방식인데, 스타트랙의 리플리케이터 기술로부터 영감을 얻어 만든 기술로 알려졌다.

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기존 “적층형 3D 프린터” 방식에 비해 30배 이상의 생산성을 가지고 있어 3D 프린터를 활용한 대량생산이 가능할 것으로 예상될 뿐만 아니라, 부품의 고장으로 가동이 멈추었을 때 즉시 프린팅하여 위기를 모면하는 등 위급 또는 긴급한 상황에서도 그 진가를 발휘할 것으로 기대된다.

MIT에서는 유리를 3D프린팅 할 수 있는 G3DP2 기술을 개발하였는데, 보통 유리는 고온의 상태로 투명하게 제작해야하기 때문에 3D프린팅으로 구현하기가 어려운 기술이지만, 이미 수년전 MIT에서 G3DP라는 유리 3D프린팅 기술을 개발한바 있다.

G3DP2는 G3DP 기술보다 산업용, 건설용으로 활용하기 위해 업그레이드한 버전인데, [그림]에서 보듯이 섭씨 1,090도의 유리를 액체 상태로 보관하는 상자와 액체 유리가 통과하는 노즐(이때는 섭씨 800도), 유리제품을 만드는 출력부(섭씨 480도)로 이루어져 있으며, 프린터기의 전 부품(Part)이 유리 프린팅의 특징에 맞춰 고온에 견딜 수 있게끔 제작되어 있다.

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이미 수많은 헬스케어용 3D 프린터 기술이 개발되고 있는데, 세포를 3D 프린팅하는 기술부터 감각을 3D 프린팅하는 기술까지 지속적으로 발전하고 있다.

지멘스 연구소 WFIRM은 화상, 좌상, 궤양, 당뇨 등으로 파괴된 피부(상처부위)를 치료하기 위해 환자 자신의 세포를 배양하여 이를 상처 부위에 3D 프린터로 직접 출력하는 스킨 바이오 프린팅(Skin BioPrinting) 기술을 개발했다.

스킨 바이오 프린터는 환자의 부상을 스캔하여 상처부위의 깊이와 넓이 등을 측정하여, 배양된 피부조직을 맞춤형으로 인쇄하는 방식이다. 맞춤형으로 세포가 완벽히 피부를 덮기 때문에 2차 감염 예방이 가능하며, 특히 미적 외관상 다른 방식보다 월등히 좋은 것으로 평가 받고 있다. 뿐만 아니라, 이동 중에도 스킨 바이오 프린터를 활용하여 환자의 부상을 스캔하고 측정하여 환자가 직접 피부 조직을 3D 인쇄할 수 있다.

버지니아공의 블레이크 존슨은 3D 프린터를 활용하여 손 장애가 있는 장애인이 실제 손을 사용하는 것 같이 완벽한 감감을 느낄 수 있는 기술을 개발했다. 컨포멀 3D 프린팅(Conformal 3D Printing)이라는 기술로 의수에 전극을 추가하여 감각을 전기로 전달하여 느낄 수 있게 하는 방식인데, 향후 전자부품을 생물학적으로 3D 프린팅을 통해 연결하여, 건강관리 등의 차세 웨어러블 시스템을 만드는데 획기적인 기술로 부각될 것으로 예상된다.

이처럼 3D 프린터 기술은 작고 단순한 형상의 물체에서 시작하여 지금은 복잡한 기계, 전자제 품, 심지어 유화그림(MIT의 RePaint), 세포, 유리, 거한 집까지 복제하는 기술로 진화하고 있다. 향후 스타트랙에서 상상한 것과 같이 공기를 재료로 분자를 재구성하여 인간, 동물을 포함한 세상의 모든 것을 복제하는 3D 프린터가 나오지 않을까 하는 상상을 해 볼 수도 있을 것이다.