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홍콩의 3D 프린팅 시장 현주소는?

  • 트렌드
  • 홍콩
  • 홍콩무역관 Ivy Szeto
  • 2022-01-10

소비재 및 주얼리 생산에 주로 사용되는 3D 프린팅 기술, 향후 정밀한 부품 생산, 인체 장기 재생에도 활용 예상

홍콩 중소기업, 프린터 설비 및 프린팅 소재 비용 부담으로 3D 프린팅 도입 애로

3D프린팅(3D Printing)은 프린터로 물체를 출력하는 기술로써 종이에 글자를 인쇄하는 것과 유사한 방식으로 입체 모형을 제조할 수 있다. 3D프린터는 플라스틱을 비롯한 경화성 소재를 사용해 3차원 모델링 파일을 출력한다. 홍콩에서 제4차 산업혁명의 가속화에 따라 3D 프린팅 기술이 제조업 현장에서 보다 주목을 받고 있다.


4차 산업혁명 및 맞춤형 서비스 등 메가 트렌드(Megatrend)를 타고 성장하는 3D 프린팅

 

홍콩에서 4 산업혁명이 급속하게 진행되면서 제조업 전반에 걸쳐 혁신 기술을 도입하고 있다. 특히 의류, 신발, 전자제품과 같은 소비재를 생산하는 기업들이 스마트 생산라인 도입을 가속화하 있다. 3D 프린팅은 4 산업혁명을 대표하는 최첨단 제조기술 중의 하나이다. 대량 생산에 맞춰진 사출 방식은 많은 비용이 들어가지만 3D 프린팅 방식은 소량 생산을 있다. 별도 틀을 제작할 필요 없이 부품 모양과 소재를 쉽게 변경할 있어 원하는 부품을 신속하게 제작할 있다. 홍콩 3D 프린팅협회(Hong Kong 3D Printing Association) 현지 3D 프린팅 산업 육성을 위해 2015년에 설립됐으며 협회에 가입돼 있는 40개사는 주로 액세서리, 신발, 플라스틱 장난감과 같은 소비재를 생산하는 제조업 중소기업들로 구성돼 있다.

 

소셜 네트워크(Social Network) 확대 소비자 구매력 향상에 따라 홍콩 소비자들이 차별화된 자신만의 독특한 가치를 구축하려는 경향을 보이고 있다. 이에 따라 소비자들의 성별, 연령, 사이즈와 성향에 따라 맞춤형 상품을 제공하는 기업들이 증가하고 있다. 전통적 대량 생산과 달리 3D 프린터를 이용해 기존 가공 방식에서 없는 복잡한 형상의 제품을 제작할 있어 소비자가 원하는 형태로 제품을 제공할 있다. 예를 들면 홍콩 안경 생산 기업 MONO에서는 3D 프린팅 기술과 탄력성이 좋은 나일론 소재를 사용해 다양한 다양한 렌즈 길이와 콧대 넓이로 조합한 안경테를 출시했다. 이를 통해 소비자들에게 본인의 얼굴 윤곽에 가장 맞은 맞춤형 안경을 판매한다.

  

 <홍콩 3D 프린팅 맞춤안경>

[자료: 홍콩 무역발전국(HKTDC)]

 

홍콩 3D 프린팅 기술 현황 활용 사례

 

홍콩 정부는 2015년부터 3D 프린팅을 포함한 혁신 기술 발전을 추진하고 있다. 홍콩 생산력촉진국(Hong Kong Productivity Council, HKPC)에서 최초로 3D 프린팅 센터를 설립하며 현지 중소기업을 대상으로 3D 형상측정*(3D Scanning), 컴퓨터 이용 3D 모델링**(3D CAD modelling) 3D 프린팅 서비스를 제공하기 시작했다. 다양한 색상과 소재를 사용해 다양한 경도의 제품을 출력할 있으며 출력해상도(resolution) 0.016mm~0.2mm 수준에 달했다.

    주*: 부품 또는 제품의 3차원 측정을 통해 불량 판정 불량 원인 파악을 있음
    주**: 3
차원 도안을 제작하기 위해 컴퓨터로 데이터로 저장하는 것이며 실제 물체와 비슷한 모양과 질감을 가질 있음.

 

3D 프린팅의 소재로는 플라스틱, 탄성 소재, 왁스, 금속, 생체 적합성 소재 다양한 소재들이 이용되고 있다. 안경, 신발, 장난감 소비재 생산의 경우 주로 플라스틱과 레진(resin, 수지) 이용하고 있으며 DLP*(Digital Light Processing) 또는 SLA*(Stereolithography) 출력 방식을 사용하고 있다. DLP 프린터 아래에 장차한 프로젝터를 통해 UV광을 3D 형상 단면에 조사해 액상 수지를 경화시키는 방법이며, SLA 빛의 반사를 통해 액상 수지의 표면만 경화시키도록 반사 각도를 조절하는 출력 방법이다. SLA 방식은 DLP 방식에 비해 출력 수요 시간이 길지만, 출력 가능한 면적이 제한되지 않다. DLP방식은 속도가 매우 빠르며 주로 주얼리와 같은 소형 제품 또는 이들 제품의 부품 생산에 사용되고 있다.

: *”마스크 투영 이미지 경화 방식이라는 뜻으로 인쇄를 위한 이미지를 수조 안에 담긴 광경화성 레진에 UV 레이저를 조사해 층씩 경화시켜 조형하는 방식
**”
광경화성 수지 조형 방식이라는 뜻으로 UV 레이저를 겨울에 반사시켜인쇄를 위한 이미지를 수조 안에 담긴 광경화성 레진의 단면을 경화시키고 이러한 과정을 반복해 조형하는 방식

 

<DLP SLA 프린팅 방식의 차이>

주: 노란 부분은 빛의 통로를 의미

[자료: 공업기술 정보 플랫폼 CREALITY]

 

금속 3D 프린팅은 플라스틱, 레진과 달리 주로 고가치 산업에서 이용되고 있다. 홍콩 주얼리 디자인 생산 기업 Ejj Jewellery사에서는 제품 경쟁력 금속 3D프린팅을 활용하는 사례다. E 대표 Elaine Shiu 따르면, 금과 보석은 구조(casting)하기 어려운 소재로  사이즈의 액세서리를 제작하면 가공 비용과 인공비를 반영해 제품 가격이 높게 나올 수밖에 없다그러나 3D 프린팅을 활용한 제조 방식은 비용 부담이  금형(die)* 제작할 필요 없이 제품 설계부터 자동화해 단시간 내에 세밀한 프로토타입(prototype) 만들 있다. 더불어 제품 출시 이후에도 고객들의 반응에 따라서 반복한 세공과 변경을 진행할 있다. 이에 따라 생산 비용이 절감될 있으며 일반 주얼리 제품 대비 4분의 1 불과한 가격으로 판매해 젊은 층의 소비자들로부터 관심을 받고 있다.
    주*: 얇은 금속 또는 플라스틱 판재를 이용해 특정 형상을 만드는

 

<3D 프린팅 귀걸이>

[자료: Ejj Jewellery 홈페이지]

 

제조업의 기술 혁신에 따라 3D프린팅은 식품을 제작하는 수준까지 올라와 있다. 2019년 현지 직업전문학교인 Vocational Training Council(VTC)에서는 3D 식품 프린팅 진흥 프로그램 “nutri3dietforfuture”를 시행했다. 현지 중학교와 협력해 학생들에게 3D 프린팅 기술을 전달하며 식용 가능한 식품 분말 또는 액체 등으로 노인이 섭취하기 편한 식품을 출력해 현지 요양원에 기부했다. 프로그램에 참여한 요양원 산업 관계자에 따르면, 3D 프린팅은 창의적인 식품 제작이 가능하면서도 노인들의 영양섭취 불균형 문제를 대응할 수 있는 방법이 될 수 있다고 언급했다. 또한 “향후 식품 소재 리필 절차 간소화 및 프린터 출력 속도 개선 등의 기술적 향상을 기대한다”고 언급했다.

 

<식품 3D 프린팅 과정 예시>

[자료: “nutri3dietforfuture”프로그램 홈페이지]

 

<3D 프린팅 노인 식품 및 3D 설계도>

[자료: “nutri3dietforfuture”프로그램 홈페이지]

 

생산 효율 대비 높은 3D 프린팅 설비 및 소재 비용

 

3D 프린터들은 출력 시 재료의 손실이 발생하지 않는다는 장점이 있으나 설비의 높은 가격으로 중소기업들에서 3D 프린터를 도입하기에는 여전히 애로가 있다. 글로벌 시장연구 기관인 Frost & Sullivan에 따르면, 2019년 기준 공업용 주얼리 3D 프린터의 평균 가격이 1만 달러를 기록했다.

 

또한 3D 프린팅 기술이 발달하면서 다양한 프린팅 소재들이 출시되고 있지만 현지 제조업에서는 주로 금속분말을 소재로 사용하고 있다. 홍콩 이공대학교(PolyU) 공학원 H.C. Man원장에 따르면, 홍콩에서 금속분말 관련 연구개발을 하는 기업이 부족해 금속분말의 생산 비용과 이에 따른 3D 프린팅의 비용을 인상했다고 언급했다. 기존 3D 프린팅 소재의 가격이 일반 생산 소재 가격 대비 5~10배 높은 수준이다. 그러나 향후 3D 프린터와 인쇄 소재에 대한 중국 본토의 수출 확대로 홍콩 내 3D 프린팅 서비스의 비용도 낮출 수 있을 것으로 예상된다. Frost & Sullivan의 연구에 따르면, 2027년 전 세계 3D 프린팅 소재의 평균 가격이 2021년 대비 약 36% 하락할 수 있을 것으로 예상된다.

 

<2017~2027년 전 세계 3D 프린팅 소비재 평균 가격 추이>

[자료: Frost & Sullivan]

 

향후 홍콩 3D 프린팅의 발전 방향

 

3D프린팅의 출력 방식이 다양화되고 있다. 레이저를 사용한 selective laser melting*(SLM) 기술은 금속 3D 프린팅 분야에서 주로 사용되고 있는 기술이다. 레이저 조사를 통해 금속분말을 용융시켜 조형하는 방식이다. 그러나, 고속의 대량 생산과 비교할 때 SLM 기술은 생산 시간이 상대적으로 느린 단점이 있다. 이를 해결하기 위해 현지 스타트업 3DK Tech사는 초음파를 사용한 ultrasonic selective laser melting(USLM) 기술을 도입했다. 이는 초음파 진동을 통해 금속분말의 형태를 변경하며 균일한 열을 가함으로써 미세한 금속 부품까지 출력할 수 있게 한다. 3DK Tech사는 현지 발전소와 협력을 통해 정밀한 난로 및 전자제품 부품을 생산하고 있는데 기존 부품 생산에 비해 생산 시간을 60%로 단축하며 생산비용도 75%로 절감했다. 향후 3D프린터의 출력속도 향상으로 대량 생산이 가능한 환경이 구축될 것으로 예상된다.

    주*: 금속분말을 얇은 층으로 도포한 후 레이저를 조사해 분말을 용융시켜 조형하며 층 별로 계속적으로 쌓아 제작하는 방식

 

의료산업은 정밀한 생산이 가능한 3D프린팅의 장점을 활용해 성장하고 있는 분야다. 현재 홍콩의 혁신의료 산업에서 3D 프린팅 기술을 인체 장기 및 조직 출력에 활용하는 것에 대한 연구들이 활발하게 진행되고 있다. 대표적으로는 2020년부터 홍콩대학교(HKU)에서 진행하고 있는 ‘인체 조직 및 장기 재생 연구 - OPUS-Pro 3D’가 있다. 이는 다양한 인체세포를 포함한 바이오잉크*(bioink)를 출력 재료로 이용하며 장기의 구조체를 출력하는 동시 세포를 함께 출력해 인체 내 실제 세포 환경을 재현함으로써 장기의 재생을 실현하는 기술이다.

    주*: 3D프린팅을 통해 체내 조직, 장기를 만들 때 사용되는 소재임. 바이오잉크는 프린트된 구조체의 구조적 물성을 제공하며 잉크 내 세포 또는 생체재료가 포함돼 있어 세포의 부착, 성장, 분화를 돕는 역할을 함.

기존의 의료용 3D 프린터들이 보통 3~5개의 인쇄 노즐*(nozzle)을 가지고 있는데 홍콩대학교에서 개발한 3D 프린터는 7개의 노즐이 장착돼 인체 장기 내에 여러 개의 미세조직을 동시에 출력할 수 있는 차세대 기술이다. 또한, 출력에 사용되는 바이오잉크는 세포 친화적인(Cell-Interactive) 특성으로 출력 후 90% 이상의 세포 생존율(Cell viability)을 확보할 수 있다. 홍콩대학교 연구팀은 중국 정부로부터 지원을 받았으며 향후 5년 이내에 전층 피부**(full-thickness skin), 각막, 뼈, 연골 및 주요 혈관 등을 출력해 실제 임상까지 통과하는 것을 최종 목표로 하고 있다.

: *액체 또는 기체를 고속으로 자유공간에 분출시키기 위해 사용되는 장치
주**: 표피와 진피의 전층을 의미하며 이들 피부를 떼어 내어 피부 이식을 하는 수술이 전층 피부 이식 수술(Full-thickness Skin Graft)이라고 불림.

 

시사점

 

3D 프린팅은 틀을 제작할 필요없이 상품의 직접 생산이 가능하며 생산 효율성 제고할 수 있는 기술로써 소비재 및 고가 상품 생산에서 3D 프린팅에 대한 활용도가 높아지고 있다. 향후 3D 프린팅으로 출력되는 안경, 의류, 주얼리 및 식품에 대한 소비자들의 관심도 계속 확대될 것으로 예상된다. 이 따라 3D프린팅 기술에 대한 자금 도입과 투자를 유도해야 하며 3D프린팅 전문 기술을 습득하는 기회를 마련할 필요가 있다. 홍콩 3D 프린팅 협회 Ami Sin 회장에 따르면, 홍콩은 신기술에 대한 기업들의 수용성이 높아 3D 프린팅과 같은 혁신 제조 기술을 신속하게 습득할 수 있을 것으로 예상된다.

 

실질적인 측면에서 현지 중소기업들은 프린터 및 인쇄 소재의 비용 부담으로 3D프린팅을 도입하지 못하고 있다. 이는 한국의 산업용 3D 프린터 생산 산업과 3D 출력 소재 생산 산업에서 주목할 수 있는 부분이다. 출력해상도가 높고 정밀한 생산을 할 수 있는 프린터를 홍콩 제조업 기업을 대상으로 판매하는 것과 특히 홍콩에서 부족한 인쇄 소재인 금속분말을 수출하는 기회를 모색할 수 있다.



자료: MONO, 3DK Tech, Frost & Sullivan, Lifehack, 홍콩 무역발전국(HKTDC), 홍콩 3D 프린팅협회(Hong Kong 3D Printing Association), 홍콩 생산력촉진국(Hong Kong Productivity Council), 홍콩대학교(HKU), 이공대학교(PolyU), KOTRA 홍콩 무역관 자료 종합

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