3D(3차원-입체) 프린트 또한 인쇄술 중 하나입니다. 인쇄라는 말을 글자나, 그림 등의 2D 요소에만 국한되어 사용했기 때문에 다소 생소할 수 있겠습니다. 하지만 이제는 입체적 공간과 형태를 인쇄할 수 있다는 것을 눈으로 확인하셨을 것입니다.
이러한 3차원 인쇄술은 다양한 첨단 기술들이 모여 탄생하였습니다.
본 페이지에서 그 역사적 배경을 최대한 쉽고 간략하게 살펴볼 수 있도록 정리를 해보았습니다.
1. 인류의 인쇄술
3차원 인쇄술 이전의 인쇄술 전반의 역사를 살펴볼 수 있습니다.
참고자료_ 인쇄술 연표
| 연도 | 기술명 | 내용 |
| 200 | 목판 인쇄술 | 동아시아에서 최초로 목판 인쇄 시작. 현존하는 가장 오래된 인쇄 문서 – 대한민국의 [무구정광대다라니경(불경)] |
| 1040 | 목조 활자 인쇄술 | 동아시아 송, 인쇄전문가 ‘바이 쉥(필승)’이 최초로 목조 활자 발명 |
| 1234 | 금속 활자 인쇄술 | 동아시아 고려, 최초로 금속 활자 발명. 현존하는 가장 오래된 인쇄 문서 – 대한민국의 [백운화상초록불조직지심체요절(법문편집서)] |
| 1454 | 활판 인쇄술, 인쇄기 | 유럽 독일, 인쇄전문가 ‘요하네스 구텐베르크’가 최초로 금속 활자를 이용한 인쇄기 발명 |
| 1500 | 식각(에칭) | 화학약품의 부식작용을 이용한 표면가공 시작 |
| 1642 | 메조틴트(동판화) | 유럽 독일, 아마추어 아티스트 ‘루드비히 본 지겐’이 오목판(요판)인쇄술 응용 기법인 메조틴트(동판화) 기법 발명 |
| 1768 | 애쿼틴트 | 유럽 네덜란드, 화가이자 인쇄전문가 ‘얀 반 데 벨데’가 오목판(요판)인쇄술에 에칭을 응용한 애쿼틴트 기법 발명 |
| 1796 | 리소그라피(석판 인쇄술) | 유럽 독일, 작가이자 배우 ‘알로이스 시네펠더’가 석판 또는 매끄러운 금속판을 이용한 인쇄술 발명 |
| 1837 | 크로모리소그라피(다색 석판 인쇄술) | 유럽 독일, ‘알로이스 시네펠더’가 다색 인쇄가 가능한 석판 인쇄술 발명 |
| 1843 | 윤전 인쇄술, 윤전기 | 북아메리카 미국, 발명가 ‘리차드 마치 호’가 윤전 인쇄술 및 윤전기 발명, 특허 출원(1847) |
| 1869 | 헥토그래프(젤리그래프) | 유럽 러시아, ‘미크하일 알리소프’가 아날린 염료를 사용해 문서를 복사하는 기법 발명 |
| 1875 | 오프셋 인쇄술 | 유럽 잉글랜드, ‘로버트 바클레이’에 의해 석판 대신 잉크롤러응 활용한 윤전 인쇄기법인 오프셋 인쇄술 발명 |
| 1866 | 핫 메탈(주조 활자) 세팅 | 금형으로 주조된 보다 정교한 활자 사용이 가능해 짐 |
| 1890 | 미미어그래프(등사기) | 북아메리카 미국, 발명가 ‘토마스 에디슨’이 몇 백장 내지 몇 천장까지의 비교적 소량의 문서 복사를 위한 등사기 발명 – ‘자동화 인쇄’라는 명칭으로 특허 출원(1886) – ‘앨버트 블레이크 딕’이 특허권을 취득(1887), ‘미미어그래프’라고 명명 |
| 1907 | 스크린 인쇄술(실크 스크린 인쇄술) | 중국 송, 일본 등에서 사용되던 기법으로, 판 재료를 실크를 이용한 잉크 인쇄 기법이 미국에서 보편화 됨 |
| 1923 | 화상 전사(스피릿 복사) | 북아메리카 미국, ‘디토 코퍼레이션’의 ‘윌헬름 리쳐펠드’가 알코올을 이용한 화상 복사기 발명 |
| 1957 | 염료 승화 인쇄술(열 전사 인쇄술) | 잉크리본에 열을 가해 염료를 고체에서 기체로 승화시켜 전용지에 전사하는 방식의 인쇄기 발명 |
| 1960 즈음 | 사진 식자 발명 | 북아메리카 미국, ‘포톤 코퍼레이션’에서 사진의 원리와 타자의 원리를 이용해 인화지와 필름에 조판하는 방식인 사진 식자 발명 |
| 1964 | 도트 매트릭스 인쇄술 | 북아메리카 미국, ‘디지털 이큅먼트 코퍼레이션’에서 글자를 탄소 리본에 충격을 가하는 방법으로 인쇄하는 인쇄기 발명 |
| 1969 | 레이저 인쇄술 | 북아메리카 미국, ‘제록스’에서 탄소 토너를 이용해 인쇄하는 레이저 인쇄기 발명, 이후 ‘IBM’에서 가장 먼저 상품 출시 |
| 1972 | 써멀 인쇄술(열 기록) | 액체 화학 물질을 사용하지 않고 열에 반응하는 전용지를 사용해 인쇄하는 써멀 인쇄술 발명 |
| 1976 | 잉크젯 인쇄술 | 북아메리카 미국, 1950년대 개발된 잉크를 분사하거나 뭉쳐서 분사하는 인쇄 방식인 잉크젯 인쇄술을 ‘엡손, 휴렛패커드(HP), 캐논’이 상용화 |
| 1984 | 3차원(3D) 인쇄술 또는 신속조형기술(RP) | 북아메리카 미국, ‘3D 시스템즈’의 ‘찰스 W 헐’이 입체 조형물을 인쇄하는 3D 인쇄술 발명 |
| 1993 | 디지털 인쇄술 | 활자나 필름이 아닌, 컴퓨터에 저장되어 있는 디지털 파일을 연결된 인쇄기에서 직접 인쇄하는 디지털 인쇄술 발명 |
2. 지형학적/광조각적 출발
컴퓨터 제어 이전의 3D 프린트 기술의 시작을 크게 지형학(Topography)적, 광조각(Photosculpture)적 측면에서도 살펴 볼 수 있습니다.
> 인포그래픽_ 적층조형법의 역사 (by Joseph Beaman)
지형학(Topography)적 출발
1892년 즈음 J.E.블란서(J.E.Blanther)는 모형지도를 제작하기 위해 왁스판에 등고선을 각인하고 커팅해 한 장씩 적층, 계단 모양의 고저차를 갖는 등고선 모형을 만든 후 양각과 음각의 형틀로 제작했습니다. (학교 수업시간에 만들어본 경험이 있으신 분들 계실겁니다. 저는 군생활 시절 대대 지휘통제실 작전계원 보직이어서 종종 만들었었습니다.) 그리고 그 사이에 미리 제작된 종이 지도를 넣어 압착시키면 입체지도가 완성되었습니다. 이와 비슷한 개념으로 1937년 즈음 페레라(Perera)는 마분지를 잘라 적층한 후 압착해 3차원 모형지도를 제작했습니다.
이 후 1972년 일본 마쓰바라(Matsubara)는 광 경화성 수지를 이용해 미쯔비시 자동차를 위한 주물 금형을 제작했습니다. 1974년에는 디마테오(DiMatteo)에 의해 이와 같은 적층기술이 절삭가공(CNC)으로는 조형이 어려운 것들을 제작할 수 있다는 것을 알게됩니다. 1979년 도쿄대 교수 나카가와(Nakagawa)는 사출금형 공구 생산을 위해 박판 적층 기술을 이용했습니다.
광조각(Photosculpture)적 출발
19세기 광조각술은 인체 형상을 포함한 물체의 정확한 3차원 복제 작업을 위해 시도되었습니다. 1860년 프랑스의 프랑소와 윌리에므(Francois Willieme)에 의해 디자인된 사진조각술은 원형의 방 중앙에 놓아둔 물체를 24시 방향에서 각각 카메라로 동시 촬영하는 것입니다. (현재도 3D 스캐닝에 유사한 방법이 이용되고 있죠.)
이렇게 촬영된 각각 사진들은 원래 형상의 1/24씩 원통형 부분에 새겨집니다. 1951년 문츠(Munz)는 현재의 스테레오리소그래피(Strerolithography – SLA) 기술과 유사한 시스템을 발표합니다. 물체를 스캐닝한 단면으로부터 얻어지는 각층의 있는 형상에 투명한 사진 감광액을 투사하는 방법을 제안했습니다. 이러한 층들은 아래로 내려가는 실린더의 피스톤에 의해 반복적으로 다시 적당한 양의 사진감광액이 추가되고 접착제에 의해 적층되어졌습니다. 연속된 투사와 접착에 의해 물체의 형상과 같은 결과물이 투명 실린더에 생성되었고 수동으로 조각 또는 광화학 부식을 통해 최종적인 3차원 형상을 만들 수 있었습니다.
3. 첨단기술 융합의 산물
현재 신속조형기술(Rapid Prototyping, RP) 시스템은 컴퓨터의 등장, 이로인한 제어기술 수준 향상, 레이저 발명 및 발전과 로봇 시스템 기술까지 매우 복합적인 기반기술의 산물이라고 할 수 있습니다. 이러한 관련 기반기술의 시작을 짚어보겠습니다.
참고자료_ RP 관련 기술의 발전 연표
| 연도 | 기술명 | 내용 |
| 1770 | 메카니제이션(Mechanization) | 산업화에 따른 기계문명의 효시 |
| 1946 | 컴퓨터(Computer) | 최초의 전자식 계산기(컴퓨터) ENIAC 발명 |
| 1952 | 수치제어 공작기계(NC) | 최초의 수치제어 공작기계, NC 개발 – 컴퓨터 수치제어라는 명칭으로 CNC 라고 통상 불림 – 공제(절삭)가공 방식 |
| 1960 | 레이저(Laser) | 최초의 상업용 레이저 등장 |
| 1961 | 로봇(Robot) | 최초의 상업용 로봇 개발 |
| 1963 | 인터렉티브 그래픽 시스템(Interactive Graphic System) | 최초의 인터렉티브 그래픽 시스템 등장 – 컴퓨터 수치제어 디자인(CAD)의 시초 |
| 1988 | 3D 프린터(RP – 3D Printer) | 최초의 상업용 3D 프린터 출시 – SLA 방식 – 첨가(적층)가공 방식 |
1946년 미국 펜실베니아 대학교에서 J.W.모클리와 P.에거트가 군사목적 탄도계산 용도의 에니악(ENIAC, Electronic Numerical Integrator And Computer)이라는 최초의 전자식 계산기(컴퓨터)를 개발하였습니다. 지금으로 비추어 볼 때 비록 집채만한 크기에 계산기능 밖에는 없었지만 이 때부터 ‘연산 자동화 시대’로 접어들게 됩니다.
1963년 최초의 상호작용이 가능한 컴퓨터 그래픽 시스템이 개발됩니다.
이는 최초의 CAD(컴퓨터 이용 디자인 – Computer Aided Design) 시스템 시대를 여는 초석이 되었습니다. 이러한 연산 작업의 시작으로 오늘날과 같이 관련 소프트웨어 및 하드웨어 기술의 발달로 이어졌고, 우주선 설계나 시뮬레이션, 기상정보 및 태풍 진로 예측이 가능한 슈퍼컴퓨터까지 발전되게 됩니다. 또한 이러한 컴퓨터는 공학용이나 기계, 금형 설계, 건축 설계 등 광범위하고 다양한 분야로 파급되었습니다.
또한 CAM(컴퓨터를 이용한 생산 – Computer Aided Manufacturing)으로까지 발전했습니다. 이러한 CAD/CAM은 동시공학(Concurrent Engineering)적 개념을 확립하는 역할을 합니다. 이러한 맥락에서 1952년 최초의 컴퓨터 제어로 금속을 가공하는 수치제어(NC, Numerical Control machine) 장비가 개발되어 보다 정밀한 부품과 기계 제조가 가능하게 되었습니다. 여기에 1960년 상업 레이저 개발로 수치제어 기술과 레이저 기술의 결합으로 이어져 훨씬 더 수준 높은 제작 – 빠른 금속 절단 및 용접 가공까지 – 가능케 되었습니다. 
1968년 스와인슨(Swainson)은 두개의 레이저빔이 교차하는 지점에 감광폴리머의 선택적 3차원 중합반응을 이용해 플라스틱 패턴을 제작하게되는 공정을 제안합니다. 광화학 가공으로 불리는 이 공정의 개념은 지금의 RP 광경화 방식(SLA / DLP 등)과 유사합니다. 실험실에서 모든 하드웨어 장비가 제작된 이 공정은 아쉽게도 상업적으로 활용되지는 못했습니다.
1972년 시라우드(Ciraud)에 의해 레이저 표면 피복기술과 같은 분말 공정이 제안되었습니다. 작은 입자들이 주형 제작에 사용되는데 이는 중력, 전자기 혹은 정전기 혹은 주형에 가까운 위치의 노즐에 의해 이루어집니다. 이러한 미립자들은 레이저, 전자빔, 플라스마 빔 등에 의해 가열되고 가열된 미립자들은 서로 소결되어 다음 층에서 이와 같은 반복적인 작업이 이루어져 조형하게 됩니다. 미립자들 사이의 결합강도를 높이기 위해 하나 이상의 레이저빔을 사용했습니다.
1981년 일본 나고야 산업연구소의 히데오 코다마(Hideo Kodama)는 기능성 포토폴리머 RP 시스템 보고서를 발표합니다. 이는 모델의 단면에 해당하는 부분을 빛에 노출시켜 한 층씩 파트를 쌓아 올리면서 고체 형상을 조형하는 것입니다. 코다마는 이러한 조형을 위해 세 가지의 다른 방법을 연구했습니다.
- 자외선의 투사 부분을 제어하기 위해 마스크를 사용, 새로운 층을 형성하기 위해 모델 아래로 내려 수조 안의 액상광경화수지가 새롭게 차오를 수 있는 방법
- 마스크를 사용하지만 마스크와 빛을 수조의 아래 부분에 위치시킴으로써 모델을 위로 올리면서 새로운 층 조성 방법
- 한 층의 조형이 끝난 후, 모델을 아래로 내려 액상광경화수지를 보출하지만 마스크를 사용하지 않고 새로운 층의 형성을 위해 X-Y 플로터와 광섬유를 사용하는 방법
1982년 미네폴리스에 있는 3D 코퍼레이션의 A.허버트(A.Herbert)가 코다마의 이론과 유사하지만 독립적인 시스템을 발표합니다. 이 시스템은 자외선 레이저 빛을 X-Y 플로터에 장착된 거울을 이용해 광경화성수지에 직접 투사시키는 방법을 채택했습니다. 실험기술에서 레이저빔을 조정하기 위해 컴퓨터를 사용했고 한 층의 조형이 끝난 후 광경화수지는 1mm씩 아래로 내려가 다음 층의 조형을 반복하게 했습니다. 현재의 광경화 (SLA / DLP) 방식과 매우 유사해 사실상 초석이 되는 시스템으로 볼 수 있을 것입니다.
> Chuck Hull이 개발한 최초의 3D 프린터 ‘SLA1’
1984년 설립된 미국 3D 시스템즈사의 척 헐(Chuck Hull 또는 Charles W. Hull)에 의해 최초로 광경화(SLA) 방식의 RP 시스템이 발명됩니다. 현재 모든 3D 프린터에서 읽어들이는 표준 CAD 모델 파일 포맷인 STL 파일의 개발자이기도 합니다. STL은 STreroLithography의 약자입니다. 1987년 처음 개발을 시작해 1988년을 기점으로 본격적인 상업화가 시작됩니다.
2000년대 들어서면서 세계 각국의 산업용 3D 프린터 시장이 보다 활기를 띄게 됩니다. 관련 기반 기술 수준이 더욱 더 향상되고 보다 더 저렴한 3D 프린터를 출시하면서 사용층도 더욱 두터워졌습니다. 2012년 기준 세계 시장을 선도하고 있는 3D 프린터 제조사는 미국 스트라타시스(Stratasys), 미국 3D 시스템즈, 독일 EOS 사 등입니다. 이 외에도 중소형 3D 프린터 모델들을 특정 소비자층에 맞춘 다양한 브랜드들이 있습니다.
캐리마(Carima)사의 DLP 방식 ‘마스터(Master)’시리즈 모델, 인스텍(InssTek)사의 DMT(Direct Metal Tooling) 방식 ‘MX-3’ 모델 등 국내 산업용 3D 프린터도 출시되어 있습니다. 하지만 해외 선두업체 기술 수준과 보급 수준을 비교해볼 때, 국내 3D 프린터 기술 및 관련 시장은 아직 걸음마 단계입니다.
RP 시스템은 해가 다르게 급속도로 발전해왔으며, 2007년 영국의 아드리안 보이어(Adrian Bowyer)에 의해 FDM(FFF) 방식의 개인 보급형 오픈소스 3D 프린터 개발 프로젝트인 렙랩(RepRap – Replicating Rapid-prototyper) 프로젝트가 시작됩니다. (2009년에 대중적으로 가장 잘 알려진 모델인 Mendel이 발표되었습니다.)
오픈소스란 설계 등의 제작 공정 내용이 모두 공개되어 누구나 기반 설계를 이용해 자신만의 더 나은 설계를 도모할 수 있는 것으로 라이센스 및 사용권이 모두 자유입니다. 이러한 오픈소스의 파급력으로 현재 전세계적으로 약 400여 종, 수 천대 이상의 렙랩 기반 3D 프린터가 제작되어 사용되고 있습니다. 현재(2013 전반기) 가장 많은 대중의 사랑을 받고 있는 대표적인 데스크탑 3D 프린터 제조사인 미국 메이커봇(MakerBot)사 및 네덜란드 얼티메이킹(Ultimaking)사 등도 렙랩 기반으로 창립되었습니다. 최근에는 SLA 방식의 데스크탑 모델도 등장했습니다. 2012년 킥스타터(Kickstarter)라는 크라우드 펀딩 사이트에서 가장 성공적인 펀딩을 기록한 미국 폼랩(FormLabs)사가 ‘폼1(Form1)’ 모델을 출시했습니다. 향후 더 다양한 기술 방식의 3D 프린터가 데스크탑으로 소형/간편화되어 대중들에게 다가갈 것입니다.
국내에도 데스크탑 3D 프린터 제조사들이 렙랩 오픈소스 기반으로 창업되어 다양한 모델을 출시하고 있습니다. 렙랩 ‘프루사 에어(Prusa Air)’ 및 ‘멘델 맥스(Mendel Max)’에서 개선된 오픈크리에이터즈(OpenCreators)사의 ‘NP-멘델’ 모델과 이 모델의 부품들을 활용하여 제작된 오브젝트빌드(Objetc Build)사의 ‘윌리봇(Willybot)’ 모델 등이 대표적이며, 메이커봇사의 ‘리플리케이터2(Replicator2)’ 모델을 카피한 모델인 에디슨(3dison)사의 ‘에디슨 싱글’ 모델 등도 있습니다. 이후 많은 제조사들이 나타나 소비자 선택의 폭이 넓어지고 있습니다.
RP – Rapid Prototyping 에 대한 적절한 의미에 대해 현재는 ‘신속조형기술’ 이라고 조형에 대해 포괄적으로 표현하고 있지만, 사실 ‘프로토타입’이라는 말이 시제품을 의미하듯이. 판매제품 제작에 사용될 만한 기술이 아직은 아니라는 간접적인 의미도 내포한다고 생각합니다. 아직은 조형 수준에 한계가 있는 것이죠. 하지만 시제품을 넘어 완제품 활용 범위가 더 나은 기술 개발과 대중 보급 가속화로 더 크게 확대되고 있습니다.
인용 출처:
- http://en.wikipedia.org/wiki/3D_printing
- http://reprap.org/wiki/RepRap_history
- http://en.wikipedia.org/wiki/Chuck_Hull
- http://www.3dsystems.com/30-years-innovation
- 산업디자이너를 위한 신속조형기술 활용가이드 _혜지원/최성권 지음
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