3D 프린터를 활용한 인류의 삶의 질 향상
3D 프린터를 활용한 인류의 삶의 질 향상
  • 최재령 기자
  • 승인 2014.03.05 15:55
  • 댓글 0
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30여 년 전 개발된 3D 프린터 관련 핵심기술의 특허가 최근 들어 풀림과 동시에 대중적인 각광을 받고 있다. 3D 프린터는 빠르고 간단하게 원하는 형태의 물체를 만들 수 있기 때문에 양산에 앞서 원형을 제작해볼 수 있고 그에 따라 제조업 분야에 혁신을 가져올 수 있다. 또한 이와 같은 단순한 용도뿐만 아니라 3D프린터는 여러 방면으로 활용도가 뛰어나다. 그중 3D 프린팅 기술이 의료계에 미친 영향을 이 글에서 다루고자 한다.

<편집자 주>

3D 프린터의 역사와 원리
3D 프린터가 처음 등장한 것은 지금으로부터 약 30여 년 전이다. 보다 전에는 물체를 만들 때 직접 빚어 만드는 수작업과 거푸집을 통해 주조를 하는 방식 등을 이용했다. 하지만 이 과정은 많은 비용과 시간이 소모됐다. 이러한 조소의 한계점을 극복하기 위해 시제품을 만드는 과정 중 발생하는 오차를 컴퓨터 시뮬레이션을 이용해 확인했다. 그 결과 제품 생산시간을 단축할 수 있게 한 쾌속 조형기술(RP, Rapid Prototyping)이 탄생했고 이 RP의 발전은 오늘날의 3D 프린터를 만들었다.
3D 프린팅의 주요 기술은 사용되는 원료에 따라서 크게 액체, 분말, 고체 기반으로 분류된다. 우선 액체 기반 3D 프린팅 기술 중 대표적인 것은 SLA(Stereo- lithography)이다. SLA 방식은 빛을 받으면 굳는 성질이 있는 광경화성 수지(Photopolymer)와 고밀도의 UV (Ultraviolet) 레이저를 이용한다. 원하는 형상을 컴퓨터에 입력하는 과정인 CNC (Computer Numeric Control)를 거쳐서 레이저를 이용해 광경화성 수지에 한 층씩 그림을 그린다. 이때 레이저에 의해 한 층씩 경화될 때마다 지지대는 연속적으로 아래로 내려가 다시 새로운 광경화성 액상 수지를 상단부로 올린다. 그 후 다시 레이저를 쏘이면 경화된 수지 위에 새로운 층이 생긴다. 이러한 과정을 반복해서 물체를 완성하면 마지막으로 완전한 고체로 굳힌다.
다음으로 분말 기반 3D 프린팅 기술 중 대표적인 것은 SLS(Selective Laser Sintering)이다. SLS 방식은 SLA 방식과 거의 유사하다. 액체가 아닌 분말의 형태로 존재하는 수지나 금속 원료에 레이저를 쏘이고 한 층씩 경화시킨다. 그 위에 다시 분말을 뿌린 후 레이저를 쏘는 과정을 반복해 물체를 완성시킨다. 즉, 분말들을 소결1)시키는 것이다. 금속 원료를 사용할 경우에는 금속 분말 위에 얇은 플라스틱 막이 처리되어있기 때문에 마지막에 높은 온도의 용광로에 모형을 넣어서 플라스틱 막을 분해하는 작업을 한다.
마지막으로 고체 기반 3D 프린팅의 대표적인 기술은 FDM(Fused Deposition Modeling)이다. 이는 작동 방법이 간단하여 대중적으로 잘 알려진 기술이다. 고체의 원료가 노즐을 통해 분사되어 한 겹의 층을 만드는 것이다. 분사된 원료는 즉각적으로 경화되고 그 위에 또 다른 층이 쌓이게 된다. 플라스틱이나 왁스 등 여러 종류의 원료가 사용가능하다. 글루 건(Glue gun)과 비슷한 원리라고 생각하면 된다.

3D 프린터, 의료계에 혁명을 일으키다
앞서 말한 내용인 3D 프린터의 쌓는 원리를 연구해 경제적, 시간적인 효율을 최대로 이끌어내는 것은 중요하다. 하지만 또한 중요시 여겨지는 것은 만들어진 물체를 어떻게 사용하냐는 것이다.
최근 인터넷을 살펴보면 ‘맞춤형 제작’이라는 말을 쉽게 찾아볼 수 있다. 치수를 재서 딱 맞는 옷을 제공해주는 ‘의류’의 맞춤형 제작이 아닌 인공 치아나 의수와 같은 ‘의료’ 사업에서의 맞춤형 제작이 주목받고 있다. 이전에는 환자에게 100% 적합한 보형물을 심기는 어려웠다. 하지만 현재 뼈나 관절과 같이 인공구조물을 심으려는 부위를 스캔해서 환자의 원래 것과 일치하도록 3D 프린팅 한다. 더 나아가 단순한 형태상의 일치뿐만 아니라 소재를 실제와 비슷하게 만들려는 시도도 성공하고 있다. 실제로 2007년 캐나다 맥길 대학교(McGill University)의 제이크 바라렛(Jake E. Barralet)교수팀은 시멘트 가루와 산(Acid)을 이용해서 작은 숨구멍들이 존재하는 인공뼈를 인쇄했다.
이제 또 다른 관점에서 3D 프린터를 관찰하면 어떤 것을 쌓느냐 즉, 원료 자체에 주목할 수 있다. 수지나 금속 등과 같은 소재가 아닌 세포를 3D 프린터에 적용한다면 인공장기나 인체조직을 만들 수 있다. 이러한 작업을 3D 바이오프린팅(Bio-printing)이라고 한다. 원하는 조직의 다양한 세포 배열을 분석해서 3D 프린터를 이용해서 조직, 장기 등을 만드는 것이다. 이러한 쌓는 과정에서 인공지지체(Scaffold)를 이용하거나 세포의 성장을 촉진하는 물질을 사용하는 경우도 있다.
 만약 3D 바이오프린팅이 모든 장기조직으로 분화가 가능한 배아줄기세포와 함께 이용된다면 그 파급력은 클 것이다.

3D 프린팅 기술이 넘어야할 관문
3D 프린터는 점차적으로 가격이 낮아지고 관련 서비스 업계가 늘어나고 있다. 그만큼 대중에게 가까워지고 있는 것이다. 하지만 정보의 바다인 인터넷에서 불법 무기의 설계도가 떠돌아 누구나 쉽게 3D 프린팅을 이용해 제조할 수 있다면 앞으로의 사회는 큰 혼란에 빠지게 될 것이다. 이에 따른 규제의 마련이 절실하다. 또한 3D바이오프린팅 기술이 진보함에 따라 미래에는 자동차나 오토바이의 부품 하나를 갈아 끼우듯 우리들의 장기가 하나의 소모품 취급을 받는 현상이 팽배할 수도 있다. 그러므로 3D 바이오 프린팅을 발전시키기에 앞서 인류의 법적, 윤리적 문제를 어떻게 극복할 것인지에 대한 많은 고려가 필요하다.


가루나 또는 가루를 어떤 형상으로 압축한 것을 녹는점 이하의 온도로 가열하였을 때, 가루가 녹으면서 서로 밀착하여 고결(固結)함. 또는 그런현상. 각종 요업 제품이나 세라믹의 제조에 응용된다.

 


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