[연재] 3D 프린터란? - 3D 프린터의 탄생

 요즘 과학 기술 분야에서 핫한 주제 중 하나가 바로 3D 프린터인데요. 제 블로그에 3D 프린터를 언급하는 것은 이 글이 처음입니다만, 사실 저는 몇 달 전부터 3D 프린터에 많은 관심을 가지고 있었습니다. 그리고 전기 전자와 관련있거나 로봇이라는 주제를 가지는 대부분의 전시회에서 3D 프린터는 요즘 어마어마한 관심을 받게 되더군요. 그러다가 최근 HP나 신도리코등 오피스 기기 전문 회사들부터 작은 벤쳐기업까지도 속속 3D 프린터 시장 진입을 발표하게 되면서 글로벌 경기 침체라는 분위기에서 어쩌면 분위기 반전용이 되지 않을까하는 생각도 했습니다. 또 일주일 뉴스 중 한 번 이상은 꼭 3D 프린터를 본듯하네요. 그래서 이번 연재를 생각했습니다. 일단 인터넷으로 확인되는 여러 정보들을 취합해서 3D 프린터의 탄생에 대해 이번에 이야기를 할려고 합니다. 그리고 나서 3D 프린트의 종류와 원리, 또 제가 가장 관심을 오픈 소스 기반의 3D 프린터에 대한 이야기로 마무리를 할까 합니다. 뭐 이렇게 이야기해도, 결국은 살짝살짝 소개하고 유용한 사이트를 정리하는 역할만 하는 것이 되겠지만 말이죠.^^.

3DP

1. 3D 프린터의 탄생

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2. 3D 프린터의 종류와 원리

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3. 오픈소스기반의 3D 프린터

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4. 3D 프린터는 무엇인가?

Stratasys와 S.스콧 크룸

 미국의 미네소타주 미니애폴리스에 있는 S.스콧 크룸이라는 분이 1989년 10월 30일 특허를 한 건 출원합니다. 제목은 Apparatus and Method for Creating Three-Dimensional Objects "3차원 물체를 만들기 위한 장치 및 방법" 라는 무시무시한 이름으로 말이죠^^. 이 특허는 1992년 6월 9일에 등록되어 발효됩니다. [특허 문서 바로가기]

S.스콧 크룸의 1992년도 특허문서에 등록된 개념도

 위 그림은 그 특허 문서의 첫 그림입니다. 사실 이후 이번 글에서 이야기할 3D프린터의 구조까지 읽게 되시면 저 그림 한장이 현재의 3D 프린터의 모든 것을 알려준다는 것을 알 수 있으실 겁니다. 그렇다면 현재 3D 프린터의 아버지는 스콧 크룸이라는 분이 될까요?^^. 위키백과의 Stratasys 문서[바로가기]를 확인해보면, 스콧 크롬이라는 분이 1989년에 Stratasys라는 회사를 설립할때, 3D 프린터를 사업아이템으로 잡았다는 것을 알 수 있습니다. 스콧 크룸은 몇 몇 혼합물로 자신의 어린 딸을 위한 장난감 개구리를 만들어 주다가 아이디어를 얻어서 특허 출원과 함께 Stratasys라는 회사를 설립했다는 군요. 아무튼 이런 멋진 아이디어와 함께 당연한 이야기지만 지금도 Stratasys는 3D프린터 시장에서 세계 1위 기업입니다. 얼마전 한국에서 열린 로보월드 2013에 참가한 후기[ 바로가기]에서 제가 잠시 소개했었지요.

Stratasys의 홈페이지

 위 그림이 Stratasys의 공식 홈페이지입니다.[바로가기] 딱 봐도 아시겠지만 이 분들은 꽤 등치가 큰 흔한 용어로 기업용 제품들이 주 라인업입니다. 가격만 해도 쉽게 몇 억이 넘어가는..ㅠㅠ. 그 후 개인용 혹은 소사업용 작은 크기의 기존의 자사 제품보다 훨씬 저렴한(그러나 여전히 비싼) 제품들도 출시합니다. 그런데 나중에 3D프린터의 원리에서 다루겠지만 Stratasys는 FDM방식이라는 것도 창안합니다. 뭐 원천 특허가 그거니까요. 그런데 FDM이라는게 재료를 잘 녹여서 적층하겠다는 뜻인데 이 F.D.M라는 알파벳 3개에 상표권이 걸립니다. 그래서 오픈소스 진영인 RepRap이 똑같은 의미인데 상표권 분쟁을 사전에 막기 위해 단어만 바꿔서 FFF라는 말을 쓰고 있습니다. 어쩌다 검색하다보니 FDM과 FFF의 차이가 기술적으로 다르다는 글을 작성한 분이 있던데 살짝 의아하더군요.ㅠㅠ. 그리고 또 하나 중요한 것이 이 스콧 크룸이라는 분의 원천 특허가 등록된게 1992년 6월이라고 했는데요. 특허권의 사용 기간인 20년이 작년 2012년 6월에 만료됩니다. 이게 3D 프린터 중에서 적층방식인 FFF방식의 3D 프린터가 마구마구 쏟아져 나오는 기폭제가 되지요. 아무튼 이렇게 해서 1989년 딸에게 개구리 장난감을 만들어 주겠다던 아버지의 아이디어에서 3D 프린터의 한 축이 시작되었습니다.

3DSYSTEMS와 척 헐

 1989년에 미네소타주에서 3D 프린터의 한 축이 시작되기 몇 년 전인 1984년 8월에 척 헐이라는 분이 UVP라는 회사에서 3D 프린터와 관련된 또 하나의 특허를 출원합니다. Apparatus for Production of Three-Dimensional Objects by Stereolithography "광학 응고 방식을 이용한 3차원 물체의 제작을 위한 장치"라는 또 하나의 무시무시한 이름으로 말이죠. [특허바로가기] 이 특허는 1986년 발효됩니다.

척 헐의 특허에 있는 SLA 타입의 3D 프린터의 개념도

 역시 저 그림 또한 나중에 이야기할 3D 프린터의 한 방식인 SLA 타입의 개념을 정확히 표현하고 있는 그림입니다. 척 헐이라는 분은 이 특허로 3DSYSTEMS라는 회사를 미국 갤리포니아주에서 설립합니다. 미국 서쪽에 SLA타입의 척 헐, 미국 동쪽에 FDM 타입의 스콧 크룸이 이렇게 몇 년 차이로 3D 프린터의 개념을 잡은 거죠. 물론 3DSYSTEM는 그 후 사우스 캐롤라이나로 이사간 모양입니다. 본사가 사우스 캐롤라이나라는군요.ㅠㅠ. 위키의 3DSYSTEMS 문서[바로가기]에 의하면 본사가 여러가지 이유로 사우스 캐롤라이나로 이사간건 2003년이라는군요.

3DSYSTEMS의 기업형 SLA 타입 모델

3DSYSTEMS의 일반형인 Personal 모델. 이 모델에는 FDM 방식과 SLA 방식이 모두 포함됨

 위의 3DSYSTEMS의 공식홈페이지[바로가기]를 보면 이 회사도 Stratasys처럼 기업용 대형 프린터 라인업을 가지고 있습니다. 그러나 Stratasys 보다는 홈페이지에서 풍기는 느낌은 좀 더 개인용 라인업이 풍부한 듯 보입니다. 특히 자신의 원천 특허인 SLA 타입의 프린터를 라인업으로 가지고 있는 것도 눈에 뜁니다. 특히 Cube 시리즈는 옥션에서 검색해보시면 2백만원 초만대에서 신도리코가 수입해 국내에 시판하고 있다는 것을 확인할 수 있습니다. 스콧 크룸이 3D 프린터의 아버지라면, 척 헐은 어쩌면 어머니쯤 될 수도 있겠습니다. 아 그리고 척 헐의 특허도 스콧 크룸처럼 만료되었습니다.^^.

 다음 연재에 다루겠지만, 3D 프린터의 주요 방식은 두 가지입니다. 재료를 녹여서 사출하면서 적층하느냐(FDM 혹은 FFF) 혹은 자외선 영역의 빛으로 특수한 용액을 굳히면서 적층하느냐(SLA)입니다. 물론 여기서 좀 더 파생적인 방식들이 나타나며, 또 FDM 방식이라고 하더라도 다시 기구부의 형태에 따라 달라집니다만, 일단 태생이 그렇다는 겁니다. 그 첫 방식인 FDM 방식은 스콧 크룸이, 또 다른 방식인 SLA는 척 헐, 이 두사람이 1980년대 후반에 특허를 내면서 각 각 Stratasys와 3DSYSTEMS라는 회사를 설립합니다. 그리고 이 두 회사는 현재 전세계에서 3D 프린터 시장의 1위, 2위의 지위를 가지고 있습니다. 그러나 또 하나의 단체가 있습니다. 바로 RepRap입니다. 이들은 오프소스를 지향하는 비영리 단체로 영리목적의 기관은 아닙니다. 물론 그들 중 MakerBot이 갑자기 Stratasys와 합병후 자회사가 되면서 배신자의 오명을 뒤집어 쓰긴 했습니다만, 일단 오픈소스 진영이 또 하나의 무시할 수 없는 3D 프린터의 한 축입니다. 더 자세한 이야기는 마지막 연재에서 다루고, 지금은 이들 RepRap을 살짝 언급하겠습니다.

3D 프린터를 세상에 공개하고 보급한 일등 공신 RepRap

 앞서 이야기한 회사들이 아무리 좋은 3D 프린터를 만들었고 또 잘 팔고 있다고 해도, 문제가 있습니다. 일반 사용자들이 사용하기에는 아직 무리가 있거든요. 뭐냐구요? 비싸요^^. 그것도 아주아주... 그래서 시작된 프로젝트가 있습니다. 바로 RepRap 프로젝트입니다. 사실 이 프로젝트가 시작되면서 3DSYSTEMS나 Stratasys도 일반 보급형을 출시하기도 했지요. 또 이 프로젝트가 시작되면서 한국 중국, 유럽, 미국 뭐 전세계적으로 이 프로젝트를 기반으로 해서 다들 저가의 보급형 3D 프린터를 출시하기 시작했다고 해도 과언이 아닙니다. 물론 현재 가장 많은 관심을 받는 저가형 모델은 사실 가만히 들여다 보면 Ultimarker계열에서 상업화에 성공한(그래서 욕을 좀 먹었지만^^) Makerbot이 더 유명하고 그 모양이 많이 알려져 있습니다만, 결국 3D 프린터를 일반적으로 보급하고 알리는데 가장 큰 기여를 한 것은 RepRap 프로젝트라고 봐도 될 듯 합니다. 아~ 물론 일반인들이 알게 된 각 종 언론보도는 2013년 연두 연설에서 3D 프린터가 정말 좋다... 라고 말한 미국 대통령 오바마의 역할이 큽니다만, 이렇게 많은 회사들이 3D 프린터를 출시(그것도 정말 빠른 속도로)할 수 있었던건 모든 소스를 오픈한 RepRap의 공이라는 말입니다. 간혹 자기들만의 신기술~~ 어쩌고 하는 광고를 보게 되는데, 사실 그것도 대부분 제가 보기엔 오픈소스의 도움을 무쟈게(^^) 받았습니다. 그건 3회의 연재에서 좀 더 자세히 다뤄보도록 하겠습니다.

위키백과 RepRap 문서에 있는 RepRap Family Tree

 RepRap이라는 거대한 프로젝트가 시작된 것은 위키백과의 RepRap 문서[바로가기]를 확인해보면 2005년 3월로 나타나 있습니다. 그리고, 위의 큰 그림이 RepRap에서 파생된 여러 가지들을 보여주고 있습니다. 일종의 가계도라고 할 수 있지요. 나중에 오픈소스를 다룰때 이야기할 겁니다만(자꾸 나중에 이야기하겠데..ㅠㅠ) RepRap 프로젝트 안에는 요즘 가장 많이 볼 수 있는 직교좌표 형태의 제품부터 병렬로 축을 구성한 델타형태, 노즐 뭉치가 있는 헤드를 X축, XY출, XZ축 YZ축 중 어디에 배치하며 베드는 어느 축에 배치하는 가에 따른 형태의 구분, 그리고 SLA 타입의 형태까지 정말 많은 종류가 있다는 것을 알 수 있습니다.

미드 스타게이트에 등장하는 레플리케이터(Replicator). 출처:stargate.wikia.com

 제가 한 때 좋아했던 미국 드라마 중 스타게이트라는 드라마가 있습니다. 제 블로그에도 잠시 소개했었는데요.[바로가기] 위 그림은 그 드라마에 나오는 레플리케이터라는 로봇입니다. 장난감처럼 생겼지만 저 놈들의 가장 무서운 점은 작은 셀로 구성된 저 조각조각들이 다른 어떤 형태의 형체도 만들고 자기 복제가 가능하다는 겁니다. 그래서 replicator라는 이름입니다. 뜬금없이 왠 미드 타령이냐면 RepRap의 모토가 또 그 이름처럼 자기 복제이기 때문입니다. RepRap의 공식 홈페이지[바로가기]에 보면,

Since many parts of RepRap are made from plastic and RepRap prints those parts, RepRap self-replicates by making a kit of itself - a kit that anyone can assemble given time and materials.

- 출처 : RepRap 공식 홈페이지

라고 적혀있습니다. 번역은 못하겠습니다.ㅠㅠ. 그래서 그냥 좀 어색하지만 RepRap 홈페이지의 도움을 받아 보면, RepRap의 많은 부속들은 플라스틱으로 이루어져 있고, RepRap은 그 부속들을 직접 제작할 수 있다는 겁니다. 그렇기 때문에 RepRap은 시간과 재료만 있다면 아무나 자기복제를 할 수 있다는 이야기입니다. 즉, RepRap을 가지고 있다면 친구에게 RepRap을 프린트해서 선물해 줄 수 있다는 이야기입니다. 어마어마한 이야기지요. 또 기업용이 아니라 저가의 개인용, 혹은 보급용, 뭐 혹은 데스크탑용이라면 충분히 매력있는 이야기기도 합니다.

(좌측부터) RepRap 프로젝트의 Medel, Huxley 그리고 파생된 Deltabot
출처 : RepRap 공식 홈페이지

 아무튼 RepRap 프로젝트에서 시작된 거의 공짜로 3D 프린터를 직접 만들고, 또 그걸로 뭔가를 해보자는 목적에서 시작된 이 프로젝트는 그 유명한 Mendel 모형을 2009년 10월에 발표합니다. 사실 이 모델에서 요즘 나타나는 각 종 박스형 제품부터 다들 파생되었다고 봐도 됩니다. 위에 있는 RepRap 가계도(^^)를 확인해보시면 됩니다.

당신이 RepRap을 가지고 있다면 친구에게 그냥 RepRap을 프린트해서 선물할 수 있다.

이 개념이 RepRap의 모든 것을 말해 줍니다. 이 오픈소스의 개념이 결국 몇 명의 직원만 가지고 3D 프린터 산업을 창업할 수 있는 원동력이 된 것이고, 그렇게 해서 3D 프린터의 개념을 상대적으로 늦게 받아들인 (심지어 중국보다도) 우리 나라에서도 벌써 십여개의 3D 프린터 회사가 (그것도 작은 벤쳐기업 형태로) 탄생될 수 있는 배경이기도 하다는게 제 생각입니다.
 즉, 연구와 개발은 이미 RepRap이 했고, 말그대로 오픈된 마인드로 기구의 설계 도면, 나사 하나까지도 공개된 부품 리스트, 구동 회로의 회로도나 PCB Artwork, PC 측 구동 프로그램까지 모두 오픈 소스로 공개되었습니다. 그걸 바탕으로 전 세계의 관심있는 개인 혹은 벤쳐형태의 기업 또 작은 중소기업에서 다들 이미 연구 개발된 이 제품을 자신들의 색깔을 입혀서 3D 프린터를 출시하게 된 것입니다.
 그런 의미에서 3D 프린터의 개념은 스콧 크룸과 척 헐이라는 사람과 또 많은 사람들이 만들고 상용화했지만, 그들이 생각한 Prototype의 생산에서 한 단어가 더 붙은 Rapid Prototype 분야와 자기 복제 Replicator라는 개념이 적립되고 또 더 무시무시한 오픈 소스 Open Source의 개념을 가지면서 (제가 볼때는) 현재까지 모든 개인용 3D 프린터라고 표방한 상품들의 원조는 사실상 RepRap입니다.

3D 프린터란 무엇인가라는 연재의 첫 회를 마치며...

 사실 이걸 연재할 생각이 없었습니다.ㅠㅠ. 그냥 3D 프린터란 무엇일까? 과연 이걸 일반 사용자들이 종이에 인쇄하는 잉크젯 프린터처럼 가정에서도 필요로 할까?라는 의문에서 시작된 생각이 이렇게 연재로 나타나게 되었습니다.ㅠㅠ. 뭐 어찌되었든 이 글은 오류가 있을 수도 있습니다. 워낙 많은 종류의 다양한 자료들이 많은데다 이게 열정적으로 일하는 많은 사람들이 있는 관계로 동시 다발적으로 진행되는 경우가 많아서 말이죠. 아무튼 제가 볼때, 가장 중요한 3D 프린터의 탄생과 (물론 그 중에서도 대표적인 두 건) 또 현재 개인용 3D 프린터라는 모토에 비춰볼때 가장 영향력이 큰 RepRap을 살짝 소개해 보았습니다. 물론 오픈소스진영에 Ultimaker등등의 많은 강력한 단체들이 있지만, 그 시작은 역시 RepRap이라고 할 수 있을 듯 해서요. 이제 지금 알려진 대표적인 두 방식인 FDM (앞으로는 FFF 방식이라고 하겠지만)과 SLA 타입의 프린팅 원리에 대해 다음 연재에서 다루겠습니다. 그리고, 마지막으로는 다시 오픈소스 진영으로 돌아가서 실제 어떻게 프린트가 되는지 개인입장에서 정리하면서 RepRap 프로젝트를 정리해보겠습니다.