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4D 프린터3D 프린팅을 넘어선 새로운 시장기회
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승인 2017.07.18  10:57:07
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KISTI 산업정보분석실 선임연구원 김지희(Tel: 02-3299-6293 e-mail: kjh@kisti.re.kr)

 [ 요약 ]

1. 4D 프린팅 기술은 다중적 3D프린팅을 통해 복합물질을 형성하고 자가 변환(self transformation)이라는 새로운 기능을 추가시킨 기술로, 인간의 개입 없이 가열, 진동 및 중력부터 공기역학까지 각기 다른 에너지 원천에 의해 자극을 받아 자가 조립시키는 기술이다.
2. 4D 프린터 시장규모는 2019년 6,300만 달러에서 연평균 42.95% 성장하여 2025년 5억 5,560만 달러로 약 9배 커질 것으로 예상되며 항공우주, 자동차, 의류, 건설, 국방, 헬스케어, 공공 기술 등 매우 다양한 분야에 활용되고 있다.
3. 4D 프린팅의 보급이 확산되면 조립공정에서의 시간과 비용이 절감됨에 따라 제조원가의 하락하고 이로 인해 경쟁력을 확보할 수 있기 때문에 경쟁이 치열한 제조업에서는 4D 프린팅을 도입하려는 움직임이 증가될 것으로 예상된다.

스스로 조립하는 4D 프린팅
4D 프린팅 기술을 간단히 말하면, 자신의 형태를 스스로 바꾸어 3D 구조를 만드는 기술로서, 스마트 소재(Smart Material)를 활용한 3D 프린팅 기술이다. 스마트 소재는 형상기억물질처럼 열이나 물처럼 특정 외부 조건 아래에서 모습이 변하는 소재를 뜻한다. 3D 프린터를 활용해 어떤 제품의 부품들을 만들었다고 가정하면, 이후 우리는 이 제품을 만들기 위해 부품을 조립하는 과정을 거쳐야 한다.

그러나 4D 프린팅의 경우에는, 3D 프린터로 뽑아낸 스마트 소재의 제품이 특정 조건에 놓이면 스스로 모습을 변화시키게 된다. 즉 전통적인 제조과정에서 필수적이었던 조립 과정이 필요 없게 되는 혁신적인 기술이다. 4D 프린팅 기술을 활용하면 우주와 같은 극한적 환경에서 자가 조립은 물론이고 환경에 따라 변환될 수 있는 기능을 갖춘 시스템이 구현될 수 있다.

다시 말해, 4D 프린팅은 3D의 확장 개념으로, 성능이나 효율성, 품질 면에서 기존 제조 기술보다 우수하기 때문에 더 많은 기능을 보유한 신제품을 생산할 수 있다. 이로 인해 프로세스 속도를 높이고 노동력을 줄일 수 있다. 또한 4D 프린팅은 항상 똑같은 크기로 출력하는 것이 아니라 맞춤형으로 패턴, 스타일이나 크기, 유연성을 조절할 수 있다는 장점이 있다. 아래 그림은 4D 프린팅의 핵심으로 부품 설계도를 3D 프린터에 넣고 출력하면 스스로 조립된다는 것을 나타낸 예이다.

   
 
4D 프린팅 기술은 자신의 형태를 스스로 바꾸어 3D 구조를 만드는 기술로서 제조과정에서 필수적이었던 조립 과정이 생략되어 성능이나 효율성, 품질 면에서 기존 제조 기술보다 우수하기 때문에 더 많은 기능을 보유한 신제품을 생산할 수 있다.

4D 프린팅 시장은 최종소비자(END-USER)산업으로 세분화 될 수 있으며, 아래 그림과 같이 국방, 항공우주, 건설, 헬스케어, 자동차, 의류 및 공공기술에 활용되고 있다. 산업별로 4D 프린팅 활용을 타임라인으로 살펴보면 2020년에는 건설, 헬스케어, 2021년까지는 자동차, 의류, 공공기술, 2019년에는 항공우주, 국방산업에 적용될 것으로 분석된다.

   
 
Frost&Sullivan(2014)의 보고서에 따르면, 4D 프린팅 기술은 2016년부터 상용제품이 출시될 것으로 전망된다. 소비재 중에서 패션과 생활용품 시장에 가장 먼저 영향을 줄 것으로 예상했고, 이어서 가정용 가전제품에 영향을 줄 것으로 보았다. 전기전자 부품 중에서는 일명 스마트센서(Smart Sensors) 개발에 기여할 것이고 궁극적으로 적응형 센서(Adaptive Sensors) 개발에 일조할 것으로 내다보았다.

마지막으로, 산업용 시장에서는 보건의료산업의 인공생체조직(Artificial Tissue)와 바이오 프린트(Bio Prints), 인공생체기관(Artificial Organ)을 중심으로 빌딩건설 재료(ex, 파이프)와 각종 기계장치와 도구, 자동차 바디 등에 이용될 것으로 전망된다.

   
 
다양한 응용 분야로 꾸준한 성장 전망

MarketsandMarkets 시장예측보고서에 따르면 4D 프린터 시장 규모가 2019년 6,300만 달러에서 연평균 42.95% 성장하여 2025년 5억 5,560만 달러로 약 9배 커질 것으로 예상된다. 앞서 말한 것과 같이 ‘4D 프린터’가 커버할 수 있는 영역은 항공우주, 자동차, 의류, 건설, 국방, 헬스케어, 공공 기술 등 매우 다양하다.

최종소비자(END-USER) 산업별 4D 프린팅 시장 규모를 살펴보면 아래 표와 같다. 항공산업의 경우 2019년에는 28.4백만 달러에서 연평균 34.2% 성장하여 2025년에는 165.9백만 달러, 자동차산업의 경우에는 2021년 11.3백만 달러에서 연평균 20.2% 성장하여 2025년에는 23.6백만 달러에 이를 것으로 전망된다.

4D 프린터 시장 규모는 2019년 6,300만 달러에서 연평균 42.95%로 성장하여 2025년에는 5억 5,560만 달러로 약 9배 커질 것으로 예상된다.

   
 

   
 
국가별로 4D 프린팅 시장을 예측하면 북미 시장은 2019년 26.6백만 달러에서 2025년 230.5백만 달러로 CAGR 43.3%으로 성장할 것으로 분석되며, 아시아-태평양 시장이 2019년 14.1백만 달러에서 2025년 172.6백만 달러로 CAGR 51.8% 가장 높은 성장률을 보이고 있다.

4D 프린팅 산업 및 업체동향
현재 ‘4D 프린터’시장에 진출하고 있는 업체는 3D 프린터 세계 1위 업체인 Stratasys를 비롯하여 3D Systems, Autodesk, Exone, Organovo 등이다.

4D 프린팅 산업의 가치사슬은 최종소비자와 4D 프린터 제조업체, 4D 프린터용 재료 공급 업체, 4D 프린팅 설계소프트웨어 업체로 구성된다. 4D 프린팅 최종소비자는 개인고객에서부터 자동차 산업, 항공기 산업, 군수 산업 등의 기업고객까지 다양하다. 4D 프린터 제조업체는 최종소비자가 원하는 4D 프린팅 작업을 수행할 수 있는 4D 프린터를 개발하고 제조해서 판매하는 역할을 담당하며, 대표적인 회사로는 Stratasys(U.S.)가 있다. 4D 프린팅용 재료 제공업체는 4D 프린팅에 사용할 재료를 개발하고 양산하는 역할을 담당하며, 대표적인 회사로는 3D 프린팅 서비스업체인 i.materialise가 있다.

4D 프린팅 설계소프트웨어 제공업체는 4D 프린터를 작동시키기 전에 컴퓨터상에서 제품을 설계하고 보완하는 것을 도와주는데, 이 분야의 대표적인 업체로는 Autodesk와 CATIA, 3DView SolidView 등과 같은 CAD/CAM업체들이 있다. 현재 ‘4D 프린터’시장에 진출하고 있는 업체는 3D 프린터 세계 1위 업체인 Stratasys를 비롯하여 3D Systems, Autodesk, Exone, Organovo 등이다.

   
4D 프린팅 산업의 가치사슬(Value Chain)
초기 개발 단계를 이용한 세계 시장 선점

4D 프린팅 기술은 아직 초기 개발 단계이기 때문에 관련 업체들이 넘어야 할 산이 많지만, 이 기회를 잘 이용한다면 우리나라 중소기업들이 4D 프린팅 세계 시장에서 우뚝 설 수 있을 것으로 사료된다.

Frost&Sullivan(2014)보고서에 의하면 “대량 생산이 가능해진 후 몇 년이 지나면, 4D 프린팅 기술 비용은 떨어질 것이고 광범위한 산업들에 걸쳐 다양한 기업들이 자신들의 생산 시스템을 4D 프린팅 기술로 통합시키는 사례가 늘어날 것이고, 특히 북미에서는 관련 연합이나 연구 기관, 대학, 벤처기업, 대형 업체 등 이들의 R&D 투자를 장려하는 낙관적인 재정 환경으로 4D 프린팅 활용도는 더욱 높아질 것이다.”라고 전망하고 있다.

4D 프린팅 기술은 새롭게 등장한 분야이므로 아직 초기 개발 단계에 머물러 있어 관련 업체들이 넘어야 할 산이 많다. 하지만 이런 기회를 잘 이용한다면 우리나라 중소기업들이 4D 프린팅 분야에서 세계 업계로 우뚝 설 수 있을 것으로 사료된다.
 

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