세계 적층제조 시장 23조 돌파, 세계 금속 3D프린터 3천대

SLS·BJ 성장에 폴리머 분말 시장↑, 항공우주·방산용 금속소재 수요↑

韓 기업체 수요로 금속 3D프린터 보급 3백대 육박, 방산 연계 발전 기대

최근 국내외 적층제조(AM) 시장은 코로나 팬데믹 이전 시장성장률을 회복하고 있는 중이다. 3D프린팅 전문 시장조사기관인 ‘Wohlers Report 2023’에 따르면 2022년 세계 적층제조 시장 규모는 180억달러(한화 23조4천억원)를 기록했다. 적층제조 시장규모는 크게 서비스(Service) 영역과 장비, 소재, S/W 등의 제품(Product)로 구별되는데 전체 시장규모의 60%를 서비스가 차지하고 있다.

적층제조 시장성장률은 코로나가 전세계를 강타하던 2020년 7.5%에 불과했으나 21년 19.5%, 22년 18.3%로 팬데믹 이전의 성장률을 회복하면서 관련 시장이 성장주기상 성숙 단계에 진입하고 있음을 간접적으로 보여주고 있다.

2022년 세계 적층제조 장비시장은 37억9,500만달러(4조9천원)이며, 소재시장의 경우 32억6천만달러(4조2천억원)로 추정되고 있다. 이중 폴리머 분말시장은 12억3,600만달러로 전체의 37.9%를 차지하며 가장 큰 시장을 가지고 있으며 광경화성수지와 필라멘트가 각각 6억8,400만달러(21%), 금속이 5억9,300만달러(18.2%)를 차지했다.

소재시장에서 주목해야 할 점은 2020년 광경화성수지 시장이 폴리머 분말에 역전 당한 이래 격차가 점차 커지고 있다는 것이다. 이는 최근 레이저를 사용하는 SLS 방식과 또는 바인더를 사용하는 바인더 제팅 방식으로 폴리아라미드(PA) 등 엔지니어링 플라스틱을 사용해 단순 시제품이 아닌 고강도 엔지니어링 부품 양산 사례가 증가하고 있음을 의미한다.

금속의 경우 PBF 및 DED용 분말이 대부분 차지하며, 최근 바인더 제팅용 미세분말과 w-DED용 와이어의 수요도 증가할 것으로 예상된다. 이러한 금속소재의 경우 2015년 8,800만달러 수준이었으나 2022년에 7배에 육박하는 5억9,300만달러로 지속적인 성장을 하고 있다.

향후 금속소재 시장의 연간 성장률은 21.9%, 플라스틱 소재 시장은 19.8%로 2030년에는 금속소재 시장이 가장 큰 시장으로 부상할 것으로 예상되고 있다. 소재시장의 전망은 금속 장비시장과 밀접한 연관성이 있는데, 전 세계 금속장비의 경우 2015년 1천대에 불과했던 것이 2021년 2,397대, 2022년 3,049대로 급속히 증가하고 있다.

▲ 전 세계 적층제조 시장의 매출 추이(출처: Wohlers Report 2023)

▲ 전 세계 적층제조 소재별 시장 비율(출처: Wohlers Report 2023)

▲ 전 세계 금속 적층제조 장비 판매 대수(출처: Wohlers Report 2023)

■항공우주·방산 수요가 이끄는 금속 적층제조 소재 시장

금속 적층제조 소재시장은 항공우주·방위산업 분야를 중심으로 성장할 전망이다. 시장조사기관인 Market and markets에서 발표한 2026년 적층제조 응용분야별 시장전망에 따르면 항공우주 및 방위분야는 2021년 4,900만달러에서 연평균 21.9% 성장해 2026년에는 13억3,300만달러로 가장 큰 시장을 형성하면서 특히 금속소재의 수요가 고속성장 할 것으로 예상된다.

이어 자동차(10억8,500만달러), 인쇄전자(7억2,300만달러), 인공관절 등 헬스케어(7억900만달러), 주조 및 단조(5억5,300만달러), 석유 및 가스 등 발전분야(1억6,800만달러) 등으로 시장을 형상할 것으로 예상하고 있다.

▲ 전 세계 적층제조 산업별 시장 전망(Markets and markets 2021 토대로 재작성)

■국내 금속 적층제조, 기업체 수요 증대로 보급 확대

국내에 금속부품의 제조가 가능한 장비는 총 300대 정도가 보급된 것으로 조사됐다. 장비의 보급이 5년 전만 하더라도 테크노파크, 각 지자체에 지원받는 비영리 공공기관과 대학 등에 많이 공급되었으나 최근 5년간은 정부출연연구기관과 기업체를 중심으로 적극적으로 장비가 도입되고 있다.

방식별로 세분하면 형상 자유도가 우수한 금속 부품을 제작할 수 있는 PBF 방식 장비가 대부분이며, DED 방식과 하이브리드 방식도 시장을 차지하고 있는데 최근에는 바인더 제팅 방식 장비를 자이브솔루션즈에서 도입하는 등 바인더 제팅 장비가 새롭게 주목받고 있다.

금속 적층제조 장비를 구입하는데 들어가는 투자비도 만만치 않지만 운영에 필요한 인력, 소재비, 제반비용을 고려할 때 부품 생산이나 서비스를 통한 이윤 창출 없이는 지속적인 운용이 힘들다. 일례로 장비 판매업체 관계자에 의하면 5년 전에 도입한 공공기관의 경우 고장이나 유지보수 인력의 문제로 기업체에 비해 소재 구입 액수가 적으며 장비 가동율은 매우 낮은 것으로 알려졌다. 국내에 보급된 PBF 장비는 90% 이상이 외산장비이나 대건테크는 국방분야에 대형장비를 공급하고 있으며, 큐비콘에서도 최근 중형장비를 개발하여 전자회사 등에 납품하는 성과를 올리고 있다.

국내에서 최근 5년간 기업체의 금속 장비 수요가 늘고 있는 것은 매우 고무적이다. 기업들은 금속 적층제조를 기반으로 고부가 제품 및 서비스 사업을 추진하기 때문에 가동률도 높고 관련 소재의 구입도 많아져 적층제조 시장이 선순환 발전할 수 있다.

사용 용도별로 살펴보면 여전히 전통적으로 치과나 정형외과용 쪽이 활발하다. 에너지 발전 및 방산부품을 제조하는 두산에너빌리티의 경우 8대의 금속장비를 도입했고, 대건테크는 M400 및 M800 등 자체 개발로 국산화한 대형 금속장비를 이용하여 대형 비행체 부품 개발에 성공한 사례가 있다.

금형 및 초내열합금 적층에 특화하고 있는 엠쓰리파트너스가 5대를, 우주항공용으로 스타코와 태성 SNE, 비츠로테크, 휴니드, 한화에어로스페이스, LIG넥스원, 하나AMT, 아우라테크, 프로토텍 등이 금속장비를 운영 중이다.

반도체 관련 장비 부품은 스타코, 동원파츠와 원익 IPS가, 선박용 부품에는 금용기계와 EML 등에서 장비를 보유하고 중소중견의 도약으로 양산화에 들어가면서 가시적인 성과를 보이고 있다. 상기 언급한 장비들은 PBF 장비이나 최근 자이브솔루션즈에서는 바인더 제팅장비를 구축하여 적층에서 최종 소결까지 가능한 시스템을 구축한 바 있으며 금속와이어를 사용하는 w-DED 장비는 슈퍼웰즈와 비즈에서 본격적인 제품양산을 시작한 바 있다.

지역별 장비 도입 상황을 살펴보면 서울 및 경인지역이 제일 많이 보유하고 있으며 다음으로 대구 경북지역, 경남과 울산에 밀집되어 있어 제주도, 부산, 광주, 강원, 전남 등은 상대적으로 거의 불모지와 같은 상황으로 지역적 편차가 매우 크다.

■우주항공 및 방산산업과 연계 발전해야

▲ 스타코에서 적층제조 하고 있는 산화제 펌프(左)와 반도체 웨이퍼 척

금속 적층제조는 해외 선진국을 중심으로 우주항공과 방산 분야에 적용이 활발한 상황인데 후발주자인 우리나라도 관련 분야에서 추격할 수 있는 발판이 만들어지고 있다. 세계 7번째로 자체 기술로 실용 위성 발사에 성공한 우리나라의 경우 나로호, 누리호에 금속 적층부품이 사용된 바 있으며 민간기업인 이노스페이스가 발사에 성공한 한빛 TLV에는 스타코에서 제조한 산화제펌프(LOX 펌프)가 장착됐다.

세계 우주발사체 시장은 일론 머스크가 대주주인 스페이스X의 자회사 ‘스타링크’가 재사용 로켓으로 저비용으로 위성을 발사해 전 세계에서 저궤도 위성통신서비스를 추진하는 등 민간이 우주사업을 주도하면서 향후 2029년 29조원으로 성장할 것으로 예상됨에 따라 적층제조도 동반성장할 것으로 전망되고 있다.

또한 러-우 전쟁이 촉발한 유럽의 안보불안으로 인해 국내 방산수출이 2022년 173억달러로 급증함에 따라 적층제조를 활용한 부품개발도 적극 추진되고 있다. 방산 분야는 그간 단종 및 조달 애로 부품, 수리 유지보수 부품 등에만 국한되었으나 최근 전투기, 자주포, 헬기, 잠수함 등 부품 제작용으로 다양화되고 있다.

향후에는 방산무기에 독자적인 설계기술과 소량 맞춤형 생산이 가능한 고효율 부품을 만들어 실제 장착하는 성공사례가 크게 늘 것으로 예상된다. 이에 정부는 2027년 ‘세계 4대 방산 수출국’으로 도약한다는 목표로 세웠으며 필요한 핵심 소재부품 기술개발을 위해 방사청에서는 2027년 1조원 이상을 투입할 계획을 세우고 있다. 이러한 개발계획에 따라 최근 방사청 및 국방기술진흥연구소에서는 160억 규모의 터보팬 내열부품용 3D프린팅 내열합금 R&D를 공모한 바 있다.

후발주자인 우리나라가 세계 우주항공과 방산 시장에서 경쟁력을 갖추기 위해선 첨단기술 적용이 시급한 상황이다. 우리의 최고 장점인 ICT 기술과 적층제조 기술을 연계해 적층제조가 대한민국 첨단산업 성장을 이끄는 뿌리기술로 자리매김하기를 바란다.