3D프린터 활용의 확대

10년사이에 더 명확해진 유저 용도

약 10년 전, ‘누구나 제조업체가 될 수 있는’ 툴로서 화제를 모았던 3D프린터(부가제조(AM) 장치). 당시에는 개인 취미나 시제품 범위를 넘어선 활용 사례가 적었기 때문에 산업 용도로는 아직 사용하기 어렵다는 이미지가 퍼지면서 붐은 종식됐다.

그런데 착실하게 기술이 진보하면서 유럽과 미국을 중심으로 점점 최종 제품을 만드는 수단으로서 이용하고 있다. 유럽이나 미국과 비교해 3D프린터의 보급이 늦은 일본에서도 조금씩 활용 사례가 증가하기 시작했다. 선진적인 활용 사례와 함께 최근의 개발 동향을 소개한다.

Part 1. 총론: 3D프린터 활용의 물결
최근 10년새 명확해진 유저의 용도

“10년 전과 달리 최근에는 유저의 용도가 명확해지고 있다”. 3D프린터 업계 관계자는 이구동성으로 이렇게 말한다. 3D프린터가 세상에 널리 알려진 것은 약 10년 전이다. 당시에는 개인 취미 용도나 시제품용이 주된 용도였다. 그러나 최근에는 산업용 장치로 이용하는 기업이 늘고 있다.
|
그 용도도 시제품에 그치지 않고 최종 제품의 중소량 생산이나 금형 보수 등으로 다양해지고 있다. 새로운 3D프린터 활용의 물결이 눈 앞으로 다가와 있다.

압도적 잠재력, 하지만 실용의 길은 멀어

파워디바이스 재료는 일반적으로 밴드갭(Bandgap)이 넓을수록 우수한 특성을 갖는 경향이 있다. 이 때문에 탄화규소(SiC)의 밴드갭 에너지(3.3eV)를 크게 웃도는 질화알루미늄(AlN, 약 6eV), 입방정 질화붕소(c-BN, 약 6.5eV), 루틸형 이산화게르마늄(r-GeO2, 약 4.6eV)은 우수한 재료라고 할 수 있다.

하지만, 이 재료들에는 극복해야 할 과제들도 많이 남아 있으며, 다이아몬드 등 다른 울트라와이드밴드갭(UWBG) 반도체에 비해 연구가 크게 뒤처진 것도 사실이다. 실용화의 성패는 이 재료들의 압도적인 잠재력을 끌어낼 수 있느냐에 달려 있다.

■ 질화알루미늄(AlN)
트랜지스터 동작에 첫 성공

질화알루미늄은 질화갈륨(GaN)과 질화알루미늄갈륨(AlGaN)의 연장선상에 있는 질화물 반도체로, 파워디바이스 및 발광 소자로서의 연구가 진행되고 있다. 질화알루미늄 재료를 오랜 기간 연구해 온 NTT에 따르면, 지금까지 질화알루미늄이 트랜지스터로서 동작한 연구 보고 사례는 없었다고 한다. 이러한 가운데, NTT 물성과학기초연구소 다원물질창조과학연구부 박막재료연구그룹이 2022년 4월, 세계 최초로 질화알루미늄 트랜지스터의 동작을 실현했다고 발표했다.

JR 규슈 엔지니어링, 슬라이더 교환이나 연마에

JR 규슈의 자회사인 JR 규슈 엔지니어링은 2022년 12월, 신칸센의 부품 교환에 협동 로봇을 도입했다. 소속 열차인 팬터그래프가 가선과 접촉하는 부분에 있는 부품 ‘슬라이더’를 교환하거나 연마하는 작업에 이용하고 있다.

JR 규슈의 신칸센 차량은 최대 시속 300km로 주행하며, 슬라이더는 가선과 접촉하면서 마모되기 때문에 JR 규슈 엔지니어링의 경우, 1~2주에 한 번 정도의 빈도로 교환하고 있다.

JR 규슈 엔지니어링에서는 연간 약 1,500개의 슬라이더를 교환하고 있다. 이에 소요되는 노동력을 줄이기 위해 로봇을 도입했다. 야스카와전기와 공동으로 로봇 시스템을 개발했다. 야스카와전기의 협동 로봇 ‘MOTOMAN-HC20DTP’를 이용하고 있다.

-- 구마모토 거점에 도입 --
로봇을 도입한 것은 구마모토현에 있는 JR 규슈 엔지니어링의 ‘신칸센 구마모토 차량사업소’이다. 신칸센 차량을 검사하거나 수선하는 거점이다. 이 사업소에서는 베테랑 사원의 퇴직 등으로 인해 노동력 부족이 현재화되고 있어 대책이 필요했다.

도입의 성패를 쥐는 현장의 준비 태세

AMR(Autonomous Mobile Robot, 자율이동로봇)이란 공장의 창고에서 부품이나 제품을 적재하거나, 부품이나 제품이 적재된 카트를 견인해 지정한 장소까지 자동으로 이동하는 무인자동운반장치(Automatic Guided Vehicle: AGV)의 일종이다. 경로를 지시하는 자기(磁氣)테이프와 광(光) 반사테이프, QR코드 등 가이드(유도체)에 따라 이동하는 기존의 AGV와 구별하는 것이 일반적이다.

AMR의 대부분은 LiDAR나 SLAM(Simultaneous Localization and Mapping: 자기 위치 추정과 환경 지도 제작) 등의 기능이 탑재되어 있다. 이를 통해 자신의 위치를 파악하고 주위 지도를 자동으로 생성하며 경로상의 장애물을 피하거나 일시 정지하면서 소정의 장소까지 자율적으로 이동할 수 있다.

AMR은 스마트팩토리를 실현하기 위한 중요한 기술 중 하나로, 생산연령인구 감소에 따른 현장의 인력 부족을 해소하기 위해 도입하는 공장이나 창고가 늘고 있다. 무인 운반뿐만 아니라 평일이나 휴일, 새벽이나 심야를 불문하고 24시간 가동할 수 있는 기종도 있어 생산성 향상에 기여할 수 있을 것으로 기대되고 있다.

하지만 충분한 도입 실적이 없기 때문에 도입 시의 비용이나 번거로움, 컨베이어 등 공장이나 창고 내 다른 설비와의 연계에 불안감을 느껴 도입을 주저하는 기업도 적지 않다.

중요한 정보자산을 지키기 위해서는

현재 널리 사용되는 'RSA 암호' 등의 안전성이 위기에 처했다. 양자컴퓨터의 완성으로 암호가 해독될 리스크가 높아지고 있기 때문이다. 방위나 의료, 금융 분야 등에서는 내양자계산기 암호로 전환할 필요가 있다.

앞으로 양자컴퓨터에 의한 암호 해독 위험성이 특히 지적되는 것은 ‘RSA 암호’나 ‘타원곡선 암호’이다. RSA 암호는 자릿수가 큰 소인수분해, 타원곡선 암호는 타원곡선상의 이산대수 문제가 슈퍼컴퓨터에서도 현실적인 시간에 풀기 어렵다는 것을 안전성의 근거로 한다.

하지만 양자컴퓨터에서 미국의 수학자 피터 쇼어가 1994년에 개발한 ‘쇼어 알고리즘’을 사용하면 이들 암호를 효율적으로 풀어 버린다. 무엇보다 RSA 암호나 타원곡선 암호를 뚫을 만한 능력을 가진 양자컴퓨터는 아직 존재하지 않는다. 후지쓰는 23년 1월 23일에 양자 시뮬레이터를 활용한 RSA 암호의 안전성 평가를 공표하고, 2048 비트의 RSA 암호 해독에는 약 1만 양자비트와 약 2조 2300억의 양자 게이트 수, 깊이 약 1조 8,000억의 양자회로가 필요하며 약 104일간 양자비트를 오류 없이 유지할 필요가 있다고 했다.

현재 양자컴퓨터는 수십~수백 양자비트로 오류 정정도 불가능하다. 

인사말
데이터와 테크놀로지로 지속 가능한 사회의 실현으로

Voices and Visions
‘대화’를 통해 창조하는 미래
-Planetary boundaries 안에서 웰빙을 지향하는 Society 5.0의 실현으로-

Leaders’ Vision 히타치의 글로벌 성장 전략
‘디지털이 중요한 성장 드라이버’
-히타치 디지털의 다니구치 CEO에게 듣는 디지털 전략-

디지털시스템 & 서비스
-서비스 & 플랫폼
-금융시스템
-사회시스템
-IT서비스

그린에너지 & 모빌리티
-파워그리드

우리들의 생명을 지켜주는 미래의 기술

Introduction: 의료의 미래를 구축하는 것

Part 1. 정밀한 생명
- 개인에게 맞춘 차세대의 의료: DNA해석과 데이터 해석 기술의 진보로, 암이나 심장병의 리스크를 예측하여 한 사람마다 최적의 치료와 예방법이 선택가능
- 자폐증의 전조를 조기 발견: 자폐증을 가진 어린이는 뇌의 성장이 너무 빠른 것을 알게 되어, 예방과  증상의 경감이 가능

Part 2. 바이러스의 감염을 방지
- 다음에 유행할 치사성 바이러스의 탐색: 새로운 바이러스의 탐색과 팬데믹 발생원의 추적조사
- 새로운 백신의 등장: COVID-19 백신에 사용되었던 mRNA라는 기술은 향후에 새로운 병원체에 대한 예방접종의 개발에 불가결한 것이 될 것

Part 3. 감각에 충실한 인생