3D 푸드 프린팅(3D Food Printing)

최근 보도된 자료에 의하면 미국 콜롬비아 대학 연구원들이 3D 프린터를 이용하여 케이크를 만들었다고 한다. 그들은 식용 잉크와 식용 종이를 사용해 다양한 모양과 패턴의 케이크 토핑을 출력하고, 그것을 실제 케이크 위에 올려서 완성했다. 이 토핑에 전자회로를 내장하여 LED나 스피커 등의 전자기기를 작동시킬 수 있도록 만들어 원하는 음악이나 메시지를 재생할 수 있다고 한다. 콜롬비아 대학 연구팀과 리프카인 교수는 이러한 3D 프린팅 기술을 '디지털 가스트로노미(Digital Gastronomy)'라고 부른다. 음식과 기술의 경계를 넘어 사람들에게 색다른 경험과 감동을 줄 수 있는 분야라고 말했다. 실제 3D 푸드 프린팅은 많은 기업과 연구진들이 개발하고 있고 일부 상용화 된 제품들도 있다. 현재 3D 프린터의 개발상황과 응용분야, 그리고 3D 푸드 프린팅에 대해 알아보자.

 

3D 프린터의 역사

일본 히데오 코다마가 빛을 이용하여 액상 광경화수지를 고체화시키는 방법을 제안하였으나 특허를 받지 못했다. 그 후 1984년 미국의 찰스 헐이 스테레오리소그래피(Stereolithography, SLA)라는 방식으로 최초의 3D 프린팅 기술을 특허로 등록하였다. 이 방식은 레이저를 이용하여 액상 광경화수지를 적층하는 방법이다. 1987년 칼 석스가 선택적 레이저 소결(SLS)이라는 방식을 특허로 등록하였고 이 방식은 파우더 형태의 재료를 레이저로 가열하여 고체화시키는 방법이다. 1989년 스콧 크럼이 융착 적층 가공(FDM)이라는 방식을 특허로 등록하였는데, 이 방식은 열가소성 재료를 압축하여 적층하는 방법이다. 

 

1990년대부터 2000년대에 걸쳐 다양한 3D 프린팅 기술과 재료가 개발되었다 예를 들면, 복합재료, 금속, 세라믹, 바이오 재료 등을 사용할 수 있는 기술이 등장한 것이다. 또한, 디지털 조명 처리(DLP), 바인딩 젯팅(BJ), 폴리젯(PJ), 멀티 젯 모델링(MJM), 나노 입자 젯팅(NPJ), 직접 에너지 전달(DED) 등의 다양한 작동 원리와 이름들이 생겨났다. 

 

 

3D 프린터의 응용 분야

3D 프린터란 물체의 모양을 컴퓨터로 설계한 후, 층층이 재료를 쌓아 만드는 기계이다. 3D 프린팅 기술은 다양한 재료와 방식을 사용할 수 있으며, 전통적인 제조 방식보다 더 빠르고 저렴하게 복잡한 형태의 제품을 만들 수 있다. 3D 프린팅 기술은 현재 다양한 산업 분야에서 활용되고 있다. 

 

(1) 의료 분야: 3D 프린팅 기술은 인공 장기, 보철물, 의료기기 등을 제작하는 데 사용된다. 3D 프린터로 인공 심장이나 귀를 만들 수 있으며, 환자의 신체에 맞춘 보철물이나 보조기구를 제작할 수 있다. 또한, 약물이나 백신을 인쇄하는 연구도 진행되고 있다. 네덜란드와 한국에서는 각각 세계 최초로 3D 프린팅 두개골과 척추 보형물을 환자에게 성공적으로 이식한 사례가 있다. 현재 3D 프린팅 기술의 의학적 응용에서 가장 관심이 큰 분야는 가상 수술이다. 3D 프린터를 이용하여 환자의 신체 부위나 장기를 정밀하게 모형으로 만들어서 수술 전에 시뮬레이션을 할 수 있다. 이 경우 수술의 난이도와 위험성을 평가하고 최적의 수술 방법과 도구를 선택할 수 있다. 또한 의사가 되기 위해 공부하는 학생들의 실습에도 많은 도움을 주고 있다. 

 

(2) 건설 분야: 건물이나 다리 등의 구조물을 만드는 데 사용되고 있다. 콘크리트나 플라스틱 등의 재료를 적층하여 집이나 호텔을 건설할 수 있으며, 강철이나 섬유강화플라스틱 등의 재료로 다리나 교량을 만드는 것이다. 3D 프린팅 기술은 건설 시간과 비용을 줄주고 환경친화적인 재료를 사용할 수 있다는 장점이 있다. 

 

(3) 제조 분야: 자동차부터 항공기까지 다양한 제품을 만드는 데 사용된다. 자동차의 엔진이나 바디 부품을 제작할 수 있으며, 항공기의 날개나 터빈 등의 부품 제작이 가능하다. 또한 3D 프린터로 패션 아이템이나 가전제품 등도 만들 수 있으며, 맞춤형 제품을 고품질로 생산할 수 있다는 장점이 있다. 

 

 

3D 프린터 관련 자격증

(1) 3D 프린터 운용 기능사: 3D 프린터를 운영하기 위한 기본적인 능력을 인정받는 자격증으로 시장 조사, 제품 스캐닝, 디자인 및 모델링, 출력 & 후가공 등의 업무를 수행할 수 있다. 한국산업인력공단에서 시행하며, 객관식 필기시험과 작업형 실기시험으로 구성되어 있다. 필기시험은 4개 과목으로 이루어져 있으며 과목당 20문항을 풀어야 한다. 실기 시험은 G코드로 변환한 파일을 프린터에 출력하고 후가공하는 작업이다. 

 

(2) 3D 프린터 개발 산업 기사: 3D 프린터를 개발하기 위한 전문적인 능력을 인정받는 자격증으로 회로 및 기구 설계, 장치 제어, 프로그램 개발, 품질 보증 및 안전 관리 등의 업무를 수행할 수 있다. 한국 산업 인력 공단에서 시행하며 객관식 필기시험과 복합형 실기시험으로 구성되어 있다. 필기시험은 4개 과목으로 이루어져 있고, 실기시험은 아두이노와 연결된 회로와 장치를 설계하고 제어하는 작업이다.

 

 

3D 푸드 프린팅의 원리와 활용

3D 푸드 프린팅은 주로 두 가지 방식으로 이루어진다. 하나는 FDM(Fused Deposition Modeling) 방식으로 고체 식품 원료를 반죽처럼 갈거나 개어서 풀처럼 액체화한 후 노즐을 통해 적절한 온도와 압력으로 출력하는 방법이다. 이 방식은 팬케이크, 케이크 장식, 초콜릿 등 다양한 쿠키 요리를 만들 수 있다. 다른 하나는 SLA(Stereolithography) 방식으로 액체 식품원료에 레이저나 UV 광선을 조사하여 굳히는 방법이다. 젤리나 푸딩 같은 연한 음식을 만들 수 있다. 

 

3D 프린터로 만들 수 있는 음식의 종류는 다양하다. 가장 대표적인 예로는 파스타와 피자가 있다. 파스타 제조업체 바리라는 3D 프린터를 이용해 다양한 모양과 크기의 파스타를 제작하고 있으며, 피자 전문업체 비헥스(Beehex)는 NASA의 지원을 받아 우주인들이 화성 탐사할 때 간단하게 피자를 만들 수 있는(10분 안에) 3D 프린터를 개발했다.

 

3D 프린터로 케이크, 초콜릿, 과자 등의 디저트를 만들 수 있고, 원하는 모양과 장식을 자유롭게 추가할 수 있다. 또한, 여러 스타트업들이 3D 프린팅 기술을 활용해 대체육을 개발하고 있는데, 이스라엘 스타트업 리디파인미트는 식물성 재료로 스테이크를 출력하는 3D 프린터를 만들었으며, 치킨 전문업체 KFC도 치킨 너겟과 날개를 출력하는 3D 프린터를 시범 운영하고 있다. 

치킨 너겟을 출력하는 바이오 3D 프린터를 운영 중인 KFC

3D 푸드 프린팅은 좀 더 발전된 형태로 해산물까지 출력할 수 있게 연구되고 있다. Legendary Vish라는 EU 지원 프로젝트는 연어와 참치 등의 생선을 출력하는 3D 프린팅 기술을 연구하고 있으며, 식물성 재료와 세포 배양 기술이 사용되고 있다. 

 

 

어떤 형태의 물건이든 자유롭게 만들 수 있어 의료, 건축, 패션, 예술 등 다양한 분야에서 활용되고 있는 3D 프린터는 전통적인 제조 방식에 비해 비용과 시간을 절감하고 맞춤형 제품을 생산할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 따라서, 소규모 제조기업이나 개인 창작자들은 3D 프린터를 활용해 제조 비용을 절감하고 다품종 소량 생산을 통해 사업 활성화를 노릴 수 있다. 또한, 새로운 소재를 사용하여 기존에 없던 제품을 만들 수 있기 때문에 소재의 다변화와 소프트웨어 및 하드웨어의 진보는 미래 산업의 전반적인 분야에서 폭넓게 활용될 것으로 보인다.