수용액 기반 디지털 제조로 고성능 복합 소재 구현

자연의 제조 방식에서 영감받은 지속 가능한 디지털 제조

자연은 나무, 뼈, 키틴처럼 환경에 반응하며 성장하고 기능하는 놀랍도록 강하고 다재다능하며 적응력 있는 구조물을 만듭니다. 키틴은 갑각류의 단단한 껍질과 유연한 관절을 모두 형성합니다. 자연의 구조물은 폐기물이 거의 없고, 에너지를 거의 쓰지 않으며, 수명이 다하면 재활용됩니다. 반면 인간이 만든 구조물은 일반적으로 규범적이며, 막대한 에너지를 소비하고, 유해 폐기물을 발생시키며, 대부분 재활용되지 않습니다. 미국 환경보호청(EPA) 2018년 데이터에 따르면 플라스틱 재활용률은 9%(2010년 이후 변화 없음), 유리 25%, 금속 33%(모두 2010년 대비 하락)입니다. 디지털 설계 및 제조 기술이 급속히 발전해 정교하고 다기능적인 구조물과 부품 생산을 가능하게 하지만, 이 기술들은 지속 가능성 측면에서는 같은 진전을 이루지 못했습니다.

MIT Media Lab의 Water-Based Digital Fabrication 프로젝트

이러한 영감과 목표로 2013년 MIT Media Lab의 Mediated Matter Group이 Water-Based Digital Fabrication 프로젝트를 시작했습니다. 이 이니셔티브는 지구상에서 가장 풍부한 천연 소재와 로봇 제어 다중 챔버 압출 시스템을 결합한 새로운 디지털 제조 기술을 개발했습니다. 이 시스템은 키틴(갑각류 껍질 추출)과 아세트산 같은 생체복합 용액의 다양한 농도를 증착해 이방성 특성을 가진 구조물을 만듭니다. 밀리미터에서 미터 단위까지 기계적, 화학적, 광학적 특성의 그라데이션을 구현해 독특한 형상과 다기능성뿐 아니라 구조적 자기 조립 잠재력까지 달성했습니다. 예를 들어 다층 복합체 내부의 방향성 증발 응력을 이용해 젖은 증착물이 건조되면서 실린더 같은 형상을 스스로 형성하도록 설계할 수 있습니다.

이 수용액 기반 디지털 제조는 생물학적 환경과 건축 환경 사이의 가교로 구상되었으며, 지속 가능한 건축 패널, 재활용 가능한 포장재 및 소비재, 경량 생분해성 자동차 부품 등에 잠재적 응용이 있습니다. MIT는 이후 셀룰로오스 마이크로파이버, 펙틴, 조류, 세라믹 나노플레이트릿을 이용한 복합재도 탐구했습니다. 그렇다면 이 수계 디지털 증착 기술을 오늘날 급속히 발전하는 연속/단섬유 강화 적층 압출 3D 프린팅 복합 기술과 결합할 수 있다면 어떨까요?

왜 키토산 용액인가?

초기 실험에는 키틴에서 유래한 키토산을 사용했습니다. 셀룰로오스 다음으로 지구상에서 두 번째로 풍부한 천연 고분자인 키틴은 셀룰로오스와 유사한 화학 구조를 가지며, 갑각류와 곤충의 고강도·고인성 껍질뿐만 아니라 관절의 강하면서도 유연한 조직도 구성합니다. Laia Mogas-Soldevila(MIT 핵심 연구자)는 키틴, 셀룰로오스 같은 천연 고분자·다당류가 인공 합성 고분자보다 훨씬 높은 속도로 생산되는 방대한 재생 가능 자원이라고 설명합니다. 다당류 유도체는 기존 석유화학 기반 고분자를 대체해 새로운 물성 조합을 제공하고 더 지속 가능한 제조를 가능하게 할 수 있다고 주장합니다.

Mogas-Soldevila는 2015년 논문 "수계 디지털 설계 및 제조: 키토산 및 그 복합재 프린팅의 소재, 제품, 건축적 탐구"에서 MIT 기술 개발을 훌륭히 개관했습니다. 잉크젯과 노즐 기반 바이오제조 기법을 연구해 조직 성장을 위한 연질 소재 스캐폴드를 제작하는 것에서 착안했습니다.

4% 아세트산 수용액에서 중량/부피(w/v) 농도 1-12%로 키토산 분말을 겔로 가공해 노즐 기반 3D 증착을 시도했습니다. 이 하이드로겔은 3% 농도에서 물꿀 같은 점도의 반투명 액체부터 12%에서 천연 고무 같은 불투명 소재까지 범위가 넓었습니다(Fig. 1). 증착 후 건조된 키토산 필름 초기 결과는 40MPa 인장 강도를 보였고, Mogas-Soldevila는 이를 나일론 폴리머나 목재(섬유 방향)와 비슷하다고 설명했습니다. 구조물은 상온에서 제조 및 경화되었습니다.

새로운 디지털 제조 플랫폼

MIT가 설계한 맞춤형 로봇 적층 제조 플랫폼은 KUKA(독일 아우크스부르크) Agilus KR1100 6축 로봇 팔(54kg 플랫폼, 10kg 페이로드, ±0.03mm 반복정도/정확도)과 압출 기반 엔드 이펙터를 결합했습니다. 새로운 엔드 이펙터에는 키토산 하이드로겔용 6개 배럴이 있으며, 컴퓨터 제어 공기압 시스템(양압: 압축 공기 탱크, 음압: 진공 펌프)에 디지털 PSI 조절기와 트윈 스테퍼 모터로 압출을 제어합니다.

엔드 이펙터 무게는 로드된 주사기와 증착 소재 포함 4kg입니다. 일반적인 유량은 0.5-8mm 내경 노즐로 8-4,000mm³/s 범위입니다. 시스템 선속도는 10-50mm/s. 증착 영역은 1,000mm x 500mm이나, 슬라이딩 프린트 베드로 길이 제한을 나중에 해제했습니다.

스테퍼 모터, 공압 시스템, 로봇 팔은 디지털 제어로 피드/속도 비율 조정, 가변 혼합 비율 및 압출 속도 구현, 원하는 압출 형상과 물성에 따라 증착 압력과 속도를 실시간 튜닝합니다. 로봇 이동과 압출은 명시적으로 연결되지 않아(독립 제어), 각 모터 구동 주사기와 로봇 팔 엔드 이펙터 변위를 독립 제어할 수 있습니다. 이 시스템은 금형 없이 대형 3D 형상을 성공적으로 제작하고 다양한 기하학적 형태와 구조적 특성을 구현했습니다.

디지털 설계에서 증착까지

초기 제조 시도는 나뭇잎과 잠자리 날개 같은 생물학적 구조를 기반으로 했습니다. 주요 종방향 구조가 전체 형상을 제공하며, 더 두꺼운 직경 증착과 높은 소재 농도로 강성을 확보합니다. 2차 구조는 더 얇은 직경과 낮은 농도 소재의 증착 네트워크로 형성됩니다. 제조 시스템은 여러 기법을 사용했습니다: 특정 경로에 다른 농도 용액 적용, 증착 중 압력 디지털 제어로 소재 폭과 높이 제어, 반복 적층. 이 전략들은 위치, 속도, 압력, 소재 지침으로 인코딩돼 실시간으로 KUKA 로봇(위치 제어)과 압출 엔드 이펙터(증착)에 전송됩니다.

먼저 CAD 프로그램에서 구조물을 모델링한 후 맞춤 슬라이싱 소프트웨어로 프린팅 레이어로 변환합니다. 디지털 제어 시스템이 증착 경로를 테스트하고 최적화합니다. 압출 시스템 제어·작동용 기하학적 툴 경로는 Rhino3D 모델링 소프트웨어(Robert McNeel and Associates, 미국)와 스크립팅 플러그인 Grasshopper로 설계했습니다.

시스템은 디지털 설계 관련 독립 파라미터 배열과 기본 기계적·화학적 소재 물성을 인코딩합니다. 또한 점도, 전단 속도, 배럴 타입, 하드웨어 응답 시간, 엔벨로프 크기 등 제조 시스템의 플랫폼 종속 제약도 조정합니다. 이 모든 파라미터를 노즐 타입, 소재 조성, 시간 의존 압력 맵 같은 설계 특화 변수와 결합합니다. 결과 계산으로 필요한 유량, 배럴 리필 패턴, 위치 결정 속도를 산출합니다. 마지막으로 맞춤 제조 지침을 생성해 위치 결정 시스템과 증착 시스템에 각각 모션과 압출 명령을 인코딩합니다.

새로운 구조 탐구

Mogas-Soldevila가 기술한 제조 시도에 50cm 길이 잠자리 날개 영감 구조가 있습니다. 구조적 '맥'은 천연 알긴산 나트륨 분말로 점증시킨 키토산 겔로 만들고, 그 위에 3% 키토산 겔의 투명한 인장 저항 막을 오버레이했습니다. 소재의 자가 치유 특성 덕분에 막이 증착 중 맥에 결합되었습니다. 이 개념은 최대 3m 길이의 다양한 잎사귀형 구조로 확장되었습니다. 또 다른 예로, 2% 키토산 겔에 셀룰로오스 마이크로파이버 용액을 사용해 5x15mm 그리드를 평평하게 증착했는데, 건조되면서 내부 증발 응력 설계 능력 덕분에 50cm 길이 실린더로 스스로 변형되었습니다.

이 기술은 MIT Mediated Matter Group의 건축가이자 엔지니어인 Jorge Duro-Royo가 선도했으며, Prof. Neri Oxman 지도 하에 Aguahoja 프로젝트에서 더욱 발전했습니다. 'agua(물 기반 용액)'로 'hojas(피부 같은 구조물)'를 만들고 형상을 부여했습니다. Aguahoja I에는 5m 높이 건축 파빌리온(Fig. 2)과 2018년 전시 후 샌프란시스코 현대미술관(SFMOMA) 영구 소장된 소재 실험 라이브러리가 포함됩니다. Aguahoja II는 2019년 Cube Design Museum(네덜란드 케르크라데)과 Cooper Hewitt Smithsonian Design Museum(미국 뉴욕)이 공동 주최한 전시의 일부였습니다.

Aguahoja 프로젝트의 로봇 제조 플랫폼은 로봇 및 갠트리 기반 시스템을 모두 포함하도록 진화했습니다. 파빌리온은 95개 개별 3D 프린트 세그먼트로 구성됩니다. 흰색 척추는 시판 F900 FDM 시스템과 ASA 열가소성 수지로 프린트했습니다. 다중 생체복합 패널은 다양한 강성, 유연성, 불투명도로 설계돼 구조물, 창문, 환경 필터 역할을 하는 영역을 만듭니다. Aguahoja I의 일부 소재는 습도와 열에 반응해 변하고, 계절에 따라 색이 변하기도 합니다. 소재는 부서지기 쉽고 투명한 것부터 유연하고 가죽 같은 것까지 다양하지만, 모두 물(비 등)에서 분해되도록 프로그래밍돼 구성 요소를 자연 생태계로 되돌립니다.

Mogas-Soldevila는 Tufts Biomedical Engineering(미국 매사추세츠 메드포드) The Silklab에서 박사 학위를 취득했으며, MIT에서 다룬 실크와 다른 천연 섬유·소재 활용법을 연구했습니다. 현재 펜실베이니아 대학교 Stuart Weitzman School of Design 건축학 조교수로 재직하며 지속 가능성과 첨단 생명과학의 교차점에서 소재 주도 설계를 가르치고 연구합니다. 최근 작업은 dumolab.com에서 볼 수 있습니다. "이 소재들은 자연에서 왔으며 매우 쉽게 기능화할 수 있습니다. 혼합, 도핑, 변형이 가능하고 특정 제조 능력에 맞게 튜닝할 수 있습니다. 우리는 내일의 다음 단계를 바라보고 있습니다."