국내 3D 프린터 건축 - gugnae 3D peulinteo geonchug

건축의 메커니즘을 새로 쓰는 3D 프린팅 기술

주기범 한국건설기술연구원 단장

4차 산업혁명의 핵심 기술인 3D 프린팅은 종이에 인쇄하듯 3차원 공간 안에 실제 사물을 인쇄하는 기술을 말한다. 3D 프린팅 기술은 의료, 생활, 자동차 등 다양한 분야에 응용할 수 있을 만큼 그 쓰임새가 무궁무진하다. 그중 3D 프린팅을 적용한 건축 분야 개발 연구가 바로 ‘소형 건축물 및 비정형 대상 3D 프린팅 설계, 재료 및 장비 개발’ 과제다. 한국건설기술연구원의 건축 3D 프린팅 연구단은 3D 프린팅 설계, 3D 프린팅용 건설복합재료 연구, 건축물 3D 프린팅 장비 개발 등 다양한 기술을 개발하고 있다. 한국건설기술연구원 주기범 단장을 만나 건설 3D 프린팅에 대해 알아봤다.

한국건설기술연구원
주기범 단장은

건축공학을 전공하고 건설사업관리정보화(건설CALS) 등 건설 분야의 정보화 관련 연구를 진행해왔다. 최근에는 건물정보모델링(BIM; Building Information Modeling)연구를 초고층 분야와 토목 분야에 적용하고 표준화하기 위한 연구를 이끌었으며, 4차 산업연구의 핵심 분야인 건축 3D 프린팅의 연구단 단장으로 연구를 진행하고 있다.

QUESTION 01건설 분야 3D 프린팅 기술의 특징과 장점은 무엇입니까?

3D 프린팅 기술은 최근 의료, 항공 등 다양한 산업에서 사용되고 있습니다. 건설 분야에서도 이를 접목하기 위한 연구가 활발하게 진행되고 있지요. 최근 인구감소로 인해 경제활동 인구가 급격하게 줄어들면서 인력감소 문제가 대두되고 있습니다. 건설 현장도 이와 동일한 상황으로, 건설 현장의 자동화가 절실히 필요한 상황입니다. 그래서 건설 현장의 인력감소 대책으로 3D 프린팅 기술은 적합한 혁신 기술로 평가되고 있습니다.

건축에서 3D 프린팅 기술은 기본적으로 몰탈 출력 방식을 활용합니다. 수직 벽체의 하단부터 상단까지 콘크리트를 한층 한층 쌓아서 적층하는 방식을 말하는데요. 장비가 끊임없이 움직이면서 층을 쌓는 것입니다. 이러한 3D 프린팅 기술의 가장 큰 장점은 첫째로 빠르게 시공할 수 있다는 점이며, 둘째로는 기존의 시공보다 저렴하게 할 수 있다는 점입니다. 셋째로는 비정형 건물을 기존 방법보다 쉽게 시공할 수 있다는 것이지요. 마지막으로는 거푸집 등의 설치 가설재를 사용하지 않기 때문에 그만큼 건설 폐기물을 최소화할 수 있는 친환경적인 기술입니다.

QUESTION 023D 프린팅 기술의 해외 이용 사례는 어떠한가요?

전 세계적으로 여러 국가가 3D 프린팅 기술에 관한 연구를 활발히 진행하고 있습니다. 가까운 중국에서는 건설업체 윈선이 자체 공장에서 길이 150m, 폭 10m, 높이 6m의 3D 프린터로 벽, 기둥 같은 수직 부재를 만들고 현장으로 옮겨서 바닥과 보 등을 수평부재와 조립하고, 내·외장 마감을 거쳐 아파트를 건설했다고 합니다. 건설에 걸린 시간은 단 6일로 건설 3D 프린팅의 빠른 시공기간을 보여준 사례라고 할 수 있겠습니다. 다만, 이 아파트는 전시용이라서 사람이 살지는 않습니다.

중국뿐만 아니라 미국, 프랑스, 캐나다, 이탈리아, 네덜란드, 스웨덴, 러시아 등이 건설 3D 프린팅 기술로 앞서가는 나라들입니다. 프랑스 낭트대에 가면 3D 프린터로 지은 세계 첫 공공주택 이누바(yhjova)를 볼 수 있는데요. 이 주택은 1가구 주택으로 면적 95㎡, 방 5개의 규모입니다. 현장에서 길이 4m의 로봇 3D 프린터가 거푸집을 세운 뒤, 구조체와 내·외장재를 적층하는 방식으로 만들어졌습니다. 제작 기간은 18일로 건축 비용은 기존 방식의 80% 수준이었지요.

지난해 6월에는 이 주택에 한 가정이 입주하면서 낭트대는 집 안에 센서를 구축하고 공기 질·온도·습도 등을 모니터링하고 있습니다. 이 같은 방식으로 파리 북부에 공공주택 18채를 지을 예정이라고 합니다.

3D 프린터로 집만 짓는 것은 아닙니다. 2017년 2월에는 스페인 마드리드의 한 공원에 세계 최초의 3D 프린팅 육교가 등장했습니다. 카탈루냐고등건축연구소(IAAC)는 미세 강화 콘크리트와 열가소성 폴리프로필렌 등의 재료로 길이 12m, 폭 1.75m의 육교를 제작했는데요. 이처럼 집이나 다리 같은 건축물뿐만 아니라 맨홀 뚜껑, 벤치, 조형물, 가구 등도 3D 프린터로 제작할 수 있습니다. 미국항공우주국(NASA)은 3D 프린터를 활용한 우주기지 건설 계획을 세워놓았다고 합니다.

건축 분야의 3D 프린팅 기술을 선점하기 위해 해외의 화려한 보도가 많다고 생각됩니다만 거의 테스트베드 수준으로 출력한 경우가 대부분으로 아직도 개발되어야 할 부분이 많습니다. 연구단에서도 설계, 재료, 장비 등 분야별 애로 사항을 해결하기 위해 노력하고 있습니다.

QUESTION 03국내 건설 3D 프린팅 기술 현황은 어떠한가요?

우리나라는 지난 2016년부터 관련 기술을 적극 개발 중입니다. 연구단을 비롯해 세종대학교 등에서 원천기술을 확보하기 위해 각종 연구 활동을 펼치고 있지요. 국내에서 3D 프린팅의 건설 관련 종합 기술은 우리 연구단이 유일하다고 볼 수 있습니다.

우리나라 건설업계는 3D 프린터 건설의 흐름에서 약간 처져 있는 모양새로, 정부 차원에서 R&D 투자를 확대하고 관련 기업 육성이 필요합니다. 우리 연구단의 경우 산학연이 적절하게 포진하여 연구를 진행 중입니다.

현재 우리 연구원은 수자원공사와 MOU를 맺고, 목양건축사무소와 함께 수자원공사가 총괄하는 부산의 스마트시티인 EDC(Echo Delta City)에 적용할 3D 프린팅 관련 마스터플랜을 완성했습니다. EDC는 4차 산업혁명에 해당하는 첨단 기술을 접목하여 적용됩니다. 그중 3D 프린팅 기술도 접목되어 3D 프린팅 기술로 전시시설인 공공시설물을 짓게 됩니다. 또한 EDC에는 건축, 의료, 항공 등 다양한 분야의 3D 프린팅 기술 산업군이 유치되며, 인근 대학과 연계해 교육을 진행하고 시민에게 배움의 장도 제공합니다. 연구단의 개발 기술 외에도 다양한 산업군이 함께하는 3D 프린팅 설계에서 최초의 사례로 자리 잡게 될 것으로 보입니다.

또한, JH건설의 경우에는 3D 프린팅 시공 기술을 개발하고 있고, 아세아시멘트와 동남기업은 우리 연구원과 복합재료 개발을 함께하고 있습니다. 그리고 고려대학교의 경우 비정형 구조물 구축 장비를 개발하고 있으며, 서울대학교는 3D 프린팅의 구조지침을 만들고 있습니다. 우리 연구단 기술이 최종적으로 완성되면 연구단에 있는 기관들이 건설 3D 프린팅 분야의 최고의 업계가 되지 않을까 기대합니다.

QUESTION 04총괄하고 계신 연구 과제를 소개해주세요.

‘소형 건축물 및 비정형 부재 대상 3D 프린팅 설계, 재료 및 장비 개발’ 과제를 진행하고 있는 연구단은 한국건설기술연구원이 총괄하고 한국건설생활환경시험연구원, 고려대학교 등 18개 기관이 함께 하고 있습니다. 2021년에 100㎡ 규모의 3D 프린팅 건축물을 짓는 것을 목표로 해당 건축물을 구축할 장비 개발을 완료했습니다.

이번에 개발한 장비는 갠트리 방식의 3D 프린팅 장비로, 30평 규모의 건물을 바로 출력할 수 있습니다. 11월 말에는 설계, 시공, 재료, 장비 테스트를 위해 30평형의 비정형 부재가 포함된 수직골조를 구축할 예정입니다. 더불어 물량과 공정, 공기산정이 가능한 3D 프린팅 설계 플랫폼은 개발 완료 단계이고, 몰탈 재료의 경우에는 압축강도 60MPa, 1회에 적층고 20mm에 대응하는 목표를 달성했습니다.

2016년에 연구단을 착수하면서 세웠던 목표는 건축물 3D 프린팅 설계기술 개발 및 테스트베드, 건축물 3D 프린팅용 건설 복합재료 제조기술 및 표준화, 건축물 3D 프린팅 장비 개발이었는데요. 현재 연구단 목표의 70%가 개발이 완료된 상태입니다. 연구단에서는 3D 프린팅 기술을 건축 상품에 적용하기 위해 여러 건축 상품 시제품을 만들기도 했습니다.

현재까지 개발이 완료된 기술을 검증하고 최종적으로 해당 기술을 테스트베드에 적용하여 국민이 사용 가능한 공공시설물을 구축하는 작업만 남겨놓은 상태라고 할 수 있습니다.

QUESTION 05연구를 통해 개발된 3D 프린팅 장비를 소개해주세요.

30평 규모를 바로 출력할 수 있는 장비를 마련했습니다. 가로 12m, 세로 14m, 높이 8m의 3D 프린팅 장비는 갠트리 방식으로 만들어졌는데요. 이 방식은 네 개의 지지대와 세로 부분에 레일을 설치한 ㄷ자 모양의 형태로, 이 네 개의 지지대 안에서 건축물을 시공하게 됩니다. 레일은 7m짜리 두 개가 연결되어 있어 더 출력하고 싶을 때는 레일을 옮겨가면서 계속해서 출력할 수 있습니다. 가로의 길이는 12m로 고정되어 있지만, 세로 길이는 얼마든지 확장할 수 있고 높이는 3m까지 출력할 수 있는 것입니다.

일반적인 3D 프린팅 방식은 가는 실 같은 필라멘트 형태의 열가소성 물질을 노즐 안에서 녹여서 얇은 필름 형태로 출력해 한층 한층 적층해나가는 것이지만, 연구 개발된 장비는 시멘트 몰탈을 정량 압출하는 재료압출방식(ME, Material Extrusion)입니다. 그래서 압관 노즐에서 시멘트가 정량으로 나오면서 두께 6cm, 높이 1cm의 몰탈을 출력해 벽을 쌓아올릴 수 있습니다.

비정형 건물을 만들기 위해서는 비정형 거푸집에 철근 배근과 콘크리트 타설 작업이 필요하지만, 3D 프린팅 기술을 이용하면 비정형 거푸집 없이 바로 비정형 형태를 만들 수 있어 거푸집에 사용되는 비용도 줄일 수 있습니다.

QUESTION 06건설 3D 프린팅 기술의 발전을 위해 해결해야 할 과제는 무엇일까요?

3D 프린팅 기술이 단기간에 상용화되기에는 여러 가지 난관이 있을 것으로 보입니다. 실제로 사람이 거주하기 위해서는 내진과 단열, 방음, 습도 등 거주의 안전성에 필요한 요소들이 추가 연구되어야 할 것입니다. 설비를 위한 공간도 마련해야 하고, 내·외장재는 어떻게 시공할 것인지 등 추가적인 연구가 필요합니다. 그리고 현재 단층 건물에 한해 기술이 개발되고 있지만, 우리나라 건축 분야의 특성을 고려하여 고층빌딩을 만들 수 있는 기술도 고민해야겠습니다. 교량 같은 토목구조물에 3D 프린팅 기술을 확대 활용하는 방안도 연구되어야 합니다. 현재의 3D 프린팅 기술은 기존의 건축시공 기술이 혼합되어 건축물이 완성되고 있습니다만, 앞으로 3D 프린팅 기술이 계속해서 발전해나간다면 3D 프린팅 기술로 독립적인 주택을 완성할 수 있으리라 생각합니다.

또한 연구를 진행하면서 마주친 사소한 문제는 바로 청소였는데요. 몰탈 재료를 다루다 보니 청소를 바로 해주지 않으면 굳어 버려서 지속적인 운용에 큰 영향을 끼치게 됩니다. 초기 시험 시에는 실험을 한 시간가량 하고 나면 장비 청소에 그만큼의 시간이 소요되기도 했던 만큼 장비 자동 클리닝 시스템 부분도 추가로 해결해야 할 숙제랍니다. 클리닝 방안을 고려해 장비가 설계된다면 훨씬 세척이 편리해지겠지요.

QUESTION 07연구 과제의 발전 방향에 대해 말씀해주세요.

3D 프린팅 기술 연구는 주요 선진국을 중심으로 연구되는 분야입니다. 우리나라도 건축 분야의 3D 프린팅 적용 연구에 이제 막 첫걸음을 디디며 그 반열에 들었다고 생각됩니다. 건축 기술은 하루아침에 발전한 것이 아니고, 서서히 발전되어 왔기에 3D 프린팅 기술도 우리 연구단이 연구한 기술이 기반이 되어 서서히 발전해 나갈 것으로 기대됩니다.

건설 3D 프린팅 기술이 발전하기 위해서는 연구단에서 개발한 갠트리 방식의 장비 외에 크레인 방식, 로봇암 방식, 모바일 방식 등 다양한 형식의 장비가 국내 현실에 맞게 개발되고, 장비에 맞는 다양한 시공법이 연구된다면 더욱 신속하게 발전할 수 있을 겁니다.

제가 지금까지 주로 연구해오던 분야는 3차원 정보 모델링(BIM) 등 건설 분야의 소프트웨어적인 부분이었습니다. 3D 프린팅 연구 개발을 통해 실물 연구를 하다 보니 만들어낸 결과물을 데이터 상의 정보가 아닌 실제 실물로 제작하게 되어 새로운 경험이 되었다고 생각합니다. 하나의 장비가 개발되기까지 많은 작업과 실험을 진행하는 인력들의 노력이 있었기에 가능했던 것이라 여겨집니다.

앞으로 일회성 연구로 끝나지 않고 지속적으로 많은 건설인의 관심이 이어져 연구가 계속될 수 있도록 좋은 연구결과를 도출하도록 하겠습니다.