이미지 출처: Doron Kam

목제품은 주로 자르고 깍고, 구부리고 압축하는 작업을 통해 만들어진다. 앞으로는 이제껏 통용되고 있는 이 방식에 변화가 생길지도 모르겠다. 예루살렘히브리대학교(Hebrew University of Jerusalem) 연구진이 3D 프린터로 출력된 나무 성분의 납작한 물건이 스스로 입체적 형태를 갖추도록 설정하는 기술을 개발했다. 기술이 실용화 단계로 발전할 경우, 납작한 형태로 목적지에 배송된 이후 건조되는 과정에서 의도된 최종 형태로 완성되는 플랫팩 가구에 활용될 수 있다.

연구진은 2022년 8월 21일에서 25일까지 열린 미국화학학회(American Chemical Society) 2022년 가을 모임에서 이 같은 연구 결과를 발표했다.

식물과 일부 동물들은 물리적 형태나 표면 조직을 바꾸는 능력이 있다. 나무의 경우, 벌목된 이후에도 건조되는 과정에서 형태가 변한다. 나무 속 섬유가 다양한 방향성을 지니기 때문에 수축의 정도가 전체적으로 고르지 못하여 절단된 나무는 휘게 마련이다. 이 같은 뒤틀림은 물건을 만들 때 방해 요소로 작용한다. 그러나 연구진은 원하는 형태 변화의 도구로 이 현상을 활용할 수도 있겠다고 판단하였다. 연구진의 설명에 따르면, 자연물과는 달리 인공적 구조는 스스로 형태를 바꾸지 못하지만, 최근 스스로 입체적 형태를 만들어갈 수 있는 납작한 시트를 출력하려는 시도가 시작되고 있다고 한다. 형태 변화를 촉발하는 매개로 온도, pH, 습도 등이 활용된다. 그러나 이러한 자가 형상적 시트는 이제까지 겔이나 고무 등 합성 물질에 국한해 시도되었다.

예루살렘히브리대학교 과학자들의 이번 연구는 자연 물질인 나무를 대상으로 이루어졌다는 점에서 혁신적이다. 몇 년 전 동일 팀이 개발한 친환경 수성 잉크가 이번 연구의 토대가 되었다. 잉크는 “목분(wood flour)”이라고 불리는 나무 폐기물 분말에 천연 접착제 역할을 하는 셀룰로스 나노결정과 자일로클루칸(식물의 세포벽에서 발견되는 다당류의 일종)을 섞어 만드는데, 연구자들이 이 잉크를 3D 프린터에 접목한 것이다. 그 결과, 잉크를 출력하는 방식, 또는 “경로”에 따라 잉크 속 수분 증발 후에 발생하는 형상 변화의 양상이 달라진다는 사실을 발견했다. 예를 들어, 동심원 모양으로 출력된 납작한 원반은 마르면서 프링글스 감자칩을 연상시키는 안장 구조로 수축한다. 또, 중심에서 사방으로 뻗어나가는 광선 패턴으로 출력된 원반은 건조되면서 돔이나 고깔 구조로 형태가 변한다.

사물의 최종 형태를 좌우하는 또 다른 요소는 출력 속도라는 사실도 연구를 통해 밝혀졌다. 이는 수축이 잉크 속 나무 섬유와 수직 방향으로 일어나기 때문이며, 출력 속도가 섬유들의 정렬에 영향을 미친다. 출력 속도가 느리면 입자의 방향성이 무작위적으로 되어 전 방위적으로 수축이 일어난다. 반면, 출력 속도가 빨라지면 섬유들이 일정하게 정렬되면서 수축 또한 일정한 방향성을 띠게 된다. 또, 과학자들은 다양한 최종 형태를 확보할 수 있도록 출력 속도와 경로를 설정하는 법도 알아냈다. 직사각 형태를 두 겹으로 쌓되 그 방향을 달리할 경우, 마르면서 나선형을 이루며 수축한다. 출력 경로와 속도, 쌓는 방식의 설정을 바꾸면 시계 방향, 혹은 시계 반대 방향 등 나선이 돌아가는 방향을 제어할 수도 있다.

앞으로 추가적인 연구를 통해 안장과 돔, 나선 등의 여러 디자인 모티브를 결합할 수 있게 되면 의자와 같은 다소 복잡한 형태의 사물도 제작할 수 있을 것으로 연구진은 내다보고 있다. 이 기술이 실현될 경우, 최종 사용자에게 플랫팩 형태로 배송되는 나무 가구를 만들 수 있는 가능성이 열리게 된다. 나아가 소비자가 집에서 일반 3D 프린터를 가지고 자신만의 목제 가구를 디자인하고 출력하는 길도 열릴 수 있다. 그뿐이 아니다. 연구팀은 형상화 과정이 역으로 발생할 수 있는지도 살펴보고 있다.

형상 변화가 완료된 사물이, 가령 습도와 같은 일정 조건에 반응해 다시 원 상태로 복귀할 수 있다면 기술의 활용처는 훨씬 넓어질 여지가 있다.

이스라엘 과학기술우주부의 지원을 받아 실시된 이번 연구 결과는 미국화학학회에서 발표되었으며, 발표 개요는 www.acs.org/acsfall2022briefings에서 영상으로 볼 수 있다.

자료출처: Your next wooden chair could arrive flat, then dry into a 3D shape (video) - American Chemical Society (acs.org)

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