3D 프린팅보다 탄소 집약도가 낮고 지속가능한 건설 방법인 '임팩트 프린팅'이 스위스에서 개발됐다. 

건설 회사 아이콘(ICON)은 최근 텍사스주 조지타운에 세계 최대 규모의 3D 프린팅 주택을 완공할 예정이라고 발표했다. 물론 이것이 첫 3D 프린팅 주택 프로젝트는 아니다. 미국과 유럽에서는 이미 수백 개의 3D 프린팅 주택이 건설 중이며, 더 많은 주택 프로젝트가 예정돼 있다.

건설 산업에서 3D 프린팅의 성장을 촉진하는 요인은 여러 가지가 있다. 무엇보다 건설 시간을 단축한다. 몇 달이 걸릴 수 있는 주택 건축을 3D 프린터로 며칠 또는 몇 주 안에 건설할 수 있다. 또 기존 방식에 비해 3D 프린팅은 건설 중에 폐기물로 발생하는 재료의 양도 줄인다. 이러한 장점으로 인해 인건비와 자재비가 절감돼 3D 프린팅이 건설 회사의 매력적인 선택지가 되었다.  

그런데 스위스 취리히 연방공과대학(ETH) 연구팀은 3D 프린팅보다 훨씬 더 나은 로봇 건설 방법을 개발했다고 밝혔다. ARS테크니카 홈페이지 게시글에 따르면 연구진은 이를 '임팩트 프린팅'이라고 부르는데, 일반 건축 자재 대신 모래, 미사, 점토, 자갈과 같은 자연 재료를 사용해 주택을 만든다. 연구진에 따르면 임팩트 프린팅은 3D 프린팅보다 탄소 집약도가 낮고 훨씬 더 지속 가능하며 저렴하다.

이는 자연 기반 재료가 풍부하고 재활용이 가능하며 저렴한 비용으로 구할 수 있고 건설 현장에서 발굴할 수도 있기 때문이다. 연구진의 일원인 로렌 베이시 박사는 "건설 현장에서 발굴한 일반적인 재료를 이용해 3D 프린팅을 포함한 기존의 건축 방법보다 훨씬 적은 탄소 배출로 저렴하고 효율적으로 사용 가능한 건축 제품으로 활용할 수 있는 로봇 도구와 방법을 개발했다"고 말했다.

◇ 임팩트 프린팅의 작동 원리

발굴된 자재는 건설에 직접 사용할 수 없다. 따라서 임팩트 프린팅 공정을 시작하기 전에 미세하고 거친 입자가 균형을 이루고 사용 편의성과 구조적 강도를 모두 보장하는 자연 재료 혼합물을 준비한다. 점토와 같은 미세한 재료는 바인더(결합제) 역할을 해 입자가 서로 달라붙도록 하고, 모래나 자갈과 같은 거친 재료는 혼합물을 더 안정적이고 강하게 만든다. 이렇게 해서 최적화된 혼합물은 특수하게 설계된 로봇 시스템이 쉽게 운반한다.

다음 단계에서는 디지털 청사진을 준비한다. 3D 프린터와 마찬가지로 로봇 임팩트 프린팅 시스템도 구조물 생산을 위한 디지털 모델이 필요하다. 디지털 청사진이 준비돼 시스템에 업로드되면 로봇 도구가 건설 현장에서 사용할 수 있도록 모바일 플랫폼에 장착된다. 그런 다음 자연 재료의 혼합물을 로봇 도구에 부착된 대형 용기에 넣는다.

용기가 채워지면 시스템이 작동을 시작하고 디지털 모델이 지정한 대로 구조물을 만드는 데 필요한 작업(재료 압출, 절단, 분무)을 수행한다. 이 작업은 구조물이 완성될 때까지 계속된다.

임팩트 프린팅의 건설 과정은 일반적인 건물의 3D 프린팅과는 매우 다르다. 재료 자체는 구조물을 지탱하기에 너무 약하다. 시멘트와 같은 첨가제는 최종 구조가 견딜 수 있는 응력을 두 배로 늘리기 위해 필요하다. 그러나 임팩트 프린팅에 사용되는 로봇 도구는 고속(초당 10m)으로 건축 자재를 증착한다. 그 결과 발생하는 고속 충격은 시멘트같은 결합 재료가 추가되기 전 자연 재료 층 간의 강력한 결합을 촉진한다. 베이시는 "개발된 방법에 따라 만들어진 소재는 이미 더 높은 강도를 가진다. 따라서 첨가제에 덜 의존한다"고 말했다.

연구진은 이 방식을 사용해 2m 높이의 벽을 성공적으로 만들었다. 시멘트와 같은 첨가제에 의존하지 않고도 비슷한 무게의 다른 구조를 지탱할 만큼 충분히 강한 것이 입증됐다. 그러나 더 높은 건물을 지을 경우에는 문제가 다르다. 그래서 현재로서는 최대 2층 정도 높이가 한계라고 한다.

◇ 지구 환경을 살리는 임팩트 프린팅

3D 프린팅은 기업의 인건비를 낮추고 저렴한 주택 건설을 가능하게 한다. 그러나 반드시 지속 가능하거나 환경 친화적인 것은 아니다. 시멘트를 첨가제로 사용하기 때문이다. 시멘트는 전 세계 탄소 배출량의 약 8%를 차지한다. 게다가 시멘트와 모르타르 등을 사용하기 때문에 3D 프린팅 구조물은 일반적으로 재활용할 수 없다.

임팩트 프린팅 방법으로 건설된 구조물의 경우는 시멘트와 같은 첨가제가 필요하지 않고 탄소 집약도가 낮은 자연 재료를 사용하기 때문에 친환경적이다. 연구진은 시멘트보다 덜 해롭고 재활용하기 쉬운 미네랄 안정제를 1~2% 사용한다. 연구진은 향후 첨가제나 안정제를 전혀 사용하지 않는 방법을 연구할 계획이다.

연구진은 이 기술을 조속히 상용화한다는 계획이다. 조립식 자재 제조 방식은 기술적으로 준비가 거의 되었기 때문에 충분히 가능하다는 입장이다. 내년에는 스타트업으로 출범한다는 로드맵도 마련했다. 3년 안에는 제품을 시장에 출시할 것으로 기대하고 있다.