미국 리서치 기관 스테티스타(Statista)에 따르면, 2018년 전 세계 3D 프린팅 시장의 규모는 $12 Billion(한화 약 12조 원) 규모로 측정되었으며 2021년에는 약 $20 Billion(한화 20조 원) 규모가 될 것으로 예상된다고 밝혔습니다.

또 다른 미국의 시장조사 기관 월러스 어소시에이츠(Wohlers Associates)에서 발행한 월러스 보고서 2018(Wohlers Reports 2018)은 전체 3D 프린팅 시장의 20% 이상을 차지하는 메탈 3D 프린팅 시장의 크기가 17년 들어서 16년 대비 80%에 가까운 수치가 상승하는 놀라운 급성장을 보였다고 밝히기도 했습니다.

그리고 세계적인 IT 분야 리서치 기업, 가트너(Gartner)에서는 2017 3D 프린터 하이프 사이클(Hype Cycle)을 통해, 3D 프린터 시장이 이미 큰 규모의 시장이지만 앞으로 여러 분야와의 협업을 통해 더 크게 성장할 가능성이 있음을 시사했습니다.

빛이 있으면 그림자가 존재하듯, 이렇게 지속적으로 성장 중인 3D 프린팅 기술 이면에는 “플라스틱 폐기물 발생”이라는 어두운 면이 존재합니다. 물론, 폐플라스틱을 군수물자로 활용하거나 인공 팔을 제작을 해주는 사례, 혹은 버려진 전자 폐기물을 이용해 3D 프린터를 제작하는 등 지속 가능한 3D 프린팅 환경을 위한 좋은 사례는 많지만 여전히 많은 3D 프린터가 재료로 플라스틱을 사용하기 때문에 그에 따라 발생하는 쓰레기들은 문제로 남아있습니다.

이번에 소개해드릴 연구 결과는 3D 프린터를 사용하는 와중에 버려진 플라스틱의 수를 줄이기 위한 방법으로 이미 출력된 플라스틱 결과물을 재처리할 수 있게 만들어주는 방법입니다.

쉽게 말해, 이미 3D 프린터로 출력한 결과물이 손상을 입거나 디자인을 변경해야 하거나 폐기해야 할 때,

1. 재가공(Reshape)
2. 복원(Repair)
3. 재활용(recycle)

할 수 있도록 돕는 기술이 개발된 것입니다. 일반적으로 완성된 플라스틱은 재가공하는 것이 불가능했습니다. 그렇기 때문에, 제작 도중 혹은 제작 후에 디자인을 수정하는 것이 불가능했고, 그로 인한 플라스틱 낭비가 분명히 존재했습니다. 하지만, 얼마 전 첫 결과를 발표(18년 5월 8일) 한 이 연구가 발전을 거듭한다면, 그런 낭비는 역사책 속 이야기가 될 것입니다. 이 연구는 국립 싱가포르 기술 디자인 학교(Singapore University of Technology and Design)가 진행하였습니다.

연구진은 ‘주어진 환경에 따라 전자가 공유결합하는 물질인 DCB(Dynamic Covalent Bond)를 기반으로 한 에폭시(Epoxy)’를 사용하여 실험을 진행하였습니다. 그들이 만들어낸 공법의 이름은 3DPRTs(3D Printing Reprocessable Thermosets)로 불리며 현재까진 DLP 방식의 3D 프린터를 이용해서만 실험이 진행되었습니다.

이 공법의 순서와 원리에 대해 설명드리자면, 먼저 DLP 방식의 프린터와 DCB 에폭시를 이용하여 결과물을 출력한 뒤, 고온(180°C 이상)에 일정 시간 동안 오븐을 이용해 열을 가해줍니다. 그럼 위 그림에서 볼 수 있는 것처럼 일정한 배치를 이루고 있던 에폭시의 격자 구조(Lattice structures)에 변화가 생기고 두 개의 출력물을 결합시킨다던가 물질의 형태를 재가공시킬 수 있는 상태가 되는 것입니다.

예를 들어 설명해드리겠습니다. 위의 a 그림에서 보면 3D 프린터로 출력된 귀 부분이 망가진 토끼 출력물이 있습니다. 이 토끼를 180°C의 오븐에 4시간 동안 넣어놓은 뒤 꺼내면 재가공이 가능한 매우 유순한 상태(출력물의 격자 구조 변화)가 되고, 다시 3D프린터로 망가진 나머지 부분을 출력하면 부서지기 전의 형태로 복원이 가능하게 되는 것입니다.

그렇다면 많은 분들이 저렇게 재결합된 결과물의 견고성에 대해서도 의문을 가지실 텐데요. 놀랍게도 저 공법을 통해 출력된 결과물의 내구성은 초기에 출력했던 결과물의 내구성과 큰 차이가 없었습니다. 복원하기 전의 기존 출력물과 비교했을 때, 93%의 재질 강도(Material Strength)가 복원되었으며 단단함(Stiffness)의 경우 100% 동일하게 복원되었습니다. 위 그림의 d 번을 보시면 확실히 아실 수 있습니다. 멀쩡히 출력된 막대 모양 중앙에 원형의 구멍(파손)을 뚫은 후 다시 재결합시킵니다. 그런 다음 그 복원 부에 충격을 가했을 때, 동그란 구멍 형태로 부서지는 것이 아닌 반으로 쪼개지는 것을 보면 강도가 이 전과 거의 동일한 수준이라는 것을 알 수 있습니다(물론 저 정도 크기의 막대에 저런 쥐구멍만 한 구멍을 냈다가 복원, 충격을 가하면 어떻게 해도 저렇게 쪼개질 것 아니냐?라고 말하신다면 어쩔 수 없지만 좌우지간 연구진의 설명은 그렇습니다).

또한, 플라스틱 출력물의 완전 폐기를 원하는 경우, 오븐으로 가공한 뒤 갈아서 가루 형태로 만들어 다른 형태로 재활용하거나 폐기하는 것이 가능합니다.

물론 현실 사회에서 플라스틱 제품을 수리하겠다고 오븐에 4시간씩 넣어두는 것은 실용성과 효율이 크게 떨어지기 때문에(전기세가 두렵지 않은가?!) 상용화를 위해선 더 발전시켜야될 여지가 분명 존재하지만, 플라스틱의 무분별한 낭비를 막기 위해선 꼭 필요한 기술이라고 생각됩니다.

보다 자세한 설명은 Nature Communications에서 확인하실 수 있습니다.

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