3D 프린팅의 기원과 예술 발전

4차 산업혁명의 근원…“과거부터 시작됐다”

이일영 칼럼니스트 | 기사입력 2018/08/02 [09:33]

3D 프린팅의 기원과 예술 발전

4차 산업혁명의 근원…“과거부터 시작됐다”

이일영 칼럼니스트 | 입력 : 2018/08/02 [09:33]

어떤 사물이나 형상을 실제 그대로 만들어내는 4차 산업의 대표적인 업종인 3D 프린팅 산업은 오늘날 누구나 쉽게 조작하여 사용할 수 있는 기계들이 저렴한 가격으로 보급되면서 우리의 일상에서 쉽게 마주치는 기술이 되고 있습니다. 이에 굴지의 산업현장에서 정밀한 부품의 생산이 3D 프린팅으로 이루어지고 있으며 향후 다양한 산업은 물론 일반 가정에 이르기까지 그 활용에 대한 무한한 변화를 가늠해 볼 수 있을 것입니다. 이러한 혁신적인 기술이 이루어진 배경을 살펴보면 인상주의 예술이 탄생한 프랑스 파리의 카퓌신거리 35번지와 깊은 연관을 가지고 있음을 살피게 됩니다. 


사물이나 형상을 실제 원하는 크기로 제작 ‘3D 프린팅’
3D 프린팅의 기술적 원리는 ‘인쇄’에 바탕을 두고 있어
시대에 따라 기술적 근원인 ‘팬터그램’ 발달시켜 발명해
반도체 등 인류의 문명부흥에 많은 공헌을 한 ‘인쇄술’

 

▲ 3D 프린터 제작 장면. <사진출처: http://www.lifehack.org>

 

3D 프린팅이란 일반적으로 텍스트 또는 그림과 사진을 인쇄하는 평면적인 인쇄 방식이 아닌 사물이나 형상을 실제로 원하는 형태와 입체적인 크기로 제작해 내는 것입니다. 이는 컴퓨터 프로그램으로 플라스틱, 시멘트, 고무, 나무, 금속 등과 같은 다양한 재료를 분사하여 입체적인 모형을 쌓아 올려 만드는 방식입니다.

 

4차 산업 ‘3D 프린팅’


이러한 기법은 재료를 액체 상태로 만들어 분사한 이후 레이저와 자외광선을 이용하여 건조하는 ‘PCP’ 방식(광경화 적층 방식-Photo Curing Process)과 미국 텍사스 오스틴 공과대학 조셉 비먼(Joseph Beaman)교수가 제시한 분말 형태의 재료를 분사하여 레이저와 같은 광선으로 건조하는 'SLS' 방식(선택적 레이저 소결-SLS, Selective Laser Sintering)과 1989년 미국의 스콧 크럼프(S. Scott Crump)가 장난감에서 착안하여 발명한 벽돌을 쌓아가듯 형체를 생성하는 FDM(용융 적층 방식-Fused Deposition Modeling,)으로 크게 구분됩니다. 이러한 기술에서 한층 진화된 기술적 개발이 유리와 섬유에서부터 인체의 세포에 이르는 무한한 재료의 연구와 함께 진행되고 있는 것입니다. 


이와 같은 3D 프린팅 기술의 역사를 헤아려 보면 어떤 소프트웨어 시스템이나 하드웨어 시스템을 개발하는 프로젝트 단계에서 먼저 설계를 하게 됩니다. 이러한 삼차원적인 설계를 CAD라고 합니다. 이러한 설계가 이루어지면 개발을 시작하거나 상품을 제작하기 전에 정밀한 평가와 보완을 위하여 사전에 만들어 보는 설계도와 모형제작 과정이 필요합니다. 이러한 삼차원적인 CAD로 이루어진 설계도나 모형은 인쇄하게 되면 2차원적인 상태로만 출력되는 문제가 있는 것입니다. 이러한 과정을 전문적으로 ‘프로토타이핑’(prototyping)이라 하는데 이 분야에서 일하던 미국의 찰스 헐(Charles W. Hull, 1939)이라는 사람이 그 과정을 단축한 신속조형(rapid prototyping)기법의 노하우를 축적하여 1986년 입체적인 모형이나 지도의 등고선을 여러 개의 얇은 층으로 쌓아 올려 삼차원적인 물체를 완성하는 입체 인쇄 기법인 ‘광경화적층조형’(Stereolithography)을 개발하였습니다. 이러한 바탕에서 창업된 3D 프린팅 기술 전문 기업인 ‘3D Systems’사가 오늘날 3D 프린팅의 대표기업인 것입니다.


이와 같은 미래의 가장 유망한 산업 3D 프린팅의 기술적 근원을 상세하게 살피면 놀라운 사실들이 연이어 발견됩니다. 3D 프린팅의 기술적 원리는 인쇄에 바탕을 두고 있으며 입체적인 모형의 구성은 우리가 옛날에 거리에서 쉽게 보았던 기계 공작소에서 요란한 소음을 내며 금속을 깎고 연마하던 ‘선반’(lathe)과 ‘밀링’(milling)의 원리를 역설적으로 담고 있습니다. 즉 ‘선반’이란 제작하려는 금속모형이 회전하며 고정된 공구로 이를 연마하는 방식으로 원통으로 이루어진 모형을 제작하는 기술을 말합니다.


‘밀링’은 ‘선반’과 반대로 금속모형이 고정되어 있고 공구가 회전하는 방식으로 써 원통 모형의 제작은 불가능합니다. 이러한 ‘선반’. ‘밀링’. ‘절곡’과 같은 기술기반에서 발전된 정밀한 기술이 ‘수치제어’로 불리는 NC(Numerical Control)이며 여기에 컴퓨터로 제어하는 방식을 CNC (Computerized Numerical Control)라고 하는 것입니다. 이러한 원리들은 본디 미술의 조각(彫刻, sculpture)에 바탕을 두고 있습니다. 조각은 어떤 형상을 깎거나 새기고 빚어내는 예술로 어떤 물질을 연속하여 덧붙여서 제작하는 조각의 다른 방식인 소조(塑造-modelling)와 함께 조각으로 통칭합니다. 일부에서 쓰는 조소(彫塑)라는 명칭은 조각(彫刻)+소조(塑造)에서 합성된 한자의 뜻을 가진 일본에서 만들어진 명칭으로 한자권인 동양 삼국에만 존재하는 명칭입니다.


이러한 3D프린팅의 기술을 상용화시킨 ‘찰스 헐’의 ‘광경화적층조형’(Stereolithography)이 탄생하기 이전 많은 노력이 존재하였습니다. 일본의 나고야 시립공업연구원에서 근무하던 ‘코다마 히데오’(兒玉秀雄)박사가 1981년 감광성수지필름(Photopolyme)을 이용 빛에 의하여 건조되는 입체 모형 제작에 대한 논문과 프로그램에 의한 입체 모형제조에 대한 논문이 제출된 사실에서 3D프린터의 하드웨어와 소프트웨어의 실질적인 출발을 알린 것이기 때문입니다. 이는 일본이 이처럼 가장 중요한 바탕을 가지고 있었지만 1980년 이후 경기 침체로 IT 산업에서 기선을 빼앗긴 이후 이를 활용하지 못한 이유일 것입니다.

 

▲ 펜터그램’(왼쪽)과 ‘펜터그램’에 의한 사진조각 제작도(오른쪽) <사진출처=https://en.wikipedia.org>

 

프린팅 기술의 근원


지금으로부터 170여 년 전 프랑스 화가이며 사진작가, 조각가로 활동한 ‘프랑수아 윌렘’(Francois Willeme, 1830~1905)이라는 예술가에 의하여 오늘날 미래 산업의 가장 유망한 분야로 주목받는 3D 프린팅의 기술적 근원이 시작되었다는 사실을 상세하게 알고 있는 사람은 많지 않습니다.


1830년 프랑스에서 태어난 ‘윌렘’에 대한 개인적인 기록은 당시 언론이나 함께 교유하였던 인물들의 기록에서 단편적으로 확인되고 있지만 그의 선구적인 업적은 매우 상세하게 전해지고 있습니다. 1859년 무렵 ‘윌렘’은 사진 조각(Photo-sculpture)이라는 특수한 기법을 발명하여 제작한 실제 인물의 정밀한 사진 조각을 선보였습니다. 여러 기록을 종합하여 보면 근대 조각의 아버지로 평가받는 불후의 작품 ‘생각하는 사람’의 조각가 '오귀스트 로댕'(Auguste Rodin, 1840~1917)과 ‘윌렘’이 ‘사진 조각’으로 잠시 인연을 갖게 된 적이 있었습니다. 이는 ‘로댕’이 14세에 국립공예 실기학교인 프티트 에콜(Petite Ecole)을 졸업하고 1857년부터 당시 왕립미술학교이었던 에콜 데 보자르(Ecole des Beaux-Arts)에 응시하여 3년간 연속 낙방하였습니다.


이러한 과정에서 1861년 아버지가 세상을 떠났고 이어 1862년 누이 ‘마리아’(Maria)가 급작스러운 복막염으로 죽음을 맞자 ‘로댕’은 1862년 수도원에 들어갑니다. 이는 누이의 이른 죽음에 불성실한 남편을 자신이 소개한 죄책감에서였습니다. 이러한 ‘로댕’의 재능을 안타까워 하던 신부의 노력으로 ‘로댕’은 수도원에서 나와 1864년 살롱전에 처음으로 출품하여 낙선한 작품이었지만 ‘로댕’의 예술성을 알린 ‘코가 망그러진 사나이’가 선보인 배경입니다. 이러한 과정에서 경제적으로 어려웠던 ‘로댕’이 ‘윌렘’이 발명한 흥미로운 사진조각 프로젝트에 잠시동안 함께 일 하였던 것입니다.


‘윌렘’의 사진 조각(Photo-sculpture)이라는 기법은 당시로써는 실로 상상키 어려운 발명이었습니다. 이는 원형의 스튜디오에 각 카메라마다 15도 각도를 유지하는 24대의 카메라를 설치하여 인물의 각기 다른 각도에서 동시에 촬영된 사진을 투영하여 비치는 3차원의 3D 이미지를 따라 조각의 소재인 나무를 자르는 방법이었습니다. 이렇게 조각된 나무들을 모아 붙여 마무리를 하고 페인팅을 하면 실제의 모습과 같은 정밀한 인물조각이 제작되었습니다. 이와 같은 기법으로 인물에서 동물 그리고 다양한 사물이거나 모형들을 그대로 재현해내는 바로 오늘날의 3D 스캐닝과 3D 인쇄 원리의 바탕인 것입니다. 당시로서는 신비한 마술과 같은 발명의 이론적 배경을 살펴보면 ‘피타고라스’의 ‘펜터그램’(Pentagram) 원리가 바탕이 되어있음을 쉽게 알 수 있습니다.


‘펜터그램’이란 피타고라스 학파가 오랫동안 정립하여온 별 모양의 5각형으로 대표되는 수의 조화와 비례에 나타난 황금분할의 상징입니다. 이러한 ‘펜터그램’의 원리가 그리스의 수학자 에우독소스(Eudoxos,BC408~BC355)의 '일반비례론의 정립과 구면(球面)의 곡선에 관한 연구'에서 황금분할(黃金分割)의 정연한 논리가 전개되어 원뿔의 체적에 대한 증명이 이루어진 것입니다. 이는 바로 원의 넓이는 그 반지름의 제곱에 비례한다는 신비가 풀려나 인류의 천문학연구에 바탕이 되어 우주의 윤곽이 과학적으로 규명되는 과정입니다. 이러한 ‘펜터그램’의 원리는 5개의 직선으로 구성된 규칙적인 오각형으로 그 각은 108도입니다. 외변의 등각 투영된 삼각형은 밑면이 72도이며 상변이 36도로 오각의 별 모양이 모두 모이면 정사각형이 되고 오각의 별은 다시 수많은 별로 나눌 수 있는 수학에서 가장 심오한 사유의 신성함을 담고 있는 기하학의 상징이라 할 것입니다. 인류의 선구자들이 8년을 주기로 하는 금성의 궤도에서 오각형이 성립되는 신비의 하늘을 우러르며 찾아낸 이론인 것입니다.


이와 같은 ‘펜터그램’(Pentagram)의 원리를 바탕으로 ‘팬터그래프’(pantograph)를 발명하여 ‘태양투영관측법’으로 태양의 흑점을 발견한 사람이 독일의 천문학자 '크리스토프 샤이너'(Christoph Scheiner, 1573~1650)입니다. ‘팬터그래프’가 ‘샤이너’에 의하여 발명된 이후 인류의 역사는 실로 엄청난 변화를 가져오게 됩니다.


이후 이러한 ‘팬터그래프’를 1821년 스코틀랜드의 수학자 이며 천문학자인 ‘윌리엄 윌리스’(William Wallace ,1768-1843) 가 더욱 실용적이며 정밀하게 그림을 확대하고 축소하는 '신축축도기'인 '아이도우그래프'(eidograph)로 발전시켰습니다. 이러한 ‘팬터그래프’가 ‘가위손 법칙’으로 응용된 매커니즘의 사례는 아코디언 악기에서부터 '가위손 리프트'이거나 심지어 전철의 지붕에 마름모꼴로 붙어있는 전력을 공급받는 장치에 이르기까지 혜아릴 수 없이 활용되었습니다. 이러한 ‘팬터그래프’의 원리를 바탕으로 조각품을 생산해 낼 수 있는 기계의 개발은 의외의 곳에서 등장하였습니다.


이는 인류사에 산업혁명이라는 가장 큰 변화를 끌어낸 증기기관의 개발자인 ‘제임스 와트’(James Watt (1736-1819)가 증기기관에 필요한 금속주물의 제작에 다양한 시도를 거듭하며 오늘날의 ‘수치제어’로 불리는 'NC'(Numerical Control) 시스템의 바탕을 마련하였던 것입니다. 이러한 ‘와트’의 빌명을 바탕으로 영국의 발명가 '벤자민 체버튼'(Benjamin Cheverton, 1794~1876)이 1836년 조각 복제용 기계를 만들었습니다. 이러한 기계를 바탕으로 프랑스의 ‘윌렘’이 실제의 인물을 촬영하여 조각으로 제작되는 사진 조각(Photo-sculpture) 시스템을 개발 하게 된 것입니다. 이는 오늘날 미래 산업으로 각광받는 3D 프린팅 기술의 실질적인 바탕이며 근원이라 할 것입니다.

 

▲ ‘알로이스 제네펠더’와 석판 인쇄기. <사진출처=http://www.historygraphicdesign.com/>

 

인쇄술과 반도체


1455년 독일의 ‘구텐베르크’에 의하여 서양 최초로 금속활자 활판인쇄로 42행 성경이 출판된 인쇄문화의 영향은 인류의 문예 운동 르네상스의 절정을 가져왔으며 각 분야에 변화의 바람이 거세게 불어왔습니다. 문명의 역사라 할 수 있는 인쇄문화의 발전과정을 살펴보면 문자를 구현하는 인쇄에 있어 가장 중요한 과제인 그림을 나타내는 부분에서 예술가들의 역할이 막중하였음을 살피게 됩니다. 이러한 사실은 ‘구텐베르크’가 당시에 판화작가를 찾아다닌 사례에서 잘 나타나고 있습니다.


동양과 서양에서 오랜 역사를 가진 목판화를 통한 초기의 삽화 인쇄에서 동판화로 이어진 인쇄과정을 보면 프랑스 출신의 미술가 마르틴 숀가우어(Martin Schongauer. 1445~1491)의 선구적인 업적에서부터 출발하고 있습니다. 이어 독일의 미술가 알브레히트 뒤러(Albrecht Durer, 1471~1528) 와 다니엘 호프퍼(Daniel Hopfer, 1470~1536)를 거쳐 독일의 판화가 루드비히 폰 지겐(Ludwig von Siegen.1609~1680)에 의하여 환상적인 음영까지도 표현하는 ‘메조-틴토(mezzo-tinto)의 ’에칭 기법과 프랑스 화가인 장 밥티스트 프린스(Jean Baptiste Le Prince. 1734~1781)가 사용한 수채화의 빛깔과 같은 동판화 부식법 ‘아콰틴트’(Aquatint)기법이 탄생하였습니다. 이러한 예술가들의 선구적인 업적은 사진술과 함께 서로의 장점을 아우르며 경쟁적인 발전을 가져왔습니다. 이러한 과정에서 발명된 인쇄 기법이 석판 인쇄술 ‘리소그라피’(lithograph) 입니다.


일반적으로 석판화로 부르는 ‘리소그라피’(lithograph)는 기존의 요철기법을 사용하는 동판화에서 발전된 기법으로 탄산칼슘(CaCO3)으로 이루어진 석회암 석판이 기름에 반응하는 특성을 이용하여 평면 석판에 직접 그림을 그려 인쇄하는 기법으로 독일의 극작가이며 작곡가인 ‘알로이스 제네펠더’(Aloys Senefelder, 1771~1834)에 의하여 발명되었습니다. 연극제작의 실패로 많은 빛을 가지고 있던 ‘제네펠더’가 새로운 연극을 기획하면서 당시로써는 경제적 부담이 컸던 다량의 극본제작을 모색하다가 발명한 기법이었던 것입니다.


그는 집 안에 있던 석회암의 매끄러운 표면에 유성 연필로 메모한 내용이 씻어지지 않은 사실에 착안하여 오랜 연구 끝에 이러한 기법을 발명하여 인쇄 회사를 설립하여 큰 성공을 이루었습니다. 이와 같은 평면 석판술의 재료는 독일 바이에른의 도나우 강과 알트밀 강이 합류하는 지역 알트뮐(Altmuhl)골짜기에 졸렌호펜(Solnhofen)이라는 지역에 산재한 석회암이었습니다. ‘졸렌호펜’으로 명칭 되는 석회암 석판은 오랜 담수호의 염분작용으로 형성된 석재로 석판 인쇄술이 보급되면서 거대한 광산으로 개발되었습니다, 그러나 사진기술의 발달로 사진제판 기술이 등장하고 1900년경 오프셋 인쇄가 개발되면서 인쇄술로는 쇠퇴하였지만 석판 기법이 가지는 특성적인 감성으로 미술가들의 판화작업으로 오랫동안 존재하였습니다. 이러한 특수한 성분을 가진 석재의 채굴과정에서 1억5000만 년 전의 파충류에서 진화한 최초의 조류로 확인되는 시조새 화석이 발굴되었고 연이어 중생대 쥐라기 시대의 다양한 화석들이 발굴되면서 ‘졸렘호펜 화석’이라는 이름으로 고대연구의 중요한 사례가 되기도 하였습니다, 


‘제네펠더’에 의하여 발명된 석판 인쇄술은 정밀한 지도 제작과 악보의 제작 등 여러 분야에 직접적인 영향을 가져와 인류의 문명부흥에 많은 공헌을 하였습니다. 또한, 이러한 석판 인쇄와 사진술이 결합하여 이루어진 ‘포토리소그래피’ (Photolithography)기법이 오늘날 첨단 문명의 씨앗인 반도체산업의 제조공정에 가장 주요한 역할을 담당하고 있는 사실도 기억하여야 할 것입니다. 프랑스 엔지니어 출신의 이고네(Rene Alphonse Higonnet, 1902~1983)와 프랑스계 미국인 모이로드(Louis Marius Moyroud, 1914~2010)가 1953년 공동으로 개발한 사진식자기(photocomposing)는 인화 필름에 렌즈를 통하여 문자의 크기를 자유롭게 투영하여 완성된 필름으로 바로 조판이 가능한 기법으로 활자 인쇄를 걷어낸 혁신적인 발명입니다.


이러한 사진식자기는 1980년대 컴퓨터가 개발되면서 그대로 응용되어 컴퓨터 제판기술이 개발되기 이전까지 세계 출판문화를 선도하였습니다. 바로 이러한 원리가 ‘포토리소그래피’ (Photolithography)기법이 되어 세상에서 가장 정밀한 전자 부품인 반도체의 표면에 회로 및 다양한 작업을 가능하게 한 것입니다.


1억 5000만 년 전의 지구 최초의 조류인 시조새의 화석이 박힌 졸렌호펜(Solnhofen) 석판인쇄가 오늘날 최첨단 과학의 씨앗인 반도체로 태어난 사실에서 역사를 걸어온 문명의 동행을 소중하게 인식하여야 할 것입니다.

 

artwww@naver.com 

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