3D 프린트 콘크리트가 환경을 구할 수 있을까?

콘크리트는 우리 주변 어디에나 존재합니다. 주택, 사무실, 학교 건물부터 상점, 댐, 다리, 인도, 도로에 이르기까지, 콘크리트는 우리가 매일 사용하는 구조물을 건설하는 데 도움을 줍니다. 

그것은 전혀 새로운 재료가 아닙니다. 실제로 콘크리트 구조물에 대한 가장 초기 기록은 기원전 6500년 시리아와 요르단 지역으로 거슬러 올라갑니다. 그 다음으로는 로마인들이 건설에 콘크리트를 광범위하게 사용했습니다. 그리고 수천 년이 지난 지금도 많은 구조물이 여전히 우뚝 서 있습니다. 

수년간 콘크리트 사용량은 계속 증가했으며, 전 세계 콘크리트 시장 규모는 2021년에 $687.2 billion에 달했습니다. 이는 2026년까지 $821.6 billion으로 성장할 것으로 예상되어, 콘크리트가 우리 삶에서 차지하는 역할을 보여줍니다. 

이러한 확장은 건설 산업의 성장과 전 세계 새로운 건설 프로젝트에 대한 투자 증가에 의해 촉진됩니다. 경제 성장과 급속한 도시화도 전 세계 주거 및 상업 복합단지에 대한 수요 상승에 기여합니다. 도시가 성장함에 따라 인프라에 대한 필요가 늘어나고, 그에 따라 콘크리트에 대한 필요도 증가합니다. 

시멘트에 대한 지속적인 수요가 오래전부터 존재한다는 것은 알지만, 왜 이렇게 인기가 있을까요? 그리고 모든 것이 좋은 걸까요? 이제 알아보겠습니다! 

콘크리트: 세계의 위험한 필요성

콘크리트가 왜 그렇게 가치 있는지 이해하기 전에, 정확히 무엇인지 살펴보겠습니다. 콘크리트는 시멘트(또는 석회), 물, 그리고 모래, 자갈, 파쇄암과 같은 천연 또는 인공 입자들의 집합인 골재의 혼합물입니다. 

여기서 시멘트는 칼슘, 철, 실리콘, 알루미늄 등으로 구성된 제조 혼합물로, 콘크리트에 경화 특성을 부여하는 결합재이며, 물은 시멘트를 활성화시켜 밀도 높은 재료를 형성합니다. 

이 복합 재료를 가치 있게 만드는 것은 가공성(신선한 혼합 콘크리트가 거의 모든 형태로 형성될 수 있는 능력)과 내구성(오랜 기간 지속될 수 있음) 등 다양한 특성입니다. 이 저렴한 재료는 다양한 건설 요구에 맞게 맞춤화될 수 있습니다. 

콘크리트의 또 다른 매력적인 특성으로는 사용 용이성, 강도, 그리고 무거운 하중과 압축 스트레스를 견디는 것뿐만 아니라 거친 날씨와 지진·허리케인과 같은 자연 재해에도 견딜 수 있는 능력이 있습니다. 

또한 콘크리트는 열을 보존하고, 내화성이며, 손상이 발생했을 때 수리하기 쉬운 특성을 가지고 있습니다. 이러한 모든 특성은 콘크리트를 매우 가치 있는 제품으로 만들어 사용량이 급증하게 합니다. 

콘크리트는 건설 산업에서 다양한 용도로 사용됩니다. 실제로 물 다음으로 세계에서 가장 널리 사용되는 건설 재료이며, 댐, 다리, 고속도로, 공항, 도로, 운하, 저수지, 포장재는 물론 주거용 건물, 상업 복합단지 및 기타 하중을 지지하는 구조물에도 사용됩니다. 

간단히 말해, 콘크리트는 건설의 기본 재료로, 우리 주변 인프라를 형성하는 데 중요한 역할을 합니다. 

하지만 콘크리트가 이익만을 제공하는 것은 아닙니다. 실제로 매우 위험합니다. 

우선, 시멘트는 16억 메트릭톤의 이산화탄소(CO2)를 배출하며, 이는 전 세계 CO2 배출량의 약 8%에 해당합니다. 그리고 건설 부문의 시멘트 의존도가 높아지면서 그 거대한 탄소 발자국이 더욱 악화됩니다. 

한편, 일반 포틀랜드 시멘트(OPC) 생산은 전 세계 인위적 CO2 배출량의 5%~8%를 차지합니다. 모든 건설 관련 활동에 대해 이를 확대하면, 최신 연구에 따르면 이 부문에서 에너지 관련 CO2 배출량의 거의 40%가 발생하며, 전 세계 최종 에너지의 36%를 소비하고 있습니다. 

이는 매우 우려되는 상황입니다. CO2 배출량은 37.41 GtCO2라는 사상 최고치에 이를 것으로 예상됩니다. CO2 배출은 또한 지구 온난화의 주요 원인으로, IPCC에 따르면 현재 추세대로라면 2030년에서 2052년 사이에 산업화 이전 수준보다 1.5 °C 상승할 것으로 예상됩니다. 

콘크리트의 환경적 파급 효과를 고려할 때, 연간 소비량이 300억 톤에 달하고 지속적으로 증가할 것으로 예상되는 만큼, 혁신가부터 기업, 정부에 이르기까지 모두가 이 문제를 정면으로 다루는 것이 중요합니다. 

3D 프린팅으로 건설 혁신 

앞서 언급했듯이 콘크리트는 필수적인 악입니다. 일부 장점이 있고 문명에 필수적이지만, 이미 삼림 파괴, 기후 변화, 생물 다양성 손실 등으로 고통받고 있는 지구에 큰 해를 끼칩니다. 

콘크리트를 혼합하면 상황은 그냥 더 악화됩니다. 하지만 이 인기 있는 건축 자재의 해로운 영향을 해결할 방법이 있다면 어떨까요? 

음, 일단 콘크리트는 세계의 복잡하고 고도화된 요구를 충족하기 위해 진화하고 있습니다. 앞서 언급했듯이 그래핀과 대마와 같은 첨단 소재가 건축 자재에 점점 더 많이 활용되고 있습니다. 심지어 석회석을 대체하거나 화석 연료 기반 석회석을 사용하여 탄소 없는 시멘트도 생산되고 있습니다. 

또 다른 해결책이 있는데, 바로 3D 프린팅입니다. 맞습니다! 예술, 가구, 기타 소비재는 물론 포렌식, 의수, 수술 등에 사용되는 동일한 방법이 건설 분야에서도 게임 체인저가 되고 있습니다. 

3D 프린팅 또는 적층 제조는 디지털 파일을 기반으로 재료를 층층이 쌓아 3차원 물체를 만드는 기술로, 빠른 프로토타이핑, 맞춤화, 비용 절감, 재료 폐기물 감소, 혁신 촉진 및 지속 가능성 등의 장점으로 큰 주목을 받고 있습니다. 

이 기술은 현재 건설에 활용되고 있으며, 이는 새로운 현상은 아닙니다. 3D 프린팅은 수십 년 전부터 건설에 사용되어 왔습니다. 그러나 최근 몇 년간 3D 프린팅 활용이 크게 증가하여 공정 속도를 크게 가속화하고, 재료 사용을 최적화하며, 복잡한 설계와 맞춤형 구조를 탐색하고, 원격 건설을 촉진하며, 안전성을 향상시키고 있습니다. 

3D 프린팅의 다면적 이점에는 현장 건설을 통한 공급망 단축과 고위험 작업에서 수작업 필요성을 줄여 작업장 위험을 크게 감소시키는 것이 포함됩니다. 

올해 우리는 텍사스에서 세계 최대 규모의 3D 프린트 주거 단지를 완공에 가까워지는 모습을 보았습니다. 이 프로젝트는 3D 프린트 건설 회사 ICON이 담당하고 있습니다. 

민간 기업인 ICON은 주택을 프린트할 뿐만 아니라 방위 및 우주 건설에도 참여하고 있습니다. 10년도 채 되지 않아 ICON은 4억 5천만 달러를 조달했으며, 이는 기업 가치를 약 20억 달러로 끌어올렸습니다. 이 회사는 NASA와 계약을 맺어 달 탐사 프로그램인 아르테미스의 일환으로 달에 착륙장, 대피소 및 기타 구조물을 건설하고 있습니다. 

In 2018, it built the first permitted 350-square-foot 3D-printed home in the U.S., which only took two days. The house was built using concrete because, as ICO CEO Jason Ballard stated:

“It’s one of the most resilient materials on Earth.”

For its Texas community, the company is using its Vulcan printer, which is much like a regular desktop 3D printer, and pipes layer by layer. The difference with this Vulcan printer is that it is 45 feet wide and weighs 4.75 tons. 

공정에 대해 말하자면, 콘크리트 파우더에 모래, 물 및 기타 첨가제를 혼합한 뒤 프린터에 펌프합니다. 그런 다음 콘크리트 혼합물은 노즐에 의해 브러시 위로 짜내어 미리 프로그램된 경로를 따라 층층이 쌓입니다. 

로봇 프린터는 세계 최대 규모의 3D 프린트 커뮤니티라 불리는 곳에서 100채의 3D 프린트 주택을 건설했습니다. 3D 프린팅이 더 빠르고, 비용이 적게 들며, 건설 재료 폐기물을 최소화하고, 인력도 적게 필요하다는 점에서, 이는 “무역 시장에 많은 효율성을 가져다준다”고 회사는 말합니다. 

하지만 이는 시작에 불과합니다. 3D 프린팅 건설 시장은 성장세가 예상됩니다. 지난해 55억 달러 규모였던 전 세계 3D 프린팅 건설 시장은 $3.3 trillion by 2032에 이를 것으로 예상됩니다. 

이러한 수치는 처음에는 어마어마하게 보일 수 있지만, 이전 기사에서 공유했듯이 3D 프린팅은 주택 부족이라는 심각한 문제에 대한 잠재적 해결책이 될 수 있어, 조 단위 목표가 현실 가능해집니다. 

3D 프린팅 건설에 대한 엄청난 관심을 감안할 때, 이 기술을 활용해 건설 시장을 더 나은 방향으로 바꾸는 것이 타당합니다. 바로 싱가포르 난양공대(NTU) 연구진이 하고 있는 일입니다. 

연구진은 한 걸음 더 나아가 콘크리트 자체를 3D 프린팅했습니다. 이를 위해 그들은 탄소를 포집하는 3D 콘크리트 프린팅 방식을 개발했으며, 이는 건설 산업의 환경 영향을 줄이는 새로운 방법을 제시합니다. 

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CO2를 포집하는 3D 프린트 콘크리트

이번 달 초, NTU 과학자들은 그들의 연구를 “CO2와 증기를 통합한 현장 3D 콘크리트 프린팅을 통한 탄소 포집 및 격리”라는 제목으로 발표했습니다.

이 연구는 재료 사용량, 인력 요구량, 건설 시간을 크게 줄여 시멘트의 탄소 발자국을 현저히 감소시키는 혁신적인 방법을 상세히 설명합니다. 

또한 지속 가능한 개발을 3D 콘크리트 프린팅을 통해 달성하면 전 세계 에너지 사용량을 최대 5%까지 감소시킬 수 있다고 제안하고 있습니다. 이러한 환경적 이점은 건설 프로세스 효율화와 잠재적으로 동등합니다. 

하지만 최신 연구에서와 같이 콘크리트에 CO2를 혼합하는 것은 이전에도 재료 품질을 개선하고 시멘트의 부정적인 환경 영향을 줄이기 위해 시도된 바 있습니다. 

초기 연구에서는 CO2와 직접 배치 혼합하거나 탄산화 챔버에서 생산 중 콘크리트에 CO2를 노출시켜 “탄산화 껍질”을 형성함으로써 콘크리트의 기계적 특성이 향상된 것을 보여주었습니다. 

이전 연구에서는 침투 저항성이 거의 15배 증가하고, 30분간 CO2와 모르타르를 혼합했을 때 최대 1.16%의 탄소 흡수를 기록했습니다. 가속 탄산화 경화(ACC)를 조정하면 1.98%~25.5%의 탄소 흡수를 보였습니다. 

3D 콘크리트 프린팅 연구는 주로 탄소 발자국을 줄이기 위한 친환경 시멘트 혼합물 설계에 초점을 맞췄지만, 최신 연구에서는 몇몇이 처리 기술을 발전시켜 대량 탄소 포집 및 저장 능력(CCS)을 강화하는 데 주목했다고 언급했습니다. 

시멘트계 재료의 탄산화에 관한 연구는 특히 깊이에 대한 최소한의 초점 때문에, 연구자들은 대규모 적용 시 타당성에 대한 우려가 있다고 지적했습니다. 또한 챔버 내 CCS 솔루션은 하드웨어와 에너지 소비 측면에서 제한이 있어 3DCP에 적용될 때 문제가 됩니다. 결과적으로, 대규모 자동화 현장 건설의 이점이 손상됩니다. 

이는 기존 경화 기술을 넘어서는 인공 탄산화 공정을 3D 콘크리트 프린팅에 개발할 필요성을 만들었습니다. 

그 결과 NTU 연구진은 탄소 포집 효율을 평가하기 위한 새로운 공정을 개발했습니다. 

새롭게 개발된 기술은 2단계 압출 기반 시스템을 포함합니다. 첫 단계에서는 CO2와 증기를 혼합 콘크리트에 주입합니다. 혼합물은 직접 CO2를 콘크리트 구조에 통합하고 저장합니다. 여기서 CO2와 증기는 산업 공정의 부산물로 포집됩니다. 

이 새로운 접근법은 대량 탄소 흡수량을 38.2% 증가시켰으며, 이는 3D 프린팅 콘크리트를 통한 탈탄소화 건설에 또 다른 길을 제시합니다. 

전용 프린트헤드 부착물의 설계는 가스 및 액체 첨가제의 규제된 주입을 가능하게 하여 자동화 건설에서 환경 지속 가능성 문제를 해결하려는 목표를 가지고 있습니다. 또한 주문형 경화 요구사항과 가장 중요한 점은 3D 콘크리트 프린팅에 호환되는 CCS 솔루션이 부족한 문제를 다룹니다. 

새로운 방법은 시멘트의 탄소 발자국을 줄일 뿐만 아니라 콘크리트의 기계적 특성을 향상시키는 것으로 나타났습니다. 이는 기존 3D 프린트 콘크리트에 비해 구조물에 큰 강도를 제공합니다. 

연구 논문에 따르면 CO2와 증기 통합으로 3D 프린트 가능성이 최대 50% 증가하고, 굽힘 강도가 45.3%, 압축 강도가 36.8% 향상되었습니다. 

연구진은 CO2-증기 통합 프린팅 및 개방형 경화를 받은 샘플이 가장 높은 탄소 흡수를 보였다고 결론지었습니다. 연구진은 다음과 같이 말했습니다:

“제시된 솔루션은 탈탄소화 건설을 향한 유망한 경로를 제공하며, 기존의 제한된 경화 방식 너머로 CCS의 실현 가능한 옵션을 확대합니다.”

팀은 또한 프린팅 구성, 혼합 설계, 그리고 연소 가스 주입을 최적화하여 순수 CO2 원료 낭비를 줄이는 것이 향후 연구 과제로 제시되었습니다. 

3D 프린팅 분야의 투자 가치 기업

이제 2024년에 $17.5 billion 규모로 추정되는 3D 프린팅 시장에 참여하고 있는 상장 기업을 살펴보겠습니다. 이 시장은 향후 5년간 연평균 16.4% 성장해 $37.4 billion에 이를 것으로 예상되며, 이는 분야의 진보와 세상을 더 나은 방향으로 변화시키는 데 기여하고 있습니다. 

1. Stratasys Ltd.

Stratasys는 3D 프린팅 분야에서 잘 알려진 이름이며, 여러 부문에 솔루션을 제공하고 있습니다. 이 회사의 기술은 3D 프린팅 분야의 발전에 기여하고 있습니다. 

시가총액 $689.5 million인 Stratasys는 현재 주당 $9.66에 거래되고 있으며, 올해 32.35% 하락했습니다. EPS(TTM)는 -1.32이며, P/E(TTM)는 -7.30입니다. 

2024년 3분기에 Stratasys는 매출 $140.0 million을 기록했으며, 이는 전년 동기 $162.1 million 대비 감소한 수치입니다. 이러한 수치로 인해 회사의 소모품 매출은 8분기 연속 연간 성장세를 보이고 있으며, 이는 “프린터 활용도가 지속적으로 강력함을 반영한다”고 밝혔습니다. 

Stratasys의 GAAP 총이익률은 44.8%로 개선되었으며, GAAP 순손실은 $26.6 million이었습니다. 비GAAP 순이익은 수익성을 달성하기 시작했습니다. 현금 $4.5 million이 운영에 사용될 것으로 보고되었으며, 연간 누적 영업 현금 흐름은 여전히 양수입니다. 

이러한 강력한 수치로 Stratasys는 2024년 전체 전망을 상향 조정했습니다. 이에 따라 매출 $580 million, 비GAAP 순이익 $5 million, 자본 지출 $20 million을 보고했습니다. 

“우리는 비용 최적화와 고성장 기회에 집중함으로써 회사를 성공적으로 변혁하기 시작했습니다.”

– CEO Dr. Yoav Zeif는 당시 이렇게 말했습니다

그는 또한 회사의 주요 F3300 플랫폼이 큰 주목을 받고 있으며, 의료, 자동차, 항공우주 등 주요 목표 부문으로 계속 확장하고 있다고 언급했습니다. 

Dr. Zeif에 따르면, 회사의 구조조정 계획은 내년부터 연간 $40 million의 비용 절감을 제공할 것입니다. 

“우리는 2025년에 매출 성장, 수익성 및 현금 흐름을 증가시킬 준비가 되어 있으며, 시장 상황이 개선되면 억눌린 수요를 해결할 수 있습니다.”

– Dr. Zeif

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결론

콘크리트는 수세기 동안 인간 발전의 초석이었지만, 위험 없이 사용할 수는 없습니다. 콘크리트의 환경 영향은 심각한 우려가 되고 있으며, 더 나은 해결책을 찾는 긴급한 필요성을 만들고 있습니다. NTU 연구진의 최신 기술은 올바른 방향으로 나아가는 한 예입니다. 적층 제조 원리를 활용함으로써 3D 콘크리트 프린팅은 전통적인 공정을 재정의하고 지속 가능성을 촉진했습니다. 

세계가 도시 확장과 기후 변화에 직면함에 따라, 3D 콘크리트 프린팅과 같은 혁신은 건설의 복잡하고 증가하는 요구를 충족시키면서 그 해로운 영향을 완화하는 데 도움이 될 수 있습니다. 규모 확대와 표준화에 남은 과제가 있지만, 시간이 지나 기술이 개선되고 널리 채택됨에 따라 3D 프린팅은 내일의 인프라를 형성하는 핵심 역할을 할 수 있습니다. 

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