저자

한 규 성_한국세라믹기술원 선임연구원

최 정 훈_ 한국세라믹기술원 연구원

1. 서 론

현대 사회는 문화의 시대이며, 문화콘텐츠가 국가경쟁력을 만드는 시대이다. 이러한 점에서 문화와 제조업이 융합된 도자산업은 대표적인 창조경제 산업이라고 할 수 있다. 최근 도자 산업을 비롯한 제조업에서는 점점 디자인이 차지하는 비중이 증가되고 있으며, 이는 단순하게 생산된 제품보다 디자인과 문화를 융합시킨 제품이 더 많은 고부가가치를 창출할 수 있기 때문일 것이다. ‘감성디자인’, ‘휴먼디자인’ 등의 수식어들을 내세우며 평준화된 제품 기능에 차별성으로서 디자인이 주목받고 있는데, 경쟁력 있는 제품 디자인을 위해서는 공정기술의 발전과 함께 제품 개발에 소요되는 자원의 감소가 필수적이다.
이와 같은 관점에서 볼 때 하루가 다르게 발전하는 디지털 기술을 도자 산업에 도입하는 것은 생산성 증가, 품질 개선, 가격경쟁력 확보 등 수없이 많은 장점을 가지고 있다. IT기술을 활용하여 기존의 도자 제조공정에서 시도되지 못했던 컴퓨터 지원 설계과정 및 디지털 제조공정을 적극 도입한다면 제품 개발에 소요되는 자원을 능동적으로 제어하고 보다 새로운 디자인을 창출할 수 있다. 본 서에서는 타 제조업 분야에서 필요성과 파급력이 검증된 IT기술과 도자 세라믹 제조공정과의 융합 사례 및 이를 통해 확보되는 효과를 서술하였다. 도자 디자인 및 제조공정에 활용할 수 있는 디지털 기술은 다음과 같다.

2. 디지털 기술을 활용한 도자 디자인설계

2.1. 역설계(Reverse Engineering)

도자 산업의 발전과 함께 컴퓨터 기술을 활용하여 생산성을 향상시키려는 시도가 증가되고 있다. 기존의 아날로그적 설계와 대비하여 다양한 장점이 존재하는 CAD설계의 도입은 제조업의 발전을 위해서 필수적으로 필요한 흐름이다. 현재 대형 도자 제조사들을 중심으로 시도되는 CAD설계공정은 기본적인 기형 설계 및 제품 시뮬레이션에 활용되고 있으나, CAD설계를 보다 효율적으로 도입하고 융합하기 위해서는 부수적인 도구의 활용이 요구된다. 역설계는 CAD설계에서 사용되는 문양 및 기형을 실존하는 객체에서 데이터화하여 역으로 활용하는 방법이다. 3D scanner를 활용하여 실존 객체의 3차원 디지털 정보를 취득하고 이를 활용하여 유연하게 사용가능한 데이터를 생산하는 것이다.
3D scanner로 수집된 데이터는 그림 1과 같이 다수의 불필요한 데이터와 같은 noise를 포함하고 있어 가공 또는 설계단계에서 활용하기 불가능하다. 역설계란 이러한 초기 데이터를 기반으로 새롭게 설계를 진행하는 과정을 뜻한다. 불필요한 noise들을 제거하고 전체 기형만을 이용하여 새롭게 modeling을 진행한다. 3D scanner는 이러한 역설계 과정이 필연적으로 요구되며 표 2는 3D scanner와 역설계를 활용하여 제품원형을 제작하는 과정을 보여준다.

2.2. CAD (Computer Aided Design)

3D software의 발전에 따라 디지털 설계기술은 급속히 성장하고 있다. CAD는 기존에 2D drawing design 기술에서 한 단계 발전되어 입체적 설계를 가능하게 하는 software를 통칭하며, 타 분야에서 이미 CAD를 활용한 디자인 설계기술은 필수적인 요소이다. 도자기 제조 공정에도 CAD를 활용한 제품 디자인이 시도되고 있는 추세이며, 그 효과는 매우 다양하다.
일반적인 설계와 CAD 설계의 차이점으로는 첫째, 제작하고자 하는 기물의 곡선 변화가 요구되거나 크기 및 비율이 변경되는 등 수정소요 발생 시 일반 설계에서는 전 과정을 다시 반복해야 하지만 CAD설계에서 이를 빠르게 수정할 수 있으며 둘째, CAD설계를 통한 기형의 데이터가 완료되면 중간과정의 기형을 제 3자가 의견교류를 원하였을 때 최종 기물에 대한 정보를 언제든지 Digital Mock up을 활용하여 실사처럼 rendering하거나, 실시간 3D viewport 화면을 통하여 의견교류가 가능하다는 것이다. 일반 설계의 경우 작가의 머릿속에 있는 최종 이미지를 제 3자와 교류하기는 쉽지 않다. 셋째는 객체지향성으로 최초 새로운 문양을 디자인할 경우 방법이 틀릴 뿐 새로운 무언가를 창조해야한다는 점에서 CAD설계도 기존 문양제작과정과 동일한 자원이 소요된다. 그러나 동일한 문양을 재사용할 경우에는 두 가지 설계방법에는 큰 차이가 발생한다. 일반 설계의 경우 동일한 문양이라도 기물에 직접 시문하여 결과물을 얻기 때문에 기물이 변경되면 그에 따라 동일한 작업을 수차례 반복해야만 한다. CAD설계는 최초 제작된 부조 데이터를 객체화하여, 그 문양이 쓰일 기형에 구속되지 않고 재사용이 가능하다. 배치 및 크기를 변경하기 쉽기 때문에 한 가지의 디자인으로 다양한 제품의 생산이 가능하다. 이는 디자인 설계 작업이 진행될수록 차이가 심화되며 누적된 디자인 객체수의 증가에 의해 새로운 디자인을 진행하면서 소요시간에서 많은 차이를 나타낸다.
그림 2은 객체화된 문양의 재사용성을 표현하는 것으로 1회 제작된 문양을 기면에 상관없이 적용하여 제품 개발에 소요되는 자원을 능동적으로 제어할 수 있는 것을 보여주는 사례이다. 이와 같이 CAD 설계방법은 생산성 측면에서 가치를 인정받았으나 석고형 제작을 위해 문양 경계들의 경우 곡면처리가 요구되기 때문에 심미적 측면에서는 수작업으로 제작된 기형에 비하여 경계를 표현하는 능력이 부족하다. 수제조각의 날카로운 문양을 재연하기 위해 곡면처리를 생략할 경우 하단과 같은 문제점들이 발생한다.
첫째, 석고형의 수명이 저하된다. 석고형의 평균적인 수명은 80~100회로 사용되지만, 우선적으로 마모되는 경계면이 날카롭게 구성된다면 수명주기는 급감하게 되며, 이는 생산성에 하락을 유도한다.
둘째, 제품 생산 시간이 증대되고, 불량 요인이 추가된다. 석고형에서 제품을 분리하는 과정과 날카로운 경계면은 상반되는 조건이다. 건조가 완료되지 않은 도자 제품은 강도가 낮고, 변형이 쉽게 발생하며, 날카로운 경계면은 석고형 분리 과정 중 손상될 가능성이 높다.
위와 같은 문제에 봉착되어 있는 CAD 설계를 활용한 도자제품 대량생산과정을 해결하기 위해 기존의 탈형성, 생산성을 만족시키며, 색 유약에서 문양경계를 극명하게 표현할 수 있는 방법으로 문양에 인위적인 경계면을 추가하되 생산성이 용이하도록 모두 round 처리하고 유약이 뭉칠 수 있는 조건을 만들어서 최종제품의 시각적 효과를 증가 시킬 수 있도록 구조를 설계하였다. 그림 3와 그림 4는 일반적인 곡면설계와 경계면을 추가한 설계의 차이점을 보여주는 사례로 실제 제품 생산에서도 동일한 효과가 육안으로 확인이 가능할 정도로 표현된다. 인위적인 경계면 추가는 석고형 대량생산에서 문제를 발생시키지 않으면서도 기존에 비해 보다 극명한 문양을 표현할 수 있다. 설계과정이 다소 복잡해지는 단점은 뚜렷해진 문양의 시각적 효과로 인해 얻어지는 장점으로 충분히 상쇄된다.

(자세한 내용은 세라믹 코리아 05월호를 참조하세요)