프랙탈 기하학의 조형원리를 적용한 3D 프린팅 패션소재 연구

Abstract

3D 프린팅은 디지털 사회가 요구하는 미래사회의 제 4차 산업혁명 핵심기술로 멀지 않은 시기에 생산 체계의 주역으로 자리잡는 것은 물론, 이미 경쟁력을 확보해 가고 있는 개인 맞춤형 소량생산의 확산을 이끌어 우리 삶에 획기적인 영향을 줄 것으로 예상된다. 이러한 기대 하에 3D 프린팅은 다양한 분야에 활용되며, 패션 산업 분야에 접목되면서 새로운 패러다임을 제공하고 있다. 3D 프린팅의 제작방식은 패션 산업이 요구하는 개인 맞춤형 소량생산과 디지털 데이터에 의한 다양한 3차원적 변형에 용이하다. 또한 3D 프린팅은 의류 분야에서 소재에 대한 다양성과 창의성을 열어주고 있으며, 패션소재 표면 조직의 다양한 구조와 3차원의 조형 형태에 대한 새로운 사례와 연구가 최근 들어 더욱 활발하게 이루어지고 있다. 그러나 모델링 방법이나 3D 프린팅 구현에 의한 의류 소재나 의류 제작에 관한 연구는 아직 초기 단계이거나 거의 이루어지지 않고 있다. 그러므로 3D 프린팅의 대중화, 보급화를 위하여 개인이 창작할 수 있는 유용성과 창의성을 동시에 지닌 소재 개발 및 연구가 다각적으로 요구되는 시점이다. 이에 본 연구는 패션소재로서의 미적 창의성과 기능성을 동시에 만족시키기 위해 자연의 형태원리인 프랙탈 기하학의 생성원리와 직물조직에 대한 구조원리를 결합하여 새로운 3D 프린팅 패션소재 디자인 방법을 구축하고자 한다. 3D 프린팅과 프랙탈 기하학은 위상 기하학에서 적용이 용이하다는 공통점을 지니며 자연과 과학, 그리고 예술이 융합된 새로운 조형원리라 할 수 있다. 나아가 3D 프린팅 패션소재의 저변 확대를 위한 다양한 활용성을 제시하고, 나아가 개인 제조의 영역뿐만 아니라 생산 기술적 측면에서의 새로운 디자인 방법을 창출하는데 본 연구의 목적이 있다. 자연 속에서 찾아낸 프랙탈 기하학의 구조적 질서는 디자인에 있어서 심미적 근거를 탐색하는데 중요한 원리가 된다. 이러한 자연의 형태구조에서 찾아낸 조직화된 형태원리를 기본으로 한 소재 디자인은 자연이 만드는 합리적 구조에 대한 유용성과 방법적 합리성을 동시에 가질 수 있다. 이에 본 연구는 자연 속에 내재되어 있는 프랙탈 형태의 규칙을 찾아내어 기하학적 특성과 조형원리를 파악하고자 하였다. 이를 통해 다양한 형태의 생성원리로 프랙탈 기하학의 조형원리를 구축하여 보다 창의적 디자인 방법을 설계하고, 보급된 FDM 3D 프린팅 출력방식을 통해 기본적인 소재조직과 접목된 패션디자인의 소재 연구를 새롭게 제안하고자 한다. 본 연구의 종합적인 요약 및 결과는 다음과 같다. 첫째, 프랙탈 기하학의 생성원리는 자기유사성의 반복적 규칙을 중심으로 중첩, 왜곡, 접기 등으로 비선형, 불규칙성, 무작위성을 조형적으로 표현하게 된다. 이러한 프랙탈 기하학의 생성원리가 자연의 형태에서 어떻게 나타나는지를 살펴보았다. 프랙탈 생성원리는 반복적 자기유사성의 원리 아래 불규칙적인 특성을 조직화하는 원리로 자연의 패턴을 구축하며 공간을 점유해 나가게 된다. 둘째, 프랙탈 생성원리에서 조형의 시발점은 선, 기하학적 도형 등 최소화된 기하학적 형태로 시작되어지며, 프랙탈 조형방법은 디자인의 시작점부터 적용되어 디자인 과정뿐만 아니라 생성자의 단위형태의 변환에도 적용될 수 있다. 셋째, 프랙탈 기하학의 형태는 디자인에서 단위형태를 조직화하는 패턴화된 질서로 표현된다. 이를 원사나 단위형태의 구조에 적용하여 기본조직을 활용한 3D 프린팅 패션소재를 제안할 수 있었다. 넷째, 디지털 데이터를 구축하는 모델링은 3차원 공간 속에 재현될 수 있는 입체적 모델을 만들어 가는 과정으로 다각도에서 조형되어지며, 설정된 프랙탈 이미지 변환에 맞는 프로그램 연구를 통해 프랙탈 기하학의 조형원리를 3D 모델링방법에 적용하는 디자인 방법을 구축하였다. 다섯째, 3D 프린팅의 방식과 재료, 현재 산업동향을 살펴보고 패션소재 제작 방법과 조직구조의 분석을 통해 패션소재 디자인에서의 응용가능성을 탐구하고 이를 제안하였다. 여섯째, 3D 프린팅으로 출력된 단위형태의 결합방법을 연구하여 크기에 제약적인 부분을 보완하였으며, 소재조직 선정부터 모티프에 맞도록 조직 전체를 디자인한 후 이를 세부적으로 조형화시켰다. 프랙탈 기하학의 생성원리를 적용한 3D 프린팅 패션소재 방법을 적용하여 표현한 작품 결론은 다음과 같다. 첫째, 모티프가 되는 자연의 형태를 관찰하여 기하학적 형태를 추출하고 이를 통해 생성자를 디자인할 수 있다. 이는 자연의 효율적인 질서와 생성의 구조를 만들어 주는 최소 단위형태가 되며 패션소재의 표면구조를 구조화시키는 단위형태가 된다. 둘째, 자기유사성의 단위가 되는 창시자의 기하학적 형태부터 이미지의 차이가 시작되어진다고 할 수 있다. 그렇기 때문에 기하학적 형태는 전체의 형태를 결정하기도 한다. 셋째, 3D 프린팅을 패션소재에 적용시켜 3차원의 다양한 표면효과를 나타낼 수 있으며 중첩, 왜곡, 접기에 의한 다양한 표면의 깊이효과와 표면질감을 표현할 수 있었다. 넷째, 아직까지 이상적으로 직물을 3D 프린팅 할 수 없지만, 이러한 직물구조를 기본으로 한 소재는 미래에 보다 발전된 기술로 직물을 3D 프린팅 할 수 있는 핵심적인 방법으로 볼 수 있다. 다섯째, 패션소재 디자인 연구에서 3D 프린팅은 원사와 최종 형태를 한번에 출력할 수 있다. 이러한 점은 시제품을 위한 타임라인을 줄이는 효율성을 증대시키고 생산적인 면에서도 버려지는 분량을 최소화 하는데 기여할 수 있다. 본 연구는 일반의 패션소재 조직이 가지고 있는 유연성을 기초로 하였기 때문에 기존의 3D 프린팅 출력물보다 유연한 기능성을 확보한 작품결과 도출이 가능하였다. 즉 패션 소재에 프랙탈 기하학을 적용한 새로운 표면구조를 착용 가능한 소재로 출력하여 제시하였다는 점에서 3D 프린팅 관련 선행 연구와 차별성을 가진다. 그리고 3D 프린팅의 개인 제조 시대에 맞추어 본 연구가 제시하는 3D 프린팅의 활용 방법은 사용자가 기술적으로 보다 쉽게 접근할 수 있는 패션소재 디자인 방법으로서 그 의미가 크다고 하겠다.;3D printing is the core technology of the future society of the 4th industrial revolution demanded by the digital society. It is not only the leading role of the production system in a very short period of time, but it also leads to the spread of individually customized small quantity production and is expected to have a dramatic effect on our lives. With this expectation, 3D printing is utilized in various fields and it provides a new paradigm combined with the fashion industry field. The production method of 3D printing is easy to be conducted by personalized small quantity production required by fashion industry and various three dimensional transformation by digital data. In addition, 3D printing opens the diversity and creativity of materials in the field of clothing, and new cases and researches on the various structure of the surface texture of the fashion materials and the three‐dimensional modeling form have been actively carried out in recent years. However, studies on clothing fabrics and clothing production by modeling method and/or 3D printing implementation are still in the early stage or little research has been done. Therefore, to popularize and distribute 3D printing, this is the time when material development and research with both usability and creativity that can be created by individuals are required. This study aims to construct a new 3D printing fashion material design method by combining the generating principle of fractal geometry, which is a natural form principle, and the structure principle of a textile structure, to satisfy both aesthetic creativity and functionality as a fashion material. 3D printing and fractal geometry have a commonality that they are easy to apply in topology, and they are a new modeling principle that combines nature, science, and art. The purpose of this study is to propose various implementations for expanding the base of 3D printing fashion materials and to create a new design method in terms of production technology as well as individual manufacturing area. The structural order of fractal geometry found in nature is an important principle in exploring an aesthetic basis in design. The material design based on the organized form principle found in the natural form structure can have both the usefulness and the methodological rationality of the rational structure that nature creates. Thus, this study attempted to find out the rules of fractal shape inherent in nature and to grasp the geometrical characteristics and modeling principle. Through this, this study intends to design a more creative design method by constructing the modeling principle of fractal geometry with various types of creation principles, and propose new material research of fashion design combined with basic material texture through the popularized FDM 3D printing output method. The summary and results of this study are as follows. First, the generation principle of fractal geometry models nonlinearity, irregularity, and randomness by overlapping, distortion, and folding around the iterative rule of self similarity. This study examined how the generation principle of fractal geometry appears in the form of nature. The fractal generation principle is based on the principle of repetitive self‐similarity and constructs patterns with the principle of organizing the irregular characteristics to occupy space. Second, the starting point of modeling in fractal generation principle starts with minimized geometric form such as line and geometric figure, etc. In addition, the fractal modeling method can be applied not only to the design process but also to the transformation of the unit form of the generator, starting from the starting point of the design. Third, the shape of fractal geometry is expressed in a patterned order that organizes the unit form in the design. This study applied it to the structure of unit or source form and proposed 3D printing fashion material using basic texture. Fourth, modeling for building digital data is a process of creating a three‐dimensional model that can be reproduced in a three‐dimensional space, and through exploring the program to fit the fractal image transformation, this study constructed a design method that applies the modeling principle of fractal geometry to 3D modeling method. Fifth, 3D printing method, fabrics, and current industry trends are examined, and through the analysis of fashion material production method and texture structure, the application possibilities in fashion material design are analyzed and proposed. Sixth, this study derived the binding method of unit type which is output by 3D printing, and made up the constrained part of the size. This study designed the entire structure to match the motif from the selection of material texture, and then modeled it in detail. Following are the conclusions applying the fashion material method of 3D printing by using the principle of fractal geometry. First, this study can design the generator by extracting the geometrical form by observing the form of nature which becomes the motif. This is the minimum unit form that creates the structure of the efficient order and creation of nature, and becomes a unit form to structuralize the surface structure of fashion materials. Second, it can be said that the image difference starts from the geometric form of the initiator who is a unit of self‐similarity. Therefore, the geometric form also determines the shape of the whole. Third, 3D printing can be applied to fashion material, and various surface effects can be expressed in three dimensions. It is possible to express various surface depth effects and surface texture by overlapping, distortion and folding. Fourth, we still cannot ideally carry out 3D printing of textiles. However, the material based on this fabric structure can be seen as a key method for 3D printing of the fabric with advanced technology in the future. Fifth, in the study of fashion material design, 3D printing can output the yarn and final shape at once. This can increase the efficiency of reducing timelines for prototypes and contribute to reducing the amount of production waste. In that this study is based on the flexibility of general fashion material texture, it is possible to derive the result of the work that has more flexible functionality than the existing 3D printing output. In other words, the new surface structure applying fractal geometry to fashion materials is presented as a wearable material, which is different from previous researches related to 3D printing. And in the era of personal manufacturing of 3D printing, the application method of 3D printing that this study proposes is meaningful as a design method of fashion materials which can be more easily accessed by users technically.