3D 프린팅의 진화 : 4D 프린팅

제4차 산업혁명을 야기하며 들썩이는 3D 프린팅에서 한걸음 더 나아가 3D프린터로 출력한 물체가 스스로 모습을 변형하며 진화하는 4D 프린팅은 사람의 개입 없이 조립할 수 있게 해 주기 때문에 모든 제조공정의 효율성 향상을 불러올 파괴적인 기술Disruptive Technology로 전망되고 있다. 매년 10대 미래유망기술을 발표하는 한국과학기술정보연구원KISTI에서는 2014년에 4D 프린팅을 미래유망기술 중 하나로 꼽았으며, 다시 한 번 우리 내 일상을 들썩일 이 기술에 대해 전문자료를 통하여 소개하고자 한다.

글 / 이노성 기자
참고문헌 / 최민석, 유재영, 강종석, “4D 프린팅 [전자자료] : 2014 KISTI 미래유망기술 10선”, 한국과학기술정보연구원, 2015
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4D 프린팅이란

2014 KISTI 미래유망기술 10선에 따르면 4D 프린팅이란 다중적 3D 프린팅을 통해 복합물질을 형성하고 자가 변형Self transformation 이라는 새로운 기능을 삽입하는 기술로, 인간의 개입 없이 가열, 진동 및 중력부터 공기역학까지 각기 다른 에너지 원천에 의해 자극을 받아 자가 조립이 가능한 기술이다.

즉, 4D 프린팅은 자가 조립이나 자가 변형 로직을 프로그래밍해서 물체에 내장한 것으로 이를 프로그래밍 가능 재료에 기반을 둔시스템Programmable material based system이라고 부를 수 있다. 이는 3D 프린팅의 발전된 개념으로 4D 프린팅 물체는 3D프린터나 그와 유사한 제조시스템에서 만들어진 것으로 제한하며, 특징을 종합하면, 자가 조립이나 자가 변형이가능한 소재를 재료로 이용하는 3차원의 물체를 제작하고, 시간이 지나 원래 의도한 자가 조립이나 자가 변형 현상을 이용해서 물체를 변형하는 것이다. 다시 말해, 4D 프린팅은 프로그래밍 기반 자가 변형 및 조립 가능 제조 시스템이라고 할 수 있다.

4D 프린팅 개념의 범위

4D 프린팅은 스카일러 티비츠Skylar Tibbits 교수의 TED 동영상을 통해 보다 많은 사람들에게 알려지기 시작했다. 이 강의에서는 육면체의 도면 이 펼쳐진 모습의 판을 물속에 넣으면 정육면체로 변하고, 굵은 우동면 같은 한 가닥의 물질을 물속 또는 공기 중에 노출시키면 다양한 모습으로 조립되는데, 이러한 자가 조립Self assembly은 자가 변형의 일환으로, 여기에는 외형적인 형태뿐만 아니라 특성변환(예:색상)도 포함되며 해당 현상이 발생할 조건을 사전에 물질 자체에 내장하고 있다.

4D 프린팅의 주요 응용 분야

대표적으로 항공기와 자동차, 보건의료, 국방 분야 등 고가의 제품이나 고성능을 요구하는 분야에 응용 될 것으로 전망된다. 그 중 자동차 분야를 예로 들면, 사용되는 모든 플라스틱과 금속 부품이 그 대상이 될 수 있고, 이를 통해 부품 수명 연장 및 날씨나 주변 환경에 따라 변화함으로써 운전자의 취향과 기분에 따라 외관을 자유롭게 바꿀 수 있을 것이다.

4D 프린팅의 중요성

4D 프린팅은 개념에서 볼 수 있는 바와 같이, 3D 프린팅으로 제작한 여러 부품을 사람의 개입 없이 조립할 수 있게 해 주기 때문에 모든 제조공정의 효율성 향상을 불러올 파괴적인 기술이다. 한 가지 예를 들자면, 최근 3D프린터의 기술발전 흐름 중 하나는 출력 사이즈의 확대이며, 이로 인해 3D프린터의 가격이 기하급수적으로 증가하고 있다. 이에 4D 프린팅이 활성화 된다면 작은 크기의 프린터로도 대형 물건을 제작할 수 있게 해 줄 것으로 전망된다. 또한, 이슈가 되고 있는 사물인터넷IoT이 궁극적으로는 물리적 현실세계와 디지털 가상세계가 하나로 연결되는 방향으로 진화하듯이, 4D 프린팅의 발전은 프로그래밍 코드에 의한물질의 통제를 강화할 것이고 이로 인해 하드웨어와 소프트웨어의 경계가 점차 더 모호해지는데 일조할 것으로 기대된다.

4D 프린팅 기술의 연구개발 동향

4D 프린팅이나 자가 조립에 관한 연구는 1990년대부터 시작된 것으로 알려져 있으며, 본격적인 연구는 2000년대 중반부터 시작되었다. 대표적인 연구로는 2004년부터 미국방위고등연구계획국DARPA에서 4D 프린팅의 관련 기술이라고 할 수 있는 프로그래밍 가능 물질 개발에 관한 기획연구를 수행하였으며, 이어서 2005년과 2006년의 최종 검토를 통해 2007년부터는 장기연구 프로젝트를 시작하였다.

이후 다양한 연구개발이 시도되고 있으며 최근 연구개발 사례를 몇 가지 보자면, 2013년 2월 28일에 스트라타시스와 오토데스크 사가 미국 MIT대학 자가조립연구소와 협력하여 ‘스스로 접는 막대 큐브Self folding Strand Cube’를 선보였으며, 같은 해 9월 미국육군연구국US Army Research Office는 4D 프린팅 소재개발 프로젝트를 수행할 곳으로피츠버그 대학과 하버드 대학, 일리노이 대학 연합연구팀을 선정하고 85만 5천 달러를 지원하기로 발표하였다. 이 연구를 통해 던져서 펴지는 텐트와 같은 대피공간이나 자가 변형 위장천, 날씨에 따라 최적상태로 변형하는 군용차량이 개발될 것으로 기대된다. 또한 국방 분야에서는 위장막이나 위장복에 활용될 자가 변형천이 가장 각광을 받고 있으며 이외에도 물을 이용해서 자가 조립 되는 주둔지 막사, 파손된 교량이나 도로를 원격에서 자가 치유하 는 것 등 또한 가능할 것이다. 

또한 2014년 10월, 미국 MIT대학 자가조립연구소는 3D프린터를 이용해서 자가 조립이 가능한 탄소섬유와 목재, 고무 등을 개발했다고 발표했으며, MIT대학 스카일러 티비츠 교수는 보스톤의 토목 컨설팅 및 엔지니어링 기업인 Geosyntec의 Marcus Quigley와 공동으로 나 노기술을 이용해서 조건에 따라 외형이 변화하는 파이프를 개발하고 있다. 언론기사에 따르면 이 신개념의 파이프는 앞으로 20여 년간 미국의 수도시설 보수에 소요될 것으로 예상되는 약 3,348억 달러의 정부지출의 문제를 해결할 대안이 될 것으로 전망했다. 현재 4D 프린팅은 소재 관련 연구개발에 초점을 두고 있다. 이는 3D프린터를 활용하기 위해 플라스틱 합성수지 중심으로 개발되고 있는 것에서 향후, 일상생활에서 쉽게 볼 수 있는 금속이나 유리, 목재 등 다양한 재료를 이용하는 형태로 발전할 것으로 전망된다.

산업 분야별 도입 움직임

대표적으로 스트라타시스가 MIT대학 자가조립연구소, 오토데스크 사와 협력하여 공동연구에 적극적으로 참여하고 있으며 3D프린터 업체
중 4D 프린팅 분야에서 가장 앞서나가고 있다. 스트라타시스의 Object Connex 시리즈는 복합물질의 3D 프린팅이 가능한 제품으로 4D 프린팅 기술이 상용화되면 가장 먼저 제품을 출시할 것으로 전망되며, 나아가 4D 프린팅 소재 또한 연구개발을 진행하고 있다.

이외에도 Organovo Holdings Inc 사에서는 오토데스크 사와 함께 바이오프린팅 디자인 설계를 진행하고 있으며 특히, 인체조직을 제작하는 기술을 적극적으로 개발하고 있다. 또한 Shackleton Energy 사의 경우는 MIT대학과 함께 수도파이프 등의 도시 인프라와 관련해서 4D 프린팅 기술을 활용할 방안을 모색하고 있다.

미래 전망

Frost & Sullivan의 보고서에 따르면, 4D 프린팅 기술은 2016년부터 상용제품이 출시되면서 가장 먼저 소비재 중에서 패션과 생활용품 시장에 영향을 주고 이어서 가정용 가전제품에 영향을 줄 것으로 전망했다. 또한 장기적으로 4D 프린팅 기술을 상용화하고 널리 채용할 분야로는 보건의료 산업과 국방 분야(2019년), SOC산업(2021년), 자동차산업(2022년), 포장산업 (2022년), 항공기산업(2023년), 개인 및 가정용 내구재 산업(2023년), 제조업(2023년)이 될 것으로 전망했다.

본 기사는 <최민석, 유재영, 강종석, “4D 프린팅 [전자자료] : 2014 KISTI 미래유망기술 10선”, 한국과학기술정보연구원, 2015>의 내용을 일부 요약하여 소개하였으며, 전체 내용은 국회전자도서관에서 열람이 가능하다.

[출처] 3dprintingkorea