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4D 프린팅
4D 프린팅은 3D로 프린팅한 물체가 스스로 변형하여 사용자가 바라는 결과물을 만드는 기술을 말한다. 3D 프린터로 출력한 결과물이 사람의 힘을 빌리지 않고 열이나 공기 같은 외부 요인을 활용하여 형태가 달라지도록 만드는 출력 방법이다.
목차
개요
3D 프린팅의 시장 규모가 아직 초창기이지만 글로벌 기업들은 이미 3D 프린팅의 다음 주자인 4D 프린팅을 준비하고 있다. 4D 프린팅이라는 용어는 2013년 미국 매사추세츠 공과대학교(MIT) 교수 스카일러 티비츠(Skylar Tibbits) 박사가 처음 사용했다. 당시 MIT 부설 자가조립연구소의 소장으로 근무했던 티비츠 박사는 자신의 연구 경험을 바탕으로 경연에서 4D 프린팅의 출현을 예고했다. 4D라는 명칭은 3D 프린팅의 결과물이 시간에 따라 변화할 수 있는 또 한 차원(dimension)의 특성을 더했다는 의미에서 4D가 프린팅의 새로운 개념으로 자리 잡을 것이라는 생각에 4D라고 명명했다"라고 답변했다.[1]
원리
2D 프린터에는 잉크가 사용되어 평면적인 것을 보여주고 3D 프린터에는 쌓아올릴 수 있는 재료가 사용되어 입체적인 결과물의 모델을 마치 복사하듯이 그대로 출력하여 만드는 것이 특징이다. 4D 프린팅은 변형이 가능한 '스마트 소재' 를 사용하기 때문에 시간이 지나면 출력한 결과물의 원하는 모양으로 변화한다. 온도가 변화에 따라 모양이 달라지는 형상기억합금을 4D프린팅재료로 사용했을 경우 온도가 낮은 상태에서 출력했을 때와 온도를 높인 상태에서 출력한 결과물은 전혀 다른 모습을 갖게 된다. 스마트 소재에는 형상기억합금이나 형상기억폴리머섬유 등의 첨단 소재도 포함되지만, 나무나 종이처럼 크기나 모형이 변형되는 재료도 사용될 수 있다. 온도 뿐만 아니라 압력, 습도처럼 소재 변형에 미치는 인자가 존재하는 한 4D프린팅으로 출력한 결과물은 언제든지 모양을 변화시킬 수 있다. 더 나아가 자가변환과 자가조립 프로세스가 적요오딘 구조물의 경우, 사용자가 원하는 대로 구조를 이룰 수 있다. 이에 대해 티브츠 교수는"4D 프린팅은 3D 프린팅이 가진 한계를 극복할 수 있는 신기술"이라고 평가하며 "기존의 3D 프린팅 시스템에 자가변환 기능을 결합한 기술인 만큼 그동안 3D 프린팅 기술로 해결하지 못했던 문제들을 4D 프린팅으로 충분히 해결할 수 있다." 라고 강조했다.[2]
활용
4D 프린팅은 시스템으로 원하는 결과물을 출력하려면 온도나 습도 등에 따라 구조가 변하는 스마트 소재를 사용해야만 한다. 변형 가능한 스마트 소재라면 앞에서 언급한 형상기억합금이나 형상기억 폴리머섬유 같은 첨단 소재를 떠올리겠지만, 나무나 종이같은 소재로도 부분적 변형이 가능하다. MIT가 공개한 나무나 종이를 소재로 한 4D 프린팅 사례를 살펴보면 좀 더 이해하기 쉽다. 물과 만나면 팽창하는 물성을 가진 나무 소재를 이용하여 코끼리 밑그림으로 출력하고, 이를 물에 담가 코끼리 모형을 만드는 것이 첫 번재 사례다. 이에 대해 티비츠 박사는 "나무 소재를 이용하여 출력한 결과물이 자가 변환을 통해 최종적으로 완성된 사례"라고 밝히며 "이 외에도 팽창하는 물성을 가진 종이로 만든 밑그림이 자가 조립 과정을 거쳐 상자나 축구공 등으로 만들어지는 경우도 있다"라고 전했다. MIT대학교가 발표한 내욛들이 기본적인 4D 프린팅의 사례라면, 글로벌 자동차 제조사인 독일의 BMW가 최근 공개한 '비전넥스트'100' 은 4D 프린팅 기술의 진수를 보여주는 사례다.
의료 분야
현재 3D프린팅을 통해 치아는 물론, 피부, 관절, 장기, 심장판막까지 생산할 수 있으며, 살아있는 세포를 출력하는 기술로 신경조직까지 만들 수 있는 경지에 이르렀다. 여기에 열, 공기 등 주변 환경 또는 자극에 스스로 모양을 변경하고, 제조할 수 있는 '자가변형기능'을 탑재한 4D 프린팅 기술이 새롭게 도입되고 있는 상황이다. 4D 프린팅 기술을 접목할 경우 유연한 특징으로 최소한의 절개 후 인체 요소와의 반응을 통해 원하는 부위에 크기로 접합 가능해지는 것이다. 또한 인공조직이나 장기, 치료기구의 크기가 체내 삽입 후 에 커지도록 설계시 몸을 절개하는 수술 절차도 뛰어넘을 수 있을 것으로 관측된다. 이 같은 혁신을 먼저 예측한 미국 등 선진국에서는 이미 바이오메딕 4D 프린팅 산업에 대한 전문인력 양성, 기술개발 등에 막대한 투자를 하고 있다. 성균관 의대 삼성 서울 병원 윤엽 교수는 "의료현장에서 개별 환자마다 잘 맞는 약을 골라내서 치료 적중률을 높이는 플랫폼을 마련하는 것이 관건인데, '정밀의학'이란 화두를 실현할 수 있는 것이 바로 4D 프린팅"라고 전했다. 4D 프린팅을 통해 여상데이터, 유전체정보, 약물 반응 정보가 종합적으로 있는 칩을 만들어 약물 스크리닝 툴을 마련하고 개별 환자에 가자 적합한 치료제를 선별한다는 의미다. 한국전자통신연구원 이정익 본부장은 "산업이 돌아가게 하려면 소재, 부품, 공정, 장비, 응용까지 모두 연계돼야 하는만큼 정부, 공공기간 역할이 중요하다" 면서 "미국 뿐 아니라 중국, 유럽, 대만, 인도까지도 허브기관이 있는 상황에서 우리만 뒤쳐질 수 없다. 연구원에서도 미약하지만 플랫폼 시범사업을 시작으로 점차 플렉서블일렉트로닉스에대한 사업을 확대할 것"라고 전했다.[3]
- 사례 : 2015년 미국에서 4D 프린팅 기술을 활용해 기관지를 다친 생후 5개월 된 아기를 치료하는데 성공한다. 형태를 바꿀 수 있는 플라스틱 '폴리카프로탁톤(PCL)' 을 프린터로 인쇄해 목에 대는 부목으로 사용했다. 부목은 아이가 자라면서 조금씩 커지고 기관지가 자리를 잡는 3년 후 엔 묵에 녹아 없어진다. 4D 프린팅 기술로 인해 여러번의 수술을 받았어야 할 아이의 고통을 덜어줄 수 있었다.[4]
사회기반시설분야
4D 프린팅 기술을 활용해 상하수도관 개발에 접목시킬 수 있다. 특정 목적을 위해 상하수도관의 자가변환 기술을 통해 관을 확장하거나 축소 가능하다. 이로 인해 별도의 시간과 비용을 수반하지 않고 도시 계획의 목적에 따라 상하수도관 형태 변경이 가능하다. 또한, 우주 사회시설 기반 건설에 4D 프린팅 기술을 활용하여 국제우주정거장 개발에 주유 및 에너지 추출 파이프라인에 적용될 것으로 예상된다. 이를 통해 우주와 지구 간 운송 횟수를 획기적으로 줄여 비용절감이 가능하게 할 것으로 예상된다.
자동차, 항공, 방위산업분야
4D 프린팅 기술을 자동차 코팅부분에 활용하게 되면 다양한 주변환경의 변화에 맞게 변형 가능한 형태로 전환 가능하다. 환경의 변화에 맞게 차량 코팅부분이 변환 가능해 차량 외관 부식을 방지할 수 있다. 차량 부품 개발에도 4D 프린팅 기술을 활용하여 유연성과 강도를 자유롭게 조절 가능한 제품을 생산할 수 있어, 제품 생산의 효율성을 향상시킬 것으로 예상된다. 항공 분야에는 항공기 외부 손상이 감지될 경우 자가 수선등이 가능할 것으로 전망된다.
- 사례 : 4D 프린팅 기술로 제작된 독일 자동차 회사 비엠더블유(BMW)의 콘셉트카 'BMW 비전 넥스트 100' 외관은 운전대 조작과 환경에 따라 디자인이 변한다. 운전자의 습관과 스타일에 따라 학습해 운전자만들 위한 인공지능 가이드가 제공되고 바람이 불거나 운전대를 돌리면 상황에 맞춰 바퀴의 형상이 변화하기도 한다. 차량 내부엔 공기를 주입하면 설계해놓았던 형태데 맞게 자유자제로 팽창하며 모습을 변화시킬 수 있는 소재가 내부 인테리어에 사용됐다. 젤 형태의 액체가 들어있는 통 안에 액체 상태의 고무나 플라스틱을 주입하여 형태를 완성해 나가는 '액체출력 공압법'을 내부 좌석에 도입했다.
제조 및 패키징, 내구소비재 분야
제품 운반 후 목적지에서 4D 프린팅 기술을 활용해 자가변환이 가능한 제품을 개발해 제품 운송비용과 인건비를 획기적으로 줄일 수 있다. 이런 기술을 활용한 가전용 내구 소비재 제품 개발로 가정에서 공간의 제약으로 인한 불편함을 최소화할 수 있다.[5]
대표적 연구
- 미국국방과학연구소(DARPA)의 프로그래밍 가능 물질 개발 연구 : 4D 프린팅에 대한 연구는 1990년대부터 시작되었으나, 본격적인 연구는 2000년 대 중반부터 시작되었다. 2004년부터 미국 국방과학연구소(DARPA)는 4D 프린팅의 관련 기술인 프로그래밍 가능 물질(Programmable matter) 개발에 대한 연구를 했다. 미국 국방과학연구소는 이 프로젝트 초기에 단위 분자 구조를 집합적으로 결합하여 3차원 물체를 형성하는 기술을 모색했다. 하지만 이러한 접근방법으로는 동작의 불일치로 인해 가시적인 성과를 얻기가 불가능했고 하버드대학교과 메사추세스의 연합 연구팀에서는 초소형 액추에이터 등의 전자장치와 데이터 핸들링을 이용해서 변화시키는 종이접기 로봇 형태의 구조를 제안했다. 지능연구소 계산이론의 교수 에릭 드메인(Eric D. Demaine)는 2001년 박사학위논문을 비롯해서 자가조립과 연관된 종이접기 분야의 중요 논문을 2000년부터 2007년까지 발표했다. 한편, 다른 연구팀은 데옥시리보핵산(DNA)과 단백질 합성과 같은 생물에서 일어나는 자가조립 현상을 모방하자는 아이디어를 냈다. 이 연구팀은 하버드대학교 공학 및 응용과학대학의 레이사(E.Reyssat)와 같은 대학교 개체 및 진화 생물학과의 마하데반(L. Mahadevan)이 중심으로 이루어져있다. 이 연구팀은 외부환경의 습도에 따라 모양이 바뀌는 솔방울을 개발했다.
- 로렌스버클리 국립연구소의 분자종이(Molecular paper) : 2010년 4월에 미국 로렌스버클리국립연구소(Lawrence Barkeley National Laboratory) 분자 파운드리(Molecular Foundry) 생명공학적 나노구조 연구시설(Biological Nanostructures Facility) 책임자인 로날드 주커만(Ronald Zuckermann) 연구팀은 액체 속에서 자가 조립 가능한 최대 크기의 2차원 형태 형상기억 폴리머, 일명 분자종이(molecular paper)를 개발했다.
- 매사추사스 공과대학교(MIT) 자가조립연구소 편향 체인(Biased Chain) : 2011년 2월 매사추사스 공과대학교 자가조립연구소의 스카일러 티비츠(Skylar Tibbits)교수는 '편향 체인'을 소개하고 있다. '편향 체인'은 자가조립 체인으로, 두가지 값을 가지는 스위치가 내장되어 있고, 손을 흔드는 동작을 통해 스위치의 값이 변화하면서 1차원의 체인이 3차원 모양으로 변하게 된다.
- 매사추사스 공과대학교(MIT) 페블즈(Pebbles) : 2012년 4월 매사추사스 공과대학교 컴퓨터과학인공지능연구소 분산로봇연구실의 다니엘라 루스(Daniela Rus)교수와 당시 박사과정 학생이었던 카일 길핀(Kyle Gilpin)은 손톱 크기의 정육면체 초소형 로봇인 페블(Pebble)을 제작하여 페블들이 서로 의사소통하고 기존 모형을 재현하는 자가조각 모래(self-sculpting sand) 연구의 초기 성과를 공개했다. 이 연구가 향후 로봇의 크기가 모래알 수준으로 소형화되면, 물체를 잠기게 하여 이 모래로 프로토타입 모형(Prototype model)이 순식간에 만들어질 수 있을 것이라고 전망했다.
- 매사추사스 공과대학교 비트와원자센터의 밀리모타인(Milli-Motein) : 2012년 12월 매사추사스 비트와 원자 센터(Center for Bits and Atoms)의 닐 게센펠트(Neil Gerxhenfeld)교수와 방문과학자 아라 네이안(Ara Knaian), 연구원 케네스 정(Kenneth Cheung)은 단백질 리보솜(ribosomes)으 ㅣ연장과정(elongation)에서 착안하여 어떤 형태로도 변할 수 있는 동전보다 작은 크기의 애벌레 모양의 로봇인 밀리모타인을 설계했다.
- 매사추사스 공과대학교 자가조립연구소의 스스로 접는 막대 : 미국 매사추사스 공과대학교 자가조립연구소(Self-Assembly Lab)는 2013년 2월 28일 미네소타 소재의 이스라엘 3D 프린트업체인 스트라타시스(Stratasys)와, 오토데스트(Autodesk)와 협력하여 '큐브(Cube)'를 선보였다. 이 자가조립 물체는 오토데스크의 클라우드 기반 물질 설계 플랫폼 사이보그(Cyborg)와 스트라시스의 3D 프린터를 이용해서 제작된 것으로 물에 반응하여 1차원에 해당하는 설이 2차원으로 변형되고 궁극적으로 3차원의 구조물로 변형된다.
- 하버드대학교, 매사추사스 공과대학교 연합팀의 자가접기 로봇 : 2013년 6월 하버드대학교 로버트(Robert J. Wood) 교수 연구팀과 매사추사스 다니엘라 루스(Daniela Rus) 교수 연구팀은 함께 3D 프린터로 제작한 인치크기의 자가접기 로봇을 선보였다. 이 로봇은 열 형상기억합금이 삽입되어 있고 전기회로가 내장되어 전기를 통해 열을 발생하면 형상기억합금이 특정 형태로 변형된다.
- 매사추사스 공과대학교 비트와원자센터의 셀 모양의 복합 구조체 : 2013년 8월 매사추사스공과대학교 비트와 원자센터(Center for Bits and Atoms)의 박사 후 과정 연구원이었던 케네스 정(Kenneth Cheung)은 동 센터의 센터장 닐 게센펠트(Neil Gershenfeld)교수와 함께 3D 프린터로 제작한 셀 모양의 복합 구조체를 발표했다. 이 구조체는 기존의 최경량 물질보다 약 1/10의 무게로 가볍고 셀 구조로 인해 거의 무한대로 확장이 가능하다. 대형 선박과 같은 거대 구조물을 작은 규모의 프린터로 제작할 수 있다.
- 콜로라도대학교의 형상기억 폴리머를 내장한 자가변형 물체 : 2013년 10월에 미국 공군 과학 연구연구국(US Air Force Office of Scientific Research)과 연구재단(NSF)로부터 자금을 지원받아 콜로라도 대학교 제리퀴(Jerry Qi) 교수 연구팀과 싱가폴 기술디자인대학교(Singapore University of Technology and Design)의 마틴 듄(Martin L Dunn)교수는 3D 프린팅용 재료에 형상기억폴리머를 혼합한 재료를 이용하여 일상조건에서도 자가변형이 가능한 물체를 제작하는데 성공했다.
- 매사추사스 컴퓨터과학인공지능 연구소(CSAIL)의 자가 조립 및 변형 가능 전자부품 : 2014년 5월 말과 6월 초 홍콩에서 미국 매사추사스 공과대학교 컴퓨터과학인공지능연구소의 다니엘라 루스(Daniela Rus) 교수 연구팀은 두 편의 논문을 발표하면서 자가 조립 및 변형 가능 전자부품을 선보였다.[6]
국내 현황
서울대 공과대학 전기정보공학 권성훈 교수가 울산과학기술원(UNIST) 김지윤 교수와의 공동연구를 통해 잉크 펜과 물만으로 빠르고 간편하게 3차원 구조물을 제작할 수 있는 새로운 방식의 4D 프린팅 기술을 개발했다. 3D 프린터는 원하는 3차원 구조물을 직접 만들 수 있다는 장점 때문에 4차 산업혁명을 이끌 기술로 주목받고 있다. 현재 상용화된 대부분의 3D 프린터는 층층이 쌓아 나가는 적층 방식을 사용하기 때문에 2차원프린트에 비해 느리고 비싸다. 현재까지의 대부분 4D 프린팅 기술은 형상기억합금과 같은 특수한 지능성 소재를 활용해야 하며 여전히 3D 프린터를 이용하기 때문에 접근성이 낮지만 이번에 공동연구팀은 2차원 인쇄도구인 펜으로 자유롭게 그린 그림을 3차원 구조물로 변환 시킬 수 있는 빠르고 간편한 4D 프린팅 기술을 세계 최초로 개발했다. 이 기술을 이용하면 누구나 쉽게 펜과 용액으로 3차원 입체 구조물을 만들 수 있다. 연구팀은 제작된 3차원 구조물을 강화해 실용성을 높이기 위해 흔히 사용되는 보드마카 잉크에 철가루를 첨부하고 이 철가루에 의해 중합반응이 가능한 단량체와 촉진제를 섞어 사용했다. 순수한 물과 보드마카 잉크만으로도 같은 3차원구조를 만들 수 있다. 이번 연구는 특별한 장비 없이 하이드로젤 기반의 3차원 구조를 손쉽게 만들 수 있어 전문 영역이 아니여도 누구나 3차원 프로토타이핑을 할 수 있어 3차원 구조 제작에 대한 일반인들의 접근성을 높일 수 있다. 연구팀은 연속적인 대량 인쇄를 위해 사용되는 2차원 인쇄기술인 롤투롤 공정에 이번에 개발한 4D 프린팅 방식을 접목한 '롤투롤 3차원 공저기술'도 개발했다. 상용화된 3D 프린터는 3차원 구조물 1개를 제작하는데 약 1시간이 소요된 반면 비슷한 구조물을 이번 연구에서 제작 실험한 결과 30분간 60개의 구조물을 생산할 수 있었다. 시스템을 발전시키면 생산 규모는 더욱 확장 가능하다. 현재 4D 프린팅 시장의 중심은 미국으로 4D 프린팅 시장규모가 약 6,300만 달러, 이후 연평균 43% 정도 성장해 2025년에는 5억 5,000달러(약 6,000억 원) 규모로 확대될 것으로 전망된다.[7]
관련 영상
각주
- ↑ 김준래 객원기자, 〈3D 프린팅 가고, 4D프린팅 온다〉, 《더 사이언스타임즈》, 2019-03-07
- ↑ 배유미 기자, 〈3D 프린팅에 자가변형을 입히다, '4D 프린팅'〉, 《테크월드》, 2020-10-30
- ↑ 서민지 기자, 〈몸속 상황별 스스로 형태 변하는 4D 프린팅... 의료기술 혁신〉, 《메디파나 뉴스》, 2019-04-19
- ↑ 김종화 기자, 〈"상황에 따라 변신"... 4D 프린팅의 비밀〉, 《아시아경제》, 2020-02-04
- ↑ , 전시현 기자, 〈스스로 변형 물질 만들어 내는 4D 프린팅 기술 주목〉, 《인더스토리 뉴스》, 2018-04-02
- ↑ 강종석 외 2명, 〈4D 프린팅〉, 《한국과학기술정보연구원》,2014-12
- ↑ 구본혁 기자, 〈펜으로 그린 그림이 3D로 변한다..'4D 프린팅 기술 ' 세계 최초 개발〉, 《해럴드 경제》, 2021-03-25
참고자료
같이 보기
