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.

개요

3D 프린팅의 시장 규모가 아직 초창기이지만 글로벌 기업들은 이미 3D 프린팅의 다음 주자인 4D 프린팅을 준비하고 있다. 4D프린팅이라는 용어는 2013년 미국 MIT대학교 교수 '스카일러 티브츠(Sjylar Tibbits)'박사가 처음 사용했다. 당시 MIT대학교 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.

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.

활용

4D 프린팅은 시스템으로 원하는 결과물을 출력하려면 온도나 습도 등에 따라 구조가 변하는 '스마트 소재'를 사용해야만 한다. 변형 가능한 스마트 소재라면 앞에서 언급한 형상 기억합금이나 형상기억폴리머섬유 같은 첨단 소재를 떠올리겠지만, 나무나 종이같은 소재로도 부분적 변형이 가능하다. MIT대학교가 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 자동차제조사인 도일의 BMW가 최근 공개한 '비전넥스트'100' 은 4D 프린팅 기술의 진수를 보여주는 사례다.

같이 보기

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