위키원
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. 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.
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.[3]
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
- ↑ 강종석 외 2명, 〈마이스페이스〉, 《한국과학기술정보연구원》,2014-12
참고자료
같이 보기
