아직 3D 프린팅도 낯선데 4D 프린팅이 무엇이냐고요? 4D 프린팅은 이미 세계적인 기업에서 연구가 한창인 분야입니다. 입체적인 프린터가 가능한 '3D 프린팅'의 등장이 파격적이었던 만큼 아직 3D 프린팅 기술이 시중에 안착하기도 전에 4D 프린팅이 등장해 더욱 주목을 받고 있는데요. 잠시 방심하면 어느새 세상은 짠~하고 새로운 기술을 내놓지 않나요? 앞서가는 기술, 빠르게 변화해 가는 기술 트렌드가 궁금하시다면 4D 프린팅을 주목해주세요!
상황에 따라 변신하는 프린팅의 비밀
4D 프린팅이란?
4D 프린팅은 3D로 프린팅한 물체가 스스로 변형하여(자가조립 과정) 사용자가 바라는 결과물을 만드는 기술을 말합니다. 3D 프린팅에 변화할 수 있는 한 차원(Dimension)의 특성을 더한 '3D+1D'라는 개념이죠.
4D 프린팅 시스템으로 원하는 결과물을 출력하려면 외부환경 요인에 따라 모양이 변하거나 스스로 조립되는 ‘스마트 소재’가 필요한데요. 스마트 소재를 3D 프린터로 출력하면, 사람의 힘을 빌리지 않고도 외부 요인의 영향을 받아 지정된 조건에 맞게 형태가 달라지는 것이죠. 온도나 수분, 바람, 빛, 물, 중력, 공기, 시간 등이 외부환경 요인이 될 수 있습니다.
4D 프린팅이라는 용어는 지난 2013년 미국 MIT대의 교수인 스카일러 티비츠 박사가 처음 사용했는데요. 당시 MIT대 부설 자가조립연구소의 소장으로 근무했던 티비츠 박사는 자신의 연구 경험을 바탕으로 4D 프린팅의 시대를 예고했습니다.
3D프린터의 생산 과정
4D 프린터는 기존의 3D 프린터 기술에 자가조립 과정을 접목시켰다.
3D vs 4D 프린팅, 그 차이는?
프린터로 입체도형을 찍어내는 기술인 3D 프린팅. 3D 프린팅 기술로 의료, 생활 용품, 자동차 부품 등 많은 물건을 만들어낼 수 있는데요. 3D 프린팅은 모델이 되는 대상을 마치 복사하듯이 그대로 출력하는 것이 특징이죠.
반면에, 4D 프린팅은 변형이 가능한 특수 소재를 사용하기 때문에 시간이 지나면 출력한 결과물의 모양이 달라지는 것이 특징인데요. 이런 차이 때문에 4D 프린팅은 3D 프린팅이 가진 한계를 극복할 수 있는 신기술이라는 평가를 받고 있습니다.
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4D 프린팅은 외부환경 요인에 따라 변형 가능한 스마트 소재를 사용해야 한다고 했는데요. 4D 프린팅에 사용되는 소재는 스스로 변형 가능하다는 의미로 '자가변형물질(self-transformable materials)', 조건에 따라 특성이 변화한다고 해서 '프로그램 가능물질(programmable materials)'이라고도 불립니다. 스마트 소재가 4D 프린팅 기술의 핵심이기에 기업, 유명 대학 연구에서 스마트 소재 개발에 열을 올리고 있는 것이죠.
스마트 소재에는 형상기억합금이나 형상기업폴리머섬유 같은 첨단 소재도 있지만, 나무나 종이 같은 소재로도 부분적 변형이 가능합니다. 예를 들어 MIT대는 나무나 종이를 소재로 한 4D 프린팅 연구 결과를 발표했는데요. 물과 만나면 팽창하는 물성을 가진 나무 소재를 이용하여 코끼리 밑그림을 출력하고, 이를 물에 담가 코끼리 모형을 만들기도 했죠. 이 외에도 팽창하는 물성을 가진 종이로 만든 밑그림이 스스로 변형하여 축구공으로 만들어지는 경우도 있습니다. |
무궁무진한 변화
4D 프린팅 시대의 개막
4D 프린팅 기술은 장난감, 게임, 자동차, 로봇, 의료, 제조, 건설 등 다양한 산업 분야에서 활용할 수 있는데요. 각국의 유명 대학이나 연구소, 기업 등이 4D 프린팅을 위한 스마트 소재 개발에 열을 올리고 있습니다. 현재 4D 프린팅 시장의 중심은 미국인데요. 업계는 올해 4D 프린팅 시장규모가 약 6300만 달러, 이후 연평균 43% 정도 성장해 2025년에는 5억5000만 달러(약 6000억원) 규모로 확대될 것으로 전망하고 있습니다.
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4D 프린팅 기술은 이미 실생활에 한 걸음 다가와 있는데요. 4D 프린팅 기술을 이용한 의류나 장신구, 자동차 등이 소개돼 소비자들을 유혹하고 있죠. 그 예로 독일 자동차 회사 BMW는 4D 기술이 접목된 자동차를 선보였고, 미국의 디자인 기업인 너브스 시스템은 4D 프린팅으로 옷과 장신구를 제작하기도 합니다. |
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제품뿐만 아니라 4D 프린팅 기술은 인류의 삶을 보다 윤택하게 해줄 수 있는 우주, 의료 분야에도 도움을 주고 있는데요. 미국 항공우주국(NASA)은 우주선 보호막이나 우주 비행사들의 우주복 제작에 4D 프리팅 기술을 접목하고 있죠. |
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의료용 부목(신체 부위를 고정시키기 위하여 붙이는 교정장치)으로도 사용되는데요. 미국 미시간대 의대는 4D 프린팅으로 제작한 부목을 생후 5개월 아기의 목에 이식했고, 미국 버지니아 공대는 스스로 구부러지는 인공 손가락 관절을 만들었습니다. 4D 프린팅이 가져올 무궁무진한 변화를 기대주세요. (4D 프린팅 기술의 구체적인 예시는 4D 프린팅의 개념을 파악한 뒤 살펴보도록 해요~) |
어떻게 사용될까?
생활을 바꾸는 4D 프린팅 기술!
4D 프린팅 기술은 활용 분야가 무궁무진한데요. 온도나 습도, 중력, 기압 등의 조건에 따라 모습을 바꾸는 의류, 자동차, 건축물 등을 만들 수 있죠. BMW가 공개한 4D 프린팅 스포츠카 ‘비전 넥스트 100’가 대표적인 예시인데요. 영화 ‘트렌스포머’처럼 상황에 따라 자유자재로 모양이 바뀌는 자동차의 탄생, 먼 미래의 일이 아니겠죠! 눈이 번쩍 뜨이는 4D 프린팅 기술을 살펴볼까요?
환자 몸에 착~ 감기는
4D 프린팅 깁스
우리나라에서도 4D 프린팅 기술 연구가 활발하게 진행되고 있는데요. 한국과학기술연구원(KIST) 계산과학연구센터는 맞춤형 깁스를 개발했습니다. 형상기억 소재를 사람 팔보다 굵은 원통으로 제작해 착용 후 헤어드라이어로 열을 가하면 팔과 관절의 형태에 맞게 깁스 크기가 줄어드는데요.
환자 몸에 착~ 감기는 맞춤 깁스가 완성됩니다. 깁스 원료에 첨가된 특수물질이 처음 만든 형태를 기억하고 있다가 추후에 열에 반응해 다시 원래 상태로 돌아갈 수 있습니다. 환자 맞춤형 의료용품으로 발전할 수 있겠죠
KIST가 개발한 4D 프린팅 깁스
출력 후 온도에 따라 물체 크기가 스스로 변형된다. (출처 : KIST)
생명을 살리는
4D 의료 기술
2015년 미국 미시간대 의대는 4D 프린팅 기술을 활용해 기관지를 다친 생후 5개월 된 아기를 치료하는 데 성공합니다. 형태를 바꿀 수 있는 플라스틱인 ‘폴리카프로락톤(PCL)’을 프린터로 인쇄해 목에 대는 부목으로 활용했는데요. 부목은 아이가 자라면서 조금씩 커지고 기관지가 자리를 잡는 3년 후엔 물에 녹아 없어집니다. 4D 프린팅 기술이 여러 번의 수술을 감내해야 할 아기의 고통을 덜어준 셈이죠.
4D 부목(왼쪽)을 기관지에 삽입한 3년 뒤 건강해진 아이의 모습
달리면 수축하고 멈추면
이완하는4D 운동화
신발에도 4D 프린팅 기술이 접목됐습니다. MIT 어셈블리랩에서 선보인 신발은 자유자재로 모습을 바꾸는데요. 조깅할 때는 발바닥에 가해지는 압력이 높아지기 때문에 신발이 알아서 수축하고, 조깅을 멈추면 신발이 늘어나 착용자의 발을 편안하게 해주죠.
올해 아디다스는 4D 프린팅 기술을 적용한 미래형 운동화 ‘알파엣지4D’를 출시했습니니다. 미국 실리콘밸리 3D프린터 기업인 카본(Carbon)사와 함께 ‘아디다스 4D’ 중창(미드솔)을 발표했죠. 각 선수에게 필요한 움직임, 편안함을 정확하게 제공해 다양한 지형에서도 빠른 러닝을 즐길 수 있게 되었습니다.
4D 프린팅 기술이 접목된 아디다스의 런닝화 ‘알파엣지4D’
영화가 현실로! 자유자재로 변신하는
BMW의 4D 자동차
BMW가 최근 공개한 ‘비전넥스트100(Vision Next 100)’은 4D 프린팅 기술의 진수를 보여주는 사례로 꼽히는데요. 실물은 아니지만, BMW에서 공개한 이미지 컨셉카만 보더라도 4D 프린팅 기술의 혁신성을 짐작할 수 있다는 것이 전문가들의 의견입니다.
비전넥스트100은 4D 프린팅 기술을 적용함으로써, 운전 상황과 환경 조건에 따라 디자인이 변화하는데요. 예를 들어 바퀴 휠에 4D 프린팅 신소재를 적용해 험한 도로를 달리거나 급회전으로 운전대를 돌릴 때 바퀴의 외형태가 달라지죠. 바퀴뿐만 아니라 4D 프린팅으로 출력한 좌석 덕분에 운전 상황에 맞게 좌석이 자유자재로 팽창했다가 수축합니다. 운전자가 차에서 잠시 잠을 청하려고 하면 좌석의 공기압이 변하면서 운전석이 편안한 침대로 변신하기도 하죠.
4D 프린팅 부품들로 구성된 BMW의 차세대 자동차인 비전넥스트100
4D 프린팅 기술을 활용해 기후 및 도로 조건 등에 따라 외관을 바꾸도록 설계됐다. (출처 : BMW)
실생활에 필요한 물건을 프린트로 뚝딱! 만들 수 있는 3D 프린터의 탄생은 그야말로 신세계였는데요. ‘3D 프린터와 이제 막 친해져 볼까~’ 하는 중에 4D 프린팅의 세계가 오고 있네요. 기술의 발전 속도가 어마어마하다는 게 체감되지 않나요? 업계는 4D 프린팅의 활용 분야가 앞으로 무궁무진하게 펼쳐질 것으로 기대하고 있는데요. 인간이 작업하기 위험한 곳에서 활용되고, 질병으로 겪게 될 고통과 비용도 줄여 줄 텐데요. 실생활에 도움을 주는 4D 기술. 인간의 무궁무진한 상상력의 총결체인 4D 프린팅 기술이 우리의 삶을 보다 윤택하게 해주길 기대해봅니다.
