3D 프린팅의 한계를 극복 할 신기술 ‘4D 프린팅’

3D 프린팅의 한계를 극복 할 신기술로 ‘4D 프린팅’이 주목받고 있다. 

4D 프린팅은 기존의 3D 프린팅에 자가 변환 이라는 새로운 기능을 결합한 기술 방식이다. 

기존의 3D 프린팅 제작 과정을 통해 만들어진 결과물은 대부분 고정된 형태와 모양, 구조를 유지하도록 되어 있다. 

그러나 4D 프린팅은 온도, 수분, 바람 등에 따라 변형이 가능한 특수 소재를 사용해 프린팅하고, 바람이 분다거나 압력을 높인 다거나 물에 넣는다거나 등과 같은 지정된 조건에 따라 프린팅 결과물의 모양이나 특성이 변화하게 된다. 

이 기술은 3D 프린팅에 결과물이 변화할 수 있는 가소성이라는 한 차 원(Dimension)의 특성을 더했다는 의미에서(3D+1D) ‘4D 프린팅’이라고 불리고 있다. 

4D 프린팅 기술은 열을 가하거나 물 속에 넣으면 접히거나 구부러지면서 스스로 조립되는 물질이나 물 속에 들어가거나 열이나 압력을 가했을 때 모양이 변화하는 고 분자 물질, 나노구조로 이루어져 스마트하게 자가 조립이 가능한 물질들에 기반해 구현된다. 

2013년 MIT의 자가조립연구실(Self-Assembly Lab) 의 책임자 스카일러 티빗츠(Skylar Tibbits)는 사전에 디자인이 가능한 스마트 4D 프린팅 물질을 개발해 주목 받았다. 

연구 결과에 따르면 평소에는 약간 구불구불한 직선 모 양의 4D 프린팅 결과물이 물 속으로 들어가면 움츠러들면서 MIT 글자 모양으로 변한다거나 큐브 형태로 변하는 일종의 스마트 4D 프린팅 기술의 가능성을 보여주었다. 하버드 와이스 연구소(Wyss Institute)의 연구진은 최근 환경적인 변화에 따라 모양이 변하는 식물의 매커니즘에서 아이디어를 얻어 주변 환경에 의해 모양이 바뀌는 4D 프린팅 물질을 개발했다. 연구진은 잎이나 덩굴, 꽃과 같은 식물이 바람이 불면 나풀거리거나 흐느적거리는 매커니즘을 수학적으로 분석해낸 후 이를 적용, 셀룰로스 섬유(cellulose fiber)를 3D 프린팅 방식으로 접합해 난초 모양의 결과물을 만들어냈다. 결과물은 물 속에서 실제 바람 에 날리는 난초처럼 자연스러운 움직임을 보여주었다.

.

4D 프린팅은 향후 게임, 장난감, 자동차, 로봇, 의료, 제조, 건설 등 다양한 분야에 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 

예를 들어 자가 조립이 가능한 4D 프린팅 물질은 간단한 장난감이나 소품, 가구 부속 등에 적용 가능하다. 

최초에 구입할 당시에는 온전한 모양을 갖추지 못한 상태에 머물 다가 구입 후 시간이 지나면서, 혹은 물에 넣거나 압력을 가했을 때 모양이 변형되면서 스스로 조립되는 방식이다. 이를 통해 제품의 부피를 줄이거나 조립 과정을 용이하게 할 수 있다. 

스스로 조립되는 4D 프린팅 물질을 가구의 접합 부분에 사용할 경우 볼트나 너트를 사용할 필요 없이 간 편한 조립이 가능해진다. 한편, 독일의 자동차 메이커인 BMW는 최근 4D 프린팅 기술을 적용한 컨셉카를 선보였다. 

비전 넥스트 100 (Vision Next 100)이라는 이름의 이 컨셉카는 자율주행 모드와 운전자를 도와주는 인공지능 에이전트와 함께 외관에 4D 프린팅 기술을 적용해 운전대 조작과 환경 조건에 따라 변화하는 디자인을 구현했다. 

아직 이미지 컨셉 단계로만 제시된 컨셉카 영상에서는 차량의 바퀴 휠에 4D 프린팅 기술을 활용, 바람이 불거나 운전대를 돌릴 때 이에 맞춰 형상이 변화하는 디자인을 보여주었다. 

.

4D 프린팅 기술은 환경 변화나 외부 자극에 의해 스마트하게 변형될 수 있는 기능을 3D 프린팅 기술에 접목시킨 차세대 기술이다. 

MIT에서 4D 프린팅 연구를 진행하는 자가조립연구실에서는 해당 기술이 생물학, 재료과학, 소프트웨어, 로보틱스, 제조, 교통, 건축, 예술에서 우주 탐험에 이르기까지 다양한 분야에 적용될 수 있는 가능성이 있으며 이를 통해 혁신적인 발전이 일어날 수 있다고 전망한다. 

향후 3D를 넘어 4D로 진화하게 될 ‘4D 프린팅 기술’의 미래 발전 가능성과 그 파급력에 관심이 집중되는 시점이다.

출처 [한국콘텐츠 진흥원 : http://www.kocca.kr/cop/bbs/view/B0000144/1830758.do?menuNo=200900 ]