3D 프린팅 가고, 4D 프린팅 온다
앞서가는 기업이나 국가를 보면 항상 미래를 준비하고 있다. 때로는 시기 상조라는 생각이 들 정도로 빠른 행보를 보여서 문제가 생기기도 하지만, 결국에는 어떤 분야든지 일찌감치 준비한 기업이나 국가들이 시장을 선점하는 경우가 대부분이다.
대표적으로는 통신 시장을 꼽을 수 있다. 5세대 통신이라 불리는 5G 분야는 이제 막 열리기 시작한 시장이다. 그럼에도 불구하고 선진 기업과 국가들은 벌써부터 5G 이후의 통신 시스템인 6G 연구에 착수하고 있다.
입체 프린팅 시장도 마찬가지다. 사물을 입체적으로 출력할 수 있는 시스템인 3D 프린팅의 시장 규모는 아직 초창기에 불과하지만, 글로벌 기업들은 이미 3D 프린팅의 다음 주자인 4D 프린팅을 준비하고 있는 것으로 알려져 관심이 모아지고 있다.
3D 프린팅의 결과물에 자가변환 기능 추가
4D 프린팅이란 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.
4D 프린팅이라는 용어는 지난 2013년 미국 MIT대의 교수인 ‘스카일러 티비츠(Skylar Tibbits)’ 박사가 처음 사용했다. 당시 MIT대 부설 자가조립연구소의 소장으로 근무했던 티비츠 박사는 자신의 연구 경험을 바탕으로 한 강연에서 4D 프린팅의 출현을 예고했다.
4D라는 명칭을 붙인 이유를 묻는 질문에 대해 그는 “3D 프린팅의 결과물이 시간에 따라 변화할 수 있는 또 한 차원(dimension)의 특성을 더했다는 의미에서 3D+1D, 즉 4D가 프린팅의 새로운 개념으로 자리잡을 것이라는 생각에 4D라고 명명했다”라고 답변했다.
기존의 3D 프린팅 제작 과정을 통해 만들어지는 결과물은 모델이 되는 대상을 마치 복사하듯이 그대로 출력하여 만드는 것이 특징이다. 하지만 4D 프린팅은 다르다. 변형이 가능한 특수 소재를 사용하기 때문에, 시간이 지나면 출력한 결과물의 모양이 달라지게 된다.
예를 들어 온도 변화에 따라 모양이 달라지는 형상기억합금을 4D 프린팅 재료로 사용했을 경우, 온도가 낮은 상태에서 출력했을 때와 온도를 높인 상태에서 출력한 결과물은 전혀 다른 모습을 갖게 된다.
비단 온도 뿐만이 아니다. 압력이나 습도처럼 소재 변형에 영향을 미치는 인자(因子)가 존재하는 한 4D 프린팅으로 출력한 결과물은 언제든지 모양을 변화시킬 수 있다.
이에 대해 티비츠 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.
나무나 종이 등도 스마트 소재로 활용 가능
4D 프린팅 시스템으로 원하는 결과물을 출력하려면 온도나 습도 등에 따라 구조가 변하는 ‘스마트 소재’를 사용해야만 한다. 변형 가능한 스마트 소재라면 앞에서 언급한 형상기억합금이나 형상기업폴리머섬유 같은 첨단 소재를 떠올리겠지만, 나무나 종이 같은 소재로도 부분적 변형이 가능하다.
MIT대가 공개한 나무나 종이를 소재로 한 4D 프린팅 사례를 살펴보면 좀 더 이해하기 쉽다. 물과 만나면 팽창하는 물성을 가진 나무 소재를 이용하여 코끼리 밑그림을 출력하고, 이를 물에 담가 코끼리 모형을 만드는 것이 첫 번째 사례다.
이에 대해 티비츠 박사는 “나무 소재를 이용하여 출력한 결과물이 자가변환을 통해 최종적으로 완성된 사례”라고 밝히며 “이 외에도 팽창하는 물성을 가진 종이로 만든 밑그림이 자가조립 과정을 거쳐 상자나 축구공 등으로 만들어지는 경우도 있다”라고 덧붙였다.
MIT대가 발표한 내용들이 기본적인 4D 프린팅의 사례라면, 글로벌 자동차제조사인 독일의 BMW가 최근 공개한 ‘비전넥스트100(Vision Next 100)’은 4D 프린팅 기술의 진수를 보여주는 사례다.
실물이 완성되지 못해서 아직은 이미지 컨셉 단계로 공개되었지만, 영상만 보더라도 4D 프린팅 기술의 혁신성을 짐작할 수 있다는 것이 전문가들의 공통된 의견이다.
인공지능이 운전자를 도와주도록 설계된 이 신개념 자동차에는 운전 상황과 환경 조건에 따라 변화하는 디자인이 적용된다. 예를 들어 차량 바퀴휠에 4D 프린팅 기술을 적용함으로써, 험한 도로나 급회전이 필요한 도로를 달릴 때 바퀴 형상이 상황에 맞게 변하는 것.
바퀴 뿐만이 아니다. 비전넥스트100 자동차는 내부에도 4D 프린팅 기술이 적용될 예정이다. 대표적으로는 4D 프린팅으로 출력한 좌석을 꼽을 수 있는데, 영상 속에서는 운전 상황에 맞게 좌석이 자유자재로 팽창했다가 수축하는 장면이 나타난다.
또한 해당 영상은 운전자가 차에서 잠시 잠을 청하려 할때, 좌석의 공기압이 변하면서 운전석이 편안한 침대로 변하는 모습도 보여준다. 좌석 제작 시 적용한 4D 프린팅의 자가변형 기술로 운전자는 뒤로 기대면서 힘을 주는 동작만으로 침대같은 좌석을 만들 수 있다.
업계는 4D 프린팅의 활용 분야가 앞으로 무궁무진하게 펼쳐질 것으로 기대하고 있다. 3D 프린팅 시스템이 적용됐던 분야에 자가변환과 자가조립 기능이 더해진다면, 3D 프린팅 기술로는 할 수 없었던 영역까지 처리할 수 있기 때문이다.
이 외에도 인간이 작업하기 위험한 곳에 4D 프린팅은 많은 도움이 될 것으로 예상된다. 사람이 접근하기 어렵거나 위험한 곳에 자가변형 구조물을 출력하여 설치하면, 구조물은 스스로 일정한 형태를 이루면서 설치까지 완료할 것으로 전망되고 있다.
3D 프린팅 관련회사는 다음과 같습니다.
모아텍
세중
에스티아이
하이비젼시스템
로보스타
신도리코
코렌텍
한국테크놀로지
프로텍
휴림로봇
티앤알바이오
TPC
(출처:https://www.sciencetimes.co.kr/?news)
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