2016년 3D 프린팅을 이용해 타이타늄 두개골 모형을 만들고 환자에게 이식하는 수술에 성공했다. 완벽해보인 3D 프린팅에도 한계는 존재했다. 3D 프린팅의 한계를 넘은 4D 프린팅의 세상에 대해 알아보자.

 

  2013년 미국 MIT 자가조립연구소의 소장이자 교수인 스카일러 티빗츠가 TED 강연에서 4D 프린팅의 개념을 처음으로 정의했다. 3D는 ‘Three Dimensions’의 약자로 가로·세로·높이를 포함한 3차원 공간을 의미하고 4D는 3D에 시간이라는 차원을 추가한 시·공간을 말한다.

  예를 들면 3D 프린팅은 3D설계도로 입체물품을 만들어낸다. 4D 프린팅은 3D 프린터로 출력된 결과물이 설정해놓은 시간이 지나거나 일정한 조건이 충족되면 자체적으로 새로운 형태로 바뀐다. 여기서 일정한 조건이란 온도나 진동, 습기 등 다양한 환경이나 에너지원을 의미한다.

  3D 프린팅은 프린터의 크기보다 큰 출력물을 만들 수 없는 한계를 지닌다. 4D 프린팅은 크기에 대한 한계가 더 줄어든다. 평면으로 크게 출력한 결과물이 입체적으로 접히며 크기에 대한 한계를 뛰어넘을 수 있다. 예를 들어 물과 만나 팽창하는 나무 소재에 코끼리 밑그림을 출력하고 이를 물에 담그면 물이라는 조건과 만나 코끼리 모형으로 변하는 크기 변화 사례는 4D 프린팅 가능성의 한 부분을 보여준다.

 

  나노공학에는 자기변형(self transformation) 또는 자기조립(self-assembly)이라는 기술이 있다.

자기변형이란 자성을 지닌 자성체가 자기장 내에서 물체가 자성을 지니는 자화 현상이 벌어질 때 일어나는 모양의 변화이다. 특히 강자성체에서 많이 발생한다. 강자성체는 개개의 원자가 자석과 같은 역할을 하는데 외부 자기장이 없는 상황에서는 불규칙하고 외부 자기장 안에서는 특정 방향으로 배열하려 하는 성질을 지녔다. 자기조립이란 단백질 같은 생체고분자가 스스로 결합해 특정 구조를 갖추는 현상이다. 4D 프린팅에서는 이와 유사한 자가변환 기술이 사용된다. 특정 조건에서 스마트 소재가 자기변환과 자기조립과 같이 스스로 조립되고 구조를 갖추는 현상이다.

3D 프린터에서는 플라스틱, 금속 등의 소재가 주로 활용된다. 하지만 이런 소재들은 4D 프린팅 소재로는 적절하지 않다. 4D 프린팅 활성화에 중요한 것은 온도, 빛, 습도 등 다양한 조건을 충족시킬 때 스스로 변하는 스마트 소재의 개발이다.

  세계 각국에서는 다양한 소재를 연구하고 있다. 연구 중인 스마트 소재에는 폴리머 재료, 스마트 복합재료, 금속복합재료, 고분자복합재료, 나노복합재료 등이 있다.

  예를 들어 형상기억합금과 형상기억고분자 등의 소재는 형상기억현상이 일어난다. 재료로 일정한 모양을 기억하도록 만들어 외부적 충격에 의해 모양에 변화가 일어나면 온도 변화, 빛, 습도, 자기장 등의 변화에 반응해 일정한 모양으로 되돌아간다.

  다양한 스마트 소재를 개발할 뿐만 아니라 하나의 결과물에 다양한 스마트 소재를 활용해 다양한 조건에 의해 다양한 형태로 바뀌는 결과물을 만드는 연구도 진행 중이다.

 

  4D 프린팅은 프랑스, 독일, 미국 등 선진국 위주로 연구가 진행되고 있다. 프랑스의 항공기 제작회사는 비행 환경에 따라 형태를 바꾸는 엔진소재를 연구하고 있고 중국에서는 스마트 제조업 육성 항목 안에 4D 프린팅 기술을 포함한 IT사업 전반에 투자하고 있다. 미국 육군에서는 대학 공동연구팀에 한화 9억 원가량을 지원해 특정 상황에서 비행기의 모양을 바꿔 탐지 기능에 걸리지 않는 은폐 기술인 스텔스 기능을 강화하는 연구 등을 진행하고 있다.

  또한 미국의 디자인 스튜디오 너버스 시스템은 키네메틱스 프로젝트를 통해 드레스를 만들었다. 이 제품들은 평면으로 출력돼 시간이 지나면 드레스의 형태를 잡아간다. 키네메틱스 드레스는 4D 프린팅으로 만든 세계 최초의 드레스이며 2000개 이상의 부품으로 구성돼 있다.

  한국에서는 한국과학기술연구원과 광주과학기술원이 2014년부터 본격적인 연구를 시작했다. 또한 미래창조과학부와 정보통신기술진흥센터가 ‘4D 프린팅 시뮬레이터8 기술개발’ 사업을 진행해 광주과학기술원에서 사업을 맡아 추진하고 있다. 광주과학기술원에서는 Hephaistus 1이라 불리는 시간에 따라 형상기억 소재의 실제 구동하는 힘을 측정할 수 있는 장비를 개발했다. 이 장비를 이용해 출력하지 않고 컴퓨터를 통해 미리 출력물의 과정을 살펴보며 문제점을 파악할 수 있다.

방위사업청은 주위 환경에 맞춰 위장이 가능한 재질을 만들어 전투복이나 천막 막사로 활용하는 방법 등에 사용할 수 있을 것으로 예상하고 있다.

  4D 프린팅은 삶의 많은 영역에서 활용될 것으로 보인다. 스카일러 티빗츠 교수는 물의 양에 따라 파이프의 두께가 변하며 많은 물을 한 번에 받아들이는 배수구부터 우주공간에서 스스로 조립되고 형태를 바꾸는 우주기지까지 4D 프린팅이 다양한 곳에 쓰일 것이라고 예상했다.