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미래를 여는 기술 4D 프린팅

  • 2015.06.04.
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4D 프린팅

 

지금 세계에서는 수많은 기술들이 등장해 우리의 생활에 영향을 미치기도 합니다.
지금의 시대에 많은 주목을 받고 있는 기술은 무엇일지 생각해 보면 우리는 3D프린터를 생각해 볼 수 있는데요.

불과 1~2년 전만 하더라도 그저 새로운 기술로만 일반 일들에게 알려졌던 3D프린터는 오늘날 수많은 일들을 해내고 있습니다.

이미 SNS에서는 3D프린터를 이용해 의수를 구할 수 없는 사람에게 의수를 만들어 준다던지, 결혼하는 신혼부부를 위한 피겨를 만든다던지 하는 것과 같은 다양한 활동이나 사례들을 접할 수 있게 되었으며, 뉴스를 통해 3D프린터 소식을 종종 듣게 됩니다.

모델링한 물건을 만드는 것에서 부터 화장품, 음식, 건축, 의료, 산업 등과 같이 다양한 분야에서 사용되는 3D프린터기는 점차 대중화되고 비용이 절감되고 있는 상황인데 여기에 더 나아가 ‘4D프린팅‘기술이 등장해 많은 관심을 보여주고 있습니다.

앞으로 3D프린터와 함께 미래를 열어갈 새로운 기술인 4D프린팅에 대해 알아보고자 합니다.

 

4D 프린팅

 

◆ ‘4D프린팅’은 무엇인가요?

‘4D 프린팅’을 알기 위해서는 예시를 들어 설명하는 것이 더 이해가 쉬울 것 같습니다.

예를 들어 커다란 집을 3D 프린터로 출력한다고 생각했을 때, 집만 한 크기의 거대한 3D 프린터가 있다면 좋겠지만, 천문학적 비용이 필요합니다.

그렇다면 어떻게 집을 만들 수 있을까요? 그 방법은 바로 작은 조각들을 인쇄해 조립하는 것입니다.
최근 3D 프린터로 지은 집들은 대부분 이렇게 특정 부분을 출력해 조립하는 형식으로 만들어졌습니다.

DIY 가구를 조립해 본 분이라면 이것도 결코 만만치 않다는 걸 알고 계실 텐데요.
바로 이 점이 3D 프린팅의 한계이기도 합니다.

물체를 빠른 속도로 한 번에 찍어낸다는 본래 의미가 퇴색되는 것이죠.
그렇다면 어떻게 하면 프린터보다 더 큰 물체를 찍어낼 수 있을까요?

 

이 문제를 해결할 것으로 주목받는 신기술이 ‘4D 프린팅‘입니다.

2013년 4월, 미국 MIT 자가조립연구소 스카일러 티비츠 교수가 ‘4D 프린팅의 출현(The emergence of 4D printing)‘이라는 제목으로 TED 강연을 하면서 세상에 처음 알려진 4D 프린팅 기술은 누적 조회수 약 200만 회를 기록할 정도로 인기를 끌었습니다.

강연 영상을 보면 1차원 선이 물 속에서 3차원 정육면체로 변하는 것을 볼 수 있습니다.

이 기술의 핵심은 ‘*형상기억합금’ 같은 스마트재료를 3D 프린터로 출력하는 것으로 출력된 물체는 시간 또는 주변 환경이 변하면 다른 모양으로 변합니다.

이 기술에 4D란 이름이 붙은 것도 기존의 3차원 입체(3D)에 시간이라는 1차원(1D)이 추가됐기 때문입니다.
어떤 조건에서 어떤 모양으로 바꾸게 할지는 엔지니어가 미리 프로그래밍 할 수 있습니다.

 

*형상기억합금 : 힘을 가해서 변형을 시켜도 본래의 형상을 기억하고 있어 조금만 가열해도 곧 본래의 형상으로 복원하는 합금을 이야기합니다.

 

‘4D 프린터’로 찍어낸 물체는 인간의 개입 없이 열이 나 진동, 중력, 공기 등 다양한 환경이나 에너지원에 자극받아 변합니다.

마치 전선이나 모터 없이 로봇을 움직이겠다는 말로 불가능하게 보이지만 놀랍게도, 나노공학에서는 이러한 것이 가능하다고 합니다.

바로 ‘자가 변형(selftransformation)‘ 또는 ‘자가조립(self-assembly)‘이라는 기술이 있기 때문입니다.

단백질 같은 생체분자들이 스스로 결합해 특정 모양을 갖추는 원리를 공학적으로 응용한 건데, 몸속에서 특정 환경에 노출됐을 때 뚜껑을 열어 약물을 전달하는 나노로봇이 대표적이라고 할 수 있습니다.

다시 말해 자가 변형 또는 자가조립 기능이 가능한 물체를 3D 프린터로 출력하는 게 4D 프린팅입니다.

 

4D 프린팅

 

◆ 4D 프린팅 기술은 어떻게 사용될까?

4D 프린팅 기술이 대중화된다면 우리들은 이를 어떻게 사용할 수 있을까요?
아마도 수많은 분야에서 사용되겠지만 지금 일례로 실제 제품을 판매한 사례를 소개할까 합니다.

너브스 시스템(Nervous System)의 ‘키네마 틱스(Kinematics) 프로젝트’에 속하는 다양한 제품들이 바로 그것입니다.
이 프로젝트는 4D 프린팅을 이용하여 옷과 장신구, 장식품 등을 만드는 것이 목적입니다

판매되는 제품들은 3D프린터에서 출력될 때는 평면이지만 시간이 지나면서 곧 자동적으로 입체적인 형태를 잡아갑니다.

또한, 이미 상용화된 팔찌와 허리띠, 귀걸이는 사용자가 직접 물품을 디자인하고 주문할 수 있습니다.
가격도 대략 $60~$80 정도로 관심 있는 사람이라면 충분히 지불할 수 있는 금액이기도 합니다.

이러한 악세사리를 만들고 판매하는 것은 물론 이는 자동차 분야에도 응용이 될 수도 있습니다.
자동차를 구성하는 모든 플라스틱과 금속 부품이 바로 그 대상 입니다.

예컨대, 날씨나 주변 환경에 따라 변할 수 있는 코팅기술이 개발되면 자동차 부품의 수명이 늘어날 수 있고, 가벼운 접촉사고로 인해 움푹 들어간 자동차 외관을 특정 환경에 노출시키면 원래대로 복구되게끔 할 수도 있을지 모릅니다.

그 외에도 다리(교량)나 도로가 파손됐을 때 스스로 복구되는 재료로 만들 수도 있습니다.

국방 분야에서는 위장막이나 위장복에 활용될 자가변형 천이 가장 각광받고 있습니다.
가령, 물만 뿌리면 스스로 우뚝 서서 펼쳐지는 천막 막사 같은 것들 말이죠.

보건의료 분야에서는 자가변형이 가능한 생체조직부터 인체에 삽입하는 바이오 장기까지 다양하게 활용이 가능합니다.
또 몸 안에 들어가 암세포를 잘라내고 끊어진 혈관을 잇는 나노로봇도 만들어 사용할 수도 있을 것입니다.

4D 프린팅 연구는 계속 진행이 되면서 달라지겠지만 한동안은 다양한 분야에 사용이 가능한 소재 개발에 초점이 맞춰질 것입니다.

현재는 플라스틱 합성수지가 많지만, 앞으로는 일상에서 쉽게 볼 수 있는 금속이나 유리, 목재 등 다양한 형태로 발전될 것입니다.

 

점점 가상과 현실의 경계가 허물어지고 있는 오늘날 사물인터넷(IoT) 기술이 디지털과 현실(아날로그)를 연결해주는 것과 같이 앞으로 3D 그리고 4D 프린팅 기술이 소프트웨어와 하드웨어의 경계를 허물어주는 시대를 가져올 날이 멀지 않았다고 생각합니다.

여러분은 3D/4D 프린팅 기술에 대하여 어떻게 생각하신가요?

 

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