학술 - 4D프린터
학술 - 4D프린터
  • 문명운 박사 / 한국과학기술연구원(KIST)
  • 승인 2015.10.07 20:33
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미래 사회를 이끌 4D 프린팅 기술
4D 프린팅 기술의 출현
요즘 초등학교 어린이들에게 인기를 끌고 있는 터닝메카드는 만화도 재미있지만 캐릭터 상품이 더욱 흥미롭다. 자동차를 카드 위로 굴리면 카드를 물고 로봇으로 변신하는 것이다. 이는 마치 트랜스포머가 여러 가지 자동차 모양이었다가 로봇으로 변신하는 것과 매우 유사하다. 이렇듯 살아 움직이는 듯한 변화 가능한 기술에 우리는 열광하게 된다. 처음 3D 프린팅 기술이 일반 사람들에게 알려지기 시작했을 때 우리는 이런 일이 실제 가능할지도 모른다고 생각했을 것이다. 하지만 3D 프린팅 기술은 프린팅된 피규어가 움직이지는 않는다. 3차원 입체를 그대로 복사해서 프린팅하는 것이 주목적이기 때문이다. 하지만 어느새 프린팅된 피규어가 변화할 수 있는 기술인 4D 프린팅 개념이 나왔다. 조만간 만화나 영화가 현실이 될 날이 머지않은 것 같다. 4D 프린팅이라는 용어는 2013년 미국 MIT 자가조립연구소 스카일러 티비츠 교수의 TED 강연을 통해 알려졌다. 당시 ‘4D 프린팅의 출현(The emergence of 4D printing)’이라는 제목으로 강연을 진행했으며, 이후 4D 프린팅 기술은 3D 프린팅의 진화된 개념으로서 여겨지고 있다.

4D 프린팅 기술의 개념
3D 프린팅 기술은 3D(Dimension, 차원)의 공간 (x, y, z) 개념과 프린팅 기술이 결합한 개념이다. 4D 프린팅 기술도 유사한 개념이지만 3D 공간에 하나의 차원인 시간 개념을 추가한 의미이다. 그래서 시간(t) 개념이 들어 있는 3D 프린팅이라고 생각하면 된다. 3D 프린팅 기술이 디지털 정보와 3D 프린터를 이용하여 원하는 입체를 구현하는 것을 의미한다면, 4D 프린팅 기술은 이러한 3D 프린터에 의해서 나온 구조체가 환경에 반응하면서 시간에 따라 변화하는 개념을 추가하고 있다. 3D 프린팅 기술을 이용해 만든 물체가 온도, 햇빛, 물 등의 요인에 따라 스스로 변형되도록 만드는 기술이 4D 프린팅 기술이다. 예를 들어 3D 프린터로 의수를 출력했다면, 특정 온도나 압력 혹은 외력의 특정 조건에 의해서 출력물의 손가락이 접히거나 움직일 수 있게 프린팅하는 것이 4D 프린팅이라 할 수 있다.
4D 프린팅 기술의 원리는 3D 프린팅 기술을 기반으로 한다. 3D 프린팅은 캐드(CAD) 등의 모델링 프로그램으로 만들고 싶은 제품을 디자인하는 것부터 시작한다. 이 디자인을 액체, 고체 형태의 플라스틱, 금속 등 다양한 재료를 넣은 3D 프린터로 출력하게 된다. 3D 프린터로 만든 물체가 크기, 형태 등 다양하게 변화할 수 있어야 하므로 특정 조건에 반응하는 스마트 소재와 출력 후 변화할 수 있도록 변화 과정을 설계할 수 있는 소프트웨어적 지식이 매우 중요하다. 여기에 일반 3D 프린터에서 사용하지 않는 스마트 소재를 프린트해야 하기에 기존의 프린터를 개선하거나 신개념의 3D 프린터가 개발되어야 한다. 따라서 4D 프린팅 기술을 이루고 있는 핵심 요소는 스마트 소재와 변화과정을 예측할 수 있는 설계 기술, 그리고 스마트 소재를 프린트할 수 있는 고기능성 3D 프린터 및 공정기술이다. 

4D 프린팅 소재
기존의 3D 프린팅 소재는 플라스틱, 금속, 세라믹 등 종류도 매우 다양해지고 있지만 4D 프린팅 기술에서 사용하기에는 소재 측면에서 여러 가지 제약이 따른 경우가 많다. 특정 소재는 기존의 3D 프린터로 프린팅 할 수 없는 경우도 발생하고 있지만, 특정 기능성을 가진 소재가 개발되고 이를 프린팅할 수 있는 3D 프린터 및 공정 기술이 점차 개발되고 있다. 4D 프린팅 기술에서의 소재의 선택은 매우 중요한 부분이다. 온도에 반응하여 길이나 형상이 변화하는 소재를 사용한다. 온도에 의해서 팽창하거나 수축하는 소재나 더 나아가서 그 형상을 기억하여 변형하는 형상 기억합금이나 형상기억 고분자가 사용되고 있다. 형상기억합금은 변형이 일어나도 처음 모양을 만들었을 때의 형태를 기억하고 있다가 일정 온도가 되면 원래의 형태로 돌아가려는 성질을 가지기 때문에 온도 반응 4D 프린팅 기술에 적절히 사용되고 있다. 이러한 특징을 가진 고분자로 형상기억고분자도 잘 사용한다. 물이나 액체를 쉽게 흡수하는 소재를 이용한 3D 프린팅 기술에 대한 발표가 나오고 있다. 물을 흡수할 수 있는 다공성 소재를 한 면에 프린트하고 그 반대 면에는 물을 흡수하지 않은 기공이 거의 없는 소재를 프린트하게 된다. 이렇게 두 개의 다른 흡수성을 가진 구조체를 이용하여 특정 형상이 가능하도록 설계하고 이를 3D 프린터로 프린팅하게 된다. 이후 물속에 이 프린팅된 구조체를 담그게 되면 물을 흡수하는 면에서 급속히 흡수하면서 팽창이 일어나 물을 흡수하지 않는 면이 안쪽으로 가게 구조가 변하게 된다. 이러한 원리를 막대형상에 적용하면 구부러지거나 3차원 구조체를 구현하게 된다. (그림 1)

4D 스마트 설계 기술 및 프린터
 4D 프린팅에서 스마트 소재와 함께 가장 중요한 요소 중 하나는 설계이다. 4D 프린팅을 위해서는 프린트된 구조물에 변형을 가할 수 있을 만큼 힘이 필요하지만, 현재까지 개발된 4D 프린팅용 스마트 소재의 경우 충분하지 않다. 그러므로 부족한 힘을 최대한 활용하기 위해 각 4D 프린팅을 연구하는 기관에서는 다양한 방법으로 설계하고 있다. 예를 들어, 형상기억고분자를 사용하여 4D 프린팅을 연구하는 한국과학기술연구원의 경우, 고분자의 형상을 복구하려는 힘이 약하기 때문에 전개도의 내부 채움 정도를 30% 미만으로 하여 자체 무게를 감소시켰고 접히는 부분의 두께를 최적화하였다. 이 때문에 바닥을 가열하는 방식만으로도 2분 내외로 자가조립이 가능하였다. (그림 2)
스마트 소재의 경우 노즐 온도에 매우 민감하고 노즐 내·외부에서 쉽게 뭉치기 때문에 일반적인 프린터의 노즐 형태로는 원하는 형상을 제작하기 어렵다. 그러므로 스마트 소재를 프린팅하여 형상을 만들기 위해서는 프린터 노즐의 끝 부분에만 집중적으로 열을 가하여 내부에서 소재가 뭉치는 것을 방지하도록 만들어져야 한다. 또한, 2가지 이상의 다른 물질이나 복합소재를 프린팅할 수 있는 프린트의 개발은 4D 프린팅을 위한 핵심 요소 기술이 된다. 다른 물성을 가진 물질을 하나의 구조체에 같이 프린트하여야 구조체의 변화가 가능할 수 있다.

결어
3D 프린팅 기술이 시작된 지는 벌써 30년이 넘었다. 하지만 3년 정도 지난 4D 프린팅은 다양한 가능성을 보여주고 있기에 최근 한창 흥미진진해지고 있다. 온도에 반응하는 소재를 이용하여 의수를 만들 수 있고 자가변형이 가능한 드레스를 프린트할 수 있을 것이다 (그림 3). 이러한 단순한 변화로부터 생명체의 프린팅을 위한 바이오 프린팅까지 다양한 분야에 응용할 수 있다. 더 나아가서 4D 프린팅 기술이 발전할 경우 가장 먼저 사용될 수 있을 것으로 보는 것은 3D 프린터의 출력 한계, 즉 물체의 크기와 부피의 한계를 극복하는 대안이 될 수 있다. 예를 들어 3D 프린터로 한 번에 테이블을 만들기 위해서는 그 크기에 맞는 대형프린터가 필요하다. 그렇지만, 4D 프린팅으로는 평면으로 출력한 뒤에 나중에 스스로 형태를 변형하여 조립되는 테이블을 만들 수 있다. 이렇듯 4D 프린팅 기술은 창의적 설계 기술과 스마트 소재를 기반으로 그 응용 가능성은 우리의 기대를 훨씬 능가할 것이다.



   

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