스스로 알아서 변형하는 ‘4D 프린팅 시대’ [우리가 몰랐던 과학 이야기] (49)

BMW의 4D(4차원) 자동차. 출처=BMW

입체적인 프린트를 보여준 3D(3차원)를 넘어 스스로 변형할 수 있는 4D(4차원) 인쇄 기술이 새롭게 등장해 주목받고 있습니다. 4D 프린팅은 3D로 인쇄한 물체에 스스로 변형하는 특성을 더한 기술인데요. 온도와 수분, 바람 등에 따라 형태를 바꿀 수 있는 특수 소재를 사용해 프린팅을 하면 지정된 조건에 따라 결과물의 모양이나 특성이 변화하게 됩니다.

3D에 변화할 수 있는 한 차원(Dimension)의 특성을 더했다는 의미에서 ‘3D+1D’, 즉 4D 프린팅이라고 합니다. 프린트의 주요 소재로는 플라스틱이 이용되고 있는데요. 3D 프린트에서 한발 앞선 4D 기술은 과연 어떤 것인지 알아보도록 하겠습니다.

◆4D 프린팅의 등장

스카일러 티비츠 교수. 출처=테드(www.ted.com)

4D 프린팅이라는 용어는 2013년 미국 매사추세츠공대(MIT) 자가조립연구소의 스카일러 티비츠(Skylar Tibbits) 교수가 테드(TED·Technology, Entertainment, Design)에서 처음 쓴 뒤 알려지기 시작했는데요. 미국의 비영리 재단에서 운영하는 이 강연회에서 티비츠 교수는 당시 ‘4D 프린팅의 출현’(The emergence of 4D printing)’이라는 제목의 강연을 했는데요. 3D 프린터를 활용해 탄생한 제품 또는 구조물을 조립하기 위해 추가로 인간 또는 기계 도움없이 출력물 스스로 움직이며 최종 결과물로 완성된다는 개념입니다.

형상기억 합금처럼 자가변형 구조물을 출력하는 시스템이라고 설명했는데요, 티비츠 교수는 인간이 도달하기 어렵거나 불가능한 장소에 노동력을 투입하지 않아도 스스로 조립되는 구조물이 저절로 형태를 구성해 문제를 해결하는 데 사용될 수 있다고 언급했습니다.

◆4D 프린팅 기술 적용 분야

4D 프린팅 기술을 이용한 제품들. 출처=atelier.bnpparibas

4D 프린팅 기술은 장난감과 게임, 자동차, 로봇, 의료, 제조, 건설 등 다양한 분야에 활용될 수 있을 것으로 기대되고 있는데요. 최근에는 4D 기술을 이용한 의류나 장신구, 그리고 의료 기술이 등장해 실생활에서 직접 만나볼 수 있게 되었습니다. 머나먼 기술이 아닌, 우리의 생활 속으로 들어온 4D 프린트 기술을 소개하겠습니다.

◆달리면서 변하는 BMW 4D 컨셉트카

BMW의 ‘비전 넥스트 100’. 출처=BMW

BMW는 4D 프린팅 기술을 적용한 컨셉트카 ‘비전 넥스트 100’(Vision Next 100)을 선보였는데요, 자율주행 모드, 운전자를 도와주는 인공지능(AI) 에이전트와 함께 외관에 4D 프린팅 기술을 적용해 운전대 조작과 환경에 따라 디자인이 변화하도록 설계했습니다. 운전자의 습관과 스타일을 학습한 전용 AI 가이드가 제공됩니다. 차량의 바퀴 휠에 4D 기술을 적용, 바람이 불거나 운전대를 돌릴 때 이에 맞춰 형상이 변화하기도 합니다.

액체 출력 공압법. 출처=3D 프린팅 미디어 네트워크(Printing Media Network)

BMW의 4D 프린팅 방식에는 공기를 주입하면 설계해 놓았던 형태에 맞게 자유자재로 팽창하며 모습을 변화시킬 수 있는 소재와 공법이 차량 외부나 내부 인테리어에 적용됐는데요. 이 공법은 ‘액체 출력 공압법’(Liquid Printed Pneumatics)으로, 젤 형태의 액체가 가득 든 통 안에 액체 상태의 고무나 플라스틱을 주입하며 형태를 완성해나가는 방식입니다. 통 안의 젤이 분사한 액체 형태의 플라스틱을 흘러내리지 않도록 잡아주고 굳게 하는 방식입니다. 이 방식을 적용하면 차에서 잠시 잠을 청할 때 의자 내 공기압을 높여주는 것만으로 그 형태가 편안한 침대로 변화하게끔 디자인을 할 수 있습니다.

◆입으면 입체적으로 변하는 4D 프린팅 드레스

4D 프린팅 드레스. 출처=너브스 시스템(Nervous System)

미국 디자인 기업인 너브스 시스템(Nervous System)은 4D 프린팅을 적용해 옷과 장신구, 장식품 등을 제작하는 ‘키네마틱스 프로젝트’를 소개했는데요. 3D 프린터에서 출력될 때는 평면에 가깝지만 곧 착용자 체형에 맞게 스스로 입체적인 형태를 잡아가도록 고안되었습니다. 현재 인터넷을 통해 원하는 디자인의 장신구를 직접 주문도 할 수 있으며, 주요 소재는 나일론입니다.

◆우주환경에 맞게 변하는 ‘4D 스페이스 패브릭’

미국항공우주국의 4D 프린팅 ‘스페이스 패브릭’. 출처=테클리(Techly)

미국항공우주국(NASA·나사)에서는 지난해 우주에서 사용할 수 있는 새로운 형태의 패브릭(직물) 소재를 소개했는데요. 이 패브릭 하나로 우주선을 운석으로부터 보호하는 방어막으로 쓸 수 있고, 우주복을 만들거나 행성 표면에서 물질을 채취할 때 사용할 수도 있습니다. 패브릭 형태를 갖추고 있어 매끄럽지 못한 표면 위에서 유연성을 지니게 되고, 우주선이나 우주복 바닥에 적용하면 밑바닥이 녹는 것을 방지할 수도 있습니다.

이 패브릭은 3D 프린팅 기술을 이용해 만들어졌는데요, 반사 성질과 열 관리 효과, 접히는 성질, 뛰어난 인장 강도 등 4개의 주요 기능이 있습니다. 기술이 물체의 형태와 기능을 함께 만들어낸다고 해서 4D 프린팅에 해당한다고 합니다. 하나로 원하는 여러 형태의 물질에 적용할 수 있는 만큼 비용절감 효과도 뛰어나 앞으로 이 기술을 이용한 다양한 연구들이 진행될 것이라고 합니다.

◆아이 성장에 맞춰 변형되는 4D 프린팅 부목

4D 의료용 부목. 출처=www.popsci.com

미 미시간대 의대는 4D 프린팅으로 제작한 부목을 생후 5개월 아기 목에 이식했는데요. 부목 재료로 형태를 바꿀 수 있는 플라스틱인 ‘폴리카프로락톤’(PCL)을 사용했습니다. 아이가 자라면 부목 크기도 조금씩 커지게 되는데요. 기관지가 어느 정도 자리를 잡은 3년 후에는 물에 녹아 없어집니다. 전에는 아이가 자라면 다시 수술을 해서 부목을 제거해야 했지만, 4D 프린팅 기술로 비용과 고통을 덜게 되었습니다.

현재 4D 프린팅은 플라스틱 합성수지를 이용한 소재로 주로 만들어지고 있습니다. 플라스틱에 스스로 형상을 기억하는 스마트 기술을 적용해 새로운 소재를 개발하고 있는데요. 한화케미칼은 플라스틱의 재료가 되는 폴리에틸렌과 폴리염화비닐, 가성소다 등 다양한 기초 석유화학 제품을 개발·생산하고 있습니다. 또한 특화제품 개발을 통해 세계 시장에서 경쟁력을 확보해 나가고 있는데요. 앞으로 더욱 발전하게 될 4D 프린팅 기술과 함께 한화케미칼도 많이 기대해주기 바랍니다.

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*이 기고는 한화케미칼과 세계일보의 제휴로 작성되었습니다.

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