▲BMW 4D 자동차(출처: bmw.com)
입체적인 프린트가 가능한 3D 프린트를 넘어, 스스로 변형이 가능한 4D 프린팅 기술이 새롭게 등장해 주목받고 있습니다. 4D 프린팅은 3D로 프린트한 물체에 스스로 변형하는 특성을 더한 기술인데요. 온도, 수분, 바람 등에 따라 변형이 가능한 특수 소재를 사용해 프린팅하면 지정된 조건에 따라 결과물의 모양이나 특성이 변화하게 됩니다.
3D 프린팅에 변화할 수 있는 한 차원(Dimension)의 특성을 더했다는 의미에서 ‘3D+1D’, 즉 ‘4D 프린팅’이라고 합니다. 프린트 주요 소재로는 플라스틱이 이용되고 있는데요, 3D 프린트에서 한 발 앞선 4D 프린트 기술은 과연 어떤 것인지 알아보도록 하겠습니다.
#4D 프린팅의 등장
▲스카일러 티비츠 교수(출처: ted.com)
‘4D 프린팅’이라는 용어는 2013년 미국 MIT 자가조립연구소 스카일러 티비츠(Skylar Tibbits) 교수가 TED 강연에서 ‘4D 프린팅의 출현(The emergence of 4D printing)’이라는 제목의 강연을 한 데서 알려지기 시작했는데요. 3D 프린터를 이용해 출력한 제품 또는 구조물을 조립하기 위해 추가로 인간 또는 기계 도움 없이 출력물 스스로가 움직이며 최종 결과물로 완성된다는 개념입니다.
형상기억합금처럼 자가변형구조물을 출력하는 시스템이라고 설명했는데요, 티비츠 교수는 인간이 도달하기 어렵거나 불가능한 장소에 노동력을 투입하지 않아도 스스로 조립되는 구조물이 스스로 형태를 구성해 문제를 해결하는 데 사용될 수 있다고 언급했습니다.
4D 프린팅 기술 #적용 분야
▲4D 프린팅 기술 제품들(출처: atelier.bnpparibas)
4D 프린팅 기술은 장난감, 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 콘셉트카
▲BMW 비전 넥스트(출처: bmw.com)
BMW는 4D 프린팅 기술을 적용한 콘셉트카 ‘비전 넥스트 100(Vision Next 100)’을 선보였는데요, 자율주행 모드와 운전자를 도와주는 인공지능 에이전트와 함께 외관에 4D 프린팅 기술을 적용해 운전대 조작과 환경에 따라 디자인이 변화하도록 했습니다. 운전자의 습관과 스타일에 따라 학습해 운전자만을 위한 인공지능 가이드가 제공됩니다. 차량의 바퀴 휠에 4D 기술을 적용, 바람이 불거나 운전대를 돌릴 때 이에 맞춰 형상이 변화하기도 합니다.
▲액체 출력 공압법(출처: 3D 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)’로, 젤 형태의 액체가 가득 든 통 안에 액체 상태의 고무나 플라스틱을 주입하며 형태를 완성해나가는 방식으로, 통 안의 젤이 분사한 액체 형태의 플라스틱을 흘러내리지 않도록 잡아주며 경화시켜주는 방식입니다. 이 방식을 적용하면 차에서 잠시 잠을 청할 때 의자 내 공기압을 높여주는 것만으로 의자 형태가 편안한 침대 형태로 변화하게끔 디자인할 수 있습니다.
입으면 입체적으로 변하는 #4D 프린팅 드레스
▲4D 프린팅 드레스(출처: 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 평면이지만 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
▲나사 4D 프린팅 ‘스페이스 패브릭’(출처: Techly)
미 항공 우주국(NASA)에서는 지난 해 우주에서 사용할 수 있는 새로운 형태의 패브릭 소재를 소개했는데요. 이 패브릭 하나로 우주선을 운석으로부터 보호하는 방어막으로 쓸 수 있고, 우주 비행사들의 우주복을 만들거나 행성 표면에서 물질을 채취할 때 사용할 수도 있습니다. 패브릭 형태를 갖추고 있어 매끄럽지 못한 표면 위에 유연성을 지니게 되고, 우주선이나 우주복 바닥에 적용하면 차가운 밑바닥이 녹는 것을 방지할 수도 있습니다.
이 패브릭은 3D 프린팅 기술을 이용해 만들어졌는데요, 반사성질, 연관리 효과, 접히는 성질, 인장 강도 등 4개 주요 기능을 가지고 있습니다. 기술이 물체의 형태와 기능을 함께 만들어낸다고 해서 ‘4D 프린팅’ 기술이라고 합니다. 하나로 원하는 여러 형태의 물질에 적용이 가능해 비용절감효과도 뛰어나 앞으로 이 기술을 이용한 다양한 연구들이 진행되고 있다고 합니다.
아이성장에 맞춰 변형되는 #4D 프린팅 부목
▲4D 의료용 부목(출처: popsci.com)
미국 미시간대 의대는 4D 프린팅으로 제작한 부목을 생후 5개월 아기 목에 이식했는데요. 부목 재료는 변형이 가능한 플라스틱인 ‘폴리카프로락톤(PCL)’을 사용했습니다. 아이가 자라면 부목 크기도 조금씩 커지게 되는데요. 기관지가 어느 정도 자리를 잡은 3년 이후에는 물에 녹아 없어집니다. 기존에 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 스마트한 기술이 적용해 새로운 소재를 개발하고 있는데요. 한화케미칼은 플라스틱의 재료가 되는 폴리에틸렌, 폴리염화비닐, 가성소다 등 다양한 기초 석유화학 제품을 개발/생산하고 있습니다. 또한 특화 제품 개발을 통해 세계 시장에서 경쟁력을 확보해 나가고 있는데요. 앞으로 더욱 발전하게 될 4D 프린팅 기술과 함께 한화케미칼에도 많은 기대해주시기 바랍니다.
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