현대엠엔소프트 공식 기업 블로그 :: 4D 프린팅 기술! 트랜스포머 탄생을 가능하게 하다

3D프린팅, 이제 많이들 들어보셨을 것 같습니다. 입체적인 물체를 찍어내는 프린터인데요. 단순히 종이에 글씨나 그림을 찍어내던 것을 뛰어넘어 물체를 만들어 내는 프린터기가 있다는 것이 놀라운 때가 있었죠. 그런데 이 3D프린팅을 넘어 4D프린팅 기술이 이미 존재한다고 합니다. 4D프린팅? 4D영화와는 또 다른 걸까요? 여러분도 궁금하시다면 어서 따라오세요, 같이 알아보도록 해요!

 

잠깐! 3D프린터, 먼저 알고 가기

 

2D프린터가 활자나 그림을 인쇄하는 용도였다면, 3D프린터는 입력한 도면을 바탕으로 3차원의 입체적인 물품을 만들어내는 프린터입니다. 입체 형태를 만드는 방식에 따라 적층형과 절삭형으로 나뉘는데요. 적층형은 말 그대로 쌓아가며 물체를 만드는 것입니다. 석고나 나일론 등의 가루, 또는 플라스틱 액체나 실을 사용하여 0.01~0.08mm의 레이어를 겹겹이 쌓아 올려가는 형태이죠. 이 레이어가 얇을수록 정교한 결과물이 탄생하며, 제작 과정에서 채색도 동시에 진행이 가능합니다. 이 레이어가 종이보다 얇다고 하니 상상이 가시나요? 반면 절삭형은 커다란 덩어리를 깎아가며 조각하는 형태입니다. 적층형에 비해서는 정밀하지만 재료가 많이 소모되고 채색은 별도의 작업이 필요합니다.

 

3D프린터의 시작은 이렇습니다. 1981년, 일본에서 3D프린팅 기술에 바탕이 되는 원료와 모델링에 관련된 보고서가 발간되었습니다. 이 두 가지 기술을 접목한 아이디어가 오늘날 3D프린팅 기술의 기초가 되었죠. 실제로 프린터를 만든 것은 1984년, 미국의 찰스 헐(Charles W. Hull)입니다. SLA(광경화 적층 방식)을 사용하여 3차원 물체 제작 기구를 특허에 등록하고, 86년에는 3D시스템즈라는 회사를 창업했습니다. 초기 플라스틱 소재에서 머무르지 않고, 나일론과 금속 소재를 사용하며 활용 범위는 더 늘어났으며, 이제는 상용화 단계로 진입한 상태입니다.

 

3D프린터를 활용하여 만들 수 있는 제품은 어떤 것들이 있을까요? 단순히 조각품 정도로 생각하신다면 오산입니다. 유럽항공방위산업체(EADS)는 3D프린터를 이용하여 자전거를 인쇄해냈죠. 물론 조립 단계를 거치지 않은 채로 말이에요. 또한 영국의 사우샘프턴 대학에서는 시속 160km로 비행하는 무인비행기를, 의료계에서는 환자에게 맞춤형 인공관절이나 인공 장기를 만들어내기도 했답니다.

 

4D프린팅의 결과물은 스스로 변신이 가능하다고?

 

손을 대지도 않았는데 스스로 접히는 네모 상자! 물의 양에 따라 변하는 파이프! 영화 해리포터에나 나올 수 있는 일이 아니냐고요? 그렇지 않습니다. 현실 속에서도 충분히 일어나고 있는 일이라니 놀랍죠? 3D프린팅에 변화할 수 있는 한 차원(Dimension)의 특성이 더해져 탄생한 것이 4D입니다. 그렇다면 3D와 어떻게 다른 것인지, 4D프린팅은 어떻게 활용될 수 있을지 한번 알아볼까요?

출처 : SELF-ASSEMBLY LAB ( https://selfassemblylab.mit.edu/ )

4D 출현

 

4D프린팅이라는 용어는 2013년 미국의 메사추세츠 공대(MIT) 자가조립연구소 스카일러 티비츠(Skyler Tibbits) 교수에 의해 알려지기 시작했습니다. TED강연회에서 ‘4D프린팅 기술의 출현’이라는 주제로 많은 사람들을 놀래켰죠. 4D프린팅은 3D프린터로 인쇄한 물체가 스스로 변형할 수 있는 특성을 더한 것인데요. 시간이나 외부환경에 의해 자가변형이 가능한 형상기억합금과 같은 특수 소재를 사용하여 물체를 찍어내고, 지정된 조건에 따라 이 결과물의 모양이나 특성이 변하게 됩니다. 형상기억합금은 고온에서 기억시킨 형상을 기억하고 있어, 저온에서 힘을 가해 변형을 시켜도 가열을 통해 원래의 모습대로 복원이 가능하답니다.

 

티비츠 교수는 4D프린팅 탄생배경을 이렇게 쉽게 예시를 들어주었죠. 기본적으로 일정한 양의 물만을 통과시킬 수 있는 파이프를 땅 아래 묻었다고 가정을 하겠습니다. 그런데 어느 날 환경이 바뀐다던가 지반이 움직였을 경우, 우리는 땅을 파헤쳐 다시 설치해야 하는 과정을 거쳐야 합니다. 그러나 외부환경에 맞게 자기 스스로 변화할 수 있다면? 이야기는 달라지겠죠. 자기 스스로 구축될 수 있는 프로그래밍이 가능한 물질을 이용하는 것이 바로 그 답이랍니다.

 

이 기술이 매우 발전하여 활용도가 높아진다면 굉장히 효율적인 작업환경이 구축될 것으로 보입니다. 인간이 도달하기 어렵거나 불가능한 장소에서 노동력과 비용·시간을 투입하지 않고도 스스로 조립되는 구조물을 이용하여 문제를 해결할 수 있기 때문입니다. 우주도 그 예가 될 수 있겠죠?

 


 

스카일러 교수의 TED 강연 같이 보기

 

TED, The emergence of “4D printing” by Skylar Tibbits

 

4D프린팅의 결과물이 어떤 식으로 스스로 변화하는지 조금 더 빨리 확인하시고 싶으시다면, 5분 52초부터 확인해주시기 바랍니다! >>

 


 

4D프린팅, 어디에 어떻게 쓰일까?

 

4D프린팅은 다양한 분야에 사용될 수 있습니다. 장난감은 물론이고 의료, 건설, 패션, 자동차 산업 등에서 활용될 가능성이 무궁무진하죠.

 

 

차가 바로 트랜스포머! 운전 환경에 맞춰 변하는 자동차

출처 :BMW Group  https://www.bmwgroup.com/en/next100/brandvisions.html

 

BMW에서 2016년 발표한 콘셉트카 ‘Vision Next 100’에서도 4D프린팅 기술이 반영되었습니다. 이름에서도 느껴지듯이 앞으로의 100년을 내다보는 굉장히 미래적인 디자인이네요. 우선 외관에서도 볼 수 있듯, 운전대 조작이나 바퀴의 회전, 외부공기 흐름, 온도 등에 따라 차체가 유동적으로 변하는 영상을 선보였습니다. 또한 차량 내부 인테리어에도 4D프린팅 기술을 빼놓을 수 없는데요. 4D프린팅으로 출력한 좌석은 운전 상황에 맞게 팽창하고 수축합니다.

 

차량까지도 차주에게 맞춤형으로 변화하는 센스! 애마에 더 애착이 갈 수밖에 없겠는걸요?

4D프린팅 기술은 차량에 다양하게 적용될 수 있는데요. 가령 환경 변화에 맞게 차량 코팅이 변화한다면 외관 부식을 방지할 수 있겠죠. 또한 부품 역시 유연성과 강도를 자유자재로 조절할 수 있어 생산 효율성과 부품 수명을 높일 수 있습니다. 과속방지턱을 넘을 때 손상될 가능성이 있는 범퍼도 스스로 복구가 가능할 수 있는 것처럼 말이에요.

 

환자의 성장과 함께 변화하는 맞춤형 의료기구

출처: University of Michigan https://bme.umich.edu/3d-printed-splint-saves-the-life-of-a-baby/

미국의 미시간대 의대는 기관-기관지연화증에 걸린 어린 환자를 위해 맞춤형 부목을 제작했습니다. 사망률이 높은 복잡한 수술과 호흡이 관련되어 지속적인 케어가 필요한 병이었죠. 맞춤형 부목은 3D프린팅의 결과물이지만, 여기서 주목해야 할 것은 이 부목이 어린 아이의 성장에 맞춰 시간에 따라 함께 변화했다는 사실입니다.

 

이 부목을 이용한 수술을 한 첫 번째 영아 환자는 수술 6주 후 태어나서 16개월간 함께해왔던 호흡기를 떼었습니다. 또한 이 부목은 기관지가 자리를 잡는 3년 이후에 생체에 흡수되는 물질을 사용하여 불필요한 수술을 덜었죠. 만약 4D프린팅 기술이 아니었다면 얼마나 많은 고통의 시간을 겪어야 했을지 감이 오시나요?

 

4D프린팅 기술은 의료계에서 역시 어마어마한 발전을 불러 일으킬 수 있을 것으로 예상되는데요. 버지니아 공대에서는 스스로 구부러지는 관절인 인공 손가락 관절을, 한국과학기술연구원에서는 사이즈가 변화하는 환자 맞춤형 깁스를 발명해내기도 했답니다.

 

맞춤 구두? 아니, 이젠 맞춤 운동화!

 

아디다스에서도 재미난 시도를 했습니다. 2016년, 3D프린터로 제작한 미드솔(중창; 신발 바닥을 더 두껍게 하기 위해 안창과 겉창 사이에 삽입한 창)을 사용하는 러닝화 ‘퓨처크래프트’를 선보였는데요. 스니커즈의 대량생산과 개인화라는 공존하지 못할 것 같은 문제를 합쳐낸 것이죠. 기존의 모형이나 주형제작 없이 디지털 생성 과정을 통해 만들어집니다. 전통적인 제조 방법과 다르게 움직임, 쿠셔닝, 안정성, 편안함을 개인의 특성에 따라 제작할 수 있다는 것이 특징이지요.

 

이후 아디다스는 4D프린팅 기술까지도 접목한 제품을 만들기에 이릅니다. 4D프린팅 기술로 태어난 운동화 ‘알파엣지4D’가 바로 그 주인공입니다. 액체 상태의 고분자 물질을 이용하여 프린터로 인쇄한 다음, 빛과 산소를 더하면 완벽한 신발로 태어나게 되는데요. 빛과 닿으면 단단해지고, 산소에 닿으면 말랑말랑한 겔 상태를 유지하는 특징이 있습니다. 어떤 제품인지 같이 한번 볼까요?

 

화재 현장부터 군사방위 분야까지 도대체 쓰이는 곳이 어디야?

 

이 외에도 한국과학기술연구원에서는 지속적인 4D프린팅 기술 연구를 통해 화재 현장에서 연기를 흡수하는 기술 개발에 힘쓰고 있습니다. 연기 흡착 소재를 사용한 공을 만들어 화재가 발생했을 때 에어백처럼 퍼져 그 안의 팬이 작동하도록 하는 원리라고 합니다.

 

군사방위 분야에서는 4D프린팅 기술을 군복 재질에도 접목시킬 수 있다고 하는데요. 군인은 은폐가 매우 중요하죠. 외부로부터 비춰오는 빛을 군복에서 굴절시킬 수 있다면 적으로부터 눈에 띌 확률이 현저히 적어질 수 있겠습니다. 마치 투명 망토같지 않나요?

 

수송운반에서도 획기적인 변화를 이끌어낼 수 있으리라 보입니다. 만약 제품이 목적지에서 4D프린팅 기술을 활용하여 자가변환 한다고 상상해보세요. 운반 시에 차지하는 공간이 줄어드는 만큼 비용과 인건비 역시 효율적으로 활용될 수 있겠지요.

 

와, 앞으로 3D/4D 기술이 상용화 되었을 시기가 벌써부터 기대됩니다. 개인의 취향을 반영한 것부터 의료기술의 혁신적인 발전을 이끌고, 인재를 막을 수 있는 방법까지 그 활용도가 정말 넓죠? 앞서 이야기하지 못한 분야에도 여러분의 상상하시는 그 어떤 것이든 곧 실제로 만날 날이 금방 올 것 같습니다. 다음에도 더 유익한 이야기로 돌아오겠습니다. 이상 현대엠엔소프트였습니다.

Posted by 현대엠엔소프트

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