국내외 4D프린팅 산업분석보고서

1970년대 처음 등장한 ‘3D 프린팅’은 원하는 물건을 무엇이든 프린터로 찍어낼 수 있다는 장점을 내세우며 일간의 삶을 변화시킬 기술로 각광받으면서 집중적으로 개발되었다. 그 결과, 현재는 일반인이 장난감, 핸드폰 케이스 등 간단한 제품을 만들 수 있도록 보급형 3D 프린터가 만들어지고 있으며, 인공 뼈를 만드는 등 헬스케어 분야에서도 큰 관심을 받고 있다. 하지만, 3D 프린팅에는 출력물 크기의 한계와 부품을 만드는 경우 조립을 해야 한다는 단점이 지적되고 있다. 이러한 3D 프린팅의 단점을 극복하기 위해 제시된 것이 바로 ‘4D 프린팅’으로 현재 미래를 이끌 유망기술로 부상해 세계적으로 기술 개발 경쟁이 불붙는 분야가 되었다.

2013년에 미국 MIT 자가조립 연구의 스카일라 티비츠(Skylar Tibbits)교수의 ‘4D 프린팅의 출현(The emergence of ’4D printing’)‘이라는 제목의 Ted강연을 통해 처음으로 세상에 나타난 4D 프린팅은 3D 프린팅에 자가변환과 자가조립 등의 개념이 더해진 것으로 기존 3D 프린팅의 한계로 지적받고 있는 크기의 제한과 부품 조립의 문제를 해결할 수 있다.

4D 프린팅은 1차 출력물을 만드는데, 이것은 완성이 아닌 다른 형상으로 변하기 위한 밑그림으로 출력된 물체는 가열, 진공, 중력, 공기역학 등 다양한 에너지에 의해 자극을 받아 변환가 자가조립을 수행한다. 이와같은 4D프린팅 제품을 만들려면 온도나 습도 등에 따라 모습이 변하는 ‘스마트 소재’를 사용해 3D프린터로 최종 제품의 설계도 역할을 할 제품을 출력해야 한다. 스마트 소재는 나무나 종이 등 기본적인 소재는 물론이고 형상기억합금이나 형상기업폴리머섬유 등 첨단소재까지 다양하게 활용할 수 있다. 1차 출력물이 처음에 설계했던 조건과 만나면 모습이 변하면서 최종 원하는 제품이 만들어진다. 모습이 변하는 과정에서 스스로 조립도 할 수 있다.

MIT가 공개한 4D프린팅 사례를 보면 물과 만나 팽창하는 나무를 이용해 코끼리 밑그림을 출력했는데, 이를 물에 담그면 코끼리 모형으로 변했다. 즉, 나무소재로 만든 결과물이 자가변환을 통해 최종 완성된 사례로 볼 수 있다. 또 다른 사례로는 종이로 만든 밑그림이 자가조립 과정을 거쳐 상자나 축구공 등으로 만들어지는 경우도 있다. 이러한 기능을 가진 4D프린팅은 3D프린팅을 적용하는 의료, 건설, 로봇 등의 분야는 물론이고 자체변환과 자체조립을 이용하면 3D프린팅으로 할 수 없던 한 단계 진화한 일들도 가능하게 할 것으로 보인다.