4D프린팅 기술

4D printing technology

 

 

KISTI는 매년 10대 미래 유망기술을 발표한다. 지난해 12월에 뽑은 기술 중에는 2년 전 급부상한 신기술인 ‘4D 프린팅’이 있다. 3D 프린팅도 이제야 혁명 전야를 맞았는데, 미국은 여기서 한발 더 나간 기술을 연구하기 시작한 것이다.

 4D 프린팅은 도대체 어떤 기술인지 알아 보도록 하자.

 

4D 프린팅은2013년 4월, 미국 MIT 자가조립연구소 스카일러 티비츠 교수가 ‘4D 프린팅의 출현(The emergence of 4D printing)’이라는 제목의 TED 강연을 하면서 세상에 처음 알렸다.

티비츠 교수는 4D4D 프린팅 기술이 필요한 이유 중 하나가 3D3D 프린터로는 프린터보다 큰 것을 출력할 수 없고, 프린터의 크기를 키우는 것은 한계가 있다는 단점이 있다.

그리고 이를 해결해줄 수 있는 기술이 4D4D 프린팅 기술이라고 설명했다.

 

 

 

4D 프린팅의의해 시간에 따라 형태가 달라지고 자가 변형이 가능한

스마트 소재를 3D3D 프린터로 출력하는 것이다.

1D는 선, 2D는 단면, 3D는 입체 그리고 4D는 3차원 입체(3D)에 시간이라는 1차원(1D)이 추가된 것이다.

 

 

 

앞서 4D4D 프린팅에4D라는 이름이 붙은 이유는 3차원 입체(3D)에 시간이라는 1차원(1D)이 추가되었기 때문이라고 했는데, 사실 4D4D 프린팅이라고 해서 대단하고 어려운 것이 아니고 3D3D 프린팅의 재료로 사용되었던 필라멘트(플라스틱, 플렉시블 필라멘트)를 형상기억 합금과 같은 스마트 재료로 바꾼 것을4D4D 프린팅이라고 한다.

 

여기서 형상기억 합금이란 ‘힘을 가해서 변형을 시켜도 본래의 형상을 기억하고 있어

조금만 가열해도 곧 본래의 형상으로 복원하는 합금’이다.

 

 

다음은 4D 프린팅 기술의 원리이다.

 

4D 프린팅 기술 중 하나인 자가 조립 기술입니다. 자연계의 생체분자는 다른 생체분자를 인식하는 능력이 있는데,

 이를 ‘분자 인식 원리＇라고 부른다.

 대표적으로 DNA 염기들은 반대쪽 DNA염기들을 염기들을 인식하고 둘이 결합해 이중 DNA 가닥을 형성한다.

이와 같은 원리를 이용한 것이 자가 조립 기술이다.

 

 

 

두 번째 기술은 자가 변형 기술이다.기술의 핵심은 형상기억 합금 같은 스마트 재료를 3D 프린터로 출력하는 것이다. 엔지니어가 출력 전 스마트 재료에 프로그래밍으로 설정을 하게 된다. 그 후 설정한 특정 환경[시간 또는 주변 환경(열이나 진동, 중력, 공기)] 이 충족되면 미리  엔지니어가 프로그래밍해놓은 모양으로 변신한다.

 

※ 어떤 조건에서 어떤 모양으로 바꾸게 할지는 엔지니어가 미리 프로그래밍한다. (스마트 재료에 내장한다).

[ 출처 : Youtube 'The emergence of "4D printing" | Skylar Tibbits' ]

 

이렇게 컴퓨터를 통해서 프로그래머가 형상기억 합금에 프로그래밍을 하게 되면 실제로 모양이 변하는 것을 볼 수 있다.

※ 영상에서는 조건 = 물, 모양 = 정육면체라고 프로그래밍을 한것이다.

 

 

그리고 이러한 기술이 현재 어느 정도까지 왔는지 살펴보자.

4D 프린팅이 개발되고 난 후 초기에는 평면의 물체들을 입체 모형으로 변환시키는 정도로 시작되었다.

평면의 모형이 정육면체, 정팔면체가 되기도 하고 또 평면의 모양에서 코끼리의 모양으로 변하는 등 

간단한 형식의 모양으로만 출력되었다..

 

 

 

기술이 점차 발달되면서 4D 프린팅이 다른 분야에 활용된 경우도 있다.

미국 ‘Nervous System’의 키네마틱스 프로젝트는 4D 프린팅을 이용해서 옷이나 장신구 등을 만들었다.

여기서 만들어진 옷들은 압축된 형태로 출력되지만 특정 환경이 옷이 다시 펴지는 모습을 볼 수 있었다.

#Nervous System - n-e-r-v-o-u-s.com/index.php

Nervous System

 

#4D 프린팅 시스템을 활용한 최초의 드레스 - youtu.be/wdRswasftfI

 

앞으로 이 기술을 어느 분야로 활용할 수 있을까?

 

건축, 의료, 자동차, 군사 분야가 있다.

 

 

 건축은 스스로 움직이는 파이프가 있어서 원할 때마다 물의 양을 조절할 수 있고 파이프에 무언가가 걸려 물이 내려가지 않을 때는 임시로 파이프의 두께를 넓혀 빠져나갈 수 있도록 할 수 있다.

 

 두 번째로 4D 인공 장기이다..

4D 프린팅 기술로 제작한 작은 인공뼈를 최소한의 절개를 통해 몸 안에 넣은 뒤 인체 원하는 부위에 원하는 크기로 접합하는 것도 가능하고, 어린아이의 수술을 할 때, 아이의 성장과정에 맞춰 크기가 커지는 인공 장치를 삽입할 수도 있다. 이러한 기술이 발달되면 수술 후 감염 및 합병증 등의 부작용을 최소화 가능하고, 수술시간을 크게 단축할 수 있다는 것이 장점이다.

 

 세 번째 자동차  분야이다.

자동차의 소재가 형상기억 합금이라면 사소한 실수로 인해 차가 움푹 파여 들어갔다면

열이나 진동을 주어 원래의 형상으로 복원이 쉽게 가능.

그리고 도로의 환경에 맞게 타이어의 모양을 변경할 수 있다.

 

 마지막으로 군사 분야이다..

전쟁에 나갔을 땐 임시로 휴식을 취할 수 있는 천막을 짓는다.

 

4D 프린팅.

 

 

 

앞으로 연구를 계속하여 색이나 소재를 조작 가능하다면 자동차와 군사 분야에 훨씬 유용하게 쓰일 것이다.

 

 먼저 자동차 분야에서는 주변 환경에 의해 자동차가 손상되지 않도록 코팅을 한다거나

 그 환경에 강한 소재로 변경하면 더욱 오래 자동차를 탈 수 있을 것이다.

 

 군사 분야이다..

군인들은 적으로부터 숨기 위해 위장복을 사용합니다. 하지만 언제나 같은 환경인 것은 아닐 것이다.

 

해서 4D 프린팅 기술로 주변 환경에 맞춰 위장복을 변형할 수있게 된다.

 

#관련 기술 영상

1. TED - The emergence of "4D printing" | Skylar Tibbits

         - youtu.be/0gMCZFHv9v8

 

2. BMW Vision Next 100 - 4D 프린팅 개념을 통한 최초의 자동차

                                 - youtu.be/hMsDNWURVLc