0. 목차
- '4D 프린팅'이란?
- '4D 프린팅' 소재
- '4D 프린팅' 기술 개발 관련 선행 연구
- '4D 프린팅' 시뮬레이터 연구
- '4D 프린팅' 응용 기술 발전 방향
- '4D 프린팅' 응용 갤러리
1. '4D 프린팅'이란?
'4D 프린팅(4D Printing)'은 2013년에 미국 '메사추세츠 공과대학(MIT:Massachusetts Institute of Technology)'의 '자가조립 연구소(Self-Assembly Lab)'의 '스카일러 티비츠(Skylar Tibbits)' 교수의 TED 강연 'The emergence of 4D printing'을 통해 알려졌다. '4D 프린팅'은 '3D 프린팅'에서 '시간(Time)' 차원이 하나 더 결합된 개념으로, 기존 3D로 프린트된 물체가 시간이 지나면서 결과물이 '시간', '열', '공기', '진동' 등의 '외부 환경'에 반응해 스스로 형태가 변형된다. 즉, 사람이 물체에 힘을 가하지 않아도 '외부 환경'을 활용해 형태를 변형시켜 원하는 형상으로 제작하는 기술이다.
기존의 '3D 프린팅'과 제작 방식이 같지만 '형상 기억 합금(Shape-Memory Alloy)'이나 '하이드로겔(Hydrogel)', '형상 기억 고분자(SMP: Shape Memory Polymer)' 같은 '스마트 재료(Smart Material)'를 사용한다. '스마트 재료'로 출력한 물체는 '시간', '열', '공기', '진동' 같은 외부 환경에 따라 다른 모양이나 크기로 변형될 수 있다. '변형 조건'과 '모양'은 엔지니어가 '스마트 재료'에 '프로그래밍(Programming)'할 수 있다.
'3D 프린팅'은 적층 방식으로 3차원 물체를 만드는 기술이다. 복잡하고 정밀한 형상 제작이 가능한 장점을 가지고 있어, 다양한 분야에서 사용 가능하다. 그러나 제품의 형태를 프린팅 하기 위해선, 제품의 크기보다 더 큰 프린터를 활용해야 한다는 기술적인 한계가 존재한다. 또 더 큰 프린터를 설치하기 위한 별도의 공간 확보까지 해결되지 않은 문제들이 많다. 또한 3D 프린팅은 정적인 물체를 생산하므로, 스스로 움직여 임무를 수행하는 '스마트 사물' 제작에 한계가 존재한다. 이와 같은 한계를 극복하고자 개발된 기술이 '4D 프린팅'이다. 두 기술의 대표적인 차이점은 '소재(Material)'이다. 3D 프린팅은 액체 또는 고체의 분말 소재를 주로 사용하고, '4D 프린팅'은 용도에 따라 다르지만, 자기 변형 소재 중 하나인 '형상 기억 합금'을 사용한다. '4D 프린팅'은 '외부 환경'에 따라 변형되는 특수 소재를 사용하므로 '의료', '예술', '자동차', '건축', '자동차', '공학', '의류', '보석', '약품', '디자인', '항공 우주', '제조업', '교육' 등 다양한 분야에 응용이 가능하다.
4D 프린터는 사용된 소재가 중요하므로, 각각의 목적과 용도에 맞게 개발되어야 한다. 또한 4D 프린팅에 사용할 재료는 개발뿐만 아니라, '재료 양산 과정'도 중요하기 때문에 많은 기업이나 연구기관은 스마트 소재 개발에 주력하고 있다. 특히 미국 대학에서 주로 연구를 하고 있다. '소프트웨어 정책 연구소(SPRI: Software Policy & Research Institute)'의 보고서에 의하면, '4D 프린팅 설계'는 '시뮬레이션 관련 프로그램 개발'과 밀접한 관계가 있다. 4D 프린터가 3D 프린터와 동일하게 컴퓨터 내에서 제품을 설계하고 보완하는 작업이 진행되기 때문에 내장되는 소프트웨어 개발 또한 중요하다.
2. '4D 프린팅' 소재
2-1. 스마트 소재
'스마트 소재(Smart Material)'는 습도, 온도, 전자기장, 압력 등 다양한 에너지원에 의해 물성이나 형상이 변화되는 소재를 의미한다. '훅의 법칙'과 '아이작 뉴턴(Issac Newton)'의 '점성 법칙(Law of Viscosity)'만으로 이해 불가능하며, 물질에 작용하는 응력과 물질의 변형 및 흐름 사이의 관계를 묘사 가능한 유변학으로 표현된다 한 가지 예로 치약은 튜브에 힘을 가하기 전 고체와 같이 거동하여 흘러나오지 않아야 하지만, 칫솔질을 하는 동안에는 유체와 유사한 거동을 해야 한다. 이러한 소재의 유변학적 특성 분석을 통해, 4D 프린팅 기반 기술 확보가 가능하다.
외부 자극에 따른 특성을 갖춘 소재에는 '전도성 고분자 (Conductive Polymer)', '이온성 고분자', '액성 탄성 중합체', '유전 탄성체 (Dielectric Elastomeric Actuator)', '전기 유변 유체 (Electrorheological Fluid)', '전기 전도성 복합체 (Conductive Composite)', '자성 유체 (Ferrofluid)', '자기 유변 유체 (Magnetorheological Fluid)', '자성 복합체 (Magnetic Composite)', '형상 기억 고분자 (Shape Memory Polymer)', '형상 기억 합금 (Shape Memory Alloy)', '액정 탄성 중합체 (Liquid Crystal Elastomer)', '하이드로젤 (Hydrogel)', '액체 금속 (Liquid Metal)', '아조벤젠 기반 고분자 (Azobenzene Containing Polymer)', '탄성 중합체 (Elastomer)' 등이 있다.
| 분류 | 외부 자극에 따른 소재 |
| 전기 자극 | 전도성 고분자 (Conductive Polymer) |
| 이온성 고분자 (Ionic Polymer) | |
| 액성 탄성 중합체 (Liquid Crystal Elastomer) | |
| 유전 탄성체 (Dielectric Elastomeric Actuator) | |
| 전기 유변 유체 (Electrorheological Fluid) | |
| 전기 전도성 복합체(Conductive Composite) | |
| 자기자극 | 자성 유체 (Ferrofluid) |
| 자기 유변 유체 (Magnetorheological Fluid) | |
| 자성 복합체 (Magnetic Composite) | |
| 온도 | 형상 기억 고분자 (Shape Memory Polymer) |
| 형상 기억 합금 (Shape Memory Alloy) | |
| 액정 탄성 중합체 (Liquid Crystal Elastomer) | |
| 하이드로젤 (Hydrogel) | |
| 액체 금속 (Liquid Metal) | |
| 빛 | 아조벤젠 기반 고분자 (Azobenzene Containing Polymer) |
| 내부 유체의 압력 | 탄성 중합체 (Elastomer) |
2-2. '스마트 고분자' 및 '복합 재료'
제시된 스마트 소재는 3D 프린팅으로 제작 가능해야만 4D 프린팅 소재로 사용할 수 있다. 4D 프린팅의 간단한 방법 중 하나는 '스마트 소재'를 활용하여 3D 프린팅 하는 방법이다. 또한 스마트 기능성 소재를 프린팅 가능한 물질에 섞어 만든 복합체는 4D 프린팅에 사용할 수 있다. 물체의 특성을 고려하여 '형상 기억 고분자(Shape Memory Polymer)'나 '탄성 중합체(Elastomer)' 등을 이용해 복합재를 생성할 경우, 용도에 맞는 '스마트 소재'를 제작할 수 있다. 이처럼 '소재 자극 반응'과 '인터페이스 제어'가 가능하여 스마트 소재 범위를 넓힐 수 있다.
대표적인 '스마트 고분자(Smart Polymer)' 및 '복합 재료(Composite Materials)'로는 '수분 반응 하이드로겔(Moisture Responsive Hydrogel)', 'pH 반응 하이드로겔(pH Responsive Hydrogel)', '전자기기 기능성 물질(Electronic Device Functional Materials)', '온도 반응성 중합체·복합체(Temperature Responsive Polymer·Composite)', '폴리머 기반 태양광 소재(Polymer-based Solar Material)', '광응답성 소재(Light Response Material)' 등이 있다.
| 재료 | 내용 |
| 수분 반응 하이드로겔 | 물리적·화학적으로 결합되어 하이드로겔로 알려진 고분자 겔을 형성 |
| 보이드 결함으로 인해 네트워크 구조에서 많은 양의 물을 흡수 | |
| 환경 습도의 변화에 따라 역동적인 형태 변화를 보일 수 있음 | |
| pH 반응 하이드로겔 | pH 값의 변화로 형태·부피·용해도에서 과도기적인 변화를 겪는 또 다른 유의미한 스마트 재료 그룹 |
| 전자기기 기능성 물질 | '안정성', '탄력성', '경량성', '우수한 생체적합성', '합성 용이성', '공간적으로 제어 가능한 자기 특성'과 함께 유연한 처리와 같은 뛰어난 특성 |
| 온도 반응성 중합체·복합체 |
고무 탄성에 따라 형태 기억 거동을 보일 수 있지만, 다양한 변형률 회수율을 보임 |
| 원격 제어 시스템, 약물 전달 차량, 온오프 스위치 등 여러 분야에 응용 | |
| 폴리머 기반 태양광 소재 |
가장 접근하기 쉽고 빠르고 성장하고 가장 깨끗한 태양광 에너지를 사용 |
| 내구성 및 신뢰성 때문에 '단결정(초고효율)', '다결정(고효율)', '무정형(저효율)' 소재의 '실리콘(Si)' 사용 | |
| 광응답성 소재 |
작동을 일시 중지 및 재개하는 선택적 기능 |
| 시간적·공간적 '원격 및 정밀한 제어 기능' 및 '정밀 튜닝' 가능 | |
| 고분자 자가 치유 물질 | 기계적인 손상을 자율적으로 수리하고 재료 기능을 회복 |
3. '4D 프린팅' 기술 개발 관련 선행 연구
4D 프린팅 기술 고재 개발을 위해 다양한 선행 연구가 진행되고 있다. 예컨대 서울대학교와 울산과학기술원은 공동연 구를 통해, 펜으로 그리는 4D 프린팅 자동 설계에 관한 연구를 진행하였다. 또 '하버드 대학교(Harvard University)', 독일의 의료장비 제조업체 'K 라인 유럽 GmbH(K LineEurope GmbH)'에서는 각각 수분과 열에 반응하는 소재를 활용하여, 4D 프린팅 기술에 관한 연구를 진행했다.
| 재료 | 내용 | 연구기관 (연도) |
| 펜으로 그리는 4D 프린팅 기술 개발 | 일반적으로 사용하는 잉크 펜과 물만으로 빠르고 간편하게 3차원 구조물을 제작할 수 있는 새로운 방식의 4D 프린팅 기술을 개발함 | 서울대학교·울산과학기술원 (2021) |
| 수분 반응 치열교정 장치 |
외부의 자극·접촉에 의해 형상이 변형되는 폴리머를 사용하여 3D 프린터로 제작된 치열 교정 장치에 적용함. | K Line Europe GmbH (2016) |
| 와이어 또는 치아 표면에 적용되는 교정용 보정 장치와 물에 노출될 때 예측 가능한 형태로 변화시키는 동적 합성 물질을 포함하고 있음. | ||
| 친수성 아크릴계 모노머 또는 올리고머로 이루어지는 열가소성 재료를 사용함. | ||
| 열에 반응하는 Bio-mimetic 4D 프린팅 |
3D 프린터로 '하이드로겔(Hydrogel)' 소재를 프린팅하여 3차원 구조를 만들었음. 특히 '하이드로겔' 내에 셀룰로스 파이버 조각들을 섞어 놓고 국소적으로 배열 방향을 조정함. | 하버드 대학교 (2016) |
| '하이드로겔'을 이용한 능동 변형 구조는 많은 관심을 끌고 있으나, '반응 온도', '속도', '반복성' 등에서 제약이 큼 | ||
| 4D 프린팅 자동 설계에 관한 연구 | 목표 형상을 추종하는 4D 프린팅 자동 설계의 대상으로써, Dan Raviv의 '자가 변형 구조체(Self-evolving Structure)'로 표현이 목표임. | 광주과학 기술원 (2015) |
| 4D 프린팅 자동 설계에서도 사용자는 다양한 조건에서 형상을 생성하고, 프레셰 거리를 기반으로 이를 검증하고, 선택하는 반복의 과정이 요구됨. | ||
| 특정 조건 내에서 목표 형상에 가장 근접하도록 형상을 자동 설계할 수 있는 가능성을 제시함. |
3-1. 펜으로 그리는 4D 프린팅 기술 개발
- 연구기관: 서울대학교, 울산과학기술원(UNIST)
- 연도: 2021년
펜으로 그린 그림을 3차원 입체 구조물로 변환시키는 4D 프린팅 기술이 국내 연구진에 의해 개발되었다. '서울대학교'의 공과대학 전기·정보공학부 '권성훈(1975~)' 교수와 '울산과학기술원(UNIST: Ulsan National Institute of Science and Technology)' 신소재공학부의 '김지윤' 교수는 공동연구를 통해, 일반적으로 사용하는 잉크 펜과 물만으로 빠르고 간편하게 3차원 구조물을 제작할 수 있는 방식의 4D 프린팅 기술을 개발하였다. 이 연구 결과는 'Science Advances'에 게재되었다.
3D 프린터는 원하는 3차원 구조물을 직접 만들 수 있다는 장점 때문에 4차 산업혁명을 이끌 기술로 주목받고 있다. 하지만 현재 상용화된 대부분의 3D 프린터는 층층이 쌓아 나가는 적층 방식을 사용함으로써, 여전히 일반적인 2차원 프린터에 비해 느리고 비싸다는 한계가 있었다. 한편, 4D 프린팅은 초기 출력된 물체에 외부 자극을 가해 다른 모양으로 변형시킬 수 있는 기술로, 출력이 쉬운 단순한 형태의 구조를 더 복잡한 형태로 변형시킬 수 있다. 이를 적용하면 빠르고 간편하게 3차원 구조물을 제작할 수 있어, 4D 프린팅 기술은 3D 프린팅을 넘어 차세대 입체 제작 기술로 주목받고 있다. 그러나 현재까지 개발된 4D 프린팅 기술은 '형상 기억 합금(Shape-Memory Alloy)'과 같은 특수한 지능성 소재를 활용해야 하며, 여전히 3D 프린터를 이용하기 때문에 접근성이 낮다.
이 연구에서는 제작된 3차원 구조물을 강화하여, 흔히 사용되는 '보드마카 잉크'에 '철가루'를 첨부하고, 이 철가루에 의해 중합 반응이 가능한 단량체 'PEG (Poly Ethylene Glycol)'와 '촉진제(Potassium Persulfate)'를 섞어 사용했다. 하지만 순수한 물과 보드마카 잉크만으로도 같은 3차원 구조를 만들 수 있다. 이 연구에서 개발된 '4D 프린팅' 방식은 입체 제작 기술의 획기적인 발전으로, 이미 널리 사용되고 있는 2차원 프린터를 이용해 3차원 구조물을 만들 수 있는 방법을 제시한 것이다.
이 연구 내용은 'STEM(Science, Technology, Engineering, Mathematics)' 교육 분야 활용에도 유용할 것으로 보인다. 특별한 장비 없이 '하이드로겔(Hydrogel)' 기반의 3차원 구조를 손쉽게 만들 수 있어, '3차원 세포배양을 위한 스캐폴드 제작', '생체와 같이 유연한 성질을 가지는 소프트 로봇의 제작' 등에도 활용될 수 있을 것으로 보인다. 전문 영역이 아니라도 누구나 3차원 '프로토타이핑(Prototyping)'을 할 수 있어 3차원 구조 제작에 대한 일반인들의 접근성을 높일 수 있을 것으로 생각된다.
4. '4D 프린팅 시뮬레이터' 연구
'4D 프린팅'의 핵심은 프린팅 된 2차원 혹은 3차원 구조물이 원하는 상황과 자극에 따라, 다른 적절한 구조 및 기능을 가지도록 바뀌는 것이다. 4D 프린팅에서의 변형은 단순히 트린팅된 구조에서 스마트 소재가 변형되는 것을 반영할 수도 있고, 소재 변형에서 나아가 구조들 사이의 더 복잡한 형상을 만들 수 있다. 따라서 4D 프린팅 사물을 설계하고 구현하는 데 있어서, 3D 프린팅된 구조뿐만 아니라, 자극 반응 시 변화될 형상을 예측하고 시뮬레이션할 수 있는 기술이 필수적이다. 국내외에서는 '4D 프린팅 시뮬레이터(4D Printing Simulator)'에 대해 개발·연구들이 진행되고 있다
4-1. '스마트 관절'을 자동으로 배치 가능한 설계 방법 연구
- 연구기관: 광주과학기술원(GIST)
- 연도: 2021년
'광주과학기술원(GIST: Gwangju Institute of Science and Technology)'은 '스마트 관절'을 자동으로 배치 가능한 설계 방법을 제안하여, 목표 형상과 비교하여 유사성을 검증하였다.
4-2. 연성 로봇의 디자인 및 시뮬레이션 연구
- 연구기관: 코넬대학(Cornell University)
- 연도: 2021년
'코넬 대학(Cornell University)' 연구팀에서는 'VoxCAD'를 개발하였다. 'VoxCAD'는 '연성 로봇의 디자인 및 시뮬레이션'에 활용되고 있다. '소스코드(Source Code)'가 공개되어 있은 '오픈소스 소프트웨어(OSS: Open Source Software)'이므로 필요에 따라 변형시켜 사용할 수 있다.
4-3. 오토캐드가 개발한 4D 프린팅 시뮬레이터
- 연구기관: 오토캐드(AutoCAD)
'오토캐드(AutoCAD)'가 개발한 4D 프린팅 시뮬레이터 '프로젝트 사이보그 (Project Cyborg)'도 존재한다. 그외에 기타 상용 소프트웨어를 활용한 4D 프린팅 시뮬레이션도 가능하다.
5. '4D 프린팅' 응용 기술 발전 방향
5-1. 생명공학·의료공학 관련 4D 프린팅 기술
'4D 프린팅'은 다양한 분야에서 적용 가능하나, 특히 '생명공학(Biotechnology)'이나 '의료공학(Medical Engineering)' 관련 기술에 많이 사용된다. 인체의 뼈는 복잡한 구조로 이루어져 있어 형상 제작에 어려움이 많다. 의료공학 중 '혈관화', '골 유도' 최적화에 기존 3D 프린터의 단점을 보완하여, 3가지 공간 축에 시간 개념까지 확대한 '4D 프린팅(4D Printing)'의 기술 도입이 이뤄지고 있다.
- 복구 가능한 '세포지지체': 성균관대학교 바이오메카트로닉스학과 연구팀은 '바이오 프린팅 시스템(Bio Printing System)'을 통해 손상된 조직을 재생하고 복구 가능한 '세포지지체(Scaffold)'를 제작하기 위한 기술 개발을 진행했다. 뼈의 주성분인 '콜라겐(Collagen)'과 '수산화인회석(Hydroxyapatite)'을 소재로 사용하여 '골 유도(Bone Induction)'가 최적화된 공학적 세포담체 구조를 '4D 프린팅' 기술로 제작했다. 단순 형상 구조에 비해 이식 부위의 주변 조직에서 혈관을 쉽게 유도해, 손상된 뼈 조직을 보다 효과적으로 재생 가능하다.
5-2. 4D 프린팅의 새로운 특성으로 실현하는 '재료 조합'
- 재료 혼합을 통해 기능을 향상시킨 4D 프린팅 장치: 중국 '화중 과학 기술 대학(Huazhong University of Science and Technology)'의 Yusheng Shi 교수 연구팀은 새로운 재료 혼합을 통해 성능과 기능을 향상시킨 4D 프린팅 장치를 제안했다. '전갈 슬릿 센서'의 '초민감 슬릿 구조'를 모방하여 '그라데이션 슬릿 구조'를 설계하였고, 4D 프린팅으로 '탄소 블랙 나노입자(Carbon Black Nanoparticles) / 폴리락틴산(PLA: Polylactic acid)' 복합 재료로 '바이오닉 심층 구조 장치'를 구성했다. '자기 자극'과 '전기'에 반응하는 재료를 조합하여 '자기 다공성 구조(Self-Porous Structure)'와 '전도성 나선 구조'를 결합한 적층 제조 방법을 사용했다.
- 자가 치유 플렉서블 이온 전도체(Self-Healing Flexing Ionic Conductor): '4D 프린팅 공정 기술'과 '자기감응성 유기/고분자 소재'의 원천기술을 통해 차세대 '센서(Sensor)', '바이오(Bio)', '로보틱스(Robotics)', '에너지 소자(Energy Element)' 등에 응용하여 '자가 치유 플렉서블 이온 전도체(Self-Healing Flexing Ionic Conductor)'를 실현하고자 한다. '기능성 유기/고분자 소재' 설계를 통해 ion interaction을 기반으로 한 '자가 치유 능력'과 '유연성', '이온전도 측정' 등을 통해 '4D 프린팅' 기반 기술 확보를 위한 연구들이 진행되고 있다.
6. '4D 프린팅' 응용 갤러리
6-1. 전 넥스트 100(Vision Next 100)
- 국적: 독일
- 단체: BMW
글로벌 자동차 제조회사인 독일의 BMW 사는 2016년에 '4D 프린팅(4D Printing)' 기술을 적용한 콘셉트 카 '비전 넥스트 100(Vision Next 100)'을 발표했다. '비전 넥스트 100'은 운전 상황과 환경에 따라 '인공지능(AI)'을 기반으로 운전자를 보조하며 디자인이 변화된다. 4D 프린팅 기술이 적용된 차량 바퀴 휠은 위험 다발 구간인 '급회전 구간', '비포장 도로' 등을 주행할 때 바퀴 형상을 변형시키며, 운전 상황에 맞게 자유자재로 팽창·수축하여 안전성을 높인다.
6-2. Space Chain Mail
- 국적: 미국
- 단체: NASA(미국 항공우주국)
'미국 항공우주국(NASA: National Aeronautics and Space Administration)'에서는 4D 프린팅 기술로 'Space Chain Mail'이라는 패브릭 소재를 발표했다. 이 패브릭 소재는 '반사 성질', '접히는 성질', '인장강도' 등 주요 기능들을 포함하고 있어, 우주 비행사들의 '우주복'이나 '우주선 보호 방어막' 등에 효과적일 것으로 보인다.
