글박소현
참고글로벌 트렌드 2023(트렌드지 특별취재팀 저, 일상이상), 한국IR협의회 혁신성장품목분석보고서 등
적층 방식으로 3차원 물체를 만드는 기술인 3D 프린팅은 복잡하고 정밀한 형상을 제작할 수 있어 이미 다양한 분야에 활용돼 왔다. 하지만 3D 프린팅에는 원하는 결과물의 크기보다 더 큰 프린터를 활용해야 한다는 기술적·공간적 한계가 존재했다. 이러한 한계를 극복하게 해주는 것이 바로 4D 프린팅이다.
4D 프린팅은 3D 프린팅에 4차원적 요소인 ‘시간’을 추가한 개념으로, 시간이 흐름에 따라 ‘변화’하는 것이 핵심이다. 즉 4D 프린팅으로 제작된 물체는 특정 외부 자극이 가해지면 물리적 모양 또는 기능이 변하도록 프로그래밍된다. 인간의 개입 없이 열, 진동, 중력, 공기 등 환경이나 에너지원의 자극, 그리고 시간의 흐름에 따라 형태가 달라지는 것이다.
4D 프린팅의 결과물은 외부 자극 또는 시간의 흐름에 따라 변화하므로, 처음 제작 시 크기와 형태에 의한 제약이 적다. 앞으로 의료, 예술, 자동차, 건축, 우주·항공 등 보다 광범위한 산업 분야에 4D 프린팅이 적용될 것이라는 전망도 이러한 특징 덕분이다.
4D 프린팅의 가능성을 확인한 선두주자는 독일의 BMW사와 NASA미 항공 우주국이다. BMW사가 공개한 ‘비전넥스트100(Vision Next 100)’은 4D 프린팅 기술을 적용한 콘셉트 카로, 운전 상황 및 환경에 따라 디자인이 변화된다. 예를 들어 4D 프린팅 신소재가 적용된 바퀴 휠은 급회전 구간, 비포장도로 등을 주행할 때 그 형상이 달라진다. 좌석 역시 운전 상황에 맞게 자유자재로 팽창, 수축하여 안전성을 높이거나 사용자 편의를 제공한다.
NASA 제트 추진 연구소(JPL)에서 개발한 우주복용 체인 메일(space chain mail)의 경우 우주에서 사용가능한 직물이다. 스테인리스 스틸 및 탄소섬유와 같은 물질로 이뤄진 이 소재는 4D 프린팅기술로 만들어진다. 반사하는 성질, 접히는 성질, 인장강도 등의 기능을 포함해 열 흡수 및 반사, 우주쓰레기 방호에 효과가 있어 향후 우주복이나 우주선 방어막 제작 등에 활용될 수 있을 것으로 보인다.
4D 프린팅과 3D 프린팅의 경우 제작 방식은 다르지 않지만, 소재에서 서로 차이가 있다. 3D 프린팅은 일반적으로 액체 또는 고체의 분말 소재를, 4D 프린팅은 스마트 소재(Smart material)를 사용한다. 스마트 소재란 특정 외부 환경의 자극에 반응하여 형상 또는 물성을 변화시킬 수 있는 소재다. 널리 사용되는 소재로는 온도 변화에 의해 모양이 변형되는 형상기억합금(shape memory alloy), 액체 및 가스에 화학적 자극이나 압력을 가하면 변형되는 전기활성폴리머 등이 있다.
대부분의 스마트 소재는 한 가지 자극에 대해 한 종류의 기능적 변화를 보여준다. 온도가 높아지면 구부러지는 등 기초적인 기능 수준 내에서 동작하는 것이다. 4D 프린팅을 하는 가장 간단하고 쉬운 방법은 이러한 단일 스마트 소재를 사용하는 것이지만, 여기서 추가적인 기능 또는 소재를 조합하면 복잡한 전기·기계적 시스템 부품으로까지 활용될 수 있다. 프린팅 가능한 물질에 스마트 기능성 소재를 섞어 복합재를 만드는 것이다. 예를 들어 온도 변화에 반응하는 소재와 특정 파장의 빛에 열을 발생시키는 입자를 이용해 복합재를 제작하면 빛에 반응하는 새로운 스마트 소재를 개발할 수 있다. 이러한 방법으로 다양한 스마트 소재를 구조적으로 집적하여 프린팅한 물체의 형상과 물성 변화를 프로그래밍할 수 있게 되면, 복잡한 작동이 요구되는 로봇 공학 및 생물의학 등 보다 광범위한 분야에서 4D 프린팅을 응용할 수 있다.
국내에서도 4D 프린팅을 위한 신소재 연구개발이 이어지고 있다. 한국화학연구원 고기능고분자연구센터에서는 2021년 4D 프린팅용 고분자 신소재를 개발하며 학계의 주목을 받았다. 이들은 3D 프린팅용 필라멘트 소재로 활용되고 있는 상용 고분자에 형상기억 비트리머 신소재를 합성했다. 가교구조 제어를 통해 형상기억 비트리머 소재의 형상기억 및 회복 특성을 조절하는 것은 물론이고, 열에 의한 자가 치유 및 재성형 등의 기능까지 가진 신소재를 개발한 것이다. 테스트 결과, 필름 형태의 신소재에 흠집을 낸 후 고온 열처리한 지 30분이 지나자 흠집이 자가 치유되는 것으로 확인됐다.
앞으로 4D 프린팅이 가장 활발하게 활용될 것으로 예측되는 산업 중 하나는 바로 의료분야다. 이미 3D 프린팅은 십수 년 전부터 흔히 바이오 프린팅이라 불리며 생체 조직, 인공장기, 인공 뼈, 의료용 보조기 등을 제작하는 데 사용돼 왔다. 4D 프린팅은 이에 이어 기존 3D프린팅이 갖는 출력 크기의 제한과 소재의 한계 등을 극복·보완하고 있다.
시간의 흐름 또는 외부 자극에 따라 크기가 변화하는 소재를 활용하면 보철물이나 교정기, 부목 등 맞춤형 의료기기를 제작하는 데 용이하다. 한 예로 미국 미시간대 의대는 2015년 4D 프린팅으로 만든 부목을 생후 5개월 아기의 목에 이식했다. 형태를 바꿀 수 있는 플라스틱인 폴리카프로락톤(PCL)이 소재로 활용됐는데, 이를 4D 프린팅기술로 인쇄하여 아이가 자람에 따라 커지는 부목을 만든 것이다. 아기의 목이 어느 정도 안정된 3년이 지나면 저절로 물에 녹아 없어지게 만들었기 때문에 다시 부목 제거 수술을 받을 필요도 없다. 4D 프린팅 기술을 통해 여러 번의 수술을 감내할 필요가 사라진 것이다.
국내 의료계에서도 주목할 만한 연구 성과가 나오고 있다. 한국과학기술연구원(KIST) 계산과학연구센터는 4D 프린팅 맞춤형 깁스를 개발했다. 형상기억소재를 이용하여 만든 팔보다 굵은 원통 형태의 깁스를 착용한 뒤 헤어드라이어로 열을 가하면 팔과 관절의 형태에 맞게 깁스가 줄어드는 방식이다. 또한 깁스의 소재에 첨가된 특수 물질은 처음 형태를 기억하고 있다가 추후 열에 반응해 다시 원래 상태로 돌아갈 수도 있다.
한편 서울아산병원 건강의학과에서는 최근 기존 신장암 수술 가이드 3D 프린팅 출력물에 4D 프린팅 기술을 접목, 작아진 출력물이 지름 1cm인 복강경 포트를 지나 몸속에 들어가면 원래의 모양으로 원상 복구되도록 만들었다. 또한 일정 시간이 흐르면 다시 작아지는 성질을 이용하여 신장암 부분절제술 맞춤형 수술 가이드를 완성했다. 이러한 4D 프린팅 기술이 접목된 신장암 수술 가이드는 로봇수술 시병변만 정확히 제거할 수 있게 환자 맞춤형으로 제작돼 간편하고 안전하다. 이처럼 4D 프린팅은 환자의 편의와 의료진의 고난도 수술을 돕는 혁신적 기술로서 의술 발전에 기여하고 있다.
앞으로 4D 프린팅 시장은 얼마나, 또 어떻게 성장하게 될까? 글로벌시장조사기관 IMARC Group이 최근 발표한 보고서에 따르면 4D 프린팅 세계 시장 규모는 2023년 1억 5,100만 달러에 달했으며, 2032년까지 약 18억 5,110만 달러에 이를 것으로 전망된다. 빠른 속도로 발전하고 있는 4D 프린팅은 전통적인 제조 기술을 보완하며 산업의 패러다임을 바꿔놓을 것이라 예측된다. 실제로 4D 프린팅은 분명 자동차, 로봇, 의료, 건설, 제조 등 다양한 산업 분야에서 활용할 수 있는 범용적 기술이며, 전 세계적으로 태동기에 있는 블루오션이다. 각국의 유명 대학과 연구소, 기업이 스마트 소재 및 4D 프린팅 기술 접목 제품 개발에 몰두하는 것도 이러한 시장 가능성 때문이다. 일부기업에서는 이미 초기 단계의 자가변형물체를 제작해 제품화를 시도하고 있다.
한편, 현재 재료 연구에 집중된 4D 프린팅 분야는 앞으로 소프트웨어 연구를 통해 한 걸음 더 발전하게 될 것으로 전망된다. 소프트웨어 정책연구소의 보고서에 따르면 4D 프린팅 설계는 시뮬레이션 관련 프로그램 개발과 밀접한 관계가 있다. 컴퓨터 내에서 제품을 설계하고 보완하는 작업이 이뤄져야 하므로, 내장되는 소프트웨어의 수준 또한 매우 중요한 것이다.
국내 4D 프린팅 산업은 여전히 기술개발 단계에 머물러 아직 산업 활성화는 이뤄지지 않은 실정이다. 정부는 2018년 4D 프린팅 개발사업에 19억 원을 지원했으며, KIST와 GIST 등의 연구기관에서 4D프린팅 기술과 소재에 대한 연구를 지속하고 있다. 특히 국내 시장은 4D 프린팅의 핵심이라 할 수 있는 소재와 디자인에 대해 충분한 산업 경쟁력을 갖추고 있어, 장기적 관점에서 개발 지원 및 투자가 확대된다면 이를 미래 주력 사업으로 성장시킬 수 있으리라 기대된다.
