[인더스트리뉴스 전시현 기자] 스마트 팩토리는 기술을 통해 더 효율적이고 더 유연한 제조 작업을 가능한다. 그중 하나가 3D 프린터다.

3D 프린터는 3차원의 입체적인 공간에 인쇄하는 장치다. 3D 프린터는 더 저렴하고, 빠르고, 더 정확해지고 있으며 다양한 재료를 사용할 수 있게 되어 프로토 타입뿐만 아니라 최종 제품을 만드는데도 점점 더 많이 사용되고 있다. 이젠 기술의 발달로 3D 프린팅을 넘어 4D 프린팅 기술이 각광을 받고 있다.

MIT 연구소에서 발표한 자가 변환 가능한 4D 프린팅 [사진=MIT Self-Assembly Lab]

4D 프린팅은 온도와 시간 등과 같은 외부 특정 자극 요소에 의해 특성과 습성이 자가변환할 수 있는 생산기술을 의미한다. 4D 프린팅은 현재 자가 변환이 가능한 형상기억 소재 등의 소재 개발과, 제조과정에서 시간과 비용을 획기적으로 줄일 수 있는 혁신적인 프린팅 기술에 초점을 맞춰져 개발 진행 중이다.

기존 3D 프린팅 소재는 플라스틱, 금속, 세라믹 등 종류도 매우 다양해지고 있지만 4D 프린팅 기술에서 사용하기에는 소재 측면에서 여러 가지 제약이 따른 경우가 많다. 특정 소재는 기존의 3D 프린터로 프린팅 할 수 없는 경우도 발생하고 있지만, 특정 기능성을 가진 소재가 개발되고 이를 프린팅 할 수 있는 3D 프린터 및 공정 기술이 점차 개발되고 있다.

4D 프린팅 기술에서의 소재 선택은 매우 중요한 부분이다. 온도에 반응해 길이나 형상이 변화하는 소재를 사용한다. 온도에 의해서 팽창하거나 수축하는 소재나 더 나아가서 그 형상을 기억해 변형하는 형상기억합금이나 형상기억고분자가 사용되고 있다.

형상기억합금은 변형이 일어나도 처음 모양을 만들었을 때의 형태를 기억하고 있다가 일정 온도가 되면 원래의 형태로 돌아가려는 성질을 가지기 때문에 온도 반응 4D 프린팅 기술에 적절히 사용되고 있다. 이러한 특징을 가진 고분자로 형상기억고분자도 잘 사용한다.

글로벌 조사기관 마켓 앤 마켓(Markets and Markets) 보고에 따르면, 4D 프린팅 시장은 2025년까지 5억 3800만 달러에 이를 것으로 조사됐다. 전문 조사기관 가트너의 2016년 3D 프린팅 하이프 사이클(Hype Cycle for 3D Printing, 2016)에 따르면, 4D 프린팅은 기술 태동단계(Innovation Trigger)로 아직 기술 개발 초기단계에 머물러 있다.

현재 피츠버그 스완슨 공대, 하버드 공대, 일리노이 공대는 정부의 지원 아래 시간이 지남에 따라 자가 변환이 가능한 4D 프린팅 기술이 연구 중이다. 콜로라도 볼더 대학의 경우, 싱가포르 SUTD(Singapore University of Technology and Design)와 함께 4D 프린팅 기술을 개발하고 있다. MIT 공대 자가변환 연구소는 프린터 시장 글로벌 선두기업 스트라타시스와 파트너십을 통해 4D 프린팅 기술을 개발 진행중이다.

4D 프린팅 응용 분야
헬스케어 분야
4D 프린팅의 기술의 헬스케어 분야 접목을 통해 프로그램이 가능한 생체물질을 개발 가능할 것으로 전망함. 이를 통해 스마트 약리학, 개인 맞춤형 의약품, 프로그램형 세포 개발이 가능해져 질병 치료에 유용하게 활용될 것으로 예상된다.

미국 오가노보 홀딩스(Organovo Holdings)는 바이오프린팅 프로젝트에 참여해 인간의 근육조직 개발에 주안점을 두고 있다. 위 회사는 4D 프린팅 기술을 활용해 인공 간 개발한다. 아울러 타 장기 이식 및 약학 조사 분야에 위 기술을 응용할 수 있을 것으로 예상된다.

사회기반시설 분야
4D 프린팅 기술을 활용해 상하수도관 개발에 접목시킬 수 있다. 특정 목적을 위해 상하수도관의 자가변환 기술을 통해 관을 확장하거나 축소 가능하다. 이를 통해 별도의 시간과 비용을 수반하지 않고 도시 계획의 목적에 따라 상하수도관 형태 변경이 가능하다.

MIT 공대 자가변환 연구소는 미국 섀클턴 에너지 컴퍼니(Shackleton Energy Company)의 디자인 고문으로 참여해 회사가 우주 사회시설기발 건설에 4D 프린팅 기술을 활용할 수 있도록 지원하고 있다. 섀클턴 에너지 컴퍼니는 국제우주정거장 개발에 주유 및 에너지 추출 파이프라인에 4D 프린팅 기술을 활용할 것으로 예상된다. 이를 통해 우주와 지구 간 운송 횟수를 획기적으로 줄여, 비용절감이 가능할 것으로 업계 전문가들은 전망하고 있다.

자동차, 항공, 방위산업 분야
4D 프린팅 기술을 자동차 코팅부문에 활용하게 되면 다양한 주변환경의 변화에 맞게 변형 가능한 형태로 전환 가능하다. 환경의 변화에 맞게 차량 코팅부문이 변환 가능해 차량 외관 부식을 방지할 수 있다. 또한, 차량 부품 개발에도 4D 프린팅 기술을 활용한 재질을 활용해 유연성과 강도를 자유롭게 조절 가능한 제품을 생산할 수 있어, 제품 생산의 효율성을 향상시킬 것으로 예상된다. 항공 분야는 4D 프린팅 기술을 활용할 수 있는 분야가 다양할 것으로 예상됨. 항공기의 외부 손상이 감지될 경우, 자가 수선이 가능할 것으로 전망된다.

군사방위 분야에서는 4D 프린팅 기술을 군복 재질에 접목시키고 있음. 외부로부터 비춰오는 빛을 군복에서 굴절시켜 적으로부터 은폐를 할 수 있는 군복을 개발 중이다. 또한, 탱크와 군용 트럭 외관 제조 시 4D 프린팅 기술을 활용해 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있다.

제조 및 패키징, 내구소비재 분야
제품 운반 후 목적지에서 4D 프린팅 기술을 활용해 자가변환이 가능한 제품을 개발해 제품 운송비용과 인건비를 획기적으로 줄일 수 있다. 이런 기술을 활용한 가전용 내구 소비재 제품 개발로 가정에서 공간의 제약으로 인한 불편함을 최소화할 수 있다.

정부와 민간기업, 지속적 투자와 필요
4D 프린팅 기술의 활성화를 위해 정부와 민간기업의 전폭적인 지원이 필요하다. 연구소를 통해 구체화 및 개발된 4D 프린팅 기술은 헬스케어와 자동차산업 등 다양한 분야에 활용될 것으로 전망된다. 스트라타시스와 오토데스크와 같은 프린팅 선두 민간기업들과 대학 연구소 공동 프로젝트 추진을 통해 4D 프린팅 기술 상용화를 꾀하고 있다.

대한무역투자진흥공사 관계자에 따르면 4D 프린팅이 시장에서 상용화되기 위해서는 상대적으로 높은 개발비용 및 기술 표준화 문제에 대한 해결이 요구된다. 현재 4D 프린팅 시장 제조기업은 한정돼 있기 때문에 기업들의 맞춤형 수요에 대해 능동적으로 대처하기 위해서는 초기 개발과정에 대한 투자와 지원이 필요하다.

[전시현 기자 (editor@infothe.com)]

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