[과학을읽다]"상황에 따라 변신"…4D 프린팅의 비밀

BMW 4D 콘셉트카 'BMW Next Vision 100'의 모습. [사진=BMW 홍보영상 캡처]

[아시아경제 김종화 기자]입체적인 프린터가 가능한 '3D 프린팅'의 등장은 파격이었습니다. 영화 '미션임파서블'에서 3D 프린팅으로 가면을 만들어 내는 장면이 현실에서도 일어날 수 있는 일이라고 생각하면 놀라운 일입니다. 영화와 똑같지는 않겠지만 그 장면을 통해 3D 프린팅 기술을 더 잘 이해할 수 있게 된 것은 사실입니다.

이런 3D 프린팅 기술이 안착하기도 전에 '4D 프린팅' 기술이 등장해 주목받고 있습니다. 4D 프린팅은 3D로 프린팅한 물체에 스스로 변형하는 특성을 더한 기술입니다. 3D 프린팅에 변화할 수 있는 한 차원(Dimension)의 특성을 더한 '3D+1D'라는 개념으로 '4D 프린팅'이라고 합니다.

4D 프린팅은 자가변형 소재를 이용해 외부환경에 따라 모양이 변하는 물체를 출력합니다. 외부환경 요인에 따라 모양이 변하거나 스스로 조립되는 특수 소재나 스마트 소재를 3D 프린터로 출력하면, 지정된 조건에 맞게 변신하는 결과물이 생산됩니다. 온도나 수분, 바람, 빛, 물, 중력, 공기, 시간 등이 외부환경 요인이 될 수 있습니다.

4D 프린팅이라는 용어는 2013년 미국 메사추세츠공대(MIT) 자가조립연구소 스카일러 티비츠 교수가 '4D 프린팅의 출현(The

emergence of 4D printing)'이라는 제목의 강연을 하면서 전해졌습니다. 3D 프린터를 이용해 출력한 제품을 조립하기 위해 추가로 인간이나 기계의 도움이 없어도 출력물 스스로 움직여 최종 결과물로 완성된다는 개념입니다.

티비츠 교수는 인간이 작업하기 불가능한 곳 등에 4D 프린팅을 활용해 형상기억합금처럼 자가변형 구조물을 출력하면, 구조물이 스스로 형태를 구성해 문제점이 해결될 수 있을 것이라고 전망했습니다.

외부 환경에 따라 휠의 모양이 바뀌는 BMW 4D 콘셉트카 'BMW Vision Next 100'. 내부 인테리어도 4D 프린팅 기술을 접목했습니다. [사진=BMW 홍보영상 캡처]

4D 프린팅에 사용되는 소재는 스스로 변형 가능하다는 의미로 '자가변형물질(self-transformable materials)', 조건에 따라 특성이 변화한다고 해서 '프로그램 가능물질(programmable materials)'이라고 부르기도 합니다.

이런 특수하거나 스마트한 소재가 4D 프린팅 기술의 핵심이라고 할 수 있습니다. 외부환경에 따라 팽창하거나 수축하는 소재, 형상을 기억해 변형되는 형상기억 합금이나 고분자 등의 소재가 필요합니다. 그래서 다중·복합물질에 기반한 다변형 소재, 생체 분해성 소재, 인간의 몸에 이식 가능한 바이오 소재 등 활용 목적에 맞는 소재 개발이 4D 프린팅 시장의 명운을 결정하는 열쇠입니다.

4D 프린팅 기술은 장난감, 게임, 자동차, 로봇, 의료, 제조, 건설 등 다양한 산업 분야에서 활용할 수 있고, 세계적으로도 태동기에 있는 블루오션이어서 각국의 유명 대학이나 연구소, 기업 등이 스마트 소재 개발에 열을 올리고 있습니다. 일부 기업은 이미 초기 단계의 자가변형 물체를 제작해 제품화도 시도하고 있습니다.

최근 4D 프린팅 기술을 이용한 의류나 장신구, 자동차 등이 소개돼 소비자들을 유혹하기도 합니다. 4D 프린팅 기술로 제작된 대표적인 제품이 독일 자동차 회사 BMW의 4D 콘셉트카 'BMW 비전 넥스트 100'입니다. 4D 프린팅 기술이 적용된 외관은 운전대 조작과 환경에 따라 디자인이 변화합니다. 운전자의 습관과 스타일에 따라 학습해 운전자만을 위한 인공지능 가이드가 제공되는 것은 기본입니다. 특히 차량의 바퀴 휠은 바람이 불거나 운전대를 돌리면 상황에 맞춰 형상이 변화하기도 합니다.

이 차는 내부에도 4D 프린팅 기술이 적용됐습니다. 공기를 주입하면 설계해 놓았던 형태에 맞게 자유자재로 팽창하며 모습을 변화시킬 수 있는 소재가 내부 인테리어에 사용됐습니다. 젤 형태의 액체가 가득 든 통 안에 액체 상태의 고무나 플라스틱을 주입하며 형태를 완성해 나가는 '액체출력 공압법'을 내부 좌석에 도입했습니다.

통 안의 젤이 분사한 액체 형태의 플라스틱을 흘러내리지 않도록 잡아주며 경화시켜주는 방식인데, 차에서 잠시 잠을 청할 때 의자 내 공기압을 높여주는 것만으로 의자 형태가 편안한 침대 형태로 변하게 됩니다. 별도로 조작하지 않아도 그냥 뒤로 기대면 되는 것이지요.

4D 부목(왼쪽)을 목의 기관지에 삽입한 3년 뒤 건강해진 아이의 모습(오른쪽). [사진=www.popsci.com]

미국 항공우주국(NASA)은 지난 해 우주에서 사용할 수 있는 신 소재를 개발했습니다. 3D 프린팅 기술을 이용해 만든 '패브릭(직물)'인데요. 이 패브릭은 우주선 보호막이나 우주 비행사들의 우주복 제작 등에 사용되는데 외부환경에 따라 반사성질, 연관리 효과, 접히는 성질, 인장 강도 등이 달라진다고 합니다.

의료용 부목으로도 사용됩니다. 미국 미시간대 의대는 4D 프린팅으로 제작한 부목을 생후 5개월 아기의 목에 이식했습니다. 아기가 자라면 부목도 따라 자라는 변형 가능한 플라스틱 '폴리카프로락톤(PCL)'이 소재로 부목이 제작됐습니다. 이 부목은 또 아기의 목이 어느 정도 안정된 3년이 지나면 저절로 물에 녹아 없어지기 때문에 다시 수술해서 부목을 제거할 필요도 없습니다.

미국 버지니아 공대는 스스로 구부러지는 관절인 인공 손가락 관절을 만들고, 미국의 디자인 기업인 너브스 시스템은 4D 프린팅으로 옷과 장신구 등을 제작하기도 합니다. 이처럼 현재 4D 프린팅 시장의 중심은 미국입니다. 업계는 올해 4D 프린팅 시장규모가 약 6300만 달러, 이후 연평균 43% 정도 성장해 2025년에는 5억5000만 달러 규모로 확대될 것으로 전망했습니다.

4D 프린팅 기술로 아기가 겪게 될 고통도 줄이고, 부모가 부담해야 할 의료비용도 아낄 수 있게 됐다는 점이 무엇보다 다행입니다. 4D 프린팅 기술이 인류의 삶을 보다 윤택하게 해줄 수 있는 멋진 도구가 되었으면 좋겠습니다.

김종화 기자 justin@asiae.co.kr