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원하는 물건은 무엇이든 프린터로 찍어내는 3D 프린팅(Three dimensional printing)기술은 '인간의 삶을 변화시킬 기술'로 주목받으며 전 세계적으로 집중 연구와 개발 대상이 됐다. 하지만 3D프린팅은 출력물 크기의 한계가 있고 부품을 만들 경우 이를 다시 조립해야 하는 문제 등을 가지고 있다. 이를 극복하고자 등장한 것이 바로 4D 프린팅(Fourth dimension printing)기술이다.

'4D 프린팅'은 미리 설계된 시간이나 임의 환경 조건이 충족되면 사람의 개입없이 열이나 진동, 공기 등의 환경이나 에너지원의 자극에 스스로 모양을 변경 또는 제조해 새로운 형태로 바뀌는 기술을 말한다.

물질 자체가 본래의 형상을 기억하는 형상기억 소재(스마트 소재)를 활용해 부품설계도를 3D 프린터에 넣으면 시간의 변화에 따라 스스로 조립되는 방식이다. 여기서 스마트 소재는 나무나 종이 등 기본적인 소재는 물론이고 형상기억합금이나 형상기억폴리머섬유 등 첨단소재까지 그 범위가 넓다.

MIT가 공개한 4D 프린팅 사례는 다음과 같다. 물과 만나 팽창하는 나무 소재에 코끼리 밑그림을 출력하고, 이를 물에 담근다. 나무 소재로 만들어진 코끼리 모양의 1차 출력물이 물이라는 조건과 만나 코끼리 모형으로 변화한다. 스마트 소재가 변화하는 과정 중에 스스로 조립도 가능하다.3D 프린팅의 경우, 출력할 수 있는 물체의 크기에 한계가 있지만 4D 프린팅 기술은 출력 뒤 스스로 조립되기 때문에 큰 물체도 출력할 수 있다. 이런 특징 덕에 4D 프린팅은 짧은 시간에 미래를 이끌 유망기술로 부상했고 세계적으로 기술 개발 경쟁이 불붙는 분야가 되었다.

4D 프린팅 기술은 2007년 미 국방성 산하 고등방위연구계획(DARPA)의 프로젝트로 개발이 시작됐다. 이후 2010년, 하버드대학교 공학 및 응용과학 우드 교수팀은 스스로 전자종이로 배, 비행기 등을 만들어 미국 국립과학원회보(PNAS)에 발표했다.

그리고 2013년 4월, 미국 MIT 자가조립연구소 스카일러 티비츠 교수츠(Skylar Tibbits)의 ‘4D 프린팅의 출현(The emergence of 4D printing)’ TED 강연을 통해 세상에 처음 알려졌다. 

미래에 4D 프린팅 활용 분야는 무궁무진할 것으로 기대된다. 3D 프린팅을 이미 적용하고 있는 의료, 건설, 로봇 등의 분야는 물론이고 자체변환과 자체조립을 이용해 한 단계 진화한 일들도 가능하게 할 것으로 점쳐진다.

예를 들면, 현재 3D 프린팅으로 만든 인공 뼈를 인체에 결합하기 위해서는 해당 부위에 큰 수술을 해야 한다. 하지만 4D 프린팅 기술을 적용하면 작은 인공 뼈 밑그림을 만들고, 이를 최소한의 절개를 통해 몸 안에 넣은 뒤 인체 요소와 반응해 원하는 부위에 원하는 크기로 접합하는 것이 가능해진다.

상하수도관 개발 분야에서는 자가 변환 기술을 통해 관을 확장하거나 축소할 수 있다. 이를 통해 별도의 시간과 비용을 수반하지 않고 도시 계획 목적에 따라 상하수도관 형태 변경이 가능해진다.

그외에도 4D 프린팅 기술이 외부환경에 맞게 자체적으로 변화가 가능한 만큼 △의료 분야(자가 조립식 생체재료, 화학요법용 나노로봇 등) △사회기반시설 분야 △자동차, 항공, 방위산업 분야(자기교정부품, 대기에 따라 부식되지 않도록 변형이 가능한 차량 본체) △제조 및 패키징, 내구소비재 △군사(주위 환경에 위장이 가능한 군복) 등의 분야에 널리 쓰일 것으로 보인다.

올해 IT 리서치 기업 가트너(Gartner)는 4D 프린팅을 '디지털 비즈니스 혁신을 가속화하는 주요 기술 중 하나'로 꼽았다. 또, 글로벌 조사기관 Markets and Markets에 따르면 4D 프린팅 시장은 오는 2019년 6천 300만 달러의 규모를 형성하고 오는 2025년에는 5억 3,800만 달러로 연평균 40%씩 성장할 전망이다.

4D 프린팅 기술은 지속적인 투자 및 지원을 통해 높은 초기 개발비용 극복이 필요하다. 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 대해 투자와 지원이 필요하다.


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