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[트랜드 리포트] 4D 프린팅은 3D 프린팅의 다음 단계가 될 것인가

4D 프린팅이란 무엇일까. 막상 들으면 감이 오지 않는 용어이다. 우리가 일상적으로 접해온 4D는 보통 우스개소리로 사람을 가리킬 때 4차원이라는 표현일 것이다. 이 표현은 우리가 이해할 수 없는 행동이나 생각을 지닌 사람을 가리킬 때 사용한다. 그만큼 이해하기 어려운 것이 4차원이라는 개념이다. 그리고 바로 떠올릴 수 있는 것이 바로 4D 영화관일 것이다. 이것은 입체영상과 사운드 외에 진동이나 바람, 향기 등의 다른 감각요소를 집어넣어 시각과 청각 외에 한가지 이상의 감각을 추가하여 몰입감을 강화하는 시스템이다.

실제 물리학에서 이야기하는 4차원의 의미는 우리가 쉽게 이해할 수 있는 x,y,z축을 통해 형성되는 부피를 가지는 3차원에 시간이라는 한가지 차원을 더한 것이다. 그렇다면 4D 프린터에서의 4D는 무엇을 이야기하는 것일까.

미국 MIT 자가조립연구소 스카일라 티비츠 (Skylar Tibbits) 교수
미국 MIT 자가조립연구소 스카일라 티비츠 (Skylar Tibbits) 교수

4D 프린팅이라는 용어는 2013년 미국 MIT 자가조립연구소 스카일러 티비츠(Skylar Tibbits) 교수의 TED 강연을 통해 알려졌다. 당시 ‘4D 프린팅의 출현(The emergence of 4D printing)’이라는 제목으로 강연이 진행되었다. 그는 4D 프린팅 기술은 3D 프린팅의 진화된 개념으로서 소개하면서 단백질의 예를 들어 개념을 설명했다.

생물체를 구성하며 생명의 모든 기능을 담당하는 주요물질인 단백질은 단백질을 구성하는 아미노산 서열의 정보에 의해 접힘 형태가 결정되며 그렇게 접혀 이루는 3차원 형태에 의해 그 단백질의 기능이 결정된다. 단백질을 구성하는 각 아미노산 말단의 곁사슬 사이의 비공유결합이 가지는 여러 상호작용에 의해 자발적으로 변형되며 마지막에는 열역학적으로 가장 안정된 형태로 고정된다. 즉 긴 선형의 사슬 형태로 처음 만들어진 단백질은 그 자체의 기능을 가지기 위해 ‘스스로’ 구부러지고 비틀려 3차원의 구조를 이루게 된다. 그는 3D 프린팅 개념에 이 ‘시간에 따라 스스로’ 라는 과정을 도입했다. 이 시간성이 더해졌기에 4D라고 명명된 것이다. 4D 프린팅은 특정 조건에서 반응을 일으키는 물질을 프린트 재료에 사용하여 출력한 프린트물이 스스로 조립하는 설계도이자 부품으로 기능하여 사람이 그 출력물을 조립할 필요가 없어질 수 있다.

TED 발표에서 티비츠 교수는 4D 프린팅 방식을 이용해 출력한 선형 구조물을 공중에 던졌다 받았다
TED 발표에서 티비츠 교수는 4D 프린팅 방식을 이용해 출력한 선형 구조물을 공중에 던졌다 받았다.
다시 받은 그 구조물은 공중에서 변형하여 3차원 구조물 형상을 이루었다.

결국 핵심은 프린터를 이용해 사출한 파트들의 조립에 대한 자동화(automation)이다. 즉 3d 프린터를 이용하여 원하는 제품 또는 구조물을 출력한 후 출력된 각 파트들을 조립하기 위해서 인간 또는 기계 등의 추가비용을 지출할 필요없이 출력물 스스로가 움직이며 최종 결과물로 완성된다는 개념이다.

형상기억합금처럼 특정 조건하에서 동작하는 자가변형구조물을 출력하는 시스템이라고 이해하면 될 것이다.

4D 프린팅의 또 다른 예시. 출력한 선형 구조물을 물 속에 넣으니 스스로 변형하여 MIT 문자를 이루었다
4D 프린팅의 또 다른 예시. 출력한 선형 구조물을 물 속에 넣으니 스스로 변형하여 MIT 문자를 이루었다.

4D 프린터는 어떠한 가능성을 보여줄까. 티비츠 교수가 TED영상에서 언급했듯 인간이 도달하기 어렵거나 불가능한 장소에 노동력을 투입할 필요 없이 스스로 조립되는 구조물에서부터 온도에 따라 형태를 변형하는 의상, 특정 온도에서 반응하는 밸브나 파이프 등 스스로 움직여 형태를 구성하는 출력물이 한 예가 될 수 있을 것이다. 여기에서 장소란 극한 환경인 우주나 심해, 혹은 체내와 같은 극소공간 등을 꼽을 수 있다. 또한 개인이 사용하는 3D 프린터의 한계인 출력물의 크기와 부피 문제를 해결하는 방안이 될 수 도 있다. 길게 출력하여 스스로 조립되는 형태로 말이다. 또는 자동차 외장에 사용되어 사고나 충돌 등으로 훼손이 되었을 때 그 부위에 열을 가하거나 일정 주파수의 진동을 주는 등의 특정조건을 만족시키면 원상 복구되는 기능이 개발될 수도 있을 것이다.

4D 프린터에서 가장 중요한 문제는 특정 조건 하에 특정 반응을 일으키는 소재의 개발일 것이다. 지금까지 원료에 있어서 3D 프린터가 소수의 출력물질 자체의 특성이 중요했다면, 4D 프린터는 얼마나 다양한 조건소재를 확보할 수 있는가가 저변확보의 핵심이 될 것이다. 이 부분은 특히 개발보다는 활용에 더 무게중심이 실리는 메이커들에게 있어서 중요한 지점이다. 출력기와 소프트웨어, 그리고 바로 이 조건소재의 개발이 활발히 진행된다면 분명 사람들의 새로운 활동과 그를 위한 상상력에 불이 붙을 수 있을 것이다. 단지 3.5D 프린터가 아닌 그 이상의 또 다른 환경으로서의 행보가 기대된다.

Robot Origami: Robot self-folds, walks, and completes tasks

MIT에서 발표한 오리가미 로봇 역시 3D 프린터에 의해 출력된 것이며 일정 조건에서 스스로 접히고 펴지면서 운동하고 특정 역할을 수행한다.

URL - https://www.youtube.com/watch?v=ZVYz7g-qLjs

스카일러 티빗츠(Skylar Tibbits): 4D 프린팅 기술의 출현
허대찬 Let’s MAKE 에디터
사진 MIT self-assembly lab (http://www.selfassemblylab.net/4DPrinting.php) TED.com
영상 https://www.ted.com/