지난 2014년 글로벌 시장조사기관인 프로스트 앤 설리번 한국지사가 발표한 ‘4D 프린팅의 발전(Advances in 4-D Printing)’ 보고서는 4D 프린팅이 상업화 되면 우주항공, 방위, 자동차, 헬스케어 산업이 가장 먼저 이를 도입해 잘 정착되면 다른 산업들도 따를 것으로 전망했다.
프로스트 앤 설리번의 라빈드라나스 연구원은 대량 생산이 가능해진 후 몇 년이 지나면 4D 프린팅 기술 비용은 떨어질 것으로 전망하며 광범위한 산업들에 걸쳐 다양한 기업들이 자신들의 생산 시스템을 4D 프린팅 기술로 통합시키는 사례가 늘어날 것이라고 예상했다.
특히 북미에서는 관련 연합이나 연구 기관, 대학, 벤처기업, 대형 업체 등 이들의 R&D 투자를 장려하는 낙관적인 재정 환경으로 4D 프린팅 활용도는 더욱 높아질 것으로 내다봤다.
창의적 융합사회기술 구현
이러한 가운데 우리 대한민국은 4D 프린팅 기술과 관련 산업이 얼마나 준비돼 있는지를 살펴본다. 창의적 융합사회를 구현시켜 줄 기술에는 ‘클라우드환경 보안기술’과 ‘4D 프린팅’이 뽑혔다.
한국과학기술정보연구원(KISTI)은 지난 2014년 11월 11일 ‘2014 미래유망기술세미나’를 통해 10대 미래유망기술을 발표했다.
여기에 4D 프린팅은 ‘클라우드환경 보안기술’과 함께 창의적 융합사회를 구현시켜 줄 기술로 거론되며 10대 미래유망기술에 포함된 것이다.
4D 프린팅 관련 올해의 주 화두는 바이오 4D 프린팅 기술과 좀 더 다양한 스마트 소재의 프린팅 기술이 될 것으로 사료된다.
KIST 문명운 박사(계산과학연구센터장)는 4D 프린팅 기술 흐름에 대해 “최근 바이오 소재를 이용한 생분해성 및 시간에 대해서 변화하는 구조의 2가지 기능을 가지는 연구가 진행되고 있다”고 전했다.
또한 다양한 소재를 프린팅하는 프린터들이 연구 개발 중이어서 복합소재 프린팅(multimaterial printing) 기술이 올해의 화두로 대두될 것으로 분석했다.
문 박사는 복합소재 프린팅이 쉬워진다면 4D 프린팅에 대한 많은 응용이 가능할 것이라고 설명했다.
사실 4D 프린팅이 나온 지 이제 3년 차이기 때문에 아직까지 많은 연구자나 회사들의 관심을 끌지 못하고 있다.
다만 지난해부터 관심을 가지는 사람들과 기관 및 그룹들이 늘어나고 있는 추세여서 세계적으로 올해 급격히 성장할 수 있을 것으로 예상되고 있다.
특히 국외의 흐름을 살펴보면 하버드 대학교나 MIT 등의 소프트 로봇이나 자가조립 로봇 등을 연구하는 그룹에서 3D 프린터를 이용한 구조체를 제작할 수 있기에 multi-material이나 스마트 소재를 프린팅할 수 있게 된다면 급속도로 연구 내용이 많아질 것으로 여겨지고 있다.
이 가운데 의료나 바이오 분야에서 특히 많은 성장이 예측되고 있다. 실제 병원이나 의공학 분야 연구 인력 가운데는 3D프린팅 보다 더 4D 프린팅에 많은 관심을 가지고 지켜보고 있는 실정이다.
3차원 전기생산장치 완성 목표
4D 프린팅에 있어 소재개발부문은 4D 프린팅의 핵심기초가 된다. 프린팅이 가능한 소재의 개발이 필수적이기 때문이다.
특히 4D 프린팅은 인쇄된 결과물의 형태가 변화되는 것이 주 포인트이니만큼 연구진들은 프린팅 소재개발과 관련해 형상기억고분자와 압전소재 개발에 주력하고 있다.
형상기억고분자의 경우 기존 프린팅 공정 및 프린터의 한계로 인해 프린팅하는 구조체를 제어하는 연구를 진행 중이며 이경우 기존 프린터를 이용할 때보다 훨씬 변화를 크게 줄 수 있다.
이 구조체를 이용한 의수를 완성해 의수의 움직임을 더욱 자연스럽고 크게 하는 게 목표인 것이다.
압전소재의 경우 스마트 소재 중의 하나이며, 서로 압력이나 마찰력을 가하게 되면 소재에서 전기가 생산되는 소재형식이다.
이 소재를 이용해 3D 프린팅으로 출력하면 자가 전기 생산이 가능한 구조체를 만들 수 있다. 이 소재를 이용한 3차원 전기생산장치를 완성하는 것이 국내 연구진들의 목표다.
관련 분야 소프트웨어 발달 활성화
한편 국내에서 3D 프린팅 분야의 지원은 2015년 많이 이뤄졌다. ‘창조경제혁신센터’나 ‘3D프린팅특성화거점센터’ 등에서 지자체 및 정부의 지원으로 3D 프린팅에 대한 교육과 개발을 진행하고 있는 실정이다.
하지만 4D 프린팅의 경우 아직 지원은 많이 미치지 못하고 있는 형편이다. 정부의 지원으로는 광주과기원에서 연구를 수행하고 있는 4D 시뮬레이터를 이용한 4D 프린팅 연구가 있지만, 그 외에는 특별한 지원 등이 이뤄지고 있지 않는 상황이다.
물론 몇몇 지자체에서 지역 특성화 사업으로 고려하고 있는 수준이지만 활성화에는 좀 더 시일이 필요할 것으로 보인다.
4D 프린팅 기술이 발전할 경우 가장 먼저 사용될 수 있을 것으로 보는 것은 3D프린터의 출력 한계, 즉 물체의 크기와 부피의 한계를 극복하는 대안이 될 수 있다는 점이다.
3D프린터로 한 번에 테이블을 만들기 위해서는 그 크기에 맞는 대형프린터가 필요하지만, 4D프린팅으로는 평면으로 출력한 뒤에 나중에 스스로 형태 변형을 통해 조립되는 테이블을 만들 수 있는 것이다.
더 나아가서 3D 프린터의 급속한 기술 발달과 관련 분야의 소프트웨어의 발달과 함께 4D 프린팅도 더욱 활성화 될 것으로 기대된다.
또한 분명한 것은 3D 프린팅 기술에 비해서 4D 프린팅은 매우 새로운 기술인데다 관련한 특허 등을 선점한 나라가 거의 없다는 점이다.
이는 우리에게 기회요인이 되고 있다. 우리의 강점인 스마트 소재기술과 ICT기술을 4D 프린팅 기술에 접목할 수 있다면 이 분야에서 세계적인 선도국이 될 것이기 때문이다.
