■ 4D 프린터란?
4D 프린터와 3D 프린터의 큰 차이가 무엇일까요? 바로 네 번째 차원인 ‘시간’이라는 개념이 추가되었다는 점입니다. 4D 프린터 기술은 특정한 조건! 예를 들어 온도나 습도, 압력과 빛 등에 반응하여 시간이 지남에 따라 형태나 기능이 변화하는 물체를 만들어 냅니다. 그리고 프린트된 물체가 자기조립이나 형태를 스스로 변화하여 진화까지 할 수 있게 되었는데요. 4D 프린터의 주요 구성 요소는 스마트 재료입니다. 이 재료들은 외부자극에 반응하여 미리 프로그래밍된 방식으로 변화하는데요. 온도에 반응하는 재료는 특정온도에 도달했을 때 크기가 변할 수 있고, 습도에 반응하는 재료는 주변의 습도에 따라 그 형태를 변화할 수 있는 원리를 이용했습니다. 해당 기술은 넓은 범위에서 활용할 수 있고 다양한 분야에서 실용될 수 있습니다. 그렇다면 4D 프린터 기술을 활용하는 분야는 어떤 곳들이 있을까요? 이를 살펴보면 아래 내용과 같습니다.
■ 4D 프린터 활용분야
◐ 의료 분야
첫 번째는 의료분야 입니다. 의료계에서 맞춤형 의료장비나 약물 전달 시스템을 만드는 데 사용될 수 있습니다. 예를 들면 체온변화에 반응하여 약물을 방출하는 시스템이나 임플란트, 신체 내부에서 스스로 형태를 변화시키는 의료도구 등의 개발에 사용할 수 있습니다.
◐ 건축 및 건설
다음은 건축 및 건설계열 입니다. 건물이나 구조물이 환경변화에 따라 스스로 조절한다면 놀라운 일일 텐데요. 이를 실현할 수 있는 것이 바로 4D 프린터 입니다. 4D 프린터를 이용한다면 에너지 효율을 높일 수도 있고, 자연재해에 대응하여 구조의 안정성을 높일 수 있습니다.
◐ 제조산업
4D 프린터 사용이 가장 적합해 보이는 분야가 제조산업이 아닐까 생각됩니다. 4D 프린터는 생산제품이 사용환경에 따라 최적의 기능을 발휘하는데 도움을 줄 수 있습니다. 예를 들어 온도변화에 따라 색상이 변하는 의류가 있을 수 있으며, 물에 닿으면 순간 펼쳐지거나 오물어드는 형태도 만들 수 있습니다.
■ 4D 프린터 재료
그렇다면 미래 산업의 중요항목이 될 수 있는 4D 프린터의 재료들은 무엇이 있을까요? 이를 아래 이어지는 내용에서 확인해 보겠습니다.
◐ 형상 기억 폴리머
형상 기억 폴리머(Shape Memory Polymers)는 4D 프린터의 핵심 재료라 할 수 있습니다. 본 재료는 특정 조건에 따라 원래의 형태로 돌아가는 고분자 소재입니다. 형상 기억 폴리머는 그 모습이 변형된 상태에서 외부자극! 예를 들어 열이나 빛, 전기신호 등을 받으면 원래로 복귀합니다. 이를 통해 다양한 형태로 프로그래밍 시킬 수 있습니다. 또한 금속 기반의 형상 기억 합금(SMA)과 비교했을 때 보다 더 가볍고 유연합니다. 때문에 의료분야나 전자기기, 자동차나 항공 그리고 로봇공학 등에서 활용되고 있습니다.
◐ 생분해성 소이 오일
생분해성 소이 오일(Renewable Soybean Oil)은 환경친화적 소재입니다. 이는 외부자극에 반응을 하며 바이오기반의 소재 중 하나인데요. 생분해성 소이 오일이 환경친화적 소재인 이유가 있습니다. 바로 대두(콩)에서 추출을 하기 때문인데요. 또한 대두는 계속해서 재생 가능하기에 소재의 지속성 또한 매우 높습니다. 이처럼 환경에 해를 끼치지 않고 자연적으로 분해가 되기에 자극없는 친환경제품의 소재가 되고 있는데요. 그 예로 바이오디젤이나 비누, 화장품이나 스킨케어 등이 있습니다. 다만 대두 알레르기가 있는 사람도 있기에 사용에 있어 주의가 필요로 하겠습니다.
◐ 스마트 하이드로겔
다음은 스마트 하이드로겔(Smart Hydrogels) 입니다. 이 소재 또한 외부자극에 반응하는 소재이며 물리적·화학적 변화가 일어나는 재료입니다. 여기서 말하는 자극에는 온도, pH, 전기장, 광선, 자기장 등이 있습니다. 스마트 하이드로겔은 다양한 분야에서 혁신적으로 응용되고 있는데요. 특히 생체 적합성이 높아 의료용 임플란트나 약물전달 시스템, 생체 내 응용 등에 사용되고 있습니다. 그리고 높은 수분함량으로 세포배양이나 조직공항 등의 바이오메디컬 분야에서도 유용하게 활용되고 있습니다. 더불어 일부 스마트 하이드로겔의 경우 손상 시 자가치유 능력까지 갖추고 있습니다. 다만 기계적 강도는 낮아 구조적 응용에는 한계가 있습니다. 또한 외부자극에 다소 반응이 느린 편인데요. 제조과정 또한 복잡하고 비용이 많이 들 수 있습니다. 여기에 생체적합성 재료로 사용되고 있는 만큼 안정성에 있어 민감히 다루어야 할 소재이기도 합니다.
◐ 전자 활성 폴리머
마지막으로 전자 활성 폴리머(EAP, Electroactive Polymers) 입니다. 이 소재는 전기자극에 반응하여 변형되는 고분자 재료입니다. 전자 활성 폴리머는 다양한 응용분야에서 중요역할을 하고 있습니다. 본 재료는 인공근육과 센서 및 구동기, 로봇공학 그리고 스마트재료 등으로 사용되고 있습니다. 이에 장점을 살펴보면 유연성을 들 수 있습니다. 금속이나 세라믹과는 달리 매우 유연하기에 다양한 형태로 가공할 수 있는데요. 여기에 상대적으로 가볍기 때문에 휴대용 장치나 웨어러블 기기에 적합합니다. 그리고 낮은 전압에도 작동할 수 있어 에너지 효율이 매우 높습니다. 물론 단점도 있는데요. 반복적 변형이 일어나면 열화가 발생할 수 있습니다. 그리고 금속기반 구동기에 비해 반응속도가 느리다는 점이 아쉬운 부분입니다. 지금까지 4D 프린터에 대해 알아보았습니다. 사실 4D 프린팅 기술은 여전히 초기 단계에 있습니다. 단순 4D프린터 만의 기술발전으로는 그 한계가 있을 수 밖에 없는데요. 재료과학이나 컴퓨터 과학, 로봇기술 등등이 같이 발전해야 혁신적인 결과를 낼 수 있습니다. 그리고 4D 프린터 기술이 분명 우리의 생활방식과 산업구조에 큰 변화를 가져올 것이기에 개인적으로 기대하는 바 입니다.
