3D프린팅의 진화.. 움직이는 물체도 찍어낸다

은폐 쉽게 바뀌는 군복 등온도·빛·물에 변형되는 4D프린팅 기술로 발전형상기억 등 소재 개발이 관건.. KIST선 특수플라스틱 선봬

4D 프린팅이 발달되면 실현 가능한 기술의 상상 이미지. 자체 발광하는 스카프(왼쪽 사진부터), 영화 '터미네이터2'의 'T-1000'처럼 액체·고체 전환이 가능한 로봇, 레이저와 풍속에 의해 변하는 비행체의 날개

미국 육군연구소는 지난 2013년부터 3차원(3D) 프린팅 기술을 활용해 '환경에 따라 모습이 변하는' 군용품을 개발하고 있다. 개발에 성공하면 습한 환경에 적응해 구조가 바뀌는 자동차 코팅, 옷 모양이 스스로 변해 은폐와 엄폐가 더욱 용이해지거나 독가스를 효과적으로 막을 수 있는 군복 등이 등장할 것으로 전망된다.

고체나 액체·가루로 된 재료를 층층이 쌓아올려 3D 물체를 출력하는 3D 프린팅은 이제 움직이는 물체를 찍어내는 4차원(4D) 프린팅으로 진화를 거듭하고 있다. 온도나 빛·물 등의 요인에 따라 물체가 변형되는 것이다. 4D 프린팅은 외국 공공 분야나 대학 등에서 이제 막 선도연구가 시작되는 추세지만 의료기기와 자동차 부품에 이르기까지 다양한 분야에 활용 가능해 앞으로 기술개발이 활발해질 것으로 예상된다.

3D 프린터와 4D 프린터는 재료를 쌓아올려 제작한다는 점에서 구조는 동일하다. 다만 사용하는 소재가 다르다. 4D 프린팅은 형상이 변하는 소재를 곁들여야 하기 때문이다. 온도에 반응하는 형상기억고분자, 물이나 액체를 잘 흡수하는 다공성 소재가 활용된다.

미국 MIT가 지난해 제작한 자가조립큐브 '엠블록'과 미국 콜로라도대가 만든 '접히는 전개도'가 4D 프린팅 소재를 사용한 대표적 사례다. 엠블록은 본체에는 일반 재료를, 관절 부분에는 물 흡수 소재를 프린트해 물이 닿으면 관절부가 팽창해 자동으로 접혀 조립되는 형태다. 접히는 전개도 역시 형상기억고분자를 접히는 부분(힌지·hinge)에 배치한 뒤 열을 가하면 정육면체 전개도가 2분 이내에 자가조립된다.

국내에서는 한국과학기술연구원(KIST)과 광주과학기술원(GIST) 등 주로 공공연구기관이 4D 프린팅 기술을 개발하고 있다. KIST는 특수 플라스틱 소재로 자외선(UV)을 쬐면 보라색으로, 천을 덮으면 흰색으로 되돌아오는 꽃을 올 초 개발했다. 실내외 디스플레이나 개인 액세서리 모두에 활용 가능할 것으로 전망된다.

GIST의 '4D 프린팅 사업단'은 8월 미래창조과학부로부터 4D 프린팅 시뮬레이터 기술개발 사업자로 선정돼 본격적인 연구에 착수했다.

4D 프린팅 기술이 더욱 발전하려면 물체 변형을 일으킬 수 있는 소재 개발이 필수적이다. 3D·4D 프린터 전문가인 문명운 KIST 계산과학연구센터장(본지 객원기자)은 "자기조립(self-assembly)이나 이종 복합 소재, 형상기억합금 등이 4D 프린팅에 활용되고 있다"며 "특히 인체에 들어갈 소재는 3D·4D 프린팅을 위해서는 생체친화적이어야 한다"고 설명했다.

움직임을 모두 고려한 정밀한 설계 역시 중요하다. 이용구 GIST 4D 프린팅 사업단장(교수)은 "수많은 부품이 움직이면서 발생할 부품 간 '간섭현상'을 막으면서 정상 작동시킬 소프트웨어가 필수적"이라며 "소프트웨어와 하드웨어, 소재가 잘 결합하면 (4D 프린팅은) '피규어(모형)' 제작에 그쳤던 3D 프린팅보다 더 널리 상용화할 것"이라고 강조했다.

IoT 적용해 모바일로 제어하고… 출력속도 30배 높이기도

국내 3D프린팅업체 기술 보니

조양준 기자

3차원(3D) 프린터로 '다품종 소량생산 시대'를 여는 글로벌 트렌드에 맞춰 국내 시장도 3D 프린팅 기술 발전과 시장 확대에 속도를 내고 있다. 특히 중소기업이 다양한 신기술을 선보이며 국내 3D 프린팅 시장을 이끌고 있다.

지난 2013년 5곳에 불과했던 국내 3D 프린팅 장비업체 수는 올해 31곳으로 급증했다. 특히 자체 제품개발을 시작한 업체가 늘고 있다. 임태홍 정보통신산업진흥원(NIPA) 3D융합팀장은 "아직은 해외 부품을 조립해 100만원 미만 가격의 저가 보급형을 만드는 경우가 대다수지만 이제 개발 확산이 시작되는 분위기"라고 설명했다.

이들 중소기업 중에는 캐리마와 로킷·인스텍 등 제품뿐 아니라 자체 3D 프린팅 기술을 보유한 곳도 눈에 띈다.

캐리마가 개발한 'C-CAT'은 표면조도 0.001㎜로 1시간에 60㎝를 쌓아올릴 수 있는 3D 프린팅 제품이다. 기존 DLP(Digital Light Processing·빛의 디지털 처리 기술) 3D 프린팅 방식의 제품이 0.025㎜로 1시간에 2~3㎝ 출력하는 데 그쳤던 속도를 30배 가까이 끌어올렸다. 로킷이 만든 에디슨S는 국내 최초로 사물인터넷(IoT) 기술이 적용된 3D 프린터다. 로킷의 자체 3D 프린팅 플랫폼인 '유니버스(Youniverse) 3D'로 사용자가 출력파일의 변환 과정 없이 각종 디자인을 스마트폰·태블릿PC 등 모바일 기기에서 제어할 수 있다.

3D 금속 프린터 전문인 인스텍은 자체적으로 DMT(Laser-aided Direct Metal Tooling)방식 3D 금속 프린터를 개발했다. 이 방식은 레이저로 금속분말을 녹이면서 재료를 쌓는 것으로 금속 프린팅 기술 중에서도 상위급이다.

이낙규 한국생산기술연구원 3D 프린팅 기술사업단장은 "국산 장비·소재 부문을 우선 육성하고 기술경쟁력과 잠재력을 가진 기업을 지원해야 한다"고 강조했다.

조양준기자 mryesandno@sed.co.kr

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