습한 날씨에 하루 종일 집을 비웠다가 퇴근 후 집에 돌아 왔을 때 창문 스스로 집안 공기를 환기 시킬 수 있다면 어떨까. 기계에 힘을 빌리지 않고 전기나 가스 등의 연료도 없이 창문 스스로 모양을 변형시켜 공기를 순환시킬 수 있는 그런 물건(?)이 우리 곁에 나타난다.

이것은 바로 4D 프린팅 기술로 구현이 가능한 창문이다. 사진 속 패턴은 습도에 따라 스스로 모양이 변화할 수 있다. 이러한 기술이 바로 창문에 적용돼 습도가 높아지면 패턴 모양이 변화해 집안 공기를 순환시킬 수 있도록 하는 것으로 이러한 기술은 창문 외에도 우리의 삶 속에서 다양한 형태로 적용될 수 있다.

지난 21일 신기술로 주목받는 4D프린팅, 미래선도기술 개발과 산업적용방안에 대한 세미나가 열렸다. 전문가들이 4D 프린팅에 대한 설명과 신기술로서의 적극적 투자가 이루어져야 한다고 입을 모았다.

그렇다면 아직까지는 생소하게 느껴지는 4D프린팅이라는 것은 무엇일까. 4D 프린팅이란 출력된 물체가 햇빛, 온도, 물 등의 환경요인으로 시간에 따라서 특정한 형태로 변화되도록 만드는 기술이다.

최근 3D프린팅 기술이 한창 개발되고 있는데 4D 프린팅 기술은 컴퓨터로 디자인한 도면이 입체적으로 만들어지는 3D프린팅 기술에서 한 단계 발전해 프린팅으로 찍은 물건이 시간이나 주변 환경 등 다양한 요소에 따라 스스로 모양을 바꾸는 기술이다. 3D 프린팅을 기본으로 하면서 자가조립이나 변형이 가능한 소재를 3D프린터로 찍어내는 것인데, 3D 프린터 보다 큰 물체도 자가 조립으로 찍어내거나 특정 상황에서 원하는 대로 모습을 바꾸는게 가능하다.

즉, 프린터로 출력한 결과물을 완성이 아닌 밑그림으로 활용하는 것으로, 결과물은 밑그림으로서 온도나 진동, 마찰 등 주변 환경 변화에 자극을 받아 형태를 바꾸게 되고, 이러한 기술과 함께 소재가 발전함에 따라 스마트 소재 제품 생산과 의학 및 국방 분야에 활발하게 활용될 수 있을 것으로 예상된다.

한국과학기술연구원 문명운 박사는 “4D 프린팅 기술을 이루는 핵심 요소 기술은 스마트 소재 개발, 변화 과정을 예측 할 수 있는 실제 기술, 스마트 소재를 프린트 할 수 있는 고기능성 3D 프린터 및 공정 기술 등이다”라며 4D 프린팅 기술은 프린팅된 구조체가 특정 환경에서 변화할 수 있도록 스마트 소재를 이용해야 하고 변화 과정을 세세히 예측해 설계에 반영해야 한다“라고 밝혔다.

또 “기존 프린터를 개선한 4D 프린터도 개발돼야 한다”며 “4D 프린터 분야에 투자를 집중해 핵심 기술과 신소재를 개발하면 앞으로 우리나라의 주력산업이 될 수도 있다”고 강조했다.

날씨에 맞게 변하는 옷과 자동차

4D 프린터 기술로 만들 수 있는 물건들은 상상 이상이다. 자가변형하는 섬유로 날씨에 따라 변화하는 옷을 만들기도 하고, 주차장의 공간 활용도를 높이기 위해 접히는 자동차도 만들 수 있다. 또 그냥 보기엔 막대 같지만 자기 변형을 통해 글자 모양으로 변할 수 있는 소재도 만들 수 있다.

스카일러 티비츠 MIT 교수는 스스로 조립하는 막대인 ‘편향 체인’을 만들어 소개하기도 했는데, 이 체인은 일직선으로 늘어져 있다가 MIT라는 글자 모양으로 변화한다.

사람의 생명연장에 영향을 끼치는 물건들도 생산이 가능하다. 한 예로, 기관지 흡착증 환자에게 사용하는 기관지 스텐트를 만들 수 있는데, 기관지 스텐트는 사람의 성장에 따라 기관지 내에서 이동할 위험이 있고, 특히 급성장기인 아이들의 경우, 기관지 스텐트를 이식 하는 것에 대한 위험성이 높았다.

그러나 4D프린팅의 응용으로 기관지 스텐트가 이식 후 성장 변화에 따라 자가변형할 수 있어 아이의 생명 연장을 도울 수 있는데, 실제로 미국에서는 한 아이에게 4D 기관지 스텐트를 이식해 건강한 삶을 제공하기도 했다.

실제 인간의 삶에 긍정적 영향을 끼칠 수 있는 4D 프린터는 소재 개발이 중요한데, 특히 건강과 직결되는 바이오 소재들에 대한 개발 수요가 높다.

경희대학교 강선무 교수는 “4D 프린팅을 통해 의료의 혁신을 일으킬 수 있다. 다양한 연구를 고민하다가 우리나라에서 활발하게 개발되고 있는 줄기세포를 프린터에 접목시키는 방법을 연구 중”이라며 “4D 프린팅과 의료, ICT 분야를 접목하면 우리나라의 성장 발전을 이끄는 기술, 글로벌 진출이 가능한 기술이 될 수 있다”고 말했다.

이어 “정부가 바깥으로 나가는 우주개발 기술 같은 곳에 대한 투자 보다 4D 프린팅에 과감하게 투자를 하게 된다면 국내 의료 혁신은 물론 글로벌 수준의 기술을 선점하는 것도 가능할 수 있다고 생각한다”고 덧붙였다.

서울대학교 남기태 교수는 “프린팅 하는 재료가 기계적인 용도만 있는 것이 아니다. 현재 3차원 적인 단백질 구조를 인공화합한 바이오 소재를 개발하기 위해 노력중”이라며 “몇 년 안에 인간에 몸에 이식가능한 소재를 개발하는 성과가 나올 것”이라고 말했다.