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SF 영화에서 최고 걸작 중 하나로 불리는 터미네이터2에서는 T-1000이라는 로봇이 등장합니다. 원하는 모습대로 변신할 수 있고, 총알에 맞아도 스스로 복구되는 모습은 우리의 시선을 단번에 사로잡았는데요. 이것이 과연 영화 속에서만 가능한 일일까요? 아닙니다. 바로 ‘4D 프린팅이라는 기술이 등장하면서, 현실에서도 직접 볼 수 있게 되었습니다.

 

현재 4D 프린팅 기술은 3D 프린터가 일상으로 점점 파고들면서 덩달아 빠르게 기술의 발전이 이루어지고 있습니다. 2014년에는 한국과학기술정보연구원(KISTI)에서 4차 산업혁명을 이끌어 갈 10대 유망기술 중 하나로 선정하기도 했는데요. 4D 프린팅 기술이 발전할 때 가장 먼저 얻는 이점은 3D 프린터의 출력 한계, 물체의 크기와 부피의 한계를 극복할 수 있다는 것입니다.




4D 프린팅 영상(출처 : Pranavee M)



예를 들어 3D 프린터로 한 번에 집 한채를 만들기 위해서는 그 크기에 맞는 대형 프린터가 필요합니다. 하지만 4D 프린팅으로는 평면으로 출력한 뒤에 나중에 스스로 형태를 변형하여 조립되는 집을 만들 수 있는데요. 이 기술이 어떻게 가능한 걸까요? 지금부터 4D 프린팅에 대한 전반적인 내용과 함께 우리 방위산업 분야에서는 어떻게 적용 가능한지 살펴보도록 하겠습니다.



3D 프린팅에서 이젠 4D 프린팅 시대로!



프린팅의 변천사. 4D 프린팅은 스마트 소재를 3D 프린터에서 출력하여 물체 스스로 형태를 바꾸는 기술이다.



우선 우리가 알고 있는 일반 프린팅은 종이에 글자나 그림을 인쇄하는 것이고, 3D 프린팅은 미리 입력한 설계도에 따라 3D 프린터로 3차원의 물품을 만들어 내는 것을 의미합니다. 그렇다면 4D 프린팅이란 무엇일까요? 바로 3D 프린터를 통해 출력된 입체물품이 스스로 조립하거나 또 다른 형태로 만들어지는 기술입니다. 여기에는 형상기억합금과 같은 스마트 소재가 적용되는데요. 시간이나 온도 등 외부 환경변화에 따라 반응하여, 다른 물질로 변신하거나 원래의 모습으로 회복할 수 있는 물질이랍니다. 어떤 조건에서 어떤 모양으로 바뀔 것인지는 엔지니어가 미리 스마트 소재 안에 프로그래밍 해 놓습니다.





3D 프린팅은 컴퓨터가 인식한 형상을 있는 그대로 만들어 낸다면, 4D 프린팅은 그 물체가 시간이 지남에 따라 진동이나 중력, 열 등의 에너지와 상호작용하여 모양이 변하는 것입니다. 스스로 변화하는 물체를 출력한다는 것이 3D 프린팅과 가장 큰 차이점인 것이죠.



4D 프린팅 기술! 현재 어디까지 발전했을까?


4D 프린팅 기술이 발전하는데 가장 중요한 것은 앞서 말씀드린 스마트 소재의 개발입니다. 즉 어떤 소재를 활용할 것인지가 핵심인데요. 3D 프린터에서 주로 활용되는 소재는 플라스틱 소재로, 여기서 다양한 스마트 소재들이 개발된다면 자연스럽게 4D 프린팅 기술이 확산될 수 있을 것입니다.



4D 프린팅으로 만든 세계 최초의 드레스, 키네메틱스 드레스. 2,000개 이상의 부품으로 구성되어 있으며 접힌 상태로 출력된 이후 완전한 형태로 변화했다.



현재 스마트 소재는 물이나 온도변화, 빛에 반응하는 소재들을 중심으로 개발과 연구가 진행중에 있답니다. 만약 물 속에서 형태를 바꾸는 스마트 소재를 개발한다면, 접히는 면에 물을 잘 흡수하는 소재를 쓰고 다른 면에는 물을 흡수하지 못하는 소재를 사용해 형태 변화를 유도할 수 있겠지요. 또한 금속 소재로는, 다른 모양으로 변형되어도 원래의 형태를 기억해 돌아가는 성질의 형상기억합금을 사용할 수 있습니다. 미국 매사추세스 공대에서는 이 형상기억합금을 3D 프린터로 출력해서 스스로 접히고 움직이는 작은 로봇 개발에 성공하기도 했습니다.

 

이뿐만이 아닙니다. 4D 프린팅 기술은 의학분야에서도 폭 넓게 활용되고 있는데요. 이미 생분해성 소재를 활용하여 시간이 지나면 체내에서 분해돼 세포들이 자라서 들어갈 수 있는 임플란트 치료가 실제 임상 실험에 도입되기 시작했습니다. 그리고 2014년 미국 존스홉킨스 대학에서는 몸 속에서 스스로 조립이 되고, 암세포를 공격할 수 있는 마이크로로봇을 개발했다고 나노 레터스에 발표하기도 했습니다.



4D 프린팅 덕분에 다양한 모양으로 변화 가능한 배수관



건축 및 디자인 분야 역시 4D 프린팅 기술이 활용됩니다. 미국 매사추세스 공대에서는 물이 흘러가는 양에 따라 변형되는 수도 파이프를 4D프린팅으로 만드는 방법을 연구하고 있습니다. 파이프가 물의 양과 속도에 따라 늘어나거나 수축하는 정도를 미리 프로그래밍해 놓는다면 조정이 가능하고 유연한 배수관을 설치할 수 있게 됩니다. 앞으론 비싼 밸브나 펌프가 필요없어질 수도 있겠네요!



4D 프린팅 기술과 방위산업의 만남!


4D 프린팅 기술은 우리 방위산업과 관련 분야에서도 활용가치가 높은 것으로 평가받고 있습니다. 그럼 지금부터 4D 프린팅 기술이 어떻게 적용되는지 좀 더 자세히 알아보도록 하겠습니다.



자가 설치용 천막(예)



첫째, 주위환경에 맞춰 위장이 가능한 재질을 만들 수 있습니다. 만약 이를 전투복으로 활용한다면, 날씨에 따라 위장이 변화되어 적으로부터 들키지 않고 안전하게 작전을 수행할 수 있을 것입니다. 뿐만 아니라 바닥에 있는 위장막에 물을 뿌리면 스스로 서서 펼쳐지는 천막 막사를 만들 수도 있으며, 눈밭이나 어떤 환경에서도 적응할 수 있는 전투화를 만들 수도 있습니다. 이는 극한 환경 속에서 훈련하는 우리 군에게 큰 도움이 될 것입니다.



멤스(MEMS)는 센서와 같은 소형기계구조물에 반도체, 기계 등 초정밀 반도체 제조기술을 융합하고 미세 가공하여 전자기계적인 동작을 할 수 있도록 설치한 마이크로 단위의 작은 부품이다.



둘째, 탄약의 경우에는 탄체 충전물에 형상기억합금과 멤스(MEMS) 기술을 동시에 적용하여 그 효용성을 높일 수 있습니다. 개량고폭탄약(ICM 탄약), MLRS(다련장 로켓 시스템)탄약 등 탄체 내부에 충전되는 자탄에 멤스 기술을 적용하여 목표물을 파괴하기보다는 무능화를 시키는 것이죠.


즉 열 반응 및 공기밀도 압력차가 낮은 지점을 인식토록 데이터를 입력하여 적이 운용하는 장비의 포구내로 들어갔을 때, 자탄의 형상이 고체에서 액체로 변해 포신 내부에서 압착되어 탄약 발사가 불가능하도록 할 수 있습니다.


그 밖에 미국은 2013년부터 위장천막이나 환경에 따라 색깔과 구조를 바꾸는 군용차량을 개발하기 위한 지원을 시작했는데요. 미 공군도 특정 상황에서 비행기의 모양을 바꿔 스텔스 기능을 강화하는 연구를 진행중이랍니다.



지금까지 4D 프린팅 기술이란 무엇이며, 우리 방위산업과 군용관련산업에서 어떻게 활용되고 있는지 살펴보았습니다. 앞의 사례들을 통해 보았듯이, 전 세계적으로 4D 프린팅 기술을 선도하고 있는 나라는 미국입니다. 하지만 기술 개발 자체가 이제 막 시작된 블루오션이기 때문에 우리나라 역시 4D 프린팅의 주도권을 잡을 가능성은 얼마든지 있습니다.


4D 프린팅 시장은 2019년에 6,300만 달러(7245천만 원)까지 성장할 것으로 예상되고 있는데요. 이에 우리 군은 미래 먹거리인 4D 프린팅 기술에 대한 적극적인 투자로, 시장 경쟁에서 반드시 앞서 나가야 할 것입니다. 4D 프린팅 분야를 선점하여 우리 방위산업이 선진국 반열에 올라설 수 있기를 기대해 봅니다.


더 자세한 내용은 월간 <국방과 기술> ‘177월호에 게재된 ‘3D 프린팅 기술을 넘어선 4D 프린팅의 세계 기술현황 및 국방분야 적용 방안을 통해 확인하실 수 있습니다.



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