‘변화’를 찍어낸다… 4D프린팅의 가능성은?

‘변화’를 찍어낸다… 4D프린팅의 가능성은?

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3차원 공간에 물체를 만들어내는 '3D프린팅'의 다음 세대 기술인 '4D프린팅'에 대한 관심도가 높아지고 있다. 4D프린팅은 의료, 패션, 우주, 항공 등 다양한 산업 분야에서 응용 가능성이 높다는 평을 받는다./ 그래픽=박설민 기자

최근 ‘3D프린팅’ 기술은 장난감, 모형 등 일상용품을 필두로 우리 생활 전반에 빠르게 자리 잡고 있는 추세다. 이 가운데 3D프린팅 기술의 다음 세대로 불리는 ‘4D프린팅’ 기술에 대한 관심도 점차 커지고 있다. 

◇ “3D 넘어 4D로”… 4D프린팅, 3D와 무엇이 다를까

대부분의 사람들이 알고 있듯 3D프린팅 기술은 평면을 넘어 3차원 공간에 물체를 만들어내는 기술이다. 기존 3D프린팅 기술의 경우, 정교한 물체를 쉽게, 반복해서 제작할 수 있다는 장점이 있다. 하지만 열경화성 플라스틱, 금속, 세라믹 등을 주 재료로 사용하기 때문에 ‘정적인’ 물체만을 생산할 수 있다는 한계점도 존재한다.

반면 4D프린팅 기술은 기존의 3D프린팅 기술에서 한 차원 더 진화한 기술로 자가 변형이 가능한 스마트 소재를 3D프린터로 출력한다. ‘자가변형 물질(self-transformable materials)’을 재료로 사용하기 때문이다. 여기서 자가변형 물질은 온도의 변화 등 특정 조건이 충족되었을 때 스스로 형태와 크기를 조절하는 물질로 형상기억합금 등이 포함된다.

4D프린팅을 이용해 자가변형 물질로 제작된 제품은 간의 개입 없이 열, 진동, 중력, 공기 등 환경이나 에너지원의 자극과 시간에 따라 형태가 달라질 수 있다. ‘4D’라는 이름이 붙게 된 이유가 바로 이것이다. 

업계 관계자들과 과학 기술 분야 전문가들은 이처럼 자유자재로 변할 수 있는 제품을 편리하게 찍어낼 수 있는 능력을 가진 4D프린팅 기술에 대해 큰 기대감을 나타내고 있다. 다양한 산업 분야에서 이용 가능성이 매우 높다는 것이다.

융합연구정책센터 송가은 연구원은 ‘4D프린팅 연구 현황과 시장 전망(2016)’에 작성한 보고서를 통해 “4D프린팅 기술은 제품 디자이너가 설계만 하면, 제조단계에서 사람의 도움 없이 직접 프로토타입을 구현할 수 있어 제조공정의 효율을 극대화한다”며 “디자인과 제품 간의 불일치로 발생하는 문제를 최소화하고 인건비 절감으로 제조비용효율 향상에 기여할 것”이라고 평가했다.

미국 매사추세츠 공과대학(MIT)에서 2013년 4D프린팅 기술을 통해 만들어낸 실험 모델의 모습. 기존 3D프린팅으로 제작된 물체와 달리 자유자재로 변형이 가능하다./ 사진=MIT 홈페이지

◇ 자유자재로 변하는 4D프린팅, 인공장기 등 의료 분야 응용 기대감 ‘多’

그렇다면 4D프린팅 기술의 도입이 가장 활성화될 것으로 기대가 되는 산업 분야에는 무엇일까. 전문가들은 향후 △의류 △의료 △자동차 △우주·항공 △군사 분야 등에서 4D프린팅 기술이 적용될 가능성이 높다고 내다본다.

이 중 4D프린팅 분야의 활약이 가장 클 것으로 기대되는 산업 분야는 ‘의료 부문’이다. 조직세포공학, 자기조립식 생체재료. 나노입자 설계, 화학요법용 나노로봇 등 첨단 의료기기 등이 가능할 것으로 기대되기 때문이다. 

특히 4D프린팅 기술을 활용해 제작한 인공장기는 응급 환자에게 이식할 장기가 턱없이 부족한 현재 시점에서 수많은 생명을 살릴 수 있는 차세대 의료기술이 될 가능성이 매우 높다. 

보건복지부가 지난 9월 발표한 ‘장기 기증 및 기증 희망 등록 현황’ 자료에 따르면 2020년 말 기준 장기 이식을 기다리는 대기자는 4만3,182명이다. 하지만 실제 기증자의 수는 10.2%에 불과하다. 향후 4D프린팅을 통해 인공장기가 보급된다면 장기 이식 대기자들에겐 큰 희망이 될 수 있다.

실제로 4D프린팅 기술을 이용한 인공장기 제작은 먼 미래의 이야기는 아닌 듯하다. 미국 캘리포니아의 의료기기 제작회사 오가노보(Organovo)는 지난 2013년 3D프린터를 이용해 1cm이하 크기의 인공 간‘ExVive TM’를 제작하는 것에 성공하기도 했다.

한국연구재단(NRF)은 ‘미래 유망기술 프로그램-인공장기 바이오(2017)’ 보고서에서 “줄기세포를 포함하는 바이오잉크의 개발과 이를 4D 프린팅으로 적층 가공하면 궁극적으로 환자에게 적합한 맞춤형 조직이나 기관, 장기의 생산이 가능해질 수 있다”며 “또한 신약개발에도 활용될 수 있다”고 설명했다.

특히 4D프린팅 기술은  인공장기 제작에 응용될 것으로 기대받고 있다. 이것이 가능해질 경우  응급 환자에게 이식할 장기가 턱없이 부족한 현재 시점에서 수많은 생명을 살릴 수 있는 차세대 의료기술이 될 가능성이 매우 높다./ 사진=Gettyimagesbank

◇ 급성장 예상되는 4D프린팅 시장, 전문가들 “우리나라도 준비해야”

이처럼 4D프린팅 기술이 다양한 산업 분야에서 이용될 가능성이 높다는 기대감에 국내외 시장 성장률도 긍정적으로 전망되고 있다.

글로벌 시장 분석기업 올 더 리서치(All The Research)가 지난달 발표한 보고서에 따르면 세계 4D프린팅 시장의 규모는 지난해 6,510만달러 수준으로, 오는 2027년 말까지 연평균 복합 성장률(CAGR) 42.1%를 기록하며 4억8,920억만달러 수준에 이를 것으로 예측됐다.

올 더 리서치는 “이번 보고서는 2021년부터 2027년까지 예측 기간 동안 주요 산업 동인, 제한 및 시장 성장에 미치는 영향에 대한 포괄적인 범위를 제공한다”며 “4D프린팅은 제조 공정에서 매우 중요한 역할을 할 것으로 예상돼 향후 시장 수요를 주도할 것”이라고 전했다.

다만 우리나라의 경우 4D프린팅 산업은 아직 관련 지원과 투자가 부족한 수준이라는 것이 기술 분야 전문가들의 평가다. 때문에 이에 따라 국내 기업들과 정부 관계부처들이 4D프린팅 기술 발전을 위한 지원 및 정책을 확보해야할 것으로 분석된다.

실제로 국내 4D프린팅 산업은 기술개발 단계로 아직은 산업 활성화를 기대하기는 어려운 상황이다. 정부 관계부처가 올해 3월 합동으로 발표했던 ‘2021년 3D프린팅산업 진흥 시행계획’에 따르면 4D프린팅 부문과 관련된 지원은 산업통상자원부와 과학기술정보통신부를 합쳐 약 30억원 정도다. 

하지만 4D프린팅과 직접적으로 관련된 지원 부문인 ‘3D·4D프린팅용 형상기억 고분자 원천소재 및 초내열 합금분말, 금속분말 기술 연구’의 경우 과기정통부 기준 8억원을 지원하는데 그쳤다. 

NICE평가정보 이혜연 전문연구원은 4일 발표한 ‘제조 산업의 혁신 및 스마트 소재의 개발’ 보고서를 통해 “국내 4D프린팅 산업은 아직 관련 지원과 투자가 미미한 수준으로 산업 활성화를 기대하기 어렵다”고 지적했다.

그러면서도 “4D프린팅의 주요 핵심인 디자인과 소재에 대해 국내 시장은 산업 경쟁력을 갖고 있다”며 “앞으로 장기적인 관점에서 개발 지원 및 투자가 확대될 때 미래 주력 사업으로 확대될 것으로 기대된다”고 긍정적으로 전망했다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(출처:http://www.sisaweek.com/news/articleView.html?idxno=148561)