4D 프린팅 기술 및 산업 현황
2021-09-13
org.kosen.entty.User@170f63e2
윤정배(yoonjung)
1. 개요[1, 2]
4D 프린팅은 2013년 4월, MIT 자가조립연구소의 스카일러 티비츠(Skylar Tibbits) 교수와 글로벌 최대 3D 프린터 제조 기업인 스트라시스(Stratasys)의 교육 R&D부서가 함께 개발한 것으로, 3차원 공간(입체 형상) 가공에 시간(자가 조립, 자가 변형)이라는 차원이 더 추가된 기술이다. 3D 프린팅은 각종 부품을 가공 후, 가공된 부품을 조립하여 완성품을 만드는 방식이지만, 4D 프린팅은 미리 설계된 형태에 따라 자가 조립(self-assembly) 또는 자가 변형(self-transformation)을 할 수 있는 운동학적 특성이 내재된 소재를 3D 프린팅으로 제작하는 가공방법이다.
운동학적 특성을 내재화하기 위해서는 형상기억합금(shape memory alloy)이나 형상기억폴리머섬유(shape memory polymer fiber)와 같이 외부 자극을 감지할 수 있을 뿐만 아니라 형상 제어 로직(logic)에 따라 자기변형 및 조립을 진행할 수 있는 새로운 기능의 스마트 소재(smart material) 개발이 요구된다. 또한, 4D 프린팅에 적합한 스마트 소재는 3D 프린팅 소재로서 출력이 가능한 것은 물론이고, 정보 식별 기능 및 자기변형 능력, 자기판단 능력 그리고 자기회복 능력 등도 모두 갖추고 있어야 하고, 더불어 빠르게 변형 및 조립되는 소재의 물성도 요구된다. 2021년 현재 4D 프린팅 가공물은 물과 같은 단순한 자극에만 반응하고 있지만, 기술이 발전함에 따라 온도, 햇빛, 소리 등 다양한 조건에서 반응할 수 있는 스마트 소재가 개발될 것으로 전망된다.
4D 프린팅은 3D 프린팅의 확장 개념으로, 제품 성능이나 품질 그리고 제조 효율성 면에서 기존 제조 기술보다 우수하기 때문에 더 많은 기능을 보유한 제품을 생산할 수 있으며, 이로 인해 제조 공정 속도를 높이고 노동력을 줄일 수 있고, 더불어 맞춤형 설계 및 설계의 유연성을 조절할 수 있다는 장점이 있다.
4D 프린팅 기술의 핵심은 3D 프린팅에 적합하고 자가 변형이 가능한 스마트 소재 및 가공 방법의 개발로 요약될 수 있고, 본 보고서에서는 최근 4D 프린팅 기술 및 산업 현황에 대해 조사하고자 한다.
2. 기술 동향[3, 4, 7]
일반적으로 4D 프린팅의 핵심 기술은 자극 반응형 소재(stimuli-responsive material), 또는 스마트 소재(smart material) 설계 기술과 3D 프린팅 가공 기술 등으로 구성된다.
2.1. 스마트 소재의 종류
전기 자극에 반응하는 전도성 고분자(conductive polymer), 이온성 고분자(ionic polymer), 액정 탄성 중합체(liquid crystal elastomer), 유전 탄성체(dielectric elastomeric actuator), 전기 유변 유체(electrorheological fluid), 전기 전도성 복합체(conductive composite) 등이 있다.
자기 자극에 반응하는 자성 유체(ferrofluid), 자기 유변 유체(magnetorheological fluid), 자성 복합체(magnetic composite) 등이 있다.
온도에 반응하는 형상 기억 고분자(shape memory polymer), 형상 기억 합금(shape memory alloy), 하이드로젤(hydrogel), 액체 금속(liquid metal) 등이 있다.
빛에 반응하는 아조벤젠 기반 고분자(azobenzene containing polymer), 내부 유체의 압력에 변형되는 탄성 중합체(Elastomer) 등이 있다.
2.2. 대표적 연구
2010년 4월 미국 로렌스버클리국립연구소(Lawrence Barkeley National Laboratory) 분자 파운드리(Molecular Foundry) 생명공학적 나노구조 연구시설(Biological Nanostructures Facility) 책임자인 로널드 주커만(Ronald Zuckermann) 연구팀은 액체 속에서 자가 조립 가능한 최대 크기의 2차원 형태 형상기억 폴리머(분자 종이, molecular paper)를 개발하였다.
2011년 2월 매사추세츠 공과대학교 자가조립연구소의 스카일러 티비츠(Skylar Tibbits) 교수는 편향 체인(자가조립 체인 – 두 가지 값을 가지는 스위치가 내장되어 있고, 손을 흔드는 동작을 통해 스위치의 값이 변화하면서 1차원의 체인이 3차원 모양으로 변형)을 소개하였다.
미국 매사추세츠 공과대학교 자가조립연구소(Self-Assembly Lab)는 2013년 2월 28일 3D 프린터 제조사인 스트라타시스(Stratasys) 그리고 3D 설계도구 제조사인 오토데스트(Autodesk)와 협력하여 자가조립 물체 큐브(Cube)를 선보였다. 이 자가조립 물체는 오토데스크의 클라우드 기반 물질 설계 플랫폼 사이보그(Cyborg)와 스트라시스의 3D 프린터를 이용해서 제작된 것으로, 물에 반응하여 1차원에 해당하는 선(line)이 2차원으로 변형되고 궁극적으로 3차원의 구조물로 변형되었다.
2013년 6월 하버드대학교 로버트(Robert J. Wood) 교수 연구팀과 매사추세츠 공과대학교 다니엘라 루스(Daniela Rus) 교수 연구팀은 함께 3D 프린터로 제작한 인치크기의 자가 접기 로봇을 선보였다. 이 로봇은 열 형상기억합금이 삽입되어 있고 전기회로가 내장되어 전기를 통해 열을 발생하면 형상기억합금이 특정 형태로 변형되었다.
2013년 10월 미국 공군과학연구국(US Air Force Office of Scientific Research)과 연구재단(NSF)로부터 자금을 지원받아, 콜로라도 대학교 제리퀴(Jerry Qi) 교수 연구팀과 싱가폴 기술디자인대학교(Singapore University of Technology and Design)의 마틴 듄(Martin L Dunn)교수는 3D 프린팅용 재료에 형상기억폴리머를 혼합한 재료를 이용하여 일상조건에서도 자가변형이 가능한 물체를 제작하는데 성공하였다.
3. 산업 동향[5, 6]
2021년 현재 4D 프린팅 시장에 진출하고 있는 업체는 3D 프린터 세계 1위 업체인 Stratasys를 비롯하여 3D Systems, Autodesk, Exone 그리고 Organovo 등이 있다.
4D 프린팅 산업의 가치사슬은 최종소비자, 4D 프린터 제조업체, 4D 프린터용 스마트 소재 공급 업체 그리고 4D 프린팅 설계소프트웨어 업체로 구성된다.
4D 프린팅 최종소비자는 개인고객에서부터 자동차 산업, 항공기 산업, 군수 산업 등의 기업고객까지 다양하고, 4D 프린터 제조업체는 최종소비자가 원하는 4D 프린팅 작업을 수행할 수 있는 4D 프린터의 개발/제조/판매를 담당하며, 대표적인 회사로는 Stratasys가 있고, 4D 프린팅용 스마트 소재 제공업체는 4D 프린팅에 사용할 소재의 개발/양산을 담당하며, 대표적인 회사로는 3D 프린팅 서비스업체인 i.materialise가 있고, 4D 프린팅 설계소프트웨어 제공업체는 컴퓨터상에서 제품 설계를 담당하며, 대표적인 업체로는 Autodesk, CATIA, 3DView SolidView 등과 같은 CAD/CAM업체들이 있다.
3.1. 의학 분야
최근 국내 한 연구팀이 4D 프린팅 기술을 이용해 동물의 근육과 뼈를 재생시키는 놀라운 성과를 발표했다. 이들은 콜라겐과 하이드록시아파타이트(hydroxyapatite, 치아와 뼈의 주성분)로 만든 지지대를 4D 프린터로 제작하여, 뼈가 어긋난 생쥐에게 적용한 결과 골조직 형성이 증가했고 이식 부위 주변 조직에서 신생혈관도 효율적으로 생성되는 성과를 보였다.
현재 3D프린팅을 통해 치아는 물론, 피부, 관절, 장기, 심장판막까지 생산할 수 있으며, 살아있는 세포를 출력하는 기술로 신경조직까지 만들 수 있는 경지에 이르렀다. 여기에 열, 공기 등 주변 환경 또는 자극에 스스로 모양을 변경하고, 제조할 수 있는 자가 변형 기능을 탑재한 4D 프린팅 기술이 새롭게 도입되고 있다.
2015년 미국에서 4D 프린팅 기술을 활용해 기관지를 다친 생후 5개월 된 아기를 치료하는데 성공하였다. 형태를 바꿀 수 있는 플라스틱인 폴리카프로탁톤(PCL)을 프린터로 인쇄해 목에 대는 부목으로 사용하였고, 부목은 아이가 자라면서 조금씩 커지고 기관지가 자리를 잡은 3년 후에, 목에 녹아 없어지는 자가 변형 메카니즘으로 설계되었다.
3.2. 의류 분야
MIT(Massachusetts Institute of Technology) 출신이 창립한 미국의 디자인 스튜디오 너버스 시스템(Nervous Systems)은 4D 프린팅을 이용한 독특한 드레스를 만들었다. 이들이 만든 옷은 2,000개 이상의 부품으로 구성된 키네메틱스 드레스(kinematics dress)로, 3,316개의 힌지(hinge)로 상호 연결된 2,279개의 독특한 삼각형 패널로 구성되어 있다.
너버스 시스템이 4D 프린터로 구현한 이 드레스가 일반 3D 프린터로 만들어지는 옷과 다른 점은 사람의 몸에 꼭 맞게 드레스가 변화한다는 점이다. 조각의 패턴이 서로 연결되어 있기 때문에 각각 사람의 체형에 맞춰 변형된다.
3.3. 자동차 산업 분야
4D 프린팅 기술을 자동차 코팅 부분에 활용하게 되면 다양한 주변 환경의 변화에 맞게 변형 가능한 형태로 전환할 수 있다. 환경의 변화에 맞게 차량 코팅 부분이 변환 가능해 차량 외관 부식을 방지할 수 있다. 더불어 차량 부품의 경우, 4D 프린팅 기술을 활용하여 유연성과 강도가 자유롭게 조절 가능한 제품을 생산할 수 있어, 제품 생산의 효율성이 향상될 것으로 전망된다.
4D 프린팅 기술로 제작된 독일 자동차 회사 비엠더블유(BMW)의 콘셉트카 BMW 비전 넥스트 100의 외관은 운전대 조작과 주행 환경에 따라 디자인이 변한다. 운전자의 주행 습관과 스타일을 학습해 운전자만을 위한 인공지능 가이드가 제공되고 바람이 불거나 운전대를 돌리면 상황에 맞춰 바퀴의 형상이 변화하기도 한다. 더불어 차량 내부에 공기를 주입하면 프로그램된 형태로 팽창하며 모습을 변화시킬 수 있는 소재가 내부 인테리어에 사용되었으며, 젤 형태의 액체가 들어있는 통 안에 액체 상태의 고무나 플라스틱을 주입하여 형태를 완성해 나가는 액체 출력공압법이 내부 좌석에 도입되었다.
4. 시장 규모[8]
4D 프린팅 시장은 국방, 항공우주, 건설, 헬스케어, 자동차, 의류 그리고 공공기술에 활용되고 있다. 산업별로 4D 프린팅 활용을 타임라인으로 살펴보면 2019년에는 항공우주/국방산업, 2020년에는 건설/헬스케어, 2021년까지는 자동차/의류/공공기술 분야에 적용될 것으로 분석된다.
Frost&Sullivan(2014)의 보고서에 따르면, 4D 프린팅 기술은 2016년부터 상용제품이 출시될 것으로 전망하였다. 소비재 중에서 패션과 생활용품 시장에 가장 먼저 영향을 줄 것으로 예상했고, 이어서 가정용 가전제품에 영향을 줄 것으로 보았다. 전기전자 부품 중에서는 일명 스마트센서(smart sensors) 개발에 기여할 것으로 예상하였고, 궁극적으로 적응형 센서(adaptive sensors) 개발에 일조할 것으로 전망하였다. 더불어 산업용 시장에서는 보건의료산업의 인공생체조직(artificial tissue), 바이오 프린트(bio prints), 인공생체기관(artificial organ)을 중심으로 발전할 것으로 예상하였고, 빌딩건설 재료(파이프)와 각종 기계장치와 도구, 자동차 바디 등에 이용될 것으로 전망하였다.
MarketsandMarkets 시장예측보고서에 따르면 4D 프린터 시장 규모는 2019년 6,300만 달러에서 연평균 42.95% 성장하여, 2025년 5억 5,560만 달러로 시장규모가 약 9배 이상 성장할 것으로 예상되며, 4D 프린팅 기술을 적용 가능한 영역은 항공우주, 자동차, 의류, 건설, 국방, 헬스케어 그리고 공공 기술 등 매우 다양할 것으로 전망된다.
최종소비자(end-user) 산업별 4D 프린팅 시장 규모를 살펴보면 항공산업의 경우 2019년에는 28.4백만 달러에서 연평균 34.2% 성장하여 2025년에는 165.9백만 달러 규모의 시장 형성이 예상되고, 자동차산업의 경우에는 2021년 11.3백만 달러에서 연평균 20.2% 성장하여 2025년에는 23.6백만 달러 규모의 시장 형성이 전망된다.
국가별로 4D 프린팅 시장을 예측하면 북미 시장은 2019년 26.6백만 달러에서 2025년 230.5백만 달러로 43.3%(CAGR) 성장할 것으로 분석되며, 아시아-태평양 시장은 2019년 14.1백만 달러에서 연평균 51.8%(CAGR) 성장하여 2025년 172.6백만 달러 규모의 시장 형성이 전망된다.
5. 주안점
Frost&Sullivan(2014) 보고서에 의하면 대량 생산이 가능해진 후 몇 년이 지나면, 4D 프린팅 기술 비용은 떨어질 것이고, 광범위한 산업들에 걸쳐 다양한 기업들이 자신들의 생산 시스템을 4D 프린팅 기술로 통합시키는 사례가 늘어날 것이며, 특히 북미에서는 관련 연합이나 연구 기관, 대학, 벤처기업 그리고 대기업 등의 경우, R&D 투자를 장려하는 낙관적인 재정 환경으로 4D 프린팅 활용도는 더욱 높아질 것으로 전망하고 있다.
4D 프린팅 선도 기업/국가의 경우, 바이오메딕 4D 프린팅 산업에 대한 전문인력 양성 및 기술개발 등에 막대한 투자를 하고 있으며, 4D 프린팅 산업이 돌아가게 하려면 소재, 부품, 공정, 장비 그리고 응용 산업까지 모두 연계돼야 하는 만큼 정부와 공공기관의 역할이 중요할 것으로 예상된다.
4D 프린팅 산업은 새롭게 등장한 분야이므로 아직 기술적으로 개발 초기 단계에 머물러 있어, 제품 상용화를 위해 관련 업체들이 넘어야 할 산이 많다. 하지만 이런 기회를 잘 이용한다면 우리나라 중소기업들이 4D 프린팅 분야에서 세계적인 기업으로 우뚝 설 수 있을 것으로 사료된다.
References
1. 4D 프린팅. 한국과학기술정보연구원, 2014.
2. 3D 프린팅 가고 4D프린팅 온다. 더 사이언스타임즈, 2019.
3. 3D 프린팅에 자가변형을 입히다 ‘4D 프린팅’. 테크월드, 2020.
4. 몸속 상황별 스스로 형태 변하는 4D 프린팅 의료기술 혁신. 메디파나 뉴스, 2019.
5. “상황에 따라 변신” 4D 프린팅의 비밀. 아시아경제, 2020.
6. 스스로 변형 물질 만들어 내는 4D 프린팅 기술 주목. 인더스토리 뉴스, 2018.
7. 스마트 소재 및 구조 기반 4D 프린팅 기술 동향. Ceramist, 2020.
8. 4D Printing: An Emerging Market. BBC Research, 2020.
4D 프린팅은 2013년 4월, MIT 자가조립연구소의 스카일러 티비츠(Skylar Tibbits) 교수와 글로벌 최대 3D 프린터 제조 기업인 스트라시스(Stratasys)의 교육 R&D부서가 함께 개발한 것으로, 3차원 공간(입체 형상) 가공에 시간(자가 조립, 자가 변형)이라는 차원이 더 추가된 기술이다. 3D 프린팅은 각종 부품을 가공 후, 가공된 부품을 조립하여 완성품을 만드는 방식이지만, 4D 프린팅은 미리 설계된 형태에 따라 자가 조립(self-assembly) 또는 자가 변형(self-transformation)을 할 수 있는 운동학적 특성이 내재된 소재를 3D 프린팅으로 제작하는 가공방법이다.
운동학적 특성을 내재화하기 위해서는 형상기억합금(shape memory alloy)이나 형상기억폴리머섬유(shape memory polymer fiber)와 같이 외부 자극을 감지할 수 있을 뿐만 아니라 형상 제어 로직(logic)에 따라 자기변형 및 조립을 진행할 수 있는 새로운 기능의 스마트 소재(smart material) 개발이 요구된다. 또한, 4D 프린팅에 적합한 스마트 소재는 3D 프린팅 소재로서 출력이 가능한 것은 물론이고, 정보 식별 기능 및 자기변형 능력, 자기판단 능력 그리고 자기회복 능력 등도 모두 갖추고 있어야 하고, 더불어 빠르게 변형 및 조립되는 소재의 물성도 요구된다. 2021년 현재 4D 프린팅 가공물은 물과 같은 단순한 자극에만 반응하고 있지만, 기술이 발전함에 따라 온도, 햇빛, 소리 등 다양한 조건에서 반응할 수 있는 스마트 소재가 개발될 것으로 전망된다.
4D 프린팅은 3D 프린팅의 확장 개념으로, 제품 성능이나 품질 그리고 제조 효율성 면에서 기존 제조 기술보다 우수하기 때문에 더 많은 기능을 보유한 제품을 생산할 수 있으며, 이로 인해 제조 공정 속도를 높이고 노동력을 줄일 수 있고, 더불어 맞춤형 설계 및 설계의 유연성을 조절할 수 있다는 장점이 있다.
4D 프린팅 기술의 핵심은 3D 프린팅에 적합하고 자가 변형이 가능한 스마트 소재 및 가공 방법의 개발로 요약될 수 있고, 본 보고서에서는 최근 4D 프린팅 기술 및 산업 현황에 대해 조사하고자 한다.
2. 기술 동향[3, 4, 7]
일반적으로 4D 프린팅의 핵심 기술은 자극 반응형 소재(stimuli-responsive material), 또는 스마트 소재(smart material) 설계 기술과 3D 프린팅 가공 기술 등으로 구성된다.
2.1. 스마트 소재의 종류
전기 자극에 반응하는 전도성 고분자(conductive polymer), 이온성 고분자(ionic polymer), 액정 탄성 중합체(liquid crystal elastomer), 유전 탄성체(dielectric elastomeric actuator), 전기 유변 유체(electrorheological fluid), 전기 전도성 복합체(conductive composite) 등이 있다.
자기 자극에 반응하는 자성 유체(ferrofluid), 자기 유변 유체(magnetorheological fluid), 자성 복합체(magnetic composite) 등이 있다.
온도에 반응하는 형상 기억 고분자(shape memory polymer), 형상 기억 합금(shape memory alloy), 하이드로젤(hydrogel), 액체 금속(liquid metal) 등이 있다.
빛에 반응하는 아조벤젠 기반 고분자(azobenzene containing polymer), 내부 유체의 압력에 변형되는 탄성 중합체(Elastomer) 등이 있다.
2.2. 대표적 연구
2010년 4월 미국 로렌스버클리국립연구소(Lawrence Barkeley National Laboratory) 분자 파운드리(Molecular Foundry) 생명공학적 나노구조 연구시설(Biological Nanostructures Facility) 책임자인 로널드 주커만(Ronald Zuckermann) 연구팀은 액체 속에서 자가 조립 가능한 최대 크기의 2차원 형태 형상기억 폴리머(분자 종이, molecular paper)를 개발하였다.
2011년 2월 매사추세츠 공과대학교 자가조립연구소의 스카일러 티비츠(Skylar Tibbits) 교수는 편향 체인(자가조립 체인 – 두 가지 값을 가지는 스위치가 내장되어 있고, 손을 흔드는 동작을 통해 스위치의 값이 변화하면서 1차원의 체인이 3차원 모양으로 변형)을 소개하였다.
미국 매사추세츠 공과대학교 자가조립연구소(Self-Assembly Lab)는 2013년 2월 28일 3D 프린터 제조사인 스트라타시스(Stratasys) 그리고 3D 설계도구 제조사인 오토데스트(Autodesk)와 협력하여 자가조립 물체 큐브(Cube)를 선보였다. 이 자가조립 물체는 오토데스크의 클라우드 기반 물질 설계 플랫폼 사이보그(Cyborg)와 스트라시스의 3D 프린터를 이용해서 제작된 것으로, 물에 반응하여 1차원에 해당하는 선(line)이 2차원으로 변형되고 궁극적으로 3차원의 구조물로 변형되었다.
2013년 6월 하버드대학교 로버트(Robert J. Wood) 교수 연구팀과 매사추세츠 공과대학교 다니엘라 루스(Daniela Rus) 교수 연구팀은 함께 3D 프린터로 제작한 인치크기의 자가 접기 로봇을 선보였다. 이 로봇은 열 형상기억합금이 삽입되어 있고 전기회로가 내장되어 전기를 통해 열을 발생하면 형상기억합금이 특정 형태로 변형되었다.
2013년 10월 미국 공군과학연구국(US Air Force Office of Scientific Research)과 연구재단(NSF)로부터 자금을 지원받아, 콜로라도 대학교 제리퀴(Jerry Qi) 교수 연구팀과 싱가폴 기술디자인대학교(Singapore University of Technology and Design)의 마틴 듄(Martin L Dunn)교수는 3D 프린팅용 재료에 형상기억폴리머를 혼합한 재료를 이용하여 일상조건에서도 자가변형이 가능한 물체를 제작하는데 성공하였다.
3. 산업 동향[5, 6]
2021년 현재 4D 프린팅 시장에 진출하고 있는 업체는 3D 프린터 세계 1위 업체인 Stratasys를 비롯하여 3D Systems, Autodesk, Exone 그리고 Organovo 등이 있다.
4D 프린팅 산업의 가치사슬은 최종소비자, 4D 프린터 제조업체, 4D 프린터용 스마트 소재 공급 업체 그리고 4D 프린팅 설계소프트웨어 업체로 구성된다.
4D 프린팅 최종소비자는 개인고객에서부터 자동차 산업, 항공기 산업, 군수 산업 등의 기업고객까지 다양하고, 4D 프린터 제조업체는 최종소비자가 원하는 4D 프린팅 작업을 수행할 수 있는 4D 프린터의 개발/제조/판매를 담당하며, 대표적인 회사로는 Stratasys가 있고, 4D 프린팅용 스마트 소재 제공업체는 4D 프린팅에 사용할 소재의 개발/양산을 담당하며, 대표적인 회사로는 3D 프린팅 서비스업체인 i.materialise가 있고, 4D 프린팅 설계소프트웨어 제공업체는 컴퓨터상에서 제품 설계를 담당하며, 대표적인 업체로는 Autodesk, CATIA, 3DView SolidView 등과 같은 CAD/CAM업체들이 있다.
3.1. 의학 분야
최근 국내 한 연구팀이 4D 프린팅 기술을 이용해 동물의 근육과 뼈를 재생시키는 놀라운 성과를 발표했다. 이들은 콜라겐과 하이드록시아파타이트(hydroxyapatite, 치아와 뼈의 주성분)로 만든 지지대를 4D 프린터로 제작하여, 뼈가 어긋난 생쥐에게 적용한 결과 골조직 형성이 증가했고 이식 부위 주변 조직에서 신생혈관도 효율적으로 생성되는 성과를 보였다.
현재 3D프린팅을 통해 치아는 물론, 피부, 관절, 장기, 심장판막까지 생산할 수 있으며, 살아있는 세포를 출력하는 기술로 신경조직까지 만들 수 있는 경지에 이르렀다. 여기에 열, 공기 등 주변 환경 또는 자극에 스스로 모양을 변경하고, 제조할 수 있는 자가 변형 기능을 탑재한 4D 프린팅 기술이 새롭게 도입되고 있다.
2015년 미국에서 4D 프린팅 기술을 활용해 기관지를 다친 생후 5개월 된 아기를 치료하는데 성공하였다. 형태를 바꿀 수 있는 플라스틱인 폴리카프로탁톤(PCL)을 프린터로 인쇄해 목에 대는 부목으로 사용하였고, 부목은 아이가 자라면서 조금씩 커지고 기관지가 자리를 잡은 3년 후에, 목에 녹아 없어지는 자가 변형 메카니즘으로 설계되었다.
3.2. 의류 분야
MIT(Massachusetts Institute of Technology) 출신이 창립한 미국의 디자인 스튜디오 너버스 시스템(Nervous Systems)은 4D 프린팅을 이용한 독특한 드레스를 만들었다. 이들이 만든 옷은 2,000개 이상의 부품으로 구성된 키네메틱스 드레스(kinematics dress)로, 3,316개의 힌지(hinge)로 상호 연결된 2,279개의 독특한 삼각형 패널로 구성되어 있다.
너버스 시스템이 4D 프린터로 구현한 이 드레스가 일반 3D 프린터로 만들어지는 옷과 다른 점은 사람의 몸에 꼭 맞게 드레스가 변화한다는 점이다. 조각의 패턴이 서로 연결되어 있기 때문에 각각 사람의 체형에 맞춰 변형된다.
3.3. 자동차 산업 분야
4D 프린팅 기술을 자동차 코팅 부분에 활용하게 되면 다양한 주변 환경의 변화에 맞게 변형 가능한 형태로 전환할 수 있다. 환경의 변화에 맞게 차량 코팅 부분이 변환 가능해 차량 외관 부식을 방지할 수 있다. 더불어 차량 부품의 경우, 4D 프린팅 기술을 활용하여 유연성과 강도가 자유롭게 조절 가능한 제품을 생산할 수 있어, 제품 생산의 효율성이 향상될 것으로 전망된다.
4D 프린팅 기술로 제작된 독일 자동차 회사 비엠더블유(BMW)의 콘셉트카 BMW 비전 넥스트 100의 외관은 운전대 조작과 주행 환경에 따라 디자인이 변한다. 운전자의 주행 습관과 스타일을 학습해 운전자만을 위한 인공지능 가이드가 제공되고 바람이 불거나 운전대를 돌리면 상황에 맞춰 바퀴의 형상이 변화하기도 한다. 더불어 차량 내부에 공기를 주입하면 프로그램된 형태로 팽창하며 모습을 변화시킬 수 있는 소재가 내부 인테리어에 사용되었으며, 젤 형태의 액체가 들어있는 통 안에 액체 상태의 고무나 플라스틱을 주입하여 형태를 완성해 나가는 액체 출력공압법이 내부 좌석에 도입되었다.
4. 시장 규모[8]
4D 프린팅 시장은 국방, 항공우주, 건설, 헬스케어, 자동차, 의류 그리고 공공기술에 활용되고 있다. 산업별로 4D 프린팅 활용을 타임라인으로 살펴보면 2019년에는 항공우주/국방산업, 2020년에는 건설/헬스케어, 2021년까지는 자동차/의류/공공기술 분야에 적용될 것으로 분석된다.
Frost&Sullivan(2014)의 보고서에 따르면, 4D 프린팅 기술은 2016년부터 상용제품이 출시될 것으로 전망하였다. 소비재 중에서 패션과 생활용품 시장에 가장 먼저 영향을 줄 것으로 예상했고, 이어서 가정용 가전제품에 영향을 줄 것으로 보았다. 전기전자 부품 중에서는 일명 스마트센서(smart sensors) 개발에 기여할 것으로 예상하였고, 궁극적으로 적응형 센서(adaptive sensors) 개발에 일조할 것으로 전망하였다. 더불어 산업용 시장에서는 보건의료산업의 인공생체조직(artificial tissue), 바이오 프린트(bio prints), 인공생체기관(artificial organ)을 중심으로 발전할 것으로 예상하였고, 빌딩건설 재료(파이프)와 각종 기계장치와 도구, 자동차 바디 등에 이용될 것으로 전망하였다.
MarketsandMarkets 시장예측보고서에 따르면 4D 프린터 시장 규모는 2019년 6,300만 달러에서 연평균 42.95% 성장하여, 2025년 5억 5,560만 달러로 시장규모가 약 9배 이상 성장할 것으로 예상되며, 4D 프린팅 기술을 적용 가능한 영역은 항공우주, 자동차, 의류, 건설, 국방, 헬스케어 그리고 공공 기술 등 매우 다양할 것으로 전망된다.
최종소비자(end-user) 산업별 4D 프린팅 시장 규모를 살펴보면 항공산업의 경우 2019년에는 28.4백만 달러에서 연평균 34.2% 성장하여 2025년에는 165.9백만 달러 규모의 시장 형성이 예상되고, 자동차산업의 경우에는 2021년 11.3백만 달러에서 연평균 20.2% 성장하여 2025년에는 23.6백만 달러 규모의 시장 형성이 전망된다.
국가별로 4D 프린팅 시장을 예측하면 북미 시장은 2019년 26.6백만 달러에서 2025년 230.5백만 달러로 43.3%(CAGR) 성장할 것으로 분석되며, 아시아-태평양 시장은 2019년 14.1백만 달러에서 연평균 51.8%(CAGR) 성장하여 2025년 172.6백만 달러 규모의 시장 형성이 전망된다.
5. 주안점
Frost&Sullivan(2014) 보고서에 의하면 대량 생산이 가능해진 후 몇 년이 지나면, 4D 프린팅 기술 비용은 떨어질 것이고, 광범위한 산업들에 걸쳐 다양한 기업들이 자신들의 생산 시스템을 4D 프린팅 기술로 통합시키는 사례가 늘어날 것이며, 특히 북미에서는 관련 연합이나 연구 기관, 대학, 벤처기업 그리고 대기업 등의 경우, R&D 투자를 장려하는 낙관적인 재정 환경으로 4D 프린팅 활용도는 더욱 높아질 것으로 전망하고 있다.
4D 프린팅 선도 기업/국가의 경우, 바이오메딕 4D 프린팅 산업에 대한 전문인력 양성 및 기술개발 등에 막대한 투자를 하고 있으며, 4D 프린팅 산업이 돌아가게 하려면 소재, 부품, 공정, 장비 그리고 응용 산업까지 모두 연계돼야 하는 만큼 정부와 공공기관의 역할이 중요할 것으로 예상된다.
4D 프린팅 산업은 새롭게 등장한 분야이므로 아직 기술적으로 개발 초기 단계에 머물러 있어, 제품 상용화를 위해 관련 업체들이 넘어야 할 산이 많다. 하지만 이런 기회를 잘 이용한다면 우리나라 중소기업들이 4D 프린팅 분야에서 세계적인 기업으로 우뚝 설 수 있을 것으로 사료된다.
References
1. 4D 프린팅. 한국과학기술정보연구원, 2014.
2. 3D 프린팅 가고 4D프린팅 온다. 더 사이언스타임즈, 2019.
3. 3D 프린팅에 자가변형을 입히다 ‘4D 프린팅’. 테크월드, 2020.
4. 몸속 상황별 스스로 형태 변하는 4D 프린팅 의료기술 혁신. 메디파나 뉴스, 2019.
5. “상황에 따라 변신” 4D 프린팅의 비밀. 아시아경제, 2020.
6. 스스로 변형 물질 만들어 내는 4D 프린팅 기술 주목. 인더스토리 뉴스, 2018.
7. 스마트 소재 및 구조 기반 4D 프린팅 기술 동향. Ceramist, 2020.
8. 4D Printing: An Emerging Market. BBC Research, 2020.