[논문]스마트 소재 및 구조 기반 4D 프린팅 기술 동향

송현서; 김지윤

doi:10.31613/ceramist.2020.23.1.07

스마트 소재 및 구조 기반 4D 프린팅 기술 동향
4D printing with smart materials and structures 원문보기

세라미스트 = Ceramist, v.23 no.1, 2020년, pp.27 - 37

송현서 (울산과학기술원 신소재공학부) , 김지윤 (울산과학기술원 신소재공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, 4D printing technology has received considerable attention in various industries and research fields including soft robotics, tissue engineering, electronics. In 4D printing process, 3D printed object transforms itself into programmed structure by the input of external energy. Thus, this process requires not only smart materials, capable of changing their properties or features in response to external stimuli such as electricity, temperature, light, etc., but also smart structures, multi-material 3D printing, simulation and so on. In this review, the concept, technical elements and potential of 4d printing are presented.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

이에 프로 그래머블 소재를 구현하기 위한 또 다른 기술로, 스마트 소재와 이들의 자기조립을 이용한 4D 프린팅 기술이 연구되어 왔다. 그러므로 본고에서는 4D 프린팅의 정의와 기술 요소들을 소개하고자 한다.
키리가미 구조 역시 4D 프린팅 구조로 활용될 수 있는데, 최근 하버드대학교 연구진들의 키리가미 기반의 스마트 액츄에이터를 이용한 소프트 로봇 개발했을 뿐 아니라 3D 프린팅을 이용한 키리가미 기반 액츄에이터 등이 다양하게 연구되고 있다. 키리가미 구조도 오리가 미구조와 같이 스마트 소재를 4D 프린팅하는 효과적인 하나의 구조로 자리를 잡아갈 것이다.^22-24)

제안 방법

국내에서는 광주과학기술원 (GIST)의 이용구 교수 연구팀이 4D 프린팅 시뮬레이터를 개발 및 연구 중이다. 4D 프린팅 과정에서 목표 구조물을 구현하기 위한 스마트 관절을 자동 배치 할 수 있는 자동 설계 방법을 제시하고, 제작된 구조물과 목표 형상의 유사성을 검증하였다.³⁰⁾ 해외의 4D 프린팅 시뮬레이터의 경우 코넬대학 (Cornell University) 연구팀에서 개발한 VoxCAD가 대표적이며, 연성로봇의 디자인 및 시뮬레이션에 활용되고 있다.
지금까지 4D 프린팅의 정의와 기술 요소들을 개괄적으로 살펴보았다. 지능형 사물이라는 4D 프린팅이 제시하는 비전은 매우 높지만, 아직 해결해야 할 기술적 난제들이 매우 많다.

성능/효과

14) 종이접기 구조는 제작이 쉬울 뿐만 아니라 새로운 형태로 재구성하는 것이 용이하며, 고, 제작, 조립, 보관 및 변형 등 여러 측면에서 장점을 가지고 있다. 또한, 이러한 설계 원리가 거의 모든 스케일에 적용될 수 있다는 것 역시 종이접기의 큰 장점 중 하나이다.
2015 년에는 코넬 대학교 연구팀이 이를 활용하면 신축성을 갖는 전기 전도성 소재 개발 방안을 제시했다.²¹⁾ 그래핀은 탄 소 원자들이 결합하여 만든 육각형 벌집 모형의 2차원 소재이며 높은 안정성을 갖는 반면 인장력을 가하면 찢어지는 성질을 가진다. 이것은 2차원 소재의 특징상인 장력이 가해졌을 때 특정 부분에 힘이 집중되면서 소재가 견디지 못하기 때문이다.

후속연구

그러므로, 4D 프린팅은 큰 강성이 요구되는 산업적 응용분야보다는 생활용품 분야와 더불어 생체 구조와 접목되는 의료 분야에서 좀 더 빠른 시기에 두각을 드러낼 수 있을 것이라 예상된다. 특히, 생체 환경에서 구동되어야 하는 삽입형 기기의 경우에는, 삽입 및 제거과정에서 다양한 인터페이스를 활용할 수 있고, 구동 중에는 다양한 생체 환경 변화에 능동적으로 대응할 수 있는 스마트 소재의 활용이 필수적이기 때문에 4D 프린팅 소재 들이 활용될 여지가 매우 크다고 할 수 있다.
²⁹⁾ 이러한 다양한 구조적 설계 기법들을 기반으로, 스마트 소재와 3D 프린팅을 기반으로 하는 4D 프린팅 구조물의 복잡도가 점점 높아지고 있다. 다양한 스마트 소재와 스마트 구조의 융합은 4D 프린팅이 가능성과 응용분야를 확장하는데 큰 역할을 할 것이다.
그러나 4D 프린팅 소재의 경우 3D 프린팅 시 장에서도 활용될 가능성이 높기 때문에 3D 프린팅 소재를 보급하고 있는 기존 회사들의 접근이 용이하다. 또 한, 4D 프린팅 기술은 스마트 소재의 개발부터 설계 디 자인, 프린터, 시뮬레이션에 이르기까지 아직 해결해야 할 기술적 난제들이 매우 많으므로, 적극적인 투자와 집중된 연구가 이루어진다면 세계시장을 선점하고 이끌어 갈 수 있을 것으로 기대된다.
¹¹⁾ 이러한 방법은 소재의 자극 반응 정도뿐만 아니라 자극 반응 인터페이스를 제어할 수 있기 때문에 4D 프린팅에 적용 가능한 스마트 소재의 범위를 넓힐 수 있다. 또한, 이러한 방법들로 다양한 스마트소재를 구조적으로 집적하여 프린팅한 물체의 형상과 물성 변화를 프로그래밍할 수 있게 되 면^12-13), 복잡한 작동을 필요로 하는 로봇 공학 및 생물 의학 등 광범위한 분양에서 4D 프린팅의 응용 분야를 찾을 수 있을 것이다.
학계에서는 자극반응형 스마트 소재, 스마트 구조 설계, 다물질 프린팅, 바이오 프린팅 등 4D 프린팅의 요소 기술 연구들이 활발하게 진행되고 있으며, 소프트로봇, 웨어러블 디바이스, 조직공학 등의 다양한 분야와 융합되어 그 응용 분야를 넓혀가고 있다. 스마트 소재와 3D 프린팅 분야와 접목한 4D 프린팅 기술을 발전시키면 큰 시너지를 얻을 수 있을 것으로 예상되며 4D 프린팅 제품은 패션/생활용품 시장에서 나아가 보건의료 분야 (헬스 케어, 인공 근육, 인공 생체기관 등), 제조/패키징 분야, 가전제품 분야 (스마트 센서 등), 사회 기반시설 분야, 자동차/항공/방위산업 분야에 이르기까지 활발하게 응용될 것으로 기대된다.
위에서 소개한 4D 프린팅의 모든 기술요소 (소재, 구 조, 3D 프린팅, 설계, 시뮬레이션 등)들은 창의적이고 도전적인 접근을 요구하며, 특히 복잡한 시스템을 제작하기 위해서는 4D 프린팅에서 나아가 재료공학, 기계공학, 전기공학, 컴퓨터공학, 생명공학 등에 이르기까지 거의 모든 공학을 아우르는 융복합적 접근이 필요하다. 이 목표를 향해가는 과정에서 다양한 원천기술들이 개발될 수 있으며, 이는 4차 산업혁명 시대에 진정한 시물 지능을 구현하는데 다양한 방면에서 도움이 될 것이다. 이러한 과정을 거쳐 멀지 않은 미래에, 4D 프린팅 기술의 발전은 3D 프린팅이 가져다줄 것이라 예상하는 산업 구조의 변화 수준을 넘어서, 물리적 세계에 대한 인식 자체를 달리하는 파급력 있는 사회적 효과를 가져올 수 있을 것으로 기대된다.
이 목표를 향해가는 과정에서 다양한 원천기술들이 개발될 수 있으며, 이는 4차 산업혁명 시대에 진정한 시물 지능을 구현하는데 다양한 방면에서 도움이 될 것이다. 이러한 과정을 거쳐 멀지 않은 미래에, 4D 프린팅 기술의 발전은 3D 프린팅이 가져다줄 것이라 예상하는 산업 구조의 변화 수준을 넘어서, 물리적 세계에 대한 인식 자체를 달리하는 파급력 있는 사회적 효과를 가져올 수 있을 것으로 기대된다.
그러나 진정한 초지능 사회로 진입하기 위해서는, 정적인 디지털 기기에 서 나아가 사물에 대한 새로운 관점이 필요하다. 즉, 사물이 무형의 정보를 처리하는 것뿐만 아니라 겉으로 보여지는 형상과 물성 자체를 변화시키고 프로그래밍 할 수 있다면, 사람과 사물, 사물과 사물 간의 관계가 혁신적으로 재정립될 수 있을 것이다.
대부분의 스마트 소재는 한 가지 자극에 한 종류의 기능 변화를 보여주는데, 예를 들어 온도가 높아지면 구부러지는 등 아직까지는 기초적인 기능 수준에서 동작한다. 하지만 추가적인 기능과 물성을 조합하면 복잡한 전기/기계적 시스템의 부품으로 활용될 수 있다. 이러한 특징을 기반으로 스마트 소재는 액추에이터, 센서부터 자동차, 로봇, 생체의료소자, 에너지 하베스팅 소자까지 다양한 분야에 이르는 응용 분야에 활용되는 연구가 이루어지고 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	4D 프린팅 기술의 사용하는 이유는?	1).5-7) 즉, 4D 프린팅 기술을 이용하면, 자극 반응형 스마트 소재를 잘 설계된 3차 원 구조로 프린팅할 수 있기 때문에, 3D 프린팅된 제품의 정적인 특징을 극복하고 외부 환경에 스마트하게 적응하는 능동적인 제품들을 생산 할 수 있다. 이러한 관점에서 4D 프린팅은 소프트 로보틱스, 바이오 프린팅, 패션, 예술, 건축, 자동차, 의료, 컨텐츠 등 기존 3D 프린팅의 응용 분야를 모두 포함할 수 있고, 나아가 지능형 기능을 기반으로 새로운 시장을 창출할 수 있는 가능성을 지니고 있다.
	4D 프린팅 기술은?	4D 프린팅은 2013년 미국 MIT 자가 조립연구소 (Self-assembly Lab)의 Skylar Tibbits 교수가 ‘4D 프린팅의 출현 (The emergence of 4D printing)’ 이라는 제목의 TED 강연에서 처음 제안한 개념으로,4) 3D 프린팅에서 파생된 개념이다. 3D 프린팅이 개인이 상상하고 설계한 가상의 형상을 그대로 물리적 세계에 실현시켜주는 기술이라면, 4D 프린팅은 온도 나 습도 등의 외부 자극 요소에 의해 따라 3D 프린팅된 사물이 시간에 따라 스스로 물성이나 형상을 변화할 수 있게 만드는 기술이다 (Fig. 1).
	3D 프린팅의 장점은?	4D 프린팅에 앞서 3D 프린팅의 특징을 살펴보자면, 3D 프린팅은 기존의 금형이나 절삭이 아닌, 재료를 한 층씩 쌓는 적층 방식 (Additive manufacturing)을 이용해 3차원 사물을 만드는 기술이다. 다양한 프린팅 재료를 이용해 복잡하고 정밀한 형상의 사물을 제작할 수 있기 때문에 그 응용 분야가 넓을 뿐 아니라, 제조공정의 간소화, 다품종 소량 생산을 가능하게 하여 신시장을 창출하고 전통적인 산업 구조에 큰 영향을 미치고 있다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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