[공학저널 박인교 기자] 최근 3D프린팅을 넘어 활발히 연구되고 있는 4D 프린팅 기술은 3D라는 공간에 ‘시간’이라는 또 하나의 차원이 추가된 개념이다.
컴퓨터 설계를 통해 한 층씩 재료를 쌓아올려 고정된 3차원 입체 형상을 만드는 3D 프린팅과 제작 방식은 같지만 스트레스·온도·습도·전자기장 등 외부자극에 따라 시간이 흐르며 형상이나 성질 등이 달라진다.
3차원 구조체가 프린팅 직후 모습으로 고정되는 것이 아니라 시간이 지남에 따라 자기조립(self-assembly)하며 스스로 변화하기 때문이다. 이러한 변화는 색깔, 모습 등 한 가지일 수도 있고 여럿일 수도 있다.
4D 프린팅을 이용하면, 세포 프린팅을 통해 인체 장기 등을 만들어 삽입된 보형물이나 지지대 등도 자가 변형이 가능해진다. 기온· 습도 등에 반응하는 의류와 온도·습도·빛·전자기·압력 등에 따라 변하는 우주선도 제작할 수 있는 것이다. 4D 프린팅 기술을 이루고 있는 핵심 요소 기술은 스마트 소재 개발, 변화과정을 예측할 수 있는 설계 기술, 스마트 소재를 프린트할 수 있는 고기능성 3D 프린터·공정기술 등이 있다. 이 가운데 4D 프린팅의 핵심요소는 '소재'로 꼽힌다. 온도에 따라 길이나 형상이 변화하는 소재, 빛이나 자외선 에너지에 반응하는 소재, 물이나 액체를 쉽게 흡수하는 소재 등 기능성을 가진 소재를 이용하면 얼마든지 출력물의 형태와 성질을 조절할 수 있기 때문이다.
최근 한국과학기술연구원(KIST) 계산과학연구센터는 이러한 4D 프린팅 연구를 통해 화재 현장에서 연기를 흡수하는 소재 기술 개발에 뛰어들었다.
연기 흡착 소재를 공 모양으로 만들어 부피를 줄인 뒤 일정 기준 이상 열이나 물, 연기가 감지되면 에어백처럼 퍼지며 그 안의 팬이 작동하도록 하는 원리다.
KIST 계산과학연구센터 문명운 센터장(사진)은 “4D 프린팅으로 연기를 강력하게 흡착하는 기술은 3년 내 마무리하고 실시간 인공지능(AI) 기반 스마트 화재대응 시스템도 6년 내 완성할 계획”이라며 “4D 프린팅은 형상기억고분자 등 소재 특성을 활용한다. 3D 프린터로 각종 시제품은 물론 산업 현장과 가정의 제조혁신을 가져오는 것 이상으로 임팩트가 크다”고 설명했다.
4D 프린팅 기술은 프린팅 된 구조체가 특정 환경에서 변화할 수 있도록 스마트 소재를 이용해야 하고, 그 변화 과정을 세세히 예측해 설계에 반영해야 한다.
때문에 계산과학(computational science, scientific computing)은 소재 연구에있어 가장 우선시 되는 학문이다.
기존의 과학과 공학 분야에서 사용되는 방법인 이론·실험을 통해 연구대상에 대한 이해를 얻어내는 것이 아니라, 주로 컴퓨터를 이용해 수학적인 모델을 해석하는 방법을 통해 연구대상을 이해하는 방식이다.
이를 바탕으로 KIST 계산과학연구센터는 컴퓨터 시뮬레이션 플랫폼을 이용해 인터넷 웹기반의 계산과학에 대한 연구를 오랫동안 수행해왔다.
현재 센터는 고기능성 신소재 설계를 통한 신소재 원천 기술을 개발하고 있으며, 나노소재와 수소전지 분해 소재를 개발하는 과제를 수행 중이다. 또한 일반 연구자도 쉽게 계산과학을 이용할 수 있는 웹기반의 컴퓨팅 시뮬레이션 플팻폼을 개발하고 있다.
문 센터장은 “계산을 이용해 물리, 화학을 포함하는 순수과학, 공학, 생물학, 사회과학 등 다양한 학문을 연구하고 있다”며 “특히 컴퓨터 시뮬레이션을 이용해서 소재를 개발(설계)하고, 3D 프린팅을 이용한 연구도 함께 수행 중”이라고 말했다.
한편, 문 센터장은 4차 산업혁명으로 여러 기술이 이슈가 되면서, 센터의 연구 비전과는 상관이 많지 않은 이슈가 센터의 연구방향을 흔드는 대외적인 영향으로 인해 연구 환경을 어렵게 만드는 경향에 대해 아쉬움을 전하기도 했다.
문 센터장은 “저희가 계산과학을 하다 보니 AI, 빅데이터 등 최근 과학계에서 이슈가 되고 있는 분야와 관련을 갖게 돼 주위에서 많은 관심을 받고 있지만, 실질적으로 센터는 기술을 개발하는 것이 아니라 기술 개발에 바탕이 되는 컴퓨팅 기술과 시뮬레이션 기술을 연구하고 있다”고 설명했다.
비교적 젊은 연구자들이 활약하고 있는 계산과학연구센터는 앞으로, 급변하는 데이터기반 연구에 대응하고, 일반인들도 사용할 수 있는 컴퓨팅 기술 개발에 더욱 정진할 계획이다.
문 센터장은 “센터 내 구성원의 평균 나이는 40대 초반으로 대단한 의욕을 가지고 연구를 하는 연구자들이 다수 포진해 있다. 의욕과 열정을 충분히 연구에 투입할 수 있는 환경 개발이 중요할 것”이라며 “컴퓨팅 시설에 대한 적극적인 투자를 통해 수소전지나 태양광 분야에 필요한 핵심 소재를 개발하는 방향으로 연구가 진행될 것이다. 3D 프린팅과, 더 나아가 4D 프린팅 기술의 역량 개발에도 집중할 예정”이라고 전했다.
