3차원 인쇄술(3D printing)을 완전히 새로운 수준으로 만드는 기술로 4차원 인쇄술(4D printing)이 펼쳐지고 있다.

4번째 차원은 시간으로, 사실은 형상 변이(shape shifting)이다. 그리고 호주 울런공 대(University of Wollongong)에 위치한 전자재료학을 위한 호주 연구 위원회 우수 연구 센터(ACES: ARC Centre of Excellence for Electromaterials Science)는 적층 가공(additive manufacturing) 부문에서 차세대 혁신 분야를 선도하는 것을 돕고 있다. 

3차원 인쇄술이 가지는 특별한 능력이 산업체와 가정에 침투하기 시작한 것처럼 연구자들은 물이나 열과 같은 외부 자극의 영향을 받아 만들어진 후에 새로운 구조로 변하는 3차원 인쇄술 재료를 개발하기 시작하였다. 이름하여 4차원 인쇄술이다. 

4차원 인쇄술은 시간이 지나면서 사용자 요구에 따라 형상이나 기능이 변화할 수 있는 동적 장치(dynamic device)를 만들기 위해 부상하고 있는 흥미로운 기술이다. 4차원 인쇄술은 영리하게 구동하고 탐지하는 기능을 가지는 재료를 적층 가공 기법과 결합한 것이다.

그리하여 3차원 인쇄술처럼 층별로 쌓아서 원하는 형상을 가지는 구조물을 만든다. 그러나 이러한 새로운 재료는 아이들의 변신 장난감처럼 하나의 형상에서 다른 형상으로 변화될 수 있다. 

이 획기적인 기술은 예를 들어 의학, 건설, 자동화 및 로봇공학 등 무수히 많은 분야에서의 진보를 약속한다. 4차원 인쇄술은 주문 설계된 센서, 로봇공학, 자체 조립이 가능한 구조 등을 만들기 위하여 혁신적이고, 다재다능하며, 편리한 방법을 제공한다. 

전자재료학을 위한 호주 연구 위원회 우수 연구 센터(ACES)의 연구자들은 유연 로봇 공학의 의료 부문에 관심을 가졌으며, 주위의 물 온도에 반영하여 작동하는 밸브를 제작하였다. 이러한 밸브 제작의 아이디어는 주목할 만한 것이라고 전자재료학을 위한 호주 연구 위원회 우수 연구 센터(ACES)의 마크 인헷 판후이스(Marc in het Panhuis) 교수가 전했다.

“이 밸브가 놀라운 것은 사용자가 인쇄기에서 바로 만들어 사용할 수 있는 기능성 작동 장치라는 것이다. 다른 조립 작업을 요구하지 않는다”고 마크 인헷 판후이스 교수가 말했다.

3차원 인쇄기로 만들어진 구조물인 이 밸브는 단지 물로만 작동되는 액추에이터를 가지고 있다고 마크 인헷 판후이스 교수가 설명하였다. “그래서 이것은 자동 밸브이다. 단지 물 이외에는 어떠한 입력도 필요하지 않다. 뜨거운 물을 탐지하면 스스로 폐쇄한다”고 마크 인헷 판후이스 교수가 덧붙였다.

기존에 4차원 인쇄된 사례들은 인상적인 형상 변화를 시연하기 위하여 물의 흡수를 이용하거나 온도에 따른 형상 기억을 이용한다. 그러나 이러한 장치는 반응이 느리고, 가역성이 제한되며, 거의 힘을 발생하지 않는 유연한 구조물의 굽힘 형태 운동에 제한되었다.

그러나 전자재료학을 위한 호주 연구 위원회 우수 연구 센터(ACES)의 연구진은 발표된 논문에서 물의 유동을 제어할 수 있는 스마트 밸브를 만들기 위하여 3차원 인쇄된 딱딱한 하이드로젤 재료와 결합하여 상대적으로 빠르고, 가역성이 있고, 골격근(skeletal muscle)과 같은 선형 구동이 가능함을 기술하였다. 

전자재료학을 위한 호주 연구 위원회 우수 연구 센터(ACES)는 구동 재료가 포함된 딱딱한 젤(gel: 콜로이드 용액인 졸이 젤리모양으로 굳어진 것)을 이용하면서도 4차원 장치를 인쇄하는 것과 4개의 서로 다른 카트리지를 동시에 사용하는 것을 결합하였으며, 이러한 연구는 최초로 수행된 것이라고 전자재료학을 위한 호주 연구 위원회 우수 연구 센터(ACES)의 수석 연구자인 마크 인헷 판후이스 교수가 말했다.  

*[관련 논문의 서지 정보] Shannon E. Bakarich, Robert Gorkin III, Marc in het Panhuis and Geoffrey M. Spinks,"4D Printing with Mechanically Robust, Thermally Actuating Hydrogels," Macromolecular Rapid Communications, Article first published online: 10 APR 2015, DOI: 10.1002/marc.201500079

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』