3D 프린팅 기법 진화하여 4D 프린팅 기법으로..
지난 3월 25일 ‘서울대학교 공과대학’은 ‘권성훈’ 서울대 교수가 ‘김지윤’ UNIST 교수와의 공동연구를 통해, 펜과 물만을 활용하여 3차원 구조물을 신속하게 제작할 수 있는 4D 프린팅 기법을 개발했다고 밝혔다.
‘4D 프린팅’이란 온도, 습도, 진동 등 특정한 조건에서 형태를 스스로 변경하거나 조작하여 새로운 형태로 만들어지는 제품을 의미한다.
기존 4D 프린팅 제품은 형태를 제품 스스로 변화시킬 것이 요구되므로 온도에 따라 형태가 달라지는 형상기억합금과 같은 특수한 기능성 소재를 이용하는 경우가 많았다.
그러나 연구팀은 ‘폴리비닐 부티랄(polyvinyl butyral)’ 성분을 포함한 보드마커 잉크와 물만으로 4D 프린팅 기법을 구현하는 것에 성공했다.
보드마커 잉크는 물에 섞이지 않는 성질을 가지고 있어 유리 용기의 바닥에 그림을 그린 후에 용기에 물을 부으면 그림이 물에 뜨게 된다.
연구팀은 이와 같은 보드마커 잉크 그림의 원리에 착안하여 새로운 4D 프린팅 기법을 제시했는데 새로운 4D 프린팅 기법의 원리만 간략하게 설명하면 다음과 같다.
먼저 제품의 2차원 형상 일부분을 용기의 바닥에 고정시킨 후 도화지에 그림을 그리듯이 다른 부분을 보드마커 잉크로 채워나간다.
평면도가 완성된 것처럼 제품의 2차원 형상이 완성되었다면 용기에 물을 붓는다.
용기에 물이 부어지면 바닥에 고정된 부분은 물에 뜨지 못하지만 고정되지 않은 다른 부분은 보드마커 잉크의 성질상 물에 뜨게 된다.
그러나 바닥에 고정되지 않은 다른 부분도 고정된 부분과 연결되어 있으므로 물에 완전히 뜨지는 못하며, 고정된 부분에 가까울수록 물에 낮게 뜨고 멀수록 물에 높게 뜨게 되므로 결국 서로 다른 높낮이를 갖게 되어 3차원 형상을 가지게 된다.
즉 연구팀은 보드마커로 그림을 그리듯이 제품의 2차원 형상을 만든 후 용기에 물을 붓기만 하면 3차원 형상의 제품을 얻을 수 있는 4D 프린팅 기법을 개발한 것이다.
연구팀은 이번 실험에서는 제품의 구조를 강화하기 위해 보드마커 잉크에 철가루, 단량체, 촉진제 등을 섞어 사용했지만, 순수한 물과 보드마커 잉크만으로도 같은 결과물을 얻는 것이 가능하다고 덧붙였다.
한편 기존 3D 프린팅 방식은 일반적으로 소재를 층층이 쌓아 나가는 적층 방식을 사용하므로 2D 프린팅 방식과 비교하여 제작 시간이 많이 소요되기 때문에 대량 생산에는 적합하지 않다는 지적이 있었다.
하지만 이번에 개발된 4D 프린팅 기법은 2차원의 평면에 그림을 그리듯이 제품의 2차원 형상을 제작한 후에 물을 붓기만 하면 되므로, 적층식의 3D 프린팅 기법보다 제품 제작시간을 상당히 단축시킬 수 있을 것으로 전망된다.
즉 가격이 비싼 형상기억합금 등의 기능성 소재를 사용하지 않고 보드마커 잉크와 물만으로 4D프린팅 기법을 구현했다는 점과, 제품을 신속하게 제작할 수 있는 2D 프린팅 방식의 접목이 가능하다는 점에서 이번 연구는 주목을 받고 있다.
제1저자가 ‘송서우’ 박사인 관련 논문은 ‘사이언스 어드밴스(Science Advances)’ 3월 24일자에 ‘Direct 2D-to-3D transformation of pen drawings’라는 제목으로 게재됐다.
2021년 3D 프린팅 제조혁신 실증사업 공모
지난 3월 25일 ‘과학기술정보통신부(이하 과기부)’는 국내 제조업의 경쟁력 강화를 위해 3D 프린터를 활용한 양산공정 개발을 지원하는 내용의 ‘21년 3D 프린팅 제조혁신 실증지원’ 사업 공고를 진행한다고 밝혔다.
과기부는 시제품 제작에 머물던 3D 프린팅 기술 시장 수요를 제조업 분야 핵심부품 양산으로 확대하여 국내 3D 프린팅 기업을 육성하며, 3D 프린팅 공정 개발을 통해 제조기업 또한 제품 혁신과 최적 생산기술을 확보하도록 본 사업을 진행한다고 설명했다.
해당 사업은 3D 프린팅 기업이 주관하고 제조 기업이 참여하는 컨소시엄을 대상으로 지원하는 것을 내용으로 하며, 1년 단위로 협약을 체결하되 매년 평가에 따라 다음해에 협약을 체결한다.
공모를 통해 선정된 컨소시엄에는 2021년부터 2023년까지 매해 9.5억 원을 지원하여 3년간 합계 28.5억 원의 사업비가 지원된다.
한편 과기부는 해당 사업의 2020년 주요 성과로 ‘태성에스엔이’, ‘스타코’, ‘링크솔루션’ 컨소시엄을 언급했다.
태성에스엔이는 ‘LIG넥스원’과 레이더 등에 사용될 고강도 경량 부품에 대한 3D 프린팅 공정개발을 통해, 불량률을 25% 개선하고 비용 또한 50% 수준으로 절감하는 것을 목표로 컨소시엄을 형성했다.
과기부는 태성에스엔이 컨소시엄에 대해 고정밀 성능을 요구하는 고강도 경량 구성품에 대한 공정기술을 확보했다는 평가를 내렸다.
스타코는 ‘이노스페이스’와 컨소시엄을 구성하여 우주발사체 산화제펌프 관련 부품의 3D 공정 개발을 목표로 했는데, 과기부는 해당 컨소시엄이 극저온과 고압의 극한 작동환경에서 물성 요구 기준을 만족하는 부품을 제작할 수 있는 공정기술을 확보했다고 평가했다.
링크솔루션은 ‘덕양산업’과 협력하여 소형, 중형, 대형 도어트림에 대한 3D 프린팅 공정 기술 개발과 소재 국산화로 제작기간과 비용을 50% 감축한다는 목표를 설정했는데, 소형 도어트림 부분에 대한 3D 프린팅 금형제작 공정 기술은 확보했다.
그 동안 3D 프린팅 기법은 상대적으로 느린 제작 속도 등의 문제로 산업 분야에서 그 활용도가 높지 않았다.
하지만 4D 프린팅 기법 등 기존 제작 방식의 한계를 극복하려는 시도가 나오고 있으며, 다양한 품목을 소량 생산해야 하는 산업 분야에서 3D 프린팅 기법의 활용도가 점점 높아지고 있어 관련 기술 확보에 역량을 투입이 필요해 보인다.