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용화 제갈
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1 2016 FEBRUARY vol 융합 4D 프린팅 연구 현황과 시장 전망 송가은 융합연구정책센터 발행일 발행처 융합정책연구센터

2 융합 2016 FEBRUARY vol.06 4D 프린팅 연구 현황과 시장 전망 송가은 융합연구정책센터 선정 배경 MIT의 자가조립연구소장 Skyar Tibbits이 TED( 13년)에서 소개하면서 크게 주목받기 시작하였으며, 국내에서도 KISTI의 10대 유망기술( 14년 11월)에 선정됨 외부환경에 맞게 자체변화가 가능하기 때문에 헬스케어, 전자부품, 스포츠 용품, 대형 선박, 비행기, 자동차 등 다양한 방면에서 활용될 것으로 기대됨 - 미국의 Organovo Holdings는 4D 프린팅 기술과 의료 기술을 융합하여 인공 생체 조직을 개발 중이며, 4D 프린팅 기술을 이용한 제품 중 가장 먼저 상용화 될 전망 스마트센서 기술과 융합되어 스마트 전자제품 시장을 선점할 것으로 기대 개요 (정의) 인간의 개입 없이 열, 진동, 중력, 공기 등 환경이나 에너지원의 자극에 의해 시간에 따라 형태가 달라지고 자가 변형이 가능한 스마트 소재를 3D프린터로 출력 - 3D 프린팅 기술에 시간의 변화에 따라 변형되는 4차원 개념이 적용되어 4D 프린팅 기술이라고 명명함 - 생산된 물질이 스스로 변형 가능하다는 의미에서 자기변형물질(self-transformable materials)이라고도 하며, 조건에 따라 반응한다고 하여 프로그램 가능물질(programmable materials)이라고도 함 그림1. 출력 후 변형이 가능한 4D 프린팅 기술 출처 : 4dprinter.net 융합 Weekly TIP 03

표1. 3D프린팅 기술과 4D 프린팅 기술 비교 구 분 물 질 열경화성 플라스틱, 금속, 세라믹, 생체재료, 나노재료 자동 조립식 물질, 다중물질, 설계물질 (기억형상합금/복합체, 자동변형물질 등) 설 계 3D 디지털 정보(스캔, 제도) 변형에 대한 3D 디지털 정보 프 린 터 3D 프린터(스테레오리소그라피, 압출가공, 선택적 레이저 소결) 스마트 3D

3 표1. 3D프린팅 기술과 4D 프린팅 기술 비교 구 분 물 질 열경화성 플라스틱, 금속, 세라믹, 생체재료, 나노재료 자동 조립식 물질, 다중물질, 설계물질 (기억형상합금/복합체, 자동변형물질 등) 설 계 3D 디지털 정보(스캔, 제도) 변형에 대한 3D 디지털 정보 프 린 터 3D 프린터(스테레오리소그라피, 압출가공, 선택적 레이저 소결) 스마트 3D 프린터(수정된 노즐, 바인더, 레이저), 다중물질 3D 프린터(고체/액체, 고체/고체, 경사 기능재료, 나노복합소재) 응용분야 귀금속, 장난감, 의류, 엔터테인먼트, 자동차, 항공, 국방, 의료장비 등 3D 프린팅에 적용되는 분야 중 역학적으로 형태 변형이 필요한 분야 기 변화 없음 프린팅 된 후 모양, 색, 기능의 변화 타 3D 프린팅 4D 프린팅 의류, 헬스케어, 자동차, 항공 등 주요 산업분야에서 응용제품으로 활용될 전망 - (의류) 스마트 소재를 활용하여 프린팅만으로 원하는 모양의 옷으로 인쇄가 가능하고 3D 프린팅 기술로 구현이 어려웠던 형태는 접힌 상태로 출력된 후 최종 원하는 모양으로 펼쳐짐 그림 2. 너브스시스템(Nervous System)의 4D 프린팅 기술로 만든 드레스 출처 : SK브로드밴드 블로그

4 - (의료) 조직세포공학, 자기조립식 생체재료, 나노입자 설계, 화학요법용 나노로봇 개발 등으로 응용되어 상용화 될 전망. 가장 중요한 분야는 4D 프린팅을 이용한 인공장기 생산으로, 2019년부터 윤곽을 드러낼 예정 - (자동차) 습기나 염분이 있는 대기에 따라 부식되지 않도록 변형이 가능한 물질로 구성된 차량 본체의 구현이 가능할 것 - (항공) 자기교정부품, 위성의 동력을 위한 태양전지판의 개발 - (군사) 주위 환경에 위장 가능한 군복, 자기교정다리 및 임시도로의 개발이 가능할 전망 지역별 개발현황 (미국) 대학에서 새로운 연구를 주도하여 수행하고 있으며, 미국이 4D 프린팅 기술개발에서 세계적으로 가장 앞서고 있음 - 항공과 국방, 자동차, 헬스케어, 인프라의 응용분야에 집중적으로 투자 중 - 미 국방연구소(US Army Research Office)와 국방부(DOD, Department of Defense)가 기술개발에 가장 많은 지원 중 (아시아) 현재 산업적으로 3D 프린팅의 응용기술을 활용하는 단계에 있으며, 4D 프린팅 연구는 한발 느리게 진행될 것 - 싱가폴 과학대학의 연구진은 콜로라도 대학과 4D프린팅 공동연구를 통해 형상기억섬유 개발을 진행 중 (유럽) 4D프린팅 연구의 시작 단계로 다수의 기관에서 주목하고 있으며, 초기비용 부담으로 아직 성과를 내지 못하였지만, 올 해부터 집중적으로 연구에 착수할 전망 기술 동향 4D 프린팅 도입에 있어 초기 비용이 걸림돌로 작용하였으며, 기술적으로도 많은 어려움을 겪음 - 급속조형기술(Rapid Prototyping )은 물리적 개체 생산에 대한 사전실험이 충분히 이뤄지지 않아 기술의 유효성이 확실하지 않음 - 외부자극에 반응하여 변형되는 물질을 발견하거나 합성하기 쉽지 않음 나노단위 입자를 다루는 공학기술을 일상 물체에 적용하는 방식을 채택하여 난관을 극복해 가는 중 - 나노공학을 활용하면, 물질에 컴퓨팅이 가능하게 되어 물질의 모양과 성질 변환이 가능함 나노공학에 이용되는 캐드나노(caDNAno)는 3차원 모형을 디자인하고, 자가 조립을 가능하게 하는 툴 융합 Weekly TIP 04 05

나노 차원의 기술로는 해결할 수 없는 추가적인 문제가 존재 - 건축이나 제조, 특히 기반시설과 같이 거대규모 분야의 경우, 프로세스에 수정이 필요할 때 비용과 소요시간이 어려우며, 이를 극복할 수 있는 방안이 아직 마련되지 않음 국내외 연구동향 (MIT) Tibbit 팀은 물을 흡수했을 때 1차원의 선에서

전기 자극을 받으면 팽창하여 심장의 혈액 공급을 도움 (하버드 대학) Wyss Institute는 나노단위로 생체조직의 결손을 보안하기 위해 항체를 운반하는 조개모양의 나노로봇을 제조 - 나노로봇이 암세포를 만나면, 구조가 변형되어 운반한 약물을 배출하는 형태로 질병 치료 (KIST) 형상기억폴리머와 합금과

5 나노 차원의 기술로는 해결할 수 없는 추가적인 문제가 존재 - 건축이나 제조, 특히 기반시설과 같이 거대규모 분야의 경우, 프로세스에 수정이 필요할 때 비용과 소요시간이 어려우며, 이를 극복할 수 있는 방안이 아직 마련되지 않음 국내외 연구동향 (MIT) Tibbit 팀은 물을 흡수했을 때 1차원의 선에서 3차원의 입체적 구조로 변형되는 스스로 접는 막대 개발 - 유공성와 수분 흡수능력이 다른 두 가지 물질을 사용하여, 물에 넣었을 때 부분적인 팽창으로 모양이 변형됨 (노팅엄트렌트 대학) 심장에 이상이 생겼을 경우, 심장의 기능을 대신하는 물질 개발 프로젝트 수행 중 - 심장에 심어진 풍선모양의 실리콘 물질이 전기 자극을 받으면 팽창하여 심장의 혈액 공급을 도움 (하버드 대학) Wyss Institute는 나노단위로 생체조직의 결손을 보안하기 위해 항체를 운반하는 조개모양의 나노로봇을 제조 - 나노로봇이 암세포를 만나면, 구조가 변형되어 운반한 약물을 배출하는 형태로 질병 치료 (KIST) 형상기억폴리머와 합금과 같은 온도변화에 수축 확장하는 인공 손 개발 - 형상기억폴리머는 압출가공*방식으로 단순한 온도 변화에 변형되어 활용 * 고온으로 가열한 재료를 컨테이너에 넣고 램에 강한 압력을 가하여 다이형(型)으로부터 압출해서 성형하는 가공 그림3. MIT의 스스로 접는 막대 그림4. Wyss Institute의 4D 나노로봇

6 시장 예측 미국을 제외한 국가에서는 4D 프린터는 이제 연구 시작단계라 시장이 형성되지 않았으나, 3D 프린터의 시장*을 능가하는 경제적 파급효과를 창출할 것으로 예측됨(Wohlers Associate) * 3D 프린터 시장규모는 19년 65억 달러로 예상 - 19년 실용화 시 6천3백만 달러 규모에서 이후 25년까지 5억5천만 달러로 연평균 40%의 성장이 예측됨(RNCOS E-Services) - 파급효과는 클 것으로 예상되지만 초기 연구 및 개발비용이 막대하여 소수의 주체들에 의해서만 시장이 형성되어 완만하게 성장할 전망 - 25년까지 북미지역에서는 연평균 44%로, 유럽에서는 35%, 아시아태평양 지역에서는 최대 10%의 성장이 예상됨(MarketsandMarkets) 초기 비용이 크게 필요한 기술 분야로 초반 진입시장은 고가의 제품이나 중공업 분야로 예상 - 군사 및 방위분야가 성장의 선도 분야로, 19년에 전체 시장 규모의 55%를 차지할 것으로 전망되며, 우주항공 산업분야에서 두 번째로 큰 규모를 형성할 것 - 보건의료 분야에서 현재 기술의 완성도가 가장 높아 처음으로 상업화 될 전망 프로그램가능 소재 중에서는 탄소섬유가 전체 시장의 62%를 차지하면서 가장 큰 규모를 형성할 것 제조 및 가공비용 절감의 필요성, 지속 가능한 환경의 촉진, 새로운 활용 분야 개척을 위한 자기변형능력 수요의 증가로 성장의 촉진이 예상됨 - 주로 제조비용을 삭감하려는 제조업체에 도입될 전망 결론 및 시사점 제품 디자이너가 설계만 하면, 제조단계에서 사람의 도움 없이 직접 프로토타입을 구현할 수 있어 제조공정의 효율을 극대화함 - 디자인과 제품 간의 불일치로 발생하는 문제를 최소화하고 인건비 절감으로 제조비용효율 향상에 기여 - 향후 다양한 기호를 가진 소비자를 하나의 제품으로 만족 시킬 수 있음으로, 제조비용 대비 실제 사용 효율을 극대화함 - 단순한 소비재를 넘어서, 바이오 및 의료용 상품으로까지 개발될 경우 서로 다른 구조를 가진 다양한 사람들의 질병 치료 및 수명 향상에 기여할 수 있음 4D 프린팅 제품은 각 산업 분야의 규제가 풀리지 않으면 성장 불가하며 산업 내.외간의 기술 및 성능 표준이 확립되어야 함 - 기존에 사용되지 않은 재료를 사용하여 새로운 분야에 적용을 위한 연구를 위해서는 기존 산업 간의 균형을 위해 적용되어오던 규제의 완화가 필요함 융합 Weekly TIP 06 07

7 - 향후 해당 기술이 실제 생활에 적용되었을 때 야기할 혼란을 미리 예방하기 위해서는 4D 프린팅의 허용 범위 및 적용에 대한 국제적인 표준이 확립되어야 함 신물질에 대한 연구와 막대한 초기투자비용을 극복하기 위해 일정기간 국가주도로 4D 프린팅을 육성해 나갈 필요가 있음 - 초기에 프로젝트의 시험제작 프로토타입을 만들기 위해 뛰어난 조립 기술이 필요하며, 건축분야와 제조업체 간의 오랜 투자가 필요함 - 기존에 다른 분야에서 연구되어 온 제한적인 재료 및 기술에 국한되어 연구되어 오고 있으므로, 추후 더 다양한 분야로 적용을 위해서는 신물질에 대한 연구가 필요함 참고문헌 및 사이트 주소 스스로 변형하는 물질을 만들어 내는 4D프린팅 기술, 정보통신산업진흥원, Advances in 4-D Printing, frost & sullivan, KISTI 미래유망기술 10선 : 4D프린팅, 한국과학기술정보연구원, 2014 Is 4-D Printing the Next Big Thing in Medical -Daily Buzz, D Printing Market by Material, End-User & Geography-Global Trends & Forecasts to , MarketsandMarkets,