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1970년대 처음 등장한 ‘3D 프린팅’은 원하는 물건을 무엇이든 프린터로 찍어낼 수 있다는 장점을 내세우며 일간의 삶을 변화시킬 기술로 각광받으면서 집중적으로 개발되었다.
그 결과, 현재는 일반인이 장난감, 핸드폰 케이스 등 간단한 제품을 만들 수 있도록 보급형 3D 프린터가 만들어지고 있으며, 인공 뼈를 만드는 등 헬스케어 분야에서도 큰 관심을 받고 있다.

하지만, 3D 프린팅에는 출력물 크기의 한계와 부품을 만드는 경우 조립을 해야 한다는 단점이 지적되고 있다.
이러한 3D 프린팅의 단점을 극복하기 위해 제시된 것이 바로 ‘4D 프린팅’으로 현재 미래를 이끌 유망기술로 부상해 세계적으로 기술 개발 경쟁이 불붙는 분야가 되었다.

2013년에 미국 MIT 자가조립 연구의 스카일라 티비츠(Skylar Tibbits)교수의 ‘4D 프린팅의 출현(The emergence of ’4D printing’)‘이라는 제목의 Ted강연을 통해 처음으로 세상에 나타난 4D 프린팅은 3D 프린팅에 자가변환과 자가조립 등의 개념이 더해진 것으로 기존 3D 프린팅의 한계로 지적받고 있는 크기의 제한과 부품 조립의 문제를 해결할 수 있다.

4D 프린팅은 1차 출력물을 만드는데, 이것은 완성이 아닌 다른 형상으로 변하기 위한 밑그림으로 출력된 물체는 가열, 진공, 중력, 공기역학 등 다양한 에너지에 의해 자극을 받아 변환가 자가조립을 수행한다.

이와같은 4D프린팅 제품을 만들려면 온도나 습도 등에 따라 모습이 변하는 ‘스마트 소재’를 사용해 3D프린터로 최종 제품의 설계도 역할을 할 제품을 출력해야 한다. 스마트 소재는 나무나 종이 등 기본적인 소재는 물론이고 형상기억합금이나 형상기업폴리머섬유 등 첨단소재까지 다양하게 활용할 수 있다. 1차 출력물이 처음에 설계했던 조건과 만나면 모습이 변하면서 최종 원하는 제품이 만들어진다. 모습이 변하는 과정에서 스스로 조립도 할 수 있다.

MIT가 공개한 4D프린팅 사례를 보면 물과 만나 팽창하는 나무를 이용해 코끼리 밑그림을 출력했는데, 이를 물에 담그면 코끼리 모형으로 변했다. 즉, 나무소재로 만든 결과물이 자가변환을 통해 최종 완성된 사례로 볼 수 있다. 또 다른 사례로는 종이로 만든 밑그림이 자가조립 과정을 거쳐 상자나 축구공 등으로 만들어지는 경우도 있다.

이러한 기능을 가진 4D프린팅은 3D프린팅을 적용하는 의료, 건설, 로봇 등의 분야는 물론이고 자체변환과 자체조립을 이용하면 3D프린팅으로 할 수 없던 한 단계 진화한 일들도 가능하게 할 것으로 보인다.

최근 국내 한 연구팀이 4D 프린팅 기술을 이용해 동물의 근육과 뼈를 재생시키는 놀라운 성과를 발표했다. 이들은 콜라겐과 하이드록시아파타이트로 만든 지지대를 4D 프린터로 제작했다. 하이드록시아파타이트(hydroxyapatite)는 치아와 뼈의 주성분으로 인공 뼈나 치아 임플란트, 화장품, 광촉매 재료로 광범위하게 사용된다. 연구팀이 만든 혼합 지지대를 뼈가 어긋난 생쥐에게 적용한 결과 골조직 형성이 증가했고 이식 부위 주변 조직에서 신생혈관도 효율적으로 생성되는 성과가 나타났다. 연구팀은 이와 유사한 연구를 진행하고 있으며 이러한 연구 결과를 토대로 앞으로 뼈와 인대, 신경조직, 골격근 등에도 응용할 수 있을 것이라고 밝혔다. 실용화를 위한 연구는 이제 시작이겠지만 앞으로 미래 인간의 몸을 기계로 만드는 데 있어 커다란 청신호가 터진 셈이다.

본 보고서에서는 생명공학이나 의료공학관련 기술에서 많이 사용되는 4D프린팅관련 기술동향, 시장동향, 기업동향등을 살펴보고자 한다.

1. 4D 프린팅이란? 3
2. 4D 프린팅 기술 6
가. 4D 프린팅 소재 7
1) 3D 프린팅 소재 산업 8
2) 스마트소재 25
나. 4D 프린팅 응용 분야 33
1) 의료 분야 33
2) 사회기반시설 분야 33
3) 자동차, 항공, 방위산업 분야 33
4) 의류산업 분야 34
5) 제조 및 패키징, 내구소비재 분야 34

3. 4D 프린팅 시장동향 36
4. 4D 프린팅 기술동향 42
가. 4D 프린팅 특허 현황 44
1) 4D 프린팅 장치와 4D 프린팅을 이용한 특허 44
2) 스마트소재 50
나. 4D 스마트 설계 기술 및 프린터 86
다. 4D 프린팅 사례 88
1) 아디다스의 런닝화 ‘알파엣지4D 88
2) BMW의 차세대 자동차인 비전넥스트 100 89
3) 4D 프린팅 기술 활용 주파수 자가 기억 안테나 90
4) 4D 프린팅을 이용해 만든 ‘키네메틱스 드레스’ 91

5. 4D 프린팅 기업 93
가. Stratasys 93
나. Autodesk 96
다. 3D Systems 98

6. 결론 101
7. 참고문헌 102