한때 3D 프린팅은 시제품 제작 등 제한된 영역에서 이용되었습니다. 그러나 기술 발전 끝에 현재는 제트 엔진 부품 등 다양한 상업용 제품 제작에 활용되고 있습니다. 하지만 속도가 느리고 재료 효율성이 떨어져 아쉽기도 합니다.

3D 프린팅은 복잡한 구조일수록 많은 2D 층이 필요합니다. 자연스럽게 출력 과정에 오랜 시간이 걸립니다. 제작 중에 완성 중인 구조물을 지지하기 위한 재료도 사용해야 합니다. 낭비를 해결하기 위해 평면 재료를 3D 모양으로 접는 방법이 제안된 적이 있었지만, 한계가 있었습니다. 

그러나 과학자들은 2D 프린팅, 종이접기, 화학 기술을 활용해 폐기물은 적고 속도는 빠르게 3D 물체를 제작하는 데 성공했습니다. 소재가 스스로 접히며 3D 구조물로 변하도록 만드는 방식입니다. 제작 과정에서 4차원이라 할 수 있는 시간을 계산해야 하므로 4D 프린팅이라고 이름 붙였습니다. 

나루미 코야 도쿄대학교 전기공학 정보시스템학과 연구원은 "저와 팀원들은 접근성 있는 도구와 재료로 스스로 접히는 4D 물체를 만드는 방법을 발견했다"고 밝혔습니다. 그는 "우리는 종이접기 모형 구조가 새겨진 평면을 인쇄하고 있다. 구성은 숙련된 종이접기 예술가도 제작하는 데 시간이 오래 걸릴 정도로 복잡하다. 하지만 우리 공정 덕분에 평평한 면에 뜨거운 물을 부으면 몇 초 만에 정교한 3D 모형체로 변한다"고 설명했습니다.

기술을 사용하려면 자외선 반응성 재료로 인쇄하는 특수 프린터가 있어야 합니다. 기계 자체는 수만 달러에 달하지만, 공유 작업장이나 제작 집단에서 흔히 볼 수 있는 장비입니다. 열에 의해 수축하는 플라스틱 시트 양면에 2D 종이접기 디자인을 인쇄합니다. 프린터는 수축하지 않으며 건조해도 유연성을 유지하는 잉크를 사용합니다. 평면이 가열로 인해 수축할 때 잉크가 저항하는 현상이 발생합니다. 설계자는 잉크 사이에 간격을 조절해 접히는 방향을 제어할 수 있습니다. 뜨거운 물을 부으면 시트가 자연스럽게 접히는 원리입니다.

나루미는 "하드웨어와 재료를 세분화하는 작업이 가장 큰 과제였다. 최종 선택지를 좁히는 데 1년 넘게 걸렸다. 하지만 모든 시행착오는 그만한 가치가 있었다. 동일한 발상에서 시작한 이전 연구에 비해 출력 해상도를 1200배 향상시켰다. 우리가 만드는 설계가 단지 신기한 수준이 아니라 실용화할 수 있다는 의미다. 앞으로는 전도성이나 자기성을 띄는 잉크처럼 기능성 소재를 연구할 수 있다"고 강조했습니다.

연구진은 신기술이 소재 낭비가 많은 패션 분야에서 활용되기를 희망합니다. 다른 영역에서도 장기를 발휘할 수 있습니다. 4D 프린팅 상품은 제작하기 전 형태가 평평하기 때문에 물류나 보관 문제를 다루기 편리합니다. 제작에 시간이 많이 소요되지 않으므로 눈앞에서 바로 주문한 제품을 만들어줄 수도 있습니다. 

※이 기사는 popsci.com 원문을 바탕으로 작성됐으며, 번역은 파퓰러사이언스코리아 소속 기자가 도왔습니다.

/ 글 Andrew Paul 기자 & 육지훈 기자