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3D 프린팅, 에너지 분야의 가능성을 넓혀주다.

by R.E.F. 16기 이서준 2020. 3. 23.

3D 프린팅, 에너지 분야의 가능성을 넓혀주다.

대학생신재생에너지기자단 16기 이서준, 임상현 단원

 

   3D 프린팅은 프린터로 입체 도형을 뽑아내는 기술이다. 인공장기를 넘어 소형 주택단지를 만들기까지 그 활용도와 잠재력은 엄청나다. 3D 프린팅은 우리의 삶에 어디까지 영향을 미칠까? 놀랍게도 에너지 분야에서도 영향력을 보이고 있다. 태양광 패널, 풍력발전기 날개, 배터리 제작 과정에 3D 프린팅을 적용하여 효율을 높이는 연구가 진행되고 있다.

 

3D 프린터, 태양광 패널을 진화시키다.

   3D 프린팅은 차세대 태양광 패널 제작을 위한 해답이 되고 있다. 회티타늄석*은 앞으로의 태양광 전지 원료로 이목을 모으고 있다. 하지만 쉽게 부서지는 성질을 가지고 있다. 이를 극복하기 위해 회사 T3DP는 볼륨메트릭 3D 프린팅**을 도입하였다. 파리의 눈에 영감을 받아 동판으로 이루어진 육각형이 연속적으로 이어진 회티타늄석 지지대***를 제작하는 것이다. 희티타늄석의 수명을 늘릴 뿐만 아니라 병렬연결과 비슷한 분산형 태양광 패널의 특징을 추가해 줌으로써 하나의 인자가 망가져도 전체적인 작동은 유지될 수 있다. 이를 통해 2019년 3월 기준 36 %의 태양광 패널 효율성을 달성하였고 올해까지 50 % 도달을 목표로 하고 있다.

 

[Copper Plated Scaffold]

* Perovskite, 부도체, 반도체, 도체의 성질은 물론 초전도 현상까지 보이는 특별한 구조의 금속 산화물. (과학용어사전)

** Volumetric 3D Printing, 빛에 반응하는 액체 레진을 용기에 삽입한다. 빛을 앞, 옆, 위에서 쏜다. 여러 방향의 빛들이 겹친 부분만이 레진이 굳어 물체가 형성된다. (참고영상: https://youtu.be/00H-hXufpQE)

*** 정확히는 scaffold sub-cell이다. 의역일 가능성이 있다.

출처: T3DP

 

   CSIRO 등은 인쇄 가능한 태양전지(Printable Solar Cell) 제작에 대해 연구한다. 솔러 잉크 (Solar Ink)를 유연한 플라스틱 등 위에 도포하는 방식으로 제작된다. 얇고 유연성이 높기에 여러 표면에 자유롭게 부착할 수 있다. 창문, 텐트와 같은 일상 공간에도 접목이 가능하다. 가볍기에 가방에도 부착해 활용해도 된다.

 

[프린트 가능한 태양전지]

출처: CSIRO

 

   에너지 나무*를 제작하는 연구가 VTT에서 진행된 바가 있다. 잎은 다양한 센서와 컨버터, 그리고 프린트된 유기 태양전지로 구성되어 있다. 줄기는 유기화합물로 3D 프린트되어 만들어졌다. 빛뿐만 아니라 온도 변화, 바람과 같은 진동에너지까지 전력으로 변환한다. 실내에서도 활용할 수 있으며, 2015년 기준으로 LED 전등, 핸드폰과 같이 작은 기기를 작동, 충전할 수 있는 단계로 발전되었다.

 

[에너지 나무의 프로토타입]

*Energy-Harvesting Trees, 3D Printed Solar Energy Trees

출처: VTT

 

3D 프린터, 풍력발전기 제작 효율을 높이다.

   풍력발전기의 부품을 3D 프린터로 만들어 제작 효율을 높이는 방안이 적용되고 있다. 미국 에너지부(U.S Department of Energy)는 3D 프린팅을 통한 풍력발전기 블레이드 제작에 투자하고 있다. 풍력 발전기는 모터, 베어링, 블레이드 등의 다양한 부품으로 구성되는데, 가장 큰 부피를 차지하는 날개(블레이드)는 FRP(섬유 강화 플라스틱)로 제작된다. 이 재료는 섬유를 배치하고 레진을 주입하여 굳히는 복합한 공정이 필요한데, 3D 프린터를 활용하면 이 공정을 최소화하여 생산 효율을 높일 수 있다. 탄소섬유강화 플라스틱을 주재료로 BAAM*을 통해 1.8 m 정도 길이의 블레이드 일부분을 제작하는데 8시간이 소요된다. 제작 시간이 35 %까지 단축된다.

 

[BAAM을 통한 블레이드 생산]

*Big Area Additive Manufacturing Machine

출처: U.S. Department of Energy

   실제로, 국내에서도 3D 프린터를 활용해 블레이드를 제작해 공급하는 사례가 있다. 또한 풍력발전기 자체를 소형화하여 제작하는 등 에너지 산업에 활용하여 진입장벽을 낮추고 보급률을 높일 수 있다는 평가를 받고 있다.

 

[㈜이조에서 3D 프린터로 제작한 대형 풍력발전기]

출처: 연지몬 블로그

   소형 풍력 터빈도 3D 프린터로 제작 가능하다. 3D 프린터 회사 Ultimaker의 팀 Valcrow는 수직축형 풍력 터빈 제작 방법을 공유하고 있다. 높이 35 cm의 작은 크기이다. 모든 부품을 프린트하는데 총 58 시간이 소요된다. 긴 제작 시간만 단축이 된다면 하이브리드 가로등 등에 활용이 적합할 것이다. 모든 방향에서 불어오는 바람에 작동을 하고, 일부분이 망가지면 전체가 아닌 부품만 교체하거나 수리하면 된다는 장점을 가지고 있다.

 

[3D 프린트된 VAWT]

출처: Ultimaker

 

배터리, 3D 프린터로 생산되다. 

   제2의 반도체로 불리고 있는 이차전지 또한 3D 프린터로 제조될 수 있다는 가능성을 보여주고 있다. 이차전지의 경우 4대 원재료인 양극, 음극, 전해질, 분리막이 조립되어 제조된다. 조립공정에는 소재를 마는 winding 방식, 층층이 쌓는 stack 방식을 채택하고 있다. 배터리의 생산성은 이 조립 공정에 좌우되기 때문에 생산성 증대를 위해 조립 공정의 개선이 필수적이다. 이 생산성을 획기적으로 증가시킬 수 있는 방식이 3D 프린팅이다. 3D 프린팅의 경우 조립 공정을 최소화하고 에너지 밀도를 증가시킬 수 있다.

   또한 3D 프린팅 제조 방식은 초소형 배터리 제조가 가능하다. 기존의 양극, 음극은 박막화하기 어렵고 품질 제어가 힘들지만, 3D 프린팅으로 초소형화가 가능해졌다. 실제로, KAIST 신소재연구공학과 김일두 교수와 미국 하버드대 연구진은 지난 2018년 12월 19일에 3D 프린팅을 활용한 초소형 아연 이온 배터리 제작 방법을 개발했다. 이를 통해 크기가 작아 전원을 공급하기 어려웠던 초소형 기기, 나노 산업의 발전에도 긍정적인 영향을 주게 되었다. 또한 배터리의 소형화, 집적화는 에너지밀도 상승으로 이어지고, 이를 통해 ESS 등 대용량 중대형 배터리의 에너지 밀도 향상을 기대할 수 있을 것으로 보인다.

 

[3D 프린터로 제작한 초소형 Cell]

출처: Nanowerk

   3D 프린터는 태양광 패널, 풍력 발전기의 블레이드와 배터리를 제작하면서 에너지산업에 긍정적인 영향을 미치고 있다. 태양광 패널의 효율성과 유연성을 높이고, 풍력발전기의 생산과정을 효율적으로 만들며, 배터리의 초소형화가 가능해진다. 이와 같이 재생에너지가 현존하는 기술들과 콜라보를 이루며 발전해 나간다면 그 잠재력은 배가 될 것이라고 생각한다.


참고문헌

[1] Umair Iftikhar, "T3DP to Use Perovskite and Volumetric 3d Printing to Build Solar Cells", 3D Printing Industry, 2019.03.15. (https://3dprintingindustry.com/news/t3dp-to-use-perovskite-and-volumetric-3d-printing-to-build-solar-cells-150764/)

[2] CSIRO, "Printable Solar Cells for Lightweight Energy", 2018.12.10 (https://www.csiro.au/en/Research/MF/Areas/Innovation/Flex-Electronics/Printed-Solar-Cells)

[3] U.S. Department of Energy, "Transforming Wind Turbine Blade Mold Manufacturing with 3D Printing", 2018.12.21. (https://youtu.be/rfKJh97Yl1I)

[4] VTT, "Solar Power from Energy-Harvesting Trees", 2015.02.16. (https://youtu.be/_QswunfBC8U)

[5] Guy Sie, "3D Printed Vertical Axis Wind Turbine(VAWT) Model", Ultimaker, 2016.02.15. (https://ultimaker.com/learn/3d-printed-vertical-axis-wind-turbine-vawt-model)

댓글10

  • 3D프린팅이 에너지산업에서도 쓰일 수 있다는사실이 놀랍습니다! 그리고 태양광 패널 제작부분에서 볼륨메트릭 3D프린팅으로 회티타늄석 지지대를 만들게되면 회티타늄석의 수명을 늘려준다고 되어있는데, 이부분에 대해서 좀더 자세한 설명이 들어갔으면 좋겠습니다!
    답글

    • 희티타늄석은 소금 정도의 강도를 가진다고 합니다. 약하죠. 그러니 그것이 잘 움직이지 않고 외부의 충격을 덜 받아야하고, 지지대가 필요한 것입니다. 다양한 환경에서도 희티타늄석의 손상을 줄이기 위해서 말입니다. 파리의 눈에 영감을 받아 빈틈 없이 여러개를 지지하고 병렬로 연결시켜줍니다. 하나가 부서져도 전력 공급의 차질이 생기지 않겠죠. 보다 자세한 내용은 참고문헌에 소개된 3D Printing Industry의 글을 참고하시길 바랍니다. 피드백 감사드립니다!

    • 상세한 설명 감사합니다!!

  • 배터리가 3D프린팅으로도 만들어질 수 있다는게 흥미로운 것 같아요! 3D프린팅을 사용하면 에너지 밀도를 높일 수 있다고 되어있는데 자세한 이유가 궁금합니다!
    답글

    • 에너지 밀도란 단위 부피 혹은 질량 당 저장되는 전력(J/m^3 or J/kg) 입니다.
      2013 기준, 리튬 전지의 경우 3D 프린팅으로 소형화 된 것과 일반적인 것의 에너지 밀도가 큰 차이가 없습니다. [1]
      일반적인 리튬 전지는 전극의 30~50 %가 활용되지 못하고 있습니다. 리튬이 전극 전체를 잘 이동하지 못하다는 것이죠. 큰 방을 다 활용 못하니 작은 방들을 격자로 이어주면 더 넓게 활용 가능하겠죠. 작은 방은 거의 다 활용하니까요. 그렇기에 3D 프린팅으로 베터리를 소형화 하면 활용되는 전극의 부피가 증가해 에너지 밀도가 높아질 빌미가 있습니다. [2]
      아마 일반적인 리튬전지의 발전 혹은 3D 프린팅된 전지에 대한 연구 부족이 아직 우리나라에서 차별점이 못들어나는 요인이 되지 않나 싶습니다.
      좋은 지적 감사드립니다! 전문 분야가 아니라 좀 오래 걸렸습니다...
      [1] http://m.techholic.co.kr/news/articleView.html?idxno=8410
      [2] https://www.sciencedaily.com/releases/2018/07/180730160351.htm

    • 오오 감사합니다!

  • 3D프린터로 신재생에너지발전설비를 제작할 수 있다는 흥미로운 사실을 알아가네요! 에너지 나무나 부착형의 솔라전지 등 기존의 패널형태의 편견에서 벗어나는 다양한 형태로 제작할 수 있다는 것도 흥미롭네요. 그런데 '솔라 잉크'가 구체적으로 어떤 것인가요?
    답글

  • 3D 프린터가 새로운 산업계의 혁명을 가져다 줄 것이다라는 식의 추상적인 이야기만 들어왔었는데 이 기사를 통해 구체적으로 어떤 분야에 적용이 되는지 알 수 있었습니다.
    3D 프린터를 통해 블레이드나 배터리를 제작할 때 혹시 어느 정도의 재료까지 사용이 가능할지, 대규모의 생산공정에서도 내구성이 유지가 되는지 등 궁금한 점이 있네요!
    분명한 건 앞으로 기대가 되는 기술인 것 같아요:)

    답글

    • 미국에서 제작하는 블레이드는 탄소섬유를 활용하기에 내구성이 좋고 일반적인 제작 방법에 비해 노동력과 필요한 물질이 적다는 장점을 가집니다.
      리튬이온전지나 아연이온전지가 생산 가능합니다!