티스토리 뷰

ⓒ클립아트코리아

‘4차 산업혁명’ 하면 어떤 기술이 떠오르시나요? 인간의 지능을 가진 컴퓨터 시스템 AI, 빅데이터, 인터넷으로 사물을 연결하는 IoT 등 다양한 기술들이 떠오르실 텐데요. 4차 산업혁명이 도래하면서 이러한 핵심 기술이 여러 산업과 서비스에 융합되고 있습니다. 그중 3D 프린팅 기술은 의료기기 산업이나 전자산업 등 다양한 분야에 활용하고 있죠. 오늘은 이 3D 프린팅 기술이 어떻게 에너지산업에 녹아들고 있는지 알아보도록 하겠습니다.

 

3D 프린팅이란?

3D 프린팅은 분말, 액체, 고체 형태의 특정 물질을 한 층씩 차곡차곡 쌓아 올려 3차원 형태의 입체물을 제조하는 기술을 말합니다. 구현하고자 하는 물체를 3차원 그래픽 설계를 통해 가상의 물체로 디지털화한 후 매우 얇은 단면(약 0.015~0.10mm)을 한 층씩 형상을 쌓아 실물로 만들어내는 것이죠. 이렇게 쌓아 올리는 특성 때문에 ‘적층가공기술’이라 부르기도 합니다.

 

ⓒ픽사베이

 

3D 프린팅 기술은 복잡한 형상의 부품을 정밀하고 유연하게 설계하고 고객에 적합하게 맞춤형으로 제조할 수 있다는 장점이 있습니다. 여러 산업 분야에서 주목받고 있는 기술인데요. 금속, 고분자 화합물, 세라믹, 콘크리트 등 다양한 재료를 사용할 수 있어 필요에 맞게 재료를 선택할 수 있습니다. 필요한 양을 예측하기 때문에 재료의 낭비도 매우 적습니다. 그렇다면 에너지산업에서는 3D 프린팅 기술의 장점을 어떻게 활용하고 있을까요?

 

1) 태양전지 제작

첫 번째는 태양전지입니다. 태양전지란 태양의 빛 에너지를 전기에너지로 변환시켜 전기를 발생하는 장치로, 태양광 발전의 핵심 요소이죠. 이러한 태양전지가 3D 프린터와 어떻게 합쳐졌을까요?

 

ⓒ한국과학기술연구원

 

지난 2019년 11월, 전도성 나노물질을 활용한 3D 프린팅 기술과 종이접기기술(*오리가미, *키리가미)을 융합하여 집적도 및 신축도에 대한 자유로운 제어가 가능한 고신축성 *페로브스카이트 태양전지 모듈을 개발했습니다.

 

*오리가미(Origami): 한 장의 종이를 접어 개서 다양한 형태의 모양을 만드는 종이접기 기술

*키리가미(Kirigami): 접은 종이를 절단하여 여러 가지 모양은 만드는 기술

*페로브스카이트: 빛을 전기로 혹은 전기를 빛으로 바꾸는 특성이 있는 육방면체 구조의 반도체 물질

 

기존 모듈은 섬-다리 구조 방식으로, 신축성을 높이게 되면 에너지 소자의 집적도가 저하되고 집적도를 높이게 되면 신축성이 저하되는 문제가 있었습니다. 그러나 3D 프린터로 제작한 페로브스카이트 태양전지 모듈은 초기 상태 대비 5배까지 늘어나도 문제없는 신축성을 가지고 있고, 100%에 가까운 태양전지 집적도를 자랑합니다. 따라서 집적도와 신축성, 두 마리 토끼를 모두 잡을 수 있는 모듈이 탄생한 것입니다.

 

2) 열전발전기 제작

다음은 열전발전기입니다. 열전발전기는 열원(열이 발생하는 장치)에 붙어 구동되는 장치로, 주로 대형 냉각장치나 자동차 엔진, 선박 등에서 나오는 폐열로 전기를 내는 데 쓰입니다.

 

기존 직육면체 소재로 만든 평판형 열전발전기는 열에너지를 거둬들이는 데 한계가 있었습니다. 열원 표면 대부분이 평평하지 않기 때문에 평판형 열전발전기와 잘 부착되지 않았기 때문이죠. 이렇게 접촉 불량으로 열 손실이 발생하면 발전기 출력에 치명적인 영향을 미치게 됩니다.

 

ⓒ유니스트 보도자료

 

2018년, 국내 연구진은 3D 프린터로 열원 모양에 꼭 맞는 열전발전기를 찍어낼 수 있는 기술을 개발했습니다. 기존 접촉 불량 문제를 해결할 수 있게 됐죠! 열전 잉크를 제작해 3D 프린팅 하니 열전소재의 모양을 자유자재로 바꿀 수 있게 된 것입니다. 그 결과 열전발전기와 열원이 하나처럼 붙어있는 ‘열원 일체형 열전발전기’를 개발했고, 열 손실도 최소화할 수 있게 됐습니다.

 

3) 풍력터빈 제작

마지막은 풍력터빈입니다. ‘3D 프린터로 그 엄청난 크기의 풍력터빈까지 제작할 수 있다고?’라는 생각이 드실 수 있을 것 같습니다. 이미 지난해 10월, 미국의 한 다국적 대기업은 콘크리트 3D 프린팅 기술로 첫 풍력 터빈 시제품을 완성했고, 곧 200m 높이의 초대형 풍력 터빈을 개발할 것이라고 발표했습니다. 이렇게 초고층 터빈을 만드는 이유는 고도가 높을수록 강한 바람을 활용할 수 있어 더욱 많은 에너지를 생산할 수 있기 때문입니다.

 

ⓒ클립아트코리아

 

초고층 터빈 건설은 필요 부품을 운반하는 데에 있어 상당한 비용과 시간이 드는데요. 3D 프린팅 기술을 활용하면 발전소 근처에서 생산할 수 있으므로 비용 및 시간을 대폭 줄일 수 있어 매우 효율적이라고 합니다. 따라서 3D 프린팅을 통한 풍력터빈 제작은 차세대 풍력 발전으로 가는 디딤돌이 될 전망입니다. 미래에는 3D 프린터로 제작한 풍력 발전기를 흔히 볼 수 있길 기대합니다!

 

에너지산업과 3D 프린팅 기술의 융합! 정말 무궁무진하지 않나요? 이렇게 매력적인 기술인 만큼 에너지산업뿐만 아니라 다양한 산업에서 함께 성장하고 발전해 나갈 것으로 생각합니다. 앞으로 3D 프린팅이 에너지 산업에 얼마나 더 큰 도움이 될지, 또 얼마나 다양한 분야와 융합될지 많은 기대가 됩니다.

 

 

 


댓글쓰기 폼

한국전력 블로그 굿모닝 KEPCO!

관리자
글 보관함