전기를 만들어내는 3D 프린팅 소재가 개발됐다.
출력물 크기와 적층 정도에 따라 발전량을 조절할 수 있고 자유롭게 구부릴 수 있어 웨어러블 기기용 차세대 에너지원으로 활용도가 높다.
김종희 세라믹기술원 박사 연구팀은 3D 잉크젯 프린팅 기술을 적용해 미세한 압력이나 변형을 가하면 전기를 생성하는 ‘세라믹 u-압전발전소자’를 개발했다고 2일 밝혔다.
3D 프린팅은 기존 공정 기법으로 만들기 어려웠던 복잡한 형상을 쉽게 만들 수 있어 차세대 제조 기술로 각광 받는다. 하지만 플라스틱 합성수지와 금속 등 기존 소재 자체에 특별한 기능을 부여하기 어려워 활용도에 한계가 있다.
세라믹 압전발전소자는 25×5밀리미터(㎜) 크기에서 3볼트(V), 4마이크로암페아(μA) 전기를 생성한다. 기판 소재 변경과 3D 잉크젯 프린팅 기술을 적용해 다층구조 형성 등으로 용도에 맞춰 출력할 수 있다. 세라믹 압전발전소자 한 층 전기 발전량은 적지만 여러 층을 쌓으면 웨어러블 기기나 플렉시블 디스플레이를 구동시킬 수 있을 만큼 전기를 만들 수 있다.
3D 잉크젯 프린터로 세라믹 비중이 60~75%에 달하는 층을 형성하고 나머지 공간을 레진 등 유기 소재로 채운다. 섭씨 1000도 이상에서 굽는 세라믹 소성이 아닌 섭씨 200도 전후로 열처리해서 깨지지 않고 유연한 특성을 지닌다.
압전발전 소자에 전기를 가하면 진동이 발생하는 특성에 바탕을 두고 플렉시블 압전스피커나 소형 액추에이터(기계 구동장치) 등으로도 기대가 높다. 3D 프린팅 공정 특성상 다양한 디자인을 적용할 수 있다는 평가다.
연구팀은 국내 산업체 상용화가 조기에 이뤄지면 웨어러블 기기와 센서용 보조 전력 분야 시장 선점이 가능할 것으로 기대했다. u-압전발전 소자 세계시장은 오는 2025년 15조원에 달할 것으로 추정된다.
김종희 세라믹기술원 박사는 “세라믹 고유 특성을 유지하면서 높은 유연성과 가공성 등 유기소재 장점을 부여한 새로운 3D 프린팅 소재”라며 “현재 출력 향상 등 추가 연구를 진행하고 있어 향후 IT, 바이오 분야 차세대 에너지원과 스피커 등에 폭넓게 활용될 것”으로 기대했다.
박정은기자 jepark@etnews.com
