3D 프린팅, 에너지 산업 대격변

3D 프린팅, 에너지 산업 대격변

3D 프린팅 기술은 2013년 세계경제포럼에서 10대 유망기술로 포함되는 등 신산업 혁명을 주도할 기술로 선정된 바 있다. 3D 프린팅 기술은 종전에는 불가능했던 복잡 구조 및 다조성 부품 제조, IoT/빅데이터 기술과의 융복합, 소재와 에너지 소비를 최소화하는 친환경 공정, 설계에서 완성품 제작까지 소요 비용과 시간의 절감 측면에서의 장점이 있다.

 

개요

 

3D 프린팅 기술은 2013년 세계경제포럼에서 10대 유망기술로 포함되는 등 신산업 혁명을 주도할 기술로 선정된 바 있으며, 미국/유럽/일본/중국 등은 3D 프린팅 기반의 혁신 제조공정 기술의 중요성을 인식하고, 정부 주도의 R&D 프로젝트를 수행 중에 있다. 

 

이에 우리나라 정부도 2014년에 ‘3D 프린팅 산업발전전략’을 수립하여 3D 프린팅 산업의 종합적 발전을 위한 지원 방안을 마련하고, 구체적 실천 방안 수립을 위해 ‘3D 프린팅 전략기술 로드맵’을 작성한 바 있다.

 

그림 1. 국내 3D 프린팅 전략기술 로드맵

 

3D 프린팅 기술은 지난 1980년대에 개발됐으나 3D 설계를 위한 디지털 하드웨어 기술이 뒷받침되지 못하여 시장에서 주목받지 못하다가 최근 컴퓨팅 시스템의 발달 및 일련의 원천특허 만료(’09년 FDM, ’14년 SLS)에 힘입어 저가 개인용 프린터 시장이 활성화되고 폴리머 외에 금속/세라믹과 같은 다양한 소재가 취급되면서 급속히 발달하기 시작했다. 

 

이것은 복잡한 냉각유로/열·전기 배선 설계, 조립/용접이 불필요한 부품 일체형 제작, 농도 조성 구배 및 다조성 제작이 용이한 장점을 가지며, 최근 발전용 터빈 핵심 부품 제조 및 재생, 고효율/친환경 열교환기 개발, 부위별 냉각 속도 제어가 가능한 스마트 금형, 3차원 형상의 신구조 전동기 개발, 고성능 에너지 변환/저장 소자 등 미래형 에너지 부품의 보다 빠르고 경제적이며 친환경적인 제조에 크게 기여할 것으로 기대되고 있다.

 

본고에서는 미래 전략기술로 간주되는 3D 프린팅과 관련하여, 전력·에너지 분야에서의 활용방안 및 국내외 최신 기술개발 동향을 간단히 정리하였다.

 

최신 개발동향

 

최근에는 폴리머를 사용하는 전통적인 3D 프린터를 뛰어넘어 새로운 소재의 사용이 가능한 프린터들이 많이 개발되고 있으며, 기존 산업과의 융합을 빠르게 시도하는 프린터들도 있다. 가장 주목받는 신개념 3D 프린터를 소개한다.

 

(1) 접착제 분사 방식 프린터

미국 Exone사에서는 모래 및 금속을 이용한 접착제 분사(BJ, Binder-Jet) 방식의 3D 프린터를 생산하고 있다. 즉, 모래 또는 금속 분말에 접착제를 뿌려서 형체를 구성한 후 소결하는 방식인데, 주로 주물용 거푸집 또는 금속 구조체를 만드는 데 사용된다. 한 층을 프린팅하는 데 걸리는 시간이 30~60초 정도로 매우 짧고 다양한 소재를 사용할 수 있는 것이 장점이다. 

 

그림 2. ExOne사 S-Max 3D 프린터

 

(2) 복합 가공 방식 프린터

독일 DMG-MORI사는 기존 절삭 가공기의 기술에 3D 프린팅 헤드를 결합하고 하나의 제어 소프트웨어로 통합함으로써, 하나의 장비로 원하는 분말 소재의 적층과 부품 표면 연마를 수행 가능케 했다. 5축 밀링 머신과 파이버 레이저를 통합하여 5분 안에 밀링에서 레이저 작업으로 자동 전환이 가능하며, 금속 분말 노즐 분사 방식을 사용함으로써 기존 분말 베드 방식에 비해 10배 정도 작업 속도가 빠르다.

 

그림 3. 레이저 적층과 기계적 연마가 모두 가능한 DMG-MORI사 Lasertec 프린터

 

(3) 탄소섬유 프린터

미국 Markforged사는 절단하지 않은 탄소섬유를 사용하는 3D 프린터를 개발했다. 이것은 FDM 방식의 헤드 둘을 결합한 형태인데, 하나는 나일론 필라멘트만을 사용하고, 또 다른 헤드는 절단하지 않은 탄소/유리/케블라 섬유를 나일론으로 코팅한 CFF(Composite Filament Fabrication)를 소재로 사용한다. 경량·고강도 자동차용 복합 소재 부품을 제작하기 위한 목적으로 개발된 것이며, 나일론 층과 탄소섬유 층을 교대로 프린팅하는 방식으로 적층함으로써, 탄소섬유복합소재(CFRP) 구조체를 제작할 수 있다.

 

그림 4. Markforged사 Mark one 프린터

 

(4) 100배 빠른 프린터

3D 프린터의 단점으로 다소 느린 제작 속도를 지적하는 사례가 많다. 그러나 최근 미국 Carbon3D사가 개발한 CLIP(Continuous Liquid Interface Production) 제품은 광폴리머의 경화 과정에서 산소 농도를 제어하는 광화학 방식을 이용하여 기존 12시간이 걸리던 10cm 높이 에펠탑 모형의 제작을 단 7분 만에 초고속으로 완료했으며, 적층 간격 없이 연속적으로 고형화함으로써 수직 방향으로의 이질성(층과 층 사이의 강도 차)이 없는 장점을 가진다.

 

그림 5. Carbon3D사 의 CLIP 프린터

 

(5) 전기·전자회로 프린터

하버드 대학의 제니퍼 루이스 교수팀은 기존 FDM과 silver paste dispensing을 결합하여 전기회로를 플라스틱 구조체에 인쇄할 수 있는 복합 프린터(Voxel8)를 개발했다. 

 

기존에는 하나의 3D 프린터가 사용하는 소재는 플라스틱 또는 금속 한 가지로 구조적 기능만을 부여했으나, Voxel8은 단순한 3D 구조체만을 출력하는 것이 아니라 배선 기능까지를 담아 전기적 기능을 부가했다는 측면에서 전기·전자 관련 업체의 큰 주목을 받고 있다.

 

그림 6. Voxel8 프린터로 제작된 간단한 전기·전자회로 제품

 

주요 적용 분야

 

기존 제조 공정의 기술적 한계 극복에 따른 혁신적 에너지 소자 및 부품에 대한 수요 시장의 요구 및 증대를 충족시키기 위해 발전용 터빈 핵심 부품, 열교환기용 고방열 부품, 냉각 속도 제어 스마트 금형, 전동기용 고효율 코어 부품, 차세대 에너지 변환/저장 소자 등에 적용을 검토할 수 있다.

 

(1) 발전용 터빈 핵심 부품

제6차 전력수급계획에 따르면 국내에 향후 10년간 약 44GW 규모의 화력 및 복합화력발전소가 신규로 건설될 예정이며, 해외에서는 8,000TWh 이상의 화력/복합화력 시장이 형성될 것으로 전망되어, 향후에도 복합화력 수요는 지속적인 성장이 예상된다. 

 

대부분 고가로 수입에 의존하는 가스터빈 핵심 부품의 경우, 발전 원가 절감을 위해 사용 수명을 최대한 연장하고 국산화하려는 노력이 시도되고 있다. 항공기 제트 엔진의 경우, 개발 소요기간 단축, 경량화/부품 일체화 및 생산원가 절감을 위해 GE에서는 압축기 센서 하우징(T25)이나 연료 노즐 등을 3D 프린팅 기술을 이용하여 제작하고 있다. 이러한 움직임은 발전용 터빈에도 곧 적용될 전망이다. 

 

그림 7. 3D 프린터로 제작된 부품 일체형 GE 항공기 엔진(LEAP) 연료 노즐

 

예를 들어 증기터빈의 경우, 대형화/고효율화를 위해 초대형 LSB(Last Stage Blade) 장착이 늘고 있는 상황에서 비강도가 높은 티타늄(Ti) 합금 적용이 추진되고 있다. 그러나 티타늄 합금은 주조 및 가공이 어려워 제작 원가가 높기 때문에 최근에는 3D 프린터를 이용하여 해당 부품을 매우 경제적으로 제조하려는 시도가 활발해지고 있다.

 

발전용 가스터빈 핵심 부품의 경우, 교체 비용이 매우 높기 때문에 발전소 운영 및 원가 절감을 위해 파손 부위만을 형상/성능 복원하는 3D 프린팅 보수기술 개발도 활발하다. 

 

그림 8. 3D 프린터로 제작된 소형 가스터빈 성능시험 장면(GE)

 

현재 국내에서는 비민감 부위만을 대상으로 육성용접 재생에 TIG/플라즈마/레이저 기술을 활용하는 데 그치고 있지만, GE/Siemens 등 해외 선진사에서는 3D 프린팅 기술을 이미 적용하고 있거나 적용을 적극 검토 중에 있다. 

이외에 노후 원자력발전소 단종 기기 부품을 3D 프린팅으로 제작하는 방안도 추진되고 있다.

 

(2) 열교환기용 고방열 부품

열교환기는 발전소/플랜트/냉동·공조기기/자동차/가전/신재생에너지 등의 에너지 효율 및 온실가스 저감에 영향을 미치는 핵심 부품으로, 고효율/친환경 부품 수요 증대에 따라 3D 프린팅 기반의 부품소재 및 제조혁신 기술의 적용이 시도되고 있다.

 

그림 9. 3D 프린터로 제작된 대면적 열교환기

 

열교환기에 있어서는 소재의 방열 특성이 매우 중요하기 때문에 열전도도가 우수한 소재 개발 및 방열 구조 설계, 냉각 매체에 따라 열교환 튜브의 내식성이 요구되므로 내외부의 조성을 달리한다. 

 

조성 멀티 레이어 적층 공정 개발, 방열이 이루어지는 열교환기 표면적 증가를 위한 복잡 형상 구현 기술 개발이 중점적으로 수행되고 있다. 

 

열교환기 관련 금속 기반 3D 프린팅 기술은 독일 기업들이 우수한 레이저 기술을 바탕으로 DMLS(DirectMetal Laser Sintering) 및 SLM(Selective Laser Melting) 기술을 개발하여 보유하고 있으며, 스웨덴 Arcam사는 EBM(Electron Beam Melting) 기술을 개발해 시스템을 상용화했다.

 

(3) 스마트 금형

금형산업은 3D 프린팅 기술을 가장 효율적으로 적용할 수 있는 제조 산업분야 중 하나이다. 금형은 정확한 형태/동일 크기 부품의 대량 생산을 위한 금속 재료 틀 및 이를 제작하는 기술을 말하며, 최종 제품의 디자인과 품질이 좌우되는 분야이다. 

 

그림 10. 3D 프린터로 제작된 스마트 금형

 

최근 사출금형 개발 분야에서 제품의 생산성 향상과 열변형 최소화를 위해 3차원적 형상 대응형 냉각 채널을 가진 금형과 이종 재료 혼합식 금형 개발에 대한 공정 연구가 활발히 진행되고 있다. 

 

스마트 금형은 컴퓨터 3차원 모델, 즉 3D CAD/CT/MRIScan 또는 3D 스캔 데이터로부터 직접 실물 형상을 만드는 기술로, 디자인과 시제품 그리고 최종 제품 생산에 이르는 시간과 비용을 대폭 줄여준다. 이것은 기존 기계가공에 의한 공법보다 소재의 낭비가 없을 뿐만 아니라, 친환경적인 방법으로 금형 형상 및 3차원 냉각 채널을 제작할 수 있어 많은 주목을 받고 있다.

 

(4) 전동기용 고효율 코어 부품

전기 강판을 적층하여 구현하는 기존 전동기 철심은 2D 구조로서 고효율화를 위한 형상 설계에 제약이 존재하여, 연자성 금속 분말을 3차원 구조로 압분 성형한 신구조 전동기 개발이 세계적으로 시도되고 있다. 

 

연자성 분말 코어는 절연막이 형성된 자성 분말을 성형한 부품으로, 코어 손실을 최소화하고 3차원 정밀 성형이 가능하여 재료의 손실을 억제하며, 재활용이 용이한 차세대 친환경 소재이다. 

 

현재는 성형금형을 이용한 압축 프레스 공정에 의한 생산 방식이 대부분이지만, 향후에는 자성 분말 소재 등의 합금/복합 소재 가공용 3D 프린팅 기술도 개발될 것으로 예상된다.

 

(5) 차세대 에너지 변환/저장 소자

모든 사물과 인간이 하나로 연결되는 사물인터넷 시대의 등장과 친환경 전기자동차 시대의 개막과 함께 고성능 에너지 변환/저장 소자의 개발이 요구되고 있다. 

 

3D 프린팅 기술은 복잡 형상 전극의 효율적 제조가 가능하여 고효율/초경량 에너지 변환/저장 소자를 저가로 제조할 수 있는 차세대 제조 기술로 크게 부각되고 있다. 

 

접근성이 열악한 IoT용 설비 제어 및 센싱 시스템, 장시간 사용 가능한 휴대용 정보통신 전자기기, 장거리 운행 가능한 전기자동차 등에 대한 요구가 증대되고 있으나, 현재 에너지 저장장치의 성능은 한계점에 다다르고 있으며, 이에 따라 신개념 에너지 저장 소자의 개발이 요구되고 있다. 

 

복잡한 형상 구현을 통한 에너지 밀도 증폭을 위한 전극/유전체/압전체 소재의 개발, 이들 복합 소재를 한 번에 프린팅할 수 있는 공정기술 및 3D 프린팅용 리튬 이차전지 소재 기술 등 3D 프린팅 핵심 원천기술 개발이 활발히 수행되고 있다. 

 

미국 PARC사는 2013년 공압출법(Coextrusion)을 활용한 3D 구조 전극 제조 방법을 개발했으며, 미국 하버드대학교는 3D 프린팅 기술로 제작된 3D 리튬이차전지를 발표했다.

 

그림 11. 3D 프린터로 제작된 초소형 리튬이온전지

 

맺음말

 

3D 프린팅 기술이 에너지·전력 분야에서 폭넓게 적용되기 위해서는 우선적으로 해결하고 극복해야 할 기술적 난제가 산적해 있지만, 기존 제조업의 한계를 뛰어넘는 완전히 혁신적인 가능성을 보이는 것은 분명하다. 

 

3D 프린팅 기술은 종전에는 불가능했던 복잡 구조 및 다조성 부품 제조, IoT/빅데이터 기술과의 융복합, 소재와 에너지 소비를 최소화하는 친환경 공정, 설계에서 완성품 제작까지 소요 비용과 시간의 절감 측면에서의 장점을 가지므로, 새로운 시장을 창출하고 기존 에너지산업의 속성과 패러다임을 변화시킬 것으로 예상된다. 

 

지금 당장은 부족하고 개선되어야 할 부분도 많지만, 핵심 특허권 만료, 다양한 소재 개발, 프린터 가격 하락 및 신기술 개발 등의 긍정적 요인에 의해 급성장하고 있는 만큼, 보다 장기적인 관점에서 3D 프린팅 기술의 잠재력 및 파급력에 주목하고 기술개발 강화 및 산학연관의 유기적인 협업과 지원 노력이 그 어느 때보다 절실히 요구된다. 

 

최 철 책임연구원 - 전력연구원 창의미래연구소