3D 프린팅(3D printing)과 태양에너지, 어떻게 미래를 만들어 갈 것인가?

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적층가공(additive manufacturing) 혹은 쾌속제작(rapid fabrication)이라고도 불리는 3D 프린팅이 최근 들어 전 세계적으로 관심을 얻고 있다. 제러미 리프킨의 <3차 산업혁명>에서도 우리의 미래를 완전히 뒤바꿀 기술로 소개되는 한편, 미국의 오바마 대통령은 2013년 연두교서에서 “3D 프린팅은 우리의 제품생산 방식을 완전히 뒤바꿔 놓을 기술”이라고 밝히기도 하였다. 국내에서도 관련 기사가 연일 SNS와 인터넷을 달구고 있다.

 이 기술은 태양에너지의 미래도 바꿀 수 있을까? 이 둘이 합쳐서 그려낼 미래는 어떤 모습일까? 해외에서 발간되었던 복수의 기사를 참고하여 이에 대한 해답을 구해보았다.

 

1. 3D 프린팅은 무엇인가?

3D 프린팅은 그 이름에서 알 수 있듯, 디지털 3D 도면을 그 자리에서 바로 프린트하여, 실제 제품을 만들어 내는 기술을 말한다. 지금까지 우리가 어떤 물건을 제작했던 방식이 원재료를 자르고 깎아내는 것이었다면, 3D 프린팅은 유리, 실리콘, 플라스틱, 레진과 같은 다양한 원재료를 한 겹 한 겹 쌓아 올려 완제품을 만들어 내는 방식이다.

 

<동영상 설명: 3D Printing 기술을 소개하는 동영상>

2. 3D 프린팅의 장점은?

3D 프린팅이 탄생한지는 무려 20년이나 되었다. 20년의 시간 동안 인류가 발전시켜온 소프트웨어 솔루션 기술과 재료공학은 3D 프린터가 재료가 놓여야 할 곳에 정확하게 재료를 놓고 쌓아 올릴 수 있게 했다. 뿐만 아니라 이 과정을 통해 완성된 제품의 기능성이나 품질 역시 기존에 방식에 비해 부족할 것이 없으며, 어떤 경우에는 3D 디자인을 통해 정교하게 설계된 구조를 프린팅 기술을 통해 현실화 함으로써 이전보다 더 내구성이 강해질 수도 있다.

 

또한 앞서 언급하였듯 원재료를 깎아내는 것이 아닌 필요한 곳에 정확하게 쌓아 올리는 것이기 때문에 원재료를 낭비할 필요가 없다. 언제 어디서나 우리가 원하는 제품을 직접 만들어 낼 수 있기에 제품의 운송료와 시간을 아낄 수 있다는 장점은 말할 것도 없다. 3D 프린팅은 이 모든 특성을 통해 미래를 말 그대로 완전히 바꾸어 버릴 것이다.

 

3. 3D 프린팅은 태양에너지 산업을 어떻게 바꿔 놓을 것인가?

그렇다면 이 기술이 태양에너지 산업에는 어떻게 적용 될 수 있을까? 우선 태양에너지의 단점으로 항상 지적되어온 효율성과 비용 측면을 크게 개선할 수 있으며 태양에너지 전원의 적용 폭을 무궁무진하게 확대시킬 수 있다.

 

1) 태양전지 생산 비용 절감

지난 2011년 미국의 오레건 주립대학교 (Oregon State University)는 최초로 CIGS박막 태양전지를 잉크젯 프린트 기술을 통해 생산해냈다. 이들에 따르면 이런 기술을 통해서 원재료 손실의 90%를 줄일 수 있으며 이를 통해서 태양전지 생산에 소요되는 비용을 크게 절감할 수 있다.

 

2) 효율의 향상

집광형태양광모듈(HCPV)의 혁신가로 일컬어지는 미국 기업 Semprius는 마이크로 트랜스퍼 프린팅(Micro-transfer printing)공정을 통해 세계에서 가장 작은 태양전지를 생산해냈다. 그 크기는 겨우 연필심의 끝 정도이다. 이들에 따르면 이 기술을 통해 생산된 모듈은 기존의 실리콘 기반의 태양전지에 비하여 두 배 정도 효율적일 뿐만 아니라 일정하고도 우수한 에너지 출력을 낸다. 뜨거운 기후에서의 성능 역시 기존의 모듈보다 우월하다.

 

영국 <Guardian>지의 기고가이자 차세대 에너지 연구 및 컨설팅 기업인 Blue Phoenix의 수석에너지전략가 존 리카타(John Licata)는 3D프린팅이 기존의 평평한 모양의 태양광모듈이 갖는 단점 역시 해결할 수 있다고 한다. 이런 모듈의 경우 태양을 직면하고 있지 않을 때는 효율이 떨어질 수 밖에 없는데, 3D 프린팅을 이용하면 3D블록 형식과 같은 다양한 형태의 태양전지를 만들어 낼 수 있다. MIT의 연구자들은 이런 3D 태양광 패널은 기존의 태양전지보다 대략 20%가량 더 효율적일 것이라고 한다. 물론 이런 형태의 태양전지는 기존의 것보다 더 비쌀 태지만 지붕 위에 한정된 공간에서 이전보다 훨씬 더 많은 전력을 생산해 낼 수 도 있으며 구름 낀 날씨 같은 악조건에서도 더 나은 성능을 발휘한다.

 

3) 태양에너지의 적용 범위 확대

존 리카타는 또한 3D 프린팅을 통해 태양전지를 비싼 유리가 아닌 종이, 플라스틱, 혹은 섬유에도 인쇄한다면 극도로 얇은 수준의 태양전지의 생산까지 가능해 질 것이라고 주장한다. 실제로 MIT는 지난 2011년, 아무런 처리도 되지 않은 일반 종이에 태양전지를 인쇄하는 실험을 하기도 했다. 이런 기술을 통해 태양전지가 극도로 얇아지는 수준에 이르면, 이는 iWatch나 Google Glasses 같은 ‘착용가능한 첨단기술(Wearable high-tech)’의 발전에 또 다른 가능성을 열게 된다. 여기에서 기술이 좀 더 진보한다면, 자동차나 빌딩의 도색재, 혹은 뿌릴 수 있는 태양전지(솔라 스프레이)까지도 가능하게 될 것이다.

 

4. 태양에너지는 3D 프린팅 기술을 어떻게 보완할 것인가?

앞서 살펴본 것처럼 3D프린팅 기술은 향후 태양에너지의 미래를 바꿔 놓을 것이다. 하지만 태양에너지가 3D 프린팅기술로부터 일방적으로 받기만 하진 않을 것이다. 왜냐하면 태양에너지는 태양에너지대로 3D 프린팅이 가지고 있는 문제점을 해결할 수 있기 때문이다.

 

1) 태양열에너지의 활용

우선 3D프린팅은 엄청난 양의 에너지를 소비한다. Ecomagination의 보고에 따르면, 금속가루를 이용하는 어떤 적층가공 방식의 경우, 기존의 전통적인 주물공정 보다 금속 1 킬로그램당 사용되는 전기의 양이 수 백배 더 많다. 문제는 향후 3D프린팅이 보편화 되고 3D프린터가 또 다른 3D프린터를 찍어내는 수준까지 간다면 그 에너지 소비량은 어마어마 할 것이라는 사실이다.  태양열에너지가 바로 그 해결책이 될 수 있다. 원재료를 녹이는 데에 들어가는 그 열을 태양열로 대체할 수 있기 때문이다.

 

2) 태양광발전을 통한 전기소비 증가 충당

SolarGardens의 조이 휴즈(Joy Hughes) 또한 3D 프린터의 보급이 확대되어 각 가정과 공동체가 각자의 생산시설을 보유하게 된다면, 이로 인해 송배전 시스템에 가해지는 부담의 증가 역시 필연적일 것이라는 점을 지적한다. 이럴 때에 지역별로 갖춰진 분산형 태양광발전 시설이나 에너지저장소는 이런 수요의 급증을 상쇄시킬 수 있다. 이런 이유에서 사막이나 농촌지역처럼 신재생에너지 발전 설비를 찾기 쉬운 지역에 소규모생산시설들이 들어설 것으로 예상된다. 마치 댐 주변에 데이터 센터들이 많이 포진해 있는 것처럼 말이다.

 

지금까지 3D 프린팅과 태양에너지가 그려갈 새로운 미래에 대해 살펴보았다. 필자가 확인하지 못한, 혹은 이 글에 담아내지 못한 가능성 역시 무궁무진할 것이다. 하지만 일각에서는 ‘아직 멀었다’라는 지적도 나오고 있다. 3D 프린팅 기술은 이제 막 대중에게 선을 보이고 있는 시점이고 태양전지를 빠르게 대량생산할 수 있는 수준까지 도달하기에도 시간이 걸릴 것이기 때문이다. 하지만 분명한 것은 두 기술의 융합이 멀지 않은 미래에 우리가 마주하게 될 가슴 설레는 미래라는 사실이다.

 

S.F. 단장 장익성 (iksung.jang@gmail.com)

참고자료:

1. Cheryl Kaften, “A Guide to Industrial Revolution 4.0”, PV Magazine, Nov 2012.

2. John J Licata, “How 3D printing could revolutionise the solar energy industry”, Guardian, Feb 2012.

3. “3D Printing Opens Opportunities For Solar Power”, Knovel, Mar 2013.

4. Chris Waldo, “Will we 3D print renewable energy?”, 3D Printer, Jun 2012.

5. Joy Hughes, “3D Printing and Renewables: Distributed Energy Meets Distributed Manufacturing”, SolarGardens, Mar 2013.