3D 프린팅 그래핀 배터리(3D printable graphene battery) 시제품의 구성 원소

FFF(fused filament fabrication)가 포함된 다양한 유형의 3D 프린팅을 위한 그래핀 기반의 나노복합재료를 개발 및 제조하고 관련 시장을 확보하고 있는 Graphene 3D Lab사는 3D 프린트가 가능한 그래핀 배터리(3D printable graphene battery)를 개발했다. 이 회사의 CEO인 Daniel Stolyarov는 2014년 10월 4째 주 산타클라라에서 개최된 인사이드 3D 프린팅 컨퍼런스(Inside 3D Printing Conference)에서 3D 인쇄가 가능한 그래핀 배터리의 시제품을 선보였다.

Graphene 3D Labs사는 FFF 3D 프린팅을 사용한 열가소성 수지(thermoplastics)와 그래핀 나노플레이트(graphene nanoplatelet)를 결합하여 최종적으로 전기 전도성을 제공하는 기능성 3D 프린팅 필라멘트를 얻을 수 있었다. 현재 공정은 음극, 양극 및 전해질 등과 같은 개별적인 구성 원소의 분리된 인쇄를 필요로 한다. 그러나 실제적인 다수 재료의 3D 프린터가 한 개의 단일 프린트에서 전체 배터리의 인쇄를 가능하게 할 수 있다고 Graphene 3D Labs사는 밝혔다.

Graphene 3D Lab사는 최근 미국 특허청에 3D 프린트가 가능한 배터리와 재료에서 이룬 혁신에 대한 특허를 위한 임시 특허 출원을 제출했다.

Graphene 3D사가 출원한 응용은 동력원을 공급해야 하는 필요성 때문에, 전자 장치가 프린트를 수행하는 능력을 갖추는데 중요한 역할을 할 가능성이 있다. 이러한 지역에서 IP 포트폴리오의 확대는 개선된 재료를 갖춘 3D 프린팅 기능성 장치에 대한 생태계를 생성하는 Graphene 3D사의 주요 목표를 달성하는 중요한 단계라고 Stolyarov는 밝혔다.

이 회사가 개발했던 그래핀이 강화된 재료는 3D 프린팅 공정이 이러한 공정이 구축되는 동안 3D 인쇄된 물체에 통합될 수 있는 기능성 배터리를 제작하는 데 적용하는 것을 가능하게 했다. 연구진은 관련 논증을 비디오 자료로 제작하여 제시했다. Graphene 3D사가 선보인 시제품은 상업적으로 이용 가능한 AA 건전지와 동일한 전압에 도달했다.

Graphene 3D사는 3D 프린팅 그래핀 배터리가 형태, 크기 및 특성이 장치의 특정 디자인에 맞추기 위하여 자유롭게 조정될 수 있기 때문에, 상용 배터리를 능가할 수 있다고 밝혔다. 그래핀 3D사는 수요가 발생하는 곳과 멀리 떨어진 지역에서 상용 배터리보다 훨씬 더 신속하게 충전될 수 있는 3D 프린트 슈퍼커패시터에 이 기술을 이용하거나 프린팅 배터리를 자동차 차체에 통합함으로써 프린팅 배터리를 구현하는 것을 염두에 두고 있다.

스웨덴 연구진은 전기 자동차에서 다기능성 구조적 리튬 이온 배터리에 활성 전극으로 탄소 섬유를 사용하는 방안을 조사 중이다. 즉 전기 저장을 자동차 차체에 통합할 수 있는 방안을 찾고 있다. 탄소 섬유 재료가 높은 리튬 삽입 능력(lithium-intercalation capability)뿐 아니라 높은 특이성 인장 강도(tensile stiffness)와 UTS(ultimate tensile strength)를 가지기 때문에, 탄소 섬유 재료는 구조적 전극(structural electrode)을 위한 우수한 후보 물질이다.

이러한 다기능성 구조적 자동차 배터리의 개념은 볼보자동차와 미국 ARPA-E(US Advanced Research Projects Agency-Energy) 등을 포함한 다양한 기관으로부터 상당한 관심을 끌고 있다. ARPA-E는 변형적 이용의 전기 자동차 저장을 위한 다양한 프로그램의 일환으로 자동차를 위한 다기능 구조적 배터리를 개발하기 위한 스탠퍼드 대학, 샌디에이고 대학, 애리조나 주립 대학 및 펜실베이니아 주립 대학 등 4개의 독립된 프로젝트에 전체 875만 달러의 지원을 받았다.

그래핀 3D는 자체적인 기술에 대하여 3개의 미국 특허 출원 중이다.

출처 KISTI 미리안 『녹색기술정보포털』