TL;DR

  • 연구진이 건물 구조재 안에 에너지를 저장하는 3D 프린팅 시멘트 기반 슈퍼커패시터를 개발했으며, 시험에서 상용 콘크리트와 비슷한 압축 강도를 보임.
  • 슈퍼커패시터는 태양광 패널 등에서 얻은 에너지를 건물 구조물 내부에 저장하고 빠르게 충전·방전하는 방식임.
  • 탄소나노튜브, 카본블랙, 시멘트를 섞은 잉크를 맞물린 손가락 모양으로 인쇄해 이온 이동 거리를 줄이고 효율을 높임.
  • 같은 슬래브에 인쇄해 연결한 장치 세 개가 소형 발광 다이오드(LED) 배열에 전력을 공급했으며, 비상 조명과 자체 전원 센서에 활용될 가능성이 있음.
  • 장치는 적당한 가열·냉각 조건에서 안정적으로 작동했지만, 약 화씨 0도(섭씨 영하 18도)에서 성능이 저하되기 시작함.

건물 구조재에 에너지 저장 기능을 더하다

  • 집이나 사무실에서 에너지를 생산하고 저장하며 사용하는 차세대 건물을 구현하려는 구상에서, 재생에너지를 건물 가까이에 저장하거나 건축에 쓰이는 콘크리트 내부에 저장하는 방안이 제시됨.
  • ACS Nano에 보고된 연구에서 연구진은 시험상 상용 콘크리트와 비슷한 성능을 유지하는 에너지 저장 시멘트 슈퍼커패시터를 개발함.
  • 연구 논문 제목은 “Monolithic 3D-Printed Interdigitated Cement-Based Supercapacitors for Structural Energy Storage”이며, ACS Nano 2026에 게재됐고 DOI는 10.1021/acsnano.6c09927임.
  • 슈퍼커패시터는 저장 에너지량은 비교적 적지만 빠르게 충전·방전할 수 있고, 일부는 수백만 회의 충·방전 주기를 견딤.
  • 건물 자재에 슈퍼커패시터를 직접 통합하면 지붕이나 설비실에 부피가 큰 배터리를 두는 대신, 태양광 패널 등 건물 인근에서 생산한 에너지를 구조물 안에 저장할 가능성이 있음.
  • 교신저자 Jing Zhong은 재생에너지를 충분히 자주 공급해 슈퍼커패시터를 충전할 수 있다면 반복적인 충·방전을 통해 일부 에너지 수요를 충족할 수 있다고 설명함.

전극 잉크와 3D 프린팅 구조

  • Jing Zhong과 공동 연구자인 Wencai Ren, Haiping Wu는 탄소나노튜브, 카본블랙, 시멘트를 먼저 혼합해 인쇄 가능한 전극 잉크를 만듦.
  • 연구진은 3D 프린터로 작은 콘크리트 슬래브 위에 잉크를 맞물린 손가락 모양의 패턴으로 인쇄함.
  • 슬래브 안의 시멘트가 수화되면서 공극이 물과 이온으로 채워지고, 이온이 전극 사이를 이동함.
  • 전하를 띤 이온의 이동 거리를 줄인 설계로 이전 시제품보다 슈퍼커패시터의 전반적인 효율이 높아짐.

강도·출력·온도 시험

  • 시험 결과, 시멘트 기반 슈퍼커패시터의 압축 강도는 바닥 슬래브와 계단에 쓰이는 상용 콘크리트와 비슷함.
  • 한 슬래브에 인쇄한 장치 세 개를 전선으로 연결해 소형 발광 다이오드(LED) 배열에 전력을 공급함.
  • 향후 활용 대상으로 비상 조명과 자체 전원 센서 등이 제시됨.
  • 새 슈퍼커패시터는 적당한 가열·냉각 조건에서 안정적으로 작동했지만, 약 화씨 0도(섭씨 영하 18도)에 이르자 성능이 저하되기 시작함.
  • 향후 연구는 추운 날씨에 슈퍼커패시터의 성능을 보강하는 데 초점을 맞출 예정임.

스마트 빌딩의 가능성

“건축 자재가 구조물을 지탱할 뿐 아니라 에너지를 저장하고, 주변 환경을 감지하며, 사람과 상호작용할 수 있다면 건물은 수동적인 거처 이상의 존재가 됨. 진정한 스마트 환경이 될 수 있음.” — Jing Zhong

  • 연구진은 구조 지지 기능을 넘어 에너지 저장과 주변 환경 감지, 사람과의 상호작용까지 수행하는 건축 자재의 가능성을 제시함.
  • 연구 자금은 China State Construction International Holdings Limited의 자회사인 Guangdong Hailong Construction Technology Company Limited에서 지원함.