3D 프린팅을 활용한 균류 연료 전지

배터리는 우리 기술적으로 진보된 현재와 미래를 움직이는 원동력입니다. 결국, 배터리는 리모컨, 카메라, 전화기, 노트북, 전기차부터 장비, 로봇, 에너지 저장까지 모든 것을 구동합니다.

배터리의 다양한 활용 사례를 감안할 때, 그 시장 규모는 2024년에 1,346억 2천만 달러로 평가되었으며, 2030년까지 연평균 복합 성장률(CAGR) 16.4%로 추가 확대될 것으로 예상됩니다.$134.62 billion in 2024 및 예상됩니다.

배터리에 대한 수요가 지속적으로 증가함에 따라, 이제는 에너지 밀도 향상, 안전성 강화, 수명 연장, 충전 시간 단축을 제공하는 기술 개선에 초점이 맞춰지고 있습니다.

배터리 성능 개선 외에도, 이제는 환경 영향을 줄이는 데 더 큰 관심이 쏠리고 있습니다. 이는 전자 폐기물이 증가하고 있기 때문이며, 분해가 어렵거나 재활용이 용이하지 않은 부품을 포함한 전자제품 폐기로 인해 이번 10년 말까지 7,470만 톤에 이를 것으로 추정됩니다.

동시에, 재생 불가능한 자원이 급속히 감소하고 있어, 효율적으로 가공될 수 있고 환경에 미치는 영향을 최소화하는 새로운 지속 가능한 에너지 원에 대한 긴급한 필요성이 대두되고 있습니다.

무독성이고 보다 친환경적이며 재생 가능한 소재를 부품에 활용하는 친환경 전자제품 개발에 대한 급속한 요구를 충족시키기 위해, Empa 연구원들은 충전 대신 영양 공급이 필요한 생분해성 균류 배터리를 만들었습니다. 3D 프린팅된 이 살아있는 배터리는 농업이나 외딴 지역 연구에 사용되는 센서에 전력을 공급할 수 있습니다. 균류 배터리가 역할을 다하면 내부에서 스스로 소화됩니다.

이러한 바이오 배터리 또는 미생물 연료 전지(MFC)는 미생물의 산화환원 대사를 이용해 에너지를 생성합니다.

이러한 연료 전지에 사용되는 미생물은 폐수나 당과 같은 유기물을 대사하고, 이러한 물질이 없을 경우 빛 에너지와 광합성을 이용합니다. MFC는 양극과 음극으로 구성되며, 양극과 음극은 프로톤 교환막(PEM)으로 분리되거나 단일 구획 장치에서 개방된 형태로 존재합니다.

원격 센싱 및 환경 모니터링 장치 외에도, MFC는 웨어러블 전자기기와 바이오 의료 진단 장치와 같은 분야에서도 관심을 받고 있습니다. 특히 전력망에 연결되지 않은 독립형 응용 분야에 유리합니다.

박테리아, 조류, 고세균이 MFC의 일부 유형입니다. 균류 MFC의 경우, 효모와 백색 부패균을 이용한 연구가 진행되었지만, 이 두 균류를 결합한 사례는 아직 없었습니다.

균류: 성장하는 관심 분야

이 3년 연구 프로젝트의 초점은 균류이며, 균류는 진핵생물로 세포에 막으로 둘러싸인 세포소기관과 명확한 핵을 가지고 있습니다. 균류는 식물계에 속하지 않으며 다른 모든 생물과도 구별됩니다.

버섯은 가장 쉽게 인식되는 균류입니다. 그 외에도 효모, 녹병, 곰팡이, 곰팡이류 등이 있습니다. 균류는 실제로 어디에나 존재합니다: 토양, 공기, 호수, 바다, 식물, 동물, 식품, 그리고 인간 몸속에도. 박테리아와 함께 유기물을 분해하고 산소, 탄소, 인, 질소를 토양과 대기로 방출하는 데 기여합니다.

우리 일상에서 균류는 빵, 와인, 맥주, 특정 치즈를 만들고 고단백 식품을 생산하는 데 흔히 사용됩니다. 균류는 질병 관리에도 중요한 기여를 하지만, 동시에 병원성 병원균의 원인이 되기도 합니다.

균류에 대한 연구는 생물학의 기본 지식을 얻는 데 도움을 주었으며, 세포 및 분자생물학, 유전공학, 기타 기본 생물학 분야를 연구하는 데 계속해서 관심을 받고 있습니다.

의료 분야에서는 사이코시빈을 함유한 매직 머쉬룸이 특히 주목받고 있습니다. 사이코시빈은 자연 발생 환각 알칼로이드로 환각 효과를 가지고 있습니다. 최근 기사에서 언급했듯이, 사이코시빈을 정신 및 심리 장애 치료에 활용하려는 연구가 급증하고 있습니다.exploring psilocybin’s use to treat mental and psychological disorders.

균류가 유기물을 유용한 제품으로 전환하는 능력은 균류 바이오테크놀로지에 대한 큰 관심을 불러일으켰으며, 이는 바이오 기반 순환 경제로의 전환을 촉진하는 데 기여할 수 있습니다.

인구 증가에 따른 식량 공급을 확보·안정·향상시키고 온실가스 배출을 감소시키는 솔루션을 제공함으로써, 균류 바이오테크놀로지는 기후 변화 완화에 중요한 기여를 할 잠재력을 가지고 있습니다.

균류가 다양한 분야에서 많은 관심을 받고 있는 반면, 재료 과학 분야에서는 아직 연구가 부족하고 활용도도 낮은 편입니다. 그러나 연구자들이 균류를 이용해 전기를 생산함에 따라 상황이 바뀔 수 있습니다.

최근 연구는 작동 가능한 균류 배터리 개발을 보여주었으며, 비록 높은 전력을 생산하지는 않지만 며칠 동안 온도 센서를 구동할 수 있을 정도의 전력을 생성합니다. 이러한 센서는 환경 연구나 농업 분야에서 사용됩니다.

전통적인 배터리와 달리, 이 균류 배터리는 완전히 무독성이고 생분해 가능하여 환경 친화적인 선택입니다.

바이오배터리: 친환경 전자가 여기 있습니다

스위스 연방 재료 과학 및 기술 연구소(The Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology)의 유기 기반 배터리는 균류 대사와 연관된 에너지 생성을 촉진했습니다.

출처: ACS

여기서 살아있는 셀은 미생물 연료 전지입니다. 미생물은 다른 생물과 마찬가지로 영양소를 에너지로 전환하며, 미생물 연료 전지(MFC)도 이 대사를 이용해 에너지를 생성하고 그 일부를 전기로 포착합니다.

지금까지 미생물 연료 전지는 주로 박테리아에 의해 구동되어 왔지만, 이번에 Empa 연구원들은 처음으로 대사가 서로 잘 맞는 두 종류의 균류를 결합해 작동 가능한 연료 전지를 만들었습니다.

연구진은 양극 측에 효모 균류를 사용했으며, 이 균류의 대사는 전자를 방출합니다. 음극 측에는 백색 부패균을 사용했으며, 이 균류는 전자를 포착할 수 있는 특수 효소를 생성하고 그 전자는 셀 밖으로 전달됩니다.

연구진은 초기 단계부터 균류를 배터리의 핵심 요소로 통합했습니다. 3D 프린팅을 활용해 균류 배터리 부품을 제작함으로써 임의의 형태와 모양을 가진 장치를 자유롭게 인쇄하고, 이를 다른 전자 부품과 원활히 통합할 수 있는 완전한 기하학적 자유를 얻었습니다.

이러한 방식으로 전극을 특정 방식으로 구조화하여 미생물들이 영양소에 가능한 한 쉽게 접근할 수 있도록 했습니다.

이제 이를 실현하기 위해 균류 세포를 프린팅 잉크에 혼합했습니다. 이는 균류가 잘 성장할 수 있는 소재를 찾는 것뿐만 아니라, 세포를 죽이지 않고 잉크를 압출하는 도전을 극복한다는 의미입니다.

“물론, 우리는 그것이 전기 전도성이면서 생분해되기를 원합니다.”

– 구스타프 뉘스트럼, 셀룰로오스 및 목재 재료 연구실 책임자

전기 전도성을 부여하기 위해 팀은 잉크에 카본 블랙과 흑연 플레이크를 첨가했습니다.

소프트 바이오 기반 소재 3D 프린팅에 대한 풍부한 경험을 바탕으로, 팀은 과제에 적합한 셀룰로오스 기반 잉크(하이드로젤 균류 잉크)를 생산할 수 있었습니다. 연구에서는 셀룰로오스를 이용한 균류 전극 3D 프린팅이 균류의 대사 활동을 전기화학 장치에 활용할 수 있는 새로운 방법이라고 언급했습니다.

셀룰로오스는 해조류, 박테리아, 목재, 그리고 튜니케이트에서 추출되는 풍부하고 저비용이며 재생 가능하고 생분해성 고분자입니다. 실제로 다양한 유기 기반 전자제품을 만드는 데 성공적으로 활용되어 왔습니다.

균류 세포는 셀룰로오스를 영양소로 활용할 수 있어 사용 후 배터리 분해에 도움이 됩니다. 그러나 주요 영양원은 단순당이며, 이는 배터리 셀에 나중에 추가됩니다.

“균류 배터리를 건조 상태로 보관하고 현장에서 물과 영양소만 추가하면 바로 활성화할 수 있습니다.”

– Empa 연구원 카롤리나 레예스, 훈련된 미생물학자

연구에 따르면, 이러한 바이오배터리는 며칠 동안 300~600mV를 생산할 수 있습니다. 네 개의 배터리를 병렬로 연결하면 작은 센서를 65시간 동안 구동할 수 있습니다.

팀은 이전 작업에서 디스플레이, 센서, 배터리, 슈퍼커패시터 등을 포함한 새로운 친환경 전자 분야를 위한 소재, 잉크, 장치를 개발했습니다. 이번 연구를 통해 이전 실험에서 전기 에너지를 저장하고 환경적으로 안전한 시스템에서 에너지를 생성할 수 있는 장치를 제공한 가능성을 더욱 확장했습니다.

다음 단계에서는 연구진이 균류 배터리를 더 강력하고 오래 지속되도록 만들고, 장치를 완전 3D 프린팅이 가능하도록 목표하고 있습니다. 또한 전기 공급에 더 적합한 다른 종류의 균류를 탐색하여 현장 실용 응용에 사용할 수 있도록 장치를 준비할 계획입니다.

이제 배터리와 3D 프린팅 시장에서 활동하는 주요 기업들을 살펴보겠습니다.

1. Proto Labs, Inc.

포괄적인 디지털 제조 서비스를 제공하는 Proto Labs (PRLB ) 는 맞춤형 부품을 제작하기 위한 첨단 제조 및 3D 프린팅 서비스에 특화되어 있습니다.

Proto Labs는 올해 전면적인 생산 서비스로 확장했으며, 이를 ‘자연스러운 진화’라고 부릅니다. 이는 품질 관리와 가격 옵션을 개선하고 산업 인증에 집중함으로써 고객을 처음부터 끝까지 지원할 수 있게 합니다. 이 확장의 촉진 요인은 2021년 3D Hubs 인수로, 솔루션 기반을 확대했다고 Proto Labs의 3D 프린팅 응용 엔지니어링 매니저인 Eric Utley가 말했습니다.

지속 가능성이 전 세계적인 급박한 과제가 되면서 소비자, 기업, 규제 기관 모두 재활용 소재를 선택해 환경 발자국을 줄이려 하고 있습니다. 이에 Proto Labs는 CNC 제품군에 재활용 함량이 포함된 플라스틱 소재를 도입했습니다. 이를 통해 사용자는 추가 비용 없이 프로토타입 제작 시 원료 소재 사용을 피할 수 있습니다.

시가총액 9억 3,775만 달러인 Proto Labs의 주가는 현재 주당 38.26달러이며, 연초 대비 2.12% 하락했습니다. EPS(TTM)는 0.94, P/E(TTM)는 40.69입니다.

2024년 3분기에는 매출 1억 2,560만 달러를 기록했으며, 전년 동기 기록 매출 1억 3,070만 달러 대비 3.9% 감소했습니다. 순이익은 720만 달러였습니다. 한편, 영업 현금 흐름은 Proto Labs가 3D Hubs를 인수하기 전인 2020년 이후 최고 수준이었습니다.

3분기 비GAAP 주당 순이익은 0.47달러였으며, 연초 대비 조정 EPS는 매출이 정체된 가운데 전년 대비 10% 이상 상승한 것으로 보고되었습니다. 총합으로 Protolabs는 22,511건의 고객 접점을 처리했습니다. 2024년 9월 30일 기준 현금 및 투자 잔액은 1억 1,760만 달러였습니다.

2. BYD Company Ltd. (BYDDF: OTCPK)

중국에 기반을 둔 BYD는 주로 운송 장비의 제조 및 판매에 관여하지만, 충전식 배터리, 태양광 제품, 일상용 전자 기기 제조에도 참여하고 있습니다.

시가총액 1,055억 7천만 달러인 BYD의 주가는 현재 33.33달러이며, 연초 대비 1.99% 하락했습니다. EPS(TTM)는 1.66, P/E(TTM)는 20.08이며, 배당 수익률은 1.31%입니다.

최근 발표된 데이터에 따르면, BYD는 중국 내 전력 배터리 설치 용량에서 23.19% 점유율로 2위를 차지했으며, 이는 17.49GWh에 달합니다. 전국 전체 전력 배터리 설치량은 75.4GWh로 전년 대비 57.3% 증가했습니다. 2024년 전체 기준으로 BYD는 24.74% 점유율로 2위를 유지했으며, CATL은 45.08% 점유율로 1위를 유지했습니다.

충전식 배터리의 선두 제조업체인 BYD는 리튬이온 배터리, 니켈수소(NiMH) 배터리, NCM 배터리를 제공하며, 이들은 소비자 전자제품, 신에너지 차량, 에너지 저장 등 다양한 용도로 사용됩니다. 중요한 점은 BYD가 전체 공급망을 자체 보유하고 있어 품질과 비용을 보다 효과적으로 관리할 수 있다는 것입니다.

BYD는 올해 전기차용 새로운 세대의 Blade 배터리를 출시할 준비를 마쳤으며, 이는 회사의 향후 차량에 사용될 예정입니다. 첫 번째 세대 Blade 배터리는 2020년에 BYD가 도입했으며, 현재 세대는 BYD 전기차뿐만 아니라 Tesla (TSLA ), Toyota (TM ), Ford (F ), Kia, Hyundai 등 다른 자동차 제조업체에서도 사용되고 있습니다.

전통적인 리튬이온 배터리와 비교했을 때, 이 리튬인산(LFP) 배터리는 비용 효율성이 높아 BYD가 성장에 기여한 저가 전기차 모델을 출시하는 데 도움을 주었습니다. 차세대 Blade 배터리는 더욱 컴팩트하고 효율적이며 안전하고 주행 거리를 늘릴 것입니다.

회사의 자동차 사업을 살펴보면, BYS는 지난해 전 세계적으로 전기차와 하이브리드 차량을 사상 최대량으로 판매했으며, 최대 경쟁자인 Tesla는 430만 대를 판매했습니다. 중국 최고의 자동차 제조업체는 2024년에 순수 전기차 176만 대를 판매했으며, 지난 10년간 수천억 달러 규모의 정부 보조금으로 촉진된 국내 시장에서 치열한 경쟁에 직면하고 있습니다.

회사 매출 측면에서, 2024년 3분기에 가솔린 엔진 차량 생산을 2022년에 중단한 이 중국 전기차 제조업체는 순이익이 11.5% 상승해 16억 3천만 달러에 이르렀으며, 매출은 전년 대비 24% 증가한 282억 4천만 달러를 기록했습니다.

결론

배터리는 오늘날 전자기기, 전기차, 직관적인 이동통신망, 심우주 탐사 등 기술 혁신을 이끄는 핵심 요소입니다. 그러나 급증하는 전자 폐기물과 감소하는 재생 불가능 자원으로 인해 재생 가능한 천연 자원을 기반으로 한 제품 개발이 필요해졌으며, 이는 오늘날 연구자들이 균류와 같은 유기 소재를 활용해 배터리를 만들면서 주목받는 분야가 되었습니다.

오랫동안 지구상의 생명을 풍요롭게 하고 미래를 형성해 온 균류는 재활용 및 물질 변환의 선두주자로서 관심이 급증하고 있습니다. 균류는 인간, 식물, 동물의 건강을 보장하는 새로운 개념을 도입하며, 바이오 기반 순환 경제로의 친환경 전환을 위한 솔루션을 제공합니다.

균류는 농업, 의학, 바이오테크놀로지 분야에서 연구·활용되어 왔지만, 최신 연구는 재료 과학 및 미생물 전기화학 분야에서 큰 도약을 의미합니다. 이는 친환경 소재를 사용하고, 미생물 연료 전지에 활용할 수 있는 다양한 셀룰로오스 기반 균류 전극을 3D 프린팅할 기회를 제공함으로써 이루어졌습니다.

이러한 돌파구는 시급한 환경 문제를 해결하고 바이오 기반 고성능 에너지 저장 시스템 설계에 새로운 가능성을 열어주어, 진정한 지속 가능하고 순환적인 경제 실현에 한 걸음 더 다가가게 합니다.

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