전기가 흐르는 길과 막는 벽을 함께 출력한 3D 프린팅 솔레노이드
한 부품 안에 전기가 흘러야 할 곳과 절대로 통하면 안 되는 곳이 함께 있다. 솔레노이드가 그렇다. 코일에는 전류가 흘러야 하지만, 겹쳐 놓은 코일 층끼리는 서로 닿지 않아야 한다. MIT가 2024년 2월 23일 소개한 연구는 이 상반된 조건을 세 재료와 여덟 층 구조로 풀었다.
세 재료가 만드는 기능의 분업
솔레노이드는 코일에 전류가 흐를 때 자기장을 만드는 전자석이다. 초인종에서는 그 자기장이 철 막대를 움직여 차임을 친다. 연구진의 다중 재료 압출 방식에서는 전도성 재료가 코일 경로를 만들고, 유전체가 코일 층 사이를 절연한다. 연자성 재료로 만든 중심 코어는 자기장 성능을 높인다.
출력된 구조는 코어 둘레에 비교적 두꺼운 전도성 층과 얇은 절연층이 교대로 놓인다. 이 층들을 나선계단처럼 위로 이어 여덟 층의 3차원 코일을 만들었다. 같은 바닥 면적에서 위쪽 공간까지 사용하면 감김 수를 늘릴 수 있고, 감김이 늘면 자기장 증폭에도 유리하다.
재료 특성은 프린터 개조로 이어졌다
문제는 세 재료가 같은 방식으로 공급되지 않는다는 점이었다. 금속 미세입자가 섞인 연자성 나일론은 필라멘트로 만들기 거의 불가능했다. 연구진은 한 노즐을 펠릿 압출 방식으로 바꿨고, 필라멘트 기반 대안보다 성능이 나은 연자성 재료를 사용할 수 있었다.
전도성 필라멘트는 가열 과정에서 녹아 노즐을 막았다. 환기를 추가해 냉각하고, 얇은 가닥에 걸리는 마찰을 줄이도록 스풀 홀더를 노즐 가까이 옮겼다. 재료를 전용 노즐로 나눠 교차 오염도 줄였다. 서로 다른 출력 온도 역시 중요했다. 한 재료 위에 다음 재료를 잘못된 시점에 놓으면 재료가 번질 수 있기 때문이다.
작아진 이유와 3배라는 수치의 범위
정밀하게 여덟 층을 쌓으면서 연구진은 다른 3D 프린팅 솔레노이드보다 약 33% 작은 장치를 만들었다. 좁은 공간에 더 많은 코일을 넣고 더 효과적인 연자성 재료를 쓴 결과, 자기장은 다른 3D 프린팅 장치의 약 3배였고 견딜 수 있는 전류는 두 배였다.
이 비교를 전통 방식의 모든 솔레노이드까지 넓힐 수는 없다. 전통 제조 솔레노이드가 내는 자기장은 여전히 더 강하다. 이번 결과는 완전한 전자기기 제조의 완성이 아니라, 코일·절연·코어를 조립 없이 한 출력 공정에 통합한 단계다. 이 사례에서는 다중 재료 적층제조를 구현하기 위해 형상 설계와 함께 펠릿 공급, 필라멘트 냉각, 재료별 출력 시점을 조정했다.
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