PLA 필라멘트도 전기가 통할까? 도전성 변종과 출력 난제 이해하기

전기를 통하는 필라멘트가 있다는 걸 아셨나요? 널리 알려지거나 쓰이진 않지만, 확실히 도전성 필라멘트가 있어 아주 흥미로운 프로젝트를 출력할 수 있습니다.

그럼 일반 PLA는 얼마나 도전성이 있으며, 도전성 PLA 변종은 있을까요?

이 글에서 두 질문에 답하고, 도전성 필라멘트 출력 시 겪을 수 있는 문제점, 추천 필라멘트 등을 다루겠습니다.

시작해볼까요!

PLA 필라멘트는 도전성이 있는가?

PLA는 10¹⁶ Ωm 수준의 저항율을 가져 일반적인 플라스틱 종류와 비슷하므로 비도전성 필라멘트 범주에 속합니다. 고체 상태(차가운 상태)에서는 훌륭한 전기 절연체입니다. 하지만 가열되면 부드러워지며 도전성이 생겨 더 이상 절연체로 안전하지 않습니다.

폴리락트산(PLA)은 생분해성 열가소성 수지이며, 방금 말했듯 실온부터 약 70°C 범위에서 훌륭한 전기 절연체입니다. PLA의 저항율과 절연 파괴 강도가 70°C까지는 저밀도 폴리에틸렌(LDPE) 등 석유계 고분자와 비슷해 고체 상태에선 극도로 비도전성입니다.

하지만 PLA를 전기용 절연체로 쓸 때 문제는 전기 전도도가 온도에 크게 의존한다는 점입니다. 유리 전이 온도 Tg(70°C) 이상에서 PLA의 전기 전도도가 급격히 상승합니다.

이유는 PLA가 Tg 이상에서 고무 상태가 되면서 분자 사슬의 미세 브라운 운동으로 전기 전도도가 갑자기 크게 상승하기 때문입니다.

온도 상승 시 PLA가 절연 특성을 잃으므로, 고열 발생 전기 애플리케이션에 쓰는 건 권장하지 않습니다. 단락으로 이어질 수 있기 때문입니다. 하지만 저전압·저열 애플리케이션엔 PLA가 완벽히 적합합니다.

도전성 필라멘트가 있는가?

제한적인 범위의 도전성 필라멘트가 현재 나와 있으며, DIY 커뮤니티에서 빠르게 인기를 얻고 있습니다. 하지만 너무 기대하진 마세요. 현재 이 필라멘트들은 단순 회로와 소형 전자 프로젝트에만 적합합니다. 그래도 임베디드 LED로 장식된 3D 모델부터 오토 베드 레벨링 센서까지 유용하고 재미있는 것들을 만들 수 있습니다.

가장 인기 있고, 제 지식으론 가장 유용한 도전성 필라멘트는 프로토파스타(Proto-pasta)의 도전성 PLA입니다. 저항율 15Ω·cm로 센서, 버튼, LED 등 단순 전자 부품 연결에 적합합니다.

도전성 PLA 필라멘트는 일반적으로 그래핀, 흑연화 탄소 등 첨가제를 넣어 일반 PLA의 도전성을 높인 것입니다. 전압 60V, 전류 100mA 이하 저전압 회로에만 적합하며, 이 한계는 필라멘트 종류와 브랜드마다 다를 수 있습니다.

여러 브랜드가 이런 필라멘트를 만드는데, 일반 필라멘트보다 훨씬 비싸고 복잡한 회로 제작엔 쓸 수 없습니다.

이 필라멘트들은 얼마나 도전성이 있는가?

모든 필라멘트 종류와 브랜드가 동일하게 도전성이 있는 건 아니니, 구매 전 필라멘트의 전기 저항율 등급을 꼭 확인하세요.

전기 도체의 저항율은 소재가 전류 흐름을 얼마나 잘 저항하는지 나타내는 척도입니다. 단위는 Ω·cm이며 전도도와 반비례합니다. 저항율이 낮을수록 더 도전성이 높습니다.

다행히 이 정보는 필라멘트 스풀이나 제조사 사이트에 다 나와 있습니다.

도전성 3D 출력물은 흥미로운 거동을 보이며, 일반적으로 모든 평면에서 동일하게 도전성이 있는 건 아닙니다. X, Y축으로는 연속적으로 출력되지만 Z축으로는 층이 쌓여 접촉 면적이 적어, Z축 방향 전도도가 X, Y축보다 낮습니다.

본질적으로 출력물 방향을 고려해, 가장 도전성이 필요한 부분이 더 넓은 전체 접촉 면적을 갖도록 출력 방향을 정해야 합니다.

도전성 필라멘트 예시

도전성 PLA 프로토파스타 필라멘트(Conductive PLA Proto-Pasta Filament): PLA 기반, 저항율 15 Ω·cm, 1.75mm/2.85mm 직경 제공. 출력 온도 195~225°C, 베드 온도 50~60°C.

일렉트리파이 도전성 필라멘트(Electrifi Conductive Filament): 독자적 금속-폴리머 복합체로 생분해성 폴리에스터(아마 PLA)와 구리 주성분. 100g당 $196.00, 저항율 0.006 Ω·cm. 1.75mm/2.85mm 직경. 출력 온도 130~160°C, 베드 온도 50~60°C.

SUNLU ABS 도전성 필라멘트(SUNLU ABS Conductive Filament): ABS 기반, 1kg당 $40.01. 1.75mm 직경만 제공. 출력 온도 220~240°C, 베드 온도 20~120°C.

아몰렌 도전성 블랙 PLA 필라멘트(AMOLEN Conductive Black PLA Filament): PLA 기반, 200g당 $22.99. 저항율 1.42 Ω·cm. 1.75mm 직경만 제공. 출력 온도 220~250°C, 베드 온도 0~50°C.

도전성 필라멘트 용도

도전성 필라멘트는 가볍고 내구성 있고 유연한 저전압 전기 회로 개발을 가능케 해, 3D 출력 유연 전기 센서가 옷 등에 매끄럽게 통합될 수 있는 웨어러블 전자 분야에서 획기적이라 평가받습니다.

통신 분야에서도 고도로 맞춤화된 전자기·무선주파수 차폐, 필터, 안테나 등 부품 출력에 도전성 필라멘트가 유용합니다. 산업·과학 연구소와 의료 기관은 민감한 장비를 교란시킬 수 있는 경쟁 신호로부터 보호하기 위해 3D 출력 EMI·RF 차폐체를 활용할 수 있습니다.

엔지니어, 메이커, DIY 애호가는 도전성 필라멘트로 다양한 회로, 산업·엔지니어링용 임의 형상 정전 용량 센서, 키보드, 게임 컨트롤러, 재미있는 아두이노 프로젝트 등을 만들 수 있습니다.

단, 도전성 필라멘트는 고전압·고열 애플리케이션에 쓸 수 없습니다. 녹아 단락되기 때문입니다.

도전성 필라멘트 테스트용 무료 출력 모델

창의적인 분들이 도전성 필라멘트로 놀라운 3D 출력물을 만들었습니다. 기능성 차이가 있지만 상상력이 한계입니다.

배터리 테스터.
손전등.
전기 흐르는 터미네이터.

도전성 필라멘트로 출력하도록 설계된 더 기발한 3D 프린트를 찾고 싶다면 해크데이(Hackday) 기사나 자체 검색엔진을 이용해 파일을 찾아보세요.

도전성 필라멘트 출력 시 문제점

단락 이슈: 앞서 말했듯 PLA의 유리 전이 온도는 약 70°C로, 이 온도에 도달하면 부드러워지며 도전성이 생겨 단락으로 이어질 수 있습니다. 본질적으로, 그 온도에 절대 안 갈 거란 확신이 없으면 도전성 PLA를 쓰지 마세요.

도전성 필라멘트는 마모성이 강함: 도전성 PLA는 일반적으로 카본이 주입돼 도전성을 띠지만, 이 때문에 익스트루더 노즐에 극도로 마모성이 강합니다. 브라스 노즐 쓰시면 필라멘트 500g 출력 후 노즐 교체해야 할 겁니다.

노즐 막힘: 도전성 필라멘트는 출력이 더 까다로워, 막힘 방지를 위해 출력 속도를 낮추고 노즐 온도를 높여야 합니다.

결론

도전성 필라멘트는 3D 프린팅 세계에 추가된 가장 재미있는 요소 중 하나입니다. 실제 구리 배선을 대체하진 못하지만, 게임 컨트롤러, 손전등, 앞서 링크한 LED 달린 터미네이터 헤드 같은 걸 만들고 싶다면 도전성 필라멘트가 정답입니다.

현명하게 사용하고 전기 단락을 피하세요!

이 정보가 유용했길 바랍니다!

좋은 하루 되세요!