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전기를 스스로 생산하는 실 개발
배터리 없는 휴대폰, 장시간 비행 드론의 가능성 열어
특허뉴스 이성용기자 기사입력  2017/08/25 [12:13]


김선정 교수(한양대) 연구팀이 수축이완하거나 회전할 때 전기 에너지를 저절로 생산하는 최첨단 실(yarn)을 개발했다고 과학기술정보통신부(이하 과기정통부)는 밝혔다.

김선정 교수 연구팀의 연구내용은 세계적인 학술지 사이언스 8월 25일자에 게재되었다.
 
논문명, 주저자정보
- 논문명 : 탄소나노튜브 실로부터 전기 에너지 하베스팅(Harvesting Electrical Energy from Carbon Nanotube Yarn Twist)
- 저자정보 : 김선정 교수(공동교신저자, 한양대학교), 김시형 박사(공동제1저자, 한양대학교/University of Texas at Dallas), Ray H. Baughman 교수(공동교신저자, University of Texas at Dallas), Carter S. Haines 박사(공동제1저자, University of Texas at Dallas), Na Li 박사(공동제1저자, University of Texas at Dallas)
 
연구팀은 탄소나노튜브를 꼬아서 코일 형태의 트위스트론 실(탄소나노튜브 인공근육)을 제조하였다. 이 실을 전해질 속에서 잡아당기면 꼬임이 증가하면서 부피가 감소된다. 그 결과 전하를 저장할 수 있는 전기용량이 감소하고, 전기용량 변화량만큼 전기에너지를 생산하게 된다.
* 트위스트론(twistron) 실 : 트위스트론은 Twist(꼬다)와 -tron(‘기구’라는 의미)의 합성어로서, 과도하게 꼬여진 고무밴드 같은 코일형태의 실
 
트위스트론 실은 19.2밀리그램(mg)만으로도 2.3볼트(V)의 초록색 LED 전등을 켤 수 있다. 이 실은 초당 30회 정도의 속도로 수축 이완할 때 킬로그램(kg)당 250와트(W)의 전력을 생산할 수 있다.
 
연구팀은 파도나 온도변화를 활용하여 트위스트론 실이 스스로 전기 에너지를 생산하는 실험을 통해서, 에너지 하베스터로서의 응용가능성을 입증하였다.
* 에너지 하베스터 : 열, 진동, 음파, 운동, 위치에너지 등 주변에서 일상적으로 버려지거나 사용하지 않는 작은 에너지를 수확하여 사용가능한 전기에너지로 변환하는 장치
 
트위스트론 실에 풍선을 매달아 바다 속에 직접 넣으면 파도가 칠 때마다 전기에너지가 생산되었고, 공기 중 온도변화로 움직이는 나일론 인공근육과 트위스트론 실을 연결했을 때에도 전기에너지가 저절로 생산되었다.
 
김선정 교수는 “기존 배터리와는 달리, 반영구적으로 무제한 전기 에너지를 생산할 수 있는 트위스트론 실은 해양에서의 대량 전기 생산, 휴대폰 및 드론에 연속적 전원공급 등 다양하게 응용될 것으로 기대된다.”고 연구의 의의를 설명했다.
      
논문의 주요 내용
 
1. 연구의 필요성
자연에서 버려지는 자원으로부터 다시 유용한 에너지를 만드는 친환경 신재생 에너지로는 태양광, 풍력, 조력, 파력 등이 있으며 현재 많이 연구되고 있다. 이러한 신재생 에너지는 부분적으로 실생활이나 산업에 응용되고 있지만 더 발전된 성능이나 활용이 필요하다.
 
2. 연구내용
연구팀은 탄소나노튜브를 꼬아서 과도하게 꼬인 고무밴드와 같은 코일 형태로 트위스트론 실을 제조하였다. 이 실이 전해질 속에서 수축이완하거나 회전 운동을 하게 될 때 인공근육의 부피가 감소되면서 전하가 인공근육에 모이게 되는데 이 전하가 인공근육에 저장되는 원리로 전기 에너지를 생산한다. 트위스트론 실이 초당 30회 정도의 속도로 수축이완할 때 중량으로 표준화 시키면 킬로그램당 250와트의 전력을 생산할 수 있다.
 
3. 연구 성과
에너지 하베스터로 응용가능성을 보여준 실험으로, 한국 동해 해변(경포대)에서 트위스트론 실에 풍선을 매달아 바닷물 속에 직접 넣으면, 파도가 칠 때마다 실은 풍선에 의해 25%까지 수축이완 되면서 전기 에너지가 생산되는 결과를 보여 주었다. 공기 중에서 온도변화로 움직이는 나일론 인공근육과 트위스트론 실을 연결해 나일론 인공근육의 기계적 운동에 의해 트위스트론 실이 전해질 내에서 전기 에너지가 저절로 생산되는 결과를 보여 주었다.
 
트위스트론 실로 꿰맨 티셔츠를 입고 호흡할 때 마다 실의 신축 변화에 의해 생성되는 전기적 신호를 검출해 외부에서 전원공급이 필요 없는 자가구동 센서로써의 가능성을 보여주었다.

이 연구에서는 한정된 시간동안에만 에너지를 공급할 수 있는 배터리와는 달리 반영구적 무제한 에너지를 생산할 수 있는 신재생 에너지를 연구하고자 하였다. 전기 에너지를 스스로 발생하는 트위스트론 실은 자가구동 무선센서, 해양에서 대량 전기생산, 휴대폰 또는 드론에 장기간 연속적 전원공급 등 다양한 응용으로 앞으로 산업을 발전시킬 잠재력을 가지고 있다.
 
용어설명
1. 트위스트론(twistron) 실
트위스트론은 Twist(꼬다)와 -tron(‘기구’라는 의미)의 합성어로서, 과도하게 꼬여진 고무밴드 같은 코일형태의 실
 
2. 에너지 하베스터
열, 진동, 음파, 운동, 위치에너지 등 주변에서 일상적으로 버려지거나 사용하지 않는 작은 에너지를 수확하여 사용가능한 전기에너지로 변환하는 장치
 
3. 커패시턴스(capacitance)
축전기에 전하를 저장할 수 있는 능력, 전기용량
 
 
 
▲   코일 형태인 트위스트론 실(탄소나노튜브 인공근육)의 주사전자현미경 사진   © 특허뉴스

그림설명 1. 코일 형태인 트위스트론 실(탄소나노튜브 인공근육)의 주사전자현미경 사진
위 사진은 탄소나노튜브를 한쪽 방향으로 과도하게 꼬아서 코일 형태로 만든 트위스트론 실이다. 이 실의 직경은 60~70 마이크로미터로 사람의 머리카락 굵기(평균적 100 마이크로미터)보다 작은 굵기이고 실의 스프링 모양 구조로 인하여 수축이완(약 30%)을 쉽게 할 수 있다. 
     
     

   
▲   동해 경포대 바다에서 실험한 장치 모식도와 실험 사진   © 특허뉴스

그림설명 2. 동해 경포대 바다에서 실험한 장치 모식도와 실험 사진
 
A. 한국의 동해(경포대)에서 트위스트론 실에 고무풍선을 매달아 전기 에너지를 생산한 실험 장치의 모식도이다. 장치의 구성은 트위스트론 실을 넣고 바닷물이 쉽게 접할 수 있는 전극을 장착한 유리병, 트위스트론 실과 연결된 풍선 및 전기를 측정하는 장비로 이루어져있다.
B. 파도가 칠 때마다 움직이는 풍선에 의해 트위스트론 실이 수축이완하여 바닷물로부터 전기 에너지를 생산하는 실험 당시의 실제 촬영사진이다. 
     
    
 
▲열 에너지로부터 전기 에너지를 생산하는 인공근육 실 © 특허뉴스
 
그림설명 3. 열 에너지로부터 전기 에너지를 생산하는 인공근육 실
위 그림은 공기 중에서 온도의 변화로 움직이는 나일론 인공근육(상단 부분)을 트위스트론 실(탄소나노튜브 인공근육, 하단 부분)에 연결하여 구성하였다. 나일론 인공근육이 주변의 온도변화(열 에너지)로부터 자발적인 수축이완이 일어나서 트위스트론 실을 움직이며 전기 에너지를 생산하였다.
 
 
 
▲ 자가구동 호흡센서로써 응용 가능성     © 특허뉴스

그림설명 4. 자가구동 호흡센서로써 응용 가능성
티셔츠에 트위스트론 실을 꿰매서 삽입하고 호흡에 반응하는 자가구동 센서를 만들었다. 사람이 트위스트론 실로 꿰맨 티셔츠를 입고 호흡을 할 때마다 가슴의 넓이가 변화되는 것을 이용하여 전기 에너지가 발생된다. 이를 측정하여 호흡의 크기, 주기 등을 실시간으로 센싱할 수 있다.
 
 
 
▲ 발광다이오드(LED)를 켜는 실험     © 특허뉴스
 
   그림 5. 발광다이오드(LED)를 켜는 실험
한 가닥(무게: 19.2 밀리그램, 길이: 58 센티미터)의 트위스트론 실이 늘어날 때 마다 발광다이오드(녹색)를 켜는 실험이다. 이 실험으로부터 트위스트론 실의 양을 늘리게 된다면, 전기 에너지의 생산을 증가시킬 수 있다는 스케일-업의 가능성을 보여주었다.

기사입력: 2017/08/25 [12:13]  최종편집: ⓒ e-patentnews.com
 
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