탄소나노튜브 실로 기계적 에너지 수확…

텍사스 대학교 달라스(University of Texas) 연구원들은 다른 물질 기반 에너지 수확기보다 기계적 움직임을 전기로 더 효과적으로 변환하는 새로운 탄소 나노튜브 원사를 만들었다고 말했습니다. 전통적인 양모나 면사와 매우 유사하게 구성된 새로운 방적 탄소 나노튜브(CNT) 실("트위스트론"이라고 함)은 늘어나거나 꼬일 때 전기를 생성합니다.

직물에 꿰매어진 트위스트론은 인간의 움직임을 감지하고 수확할 수 있습니다. 트위스트론을 바닷물에 배치하면 파도의 움직임으로부터 에너지를 수확할 수 있습니다. 그리고 연구원들은 트위스트론이 슈퍼커패시터를 충전할 수도 있다고 말합니다.

"우리의 재료는 매우 특이한 기능을 수행합니다."라고 UT Dallas의 Alan G. MacDiarmid NanoTech 연구소 소장이자 해당 연구에 대한 연구의 교신저자인 Ray Baughman 박사는 말합니다. "늘리면 밀도가 낮아지는 대신 밀도가 높아집니다. 이러한 밀도는 탄소 나노튜브를 서로 더 가깝게 밀고 에너지 수확 능력에 기여합니다."

트위스트론은 사람 머리카락보다 직경이 10,000배 더 작은 탄소로 이루어진 속이 빈 원통형 CNT로 구성됩니다. 트위스트론을 만들기 위해 나노튜브는 고강도, 경량 섬유 또는 전해질이 포함될 수 있는 실로 트위스트 회전됩니다.

이전 버전의 트위스트론은 탄성이 매우 높았는데, 연구진은 실이 지나치게 꼬인 고무 밴드처럼 감겨질 정도로 많은 꼬임을 도입하여 이를 달성했습니다. 감겨진 실을 반복적으로 늘렸다 풀었다 하거나, 비틀었다 풀었다 함으로써 전기가 발생합니다.

새로운 트위스트론 버전에서는 섬유가 코일링 지점까지 꼬이지 않았다고 연구원들은 말합니다. 대신 그들은 방적된 탄소 나노튜브 섬유의 개별 가닥 3개를 서로 엮어 단일 실을 만들었습니다. 이는 직물에 사용되는 기존 실을 구성하는 방식과 유사하지만 꼬임이 다릅니다.

"직물에 사용되는 합연사는 일반적으로 한 방향으로 꼬인 다음 반대 방향으로 함께 합쳐져 최종 실을 만드는 개별 가닥으로 만들어집니다"라고 Baughman은 말합니다. "이 헤테로키랄 구조는 풀림에 대한 안정성을 제공합니다. 대조적으로, 우리의 최고 성능 탄소 나노튜브 합체 트위스트론은 비틀림과 합판의 동일한 방향성을 가지고 있습니다. 이는 헤테로키랄이 아닌 호모키랄입니다."

실험에서 합연된 CNT 원사는 인장(신축) 에너지 수확의 경우 17.4%, 비틀림(연신) 에너지 수확의 경우 22.4%의 에너지 변환 효율을 보여주었습니다. 연구진의 코일형 트위스트론의 이전 버전은 인장 및 비틀림 에너지 수확 모두에서 7.6%의 최고 에너지 변환 효율에 도달했습니다.

"이 트위스트론은 트위스트론이 아닌 재료 기반 기계 에너지 수확기에 대해 이전에 보고된 것보다 넓은 주파수 범위(2Hz~120Hz)에 걸쳐 수확기 무게당 더 높은 전력 출력을 갖습니다."라고 Baughman은 말합니다.

연구원들은 합연 트위스트론의 향상된 성능은 늘어나거나 꼬일 때 실이 측면으로 압축되는 결과라고 말합니다. 이 공정을 통해 실의 전기적 특성에 영향을 미치는 방식으로 플라이가 서로 접촉하게 됩니다.

연구자들은 세 겹으로 실을 구성하는 것이 최적의 성능을 제공한다는 것을 발견했습니다. 3겹 트위스트론을 사용하여 몇 가지 개념 증명 실험이 수행되었습니다. 한 시연에서 연구원들은 풍선과 바닷물로 채워진 수족관 바닥 사이에 3겹 트위스트론을 부착하여 파도에서 전기 생성을 시뮬레이션했습니다.

그들은 또한 무게가 3.2mg에 불과한 배열로 여러 가닥의 트위스트론을 배열하고 이를 반복적으로 늘려 슈퍼커패시터를 충전했습니다. 슈퍼커패시터는 5개의 소형 발광 다이오드, 디지털 시계 및 디지털 습도/온도 센서에 전력을 공급하기에 충분한 에너지를 보유했습니다.

연구원들은 또한 CNT 원사를 면직물 패치에 꿰매어 사람의 팔꿈치에 감았습니다. 사람이 팔꿈치를 반복적으로 구부릴 때 전기 신호가 생성되어 인간의 움직임을 감지하고 수집하는 데 섬유가 사용될 수 있음을 보여줍니다.