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국제 연구팀은 신축성이 있거나 뒤틀린 상태에서 전기를 발생시키는 첨단 기술의 실 (yarn)을 개발했다. 사이언스 최근호 ('Harvesting electrical energy from carbon nanotube yarn twist')에 발표된 연구에서 연구팀은 해양 파도의 움직임이나 온도 변동에서 에너지를 얻을 수 있는 '트위스트론 (twistron)' 실과 이에 대한 응용성을 설명했다. 이 실이 옷에 적용될 때, 자체 전원 공급형 호흡 모니터로 사용될 수 있다. 트위스트론 수확기를 생각하는 가장 쉬운 방법은 실을 사용하여 스트레칭을 하고 전기를 공급하는 것이다. 실은 탄소 나노 튜브로 만들어지며, 탄소 나노 튜브는 인간의 머리카락보다 직경이 10,000 배 작은 중공 실린더 모양이다. 연구팀은 먼저 나노 튜브를 고강도의 경량 실로 꼬아 꼬임을 만들어 냈다. 실의 신축성을 높이기 위해 실이 너무 뒤틀린 고무 밴드처럼 감겨져 있음을 알게 되었다. 전기를 발생시키기 위해서는 실을 이온 전도성 물질 또는 전해질로 담그거나 코팅해야 하며 보통의 식용 소금과 물의 혼합물처럼 간단할 수 있다. 근본적으로 이러한 실은 수퍼 커패시터이다. 일반적인 커패시터에서는 커패시터에 전하를 추가하기 위해 배터리 같은 에너지를 사용하지만, 카본 나노 튜브 실을 전해질에 넣으면 전해질 자체로 실이 충전된다. 외부 배터리나 전압이 필요하지 않는다. 수확기가 꼬이거나 늘어날 때, 탄소 나노 튜브 실의 부피가 줄어들어 털실에 전하가 가깝게 퍼지고 에너지가 증가한다. 이것은 실에 저장된 전하와 관련된 전압을 증가시켜 전기의 수확을 가능하게 한다. 수확기의 무게로 정상화되었을 때 최대 코일 전력 당 킬로그램 당 250 와트의 코일된 트위스트론 실을 초당 30 번 스트레칭했다. 수십 년 동안 수 많은 대체 수확기가 조사되었지만 다른 수확기에서는 초당 수 사이클에서 초당 600 사이클 사이의 신장율에 대해 높은 전력 또는 에너지 출력을 제공하지 못했다. 실험실에서, 연구자들은 파리보다 무게가 적은 트위스트론 실이 작은 LED에 동력을 공급할 수 있음을 보여주었다. 이 LED는 실이 늘어날 때마다 켜진다. 트위스트론이 환경으로부터의 폐열 에너지를 수확할 수 있음을 보여주기 위해 가열 및 냉각될 때 수축하고 팽창하는 고분자 인공 근육에 트위스트론 실을 연결했다. 트위스트론 수확기는 폴리머 근육에 의해 생성된 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환했다. 연구팀은 분산된 센서 어레이와 같은 물건의 인터넷에 전력을 공급하기 위해 폐에너지를 사용하는데 많은 관심을 갖고 있다고 말했다. 트위스트론 기술은 배터리 교체가 비실용적인 어플리케이션에 유용할 수 있다. 또한 연구팀은 트위스트론 수확기를 셔츠로 적용시켰다. 정상적인 호흡은 실을 늘이고 전기 신호를 발생시켜 자체 구동식 호흡 센서로서의 가능성을 보여주었다. 전자 섬유는 상업적으로 중요한 관심사이지만, 어떻게 그 제품에 전력을 공급하기 위해 인간의 움직임으로부터 전기 에너지를 얻는 것은 배터리의 필요성을 없애기 위한 하나의 전략이다. 연구팀의 실은 문헌상 보고된 다른 섬유와 비교할 때 중량 당 100 배 이상의 높은 전력을 생산했다. 개념 증명의 시연에서 한국의 동해안을 항해하면서 코일 꼬임 선을 바다에 배치했다. 그는 해저에 얹혀 있던 풍선과 싱커 (sinker) 사이에 1 밀리그램 (모기의 무게에 해당)의 무게가 나가는 10 센티미터 길이의 실을 부착했다. 바다 물결이 도착할 때마다 풍선이 상승하여 실을 25 %까지 늘려 측정된 전기를 생성한다. 연구팀은 현재 연구에서 극소량의 트위스트론 실을 사용했으나 직경을 늘리고 동시에 많은 실을 작동시킴으로써 수확 성능이 확장 가능함을 보여주었다. 연구팀의 트위스트론 수확기가 덜 비싸게 만들어질 수 있다면, 궁극적으로 파도로부터 얻을 수 있는 엄청난 양의 에너지를 수확할 수 있을 것이다. 그러나 현재 수확기는 센서 및 센서 통신에 전력을 공급하는데 가장 적합하다. 입증된 평균 전력 출력을 기반으로 단 31 밀리그램의 탄소 나노 튜브 얀 수확기가 사물인터넷을 위해 10초 마다 100 미터 반경에 걸쳐 2 킬로바이트 데이터 패킷을 전송하는데 필요한 전기 에너지를 제공할 수 있다. |
