환경기술특허연구회

국내 연구진이 수축·이완 또는 회전할 때 전기 에너지를 저절로 생산하는 최첨단 실(yarn)을 개발했다. 앞으로 배터리 없는 휴대폰이나 장시간 비행 드론의 가능성 열었다.

연구팀은 탄소나노 튜브를 꼬아서 코일 형태의 트위스트론 실(탄소나노튜브 인공근육)을 제조했다. 이 실을 전해질 속에서 잡아당기면 꼬임이 증가하면서 부피가 감소된다. 그 결과 전하를 저장할 수 있는 전기용량이 감소하고, 전기용량 변화량만큼 전기에너지를 생산하게 된다. 

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. 트위스트론(twistron) 실은 트위스트론은 twist(꼬다)와 –tron(‘기구’라는 의미)의 합성어로서, 과도하게 꼬여진 고무밴드 같은 코일형태의 실을 말한다. 

한양대 김선정 교수 연구팀의 이번 연구내용은 세계적인 학술지 사이언스 8월 25일자에 <논문명 : 탄소나노튜브 실로부터 전기 에너지 하베스팅-->(harvesting electrical energy from carbon nanotube yarn twist)> 제목으로 게재됐다. 

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 파도나 온도변화를 활용해 트위스트론 실이 스스로 전기 에너지를 생산하는 실험을 통해서, 에너지 하베스터로서의 응용가능성을 입증했다. 에너지 하베스터란 열, 진동, 음파, 운동, 위치에너지 등 주변에서 일상적으로 버려지거나 사용하지 않는 작은 에너지를 수확하여 사용가능한 전기에너지로 변환하는 장치다.

▲티셔츠에 트위스트론 실을 꿰매서 삽입하고 호흡에 반응하는 자가구동 센서를 만들었다. 사람이 트위스트론 실로 꿰맨 티셔츠를 입고 호흡을 할 때마다 가슴의 넓이가 변화되는 것을 이용해 전기 에너지가 발생된다. 이를 측정하여 호흡의 크기, 주기 등을 실시간으로 센싱할 수 있다.

트위스트론 실에 풍선을 매달아 바다 속에 직접 넣으면 파도가 칠 때마다 전기에너지가 생산됐고, 공기 중 온도변화로 움직이는 나일론 인공근육과 트위스트론 실을 연결했을 때에도 전기에너지가 저절로 생산됐다. 
 
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 설명했다.

트위스트론 에너지 하베스터는 실의 직경을 증가 시키거나 병렬 연결함으로써 에너지 하베스터 스케일 업의 가능성이 있으며, 가격 경쟁력이 확보된다면 해양으로부터 엄청난 양의 전기 에너지 수확이 가능하다. 따라서 트위스트론 에너지 하베스터는 장기간 동안 전기 에너지를 연속적으로 생산할 수 있어 앞으로 배터리가 없는 휴대폰이나 장기간 비행가능한 드론 등 다양한 분야에 응용할 수 있는 잠재력을 가지고 있다.