전기를 스스로 생산하는 실 개발 배터리 없는 휴대폰, 장시간 비행 드론의 가능성 열어  허령 기자입력 2017-09-25 09:11:54

과학기술정보통신부·한국연구재단한양대학교가 김선정 교수 연구팀이 수축·이완하거나 회전할 때 전기 에너지를 저절로 생산하는 최첨단 실(Yarn)을 개발했다고 밝혔다. 
연구팀은 탄소나노튜브를 꼬아서 코일 형태의 트위스트론 실(탄소나노튜브 인공근육)을 제조했다. 이 실을 전해질 속에서 잡아당기면 꼬임이 증가하면서 부피가 감소한다. 그 결과 전하를 저장할 수 있는 전기용량이 감소하고, 전기용량 변화량만큼 전기에너지를 생산하게 된다.
트위스트론 실은 19.2㎎만으로도 2.3V의 초록색 LED 전등을 켤 수 있는데, 이 실은 초당 30회 정도의 속도로 수축 이완할 때 ㎏당 250W의 전력을 생산할 수 있다. 
연구팀은 파도나 온도변화를 활용해 트위스트론 실이 스스로 전기 에너지를 생산하는 실험을 수행함으로써 에너지 하베스터로서의 응용 가능성을 입증했다.
트위스트론 실에 풍선을 매달아 바닷속에 직접 넣으면 파도가 칠 때마다 전기에너지가 생산되고, 공기 중 온도변화로 움직이는 나일론 인공근육과 트위스트론 실을 연결했을 때에도 전기에너지가 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 연구의 의의를 설명했다.
이 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구지원사업(개인연구)의 지원을 받아 수행되었으며, 연구내용은 세계적인 학술지 사이언스 8월 25일(금) 자에 게재되었다.

 

 

코일 형태인 트위스트론 실(탄소나노튜브 인공근육)의 주사전자현미경 사진
위 사진을 통해 탄소나노튜브를 한쪽으로 과도하게 꼬아서 코일 형태로 만든 트위스트론 실을 확인할 수 있다. 이 실의 직경은 60~70㎛로 사람의 머리카락 굵기(평균적 100㎛)보다 작은 굵기이고, 실의 스프링 모양 구조로 인해 수축·이완(약 30%)이 용이하다. 

 

동해 경포대 바다에서 실험한 장치 모식도 및 실험 사진
A. 한국 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 수축·이완해 바닷물로부터 전기 에너지가 생성된다.

 

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 이용해 전기 에너지를 생성한다. 이를 측정해 호흡의 크기, 주기 등을 실시간으로 확인할 수 있다.

 

★ 연구 이야기 ★

 

Q. 연구를 시작한 계기나 배경은.
A. 김선정 교수 연구팀은 생체인공근육연구단(2006~2015)의 연구를 수행하면서 외부에서 에너지를 공급해야만 인공근육이 움직일 수 있는 한계성을 인식했다. 인공근육이 에너지를 자체적으로 생성해 움직일 수 있다면 다양하게 응용될 것이라는 아이디어를 가지고 연구를 수행하게 되었다.

 

Q. 연구 전개 과정에 대한 소개.
A. 연구팀은 인공근육의 연구를 수행하며 인공근육을 움직이기 위한 외부의 에너지 공급원, 즉 배터리나 슈퍼커패시터에 대해 생각해보았다. 배터리나 슈퍼커패시터의 원리는 학문적으로 전기화학에 근거하고 있으며, 전기화학적으로 구동하는 인공근육에 대한 연구로부터 아이디어를 떠올렸다. 

 

Q. 연구하면서 어떤 장애요소가 있었고, 어떻게 해결(극복)했는지.
A. 연구팀은 전기 에너지가 발생하는 것을 인공근육의 실험과정에서 처음 발견했지만, 당시‘왜 인공근육에서 전기 에너지가 생성되는가?’라는 원리에 대해 명확히 이해하지 못했다. 10년 이상 동안 나노과학기술 분야에서 협동연구를 진행해 온 미국 텍사스주립대학의 레이 바우만 교수팀과 실험에 대해 지속적으로 논의했고 2년여 동안 8개 팀이 공동연구를 진행하며 원리규명뿐만 아니라 응용 가능성을 증명했다.

 

Q. 이번 성과, 무엇이 다른가.
A. 트위스트론 실은 전기화학적 실험에서 인가전압의 공급 없이도 그 자체의 수축·이완에서 전기 에너지가 발생하는 것이다. 또한, 대기 중이나 해수에서 사용 가능하며, 기존에 보고된 저주파수(~600㎐) 범위에서의 연구 중 가장 우수한 성능을 가지고 있다. 이와 더불어 실 형태로 적당한 신축성 범위(~30%)에서 에너지를 생성할 수 있어 웨어러블 디바이스에 활용 가능성이 높다는 것이 특징이다.

 

Q. 꼭 이루고 싶은 목표와 향후 연구계획은.
A. 탄소나노튜브 인공근육 실의 신재생 에너지로서의 가치를 증명했다. 앞으로 실용화를 위해 더욱 저렴하고 효율이 높은 결과물을 만들기 위한 연구를 지속할 것이다.

 

Q. 기타 특별한 에피소드가 있었다면.
A. 한양대와 텍사스주립대학을 주축으로 3개국 8개 팀이 2년여 동안 연구를 하면서 매주 한 번씩 스카이프를 통해 미팅하고 수시로 상호방문했다. 끊임없는 열정으로 공헌한 저자들이 서로 주고받던 이메일에서 확인할 수 있는 “Many Thanks”가 이번 성과의 과정을 말해주는 것이 아닐까?
 

의견나누기 회원로그인
  • 자동등록방지 중복방지 문자를 이미지와 동일하게 입력해주세요
    이미지에 문자가 보이지 않을경우 이미지를 클릭하시면 문자가 나타납니다