햄스터의 운동을 이용해 발전하는 나노발전기 개발

햄스터의 운동을 이용해 발전하는 나노발전기 개발

 

 

 

 

 

태양, 바람, 그리고 파도만이 재생 가능 에너지의 근원은 아니다. 나노스케일 기기들에 동력을 공급하고자 하는 연구원들에게는 근력도 재생 에너지의 근원이다.

사람이 컴퓨터 앞에 앉아 있는 동안 만들어내는 모든 심장 박동과 모든 움직임은 잠재적으로 끌어 모을 수 있는 소량의 에너지를 동반한다. 그러나 이러한 생체 움직임에서 에너지를 얻어내는 것은 이러한 움직임의 대부분이 불규칙적이기 때문에 어렵다. 이제, 처음으로 연구원들은 인간 손가락의 가볍게 치는 움직임 그리고 햄스터의 불규칙적인 달리기와 긁기를 포함한 불규칙적이고 낮은 에너지의 생체운동에 의해 구동되는 나노발전기를 시연했다(그림1. 햄스터의 운동에너지를 이용해 발전하는 나노 발전기).

연구원들의 나노발전기는 피에조전기 효과(압전효과)- 기계적인 압력이 가해질 대 전위를 산출하는 몇몇 결정성 물질을 이용하는 방법 -를 이용한다. Georgia Tech의 재료 공학 교수인 Zhong Lin Wang에 의해 주도된 연구팀은 2005년 이후로 압전 나노선을 이용한 발전기를 만들어왔다. 최신 나노발전기는 유연한 플라스틱 표면 상에 올려진 일련의 일련의 산화 아연 나노 선들로 이루어져 있다(그림2). 이 선들은 금속 전극을 이용해 서로 서로 그리고 외부의 전기 회로에 연결된다. 플라스틱이 휘어질 때, 철사들도 구부러지고, 이러한 선의 움직임이 외부 회로를 통해 전류를 구동하는 전위를 발생시킨다.

Nano Letters 저널에 금주 온라인으로 출판된 논문에서, Wang의 그룹은 다양한 종류의 생체 역학 에너지를 얻는 나노발전기의 용도를 설명한다. 연구원들은 사람의 검지 손가락에 나노발전기를 부착했고, 검지가 표면을 가볍게 칠 때의 전력 출력을 기록했다. 그들은 또한 나노발전기를 부착한 작은 점퍼를 입은 햄스터가 운동 휠에서 달리는 동안 그리고 자신을 긁고 있는 동안 에너지를 수확했다.

다른 연구원들은 또한 생체 역학 에너지를 수확할 수 있는 압전 외팔보(캔틸레버)를 개발하였지만, 이러한 시스템은 특정 주파수에서 규칙적인 기계적 공명에 의존한다. 대부분의 생체운동-근육 스트레칭, 팔 돌리기, 걷기, 심저이 심장 박동-은 보다 불규칙한 기계적 에너지를 생산한다. Wang은 자신들이 소규모의 불규칙한 움직으로부터 에너지를 얻을 수 있는 최초의 발전기를 만들었다고 말한다.

기기에 의해 발생된 에너지는 현재 매우 작지만(약 1 nW), Wang은 이것이 나노 스케일 기기를 위한 유용한 전력원을 개발하기 위해 여전히 중요한 단계라고 말한다. 예민하게 감도가 좋은 나노스케일 센서들은 병원균 또는 암 단백질을 감지하는 것과 같은 일을 하기 위해서 매우 낮은 전력-약 1uW-을 필요로 한다. 그러나 이러한 것들의 개발을 어렵게 하는 이유 중의 하나는 현존하는 전력 공급기의 크기와 수명이다. 체내에 삽입 가능한 나노센서는 나노사이즈의 크기를 가지면서도 오래 유지되고, 외과적인 제거 및 교체 필요성이 없는 전원을 필요로 한다.
Wang의 그룹은 아직 체내 삽입형 나노 발전기를 만들지는 않았지만, Wang은 이론적으로 이것이 가능하다고 말한다. 가령 나노발전기는 생물학적으로 적합한 폴리머로 쌓여져 근육 조직에 이식될 수 있다.

연구원들은 더 많은 압전 선들을 연속적으로 배열함으로써 전력을 증가시키기 위한 연구를 수행 중이다. 나노스케일 기기에 전력을 공급하는 것뿐 아니라 압전 발전기는 아마도 더 큰 기기들에 연결될 수 있다. 향후 5년에서 10년 이내에 Wang은 사람이 입는 크기의 재킷에 직물에 짜여질 수 있고 휴대용 전기 기기의 배터리를 충전하기 위해 충분한 에너지를 얻을 수 있도록 발전기의 출력을 크게 증가시키기를 희망한다.

 

출처:KISTI 『글로벌동향브리핑(GTB)』 2009-02-13