새로운 탄소 나노튜브 원사는 기계적 에너지를 수확합니다

달라스에 있는 텍사스 대학의 나노기술 연구원들은 다른 물질 기반 에너지 수확기보다 기계적 움직임을 전기로 더 효과적으로 변환하는 새로운 탄소 나노튜브 원사를 만들었습니다.

1월 26일 Nature Energy에 발표된 연구에서 UT 달라스 연구원과 동료들은 늘어나거나 꼬일 때 전기를 생성하는 "트위스트론"이라고 불리는 자신들이 발명한 첨단 원사에 대한 개선 사항을 설명합니다. 새로운 버전은 전통적인 양모나 면사와 매우 유사하게 제작되었습니다.

직물에 꿰매어진 트위스트론은 인간의 움직임을 감지하고 수집할 수 있습니다. 트위스트론은 바닷물에 배치될 때 바다 파도의 움직임으로부터 에너지를 수확할 수 있습니다. 트위스트론은 슈퍼커패시터를 충전할 수도 있습니다.

2017년 Science 저널에 발표된 연구에서 UTD 연구진이 처음 설명한 트위스트론은 인간의 머리카락보다 직경이 10,000배 더 작은 탄소로 이루어진 속이 빈 실린더인 탄소 나노튜브(CNT)로 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 연구에서 연구팀은 코일링 지점까지 섬유를 비틀지 않았다. 대신 그들은 방적된 탄소 나노튜브 섬유의 세 가닥을 서로 엮어 단일 실을 만들었습니다. 이는 직물에 사용되는 기존 실을 구성하는 방식과 유사하지만 꼬임은 다릅니다.

“직물에 사용되는 합연사는 일반적으로 한 방향으로 꼬인 다음 반대 방향으로 함께 합쳐서 최종 실을 만드는 개별 가닥으로 만들어집니다. 이 헤테로키랄 구조는 비틀림에 대한 안정성을 제공합니다.”라고 UT Dallas의 Alan G. MacDiarmid NanoTech Institute 소장이자 해당 연구의 교신 저자인 Ray Baughman 박사는 말했습니다.

"반면, 우리의 최고 성능 탄소 나노튜브 합체 트위스트론은 비틀림과 합판의 같은 방향성을 가지고 있습니다. 즉, 이형 카이랄보다는 동종 카이랄입니다."라고 자연과학대학 화학과의 Robert A. Welch 석좌교수인 Baughman이 말했습니다. 그리고 수학.

연구진은 합연된 CNT 원사를 사용한 실험에서 인장(신축) 에너지 수확의 경우 17.4%, 비틀림(비틀림) 에너지 수확의 경우 22.4%의 에너지 변환 효율을 입증했습니다. 코일형 트위스트론의 이전 버전은 인장 및 비틀림 에너지 하베스팅 모두에서 7.6%의 최고 에너지 변환 효율에 도달했습니다.

"이 트위스트론은 트위스트론이 아닌 재료 기반 기계 에너지 수확기에 대해 이전에 보고된 것보다 2Hz에서 120Hz 사이의 넓은 주파수 범위에 걸쳐 수확기 무게당 더 높은 전력 출력을 갖습니다"라고 Baughman은 말했습니다.

“우리 소재는 매우 특이한 기능을 합니다. 늘리면 밀도가 낮아지는 대신 밀도가 높아집니다. 이러한 치밀화는 탄소 나노튜브를 서로 더 가깝게 밀고 에너지 수확 능력에 기여합니다.”

Ray Baughman 박사, Robert A. Welch 자연과학 및 수학부 화학 석좌교수

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

Baughman은 "우리의 재료는 매우 특이한 기능을 수행합니다."라고 말했습니다. “늘리면 밀도가 낮아지는 대신 밀도가 높아집니다. 이러한 치밀화는 탄소 나노튜브를 서로 더 가깝게 밀고 에너지 수확 능력에 기여합니다. 우리는 왜 그렇게 좋은 결과를 얻을 수 있는지 더 완전히 이해하려고 노력하는 이론가와 실험가로 구성된 대규모 팀을 보유하고 있습니다."