▲ 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 이용하여 전기 에너지가 발생된다. 이를 측정하여 호흡의 크기, 주기 등을 실시간으로 센싱할 수 있다.

한양대 김선정 교수 연구팀이 수축이완하거나 회전할 때 전기 에너지를 저절로 생산하는 최첨단 실(yarn)을 개발했다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단는 김선정 교수 연구팀이 전기화학적인 방법으로 배터리가 필요 없이 전기 에너지를 스스로 생산할 수 있는 인공근육 실 에너지 하베스터를 세계 최초로 개발했으며 이 내용은 세계적인 학술지 사이언스 8월 25일자에 게재되었다고 발표했다.

(논문명 : 탄소나노튜브 실로부터 전기 에너지 하베스팅: Harvesting Electrical Energy from Carbon Nanotube Yarn Twist)

▲ 김선정 교수

연구팀은 컴퓨터에 전원을 연결해야 사용할 수 있듯이 인공근육은 에너지를 외부에서 공급해야만 움직일 수 있어서 활용에 제한이 있어, 인공근육이 자체적으로 움직일 수 있는 에너지를 생산하고 구동할 수 있다면 더 많은 활용 가능성이 있을 것이라는 아이디어에서 출발하였다.

신재생 에너지 분야에서 전기 에너지를 발생하는 방법은 여러 가지가 시도되고 있지만, 이 연구에서는 인공근육 그 자체, 인공근육 재료의 실을 이용해 전기화학적인 방법으로 전기 에너지를 생산하였다.

연구팀은 탄소나노튜브를 꼬아서 코일 형태의 트위스트론 실(탄소나노튜브 인공근육)을 제조하였으며 이 실을 전해질 속에서 잡아당기면 꼬임이 증가하면서 부피가 감소된다.

그 결과 전하를 저장할 수 있는 전기용량이 감소하고, 전기용량 변화량만큼 전기에너지를 생산하게 된다.

트위스트론 실은 사람의 머리카락보다 직경이 10,000배나 작은 탄소나노튜브로

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.

연구팀은 파도나 온도변화를 활용하여 트위스트론 실이 스스로 전기 에너지를 생산하는 실험을 통해서, 에너지 하베스터(열, 진동, 음파, 운동, 위치에너지 등 주변에서 일상적으로 버려지거나 사용하지 않는 작은 에너지를 수확하여 사용가능한 전기에너지로 변환하는 장치)로서의 응용가능성을 입증하였다.

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

▲ 동해 경포대 바다에서 실험한 장치 모식도와 실험 사진 A. 한국의 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 수축이완하여 바닷물로부터 전기 에너지를 생산하는 실험 당시의 실제 촬영사진이다.

연구진은 에너지 하베스터로 응용가능성을 보여준 실험으로 한국 동해 해변(경포대)에서 트위스트론 실에 풍선을 매달아 바닷물 속에 직접 넣으면, 파도가 칠 때마다 실은 풍선에 의해 25%까지 수축이완 되면서 전기 에너지가 생산되는 결과를 보여 주었다.

또 공기 중에서 온도변화로 움직이는 나일론 인공근육과 트위스트론 실을 연결해 나일론 인공근육의 기계적 운동에 의해 트위스트론 실이 전해질 내에서 전기 에너지가 저절로 생산되는 결과를 보여 주었다.

아울러 트위스트론 실로 꿰맨 티셔츠를 입고 호흡할 때 마다 실의 신축 변화에 의해 생성되는 전기적 신호를 검출해 외부에서 전원공급이 필요 없는 자가구동 센서로써의 가능성을 보여주었다.

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.