기계적 에너지를 수확하는 새로운 유형의 탄소 나노튜브 원사를 시연합니다.
날짜:
2023년 1월 26일
원천:
달라스 텍사스 대학교
요약:
나노기술 연구자들은 기계적 움직임을 다른 물질 기반 에너지 하베스터보다 더 효과적으로 전기로 변환하는 새로운 탄소 나노튜브 원사를 만들었습니다.
달라스에 있는 텍사스 대학의 나노기술 연구원들은 기계적 움직임을 다른 재료 기반 에너지 하베스터보다 더 효과적으로 전기로 변환하는 새로운 탄소 나노튜브 원사를 만들었습니다.
1월 26 일자 Nature Energy 에 발표된 연구 에서 UT 달라스의 연구원들과 그들의 협력자들은 늘어나거나 꼬일 때 전기를 생성하는 "트위스트론(twistrons)"이라고 불리는 그들이 발명한 하이테크 원사에 대한 개선점을 설명합니다. 그들의 새 버전은 전통적인 양모 또는 면사와 매우 유사하게 구성됩니다.
직물에 꿰매어진 트위스트론은 인간의 움직임을 감지하고 수확할 수 있습니다. 바닷물에 배치되면 트위스트론은 파도의 움직임에서 에너지를 수집할 수 있습니다. 트위스트론은 슈퍼커패시터도 충전할 수 있습니다.
2017년 사이언스 저널에 발표된 연구에서 UTD 연구원들이 처음 설명한 트위스트론은 인간 머리카락보다 직경이 10,000배 더 작은 탄소 중공 실린더인 탄소 나노튜브(CNT)로 구성됩니다. 트위스트론을 만들기 위해 나노튜브는 전해질이 포함될 수 있는 고강도, 경량 섬유 또는 실로 트위스트 방사됩니다.
이전 버전의 트위스트론은 탄성이 매우 높았는데, 연구원들은 원사가 과도하게 꼬인 고무 밴드처럼 감길 정도로 많은 꼬임을 도입하여 이를 달성했습니다. 꼬인 실을 반복적으로 늘렸다 풀었다 하거나 꼬았다가 풀면 전기가 발생합니다.
새로운 연구에서 연구팀은 섬유를 코일링 지점까지 꼬지 않았다. 대신, 그들은 섬유에 사용되는 기존의 실이 구성되는 방식과 유사하지만 꼬임이 다른 단일 실을 만들기 위해 탄소 나노튜브 섬유의 세 가닥을 서로 엮었습니다.
"직물에 사용되는 합연사는 일반적으로 한 방향으로 꼬인 개별 가닥으로 만들어진 다음 반대 방향으로 합사되어 최종 원사를 만듭니다. 이 헤테로키랄 구조는 풀림에 대한 안정성을 제공합니다."라고 Ray Baughman 박사는 말했습니다. UT 달라스의 Alan G. MacDiarmid NanoTech Institute와 해당 연구의 교신저자.
"대조적으로, 우리의 최고 성능 탄소 나노튜브 플라이트 트위스트론은 꼬임과 겹겹이 같은 손을 가지고 있습니다. 그들은 헤테로키랄이 아니라 호모키랄입니다. 과학 및 수학.
합연 CNT 원사를 사용한 실험에서 연구원들은 인장(스트레칭) 에너지 하베스팅에서 17.4%, 비틀림(꼬임) 에너지 하베스팅에서 22.4%의 에너지 변환 효율을 입증했습니다. 코일형 트위스트론의 이전 버전은 인장 및 비틀림 에너지 수확 모두에서 7.6%의 최고 에너지 변환 효율에 도달했습니다.
Baughman은 "이 트위스트론은 2Hz에서 120Hz 사이의 넓은 주파수 범위에서 수확기 무게당 출력이 이전에 보고된 비 트위스트론 소재 기반 기계 에너지 수확기보다 더 높습니다"라고 말했습니다.
Baughman은 합연 트위스트론의 향상된 성능은 스트레칭 또는 꼬임 시 실의 측면 압축으로 인해 발생한다고 말했습니다. 이 공정은 실의 전기적 특성에 영향을 미치는 방식으로 플라이를 서로 접촉하게 합니다.
Baughman은 "우리 재료는 매우 이례적인 일을 합니다."라고 말했습니다. "늘리면 밀도가 낮아지는 대신 밀도가 높아집니다. 이러한 밀도화는 탄소 나노튜브를 서로 더 가깝게 밀어내고 에너지 수확 능력에 기여합니다. 우리는 이론가와 실험가로 구성된 대규모 팀이 왜 우리가 이렇게 좋은 결과를 얻습니다."
연구원들은 3겹으로 실을 구성하는 것이 최적의 성능을 제공한다는 것을 발견했습니다.
팀은 3겹 트위스트론을 사용하여 몇 가지 개념 증명 실험을 수행했습니다. 한 시연에서 그들은 해수로 가득 찬 수족관 바닥과 풍선 사이에 3중 트위스트론을 부착하여 파도로부터 전기 생성을 시뮬레이션했습니다. 그들은 또한 무게가 3.2mg에 불과한 어레이에 여러 개의 트위스트론을 배열하고 이를 반복적으로 늘려 슈퍼커패시터를 충전한 다음 5개의 작은 발광 다이오드, 디지털 시계 및 디지털 습도/온도 센서에 전력을 공급하기에 충분한 에너지를 가졌습니다.
팀은 또한 CNT 원사를 면직물 패치에 꿰매어 사람의 팔꿈치에 감았습니다. 사람이 반복적으로 팔꿈치를 구부리면 전기 신호가 생성되어 인간의 움직임을 감지하고 수확하는 데 섬유가 잠재적으로 사용될 수 있음을 보여줍니다.
연구진은 이 기술을 바탕으로 특허를 신청했다.
작업에 참여한 다른 NanoTech Institute 연구원은 공동 저자인 Mengmeng Zhang 박사(연구 동료)와 Dr. Wenting Cai(전 방문 과학자)입니다. Zhong Wang PhD'21, 연구원; 연구 부교수 Shaoli Fang 박사; 연구 교수인 Ali E. Aliev 박사; 연구소 부국장이자 물리학 교수인 Dr. Anvar Zakhidov; 연구 과학자 오지영 박사. UTD의 다른 기여자는 기계 공학 박사 과정 학생인 Runyu Zhang과 기계 공학 교수인 Dr. Hongbing Lu입니다.
중국 시안교통대학교와 우한대학교, 한국 한양대학교, Lintec of America Inc.의 Nano-Science & Technology Center의 연구원들도 기여했습니다.
연구 자금 출처에는 미 해군, 공군 과학 연구실, 웰치 재단, 국립 과학 재단 및 에너지부가 포함됩니다.
출처 : https://www.sciencedaily.com/