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PZT는 쿼츠보다 100배 더 효율적, 기계 에너지의 최대 80%를 전기 에너지로 변환.
신발 밑창 대신 무릎에서 작용;스트립이 압축되어 늘어나면 재료 내부의 전자가 방출돼 전류생성.

스마트 기술, 모바일 에너지 (2)

“생산적인 운동 ‘신발 밑창 과 무릎에서 압전 및 마찰 발전기 가동”

걷거나 뛸 때, 우리는 매 발걸음마다 평소보다 3-5배의 높은 압력을 발바닥에 가하게 된다.
조깅하는 사람들이 운동화를 신었을 때 쿠션이 좋은 밑창을 소중히 여기는 것은 이런 이유다. 이제 신발 밑창에서 전기를 만들 수도 있으니 그 가지는 더 올라갈 것 같다.
우리가 모든 단계에서 만들어내는 역학 에너지는 실용적인 방법으로 전기를 생산하는 데 사용될 수 있다.

전기 공급자로서 신발 밑창

압전 재료는 이를 위한 하나의 가능성을 제공한다.
그것들이 변형되거나, 늘어나거나 압축될 때, 그 안에 전하가 이동한다.
이것은 물질을 쌍극자로 바꾸고 한쪽 끝에서 전자가 모여서 전도될 수 있다. 이것이 전기를 흐르게 한다. 반대로, 이들 재료는 적절한 변형에 의해 공급된 전류에 반응한다.

▲ 유연한 폴리머에 내장된 이 압전 소자는 모든 단계를 전기로 변환 할 수 있다. © Frank Wojciechowski / 프린스턴 대학교

 
이 압전 효과(Piezo effect)의 전형적인 예는 석영 결정뿐만 아니라 납-지르코네이트-티타네이트(PZT)와 같은 압전 세라믹이다. 프린스턴 대학의 마이클 맥알파인(Michael McAlpine)은 “PZT는 쿼츠보다 100배 더 효율적이며, 기계 에너지의 최대 80%를 전기 에너지로 변환할 수 있다”고 설명했다.

이론적으로, 이 물질들은 우리 몸의 움직임, 특히 우리의 발걸음에서 전기를 생산할 것으로 예상된다. 그러나 세라믹 소재로서 PZT는 비교적 단단하고 부서지기 쉽다. 따라서 신발 밑창에 사용하기에 내구성이 떨어지는 단점이 있다.

연구원들이 폭이 몇 나노 미터에 불과한 PZT 스트립을 투명한 고무 같은 실리콘층에 내장함으로써 이 문제를 해결했다. 이로써 PZT의 효과와 실리콘의 유연성을 결합한 새로운 유형의 ‘피조-고무-칩’이 만들어졌다.

고무 밑창에 통합된 이 칩은 예를 들어 iPod 또는 휴대폰과 같은 모바일 장치에 전기를 공급하거나 LED를 켜기 위해 달릴 때 충분한 전기를 생성 할 수 있다. 

▲ 직접 압전 효과 : 기계적 압력은 양극 (Q +)과 음극 전하 중심 (Q–)을 이동시킨다. 이것은 소자에 전기 전압 인 쌍극자를 생성한다. 출처: Degreen at German Wikipedia

무릎에서 에너지

Fei Gao와 홍콩 대학교 (University of Hong Kong) 팀이 개발한 집전장치는 비슷한 원리로 작업하지만 신발 밑창 대신 무릎에서 작용한다. 이 시스템은 얇은 탄소 섬유 복합 재료 스트립으로 구성된다. 이 스트립이 압축되어 늘어나면 재료 내부의 전자가 방출되어 전류를 흐르게 할 수 있다.

스트립은 실제 사용을 위해 무릎 측면에 부착된다.
걷는 동안 무릎을 구부리고 연장하면 스트립이 변형되어 전기가 생성된다.
보행 속도에 따라, 이것은 프로토타입에서 1.1-1.6mW(밀리 와트)였으며 여전히 300g으로 다루기 어려웠다.
Gao와 그의 팀이 보고한된 바와 같이, 생성된 전압은 최대 105V(볼트)에 도달했다.
이 모바일 발전은 통신 사업자에게 눈에 띄는 추가 노력이 없음을 의미한다.
또한, 피실험자는 무릎 끈에 의해 방해받지 않았다.

마찰 발전기

모바일 에너지 생성에 적합한 또 다른 효과는 마찰 전기 효과다.
상이한 재료 층의 마찰 또는 반복된 접촉은 전하를 생성한다.
우리는 문 손잡이를 만질 때 또는 머리카락의 정전기를 만질 때 이 원리를 생각할 수 있다.
마찰 전기 발전기는 예를 들어 압축 동안 두 층의 전도성 중합체를 접촉시킴으로써 이를 이용한다. 전제 조건은 두 재료가 전자에 대해 친화력을 갖는 것이다.

▲ Yi와 그의 팀이 개발한 마찰 전기 발전기는 LED를 밝혔다. © Yi et al. Sci. Adv. 2016; 2 : e1501624

베이징 대학의 Fang Yi는 “Triboelectric 나노발전기는 제조가 용이하고, 무게가 적고, 효율적이며, 가격이 낮고 환경친화적이기 때문에 유망한 에너지 수확기이다”라고 설명했다.
그들은 이미 LED가 통합된 신발 밑창과 전류 수집 팔찌에서 이것이 얼마나 잘 작동하는지 테스트했다.
이 나노 제너레이터는 발전 바닥이나 매트리스로도 사용할 수 있다.

이 테스트에서 길이 1.83 m와 폭 69cm의 매트는 반복적으로 터치했을 때 170개의 LED를 밝힐 수 있는 충분한 전기를 생성했다.
마찰 전기 나노 발전기는 내부 회로에서 마찰 대전과 외부 회로에서 정전기 유도 과정들을 통해 기계적인 흔들림을 전기적인 신호로 전환하는 물리적인 과정이다.

이러한 모든 발전기의 적용 가능 분야는 다양하다.
그럼에도 불구하고, 모든 연구팀은 그들의 접근 방식이 소형 장치를 위한 전기 생산에 유망한 방법이라고 생각하고 있다. (계속)

 

[더사이언스플러스] "Green Soul, Beautiful Science"

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