진동 활용: 엔지니어링된 소재가 예상치 못한 소스에서 전기를 생성합니다.

달리는 동안 자동차에 전기를 공급하는 타이어, 교통 소음으로 켜지는 가로등, 건물이 자연스럽게 흔들리고 흔들리는 동안 전기를 생산하는 고층 빌딩 등을 상상해 보세요.

이러한 에너지 혁신은 렌슬러 폴리테크닉 연구소의 연구원들이 압축 또는 진동 시 전기를 생산하는 환경 친화적인 소재를 개발한 덕분에 가능해졌습니다.

Nature Communications 저널에 최근 게재된 연구에서 , 연구팀은 압착 또는 응력을 받으면 전기를 생성하는 특수 칼코게나이드 페로브스카이트 화합물이 주입된 폴리머 필름을 개발했습니다. 이 현상은 압전 효과로 알려져 있습니다. 현재 다른 압전 재료가 존재하지만, 이 재료는 납을 포함하지 않는 몇 안 되는 고성능 재료 중 하나이므로 기계, 인프라, 생물의학 응용 분야에서 사용하기에 매우 적합한 후보입니다.

"저희는 저희의 연구 결과와 녹색 에너지로의 전환을 지원할 수 있는 잠재력에 흥분하고 고무적입니다." 연구의 책임 저자이자 기계, 항공우주 및 핵공학과의 John A. Clark 및 Edward T. Crossan 교수인 Nikhil Koratkar 박사가 말했습니다. "납은 독성이 있으며 재료 및 장치에서 제한되고 단계적으로 폐지되고 있습니다. 저희의 목표는 납이 없고 자연에서 흔히 발견되는 원소를 사용하여 저렴하게 만들 수 있는 재료를 만드는 것이었습니다."

코라트카르는 두께가 단 0.3밀리미터인 에너지 수확 필름이 다양한 장치, 기계, 구조물에 통합될 수 있다고 설명했습니다.

"기본적으로 이 소재는 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환합니다. 가해지는 압력 부하가 클수록, 그리고 압력이 가해지는 표면적이 클수록 효과가 커집니다." 코라트카가 말했다. "예를 들어, 고속도로 아래에서 차가 그 위를 지나갈 때 전기를 생성하는 데 사용될 수 있습니다. 또한 건축 자재에 사용되어 건물이 진동할 때 전기를 생성할 수도 있습니다."

압전 효과는 구조적 대칭성이 부족한 재료에서 발생합니다. 응력을 받으면 압전 재료는 재료 내의 양이온과 음이온이 분리되는 방식으로 변형됩니다. 과학적으로 알려진 이 "쌍극자 모멘트"는 활용되어 전류로 전환될 수 있습니다. RPI 팀이 발견한 칼코게나이드 페로브스카이트 재료에서 구조적 대칭성은 응력을 받으면 쉽게 깨져서 뚜렷한 압전 반응이 발생합니다.

연구진은 바륨, 지르코늄, 유황 등이 포함된 새로운 물질을 합성한 뒤, 걷기, 달리기, 박수 치기, 손가락 두드리기 등 다양한 신체 움직임에 노출시켜 전기를 생산하는 능력을 테스트했습니다.

연구자들은 이 실험을 통해 이 물질이 전기를 생산한다는 것을 발견했는데, 그 전기는 RPI를 나타내는 LED 뱅크에 전력을 공급할 수 있을 만큼 충분했습니다.

"이러한 테스트는 이 기술이 예를 들어 주자나 자전거 타는 사람이 착용하는 기기에 유용할 수 있음을 보여줍니다. 이 기기는 신발이나 헬멧에 빛을 비추어 더 잘 보이게 합니다. 하지만 이는 단지 개념 증명일 뿐입니다. 결국 이런 종류의 소재가 대규모로 구현되어 에너지 생산에 실제로 변화를 가져올 수 있기를 바랍니다." 코라트카가 말했습니다.

앞으로 코라트카의 연구실은 칼코게나이드 페로브스카이트 화합물의 전체 계열을 탐구하여 더욱 강력한 압전 효과를 보이는 화합물을 찾을 것입니다. 코라트카는 인공 지능과 머신 러닝이 이러한 추구에 유용한 도구가 될 수 있다고 말했습니다.

RPI 공과대학 학장인 셰카르 가르드 박사는 "지속 가능한 에너지 생산은 우리의 미래에 필수적입니다."라고 말했습니다. "코라트카르 교수의 연구는 재료 발견에 대한 혁신적인 접근 방식이 어떻게 글로벌 문제를 해결하는 데 도움이 될 수 있는지를 보여주는 좋은 사례입니다."

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/10/241017112223.htm