동물이 전기를 생산

조지아공대, 태양/풍력/파도 등의 신재생에너지 자원이 아니라, 압전효과를 이용한 인간과 동물의 불규칙적이고 미세한 바이오기계적 에너지(Biomechanical Energy)인 바이오운동 에너지(Biomotion Energy)를 전기 에너지로 전환시키는 새로운 착용용 및 이식용 나노발전기 개발, 검지 손가락과 쥐에 장착해 실제 전기를 생산하는데 성공, Nano Letters지 2009년 2월 9일자 온라인판(Article ASAP)에 "Converting Biomechanical Energy into Electricity by a Muscle-Movement-Driven Nanogenerator(근육운동으로 작동되는 나노발전기에 의한 바이오기계적 에너지를 전기 에너지로 전환)"라는 논문으로 발표, 10년 안에 입는 컴퓨터와 휴대용기기에 전원공급(Harnessing Hamster Power with a Nanogenerator. Researchers use a running rodent to test their device(23/Feb/2009)

태양, 풍력, 파도만이 신재생에너지의 자원(Sources of Renewable Energy)이 아니다. 압전효과(Piezoelectric Effect)를 이용하는 나노발전기에 관한한 가장 최첨단을 선도하고 있는 미국 조지아공대의 과학자들이 동물이나 인간의 근육힘(Muscle Power)을 전기로 전환시켜 착용용이나 이식용의 나노단위규모의 디바이스(Nanoscale Devices)에 전기를 공급해 작동시키는데 성공했다. 따라서 착용용의 <입고 먹고 마시고 인간 몸 속에서 같이 사는 컴퓨터> 1)와 이식용이나 환경용의 <나노크기의 바이오/의학/의술용의 분자기계> 2)들인 나노약물전달시스템(Nano-drug delivery system), 나노바이오로봇(Nano-bio robot, Nano-bot), 생체 이미징(Bio Imaging) 센서, 나노바이오센서 등의 분자 기계들이 독자적으로 수행할 수 있는 전원을 공급하는 문제가 획기적으로 해결될 것으로 보인다. 특히 이들은 쥐에 나노발전기를 달아 쥐가 움직이면서 전기를 생산하는 실험에 성공했다. 동물이 전기를 생산하는 새로운 에너지이다.


[목차]

1. 압전효과(Piezoelectric Effect, 壓電效果)란?
2. 조지아공대의 근육압전효과 발견의 개요
3. 발견의 여정
4. 어떻게 발견했나, 손가락과 쥐가 전기를 생산
5. 평가와 기대
6. 기타 압전효과 나노발전에 도전


1. 압전효과(Piezoelectric Effect, 壓電效果)란?

압전효과(Piezoelectric Effect) 3)란 크리스털(crystals)이나 세라믹(ceramics) 등의 압전체를 매개로 기계적 에너지(mechanical energy)를 전기적 에너지(electricity energy)로 변환하는 상호작용의 효과를 말한다. 다시 말해 압전체에 압력, 온도 및 진동 등의 기계적 에너지(mechanical energy)를 가하면 전기(electricity)가 생기고, 이를 직압전효과(direct piezoelectric effect) 또는 1차 압전효과라 하고, 그 반대로 전기를 흘려주면 압력, 온도 및 진동이 생기는 효과인데, 이를 역압전효과(converse piezoelectric effect) 또는 2차 압전효과라 한다.

이 변환을 만들어 주는 압전체란 압력이나 진동을 가하면 전기가 생기는 물질을 의미한다. 우리가 사용하는 가스레인지의 점화과정이 압전체를 이용한 압전효과의 대표적인 예다. 손잡이를 돌려 압전체에 압력을 가하면 전기가 생성돼 불꽃이 생기며 공급된 가스와 만나 불이 붙는다.


2. 조지아공대의 근육압전효과 발견의 개요

압전효과의 원리에 의하면, 우리가 컴퓨터 앞에 앉아 있는 동안의 모든 심장박동(Every heartbeat)과 우리가 행하는 불안한 운동(fidgety movement)은 아주 미세한 에너지로 수확(Harvesting)할 수 있다. 그러나 이러한 바이오운동(biomotion)을 전기로 전환시키는 데에는 한계가 있다. 바로 바이오운동들은 불규칙적(Irregular)이라는 점 때문이다.

하지만 조지아공대의 과학자들이 이 불가능한 기술에 도전해 비규칙적이고 아주 미세한 바이오운동을 나노발전기(nanogenerator)로 수확할 수 있음을 데모하였는데, 이들은 검지 손가락(Index)에 나노발전기를 붙여 키보드나 패드를 누를 때 전기로 전환시키고, 쥐에 나노발전기를 장착한 옷을 입혀 쥐들이 채바퀴를 돌 때 전기를 생산하는데 성공한 것이다.

3. 발견의 여정

이번 연구를 주도한 조지아공대 재료과학공학과의 Zhong Lin Wang 4) 교수는 2005년도부터 압전효과에 도전해, <2006년에는 산화아연 나노선(zinc-oxide nanowires)을 이용하여 진동을 전기로 전환시키는 나노발전기를 개발하고> 5), <2007년에는 초음파 진동(ultrasonic vibrations)으로 직접 전기를 생산하는 산화아연 나노선 어레이까지 개발하였으며> 6), <2008년에는 이를 좀더 실용적인 입는 컴퓨터에 적용하여, 옷에 공급하는 에너지의 순화/배기를 위한 마이크로섬유-나노선의 복합구조를 개발해 나노선베이스의 마이크로 전기섬유를 개발했다> 7).

이로써 전기를 발생하는 발전 섬유가 조만간 상용화된다면 이 옷을 입은 사용자들은 1차 압전효과를 일으키는 기계적 에너지원들인, 그저 걷거나(walking), 숨을 쉬거나(breathing), 아니면 심장의 박동(heartbeats)을 이용해 전기를 생성하여 입는 컴퓨터 옷 자체 뿐만 아니라 옷 주위의 여러 가지 악세서리 전자제품들에까지 전기를 공급할 수 있게 되었다. 이들은 이을 이용해 휴대전화를 충전하는 데모를 성공적으로 보여주었었다.



[그림(02365-03) : 나노 발전기(Nano power). 2006년과 2007년에 조지아공대 연구원들이 산화아연 나노선을 이용하여 진동을 전기로 전환시키는 나노발전기를 만들었다. Credit: Zhong Lin Wang]

[그림(02431-03) : 전기를 생산 공급하는 옷(Power suit) : 2008년에 각각 크기가 대략 3.5마이크로미터인 금이 코팅된 산화아연 나노선들(위의 노랑색)이 플렉서블한 폴리머 섬유 위에서 성장한다. 금이 코팅된 나노선들이 금이 코팅되지 않은 나노선들(아래의 그린색)과 만나 서로 비벼대면, 전류가 발생한다. 이 산화아연 나노선 섬유로 방사된 옷은 실제로 몸의 움직임을 전기로 전환시켜 1㎡당 80㎽(밀리와트)의 전기를 생산해 냈다. 이들 나노선과 직조된 섬유들은 워낙 작아 접촉 점(contact point)이 아주 근접해 있어 어떠한 미세한 움직임에도 반응하여 전기를 생산해내는 능력이 있다. Credit: Z. L. Wang and X. D. Wang, Georgia Tech]



[그림(02431-06) : 2008년에 산화아연 나노선 섬유를 이용하여 실제로 전기를 발생시켜 전구에 불이 들어오는 모습. Credit: Z. L. Wang and X. D. Wang, Georgia Tech]


4. 어떻게 발견했나, 손가락과 쥐가 전기를 생산

이번 연구결과는 Nano Letters지 2009년 2월 9일자 온라인판(Article ASAP)에 "Converting Biomechanical Energy into Electricity by a Muscle-Movement-Driven Nanogenerator(근육운동으로 작동되는 나노발전기에 의한 바이오기계적 에너지를 전기 에너지로 전환)"(Yang and Wang et al., Nano Lett., 2009) 8)라는 논문으로 발표되었다.

이들은 논문에서 다양한 종류의 바이오기계적 에너지를 수확하는 나노발전기에 대해 서술하고 있는데, 우선 연구원들은 나노발전기를 사람의 검지 손가락(Index)에 붙여 키보드나 표면을 누를 때 이를 전기로 전환시켜 생산하는데 성공했으며, 나노발전기가 장착된 아주 작은 재킷(Jacket)을 쥐에 입혀 쥐가 채바퀴를 앞 뒤로 돌거나 채바퀴를 할퀼 때 이를 전기로 전환시켜 생산하는데 성공한 것이다.


[그림 : 근육의 힘(Muscle power): 왼쪽 그림은 검지 손가락에 장착된 나노발전기가 전기를 발생시키는 장면이고, 오른쪽은 쥐에 장착된 단일나노선나노발전기(SWG, Single Wire Generator)가 장착된 쥐가 채바퀴를 돌 때 전기가 발생되는 장면이다. SWG를 4개 장착할 경우 생산되는 전압은 0.1-0.15V에 이른다. Credit: Zhong Lin Wang]

5. 평가와 기대

다른 연구원들도 압전효과 캔티레버들(piezoelectric cantilevers)을 개발해 바이오기계적 에너지를 수확하고자 노력하고 있으나, 이들이 도전하고 있는 시스템들은 모두 특정 주파수에서 작동하는 정규적인 기계적 공명(regular mechanical resonance at a specific frequency) 원리에 의한 것이다.

그러나 대부분의 바이오운동, 예를 들면, 팔다리 펴기, 수영하기, 걷기, 심장 박동들은 비정규적인 기계적 에너지를 생산한다. 따라서 이를 수확하기가 어려운 것이다. 이런 관점에서 이번 Wang의 연구는 거의 불가능한 바이오기계적 에너지를 최초로 전기로 전환시켰다는 점에서 높은 평가를 받고 있다.

현재 Wang이 개발한 나노발전기들은 대략 나노와트(nanowatt) 정도의 아주 적은 양을 생산하지만, 이는 나노단위규모의 디바이스들에게 필요한 아주 유용한 전원으로 개발 할 수 있는 발판이 될 것으로 기대하고 있다. 특히 병원균을 감지하고 암세포의 단백질을 감지하는 이식용의 나노센서들은 마이크로와트(microwatt) 정도의 전원만 공급하면 우리 몸 속에서 독자적으로 임무를 수행할 수 있다.

그러나 기존의 나노센서들의 단점은 무한전원장치를 공급할 수 없다는 것인데, 이를 압전효과의 나노발전기가 해결할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 특히 이식용의 나노센서들은 넣고 빼는 베터리가 필요없는 나노크기의 무한전원장치가 필요하다.

Wang의 그룹은 아직 이식용 나노센서들을 위한 버전을 개발하지는 않았으나 이론적으로 가능하다고 Wang은 말한다. Wang 그룹은 조만간 나노발전기를 바이오호환용 폴리머(biocompatible polymers)에 포장해 근육 속에 이식하는 실험을 할 예정이다.

2004년에 미국 UCLA의 캘리포니아 나노시스템 연구소의 Carlos Montemagno 9) 교수는 연료 장착 없이, 심장(Cardiac) 근육을 움직이는 단백질인 마이오신(Myosin)을 이용해 몸 속을 기어 다니는 50마이크로 크기의 실리콘베이스의 멤스(MEMS)인 머슬봇(Muslcebot)을 개발(NewScientist & Technovelgy, 27/Feb/2004)했다.

이들은 우선 각각의 근육세포를 배양시켜 심장근육으로 성장시킨 후 세포들의 자기조립 방식을 이용해 멤스(MEMS) 구조에 통합시켜, 근육의 수축과 이완에 따라 자유롭게 이동하게 한 것이지만(Xi & Montemagno et al., Nature Material, 2005) 10), 실제 압전효과를 이용한 전원으로 이동시킨 것은 아니었다..

현재 연구원들은 더욱 많은 압전효과 나노선을 추가한 파우어 디바이스를 만드는데 집중하고 있다. 이렇게 되면 나노규모 디바이스에 전원을 공급하는 문제를 해결할 수 있을 뿐 아니라 압전효과 발전기들을 더욱 커다란 디바이스에 적용할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 앞으로 5-10년이 지나면 Wang의 그룹은 압전효과 나노발전기를 인간이 입을 수 있는 재킷에 직조해 넣어 입는 컴퓨터 뿐 아니라 대부분의 휴대용 전자기기들을 충전할 수 있는 날이 올 것으로 보고 있다.

6. 기타 압전효과 나노발전에 도전

[미국 텍사스 A&M의 통화 목소리만으로 전기를 만들 수 있는 새로운 고효율 초소형 압전소자 개발, 압전소자의 굵기가 21나노미터 빔 두께일 때 발전 효율이 100% 증가, 통화 목소리만으로도 전기 만들어, 기계적 에너지를 전기에너지로 바꿔주는 압전효과(Piezoelectric Effect), 2008년 9월 25일 Physical Review B에 "Dramatic enhancement in energy harvesting for a narrow range of dimensions in piezoelectric nanostructures(피에조전기 나노구조의 미세영역으로 에너지 수확을 획기적으로 향상)"이라는 논문으로 발표(15/Dec/2008), 02573-NBIT]
http://www.studybusiness.com/dir/dir/Download/NBIT/1603.html

[압전효과 나노발전기(Nano-generator), 입고 다니면 전기가 저절로 생산되는 발전기 섬유 개발, 미국 조지아 공대, 2006년에는 산화아연 나노선(zinc-oxide nanowires)을 이용하여 진동을 전기로 전환시키는 나노발전기를 개발하고, 2007년에는 초음파 진동(ultrasonic vibrations)으로 직접 전기를 생산하는 산화아연 나노선 어레이까지 개발하더니,

이를 좀더 실용적인 입는 컴퓨터에 적용 연구하여, 2008년 2월 14일자 Nature지에 "옷에 공급하는 에너지의 순화/배기를 위한 마이크로섬유-나노선의 복합 구조(Microfibre-nanowire hybrid structure for energy scavenging(Qin, Wang & Wang, 2008)"라는 논문으로 발표, 입고 먹는 컴퓨터와 몸 속이나 물, 환경, 공기 등에 침투하는 나노바이오센서나 나노약물전달시스템이 필요한 전기에너지를 공급(Nanowires Power Fabrics) 개발 Power from Fabrics. Nanowires that convert motion into current could lead to textiles that can generate power(22/Feb/2008), 02431-NBIT]
http://www.studybusiness.com/dir/dir/Download/NBIT/1429.html

[NT+IT+ET+BT가 모두 융합되는 NBIT의 융합기술에 도전, 새로운 나노발전기(A New Nanogenerator), 기계역학에너지(mechanical energy)를 전기(electricity)로 전환시키는 압전효과(Piezoelectric Effect), 압력이나 진동을 가하면 전기가 생기는 나노선 물질을 이용, 향후 몸 속이나 물, 환경, 공기 등에 침투하는 나노바이오센서가 필요한 전기에너지를 공급(Researchers are experimenting with a novel nanowire material to power tiny biosensors and portable devices(29/Oct/2007), 02365-NBIT]
http://www.studybusiness.com/dir/dir/Download/NBIT/1348.html

[생체에너지를 ->기계 에너지로->전기에너지로 전환하여 배터리 충전하는 기술 등장한다. 과학자들은 스스로 생각하고 스스로 자동차를 운전하는 기계들에 도전한다. 그러나 다른 부류의 과학자들은 지금 이들 마이크로 센서들이 스스로 발생하는 생체에너지에 의존하여 작동되는 기술들을 개발하고 있다.

조만간 이들 마이크로 센서들에 구축되는 증강-가상현실이 현실화되면 이러한 스스로 생산되는 생체에너지 기술의 발전이 급속도로 발전할 것으로 보인다. (1) 조지아 공대의 전기를 발생시키는 산화아연(ZnO) 나노와이어 센서, (2) Intel의 마이크로프로세서가 내장된/배터리가 필요 없는 WISP 마이크로프로세서 센서 개발(Sensors: Living off scraps of energy. Scientists have made machines that can think and drive cars. Now some are working on sensors that can harvest their own energy(07/Jun/2006), 02172-TRM]
http://www.studybusiness.com/dir/dir/Download/TRM/1043.html


[참고]

[동영상 보기-Technology Review-Watch a running hamster generate energy-02599-03-2009-EVT-01-E.FLV/2.2MB]
http://www.technologyreview.com/video/?vid=244
ahttp://brightcove.vo.llnwd.net/d7/unsecured/media/18900730/18900730_10536540001_piezo-hamster.flv

[Technology Review-Harnessing Hamster Power with a Nanogenerator(11/Feb/2009)]
http://www.technologyreview.com/energy/22103/

[NewScientist - “First robot moved by muscle power”(27/Feb/2004)]
http://www.newscientist.com/article.ns?id=dn4714

[Technovelgy - Musclebot: Microrobot with a Heart(27/Feb/2004)]
http://www.technovelgy.com/ct/Science-Fiction-News.asp?NewsNum=46


1) http://www.studybusiness.com/HTML/MB/14chapter/e-book_360.htm#2
2) http://www.studybusiness.com/HTML/MB/12chapter/e-book_260.htm#2-6
3) http://en.wikipedia.org/wiki/Piezoelectric_Effect
4) http://www.nanoscience.gatech.edu/zlwang/wang.html
5) http://www.studybusiness.com/dir/dir/Download/TRM/1043.html
6) http://www.studybusiness.com/dir/dir/Download/NBIT/1348.html
7) http://www.studybusiness.com/dir/dir/Download/NBIT/1429.html
8) Yang, Rusen, Yong Qin, Cheng Li, Guang Zhu and Zhong Lin Wang, "Converting Biomechanical Energy into Electricity by a Muscle-Movement-Driven Nanogenerator(근육운동으로 작동되는 나노발전기에 의한 바이오기계적 에너지를 전기 에너지로 전환)", Nano Letters, Article ASAP, 09 February 2009. http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl803904b
9) http://www.mae.ucla.edu/academics/faculty/montemagno.htm
10) Xi, Jianzhong, Jacob J. Schmidt & Carlo D. Montemagno, "Self-assembled microdevices driven by muscle(근육에 의해 움직이는 스스로 조립되는 마이크로디바이스의 개발)", Nature Material, Vol. 4, No. 2, pp. 180-184, Feb 2005.
http://www.nature.com/nmat/journal/v4/n2/abs/nmat1308.html

<출처> 스카이벤처, 2009.02.23

Posted by TopARA

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  1. 최상오 2009.03.01 13:18  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    좋은 글이라 담아갑니다 *^^*