| [미국] 바람과 비에서 에너지를 수확하는 스마트 윈도우
날씨가 차세대 스마트 윈도우에 전력을 공급할 수 있게 될 것이다. 조지아 공과대학교(Georgia Institute of Technology) 연구진들이 바람과 비로부터 에너지를 수확함으로써 색조가 변하는 유리를 개발했다. 그들은 연구결과와 창조한 유리를 [ACS Nano]에 발표했다. 그 요약은 다음과 같다.
이 자체적으로 전원이 공급되는 시스템은 외부 전력공급원이 없이 독립적이고 지속가능6 운영이 가능하기 때문에 무선 네트워크에는 유망한 콘셉트이다. 이 아이디어의 실현을 위해, 마찰전기 나노제너레이터(TENG, triboelectric nanogenerator)가 최근에 발명되어 휴대용 전자장치에 전력을 공급하기 위해 외부의 기계적 에너지를 전기로 변환시키게 될 것이다. 이 연구과정에서, 자체적으로 전력이 공급되는 스마트 윈도우 시스템이 불러오는 바람과 빗방울에 의해 구동되는 투명한 마찰전기 나노제너레이터(TENG)를 가진 전기변색소자 디바이스(ECD, electrochromic device)의 통합을 통해 실현되게 되었다. 마찰전기 나노제너레이터(TENG)의 지속가능한 출력에 의해 구동되는 광학적 특성 특히, 전기변색소자 디바이스(ECD)의 투과율은 전자화학적 산화환원 반응 덕분에 가역적인 변동을 디스플레이한다. 695nm에서 최대 투과율 변화는 32.4%까지 도달하는데, 이것은 32.6%를 기록하는 기존의 전자화학적 전위가변기(electrochemical potentiostat)에 의해 발생하는 것에 비교될만한 규모이다. 이 연구는 나노제너레이터와 자체적으로 전력을 공급받는 시스템의 실용적인 적용을 위한 핵심적인 기술발전이다.
"이 기술혁신은 새로운 종류의 재생에너지 소스를 의미한다"고 이 연구에 참여하지 않았던 오하이오 주 클리블랜드의 케이스 웨스턴 리저브 대학교 나노머티리얼 엔지니어인 리밍 다이(Liming Dai)씨는 말했다.
새 유리는 두 개의 물질이 접촉할 때 마찰에 의해 생성되는 정전기인 마찰전기(triboelectrics)에 의해 전력을 공급받는 나노크기의 제너레이터를 사용한다. 이것이 활성화되면, 하나의 유리판 상부에 있는 2개의 레이어 내에 위치한 제너레이터는 깨끗한 창문을 푸른색의 그림자 색조를 띄게 하는 전류를 생성한다.
제너레이터의 최외각 레이어는 비에서 정전기를 수확한다. 구름에서 빗방울이 떨어질 때, 물과 공기 간의 접촉은 물방울 내에 양전하를 만들어낸다. 물방울이 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane)이라고 불리는 음전하를 띤 실리콘 물질로 제작된 나노크기의 피라미드로 코팅이 된 유리를 때릴 때, 그 상황은 전류를 발생시킨다.
나노제너레이터의 두 번째 레이어는 첫 번째 레이어의 바로 아래 뒷부분에 있으며 바람에서 에너지를 수확한다. 이 레이어는 나노크기의 스프링 코일로 분리된 전하를 띤 투명한 2개의 플라스틱으로 구성된다. 바람이 창문을 밀게 되면, 이 스프링은 압출하고 전하를 띤 플라스틱 플레이트가 서로 접근함에 따라 전류를 생산한다.
실험에서, 이 유리는 1㎡당 130mW까지 전력을 생산했는데, 이것은 심장박동기나 사용하지 않는 휴대전화기에 전력을 공급할 수 있는 정도이라고 연구팀은 지난달 [ACS Nano] 온라인 판에 이것을 발표했다. 이 출력값은 가정이나 사무실에서 사용하는 많은 분야의 전력 소스로서 적절할 수 있다고 공동 개발자이다. 나노과학자인 애틀랜타의 조지아 공과대학교 종 왕(Zhong Wang)씨는 말했다. 2012년에 시작된 그들의 최초의 프로젝트 즉, 발자국으로 전력을 공급받는 불이 켜지는 보도 프로젝트 이후로, 그와 동료들은 자체 세정이 되는 키보드에서부터 보안시스템용 센서까지 모든 것을 창조하기 위해 그들이 개발한 제너레이터를 극소형화시켜왔다.
그렇지만, 왕(Wang)씨와 동료들은 여전히 이 스마트 유리가 상업화되기 이전에 해야 할 일이 많다. 현재, 이 유리는 생산하는 에너지를 저장할 방법이 없다. 이 문제를 해결하기 위해, 투명한 슈퍼커패시터가 시인성을 감소시키지 않고 유리 내부에 통합될 수 있다고 다이(Dai)씨는 말했다.
이제, 연구팀은 제너레이터의 에너지 효율성 개선을 원한다. 이러한 극소형 발전소는 기계적 에너지의 약 60%를 전기로 변환시킨다. "출력 전력은 계속적인 목표이다. 우리를 둘러싼 많은 자유스러운 에너지원과 일어나는 어떤 것이라도 우리는 수확하는 것이 가능하다"고 왕(Wang)씨는 말했다.
[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 4월 17일]
[원문보기]
Smart window harvests energy from wind and rain
Weather could power the next generation of smart windows. A team of researchers working at the Georgia Institute of Technology have created glass that tints by harvesting energy from wind and rain. They have published a description of their work and the glass they have produced in their paper published in ACS Nano. The Abstract reads:
The self-powered system is a promising concept for wireless networks due to its independent and sustainable operations without an external power source. To realize this idea, the triboelectric nanogenerator (TENG) was recently invented, which can effectively convert ambient mechanical energy into electricity to power up portable electronics. In this work, a self-powered smart window system was realized through integrating an electrochromic device (ECD) with a transparent TENG driven by blowing wind and raindrops. Driven by the sustainable output of the TENG, the optical properties, especially the transmittance of the ECD, display reversible variations due to electrochemical redox reactions. The maximum transmittance change at 695 nm can be reached up to 32.4%, which is comparable to that operated by a conventional electrochemical potentiostat (32.6%). This research is a substantial advancement toward the practical application of nanogenerators and self-powered systems.
"The innovation ... represents a new kind of renewable energy source," says Liming Dai, a nanomaterials engineer at Case Western Reserve University in Cleveland, Ohio, who was not involved in the research.
The new glass uses nanosized generators powered by triboelectrics—the static electricity produced by friction when two materials touch. When activated, the generators, which rest in two layers atop a single pane of glass, create an electric current that tints the clear window a dark shade of blue.
The outermost layer of generators harvests static energy from rain. When a raindrop falls from a cloud, the contact between the water and the air creates a positive charge within the droplet. When the droplet strikes the glass, which is coated with nanoscopic pyramids made from a negatively charged silicone material called polydimethylsiloxane, it creates an electric current.
The second layer of nanogenerators lies just beneath the first and harvests energy from the wind. This layer consists of two sheets of charged, see-through plastic that are separated by nanoscopic spring coils. As wind pushes against the window, the springs compress and create an electric current as the charged plates of plastic approach each other.
In experiments, the glass produced up to 130 milliwatts per square meter, enough to power a pacemaker or a smart phone while it's asleep, the team reported online last month in ACS Nano. This output might suit many applications, such as being a power source for home or office electronics, says co-developer and nanoscientist Zhong Wang of the Georgia Institute of Technology in Atlanta. Since their first project in 2012, a light-up sidewalk powered by footsteps, he and his colleagues have miniaturized their generators to create everything from self-cleaning keyboards to sensors for security systems.
But Wang and colleagues still have more work to do before this smart glass is ready for commercialization. Now, the glass has no way to store the energy it creates. To solve this problem, Dai says, transparent supercapacitors could be laced into the glass without decreasing visibility.
For now, the team wants to boost the energy efficiency of their nanogenerators. These tiny power plants can convert about 60% of the mechanical energy that they encounter into electricity. "The output power is a constant goal," Wang says. "Free energy surrounds us, and anything can happen if you harness it."
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