High Performance Carbon Nanotube Yarn Energy Harvester and Energy Storage Integrated Applications

Abstract

에너지 생성과 저장이 동시에 가능한 직물을 제조함에 있어서, 우수한 기계적 특성으로 안정적인 에너지 생성 및 에너지 저장이 가능한 섬유가 필수적 요소이다. 본 연구에서는 기존에 보고된 우수한 성능의 탄소나노튜브 기반 섬유형 에너지 하베스터인 “트위스트론” 기술을 바탕으로 높은 신축성을 가지는 에너지 하베스터 섬유와, 비슷한 구조의 슈퍼커패시터 섬유를 만들고, 이 두가지 섬유를 한 직물로서 제조함으로써 에너지 저장과 생성이 동시에 가능한 직물을 개발하였다. 에너지 하베스터 섬유의 경우, 서로 다른 방향의 꼬임을 가한 두 CNT 섬유를 높은 신축성을 가지는 실리콘 소재의 중심 섬유에 평행하게 일정한 간격을 두고 감아 제작하였다. 이때 꼬임의 방향과 코일의 방향이 같아지는 섬유는 ‘호모키랄’가 되며, 꼬임의 방향과 코일의 방향이 반대가 되는 섬유는 ‘헤테로키랄’ 섬유가 된다. 두 전극을 각각 활성전극 및 상대전극으로 사용하여 신축에 의한 에너지 하베스팅 성능을 측정하였을 때, 각각의 전극만을 사용하는 경우보다 발생 전압의 향상을 얻을 수 있었으며 본 연구로 제조한 섬유형 에너지 하베스터는 최대 약 5.3 W/kg 수준의 전력을 발생시킨다. 섬유형 슈퍼커패시터의 경우, 에너지 하베스터와 섬유와 유사한 방식으로 제조하여 높은 신축성을 가질 수 있게 되었다. 꼬임을 전혀 넣지 않은 두 CNT 섬유를 높은 신축성을 가지는 실리콘 소재의 중심 섬유에 평행하게 일정한 간격을 두고 감아 제작하였다. 이때, 에너지 하베스터의 경우와 달리, 꼬임이 전혀 없는 CNT 섬유는 코일 상태에서 잡아당겨도 내부 밀도의 변화가 없어 에너지 준위의 변화가 일어나지 않게 된다. 이는 에너지 하베스팅 측면에선 기능의 상실이지만, 슈퍼커패시터의 측면에선 CNT 내부에서 전하 보존이 잘 되는 것이기 때문에 외부의 여러 물리적 자극(신축, 굽힘 등)에도 에너지 저장 성능을 보유하는 높은 안정성을 지닌 슈퍼커패시터가 된다. 따라서, 본 연구에서는 CNT의 꼬임 정도만 바꾸어 에너지 하베스터, 슈퍼커패시터 모두 제조 가능한 기능성 섬유 제조 방식을 개발하였다. 앞서 얻어진 두 종류의 기능성 섬유(에너지 하베스터, 슈퍼커패시터)를 격자로 배열하여 한쪽방향으로 잡아당길때 에너지가 발생되고, 동시에 반대쪽 방향에 배열된 슈퍼커패시터에 발생된 에너지를 저장하는 에너지 생성 및 저장이 동시에 가능한 직물을 개발하였다. 쇼트키 다이오드를 사용하여 정류회로를 구성하였고, 9가닥의 섬유형 에너지 하베스터를 직렬연결하여 최대 135mV의 전압을 3번의 신축으로 저장시킬 수 있었다. 또한, 트위스트론 에너지 하베스터에 대한 지속적인 관심과 여러 실험을 통하여 기존보다 에너지 하베스팅 성능을 크게 향상시킬 수 있는 두 가지 방법을 개발할 수 있었다. 첫번째 방법은 에너지 하베스팅 섬유를 제조할 때의 조건에 변화를 주어 코일을 만들어 더 높은 성능의 트위스트론 섬유를 제조한다. 기존의 트위스트론 섬유를 제조할 때, 일정한 무게를 달고 시트(sheet)부터 코일(coil)까지 한쪽방향으로 지속적으로 꼬임을 주어 신축성을 지니도록 하는 스피닝 방식을 사용하였는데, 이때, 무게에 따라서 코일 구조의 신축성이 결정된다. 가벼운 무게를 사용하여 꼬아 만드는 경우, 높은 신축성을 지니지만, 내부 밀도가 낮고 불균일한 CNT 미세섬유 배열로 인해 성능이 높지 않고, 무거운 무게를 사용한 경우, 내부 밀도가 높고 CNT 미세섬유 배열도 고르기 때문에 성능이 잘 나올 수 있지만, 낮은 신축성으로 인해 한계가 있다. 따라서 그 사이 무게로 만들어지는 0.43의 스프링-값(spring index)을 지닌 (30% 정도의 신축성을 가지는) 코일이 가장 높은 성능을 가지게 되었다. 본 연구에서는 꼬임을 주는 과정에서 코일이 만들어지기 직전까지 기존보다 약 4배 정도 무거운 무게를 사용하여 훨씬 밀도가 높고 CNT 미세섬유의 정렬이 잘 되도록 하며, 코일이 생성될 때는 가벼운 무게로 바꾸어 높은 신축성을 가질 수 있도록 하여 에너지준위의 변화가 커질 수 있도록 하였다. 높은 신축성과 높은 섬유 밀도 모두를 가질 수 없는 이율배반 관계의 기존 제조 방식을 새로운 무게 최적화 과정 (Tension Optimization Process, TOP)을 개발함으로써 두가지 특성을 모두 가질 수 있도록 하였다. 이로 인해 기존보다 약 5배 이상 높은 에너지 하베스팅 성능(최대 1356.1 W/kg)을 가지며 에너지 전환 효율도 4배 이상 증가하였다(4.66%). 두번째 방법은 기존의 사인파형(sinusoidal wave)의 물리적 자극이 아닌 사각파형(square wave)의 신축을 주어, 낮은 주파수에서도 순간적인 높은 전력을 발생시키며 기존보다 높은 성능을 가질 수 있도록 하였다. 순간적인 신축 속도가 같은 주파수의 사인파형보다 훨씬 빠른 사각파형의 장점으로 인해 낮은 임피던스 매칭이 가능하였고, 같은 1 Hz의 주파수에서 비교했을 때, 약 14배 이상의 하베스팅 성능 증가를 보여주었다(1171.3 W/kg). 가장 낮은 주파수에서 최대 1523.5 W/kg 수준의 순간 전력을 생성하여 기존 최대 성능보다 약 6배 더 높은 하베스팅 성능을 보여주었고, 본 연구에서 위와 같은 성능향상의 요인을 상세 분석하였다. 또한, 사인파형보다 사각파형이 가질 수 있는 장점들(낮은 임피던스 및 실제 회로 응용 적합성)을 보여주었고, 주변환경의 다양한 사인파형의 자극을 쉽게 사각파형으로 변환시킬 수 있는 장치 구현 및 성능이 향상된 트위스트론을 이용한 여러가지 구조적 응용, 무선 신호 송수신 장비 구동의 응용 등을 보여주었다. |The challenges of textiles that can generate and store energy simultaneously for wearable devices are to fabricate yarns that generate electrical energy when stretched, yarns that store this electrical energy, and textile geometries that facilitate these functions. To address these challenges, I incorporated highly stretchable electrochemical CNT yarn harvesters based on previous reported “Twistron harvester”, which mechanism is stretching a coiled CNT yarn can provide large, reversible changes in electrochemical capacitance that enables conversion of mechanical energy to electrical energy, and electrochemical energy storing yarns by weaving. The solid-state CNT yarn harvester provides a peak power of 5.3 Watts per kg of carbon nanotubes. The solid-state yarn supercapacitor provides stable performance when dynamically deformed, such as bending and stretching. A textile configuration that consists of 9 harvesters, 3 supercapacitors, and a Schottky diode, produced and stored about 135 mV within just three times stretching. This energy generating and storing textile can be applied to power source of health care devices or other wearable devices and be self-powered sensors for human motion detecting. Also, above mentioned Twistron harvester can be more powerful by using several ways. Here, I show that typically two methods can be used to increase the performance of Twistron: (1) applying very different mechanical loads during twisting and coiling that induce CNT yarn alignment increasing and get high spring index, simultaneously, (2) tuning the tensile strain shape during a mechanical cycle like square wave shaped strain. The first method was obtained by the new tension optimization process (TOP). The peak output power at 1 Hz and at 12 Hz for a sinusoidal stretch were 422.5 and 1356 W/kg, which are 5.3- and 5.4-fold higher than for previous Twistron harvesters at these respective frequencies. The second method which stretching and releasing by square wave shaped strain, shows much higher performances. The peak output power at 1 Hz for a square wave stretch were 1171.3 W/kg, which are 14.6-fold higher than for previous Twistron harvesters at 1 Hz of sinusoidal wave strain. The maximum peak power, 1523.5 W/kg was obtained at very low frequency (0.2 Hz) of square wave strain. Applications of these high performed TOP yarn and the square wave strain are demonstrated.