탄소 나노튜브를 이용하여 전기를 생산하는 새로운 방법

약 4년 전 쯤 MIT의 Michael Strano 교수와 연구진은 탄소 나노튜브(Carbon Nanotubes)로 만든 짧은 원사(Yarn)에 TNT를 코팅하였으며, 레이저를 이용하여 한쪽 끝을 점화하였다. 그렇게 되면 원사는 마치 도화선과 같이 불꽃을 내며 연소하였고, 이를 통해 대량의 전기를 생산할 수 있음을 확인할 수 있었다. 그러나 당시에는 그 누구도 이러한 일이 어떻게 진행되는지를 이해하는 사람은 없었다. 이와 관련하여 Strano 교수는 실험실 호기심 수준의 실증 테스트였기 때문에 그리 효율적이 못했다고 말한다. 이제 Strano 교수는 이와 관련된 물리학을 이해함으로써 효율을 약 10,000배까지 개선할 수 있었으며, 향후 지속적이면서 신속하게 진행할 수 있는 개발 방안을 제안하고 있다. 미래에는 이러한 현상을 이용하는 발전기를 통해 휴대용 전자장치의 작동시간을 늘릴 수 있을 것이며, 전기자동차(Electric Vehicle)의 운행거리 확대 및 충전 시간을 단축하는 일도 가능할 것으로 기대된다.

지금까지 실험실에서 제작되었던 설비를 일반 발전기의 효율과 비교하면 여전히 낮은 수준이다. Strano 교수가 최근 제작한 장치의 효율은 0.1%가 약간 넘는 수준이다. 이에 반해 일반 발전기의 효율은 25~60%에 달한다. 그러나 Strano 교수는 이러한 장치가 일부 틈새시장 분야에서 유용할 것이라고 말한다. 예를 들어 순간적인 전력 공급이 필요한 분야에 활용이 가능할 것이다. 또한 Strano 교수는 추가적인 효율 개선을 통해 활용 분야를 확대할 수 있을 것이라 보고 있다.

새로운 발전기는 열력파(Thermopower Wave)라고 불리는 현상을 이용한다. 전기를 생산하는 일반적인 방법은 연료를 연소한 후 여기서 발생하는 열을 이용하여 가스를 만들고, 이를 활용하여 터빈이나 피스톤을 구동하는 것이다. Strano 교수의 시스템은 나노튜브에 코팅된 연료가 연소되기 때문에 연소파(Wave of Combustion)가 나노튜브에 있는 전자를 움직여 전류를 만들어낸다. 이 과정에서 터빈이나 일반 발전기를 필요로 하지 않기 때문에 전기 생산이 훨씬 효율적이면서 직접적으로 이루어질 수 있다. 그리고 나노발전기는 배터리보다 더 많은 에너지를 저장하는 액체 연료를 이용하여 가동하기 때문에 전기자동차에 적용 시 더 많은 거리를 운행할 수 있을 것이다.

새로운 공정은 연료의 순간적인 폭발을 통해 연소실(Combustion Chamber)로 분사된 후 피스톤을 움직이게 되는 내연기관과 차이가 있다. 이들은 전력전자회로(Power Electronic Circuits)가 몇 개의 나노튜브 발전기에서 발생하는 전력 버스트를 이용하여 자동차의 모터를 가동하며, 연료탱크는 일반 자동차처럼 충전할 수 있다. 그리고 탄소나노튜브가 공정에서 소비되는 것이 아니기 때문에 계속해서 활용할 수 있다.

최근 Strano 교수는 나노튜브로부터 단일원자 두께의 그래핀과 같은 평판형태의 나노물질로 변환하여 효율을 개선하였다. 또한 열력파를 직접 적달하기 위해 시트의 모양을 구성하는 방안도 성능 개선에 도움을 주고 있다.

■ KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 http://mirian.kisti.re.kr