몸에서 전기 얻는 ‘웨어러블 발전기’ 'Wearable microgrid' uses the human body to sustainably power small gadgets
땀과 움직임에서 전기 확보해 소형 전자기기에 공급
인체에서 에너지를 수집하고 저장해 소형 전자장치에 전력을 공급할 수 있는 ‘웨어러블 마이크로그리드(wearable microgrid)’가 개발됐다.
마이크로그리드란 일반 발전소와 달리 태양열이나 풍력 같은 독립된 분산 전원으로부터 소량의 전력을 생산, 저장, 공급하는 시스템을 말한다.
'Wearable microgrid' uses the human body to sustainably power small gadgets
Date: March 9, 2021
Source: University of California - San Diego
Summary:
This shirt harvests and stores energy from the human body to power small electronics. UC San Diego nanoengineers call it a ''wearable microgrid''-- it combines energy from the wearer's sweat and movement to provide sustainable power for wearable devices.
Nanoengineers at the University of California San Diego have developed a "wearable microgrid" that harvests and stores energy from the human body to power small electronics. It consists of three main parts: sweat-powered biofuel cells, motion-powered devices called triboelectric generators, and energy-storing supercapacitors. All parts are flexible, washable and can be screen printed onto clothing.edited by kcontents
https://www.sciencedaily.com/releases/2021/03/210309091303.htm
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미국 캘리포니아대(UC 샌디에이고) 공학자들은 인체의 땀으로 구동되는 바이오 연료전지와 마찰 전기로 움직이는 구동 장치 그리고 에너지를 저장하는 슈퍼축전기(supercapacitors) 등 세 부분으로 구성된 ‘입는 발전소’를 만들어 과학저널 ‘네이처 커뮤니케이션즈’(Nature Communications) 9일 자에 발표했다. [관련 동영상]
소도시에서 전력을 활용하는 마이크로그리드에 착안해 개발된 이 장치는 모든 부품에 유연성이 있고, 이것으로 만든 의류는 세탁과 인쇄가 가능하다.
흔들리는 팔과 몸통의 마찰 전기 활용
논문 공동 제1저자인 UC샌디에이고 공대 루 인(Lu Yin) 박사과정 연구원은 “마이크로그리드 개념을 적용해 지속 가능하고 안정적이며 독립적으로 구동되는 웨어러블 시스템을 만들고 있다”라고 밝히며, “도시의 마이크로그리드가 풍력과 태양열 같은 다양한 재생 가능한 전원을 통합하는 것처럼, 웨어러블 마이크로그리드도 땀이나 움직임 같은 신체의 여러 부분에서 나오는 에너지를 통합해 저장한다”고 설명했다.
이 웨어러블 마이크로그리드는 논문 교신저자이자 UC샌디에이고 웨어러블 센서 센터 소장인 조셉 왕(Joseph Wang) 나노공학 교수팀이 개발한 유연성 있는 전자부품들을 조합해 만들었다.
땀에서 에너지를 얻는 바이오 연료전지는 셔츠의 가슴 부분 안쪽에 있고, 운동에너지를 전기로 변환하는 장치인 마찰 발전기(triboelectric generators)는 셔츠 바깥쪽 팔뚝과 허리 근처의 몸통 옆에 위치시켰다.
이 장치들은 걷거나 달리는 동안 팔이 흔들리는 움직임에서 에너지를 수확한다. 셔츠의 가슴 부위 바깥에 있는 슈퍼축전기는 두 장치에서 얻는 에너지를 임시로 저장한 다음 소형 전자장치에 필요한 전력으로 공급한다.
마찰 전기로 구동, 바이오 연료전지로 지속 공급
웨어러블 마이크로그리드가 빠르고 지속적으로 전원을 공급할 수 있는 것은 인체의 움직임과 땀 모두에서 에너지를 얻을 수 있기 때문이다. 마찰 발전기는 땀을 흘리기 전 사용자가 움직이기 시작하자마자 즉시 전력을 공급한다.
이어 사용자가 땀을 흘리기 시작하면 바이오 연료전지가 전력을 공급하기 시작하고, 움직임이 멈춘 뒤에도 땀을 이용해 전력이 계속 공급된다.
인 연구원은 “이 두 가지가 서로의 단점을 보완한다”라며, “빨리 전원을 공급하고 이를 지속적으로 가능케 하는 상호 보완적이고 시너지 효과를 얻을 수 있는 시스템”이라고 평가했다.
전체 시스템은 바이오 연료전지만 사용하는 것보다 두 배 더 빠르게 부팅되고, 마찰 발전기만 사용하는 것보다 세 배 더 오래 지속되는 것으로 확인됐다.
연구팀은 이 웨어러블 마이크로그리드를 테스트하기 위해 착용자가 10분 동안 사이클링 머신에서 운동하거나 달리기를 한 뒤 20분 동안 휴식을 취하도록 했다.
시험 결과 이 시스템은 각각의 30분 세션 동안 LCD 손목시계와 전압에 따라 색상이 변하는 작은 전기 변색 디스플레이에 전원을 공급할 수 있었다.
2013년에 처음 소개한 뒤 발전시켜
이 장치의 바이오 연료전지 셀에는 땀에 있는 젖산과 산소 분자 사이에 전자를 교환해 전기를 생성토록 하는 효소를 장착했다. 왕 교수팀은 2013년에 발표한 논문에서 처음으로 땀에서 전기를 수확하는 웨어러블 기기를 소개했었다.
이들은 이후 웨어러블 센서 센터 연구원들과 함께 작업하면서 소형 전자장치를 구동시킬 수 있을 만큼 신축성 있고 힘을 낼 수 있는 기술로 발전시켰다.
마찰 발전기에서 음전하를 띤 재료는 팔뚝 쪽에 배치하고 양전하를 띠는 재료는 몸통 측면에 배치했다. 걷거나 뛰는 동안 팔을 흔들면 각각 팔과 몸통에서 반대로 대전된 재료가 마찰을 일으켜 전기를 생성하게 된다.
각각의 웨어러블 장치들이 공급하는 전력은 유형이 서로 다르다. 바이오 연료전지는 지속적으로 저전압을 공급하는 반면, 마찰 발전기는 고전압 펄스를 발생시킨다. 따라서 시스템이 각 장치에 전원을 공급하려면 서로 다른 전압을 결합해 안정적인 전압으로 조정해야 한다.
여기에 슈퍼축전기가 도입돼 두 전원에서 나오는 에너지를 임시 저장하고 필요에 따라 방전이 되는 저장소 역할을 하게 된다.
움직이지 않을 때도 에너지 얻는 방법 연구 중
이 ‘입는 발전기’에 쓰이는 모든 부품은 셔츠에 인쇄가 가능하고 방수 코팅으로 절연된, 유연한 은(silver) 상호접점(interconnections)들로 연결돼 있다. 각 부품의 성능은 세제를 쓰지 않는 한 반복적인 구부림과 접힘 및 구겨짐 또는 물세탁의 영향을 받지 않다는 것이다.
인 연구원은 이번 작업에서의 주요 혁신은 웨어러블 장치 자체가 아니라 모든 장치를 체계적이고 효율적으로 통합한데 있다고 강조했다.
그는 “단순히 부품 A와 B를 결합하는데 그치지 않고, 호환 가능한 폼팩터를 가진 부품을 선택해 모두 인쇄 가능하고 유연하며 신축성이 있고, 성능이 일치된다”라며, “상호 보완적인 기능성을 가지고 있어 거친 운동을 하더라도 동일한 결과를 낼 수 있다”라고 밝혔다.
이 시스템의 한 예로 운동선수나 일반인이 운동할 때 유용하게 쓸 수 있으나 거기에 그치지 않는다. 인 연구원은 “이 설계에 국한하지 않고 시나리오에 따라 다양한 에너지 수확기를 선택해 시스템을 조정할 수 있다”라고 말했다.
연구팀은 사용자가 사무실에 앉아있거나 밖에서 천천히 이동하는 동안에도 에너지를 얻을 수 있는 다른 디자인에 대해서도 연구를 계속하고 있다.
김병희 객원기자 hanbit7@gmail.com ScienceTimes
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