압력·마찰·열로 전기 생산하는 ‘웨어러블’ 자가발전 기술 [우리가 몰랐던 과학 이야기] (185)

 
사람이 1초에 3~4걸음 내딛으면 스마트폰의 평균 대기전력인 20~25㎽보다 높은 30㎽를 얻을 수 있다고 합니다. 별도 충전 없이 평소 신체 활동만으로 스마트 기기를 구동할 수 있는 셈입니다. 

스마트 디바이스의 발전에 따라 ‘웨어러블’ 자가발전 기술에 대한 관심도 높아지고 있는데요. 오늘은 조금은 생소하지만 미래 산업 발전에 없어서는 안 될 웨어러블 자가발전에 대해 알아보겠습니다. 

◆에너지 하베스팅이란?

 
에너지 하베스팅(Energy Harvesting)은 태양광과 진동, 열, 바람 등 자연적으로 발생하는 에너지를 전기로 전환시켜 ‘수확’하여 축적한 뒤 사용하는 기술을 의미합니다. 원료의 고갈과 환경오염 문제로 지속가능한 친환경 에너지 확보가 중요한 이슈로 떠오르고 있어 에너지 하베스팅 기술도 미래 산업 발전에 큰 영향을 미칠 것으로 전문가들은 내다보고 있습니다. 

특히 다양한 웨어어블 디바이스가 출시되면서 인체 내부에 삽입되는 전자기기를 구동시키기 위해 자가발전을 할 수 있는 차세대 기술이 각광받고 있습니다. 

◆웨어러블 자가발전이란?

출처=printedelectronicsworld.com

 
웨어러블 자가발전은 신체활동을 통해 얻어지는 움직임을 전력으로 바꾸고, 이를 에너지원으로 기기를 작동하는 기술입니다. 웨어러블 에너지 하베스팅 기술이라고도 합니다. 사람의 체온과 움직임을 이용하거나 주변의 전자기파를 흡수해 전기 에너지를 만듭니다. 이 자가발전은 특별한 활동을 하지 않고도 웨어러블 기기를 구동할 수 있는 전력을 생산한다는 점에서 주목받고 있습니다. 

웨어러블 자가발전의 소재로는 크게 압력을 전기로 바꿔주는 압전, 마찰을 전기로 바꿔주는 마찰, 열을 전기로 바꾸는 열전 등 3가지가 있습니다. 

◆압력을 전기로 바꾸는 압전소재

 
압전발전(Piezoelectric)은 사람이 걸을 때 생기는 압력, 표면이 구부러지거나 휘어질 때 발생하는 압력, 혹은 심장박동 등의 작은 진동으로도 에너지 발전을 할 수 있는 기술입니다. 

여러 물질을 섞어 만든 복합 압전소재가 일반적으로 쓰이는데요. 압력을 받으면 전기를 스스로 생산해내는 압전 특성을 가진 물질과 탄성을 가진 고분자 물질이 섞여 구부러지거나 휘어지면서도 전기를 수확할 수 있습니다. 

◆마찰을 전기로 바꾸는 마찰소재

출처=어드밴스드사이어스뉴스(advancedsciencenews.com)

 
마찰발전(Triboelectric)은 물질의 마찰에 의해 접촉표면에 발생한 전기를 모아 에너지로 만드는 기술입니다. 

서로 다른 두 물질을 마찰시키면 대부분 마찰전기, 즉 정전기가 발생하지만, 에너지 하베스팅 관점에서 봤을 때 동일한 기계적 에너지에서 보다 많은 전기를 생산할 수 있는 소재의 발굴 및 조합이 매우 중요합니다. 

◆열을 전기로 바꾸는 열전소재

체온으로 전기를 만드는 ‘웨어러블’ 열전소재. 출처=한국과학기술연구원

 
인체의 열을 활용해 에너지를 생산하는 열전발전(Thermoelectric)은 우리 몸처럼 모양이 일정하지 않고 움직임이 많은 표면에서 최대한의 열 에너지를 흡수해야 합니다.

그렇기 때문에 열전소재는 전기 전도도가 높고 유연성이 뛰어나야 합니다. 

새로 자원을 소비하지 않고도 우리가 일상 생활을 하는 것만으로도 에너지를 생산할 수 있다면 적은 비용으로 환경을 훼손시키지 않아도 됩니다. 이 때문에 웨어러블 자가발전을 위한 기술 개발에 전세계 연구원들이 집중하고 있습니다. 무엇보다 모바일 및 웨어러블 기기를 구동하기 위한 충분한 에너지를 만들어낼 수 있는 소재 개발에 노력하고 있습니다. 

언젠가는 거대한 발전소를 짓지 않아도 우리 스스로 에너지를 만들어 낼 수 있는 날이 오기를 기대해봅니다.

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