체온-외부온도 차이 활용 '열전 방식'
마찰력 활용한 발전 방식도 활용
발전량 미미해 휴대폰 충전은 어려워
체내 삽입 의료장치에 도입 가장 시급
휴대용 디지털 기기의 역사는 더 작고, 더 가벼워지기 위한 투쟁이었다. 그러나 눈부신 혁신을 이뤄낸 오늘날의 디지털문명조차 아직까지 넘지 못하는 장벽이 있다. 배터리다.
디나 엘다막(Dina El-Damak) 미국 서던캘리포니아대학 전기공학과 교수는 "배터리는 오늘날 전자시스템 발전(發展)의 병목현상을 빚고 있는 주범"이라고 말했다. 배터리 효율성 극대화를 위한 노력은 치명적인 스마트폰 발화사고로 이어지기도 했다.
그럼에도 배터리 기술의 진전은 한걸음 한걸음 이뤄지고 있다. 신체움직임·체온으로 전력을 생산하는 자가발전(發電)·전력 시스템이 배터리의 한계를 넘어설 수 있을지 특히 주목된다.
다만 체온을 통한 전력생산으로 스마트폰을 충전하기는 시대가 오기까지는 다소 시간이 걸릴 것으로 보인다. 그러나 전세계의 과학자와 연구자들은 그 목표를 위해 지금도 노력하고 있으며 기업들도 마찬가지다.
◆자가발전 장치가 가장 필요한 곳은 '의료'
자가발전을 통해 갤럭시S8이나 LG워치를 충전하는 것은 현재로선 어렵다. 현장의 연구자들은 대신 의료분야에 집중하고 있다. 특히 맥박 조정기와 같은 이식형 의료기기다.
체내 삽입하는 의료장치가 배터리로 작동하는 경우를 생각해보자. 배터리가 다 닳으면? 배터리를 교체를 위해 신체를 다시 갈라야 한다. 때문에 자가발전 배터리는 의료분야에서 매우 시급한 기술이다.
특히 뇌 임플란트 부문에 큰 도움이 될 수 있다. 뇌 임플란트란, 치아가 빠진 자리를 인공 치아인 임플란트가 대신하듯, 손상된 뇌의 뉴런(neuron) 일부를 대체하는 것을 말한다. IT전문매체 더버지에 따르면, 현재 대부분의 뇌 임플란트는 배터리 지속기간이 약 5년정도라고 알려져 있다.
◆체온으로 전력 생산한다
자가발전을 위한 방법에는 여러가지가 있다. 첫번째는 압전(piezoelectric) 에너지 발전이다. 물체에 힘을 가했을 때 물체 겉면에 전기적 분극이 일어나는 현상을 말한다.
문과생도 이해할 수 있는 방식으로는, '신체움직임' 발전이 있다. 매력적으로 보이지만, 외부적인 움직임이 있어야만 전기를 생산할 수 있기 때문에 실용적이진 않다.
때문에 연구자들이 가장 주목하고 있는 방식은 '체온'이나 '열전 효과(thermoelectric effect)'을 이용한 발전이다. 열전이란, 간단히 말하면 온도차이를 이용한 발전방식이다.
36.5도의 우리 신체는, 외부 공기와는 거의 항상 다른 온도를 갖고 있다. 외부온도가 36.5도에 고정된 경우는 거의 없다.
다유시 바샤이(Daryoosh Vashaee) 노스캐롤라이나주립대 교수는 "열전 발전기가 온도차를 감지하고 에너지를 생성할 수 있다"고 말했다. 지난해 바샤이 교수팀은 소형의 열전 발전기를 만들었고, 실제 발전까지 성공했다. 셔츠에 끼워 넣거나 완장처럼 착용할 수 있는 금속 탭이다. 이 결과는 어플라이드에너지(Applied Energy) 저널에 실렸다.
체온 발전의 장점은, 아무것도 할 필요가 없다는 점이다. 36.5도의 체온을 유지하기 위해 별도의 노력을 기울이는 사람은 없다. 그러나 체온 발전은, 생성할 수 있는 에너지나 너무나도 적다는 것이 단점이다.
바샤이 교수는 "체온과 열전을 이용한 장치들은 단지 몇 도의 온도차이에 의존하고 있기 때문에 발전량이 매우 적다. 스마트폰을 충전을 위한 전력공급은 불가능하다"고 말했다. 그러면서 "효율성을 높이고 다량의 에너지를 생성하기 위해 발전기의 크기를 키울 수도 있지만, 그럴수록 커다랗고 거추장스러운 발전기를 착용할 사람은 더더욱 없을 것"이라고 말했다.
◆초저전력 전자기기를 만드려는 노력
그러면 아주 적은 에너지로도 작동하는 장치를 만들면 되지 않느냐고? 맞다. 노스캐롤라이나주립대의 '통합센서기술·자가발전시스템 센터(ASSIST)' 연구진들이 그 생각을 실행에 옮기고 있다.
이들은 초저전력이나 무(無)배터리 의료용 전자 장치를 만들고 있다. 건강 상태 점검을 위한 트래커로, 현재까지는 시제품 수준이다. 심박수, 신체활동, 호흡 등을 측정한다. 배터리는 사용하지 않을 경우에도 자동으로 전력저장량이 줄어드는데, 이를 막거나 최소화하려는 연구도 이뤄지고 있다.
◆마찰력을 통한 전기 생산
마찰력을 이용해 전기를 만들 수도 있다. 물체를 비벼 열을 내는 것이다.
마찰 발전은 널리 이용되고 있다. 특정 폴리머 재질의 경우 마찰로 인한 열이 더욱 높게 발생한다. 종이, 실크, 섬유, 목재, 금속표면, 유기물질 등 다양한 재료가 활용될 있다. 마찰 발전은 체온 발전보다 더 많은 에너지를 생성할 수 있는 것으로 알려졌다.
◆실제 일상생활에서 활용되기까지는 "3년"
관련 연구를 진행중인 학자들은 체온, 열전, 마찰 등을 이용한 자가발전 시스템 상용화까지는 약 3년정도가 걸릴 것으로 예상했다.
이보다 조금 더 빨리 만나볼 수 있는 제품이 있기도 하다. 매트릭스워치(MatrixWatch)라는 스마트워치 제품이다. 신체 발열을 이용하는 자가발전 시스템을 탑재하고 있기 때문에 충전을 할 필요가 없다. 9월 출시될 예정이다. 체온과 외부의 온도차를 이용하기 때문에, 시연회에서는 이 시계를 찬 이용자가 냉동실로 들어가기도 했다. 그러나 또다른 데모 사용자들로부터 "이 시계가 제대로 작동하지 않는다"고 지적했다. '자가발전 스마트워치'를 내세웠지만, 아직까지는 갈 길이 멀다는 평가가 나오는 이유다.
충전기로부터의 자유, 보조배터리로부터의 독립이 아직까지는 요원하다.
김동표 기자 letmein@asiae.co.kr
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