동향

인체부착형 에너지 하베스팅 기술(Wearable energy harvesting technology)

1. 개요

최근 다양한 웨어러블(Wearable) 기기가 출시됨에 따라 사물인터넷 (Internet of things, IoT) 시장이 활기를 띠고 있다. 특히 웨어러블 기기는 심박수, 심전도, 혈압, 혈당 등 다양한 건강 수치를 수집하여 삶의 질을 높이는 데 기여하고 있다. 웨어러블 혹은 인체 내부에 삽입되는 전자기기는 각종 센서와 통신 부품을 구동시키기 위한 전력을 배터리릍 이용하여 공급받는다. 따라서 웨어러블 기기는 잦은 충전을 요하며 인체 내부에 삽입된 전자기기는 반복적인 시술을 통해 교체해야하는 문제가 있다. 따라서 많은 연구자들은 기기 구동을 위한 배터리를 대체하기 위해 자가발전이 가능한 기기를 개발하기 위한 연구를 활발히 진행하고 있다.

한편 에너지 하베스팅은 열, 빛, 진동, 전자기 등의 버려지는 에너지를 모아 전기 에너지로 변환시키는 기술을 의미한다. 신재생에너지인 태양광 발전, 풍력발전, 지열발전 등은 ‘버려지는 에너지’인 태양빛, 바람, 지열을 이용하여 전기로 변환하며, 이 또한 에너지 하베스팅으로 분류할 수 있다. 특히 웨어러블 에너지 하베스팅은 사람의 체온, 움직임을 이용하여 전기에너지를 만들거나, 주변의 전자기파를 흡수하여 전기에너지로 만들 수 있는 웨어러블 모듈을 이용한다. 웨어러블 에너지 하베스팅은 특별한 활동을 하지 않더라도 웨어러블 기기를 구동할 수 있는 전력을 생산할 수 있기 때문에 차세대 기술로 각광받고 있다.

본 보고서에서는 웨어러블 에너지 하베스팅 기술에 대해 기술하고자 한다. 특히 태양빛을 이용하여 발전하는 태양광발전을 웨어러블 모듈로 제작하는 방법, 사람의 체온을 이용하여 전기에너지를 발전시키는 열전발전, 사람의 움직임을 이용하여 전기를 생산하는 압전발전과 앞선 방법을 통해 생산한 전기에너지를 저장할 수 있는 웨어러블 배터리에 대해 다룰 것이다.

 

2. 에너지 하베스팅 기술

2.1. 웨어러블 에너지 하베스팅 기술

에너지 하베스팅은 환경 요소를 이용해 전기에너지로 변환하는 기술이다. 우선 에너지 변환장치는 환경 요소로부터 에너지를 흡수한다. 흡수한 에너지는 교류(alternating current) 혹은 직류(direct current)의 전기에너지가 얻어지는데, 컨버터를 이용해 직류로 변환되어 에너지 저장장치인 배터리에 저장되거나 기기의 전원으로 사용된다. 에너지 하베스팅은 자연에서 에너지를 획득하고, 버려지는 에너지를 사용하기 때문에 에너지 공급이 수월하고 안정적이며 지속 가능성을 가지고 있으며, 환경공해를 줄일 수 있는 친환경 에너지 활용기술이다.

최근 휴대용 전자기기와 웨어러블 기기의 수요가 증가하고 IT기기들이 소형화 되는 추세이며, 기기를 구동하기 위한 배터리의 크기와 시간에 한계가 대두되고 있다. 에너지 하베스팅 은 센서와 같은 소형 전자기기를 구동시키기 위한 전원 기술로 주목받고 있다. 웨어러블 에너지 하베스팅이 가능하기 위해선 에너지 변환장치와 컨버터, 에너지 저장장치가 모두 ‘입을 수 있는’ 형태로 제작되어야 한다.

 

2.2. 웨어러블 에너지 하베스팅 기술의 종류

웨어러블 에너지 하베스팅 기술은 기존의 에너지 하베스팅을 입을 수 있는 형태, 즉, 인체에 부착할 수 있는 형태인 팔찌, 의류 등으로 제작하는 것이 일반적이다. 기존의 에너지 하베스팅에 사용하는 재료는 주로 무기재료(inorganic materials)인데, 무기재료는 단단하고 무겁기 때문에 웨어러블 에너지 하베스팅에 적합하지 않다. 이런 문제를 해결하기 위하여 연구자들은 여러 가지 방법으로 접근하고 있다. 우선 무기재료를 이용하되 구조를 조절하여 유연성 혹은 신축성을 부여하는 방식이 있으며, 다음으로 유연성과 신축성을 가지는 유기재료(organic materials)를 무기재료의 대체재로 사용하는 방식이 있다. 각 방식은 확실한 장점과 단점을 가지고 있기 때문에 발전 방식에 따라 적합한 재료를 선택하는 것이 중요하다.

위에서 언급한 방식들은 신축성을 가지고 있어 몸에 붙이는 등의 방식에 적합한 모듈이다. 몸에 붙이는 방식의 웨어러블 에너지 하베스팅은, 몸에서 나오는 폐열 등의 에너지를 이용할 수 있다는 장점이 있다. 하지만 불편함 등을 초래할 수 있기 때문에 옷의 재료인 천(fabric)에 에너지 하베스팅 소자를 구현하는 방식의 웨어러블 에너지 하베스팅 기술 등도 꾸준히 연구되고 있다.

 

2.3.1. 웨어러블 태양전지

태양전지는 빛을 흡수하여 전기를 생산하는 방식의 에너지 하베스팅이다. 태양전지는 태양빛 외에도 다양한 조명 등에서 에너지를 흡수하여 상당한 양의 에너지를 발전할 수 있다는 장점을 가진 발전 기술로, 밀리와트(miliwatts) 수준의 에너지를 얻을 수 있다. 일본 동경대학교의 타카오 소메야 그룹은 최근 네이쳐 에너지 (Nature Energy, IF: 46.8)에는 직물(textile) 위에 유기 태양전지를 집적하여 늘어날 뿐만 아니라 세탁이 가능한 웨어러블-유기 태양전지가 소개되었다.[1] 저자는 웨어러블 태양전지를 직물 위에서 형성하기 위해 (1) 환경 안정성, (2) 지속적으로 에너지 효율이 높음, (3) 기계적 안정성 등의 성능을 개선하고자 하였다. 단순히 입을 수 있고, 부착이 가능한 태양전지를 넘어서 직물 위에 집적화되고 심지어 세탁까지 가능한 고효율 태양전지의 개발은 웨어러블 태양전지의 시장을 더욱 넓힐 수 있는 가능성을 열어주었다.

2.3.2. 웨어러블 열전발전

열전(Thermoelectric)이란 열 에너지를 전기에너지로 직접 변환하는 발전방식이다. 자동차, 뜨거운 파이프 심지어 인체의 표면까지 주변에 다양한 곳에서 열 에너지는 버려지고 있다. 열전발전은 주로 무기재료(Inorganic materials)를 이용하였다. 하지만 인체처럼 모양이 일정하지 않고 움직임이 많은 표면에서는 최대한의 열 에너지를 흡수해야하기 때문에 열전 재료 또한 다양한 표면의 모습에 밀착할 필요가 있어, 유연성을 갖고 있는 유기재료(Organic materials)를 이용하려는 연구가 많이 되고 있다. 특히 전도성 고분자 재료는 높은 전기전도도를 가지고, 준수한 제벡계수(Seebeck coefficient)를 가지고 있으며, 무엇보다 매우 낮은 열 전도도를 가지고 있기 때문에, 유연 열전 재료로 각광받고 있다. 하지만 얇은 플라스틱 판을 인체에서 수직 방향으로 온도 구배(Thermal gradient)를 갖게 만드는 것은 쉽지 않아, 적당한 모양을 가지는 열전 모듈을 디자인하는 것에 어려움을 겪고 있다. 최근 메사추세츠 암허스트 대학(University of Massachusetts Armherst)의 Trisha L. Andrew 그룹에서는 직물에 전도성 고분자인 poly(3,4-ethylenedioxythiophene)을 기상 프린팅(vapor printing)하여, 유연 열전발전 모듈의 개발에 성공하였다.[2] 손목 위에서 얻을 수 있는 전력량은 수 나노 와트 (nanowatts) 수준이지만, 단순히 사람의 체온으로만 에너지를 생산했다는 의의가 있다. 또한 한국과학기술연구원의 손정곤 박사 연구팀에서는 PEDOT:PSS를 이용하여 웨어러블 열전 발전 모듈을 제작하였는데, 특히 이 연구팀에서는 외부 압력에 의해 내부 저항이 변하는 점에 착안하여 자가발전(Self-powered) 압력센서를 개발하여 Nanoscale에 보고하였다.[3] 열전발전은 태양전지 등에 비해 낮은 발전량을 가지고 있지만, 센서 등과 결합하여 무동력 센서 등으로 적용이 가능할 것으로 기대한다.

 

2.3.3. 웨어러블 압전발전

압전발전(Piezoelectric)은 압전체에 기계적 변형(모양이 변하는 것을 의미한다)이 생기면 전기에너지가 발생하는 효과를 이용하여 에너지를 발전하는 방식을 의미한다. 사람이 걸을 때 생기는 압력을 이용하거나, 혹은 심장 박동 등 작은 진동마저 이용하여 발전할 수 있다. 이 기술을 활용하면 일상적인 활동으로도 충분한 양의 전기를 얻을 수 있다. 최근 한국과학기술연구원의 강종윤 박사 팀에서는 휘어진 PVDF 를 이용하여 압전 발전소자를 개발하였다.[4] 해당 연구결과는 인체의 움직임과 같이 느린 진동수의 압력을 흡수하여 발전하는 방식인데, 1 제곱센티미터당 3.9 밀리와트(miliwatts) 수준의 높은 발전량을 자랑했다.

이와 같은 압전 발전 소자는 신발, 시계 등에 설치하여 우리가 일상 생활에서 행하는 행위에서 에너지를 흡수하여 전기로 변형한다. 압전 발전 재료를 생체 친화적인 재료로 제작할 경우, 온도 차이가 필요한 열전발전과 빛이 필요한 태양전지와 달리 인체 내부에 삽입하여 심장박동 자극기(Pace maker) 등의 보조 동력원 등으로도 적용범위를 넓힐 수 있을 것으로 기대한다. 큰 전력을 생산할 수 있는 압전발전 소자는 의류와 결합하여 웨어러블 디바이스의 보조 동력원으로도 활용될 수 있을 것이다.

 

3. 결론

기존 웨어러블 기기의 한계점이었던 재충전의 제약을 극복하기 위한 수단으로 웨어러블 에너지 하베스팅 기술이 각광받고 있다. 에너지 하베스팅기술은 사용자의 노력 없이도 버려지는 에너지를 수거하여 전기에너지를 재생산 할 수 있어 지속적인 전원이 필요한 웨어러블 기기를 위한 에너지원으로 이용할 수 있다. 지속적으로 에너지를 생산, 저장하기 위해 태양광, 체온, 움직임, 전자기파 등 다양한 에너지원을 이용하여 전기를 생산하는 기술들이 개발되고 있으며, 이 기술의 발전과 함께 에너지 하베스팅의 시장 크기 또한 크게 증가하고 있다. 그러나 현재 개발된 웨어러블 에너지 하베스팅 모듈의 에너지 발전밀도는 크지 않기 때문에 웨어러블 기기에 필요한 에너지를 생산할 수 없다. 하지만 현재 전 세계적으로 웨어러블 에너지 하베스팅에 대한 연구가 진행 중이며, 웨어러블 기기의 소형화와 더불어 소비 전력이 감소함에 따라 자가 발전이 가능한 웨어러블 기기가 등장할 수 있을 것으로 기대한다.

 

 

References

1. Hiroaki Jinno, Kenjiro Fukuda, Xiaomin Xu, Sungjun Park, Yasuhito Suzuki, Mari Koizumi,

Tomoyuki Yokota, Itaru Osaka, Kazuo Takimiya and Takao Someya, Stretchable and waterproof elastomer-coated organic photovoltaics for washable electronic textile applications, Nature Energy, 2, 780, 2017.

2. Linden K. Allison and Trisha L. Andrew, A Wearable All-Fabric Thermoelectric Generator, Advanced Materials Technology, 4, 1800615, 2019.

3. Jinwoo Oh, Jong-Ho Kim, Kyoung Tae Park, Kiyoung Jo, Jong-Chan Lee, Heesuk Kim and Jeong Gon Son, Coaxial struts and microfractured structures of compressible thermoelectric foams for

self-powered pressure sensors, Nanoscale, 10, 18370, 2018.

4. Woo-Suk Jung, Min-Jae Lee, Min-Gyu Kang, Hi Gyu Moon, Seok-Jin Yoon, Seong-Hyub Baek and Chong-Yun Kang, Powerful curved piezoelectric generator for wearable applications, Nano Energy, 13, 174, 2015.