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팔꿈치 움직임 등으로 센서 동력 공급 생체 발전기 개발

송고시간2021-10-01 15:09

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팔꿈치를 구부렸다 펴는 등의 인체의 움직임을 전기에너지로 바꿔 인체 센서의 동력으로 활용할 수 있는 새로운 생체 전자장치용 발전기가 개발됐다.

땀에 대한 저항성이나 전력 생산량, 신축성 등 비슷한 장치에서 걸림돌이 돼 온 문제를 극복한 것으로 발표됐다.

미국 로스앤젤레스 캘리포니아대학교(UCLA)에 따르면 이 대학 생체공학 조교수 천쥔이 이끄는 연구팀은 '자기탄성 효과'(magnetoelastic effect)를 이용한 자가발전 생체 장치를 개발한 결과를 과학 저널 '네이처 머티리얼스'(Nature Materials)에 발표했다.

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전력량·땀 내성·신축성 등 한계 극복…'자기탄성 효과' 활용

유연하고 방수가 되는 생체 전자장치용 자기탄성 발전기
유연하고 방수가 되는 생체 전자장치용 자기탄성 발전기

[Jun Chen/UCLA 제공/ 재판매 및 DB 금지]

(서울=연합뉴스) 엄남석 기자 = 팔꿈치를 구부렸다 펴는 등의 인체의 움직임을 전기에너지로 바꿔 인체 센서의 동력으로 활용할 수 있는 새로운 생체 전자장치용 발전기가 개발됐다.

땀에 대한 저항성이나 전력 생산량, 신축성 등 비슷한 장치에서 걸림돌이 돼 온 문제를 극복한 것으로 발표됐다.

미국 로스앤젤레스 캘리포니아대학교(UCLA)에 따르면 이 대학 생체공학 조교수 천쥔이 이끄는 연구팀은 '자기탄성 효과'(magnetoelastic effect)를 이용한 자가발전 생체 장치를 개발한 결과를 과학 저널 '네이처 머티리얼스'(Nature Materials)에 발표했다.

자기탄성 효과는 기계적 압력을 가했을 때 물질이 가진 자기 특성이 변화하는 것을 나타낸다.

연구팀은 단단한 합금뿐만 아니라 부드럽고 유연한 소재에서도 이런 자기탄성 효과가 존재하는 것을 발견해 응용했다.

종이 두께의 실리콘 매트릭스에 미세 자석을 설치하고 매트릭스가 움직일 때 자기장 세기가 변하면서 전기를 생산하는 방식으로 개념을 입증했다.

천 교수는 "이번 발견은 인체 관련 실용적 에너지 생산과 감지, 치료 기술의 새로운 장을 여는 것으로 사물인터넷(IOT)과도 연결될 수 있다"고 했다.

새 장치는 피부에 붙였을 때 편안하게 움직일 수 있을 뿐만 아니라 전기가 아닌 자성에 의존하기 때문에 습도나 땀에 의한 성능 저하 현상이 나타나지 않는다고 연구팀은 설명했다.

연구팀은 백금촉매 실리콘 중합체 매트릭스와 네오디뮴과 철, 붕소 등으로 된 나노자석으로 100원짜리 동전 크기의 자기탄성 발전기를 만든 뒤 부드럽고 신축성 있는 실리콘 밴드을 이용해 팔꿈치 부위에 부착했다.

그 결과, 자기탄성 효과는 비슷한 크기의 단단한 합금으로 만든 장치에서 보이는 것의 4배에 달했으며, 1㎠당 4.27 ㎃(밀리암페어)의 전류를 생산했다. 이는 비슷한 장치가 생산해온 최대 전류량의 1만 배에 달하는 것이다.

새 자기탄성 발전기는 팔꿈치 등의 큰 동작뿐만 아니라 손목의 맥박도 전기로 전환할 수 있는데, 맥박을 전기 신호로 전환해 자가 동력 방수 심박 모니터기로도 활용할 수 있으며 땀 센서나 체온계 등과 같은 인체 착용 장치의 동력원으로 이용할 수 있다고 연구팀은 밝혔다.

인체의 움직임을 이용해 동력을 공급하는 착용가능한 발전기를 만들려는 연구가 진행돼 왔지만 충분한 전력을 생산하지 못하는 등 여러가지 걸림돌이 있었다.

예컨대 단단한 합금을 이용한 자기탄성 장치는 피부에 밀착시키기 어렵고, 충분한 양의 전력을 생산하는데도 한계를 갖고 있었다.

정전기를 활용한 장치도 충분한 전력을 만들지 못하고, 피부에 땀이 나거나 습도가 높은 조건에서는 성능이 저하하는 문제를 안고있었다. 습도 문제를 해결하기 위해 방수 캡슐 안에 넣는 방안도 시도했지만 기기의 효율성이 떨어지는 것으로 나타났다.

하지만 이번 개발된 새 장치는 유연하고, 충분한 양의 전력을 생산할 수 있으며, 일주일간 인공 땀에 담궈 둔 뒤에도 제대로 성능을 발휘한 것으로 연구팀은 밝혔다.

연구팀은 새 자기탄성 발전기에 대한 기술특허를 출원 중이라고 했다.

eomns@yna.co.kr

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