피부 패치(skin patch)가 착용형 장치에 전원을 공급할 수 있을까? 근육의 운동을 어떻게 이용할지에 대하여 연구하고 있는 공학자들은 피부를 전하 수집기(charge collector)로 만들고자 노력하고 있으며, 피부 기반의 발전기가 주요 분야로 부상하고 있다. 

싱가포르 국립대(National University of Singapore)의 연구팀이 근육의 운동을 소형 전자 장치를 운영하기에 충분한 동력으로 전환하는 발전기를 고안하였다고 미국 전기전자 기술자 협회(IEEE: Institute of Electrical and Electronics Engineers)가 발행하는 잡지(잡지명: IEEE Spectrum)가 2015년 1월 28일자에 상세하게 보도하였다. 

이 발전기 장치는 손가락과 부드럽게 접촉되었을 때 최대 90볼트의 개방 회로 전압(open circuit voltage: 개회로에 있어서 그 개로(開路) 한 점의 양단에 나타나는 전압으로, 축전지의 부하에 전류가 흐르지 않는 상태에서의 단자 간의 전압을 말한다.)을 생산한다. 

이 발전기 장치는 우표만큼 작다. 싱가포르 국립대의 로케쉬 드하카(Lokesh Dhakar)는 자신의 주요한 연구 목표가 임의의 크기를 가지는 패치 형태로 인간의 피부에 들어맞을 수 있도록 매우 유연한 장치를 만드는 것이었다고 잡지(IEEE Spectrum)에서 기술하였다. 이 발전기 장치는 2015년 1월 18~22일에 포르투갈에서 열린 마이크로 전기 기계 시스템과 관련한 국제학술회의(The 28th IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems)에서 발표되었다. 

이 발전기 장치를 동작하게 만드는 것은 마찰 전기 효과이다. 이것은 특정한 형태의 재료가 다른 재료와의 접촉 및 마찰을 통하여 전기적으로 대전될 수 있을 때 발생한다. “두 재료가 서로 분리될 때 수확이 가능한 전류가 발생한다. 이 전류를 수집하기 위하여 전극이 필요하다. 그래서 연구팀은 전류 수집을 위하여 50나노미터의 두께를 가지는 금박(gold film)을 설치하였다. 금박은 피부 접촉에서 더 많은 표면적이 되도록 도와서 더 많은 마찰력을 만드는 수천 개의 미세 돌기로 구성되는 실리콘 고무층 아래에 놓인다”고 최신의 기술에 대한 뉴스를 전달하는 블로그인 익스트림테크(ExtremeTech)가 전했다. 

“전하(electrical charge)는 2개의 서로 다른 표면이 가까이 접촉할 때 생성된다. 서로 떨어지거나 구부려질 때 전위차가 발생하며, 이들 사이에 전류가 흐르기 시작한다. 이러한 전류는 전극을 이용하여 수집될 수 있다”고 싱가포르 국립대의 발전기 장치와 관련된 잡지(IEEE Spectrum) 기사의 저자인 프라치 파텔(Prachi Patel)이 기술하였다. 

싱가포르 국립대의 연구팀은 주먹을 쥐거나 말할 때의 운동을 이용하기 위하여 개발한 발전기 장치를 피험자의 팔뚝이나 목에 부착하였다. 이 2가지 운동은 각각 7.3볼트 및 7.5볼트를 만들었다. 발전기 장치를 가볍게 두드리는 것은 90볼트라는 최대 전압과 0.8밀리와트의 전력을 만들었다고 로케쉬 드하카가 전했다. 이 정도의 전력이면 최대 12개의 상업용 발광다이오드(LED)를 켤 수 있다. 

이 발전기 장치는 사용자의 운동 및 활동을 추적하기 위하여 자체 동력이 공급되는 착용형 센서에서 활용될 수 있다. “이처럼 마찰력으로 동력이 공급되는 발전기는 배터리를 요구하지 않고, 대신에 걷기, 말하기, 물건 잡기 등과 같이 착용자의 일상적인 활동에 의하여 동력이 공급되는 새로운 형태의 착용형 센서를 가능케 할 수 있다”고 잡지(IEEE Spectrum)가 전했다. 

익스트림테크(ExtremeTech)의 제임스 플라프케(James Plafke)는 이 발전기 장치를 일상생활에 사용되는 용도로 전환하는 가능성을 살폈다. “이러한 형태의 발전기는 특정한 모바일 장치에서 배터리의 필요성을 제거한다. 누가 알겠는가? 언젠가 이러한 형태의 발전기가 심지어 당신의 스마트폰에 동력을 공급할 정도로 충분한 에너지를 만들어, 아마도 스마트폰 개발 및 설계에서 가장 큰 제한 조건 가운데 하나인 배터리 전체를 제거할 수 있을지도 모른다”고 플라프케는 말했다.  

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』