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미국 캘리포니아 샌디에고 대학의 연구진은 인체에서 에너지를 수집하고 저장하여 소형 전자 장치에 전력을 공급하는 ‘웨어러블 마이크로 그리드’를 개발함. 이는 땀으로 구동되는 바이오 연료 전지, 마찰 발전기라고하는 운동 구동 장치, 에너지 저장 슈퍼 커패시터의 세 가지 주요 부분으로 구성됨. 모든 부품은 유연하고, 세탁이 가능하며, 옷에 스크린 인쇄가 가능함.

연구진은 마이크로 그리드의 개념을 적용하여 지속 가능하고 안정적이며 독립적으로 구동되는 웨어러블 시스템을 개발했는데, 도시 마이크로 그리드가 풍력 및 태양열과 같은 다양한 지역의 재생 가능한 전원을 통합하는 것처럼 웨어러블 마이크로 그리드는 땀과 움직임과 같은 신체의 다른 부분에서 에너지를 저장하는 동시에 지역적으로 에너지를 수확하는 장치를 통합하는 것임.

각 부품은 셔츠에 스크린 인쇄되어 수집된 에너지의 양을 최적화하는 방식으로 배치됨. 땀에서 에너지를 수확하는 바이오 연료전지는 가슴 셔츠 안쪽에 있음. 운동 에너지를 전기로 변환하는 장치인 마찰 발전기라고 하는 장치는 셔츠 바깥쪽 팔뚝과 허리 근처의 몸통 옆에 있음. 그들은 걷거나 달리는 동안 몸통에 대한 팔의 흔들리는 움직임으로부터 에너지를 수확함. 가슴 셔츠 외부의 슈퍼 커패시터는 일시적으로 두 장치의 에너지를 저장한 다음, 이를 방전하여 소형 전자 장치에 전력을 공급함.

움직임과 땀 모두에서 에너지를 수확하면 웨어러블 마이크로 그리드가 장치에 빠르고 지속적으로 전원을 공급할 수 있음. 마찰 발전기는 사용자가 움직이기 시작하자마자 땀을 흘리기 전에 즉시 전력을 공급함. 사용자가 땀을 흘리기 시작하면 바이오 연료 전지가 전력을 공급하기 시작하고 사용자가 움직이지 않은 후에도 계속해서 그렇게 함.

바이오 연료 세포에는 사람의 땀에서 젖산과 산소 분자 사이의 전자 교환을 촉발하여 전기를 생성하는 효소가 장착되어 있음. 마찰 발전기는 음전하를 띠는 재료로 만들어져 팔뚝에 배치되고 양전하를 띠는 재료는 몸통 측면에 배치됨. 걷거나 뛰는 동안 팔이 몸통에 대해 흔들리면 반대로 대전된 물질이 각각에 마찰하여 전기를 생성함. 각 웨어러블은 서로 다른 유형의 힘을 제공함. 바이오 연료전지는 연속적인 저전압을 제공하는 반면 마찰 발전기는 고전압 펄스를 제공함. 시스템이 장치에 전원을 공급하려면 이러한 서로 다른 전압을 결합하여 하나의 안정적인 전압으로 조정해야 함. 그것이 슈퍼 커패시터가 들어오는 곳임. 두 전원의 에너지를 일시적으로 저장하고 필요에 따라 방전할 수 있는 저장소 역할을 함.

이번 연구의 주요 혁신은 웨어러블 장치 자체가 아니라 모든 장치의 체계적이고 효율적인 통합이라고 할 수 있음.

본 연구 성과는 Nature Communications ("A self-sustainable wearable multi-modular E-textile bioenergy microgrid system")에 게재됨.