상상만 하던 인체의 움직임에 의한 에너지 수확

▲ 홍진표 교수

현재의 에너지 수확기술은 자연에서 제공하는 태양광, 풍력, 열 등이 있지만, 에너지 수확에 있어서 장소와 환경의 제약을 많이 받는 단점을 지닌다. 따라서 장소와 환경의 제약을 받지 않으면서 다양한 에너지원을 지속적으로 공급할 수 있는 스마트 섬유 기반 ‘textronics’ 기술을 이용한 에너지 수확기술은, 기능성 의복과 접목하여 일상생활에서 신체의 움직임으로 발생하는 작은 움직임, 무게, 진동 등의 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 기술을 의미한다. 홍진표 교수는 2차원 유연한 기능성 섬유소재 기반에 무기 금속 양자점 나노 구조물과 유기물 폴리머 나노 구조물을 인위적으로 조절하여, 기존의 압전효과 대신 마찰 개념을 도입함으로써 에너지 변환 효율을 증가시켰다. 이 기술은 기존의 electronics 기술의 패러다임 변화와 함께 차후에는 좀 더 가볍고, 유연하며 이동성이 강조되는 기술로 ‘입을 수 있는 전자소자(wearable electronics)’ 개발에 매우 중요한 역할을 할 것이다. 예를 들면 인체의 간단한 움직임 혹은 로봇과 같은 전자기기에 기능성 의복을 덧대어 로봇의 기계적 움직임으로 220V의 전력이 생산되었으며, LED정도는 가뿐히 가동할 수 있는 수준의 전류를 흐르게 할 수 있었다. 상상만 했었던, 간단한 움직임으로 에너지를 발생시킨다는 꿈이 구현된 셈이다.

1차원 섬유소재 기반 웨어러블 소자가 가진 무한한 가능성

본 연구의 결과는 현재와 미래에 절실한 문제, 세상을 바꾸는 위대한 질문이라는 X-프로젝트로 확장됐다. ‘이 세상을 바꿀 수 있는 건 무엇일까?’라는 질문을 사람들에게 던지고 사람들이 그에 대해 자유로이 토론하는 프로젝트다. 여기서 도출된 수많은 연구주제 중에서 ‘다양한 에너지 수확기술을 이용해 전기를 효과적으로 생산할 수 있는 방법은 무엇일까?’란 주제로부터 기존의 2차원 섬유 대신에 1차원 섬유소재에 인위적인 기능화라는 신개념을 도입하고, Spinning, Weaving, Knitting 등의 2차원/3차원의 의복화 기술을 접목하여 고효율의 에너지 하비스팅 소자를 구현하는 것이다.

홍 교수는 본 기술은 “크게 보면 웨어러블 디바이스인 셈인데 현재는 인체의 움직임에 의한 에너지 수확기술이고, 차후에 “에너지 수확을 넘어서 섬유소재로 에너지를 저장할 수 있는 융합 시스템을 만드는 것이 목표다”라고 말하며 포부를 다졌다. 더 나아가서 저장한 에너지를 스스로 사용할 수 있는 수준까지 개발하고 싶다는 홍 교수. “실제로 옷이 에너지를 발생/저장하고 이를 이용해 스스로 발광하는 소자에 적용하면, 그 자체로 의복 스크린이 될 수도 있고, 센서를 달아 몸의 이상을 감지할 수 있습니다.” 제일 하고 싶은 건 환자들이 입을 의복에 고효율 센서를 다는 것이라고. 옷만 가지고도 의사를 충분히 전달할 수 있는 방법을 고안 중이라고 한다.

최근 전자기기들이 소형화, 모바일화되다 못해 웨어러블의 형태로 출시되고 있다. CES 2016의 최대 화두 중 하나가 웨어러블 기술이었던 만큼 이는 하나의 흐름으로 볼 수 있다. 본 연구는 현재 웨어러블 디바이스의 전원으로 적용될 가능성이 농후하다. 더 나아가서는 옷 자체의 기능을 한 단계 진화시키고 새로운 차원의 전자기기가 등장할 수 있는 계기로 볼 수 있다. 섬유와 옷이라는 소재의 무궁무진한 변화를 기대해도 좋을 것 같다.