당신의 다음 스마트워치에는 배터리가 필요없다?!

‘당신의 다음번 스마트워치에는 기존 배터리 대신 몸에 흘리는 땀 만으로 작동될 수 있다.’

싱가포르 난양대학교 과학자들이 땀 2ml(2cc)만으로 20시간 분량의 저전력 웨어러블 전기를 생산할 수 있는 유연한 배터리를 개발했기 때문이다.

▲자전거를 타면서 흘리는 땀만으로도 충분히 웨어러블 기기를 작동할 수 있는 배터리 기술이 등장했다. (사진=NTU, 사이언스 어드밴스)

원리는 간단하다.

상처용 밴드처럼 늘어나는 은을 바른 섬유가 배터리 기능을 한다. 땀이 떨어지면 은이 전극처럼 작용한다. 배터리 크기는 0.8평방인치(약 5.16c㎡)에 불과하다. 특수직물로 만든 밴드처럼 납작한 것이다. 이는 땀을 흡수해 스마트워치를 가동하며 손목이나 팔에 착용할 수 있다.

땀은 신체 위치와 환경 조건뿐만 아니라 하루 중 시간대에 따라 피부 땀이 나는 비율이 다르지만 이 정도의 소량은 얻기가 어렵지 않다.

기존 배터리와 달리 땀으로 구동되는 배터리 디자인은 건강과 환경 모두를 해칠 수 있는 중금속이나 독성 화학물질을 포함하지 않는다.

▲사람이 흘리는 땀 2ml만으로 스마트워치같은 저전력 웨어러블 기기에 20시간 동안 전력을 제공할 수 있는 작고 유연한 배터리가 개발됐다. (사진=NTU)

이 배터리는 신축성 있고 땀을 흡수하는 섬유에 부착돼 손목이나 상완에 착용할 수 있고 스마트워치처럼 웨어러블에도 부착될 수 있다.

이 섬유의 흡수성은 땀을 보유할 수 있다. 따라서 착용자의 땀 나는 속도가 달라져도 배터리에 일정량의 전력 공급을 할 수 있다. 이는 피부에서 땀이 나는 비율이 신체 위치와 환경 조건뿐 아니라 하루 중 시간대에 따라 달라지기 때문에 필수적이다.

땀으로 구동되는 배터리 설계는 기존 배터리와 달리 건강과 환경 모두를 해칠 수 있는 중금속이나 독성 화학물질을 포함하지 않는다.

푸이 씨 리 난양공대 재료과학자는 “우리의 기술은 웨어러블 기기 디자인에서 이전에는 도달할 수 없었던 획기적인 이정표를 예고하고 있다. 우리는 사람에게서 항상 나오는 땀을 활용함으로써 기존 배터리에 의존하지 않는 보다 친환경적인 웨어러블 기기 전원 공급 방식을 모색할 수 있다”고 말했다.

그는 “그것은 우리 몸에 의해 거의 확실하게 보장된 에너지의 원천이다. 우리는 배터리가 모든 종류의 웨어러블 기기에 전원을 공급할 수 있을 것으로 예상한다”고 말했다.

연구팀은 우선 인공 땀을 분사해 3.57V의 전압을 낼 수 있다는 사실을 밝혀내면서 이 기기의 잠재력을 입증했다.

▲난양공대 연구진은 먼저 사진처럼 인공 인간 땀을 분사해 3.57V의 전압을 발생시킴으로써 이 배터리의 잠재력을 입증했다. (사진=NTU)

연구팀은 이어 실제로 30분 동안 운동용 자전거를 타면서 손목에 배터리를 찬 사람을 대상으로 테스트했다.

이 자원자는 4.2V의 전압과 3.9밀리와트(mW, 1밀리=1000분의1)의 전력을 생산할 수 있었다. 이는 현재 시장에서 판매되고 있는 온도 센서 장치에 전원을 공급하고, 수집된 데이터를 블루투스에 연결해 지속적으로 스마트폰에 전송하기에 충분했다.

▲난양공대 연구원이 인공땀을 분사해 3.57V의 전압이 발생한 것을 확인하고 있다. (사진=NTU)

이 교수는 “우리 기기는 착용자의 일상 활동, 반복적인 스트레스나 땀에 노출되도 견딜 수 있다는 것을 보여주었기 때문에 현재 기술보다 내구성이 더 강할 수 있다”고 자신감을 드러냈다.

그는 “우리 배터리의 얇은 크기는 또한 웨어러블 기술의 두 가지 문제점도 해결해 준다. 즉, 전통적인 버튼 배터리는 소비자들에게 매력적이고 날렵한 미관을 구현하는 데 있어 골칫덩이다. 이 배터리를 더 얇게 하면 하루 종일 사용하기에 충분한 충전 용량을 감소시키게 된다”고 지적했다.

▲난양공대 팀이 직물에 스크린 인쇄한 유연한 배터리 개발품(위)과 구성(아래). (사진=NTU, 사이언스 어드밴스)

연구팀은 이 새로운 배터리 설계는 유해한 전자 폐기물을 줄일 수 있는 잠재력을 가지고 있다고 설명했다. 실제로 전자쓰레기는 점점 더 큰 문제가 되고 있다.

난양공업대학의 논문 저자이자 재료과학자 류젠은 “기존 배터리는 그 어느 때보다 저렴하고 일반적이지만 환경에 유해한 지속 가능하지 않은 재료를 사용해 제작되는 경우가 많다. 이들은 또한 웨어러블 기기에 잠재적 유해성을 가지고 있다. 누액이 나오는 배터리의 독성 액체가 사람의 피부로 흘러내릴 수 있다. 우리의 고안품은 웨어러블 기기에서 독성 물질을 완전히 제거할 수 있는 진정한 기회를 제공할 수 있다.

▲난양공대 논문 저자이자 재료과학자 푸이 씨 리는 땀은 우리 몸에 의해 생산되는 거의 확실히 보장된 에너지원이라며 자신들이 개발한 배터리가 모든 종류의 웨어러블 기기에 전원을 공급할 수 있을 것으로 예상한다고 말했다. 사진 왼쪽에서부터 연구원 구루나탄 탕가벨, 푸이 씨 리, 지옌. (사진=난양공대)

이번 연구에 참여하지 않은 아이린 골드소프 워털루 대학 엔지니어는 “전자제품이 습기를 싫어하기 때문에 웨어러블 기기를 땀으로부터 보호하기 위해 캡슐로 싸 주는 것으로 잘 알려져 있다”고 말했다.

그녀는 “이 작업은 (웨어러블 기기의)장애물인 땀을 자산으로 바꿔 인쇄된 내부 연결기판의 전도성을 향상시킬 수 있으며, 착용 가능하고 구부러질 수 있는 배터리가 땀을 전해질로 사용할 수도 있음을 보여준다”고 덧붙였다.

연구팀은 “이는 웨어러블 전자 기기 디자인의 새로운 패러다임을 열 수도 있다”고 말한다.

연구팀은 초기 연구가 완료됨에 따라 이제는 인간 땀 속 다른 성분들의 영향을 탐구하는 것과 더불어 체온과 같은 요인들이 배터리의 성능에 어떤 영향을 미치는지 탐구하려고 한다.

이들은 난양공대 기업·혁신회사(NTUitive·NanyangTechnological University's enterprise and innovation company)를 통해 이 신형 배터리에 대한 특허를 출원했다.

▲캘리포니아주립 샌디에이고대(UCSD)가 개발한 땀으로 에너지를 수확하는 시제품은 현재 아주 적은 양의 전력만을 저장하며, 스마트폰의 전원을 켜려면 약 3주간 지속적으로 착용해야 한다. 캘리포니아 샌디에이고 주립대(UCSD) 개발자들은 향후 용량을 늘리기를 희망하고 있다. (사진=UCSD)

이번 연구 결과는 학술지 ‘사이언스 어드밴스’(Science Advances)에 실렸다.

난양대 연구진의 배터리의 효용성은 지난달 미국 캘리포니아주립 샌디에이고대(UCSD)가 공개한 땀으로 에너지를 얻을 수 있는 ‘손끝 웨어러블 밴드’ 기기와 비교된다.

UCSD팀의 기기는 수면중, 또는 다양한 기기를 사용하면서 손가락에서 나오는 땀으로 에너지를 수확하는 방식을 취하고 있다.

▲UCSD 연구진은 잠자고 있거나 가만히 앉아 있더라도 이 수동적 발전 시스템이 손끝의 땀으로 전기를 발생시킨다고 설명했다. (사진=UCSD)

UCSD에 따르면 이 기기를 10시간 동안 착용했을 때 전자시계를 24시간 작동하기에 충분한 약 400밀리줄의 전력을 생산할 수 있었다고 밝혔다. 또 이 기기로 스마트폰의 전원을 켜려면 약 3주간 지속적으로 착용해야 한다고 한다. 이 대학 연구팀은 향후 용량을 늘리기를 희망하고 있다. 이 연구 결과는 지난달 쥴(Joule) 저널에 실렸다.

▲UCSD 연구진은 이 기기를 10시간 동안 착용했을 때 전자시계를 24시간 작동하기에 충분한 약 400밀리줄의 전력을 생산할 수 있었다고 밝혔다. (사진=UCSD)

아래는 난양공대가 만든 땀으로 가동되는 작고 유연한 배터리 모습이다. (사진=NTU)

이재구 기자

jklee@tech42.co.kr
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