중국 베이징 나노에너지 및 나노시스템 연구소(Beijing Institute of Nanoenergy and Nanosystems) 소속의 연구진과 미국 조지아 공과대학(Georgia Institute of Technology) 소속의 연구진은 연속적인 운영을 위하여 착용자의 손목 움직임(wrist movements)으로부터 에너지를 수확하는 자가 발전 전자시계(self-powered electronic watch)를 생성했다. 이 기술은 단일 하이브리드 나노발전기(hybrid nanogenerator)에 두 가지 다른 에너지 전환 메커니즘을 결합함으로써, 하이브리드 장치는 단일 메커니즘만을 사용하는 이전의 에너지 수확 장치보다 상당히 더 많은 에너지를 수확할 수 있다.

중국 베이징 나노에너지 및 나노시스템 연구소 소속의 Ya Yang과 미국 조지아 공과대학 소속의 Zhong Lin Wang이 주도하는 연구팀은 ACS Nano 저널에 하이브리드 나노발전기에 대한 논문을 게재했다.

이러한 종류의 나노발전기는 발걸음, 거리 및 에너지 소비 등에 대한 판독 자료를 위하여 무선 스마트 보수계(wireless smart pedometer)와 같은 다른 착용 전자기기에 동력을 제공하는데 이용될 수 있다고 Yang은 밝혔다.

연구진은 전자시계에 지속적으로 동력을 공급하기 위하여 생체 역학적 에너지(biomechanical energy)를 효과적으로 이용할 수 있는 마찰전기 나노발전기(TENG; triboelectric nanogenerator)와 6개의 전자기 발전기(EMGs; electromagnetic generators)를 포함하는 하이브리드 나노발전기를 보고했다. 착용자의 손목의 자연적인 움직임에 의해 동력 생성이 촉발되며, 각각의 측면에 코일을 가지고 있는 아크릴 상자(acrylic box)의 중앙에 자석 공(magnetic ball)이 벽과 충돌하여 EMGs와 TENG 모두로부터 동력이 출력된다.

하이브리드 나노발전기는 내부에 자석 공을 가지는 3.6cmx3.6cmx3cm 크기의 작은 상자로 이루어진다. 착용자가 손목을 움직일 때, 공의 움직임은 전자기 효과(electromagnetic effects)와 마찰 전기 효과(triboelectric effects)에 의해 전기를 생산한다. 전자기 효과로 인하여, 공이 상자 내부에 장착된 6개의 금속 코일과 충돌할 때, 공의 기계적 에너지가 전기 에너지로 전환된다.

전기 효과는 두 개의 재료가 서로서로 마찰이 될 때 발생한다. 이러한 현상은 인간의 머리위에 풍선을 문지를 때 어떻게 정전기(static electricity)를 생성하는지와 유사하다. 이 연구에서 시계 줄(watch strap)은 마찰 전기의 부품으로 작용한다. 줄은 다른 마찰전기의 양극성(triboelectric polarities)을 가지는 나일론(nylon)과 고분자 복합재료 등 두 가지 재료로 만들어진다. 나일론과 고분자 복합재료는 상자의 하부와 두 개의 전극에 부착된다. 움직이는 자석 공이 시계 줄을 꽉 누를 때, 나일론과 고분자는 서로서로 접촉하게 되고, 마찰전기 전하를 생성하고, 전극 사이에 전자가 흐르게 한다.

연구진은 다른 손목 움직임이 충전될 수 있으며, 시계에 동력을 공급할 수 있는 방식에 대하여 실험했다. 연구진은 최적의 손목 움직임이 12mA에 이르는 전류를 생성시킬 수 있는 비트는 움직임(twisting motion)이라는 것을 확인했다. 이러한 39초의 비트는 움직임은 약 7.5분 동안 연속적으로 시계에 동력을 공급할 수 있다. 하이브리드 나노발전기에 의하여 생성된 에너지를 저장하기 위하여 가정에서 만든 리튬-이온 배터리를 추가함으로써, 연구진은 32분의 비트는 움직임이 3.5시간 이상 시계에 동력을 연속적으로 제공하기 충분한 에너지를 생성할 수 있다는 것을 발견했다. 이러한 자료를 기반으로, 연구진은 3.6시간의 손목 움직임이 1일 동안 시계를 연속적으로 운영하기에 충분한 에너지를 생성할 수 있다고 추산했다.

생체 역학적 에너지를 수확하기 위하여 하이브리드 나노발전기를 이용함으로써, 전자시계는 착용자의 손목의 다른 움직임 유형 하에서 연속적으로 동력을 공급받을 수 있다. 여기서 최적의 접근은 456초 동안 시계를 연속적으로 운영하기 위하여 39초에 100 μF 용량을 충전하는 것이다. 추가로 시계의 작동 시간을 증가시키기 위하여 가정에서 제작한 리튬-이온 배터리가 32분 이내에 배터리를 충전하기 위하여 하이브리드 나노발전기를 이용하여 약 218분 동안 시계를 연속적으로 작동시키기 위한 에너지 저장 유닛으로 이용됐다. 이 연구는 전자시계로 자가 발전 착용할 수 있는 전자기기를 위한 나노발전기 기반의 빌트인 동력 공급원을 개발하는 기회를 제공할 것이다.

현재의 시제품이 다소 큰 크기이기 때문에, 연구진은 자석 공을 얇은 자석 판으로 대체함으로써 치수를 줄이는 시도를 수행했다. 그러나 연구진은 자석 판이 공처럼 쉽게 움직이지 않는다는 것을 발견했으며, 따라서 미래에 연구진은 나노발전기를 소형화하는 다른 방법을 조사할 계획이다. 또 연구진은 배터리를 제거하기를 바라고 있다.

미래 계획은 착용할 수 있는 전자기기 장치의 동력 공급원 문제를 해결하는 것이며, 따라서 이러한 장치는 외부 동력 공급원에 의하여 충전되지 않고 지속 가능한 방식으로 작동할 수 있다고 Yang은 밝혔다. 이상적으로 인간의 신체에서 유발된 에너지의 움직임은 이러한 장치에 동력을 공급하는데 충분할 것이다.

출 처 :  http://phys.org/news/2015-11-self-powered-e-watch-powered-wrist-movements.html (kisti)