수증기와 와이파이로 전기를 만든다고?

[이넷뉴스] 에너지를 만들어내는 소스는 어디까지일까?

최근 수증기와 박테리아 단백질에서 전기를 만들어 사용할 수 있는 기술이 발표되면서 이목이 쏠리고 있다. 또 우리 주위를 항상 맴돌고 있는, 버려진 와이파이 신호를 모아서 전기를 만들어 내는 아이디어도 현실화하고 있다.

◇ 수증기에서 전류 생성, 배터리 없이 시스템 구축 가능

미국 매사추세츠 대학 애머스트 캠퍼스(University of Massachusetts-Amherst) 연구원들은 자연적인 박테리아에서 나오는 단백질을 사용, 공기 중 수분으로부터 전기를 생성하는 새로운 장치를 지난해 개발했다.

이는 태양열 및 풍력 기반 발전기와 달리 실내에서 작동하며, 어디에서나 에너지를 생산할 수 있다는 점에서 획기적인 개발이라고 평가받았다.

과학전문지인 네이처(Nature)지에 게재된 이 장치, ‘에어-젠(Air-gen)’은 대기에 자연적으로 존재하는 수증기에서 전류를 생성하는 방식으로, 전극을 미국 포토 맥 강 진흙에서 발견된 미생물 지오박터(Geobacter)의 단백질 와이어에 붙여 사용한다.

연구원들은 이 장치가 무공해, 재생 가능, 그리고 저비용이라며, 사하라 사막과 같이 습도가 매우 낮은 지역에서도 전력을 생산할 수 있다고 덧붙였다.

연구가 여기에서 그쳤다면 반짝 주목받는 기술에 불과했을 것이다.

연구팀은 이를 응용, 마치 자율적인 생명체처럼 정보 입력에 지능적으로 반응할 수 있는 전자 마이크로 시스템을 만들었다. 이 마이크로 시스템은 초 저 전자 신호를 처리할 수 있는 새로운 유형의 전자 장치로, 에어젠과 통합 구성해, 따로 외부 에너지가 필요 없이 구동된다. 주변 공기에서 전기를 생성해서 쓰기 때문이다.

마이크로 시스템의 핵심 구성 요소는 모두 전자 폐기물을 생성하지 않고 지속 가능한 생체 재료로 만들어 인체 및 다양한 환경과 더 많이 상호 작용할 수 있는 미래 친환경 전자 제품의 잠재력을 보여준다.

이 획기적인 연구는 지난 7일 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications) 저널에 게재됐다.

연구팀을 이끄는 준 야오(June Yao)는 “우리는 에어젠의 전기가 단백질-나노 와이어 멤 리스터로 구성된 센서와 회로를 구동하는 데 사용되는 마이크로 시스템을 만들었습니다. 이 시스템은 배터리 같은 외부 에너지원 없이도 감지 및 계산을 할 수 있습니다. 살아있는 유기체의 자기 자율성과 마찬가지로 완전한 에너지 자체 지속 가능성과 지능을 가지고 있습니다. 따라서 기능과 재료 모두에서 우리는 전자 시스템을 보다 생체와 비슷하거나 살아있는 것과 비슷하게 만들고 있습니다."라고 말했다.

이 획기적인 프로젝트는 미 육군 전투 능력 개발 사령부에서 연구 자금을 지원하고 있다.

◇ 버려지는 무선주파수 신호를 에너지로 변환

싱가포르에서는 와이파이 신호를 모아 에너지로 변환하는 기술을 선보였다.

싱가포르 국립대학교(NUS) 연구원들이 STO(spin-torque oscillator)로 알려진 소형 스마트 장치를 이용, 무선 주파수를 수집하고 에너지로 변환해 이를 소형 전자 장치에 공급하는 기술을 개발한 것이다.

이들은 최근 몇 년 동안 무선으로 연결된 장치가 기하급수적으로 늘면서 주파수의 양도 급격히 증가했다며, 이들 중 사용 가능한 초과 신호를 수집한다고 말했다.

실험을 통해 그들은 배터리를 사용하지 않고 무선으로 LED(발광 다이오드)에 전력을 공급하기에충분한 에너지를 성공적으로 수집했다.

이 방식을 적용한다면 스마트 홈과 도시의 핵심인 사물 인터넷 관련 소형 전기 기기 및 센서에 무선으로 무제한 전력을 공급할 수 있다.

STO는 마이크로파를 생성하는 새로운 장치의 한 종류로, 일반적으로 낮은 출력 전력과 넓은 선폭으로 인해 무선 통신 시스템에 응용되는데, 연구팀은 이를 8개 직렬로 연결된 어레이(array)를 고안했다. 이를 통해 2.4GHz 전자기 전파를 직류 전압 신호로 변환한 다음 커패시터(capacitor)로 전송, 1.6V LED를 켠다. 실험에서는 커패시터를 5초 동안 충전하면 무선 전원이 꺼진 후 1분 동안 동일한 LED를 켤 수 있었다.

이 기술의 에너지 수확 능력을 향상하기 위해 연구원들은 설계한 어레이에서 STO 수를 늘리는 한편 다른 유용한 전자 장치 및 센서를 무선으로 충전할 수 있을 지를 테스트할 계획이다.

또 업계 파트너와 협력, 무선 충전 및 무선 신호 감지 시스템의 가능성을 열 수 있는 자립형 스마트 시스템용 온 칩(on-chip) STO 개발을 모색하고 있다.

이 프로젝트를 이끈 궈용신(Guo Yong Xin) 교수는 “우리는 무선주파수에 둘러싸여 있지만, 인터넷에 접속하지 않을 때는 비활성 상태가 되어 엄청난 낭비를 하고 있다.”라며, “우리의 최신 결과는 쉽게 구할 수 있는 2.4GHz 전파를 녹색 에너지원으로 전환, 우리가 정기적으로 사용하는 전자 제품에 전력을 공급할 수 있는 단계다.”라고 말했다.

한편, 이러한 글로벌 에너지 수확 시스템 시장은 2019년부터 2025년까지 연평균 8∼10% 성장해 2025년까지 약 8억 1천만 달러에 이를 것으로 예상됐다.

[이넷뉴스=김진성 기자] jin@enetnews.co.kr