휴대폰, MP3플레이어, PMP(Personal Multimedia Player) 등 휴대용 기기가 일반화되면서 이에 동력을 제공하는 배터리 수명의 한계는 소비자들의 큰 불편사항이며, 이를 극복하기 위해 제조업체들은 최대절전모드(deep sleep), 유기발광다이오드, 속도조절이 가능한 칩, 에너지 절약형 소프트웨어 등의 기술을 적용해 소비전력을 줄여 배터리 수명을 늘이는데 주력하고 있다.
동시에 제조업체들은 리튬이온 배터리의 밀도를 높이는 기술의 개발과 같이 기존의 배터리 기술을 개선하고, 전력을 저장하는 초전도체나 연료전지 등과 같은 다른 새로운 기술을 도입하려고 시도하고 있다(참조자료1,
GTB2007120056).
그럼에도 불구하고 기존의 배터리가 가진 수명의 한계는 전기에 쉽게 접근할 수 없는 상황에서 추가적인 전원공급 없이 스스로 개인 발전을 수행할 수 있는 장치의 개발을 요구하고 있다.
예를 들어 펜실베이니아 대학 생물학 교수 롬(Rome)은 걸을 때 발생하는 기계적인 에너지를 전기로 변환하는 것으로서 다양한 휴대용 전기장치를 사용하기 충분한 에너지인 7.4와트까지 발전할 수 있는 배낭형 장치를 개발했다. 이 장치는 등산 시 사용하는 것과 유사한 견고한 프레임을 기초로 무거운 물체가 스프링을 통해서 프레임에 수직으로 매달려 있는 형상을 하고 있다. 프레임에 매달리며, 보행 시 엉덩이의 상하 운동에 의해 구동되는 물체의 수직 운동이 소형 발전기를 구동하는 기계적인 에너지의 공급원 기능을 한다(
GTB2005090616).
그런데 이러한 배낭형 장치는 무게가 상당하여 착용자의 신진대사 에너지를 상당히 소모할 가능성을 가진다는 단점이 있었다.
이를 극복하기 위해 미국 미시건대(University of Michigan)의 연구자들은 신진대사 에너지의 소모량이 그리 많지 않은 새로운 에너지 포착 무릎 보호대(knee brace)를 개발하였다.
이 장치는 2008년 2월 8일자 사이언스(Science) 저널에 발표되었으며, 미시건대 이외에도 미국 피츠버그대(University of Pittsburgh)와 캐나다의 사이먼 프레이저대(Simon Fraser University)의 연구자들이 포함됐다.
이 착용형 메커니즘은 일부 하이브리드 자동차에서 배터리에 충전을 하는 회생재동(regenerative braking)과 유사하게 동작한다고 미시건대 기계공학과 부교수인 아서 쿠오(Arthur Kuo)가 전했다.
회생재동은 자동차가 속도를 줄일 때 열로 발산되어 없어질 운동에너지를 수집한다. 이 무릎보호대는 사람이 한 발 디디기 위해 다리를 흔든 후에 그 다리를 멈추려고 할 때 손실될 에너지를 회수한다. 이 새로운 무릎보호대는 동시에 10개의 휴대폰까지 충전시킬 수 있는 충분한 전력을 생산할 수 있다.
신체의 다양한 장소에서 에너지를 회수할 수 있으며, 이를 이용하여 전기를 만들 수 있다. 그 중에서도 무릎이 가장 좋은 장소이다. 보행 시 예를 들어 발이 땅에 닿을 때와 같이 다양한 장소에서 에너지가 손실된다. 근육은 더 많은 일을 하여 이를 보상해야 한다.
그런데 신체는 영리하다. 에너지가 손실될 수 있는 많은 장소에서 스프링과 같이 동작하는 힘줄 등을 이용하여 에너지를 실제적으로 저장하고 탄성적으로 회수할 수 있다. 연구자들은 많은 장소에서 에너지가 실제로 발산되고 있는지 혹은 단지 순간적으로 저장되고 있는지 확실하지 않지만, 보행 시 다리를 흔든 후에 무릎의 속도를 늦추는 과정에서만큼은 대부분의 에너지는 단순히 낭비된다고 믿는다.
연구자들은 초당 1.5m로 러닝머신에서 느긋하게 걷는 6명을 대상으로 개발된 무릎 보호대를 시험했다. 연구자들은 피험자들이 얼마나 힘들게 걷고 있는지 결정하기 위해 호흡을 측정했다. 대조군(control group)은 3.5파운드(약1.6kg)의 보호대가 착용자에게 얼마나 큰 영향을 미치는 지 측정하기 위해 발전기가 꺼진 무릎 보호대를 착용했다.
무릎이 속도를 늦추는 동안 이 무릎 보호대만 동작되는 모드에서 피험자들은 발생된 전기의 1와트에 대해 신진대사 에너지로 1와트 미만의 것을 요구했다. 비교를 위해 손으로 동작하는 전형적인 발전기는 근육과 발전기의 비효율성으로 인해 1와트를 생산하기 위해 신진대사 에너지로 평균 6.4와트를 필요로 한다.
이로써 연구자들은 무릎 보호대의 개념을 입증한 것이다. 그러나 이 시제품은 당장 사용가능한 것이 아니며, 주요한 단점으로 크고 무겁다는 것이다. 그로 인해 착용자가 가지고 다녀야 할 부담을 지우지만, 발전 부문 자체는 사용 여부에 무관하게 착용자에게 거의 영향을 주지 않았다. 연구자들은 더 쉽게 운반할 수 있으면서 에너지 수확 능력을 보유하도록 이 장치를 개선하길 희망한다.
이와 같이 착용자에게 큰 신진대사 에너지의 소모를 가져오지 않도록 경량화된 개인 발전 장치가 개발된다면 전기에 쉽게 접근할 수 없는 장거리 도보여행자, 산악 등산가, 재난 구조원, 오지 탐험 연구원, 군인 등에 적용되어 착용하여 보행하면 휴대용 GPS(위성위치확인시스템) 수신기, 휴대폰, 야시 장비, 모터 장착된 인공 관절, 이식된 신경전달기(neurotransmitter) 등을 동작시킬 충분한 전기를 얻을 수 있을 것으로 기대된다. 특히 배터리를 필요로 하며, 이 배터리를 교체하기 위해 주기적인 수술을 받아야 하는 심박조정기나 신경전달기와 같은 장비를 이식 받은 환자들에게 인공 무릎과 결합된 개인 발전 장치는 주기적인 수술의 필요성을 제거하여 반영구적 사용을 가능하게 할지도 모른다.
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