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인간이 배터리가 될 수 있을까? 에너지 하베스팅

  • 작성일 2022.06.22
  • 조회수 155

출처 영화 매트릭스

사람의 몸에서 직접 전기를 생산하는 것은 영화 속에서만 가능한 일일까요?

2021년 말, 영화 매트릭스 시리즈의 4번째로 ‘매트릭스 리저렉션’(The Matrix Resurrections)이 개봉하였습니다. 주인공 네오는 지난 3편을 통해 자신의 목숨을 희생하여 가상현실인 ‘매트릭스’로부터 인간들을 해방시켰는데요. 다시 깨어나 보니 매트릭스는 건재했고 네오를 포함한 인간들은 여전히 생체 배터리가 되어 기계들의 전력으로 사용되고 있었습니다. 18년 전 매트릭스 1편이 개봉되었을 때만 해도 인간을 배터리로 사용한다는 개념은 관객들에게 큰 충격으로 다가왔는데요. 현재 이런기술이 단순히 영화 속 상상의 산물로 끝나지 않고 실제로 인간의 신체를 이용해 전기를 생산하는 다양한 연구가 진행되고 있습니다.

인간의 신체로 전기를 생산하는 기술

매트릭스에서 기계들이 인간의 신체를 배터리로 사용한 것은, 기계와 전쟁 중이었던 인간들이 연막을 이용하여 기계의 에너지 공급원인 태양을 막았기 때문이었습니다. 결국 기계 진영은 인간에게 물과 영양분을 공급하면 열이 발생한다는 점을 이용하여 전력을 생산하게 되죠. 매트릭스처럼 인간의 체온을 이용해 전기를 생산하는 것은 에너지 하베스팅(Energy Harvesting) 기술 중 하나입니다. 에너지 하베스팅이란인간이 생활하면서 자연적으로 발생하는 땀, 오줌 같은 노폐물이나 체온 같은 부산물을 에너지원으로 전기를 ‘수확’하는 기술을 말합니다. 인간이나 다른 생명체를 오직 전기 생산을 목적으로 이용하는 것은 생각하기 힘들지만, 자기 신체를 활용해 스스로 사용할 전기를 생산한다면 삶이 매우 편리해질 것으로 예상할 수 있습니다.

영화 매트릭스에서 기계는 인간의 생체 에너지로부터 전력을 수확한다.
출처: 영화 매트릭스 리저렉션 The Matrix Resurrections

에너지 하베스팅으로 만든 전기의 활용성

에너지 하베스팅 기술은 인체 활동에서 발생하는 물리적 혹은 화학적 에너지를 전기 에너지로 변환하는 방식을 사용합니다. 근육에서 나오는 운동에너지나 체온의 열에너지를 전기로 전환하거나, 침, 땀 또는 체액에 존재하는 포도당 같은 성분을 배터리의 연료로 사용하죠. 에너지 하베스팅 장치를 기존의 배터리 대신 사용할 경우. 에너지의 근원이 모두 몸에서 자연적으로 생기기 때문에 방전이나 충전을 걱정할 필요가 없게 됩니다. 배터리처럼 터지거나 불이 나지 않아서 안전하고요. 배터리에 들어가는 희소금속처럼 원료가 비싸지 않고, 재활용하기 위해 비용과 시간, 에너지가 들지도 않습니다. 또한 외딴 지역처럼 전기 공급이 불가능하거나 경제적인 이유로 전기를 마음껏 쓸 수 없는 곳에서도 꼭 필요한 전자제품을 사용할 수 있게 됩니다. 이러한 다양한 장점 때문에 에너지 하베스팅 기술이 활발하게 연구되고 있습니다.

인체의 에너지로 배터리를 충전하게 될 날이 올지도 모른다

땀으로 전기를 만드는 옷

운동을 마치고 땀에 전 옷에서 전기가 만들어진다면 어떨까요? 2018년 미국 뉴욕주립 빙엄턴대의 최석현 교수 연구팀은 땀으로 구동하는 배터리를 개발했다고 발표했습니다. 땀과 만나면 산화·환원 반응을 일으키는 박테리아로 전력을 생산하는데요. 기존의 연료전지는 백금 같은 귀금속을 전극 촉매로 사용하지만, 최 교수의 배터리와 같이 미생물 촉매와 유기물질 연료를 사용하여 전기를 만드는 장치를 미생물 연료전지(Microbial Fuel Cell, MFC)라고 합니다. 한편 2020년에는 박정열 서강대 기계공학과 교수와 김혜림 숙명여대 의류학과 교수의 공동 연구팀이 새로운 연료전지 기술을 공개했는데요. 연구팀은 인체의 땀 속에 든 포도당과 반응해 전기를 일으키는 탄소 섬유를 이용하였습니다. 이 탄소 섬유로 스포츠 의류용 소재를 샌드위치처럼 위아래로 감싸면, 땀이 소재에 흡수된 후 증발할 때 탄소섬유가 산화·환원의 전극 기능을 하면서 전기가 만들어집니다. 이러한기술을 이용하면 신체와 운동 정보를 추적하는 스마트 의류를 배터리 없이도 쉽게 만들 수 있게 됩니다.

박테리아로 작동하는 섬유 형태의 미생물 연료전지(MFC)
출처: 빙엄턴 대학교 https://www.binghamton.edu/news/story/925/scientists-create-stretchable-battery-made-entirely-out-of-fabric

스포츠 의류 기반의 바이오 연료전지
출처: 서강대학교 http://me.sogang.ac.kr/v2/bbs/board.php?bo_table=sub6_1&wr_id=637&sst=wr_datetime&sod=desc&sop=and&page=3

피부에 닿으면 충전되는 시계

손목에 차는 것만으로 자동으로 충전이 되는 스마트 워치가 있다면 얼마나 편해질까요?2021년 미국 샌디에이고 캘리포니아대 나노공학과의 조셉 왕 교수 연구팀은 땀을 전기로 바꾸는 배터리를 공개했는데요. 이 배터리는 얇은 필름 형태로 되어 있어서 반창고처럼 피부에 붙일 수 있는 것이 특징입니다. 땀의 성분 중에서 젖산을 전기로 바꾸는데, 손가락 끝에 약 10시간 정도 붙이고 있으면 디지털 손목시계가 24시간 동안 작동하는 전기가 생산된다고 합니다. 콜로라도 볼더 대학의 연구팀은 영화 매트릭스에서 로봇들이 인간에게 했던 것과 비슷한 기술을 개발했습니다. 사람이 착용하는 액세서리에 체온을 전기로 변환하는 발전기를 넣은 것이죠. 신축성이 있는 폴리이미드(Polyimide, PI)필름으로 만든 이 장치는 마치 반지 위에 작은 컴퓨터 기판을 겹쳐놓은 것처럼 보이는데요. 피부 1㎠당약 1볼트의 에너지가 발생하는데, 시계나 피트니스 트래커와 같은 작은 전자제품에 전력을 공급할 수 있을 정도라고 합니다.

체온을 이용해 전기를 생산하는 장치
출처: https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abe0586

소변을 보면 전기가 생기는 화장실

몸에서 한번 배출되고 나면 끝인 소변으로 전기를 만들 수 없을까요?2018년 영국 바스 대학교의 연구팀은 오줌을 원료로 한 연료전지 개발에 성공했다고 발표했습니다. 이 연료전지는 오줌이 박테리아와 반응하여 전기를 생산하는 미생물 연료전지의 일종인데요. 한 개의 세포 당 생산할 수 있는 전력량은 적지만, 대신 크기가 100원짜리 동전 정도로 아주 작은 것이 장점입니다. 또한 제조단가가 저렴해서 전기 비용을 감당하기 힘든 사람들을 위한 장치를 만든다면 매우 유용할 것으로 보입니다. 2015년에 영국 브리스톨 웨스트잉글랜드대 연구진은, 전기 시설이 부족한 난민캠프에 보급하는 것을 목표로 이와 유사한 방식으로 전기를 생산하는 화장실을 개발하기도 하였습니다.

소변으로 전기를 생산하는 연료전지
출처: 영국 바스 대학교 https://www.bath.ac.uk/announcements/researchers-turn-urine-into-a-sustainable-power-source-for-powering-electronic-devices/

위에서 언급한 에너지 하베스팅 기술들은 아직 개발단계로, 자동차나 건물에서 사용되는 만큼 많은 전기를 생산하는 장치까지는 힘들어도 우리가 일상에서 사용하는 작은 전자기기에서 활용하는 날은 그다지 멀지 않은 듯 보입니다. 환경을 해치지 않고 반영구적으로 사용할 수 있는 에너지 하베스팅 기술이 더욱 발전한다면, 그동안 누구도 주목하지 않았던 땀과 소변, 그리고 체온이 인류의 소중한 자원으로 여겨질 날이 올지도 모르겠습니다.

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