포커스

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생체에너지 기술 동향

손대일*

매트릭스라는 영화를 보면 계란형 인큐베이터와 같은 공간에서 사람들이 영양을 공급받고 자라고 있는

데 이 사육되는 인간들은 전기를 생산해서 기계들에게 공급해주는 것을 목적으로 사육되고 있다. 이 영화를

보고 과연 인체가 전기를 만들 수 있는가 하는 의문을 가질 수 있었을지 모르겠지만, 인체에서 미량이긴 하

지만 지속적으로 전기가 만들어진다는 것이다. 그리고 이 전기는 팔다리 근육뿐만 아니라 두뇌와 같은 중추

신경과 다른 말초신경에서도 골고루 만들어진다는 것이다. 인간 몸에서 어떻게 전기를 만들고 배터리를 외

부 전원이 아닌 인간의 몸을 통해 직접 충전할 수 있게 해주는 생체에너지에 대하여 본 고에서 기술하고자

한다. ▨

I. 서 론

주변을 둘러보면 온통 휴대용 디지털기기 투성이

다. 당장 노트북부터 시작하여 휴대폰, PMP, MP3

플레이어, 디지털 카메라, 무선 마우스 등이 대표적

이다. 하지만 이들 휴대용 디지털 기기는 반드시 배

터리가 필요하다. 또한 첨단과학의 발달로 과학자들

은 스스로 생각하고 움직이는 기계들을 개발하고 있

으며, 이에 맞추어 다른 한편으로는 스스로 발생하

는 생체에너지에 의존하여 작동하는 기술들이 개발

되고 있다. 조만간 스스로 생산되는 생체에너지 기

술의 발전이 급속도로 이루어질 것으로 예상된다.

본 고는 배터리의 충전걱정이 없이 우리 몸을 통

해서 계속 충전 가능하게 해주는 생체에너지의 기술

동향에 대해서 기술해보기로 한다.

목 차

* (주)유비테크놀로지스/CEO

I. 서 론

II. 인간 몸이 연료전지?

III. 생체에너지 기술 동향

IV. 생체에너지로 배터리 충전

하는 기술 사례

V. 결 론

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주간기술동향 통권 1434호 2010. 2. 24.

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II. 인간 몸이 연료전지?

1. 생체배터리 만드는 인간

매트릭스라는 영화를 보면, 주인공인 키아누 리브스가 현실이라고 믿고 사는 세계가 나온다.

하지만 그 매트릭스는 가상의 현실이고 실제로는 인간들이 기계에 의해 사육되는 끔찍한 세상이

었다는 것을 기억할 것이다.

그런데 흥미롭게도 인간이 사육되는 방식이 마치 인체의 자궁에 비유할 수 있는 계란형의 액

체로 채워진 인큐베이터와 같은 공간에서 사람들이 영양을 공급받고 자라고 있는데, 이 사육되

는 인간들은 전기를 생산해서 기계들에게 공급해주는 목적으로 사육되고 있다.

이 영화를 보고 과연 인체가 전기를 만들 수 있는가 하는 의문을 가질 수 있었을지 모르겠지

만, 정답은 인체에서 미량이긴 하지만 지속적으로 전기가 만들어진다는 것이다. 그리고 이 전기

는 팔다리 근육뿐만 아니라 두뇌와 같은 중추신경과 다른 말초신경에서도 골고루 만들어진다는

것이다.

매트릭스에서 보여진 것처럼 인간의 몸에서 전기를 생산해내는 생체연료전지 연구가 현재

진행되고 있다. 물론 이 연구는 기계를 위한 배터리로 쓰려는 것이 아니라 인간의 보다 더 나은

삶을 위해서이다

사람 몸에서 어떻게 전기를 만들어낼까? 비슷한 원리를 우리가 흔히 쓰는 배터리에서 찾아

볼 수 있다. 배터리는 주로 화학전지다. 즉, 화학물질이 산화와 환원 반응을 일으키면서 전자가

(그림 1) 매트릭스의 충격적인 현실

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이동하고 이 과정을 통해 전기가 생산된다.

생체 연료전지도 기본적인 틀은 화학전지와 다르지 않다.

배터리를 외부 전원이 아닌 인간의 몸에서 직접 충전할 수 있다면?

충전 걱정이 없어지는 것은 물론 휴대용 디지털 기기 크기도 획기적으로 줄일 수 있을 것이

다. 또한 전원을 제대로 공급하지 못해 실용화가 어려웠던 나노로봇이나 인공망막, 인공고막 등

도 당연히 전원 공급을 인체에서 도움을 받아 현실화가 가능해질 것이다. 공상과학영화에나 나

올법한 이야기라고 생각하겠지만 실제로 관련 연구가 현재 진행되고 있다.

2. 생체친화 연료전지

연료전지를 인체 내에서 사용하기 위해서는 성능 못지않게 중요한 것이 인체 무해성이라고

할 수 있다. 기존 이온전도도 고분자막(대표적으로 나피온) 대신 핵산, 아미노산 단백질로 구성

된 생체 고분자막을 사용하고, 촉매는 독성이 있는 백금을 사용하지 않고, 금과 은 그리고 아연,

셀레니움 등과 같은 물질로 대체해야 한다. 쉽게 말해 100% 인체 무해성 물질로 구성되어야 하

는 것이다.

한 예를 들어보면 페이스메이커(pacemaker, 심박박동 조율기)는 심장병환자의 심장박동을

대신 맡아서 주기적인 전기충격을 발생시키는 전자심장 보조기구로써 현재 이식형과 외부 부착

형으로 나뉜다. 그 중 이식형 페이스메이커의 전원으로써 리튬-요오드 전지가 사용되고 있으나

인체삽입형 전원으로써 1차 전지는 재료의 유독 가능성과 낮은 에너지 도라는 단점을 지니고

있다.

연료전지는 높은 에너지 도를 가지고 인체 무해한 재료를 사용함으로써 기존의 페이스메이

커에 사용되는 1차 전지를 대체할 수 있다. 연료전지를 고부가가치 산업인 의료기기 분야에 적

(그림 2) JUDE MEDICAL 사의 페이스메이커

주간기술동향 통권 1434호 2010. 2. 24.

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용하는 것은 중장기적으로 국가 차원의 경제ㆍ사회적인 파급효과가 클 뿐만 아니라, 아직 연구

초기단계이고 의료기기 시장의 틈새를 파고 들 수 있기 때문에 시장 접근 가능성도 크다고 볼

수 있다. 이 기술의 실용화를 위해서는 연료전지 기술뿐만 아니라 MEMS, 바이오기술 등의 다

방면의 기초 연구와 시스템과 관련된 응용연구가 유기적으로 수행되어야 하므로 집중적인 연구

가 필요하다. 그래서 지금은 생체친화 연료전지 연구에서는 앞서 언급한 인체에 무해한 유기 화

합물인 복숭아산(formic acid), 비타민 C(L– ascorbic acid), 진통제(mefenamic acid), 바이오

에탄올(bio ethanol) 등을 연료로 사용할 것으로 예측된다.

국내에서는 아직 생체친화 연료전지에 대한 연구와 인식이 부족한 실정이다. 지난 해 경상대

에서 ‘인체이식 가능 융합형 전원시스템 연구단’이 최종적으로 출범하여 인체 내에서 전기를 생

산하고 생산된 전기를 인체 내에서 충전하는 신개념의 융합형 배터리 개발이 진행되고 있다. 광

주과학기술원의 ETRI 촉매연구센터는 포름산 비타민 C 를 연료원으로 이용한 고분자 연료전지

를 연구하고 있으며 기존 메탄올 연료전지에 비해 출력은 낮지만 연료의 안전성 및 탄소를 전극

촉매로 사용하여 많은 관심을 받고 있다.

국외에서는 현재 미국 일리노이대학 어버너 샴페인캠퍼스(UIUC) 연구팀에서 초소형 초박형

연료전지 시작품을 선보임으로써 차세대 고부가가치 의료용 산업 및 군사용 에너지원으로서의

우위를 선점해 나아가고 있다.

또한 국내 특허출원 건수에서 연료전지 기술관련 비중이 52%를 차지함에도 불구하고 연료

전지의 에너지원으로 수소와 메탄올 이외의 차세대 연료에 대한 연구는 아직 많이 진행되고 있

지 않다. 연료전지 시스템에서 휴대용/이동형 및 소형화 에너지원 시장은 계속 증가할 것으로

보인다.

III. 생체에너지 기술 동향

1. 포도당 생체에너지

21 세기 정보통신 사회에서는 대부분의 전자기기를 개인이 휴대할 수 있게 되어 몸에 부착

또는 착용하는 개념이 일상화 되고, 삽입 또는 이식 개념 도입으로 초소형이면서 용량이 충분하

고 인체에 무해하면서 소비전력이 작은 구동 에너지원의 필요성이 커지고 있다. 이러한 요구조

건에 가장 적합한 동력원의 하나가 바이오 물질을 기반으로 한 바이오 연료전지이다.

대부분의 바이오 연료전지는 연료전지의 가장 중요한 부분인 연료로 포도당(glucose)을 사

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용한다. (그림 3)과 같이 GOx(glucose oxidase)라는 촉매제를 이용하여 포도당의 산화를 촉진

시켜 전자를 얻게 된다. 즉, GOx는 전극판에 고정화되어 산화하면서 생성된 전자를 반대 전극

에 전달하는 매개체 역할을 수행하게 되는 것이다. 산화에 의해 발생한 전자는 반대쪽 극에서

환원되어 물이 생성되고, 이러한 일련의 과정을 통해 전지의 기능이 구현된다.

이와 같이 바이오 연료전지는 몸속에 무한히 존재하고 있는 혈액 속의 포도당을 연료로 사용

할 수 있는 장점이 있어 혈관 속을 돌아다니며 병균과 싸우는 임무를 수행하거나 필요한 약물을

상처부위로 가져가 치료하는 역할이 가능한 나노로봇의 전력원으로써 크게 활용될 수 있다. 더

욱이 인체와의 친화성이 있어 체내 삽입형 의료기기의 전원으로도 사용될 수 있다. 또한 박막

형태의 개발이 가능하므로 스마트카드나 RFID 태그, 바이오-마이크로 시스템 및 각종 미세 기

계장치(MEMS) 등 다양한 분야에 적용할 수 있는 미래형 전지가 될 것이다.

그러면 이렇게 다양한 쓰임새로 활용이 가능한 바이오 연료전지 개발에 있어서 난제는 무엇

인가? 먼저 전원용량(power density, 전극의 면적당 전원 발생 효율)에 있다. 예를 들면 포도당

을 산화시키는데 사용되는 촉매제인 GOx가 평평한 면에 균일하게 단일막으로 고정화될 경우 효

소의 도는 약 0.27㎍/cm2이고 이 양에 의해 계산되어지는 전류 도는 0.2mA/cm2이다.

한편 포도당의 산화반응은 자연계의 광합성의 역반응으로 1 당량의 포도당과 6 당량의 산소

간에 총 24 전자가 이동하는 반응이다. 이 반응을 이용하는 연료전지는 이론적으로 최대 1.24V

(그림 3) 포도당을 연료로 한 바이오 연료전지의 작동원리와 화학반응식

e- e-

e-

O2

H2O

GOx

Gluose

Gluconicacid

gluconic acid glucose

anode

cathode

overall

C6H12O6+H2O C6H12O7+2H++2e

-

1/2 O7+2H++2e- H2O

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의 기전력이 얻어진다. 따라서 바이오 연료전지의 전원용량은 0.2mW/cm2 정도에 불과하다.

그러므로 바이오 연료전지가 상용화되어 다른 전지와 경쟁력을 가지게 되기 위해서는 다른

여러 문제들 중 용량문제를 가장 먼저 해결해야 할 것이다. 용량의 증가를 위해 대표적으로 시

도되고 있는 방법으로는 나노입자, 나노구조체 혹은 다공성 물질을 이용하는 경우이다. 이들 방

법은 대부분 GOx 를 전극에 많은 양을 고정화시킴으로써 용량을 증폭시키기 위한 방법을 연구

하고 있다.

또한 연료인 포도당 또는 산화제의 활성부위의 확산, 분리막을 통과하여야 하는 양성자, 전

극과 촉매제 사이의 확산 등에 관련되어 발생되는 전자의 전도도 문제이다. 전자 전달 메커니즘

의 정확한 이해를 통해 물질의 산화환원 활성부위를 막 근처로 이동시켜 전류장벽을 낮춘다. 즉,

터널정체현상(tunneling current)을 증가시켜 전류 도를 크게 향상시키는 방법에 대한 연구가

이루어지고 있는 것이다.

또 다른 문제는 효소의 안정성과 관련된 수명시간(lifetime)이다. 여러 가지 요인이 수명시간

을 결정하게 되겠지만, 대부분의 경우에는 촉매제 등으로 이용되는 물질이 주변 환경에 의해 변

질되는 자체의 문제이다. 이로 인해 보통의 바이오 연료전지는 수일 정도의 수명시간을 유지할

뿐이다. 최근의 연구결과에서는 수명시간을 늘리기 위해 단백질공학이라는 최첨단 기술을 활용

하여 효소의 안정성을 도모하여 수 주간 유지되었다.

바이오 연료전지의 개발에 대한 대표적 성과로는 2007년 8월에 일본의 소니사가 포도당을

효소로 분해하여 전력을 생산하는 바이오 전지를 개발하였으며, 이를 이용하여 메모리 타입의

워크맨과 패시브형 스피커로 음악을 재생하는데 성공했다고 발표했다. 소니사가 개발한 바이오

전지의 주요 사양은 최대 출력 50mW, 외형 크기가 폭 39mm, 높이 39mm, 길이 39mm 이며,

(그림 4) 일본의 소니사가 개발하여 MP3 전원으로 이용한 포도당 바이오 연료전지

세퍼레이터(separator)

전극 전자

전달물질

전극 전자

전달물질

전기

에너지

O2 H2O

전자(O-)

포로톤(H+)

전자(O-)

효소

효소군

포도당 글루코노락톤(gluconolactone)

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몸체를 뺀 전지 부분의 실제 용량은 약 40cc 이다. 포도당 용액과 산소 등의 반응 물질을 자연

확산을 통해 전극에 공급하는 패시브형 바이오 전지로써는 세계 최고 출력을 실현한 것이다.

바이오 연료전지의 출력이 수 mA/cm2, 수 mW/cm2 수준이 되고, 수명시간의 해결이나 전지

단위의 적층기술의 발전 등을 고려하면 실효성이 있는 전지가 탄생할 것으로 예상할 수 있다.

특히 인체와의 친화성을 가진 바이오 물질을 이용한다는 점에서 생체 적합성이 있으므로 체내

삽입형 각종 전자기기의 전원으로 이용할 수 있다는 장점이 있다. 이 같은 장점들로 인해 선진

국에서는 바이오 전지 개발이 큰 활기를 띄는 상황에 비해 국내의 연구 개발은 아직 걸음마 단

계에 있어 시급한 개발이 요구된다.

2. 압전 효과로 얻는 생체에너지

압전 소자는 압력을 받으면 전기를 생산하는 물질이다. 가장 대표적인 압전 소자 물질은

PZT, 구성 요소인 납(Pb), 지르코늄(Zr), 티타늄(Ti)의 첫 글자를 모아 이름을 붙였다. PZT 가

압력을 받으면 내부의 분자들이 +전기와 -전기로 나뉘어 분리된다. 전기를 띤 분자들 사이로

전자가 움직이면서 전기가 만들어진다.

압전 효과는 크리스털이나 세라믹 등 압전체(壓電體)를 매개로 하여 기계적 에너지를 전기적

에너지로 변환하는 상호작용을 말한다. 압전체에 압력 온도 진동 등 기계적 에너지를 가하면 전

기가 생긴다. 반대로 전기를 흘려주면 압력 온도 진동이 생긴다. 압전 효과의 대표적 예로는 가

스레인지의 점화 과정을 들 수 있다. 가스레인지 손잡이를 돌려 압력을 가하면 전기가 생성되어

불꽃이 생기고, 불꽃은 밸브에서 나온 가스에 불을 붙인다.

압전 효과를 이용하면 심장 박동 등 인체의 모든 운동을 전기 에너지로 바꿀 수도 있다. 하

지만 지금까지는 이런 생체 운동으로 전기를 만드는 데 한계가 있다. 생체 운동은 불규칙적이며

그 운동에서 나오는 미세한 에너지를 거둬들이기도 쉽지 않기 때문이다.

조지아공대 연구팀은 이런 문제를 해결하기 위해 산화아연 나노 선(線)을 이용한 나노 발전

기를 개발하였다. 이들은 집게손가락에 나노 발전기를 붙여 키보드나 패드를 누르는 운동을 전

기로 변환하고, 나노 발전기를 장착한 옷을 햄스터(쥐와 비슷한 설치류)에게 입혀 이들이 쳇바퀴

를 돌 때 전기를 생산하는 데 성공하였다.

물론 당장 동물의 운동 에너지로 본격적인 발전을 할 수 있는 것은 아니다. 나노 발전기가

생산하는 전력은 이름 그대로 ‘나노와트(nanowatt)’라고 불리우는 아주 적은 양에 불과하기 때

문이다. 현재 이런 극소량의 에너지를 유용하게 활용하기란 결코 쉽지 않다. 하지만 가능성은 충

분하다. 나노 발전기는 조만간 병원균이나 암세포의 단백질을 감지하는 나노 센서 등 미세 기계

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장치의 매우 유용한 전력원이 될 것으로 예상되기 때문이다. 나노 센서는 아주 작은 전원만으로

도 우리 몸 속에서 독자적으로 임무를 수행할 수 있다. 특히 압전식 나노 발전기는 인체가 활동

하는 한 무한대로 작동하는 ‘무한 전원 기기’를 만드는 데 큰 도움이 될 것이다. 또 앞으로는 전

기를 생산하는 ‘발전 섬유’ 등 다양한 응용 제품이 나올 수도 있다. 발전 섬유가 나오면 단순히

걷거나 뛰는 것만으로 옷에 연결된 휴대전화를 충전할 수 있게 된다.

또한 압전 소자는 다양한 곳에서 버려지는 에너지를 전기로 바꿀 수 있다. 네덜란드 ‘클럽와

트’, 영국의 ‘수리야’ 나이트클럽의 바닥에는 압전 소자가 설치되어 있다. 사람들이 춤을 추며 바

닥을 누르면 압력을 전기로 바꿔 조명에 쓰고 있다.

교각에 압전 소자를 설치하면 자동차가 노면에 전달하는 압력을 전기로 전환하여 조명이나

교각의 부식을 감시하는 센서에 무상으로 전력을 공급할 수 있다. 특히 센서의 전력원으로 태양

전지를 사용할 수도 있지만, 비가 오거나 야간에는 태양광 발전을 할 수 없다는 점을 고려하면

압전 소자의 활용 가치가 더 높다.

압전 소자의 또 다른 장점은 바로 휴대용 발전기로 활용 가능하다는 점이다. 행군하는 군인

의 전투화에 압전 소자를 설치하면 부산물로 전기를 얻을 수 있다. 군인이 외부와 통화하기 위

해 별도의 무거운 배터리를 지닐 필요가 없어진다. 휴대폰에 압전 소자가 들어가면 배터리가 방

전되었을 때 전기를 바로 생산할 수 있다. 압전 소자에 추를 달아 휴대폰에 집어넣으면 휴대폰

을 흔들 때마다 추가 압전 소자에 충격을 주어 전기를 얻을 수 있다.

압전 소자의 남은 과제는 내구성의 향상이다. 최근 압전 소자를 자동차의 엔진에 장착하여

엔진의 엄청난 진동을 전기로 바꾸는 연구가 활발하다. 상용화를 위해서는 엔진의 진동을 이겨

낼 수 있도록 압전 소자의 내구성을 높여야 한다. 미국의 MIT, 버지니아 공대를 비롯한 많은 연

구진이 압전 소자의 내구성 향상에 매달리고 있다.

IV. 생체에너지로 배터리 충전하는 기술 사례

1. 조지아 공대의 나노와이어 센서

조지아 공대(Georgia Institute of Technology)의 왕종린(Zhong Lin Wang) 교수는 기계적

에너지(Mechanical energy)를 전기(electricity)로 전환 생산하는 센서를 개발하고 있다. 이 센

서 디바이스를 군인들의 군화에 내장시키면(embedded), 군인들이 보행시에 압력을 가하게 되

어 에너지를 생산하게 되고 이들 에너지를 모으면 군인들이 갖고 다니는 무전기(radio), 전자장

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비 및 플래쉬라이트(flashlight) 등을 위해 배터리들을 충전시킬 수 있다. 또한 이 기술이 상용화

되면, 심장으로부터 나오는 혈액의 혈압을 이용하여 에너지를 생산하고 몸에 이식된 의료 디바

이스들(implanted medical device)인 인공장기에 이용할 수 있다.

프로젝트를 담당하는 왕종린 조지아 공과대학 박사는 산화아연(ZnO, zinc oxide) 반도체 물

질을 이용한 나노와이어(zinc oxide nanowires)로 미세 전류를 일으키는 기술을 개발하고 있다.

200∼500nm 의 길이에 폭이 20~40nm의 미세한 나노와이어는 탐침(probe)으로 구부리면(bent)

약한 전력이 나온다. 자세히 설명하면, 피에조전기 효과(peizoelectric effect)에 의해 나노와이

어 밖의 표면에는 - 전기가 발생되고, 반면 압력을 받는 안쪽에는 + 전기가 형성되는 것이다.

그러면 이들 전기들은 탐침과 나노와이어가 접촉하는 곳에 모이게 되고, 구부려진 나노와이어가

펴질 때 전류가 감지되는데, 나노와이어들은 계속 진동하지만, 반듯이 펴질 때만 전기를 방전한

다. 여기에 계속 압력을 가해 구부리면 구부릴 때마다 전기가 생성된다. 물론 이 와이어는 나노

이기 때문에 세라믹보다 강력하여 파손될 이유가 없다. 산화아연은 이러한 역할을 잘 하고 있는

데 그 이유는 피에조전기성일을 갖고 있을 뿐 아니라 반도체이기 때문이다. 물론 다른 물질들도

이와 같은 성질을 가지고 있지만 산화아연은 인간들에게 비독성(nontoxic) 물질이기 때문이라고

왕 박사는 말한다.

왕박사는 이 원리를 군화에 적용하면 신고 다니는 것만으로 작은 전등을 켜거나 라디오를 작

동하는 데 충분한 전력생산이 가능하다고 주장한다. 현재 나노와이어는 가해지는 물리적(기계

적) 에너지(mechanical energy)의 약 30%를 전류로 전환할 수 있다. 발전 효율이 더 높아지면

생체 에너지를 이용해 휴대폰 배터리를 재충전하는 것도 가능해진다. 왕박사는 나노와이어를 섬

유에 넣어 전기를 일으키는 군복소재도 연구중이다.

지금은 하나의 나노와이어가 전기를 생산하지만, 수 백만 개의 나노와이어들을 집적하면 이

는 초미니 발전기가 될 것이다. 더욱이 크기가 작기 때문에 이들 나노와이어들은 다양한 종류의

디바이스에 내장시킬 수 있다. 따라서 보행 중이나 팔 운동이나 다리 운동시에도 전기를 발생시

킬 수 있으며, 몸 안에 이식된 나노와이어들은 혈압에 의해 전기가 발생되고, 물속에 이식되는

경우에는 물의 흐름이나 유압에 의해 언제 어디서나 전기를 발생시킬 수 있다. 이렇게 진동에

의해 발생된 전기들은 입고(Wearable Computing: WC), 먹고(Eatable Computing: EC), 같이

사는(Liable Computing: LC) 디바이스들에 전기를 제공하게 되는 것이다.

현재 왕 박사가 도전하고 있는 나노와이어들은 실험 단계이지만, 왕 박사는 조만간 수백만

개의 나노와이어들을 집적한 10마이크론 평방의 어레이(array)를 만들어 이들이 얼마만큼의 전

기를 발생시키는 지를 측정할 예정이다. 미 국방부는 왕의 기술을 이용하여 군화에 압력을 가하

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면 보병용 전자장비에 필요한 전력을 만들 수 있는 생체에너지 기술을 향후 실용화할 것이라고

한다.

2. Intel 의 시도, 기존 RFID 에 무엇을 추가하려 하는가?

인텔도 생체 전기에너지를 이용한 전자태그 개발에 박차를 가하고 있다. RFID 전자태크들은

판독기(readers)로부터 에너지를 얻어 필요한 일련 번호 데이터(serial number data)를 송신한

(그림 5) 조지아 공대의 산화아연 나노와이어 센서

A

B

I

RLVI

+

-

(그림 6) 인텔이 개발하고 있는 스스로 작동되는 센서 안의 마이크로프로세서

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다. 하지만 만약 RFID 태그들에 캐퍼시터(capacitor)나 다른 디바이스를 이식 내장시키면, 이들

이 태그로 흘러 들어가는 에너지를 낚아채어 저장시킬 수 있고, 그러면 이들 저장된 에너지들은

기타 온도 센서(temperature sensor)나 물체들의 움직임을 감지하는 가속도계(accelerometer)

에 전기를 공급할 수 있다. 인텔 연구소는 매장에서 누군가 상품에 무단으로 접근하거나 전자태

그를 강제로 제거하면, 모션 센서(motion sensor)에서 전력이 발생되어 보안경보가 울리는 기술

을 개발하고 있다. 그 다음에 정기적으로 단숨에 판독기에 의해 재충전 해주면 된다. 회사측은

평상시 전원이 필요 없는 수동식 보안시스템에 생체에너지 기술은 매우 적합하다고 설명한다.

3. 인텔의 마이크로프로세서 센서인 WISP 프로젝트

센서 디바이스들은 영구적으로 작동되는 기계들이 아니다. 그러나 물리학의 법칙(laws of

physics)을 깨는 방법으로 유용한 에너지를 생산해 내는 이론적 가설적인 기계들이다. 즉, 아직

이러한 기계들은 존재하지 않는다. 예를 들면, 에너지를 저장하는 것은 이론적으로 가능하나 실

제로는 전기를 저장하는 방법은 현재 없다. 스스로 에너지를 생산하는 기계도 없다. 하지만 실용

적인 면에서 이러한 센서 디바이스들은 조만간 현실화될 것으로 보인다. 즉, 스스로 생산해 내는

에너지에 의존하는 센서들을 개발하고 있는 것이다.

센서 시장에는 지난 수년간 배터리와 소비전력이 가장 커다란 문제와 난제로 여겨왔다. 하지

만 미래학자, 과학자나 기타 연구원들은 해저 바닥이나 숲의 방재 센터에서 잡은 오류 정보들을

수집하는 조그만 센서나 모트(mote)의 비전을 모색하고 그려왔다. 또 다른 예를 들면, 센서들은

벽에 내장되어 침입자나 스파이들을 감지해 낼 수 있다. 하지만 불행하게도 이들 모든 센서들에

(그림 7) 인텔이 개발하고 있는 배터리를 갈 필요가 없는 WISP 센서

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다 사용된 배터리들을 지속적으로 교체하기를 원하는 사람은 없다.

인텔의 WISP(Wireless Identification and Sensing Platform)는 그간 무어법칙(Moore’s law)

을 잘 이용해 왔다. 18개월마다 컴퓨팅의 파워가 두 배가 된다는 것은 그만큼 더욱 작은 크기의

트랜지스터를 만들어 18 개월에 집적되는 트랜지스터의 수가 두 배로 증가한다는 것이다. 더욱

작은 반도체를 만들어야 칩 디자이너들은 더욱 나은 지능을 설계할 수 있다.

RFID 칩은 아직 임계질량(critical mass)에 도달할 수 있는 2 센트(20 원) 이하로 내려가지

못하고 있다. 현재 용도에 따라 10센트에서 많게는 50센트에 달한다. 하지만 칩 개발자들은 기

존의 RFID 칩에 더욱 많은 기능들을 융합하여 현존의 가격으로 판매할 수 있을 것으로 기대하

고 있다. 즉, RFID 칩이 아니라 복합 칩인 Multi-chips나 아예 SoC(System on a Chip)로 개발

하는 방법을 모색하고 있다.

여기에 전기 소비량도 최근 급격히 감소하고 있다. 이러한 센서들이 수집한 데이터를 프로세

싱하는 저가의 마이크로프로세서들(low-end microprocessors)들은 처리하는 양이 적어 많은

전기가 필요하지 않는다. 설사 고가의 마이크로프로세서들도 그 크기가 더욱 작아져 전자들이

여행하는 거리가 짧아지고(electrons have to travel shorter distances) 저속으로도(low

speeds) 충분한 성능을 낼 수 있다.

그러므로 WISP 프로젝트팀이 최근 개발한 칩은 박스의 뚜껑이 열렸을 때 이를 감지하는 칩

이다. 그 다음 활동/모션 센서를 개발하였고, 이어서 어둠(darkness)과 빛(light)을 단순히 감지

하는 것이 아니라 빛의 조명(levels of light)을 감지하는 조명 센서(light sensor)를 개발하였다.

이 조명 센서를 창문 위의 컵에 부착시켜 12시간 동안 빛의 조명 정보를 감지하는데 외부의 배

터리나 전기 파워 없이 작동하는 것이다.

V 결 론

이상과 같이 생체에너지 기술은 국내외에서 다양하게 개발되고 있다.

첨단과학의 발달로 지능형 기기들의 개발 못지않게 이를 사용 가능하게 하는 생체에너지 또

한 끊임없이 개발될 것이다.

배터리를 외부 전원이 아닌 인간의 몸에서 직접 충전할 수 있으려면 충전 걱정이 없어지는

것은 물론 휴대용 디지털 기기 크기도 획기적으로 줄여야 한다. 이렇게 되면 전원을 제대로 공

급하지 못해 실용화가 어려웠던 나노로봇이나 인공망막, 인공고막 등도 당연히 전원 공급을 인

체에서 도움을 받아 현실화가 가능해 질 것이다. 영화에나 나올 법한 상상이라고 생각하겠지만

포커스

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실제로 관련 연구가 현재 진행되고 있다.

특히 체내 삽입형 각종 전자기기의 전원으로 이용할 수 있다는 장점이 있는 반면, 인체와의

친화성을 가진 바이오 물질을 이용해야 한다는 점에서 생체 적합성이 필요하다. 선진국에서는

바이오 전지 개발이 큰 활기를 띄는 상황에 비해 국내의 연구 개발은 아직 걸음마 단계에 있어

시급한 정책적 개발이 요구된다.

예를 들어, 자동차 산업의 큰 변화가 지금 일어나고 있는데 이를 잘 활용할 기술인 압전 소

자의 남은 과제는 내구성의 향상이다. 최근 압전 소자를 자동차의 엔진에 장착하여 엔진의 엄청

난 진동을 전기로 바꾸는 연구가 활발하다. 상용화를 위해서는 엔진의 진동을 이겨낼 수 있도록

압전 소자의 내구성을 높여야 한다. 세계의 많은 연구진이 압전 소자의 내구성 향상에 매달리고

있으나 우리는 아직도 미비하다.

또한 아직도 해결되어야 할 과제들이 산재되어 있다. 우선 고효율 생체연료 전기를 만드는데

적합한 효소를 찾아 내야하며 나노 배터리의 에너지 도를 높이고, 무엇보다 사람 몸에 들어가

야 하므로 생체 친화적 적합성 여부도 병행하면서 연구개발되어야 한다.

<참 고 문 헌>

[1] 차원용, 생체에너지를→기계 에너지로→전기에너지로 전환하여 배터리 충전하는 기술 등

장한다, “Studybusiness.com”, future Technology, 2006. 5. 26.

[2] 윤건일, “뉴IT, 기술이 미래다-몸속 전기 만들어 인체 이식장치에 공급”, 전자신문, 2009. 9. 23.

[3] 조호진, “뛰면서 ‘전기’를 만든다… 바닥 밟는 힘으로”, 조선일보, 2009. 10. 29.

[4] 고의관, “생체물질이 에너지로”, 동아 사이언스, 2009. 1. 7.

[5] 이수환, “사람 몸이 배터리!? 피에서 전기 뽑아 쓴다”, 전자신문, 2009. 9. 7.

[6] 고수민, “전기를 만드는 인간과 키아누리브스 영화 속의 디스토피아”, Daum View, 2008. 11. 23.

[7] 이재영, “영화 ‘아이로봇(I, Robot), 마이크로결사대(Fantastic Voyage)’에서와 같이 로봇과 함께 하는

미래의 인간세상”, 화학의 세계로, 2009. Autumn.

* 본 내용은 필자의 주관적인 의견이며 NIPA의 공식적인 입장이 아님을 밝힙니다.