신발에 장착하여 에너지를 수집하는 발전기

루이지애나 기술대학 전기공학과 조교수인 Ville Kaajakari는 신발 바닥에 작은 발전기를 장착하여 에너지를 수집(Harvest Energy)할 수 있는 기술을 개발하였다. 루이지애나 대학 IfM(Institute for Micromanufacturing) 소속인 Kaajakari 교수의 이 혁신적인 기술은 배터리를 충전하거나 직접 전기장치에 전력을 공급할 수 있도록 압전전하(Piezoelectric Charge)를 효율적으로 전압으로 전환시키는 새로운 전압조정회로(Voltage Regulation Circuits)에 기초를 두었다.

Kaajakari 교수는 이 기술을 활용하면 긴급 위치표시 장치나 신호알림등이 필요한 도보이용자에게 혜택을 줄 수 있을 것이라고 말한다. 또한 배터리 소비없이 휴대기기에 전원을 공급할 수 있다고 덧붙였다. 이 내용은 온라인 산업 잡지인 MEMS Investor Journal에 소개 되었다. MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)는 컴퓨터 칩과 함께 센서, 기어, 플로우 채널 등을 조합한 소형기기를 의미한다.

에너지 수집기술은 MEMS 센서나 GPS와 같은 위치기반 장치에 동력을 공급할 수 있는 유용한 방법이다. 그러나 수집기술은 많은 제품들이 요구하는 높은 전력 수준을 충족시키지 못하였다. 예를 들어 진동식 MEMS 발전기는 마이크로와트 단위의 전력만을 공급할 수 있다. 이러한 전력량은 극도로 적은 전력이 필요한 센서에는 충분히 활용할 수 있으나 많은 기기들은 밀리와트 단위의 전력을 요구한다. 압전 변환기(Piezoelectric Transducers)는 압축되었을때 전기전하를 발생시키고, 작동을 위해 바이어스전압(Bias Voltage, 전자 소재에 특정의 동작점을 주기 위해 필요한 전압)이 필요하지 않기 때문에 에너지 수집이 유리하고 다이오드와 함께 사용시 충분한 전력을 만들 수 있다.

Kaajakari 교수가 개발한 발전기의 특징은 전기적 접촉을 위해 표면에 금속을 입힌 저가 폴리머 변환기(Low Cost Polymer Transducer)를 사용한 것이다. 일반 세라믹 변환기와 달리 폴리머 발전기는 부드러우면서 튼튼하여 신발 채움재 역활을 하기에 적합하다. 따라서 이 변환기는 보행자에게 다른 불편을 주지 않고 신발 밑바닥에 설치되어 충격완충 역할을 대신할 수 있다. 압전에너지 수집에 있어 가장 큰 어려움은 압전물질이 고전압을 생성하는데 최적이지만 오직 저전류만 공급한다는 것이다. 변환기에 사용한 고분자 물질은 걸음걸이당 5 mJ의 에너지를 공급하지만 전압이 50V 이상으로 너무 커서 저전력센서에 직접 사용이 어렵다. 그래서 루이지애나 기술 대학에서는 압전전하를 유용한 전압으로 효과적으로 전환하는 기술인 전압조정회로를 개발하였다. 조정회로는 높은 전압을 3V 정격출력으로 전환하여 배터리를 충전하거나 직접 전자제품에 전원을 공급하며 전환효율은 70% 이상이다. 폴리머 변환기와 조합한 이 조정회로는 보행자가 한걸음 걸을때마다 평균 2mW의 전력을 생산할 수 있다.

생산된 전력은 리튬 코인 전지 30 mAh의 저장 용량에 해당하며 코인전지가 평균 0.5 mA 씩 전류가 소비되어 3일 이내 고갈되는 것에 반해 개발제품은 사용자가 걷고 있는 동안은 계속 전력을 공급할 수 있다. 이번 연구는 관성항법(Inertial Navigation) , RF 응답기, GPS 수신기등 다양한 분야에 적용할 수 있다. Kaajakari 교수는 궁극적으로 센서 이외에 휴대전화와 같은 휴대용 기기를 충전하거나 전원을 공급하도록 전력 레벨을 높이는 연구를 하고 있다고 밝혔다.

출처 : http://www.sciencedaily.com/releases/2010/04/100426113137.htm