라디오나 텔레비전, 휴대전화 네트워크, 인공위성 통신망 같은 전자기기에서 나오는 전자기 에너지를 붙잡는 신기술이 개발됐다고 사이언스데일리(sciencedaily)가 보도했다. 우리 주위를 둘러싸고 있는 이들 에너지를 이용함으로써 신기술은 무선 센서망, 마이크로프로세서, 통신칩 등에 새로운 길을 제공할 것으로 기대된다.

연구를 주도한 미국 조지아공대 전기컴퓨터공학과 마노스 텐제리스(Manos Tentzeris) 교수는 “우리 주위에는 엄청난 양의 전자기 에너지가 있다”며 “하지만 어느 누구도 그 에너지를 사용하지는 못했다”고 말했다. 그는 “우리는 다른 주파수 대역의 다양한 신호를 잡을 수 있는 울트라와이드밴드 안테나를 사용했다, 이는 우리에게 에너지를 수집하는 유용한 도구가 됐다”고 덧붙였다.

통신장비 방출 에너지 수집 기술 개발

연구팀은 잉크젯 프린터를 적극 활용했다. 센서와 안테나 그리고 에너지 수집기를 종이나 휘어지는 중합체 위에 올리기 위해 잉크젯 프린터에 사용되는 첨단기술이 이용됐다. 결과물인 자가 발전 무선 센서는 화학적, 생물학적, 방위산업 등에 사용될 수 있다.

이 기술은 지난 7일 미국 워싱턴주 스포케인에서 열린 IEEE Antennas and Propagation Symposium에서 소개됐다. 통신장비는 서로 다른 주파수 영역에서 에너지를 발산한다. 연구팀의 수집장비는 이 에너지를 붙잡는다. AC에서 DC로 전환하며 이후 캐퍼시터와 배터리에 저장한다.

수집 기술은 FM 라디오에서부터 레이더까지 현존하는 주파수를 활용했다. 이는 100메가헤르츠에서 15기가 헤르츠 또는 그 이상의 범위이다. TV 주파수 밴드를 활용한 수집 실험은 이미 수백 마이크로와트의 에너지를 생산하는데 성공한 바 있다. 멀티밴드 시스템은 1 밀리와트 이상을 생산할 것으로 예측됐다.

그 정도 크기의 에너지는 센서 또는 마이크로프로세서와 같이 매우 작은 전기장비를 구동하기에는 충분한 양이다. 에너지 수집 기술을 슈퍼캐퍼시터와 결합함으로써 연구팀은 500 밀리와츠 이상의 에너지를 요구하는 장비를 구동할 수 있을 것으로 예상했다.

이러한 시도는 에너지를 배터리와 비슷한 슈퍼캐퍼시터에 저장하고 요구되는 에너지 수준에 도달할 때까지 활용하는 방식이다. 연구팀은 500m 정도 떨어진 방송국으로부터 전자기 에너지를 붙잡아 온도 센서를 가동하는데 이미 성공했다. 연구팀은 또 다른 실험을 준비하고 있는데 그 실험은 공기 중에서 에너지를 붙잡아 마이크로프로세서에 기반 한 마이크로조절기를 구동하는 것이다.

전자기파의 밴드의 최대한 활용하는 것이 수집 장비에 도움이 된다. 예를 들어 한 주파수 영역이 일시적으로 잦아들면 시스템은 다른 종류의 주파수를 여전히 활용할 수 있다.

시스템 백업 등 응용 기대

수집 장비는 그 자체만으로 사용될 수 있으며 다른 발전 기술과 함께 사용될 수 있다. 수집된 에너지는 낮 동안 배터리를 충전하기 위해 태양광 소재를 돕는 역할을 할 수 있다. 밤이 돼서 태양광 전지가 에너지를 제공하지 않을 때 수집된 에너지가 배터리의 충전을 높이거나 방전을 막는데 상용될 수 있다.

주위의 전자기 에너지를 활용하는 것은 시스템 백업에도 도움이 될 수 있다. 배터리가 만약 완전히 방전됐을 때 전자기 에너지는 시스템을 유지하고 전기회로망이 제 기능을 유지하도록 할 수 있다.

연구팀은 이 에너지 수집 장비를 종이나 휘어지는 종이와 같은 중합체 위에 프린트 하기 위해 잉크젯 기술을 이용했다. 결과물은 자가 발전하는 종이 위의 무선 센서이다. 값이 싸며 거의 모든 곳에서 독립적으로 기능을 수행할 수 있다.

전기장비와 회로를 프린트하기 위해 연구팀은 나노기술을 접목했다. 이를 통해 연구팀은 전기회로와 장비뿐만 아니라 탄소나노튜브와 같은 나노물질에 기반한 새로운 센서를 만들 수 있었다.

지난 2006년 연구팀이 안테나를 잉크젯으로 프린트할 때 이 장비는 단지 100 또는 200메가헤르츠의 주파수에서만 작동했다. 현재 연구팀은 15기가헤르츠에서 60기가헤르츠까지 작동하는 회로망을 프린트할 수 있다.

연구팀은 종이에 기반한 무선 자가 발전 센서가 다양한 분야에서 비싸지 않은 가격으로 사용될 것으로 기대했다.

다음은 연구팀이 예상한 응용사례들이다.

공항 안전 : 공항은 보안도 중요하지만 한편으로 레이다와 각종 통신장비로부터 에너지를 활용할 수 있는 장소이다. 이러한 두가지 요소로 인해 무선 센서는 폭발물 탐지나 핵밀거래품 등을 탐지하는 데 적용될 수 있다.

에너지 절약 : 자가 발전 무선 센서 장비를 통해 집 d나의 온도, 습도 등을 지속적으로 모니터할 수 있다. 이를 통해 에어컨과 난방비용을 대폭 절감할 수 있다. 친환경적이 자가 발전 무선 센서 장비를 쓰레기 매립지에서 빠르게 분해될 수 있다.

구조물 안전 : 종이기반 센서는 다양한 종류의 구조물 안전을 모니터하기 위해 설치될 수 있다. 빌딩, 다리 등에서 문제가 발생했을 때 센서는 이상상활을 감지하고 신호를 전송할 수 있다.

부착할 수 있는 바이오모니터 : 무선 기술에서 최근 대두되고 있는 이 분야는 환자의 건강상태를 자가관찰하는데 적용될 수 있다.

음식물 : 음식물 부착을 통해 유해성분의 탐지와 부패가능성에 대한 정보를 제공할 수 있다.