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스마트폰 또는 휴대용 게임기로 게임을 하던 중, ‘배터리 부족’ 경고가 떠서 아쉽게 게임을 그만둬야 했던 경험이 있소? 그런 친구들이 반가워할 게임기가 등장했소. 태양빛을 전기 에너지로 바꾸는 에너지 하베스팅 기술을 이용한 ‘배터리가 없는 게임기’소.

▲ 미국 뉴저지 주에 있는벨 웍스 연구소의 모습.
건물의 유리창에 투명 태양전지가 설치되어 있다. 매년 전기자동차 100대가 7000km를 운행할 수 있을 만큼의 전기 에너지가 생산된다.

태양전지가 투명하다면?

태양전지는 반도체를 이용해 태양빛을 전기 에너지로 바꾸는 장치예요. 반도체에 태양빛을 쪼이면 반도체 안에 있던 전자들이 태양빛의 에너지를 흡수해 한쪽 방향으로 움직인답니다. 이 움직임이 전기 에너지가 되는 거예요. 이를 ‘광기전효과’라고 부르지요. 

최근 건물의 유리창이나 외벽에 태양전지판을 붙이는 다양한 연구가 진행되고 있어요. 지난 9월, 한국에너지기술연구원 태양광연구단 윤재호 박사팀은 투명하면서 휠 수도 있는 태양전지를 개발했답니다. 반도체의 재료인 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga), 셀레늄(Se)으로 이루어진 ‘CIGS’ 재료를 500nm(나노미터, 1nm은 10억 분의 1m) 이하의 얇은 두께로 만들어 빛이 투과할 수 있도록 만든 거죠. 또한 연구팀은 효율을 높이기 위해 태양전지의 앞뒷면에서 모두 태양빛을 흡수할 수 있는 구조로 태양전지를 제작했어요. 태양전지의 성능을 시험하기 위해 1cm2 당 100mW(밀리와트)의 빛 에너지를 쬐어 준 결과, 이 중 13.2%를 전기 에너지로 바꾸는 데 성공했답니다.

배터리 없는 게임기 탄생!

지난 9월, 미국 노스웨스턴대학교 맥코믹공과대학 조시아 헤스터 교수팀은 배터리가 없는 휴대용 게임기 ‘인게이지(ENGAGE)’를 제작했어요. 이 게임기는 태양전지로 작동해요. 또한 사용자가 버튼을 누르는 동작을 이용해 추가적으로 전기 에너지를 만들지요. 버튼을 누르고 뗄 때마다 버튼 아래에 설치된 자석이 움직여 유도전류를 만드는 거예요. 

이 게임기는 맑은 날 게임을 하며 버튼을 누르면 얼마든지 게임을 즐길 수 있어요. 반면, 밤에 자는 동안에는 전기 에너지가 만들어지지 않아 전원이 꺼지지요. 다행히 게임 상황이 실시간으로 저장돼 언제든 게임을 이어서 할 수 있답니다. 

휴대용 게임기에서 만들어내는 전기 에너지의 양은 10~20mW 정도로, 일반적인 게임기를 작동시키기엔 충분하지 않아요. 이에 연구팀은 게임기의 소리를 없애는 등 최대한 전력 소모를 줄이는 방법을 함께 연구했답니다. 조시아 교수는 “배터리로 인해 발생하는 환경오염을 줄이기 위해서 배터리가 없는 전자기기를 개발할 필요가 있다”고 얘기했어요.

_ 인터뷰

조시아 헤스터(미국 노스웨스턴대학교 맥코믹공과대학 전기및컴퓨터공학과 교수)

배터리 없는 전자기기가 중요한 이유는?

 Q 왜 에너지 하베스팅 기기로 게임기를 만드셨나요? 

모든 사람들이 쉽게 사용할 수 있는 기기가 게임기라고 생각했어요. 저도 어렸을 때부터 게임을 좋아했고요. 테트리스, 고질라, 슈퍼마리오 등을 즐겨했죠. 긴 시간 여행을 떠날 때 휴대용 게임기의 배터리가 다 닳지 않을까 걱정을 했던 기억이 있어요. 교체용 배터리를 챙겨 놓지 않으면 불안했답니다. 

 Q 배터리가 없는 전자기기는 왜 필요할까요?

앞으로 사물인터넷 기술이 발전함에 따라 훨씬 더 많은 제품들이 전자기기로 변할 거예요. 그러면 이 전자기기를 작동시키기 위해 더 많은 배터리가 사용될 거고요. 하지만 충전식 배터리는 2년 정도가 지나면 수명을 다해 쓰레기로 버려져요. 배터리 쓰레기의 양이 점점 더 늘어나는 거죠. 그래서 배터리를 사용하지 않고도 전자기기를 작동시킬 방법에 대한 고민이 필요하답니다. 

 Q 어린이 독자에게 하고 싶은 얘기가 있다면?

여러분은 세상을 움직일 힘을 갖고 있어요! 다른 사람들이 여러분의 가능성을 판단하도록 놔두지 마세요. 자신을 믿고, 여러분의 소중한 아이디어를 함께 펼칠 사람들을 찾아보세요. 미래는 여러분이 직접 만드는 거예요. 멋지게 만들어 보세요!