웨어러블 기술은 다른 기술 장치와 마찬가지로 효율적으로 작동하기 위해 에너지에 의존한다. 다행스럽게도 햇빛과 전파부터 신체 자체의 열과 움직임에 이르기까지 웨어러블을 위한 유망한 에너지원이 존재한다. 기술이 계속 발전함에 따라 이러한 에너지원을 활용하는 것이 점점 더 실현 가능해지고 있으며 잠재적으로 웨어러블 기기를 배터리의 필요성에서 해방시킬 수 있다. 이러한 개발은 다양한 기업과 연구자들로부터 상당한 주목을 받았다.
노스캐롤라이나 주립대학교 ASSIST(Advanced Self-Powered Systems of Integrated Sensors and Technologies) 공동 소장인 Alper Bozkurt에 따르면, 우리는 종종 장치를 콘센트에 연결함으로써 에너지를 당연하게 여긴다고 한다. 그러나 여전히 에너지는 생성되어야 합니다. 가장 잘 알려진 웨어러블 에너지 수확 기술은 햇빛이나 주변광으로부터 전자를 포획하는 태양광 발전입니다. 하지만 태양광은 빙산의 일각에 불과하다.
연구원들은 웨어러블 배터리를 효과적으로 대체하기 위해 다양한 범위의 에너지 수확 방법을 탐구했다. 여기에는 재료의 기계적 변형과 정전기적 특성을 사용하여 전기를 생산하는 압전 및 마찰 전기 발전기가 포함된다. 잘 알려진 현상인 전자기 유도는 움직임을 통해 작지만 유용한 양의 전류를 생성한다.
웨어러블은 일반적으로 전력 요구 사항이 낮지만 착용하기에도 편안해야 한다. 배낭 크기의 태양광 패널과 같은 크고 번거로운 에너지 수확 솔루션은 대부분의 웨어러블 기기에 실용적이지 않다. 이로 인해 여러 방법을 결합한 하이브리드 접근 방식을 포함하여 에너지 수확에 대한 연구가 급증했다.
예를 들어, 캘리포니아 공과대학의 웨이 가오(Wei Gao)는 "전자 피부" 또는 e-피부를 개발했습니다. E-skin은 센서가 내장된 장치로 피부에 직접 적용해 심박수, 체온, 혈당, 대사 부산물 등 필수 건강 지표를 모니터링하고 전송할 수 있다. Gao의 첫 번째 e-skin은 환자의 땀으로 구동되는 내장 연료 전지를 사용하여 전기를 생성하고 장치의 센서와 데이터 전송을 효과적으로 충전한다. e-skin은 전압이 저장된 전자로 변환되면서 약 60시간 동안 커패시터를 유지했다.
후속 개발에서 Gao 팀은 움직임의 운동 에너지를 활용하여 마찰전기를 생성하는 2세대 e-스킨을 만들었다. 이 혁신은 움직이는 동안 서로 미끄러지는 테프론, 구리 및 폴리이미드의 얇은 층을 사용하여 최대 0.94밀리와트의 전력을 생성한다.
웨어러블 장치의 에너지 수확을 더욱 향상시키기 위해 일부 연구자들은 3D 프린팅으로 눈을 돌리고 있다. 그들은 이 기술을 사용하여 다양한 센서, 하이드로겔 코팅 전극 및 태양 전지로 구동되는 초소형 슈퍼커패시터를 통합하는 "e3-skin"이라는 다중 모드 건강 추적 시스템을 만들었다. 이러한 맞춤형 구성요소를 통해 다양한 건강 상태를 조기에 발견하고 진단할 수 있다.
에너지 수확은 인간의 사용 사례를 넘어 확장된다. 연구원들은 배터리 구동 및 태양열 기반 솔루션이 부족한 동물을 추적하기 위해 이 기술을 연구하고 있다. 예를 들어, 코펜하겐 대학, 덴마크 기술 대학, 독일 막스 플랑크 동물 행동 연구소의 과학자들은 야생 동물을 위한 자가 재충전 GPS 추적기인 "Kinefox"를 개발했다. 자동 태엽 시계에서 영감을 받은 이 장치는 동물의 움직임을 에너지로 변환하여 빈번한 배터리 교체 없이 지속적인 추적을 가능하게 한다.
Kinefox는 GitHub에 파일이 게시된 오픈 소스이며 기존 야생 동물 추적기보다 비용이 훨씬 저렴하다. 앞으로 연구자들은 동물용으로 특별히 설계된 마이크로발전기를 개발하기 위해 논의하고 있다. 더 넓은 관점에서는 독특한 소재와 지속 가능한 에너지 수확 시스템의 결합을 강조한다. 이러한 개발 중 하나는 압전 복합재와 탄소 섬유 강화 폴리머를 결합하여 구조적 상태 모니터링을 위한 웨어러블 및 인프라 시스템을 포함한 다양한 응용 분야를 위한 내구성 있고 효율적인 에너지 수확기를 만든다.
궁극적으로 에너지 수확의 가장 좋은 점은 데이터 분석에 있으며 에너지 수확 기능을 특정 사용 사례에 필요한 데이터와 일치시키는 것이다. 에너지를 효율적으로 수확하고 활용하여 실제 요구 사항을 해결하는 의미 있는 데이터를 제공하는 것이 중요하다.
작성자: Impact Lab
