컴퓨팅
우리 곧 착용형 에너지 수확기로 전자 기기에 전력을 공급할 수 있을까요?
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전자 기기를 유연하게 만들기
스마트폰 덕분에 우리는 언제나 전자 기기를 휴대하는 데 익숙해졌습니다. 그러나 이는 여전히 금속과 플라스틱으로 된 부피가 큰 블록으로 이루어져 있으며, 오히려 매년 더 크고 무거워지고 있습니다.
다음 단계는 전자 기기를 옷에 보다 매끄럽게 통합하는 것입니다. 이는 이미 스마트워치와 다른 건강 중심 착용형 기기와 같은 착용형 전자 제품으로 시작되었습니다.
한 단계 더 나아가 전자 기기를 옷에 직접 통합하는 것이 목표입니다. 하지만 이를 위해서는 매우 유연하고 가벼워야 합니다. 이 방향으로 확실한 진전이 이루어졌습니다:
- 삼성 및 화웨이가 고급 스마트폰에 굽히는 화면을 일상적으로 통합하고 있습니다.
- 폴리머로 만든 굽히고 늘릴 수 있는 배터리가 개발 중입니다.
- 마이크로프로세서도 굽힐 수 있습니다.
따라서 화면, 배터리, 심지어 프로세서까지 이제 유연하고 굽힐 수 있다면, 옷에 착용형 기기를 통합하는 데 아직 무엇이 우리를 가로막고 있을까요? 모든 기기에 전력을 공급하는 것이 여전히 큰 장애물입니다.
하지만 이는 대구경북과학기술원(DGIST), 한남대학교, 연세대학교, 한국과학기술원(KAIST), 한국산업기술연구원(KITECH) 및 전북대학교의 한국 연구진이 발견한 덕분에 변할 수 있습니다.
그들은 새로운 유형의 압전 에너지 수확기를 사용하여 기존 장치보다 280배 더 효율적인 착용형 에너지 수확기를 개발했습니다.
이 연구는 ACS Nano에 “스트레처블 3차원 무기압전 나노제너레이터를 위한 곡률 특이 결합 전극 설계1”라는 제목으로 발표되었습니다.
정전기 및 압전 장치
에너지 수확기는 움직임으로부터 에너지를 생산하는 시스템입니다. 주로 두 가지 유형이 있으며, 정전기 효과에 기반하거나 압전 효과에 기반합니다.
정전기 발생기는 일반적으로 정전기(electrostatic)라고 불리며, 두 물체가 접촉하거나 미끄러질 때 발생하는 현상입니다. 이는 약간의 전기를 생성할 수 있지만 전자 기기를 구동하기엔 종종 너무 약합니다.
압전은 굽힘, 압착 등과 같은 기계적 스트레스에 반응하여 전기를 생성하는 효과입니다. 지금까지 대부분의 압전 에너지 수확기는 유기 또는 복합 기반 압전 재료를 사용해 제작되었으며, 에너지 효율이 낮았습니다.
장 교수팀은 다른 종류의 재료인 납 지르코네이트 티타네이트(PZT)를 사용하고 있었습니다.
출처: DGIST
PZT 압전 발전기
PZT는 오랫동안 뛰어난 압전 성능을 가지고 있는 것으로 알려졌지만, 동시에 단단하고 부서지기 쉽습니다. 따라서 이를 스트레처블 장치에 사용하고 움직임을 통해 전력을 생성하도록 기대하는 것은 착용형 기기에 내구성 있는 발전기를 만들기 어려웠습니다.
그래서 연구진은 변형에 민감하지 않으면서 압전 기능을 유지하고 스트레처블성을 보장하는 PZT 기반 3D 구조 설계 방법을 모색했습니다.
첫 번째 단계는 늘어날 때 전력을 생산하는 볼록 형태의 곡선 전극을 만드는 것이었습니다.
출처: ACS Nano
그들은 이후 이러한 전극들을 서로 연결하여 직물의 메쉬나 위크 바구니와 유사한 구조를 만들었습니다.
출처: ACS Nano
문제 해결
전극이 얽혀 있기 때문에 서로 상쇄될 수 있습니다. 이를 방지하기 위해 전극을 유도 출력 전압의 방향에 따라 볼록 및 오목 영역으로 나누었습니다.
연구진은 무릎, 손, 심지어 손가락까지 다양한 신체 움직임으로 전류를 생성할 수 있음을 테스트했습니다.
출처: ACS Nano
이로써 매우 효율적인 압전 발전기가 만들어졌으며, 극한의 스트레처블성과 이 유형의 장치 중 가장 높은 전류 밀도를 보여주었습니다.
출처: ACS Nano
“이 고효율 스트레처블 압전 에너지 수확기 기술을 개발한 것은 본 연구의 큰 성과입니다. 우리는 이 기술이 상용화된 후 유용해져 착용형 에너지 수확기의 실용적 활용을 이끌 것으로 기대합니다.”
Pr. Kyung-In Jang – DGIST 로봇 및 메카트로닉스 공학부
응용 분야
착용형 기기
가장 직접적인 적용은 우리가 움직일 때, 예를 들어 걷는 동안 옷에 통합된 전자 기기에 전력을 공급하는 것입니다.
이는 특히 정기적인 배터리 충전에 의존하지 않는 건강 모니터링 기기와 같은 착용형 장치에 유용할 수 있습니다.
의료용 임플란트
특정 유형의 임플란트, 예를 들어 심장 임플란트가 이와 같은 발전기로부터 큰 혜택을 받을 수 있습니다.
심장은 지속적으로 움직이고 수축하므로 이러한 의료 임플란트에 안정적인 에너지원을 제공할 수 있습니다.
연구진은 폴리이미드 필름으로 발전기를 캡슐화하여 개념을 테스트했습니다. 이는 PZT를 생체액 및 조직으로부터 효과적으로 격리하기 위해 필요했으며, PZT는 독성이 있을 수 있습니다.
출처: ACS Nano
군사
또 다른 적용 분야는 군사 분야로, 보병이 전력 소모가 큰 센서, 통신, 전자전 등에 점점 더 의존하고 있습니다.
전투 부대가 복잡한 케이블과 배터리를 다루는 것은 현실적이지 않습니다. 동시에 그들은 이미 무기, 탄약, 통신 솔루션 등을 다루고 있습니다. 병사의 유니폼에 직접 연결된 압전 발전기는 좋은 대안이 될 수 있습니다.
착용형 기기 투자
착용형 기술은 2022년 612억 달러에서 2030년까지 연평균 14.6% 성장할 것으로 예상됩니다.
여러 브로커를 통해 착용형 관련 기업에 투자할 수 있으며, 여기 securities.io에서 미국USA, 캐나다Canada, 호주Australia, 영국the UK, 및 기타 많은 국가에 대한 최고의 브로커 추천을 찾을 수 있습니다.
특정 기업을 선택하고 싶지 않다면 iShares 미국 의료기기 ETF (IHI) 또는 SPDR S&P 헬스케어 장비 ETF (XHE)와 같은 ETF를 살펴볼 수 있으며, 이는 성장하는 착용형 및 의료기기 산업에 대한 보다 다양화된 노출을 제공할 것입니다.
또한 우리 기사 \”Top 6 Medical Devices Stocks\”를 참고할 수 있습니다.
착용형 기업
착용형 기기 구축
유연한 전자를 구축하는 한 방법은 폴리머를 사용하는 것이며, 또 다른 방법은 매우 유연하고 무독성인 금속인 갈륨을 사용하는 것으로, 이는 전용 투자 보고서에서 논의한 바 있습니다.
태양 에너지는 압전 효과와 더불어 유연한 착용형 기기를 충전할 수도 있습니다. 이는 페로브스카이트 태양전지 또는 초박형 유기 광전지 기술을 사용함으로써 달성될 수 있습니다.
PHG 가격 차트
필립스는 면도기, 전동칫솔 등 소형 전자 소비재 브랜드로 잘 알려져 있으며, 헬스케어 분야에서도 활발히 활동하고 있습니다. 2022년 유럽에서 MedTech 특허 출원 1위를 차지했습니다.
착용형 기기부터 영상, 인공호흡기, 의료 로봇에 이르는 연결된 의료 제품에 참여하고 있습니다. 또한 반도체(마그레브 기술 포함)와 첨단 기술/로봇공학/자동화 분야에서도 활발히 활동하고 있습니다.
출처: Philips
필립스의 착용형 기기는 심장, 호흡 및 활동 지표를 제공합니다. 그 센서는 스마트워치, 건강 모니터, 의료 패치 및 활동 추적기에 통합될 수 있습니다.
착용형 기기에 관해서는 필립스가 파트너십 솔루션을 선호합니다. 이는 제3자를 위해 “그들”의 연결된 IoT 의료 기기를 필립스의 다른 솔루션과 완전히 호환되도록 개발하는 것입니다. 이와 관련해 필립스는 고객에게 프로토타이핑, 규제 자문, 엔드‑투‑엔드 제품 개발 및 대량 생산을 제공합니다.
이로 인해 필립스는 기술 중심 기업이며, 유연한 압전 발전기와 같은 혁신을 기존 의료 기기에 신속히 통합할 가능성이 높은 후보가 됩니다.
2023년 필립스의 장치는 직접적으로 18억 2천만 명에게 영향을 미쳤습니다.
필립스는 센서와 장치가 일치하는 완전 통합 디지털 헬스케어 환경을 구축하고자 하며, 다중 연결 솔루션을 활용해 Philips HealthSuite Cloud 솔루션에 통합하고 심층 데이터 분석을 가능하게 하려 합니다.
출처: Philips
MedTech 산업 공급업체로서 필립스는 다른 더 유명한 기업만큼 눈에 띄지는 않지만, 고성능 전자 장치와 센서를 구축하는 전문가이며, 헬스케어와 착용형 분야에서 가능한 한계를 자주 확장하고 있습니다.
착용형 기기가 의료 및 의료 프로토콜에 점점 더 통합됨에 따라, 필립스의 헬스케어 부문은 그룹의 일부분으로서 성장할 가능성이 높습니다.
연구 참고문헌:
1. Yea, J., Ha, J., Lim, K. S., Lee, H., Oh, S., Jekal, J., Yu, T. S., Jung, H. H., Park, J.-U., Lee, T., Jeong, J.-W., Kim, H. J., Keum, H., Lee, Y. K., & Jang, K.-I. (2024). Curvature-specific coupling electrode design for a stretchable three-dimensional inorganic piezoelectric nanogenerator. ACS Nano, 18(50), 34096–34106. https://doi.org/10.1021/acsnano.4c09933
