촉각 에너지 하베스터가 당신을 자체 배터리 뱅크로 만들어 줍니다

아마도 Haptic Energy(촉각 에너지) 또는 Haptic Feedback(촉각 피드백)라는 용어를 들어보셨을 것입니다. 이 용어는 웨어러블 기술이 활발한 요즘에 자주 사용됩니다. 2024년에는 엄청난 양의 5억 3400만 대의 웨어러블 장치가 출하되었습니다 전 세계적으로.

이 장치들은 스마트워치, 피트니스 트래커, 헤드폰, 확장 현실 장치 등 다양한 전자 기기를 포함했으며, 즉 VR 헤드셋 및 증강 현실 안경을 말합니다. 웨어러블 전자기기의 등장으로 촉각 에너지라는 패러다임이 등장했습니다.

지난 40년 동안 전자기기의 주요 소통 방식은 청각 또는 시각 피드백이었으며, 소통 언어는 소리와 빛이었습니다. 그러나 오늘날 촉각 피드백은 인간의 촉각을 이용해 전자기기가 인간과 소통하는 또 다른 방법이 되었습니다.

스마트폰, 스마트워치, 피트니스 트래커 등 모든 휴대용 배터리 구동 시스템은 촉각을 사용할 수 있습니다. 이 기술은 스마트폰, 태블릿, 마우스, ATM 기계, 자동차 인포테인먼트 시스템 등 소비자, 산업, 자동차 분야에서 확고히 자리 잡고 있습니다. 

이제 연구팀은 haptic energy to wearables¹를 성공적으로 적용했습니다. 연구 목적과 그 중요성에 대해 이야기하면서, NC State의 화학 및 생체분자공학 INVISTA 교수이자 공동 교신 저자인 Saad Khan은 다음과 같이 말했습니다:

“우리는 이후 일련의 실험을 시작하여 amphiphile를 사용해 재료를 변형하고 이를 촉각 에너지 하베스터에 통합할 수 있는지 탐구했습니다.” 

연구와 그 성과에 대해 더 알아보기 위해 다음 섹션에서 자세히 살펴보겠습니다. 

조절 가능한 촉각 에너지 하베스터를 위한 미끄러운 표면에 조립된 Amphiphile 압축

출처: NC State University

연구자들은 주변 움직임으로부터 에너지를 추출할 때 반복적으로 발생하는 과제가, 장치가 동적 압축을 겪는 동안에도 높은 수확 효율과 긍정적인 사용자 경험을 유지해야 한다는 점임을 깨달았습니다. 연구자들은 보여주었습니다 작은 amphiphile이 사용될 수 있음을 재료 표면에 특정 형태로 조립함으로써 마찰, 촉각 및 트리보전기적 특성을 조정할 수 있습니다. Amphiphile는 인간 피부와의 마찰을 줄이기 위해 소비재에 자주 사용되는 분자이며, 예를 들어 기저귀에 삽입되어 마찰을 방지합니다. 

이 연구를 이끈 탐구와 동기에 대해 이야기하면서, 노스캐롤라이나 주립대학 화학 및 생체분자공학 부교수이자 해당 논문의 교신 저자인 Lilian Hsiao는 다음과 같이 말했습니다:

“우리는 다양한 amphiphile가 서로 다른 재료의 표면 마찰에 어떻게 영향을 미치는지에 대한 상세한 근본 이해를 제공하는 모델을 개발하고자 했습니다.”

연구자들은 압력 하에서 특히 π-π 스태킹을 통해 다중 미끄럼면을 형성하는 분자들이 무질서한 메조구조를 형성하는 경우보다 80~90% 낮은 마찰을 발생시킨다는 것을 발견했습니다. 따라서 연구팀은 접착 및 접촉 역학을 고려한 마찰 감소 특성에 대한 스케일링 프레임워크를 제안했습니다.

목표를 달성하면서 연구자들은 amphiphile가 코팅된 표면이 마모에 강하고 독특한 촉각 인식을 생성한다는 것을 깨달았으며, 인간은 더 미끄러운 재료를 선호합니다. 또한, 전자 친화도가 높은 amphiphile를 사용하여 트리보전기 출력도 향상시킬 수 있었습니다.

전체적으로 압력 하에서 스스로 미끄러운 면을 조직할 수 있는 분자는 대규모 촉각 전력 하베스터 개발을 촉진하는 쉬운 방법을 제공했습니다. 보다 실용적인 관점에서 연구자들은 amphiphile를 사용해 인간 피부에 부드럽게 닿는 미끄러운 표면의 웨어러블 패브릭을 만들 수 있음을 발견했습니다. 

또한 연구자들은 일부 amphiphile가 고유한 전자적 특성으로 인해 전자 공여체로 작용할 수 있음을 발견했습니다. 이러한 전자 공여 amphiphile를 웨어러블 재료에 통합하면 인간 피부나 다른 표면과의 마찰을 통해 전기를 생성할 수 있는 편안한 재료가 됩니다.  

요약하면, Hsiao가 강조했듯이 개념 증명 테스트에서 연구자들은 이러한 amphiphile 재료가 피부에 좋은 촉감을 제공할 뿐만 아니라 최대 300볼트를 생성할 수 있음을 발견했으며, 이는 작은 조각에 비해 놀라운 수치였습니다.

Saad Khan에 따르면:

“우리는 이러한 재료를 활용하는 방안을 더 탐구하고 싶으며, 예를 들어 기존 촉각 장치에 어떻게 통합될 수 있는지 조사하고자 합니다. 또한 새로운 응용 분야를 찾기 위해 산업 파트너와 협력하는 데 열려 있습니다.”

연구와 산업적 채택은 함께 이루어져야 하지만, 이미 신체에서 에너지를 수집해 웨어러블 기술 장치를 구동하는 제품을 연구하고 있는 여러 기업이 있습니다. 다음 섹션에서는 우리가 논의한 연구로 혜택을 받을 수 있는 선구적인 기업 몇 곳을 살펴보겠습니다. 

1. Medtronic PLC (MDT )

웨어러블 기술에 광범위하게 참여한 기업 중 하나가 Medtronic입니다. wearable tech is Medtronic. 이 대형 공개 의료기술 기업은 perhaps 가장 적합한 위치에 있습니다. 

Medtronic의 가장 중요한 제품 중 하나는 BioButton으로, 다중 파라미터를 갖춘 의료 등급 웨어러블 장치이며 지능형 환자 모니터링을 위해 설계되었습니다. 주요 활력징후와 바이오메트릭 데이터의 추세를 제공하여 환자 악화의 초기 지표 역할을 합니다.

환자 악화의 주요 지표를 지속적으로 모니터링하도록 설계된 이 장치는 안정시 호흡수, 안정시 심박수, 피부 온도 및 다양한 바이오메트릭을 측정할 수 있습니다. 웨어러블 덕분에 연구자들은 추세 데이터를 탐색하여 임상의가 임상 개입이 필요한 환자와 퇴원 준비가 된 환자를 식별할 수 있게 되었습니다.

2022년 Medtronic은 지속적인 건강 모니터링 및 임상 인텔리전스 기업인 BioIntelliSense와 전략적 파트너십을 체결하여 BioButton의 미국 병원 및 급성기 후 30일 가정 복귀 배포 권한을 독점적으로 확보했습니다. 

파트너십 발표 시, Medtronic의 의료외과 포트폴리오에 속한 환자 모니터링 사업부의 대표인 Frank Chan 박사는 다음과 같이 말했습니다:

“우리의 비전은 임상의와 환자에게 실행 가능한 인사이트를 제공하여 언제 어디서나 맞춤형 치료를 가능하게 하는 것입니다. BioIntelliSense와의 협력을 통해 병원 내에서 가정까지 연속적이고 연결된 치료를 지원하고, 더 많은 환자를 더 많은 지역에서 도울 수 있도록 우리의 영향력을 확대하겠습니다.”

세계에서 가장 중요한 의료기술 기업 중 하나인 Medtronic은 perhaps 우리가 논의한 연구로부터 가장 큰 혜택을 받을 수 있는 위치에 있습니다. 2024년 5월, Medtronic은 financial results를 발표했습니다. 회사는 4분기 매출이 86억 달러로 보고되었으며, 보고된 수치 기준 0.5%, 유기적 기준 5.4% 증가했습니다. 또한 2024 회계연도 매출은 324억 달러로 보고되었으며, 보고된 수치 기준 3.6%, 유기적 기준 5.2% 증가했습니다. 

2. Philips

Medtronic과 마찬가지로, 최첨단 웨어러블 기술 개발에 많은 연구개발(R&D) 노력을 기울이고 있는 또 다른 기술 대기업은 Philips입니다. Philips의 환자 착용형 모니터링 솔루션은 환자에게 치료실이나 병원 내에서 자유롭게 이동할 수 있는 자유를 제공합니다.

편안함을 위해 설계된 Philips의 환자 착용형 장치는 무선 기술을 사용해 데이터와 알람을 중앙 간호 구역, 원격 관찰 구역 또는 간병인의 모바일 장치 등 필요한 곳으로 전송합니다. 이 장치는 일반 및 중간 단계 환자군의 임상 요구를 충족시키는 다양한 측정 기능을 갖추고 있습니다. 

제품의 브랜드명은 Intellivue MX40입니다. 사용자는 일회용 AA 배터리 또는 Philips 충전식 배터리 하나로 IntelliVue MX40을 작동할 수 있습니다. 이 장치는 연속적인 ST 및 QT, FAST SpO2, 임피던스 호흡 모니터링을 하면서 파생된 12리드 ECG 정보를 얻을 수 있습니다. 최대 5가지 화면 형식으로 필요한 정보가 한 번의 터치로 손쉽게 제공됩니다.

이 장치는 IntelliVue 모니터와 무선 근거리 연결을 통해 활력징후를 포착하거나 보다 포괄적인 화면을 제공합니다. 또한 토양 및 액체 수집을 최소화하도록 설계된 독특한 케이블 커넥터와 고수준 소독제 및 주기적 멸균을 견딜 수 있는 케이스 디자인을 특징으로 합니다.

가장 최신 정보에 따르면, 2023년에 Philips는 18.2억 유로 규모의 매출을 기록했으며, 비교 가능한 매출 성장률은 6%, 조정된 EBITA 마진은 10.6%였습니다. 

Medtronic과 Philips와 같은 대형 기술 기업이 촉각 에너지 하베스터로부터 크게 이익을 얻을 수 있는 제품을 개발하고 있는 반면, 다른 여러 연구 기관도 동일한 방향으로 연구를 진행하고 있습니다. 

다음 섹션에서는 이 분야의 응용을 혁신시킬 잠재력을 가진 몇몇 연구들을 논의합니다.

신체 열을 수집해 전기로 전환하는 전자 프로토타입

2024년 9월, 워싱턴 대학교 연구진이 신체 열을 수집해 전기로 변환하여 배터리, 센서, LED와 같은 소형 전자기기를 구동할 수 있는 유연하고 내구성 있는 전자 프로토타입을 개발했다는 보고가 나왔습니다. 이 장치는 여러 차례 구멍이 뚫리거나 2000회까지 늘어나도 여전히 사용할 수 있는 탄력성을 가지고 있습니다. 

수석 저자인 Mohammad Malakooti, UW 조교수(기계공학):

“이 장치를 피부에 부착하면 신체 열을 이용해 LED를 직접 구동합니다. 장치를 착용하자마자 LED가 켜집니다. 이것은 이전에는 불가능했습니다.”

기능적으로 설명하면, 이 장치는 세 개의 주요 층으로 구성됩니다. 중앙 층에는 열을 전기로 변환하는 강성 열전 반도체가 있습니다. 이러한 반도체는 열전도율이 낮은 3D 프린트 복합재로 둘러싸여 있어 에너지 변환 효율을 높이고 장치 무게를 줄입니다. 

또한 신축성, 전도성 및 전기 자체 치유를 제공하기 위해 반도체는 인쇄된 액체 금속 트레이스로 연결됩니다. 외부 층에 삽입된 액체 금속 방울은 반도체로의 열 전달을 향상시키고, 금속이 실온에서 액체 상태를 유지함으로써 유연성을 유지합니다.

이 기술의 장점과 더 큰 목적에 대해 이야기하면서, Mohammad Malakooti는 다음과 같이 말했습니다:

“이 기술은 서버와 컴퓨팅 장비가 많은 전력을 소비하고 열을 발생시켜 냉각을 위해 더 많은 전력이 필요한 데이터 센터에서 특히 유용할 수 있습니다. 우리의 장치는 그 열을 포착해 온도 및 습도 센서를 구동하는 데 재활용할 수 있습니다.”

그는 덧붙였습니다:

“이 접근 방식은 조건을 모니터링하면서 전체 에너지 소비를 줄이는 독립형 시스템을 만들기 때문에 더 지속 가능합니다. 또한 배터리 교체나 새로운 배선 추가, 유지보수에 대한 걱정이 없습니다.”

앞으로 연구진은 이 기술이 가상현실 시스템 및 기타 웨어러블 액세서리에 적용되어 피부에 뜨겁고 차가운 감각을 제공하거나 전반적인 편안함을 향상시킬 수 있을 것으로 기대하고 있습니다. 

이전 3년 전인 2021년 10월, CU Boulder 연구진도 유사한 돌파구를 이뤘습니다. 다음 섹션에서 해당 연구를 살펴보겠습니다.

스마트 패브릭이 신체 열을 에너지로 변환하는 방법에 대해 알아보려면 여기를 클릭하십시오.

인체를 배터리로 전환한 웨어러블 장치

Researchers at CU Boulder는 인간 몸을 생물학적 배터리로 전환할 수 있는 새로운 저비용 웨어러블 장치를 고안했습니다. 

이 장치의 가장 매력적인 특징 중 하나는 착용자의 피부에 닿는 반지, 팔찌 또는 기타 액세서리로 착용할 수 있을 만큼 충분히 신축성이 있다는 점이었습니다. 이는 사람의 자연스러운 열을 활용해 열전 발전기를 사용해 체내 온도를 전기로 변환했습니다. 

이 장치는 피부 1제곱센티미터당 약 1볼트의 에너지를 생성할 수 있었으며, 이는 대부분 기존 배터리보다 면적당 전압이 낮지만 시계나 피트니스 트래커와 같은 전자기기를 구동하기에는 충분했습니다. 

연구진은 폴리이미네(polyimine)라는 신축성 재료로 만든 베이스를 활용하고, 그 위에 얇은 열전 칩들을 삽입한 뒤 액체 금속 와이어로 모두 연결했습니다. 최종 제품은 플라스틱 팔찌와 미니어처 컴퓨터 마더보드, 혹은 기술적인 다이아몬드 반지 사이의 혼합물처럼 보였습니다.  

이 솔루션은 전력을 더 많은 발전기 블록을 추가함으로써 증폭할 수 있을 만큼 유연했습니다. 한 연구자는 이 솔루션을 레고 조립 방식에 비유했습니다:

“작은 레고 조각들을 모아 큰 구조물을 만드는 것과 같습니다. 이를 통해 다양한 맞춤형 옵션을 제공받을 수 있습니다.”

초박형, 유연한 필름으로 차세대 웨어러블 구동

최근 연구에서는 Queensland University of Technology 팀이 신체 열을 이용해 차세대 웨어러블 장치를 구동하고 배터리 필요성을 없애는 초박형 유연 필름을 개발했습니다.

또한 이 기술은 전자 칩을 냉각시켜 스마트폰과 컴퓨터가 보다 효율적으로 작동하도록 도울 수 있습니다.

그 팀의 새로운 연구가 권위 있는 학술지 Science에 발표된 Zhi-Gang Chen 교수에 따르면:

“유연한 열전 장치는 피부에 편안하게 착용될 수 있으며, 인체와 주변 공기 사이의 온도 차이를 효과적으로 전기로 변환합니다.”

이 기술의 잠재적 응용에 대해 이야기하면서, Chen 교수는 컴퓨터나 모바일 폰 내부와 같은 제한된 공간에 적용되어 칩을 냉각하고 성능을 향상시킬 수 있다고 강조했습니다. 

다른 응용 분야로는 개인 열 관리가 있으며, 신체 열을 이용해 웨어러블 난방·환기·공조 시스템에 전력을 공급할 수 있습니다. 연구진은 유사 혁신에서도 나타나는 몇 가지 과제들을 언급했는데, 이 과제들은 제한된 유연성, 복잡한 제조 공정, 높은 비용 및 성능 부족을 포함합니다.

하지만 현재 논의 중인 연구는 비용 관리 측면에서 몇 가지 해결책을 제시했습니다. 이 분야 대부분의 연구가 열을 전기로 변환하는 고성능으로 평가받는 비스무트 텔루라이드 기반 열전소자를 중심으로 진행된 반면, 팀은 작은 결정체, 즉 “나노 바인더”를 사용해 비스무트 텔루라이드 시트의 일관된 층을 형성함으로써 효율성과 유연성을 동시에 높이는 비용 효율적인 유연 열전 필름 제작 기술을 도입했습니다.

보다 구체적으로, 팀은 고온·고압 용매에서 나노결정을 형성하는 “솔보열 합성” 기법을 “스크린 인쇄”와 “소결”과 결합하여 적용했습니다. 

연구진은 기록적인 높은 열전 성능, 뛰어난 유연성, 확장성 및 저비용을 갖춘 인쇄 가능한 A4 크기 필름을 제작했습니다. 스크린 인쇄 방식은 대규모 필름 생산을 가능하게 했으며, 소결은 필름을 거의 녹는점에 가열해 입자를 결합했습니다.

이 솔루션은 은 셀레나이드 기반 열전소자와 같은 다른 시스템에도 적용될 수 있으며, 이는 전통적인 재료보다 잠재적으로 더 저렴하고 지속 가능합니다.

맺음말

성공적인 에너지 관리는 기술 솔루션의 성공 여부를 가르는 가장 중요한 관문으로 발전했습니다. 신체 열을 활용해 웨어러블 기술에 전력을 공급하는 에너지 수확 기술은 외부 에너지나 전원을 필요로 하지 않으면서 효율성을 보장하는 가장 유망한 접근 방식입니다. 이러한 노력에서 나온 솔루션은 지속 가능합니다. 채택이 증가함에 따라 이러한 솔루션이 대규모 상업 생산에 적합해져 비용을 낮추고 가용성을 향상시키는 것은 시간 문제일 뿐입니다.  

연구 참고문헌:

^{1. Jani, P. K., Yadav, K., Derkaloustian, M., Koerner, H., Dhong, C., Khan, S. A., & Hsiao, L. C. (2025). Compressing slippery surface-assembled amphiphiles for tunable haptic energy harvesters. Science Advances, 11(3), eadr4088. https://doi.org/10.1126/sciadv.adr4088}