새롭게 개발된 초박형 유기 광전지로 곧 실현 가능한 태양광 착용기기

태양광의 혁신적인 역량은 이미 의심할 여지 없이 입증되었습니다. 급성장하는 성공과 매일 풍부해지는 기술 혁신, 그리고 재생 에너지에 대한 수요 증가와 맞물려 전 세계 스마트 태양광 시장은 2028년까지 270억 달러를 초과할 것으로 예상됩니다 2022년 약 130억 달러에서 성장할 수 있습니다.

성장 전망은 시장이 두 배로 확대될 것을 나타내며, 광전지 재료, 에너지 저장, 스마트 그리드, 태양광 시스템 등 고급 혁신이 목격되고 있습니다. 특히, 태양광은 착용기기 분야에서도 그 영향을 드러내고 있으며, 연구와 실험을 통해 곧 태양광 착용기기가 도입될 것으로 기대됩니다.

착용형 전자기기의 잠재적 전원으로서 초유연 유기 광전지

Nature Communications에 발표된 새로운 연구인 ‘향상된 계면 접착성을 가진 방수 및 초유연 유기 광전지’는 초유연 유기 광전지의 신축성과 경량성을 강조하며, 이를 전자 착용기기의 강력한 전원으로 만들 수 있음을 보여줍니다. 그러나 이 연구는 이러한 솔루션을 방수 처리하는 것이 기계적 유연성과 적합성을 유지하면서는 여전히 과제임을 인정합니다.

이 연구는 이 과제를 해결할 수 있는 방법을 제시하며, 유기 광전지를 우수한 솔루션으로 자리매김하게 합니다. 이 솔루션은 현장(in-situ)에서 정공 전달층을 성장시켜 활성층과 양극 사이의 계면 접착성을 강화하는 방식을 활용합니다. 구체적으로는, 이 방법을 통해 은 전극이 활성층 위에 증착될 수 있으며, 그 후 열 어닐링이 진행됩니다.

연구에 따르면, 현장 성장 방식은 기존 방식보다 훨씬 뛰어나며, 현장에서 성장된 정공 전달층이 활성층 간에 우수한 열역학적 접착 특성을 가지고 있어 방수 성능이 향상된다고 밝혀졌습니다.

실험에서, 이 방법으로 제작된 두께 3마이크로미터의 유기 광전지는 물에 4시간 침수된 후에도 각각 89%와 96%의 원래 성능을 유지했으며, 물속에서 30% 변형률로 300회의 신축/이완 사이클을 거쳐도 동일한 성능을 유지했습니다.

이러한 수치는 유연성과 방수 특성을 입증했으며, 얇은 캡슐화 층에도 불구하고 장치들은 세탁기 테스트를 무리 없이 통과했습니다.

전반적으로, 이번 실험은 태양전지가 방수 처리되어 대규모 운영에 적합해질 수 있음을 보여주었습니다.

이제 태양전지는 옷에 기능적으로 통합될 수 있으며, 비에 노출되거나 세탁 사이클을 거쳐도 효과를 유지합니다. 따라서 이 혁신은 다양한 기후 조건에서도 착용 가능한 전자 기기를 옷에 부착하여 사용할 수 있게 함으로써 특히 중요합니다.

실험에 대해 이야기하며 그 잠재적 활용성을 설명하면서, 논문의 공동 저자 중 한 명인 후쿠다 켄지로는 다음과 같이 말했습니다:

“우리가 만든 방법은 보다 일반적으로 활용될 수 있습니다. 앞으로는 공기 노출, 강한 빛, 기계적 스트레스와 같은 다른 영역에서 장치의 안정성을 향상시켜, 초박형 유기 태양전지를 더욱 실용적인 착용 기기에 사용할 수 있도록 개발할 계획입니다.”

전 세계 연구자들이 태양전지를 보다 활용 가능하고 실용적으로 만들기 위해 노력하는 한편, 일부 기업들은 더 많은 사람들에게 혜택을 줄 수 있는 확장 가능한 솔루션을 개발하기 위해 R&D에 막대한 투자를 하고 있습니다.

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#1. Garmin

Garmin은 배터리 수명을 전례 없는 수준으로 연장한다고 주장하는 태양광 스마트 착용기기 라인 전체를 개발했습니다. 이 라인업에는 세 가지 스마트워치인 Fenix 7 PRO, Instinct 2, Forerunner 955 Solar가 포함됩니다. 이 제품들은 특히 야외 사용을 위해 설계되었습니다.

이 스마트워치는 시계 화면이 부분적으로 가려져 있어도 태양 에너지를 활용할 수 있습니다. 전원 관리 기능을 통해 사용자는 필요에 따라 에너지 사용을 맞춤 설정할 수 있습니다.

구체적인 수치를 보면, 이 시계는 추가 전원 없이도 최대 두 달 동안 야외 탐험을 지속할 수 있습니다. 또한, 다른 시계에 비해 탄소 배출량을 59% 감소시켜 친환경적입니다.

예를 들어 Fenix 7 Pro는 초투명 태양광 패널을 활용합니다. 세련된 디자인으로 햇빛 흡수를 최적화합니다. Instinct 2는 태양광 GPS 스마트워치이며, Forerunner 955는 달리기를 위해 특별히 설계되었습니다.

Garmin은 솔루션 구축에 있어 수많은 기술적 혁신을 이루었습니다. 예를 들어, 파워 글라스 시스템은 태양광 패널 기술의 사용 방식을 근본적으로 바꾸었습니다. 기존 태양광 패널을 초투명 유리 렌즈와 미세한 태양 전도 셀을 통합한 형태로 대체했습니다. 이 유리 패널은 두께가 0.5밀리미터 이하로 초박형입니다.

기술적 역량을 보여주는 이 패널은 광전 변환을 효과적으로 수행할 뿐만 아니라, 메모리 인 피스 디스플레이 기술을 적용해 선명하고 읽기 쉬운 화면을 구현합니다. 직사광선 아래에서도 높은 선명도와 낮은 전력 소비를 유지해 최고 수준을 자랑합니다.

2024년 2월 21일, Garmin® Ltd. 실적을 발표했습니다 2023년 12월 30일에 종료된 4분기에 대해. 회사는 5.23억 달러의 통합 매출을 기록했으며, 전년 대비 8% 증가했습니다.

총 마진은 57.5%로 전년의 57.7%보다 약간 낮았으며, 영업 마진은 20.9%로 전년의 21.1%보다 낮았습니다. 영업 이익은 10.9억 달러로 전년 대비 6% 증가했습니다.

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#2. Tommy Hilfiger

전 세계적으로 인정받는 패션 및 의류 브랜드인 Tommy Hilfiger에게 태양광 착용기기는 새로운 것이 아닙니다. 2014년에 이미 태양광 패널이 적용된 필드 재킷 라인을 출시했으며, 이는 태양광 제조업체 Pvillion의 도움으로 이루어졌습니다. 이 재킷은 방수 태양광 패널을 뒤코트 안감으로 사용했으며, 내장된 케이블과 USB 포트를 통해 기기를 충전하도록 설계되었습니다.

출시 당시 이 재킷은 600달러에 판매되었습니다. Tommy Hilfiger와 ‘Pvillion’이 협업해 디자인한 이 재킷은 영감을 주었습니다. 출시 7년 후인 2021년, 핀란드 알토 대학교의 디자인 및 물리학 연구진은 태양광 패널이 숨겨진 의류 브랜드를 개발했습니다.

Sun-Powered Textiles라는 프로젝트는 의류의 외관과 촉감을 해치지 않으면서 착용 기기—습도나 온도를 측정하는 센서—를 충전할 수 있는 에너지 자립형 제품 개발로 이어졌습니다.

그들의 혁신의 독창성을 설명하면서, 알토 대학교 디자인 연구원 엘리나 일렌은 다음과 같이 말했습니다:

“우리는 빛 에너지를 활용해 통합된 습도 및 온도 센서를 구동하는 재킷을 시연용으로 만들었습니다. 이는 매일 출입하고 물리적 작업을 수행하는 작업복 사용자를 생각한 설계입니다.”

Tommy Hilfiger와 알토 대학교의 이러한 혁신은 옷에 태양광 패널을 은폐하고 사용하기 쉬운 방식으로 적용할 수 있는 사례를 보여줍니다.

Tommy Hilfiger 브랜드를 소유한 PVH Corp. (PVH ) 는 2024년 4월 1일에 2023년 4분기 및 연간 매출을 보고했습니다. 연간 매출은 전년 대비 2% 증가한 92.18억 달러였으며, 2023년 4분기 매출 24.90억 달러는 전년 대비 변동이 없었습니다.

태양광이 단순히 청정 에너지를 제공하는 것을 넘어 더 많은 것을 할 수 있다는 내용을 보려면 여기를 클릭하세요.

#3. Skagen (Owned by Fossils Group)

2022년 8월, 유명 시계 및 주얼리 브랜드 Skagen은 지속 가능한 컬렉션인 Grenen Solar를 출시했습니다. 이 디자인은 정밀한 시간 측정을 위한 3핸드 일본산 태양광 무브먼트를 포함했으며, 6개월 파워 리저브를 약속했습니다. 태양광 무브먼트 덕분에 착용자는 자연광이든 인공광이든 어떤 빛에서도 시계를 충전할 수 있습니다.

Grenen Solar의 특징 중 하나는 혁신의 핵심에 지속 가능성을 두었다는 점입니다. 지속 가능성은 태양광 사용에만 국한되지 않았습니다. 이 제품 출시 자체가 향후 시계를 100% 지속 가능하게 만들겠다는 회사의 비전과 약속에 부합했습니다. 이를 위해 시계에 사용된 강철의 50%는 재활용 스테인리스 스틸이며, 전체 컬렉션은 37mm 케이스 크기의 다섯 가지 스타일을 제공하며 소매 가격은 195달러입니다.

2012년 1월, Skagen은 2억 3700만 달러 규모의 거래로 Fossil Group에 매각되었습니다. 2024년 3월 13일, Fossil Group은 2023 회계연도 연례 보고서를 발표했습니다. 2023년 회사는 14억 달러 이상의 순매출을 기록했으며, 이는 2022년 16억 8000만 달러 순매출 대비 감소한 수치입니다.

전반적으로, 위의 제품과 솔루션은 태양광 착용기기가 새로운 개념이 아니라는 것을 명확히 보여줍니다. 그러나 앞서 언급했듯이, 이에 대한 혁신은 활발히 진행 중이며, 재생 에너지의 활력과 가치, 그리고 지속 가능성 잠재력을 보여줍니다. 다른 흥미로운 혁신들도 진행 중이며, 우리는 몇 가지를 살펴보아 미래가 어떨지 전망해 보겠습니다.

태양광 착용기기: 미래 전망

2017년, 연구원들은 얇은 필름과 소형 유연 광전지 패널을 에너지원으로 사용하는 착용형 스마트 팔찌 설계를 발표했으며, 이는 태양광 에너지 수집 하위 시스템에서 중요한 진전을 의미했습니다. 이 시스템은 에너지 변환 효율을 극대화하고 자가 지속 가능한 무선 착용 시스템을 구현하는 것을 목표로 했습니다.

폴리아미드 필름을 전체 시스템에 통합함으로써, 이 기술은 의료 분야에서 환자나 노인의 장기 모니터링에 유용함을 입증했습니다. 결과는 유망했으며, 단일 유연 태양광 패널이 야외에서 최대 16메가와트, 실내에서 0.21메가와트를 수집할 수 있었습니다. 인상적으로도, 장치가 수집한 데이터는 블루투스를 통해 전송될 수 있었습니다.

연구를 지속하며 의료 분야에서 배터리 없이 작동하는 태양광 착용형 바이오센서를 개발했으며, 이는 땀 바이오마커의 미활용 잠재력을 활용합니다. 연구 결과물인 LumiStat은 태양광으로 구동되는 다기능 착용형 장치로, 자율적인 땀 유도, 동적 마이크로플루이딕 땀 샘플링, 땀 바이오마커의 다중 모니터링 및 무선 데이터 전송을 수행할 수 있어 비침습적 건강 모니터링 기술의 돌파구가 되었습니다.

태양광으로 구동되면서 놀라운 성능을 발휘했으며, 다양한 조명 조건에서도 12시간 이상 지속적인 작동이 가능했습니다. 연구진은 LumiStat을 하루 동안 다양한 활동을 포함한 다중 모드 땀 바이오마커 모니터링 테스트에 투입했으며, 이 솔루션은 다양한 조명 환경과 신체 활동에서도 일관된 성능을 보였고, 전력 소비는 가용 조명에 맞춰 지능적으로 조절되어 지속적인 센서 측정을 보장했습니다.

노팅엄 트렌트 대학교에서 발표된 연구 보고서는 1,200개가 넘는 소형 태양전지를 내장한 섬유 개발에 대해 논의했습니다. 이 태양전지는 스마트워치와 휴대폰을 충전할 수 있었으며, 합쳐서 햇빛으로부터 400밀리와트(와트)의 전력을 수집할 수 있었습니다.

이 섬유는 일상복에 적합했으며, 다른 세탁물과 함께 40°C에서 세탁기 세탁이 가능했습니다. 길이 5밀리미터, 폭 1.5밀리미터에 불과한 태양전자는 방수 폴리머 수지에 내장되었습니다. 심지어 직조공도 이를 느낄 수 없었습니다.

대학의 Advanced Textiles Research Group (ATRG) 소속 Hughes-Riley 박사에 따르면:

“이 프로토타입은 e-텍스타일의 미래 가능성을 흥미롭게 보여줍니다. 지금까지는 의류나 섬유 제품이 전기를 생산할 수 있다고 생각하는 사람이 거의 없었습니다. 우리가 개발한 소재는 일반 섬유와 동일하게 보이고 동작하며, 구겨도 세탁기 세탁도 가능합니다.”

이 소재는 51cm x 27cm 크기로 통기성이 좋고 화학적으로 안정적이며, 실리콘 태양전지를 탑재했습니다. 이 구성은 햇빛 강도 0.86일 때 335.3와트를, 햇빛 강도 1.0에 도달하면 최대 394와트를 생산할 수 있게 합니다.

분명히, 매일 새로운 연구가 공개되어 태양광 착용 기술의 잠재력을 보여주고 있습니다. 이는 최소한 혁신적이며 패러다임을 바꾸는 변화입니다. 이러한 솔루션은 언제나 몸에 부착된 상태로 설계되어 기술과의 상호작용 방식을 변화시킵니다. 충전소와 같은 전력 중개자를 필요 없게 만들고, 이동성을 높이며 시스템을 유지하는 데 대한 걱정을 줄여 더 많은 탐험이 가능하게 합니다.