컴퓨팅
열전기 장치 혁신, 웨어러블을 앞당기다
Securities.io를 Google의 선호 소스에 추가
퀸즐랜드 공과대학(QUT) 연구팀이 유연하고 매우 얇은 필름을 개발하여 인체 열만으로 웨어러블 장치를 구동할 수 있게 하였으며, 이를 통해 배터리 필요성을 없앴습니다.
이 새로운 기술은 스마트폰 및 컴퓨터의 전자 칩을 냉각하는 데에도 활용될 수 있어, 보다 효율적으로 작동하고 안정성을 향상시킵니다.
ARC 연구 허브인 Zero-emission Power Generation for Carbon Neutrality(ZeroPC)의 설립 이사인 Zhi-Gang Chen 교수에 따르면, 이 돌파구는 인체 열을 전기로 변환하는 열전기 장치를 만드는 데 있어 핵심 과제를 해결합니다. 이 장치는 웨어러블 전자기기의 지속 가능한 에너지 원이 될 잠재력을 가지고 있습니다.
유연한 열전기 장치에 대해 이야기하면서, Chen 교수가 설명했습니다:
그들은 피부에 편안하게 착용될 수 있으며, 인체와 주변 공기 사이의 온도 차이를 효과적으로 전기로 변환합니다.
탁월한 열전기 웨어러블 장치 구축
인체 열을 에너지로 변환할 수 있는 장치는 큰 관심과 연구 대상이지만, 현재 높은 비용, 복잡한 제조 공정, 제한된 유연성 및 부족한 성능이라는 과제에 직면해 있어 대량 생산 및 채택을 방해하고 있습니다.
최근 과학(Science) 저널에 발표된 연구에서 QUT 팀은 유연한 열전기 필름을 만들기 위한 비용 효율적인 방법을 소개했습니다. 이를 위해 그들은 비스무트 텔루라이드 시트를 일관된 층으로 형성하는 작은 결정체 또는 ‘나노바인더’를 사용하여 유연성과 효율성을 모두 향상시켰습니다.
비스무트 텔루라이드(Bi2Te3)는 연구자들이 이러한 장치를 만들 때 널리 사용하는 재료입니다. 회색 분말은 비스무트와 텔루륨의 화합물이며, 화학적으로 안정된 반도체로 열을 전기로 변환하는 뛰어난 특성을 보여 저전력 응용 분야, 예를 들어 움직임, 심박수 및 온도 모니터에 이상적입니다.
따라서 QUT 팀은 A4 크기의 인쇄 가능한 필름을 제작했으며, 이는 ‘기록적인 열전기 성능, 뛰어난 유연성, 확장성 및 저비용’을 갖추어 현재 사용 가능한 최고의 유연한 열전기 소재 중 하나라고 Chen 교수가 말했습니다.
QUT 팀이 만든 인쇄 가능한 필름은 고도로 정렬된 입자로서 Bi2Te3 기반 나노플레이트와 ‘나노바인더’ 역할을 하는 텔루륨 나노로드를 포함합니다.
여기서 사용된 기술은 ‘솔보열합성(solvo-thermal synthesis)’으로, 고온·고압 용매에서 나노결정체를 형성합니다. 이 기술은 입자를 결합시키기 위해 필름을 거의 녹는점에 가열하는 ‘소결(sintering)’과 대규모 필름 생산을 가능하게 하는 ‘스크린 프린팅(screen-printing)’과 결합되었습니다.
팀이 사용한 방법은 은 셀레나이드(Ag2Se) 기반 열전기와 같은 다른 무기 시스템에도 적용될 수 있으며, 이는 기존 재료보다 비용이 저렴하고 지속 가능성이 높아 기술의 광범위한 적용 가능성을 보여줍니다.
재료의 이러한 유연성은 우리 접근 방식이 유연한 열전기 기술을 발전시키는 데 제공하는 광범위한 가능성을 보여줍니다.
– 연구의 제1저자, Wenyi Chen
연구에 따르면, 이 장치는 정규화된 전력 밀도 >3 μW cm⁻² K⁻²를 달성했으며, 이는 팀이 ‘스크린 프린팅 장치 중 가장 높은 수준’이라고 언급했습니다.
이와 같이 최신 연구는 스마트워치 및 개인 열 관리와 같은 웨어러블에 강력한 솔루션을 제공합니다. 웨어러블에 전력을 공급하는 것 외에도, 이러한 열전기 장치는 모바일 폰 내부와 같은 제한된 공간에 적용되어 칩을 냉각하고 성능을 향상시킬 수 있습니다.
예를 들어, 장치 내부에 적용될 경우, 이 필름은 칩 온도를 최대 11.7 켈빈 낮출 수 있어 전자 기기의 최적 성능을 유지하는 데 도움이 됩니다.
팀이 이 유연한 전기 장치의 성능을 성공적으로 개선한다면, 미래 스마트폰에 직접 전력을 공급할 수 있게 될 것이라고 Chen 교수가 대학 유튜브 채널에 게시된 ‘돌파구가 체열 기반 웨어러블 장치를 현실에 가깝게 만든다’라는 공식 영상에서 밝혔습니다.
이 장치의 다른 잠재적 적용 분야로는 공조 시스템 및 환기가 있으며, QUT 연구팀은 스마트 의류와 자동차 부품에 열전기 장치를 활용하는 방안을 구상하고 있습니다.
하지만 이것은 시작에 불과합니다. 다음 단계에서는 기술 성능 최적화와 규모 확대에 집중할 예정입니다. 결국 기술을 상업화하려면 대규모 비용 효율성, 내구성 및 기존 장치와의 통합이라는 과제를 극복해야 합니다.
추가 연구와 지속적인 개발을 통해 이러한 장치는 소비자 전자제품부터 의료 및 자동차 분야에 이르기까지 다양한 부문의 에너지 효율성을 혁신할 것입니다.
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웨어러블 기술의 진보
오늘날 기술이 발전한 세계에서 웨어러블 장치는 인기 있고 매우 유익한 혁신으로 떠올랐습니다.
웨어러블은 몸에 착용하거나 옷에 부착하도록 설계된 모바일 전자 기기입니다. 일반적인 웨어러블 기술 유형으로는 스마트워치, 스마트 안경, 그리고 반지와 손목 밴드와 같은 스마트 주얼리가 있습니다. 이러한 장치는 개인 데이터를 추적, 분석 및 전송합니다.
웨어러블의 가장 두드러진 적용 분야는 의료 분야입니다. 체온, 혈압, 심박수 및 기타 주요 바이탈 사인을 모니터링하는 데 사용될 수 있습니다. 이러한 장치의 적용은 고혈압 및 근육 질환과 같은 생리적 질환뿐 아니라 알츠하이머병 및 파킨슨병과 같은 신경인지 장애까지 확장됩니다. 웨어러블은 약물 전달 시스템으로도 활용되어 개인 맞춤형 의료를 돕고 있습니다.
현재 다양한 유형의 웨어러블 장치가 의료 분야에서 사용되고 있습니다. 여기에는 e-스킨, 웨어러블 조끼, 스마트 링, 이어폰 및 타액, 눈물, 소변을 활용하는 바이오플루이딕 기반 장치와 같은 피부 기반 웨어러블이 포함됩니다.
의료 외에도 웨어러블은 다른 사람과의 소통, 결제, 활동 수준 추적 및 라이프스타일, 게임, 스포츠, 피트니스, 보안 및 방위 분야에서도 사용됩니다.
수년간 웨어러블 기술은 다양한 방식으로 발전해 왔습니다. 우선, 연구자와 기업은 이러한 장치를 만들기 위한 더 나은 소재를 지속적으로 찾고 있습니다. 유연하고 신축성 있는 소재와 부드러운 초박형 디자인은 장치를 편안하게 착용하면서도 기능을 유지하도록 합니다.
예를 들어, 높은 전도도와 생체 적합성을 가진 갈륨 기반 액체 금속은 신체에 더 잘 맞는 바이오 전자공학을 선도하고 있습니다.
디자인 측면에서 기술은 기존 방식에서 크게 진화했으며, 이제는 인간 몸에 원활히 통합되는 데 더 큰 초점을 맞추고 있습니다. E-타투는 그 좋은 예로, 매우 얇고 피부와 같은 부드러운 전자기기로 피부에 맞춰 착용되며 비침습적으로 생리적 및 심리적 정보를 디지털화할 수 있습니다.
이러한 장치의 소형화와 프린트 전자 및 지능형 섬유의 결합으로 다양한 물리적 파라미터를 모니터링하는 센서가 개발되었으며, 섬유에 전극을 삽입해 활동을 측정합니다. 예를 들어, 웨어러블 땀 센서는 땀을 통해 지속적이고 비침습적으로 건강 지표를 모니터링하여 정밀 의료를 가능하게 합니다.
출처: MDPI
웨어러블 스마트 화학 센서 분야에서도 많은 발전이 이루어지고 있으며, 이는 의료, 환경 모니터링 및 안전 평가에 점점 더 많이 적용되고 있습니다.
센서 설계 및 제작에 다양한 혁신적 접근이 시도되었으며, 그 중 하나는 폴리비닐 알코올/보락스/아가로스/NaNO3 전해질과 금 나노시트 위에 다중벽 탄소 나노튜브 전극을 결합하여 NO2를 감지하도록 설계되었습니다. 이 시스템은 향상된 성능과 자가 복구 능력을 보여 웨어러블 적용에 최적입니다.
웨어러블 기술의 한계 극복
이러한 혁신들이 웨어러블 장치를 더욱 향상시키고 효과적으로 만들면서, 특히 의료 분야를 포함한 다양한 산업을 변화시키고 있습니다. 그러나 여전히 안정성 및 프라이버시와 같은 한계에 직면해 있습니다.
예를 들어, 이러한 웨어러블의 센서에서 수집된 데이터는 지속적인 신체 움직임으로 인해 왜곡 및 노이즈가 발생할 수 있습니다.
웨어러블에 사용되는 배터리는 또 다른 중요한 과제입니다. 전원 공급원의 제한으로 연구자들은 압전 나노발전기(PENG)와 같이 자체 전원을 공급하는 센서와 마찰 전기 나노발전기(TENG)와 같은 소형 에너지 수확기를 탐구하고 있습니다.
특히 열전기 발전기는 웨어러블 기술 분야에서 큰 주목을 받고 있습니다. 2017년, 저장대학과 시디안대학 연구진은 인체 에너지를 수집하기 위한 웨어러블 열전기 발전기 설계에 관한 논문을 발표했습니다.
최신 연구와 마찬가지로, 이 연구 역시 Bi2Te3 기반 열전기 소재를 사용해 12 K의 온도 차이에서 48 mV 전압을 생성하는 장치를 만들었습니다. 인간 손목 피부에 부착했을 때, 열전기 발전기의 출력 전력은 25°C 환경에서 130.6 nW였으며, 이는 인체 열 에너지 수집 및 웨어러블 자체 전원 모바일 장치 개발 가능성을 보여줍니다.
또 다른 연구는 인체 열 수집용 열전기 발전기(TEG) 설계에 진전을 이루었습니다. 문제는 체온과 주변 온도 사이에 10~15°C 차이가 있지만, 피부의 열 저항 때문에 웨어러블 TEG를 통과하는 열은 극히 적다는 점입니다.
웨어러블 TEG의 과제를 극복하기 위해 포괄적인 준-3D 분석 모델을 개발하고, 마이크로파 처리 기술을 사용해 고성능 열전기 나노복합체를 합성했습니다. 이로 인해 열전도율이 크게 감소하고, 인체에 적용된 상용 TEG보다 4~7배 높은 전력 밀도를 보이는 TEG가 탄생했습니다.
올해만 해도 웨어러블용 열전기 장치에 초점을 맞춘 여러 연구가 발표되었습니다.
몇 달 전, 워싱턴 대학 연구진은 인체 열을 수집해 전기로 변환하고 소형 전자기기에 전력을 공급할 수 있는 고유연성 및 부드러운 프로토타입을 개발했습니다. 이들의 유연한 열전기 장치(TED)에는 3D 소프트 구조, 강체 반도체, 다기능 복합재 및 자가 치유 액체 금속 전도체가 사용되었습니다.
에너지 수집 외에도, 이들 연구는 모두 경량 및 유연한 열전기 소재 개발, 다양한 신체 부위에 맞는 적응형 표면 설계, 웨어러블 기능 향상, 비용 효율성 및 확장성 달성에 초점을 맞추고 있습니다.
빠르게 성장하는 웨어러블 시장
웨어러블 기술의 발전과 기능 향상으로 이러한 장치의 채택이 증가했습니다. 웨어러블 장치에 대한 관심이 높아지면서, 이 시장은 이번 십년이 끝나기 전에 1,500억 달러를 넘어설 것으로 예상됩니다.
1,500억 달러를 초과 성장하고 있습니다.
특히 스마트워치와 피트니스 트래커와 같은 웨어러블 시장은 오랫동안 성장해 왔습니다. 개인 건강이 모두의 관심사가 된 팬데믹 기간 동안 급증했으며, 이 장치들은 점점 더 많은 측정 항목을 추가하고 의료 기기에 가까워짐에 따라 소비자 채택이 늘어나고 있습니다.
피트니스와 의료 외에도, 대기업들은 가상·증강·혼합 현실(VR, AR 및 MR) 웨어러블에 특별한 관심을 보이고 있습니다. 스마트 의류와 전자섬유도 주목받고 있지만, 제조 확장성 및 제품 경제성 측면에서 여전히 과제에 직면해 있습니다.
흥미롭게도, 웨어러블 결제 서비스 시장은 연평균 성장률(CAGR) 13.6%로 1,200억 달러까지 성장할 것으로 예상됩니다. 이 성장은 스마트폰, 피트니스 트래커 및 기타 웨어러블에 근거리 무선 통신(NFC)이 도입된 덕분입니다.
웨어러블 기술 제품 유형에는 전자 피부 패치, 가슴 스트랩, 스마트 콘택트 렌즈 및 웨어러블 카메라 등이 포함되며, 이들 역시 관심을 받고 있습니다.
최근 보고서에 따르면, 전 세계 웨어러블 장치 출하량은 올해 연간 6% 이상 성장해 거의 5억 3,800만 대에 이를 것으로 예상됩니다. 이 성장은 경제 회복과 신흥 지역에서 웨어러블 채택이 증가함에 따라 촉진됩니다.
하지만 이 성장세는 부문별로 고르지 않을 것이며, 웨어러블 전체가 시장의 60% 이상을 차지함에도 가격이 안정되면서 성장할 것으로 예상됩니다. 반면 스마트워치는 3% 감소(역대 최초 YoY 감소)를 보일 것으로 예상되지만, 내년에는 4.8% 성장으로 회복될 전망입니다. 이는 가격 상승과 디자인 변화가 최소화된 데 기인합니다.
신흥 웨어러블 장치
신흥 웨어러블 장치를 살펴보면, 피트니스와 의료 부문이 선두를 달리고 있습니다.
의료 분야에서는 스마트워치와 패치 형태의 웨어러블 심전도(ECG) 장치가 원격 심장 진료를 혁신하고 있습니다. 이러한 장치는 ECG 데이터를 저장하는 앱과 연동되어 의사가 원격으로 검토하고 사전 건강 관리를 제공함으로써 더 건강한 생활 방식을 촉진합니다.
오늘날 웨어러블은 고급 센서를 통해 착용자의 주요 바이탈 사인을 지속적으로 수집하고 실시간 데이터를 제공합니다. 예를 들어, 연속 혈당 모니터링(CGM)은 혈당 수준에 대한 실시간 정보를 제공해 환자가 집에서도 편리하게 건강을 모니터링할 수 있게 합니다.
기업들 사이에서 심박수 모니터에 대한 관심도 증가하고 있습니다. Casio G-Shock Rangeman과 같은 스마트워치는 GPS와 센서를 활용해 신체 움직임과 자연 환경 변화를 정확히 감지하는 심박수 모니터를 탑재하고 있습니다. 또한 Garmin의 (GRMN ) 심박수 모니터는 여성들이 스포츠 브라에 직접 부착할 수 있는 편안한 디자인을 제공합니다.
보듯이, 접근성 용이성은 웨어러블을 개발하는 기술 기업들의 핵심 초점입니다. 이는 손가락에 착용 가능한 Oura 스마트 링에도 적용됩니다. 이 밴드는 움직임을 감지하는 3D 가속도계, 체온을 측정하는 NTC 센서, 심박수를 추적하는 PPG 센서를 갖추고 있습니다.
또한 Evie 스마트 링은 여성 중심 설계로 수면, 심장 건강 및 월경 주기 추적을 가능하게 합니다. 한편, 웨어러블 바이오센서는 코티솔 수치와 같은 미세한 바이오마커 변화를 감지해 스트레스 관리에 유망한 길을 제시합니다.
기업들은 운동 중 착용자를 안내하는 헤드폰을 개발하고 있으며, 파킨슨 환자의 떨림을 감소시키고 삶의 질을 향상시키기 위해 GyroGlove와 같은 특수 장갑도 제작하고 있습니다.
엔터테인먼트 분야에서는 Xreal Air와 같은 웨어러블이 사용자가 콘텐츠를 시청하고 게임을 즐길 수 있게 하며, Meta의 (META ) 스마트 안경은 콘텐츠 제작 및 공유를 가능하게 합니다. 또한 Ai Pin과 같은 웨어러블은 8코어 2.1GHz Qualcomm (QCOM ) 프로세서로 구동되어 사진 촬영, 문자 전송 및 통화 응답이 가능합니다.
웨어러블 분야를 주도하는 기업들
이제 기업을 살펴보면, Apple (AAPL )은 Apple Watch와 같은 강력한 스마트 제품 포트폴리오 덕분에 이 분야를 선도하고 있습니다. 이 시계가 측정하는 주요 건강 지표에는 심박수, 호흡수, 손목 온도, 혈중 산소 및 수면 시간이 포함됩니다.
AAPL 가격 차트
시가총액 3조 7500억 달러로 세계 최대 기업인 Apple은 현재 주가가 248달러이며, 올해 28.88% 상승했습니다. Apple은 EPS(TTM) 6.07, P/E(TTM) 40.88, 배당 수익률 0.40%를 보유하고 있습니다. 2024년 9월 28일 종료된 분기에 iPhone 16 라인업, AirPods 4, 청각 건강 및 수면 무호흡 감지 기능이 탑재된 Apple Watch Series 10을 출시했으며, 매출은 949억 달러였습니다.
한편, Google은 2021년에 인수한 Fitbit을 통해 웨어러블 시장을 장악하고 있습니다. 중국 기업 Huawei는 올해 차세대 웨어러블에 전력을 공급하기 위해 TruSense 시스템을 출시했습니다. 이 분야의 다른 주목할 만한 기업으로는 Samsung Group , Sony Corporation (SONY ), Microsoft (MSFT ), 그리고 Garmin이 있습니다.
결론
웨어러블 기술은 빠르게 성장하는 시장으로 많은 관심과 개발이 이루어지고 있습니다. 또한 QUT 팀이 이룬 열전기 기술의 돌파구는 배터리에 의존하지 않는 보다 진보된 미래를 열어 경량화되고 효율적인 웨어러블을 가능하게 합니다.
하지만 이러한 소재와 디자인의 모든 진보가 전 세계 웨어러블 시장을 견인하고 있음에도 불구하고, 비용, 확장성 및 내구성 측면에서 여전히 과제가 남아 있습니다. 추가적인 혁신, 지속적인 협업 및 투자 확대를 통해서만 이러한 돌파구를 실제 적용에 활용하고 일상 생활에 통합할 수 있습니다!
