나노기술 및 정책 정보

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펜실베이니아 주립대학교(Pennsylvania State University) 연구팀이 웨어러블 건강 모니터링 장치에 사용하기 위해 인간의 호흡과 움직임에서 에너지를 수집할 수 있는 신축성 시스템이 가능함을 제시함. 웨어러블 및 신축성 건강 모니터링 및 진단 장치에 전력을 공급하는 현재 버전의 배터리 및 슈퍼 커패시터는 낮은 에너지 밀도와 제한된 신축성을 포함하여 많은 단점이 있음. 가스 센서 및 기타 웨어러블 장치로 작업하는 동안 연구팀은 항상 이러한 장치를 배터리와 결합하여 전원을 공급해야 했음. 따라서 마이크로 수퍼 커패시터를 사용하면 배터리 없이도 센서에 자체 전원을 공급할 수 있을 것으로 기대했음. 배터리의 대안인 마이크로 슈퍼 커패시터는 웨어러블 장치의 리튬 이온 배터리를 보완하거나 대체할 수 있는 에너지 저장 장치임. 마이크로 슈퍼 커패시터는 설치 공간이 작고 전력 밀도가 높으며 빠르게 충전 및 방전할 수 있음. 그러나 웨어러블 장치용으로 제작된 기존의 마이크로 슈퍼 커패시터는 웨어러블 전자 장치와 결합할 때 유연성이 낮고 이온 확산 거리가 길며 복잡한 통합 프로세스를 표시하는 "샌드위치와 같은" 스택 형상을 가지고 있었음. 이로 인해 연구팀은 웨어러블 장치에서 마이크로 수퍼 커패시터 사용을 발전시키기 위해 대체 장치 아키텍처 및 통합 프로세스를 탐색했음. 그들은 마이크로 슈퍼 커패시터 셀을 구불구불한 아일랜드 브리지 레이아웃으로 배치하면 구성이 브리지에서 늘어나고 구부러지는 동시에 마이크로 슈퍼 커패시터인 아일랜드의 변형을 줄일 수 있다는 것을 발견했음. 결합된 구조는 연구원들이 "마이크로 수퍼 커패시터 어레이"라고 부르는 것이 됨. 셀을 연결할 때 아일랜드 브리지 설계를 사용함으로써 마이크로 수퍼 커패시터 어레이는 증가된 신축성을 보여주고 조정 가능한 전압 출력을 허용했음. 이렇게 하면 시스템을 최대 100 %까지 가역적으로 늘릴 수 있었음.

연구팀은 셀의 아일랜드 브리지 설계를 구성하기 위해 적층형이 아닌 초박형 아연-인 나노 시트와 3D 레이저 유도 그래핀 폼(고다공성, 자가 발열 나노 물질)을 사용하였음. 이러한 마이크로 슈퍼 커패시터 어레이가 효율적으로 충전 및 방전 거동을 하였고 웨어러블 장치에 전원을 공급하는 데 필요한 에너지를 저장할 수 있음을 입증했음.

연구원들은 또한 이 시스템을 기계적 운동을 전기 에너지로 변환하는 새로운 기술인 마찰 전기 나노 발전기와 통합했음. 이 조합으로 자체 구동 시스템을 만들 수 있었음. 마찰 전기 나노 발전기를 기반으로 하는 이 무선 충전 모듈을 사용하면 팔꿈치를 구부리거나 호흡 및 말하기와 같은 동작을 기반으로 에너지를 수집할 수 있음. 연구팀은 이러한 일상적인 인간의 움직임을 사용하여 마이크로 슈퍼 커패시터를 충전할 수 있었음.

이 통합 시스템을 그래핀 기반 스트레인 센서와 결합함으로써 마찰 전기 나노 발전기에 의해 충전된 에너지 저장 마이크로 슈퍼 커패시터 어레이가 센서에 전력을 공급할 수 있으며 이 시스템이 웨어러블, 신축성 장치에 전력을 공급할 수 있는 잠재력을 보여줌.

본 연구 성과는 ‘Nano Energy’ (“High-energy all-in-one stretchable micro-supercapacitor arrays based on 3D laser-induced graphene foams decorated with mesoporous ZnP nanosheets for self-powered stretchable systems”) 지에 게재됨