나노기술 및 정책 정보

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심박수와 체온, 혈당 및 대사 부산물 수준을 모니터링 할 수 있는 저렴한 웨어러블 센서의 출현으로 연구원과 의료 전문가는 이전에는 불가능했던 방식으로 인간의 건강을 모니터링 할 수 있게되었음. 그러나 모든 전자 장치와 마찬가지로 이러한 웨어러블 센서에는 전원이 필요함. 배터리는 하나의 옵션이지만 부피가 크고 무겁고 충전이 부족할 수 있으므로 반드시 이상적인 것은 아님.

캘리포니아 공과대학교(California Institute of Technology) 연구팀이 이러한 센서와 인체 자체를 사용하여 전력을 공급하는 새로운 접근 방식을 개발해 왔음. 이전에 연구팀은 땀 자체로 구동되는 사람의 땀에서 건강 표시기를 모니터링 할 수 있는 센서를 만들었음. 연구팀은 무선 웨어러블 센서에 전력을 공급하는 새로운 방법을 개발했음. 사람이 움직일 때 생성되는 운동 에너지를 수확함. 이 에너지 수확은 사람의 피부에 부착된 얇은 샌드위치 재료(테프론, 구리 및 폴리이미드)로 수행됨. 사람이 움직일 때 이 재료 시트는 구리와 폴리이미드로 만들어진 슬라이딩 층에 문질러 소량의 전기를 생성함. 마찰 전기라고 알려진 이 효과는 카펫이 깔린 바닥을 걷다가 금속 손잡이를 만졌을 때 받을 수 있는 정전기 충격으로 가장 잘 설명됨. 나노제너레이터라고도 하는 마찰 발전기에는 몸통에 고정된 고정자와 팔 안쪽에 부착된 슬라이더로 구성됨. 슬라이더는 사람이 움직일 때 고정자에 대해 미끄러지며 전류가 생성되고 동시에 흐름. 메커니즘은 매우 간단함. 마찰로 인해 전기가 생성된다는 개념은 새로운 것이 아님. 새로운 것은 연구팀이 나노발전기를 제조한 방법임. 새로운 재료를 사용하는 대신, 연구팀은 시판되는 연성 회로 기판을 사용했음. 이 재료는 저렴하고 내구성이 뛰어나며 오랜 기간 동안 기계적으로 견고함.

나노발전기는 많은 전기를 생성하지 않음. 실제로 40 와트 전구에 전력을 공급하려면 표면적이 100 제곱미터 인 장치가 필요함. 그러나 연구팀의 웨어러블 센서는 전력 요구 사항이 낮으며, 시스템은 센서에서 판독한 후 블루투스를 통해 무선으로 데이터를 휴대 전화로 전송하기에 충분한 충전이 될 때까지 생성된 전기를 커패시터에 저장함. 사람이 더 많이 움직일수록 센서는 더 자주 데이터를 수집할 수 있음. 그러나 사람이 오랫동안 앉아 있더라도 센서는 결국 작동하기에 충분한 전력을 축적함. 연구팀은 궁극적으로 여러 방법을 통해 생성되는 전력을 사용하여 웨어러블 센서를 실행하려고 함. 예를 들어, 웨어러블 장치는 땀, 마찰 발전기 및 소형 웨어러블 태양 전지판에서 생성된 전기를 사용할 수 있음.

본 연구 성과는 ‘Science Advances’ (“Wireless battery-free wearable sweat sensor powered by human motion”) 지에 게재됨