생분해성 3D 프린팅 미니 배터리: 미래 마이크로기기용 친환경 전원

데이터 전송 마이크로기기 수가 향후 몇 년간 급격히 늘어날 전망입니다. 이 모든 기기에 에너지가 필요하지만 배터리 수가 환경에 큰 영향을 미칠 것입니다. 연구자들이 이 문제를 해결할 생분해성 미니 커패시터를 개발했습니다. 새 배터리는 탄소, 셀룰로오스, 글리세린, 식탁용 소금으로 구성되며 3D 프린터로 제조됩니다.

제작 장치는 시판 3D 프린터를 개조한 것으로, 셀룰로오스 나노파이버와 셀룰로오스 나노결정질, 탄소(카본 블랙, 흑연, 활성탄 형태)를 혼합해 토출합니다. 모든 것을 액화하기 위해 글리세린, 물, 두 종류의 알코올, 그리고 이온 전도성을 위한 한 꼬집 식탁용 소금을 사용합니다.

이 재료들로 작동하는 슈퍼커패시터를 만들려면 3D 프린터에서 연속으로 나오는 네 층이 필요합니다: 유연한 기판, 전도층, 전극, 마지막으로 전해질. 전체를 샌드위치처럼 접어 전해질이 가운데 오게 합니다.

미니 커패시터는 몇 시간 동안 전기를 저장할 수 있고 이미 소형 디지털 시계를 구동할 수 있습니다. 수천 번 충방전 사이클과 수년간 보관(영하 온도에서도)을 견디며, 압력과 충격에도 강합니다. 배터리가 더 이상 필요 없으면 퇴비에 버리거나 그냥 자연에 두면 됩니다. 두 달 후 커패시터는 분해돼 눈에 보이는 탄소 입자 몇 개만 남습니다.

젤 소재는 환경 친화적 재생 원료일 뿐만 아니라 내부 화학 덕분에 극도로 다재다능합니다. 슈퍼커패시터는 곧 사물인터넷(IoT)의 핵심 부품이 될 수 있습니다. 예를 들어 전자기장으로 잠시 충전한 뒤 센서나 마이크로 송신기에 몇 시간 동안 전력을 공급할 수 있습니다. 이는 운송 중 개별 패키지 내용물 확인 등에 활용될 수 있습니다. 환경 모니터링이나 농업용 센서 전원 공급에도 쓸 수 있습니다. 이 배터리들은 자연에서 분해되므로 다시 회수할 필요가 없습니다.

전자 마이크로기기 수도 환자 근처 실험실 진단(현장 진단 검사, point-of-care testing)이 훨씬 더 널리 쓰이면서 증가할 것입니다. 현재 급성장 중인 침대 옆 테스트 기기나 당뇨병 환자용 자가 진단 기기 등이 여기에 해당합니다.