신축성 마이크로 슈퍼커패시터: 자가 구동 웨어러블 건강 기기의 미래

웨어러블 및 신축성 건강 모니터링 및 진단 기기에 전원을 공급하는 현재 배터리와 슈퍼커패시터 버전은 낮은 에너지 밀도와 제한된 신축성 등 많은 단점을 가지고 있습니다.

배터리의 대안인 마이크로 슈퍼커패시터는 웨어러블 기기에서 리튬이온 배터리를 보완하거나 대체할 수 있는 에너지 저장 장치입니다. 마이크로 슈퍼커패시터는 작은 설치 면적, 높은 전력 밀도, 빠른 충방전 능력을 갖추고 있으나, 웨어러블 기기용으로 제작될 때 기존 마이크로 슈퍼커패시터는 '샌드위치형' 적층 구조로 인해 유연성이 떨어지고, 이온 확산 거리가 길며, 웨어러블 전자장치와 결합할 때 복잡한 통합 공정이 필요합니다.

연구자들은 마이크로 슈퍼커패시터의 웨어러블 기기 활용을 발전시키기 위해 대체 소자 아키텍처와 통합 공정을 개발했습니다. 마이크로 슈퍼커패시터 셀을 구불구불한 섬-다리(island-bridge) 레이아웃으로 배열하면 다리 부분에서 구부리고 늘릴 수 있는 반면, 섬에 해당하는 마이크로 슈퍼커패시터의 변형은 줄일 수 있음을 발견했습니다. 결합되면 이 구조는 연구자들이 마이크로 슈퍼커패시터 어레이라고 부르는 것이 됩니다. 셀 연결에 섬-다리 설계를 사용함으로써 마이크로 슈퍼커패시터 어레이는 신축성이 향상되고 조절 가능한 전압 출력을 허용하여 시스템이 최대 100%까지 가역적으로 늘어날 수 있게 되었습니다.

비층상, 초박형, 아연-인 나노시트와 3D 레이저 유도 그래핀 폼(고다공성, 자기 발열 나노 소재)을 사용하여 셀의 섬-다리 설계를 구성함으로써, 팀은 전기 전도도와 흡수된 전하 이온 수에서 획기적인 개선을 보았습니다. 이는 이러한 마이크로 슈퍼커패시터 어레이가 효율적으로 충방전하고 웨어러블 기기에 전력을 공급하는 데 필요한 에너지를 저장할 수 있음을 입증했습니다.

연구자들은 또한 이 시스템을 마찰 나노발전기(기계적 움직임을 전기 에너지로 변환하는 신흥 기술)와 통합했습니다. 이 조합은 자가 구동 시스템을 만들었습니다. 마찰 나노발전기 기반 무선 충전 모듈을 통해 팔꿈치 굽히기, 숨쉬기, 말하기 등의 움직임을 기반으로 에너지를 수확할 수 있습니다.

이 통합 시스템을 그래핀 기반 변형 센서와 결합함으로써, 마찰 나노발전기로 충전된 에너지 저장 마이크로 슈퍼커패시터 어레이가 센서에 전력을 공급할 수 있게 되었습니다.