액체 금속을 사용하여 연구자들이 인체 열로 작동되는 최초의 건강 관리 장치를 개발했습니다.
기술이 어디에나 존재하는 시대에 우리는 모두 방전된 배터리의 불편함에 익숙해져 있습니다. 하지만 혈당을 모니터링하거나 떨림을 줄이거나 심장 기능을 추적하기 위해 착용 가능한 건강 관리 장치에 의존하는 사람들에게는 충전하는 데 시간이 걸리는 것이 큰 위험을 초래할 수 있습니다.
카네기 멜론 대학교 기계 공학과의 연구자들은 처음으로 건강 관리 장치가 오직 인체 열만으로 작동할 수 있음을 보여주었습니다. 이 팀은 맥박산소측정 센서를 유연하고 신축 가능한 착용형 열전기 에너지 생성기와 결합하여 배터리 수명 문제를 해결할 수 있는 유망한 방법을 제시했습니다. 그들의 에너지 발생기는 액체 금속, 반도체 및 3D 프린팅한 고무로 만들어졌습니다.
연구 저자인 메이슨 자단은 “이것은 배터리가 없는 착용 전자 제품을 향한 첫 번째 단계입니다”라고 말했습니다. 이 연구는 Advanced Functional Materials 저널에 발표되었습니다.
그들의 시스템은 매끄러운 재료 통합으로 높은 기계적 성능과 열전기 성능을 달성하도록 설계되었으며, 부드러운 재료, TEG 배열 설계, 저전력 회로 기판 설계 및 온보드 전력 관리에서의 발전을 특징으로 합니다.
카멜 마지디, 기계 공학 교수이자 소프트 머신 연구소의 소장은 “이 디자인은 우리의 이전 연구에 비해 약 40배 또는 4000%의 전력 밀도를 향상시킵니다. 액체 금속 에폭시 복합재는 열전기 구성 요소와 몸에서 접촉하는 장치 지점 간의 열전도성을 높입니다”라고 설명했습니다.
전압 출력을 시험하기 위해, 이 장치는 참여자의 가슴과 손목에 착용되었으며, 정지 상태와 움직일 때 테스트되었습니다.
자단은 “우리는 장치가 참여자의 손목에 착용되고 그 사람이 움직일 때 더 높은 전압 출력을 보았습니다. 참여자가 움직일 때, 장치 한 쪽은 공기 흐름의 증가로 인해 냉각되고, 다른 쪽은 체온 상승으로 인해 가열됩니다. 걷기와 달리기는 이상적인 온도 차이를 만들어냅니다”라고 말했습니다.
온도 차이를 직접 전기 에너지로 변환하는 과정을 열전기 효과라고 합니다.
열전기 재료가 한쪽 끝이 가열되고 다른 쪽 끝이 차가운 온도 경도에 노출될 때, 재료 내부의 전자는 뜨거운 쪽에서 차가운 쪽으로 흐르기 시작합니다. 이 전자 이동은 전류를 생성합니다. 온도 차이가 클수록 더 많은 전류가 생성되어 전력을 만듭니다. 본질적으로 열전기 효과는 온도 차이를 활용하여 사용 가능한 전기를 생성할 수 있게 해 주며, 지속 가능한 에너지 생성의 유망한 경로입니다.
앞으로 이 팀의 연구 과학자인 다네쉬 K. 파텔 박사는 전기 성능 개선과 장치 제조 방법 탐색에 대한 작업을 기대하고 있습니다. “우리는 이를 개념 증명에서 사람들이 사용할 수 있는 제품으로 발전시키고 싶습니다”라고 말했습니다.
이 연구는 아리에카 주식회사, 워싱턴 대학교, 서울대학교와의 협력으로 진행되었습니다.
정보 출처:
메이슨 자단 외. 자가 전원 착용 건강 모니터링을 위한 신축성 열전기 발전기. [Advanced Functional Materials (2024)]. DOI: 10.1002/adfm.202404861
