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작은 전선이 큰 에너지 향상을 제공할 수 있습니다.
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작은 전선이 큰 에너지 향상을 제공할 수 있습니다.

Jun 06, 2024

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건강 및 피트니스 모니터링을 위한 웨어러블 전자 장치는 가전제품 분야에서 빠르게 성장하고 있는 분야입니다. 가장 큰 한계 중 하나는 데이터 전송에 충분한 전력을 공급할 수 있는 작은 배터리 용량입니다. 이제 MIT와 캐나다의 연구원들은 이러한 소형 장치에 필요한 짧지만 강렬한 전력 공급을 제공하는 유망한 새로운 접근 방식을 발견했습니다.

핵심은 심박수 모니터, 컴퓨터 또는 스마트폰과 같은 웨어러블 장치에서 데이터를 간단히 전송하는 데 필요한 슈퍼커패시터를 만드는 새로운 접근 방식입니다. 또한 자율 마이크로 로봇과 같이 소량으로 높은 전력이 필요한 다른 응용 분야에도 유용할 수 있습니다.

새로운 접근 방식은 니오븀 원소의 나노와이어로 만든 실을 작은 슈퍼커패시터(기본적으로 사이에 절연체가 있는 전기 전도성 섬유 쌍)의 전극으로 사용합니다. 이 개념은 MIT 기계 공학 교수 Ian W. Hunter, 박사 과정 학생 Seyed M. Mirvakili 및 브리티시 컬럼비아 대학의 다른 세 사람이 ACS Applied Materials and Interfaces 저널에 게재한 논문에 설명되어 있습니다.

나노기술 연구자들은 지난 10년 동안 슈퍼커패시터의 성능을 향상시키기 위해 노력해 왔습니다. 나노물질 중에서 탄소 나노튜브나 그래핀과 같은 탄소 기반 나노입자는 유망한 결과를 보여주었지만 상대적으로 낮은 전기 전도도 문제를 겪고 있다고 Mirvakili는 말합니다.

이 새로운 연구에서 그와 그의 동료들은 높은 전력 밀도와 같은 장치에 대한 바람직한 특성이 탄소 기반 나노입자에만 국한되지 않으며 니오븀 나노와이어 원사가 유망한 대안임을 보여주었습니다.

Hunter는 "일종의 웨어러블 건강 모니터링 시스템이 있고 Wi-Fi 등을 사용하여 장거리로 데이터를 전송해야 한다고 상상해 보세요."라고 말했습니다. 현재 많은 소형 전자 장치에 사용되는 동전 크기 배터리는 한 번에 많은 전력을 전달하는 능력이 매우 제한되어 있으며, 이는 그러한 데이터 전송에 필요한 것입니다.

MIT 기계공학과 열역학 교수인 George N. Hatsopoulos 교수인 Hunter는 "장거리 Wi-Fi를 사용하려면 상당한 양의 전력이 필요하지만 오랫동안 필요하지 않을 수도 있습니다."라고 말합니다. 소형 배터리는 일반적으로 이러한 전력 수요에 적합하지 않다고 그는 덧붙였습니다.

“우리는 이것이 건강 모니터링이나 운동 모니터링 분야의 여러 회사에서 겪고 있는 문제라는 것을 알고 있습니다. 따라서 대안은 배터리와 커패시터를 조합하는 것입니다.”라고 Hunter는 말합니다. 장기 저전력 기능을 위한 배터리와 짧은 고전력 버스트를 위한 커패시터입니다. 이러한 조합은 장치의 범위를 늘리거나 (아마도 시장에서 더 중요하게는) 크기 요구 사항을 크게 줄일 수 있어야 합니다.

새로운 나노와이어 기반 슈퍼커패시터는 기존 배터리의 성능을 뛰어넘으면서도 매우 작은 부피를 차지한다. “만약 당신이 Apple Watch를 가지고 있고 무게를 30% 줄인다면, 당신은 눈치 채지 못할 수도 있습니다.”라고 Hunter는 말합니다. "그러나 볼륨을 30% 줄인다면 그것은 큰 문제가 될 것입니다."라고 그는 말합니다. 소비자는 웨어러블 장치의 크기에 매우 민감합니다.

연료 전지, 배터리, 플라이휠과 같은 다른 에너지 저장 기술은 효율성이 떨어지거나 매우 작은 크기로 축소하면 너무 복잡해 실용적이지 않기 때문에 혁신은 소형 장치에 특히 중요하다고 Hunter는 말합니다. 그는 아주 작은 장치에서 엄청난 전력을 공급할 수 있는 기술을 통해 "우리는 최적의 위치에 있습니다"라고 말합니다.