태양광으로 구동되는 스마트 의류

연구원들은 얇고 유연한 회로 기판에 작은 태양 전지를 자르고 조립한 후 보호 폴리머로 밀봉하여 나일론으로 엮어 작은 직물로 만든 섬유 같은 가닥을 만들었다.

다양한 웨어러블 전자 장치를 개발하려는 야망으로 메릴랜드 주 로렐에 있는 존스 홉킨스 응용 물리학 연구소(APL)의 연구원들은 배터리 및 태양열 구동 섬유 개발에 대한 새로운 확장 가능한 접근 방식을 확립했다.

과학자들의 성명에 따르면, 이 기술은 전기 에너지를 수확하고 저장할 수 있는 잠재력을 지닌 의류에 접목될 수 있다.

확장성과 성능 제한으로 인해 일반적인 섬유 배터리가 방해를 받기 때문에 과학자들은 기존 파우치 셀과 유사한 적층형 디자인으로 섬유 배터리를 설계했다.

이 접근 방식에는 폭이 650~700μm만큼 좁은 배터리 섬유를 고안하기 위한 레이어 적층 및 레이저 가공이 포함된다.

Tech Xplore는 이러한 섬유가 기존 직물처럼 통기성, 신축성, 세탁 기능을 갖춘 고성능 웨어러블 전자 장치에 전력을 공급할 수 있다고 지적했다.

웨어러블 기기용 기존 배터리 전극 라미네이팅

APL의 물리학, 전자 재료 및 장치 부문 보조 프로그램 관리자이자 이 프로젝트의 수석 조사관인 콘스탄티노스 게라소풀로스(Konstantinos Gerasopoulos)는 "전자 직물에 대한 수요가 변화함에 따라 재사용이 가능하고 내구성이 뛰어나며 신축성이 있는 더 작은 전원이 필요하다"라고 말했다.

“우리의 비전은 햇빛을 전기로 변환할 수 있는 태양열 수확 섬유와 생성된 전기를 섬유에 저장할 수 있는 배터리 섬유를 개발하는 것이다.”

이 진전의 핵심은 폴리(비닐리덴 플루오라이드-코-헥사플루오로프로필렌)(PVDF-HFP) 분리막 개발이다. 이를 통해 연구에 따라 가열 압연 프레스를 사용하여 기존 배터리 전극을 적층할 수 있다.

그런 다음 적층된 스트립을 레이저로 절단하여 섬유를 형성하는데, 이는 성공적으로 테스트되었으며, 섬유 배터리의 에너지 밀도가 섬유 길이 1cm당 최대 0.61밀리와트시 에너지를 저장할 수 있음을 보여준다.

섬유 배터리는 또한 롤투롤(roll-to-roll) 방식으로 장착되도록 설계되었다. 이는 활물질의 최적 활용, 낮은 비활성 물질 함량, 확장성 및 널리 사용되는 배터리 산업 장비와의 호환성을 제공하는 새로운 접근 방식으로 인해 이전 방법에서 벗어났음을 의미한다.

연구의 주요 저자인 레이첼 알트마이어(Rachel Altmaier)는 "우리는 항상 롤투롤 호환성을 염두에 두고 설계했다."라고 말했다.

“우리는 모든 프로세스를 지속적으로 실행할 수 있어야 한다. 그렇지 않으면 우리가 개발하는 것이 관련성이 없다. 이 프로세스는 기존 제조 라인에 투입될 수 있다.”

배터리 장비는 폴리머 분리기를 사용하여 적층된 양극 및 음극 전극의 평평한 스트립을 스택으로 만드는 롤투롤 공정을 사용하여 얇고 확장 가능한 섬유로 맞춤 제작되었다. 이것은 레이저로 얇은 섬유로 만들어졌다.

5시간 넘게 100미터의 섬유를 처리한다.

APL의 엔지니어이자 논문의 공동 저자인 제이슨 티파니(Jason Tiffany)는 “우리는 총 100미터의 섬유를 5시간 조금 넘게 처리할 수 있다”라고 말했다. "우리의 공정을 통해 섬유를 더 작고 에너지 밀도를 높일 수 있어 섬유 응용 분야에 더 많은 기회를 열 수 있다."

그러나 태양열로 구동되는 섬유는 기존의 태양전지 기술을 유연한 회로 기판에 조립하여 적용했다. 그런 다음 이를 폴리머로 캡슐화하여 직물에 통합할 수 있었다. 광범위한 굽힘과 빛 노출에도 불구하고 이 방법은 높은 성능과 내구성을 제공하는 것으로 입증되었다.

해당 태양전지 논문의 주저자인 마이클 진(Michael Jin)은 “현재 태양전지 기술의 가장 큰 과제는 강성”이라고 강조했다. "옥상에 있는 것과 같은 태양광 패널을 작은 태양광 섬유로 축소하는 것은 매우 어려운 일이라고 상상할 수 있다."

"우리는 표준 마이크로전자공학 제조 공정을 사용하여 현재의 견고한 태양전지 기술을 유연하고 내구성 있는 섬유로 전환하는 새로운 접근 방식을 개발했다."라고 진은 덧붙였다.

"섬유를 8,000번 구부린 후에도 성능에는 변화가 없었다."

새로운 장치는 건강 모니터링, 의류 보온, 군인 장비에 전원 공급 등 다양한 애플리케이션을 가능하게 할 수 있다.

이 새로운 연구는 섬유 배터리 기술의 패러다임 전환을 나타내며 고성능 웨어러블 및 섬유 전자 장치의 실현을 위한 길을 열었다.