웨어러블 장치의 광전지 에너지 수확을 위한 설계 고려 사항

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 18143(2022) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

웨어러블 기술은 다양한 생체 역학 및 건강 측정 애플리케이션을 위한 솔루션으로 떠오르고 있습니다. 태양광 에너지는 웨어러블 기기의 배터리 크기 요구 사항을 줄일 수 있는 실행 가능한 보조 전원입니다. 이 연구에서는 팔뚝에 위치한 시판되는 유연한 광전지 패널을 사용하는 웨어러블 슬리브 장치 및 관련 전력 변환기 시스템에 대한 고려 사항을 간략하게 설명합니다. 곡률의 영향을 조사한 결과 팔뚝 주위의 패널 곡률이 출력 전력을 감소시키는 반면 광원에 대한 각도는 출력 전력 및 전압 특성 모두에 더 뚜렷한 영향을 미치는 것으로 나타났습니다. 팔뚝의 다양한 패널 배열 중에서 폭이 더 작은 5개의 개별 패널을 사용하는 것이 부스트 컨버터 전력단 다음으로 가장 높은 출력을 제공했습니다. 다양한 정적 위치에서 테스트한 결과 PV 슬리브는 실외에서 최대 94mW를 제공하여 사용자 안전을 유지하면서 배터리 크기를 효과적으로 줄일 수 있습니다.

감지, 컴퓨팅 및 제조 분야의 혁신으로 인해 웨어러블 장치의 기능이 생체 인식 모니터링(예: 심박수1, 걸음 수2,3)을 넘어 보다 복잡한 생체 역학 및 건강 지표(예: 활동 분류4, 인체 공학적 모니터링, 제스처 인식5)를 조사하는 수준으로 발전했습니다. ). 생리학적 신호와 신체 움직임의 모니터링 및 분석이 더욱 정교해짐에 따라 컴퓨팅 및 성능에 대한 요구도 높아질 것입니다. 큰 배터리나 잦은 재충전 주기 없이 이러한 장치에 충분한 전력을 공급하는 것은 웨어러블 장치가 보편화됨에 따라 그 중요성이 더욱 커질 수 있는 과제입니다. 사용 가능한 전력을 확장하는 유망한 접근 방식 중 하나는 사용자, 동작 또는 환경에서 수집한 에너지로 배터리 용량을 보충하는 것입니다.

태양, 신체 움직임, 전파, 피부와 주변 공기 사이의 열 구배를 포함하여 웨어러블 상황6,7,8,9,10에서 수확하는 데 사용할 수 있는 많은 잠재적 에너지원이 있습니다. 이러한 에너지원 각각은 사용 상황에 따라 장점과 단점을 가지고 있습니다. 신체 동작은 압전11, 전자기12 또는 마찰전기13 발생기를 사용하여 수집할 수 있지만 기계적 동작(예: 걷기로 인한 진동)이 필요하므로 신체적으로 활동적인 사용자가 필요합니다. 인간의 움직임에서 수확된 에너지의 전력 밀도는 약 4\(\mu\)Wcm\(^{-2}\)14로 추정됩니다. 피부와 주변 공기 사이의 열 구배는 열전 발전기를 사용하여 수집할 수 있으며, 일반적인 전력 출력은 10 \(\mu\)Wcm\(^{-2}\)15 정도입니다. 그러나 따뜻한 방이나 사용자의 피부 온도가 낮거나 혈액 순환이 좋지 않은 경우와 같이 피부와 주변 온도 사이의 열 구배가 작을수록 출력이 감소합니다. 주변 전자기 수확기는 무선 주파수 에너지를 추출할 수 있지만 제거된 전력은 무선 주파수 소스16와의 거리에 따라 달라지며 전력 밀도6는 1 \(\mu\)Wcm\(^{-2}\) 정도입니다. 이와 대조적으로, 광전지(PV) 셀이 공급할 수 있는 전력은 사용자 활동과 무관하며, 보고된 전력 밀도는 실내 주변 조명에서 10-100\(\mu\)Wcm\(^{-2}\)이고 100mWcm입니다. \(^{-2}\) 직사광선이 닿는 실외6. 상대적으로 큰 전력 생산으로 인해 이 연구에서는 PV 셀의 전력 출력에 중점을 둘 것입니다.

여러 사용자 연구17,18에 따르면 사용자는 웨어러블 장치를 선택할 때 폼 팩터, 기능 및 배터리 수명을 우선시하는 것으로 나타났습니다. 따라서 태양 에너지 수확을 의류에 성공적으로 통합하려면 유연성, 고성능 및 효율성이 결합되어야 합니다. 또한 이러한 의류는 대규모 처리 규모로 제작될 수 있으므로 상업적으로 이용 가능한 패널을 제공하는 프로세스는 향후 5년 동안 웨어러블 장치에 가장 큰 고려 사항입니다. 웨어러블 애플리케이션에 대한 가능성을 보여주는 PV 전지 유형에는 직물 기반 PV 전지19,20,21 및 평면 PV 전지가 포함됩니다. 일반적으로 섬유 기반 PV 전지22,23,24,25는 더 큰 구조22로 직조되는 섬유 재료(예: 금속, 광학 또는 전도성 가닥)를 사용합니다. 섬유 기반 PV 전지는 두 가지 장점을 제공합니다. 1) 섬유질 전지의 질감 있는 형태는 산란된 빛의 흡수를 증가시킬 수 있습니다. 섬유 기반 PV는 연속적인 평면 기판으로 제작된 패널보다 직물에 더 가까운(그러나 정확하지는 않음26) 특성을 갖습니다. 또 다른 섬유 기반 플랫폼27인 "태양광 E-얀"에 대한 최근 연구는 소형 태양전지를 실 내에 캡슐화함으로써 섬유의 기계적 특성을 보존하는 동시에 결정질 실리콘(c-Si) PV 셀이 알려진 효율성을 유지합니다. 직물 기반 PV 전지의 세 번째 접근 방식은 스프레이 코팅 직물을 사용하여21 에너지 수확 층을 형성합니다.