충전 케이블에서 에너지 인식형 웨어러블까지 - 유연 에너지 저장 시스템의 미래

웨어러블 기기 사용자들이 가장 자주 제기하는 불만 중 하나는 의외로 단순합니다. 배터리 사용 시간이 하루 종일 이어지는 스마트 기능에 대한 기대를 충족하지 못하는 경우가 많다는 점입니다.

스마트 헬스 패치, AI 기반 보청기, 피트니스 트래커, 스마트 링, 의료 모니터링 기기, AR 안경, 전자 피부, 산업용 웨어러블 센서 등 어떤 제품이든 엔지니어는 늘 세 가지 상충하는 요구 사항 사이에서 균형을 맞춰야 합니다.

• 더 작고 가벼운 제품
• 더 긴 작동 시간
• 더 많은 센서, 무선 연결 및 AI 처리

제품 설계자와 전자제품 제조업체 입장에서는 기존 전원 아키텍처를 초박형, 유연형, 인체 밀착형 기기에 적용하기가 갈수록 어려워지고 있습니다. 이러한 과제로 인해 에너지 수확과 에너지 저장을 하나의 통합 플랫폼에 결합한 유연 에너지 저장 시스템에 대한 관심이 빠르게 높아지고 있습니다.

MOTOMA에서는 소형 웨어러블 제품 내부에 들어갈 뿐 아니라 자가발전 전자기기, 플렉시블 디스플레이, 생체 인식 센싱, 지속적인 건강 모니터링과 같은 미래 개념까지 지원할 수 있는 배터리 솔루션을 찾는 개발팀을 자주 접합니다.

기존 전원 솔루션이 한계에 도달하고 있는 이유

현재 대부분의 웨어러블 제품은 충전식 리튬 배터리 를 사용하며 용량은 50mAh에서 1000mAh까지입니다. 일반적인 전압 플랫폼에는 3.7V, 3.8V, 3.85V, 3.87V, 3.88V 리튬 폴리머 셀이 포함됩니다.

이러한 배터리는 뛰어난 에너지 밀도를 제공하지만 기기 제조업체는 여러 과제에 직면합니다.

스마트워치는 150mAh 또는 300mAh 배터리를 사용할 수 있으며, 스마트 안경은 보통 500mAh에서 1000mAh의 배터리 팩이 필요합니다. 의료용 웨어러블 기기는 필요한 작동 시간에 따라 100mAh급 마이크로 배터리부터 5000mAh급 외장 웨어러블 배터리 모듈까지 다양합니다.

유연 에너지 수확 및 저장의 개념

연구소와 첨단 소비자 전자제품 개발 프로그램에서는 유기 태양전지(OPV) 기술과 유연한 충전식 배터리를 통합하는 새로운 접근 방식이 부상하고 있습니다.

충전 케이블이나 충전 도크에만 의존하는 대신 웨어러블 기기가 주변 에너지를 지속적으로 수집하고 남는 전력을 나중에 사용할 수 있도록 저장할 수 있습니다.

이 아키텍처는 일반적으로 다음과 같이 구성됩니다.

• 유연 유기 태양전지 모듈
• 초박형 에너지 관리 회로
• 유연 충전식 배터리 시스템
• 저전력 무선 통신 모듈
• 지능형 배터리 관리 시스템

그 결과 충전 빈도를 줄이면서 작동 시간을 연장할 수 있는 에너지 수확·저장 통합 플랫폼을 구현할 수 있습니다.

웨어러블 기기의 유기 태양전지 기술

기존의 단단한 실리콘 태양광 패널과 달리 유기 태양전지 모듈은 가볍고 구부릴 수 있어 웨어러블 제품에 통합하기에 적합합니다.

엔지니어는 OPV 소재를 다음과 같은 제품에 적용할 수 있습니다.

• 스마트 의류
• 피트니스 밴드
• 의료용 패치
• AR 및 VR 헤드셋
• 산업 안전용 웨어러블
• 전자 피부 기기
• 스마트 백팩 및 아웃도어 장비

실내 조명 환경에서도 OPV 모듈은 보조 전력을 생산해 저전력 센서, Bluetooth 통신 모듈, 환경 모니터링 시스템의 작동을 지원할 수 있습니다.

웨어러블 전자기기를 위한 유연 배터리 기술

에너지 수확만으로는 안정적인 전력 출력을 제공할 수 없기 때문에 저장 장치는 여전히 필수입니다.

현재 유연 에너지 저장 시스템에 적용하기 위해 여러 배터리 기술이 검토되고 있습니다.

현재 양산에 들어가는 상용 제품의 경우 에너지 밀도, 제조 성숙도, 설계 유연성을 고려하면 맞춤형 리튬 폴리머 배터리가 여전히 가장 실용적인 선택입니다.

웨어러블 기기에 일반적으로 사용되는 배터리 파라미터

제품 요구 사항에 따라 웨어러블 전자기기에는 다양한 전압 플랫폼과 용량이 사용될 수 있습니다.

엔지니어가 놓쳐서는 안 될 설계 고려 사항

유연 에너지 저장 시스템을 웨어러블 전자기기에 통합할 때 배터리 용량은 고려해야 할 요소 중 하나일 뿐입니다.

엔지니어링 팀은 다음 항목도 함께 평가해야 합니다.

• 굽힘 반경 요구 사항
• 배터리 두께 제약
• 작동 온도 범위
• 충전 효율
• 사이클 수명 요구 사항
• 무선 통신 전력 수요
• 반복 굽힘 시 기계적 신뢰성
• 안전 인증 요구 사항

많은 웨어러블 프로젝트에서는 불규칙한 하우징에 표준 배터리를 억지로 맞추는 것보다 맞춤형 형상의 배터리를 사용하는 편이 시스템 효율을 높일 수 있습니다.

잠재적 적용 분야

에너지 수확과 저장의 결합은 소비자 전자제품을 넘어 다양한 분야로 확대되고 있습니다.

현재 및 향후 적용 분야는 다음과 같습니다.

• 원격 환자 모니터링 기기
• 연속 혈당 모니터링 시스템
• 피트니스 및 스포츠 웨어러블
• AR 및 스마트 안경 플랫폼
• 전자 섬유
• 군용 웨어러블 장비
• 산업 근로자 안전 시스템
• 환경 모니터링 패치
• 스마트 헬멧 및 보호 장비
• 인간-기계 인터페이스 기기

제품 제조업체에 주는 의미

웨어러블 전자기기가 더 얇고, 더 스마트하며, 더 높은 연결성을 갖추게 되면서 전원 아키텍처는 독립형 배터리 팩에서 통합 에너지 생태계로 발전하고 있습니다.

미래에는 에너지 수확만으로 전력을 공급하기보다 유연한 에너지 수집, 지능형 전력 관리, 맞춤형 충전식 배터리 기술을 결합하는 방식이 가장 현실적인 해법이 될 가능성이 높습니다.

차세대 웨어러블 기기를 개발하는 OEM 및 ODM 제조업체는 설계 초기 단계에서 적절한 배터리 파트너를 선택함으로써 제품 통합, 기구 설계, 안전 인증, 양산 확대를 크게 단순화할 수 있습니다.

자주 묻는 질문

1. 유연 에너지 저장 시스템이란 무엇인가요?

유연 에너지 저장 시스템 은 구부릴 수 있는 배터리와 에너지 수확 기술을 결합해 웨어러블 및 휴대용 전자기기에 전력을 공급하는 시스템입니다.

2. 유기 태양전지 모듈이 배터리를 완전히 대체할 수 있나요?

아니요. 유기 태양전지 모듈은 보조 에너지를 제공할 수 있지만 안정적인 전력 공급과 에너지 저장을 위해서는 여전히 배터리가 필요합니다.

3. 웨어러블 기기에서 리튬 폴리머 배터리가 널리 사용되는 이유는 무엇인가요?

리튬 폴리머 배터리는 높은 에너지 밀도, 맞춤형 형상 설계, 가벼운 구조, 소형 전자기기 설계와의 높은 호환성을 제공합니다.

4. 웨어러블 기기에서 일반적으로 사용하는 배터리 전압은 얼마인가요?

일반적인 전압 플랫폼은 3.7V, 3.8V, 3.85V, 3.87V, 3.88V입니다. 더 큰 웨어러블 시스템에서는 7.4V, 11.1V 또는 14.8V 배터리 팩을 사용할 수 있습니다.

5. 웨어러블 전자기기의 일반적인 배터리 용량 범위는 어느 정도인가요?

용량은 스마트 링의 50mAh 미만부터 산업용 웨어러블 장비 및 휴대용 컴퓨팅 시스템의 5000mAh 이상까지 다양합니다.

6. 아연 이온 배터리는 웨어러블 용도에 적합한가요?

아연 이온 배터리는 우수한 안전 특성과 유연성을 갖춰 일부 의료 및 웨어러블 용도에 적합합니다. 다만 현재 상용 양산에서는 리튬 폴리머 배터리가 주류입니다.

7. 웨어러블 배터리는 어떤 항목을 맞춤 제작할 수 있나요?

제조업체는 제품 요구 사항에 따라 배터리 크기, 두께, 전압, 용량, 보호 회로, 커넥터, 배선 길이, 통신 프로토콜, 기계적 패키징을 맞춤 제작할 수 있습니다.