종이접기

Sep 01, 2023

아만다 페데르센 | 2023년 3월 7일

종이접기에서 영감을 받은 기술은 배터리 기술, 우주선 설계는 물론 의료 기술까지 포함한 다양한 산업 분야에서 획기적인 발전을 가져왔습니다.

수년에 걸쳐 MD+DI는 종이접기에서 영감을 받은 많은 기술에 대해 보고해 왔습니다. 실제로 2015년 MD+DI 독자들에게 향후 의료 기술에 가장 큰 영향을 미칠 가능성이 가장 높은 신기술을 식별하도록 요청하는 일련의 설문 조사에서 종이접기에서 영감을 얻은 배터리가 1위로 나타났습니다.

그 해 초 애리조나 주립대학교(ASU)의 연구원들은 원래 크기의 150% 이상으로 늘어나면서도 전체 기능을 유지할 수 있는 배터리의 디자인 템플릿으로 kirigami라고 불리는 종이 접기의 변형을 사용했습니다(위 그림 참조). ASU 연구원들이 키리가미 기반 리튬 이온 배터리를 개발한 방법을 설명하는 논문은 2015년 6월 11일 Nature's Scientific Reports 저널에 게재되었습니다. 키리가미 기반의 프로토타입 배터리는 스마트워치에 부착된 신축성 있는 손목밴드에 꿰매어졌습니다. 밴드가 늘어나는 동안 배터리는 시계와 비디오 재생을 포함한 시계 기능에 완전한 전력을 공급합니다.

현재 Neptune Medical의 부사장인 Bill Evans는 MD+DI에 "대부분의 웨어러블 기기에는 전력이 필요하며, 일부의 경우 어색하거나 사용자가 움직일 때 구부러져야 하는 모양에 최대한 많은 전력이 필요할 것입니다."라고 말했습니다. "저는 ASU 팀의 kirigami에서 영감을 받은 디자인과 같은 배터리가 사용 중에 구부릴 수 있는 능력 때문에 신흥 웨어러블 시장에서 많은 잠재력을 가지고 있다고 생각합니다. 동시에 리튬 화학이 제공하는 더 높은 성능과 잘 이해되는 특성을 여전히 제공합니다. 제안합니다."

ASU 연구원들은 2년 전 Miura 접기 종이접기로 시작했다고 ASU 기계 및 항공우주 공학과 교수인 Hanqing Jiang은 설명했습니다. 발명자인 일본 천체물리학자 미우라 고려(Koryo Miura)의 이름을 딴 이 방법은 평평한 표면을 더 작은 영역으로 접는 작업을 포함합니다.

"종이접기와 키리가미는 미술에 속합니다. 아주 최근에야 엔지니어들이 사용하기 시작했습니다"라고 Jiang은 말했습니다.

Miura는 단단한 리튬 이온 배터리에 어느 정도 탄력성을 제공할 수 있는 잠재력을 갖고 있는 것처럼 보였습니다. 그러나 Jiang과 그의 동료인 박사과정 학생인 Zeming Song과 Xu Wang은 곧 난관에 부딪혔습니다. Miura는 신축성이 있지만 반복적인 스트레칭 후에 키가 크게 변했습니다. Jiang, Song, Wang이 착안한 해결책은 접기와 자르기를 모두 포함하는 키리가미라는 종이접기의 한 형태였습니다. Kirigami는 절단과 비틀림을 통해 신축성이 있는 리튬 이온 배터리의 연동 구조를 만들 수 있었습니다.

Origami는 Binghamton University(Binghamton, NY)의 전기 및 컴퓨터 공학 조교수인 최석현에게도 유용한 것으로 입증되었습니다. 최씨는 개발도상국의 센서 및 기타 저전력 의료 기기에 잠재적으로 전력을 공급할 수 있는 종이 접기에서 영감을 받은 종이 바이오 배터리(아래 그림)를 생각해냈습니다.

배터리에는 일반 사무용 종이 한 면에 니켈을 분사해 만든 공기 호흡 음극이 포함되어 있습니다. 양극은 탄소 페인트로 인쇄된 스크린입니다. 박테리아가 함유된 액체를 한 방울 떨어뜨리면 종이 바이오배터리에서 전기를 생산할 수 있습니다. 그러나 상당한 디자인 문제가 있었습니다. 최씨는 유용할 만큼 충분한 마이크로와트를 생산하기 위해 이러한 종이 배터리 몇 개를 연속으로 연결해야 했습니다. 바이오센서는 공간 제약이 있습니다. 애리조나주립대에서 박사학위를 취득한 최씨는 ASU 연구원들의 작업과 종이접기를 사용한 다른 엔지니어들의 작업을 알고 있었다. 이는 최씨에게 우아한 솔루션을 제공했습니다.

"접는 기술로 크기를 줄일 수 있습니다. ... 종이접기 기술을 사용하여 28개의 배터리를 연결하여 전력 밀도를 높일 수 있습니다. 저는 이 기술이 종이 기반 기판을 사용하는 모든 바이오 배터리에 대한 큰 잠재력 도구라고 생각합니다. 잠재력이 크다”고 최씨는 말했다.

2016년, 우주선 설계에 종이접기 원리를 사용하기 위해 이미 NASA와 협력하고 있던 브리검 영 대학교(BYU, UT 프로보)의 연구원들은 관련 종이접기 기술을 사용하여 피부 구멍에 삽입할 수 있을 만큼 작은 수술 도구를 만들기 시작했습니다. 봉합 없이 치료할 수 있습니다. BYU는 로봇 수술의 선구자인 Intuitive Surgical에 이 기술을 라이선스했습니다. 이 비디오(아래 대본 제공)는 BYU가 Intuitive에 라이선스를 부여한 종이접기에서 영감을 받은 기술 중 일부를 자세히 설명합니다.