[SNE리서치 칼럼] (2) 플렉서블 배터리 기술 동향

■ 플렉서블 배터리 기술 동향

플렉서블 배터리 기술의 특징은 플렉서블 배터리에 대한 소재 기준점이 없고 다양한 방식,형태로 만들 수 있으며 사물인터넷 시대에 맞는 새로운 배터리 기술이 필요하다.

많은 관심을 받는 차세대 플렉서블 배터리 기술로는 Electro-conductive paper/textile substrates , Flexible Batteries with shape diversity , Stretchable Batteries , Cable Battery

Paper Battery 기술 등이 있다.

■ 삼성SDI 플렉서블 배터리 : 차기 폴더블 스마트폰에 적용 예상

삼성SDI는 ‘V-벤딩’ 기술을 적용하여 고밀도 초소형 커브드 배터리를 제조하여 삼성전자의 스마트밴드인 기어핏에 공급하고 있다.

이어서 기기 자체를 자유롭게 구부렸다 펼 수 있는 폴더블 기기에 적합한 배터리로 플렉서블 배터리 개발에 집중하고 있다. 삼성SDI는 삼성종합기술원과 협업을 통해 플렉서블 전지의 요소기술을 개발하고 있으며, 삼성SDI가 독자적으로 개발한 플렉서블 구조설계 기술과 소재기술이 적용되었으며, 이를 통해 삼성SDI는 일반 종이컵 수준의 곡률 범위 내에서 수만번의 굽힘 테스트 후에도 정상 작동이 가능한 기술 수준을 이미 확보하였다고 밝혔다.

삼성전자는 지난해 우측 화면을 구부힌 ‘갤럭시노트4 엣지’ 에 이어 최근 양쪽 화면을 구부린 갤럭시S6 엣지를 출시하였고, 차기작은 폴더블 형태가 유력시되는 상황이다. 따라서 이에 들어가는 플렉서블 배터리 기술 개발이 필수적으로 요구 된다.

■ LG화학 커브드 배터리 : LG 스마트폰에 적용 중

LG화학은 2013년 기존의 사각형 형태를 벗어나 쌓고, 휘고, 감을 수 있는 ‘스텝드 배터리(Stepped Battery)’ 와 ‘커브드 배터리(Curved Battery) 를 양산하기 시작하였으며,LG전자의 스마트폰에 적용하고 있다.

스텝드 배터리는 2단 이상의 계산구조를 가진 일체형 배터리로, 큰 배터리 위에 작은 배터리가 올려져 있는 형태이며 LG전자의 G2 스마트폰 제품에 탑재되었다.

스마트폰 곡면 부위에 활용할 수 없는 Dead Space 를 줄여 배터리 용량 증대 효과를 보았다.커브드 배터리는 곡선 형태 IT 기기에 최적화된 형태로 스마트폰, 스마트 워치, 스마트 안경 등 곡면 디자인이 요구되는 다양한 기기에 적용되고 있다. LG화학은 기존에 폴리머전지를 살짝 구부린 형태를 넘어서 곡률을 점차 높인 제품도 개발해 나가고 있다.

■ LG화학 케이블 배터리 : 2016년 상용화 목표

LG화학 김제영박사 연구팀에서 개발한 케이블형 배터리는 양극이 니켈-주석 합금으로 코팅된 구리 선 여러 가닥을 꽈배기처럼 꼬아둔 형태의 배터리이다. 속이 비어 있는 양극 위로 분리막을 덮고 음극을 구성한 뒤 절연물로 패키징 작업을 하면 자유롭게 휘어지는 케이블 배터리가 만들어 진다.

LG화학은 지난 2012년 10월 재료 분야 국제 학술지인 어드밴스드머티리얼즈에 케이블 배터리의 구현 원리를 소개한 논문을 게재, 관련 업계와 학계에서 주목을 받은 바 있다. LG화학은 케이블 배터리 관련 특허를 100 여건 가까이 출원하였고 2016년 상용화를 목표로 개발에 매진하고 있다. LG화학이 케이블 배터리의 본격 양산체제를 구축하면 블루투스 헤드셋 및 이어폰, 스마트밴드, 스마트워치 등 다양한 웨어러블 고객사를 대상으로 영업에 나설 것으로 예상되고 있다. 

■ 노키아 : ‘돌돌 말리는 배터리‘ 특허 출원 (2014.3)

노키아가 롤빵처럼 돌돌 말거나 구부려도 제 모습을 잃지 않는 리튬이온 배터리 특허를 국제지재권기구(WIPO) 특허를 받았다. 이 배터리 기술은 플렉시블 디스플레이를 적용한 스마트폰, 태블릿PC, 게임기, 노트북 및 스마트워치 등 웨어러블기기에 쓰일 전망이다.

이 배터리는 단순히 휘어지는 정도가 아니라 마치 얇은 천이 자유자재로 접히고 구겨지는

수준이다. 천처럼 얇게 펼쳐진 배터리를 두 개의 블록으로 구성된 한 장의 배터리 리본으로 만드는 것이 핵심이다. 양극과 음극은 내부에서 서로 연결된다.

자유자재로 접히고 구겨지는 수준의 얇게 펼쳐진 배터리를 두개의 블록으로 구성된 한장의 배터리 리본으로 만드는 것이 핵심이다. 배터리 리본은 첫 번째 부분과 두 번째 부분, 중간 연결부로 구성되며, 이 세 부분은 양극과 음극을 포함한 한 개의 층이 된다.

■ 애플 : 자유롭게 구부리는 전자 기가 관련 특허 출원 (2015.1)

애플이 1월 6일(현지시간) 플렉서블 일렉트로닉 디바이스 (Flexible electronic devices),

자유롭게 구부릴 수 있는 전자 기기 관련 특허를 취득했다. 디스플레이와 케이스 뿐 아니라 내부 부품까지 구부릴 수 있는 획기적인 내용을 담고 있다.

미국 특허철의 데이터베이스에 따르면 애플이 취득한 특허에는 디스플레이와 하우징, 내부 부품이 유연하고 변형 가능하다는 내용이 포함되어 있다. 장비 외부 뿐 아니라 배터리와 기판까지 구부린다는 내용도 담았다.

특허 내용을 분석해보면 차기에는 구부릴 수 있는 플렉서블 애플 아이폰이 개발될 것이 예측되고 있다.

■ UNIST 이상영 교수팀 플렉서블 배터리 개발 (2014.3)

UNIST의 이상영 교수팀은 심하게 구겨진 상태에서도 발열 및 폭발 반응 없이 안전한 상태로 정상적인 성능을 보이는 플렉서블 전지를 구현하고자 고유연성 및 고내열성을 동시에 확보된 박막의 플라스틱 크리스탈 고분자전해질을 개발하였다. 개발된 고분자 전해질은 플라스틱 크리스탈 이온전도체 (PCE, Plastic Crystal Electrolyte)를 광가교 반응이 가능한 단량체 (UV-curable monomer) 와 혼합하여 다공성 고분자 지지체에 채워 넣은 후, 별도의 추가 용매 없이 30초 이내의 짧은 시간 동안 자외선에 노출시킴으로 손쉽게 제조가 가능하다. 플라스틱 크리스탈 고분자 전해질은 두께의 박막화(약 25um)가 가능했으며, 구부리거나 휘는 등 자유자재로 변형이 가능한 수준의 우수한 기계적 유연성을 확보하였다.

또한 기존 액체전해질 수준의 우수한 이온전도도 구현은 물론 고온(80 ℃) 에서도 이온전도도의 전하가 전혀 관찰되지 않는 우수한 내열 특성을 보였다. 이에 따라 플라스틱 크리스탈 고분자 전해질이 적용된 전지는 150℃ 고온에서도 부피 변화 없이 매우 안정한 외관을 유지하였다.

관련 내용은 The Science and Technology 2014년 3월호에 게재되었다.

■ 제낙스 ‘J.Flex’ (2015.1)

국내 벤처기업 제낙스는 일본 도쿄에서 열린 웨어러블 EXPO에서 자유롭게 휘어지는 플렉시블 배터리 `J.Flex`를 공개했다. J.Flex 는 자체 개발한 메탈화이버를 이용한 배터리로 사용자가 원하는 모양으로 배터리가 자유롭게 휘어져 스마트 워치와 같은 다양한 디자인의 웨어러블 디바이스에 잘 적용할 수 있다는 점이다.

J.Flex는 26cm x 5.2cm 사이즈의 기본 형태에서 크기와 두께, 용량을 다양한 형태로 제작 가능하며, 배터리의 용량은 스마트폰의 용량(2500mAh)을 충분히 확보할 수 있어 기존 스마트 워치보다 6배 정도 많은 양을 확보할 수 있다. J.Flex는 낮은 내부저항과 리튬이온의 급속이동, 고에너지 밀도, 탁월한 굴곡피로 안정성 등이 강점이다. 또한 10만 이상의 굴곡에도 견딜 수 있는 내구성과 하트, 별, 학, 티셔츠 등 다양한 형태로 가공할 수 있다.

제낙스는 현재 J.Flex로 국내외를 대상으로 영업에 나서고 있다.

■ 신용카드 두께 `플렉서블 배터리` 개발 (2015.3)

한국과학기술원(KAIST)은 EEWS 대학원 최장욱 교수와 한국표준과학연구원 송재용 박사 공동 연구팀이 신용카드보다 얇고 무선 충전이 가능한 `플렉서블(flexible) 리튬이온 배터리`를 개발했다. 분리막을 없애고 양극과 음극을 평면으로 동일 선상에 배열한 뒤 양극 간 격벽을 둬 리튬이온 배터리에서 발생할 수 있는 합선 및 전압강하 등의 현상을 없애는 데 주력했다. 이후 5,000번 이상의 연속 굽힘 실험을 통해 배터리 성능 유지와 함께 더 유연한 새로운 개념의 전극 구조가 가능하다는 사실을 확인했다.

이번에 개발된 플렉서블 리튬이온 배터리는 통합형 스마트카드, 미용·의료용 패치는 물론, 영화 `아이언맨`처럼 목소리와 몸짓으로 컴퓨터에 명령하는 피부 부착형 센서 등에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.

연구 결과는 나노과학분야 학술지 `나노 레터스`(Nano Letters) 3월 6일자 온라인 판에 실렸다.

■ 알루미늄이온 2차전지 (2015.4)

미국 스탠포드대학 연구팀은 음극에 알루미늄 Foil, 양극에 Graphite, 전해액으로 이온유체를 사용한 알루미늄이온 2차전지를 개발하였다. 7500회 이상의 사이클 수명을 달성하였다.

연구팀은 리튬이온 배터리의 경우 충전과 방전을 1000회 가량 반복하면 용량 축소 현상이 일어나지만, 알루미늄 이온배터리는 7500회 이상 진행해도 용량이 줄어들지 않는다고 덧붙였다. 충전시간도 1분 정도 밖에 걸리지 않는다고 한다. 단 출력전압이 현 시점에서 2V로 낮은데, 적절한 양극재료를 사용해서 높여나갈 계획이다.

장점으로는 형태를 마음대로 만들 수 있는 유연성(플렉서블)으로, 이에 따라 스마트워치의 밴드나 넥밴드 형태의 블루투스 헤드셋, 구글 글래스의 고정 태등에 내장 하는 방식으로 배터리를 구현할 수 있을 것으로 전망된다.

연구진은 새로운 알루미늄-이온 배터리를 저널 Nature에 4월 6일자로 발표했다.

■ 맺음말

플렉서블 배터리는 웨어러블 시장의 성장과 함께 필수적인 개발 요소이다. 앞에서 살펴본 대로 플렉서블 배터리와 관련된 여러 개발 연구 성과가 계속 발표되고 있으며, 상용화 가능성도 점차 높이고 있다.

플렉서블 배터리는 고용량, 고안전성, 유연성을 목표로 대기업 뿐 아니라 벤처업체를 통해서도 다양한 방법들이 연구되고 있으며, 기술적 난제를 해결하기 위해 연구가 활발히 이루어지고 있다.

웨어러블 기기의 수요는 2014년 8천8백만대, 2017년 2억 7천만대 수준이 될 것으로 보이며, 여기에 들어가는 플렉서블 배터리 시장을 선점하기 위한 개발 경쟁이 치열할 것으로 예측되며, 앞에서 살펴본 최신 기술들이 상용화에 적용될 수 있을지 귀추가 주목 된다.

SNE리서치(www.sneresearch.com)

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