플렉서블 배터리

삼성SDI 2014년 전시에서 공개한 커브드 배터리

파나소닉의 플렉서블 배터리

플렉서블 배터리(Flexible Battery)는 전지가 구부러지는 환경에서 전기화학적 특성을 유지할 수 있는 전극 탭과 전극 리드간의 결합 보강구조를 가지는 복합 전극조립체 및제조관련 기술이다. 플렉서블 배터리는 기존의 딱딱하고 부피가 큰 배터리와 달리 유연하고 구부릴 수 있는 콤팩트한 배터리로서, 가전 제품, 엔터테인먼트, 의료기기, 스마트 패키징, 스마트 카드, 웨어러블 기기, 무선 통신 등에 적용되는 배터리를 말한다.

플렉서블 배터리는 효율성은 저하시키지 않으면서 제품의 형태에 따라 다양한 크기 및 모양으로 절단 또는 압연할 수 있으며, 또한 플렉서블 배터리는 다른 배터리 위에 쌓아 두는 것 만으로 확장성이 생긴다는 이점이 있다.

세계 플렉서블 배터리 시장의 경우 2018년 약 3,106억 원의 시장 규모에서 성장해 2023년에는 약 2조 185억 원의 시장 규모를 나타낼 전망이다.

개요

플렉서블 배터리는 아주 유연하고 잘 휘어지는 전지를 말한다. 이 배터리는 기존 배터리에 쓰이는 액체 전해질 대신 필름 형태로 제작이 가능한 고분자 전해질을 사용하며 전극도 탄소 나노튜브나 그래핀 등의 신소재를 채용하는 것이 특징이다.

플렉서블 배터리는 유형에 따라 다양한 종류로 나뉜다. 먼저 얇은 필름처럼 만들어져 잘 구부러지는 박막형 배터리가 있고, 곡선 형태로 휘어진 커브드 배터리, 종이처럼 얇게 찍어낼 수 있는 프린티드 배터리도 있다. 이외에 케이블 형태의 케이블 배터리, 종이 소재로 제작된 종이 배터리 등도 있다.

플렉서블 배터리는 점점 시장이 커져가는 웨어러블 디바이스 기기에 최우선적으로 적용될 것으로 관측되고 있다. 가령, 스마트워치나 스마트글래스에 플렉서블 배터리가 적용되면 무게를 획기적으로 줄일 수 있다. 뿐만 아니라 자유자재로 모양을 바꿀 수 있기 때문에 스마트의류의 가능성을 한 차원 더 높여줄 것으로 기대되고 있다.

게다가 디바이스의 디자인에 따라 맞춤형 주문 제작이 가능하기 때문에 스마트폰, 노트북, TV 등의 폼팩터를 새롭게 바꾸는 데도 기여도가 높을 것으로 관측된다. 전기차 분야에서도 플렉서블 배터리는 기존 리튬이온 배터리보다 더 적은 공간을 차지하면서 다양한 부품에 부착할 수 있어 전기차의 새로운 시대를 열 것으로 여겨진다.

국내외 기술개발 현황

삼성SDI가 갤럭시 스마트폰을 위한 플렉서블 전고체 배터리를 개발했고, LG화학은 꽈배기처럼 꼬인 양극을 이용해 자유롭게 휘어지는 케이블 배터리를 개발했다. 국내 벤처기업인 제낙스(JENAX)는 휘거나 구부릴 수 있고, 다양한 모양으로도 변형 가능한 J.Flex로 업계에서 좋은 반응을 얻고 있다. 이 배터리는 구부렸다 펴도 성능이 동일하고, 디바이스 디자이너가 원하는 다양한 형태로 제작이 가능한 것이 특징이다.

리베스트(LiBEST)는 가죽처럼 유연하게 휘어지는 전구간 플렉서블 리튬 고분자 배터리를 개발하여 월 평균 1만 개 이상을 제조하고 있다. 한국과학기술원(KAIST)는 분리막을 없애고 양극과 없애고 양극과 음극을 평면 동일 선상에 배열한 뒤 양극 간 격벽을 둬 신용카드보다 얇고 무선 충전 가능한 플랙서블 리튬이온 배터리를 개발했다. 울산과학기술원(UNIST)는 인쇄방식으로 제조 가능하며 플라스틱 크리스탈 고분자전해질 기반의 고유연성, 고내열성이 동시에 확보된 플렉서블 배터리를 개발했다.

일본에서는 파나소닉이 0.45mm 두께의 플렉서블 리튬이온 배터리 개발에 나섰으며, 미국의 어플라이드 머티리얼스는 반도체 제조공정을 기반으로 초소형 전고체 배터리를 개발했다. 영국의 다이슨도 전고체 배터리를 개발해 주력 제품의 경쟁력 강화를 추진하고 있다.

기술 특징

국제 학술지에 실린LG화학의 케이블배터리 기술 설명

국제할술지 어드밴스드머터리얼즈에 실린 LG화학 케이블배터리 기술

노키아 돌돌 말리는 배터리 기술

인쇄방식으로 제조가 가능한 플렉서블 고분자 전해질

플라스틱 크리스탈 고분자 전해질이 도입된 구겨져도 작동 가능한 플렉서블 배터리 모식도

제낙스 플렉서블 배터리

한국과학기술원이 개발한 초박형 평면형 플렉서블 배터리

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.

삼성SDI는 'V-벤딩' 기술을 적용하여 고밀도 초소형 커브드 배터리를 제조하여 삼성전자의 스마트밴드인 기어핏에 공급하고 있다. 이어서 기기 자체를 자유롭게 구부렸다 펼수 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 확보했다. 삼성전자는 2014년 우측 화면을 굽힌 '갤럭시노트4 엣지' 에 이어 최근 양쪽 화면을 구부린 갤럭시S6 엣지를 출시하였고, 2020년 6월에는 '접힘 가능한 배터리 및 그것을 포함하는 전자 장치'라는 이름으로 폴더블 배터리 기술을 구현했다. 두 개의 폴더블폰에 탑재된 배터리를 제시했는데 첫 번째 스마트폰은 갤럭시폴드와 비슷한 디자인을 가지고 있으며, 두 번째 폴더블폰은 제품을 지그재그 방식으로 3번 접는 제품이다. 이 폴더블 배터리는 최대 180도 가량 구부릴 수 있어 폴더블폰 힌지 주변에 장착할 수 있다.

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 굴곡률을 점차 높인 제품도 개발해 나가고 있다. 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.

노키아가 롤빵처럼 돌돌 말거나 구부려도 제 모습을 잃지 않는 리튬이온 배터리 특허를 국제지재권기구(WIPO) 특허를 받았다. 이 배터리 기술은 플렉서블 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.

울산과학기술원(UNIST)의 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 크리스탈고분자 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 3월 호에 게재되었다.

국내 벤처기업 제낙스는 일본 도쿄에서 열린 웨어러블 EXPO에서 자유롭게 휘어지는 플렉서블 배터리 J.Flex를 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.

한국과학기술원(KAIST)은 EEWS 대학원 최장욱 교수와 한국표준과학연구원 송재용 박사 공동연구팀이 신용카드보다 얇고 무선 충전이 가능한 플렉서블(flexible) 리튬이온 배터리를 개발했다. 분리막을 없애고 양극과 음극을 평면으로 동일 선상에 배열한 뒤 양극 간 격벽을 둬 튬이온 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 수있을 것으로 기대된다. 연구 결과는 나노과학분야 학술지 '나노 레터스'(Nano Letters) 2015년 3월 6일자 온라인 판에 실렸다.

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 2015년 4월 6일자로 발표했다.

향후 과제

플렉서블 배터리는 현재까지 등장한 것만으로도 큰 충격을 불러오기에 충분하다. 하지만 더 많은 디바이스에 다양하게 적용되려면 해결해야 할 과제도 많다. 먼저 제품의 '가성비'를 끌어올리기 위한 노력이 필요하다. 플렉서블 배터리는 일반 배터리 대비 에너지 밀도는 30% 정도 낮지만 가격은 더 비싸다. 이를 해결하기 위해 충분한 수의 수요처가 확보되고 플렉서블 배터리 양산 기술이 고도화되어야 한다.

내구성과 안정성도 중요하다. 플렉서블 배터리가 폴더블폰이나 스마트워치 등에 적용되려면 여러 번 구부러져도 성능에 변화가 없고, 전해질이 분출되는 등의 사고가 없어야 한다. 특히 인체에 밀접한 웨어러블 디바이스에 적용되려면 안정성 확보가 무엇보다 중요하다.

이와 같은 문제를 해결하고 플렉서블 배터리가 본격적으로 양산에 들어간다면, 컴퓨터, 스마트폰에서 전기자동차까지 다양한 분야에 새로운 변화가 나타날 것으로 기대된다. 플렉서블 배터리를 통해 우리가 사용하는 IT 기기가 어떠한 모습으로 진화할지를 다함께 지켜보자.

참고자료

• 〈기술 & 시장 분석 플렉서블 배터리 (Flexible Battery)〉, 《아이피데일리》, 2020-06-07
• 이철호 기자, 〈자유자재로 구부리는 배터리의 시대가 온다! 차세대 IT기기의 심장, 플렉서블 배터리〉, 《스마트PC사랑》, 2020-04-08
• SNE리서치, 〈SNE리서치 칼럼(2) 플렉서블 배터리 기술 동향〉, 《전자신물》, 2015-10-13
• 지디넷코리아, 〈삼성, 배터리도 접나... 폴도블 배터리 특허 출원〉, 《네이버블로그》, 2020-07-02

같이 보기

• 플렉서블 디스플레이
• 폴더블폰
• 스마트워치

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