환경에 대한 영향을 줄이기 위한 전자 부품 산업의 노력

전자제품 산업은 환경에 영향을 주어 왔고 계속해서 발전함에 따라 앞으로도 계속해서 영향을 주게 될 것입니다. 긍정적인 측면은 발전, 조명, 모터 제어기, 센서, 기타 다양한 응용 제품 사용이 증가함에 따라 에너지 효율과 환경 모니터링 및 관리 기능이 크게 향상되었다는 점입니다. 부정적인 측면은 전자제품이 확산됨에 따라 쓰레기 매립지에 전자 폐기물이 크게 늘고, 에너지 사용이 증가하고, 유해 물질이 환경으로 배출된다는 점입니다. 하지만 이 문제를 방지하고 전자제품 혁신을 향한 발전을 계속하려면 어떻게 해야 할까요? 업계에서는 해결책을 찾기 위해 여러 새로운 아이디어와 트렌드를 탐구하고 있습니다.

저전력 소비

환경 영향과 지속가능성과 관련된 새로운 트렌드 중 하나는 전력 소비 절감에 대한 요구입니다. 사람들이 평소 배터리 구동 장치를 5 ~ 6개씩 지니고 있는 것은 드문 일이 아닙니다. 휴대 전화, 스마트 워치, 랩톱, 태블릿, 스마트 헤드폰 등을 생각해 보십시오. 이 분야에서 전반적으로 나타나는 트렌드는 이러한 장치의 전력 요구사항을 지속적으로 낮추기 위한 노력입니다. 전력 소비를 절감하면 배터리와 장치의 크기가 작아집니다. 장치 전력 절감 시 또 다른 이점은 충전 또는 배터리 교체 사이의 시간이 길어진다는 것입니다.

배터리 충전식 방식이 트렌드로 떠오르고 있습니다. 배터리 화학 성분에는 배터리 수명을 최대화하고, 특히 잘못된 방식으로 충전하는 경우 일부 화학 성분은 폭발하는 것으로 알려져 있기 때문에 안전을 유지하기 위한 고유한 충전 프로파일이 필요합니다. 충전 주기 중 폐쇄 루프를 통한 배터리 온도, 전압, 전류 모니터링, 변수 조정이 필요하기 때문에 충전은 정밀한 응용 분야가 되었습니다. 또한 올바른 방식으로 충전하면 배터리 기대 수명이 연장됩니다. 새로운 화학 성분이 개발되면서 이러한 충전 정밀화 트렌드가 지속될 것으로 보입니다. 배터리 수명이 연장되면 장치를 더 오래 사용할 수 있어 결국 매립지의 전자 폐기물이 감소합니다.

많이 사용되지만 배터리만큼 널리 사용되지는 않는 친환경 유기 에너지 저장 기술은 슈퍼 커패시터입니다. 용량이나 장기 저장 용량이 기존 배터리에는 미치지 못하지만 기존의 충전용 배터리보다 충전 속도가 훨씬 빠르고 훨씬 많은 재충전 주기에 걸쳐 사용할 수 있습니다. 슈퍼 커패시터에는 보통 몇 주 단위의 자기 방전 시간이 있기 때문에 잠재적인 응용 분야에서는 이 점을 고려해야 합니다. 현재 여러 제조업체에서 슈퍼 커패시터를 제공하며 그림 1은 KEMET의 슈퍼 커패시터 패키지 옵션입니다. 배터리 대신 커패시터를 사용하는 장치는 일반적인 주변광을 사용하여 충전할 수 있습니다. 이로 인해 장치는 천연 에너지 수확기가 되어 빛을 에너지원으로 사용하여 커패시터를 충전함으로써 충분한 양의 에너지를 제공합니다. 동작, 시차열, 빛이 현재 가장 널리 사용되는 에너지 수확 형태일 것입니다.

그림 1: 다양한 KEMET 슈퍼 커패시터 패키지 형식 (이미지 출처: KEMET)

에너지 수확

에너지 수확은 에너지가 태양광 전력, 열에너지, 풍력 등의 외부 에너지원에서 에너지가 발생하고 포집되어 저장되는 과정입니다. 일반적인 응용 분야는 웨어러블 장치와 무선 센서 네트워크에서 사용되는 장치와 같은 소형 무선 자율 장치입니다. 그림 2는 소형 저전력 전자 장치 구동에 흔히 사용되는 Littelfuse IXOLAR™ 태양광 전지입니다.

그림 2: Littelfuse IXOLAR™ 소형 태양광 전지 (이미지 출처: Littelfuse)

에너지 수확의 시작은 풍차와 물레방아로 거슬러 올라가지만 새로운 에너지 수확 장치를 찾으려는 노력은 배터리 없이 센서 네트워크와 모바일 장치를 구동하고자 하는 열망에서 시작됩니다. 사용이 널리 그리고 점점 증가하는 사례는 배터리 교체 서비스가 어렵고 비용이 많이 드는 분야에서 사용되는 원격 센서 구축입니다. 또한 기후 변화와 지구 온난화 문제 해결을 위해 에너지 수확에 대한 관심이 높아지고 있습니다.

DigiKey는 다양한 유형의 에너지 수확 평가와 데모 기판 및 개별 전력 관리 칩을 제공합니다. Power Film의 실내 태양광 키트(그림 3)는 완전한 솔루션을 보여주며 실내 태양광 패널, 에너지 수확 및 저장 전력 관리 평가 기판, 충전용 배터리를 포함합니다. 평가 기판은 Nordic의 nRF52832 BLE 모듈 및 Texas Instruments의 BQ25570 에너지 수확/전력 관리 IC를 결합합니다.

그림 3: Power Film 실내 태양광 키트 (이미지 출처: Power Film)

일회용 박막 배터리

또 다른 지속 가능한 대체 옵션은 전고체 박막 배터리로 알려진 연성 인쇄 박막 배터리입니다. 전고체 배터리는 구조 내에 젤이나 액체가 없는 고체라는 의미입니다. 매우 얇은 층이나 필름 형태의 소재로 설계 및 제조되며, 이 얇은 설계 덕분에 구부리는 것이 가능하여 웨어러블 감지 시장에서 큰 주목을 받고 있습니다. 이러한 전고체 박막 배터리의 대다수는 얇은 두께와 유연성이라는 시장의 요구 사항을 충족하지만, 여전히 리튬 기반 화학 물질이나 기타 화학 물질로 제조되어 환경에 유해할 가능성이 있습니다.

매년 버려지는 많은 양의 배터리를 고려하면 특정 배터리의 사용량과 독성은 문제가 될 수 있습니다. 노트북이나 스마트폰과 같은 전자 장치의 수요가 증가하면서 매년 발생하는 폐기물에서 차지하는 비율도 커졌습니다. 배터리는 일반적으로 생분해성이 아니므로 부주의하게 버릴 경우 독성 물질이 노출되어 화학 물질이 땅에 스며들 수 있습니다. 이제 많은 국가에서 배터리 폐기에 대한 규정을 만들고 재활용 프로그램을 제안하고 있습니다. 이러한 프로그램은 배터리에서 금속을 재활용하며 배터리 폐기가 환경에 미치는 부정적 영향을 최소화하는 데 도움이 될 수 있습니다. 미국 환경 보호국은 전자제품의 지속가능한 관리를 위한 다양한 이니셔티브와 프로그램이 있는 웹사이트를 운영합니다.

배터리 폐기 규정은 사물 인터넷에 연결되는 장치가 많아지고 전력 수요가 높아지는 추세와 결합되어, 많은 기업이 위험한 배터리 화학 물질 대신 안전하고 지속 가능한 대안을 모색하게 되었습니다. Molex의 박막 배터리 라인은 이러한 솔루션 중 하나입니다(그림 4). 이 배터리는 리튬 배터리와 달리 아연 이산화망간 화학 물질로 설계되며 최종 사용자의 사용과 폐기에 더 안전하고 편리합니다.

그림 4: Molex 박막 배터리 (이미지 출처: Molex)

실제 사용 사례를 보면 작은 크기, 유연성, 폐기 편의성 및 작은 실장 면적과 같은 특징이 장점이며, 박막 배터리 시장은 지속적 성장이 예측되는 응용 분야입니다. 한 가지 흥미로운 사용 사례는 초고주파(UHF) 스마트 온도 태그에서의 박막 배터리 활용입니다. 태그 크기는 신용 카드 크기 정도이며 표준 프린터 용지보다 약간 두껍습니다. 이는 제약 제품, 변질성 제품 및 꽃과 같이 온도에 민감한 제품을 위한 콜드 체인 물류 관리 업체에서 사용됩니다. 이 스마트 온도 태그는 무선 주파수 식별(RFID), 지능형 온도 감지 및 인쇄된 박막 배터리를 조합하여 제품 운송 및 보관 도중 시간과 온도를 정확하게 측정합니다.

또한 소비자 가전, 화장품 및 의료 시장에서도 박막 배터리의 사용을 실험 중입니다. 소비자 가전 및 화장품 시장이 교차되는 분야는 전기 아이 마스크 응용 분야입니다. 이 마스크에는 연질 인쇄된 배터리, 전극, 접착 테이프 및 커버 시트로 구성된 미세전류 장치가 적용됩니다. 피부에 패치를 놓으면 즉각적으로 전류 루프가 생성되어 마스크의 활성 전극이 피부를 자극해 미용 효과가 생깁니다. 박막 배터리의 다른 소비자 가전 시장 응용 분야로는 골프 클럽 헤드 측면에 부착하여 가속도와 각 속도를 측정하는 저에너지 Bluetooth(BLE) 센서 패치를 포함한 웨어러블 전자 장치 및 스포츠 모니터링 장치가 있습니다. 일회용 박막 배터리의 의료 응용 분야로는 환자 진단, 치료 및 모니터링 장치가 포함됩니다.

지난 수십 년 동안 전 세계에서 매일 사용하는 수많은 장치 및 응용 제품에 전력을 공급하기 위해 다양한 종류의 에너지원과 배터리가 개발되어 왔습니다. 최근 기업들은 환경과 인간에게 안전하며 지속 가능하고 풍부한 소재로 제조된 커패시터와 배터리를 개발하기 시작했습니다. 자연 발생 에너지 수확은 여러 기업이 탐색하고 있는 또 다른 지속가능한 방식입니다. 산업, 사물 인터넷, 소비자 가전 및 의료와 같은 시장 분야에서는 이미 박막 배터리, 슈퍼 커패시터, 에너지 수확 장치로 전원이 공급되는 제품의 실험과 제조에 성공하고 있습니다. 이러한 방식의 용량과 제조 효율을 높이기 위해서는 보다 많은 개발이 필요하지만, 개발자들은 향후 이러한 방식을 사용할 수 있는 분야에 대해 지속적으로 신중히 고려해야 합니다.