배터리 기본 사항: 친환경으로의 전환

이 블로그를 읽고 계신 분들 중에 집에 항상 AA 배터리가 상비되어 있고, 디지털 카메라나 닌텐도 게임기에 이 AA 배터리를 사용했던 분들이 많으실 것입니다. 또 손목시계에 전력을 공급하기 위해 작은 동전형 전지 배터리를 구입한 적도 있을 것입니다. 지금도 우리 주변 어디에나 배터리가 있으며, 원격 제어 장난감, 화재 감지기, 노트북, 태블릿 및 스마트폰 등에 사용합니다. 또한 안전 폐기가 중요한 시장 추세에 따라 배터리의 새로운 응용 분야도 생겨나고 있습니다. CGM(연속적 포도당 모니터) 패치, 패키지 배송용 스마트 레이블 및 보안 PIN이 변경되는 디스플레이가 장착된 결제 카드 등이 모두 안전한 폐기가 최우선 과제인 새로운 배터리 응용 분야의 예입니다.

1차 전지 및 2차 전지

여기서 과거와 미래의 이야기를 한 이유가 무엇일까요? 위에서 만한 과거의 상황이나 새로운 제품에 대해 공감되는 부분이 있다면, 가장 대표적인 두 가지 배터리 유형인 1차 전지와 2차 전지에 대해 이미 알고 있다는 의미일 것입니다. 1차 전지는 충전할 수 없는 배터리입니다. 그 예로는 오래된 디지털 카메라에 사용되던 AA 배터리나 예전 시계에 사용되던 CR2032 동전형 전지를 들 수 있습니다. 이와 반대로 스마트폰의 리튬 이온(Li-ion) 배터리 등은 충전식입니다. 이렇게 충전할 수 있는 배터리를 2차 전지라고 합니다. 요약하자면 다음과 같습니다.

• 1차 전지: 충전 불가, 예: 알카라인 및 리튬 배터리
• 2차 전지: 충전 가능, 예: 리튬 이온(Li-ion), 니켈 카드뮴(NiCd), 니켈 수소합금(NiMH) 배터리 등

두 배터리 종류 모두 작은 크기에 비해 큰 전력을 내지만 전력 및 환경 문제에 관련된 약점이 있습니다. 예를 들어, 1차 전지 리튬 배터리는 충전식 리튬 이온 배터리에 비해 에너지 밀도는 더 높지만 한 번 사용하고 버려야 합니다(Sciencing). 또한 2차 전지는 충전이 가능하다는 점에서 처음에는 환경에 유익한 것으로 보이지만, 여러 번 충전되면 효율이 낮아지고 결국 버려야 합니다.

일회용 박막 배터리: 지속 가능한 대안

(이미지 출처: Molex)

배터리에는 다양한 종류와 하위 범주가 존재하지만, 최근 사물 인터넷(IoT), 웨어러블 및 환경 센서 시장에서 점점 더 큰 주목을 끌고 있는 배터리 분야는 구부릴 수 있는 인쇄된 박막 배터리입니다(IDTechEx). 여기서는 전고체 박막 배터리라고 하는 일반적인 종류의 연질 박막 인쇄 배터리를 중점적으로 살펴보겠습니다. 이름에 배터리 유형의 특성이 잘 나타나 있습니다. 전고체 배터리는 구조 내에 젤이나 액체가 없는 고체라는 의미입니다(Qnovo). 박막 배터리는 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(Sciencing). 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.

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

Molex 장점

사물 인터넷은 웨어러블 감지 장치 및 전동식 스마트 레이블과 같은 무선 전송 응용 제품을 확장하는 데 도움을 주고 있습니다. 그러나 대부분의 인쇄 배터리는 무선 데이터 전송에 필요한 피크 전류를 제공할 수 없습니다. Molex는 이러한 피크 전류 요구 사항을 충족하는 박막 배터리를 제공함으로써 이 과제를 해결합니다. 또한 Molex 배터리는 높이가 낮고, 유연하며 리튬 기반 화학 물질에 비해 안전하게 처분할 수 있습니다. Molex의 박막 배터리는 여러 고유한 특징과 이점을 가집니다. Molex는 동일한 평면에서 양극 및 음극을 제조할 수 있는 고유한 기술에 대한 라이선스를 보유하고 있습니다. 이 수직적 생성을 통해 내부 저항 및 실장 면적을 줄일 수 있습니다. 리튬 기반 전원에 대한 부정적 견해는 부주의하게 다뤄질 경우 자체 점화의 위험이 있다는 것입니다. 이에 반해, Molex 박막 배터리는 일반적인 보관 및 작동 조건에서 안정적입니다. 이 배터리는 안전하다고 간주되며 일반 폐기물과 함께 처분할 수 있습니다. 또한 유사한 화학 물질의 배터리에 비해 더 높은 피크 전류 및 가용 용량을 제공합니다. 이는 데이터를 무선으로 감지하거나 전송하는 장치에 중요한 측면입니다. 이 배터리는 얇고 유연한 폼 팩터 덕분에 곡면에서 휘어질 수 있으므로 다양한 제품에 적합하고 설계 유연성을 향상시킵니다. 마지막으로, 이 배터리는 1.5V 및 3V 구성으로 제공되며, 위의 특징들로 인해 저전력, 일회용 응용 제품에 이상적입니다.

박막 배터리 작동

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. 태그는 신용 카드 크기 정도이며 표준 프린터 용지보다 약간 두껍습니다. 이는 온도에 민감한 제품을 위한 콜드 체인 물류 관리 업체에서 사용됩니다. 이러한 스마트 온도 태그는 RFID, 지능형 온도 감지 및 인쇄된 박막 배터리를 비롯한 기술 조합을 활용하여 제품 운송 및 보관 도중 시간과 온도를 정확하게 추적합니다(Enfucell).

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(Enfucell). 피부에 패치를 놓으면 즉각적으로 전류 루프가 생성되어 마스크의 활성 전극이 피부를 자극해 미용 효과가 생깁니다(Enfucell). 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(Enfucell). 일회용 박막 배터리의 의료 응용 분야로는 환자 진단, 치료 및 모니터링 장치가 포함됩니다.

지난 200년 동안 전 세계에서 매일 사용하는 수많은 장치 및 응용 제품에 전원을 공급하기 위해 다양한 종류의 배터리가 개발되어 왔습니다. 최근 기업들은 환경과 인간에게 안전하며 지속 가능하고 풍부한 소재로 제조된 배터리를 개발하기 시작했습니다. 아연 마그네슘 이산화물과 같은 유기 화학 물질 및 관련 화학 물질로 제조된 인쇄된 연질 박막 필름(동영상 참조)은 친환경적인 배터리의 미래를 보여 주는 증거입니다. 산업, 사물 인터넷, 소비자 가전 및 의료와 같은 시장 분야에서는 이미 박막 배터리로 전원이 공급되는 제품의 실험과 제조에 성공하고 있습니다. 이러한 배터리의 용량과 제조 효율을 높이기 위해서는 보다 많은 개발이 필요하지만, 개발자들은 박막 배터리를 사용할 수 있는 분야에 대해 계속적으로 신중히 고려해야 합니다.