특별기획 - 웨어러블 컴퓨터를 위한 배터리 개발 동향
모바일 시대의 전원으로서 심장 역할을 하는 배터리는, 우리에게 곧 다가올 신개념 스마트 전자기기인 웨어러블 컴퓨터에서 또 한번의 중요한 역할이 기대되고 있다.
그러나, 다른 요소 기술들에 비해 개발 수준이 많이 뒤쳐져 있어, 현재로서는 오히려 웨어러블 일렉트로닉스의 발전을 더디게 하는 기술적 난제로 여겨지고 있다.
본 글에서는, 배터리 구성 및 작동 원리에 대한 간략한 소개와 함께 웨어러블 컴퓨터용 배터리의 요구 특성 및 기술적 한계 극복을 위한 최신 연구 개발 동향을 살펴보고자 한다.
웨어러블 컴퓨터용 배터리의 핵심 기술
키워드: 플렉시빌리, 안전성, 고에너지 밀도
배터리는 충전(charge)하여 재사용이 가능할 수 있는지 여부에 따라, 일차 전지 (Primary Battery) 및 이차 전지(Secondary Battery)로 구분된다.
이차 전지들 중에서 가장 큰 주목을 받고 있는 것은 리튬이온이차전지(Lithiuim-ion Secondary Battery, 이후로는 “배터리”로 칭함)로서, 기존의 휴대폰 및 노트북용 전원은 물론 향후 전기자동차 및 스마트 그리드용 전력저장장치 등에 이르기까지 다양한 산업 분야의 에너지 원으로 사용될 것으로 기대되고 있다.
전지의 작동원리는, 전지 내부에서 전해액(Liquid Electrolyte)에 녹아 있는 리튬 이온이 양극(Cathode)과 음극(Anode) 사이를 움직이면서 전기화학반응을 유도하여 생성시킨 전자의 흐름을 전기에너지로 이용하는 것이다(< 그림 1 > 참고).
현재 상업화된 배터리는, 도시락 통과 같은 정해진 케이스에 필름 형태의 양극/분리막/음극을 서로 포개어 모은 후 전해액을 주입하여 제조한다.
그러나, 이와 같이 정형화된 구조의 배터리는 물리적 유연성이 매우 부족하기 때문에 웨어러블 컴퓨터에서 요구하는 디자인 다양성을 충족시키기에 많은 한계점을 보이고 있다.
따라서, 형태 변형이 자유로우며 복잡한 모양의 전자 기기에도 쉽게 적용될 수 있는 플렉서블(Flexible) 배터리 개발이 필요한 상황이다(< 그림 2 > 참고).
한편, 기존의 배터리는 열에 취약한 전해액 및 분리막을 사용함으로 인해 발열 또는 폭발이 발생하는 등 안전성(Safety)에 취약한 문제가 있어, 심한 모양 변형이 요구되는 웨어러블 컴퓨터용 배터리로 적용되기 위해서 이러한 안전성 문제를 해결하는 것이 필수적이다.
이와 함께, 최근 출시를 앞둔 구글글래스의 경우 배터리 사용 시간이 3~5시간 정도로 보고되면서, 플렉서블 배터리에 요구되는 디자인 유연성 및 안전성 개선과 함께 장시간 작동을 위한 고에너지 밀도 확보가 선결 과제로 대두되고 있는 상황이다.
웨어러블 컴퓨터용 플렉서블 배터리 개발
동향
웨어러블 컴퓨터용 플렉서블 배터리 개발은, 앞서 언급한 핵심 개발 키워드인 유연성, 안전성 및 고에너지밀도 달성을 위한 연구에 초점이 맞추어져 있으며, 특히 전극 및 전해질 중심의 전지 소재연구들이 주류를 이루고 있다.
이와 함께, 기존의 평면 구조 전지 형태가 아닌 케이블 형태의 전지 및 물리적 연신/수축이 가능한 스트레쳐블 전지 (stretchable battery) 등 전지의 디자인 다양성 확보를 위한 연구들도 활발히 진행되고 있다.
(1) 전지 소재 연구
기존 배터리에 사용되는 전극 소재는 웨어러블 컴퓨터용 배터리에 필요한 유연성 및 고에너지밀도를 충족시키기에 많은 문제점들을 보이고 있다.
이러한 기술적 한계 극복을 위한 연구들 중 주목할만한 내용들은, 나노(Nano) 전극 소재 합성 및 신개념 집전체 (Current Collectors) 기반 3차원 구조 전극 개발이다.
특히, 심한 형태 변형이 요구되는 플렉서블 배터리에서는, 전극 구성 물질의 탈리 등 물리적 손상이 발생할 가능성이 높으며, 이에 대한 해결 방안으로 탄소나노튜브(Carbon Nanotubes) 및 그래핀(Graphenes)을 이용한 플렉서블 전극 연구들이 보고되고 있다(< 그림 3 > 참고).
한편, 항상 착용하는 웨어러블 컴퓨터의 특성상, 전지의 안전성 이슈는 사용자 관점에서 시급히 해결되어야 할 중요한 기술적 사안이다.
특히, 기존 전지에 사용 중인 액체전해질 및 분리막은 이러한 전지 안전성 문제를 야기시키는 주요 원인으로 여겨지고 있으며, 이러한 문제를 해결하기 위한 새로운 시도로서 고분자전해질 (polymer electrolytes) 연구가 각광을 받고 있다.
최근에, 기존 전해액과 유사한 수준의 성능을 보이면서도 안전성 및 유연성이 크게 개선되었으며, 또한 프린팅 (printing) 특성까지 확보된 플렉서블 고분자전해질 개발이 국내 연구진에 의해 세계 최초로 보고되었다(< 그림 4 > (a) 참고).
한편, 다공성 지지체 및 고내열성 전해질 조합을 이용한 초박막 플렉서블 고분자전해질 연구가 발표되었으며, 이러한 고분자전해질을 적용한 전지는 구겨진 상태에서도 정상적으로 작동하는 특성을 보였다(< 그림 4 > (b) 참고).
(2) 플렉서블 배터리의 디자인 다양성 확보
플렉서블 배터리의 디자인 연구개발과 관련되어 주목할만한 결과로서, LG화학에서 최근발표한 케이블형 플렉서블 배터리를 소개한다(< 그림 5 > 참고).
이 배터리는 매듭을 만들 수 있을 정도의 유연성이 확보되었으며, 케이블 형태 특성상 배터리를 목걸이처럼 만들 수 있고 더 나아가서는 직물 형태로 짜서 옷처럼 제조할 수도 있을 것으로 기대되고 있다.
이 외에도, 옷감에 직접 전지 소재를 도포하여 소위 “Smart Garment”라는 배터리를 제조하는 연구 결과들이 보고되는 등, “배터리”와 “섬유”의 융합을 통한 신개념 배터리 개발이 큰 주목을 받고 있다(< 그림 6 > (a) 참고).
이와 함께, 물리적 연신 및 수축이 가능한 소위 “스트레쳐블 전지”에 대한 연구도 전 세계적으로 큰 관심을 끌고 있다(< 그림 6 > (b) 참고).
플렉서블 배터리: 웨어러블 시대의 도래를
견인하는 에너지원
지금까지, 배터리에 대한 기본 구조 및 작동 원리에 대한 이해를 토대로, 웨어러블 컴퓨터용 배터리에 요구되는 주요 특성 및 최신 연구 결과들을 중심으로 한 기술 개발 동향을 살펴보았다.
결론적으로, 웨어러블 컴퓨터용 배터리 개발의 핵심 키워드는, “플렉서빌리티”, “안전성”, “고에너지밀도”로 압축될 수 있다.
이러한 기술적 난제를 해결하기 위해, 신규 전지 소재 및 디자인 구현 측면에서 다양한 연구들이 전 세계적으로 활발히 진행되고 있다.
그 동안 우리가 향유했던 모바일 시대의 전원으로서 중요한 역할을 수행해 온 배터리는, 안전성 및 에너지밀도가 향상된 플렉서블 배터리의 기술 혁신을 통해 웨어러블 시대의 도래를 견인하는 에너지원으로서 다시 한번 인류 사회에 큰 기여를 할 것으로 기대된다.
