재료 과학
스크린은 이제 구부릴 수 있다 – 배터리는 왜 안 될까?
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올해 모바일 월드 콩그레스에서 가장 많이 논의된 매력 포인트 중 하나는 Motorola의 구부릴 수 있는 전화 컨셉. 이 전화는 손목에 감쌀 수 있었습니다.
완전 유연한 전화 화면은 이미 꽤 오랫동안 존재했지만, Motorola의 컨셉 전화—구부릴 수 있는—는 차원이 달랐습니다.
이것은 카메라가 달린 전체 크기의 유연한 스마트폰일 뿐만 아니라, 착용자의 옷차림에 맞는 색상 조합을 10초 안에 만들어낼 수 있는 온보드 생성 AI를 탑재하고 있었습니다.
구부릴 수 있는 전화가 늘어나고 있는 가운데, 오늘은 배터리를 둘러싼 상황을 논의해 보겠습니다. 질문은, 화면이 이제 구부릴 수 있다면 배터리는 왜 안 될까요?
최근 연구에서 ACS Energy Letters의 연구원들은 전해질 층이 최대 5000%까지 팽창할 수 있는 완전히 신축 가능한 부품을 포함한 리튬 이온 배터리를 보고했습니다.
이 배터리의 좋은 점은 신축성 특성이 배터리의 성능에 영향을 주지 않는다는 것입니다, 배터리는 약 70회의 충·방전 사이클 후에도 충전 저장 용량을 유지할 수 있기 때문입니다.
아래 섹션에서는 이 배터리의 특성을 더 자세히 살펴보겠습니다.
구부릴 수 있고 신축 가능한 배터리로 전자 기기에 동일한 특성을 부여하다
현재 연구는 이 분야에서 획기적인 진전으로 나타났습니다. 지금까지 구부릴 수 있고 신축 가능한 배터리를 만들려는 시도는 직조된 전도성 섬유나 확장 가능한 형태로 접힌 강성 부품을 활용하려 했으며,그것은 일본 종이접기 예술인 오리기에서와 같이 수행됩니다.
하지만 이 기술에는 문제가 있습니다. 진정으로 가단성 배터리는각 부품이 탄력적이어야 하며, 여기에는 전하를 수집하는 전극과 중간 전해질 층의 전하 균형 부품이 포함됩니다.
하지만 지금까지 본 프로토타입 중 어느 것도 완전한 탄성을 갖추고 있지 않습니다. 대신, 중간 정도의 탄성을 가지고 복잡한 조립 과정을 필요로 하며, 특히 반복적인 충·방전을 장기간 사용할 경우 제한된 에너지 저장 용량으로 인해 더욱 제약됩니다.
충전 효율 저하 문제는 전해질 층과 전극 사이의 약한 연결에서 비롯됩니다. 또한, 액체 전해질은 불안정해져 배터리 형태가 변할 때 움직일 수 있습니다.
팀은 이러한 문제들을 조사하고 해결책을 마련했습니다.
완전 탄성을 달성하기 위한 혁신적인 솔루션
팀은 전해질을 폴리머 층에 사용하는 것을 생각했습니다 두 개의 유연한 전극 필름 사이에 융합시켜 완전히 고체이며 신축성 있는 배터리를 만들었습니다.
전극을 위해 팀은 은 나노와이어, 카본 블랙, 리튬 기반 양극 또는 음극 물질을 포함한 전도성 페이스트의 얇은 필름을 판 위에 펼치는 전략을 고안했습니다.
다음으로, 그들은 일반적으로 콘택트 렌즈에 사용되는 유연한 소재인 폴리디메틸실록산 층을 페이스트 위에 적용했습니다.
마지막으로, 모든 것 위에 연구원들은 고전도성 액체인 리튬 염과 신축성 폴리머를 만들기 위한 성분들을 적용했습니다.
이러한 층이 여러 겹으로 쌓여 빛에 의해 활성화되면, 구성 요소들이 결합하여 고체이면서 고무 같은 층을 형성하고, 원래 길이의 5000%까지 신축되면서도 리튬 이온 전달에 문제가 없습니다.
전체 장치는 보호 코팅으로 밀봉되었습니다, 그리고 앞서 언급한 바와 같이 스택에는 추가적인 전극 필름 층이 포함되었습니다.
연구원들은 동일한 목적을 달성하려는 시장에 나와 있는 기존 솔루션과 그들의 해결책을 비교했습니다. 비교 결과는 다음과 같습니다:
새로운 고체, 신축성 배터리 설계와 전통적인 액체 전해질로 구동되는 장치 간 비교
- 새 버전은 빠른 충전 속도와 함께 평균 충전 용량이 6배 더 높았습니다.
- 새로운 솔루션은 67회의 충·방전 사이클 동안 향상된 안정성을 유지할 수 있었습니다.
- 폴리머 전해질은 1000 사이클 동안 안정적으로 작동했으며, 처음 30 사이클에서 용량이 1% 감소했습니다. 반면 액체 전해질 솔루션에서는 감소율이 16%에 달했습니다.
연구원들은 아직 달성해야 할 것이 많지만많은 것이 남아있다, 이 연구와 그 결과는 신체와 함께 구부러지고 움직이는 착용형 또는 이식형 장치를 만드는 데 있어 매우 긍정적이고 유망한 진전이라고 믿습니다.
연구 기관은 언제나 산업이 시간에 따라 진화하도록 선구적인 역할을 하지만, 모든 혁신이 실제 적용에 적합한 것은 아닙니다. 혁신은 적용 가능성을 가져야 하며, 또한대규모 운영 모델에서 채택되기에 적합해야 합니다.
2019년에, 다른 연구팀 Johns Hopkins 응용 물리 연구소는 절단, 침수, 그리고 모의 탄도 충격과 같은 극한 조건에서도 작동할 수 있는 유연한 리튬 이온 배터리를 개발했습니다. 연구원들은 또한 배터리가 불연성임을 보장했습니다.
“Water-In-Salt” 및 “Water-In-Bisalt” 전해질을 이용한 유연한 불연성 배터리
연구원들은 새로운 통찰을 제공했습니다 새로운 종류의 “water-in-salt”와 “water-in-bisalt” 전해질—WiS와 WiBS라고 불리며—이를 폴리머 매트릭스에 통합하면 물 활성도를 감소시키고 배터리의 에너지 성능과 수명을 향상시킬 수 있습니다.
동시에, 이 메커니즘은 배터리 시스템을 인화성, 독성 및 고반응성 용매로부터 해방시켰습니다이들에 존재하는. 그 결과는형태의 안전하고 강력한 유연한 배터리였습니다.
APL 연구 및 탐색 개발 부서의 Konstantinos Gerasopoulos에 따르면, 그는 또한 연구를 이끌었습니다:
“리튬 이온 배터리는 이미 우리 일상 생활, 휴대폰부터 자동차까지 지속적으로 존재하고 있으며, 그 안전성을 지속적으로 향상시키는 것이 에너지 저장 기술을 더욱 발전시키는 데 가장 중요합니다.”
연구의 중요성을 설명하며 그는 말했습니다:
“우리의 최신 논문은 개방된 공기 중에서도 제작 및 작동이 가능한 수 기반 유연한 폴리머 리튬 이온 배터리의 사용성 및 성능 향상을 보여줍니다.”
진행 중인 연구가 많은 돌파구를 제공하는 동안, 일부 기업은 전자 제품용 유연한 배터리 제조에 꾸준히 참여하고 있습니다.
#1. Samsung
4년 이상 전, 세계 지식재산권 기구(WIPO) 데이터베이스에 추가된 특허는 Samsung은 폴더블 배터리를 개발했습니다와 같은 유형의 전화를 구동하기 위해 설계되었습니다. 특허받은 배터리는 설계되었으며 유연한 연결부를 통해 하나의 셀이 다른 셀과 연결될 수 있는 층을 가지고 있습니다. 이 유연한 연결은 장치의 힌지 부분을 가로질러 두 개의 별도 고체 배터리 필요성을 없앴습니다.
보고에 따르면, 특허는 회사의 Galaxy Fold 시리즈에 맞는 배터리 제조와 관련되었습니다. 배터리 솔루션의 성공은 회사가 두 개의 별도 기존 부품을 제조하는 데 신경 쓸 필요가 없음을 의미했습니다. 대신, 연결된 중앙 스트립 덕분에 하나의 셀이 장치 힌지를 통해 다음 셀로 흐를 수 있었습니다.
특허는 힌지가 “기본 재료”, “혼합 층”, 그리고 “절연 분리체”로 구성된다고 주장했습니다. 전문가에 따르면, 이 메커니즘은 셀 내 활성 전하층이 상호 작용하도록 허용하면서 통합 보호 회로 모듈(PCM)을 통해 전화에 전원을 공급하고 메인 보드에 연결할 수 있게 했습니다.
Samsung Galaxy Z Fold 6은 이미 시장에 출시되어 Samsung의 폴더블 배터리 기술이 성공했음을 의미합니다. 이 전화는 7.6인치 대형 OLED 디스플레이를 탑재했으며 5G(이 경우 T-Mobile)에서 지속적인 웹 서핑을 지원하고, 화면 밝기는 150니트로 설정됩니다.
기기 리뷰에 따르면, 이 장치는 네 번의 테스트에서 평균 10시간 35분을 기록했으며, Google Pixel Fold(10:21)보다 배터리 지속 시간이 길었지만 OnePlus Open(11:31)보다 짧았습니다.
Fold 시리즈의 배터리 성능에 대한 의견을 제시하면서, 리뷰어는 간략히 다음과 같이 말했습니다:
“일상 사용에서 Z Fold 6은 꽤 강한 배터리 수명을 제공한다고 느꼈습니다. 혼합 사용 시 배터리 표시기가 보통 오후 8시까지 20%~25% 정도로 떨어지며, 그때 충전기를 찾게 됩니다. 하지만 여행 중이거나 Slack을 지속적으로 사용할 때는 배터리 지속 시간이 더 길었으면 좋겠습니다.”
전반적으로, Samsung의 폴더블, 유연하거나 구부릴 수 있는 전화 배터리 분야 진출은 성공이라고 할 수 있으며, 언제나 그렇듯 개선 가능성도 있습니다.
재무적으로, Samsung Electronics는 최근 2024년 1분기 실적을 발표했으며, 다양한 부문에서 큰 성장을 보였습니다. 회사는 71.92조 원(520.8억 달러)의 연결 매출을 달성했으며, 이는 전년 동기 대비 13% 증가한 수치입니다. 영업 이익은 6.61조 원(47.8억 달러)으로 933% 급증했으며, 이는 주로 메모리 칩 및 스마트폰 부문의 강력한 판매에 기인합니다. 스마트폰 부문은 Galaxy S24 시리즈가 매출 및 영업 이익에 크게 기여했습니다.
#2. Jenax
배터리 구부릴 수 있음 또는 신축성 분야에서 선구적인 작업을 수행하고 있는 또 다른 회사는 Jenax입니다. 그들의 가장 혁신적인 대표 제품 중 하나는 J.Flex, Jenax의 혁신적이고 유연하며 고체 상태의, 빠른 충전이 가능한 충전식 리튬 이온 배터리.
회사는 이 제품이 전력을 희생하지 않고 완전히 구부러지고 장치와 함께 움직일 수 있다고 주장합니다. 적용 분야로는 IT 웨어러블, 건강 및 피트니스 웨어러블, 패션, 군사 등 광범위한 영역을 포괄합니다.
J.Flex 배터리는 구부리거나 말아 차세대 장치의 유연성을 향상시킬 수 있습니다. 지속적인 동적 굽힘에도 불구하고, 구부리지 않은 기준 수준과 동일한 효율과 용량을 유지합니다.
J.Flex는 디자이너가 이제 주저 없이 새로운 형태와 크기를 만들 수 있도록 맞춤화를 지원하며, 이전에는 불가능했던 디자인도 성능을 희생하지 않고 구현할 수 있습니다. 또한 배터리는 모든 적용 분야의 안전성을 보장하기 위해 국제 표준을 준수합니다.
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배터리를 구부리듯이: 배터리 구부릴 수 있음의 미래 트렌드.
이 분야에서 진행 중인 연구량이 많아 성장 가능성이 높아지고 있습니다. 기업들은 전자 기기 디자인에 점점 더 혁신을 도입하고 있습니다. 새로운 미학을 상상하며, 궁극적으로 기기를 구동할 배터리의 구부릴 수 있음, 신축성, 유연성 특성에 대한 수요를 창출하고 있습니다.
우리는 이미두 가지 연구를 살펴보았으며 이 연구들은 앞으로 나아가고 있으며, 오늘 논의를 마무리하면서다음 연구를 살펴볼 것입니다 또 다른 연구는많은 응용 가능성을 가지고앞으로. University of Houston 연구팀은 설계 및 개발했습니다 완전 신축성 직물 기반 리튬 이온 배터리 프로토타입을.
연구원들은 전도성 은 직물을 플랫폼 및 전류 수집체로 사용했으며, 이는 돌파구가 되었습니다. 연구가 달성한 바와 그 의미를 설명하면서, UH의 기계공학 교수인 Haleh Ardebili는 다음과 같이 말했습니다:
“신축성 배터리를 신축성 장치 및 의류와 통합하는 것이 자연스러운 다음 단계처럼 보였습니다. 노트북이나 휴대폰을 주머니에 접거나 구부리거나 늘리는 것, 혹은 우리의 옷에 내장된 인터랙티브 센서를 사용해 건강을 모니터링하는 것을 상상해 보세요.”
이 연구는 일상 생활에서 배터리 사용의 새로운 영역을 열 가능성을 제공할 뿐만 아니라, 그때까지 존재했던 근본적인 단점을 바로잡았습니다: 경직성 문제. Johns Hopkins 2019 연구와 마찬가지로, UH 연구원들은 경직된 리튬 이온 배터리 전극을 고체 폴리머 전해질 웨어러블, 직물 기반, 유연하고 신축성 있는 전극으로 변환했습니다.
Ardebili에 따르면:
“배터리 전극은 전자와 이온 모두의 이동을 허용해야 합니다.”
이 요구는 효율적으로 충족될 수 있습니다 직조된 은 직물을 사용함으로써, 이는 기계적으로 변형되거나 신축될 수 있으면서도 배터리 전극이 원활히 작동하는 데 필요한 전기 전도 경로를 제공합니다.
배터리 기술이 아직 초기 테스트 단계에 있었지만, 연구원들은 스마트 우주복, 사람의 건강을 모니터링하는 의류에 내장된 소비자 전자기기, 그리고 다양한 수준에서 인간과 상호작용하는 장치에 적용될 가능성을 충분히 상상했습니다. 하지만 모든 발명품과 마찬가지로, 이 기술의 실현 가능성은 제조 규모 확대, 비용 구조 관리 및 유사한요인에 달려 있었습니다.
앞으로는 스마트폰에 더 많은 혁신이 나타날 것이며, 또 다른 성장 분야는 건강 및 피트니스를 목표로 하는 웨어러블 기술입니다. 패션 및 액세서리에도 전자 요소가 통합될 것입니다.
이 모든 것이 신축성 배터리에 대한 수요 증가로 이어질 것이며, 연구원들은 산업 전반에 걸쳐 그들의 기술 채택이 늘어나는 것을 보게 될 것입니다. 그러나 제조 시 안전성, 내구성 및 성능 측면을 잊어서는 안 됩니다.
