▲ “아직은 박막 배터리 제품이 상용화되지는 않았지만 조만간 출시될 것이다.박막 배터리와 RFID 디바이스가 결합된 제품 역시 제공될 것이다”빌 프리스마이어, Cymbet
얇은 것을 생각하라. 이것은 배터리 연구원인 존B.베이츠의 모토이다. 현재 차세대 배터리 개발업체 오크 리지 마이크로-에너지(Oak Ridge Micro-Energy)의 최고 기술 책임자(CTO)로 재직 중인 베이츠는 박막(thin-film) 배터리 연구 분야의 선두 주자이다. 미국 에너지국의 ORNL(Oak Ridge National Laboratory)에서 세라믹 박막 그룹을 이끌었던 베이츠는 액티브 RFID 태그와 무선 센서 등 다양한 단말기의 전력원으로 유망한 박막 리튬 및 리튬 이온 배터리 개발 전문가이다. 그는 "박막 배터리는 센서와 RFID 등을 포함해 소비자 및 산업용 제품의 전력원으로 폭넓게 사용될 수 있다"면서, "이미 상용화에 대한 가능성을 입증한 바 있다"고 말했다.
차세대 배터리가 RFID에 '안성맞춤'
딱딱한 금속 튜브나 박스, 디스크로 된 배터리에 익숙한 사람들이라면 박막이나 인쇄된 형태의 배터리(printed battery) 등 새로운 얇은 형태의 전력 공급원은 거의 '마법'처럼 보일 것이다. 얇고 유연하며 가벼운 이 새로운 배터리들은 태그나 센서에 쉽게 부착될 수 있다.
기술 시장 분석 업체인 윈터그린 리서치(WinterGreen Research)의 수잔 유스티스는 얇은 형태의 배터리가 RFID 태그와 무선 센서에 적합한 유일한 전력 공급원으로 믿고 있다. 그녀는 "얇은 배터리가 차세대 배터리"라고 말했다. 현재의 액티브 태그는 패시브 태그에 비해 보다 일관되며 정교하게 판독할 수 있지만 아직은 고가에다가 배터리도 두껍고 무거운 편이기 때문이다. 이러한 제약 요인으로 인해 액티브 태그의 사용은 주로 가격이 높은 자산 추적에 적용되고 있다. 하지만 만일 배터리가 얇고 저렴하다면 사이즈와 가격 면에서 액티브 태그의 이점을 제공하도록 라벨에 통합될 수 있을 것이다. 박막 배터리는 RFID에 연결된 온도와 습도, 진동 및 기타 형태의 센서에 전력을 공급할 수 있어 공급망의 자산 상태를 추적하는데 용이하고 저렴하게 활용이 가능하다.
그러나 차세대 배터리가 RFID에 '안성맞춤'이며 원격 모니터링 애플리케이션에 적합한 것처럼 보이지만 태그와 센서 제조 업체들은 이 기술 수용에 매우 소극적인 자세를 취하고 있다. 가용성과 아직은 높은 가격 등 몇 가지 요인으로 인해 잠재적인 고객들이 도입을 유보하고 있다. 유스티스는 "하지만 가격이 낮아지고 가용성이 높아지면 변화가 급격하게 이루어질 수 있을 것"이라고 말했다.
열악한 환경에서 견디는 박막 배터리
▲ “대량 제조의 경우, 가격 하락폭이 커지면서 RFID에서 사용하기에 충분해질 것이다”존 베이츠, ORME(Oak Ridge Micro-Energy)
베이츠가 ORNL에서 근무할 당시, 그의 목표 중의 하나는 모양이나 크기에 상관 없이 칩에 직접 통합될 수 있는 배터리를 개발하는 것이었다. 그의 팀은 리튬 이온 기술을 토대로 한 박막 배터리 개발에 나섰다.
ORNL 배터리의 박막을 구성하는 요소는 음극과 전해물질, 양극, 보호층 등이며 모두 표준형 반도체 제조 기술이 적용되어 있다. 다양한 물체를 토대로 할 수 있지만 얇은 플라스틱에 적용되었을 때 가장 유연해진다.
박막 배터리가 다른 전통적인 전력원과 구별되는 독특한 점은 광범위한 온도 변화에도 끄덕없다는 것이다. 베이츠는 박막 배터리가 섭씨 영하 20도에서 150도에 이르는 온도에서도 운영이 가능하다고 밝혔다. 이 기술의 넓은 온도 커버리지는 높은 온도나 냉동 환경에서의 아이템을 추적할 수 있게 해준다.
이 기술은 단 1분만에 섭씨 260도의 온도에서 모든 전자적인 요인들이 보드에 동시에 접합되어야 가능하다. 코인이나 버튼 셀과 같은 전통적인 배터리는 이러한 온도에서 견딜 수 없기 때문에 별도의 구성 요소가 회로에 첨가되어야 하는데, 이는 비용 상승으로 이어진다.
또한 박막 기술은 열악한 태그 환경에서 고도의 내구성을 위해 개발될 수 있다. 기술 시장 조사 업체인 인포-테크 리서치 그룹의 카미 레비 선임연구원은 "산소에 반응하지 않기 때문에 케이스를 분해해도 아무렇지 않다"고 말했다.
Cymbet, Excellatron Solid State, Front Edge Technology , Infinite Power Solutions 등 대표적인 박막 배터리 제조 업체들은 ORNL로부터 라이선스를 제공 받고 있다. Cymbet의 빌 프리스메이어 CEO는 "박막 배터리 기술 라이선스 모두 동일한 기술 패키지를 보유하고 있지만 RFID 태그에 작동하는 제품에서는 다소 조금씩 다른 접근 방식을 채택하고 있다"고 전했다.
Cymbet는 배터리가 IC 내부에 직접 통합될 수 있는 제조 프로세스를 보유한 벤더들을 타깃으로 설정해놓고 있다. 프리스마이어는 "아직은 박막 배터리 제품이 상용화되지는 않았지만 조만간 출시될 것"이라면서, "박막 배터리와 RFID 디바이스가 결합된 제품 역시 제공할 것"이라고 말했다.
일정 주기에서 쉽게 충전 가능
ORME(Oak Ridge Micro-Energy)는 일반적으로 0.62mm 두께인 세라믹 기판에 완벽하게 패키지되는 셀을 공급하는데 주력하고 있다. 이 회사는 자사 기술의 안정성과 수명에 대해 재활용 가능한 태그와 센서에 충분히 기여할 수 있다고 홍보에 열을 올리고 있다. 베이츠는 "이 배터리는 수명이 극도로 오래 간다"면서, "적절하게 제작되면 매우 안정적으로 결점이 거의 없는 제품으로 개발될 수 있다"고 주장했다.
박막 배터리의 또 다른 중요한 강점은 일정 주기에서 쉽게 재충전이 가능하다는 것이다. 유스티스는 박막 배터리가 45,000번 이상 충전이 가능하며 4,5000번을 충전해도 원래의 용량 대비 95%를 유지한다고 밝혔다. 그녀는 "전통적인 배터리의 경우 1,000번 정도만 충전할 수 있는데, 그 정도 횟수에도 80% 정도의 용량만이 보전될 뿐"이라고 말했다. 또한 환경 친화적인 것도 장점으로 꼽힌다.
다양한 박막 제조 업체들이 여러 시장을 공략 대상으로 삼고 있지만 공통적으로 직면하고 있는 문제는 가격이다. 레비 연구원은 "박막 배터리가 보통의 리튬 이온 배터리와 동일한 가격대를 형성한다면 보급이 급속히 늘어날 것"이라고 말했다.
유스티스는 박막 배터리 제조 업체들이 현재 약 50달러 선에서 샘플을 판매하고 있다고 말했다. 그녀는 2007년 중반 경에는 대량 구매 기준시 약 6달러 선으로 가격이 급락할 것이라고 예상하고 있다. 유스티스는 2008년 경에는 4달러까지 떨어질 것이라고 주장했다.
베이츠 역시 향후 수년 이내에 가격이 대폭 하락할 것이라는 전망에 동의하고 있다. 그는 "대량 제조의 경우, 가격 하락폭이 커지면서 RFID에서 사용하기에 충분해질 것"이라고 언급했다.
저렴하고 얇으며 유연하다는 것이 장점
일부 업체의 경우 인쇄된 배터리(printed battery)를 공급하고 있다. 대표적인 업체들로는 Enfucell, Power Paper, Rocket Electric, Thin Battery Technologies 등이다. 이러한 모든 업체들이 유사한 접근 방식을 취하고 있다. 문자 그대로 부품과 화학물질로 도장을 찍어 배터리를 만드는 것이다. 모토로라와 사비(Savi), 지브라(Zebra), SALA(Smart Active Labels Consortium) 등 다양한 RFID 벤더와 개발자들이 인쇄형 배터리 기술에 관심을 보이고 있다.
Enfucell의 페이퍼 배터리는 전통적인 배터리 기술을 종이 포장으로 만든 것이다. 기존의 페이퍼 프린팅을 토대로 아연과 니켈 및 기타 금속을 페이퍼 시트의 한쪽 면에 새겨 넣고 망간 산화물 등을 반대편에 상감하는 방식이다. 전해물질을 포함한 이 페이퍼는 격리판으로 사용된다. Enfucell의 자코 하포넨 CEO는 자사의 배터리가 아무런 부산물을 발생하지 않고 안정적으로 전기를 생성할 수 있다고 밝혔다.
여러 배터리를 병렬로 사용하거나 서로 다른 물질을 사용할 경우 다양한 애플리케이션을 위한 다양한 전압을 발생시킬 수 있다. 이 배터리의 가장 큰 장점은 저렴하고 얇으며 유연하다는 것이다. 단점은 구동 시간이 짧고 파워가 낮으며 충전이 불가능하다는 것이다.
Power Paper의 배터리는 아연 양극과 망간 이산화 음극을 갖고 있다. Enfucell처럼 Power Paper의 배터리는 인쇄된 형태로 금속 케이스가 필요 없다.
Power Paper측은 사이즈와 두께, 폼 팩터 등 모든 제품의 디자인에 맞출 수 있는 대량 생산이 가능한 맞춤형 디자인 배터리를 제공할 수 있다고 밝혔다. 이 회사의 최고 기술 책임자(CTO)인 즈비카 니찬은 "환경에 유해한 화학물질이나 무거운 금속성 물체도 전혀 없다"고 말했다.
업계 표준의 프린팅과 코팅 장비 및 프로세스를 사용함으로써 전통적인 모바일 파워 기술과 가격 경쟁이 가능한 배터리를 개발할 수 있다는 것이 Power Paper측의 주장이다.
프린트가 가능한 RFID 라벨인 PowerID는 패시브 UHF 라벨과 마이크로-파워 소스를 통합한 것이다. Power Paper의 PowerID 사업부 부사장인 이레즈 카하니는 "PowerID 라벨의 가격은 배터리를 포함해 100만대 주문시 1달러선"이라고 말했다.
인쇄형 배터리 제조 업체들이 자사 제품 홍보에는 적극적이지만 일부 업계 관계자들은 이 기술이 중간 단계의 기술로, 박막 제조 업체들이 가격을 충분히 낮출 수 있을 때까지 얇고 유연한 배터리를 요구하는 태그 및 센서 벤더의 요구 사항을 충족시켜주기 위한 '가교' 솔루션에 지나지 않는다고 판단하고 있다. 레비는 인쇄형 배터리가 내구성이나 충전 기능 등 박막 기술의 장점을 능가할 만한 것이 별로 없다고 밝혔다. 하지만 아직 박막 배터리가 상용화되지 않고 있으며 출시되더라도 당분간은 인쇄형 배터리보다 가격이 높게 형성될 것이다.
2008년에 약 30억 달러 시장 형성 전망
대부분의 업계 관계자들은 얇은 배터리 시장이 향후 수년 이내에 큰 폭으로 성장할 것으로 전망하고 있다. 유스티스는 특히 박막 기술이 비약적인 성장 국면에 접어들 것으로 예측했다. 그녀는 2005년의 경우 박막 배터리 시장이 전체 500억 달러에 달하는 배터리 시장 중에서 130만 달러에 불과했지만 2007년에는 거의 10억 달러에 달하는 9억6,720만 달러 규모를 형성할 것으로 전망했다. 유스티스는 2008년에는 30억 달러에 이르면서 폭발적인 성장세를 구가할 것이라고 덧붙였다.
베이츠는 얇은 배터리가 혁신적인 RFID 애플리케이션의 다양성을 이끌게 될 것이라고 말했다. 그는 공항에서의 화물 추적용 태그에 사용될 가능성이 높다고 언급했다. 티켓 카운터에서 태그가 인쇄되어 나올 경우 효과적으로 활용할 수 있을 것이라는 설명이다.
원자력 배터리와 마이크로 연료 전지
박막과 인쇄된 배터리가 상용화를 앞두고 있지만 학계에서는 또 다른 모바일 파워 기술 개발이 한창 진행 중이다. RIT(Rochester Institute of Technology)의 물리학 및 마이크로시스템 공학 교수인 라인 라파엘은 원자력 에너지가 센서 및 RFID 태그에 저렴하고 풍부한 전력원을 공급할 수 있을 것이라 판단하고 있다. 그는 방사성 동위원소의 알파 볼타 배터리는 교체나 충전하지 않고도 수년 동안 센서와 태그를 구동할 수 있다고 주장했다. 라파엘은 "어떤 화학 배터리 시스템도 에너지 밀도면에서 방사성 동위원소와 경쟁이 되질 않는다"고 말했다.
라파엘은 원자력을 기반으로 한 배터리의 개념이 결코 현실성이 없는 것이 아니라고 언급했다. 알파 볼타 배터리의 경우 연기를 탐지하는데 폭넓게 사용되는 아메리슘(americium)과 같은 방사성 동위원소를 사용하기 때문에 환경적으로 아무런 영향을 끼치지 않는다는 것이 그의 설명이다. 배터리에 연결된 반도체 디바이스가 방사성 동위원소의 알파 에너지를 전기로 변환해주는 태양 전지 역할을 한다.
내부의 방사선 문제로 인해 원자력 배터리 기술은 지난 반세기 동안 이렇다 할 진전을 보이지 못해왔다. 방사성 동위원소가 방출하는 알파 입자가 반도체에 부딪혀 손상시킬 경우 알파 에너지가 전기로 변환하는 것이 불가능해진다. 라파엘은 해로운 입자로부터 디바이스를 보호해주는 양자층을 통해 반도체 완충 기능을 제공하는 독특한 나노기술 물질을 사용해 이 문제를 해결했다. 그는 "상용화될 수 있는 길을 열어준 획기적인 기술"이라고 말했다.
한편, 휴스턴 대학(University of Houston)의 연구진들은 다양한 디바이스에 에너지를 공급하는 방안으로 미세한 박막 연료 전지를 실험하고 있다. 휴스턴 대학의 물리학, 화학, 전기 및 컴퓨터 공학 교수인 알렉스 이그나티에브는 "이번 연구의 초점은 초소형의 높은 에너지 밀도를 제공하는 연료 전지를 개발하는데 맞춰져 있다"고 말했다.
이그나티에브의 고체 산화물 연료 전지(SOFC; solid oxide fuel cell)은 머리카락보다 얇은 15미크론 두께에 불과하지만 0.8~0.9마이크로볼트의 전력을 공급할 수 있다. 그는 "여러 개를 겹쳐놓을 경우 입방 센티미터당 5와트의 전력을 제공할 수 있다"고 말했다.
SOFC 기술은 아직 실험 단계이며 상용화에는 수년이 걸릴 전망이다. 운영 온도가 문제이긴 하지만 이그나티에브는 다양한 애플리케이션에서 유용하게 사용될 수 있음을 자신하고 있다.
박막 배터리 개발 업체
Cymbet www.cymbet.com
Enable IPC www.enableipc.com
Excellatron Solid State www.excellatron.com
Front Edge Technology www.frontedgetechnology.com
Graphic Solutions International www.graphicsolutionsinc.com
Infinite Power Solutions www.infinitepowersolutions.com
Intellikraft www.oxisenergy.com
KSW Microtec www.ksw-microtec.de
Oak Ridge Micro-Energy www.oakridgemicro.com
인쇄형 배터리 공급 업체
Enfucell www.enfucell.com
Power Paper www.powerpaper.com
Rocket Electric www.rocket.co.kr
Thin Battery Technologies www.thinbattery.com
RFID journal LLC
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