유연 인쇄 배터리: 표준 스크린 인쇄로 10배 에너지 밀도 달성

UC 샌디에이고의 Ying Shirley Meng 교수와 그녀의 팀은 일반적인 리튬이온 배터리보다 면적당 에너지 밀도가 최소 10배 높은 유연한 산화은-아연 배터리의 작동 프로토타입을 개발했습니다. 이 배터리는 일반 실내 환경에서 표준 스크린 인쇄 기술로 제조할 수 있습니다.

Tech Briefs: 이 프로젝트 아이디어를 어떻게 얻으셨나요?

Meng: 2008년부터 리튬이온 배터리를 연구하는 독립 그룹을 운영해 왔습니다. 배터리를 사용하는 일부 사람들이 유연하고 신축성 있는 고에너지 배터리를 만들 수 있는지 물어보기 시작했습니다. 리튬이온을 사용하기 어려운 애플리케이션에 대한 수요는 항상 있었습니다. 그리고 리튬이온 화학과 관련된 문제도 항상 있었습니다.

내 동료인 Joseph Wong 교수는 인쇄 전자공학 전문가인데, 우리 두 분야가 협력하여 어떤 모양이든 만들 수 있고 신축성과 유연성을 가진 배터리를 만드는 방법을 모색하기 시작했습니다. IoT의 부상이 이러한 기술 개발에 대한 우리의 열망을 특히 부추겼습니다.

Tech Briefs: 유연하고 구부러지고 신축성 있는 배터리에 대한 수요가 왜 그렇게 큰지 궁금합니다. 어떤 애플리케이션이 있나요?

Meng: 최근 몇 년간 꽤 많은 애플리케이션이 있습니다. 한 예로 Fitbit이 있습니다. 많은 건강 모니터링 장치가 있습니다. 많은 센서, 생체 센서가 이미 의류나 모바일 장치에 구현되어 있지만, 대부분 딱딱한 형태입니다. 착용 가능하지만 착용하고 있음을 의식하게 됩니다. 배터리가 종종 제한 요소입니다. 사람들이 착용하고 싶지만 부피가 큰 배터리를 느끼고 싶지 않기 때문에 신축성 있고 구부러지는 배터리가 필요하다고 생각합니다.

1세대 제품으로 생각해 볼 좋은 예는 Apple Watch나 Fitbit의 손목 밴드가 배터리가 될 수 있다는 것입니다. 또한 일부 사람들은 통합된 생체 센서가 있는 헤드밴드를 착용하고 싶어할 수 있습니다. 여기에 배터리도 포함되어 있다면 센서 데이터를 앱으로 직접 전송할 수 있습니다. 땀과 타액을 모니터링하여 건강 상태에 대한 많은 생체 정보를 얻을 수 있습니다.

이것들이 우리가 현재 연구하고 있는 매우 흥미로운 연구 주제들입니다. 의류 회사들이 관심을 보이고 있으며, 국방 산업도 관심이 있습니다. 군대는 병사들이 최상의 컨디션을 유지하기를 원하기 때문입니다. 결과적으로 그들의 신체 신호가 지속적으로 모니터링되므로, 부드럽고 유연하며 고출력, 고성능의 전원 장치가 정말 중요합니다.

Tech Briefs: 센서 부분에는 그렇게 높은 전력이 필요하지 않을 것 같은데, 신호 전송에는 필요하겠네요.

Meng: 맞습니다. 대부분의 센서는 높은 전력이 필요하지 않지만, 신호를 읽고 전화나 블루투스 장치 등으로 전송하는 무언가가 필요합니다. 물론 딱딱한 케이스의 코인 셀을 사용할 수 있지만, 장치가 그리 멋져 보이지 않을 것입니다.

Tech Briefs: 말씀하신 대로 딱딱해서 불편하겠네요. 밀리암페어시 기준 용량은 어느 정도인가요? 충전 전까지 얼마나 오래 작동하나요?

Meng: 현재 배터리는 충전식이 아니며, 제곱센티미터당 약 100mW-시간의 용량을 가집니다. 일반적인 리튬 배터리 용량보다 몇 배 높습니다.

Tech Briefs: 리튬 대비 배터리 수명은 어떤가요?

Meng: 일반적인 리튬이온 코인 셀의 작동 지속 시간보다 2~3배 더 좋습니다.

Tech Briefs: 일반적으로 유연 배터리는 무균 상태에서 진공 하에 생산해야 한다고 하던데, 귀사 제품은 그렇지 않다고 하셨습니다. 어떻게 가능한가요?

Meng: 우리는 리튬 화학을 피했습니다. 아연 기반 배터리를 사용하여 이동하는 이온이 아연 이온입니다. 상온에서 생산 가능한 양성 화학입니다. 이를 통해 진공 방식 대신 스크린 인쇄를 사용할 수 있습니다. 인쇄용 생체 센서에서 채택한 방식으로 유연 배터리를 대량 생산합니다. 이 제조 공정으로 비용 절감 효과가 매우 큽니다.

Tech Briefs: 잉크 생산 공정 확장에 대해 검토해 보셨나요?

Meng: 우리와 공동 개발하는 주요 산업 파트너가 있습니다. 다음 단계에서 그들은 확장을 고려하고 있습니다. 업계 수요 예측에 따라 수천만 달러 규모의 매출을 논의해 왔습니다. 그래서 매우 가파른 학습 곡선이 있습니다. 현재 배터리는 우리 연구실에서 학생들이 수작업으로 만들고 있습니다. 인쇄를 포함한 전체 공정을 자동화해야 합니다.

Tech Briefs: 설명에서 전류 수집기에 대해 언급하던데, 그게 뭔가요?

Meng: 전류 수집기는 배터리 출력을 연결하는 양극과 음극 탭입니다. 이것도 인쇄할 수 있을 것으로 생각합니다.

Tech Briefs: 최종적으로 생산 경제성이 매우 좋을 것이라고 하셨습니다.

Meng: 유일한 우려는 은 가격입니다. 하지만 이 배터리들은 재활용될 것이므로, 사용된 은이 결국 폐쇄 루프가 되기를 바랍니다. 모든 재료, 특히 음극의 산화은을 90% 이상 재활용할 수 있습니다. 이 화학의 확장성과 기술경제 분석에 대한 후속 작업을 진행 중입니다.

Tech Briefs: 귀사 배터리의 모양과 크기가 리튬이온과 어떻게 비교되나요?

Meng: 현재 우리 모양은 맞춤 제작됩니다. 2x2cm, 1x5, 2x5, 3x3 등을 만들었습니다. 그래서 다차원 셀을 만들 수 있고 적층도 가능합니다. 인쇄에서는 전압을 쌓기 위해 레이어를 적층하기 쉽습니다. 원칙적으로 같은 면적으로 다층 인쇄를 하면 코인 셀과 같은 에너지 밀도를 달성하면서도 유연성을 유지할 수 있습니다. 많은 고객이 손목 밴드용으로 1x5 같은 길쭉한 모양을 원합니다.

이 모든 것이 설계 스프레드시트에 있습니다. 필요한 에너지와 인쇄 조건을 입력할 수 있습니다. 예를 들어 특정 에너지 밀도에서 5x5 패치 에너지원을 설계한다면 맞춤 인쇄할 수 있습니다. 인쇄는 조정하기 쉽습니다.

Tech Briefs: 연구의 다음 단계는 무엇인가요?

Meng: 다음으로 1세대 비충전식 버전을 출시할 예정입니다. 2세대는 300사이클 충전식이 될 것입니다. 이 경우 에너지 밀도는 조금 내려가겠지만, 충전식 배터리에는 다른 요구사항이 있습니다. 작은 셀에서 실험실에서 입증했지만, 이제 실제 인쇄 셀에서 입증해야 합니다.

주요 병목 현상은 확장이라고 생각합니다. 수십 개 셀에서 수천 개를 만드는 것, 그게 매우 중요한 단계입니다.

Tech Briefs: 상용화 일정에 대한 생각이 있으신가요?

Meng: 약 2년 내에 제품이 준비되기를 희망합니다. 수요 측면에서는 IoT 성장과 관련이 있습니다. 예를 들어 자율주행차. 자동차가 모든 것과 대화해야 하죠? 보행자, 나무, 건물, 모든 것이 통신되어야 모든 것이 어디 있는지 알 수 있습니다. 이미 일어났어야 한다고 예측했지만, 아직 그런 일은 일어나지 않았습니다.

또 다른 것은 개인화된 건강 모니터링을 위한 IoT입니다. 제 과학자 관점에서 볼 때 이미 일어났어야 합니다. 사람들이 휴대폰으로 혈당 수치를 즉시 읽을 수 있어야 합니다. 코로나로 인해 자가 모니터링이 가능해야 합니다. 하지만 미래에는 인프라, 건물, 모든 것이 센서와 배터리로 태깅될 것으로 봅니다.

원격 의료가 지금 정말 중요한 영역입니다. 코로나바이러스가 있으니까요. 이건 우리의 주요 동력 중 하나입니다. 학생들에게 코로나바이러스가 아주 오랫동안 우리와 함께할 것이므로, 각자가 자신의 건강 수준을 모니터링할 책임이 있다고 말했습니다. 현재 바이러스 탐지용 센서를 포함해 매우 신뢰할 수 있는 전원 소스가 필요한 센서들이 개발되고 있습니다.

Tech Briefs: 그리고 이 정보를 직접 의사에게 전송할 수 있게 되는 거죠.

Meng: 네, 의사와 공중 보건 당국도 누군가가 감염되었는지 알아야 합니다. 프라이버시를 침해하려는 게 아니라, 상황을 통제하려면 그렇게 해야 합니다.

이 인터뷰의 편집된 버전은 2021년 3월호 Tech Briefs에 실렸습니다.