독일 연구진이 쌀알 크기의 마이크로 배터리와 마이크로 시스템을 하나의 칩에 통합해 시스템을 작동시키는 데 성공했다. 마이크로 배터리는 초소형 지형 마이크로시스템에 적절한 에너지를 공급하기 위해 이전까지 없었던 제곱 밀리미터(㎟) 크기의 배터리 영역에 발을 들여놓았다.

이 마이크로 배터리는 스마트폰, 스마트시계보다 더 작은 기기가 사용될 사물인터넷(IoT)시대를 대비해 만들어졌다. 마이크로봇, 전자 칩, 마이크로 센서, 그리고 IoT의 핵심인 이른바 스마트 더스트(스마트 먼지)로 불리는 초소형 기기 전원 공급용으로 사용된다. 스마트 먼지는 향후 수백만 개의 자율 마이크로시스템 네트워크를 통합할 미래형 IoT 응용 분야다. 어디서나 만물과 소통할 수 있는 진정한 유비쿼터스 시대를 가져올 전원이 개발된 것이다. 최근 어드밴스트 에너지 머티리얼즈에 소개된 독일 연구진의 마이크로 배터리가 관심을 모으는 이유다. 마이크로급 소형 기기가 전원까지 공급한다는 것은 놀라움 그 자체다. IoT 기기용 마이크로 배터리 개발과정과 성능 등에 대해 알아봤다.

쌀알크기 배터리 개발 의미···IoT 시대의 요구

이 혁신적 배터리 개발의 주인공은 독일 켐니츠공대(Chemnitz Technology University) 연구팀이다. 이들이 개발한 성과물은 스마트 마이크로센서 및 밀리미터급 컴퓨팅 기기와 같은 각종 사물 인터넷(IoT)기기들을 작동시킬 미래형 마이크로 배터리로 불린다. 즉, 인터넷을 통해 서로 연결된 컴퓨터와 센서의 시스템을 작동시킬 전원역할을 하게 된다.

오늘날 우리가 사용하는 화려한 피트니스 밴드와 스마트워치는 IoT의 초기 응용 분야에 불과하다. 켐니츠대 연구원들은 미래에 우리가 ‘스마트 먼지’로 불리는 매우 발전된 IoT기기 버전을 볼 수 있을 것으로 믿고 이 마이크로 배터리 개발에 전력을 기울여 왔다.

이 기술은 아마도 자율적으로 작동하는 수십억 개의 마이크로 센서와 마이크로 컴퓨팅 기기로 이뤄진 대규모 네트워크 안에 존재하게 될 것이다.

우리주변의 모든 변화를 모니터링한다

이러한 마이크로급 및 나노급 크기의 기기는 도시, 공장, 숲(먼지와 공기처럼)을 포함해 모든 곳에 분산돼 우리 주변에서 일어나는 다양한 변화를 모니터링한다.

예를 들어, 숲속 스마트 먼지 네트워크는 습기와 열을 지속적으로 관찰함으로써 화재 사고가 발생하기 전에 훨씬 더 빨리 예측하게 될 것이다. 이 기술은 또한 우리의 환경에서 새로운 바이러스의 존재를 탐지하고 그것들이 퍼지기 전에 우리에게 그것에 대해 알려줄 수 있다.

연구원들은 현재 우리가 사용하고 있는 스마트홈 기기들처럼 스마트 먼지 네트워크의 모든 구성 요소들도 인터넷으로 서로 연계해 정보를 교환할 것이라고 말한다.

이 스마트 먼지 및 기타 마이크로급 및 나노급 기기에 대한 최대 도전은 매우 효율적이고 작은 전원을 제공하는 것이다. 켐니츠 대학 연구원들이 시연한 마이크로 배터리는 이 장벽을 극복하는 중요한 역할을 하게 될 것으로 기대를 모은다.

마이크로 배터리로 디지털 시계 가동 성공

켐니츠대 연구진이 만든 마이크로 배터리는 테슬라가 생산하는 전기차용 스위스 롤빵 구조의 배터리와 다소 비슷하다고 볼 수 있다.

이 연구의 저자이자 켐니츠 대학의 소재, 아키텍처, 나노막 통합 센터(MAIN) 과학자 중 한 명인 주민셴 박사는 나노베르크(Nanowk)에 이 마이크로 배터리 개발에 대해 얘기했다.

그는 “대형 전지 세계에서 가장 성공적인 설계는 제한된 부피에 많은 전극재료층을 포함시키는 것이다. 예를 들어 테슬라는 전기차에 이른바 스위스 롤 실린더 배터리를 사용하고 있다. 하지만 테슬라의 원통형 스위스 롤 배터리는 각각 직경이 1.8cm이기 때문에 스마트 먼지 시스템에 전원을 공급하는 데 직접 사용될 수 없다”고 말했다.

그는 “연구원들은 스마트 더스트 네트워크에 필요한 마이크로미터 단위의 배터리를 만들고자 했다. 이러한 구성 요소에는 높은 에너지 밀도와 작은 설치 공간을 가진 전원이 필요했다. 그래서 이들은 독자적인 변형된 온칩 스위스 롤 배터리를 만들기로 결정했다”고 밝혔다.

이들이 마이크로 배터리 개발 과정에서 결정적 도움을 받은 것이 종이접기(오리가미)였다. 그리고 이 과정을 흉내내 만든 초미세 배터리로 시계를 작동시키는 데 성공했다.

오리가미 활용 등으로 마이크로 배터리 돌파구

연구원들은 평평한 액추에이터 층(전류의 움직임을 조절)과 팽창 가능한 수소 층으로 둘러싸인 얇은 금속 층을 사용하는 자기 조립 기술인 마이크로 종이접기(오리가미)활용 기술을 사용했다.

이 복잡한 방법은 각각 쌀 한 톨 미만의 크기를 가진 여러 개의 배터리 롤을 형성하는 결과를 가져왔다.

각 마이크로 배터리의 직경은 178µm(1마이크로미터=100만분의 1m)이므로 마이크로컴퓨터 또는 작은 센서 칩으로 작동하는 칩 기반 시스템에 쉽게 통합될 수 있다.

마이크로 배터리에는 전극 슬러리(전지의 성능을 결정하는 전도성 입자와 용매의 혼합물)가 장착돼 있으며, 건조 기간은 1시간이다. 이는 전통적인 전극 슬러리의 건조 시간이 약 10시간인 것과 비교할 때 엄청난 성과다. 건조 기간이 길어지면 마이크로 배터리의 미세 층 구조가 손상되고 에너지 밀도에 악영향을 미친다.

연구원들은 또한 250µm 길이의 아연 와이어를 마이크로 배터리와 연결해 mm이하 범위의 바람직한 전극 공간을 얻었다.

주 박사는 “우리의 연구는 칩에 들어가는 마이크로 배터리를 만드는 새로운 기술을 제공한다. 이는 온칩 공정(리소그래피, 에칭 등) 및 배터리 제조 프로토콜(고성능 전극재 합성, 전극 슬러리 만들기, 기존 콜렉터에서 균일한 코팅) 모두와 호환된다”고 말했다.

비록 이 기술이 스마트 먼지와 다른 마이크로급 기기들을 위한 훌륭한 에너지 솔루션처럼 보이지만, 이는 주박사 팀이 개발한 최초의 스위스 롤 마이크로 배터리는 아니다. 켐니츠대학 연구팀은 앞서 소금 알갱이 크기의 마이크로 배터리를 개발했다.

이제 이들은 스위스 롤 마이크로 배터리를 만들어 시연에 성공하면서 이 배터리가 실제 IoT 분야에 사용될 수 있도록 상용화를 기대하고 있다.

연구진이 밝힌 마이크로 배터리 성능은

켐니츠대가 요약한 지능형 마이크로 배터리 시스템의 개발 배경과 성능은 다음과 같다.

지능형 마이크로 배터리 시스템을 평방 밀리미터(㎟) 이하로 소형화하는 데 상당한 진전이 이뤄짐에 따라 기존 마이크로 배터리 기술을 넘어 동일한 공간에서 적절한 에너지를 제공해야 할 필요성이 절실히 대두되고 있다.

평평한 층을 스위스 롤로 감을 수 있는 마이크로 오리가미 기술은 에너지 밀도가 높은 풀 사이즈의 배터리를 만드는 가장 성공적인 방법을 미리 보여준다.

여기서 마이크로 오리가미 공정을 통해 만들어진 온칩 스위스-롤 집전체(콜렉터)가 개발됐고, 이 콜렉터에 친아연 바인더를 포함하는 MnO₂ 슬러리가 주입된다.

친아연 바인더층은 아연 이온 수송성을 향상시키고 MnO₂ 용출을 억제한다.

이산화망간(MnO₂) 스위스롤 마이크로 전극은 0.75㎟라는 미세한 전극 공간 면적을 갖는 온칩 마이크로 배터리를 만드는 데 사용되며, 이는 최대 3.3 mAh cm-₂ 공간 용량을 나타낸다. 마이크로 배터리는 150 사이클 동안 1mAh cm–₂ 이상의 가역 전력용량을 보여준다. 50% 방전 심도에서 배터리 안정성을 600 사이클 이상으로 개선할 수 있다.