발명의 배경과 필요성

기술의 배경과 문제점

• 신체 부착형 소자에 대한 연구는 활발히 이루어지고 있으나, 이들 소자에 전원을 공급하는 에너지 저장 장치에 대한 연구는 미흡한 실정입니다.

• 기존의 에너지 저장 장치는 크고 무거워서 센서 근처에 배치하기 어렵고, 별도의 공간과 긴 전극 연결이 필요해 센서의 효과적인 사용을 방해합니다.

기술의 필요성

• 신체 부착형 센서에 효과적으로 전력을 공급할 수 있는 작고 가벼우며 유연한 에너지 저장 장치 기술이 필요합니다.

• 인체에 안전하게 사용할 수 있도록 생체 적합성을 갖춘 배터리 기술의 개발이 시급합니다.

• 고온의 제조 공정을 거치면서도 성능 저하 없이 안정적으로 제작할 수 있는 새로운 배터리 형성 방법이 요구됩니다.

구현 방법

기술의 원리

• 본 기술은 캐소드, 애노드, 고체 전해질 등으로 구성된 다층 박막 구조를 기반으로 하는 전고체 배터리입니다.

• 특히 캐소드와 고체 전해질 사이에 계면 안정층(Al2O3)을 삽입하여 계면의 불안정성 문제를 해결하고 배터리 성능을 향상시킵니다.

• 고온에 견디는 기판에서 고온 어닐링 공정을 수행한 후, 전사(Transfer) 방법을 이용해 완성된 배터리 소자를 플렉시블 기판으로 옮겨 성능 저하 없이 유연성을 확보하는 것이 핵심 원리입니다.

구체적인 구현 방법

1. 희생 기판(SiO2) 위에 얇은 Ti 접착층, 캐소드 집전체층(Pt), 캐소드층(LiCoO2)을 순차적으로 형성합니다.

2. 캐소드층을 700℃의 고온에서 어닐링하여 우수한 결정 구조를 형성합니다.

3. 희생층을 식각하여 캐소드 관련 층만 분리한 후, 이를 핸들링 기판으로 전사합니다.

4. 전사된 캐소드층 위에 계면 안정층(Al2O3), 고체 전해질층(LiPON), 애노드층(Si), 애노드 집전체층(Ti)을 차례로 증착합니다.

5. 마지막으로, 파릴렌과 Ti를 이용한 고분자/금속/고분자 구조의 인캡슐레이션층을 형성하여 배터리를 외부 환경으로부터 보호하고 유연성을 부여합니다.

기술의 장점

• 우수한 성능 및 안정성: 고온 어닐링 공정과 전사 방법을 통해 성능 저하 없이 안정적인 전고체 배터리를 구현합니다.

• 플렉시블 및 생체 적합성: 얇고 가벼우며, 파릴렌 등 생체 적합성 재료를 사용하여 인체 부착 및 이식에 안전합니다.

• 자유로운 형상 구현: 반도체 패터닝 공정을 적용하여 단풍잎, 연결된 도트 등 다양한 모양으로 제작이 가능합니다.

• 향상된 보호 기능: 고분자/금속/고분자 구조의 인캡슐레이션층이 산소와 수분을 효과적으로 차단하여 배터리 수명을 늘립니다.

실험 및 결과

실험의 목적

본 발명에서는 고온 어닐링 공정 후 캐소드층을 플렉시블 기판으로 성공적으로 전사하기 위해, 희생 기판과 캐소드 집전체층 사이의 Ti 접착층 두께 조절이 핵심적인 요소입니다. 이 실험은 Ti 접착층 두께가 캐소드 집전체층/캐소드층의 분리 특성에 미치는 영향을 확인하고 최적의 공정 조건을 찾는 것을 목적으로 합니다.

실험 방법 및 과정

1. 두께를 달리한 Ti 접착층(약 20nm, 5초 증착)을 SiO2 희생 기판 위에 형성합니다.

2. 그 위에 캐소드 집전체층(Pt)과 캐소드층(LiCoO2)을 증착한 후 700℃에서 고온 어닐링 공정을 수행합니다.

3. BOE(Buffered Oxide Etcher) 용액을 사용하여 희생층(SiO2)을 식각하고, 캐소드 필름이 기판에서 분리되는지 관찰합니다.

실험 결과

실험 결과, Ti 접착층이 너무 두꺼우면 고온 어닐링 중 루타일(rutile) 결정의 TiO2가 형성되어 식각을 방해하고 필름 분리를 막는 것으로 나타났습니다. 반면, Ti 접착층을 매우 얇게 형성할 경우, 캐소드층의 결정성에는 영향을 주지 않으면서도 안정적인 증착과 성공적인 분리가 모두 가능함을 확인했습니다.

활용 방안 및 기대효과

활용 방안

• 신체 부착형 의료 기기: 생체 신호 모니터링 센서(ECG, EMG 등)의 전원으로 활용될 수 있습니다.

• 이식형 장치: 인체 내부에 삽입되는 의료 장치의 소형 전원 공급원으로 활용 가능합니다.

• 웨어러블 디바이스: 스마트 워치, 피트니스 밴드 등 다양한 웨어러블 기기의 디자인 유연성을 높이는 배터리로 적용할 수 있습니다.

• 소프트 로보틱스: 유연한 움직임이 필요한 소프트 로봇의 내장형 전원으로 사용할 수 있습니다.

기대효과

• 기존의 크고 무거운 배터리 문제를 해결하여 차세대 플렉시블/웨어러블 전자 소자의 상용화를 촉진할 수 있습니다.

• 생체 적합성을 바탕으로 헬스케어 및 의료 산업에서 새로운 응용 분야를 창출할 것으로 기대됩니다.

• 고성능 박막형 배터리 제조 기술 확보를 통해 국내 소재·부품·장비 산업의 기술 경쟁력 강화에 기여할 것입니다.

시장 동향

시장 규모 및 성장 전망

전고체 배터리 시장은 전기차, 에너지 저장 시스템(ESS), 웨어러블 기기 등 다양한 분야에서 수요가 급증하며 폭발적인 성장이 예상됩니다. 다수의 시장 조사 기관에 따르면, 전고체 배터리 시장은 연평균 30% 이상의 높은 성장률을 기록하며, 2030년대 초반에는 100억 달러를 훌쩍 넘는 규모에 이를 것으로 전망됩니다.

• 2024년 11억 달러 규모에서 연평균 31.1% 성장하여 2034년에는 177억 달러에 이를 것으로 전망됩니다. (출처)

• 또 다른 분석에서는 2023년 2억 7,400만 달러에서 2029년 17억 달러 규모로 성장할 것으로 예상됩니다. (출처)

주요 플레이어 및 경쟁 환경

글로벌 자동차 및 배터리 기업들은 전고체 배터리 시장 선점을 위해 공격적인 투자와 기술 개발 경쟁을 벌이고 있습니다. 주요 기업들의 동향은 다음과 같습니다.

산업 동인 및 기회 요인

1. 안전성 및 고성능 요구 증대: 기존 리튬이온 배터리의 화재 위험을 제거하고, 더 높은 에너지 밀도와 빠른 충전 속도를 제공하여 시장 성장을 견인하고 있습니다.

2. 전기차(EV) 시장 확대: 주행거리 향상과 안전성 확보를 위해 전기차 제조사들이 전고체 배터리 채택에 적극적으로 나서고 있습니다.

3. 정부 및 기업의 대규모 투자: 각국 정부의 정책적 지원과 주요 기업들의 R&D 및 생산 시설 투자가 상용화를 가속화하고 있습니다.

4. 다양한 응용 분야 확장: 웨어러블, 의료 기기, 항공우주 등 소형화, 경량화, 안전성이 중요한 신규 시장에서 새로운 수요를 창출하고 있습니다.