발명의 배경과 필요성

기술의 배경과 문제점

• 신체 부착형 전자 장치에 대한 연구는 활발히 이루어지고 있으나, 이를 작동시키는 핵심 부품인 에너지 저장 장치에 대한 연구는 상대적으로 미흡한 실정입니다.

• 기존의 에너지 저장 장치는 크고 두꺼우며 무거워 신체 부착형 전자 장치에 통합되기 어려워 효과적인 사용을 방해하는 문제점이 있습니다.

기술의 필요성

• 웨어러블 기기 및 신체 부착형 장치의 활용성을 극대화하기 위해, 고성능을 유지하면서도 얇고 가벼운 에너지 저장 장치 개발이 필수적입니다.

• 다양한 형태로 변형 가능한 전자기기의 발전에 따라, 물리적 변형에도 안정적으로 작동하는 유연한(flexible) 특성을 갖춘 배터리 기술의 필요성이 크게 대두되고 있습니다.

구현 방법

기술의 원리

• 본 발명의 배터리 장치는 핵심적인 배터리부를 제1 및 제2 인캡슐레이션층이 위아래로 감싸는 샌드위치 구조로 설계되었습니다.

• 배터리부는 애노드층, 세퍼레이터층, 캐소드층으로 구성되어 실제 전기를 저장하고 공급하는 역할을 합니다.

• 인캡슐레이션층은 고분자층과 금속층을 포함하는 다층 구조로, 외부의 수분이나 산소로부터 배터리를 보호하여 안정성과 수명을 확보합니다.

구체적인 구현 방법

1. 배터리부: 애노드층은 애노드 집전체층과 애노드 활성물질층으로, 캐소드층은 캐소드 활성물질층과 캐소드 집전체층으로 구성됩니다.

2. 활성물질층: 애노드 활성물질층(Li4Ti5O12)과 캐소드 활성물질층(LiFePO4)은 각각의 활성물질과 탄소나노튜브(CNT)를 혼합하여 형성됩니다. 탄소나노튜브가 활성물질을 감싸는 구조 덕분에 별도의 바인더 없이도 안정적인 구조를 유지할 수 있습니다.

3. 집전체층: 애노드 및 캐소드 집전체층은 전도성이 뛰어난 금(Au)으로 코팅된 탄소나노튜브층을 포함하여 효율적인 전자 이동을 가능하게 합니다.

4. 인캡슐레이션층: 제1 및 제2 인캡슐레이션층은 폴리이미드(PI) 또는 파릴렌(Parylene) 소재의 고분자층과 알루미늄(Al) 소재의 금속층이 교차로 적층된 구조(예: PI/Al/PI)를 가지며, 필요에 따라 금속 산화물층을 추가하여 보호 성능을 더욱 강화할 수 있습니다.

5. 회로부 통합: 무선 충전용 안테나, 온도 센서 등 다양한 회로부를 인캡슐레이션층 내외부에 배치하고, 도전성 플러그를 통해 배터리부와 전기적으로 연결하여 하나의 통합된 장치로 구현할 수 있습니다.

기술의 장점

• 초박형 및 유연성: 전체 두께가 48 ~ 200㎛에 불과한 초박막 특성과 높은 유연성을 가져 다양한 형태의 웨어러블 장치에 자유롭게 적용할 수 있습니다.

• 우수한 성능: 탄소나노튜브를 활용한 독특한 전극 구조를 통해 기존 플렉시블 배터리 대비 우수한 전기화학적 성능을 가집니다.

• 다기능성: 단순한 에너지원을 넘어 배터리 자체가 전자 장치의 기판(substrate) 역할을 할 수 있으며, 내부에 다양한 회로부를 통합하여 다기능 장치 구현이 가능합니다.

• 구조적 안정성: 별도의 폴리머 바인더 없이 탄소나노튜브 네트워크가 활성물질 입자를 견고하게 지지하여, 반복적인 구부림에도 안정적인 구조를 유지합니다.

활용 방안 및 기대효과

활용 방안

• 피부 부착형 헬스케어 패치 및 실시간 생체 신호 모니터링 장치

• 스마트워치, 스마트 의류, 피트니스 트래커 등 차세대 웨어러블 기기

• 폴더블, 롤러블 디스플레이를 탑재한 스마트폰 및 태블릿

• 초소형 IoT(사물인터넷) 센서 및 스마트 카드

기대효과

• 웨어러블 기기 디자인의 자율성을 획기적으로 높이고, 사용자가 거의 인지하지 못할 수준의 경량화 및 소형화에 기여합니다.

• 신체 부착형 전자기기의 사용 편의성과 착용감을 개선하여 관련 시장의 성장을 촉진합니다.

• 고성능, 다기능성 배터리 기술을 통해 기존에 없던 새로운 형태의 전자 장치 시장 창출을 유도할 수 있습니다.

시장 동향

시장 규모 및 성장 전망

플렉시블 배터리 시장은 웨어러블 기기, IoT, 휴대용 전자기기 시장의 성장에 힘입어 폭발적인 성장이 예상되는 유망 분야입니다. 복수의 시장 조사 기관에 따르면, 글로벌 플렉시블 배터리 시장은 연평균 23% 이상의 높은 성장률을 보일 것으로 전망됩니다.

• KingsResearch에 따르면, 2023년 1억 5,630만 달러 규모였던 시장이 2031년에는 8억 3,690만 달러에 이를 것으로 예측됩니다. (연평균 성장률 23.75%)

• GTT Korea는 2021년 9,800만 달러에서 2029년 7억 1,500만 달러를 넘어설 것으로 전망하며 연평균 24.7%의 성장률을 제시했습니다.

주요 플레이어 및 경쟁 환경

플렉시블 배터리 시장의 성장 가능성을 보고 삼성 SDI, LG화학 등 국내 대기업을 비롯해 파나소닉, 애플 등 다양한 글로벌 기업들이 기술 개발 및 시장 선점을 위해 치열하게 경쟁하고 있습니다.

플렉시블 배터리 시장 주요 기업 및 동향

산업 동인 및 기회 요인

1. 웨어러블 기기 수요 증가: 스마트워치, 헬스케어 패치, 스마트 의류 등 소비자용 웨어러블 기기 시장의 급속한 성장이 플렉시블 배터리 수요를 견인하는 가장 큰 동력입니다.

2. IoT 생태계 확장: 사물 인터넷(IoT) 기기와 무선 센서 기술이 발전함에 따라, 작고 효율적인 전력 솔루션인 플렉시블 배터리의 중요성이 부각되고 있습니다.

3. 전자기기 소형화 및 디자인 혁신: 스마트카드, 플렉서블 디스플레이 등 기존의 형태적 제약을 뛰어넘는 새로운 전자 장치를 구현하는 데 플렉시블 배터리가 핵심적인 역할을 합니다.

4. 높은 제조 비용: 아직까지는 기존 배터리 대비 높은 제조 비용이 시장 대중화의 제약 요인으로 작용하고 있으며, 비용 절감을 위한 기술 개발이 중요한 과제로 남아있습니다.