플렉서블 배터리는 전지가 구부러지는 환경에서 전기화학적 특성을 유지할 수 있는 전극 탭과 전극 리드 간의 결합 보강구조를 가지는 복합 전극 조립체 및 제조 관련 기술이다. 리튬전지가 적용되는 플렉서블 전지와 이를 채용한 웨어러블 디바이스 등 다양하게 활용된다. 플렉서블 배터리 분야 특허 기술 트렌드 및 시장 동향을 살펴본다. <편집자>

웨어러블 디바이스에 필수적인.. 플렉서블 리튬 이차전지

최근 기존 전지의 한계를 뛰어 넘을 수 있는 다양한 플렉서블 리튬 이차전지들에 대한 많은 연구 결과들이 보고되고 있으며, 관련 시장 또한 급격히 성장할 것으로 예측되고 있다.

Panasonic의 플렉서블 배터리

유연성이 요구되는 디바이스에 있어 이에 대응할 수 있는 플렉서블 전지가 필요하며 높은 에너지 밀도, 긴 사이클, 탁월한 속도용량을 가지고 있는 리튬 이차전지가 요구된다. 이를 개발하기 위해 고분자 배터리, 셀룰로오스 기반의 배터리, 케이블 형 배터리, 종이 기반의 배터리, 부드러운 패킹 배터리 등이 연구되고 있다.

이와 함께 케이블 형태의 전지(cable-type batteries) 및 기계적 연신·수축이 가능한 스트레처블 전지 (stretchable battery) 등 기존 전지의 디자인을 뛰어넘는 혁신적 수준의 아이디어가 제시된다.

이러한 신규 전지 개발을 위해서는 단순히 전지의 디자인 개선만으로는 충분하지 않으며, 전극 및 전해질을 포함한 전지 소재에 관한 연구들이 함께 수반되어야 한다. 그러나 대부분의 연구는 연구소 학교 등에서 신규 소재를 중심으로만 개발 중이고 실제 웨어러블 스마트기기에 적용하기에는 대부분 두께가 얇으면서 휘어지는 형태로 단위면적당/단위체적당 용량이 낮은 수준이다.

손쉽게 구부러 질 수 있는 ‘박박 형태’‘반복 밴딩’ 특허

삼성SDI는 2015년에 스트라이프(Stripe) 및 밴드(Band) 배터리를 선보였다. 스트라이프 배터리는 섬유와 같이 자유자재로 휠 수 있는 유연성과 혁신적인 에너지밀도를 구현한 것이 특징이다. 목걸이, 헤어밴드, 티셔츠 장식 등 다양한 형태로 적용이 가능하다.

밴드 배터리는 스마트 워치용 제품으로 기존의 스마트 워치 줄에 밴드 배터리를 적용하면 용량을 최대 50% 이상 향상 시킬 수 있다. 이 회사가 등록한 ‘플렉스블 배터리, 특허는 박막 형태로 쉽게 구부러 질 수 있는 배터리 기술이다.

아모텍 자회사인 아모그린텍은 자체 기술로 완성한 ‘플렉시블 리튬이온배터리’의 성능 실험을 마치고 2017년부터 한국·중국 공장에서 본격 양산에 들어갔다. 이 회사가 개발한 플렉서블 이차전지는 하나의 셀 자체를 ‘주름 빨대’처럼 쉽게 구부릴 수 있도록 설계해 인위로 180도 접거나 좌우로 20도까지 비틀어도 정상 작동하고 못으로 배터리를 훼손시키거나 비금속(세라믹) 가위로 잘라내도 정상으로 동작한다.

또한 전극용 특수 바인더(접착) 기술과 3차원 그물 구조 코팅 기술이 핵심으로, 전해액 유출 등 수분 방지를 위해 알루미늄 파우치를 사용해 일반 전극 표면보다 두 배 이상 촘촘한 나노섬유 박막 코팅 기법으로 외부 충격에 의해 전극이 손상되더라도 전해액 유출을 막는다. 때문에 배터리를 절반으로 접거나 절단해도 과열 등 발화 위험이 없다.

아모그린텍이 출원한 ‘이차전지용 전해액, 이를 포함하는 배터리 및 플렉서블 배터리(electrolyte for secondary battery, battery and flexible battery comprising the same)’ 특허는 플렉시블 배터리에 적용하면 극저온 및 고온에서 우수한 방전 성능을 발휘할 수있으며, 반복 벤딩이 발생하더라도 배터리에 필요한 물성의 열화를 방지하거나 최소화 할 수있다.

2023년, 2조185억원 규모 전망 … 세계 플렉서블 배터리 시장

세계 웨어러블 디바이스 판매 현황 ※ 출처: Forecast unit shipments of wearable devices worldwide from 2016 to 2018 and 2021, Statista, 2017

미국 컨설팅 업체 엔데버파트너스가 발표한 ‘인사이드 웨어러블’에 따르면 미국 내 18세 이상 성인 10명 가운데 1명은 웨어러블 기기를 사용하는 것으로 나타났다. 이후 2017년에는 이전과 같은 50% 이상의 높은 성장률은 아니지만 Gartner, Statista 등 글로벌 시장조사 기관들에 의해 웨어러블 기기 시장은 2021년까지 약 20% 내외의 높은 연평균 성장률이 전망된다.

‘플렉서블 배터리’의 경우 웨어러블 디바이스에 적용되는 초기 시장에 해당한다. 플렉서블 배터리가 포함된 세계 모바일 IT용 이차전지 시장의 연평균 성장률은 18.5%로 세계적인 시장조사 기관들의 높은 연평균 성장률 전망에 부합한다.

세계 플렉서블 배터리 시장의 경우 2018년 약 3,106억 원의 시장규모에서 성장해 2023년에는 약 2조 185억 원의 시장규모를 나타낼 전망이다.

기술&시장 분석 시리즈는 한국발명진흥회 지식재산평가센터가 다년간 축적해온 기술시장 자료를 기반으로 작성됐다. 기술가치평가는 사업화하려는 기술이나 사업화된 기술이 해당 사업을 통해 창출하는 경제적 가치(금액)를 시장에서 일반적으로 인정된 가치평가 원칙과 방법론에 입각해 평가하는 작업이다. 한국발명진흥회 지식재산평가센터는 기술이전 및 사업화 촉진에 관한 법률 제 35조, 발명진흥법 제28조 등에 따른 정부 공인 기술평가기관이다.