소금 알갱이만한 세계 최소형 배터리

컴퓨터는 소형화가 계속 진행되고 있으며 체내에 통합되는 생체적응성 센서 시스템 같은 소형 마이크로일렉트로닉스 단말에 전력을 공급하기 위한 배터리도 개발되고 있다. 새롭게 연구팀이 발표한 세계 최소형 배터리는 무려 소금 1알 정도 크기에 불과하다.

라이프니츠고체재료연구소, 중국과학원 장춘응용화학연구소 등 공동 연구팀은 초소형 배터리 개발을 하고 있다. 1mm² 미만 크기 컴퓨터를 구현하려면 이제 사용할 수 있는 작은 크기 배터리를 개발하거나 전기를 생성하는 방법을 발명해야 한다. 전기를 생성하는 방법으로는 열을 전기로 변환하는 방법 등이 제안되어 있지만 출력이 낮다는 문제가 있다. 그 밖에도 빛이나 진동을 전력으로 변환하는 방법도 고안되어 있지만 이들은 어떤 장소에서도 항상 이용할 수 있는 에너지원이 아니라는 문제가 있다. 인체에 내장하는 생체적응성 센서 시스템의 경우 항상 전력을 공급할 필요가 있기 때문에 자가 발전하는 기술보다 극소 배터리를 채택하는 쪽으로 향하고 있다.

하지만 최소 배터리 생산은 일반 배터리와는 크게 다르다. 예를 들어 에너지 밀도가 높은 콤팩트한 배터리인 버튼 배터리는 습식 화학을 이용해 제조되고 있으며 전극 재료와 첨가제를 가공해 금속박에 코팅한다. 이와 같은 식으로 온칩 마이크로 배터리를 제조하면 뛰어난 에너지와 전력 밀도를 실현할 수 있지만 풋프린트는 1mm²를 넘어버린다.

또 온칩 마이크로 배터리 제조도 적층된 박막, 전극 필러, 교대로 배치된 미소 전극을 갖기 때문에 에너지 저장량이 불충분해지는 경우가 많아 풋프린트를 1mm² 미만으로 억제하는 건 상당히 어렵게 되어 버린다고 한다.

연구팀은 이런 문제를 해결한 1mm² 미만 초소형 배터리를 설계했다. 연구팀이 개발한 소형 배터리 에너지 밀도는 1cm²당 100mWh다. 연구팀은 세계에서 가장 작은 배터리를 생산하기 위해 마이크로 스케일로 집 전체와 전극 스트립을 감싼다. 이른바 스위스롤 전지라고 불리는 방식 전지로 폴리머와 금속, 유전체 재료에 의한 박막을 웨이퍼 표면에 층상으로 코팅한다. 연구팀은 스위스롤 전지가 이미 확립된 칩 제조 기술과 호환되기 때문에 웨이퍼 표면에 높은 처리량인 마이크로 배터리를 제조할 수 있다고 주장하고 있다.

연구팀은 이 방법을 이용해 지역 주변 온도를 지속적으로 측정하기 위한 세계 최소형 컴퓨터 칩에 10시간 동안 전력을 공그발 수 있는 충전식 마이크로 배터리 제조에 성공했다. 이 초소형 배터리는 사물인터넷과 소형화된 의료용 임플란트, 마이크로 로봇 시스템, 유연한 전자공학 분야 등에서 활용될 가능성을 들 수 있다. 연구팀은 덧붙여 이 기술에는 아직 최적화 가능성이 남아 있어 훨씬 뛰어난 마이크로 배터리 완성도 기대할 수 있다고 밝히고 있다. 관련 내용은 이곳에서 확인할 수 있다.