세계에서 가장 작은 롤(roll) 배터리
- 기술 / 문광주 기자 / 2022-02-21 18:58:00
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- 크기 1제곱밀리미터 미만, 제곱센티미터당 100마이크로와트시 이상의 에너지 밀도
- 가장 작은 일반 컴퓨터 칩에 약 10시간 동안 에너지를 공급하기에 충분
- 응용 분야: 의료 임플란트, 마이크로 로봇 및 초유연 전자 장치와 같은 미래의 마이크로 및 나노 전자 센서 및 액추에이터에 사용 가능
컴퓨터 및 기타 전자 제품의 소형화는 현재까지 진행되어 이러한 마이크로 센서, 이식형 미니 장치 또는 "스마트 더스트" 컴퓨터의 전원 공급 장치가 추가 소형화를 위한 제한 요소가 되었다. 일반 배터리는 무한정 줄일 수 없기 때문이다. 이전에 적층된 박막 전극의 형태로 온칩 작동을 위해 설계되었거나 반도체에 통합된 배터리는 제곱밀리미터 이상의 공간이 필요하고 종종 충분한 전력을 갖지 못한다.
적층 대신 롤
그러나 다른 방법이 있다. 독일 켐니즈(Chemnitz) 공과 대학의 올리버 슈미트(Oliver Schmidt)가 이끄는 과학자들이 컴퓨터 칩용 마이크로 배터리를 생산하는 새로운 방법을 시도했다. 이를 위해 그들은 이미 자동차 제조업체 Tesla가 배터리에 사용하고 있는 전략을 수정했다. "보통 크기의 배터리를 사용하면 평평한 배터리 스택을 롤 형태로 형성하여 높은 전력 밀도를 달성할 수 있다"고 연구원들은 설명한다.
소위 "스위스 롤" 또는 "마이크로 종이접기 프로세스"가 사용된다.
응력층 시스템은 웨이퍼 표면에 고분자, 금속 및 유전 물질의 얇은 층 몇 개를 교대로 증착하여 생성된다. 그런 다음 이 시트가 인쇄물에서 분리되면 롤로 자체 말린다.
일반 크기 배터리의 경우 전력 밀도는 28배 증가할 수 있다. 팀 설명에 따르면 제곱센티미터당 약 5mA(밀리암페어)에서 약 140시간으로 전력 밀도를 높일 수 있다.
"스마트 더스트" 컴퓨터를 위한 충분한 전력
Schmidt와 그의 팀은 이제 이 방법을 사용하여 이러한 롤러 배터리를 마이크로 규모로 생산했다. 알칼리 전해질에 아연 양극과 은 음극으로 구성되어 있으며 감았을 때 너비가 0.7~0.8mm에 불과하다. 그럼에도 불구하고 슈미트와 그의 동료들이 보고한 바와 같이 서브밀리미터 롤은 제곱센티미터당 최대 100마이크로와트시의 에너지 밀도를 달성했다.
마이크로 배터리의 성능은 가장 작은 일반 컴퓨터 칩에 약 10시간 동안 에너지를 공급하기에 충분하다(예: 로컬 주변 온도를 지속적으로 측정). 팀에 따르면 이것은 칩에 통합할 수 있는 세계에서 가장 작은 배터리이며 기능적이고 응용 프로그램 지향적인 프로토타입이 있다. 이 공정은 또한 칩 산업에서 확립된 방법과 호환되므로 웨이퍼 표면에서 높은 처리량으로 배터리를 생산할 수 있다.
공동 저자인 Chemnitz University of Technology의 민센 즈후(Minshen Zhu)는 "우리의 결과는 1제곱밀리미터 미만의 규모에서 고무적인 에너지 저장 성능을 보여준다"고 말했다.
추가 최적화 가능
연구원들에 따르면, 이러한 롤형 미니어처 배터리는 예를 들어 의료 임플란트, 마이크로 로봇 및 초유연 전자 장치와 같은 미래의 마이크로 및 나노 전자 센서 및 액추에이터에 대한 큰 잠재력을 가지고 있다. 또한, 이러한 마이크로 배터리는 압전 또는 마찰 전기 발전기의 마이크로 규모 집전체를 위한 백업으로도 사용될 수 있다.
Schmidt는 "이 기술에 대한 최적화 가능성은 여전히 크므로 앞으로 훨씬 더 강력한 마이크로 축전지를 기대할 수 있다"고 말했다.
(Advanced Energy Materials, 2022, doi: 10.1002/aenm.202103641)
출처: Chemnitz University of Technology
- 크기 1제곱밀리미터 미만, 제곱센티미터당 100마이크로와트시 이상의 에너지 밀도
- 가장 작은 일반 컴퓨터 칩에 약 10시간 동안 에너지를 공급하기에 충분
- 응용 분야: 의료 임플란트, 마이크로 로봇 및 초유연 전자 장치와 같은 미래의 마이크로 및 나노 전자 센서 및 액추에이터에 사용 가능
세계에서 가장 작은 롤(roll) 배터리
롤링된 소형 배터리 팩은 먼지 한 점 크기의 컴퓨터에 전원을 공급할 수 있다.
소금 한 알보다 작음:
미래에 롤형 마이크로 배터리는 소형 컴퓨터에 에너지를 더 효과적으로 공급할 수 있다. 롤업 박막 전극으로 만든 배터리는 크기가 1제곱밀리미터 미만이며 칩에 통합될 수 있고 제곱센티미터당 100마이크로와트시 이상의 에너지 밀도를 갖는다. 연구팀이 보고한 바와 같이 이 기술은 밀리미터 이하 범위의 컴퓨터에 전력을 공급할 수도 있다.
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| ▲ 세계에서 가장 작은 전지는 소금 알갱이보다 작아 웨이퍼 표면에 대량으로 제조할 수 있다. © IFW 드레스덴/TU Chemnitz |
컴퓨터 및 기타 전자 제품의 소형화는 현재까지 진행되어 이러한 마이크로 센서, 이식형 미니 장치 또는 "스마트 더스트" 컴퓨터의 전원 공급 장치가 추가 소형화를 위한 제한 요소가 되었다. 일반 배터리는 무한정 줄일 수 없기 때문이다. 이전에 적층된 박막 전극의 형태로 온칩 작동을 위해 설계되었거나 반도체에 통합된 배터리는 제곱밀리미터 이상의 공간이 필요하고 종종 충분한 전력을 갖지 못한다.
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| ▲ 컴퓨터의 진화. a) 컴퓨터 볼륨의 크기 조정. b) 1mm3 컴퓨터의 개략도. (a,b) 허가를 받아 수정. 저작권 2013, IEEE. c) 0.04-mm3 컴퓨터의 이미지. 허가를 받아 복사. 저작권 2018, IEEE. (출처:관련논문 On-Chip Batteries for Dust-Sized Computers |
적층 대신 롤
그러나 다른 방법이 있다. 독일 켐니즈(Chemnitz) 공과 대학의 올리버 슈미트(Oliver Schmidt)가 이끄는 과학자들이 컴퓨터 칩용 마이크로 배터리를 생산하는 새로운 방법을 시도했다. 이를 위해 그들은 이미 자동차 제조업체 Tesla가 배터리에 사용하고 있는 전략을 수정했다. "보통 크기의 배터리를 사용하면 평평한 배터리 스택을 롤 형태로 형성하여 높은 전력 밀도를 달성할 수 있다"고 연구원들은 설명한다.
소위 "스위스 롤" 또는 "마이크로 종이접기 프로세스"가 사용된다.
응력층 시스템은 웨이퍼 표면에 고분자, 금속 및 유전 물질의 얇은 층 몇 개를 교대로 증착하여 생성된다. 그런 다음 이 시트가 인쇄물에서 분리되면 롤로 자체 말린다.
일반 크기 배터리의 경우 전력 밀도는 28배 증가할 수 있다. 팀 설명에 따르면 제곱센티미터당 약 5mA(밀리암페어)에서 약 140시간으로 전력 밀도를 높일 수 있다.
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| ▲ 칩에 적층된 박막. a) 박막 배터리 구조의 개략도. b) 증착된 고체 전해질이 있는 웨이퍼의 저항 매핑. c) 박막 배터리의 단면도. 오른쪽 패널은 음극 및 고체 전해질 층의 확대도이다. d) LiCoO2와 Li 금속을 전극으로 사용하는 박막 배터리의 충방전 프로파일. (b-d) 허가를 받아 다시 제조. 저작권 2019, IEEE. |
"스마트 더스트" 컴퓨터를 위한 충분한 전력
Schmidt와 그의 팀은 이제 이 방법을 사용하여 이러한 롤러 배터리를 마이크로 규모로 생산했다. 알칼리 전해질에 아연 양극과 은 음극으로 구성되어 있으며 감았을 때 너비가 0.7~0.8mm에 불과하다. 그럼에도 불구하고 슈미트와 그의 동료들이 보고한 바와 같이 서브밀리미터 롤은 제곱센티미터당 최대 100마이크로와트시의 에너지 밀도를 달성했다.
마이크로 배터리의 성능은 가장 작은 일반 컴퓨터 칩에 약 10시간 동안 에너지를 공급하기에 충분하다(예: 로컬 주변 온도를 지속적으로 측정). 팀에 따르면 이것은 칩에 통합할 수 있는 세계에서 가장 작은 배터리이며 기능적이고 응용 프로그램 지향적인 프로토타입이 있다. 이 공정은 또한 칩 산업에서 확립된 방법과 호환되므로 웨이퍼 표면에서 높은 처리량으로 배터리를 생산할 수 있다.
공동 저자인 Chemnitz University of Technology의 민센 즈후(Minshen Zhu)는 "우리의 결과는 1제곱밀리미터 미만의 규모에서 고무적인 에너지 저장 성능을 보여준다"고 말했다.
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| ▲ 전극 기둥에 적층된 박막. a) 전극 기둥이 있는 마이크로 배터리의 개략도. b) 전극 기둥을 만드는 표준 단계. c) 사이클링에 대한 Si 기반 마이크로 배터리의 충전/방전 프로필 및 d) 해당하는 쿨롱 효율. e) 충전/방전 깊이를 증가시켜 Si 기반 마이크로 배터리의 용량을 밀어낸다. (b-e) 허가를 받아 재생산.저작권 2018, Elsevier |
추가 최적화 가능
연구원들에 따르면, 이러한 롤형 미니어처 배터리는 예를 들어 의료 임플란트, 마이크로 로봇 및 초유연 전자 장치와 같은 미래의 마이크로 및 나노 전자 센서 및 액추에이터에 대한 큰 잠재력을 가지고 있다. 또한, 이러한 마이크로 배터리는 압전 또는 마찰 전기 발전기의 마이크로 규모 집전체를 위한 백업으로도 사용될 수 있다.
Schmidt는 "이 기술에 대한 최적화 가능성은 여전히 크므로 앞으로 훨씬 더 강력한 마이크로 축전지를 기대할 수 있다"고 말했다.
(Advanced Energy Materials, 2022, doi: 10.1002/aenm.202103641)
출처: Chemnitz University of Technology
[더사이언스플러스=문광주 기자]
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