차세대 전지의 주력으로 평가되는 ‘전(全)고체전지’가 마침내 실용화 단계에 들어선다. 그리고 영역이 기대에는 미치지 못할 수도 있지만, 전기자동차 (EV)보다는 전자 기판의 표면에 장착(기판 표면 실장)하는 부품으로 실용화의 첫 걸음을 뗀다. 크기는 수 ㎟로 작지만, 임팩트는 결코 작지 않다. 일부 콘덴서를 대체하는 등 금후 회로설계나 모든 사물이 네트워크로 이어지는 사물인터넷(IoT) 단말기기의 기능을 크게 변화시키는 역할을 가능성이 있다. 이하 니혼게이신문 인터넷 판에 실린 관련 내용을 소개한다.

■ 기판 상의 ‘객’에서 ‘동료’로

2019년은 기판 상의 부품으로 전고체전지가 등극하는 원년이 될 것으로 보인다. 이미 월산 3만개의 규모로 샘플 출하에 들어간 TDK를 비롯해 일본의 적층세라믹콘덴서(MLCC)나 칩인덕터 제조업체가 잇따라 기판실장용 세라믹에 뿌리를 둔 전고체전지를 개발했다. 세라믹 기술을 강점으로 하는 니혼가이시(NGK)도 ‘반(半)고체전지’에서 가전제품을 겨냥해 신규 참여해 왔다.(이하 이들을 ‘세라믹계 전지’로 총칭한다)

지금까지도 기판 상의 회로에 전지로 전력을 공급하는 용도는 있었다. 그 전력 공급원의 대부분은 코인 형태의 1차전지인데, 원칙적으로 외부 부착으로, 전지가 소진되면 교환하는 설계이기 때문에 기판에게는 ‘객(客)’이었다.

한편 이번 세라믹계 전지는 저항기나 콘덴서, 인덕터 등의 수동부품이나 IC군과 나란한 기판용 부품 그룹의 ‘멤버(일원)’이 됐다. 실제 세라믹계 전지의 대부분은 얇은 직사각형으로 기존의 수동부품과 유사하고, 최고 260℃에서 리플로 납땜으로 기판 위에 붙일 수 있다.

다만 현재로는 모든 면에서 만족스런 기판 부품 멤버로 인정하기는 어렵다. 기존의 기판 멤버 가운데 특히 콘덴서 종류의 대체나 전원 작동 관련 회로설계의 변경이 문제로 남아있기 때문이다.

■ 우선은 내장 시계의 전원 백업

현 시점에서 세라믹계 전지의 예상 용도로는 크게 (1)스마트폰이나 PC와 같은 전자기기에 사용되는 ‘RTC(real time clock)’라는 내장 시계의 백업 전원(주로 1차전지)의 대체 (2)IoT 단말기기 등의 전원으로 1차전지의 대체 (3)일부 전해콘덴서나 적층세라믹콘덴서(MLCC), 나아가서는 전기이중층커패시터(capacitor)의 대체 등 3가지가있다.

이 중 첫 번째는 모든 세라믹계 전지 제조업체가 기반이 되는 용도로 꼽는다. 이유는 세라믹계 전지의 대부분이 아직은 적은 전류용량밖에 갖추지 못했기 때문이다. 예를 들어, TDK의 샘플 제품은 전류용량이 0.1mAh(100μAh)이다. 그렇지만 대부분의 RTC는 소비전류가 0.3~0.8μAh로 매우 적기 때문에 적어도 100시간 이상은 RTC에 전력을 지속적으로 공급할 수 있다.

대부분의 RTC용 백업 전원은, 예를 들어 스마트폰이나 노트북PC와 같이 콘센트 전원에서 분리되고 또한 메인 전원도 끊겼을 경우에 연결시켜주는 역할 정도만 하면 되지 몇 년씩 장기간에 걸친 연속가동은 거의 필요 없다. 이런 점에서 1차전지보다 2차전지 쪽이 RTC 백업 전원에 적합하다고 할 수 있다.

■ IoT 단말기기의 전원으로서 유리

두 번째로, IoT 단말기기의 전원으로서 활용하는 용도는 기존의 1차전지와 정면 승부를 벌이게 되는데, 세라믹계 전지가 확실히 우위에 있다. 우선, 세라믹계 전지의 대부분을 차지하고 있는 전고체전지는 액체의 누출이 없는데다 성능 신뢰성이 높은데, 기판에서는 매우 중요한 사안이다.

전류용량 면에서는 단순 비교로는 코인 형태의 1차전지에 대항할 수 없지만, 아주 조금이라도 충전의 기회가 있거나, 주변에 있는 빛이나 진동, 열 등과 같이 전기로 전환 가능한 ‘에너지 하베스 팅(energy harvesting)’같은 극히 소량이라도 비교적 장시간에 걸쳐 전력을 확보할 수 있는 경우는 실질적인 차이는 없다. 이렇게 사용하는 2차전지의 실질 전류용량은 1회 방전 용량 x 충전 가능 횟수로 결정되기 때문이다. 세라믹계 전지는 대부분이 1000회 이상 충전 할 수 있기 때문에 0.1mAh x 1000회 = 100mAh로 일반적인 코인 1차전지의 용량과 엇비슷하다.

세라믹계 전지의 출력전압은 1.4~2V로 약간 낮은 경우가 많은데, 이 문제는 여러 개를 직렬로 나열하거나 승압 회로로 해결할 수 있다.

■ IoT 단말이 고기능된다

고온 환경에 강하고 소자 모양을 자유롭게 할 수 있는 점도 세라믹계 전지의 특징이다. 결과적으로 차량용 전지나 IC카드, 초박형 또는 초소형의 웨어러블 단말기 전지 등으로 활용을 기대할 수 있다.

초소형 단말기는 1차전지로는 매우 낮은 용량밖에 이용할 수 없고 실장할 수 있는 기능이 상당히 제한된다. 반면에 2차전지라면 적절히 충전할 수 있기 때문에 용량과 출력의 문제를 해결할 수 있는 여지가 있다.

이미 니혼가이시는 독자개발한 0.45㎜ 두께의 얇은 세라믹계 전지 ‘에너세라 파우치(EnerCera Pouch)’를 IC카드에 실장해 이 카드에서 지문 센서와 ‘블루투스 로 에너지(BLE )’ 등의 무선통신 기능 등을 이용할 수 있도록 했다.

니혼가이시는 지난 1월에 열린 미국 가전쇼 ‘CES 2019’에서 이 전지를 구현한 단말기를 무선 급전으로 충전하면서 전자종이형 디스플레이를 작동시키는 데모를 선보였다.

이 회사는 “신용카드에 무선 기능과 디스플레이가 있으면 QR코드의 표시, 카드번호를 활용한 부정사용의 실시간 통지나 즉석 카드번호 재발급 등이 가능하다”고 설명한다. 신용카드 번호 자체를 원타임패스워드로 하는 것도 가능하다.

■ FDK와 NGK 콘덴서에 도전장

세 번째로, 콘덴서 부류의 대체와 같은 용도는 세라믹계 전지의 대부분이 거의 같은 크기의 MLCC보다 수백 배 많은 전류용량을 갖거나 또는 동일한 전류용량을 전기이중층커패시터(capacitor)의 약 100분 1의 체적으로 실현할 수 있는 점이 배경이 되고 있다. 기존의 리튬이온 2차전지(LIB)와 달리, 정전압(CV)만으로 충전할 수 있는 가능성과 콘덴서에 비해 불리한 점이 적은 것도 콘덴서 부류의 대체를 촉진하는 요소가 된다.

다만, 이와 관련해서는 세라믹계 전지 제조업체 간에 의견이 크게 다르다. MLCC가 주력 사업의 하나인 무라타제작소의 경우는 “고온 환경에 약한 전계(電界)콘덴서의 대체는 있을 수 있지만, MLCC는 역할과 특성이 달라 다른 접근이 필요하다”는 입장이다.

반면에, 콘덴서 사업이 없는 FDK는 “MLCC 등을 세라믹계 전지로 어디까지 대체할 수 있는지 추구하고 싶다”는 자세를 보인다.

니혼가이시도 같은 태도다. 세라믹계 전지의 대부분은 전류 출력이 무선통신 용도로는 부족하고, 콘덴서와 결합하는 방법으로 필요 출력을 확보할 필요가 있는데, 니혼가이시의 세라믹계 전지는 전류용량과 전류 출력이 함께 크고 콘덴서도 필요없다. “전기이중층커패시터의 대체도 전망한다.