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박막전지와 박형리튬전지와의향후 기술 및 시장경쟁 방향은?

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[ 남상철 | 박호영 | 홍성화 ]

ISBN 978-89-6211-055-5 98560

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박막전지와 박형리튬전지와의 향후 기술 및 시장경쟁 방향은?

Emerging Issue Report

제1장 서론

1. 박막전지 기술 개요 및 특성································ 6

2. 박막전지 이슈 분석의 필요성······························ 9

제2장 국내외 연구 ․기술 및 산업동향

1. 국내외 연구개발 및 기술동향····························· 12

2. 국내외 산업동향··················································· 17

제3장 박막전지와 박형리튬전지의 경쟁현황 분석

1. 응용분야 비교 및 시장형성 가능성··················· 23

2. 전지 안전성 측면에서의 비교분석···················· 29

제4장 향후 성장성 예측 및 결론

향후 성장성 예측 및 결론······································· 32

참고문헌······························································ 33

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최신의 전지 기술은 현재 종래의 전통적인 전기화학으로부터 고체 내의 이온 이동

및 고체 간 계면에서의 이온 거동 등에 대한 고체 물리학으로 바뀌어가는 단계로 볼

수 있다. 따라서 액상이 아닌 고체상의 전해질을 특징으로 하는 박막전지는 이와 같

은 도전적인 분야에 있어서 좋은 시발점이 될 것이며, 그 응용 분야도 다양한 형태

의 전원으로 확대되어 나갈 것이다. 본 고에서는 박막전지 개발의 동향, 기술 및 응

용분야 등을 간략히 소개하고, 기존 전지와의 비교 및 향후 전망 등에 관해 기술하

였다.

마이크로 공정기술의 급속한 발전으로 인해 반도체, MEMS 등의 미세 소자 및 초

소형 기계 부품에 대한 기술의 첨단화는 가속화되고 있으며, 기능을 갖는 부분과 이

부분을 제어하는 주변회로의 on-chip화 요구가 증가하기 시작하였다. 이와 같은 추

세의 문제점은 소자구동을 위한 에너지원의 개발이다. 즉 소자의 크기가 작아진 것

에 부합하는 초소형의 전지가 필요하게 된 것이다. 따라서 보다 완전한 마이크로 시

스템의 구현을 위하여 고성능 초박막전지(Thin Film Battery)의 개발이 필수적이다.

뿐만 아니라 21세기 정보통신 사회에서는 대부분의 전자기기를 개인이 휴대할 수 있

게 될 것이며, 더 나아가 몸에 부착 또는 착용하는 개념이 도입될 것이다. 따라서

이러한 기기들은 지속적인 발전을 거듭하여 초소형화되고 소비전력 또한 작아질 것

이며, 이에 따라 구동 에너지원도 경박단소화 될 것이다. 이러한 요구조건에 가장

잘 부합되는 동력원이 초소형 박막전지라고 할 수 있다. 초소형 박막전지는 반도체

제조기술에 기반을 둔 박막 증착기술과 전지기술이 결합된 차세대 전지로, 통상적인

전지의 구성인 양극/전해질/음극 등 세 층을 각각 아주 얇은 막으로 두께를 나노미

터(㎚) 혹은 마이크로미터(㎛) 단위로 최소화해 스마트카드나 RFID tags, 바이오-

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마이크로시스템 및 각종 MEMS 등 다양한 응용 분야에 적용할 수 있는 미래형 전지

로 부각되고 있다. 가령, 스마트 카드에 박막 전지를 장착할 경우, 단순한 신용카드

기능 뿐만 아니라 보안 기능 및 디스플레이 기능을 탑재함으로써 각종 정보저장 및

통신 매체로 활용할 수 있다. 특히 의료 분야의 경우 마이크로 바이오 센서나, 약물

전달 시스템에 이용할 수 있으며, 다른 고체 이온소자와 결합할 경우 전기변색 소

자, 센서, 전기화학 발광소자 등 나노테크놀로지 기술에 활용할 수 있는 등 응용 시

장은 매우 크다.

이에 부합하는 다양한 형태의 박형전지가 여러 연구그룹에 의해 제안되고 있으며,

그 중 박막전지는 전극과 전해질 등 전지 구성 요소가 고체상의 박막으로 구성되어

기존 전지에 비해 독특하고 우수한 특성을 가지므로 점차 이에 대한 관심이 높아지

고 있다. 일반적으로 박막전지는 기판을 제외한 전지 구성 요소 전체의 두께가 10㎛

이하이며, 반도체와 같은 소자 상에 함께 집적하는 개념적 동기로부터 출발되었다.

이러한 새로운 제작 기술들의 대부분은 고체재료 설계, 금속 리튬 전극, 박막 코팅

등으로 실현이 가능하다.

박막전지는 현재 연구개발 단계로부터 상용 제품화 단계로 옮겨가고 있는 추세이

며 1~2년 내에 양산화된 제품이 나올 준비가 되어 있다. 하지만 리튬폴리머전지의

박형화에 따른 경쟁구도를 어떻게 잘 극복하는가에 따라 사업의 방향이 결정될 것으

로 예측된다. 박막전지는 경쟁제품으로 부각되고 있는 박형리튬폴리머전지와 차별화

된 기술 및 전략을 바탕으로 경쟁 구도에서 탈피하여 소비자의 요구사항에 적극적으

로 대응할 수 있는 맞춤형 전지형태로 방향을 선택하는 것이 바람직하며, 국내의 경

우 전통적으로 강한 반도체 및 진공기술을 바탕으로 본격적인 연구 개발이 이루어

질 경우 세계 최고의 자리에 등극할 날도 멀지 않을 것이다.

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제1장서론

박막전지 기술 개요 및 특성 ●

박막전지 이슈 분석의 필요성 ●

6

작년 Sony사에서 제조한 리튬 이온전지 Dell사 및 HP사의 노트북 PC 폭발 사

고로 인한 대규모 리콜 사태 이후 전 고체상의 박막전지에 대한 관심이 크게 증

가하였다. 박막 전지는 전극 활물질의 이용 효율이 좋아서 단위부피당 또는 단위

무게당 용량은 기존 벌크형 전지에 비해 크다고 할 수 있으나, 이는 초기 기판으

로 사용하는 재료의 두께 및 무게에 크게 의존하기 때문에, 전지에 사용되는 기

판의 두께 및 무게를 줄이는 것이 하나의 과제라고 볼 수 있다. 현재 기존의 벌

크형 리튬 이차전지는 휴대용 전자기기에 널리 사용되고 있으나 아직 이를 박막

화한 전고상(all-solid-state) 형태의 전지는 pilot scale로서 양산화 전단계인

prototype 수준이다.

일반적으로 박막전지는 반도체 기술에 흔히 사용되는 진공 증착방법을 이용하

여 전지 재료를 특정 기판 표면에 박막으로 형성하여 제조된다. 그림 1은 박막전

지 제조 공정의 예를 나타낸 도표로서 모든 전지 구성 요소, 즉 전류집전체, 양

극, 전해질, 음극, 패키징 보호막 등을 순차적으로 다층 박막의 형태로 증착하여

전 고체상의 전지를 구현한다. 보통 물리기상증착(PVD; Physical vapor

deposition) 방법이 많이 쓰이며, 전류집전체는 금속 박막을 DC 마그네트론 스

퍼터링에 의해 증착하고, 양극 및 고체전해질은 RF 마그네트론 스퍼터링에 의해

증착된다. 음극은 주로 리튬 금속이 사용되며 진공 열증착법에 의해 제조된다

[1-4]. 어떤 경우에는 화학기상증착(CVD; Chemical vapor deposition) 또는 정

전기 스프레이 증착(ESD; Electrostatic spray deposition)이 사용되기도 한다.

이러한 공정을 위해서는 연속 증착이 가능한 클러스터(Cluster) 형태 또는 인라

1. 박막전지 기술 개요 및 특성

서론

7

인(In-line) 형태의 진공 챔버가 필요한데, 초기 투자비용이 커서 현재 미국의

일부 회사만 이러한 형태의 파일럿 공정 라인을 보유하고 있다. 일반적으로 박막

전지의 특성은 진공 증착 공정 변수 제어에 의해 최적화될 수 있으며, 특히 현재

양극 및 고체전해질의 경우가 이에 크게 의존한다. 가장 중요한 조건은 벌크 전

지 재료의 물성이 그대로 박막의 형태로 이전되어야 한다는 점이다. 따라서 증착

분압, 파워, 온도, 플라즈마, 챔버 형상 등의 진공 증착 공정 변수의 최적화를

통해 박막의 결정 구조, 조성 및 결함 등을 제어해야 한다. 전 고상 박막전지는

말 그대로 전지를 구성하는 요소를 박막화하여 그 두께를 매우 얇게 만든 것을

의미한다. 박막이란 특수성으로 인하여 모든 구성 요소는 고체상을 의미하며, 따

라서 박막형 전지라 함은 고상의 형태를 의미하게 된다. 그림 2는 기본적인 박

막전지의 구조 중 단면을 나타내고 있는 것으로서, 이외에도 다른 구조가 발표되

었지만 공통적으로 기판/양극전류집전체/양극/고체전해질/음극/음극전류집전체/

보호막의 순서를 갖는다[5,6]. 이때 양극전류집전체는 주로 바나듐 또는 Pt, Ru,

Au, Pd 등의 귀금속을 사용하며 음극 전류집전체는 Cu, Ni 등 리튬과의 반응성

이 없는 금속이 가장 일반적이라고 할 수 있다.

[그림 1] 박막전지의 제조 공정의 실 예.

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기판을 제외한 전지의 전체 두께는 10㎛ 이내이며, 단위셀 자체의 용량 증대를

위해, 최대 20㎛ 까지도 증가할 수 있다. 박막전지는 기판의 종류에 따라 물리적

특성이 달라지게 된다. 즉, 고분자와 같이 구부러짐이 용이한 기판을 사용할 경우

전지 자체도 구부러짐이 가능하기 때문에, 플라스틱 전지와 같은 장점을 지니게 된

다. 또한, 그림 3에서와 같이 그 구성요소가 모두 고체상으로 열적, 기계적으로 안

정할 뿐만 아니라, 마스크 패터닝 기법을 이용하므로, 기존 리튬이온전지(LIB) 및

리튬폴리머전지(LPB)와 같이 동일한 규격 및 형태를 갖는 것이 아니라, 전지의 평

면적인 크기나 형태에 제약이 없으며, 제조 공정 또한 단순하다. 또한, 유해한 액상

전해질의 누액 및 누수가 없으므로 환경 친화적인 전지라 할 수 있다.[7]

[그림 2] 박막전지의 단면 구조 모식도.

Electrolyte

CathodeCurrent collector

Substrate

Anode

Electrolyte

CathodeCurrent collector

Substrate

Anode

[그림 3] 박막전지의 단면 SEM 이미지.

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2. 박막전지 이슈 분석의 필요성

최근 미국 화장품 회사인 Estee Lauder가 발표한 눈가의 주름을 교정하는 패치

에 power paper라는 on-board된 박형전지가 포함되어 이목을 집중시킨 바 있다.

이 전지는 눈가의 주름을 펴기 위한 약품이 피부 속으로 잘 스며들도록 미세한 전

류를 흘려보내는 기능을 한다. 여기서 이것은 기존의 전지보다 용량이 작으면서도

얇고 휘어지는 특성을 이용하여 새로운 응용 분야를 제시했다는 점에 주목할 만하

다. 지금까지의 전지는 출력(출력 밀도)과 용량(에너지 밀도)을 향상시키는데 개발

의 초점이 맞춰져 왔으나, 이제 새로운 차원의 경쟁이 시작되고 있는 것이다. 그것

은 바로 수 ㎛에서 수백 ㎛에 불과한 얇은 두께와 휘어지는 특성으로서(그림 4), 작

고 가벼울 뿐만 아니라 신뢰도가 높은 전원에 대한 요구가 증대되고 있는 것이다.

[그림 4] 새로운 차원의 에너지 저장 장치로서 전지 개발 개념의 변화[8]

예로 든 것처럼 현재 얇고 휘어지는 전지는 화장품이나 우편엽서처럼 일반적인

전자기기와는 상이한 분야, 즉 이전에는 전지와 별로 관련이 없었던 분야에 제품

차별화 및 틈새시장을 파고들기 위한 시도로 탑재되기 시작하고 있다. 그리고 이

외에도 RFID 태그, 스마트 카드처럼 얇고 구부러지는 전지를 요구하는 제품의 수

가 증가하고 있으며[9], 반도체, MEMS 등의 기술 발전에 따라 소비전력이 매우

작은 전자소자들이 개발되고 있다. 화장품과 같은 비전자 응용 분야에서는 전압

1.5V 대의 알칼리 박형전지로써 초기 시장을 개척하였으나, 점차 광범위한 전자소

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자에 적용하기 위해서는 높은 전압 규격의 박형전지가 요구되므로 기존 벌크형 전지

의 발전 추세와 유사하게 3V급 이상의 리튬계 박막전지의 수요가 증대될 것이다.

그림 5는 박막전지의 응용분야에 따른 로드맵을 나타내었다.[8] 박막전지는 현

재 시작 단계에 불과하지만 능동형 tag, smart active label과 같은 RFID 분야,

OTP (One-Time-Password)와 같은 smart card 분야, drug delivery system,

신경자극기(neuro-stimulator) 등의 의료 소자 분야, 태양전지 등과의 하이브리

드 시스템을 통한 박형 영구 전원(integrated power supply) 개발 등 다양한 신

규 시장을 창출할 것으로 전망된다. 더 나아가 최근 빈번하게 문제가 되는 기존

의 벌크형 리튬전지의 안전성을 대체할 수 있는 가능성을 갖고, 일반 휴대형 전

자기기 분야로의 응용분야 확대도 조심스럽게 예상되고 있다. 민수용 뿐만이 아

니라 군수적인 응용 측면에서도 박막전지는 높은 신뢰도를 요구하는 저전력 소

자의 구동에 적합하며, 특히 신관 분야로의 응용 연구가 활발히 진행되고 있다.

최근 미국, 이스라엘, 일본 등의 선도 회사에서 박막전지의 상용화를 발표하였으

며, 이들은 주요 전지 회사들이 경쟁에 뛰어들기 전에 시장을 선점한다는 전략을

갖고 가능한 빨리 상용화를 서두르고 있다. 국내에서도 일부 박막전지를 개발하

려는 움직임이 있었으나 아직까지는 미미한 단계이며, 장차 박막전지의 필요성을

인식하고 기술개발에 좀 더 많은 관심을 가져야 할 것이다.

[그림 5] 응용분야에 따른 박막전지의 기술개발 로드맵.

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국내외 연구개발 및 기술동향 ●

국내외 산업동향 ●

제2장국내외 연구 ․기술 및 산업동향

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가. 박막전지-신규전지-기존 2차전지 비교

박막전지는 공간적 제약이 적고, 원하는 패턴대로 다층 박막을 증착하여 제작

할 수 있으며, 고체전해질을 사용하므로 과충전 또는 과방전시의 안정성이 높다.

기존 휴대용 전자기기에 널리 쓰이는 리튬이온전지는 전해질이 휘발성 물질로

구성되었으며, 과열되기 쉽고, 수명(약 500회)도 짧은 편이다. 반면 박막전지는

액체 대신에 고체 리튬이온 전해질을 사용하기 때문에 과열 위험 경감과 자가방

전이 거의 없어서 시간이 지나도 거의 전력을 소모하지 않으며, 수천 번 다시 충

전해 사용할 수가 있다. 또한 리튬이온전지의 1/10, 리튬폴리머전지의 1/5 이하

의 무게를 갖으며, 모양을 자유롭게 성형할 수 있어 디지털기기의 슬림화 추세에

적합하다. 또한 태양전지와 화학전지가 결합된 반영구적인 연속 전원 공급 시스

템인 integrated power supply에 대한 요구가 증대되고 있기 때문에 고효율의

전 고상 박막전지는 이러한 분야의 응용에 있어서 매력적인 선택이 될 수 있다.

박막전지와 상용화된 기존 벌크형 전지의 성능을 비교하여 보면 박막전지는 안

정한 고체상으로 제작될 수 있다는 점 때문에 많은 장점을 가지며, 이는 그림 6

에 비교결과를 보여주고 있다. 박막전지는 내구성, 에너지밀도, 온도 특성 및 자

가방전율 등 대부분의 성능이 우수한 반면, 부피가 작기 때문에 총용량이 작다는

단점을 가지며, 이에 대한 개선이 가장 큰 과제라 할 수 있다. 이외에도 박막전지

의 성능은 개방회로 전압, 최대 전류, 방전용량 등에 의해 평가된다. 개방회로 전

압은 전극 물질의 열역학적 특성으로서 양극과 음극 재료의 조합에 의해 결정된

1. 국내외 연구개발 및 기술동향

국내외 연구 ․기술 및 산업동향

13

다. 최대전류는 전극과 전해질 간의 계면 상태 및 전지 각 요소의 박막 내에서

전자와 이온의 확산에 크게 의존한다. 그러나 디자인에 따라서 계면 면적의 제한

으로 인해 계면 저항이 커지므로 이 점은 박막전지가 극복해야할 단점 중 하나이

다. 하지만 저전류 응용시 충방전 싸이클에 대한 내구성은 10,000회 이상으로 매

우 우수하며 단위부피당 용량은 에너지밀도와 관련되는데, 박막전지의 경우 순수

하게 전극 활물질로만 구성되기 때문에 매우 높은 에너지밀도를 갖는다. 그 밖에

온도, 충격 등과 같은 환경 특성도 중요한 항목이며, 박막전지는 상온에서 연간

1% 이하의 자가방전율을 가지기 때문에 20년 이상의 저장수명을 갖는다고 보고되

어 있다. 한편 -40℃~+60℃의 온도에서 전지의 운용이 가능하다고 보고된 바

있다.[10]

[그림 6] 박막전지와 기존 상용전지와의 주요 특성 비교

전 세계적으로 박막전지를 포함한 신형 박형전지를 제작하는 회사의 기술을

비교해 보면, 크게 세라믹 고체전해질 박막을 사용하는 리튬계 박막전지, 박형알칼

리전지, 박형리튬폴리머전지 및 유기라디칼 전지(ORB:Organic Radical Battery)

로 구분지을 수 있다. 그림 7에 업체 현황 및 각 전지의 간략한 구조 및 성능을

나타내었으며, 그림 8~11에 ORB전지, 국내 paper전지, 미국 박형리튬폴리머전

지 및 국내 박막전지에 대한 간략한 데이터를 나타내었다.[11-18]

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[그림 7] 박막전지 및 신규 박형전지 기술별 업체 현황

(PTMA)

[그림 8] NEC사의 Organic radical battery의 구조 및 충방전 특성[19]

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[그림 9] 로케트전기의 알칼리 페이퍼 전지의 구조[20]

[그림 10] Solicore사의 박형리튬폴리머전지의 구조 및 방전 특성[15]

2cell stacking

[그림 11] 누리셀의 전고상 박막전지의 구조 및 충방전 특성[6]

세라믹 전해질을 사용하는 박막전지를 제외한 다른 형태의 전지들은 엄밀한

의미의 전고상 박막전지는 아니며, 후막으로 코팅된 전극 활물질 및 폴리머 또는

액상 전해질을이용한 전지이며 대개 자가방전율이 약 5%(/월)로 크고, 저온 사

용 시 -10℃ 정도로 사용 온도가 제한되며, 45℃ 이상의 고온에서는 전지가 열

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화되기 쉽다는 단점을 갖는다.

나. 국내외 박막전지 기술 비교

박막전지는 미국의 Oak Ridge National Lab.에서 개발된 개념을 기반으로 상

용화가 시작된 만큼 박막전지 분야의 주요 선도업체는 미국에 근거를 두고 있다.

선진국 대비 박막전지 기술 수준을 비교하여 보면 우위 또는 동등한 성능이 있

지만 아직 열세인 부분이 많다. 특히 장기보존, 열안정성, 패키징 분야는 선도업

체 대비 80% 이하 수준으로서 추가적인 연구개발이 필요한 상황이다. 이러한 성

능 향상을 위해서는 주로 박막의 계면 제어, 비리튬계 음극 개발 및 다층 보호막

형성 기술 등이 뒷받침되어야 한다. 또한 선진 개발 그룹에서는 생산성 향상을

위해 RF 스퍼터링 위주의 제조 공정을 탈피하여 CVD, e-beam 또는 Sol-gel

방법 등의 공정에 대한 시도가 이루어지고 있다. 아직까지는 전지 수율 및 성능

측면에서 충분히 검증된 바가 없지만, 성능 향상이 가능하다면 이와 같은 다른

코팅 공정의 도입을 통하여 박막전지의 제작을 고려해야 할 것이다. 한국의 경우

세계 1위의 반도체, LCD 등을 기반으로 박막 공정에 관한 경험과 노하우가 풍부

하여, 신속하게 공정개발을 할 수 있는 강점을 갖고 있으므로 1-2년 이내에 기

술 격차를 극복할 것으로 사료된다.

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2. 국내외 산업동향

가. 국내외 산업동향

(1) 국외 동향

- 이스라엘 Power Paper사는 1.5V급 알칼리 전지를 탑재한 Smart Active

Label을 PowerIDTM 상표로 시판하여 농수산, 축산물, 혈액 및 의약품의

유통경로 추적과 함께 기존 수동형 태그의 문제점인 신뢰성 문제를 해결하고

있으며, 전술한 바와 같이 화장품 패치에 적용하여 출시하였다. (그림 12)

[그림 12] 이스라엘 Power Paper사의 전지가 내장된 Smart Active Label[14]

- Lipon 세라믹 고체전해질을 적용한 리튬계 박막전지를 최초로 개발한 J. Bates

박사가 CTO로 있는 미국의 Oak Ridge Micro-Energy(OKME)사는 생체 삽입형

초소형 의료소자, 메모리 백업 및 무선 타이어 압력 센서용 전원으로서 박막전지

를 개발하였다. (그림 13 참조)

[그림 13] OKME사의 파일럿 생산된 박막전지[13]

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- 미국 IPS사는 Smart Active Label용 0.2mm 이하, 0.2mAh 용량을 갖는

초박막 플렉시블 전지를 개발하였으며 (그림 14), 또한 Starshine3이라는

소형 인공위성에 에너지 생성을 위한 태양전지와 에너지 저장용 박막전지가

결합된 형태의 Integrated power supply(IPS)를 탑재하였다.(그림 15)

[그림 14] 미국 IPS사에 의해 개발된 초박막 플렉시블 전지 및 라벨 탑재 예[11]

[그림 15] IPS사의 박막전지(Litestar)가 탑재된 인공위성(Starshine 3)[11]

- 미국 Cymbet사는 RFID 태그에 응용하기 위해 전고상 형태의 초박막전지를

개발하여 실제 태그에 부착 실증시험을 실시하고 있으며, 군수용으로서 SDF

용 박막전지를 개발하고 있다. (그림 16)

[그림 16] 미국 cymbet사에 의해 개발된 RFID 태그용 박막전지[12]

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- 전지가 내장된 태그의 중요성이 최근 부각되면서 이에 대한 연구 및 관련

단체의 움직임 또한 활발해지고 있다. 그 대표적인 예가 스마트 액티브 라벨

컨소시움(Smart Active Labels Consortium, SAL-C)으로, 2002년에 설립

된 이 단체는 능동형 라벨 사용의 촉진을 위해 Savi, Zebra, ETRI와 같은

시스템 업체/연구기관과 Cymbet, Power paper와 같은 박막전지 제조 회사

등 총 17개사가 참여하고 있어 상용화 및 국제 표준화를 주도하고 있다.

- 미국 Solicore사는 고분자 전해질을 사용하여 기존의 리튬폴리머 전지를 얇

은 두께로 제작하여 금융 보안카드인 OTP(One Time Password) 카드 및

능동형 RFID tag 제작업체에 공급하고 있다. 전지의 용량은 약 20mAh로서

박막전지보다 크나 자가방전율 및 저온특성이 미흡한 점이 단점으로 지적되

고 있다.

- 일본의 경우 NEC사에서 최근 유기라디칼 전지(ORB)를 개발하여 IT 모바일

기기 등에 장착시험을 실시하고 있으며, 그 응용범위를 스마트 카드 및

RFID 태그로 넓히고 있다. 한편 Geomatec사는 Iwate대학과 협력을 통해

스퍼터링 박막 증착 기술에 의해 고체전해질을 사용하는 박막전지를 개발하

였다.

- 그 밖에 미국 Excellatron, FrontEdge Technology(FET)사 등에서 Smart card

용 전고상 형태의 박막전지에 대한 활발한 연구 및 개발을 진행하고 있다.

(2) 국내 동향

- 국내의 경우 90년대 중반 이후부터 주로 서울대, 과기원, 한양대, 강원대

등 대학 및 KIST와 같은 연구소를 중심으로 박막전지에 대한 연구가 시작

되었다.

- 업계의 경우 2000년대초 애니셀에 의해 사업화가 진행된 바 있으나, 경영난

에 따른 자금압박으로 인해 사업화가 중단되었다. 최근 벤처기업인 누리셀

은 박막전지 연구개발을 통해 여러 가지 종류의 prototype 박막전지를 개발

하는데 성공하였으며, 파일럿 생산 시스템을 구축하여 상용화를 위한 검증

및 준비 단계에 있다. (그림 17)

20

[그림 17] (주)누리셀에 의해 제조된 박막전지의 prototype

나. 산업적/경제적 파급효과

- 박막전지는 무선주파수 식별 기술을 이용한 유비쿼터스 센서 네트워크의 구

현에 있어서 센서 노드를 갖는 능동형 태그의 전원으로 적합한 전지이다.

- 스마트 카드 또는 보안을 위한 매치온 카드 분야에서도 그 수요가 창출될

것으로 전망된다.

- 고신뢰성을 요구하는 의료, 우주산업 및 군수산업 분야의 응용 사례가 발표

되고 있다.

- 리튬박막전지의 병렬적층기술을 통한 모듈은 기존 리튬전지 시스템에 비해

충전 속도가 빠르기 때문에 일부 소형 개인 휴대전자기기용 전원공급원으로

의 대체도 가능할 것으로 예측된다.

- 소재의 선택에 따라 1차 또는 2차 전지 구현이 가능하여 다양한 제품 라인

업 구축이 가능하다.

- 기술 성숙 및 과다 경쟁으로 인한 수익성 악화를 격고 있는 기존의 벌크형

리튬전지에 비해 새로운 시장 창출의 모델이 될 수 있으며, 이에 따른 고용

창출의 효과를 가질 수 있다.

다. 박막전지 시장 전망

박막전지는 불과 수년전만 하더라도 응용분야에 대한 기술 미비로 인해, 시장

예측을 한다는 것 자체가 무리일 수밖에 없었으나, 최근 smart cards, RFID

21

tags, cosmetics, memory back-up 및 flexible device의 급격한 등장에 따라

이와 관련한 시장이 동반 상승하는 결과를 나타내고 있다.

2006년에 발간된 미국 Wintergreen research사의 박막전지 시장 예측 보고서

에 따르면, 현재 박막전지는 시도 단계로서 그 시장규모는 미미한 수준이지만

2007년 이후 급성장하여 2012년 110억 달러에 이를 것으로 전망하고 있다.[21]

기존 리튬이온전지에서 한국, 중국, 일본에 주도권을 빼앗긴 미국이 최근 들어

천문학적인 액수를 박막전지 개발에 투자하는 형태는 박막전지의 미래가치가 농

후함을 증명해 주는 또 다른 증거라 할 수 있다.

22

제3장박막전지와 박형리튬전지의 경쟁현황 분석

응용분야 비교 및 시장형성 가능성 ●

전지 안전성 측면에서의 비교분석 ●

23

진공증착 공정을 이용하는 전고상 박막전지는 그림 18의 spider map분석을 통하

여 볼 때 장기보존성, 고속충전 및 고율방전측면에서 기존 리튬폴리머전지에 비해

기술우위에 있다고 할 수 있으나, 절대용량측면에서는 열세에 있기 때문에, 이와

같은 특성에 맞는 응용분야 발굴 및 이를 통한 시장형성을 주도해 나갈 필요가 있

다고 볼 수 있다. 전고상 박막전지가 연구개발로부터 사업화되기 시작한 2000년대

초반에는 RFID tags, smart cards, patch형 화장품 및 약물전달시스템(drug delivery

system) 등에 그 응용이 가능할 것이라고 예측되었으나, 전지가 내장된 각종 tag 및

smart card 제품들의 기술 및 표준화 문제 등에 따른 출시 지연, 실제 IC chip을

구동하기 위한 구동회로내의 chip 및 기타 소자 등의 기술개발 역량 부족으로 소요

전력이 크게 감소되지 않았다는 점들과 함께 용량이 작은 전지를 탑재할 경우 충전

방식이 문제가 됨으로서 등 박형리튬폴리머전지의 출현이라는 경쟁자를 낳는 하나

의 계기가 되었다.

[그림 18] 전고상 박막전지와 박형리튬 폴리머전지와의 spider map 분석

박막전지와 박형리튬전지의 경쟁현황 분석

1. 응용분야 비교 및 시장형성 가능성

24

박막전지가 안고 있는 절대적인 용량 부족이라는 측면에서 현재는 박형리튬폴

리머전지가 박막전지에 비해 유리한 위치에 있다고 할 수 있다. Patch형 제품의

경우에는 이미 페이퍼 1차전지(MnO2//Zn)가 탑재되어 시판되고 있는 실정이며,

능동형 RFID tag제품 및 smart card의 경우에는 박형리튬 폴리머전지의 사용이

현실화되고 있다. 따라서 막연히 이들 응용분야에 대한 적용가능성을 예견하기보

다는 현실적인 데이터를 바탕으로 수요업체들의 요구사양에 맞는 맞춤형 전지의

구현이야말로 이들 전지에 있어 경쟁력을 부여할 수 있을 것이다.

[그림 19] 전고상 박막전지와 박형리튬폴리머전지에 대한 향후 수요예측.

그림 19는 향후 전고상 박막전지와 박형리튬 폴리머전지에 대한 수요예측자료로

서 초기에는 시장형성 속도가 비교적 빠를 것으로 예상되는 smart cards, 능동형

RFID tags, u-health care 및 소형 전자기기 등에 있어 박형리튬폴리머전지가 박

막전지에 비해 시장을 선점할 것으로 예측되어진다. 예를 들어, smart cards 및

RFID tags의 경우 기존의 카드 형태로 제품화가 이루어질 것이며, 이는 곧 ISO에

명기된 카드 규격을 만족시켜야 한다는 것을 의미한다. ISO에 명기된 국제 카드규

격 중 두께는 0.8mm를 초과하지 못하도록 되어 있지만 현재 기술로는 IC chip

및 flexible PCB를 제외한 나머지 구동회로 칩의 경우 chip packaging 기술의 한

계로 인해 0.8mm의 두께 사양에 상당한 부담감을 가지고 있다. 따라서 현재 수준

의 smart cards 및 RFID tags 등에 포함되는 전지는 이 chip의 두께에 편승하여

두께 규격이 결정될 확률이 매우 높다고 볼 수 있다. 대부분의 수요자의 전지 요

25

구사양은 상기에 기술한 내용들을 감안할 때 0.5~0.6mm 두께, 평균 30~50mAh

급 용량의 flexible 전지인데, 이는 박형리튬 폴리머전지의 자가방전율을 감안하여

2~3배 이상 용량을 추가적으로 확보한 결과라고 할 수 있다. 0.5~0.6mm의 전지

두께는 불과 수년전만 하더라도 구현하기 어려운 기술 범주에 속하였으나, 알루미

늄, 구리 전류집전체 및 격리막의 박막화, 전극활물질의 코팅기술 등 리튬폴리머

전지의 박형화 기술의 발전으로 이와 같은 두께가 가능하게 되었다. 그러나 박형

리튬 폴리머전지가 해결해야 할 난제들도 많이 존재하는데, 일반적으로 카드류의

경우 일반소비자가 최소 3년 이상 사용할 수 있도록 전지의 신뢰성이 보증되어야

하며, 특히 tag제품의 경우 외부에 직접 노출되는 경우가 많아 저온 및 고온 등

온도신뢰성이 확보되어야 한다. 또한, 기존의 카드 제조공정과도 적합하여야 하기

때문에 일반적인 카드 제조는 hot lamination법을 사용하기 보다는 최근에는 전지

의 열화를 방지하기 위해 cold lamination법도 개발되고 있는 추세이다. 그러나

카드류에 탑재되는 전지의 경우에는 대부분이 소비자의 지갑 속에 보관되기 때문

에 무엇보다도 안전성이 최우선시 되어야 한다는 점에서는 시사 하는 점이 크다고

할 수 있다. 상기에 기술한 문제점들로 인해 박막전지가 그 대안으로 대두되기 위

해서는 10년 이상 사용에 문제점이 없도록 최적의 충전방식을 소비자들에게 설득

시켜야 하며, 낮은 방전용량을 증가시키기 위한 획기적인 전지제조공정 혹은 구동

회로의 소비전력이 대폭 감소하여야 한다. 따라서 상기 아이템 군에 대한 초기 시

장은 비교적 용량이 크며 상대적으로 가격이 저렴한 박형리튬 폴리머전지가 상당

부분 차지할 것으로 보이며, 추후 반도체 소자 기술의 발전으로 인해 chip두께 감

소 및 구동회로의 소비전력이 크게 감소할 경우 박형리튬 폴리머전지의 수요는 한

계점에 다다를 것으로 예측되며 박막전지로의 대체가 점진적으로 증가될 것이다.

상기에 기술한 바와 같이 박형리튬 폴리머전지와의 경쟁을 극복하기 위해서는

박막전지 자체의 고유 특성을 극대화시킬 수 있는 응용분야의 발굴이 그 무엇보

다도 중요하다고 볼 수 있다. 박막전지의 초기 응용분야는 그림 20에서와 같이

스마트 먼지(smart dust), 인공와우(artificial cochlea), paper-like display, 초

소형 로봇, medical implants 및 electronic packaging 등 MEMS기술에 기반을

둔 초소형 기기들이 주요 타겟이 될 것으로 예측되고 있다. 전고상 박막전지는

26

기본적으로 진공기술 및 반도체 제조기술에 의해 제조됨에 따라 초기 설비 투자

비가 크므로, 초기에는 고부가가치 아이템군을 공략하는 것이 유리하며, 시장성숙

기에는 규모의 생산전략을 통해 가격경쟁력을 갖추어 나가는 전략이 필요하다고

할 수 있다. 박막전지의 응용분야 중 그 대표적인 예로 smart dust를 들 수 있는

데 세계적 시장조사기관인 IDC가 미래 9대 핵심기술로 선정할 정도로 그 성장성

이 크게 기대되는 USN(Ubiquitous Sensor Network)분야의 network형 센서라

할 수 있다. Berkeley 대학에서 처음 개발된 smart dust는 센서와 통신장치, 그

리고 컴퓨팅 기능 등을 실리콘 mote안에 집적화시킨 것으로 마치 먼지처럼 가벼

워 공중에 떠다니면서 필요한 정보를 수집하는 임무를 띠고 있다[22]. 이러한

smart dust는 제품의 품질, 유통경로관리 및 군사목적의 용도로 사용되어지는데,

한번 살포되는 smart dust의 수량은 수백~수만 개에 이르는 것으로 알려지고 있

다. 이러한 smart dust의 기능을 구현하기 위해서는 무게를 거의 느낄 수 없는

전지의 탑재만이 가능한데, 박막전지의 경우 실리콘 mote상에 직접 전지를 구현

할 수 있어 그 응용이 가시화되고 있는 추세에 있다.

다른 예로서 인공와우(artificial cochlea)의 경우에는 현재 전 세계적으로 1,000

명당 1명꼴로 선천성 난청질환을 앓고 있으며 성장과정에서도 비슷한 비율로 난청

환자가 발생하는 것으로 조사되고 있다. 2001년 인공와우의 세계 시장규모는 2억

불 규모로 매년 두자리 수 정도의 높은 성장률을 보이고 있다. 현재 인공와우에

주로 사용되는 전지는 비교적 용량이 크고 전압이 일정한 공기/아연전지이나, 그

림 3과 같이 수mm정도의 초소형 전자 디바이스에 마이크로프로세서, 마이크로폰

및 전지가 일체화된 형태의 인공와우가 실제 귓속에 장착됨으로서 정상인과 동일

한 생활을 영위할 수 있다면 기존 인공와우의 개념을 근본적으로 바꾸어 놓을 수

있을 정도로 파급효과가 클 것이다[23]. 이와 같은 형태의 디바이스는 실제로 인체

내부에 장착되어지기 때문에, 전지의 안전성이 최우선시 되어야 하며, 피부와의

접촉시 트러블이 발생하지 않도록 생체친화적인 재료를 사용해야 하는데 박막전지

의 경우 표면에 별도의 생체친화성 코팅을 할 경우 매우 적합한 전지로 예측되고

있다.

세번째 박막전지의 응용분야로서 mm 크기의 초소형 로봇을 들 수 있다. 로봇분

27

야는 대형에서부터 초소형에 이르기까지 향후 대표적인 국가의 성장동력산업으로

각광받고 있는 분야이다. 대부분의 소형로봇들은 별도의 기계적 구동장치가 장착

되어 있어 로봇의 이동을 위해서는 비교적 용량이 확보되어야 한다. 이런 종류의

로봇의 경우에는 비교적 리튬이온전지에 비해 안전한 박형리튬 폴리머전지가 사용

될 확률이 높다. 그러나 로봇의 크기가 MEMS기술의 발전에 힘입어 mm 이내로

제어되는 초소형 로봇의 경우에는 박형리튬 폴리머전지를 사용하기에는 여러 가지

문제점들이 야기될 확률이 높다. mm 크기 이내로 제어되는 로봇의 경우에는 센

서, 통신장치, 로봇을 구동하기 위한 actuator 등이 on-board 형태로 구성되어짐

과 동시에 전지 또한 on-board 형태로 구성되어져야 하는 것이다. 실제로 이와

같은 초소형 로봇을 구동하는데 소요되는 전력은 최대 150~300uW정도로 기존의

코인형 리튬전지 혹은 슈퍼캐패시터를 초소형으로 제작한다고 가정하더라도 크기

혹은 두께면에서 요구사양을 만족시키지 못하는데 반해, 박막전지의 경우 4mm2의

면적에 76uW의 에너지를 나타낼 수 있기 때문에, 그 가능성 면에서는 다른 전지

형태에 비해 적용가능성이 농후하다고 볼 수 있는 것이다.[24]

TFB

[그림 20] 전고상 박막전지의 미래 응용분야 예측

28

마지막 예로서 박막전지의 가장 유망한 응용분야중의 하나가 바로 paper-like

display의 구동전원이라고 할 수 있다. Paper-like display는 일반 종이처럼 접거

나 구부러짐이 자유로운 디스플레이를 말하며, 단순히 정보를 나타내는 것 뿐만

아니라 자유롭게 쓰고 지우며 데이터를 저장할 수 있는 장치를 통틀어 일컫는다

[25]. Paper-like display는 디스플레이 panel상에 이를 구동하기 위한 IC칩 및

제어회로가 장착된 flexible PCB가 접목되며, 이를 구동하기 위한 flexible 이차전

지가 디스플레이내에 embedded 되는 형태로 기존 반사형 LCD에 비해 시야각, 해

상도가 우수하고 백라이트가 필요하지 않으며, 재료 및 공정이 간단할 뿐만 아니

라, 고정된 문자나 패턴을 구현할 때, 초기에만 전력이 필요하고 새로운 화면으로

전환하기 전까지는 추가적인 전력소모가 없어 소비 전력이 매우 작은 장점들을 지

니고 있어 박막전지의 응용분야로는 매우 적합하다고 할 수 있다. 박형리튬폴리머

전지의 탑재도 가능하나, 전지가 디스플레이상에 embedded되는 형태가 되므로,

장기간 충․방전에 따른 전지의 열화현상이 최소화되어야 하며, 충전 또한 수분이내

에 이루어져야 하는 등 요구조건 면에서는 다소 불리하다고 볼 수 있다.

이밖에도 마이크로 연료전지 및 박막태양전지 또한 최근 들어 박막전지 시장을

위협하고 있으나, 마이크로 연료전지의 경우에는 주요한 용도가 휴대폰 충전용 혹

은 노트북 전원용이며, 태양전지의 경우에도 충전기용이 주 타겟이므로 박막전지

에 있어 직접적인 경쟁자로 자리매김하기까지에는 많은 시간이 소요될 것으로 예

상된다. 앞 절에서 기술한 바와 같이 결국 박막전지는 박형리튬 폴리머전지와 경

쟁하는 시장구도보다는 각각의 용도에 적합한 맞춤형 전지의 형태가 될 때 함께

시장을 개척해 나갈 수 있는 동반자적 의미로서의 역할을 다할 것이다.

29

2. 전지 안전성 측면에서의 비교분석

2006년 늦여름 Sony사에서 제조된 전지의 폭발사고 직후, 9월 6일자 미국

New York Times에는 박막전지에 대한 자세한 소개와 함께 미국내 박막전지 업

체 중 선두를 달리고 있는 infinite power solutions사에 대한 투자현황 및 양산

설비 구축현황에 대해 자세히 보도하는 기사를 신문지면의 일정부분에 할애하였

다. 리튬전지가 1992년 Sony사에 의해 세계 최초로 양산화되어 제품화된 이래,

전지의 안전성 문제는 지속적인 관심사이자 연구개발의 주된 목표가 되어 왔다.

특히 향후 전지와 엔진이 함께 장착되는 하이브리드 자동차(HEV)의 경우에는 그

어느 때보다도 안전성 문제가 이슈화되고 있으며, 고안전성 양극재, 분리막, 폭

발을 방지하기 위한 금속외장재 및 고분자 전해질을 사용하는 리튬폴리머전지에

대한 개발이 가속화 되어 UL0에 도전장을 내고 있는 추세이다. 현존하는 리튬계

전지에 있어 UL0는 세라믹 전지에서나 가능한 요원한 목표로서 획기적인 재료

의 개발 없이는 이를 실현하기에는 많은 시간이 소요될 것이다. 이러한 안전성

측면에서 볼 때, 전고상 박막전지는 세라믹 전지형태를 가지고 있어 안전성 측면

에서 많은 장점을 지니고 있는 것은 주지의 사실이다. 박막전지를 상용화 하려는

대부분의 회사들은 기존 벌크형 리튬전지에서 많은 검증을 거친 LiCoO2를 양극

재로 채택하고 있다. 전지 안전성 측면에서 LiCoO2 양극재는 다른 재료에 비해

발화점이 상대적으로 낮은 단점이 있어, 고안전성 벌크형 리튬전지 시스템에서는

사용을 회피하고 있는 재료중의 하나이지만, 박막전지에 있어서는 소요되는 양

자체가 매우 적기 때문에 안전성 측면에서 크게 문제가 되지는 않는다. 특히, 박

막전지의 특성상 고체 세라믹 전해질을 사용하기 때문에 양극재와의 반응성이

없고 과충전시에도 기체가 거의 발생하지 않기 때문에 폭발의 위험성은 전혀 없

다고 해도 과언은 아닐 것이다. 다만, 박막전지에 있어서의 음극은 에너지 밀도

를 높이기 위해 금속리튬을 진공 열증착시켜 2㎛ 정도의 두께를 유지하여 전지

를 구성하는 경우가 있는데, 이 경우에도 대기 혹은 수분에 노출되더라도 리튬의

양이 절대적으로 적기 때문에 리튬산화물 혹은 수산화물형태로 변질될 뿐, 폭발

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이나 발화, 발연에 대한 문제점은 거의 없다고 할 수 있다. 2006년 9월 6일자

New York Times기사에서는 박막전지의 탁월한 안전성 때문에 궁극적으로 기존

mobile IT 기기의 동력원으로 대체될 것으로 전망하고 있는데, 이를 현실화시키

기 위해서는 박막전지의 병렬 적층화 기술이 선행적으로 이루어져야 하며 무엇

보다도 현재의 고가인 제조원가를 낮추는 노력이 필요하다고 할 수 있다. 이러한

난제는 고속 증착이 가능한 획기적인 전지 제조공정의 개발 및 저가형 재료를

사용함에 따라 가능할 것이다. 박형리튬 폴리머전지의 경우에는 기존 휴대폰용

전지에 비해 용량이 수십 분의 1정도로 작기 때문에 안전성 측면에서는 개선의

폭이 크게 증가되었다고 볼 수 있다. 그러나 젤 형태의 고분자 전해질을 사용하

더라도 전지 제조 마지막 공정에서 전극과 고분자 전해질사이의 젖음성을 향상

시켜 전지저항을 줄이기 위해 전해액을 주입하기 때문에, 전지의 못 관통시험 또

는 cutting 시험 중에 일부 발연이 될 확률이 존재하며 이때 주입된 전해액의

일부가 방출될 위험요소가 존재하게 되는 것이다. 기본적으로 박형리튬 폴리머전

지는 외장재로서 알루미늄 파우치를 사용하는데, 고온에서 장시간 사용시 전지의

swelling현상이 발생하여 sealing부위가 취약한 미세 틈새를 통해 기체의 방출이

이루어질 요소가 발생하는 등 안전성 측면에서 개선해야 할 부분들이 다량 존재

하는 것이 현실이라고 할 수 있다.

전지의 안전성 측면에서는 박형리튬 고분자전지에 비해 박막전지가 다소 우위

에 있음을 알 수 있다. 또한, 박막전지는 음극을 리튬금속 이외의 질화물 혹은

산화물을 사용할 경우 에너지 밀도는 다소 감소하더라도 안전성 측면은 더욱더

강화될 수 있어 생체삽입형 전지로의 응용도 가능하다고 할 수 있다.

전지 안전성은 사용자에 있어 직접적인 손실을 입히는 만큼 아무리 강조해도

지나침이 없는 부분이라고 할 수 있다. 앞 절에서 기술한 바와 같이 박막전지는

전지의 안전성 측면에서는 적어도 박형리튬 고분자전지에 비해 우위에 있는 것

이다.

31

제4장향후 성장성 예측 및 결론

32

불과 수년전만 하더라도 이 기술의 실효성에 대해 많은 사람들이 의구심을 가

졌던 것이 사실이었으나, 최근 MEMS기술을 기반으로 하는 각종 초소형 전자 디

바이스의 출현 및 저전력 소비형 chip의 개발에 힘입어 박막전지가 이들 소자의

동력원으로서 재평가 받는 계기가 되었다. 최근에 발표된 박막전지 해외 시장조

사보고서에서도 나타난 바와 같이 현재의 박막전지 시장은 미약하나, 향후 6년

내 100억불 이상의 세계시장을 형성할 것으로 예측되는 등 박막전지는 비로소

시장형성기에 접어들었다고 볼 수 있다. 이를 뒷받침하는 증거로서 세계 최고수

준인 미국의 박막전지 회사들이 본격적으로 설비투자에 집중하고 있는 점을 들

수 있다. 박막전지는 박형리튬 폴리머전지와 차별화된 기술 및 전략을 바탕으로

경쟁의 구도에서 탈피하여 소비자의 요구사항에 적극적으로 대응할 수 있는 맞

춤형 전지형태로 방향을 선택하는 것이 바람직하며, 국내의 경우 전통적으로 강

한 반도체 및 진공기술을 바탕으로 본격적인 연구 개발이 이루어질 경우 세계

최고의 자리에 등극할 날도 멀지 않을 것이라고 확신하는 바이다.

향후 성장성 예측 및 결론

33

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저 자 소 개

남 상 철

공학박사

한국과학기술연구원 Post Doc.

(주)누리셀 연구소장

현, (주)누리셀 대표이사

박 호 영

공학박사

삼성자동차(주) 주임연구원

삼성전자(주) 선임연구원

한국과학기술연구원 위촉연구원

현, (주)누리셀 연구소장

홍 성 화

현 한국과학기술정보연구원 동향정보분석팀 책임연구원