전자 선반 라벨용 리튬 폴리머 배터리: 선택 가이드

전자 선반 라벨용 리튬 폴리머 배터리 선택 방법: 용량, 크기 및 수명

전자 선반 라벨은 하루 대부분을 절전 모드로 보낸 후, 무선 통신, 전자 잉크 화면 갱신 또는 LED 경고를 위해 짧은 시간 동안 전류를 공급받아야 할 수 있다. 이러한 특이한 부하 패턴으로 인해 전자 선반 라벨의 배터리 선택은 단순히 전압과 용량을 맞추는 것보다 훨씬 복잡해진다.

웨어러블 기기에 잘 작동하는 배터리가 디지털 가격표에서는 동일한 수명을 제공하지 않을 수 있다. 전자 선반 라벨 설계자는 절전 전류, 갱신 빈도, 펄스 전류, 작동 온도, 확보 가능한 공간, 그리고 배터리 교체 또는 재충전 방식을 모두 고려해야 한다.

리튬 폴리머 배터리는 얇고, 충전식이거나 기능이 풍부한 전자 선반 라벨에 적합한 선택이 될 수 있다. 그러나 이는 모든 전자 선반 라벨 설계에 자동으로 최적의 솔루션이 되는 것은 아니다. 많은 기존 라벨은 자체 방전률이 낮고 장기 보관 수명이 길어 여전히 1차 리튬 망간 이산화물 배터리를 사용한다.

적절한 결정은 전자 선반 라벨의 실제 작동 프로파일에서 시작된다.

전자 선반 라벨에는 어떤 종류의 배터리가 사용되나요?

대부분의 전자 선반 라벨은 전자 잉크 디스플레이와 저전력 마이크로컨트롤러, 블루투스 로우 에너지 또는 독자적인 서브-기가헤르츠 통신 프로토콜과 같은 무선 통신 시스템을 조합하여 사용한다.

전자 잉크는 지속적인 전원 공급 없이도 이미지를 유지하므로, 라벨은 오랜 시간 동안 절전 모드로 머무를 수 있다. 전력은 주로 라벨이 데이터를 수신하거나 디스플레이를 갱신하거나 LED를 깜빡이거나 게이트웨이와 통신할 때 필요하다.

보통 두 가지 범주의 배터리가 고려된다.

1차 리튬 배터리

주로 리튬 망간 이산화물로 제작된 1차 전지로, 동전형 전지와 얇은 파우치형 전지를 포함하며, 수년간 충전 없이 작동하도록 설계된 저전력 전자 가격표(ESL)에 널리 사용된다.

주요 장점은 다음과 같습니다:

• 낮은 자체 방전

• 긴 보관 기간

• 단순한 전원 아키텍처

• 충전 회로 없음

• 드문 디스플레이 갱신에 대한 우수한 적합성

주요 한계는 배터리가 결국 교체되어야 하거나, 라벨을 서비스에서 외부로 제거해야 한다는 점이다.

재충전식 리튬 폴리머 배터리

재충전식 리튬 폴리머 배터리는 전자 가격표(ESL)에 정의된 충전 방식이 있는 경우나, 전통적인 저전력 라벨보다 더 많은 에너지를 요구하는 기능을 갖춘 경우에 더 적합하다.

대표적인 응용 분야에는 다음이 포함됩니다:

• 재충전식 전자 가격표

• 대형 또는 자주 갱신되는 디스플레이

• LED 활동이 잦은 라벨

• 버튼이나 센서가 있는 상호작용 태그

• 재사용 가능한 물류 및 창고 라벨

• 태양광 보조 또는 접점 충전 방식 ESL 시스템

• 맞춤형 내부 배치를 갖춘 초박형 장치

재충전식 리튬폴리머 전지(LiPo)는 일반적으로 화학 조성과 충전 전압 사양에 따라 정격 전압이 3.7V 또는 3.85V이다. 충전 IC, 보호 회로 및 시스템 전압 범위는 선택된 전지에 맞춰 설계되어야 한다.

전지를 외형 패키지만으로 식별하지 않는 것도 중요하다. 얇고 유연한 파우치 형태 전지는 재충전식 리튬이온 폴리머 전지일 수도 있고, 비재충전식 리튬 망간 이산화물 전지일 수도 있다. 이 두 제품은 전압, 충전 요구사항, 수명 특성이 서로 다르다.

ESL에 리튬 폴리머 전지가 적합한 경우는 언제인가?

리튬 폴리머 전지는 형상, 두께, 재충전 가능성의 중요도가 1차 전지에서 얻을 수 있는 최장 무감독 운용 수명보다 높을 때 가장 큰 가치를 발휘한다.

이 포치 구조는 고정된 지름을 가진 코인 셀보다 직사각형 또는 그 외에 내부 공간 활용이 어려운 형태의 공간을 보다 효과적으로 사용할 수 있도록 배터리 설계를 가능하게 한다. 셀은 맞춤형 와이어, 커넥터, 탭, 보호 회로 및 온도 센서와 함께 공급될 수도 있다.

다음과 같은 경우 리튬 폴리머(LiPo) 배터리를 고려해야 한다:

• 전자 가격표(ESL)에 충전 접점, 충전 도크 또는 에너지 하베스팅 기능이 포함되어 있는 경우

• 외장 케이스가 표준 코인 셀을 수용하기에는 너무 얇거나 불규칙한 경우

• 라벨 갱신 빈도가 기존 가격표보다 높은 경우

• 디자인에 LED, 센서, 버튼 또는 기타 상호작용 기능이 포함된 경우

• 제품의 수명 동안 배터리 재충전이 예상되는 경우

• 표준 배터리로는 이용 가능한 내부 공간을 효율적으로 활용할 수 없는 경우

충전 없이 5년, 10년 또는 그 이상 작동할 것으로 예상되는 ESL의 경우, 일회용 리튬 전지 화학 조성이 여전히 더 실용적인 선택일 수 있다. 충전식 LiPo 셀은 단지 외장 케이스에 들어간다는 이유만으로 선택해서는 안 된다.

1. 이용 가능한 공간에서 시작하라

두께는 전자 선반 라벨에서 흔히 가장 먼저 고려되는 기계적 제약 조건이다. 배터리는 디스플레이 뒤쪽 또는 옆쪽에 위치하며, 외장 케이스는 표준 선반 레일에 맞도록 얇게 유지되어야 한다.

설계 시 셀 도면에 표시된 공칭 치수만 고려해서는 안 된다.

두께 허용 오차 및 팽창 여유 공간을 확보해야 한다.

파우치형 셀은 후면 커버와 전자잉크 모듈 사이에 과도하게 압축되어서는 안 된다. 셀 두께는 제조 허용 오차, 충전 상태, 온도, 노화 등에 따라 달라진다.

필요한 여유량은 실제 셀 사양을 바탕으로 배터리 공급업체와 협의하여 정해야 한다. 팽창 특성은 셀 화학 조성, 용량, 구조, 작동 조건에 따라 달라지므로, 모든 배터리에 고정 백분율을 일률적으로 적용해서는 안 된다.

기계적 설계는 다음 사항을 고려해야 한다:

• 전자잉크 디스플레이에 직접적인 압력을 가하지 않도록 해야 한다.

• 셀을 날카로운 플라스틱 리브나 나사 보스 근처에 두지 않도록 해야 한다.

• 파우치의 가장자리 및 실링 영역 주변에 충분한 여유 공간을 확보해야 한다.

• 셀을 강하게 압축하지 않으면서 이동을 방지함

• 전선과 탭을 반복적인 당김이나 진동에 대해 지지함

• 정비 중 배터리 분리 및 교체를 고려함

배터리를 고정하기 위해 폼, 제어된 접착 영역 또는 적절한 배터리 트레이를 사용할 수 있음. 선택한 재료는 셀 파우치 및 예상 온도 범위와 호환되어야 함

화면 크기만으로 배터리를 선택하지 말 것

일반적으로 화면이 클수록 갱신당 소비 에너지가 더 많지만, 화면 크기는 유일한 요인이 아님. 동일한 디스플레이 크기를 가진 두 개의 ESL 라벨이라도 무선 프로토콜, 갱신 빈도, LED 동작, 펌웨어 등에 따라 전력 요구량이 매우 달라질 수 있음

최종 배터리 치수는 완전한 기계적 레이아웃과 측정된 전력 프로파일을 기반으로 결정해야 함

ESL 설계 시나리오	일반적인 배터리 설계 방향	확인해야 할 주요 사항
소형 충전식 라벨	맞춤형 리드 또는 탭이 있는 얇은 싱글셀 리튬폴리머 배터리	최소 두께, 충전 방식 및 최대 피크 전류
자주 업데이트되는 중형 라벨	용량이 더 큰 싱글셀 리튬폴리머 배터리	디스플레이 갱신 에너지, 무선 통신 이벤트 및 사용 가능한 용량
대형 또는 상호작용식 라벨	용량이 더 큰 리튬폴리머 배터리 또는 병렬 연결 셀 솔루션	LED 부하, 업데이트 빈도, 보호 회로 및 충전 시간
저온 저장용 라벨	저온 셀 또는 대체 일차 전해질	펄스 전압, 방전 성능 및 충전 제한
충전 없이도 장기간 사용 가능한 라벨	일차 리튬 배터리가 종종 선호됨	자기 방전, 펄스 성능 및 교체 전략

이 표는 설계 출발점일 뿐 용량 권장 사항이 아님. 용량은 기기의 실측 소비 전류를 기반으로 계산해야 함.

2. 현실적인 전력 예산 수립

ESL의 평균 전류는 매우 낮아 보일 수 있으나, 평균 전류만으로는 배터리가 각 디스플레이 업데이트를 지원할 수 있는지 여부를 파악할 수 없음.

적절한 전력 예산에는 다음이 포함되어야 함:

• MCU 절전 전류

• 라디오 대기 및 수신 전류

• 송신 전류

• 이-페이퍼 갱신 전류 및 지속 시간

• LED 전류 및 점멸 시간

• 센서 또는 버튼 작동

• 전압 조정기 손실

• 배터리 보호 회로 소비 전류

• 충전 회로 정전류

• 예상 업데이트 실패 및 재전송

일일 소비량은 다음과 같이 추정할 수 있음:

일일 용량 사용량 = 절전 소비량 + 통신 소비량 + 디스플레이 갱신 소비량 + 액세서리 소비량

개별 이벤트의 경우:

이벤트 소비량(mAh) = 이벤트 전류(mA) × 이벤트 지속 시간(시간) × 하루 이벤트 발생 횟수

예상 부하량은 다음 요소를 고려해 설계 서비스 기간 동안 조정되어야 한다:

• 시스템 차단 전압에서의 사용 가능 용량

• 저온 환경에서의 용량 감소

• 셀 노화

• 자기 방출

• 변환 손실

• 제조 편차

• 공학적 여유량

정격 용량을 평균 전류로 나누어 배터리 수명을 계산하는 방식으로 끝내지 마십시오. 이 방법은 펄스 관련 전압 강하, 온도, 그리고 시스템의 최소 작동 전압 이하에서 사용할 수 없는 잔여 용량을 무시합니다.

작동 중인 프로토타입을 측정하십시오

부품 데이터시트는 초기 설계 단계에서 유용하지만, 최종 배터리 선정은 실제 ESL 프로토타입에서 측정한 데이터를 기반으로 해야 합니다.

전력 분석기 또는 전류 기록 장치를 사용하여 다음 사항을 기록하십시오:

• 심층 절전 전류

• 게이트웨이 연결 이벤트

• 정상적인 디스플레이 업데이트

• 전체 화면 또는 다중 색상 업데이트

• LED 작동 여부

• 통신 실패 및 재시도 이벤트

• 최저 및 최고 온도에서의 작동

이 측정은 종종 초기 스프레드시트에 누락된 짧은 부하를 드러낸다.

3. 펄스 전류 및 수명 종료 전압 점검

ESL 라디오 및 전자 잉크 디스플레이는 짧은 전류 펄스를 생성한다. 각 펄스가 소비하는 총 에너지가 작더라도, 셀의 임피던스로 인해 배터리 전압이 일시적으로 떨어질 수 있다.

다음과 같은 경우 문제가 더 심각해진다.

• 배터리 온도가 낮을 때

• 잔여 용량이 적을 때

• 셀이 노화되었을 때

• 업데이트 전류가 높을 때

• 보호 회로 또는 커넥터가 추가 저항을 유발할 때

전압이 MCU의 저전압 잠금 임계값 이하로 떨어지면, 라벨이 업데이트 중에 리셋될 수 있다. 이후 라벨은 재시작하고, 재연결한 후 동일한 작업을 반복하게 되며, 이로 인해 더 많은 에너지를 소비하게 된다.

따라서 배터리 평가에는 다음 항목이 포함되어야 한다.

• 직류 내부 저항

• 기대되는 펄스 부하 하에서의 전압

• 펄스 지속 시간

• 시스템 차단 전압

• MCU 브라운아웃 임계값

• 커넥터 및 배선 저항

• 낮은 충전 상태(SOC)에서의 성능

• 최저 작동 온도에서의 성능

명목 용량이 더 크다고 해서 반드시 펄스 문제를 해결할 수 있는 것은 아니다. 셀 구조, 전극 설계, 온도 및 회로 저항 역시 동등하게 중요할 수 있다.

4. 서비스 수명 주장은 신중히 다뤄야 한다

ESL 배터리 수명에 대한 주장은 작동 조건이 명확히 정의된 경우에만 유효하다.

"최대 10년"과 같은 표현은 다음 사항을 명시하거나, 적어도 이에 근거해야 한다.

• 하루 업데이트 횟수

• 디스플레이 유형 및 색상 수

• 무선 통신 주파수

• LED 사용 여부

• 작동 온도

• 네트워크 조건

• 대기 전류

• 배터리 화학

• 시스템 차단 전압

재충전식 리튬 폴리머 셀은 빈번하게 충방전되지 않더라도 자체 방전과 캘린더 노화가 발생한다. 장기 보관 성능은 온도, 충전 상태(SOC), 셀 설계에 따라 달라진다. 따라서 모든 리튬 폴리머 셀의 연간 자체 방전률이 단지 1~2퍼센트라고 가정하는 것은 안전하지 않다.

수년간 진행되는 프로젝트의 경우, 제안된 셀에 대해 공급업체로부터 보관 성능, 저장 조건, 노화 데이터를 요청해야 한다. 가속 시험 결과는 실제 적용 조건과 함께 검토되어야 한다.

충전 방식이 없고 주요 요구 사항이 최대한 긴 무보수 수명이라면, 아키텍처를 최종 확정하기 전에 LiPo 설계와 적절한 프라이머리 리튬 솔루션을 비교하십시오.

5. 냉장 체인 작동을 조기에 고려하세요

냉장 진열대 및 냉동 식품 구역에서 사용되는 전자 매대 라벨은 다른 배터리 과제를 제시합니다.

저온에서는 셀 임피던스가 상승하고 사용 가능한 용량이 감소합니다. 무선 전송 또는 전자 종이 갱신 시 발생하는 전압 강하가, 배터리에 여전히 사용 가능한 에너지가 남아 있음에도 불구하고 시스템 리셋을 유발할 정도로 커질 수 있습니다.

재충전식 리튬이온 배터리 역시 저온에서 중요한 충전 제한을 따릅니다. 표준 LiPo 셀은 제조사가 명시한 온도 이하에서는 충전해서는 안 됩니다. 시스템에는 다음이 필요할 수 있습니다.

• 저온 사양 셀

• 온도 감지 및 충전 차단 기능이 있는 충전기

• 감소된 충전 전류

• 다른 배터리 화학 조성

• 배터리가 차가운 상태에서 고부하 이벤트를 제한하는 펌웨어

• MCU 차단 전압보다 높은 더 넓은 전압 여유

냉동고용 응용 분야의 경우, 온도 챔버에서 완전한 라벨을 시험하십시오. 실온 용량 데이터는 저온 펄스 성능을 정확히 예측할 수 없습니다.

6. 하나의 라벨에만 의존하지 말고 셀 구조를 평가하십시오

적층 전극 구조는 얇은 셀에 유용할 수 있으며 우수한 치수 제어를 제공할 수 있습니다. 권선 구조 역시 널리 사용되며, 적절히 설계되고 제조될 경우 신뢰성 있게 작동할 수 있습니다.

모든 적층 셀이 모든 권선 셀보다 우수하다고 단정하는 것은 지나치게 단순합니다.

대신 다음 항목에 대한 실제 사양 및 시험 데이터를 비교하십시오:

• 두께 허용 오차

• 직류 내부 저항

• 펄스 성능

• 사이클 수명

• 보관 특성

• 지정된 조건 하에서의 팽창

• 저온 방전

• 고온 보관

• 로트 간 일관성

적절한 구조는 ESL의 전기적 및 기계적 요구 사항을 충족하면서도 일관된 양산 품질을 보장하는 것이다.

7. 안전성 및 운송 요구 사항 확인

배터리 치수 및 전기 설계를 확정하기 이전에 규격 준수 계획을 수립해야 한다.

요구 사항은 시장별로 다르며, 셀을 별도로 운송하는지, 장비에 설치된 상태로 운송하는지, 또는 보호용 배터리 팩으로 조립된 상태로 운송하는지에 따라 달라진다. 일반적인 표준 및 시험에는 다음이 포함될 수 있다.

• UN 38.3 리튬 배터리 운송 시험용

• IEC 62133-2 휴대용 밀봉 2차 리튬 셀 및 배터리용

• UL 1642 관련 응용 분야의 리튬 셀용

• UL 2054 일부 가정용 및 상업용 배터리 팩용

• 완성된 ESL 제품 전체에 적용되는 지역별 요구 사항

단일 셀 모델에 대한 시험 보고서는 수정된 구조, 다른 셀 조합 또는 새로 설계된 배터리 팩을 자동으로 포함하지 않는다. 프로젝트에 공급된 배터리와 정확히 일치하는 문서임을 확인하라.

배터리 사양에는 다음도 명시되어야 한다.

• 최대 충전 전압

• 충전 및 방전 전류

• 보호 한계

• 운영 및 보관 온도

• 셀 및 팩 식별 정보

• 커넥터 극성

• 전선 및 탭 요구 사항

• 생산 추적성

8. ESL 배터리 공급업체에 물어볼 질문들

프로토타입 주문 전에 공급업체에 원하는 전압과 용량 외에도 추가 정보를 제공하라.

유용한 ESL 배터리 요청에는 다음이 포함되어야 한다.

1. 사용 가능한 배터리 수납 공간 치수

2. 최대 허용 두께

3. 정격 전압 및 작동 전압 범위

4. 측정된 대기 전류

5. 최대 펄스 전류 및 지속 시간

6. 하루 업데이트 횟수

7. 무선 프로토콜

8. 디스플레이 크기 및 색상 구성

9. LED 또는 센서 작동 프로파일

10. 운영 및 보관 온도

11. 예상 서비스 수명

12. 해당 시 충전 방식

13. 커넥터, 배선, 탭 및 극성 요구 사항

14. 필수 인증 및 수출 시장

15. 프로토타입 및 연간 생산 수량

이 정보를 조기에 제공하면 표준 셀이 적합한지, 아니면 맞춤형 배터리가 정당화되는지를 판단하기 쉬워집니다.

자주 묻는 질문

전자 선반 라벨(ESL)에 가장 적합한 배터리는 무엇인가요?

모든 ESL에 통용되는 최고의 배터리는 없습니다. 일회용 리튬 망간 이산화물 배터리는 수명이 길고 업데이트 빈도가 낮은 ESL에 널리 사용됩니다. 충전식 리튬 폴리머 배터리는 얇고 충전 가능하며 자주 업데이트되거나 기능이 풍부한 ESL 설계에 더 적합합니다.

리튬 폴리머 배터리로 ESL을 10년간 구동할 수 있나요?

응용 분야별 테스트 없이는 가정해서는 안 됩니다. 서비스 수명은 셀 화학 조성, 용량, 자체 방전율, 온도, 대기 전류, 업데이트 빈도 및 펄스 성능에 따라 달라집니다. 충전식 리튬 폴리머 시스템의 경우 현실적인 충전 또는 유지 관리 전략도 필요합니다.

ESL 배터리 용량은 어떻게 계산하나요?

용량은 측정된 대기 전류, 무선 이벤트, 디스플레이 갱신, LED 및 기타 부하에서 계산해야 한다. 그 결과에는 손실, 노화, 온도 영향, 차단 전압에서의 사용 가능 용량, 그리고 공학적 여유분이 반드시 포함되어야 한다.

왜 ESL이 디스플레이 업데이트 중에 리셋되는가?

흔한 원인은 펄스 부하 시 일시적인 전압 강하이다. 낮은 온도, 노후화된 배터리, 높은 내부 저항, 얇은 전선 또는 커넥터 저항으로 인해 MCU의 최소 동작 전압보다 공급 전압이 떨어질 수 있다.

표준 LiPo 셀을 냉동고용 ESL에 사용할 수 있는가?

해당 온도 범위에 대해 정격되고 테스트된 셀인 경우에만 가능하다. 저온 방전 성능과 충전 제한 조건 모두를 고려해야 한다. 일부 냉장 유통망 프로젝트에서는 특수 저온 셀 또는 1차 리튬 화학 셀이 더 적합할 수 있다.

마무리 생각

전자 선반 라벨용 리튬 폴리머 배터리 선택은 시스템 수준의 엔지니어링 결정이다. 용량이 중요하지만, 두께 허용 오차, 펄스 전류, 차단 전압, 온도, 노화 및 충전 전략 역시 중요하다.

얇은 재충전식 ESL의 경우 맞춤형 리튬 폴리머 셀을 사용하면 내부 공간 활용률을 높이고 기계적 통합을 단순화할 수 있다. 반면, 수년간 충전 없이 작동해야 하는 일반적인 라벨에는 1차 리튬 배터리가 서비스 수명과 유지보수 비용 측면에서 더 적절한 균형을 제공할 수 있다.

코원은 표준 및 맞춤형 배터리 옵션을 통해 전자 선반 라벨 배터리 프로젝트를 지원하며, 셀 크기 평가, 와이어, 커넥터, 탭, 보호 회로 및 애플리케이션 특화 배터리 구성 등을 포함한다.

ESL 배터리 평가를 위해, 이용 가능한 배터리 공간, 전압 범위, 업데이트 빈도, 작동 온도 및 예상 연간 수량을 보내주시기 바란다. 당사 팀이 요구 사항을 검토하고 적합한 배터리 솔루션을 추천해 드릴 수 있다.