의료 기기 설계를 위한 최적의 배터리 선택 방법

소개

적절한 1차 전지를 선택하는 것은 여러 경쟁 요구 사항 사이에서 균형을 맞추는 작업일 수 있습니다. 충분한 시간 동안 기기에 전원을 공급할 수 있는 용량을 가진 배터리가 필요하며, 전원 공급 중인 집적 회로에 적합한 출력 전압 범위가 필요합니다. 일반적으로 배터리 크기를 가능한 한 작게 유지하여 제품 전체 크기를 최소화하고자 합니다. 비용, 구매 가능성, 그리고 보관 수명을 고려해야 합니다. 엔지니어로서 설계 결정의 환경적 영향을 고려하는 것도 우리의 책임입니다. 우리가 제품용으로 선택한 배터리는 수년간 매립지에 머물 가능성이 있습니다. 설계자가 결정을 내리는 데 도움을 주기 위해, 가장 많이 사용되는 알칼리, 리튬 금속, 산화은, 아연 공기 배터리 화학물질에 집중하고, 일회용 심전도(ECG) 가슴 패치 설계에서의 사용을 평가하겠습니다.

일차 전지 대 이차 전지

1차 전지 배터리와 2차 전지 배터리의 주요 차이점은 1차 전지 배터리는 충전이 불가능한 반면, 2차 전지 배터리는 충전이 가능하다는 점입니다. 1차 전지 배터리에서는 전기화학 반응이 가역적이지 않습니다. 한 번 양극이 산화되면 배터리는 더 이상 전기를 생성할 수 없습니다. 충전 가능한 배터리에서는 양극이 환원될 수 있습니다. 따라서 배터리를 충전하여 재사용할 수 있습니다. 2차 전지 배터리는 일반적으로 1차 전지 배터리보다 더 비싸며, 이는 대개 일회용 시스템에서 사용되지 않도록 제한합니다. 1차 전지 배터리는 낮은 자기 방전 전류로 인해 더 긴 저장 수명을 가지지만, 충전 가능한 2차 전지 배터리는 특히 높은 전류 소모 애플리케이션에서 더 많은 전력을 제공할 수 있습니다.   다양한 종류의 배터리가 환경에 미치는 영향은 복잡한 문제입니다. 한편으로는 2차 전지 배터리는 재사용 가능하며 교체 빈도가 낮아져 폐기물이 적게 발생합니다. 다른 한편으로는 2차 전지 배터리가 환경에 해로울 수 있는 유해 물질을 포함하고 있습니다. 1차 전지 배터리도 유해 물질을 포함하지만 그 농도는 훨씬 낮습니다. 배터리 한 개당 두 가지 배터리 유형을 비교하면, 2차 전지는 1차 전지 배터리보다 더 많은 온실가스를 방출하고 더 많은 유해 폐기물을 생성합니다. 그러나 20회의 충전 주기 이후 2차 전지는 일회용 1차 전지 배터리보다 90% 적은 폐기물을 생산하기 때문에 더욱 친환경적인 것으로 간주됩니다.

의료 표준

의료용 애플리케이션용 배터리는 엄격한 안전 및 성능 기준을 충족해야 합니다. 의료 전기 장비에 대한 ANSI/AAMI ES 60601-1 표준은 배터리가 준수해야 하는 여러 규제 표준을 지정하며, 여기에는 1차 전지 배터리에 대한 IEC 60086-4 및 IEC 60086-5와 가정 및 상업용 배터리에 대한 UL2054가 포함됩니다. 또한 ISO 20127과 같이 전동 칫솔과 같은 특정 애플리케이션을 위한 별도의 표준도 존재합니다.   FDA는 리튬 배터리에 대해 특정 요구 사항을 제시하며, 여기에는 UL 인증 공장에서 생산되어야 하고 모든 배터리가 고장 분석을 위해 추적 가능해야 한다는 조건이 포함됩니다. 올바른 배터리 화학 조성을 선택하는 것 외에도 배터리 제조업체를 철저히 검토하여 애플리케이션에 대해 FDA 및 IEC 규정을 준수하는지 확인하는 것이 중요합니다.

전압 범위

일차 전지 배터리는 일반적으로 1.5 V 및 3.3 V 두 가지 전압 범위로 제공됩니다. 사용할 범위의 선택은 애플리케이션에 따라 다릅니다. 벅 컨버터는 일반적으로 부스트 컨버터보다 효율적입니다. 배터리 레귤레이터에서 흔히 사용되는 전략은 벅-부스트 컨버터를 사용하여 배터리 전압 범위를 최대화하는 것입니다. 하지만, 벅-부스트 컨버터는 일반적으로 벅 컨버터보다 크고 외부 부품이 더 많이 필요합니다. 이는 벅-부스트 컨버터가 두 개의 스위치 대신 네 개의 스위치를 가지기 때문입니다.

알카라인

알칼리 배터리는 텔레비전 리모컨이나 시계에 사용되는 아날로그 회로를 구동하는 데 적합하기 때문에 상당한 차이로 가장 널리 사용되는 1차 전지입니다. 이러한 배터리는 다른 배터리 화학물질에 비해 내부 저항이 높으며, 방전이 진행될수록 저항이 증가합니다. 이러한 특성 때문에 알칼리 배터리는 더 높은 부하를 요구하거나 다른 듀티 사이클과 작동 모드를 가진 디지털 회로에는 일반적으로 적합하지 않습니다. 또한, 알칼리 세포는 세포의 물리적 크기가 작아질수록 내부 저항이 더 높게 나타납니다. 따라서 많은 LED와 스피커를 가진 장난감과 같은 고출력 애플리케이션은 D형 배터리를 필요로 할 수 있으며, 반면에 시계는 코인 셀 배터리로 작동할 수 있습니다. 알칼리 배터리는 폭발이나 누액에 대한 우려가 적으며, Li-Ion 배터리에 적용되는 것과 같은 규제 표준에 해당하지 않아 사용 및 보관을 안전하다고 간주됩니다.   알칼리 배터리는 제한된 전력 출력과 다른 배터리 화학물질에 비해 짧은 수명 때문에 일반적으로 의료 기기에 사용되지 않습니다. 의료 응용 분야에서 알칼리 배터리는 저비용의 혈당 측정기, 체온계, 그리고 드물게 사용되며 중요한 기능에 필수적이지 않은 다른 장치들에 사용될 수 있습니다.

시장에는 여러 종류의 리튬 기반 일차 전지가 있으며, 모두 리튬을 양극재로 사용하고 금속을 음극재로 사용합니다. 이러한 전지는 일반적으로 리튬 금속 전지로 알려져 있습니다. 가장 널리 사용되는 두 가지 리튬 금속 일차 전지는 리튬 망간 산화물 (LiMnO2)과 리튬 이황화물 (LiFeS2)입니다.   LiMnO2 전지는 공칭 출력 전압이 3V이고 내부 저항이 낮습니다. 이는 다양한 부하 프로파일과 작동 주기를 요구하는 디지털 애플리케이션에 적합합니다. LiFeS2 전지는 공칭 출력 전압이 1.5V이며 내부 저항도 유사합니다. 이 전지는 주로 자체 전압을 요구하는 기기에서 알카라인 전지의 직접 대체물로 사용됩니다.   리튬 금속 전지는 누수와 폭발의 위험이 있어 특별한 취급 및 운송 제한이 필요합니다. 그러나 이 전지는 알카라인 전지에 비해 많은 이점을 제공합니다. 유사한 형태에서 두 배의 용량, 더 긴 수명, 가벼운 무게를 제공합니다.   그 결과 리튬 금속 전지는 많은 애플리케이션에서 알카라인 전지를 대체하고 있습니다. 리튬 금속 전지는 또한 지속적인 혈당 측정기, 주입 펌프, 제세동기 같은 이식형 기기 같은 중요한 의료 기기에 사용되고 있습니다.

은산화물 배터리

은산화물(Ag-O) 배터리는 은을 음극으로, 아연을 양극으로 사용하는 또 다른 일반적인 일차 전지 배터리입니다. 알카라인 배터리와 유사한 공칭 출력 전압(즉, 1.55V)을 가지고 있으며, 더 높은 용량과 평탄한 방전 곡선을 가지고 있어 디지털 애플리케이션에 적합합니다. 음극에 은이 포함되어 있기 때문에 Ag-O 배터리는 대형 크기에서는 비용이 많이 들 수 있어 대부분 코인 셀 또는 버튼 셀 형태로 사용됩니다.

역사적으로 Ag-O 배터리는 누수가 발생하는 경향이 있었으며, 부식을 방지하기 위해 셀에 수은을 첨가하곤 했습니다. 최근 몇 년 동안 배터리 제조업체들은 수은을 사용하지 않고 부식을 최소화할 수 있는 다른 방법들을 찾아내어 Ag-O 배터리를 환경적으로 훨씬 더 지속 가능하게 만들었습니다. Ag-O 배터리는 일반적으로 리튬 배터리보다 더 안전하고 더 오래 작동하며 비슷한 방전 곡선을 갖고 있지만, 은 음극으로 인해 비용이 높아 더 저렴한 응용 제품에는 채택이 제한됩니다. 은 코팅은 이식형 장치로 인한 감염 위험을 줄일 수 있기 때문에, Ag-O 배터리 화학은 이식형 장치에서 점점 더 많이 사용되고 있습니다.

아연 공기

아연 공기 배터리는 이전의 배터리 화학 구성과 비교했을 때 독특한 배터리 화학 구성을 가지고 있습니다. 아연 공기 배터리는 아연 양극과 주변 공기를 음극으로 가지며, 그 사이에 전해질 페이스트가 있습니다. 이 셀은 전형적인 코인 셀 배터리 폼 팩터로 만들어지며, 공기가 들어갈 수 있도록 케이스에 구멍이 있습니다. 배터리를 사용하기 전에, 공기가 셀에 들어오는 것을 방지하기 위해 구멍이 봉인됩니다. 봉인이 제거되면, 음극에서 산소가 도입되어 전자가 아연 양극에서 전해질 페이스트를 통해 음극으로 흐르기 시작합니다. 음극이 다른 배터리 화학 구성의 금속과 달리 금속이 아니기 때문에 아연 공기 배터리는 가볍고 경제적입니다. 또한 충전을 오래 유지하며 방전율이 비교적 평탄합니다. 아연 공기 배터리는 출력 전압 범위가 0.9 V에서 1.4 V입니다.

배터리는 작동하기 위해 환경에 노출되어야 하므로, 의료 기기에서의 사용이 제한됩니다. 많은 의료 기기는 환경으로부터 보호 수준을 요구하지만, 아연 공기 배터리는 이를 제공하지 못합니다. 이러한 화학 물질은 경량 구조와 긴 수명을 이유로 주로 보청기 배터리에 사용됩니다.

적용 사례

이제 사용 가능한 일반적인 배터리 화학 성분과 그들이 우리에게 제공할 수 있는 것들을 검토했으니, 응용 사례를 살펴보겠습니다. 이 예시에서는 실행 시간이 5일인 ECG 가슴 패치를 고려해 보겠습니다. 이 웨어러블 패치는 일회용으로 설계되며, 완전히 밀봉되어 배터리를 교체할 수 없고 방수 기능을 가지며, Bluetooth® 통신을 통해 ECG 데이터를 무선으로 전송합니다. 패치에는 환자의 체온을 기록하기 위한 MAX30208 온도 센서와 환자의 활동 정보를 모니터링하기 위한 ADXL367 가속도계도 포함될 것입니다. 이것은 병원 환경, 외래 진료소, 환자의 집에서도 사용할 수 있습니다. 이 응용 사례에서 ECG 아날로그 프론트 엔드(AFE)로 MAX30001을, 마이크로컨트롤러 유닛(MCU)으로 MAX32655를 사용하고자 합니다. 배터리에 따라 전력 관리 솔루션을 선택하게 될 것입니다.

이러한 요구 사항을 기반으로, 사용할 배터리에 대해 적절한 결정을 내릴 수 있습니다. 웨어러블 디자인은 컴팩트하여 배터리의 폼 팩터도 작고 가벼워야 하므로 코인 셀 폼 팩터를 사용하는 것을 목표로 해야 합니다. 리튬 디설파이드 배터리는 코인 셀 폼 팩터에서 제공되지 않으므로 제외할 수 있습니다. 패치가 일회용이라는 점을 알고 있기 때문에 보조 배터리나 충전식 배터리를 사용할 수 없습니다. 또한 배터리가 완전히 밀폐되어 있어 아연 공기전지를 사용할 수 없습니다. MAX32655의 블루투스 통신 및 다양한 작동 모드는 알칼리 배터리가 높은 내부 저항으로 인해 이 애플리케이션을 지원할 수 없다는 합리적인 추정을 하도록 합니다. 따라서 사용할 수 있는 배터리는 리튬 망간 및 산화은 1차 전지 배터리 화학 종류로 한정됩니다.   리튬 망간 배터리는 공칭 출력 전압이 3.0 V이며, 산화은 배터리보다 높은 비에너지를 제공합니다. 우리는 용량이 235mAh인 (산화은) CR2032 배터리를 쉽게 구할 수 있습니다. 산화은 배터리는 공칭 출력 전압이 1.55 V이며, 오프 더 셀프에서 찾을 수 있는 가장 큰 코인 셀 폼 팩터는 용량이 200mAh인 SR44W 배터리입니다. 설계로 돌아가 요구 사항을 보면, 패치를 5일 동안 실행해야 하는 런타임이 필요함을 알 수 있습니다. 로드 프로파일을 생성함으로써 패치가 하루에 약 45mA 또는 5일 동안 225mA를 소비할 것이라고 추정할 수 있습니다. 더 높은 용량의 배터리를 요구하는 이 요구 사항은 산화은 코인 셀을 경쟁 대상에서 제외시키며, 이 애플리케이션의 선택으로 리튬 망간 배터리를 남깁니다.

결론

애플리케이션에 적합한 배터리를 선택하려면 형태, 적합성, 기능을 신중히 고려해야 합니다. 각 배터리 화학의 강점과 약점을 이해함으로써 시스템 설계 요구 사항에 가장 적합한 배터리를 선택할 수 있습니다.

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