모빌 기기의 영원한 동반자 배터리에 대한 고찰

1. 들어가며

 사람들이 전자기기를 들고 다니면서 사용하게 되었을 때부터 지금까지 계속 되어온 연구 분야 중 하나가 배터리이다. 휴대용 전자기기를 작동하게 하는 배터리는 휴대용 전자기기의 성능을 결정하는 중요한 키 포인트 일 뿐만 아니라, 기기의 외양과 무게등을 결정하는 요인으로 모든 휴대용 전자기기 제조 업체들에게 큰 연구 대상이 되고 있는 실정이다.
 테크노아의 모빌 라이프 연구실에서는 첫번째 글로 휴대용 기기의 영원한 동반자인 배터리에 대해 고찰을 하면서 그 특성에 대해 알아보고자 한다.

필자의 노트북에 사용되는 Li-ion 배터리.
10.8V 3200mAh의 엄청난(?) 용량을 자랑한다.

 2. 전지(電池) ???

  전지(電池)란 단어를 뜯어보면, 電(번개 전) + 池(못 지) 로 구성된 단어이다. 한자 단어의 뜻 그대로 전기(번개)를 담아두는 못, 즉 전기를 저장해놓은 그릇이라고 생각하면 된다. 전지와 비슷한 역할을 하는 전자부품중 콘덴서라는 부품이 있는데, 둘의 차이점은  전기를 저장하는 방법이다. 전지는 화학적 변화를 이용하여서 전기를 저장하는 반면, 콘덴서는 물리학적 (특히 전자기학적) 변화를 이용하여서 전기를 잠시동안 저장하는 부품. 콘덴서에 대한 설명은 여기에서 줄이고, 다시 전지에 대해 자세히 알아보겠다.

  전지는 다시 크게 두 가지 분류로 나눌 수 있다. 사람들이 흔히 사용하는 건전지(乾電池)와, 충전지(充電池)로 나눌 수 있는 것이다. 건전지는 "1차전지"로, 충전지는 2차전지라 불리우기도 한다. 둘의 큰 차이점을 간단히 말하면, 1회용이냐 아니면 여러 번 재사용 하느냐의 차이이다.

  1차 전지는 한번 쓰고 버리는 전지다. 화학적 설명을 조금만 하자면, 비가역적 화학 반응에 의해 전기가 발생하는 전지로 말할 수 있다. 건전지의 경우 전기를 자신의 용량만큼 다 발생시킨 후에는 더 이상 전기를 발생시킬 수도, 그리고 전기를 발생시키기 이전으로 돌아갈 수도 없는 전지이다.
 1차전지는 우리 주변에서 쉽게 찾아 볼 수 있다. 가장 가까이에서 찾자면 삐삐나 미니 카세트 플레이어, TV등의 리모콘 등에 사용되는 망간 건전지나 알카라인 건전지, 손목시계등에 들어가는 리튬-코인 전지와 자동 카메라에  들어가는 리튬전지등이 그 예이다. 모 사에서 판매하는 충전식 알카라인 전지의 경우, 1차전지인 알카라인 전지에 고주파의 전류를 걸어주면 알카라인 전지가 어느정도 다시 충전이 되는 현상을  이용한 것인데, 이렇게 충전한 전지는 새 알카라인 전지보다 아무래도 못하다는 의견이 지배적이다.

  2차전지는 다 쓰고 충전해서 다시 쓸 수 있는  전지다. 배터리 내의 화학반응이 가역적이기 때문에, 에너지를 공급하면 사용 이전의  화학적 상태로 돌아올 수 있는  배터리로 앞에서 설명한 충전식 1차전지에 비해 충전효율이 대단히 높은 특징이 있다.
 현재 우리 주변에는 충전지를 사용하는 제품들이 꽤 많이 있고, 그 수는 점점 늘어가고 있는 추세이다. 우리 주변에서 사용되고 있는 여러 종류의 충전지들은 각각 장, 단점이 있기 때문에 휴대용 전자기기 제조 업체들은 기기의 특성에 맞는 충전지를 기계와 함께 공급하고 있다.

3 . 충전지 (2차전지) 의 종류와 특징

  2차전지는 전지를 구성하는 화학 물질에 따라 몇 가지로 나눌 수 있다..

  먼저, 가장 오랫동안 사용되어온 납전지를  들 수 있다. 주 재료로는 납과  황산으로 셀 (cell, 전지를 구성하는 기초 단위) 하나의 전압은 약 2V이다. 더 높은 전압을 요구하는 제품의 경우 2V 셀들을 직렬로 여러 개 연결하여서  필요한 전압을 얻는 방법으로 가동을 시킨다. 화학적 설명은 이 글의 성격과는 맞지 기 때문에 생략하기로 하고 용도에 대해 알아보겠다.

 납 전지의 가장 큰 용도중 하나는 소위 "빠떼리"로 불리우는 자동차용 충전지이다. 많은 자동차들이 아직도 가격적 측면을 무시할 수 없어서 납전지를 배터리로 사용하고 있는 실정이다. 그 이외 오래된 충전식 기기들이 납전지를 사용한다. 필자가 옛날에 사용한 A사의 카셋트 플레이어가 납전지를 사용했었다.

 납전지의 장점은 앞에서도 말한  바와 같이 가격이 상당히 싸다는 점이다. 주 재료인 납이 타 전지에 사용되는 주 재료에  비해 값이 꽤 싸기 때문이다. 그러나 장점만 있는 물건은 이 세상에 없는 법. 납 전지에는 치명적인 단점이  몇 가지 있다. 환경 오염 물질인 납을 사용한다는 점과 납을 사용하기 때문에 중량이 꽤 무거운 점, 그리고, 아주 추운  곳에서는 사용하기 힘들고, 출력이 줄어든다는 단점이 있다. 추운 겨울날 아침에 자동차 시동이 걸리지 않아서 당황했었던 사람이 많이 있었는데, 요즘은 많이 좋아졌지만, 옛날에는 꽤 자주 있었던 일이다. 바로 납 전지의 단점을 볼 수 있는 한가지 생활속 이야기이다. 그런 이유로 납전지는 예전에는 많이 사용이 되었지만, 가격이 싼데도 불구하고 근래에는 예전에 비해 사용 양이 많이 줄고 있다.

 다음은 니켈-카드뮴(Ni-Cd) 배터리에 대해 알아보겠다. 아직도 상당한 수의 니켈-카드뮴 배터리가 우리 주변에서 사용이 되고 있다. 니켈과 카드뮴이 사용이 되며 셀 하나의 전압은 약 1.2V. 혹시 이 글을  읽으시는 분께서 "워크맨"이나 휴대용 CD 플레이어를 가지고 있다면 배터리를  잘 살펴보길 바란다. Ni-Cd  라는 글자가 배터리에 있다면 그 배터리는 바로 니켈-카드뮴 배터리이다.

니켈-카드뮴 전지의 장점은 셀 전압이 1.2V라는 점이다. 일반적인 건전지가 셀 하나의 전압이 1.5V라는 점을 생각해 볼 때, 거의 근접한 전압을 제공한다는 말이다. 별 문제 없이 1.5V 건전지를 대체할 수 있다. 물론 전압에 민감한 제품은 대체가 불가능하지만. 휴대용 음향기기등에 많이 사용이 되나 점차 사용량이 줄어들고 있는 실정이다.

         Ni-Cd 배터리
         (Sanyo사 제품)

 원인은 두가지. "카드뮴"이라는 재료와 "메모리 이펙트" 때문. 카드뮴이라고 하는 물질. 일본인들은 이 물질에  대해 극도의 공포심을 가지고  있다. 핵무기 다음으로 두려워 하는 물질이 바로 카드뮴이다. 이따이 이따이 병을 유발하는 물질이기 때문이다. 니켈-카드뮴  배터리를 잘 살펴보시면 버리실 때 지정 취급점에 맡겨 달라고 하는 내용의 글을 볼 수 있다. 카드뮴이 든 배터리가 아무렇게나 버려져서 환경을 오염시키는 것을 막기 위한 자그마한 노력이다. 메모리 이펙트는 설명을 할 내용이 많기 때문에 잠시 뒤에 알아보겠다.

 세번째로 소개가 되는 주인공은 니켈-메탈 하이브리드 배터리 (Ni-MH Battery) 이다. 이 전지는 니켈-카드뮴 배터리와 동일하게 셀 하나가 약 1.2V의 전압을 발생시킨다. 셀 전압이 같다고 니켈-카드뮴 배터리와 같은 전지라고 생각하는 것은 잘못된 생각이다. 몇가지 점에서 니켈-카드뮴 배터리와 니켈-메탈 하이브리드 배터리는 다른 점이 있다.

 먼저, 에너지 밀도(단위 부피당 충전할 수 있는 에너지의 양)가 니켈-카드뮴 배터리에 비해 크다. 동일 부피나 동일 무게의 전지라면 니켈-메탈 하이브리드 전지의 용량이 니켈-카드뮴 배터리에 비해 더 큰 편이다. 그만큼 기기를 더 오랫동안 쓸 수 있다는 의미. 그리고 메모리 이펙트가 니켈-카드뮴 배터리에 비해 상대적으로 작다는 장점도 있다.

 워크맨이나 휴대용 CD 플레이어중 고급이라고 분류되는 기기들 (요즘은 저가형 기기들도 많이 사용을 하고 있다)과 노트북 배터리에 사용이 되지만, 요즘 나오는 노트북들은 니켈-메탈 하이브리드 배터리를 배터리로 사용하지 않는 추세이다. 더 좋은 배터리가 있기 때문. 그 배터리는 바로 다음 소개될 주인공.

          Ni-MH 배터리
          (Fujitsu사 제품)

 다음 주인공은 요즘 사람들의 관심을 모으고 있는 리튬-이온전지(Li-ion Battery)입니다. 요즘 많은 휴대용 기기들이 이 전지를 전원으로 사용합니다. 노트북과 핸드폰(손전화)이 가장 대표적인 예이고, 휴대용 MD 플레이어 중 일부 모델도 이 전지를 사용하고 있다.

 일단, 리튬의 성질 중 두 가지는 집고 넘어가야 할 것 같다. 무게부터 살펴보면, 리튬의 무게는 다른 금속들에 비해 꽤 가볍다. (금속 중 가장 가벼운 금속이다) 그렇기 때문에 리튬-이온전지의 무게는 같은 용량의 다른 전지에 비해 많이 가볍다. 나머지 하나는 리튬의 화학반응성은 상당히 좋다는 점이다. 리튬의 경우 상온의 공기중에 놓아두면 금방 표면이 산화(산소와 반응을 하는 화학변화)된다. 우리가 잘 아는 철이 공기중에서 녹스는 시간과 비교하면 그 반응성을 알 수 있다. 또한 리튬을 물에 떨어뜨리면 거의 "폭발"이라고 할 만한 격렬한 반응을 일으킨다. 이런 원인으로 실험실에서 리튬은 아주 조심스럽게 다루어진다.

 리튬-이온전지의 경우 셀 하나당 3.6V의 출력을 낸다. 참고로, 3.7V 출력을 내는 전지를 생산하는 회사도 있다. 전극에 사용하는 물질을 약간 바꾸어서 0.1V 더 높은 전압을 생성하는 것인데, 자세한 설명은 하지 않겠다.

  리튬-이온전지는 앞에서 설명한 충전지들에 비해 월등한  에너지 밀도를 자랑한다. (그렇지만, 알카라인 전지 앞에서는 주름을 잡지 못한다. 번데기 앞에서 주름잡기?) 같은  배터리 크기로 더 많은 전력을 충전해서 다닐 수 있다.  장시간 사용을 해야 하는 기기나 다른 기기에 비해 특별히 전력을 많이 사용하는 기기들에게는 앞의 다른 충전지보다 훨씬 유리한 점을 제공하는 전지이다. 옆의 그림은 니켈-카드뮴 전지 3개 용량을 비슷한 크기의 리튬-이온 전지 하나가 제공할 수 있음을 보여주고 있다. (일본 Sony사 웹 사이트에서 발췌)

다음으로는, 메모리 이펙트가 거의 없다는 점이다. 다른 전지에 비교하면, "없다"라고 말해도 좋을 정도로 메모리 이펙트가 적다. 그렇기 때문에 사용할 때 메모리 이펙트에 대한 걱정을 할 필요가 없다.

 그러나 이렇게 장점만 있을 것 같은 리튬-이온 전지도 단점이 있다. 바로 가격문제와 안정성 문제가 리튬-이온 전지의 발목을 잡는 원인이다. 리튬이라는 재료가 꽤 비싸다는 점도 있지만, 생산 방법이 꽤 복잡하고 까다롭기 때문에 가격이 타 전지에 비해 비싼 편이다. 몇 년 전까지만 해도, 리튬-이온 전지를 쓰는 기기들이 얼마 없었는데, 바로 리튬-이온 전지의 가격이 비쌌기 때문이었다. 안정성이 다른 전지에 비해 나쁘다는 점도 있다. 비정상적인 사용을 할 경우 전해액이 누출되어서 폭발을 할 위험이 있다. 물론, 전지 회사들이 이를 대비해서 전지에 안정화 회로를 추가하여 생산을 해서 비정상적인 사용시에도 전지를 보호하여 폭발을 할 위험성은 거의 0%라고 하지만 그래도 폭발물을 사용한다는 점은 조금 마음에 걸리는 부분이다.

 이 이외에도 많은 전지들이 있지만, 많이 사용을 하지 않기 때문에 여기서는 생략을 하겠다.

4. 배터리 사용자의 천적! 메모리 이펙트란?

 메모리 이펙트 (Memory Effect) 라는 것은 충전지를 사용하는 사용자를 항상 괴롭히는 고단수의 적이다. 최대한 설명을 간단히 하려고 하지만, 약간은 내용이 어려워 질 것 같다. 필자의 부족한  글 실력을 용서해 주시길.

 2차전지의 원리는 화학 분자들이 결합하거나 결합이 끊어지면서 발생하는 전기에너지를 사용하는 것이다. 문제는 계속되는 충전과 방전의 과정을 거치는 동안 배터리 안에 있는 모든 화학 분자들이 100% 다 결합하지 않는다는 점이다. 그렇게 여러번 충/방전을 하다 보면 배터리 안에 화학 분자들이 결합/분해작용을 하지 못하는 덩어리가 생기게 된다. 이런 덩어리들이 점점 커지게 되면, 배터리의 충전 용량이 줄어들게 되어서 기기의 사용 시간이 줄어들게 된다. 이것이 메모리 이펙트의 정체이다. 즉, 충전지를 계속 사용함에 따라 충전지의 용량이 줄어드는 현상으로 말할 수 있다. 이 메모리 이펙트는 니켈-카드뮴 전지에서 상당히 심각하게 일어나며, 니켈-메탈 하이브리드는 니켈-카드뮴 배터리에 비해 적게 일어나는 편이다. 리튬-이온전지는 메모리 이펙트가 아주 적기 때문에, 없다고 말해도 좋을 정도이고, 사용자들도 아주 민감한 사용자가 아니면 느끼기 힘들 정도이다.

 메모리 이펙트를 막는 방법이 없느냐? 없는것은 아니다. 가장 좋은 방법은 완전충전/완전방전을 하는 습관을 가지는 것. 이것이 메모리 이펙트를 막는 가장 효과적인 방법이다. 그리고, 급충전과 급속방전은 되도록이면 피하는 것이 좋다.

5. 배터리의 용량에 대하여..

 전지의 용량은 전압과 전하량으로 표시를 한다. 전압은 V(볼트) 단위를 써서 표시를 한다. 일반적인 건전지가 1.5V라는 것은 모두 다 알고 있는 것으로 필자는 믿고 있다. 전하량은 약간의 설명이 필요로 한다. 전하라는 것은 전류와 시간의  곱으로 구해지는 수치로 얼마동안의 시간동안 얼마동안의 전류가 전선을 통해 흐르는가를 나타내는 수치이다. 왜 전류로 용량 표시를 하지 않고 전하량으로 표시를 하느냐에 대해 설명을 하겠다.
 두개의 배터리를 가정하자. 배터리 A는 1.5V 전압에 1000mA를 1시간동안 공급할 수 있는 전지이고, 배터리 B는 역시 1.5V 전압에 300mA를 4시간동안 공급을 할 수 있는 전지로 가정을 한다. 만약 전류로만 용량을 따지자면 당연히 배터리 A의 승리로 끝날것이다. 그렇지만, 전류량으로 계산을 해 보면...
     배터리 A : 1000mA * 1 h = 1000 mAh
     배터리 B :  300mA * 3 h = 1200 mAh
로 배터리 B가 200mAh 더 큰 용량을 가지고 있는 것을 알 수 있다. 다르게 생각을 한다면 이렇게 생각을 해도 좋을 것 같다. 배터리 A는 1000 mL 짜리 물통이고, B는 1200 mL 짜리 물통인데, A는 한꺼번에 많은 양의 물을 공급을 할 수는 있지만, 오랫동안 공급은 못하고, B는 한꺼번에는 많은 양을 공급하지 못하지만 오랫동안 공급을 해 줄 수 있는 물통으로. 물통의 크기로 비교를 하는 것이 더 올바른  비교법이라고 할 수 있을 것이다.

배터리 종류별 용량 비교

  용량과 사용 가능 시간에 대한 계산은 간단하게 구할 수 있다.
      배터리 용량 (전하량) = 사용 전류 * 사용 시간
  공식에 집어넣어서 계산을 하시면 된다. 일반적으로는 배터리 용량과 사용 시간은 알기 쉬운 편이다. 배터리 용량은 배터리 표면에 거의 다 표시가 되어 있고, 사용시간은 여러분도 쉽게 측정을 할 수 있기 때문이다. 사용 전류의 경우 일반적인 사용자는 측정을 하기가 상당히 까다로운 부문이다. 전류계등의 장비가 있으면 어느 정도 근사치를 구할 수 있기는 하지만, 정확한 전류량을 구하는 것은 실험실등에서나 가능한 일이기 때문이다.

6. 배터리 사용시 주의점은?

  사용할 때 항상 "배터리는 복잡한 화학 물질 덩어리"라는 것을 생각해야 한다.
  먼저 배터리를 사용하다 보면 내부에서 액체가 새어 나올 때가 있다. 이때는 즉시 사용을 중지하는 것이 좋다. 사용을 중지하고 배터리 회사나 휴대용 기기 회사에 문의를 하는 것이 좋다. 만약 배터리에서 새어 나온 용액이 손이나 피부에 묻었을 경우 피부과 의사와 상담을 하시는 것이 좋습니다. 독성이 강한 용액이기 때문이다.

  가끔씩 배터리를 빨리 충전하고 싶은 욕심에 과다한 전류나 전압을 배터리에 공급하시는 사람이 있는데, 이는 매우 위험한 행동이다. 필자도 예전에 그런 적이 있었다. 먼저, 이런 행동은 배터리 수명을 매우 짧게 만든다. 그리고, 전기 사고로 인한 화재나 상해의 위험도 있으므로 하지 않는 것이 좋다.. 마지막으로 리튬-이온 전지의 경우 "폭발"의 위험성이 있으니 절대 하지 말아야 한다. 정격 충전기만을 사용하는 것이 좋다. 정격 충전기 중 급속 충전기가 있는데, 이것들은 모두 배터리 정격 입력 범위 이내로 충전을 하는 것이니 정격 급속 충전기를 사용하는 사람은 안심하셔도 무방하다. (단, 다른 전지를 급속충전기로 충전하는 것은 역시 안된다.)

  만약 배터리를 오랫동안 사용하지 않는 경우라면 다음과 같이 하는 것이 좋다. 먼저 사용을 안하기 직전에 완충을 한다. 그 다음에 양 전극을 되도록 공기와 접촉하지 않도록 조치를 취한다. 양 전극을 스카치 테이프로 감싸는 것도 좋은 방법 중 하나이다. 그 뒤, 배터리를 건냉소에 보관을 하는 것이 좋다. 고온, 고습도, 초저온의 장소에서는 보관하지 않는 것이 좋다. 다시 사용하실 때는 완전방전을 한 뒤에 완전충전을 하여서 사용한다. 그리고, 약 5번 정도 충/방전에서는 성능이 100% 다 발휘되지 않는 것이 정상이다.

  이동시에 배터리를 아무런 보호 없이 주머니에 넣고 다니는 사람이 많은데, +극 단자와 -극 단자가 금속에 의해 직접 접촉되지 않도록 해야 한다. +극과 -극 사이에 저항이 없이 (혹은 아주 저항이 작게) 연결이 되는 것을 단락이 된다고 한다. 단락이 되면, +극과 -극 사이에 엄청난 양의 전류가 흐르게 된다. 전류가 흐르면 반드시 그에 따라서 열이 발생하게 되는데, 단락이 되면 전류의 양이 엄청나게 높아져서 발생하는 열의 양도 상상을 초월하게 된다. 그에 따라서 화상이나 화재의 위험이 있고, 리튬-이온 배터리의 경우에는 폭발사고의 원인이 되기도 한다. 배터리를 주머니나 가방에 넣고 이동할 때에는 같은 주머니에 금속성 물질을 넣지 않는 것이 좋다. 만약 불가피하게 금속성 물체와 같이 넣는다면, +극과 -극 단자를 셀로판 테이프등을 이용하여서 금속과 직접 접촉하지 않도록 한 뒤 넣고 다니는 것이 좋다. 필자가 중학생이었을 때, 방전이 거의 다 된 니켈-카드뮴 배터리가 단락이 되어서 화상을 입었던 일이 있었다. 항상 주의해야 한다.

  가끔씩 양 전극을 깨끗이 닦아주는 것이 좋다. 닦아주지 않어도 별 문제가 없지만, 산화된 양 전극이 전압을 떨어뜨리는 원인이 되기도 한다. 전극을 가끔씩 닦아주는 것이 좋다.

  마지막으로 어떤 충전지나 마찬가지지만, 특히 니켈-카드뮴 충전지는 폐기시 지정 취급소에서 폐기하기 바란다. 충전지에 들어가는 금속들은 모두 소중한 자원이며, 재활용을 하면 그만큼 환경을 보호할 수 있다. 그리고 니켈-카드뮴  배터리의 경우 앞에서 설명한 바와 같아 그냥 매립할 경우 생태계에 심각한 타격을 줄 수 있다. (앞에서 설명했지만, 카드뮴은 매우 심각한 독성물질이다.)

7. Q : 충전지도 수명이 있다던데요?

  A : 예. 충전지도 수명이 있습니다.

  인간이  만든 물건인데, 영구히 쓸  수 없는 것이 당연하다. 메모리 이펙트의 영향도 있고, 전해액의 성분 변화도 있으며, 기타 여러가지 요인에  의해 배터리를 계속 사용하다 보면 배터리의 용량이 줄어들게 된다. 약 300~500회 정도 충/방전을 하면 아주 둔한 사용자도 느낄 정도로 배터리 용량이 줄어들게 된다. 그때쯤 되면 배터리 교체를 생각하는 것이 좋다. 300 내지 500회라는 숫자는  꼭 지정된 것은 아니다. 만약  배터리를 험하게 사용했다면 그 숫자는 훨신 더 줄어들 수도 있으며, 관리를 잘 하면서 썼다면 그 숫자는 좀 더 늘어날 수도 있다.

8. 마치면서...

  휴대용 기기들이 점점 우리생활에서 차지하는 비중이 커짐에 따라 배터리의 중요성도 점점 증가하고 있다. 배터리에 대한 조그마한 관심이 더욱더 즐거운 모빌 라이프를 할 수 있는 원동력이 될 수 있을수도 있다. 어떻게 보면 사소한 부품인 배터리. 그러나 배터리가 없으면 모빌 라이프는 꿈도 꿀 수 없다. 배터리에 대한 약간의 의식 전환도 필요한 시기가 아닌가 생각이 든다.

 신문 기사에 국내 배터리 업체들의 소식에 관한 기사가  있었다. 한국이 세계의 배터리 강국이 되기 위해서는 배터리를 사용하는 여러분들의 조그만한 관심이 더 필요한 것 같다. 지금 여러분의 핸드폰이나 노트북등에 장착된 배터리를 한번 보길 바란다. 자, 여러분의 배터리는 어떤 종류인지 필자에게 말해줄 수 있습니까?

참조 사이트 :

Sony의 Li-ion 배터리 관련 웹 사이트 주소.
 http://www.sony.co.jp/sd/ProductsPark/Consumer/BAT/ION/index-j.html

LG 케미컬의 Li-ion 전지 관련 사이트.
 http://battery.rnd.lgchem.co.kr/korea/main/main.hml