[e테크]휴대형 전지기술-손안의 정보기기 날개 달았다

전지는 자체의 활성물질에 있는 화학에너지가 전기화학 산화환원 반응을 일으키게 함으로써 직접 전기에너지로 변환하는 장치다. 이런 반응은 전자가 전기회로를 통해 어떤 물질로부터 다른 물질로 이전할 때 일어난다. 이를 보통 전지라고 부르고 있지만 실제로 기본 전기화학 단위는 셀이다. 하나의 전지는 한 개 이상의 셀로 구성돼 있는데 필요한 전압이나 용량에 따라 이들이 직렬 또는 병렬로 연결돼 있다. 셀은 주로 음극(陰極), 양극(陽極), 전해질(電解質) 등으로 구성된다.

　휴대형 전지는 휴대형 응용제품에 사용되고 있는데 현재까지 나온 전지에는 재충전이 되지 않는 1차전지와 재충전해 반복사용이 가능한 2차전지가 있다. 일반적으로 1차전지 음극에는 아연이나 리튬이 사용되고 있다. 아연을 재충전 전지에 사용해 재충전 주기를 여러 번 반복하면 적용력이 떨어진다. 리튬은 재충전할 때 수지상(樹枝狀) 결정을 형성해 전극을 소폭회로로 보낼 수 있게 한다. 또 리튬은 화재가 발생할 위험성이 있다. 지금까지 휴대형 단말기용 2차전지 분야에서 니켈카드뮴(니카드·NiCd:Nickel-Cadmium) 전지가 지배적인 기술로 사용됐으나 고급 응용제품용 전지 중 니켈-금속 수소화물(NiMH)과 리튬이온(Li-ion) 전지가 니카드전지를 점차 대체하고 있다.

　1차전지는 전기가 완전히 방출되면 폐기하게 된다. 이 전지는 제품의 초기가격이 중요한 요소가 되든가 아니면 재충전 사용이 필요하지 않을 경우에 사용된다. 비록 지난 10년 동안 1차전지 시장이 탄소-아연 셀에서 아연-알칼라인 셀로 이전하기는 했지만 현재 가장 많이 사용되는 1차전지는 탄소-아연(또는 레클란체:leclanche) 셀이다. 아연-알칼라인 셀이 탄소-아연 셀보다 가격이 비싸지만 성능과 가격 대비 효율성이 높다.

　1차 리튬전지는 연기 경보기, 비상손전등, 특정 카메라, 상보성금속산화막 반도체(CMOS:Complementary Metal Oxide Semiconductor) 메모리 백업 등을 포함한 다양한 응용 제품에 사용되고 있다. 이 전지는 알칼라인이나 탄소-아연 셀보다 더 폭넓은 온도 범위에서 작동하며 수명이 길다. 리튬 셀은 또 알칼라인 셀보다 에너지 밀도가 높지만 용량을 낮출 수 있다.

　동전모양의 작은 1차 리튬 셀이 손목시계와 계산기를 비롯한 여러 가지 소형 제품에서 아연 음극 셀을 많이 대체해 왔으나 이 제품의 시장은 지난 몇 년 동안 별로 성장하지 못했다. 1차 리튬 셀은 여러 가지 장점을 갖고 있음에도 불구하고 3V의 전압을 필요로 하는 응용 제품이 그리 많지 않고 다른 전지에 비해 가격이 훨씬 높다는 문제점이 있다.

　아연-공기 기술은 모든 1차전지의 에너지 밀도를 최고로 높여주지만 공기에 개방된 상태에서 저장하면 전지의 저장 수명이 상당히 감소된다. 습도와 전지 디자인에 따라 순환공기로부터 보호받지 않은 아연-공기 전지의 저장 수명은 며칠에서 몇 주까지 다양하다. 저장 수명이 이처럼 제한됨으로써 이 제품은 보청기, 무선호출기, 송화기, 의료기기 등에 사용되고 있다. 몇 개 업체들이 휴대전화용 1차 아연-공기 전지를 개발하고 있다.

　재충전 또는 2차전지에는 납축전지, 니카드전지, 니켈-금속 수소화물 전지, 아연-공기 전지, 알칼라인-망간 전지, 리튬전지, 금속리튬전지, 리튬이온전지, 리튬폴리머전지 등이 있다. 재충전 전지는 출력 밀도가 높고 전면적인 방전 프로필을 갖고 있을 뿐 아니라 저온에서 우수한 성능을 나타낸다. 하지만 대개의 경우 에너지 밀도가 1차전지보다 낮고 충전 보존능력이 약하다.

　산화납(납축전지) 기술은 주로 자동차에 탑재되는 100Wh 이상의 대형 전지에 사용되며 전체 전지 시장의 약 50%를 차지하고 있다. 산화납 화합물질은 에너지 밀도가 낮고 충전 보존능력이 약하며 상대적으로 수명이 짧고 매우 작은 셀 규격의 제품은 생산하기가 어려운 등 몇 가지 문제점 때문에 휴대형 응용 제품에 사용되지 않고 있다.

　니카드전지가 휴대형 응용 제품용 재충전 전지 중 가장 안정돼 있다. 기존의 니카드 셀은 전해질용 포타슘 수산화물질의 수성액에 있는 카드뮴 및 니켈의 가역(可逆) 전기화학 반응을 이용한 것이다. 휴대형 응용제품용 니카드전지는 밀봉된 형태를 갖고 있다. 밀봉된 상용 셀의 평균 수명은 300∼500사이클이지만 관리가 필요없을 뿐 아니라 2000회를 반복 재충전할 수 있다. 니카드전지는 휴대전화, 장난감, 캠코더를 포함한 가전제품에 주로 많이 사용되며 컴퓨터의 메모리 백업, 통신, 비상등 등 다른 여러 분야에도 사용되고 있다. 이 전지는 비용대 성능의 효율성이 우수함에도 불구하고 몇 가지 결점을 갖고 있다. 니카드전지는 다른 전지에 비해 에너지 밀도가 낮고 자체 방출 비율이 상당히 높다. 비록 재활용 사업을 통해 많이 개선되기는 했지만 카드뮴은 맹독성 금속이다.

　니켈-금속 수소화물 전지는 니카드전지와 특성이 비슷하나 카드뮴 음극 대신 합금에 흡수돼 있는 수소를 사용한다는 점이다. 또 니켈-금속 수소화물 전지는 과다충전을 감당하지 못하기 때문에 충전 중단 제어가 필요하다. 니켈-금속 수소화물 전지는 지난 몇 년 동안 가격이 니카드전지에 비해 50∼100% 높았지만 컴퓨터, 휴대전화 및 다른 가전제품 부문에서 니카드전지와 경쟁을 벌여왔다. 또 기술이 성숙되고 가격이 안정된다 하더라도 고가 가전부문에서 재충전 리튬전지와 경쟁을 벌이게 될 것이다. 관련업계에서는 양극(兩極) 니켈-금속 수소화물 전지를 개발중에 있다.

　아연-공기(Zn-air) 1차전지는 개발된 지가 오래됐지만 아연-공기 재충전 전지는 최근에 와서야 상용화됐다. 다른 전지기술에서와 마찬가지로 아연-공기 셀은 화학반응 속에서 음극과 양극을 결합해 수요에 따라 전력을 일으킨다. 아연-공기 2차전지가 1차전지와 다른 점은 전지를 충전할 때 공기전극에서 산소가 빠져나가면서 역 화학반응을 일으키게 한다는 것이다. 현재 개발중인 전기자동차용 대형 아연-공기 전지나 노트북PC용 소형전지에서는 공기의 관리가 매우 중요한데 여기에서 이 관리 시스템으로 인해 규격이 커질 수밖에 없다. 이 전지는 운용시간이 길다는 것이 장점이지만 수명이 짧고 재충전시간이 오래 걸리는 것이 단점이다.

　알칼라인 망간 재충전(RAM:Rechargeable Alkaline Manganese) 전지는 지난 93년에 처음 등장해 알칼라인 1차전지 및 니카드 재충전 전지와 경쟁을 벌여왔다. RAM전지는 성능면에서 알칼라인 1차전지 및 니카드 재충전 전지의 특성을 갖고 있으며 기본 용량은 니카드 제품보다 크고 알칼라인 셀보다는 작다. RAM전지는 재충전·재사용이 가능하지만 니카드전지보다는 재사용 횟수가 적다.

　에너지 밀도가 높아짐에 따라 니켈이나 납보다 용량이 큰 전극 물질의 필요성이 대두됐다. 그 결과 개발된 것이 리튬(Li)이다. 리튬 재충전 전지는 전압이 니카드전지의 3배이며 성능이 우수하기 때문에 응용 제품 생산업체들은 이를 채용할 수 있도록 디자인을 바꾸고 있다. 리튬 재충전 전지의 종류는 다양하지만 음극의 형태에 따라 금속리튬 음극 셀과 리튬 이온 셀 등 두 부류로 나눈다. 금속 리튬전지는 리튬 박(泊)을 ‘건조실’에서 계속 습기를 제거하는 공정을 거쳐야 하기 때문에 리튬이온전지보다 제조하기가 어렵다. 금속리튬에는 유기 또는 폴리머 전극이 있는데 이들 전극에는 산화금속이나 황화(黃化)금속 양극, 폴리머 양극 또는 탄소 성질을 가진 양극이 있다. 현재 주로 사용되고 있는 산화금속이나 황화 양극 물질에는 리튬 산화 코발트, 산화 바나듐, 리튬 산화망간, 리튬 산화니켈, 황화 티타늄 등이 있다. 리튬이온전지는 금속리튬 음극이 코크스나 흑연과 같이 탄소의 성질을 가진 물질로 돼 있다는 점이 금속 리튬 전지와 다르다. 리튬이온 전지는 에너지 밀도가 니카드전지의 2배인 반면 생산단가는 50% 더 높다. 리튬폴리머전지는 금속리튬 및 리튬이온 전지의 하부 분류로서 폴리머 전해질이나 폴리머 양극이 있는 금속리튬 및 리튬이온 전지를 리튬폴리머전지라고 한다.

　모든 재충전 전지에는 충전을 제어하고 열손실과 방전을 막기 위한 안전장치가 있어야 한다. 특히 몇 가지 리튬전지에 있어서는 과다 충방전의 방지가 매우 중요하다. 전지와 셀의 형태는 원통형·단추형·프리즘형 등 다양하다. 또 휴대형 제품에 주로 사용되기 때문에 크기가 작고 무게가 적게 나가야 한다. 전지의 사용분야는 이동통신기기, 휴대형 컴퓨터, 디지털 카메라, 휴대형 오락기기, 의료기기, 계산기 및 기타 휴대형 장치, 무선 전동연장 등 광범위하다.

　재충전 전지가 1차전지 시장을 잠식하고 있지만 1차전지가 당분간은 각종 휴대형 전자제품의 전원으로 사용될 것으로 전망된다. 또 앞으로 니카드전지는 환경오염 문제로 인해 사용량이 감소할 것이며 니켈-금속 수소화물 전지는 리튬전지에 밀려 몇 년 안에 생산이 감소하기 시작할 것으로 예상된다.