[e테크]휴대형 전지기술-상용화 추이

휴대형 전지기술의 상용화 추이는 일반 제약요소, 수요요인, 상승작용 기술, 경쟁기술 등으로 구분해 검토할 수 있다.

　◇일반 제약요소=지난 10년 동안 전기화학적 동력원분야 기술은 상용화된 제품의 숫자면에서 폭발적인 성장을 이룩했다. 80년대 성숙된 전지산업은 90년대 와서는 꽤 성장잠재력을 가진 산업이 되었다. 이런 호황은 간편하게 휴대할 수 있는 1차 또는 2차전지를 필요로 하는 마이크로전자기술 기반의 고가 가전제품이 많이 쏟아져 나왔기 때문이다. 무선호출기와 휴대전화 등이 계속 소형화함에 따라 가벼우면서 성능과 수명이 우수한 전지의 수요가 촉진됐다. 그러나 정부가 휴대형 2차전지의 재활용규제를 강화함으로써 독성이 있는 물질과 다른 물질에 대한 규제가 기술에 따라 다양하게 나타날 것으로 예상된다.

　-니카드(NiCd)기술은 확고하게 안정되고 가격이 낮은 전지기술이지만 몇 가지 요인이 통신기기 및 노트북PC와 같은 고가 전자제품에 대한 지속적인 채용을 저해할 것으로 보인다. 카드뮴의 독성 때문에 대부분의 지역 주민들이 사용된 니카드전지의 폐기장소 제공을 기피하고 있어 이들 전지의 처리장소가 제약을 받고 있다. 비록 재활용사업이 널리 확대되고 여러 나라 정부들이 이에 대한 규제를 완화함으로써 니카드전지에 대한 문제가 어느 정도 호전되기는 했지만 아직도 폐기물문제는 근본적으로 해결되지 않은 상태다. 반복사용 후에도 전지가 완전히 방전되지 않도록 하는 메모리 효과나 전압감소 현상도 하나의 주요 제약요소가 되고 있다. 관련업체들이 아직 이에 대한 적절한 해결책을 마련하지 못한 상태다. 또 용량이 더 큰 니카드전지가 개발되고 있지만 스마트 휴대형 기기의 수요를 충족시키지는 못하고 있다.

　-니켈금속수소화물(NiMH)전지는 휴대형 가전제품에 많이 사용되고 있으나 충전에 상당한 제약이 따른다. 화학성분 때문에 NiMH전지는 과다충전으로 인한 손상을 방지하기 위해 복잡한 여러 단계의 충전과정을 거쳐야 한다. 또 이를 제어할 수 있는 집적회로(IC)가 개발됐으나 집적회로를 채용하면 그만큼 전지의 가격이 올라간다. NiMH전지는 고효율 성능에서는 NiCd전지보다 약해 고출력의 서지(surge)를 필요로 하는 휴대형 툴이나 장비에는 적합하지 않다. 그러나 새로운 고효율의 NiMH전지가 개발돼 휴대형 툴에 의한 채용이 늘어날 것으로 보인다. 또 NiMH전지는 전기자동차 용 전지의 유력한 후보다. 그러나 NiMH전지에 사용되는 희토류의 확보가능 분량이 많지 않아 전지자동차가 앞으로 많이 보급될 경우 문제가 발생할 가능성이 있다. 또 단기적으로 볼 때 비교적 높은 가격도 NiMH전지의 제약 요소다.

　-아연 공기전지는 사용시간을 연장해 줄 수 있으나 재충전시간이 많이 걸리는 것이 문제다. 특히 1시간 사용하려면 두 시간을 충전해야 한다. 또 이 전지는 양극에 공기를 사용하기 때문에 다른 휴대형 전지보다 부피가 상당히 커야 한다. 납축전지는 재활용해야 하는데 그것 때문에 결국 소비자 부담이 커지게 된다. 또 이 전지에 사용되는 황산이 화학물질에서 발생하는 수소와 결합하면 약간의 안전문제가 일어날 가능성이 있다. 납축전지는 가장 무거운 전지에 속하지만 가격은 니카드전지의 절반 정도에 지나지 않는다.

　-재충전 리튬전지에는 수성(水性) 전해질보다는 솔벤트(액체) 기반의 유기 또는 고체 폴리머 전해질이 사용된다. 유기 및 폴리머 전해질은 전도성이 약하기 때문에 가전제품과 같은 저출력 및 중간 출력의 제품에 주로 사용된다. 리튬 금속전지는 에너지 용량이 크지만 금속 형태로는 반작용이 강하기 때문에 사용하기가 어렵다. 충전과 방전을 여러번 반복하면 자체 누전을 일으킬 가능성이 있다. 최악의 경우 누전은 뜨거운 가스의 유출이나 불을 일으킬 위험성마저 있다. 이를 방지하기 위해 특별 방전제어 회로나 PTC(Positive Temperature Coefficient) 디바이스 또는 다른 안전장치를 사용하면 리튬 금속전지의 가격이 올라간다. 폴리머 전해질이 액체 유기전해질보다 전도성이 약하다. 재충전 리튬전지는 다른 전지에 비해 에너지와 수명이 상당히 높지만 높은 가격이 상용화에 걸림돌이 되고 있다. 현재 리튬이온전지의 가격이 비싼 것도 생산설비에 대한 많은 자금투자와 높은 재료가격 때문이다.

　◇수요요인=전자제품에서 전지의 사용은 꾸준히 증가하고 있으며 첨단 재충전 전지시장도 본격 형성될 것으로 보인다. 주요 수요요인은 다음과 같다.

　-각 분야 직장인들이 근무시간의 상당 부분을 사무실 내보다는 외부에서 보내는 경우가 늘어나고 있다. 외부에서 많은 시간을 보내는 직장인은 일상 업무를 추진하기 위해 휴대형 통신기기나 컴퓨터를 필요로 한다.

　-전자제품의 소형화가 진전됨에 따라 업무용 및 오락용 휴대형 전자기기의 종류가 크게 늘어났다.

　-환경에 대한 관심이 높아짐에 따라 전지 제조업체와 연구기관들은 기존 제품보다 독성이 적은 제품을 개발하고 있다.

　-평면 디스플레이, 펜 및 음성인식 입력장치 등이 개발됨으로써 휴대형 통신기기 및 컴퓨터의 종류가 다양해지고 있다. 또 액티브 매트릭스 방식 컬러LCD의 대형화와 대량생산에 대한 수요가 늘어나고 있어 첨단 휴대형 전지에 대한 수요도 늘어날 것으로 예상된다.

　◇상승작용 기술=현재 1차 및 2차전지 가지고는 모든 가전제품이 필요로 하는

성능을 충족시키지 못하며 이 분야 기술이 더욱 발전하려면 어느 정도까지는 상승작용 기술이 필요하다. 이런 기술에는 전도성 폴리머, 폴리머 전극, 폴리머 전해질, 집적회로(IC), 초강력 축전기(supercapacitor) 등이 있다.

　-전도성 폴리머는 가볍고 제조가 쉬우며 가격이 낮아 휴대형 전지 소재로 관심을 모으고 있다. 사실 전도성 폴리머 전지에 대한 연구는 지난 76년에 시작됐다. 당시 연구원들은 폴리아세틸렌의 전자적 전도성이 거기에 요오드를 첨가하면 12x10승으로 늘어난다는 사실을 발견했다. 전지의 전극물질로 사용하기 위한 전자적 전도성 폴리머의 개발외에 연구원들은 전해질과 격리판 재료로 사용할 수 있는 이온적으로 전도성이 있는 폴리머도 개발중이다.

　-재충전 리튬전지의 양극 재료로 사용되는 전자적 전도성 폴리머는 폴리아세틸렌, 폴리아닐린, 폴리디오핀 등으로 이들은 적절한 음이온을 첨가해 전도성을 갖게 한 것이다. 그러나 에너지가 약하고 가격이 비쌀 뿐 아니라 제조가 까다로워서 리튬 알루미늄을 음극으로 사용하는 작은 동전 모양의 셀에는 별로 사용하지 않았다. 열분해된 폴리머와 흑연은 휴대형 제품용 재충전 전지의 전극물질로 부

상하고 있다.

　-고체상태에서 이온을 전도할 수 있는 폴리머 전해질은 값싸고 안전하며 유연성이 있어 가볍고 작은 고체의 전지를 만들 수 있기 때문에 전지업체들이 관심을 기울이고 있다. 몇년전 두 종류의 고체폴리머전해질(SPE:Solid-Polymer Electrolyte)이 개발됐다. 그 중 하나는 전도성이 매우 높은 겔 전해질이고 다른 하나는 초분자구조를 가진 건성 폴리머 전해질이다. 지난 99년에 출시된 리튬 폴리머 전지는 모두 겔 형태의 폴리머 전해질을 사용하고 있다. 겔 전해질은 고온에서는 기계적 특성이 약하고 화학적 안정성이 없기 때문에 건성 폴리머 전해질의 개발 노력이 지속되고 있다. 연구원들이 산화 폴리에틸렌과 같은 고분자량 폴리머 안에서 금속염을 용해시킴으로써 건성 폴리머 전해질을 개발해냈다. 폴리머는 섭씨70도 가까이 가면 결정화하는 특성이 있어 70도가 넘으면 건성 전해질의 전도성이 유용한 가치에 이르게 된다.

　-집적회로(IC)는 전지를 사용하는 대부분의 제품에서 중요한 기능을 제공한다. 집적회로의 밀도가 높아짐에 따라 기능요소당 필요한 전력이 균형적으로 감소하고 비트당 접속시간이 급격히 떨어지고 있다. 메모리 저장량이 크게 확대되고 데이터 처리속도가 상승하며 비트당 처리 또는 저장에 소요되는 전력이 감소하면 기존 전지를 사용하는 제품이 눈에 띄게 발전할 뿐 아니라 아주 새로운 제품의 등장을 앞당길 것이다.

　◇경쟁기술=경쟁기술에는 광기전성(光起電性) 기술, 불휘발성 메모리, 초강력 축전기, 마이크로터빈, 마이크로연료 셀 등이 있다.

　-광기전성 기술은 전지가 제공하는 것과 같이 적은 양의 전기를 사용하는 각종 응용제품에 유용하다. 이런 제품에는 전기계산기, 손목시계, 유도장치 충전기, 태양열 온수기, 펌프 등이 있다. 광기전성 전지는 광에너지를 직접 전력으로 변환해 준다. 불과 1, 2㎠ 크기의 전지를 생산하든가 여러 개의 모듈을 무제한으로 결합할 수 있게 해준다. 이 전지는 소음과 방출이 없으며 움직이는 부분도 없다. 또 운용 및 유지비용이 매우 낮다.

　-컴퓨터에 S램과 D램이 사용됨에 따라 단추모양 전지의 새로운 수요처가 되고 있다. 그러나 이 시장에 불휘발성 IC메모리가 등장함으로써 전지에 대한 위협이 커지고 있다. 플래시메모리가 S램 및 D램에 이어 세번째로 큰 시장을 형성하고 있다. 또한 강유전성 RAM도 단추모양 전지시장에 대한 위협이 될 수 있다.

　-전지는 에너지를 화학적인 형태로 저장하는데 반해 축전기는 정(靜)전기 에너지를 충전분리로 저장한다. 초강력 축전기는 전극-전해질 인터페이스에서 충전분리를 사용하는 장치, 즉 전기화학적 축전기다. 전기화학적 축전기에는 최소한 두개의 전극이 있다. 따라서 초강력 축전기는 실제로는 두개의 축전기를 연결한 것이라 할 수 있다. 초강력 축전기는 전지에 비해 에너지 저장량이 상당히 적지만 충전과 방전시간이 극히 짧고 수명이 더 길다.

　-앞으로 실리콘 마이크로 제조기술을 이용, 마이크로 터빈을 생산할 수 있게 되면 노트북PC나 휴대전화와 같은 고가 IT제품용 전지시장에 영향을 미칠 것이다. 현재 미국 MIT대학의 연구팀은 출력이 기존 리튬전지의 10∼20배 되고 크기가 와이셔츠 단추만하면서 무게는 1g 되는 터빈 엔진을 개발하고 있다. 이 제품의 프로토타입은 오는 2005년에 개발될 것으로 보인다.

　-관련업계가 연료셀을 개발하기 시작한 것은 30년이 됐지만 전기자동차나 비상용 또는 원거리 전자제품을 위한 킬로와트(㎾)급 셀을 개발하는 데만 노력을 기울였다. 최근까지도 업체들은 휴대형 제품용 전기화학적 연료셀은 냉각, 습도조절, 가압 등 보조시스템의 설치 필요성 때문에 비용이 많이 든다고 생각해 왔다. 하지만 연료셀의 전극은 셀의 수명이 다할 때까지 변하지 않기 때문에 다른 전지보다 경쟁력이 있다. 또 연료셀은 리튬이온전지나 리튬이온 폴리머전지보다 에너지밀도가 더 높고 즉각적인 재충전이 가능하다. 그러나 연료셀은 백금 및 루테늄 기반의 금속과 같이 매우 가격이 높은 소재를 전극물질로 사용하기 때문에 제품의 가격이 높아질 뿐 아니라 무겁고 규격이 크다는 결점이 있다.