2013.03.21

휴대폰 속 배터리의 원리와 미래

Richard Baguley | TechHive

모바일 기기 안의 배터리는 기기를 오랜 시간 작동시켜주는 엄청난 양의 에너지를 담는 화학 공학의 기적이다. 배터리는 어떻게 작용하며, 배터리를 잘 활용하는 방법은 무엇일까?
 
대부분의 모바일 기기들은 리튬 이온(Li-ion이라 불리기도 하는) 배터리를 사용하는데, 리튬 이온 배터리는 한 쌍의 전극과 그들 사이의 전해액 이 두 부분으로 구성되어 있다. 이런 전극들을 구성하는 물질들은 리튬, 흑연, 혹은 나노와이어에 이르기까지 다양하지만, 모두가 리튬의 화학에 의존하는 공통점이 있다. 리튬은 활성금속인데, 이는 다른 물질들과 결합하는 성향이 있음을 의미한다. 순수 리튬은 너무 화학반응이 잘 일어나 공기 중에서 불이 붙을 정도라서, 대부분의 배터리들은 리튬 코발트 산화물이라 불리는 좀 더 안전한 형태가 활용된다. 두 전극 사이에는 전해액이 있는데, 전극 사이에 전자를 흐르게 해주는 보통 액체 유기 용제로 되어있다. 리튬 이온 배터리가 충전되면, 그 리튬 코발트 산화물 분자는 전자를 보유하고, 핸드폰 실행 등 배터리 사용시에 그 전자들을 내놓게 된다.
 
닉 메디아티(Nick Mediati) 리튬 이온 배터리는 거의 모든 모바일 기기에 전력을 공급한다.
 
리튬 이온은 가장 많은 에너지를 가장 작은 공간안에 저장할 수 있기 때문에 배터리에 가장 흔하게 쓰인다. 이는 고유 전력 밀도(specific energy density)로 측정되는데, 얼마나 많은 에너지를 1킬로그램의 배터리가 저장할 수 있는지를 와트시 단위로 나타낸 것이다. 리튬 이온 배터리는 150에서 250 Wh/kg 가량의 수치를 보이는데, 니켈메탈 하이브리드(NiMH) 배터리는 100 wh/kg 정도에 그친다. 다시 말해 리튬 이온 배터리가 다른 유형 배터리보다 더 작고 가벼워서 소형 기기에 더 긴 배터리 사용시간을 제공할 수 있다는 뜻이다.
 
이 모든 화학은 한가지를 의미한다. 배터리는 에너지를 저장하고 있으며, 그 내부 화학물은 될 수 있는 한 에너지를 방출시키려고 한다. 그리고 최근 787 드림라이너(Dreamliner)의 정차 화재 사건에서 보잉(Boeing)사가 최근에 알아냈듯, 이러한 배터리의 특성은 문제가 될 수 있다.
 
이는 리튬 이온 배터리의 단점 중 하나다. 만약 배터리가 과도하게 방전되면, 화학 균형이 깨져 여분의 리튬 산화물을 만들어내게 되고, 이는 발화하여 더 많은 리튬 산화물을 만들어내는 등의 악순환에 빠지게 된다. FAA가 787기를 주저앉힌 이유인 이런 상황을 화학자들은 열폭주 반응이라 부르고, 보통 사람들은 불이 났다고 표현한다. 리튬 이온 배터리에 구멍이 난 경우 같은 현상이 발생할 수 있으므로, TSA는 항공 승객들이 배터리를 위탁수화물이 아닌 기내수화물 안에 잘 포장할 것을 추천한다.
 
배터리 용량
배터리 용량은 밀리암페어-시(mAh) 단위로 측정되는데, 배터리가 이는 얼마나 많은 에너지를 전달할 수 있는지를 표시한다. 예를 들어, 배터리가 1000mAh라면, 1시간 동안 1000mAh의 에너지를 공급할 수 있다. 만약 기기가 500mAh를 사용하면, 배터리는 2시간 동안 에너지를 공급할 수 있을 것이다.
 
기기가 사용하는 전력 양이 기기가 무엇을 하느냐에 따라 변화하기 때문에, 기기의 배터리 수명은 이보다는 조금 복잡하다. 만약 기기 화면이 켜져 있고, 주파수를 전송하고, 프로세서 활용률이 높다면, 화면이 꺼져있고, 주파수 송수신을 하지 않으며, 프로세서 활용률이 낮을 때보다 전력을 더욱 많이 소비할 것이다.
 
이는 배터리-수명을 주의해서 받아들여야 하는 이유다. 제조사는 화면 밝기를 낮추거나 기기 일부를 끄는 방식으로 배터리-수명을 연장시킬 수 있다. 만약 궁금하다면, 안드로이드용 배터리 모니터 위젯(Battery Monitor Widget)이나 iOS 기기용 배터리 라이프 프로(Battery Life Pro)같은 기기의 전력 소비량과 배터리 상태를 모니터하는 앱을 사용할 수 있다.
 
전력 흐름 제어하기
 
이 차트는 삼성 갤럭시 노트에 들어오는 전력 흐름을 보여준다. 
 
발화성 때문에 리튬 이온 배터리는 면밀히 제어되어야 한다. 배터리 제조사들은 전력 흐름을 관리하는 충전 컨트롤러를 통해 안전을 달성한다. 사실상, 모든 배터리에는 너무 빠른 방전이나 위험스러울 정도의 과방전을 방지하는 작은 컴퓨터가 들어있다. 이 부품은 또한 충전도중 배터리로 들어오는 전력의 흐름을 조절하여 배터리가 완충에 가까워질수록 과충전을 예방하기 위해 충전 속도를 늦추는 역할을 한다.
 
이 과정이 어떻게 작동하는지 보여주기 위해, 우리는 삼성 갤럭시 노트를 충전시키면서 보고되는 배터리 충전 상태마다 기기로 들어가는 전력의 흐름을 측정했다. 위의 차트에서도 볼 수 있듯, 배터리로 들어가는 전력은 배터리가 처음 충전에 들어갈 때 가장 높다가 차차 줄어들게 된다. 마지막 완충을 위한 몇%대에서는 컨트롤러가 과충전을 막기 위해 배터리로 들어가는 전력의 흐름을 낮춰서 시간이 가장 오래 걸린다.
 
전력의 미래
전세계의 연구소들이 리튬을 대체할 새롤운 배터리 기술과 함께 리튬 이온 배터리를 만드는 새로운 접근방식을 모색함에 따라 배터리 기술은 언제나 발전하고 있다. 새로운 기술들 중에서도 전기적으로 에너지를 저장하고 이를 플래시건처럼 방출시키는 슈퍼캐패시터(supercapacitors)에 많은 연구가 이루어졌다. 슈퍼캐패시터는 화학적 변화 개입이 최소화된 만큼 훨씬 빠른 충전을 가능하게 하지만, 현재의 슈퍼캐패시터는 단시간의 전력 공급밖에 가능하지 않아 대부분의 모바일 기기가 필요로 하는 것과는 상충된다. 전기 발생에 수소를 사용하는 연료전지 역시 곧 등장할 것이다. 지난 1월 CES에서 발표된 넥타(Nectar) 연료전지 시스템은 10달러짜리 카트리지로 휴대폰에 2주까지 전력을 공급했다. 그러나 연료전지는 아직 전화기 내부에 장착하기에 충분할 정도로 작지는 않아서, 넥타 시스템은 기존의 리튬 이온 배터리를 충전할 뿐 그를 대체하지는 않는다.
 
넥타 연료전지 시스템
 
점진적으로 황(Sulfur)이 리튬 배터리 내부에 들어갈 수 있다. 스탠포드 대학(Stanford University)의 과학자들은 최근 화학적 혼합물에 황을 추가하는 나노기술을 활용한 배터리를 시연했는데, 이를 통해 에너지 밀도를 다섯 배까지 올리고 배터리의 수명 또한 향상시켰다. 그러나 이 개발이 시장에 등장하려면 앞으로 몇 년은 기다려야 할 것이다.  editor@itworld.co.kr


2013.03.21

휴대폰 속 배터리의 원리와 미래

Richard Baguley | TechHive

모바일 기기 안의 배터리는 기기를 오랜 시간 작동시켜주는 엄청난 양의 에너지를 담는 화학 공학의 기적이다. 배터리는 어떻게 작용하며, 배터리를 잘 활용하는 방법은 무엇일까?
 
대부분의 모바일 기기들은 리튬 이온(Li-ion이라 불리기도 하는) 배터리를 사용하는데, 리튬 이온 배터리는 한 쌍의 전극과 그들 사이의 전해액 이 두 부분으로 구성되어 있다. 이런 전극들을 구성하는 물질들은 리튬, 흑연, 혹은 나노와이어에 이르기까지 다양하지만, 모두가 리튬의 화학에 의존하는 공통점이 있다. 리튬은 활성금속인데, 이는 다른 물질들과 결합하는 성향이 있음을 의미한다. 순수 리튬은 너무 화학반응이 잘 일어나 공기 중에서 불이 붙을 정도라서, 대부분의 배터리들은 리튬 코발트 산화물이라 불리는 좀 더 안전한 형태가 활용된다. 두 전극 사이에는 전해액이 있는데, 전극 사이에 전자를 흐르게 해주는 보통 액체 유기 용제로 되어있다. 리튬 이온 배터리가 충전되면, 그 리튬 코발트 산화물 분자는 전자를 보유하고, 핸드폰 실행 등 배터리 사용시에 그 전자들을 내놓게 된다.
 
닉 메디아티(Nick Mediati) 리튬 이온 배터리는 거의 모든 모바일 기기에 전력을 공급한다.
 
리튬 이온은 가장 많은 에너지를 가장 작은 공간안에 저장할 수 있기 때문에 배터리에 가장 흔하게 쓰인다. 이는 고유 전력 밀도(specific energy density)로 측정되는데, 얼마나 많은 에너지를 1킬로그램의 배터리가 저장할 수 있는지를 와트시 단위로 나타낸 것이다. 리튬 이온 배터리는 150에서 250 Wh/kg 가량의 수치를 보이는데, 니켈메탈 하이브리드(NiMH) 배터리는 100 wh/kg 정도에 그친다. 다시 말해 리튬 이온 배터리가 다른 유형 배터리보다 더 작고 가벼워서 소형 기기에 더 긴 배터리 사용시간을 제공할 수 있다는 뜻이다.
 
이 모든 화학은 한가지를 의미한다. 배터리는 에너지를 저장하고 있으며, 그 내부 화학물은 될 수 있는 한 에너지를 방출시키려고 한다. 그리고 최근 787 드림라이너(Dreamliner)의 정차 화재 사건에서 보잉(Boeing)사가 최근에 알아냈듯, 이러한 배터리의 특성은 문제가 될 수 있다.
 
이는 리튬 이온 배터리의 단점 중 하나다. 만약 배터리가 과도하게 방전되면, 화학 균형이 깨져 여분의 리튬 산화물을 만들어내게 되고, 이는 발화하여 더 많은 리튬 산화물을 만들어내는 등의 악순환에 빠지게 된다. FAA가 787기를 주저앉힌 이유인 이런 상황을 화학자들은 열폭주 반응이라 부르고, 보통 사람들은 불이 났다고 표현한다. 리튬 이온 배터리에 구멍이 난 경우 같은 현상이 발생할 수 있으므로, TSA는 항공 승객들이 배터리를 위탁수화물이 아닌 기내수화물 안에 잘 포장할 것을 추천한다.
 
배터리 용량
배터리 용량은 밀리암페어-시(mAh) 단위로 측정되는데, 배터리가 이는 얼마나 많은 에너지를 전달할 수 있는지를 표시한다. 예를 들어, 배터리가 1000mAh라면, 1시간 동안 1000mAh의 에너지를 공급할 수 있다. 만약 기기가 500mAh를 사용하면, 배터리는 2시간 동안 에너지를 공급할 수 있을 것이다.
 
기기가 사용하는 전력 양이 기기가 무엇을 하느냐에 따라 변화하기 때문에, 기기의 배터리 수명은 이보다는 조금 복잡하다. 만약 기기 화면이 켜져 있고, 주파수를 전송하고, 프로세서 활용률이 높다면, 화면이 꺼져있고, 주파수 송수신을 하지 않으며, 프로세서 활용률이 낮을 때보다 전력을 더욱 많이 소비할 것이다.
 
이는 배터리-수명을 주의해서 받아들여야 하는 이유다. 제조사는 화면 밝기를 낮추거나 기기 일부를 끄는 방식으로 배터리-수명을 연장시킬 수 있다. 만약 궁금하다면, 안드로이드용 배터리 모니터 위젯(Battery Monitor Widget)이나 iOS 기기용 배터리 라이프 프로(Battery Life Pro)같은 기기의 전력 소비량과 배터리 상태를 모니터하는 앱을 사용할 수 있다.
 
전력 흐름 제어하기
 
이 차트는 삼성 갤럭시 노트에 들어오는 전력 흐름을 보여준다. 
 
발화성 때문에 리튬 이온 배터리는 면밀히 제어되어야 한다. 배터리 제조사들은 전력 흐름을 관리하는 충전 컨트롤러를 통해 안전을 달성한다. 사실상, 모든 배터리에는 너무 빠른 방전이나 위험스러울 정도의 과방전을 방지하는 작은 컴퓨터가 들어있다. 이 부품은 또한 충전도중 배터리로 들어오는 전력의 흐름을 조절하여 배터리가 완충에 가까워질수록 과충전을 예방하기 위해 충전 속도를 늦추는 역할을 한다.
 
이 과정이 어떻게 작동하는지 보여주기 위해, 우리는 삼성 갤럭시 노트를 충전시키면서 보고되는 배터리 충전 상태마다 기기로 들어가는 전력의 흐름을 측정했다. 위의 차트에서도 볼 수 있듯, 배터리로 들어가는 전력은 배터리가 처음 충전에 들어갈 때 가장 높다가 차차 줄어들게 된다. 마지막 완충을 위한 몇%대에서는 컨트롤러가 과충전을 막기 위해 배터리로 들어가는 전력의 흐름을 낮춰서 시간이 가장 오래 걸린다.
 
전력의 미래
전세계의 연구소들이 리튬을 대체할 새롤운 배터리 기술과 함께 리튬 이온 배터리를 만드는 새로운 접근방식을 모색함에 따라 배터리 기술은 언제나 발전하고 있다. 새로운 기술들 중에서도 전기적으로 에너지를 저장하고 이를 플래시건처럼 방출시키는 슈퍼캐패시터(supercapacitors)에 많은 연구가 이루어졌다. 슈퍼캐패시터는 화학적 변화 개입이 최소화된 만큼 훨씬 빠른 충전을 가능하게 하지만, 현재의 슈퍼캐패시터는 단시간의 전력 공급밖에 가능하지 않아 대부분의 모바일 기기가 필요로 하는 것과는 상충된다. 전기 발생에 수소를 사용하는 연료전지 역시 곧 등장할 것이다. 지난 1월 CES에서 발표된 넥타(Nectar) 연료전지 시스템은 10달러짜리 카트리지로 휴대폰에 2주까지 전력을 공급했다. 그러나 연료전지는 아직 전화기 내부에 장착하기에 충분할 정도로 작지는 않아서, 넥타 시스템은 기존의 리튬 이온 배터리를 충전할 뿐 그를 대체하지는 않는다.
 
넥타 연료전지 시스템
 
점진적으로 황(Sulfur)이 리튬 배터리 내부에 들어갈 수 있다. 스탠포드 대학(Stanford University)의 과학자들은 최근 화학적 혼합물에 황을 추가하는 나노기술을 활용한 배터리를 시연했는데, 이를 통해 에너지 밀도를 다섯 배까지 올리고 배터리의 수명 또한 향상시켰다. 그러나 이 개발이 시장에 등장하려면 앞으로 몇 년은 기다려야 할 것이다.  editor@itworld.co.kr


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