지금 당신의 가방 속에는 어떤 전자기기가 있을까? 업무를 위한 노트북, 스마트폰, 휴대용 카메라, 무선헤드셋 등 그 종류는 셀 수 없을 만큼 많아졌지만 이들은 모두 필수품을 하나씩 가지고 있다. 언제 어디서나 사용할 수 있게 만들어주는 배터리(Battery)가 바로 그것! 오늘은 이 배터리에 숨겨진 여러 가지 궁금증에 대해 이야기해보자 한다. 

배터리를 가장 손실 없이 보관할 수 있는 방법?
사용한지 약 2~3년 이상 된 노트북이나 전자기기를 써보면 채 10분도 되지 않아 배터리가 모두 소진되는 난감한 상황에 빠질 때가 많다. 하지만 조금만 신경을 쓰고 관리한다면 이런 난감한 상황에서 조금은 해방될 수 있을 것이다. 흔히 배터리를 쓰지 않을 때에는 100퍼센트로 충전한 뒤 보관한다. 하지만 이는 배터리의 수명에 아주 좋지 않은 역할을 한다는 사실! 배터리 내부의 이온들이 내부의 불순물들과 결합하며 산화하는 반응이 증가하기 때문이다. 이 때문에 나중에 사용가능한 이온의 양이 감소하고 내부 불순물에 의한 저항이 증가하여 사용시간이 줄어들고 배터리의 발열도 증가한다. 25도씨의 평균적인 실내온도에서 40%정도 충전된 배터리는 1년간 약 4%의 배터리 효율이 줄어들었지만, 100퍼센트를 충전한 배터리의 경우 20% 이상 배터리효율이 감소했다.

흔히 쓰던 알카라인배터리. 여러번 사용이 불가능하기 때문에 요즘은 보기 힘들다.(출처http://www.flickr.com/photos/50778283@N00/256401902/)

보관 온도 역시 큰 영향을 미친다. 100퍼센트를 충전한 배터리를 0도씨에서 보관할 경우 1년간 6퍼센트 정도의 배터리 열화가 생기지만, 40도에서 보관할 경우 약 35퍼센트가 감소하며, 60도씨의 뜨거운 온도에서는 3달도 안되어 60퍼센트 이상 효율이 감소한다. 그렇다면 최적의 배터리 보관방법은 무엇일까? 가능한 한 시원하고 건조한 곳에서(습도 역시 전지의 저항력을 증가시킨다.) 절반 정도만 배터리를 충전한 뒤 보관하는 것이다. 

보통 많이 사용하는 리튬폴리머 전지의 모습. 얇고 기계의 모양에 따라 변형이 가능하기에 대부분의 기계에서 이런 배터리를 사용한다.(사진출처:http://www.flickr.com/photos/adafruit/4747389077)



전기자동차에 쓰이는 가장 중요한 기술도 바로 이 배터리 관리기술이다. 자동차 배터리처럼 하나의 큰 통이 아니라 효율을 위해 수백개의 배터리를 직-병렬연결한다.(출처:http://www.flickr.com/photos/mrdavisdc/2465045912)


배터리 사용에 잘못된 상식들, 스마트하게 알아보자!

Q. 노트북이나 휴대폰 배터리, 방전될 때까지 다 쓰고 다시 충전해야하나?
- 메모리 효과(Memory effect)라는 말을 많은 곳에서 하고 있으며, 또 들어본 적이 있을 것이다. 배터리를 방전할 때까지 쓰지 않고 계속 중간에 다시 충전해서 쓰면 배터리의 사용량이 줄어든다는 이야기다. 결론적으로는 말하자면 이것은 거짓말이다. 배터리는 가만히 놔두더라도 자연적으로 사용량이 감소하며 많이 사용할수록 배터리 속 이온의 감소 때문에 배터리 효율이 감소하기 때문이다. 오히려 배터리가 0퍼센트로 완전히 방전된 경우, 또 이때 오래 배터리가 방치된 경우 배터리 수명에 더 큰 문제가 된다. 산화된 물질들이 나중에 다시 충전을 해도 원상태로 돌아오지 않게 되기 때문이다. 즉 충전지의 성능이 급격하게 떨어지게 된다. 배터리가 방전될 기미가 보일 때 충전기가 보이면 조금이라도 충전하는 습관을 가지면 더 스마트하게 배터리를 이용할 수 있다. 배터리 급속충전은 빠르게 충전이 되긴 하지만 충전이 끝난 뒤 계속 전기가 유입되는 오버차지(overcharge) 현상이 생겨 물질들의 불순물 생성을 증가시킬 수 있기 때문에 가급적이면 사용하지 않는 것이 좋다.

스마트한 시대, 당신의 가방속에는 배터리를 사용하는 물건이 얼마나 있나요?(출처: http://www.flickr.com/photos/mikemcilveen/5430259719/)


Q. 배터리, 여러 개를 사서 계속 돌려쓰면 좋지 않나요?
- 장기간 여행을 갈 경우 하나씩 더 챙기는 휴대용 배터리. 하지만 우리가 배터리를 충전만 해놓고 쓰지 않아도 수명은 계속 줄어든다. 이는 제조일로부터 수명이 계속 줄어드는 것이 화학적 물질인 배터리의 특징이기 때문인데, 먼 여행을 가서 충전을 할 수 없는 상황이라면 추가배터리를 챙기는 것이 좋지만, 일상생활에서는 작은 충전기를 함께 가지고 다니며 충전하고, 배터리 수명이 줄어들었을 경우 새 배터리를 사서 사용하는 것이 이익이다. 

 

Q. 충전이 다 된 노트북이나 배터리, 어댑터를 빼고 사용해야 하나?
- 과거 수동 충전기, 즉 배터리 충전이 자동적으로 끝나지 않아서 사람이 직접 빼야 했을 때의 이야기다. 현재는 거의 모든 기기에 과충전 방지회로(충전이 다 되었을 경우 자동적으로 전원을 차단시켜주는 장치)가 들어 있기 때문에 배터리의 수명에 큰 문제가 되지는 않는다. 하지만 어댑터를 꽂고 계속 기계를 사용할 경우 발생하는 열은 위에서 언급했듯이 100퍼센트 충전 상태와 만났을 때 배터리의 열화를 급격하게 증가시킨다. 이때 최대한 기계를 시원하게 해준다면 금상첨화!

대부분 배터리의 잘못된 상식은 배터리의 사용시간이 기계를 처음 샀을 때보다 자연적으로 계속 줄어들기 때문에 발생한다. 사람이나 동물처럼 배터리도 시간이 갈수록 늙고, 조금씩 사용가능 시간도 줄어든다. 스마트한 시대의 동반자 배터리. 조금 더 그와 친해지고 잘 관리해준다면 조금 더 오래 우리와 일을 할 수 있고 즐거움을 제공해 줄 것이다.   

글 | 국가과학기술위원회 블로그 기자 김 일 환

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굿가이(Goodguy)

우리 생활 속 과학이야기

http://mars.jpl.nasa.gov/msl/, http://photojournal.jpl.nasa.gov/jpeg/PIA14156.jpg

2011년 11월 26일, 미국 NASA의 큐리어시티(Curiosity)호는 약 5억7천만km의 우주여행 후 화성에 착륙한다. mars science laboratory(화성 과학 실험실)이라는 이름을 가진 이 탐사선은 약 2년간 화성 표면을 탐사하며 암석과 토양, 대기 등 화성의 정보를 탐사하고 실시간으로 HD영상까지 지구로 송신해준다. 이 장비에서 가장 중요한 것은 무엇일까? 바로 이 모든 기계 및 전자장치를 구동하기 위한 전기다. 

NASA는 1976년부터 MMRTG(Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator)라는 장비를 개발해서 우주 탐사용 로봇에 사용하고 있다. 이 장비는 최소 14년간 120w의 전기와 2000w의 열을 탐사선에 공급한다. 이 전기발생장치에 필요한 연료는 단 4kg의 플루토늄(238Pu)이다. 석유로 같은 양의 에너지를 만들기 위해서는 약 20톤이 필요한데, 바로 이 플루토늄의 동력을 통해 우리가 직접 가지 못하는 화성을 생생하게 볼 수 있는 것이다.

화성이라는 혹독한 환경에서 움직일 로버(ROVER), 방사능을 이용한 전기를 이용해 시간당 약 30m를 움직일 수 있다. 또한 지구와 교신하며 영상을 전송한다.

극단적으로 외부환경과 고립되어있을 때, 사람이 직접 가기 힘든 곳에서 탐사를 할 때, 적은 양으로 막대한 양의 에너지를 내는 방사성물질은 매우 큰 역할을 한다. 작은 전기충격을 발생시켜 심장박동을 제대로 작동하게 하는 페이스메이커(Pacemaker)에 이용되기도 하였으며 계속 연료공급이 쉽지 않은 극지방 기상관측용 장치, 인공위성의 송신용 전원장치, 사람이 살지 않는 등대 등에 수십 년 동안 일정한 양의 필요한 전기를 지속적으로 공급할 수 있다. 

동전크기만한 액체 전도 동위원소 전지의 모습(출처:http://chemistry.missouri.edu/people/robertson.html)


작은 양에도 오랜 시간동안 전기를 만들어주는 동위원소전지는 새로운 국면을 맞이하고 있다. 2009년, 미국 미주리 대학교의 권재완 교수는 기존의 베타선 방출을 하는 전지의 출력을 액체 반도체기술을 이용해 급격히 올리고, 소형화하는 데 성공했다. 소형화할수록 동위원소가 가지고 있는 문제점들을 줄이고 더 휴대가 가능해진다. 인체에 해가 되지 않는 것은 물론이다.

이 수많은 충전기 중 당신의 스마트폰은 어디에 꽂아야 할까? (출처: http://www.flickr.com/photos/ari/6105721914/)


LG경제연구원은 올해 초 미래 세상을 바꿔놓을 7개 융합기술 중 하나로 원자력 전지를 선정했다. 스마트 시대가 오면서 지속적으로 충전을 해주어야 하는 기기들, mp3와 스마트폰, 패드 등, 외출 시 배터리가 떨어졌을 때 난감한 상황을 가져오는 것도 일쑤다. 방사성 동위원소를 이용한 전지는 이런 고민들을 단번에 해결해준다.

그러나 방사능을 이용한 전력이용의 일반 용도의 이용에는 아직 가격과 대량생산의 어려움, 분해되었을 때의 위험성 등이 해결과제로 남아있다. 하지만 소형 상용화가 된다면 우리 주변의 수많은 휴대기기는 충전할 필요 없이 수십 년간 편리하게 사용할 수 있다. 

현재에도 극한의 지역에서 100퍼센트 능력을 발휘하는 원자력전지, 우리에게 다가올 미래의 모습도 더더욱 기대가 된다. 40년 전 우리가 상상만 했던 전기 자동차, 영상통화 등이 점차 상용화되고 있는 것처럼 충전이 필요 없어지는 새로운 시대도 곧 우리 앞에 다가올 것이다.

reference
http://mars.jpl.nasa.gov/msl/   (NASA mars science laboratory project)
http://link.aip.org/link/doi/10.1063/1.3160542?ver=pdfcov  Radioisotope microbattery based on liquid semiconductor 

글 | 국가과학기술위원회 블로그 기자 김 일 환

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