환경기술특허연구회

지난달 29일 삼성전자는 최신형 스마트폰 '갤럭시s8'를 공개했어요. '갤럭시s8'를 본 외신들은 "디자인과 기능에서 가장 앞선 제품'이라는 호평을 내놓았습니다. 카메라 기능에는 아쉽다는 반응이 나왔지만, 인공지능 음성 인식 비서 '빅스비(bixby)' 기능과 새로운 화면 비율 등에 기대를 나타냈어요. 타임지는 "갤럭시s8를 통해 삼성전자가 다시 정상 궤도에 오를 것"이라고 전망했습니다.

지난해 삼성전자는 악재를 겪었습니다. 야심 차게 내놓은 '갤럭시노트7'의 리튬이온전지가 폭발하는 사고가 연이어 일어나면서 출시 두 달 만에 제품 생산·판매를 전면 중단했어요. 지난달 15일에는 중국 베이징에서 호주 멜버른으로 가는 비행기를 탄 승객이 리튬이온전지로 작동하는 헤드폰을 사용하다 배터리가 폭발해 얼굴에 화상을 당한 사고도 있었고요. 리튬이온전지가 연이어 폭발한 이유는 무엇일까요?

◇분리막 손상되며 음극·양극 만나 폭발

스마트폰이나 보조배터리에 사용되는 배터리는 모두 리튬이온전지예요. 이온은 전기를 띤 원소인데, 리튬이 전해질(전기를 흐르게 하는 액체)을 만나면 이온 형태로 변합니다. 이것이 리튬이온이에요.
 

리튬이온전지는 리튬이온이 음(-)극에서 전해질과 분리막을 지나 양(+)극으로 흐르며 전류를 만들어냅니다. 다 쓴 배터리를 충전기에 꽂으면 양극으로 넘어간 리튬이온이 다시 음극으로 넘어가 재사용할 수 있게 되지요.

리튬이온전지 안에는 음극과 양극을 나누는 분리막이 있어요. 음극과 양극이 분리되지 않은 채로 전류가 흐르면 과전류가 흐르면서 배터리가 폭발하게 됩니다. 특히 리튬이온전지는 열에 약하고 불이 쉽게 붙는 소재가 많이 들어 있어 과전류가 흐르지 않도록 음극과 양극을 분리막이 잘 나누어 주어야 합니다.

갤럭시노트7에 사용된 배터리는 삼성sdi와 중국 atl이 만들었는데, 삼성전자가 20만대의 갤럭시노트7과 30만개의 배터리로 시험한 결과, 두 회사가 만든 배터리에서 모두 분리막이 손상되는 문제가 확인되었어요. 분리막이 손상되면서 음극과 양극이 만나 폭발이 일어? 오른쪽 위 모서리 부분이 눌려 분리막이 손상되는 현상이 나타났습니다. 중국 atl이 만든 배터리는 음극과 양극 표면에 생기는 비정상적인 돌기가 분리막을 뚫는 바람에 음극과 양극이 만나 폭발하였고요.

◇안전성·효율성 사이의 딜레마

두 회사가 만든 배터리에서 분리막 손상이 나타나게 된 근본적인 원인은 '배터리를 최대한 얇게 만들려는 욕심'이라고 할 수 있습니다. 최근 스마트폰 기업들은 고객의 요구에 맞춰 스마트폰의 두께를 최대한 얇게 만들려고 하지요. 스마트폰이 얇아지려면 배터리도 최대한 얇게 만들어야 하고, 배터리가 얇아지려면 배터리 내부의 부품도 촘촘하게 배치될 수밖에 없습니다. 이 과정에서 분리막이 손상되는 결함이 나타난 거예요. 더불어 갤럭시노트7도 배터리가 들어가는 공간이 넉넉하지 않게 설계되었고, 배터리 오른쪽 윗부분이 기판에 눌리면서 분리막이 손상되는 결함을 일으켰어요.

리튬이온전지의 안전성을 높이려면 분리막을 지금보다 더 두껍게 만들면 됩니다. 하지만 분리막이 두꺼워지면 배터리 효율이 떨어지고 배터리의 크기도 커질 수밖에 없어요. 리튬이온전지는 안전성을 높이면 효율성과 편의성이 떨어지고, 효율성과 편의성을 높이면 안전성이 떨어지는 딜레마가 있는 것입니다.

근래 출시되는 최신 스마트폰에 사용되는 리튬이온전지는 분리막의 두께가 30㎛(마이크로미터·1㎛는 100만분의 1m) 이하에 불과해요. 머리카락 두께의 10분의 1 수준이죠. 갤럭시노트7 배터리가 폭발한 사고는 이렇게 최대한 얇게 배터리를 만들려는 추세 속에서 무리한 설계로 결함이 나타난 경우라고 할 수 있습니다. 이에 삼성전자는 폭발 원인을 발표하며 향후 배터리 안전성을 여러 방식으로 검사하고, 스마트폰 내 배터리가 들어가는 공간을 여유 있게 확보해 폭발 위험을 줄이겠다는 대책을 내놓았어요.

◇리튬이온전지의 대안은?

하지만 배터리 폭발을 100% 막을 수 있는 건 아니에요. 리튬이온전지는 사용자의 사용 습관이나 외부 환경에 의해서도 폭발할 가능성이 있기 때문입니다. 특히 스마트폰을 지나치게 오래 사용하거나 배터리가 직사광선에 오래 노출된 경우, 기온이 높은 곳에서는 리튬이온전지의 폭발 위험이 커집니다. 이를 막기 위해 몇몇 기업은 스마트폰 온도가 일정 수준 이상 올라가면 스마트폰이 저절로 꺼지게 설계하기도 하지요.

동시에 고온을 잘 견디는 리튬이온전지도 개발되고 있어요. 지난 1월 미국 스탠퍼드대 연구팀은 불이 잘 붙지 않는 물질로 분리막을 만든 리튬이온전지를 선보였답니다. 이 리튬이온전지는 온도가 160도까지 올라가도 불이 붙지 않을 만큼 열에 강해요. 한국과학기술원(kist)에서는 지난해 11월 배터리 전해질을 끈끈한 겔(gel) 형태로 만들어 폭발 위험을 낮춘 리튬이온전지를 내놓기도 했습니다.

아예 리튬이온전지를 대체할 새로운 배터리도 개발되고 있어요. 수소와 산소의 화학 작용을 통해 전기를 자체 생산하는 '수소연료전지'가 대표적입니다. 수소연료전지는 리튬이온전지와 달리 폭발 위험이 아주 낮다는 장점도 있어요. 지난해 영국의 한 에너지회사가 수소연료전지 시제품을 선보였는데, 한 번 수소를 충전하면 일주일 동안 배터리 충전 없이 사용할 수 있을 정도로 뛰어난 성능을 보여줬어요. 다만 현재로써는 수소연료전지 가격이 너무 높아 당분간 상용화는 어려울 듯합니다.