IoT 시대? 배터리 시대!

김한솔 기자 | eco@ecomedia.co.kr | 입력 2018-04-12 14:04:40
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[최첨단 IT 사회에서 하루가 멀다 하고 쏟아져 나오는 첨단기술과 장비들을 가능케 해준 디딤돌이 있다. 바로 4차 산업의 핵심으로 지목되고 있는 배터리 기술이다. 사물에 센서를 부착해 데이터를 실시간으로 주고받는 기술과 환경을 일컫는 ‘사물인터넷(Internet of Things)’, IoT 시대가 열리면서 인간의 생활 속 전자기기들은 쉴 틈 없이 작동되고 있다. 통신을 위해 상시 켜져 있어야 하는 기기들에게 고용량, 고효율 배터리는 필수적이다. 필요의 흐름에 따라 수많은 진화를 거듭해온 배터리의 과거와 현재 그리고 미래에 대해 알아보자.]

▲ 배터리

첨단기술의 핵심, 배터리
대학교, 카페, 학원 등 많은 사람들이 앉아서 시간을 보내는 곳엔 소위 ‘명당(明堂)’ 자리가 있다. 많은 이들이 노리는 그곳은 바로 각종 전자기기의 충전기를 꽂을 수 있는 콘센트와 가까운 자리. 이미 스마트폰의 노예가 된 현대인들에게 배터리 용량이 20% 밑으로 떨어졌다는 알림소리는 비상사태를 알리는 경고음이나 다름없다. 때문에 미리미리 충전해 놓는 자세는 필수, 배터리가 일체화되어 나오는 스마트폰에 보조 배터리가 따라오는 것은 당연지사가 됐다.

 

▲ 무선 충전

스마트폰 뿐 만 아니라 친환경 전기자동차, 전기항공기를 비롯한 IoT를 이용한 전자기기들이 점점 삶을 구성하는 중요한 부분이 되고 있는 오늘날, 현대인들의 삶은 배터리에서 자유롭지 못하다. 하루 동안 사용하는 전자기기들에 끊임없는 전력을 공급하기 위해선 배터리의 고용량화가 필수적이다.

 


하지만 쓰임이 더욱 다양해지고 사용되는 비중이 커진 만큼 무조건적인 고용량화가 아닌, 더욱 더 안전하고 믿을 수 있는 기술이 요구되어진다. 높은 IT기술의 탑을 쌓기 위해선 기본이 되는 단단하고 안정적인 배터리라는 반석이 필요하다.


태초의 배터리
지금으로부터 2000년 전엔 태초의 배터리가 탄생했다. 이라크의 수도 바그다드 근교 남서쪽에 위치한 호야트럽퍼 유적에서 발견된 항아리가 바로 현존하는 세계 최고령 배터리이다. 기원전 150년 경 등장한 항아리 배터리는 높이 14cm, 지름 8cn의 원통형 내부에 철과 구리판으로 이루어진 막대가 꽂혀있다. 아스팔트로 입구가 고정돼 있으며, 구리판 안에서 전해질 역할을 했을 포도 식초의 흔적이 발견됐다. 이 최고령 배터리의 용도는 아직까지 정확히 밝혀지진 않았다. 전문가들은 전기도금에 활용됐을 것이라고 추측하고 있다.


이러한 원시적 배터리가 아닌 근대적 배터리의 등장은 1800년대 알렉산드로 주세페 안토니오 아나스타시오 볼타(이탈리아어: Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta)라는 이탈리아 물리학자에 의해 이루어졌다. 어딘지 익숙한 ‘볼타’라는 이름은 전압을 측정하는 단위인 ‘볼트’라는 명칭의 유래이기도 하다. 불타는 소금물에 적신 종이를 은과 아연판 사이에 끼워 전기를 발생시켰고, 이와 같은 원리를 이용해 구리와 아연판 사이에 소금물을 머금은 종이를 겹겹이 쌓아올린다. 계속되는 실험과 연구 끝에 전기가 통하기 위해선 양극과 음극, 전해질 용질이 필요하다는 사실을 알아낸다. 바로 최초의 전지 발명 원리이다.


1991년 일본 기업 ‘SONY’가 충전 가능한 2차 전지를 처음으로 상용화한다. 리튬이온 배터리는 작은 부피와 가벼운 무게감, 높은 에너지 밀도를 지녔기 때문에 휴대용 기기에 사용하기 매우 적합했다. 하지만 폭발사고의 위험성도 지니고 있어, 2014년 발생한 말레이시아 항공기 사고의 원인으로 리튬이온전기로 인한 화재가 언급되기도 했다.


이후, 본격적인 모바일 시대가 열리면서 리튬이온 배터리 이외에도 더욱 안전하고 효율적인 에너지 공급원들이 등장하기 시작했다. 나트륨이온, 리튬공기, 리튬폴리머 등 다양한 신기술들이 쏟아져 나오고 있으며, 지금도 새로운 도전이 계속 되고 있다.

▲ 테슬라 전기트럭 세미(semi)<사진제공=Telsa official>

배터리 기술의 진화
① 무선 충전 vs 유선 충전
배터리의 성능과 기술이 발전함에 따라 충전의 방식도 더 편리하고 효율적으로 변해가고 있다. 충전기와 연결 없이 간편하게 충전하는 무선충전 기술도 각광받고 있는 추세다.
배터리 무선 충전의 기술적 원리는 크게 3가지로 구분된다. 자기유도 (Induction) 현상을 이용한 충전과 송수신 안테나 전자기파의 복사 (Radiation) 을 활용하는 방법, 그리고 자기공명 (Resonance) 방식을 이용하는 것이다.

 


먼저, 영국의 물리학자 마이클 페러데이 (Michael Faraday) 가 19세기에 발견한 자기유도 (Induction) 현상을 이용한 충전과정은 이렇다. 충전 패드와 스마트폰 내부에는 코일들이 감겨있는데, 충전 패드를 켜면 전류가 흐르고 자기장이 발생하게 된다. 이 자기장의 에너지가 가까운 곳에 있는 스마트폰 코일에 전달되고, 전류를 발생시켜 스마트폰의 배터리가 충전된다.

 


이러한 자기유도 충전에는 치명적인 단점이 존재한다. 바로 거리적 한계다. 근접 거리에서만 충전이 가능한 한계를 극복하는 무선충전 기술이 바로 자기공명 (Resonance) 과 전자기파 복사 (Radiation) 방식이다.

 


‘공명(共鳴)’이란 물체가 가진 고유 주파수를 맞춰 충격을 가하면 상대적으로 진폭이 큰 진동이 나타나는 현상이다. 진동체의 진동수가 서로 같다면 에너지 교환이 용이해진다. 충전방법은 송수신기기에 각각 코일을 입히고, 주파수를 매개로 진동수를 맞춰 전력을 전송한다. 이 같은 방법은 충전 가능 거리를 늘려주긴 하지만, 전송 과정에서 자기유도 방식에 비해 효율이 낮다.

 
전자기파의 복사(radiation)는 방송·라디오·인공위성 통신이 안테나를 통해 정보와 신호를 주고받듯이 에너지 전송을 주고받는 것이다. 근거리부터 원거리까지 가능하며 전력 공급이 어려운 지역까지 전송할 수 있다.


② 소형화 vs 대형화
배터리를 사용하는 전자기기들은 종이처럼 얇은 센서부터 전력으로 운행되는 선박이나 항공기까지 매우 광범위하다. 각 기기마다 필요한 기능이나 전력량을 갖춘 적합한 배터리를 사용해야 하기에, 배터리의 크기와 기능들도 다양해졌다.


다양한 IoT 제품들의 등장에 맞춰 배터리의 크기도 가지각색이다. 각종 생활용품, 의류 등은 센서를 달아 사용자의 데이터를 수집하기 때문에 초소형 배터리가 필수적이다.


가게 매장 진열대의 가격표시 종이를 전자가격표시기(ESL)로 사용하는 기업들도 점차 늘고 있다. 전자가격표시기(ESL)는 실시간 가격변경이 가능할 뿐만 아니라 매번 수기로 적지 않아도 된다는 장점이 있다. 또한, 탑재된 배터리는 1년 이상 다른 충전이나 교체 없이 사용이 가능하다. 이처럼 수년간 충전이 필요 없는 저전력·고밀도 배터리 기술은 초소형 배터리 분야에서 활발하게 연구되고 있다.


반대로 대규모 전력이 필요한 전기차나 전기선박의 경우 대형 배터리를 탑재한다. 전력으로 움직이는 교통수단들이 점점 영역을 넓히고 있어 배터리의 대형과 기술도 나날이 발전중이다.

 


세계적인 전기자동차 제조사인 테슬라는 최근 전기 트럭 세미(Semi)를 발표했다. 리튬 이온 배터리만으로 운영되는 전기 트럭 세미(Semi)는 최대 적재량이 약 36t이며 한번 충전만으로 최대 800km를 달릴 수 있다.


중국에서 최초로 등장한 전기 선박 역시 2천t의 물량을 실을 수 있으며, 2시간 배터리 충전으로 80km를 운행한다. 전기 선박의 리튬 전지와 슈퍼축전지는 전지차 50대와 맞먹는 전기를 공급한다. <김성아>

 

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