스마트폰 배터리에 대한 6가지 진실

스마트폰 배터리에 대해 알면 차기 스마트폰의 성능을 짐작할 수 있다. 내년에는 스마트폰 배터리 수명이 20%정도 더 길어진다.

씨넷은 30일 '스마트폰 배터리에 대한 6가지 사실'을 소개하면서 지난 91년 출시된 리튬배터리의 성능은 1천배 향상된 칩성능과 달리 3배 정도 향상됐다며 배터리성능 향상에 대해 이렇게 소개했다.

보도는 향후 12~18개월동안 배터리 수명은 양극재,고전압, 고용량 음극재 등 새로운 활성물질과 전해물질 개발에 따라 사용시간이 약 20% 성장할 것이라고 전했다. 특히 차세대 배터리 소재인 리튬이미드 소재에 주목했다.

이와함께 리튬이온 배터리는 충방전시에 스스로 열을 내는 특성이 있다는 점에 유의해야 한다고 지적했다. 이와함께 더 강력한 배터리를 사용하거나 더 빨리 충전할 수록 배터리는 더 뜨거워진다는 점도 상기시켰다.

배터리 디자인은 기존 배터리업체들이 디자인을 바꾸기 전까지는 기존 디자인의 변화가 없을 것이라는데도 주목했다.

■내장형 배터리의 비밀

대부분의 스마트폰에 사용된 리튬이온배터리는 전자를 받는 물질인 양극재와 보내는 물질인 음극재를 분리막으로 나눈 뒤 그 안을 전기가 흐를 수 있도록 전해질로 채워 밀봉해서 만든다. 생김새만 놓고 보면 일종의 크기를 조절할 수 있는 가방과 같다. 그 안에는 여러 개의 전지셀이 켜켜이 쌓여있다.

스마트폰에는 한 개의 가방(배터리셀)이 사용되며, 태블릿은 더 많은 용량이 필요하기 때문에 여러 개의 가방이 사용된다. 애플의 새 아이패드에는 3개의 셀이 들어있다.

어느 것이든 배터리 끝단의 양극과 음극은 각각 인쇄회로기판(PCB)에 연결된다. 이는 합선, 과충전, 강제방전 등을 방지하면서 전기가 흐르게 한다. 리튬폴리머셀 자체는 손상되기 쉽기 때문에 스마트폰 케이스를 통해 보호된다.

이는 애플같은 회사가 공식적으로 사용자가 셀을 바꿀 수 없도록 만드는 이유이기도 하다.

■배터리 용량 늘리기의 어려움

리튬이온배터리의 에너지 밀도는 정해진 크기와 무게 안에서 얼마나 오랫동안 모바일기기를 사용할 수 있는가를 결정한다. 이에 대해 씨넷은 기존 반도체 등 다른 부분의 성능을 높이는 것에 비해 한정된 공간에서 배터리의 용량을 높이는 일이 얼마나 얼마나 어려운지를 설명한다.

리튬이온배터리기술은 지난 1991년 출시됐다. 프로세서에 사용되는 트랜지스터 수는 그동안 천 배 이상 성능이 늘어난 반면 엄청난 전력을 소비하게 됐다. 하지만 그동안 배터리리 용량 증가는 세 배 개선되는데 그쳤다.

기기가 더 복잡해질수록 더 많은 에너지 밀도가 요구되지만 배터리 제조사들은 이를 해결하는데 훨씬 많은 시간이 들었다. 작은 공간에 더 많은 에너지를 집적할 수 있는 배터리를 개발하는 일이 그만큼 기술적인 어려움이 따른다는 설명이다.

아이폰의 배터리 일체형 디자인은 별도의 배터리 보호 케이스 없이도 배터리가 차지하는 면적을 줄여 얇은 디자인을 구현했다.

■배터리가 정사각형 대신 직사각형인 이유

리튬이온배터리의 에너지 밀도는 두께와 가로·세로 비율, 그리고 리튬이온셀의 영향을 받는다. 배터리 에너지 밀도는 셀 두께가 얇을수록 떨어진다. 부피가 클수록 더 많은 화학물질을 담을 수 있기 때문이다.

또한 인쇄회로기판(PCB)가 배터리의 짧은 부분과 접하도록 구성될 때 최적화된 가로세로 비율이 나온다. 이를 통해 음극재와 양극재가 실제로 에너지를 저장할 수 있는 더 많은 공간이 생긴다.

즉, 모든 조건이 같다면 좁고 두꺼운 직사각형 배터리가 정사각형 모양의 배터리에 비해 더 많은 에너지 집적도를 가진다.

애플은 남는 공간 없이 최대의 배터리 면적을 활용하기 위해 부채꼴 형태의 배터리 특허를 미 특허청에 등록했으나 현재로서는 실현 가능성은 없는 것으로 보인다.

■차갑게 유지해야 하는 이유

리튬이온배터리는 뜨거워지면 좋지 않다. 열을 많이 받을수록 배터리 수명이 줄어들기 때문이다. 일반적으로 리튬이온전지는 전해질과 잔여 수분이 반응해 가장 부식성이 강한 불화수소산을 발생시킨다.

이 물질은 부식성이 높아 리튬이온 배터리의 수명을 단축시킨다. 모든 화학반응이 섭씨 10도 오를 때마다 반응성이 두 배로 높아지게 된다. 이에따라 배터리는 시간이 지날수록 작동시간이 짧아지게 될 뿐만 아니라 충전과방전이 반복될수록 수명은 더욱더 짧아진다. 더 나쁜 것은 리튬이온 배터리는 충전과 방전 사이에 스스로 열을 낸다는 점이다. 그리고 더 강력한 스마트폰 전지를 사용하거나 더 빨리 충전 할수록 배터리는 더 뜨거워진다.

■스마트폰 배터리 구조는 두 종류가 있다

모토로라 드로이드 레이저 시리즈 등은 스마트폰 설계시 3단으로 된 배터리로 디자인됐다. 이 스마트폰은 화면·회로·배터리 등으로 로 구성된다. 반면 아이폰4는 2단으로 구성돼있다. 화면과 단말기 두 부분으로 이뤄졌다. 2단 방식 설계는 배터리를 탑재하기 위해 일부 PCB공간을 줄이기 위한 것이었다.

어느 경우든 더 큰 화면을 가질수록 배터리가 차지할 수 있는 공간또한 넓어진다. 각가그이 접근 방식에 대한 장단점에도 불구하고 더 좁고 더 두꺼운 배터리는 더 높은 에너지 밀도를 가진다.

3단 접근방식은 또한 열을 발생시키는 부품으로부터 배터리를 보호하기 어렵기 때문에 배터리의 수명을 단축시킨다.

■새로운 배터리 소재로 내년엔 수명이 20%↑

리튬이온 화학의 발달은 에너지 집적도에 극적인 진전을 가져올지도 모른다. 스마트폰 제조사들은 이에 따라 성능과 배터리 용량 간의 전쟁에서 더 많은 선택권을 가질 것으로 전망된다.

이미 새로운 리튬이온배터리 소재에 대한 연구에 진전이 있어 몇몇은 시장에 나온 상태다. 차세대 소재인 리튬이미드 전해질은 불화수소산을 발생시키지 않는다. 따라서 발열량을 줄이면서 배터리 수명을 획기적으로 진전시킬 수 있다.

이 같은 소재의 개발은 또한 대다수의 리튬폴리머배터리가 가진 부풀음 현상도 없앨 것으로 기대된다. 설계자들은 리튬이온배터리의 부풀음 현상을 고려해 스마트폰 내에 일부 여분의 공간을 남겨 둬야 하는 문제를 갖고 있었다.

씨넷은 앞으로 실리콘 양극재, 고전압·고용량 음극재 등 새로운 활성물질과 새로운 전해질 소재 개발 등에 힘입어 같은 크기에서 사용시간을 20% 이상 늘릴 수 있을 것으로 기대했다. 이 기술은 향후 12~18개월 정도 걸릴 것으로 전망됐다.