손에서 땔래야 땔 수 없는 휴대폰!
과거에도 많은 기능을 가지고 있다고 생각했었지만, 최근에 나온 스마트폰은 과거에 나온 휴대폰보다 더 많은 기능들을 가지고 있어서 만능이라고 생각될 정도로 생활에 정말 많은 편리함을 주고 있습니다.
컴퓨터에서만 할 수 있었던 인터넷을 이제는 스마트폰만 있으면 손쉽게 어느 곳에서나 접속하여 이용할 수 있고, 노래를 듣다가 좋은 노래가 있으면 스마트폰의 어플을 이용해 바로 찾아서 mp3파일로 받아 휴대폰에서 바로 재생할 수도 있습니다. 또 지갑 속에 있던 수많은 회원카드와 신용카드, 그리고 버스카드는 NFC(근거리 무선통신)와 스마트폰 어플만 있으면 더 이상 들고 다니지 않아도 사용할 수 있고, 증강현실 기능을 이용해서 원하는 가게의 위치와 거리, 음식 메뉴에 대한 정보를 손쉽게 얻을 수 있습니다. 게다가 모르는 곳을 찾아갈 때도 이전에는 인터넷으로 가는 방법을 알아보거나 지도를 찾아봐야 했지만 이제는 GPS와 지도 어플만 있으면 손쉽게 찾아갈 수 있고 심지어 대중교통을 이용하는 방법까지 찾아주니 놀라울 뿐입니다.
이렇게 많은 기능을 가지고 있는 스마트폰이지만 소비자들이 조금 더 특별하고 멋진 것을 원하는 것은 당연한 일인데요, 그 때문에 휴대폰을 만드는 제조회사들은 새로운 기능과 디자인의 휴대폰을 개발하기 시작했습니다. 기존과 차별성을 두기 위해서 더 독특한 디자인과 컨셉의 휴대폰 생각하기 시작했는데, 그 중의 하나가 휘어지거나 혹은 투명한 휴대폰입니다. 이러한 휘어지거나 투명한 휴대폰을 만들기 위한 시도는 과거부터 이어져 왔지만 기술적인 문제로 큰 진보가 없다가 최근에야 그 가능성이 조금씩 보이고 있습니다. 국내 기업 중에서 한 곳에서는 실제로 휘어지는 액정을 가지는 휴대폰 시제품을 국제가전박람회(CES)에서 공개해서 사람들에게 놀라움을 주었다고 합니다.
그렇지만 이런 휴대폰이 지금 당장 우리 생활 속으로 들어오기는 힘들듯합니다. 몇몇 문제점들이 있기 때문인데, 그 중의 하나가 바로 배터리입니다. 아직까지는 획기적으로 리튬이온전지처럼 대용량이면서 투명성을 가지거나 혹은 휘어지는 배터리가 개발되지 않았지만 많은 연구들이 진행되면서 점차 가능성은 보이고 있는 상태입니다. 이렇게 지금보다 더 멋지고 독특한 기계가 나오기 위해서는 배터리의 변신이 필요하고 그래서 오늘 그린인사이트에서는 미래에 나타날 멋진 배터리에 대해서 알아보도록 하겠습니다.
스마트폰을 쓰다 보면 가장 답답할 때가 언제인가요? 가장 큰 문제로 꼽는 것이 바로 배터리의 방전이 아닐까 생각되는데, 그 때문에 충전기를 가지고 다니신 분도 많을 거라 생각됩니다. 스마트폰은 많은 기능만큼 배터리 사용량도 많고 3세대 통신에서 4세대 통신인 LTE로 넘어가면서 더 많은 양의 배터리를 소모하고 있습니다. 그래서 인지 요즘은 더 큰 용량의 배터리가 기본으로 내장되어 있기도 하지만 여전히 사용자들은 부족함을 느끼고 있습니다.
그래서 배터리를 연구하시는 분들은 이를 해결하기 위한 많은 노력을 기울이고 있습니다. 한화케미칼도 리튬이온전지에 대해서 많은 연구를 하고 있고 더 좋은 리튬이온전지를 만들기 위해서 다양한 시도를 하고 있습니다. 특히 한화케미칼에서 만드는 양극재의 경우 이러한 연구의 산물이라고 할 수 있습니다.
이렇게 같은 부피이지만 더 큰 용량의 배터리를 만들기 위해 노력하고 있는데 이를 해결해 줄 기술 중의 하나가 바로 나노기술입니다. 아주 미세한 구조의 나노입자를 만들 수 있는 나노기술을 이용하면 지금보다 더 큰 용량의 배터리를 만드는 것이 가능합니다. 리튬이온전지는 크게 네 가지 구성 성분으로 되어 있는데 양극재와 음극재, 분리막과 전해질이 바로 그것입니다. 분리막은 양극재와 음극재가 직접 만나는 것을 막아주고 전해질은 배터리의 충전과 방전 시 리튬이온이 이동하는 것을 도와주는 역할을 하고 있습니다. 그리고 용량과 관련되어 중요한 역할을 하고 있는 것이 양극재와 음극재로, 이곳에 더 많은 리튬이온을 저장할 수 있을수록 더 큰 용량의 리튬이온배터리를 만들 수 있습니다.
이 때 나노기술을 이용해서 리튬이온이 더 쉽게 들어갈 수 있는 구멍이 송송 뚫려있는 입자를 만든다면 어떻게 될까요? 더 많은 리튬이온을 넣을 수 있어서 큰 용량의 전지를 만들 수 있게 되지 않을까요? 그래서 현재 전지를 연구하는 분들은 이러한 나노구조를 가지는 입자를 만들고 새로운 물질을 써서 더 많은 리튬이온을 저장 할 수 있는 양극재나 음극재를 연구하고 있습니다. 이렇게 열심히 연구하고 있으니 조만간 한번 충전하면 며칠 동안 사용해도 문제없는 스마트폰 배터리가 나오지 않을까 상상해보게 되네요.
플렉시블 디스플레이라고 들어보셨나요? 우리말로 표현하면 휘어질 수 있는 화면표시장치인데요, 예를 들면 노트북 화면이 휘어질 수 있어서 쉽게 구부리거나 접을 수 있는 것입니다. 그래서 큰 부피의 노트북이라도 이러한 기술만 있으면 접어서 작게 만들어 가지고 다닐 수 있는 장점이 생기게 됩니다. 또 휴대폰에 이와 같은 기술을 적용시키면 작게 만들 수 있을 뿐만 아니라 시계대신 손목에 찰 수 있는 형태로도 만들 수 있습니다. 그렇다면 배터리는 이렇게 휘어질 수 없는 것일까요?
배터리도 휘어질 수가 있습니다. 단단하기만 한 배터리가 어떻게 휘어질 수 있을까요? 바로 고분자를 이용하는 것입니다. 리튬이온전지의 경우 전해질을 액체로 된 물질을 쓰고 있는데요, 리튬이온전지와 친척관계라고 할 수 있는 리튬폴리머전지는 전해질로 고분자를 쓰고 있습니다. 고분자는 플라스틱처럼 휘어지거나 구부러지는 특징을 가지고 있고 화학적으로도 상당히 안정되기 때문에 폭발과 같은 위험도 적지만, 기존의 리튬이온전지에 비해서 그 성능이 떨어지며 휘어지고 나면 전지 성능이 감소하는 것 때문에 휘어지는 배터리를 만드는 것이 어려웠습니다.
그렇지만 국내의 연구진들의 끊임없는 노력으로 우리나라는 세계 최초로 휘어지는 배터리를 만드는 기술을 개발하게 되었습니다. 이 기술은 마치 프린터로 인쇄하듯이 기판 위에 배터리 구성요소를 입히는 방식으로 만들어지게 되는데 구부렸다가 펴도 그 성능이 크게 감소되지 않아서 감탄을 자아내고 있습니다.
또 다른 미래의 배터리 형태는 투명 배터리입니다. 지금의 배터리는 불투명하지만 투명한 배터리를 만들 수 있는 기술이 개발되어서 화제가 되고 있습니다. 미국의 스탠포드 대학에서 개발한 이 투명한 배터리는 기존의 리튬이온전지와 같은 구성으로 되어 있지만 콘텐트렌즈에 많이 쓰이는 폴리디메틸실록산(PDMS)이라는 물질을 이용해서 투명 배터리를 만드는 방식입니다. 아직은 용량이 니켈카드뮴 전지 정도의 용량 밖에 나오지 않지만 가격적인 면에서는 기존의 리튬이온전지만큼 싸서 큰 기대를 모으고 있습니다.
지구상에 있는 것 중에 가장 중요한 것은 무엇일까요? 땅도 중요하고 물도 중요할 텐데요, 그렇지만 이보다 더 중요한 것은 아마도 공기가 아닐까 생각되네요. 1분만 숨을 안 쉬어도 몸에서는 이상반응이 오고 그 이상 쉬지 않을 경우 큰 문제가 생길 정도로 공기는 없으면 안 되는 정말 중요한 존재입니다. 그래서 바다 속에서 멋진 풍경을 감상을 하는 다이버 들은 숨을 쉴 수 있게 꼭 산소통을 가지고 들어갑니다. 이렇게 숨 쉴 때 없어선 안될 공기의 중요성을 또 한번 느낄 수 있는 것이 있습니다.
바로 배터리의 성능을 크게 향상시킬 수 있는 방법이 공기 속에 숨어 있기 때문입니다. 기존의 리튬이온배터리는 양극과 음극 사이에서 리튬이온이 이동하면서 화학적인 에너지를 전기적인 에너지로 전환 시켜주는 과정인데 양극으로 금속을 이용한 물질을 많이 사용해왔습니다. 그런데 이 금속을 이용한 양극 대신 공기 중의 산소를 이용해서도 2차전지를 만들 수 있다고 합니다.
이러한 전지를 금속-에어 배터리라고 부르데 리튬을 이용한 경우 리튬-에어 배터리라고 부르고 있습니다. 이 전지의 경우 기존의 금속 전극을 사용하지 않기 때문에 무게가 리튬이온전지보다 획기적으로 가벼워 질 수 있다고 합니다. 또 리튬이온전지보다 용량이 최대 10배에서 15배까지 크게 만들 수 있어서 훨씬 좋은 성능을 가진 배터리를 만들 수 있다고 합니다.
그런데 이렇게 좋은 리튬-에어 배터리도 문제점을 가지고 있습니다. 리튬 금속은 물과 만나면 화학적으로 반응을 하기를 매우 좋아해서 폭발할 수도 있기 때문에 배터리를 설계하는데 공기중의 수분이 리튬이온과 만나는 것을 막는 방법이 연구되어야 한다고 합니다. 또 현재 기술로는 충전이 가능한 2차전지라기 보다는 한번 쓰고 버려야 하는 1차 전지에 가까워서 재사용을 하기가 어렵다고 하는데요, 앞으로 더 연구를 하여서 이러한 부분을 개선하는 작업이 이루어져야 한다고 합니다.
지금까지 미래의 배터리에 대해서 알아보았는데요 어떠셨나요? 기존에 우리가 사용하던 딱딱하고 용량이 적은 그런 전지들과는 달리 미래에는 더 큰 용량을 가지면서 가볍고 투명하면서도 구부러지는 전지가 나올 텐데요, 빨리 그런 날이 와서 더 편리하고 멋진 기기들을 사용했으면 하네요!
- 참고문헌 –
한화케미칼 http://hcc.hanwha.co.kr
한화케미칼 블로그 http://www.chemidream.com/
리튬이온 이차전지의 현재와 미래, 김동준, 최장욱
2차 전지 전력 저장 기술 대용량 리튬이온 2차 전지의 개발 동향, 타츠미 쿠니아키
휘어지는 배터리 '인쇄'방식으로 만든다, 사이언스 타임즈,
http://www.sciencetimes.co.kr/article.do?todo=view&atidx=0000067562
투명 전지...“속보이는 아이폰-태블릿 나올까“, Zdnet Korea,
http://www.zdnet.co.kr/news/news_view.asp?artice_id=20110728145031