힘센 ‘디지털 심장’ 세상을 바꾼다

2004년 09월 19일 (일요일) 17 : 33  경향신문

[新 미래산업 차세대전지] 上. 힘센 ‘디지털 심장’ 세상을 바꾼다

전지는 언제 어디서나 네트워크에 접속할 수 있는 유비쿼터스 시대를 움직이는 심장이라고 할 수 있다. 또 전지산업은 반도체와 디스플레이에 이어 일본 등 선진국과 치열한 경쟁을 벌이는 국가적 핵심산업이다. 1차전지(Primary Battery)는 한번 쓰고 버리는 전지다. 문구점 등에서 파는 건전지가 대표적 예다. 최근 주목받고 있는 2차전지(Rechargeble Battery·Secondary Battery)는 여러 번 재충전해서 사용할 수 있다. 휴대전화 등 대부분의 디지털기기에 들어가는 전지라고 보면 된다. 연료전지와 태양전지 등 차세대 전지도 속속 등장하고 있다. 전지의 역사와 휴대전화에서부터 자동차까지 모바일 세상을 열어주는 다양한 전지의 세계를 알아본다. ◇전지의 역사=최초의 전지는 약 2,000년 전 페르시안시대(BC 1~AD 1세기)의 유물인 ‘바그다드 전지’로 알려져 있다. 1932년 독일의 고고학자 코닉이 발견했다. 이 전지는 점토 항아리에 구리로 된 원통을 고정시킨 다음 톱밥과 황산 등으로 채워진 형태의 전지다. 우리가 현재 사용하는 전지의 원조는 볼타의 실험에서 비롯된다. 볼타는 구리와 아연 여러 개를 높이 쌓고 사이에 양잿물을 적신 마분지를 끼워 양끝을 전선으로 연결한 볼타전지를 발명했다. 최초의 근대식 전지는 1868년 프랑스의 르클랑쉬가 만든 망간전지다. 망간산화물과 아연을 양극과 음극으로 사용했다. 처음에는 전해액을 용액 그대로 사용, 습전지라고 했으나 나중에는 전해액을 굳혀 마른전지(Dry Cell)라고 불렀다. ‘건전지’는 여기에서 유래했다. 망간전지의 전해액을 산성에서 강알칼리 용액으로 개량, 수명을 늘린 것이 알칼리전지다. 1950년대부터 지금까지 리모컨, 장난감, 탁상시계 등에 가장 많이 사용하고 있는 전지다. ◇니켈·카드뮴전지=양극에 수산화니켈, 음극에 카드뮴, 전해질로 수산화칼륨 수용액을 사용하는 알칼리 축전지로 2차전지의 효시다. 30년대 독일에서 개발돼 40년대 미국에서 양산이 시작됐다. 충전과 방전이 우수하지만 가격이 비싸다. 수년 전까지만 해도 일반 건전지와 호환성이 있고 500회 이상 재충전이 가능해 소형 2차전지 시장 대부분을 차지했다. 중금속인 카드뮴의 환경오염문제 등이 부각돼 리튬이온계 전지로 수요가 급속히 대체되고 있다. ◇니켈·수소 전지=카드뮴 음극 대신에 수소저장합금을 음극으로 사용한다. 전해액인 알칼리 수용액의 전기분해 원리를 이용했다. 니켈·카드뮴 전지와 전압이 동일해 호환성이 있지만 전기용량이 1.5~2배 정도 많고 충전횟수도 더 많아졌다. 무엇보다 공해물질인 카드뮴을 전혀 사용하지 않아 환경친화적이다. 다만 가격이 다소 비싸고 고온에서 부식되는 데다 자기방전되는 비율이 높다. 90년 일본 산요와 마쓰시타가 처음으로 상용화해 90년대 말까지 노트북PC와 휴대전화 등에 본격적으로 사용됐다. ◇리튬이온 전지=리튬은 충·방전 횟수가 늘면 효율이 떨어지고 안정성에 문제가 있어 쉽게 상용화되지 못했다. 91년에야 일본 소니가 탄소전극을 음극으로 하는 리튬이온전지를 상용화했다. 음극에 탄소, 양극에 리튬코발드 산화물, 전해액에 유기용매 전해질을 사용한다. 리튬이온이 양극과 음극 사이를 왔다갔다하면서 전기를 발생시킨다. 니켈·카드뮴 전지와 니켈·수소 전지보다 평균 방전전압이 약 3배, 에너지밀도는 1.5배 이상 높아 소형 대용량 배터리를 만들 수 있다. 개인용 컴퓨터, 캠코더, 휴대용 전화기, PDA 등 전지를 사용하는 거의 모든 제품에서 사용하고 있다. 양극 재료인 코발트 화합물이 전세계적으로 부존량이 적어 제작단가가 비싸고 대형전지를 만들기 어렵다는 단점이 있다. ◇리튬이온폴리머전지=리늄이온전지 시장을 일본에 완전히 빼앗긴 미국과 유럽 등지에서 2000년대 들어 본격 양산했다. 액체 전해질보다 이온전도도가 조금 낮은 고체 고분자 전해질을 사용해 전해액이 누수될 염려가 없다. 고체와 액체의 중간형태인 겔(Gel) 타입 전해질이라 전지형태를 자유롭게 만들 수 있다. 쉽게 구부러지는 전지는 물론 대형화에도 유리하다. 최근 영화·게임·TV 등 모바일콘텐츠 시장이 활성화되고 캠코더·카메라폰이 등장하면서 모바일 기기의 전원 소모량이 늘어나면서 이 전지에 대한 수요가 늘고 있다. 리튬이온전지보다 얇고 가벼우면서 여러 형태로 만들 수 있고 고용량이 가능하다는 점에서 차세대 이동통신기기에 사용될 것으로 보인다. ◇태양 전지=태양빛을 전기에너지로 변환시키는 장치다. 초박막 형태의 산화막 형성기술, 정밀도핑 제어기술, 초정세 사진 식각기술, 나노 에칭기술 등 여러가지 핵심기술이 융합된 첨단 복합기술이 필요하다. 이 때문에 세계 각국이 극도의 기술보안을 유지하며 치열한 상용화경쟁을 벌이고 있다. 우리나라는 반도체 등 제반 인프라가 세계 최고수준이어서 태양전지 기술을 확보할 경우 사업화가 유리할 것으로 보인다. 휴대용 통신기기뿐 아니라 전기자동차, 저궤도 위성 등에 사용될 것으로 기대된다. ◇연료 전지=수소와 산소를 결합시켜 전기를 생산해 재충전이 필요없다. 카트리지 형태여서 용기만 교환하면 거의 무제한으로 사용할 수 있다. 효율도 좋고 물 이외의 폐기물을 발생시키지 않아 친환경적이다. 아폴로 등 우주선의 동력으로 사용될 정도로 신뢰성이 높은 전지다. 최근에는 잠수함, 자동차, 노트북PC 등 적용 영역이 확대되고 있다. 특히 하이브리드 자동차 등으로 인한 폭발적인 수요가 예상된다. 〈김주현·박지희기자 amicus@kyunghyang.com〉