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한국전기안전공사(www.kesco.co.kr)
전기안전연구원 계기과장·KOLAS 평가사_유병열
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개요
옛말에‘실과 바늘’이라는 말이 있다. 이는 서로 없어서는 안 될 아주 밀접한 관계인 것을 말한다. 만약 휴대용 계측장비는 건전지가 없다면 제 역할을 전혀 못하는 무용지물이기에, 건전지는 계측기 장비와 필연관계에 있다고 할 만큼 계측장비 구동에 있어서는 매우 중요하다.
이번 호에서는 계측장비와‘실과 바늘’관계에 있는 전지에 대해 소개한다.
전지(Battery)란?
전지는 내부에 들어 있는 활물질(Active Material) 화학에너지(Chemical Energy)를 화학반응(Chemical Reaction)으로 전기에너지(Eectrical Energy)로 변환하는 장치다. 정확한 의미에서‘Battery 라는 용어는 두 개 이상의 셀(Cell) 접합체를 나타내지만, 보통 단위 전지(Single Cell)에도 사용된다.
1. 전지 구성 요소
전지는 양극(Cathode or Positive Electrode)과 음극(Anode or Negative Electrode)의 활물질을 가지며, 분리막(Separator)에 의해 서로 분리되어 있다. 또한 두 전극 사이의 이온 전달이 가능하도록 전해질(Electrolyte)을 사용한다. 전등, 기계, 기구 등을 작동하기 위해서는 전지의 두 전극 사이에 충분한 전압과 전류가 생성될 수 있도록 적절한 전극 물질과 전해질을 선정하여 적합한 구조로 배열해야 한다.
2. 전지의 4대 구성 요소
① 양극(Cathode)
외부 도선으로부터 전자를 받아 양극 활물질이 환원되는 전극
② 음극(Anode)
음극 활물질이 산화되면서 도선으로 전자를 방출하는 전극
③ 전해질(Electrolyte)
양극의 환원반응과 음극의 산화반응이 화학적 조화를 이루도록 활물질이 산화되면서 도선으로 전자를 방출하는 전극
④ 분리막(Separator)
양극과 음극의 직접적인 물리적 접촉 방지를 위한 격리막
3. 전지 종류
⑴ 망간건전지(Leclanche Type Dry Cell : KS C 8501)
이산화망간을 양극 작용물질, 아연을 음극 작용 물질, 염화암모늄 또는 염화아연 등 중성염 수용액을 전해액으로 하는 건전지를 보통 망간건전지라 한다.
지금으로부터 약 2000년 전 페르시안 시대(B.C 1~A.D 1세기)의 유물로 이라크 바그다드에서 1932년 독일 고고학자 Wilhelm Konig가 망간전지를 발견했다. 이때 사용된 전해액은 건조되어 알 수 없지만, 2차 대전 후 미국 학자가 식초 및 포도주를 이용하여 전류를 추출하는 데 성공했다. 이 전지는 호이얏트 랍뿌아 또는 바그다드전지(Baghdad Battery)로 불린다.
실용전지는 이탈리아 파비아(Pavia) 대학 볼타(Allessandro Volta)교수의 갈바니(Galvani) 전지(1786년) 즉, ‘서로 다른 금속을 개구리 다리 근육에 접촉시켰을 때 전기를 발생시킨다’는 동물전기에서 착안하여 시작됐으며, 볼타교수가 착안한 전지의 이름은 그의 이름을 따서‘볼타전지(1800년)’라고 불린다.
이를 계기로 1800년대에는 볼타전지를 이용하여 전류의 자기효과 발견 및 전해 전기량과 화학작용 등 여러 중요한 전기화학에 대한 기초적인 발명이 계속해서 이루어졌다. 1868년 프랑스 엔지니어 Le Clan Che(르클랑세)에 의해 망간전지가 발명됐으며, 1886년 독일의 학자 가스너(Gassner)에 의해 전지를 기울여도 내부의 액이 흐르지 않는 건전지(Dry Cell)가 발명되어 상품화에 성공했다.
현재 국내에서 생산되는 제품으로는 원통형의 R20, R14, R6, R03과 적층형의 6F22 및 집합전지로는 4R25, 4DM, 6DM, 2SM 등이 있으며, 또한 수십 종의 군용 제품도 생산하고 있다. 국내기술진의 꾸준한 연구 개발로, 유해한 중금속으로 지목되어 온 수은과 카드뮴이 사용되지 않은 환경 친화적인 무수은, 무카드뮴 전지도 생산되어 시중에 판매되고 있다.
⑵ 알칼리 망간전지
알칼리 망간전지에 대한 최초의 언급은 1882년 독일의 G. Leuchs에 의해 특허출원으로 시작됐으며, 약 20년 뒤인 1903년에 미국의 S. Yai가 (MnO2 + Graphite)의 혼합체를 양극에, Zn을 음극에, 전해액으로 KOH용액을 사용하는 습전지(Wet Cell)를 특허출원했다. 그 뒤 E.Achenbach, A.Heil의 선구자적인 업적에 의해, 최초의 상업적인 알칼리 망간전지가 특허출원하게 됐으며 1952년에는‘Crown Cell’이 처음으로 등장했다. 알칼리 망간 전지는 1960년~1970년대에 기술 혁신이 크게 이루어져 많은 연구 논문과 특허들이 출원했다. 위 언급한‘Crown Cell’은 그 구조상 높은 전류 공급에 문제점이 있었기 때문에, 구조면에서 현재의 것과 흡사한 원통형 전지를 개발하여‘Crown Cell’과는 완전히 다른 구조 변화를 가져왔다.
이와 같이, 알칼리 망간건전지의 출발은 단추형(Button Type)‘ Crown Cell’에서 출발하여 고용량의 원통형(Cylinder Type)이 시장의 주류를 이루고 있는 추세다. 또한 크기 면에서는 사용 기기의 소형화, 박형화에 따라 전지 크기도 점점 소형화되고 있다.
⑶ 리튬 일차전지
리튬전지는 금속 리튬을 음극 활물질로 사용하고 비수 전해액의 사용으로 3V 이상의 고전압이 가능하며 중량이 가벼운 고에너지 밀도의 전지다.
저온 특성 및 장기 보존 성능이 우수한 전지로, 사용하는 양극 활물질의 종류, 전해액, 전극 및 전지 형태에 따라 몇 종류로 구분되며 각각 작동 전압, 사용 한계전류, 에너지 밀도, 동작 온도, 보관 수명, 안전성 등에서 특성이 다르게 나타난다.
최근에는 각종 디지털 기기의 수요 증가와 함께 이들 기기의 주전원, 보조전원으로 리튬 일차전지의 수요도 증가하고 있다.
⑷ 니켈카드뮴 축전지
니켈카드뮴 축전지(니카드전지)는 1899년에 스웨덴 과학자 W 융거에 의해 발명된 융거전지를 기초로 하여 양극에 니켈 산화물을, 음극에는 카드뮴을 이용한 알칼리 축전지다. 1901년 튜브식, 포케트식 극판을 이용한 것이 소규모로 스웨덴에서 제조되기 시작하여 1946년에 이르러 미국에서 제조되기 시작했다. 특히 제2차 세계대전 중 독일에서 소결식 극판을 사용한 니켈카드뮴 전지가 발명됨으로써 축전지의 고율 방전 특성, 고온 및 저온 특성 향상, 장수명화가 가능해졌다.
1938년 A.E. Lange 등이 과충전 중 양극에서 발생한 산소를 카드뮴 극으로 유도해 산소를 소비시킬 수 있는 방법을 발명했으며, 1948년 G.Neuman이 산소 소비의 구체적인 안을 제시함으로써 그때까지 개방형(Vented Type)으로 사용되던 니켈카드뮴 전지를 밀폐된 전지(Sealed Type)로 만들 수 있게 됐다. 이에 따라 니켈카드뮴 축전지는 건전지 분야에까지 광범위하게 사용되어 급속한 발전을 이루게 됐다.
⑸ 니켈수소 전지
니켈수소 전지는 1993년부터 시장에 출현한 차세대 2차전지로, 평균 전압이 1.2V로 니켈카드뮴전지와 동일해 상호 호환성이 있으며 용량도 표준형 니켈카드뮴 전지에 비해 2~2.5배 고용량화가 가능하다. 또한 1~1.5시간 내에 급속 충전이 가능하고 전지 내부 저항이 낮아 방전 시 전압 변동이 적다. 이러한 특성들로 인해 니켈수소 전지는 기존 니켈카드뮴 전지를 점진적으로 대체하고 있어 향후 2차 전지 시장의 주력품이 될 전망이다.
니켈수소 전지의 핵심인 전극판으로 사용되는 수소흡장합금은 당초 1968년 연료전지의 전극으로 개발됐다. 그러나 경제성 및 내구성 문제로 상용화되지 못하다가 80년대 들어 전지의 밀폐 기술이 개발되고 산화·압력 문제가 해결되면서 2차전지 전극판으로 실용화되고 있다. 특히 이 전지는 기체·압력과 온도 조절에 따라 평균 압력보다 높거나 주변 온도보다 낮아지면 수소를 흡수하고, 반대로 저온·고압이 될 경우는 수소를 방출하는 수소합금기술을 활용하여 에너지 밀도 향상을 실현했다.
형식 기호
망간건전지의 형식 기호는 전지 모양을 표시하는 영어 대문자, 전지 크기를 표시하는 숫자 및 전지의 등급 구분을 표시하는 기호의 순으로 조합하여 구성한다. 또한 소전지를 조립할 경우, 전지모양을 표시하는 영어 대문자 앞에 조립되는 개수의 숫자를 붙인다.
주의 사항
1. 안전상의 취급 주의 사항
⑴충전
충전용으로 만든 것이 아니므로 충전하면 누액, 파손의 우려가 있다. 충전에 의해 전지 내부에 가스가 발생하면 내압이 상승하고 누액되거나 파손될 우려가 있다. 또한 충전 전류가 과대하면 가스 발생이 크고 전지가 파열할 위험성이 있다. 특히 사용하지 않은 전지를 충전한 경우 누액, 파손, 파열 등의 발생률이 높으므로 주의가 필요하다.
⑵전지삽입
2개 이상의 전지를 사용할 경우 그 중 1개를 (+), (-)를 역삽입하면 전지 전체의 성능이 충분하게 발휘하지 못하게 할 뿐만 아니라, <그림 2>와 같이 직렬 사용인 경우 기기 스위치를 끄면 거꾸로 들어간 전지 A가 다른 전지에 의해 충전된다.
또한 <그림 3>과 같이 직·병렬 사용인 경우에는 전지 B를 그림과 같이 역으로 삽입하면 기기 스위치 개폐에 관계없이 전지 C가 다른 전지에 의해서 급격하게 충전된다.
⑶혼용
다른 종류의 전지나 사용이 끝난 전지, 사용하지 않은 전지를 혼합하여 사용하지 말아야 한다.
전압이나 형식이 다른 전지를 혼합하여 사용하면 기기가 정상적으로 동작하지 않을 뿐만 아니라 각각의 방전 성능이 다르므로 빨리 소모된 전지가 과도한 사용 상태가 되어 누액의 원인이 된다.
또한 사용하지 않은 전지와 사용이 끝난 전지, 사용 중인 전지를 혼합하여 사용하면 오래된 전지가 과도한 사용 상태가 되어 비경제적일 뿐만아니라 누액의 원인도 된다.
⑷단락
전지의 (+), (-)를 단락시키지 않아야 한다.
(+), (-)를 전선이나 다른 금속류로 단락시키면 일시적으로 과대한 전류가 흘러 발열로 인해 구조가 파괴되거나, 누액과 파열 등을 일으킬 염려가 있다.
2. 정상적 기기 작동을 위한 주의 사항
① 전지를 기기에 넣기 전에 마른 헝겊 등으로 기기나 전지의 단자부 등을 깨끗하게 닦아야 한다. 단자부가 오염되어 있으면 접촉 불량으로 인해 기기가 정상적으로 동작하지 않는 일이 있다.
② 스위치 OFF를 잊지 않아야 한다. 스위치를 ON 상태로 방치하면 전지가 과도하게 소모되어, 나중에는 누액이 발생되고 기기를 손상시키는 일이 종종 발생한다.
③ 사용이 다 된 전지는 기기에서 신속하게 꺼내야 한다. 사용이 다 된 전지를 오랫동안 기기 내에 방치하면 누액이 발생되기 쉬우며, 금속 부분에 녹이 발생하거나 부식을 일으킬 수 있다.
전지 사용 시 특징
1. 전지는 사용하지 않아도 소모
우리가 새 전지를 구입했을 때 수개월을 방치하면 전기에너지가 줄어든 것을 알게 된다. 이것은 특히 전기면도기나 회중전등 등을 사용했을 때 잘 알 수가 있다.
이 에너지의 감소는 다음의 화학적 반응에 의하여 일어난다.
먼저 전지 내 양극 부근의 수소이온이 미소한 전자와 중화하여 수소가스를 발생시킨다. 그리고 이 수소가스가 이산화망간과 화합하여 사산화망간과 물로 분리된다.
이와 같은 화학반응이 전지 내부에서 진행되면 외부에 전기회로가 형성되어 있지 않아도 자연적으로 전기에너지는 감소한다. 일반적으로 이 현상을‘자연방전’이라고 한다. 자연방전을 억제하기 위해서는 신선한 곳에 전지를 보관하는 것도 하나의 방법이지만, 제일 좋은 방법은 곧 쓰지도 않을 전지를 많이 구입하지 않는 것이다.
그리고 전지를 구입할 때에는 가급적 최근에 생산된 전지를 구입해야 한다. 오래전에 생산됐는지 최근에 생산됐는지를 구분하기 위해서는 전지의 밑바닥에 새겨진 사용 권장 기한을 확인한다.
예를 들어 07-09라는 숫자라면 2009년 7월경이 사용 권장 기한이 된다.
2. 전지는 쉬엄쉬엄 사용하면 오래 간다.
전지는 연속적으로 사용하는 방법과 간헐적으로 사용하는 방법이 있다. 이 방법 중 후자인 간헐적 방법 즉, 쉬엄쉬엄 사용하는 쪽이 훨씬 전지 수명이 길다. 전지는 쉬는 동안에 회복하는 특성을 가지기 때문에 사용법 여하에 따라서는 이와 같이 수명에 차이가 난다.
또한 같은 암페어·아워[Ah] 전지라도 개정 값이하에서 사용하면 건전지에서 꺼내는 전체 전기량은 커진다. 따라서 전지를 능숙하게 사용하려면 규정 전류값(수명을 정하는 전류값)보다 약간 낮게 사용하거나 불필요한 전류는 잘게 끊으면 된다. 그러나 아무리 잘게 끊는다고 해도 전구 등을 점멸하는 경우 필라멘트에 정격 수배 이상의 과전류가 흐르기 때문에, 이것에 의한 전력손실도 고려해야 한다.
마무리
70년대 후반에 군 생활을 시작했던 필자는 통신병이었다. 그러니까 건전지와의 인연은 군 생활부터 시작된 것이다. 분기별로 상급 부대에서 무전기용 건전지와 전화기용 건전지 등 다양한 건전지를 보급 받아 하급 부대에 보급하는 일을 하면서 군문을 떠난 것이다.
그리고 KESCO에 입사하여 현재까지 20년이 넘도록 건전지와 벗 삼아 생활을 하고 있으니, 건전지와의 인연이 보통은 넘는가 보다.
건전지는 처음 구입 시에는 소비자들한테 사랑을 받지만 수명이 다 되면 토사구팽처럼 휴지통에 버려진다. 또한 건전지가 휴지통에 버려지는 순간부터 건전지는 천덕꾸러기가 된다.
하루빨리 건전지에 대한 연구를 통해 완전 소모된 건전지를 재활용할 수 있도록 하여 환경 친화적인 건전지로 탄생하기를 기대해 본다.
<Energy News>
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