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[종합] 4차산업 핵심기술 '배터리'
특허뉴스 염현철 기자 기사입력  2018/02/08 [12:48]

4차 산업혁명과 더불어 사람과 사물이 연결되는 정보통신기술 시대가 열렸다.하지만 전기차와 드론 배송 등은 배터리의 진화가 없었다면 불가능했을 것이다.
많은 전문가들이 배터리 기술을 4차 산업혁명의 핵심 기술로 지목하고 있다.
스마트폰 배터리가 방전되면 많은 사람들이 불안해한다. 스마트폰이 꺼지면 전화뿐 아니라 무선 인터넷까지 먹통이 되기 때문인데 이처럼 일상에서 디지털 기기의 사용 영역이 확대되면서 배터리의 영향력 역시 점점 커지고 있다. 
  
스마트폰, 노트북, 스마트워치 등 배터리는 한두 개에서 많게는 수십 개에 이른다. 사물인터넷 시대를 맞아 소형화된 IoT 제품의 혁신은 배터리 기술에 따라 발전을 거듭하고 있다.
 
사람과 사물, 공간을 상호 연결하는 초연결 시대에는 전자기기들이 상시 켜져 있어야 하기 때문인데 드넓은 인천공항을 청소하는 인공지능 로봇, 스스로 달리는 자율주행 자동차 등을 움직이기 위해서는 무엇보다 고용량, 고효율 배터리 기술이 필수적이다. 
  
에너지 혁명 2030의 저자 토니 세바 스탠퍼드대 교수는 현대 사회를 ‘모든 사물이 배터리로 구동되는 BoT(Battery of Things) 시대’라고 칭하기도 했다.
 
한 조사에 따르면 리튬이온배터리 시장은 2016년 159억달러(약 18조7600억원)에서 2020년에는 543억달러(약 60조5700억원)로 성장할 전망이다.
   
그렇다면 배터리는 언제부터 사용됐을까? 배터리의 역사는 놀랍게도 2,000년 전으로 거슬러 올라간다. 현존하는 세계 최고(最古) 배터리는 이라크 수도 바그다드 근교 남서쪽에 있는 호야트럽퍼 유적에서 발견된 항아리다.
 
이 항아리는 기원전 150년경에 만들어진 것으로 알려졌는데 높이 14㎝, 지름 8㎝의 원통형의 항아리 내부에는 구리판과 철로 된 막대가 꽂혀 있으며 입구는 아스팔트로 고정돼 있다.
 
항아리 구리판 안에서 전해질 역할을 하는 포도 식초의 흔적이 발견됐는데 과학자들은 이러한 근거를 바탕으로 항아리가 배터리의 역할을 했을 것으로 추측하고 있다.
 
이 고대 배터리의 용도는 정확히 밝혀지지 않았지만, 전기 도금에 활용됐을 것이라는 견해가 많다.
 
근대형 배터리의 시초는 1800년대 이탈리아 물리학자 알렉산드로 볼타가 개발한 볼타 파일(Volta Pile)이다. 볼타는 실험 끝에 소금물에 적신 종이를 은과 아연판 사이에 끼우면 전기가 발생한다는 사실을 발견했다.
 
이후 볼타는 구리와 아연 원판 사이에 소금물 담근 종이를 끼워 겹겹이 쌓아올렸다. 이런 방식으로 배터리를 만든 볼타는 추가 연구를 통해 전기가 통하려면 양극과 음극, 전해질 용액이 필요하다는 사실도 알아냈다.
 
근대형 배터리가 발명된 이후 지금까지 배터리는 전동공구와 청소기에 사용되는 원통형, 디지털 카메라에 사용되는 폴리머, 스마트폰, 노트북에 사용되는 각형 등 다양한 형태로 분류되고 있다. 
  
충전이 가능한 2차 전지는 1991년 일본기업 소니가 최초로 상용화했다. 소니가 내놓은 리튬이온 배터리는 부피가 작고 가벼운 데다 에너지 밀도가 높아 휴대용 기기에 제격이다.
 
2차 전지 기술 덕분에 모바일 시대가 열렸다고 해도 과언이 아니다. 최근에는 배터리 기술이 빠르게 발전하면서 더욱 안전하고 효율적으로 에너지를 공급하는 리튬폴리머, 리튬공기, 나트륨이온 등 다양한 신기술이 개발되고 있다.
 
2차 전지 시장은 우리나라와 일본, 중국과 미국이 주도하고 있다. 
  
배터리는 소형 기기뿐 아니라 전기차부터 전기 항공기까지 다양한 이동수단의 동력원으로 활용되고 있다. 그만큼 배터리 기술도 진화를 거듭하고 있다.
 
배터리 기술의 주요 흐름 중 하나는 대형화다. 세계 곳곳에서 전기차, 전기선박 등에 대규모 전력을 공급하기 위한 대형 배터리가 개발되고 있는데 얼마 전 미국의 테슬라는 대형 배터리를 탑재한 전기 트럭 ‘세미’를 공개했다.
 
이 전기 트럭의 최대 적재량은 약 36t이고 1회 충전 시 최대 500마일(804㎞)을 주행할 수 있으며, 외부 충격에도 영향을 받지 않도록 설계돼 배터리 안전성도 높다고 한다. 중국 광저우에서는 세계 최초로 전기 선박이 등장했다.
 
이 배는 길이 70m, 폭 14m로 2천t의 물량을 실을 수 있는데 리튬 전지와 슈퍼 축전지를 이용해 전기차 50대와 맞먹는 전기를 공급한다. 2시간 정도 배터리를 충전하면 80㎞를 운항할 수 있다. 
  
IoT 제품들이 다양해지면서 배터리 크기도 소형화되는 추세다. IT 기업들은 대부분 각종 생활용품과 의류 등에 소형 배터리로 작동하는 센서를 달아 사용자의 데이터를 수집한다.
 
실제로 식품 매장이나 화장품 매장에서 초소형 배터리를 발견할 수 있는데 예컨대 최근 GS슈퍼마켓과 올리브영은 매장 진열대의 가격표시 종이를 전자가격표시기(ESL)로 교체했다.
 
이 기기는 실시간으로 가격 변경이 가능하고 일일이 손으로 쓰지 않아도 된다는 장점이 있고, ESL에 들어가는 배터리는 크기가 작을 뿐 아니라 저전력·고밀도 기술이 적용돼 있어 1년 이상 충전이나 교체 없이 사용할 수 있다.
 
이처럼 수년간 충전 없이 쓸 수 있는 저전력 배터리 기술은 초소형 배터리 분야에서 더욱 활발하게 연구되고 있다.
 
배터리 구성 물질이나 형태를 변형시킨 기술도 등장했다. 리튬이온 배터리는 전해액의 특성상 폭발의 위험이 늘 존재하는데 이러한 사고를 막기 위해 전해질을 고체로 만든 ‘고체 배터리’ 기술이 최근 주목을 받고 있다. 청소기로 유명한 다이슨도 고체배터리를 개발한다고 발표한 바 있다. 

    

기사입력: 2018/02/08 [12:48]  최종편집: ⓒ e-patentnews.com
 
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