- 맥주잔의 종류 2
원 문 : http://tpholic.com/xe/ibmuserlecture/4357856
출 처 : http://www.tpholic.com
작성일 : 2010.03.23 06:29:00
작성자 : "TPHolic 도령이"님
본 문서는 스스로 공부도 할 겸 인터넷에서 가장 신뢰할만하다고 생각되는 자료를 근거로 배터리에 대해 정리한 것입니다. 참고문헌을 중심으로 정리하였고 중간중간 제가 알고 있는 지식과 경험을 일부 첨가하였습니다. 해당 분야의 전문가가 아니고 충분히 다양한 문서들을 검토한 것이 아니기 때문에 일부 잘못된 내용이 있을 수도 있습니다. 잘못된 내용이 있는 경우에 말씀해주시면 수정하도록 하겠습니다. 내용은 추후 개선될 수도 있습니다^^; 본 문서의 임의의 수정은 삼가해주시고, 다른 사이트로 가져가실 때에는 출처가 TPHOLIC 임을 밝혀주시기 바랍니다.
가. 배터리의 종류
배 터리도 상당히 공부할 것이 많은 분야이지만 간단하게 말하면 충전이 불가능한 1차전지와 충전이 가능한 2차전지로 구분할 수 있습니다. 보통의 전자기기에 많이 사용하는 배터리는 충전이 가능한 2차 전지로써 니켈 카드뮴 (NiCd) / 니켈 메탈 수소 (NiMH) 계열의 배터리와 리튬이온(Li-ion)배터리로 구분할 수 있습니다. 니 켈 계열의 배터리는 대략 1.2V 정도의 출력을 가지고 있으며 10~30%의 높은 자체 방전율과 메모리 효과로 설명되는 수명 단축효과를 가지고 있습니다. 현재에는 이러한 이유들로 많이 사용되지 않고 과거의 워크맨, CD 플레이어에서 쉽게 볼 수 있는 껌전지라고 부르던 껌모양의 배터리가 대표적입니다. 리 튬이온 계열의 배터리는 니켈 계열과 달리 한 셀에서 출력 전압이 약 3.7V 정도로 높고, 니켈계열에서 말하는 메모리 효과가 없습니다. 출력 전압이 높기 때문에 많은 파워를 필요로 하는 다양한 전자기기에 바로 응용될 수 있습니다.
나. 리튬이온 배터리의 특성
앞 서 간단히 언급했듯이 기본적인 출력 전압이 높고 메모리 효과가 없기 때문에 배터리는 2010년 현재에도 대부분의 전자기기에서 기본적으로 사용하고 있으며, 특히 노트북의 사용에 있어서는 필수불가결한 존재입니다. 그 외의 장점으로는 다른 동급의 2차전지에 비해 무게가 가볍고, 다양한 형태로 가공할 수 있습니다. 여러 장점 중에서도 가장 뛰어난 것은 메모리 효과가 없다는 것입니다. 대체적으로 자체 방전율은 약 월 5~10% 정도로 10~30% 정도의 자체 방전율을 가진 니켈 계열에 비해 무척 우수하다고 할 수 있습니다.
이 처럼 천하무적인 것 같은 리튬이온 배터리도 단점들이 있습니다. 우선 가장 먼저 언급할 것이 안전상의 문제입니다. 리튬이온 배터리는 니켈 계열 배터리에 비해 약한 편이라 잘못 취급되면 무척 위험한데 대표적으로 과열, 과충전에 주의를 해야합니다. 사용자가 이런 부분을 일일이 관리할 수 없기 때문에 배터리 팩에는 이를 보호하기 위한 회로와 배터리 셀로 구성되게 됩니다.
이 보호 회로의 기본적인 역할은 다음과 같습니다.
- 과충전/과열 방지 (폭발을 방지)
- 셀의 완전 방전 방지 (완전 방전되었을 경우 재충전이 불가능)
열 은 배터리의 수명과 직접적인 연관이 되는 중요한 부분 중의 하나인데 얼마나 열에 민감한가 하면 사용 온도에 따라서 충전 용량이 급격하게 변합니다. 100% 충전 상태인 경우 1년에 0도(섭씨 기준)의 경우 6%, 25도의 경우 20% 그리고 40도의 경우 40% 정도로 충전용량이 줄어듭니다. 또한 40~60% 정도 충전된 상태에서는 0도, 25도, 40도에서 각각 2%, 4%, 15% 정도의 용량 저하가 발생합니다.
두 번째 단점으로는 주기 수명(cycle life)으로 이것은 총 용량에 대한 충방전의 최대횟수를 의미하고 리튬이온은 그 횟수가 수백~수천회 정도로 적습니다. 우선 주기(cycle)에 대해서 정확히 이해를 해야하는데, 주기 혹은 방전 주기는 완전 충전 용량과 거의 같은 양의 누적 방전량을 말하는 것입니다. 100% 충전이 되어 있을때 10%씩 10번 사용하거나 50%씩 2번 사용했다면 1주기가 되는 것입니다. 단순히 충전이 일어난 시점을 1주기라고 하지는 않습니다.
[그림 1] 방전 주기 [1]
그 리고 사용함에 따라 배터리 내부 물질의 반응으로 인해 내부 저항이 증가하는 단점이 있습니다. 그 내부저항의 증가 정도가 다른 2차전지에 비해 높기 때문에 그렇습니다. 이 내부 저항은 결국 주기와 자체적인 노화현상에 의존하는데 내부저항이 증가하면 출력단에 걸리는 전압이 줄어들고 이것은 결국 출력 전류를 제한하게 됩니다. 또한 어느 시점까지 내부저항이 증가하면 배터리는 더 동작하지 않습니다.
마지막으로 리튬이온은 사용에 따른 다음과 같은 특성을 가집니다.
- 충전 시 온도가 내려간다.
- 방전 시 온도가 올라간다.
이러한 특성은 보통의 전지와 반대의 특성이며 방전시 6~7도 정도 상승한다고 합니다. 그렇기 때문에 핸드폰의 경우에 오래 통화하면 배터리가 뜨거운 것을 알 수 있습니다. 또한 이러한 온도 변화는 배터리 상태에 영향을 줍니다.
다. 리튬이온 배터리에 영향을 주는 요소
실제 노트북 사용에 있어 리튬이온 배터리에 영향을 주는 대표적인 요소는 다음과 같습니다.
1. 온도
2. 실행하는 응용프로그램
3. 연결된 장치
4. 밝기
온 도는 앞서 설명한 것처럼 충전용량을 감소하는 효과가 있습니다. 실생활의 온도를 25도로 보기 때문에 이 경우 100% 완충 상태에서 1년이 지나면 전체 용량의 20%가 감소하는 효과를 가져옵니다. 즉 초기 설계 용량의 80%만 사용가능하게 되는 것입니다. 이것은 주기와도 관련있고 HP의 경우에는 300 주기 후 80%남는 것으로 표준값으로 보고 있습니다.
다 른 나머지 요소들은 온도와 내부저항의 증가와 관련이 있습니다. 전자기기는 많은 전류를 흘려줄수록 성능이 향상된다고 보시면 됩니다. 가령 모터의 경우는 전류를 많이 흘려줄수록 고속 동작 혹은 강한 토크를 낼 수 있고 결국 이것은 할 수 있는 일의 정도의 차이를 가져옵니다. 그러나 큰 전류를 소모하는 경우에는 일차적으로 많은 열을 발생시킵니다. 그 다음으로는 배터리 상에서 많은 전류를 요구하기 때문에 그로 인해 내부 저항이 더욱 증가하게 됩니다.
새 로 건설한 고속도로에 1년 동안 차량을 하루에 10대씩 통과시킨 경우와 5000천대씩 통과시킨 후에 어느 고속도로의 상태가 더 좋지 않을지를 생각해보시기 바랍니다. 도로가 망가지는 것은 결국 차의 통행에는 방해가 되는 것이고 이것은 배터리의 입장에서는 내부저항의 증가로 볼 수 있습니다. 따라서 무거운 혹은 고성능 프로그램에 대한 배터리의 사용은 배터리 수명을 줄일 수 밖에 없습니다.
라. 리튬이온 배터리의 보관
많 은 분들이 배터리를 오래 사용하는 법에 대해서 문의를 하는 것을 볼 수 있습니다. 배터리를 완전 분리하고 사용하지 않는 경우에는 간단합니다. 온도와 자체 방전율만을 고려하면 됩니다. 가급적이면 낮은 온도 그리고 충전용량의 40~60%를 유지할 것입니다. 상온의 경우 4% 정도로 가장 소모가 적습니다. 0도의 경우는 2%이지만 사실상 0도 보관이 힘들고 큰 차이가 아니기 때문에 4%로 생각하시는 것이 좋습니다. 이 경우에도 배터리 자체의 화학적인 작용으로 인한 노화는 발생하기 때문에 무조건적인 것은 아닙니다. 자연의 신비...
냉 장고 보관는 개인적으로 큰 의미가 없고 냉장으로 발생하는 습기가 나쁜 영향을 미칠 것 같습니다. 평균적인 데이터이기는 하지만 0도에서의 2%와 25도에서의 4%는 그리 큰 차이가 아닙니다. 그리고 습기는...모든 전자기기의 웬수라고 볼 수 있기 때문에 2% 더 벌어보겠다고 하는 냉장 보관은 실제 수치적으로나 효율면에서나 의미가 없다고 생각합니다.
그 러나 배터리를 사용하는 상태에서는 40~60% 충전 상태는 또 다른 문제입니다. 왜냐하면 가장 치명적인 요소인 온도가 크게 작용하기 때문입니다. 배터리가 붙어 있는 노트북은 열이 팍팍 발생합니다. CPU만 해도 기본 4~50도 합니다. 발열처리를 통해 어느정도 해소한다고는 하지만 열이 배터리에 안전해질리 없습니다. 그래도 비교적 40%~60% 충전상태의 충전용량 감소가 우수하기는 합니다만, 다른 요인들이 동시에 작용하기 때문에 분리하여 보관한 것에 비해 반드시 그 효과를 얻는다고 말할 수는 없습니다.
배 터리 장착을 했다는 것은 어느정도 사용을 고려한 것인데 일단 사용하면 용량은 팍팍 줄어듭니다. 특히나 고성능을 요구하는 응용 프로그램의 경우에는 그것이 더 할 것이고 일단 초기 용량에서 80% 이하로 전체 용량이 줄어들기 시작하면 자연히 주기횟수가 증가합니다. 초기 용량대비 100%인 경우는 100%를 다 써야만 1주기이지만 60%만 사용가능하게 된 경우에는 60%만 써도 1주기입니다. 결국 주기는 점점 빨라집니다. 오히려 노트북을 배터리로 구동해야 하는 시기에 배터리 충전 부족으로 사용자 입장에서는 노트북 사용시간만 줄어들 뿐입니다. 다시 말해 수명에 영향을 미치는 요소가 너무 많기 때문에 배터리를 사용을 고려한 상태에서 충방전 용량의 조절로 배터리 수명을 증가시켰다는 것은 실질적인 효과보다는 사용자 기분 탓일 가능성이 큽니다. (물론 증가할 수도 있지만 대체적으로 그러리라 생각되진 않습니다.)
마. 리튬이온 배터리의 고장
배터리가 고장난 경우는 크게 두가지로 볼 수 있습니다. 하나는 배터리의 셀이 노화 혹은 수명이 다해 충전이 불가능한 경우와 다른 하나는 보호회로가 망가진 경우입니다.
셀 의 충전용량이 줄고 내부 저항이 증가하여 사용할 수 없게 된 경우에는 회복이 불가능하다고 보여야합니다. 무리한 충전 혹은 분해는 앞서 말했듯이 폭발의 위험이 있기때문에 주의하여야 합니다. 보호회로가 망가진 경우에는 조기에 발견할 경우 회로를 교체함으로써 회복을 기대할 수 있지만 비전문가의 배터리 팩의 분해는 마찬가지로 위험합니다. 보호회로가 망가지면 셀을 가급적 오래 사용하기 위한 과충전/방전 방지 및 온도제어가 불가능해지므로 결과적으로 셀의 노화를 가져오게 됩니다. 어느 것이 먼저 고장났느냐의 문제이긴 하지만 장시간이 지나면 결과는 동일하다고 보셔야 합니다.
바. Thinkpad 응용프로그램, Power Manager의 리셋에 관한 진실
리 튬이온 배터리의 실질적인 사용에 있어서 또하나 재미있는 것은 작은 충방전으로 인해 실제 충전 상태와 사용이력에 근거한 계산된 상태가 일치하지 않는다는 것입니다. 보통 TP의 경우 파워매니저를 통해 보여지는 충전 상태 혹은 사용 가능 시간이 실제와 일치하지 않는다는 것을 의미합니다. 왜 이런 현상이 발생하는가 하면 노트북 사용 조건에 따라 더 강한 부하가 (즉 큰 전류) 걸릴 때도 있고 약한 부하가 걸릴 때도 있는데 이것이 반복됨으로 계산된 사용 가능 시간이 어긋나게 되는 것입니다. 이런 점을 해소하기 위해 할 수 있는 것이 고정된 부하로 방전을 한 후에 다시 충전을 통하여 사용시간을 새로 계산하는 것입니다. HP의 경우에는 스마트 배터리 기술이란 이름으로 정확한 배터리 상태를 체크하는 것을 돕고 있고 (이것이 소프트웨어인지는 잘...) TP의 경우에는 파워매니저에서 재공하는 배터리 리셋을 통해서 할 수 있습니다.
질 문답변 게시판을 통해 가장 큰 오해 중의 하나가 배터리의 리셋이 배터리 상태 최후에 해볼 수 있는 배터리를 죽일 수도 있는 작업이라는 것입니다. 그러나 앞서 말했듯이 리셋은 실질적으로는 배터리를 보호회로가 허용하는 한계까지 방전을 한 후에 충전 과정을 통해 정확한 배터리 상태를 체크하기 위한 과정일 뿐입니다. 만 약 배터리 리셋을 실행한 후 배터리가 죽은 경우에는 이미 배터리가 죽었거나 거의 죽은 상태라고 보아야합니다. 단순히 파워매니저 혹은 윈도우에서 제공하는 사용 가능 시간은 실제 상태와 불일치한 잘못된 시간이라고 이해를 할 수 있습니다. 그런 경우 리셋을 하지 않더라도 배터리를 사용해보면 표시된 시간보다 빨리 방전됨을 확인할 수 있습니다. HP의 기술문서에는 일반적으로 리튬이온 배터리는 3개월에 1회 보정해야한다고 합니다.
그 러므로 배터리 리셋으로 배터리가 죽는 것은 아니며, 다만 그 경우에는 이미 배터리의 상태가 좋지 않았다고 생각해야 합니다. 또한 그것을 앞서 설명한 데이터에 근거해 예측할 수 있는데 배터리 사용 시점으로부터의 시간(100% 충전 후 1년간 25도에 보관만 해도 초기충전용량의 20%가 감소합니다.) 등을 고려해 사용자가 판단할 수 있습니다. 제가 사용하는 X200의 경우 28.80Wh의 설계용량을 가지고 있고 2009년 1월 처음 사용이후 2010년 3월 현재 완전 충전 용량이 25.46Wh로 표시되고 있습니다. 주기회수는 17회이며, 충전 상태는 항상 100%를 유지하여 사용하여 왔습니다. 이는 초기 용량의 88% 정도가 사용가능한 것으로 어느정도 예측값에 부합한다고 볼 수 있습니다.
사. 리튬 폴리머 배터리
최 근에 리튬 폴리머 배터리를 많이 사용하고 있습니다. 리튬 이온은 두 전극 사이에 액체형태의 전해액(Electrolyte)이 들어 있는데 이 전해액은 유기 용매(Organic Solvent)로 불에 타기 쉽습니다. 그래서 리튬이온이 폭발의 위험이 큰 것입니다. 리튬 폴리머는 이러한 유기 용매로 이루어진 전해액 대신에 고체 고분자 물질(Solid Polymer)을 사용하여 안정성을 높인 것입니다.
아. 결론
노 트북 사용에 있어서 배터리 수명은 항상 중요한 문제가 아닌가 싶습니다. 그러나 위에서 말씀드린 것처럼 배터리의 수명을 고려하시기 전에 사용 목적을 분명히 정해야 좀 더 나은 배터리 사용이 가능합니다. 순수하게 실 사용을 하는 것이 아닌 단순히 보관을 원하신다면 분리하여 40~60% 충전상태에서 서늘하게 보관하며 정기적으로 방전 상태를 점검하는 것이 맞다고 볼 수 있겠습니다. 그러나 실 사용을 고려하신다면 40~60%의 보관은 일차적으로 노트북 사용시간을 줄이고, 또한 노트북에서 발생하는 열에 의해 영향을 받을 수 밖에 없기 때문에 절대적으로 의미가 있는 보관법은 아닙니다.
노 트북 배터리는 자체적인 노화도 있기 때문에 제조사가 제공하는 워런티는 6개월에서 1년정도까지입니다. 종합적으로 고려하지 않고 단편적으로 한 가지 요소만 판단하여 배터리를 관리하는 것은 사용자가 신경을 쓴 것에 비하여 뚜렷한 효과를 보지 못할 수도 있습니다.
아울러 본 정리가 실질적인 노트북 사용에 있어 배터리 관리에 도움이 되었으면 합니다.
자. 참고문헌
1. 리튬 이온 및 스마트 배터리 기술 이해, HP
2. Lithium-ion battery, Wikipedia
3. 충전지 오래 쓰는 법! 궁금하지?, 안순호, 과학향기
4. Lithium-ion polymer battery, Wikipedia
5. 리튬이온(Li-ion)전지 관리법 / 휴대폰, 디카 (원 출처 사이트 불가)
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