휴대폰 배터리 “이게 최선이니”

 
 
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스마트폰에 탑재되는 리튬이온 배터리의 내구성은 통상 1000회 충전이 가능한 수준이다. 하루에 한번씩 스마트폰을 충전하면 2년 9개월 27일밖에 못쓴다는 말이다. 사진은 아이폰XS 배터리. /사진=아이픽스잇
지난 11년간 스마트폰의 성능은 꾸준히 개선됐다. 640×480(SD) 수준이던 디스플레이 해상도는 1920×1080(FHD)를 넘어 3840×2160(4K UHD)에 다다랐고 카메라는 300만화소 단일 카메라에서 최대 1억800만화소를 포함한 4개의 후면 카메라가 탑재되는 경지에 도달했다. 영상을 시청하기조차 어렵던 통신환경도 5세대 이동통신(5G)망이 구축 중이다. 

스마트폰은 사치와 부의 상징에서 전세계인의 ‘필수재’가 됐다. 2010년 3월 200만명에도 미치지 못하던 국내 스마트폰가입자는 6635만5800명(2018년 기준. 통계청 발표)으로 10년도 채 지나지 않아 30배 넘게 폭증했다.

스마트폰을 사용하는 사람부터 환경까지 모든 것이 변했지만 단 하나 바뀌지 않은 것이 있다. 바로 ‘배터리’다. 스마트폰 배터리는 이전 ‘피처폰’(초기 이동전화)의 형태와 비교해도 크게 바뀌지 않았다. 배터리 용량은 늘었지만 구성품부터 쓰임새, 내구성까지 변화라고는 찾아보기 어렵다.



개선된 배터리 원하는데… 부진한 개발


2017년부터 2020년까지 출시된 주요 제조사의 스마트폰의 배터리는 얼마나 발전했을까.

이 기간 삼성전자는 4개의 시리즈(갤럭시S8, 갤럭시S9, 갤럭시S10, 갤럭시S20)를 출시했으며 애플은 3개의 시리즈(아이폰X, 아이폰XS, 아이폰11 프로)를 선보였다. LG전자도 총 4개의 제품(G6, G7, G8, LG 벨벳)을 라인업에 추가하며 시장을 공략했다.

제조사별 배터리 성능 향상 수준은 삼성전자가 갤럭시S8 출시 당시 3000mAh(밀리암페어시)의 배터리를 탑재했으나 올해 3월 선보인 갤럭시S20에서 용량을 4000mAh로 33% 끌어올렸다. 애플은 아이폰X(텐)에서 2716mAh의 배터리를 탑재했으나 지난해 말 아이폰11 프로에서 3046mAh 용량의 배터리를 탑재하며 성능을 12.2% 개선했다. LG전자는 2017년 G6에서 3300mAh배터리를 탑재해 당시 가장 많은 배터리 용량을 기록했으며 5월15일 정식출시한 ‘LG 벨벳’에서 4300mAh의 배터리용량으로 30.3%의 증가율을 기록했다.

하지만 이 과정에서 획기적인 기술발전은 없었다. 무선충전, 고속충전 등의 기능이 도입되고 간혹 리튬폴리머 배터리가 탑재되는 변화는 있었지만 휴대폰 배터리의 패러다임 자체를 바꾸지는 못했다.

통상 스마트폰엔 ‘리튬이온 배터리’가 탑재된다. 1991년 일본 전자기업 소니가 개발한 이후 부피 대비 높은 에너지 효율을 보이며 스마트폰, 전기차, 디지털카메라 등에 사용되며 큰 인기를 누렸다.

하지만 29년이 지난 현재 리튬이온 배터리는 개발 한계에 도달했다. 스마트폰에 탑재되는 리튬이온 배터리 수명은 2년을 채 넘기기 어렵고 사용시간도 하루를 넘기지 못하는 수준이다. 글로벌 소재 과학기업 고어가 2019년 8월 진행한 ‘스마트폰 소비자인식조사’에 따르면 응답자의 21%는 ‘스마트폰 배터리 수명이 길어져야 한다’고 답하며 배터리 성능에 가장 큰 불만을 제기했다.

스마트폰에 탑재되는 리튬이온 배터리의 내구성은 통상 1000회 충전 가능한 수준이다. 하루에 한번씩 스마트폰을 충전하면 2년 9개월 27일 밖에 못쓴다는 말이다. 여기에 스마트폰을 자주 사용해 하루에도 수차례 충전을 할 경우 배터리 수명은 더 떨어진다. 이 주기가 공교롭게 2년과 맞아 떨어지기 때문에 통상 스마트폰 배터리의 수명이 2년이라고 여겨지는 셈이다.

스마트폰 제조사 관계자는 “고의로 스마트폰 배터리 수명을 2년으로 맞춘 것이 아니라 현재 배터리 제조기술의 한계”라며 “리튬이온을 대체할 차세대 소재 배터리가 상용화되면 이 문제는 해결되리라 본다”고 말했다.

그는 이어 “현재 스마트폰 배터리는 전기차, 에너지저장장치(ESS) 등에 밀려 개발 순위가 뒤로 밀린 형국이지만 새로운 소재에 대한 연구는 계속 진행 중이다. 현재는 그래핀을 비롯한 나노소재를 이용한 연구가 진행 중”이라고 말했다.



내 폰 배터리 오래 쓰려면


갤럭시S10 배터리. /사진=아이픽스잇
리튬이온 배터리는 크게 ▲양극재 ▲음극재 ▲전해질 ▲분리막 등으로 구성된다. 이 전지의 작동원리를 간단하게 설명하면 전자가 양극과 음극을 오가면서 충방전이 이뤄진다. 전자가 음극에서 양극으로 이동하면 에너지를 만들어 내며 방전되고 반대로 전자가 양극에서 음극으로 이동하면 충전이 되는 구조다. 양극과 음극 사이에는 젤 또는 기름과 같은 액체 형태의 전해질이 차 있고 이를 구분하는 분리막이 위치하는데 분리막이 외부 충격 등으로 파손돼 양극과 음극이 직접 만나면 폭발할 가능성이 있다.

리튬이온 전지를 오래 사용하기 위해서는 전해질을 잘 관리 해야 한다. 전해질은 액체형태기 때문에 외부 온도 변화에 민감하게 반응한다. 추운 겨울철 갑자기 휴대폰이 방전되거나 여름철 휴대폰 배터리가 빠르게 소모되는 것은 전해질이 액체로 이뤄졌기 때문이다.

리튬이온 배터리의 적정 사용온도는 10~30°C다. 이 구간을 벗어나면 배터리의 효율이 빠르게 감소한다. 만약 외부 환경이 이 영역 밖에 있는 혹한기나 혹서기에는 가능한 외부에서 휴대폰을 사용하지 않는 것이 좋다.

일각에서는 최근 각광받는 고속충전이 스마트폰 배터리에 큰 무리를 준다고 주장한다. 고속충전은 통상 5~10W(와트) 수준인 스마트폰 충전기의 출력보다 2배 이상 높은 출력을 발휘하는 전용 충전기로 배터리에 전기를 채우는 것을 말한다.
스마트폰 배터리를 고속 충전기에 연결하면 80%까지는 빠르게 충전되지만 이후엔 배터리에 가해지는 스트레스를 줄이기 위해 충전속도가 느려진다. 즉 고속충전은 휴대폰 배터리에 무리를 주지 않는다.

☞ 본 기사는 <머니S> 제646호(2020년 5월26일~6월1일)에 실린 기사입니다.
 

박흥순 soonn@mt.co.kr  | twitter facebook

<머니S> 산업1팀 IT담당 박흥순입니다.

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