갈아 끼우던 시절 '안녕'… 스마트폰 보조배터리, 이제 필요없다?

해마다 늘어나는 용량… 배터리, 안보이는 곳에서 '3배' 세졌다

 
 
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편집자주|전기는 현대문명의 근간이다. 가정집의 다양한 가전제품부터 공장의 복잡한 설비까지 모두 전기로 작동한다. 이런 전자기기가 휴대성을 갖추기 시작하면서 IT를 비롯한 세상의 발전 속도도 빨라져 갔다. 특히 배터리 기술 발전은 빼놓을 수 없는 요인이다. 추억의 이름이 된 워크맨부터 현재 소비자 IT기기를 대표하는 스마트폰에 이르기까지 모두 배터리의 도움을 받았다. 휴대전화가 본격적으로 보급되기 시작한 1990년대 말부터 배터리는 단말기 성능을 좌우하는 주요 지표였다. 사용 패턴에 따라 보조배터리를 여럿 들고 다녀야 했던 시절도 있었다. 모바일 배터리 용량이 상향 평준화된 현재도 배터리의 중요성은 여전하다. 기존 PC의 역할도 흡수하고 있는 스마트폰은 더욱 안정적인 전력 공급을 요구한다. 폴더블·롤러블까지 등장하는 급류 속에서도 배터리 기술은 시나브로 우리의 스마트폰 사용 방식을 바꿔가고 있다.
스마트폰 배터리가 뚜벅뚜벅 성장세를 이어간다. /사진=이미지투데이
스마트폰 배터리가 뚜벅뚜벅 성장세를 이어간다. /사진=이미지투데이



보조배터리 필요없다고?… '내 스마트폰 배터리 용량은'



코로나19 확산으로 오프라인 교류도 멈춰버린 요즘이다. 과거 IT 관련 행사 기념품이나 기업 판촉물 IT제품으로 흔히 USB저장장치와 보조배터리가 널리 이용됐다. 가성비가 뛰어나다는 이유도 있지만 그만큼 널리 쓰였기 때문이다. 그런데 언젠가부터 보조배터리가 조금씩 자취를 감춰갔다. 스마트폰 배터리가 점점 더 오래가면서부터다.

◆스마트폰 배터리 용량, 10년 동안 3배 됐다

스마트폰 배터리가 다 떨어져서 당황했던 경험은 누구나 한 번쯤 갖고 있을 것이다. 스마트폰이 일상과 업무 속에 점점 더 깊숙이 자리하면서 사용 불가능한 상황에서 겪게 되는 곤란도 갈수록 심해진다. 하지만 다행스럽게도 그 빈도가 예전보다 줄어들고 있다. 배터리 용량도 함께 늘어나고 있기 때문이다.

삼성전자 갤럭시S 시리즈 기본형으로 비교해보면 과거 착탈형 일 때 ▲갤럭시S 1500㎃h(밀리암페어·배터리 용량 단위) ▲S2 1650㎃h ▲S3 2100㎃h ▲S4 2600㎃h ▲S5 2800㎃h 를 기록했다. 이후 내장형으로 바뀐 뒤 ▲S6 2550㎃h ▲S7·S8·S9 3000㎃h ▲S10 3400㎃h ▲S20·S21 4000㎃h로 늘어났다.

최근 시리즈 최상위 모델인 갤럭시S20·S21 울트라의 경우 5000㎃h의 배터리 용량을 지원한다. 2010년 갤럭시S가 처음 나온 뒤로 10년 동안 배터리 용량이 233% 증가했다. 수십배 빨라진 통신속도의 진화에는 비할 수 없겠지만 충분히 괄목할 만한 발전이다.

삼성SDI 관계자는 “배터리는 스마트폰의 심장과 같은 역할을 하며 사용 시간과 직결돼있다. 아무리 좋은 정보를 많이 갖고 있더라도 배터리가 뒷받침되지 않으면 제대로 활용하기 어렵다”며 “스마트폰 배터리에는 얇고 가벼운 디자인과 고에너지 밀도의 기술을 적용해 전체적인 배터리 크기는 유지하면서도 용량은 증가시킬 수 있었다”고 밝혔다.

삼성SDI 파우치 셀 /사진=삼성SDI
삼성SDI 파우치 셀 /사진=삼성SDI

◆배터리 용량 증가 비결은 ‘고밀도’

배터리는 크게 1차전지와 2차전지로 나뉜다. 건전지처럼 방전되면 재사용 불가능한 배터리가 1차전지고 충전해서 다시 쓸 수 있는 배터리가 2차전지다. 2차전지 소재는 1990년대부터 리튬이온 배터리가 주류로 자리 잡고 있다. 다른 소재보다 빨리 충전되고 더 오래가며 무게는 가볍고 출력 밀도는 높다.

리튬이온 배터리를 이루는 4대 구성요소는 ▲양극 ▲음극 ▲전해질 ▲분리막이다. 리튬의 화학적 반응으로 전기를 생산하는 양극은 소재 원가의 35~40%를 차지한다. 양극의 리튬 포함 수준이 배터리 용량과 전압에 직결된다. 음극은 리튬이온을 저장했다가 방출하며 전류를 흐르게 하는 역할로 양극과 함께 배터리 성능을 결정짓는다. 양극으로 이동하면 방전이며 음극으로 이동하면 충전이다.

이 과정에서 이온의 이동을 돕는 매개체가 전해질이다. 최근에는 전해질을 액체에서 젤 형태로 바꿔 추위와 누출 등에 대비하는 리튬이온폴리머 배터리가 보편화됐다. 분리막은 양극과 음극의 접촉을 차단하는 역할로 과거 갤럭시노트7 폭발 이슈의 원인으로 이 부분의 결함이 지목되기도 했다. 전해질과 분리막이 배터리의 안정성을 담당하는 것이다.

스마트폰과 같은 소형 IT기기에는 주로 파우치형 배터리가 쓰인다. 원통형과 각형에 비해 공간활용도가 높고 패키징 효율도 90~95%로 뛰어나기 때문이다. 최근에는 버튼셀과 미니셀 등 다양한 형태의 프리폼 배터리가 무선이어폰이나 스마트워치에 적용되는 등 더욱 소형화되는 추세다.

지난해 LG화학에서 배터리 사업부문이 분사해 신설된 LG에너지솔루션 관계자는 “특허받은 ‘스택&폴딩’ 기술로 모바일기기에 적합한 고밀도 배터리를 구현했다”며 “전극을 쌓아 붙이고 접어서 전지를 만드는 방식으로 전극을 말아서 구현하는 기존과는 다르게 공간 효율이 뛰어나며 장시간 사용해도 구조적 변화가 없다”고 설명했다.

삼성SDI 관계자는 “고에너지밀도를 추구하면서도 얇고 가벼운 디자인을 적용해 소비자가 좀 더 편하게 사용할 수 있도록 하고 있다”면서 “안정성 높은 배터리 설계와 엄격히 관리되는 생산 공정을 통해 품질과 안전이 확보된 제품을 생산하고 있다”고 강조했다.

글로벌 스마트폰 배터리 시장 추이 /자료=스트래티지애널리틱스
글로벌 스마트폰 배터리 시장 추이 /자료=스트래티지애널리틱스

◆세계 스마트폰 안에 K-배터리 있다

시장조사기관 ‘스트래티지애널리틱스’가 지난달 발표한 보고서에 따르면 2020년 3분기 출하된 스마트폰 배터리의 용량은 ▲4000~4500mAh 제품 33.7% ▲4500mAh 이상 제품이 31.5%를 차지한다. 이에 비해 2018년에는 3000~3500mAh 제품이 50.5%였고 4500mAh 이상 제품은 2%에 불과했다. 5G 도입·카메라와 디스플레이 성능 상향·게임 및 OTT(온라인동영상서비스) 이용 확산 등에 발맞춰 스마트폰 대당 배터리 용량이 눈에 띄게 늘고 있는 것으로 풀이된다.

이에 전체 스마트폰 판매량이 둔화되고 있음에도 스마트폰 배터리 시장은 견조한 성장세를 기록하고 있다. 지난해 3분기에는 총 4억860만대를 출하해 21억1490만달러 규모를 형성할 것으로 전망됐다. 전년 동기 대비 8.0%, 직전 분기 대비 26.6% 성장한 수치다.

수익 기준으로 기업별 점유율을 살펴보면 아이폰 배터리 물량에서 큰 비중을 차지하는 것으로 알려진 중국 ATL(CATL)이 41.2%로 가장 앞섰다. 국내 기업인 LG화학(현 LG에너지솔루션)이 27.3%, 삼성SDI가 15.1%로 그 뒤를 이었다. 이외 업체는 5% 이하 수준에 그쳤다.

최근 배터리 산업분야에는 전고체 배터리 바람이 강하게 불고 있다. 전해질을 고체로 바꿀 수 있다면 분리막 없이도 누출이나 고열로 인한 팽창 및 폭발 등의 위험에서 벗어날 수 있다. 더욱이 에너지 밀도도 높으며 충전 시간도 더 짧다. 배터리 산업에 혁신을 몰고 올 기술로 각광받으며 전기차 중심으로 연구가 활발히 이뤄지고 있다. 국내 배터리 기업도 전고체 배터리 기술을 개발하고 있으며 스마트폰 적용도 추진하고 있다. 소비자에게는 배터리 편의성과 안정성을 가져다주고 기업에게는 시장 주도권을 거머쥐게 만들 게임체인저인 것이다.

LG에너지솔루션 관계자는 “전고체 배터리의 경우 현재 전해액을 사용하는 배터리보다 안전성이 뛰어나고 양·음극 이온화 진행 시 더욱 우수한 에너지 전달을 진행할 수 있다”며 “2026~2027년에 사용 가능 여부를 시험하는 단계까지 기술력을 끌어올리고 성공적일 경우 2028~2030년 상용화를 추진할 계획”이라고 말했다.

팽동현 기자 dhp@mt.co.kr

고성능 CPU와 고해상도 디스플레이로 인해 전력사용량이 늘어나자 배터리의 중요도가 커졌다. /사진=이미지투데이
고성능 CPU와 고해상도 디스플레이로 인해 전력사용량이 늘어나자 배터리의 중요도가 커졌다. /사진=이미지투데이



스마트폰 배터리, 어디가 최고… 알고 보니 다 똑같다?



스마트폰의 폼팩터(기기 형태)는 혁신적인 변화를 거듭해왔다. 지난해 삼성전자가 폴더블폰(접었다 펼 수 있는 스마트폰)을 출시하는가 하면 LG전자는 1월11일 온라인으로 열린 세계 최대 규모 정보통신(IT)·가전 전시회 ‘CES 2021’에서 롤러블폰(화면을 돌돌 말고 펼 수 있는 스마트폰) 구동 영상을 공개했다. 스마트폰의 필수 기능은 계속 향상돼 왔지만 이 같은 변화 속에서 주목받지 못한 한가지가 있다. 바로 배터리다. 탈부착형에서 일체형으로 바뀌며 내 스마트폰 내에서 어떻게 생긴지도 모르게 된 배터리의 현주소는 어디일까.

◆출시 초기 대비 4배↑… 똑같은 ‘리튬이온 배터리’ 썼다고?

각 배터리 제조사는 스마트폰 출시 초기부터 배터리 성능을 꾸준히 개선해왔다. 고성능 CPU와 고해상도 디스플레이로 인해 전력사용량이 늘어나자 배터리의 중요도가 커지면서다. 우선 삼성전자가 지난해 3월 출시한 갤럭시 S20의 배터리 용량은 4000㎃h(밀리암페어·배터리 용량 단위)로 전작인 갤럭시 S10(3400㎃h) 보다 약 19% 늘었다. LG전자가 지난해 9월 선보인 LG ‘윙’(WING)은 전작인 ‘벨벳’과 비교해 300㎃h 줄어들었지만 4000㎃h 선을 유지했다.
애플의 경우 배터리 부분에서 국내 제조사와 비교해 고전하는 모습을 보였다. 지난해 10월 출시된 아이폰12 배터리 용량이 겨우 2815㎃h에 그치기 때문. 심지어 이는 전작 대비 295㎃h 줄어든 수치였다. 애플 측은 전력 소모를 최적화해 사용시간은 차이가 없다고 설명했지만 삼성·LG전자 스마트폰의 배터리와 비교해 용량이 크게 떨어지는 모습을 보여왔다.

그럼에도 이들 스마트폰의 배터리 용량은 첫 스마트폰 출시 이후 약 2~4배 증가했다. 출시 초기 스마트폰의 배터리 용량은 겨우 1500㎃h에 불과했다. 주목할 만한 건 세 곳 모두 스마트폰 출시 초기부터 지금까지 ‘리튬이온 배터리’만을 사용해왔다는 것이다. 그렇다면 같은 리튬이온 배터리의 용량이 어떻게 늘어난 것일까.

제조사 측은 그 배경으로 리튬이온 배터리의 에너지 밀도 극대화를 지목했다. LG 에너지솔루션 관계자는 “공간 효율을 높인 당사만의 ‘스택&폴딩’ 기술을 사용해 고밀도 배터리를 구현해 내기 위해 노력했다”고 말했으며 삼성 SDI 관계자 역시 “고에너지 밀도를 추구하면서도 얇고 가벼운 디자인을 적용해 소비자가 더 편하게 사용할 수 있는 배터리를 생산하고 있다”고 설명했다.

커진 배터리 사이즈도 배터리 용량 대폭 향상에 한몫했다. 익명을 요구한 한 제조사 관계자는 “스마트폰 기기와 함께 배터리도 같이 커져 왔다”며 “스마트폰을 설계할 때 배터리 공간을 얼마나 여유 있게 설계하느냐에 따라 배터리 용량도 조금씩 달라진다”고 설명했다. 상대적으로 한 손에 확 들어오는 콤팩트한 기기를 추구하는 아이폰의 배터리 용량이 상대적으로 적은 이유다. 대신 애플의 경우 소프트웨어 성능을 높여 배터리 소모를 최소화하고 있다.

각 배터리 제조사는 스마트폰 출시 초기부터 배터리 성능을 꾸준히 개선해왔다. /그래픽=김민준 기자
각 배터리 제조사는 스마트폰 출시 초기부터 배터리 성능을 꾸준히 개선해왔다. /그래픽=김민준 기자

◆리튬이온 배터리, 2년 지나면 성능 ‘뚝’… 대체 못하나

다만 이 리튬이온 배터리엔 치명적 한계가 있다. 일정 기간이 지나면 배터리 성능이 크게 저하된다는 것이다. 지난해 과학기술정보통신부 발표에 따르면 국내 스마트폰 평균 교체 주기는 2년 9개월에 불과했다. 교체 사유 대부분은 ‘배터리 성능 저하’였다. 실제 한 제조사에 확인할 결과 배터리 사이클(완전충전/완전방전이 1회 이뤄졌을 때를 의미)이 700~800회 수준에 도달하면 배터리의 성능이 떨어졌다. 1일 1사이클 시 최대 2년2개월이 지나면 배터리 성능이 저하되기 시작되는 것이다.

업계에선 이 같은 한계를 인식하고 있으면서도 당장으로선 개선이 어렵다고 말한다. 한 제조사 관계자는 “리튬이온 배터리는 1991년 일본 소니가 개발한 이후 계속 써왔다. 배터리 기술의 경우 다른 영역과 달리 개발에 시간이 걸린다”며 “전고체 배터리를 개발하고 있지만 상용화까지는 시간이 있어 현시점에 리튬이온 배터리를 완벽 대체할 배터리 기술은 없다”고 설명했다.

하지만 이런 리튬이온 배터리도 수명을 늘리는 꿀팁이 있다. 세간의 알려진 꿀팁, 어디까지가 사실일까. 전문가에 물어봤다.

강소현 기자 kang4201@mt.co.kr

스마트폰 배터리를 둘러싼 루머, 진실 혹은 거짓

Q: 스마트폰 오래 쓰려면 ‘완충완방(완전 충전과 완전 방전)’을 피해라 (거짓)
A: 흔히 스마트폰을 오래 쓰는 방법으로 ‘완충완방’을 피할 것을 추천한다. 리튬이온 전지 특성상 완충완방할 때마다 배터리의 수명이 줄어들기 때문이다. 다만 지금은 제조사에서 이 같은 리튬이온 배터리의 단점을 보완할 수 있도록 기본적인 내부 설계가 돼 오래 충천해도 상관없다. 수시로 충전하면 아주 조금은 더 사용할 순 있지만 큰 차이는 없다. 오히려 스마트폰 주의사항에 나와 있듯이 강한 충격 등에 주의하는 게 더 중요하다.

Q. 스마트폰 배터리 게이지 100%는 완충이 아니다 (반반)
A: 과거 스마트폰 배터리 게이지가 100%로 표시됐다고 완충된 것은 아니었다. 스마트폰 배터리 내부 수많은 리튬이온의 전압을 제대로 측정할 수 없었기 때문이다. 이 때문에 완충을 위해서 100%라고 표시돼도 1~2시간 정도는 더 꽂아둬야 했었다. 하지만 지금은 조금 덜 충전됐을 수는 있어도 큰 차이는 없다. 뽑아도 된다.

Q: 추운 곳에서 충전을 피해라 (진실)
A: 사실이다. 온도가 낮을수록 리튬이온의 효율이 낮아져 추운 곳에서는 충분히 충전되지 않는다. 과거 애플 아이폰이 추운 날씨에 자주 방전된 것이 이 때문이다. 자동차도 추운 곳에 오래 두면 방전되는 것과 같다.
 

팽동현, 강소현
팽동현, 강소현 kang4201@mt.co.kr  | twitter facebook

안녕하세요. 머니S 강소현 기자입니다. 이메일로 많은 제보 부탁드립니다.

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