[이은경의 유레카] 전지, 이동과 통신의 핵심 기술

[이은경의 유레카] 전지, 이동과 통신의 핵심 기술

입력 2020-09-21 20:32
수정 2020-09-22 04:07
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이은경 전북대 과학학과 교수
이은경 전북대 과학학과 교수
2000년대 초반에 ‘디지털 유목민’이란 단어가 유행했지만 당시에는 그다지 실감나지 않았다. 유목민으로 살기에는 무선 인터넷 속도가 너무 느렸기 때문이다. 그로부터 20여년이 지난 지금 디지털 유목민은 특별할 것 없는 단어가 됐다. 5G와 와이파이 덕분에 누구나 이동 중 ‘접속’이 자유로워졌기 때문이다.

오히려 지금 디지털 유목민의 발목을 잡는 것은 전지다. 전지 기술은 계속 발전하지만 디지털 기기의 전기 사용량이 더 빨리 늘어나기 때문이다. 그래서 웬만한 사람들은 충전용 전지를 늘 가지고 다닌다. 그렇지 못한 사람들은 콘센트 주변을 맴돌 수밖에 없다.

돌아 보면 전지는 처음부터 과학연구와 산업에서 중요했다. 대표적인 것은 1800년대 초에 등장한 볼타 전지였다. 볼타 전지는 구리판, 아연판, 소금물에 적신 천을 차례로 쌓고 그 양 끝에 전선을 연결한 형태였다. 과학자들은 볼타 전지를 사용해 물을 전기분해하고 나트륨, 칼륨, 칼슘 등의 원소를 분리할 수 있었다.

볼타 전지 이후에는 1836년에 나온 다니엘 전지가 널리 사용됐다. 다니엘 전지는 아연판을 황산아연 용액에, 구리판을 황산구리 용액에 담근 다음 아연판과 구리판을 전극으로 연결하고 두 용액이 아연이온과 황산이온을 교환할 수 있도록 ‘염다리’(salt bridge)를 추가한 구조였다. 볼타 전지보다 출력이 크고 안정적이었기 때문에 다니엘 전지는 산업용으로 적합했다. 특히 1837년에 개발된 전신기에 널리 쓰였다. 전기통신은 ‘19세기의 인터넷’이라고 할 정도로 이전과 차원이 다른 통신을 가능하게 만들었다.
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그러나 전기발전 산업이 정착된 뒤 산업용 전기는 전력망을 통해 공급됐고 전지는 이동 중 전기 사용이 필요할 때 주로 사용됐다. AAA, AA 규격의 건전지를 사람들이 일상에서 가장 많이 사용했던 때는 개인용 전자기기가 나온 뒤였다. 중장년 독자들은 휴대용 카세트 플레이어나 삐삐라고 불렸던 무선호출기 등에 쓸 건전지를 다발로 샀던 기억이 있을 것이다.

건전지 사용이 다시 늘어나자 일회용 건전지 대신 충전해서 계속 쓸 수 있는 충전 전지, 즉 2차 전지에 대한 수요가 커졌다. 2차 전지의 원조는 1859년에 납과 황산납을 황산에 담가 전류를 생성하는 납축전지다. 그로부터 20여년이 지난 1881년에 처음으로 대량생산 가능한 납축전지가 개발됐는데, 이 전지는 용량이 큰 대신 무겁기 때문에 자동차 등에 주로 사용됐다.

개인용 기기에 쓰는 건전지를 대체할 2차 전지로 니켈카드뮴 전지와 리튬이온 전지가 개발됐다. 니켈카드뮴 전지가 먼저 개발됐으나 1970년대에 개발된 리튬이온 전지와 리튬이온 폴리머 전지에 그 자리를 내주었다. 이후 리튬이온 전지의 성능은 계속 높아졌고 개인용 기기 사용 증가와 함께 시장이 커졌다. 그러나 스마트폰을 새것으로 바꾸는 이유 중 전지 성능이 큰 몫을 차지할 정도로 성능 개선에 대한 요구가 높다.

또한 새로 나타나 빠르게 성장 중인 전기자동차 시장은 2차 전지의 새로운, 그리고 가장 큰 수요처가 될 전망이다. 국내 기업들이 선전하고 있는 경쟁력 있고 전망 좋은 분야이기도 하다. 대중들, 특히 미래 과학기술자들인 어린이, 청소년이 2차 전지에 더 많은 관심을 가져 주었으면 좋겠다.
2020-09-22 29면
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