전자 기기의 필수품 건전지에 대하여…
건전지는 우리 생활 속에서 소형 전자 기기에 많이 쓰이는 중요한 동력원으로써 그 수요는 계속 증가하고 있다. 하지만 건전지 종류는 많고 특히 단추 형태의 건전지(Button cell)의 경우는 규격도 나라마다 다르고 그 종류도 많아서 많은 소비자들이 혼동을 하기도 한다. 생활 속에서 우리와 항상 함께 하고 있는 전자기기의 필수품 건전지에 대하여 알아보자
건전지란 무엇인가?
건전지(Dry cell)는 전기 에너지를 저장하고 공급하는 장치로 양극은 망간을 사용하고 음극은 아연을 사용하는 화학 전지다. 일반적으로 기전력 전압은 1.5V이고 전해액의 종류에 따라 크게 망간 전지(zinc-carbon battery)와 알칼리(알칼라인, Alkaline battery} 전지로 구별한다.
망간 전지(zinc-carbon battery)는 양극에 망간, 음극에 아연을 사용하는 전지로 이산화망간과 아연 사이에서 화학 반응이 일어나며 전기 에너지를 생성한다. 알칼리 전지(알카라인 건전지)는 전해질로서 강알칼리(수산화 칼륨)를 사용하고, 이산화망간과 아연을 이용하여 화학 반응이 일어나 전기 에너지를 생성한다.
전지(볼타 전지, 다니엘 전지 등)는 보통 전해액이 있어 이온화 과정의 전자를 이용하는데 전해액은 액체이므로 만일 격벽에 흠이 생기면 전해액이 누수가 되고, 전지의 질량이 증가되는 문제점이 있기 때문에 이 문제점을 해결하기 위해 전해액을 섬유질이나 종이에 흡수시켜 액을 흐르지 않게 만든 것이 건전지다. 이와는 반대로 습전지(젖은 전지)는 거의 대부분의 차량에서 찾을 수 있는 납축전지와 같이 액체 상태의 전해질이 들어 있는 전지를 말한다.
전지의 원리
전지는 산화 반응과 환원 반응을 이용하여 전기에너지를 발생시킨다. 아래의 그림을 보자. 전지는 크게 양극(+), 음극(-), 전해질 이렇게 세 부분으로 되어 있다. 그림은 볼타 전지의 원리를 나타내는데, 황산(H2SO4) 전해질에 아연(Zn)과 구리(Cu)판을 비커에 놓고 전선을 연결한다.
아연은 산화(전자를 잃는 것) 되어 아연 양이온(Zn2+)과 전자(e-)를 내놓고, 묽은 황산은 수소 이온과 황산 이온으로 이온화 되어 강한 산성을 띠며, 아연으로부터 이동한 전자와 묽은 황산에서 만들어진 수소 이온이 금속 구리에서 반응하여 수소를 발생한다. 여기에 전선을 연결하면, 전자가 구리판쪽으로 계속 이동하여 전류가 흐르기 시작한다. 이 원리를 이용하여 만든 것이 건전지이다.
건전지의 내부 구조
건전지의 양극에는 통상 탄소봉이 사용되지만 반응에 관여하는 게 아니고 양극 재료인 망간에서 발생한 전류를 흐르게 하는 도체 역할만 하므로 정확히는 망간-아연 전지. 실제 양극 재료는 가루 형태의 이산화망간. 이산화망간을 쓰는 이유는 전지 방전 시 양극에서 수소가 발생하는 분극현상이 일어나 반응을 방해하는데 이산화망간이 수소를 산화시켜 물로 만들어 제거하는 소극제(감극제) 역할을 한다.
알칼리 전지는 전해질을 염화암모늄 염 대신 강알칼리인 수산화 칼륨을 쓰는 것만 다르고 양극 음극 재료는 이산화망간-아연을 쓰는 건 같으므로 알칼리 전지도 엄밀히는 망간-아연전지의 일종이다.
과거에는 바깥에 음극 재료인 아연 원통이 있고 양극 재료인 이산화망간 분말을 전해액과 혼합해 풀처럼 끈끈하게 해서 원통 안에 채우고 중심에 전도체인 탄소봉을 꽂아 쓰는 식이었다. 하지만 이런 방식은 전지가 소모되면 아연 원통이 부식해서 터져 전해액이 새기도 하고 비싼 재료인 아연이 낭비되어 비경제적이다.
그래서 현대의 건전지는 과거와는 반대로 음극 재료인 아연 분말을 중심에 두고 아래쪽에서 탄소봉을 꽂아 음극에 연결하고 양극재인 이산화망간을 바깥쪽에 원통형으로 배치하고 별도의 철제 금속통으로 감싸 양극 전도체 및 양극 단자 역할을 겸하는 구조로 만든다. 이건 전지를 다 써도 잘 새지 않는다.
건전지의 분류
알카라인 건전지 (Alkaline batteries): 알카라인 건전지는 일반 가정용 전자제품에서 가장 흔히 사용되는 건전지입니다. 주로 AAA, AA, C, D, 9V 등의 다양한 사이즈로 제공되며, 사용 후에는 재충전할 수 없다.
리튬 이온 건전지 (Lithium-ion batteries): 리튬 이온 건전지는 모바일 기기나 노트북과 같은 휴대용 전자제품에서 널리 사용됩니다. 재충전이 가능하며, 높은 에너지 밀도와 경량성이 특징이다.
니켈-수소 건전지 (Nickel-metal hydride batteries, NiMH): 니켈-수소 건전지는 재충전이 가능하며, 주로 디지털 카메라, 휴대용 음악 플레이어 등에 사용됩니다. 리튬 이온 건전지보다는 용량이 작지만, 더 저렴한 가격으로 제공된다.
납-산화망간 건전지 (Lead-acid batteries): 납-산화망간 건전지는 자동차나 오토바이 등의 동력원으로 사용됩니다. 대용량의 전력을 공급할 수 있으며, 주로 시동용 배터리로 알려져 있다.
리튬 폴리머 건전지 (Lithium polymer batteries, Li-Po): 리튬 폴리머 건전지는 얇은 형태로 제작될 수 있어 모바일 기기나 휴대용 전자제품에 적합합니다. 고 에너지 밀도와 높은 방전 효율을 가지고 있으며, 재충전이 가능하다.
아연-탄산 망간 건전지 (Zinc-carbon batteries): 아연-탄산 망간 건전지는 저가로 제공되는 일회용 건전지입니다. 주로 낮은 전력 요구량을 가진 간단한 전자제품에 사용된다.
위에 언급된 건전지 종류 외에도 많은 다른 건전지 종류가 있다.
건전지의 규격에 따른 분류
우리의 주변에서 가장 많이 쓰이는 건전지를 규격에 따라 분류해 보자.
AA 알카라인 건전지
일반적으로 1.2V ~ 9V 의 전압을 내는 건전지다. 다양한 사이즈가 있고 생활에 가장 많이 쓰인다. 충전이 가능한 전지도 있는데 가장 많이 쓰이는 AA(중), AAA(소) 형 건전지들과 동일한 크기를 가지고 있어서 기존의 한 번 쓰고 버리는 건전지를 대체해서 사용할 수도 있다.
충전지의 종류는 전기면도기, 무선전화기 등에 쓰이는 니켈-카드뮴(Ni-Cd) 충전지와 용량이 높아서 더욱 오래 쓸 수 있는 니켈-수소(Ni-MH) 충전지가 있다. AA 건전지의 크기는 약 50.5mm(길이) × 14.5mm(지름)이다.
AAA 알카라인 건전지
AAA 건전지는 표준 사이즈의 건전지로, 일반적으로 저전력 휴대용 전자기기에 사용된다. AAA 건전지는 약 44.5mm(길이) × 10.5mm(지름)의 크기를 가지며, AAA 건전지는 TV 리모컨, MP3 플레이어, 디지털 카메라 등의 작은 전자기기에서 가장 많이 사용된다. 같은 전압이 필요하지만 더 큰 전류를 요구하는 기기는 주로 AA 건전지와 같이 더 큰 사이즈의 건전지를 사용하도록 설계되어 있다.
최신 전자기기의 효율성과 소형화가 증가함에 따라 이전에 AA 건전지를 사용하던 기기들 (리모컨, 무선 컴퓨터 마우스 및 키보드 등)은 AAA 건전지를 사용할 수 있는 모델로 대체되고 있다. 이것 역시 충전이 가능한 전지도 있다.
C 건전지
C 건전지는 중간 배터리 소모를 필요로 하는 장난감, 손전등 및 악기 등과 같은 응용 분야에서 일반적으로 사용되는 표준 사이즈의 건전지이다. C 건전지의 크기는 약 50.5mm(길이) × 26.5mm(지름)이다.
C 건전지의 정격 전압은 1.5V이고, 알카라인 C 건전지의 저장 용량은 최대 8000mAh까지 가능하며, 충전식 니켈 수소 (NiMH) C 건전지는 최대 6000mAh까지 보유할 수 있습니다. 아연-탄소 C 건전지는 일반적으로 최대 3800mAh까지 보유한다. AAA 및 AA 건전지와 비교했을 때, C 건전지의 저장 용량은 상당히 높다.
D 건전지
D 건전지는 대용량의 건전지로 13000mAh의 용량을 가지며 건전지의 크기는 지름이 61.5mm(길이) × 34.5mm(지름)이다. 주로 대형 전자제품, 플래시라이트, 라디오, 휴대용 충전기 등에 사용된다. 정격 전압은 1.5V이고 대용량의 전력을 공급할 수 있어 대형 전자제품에서 자주 사용된다.
동전형 건전지
동전형(버튼형) 건전지는 산화은전지(S), 리튬 코인 전지(C), 알칼리 버튼 전지(L) 등 3가지다. 이것은 전지의 모델 번호로 확인할 수 있다. 동전형 건전지는 주로 시계, 리모컨, 소형 전자기기 등에 사용되는 건전지다.
동전형 건전지는 여러 가지 기호를 사용하는 데 예를 들어 CR2025인 경우 C는 리튬 코인셀의 의미이고 R은 둥근 형태를 의미하며 20은 지름을, 25는 두께를 의미한다. 동전형 건전지의 정격 전압은 약 3V이다.
그 밖에도 모양, 크기, 용량에 따른 많은 종류의 건전지가 있다.
충전지에 관하여…
충전지는 전기 에너지를 저장하고 나중에 사용할 수 있는 장치다. 이러한 배터리는 다양한 종류가 있으며 주로 모바일 기기, 전자제품, 차량 등에서 사용된다.
- 충전지 종류: 충전지는 다양한 종류로 나뉜다. 일반적으로 사용되는 배터리 유형에는 리튬이온(Li-ion), 니켈-카드뮴(Ni-Cd), 니켈-수소(Ni-MH) 등이 있고, 각각의 종류는 고유한 특성과 장단점을 가지고 있다.
- 충전과 방전: 충전지는 전기를 충전하여 에너지를 저장하고, 장치에서 전기가 필요한 경우 에너지를 방출한다. 이 과정은 화학 반응을 기반으로 하며, 반복적으로 충전 및 방전이 가능하다.
- 배터리 수명: 충전지는 한정된 수명을 가지며 충전/방전 주기에 따라 점차 성능이 저하될 수 있다. 제조사의 권장 사양에 따라 사용하고 배터리를 최적화하는 것이 중요하다.
충전지는 현대 기술에서 중요한 역할을 하며, 휴대성과 효율성을 향상시키는 데 기여gks다.
건전지 사용 시 주의할 점과 폐기 처리
건전지는 반응성이 큰 알칼리 금속이기 때문에 통째로 삼키면 장기가 심하게 손상되거나 사망할 수 있다. 특히 삼킴 사고는 크기가 작은 단추형 건전지에서 주로 일어난다. 호기심 많은 아기, 어린이들이 잘 모르고 입에 넣었다가 사망하는 사례가 매년 꾸준히 나오고 있다.
일반적으로 건전지는 1.2~1.3V로 전압이 떨어지면 수명이 거의 다 된 것이므로 교체해 주는 것이 좋지만, 교체된 건전지는 무조건 폐기하지 말고 시계나 리모컨 등 낮은 전압으로도 사용 가능한 기기에서 사용할 수도 있다. 또한 다 쓴 건전지는 아무렇게나 버리지 말고 환경 오염을 생각하여 지정된 장소나 방법으로 폐기 해야 한다.