맹그러 (Maker)

쓸만한 설계 툴 을 찾다가 오픈소스 중 좋다고 들 평이 많은 회로/PCB 설계 툴 하나를 발견해서 지금 열공 중 이다.

기존에 많이 알려져 있던 많은 설계 툴이 있지만 호불호가 갈리는 분위기라, 이왕 새로운 툴 사용법을 배워보려는 나같은 초자 에겐 좀 망서려 지는 점이 없지 않다.

구글 사이트에 검색을 해보면 국내 보다는 외국에 많이 알려 져 있고, 수많은 오픈소스 매니아 들이 이미 사용하고 있고, 폭발적으로 사용자 수가 늘어나고 있다는 점이 꽤나 매력적으로 다가온다. 완전무료 이고 편리성도 대기업이 만들고 관리를 한다니~ 그래서 인가 세계 Maker 들에겐 꽤 좋다는 평을 많이 받고있다.

그래서 나도 얼른 다운받고 사용법을 익혀 보려 한다. 그런데 국내 사용자들은 없는 듯 하다. 한글로 친절하게 소개 해 놓은 곳도 없다. 영문 또는 일본어로 된 자료는 많은데, 그래서 유트브 영상을 닥치는 데로 다운받고, 하나씩 따라 해보면서 익혀 본다. 오픈소스 치고는 아주 매력적인 부분이 많은 듯하여 여기에 올려 봅니다.

* 우선 간단하게 한글소개를 올려놓은 곳 URL

=> http://ko.softoware.net/graphic-design-software/download-designspark-pcb-for-windows.html#prettyPhoto

* 만든 회사 홈페이지 & 소개 하는 곳 URL

=> https://www.rs-online.com/designspark/our-software

* 스크린 샷

알티움(Altium) 이라는 툴인데, 아트웍이 완료된 또는 완료 되기 이전 이라도 간단하게 3D 모델링이 가능하고, 다른 기구설계 툴로 설계완료 된 3D 데이타를 바로 불러와 PCB 와 매칭시키는 작업을 간단하게 버튼 몇번의 조작으로 구현하는것을 보고 감탄을 했는데, 이번에 발견한 툴도 그와 비슷한 개념이 도입된 듯 하다. 게다가 무료 이면서~

맨 마지막 스크린 샷에 보는 사진처럼 프로그램을 만든 회사에서는 이 프로그램 말고도 몇 가지 툴을 소개하고 있다.

① Allied Electronics ② RS Components ③ Mechanical 새로운 3D 솔리드 모델링 및 어셈블리 소프트웨어를 완전 무료로 공개한다. 이 소프트웨어는 빠르고, 직관적이며, 개념설계에서 부터 제작까지 제품개발 전 과정에 걸쳐 새로운 가능성을 보여줄 것이라고 한다.

* 로고 스크린샷

* 실행화면 스크린샷

보드 크기, 핀 카운트, 레이어 및 출력 타입에 대한 실질적인 제한 무료, DesignSpark PCB 회로 설계 소프트웨어는 캡처 개략도, PCB 설계, 레이아웃 및 파일 생성 제조에 사용될 수있다. 멀티 페이지 회로도 설계 지원 및 거버 (확장) 파일 출력은 디자이너가 보드를 제조 누가 선택할 수 있습니다. DesignSpark PCB는 이글 CAD 설계 파일, 회로도 및 라이브러리의 가져 오기를 (자세한 내용은이 글 가져 오기 자습서를 참조하십시오)를 지원합니다. 포괄적 인 표준 부품 라이브러리, 개정 복사에 추가 할 수있는 공급이 필요하고 정교한 부품 생성 마법사가 처음부터 또는 표준 기호와 발자국을 개정하여 새로운 부품을 쉽게 설계 할있다. 자재 (BOM을)의 빌 보고서는 또한 언제든지 발생 될 수 있습니다 이들은 적절한 RS 구성 요소 숫자를 주문 제공합니다.

DesignSpark PCB의 인원이 완전히 무료 및 모든 기능을 갖춘 제공됩니다. 이 라이센스에 시간 제한과 삭감 비싼 ​​제품의 버전이나 아니다. (의도적 인 제한은 디자인에 없습니다). 무제한 개략적 보드 크기의 제곱 1m까지 프로젝트 당 시트, 당신은 당신의 창의성 구속없이 흐르는 얻을 수 있도록 층에 아무런 제한이 없습니다. DesignSpark PCB는 회로 기판 건설 프로젝트에 대한 개략적 인 레이아웃하는 회로도에서 프로젝트를 수행하는 데 필요한 모든 파일을 생성 할 수 있습니다. 거버 (Gerbers)는 (확장 RS-274-X), Excellons, BOM을, 구성 요소 목록 및 위치는 기계 CAD 소프트웨어 툴과 인터페이스에 대한 DXF (수출입) 및 IDF와 함께 가능합니다. 당신이 당신의 디자인에서 돈을 버는 전문 디자이너, 전문 전자 교육, 학생 또는 사용하기 쉬운을 추구하는 취미이든, 전문 표준, 무제한 회로도 캡처 및 PCB 레이아웃 도구, 다음 DesignSpark PCB의 당신을위한 권리입니다.

이 릴리스의 새로운 기능입니다 :

스파이스 시뮬레이션 인터페이스. DesignSpark PCB의 소프트웨어는 이제 회로 시뮬레이션을 수행 할 수없는 산업 표준 스파이스 시뮬레이터에 인터페이스 할 수있다. LTSpice, LSSpice, B2Spice 및 TINA : DesignSpark PCB 회로 설계 소프트웨어는 현재 네 개의 시뮬레이터를 지원합니다. 

디자인 계산기 : 
당신은 트랙 또는 디자인에 비아 (인쇄 회로 기판의 도체의 다른 층 사이의 수직 전기 연결)을 선택하고 다음과 같은 기본적인 전기 계산을 수행 할 수 있습니다 ... 
주어진 전류에 필요한 트랙의 1) 폭. 
선택한 트랙의 2) 임피던스. 
3) 최적의 구리 농도가 사용할 수 있습니다. 
트랙 4) 대략 온도 상승. 
주어진 물리적 특성을 통해 5) 저항. 

이러한 유용한 계산기 성공적인 PCB 레이아웃 완료의 판정 프로세스를 지원하기 위해 실제 회로 성능의 근사치를 생성한다. 또한 사용 가능한 표준 공학용 계산기이다. 
그룹화합니다. 이 기능은 하나의 '단위'역할 있도록 회로도에서 여러 항목을 함께 연관 될 수 있습니다. 일단 정의되면, 그룹은 회로의 관련 부분들을 선택하는데 도움이 이용 될 수있다. 간단하게 식별 및 설계의 특정 요소의 처리를 가능하게 PCB에 도식에서 그룹 기능을 수행합니다.

나중엔 각각의 프로그램들의 데이타를 서로 호환도 가능하지 않을까 하는 은근한 바램도 들고, 또 나중엔 유료로 전환되어 아주 비싼 가격의 소프트웨어가 되지 않을까 하는 걱정도 든다. 암튼 현재로써는 아주 맘에 드는 프로그램인거는 확실하다. 좀더 사용법을 익혀보고 좋은 기능이 발견되면 이곳에 또 올려 볼 예정 입니다. 사용법 강좌를 만들까?

--------------------------------------- 끝 -----------------------------------------

원문: http://nwavguy.blogspot.com/2011/02/headphone-impedance-explained.html

서론: 헤드폰 임피던스와 여러 기기들의 헤드폰 구동 원리에 대한 많은 오해들이 존재합니다. 몇가지 오해소지가 있는 내용을 소개 합니다.

#1) 높은 임피던스를 가지는 헤드폰은 구동하기 어렵다. -> NO

기기의 관점에서 보자면, 높은 임피던스는 구동하기 더 용이함. 하지만 어떤 기기들에서는 음량 확보가 어렵다는 점이 문제이기도 함

#2) 임피던스가 낮을수록 더 좋다. -> 그럴수도 아닐수도 있음

높은 임피던스를 가지는 헤드폰들은 몇가지의 장점을 가지고 있으며, 이것은 바로 몇몇 제조사들이 몇가지 다른 임피던스를 가지는 똑같은 종류의 헤드폰을 유통시키는 이유이기도 하다. (ex, Etymotic Research社의 ER-4P나 ER-4S 처럼) 그 이외의 사항은 동일하며, 더 높은 임피던스를 가지는 헤드폰은 대개 더 음질이 좋지만 어떤 기기로는 충분한 음량 확보가 불가능 할 수도 있다.

#3) 헤드폰을 독립적인 헤드폰 앰프로 구동하면 언제나 음질이 좋다. -> NO

$80 이하의 휴대용 헤드폰은 대부분 헤드폰 앰프가 아니라 아이팟같은 통상적인 기기로 구동되도록 설계되어 있다. 따라서 앰프의 사용은 제조사가 의도한 소리와는 상이한 결과를 야기할 수도 있고. 또한 앰프는 그 자체에서 잡음을 느낄만한 수준으로 증폭시킨다던가, 혹은 저음량에서 비균형적인 음을 발생시킨다던가 하는 문제를 발생시킬 수도 있다.

#4) 낮은 임피던스는 높은 임피던스보다 항상 소리가 크다. -> NO

헤드폰의 음량을 결정짓는 가장 큰 요소는, 임피던스가 아니고 헤드폰 자체의 음압 감도(효율)다. 아이팟같은 통상의 기기에서 저 임피던스의 헤드폰보다 더 큰 음량을 낼 수 있는 고 임피던스의 헤드폰들도 많이 존재하며, 출력 고 임피던스의 기기는 저 임피던스의 헤드폰을 충분한 음량으로 구동시킬 수 없는 경우가 발생하기도 한다.

#5) 임피던스와 저항은 같다. (32옴은 언제나 32옴이다) -> NO

직류(DC)에서 측정되고 단 하나의 값만을 가지는 저항과는 달리, 임피던스는 각기 다른 주파수의 교류 측정치이다. 거의 모든 헤드폰은 주파수에 따라 임피던스가 변동하므로, 공칭 임피던스가 32옴 이라 할 지라도, 실제적인 임피던스 값은 넓은 범위에 걸쳐 큰 폭으로 달라지게 됩니다. 또한 통상의 멀티미터는 임피던스가 아닌, 직류 저항값밖에 측정 할 수 없다는 점을 잊어서는 안된다.

#6) 헤드폰 구입시 고려 할 점 -> 임피던스 와 음압 감도

공칭 음압 감도와 임피던스값을 눈여겨 볼 필요가 있다. 음압 감도가 100 dB/mW 혹은 이상, 임피던스가 16 ~ 64옴 사이라면, 앰프나 헤드폰 DAC이 없이도 아이팟이나 PC같은 통상적인 기기에 대개 잘 맞는다. 만일 아주 높은 음량을 필요로 한다면 더 높은 음압 감도나 혹은 더 낮은 임피던스를 가지는 헤드폰을 찾아봐야 한다.

#7) 기기의 출력 임피던스 -> 1~10옴

다른 수치 못지 않게 중요한 지만 유감스럽게도, 이는 스펙이나 사용기에서는 찾아 볼 수 없는 값 니다. 최근에 유통되는 대부분의 휴대용 음향 기기는 1~10옴 사이의 출력 임피던스를 가지고 있으며, 이는 대부분의 헤드폰에서 가청적인 문제를 발생시킬 정도는 아니다. 또한 중저가형 헤드폰 제조사들은 이러한 출력 임피던스값에 잘 정합하도록 제품을 설계한다.

#8) 높은 출력 임피던스는 문제를 야기할 수 있다 -> YES

PC, 노트북, 휴대 전화, 저가의 음향 인터페이스 (Behringer UCA202 와 UCA222 등), 저가의 가정용 오디오 등의 기기들은 10~300옴 사이의 높은 출력 임피던스를 가지고 있다. 출력 임피던스가 높을수록 헤드폰은 기기와 상호 작용하며, 대부분 않좋은 방향으로 소리가 변질 된다. 그리고 높은 출력 임피던스를 가지는 기기는 낮은 임피던스(16~32옴)를 가지는 헤드폰을 충분한 음량으로 구동시키지 못 할 수도 있다.

#9) 구동기기의 규격 -> 낮은 출력임피던스 & 고출력

헤드폰은 사용하실 동일 기기로 구동된 사용기를 찾아보거나, 혹은 새로운 휴대용 음향 기기나 소스를 찾는다면- 낮은 출력 임피던스와 높은 출력을 가진 제품을 찾아보길 권한다. 만일 추가적인 앰프나 DAC를 구입할 생각이 없는 상태에서 고가의 음향 애호가 헤드폰을 구입하려 한다면, 현 환경에서 원활히 구동이 가능한지 사용기들을 읽고 확인 해 보길 바란다.

#10) 기기의 관점 에서 헤드폰 임피던스 -> 높을 수록 좋지만 다 좋은 것은 아니다.

구동하는 기기의 관점에서 보자면 헤드폰의 임피던스가 높을 수록 구동이 용이하다. 이는 높은 임피던스는 소요 전류가 적으므로 구동시키는 기기에 부하를 적게 인가하기 때문이다.

어떤 기기들은 고 임피던스의 헤드폰을 충분한 음량으로 구동하기 이전 부터 최대 출력에 도달하게 될때 까지 왜곡(클리핑) 된다. 이는 특정 기기가 청취자의 만족할 만한 음량을 헤드폰에 확보하지 못 했을 때 발생 된다. 가령 기기가 한계에 도달하기 전에 충분한 음량을 확보할 수 있다면, 고 임피던스의 헤드폰은 좋은 음질에 결과로 나온다.

고 임피던스가 보장하는 '이익'이라는 것은, 기기 출력 임피던스에 적은 영향으로 소리 자체의 원형유지와 동시에, 구동 기기에 적은 부하를 인가하여 기기로부터 발생하는 왜곡 성분의 감쇄로 보면 되겠다.

#11) 임피던스는 가변적이다

거의 모든 수동형 (자체적인 구동 회로가 없는) 헤드폰은 주파수에 따라 가변적인 임피던스를 가진다. 그리고 이는 "반동적(reactive)" 부하, 즉 통상의 음향 신호에 단순한 저항으로서 작용하지 않는 부하라는 뜻이다. 아래 그래프의 황색선은 Ultimate Ears Super.Fi 5 Pro 의 임피던스를 나타낸다:




위 그래프 에서, 1kHz 이상에서는 90옴에 육박하다가도 10kHz 이상에서는 10옴보다 적어지는 임피던스의 변동을 확인하실 수 있다. 이건 아주 큰 폭의 변동이라고 할 수 있고. Super.Fi 5 Pro의 공칭 임피던스값은 21옴인데, 이는 200Hz 이하에서만 적용되는 이야기이다. 상기 측정치는 dScope audio analyzer로 측정되었으며, 꽤 정확한 수치이다.

그리고 백색선은 위상 천이의 규모를 각도로 나타낸다. 단순한 저항은 위상 천이를 가지지 않지만, 헤드폰같은 반동적인 부하는 위상 성분을 내포하고 있고. 위상 천이의 규모가 클 수록 더 반동적이게 되며, 이는 통상의 헤드폰 출력단을 통한 원활한 구동이 점점 어려워짐을 의미한다. (참고: 위상각 읽는 법)

그러면 Super.Fi 가 저질인 것인지? 전혀 그렇지 않다. 아주 소리가 좋다고들 하고. Super.Fi는 자체적인 특성 상, 임피던스와 위상 변동의 규모가 더욱 큰 밸런스드 아마츄어를 채택하고 있다는 점이 특징이다. (참고: 다중 발음체로 인한 크로스오버 회로의 개입 역시 임피던스 변동의 폭을 더욱 심화시킨다) 이 뜻은 구동 기기의 특성에 따라서 Super.Fi의 소리가 다른 헤드폰보다 변화의 폭이 크다는 것을 의미한다.

구동 기기가 달라짐에 따라, 각각의 헤드폰 출력단은 변동의 폭이 큰 임피던스에 서로 다르게 반응한다. 가령 헤드폰 출력단의 출력 임피던스가 높다면, 낮은 임피던스를 가지는 헤드폰에서 소리를 왜곡시키는 선형 왜곡을 발생시키게 된다. 나아가서 출력 전압을 너무 잡아먹은 나머지 충분한 음량을 확보하지 못하게 될 수도 있고. 통상적으로 휴대용 건전지를 채용하는 기기들이나 노트북 컴퓨터는 16 ~ 32옴 사이의 헤드폰을 구동시키도록 설계되어 있지만, 64옴 정도도 큰 문제는 없을 것이다.

그리고 특정 헤드폰의 경우에는 높은 임피던스가 기타 요소를 조절 할 필요성을 제거하여 더 나은 소리를 보장한다고도 할 수 있다. (참고: 정전류 구동) 그러나 이는 헤드폰을 충분한 음량으로 구동할 수 있는 기기를 보유 한 경우에만 한정되고. 자주 언급되는 "낮은 임피던스가 좋다" 같은 간단한 답변은 존재하지 않는다고 여기면 된다.

#12) 독립된 헤드폰 앰프나 DAC는 별 쓸모가 없을지도

대부분 중저가 헤드폰의 음 은 헤드폰 앰프가 아닌, 평범한 출력 임피던스를 가지는 통상의 기기로 구동될 때 가장 좋은 소리가 나도록 설계된다. 만일 이런 헤드폰이 아주 낮은 출력 임피던스를 가지는 독립된 헤드폰 앰프로 구동된다면 제조사에서 의도하지 않은 쪽으로 주파수 특성이 바뀔 수가 있고. 이러한 음향적 변화는 청취자의 기호에 따라 호불호가 크게 갈리게 된다. 그러므로 '헤드폰 앰프는 언제나 최고의 소리를 들려준다'는 주장은 전혀 이치에 맞지 않다고 할 수 있겠다.

어떤 기기들은, 충분한 출력, 낮은 출력 임피던스, 낮은 왜율, 그리고 평탄한 주파수 특성 등을 가지는, 그러니까 이미 잘 설계된 헤드폰 출력단을 가지고 있기도 하다. 이러한 기기에 헤드폰 앰프를 부가적으로 물린다는 것은 돈낭비이자 일을 괜히 복잡하게 만드는 것이라고 보면 된다. 음질을 저하 시킬 수도 있으니 말이다. 헤드폰 앰프는 마법적 알약이 아니다. 분명 헤드폰 앰프는 몇가지 문제를 해결 해 줄 수는 있으나, 새로운 문제를 쉬이 개입시키거나 혹은 아무런 이득이 없을 수도 있다.

#13) 임피던스는 직류 저항과는 아주 다르다

전기 용어 상에서 저항은 "R"로 표기되는 반면, 임피던스는 "Z"로 표기된다. 그리고 통상의 디지털 멀티미터로는 이 둘 중에서 직류 저항, 혹은 "R" 값을 측정할 수 있고. 이 값은 헤드폰같은 반동적 부하가 가지는 교류 임피던스와는 전혀 다른 개념이며, 직류 저항은 거의 언제나 실제적인 교류 임피던스보다 낮고. 어떤 디지털 멀티미터는 직류 전류로 헤드폰을 고장내기도 한다. 그러나 이 불확실한 직류값을 임피던스라고 우기는 것도 엉터리라고 무시 할 수는 없다.

#14) RMAA 예시

아래의 결과는, 출력 임피던스를 무시한 상태의 헤드폰 임피던스 반응성 및 RMAA의 취약점을 보여준다. 일단 전체적인 RMAA 결과를 보자~




HP TouchSmart 310 PC 헤드폰 출력단의 측정값이며, 상대적으로 높은 출력 임피던스(대략 77옴)를 가집니다. 

첫째 열은 15옴의 순수한 저항 부하를 통한 측정값이다. 제법 나쁘지 않다.

두번째 열은 Ultimate Ears Super.Fi 5 Pro를 장착시킨 결과이다. (상기 임피던스 그래프 참조) 엄청난 주파수 응답 특성과 왜율이 아닐 수 없다! 이 결과는 기기 자체의 출력 임피던스와 Super.Fi의 심하게 요동치는 임피던스 특성 간의 상호 작용과 더불어, RMAA 결과 출력의 특성 상 나타나는 문제이기도 하다.

세번째 열은, 소니 MDR-EX76, 그러니까 좀 더 평범한 헤드폰을 장착시킨 결과이 다. EX76을 장착 시켰을 때와 단순 저항을 서로 비교 해 보면:




별로 커다란 편차를 보이지는 않으나, EX76은 분명 기기 쪽의 주파수 특성을 변화시킵니다. 이상적인 헤드폰 출력단 이라면, 이런 일은 일어나지 않지만 소숫점 이하 dB 수준의 변화이므로, 딱히 가청될만한 수준은 아니라고 봐도 무방하겠다.

#15) 귓속의 음압 레벨  특정 음향 주파수에서 고막에 전달되는 음압 레벨은 두가지 요소에 의존 한다:
    1) 해당 주파수에서의 헤드폰 자체 음압 감도 (대개 mW 당 dB SPL로 표기)
    2) 해당 주파수에서 헤드폰에 전달되는 힘의 규모 (대개 mW로 표기)

이상적인 앰프는 0의 출력 임피던스를 가진다. 그리고 이는 부하에 관계 없이 일정한 전압을 출력하며, 그 전압은 전체 가청 주파수 대역에 걸쳐 동일하게 유지된다는 뜻이기도 하다. 대부분의 질 좋은 헤드폰 앰프는 이러한 목표에 최대한 가깝도록 설계되어 있으나, 실제 뽑아낼 수 있는 전압의 규모는 한계가 있다. 예를 들어, 어떤 헤드폰 앰프가 왜곡없이 0.5 Vrms (1.41 Vp-p)의 최대 출력을 가진다고 가정 해 보자. 여기서 여러 임피던스로 전달되는 힘(power)을 계산 할 수 있다.

Power 계산: P = V^2 / Z

따라서 특정 주파수에서 32옴을 가지는 헤드폰의 경우:
( 0.5 V * 0.5 V ) / 32옴 = 7.8 mW

그렇다면 16옴을 가지는 헤드폰의 경우엔 두배의 힘을 가진다고 생각할 수 있다:
( 0.5 V * 0.5 V ) / 16옴 = 15.6 mW

그리고 250옴의 경우라면:
(0.5 V * 0.5 V) / 250옴 = 1 mW

#16) 음압 감도 계산

dB 계산으로 들어가게 되면, 대수값을 다루므로 제법 복잡해진다. 하지만 음량이 3dB 증가하게 되면 힘은 그 두배가 소요된다는 점만 기억해도 좋을 듯 하다. 다시 말해, 헤드폰 음압 감도의 3dB 상승은 소요되는 힘은 그 절반이 된다고 할 수 있겠다.

예제: 각 음압 감도 100 dB/mW 와 103 dB/mW 를 가지는 두개의 헤드폰이 있다. 후자가 좀 더 효율적(참고: 음압 감도가 높음)이므로, 똑같은 음량을 뽑아주려면 전자의 경우는 힘이 두배, 혹은 2 mW 인가되어야 한다.

좀 더 과격한 예제: 음압 감도 100 dB/mW 헤드폰과, 최고급이나 효율이 91 dB/mW 밖에 안되는 헤드폰이 있다고 치면, 동일한 음량을 내려면 후자는 16배의 힘이 더 필요하게 된다.(믿거나 말거나~)

헤드폰 임피던스에 인가되는 힘과 음압 감도를 알면, 아래의 공식으로 dB SPL 출력을 알아낼 수 있습니다: 감도 + ( 10 * ( log ( P ) ) )

32옴 예제: 32옴 짜리에 103 dB/mW 를 가지는 헤드폰이 이상적인 앰프에 물려지면:
103 dB/mW + ( 10 * ( log ( 7.8 mW ) ) ) = 111.9 dB SPL

250옴 예제: 112 dB 정도라면 대부분의 청취자들에겐 충분한 음량입니다. 그치만 250옴이라면? 1mW 밖에 인가되지 않겠지요.
103 dB/mW + ( 10 * ( log ( 1 mW ) ) ) = 103 dB SPL

음악은 사인파가 아니기 때문에, 최대 103 dB 은 그다지 충분하다고 볼 수 없다.

#17) 최대 dBSPL

음량 조절부를 올리다보면, 어느 순간 헤드폰이 음향 신호를 압축하기 시작한다. 따라서 힘의 3dB 증폭이 3dB 음압 상승을 보장한다고 할 수는 없고. 한 2dB 정도 상승한다. 그리고 얼마 안가서 헤드폰은 한계에 다다르게 되고. 이 압축은 서서히, 혹은 갑작스레 발생 할 수도 있다. 이 한계는 헤드폰에 따라서 다르며, '헤드폰 자체의 최대 출력'을 더욱 복잡하게 만드는 요소이기도 하다.

#18) 실제적인 출력

그렇다면 통상적인, 예를 들면 아이팟 같은 기기는 얼마만큼의 전압 (그리고 힘) 을 뽑을 수 있는 걸까? 아이팟 터치 3세대같은 경우엔, 1% THD 및 클리핑이 나타나기 직전까지 대략 0.5 V를 출력합니다. 그럼 32옴짜리 헤드폰에는:
( 0.5 V * 0.5 V ) / 32옴 = 7.8 mW

독립된 헤드폰 앰프는 대개 1.5 Vrms (16옴에서 140 mW), 혹은 그 이상을 뽑아낼 수 있다. 그리고 이러한 큰 출력은 효율이 떨어지는 높은 임피던스를 가지는 헤드폰을 구동하는데는 필요하지만, 효율이 좋고 임피던스가 낮은 헤드폰에는 너무 과하다고 볼 수 있다.

#19) 출력 임피던스의 역할

상기 계산은 앰프가 '이상적'인 경우, 즉 출력 임피던스를 0로 가정한 결과이다. 그렇다면 만약 출력단의 출력 임피던스가 5~250옴 정도 된다면 어떨까? 출력 전압은 부하 임피던스에 따라 감쇄된다.

직류 저항은 "R"로 표기되는 반면, 교류 임피던스는 대개 "Z"로서 표기됩니다. 둘 다 '옴'을 단위로 씁니다만, AC 임피던스는 복잡하거나 부하의 비선형적인 부분을 표현하는 복소수 성분을 포함한다. 이를 구하려면 아래의 공식을 사용하거나 이쪽의 온라인 계산기를 이용하는 방법이 있다.
Z = ( Rload * ( Vnoload - Vload ) ) / Vload

아이팟 터치 3세대의 출력단은 4.1옴 정도의 제법 낮은 출력 임피던스를 가지고 있습니다. 여기에 1 kHz 에서 16옴을 가지는 헤드폰을 연결하면 출력은 0.398 V가 된다. 

이상적인 앰프라면:
( 0.5 V * 0.5 V ) / 16옴 = 15.6 mW

아이팟의 경우:
( 0.398 V * 0.398 V ) / 16 = 9.9 mW 즉 이상적인 앰프의 그것보다 37% 적은 출력을 뽑아낸다.

#20) 아이팟의 주파수 편차

그렇다면 상기 RMAA 측정치에 나타난 Super.Fi 는 어떻게 된 것일까?
Super.Fi 의 최저 임피던스값인 9옴에서의 인가 전압: 0.344 V
Super.Fi 의 최대 임피던스값인 85옴에서의 인가 전압: 0.477 V

힘 대 전압의 비율이라면, dB SPL을 구하는 공식은 20 * log ( 비율 ) 이므로:
20 * log ( 0.477 V / 0.344 V ) = 2.8 dB 의 차이

따라서 출력 임피던스가 0인 이상적인 앰프와 비교해서, 아이팟은 2.8 dB (혹은 +/- 1.4 dB) 의 주파수 응답 "오류" (혹은 편차) 를 발생시키게 된다. 큰 오류라고까지 할 만한 정도는 아니지만, 이 정도라면 가청이 될 수도 있고. 통상의 다이나믹 헤드폰의 경우엔 이 편차는 훨씬 적어진다.

#21) 스테레오 리시버의 주파수 편차

대개 (낡고 저렴한) 스테레오 리시버, 휴대용 제품, 혹은 라디오 등에서 보면, 헤드폰 출력단을 싸고 간편하게 구성하기 위해 스피커 출력단에 저항 대충 하나 박고 끝내는 경우가 흔합니다. 헤드폰을 날릴 수는 없으므로 대개 250옴, 혹은 그 이상을 채용한다. 그러면 여기에 Super.Fi 를 연결 해 본다:

9옴의 경우: 0.017 V
85옴의 경우: 0.127 V
20 * log ( 0.127 V / 0.017 V ) = 17.5 dB ( or +/- 8.7 dB ) !!!!

이는 아주 큰 편차 (혹은 오류) 이며, Super.Fi의 소리는 설계된 대로와는 영 딴판이라고 할 수 있겠고. 이런 경우엔, 독립된 헤드폰 앰프가 큰 가청적 차이를 만들어 낼 수 있다. 통상의 헤드폰의 경우엔? 대부분의 중저가 이어폰이나 삽입형 헤드폰은 16옴의 공칭 임피던스를 가지며, 그 변화의 폭도 대개 1~2옴 이하다. 아래는 소니 MDR-EX51 이다:




EX51의 임피던스는 전 주파수 대역에 걸쳐 17~18옴 사이이며, 아이팟과 이상적인 앰프 간의 주파수 편차를 비교 해 봐도 거의 차이가 없다. 실제로, 블라인드 실험을 하여도 아무도 차이를 들을 수 없으리라고 장담할 수 있다.

대부분의 휴대용 헤드폰은 16옴 ~ 32옴 정도이므로, 대부분의 기기에 잘 정합 할 것이다. 하지만 최고급, 혹은 전문가용 헤드폰의 경우엔 임피던스가 600옴까지 가기도 하고 몇몇 헤드폰들은 정말 효율이 극히 떨어진다. 이런 경우라면 헤드폰 앰프 없이 휴대용 기기로 제대로 구동한다는 것은 불가능에 가깝다. 하지만 대부분의 효율이 높은 제품들은 심지어 아이팟으로도 충분히 구동 가능할 것이다. 귓청이 터져나가는 음량을 원하지 않는다면~

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사운드 카드를 이용한 오실로스코프 꽤 괜찮은 아이디어로 오래 전 부터 오픈소스로 돌아다니는 아이디어~

포털 검색해 보면 다들 동일한 원작자 URL 링크 https://www.zeitnitz.eu/scope_en 나도 따라서 링크

모양도 이쁘고 단순하고 좋은데, 구형파 또는 사이파 외 일정시간 유지되는 전압은 구조상 측정이 안되는 단점.

그리고 핵심은 프로브 제작이 중요 함. 앱스토어에 이미 스마트 오실로 스코프 앱이 이미 많이도 올라와 있다.

여러개 앱 내려 받아서 설치하고 하나씩 만져봤다. 그냥 프로브 만 만든다. 그것도 위에 회로 그대로 만들지 않아도 된다. 그냥 되는지 궁금증 해소만 하는 차원에서 망가져서 버려지는 프로브 하나 득템, AUX 케이블 잘라서 하나 만들어 봤다.

결론 : 위에 링크 걸린 사이트에 소스로 다시 한번 도전 해봐야 제대로 될 듯 함~

재능기부 : (아이디어 : jhLee), (사진촬영 : MK), (기획 : SJ), (제작&글쓰기 : 떼기)

* 목차 *

태양 전지

기존의 에너지원이 머지 않아 고갈될지 모른다는 불안은, 인류에 있어서 식량문제와 똑같이 중요하고 또한 심각한 문제이다. 이 문제의 해결책으로서 주지하는 바와 같이 핵 에너지의 유효 활용이 검토되어 실용화되고 있으나, 그 안전성이 문제시 되어있다. 또 석유의 고갈이나 국제적인 지구 환경 문제가 클로즈업 되어있다. 그 중에서도 지구 온난화의 문제는, 석유등의 화석 연료의 소비에 의한 탄산 가스의 배출이 주된 원인이라고 말하고 있다. 이와 같은 배경에서, 지금 이상으로 자연 에너지의 유효 활용에 대한 기대가 증대되고 있다.

이런 가운데서, 아직 코스트상의 큰 과제가 남아 있다고는 하지만, 자연 에너지의 유효 활용 수단으로서 태양의 에너지를 직접 전기로 변환하는 태양 전지가 크게 주목되고 있다.

근래, 태양 전지의 실용화를 몇 개의 단계를 밟아 달성하려고 하는 생각이 정착되고 있다. 이것은 태양 전지의 최대 과제인 저 코스트화를 실현하기 위해서는 수요의 확대가 불가결하다는 생각에 의한 것이다. 탁상용 전자 계산기 및 그 밖의 민생용 기기에의 응용은 바로 그 좋은 예라 할 수 있다. 태양 전지는 우리 주변의 민생용 기기의 전원에서, 장래의 대체 에너지 공급원으로 크게 성장할 것임에 틀림없다.

단추형 공기 전지의 구조와 재질

양극부에는 공기극, 발수막 및 확신지등이 위치한다. 이들이 차지하는 체적은 다른 단추형 전지의 양극과 비교해서 작아 음극의 아연을 대량으로 충전할 수 있으므로 같은 체적으로 대용량이 되는 것이다. 공기중의 산소는 양극 케이스 바닥의 공기구멍으로부터 전지안으로 들어오게 하는 확산지 및 발수막을 통하여 공기극에 공급된다. 공기극에서는 기,액,고의 3가지 상계면을 형성하여 기전 반응이 일어난다. 여기에서 확산지는 공기극 전면에 산소를 공급하고 발수막은 공기극에서 전해액이 유출되는 것을 방지하고 있다. 발수막에는 다공성의 풀루오르 수지 필림을 사용하고 있다. 또 양극 케이스 저부의 공기 구멍을 봉하는 실 지를 접착하여 보존중의 전지 성능의 저하를 방지하고 있다.

한편 세퍼레이터와 전해액 및 음극 활물질인 아연은 종래의 알칼리 전지와 같다. 공기극은 촉매층과 촉매층에 압착된 발수막으로 되어있다. 망간 산화물, 활성탄과 결착제를 혼합하여 집전체를 겸한 금속 스크린에 충전하여 촉매층으로 하고 있다. 활성탄 종류, 망간 산화물의 종류, 이들의 혼합 비율에 대해서 많은 검토를 하였다.

단추형 공기전지

1839년 그로브가 2장의 백금 전극을 묽은 황산에 담그고, 각 전극에 산소 및 수소가스를 접촉시키면, 양 전극간에 전류가 흐르는 것을 발견하였다. 이 발견은 오늘날의 공기 전지에 사용되는 공기극의 시작이며 대단히 의미가 깊다. 이미 19세기말부터 20세기초에 걸쳐, 거치형 공기 전지가 개발되어 항로 표지용 전원이나 각종 통신 기기에 사용되어 왔다. 그후 소형 포터블 기기에 사용 가능한 단추형 공기 전지가 세상에 나온 것은 1980년 전후이며 단추형 공기 전지는 비교적 새로운 전지이다. 당초에 단추형 공기 전지는 동일한 사이즈의 수은 전지와 비교해서 전기 용량으로 2배, 전지 중량으로는 약 40% 가볍고, 수은 함유량도 약 1/50로 아주 적다는 등 많은 특징을 가지고 있으므로 보청기용으로 개발되었다. 1986년부터 보청기용을 생산, 판매하고 최근에는 장기 방전특성의 향상 및 대용량 사이즈 개발로 페이저, 의료기용에도 사용되기 시작하고 있다.

수은전지의 용도

수은 전지는 방전 전압의 평탄성이 특히 뛰어난 특징을 살려, 측정 기기의 기준전원이나 카메라의 노출계용 전원으로서 쓰여왔다. 또 소형이면서 대용량이기 때문에 소형 라디오, 무선 마이크 등에도 쓰이나, 그 중에서도 소형 보청기의 전원으로서 중요한 역할을 해왔다.

그러나 환경에 대한 문제와 자원의 유효 활용면에서 사용랴의 약 80%인 보청기용은 전기 용량이 보다 큰, 공기 전지로 대체가 진행되고, 카메라용도 산화은전지나 리큠전지가 그 주류가 되었다.

수은전지의 전지반응

수은전지의 반응식은 아래와 같다.

음극에서의 반응은 Zn + 2OH : ZnO + H2O + 2e-,

양극에서의 반응은 HgO + H2O + 2e- : Hg + 2OH-

전반응식은 Zn + HgO : ZnO + Hg

식에서 분명한 바와 같이, 방전 반응으로 전해액이 소비되지 않기 때문에 전지 내부의 전해액량을 적게 하고, 활물질을 많이 충전할 수가 있다.

수은전지의 재료와 구조

수은전지의 양극합제는 1.35V와 1.4V의 2조류의 조성으로 크게나누어진다. NR 타입의 양극은 산화 제2수은과 흑연에 다시 이산화망간을 가한것이다. 전해법에 의한 산화수은의 겉보기 밀도는, 지금까지 사용해 왔던 건식법 산화수은과 비교해서 약 1.7배인 5.0~5.5g/cm3 이기 때문에, 전지 용적중의 양극 합제의 충전량을 증대시킬 수가 있고 전기용량도 증대한다.

음극 아연은 기상 아토마이즈법으로 제조한 아연 입(입도 100~300um) 을 수은으로 아말감하고 또 CMC를 1~2% 첨가하여 겔상으로 사용한다. 또 아말감화 한, 아연입을 가압하여 다공체의 원통상으로 성형하여 사용하는 경우도 있다. 세퍼레이터는 함액성이 뛰어난 비닐론이나 알파화 펄프를 원료로 하였다.

내 알칼리성의 부직포와 방전시에 발생되는 미립 수은의 투과 방지를 목적으로 한 재료가 사용된다. 전해액은 산화 아연을 포화 가까이 용해한 수산화 칼륨 수용액 (농도 35~40%) 또는 수산화 나트륨 수용액 (농도 30~35%) 이다. 상기 재료는 용도 또는 구조에 따라 재질, 가공 방법이 결정된다.

수은전지

수은전지는 산화 수은을 양극 활물질로 하고, 수산화 칼륨 또는 수산화 나트륨 수용액을 전해액으로 하며, 아연을 음극 활 물질로 사용하고 있다. 1942년 미국의 루벤에 의해 발명되었고, 미국의 PR 말로리 사에 의해서 생산이 시작되었다. 1965년 내쇼날 말로리 전지 (후에 마쓰시다 마이크로 전지로 개칭) 를 설립하여 생산을 본격화하였다. 또 1980년에 전해 산화법에 의한 고밀도 산화수은이 개발되어 수은 전지의 고성능화가 한층 진전되었다. 아연을 음극으로 하는 일차 전지 가운데서도 대단히 높은 에너지 밀도를 가지며, 또 뛰어난 전압 안정성으로 1960~1970년대의 소형 일렉트로닉스 기기의 주요 전원으로서 사용되었다. 그러나 1980년대의 수은의 공해에 대한 이미지 때문에 사용이 억제되었다. 수은 전지의 용도의 80% 이상을 점유한 보청기용 전지의 생산을 1993년 말로 중지하고, 보청기용은 공기 전지로 대체해 갈 것이다. 따라서 1995년말에는 수은 전지의 생산은 전면적으로 중지된다.

산화은 전지의 원리

산화은 전지의 전극 반응은,

양극반응: Ag2O + 2e- : 2Ag + 2OH-

음극반응: Zn + 2OH- : Zn(OH)2 + 2e-

전 반응으로는, Ag2O + Zn + H2O : 2Ag + Zn(OH)2 이 된다.

각각의 표준 전위는

양극 E = 0.345, 음극 E = -1.249V가 된다. 따라서 전지 전압은 1.594V가 된다.

위에서 예를 든 양극 반응은, 산화은 (Ag2O)이 금속 은(Ag) 으로 환원되는 중간 생성물을 갖지 않는 불균일 고상 반응이다. 이것이 방전 전압이 평탄한 이유이다.

산화은 전지의 용도

산화은 전지는 카메라용, 휴대용 전자 계산기의 전원으로서 출발하였다. 그러나 이 분야는 최근의 기기의 회로 기술의 진보에 따라, 다기능화나 저가격화가 이루어져, 리튬 전지나 알칼리 단추형 전지로 대체가 되고 있다. 현재는 시계 바늘이 있는 수정 발진 손목 시계의 전원이 주요한 용도로 되어 있다.

1969년 쿼츠식 손목 시계가 일본에서 개발된 이래, 손목 시계의 주류는 기계식(수동 또는 자동) 에서 수정 발진자와 산화 은 전지와의 조합으로 옮겨져, 1980년 대의 급격한 수요 확대를 거쳐 1990년에는 세계에서 4억개 이상의 산화은 전지를 사용한 손목 시계가 생산되기에 이르렀다.

산화은 전지의 특징은 평탄한 방전 전압과 소형으로 뛰어난 부하 특성을 갖는데 있으며 아날로그 쿼츠 워치의 요구 특성에 매치되는 최적의 전원이다. 현재 전지의 외경이 6.8mm, 두께 2~3mm의 사이즈가 주류이고, 30~40품종의 사이즈가 전개 되어 있다.

산화은전지

산화은 전지는 양극에 산화은, 음극에 아연, 전해액에 수산화 칼륨 또는 수산화 나트륨의 수용액을 사용한 알칼리 전지이다. 산화은 전지의 대부분은 단추형 일차 전지이지만, 일부는 이차 전지도 있다. 또한 양극 재료로 과산화은(AgO)을 사용 한 전지도 일부에서 실용화 되어있다.

알칼리 단추형 전지의 원리

알칼리 단추형 전지의 전극 반응은 알칼리 건전지와 똑같이,

양극반응 2MnO2 + 2H20 + 2e- : 2MnOOH + 2OH-

음극반응 Zn + 2OH- : ZnO + H2O + 2e-

전 반응으로는, 2MnO2 + Zn + H2O : 2MnOOH + ZnO 가 된다.

여기서, 양극의 망간의 4가에서 3가 까지의 반응은 균일 고상반응의 영역이며, 이 때문에 전지의 전압은 방전이 진행됨에 따라 감소한다. 그림 2.9에 양극반응이 불균일 고상반응에서 방전 전압이 평탄하다는 것이 특징인 산화은 전지와 비교한 방전 곡선을 나타내었다. (LR44사이즈 : 외경11.6mm 두께:4mm). 산화은 전지의 특성과 비교하면 성능은 약간 떨어지지만, 가격이 중시되는 용도에는 충분히 대응이 가능하다.

알칼리 단추형 전지

알칼리 단추형 전지는원통형과 같이 양극에 이산화망간,음극에 아연, 전해액에는 수산화 칼륨 등 강알칼리 수용액을 사용한 일차 전지이다. 산화은 전지, 수은 전지와 똑같은 구로조펠릿상 양그과 분말상의 음극이 세로판을 주체로 한 세퍼레이터에 의해 격리되어있다.

미래의 알칼리 건전지

수은 0%화를 실현한 알칼리 건전지는 금후 원재료, 부품, 구조등을 검토하여 보다 고성능화와 전지를 잘못 사용하는 경우에도 누액이 되지 않는 높은 신뢰성을 갖는 전지를 목표로 연구개발을 진행하고 있다. 그렇게 하므로서 수은을 없앤 지구 환경과 사람에 순한 알칼리 건전지의 수요는 더욱더 신장될 것이라고 예상하고 있다.

알칼리 건전지

양극 활물질에 이산화 망간, 음극 활물질에 아연을 사용하는 것은 망간 건지와 똑같으며 전해액에는 수산화 칼륨 수용액을 사용한다. 전해액을 약 산성(망간건전지)에서 이온 전도도가 높은 강알칼리성으로 바꾼다고 하는 발상이, 고성능 전지를 태어나게 한 것이다. 원통형 알칼리 건전지의 구조는 세퍼레이터를 통하여 바깥쪽에 전해 이산화망간과 흑연으로 된 양극 합제, 안쪽에는 겔상 전해액에 아연 분말을 균일하게 분산시킨 겔 음그긍로 되어있어, 망간 건전지에 대하여 인사이드 아우트의 구성으로 되어있다. 세퍼레이터에는 비닐론과 내 알칼리성 섬유의 부직포, 그리고 겔 화제로는 대부분CMC나 폴리아크릴산 나트륨이 쓰이고 있다. 이 전지의 방전 반응은 양극에서는 3가지의 옥시 수산화 망간, 음극에서는 산화 아연이 생성된다.

이전지는 외형상으로 D형에서 N형까지의 원통형과 9V 형으로 분류된다. 망간 건전지와 작동 전압, 전지 사이즈에서 호환성이 있고, 고용량이며 뛰어난 방전성능이 그 특징으로 되어 있어, 고성능 시리즈로서의 자리 매김이 되어 있다. 십수년 전부터 휴대용 계산기나 전자동 카메라에 쓰이기 샂가하여 최근 수 년간에 어린이용 완구의 미니4WD, VTR 카메라, 휴대용 전화기, 액정 TV 등의 정보통신, AV 기기에 쓰여지고 있다. 1993년의 일본의 망간 건전지의 총생산수량은 약 24억개이며, 최근 수 년간 크게 신장되지는 않았으나, 알칼리 건전지는 고율 특성이 좋고, 코스트 퍼포먼스가 뛰어나 생산량은 약 9.4억개로서, 연율 10%씩 증가하고 있다. 원통형 망간 건전지 가운데 알칼리 건전지의 비율(알칼리 전지화율) 은 미국이 약 72%, 유럽이 약 52%강, 일본은 약 29% 달하며, 특히 AA의 알칼리화 율은 높다.

궁극의 성능을 추구한 망간 배터리

망간건전지는 1868년 프랑스의 르클랑셰에 의해서 발명되어 일본에서도 명치시대에 이미 상품화 되었던 역사가 오랜 전지계이고, 현재도 일차 전지 전 생산수량의 약 60%를 점하며, 가장 많이 보급되어 있다. 자원이 풍부하고 값싼 이산화망간을 양극 활물질로 하고 있으므로 비교적 값이 싸며 세계적으로 전지의 치수, 규격이 통일되어 있어 어디서든지 입수할 수 있으며, 오랜 역사속에서 신뢰성을 쌓아온 전지이다.

세계 전체로서는 천연 이산화망간을 사용하는 르클랑셰 타입(염화 암모늄을 주전해질로 하는)이 여전히 주류이지만, 일본 에서는 고품위의 전해 이산화망간을 다량 사용하고 있다. 그러나 고부하, 고용량화용에는 거의가 염화아연을 주전해질로 하고 있다.

이 염화아연형은 특수처리전분을 도포한 크라프트지를 세퍼레이터로 한 페이퍼 라인드 구조를 채용하고, 양극 활물질의 충전량을 높여 고용량화를 기하고 있다. 이전지의 특징은 고부하에서 연속방전 성능이 뛰어나며 전지 밀봉도의 향상으노 내 누액성을 현저히 향상시킨 것으로 보상부 건전지로서 라디오, 카세트, 완구 및 리모콘용 등으로 시판되고 있다.

장래성 풍부한 배터리산업

소형, 경량, 고용량화 전지기술의 진보는 전자기기의 코드리스화를 촉진시키고, 신뢰성의 향상은 정보기기의 백업용도의 전개로 이어져 왔다. 또한 전지는 새로운 에너지원이나 전력저장장치로서, 생활에 없어서는 안돼는 존재가 되어있고, 전지 관련산업은 성숙 기미에 있다고 말하던 것이 해마다 수요가 증대하여 오히려 성장산업으로 변모를 하고 있다.

전지 가운데서도 특히 시장이 급속히 확대되고 있는 것은 밀폐형 니켈카드뮴 축전지나 리튬전지, 알칼리 전지등의 고에너지 밀도형 전지이다. 현재 어떤 형태의 전지든, 에너지 밀도의 향상으로 경량화, 소형화를 달성하려고 하는 개발의 노력이 지속되고있다.

메모리 이펙트

Memory Effect란 충전지중 Ni-Cd 및 Ni-Mh 배터리에 있는 Ni 계열의 특성때문에 배터리가 사용했던 용량만을 기억하여 배터리 수명을 단축시키는 것을 말한다. 특히 자주 충방전하게 되는 가정용 무선전화기의 배터리에 가장 많이 발생한다.

그 이유는 배터리가 100% 용량중에서 10%만 자주 충방전할 경우 배터리가 자기용량을 10% 사용후를 완전방전 상태로 인식하기 때문이며, 이러한 문제를 해결하기 위해서는 가끔 100% 완전 방전을 실시해야 한다.

니켈로 만든 전지에서는 활물질로 사용된 NiOH에서 OH가 떨어졌다 붙었다 하면서 전하를 전달하는 현상이 바로 충전과 방전이라는 전기적 흐름으로 나타납니다.

여기서 shallow charge-discharge를 반복을 하면, 즉 조금 사용하고 다시 충전하고, 조금 쓰고 또 충전하고 하면 NiOH는 고용체를 형성하게 되는데 이 고용체의 형성은 비 가역적인 반응이므로 한번 고용체가 생성이 되면 다시는 되돌아 가지 못하게 되어 남아있는 용량을 사용하지 못하게 됩니다. 이와같이 전지가 마치 사용할수 있는 용량의 한계를 기억하는 것과 같은 이러한 현상을 메모리효과라고 합니다.

따라서 Ni(니켈)을 포함하고 있는 전지는 만충전(100%충전)하였다가 완전히 바닥이 날때까지 사용(단, 전지가 허용하는 방전하한 상태까지만)하는 것을 반복하는 것이 가장 잘 사용하는 방법입니다.

최신기기용 배터리

Ni-Mh와 리튬이온 배터리가 가장 많이 사용되며, Ni-Mh 배터리는 AA size, 리튬이온 배터리는 pack type으로 제조되어 사용기기 구입시에 같이 판매되고 있다.

리튬이온 배터리만 따로 구입하기 어려운 이유는, 배터리가 안정화되지 않아서 보호회로를 기기와 같이 사용될 수 있도록 조되기 때문이며, 안정화되면 표준 type의 배터리가 생산될 것이다.

납축전지 사용시 주의사항

납축전지의 과방전시 배터리 수명이 급격히 단축되는 특성이 있으므로 자주 충전하는 것이 필요하다. 사용후 빠른 시간내에 재충전하고 장시간 보관시 충전후 보관해야 배터리 수명이 단축되지 않는다.

(충전시 주의점)

2차전지 수명을 길게 하기 위해서는 올바른 전류, 전압에서 충전해야 한다. 가장 바람직한 충전조건은 용량의 1/20 이다. 또 가능하면 과충전을 안하는 것도 좋다. 시중에 있는 급속 충전기류는 배터리 수명을 단축시키는 점이 있다.

Ni-Mh 배터리

Li-ion 전지의 전단계로 전압은 1.2V이다. Ni-Cd 보다 2배 이상의 용량을 갖고 있으나 점차적으로 Li-ion 으로 대체되어 그 수요가 줄어들 것으로 예상된다. 현재는 디지탈 카메라, 노트북, 캠코더 등에 많이 사용되고 있다.

1, 2차 전지의 cross 사용

우선 1차전지와 2차전지 간의 전압차를 고려해야 한다. 주로 알카라인이나 망간전지는 1.5V 이고 Ni-Cd 또는 Ni-Mh 는 1.2V 이므로 같은 조건에서 1차전지의 수명이 더 기나 일회용이며 2차전지는 자주 충전을 해야하나 약 500 회의 충전 사용이 가능하므로 사용자가 application 등을 고려 선택해야 한다.

2차전지의 재사용 횟수

대략 500회 정도이며 1일 1회 충방전시 1년 정도 사용한다. 점차적으로 수명이 줄어든다. 1차전지를 충전하여 사용하면 application 고장의 원인이 된다.

납축전지의 이용

납축전지는 자동차용 배터리로 가장 많이 사용되며, 과방전시 배터리 수명이 단축된다, 자동차용 배터리의 경우 재충전이 안되면 배터리를 새로 구입해야하는 경우가 흔히 있다.

리튬이온(Li-ion) 배터리

기존에 충전이 안되는 전지를 1차전지, 충전이 가능한 전지는 2차전지라고 부릅니다. 2차전지에는 흔히들 많이 사용되는 것이 니카드전지입니다. Ni-Cd (니카드=니켈카드뮴), Ni-Mh (니켈메탈하이드라이드)전지등은 공통적으로 니켈이 포함됩니다.

이러한 전지는 메모리 효과를 가집니다. 리튬이온 전지는 리튬산화물질로 + 극을 만들고, 탄소로 - 극을 만든다고 합니다. 휴대폰을 사용하기 시작하면 + 극의 리튬이온이 중간의 물질을 지나서 - 극의 탄소격자속으로 들어 간다고 합니다. 이때, 극판에 손실이 거의 없기 때문에 장수명 특성을 가진다고 합니다.

휴대폰, 캠코더, 노트북, 디지털카메라 등에 널리 사용되는 가장 우수한 성능의 배터리이며 일본산 품질이 가장 우수합니다.

단점은 폭발 위험성이 있어 일반 소비자는 구입하기 어려우며 보호회로가 있는 팩 상태로 유통되는데, 일부 위험성만 개선을 전제로 앞으로 더욱 널리 사용될 것입니다.

Ni-Cd 배터리

가장 널리 사용되는 전지로 주로 소형기기에 사용된다. 전압은 1.2V 이고 단점은 용량이 적다는 것이다. 일본산 품질이 가장 우수하나 가격이 너무 비싸므로 고품질을 제외하고 최근에는 중국(홍콩), 대만 및 동남아산이 널리 사용되고 있다.

리튬폴리머 배터리

리튬폴리머 배터리는 최근 활발히 개발되고 있는 리튬이온 전지를 대신하는 차세대 배터리입니다. 현재 여러 관련 기업들이 연구개발중에 있으며 소수의 기업만이 생산하고 있으며, 다양한 디자인으로 생산가능하다는 이점이 있습니다.

리튬이온전지는 액체로 된 전해액이 들어 있습니다. 문제는 이 전해액은 유기성인데 휘발유보다 더 잘타는 물질입니다. 그래서 폭발의 위험이 있습니다. 리튬폴리머는 바로 이점을 개선한 것입니다. 전해액 대신에 고분자물질로 채워서 안정성(Safety)을 높인 것입니다.

수전지

+극에 염화은과 염화납을, -극에 마그네슘 등을 사용하며 -극 활물질이 물, 해수 등과 반응하는 것을 이용하여 발전하는 전지이다. 건조상태에서는 어떤 화학반응도 일어나지 않으므로 장기간 보존할 수 있다. 사용할 때에는 전해액이 되는 물, 해수 등을 주입하든지 또는 전지를 전해액 속에 담궈 발전한다. 물로 누구든지 평상시 체내에 휴대하고 있는 생리적 전해액으로도 충분히 발전하므로 서바이벌 용도로 이용할 수 있다.

주로 군용이며 해난 구명기기 등 긴급전원 용도에 사용되고 있다.

열전지

+ 극에 크롬산칼슘, - 극에 마그네슘(또는 칼슘), 전해물질로 염화리튬과 염화칼륨의 혼합물을 사용한 전지이다. 전지 내부에 발열제를 장착하고 외부에서 발열제에 점화하면 전해물질이 용해하여 대개 1초 이내의 단시간에 기전력을 일으켜 상당히 큰 에너지를 출력할 수 있다.

온도특성이 우수하여 -50℃에서 +70℃의 온도범위에서 정상적으로 동작하고 저장중에는 발전하지 않기 때문에 자기방전이 전혀 없으며, 오랜 세월 보존해도 열화가 작으며 구조상 진동이나 충격에 강한 것 등 우수한 특성을 가지고 있다. 단, 방전지속시간이 극히 짧고 몇 분 내에 모두 소모되므로 용도는 제한된다. 비상장치, 방재장치의 구동전원, 로켓 전원, 제트기의 긴급탈출장치 전원 등에 사용되고 있다. 무게는 500g 정도이며 단1형 건전지를 덮개 둘레 정도로 크게 한 원통형 열 전지로서 1소자가 20 내지 30V의 높은 기전력을 발생하고 4A의 연속전류를 출력할 수 있다.

미래의 축전지

현재 개발중인 축전지중 비교적 가까운 시기에 실용화가 예상되는 것으로 염소계 축전지, 취소계 축전지, 나트륨유황 축전지 등이 있다. 이들 축전지는 기전력은 2V 정도이지만 모두 에너지 밀도가 상당히 높으며 동일 용적의 납축전지와 비교해 이론상 3~6배라고 한다. 현시점에서는 수명이 짧고 성능이 들쭉날쭉하며 가격이 비싼 것이 제품화의 애로점이지만 머지않아 해결되어 상품화될지도 모른다.

놀랄 만한 것은 금속을 사용하지 않는 전지도 시판되고 있다는 사실이다. 플라스틱 전지로 불리는 이 전지는 케이스는 물론이고 내부의 전극극판까지 전부 플라스틱이다. 플라스틱과 같은 절연물질에 왜 전위차가 생기는지 정말 이상하지만, 특수한 공정을 거쳐 이온을 혼합시킨 것으로서 동이나 은보다도 한층 통전하기 쉬운 플라스틱이 만들어지고 있으므로 화학의 마술은 놀라울 뿐이다.

환경오염과 아이언배터리 개발 필요성

휴대용 전자제품에 사용되는 배터리는 중요한 동력원임에도 불구하고, 폐기시 중금속 오염을 일으키는 점이 문제가 되었다. 그리고, 충전용 배터리가 1차전지보다는 환경오염이 덜하다고는 하지만, 근본적인 문제를 해결하지는 못했다.

배터리 사용이 급증하고 있는 상황에서 환경오염의 심각성을 인식하여 아이언(철)배터리가 개발되었다. 아이언배터리는 전지에 함유된 독금속성을 줄이고 사용기간을 늘려 환경오염을 최소화 시킨다. 기존 알카라인전지에 비하여 에너지 효율도 50% 정도 높고 전기에너지 저장능력이 뛰어나다.

이러한 중금속 오염을 최소화하고 성능면에서도 우수한 아이언배터리가 알카라인전지를 상당부분 대체될 것으로 전망하며, 또한 기술관계자들은 충전지의 대안으로도 적합하다고 한다.

------------------------------------------------③ 끝-That's All-------------------------------------------------

* 목차 *

폴리머 배터리

폴리머 충전용 배터리는 고에너지 산업과 폴리머 기술의 결합물이다. 이 배터리의 모든 구성성분은 고체이다. 다른 모든배터리처럼 부피가 크고 무겁고 금속 전지 housing을 포함해야 하는 액체가 없다. 그 결과 폴리머 배터리는 다른 배터리 들 특히 액체 전해물을 포함하는 사방정계(prismatic) 리튬이온 배터리보다 장점을 갖고 있다. 그 장점들은

*더 얇고 가벼운 무게,

*우수한 안전성과 환경적 특징

*혁명적인 디자인 유연성

이러한 폴리머 기술은 얇고 가벼워 휴대용 전자 제품 디자인에 있어 혁명을 가져올 수 있다.

휴대폰 배터리 충전 완료 후, 충전기에 두어도 좋은가?

삼성 애니콜 SCH-400용 리튬이온전지 가정용 충전기에 중용량배터리를 충전하면서 충전전압과 전류를 모니터한 결과다.

(참고)

일반적인 리튬이온전지의 상식으로는 SCH-400이 two cell방식이기 때문에 최대 충전전압은 4.2x2=8.4V 입니다.

(실험)

약 절반정도 사용한 (이 상태를 50% SOC라고 합니다) 상태의 전지를 충전기에 연결... 이때 전압단자에 voltmeter(소숫점 7자리 짜리)와 병렬연결하고 (+)전압단자는 ampere meter를 경유하여 충전기와 배터리팩이 접속되게 연결하였음.

이때 충전초기(이미 50%정도 충전이 된 상태의 전지지만... 시작을 초기라 표현)에 7.6V가 걸리고 전류는 560mA가 흘렀음. 시간이 지나면서 전압은 서서히 증가하고 전류는 서서히 감소... 어느 순간인지는 보지 못했지만 이미 충전기는 녹색불이 들어 와 있었음.

약 2시간 경과후 전압은 8.28V를 유지하였고 전류는 15mA정도가 흘렀음. 3시간 경과후 전압은 8.19V 전류는 드디어 "0"을 나타내었음. 3시간 이후에는 간헐적으로 8.29V의 전압이 걸리고 이때 전류는 13mA가 흐르는 것이 반복적으로 나타났음. 그러나 이 현상은 대략 수초정도 밖에 되지 않음.

(결과)

충전초기에는 정전류충전에 가까운 충전방식(정확하게 전류를 제어하지는 않았기에)으로 충전을 하고 충전말기에는 정전압을 사용하여 과충전을 방지하고 있음.

충전완료후에는 미리설정된 전압(본 실험의 경우 약 8.18V) 이하로 떨어지면 8.29V 정도의 정전압으로 충전하는 알고리즘을 사용함. 이때 전류는 대략 13mA가 흐름.

(결론)

적어도 삼성전자에서 나오는 (아남정밀제조) 애니콜용 충전기의 경우 충전기에 녹색불이 들어온 상태에서 일주일이든 열흘이든 올려둬도 전혀 문제가 없다는 것을 확인할 수 있었음. 현재 일본과 미국에서 리튬이온전지 충전용 IC가 많이 나오는데 아마도 이중 하나를 사용한 것으로 판단됨. 충전기에 녹색불이 들어오고나서도 한시간 정도는 적으나마 전류가 계속 흐르고 있음. 즉, 녹색불이 막 들어왔을때 충전은 대략 90~95%가 완료된 것으로 판단됨.

(정리)

일반적으로 SONY에 의해 잘 소개 되어 있는 것처럼 충전초기에 정전류충전, 충전말기에 정전압 충전을 하는 것을 알 수 있음. 충전상한 전압은 아마도 8.3V일 것으로 판단됨. 왜냐하면 리튬이온전지의 셀당 충전상 한 전압이 4.2V이며 일부 셀의 경우 오래 사용하기 위해 전지공급자가 4.1V를 충전 상한으로 사용할 것을 제시하기 때문에 그 중간에 해당하는 셀 당 4.15V를 사용하는 것으로 판단됨. 최근 많은 논란이 되고 있는 충전기에 충전이 끝난 전지를 두어도 좋은지 나쁜지... 에 대한 해답은 두어도 좋다임.

리튬이온 배터리의 수명

리튬이온은 장수명을 가질 수 있도록 설계되어 있지만 수명은 기껏해서 수천회 충방전입니다. 그런데 이것도 무엇으로 리튬이온전지를 만들었나에 따라, 아니면 제작업체의 기술력에 따라 달라진다고 합니다. 세계에서 가장 좋다는 일본 소니의 경우 4000회의 충방전에도 원래 용량을 유지한다고 합니다.

첫번째의 경우 전지의 활물질 성분에 따라 달라진다고 하더군요.

[ 활물질 TYPE 1 ]

특징 : 3칸에서 2칸까지는 서서히, 2칸에서 전원OFF까지는 급격한 타입 대강 아시겠죠. 주로 소용량 배터리의 경우입니다.

보통 500회 정도 : 그래서 소용량을 오래 못 씁니다.

[ 활물질 TYPE 2 ]

특징 : 3칸에서 2칸은 빨리, 2칸에서 전원 OFF 까지는 천천히 타입 주로 대용량 배터리입니다.

보통 1000회 : 삼성것은 보니 대용량은 원통형이 많습니다. 원통형은 같은 용량일때 각형보다 가볍습니다.

전기 자동차용 니켈,수소 축전지의 미래전망

먼저,대형 전지화의 과제인데, 충전시에는 소형 전지보다, 전지 내부의 온도가 더 상승한다. 따라서, 소형 전지 이상으로 고온 분위기하에서 니켈 양극의 충전 효율을 향상시킬 필요가 있다. 대형 전극의 임피더스의 저감과 리드, 극주, 코넥터의 저항치의 저감도 중요한 과제가 된다.

다음은 팩 전지화에 따른 신뢰성의 확보이다.

신뢰성이 요구되는EV용 전원으로서는 큰 문제가 된다. 따라서, 팩 전지의 방열 기술을 확립하여, 각 셀의 온도를 균일하게 유지하는 것이 매우 중요하다.

전지의 수명과 안전성을 확보하는 일이 또한 중요한 기술의 하나이다. 그 때문에, 만 충전 상태를 정확히 캐치하여, 보 충전을 적절히 하는 충전 제어 방식의 확립 및 충전 조작 시에 각 전지의 임피던스나 온도등을 모니터링하여, 적절한 보수를 하도록 하는 총합 기술의 개발이 금후의 중요한 검토 항목이다.

신형 전지로서의 목표

현재, 수소 흡장 합금을 음극에 사용한 니켈, 수소 축전지는 비디오, 컴퓨터, 휴대 전화등의 코드리스 기기에 쓰이는 원통형과 각형의 밀폐식 축전지가 이제 겨우 시장에 나돌기 시작했다.전기 자동차용의 대형 전지에 관해서는 세계 각국의 연구 기관에서 연구 개발이 시작된지 얼마되지 않았다.

이 전지는 알칼리 축전지의 일종으로 일반적으로 특성면에서는 납 축전지보다, 고 성능이고 높은 신뢰성이 기대되나, 니켈 이나 수소 흡장 합금이 납 보다도 고가이기 때문에 코스트는 높아진다.

79~80Wh/kg, 150W/kg가 달성되면, 전기 자동차의 시가지에서의 통상 충분히 대응할 수 있다고 생각된다.

전기 자동차 밀폐형 납 축전지 미래 전망

에너지 밀도와 수명 특성의 양립을 시도하는 요소 기술의 개발이 금후에도 중요하다. 그러기 위해서는 과거의 기술에 매이지 않는 새로운 기술에의 도전이 중요하며, 고 용량, 장 수명등을 달성하고, 또 얼마나 저렴하게 제조하는가가, EV용의 주 전원으로서의 성공의 열쇠이다.

SLI용 납 축전지의 미래 전망

최근의 SLI용 전지의 기술 동향에 대해 유저는 향상 값싸고, 성능 좋고 쓰기 편한것을 찾고 있다. 의미에서는, 여기서 설명한 각종 전지는 어프로치 하는 방법은 달라도 목표로 하는 것은 같을 것이다. 앞으로도 각 전지에 대해서 꾸준한 개량이 이루어지고 또, 더욱 더 특징을 살리면서 전체적으로 성능이 뛰어난것이 되어갈것으로 생각된다.

메인트넌스 프리 전지의 특성

양,음극에 Sb를 함유하지 않으므로 자기 방전이 극히 적다. 15개월 상온 방치한 후에도 보충전하지 않고, 충분히 사용 할 수 있다. 보통SLI용 전지는 레귤레이터에 의한 정전압 충전, 그리고 때때로 발생되는 얕은 방전(방전 심도 약 5%)에서의 충방전 모드에서 사용된다.

이 모드에 가까운 가속 시험 방법으로 수명을 평가하면, 수명 시험중의 전해액의 감소도적다. 이들의 특성은 실제의 차량 시험에서도 실증되어 있다.

자동차 사회에 없어서는 안되는 SLI용 납 축전지

130년 이상의 역사를 갖는 납 축전지는, 특히 경제성과 그밖의 총합적인 성능의 밸런스가 좋고, 취급하기 쉽다는 이유로 수많은 전지계가 개발되어 있는 오늘날도 축전지의 생산고의 약 50%를 점하고 있다.

그 주에서, 약 7할을 점하는 SLI용 전지는 1911년 GM사에서 처음으로 본격적으로 자동차에 탑재한 이래, 모터리제이션의 발전과 함께 생산량을 확대해 왔다. 현재, 자동차의 일레트로닉스화를 받쳐주는 기간부품의 하나이며, 금후 더욱더 그 주요성은 증가될 것으로 생각된다.

태양 전지의 응용 예

옥내용 기기의 전원으로서 태양 전지를 이용하는 경우, 원칙적으로 기기의 소비 전력이 적을 것이 조건이 돤다. 이것은 실내이기 때문에 입사 에너지 밀도가 적다는 것, 기기의 전 표면을 활용한다 해도 태양 전지를 설치하는 면적이 작기 때문 이다. 또, 태양 전지는 입사 에너지가 없으면 전력의 공급 능력이 없으므로, 소비 전류가 수십 uA 이하의 탁상용 전자 계산기와 같은 연속 사용이 아닌 경우에는 태양 전지로 직접 작동이 가능하나, 시계와 같이 연속 사용이 아닌 경우에는 태양전지로 직접 작동이 가능하나, 시계와 같이 소비 전력이 적어도 연속적으로 사용하는 경우나, 라디오등과 같이 소비 전류가 수 mA 이상인 경우에는, 태양 전지에 의한 기기의 직접 구동은 피하고, 이차 전지에 에너지를 축적하여, 이것으로 기기를 동작시키고 있다. 이차 전지로는 밀폐형 니켈, 카드뮴 축전지나 카본, 리튬 이차 전지가 사용되는 일이 많다.

태양 전지로 직접 구동이 가능한 옥내용 기기의 대표적인 예로서는 탁상용 전자 계산기가 있고, 또 이차 전지 내장 기기의 대표적인 예로서는 TV용 리모콘이 있다.

옥외용 기기에의 응용 예로서, 태양 전지의 소형 모듈을 탑재한 자동차용 배터리 충전기와 옥외용 태양 전지시계가 있다. 이미 예전부터 실용화되었던 것으로, 최근에는 이러한 사례외에 자동차용 환풍기, 이동용 변기, 교통 표지, 소화전의 위치 표시등, 둘레석, 자동차 정지표시, 건널목 차단용 경고등, 카드 레일용 시선 유도등 및 자동차용 헤드라이트등의 주 전원으로서 폭 넓게 실용화되고 있다.

결정계 실리콘 태양 전지

단결정 실리콘 태양 전지는, 쵸크랄스키 법에 의해서 단 결정 잉곳(Ingot)을 만들어, 이것을 슬라이스해서 얻은 실리콘 웨이퍼를 기판으로 사용한다. 태양 전지의 제법은 모두 같으며, 웨이퍼의 표면에 불순물을 확산하여 pn접합을 형성한다. 그 뒤에 전극 및 반사 방지막을 형성하여 태양 전지가 돤성된다.

아몰퍼스 실리콘(a-Si) 태양 전지

a- Si 태양 전지는, 투명 전극막이 형성된 유리 기판위에 p형, i형, n형의 a-Si막을 순차적으로 형성하고, 최후에 알루미늄등의 이면 전극을 형성하여 만든다.

a-Si막은 평판형의 전극이 있는 체임버(Chamber)안에서 모노 실란(SiH4)이라고 하는 가스를 넣어, 글로 방전(Glow Discharge)으로 발생되는 플라스마 안에서 SiH4를 분해하여 얻는다. p형 a-Si막은 도핑 가스로서 디-보란(B2H6)을 n형 a-Si는 포스핀(PH2)을 첨가하여 형성한다.

니켈수소 축전지의 미래 전망

니켈수소 축전지는 이제 막 세상에 모습을 보인 것으로, 충전 제어도 복잡하고, 또 방전측의 제어에도 주의가 필요하는 등 미완성의 부분이 남아 있는 것이 사실이다. 또 환경 문제에 관해서는 클린(무공해)재료를 사용하고 있으나, 기본적으로는 사용한 전지를 회수하여 재이용 하는 것이 자원의 유효 이용을 포함하여 지구 환경에 대해서는 바람직한 일이다. 밀폐형 니켈 카드뮴 축전지의 경우는 리사이클 기술도 완성되어 부분적으로 전지의 재이용이 시작되고 있다. 이에 대해서 니켈수소 축전지는 사용한 전지를 전지까지 다시 되돌리는 기술은 아직 확립되어 있지 않다. 전지용 수소 흡장 합금은 조성이 복잡하고, 그 조성 비율도 높은 정도가 필요하다. 당연히 불순물이 들어가면 전지 성능에 크게 영향을 준다. 단순한 조성의 카드뮴에 비해서 리싸이클이 곤란한 이유이다. 그러나 반면에 수소 흡장 합금은 카드뮴 활물질과 달리 합금 조성을 변화시키므로서 보다 고용량의 것을 만들 수 있는 가능성이 있는 등 장래성이 큰 재료이다. 금후로도, 보다 고성능화하여 전자기기의 요망에 부응해 갈 필요가 있다. 니켈수소 축전지를 포함한 모든 이차 전지에 있어서 만능의 전지는 없으며 기기측의 요구 성능도 다르다. 앞으로 보다 더 전자기기의 포터믈, 코드리스화가 가속되어 전지의 중요성이 높아질 것으로 생각되며, 각각의 특징을 살려 포터블 기기의 심장으로서 활약해 갈 것이다. 또 오랜 연구가 전지라는 형태로 최초로 열매를 맺은 수소 흡장 합금의 기술이, 이것을 계기로 다른 분야에서도 꽃피어 갈것을 기대한다.

공기 습전지의 미래 전망

공기 습전지는 독특한 뛰어난 특성을 갖고 있음에도 불구하고, 특정의 한정된 분야의 수요밖에 없다. 한편으로 태양 전지와 조합한 이차 전지로 대체하기 위한 움직임도 있어 수요는 감소 추세에 있다.

대 용량의 일차 전지로서 금후 새로운 용도를 개발하고 수요 확대를 위해서는 고율 방전화와 소형,경량화가 필요한 것이다.

연속 1A의 전류가 3배, 5배가 되면, 보다 밝은 광원용의 전원으로서, 또는 지금까지의 용도에 없었던 공작용이나 동력용의 전원으로 쓰일 가능성이 나올법하다.

고율 방전화는 양극의 개량에 달려있고, 표면적을 크게 할 것이 아니라 단위 표면적당 꺼낼 수 있는 전류의 크기를 끌어올릴 필요가 있다.

활성도가 큰, 촉매 첨가형의 박막 양극의 채용은 용이하나 공기중의 탄산 가스나 수분의 약 영향을 피하기는 어렵다. 또 공기 습전지는 크고 무겁기 때문에 경원시되는 면도 있으며, 소형,경량화는 박막 양극 이외에, 전해액 재생제의 반응 효율을 향상시켜 전해액량을 감소하여 달성할 수도 있다. 또 금후의 전개의 다른 하나의 과제로서 지구 환경이라는 입장에서, 수은 0% 사용도 서둘러 반드시 성공 시켜야할 과제이다.

태양 전지의 종류와 특징

태양 전지는 사용하는 반도체의 재료에 따라, 실리콘 태양 전지와 화합물 반도체 태양 전지로 대별된다. 잘 알려진 바와 같이, 실리콘 태양 전지는 결정계와 아몰퍼스계로 나누어진다. 결정계 실리콘 태양 전지는, 높은 변환 효율과 높은 신뢰성을 갖고 있으며, 옥외의 대형 시스템에 사용되는 일이 많다. 단, 주재료인 실리콘 기판이 고가이고, 장래의 대규모의 보급을 위해서는 기판 재료의 저 코스트화가 불가피한 과제이다.

아몰퍼스 실리콘(a-Si) 태양 전지는, 탁상용 전자 계산기등의 소형 민생 기기의 전원에 이용되고 있는 박막 태양 전지이다. 기판으로는 유리등의 저 코스트의 재료를 쓸 수 있어, 장래에 저 코스트화가 기대되는 태양 전지의 하나이나, 현재로서는 변환 효율이 낮은데다가 빛에 의한 열화가 있기 때문에 그 개선이 요구된다.

화합물 반도체 태양전지는, III-V족계에서는 이미 높은 변환 효율을 얻고 있으나, 재료가 실리콘 기판보다 고가이고, 현재로서는 우주용등의 용도에 한정되어 있다. 한편, II-VI족계 및 I-III-VI2족계는 박형화가 용이하고 저 코스트화의 가능성도 높으나, 현재로서는 변환 효율이 낮아 이의 개선이 필요하다. 단, a-Si 태양 전지에 비해서 광 열화가 거의 없어, 장래의 저 코스트화가 기대되는 태양 전지이다.

니켈 카드뮴 축전지의 미래 전망

근년 전지와 환경에 관한 의론이 분분하다. 사용한 망간 전지는 그 속에 첨가물로 들어있는 수은을 없애는 개량을 하여 상품화하였다. 한정된 자원을 유효하게 활용하고, 지구 자원과 지구 환경을 보호한다는 관점에서 보면, 전지의 회수 시스템 과 리사이클 기술을 확립하여 이들의 재료를 재이용하는 것이 가장 바람직하다. 일차 전지의 리사이클 재이용은 사용 재료가 비교적 싸기 때문에 경제성이 없어 곤란하다고 생각하나, 이차 전지의 리사이클 재이용은 재료가 일차 전지보다 고가이기 때문에 가능성이 있다.

그 중에서도 밀폐형 니켈 카드뮴 축전지에 관해서는 리사이클 기술이 확립하여 부분적으로 전지 재료에의 재이용이 되고 있다. 금후에 전지 회수 시스템의 정비를 포함해서, 그 범위를 확대해 가는 움직임이 세계적으로 진행되고 있다. 리사이클이 가능하다고 하는 관점에서 보면 이 전지는 가장 지구에 순한 전지라고 말할 수 있다.

전지의 고성능화를 외치고 있는 가운데 밀폐형 니켈 카드뮴 축전지의 에너지 밀도는 한계에 와있다는 말도 들리나, 이것을 부정하는 의견도 만만치 않아, 앞으로도 고 에너지 밀도화는 계속될 것으로 생각된다. 또 높은 신뢰성, 폭 넓은 성능과 사용하기 쉬운점, 보다 높은 코스트 퍼포먼스 등을 종합적으로 만족하는 축전지로서 보다 넓은 분야에서 활약해 갈 것으로 생각된다.

공기 습전지의 수요

이 전지는 특히 무보수로 장기간 사용할 수 있으므로 산업용 전원으로서 특징 분야에 사용되고 있다. 주 용도로는

해상 관계-----부표(부이), 항로 표지, 등대용 비상 전원

철도 관계-----신호 계통, 궤도 회로용

통신 관계-----공업용 시계, 목축용 전기 철책 등이 있다.

그렇다고 해도, 전 세계의 수요는 그다지 크지않고, 1988년에 약 60억엔 이었다. 미국, 유럽에서 약 90%이상을 점하고 있으며, 점유율 1위는 프랑스의 SAFT사가 약 40%, 마쓰시다는 일본 국내 1위이나 세계 점유율은 약 40%에 지나지 않는다.

소형 밀폐형 납축전지의 미래전망

소형 밀폐형 납축전지 시장을 둘러싼 환경은 최근 크게 변화해 가고 있다. 2Ah 보다도 작은 용량에는 니켈 수소 축전지나, 리튬 이차 전지라고 하는 새로운 전지계가 상품화 되어있다. 그러나 사회가 고도 정보화 되고, 각종 통신수단이 상업화 되어 있으므로 이들의 네트워크의 백업용 전원으로서 이 전지의 수요가 증대되고 있다. 또 기업 활동에 컴퓨터는 불가결하고, 그것도 대형보다 소형쪽으로 시프트하는 경향이 커져, 상용 전원의 정전 및 전압 변동에 의한 데이타 파괴를 방지하기 위한 UPS 에 의한 백업이 필요하여 이 용도의 수요도 증가하고 있다. 또 장기적 일손의 부족과 고령화의 경향으로 공장내의 반송 기기의 구동용 등에도 수요가 증가하고 있다.

소형 밀폐형 납축전지는 비교적 값이 싸고, 큰 방전 용량을 공급할 수 있으므로 이 이점을 살려 비교적 용량이 큰 상품 군에 초점을 맞춘 장수명의 전지를 개발하므로서 시장 수요에 대응할 수 있을 것이라 사료된다.

공기 습전지의 특성 및 특징

(공기 습전지의 특성)

이 전지의 개발 방향은, 전지 본래의 성능을 최고로 함은 당연하고, 취급하기가 용이하고 안전하며, 장기간에 걸친 무보수를 특히 중요시 하고있다.

그래서 아래와 같이 공기 습전지의 특성을 충분히 살릴수 있는 신뢰성 높은 전지라야 한다는 것을 특징으로 하고 있다. 즉

1)-20'C에서도 사용 가능

2)3년간 보존해도 성능이 거이 열화하지 않는다.

3)비교적 대 전류(연속 1A)를 흘릴 수 있다.

4)방전시의 전압이 편탄하고 방전 말기까지 안정 되어있다.

5)주수식이며 밀폐 구조이므로 취급하기 용이하고 안전하다.

(공기 습전지의 특징)

연료전지의 특징

(연료전지의 장점)

1)카르노 사이클의 제약이 없으므로 높은 발전 효율을 얻을 수 있다. 배열을 이용하면 총합 효율은 더욱 높아짐.

2)부하에 대한 추수성이 비교적 좋고, 정격 이하의 추력에서도 효율의 저하가 적고, 부분 부하 특성이 좋다.

3)정격치를 전원의 최대 출력 보다도 저 전류측으로 설정하면 과부하에도 대응할 수가 있다.

4)연소가 적으므로, 질소 산화물등의 공해 가스의 발생이 적고, 회전 부분이 적으므로 소음이 낮다. 따라서 환경 보전성이 뛰어나고, 도시등의 수요선 부근에 설치할 수 있으므로 원격 송전이 불필요하고, 열을 유효하게 이용할 수 있다.

5)적층 구조이므로 단위 전지의 수로, 출력을 자유로 변경시킬 수 있다. 따라서 규격의 통일이 가능하여 양산하기 쉬우며, 프리패브 방식의 생산도 가능하다. 또 봇, 고장시의 교환이 가능하며, 그대로 점검을 위해 공장으로 보내기만하면 된다.

공기 습전지

공기중의 산소를 양극 활물질로 이용하는 전지를 공기 전지라고 하며, 그 가운데서 액상의 전해질을 사용한 것을 공기 습 전지라고 부르고 있다.

공기 습전지는 일차 전지로서 일반적으로 양극에 활성탄, 음극에 아연, 전해액으로 수산화 칼륨이나 수산화 나트륨 또는 염화 암모늄의 수용액이 사용된다.

공기중의 산소를 감극제로 활용하므로 에너지 밀도가 높고 또 용량이 크며 자기 방전이 적기 때문에 무보수로 장기간 사용할 수 있어, 항로 표지나 통신 기기등의 산업용 전원으로 사용되고 있다.

연료전지

연료전지도 일차나 이차전지와 같은 화학전지이다. 두개의 전극과 그 사이에 개재하는 전해질로 구성되어 있다. 음극인 연료극에서 반응물의 산화반응이 일어나 외부 회로에 전자를 공여하고, 양극인 공기극에서는 환원이 일어나서 전자를 받아들인다. 전지 내부에서 생성된 이온은 전하의 캐리어로서 전해액중을 이동한다. 이 반응으로 화학에너지가 전기에너지로 변환된다. 이래서 연료전지는 '반응물이 외부에서 연속적으로 공급되고, 생성물이 연속적으로 제거되는 화학전지'라고도 말한다. 연료는 수소나 일산화탄소, 산화제는 공기가 일반적이므로, 전극으로서는 다공성의 가스확산 전극이 사용된다.

연료전지는 처음에는 비교적 소출력의 직류전원으로서 자리가 메겨졌으나, 그후 사용 전원이나 열병합 발전으로 생각하게되어, 시스템에 화석 연료의 개질장치, 그밖에 교류에의 전력 변환기와 열 회수계를 추가하게 되었다.

태양 전지의 출력 특성

태양 전지의 출력 특성은 전류-전압 곡선(I-V)으로 나타낸다. 태양 전지에 빛을 쪼이면서 부하를 0에서 무한대로 변화시켜 전류와 전압을 측정하면 I-V 곡선이 얻어진다. I-V 커브상에서 전류와 전압의 적이 최대가 되는 점을 최적 동작점이라 하고, 이 점에서의 전류를 최적 동작 전류, 전압을 최적 동작 전압이라고 한다. 따라서 최대 출력은 I와 V의 적이 된다.

일반적으로 실용되고 있는 시스템에서는, 실제의 동작점과 최적 동작점과는 일치하지 않는 경우가 많다. 태양 전지의 변환 효율은, 입사된 광 에너지 가운데서 얼마 만큼 전기 에너지로 변환되었는가를 나타내는 수치이며, 최대 출력과 입사된 에너지의 비로 표시된다. 또한, 표준 입사광으로서는, 태양광에 유사한 방사 스펙트럼으로 100 mW/cm2의 에너지를 갖는 빛이 사용된다. 예를 들면, 1 cm2의 면적의 태양 전지의 출력이 표준 입사광하에서 10 mW이면, 그 변환 효율은 10%가 되는 셈이다.

음극 흡수식 밀폐형 거치 납 축전지의 미래 전망

일레트로닉스의 진보에 따른 전자 기기의 소형화가 추진되어, 설비 전체의 소형, 경량화가 과제가 되고 있다. 밀페형 전지의 채용으로 30%이상 소형화 되었으나, 전자 기기에 비하면 아직도 불충분하다. 또, 한층 더높은 고성능화도 장래의 과제 이다.

축전지만이 아닌, 설비 전체의 메인트넌스 프리화에 대응하기 위한 시스템으로서의 인텔리전트화가 진행되고 있으므로, 이에 대응하기 위한 전원 설비의 모니터링 시스템을 실용화 하고 있다. 이 모니터링 시스템은 정류기 및 축전기의 상태 감시, 고정 개소의 표시, 축전지 단자 전압의 스캐닝에 의한 이상 유무의 판정을 할 수가 있다. 표시 내용은 전화 회선등의 통신망을 사용하면 온라인의 원격 감시도 가능하고, 모니터링 시스템에 내장되어 있는 메모리 카드를 가져 갈 수가 있으므로, 오프라인 처리도 가능하다.

이와 같은 경향은 더욱더 확대되어 가리라 생각되며, 설비의 소형, 경량화, 고성능, 고효율화 및 정보 통신망을 이용한 매인트넌스 프리화를 위한 인텔리전트화가 발전되어 갈 것으로 생각된다.

카본 리튬 이차전지

리튬 이차전지의 연구개발은 1970년대 초부터 시작되었다고 추정되며, 그후 세계각지의 연구기관에서 치열한 개발 경쟁이 벌어져, 리튬 이차 전지의 이름이 붙은 전지를 세계에 앞서 실용화 하였다.

이 전지는 양극에 할성탄, 음극에 리튬을 흡장시킨 Bi계의 가융합금을 사용한 리튬 이차 전지이다. 처음엔 메모리 백업용 전원에 알맞는 것으로 생각하였으나, 신뢰성에 대한 요구가 극히 엄격하여 충방전 사이클 수명외에 장기간에 걸친 과방전과 충전에 견뎌야 하는 것이 절대 조건이었다. 그 때문에 전해액 조성, 양극의 활성탄 조성, 음극의 합금 조성, 또 음양극 밸런스등 모든것을 처음주터 새로 검토하고 기술적인 과제를 모두 극복하여 상품화하였다.

이 전지를 개발한 당시, 여러 분야에서 대단한 관심을 보이고 상당한 각광을 받아, 각종 전자 기기의 메모리 백업용 전원 으로서 널리 쓰여지게 되었다. 이것을 계기로 리튬 이차 전지의 경쟁이 가속되고, 각 연구 기관의 리튬이차전지의 발표의 방아쇠 역할을 하였다.

단, 이 전지는 이와 같은 빛나는 발자취를 갖고 있음에도 불구하고 특성이 콘덴서와 유사하여 전지로서는 용량이 작기 때문에 현재로서는 수요가 감소되는 경향이다.

거치용 납 축전지의 응용

거치용 납 축전지는, 정전시에 확실하게 작동을 해야하며, 정류기는 부하가 필요로 하는 일정 전압으로 조정하여 부하와 축전지에 양질의 전력을 공급한다. 이 부동 충전 방식에서는 부하의 변동 및 정전시, 축전지에서 전력을 무순단으로 공급하여 부하를 보상할수 있다. 정전이 회복된 후에는 부하에 전력을 공급하면서 축전지를 충전하여 다음의 정전드에 대비한다.

거치용 납 축전지는 여러 용도에 사용되는데, 대표적인 예를 아래와 같다.

1)통신용

2)CVCF(UFS)용

3)조작용 ; 전력 회사, 사업소등의 수변전 설비의 조작에 사용하는 것.

4)비상 조영용

5)기타

A.차량용

B.자립 전원(독립 전원) ;상용 전원 이외의 발전 장치와 조합하여 사용하는 것.

태양 전지의 발전 원리

태양 전지는 반도체와 광 기전력 효과를 이용한 것으로, p형 반도체와 n형 도체를 조합하여 만든다. p형 반도체와 n형 반도체가 접한 부분(pn접합부)에 빛이 들어오면, 빛 에너지에 의해서 반도체 내부에서 마이너스의 전하(전자)와 플러스의 전하(정공)가 발생한다. 발생된 전자와 공은 내부의 전계에 의해서 각각 n형 반도체 측와 p형 반도체 측으로 이동하여, 양쪽의 전극부에 모아진다. 이 양 전극을 도선으로 연결하면 전류가 흐르고, 외부로 전력으로 꺼낼 수 있게 되는 것이다.

음극 흡수식밀폐형 거치 납 축전지의 특성

MSN형의 방전 특징은, 종래의 거치 납 축전지 HS,PS, CS형과 동등 이상의 뛰어난 방전 특성을 갖돌록 설계되어 있다. 

MSN형은 고율 방전일수록 특성의 향상은 현저하고 저율 방전에서도 방전중의 전압이 항상 높다는 등, 현재의 주류를 점하는 정전력 부하에 대해서 매우 유효한 특성을 보이고 있다.

충전시 상온에서의 부동 충전 전압은 2.23~2.25V/셀이 적정치이다. MSN형은 격자에 납-칼슘계 합금을 사용하므로서, 자기 방전량 및 그 산포가 극히 감소되었기 때문에, 균등 충전의 필요는 없고 부동 충전만으로 사용할 수 있다.

예를 들면, 10시간율 용량의 100%를 방전한 경우, 충전 초기의 최대 전류 0.1C A, 충전 전압 2.23V/셀의 조건으로 약 24시간 후의 100%의 충전이 가능하다.

보존에 의한 자기 방전은 종래의 축전지의 1/3~1/6로 감소되어 있어, 보존중의 보충전 주기를 약 3배 정도로 늘일 수 있다.

리튬전지

리튬전지의 양극 활물질로서 여러 원소 가운데서도 가장 강하게 전자를 흡수하는 플루오르를 사용하면, 이른바 극한 전지가 된다고 하는 것은 세계적으로 알려져 있었다. 그러나 플르오르는 가스 상으로는 위험하여, 그대로는 다룰 수 없어 실용화는 어렵다고 되어 있었다.

그런데, 1971년에 플르오르화 흑연의 화학물인 '고체상 플르오르화 흑연'이 화학적으로 극히 안정되어 있으면서도, 유기 전해질속에서의 전지 반응이 뛰어나게 활발한 현상이 발견되었다. 종래, 전지 분야에서는 전지 반응이 활발한 것은 화학적으로 불안정하고, 역으로 화학적으로 안정되어 있는 것은 전지 반응이 늦다는 것이 상식이었으나, 이것을 뒤엎는 발견이었다. 

이 때문에 보존 성능은 극히 신뢰성이 높으며, 또 플르오르화 흑연은 플르오르와 흑연이 1:1의 비율로 화합이 된 것으로, 고체 화학물 가운데서는 중량당의 이론 전기 용량이 최대이며, 또 방전 반응에 의해서 플르오르화 흑연이 도전성의 탄소로 변해가기 때문에, 방전시의 전압 저하를 가져오지 않고 평탄한 전압 특성이 얻어진다. 이렇게 해서 100년간의 전지의 역사를 통하여 새로운, 고에너지 전지 '플르오르화 흑연, 리튬전지'가 탄생한 것이다. 

단추형 공기전지의 용도와 제품규격

이 전지의 용도는 처음에는 보청기뿐이었으나, 요즈음은 장기 방전 특성의 개량과 사이즈 개발에 의해서 의료기나 페이저에 사용하게 되었다. 보청기용으로 여러 사이즈와 용량의 전지가 개발되고 거기에 팩 전지까지 확대되었다.

이와 같이 공기 전지는 전기 용량이 매우 크다는 특징이 있는 반면에 장 기간의 방전 또는 개봉후 보존에 약하다는 단점을 가지고 있다. 그러나 이 문제의 해결을 위해서, 근년 각 방면에서 검토되고 있는 산소 선택형 투과막등이 개발되면 더욱 용도의 확대가 기대되는 전지이다.

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* 목차 *

배터리의 종류

배터리는 1차전지와 2차전지(충전용)로 분류된다.

1차전지는 일회용 전지로 망간, 알카라인, 리튬전지 등이 있고 2차전지는 충전하여 재사용 가능한 건전지로서 니켈 카드뮴 (Ni-Cd), 니켈 수소(Ni-Mh), 리튬이온(Li-ion), 납축전지(Lead-Acid) 등이 있다.

배터리 전압

가장 널리 사용되는 2차전지인 Ni-Cd, Ni-Mh 의 경우 (외부환경에 따라 약간의 차이 발생)

완전충전시 최고전압 : 1.45V

완전방전시 전압 : 0.8V

배터리 전압은 내부 화학 재료재에 따라 달라지고, 배터리를 직렬 연결시 전압(V)이 올라가고 병렬 연결시 전류(A)가 커진다.

망간, 알카라인 : 1.5V

Silver Oxide : 1.55V

Zinc Air : 1.4V

Ni-Cd, Ni-Mh : 1.2V

리튬: 3.0V

리튬이온 : 3.6V

배터리 규격

배터리 규격은 전세계 공통된 표준 규격이다. 즉 전자제품 종류별로(카메라 배터리, 계산기용 배터리) 사용되는 배터리의 사양은 동일하고 단지 제조사가 다를 뿐이다.

1차전지에는 원통형, 버튼형, 기타, 2차전지에는 표준형인 원통형, 팩(pack)모양 배터리가 있다.

배터리 개발의 필요성

현재 모든 전자제품 기기는 소형화 경량화 추세이다. 또한, 휴대용전화기, 노트북PC, 캠코더 등 굉장히 많은 휴대용기기가 있다. 따라서 이에 대한 배터리의 수요 또한 놀라울 정도로 증가하고 있다.

일본은 배터리산업에 많은 비중을 두고, 현재 전세계 배터리 시장에서 선두를 달리고 있고, 그 우수성도 널리 알려져 있다.

이러한 배터리 시장에서의 점유율을 높이고 외화획득을 위해서는 기술개발 습득이 중요한 요소이다. 배터리는 연구 개발 이상의 생산기술이 필요한 산업으로 기술우위에 서지 않으면 안된다.

건전지의 전압

건전지의 전압은 제조 후의 시간 경과에 따라 조금씩 저하하며, 방금 새로 만든 전지라도 제조과정에서 그 날 재료약품의 조합 형편에 따라 미묘하게 변화한다. 또 온도의 영향도 받는다. 따라서 전지의 전압은 정확한 표시가 불가능하므로 공칭 값으로 나타내고 있으며 망간건전지의 공칭 전압은 1.5V이다. 공칭은 '대표'의 의미이므로 실제의 전압값은 공칭값과는 조금 다르며 이 값을 중심으로 해서 다소의 증감이 있다.

그러나 실제로는 전지가 아주 새 것일 경우 개로전압(단자개방전압 : 전지의 단자에 아무것도 연결하지 않을 때의 전압)이 공칭 값을 밑도는 것은 거의 없다. 이제 막 구입한 전지가 반드시 새로운 것이라고 한정지을 수는 없지만 신선한 망간건전지의 개로전압은 1.6V 이상(공장에서 갓 나온 전지는 약 1.7V)도 있다. 만약 이 값 이하라면 그 전지는 제조하고 나서 어느 정도 시간이 경과해 조금 신선도가 떨어졌다고 판단해도 좋을 것이다.

건전지의 단자전압은 온도에 따라 변화한다. 온도가 높으면 단자전압은 높아지고 온도가 낮을 때는 단자전압이 낮아진다.

온도에 의한 단자전압의 변화량은 단자 개방시(개로전압)에는 근소하지만 부하시의 전압(폐로전압)에서는 출력전류가 큰 만큼 커지는 성질이 있다. 이상에서 건전지 단자전압의 온도 의존성은 기전력 그 자체보다는 내부저항의 변화 쪽이 보다 크게 관계함을 알 수 있다. 그것은 온도저하에 의한 화학반응의 불활발화가 내부저항 증가의 원인이기 때문이다.

건전지의 용량

건전지로부터 에너지를 출력하면 출력한 만큼 전지가 원래 가지고 있던 에너지량은 줄어드는 것이 당연하다.그 전지에서 어느 정도의 에너지를 출력시키는가는 출력할 수 있는 전류와 시간을 곱한 값으로 나타내며 이것을 그 전지의 방전용량 또는 단순히 용량이라 말한다.

용량 = 끄집어내는 전류 (A) x 끄집어내는 시간(h)

단위는 Ah(Ampere Hour) 인데, 예를 들어 3Ah 용량의 전지라고 하면 1A의 전류를 3시간 또는 3A의 전류를 1시간 흘릴 수 있는 용량이 되는 셈이다. 용량이 작은 전지의 경우는 Ah로는 단위가 너무 크기 때문에 그 1/1000인 mAh를 사용 하기도 한다.

여기서 말하는 전지의 용량이란 전지가 가지고 있는 에너지 전부가 모두 소진될 때까지 출력했을 때의 양을 말하는 것은 아니다.

전지를 전원으로 하는 기기를 동작시키기 위해서는 그 기기를 동작시키기 위해 필요한 전류를 흘리기에 충분한 전압이 확보되지 않으면 안 된다. 전지에서 에너지를 출력하면 용량의 감소와 함께 기전력, 즉 전지의 단자전압도 저하한다. 전압이 너무 저하하면 기기가 동작할 수 없게 되지만 동작 정지가 되는 전압은 기기에 따라 다르므로 전지측에서 일방적으로 최저 전압을 전하여 이 전압에 도달했을 때를 그 전지용량의 종료로 하며, 이 전압을 방전종지전압이라 한다. 그러므로 전지의 단자전압이 방전종지전압을 밑돌아도 아직 그 전지에는 에너지가 남아 있지만 그 에너지는 이제 사용할 수 없게 되는 셈이다. 방전종지전압은 전지메이커에 따라 조금씩 다른 값을 가지지만 공칭값 1.5V의 망간건전지는 1V 또는 0.9V인 것이 많다.

건전지의 자기방전과 보존

건전지는 화학제품이면서 생물이기 때문에 제조 직후부터 열화(劣化)가 시작된다. 전혀 사용치 않은 봉인한 상태의 전지라도 전지의 내부에서는 조금씩 에너지를 잃어가는데, 이것을 전지의 자기방전이라 한다. 자기방전은 온도와 습도가 높을수록, 제조후의 경과시간이 길수록 그 진행속도가 현저히 빨라진다. 그러므로 전지가 신선한 기한은 제조하고 나서 약 1년 이내라고 생각하면 좋다. 건전지의 종류에 따라서 더 오랫동안 신선도를 유지하는 품종도 있으므로 일괄적으로는 말할 수 없으며, 이것은 어디까지나 목표이므로 상미기한(賞味期限)이라 표현한다.

최근 전지의 제조 및 품질관리기술은 극히 우수하므로 1년 정도의 시간경과로 사고가 생기면 그 원인은 판매점 등에서의 보관에 문제가 있다고 생각해도 좋을 것이다.

전지의 보존은 사진필름과 같이 건조한 냉암소가 바람직하지만 전지는 감광하지 않으므로 특히 어두울 필요는 없다. 냉장고에 넣어두는 것은 좋지만 빼냈을 때 이슬이 맺혀 단자간의 절연을 악화시키거나 너무 차서 전해액을 소모시키든지 얼게 할 우려가 있으니 너무 마음 쓸 필요는 없다. 그만큼 보존에 신경을 쓴다면 필요한 정도의 신선한 것을 필요한 양만큼 구입하는 편이 훨씬 합리적이다.

건전지의 수명

전지의 수명이 다 되었다고 하는 것은 전지 측에서 보면 전지의 에너지가 다했다는 것이며 전지 속에서 화학반응이 이제 더이상 진행하지 않는 상태를 말하는 것이지만, 사용하는 기기 측에서 말하면 거기에 이르는 것보다 훨씬 이전의 상태, 즉 그 전지를 사용하고 있는 기기가 동작 불능이 된 시점을 말한다. 그런데 사용하는 기기의 동작전류의 크기에 따라 같은 전지라도 동작불능이 되는 시점은 가지각색이므로 이것만 가지고는 그 전지의 수명을 정의할 수 없다.

그래서 전지메이커에서는 '방전종지전압'이라는 일정한 전압점을 정하고 동작중의 전지전압이 이 점까지 강하했을 때를 그 전지의 수명이라 한다. 방전종지전압은 전지의 공칭 전압의 차이와 방전특성의 차이, 성능시험의 규정 등에 의해 독자적으로 정해져 있으므로 메이커에 따라 다소 차이가 있다. 그래도 공칭값 1.5V의 망간건전지의 경우는 폐로상태(기기에 장착해서 전류를 흘리고 있는 상태) 에서 1.0V 또는 0.9V까지 저하한 시점을 그 전지의 '수명'이라 하는 경우가 많은 것 같다. 이 값은 부하상태의 단자전압이기 때문에 수명이 다한 전지라도 다른 기기에 사용하면 아직 사용 가능한 경우도 있다. 그 전지를 사용하고 있는 기기를 만족스럽게 동작시킬수 없게 되는 소모 상태가 수명이다.

건전지의 폐기 (1차전지)

건전지에는 수은이 사용되고 있다. 이것은 - 극인 아연의 소모를 방지하고 전해액과의 접촉을 양호하게 하여 내부저항을 감소시키기 위한 것이다. 수은 등의 중금속 외에도 전지 재료에는 유해, 유독물질이 포함되어 있는 경우가 있다. 그러므로 사용 후 전지를 안이하게 폐기하는 것은 삼가해야 한다.

환경오염의 공포는 곧바로 그 결과가 눈에 보이진 않지만 누구에게라도 인식되었을 때는 이미 원래 상태로 회복하는 것이 거의 불가능하다는 데 이다. 고작 전지 한 개쯤은, 자기 한 사람즘은 어떻게 해도 괜찮겠지 하고 생각하기 쉽지만 결코 그렇지 않다. 환경을 오염시킨 보복은 언젠가 반드시 오염시킨 자신에게도 돌아온다.

건전지 취급법 요약

1.단락시키지 말 것

단락은 전지를 빨리 못 쓰게 만든다. 과거에는 전지만이 단락의 피해자였지만, 현재의 전지는 상당히 큰 파워를 가지고 있으므로 발열, 발화, 화상 등의 위험이 주위에까지 미칠 염려가 있다.

2.극성 (+ -)을 바꾸지 말 것

기기의 전지실 표시에 주의하기 바란다. 어떤 타입이라도 탄력이 있는 쪽이 (-)로 정해지는 것은 아니다. 미리 서둘러 판단하지 말자.

3.분해하거나 불 속에나 물 속에 던지지 말 것

강알칼리 유출이나 폭발의 위험이 있다. 특히 리튬은 물과 격렬하게 반응하므로 위험하다.

4.충전하지 말 것

5.전지단자에는 납땜질하지 말 것

건전지의 단자에 리드선을 납땜질하여 직렬연결해서 사용하는 사람이 있다. 알칼리건전지에서 가스방출기가 작동이 안 될 우려가 있어 위험하므로 그만두자.

6.새로운 전지와 오래된 전지, 품종이나 용량이 다른 전지를 섞어 사용하지 말 것

7.오래 사용하지 않는 기기는 전지를 꺼내 둘 것

8.사용하지 않는 전지는 저온, 저습도로 보존할 것

9.전지의 불필요한 사재기를 하지 말 것

10.폐기는 정해진 방법을 정해진 장소에서 할 것

에너지밀도(energy density(Wh/I)

[energy density (Wh/l)]

250 Wh/l, 300 Wh/l 로 표시되는 용량밀도는 전지를 얼마나 작게 만들 수 있는가를 결정하는 판단기준이 된다. 전지에 보면, 1200mAh, 1500 mAh 등으로 표시되어있는 것을 볼 수 있다. 이것은 전류의 근원이 되는 전하량이다. 또한 전지에는 1.2 V, 3.6 V 등으로 전압이 표시되어 있다. 전력량은 Wh = Ah (전하량) x V (전압) 의 식에서 나온다. 예를 들어, 1000mAh 에 3.6 V 라고 하면 3.6 Wh 가된다. 여기에 부피를 나누어 주면 Wh/l 단위의 energy density를 구할 수 있다.

[specific energy]

Wh/Kg 으로 표시되며, 얼마나 가벼운 전지를 만들 수 있는가에 대한 척도로 작용한다. 앞에서 구한 Wh 를 전지의 무게로 나누며, 120 Wh/Kg 등으로 표시된다.

2차전지의 수명(cycle life)

[cycle life]

2 차 전지는 충전과 방전을 계속하면서 용량이 줄어든다. 초기에는 2000 mAh 이었던 용량이 몇 백번 충 방전을 하면서, 1500, 1000, 800 mAh 까지도 줄어든다. 일반적으로, cycle life 는 초기용량의 60 % 용량으로 용량이 줄어들었을 때까지의 충 방전 회수로 정의한다. 예를 들어 cycle life 가 500 회라고 하면, 500 쓰면 용량이 줄어들어 전지를 교체해야 하는 것 으로 알고 있는데 사실은 그렇지는 않다. 500 회란 것은 100 % D.O.D. 에서 500 회라는 것이다. D.O.D. 는 Depth Of Discharge 의 약자로서, 용량이 1000mAh 라고 하면, 1000mAh 를 100 % 다 소진하고, 충전했을 때에 cycle life 를 의미 한다. 그러나, 실제는 70-80 % 사용하고 충전하는 것이 일반적이다. 80 % D.O.D 에서는 cycle life 는 2-3 배 정도 증가된다. Cycle life 는 교과서적인 정의에 바탕을 둔 성능 항목이므로 해석할 때 주의를 기울여야 한다.

용량과 방전전류, 방전시간의 관계

축전지에서 뽑아낼 수 있는 전기량은 방전전류와 방전시간 간의 관계에 의하여 나타난다.

【예】10A(암페어)로 2시간 방전시킬 경우 어느정도의 용량을 가진 축전지가 필요한가?

<1>전류계수를 구하면 → 0.36

<2>용량=방전전류/전류계수 = 10/0.36≒28AH

【예】100Ah의 전지를 20A(암페어)로 방전했을 때의 방전 가능 시간은 어느 정도인가?

<1>전류계수 = 방전전류 / 용량=20/100 = 0.2

<2>그림17에서 방전시간을 구하면 → 4시간

【예】120Ah의 전기를 0시간 방전시킬 때의 최대 방전 전류는 어느 정도인가?

<1>전류계수를 구하면 → 0.09

<2>방전전류 = 용량 x 전류계수 → 120 x 0.09 = 11A

주의 :

축전지를 장기간 사용할 때는 산출된 수치의 2~3배의 용량을 가진 축전지를 선정하여야 한다. 또, 사용기간, 방전전류에 대해서는 산출되는 시간, 전류의 1/2~1/3의 수치로서 사용하여야한다.

충전시 가스 발생에 주의

차의 배터리를 충전하게 되면 전조에서 가스가 활발하게 발생한다. 배터리를 제거하여 충전기로 충전하는 경우뿐만 아니라 차의 주행중에도 충전되고 있다면 마찬가지이다. 이 현상은 전해액 속의 물이 전기분해되기 때문이며 약간의 자연증발분을 제외하고 전해액 감소의 최대 원인이 된다.

가스의 발생은 소전지당 단자전압이 2.35에서 2.4V(12V 배터리로 환산하면 14.1에서 14.4V) 정도에 도달한 시점부터 급격히 증가한다.

+극판에서 발생하는 것은 산소, -극판에서 발생하는 것은 수소이며 그 체적비는 산소 1 대 수소 2의 비율이다. 가스는 전조 내에서 혼합되어 배터리의 배기구로 나오지만 산소 1 대 수소 2의 혼합비는 가장 인화 폭발하기 쉬운 상태이므로 충분한 주의가 필요하다.

납축전지의 초기 충전

축전지는 건전지와 달라서 제조된 시점에서는 전기에너지가 없다. 충전에 의해서 처음으로 전지로서의 생명이 주어지고 활동이 시작되기 때문이다. 이와 같이 처음의 제1회 충전을 초기충전 이라고 하며, 일반적인 충전과 달리 0.05C 이하의 작은전류로 20시간 이상 충전한다. 이 동작에 의해 전지극판의 화성(化成)이 완료되고 2차전지로서의 기능이 부여된다.

아기의 이유식과 같이 처음에는 조금씩 먹여서 전기에 익숙해지도록 해야 하므로, 이 동작은 신중하게 행할 필요가 있다. 약 10년 전까지는 새로 구입한 납축전지는 반드시 초기충전한 뒤 사용하지 않으면 안 되었는데, 이것은 귀찮은 일이다. 최근의 전지는 제조업체의 출하 시점에서 초기 충전이 되므로 그와 같은 주의는 전혀 필요없다.

그러나 여러 해 동안 수련을 쌓은 OM 중에는 신규 구입한 배터리는 꼭 초기충전이 필요하다는 생각이 있어서인지 납축전지뿐만 아니라 니켈카드뮴 축전지까지 장시간 충전을 하는 사람이 있다. 시질적인 손해는 없겠지만 쓸데없는 행동이다.

부식이나 녹도 전지

녹은 금속이 산화하여 부식할 때 생기는 생성물이다. 산화란 물질이 산소와 화합하거나 수소를 잃어버리는 것 또는 전자를 잃어버리는 것을 말하며, 산화에는 반드시 전자의 교환이 수반된다. 산화의 역화학반응은 환원이라 한다. 전자의 이동이 전류이므로 부식이나 녹은 금속이 전지를 형성하면 반드시 발생한다.

전해액 중에 다른 종류의 금속을 두면 전지가 형성된다. 이때 발생하는 기전력은 편성된 각각의 금속에 따라 고유한 값을 가지며, 각 금속의 고유한 기전력을 단극전위라 한다. 쇠못에 구리선을 감아 식염수에 담궈 공기중에 놓아두면 머지않아 철이 부식하여 그표면에 녹이 발생한다. 이것은 볼타전지의 아연과 같이 철의 이온이 전해액 속에 녹아서 전지를 형성하기 때문이다.

쇠못만으로도 부식이 일어나 녹이 생기지만 이것은 같은 철이라도 불순물의 존재에 따라 약간 표면 조성 상태가 다르므로 공기에 함유된 수분을 전해액으로 해서 이온이 생기고 국부적으로 미소한 전위차가 생겨 전지를 형성하는 것이다.

공기아연전지

현재 시판되고 있는 공기아연전지는 단추형으로 주로 보청기에 사용되고 있으며 이 전지의 -극 활물질은 아연이지만 +극 활물질은 공기중에 포함되어 있는 산소로서 발전 메커니즘은 전지 내의 직접적인 산화반응을 이용하고 있다. 그러므로 본래 건전지가 아니고 일종의 연료전지로 생각하는 편이 옳을지도 모른다.

일반의 전지와 달라서 +극 활물질을 전지 내에 수납하고 있지 않으므로 그 용적만큼 아연량을 증대할 수 있으며, 전지 용 적당 용량은 건전지 중에서 최대이다. 전지케이스의 밑부분에는 공기 취입구가 있고 시판시에는 여기에 봉인지가 붙어있다.

사용할 때에 봉인을 떼면 취입구로부터 공기가 전지 내에 유입되어 수초 후에 약 1.4V의 공칭 기전력(개방 기전력)을 발생 한다.

이 전지는 폐로시의 단자전압이 공칭값과 꽤 차이가 있는데 전지용량도 그러하겠지만 일반적인 것으로는 1mA의 전류를 출력하고 있는 상태에서 약 1.3V 전후, 2mA 부하에서 1.25V 전후로 제법 큰 변동을 보인다. 이것은 구조적으로나 발전원리적으로 원래 내부저항이 다른 전지에 비해 높기 때문이다. 그러나 내부저항 자체는 방전의 전 과정을 통해서 그다지 변화하지 않으며 기전력도 방전이 끝날 때까지 일정값으로 안정되어 있으므로 소비전류가 그다지 크게 변동하지 않는 부하에서는 아무런 실질적 손해는 없으며, 용도에 따라서는 오히려 이러한 정전류적인 특수한 성질이 이점이 될 수도 있다.

상용 교류 이외의 전원으로 충전할 때

보통 이러한 충전은 그다지 고려되지 않지만 사정에 따라서는 자동차용 배터리, 태양전지, 자전거의 발전기 등으로 소형의 니켈 카드뮴 축전지를 충전하고 싶은 경우가 있다. 자동차용 배터리와 같이 충전하는 쪽의 전기용량이 충전되는 쪽의 전지보다 충번히 크고 동시에 전압이 일정하면 문제없이 충전전원으로서 이용할수 있다. 물론 충전전압은 충전하려는 전지의 충전완료시 전압보다 높아야 하므로 보통 승용차의 자동차용 배터리로 공칭 전압 12볼트의 니켈카드뮴 축전지를 충전할때는 전압이 조금 부족하다. 같은 전압으로 충전할 수 없는 것은 아니지만 결코 가득 차지는 않는다. 이런 경우 배터리 전원에서 절연형 DC-DC 컨버터를 구동하여 3,4V 정도의 직류를 발생시키고 이것과 원래의 배터리 전압을 직렬로 해서15~16V의 높은 전압을 얻는 방법이 있다.

야간에 자전거의 존재를 표시하기 위해 시판되고 있는 점멸등은 그 전원으로 건전지를 사용하고 있는 것이 대부분이다. 자전거에는 전조등용의 발전기가 있으므로 이것을 전원으로 쓰면 좋을 것 같지만, 자전거의 발전기는 교류기라는 것과 정류한 상태로는 주행속도에 따라 전압이 심하게 변동하여 점멸동작동 IC 회로 (3V가 필요)가 동작하지 않으므로 소용이 없다.

납축전지의 내부저항

납축전지를 건전지와 비교했을 때 충전할 수 있다는 것 이외의 두드러진 특징은 그 내부저항이 극히 낮으며 필요하면 단시간에 큰 전류를 출력할 수 있다는 점이다. 물론 내부저항은 전지의 극판 대항면적, 거리 전해액의 성질, 온도 등에 따라서 달라지므로 용량도 다른 전지와 단순히 비교할 수 없지만 일반적으로 용량이 같으면 건전지보다는 축전지 쪽이 내부저항이 낮으며 게다가 납축전지는 다른 축전지에 비해 내부저항이 더 낮다. 이것은 주로 구조적인 이유에 의한 것이다.

내부저항이 낮다는 것은 그만큼 단시간에 큰 전류를 흘릴 수 있다는 것이며, 소위 순발력이 크다는 것이다. 이것이 차의 시동기용으로 납축전지가 즐겨 사용되는 이유중 하나이다.

다만 어떤 전지라도 그렇겠지만 내부저항이 낮다고 하는 것과 전지 자체의 용량이 크다는 것 사이에는 직접적인 인과관계는 없으므로 오해 없기를 바란다. 용량이 같으면 큰 전류를 흘리는 쪽이 에너지를 빨리 소모하는 것은 당연한 이치이다. 그래서 큰 전류를 흐르게 할 필요가 있는 전지는 대체로 그 용량을 크게 설계해 두는 것이다.

납축전지의 보수(保守)

일반적인 납축전지에서는 충방전에 의한 화학반응 사이클에서 극판간 전해액 속의 항산 교환이 이루어진다. 그러나 물의 교환이 없으므로 조금씩 증발해서 없어진다. 또한 충전 말기나 과충전상태에서는 물의 전기분해가 활발하게 일어나며 +극 에서는 산소가스, -극에서는 수소가스로 되어 물이 점점 없어진다. 물이 없어진 결과 전해액의 황산 농도는 상승하며 전해 액량은 감소한다.

황산 농도가 높으면 극판의 파손이 빠르게 진행된다. 진해액량이 감소하면 극판이 공기중에 노출되어 그만큼 유효 극판면적이 작아지고 용량이 감소한다. 또한 노출부분의 극판은 부착한 산에 침식되어 변질되며 원래의 납으로 되돌아가지 못하게 된다. 그러므로 때때로 황산 비중과 액면을 감시하여 물보충을 해야 한다.

납축전지의 용기 측면에는 최저 액면과 최고 액면의 적정 범위를 쵸시하는 선이 그어져 있으며 전해액 면은 항상 이 선 사이에 있어야 한다. 최저 액면 이하가 되면 용량이 감소하는 것 외에 노출부분의 활물질이 변화하여 사용할 수 없게 된다.

최고 액면을 넘도록 물을 보충하면 전조의 높이를 넘어서 전해액끼리 연결되어 극판의 단자부분이 합선되어 과방전이나 사고의 원인이 된다. 물보충은 절대 적정량을 요한다. 물보충을 적절하게 진행하면 황산 농도가 적정값에서 벗어나는 일은 거의 없다.

알칼리 건전지중의 수은과 환경문제

수은에 의한 환경오염문제가 거론되던 중, 1980년 전반에 폐 건전지에 함유된 수은에 의한 환경오염의 문제가 사회문제로 대두되었다. 망간 건전지와 같이 수은은 알칼리 건전지에 있어서도 불가결의 물질로 음극의 아연에 첨가해 왔었다. 

특히 알칼리 건전지는 생산 수량의 신장이 높은 점도 있어 수은량이 많다는 점이 지적되었다. 그래서 이 중요한 수은의 저감을 적극적으로 추진하여 납, 인듐, 알루미늄을 미량 첨가한 아연 합금분말의 개발에 의해 1985년에는 종래의 수은함유량이 15,000ppm 에서 당초의 목표였던 3분의 1인 5,000ppm으로 줄이고, 다시 2년 후인 1987년에는 6분의 1인 2,500ppm 까지 삭감하였다. 수은 함유량 2,500ppm 전지의 실현으로 수은문제는 진정되어 가는 것으로 생각되었으나, 유럽을 중심으로 한층 더 엄격한 수은 함유량 1,000ppm 및 250ppm 이하라는 규제가 발표되었다. 이와 같은 움직임에 따라 수은량 저감의 노력을 계속하면서 궁극적으로는 수은이 들어 있다는 소비자의 불안감을 없애기 위해서도, 수은이 함유되지 않은 알카리 건전지 기술의 확립이 필요하게 되었다.

산업용 니켈카드뮴 축전지

산업용으로 사용되고 있는 니켈카드뮴 축전지는 통상 개방형(벤티드 타입이라고도 부름)이며, 극판의 구조에 따라서 포켓식과 소결식으로 구별된다. 원칙적으로는 방전특성과 경제적인 점에서 백업시간이 1시간 이상의 경우에는 포켓식이, 그 미만인 경우에는 소결식이 사용되고 있다.

개방형 니켈카드뮴 축전지의 용도는 주전원의 백업용 전원이다. 이 용도에는 예전부터 납축전지가 사용되어 왔다. 니켈카드뮴 축전지는 장수명이며 납축전지와 같은 셀페이션 현상이 없기 때문에 보수가 용이하고, 스페이스 효율이 좋은 장점이 있다. 그러나 코스트가 높기 때문에 납축전지와 경합하면서 나름의 용도를 개쳑해 왔다.

포켓식 니켈카드뮴 축전지

초기의 포켓식 니켈카드뮴 축전지는 원래 철도청의 차량용을 목표로 기술개발이 되어 왔다. 활물질을 넣는 포켓은, 일반적으로 천공(穿孔) 후프를 가공하여 사용하나, 마쓰시다는 당시 양산하고 있던 진공관의 전극용 라스(Lath)판을 전용(轉用)하였다.

이것은 라스 가공한 상자형 구조였기 때문에 활물질은 부릭으로 가압 성형하여 삽입하는 방식을 채용하였다. 라스가공이기 때문에 구멍이 크고, 또 마름모 꼴이어서 전해액의 확산이 좋고 이용율은 높았으나, 구멍에서 활물질이 탈락하였다. 그래서 니켈극에서는 수산화 니켈의 침전 생성 조건이나 도전제로 사용하는 흑연의 형상, 입도 혼합비등 카드뮴 극에서는 산화 카드뮴의 배소온도나 첨가제로 사용한 산화철의 입도등을 검토하여 최적 조건을 찾았다. 그 후 진공관의 양산이 끝나 라스판이 공급이 되지 않았기 때문에 일반의 천공 후프방식으로 변경하였다.

플러드(flood) 충전

플러드충전은 축전지가 발전기 등의 상용 전원으로부터 충전전류를 계속 받으면서 부하에도 전류를 계속 공급하는 방식이며 동작 자체는 트리클충전과 유사하지만 축전지가 대타가 아닌 오히려 주역으로서 활약하는 방식인 점이 다르다. 이러한 동작은 얕은 충방전이 반복되기 쉬우므로 트리클충전의 경우와 같이 니켈카드뮴 축전지를 사용하는 것은 좋지 않다.

플러드충전의 가까운 예로는 자동차 전원이 있으며, 솔라 배터리 시스템 등에서는 태양전지의 기전력이 항상 불안정하므로 플러드 방식의 축전지가 아니면 전원으로 사용할 수 없다. 상용 전원의 용량은 축전지의 충전전류를 포함한 전 부하에 대해 용량면이나 안전성에서 충번히 여유 있는 공급력을 가진 것이 아니면 안 된다. 그렇지 않으면 부하에 큰 전류가 흐를 경우 전원 전압이 저하되어 빈번히 전지에서 전류가 인출되므로 반출량이 저장량을 넘어버리게 되어 플러드 시스템이 제 기능을 발휘하지 못할 뿐만 아니라 과충전 때문에 전지의 수명을 현저하게 단축시키는 결과를 초래한다. 또한 상용 전원의 전압이 전지의 단자전압보다 저하되면 전지에서 전원 쪽으로 전류가 역류하는 일도 발생하므로 전류의 일방통행 회로를 구성해 둘 필요가 있다.

트리클 충전

이것은 사고로 인해 상용 전원 공급이 끊긴 경우에 대비하여 축전지에 공급이 중단되지 않도록 충전해 두는 충전기에 이용 되는 충전방식이다. 이것은 축전지가 과충전되지 않을 정도로 자기방전량을 약간 웃도는 전류로 상시 계속 충전하는 방식이다. 자기방전에 의한 용량의 손실분을 보상한다는 의미에서 보상충전이라고도 한다. 충전방법으로 항상 0.02C 이하의 미소전류를 연속적으로 축전지에 흐르게 하는 가장 간단한 방법부터 축전지 단자전압을 센서로 항상 감시하여 규정값보다 저하되면 큰 펄스전류를 흐르게 하여 신속하게 규정값까지 충전한 후 당초의 미소전류의 연속충전으로 자동 전환하는 등의 복잡한 것까지 여러 가지 방법이 있다.

어떤 방식이든지 상용 전원이 있는 동안에는 상용 전원에서 부하로 전류가 공급되므로 전지와 부하간은 분리되며(상용 전원과 전지간은 접속되어 미소전류로 충전된다), 상용 전원이 정전되면 자동적으로 축전지에 부하가 접속되는 방법을 쓴다.

그러므로 다이오드와 저항 등을 사용한 스위치 회로가 필요하며 축전지는 부하 상태에 알맞은 규격을 선택하고 충전기도 그 용도와 목적에 적합하도록 설계되어야 한다. 이 충전방식은 아주 가까이는 메모리 백업용 전원 등에, 크게는 비상문 개폐장치와 감시장치, 조명, 통신 등의 전원 보안 시스템으로 널리 이용되고 있다.

트리클 충전방식에 사용하는 축전지로는 납축전지가 알맞다. 보통 니켈카드뮴 축전지는 이러한 충방전형태에서 열화되기 쉽다. 보판에 탑재하는 메모리 백업과 같은 용도에서는 방법이 없다고 하더라도 보안시스템에는 꼭 밀폐형 납축전지를 권하고 싶다.

펄스충전

죠글(뒤흔듦) 충전이라고도 하며 직류 펄스로 단속적으로 충전하는 방법이다.

전지가 어느 정도 충전될 때까지는 비교적 온 시간(전지에 전류가 통하는 시간)을 길게, 오프 시간(충전을 일시 정지하는 시간)을 짧게 설정하고 충전이 진행됨에 따라 점차 온 시간을 짧게, 오프 시간을 길게 변화시켜 나간다. 온과 오프의 시간 설정은 고분해능(高分解能)의 센서가 전지의 단자전압과 전지의 온도변화를 보면서 자동적으로 행한다. 또한, 이 검출구조는 가스 발생을 극히 억제하면서 가능한 한 짧은 시간에 충전이 완료되도록 동작한다.

이 충전방식은 주로 니켈카드뮴 축전지 충전기의 급속충전방식으로 자주 이용되고 있다. 충전중의 가스 발생량은 충전전류에 관계되므로 이 충전기는 충전시간, 충전하는 전지의 종류, 규격에 따라 각각 설계할 필요가 있으며 범용성은 없다.

정전압충전

정전압충전이란 미리 충전기의 출력전압을 전지의 충전 완료시 단자전압과 거의 같도록 설정하여 충전 초기부터 종료까지 항상 일정한 전압으로 충전하는 방법이다. 전압 안정화 전원의 전압 설정을 전지의 단자전압과 일치시커서 이것으로 충전 하는 것과 같다.

충전 초기에는 충전기와 전지의 전압차가 크므로 전지는 공복상태에서 부지런히 자꾸 먹는다. 배가 불러옴에 따라 먹는 양이 줄어들며 충전완료시점에서는 충전기와 전지의 단자전압이 거의 동일해져서 자동적으로 전지는 식사를 마친다.

가장 능률적으로 단시간에 충전이 종료되고 과충전의 걱정이 없어 원리적으로는 정말 이상적인 충전법이지만, 실제로는 충전 초기의 과식에 주의하는 것, 다시 말하면 과대 전류를 제한하는 것이 필요하다. 이를 위해서 충전 초기에 충전전류를 제한하는 전류제한회로가 필수적이며, 이 회로 때문에 이상적인 정전압상태로 동작시키는 것이불가능하게된다.

전지의 충전 완료시 단자전압은 주위 환경의 온도변화와 전지 자체의 발열에 의해 크게 변화되지만 이것은 예측할 수 없으므로 정전압값을 미리 설정하기가 곤란하다. 충전기의 전압과 전지의 단자전압을 거의 동일하게 설정해 두면 머지않아 충전 완료시까지 극히 장시간을 필요로 하므로 미리 충전전압을 조금 더 높게 설정해 두는 것이 필요하다. 이 설정은 극히 임계적인 온도 보정을 시작으로 몇가지 문제점을 예측하여 자동 처리해야 하므로 충전기회로는 매우 복잡해진다.

그러므로 충전기는 충전하는 전지의 종류나 용량에 맞게 개별적으로 설계, 조정하지 않으면 안되며 범용성은 거의 없다.

정전류 충전

정전류충전이란 충전 초기부터 완료까지 항상 일정한 전류로 충전을 행하는 충전방법이다. 충전 초기에는 충전기와 전지의 전압차가 커서 대전류가 흐르며 충전이 진행됨에 따라 전류는 감소한다. 그러므로 충전기와 축전지 사이에 가변 직렬저항을 삽입해 충전 초기에는 저항값을 크게 하여 전류를 줄이고 충전 진행을 감시하면서 점차 이 직렬저항의 저항값을 줄이면 전지는 전체 충전시간을 통해 거의 일정한 전류로 충전된다.

이러한 동작을 자동적으로 행하는 것이 정전류회로이다. 즉, 정전류회로란 부하저항의 변화에 관계없이 항상 일정 전류를 부하에 흐르게 할 수 있는 회로이다. 정전류 충전기는 정전류 회로를 전원과 전지 사이에 삽입한 것으로서 이러한 전원을 정전류전원이라 한다. 정전류전원은 부하저항값이 높아지면 전압을 늘리고 낮아지면 전압을 감소시키는 전압 변동률이 매우 나쁜 전원으로 생각해도 좋으며 부하저항 여하에 상관없이 항상 일정 전류를 공급할 수 있다.

여기서 정전류충전이라는 것은 전지로 흐르는 전류가 전체 충전기간을 통해 항상 일정하다는 의미이며, 전지로 흐르는 충전전류의 값을 몇 C로 설정하는가는 전혀 별개의 문제이다. 따라서 정전류를 크게 설정하면 충전 완료까지 필요한 시간은 짧으며 작게 설정하면 길어진다.

충전이 빨리 완료된다는 점에서만 보면 충전전류는 클수록 좋지만, 연속적으로 큰 전류로 충전하면 충전효율이 저하되고, 도가 지나치면 전지의수명에도 영향을 미친다. 어느 정도의 연속전류가 적절할지는 전지의 종류에 따라서 다르므로 일률적으로 말할 수는 없지만, 정전류충전에서는 0.1C 또는 0.2C 정도가 적당한 전류이다. 0.1C 이면 가득 찰 때까지 10시간, 0.2C 로 5시간이란 계산이 나오지만, 손실이 있으므로 실제로는 0.1C 로 12~14시간, 0.2C 로 6시간 정도 걸린다.

바이폴로(Biopolar) 전지

액체전해질에서는 하나의 전지용기 내에 복수의 셀을 직렬로 접속하면 전해액에 의한 내부 단락이 일어나므로, 기준전압 이상의 전지를 작성한다는 것은 불가능하다. 그러나 SPE 전지의 경우에는 전해질이 고형화되어 있어, 자유로운 액체가 없으므로 이것이 가능해진다.

크레디트 카드 사이즈로서 40mAh 전지의 전극을 하나의 라미네이트 필름 용기 내에서 두개의 셀을 직렬로 접속한 7.2V 전지를 시험삼아 제작한 결과, 2배의 전압이 얻어지므로 안정된 사이클이 가능해진다.

2개의 직렬에 그치지 않고 몇 개라도 직렬접속이 가능하므로, 예를 들어 크레디트 카드 사이즈 전지를 6개 직렬로 한 20V-100mAh로 하는 경우, 개개의 전지를 제작해서 겹치는 경우 3.6mm + α의 두께가 되지만, 바이폴러 전지기술을 사용 하면 라미네이트 필름 용기가 하나이므로 2.6mm 로 제한할 수 있어, 체적 에너지 밀도는 150% 향상된다. 비용면에서도 용기의 절약과 공정감축으로 유리하게 된다.

바이폴러 전지를 완성하기 위해서는, 어떠한 환경조건에서도 유동화 한다든지 변형하여 파괴되지 않는 겔 SPE 의 사용이 절대조건으로, BEI의 가교 겔과 부직포 보강의 SPE가 최적이다.

각종 폴리머전지의 장단점

1)진성 SPE

2)겔SPE

3)도전성 고분자 양극

4)유황계 양극

High Rate 리튬 배터리의 장점

*최고의 품질: 최고 품질을 이루기 위해 high rate 리튬 1차 전지는 전극 표면 부위를 극대화하고 내부 저항이 적게 발생 하며 고 방전 성능을 갖는 혁신적인 나선형으로 감긴 고체 전극 구조로 제조된다.

*10년의 보존기간 : 최소 자가방전으로 10년간 저장 유지될 수 있다. TIG(Tungsten Inert Gas)와 레이저 용접을 포함한 선진 기술을 사용해 밀봉되어 극한의(extremely) 항부식성을 갖는다.

*가벼우나 매우 강력함, 500Wh/liter 이상으로 고 에너지 밀도를 포함함.

*극한 온도에서의 성능을 제외하고, -40℃ 에서 72℃까지 고성능, 방전율 성능을 유지함.

*No Voltage Delay : 완전한 탄소 구조로 passivation 층이 없다.

리튬 양극에 있는 passivating 필름 때문에 고체 탄소 배터리 내에 전압이 지연되는 것을 완전히 제거한다

*강제 방전 문제가 없다 : 특수한 구조물들은 불리한 조건하에서 너무 빠른 가열과 분출을 막는다.

*더 안정적임 : Li/MnO2 고체 탄소 구조는 완전히 방전 또는 충전 상태에 기압이 유지되지 않음으로써 다른 리튬 화학물보다 더 안전성을 갖고있다.

특수한 저압 분출구는 심한 과열 발생하는 경우 안전한 분출을 하게한다. 추가적인 안전성을 위해, 각 전지는 위험한 상황을 피하기 위해 회로 내 소극적 링크 내에 비작용 전지를 변형시키는 자가분출 진공장치를 갖는다. 반대로 경쟁품인 Li/SO2과 리튬thionyl 탄소 화학물들은 높은 내부 전지 압력, 실폐의 위험성 증가를 보인다.

*운송의 용이함 : high rate primary cell는 가장 널리 사용되는 항공,지상,해상 운송 지침에 따른다.

*환경 친화적 : 중독성 있는 화합물이나 카드뮴, 납, 머큐리 또는 은 같은 중금속이 없음.

---------------------------------------------------① 끝-----------------------------------------------------