ISSN: 1738-7167
DOI: http://dx.doi.org/10.7731/KIFSE.2016.30.4.111
휴대폰 배터리의 폭발 및 화재 위험성에 관한 실험적 연구
이호성 · 김시국
†
호서대학교 소방방재학과
Experimental Study on the Explosion and Fire Risks of Mobile Phone Batteries
Ho-Sung Lee · Si-Kuk Kim
†
Dept. of Fire and Disaster Protection Engineering, Hoseo Univ.
(Received July 21, 2016; Revised August 8, 2016; Accepted August 9, 2016)
요 약
본 논문은 휴대폰 배터리의 폭발 및 화재 위험성을 분석하기 위한 실험적 연구로서, 실험은 스마트폰 배터리로 사용되 고 있는 리튬-이온 배터리를 대상으로 하여 사용상 부주의 또는 이상상태 등에서 폭발 및 화재가 발생될 가능성이 있는 과충전, 내부단락 및 외부단락 그리고 열충격에 의한 실험을 진행하였다. 리튬-이온 배터리는 과충전 및 외부단락 실험 의 경우 보호회로가 정상적으로 작동될 때는 폭발 및 화재 위험성이 없었으나, 보호회로가 고장상태를 가정하였을 때 폭 발 및 화재 위험성이 크게 나타났다. 내부단락 및 열충격 실험의 경우 충전상태에 따라 위험성에 차이가 나타났다. 즉, 완방전 상태에서는 폭발 및 화재 위험성이 낮았으나, 완충전 상태에서는 폭발 및 화재 위험성이 높게 나타나는 것을 확 인할 수 있었다. 실험결과 휴대폰 배터리의 폭발 및 화재 위험성을 최소화하기 위해서는 보호회로 고장시 알람장치 및 배터리 케이스 강화 그리고 고온방지를 위한 냉각장치 등의 안전장치의 강화가 필요할 것으로 생각된다.
ABSTRACT
This is an experimental study to analyze the explosion and fire hazards of mobile phone batteries. Using the lithium-ion batteries currently used on smart phone as the experiment samples, the experiments were conducted by overcharging, internal and external short circuit, and thermal shock with the potential of explosion and fire caused by careless use or abnormal conditions. The experiment results showed that, in the case of overcharging and external short circuit, there was no explosion and fire hazard in the normal operation of the protection circuit module (PCM), but there were big risks when the PCM faulted conditions were assumed. In the case of the experiments by internal short circuit and thermal shock, such risks varied depending on a battery charge state. In other words, it could be verified that there were low risks of explosion and fire in a full discharge state, but there were high risks in a full charge state. These experiment results suggest that to minimize the explosion and fire hazards of mobile phone batteries, an alarm device is necessary when the PCM fault occurs. In addition, a solid battery case should be made and safety equipment, such as a cooling device to avoid high temperature, is needed.
Keywords : Mobile phone batteries, Explosion and fire risks, Overcharge, External and internal short circuit, Thermal shock
1. 서 론
전 세계적으로 IT 산업의 급격한 발달로 인하여 장소에 구애받지 않고 정보를 이용할 수 있는 휴대폰, 노트북, 테 블릿PC 등의 IT 기기들의 수요가 급격히 증가되고 있으며, 그에 대한 기술력 또한 매년 새롭게 개발되고 있다. 특히, 우리나라의 경우 IT 강대국으로서 언제 어디서든 인터넷 사용이 가능하기 때문에 다른 나라보다 IT 기기의 이용자
가 많으며, 그 중 휴대폰의 경우 고성능의 사양을 지닌 다 기능 복합기기의 스마트폰으로 변모됨으로써 그 수요가 크 게 증가되고 있다. 정보통신정책연구원의 통계자료에 의하 면 스마트폰 보유율은 2012년 57.0%에서 2015년 78.8%로 증가하여 가장 보편적인 대중매체로 자리 잡고 있으며, 보 급초기에 20대와 30대가 주 보유층이었으나, 2015년에는 40대와 50대의 보유율도 80.0%를 넘어서 이제는 고 연령 대로 확산되고 있는 추세이다(1). 이와 같이 휴대폰의 보급
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Corresponding Author, E-Mail: [email protected]
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률과 기술력이 높아지게 되면서 기기의 전원 공급에 필요 한 배터리의 기술력 발달이 중요시 되는 추세이다. 특히, 재사용이 가능한 리튬-이온 배터리의 경우 과거에 사용되 었던 니켈-카드뮴 배터리, 납축전지에 비해 가격은 비싸지 만, 카드뮴, 납 등의 환경 규제물질을 사용하지 않는 친환 경 배터리로서, 고에너지 밀도 및 경량화, 비메모리효과 (no memory effect) 및 긴 수명 등의 장점을 가지고 있어 에 너지공급원으로 가장 많이 사용되고 있는 추세이다. 리튬- 이온 배터리는 크게 양극, 음극, 전해액, 분리막(separator) 으로 구성된다. 일반적으로 양극(+)은 리튬코발트산화물, 음극(−)은 탄소화합물로 이루어져 있으며, 리튬이온이 양 극과 음극 사이를 이동할 수 있도록 매개체 역할을 하는 전해액과 양극과 음극의 사이의 직접적인 접촉을 막기 위 한 분리막으로 이루어져 리튬이온이 두 극 사이를 이동하 면서 충전과 방전이 되는 형태이다(2-5). 이러한 리튬-이온 배터리는 현재는 고에너지를 요구하는 드론(drone), 퍼스 널모빌리티(personal mobility), 전기자동차, 전기 선박 등 의 에너지원으로 그 적용범위가 확대되고 있다. 이로 인해 고에너지를 함유한 리튬-이온 배터리 일수록 폭탄과 같은 폭발위험성을 내포하고 있기 때문에 안전성 확보가 배터 리 설계에서 무엇보다 중요하지만, 현재까지 리튬-이온 배 터리의 폭발 및 화재 사고가 끊임없이 발생하고 있다. 최 근에도 보조배터리 폭발사고, 휴대폰 배터리 폭발 및 화재 사고, 휴대폰 배터리 팽창으로 인한 무상교체 등 전 세계 적으로 배터리 폭발 및 화재사고의 위험성에 대한 안전대 책 마련이 중요시 되는 추세이다(6). 즉, 구조적 안전성 및 보호회로(protection circuit module; PCM) 등의 안전장치 가 장착된 인증 받은 리튬-이온 배터리의 경우도 사용상 부주의 또는 이상상태(abnormal condition) 등에서 과충전 및 과부하, 외부단락 및 내부단락, 그리고 열충격에 의해 폭발 및 화재로 이어질 가능성(6,7)이 나타날 수 있지만, 위 험성에 대한 세부적인 연구가 미비한 실정이다. 휴대폰 배 터리를 이용한 위험성에 관한 기존 연구들은 물리적 충격 에 의한 연구(8-10)가 대부분이고, 휴대폰 배터리의 폭발 및 화재가 발생될 가능성에 대한 제 특성 및 세부적인 분석이 복합적으로 이루어지지 않았다. 또한, 리튬-이온 배터리를 대상으로 한 연구의 경우 용량이 작은 팩타입의 리튬-폴리 머 및 캔타입의 리튬-이온 배터리를 비교대상으로 외부단 락 및 고온노출 실험을 진행하였으나(5,11), 각형의 휴대폰 배터리와는 위험성의 차이가 나타날 수 있으며, 과충전 및
내부단락에 대한 위험성에 대한 연구는 배제되었다. Figure 1. Photograph of experiment samples (lithium-ion bat- teries).
Table 1. Condition of Mobile Phone Batteries
Type of Experiment Overcharge and External Short Circuit Internal Short Circuit and Thermal Shock
Battery Conditions
PCM Operation (PCM-O)
PCM Failure (PCM-F)
Full Charge (FC)
Full Discharge (FD) Full Charge PCM Operation
따라서 본 연구에서 휴대폰 배터리의 폭발 및 화재 위험 성이 발생할 수 있는 제 특성을 연구하기 위한 실험적 논 문으로써 현재 스마트폰의 전원장치로 사용되고 있는 리 튬-이온 배터리를 실험시료로 선정하여, 사용상 부주의 또 는 이상상태 등에서 폭발 및 화재로 이어질 가능성을 분석 하기 위해 과충전 실험, 외부단락 실험 및 내부단락 실험 그리고 열충격 실험을 진행하여 그 위험성을 분석하였다.
2. 실 험
2.1 실험시료
Figure 1은 실험에 사용된 시료로써 현재 S사의 스마트 폰의 전원장치로 사용되고 있는 리튬-이온 배터리(이하;
휴대폰 배터리)를 나타낸 것이다. 배터리 사양은 용량 3220 mAh, 충전전압 4.4 V, 규격은 가로 × 세로 × 두께 (53.62 × 127.15 × 14.26 mm) 크기로 KC 인증을 받은 제 품이다.
2.2 실험조건
실험 전 모든 시료는 KS C 8541(12)과 KS C IEC 61960(13) 기준에 의거하여 완충전시켜 실험에 사용하였고, 모든 실험은 3회씩 실시하여 위험성이 가장 높은 데이터 를 중심으로 분석하였다. 실험은 휴대폰 배터리의 위험성 을 분석하기 위해 사용상 부주의 또는 이상상태 등에서 폭 발 및 화재 가능성이 있는 과충전 실험, 외부단락 실험 및 내부단락 실험 그리고 열충격 실험을 진행하였고, 이때 각 실험에 사용된 휴대폰 배터리의 조건은 Table 1과 같다.
과충전 및 외부단락 실험의 경우 보호회로의 정상작동 여 부가 위험성을 판가름하기 때문에 보호회로가 정상작동하 는 경우(PCM-O)와 물리적 충격 및 회로손상 등 사용자 부주의 및 이상상태로 인해 보호회로가 고장난 상태를 가 정한 경우(PCM-F)를 대상으로 실험을 진행하였고, 이때
휴대폰 배터리는 완충전 상태에서 실시하였다. 내부단락 및 열충격 실험의 경우 보호회로의 정상작동 여부보다는 내부에너지에 의한 폭발반응이 주된 것이므로 완충전상태 (FC)와 완방전상태(FD)를 대상으로 실험을 진행하였고, 이때 휴대폰 배터리의 보호회로는 정상작동상태에서 실시 하였다.
2.3 과충전에 따른 위험성측정 실험
본 실험은 충전 중 배터리가 폭발되는 사례를 바탕으로 과충전에 따른 휴대폰 배터리의 위험성을 분석하고자 진 행하였다. Figure 2는 과충전에 따른 위험성측정 실험의 구성도 및 사진을 나타낸 것으로 보호회로의 정상작동 여 부에 따른 위험성을 분석하였다. 과충전 인가는 직류전원 공급장치(TX-3005T, Trinix Co., Korea) 2대를 병렬로 연 결하여 약 7 V의 과전압과 약 9 A의 과전류를 휴대폰 배 터리가 폭발할 때 까지 지속적으로 인가시켰다. 이때, 전 류프로브(CP150, Lecory Co., USA)와 오실로스코프(Wave surfer 64Xs-A, Lecroy Co., USA)를 이용하여 폭발 시 전 류변화를 측정하였다. 또한, 열화상카메라(testo 890, Testo Co., Germany)를 이용하여 과충전에 따른 휴대폰 배터리 의 열적특성을 관찰하였고, 캠코더를 병행 촬영하여 위험 성을 분석하였다. 이와 같이 과전압과 과전류를 인가한 이 유는 완충전(FC)된 배터리의 경우 내부전하가 가지는 전 압의 크기와 동일한 전압(4.4 V)을 인가할 경우는 전위차 가 없어 충전이 더 이상 이루어지지 않기 때문에 충전전압
Figure 2. Experiment of hazard measurement due to overcharge.
Figure 3. Experiment of hazard measurement due to external short circuit.
보다 높은 전압으로 인가하여야 하고, 여기에 많은 양의 전류가 지속적으로 인가되어야지만 과충전에 의한 위험성 이 높게 나타나기 때문이다.
2.4 외부단락에 따른 위험성측정 실험
본 실험은 사용자 부주의에 의해 휴대폰에 잦은 충격이 가해지거나, 이상상태 등에 의해 기판 및 부품 등의 손상 으로 인한 회로단락이 발생된 상태를 가정하여 외부단락 에 따른 휴대폰 배터리의 위험성을 분석하고자 진행하였 다. Figure 3은 외부단락에 따른 위험성측정 실험의 구성 도 및 사진을 나타낸 것으로 보호회로의 정상작동 여부에 따른 위험성을 분석하였다. 실험시료인 완충전(FC)된 휴 대폰 배터리를 이용하여 외부단락 회로를 구성하였고, 전 류프로브와 오실로스코프를 이용하여 휴대폰 배터리의 외 부단락전류를 측정하였고, 외부단락에 따른 휴대폰 배터리 의 열적특성을 열화상카메라를 이용하여 관찰하였고, 캠코 더를 병행 촬영하여 위험성을 분석하였다.
2.5 내부단락에 따른 위험성측정 실험
본 실험은 사용자 부주의에 의해 휴대폰 배터리 자체에 강한 물리적 충격이 가해져 내부단락이 발생된 상태를 가 정하여 내부단락에 따른 휴대폰 배터리의 위험성을 분석 하고자 진행하였다. Figure 4는 내부단락에 따른 위험성측 정 실험의 구성도 및 사진을 나타낸 것으로 내부단락의 경 우 보호회로의 정상작동 여부와는 관계없이 휴대폰 배터
리의 충전상태가 영향을 크게 미치기 때문에 완충전(FC) 된 상태와 완방전(FD)된 상태를 대상으로 실험을 진행하 였다. 실험시료인 휴대폰 배터리를 바이스(vise)에 단단히 고정시킨 후 나사못(screw)을 이용하여 강한 물리적 충격 을 가해 배터리 중앙부분을 관통시켜 내부단락이 발생하 도록 하였다. 이때, 열화상카메라를 이용하여 내부단락에 따른 휴대폰 배터리의 열적특성을 관찰하였고, 캠코더를 병행 촬영하여 위험성을 분석하였다.
2.6 열충격에 따른 위험성측정 실험
본 실험은 사용자의 부주의 등에 의해 휴대폰 배터리가 고온의 복사열을 방출하는 전열기기 등에 장시간 노출되 거나, 휴대폰 과사용으로 인한 자체발열 등에 의해 배터리 가 장시간 고온을 받을 경우를 가정하여 열충격에 따른 휴 대폰 배터리의 위험성을 분석하기 위한 실험을 진행하였 다. 실험은 UL 1642(14) 및 KS C 8541(12)의 리튬배터리 가 열시험기준을 응용하여 열충격을 가하기 위한 열원장치로 항온기(MC-6, INTEC Co., Japan) 이용하였고, 초기온도 20 ± 5oC에서 5 ± 2oC/min 속도로 가열하여 실험시료인 휴대폰 배터리가 폭발할 때까지 열충격을 가하였다. Figure 5는 열충격에 따른 위험성측정 실험의 구성도 및 사진을 나타낸 것으로 항온기 내부에 휴대폰 배터리를 위치시키 고, K-type 열전대를 휴대폰 배터리 하부(bottom)지점과 배 터리 팽창 등을 고려하여 3 cm 상부(top)지점에 설치한 후, 데이터수집장치(SmartDAC+GP20, Yokogawa Co., Japan) 를 이용하여 휴대폰 배터리의 온도변화를 측정하였다. 열 충격 실험의 경우 사전연구를 통해 확인된 바(5) 보호회로
의 정상작동 여부와는 관계없기 때문에 휴대폰 배터리의 충전상태 여부에 따라 완충전(FC)된 상태와 완방전(FD)된 상태를 대상으로 실험을 진행하였다.
3. 실험결과 및 고찰
3.1 과충전에 따른 위험성측정 실험결과
Figure 6은 보호회로가 고장난 상태를 가정한 PCM-F에 서의 과충전에 따른 휴대폰 배터리의 위험성측정 실험결 과를 나타낸 것이다. Figure 6(a)은 상부에서 측정한 캠코 더 영상을, Figure 6(b)은 측면에서 측정한 캠코더 영상을, Figure 6(c)은 열화상이미지를 나타낸 것이다. 보호회로가 고장난 PCM-F의 경우 완충전된 상태에서 과충전 인가 후 약 600 s에 배터리온도가 100oC 이상 상승되면서 팽창되 기 시작하고, 약 680 s 전해액 방출과 함께 폭발이 일어나 면서 설치된 위치를 이탈하여 화염에 노출되는 것을 볼 수 있었다. 이때, 온도는 열화상카메라로 측정 가능한 최대온 도 범위인 350oC 이상으로 나타났고, 폭발위력은 폭탄과 같이 상당히 위험한 것을 확인할 수 있었다. 이와 같이 폭 발이 발생된 원인은 보호회로가 고장 난 경우 과충전을 방 지할 수 없기 때문이다. 즉, 과충전에 의해 허용용량이상 으로 리튬이온의 충전반응이 지속되면, 배터리 내부의 압 력 및 온도 증가가 발생되고, 이로 인해 유기전해액이 서 서히 기화되다가 결국에는 열폭주(thermal runaway)현상 으로 유기전해액이 급격히 기화되어 내부압력이 크게 증 가되고, 배터리의 파열과 동시에 전해질 가스가 급격히 방 출되어 폭발로 이어진 뒤 화염이 수반되는 것으로 생각된 Figure 4. Experiment of hazard measurement due to internal short circuit.
Figure 5. Experiment of hazard measurement due to thermal shock.
다. 반면 보호호로가 정상상태인 PCM-O의 경우에서는 보 호회로가 과충전에 의한 과전압 및 과전류를 제한하여 위 험성이 나타나지 않았으며, 어떠한 온도상승도 발생하지 않았다. Figure 7은 과충전에 따른 위험성측정 실험결과의 최종상태 및 전류파형을 나타낸 것이다. Figure 7(a)에서 보는 바와 같이 보호회로가 고장난 PCM-F의 경우 폭발
및 화염 노출에 의해 전체가 소손된 것을 볼 수 있으며, 보호회로가 정상작동된 PCM-O의 경우 정상상태 그대로 를 유지하는 것을 확인할 수 있다. 이는 Figure 7(b-1)에서 보는 바와 같이 보호회로가 고장난 PCM-F의 경우 과충전 전류를 제한하지 못하고 과전류가 지속적으로 공급되어 배터리 내부의 온도상승이 발생되고 이로 인해 전류가 상 Figure 6. Experiment results of hazard measurement due to overcharge (battery condition: PCM-F).
Figure 7. Experiment results of hazard measurement due to overcharge (final state and current waveforms).
대적으로 공급전류보다 증가되고 이것이 또 다시 온도상승 의 원인이 되어 결국에 폭발에 이르는 열폭주 현상을 확인 할 수 있었다. 이로 인해 과충전 인가전류인 9 A를 초과하 여, 폭발직전 13.6 A까지 상승되다 폭발하는 열폭주 현상이 나타난 것이다. 반면 Figure 7(b-2)에서 보는 바와 같이 PCM-O의 경우 보호회로가 정상작동되어 과충전시 인가되 는 과전류를 지속적으로 제한하는 것을 확인할 수 있었다.
또한, 추가적으로 직류전원공급장치로 인가할 수 있는 최대 전압인 30 V까지 과충전 전압을 상승시켰었으나, 보호회로 가 과충전을 지속으로 제한하는 것을 볼 수 있었다. 따라서 보호회로의 정상작동 여부는 과충전에 의한 폭발위험성을 방지할 수 있는 최적의 안전장치인 것을 확인할 수 있었다.
3.2 외부단락에 따른 위험성측정 실험결과
Figure 8은 외부단락에 따른 위험성측정 실험결과를 나 타낸 것이다. 보호회로가 고장난 PCM-F의 경우 외부단락 에 의해 순간 최대단락전류가 105 A까지 상승하였고, 그 후 약 52 s 동안 평균 38 A의 단락전류가 지속적으로 인가 되어, 배터리의 팽창과 함께 최대 117.7oC까지 온도가 상 승한 후 완전히 방전되었다. 이와 같은 원인은 보호회로가 고장난 경우 단락전류를 제한하지 못해 전류의 급격한 상 승으로 줄열(H = 0.24I2RT [cal])에 의한 온도상승이 발생 하여 배터리 내부의 압력 및 온도가 증가되어 배터리의 발 열현상이 나타난 것으로 생각된다. 반면, 보호회로가 정상 작동된 PCM-O의 경우 순간 최대단락전류가 38 A까지 상 승하였지만, 보호회로가 즉시 작동하여 순간적인 단락전류
를 차단하는 것을 확인할 수 있었다. 이로 인해 PCM-O의 경우 온도상승이 발생되지 않아 Figure 8(b-2)과 같이 열 화상이미지로 온도변화를 관찰할 수 없었다.
3.3 내부단락에 따른 위험성측정 실험결과
Figure 9는 완충전(FC)된 상태에서의 내부단락에 따른 위험성측정 실험결과를 나타낸 것이다. 바이스와 나사못을 이용하여 휴대폰 배터리에 직접적인 물리적 충격을 가했 을 때, 나사못이 배터리 내부를 관통하는 순간 내부단락이 발생되고 불꽃방출과 함께 유기전해액이 기화되어 분출되 고 실험시작 5 s 만에 폭발이 발생되고 동시에 화염이 동 반되는 것으로 나타났다. 이때, 온도는 열화상카메라로 측 정 가능한 최대온도인 350oC 이상으로 측정되었으며, 폭 발위력 또한 과충전과 마찬가지로 엄청난 위력이 발생하 였다. 이와 같은 원인은 완충전 된 배터리의 경우 케이스 가 관통되면서 배터리 내부의 분리막이 파손되어 양극과 음극 간의 내부단락이 발생되고 이로 인해 배터리 내부의 발열 및 열화현상으로 유기전해질이 기화되고, 관통부를 통해 유기전해질 가스가 방출됨과 동시에 열폭주 현상이 열원으로 작용하여 폭발이 발생되고 동시에 화염을 동반 하게 되는 것이다. 반면에 Figure 10에서 보는 바와 같이 완방전(FD)된 휴대폰 배터리의 경우 내부단락이 발생되어 도 배터리 팽창 및 폭발 등의 외형적인 변화를 관찰할 수 없었지만, 순간적으로 최대 41.8oC까지 온도가 상승된 후 하강하는 것으로 나타났다. 완방전된 휴대폰 배터리의 경 우도 자체적으로 완전방전을 진행하였지만, 미약하게나마
Figure 8. Experiment results of hazard measurement due to external short circuit.
충전에너지를 가지고 있었던 것으로 생각된다. 하지만 충 전된 에너지가 매우 낮기 때문에 내부단락이 발생되어도 온도상승이 미비하게 나타난 것으로 판단된다.
3.4 열충격에 따른 위험성측정 실험결과
Figure 11은 열충격에 따른 위험성측정 실험결과를 나타 낸 것이다. 완충전(FC)된 휴대폰 배터리의 경우 실험시작
후 1243 s에 하부온도 210.7oC, 상부온도 232.2oC에서 배 터리의 파열과 함께 전해액이 방출되는 동시에 폭발이 일 어나면서 설치된 위치를 이탈하여 화염에 노출되는 것을 볼 수 있었다. 반면에 완방전(FD)된 휴대폰 배터리의 경우 실험시작 후 1403 s에 하부온도 177.5oC, 상부온도 240.3oC 에서 배터리가 파열되어 전해액이 방출되고, 방출압력에 의해 설치된 위치를 이탈하였지만 폭발 및 화염은 발생되 Figure 9. Experiment results of hazard measurement due to internal short circuit (battery condition: FC).
Figure 10. Experiment results of hazard measurement due to internal short circuit (battery condition: FD).
지 않았다. 완충전(FC)된 휴대폰 배터리의 폭발현상이 나 타난 원인은 배터리에 열충격이 가해지면서 내부의 온도증 가가 발생되고, 이로 인해 유기전해액이 서서히 기화되어 내부압력이 크게 증가되었고, 배터리의 파열과 동시에 유 기전해액의 가스가 급격히 방출되면서 열폭주 현상이 열원 으로 작용되어 폭발과 함께 불꽃방출이 일어나고 뒤이어 화염이 수반되는 것으로 생각된다. 반면 완방전(FD)된 휴 대폰 배터리의 경우에서는 완충전(FC)된 배터리와 동일하 게 열충격에 의해 배터리 내부의 온도증가로 유기전해액이 기화되지만, 완방전으로 인해 배터리 내부의 충전에너지가 매우 적기 때문에 열폭주 현상이 발생되지 않아, 점화에너 지 자체가 매우 낮기 때문에 폭발이 일어나지 않은 것으로
생각된다. 또한 충전 여부에 따른 휴대폰 배터리의 폭발시 간의 차이는 충전에너지의 용량에 따라 배터리 내부의 압 력 및 온도상승률, 유기전해액의 기화속도 차이가 발생되 고 그로 인한 배터리의 팽창 및 파열 시간, 열폭주 현상의 차이로 인해 발생한 것으로 생각된다. 이로 인해 완충전된 (FC) 배터리가 완방전(FD)된 배터리보다 160 s 빠른 시간 내에 폭발하였고, 반응온도 또한 배터리와 직접 부착된 하 부온도가 상대적으로 높게 올라간 것으로 판단된다.
4. 결 론
본 연구에서 휴대폰 배터리에 사용되는 리튬-이온 배터 Figure 11. Experiment results of hazard measurement due to thermal shock.
리가 내부조건 및 주위환경 등에 의해 폭발 및 화재 위험 성이 발생될 수 있는 가능성에 대한 실험적 논문으로써 다 음과 같은 결론을 도출하였다.
1. 과충전에 따른 위험성측정 실험결과 보호회로의 정상 작동 여부에 따라 폭발 위험성에 차이가 나타나는 것을 확 인할 수 있었다. 본 실험조건 하에서는 보호회로가 고장상 태인 경우 과충전 인가 후 약 600 s에서 100oC 이상 상승 되면서 팽창되기 시작하였고, 약 680 s에서 열화상카메라 로 측정 가능한 최대온도 범위인 350oC 이상으로 나타나 며 전해액 방출과 함께 폭발이 일어났다. 반면에 보호회로 가 정상상태인 경우 과충전에 의한 과전압 및 과전류를 제 한하여 어떠한 위험성 및 온도상승도 발생하지 않았다.
2. 외부단락에 따른 위험성측정 실험결과 보호회로의 정 상작동 여부에 따라 온도상승 위험성에 차이가 나타난 것 을 확인할 수 있었다. 보호회로가 고장상태인 경우 외부단 락에 의해 순간 최대단락전류가 105 A까지 상승하였고 약 52 s 동안 평균 38 A의 단락전류가 지속적으로 인가되어 배터리의 팽창과 함께 117.7oC가지 온도가 상승한 후 완 전히 방전되었다. 반면에 보호회로가 정상상태인 경우 순 간적인 단락전류를 즉시 차단하여 온도상승이 발생되지 않았다.
3. 내부단락에 따른 위험성측정 실험결과 휴대폰 배터리 의 충전 여부에 따라 폭발 위험성에 차이가 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 배터리가 완충전(FC)된 상태인 경우 나 사못이 배터리 내부를 관통하는 순간 불꽃방출과 함께 유 기전해액이 기화되어 분출되었으며, 실험시작 5 s 만에 폭 발이 발생되고 동시에 화염이 동반되는 것으로 나타났다.
반면에 완방전(FD)된 휴대폰 배터리의 경우 내부단락이 발생되어도 배터리 팽창 및 폭발 등의 외형적인 변화는 관 찰할 수 없었으나 순간적으로 최대 41.8oC까지 온도가 상 승되었다.
4. 열충격에 따른 위험성측정 실험결과 휴대폰 배터리의 충전 여부에 따라 폭발 위험성에 차이가 나타나는 것을 확 인할 수 있었다. 배터리가 완충전(FC)된 상태인 경우 실험 시작 후 1243 s에 하부온도 210.7oC, 상부온도 232.2oC에 서 전해액 방출과 함께 폭발 및 화염이 일어났다. 반면에 완방전(FD)된 휴대폰 배터리의 경우에는 실험시작 후 1403 s에 하부온도 177.5oC, 상부온도 240.3oC에서 전해 액이 방출되었지만 폭발현상이 발생되지 않았다.
이상과 같은 결과 보호회로가 정상작동 될 경우 외부의 이상전원에 의한 과충전상태 및 기기내부결합 등에 의한 외부단락상태와 같이 전기적 이상상태가 발생하더라도 과 전압 및 과전류 등을 제한하여 폭발 및 화재 위험성이 최 소화되는 것을 확인할 수 있었다. 반면, 내부단락 및 열충 격의 경우 보호회로와 관계없이 배터리의 충전상태에 따 라 폭발 및 화재 위험성이 나타날 수 있기 때문에 배터리 자체의 물리적 충격인가 및 고온환경에 장시간 노출되지 않도록 사용상 각별한 주위가 필요할 것으로 생각된다.
끝으로 휴대폰배터리의 폭발 및 화재 위험성을 최소화 하기 위해서는 보호회로의 정상작동 성능확보와 추가적으 로 보호회로 고장시 알람장치 및 배터리 케이스의 강화 그 리고 배터리의 온도상승방지를 위한 냉각장치 등의 안전 장치의 강화가 필요할 것으로 생각되며, 본 논문의 결과는 향후 휴대폰 배터리의 폭발 및 화재 위험성 분석 시 기초 자료로 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
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