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추워지면 똑 끊기는 스마트폰 배터리, 왜?

2017년 12월 18일 15:07
이혜림 기자 제공
이혜림 기자 제공

추운 날씨가 이어지고 있다. 한파에 고통 받는 건 비단 사람뿐만이 아니다. 기온이 영하로 떨어지면서 스마트폰 배터리가 빨리 닳고 전원이 꺼지는 증상을 호소하는 사람이 많다. 여기에 지난달 출시된 아이폰X(텐)은 추운 곳에선 화면이 반응하지 않는 현상이 곳곳에서 발생하는 것으로 알려졌다.

 

애플 공식 홈페이지에는 ‘주변 온도가 0℃~35℃인 장소에서 iOS 기기를 사용하십시오. 작동 온도 범위를 벗어난 매우 추운 환경에서 iOS 기기를 사용하면 배터리 사용 시간이 일시적으로 단축되어 기기가 꺼질 수 있습니다’라는 경고문이 올라와 있다.

 

추온 곳에 사는 사람은 스마트폰도 맘 놓고 쓰지 못 하는 걸까? 영하의 온도가 되면 왜 배터리에 문제가 생기는 걸까? 원인은 스마트폰 배터리 구조를 들여다보면 알 수 있다.

 

현재 스마트폰은 리튬이온배터리를 쓴다. 리튬이온배터리는 에너지밀도가 높고 높은 전압을 낼 수 있어 가벼우면서도 수명이 오래 가도록 만들 수 있다. 리튬이온배터리가 모바일 기기나 웨어러블 기기의 배터리로 많이 쓰이는 이유다.

 

 

리튬이온배터리 구조. - 과학동아 2017년 3월호/ 김진호 기자, 김인규 디자이너 제공
리튬이온배터리 구조. - 과학동아 2017년 3월호/ 김진호 기자, 김인규 디자이너 제공

리튬이온배터리는 크게 양극과 음극, 전해질로 구성된다. 전자를 잃은 리튬이온이 전해질 사이를 이동하며 충전과 방전이 되는 원리다. 전해질은 액체로 이루어져 있어 온도가 떨어지면 얼 수 있다. 하지만 0℃에서 얼지는 않는다.

 

정윤석 UNIST 에너지 및 화학공학부 교수는 “리튬이온배터리의 전해질은, 용매 종류에 따라 차이는 있지만, 물이 아니기 때문에 보통 어는점이 0℃보다 낮은 영하 수십 ℃”라고 말했다. 기온이 영하 수십 ℃ 수준으로 내려가지 않는 한 전해질이 얼 확률은 낮다.

 

원인은 배터리의 소재인 리튬이온의 특성에 있다. 정 교수는 “리튬 이온은 온도가 낮아지면 이동 속도가 현저히 느려진다”고 말했다. 실제 리튬이온배터리는 영하 10℃에서 최대 효율의 60~70%, 영하 20℃에서 40% 이하로 떨어진다고 알려졌다.

 

방전된 배터리는 온도가 올라가면 리튬 이온의 이동 속도가 회복되면서 다시 원래의 효율로 돌아간다. 그렇다고 해도 추운 야외에서 스마트폰을 사용하는 중에 일시적으로 방전되면 사용자는 불편을 느끼는 것이 당연하다.

 

더욱이 러시아나 북유럽 같은 지역은 기온이 -30℃ 이하로 떨어지는 날이 일년 중 절반 이상이다. 리튬 이온의 이동성이 떨어질 뿐 아니라 전해질마저 얼어버릴 수 있는 온도다.

 

양극과 음극의 재질을 바꾸거나, 전해질의 용매 조성을 바꾸는 등 낮은 온도에서도 효율이 크게 떨어지지 않는 배터리를 개발하려는 연구도 눈에 띈다. 중국 푸단대 왕용강 교수 연구팀은 양극에 바나듐 인산염, 음극에 리튬화된 하드카본을 쓴 리튬이온 배터리를 개발했다고 4일 밝혔다. 이 배터리는 영하 40℃ 이하에서도 67%의 효율을 유지한다. 

 

한편 기온이 떨어지면서 아이폰X에 일시적으로 화면이 멈추는 현상이 나타난다는 제보가 이어지고 있다. 이에 대해 애플은 “화면이 완전히 멈추는 것이 아니라 몇 초가 지나면 화면이 다시 반응한다”며 “소프트웨어 업데이트를 통해 해결할 것”이라고 밝혔다.

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