2006년 휴대전화용 배터리의 기술개발 동향 및 시장분석

휴대전화와 노트북 PC 등 휴대기기의 성능이 점차 고성능화되면서 고용량 배터리에 대한 관심이 날로 높아지고 있다.그림 1에서 보듯이 이차전지(Secondary Battery)는 건전지, 알칼리 전지, 수은 전지 등 한번 사용하면 재충전해 사용하는 것이 불가능한 일차전지(Primary Battery)와 달리 여러 번 충전이 가능한 전지를 의미한다. 납축전지, Ni-Cd 전지, Ni-MH(Metal Hydride, 금속수소화물) 전지, 리튬 이차전지 등이 이에 해당한다. 이 가운데 리튬계 이차전지는 메모리 효과가 없고 기존의 Ni-Cd 전지나 Ni-MH 전지에 비해 높은 출력과 용량을 가지기 때문에 주로 휴대전화용 배터리로 사용된다.그림 2에 소형 이차전지의 수요변화를 나타냈다. 그림에서 보면 전체적인 소형 이차전지의 수요는 1995년 약 18억 개에서 2005년 38억 개로 두 배 이상 늘어났다. 하지만 Ni-Cd 전지는 환경적인 이유와 성능의 열세로 매년 점유율이 하락해 전체 소형 이차전지 수요에서 차지하는 비중이 1995년 80%에서 2005년 35%로 크게 감소했다.반면 리튬이온 전지는 1995년 2% 점유율에서 2005년 43% 점유율을 차지하는 급성장세를 기록했다. 이는 리튬이온 전지가 갖는 고용량, 장수명의 장점 및 부피와 무게가 작다는 특징과 매우 밀접한 관계가 있다. 한편 Ni-MH 전지는 1995년 18%의 점유율에서 2000년 41% 점유율을 정점으로 점차 감소해 2005년에 22%의 점유율로 3대 소형 이차전지 가운데 최하위를 기록했다. 이러한 통계는 Ni-MH 전지가 가격 면에서는 Ni-Cd 전지에, 성능 면에서는 리튬이온 전지에 비해 열세이기 때문인 것을 간접적으로 시사하고 있다.리튬 이차전지는 휴대전화와 노트북 PC 외에도 디지털 카메라, MP3P(MP3 Player)와 같은 소형 전자 제품뿐만 아니라 E-bike, 파워 툴(Power Tool) 등과 같은 제품에도 장착되고 있다. 특히, 최근 파워 툴에서 쓰이는 Ni-MH 전지의 대체가 매우 급속하게 진행되고 있다.중대형 제품의 경우, 하이브리드 전기자동차(HEV: Hybrid Electric Vehicle)용으로의 개발도 활발하게 이루어지고 있는 추세이다. 현재 HEV용 이차전지는 Ni-MH 전지를 이용한 자동차(도요타의 프리우스(Prius) 차종, 혼다, 닛산 등)가 상용화되었기 때문에 대부분의 HEV에 Ni-MH 전지를 탑재하여 쓰고 있다. 하지만 도요타를 포함해 여러 회사에서 리튬 이차전지를 이용한 제품을 개발 중이다.이러한 리튬 이차전지는 구성 재료에 따라서 리튬을 음극으로 하는 리튬금속 이차전지, 안전성 향상을 위해 리튬금속 대신 탄소 음극을 사용하는 리튬이온 이차전지, 리튬이온 이차전지(LIB: Lithium Ion Battery)에 사용하는 전해액을 고체화한 리튬폴리머 이차전지(LIPB: Lithium Ion Polymer Battery) 등으로 분류할 수 있다. 리튬폴리머 전지 시장은 리튬이온 전지에 비해 아직 미미한 수준이지만 앞으로 얇고 안전하며 고용량인 전지에 대한 요구가 증가하면서 성장 가능성이 클 것으로 기대된다. 휴대전화용 리튬이온 전지와 리튬폴리머 전지의 장단점을 비교한 결과를 표 1에 나타냈다.리튬이온 이차전지의 동작 원리리튬이온 이차전지는 크게 양극재, 음극재, 전해질, 격리막의 4대 원재료와 기타 부재료로 구성된다. 양극재는 주로 코발트 산화물이 사용되고, 음극재는 흑연을 비롯한 탄소계 재료를, 전해질은 리튬염을 사용한 유기 전해질을 이용한다. 그리고 격리막에서는 PP(Poly Propylene), PE(Poly Ethylene) 등의 고분자 분리막이 사용된다. 최근에는 양극재로서 삼성분계로 불리는 LiNixCoyMnzO2와 올리빈계로 불리는 LiFePO4계가 일부 이용되기도 한다.리튬이온 이차전지는 그림 3에 나타낸 원리에 의해 사용된다. 충전 시에는 양극에서 리튬이 빠져나와 음극의 층간에 리튬이 삽입되고, 외부도선에서는 양극에서 음극으로 전자가 흐르게 된다. 반대로 방전 시에는 음극에서 빠져나온 리튬이온이 양극 쪽으로 삽입되는 반응이 일어난다.기존의 Ni-Cd, Ni-MH 전지처럼 전기화학적 반응에 의해 화학적 상태인 반응물로의 변이가 아닌 리튬이온이 전극재료의 층간에 삽입/탈삽입하는 과정을 거치기 때문에 가역성이 우수해져 기존 이차전지에 비해 월등한 수명 특성을 나타낼 수 있다.전해질은 리튬이온 이차전지의 충, 방전에 따라 전극 사이를 움직이는 리튬이온의 이동을 원활하게 해주는 역할을 하며, 전지의 열적 안전성을 위해 많은 연구의 대상이 되고 있다. 격리막은 양이온의 이동은 자유롭게 하면서 양극과 음극의 물리적인 접촉은 방지하는 역할을 한다.이러한 리튬이온 이차전지는 적용 제품 및 Set 업체의 요구에 따라 각형과 원통형, 그리고 폴리머 전지로 나눌 수 있다. 휴대전화용으로는 그림 4에 있는 각형전지와 폴리머 전지가 주로 사용된다.이차전지의 시장동향 및 기술 개발 동향다른 대부분의 전자부품과 마찬가지로 이차전지의 경우에도 일본 업계의 주도 하에 한국 업체가 뛰어들어 시장점유율을 높이는 양상으로 전개되고 있다. 일본 업체는 1990년대 초반부터 생산을 시작해 세계시장을 선점했다. 국내 업체가 양산 체제를 갖추고 시장에 뛰어든 것은 2000년경으로 특히, 삼성 SDI와 LG화학 두 업체를 중심으로 괄목할 만한 성장세를 유지해 왔다.그러나 최근 이차전지 업계는 외형적 증가에 비해 수익성이 급격히 악화되고 있다. 그 이유는 이차전지 분야의 지속적 성장에 대한 기대로 업체들의 설비 투자가 급격히 증가해 공급과잉 현상과 이에 따른 관련 소재 가격의 상승을 들 수 있다. 특히, 국내 업체들은 대부분의 소재를 해외에서 조달하고 있어 최근 불어 닥친 환율 하락 등과 맞물려 원가 경쟁력이 더욱 낮아지고 있는 상황이다. 일본의 견제와 중국의 거센 추격 사이에서 반도체, LCD에 뒤이은 세계 1위 부품으로 성장하기 위해 부단한 노력을 하고 있다.시장동향지난 해 리튬 이차전지 시장 규모는 약 17.6억 셀 정도였고, 올해는 19.7억 셀 정도로 예상되며, 2003~2007년 동안 평균 성장률은 약 15%를 기록할 것으로 전망된다(그림 5 참조). 리튬 이차전지 시장의 지속적인 성장은 앞서 언급한 바와 같이 휴대기기 산업의 높은 성장에 기인하며, 앞으로 고용량 제품을 중심으로 시장이 형성될 것으로 보인다.리튬 이차전지 수요는 당분간 휴대전화와 노트북 PC를 중심으로 이뤄질 것으로 전망된다. 최근 MP3P, PMP(Personal Multimedia Player), DMB(Digital Multimedia Broad-casting)폰과 같은 멀티미디어 콘텐츠의 사용이 늘면서 이와 관련된 수요도 증가하고 있다. 향후 이들 휴대용 A/V 기기들이 휴대전화 중심으로 통합되면서 고밀도 고용량 제품의 이차전지 시장이 확대될 것으로 예상된다.리튬이온 전지의 경우 한국 기업의 세계시장 점유율은 2000년 약 2%에서 2004년 약 19%로 빠르게 증가했다. 올해는 25%에 이를 것으로 업계 관계자들은 전망하고 있다. 세계 시장 1위와 2위 업체는 일본의 산요(Sanyo)와 소니(Sony)로 각각 5,000만 셀/월과 3,000만 셀/월의 생산능력을 보이고 있으며, 국내업체로서는 삼성 SDI와 LG화학이 각각 2,200만 셀/월과 2,600만셀/월의 생산능력을 갖추고 있어 생산규모면에서는 일본의 메이저 업체들에 거의 근접하고 있다.그러나 최근 중국 업체들의 저가 물량 공세와 수요 증가세 둔화, 소재 가격 상승으로 인해 채산성 악화가 심화되고 있다. 이차전지 소재 중 원가 비중이 가장 높은 코발트 산화물의 경우 2003년 평균 가격이 10.86달러에 불과했으나 2004년에 20달러를 상회했고 올해에도 크게 다르지 않을 것으로 예상된다. 리튬이온 전지의 주요 소재는 대부분 일본에 의존하고 있는데 원가의 약 40%를 차지하는 양극활 물질의 경우 다나카(Tanaka) 화학연구소, 음극활물질은 히타치(Hitachi) 화성, 격리막은 아사히(Asahi) 화성 등 일본 업체가 거의 독점하고 있는 상황이다.최근에는 소재 분야에서도 국내 업체들의 연구가 활발히 진행되어 전해액, 격리막의 경우 수입대체가 일부 이루어지고 있고, 음극활물질도 상당한 성과를 보이고 있다. 또한 원가비중이 가장 높은 양극활 물질의 경우에도 한국 유미코아 등이 국산화를 완료해 앞으로 이차전지 소재 시장의 원가 경쟁력은 상당 부분 개선될 것으로 전망된다.기술동향전지의 일반적인 성능은 에너지 밀도, 수명, 효율, 온도 특성 등에 의해 평가된다. 리튬계 이차전지는 메모리 효과가 없고 위에서 언급한 모든 성능 면에서 기존 전지에 비해 우수한 성능을 보인다. 하지만 최근의 휴대기기들이 더욱 높은 용량을 요구하기 때문에 전지의 고용량화와 관련된 기술개발이 중점적으로 수행되고 있다. 기존에 사용되고 있는 양극/음극 활물질의 이론 용량에 근접한 제품들이 이미 개발 완료된 상황에서 새로운 전지 재료와 구조 개발 등을 통해 이를 극복하려는 시도들이 진행되고 있다. 나노 기술을 적용해 나노 튜브, 나노 파이버 등을 활용하거나 나노 구조를 가진 바나듐 산화물을 이용한 음극활물질에 대한 연구 등이 행해지고 있다.전지의 용량 측면과 더불어 휴대기기의 디자인 다양화나 제조 원가 인하, 안전성 강화와 관련된 연구들도 진행되고 있다. 최근 두께가 14.5㎜에 불과한 모토로라(Motorola)의 레이저(Razr) 폰 출시는 휴대전화 두께에 큰 영향을 미치는 리튬 이차전지의 박형화를 촉진시키고 있으며, PIFA(Planar Inverted F Antenna)와 같은 형태의 휴대전화 안테나 내장을 위한 단척 전지도 개발되고 있다.지난 해 중국산 리튬 이차전지 제품의 폭발 사고 등으로 인해 리튬 이차전지에 대한 안전성에 대한 관심이 고조되면서 고체 전해질이 사용되는 리튬폴리머 전지에 대한 관심이 증가하고 있다. 또한 제조 원가 절감을 위해 보호회로가 필요 없는 PCMless 제품이 개발돼 판매 중이다.결론앞서 언급한 대로 리튬이온 전지는 이미 1990년대 초반 일본 업체에 의해 개발된 후 상당기간 일본에 의해 독점되어 왔다. 국내에서는 1999년이 되어서야 생산이 시작됐다. 이러한 리튬 이차전지의 국내 수출입 동향을 살펴보면 2003년 총 6,331만 달러의 무역수지 적자를 기록했으나, 2004년 12월 170만 달러 흑자를 기록한 이래 현재까지 흑자 기조를 유지하고 있다. 지난해에는 10.7억 달러의 무역수지 흑자로 지속적인 성장을 거듭하고 있다.리튬 이차전지의 개발 방향은 휴대용 IT기기의 소형화 및 경량화 추세와 기기의 컨버전스화에 의한 소형 에너지 전원으로 타 전지에 비해 에너지밀도가 높은 리튬이온 및 리튬폴리머 전지의 사용이 더욱 증가할 것으로 전망된다. 특히, IT기기의 발달에 맞춰 에너지 밀도 향상, 장수명, 고효율, 저온/고온 특성 등 핵심 기술을 발전시켜 나가고 있고, 전지 재료와 새로운 전지구조의 개발, 제조공정 개선을 통한 가격 절감을 위해 연구가 진행되고 있기 때문에 2010년까지 소형 IT기기의 전원으로 리튬이온 이차전지가 주류를 이룰 것으로 예상된다.비록 우리나라의 리튬 이차전지 세계시장 개척이 일본의 견제와 중국의 추격 사이에서 힘들게 전개되고 있지만 리튬 이차전지가 우리나라 IT관련 제품의 생명력과 매우 밀접한 관계를 맺고 있고, 최근 이른바 BRICs로부터 꾸준한 수요가 기대되고 있기 때문에 위기와 기회가 공존하는 매우 다이내믹하고 재미있는 이야기를 제공하는 장이 될 것이다.

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김가희 (webmaster@techworld.co.kr)

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