스마트폰은 이제 우리의 일상생활에서 없어서는 안 될 필수품이 되었다. 우리는 문자 메시지는 물론, 사진과 영상을 공유하며 다른 사람과 소통하고, 다양한 온라인 정보를 검색하며, 인터넷 쇼핑을 하고, 일상적인 업무를 처리하고, 영상을 기록하는 등 수많은 활동을 스마트폰에 의존하고 있다. 이러한 고사용량 활동을 오랜 시간 가능하게 하는 핵심 요소가 바로 배터리 기술의 발전이다.
휴대전화의 발전 과정을 돌아보면, 과거에 널리 사용된 휴대폰 배터리는 크게 네 가지 종류로 나뉜다: 니켈카드뮴(Ni-Cd) 배터리, 니켈수소(Ni-MH) 배터리, 리튬이온(Li-ion) 배터리, 그리고 리튬폴리머(Li-Po) 배터리이다. 각 배터리 종류는 당시 기술 수준에서 에너지 밀도, 사용 시간, 크기 및 무게, 안전성 등을 종합적으로 고려해 선택된 결과였으며, 휴대폰 배터리 기술이 단계적으로 진화해 온 중요한 이정표가 되었다.
세계 최초의 휴대전화는 1973년 모토로라(Motorola) 연구팀에 의해 개발되었다. 그 후 1983년, 모토로라는 세계 최초의 상업용 휴대용 이동전화인 DynaTAC 8000X(그림 1 참고)를 출시하였다. 이 제품의 등장은 본격적인 이동통신 시대의 시작을 알렸으며, 1세대(1G) 이동통신 기술의 탄생을 의미했다.
초기 휴대전화는 크고 무겁고 배터리 사용 시간이 매우 짧았지만, 이는 이후 이동형 전자기기의 발전 기반을 마련한 중요한 사건이었다. 이후 수십 년 동안 기능이 다양해지고 사용 시간이 늘어나면서 배터리는 점점 더 작아지고, 용량은 더욱 커졌으며, 안정성과 지속시간 또한 크게 향상되었다. 이러한 기술의 지속적인 발전은 스마트폰이 대중화되고 현대인의 생활 방식 전반에 깊숙이 자리 잡을 수 있는 중요한 바탕이 되었다.
그림 1의 왼쪽은 초기 휴대용 이동전화 사용 모습을, 오른쪽은 DynaTAC 8000X의 배터리 팩을 보여준다.
DynaTAC 8000X는 높이 23cm, 무게 907g에 달했으며, 배터리 슬롯에는 원통형 배터리 6개를 장착할 수 있었다. 여섯 개의 니켈카드뮴 전지로 구성된 배터리 팩은 최대 7.5V의 전압을 출력할 수 있었다.
참고로, 휴대전화 배터리는 기기와의 전압 규격이 매우 엄격하게 맞춰져 있어야 하며, 배터리 팩은 해당 기기가 요구하는 전압에 맞춰 설계된다. 예를 들어, 현대 스마트폰 배터리의 공칭 전압은 약 3.77V이며, 일상적인 사용 환경에서의 중간 부하 전력 소모는 대략 3~4W 수준이다. 반면, DynaTAC 8000X의 배터리 팩 출력은 7.5V로, 당시 기기의 전력 소모가 상당히 높았음을 의미한다.
이 니켈카드뮴 배터리 팩의 총 용량은 약 600mAh에 불과했으며, 완전 충전에는 10시간이 걸렸지만 통화 시간은 약 30분밖에 제공하지 못했다. 또한 니켈카드뮴 전지는 충·방전 관리를 잘못하면 심각한 ‘메모리 효과’가 발생해 용량이 줄어드는 단점이 있었다. 이 때문에 긴급 상황에서 장시간 통화가 필요하더라도 배터리를 즉시 충전해 사용할 수 없었고, 안정적인 전류 공급이 어려워 결국 배터리를 교체해야 했다. 이는 휴대폰의 휴대성을 크게 떨어뜨리는 요인이었다.
1990년대에 들어와 니켈수소(Ni-MH) 배터리가 등장하면서 Motorola StarTAC과 같은 휴대용 휴대전화는 기존의 니켈카드뮴(Ni-Cd) 배터리보다 더 나은 전원 공급 장치를 갖출 수 있게 되었다. 니켈카드뮴 전지와 달리, 니켈수소 전지는 메모리 효과가 약하며, 여러 차례 완전한 충·방전 과정을 거치면 거의 사라질 정도였다. 또한 카드뮴을 포함하지 않아 환경 친화적이며, 단위 체적당 에너지 밀도가 더 높아 더 많은 전력을 저장할 수 있었고, 사이클 수명도 더 길었다. 당시 Ni-MH 배터리는 자가 방전율이 약 30%로 다소 높은 편이었지만, 일반 사용 환경에서는 큰 문제가 되지 않았다. 이러한 특성 덕분에 Ni-MH 전지는 휴대전화용 배터리로 더 적합했으며, 빠르게 Ni-Cd 전지를 대체해 시장을 선점했다.
그러나 Ni-MH 전지가 완전한 최적의 선택지는 아니었다. Motorola는 StarTAC을 위해 별도의 선택 사양으로 리튬이온 배터리를 출시했는데, 가격이 비교적 높았음에도 불구하고 용량이 Ni-MH보다 훨씬 크다는 이유로 소비자들 사이에서 큰 인기를 끌었다(그림 2).
그림 2는 니켈-수소(Ni-MH) 배터리의 사진이다.
시장 반응이 긍정적으로 나타나면서 리튬이온 배터리의 연구개발이 빠르게 가속화되었고, 제조 기술 또한 비약적으로 발전하였다. 용량 증가와 원가 절감이라는 두 가지 요인이 맞물리면서 리튬이온 배터리는 더 많은 휴대전화 제조사들의 선택을 받기 시작했고, 이는 휴대전화 전원 공급에서 리튬 배터리 시대가 본격적으로 열렸음을 의미한다.
오늘날 우리가 사용하는 스마트폰 배터리는 기존 리튬이온 배터리를 개선한 형태로, 기술적으로는 리튬폴리머 배터리라고 부른다. 리튬이온 배터리가 액체 전해질을 사용하는 것과 달리, 리튬폴리머 배터리는 젤 상태의 보다 안정적인 고분자 전해질을 사용한다. 또한 가볍고 유연한 알루미늄-플라스틱 필름으로 패키징되어 있다. 이와 더불어 리튬폴리머 배터리는 L자형 배터리(그림 3 참고)처럼 비정형 구조로 설계할 수 있어 스마트폰 내부 공간을 더욱 효율적으로 활용할 수 있다는 장점이 있다.
그림 3 iPhone 16 Pro 배터리
비록 리튬 폴리머 배터리는 일반 리튬이온 배터리에 비해 상대적으로 가격이 다소 높지만, 사용자들이 가장 중요하게 생각하는 안전성 측면에서는 확실한 장점을 가진다. 리튬 폴리머 배터리는 보다 안정적인 젤 형태의 폴리머 전해질을 사용하기 때문에 누액이 발생할 가능성이 매우 낮으며, 만약 이상이 생기더라도 보통 배터리가 부풀어 오르거나 열이 발생하거나 연소하는 정도에서 그치는 경우가 많다. 즉, 전통적인 리튬이온 배터리처럼 직접적인 폭발로 이어질 가능성은 상대적으로 적다.
반면, 삼성 Galaxy Note 7(중국 판매 버전 제외)에 탑재된 배터리는 액체 전해질을 사용하는 리튬이온 배터리였고, 여기에 제품 구조적 설계 결함이 더해지면서 전 세계적으로 배터리 폭발 사고가 잇따라 발생했다. 비록 삼성과 배터리 제조사 간에 사고 원인에 대한 완전한 합의는 이루어지지 않았지만, 이 사건을 계기로 리튬이온 배터리가 지니는 잠재적인 안전 위험성에 대한 사회적 인식이 크게 높아졌다. 이러한 문제를 해결하기 위해 삼성은 후속 모델인 Note 8부터는 보다 안전성이 높은 리튬 폴리머 배터리만을 사용하기로 결정하였다(그림 4 참고).
그림 4 왼쪽은 삼성 Galaxy Note 7 배터리, 오른쪽은 Galaxy Note 8 배터리이다.
휴대전화 배터리의 발전 역사를 되돌아보면 매우 뚜렷한 변화가 보인다. 초기 휴대폰 배터리는 여섯 개의 니켈카드뮴 전지를 묶어 하나의 배터리 팩을 구성해야 했지만, 오늘날의 스마트폰은 얇은 한 겹의 리튬 폴리머 전지층만으로도 충분한 전력을 제공할 수 있다(그림 5 참고). 이러한 크기 감소는 매우 극적이며, 두께와 무게가 크게 줄어들어 현대 스마트폰이 가벼운 무게와 슬림한 디자인을 유지하면서도 더 긴 배터리 사용 시간을 확보할 수 있게 되었다.
또한 전압 역시 과거 7.5V에 달하던 고전압 시스템에서 현재는 약 3.77V 수준으로 크게 낮아졌다. 이는 성능 저하가 아니라 배터리 화학 구조가 발전하면서 더 낮은 전압에서도 높은 에너지 밀도와 효율적인 전력 출력을 실현할 수 있게 된 결과이다.
뿐만 아니라 리튬 폴리머 배터리는 수명 주기가 더 길어 장기간 사용 시 배터리 교체 빈도가 줄어들고, 이에 따라 전체 비용 부담도 낮아진다. 크기, 전력 소비, 내구성, 비용 측면에서 모두 꾸준한 개선이 이루어진 셈이다.
종합적으로 보면, 지난 수십 년 동안 휴대전화 배터리는 더 작아지고, 더 적은 에너지를 소비하며, 더 낮은 비용으로 더 오래 사용할 수 있는 형태로 괄목할 만한 진화를 이루었다고 말할 수 있다.
그림 5는 휴대전화 배터리의 변화 과정을 보여주며, 니켈카드뮴 전지, 니켈수소 전지, 리튬이온 전지, 리튬폴리머 전지 등이 순서대로 배치되어 있다.
현대 배터리는 크기가 작아졌을 뿐 아니라 환경적 측면에서도 과거 제품에 비해 훨씬 우수하다. 초기 휴대폰에 사용되던 니켈카드뮴 배터리에는 중금속인 카드뮴이 포함되어 있어 토양과 수질을 오염시키는 등 심각한 환경 문제를 야기할 수 있었다. 또한 이 전지는 재활용 과정에서도 오염 위험이 매우 높아 처리 과정이 어려웠다. 반면 최근의 리튬이온 배터리 재활용 기술은 빠르게 발전하고 있으며, 니켈·코발트·망간 등의 금속을 92% 이상 회수할 수 있는 수준에 도달했다. 재활용 원료로 제작한 배터리는 500회 충·방전 후에도 88%의 용량을 유지하고, 900회 사이클 이후에도 약 85%의 성능을 보존할 만큼 안정적이다.
과거의 배터리와 비교하면, 현재의 리튬폴리머 전지는 성능, 경제성, 이동성 등 여러 분야에서 눈에 띄는 진보를 이루었다.
성능 측면에서 보면, 초기 휴대폰의 배터리 용량이 600mAh 정도에 불과했던 반면 오늘날 배터리 용량은 6000mAh를 넘어 8000mAh 이상에 달하는 제품까지 등장했다. 약 40년 동안 열 배 이상의 증가를 이뤄낸 셈이며, 부피 감소까지 고려하면 에너지 밀도는 수십 배 이상 향상된 것으로 평가된다. 다른 산업과 비교하면 수치가 다소 보수적으로 보일 수도 있으나, 배터리 소재 분야에서는 혁신적인 발전으로 간주된다.
또한 수명 역시 크게 향상되었다. 과거 니켈카드뮴 전지는 수개월 사용만으로도 급격한 성능 저하가 발생했지만, 현재 스마트폰에 장착되는 리튬이온 전지는 3년 이상 사용해도 80% 이상의 실사용 용량을 유지한다. 특히 고속 충전이 배터리에 부담을 준다는 점을 고려하면 이는 매우 인상적인 결과다. 만약 제조사 제공 충전기보다 출력이 낮은 충전기를 사용한다면, 3년 후의 잔존 용량은 90% 이상까지 유지될 수 있다.
최신 Apple iPhone 17 Pro Max(eSIM 모델)는 5088mAh(중국 내수용 4832mAh) 용량의 리튬이온 배터리를 탑재하여, 애플 스마트폰 중 최초로 5000mAh 용량을 넘어섰다. 애플은 iPhone X 이후 내부 공간 활용을 극대화하기 위해 두 개의 리튬이온 셀을 조합한 L자형 배터리 구조(그림 6)를 적용해 왔다. 에너지 밀도 향상과 더불어 이 듀얼 셀 설계는 기기의 얇은 두께를 유지하면서도 지속적인 용량 증가를 가능하게 만들었다.
여기에 iOS의 전력 효율 최적화가 더해지면서 고주사율 디스플레이와 높은 성능을 요구하는 기능이 증가하고 있음에도 하루 종일 사용할 수 있는 배터리 수명을 실현하게 되었다.
그림 6 iPhone X 내부 구조도
하지만 배터리 용량은 단지 2716mAh에 불과하여 iPhone 8 Plus의 2675mAh 배터리와 비교했을 때 큰 차이가 없었다. 이 설계는 기존에 낭비되던 내부 공간을 활용했지만, 두 개의 배터리를 사용함에 따라 두 개의 배터리 모듈이 필요했고, 이 추가 모듈들 자체도 추가 공간을 차지하게 되었다.
앞서 언급했듯이, 리튬 폴리머 배터리의 한 가지 장점은 다양한 맞춤형 형태로 설계할 수 있다는 점이다. 따라서 iPhone 11 Pro 시리즈부터 애플은 L자형 맞춤 배터리를 채택했다. iPhone 11 Pro Max는 놀라운 3969mAh 배터리 용량을 달성했으며, 이는 iPhone XS Max의 3174mAh보다 800mAh 이상 높은 수치이다. 이 세대는 애플 역사상 배터리 용량이 가장 크게 증가한 시기였다.
실제로 이후 출시된 iPhone 12 Pro Max의 배터리 용량은 약간 줄어 3687mAh에 그쳤는데, 이는 애플이 더 얇고 가벼운 디자인을 위해 배터리 용량을 일부 희생했음을 보여준다. iPhone 11 Pro Max 출시 6년 후, 애플은 마침내 5000mAh 이상의 배터리 용량을 달성했는데, 이는 배터리 소재 기술의 발전과 밀접한 관련이 있다.
최근 몇 년간(2023-2025) 휴대폰 배터리 용량 증가의 비밀을 알고 싶다면, 《The Secret Behind Increasing Mobile Phone Battery Capacity: Silicon-Carbon Anodes》를 참고할 수 있다.
https://www.neware.net/news/the-secret-behind-increasing-mobile-phone-battery-capacity-silicon-carbon-anode/230/153.html
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