서론
2025년 기준으로 다양한 종류의 배터리는 일상생활 전반에 광범위하게 활용되고 있다. 배터리 시장 수요의 지속적인 확대는 생산, 시험, 유지보수 전반에 걸쳐 높은 수준의 기술적 과제를 제기하고 있다. 이러한 흐름 속에서 배터리 시험 장비의 성능 또한 지속적으로 향상되어 왔다. 최신 고성능 배터리 시험 장비는 기본적인 충·방전 시험을 넘어, 순환 전압전류법, 전기화학 임피던스 분광법, 정전류 간헐 적정 기법, 직류 내부저항 측정 등 다양한 전기화학적 특성 평가를 수행할 수 있다. 이러한 모든 시험 데이터의 신뢰성을 담보하는 핵심 요소는 배터리 시험 장비의 정밀도, 정확도, 그리고 장기적인 안정성이다.
정밀도
정의: 정밀도는 반복성이라고도 하며, 동일한 조건에서 동일한 측정 대상에 대해 반복 측정을 수행했을 때 측정 결과들이 서로 얼마나 일치하는지를 의미한다. 이는 계측기의 무작위 오차 크기를 반영한다.
역할: 데이터 신뢰성 확보. 정밀도가 높다는 것은 시험 결과의 재현성이 우수함을 의미한다. 측정값이 절대적인 참값과 일치하는지 여부와 관계없이, 각 측정 결과가 서로 매우 유사하게 나타난다(그림 1 참조).
그림 1: 좌측: 높은 정밀도와 높은 정확도 / 우측: 높은 정밀도와 낮은 정확도
이러한 특성으로 인해 정밀도가 높은 장비는 시험 과정 중 발생하는 미세한 변화를 식별하는 데 활용될 수 있다. 배터리 연구개발 과정에서는 내부저항이나 용량의 미세한 열화 정도를 지속적으로 모니터링하는 것이 중요하다. 고정밀 계측기만이 자체 측정 노이즈에 의해 변화가 가려지지 않도록, 이러한 미세한 변화를 안정적으로 구분할 수 있다. 즉, 정밀도는 “측정 결과가 일관적인가”라는 질문에 답한다.
정확도
정의: 정확도는 측정 결과가 측정 대상의 실제 참값에 얼마나 근접하는지를 나타내는 지표로, 계측기의 계통 오차 크기를 반영한다.
역할: 데이터 진실성 확보. 정확도는 표시된 수치가 실제 물리량을 얼마나 정확하게 반영하는지를 결정한다(그림 2 참조). 예를 들어, 시험 장비가 특정 배터리의 내부저항을 1.000밀리옴으로 표시할 경우, 해당 값이 실제로 신뢰 가능한 1.000밀리옴인지, 혹은 실제 값이 1.050밀리옴과 같이 편차를 갖는지 여부는 정확도에 의해 좌우된다. 정확도는 일반적으로 절대 평가에 사용되며, 배터리 선별 및 품질 검사와 같은 응용 분야에서는 내부저항 및 전압의 정확한 측정이 필수적이다. 즉, 정확도는 “측정값이 참값에 가까운가”라는 질문에 답한다.
그림 2: 좌측: 높은 정밀도와 높은 정확도 / 우측: 낮은 정밀도와 높은 정확도
안정성
정의: 안정성은 계측기가 일정 기간 동안 정밀도와 정확도를 유지할 수 있는 능력을 의미하며, 시간이나 온도 변화 등 환경 요인에 따른 성능 드리프트를 반영한다.
역할: 장기 신뢰성 확보. 계측기는 출고 시 높은 정밀도와 정확도를 가질 수 있으나, 안정성이 부족할 경우 수개월 사용 후 또는 주변 온도 변화에 따라 성능이 크게 저하될 수 있다. 안정성 수준은 교정 주기와 직접적으로 연관되며, 안정성이 높은 장비는 장기간 성능을 유지하여 빈번한 교정이나 반납 없이 운영이 가능하다. 이는 유지보수 비용 절감과 가동 중단 위험 감소로 이어진다. 즉, 안정성은 “성능이 얼마나 오랫동안 유지되는가”를 의미한다.
원래 이미지(링크 참조): https://www.neware.net/news/accuracy-precision-and-stability-of-battery-testers-and-the-importance-of-inst/230/164.html
세 가지 요소 간의 관계
정밀도는 정확도의 기초이다. 정밀도가 낮은 장비는 측정 결과가 크게 분산되어, 평균값을 교정을 통해 참값에 가깝게 조정하더라도 개별 측정값의 신뢰성이 확보되지 않는다. 따라서 높은 정확도는 일반적으로 높은 정밀도를 전제로 한다.
높은 정밀도가 반드시 높은 정확도를 의미하지는 않는다(그림 1 참조). 이는 가장 흔한 오해 중 하나이다. 모든 측정 결과가 동일한 지점에 집중되었더라도(높은 정밀도), 참값에서 벗어나 있다면 정확도는 낮다. 이는 반복 가능한 계통 오차가 존재함을 의미하며, 교정을 통해 보정이 가능하다.
안정성은 정밀도와 정확도를 장기간 유지하기 위한 보호 장치이다. 정밀도와 정확도는 특정 시점의 성능 지표인 반면, 안정성은 이러한 성능이 장비 수명 전반에 걸쳐 지속될 수 있는지를 결정한다. 안정성이 낮은 장비는 오늘은 높은 성능을 보이더라도, 단기간 내 성능 저하가 발생할 수 있다.
교정의 중요성
고정밀·고정확 장비를 정기적인 교정 없이 사용할 경우, 초기에는 다음과 같은 현상이 발생할 수 있다.
사용 시간이 증가함에 따라 정밀도가 지속적으로 저하된다(그림 3).
그림 3: 정확도는 소폭 감소하고 정밀도는 크게 감소
사용 시간이 증가함에 따라 정확도가 지속적으로 저하된다(그림 4).
그림 4: 정밀도는 소폭 감소하고 정확도는 크게 감소
장기간 사용 후에는 정밀도와 정확도가 모두 현저히 저하된다(그림 5).
그림 5: 정확도와 정밀도가 모두 크게 감소
장비 내부의 기준 전압 소자, 고정밀 저항, 증폭기와 같은 핵심 기준 소자는 온도 변화와 누적 운용 시간에 따라 물리적 특성이 점진적으로 변화한다. 이로 인해 측정의 영점과 이득이 이동하며, 정확도 저하가 발생한다. 이는 교정을 통해 반드시 보정되어야 하는 대표적인 계통 오차이다. 또한 온도, 습도, 분진, 전자기 간섭과 같은 환경 요인의 장기적 누적은 부품 특성 변화나 추가 노이즈를 유발하여 측정값 분산이나 드리프트를 초래하며, 이는 정밀도 저하로 나타난다. 이와 더불어 반복적인 커넥터 체결, 고전류 전환에 따른 열 스트레스, 과부하 또는 단락과 같은 상황도 장비 성능 저하를 가속화한다.
교정 및 보정
교정은 단순한 영점 조정이 아니라 체계적인 검증과 보정 절차이다.
· 추적성: 장비는 공인 계량 기관으로 이송되며, 해당 기관은 장비보다 최소 한 자릿수 이상 높은 정밀도의 표준기를 사용한다. 이 표준값은 국가 또는 국제 표준에 단계적으로 추적 가능하다.
· 비교 측정: 표준기를 이용하여 장비의 전체 측정 범위에서 정확한 전압, 전류, 저항 신호를 생성한다.
· 편차 기록: 장비 표시값과 표준 참값 간의 차이를 편차표로 기록한다.
· 보정(핵심 단계):
· 소프트웨어 보정: 편차 계수를 장비 펌웨어에 입력하여, 이후 모든 측정값을 자동 보정한다.
· 하드웨어 조정: 내부 기준 가변 저항을 조정하는 방식으로, 최신 고급 장비에서는 드물게 사용된다.
교정은 주로 정확도를 직접적으로 복원하고 보장하는 역할을 한다. 외부의 상위 표준을 기준으로 계통 오차를 강제 보정함으로써 측정값을 참값에 가깝게 되돌린다. 또한 과거 교정 데이터와의 비교를 통해 장비 성능의 드리프트 속도를 평가함으로써 안정성을 간접적으로 검증할 수 있다. 다만 교정은 정밀도를 크게 향상시키지는 못하며, 반복성이 저하된 경우에는 하드웨어 노화나 노이즈 증가가 원인일 가능성이 높아 수리가 필요할 수 있다. 교정 성적서에 포함된 반복성 시험 결과를 통해 정밀도 충족 여부를 판단할 수 있다.
교정 및 보정 후 장비의 정확도는 우수한 수준으로 회복된다. 다만 정밀도 저하는 일부 부품 노화에 기인하므로, 출고 시 대비 소폭 감소할 수 있다. 그러나 부품의 실제 사용 수명이 장비의 정격 수명을 상회하고, 현대 전자 부품의 품질이 지속적으로 향상되고 있어 시험 데이터에 미치는 영향은 매우 제한적이다(그림 6 참조).
그림 6: a 높은 정확도·정밀도 / b 교정 전(정확도 소폭 저하) / c 교정 후(높은 정확도·정밀도)
결론
정밀도, 정확도, 안정성은 배터리 시험 장비 데이터 신뢰성을 평가하는 핵심 지표이다. 출고 시 매우 우수한 성능을 갖춘 장비라 하더라도, 적절한 유지관리와 정기적인 교정이 이루어지지 않으면 고유의 성능은 빠르게 저하될 수 있다.
신위는 다양한 교정 장비를 개발하여 여러 제품군을 지원하고 있으며, 정기적인 현장 교정 서비스를 통해 사용자의 시험 데이터가 항상 신뢰성과 안정성을 유지하도록 지원하고 있다.
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