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<금속절연체전이소자>

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ETRI, MIT원리 적용

임계온도 스위치 개발성공

- 휴대폰, 노트북 배터리 부풀림 및 폭발방지 적용가능

ETRI(한국전자통신연구원 원장 임주환)는 지난해 9월, 발표한바 있는 모트(Mott) 금속-절연체 전이(MIT)현상을 이용하여 기존에 상용중인 세라믹 센서보다 소형이면서 높은 신뢰성을 가진 ‘임계온도 스위치’를 개발하고 이를 응용하여 ‘과열에 의한 휴대폰 배터리 부풀림 및 폭발방지 소자’ 개발에 성공했다고 21일 밝혔다.

이번에 개발된 프로그래머블(연속적 가변) MIT-임계온도 센서는 김현탁 박사가 확립한 이론을 기반으로 개발되었으며, 임계온도가 하나로 고정된 것이 아니라 임계온도를 자유롭게 가변할 수 있기 때문에 응용범위가 매우 넓다고 할 수 있다.

이러한 온도 스위치는 바나듐 옥사이드(VO2) 재료를 사용할 경우, 68oC 이하에서 동작이 가능하나, VO2가 아닌 다른 재료로 만든 MIT 소자의 온도범위는 각각 -193 ~ -110oC, 20 ~ 150oC까지 확장이 가능하다. 본 연구팀은 새로운 소재를 이용한 MIT 소자로 그 범위를 확인한바 있다.

따라서 이 스위치는 특정 임의의 온도측정 및 제어가 필요한 곳에서 사용이 가능하다. 예를 들면, 발효식품 제조회사(40oC)나 포도주 제조(15oC), 난방시스템(20oC), 화재경보기(55~72oC), 모터제어 등 매우 많은 응용처가 있다.

급격한 전하방전소자는 MIT 임계온도 스위치의 한 응용 예이며 휴대폰을 포함, 휴대용 IT기기의 전지에서 종종 발생하는 부풀림 및 폭발을 방지하고 전지의 안정화와 안전한 사용에 활용될 수 있다.

특히 휴대폰 이차전지의 과열 상태에서 급격한 방전 실험으로 부풀림, 폭발방지 및 지연 실험에도 성공하였다. 급격한 전하 방전이란 휴대폰 이차전지의 온도상승이나 과충전 상태인 4.2볼트(V) 이상에서 안전한 상태인 3.8V이하로 순간적으로 방전시키는 것이다.

리튬이온 이차전지는 대부분 휴대폰, 노트북 컴퓨터 등에 많이 사용되는데 2006년도 연간 세계시장이 휴대폰 6억대(전지 6억 x 2=12억개), 노트북 1억대로 예상되고 있음을 감안할 때 경제적 효과는 매우 클 것으로 전망되고 있다.

특히, 노트북 배터리의 경우 휴대폰 배터리에 비해 그 용량이 훨씬 커서, 임계온도를 넘어 폭발되면 대형 화재가 발생할 수 있으므로, 이번에 개발된 소자가 갖는 의미는 매우 크다고 ETRI측은 설명했다. (참고; 최근 소니, 델 노트북 폭발사고로 사회적 이슈가 되었음.)

ETRI는 현재, MIT분야에서 24개(지난해 9월이후 8개 추가)의 특허를 출원중이며, 특히 세계시장에서 MIT 현상을 이용한 소자들의 우선권을 확보하는데 주력했다고 이날 밝혔다.

또한 ETRI는 지난해 제시한 MIT이론을 규명한 논리에 맞춰 시제품개발을 성공하였다는데 큰 의미를 부여했으며 새로운 소자의 상용화로 산업전반에 큰 파급효과가 예상된다고 밝히면서 직경 2인치(inch) 박막내에 임계온도 스위치 소자의 경우 16,000개를, 전지 폭발방지용 소자의 경우 5,000개 이상을 집적시킬 수 있다고 하였다.

ETRI는 원천기술 단계에 있는 고난이도 기술의 확보는 ETRI가 독자적으로 수행할 예정이며, 상용화 단계에 진입한 MIT 기술 기반의 연구개발품은 기술이전을 추진할 예정인 것으로 알려졌다. 특히 상용화 제품 개발을 위해서는 기업체와 공동으로 전략을 수립, 공동연구 과제를 통해 추진할 방침인 것으로 이날 발표했다.

ETRI 임주환 원장은 “작년 MIT현상 실험규명에 이어 올해 1차 결과물인 시제품이 완성되어 무엇보다도 기쁘다며 최근 이슈가 되고 있는 노트북 전지 폭발 등에 적용, 상용화의 좋은 모델이 될 수 있도록 지속적인 연구비 지원과 격려를 아끼지 않겠다.” 고 밝혔다. <보도자료 본문 끝>

<별첨1. 설명>

[그림] 위 그림의 패키징된 VO2-MIT 소자는 제1 전극, 제2 전극, 열전달/방열단자로 구성된다. 패키징 후 임계온도 스위치의 크기는 가로축이 1.6 mm 세로축이 0.8 mm이다. 이 스위치는 영하 -20 ~ 67oC에서 동작 가능하고, 전류는 최대 10 mA까지 허용하며, MIT 전압은 소자의 크기에 따라 4 ~ 20V사이에서 조절 가능하다.

<별첨2. 설명>

그림의 왼쪽 상단에 있는 프로그래머블(연속적 가변) 임계온도 소자(VO2)로 측정된 전압에 따른 전류-온도 곡선이다. 이것은 소자에 전압(오른쪽 축)을 가하고 온도를 올리면서 전류를 측정하였다. 이 그림의 중간은 M 구조 금속상(MCM, Monoclinic Correlated Metal, 단사정계)을 보여주는데, 지금까지 알려지지 않았던 중간상이다. 현재까지 알려진 사실은 M 구조 금속상이 없이 점프(MIT) 끝에 있는 붉은 점선(M 구조 금속 아래 점선, Tetragonal 구조, 정방정계)과 M 구조 금속 과 T 구조 금속(Rutile 구조, 금홍석) 사이에 있는 붉은 점선(M 구조 금속 위 점선)이 겹쳐진 것이었다. 그래서 MIT 와 구조 상전이가 동시에 일어난다는 것이 종래의 주장이었다. 그러나 김현탁 박사 연구팀은 MIT와 구조상전이의 중간상인 M 구조 금속상을 관찰함으로써 MIT와 구조상전이가 동시에 일어나지 않음을 확인하였다.

김현탁 박사가 확립한 Hole-driven MIT 이론은 작은 농도의 정공을 전도 에너지띠로 여기시켜주면 MIT가 일어나고 그 정공을 온도와 전기장을 사용하여 제어하면 MIT의 연속변화를 일으킬 수 있다고 예언하였고, 본 실험으로 다시 한 번 확인하였다. 김현탁 박사팀이 구조변화 없는 MIT 현상을 세계최초로 관측한 바 있다 (New. J. Phys. 6 (2004) 52). 프로그래머블 임계온도 스위치는 이것을 응용한 예이다 (, 참고).

<별첨3. 설명>

[왼쪽 그림] 상용 휴대폰 전지를 이용한 부풀림(Swelling) 및 전지 폭발 시험이다. 위쪽의 사진은 상용 휴대폰 전지(1200mA/h)를 오븐에 넣고 160oC까지 90분 동안 온도를 올린 후 전지를 촬영한 것이다. 전지는 외관으로도 보이듯이 가운데 부분이 어느 정도 볼록하며 중심 부분의 두께가 약 11.39mm (42% 부풀림, 정상전지에 대해, 정상전지 약 8mm)이다. 이것은 전지가 부풀어 올랐다는 증거이다.

아래쪽 그림은 같은 용량의 전지가 부착 된 휴대폰을 오븐에 넣고 온도를 올리면서 온도에 따른 전압을 측정한 결과이다. 휴대폰이 기지국과 통신을 하는 동안은 전지의 전압이 순간적으로 0 V까지 떨어지고 다시 복귀하고 이것을 반복한다. 100oC이하에서는 휴대폰이 정상적으로 동작하다가, 100oC 이상에서는 동작을 멈추어버리며, 전압은 도리어 약간 증가하는 듯하다. 그 이상의 온도에서는 충전된 4.1 V의 전압은 150oC 까지 감소하지 않았다.

이것은 휴대폰에 이상이 생긴 것을 의미한다. 일반적으로는 리튬이온 전지는 약 100oC 근방에서 고분자 분리막이 용해되어 충전 전하가 없어져서 전압이 거의 0V로 떨어지는 데 본 실험에서는 그런 현상을 보여주지 못한다. 100oC에서 휴대폰의 기능이 정지 된 것은 고분자 분리막의 용해와 또 다른 기능의 이상 때문인 것 같다. 이것은 휴대폰의 온도가 올라가면 일반 전지와 달리 폭탄과 같이 위험한 상태가 된다는 것을 의미한다.

또 고전압의 이유는 전지보호회로속에 PTC라는 과전류 방지소자가 있는데, 그 소자는 온도가 올라가면 전류가 흐르지 못하도록 도선을 차단하는 역할을 한다. 그래서 고온에서는 PTC가 동작하여 전하가 어디론가 흘러가야하는데 그렇지 못하도록 도선을 차단을 해버렸다. 그래서 전지 속에 고립된 전하들은 고온에서 보다 불안정 해져서 전지 내부의 압력을 상승시킨다. 결국에는 전지는 177oC에서 크게 부풀어 오르면서 폭발하였다. 휴대폰 보호회로가 있는 휴대폰에 장착된 전지는 장착되지 않았을 때보다 더 위험한 상태가 된다. 이것의 해결방법은 고온에서 전하들을 방전시켜주는 어떤 소자가 필요하다는 것을 의미한다.

[오른쪽 그림] 상용 표준전지 (1,200mA/h)에 MIT 임계온도 소자를 부착하여 전지의 부풀림과 폭발시험을 하였다. 위쪽 사진은 왼쪽 전지와 동일 조건에서 실험을 한 후 촬영한 것이다. 그런데 이 전지 중심의 두께는 약 9.75 mm (22% 부풀림)로서 MIT 소자를 부착하지 않은 전지에 비해 부풀림 정도가 작았다.

또 다른 전지에 MIT 소자를 부착하고 온도를 올리면서 전압을 측정하였다. 이 전지는 68oC에서 MIT 소자가 동작하여 급격하게 전하를 방전 시켜서 충전 전압 4.2V에서 안전한 상태인 3.2V까지 전압을 감소시켰다. 68oC 이상에서는 전하량은 서서히 방전되었다. 110oC에서 전압 측정을 중단하고 210oC까지 온도를 계속 증가시켰지만 전지는 폭발하지 않았다.

상기의 비교실험을 통하여, MIT 소자가 부착된 전지는 부착되지 않은 전지보다 부풀림 현상이 작으며, 폭발 온도도 훨씬 높아져서 MIT 소자를 부착함으로써 고온에서 리튬이온 이차전지의 폭발을 방지 또는 지연시킬 수 있음을 확인하였다.