배터리 기술은 지난 몇 년간 꾸준히 발전해 왔지만, 현대 스마트폰의 요구 수준을 따라가기에는 역부족인 상황입니다. 좁은 공간의 제약과 충전·방전 허용 범위의 복잡성 때문에 리튬이온 배터리로 구동되는 소형 컴퓨터들은 몇 시간이면 방전되는 짧은 배터리 수명과 긴 충전 시간이라는 대가를 치러야 하는 불편함을 안고 있습니다. 하지만 최근 그래핀 제조 기술의 발전으로 세계 최초의 상용화된 그래핀 강화 보조배터리가 등장하면서, 이 딜레마에 대한 해결의 실마리가 보이기 시작했습니다.
그래핀이 하는 일
그래핀은 탄소 원자가 단 한 층으로 배열된 물질입니다. 연필 심에 들어 있는 흑연과 같은 재료로 만들어졌지만, 원자 하나 두께밖에 되지 않아 사실상 2차원에 가까울 정도로 얇기 때문에 전기의 초전도체처럼 작동합니다. 이 특성이 매우 중요한 이유는, 전기를 전달하는 데 쓰이는 대부분의 재료가 일정 수준의 저항을 지니고 있어 더 큰 부피를 사용하거나(예: 높은 암페어의 전류를 위해 두꺼운 구리 케이블 사용), 별도의 열 관리 장치(예: 고성능 칩 위에 대형 히트싱크와 공랭 팬 설치)로 열을 분산시켜야 하기 때문입니다.
내부 전기 저항은 모든 배터리가 넘을 수 없는 '방전 한계'가 존재하는 근본적인 이유입니다. 일부 고급 배터리는 최대 20암페어까지 방전이 가능해 상당한 부하 상황에서도 빠른 충전과 방전을 지원하지만, 결국에는 더 이상 올라갈 수 없는 천장에 도달하게 됩니다.
그래핀은 내부 저항이 거의 없기 때문에 이 한계를 놀라운 수준까지 끌어올립니다. 열을 거의 발생시키지 않을 뿐 아니라 받은 열마저 순식간에 분산시키기 때문에, 배터리에 여러 겹의 그래핀을 적용하면 강도 높은 충전·방전 사이클에도 훨씬 잘 견딜 수 있습니다.
쉽게 말해, 리튬이온 배터리에 그래핀을 적용하면 60와트 수준의 높은 출력으로도 무리 없이 충전과 방전이 가능하면서도 수명에는 큰 영향을 주지 않는다는 뜻입니다. 실제로 알려진 바에 따르면, 그래핀은 배터리가 평생 동안 견딜 수 있는 충전 사이클 횟수 자체를 늘려줄 수도 있습니다.
그래핀이 할 수 없는 것
그래핀은 사실 아주 단순한 '한 가지 특기'를 가진 소재입니다. 과거에 사용하던 다른 초전도체보다 전기를 훨씬 효율적으로 전도한다는 점 때문에 주목받는 것이며, 우주에서 흔히 발견되는 원소로 이루어져 있어 귀금속을 집중적으로 채굴할 필요도 없습니다. 하지만 기기 배터리 기술에는 제조사들을 압박하는 여러 요구 사항이 존재합니다.
우선, 오늘날의 스마트폰, 태블릿, 노트북 같은 첨단 휴대용 기기 대부분은 용량 문제를 겪고 있습니다. 리튬이온 배터리에서 뽑아낼 수 있는 에너지에는 한계가 있는데, 그래핀은 이 문제를 해결해 주지 못합니다.
다행히 용량 문제는 그래핀이 배터리가 막대한 전력을 빠르게 흡수하도록 돕기 때문에 크게 부각되지 않습니다. 충전 시간이 크게 단축되므로, 집중적인 사용 환경에서도 충전으로 인한 부담이 줄어듭니다.
지금 그래핀 강화 배터리를 구할 수 있을까?
2020년 초 기준으로, 이미 몇몇 기업이 그래핀 강화 보조배터리 시장을 선도하고 있습니다. 대표적인 제품으로는 Elecjet의 Apollo Traveler, Real Graphene의 G-Pro 및 G-Max 보조배터리가 있으며, 5,000mAh부터 20,000mAh까지 다양한 용량을 자랑합니다.
다만 현재까지 그래핀 강화 배터리를 탑재한 상용 스마트폰은 출시되지 않았습니다. 즉, 이 보조배터리들은 자기 자신을 빠르게 충전하는 데만 그 강점을 발휘합니다. 일반 스마트폰 배터리는 60와트 내외의 고출력 충전 사이클을 견디지 못하고 손상될 수 있기 때문에, 보조배터리가 같은 전류를 그대로 공급하지는 않습니다. 그럼에도 이 제품들은 1시간 이내에 완충이 가능한데, 감당할 수 있는 용량을 고려하면 상당히 인상적인 수치입니다.
앞으로 스마트폰 제조업체들이 이러한 제품에 주목해, 손상 없이 비슷한 수준의 전류로 충전할 수 있는 기기를 개발하기 시작할 가능성이 있습니다. 당분간은 그 방향으로 조심스럽게 한 걸음씩 나아가겠지만, 그래핀 배터리의 대중화가 생각보다 멀지 않았다는 점은 분명해 보입니다.