갤럭시 노트7 폭발 원인에 대한 하나의 분석

삼성의 갤럭시 노트 7이 배터리 폭발로 단종에 이르게 되었다고 한다.

참 안타까운 일이다.

삼성이 처음에는 배터리 결함이라고 했었다.

삼성 SDI의 배터리에서 양극과 음극을 분리하는 분리막이 너무 얇아서...라는 해설도 있었다.

그래서 삼성 SDI의 배터리가 아니라 중국 제품으로 교체한 후에 문제가 없으리라 판단하고

새로운 제품을 만들어 교환해 주었으나 다시 폭발 사고가 났다고 한다.

무엇이 문제였을까?

일단 배터리 폭발 사고는 왜 일어나는가?

폭발이라 불리우는 현상을 우암이 이해한 대로 설명해 보면 다음과 같다.

배터리 안에서 음극과 양극에서 합선(쇼트)가 발생하면

순식간에 전류가 흐르면서 발열이 되게 되고 그래서 연기가 발생하고 불이나게 되는 것이다.

마치 가정에서 사용하는 전선에서 합선이 되는 경우와 동일하다.

단지 차이라면 배터리가 가지고 있는 전기량이 크지 않아서 큰 화재는 발생하지 않는다는 점이다.

따라서 휴대폰에서 화재가 발생한다면 이는 당연히 배터리가 그 화재의 원인일 수 밖에는 없다.

휴대폰 안에는 화재를 일으킬 수 있을 만한 에너지를 갖고 있는 것은 배터리 뿐이란 말이다.

이러한 화재의 원인을 분석하는데 나타나는 문제는

이 배터리에서 발생한 화재가 "배터리 자체의 문제인가? 아니라면 사용 환경에 의해서 배터리가 손상을 받은데서 기인하는가?'이다.

삼성에서는 처음에는 배터리 자체의 문제로 보았던 것 같다. 그리고 배터리 모서리 부분에 대한 처리 문제로 보는 것 역시 배터리 자체의 문제가 폭발사고로 이어졌다는 분석이다.

(http://news.sbs.co.kr/news/endPage.do?news_id=N1003830960&plink=ORI&cooper=DAUM)

배터리를 제조했던 분들은 '당연히' 노트7에 적용된 배터리에 대해서 신뢰성 시험을 진행했을 것이다.

충격, 온도 등등의 변수를 변화시키며 배터리의 안전성에 대한 신뢰성 실험을 진행했을 것이다.

만약 모서리에 이상이 있었다면 '당연히' 이 때에 발견되었을 것이다.

이런 점에서 배터리 모서리 문제는 우암에게는 별로 신빙성이 없어 보인다.

(삼성같은 초 일류 기업에서 이런 기본적인 테스트도 하지 않았으리라고는 생각되지 않는다.)

또한 배터리 관리 회로에 문제점으로 보는 경우도 있는데 이 역시 가능성이 희박하다. 왜냐하면 만약 회로의 문제점이 사실이라면 모든 노트7은 사고가 일어나야 한다는 의미이기 때문이다.

오히려 우암이 보기에 문제점이 될 수 있는 것은 사용 환경이 아닐까 한다.

무엇보다 먼저 폭발이 발생한 시점이 특정되지 않는다는 점이다.

즉 충전시에만 발생한 것이 아니고 사용 중에도 발생했다는 것이다.

이것이 갖는 의미는 배터리 분리막이 '서서히' 손상(degradation)된 것 같다는 점이다.

그렇다면 왜 이 분리막은 손상을 받았느냐가 핵심적인 원인이 될 것이다.

배터리 제조사들은 노트7에만 이 분리막을 적용하지는 않았을 것이다.

따라서 분리막 자체의 불량 문제로는 볼 수 없을 것이다.

그렇다면 분리막에 손상이 갔는데

이는 노트7을 사용하는 환경하에서 분리막에 손상이 갔었을 것이라고 밖에는 생각할 수 없다.

이 지점에서 지적되는 사항이 배터리 충방전 제어 프로그램이다. 거기에 결함이 있었을 수도 있다는 것이다.

만약 충방전 제어 프로그램에 문제가 있었다면 모든 노트7은 폭발했어야 한다. 따라서 충방전 제어 프로그램의 결함은 아닐 것이다.

또한 충방전 제어 프로그램의 결함이아닐 수 있다고 생각해 볼 수 있는 영상이 인터넷에 올라온 적이 있다.

충전 중인데도 배터리 충전률이 계속 감소하는 현상이 있었다고 한다.

(급속 방전에 대한 기사는 http://www.ytn.co.kr/_ln/0102_201610071531498566 에 있다.)

급속 방전이 된다는 것은 이미 분리막에 손상이 가서 배터리의 전기가 회로를 통하지 않고 배터리 내부의 음극에서 양극으로 직접 미세한 쇼트를 통해서 흐른다는 의미일 것이다.

따라서 충방전 제어 프로그램의 문제가 아닌 것이다.

만약 방전의 문제라면 대체 어떤 회로에서도 이처럼 '대용량'의 전기를 소모한다는 말인가?

소모할 곳이 없는데 어떻게 빠른 방전이 발생할 수 있겠는가?

또한 배터리는  반응을 통해서 전기가 발생하기 때문에 화재가 발생할 정도로 급속하게 모든 전기를 내보낼 수는 없을 것이다. (이건 우암의 추정이다.)

다시 말해 아무리 봐도 분리막 손상에 의한 쇼트가 발열에 의한 폭발을 일으킨 것으로 보인다.

우암이 보기에는 충전이 문제가 아니라 방전이 문제인데 이 방전은 분리막의 손상 때문이라는 것이다.

그렇다면 분리막에는 왜 손상이 갔을까?

아마 삼성 측에서도 이 문제 때문에 수 많은 전문가들이 의견을 내고 실험을 진행했을 것이다.

그러나 찾기가 쉽지 않은 모양이다. (고장 해석은 재료 분야의 일이다.)

우암이 보기에는 배터리 폭발(분리막 손상)은 최종 결과이지 원인은 아니다.

그렇다면 우암은 그 원인은 무엇이라고 생각하나?

실제 실험을 진행해 보지 않은 사람으로서 의견을 개진하기가 다소 조심스럽지만

"아마도 '무선 충전'이 분리막을 손상시키는 원인이 아닐까?"하고 생각해 본다.

왜 우암은 무선 충전이 문제를 일으킨다고 보는 걸까?

무선 충전은 전자기 유도를 이용해서

1차측 코일(충전 스탠드)에 전기를 흘리면 이때 자기장이 발생하게 되고

이 자기장이 노트7 내부의 2차 코일에 전류를 유도하고

이렇게 형성된 2차 코일 내부의 전류가 배터리에 저장되게 되는 것이다.

그런데 이런 무선 충전시

'외부에서 발생한 자기장이 배터리에서 발생하는 전기화학적 반응에 영향을 주어서

리튬 배터리 양극(anode)에 구조적인 변화를 주는 것은 아닐까?'

하는게 우암의 생각이다.

우암이 이렇게 생각해 본 이유는 이온이란 전기이기 때문이다.

자기장 안에서 전기가 흐르게 되면 음이온이던 양이온이던 그 운동에 영향을 받게 된다.

그리고 충전시에는 '배터리는 자기장 하에 있게 되고 배터리 내에서는 이온들의 흐름이 활발하다'.

따라서 이것이 배터리 양극의 구조에 영향을 미쳤을 수 있다는 것이다.

그리고 불행히도 그 자기장의 영향이 양극을 침상(needle shape)으로 변화하게 하는 역할을 했을 수도 있다는 것이다.

그리고 그 침상의 양극이 지속적인 충방전을 하면서 성장하여 분리막에 손상을 주게 된 것은 아닐까? 하고 우암이 생각해 본 것이다.

(자기장이 전자의 이동에 영향을 준다는 것은 잘 알려진 사실이다. 도체 내에서 외부 자기장이 전자의 이동에 영향을 준다는 것이 Hall Effect라고 한다고 우암이 기억하는데... 아마 맞을 것이다. ^^)

이러한 우암 의견에 대한 반론으로는 아마도 다음과 같을 것이다.

"이미 다른 기기에서도 무선 충전을 리튬이온 배터리와 동시에 사용하는데 문제가 없다."

우암도 그렇게 생각해 보았었다.

그러나 그럼에도 불구하고 우암이 한가지 더 짚고 넘어가고 싶은 문제는

노트7에서 충전 효율을 높이기 위해서 어느 정도의 자기장을 어떤 주파수로 걸어주었느냐의 문제일 수 도 있다는 것이다. (노트7은 기존 기기 대비 무선 충전 효율이 훨씬 높아졌다고 한다.)

기존의 무선 충전에서는 배터리에 문제를 일으키지 않을 수 있는 정도 였지만

충전 효율을 높이기 위해 자기장의 강도 및 주파수에 변화를 준 것이 배터리에 문제를 일으켰을 수 있다는 것이다. (물론 이 모든 것은 가정에 불과하다. 우암은 무선 충전 자기장 강도 및 주파수를 알지 못한다. )

우암은 이런 가능성에 대해서 생각을 하다가 관련 논문을 찾아보게 되었다.

우암은 박사과정에서 부식을 전공했었는데

부식은 전지에서 발생하는 현상과 동일한 전기화학이라는 학문 영역이다.

그리고 또한 자기 재료를 개발한 '죄' 때문에 자기장에 대해서도 비교적 잘 알고 있다.

20여년전 부식 실험을 하면서 자기장이 부식 거동에 영향을 준다는 것을 알고는 흥미로워한 기억이 있었다.

또한 우암은 신뢰성 평가를 수년간 해 보아서 부품에서 나타나는 결함 문제(고장 해석)에 대해서도 살펴 보았었다.

그래서 우암은 노트 7에 대해서 관심이 갔었던 모양이다.

변화하는 자기장 중에서 전착(electro-deposition)을 하면 어떤 일이 발생할까?

(전착은 충전이 발생할 때 양극에서 발생하는 현상과 동일하다고 보면 될것이다.)

아래 그림을 주목하여 보시기 바란다.

이 그림이 보여주는 것은 외부의 자기장이 전착이 일어나는 표면의 형태를 변화시킬 수 있다는 것이다.

물론 이 실험은 리튬 이온 배터리와 재료도 다르고 전해질도 다르다.

하지만 노트 7의 무선 충전 환경인 "변화하는 자기장 및 이온의 흐름"을 갖고 있다는 공통점도 있다.

아래 결과가 보여주는 것은 자기장의 주파수가 변화하면 전착되는 표면 형상에 변화가 나타나게 된다는 것이다.

배터리를 자기장 하에서 충전을 반복적으로 시킬 때 자기장 영향으로 양극의 표면 형상이 변화하는 것은 아닐까?

물론 이런 실험을 진행하기 위해서는 배터리에 가해지는 자기장의 분포 및 강도, 주파수 등에 대한 분석이 이루어져야 한다.

(Tianfei Wang and Weixing Chen, Effects of Rotating Magnetic Fields on Nickel Electro-Deposition, ECS Electrochemistry Letters, 4 (6) D14-D17 (2015))

즉 전착시 자기장 하에서 나타나는 표면 형상의 변화와 유사한 구조적인 변화가

특정 강도 및 주파수의 자기장이 걸려 있는 리튬 이온 배터리에서도 발생하는 것은 아닐까?

물론 이건 어디까지나 추론에 불과하다. 하지만 그럴듯한(flausible) 추론이다.

노트7을 단종한다는 뉴스를 보고는 씁쓸했다.

왜냐하면 아직 문제의 정확한 원인을 파악하지 못했기 때문이다.

만약 이 문제의 원인을 정확하게 파악하지 못한다면

노트8에서도 이런 일이 발생하지 말라는 법은 없을 것이다.

폭발의 원인을 찾기란 쉽지 않다. (고장 해석이란 쉽지 않다.)

그 이유는 폭발과 동시에 배터리에 남아있던 구조적인 문제의 결함도 동시에 사라져 버리기 때문이다.

그래서 폭발의 근본 원인을 모르는 사람들이 배터리가 그 원인이라고 주장하게 된 것이다.

방전에 의한 배터리 과열은 최종적인 결과이지 폭발의 원인이 아니다.

우암이 제시해 보고 싶은 신뢰성 평가 실험은

노트7과 동일한 무선 충방전 실험시 배터리 변화를 살펴보는 것이다.

(배터리 자체가 아니라 set으로서 노트7의 무선 충전 실험을 의미한다. 배터리등 부품만 신뢰성 평가를 하고 set(노트7)는 무선 충전 신뢰성 평가를 하지 않았을 수도 있다는 가정에서 이런 실험을 제안하는 것이다.)

이 실험 결과에서 무선 충전 자체가 문제가 아니라고 나온다면 (이 가능성이 99% 이다.)

아마도 "무선 충전과 모서리 부분의 문제"가 복합적으로 작용한 것으로 드러날 수 있을 것으로 보인다.

이렇게 보는 이유는

만약 모든 노트7의 무선 충전이 문제였다면

이는 노트7의 신뢰성 평가에서 문제로 드러났을 것이기 때문이다.

아마도 배터리 셀의 불규칙한 끝 부분 등의 local한 곳에서 처음 문제가 발생했을 것이다.

전면적으로 발생하는 어떤 현상은 대부분 다 그 원인을 알고 있다.

문제는 국지적으로 발생하는 문제이다.

그래서 고장 해석이 어려운 것이다.

일전에 서해 대교 관련 케이블 파단도 그 원인이 밝혀지지 않은 채

이상한 현상 때문에 파단이 났다는 결론이 내려졌다.

(http://news.chosun.com/site/data/html_dir/2015/12/08/2015120800182.html)

"서해대교 케이블 절단 사고의 원인은 "전류의 세기가 낮은 '작은 낙뢰(small current)' 때문"이라는 해외 낙뢰 전문가의 분석이 7일 나왔다."

이런 기사는 거의 사기(fraud)에 가까운 기사이다.

고장 해석은 절대로 이런 방식의 전문가 운운하는 권위에 의존한 선언으로 될 수 있는 것이 아니다.

권위에 의존 한다는 말의 의미는 '해외', '낙뢰 전문가'에 의존할 뿐 '구체적인 증거'가 없다는 것이다.

왜 낙뢰가 피뢰침이 아닌 절연체인 피복된 케이블에 떨어졌는가?

전류의 세기가 낮은 낙뢰란 무엇인가? 어떻게 전류의 세기가 작은데 케이블을 녹일 수 있는가?

이런 류의 wording은 과학이 아니라 정치라 할 것이다.

자연계에서 일어난 현상은 분명한 원인과 그에 따른 결과가 있어야만 한다.

이런 엉터리 분석은 다른 사고를 예고하고 있을 뿐이다.

조속히 해법이 나타나기를 바란다.