동전형 및 버튼형 배터리의 확산: 필수품인가, 조악한 설계인가?

동전형 및 버튼형 배터리는 다양한 휴대용 전자 제품과 산업용 사물 인터넷(IIoT) 원격 모니터링 장치를 위한 기본적인 주요(충전 불가능) 전력원으로 널리 사용되고 있습니다. 초저전력 설계의 확산에 따라 이러한 배터리는 수개월에서 수년까지도 전력을 공급할 수 있게 되었습니다. 하지만 배터리를 교체할 때가 되면 “재미있는 일”(짜증스럽고 당황스러운 일)이 시작되지요.

왜 그럴까요? 운이 좋다면 필요한 배터리는 어디서든 구할 수 있는 표준 배터리일 것입니다. 그런 경우가 많지만, 현실적으로 그렇지 않은 경우도 있습니다. 버튼형 및 동전형 배터리는 수백 종의 규격(지름과 두께 조합)과 다양한 기본 화학물질(산화은 또는 리튬 등), 공칭 전압 및 밀리암페어시(mAh) 정격 용량으로 제공됩니다. 몇몇 모델은 크기가 1mm 이하의 미세한 차이로 다른 경우도 있지만, 이러한 차이로도 교체 시 정확히 장착하지 않거나 작동하지 않게 됩니다.

이상적인 시나리오라면 설계 엔지니어가 설계 초기 단계에서 배터리를 위한 특정 크기의 공간을 할당하고 전압과 정격 용량이 적합하고 구하기 쉬운 모델을 선정하며, 필요한 물리적 공간을 최종 설계에 반영하고 설계 진행 과정에서 전력 할당량에 적합한 상태를 유지할 것입니다. 하지만 엔지니어링은 목적을 실현하면서도 트레이드 오프와 타협을 하는 기술이며, 때로는 설계에 있어 예상치 못한 일이 발생하여 좋은 의도로 만들었더라도 원래의 계획을 수정해야 하는 경우도 있습니다.

여러 해 전에 구하기 어려운 동전형 배터리가 들어가는 소비자 가전제품을 사용한 적이 있는데, 그 제품의 설계자와 직접 이야기를 나눌 기회가 있었습니다. 저는 단도직입적으로 “왜 그랬냐”고 물었죠. 대답은 간단했습니다(물론 각색된 대답입니다). “설계의 최종 폼 팩터를 마무리할 때, 원래 사용하기를 원했던 배터리를 위한 공간이 충분하지 않다는 사실을 깨달았어요. 가장 간단한 방법은 적합한 전압/용량 사양을 갖추면서도 약간 더 작은 배터리를 찾는 것”이라더군요. 그리고 해당 제품은 특별 주문이었으며 부품 명세서(BOM)상 장기 발주 품목이었지만 최종 제품이 정상적으로 작동했기 때문에 문제가 없었다고 덧붙였습니다. 간단히 말하면, 안타까운 일이지만 이 제품의 구매자는 의사 결정 과정에서 제외되었다는 말입니다.

배터리 번호 확인

배터리 번호에 여러 상호 참조 정보가 포함되어 교체가 더 까다로운 경우가 있습니다. 이러한 상호 참조 정보는 정확한 경우도 있지만, 화학 구성이나 mAh 용량이 다른데도 최소한 얼마간은 정상적으로 작동하는 경우도 있습니다.

하지만 배터리 이름과 번호를 아는 것만으로는 충분하지 않습니다. 여기 새로운 배터리가 필요했던 무료 판촉물 열쇠고리 플래시가 있습니다(그림 1). 물론 배터리를 교체할 만한 가치는 없을 것 같아요(무료니 불만은 없습니다). 하지만 엔지니어로서 적어도 교체가 가능한지, 비용은 얼마나 드는지 확인하고 싶었습니다.

그림 1: 이 무료 LED 열쇠고리를 통해, 통상적이지 않은 동전형 전지를 사용하면 교체가 필요할 때 난관을 겪는다는 점을 명확히 깨달았습니다. (이미지 출처: Bill Schweber)

배터리 케이스에 벤더명(Lumatec), 모델 번호(AR18), 전압(4.5V)이 명확히 각인되어 있기 때문에 손쉽게 교체할 수 있으리라 생각했습니다(그림 2). 참 사려 깊죠. 비용을 최대한 절감하는 방법의 예로, 셀로판테이프로 LED 리드를 배터리에 연결된 것을 볼 수 있습니다. 미니멀리즘적인 설계나 완전히 조잡한 엔지니어링 또는 둘 다에 해당하는 설계가 되겠죠.

그림 2: 자세히 살펴보면 배터리에 벤더명, 모델 번호, 공칭 전압까지도 명확히 표시되어 있습니다. 셀로판테이프를 사용하여 LED 리드를 배터리에 연결했습니다. (이미지 출처: Bill Schweber)

온라인으로 벤더명과 배터리 번호를 검색해 보았지만 찾을 수 없어서 다음 단계로 배터리의 규격을 측정(그림 3)한 결과 케이스 지름이 23mm, 여기에 테두리를 더하면 전체 지름이 25mm, 두께가 6.5mm였습니다. 그리고 여러 동전형 전지 벤더 사이트에서 위의 크기와 동일한 4.5V 배터리를 찾아보았으나 찾을 수 없었습니다. 결국 시간만 낭비한 저는 더 이상의 집착을 막기 위해 여기서 포기할 수밖에 없었어요.

그림 3: 배터리를 찾기 위한 다음 단계로 온라인에서 교체 배터리를 찾기 위해 배터리 크기를 측정했습니다. (이미지 출처: Bill Schweber)

경험상 제가 사용해왔던 여러 장치에 약 5개 ~ 10개의 동전형 및 버튼형 배터리가 있었으며, 이러한 배터리는 가까운 상점에서 쉽게 구할 수 있습니다. OEM 수량 유통 업체를 통해서도 손쉽게 구할 수 있습니다.

개인적으로 선호하는 모델 중 하나는 Panasonic의 CR2032입니다. 이 모델은 3V, 225mAh, 20.0mm의 이산화 리튬-망간 동전형 전지(그림 4)로, 매우 폭넓게 사용되기 때문에 Digi-Key에서는 약 3백만 개의 재고를 가지고 있죠.

그림 4: Panasonic CR2032 동전형 전지(좌)는 폭넓게 사용되며 구하기도 쉽습니다. 다양한 응용 제품(우)에 적합한 크기와 넉넉한 225mAh 정격 용량으로 제공됩니다. (이미지 출처: Panasonic)

또 다른 제품으로는 Energizer Battery Company의 1.55V, 150mAh, 11.6mm 산화은 배터리인 357-303VZ가 있습니다. 저는 개인적으로 이런 유형의 배터리와 일부 다른 배터리들을 항상 보관해 두어 늦은 시간이나 궂은 날씨에 교체 배터리를 사러 나갈 필요가 없도록 대비합니다. 이러한 배터리의 보관 수명이 5년 이상인 것을 고려하면 적당한 재고 수준이라고 생각합니다.

제가 설계자들께 당부드리고 싶은 것은 간단합니다. 정말로 변경해야만 하는, 아니면 사용하지 말아야 하는 어쩔 수 없는 이유가 있는 경우가 아니면 널리 사용되는 동전형 및 버튼형 전지 모델을 사용해주세요. 설계자 본인도 편하고 공급망 확보도 원활하며 최종 고객도 행복할 것입니다. 또한, 이렇다 할 이유 없이 최종 고객이 불편과 번거로움 때문에 엔지니어에게 느끼는 전반적인 불만이 사라지리라 생각해요.