적용분야

온실가스 배출로 인한 기후 변화는 전 세계적인 우려 사항입니다. 기술의 발전은 효율성이 향상된 보다 친환경적인 재생에너지 전환 공정을 가능하게 했습니다. 그러나 재생에너지의 가장 큰 과제는 간헐성으로, 안정적인 에너지 공급을 위해서는 효과적인 에너지 저장 시스템이 필수적입니다. 이러한 친환경 에너지로의 전 세계적 전환 과정에서 전기화학 시스템, 특히 리튬이온(Li-ion) 배터리의 역할은 매우 중요합니다. 리튬이온 배터리는 운송 및 전력 부문의 배출가스를 줄이는 데 핵심적인 역할을 하며, 운송·난방·산업 분야의 탈탄소화와 전기화의 근간을 이룹니다. 엔지니어와 관련 전문가인 여러분은 이 중요한 변화의 중심에 서 있습니다.

배터리 비용이 지속적으로 하락하고 에너지 밀도가 향상됨에 따라, 리튬이온 배터리의 잠재력을 보여주는 다양한 응용 분야가 등장하고 있습니다. 이러한 배터리는 높은 에너지 밀도와 출력 밀도, 낮은 자가 방전율, 그리고 긴 수명을 갖추고 있어 폭넓게 사용되고 있습니다. 일반적인 화학 조성으로는 LiMn₂O₄(LMO), LiCoO₂(LCO), LiFePO₄(LFP) 등이 있습니다. 다양한 분야에서 활용 가능한 리튬이온 배터리의 높은 범용성은 밝은 미래를 보여주고 있습니다.

배터리의 에너지 밀도는 배터리가 무게나 부피 대비 얼마나 많은 에너지를 저장할 수 있는지를 의미하며, 일반적으로 질량 기준 에너지 밀도(특정 에너지 밀도)와 부피 기준 에너지 밀도로 구분됩니다. 높은 에너지 밀도는 소형이면서도 강력한 배터리가 요구되는 응용 분야에서 큰 장점이 됩니다. 그러나 배터리 내부에 더 많은 에너지를 집적할수록 열 폭주 발생 위험도 함께 증가하게 되며, 이는 리튬의 높은 반응성과 열에 민감한 특성으로 인해 화재 위험이 커지는 주요 원인입니다. 리튬이온 배터리에 사용되는 전해질은 휘발성이 매우 높아 연소로 이어질 수 있으며, 이는 심각한 화재 위험 요소가 됩니다. 다양한 안전 장치가 내장되어 있음에도 불구하고, 배터리는 특히 제조, 보관, 재활용 과정에서 여전히 위험에 노출되어 있습니다. 배터리 열 폭주는 보관 시설, 충전소, 재활용 센터 등에서의 화재 사고 증가와 함께, 배터리 제품을 취급하는 기업들에게 점점 더 큰 책임과 리스크 요인으로 부각되고 있습니다.

열 폭주는 에너지 밀도가 높은 배터리에서 제조 결함이나 과충전, 과열, 관통, 압착과 같은 외부적 오용으로 인해 발생합니다. 배터리가 임계 온도에 도달하면 연쇄 반응이 시작되어 화재로 이어지게 됩니다. 이 현상은 배터리 내부에서 연쇄적인 발열 반응(발열성 화학 반응)이 발생하면서 내부 온도가 급격히 상승하고, 그 결과 배터리 내부 구조가 불안정해지고 열화되는 과정을 포함합니다. 자발적인 발화의 내부 원인으로는 전극 표면의 코팅 결함, 오염 입자, 불량한 용접 등이 있으며, 이로 인해 전기적 단락과 열 발생이 일어날 수 있습니다. 외부 원인으로는 과충전으로 인한 전기적 스트레스, 압착이나 관통에 의한 기계적 손상, 고온 환경에 노출되는 열적 스트레스 등이 있습니다. 이러한 요인들은 서로 밀접하게 연결되어 있으며, 예를 들어 관통과 같은 기계적 손상은 전기적 단락을 유발하고, 그로 인해 열이 발생하면서 열 폭주를 촉발할 수 있습니다.

현재 조기 경보와 시설 모니터링을 위해 다양한 화재 감지 시스템과 센서가 사용되고 있습니다. 이러한 시스템은 연기 흡입, 연기 농도, 그리고 화재 발생 시 방출되는 열을 측정합니다. 그러나 이러한 시스템들은 배터리가 이미 분해되거나 연소가 시작된 이후에야 화재를 감지할 수 있을 뿐, 화재 위험이 발생하기 이전 단계에서는 감지가 어렵습니다. 또한 실외 환경이나 공기 흐름이 강한 장소에서는 화재 감지를 위한 센서의 최적 위치 선정이 매우 중요하며, 연기 감지기의 설치 위치가 부적절할 경우 화재를 전혀 감지하지 못할 수도 있습니다. 따라서 가장 효과적인 접근 방식은 화재가 발생한 이후에 대응하는 것이 아니라, 화재가 발생하기 전에 결함이 있는 배터리 셀을 사전에 식별하고 제거하는 예방적 대응입니다. 이러한 상황에서는 문제가 있는 배터리를 조기에 냉각시켜 열 폭주를 방지할 수 있습니다. 또한 위험한 배터리를 다른 가연성 배터리로부터 분리함으로써 피해의 규모를 크게 줄일 수 있습니다. 예방 조치와 지속적인 모니터링은 화재 위험을 최소화하는 데 필수적입니다.

열 폭주는 한 번에 발생하는 것이 아니라 여러 단계에 걸쳐 진행됩니다. 첫 번째 단계는 과열이 시작되는 단계입니다. 이 단계에서는 온도가 급격히 상승하면서 연쇄적인 화학 반응이 촉발되고, 열 발생량이 증가합니다. 이러한 통제되지 않은 발열 반응은 약 70 °C에서 100 °C 사이에서 시작됩니다. 이 상태가 제어되지 않을 경우, 고체 전해질 계면(SEI)이 분해되면서 더 많은 열이 축적되고 부반응이 증가하여 분리막이 용융될 가능성이 있습니다. 가열이 계속되고 온도 상승 속도가 더욱 빨라지면, 급격한 열 폭주 단계에 진입하게 됩니다. 열 폭주는 분당 최소 10 °C 이상의 자체 발열 속도를 보이는 상태를 의미합니다. 열 폭주가 가속화되면 온도 제어가 불가능해지고 유독 가스가 발생합니다. 이로 인해 배터리 셀은 파열되거나 발화 또는 폭발과 같은 치명적인 사고로 이어질 수 있으며, 이때 온도는 100 °C에서 200 °C 이상까지 상승할 수 있습니다.

대량 생산을 지향하는 배터리 셀 제조 공정에서는, 특히 배터리 관리 시스템(BMS)이 없는 경우 기존의 접촉식 온도 센서를 사용하는 것이 현실적으로 어렵습니다. 배터리 셀을 고전압 배터리 팩으로 묶고 밀집 배치하는 과정에서 고전압 환경이 형성되며, 이는 온도 측정 시 안전상의 큰 과제를 야기합니다. 열전대, RTD, NTC와 같은 기존 방식은 절연 전자 회로와 절연 케이블을 사용하더라도 전문 전기 기술자의 작업이 필요하고, 고전압(HV) 구성 요소와 간섭을 일으킬 수 있습니다. 또한 두꺼운 절연 구조로 인해 제한된 공간에서 다채널 측정을 적용하기가 더욱 복잡해지며, 이는 기존 방식의 한계를 보여주고 대안적인 측정 솔루션의 필요성을 부각시킵니다.

적외선 카메라 시스템은 화재가 본격적으로 발생하기 전에 가장 먼저 경고를 제공하며, 화재 진행 초기 단계에서 배터리에서 발생하는 열을 조기에 감지합니다. 열화상 카메라는 연기 입자나 불꽃이 형성되기 이전 단계에서도 화재를 감지할 수 있습니다. 초기 단계에서 서서히 상승하는 온도 변화를 측정하기 위해서는 단순한 적외선 감시용 카메라가 아닌, 정확한 온도 보정이 이루어진 열화상 카메라가 필요합니다. 그렇지 않을 경우, 치명적인 열 폭주가 발생하기 이전의 완만한 온도 상승을 정밀하게 구분할 수 없어 오경보가 발생할 수 있습니다.

또한 배터리는 대부분 포장된 상태로 취급되기 때문에 셀이 직접적으로 보이지 않으며, 이로 인해 정상 배터리와 결함 배터리 간의 온도 차이가 완화되어 나타날 수 있습니다. 이러한 미세한 온도 차이를 정확하게 구분해 내는 것은 치명적인 고장을 예방하는 데 매우 중요합니다. Optris 적외선 열 측정 카메라는 견고한 설계를 바탕으로 높은 내구성과 설치 편의성을 제공하며, 먼지와 물로부터 보호되는 IP67 등급을 갖추고 있어 까다로운 산업 환경에서도 안정적으로 사용할 수 있습니다. 광각 렌즈가 장착된 적외선 카메라는 넓은 시야(Field of View)를 한 번에 관측할 수 있습니다. 또한 우수한 광학 성능과 검출기 픽셀 피치로 인해 MFOV가 작아, 핫스팟의 온도 정보를 정확하게 분해하고 측정할 수 있습니다.

Xi 410 독립형 열화상 카메라를 포함한 Xi 시리즈 적외선 카메라는 별도의 소프트웨어 없이도 경보 출력과 함께 자동 핫스팟 감지 기능을 제공하여, 잠재적인 문제 발생 시 즉각적인 대응이 가능하도록 합니다. 핫스팟 파인더(Hot Spot Finder) 기능은 화재나 폭발 위험으로 이어질 수 있는 국부적인 과열을 조기에 감지함으로써, 건강상의 위험은 물론 비용이 큰 가동 중단과 자원 손실을 사전에 방지합니다. 이러한 열 감지 시스템은 시설 모니터링 자동화 제어 시스템 및 소화 설비와 연동할 수 있어, 화재 감지 대응 시간을 단축하고 전반적인 화재 안전성을 한층 강화합니다.

Xi 시리즈 적외선 카메라는 이더넷(Ethernet) 직접 연결을 지원하여 기존 네트워크 인프라에 손쉽게 통합할 수 있다는 점에서 두드러집니다. 다양한 광학 옵션을 제공함으로써 서로 다른 모니터링 요구 사항에 유연하게 대응할 수 있습니다. 또한 페일세이프(fail-safe) 신호를 갖춘 자가 모니터링 시스템을 통해 안정적인 운용을 보장합니다.
이 열화상 시스템은 하나의 소프트웨어 화면에서 여러 대의 카메라 영상을 동시에 표시할 수 있어, 넓은 영역이나 다수의 배터리 유닛을 종합적으로 모니터링할 수 있습니다. 일반적인 배터리 셀 모니터링의 경우, 적외선 카메라는 보통 8 µm – 14 µm 범위의 장파장(LT) 영역에서 작동합니다.

Xi 시리즈와 같은 적외선 기반 화재 예방 시스템은 기존의 감지 및 대응 프로토콜을 대체하기 위한 것이 아니라, 이를 보완하기 위한 솔루션이라는 점을 이해하는 것이 중요합니다. 이러한 시스템은 시설 내에서 발화 가능성이 있는 영역을 조기에 감지하는 강력한 조기 경보 수단으로 활용됩니다. 적외선 카메라를 포함한 예방적 화재 감지 대책은 열 폭주 위험을 완화하는 데 필수적입니다. 가장 효과적인 접근 방식은 화재가 발생하기 전에 과열된 결함 배터리 셀을 사전에 식별하는 것입니다. 결함이 있는 배터리를 조기에 냉각하고 가연성 배터리로부터 분리하면 피해의 심각성을 크게 줄일 수 있습니다. 지속적인 모니터링과 Xi 시리즈와 같은 지능형 화재 감지 시스템의 도입은 화재 안전과 예방을 위해 매우 중요합니다.

열화상 시스템은 보관, 폐기, 시운전, 생산, 운송, 그리고 소방 대응 조치 등 다양한 단계에서 활용하기에 적합합니다.