1. 서 론

배터리 기술의 발달로 스마트폰을 기반으로 한 모바일워치, 블루투스 이어폰과 일상생활에서 간편하게 사용할 수 있는 휴대용 선풍기, 휴대용 손난로, 마사지기, 전자담배 등 다양한 웨어러블 기기들이 사용되고 있다. 이러한 웨어러블 기기들의 대부분은 에너지 공급원으로 2차전지 중 리튬폴리머 배터리를 사용한다. 리튬폴리머 배터리(Lithium-ion polymer battery)는 리튬이온 기술로 재충전이 가능한 사각형의 판 형태(Pack type)이며, 가볍고 강도가 강한 특성을 가지고 있다. 또한 액체 전해질이 아닌 폴리머 전해질을 사용하여 다양한 모양으로 가공할 수 있는 장점으로 활용도와 사용범위가 점점 늘어나고 있다[1].

하지만 리튬폴리머 배터리를 사용하는 웨어러블 기기에서 과충전, 과전류, 보호회로 부품의 결함, 제조물의 구조적 결함, 사용자에 의한 외부의 고온노출과 충격 등 다양한 원인에 의해 화재 및 폭발사고가 발생할 수 있다. 웨어러블 기기의 특성상 신체에 부착하거나 휴대하는 제품으로 발열 및 폭발사고가 발생하게 되면 인명피해로 이어지게 되며, 특히 해외직구 등 인증되지 않은 제품 구입으로 전지를 보호할 수 있는 보호회로가 없거나 허용 용량이 맞지 않는 불량 전지에 의한 폭발･화재 사고가 지속적으로 발생하고 있다. 이러한 발화 및 폭발은 제품의 구조를 변형시키거나 훼손되어 원인을 규명하기 어렵고 더욱이 내부에서 발생한 경우 미세하고 복잡한 구조의 내부회로와 전극의 탄화로 쉽게 부스러지면서 증거물이 훼손되어 명확한 원인규명이 쉽지 않다.

따라서 웨어러블 기기에서 발생할 수 있는 위험요인에 대한 재현실험을 통해 발화개연성을 명확하게 구별하고 각각의 과충전, 과방전(단락), 고온노출의 조건에 따른 리튬폴리머 배터리의 연소패턴 특성을 X-ray 영상을 통해 분석하여 웨어러블 기기의 화재원인 규명과 증거물 감식･감정의 판단 기준자료로 활용하고자 한다[2].

2. 이론적 배경

2.1 웨어러블 기기[Wearable devices] 개요

본 연구는 최근 다양하게 출시되는 웨어러블 기기(wearable devices)의 에너지 공급원으로 사용되는 2차전지에 대해 재현실험을 통해 발화 개연성을 분석하였다. 시중에서 판매되고 있는 작동기기에 대한 분해와 분석으로 보호회로(Protection Circuit Module)의 정상적인 작동유･무와 리튬폴리머 배터리에서 발생할 수 있는 과충전, 과방전, 고온노출에서의 외형변화를 분석하였고, 실험 결과물에 대한 중량비교와 X-ray장비를 활용한 연소패턴 구분으로 팩 타입(Pack type) 리튬폴리머 배터리에 대한 발화원인 판단 기준을 제시하고, X-ray영상분석으로 각각 비교하여 고찰하고, 화재감식 및 감정 자료로서 활용하기 위한 연구를 하였다.

2.2 리튬폴리머 배터리의 구조와 이해

리튬전지는 전해질 형태에 따라 리튬금속, 리튬이온, 리튬폴리머 전지로 구분되며, 리튬 금속 혹은 그 화합물을 사용하여 충전이 가능하도록 설계된 전지로 양극․음극․분리막․전해질 및 용기 등으로 구성되어 있다. 리튬 2차전지는 양극과 음극에 있는 리튬이온의 산화․환원 반응에 따라 화학에너지가 전기에너지로 바뀜으로서 전류를 생성하게 되며, 전해질의 형태에 따라 리튬이온과 리튬폴리머 전지로 구분된다. 리튬이온 전지의 전해질은 액체로 이뤄졌지만 리튬폴리머 전지는 전해질이 화학적으로 안정한 폴리머(Polymer, 고체 또는 젤 형태의 고분자 중합체) 상태로 가볍고 강도가 강한 특성을 가지고 있다. 또한 전지의 용량이 줄어드는 기억효과(Memory Effect)가 없고 기전력(Electromotive Force)이 높아 활용도와 사용범위가 점점 늘어나고 있다[3].

하지만 [Figure 1]에서 보는바와 같이 리튬폴리머 전지 또한 리튬 화합물을 사용하는 2차전지로서 반응성이 매우 높아 잘못 취급할 경우 화재 및 폭발 위험이 상존하고 있다. 따라서 비정상적인 온도의 상승이나 과충전, 과전류 등을 차단할 수 있는 보호회로가 반드시 필요하며, 보호회로가 없거나 보호회로의 결함 또는 제품의 구조적 결함 등 정상적인 보호회로의 작동이 이뤄지지 않는 경우 발화 및 폭발 위험이 높아 소비자 보호와 연관이 있다.

2.3 보호회로(PCM, Protection Circuit Module)의 기능

보호회로는 리튬이온을 사용하는 2차전지의 과충전, 과방전, 과전류, 단락 등 전지를 보호하는 회로로 과충전으로 인한 과열 또는 폭발을 방지하거나, 과방전으로 인한 전지의 성능 저하를 예방하고, 과전류 방전을 정지시키거나, 외부 단락 등에 의한 전로를 차단 등 전지로 인한 안전사고를 방지하기 위하여 사용된다. 즉 보호회로는 전지의 독립적인 제어 및 비정상적인 온도 상승을 예방하고, 전지의 온도 및 전압, 전류의 합계 값을 일정하게 유지하여 전지를 보호하는 기능을 한다.

3. 사례 및 통계분석

3.1 사고사례

최근 3년간(2015~2017) 한국소비자원 소비자위해감시시스템(CISS)에 접수된 리튬 2차전지 관련 위해 사례는 총 466건으로 매년 지속적으로 발생하고 있으며, 위해사례 원인 중 2차사고 발생위험이 높은 과열, 폭발, 발화(화재 포함) 사고는 152건으로 전체 사고의 32.6%로 나타났다. [Figure 2]에서 보는 바와 같이 주요 사례로는 휴대폰 예비 배터리가 과열되어 화상을 입거나 드론 배터리를 충전 중 폭발이 발생한 사고와 휴대용 선풍기 사용 중 배터리가 과열되어 제품 플라스틱이 녹아내린 사고 등이 발생하였다. 최근 발생한 웨어러블 화재사고를 살펴보면 지난 2018년 8월 충남 공주시 아파트에서 충전 중이던 블루투스 이어폰에서 화재가 발생하여 일가족 3명이 연기흡입의 부상을 입은 사례 등 화재사고가 종종 발생하여 소비자들을 보호하는데 크게 영향을 미친다고 본다.

3.2 통계분석

2018년 8월 서울소방재난본부에서 발표한 최근 3년간 리튬배터리 화재는 총 99건(서울소방본부 기준)으로 화재통계를 살펴보면 2015년 19건, 2016년 18건, 2017년 39건, 2018년 상반기까지 23건이 발생했다.

통계 분석을 살펴보면 리튬배터리 화재는 휴대전화 배터리에서 24건으로 가장 많이 발생했으며, 이외에도 전기자전거, 전동 킥보드, 드론(모형비행기), 미니선풍기, 노트북, 블루투스, 외장형 배터리, 안마기, 전자담배, 청소기, 휴대용손난로 등에 다양한 제품에서 화재가 발생했다. 원인으로 전기적 요인이 33건(33.3%)으로 가장 높은 비율로 발생하였으며, 대부분 전용 충전기를 사용하지 않아 발생하는 과전류, 과전압 등에 의한 경우였다. 특히, 리튬배터리 화재 99건 중 충전 중에 발생한 사례는 총 63건으로 전체 리튬배터리 화재의 63.6%의 비율로 나타났다.

현재 국가화재정보시스템 통계분류 코드 중 과충전, 과방전에 대한 입력코드가 없어 정확한 통계집계가 어렵고, 제조물의 경우 소실로 식별이 불가능 한 경우가 많아 리튬폴리머 배터리와 관련된 웨어러블 기기의 화재발생은 훨씬 더 많을 것으로 추정된다.

4. 재현실험 및 연소패턴 분석

4.1 실험개요

웨어러블 기기의 연소 패턴을 분석하기 위해 제품 각 3종과 리튬폴리머 배터리 각 4종을 실험에 사용하였고, 조건별로 과충전, 과방전(단락실험), 고온노출의 재현실험을 진행하여 발화 개연성과 연소패턴을 분석하였다. 재현실험은 호서대학교 소방방재학과의 도움을 받아 진행하였으며, 직류전원공급장치, 오실로스코프, 항온기, 실험세트, 열화상카메라, 디지털 캠코더 등 장비를 사용하여 기록하였다.

4.2 웨어러블 제품 분해 분석

[Figure 3]에서 보는 바와 같이 실험에 사용할 제품군은 최근 판매량이 급증하고 있는 블루투스 이어폰과 미인증 제품이 유통되어 문제가 된 EMS 저주파 마사지기, 판매량이 높은 보조배터리 겸용 휴대용 손난로를 재현실험 제품을 선정하였으며, 제품을 분해하여 보호회로 장착 유무와 내부 회로를 관찰과 소비자 보호에 역점을 두어야 한다.

실험제품 분해 결과 해외직구로 구입한 제품의 블루투스 이어폰은 표시용량(5.0V/ 500mAh)과 다른 팩(pack) 타입의 리튬 폴리머 배터리(3.7V/380mAh)를 사용하고 있었으며, 해외직구로 구입한 또 다른 기기인 EMS 저주파 마사지기의 표시용량(5.0V/90mAh) 또한 3.7V/40mAh로 제품외부에 표시된 용량과 맞지 않은 리튬폴리머 배터리를 사용 중이었다. 반면 국내 유통중인 보조배터리는 캔(can) 타입 리튬폴리머 배터리를 사용하고 있었으며, 정식 수입제품으로 KC인증을 받아 국가기술표준원 제품안전정보센터 인증[인증번호 ZU10620-18001]을 받은 정식 제품으로 확인됐다.

4.3 리튬폴리머 배터리 안정성 실험

웨어러블 기기는 대부분 소형 경량화를 위해 팩(pack) 타입의 리튬 폴리머 배터리를 에너지원으로 하고 있다. 리튬폴리머 배터리의 안정성 및 연소 특성을 실험하기 위해 4종류 팩(pack) 타입의 제품을 구입하여 실험에 사용하였다. [Figure 4]의 리튬폴리머 배터리는 ｢전기용품 및 생활용품 안전관리법｣에 따라 안전확인대상 전기용품으로 분류되어 배터리 자체에 보호회로(PCM, Protection Circuit Module)가 장착되어 있는 상태였으며, 보호회로의 정상작동을 여부를 확인하기 위해 직류전원공급자치를 연결하여 리튬폴리머 배터리를 충전, 방전 실험을 실시하였다.

직류전원공급장치의 설정값을(5V/2.0Ah, 10V/1.5Ah, 15V/1.0Ah)으로 각각 변화하면서 충전하였지만 보호회로가 작동하면서 배터리의 온도 및 외부에 변화가 발생하지 않았으며, 오실로스코프를 연결한 상태에서 과방전(단락)을 측정하였을 경우 역시 보호회로가 정상적으로 작동하였다. 실험결과 리튬폴리머 배터리는 보호회로가 설치되어 정상적인 작동을 할 경우 인가전압의 변화로 인한 과충전과 과방전(단락)으로부터 배터리의 과열 및 연소 가능성이 없는 안전한 상태를 실험으로 확인할 수 있었다.

4.4 리튬폴리머 배터리 과충전 실험

리튬폴리머 배터리의 보호회로가 없는 제품이나 불량일 경우를 가정하여 보호회로를 제거한 상태에서 [Figure 5]에서 보는 바와 같이 직류전원공급장치를 사용하여 과충전을 진행하였다. 실험은 70mAh, 200mAh, 350mAh, 1600mAh 용량의 리튬폴리머 배터리를 사용하였고, 직류전원공급장치의 인가전압을 5.0V/2.0A, 9.0V/1.5A, 12.0V/1.0A로 각각 설정하여 실험하였다.

보호회로가 없는 리튬폴리머 배터리의 과충전 실험에서 용량에 따라 각각 차이가 있지만 1600mAh은 약 10~15분경과 후 80℃를 넘어서면서 배터리 외형이 부풀어 오르는 스웰링(swelling) 현상이 관찰되었다. 이후 1~2분 사이 빠르게 온도가 상승하면서 100℃를 넘어가자 고온의 가스를 분출하며 불꽃연소 후 착화되었다. 불꽃연소의 경우 열화상카메라에 설정한 측정온도 범위를 넘어서면서 정확한 온도가 측정되지 않았지만, 불꽃연소 이후 배터리의 온도는 최대 350℃로 기록되었다. 배터리 용량 350mAh 역시 80℃까지 온도가 상승하는 시간이 약 5분 이내로 용량에 따라 과충전의 시간이 단축된 것 이외 비슷한 연소현상을 보였다.

그리고 용량 200mAh와 70mAh의 리튬폴리머 배터리는 과충전으로 스웰링(swelling)현상이 발생하면서 100℃가 넘는 온도가 측정되었지만 혼합가스의 외부 분출 후 폭발적인 불꽃연소는 발생하지 않았다.

4.5 웨어러블 디바이스 과충전 실험

웨어러블 기기의 과충전 연소 특성을 측정하기 위해 보호회로를 제거한 상태에서 직류전원공급 장치를 사용하여 과충전을 진행하였고, 열화상카메라를 사용하여 온도를 측정하였다.

웨어러블 기기(블루투스 이어폰, EMS 저주파 마사지기)의 과충전 실험결과 제품 케이스 외부로 일부 불꽃이 분출하였지만 직접적인 화염의 방출은 발생하지 않았으며, 불꽃분출 당시 온도가 급격하게 상승한 이후 가스방출과 케이스 변형이 일어났다. 이후 제품의 형태가 변형되면서 서서히 온도가 내려갔고, 더 이상의 연소는 진행되지 않았다. 보통 웨어러블 기기의 대부분이 500mAh 이하의 저용량 배터리를 사용하기 때문에 제품에 직접적인 착화가 발생할 수 있는 충분한 연소가 발생하지 않았지만 주변 가연물을 충분히 연소할 수 있는 발열이 실험을 통해 나타난 바와 같이 소비자들이 사용하는데 있어서 주의를 요한다.

4.6 리튬폴리머 배터리 과방전(단락) 실험

리튬폴리머 배터리를 완전히 충전한 상태에서 보호회로를 제거하고 양극과 음극의 전극단자를 연결하여 과방전으로 인한 폭발 및 발화여부를 확인하기 위한 외부단락 실험을 실험하였다. 실험은 70mAh, 200mAh, 350mAh, 1600mAh 용량의 리튬폴리머 배터리를 사용하였고, 완전히 방전되기까지 배터리의 변화와 연소여부를 확인하였다.

[Figure 7]의 리튬폴리머 배터리 과방전 실험결과 70mAh~ 1600mAh까지 실험에 사용한 배터리 모두 과방전으로 인한 폭발 및 연소는 발생하지 않았다. 200mAh, 350mAh, 1600mAh 용량은 70℃를 전후로 배터리가 부풀어 오르는 스웰링(swelling) 현상이 발생하여 90℃에서 열화상카메라에 전해액 증기가 분출되는 것이 관찰되었고, 100℃에 근접하였을 때는 육안으로 전해액이 분출하는 현상이 관찰되었다. 반면 용량이 낮은 70mAh는 열화상카메라에서 50~60℃ 내외의 온도변화만 관찰되었고 스웰링(swelling)과 전해액의 분출은 발생하지 않았다. 웨어러블 기기의 경우 비교적 낮은 용량의 리튬폴리머 배터리를 사용하기 때문에 내･외부 단락으로 직접적인 연소현상이 발생하지 않음을 확인할 수 있었으며, 열이 축적되기 좋은 환경이거나 쉽게 불이 붙을 수 있는 가연물이 존재하는 경우에만 발화 가능성이 있을 것으로 추정된다. 다만 과방전(단락)으로 인해 분출된 전해액이 기기 내부에 위치한 보호회로의 정상적인 작동을 방해한다면 이는 과충전을 유발하는 요인이 될 수 있을 것이다. 또한 웨어러블 기기의 특성상 인체에 부착하거나 착용하는 형태로 과방전(단락)에 의한 100℃ 내외의 온도 상승은 웨어러블 기기를 작동하는 도중 발생할 수 있어 인체에 화상이 발생할 수 있는 위험성이 존재하여 소비자 보호에 역점을 두어야한다.

4.7 고온노출 실험

외부로부터 고온의 영향을 받은 리튬폴리머 배터리의 안정성 실험과 과충전, 과방전(단락)으로 인한 배터리의 변화를 비교･분석하기 위해 항온기를 사용하여 최고온도 150℃로 30분 동안 고온에 노출하였다.

항온기에서 30분간 고온에 노출된 리튬폴리머 배터리는 80℃부터 외형이 부풀어 오르는 스웰링(swelling) 현상이 관찰되었으며, 온도가 상승할수록 더욱 부풀어 올라 130℃에서 둥근 타원 형태의 외형으로 변형되었고, 150℃에서 서서히 스웰링(swelling)이 감소하였다. 150℃ 내외의 고온 환경에서 30분간 방치하였을 때 불꽃연소 및 직접적인 착염은 발생하지 않았으며, 항온기에서 서서히 식힌 후 밖으로 꺼냈을 때 배터리 내부의 고형 전해질이 액체 상태로 변형되었다.

위와 같은 방식으로 리튬폴리머를 사용하는 블루투스 이어폰과 EMS 저주파 미니마사지 기기를 150℃에서 30분간 고온에 노출시킨 후 정상인 제품과 과충전으로 탄화된 제품, 고온에 노출된 제품을 각각 비교하여 분석하였다.

5. 실험분석

앞선 재현실험에서 과충전과 과방전(단락), 고온노출로 인한 연소특성과 외형변화를 살펴보았다. 각각의 실험에 사용한 리튬폴리머 배터리와 웨어러블 기기를 전자저울을 이용한 중량분석과 X-ray 영상분석, 그리고 정상상태의 과충전, 과방전(단락)리튬폴리머 배터리 분해로 비교하였다.

5.1 중량비교 분석

전자저울을 사용한 중량 비교분석 결과 [Figure 10]과 같이 리튬폴리머 배터리 용량 1600mAh은 일반적인 정상 상태의 배터리에 비해 과충전의 경우 중량이 약 2.5배 감소하였으며, 과방전의 경우 0.5g의 중량감소, 고온 노출의 경우 변동이 없었다.

용량 350mAh의 경우 정상 상태에서 6.0g 과충전 3.6g, 과방전 5.8g, 항온기 5.6g으로 실험에 사용한 배터리에서 전부 정상상태에 비해 과충전의 경우 중량 감소가 높은 수치를 기록하였으며, 원형을 보존한 과방전과 고온 노출의 경우 중량 감소가 없거나 약간의 감소현상이 일어났다. 이는 과방전과 고온노출의 경우 배터리가 부풀어 오르면서 방출한 전해질의 혼합가스 기체가 방출하여 중량이 감소한 것으로 추측된다. 200mAh, 70mAh는 과충전 실험에서 불꽃연소가 발생하지 않아 중량감소 비율이 높지 않았지만, 과충전의 경우 과방전과 고온노출 보다 중량이 감소하였다.

웨어러블 기기의 중량 비교분석은 리튬폴리머 배터리 중량분석에 비해 중량의 격차가 크기 않았지만 리튬배터리의 중량비교 분석과 유사한 결과로 과충전의 경우 정상인 제품보다 낮게 측정되었으며, 고온 노출 또한 약간 낮은 상태로 측정되었다. 즉 과충전에 의한 배터리의 중량 감소는 불꽃연소를 하면서 전해질이 혼합가스의 형태로 외부로 연소하여 중량이 감소된 것으로 판단된다.

5.2 X-ray 영상분석

재현실험에 사용한 각각의 리튬폴리머 배터리와 웨어러블 기기의 내부를 관찰하기 위해 X-ray를 촬영하고 영상을 비교분석 하였다.

[Figure 12]의 X-ray 촬영을 통한 리튬폴리머 배터리의 내부 영상분석 결과 정상적인 리튬폴리머 배터리는 사각의 형태를 분리막 전극 페이퍼가 균일하게 유지되어 있는 상태로 관찰되었지만, 과충전으로 탄화된 배터리는 분리막 전극 페이퍼가 울퉁불퉁한 형태로 전극 사이에서 많은 용융이 관찰되었다. 과방전과 고온환경에 노출된 배터리는 내부에서 뚜렷한 차이점은 관찰되지 않았지만 스웰링(swelling)에 의해 변형된 모서리 부분의 전극 페이퍼의 배열이 일정하지 않고 간격이 불규칙한 형태로 관찰되었다.

아래의 [Figure 12]는 용량 350mAh 리튬폴리머 비교･분석한 사진으로 정상적인 배터리와 실험으로 변형된 배터리의 스웰링(swelling) 형태가 구분된다.

즉 리튬폴리머 배터리의 경우 과충전으로 인한 배터리의 변화를 살펴보면 분리막 전극 페이퍼가 울퉁불퉁한 형태로 정상적인 배터리, 과방전, 고온 노출과는 명확하게 구별이 가능한 상태로 X-ray 영상에서 식별이 가능하다.

[Figure 13]의 리튬폴리머 배터리를 사용하는 웨어러블 기기 역시 X-ray를 통해 직접 분석하였을 때 과충전에 의한 배터리의 변화는 구분이 가능하였으며, 고온에 노출된 경우도 정상적인 제품의 배터리보다 분리막 전극 페이퍼가 부풀어 오르는 스웰링(swelling) 변형이 발생하여 배열이 일정하지 않고 간격이 불규칙한 형태로 확실하게 구별이 가능하였다.

[Figure 14]의 X-ray 영상분석 결과를 요약하면 정상적인 리튬폴리머 배터리와 비교하여 과충전에 의한 배터리의 변화는 분리막 전극 페이퍼가 불규칙하게 울퉁불퉁한 형태로 부풀어 오르는 스웰링(swelling) 형태를 띠고 전극 사이에서 많은 용융이 관찰되어 확실하게 구분이 가능하며, 과방전(단락)과 고온노출에 의한 배터리의 경우에는 전극 내부에서 용융이 관찰되지 않고 스웰링(swelling)에 의해 변형된 모서리의 전극 페이퍼 배열이 일정하지 않으며 간격이 불규칙한 형태로 관찰된다.

5.3 리튬폴리머 배터리 분해 비교

[Figure 15]의 실험에 사용한 리튬폴리머 배터리의 내부를 탄화 형태와 변형된 상태를 육안으로 비교하기 위해 정상적인 상태의 리튬폴리머 배터리와 과충전, 과방전(단락), 고온노출에 의한 배터리를 비교하여 관찰하였다.

정상적인 리튬폴리머 배터리는 분리막 전극 페이퍼가 촉촉한 상태로 자줏빛을 띠는 반면 과충전으로 탄화된 전극 페이퍼는 회색을 띠며 육안으로 여러 개의 은색 용융이 식별되었다. 과방전의 경우 흑색에 옅은 금빛 색을 띠며, 고온에 노출된 리튬폴리머 배터리는 가장자리에 흑색을 띠며 전체적으로 내부 중심을 기준으로 갈색으로 변형된 색상이 관찰되었다.

6. 결 론

6.1 연구결과

재현실험 및 연구분석으로 최근 다양하게 출시되는 웨어러블 기기(wearable devices)의 리튬폴리머 배터리에 대한 발화 개연성을 실험하였다. 실험제품 분해 결과 해외직구로 구입한 웨어러블 기기의 경우 제품외부에 표시된 용량과 맞지 않은 리튬폴리머 배터리를 사용 중이었으며, 보호회로의 결함 또는 제품의 구조적 결함 등 정상적인 보호회로의 작동이 이뤄지지 않는 경우 발생할 수 있는 과충전, 과방전(단락), 고온노출에 대한 발화 가능성을 실험으로 입증하였다.

리튬폴리머 배터리를 사용하는 웨어러블 기기에서 가장 많이 발생하는 화재는 충전중인 상태에서 화재가 발생하는 경우로 주로 과충전에 의한 발화 개연성이 높고, 일반적으로 사용 중인 상태에서 과열은 과방전(단락)에 의한 경우로 기기 내부의 단락에 의해 발생한다.

리튬폴리머 배터리에서 발생하는 과충전, 과방전은 모두 보호회로가 작동하지 않는 경우에 발생하게 되며, 80℃ 내외로 온도가 상승하면서 리튬폴리머 전해질이 혼합가스의 형태로 변하고 배터리 내부 압력에 의해 전지가 부풀어 오르는 스웰링(swelling) 현상이 동시에 나타나게 된다. 과충전은 불꽃연소를 일으키면 연소하면서 많은 에너지를 방출하게 되고 주변에 가연물이 존재할 경우 화재로 이어지게 된다. 반면 과방전은 충전된 용량만큼 전기에너지를 열에너지로 변환하여 과열이 발생하게 되고 기기의 손상이나 신체에 화상이 발생할 수 있다. 외부 고온노출에 의해 변형된 경우도 전지가 부풀어 오르는 스웰링(swelling) 현상이 나타나게 되며, 전해질의 혼합가스가 분출하게 되면 내부에서 보호회로의 비정삭적인 작동의 원인이 될 수 있으며, 정격용량이 감소하여 전지의 수명이 단축된다.

앞선 실험에서 과충전과 과방전(단락), 고온노출로 인한 연소특성 및 변화를 분석하였을 때가 과충전은 불꽃연소를 하면서 전해질의 혼합가스가 외부로 분출하여 정상적인 배터리에 비해 중량이 감소하는 결과가 나타났고, X-ray 분석에서 과충전은 분리막 전극 페이퍼가 울퉁불퉁한 형태로 전극 사이에서 많은 용융이 관찰되어 명확한 구분이 가능하였다. 또한 과방전(단락)과 고온노출에 의한 배터리의 경우에도 전극 내부에서 뚜렷한 차이는 관찰되지 않았지만 스웰링(swelling)에 의해 변형된 모서리의 전극 페이퍼 배열이 일정하지 않고 간격이 불규칙한 형태가 관찰되어 구분이 가능하였으며, 이를 분해하여 분석한 결과 전극 페이퍼에서 각각의 연소형태 및 색상변화를 구분할 수 있는 패턴이 식별되었다.

위와 같은 결과를 화재현장 감식에 활용하여 화재조사관이 감식할 때 착안해야할 사항을 정리하였다. 첫째, 발화지점 주변에서 웨어러블 기기가 관찰된다면 증거물수집관리규칙에 따라 현장을 보존하여 증거물이 훼손되지 않게 수집해야한다. 현장에서 분해할 경우 리튬폴리머 배터리의 연소 특성으로 쉽게 부스러져 정확한 감정이 어렵게 된다. 둘째, 증거물을 담는 케이스는 외부 충격으로부터 보호할 수 있는 재질의 수집도구를 사용해야 하며, 충전중 화재가 발생한 경우 연결된 직류전원장치를 함께 수집하여 발화부를 분석해야 한다. 셋째, 수집된 증거물은 섣불리 분해하지 말고 X-ray를 통한 내부 분석을 통해 연소 패턴을 확인하고, 기기를 분해하여 전극 페이퍼의 색상 및 특이점을 구분한다면 명확한 원인 규명의 증거물이 될 수 있다.

위와 같은 실험결과를 토대로 리튬폴리머 배터리를 사용하는 웨어러블 디바이스의 발화 개연성을 이해하는 자료로서 명확한 화재원인 규명과 조사자의 감식･감정에 활용되어 체계적이고 과학적인 화재조사가 이루어지길 기대한다.

6.2 화재예방 대책

리튬폴리머 배터리를 사용하는 웨어러블 기기의 화재를 예방하기 위해서는 보호회로(Protection

Circuit Module)가 설치된 인증제품을 구입해야 하며, 제품에 표시된 전용 충전기를 사용하거나 ｢전기용품 및 생활용품 안전관리법｣에 의해 인증된 충전기 사용으로 과충전에 의한 화재 및 폭발을 예방해야 한다. 특히 충전 시 가연물 조건이 좋은 침대 매트리스 위에서 충전하지 않는 등 주변에 가연물이 없는 곳이나 가연물을 제거 후 안전한 장소에서 충전해야 하고, 작동기기의 외형이 변형되거나 특이한 냄새가 나는 등 이상 징후가 있는 제품은 반드시 폐기해야 한다. 또한 웨어러블 기기의 특성상 사용 중 고온노출이나 외부 충격은 배터리뿐만 아니라 기기 내부의 보호회로가 손상되는 일이 발생될 수 있기 때문에 과충전, 과방전의 원인 될 수 있으므로 찜질방 등 고온 환경에서의 사용을 금지하고 반복적이고 과도한 충격을 주지 않아야 한다.

리튬 2차전지는 제조된 직후부터 사용여부와 관계없이 열화(degrading)가 진행되어 수명이 2~3년을 한정되기 때문에 수명이 다한 웨어러블 기기를 폐기할 경우 외부 충격에 의한 방전은 폭발이나 화재가 발생할 수 있으므로 주의해야 한다. 리튬배터리는 폭발위험이 있어 리튬배터리 취급업체 등 전문업체를 통해 폐기하는 것이 가장 안전한 방법이며, 충전 시에 옆에 가연물을 멀리하거나 두지 않는 것이 안전하고, 화재가 발생하였을 때 리튬배터리 내부에서 화염이 분출할 경우 불꽃연소를 하는 배터리 주변에는 접근하지 말고, 코드를 제거한 후에 119신고한 뒤 화염이 멈춘 후 소화기(분말, 이산화탄소 소화기, 청정소화약제 소화기)로 소화해야 한다.