[논문]웨어러블 기기의 배터리화재사례와 실험을 통한 화재위험성 분석

이정일

doi:10.12812/ksms.2020.22.2.047

웨어러블 기기의 배터리화재사례와 실험을 통한 화재위험성 분석
Analysis of Fire Risk through Battery Fire Cases and Experiments of Wearable Devices 원문보기

대한안전경영과학회지 = Journal of the Korea safety management & science, v.22 no.2, 2020년, pp.47 - 55

이정일 (중앙소방학교)

Abstract ▼ AI-Helper

This study analyzed ignition probability about Lithium-polymer batteries of what variously were being produced wearable devices recently. The study analyzed ignition probability by PCM(Protection Circuit Module) operating state and overcharged, over-discharged, exposed to high temperatures of Lithium polymer batteries, analyzing wearable devices on the market. Then it classified experimental results to implement analysis comparison about weight, X-ray imaging, battery decomposition. With these experiments, the study analyzed combustion-possibility and fire patterns. These statistics will be used to measure and verify the cause of a fire when identify wearable devices using Lithium-polymer batteries.

주제어

표/그림 (16)

그림 [Figure 1] Lithium-polymer battery structure.
그림 [Figure 2] Bluetooth earphone fire case.
그림 [Figure 3] Wearable device used in experiments.
표 Lithium battery fire statistics(2015~2018.6)
그림 [Figure 4] PCM Operating Experiment(Overcharg, Over-discharge).
그림 [Figure 5] Lithium Polymer Battery Overcharging Experiment(350mAh, 1600mAh).
그림 [Figure 6] Wearable device overcharging experiment.
그림 [Figure 7] Lithium polymer battery over-discharge (200mAh, 1600mAh).
그림 [Figure 8] Exposed to high temperatures (Lithium polymer battery).
그림 [Figure 9] exposed to high temperatures(Wearable device).
그림 [Figure 10] Weight comparison analysis (Lithium polymer battery 1600mAh).
그림 [Figure 11] Weight comparison analysis(Wearable device).
그림 [Figrue 13] X-ray Image analysis (Lithium polymer battery 350mAh).
그림 [Figure 14] X-ray Image analysis(Wearable device).
그림 [Figure 12] X-ray Image analysis (Lithium polymer battery 1600mAh).
그림 [Figure 15] Analysis of disassembled batteries.

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

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].
본 연구는 최근 다양하게 출시되는 웨어러블 기기(wearable devices)의 에너지 공급원으로 사용되는 2차 전지에 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.
본 연구는 최근 다양하게 출시되는 웨어러블 기기(wearable devices)의 에너지 공급원으로 사용되는 2차 전지에 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.

제안 방법

[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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
웨어러블 기기의 과충전 연소 특성을 측정하기 위해 보호회로를 제거한 상태에서 직류전원공급 장치를 사용하여 과충전을 진행하였고, 열화상카메라를 사용하여 온도를 측정하였다.
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.
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.
재현실험 및 연구분석으로 최근 다양하게 출시되는 웨어러블 기기(wearable devices)의 리튬폴리머 배터리에 대한 발화 개연성을 실험하였다. 실험제품 분해 결과 해외 직구로 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.
재현실험에 사용한 각각의 리튬폴리머 배터리와 웨어러블 기기의 내부를 관찰하기 위해 X-ray를 촬영하고 영상을 비교분석 하였다.
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.
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 과 충전과 과방전(단락)으로부터 배터리의 과열 및 연소 가능성이 없는 안전한 상태를 실험으로 확인할 수 있었다.

대상 데이터

[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.
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.
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.
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.
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 제품안전정 보센터 인증[인증번호 ZU10620-18001]을 받은 정식 제품으로 확인됐다.

성능/효과

[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 열화상 카메라에 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.
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 의 한 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 구 분할 수 있는 패턴이 식별되었다.
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 연소패턴을 확인하고, 기기를 분해하여 전극 페이퍼의 색상 및 특이점을 구분한다면 명확한 원인 규명의 증거물이 될 수 있다.
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 과 충전과 과방전(단락)으로부터 배터리의 과열 및 연소 가능성이 없는 안전한 상태를 실험으로 확인할 수 있었다.
재현실험 및 연구분석으로 최근 다양하게 출시되는 웨어러블 기기(wearable devices)의 리튬폴리머 배터리에 대한 발화 개연성을 실험하였다. 실험제품 분해 결과 해외 직구로 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.
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 의 한 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 구 분할 수 있는 패턴이 식별되었다.
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.
통계 분석을 살펴보면 리튬배터리 화재는 휴대전화 배터리에서 24건으로 가장 많이 발생했으며, 이외에도 전기 자전거, 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.
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.
통계 분석을 살펴보면 리튬배터리 화재는 휴대전화 배터리에서 24건으로 가장 많이 발생했으며, 이외에도 전기 자전거, 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.
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.

후속연구

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.
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.
위와 같은 결과를 화재현장 감식에 활용하여 화재조사관이 감식할 때 착안해야할 사항을 정리하였다. 첫째, 발화지점 주변에서 웨어러블 기기가 관찰된다면 증거물수집 관리규칙에 따라 현장을 보존하여 증거물이 훼손되지 않게 수집해야한다. 현장에서 분해할 경우 리튬폴리머 배터리의 연소 특성으로 쉽게 부스러져 정확한 감정이 어렵게 된다.

참고문헌 (3)

Korea Consumer Agency(2018), A Study on the Actual Condition of the Small-Powered Home Battery.
Seoul Metropolitan Fire & Disaster Headquarters (2018), Analysis of trends of fire in lithium battery.
National Fire Data System(2018), Fire Statistics.

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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