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망간 건전지

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1. 개요

망간 건전지는 1886년 칼 가스너가 개발한 건식 전지로서, 아연판을 음극, 파리 석고와 흑연 분말 혼합물을 사용한 것이 특징이다. 한국에서는 한국 전쟁 이후 미군 건전지를 재생하여 처음 소개되었고, 1960년대부터 본격적인 생산이 시작되었다. 1970~80년대 가전제품 보급과 함께 수요가 증가했으나, 1990년대 이후 알카라인 건전지 등장으로 시장 점유율이 감소했다. 망간 건전지는 아연 통, 이산화망간과 탄소 분말 혼합물, 염화아연 또는 염화암모늄 전해액으로 구성되며, 염화암모늄 전해액 방식과 염화아연 전해액 방식 두 종류가 있다. 아연-탄소 전지는 저렴한 가격으로 리모컨, 시계 등에 사용되지만, 보관 수명이 짧고 누액의 위험이 있다. 망간 건전지는 JIS 및 IEC 규격에 따라 다양한 형태로 생산되며, 환경 오염 문제로 폐건전지 분리수거가 중요하다.

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망간 건전지
지도 정보
기본 정보
종류1차 전지
화학 계통아연-망간 전지
전해액염화 아연 또는 염화 암모늄 수용액
양극이산화망간(MnO2)
음극아연(Zn)
작동 원리
작동 방식전해액 속에서 아연이 전자를 내놓으면서 산화되고, 이산화망간이 전자를 받아 환원되는 반응을 통해 전기를 생산한다.
역사
발명1866년 조르주 르클랑셰에 의해 발명됨
상업화1880년대 후반부터 본격적으로 상업화
특징
장점저렴한 가격
안정적인 성능
다양한 크기
단점알칼라인 전지에 비해 에너지 밀도가 낮음
대량 방전 성능이 낮음
장시간 사용 시 전해액 누액 가능성
활용
주요 용도리모컨
시계
완구
소형 전자기기
추가 정보일반적인 가정용 전자기기에 널리 사용됨
주의 사항
폐기 시 주의사항일반 쓰레기로 버리면 환경 오염을 유발
반드시 분리수거를 통해 재활용해야 함
건전지 수거함에 배출
사용 시 주의사항전해액 누출 시 피부에 닿으면 유해할 수 있음
높은 온도나 습기에 노출되지 않도록 주의
참고 자료
추가 정보Eveready Carbon Zinc Battery Handbook and Application Manual
Carbon Zinc - Batteries - Electrical
What is the difference between Alkaline and Carbon Zinc batteries?
Carbon Zinc Aa Batteries
Batteries - Boundless Chemistry

2. 역사

1876년 조르주 르클랑셰의 습식 르클랑셰 전지가 만들어졌고, 1886년 독일의 과학자 칼 가스너는 아연판을 양극으로, 파리 석고와 흑연 분말 혼합물을 사용하는 "건식" 버전을 특허로 출원했다.[6]

1898년, 콘래드 허버트는 W. H. 로렌스가 제조한 건전지를 사용하여 최초의 손전등에 전력을 공급했고, 그 후 두 사람은 에버레디 배터리 컴퍼니를 설립했다. 1900년, 가스너는 파리 만국박람회에서 휴대용 조명용 건전지를 시연했다. 20세기 내내 아연-탄소 전지의 안정성과 용량이 지속적으로 향상되었다.[7]

1960년대경의 구형 3V 아연-탄소 건전지(직렬로 연결된 두 개의 전지가 골판지 케이스에 들어 있음).


대한민국에서는 한국 전쟁 이후, 미군이 사용하던 건전지를 수거하여 재생하는 방식으로 망간 건전지가 처음 소개되었다. 1960년대에는 국내 기업들이 망간 건전지 생산 기술을 도입하여 본격적인 생산을 시작했다.

1970년대부터 1980년대에는 경제 성장과 함께 가전제품 보급이 확대되면서 망간 건전지 수요가 급증했다. 이 시기에는 "로케트 건전지", "선경 건전지" 등 다양한 브랜드의 망간 건전지가 생산되었다.

1990년대 이후 알카라인 건전지 등 고성능 건전지가 등장하면서 망간 건전지의 시장 점유율은 감소했지만, 여전히 저렴한 가격과 다양한 용도로 인해 사용되고 있다.

일본에서는 파나소닉, 도시바 라이프스타일, FDK, 미쓰비시전기 등에서 망간 건전지를 생산하거나 판매했다. 아사히건전지, 산요전기, 소니, 유아사, 맥셀 등은 망간 건전지 생산을 중단했다. 일본 국내에서의 망간 건전지 생산은 2008년 3월 31일부로 종료되었다.

2. 1. 한국의 망간 건전지 역사

한국 전쟁 이후, 미군이 사용하던 건전지를 수거하여 재생하는 방식으로 망간 건전지가 처음 소개되었다. 1960년대에는 국내 기업들이 망간 건전지 생산 기술을 도입하여 본격적인 생산을 시작했다.

1970년대부터 1980년대에는 경제 성장과 함께 가전제품 보급이 확대되면서 망간 건전지 수요가 급증했다. 이 시기에는 "로케트 건전지", "선경 건전지" 등 다양한 브랜드의 망간 건전지가 생산되었다.

1990년대 이후 알카라인 건전지 등 고성능 건전지가 등장하면서 망간 건전지의 시장 점유율은 감소했지만, 여전히 저렴한 가격과 다양한 용도로 인해 사용되고 있다.

3. 구조

망간 건전지는 아연 통(음극), 이산화망간과 탄소 분말 혼합물(양극), 그리고 염화아연 또는 염화암모늄 전해액으로 구성된다.[5] 탄소봉은 집전체 역할을 하며, 화학 반응에는 직접 관여하지 않는다. 전해액은 염화아연(ZnCl2) 수용액 또는 염화암모늄(NH4Cl)과 증점제를 포함한 수용액 페이스트 형태이다. 이 페이스트는 종이 분리막에 의해 아연 통과 분리되어, 탄소(일반적으로 흑연) 분말과 이산화망간(MnO2) 혼합물로 구성된 양극과의 접촉을 방지한다.[5]

아연-탄소 전지 단면도


초기에는 녹말이나 밀가루를 분리막으로 사용했으나, 현대에는 녹말 코팅 종이를 사용한다.[5] 전해액의 건조를 막기 위해 초기에는 아스팔트 밀봉을 사용했으나, 최근에는 열가소성 와셔 밀봉을 사용하여 누액을 방지하고 방전 중 수소 가스 축적으로 인해 발생할 수 있는 내부 압력을 제어한다.[5] 탄소봉은 다공성이어서 수소 원자가 결합하여 수소 가스를 형성할 수 있게 한다.[5] 양극 페이스트에서 이산화망간과 탄소 분말의 비율은 전지의 특성에 영향을 미치는데, 탄소 분말이 많을수록 내부 저항이 낮아지고 이산화망간이 많을수록 저장 용량이 향상된다.[7]

망간 건전지의 외장은 다른 건전지와 달리 여러 종류가 있다. 과거에는 마분지로만 감싼 외장이 사용되었으나, 이는 누액 방지 능력이 떨어져 기기 손상을 유발하는 경우가 많았다.[16] 현재는 주석판으로 만든 금속 외장이 주류이며, 음극은 니켈 도금한 금속판으로 덮고, 금속 외장 아래에 PVC 열수축 튜브를 사용하여 아연 통을 절연하여 누액을 방지한다. 하지만 저가형 제품에는 여전히 다른 외장이 사용되기도 한다. 금속 외장 및 종이 감싸기 외장 외에도 PVC 열수축 외장, 시일 외장, 수지 외장 등이 사용된다.

3. 1. 종류

3. 1. 1. 염화암모늄 전해액 (EMD Type2)

염화암모늄 수용액을 전해액으로 사용하는 전통적인 망간 건전지 방식이다. 화학 반응 결과 물이 생성되어 누액 발생 가능성이 높다.

3. 1. 2. 염화아연 전해액 (EMD Type3)

아연-염화아연 전지는 "고용량", "초고용량", "슈퍼 고용량", 또는 "슈퍼 초고용량" 배터리로 불리며, 순도 높은 화학 물질을 사용하여 원래의 아연-탄소 전지보다 수명이 길고 사용 중에도 안정적인 전압 출력을 제공하는 개선된 전지이다. 일반적인 아연-탄소 전지보다 약 두 배의 수명을 제공하며, 연속 사용 또는 고방전 응용 분야에서는 최대 네 배의 수명을 제공한다.[7] 그러나 이는 여전히 알칼리 건전지 출력의 일부에 불과하다.

4. 화학 반응

아연-탄소 건전지에서 외곽의 아연 용기는 음극 단자이다.

==== 염화암모늄 전해질 ====

아연은 산화되어 전하 운반체인 염화물 이온(Cl)에 의해 ZnCl2가 된다.

양극(산화 반응, − 표시)

: Zn + 2 Cl → ZnCl2 + 2 e

음극(환원 반응, + 표시)

: 2 MnO2 + 2 NH4Cl + H2O + 2 e → Mn2O3 + 2 NH4OH + 2 Cl

아연-탄소 전지의 전체 반응은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

: Zn + 2 MnO2 + 2 NH4Cl + H2O → ZnCl2 + Mn2O3 + 2 NH4OH

==== 염화아연 전해질 ====

염화아연을 전해질로 사용하는 망간 건전지에서, 양극 반응은 염화암모늄 전해질을 사용할 때와 동일하게 유지된다.

: Zn + 2 Cl → ZnCl2 + 2 e

음극 반응에서는 수산화아연과 산화망간(III)이 생성된다.

: 2 MnO2 + ZnCl2 + H2O + 2 e → Mn2O3 + Zn(OH)2 + 2 Cl

따라서 전체 반응은 다음과 같다.

: Zn + 2 MnO2 + H2O → Mn2O3 + Zn(OH)2

이 건전지는 약 1.5V기전력을 갖는다. 기전력의 근삿값은 음극 반응의 복잡성과 관련이 있으며, 양극(아연) 반응은 알려진 전위를 가진 비교적 단순한 반응이다. 부반응과 활성 화학 물질의 고갈은 건전지의 내부 저항을 증가시켜 부하 상태에서 단자 전압이 떨어지게 한다.

4. 1. 염화암모늄 전해질

아연은 산화되어 전하 운반체인 염화물 이온(Cl)에 의해 ZnCl2가 된다.

양극(산화 반응, − 표시)

: Zn + 2 Cl → ZnCl2 + 2 e

음극(환원 반응, + 표시)

: 2 MnO2 + 2 NH4Cl + H2O + 2 e → Mn2O3 + 2 NH4OH + 2 Cl

아연-탄소 전지의 전체 반응은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

: Zn + 2 MnO2 + 2 NH4Cl + H2O → ZnCl2 + Mn2O3 + 2 NH4OH

4. 2. 염화아연 전해질

염화아연을 전해질로 사용하는 망간 건전지에서, 양극 반응은 염화암모늄 전해질을 사용할 때와 동일하게 유지된다.

: Zn + 2 Cl → ZnCl2 + 2 e

음극 반응에서는 수산화아연과 산화망간(III)이 생성된다.

: 2 MnO2 + ZnCl2 + H2O + 2 e → Mn2O3 + Zn(OH)2 + 2 Cl

따라서 전체 반응은 다음과 같다.

: Zn + 2 MnO2 + H2O → Mn2O3 + Zn(OH)2

이 건전지는 약 1.5V기전력을 갖는다. 기전력의 근삿값은 음극 반응의 복잡성과 관련이 있으며, 양극(아연) 반응은 알려진 전위를 가진 비교적 단순한 반응이다. 부반응과 활성 화학 물질의 고갈은 건전지의 내부 저항을 증가시켜 부하 상태에서 단자 전압이 떨어지게 한다.

5. 특징

아연-탄소 전지는 단위당 비용이 낮아 텔레비전 리모컨, 시계, 연기 감지기와 같이 에너지 소모량이 적은 기기에 전력을 공급하는 데 자주 사용된다.[7] 수동식 전화 마그네토 전화기에서 마이크와 스피커에 전력을 공급하는 데 널리 사용되었다.[7]

아연-탄소 전지의 진행성 부식


알카리망간건전지(알카리 건전지)에 비해 용량은 적지만, 방치 후 전압이 회복되는 특징이 있다. 또한, 시중 가격은 알카리 건전지의 절반 정도이다. 따라서 부하 전류가 비교적 작은 리모컨, 전자시계 등 또는 간헐적으로 사용하는 가스레인지나 난로의 점화 히터, 손전등, 라디오 등의 용도에 적합하다.

아연-탄소 전지는 염화암모늄에 의해 아연이 부식되기 때문에 보관 수명이 짧다.[7] 아연 금속이 아연 이온으로 산화되므로 전지를 사용하면 아연 용기가 얇아진다.[7] 아연 케이스가 충분히 얇아지면 염화아연이 배터리에서 새기 시작한다.[7] 오래된 건전지는 누출 방지 기능이 없으며, 페이스트가 아연 케이스의 구멍을 통해 새어나오면서 매우 끈적끈적해진다.[7]

각형 건전지는 적층전지이며, 내부에서 소형 전지 여러 개가 직렬로 연결되어 있다. 이러한 전지의 전압(V)은 내장된 전지의 개수 × 1.5가 된다. 망간 건전지 적층전지로 거의 유일하게 현존하는 6F22(9V 건전지)는 소형 전지(F22) 6개가 내장되어 총 9V가 된다.

일반적으로 시판되는 망간 건전지에는 등급이 있으며, 표준(S)을 녹색, 고용량(C)을 청색, 고출력(P)을 적색, 초고성능(PU)을 흑색으로 구분한다. 망간 건전지는 알카리 건전지보다 가볍지만, 그중에서도 등급에 따른 무게 차이가 있으며, 예를 들어 검은색보다 빨간색이 더 가볍다. 이는 망간 건전지의 등급 분류에서 탈분극제인 이산화망간의 양이나 전해액의 성분을 변경하기 때문이다. 또한, 금속 외장, 수축 튜브 외장, 종이 말이 외장 등의 외장 방식에 따라서도 무게가 달라진다. 기본적으로 등급이 낮을수록 외장도 간단해지기 때문이다.

  • 공칭 전압: 1.5V(원통형) / 9.0V(6F22)
  • 초기 전압: 1.6V(원통형) / 9.6V(6F22)
  • 종지 전압: 약 0.85 - 0.9V(원통형)

5. 1. 등급

6. 규격

망간 건전지는 JIS(일본공업규격) 및 IEC(국제전기기술위원회) 규격에 따라 다양한 형태로 생산된다.[17] 원통형은 "R", 각형은 "F"로 표시하며, 뒤에 숫자를 붙여 크기를 나타낸다.[17] 망간 건전지는 특별한 기호 없이 외형 기호만으로 표시한다.[17] 예를 들어 R6은 단3형 망간 건전지를, 6R61 또는 6F22는 006P형/9V형 망간 건전지를 의미한다.

'''대표적인 망간 건전지의 형식과 명칭'''
JIS/IEC(국제 규격)한국에서의 일반적인 호칭미국에서의 일반적인 호칭직경높이
R20단1형D형34.2mm61.5mm
R14단2형C형26.2mm50.0mm
R6단3형AA형14.5mm50.5mm
R03단4형AAA형10.5mm44.5mm
R1단5형N형12.0mm30.2mm
R61단6형AAAA형8.0mm42.0mm
6R61006P형/9V형006P17.0mm×26.0mm48.0mm
6F22



망간 건전지는 성능에 따라 등급이 구분되며, 말미에 추가되는 문자로 표시된다.[17]


  • S: 표준(standard) 등급으로, 녹색 외장을 가진다.
  • C: 고용량(high capacity) 등급으로, 파란색 외장을 가진다.
  • P: 고출력(high power) 등급으로, 빨간색 외장을 가진다.
  • PU: 초고성능 등급으로, 검은색 외장을 가지며 JIS C8501에서만 규정된다.


국내에서 망간 건전지가 생산되던 시절에는 JIS C 8501 뒤에 제조사 고유 코드가 부여되었다. 예를 들어, 도시바(東芝)는 R-O-T, T-T, T-S, 파나소닉(旧 松下電器)은 MABI, MABI690, T, 맥셀(旧 日立マクセル)은 M.D.B.7987, 미쓰비시(토칸)(トーカン)은 T.T.K., FDK(旧富士電気化学)는 FDK, 소니(ソニー)는 S-K 코드를 사용했다.

7. 환경 영향

망간 건전지는 폐기 시 중금속 유출로 인한 환경 오염을 유발할 수 있다. 대한민국에서는 폐건전지 분리수거 제도를 통해 재활용하고 있으며, 지방자치단체별로 수거함을 운영하고 있다.[15]

유럽에서는 전기·전자제품 폐기물 지침(Waste Electrical and Electronic Equipment Directive, WEEE Directive) 및 건전지 지침(Battery Directive)에 따라 건전지 폐기가 관리되므로, 아연-탄소 건전지를 생활 쓰레기와 함께 버릴 수 없다.[15] EU에서는 대부분의 건전지 판매점이 재활용을 위해 사용한 건전지를 수거해야 하는 법적 의무가 있다.[15]

미국 캘리포니아 주에서는 모든 건전지를 유해 폐기물로 간주하여 다른 생활 쓰레기와 함께 버리는 것을 금지하고 있다.[15]

분해된 염화아연 전지(아연-탄소 전지와 유사). 1: 전체 전지, 2: 강철 케이싱, 3: 아연 음극, 4: 탄소봉, 5: 양극(이산화망간과 탄소 분말 및 전해질 혼합), 6: 종이 분리막, 7: 폴리에틸렌 방수 절연체, 8: 밀봉 링, 9: 음극 단자, 10: 양극 단자(원래는 탄소봉에 연결됨).

8. 한국의 주요 브랜드

과거 한국에서는 로케트전기, 선경마그네틱(현 SKM), 삼양사 등이 망간 건전지를 생산했으나, 현재는 대부분 생산을 중단했다. 현재는 파나소닉, FDK (후지쓰 브랜드), 도시바 라이프스타일 등이 주요 브랜드이며, 주로 OEM 방식으로 생산하거나 해외에서 수입하여 판매한다.

9. 사용 시 주의사항

건전지를 과방전시키면 아연 통이 부식되어 액체 누출(누액)이 발생할 수 있다. 따라서 장기간 건전지를 사용하지 않는 경우에는 사용 기기에서 분리하여 액체 누출 및 액체 누출로 인한 기기 단자의 부식을 방지하는 것이 좋다.[7] 아연-탄소 전지는 염화암모늄에 의해 아연이 부식되기 때문에 보관 수명이 짧다. 아연 금속이 아연 이온으로 산화되므로 전지를 사용하면 아연 용기가 얇아진다. 아연 케이스가 충분히 얇아지면 염화아연이 배터리에서 새기 시작한다.[7]

3개 이상의 건전지를 직렬로 사용할 때, 일부 건전지의 극성(+/-)이 반대로 삽입되면 기기가 작동하더라도 건전지에 손상을 줄 수 있다. 극성이 반대인 건전지에는 일반과 반대 방향으로 전류가 흘러 내부에서 비정상적인 화학 반응이 진행되어 파열·액체 누출을 일으킬 가능성이 있다.[7]

건전지는 기본적으로 JIS 규격품이지만, 제조사가 다르면 특성도 미묘하게 다르다. 만약 제조사가 다른 건전지를 섞어 사용하여 건전지로 인한 문제가 발생한 경우에는 제조사의 보증을 받지 못할 수 있다.[7]

액정 리모컨에서는 알칼리 건전지를 권장하는 경우가 많지만, 소비 전력이 크지 않은 경우에는 망간 건전지도 사용할 수 있다. 반면, 디지털 카메라 등 특히 고출력을 요구하는 기기에서는 망간 건전지를 전혀 사용할 수 없는 경우도 있다.[7]

참조

[1] 웹사이트 Eveready Carbon Zinc Battery Handbook and Application Manual https://data.energiz[...] 2018-00-00
[2] 웹사이트 Carbon Zinc - Batteries - Electrical https://www.homedepo[...]
[3] 웹사이트 What is the difference between Alkaline and Carbon Zinc batteries? https://kodakbatteri[...]
[4] 웹사이트 Carbon Zinc Aa Batteries https://www.walmart.[...]
[5] 웹사이트 Batteries {{!}} Boundless Chemistry https://courses.lume[...]
[6] 웹사이트 Dry cell battery https://patents.goog[...]
[7] 서적 Handbook of batteries https://books.google[...] McGraw-Hill
[8] 웹사이트 Monthly Battery Sales Statistics http://www.baj.or.jp[...] MoETI 2020-05-00
[9] 웹사이트 INOBAT 2008 statistics http://www.inobat.ch[...]
[10] 웹사이트 Battery Waste Management http://www.epbaeurop[...] 2006 DEFRA
[11] 웹사이트 EPBA Sustainability Report http://www.epbaeurop[...] 2010-00-00
[12] 웹사이트 How do batteries work? A simple introduction https://www.explaint[...] 2006-04-24
[13] 뉴스 Put a charge into your battery savings https://www.chicagot[...] 2015-04-29
[14] 웹사이트 Zinc Chloride Batteries http://support.radio[...] Radio Shack
[15] 웹사이트 Batteries http://www.calrecycl[...] California Department of Resources Recycling and Recovery (CalRecycle)
[16] 서적 ソニー中央研究所
[17] 문서 JIS C8501「マンガン乾電池」・IEC 60086-2「PRIMARY BATTERIES - PART 2: PHYSICAL AND ELECTRICAL SPECIFICATIONS」で規定



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