리튬 배터리 항공 운송에 관한 연구 조 현 명 한국항공우주연구원 항공우주안전인증센터 국문요약 전자 산업과 IT 산업이 융합하여 발달함에 따라 개인용 휴대 전자기기 시장이 급속도로 확대되고 있다. 대부분의 개인용 휴대 전자기기는 리튬 배터리를 전력 원으로 사용하고 있다. 이는 리튬 배터리가 기존의 납산 축전지나 니켈 기반 배 터리에 비해 최고 6배의 전력을 축전할 수 있고, 기전력 또한 3배 가까이 되기 때문에 휴대성이 강조되는 휴대용 전자기기의 특성에 더 적합하기 때문이다. 이러한 리튬 배터리 수요의 증가에 따라 리튬 배터리의 항공 운송 수요 또한 증가하고 있다. 하지만, 리튬은 폭발성이 강한 금속으로 취급에 세심한 주의가 따라야 하는 물질이고, 리튬 배터리가 광범위하게 사용되는 요즘 리튬 배터리의 폭발 사고 사례가 종종 보고되고 있다. 따라서 각국의 감항당국은 안전을 위해 리튬 배터리 운송에 대한 규정을 두어 적용하고 있다. 현재 국제민간항공기구는 지정된 포장 방법에 따라 포장될 경우 여객기의 화물실과 화물기를 통한 리튬 배터리의 운송을 허가하고 있고, 미연방항공국은 이보다 강화된 안전 규정을 적 용하여 리튬(메탈) 배터리의 여객기 화물실 운송을 금지하고 있다. 본고에서는 리튬 배터리의 종류와 항공기 화물실의 운송형태를 조합한 운송 시나리오에 대해, 리튬 배터리의 폭발성과 소화제의 소화 성능을 확인한 시험 결 과를 통해 각각의 시나리오가 내포하고 있는 위험성에 대해 고찰하고 향후 리튬 배터리 운송에 대한 제도의 개선이 필요함을 주장하고자 한다. 주제어 : 리튬 배터리, ICAO 기술 교범, IATA 위험물규정, 항공 운송, 운항기술기준, 소화, 위험물 127
항공진흥 제60호 Ⅰ. 서 론 최근 스마트 폰, 태블릿 컴퓨터 등 휴 대용 전자기기(PED; Personal Electronic Device)의 사용이 보편화됨에 따라 그 에 부가되는 전원장치로서 전지의 사용 또한 확대되고 있다. 대부분의 휴대용 전자기기는 전위차와 중량대비 에너지 밀도에서 경량화의 장점이 있는 리튬 (Li, Lithium)을 기초로 한 전지를 사용 하고 있다. 그렇지만, 리튬 전지는 고유 특성에 의해서 혹은 주변의 온도 환경 에 따라 폭발 또는 변형의 가능성이 높 기 때문에 취급에 세심한 주의가 필요 하다. 실례로 2006년 미국 필라델피아 에서 UPS 항공기가 전소되는 사건이 발생한 것이나 2010년 UAE 두바이에 서 리튬 전지를 적재한 항공기의 화재 및 추락 사건이 발생하는 등 1980년대 이후 수십 차례의 리튬 배터리와 관련 된 항공기 화재가 발생하였다. 따라서 각국에서는 항공 산업에서의 리튬 배터 리 사용 및 운송에 대해 규정을 두어 안전성을 규율을 하고 있다. 리튬 배터리에 대한 규율은 크게 두 가지 측면에서 이루어지고 있는데, 항 공기 등에 장착되어 사용되는 경우와 리튬 배터리를 운송하는 측면의 경우를 나누어 이원적으로 규정되어 있다. 항 공기 또는 장비품에 장착되어 사용되는 리튬 배터리에 대해서는 기술표준품 형 식승인(TSOA) 또는 다른 산업 규격을 통과할 것을 요구하거나 혹은 형식증명 또는 부가형식증명 등의 설계에 대한 승인을 통해 안전성 여부를 검증받도록 하고 있다. 한편, 장비품에 장착된 상태 가 아닌 화물로서 항공기에 적재되어 운송되는 리튬 배터리에 대해서는 운송 중의 화재 및 폭발의 위험성이 있으므 로 위험물 (DG, Dangerous Goods)로 규정하여 ICAO, IATA, 각 국의 운송규 정 등의 규정 체계를 통해 안전성을 규 율하고 있다. 본고는 항공기 등의 설계 측면이 아 닌 운송 측면에서 리튬 배터리의 안전 성에 대해 고찰해보고자 한다. 리튬 배 터리 운송에 관한 미연방항공국(FAA) 이 리튬 전지의 화재 특성과 관련하여 발행한 DOT/FAA/AR-10/31 Fire Protection for the Shipment of Lithium Batteries in Aircraft Cargo Compartments 의 시험 결과를 기초로 하여, 리 튬 배터리의 종류별 특징과 실제 운송 할 때 적재될 항공기의 적재 위치를 조 합한 운송 시나리오를 검토하여 현행의 리튬 운송 규정이 적절한 지 검토하고 자 한다. 128
Ⅱ. 리튬 운송 관련 관련 규정 체계 2.1 위험물 분류 기준 2.1.1 위험물(Dangerous Goods) 이란? 위험물은 물질의 물리적, 화학적 또 는 생물학적 성질상 폭발, 인화, 유독, 부식, 방사성, 질실, 발화, 전염, 중합, 동상, 분진폭발 또는 반응 등을 초래하 여 인간의 건강과 안전 재산 및 환경에 위해를 야기할 수 있는 물질이나 물품 을 의미한다. 항공운송 측면에서는 ICAO 기술지침 (TI; Technical Instructions)의 위험물 목 록에 수록되거나 분류기준에 포함되는 것으로 인간의 건강과 안전 재산 및 환 경에 위해를 야기할 수 있는 물질이나 물품을 의미한다. 2.1.2 위험물 규정 체계 위험물과 관련된 최상위 규정은 국제 연합(UN)의 경제사회이사회에서 격년 으로 발행하는 위험물 운송에 관한 모범 규정(Recommendations on the Transport <그림 1> 위험물 운송 규정과 관련 기관 129
항공진흥 제60호 Dangerous Goods - Model Regulation) 으로 이 규정은 항공, 해운, 육상 운송 등 모든 운송 수단에 대해 공통적인 위 험물 취급의 원칙을 제시하고 있다. 유 엔의 모범 규정은 권고사항이지만, 개 별 국가가 국제운송을 위한 규정의 기 초로 바로 사용될 수 있는 구조를 취하 고 있다. 항공 운송은 국경을 넘나드는 특성을 지니며 특히 타국의 상공을 지나야하는 특징을 지니기 때문에 일찍부터 각국의 규정이 표준화될 필요성이 제기되어 왔 다. 이를 위해 국제민간항공기구(ICAO) 에서는 UN의 모범 규정을 반영하여 시 카고 조약 부속서 18(Annex 18)을 제정 하였고, 이를 실행하기 위해서 위험물 항공운송기술지침 (TI, Technical Instructions for the Safe Transport of Dangerous Goods by Air)을 제정하여 회원국을 규율하고 있다. 한편, 국제항공운송협회(IATA)에서 제정한 제한품목규정(IATA Restricted Articles Regulations)는 법률적 근거 없 이 실무적인 참고용으로 사용되어 왔으 나, ICAO의 위험물항공운송기술지침이 1983년부터 발효됨에 따라 법적인 효력 을 지닌 위험물규정(DGR, Dangerous Goods Regulations)로 개정하여 각 회원 사에 준수할 것을 요구하고 있다. 국내에서는 UN과 ICAO의 국제 기준 을 반영하여 국토해양부에서 제/개정하 는 항공위험물운송기준을 통해 위험물 운송에 대한 규제가 이루어지고 있으 며, 화물은 운송하는 각 항공사는 위험 물 운송에 대한 제반 규정과 개별적인 상황을 고려하여 자체적인 위험물 취급 에 대한 안전규정을 두어 운영하고 있다. 2.1.3 위험물 분류 기준 모든 위험물은 다음의 기준에 따라 분류되어 지정된 식별 표식이 따라야 하며 다음의 순서로 표시를 한다. (1) UN에서 정한 4자리 숫자의 분류 코드(UN No.) (2) 위험물의 유해성 혹은 특성에 따 른 9가지 분류 등급(Class) <표 1> Classification of DG Class 내 용 분류 Class 1. 폭발성 물질 (Explosive) Class 2. 가스(Gases) Class 3. 인화성 액체 (Flammable Liquid) Class 4. Class 5. 가연성고체; 자연발화성 물질; 물과 반응하여 인화성 가스를 발생하는 물질 (Flammable Solids; Substances liable to spontaneous combustion; Substances which, on contact with water, emit flammable gases) 산화제와 유기과산화물 (Oxidizing Substances and Organic Peroxides) 130
Class 내 용 분류 독성 물질과 감염성 물질 (Toxic and Class 6. Infectious Substances) Class 7. 방사성 물질 (Radioactive Materials) Class 8. 부식성 물질 (Corrosive) Class 9. 기타 유해성 물질 (Miscellaneous Dangerous Goods) * 본고에서 다룰 리튬 배터리가 속한 Class 에는 해당이 되지 않아 추가적인 분류는 하지 않았으나, 실제 위험물 Class 1, 2, 4,5, 6에 대해서는 추가적으로 세부적인 항목을 지정한 부류(Division) 항목이 존 재하여 실제 운영되는 위험물 분류는 총 20종이라 할 수 있다. (3) 포장 등급(UN Packing Group) 포장 등급은 위험도에 따라 Packing Group I에서부터 III까지 3단계로 나뉜 다. Group I이 가장 위험성이 높은 위험 품에 대한 포장 등급이고, Group III가 가장 위험성이 낮은 위험물에 대한 포 장 등급이다. 본고에서 다루게 되는 리튬 배터리는 리튬 배터리의 종류와 운송 형태에 따 라 리튬 이온 배터리는 3480 또는 3481, Class 9, Packing Group II로 규정 되며, 리튬 (메탈) 배터리는 3090 또는 3091, Class 9, Packing Group II로 규정 된다. 2.2 화물실 분류 기준 항공기기술기준 25.857항에서는 승무 원의 접근성, 화재탐지 가능성, 소화 조 작의 용이성 등에 따라 항공기 화물실 을 크게 4가지로 분류하고 있다. 이러 한 분류를 확인하는 것은 리튬 배터리 가 적재될 환경을 고려하여 시나리오를 구성하는 것이 화재가 발생하였을 경우 보다 명확하게 위험요인을 식별할 수 있기 때문이다. 2.2.1 A급 화물실 A급 화물실은 1) 화재가 발생한 경우 승무원이 좌석에 앉은 채로 용이하게 발견할 수 있으며, 2) 비행 중 화물실의 모든 장소에 용이하게 도달할 수 있을 것을 요건으로 하는 화물실을 말한다. A급 화물실은 주로 화물실과 조종석 이 구분되지 않는 Part 23급 소형 항공 기나 Part 27급 보통 회전익 항공기, Part 29의 수송급 회전익 항공기 중 화 물실이 분리되지 않은 항공기의 화물실 에 해당된다. 2.2.2 B급 화물실 B급 화물실은 1) 비행 중 승무원이 휴대용 소화기를 가지고 화물실의 모든 장소에 도달해서 소화작업이 행해질 수 있는 충분한 통로를 갖고, 2) 실내의 통 131
항공진흥 제60호 로에서 작업 중 위험한 양의 연기, 화재 또는 소화제가 승무원 또는 승객이 사 용하는 통로에 침입하지 않으며, 3) 조 종사 또는 기관사에게 화재의 발생을 경고하기 위해서 각각 별개 계통의 승 인된 연기탐지기 또는 화재탐지기가 장 착되어 있는 화물실을 말한다. B급 화물실은 현재 거의 찾아보기 어 려운 형태의 화물실이며, 특수한 경우 객실 혹은 조종실에서 화물실로 출입이 가능한 형태로 구성되는 항공기(예를 들면 Bussiness Jet 등)에 간혹 사용된다. 2.2.3 C급 화물실 C급 화물실이란 A급 화물실 또는 B 급 화물실의 요건에 적합하지는 않지만 다음의 조건에 합치한 화물실을 말한 다. (1) 조종사 또는 기관사에게 화재의 발생을 경고하기 위해서 각 별개 계통의 승인된 연기 탐지기 또는 화재탐지기가 장착되어 있을 것. (2) 조종실로부터 조작이 가능한 승 인된 고정 소화 장치 또는 화재 진압계통이 장착되어 있을 것. (3) 위험한 양의 연기, 화재 또는 소 화제가 승무원 또는 승객이 사용 하는 곳에 침입하는 것이 없도록 설비되어 있을 것. (4) 소화제가 C급 화물실에서 발생하 는 어떠한 화재도 억제할 수 있도 록 각 실내에서 환기 및 통풍의 조작이 가능하도록 설비되어 있 을 것. C급 화물실은 Part 25급의 여객용 수 송기의 화물실에 해당된다. 이 급의 화 물실은 정의상 화재 감지 장치와 소화 장치가 갖추어져 있어야 하며, 통상적 으로 화재 감지장치로는 열 감지장치 혹은 연기 감지장치가 사용되고, 소화 장치로는 주로 할론 1301이 충전된 고 정식 소화기에 의한 소화 방법을 사용 한다. 2.2.4 E급 화물실 E급 화물실이란 화물의 운반에만 공 급되는 비행기의 화물실을 의미하며 다 음의 조건을 갖추고 있어야 한다. (1) 조종사 또는 기관사에게 화재의 발생을 경고하기 위해서 각각 별 개 계통의 승인된 연기탐지기 또는 화재탐지기가 장착되어 있을 것. (2) 당해 화물실내에의 또는 당해 화 물실내에서의 환기용 기류를 차 단하기 위한 설비를 장착하고 있 을 것. 또한, 이 장치의 조작장치 는 승무원실내에서 승무원이 용 이하게 조작 가능한 위치에 설치 132
<그림 2> C급 화물실의 예 (Boeing B737NG 화물실 소화 계통도) 되어 있을 것. (3) 위험한 양의 연기, 화염 또는 유 해 가스를 조종실로부터 방출하 는 장치가 구비되어 있어야 한다. (4) 요구되는 승무원 비상탈출구들은 어떠한 화물적재조건 하에서도 접근할 수 있어야 한다. E급 화물실은 통상적으로 Part 25 수 송급 항공기 중 화물운송 전용으로 사 용되는 항공기의 화물실로, 주 화물실 (Main Deck Cargo Compartment)과 부 화물실(Lower Deck Cargo Compartment)로 나뉜다. 부화물실은 여객기의 화물실과 동일한 구조와 화재 관련 장 비를 갖게 되며, 주 화물실은 연기 감지 장치를 통한 화재 탐지가 주로 이루어 지며 소화시 소화액 에 의한 소화를 기 본으로 하며 감압 및 외부 공기 유입에 의한 온도 냉각에 의한 방법을 추가하 여 소화를 하는 경우가 많다. Ⅲ. 리튬 배터리의 분류 및 인화 특성 3.1 리튬 배터리 리튬 배터리란 리튬 금속 혹은 그 화 합물을 음극으로 사용하는 셀 또는 배 터리를 통칭하는 표현이다. 양극(anode) 의 구성이 Li/SOCl2 혹은 Li/MnO2로 구성되고 물이 아닌 전해질에 의해 전 133
항공진흥 제60호 <그림 3> E급 화물실 (Boeing B 747-4F 단면도) 자 이동이 중개되는 리튬 배터리는 비 충전식 전지(1차 전지)로 사용되고 있 다. 반면, 음극(cathode)에 리튬코발트산 화물을 사용하고 양극으로 탄소를 사용 하는 전지는 충전이 가능한 전지(2차 전지)이며 통상적으로 리튬 이온 배터 리라고 불린다. 3.1.1 리튬(메탈) 배터리 리튬 금속을 음극으로 사용하는 전지 로 충전이 불가능한 일차 전지이다. 리 튬 금속을 전극으로 바로 사용하므로 외부의 충격이 전지에 가해졌을 때 리 튬과 공기 중 수분이 반응할 수 있어 폭발 위험성이 다소 높다고 할 수 있다. 구조의 단순성으로 인해 경량의 배터리 가 필요한 페이스메이커(심장박동장치) 와 같은 오랜 작동시간과 안정성을 갖 춰야 하는 기기에 주로 적용되었다. <그림 4> 상용화된 리튬(메탈)배터리인 CR2 series 배터리와 분해도 134
<그림 5> 리튬 이온 배터리의 원리와 다수의 셀을 연결시켜 상용화된 초기의 리튬 이온 배터리 3.1.2 리튬-이온 배터리 리튬은 이온 상태(Li+)로 전해되어 있고, 이 이온을 수용할 수 있는 전극을 양극/음극으로 사용하는 전지로, 음극재 료로는 주로 흑연을 사용하고 양극 재 질로는 층상의 리튬코발트 산화물이나 인산철 리튬 혹은 리튬 망간 화홥물을 사용하는 충전 가능한 이차 전지이다. 리튬이 이온 상태로 존재하므로 리튬 (메탈) 전지와 비교할 때, 자체 폭발위 험성이 거의 없는 것으로 평가된다. 3.1.3 리튬 이온 폴리머 배터리 리튬 이온을 액체가 아닌 고체 상태 의 폴리머(고분자)에 전해시킨 것으로 자유롭게 형태를 성형할 수 있어 휴대 용 전자 기기의 전원으로 널리 사용된 다. 리튬 이온 전지와 전해질의 차이만 있을 뿐, 나머지 특징은 리튬 이온 배터 리와 동일하다. <그림 6> 리튬 폴리머 배터리의 개념과 상용화된 리튬 폴리머 배터리(카메라 배터리) 135
항공진흥 제60호 3.1.4 리튬 배터리의 장단점 리튬 배터리의 가장 큰 장점은 경량 이라는 점이다. 리튬은 원자번호 3번으 로 다른 어느 금속보다 가볍기 때문에 이 금속을 사용한 전지도 매우 가벼워 과거 사용되던 납산(Lead-Acid) 축전지 나 니켈 기반(Nickel-Based) 배터리에 비해 단위 무게당 에너지 밀도가 매우 크다. 리튬 이온 배터리의 에너지 밀도 는 160 Wh/kg으로 니켈 기반 배터리인 니켈-카드뮴 전지의 약 2배, 납산 축전 지의 6배 정도이다. 두 번째 장점으로 기전력이 크다는 점을 들 수 있다. 리튬 배터리의 기전력은 3.0~3.6 V로 니켈 기반(Nickel-Based) 배터리의 기전력인 1.2 V보다 3배 가량 되기 때문에, 원하 는 출력의 전압을 내기 위해 필요로 하 는 셀의 수가 1/3 가량으로 줄어들게 된다. 세 번째로 리튬 배터리는 니켈 기 반(Nickel-Based) 배터리의 가장 큰 단 점인 기억 효과(memory effect) 13) 가 없 어서 완전히 방전하지 않은 채 충전하 여도 충전 용량에 변화가 없다. 따라서 충/방전을 자유롭게 하여도 전지의 수 명에 영향을 주지 않아 관리에 필요한 노력을 줄일 수 있다. 마지막으로 자가 방전에 의한 전력 손실이 매우 적다. 리 튬전지의 자가 방전율은 5%/월 로 니켈 기반(Nickel-Based)의 전지의 1/4정도에 불과하다. 리튬 배터리의 단점으로 우선 리튬 배터리는 제조된 직후부터 열화 (degrading)가 시작된다. 사용 여부와 상관없이 열화가 진행되어 2~3년 후에 는 전지로서의 기능을 수행할 수 없게 된다. 두 번째로 온도에 따라 수명이 달 라진다는 점이다. 특히 고온(40 )에서 사용될 경우 저온(0 )에서 사용될 경 우에 비해 수명이 3배 가량 짧아지게 되어 열을 발생하는 장비품에 사용될 경우 전지의 교체 빈도가 증가하게 된 다. 셋째로 리튬은 반응성이 매우 좋은 금속이기 때문에 임계점에 도달하면 폭 발의 위험성이 있다, 실제로 상용화된 리튬 배터리가 보호 회로의 이상이나 과열, 변형에 의한 가압 등의 이유로 인해 폭발하는 사례가 다수 보고되고 있다. 3.2 리튬 배터리의 인화 특성 3.2.1 리튬(메탈) 배터리 리튬(메탈) 배터리는 항공기에 같이 적재된 다른 화물에서 화재 발생하는 경우, 화재가 소화액인 할론 1301로 진 13) 기억 효과(Memory Effect)란 니켈 기반(Nickel-Based) 배터리를 완전히 방전되지 않은 상태에서 재차 충전 을 할 경우, 방전되지 않고 전자와 결합한 전해질이 계속 전자와 결합하고 있어 실질적으로 전지의 용량이 감 소하는 현상을 의미한다. 136
압된 후에도 잔열 등에 의해 자연 발화 (self-ignition)가 일어날 수 있는 특성이 있다. 이는 리튬의 녹는점이 180.54 로 매우 낮은 금속에 속하기 때문에 화 재가 진화되었다 하더라도 잔열에 의해 용융이 진행될 수 있고, 용융 상태가 되 면 배터리 내부의 압력 증가 혹은 가열 된 내부 전해질의 분출을 야기할 수도 있다. 리튬(메탈) 배터리와 리튬 이온 배터 리는 인화성 물질이며 공히 450 (약 230 ) 이상에서 열 폭주라고 명명된 상태, 즉 자연 발화를 할 수 있다. (열 폭주는 외부의 추가적인 열 공급 없이 어떤 임계점을 넘게 되면 자체적인 반 응의 진행으로 인해 높은 온도와 압력 을 발생시키는 전지 내 화학 반응을 말 한다.) 리튬(메탈) 배터리의 화재에 대해 할 론 1301은 소화 효과가 거의 없기 때문 에 배터리 자체의 화재를 진화하기 어 렵고, 또한 화재로 인해 리튬의 녹는점 이상이 될 경우 리튬이 액화되어 분출 되는 데, 이 액상의 리튬은 항공기의 보 호막(liner)을 손상시킬 수 있으며, 추가 적으로 항공기의 기체에도 손상을 줄 수 있다. 3.4.2 리튬 이온 배터리 리튬 이온 배터리는 물리적인 손상, 내부 쇼트, 외부 열 및 다른 이유들로 인하여 자연 발화(self-ignition) 할 수 있다. 따라서 항공기 또는 장비품의 설 계에 적용되는 리튬 배터리는 변형과 내부/외부 단락에 대한 시험을 통과하 여야 한다. 하지만 화물로서 적재되는 리튬 배터리에는 해당되지 않기 때문에 보다 큰 위험에 노출되어 있다고 평가 할 수 있다. 리튬 이온 배터리가 갖는 큰 문제는 자연 발화 시, 전지 하나에서 나오는 열 로 인하여 인접한 전지들에까지 자연 발화를 야기하여 화재가 화물 전체로 퍼질 수 있으며, 이 때 전지 내의 화학 반응에 의해 발생하는 열과 압력으로 화재를 야기할 수 있는 전해질이 분출 될 수 있다는 것이다. 또한, 현재 사용 되는 할론 1301 소화제는 리튬 이온 배 터리로 인한 화재의 나화(open flames) 및 화재의 전파를 막는 데는 유효하나, 전지 내부의 자연 발화에는 큰 효과가 없다. 따라서 열 폭주가 개시되면 항공 기 탑재 소화제는 큰 진화 효과를 발휘 하지 못할 우려가 있다. 137
항공진흥 제60호 3.4.3 리튬 폴리머 배터리 리튬 이온 폴리머 전지 또한 인화성 이 높고 물리적 손상, 내부 쇼트, 외부 열 및 다른 원인으로 인해 자연 발화가 발생할 수 있다. 리튬 이온 폴리머 전지 는 330 (166 ) 까지 열이 가해지면 조건에 따라 열 폭주를 개시할 가능성 이 존재한다는 연구 결과가 있다. 그러 나 그러한 경우라 할지라도 전해된 폴 리머가 고체이기 때문에 전지 내부의 압력은 증가하지 않으며, 폴리머가 분 출되지도 않는다. 리튬 이온 폴리머 화재의 나화를 항공기 에 장착된 고정식 소화기의 소화제인 할론 1301 및 휴대용 소화기의 소화제인 할론 1211로 소화할 수는 있지만, 할론의 농도 가 옅어지면 재점화가 일어날 수도 있으므 로 충분히 소화될 때까지 할론 농도를 유지 하여야 한다. Ⅳ. 리튬 배터리의 항공 운송 시나리오 검토 리튬 배터리를 항공 운송할 경우 가 능한 시나리오는 리튬 메탈/이온 배터 리와 여객기/화물기의 화물실의 조합을 통해 4가지 경우로 나누어 볼 수 있다. A class와 B class 화물실에는 리튬 배 터리를 화물로 적재하는 것이 금지되어 있다. 4가지 시나리오 각각의 경우에 대해 화재 위험성을 DOT/FAA/AR-10/31 에서 제시하는 시험 결과를 통해 검토 하여 안전성을 평가하였다. 4.1 국제민간항공기구(ICAO) 운송 요건 UN의 위험물 운송에 관한 모범 규정 에서는 리튬 배터리의 종류와 운송 방 식에 따라 아래의 표와 같이 4종류로 위험물 코드를 부여하고 있다. <표 2> UN Code for Lithium Battery 단독포장 장비와 함께 운송 리튬 이온 배터리 UN3480 UN3481 리튬 메탈 배터리 UN3090 UN3091 이 분류에 따라 ICAO의 위험물 운송 에 대한 기술 지침(TI; Technical Instructions)에서는 각각의 위험물 코드 에 대해 지정된 Packing Instruction을 제시하고 있으며, 제시된 방법에 따라 포장할 경우에 한해 리튬 이온 배터리 는 여객기 화물실에는 최대 5 Kg까지, 화물기에는 35 Kg까지 단일 포장으로 탑재할 수 있으며, 리튬 메탈 배터리는 여객기 화물실에는 최대 2.5 Kg까지, 화물기에는 35 Kg까지 단일 포장을 하 여 탑재할 수 있다. 한 항공기에 탑재 138
가능한 리튬 배터리의 총량은 규정하고 있지 않고 있다. 이 때 하나의 포장용기에 탑재되는 개별 리튬 배터리는 각각 포장이 되어 야 하며, 전체 포장 용기에는 리튬 배터 리가 탑재되어 있음을 알리는 placard가 부착되어야 한다. 4.2 리튬 이온 배터리(또는 리튬 이온 폴리머 배터리)의 여객기 화물실 탑재 통상적으로 여객기의 화물실은 정의 상 C급 화물실에 해당된다. 이 화물실 은 항공기기술기준에 따라 화재 진압 시스템을 구비하여야 한다. 항공용 소 화제로 가장 많이 쓰이는 할론1301은 리튬 이온 배터리의 나화 혹은 그로 인 한 화재를 효과적으로 진압할 수 있다. 다만 DOT/FAA/AR-10/31에서 제시하 였듯 배터리 내부에서 진행되는 열 폭주 의 전달을 막거나 억제하지는 못한다. 화재가 발생하고 소화액이 분출되면 화물실 내의 압력이 높아지면 항공기의 압력 조절 밸브가 개방되어 감압이 진 행될 수가 있다. 이 경우 감압에 의해 분출된 소화액이 유실되어 화물실 내의 소화액 농도가 떨어져 화재 진화 효과 가 감소할 수 있으므로, 소화 시스템 설 계 시에 이를 고려할 필요가 있다. 4.3 리튬(메탈) 배터리의 여객기 화물칸 탑재 미연방항공국(FAA)는 리튬(메탈) 배 터리의 미국 여객기 탑재를 금지하고 있는데 반해, 국제민간항공기구(ICAO) 는 소량의 리튬메탈 전지가 지정된 금 속제 컨테이너에 포장된 경우에 한해 여객기 화물 선적을 허용하고 있다. DOT/FAA/AR-10/31 보고서는 이러한 규정상 차이의 효과를 확인하기 위한 시험을 수행하였다. ICAO에서 규정하 는 재질의 컨테이너에 CR2 series의 배 터리를 넣고 배터리의 개수를 증가시켜 가면서 폭발 시점과 열 폭주 시점을 확인하였다. 시험 결과 6개의 CR2 배터 리로 시험을 할 경우부터 폭발 현상이 확인되었고, 이 폭발로 인해 컨테이너 내부의 압력과 온도가 증가하여 다른 전지의 열폭주를 유도함을 확인할 수 있었다. 즉 ICAO 규정에 따른 컨테이 너는 외부의 화재에 대해 초기에는 배 터리 화재를 방어할 수 있으나, 일정 온 도 이상의 임계 상황이 되면 오히려 화 재의 진행을 강화하는 효과를 나타내고 있다. 또한 추가로 시험한 할론 1301의 화 재 진압 시험에서 리튬(메탈) 배터리와 관련된 화재를 진압하는데 큰 효과가 없었음을 확인하였고, 리튬(메탈) 배터 139
항공진흥 제60호 리의 화재 시 발생할 수 있는 인화성 전해질 및 용해된 리튬이 방출됨을 확 인하였다. 이는 항공기의 라이닝을 쉽 게 손상시킬 수 있고, 화물실의 압력을 높여 초과 압력 방출 밸브(Pressure relief valve)를 통해 소화제의 유실을 유발할 수도 있다. 이는 동일 화물실 내 의 다른 인화성 화물로 화재가 전파될 가능성을 높여 항공기 안전에 매우 위 험한 영향을 줄 수 있다. 4.4 리튬 이온 배터리(또는 리튬 이온 폴리머 배터리)의 화물기 주 화물실 탑재 화물기의 화물실은 통상적으로 Class E로 분류가 되며, 주로 소화액을 분사 하는 방법을 사용하고 추가적으로 감압 을 통해 연소를 억제하는 방법을 사용 하여 화재 진압을 하고 있다. 부가적으 로 대부분의 경우 화물실에 승무원의 접근이 가능하므로 간단한 화재의 경우 승무원이 휴대용 소화기를 통해 초기 진화를 시도할 수도 있다. 앞의 4.2절에서 살펴본 바와 같이 할 론 1301이나 휴대용 소화기에 많이 사 용되는 할론 1211은 리튬 이온 배터리 의 나화와 그로 인한 화재에 효과가 있 다. 다만 이 경우에도 배터리 내부에서 일단 열폭주 현상이 발생하면 이를 제 어할 수는 없다. 따라서 리튬 이온 배터 리를 적재하고 운송하는 항공기에서 화 재가 발생할 경우 승무원은 초기 진화를 통해 리튬 이온 배터리가 열폭주 상태 에 진입하지 않도록 조치하는 것이 항 공기가 위험한 상황에 처하는 것을 방 지하는 가장 좋은 방법이라 할 수 있다. 4.5 리튬(메탈) 배터리의 화물기 주 화물실 탑재 리튬(메탈) 배터리가 화물기의 화물 실에 탑재되는 경우에는 화재에 특히 주의를 기울여야 한다. DOT/FAA/AR-10/31 의 결과에 따르면 휴대용 소화기에 사 용되는 할론 1211은 물론 화물실의 소 화 장치에 사용되는 할론 1301 또한 리 튬(메탈) 배터리의 소화에 큰 효과를 보 이지 못하고 있다. 또한 추가적인 소화 방법으로 적용되는 감압의 경우 거의 나화는 물론 열폭주를 방지하는 데도 큰 효과가 없음이 확인되었다. 따라서 이 형태의 운송은 가장 큰 위험을 초래 할 수 있으며, 화재가 발생할 경우 리튬 (메탈) 배터리가 폭발하거나 열폭주 상 태에 이를 수 있어 항공기에 손상을 가 져올 가능성이 가장 크다. 따라서 이 형 태의 리튬 배터리 운송은 향후 추가적 인 시험을 통해 보다 안전한 방식의 운 송 규정을 제시할 필요가 있다. 140
Ⅴ. 결 론 항공 운송은 육상 운송이나 해상 운 송에 비해 신속한 운송이라는 정점이 있는 반면 비용또한 굉장히 많이 소요 되기 때문에 주로 경량의 고부가가치 상품이 주로 운송된다는 특징을 지닌 다. 이에 해당하는 가장 대표적인 상품 이 반도체, LCD, 랩탑 컴퓨터와 같은 전자기기이다. 리튬 배터리 또한 기존 의 납-산 축적지나 니켈 기반 배터리에 비해 중량 대비 에너지 밀도가 높고 금 수( 禁 水 ) 물질 중 하나인 리튬을 포함하 고 있어 항공 운송을 통해 주로 운송이 이루어진다. 리튬 배터리는 폭발 위험 성으로 인해 제작에 고도의 기술이 필 요하기 때문에 현재 소수의 국가에서만 생산이 이루어지고 있고, 우리나라도 다량의 리튬 배터리를 생산하여 수출하 는 국가 중 하나이다. 지난 2011년 아 시아나 B-747 화물기 추락 때, 추락의 원인을 제공했을 가능성이 가장 큰 것 으로 제시된 사유가 바로 리튬 배터리 운송이었음을 상기해볼 때 리튬 배터리 의 안전한 항공 운송에 대해 보다 관심을 기울여야 할 필요가 있다고 판단된다. 현재 리튬 배터리의 항공기 운송과 관련한 ICAO와 FAA의 규정에 따르면, 지정된 포장 규격을 준수할 경우에 한 하여 여객기의 화물실 및 화물기에 적 재하여 운송이 가능하다. 하지만 리튬 배터리의 화재 특성에 대한 DOT/FAA/ AR-10/31의 연구 결과에 따르면, 항공 기에 장착된 각종 소화 설비들이 일부 의 경우를 제외하고는 소화에 큰 역할 을 하지 못하며, 효과가 있는 경우라도 나화에만 제한적인 효과가 있고 배터리 내부의 열폭주까지는 제어하지 못함이 밝혀졌다. 특히 리튬(메탈) 배터리의 경 우 리튬 이온 배터리보다 열폭주시 더 위험함이 확인되었다. 이러한 연구 결 과는 리튬 배터리의 항공 운송에 대한 현재의 규정을 준수하는 것이 안전성을 완전히 보장하지는 못함을 시사하는 것 으로, 향후 추가적인 연구를 통해 리튬 배터리의 화재 특징을 확인하여 보다 안전한 항공 운송을 가능하게 하도록 제도를 정비해야 할 것이다. 141
항공진흥 제60호 <참고문헌> [1] ICAO Technical Instructions for the Safe Transport of Dangerous Goods by Air, www.icao.int, 2011 [2] 항공기기술기준, 국토해양부 고시 제2012-653호, www.mltm.go.kr, 2012 [3] 항공위험물운송기술기준, 국토해양부 고시 제2009-1222호, www.mltm.go.kr, 2012 [4] DOT/FAA/AR-10/31 Fire Protection for the Shipment of Lithium Batteries in Aircraft Cargo Compartments, www.faa.gov, 2010 [5] FAA SAFO 09013 "Fighting Fires Caused by Lithium type Battery in Portable electronic Device", www.faa.gov, 2009 [6] 항공위험물운송 안전관리체계 구축방안 연구, 권오종, 교통안전공단, 2003 142
A Study on Air Transportation of Lithium Batteries Joe, Hyun-myung Korea Aerospace Research Institute Aerospace Safety & Certification Center Abstract As the development and convergence of electronic and Intelligence technology, PED(Personal Electronic Device) market has been grown rapidly. Most of PEDs uses Lithium battery as its power source, because Lithium battery has lots of benefits compared with traditional batteries such as Lead-acid battery or Nickel-based battery. Lithium is one of the lightest metal, so it can contain approximately six times more electricity for the same weight. And Lithium battery can generate 3.0 ~3.6 Voltage of potential difference, Nickel-based battery only can generate 1.0 Voltage of Potential difference. It means Lithium battery is more suitable for portable use. As the demand of Lithium battery grows, the demand of air transportation of Lithium battery also grows. However, Lithium is one of the most explosive metal, so it should be treated very carefully. Therefor, CAAs(Civil Aviation Agency) try to control the safety of air transportation of Lithium battery by aircraft operating regulations. ICAO allows the transportation through cargo compartment of passenger aircraft and Cargo aircraft, however, FAA has more restrict rule that the transportation of Lithium metal battery by passenger aircraft is forbidden. This paper tries to review the guideline using the experimental result of simulating possible air transportation scenarios and point the need for amendment of current regulation to improve the safety of air transportation. Key words : Lithium Battery, ICAO TI, IATA DGR, Air Transportation, Korean Operation Standard, Fire Extinguish, Dangerous Goods 143