전기차 전력변환장치용 자성 소재 제조기술 개발 성공…국산화 '눈앞'

기사내용 요약

한국재료연구원 금속분말연구실 정재원 박사팀
성능 우수 '나노결정 리본 소재 제조기술' 개발

[창원=뉴시스] 한국재료연구원 금속분말연구실 정재원 선임연구원.

[창원=뉴시스] 홍정명 기자 = 한국재료연구원(원장 이정환)은 금속분말연구실 선임연구원 정재원 박사 연구팀이 전기차 전력변환장치에 사용되는 고포화자화·고투자율 연자성 나노결정 리본 소재를 국산화할 수 있는 제조기술 개발에 성공했다고 21일 전했다.

'리본 소재'는 합금을 얇은 테이프 모양의 리본으로 만들어 조금씩 잘라서 필요한 만큼 사용할 수 있도록 제작한 소재를 말한다.

이번에 정 박사팀이 개발한 기술은 전량 수입에 의존하는 기존 소재와 비교해 포화자화를 약 30% 이상 높이면서도, 동등한 수준의 투자율 특성을 나타내는 '초박형 연자성 소재' 제조기술이다.

초박형 나노결정 합금 리본 소재는 1988년 일본 히타치금속에서 최초로 개발해 상용화됐고, 최근 급성장 중인 전기차에 탑재되는 전력변환장치의 EMI 노이즈 제거를 위한 핵심 소재다.

여기서 'EMI 노이즈(Electro Magnetic Interference Noise)'는 인덕션 히터 등을 사용할 때 그곳에서 발생하는 수십 킬로헤르츠(kHz)의 스위칭 주파수가 전원선을 따라 다른 제품에 유입되어 오동작을 일으키는 것을 말하며, 전자파 노이즈라고도 한다.

재료연구원에 따르면, 현재까지 국내에서 초박형 나노결정 합금 리본 소재를 제조할 수 있는 기술과 산업 기반은 전혀 없으며, 해외 수입 소재 또한 기존 개발 합금에 의존해 낮은 포화자화 특성을 가져 향후 부품의 소형화 수요에 대응하기 어렵다.

[창원=뉴시스] 한국재료연구원 개발 ‘나노결정 리본 소재 제조기술’ 개요.(사진=한국재료연구원 제공) 2022.03.21. photo@newsis.com

소형화를 위해서는 소재의 포화자화가 기존 상용 소재보다 높아야 하지만, 이를 위해 철 함량을 높이게 되면 재료의 비정질 형성능이 낮아져 손실이 높아진다.

이 때문에 고포화자화 특성과 고투자율 특성을 동시에 높이는 것은 기술적 난제로 여겨져 왔다.

하지만 정 박사팀은 기존 합금 소재의 철 함량을 높이면서 이종 전이금속을 동시에 첨가해 합금 내 확산 속도를 제어하는 데 성공했고, 이를 통해 10~20나노미터(㎚) 수준의 나노결정 구현에도 성공했다.

또한 기존 소재 대비 포화자화를 30% 이상 높이면서 동등 수준의 투자율 특성을 갖는 초박형 연자성 소재 제조 기술을 개발했다.

정 박사팀에 개발한 소재 제조기술은 기존 나노결정 리본 합금에 필수적으로 함유됐던 니오븀(Nb)과 같은 고비용 원소의 함량을 30% 이상 저감하여 제조단가의 절감이 가능하고, 향후 상용화 시 가격경쟁력 확보 또한 가능할 것으로 기대된다.

[창원=뉴시스] 한국재료연구원 개발 리본 소재(오른쪽)와 기존 상용 리본 소재(Finemet)의 미세구조 비교.(사진=한국재료연구원 제공) 2022.03.21. photo@newsis.com

전기차용 나노결정 리본 소재의 국내 시장규모는 2021년 기준 연간 20억 원 수준이다. 최근 전기차 시장의 급성장으로 2025년 연간 225억 원 규모가 될 것으로 예측된다.

현재 우리아나는 국내 기술 및 제조 인프라 부족으로 전량 수입하고 있어, 이번 기술 개발을 통해 국산화에 성공하게 되면 수입대체 효과는 물론, 수출 또한 가능할 것으로 전망된다.

정재원 선임연구원은 "기존 소재를 대체하기 위한 나노결정 합금 개발 연구는 국내외에서 많이 진행되고 있지만, 고포화자화·고투자율 특성을 동시에 만족하는 소재를 구현하지 못해 상용화에 이르지 못하고 있었다"면서 "이번에 개발한 기술이 상용화되면 전량 수입에 의존하는 나노결정 리본 소재의 국산화가 가능할 것으로 기대된다"고 했다.

이번 연구 성과는 과학기술정보통신부 소재혁신선도프로젝트 사업의 지원을 받아 수행됐다.

연구팀은 현재 개발한 고포화자화·고투자율 합금 소재와 파일럿(Pilot) 스케일의 리본 제조 기술을 관련 기업에 기술이전하고, 해당 기업의 양산화를 계속해서 지원할 계획이다.

☞공감언론 뉴시스 hjm@newsis.com

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