Technology Brief - Technology Brief 04
고주파, 대전류 대응 파워 인덕터 소재 개발
세계 많은 나라들은 글로벌 환경문제를 신·재생에너지 기술로 해결하고자 많은 노력을 경주하고 있는데, 이를 위해서는 기존 에너지 변환장치의 효율을 높이는 연구개발이 수반되어야 한다.
에너지 변환 장치에는 전기에너지를 기계적 에너지로 변환시키는 모터 등의 전기기계장치와 전력변환용 코어(인덕터) 등이 있으며, 모터에 사용되는 철심재료는 무방향성의 Fe-3%Si 압연판이 대표적이다.
최근 모터 철심을 압분코아를 이용해서 제조하고자 하는 연구가 일본의 Hitachi, Sumitomo, Mitsubishi 등에서 활발히 진행되고 있는데, 압분코아는 연자성 분말에 적당한 절연층을 형성시켜 고압으로 성형시킨 후 열처리하여 만들기 때문에 공정이 단순하고 복잡한 구조에 비교적 쉽게 대응할 수 있어 수요가 급격히 증가하고 있다.
압분코아가 가능한 이유는 압분코아를 사용하면 와전류 손실을 획기적으로 줄일 수 있기 때문이며, 대표적인 것이 HEV(Hybrid Electrical Vehicle)용 전기모터와 인버터/컨버터이다.
소재로는 규소강판으로서, 얇은 강판 형태로 적층하여 사용되고 있다.
개발 초기에는 압연으로 제조가 가능한 Si-3% 이하인 범용 규소강판이 사용되었으나, 차츰 모터 구동영역 확대 및 고전압 시스템에 의한 연비 향상을 위하여 운전 전압을 배터리의 출력전압 202V를 400~600V로 승압하는 부스트 리액터에 일본의 JFE가 개발한 6.5%Si 방향성 규소 강판이 표준사양으로 사용되었고, 모터의 스테이터 코어에도 6.5%Si 무방향성 규소강판의 사용이 검토되고 있다.
이러한 2세대급 연자성코어 소재는 일본이 특허를 보유하고 무역장벽을 구축하고 있으며, 경쟁국인 미국, 유럽 등도 대체 소재/부품의 개발에 박차를 가하고 있다.
그러나 강판소재로는 부스트 리액터의 용량을 감당할 수 없어 2009년부터 시판되는 Prius의 인버터/컨버터에서는 압분코아를 채택하고 있으나, Toyota에서는 압분코아 회사를 설립하고 외부에는 리액터를 전혀 판매하고 있지 않을 뿐 아니라 어떠한 정보도 공개하고 있지 않다.
현재 국내외 상황을 요약하면 다음과 같다.
인덕터용 코아용 연자성 재료로는 Si강판을 기반으로 하는 전기강판 소재, MPP, Sendust로 잘 알려진 금속분말소재, 저가 및 고조파 대응 특성이 우수한 페라이트 등이 개발되고 있으며, 금속분말 소재의 경우 저손실, 대전류특성을 위한 고 Si, Al 등의 새로운 조성의 분말화 및 이의 성형공정에 대한 연구가 진행되고 있다.
금속분말 원료를 사용하면 공정을 크게 단축시킬 수 있어, 대전류 특성이 우수한 분말코아를 보다 저렴한 공정으로 제조가 가능할 것이다.
태양광발전 인버터용 소재로는 기존 규소강판, 페라이트 및 철코아보다 인버터 효율을 개선할 수 있는 새로운 소재의 인덕터 요구가 증가되고 있는데, 우리나라는 일본 JFE가 개발한 규소강판 (JNEX) 소재를 사용한 인덕터를 일본으로부터 수입하여 사용하고 있는 상황이며, 소음의 발생과 고주파수에서 코아손실이 높은 단점도 있다.
전기자동차 리액터용 소재로는 국내에서는 아직 HEV 시스템의 25kW급 이상 Buck-Boost 컨버터용 인덕터 제작업체가 없으며, 일본, 독일과 같은 자성재료에 대한 이해가 높은 국가에 의존하여 공급받고 있는 상황이다.
장평우 청주대학교 이공대학 교수