현장기고 - ‘차세대 기술 대응 융복합소재 개발 클러스터’ 활동성과와 시사점
KOITA 회원협력 기술융합 클러스터 우수사례-2
‘차세대 기술 대응 융복합소재 개발 클러스터’ 활동성과와 시사점
글_ 신동수 대표((주)에스플러스컴텍)
무게가 어느 정도 존재함으로써 역할을 하는 제품이 있는가 하면 무게가 경량화(Lightweight)됨으로써 이익을 보는 제품들이 있다.
현재 각 산업 분야에서는 친환경 에너지의 영향으로 경량화를 통해 환경오염 물질을 배출하지 않는 제품을 생산하려는 노력을 기울이고 있다.
다시 말해, 경량화 제품들이 주목받는 시대가 도래 하고 있다.
자동차 산업, 드론 산업, 모터 산업, 기어(감속기) 산업 등 산업 전반에 걸쳐 경량화 제품에 대한 관심이 증대되고, 경량화 제품에 대한 연구개발 및 양산에 집중하고 있다.
현재 경량화에 자주 등장하는 탄소 소재가 주목받고 있으며, 그래파이트(Graphite), 탄소섬유(Carbon Fiber), 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube), 그래핀(Graphene) 등이 있다.
또한, 기계적, 전기적, 광학적, 역학적 등의 물성값이 뛰어난 복합소재(Com-posite Material)를 사용하여 물리적인 값을 만족함과 동시에 경량화를 통해 제품의 가치를 높이는 경우도 종종 등장하고 있다.
이번에 구성된 ‘차세대 기술 대응 융복합소재 개발’ 클러스터는 금속계열, 세라믹계열, 탄소계열 등의 소재를 연구개발 및 양산하는 기업들이 모여 융복합 소재를 개발·발굴하고, 협업을 통해 기술 확대 및 특허 등의 대응과 함께 프로젝트를 발굴하여 융복합소재를 개발하는데 그 목적이 있다.
클러스터는 최소한 한 달에 한 번 모여서 각 기업의 이슈 및 애로 사항들을 서로 토론하고 이를 통해 경험 및 지식을 공유하는 방식으로 진행되었으며 이종재료 간의 접합, 용접 및 표면처리 등에 대한 지식의 공유가 이루어졌다.
클러스터 협업기업들과 특허를 공유하고 융복합소재를 연구개발하며 제조공정을 통해 시제품을 제작한다.
제작된 샘플은 테스트를 거쳐 양산 가능한 제품이 될 수 있도록 수정 및 보완활동을 수행한다.
이와 같은 과정을 거쳐서 나온 제품이 탄소나노 소재의 권선(Winding wire)이다.
이는 기존 모터의 구리 권선(비중 8.9)을 대체하여 탄소나노 권선(비중 1.5~1.7)으로 제조한 것으로, 모터 스테이터(Stator) 부분의 코어에 감는 전기적, 자기적 특성을 나타내는 부분이다.
탄소나노 권선은 모터권선, 전선(Harness), 열선 및 2차 코일 등에 활용된다.
각각 허용되는 저항이 다르므로 모터 권선 ≤ 전선 ≤ 2차 코일 х 열선 등의 순서로 저항값이 높다.
모터권선의 경우 저항뿐만 아니라 온도도 모터의 급에 따라 일반급에 해당하는 B급(120℃), 전문급에 해당하는 F급(155℃)에 따라 권선의 사양이 다르기 때문에 그에 맞는 탄소나노 소재 권선이 개발되어 있고 특허도 등록되어 모터에 활용될 수 있도록 응용되어 있다.
물론 열선 및 전선으로도 활용이 가능하며, 2차 코일도 저항을 구분하여 레시피를 다르게 하여 구현할 수 있다.
그림 3은 탄소나노 소재 권선을 활용한 브러시가 없는 직류(BLDC, Brushless DC) 모터에 대한 특허를 획득한 것이다.
탄소나노 소재 등의 고분자를 활용하여 탄소나노 권선을 설계, 개발 및 제조하고 활용할 수 있는 방법에 대해 특허를 등록하였으며, 레시피에 따라 저항, 전류밀도 등의 기타 사양들을 맞추어 절연 코팅한 다음 활용하였다.
열선의 경우 절연 코팅을 하는 경우도 있고 하지 않는 경우도 있다.
또한, 보통의 구리금속은 ㎏당 단가를 판매가로 하고 있으며 그에 비해 단가는 비교적 낮아서 가격 경쟁력 또한 있다고 판단된다.
이에 대한 페이퍼리스(Paperless) 스마트공장 기반의 복합소재 제조방법에 대한 특허도 획득하여 열악한 제조방법을 개선한 스마트 제조방법을 활용하여 복합소재를 설계, 개발 및 제조할 수 있도록 하였다.
탄소섬유, 아라미드섬유, 유리섬유, 카본나노튜브 섬유 등 고강성 섬유를 활용하여 최소 비용과 시간으로 제품을 기획·설계하여 고품질의 복합소재 제품으로 생산하는 방법에 대한 특허를 획득하였다.
이를통해 복합소재의 설계, 개발 및 제조 방법을 보다 효율적으로 수행할 수 있도록 하고자 하였다.
이는 특히 (주)에스플러스컴텍에서 모터의 감속에 활용 가능한 기어의 융복합 소재를 활용하여 제조하는 제품에도 해당한다.
기존의 기어 재료는 강한 재료를 사용하여 거의 비중이 7.8 ~ 8.0에 가까운 소재를 활용하는데, 이러한 금속소재를 융복합소재로 바꾸어 비중 1.7정도의 경량화 제품으로 설계 및 제조한다.
전체 모터의 무게가 30% 이상 감소함에 따라 연비향상 및 전기차량의 배터리효율 증가 등의 장점을 얻을 수 있다.
또한 복합소재 기어로 인하여 운전속도 1,000~3,000rpm일 때 소음이 10㏈ 이상 감소하고, 진동진폭이 70% 이상 감소되어 그 기능이 향상됨을 알 수 있다.
이는 모터감속기, 기계 기어박스, 가전기어류, 전동공구 기어류 및 자동화장치 기어류 등에 활용할 수 있다.
앞에서 소개한 융복합소재를 활용한 탄소나노 소재 권선과 복합소재 기어 등을 활용하여 ‘전기 차량용 탄소나노 소재 기반 초경량 전도체를 이용한 BLDC모터 구동시스템 개발’ 및 ‘드론용 탄소나노 소재 기반 경량 BLDC모터 부품개발’과 같은 산업기술 혁신사업을 소재부품 이종기술 융합형 기술개발사업에 제안하여 원천기술 확보 및 제조공정 기술 개발을 통해 양산품으로 제작하여 미래의 성장 동력에 부응하고자 한다.
회원협력 기술융합 클러스터 지원사업은 산기협이 회원사간 정보·기술 교류, 공동 연구과제기획 등 협력수요 발굴 및 개방형 혁신활동을 지원하기 위해 2017년부터 시행하고 있는 사업이다(홈페이지 http://cluster.koita.or.kr).