재료연, 전기차 전력변환장치 자성 소재 제조 기술 국산화

포화자화 및 투자율 특성 높여 부품 소형화 및 전력변환 효율 높여

한국재료연구원(원장 이정환)은 금속분말연구실 정재원 박사 연구팀이 전기차 전력변환장치에 쓰이는 고포화자화 및 고투자율 연자성 나노결정 리본 소재의 국산화 기술을 개발했다고 21일 밝혔다. 

현재 전량 수입에 의존하는 기존 소재와 비교해 포화자화를 약 30% 이상 높이면서도 투자율 특성은 그대로인 초박형 연자성 소재 제조 기술이다. 포화자화는 자화 세기의 최대치, 투자율은 외부 자기장에 반응해 물질이 자기화되는 정도를 말한다.  

초박형 나노결정 합금 리본 소재는 전기차 전력변환장치의 EMI 노이즈를 제거하는 EMI필터의 핵심 소재이다. 나노결정소재의 포화자화를 높이면 같은 면적에서 더 높은 자력을 낼 수 있어 노이즈 필터 부품의 소형화가 가능해지고, 전력변환 효율도 높아져 전기차 주행 거리를 늘일 수 있다.

하지만 소재의 포화자화를 높이려 철 함량을 늘이면 재료의 비정질 형성능이 낮아져 초기 비정질 리본 구현이 되지 않는다. 이 때문에 고포화자화 특성과 고투자율 특성을 동시에 높이는 것은 그동안 기술적 난제로 여겨져 왔다.

연구팀은 기존 합금 소재의 철 함량을 높이며 이종 전이금속을 동시에 첨가해 합금 내 확산 속도를 제어했다. 이를 통해 10-20㎚ 수준의 나노결정을 구현했다. 또 기존 소재보다 포화자화를 30% 이상 높이면서 동등 수준의 투자율 특성을 갖는 초박형 연자성 소재 제조 기술을 개발했다. 이 소재는 기존 나노결정 리본 합금에 필수적으로 함유됐던 니오븀(Nb) 같은 고비용 원소의 함량을 30% 이상 저감해 제조 단가를 절감할 수 있다. 

재료연이 개발한 나노결정 리본 소재 기술 개요 (자료=재료연)

전기차용 나노결정 리본 소재의 국내 시장규모는 2021년 기준 연간 20억 원 수준이다. 최근 전기차 시장의 급성장으로 2025년 연간 225억 원 규모가 될 것으로 예측된다. 세계 연간 자동차 판매량은 연간 8000만 대 수준으로 향후 내연기관에서 전기차로 완전히 전환되면 전기차용 나노결정 합금 리본 소재 시장은 연간 1조 5천억 원에 달할 전망이다. 

정재원 선임연구원은 "이 기술이 상용화되면 현재 전량 수입에 의존하는 나노결정 리본 소재의 국산화가 가능해, 이 소재를 필수로 활용하는 전기차 전력변환장치 생산기업의 수입 의존도 해소에 많이 기여할 수 있을 것으로 기대된다"라고 말했다.