Special 첨단 모빌리티용 융복합 소재기술 및 산업응용 동향(1)
미래 모빌리티 방열 복합소재 기술 동향
차현애_한국재료연구원 기능세라믹연구실 선임연구원
문영국_한국재료연구원 기능세라믹연구실 선임연구원
안철우_한국재료연구원 기능세라믹연구실 책임연구원
최종진_한국재료연구원 기능세라믹연구실 실장
한병동_한국재료연구원 세라믹재료연구본부 본부장
1. 서론
그림 1. 미래 첨단모빌리티 출처: shutterstock, 현대차그룹
모빌리티는 새로운 혁신의 시대로 접어들고 있다. 모빌리티 분야에서 지속적으로 혁신적인 기술이 개발되고 있고 이러한 모빌리티의 변화는 자동차뿐만이 아니라 산업 전반에 영향을 미칠 것으로 전망되어 진다. 파워트레인과 배터리 등의 안전성과 자율주행 기술의 발전은 공유된 자율주행 차량 및 날아다니는 자동차를 포함한 미래 모빌리티에 대한 새로운 가능성을 열어가고 있다. 기술 발전으로 인한 새로운 모빌리티의 등장은 점차 현실화되고 있으며, 특히 전기차와 배터리 기술의 진보는 계속해서 주목받고 있다.
유럽연합은 2026년 이후에 탄소 국경세를 도입할 계획이며, 이에 따라 폭스바겐을 포함한 일부 자동차 제조사는 내연기관차의 생산을 점진적으로 중단할 것을 발표한 바 있다. 기존 내연기관차의 수명이 감소함에 따라, 무공해차로서 대표되는 전기차 시장이 더욱 부각되고 있으며, 글로벌 완성차 업체들은 대규모로 전기차로의 전환을 추진하고 있다. 더욱이, 전기차 전용 플랫폼을 활용하여 고품질의 다양한 전기차를 출시함으로써 소비자의 선택 폭이 확장되고 판매가 증가할 것으로 전망된다. 실제로 캐나다 시장조사업체 Precedence Research 자료에 따르면 세계 전기 자동차 시장 규모는 2022년 2,055억 8천만 달러에서 2032년까지 약 1조 7,168억 3천만 달러로 확대되고 있으며, 2023~2032년 기간 동안 연평균 복합 성장률(CAGR) 23.1%의 성장을 예측하고 있다. 또한 딜로이트사의 분석에 따르면 향후 10년의 글로벌 전기차 시장 연평균성장률(CAGR)이 29%에 달할 것으로 전망되며, 2020년 전체 전기차 판매량 250만대에서 2025년 1,120만대, 2030년 3,110만대까지 증가할 것으로 전망된다.
그림 2. 전기차 내부의 배터리 출처: LG에너지솔루션
그림 3. 2022~2032년의 전기차 시장 규모 예상 출처: Precedence Research
전기 자동차 및 미래 모빌리티 설계에 있어서 열 관리는 여전히 핵심 주제로 존재하고 있다. 열 관리 시장이 진화함에 따라 소재 회사, 부품 공급 업체, 차량 디자이너 등 빠르게 성장하고 있는 전기자동차 산업의 다른 참여자들에게 기회가 나타나고 있으며, 새로운 첨단 기술을 요구하고 있다. 전기 자동차 배터리 개발의 주요 요인인 에너지 밀도의 증가와 비용 감소 추세에 따라, 전기차 배터리 디자인이 더 간단해지고 있고, 이 전략은 결국 셀 투 팩 또는 셀 투 바디 디자인으로 나타난다. 셀 투 팩은 모듈 하우징을 제거하고 모든 셀을 함께 쌓아놓는 형태를 선호하고 있다. BYD, Tesla 및 기타 회사의 디자인이 이미 도로에 나와 있으며, 앞으로도 발표된 디자인이 시장에 나올 전망이다. 셀 투 팩 디자인은 여러 셀을 하나로 묶어 팩을 형성하므로 열의 분산이 더욱 어려울 수 있으며, 한 셀에서 발생한 열이 주변 셀로 효과적으로 전달되지 않으면 열 누적이 발생할 수 있고, 따라서 열 분산 문제는 배터리의 성능, 수명 및 안전성에 영향을 미칠 수 있다. 이에 따라 방열 복합소재가 전기차 특성에 미치는 영향력은 더욱 높아지고 있다.
또한 자동차 전기 부품 분야에서는 치열한 경쟁이 벌어지고 있다. 내연기관차와는 달리 전기차는 주로 전기를 사용하므로, 전장 부품의 중요성이 증가하고 있다. 현재 30%인 전기차의 전장 부품 비중은 앞으로 최대 70%까지 증가할 것으로 예측되고 있다. 실제로 전기차는 파워트레인, 차량용 조명, 배터리 등 다양한 부품을 필요로 하며, 미래 모빌리티에서는 기계 부품 수요가 감소하더라도 전장 부품의 수요는 증가할 것으로 예상된다. 스트래티지애널리틱스와 리서치앤드마켓 등 시장조사 기관에 따르면, 세계 전장 사업 시장은 2024년에 4,000억 달러(약 507조 원), 2028년에는 7,000억 달러(약 888조 원) 이상으로 증가할 전망으로, 미래 모빌리티에서는 고집적이고 소형화된 전장 부품에서 신뢰성을 확보하기 위해 고방열 복합 소재가 더욱 필요할 것으로 예측되어 진다.
그림 4. 전 세계 전장사업 시장 규모 및 자동차 제조원가에 전장부품의 비중 동향
출처: 스트래티지에널리틱스
배터리의 효율성과 주행거리는 리튬이온 기술뿐만 아니라 차량 무게에도 크게 영향을 받는다. 차량 무게를 감소시키면 추진 출력을 줄일 수 있어 결과적으로 배터리의 수명과 주행 가능 거리를 증가시킬 수 있다. 이에 따라 첨단 모빌리티 분야에서는 경량화가 더욱 중요해지고 있고 방열 복합소재에서도 경량화를 요구하는 실정이다. 더욱이 최근 배터리 폭주를 막기 위한 난연, 방염 소재에 대한 기술의 도입을 필요로 함에 따라 방열 특성과 더불어 배터리 폭주를 막을 수 있는 기능이 추가된 복합 소재를 요구하고 있다.
방열 패키지는 고열전도성 절연기판, 금속 히트 싱크(Metal Heat Sink)로 이루어져 있다. 이종 재질 간 열전달에 있어서 계면에서의 공기 및 이물질에 의한 열전달 특성이 저하되는 문제점을 개선하기 위해, 고열전도성 절연기판과 금속 히트 싱크 사이에는 방열 접착제인 열계면 소재(TIM: Thermal Interface Material)가 사용되고 있다. 열계면 소재는 전기자동차 배터리의 열관리에도 사용되는데, 주로 갭필러 형태, 패드 형태 또는 시트 형태로 배터리에서 발생하는 열을 금속 케이스로 전달하는 역할을 한다. 열계면 소재로는 고분자와 열전도성 금속 입자, 또는 고분자와 열전도성 세라믹 입자가 사용되고 있다. 특히, 전기 절연성이 필요한 곳에는 열전도성 세라믹 입자가 사용된다.
미래 첨단 모빌리티에 사용되는 방열 복합 소재 기술 동향은 뚜렷한 발전을 보이고 있다. 향후 몇 년 동안 다양한 측면에서 진보된 소재 및 기술의 채택이 예상된다.
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<본 사이트에는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2024년 2월호를 참조바랍니다. 정기구독하시면 지난호보기에서 PDF를 다운로드 하실 수 있습니다.>
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