전기차 배터리 용량을 키우지 않고도 주행거리를 늘릴 수 있는 길이 열렸다. 내연기관차의 연비에 해당하는 전기차 ‘전비’를 향상시킬 수 있는 철강 제조 공정이 개발됐기 때문이다.

신소재공학과 김주영·이석빈·이기석 교수팀은 전기차 모터에서 발생하는 에너지 손실을 줄일 수 있는 전기강판 열처리 공정을 개발했다.

전기차 모터에서 전기가 자동차를 움직이는 운동에너지로 바뀔 때 에너지 손실이 발생한다. 철손(Iron Loss)도 그중 하나다. 모터 안에 걸리는 자기장 방향은 1초에 수백 번 바뀌는데 이때 모터 철강판 내부의 ‘작은 자석’들이 그 속도를 미처 따라가지 못해 생기는 에너지 손실이 철손이다. 나침반에 외부 자기장인 자석을 천천히 갖다 대면 침이 잘 돌아가지만, 자석을 이리저리 빠르게 움직이면 침이 자석의 움직임을 재빨리 따라오지 못하는 것과 흡사하다.

이 철손은 모터 에너지 손실의 약 25%를 차지하는 것으로 추산되기 때문에, 철손만 잘 잡아도 같은 전기로 달릴 수 있는 주행거리인 ‘전비’를 늘릴 수 있게 된다.

[연구그림] 열처리 대기 환경이 강판 시편 미세 구조 형성에 미치는 영향 분석

연구팀은 전기강판을 최종 열처리하는 공간에 질소 대신 수소를 채워 넣어 철손이 적은 전기강판을 만들어냈다. 질소 대신 수소를 채워 넣은 열처리 환경에서는 철 표면에 거칠고 두꺼운 질화물(AlN) 층이 생기지 않고, 얇고 균일한 산화막이 먼저 형성돼 자기장 변화에 대한 저항이 줄어드는 원리다.

실제 이 제조법으로 만들어진 전기강판의 히스테리시스는 기존보다 약 16% 더 낮은 것으로 나타났다. 히스테리시스는 자기장 방향이 바뀔 때 저항 같은 역할을 하는 값으로, 히스테리시스 값이 작을수록 철손이 줄어든다. 철손 자체를 약 8~10% 정도 줄일 수 있는 수준이다.

제1저자인 이소현 박사는 “최종 열처리 온도와 사용 가스를 바꿔가면서 전기강판의 피막, 거칠기, 표면부 미세 석출물과 불순물 등을 체계적으로 분석해 최적의 열처리 공정을 찾아낼 수 있었다”며 “전기차 모터에서 발생하는 철손이 생각보다 표면층에서 많이 좌우된다는 점을 실험적으로 보여준 사례”라고 설명했다.

김주영 교수는 “기존 설비를 크게 바꾸지 않고도 열처리 조건만 조정해 전기차 모터 철손을 줄일 수 있다”며 “우리나라 전기차 산업의 기술 경쟁력을 높여줄 소재 기술이 될 것”이라고 기대했다.

이번 연구는 금속공학분야 1위 학술지인 ‘재료 과학과 기술 학술지 (Journal of Materials Science & Technology)’에 온라인으로 지난달 31일 공개됐다. 연구 수행은 한국연구재단(NRF)의 중견연구사업 및 국가전략기술소재개발, InnoCORE AI-우주 태양광 사업단 등의 지원을 받아 진행됐다.