초록 ▼

제 1 장 서론
제 1 절 과제의 개요
1. 기술의 개요
최근 다양한 완성차 업체들은 엄격한 환경규제를 만족시킴과 동시에 동력 전달장치를 단순화 할 수 있는 장점 때문에 순수 전기자동차(Electric Vehicle, EV)의 모델들을 시장에 소개하고 있다. 최근 미국의 전기자동차 회사인 테슬라에서 출시한 전기자동차가 전 세계적으로 높은 판매량을 기록하였으며(그림 1 참조), 또한 자동차 업계 뿐 아니라 IT/컴퓨터 기업인 구글과 애플도 전기자동차에 대한 연구를 시작하였다. 최근 폭스바겐의 디젤게이트 사건 이후 환경

제 1 장 서론
제 1 절 과제의 개요
1. 기술의 개요
최근 다양한 완성차 업체들은 엄격한 환경규제를 만족시킴과 동시에 동력 전달장치를 단순화 할 수 있는 장점 때문에 순수 전기자동차(Electric Vehicle, EV)의 모델들을 시장에 소개하고 있다. 최근 미국의 전기자동차 회사인 테슬라에서 출시한 전기자동차가 전 세계적으로 높은 판매량을 기록하였으며(그림 1 참조), 또한 자동차 업계 뿐 아니라 IT/컴퓨터 기업인 구글과 애플도 전기자동차에 대한 연구를 시작하였다. 최근 폭스바겐의 디젤게이트 사건 이후 환경오염에 대한 관심의 증가 및 석유자원의 고갈에 따라 전기자동차에 대한 관심이 더욱 커지게 되었다.

현재 유선 충전 방식에 기반을 둔 전기자동차용 배터리 충전기의 기술적 성숙도는 높은 수준에 도달하였으나 1회 충전으로 주행할 수 있는 최대 주행거리의 한계는 전기자동차 시장의 성장을 막고 있는 장애물 중 하나이다. 주행거리를 증가시키기 위해서 큰 용량의 배터리가 필요하게 되었고 이는 충전 시간의 증가를 야기하게 되었다. 따라서 충전시간을 감소시키기 위하여 대전력을 이용한 충전 방식에 대한 필요성이 대두되었고, 전기자동차에 결합한 무선충전 기술은 운전자의 편의성, 안전성 면에서 다른 충전방식에 비해 많은 장점을 가지기 때문에 이에 따라 표 1에서와 같이 무선충전시장은 급속도로 증가하고 있으며 관련 연구 또한 광범위하게 진행 중에 있다.

국가의 지속 가능한 성장을 주도할 10대 유망 기술로 KAIST의 무선충전 온라인 전기자동차(On Line Electric Vehicle)가 뽑히고 미국자동차공학회(Standard Automobile Engineering)는 무선충전 방식이 결합된 “Park & Charge” 개념을 현실화 한 방식(J2954)을 2017년 국제적 표준화로 채택할 것을 발표하였다. 또한 Qualcomm에서는 J2954를 토대로 HALO라는 무선충전기를 제품화하여 그림 2에서와 같이 출시함으로 상용화의 가능성과 토대를 마련하였다.

무선전력전송 방식은 표 2 에서와 같이 자기 유도방식과 자기 공진방식으로 크게 나눌 수 있다. 자기 유도방식은 전력을 송전하는 1차 패드(Tx)와 수전하는 2차 패드(Rx) 사이의 전자기 유도 방식을 이용하기 때문에 송수신 코일 사이의 거리가 가깝고 무선 전력전송효율이 높다. 자기공명 방식은 송수신 안테나 사이의 자기공진을 이용하여 전력을 전송하는 방식으로서 유도방식의 송수신 거리가 짧은 단점을 보완할 수 있는 기술로 인식되고 있으나 아직 해결되지 못한 기술적 난제들로 인해 상업화가 이루어지지 못하고 있다.

자기 공진형의 경우 자기 유도형에 비하여 전력전송 거리면에서 장점이 있으나 대전력 전송이 유도형에 비하여 어렵고 인체 유해성에 대한 논란도 있어 스마트폰의 무선충전은 유도형의 방식이 채택되어 상용화가 진행 되었고 충전효율을 높이기 위한 기술개발이 진행되고 있으며 이 같은 이유 때문에 전기자동차와 같은 3.3kW 이상의 대전력의 무선충전방식은 이미 유도형으로 개발되어 상용화가 진행되고 있다.

자기유도 방식의 전력 송신용 패드와 수신용 패드의 구조를 그림 3에 나타내었다. 패드는 전류를 도통시키는 코일, 자속의 경로를 제공함과 동시에 후면의 금속에서 와전류 손실이 발생하지 않도록 코일과 금속을 차폐시키는 자성소재, 누설자속을 차단하는 알루미늄 판으로 구성되며 적용 분야의 요구사항에 맞추어 다양한 형상으로 제작이 가능하다. 하지만 송수신측 전력 변환장치의 구성 및 제어가 복잡해지는 단점으로 인해 원형 또는 사각 형상이 주로 적용되고 있다. 하부에 전송용(Tx)용 패드가 있고 상부에 수신(Rx)용 패드가 있다. 두 송수신 패드는 유사한 구조를 갖으며 사용되는 소재의 기능과 역할도 동일하다.

그림 3의 패드 분해도에 있는 자기장차폐소재인 페라이트(Ferrite)의 기능을 수신 패드관점에서 설명하면 송신 패드에서 발생된 자기장을 수신부 패드의 코일에 집속시키는 자로를 형성시킴으로 수신코일에 유도되는 전류의 효율을 높일 수 있게 되고 페라이트 소재가 없는 경우에 비하여 송수신 코일 간 결합계수가 높아져 결과적으로 무선충전효율을 높이는 역할을 한다.

본 과제에서 개발하고자 하는 제품은 전기자동차 무선충전시스템 (Wireless Electric Vehicle Charging system, WEVC)에서 충전 효율 확보를 위해 필수적으로 사용되어야 하는 연자성 차폐소재로서 포화자화(Saturation magnetization, Ms)가 기존 3.3~7.7kW급 EVC에서 사용되던 기존의 페라이트 (0.3T)보다 3배 이상 큰(1.2T) 금속/고분자 복합 소재와 이 소재로 제작된 30kW급 테스트 패드이다.

페라이트는 전력주파수 영역에서 사용되는 자성금속 및 합금에 비해 낮은 투자율과 포화자화를 가지지만, 세라믹소재로서 높은 전기비저항을 가져 와전류손실 없이 작동할 수 있어 무선전력전송 시스템에 이용된다. 하지만 페라이트는 대 전력 무선충전 시스템 및 차량용 급속 무선충전에 사용하기에 비교적 낮은 포화자화(0.3T)를 가지고, 높은 자기장(1000A/m)에도 균일한 투자율을 가질 수 있는 구간이 충분치 못하다는 문제점을 가지고 있다. 이러한 문제점을 고려하여 페라이트가 가지는 단점을 보완하는 전기자동차 무선충전 시스템에 적합한 연자성체(금속/폴리머) 복합 소재에 대한 개발이 진행되어왔다.

본 과제를 통해 개발하고자 하는 금속/고분자 복합 연자성 소재는 포화자화가 우수한 연자성금속과 절연재료인 고분자를 복합화한 소재로서 기존 금속연자성 재료의 낮은 비저항에 의해 페라이트보다 낮았던 주파수 특성을 개선시킨 재료로서 20kHz의 주파수 대역에서도 투자율 저하가 발생하지 않으며 동시에 소재의 포화자화 값은 20kHz에서 1.2Tesla로서 페라이트에 비하여 3배 이상 높아 30kW 이상의 자동차용 무선충전 시스템의 효율 증가에 매우 유리할 것으로 판단된다.

또한, 기존 내연기관을 이용한 차량은 차체의 프레임이 엔진 위주로 설계되어 있지만, 전기 자동차의 경우에는 보편화되어 있지 않다. 미국 전기자동차 업체 테슬라는 차량의 하부에 배터리를 깔아 배치하는 방식으로 업계의 이목을 집중시켰지만, 배터리는 충격에 약하고 폭발의 잠재적 위험성이 있었다. 실제로 테슬라 모델 S는 하체 하부의 충격으로 배터리가 폭발하는 사건을 겪게 되어 차체하부가 충격에 취약한 부분임을 알 수 있다. 무선전력전송을 이용하는 온라인전기자동차(OLEV)의 경우 차량 하부에 배터리가 아닌 페라이트를 배치하였지만, 페라이트 특성상 형상가공이 어렵고 취성이 크기 때문에 내구성 및 신뢰성이 부족하여 제한된 차폐구조를 가지며 차량하부에 충격이 없는 제한된 도로의 구간에서만 운행이 가능하다. 이와 같은 이유로 높은 내구성과 신뢰성을 가져야하는 차량용 무선충전 시스템의 설계에 어려움을 안겨주고 있다.

본과 과제를 통해 개발하고자 하는 금속/폴리머 복합자성 소재는 페라이트에 비하여 인성(toughness)이 우수한 금속과 유연성이 큰 유기바인더를 포함하고 있기 때문에 내충격성이 우수하여 진동에 의해 파손되는 일이 적어 주행 중 진동이나 급작스러운 충격이 있을 수 있는 자동차용으로 적합한 소재이다. 이 같은 복합소재를 전기자동차 하부에 이용할 수 있으면 페라이트가 가지고 있는 자기적 특성을 이용함과 동시에 우수한 재료적(기계적) 특성을 바탕으로 무선충전 전기자동차의 취약한 부분을 보강 할 수 있다. 그림 4는 페라이트를 이용한 충전패드 설계 예시와 복합시트를 이용한 충전패드 설계 예시로 페라이트는 대면적의 평판을 제작할 수 없어 주로 bar type을 이용한다.

(출처 : 본문 : 제1장 서론 3p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 목차 ... 2
• 제 1 장 서론 ... 3
• 제 1 절 과제의 개요 ... 3
• 제 2 장 과제 수행의 내용 및 결과 ... 13
• 제 1 절 최종 목표 및 평가 방법 ... 13
• 제 2 절 단계 목표 및 평가 방법 ... 14
• 제 3 절 연차별 개발 내용 및 개발 범위 ... 15
• 제 4 절 수행 결과의 보안등급 ... 16
• 제 3장 결과 ... 17
• 제 1 절 연구개발의 최종 결과 ... 17
• 1. 연구개발의 추진 일정 ... 17
• 2. 연구개발 추진 실적 ... 19
• 3. 기술개발 결과의 유형 및 무형 성과 전체를 기재 ... 80
• 제 2절 연구개발 추진 체계 ... 81
• 1. 각 기관/기업별 역할 및 추진 체계 ... 81
• 제3절 자체보안관리진단표 ... 83
• 제 4 장 사업화 계획 ... 84
• 제 1 절 시장 현황 및 전망 ... 84
• 제 2 절 기술타당성 분석 및 사업전략 ... 86
• 제 3 절 향후 추가 기술 개발 계획 ... 93
• 부록 ... 95
• 끝페이지 ... 108