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기업지원성과 사례
占쏙옙占쏙옙占쏙옙 생기원 기술로 탄생한 젤리 자동 커팅 모듈…"생기원은 든든한 셰르파" |
占쏙옙占쏙옙占� “ESS 미세 아크 감지 시스템으로 대형 화재 차단한다” |
占쏙옙占쏙옙占쏙옙 “지속 가능 신사업 발굴로 기업의 향후 30년을 책임진다.“ |
ESS 앞에서 생기원 심지연 박사(왼쪽), 대경산전 김경호 연구소장. © 한국생산기술연구원
에너지저장장치(ESS, Energy Storage System)의 화재 사고가 잇따라 발생하면서 관련 기업의 움직임도 바빠지고 있다. 화재 원인에 대해서는 정부와 배터리업계의 시각이 다르지만, ESS 안전성 강화를 위한 방안 마련에 집중하고 있다.
대경산전(대표이사 김대호)은 수배전반(발전소로부터 전력을 받아 나눠주는 전력시스템)과 태양광 발전시스템, ESS 등을 생산하는 전문 제조업체다. 당연히 ESS 화재사고에 주목하지 않을 수 없었다. 화재를 예방할 사전 감지 시스템 개발이 시급했고, 그렇게 생기원의 문을 두드려 협업이 성사됐다. 대경산전이 가진 ESS 설계 기술 및 미세 신호 감지기술과 생기원 전북본부 탄소소재응용연구그룹 심지연 박사가 보유한 전자기력 기반 고속성형·접합기술과 이 접목돼 ‘ESS 미세 아크(Arc,전자 불꽃) 감지 시스템’이 완성됐다.
국내 최초 금속 엠보싱판을 이용한 미세 아크 감지 시스템 설계
ESS는 잘 알려진 것처럼 수많은 배터리와 커넥터, 그리고 전원 조절장치 등이 결합돼 만들어진다. 각 배터리에서 작은 불씨인 아크가 발생하면, 이것이 다른 배터리로 옮겨 붙으면서 ESS 전체로 확산돼 화재로 이어지기 쉽다. 화재 예방을 위해 미세 아크 발생시 이를 빠르게 감지하여 시스템 작동을 차단하므로서 대형화재로 이어지는 것을 막을 수 있는 시스템 개발이 필요하다.
대경산전은 생기원과 함께 우선 배터리간 연결시 사용되는 커넥터 체결부에서 종종 발생되는 아크를 예방하고자 완충부를 갖는 배터리 커넥터 제작에 대하여 고민하였다. ESS의 경우 외부에 설치되어 운용되므로 운반 및 사용중의 외부충격 및 진동에 의해 커넥터의 체결부가 헐거워지며 에너지 전달 효율이 감소하고, 결국 과부화로 인해 화재를 야기할 수 있기 때문이다. 또한 배터리 트레이 커버 안쪽에 엠보싱 구조의 아크 포집기를 만들어 미세 아크가 발생했을 때 빛의 반사를 통해 센서의 감지율을 높이자는 의견을 모았다. 곧이어 심 박사는 광학해석을 통해 아크 신호 감지율 80%이상 확보가 가능한 최적의 엠보싱판의 형상구조를 찾아냈다. 심 박사는 설계된 피라미드 엠보싱 구조의 장점을 이렇게 설명한다.
엠보싱 구조의 장점을 설명하고 있는 생기원 심지연 박사. © 한국생산기술연구원
“배터리로 촘촘하게 채워진 ESS 내부에 아크가 발생했을 때, 센서가 이를 감지하여 시스템차단을 판단하는 것은 매우 어렵습니다. 미세 아크의 경우 특히 더 그렇습니다. 하지만 반사율이 높은 금속판에 끝이 뾰족한 피라미드 엠보싱 구조를 성형한다면 아크의 반사를 통하여 센서 감지율을 높일 수 있습니다. 특히, ESS 내부에 다량의 아크 감지센서를 부착하지 않아도 돼 비용절감 효과도 큽니다.”
이렇게 아이디어는 도출됐으나 엠보싱 구조의 판형을 만드는 것은 쉽지 않았다. 우선 배터리 트레이 커버에 부착되는 아크 포집기의 소재선정이 중요한 과제였다. 최근 자외선 검출을 통한 아크플래시 사고 검출 연구가 활발하게 진행되고 있어, 이를 참고하여 자외선 반사율이 90%이상인 알루미늄을 선정하였다. 하지만 프레스 성형으로는 찢김등이 발생되어 설계된 피라미드 엠보싱 형상 구현이 불가능하였고, 연신율이 확보된 소재로 교체시에는 단가가 상승해 적용이 어려웠다. 알루미늄을 엠보싱 구조로 성형하는 문제를 꼭 해결해야 했다.
알루미늄 판재 엠보싱 성형 · 커넥터 접합에 전자기력을 이용한 고속가공기술 적용
심 박사가 보유하고 전자기력을 이용한 고속가공기술이 완충부를 갖는 이종 배터리 커넥터 제작을 위한 접합과 알루미늄 난성형 문제 해결의 열쇠가 됐다. 충전된 고전기에너지를 수백 마이크로초(μs) 이내에 방전하면 코일과 가공재 사이에 전자기현상이 발생되며 가공을 위한 전자기력이 발생한다. 전자기력으로, 소재는 200m/s 이상의 고속으로 성형이 이루어지며 국부 가열로 인한 순간적인 성형성 개선으로 뾰족한 뾰족한 피라미드 엠보싱 구조의 구현이 가능하다. 또한 전자기력을 이용한 소재 간 고속충돌 시, 소재는 유체와 같은 거동으로 접합이 이루어지게 되는데, 이러한 원리를 이용하여 동배터리 커넥터와 알루미늄 완충부를 접합하여 이종 배터리 커넥터 제작도 가능해졌다.
이번 공동연구에 대해 대경산전 기술연구소 김경호 연구소장은 이렇게 평했다.
“센싱기술은 국내 최고 수준이라고 자부하지만, 중소기업이다보니 성형·접합에 새로운 인력을 충원하거나, 예산을 투입하기 어려운 게 현실이었다. 이때 아이디어를 제품 개발로 이어준 것이 바로 생기원이었다. 기업의 공백을 채워주었다.”
배터리 커넥터(왼쪽)와 피라미드 엠보싱 구조의 뚜껑(오른쪽)의 내부모습. © 한국생산기술연구원
대경산전은 이번 기술지원을 통해 회사의 신성장동력인 ESS의 안전성을 확보한 데에 큰 의의를 두고 있다. 3건의 특허 출원, 신규인력 3명 고용 창출, 연관 제품 매출 9억 달성 등 성과도 컸다. 이번에 개발된 제품은 상용화를 위한 실증테스트를 거쳐 내년 상반기에 출시 계획도 갖고 있다. 향후 이 기술이 적용된 제품이 관공서와 태양광 발전소 등에 납품되면 내년 목표인 총 매출 300억 원 이상 달성에도 큰 도움이 될 것으로 대경산전은 판단하고 있다.
제품 개발 함께 고민할 생기원덕에 든든
생기원의 기술은 ESS 뿐만 아니라 대경산전의 또 다른 주력 제품인 태양광 발전시스템에도 적용됐다. 신제품을 개발하던 중 반복된 전기화재의 원인이 터미널의 압착 불량 때문이라는 점을 알게 됐고, 이를 해결하기 위해 전자기력을 이용한 터미널 압착기술을 심 박사로부터 소개받아 활용하게 된 것.
김 연구소장은 “태양광 발전시스템 내 터미널이 적용된 선로가 500회선 이상이었지만 모두 수작업으로 진행됐고, 품질 균일성이나 압착 품질 등이 좋지 않아 접촉저항이 증가로 인한 화재가 일어나는 문제가 있었다”며 “터미널의 내구성이 필요한 제품에는 이 기술을 적용하고 있다”고 밝혔다.
ESS와 태양광의 국내외 시장은 확대될 조짐을 보이고 있어 코로나로 인한 국내외 상황이 나아지면 제품의 강화된 안전성을 바탕으로 자가전력에 어려움이 많은 동남아시아 지역 수출까지 내다보고 있다. 이미 태국, 필리핀, 아랍에미리트 등 다양한 나라의 ESS 제조사와 업무협약을 체결했으며 베트남에 하노이 지사도 운영하고 있다.
대경산전 김경호 연구소장이 생기원과의 협업과정을 설명하고 있다. © 한국생산기술연구원
“국내외에 공개된 다양한 신기술, 신제품과 비교해 제조원가가 낮고 미세아크도 감지할 수 있는 만큼 경쟁력있다고 생각합니다. 도움을 준 생기원이 없었다면 불가능한 일이었을 겁니다. 작은 문제도 함께 의논하고 고민할 수 있는 전문가들이 바로 옆에 있다는 게 얼마나 든든한지 모릅니다.”
이번에 개발한 ESS 미세 아크 감지 시스템이 대경산전의 날개가 되어 비상하길 기대해 본다.