[아롱 테크] 전기차 핵심 BLDC 모터, 희토류 등 광물 의존도 낮추기 위해 전력

[오토헤럴드=김아롱 칼럼니스트] 자동차에는 수 십여개의 크고 작은 전기모터가 탑재되어 있습니다. 자동차의 전장화가 급속하게 이뤄지면서 이러한 전기모터의 수도 기하급수적으로 늘고 있는데요. 특히 하이브리드차와 전기차와 같은 전동화차량(xEV)에서는 전기모터가 가장 중요한 자동차 시스템으로 자리잡고 있습니다.

전동화차량의 구동시스템에 사용되고 있는 전기모터는 적게는 8kW부터 최대 250kW의 큰 힘을 발휘하는 영구자석식 브러시리스 직류 전기모터(이하 BLDC)가 사용되고 있습니다. BLCD 전기모터란 글자 그대로 전기모터의 구성요소중 하나인 브러시(Brus)라는 부품이 없는 전기모터를 말하는데요. 

전통적인 브러시 타입의 DC(직류) 모터의 단점을 극복함은 물론 효율성이 뛰어나기 때문에 전기차는 물론 산업용 기계 및 일반 가전제품, 전기자전거, 완구류에 이르기까지 다양한 분야에서 폭넓게 사용되고 있는 추세입니다.

일반적으로 전기모터는 스테이터(Stator)와 로터(Rotor), 코일(Coil), 브러시(Brush), 정류자(Commutator) 등으로 구성되어 있는데요. 고정된 코일이나 자석으로 만들어지는 스테이터 안에 코일(또는 자석)이 감겨진 로터가 조립되어 있는 형태입니다.

스테이터에 전원을 공급하면 자기장이 발생하게 되고, 스테이터에서 발생되는 자기장과 모터의 회전축 역할을 하는 로터에서 발생되는 자기장의 극성이 서로 반대가 돼 회전하는 것이 전기모터의 작동원리라 할 수 있지요. 

브러시 타입의 전기모터의 경우 브러시가 로터에 전원을 공급하는 스위치와 같은 역할을 하는데요. 이러한 브러시는 로터가 회전할 때 동일한 회전방향으로 자기장이 발생하도록 극성을 바꿔주는 정류자와 직접 닿아 있기 때문에 마찰로 인한 열과 마모로 인해 전기모터의 효율성을 떨어트리게 되므로 필요에 따라 교체해 주어야 합니다. 

반면 BLDC 전기모터의 경우 브러시 대신 전자제어장치를 사용해 자기장을 생성하고 전류를 제어하기 때문에 브러시 타입과 달리 유지보수가 필요하지 않거나 유지보수 비용이 적은 것이 특징입니다.  

또한 브러시가 없기 때문에 마찰이 감소하고 내구성이 높으며, 전자제어에 의해 정확한 토크 및 회전속도 제어가 가능해 효율성이 뛰어나고 전기모터의 크기와 무게를 줄일 수 있는 것이 장점입니다. 모터 작동 때 소음과 진동도 줄일 수 있지요.

이러한 BLDC 모터는 같은 용량의 브러시 타입 전기모터보다 크기는 작으면서 훨씬 높은 출력을 낼 수 있기 때문에 전기차의 구동모터에 필수적으로 사용되고 있습니다.

그러나 이러한 전기차용 BLDC 모터 대신 최근 기존 브러시 타입 전기모터로 되돌아가려는 움직임을 보이고 있습니다. 일부 하이브리드차와 전기차에 브러시 타입 전기모터가 적용되고 있는데요, 이러한 이유는 희토류로 불리는 희귀금속 때문입니다.

희토류(稀土類)란 원자번호 57에서 71까지의 15개 원소와 스칸듐과 이트륨 등 17개의 희소원소를 통칭하는 용어입니다, 화학적 성질이 비슷해 일반적인 화학분석법으로는 분리하기 어렵습니다. 또 전 세계적으로도 매장량이 극히 드문 소재이지만, 다양한 기술 및 산업분야에서 사용되고 있을 뿐 아니라, 특히 전자재료, 자석, 촉매, 화학처리, 레이저, 광섬유 통신, 에너지 저장시스템에서 중요한 역할을 하고 있습니다. 

특히, 희토류 자석은 강력하고 가벼워서 전기자동차 및 재생에너지 시스템에서 중요한 부품으로 사용되고 있습니다. 전기차 BLDC 전기모터에 사용되고 있는 영구자석의 경우 희토류에서 추출되는 네오디늄(Nd)을 이용한 네오디늄 자석을 적용하고 있는데, 네오디늄 자석은 일반적인 자석보다 자력이 10배이상 높아 더 작으면서도 고출력의 전기모터를 만들 수 있기 때문이지요. 

그러나 희토류의 채굴과 추출과정에서 많은 환경오염 문제가 발생하고 있습니다. 뿐만 아니라 가뜩이나 부족한 매장량과 생산량 대부분을 중국이 차지하고 있어 중국의 수출정책에 따라 가격이 폭등하는 등 원자재 확보에도 어려움을 겪고 있기도 합니다.  

이에 따라 일부 자동차 회사들은 BLDC 대신 기존보다 성능과 내구성을 향상시킨 브러시 타입 전기모터를 적용함과 동시에 희토류를 사용하지 않는 새로운 BLDC 모터 개발에도 심혈을 기울이고 있는 추세입니다. 일부 하이브리드 차의 경우 실제로 희토류 사용을 줄인 전기모터를 적용하고 있기도 합니다. 

전기차용 구동시스템을 개발 및 제조하고 있는 한 자동차부품회사 관계자는 “희토류와 같은 광물과 반도체와 같은 핵심부품의 확보가 전기차산업을 위협하고 있는 요소인 것은 사실”이라며, “이러한 희토류와 같은 광물 의존도를 낮추고 자석을 사용하지 않는 전기모터를 개발중”이라고 얘기합니다.

김아롱 칼럼니스트/[email protected]