▲ 전기차 배터리 열관리용 방열세라믹 신소재 KIMS MgO에 대해 설명중인 재료연 한병동 책임연구원.

한국재료연구원(KIMS, 원장 이정환)이 전기차용 배터리 등 다양한 전자부품의 고성능 발현과 내구성 확보를 위한 방열 세라믹 신소재 개발에 성공했다.

재료연 한병동 책임연구원은 17일 유튜브를 통해 진행된 온라인 소재부품장비 기술자립을 위한 재료연 연구성과 발표에서 ‘전기차 배터리 열관리용 방열 세라믹 신소재’에 대해 발표했다.

산화마그네슘(MgO, 열전도도: 40-60W/mK)은 기존 상용산화물소재인 알루미나(Al2O3, 열전도도: 20-30W/mK)와 비슷한 가격이지만 열전도도는 2배가량 우수하다.

하지만 기존 산화마그네슘은 알루미나보다 열전도도는 높지만, 소결 온도가 매우 높아, 제조단가가 높고 공기 중의 수분과 반응하는 흡습성 문제 등으로 사용제한이 있었다.

재료연은 극히 미량의 첨가제를 사용해 알루미나보다 낮은 온도에서 소결되고 흡습성 문제도 해결한 ‘KIMS MgO 신소재’를 개발했다. 개발된 KIMS MgO 신소재는 향후, 상용 알루미나 소재를 대체할 수 있을 것으로 기대되고 있다.

재료연 측은 전기차 배터리 패키지용 방열 세라믹 필러 소재를 비롯해 이를 다양한 응용 분야에 확대 적용해나갈 계획이다. 또한 재료연은 KIMS MgO 신소재의 상용화를 위해 연구소 기업 설립을 현재 진행 중에 있다.

▲ 상용 소재 대비 재료연 개발 KIMS MgO 신소재의 특성 도식

발표를 맡은 한병동 책임연구원은 발표를 통해 기후변화이슈와 모빌리티 혁명 등 전기차로의 빠른 변환이 세계적인 추세인 지금, 국내 역시 2050 탄소중립의 핵심전략으로 전기차의 보급과 생산 확대가 추진되고 있다고 전했다.

한 연구원은 고에너지밀도를 가진 배터리 개발과 안전성을 위한 배터리 과열 연구도 중요하며 특히 열 관리용 방열 소재가 필수적으로 사용된다고 전했다. 이때 필요한 것이 바로 배터리 폭발을 방지하는 방열 소재다.

그는 기존 산화마그네슘의 분말보관문제와 높은 공정단가, 고분자와의 복합 어려움 등 문제가 많았지만 정부의 지원을 받아 산화마그네슘의 소결온도를 1300℃ 까지 낮추고, 흡습성 문제, 고분자 복합문제도 해결했다고 전했다.

이에 가격경쟁력과 성능이라는 두 마리 토끼를 잡은 격이라며 기존 산화마그네슘은 일본의 두 업체에서만 판매중인 상황이라고 말했다. 이어 기존 알루미나 대비 5배 이상 가격이 높아 일본산 산화마그네슘을 사용할 수 없었던 것을 국산화해 의미가 크다고 말했다.

연구원은 기술 출자를 통해 산화마그네슘 국산화를 이뤄 기존 알루미나 시장을 대체하려는 계획을 가지고 있다며 이번에 개발한 신소재의 원료분말은 국내에서 안정적으로 수급해 만들 수 있다고 전했다.

고성능 소재 제조가 가능하고 산화마그네슘의 국산화 및 해외수출이 가능하다는 것이 가장 큰 의의를 가진다고 말했다.

발표에 이은 질의응답시간에는 전기차 배터리 외 적용 가능한 산업분야에 대한 질문에 전장부품, 반도체 및 디스플레이, 산업장비, PC등 가전, 전자부품이 적용되는 모든 분야에 적용이 가능하다고 답했다.

관련 시장 규모에 대한 질문에는 현재 방열 세라믹 소재 대부분 알루미나 소재가 점유중이라며 작년 알루미나소재의 시장규모는 3,500억, 세계 시장 규모는 2조원 가량이라고 말했다. 이어 전기차 보급이 빨라지고 통신이 6G시대로 넘어가며 관련 시장규모는 더 커질 것이라고 전했다.

▲ 세라믹 필러의 소재 점유율 98%를 장악한 알루미나를 대체가능한 재료연의 MgO

실제 수요 기업이 어디인가에 대한 질문에는 소재개발의 최초 목적은 전기차용 열계면 소재였기 때문에 국내 배터리 대표 3사에 모두 적용가능하며 현재 일부 샘플을 테스트하는 중에 있다고 밝혔다. 또 방열 열계면 관련 업체들에서도 연락이 와 테스트를 진행중이라고 말했다.

한편, 재료연 이정환 원장은 “이번 연구 성과는 전기차 안전성 문제 해결에 핵심적인 역할을 할 것”이라며 “일본 산화마그네슘에 비해 성능은 월등히 뛰어나면서 가격은 저렴해 일본과의 방열 소재 경쟁에서도 한걸음 앞서 나갈 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.