<소재·부품·장비 양산성능평가지원사업 우수 사례> ④윌코

‘열폭주 지연 소재’ 성능 업그레이드

전기차 배터리팩 등 전방산업 파급효과 확대

▲ 윌코 본사 전경

■전기차 배터리 안전성 향상·가격 다운

윌코는 열적 특성 및 유전 특성을 향상 시키는 혁신적인 기술을 중심으로 전기차 및 뉴스페이스 시대(민간기업 주도 우주개발사업)도래에 따른 다양한 전자 제품에 활용 가능한 첨단 재료를 개발하는 기업이다. 윌코는 높은 열 전도성과 안정성을 갖춘 특수처리 BN(질화붕소), 고방열 저유전 CCL(동박적층판), 전기차 탑재용 소재로 모빌리티, 에너지 및 환경 분야 등 다양한 산업분야에서 친환경적이고 효율적인 솔루션을 제공 하고 있다.

특히 윌코가 개발한 '전기차 배터리팩 열폭주 지연 소재'는 특수 난연 코팅을 적용해 뛰어난 내열성과 난연성, 전기 절연성을 자랑한다. 전기차 배터리 탑 케이스에 부착하는 열폭주 지연 소재는 화재 발생 시 비활성 가스 및 발포층 형성으로 화재 및 폭발을 지연시킬 수 있는 소재로 배터리의 안정성을 높이는 중요한 열학을 한다.

내연기관 자동차에서 전기차 시장으로의 전환이 빠르게 이뤄지면서 배터리의 안전성, 특히 열폭주 문제가 점점 더 중요한 이슈로 떠오르고 있다. 열폭주는 전기차 배터리의 가장 작은 단위인 셀(Cell)이 외부 충격 혹은 과열로 폭발할 경우, 연쇄반응으로 인해 배터리팩 전체가 폭발하는 현상을 말한다.

열폭주가 전기차 화재의 주요 원인으로 지목되고 있어, 전기차의 안전 불안 해소를 위한 배터리 안전 검증이 강화되고 있는 추세다. 열폭주 지연 소재는 열폭주를 최대한 늦춰 인명과 재산 피해를 최소화하는 안전장치로, 윌코의 열폭주 지연 소재는 에너지 흡수 메커니즘을 기반으로 화재가 발생할 경우 열원 반대면의 온도를 300도 이하로 유지해 뛰어난 열 차단 성능을 갖췄으며 배터리 화염 및 폭발을 10분 이상 지연시킬 수 있다.

▲ 타발 된 열폭주 지연 소재

또한 기존 소재 대비 두께는 2분의 1, 무게는 40% 정도 가벼워 경량성과 안전성을 모두 확보했다. 이러한 기술력을 인정받아 윌코는 창업 초기부터 최근까지 다수의 기업으로부터 투자 유치에 성공 하기도 했다.

전세계적으로 탄소중립 달성을 위한 다양한 노력들이 펼쳐지면서 전기차 보급이 빠르게 확대되고 있고, 배터리 시장 또한 꾸준한 성장세를 보이고 있다. 이에 배터리의 안전을 강화하려는 노력 또한 지속 돼 배터리팩의 열폭주 지연을 위한 소재 및 부품의 수요 또한 증가하고 있으며, 고도화된 성능을 요구하고 있다.

윌코의 배터리팩 열폭주 지연 소재를 사용하는 기업 또한 열폭주와 직결되는 단열 및 내구성이 향상된 제품을 필요로 했다. 이에 윌코는 수요기업의 요구를 충족시키기 위한 실질적인 해결책이 필요한 상황이었다.

수요기업들은 빠른 제품 개발과 맞춤형 솔루션을 요구하지만 중소기업은 핵심기술을 갖췄음에도 불구하고 제한된 인력과 자금으로 인해 짧은 시간 내 수요기업에서 목표로 하는 제품을 개발하고 검증하는 것이 어려운 현실이다. 그래서 윌코는 수요기업에서 요구하는 역량을 갖추기 위해 수요기업에서 설계 및 수행을 지원하는 양산성능지원평가사업의 문을 두드리게 됐다.

기존 소재 比 두께 절반·무게 40% 경량 자랑, 화염 폭발 10분 이상 지연

양산성능평가지원사업, 성능·신뢰성·기술 업그레이드 및 제품 적용확대

■ 수요기업 참여로 맞춤 솔루션 제공

윌코의 양산성능평가지원사업을 지원하기 위해 수요기업인 브이메이커가 힘을 보탰다. 수요기업인 브이메이커는 PHC로부터 출자를 받은 PHC 자회사로써, 같은 그룹사인 전기차 배터리팩 제조사인 카펙발레오에 소재를 공급하고 있는 첨단 소재 전문회사이다. 전기차·자율주행차량, 인쇄 소자 등에 적합한 페이스트, 방열소재, 기능성 접착·코팅 소재 및 부품을 생산하는 브이메이커는 윌코의 지연 소재의 성능 평가와 시제품의 양산 등을 뒷받침 했다.

열폭주 지연 소재는 배터리의 가장 작은 단위인 셀(Cell)부터 크게는 배터리팩 단위까지 사용되고 있다. 이때까지 생산된 전기차 배터리팩에는 운모판이라 불리는 마이카(MICA) 시트를 적용했는데, 성능 등의 문제로 마이카를 3장 겹쳐 사용해야 했다.

▲ 윌코가 개발한 열폭주 지연 소재를 생산하고 있다.

하지만 윌코가 개발한 소재는 1장만으로도 성능에 문제가 없으며, 이에 따른 비용도 1/3 수준으로 줄어든다. 또 두께도 얇아져 전기차 배터리팩 내부 공간 제약을 해소하고 뛰어난 공간 활용성을 제공할 수 있다.

이렇게 우수한 성능을 자랑하는 윌코의 열폭주 지연 소재지만 조립 과정에 내구성 문제가 발생해 열폭주 지연 성능 확장에는 한계가 있었다. 윌코는 소재 강화층에 기능성 코팅액을 사용해 제조했고, 조립을 위해 타발 시 소재가 접힐 부분에 칼집을 형성했다.

이러한 제품을 배터리팩에 조립할 때, 접히는 부분에서 코팅층 박리가 일어나 가루가 떨어지고 강화층 일부가 찢어는 문제가 발생했다. 이 두 가지 문제는 열폭주에 이은 화염 전이에 직결돼 지연 성능에 직접적인 영향을 미치기 때문에 반드시 개선이 필요했다. 윌코는 이번 양산성능평가지원사업을 통해 이러한 과제를 해결하고자 했다.

윌코는 연구개발과 성능 평가를 통해 고강도의 원단으로 변경해 타발 후에도 강도가 유지될 수 있도록 했으며, 소재를 굴곡진 형태로 접어 조립해 성능에 문제가 없도록 했다. 또한 수요기업인을 통해 배터리 모듈을 생산하는 최종 고객사인 카펙발레오의 평가를 받아 제품의 신뢰성을 확보했으며, 제조 공정에서 모든 제품이 동일한 성능을 유지하도록 품질 개선에도 힘썼다.

윌코의 열폭주 지연 소재 품질이 업그레이드되면 당사뿐만이 아니라 수요기업 측면에서도 배터리팩 조립성이 개선돼 생산 속도가 향상된다. 게다가 가루가 떨어지지 않게 됨으로써 작업자의 건강한 작업환경도 보장된다.

본 과제를 통해 개발된 소재는 성능 평가 결과를 바탕으로 배터리팩 탑 케이스뿐 아니라 다른 발열 부위에도 적용해보고자 평가를 받고 있다.

▲ 타발된 단열 소재

윌코의 열폭주 지연 소재가 상용화돼 전기차 배터리에 적용된다면 회사의 성장은 물론, 배터리 원가절감을 통한 전기차 가격 인하와 열폭주 지연 성능 향상을 통한 전기차 안전성 불안감이 해소될 뿐만이 아니라 전기차 보급 및 탄소중립에 크게 기여할 것으로 전망된다.

수요기업과 연계한 제품 개발은 가치 창출의 효과가 매우 크다. 수요 기업이 연구개발 과정에 참여하면서 수요 기업의 요구사항을 반영해 실질적인 시장 수요에 맞는 제품 개발이 가능하고, 최종 제품이 시장에서 외면 받을 위험을 줄일 수 있다. 또 수요기업과의 협업 과정에서 기업은 최신 기술 트렌드를 반영하고 기존 기술을 업그레이드를 할 수 있는 기회를 얻을 수 있기 때문이다.

윌코는 제품을 시험하고 평가할 장비를 갖추는 비용이 만만치 않은 데다 제품의 신뢰성을 검증하는데 오랜 시간이 들어 중소기업 입장에서는 제품의 연구·개발 및 양산화가 매우 어려운 것이 현실인데, 그런 점에서 이번 지원 사업을 통해 수요기업과 함께 기업에서 목표하는 제품을 만들 수 있도록 지원받은 것이 가장 큰 혜택이라고 평가했다.

윌코 관계자는“이번에 윌코의 화재 억제 기술을 전기차 배터리팩 뿐 아니라 다른 단열이 필요한 분야에도 접목해 볼 수 있는 기반을 다질 수 있었다”며 “윌코와 같은 고민을 하고 있는 기업들이 지원 사업을 통해 경쟁력을 향상시킬 수 있길 바란다”고 전했다. 또한 “윌코는 앞으로 지속적인 연구개발을 통해 기술 및 제품 역량을 향상시켜 첨단 소재기업으로 거듭 날 것”이라고 말했다.