[생생일본통]전기차 성공 '모터'에 달렸다

일경일렉트로닉스, 'EV로 Full 가속, 모터 개발 대경쟁' 특집기사 게재
자료제공=해동일본기술정보센터, 정리=김지영 기자 orghs12345@HelloDD.com 입력 : 2020.01.20|수정 : 2020.01.20
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전기자동차 보급이 늘어나면서 모터개발 경쟁이 치열해지고 있다. 2~3년 전에 없었던 모터 조사의뢰가 늘어나고 있으며, 모터 개발 설계자 모집 연봉도 550만엔~950만엔 수준으로 높아지는 등 모터 기술자를 둘러싼 쟁탈전이 벌어지고 있다.

치열함을 넘어 복잡함이 심화되고 있는 자동차용 모터 개발 경쟁 동향을 일경일렉트로닉스가 특집기사를 통해 소개했다. 자세한 내용을 하단에 소개한다.

일경일렉트로닉스가 '보이지 않는 모터, EV가 풀 가속'을 주제로 특집기사를 실었다.<사진=해동센터>일경일렉트로닉스가 '보이지 않는 모터, EV가 풀 가속'을 주제로 특집기사를 실었다.<사진=해동센터>

◆ 제1부: 차세대 자동차
EV 분야에서 펼쳐지는 기전(機電)일체의 대경쟁, 모터 기술은 '투명'해져

 
자동차 제조사가 추진하는 EV(전기자동차)화로 인해 모터의 개발 경쟁이 치열해지고 있다. 경쟁의 중심은 소형·경량·고효율과 더불어 비용과 노이즈·진동의 대폭적인 절감이다. 인버터와 기구부를 통합한 '이엑슬(eAxle)'로 불리는 기전일체의 모듈에서 경쟁이 펼쳐지고 있다. 전기와 기계와의 복잡하고 다양한 조합을 최적화하기 위해 모터 자체의 사양은 모습을 감추는 추세이다.
 
"2~3년 전까지 거의 없었던 모터 관련의 조사 의뢰가 최근에 들어 대부분을 차지하게 되었다".

모터에 대한 관심의 고조에 놀라워하는 것은 자동차 분야의 조사를 맡고 있는 마크라인즈(MarkLines)의 집행위원 컨설팅 사업부장의 요시카와(吉川) 씨이다.
 
디젤엔진의 배기가스 규제를 불법적으로 피하려 했던 '디젤게이트 사건'이 2015년에 발각된 것을 계기로 대형 자동차 제조사가 주력하고 있는 라인업의 하나로서 EV 개발을 본격화하게 된 것이 그 이유이다. 자동차용 모터는 타이어를 회전시키는 주기(主機)용과 브레이크·조타의 자동화용 등에 1대당 100~200개의 모터가 탑재되어 있다. 신차종이나 신기능에는 필수라고 할 수 있을 정도로 모터의 신규 탑재 및 기능 강화가 요구되고 있다.
 
모터의 대기업인 일본전산(日本電産)은 2019년 10월의 결산 설명회에서 2019년용으로 10만대였던 자동차의 주요 기종용 모터의 발주가 2023년용으로는 약 220만대로 20배를 넘어섰다고 밝혔다. 중국의 신흥 제조사의 EV용 수요와 함께, 특히 유럽 시장용 EV/HEV(하이브리드 차) 수요에 가속도가 붙기 시작했다. 또한 올 7월 시점에서는 90만대였던 발주가 10월에는 445만대로 "5배로 급증했다"(일본전산 대표이사 겸 회장인 나가모리(永守) 씨).
 
'연봉 550만엔~950만엔. 모터 개발 설계자 모집'. 덴소가 차세대차용 모터의 기술자를 모집하고 있다. 2019년도에 들어서면서 본격화된 전동 항공기용 모터의 개발을 위한 개발자도 함께 모집 중에 있다(둘 다 2019년 10월 시점).

모터 기술자를 둘러싼 쟁탈전은 신규 졸업자 대상에서도 마찬가지이다. "모터를 연구한 학생은 기업으로부터의 요청이 쇄도한다"(오사카대학대학원 공과연구과 니구치(新口) 조교수).
 
- EV로 한층 더 모듈 개발 추진 
자동차용 모터의 개발 경쟁은 치열함과 동시에 복잡함이 심화되고 있다. 주기(主機, 추진에 필요한 원동력을 공급하는 기계) 회전의 모듈화 진행과 이에 대응하기 위한 업계 재편에 의해서이다.
 
주기 회전의 모듈화란 제어용 전자회로의 인버터와 기어 등의 기구부를 모터에 통합시키는 것이다. 통합기술로 실현된 '이엑슬(eAxle)'이다.
 
이엑슬은 자동차 제조사가 EV/HEV의 차체를 모듈 베이스로 개발할 때 핵심이 된다. 개별로 부품을 조합해 개발하기 보다는 소형화가 가능해 개발 기간을 단축시킬 수 있다. 향후 자율주행 시대를 대비해 자동차를 이용한 서비스 사업의 비중을 늘리고 있는 가운데, 모듈 베이스의 개발은 이미 트랜드로 자리잡고 있다.
 
이엑슬에 이은 모듈화에는, 인호일 모터가 있다. 바퀴에 구동부를 탑재해 4바퀴를 독립적으로 제어한다. 많은 자동차 제조사 및 차재 부품 제조사는 장기적인 연구 테마로서 추진하고 있다.
 
- 개발 방향을 정하기가 힘들다
부재 제조사에 있어 모듈 베이스의 개발 트랜드는 2가지 측면이 있다. (1)방대한 개발 리소스를 필요로 하는 것. 한편, (2)시장 점유율을 늘릴 좋은 찬스도 될 수 있다.
 
(1) 모터 및 인버터 등의 요소기술은 변혁기를 맞이하고 있으며 최적의 조합은 유동적이다. "엔진의 경우 실현 방법은 비슷하나, 모터는 정해져 있지 않다"(마크라인즈의 요시카와 씨)
 
기존 기술만을 사용하는 경우에도 같은 사양을 실현하는 부재의 조합은 얼마든지 있다. 예를 들어 특정의 회전 수에서의 효율을 높인 모터와 변속기를 조합시킬지, 변속기는 사용하지 않고 넓은 회전 범위에서 밸런스 있게 효율을 높인 모터를 사용할 지와 같은 상황이다.
 
또한 단순히 모터나 인버터, 기어를 조합시키는 것만으로는 충분한 성능을 얻을 수 없다. 예를 들어 컴퓨터 시뮬레이션에 의한 CAE(Computer Aided Engineering) 도구를 구사해 설계해도 예상치 못한 노이즈나 진동이 발생하는 경우가 있다.

"모터로 주행할 때는 노이즈나 진동을 엔진 주행 때보다 15~20㏈ 낮출 필요가 있다"(일본전산 전무집행위원 차재사업본부장 하야부네(早船) 씨).

10분의 1(20㏈)이라는 대폭적인 정음화(淨音化)를 위해서는 고도의 통합 기술이 반드시 필요하다.
 
설계 시의 예측이 어려운 것에는 이엑슬의 케이스와 모터 및 인버터의 케이스를 조합시킨 경우의 공진주파수가 하나로 정해지지 않는다는 것에 있다. 시작(試作)을 하고 나서 처음으로 노이즈나 진동이 발생된다는 것을 확인하게 되는 경우, 케이스에 보강재를 추가하거나 인버터의 스위칭 주파수에 포함된 성분을 조정, 또는 기어 표면에 홈을 파거나 굽거나 연마 가공하는 등의 치밀한 대응이 필요해진다. 이런 기술은 "분해를 해도 알 수 없는 노하우의 결정체'(하야부네 씨)이다.
 
이엑슬을 손에 넣기 위해서는 다양한 요소기술에 폭넓게 대응할 수 있는 개발력과 리스크에 견딜 수 있을 만큼의 자본력, 또한 통합기술을 축적할 수 있는 제조능력이 요구된다. 효율적인 개발 체제는 물론, 기술자 및 자금의 신속하며 다이내믹한 배분이 가능한 매니징 능력도 반드시 필요하다.
 
- 일본전산(日本電産)이 질서 파괴
(2) 모듈화는 차제부품 제조사에게 EV화의 큰 흐름을 잡을 수 있는 천재일우의 찬스라고 할 수 있다. 각각의 부품보다 큰 이익을 얻을 수 있다. 그런 찬스를 놓치지 않기 위해 각 사가 본격적으로 나서기 시작했다.
 
이엑슬 시장에서 가장 강하게 승부수를 띄우고 있는 것이 일본전산이다. 차재시장에 처음 진입하는 일본전산이지만 업계 최초로 이엑슬의 양산을 비롯해, 수주를 계속 받고 있다. 일본전산의 회장인 나가모리 씨가 목표로 하는 것은 PC의 'Intel Inside'와 마찬가지로, EV를 열면 일본전산의 에엑슬이 패키징 되어있는 상황이다. "선택 수주 등이 아닌 '전체'를 노려야 한다고 있다"(나가모리 회장). 현재 EV제조사가 난립하고 있는 중국에 2곳의 공장을 설립하고 있으며 또한 유럽 시장용으로 폴란드, 미국 시장용으로 멕시코의 공장에서도 생산해 나갈 예정이다.
 
모듈화의 발전과 일본전산의 공세가 이어지는 가운데, 기존의 차재부품 제조사의 업계지도도 달라지기 시작했다. 차제부품의 대기업인 독일 콘티넨탈오토모티브(Continental Automotive)는 2019년 10월에 이엑슬을 포함한 파워트레인 부문을 독립시켰다.

"기술변화를 가늠하기가 상당히 어려운 파워트레인 시장에서는 신속한 의사결정이 중요하다"(콘티넨탈오토모티브).

독립된 새로운 회사인 Vitesco Technologies가 2019년에 제품화된 지 얼마 안된 이엑슬을 제공, 가볍다는 특징이 있다.
 
또한 차재 부품의 대기업인 덴소와 아이신(AISIN)그룹은 2019년 4월에 합병기업인 블루이넥서스(BluE Nexus)를 설립했다. 새로운 회사는 이엑슬을 개발, 2020년에 양산할 예정이다. 덴소와 아이신은 단독으로도 이엑슬을 개발할 수 있는 개발 자원을 보유하고 있을 뿐만 아니라, 덴소의 인버터 기술과 아이신의 모터 기술과 같은 강점을 합쳐 개발 체제를 효율화할 수 있다. 계열의 파괴자라고 할 수 있는 일본전산에 도요타자동차 그룹계열을 뛰어넘은 '외판'을 기존 이상으로 강화해 대항한다는 방침이다.
 
◆ 제2부: 차세대 센서
누구나 엑추에이터, 'IoT'로 사용하기 쉽게

 
모터의 응용 범위 및 유저 층은 자동차 분야를 뛰어넘어 확산되고 있으며 모터를 누구나 손쉽게 이용할 수 있게 하는 제품 개발이 활발해지고 있다. 편의성 향상을 위해 모터의 특질은 뒷전으로 밀리고 있는 추세이다. 마이크로 컴퓨터 및 네트워크 인터페이스와 감속기 및 베어링 등의 기구부를 모터와 일체화해 간단한 명령으로 유저가 원하는 움직임을 실현한다.
 
모터에 변화를 가져 온 것은 EV(전기자동차)뿐만이 아니다. IoT의 보급이 이 '움직임'을 기기나 서비스에 활용하고 싶어하는 유저 층을 확대하고 있기 때문이다. 이에 따라 누구에게나 사용하기 쉬운 모터의 수요가 현저히 늘어나고 있다.
 
저렴하고 고성능의 마이크로 컴퓨터 통신 인터페이스를 조합시키면 인터넷 경유로 간단한 명령을 입력해 손쉽게 모터를 제어할 수 있다. 폭넓은 분야에서 IoT가 활용되고 있는 것을 배경으로, '누구나 엑추에이터'라는 개념의 IoA(Internet of Actuators)가 시장에 등장하기 시작했다.
 
'CEATEC 2019'(2019년 10월 15~18일, 마쿠하리(幕張) 멧세)의 전시를 통해 모터의 응용 및 유저 확대에 대응한 개발 사례를 설명한다.
 
- 커맨드 제어의 일체형 모터 
로봇관련 제품을 개발·판매하고 있는 스마트로보틱스(Smartrobotics)는 감속기 및 베어링, 회전위치·회전 수를 측정하는 인코더, 부하유지용 브레이크, 서보 드라이버를 일체화한 모터를 개발해 2020년에 제품화할 예정이다. 고객에게 배포해 반응을 얻기 위한 알파 버전의 개발을 이미 마친 상태이다. "움직이는 오브제를 개발하고 싶어하는 크리에이터나 소프트웨어 개발자 등 모터를 다루는데 익숙하지 않는 사람이 사용하길 원한다"(스마트 로보틱스).
 
개발의 장벽을 낮추기 위해 하드웨어를 일체화시켰을 뿐만 아니라, 설계 환경도 궁리했다. 예를 들어 제어용 커맨드의 기술에는 C언어 및 PLC(Programmable Logic Controller)용 언어보다도 습득이 간단하며 AI(인공지능) 분야에서 개발자 수를 늘리고 있는 프로그래밍 언어 'Python'을 사용한다. 커맨드로서 회전 각도 및 회전 수 등의 매크로 명령을 네트워크 경유로 송신함으로써 제어가 가능하다. GUI(Graphical User Interface)에서의 프로그래밍을 가능하게 하는 PC용 툴도 스마트로보틱스에서 제공한다. 커맨드는 RS-485의 인터페이스로 전송한다.
 
정지 시의 상태를 유지하는 브레이크 기구(機構) 외에도 축 방향 및 축과 수직방향의 힘이나 비트는 힘을 받아도 견딜 수 있는 메어링 기구를 탑재하고 있으며 축에 암(Arm)을 직접 붙이면 하중이 걸리는 다축 로봇 팔을 추가 기구 없이 개발할 수 있다.
 
◆ 제3부: 차세대 엔진
'초전도 모터밖에는 없다', 비행기·자동차·철도에 적용

 
연구 대상일지라도 실제 사용과는 거리가 멀다---. '초전도 모터'라고 듣고 그렇게 생각하는 기술자는 적지 않을 것이다. 그러나, 기존의 초전도 관련 기술을 사용한다고 해도 실용화의 목표는 2030년. 이제는 먼 미래의 얘기가 아니다. 항공기 업계가 월등히 높은 에너지 밀도에 착안해 일본·미국·유럽에서 개발이 진행되고 있다. 냉동기를 포함한 에너지 효율도 높아 전기자동차 및 철도, 선박으로의 응용도 시야에 넣고 있다.
 
"항공기업계는 2050년의 CO2 배출량을 2005년대비 절반으로 줄여야 되는 필요성에 직면해 있다. 한편에서는 항공기 수요가 2050년까지 두 배로 증가할 것으로 예측되고 있다. 1대 당 CO2 배출량을 적어도 4분의 1로 절감하지 않으면 안 되며 그러기 위한 추력원(推力源)은 초전도 모터밖에 없다". 이렇게 말하는 것은 큐슈대학 대학원 시스템 정보과학연구원 전기 시스템공학부문 교수인 이와쿠마(岩熊) 씨이다.
 
항공기 업계의 CO2 배출량의 삭감 목표는 국제연합의 조직 중 하나인 ICAO(국제민간항공기관)가 결정한 것이다. 국제연합은 항공기 제조사를 비롯한 관련기업의 주주에게 CO2의 삭감을 위해 노력하는 기업에 투자하도록 압력을 넣고 있는 등, 산업계는 목표를 소홀히 할 수 없는 상황에 있다고 한다. 피할 수 없는 규제에 다급해진 항공기 제조사들이 본격적으로 초전도 모터에 의한 항공기 개발에 나서고 있는 셈이다.
 
- 액체 수소로 냉각한 발전도 
초전도 모터에 의한 항공기는 제트기의 주날개(주익) 등에 장착하는 터보팬 엔진의 동력을 모터에 그대로 옮겨놓은 것이라고 말할 수 있다.

그러나 부력을 생성시키는 수법은 제트기와는 다르다. 제트기에서는 제트 분사와 팬으로 후방으로 밀어내는 기류의 반동에 의해 전방으로의 추진력을 얻는다. 상부 단면을 휘게 만든 주익으로 부력을 발생시킨다. 초전도 모터 항공기에서는 주익의 상부에 장착한 다수의 초전도 모터에 의한 팬으로 주익 상부에 빠른 기류를 만들어낸다. 주익의 상하에서 발생하는 기압 차로 부력을 얻을 수 있다.
 
전원에는 배터리를 사용하지 않고 기존의 제트 연료나 LNG(액화천연가스), 앞으로는 액체 수소에 의한 발전기로부터 얻게 된다. 기존의 배터리로는 중량 에너지밀도가 낮기 때문이다. 발전기와 모터, 이것들을 연결시키는 배선을 초전도화 한 것이 전(全)초전도기가 된다. 비교적 저렴한 액체 질소로 초전도가 가능한 고온 초전도 재료를 사용한다. 제트연료를 이용하는 전 초전도기는 냉동기의 전력을 필요로 하지만, 이것을 포함해도 연료 소비량을 현행기의 30%로 절감할 수 있다고 한다. 별도의 개선으로 CO2 배출량의 4분의 1(25%)로 줄이는 목표 달성을 내다보고 있다.
 
- 모터의 통일 이론을 구축
초전도 모터의 개발은 모터의 기본적인 원리 해명에도 도움이 된다고 교토대학 공학연구과 특정교수인 나카무라(中村) 씨는 말한다. 권선의 저항치가 제로라는 이상적인 상태를 실현할 수 있기 때문이다. 설계 수치와 계측 수치의 비교가 모터에 관한 이론의 보다 정확한 검증으로 이어진다.
 
초전도 모터의 특성을 살려 '모터의 통일 이론을 만든다'는 것이 그의 커다란 연구 테마이다. 이론이 완성되면 초전도 이외의 모터 효율 개선으로도 이어질 전망이다.
 
<해동일본기술정보센터는 故김정식 대덕전자 회장의 기부금으로 설립된 비영리 일본 기술정보센터입니다. 후학들이 선진 일본기술을 습득해 기술강국을 만드는데 기여했으면 하는 바람으로 2010년 3월 서울대학교 관악캠퍼스 공과대학 내에 개소했습니다. 다양한 일본 기술 서적과 일본 정부·산업계 백서, 기술보고서 등을 보유, 온·오프라인으로 정보를 제공하고 있습니다. 매주 발행되는 주간브리핑 신청은 hjtic@snu.ac.kr 로 가능합니다.>
자료제공=해동일본기술정보센터, 정리=김지영 기자의 다른 기사 더보기
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