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‘미세 아크’사전 감지로‘ESS 대형 화재’차단한다!

생기원-대경산전, 국내 최초 독자적 엠보싱 구조의 미세 아크 포집기 개발

미세 아크 신호 최대 80%까지 포집 → ESS 화재 예방 효과 기대

□ 한국생산기술연구원(이하 생기원, 원장 이낙규)이 중소기업 대경산전과 공동 연구를 통해 ‘ESS(Energy Storage System) 미세 아크 감지 시스템’ 개발에 성공했다. 해당 시스템은 배터리에서 발생하는 미세 아크(Arc, 전자 불꽃)를 사전에 감지해 전원을 차단함으로써, 대형화재를 예방할 수 있다.

ㅇ 일반적으로 ESS는 수많은 배터리와 커넥터 등이 결합돼 만들어 진다. 때문에 하나의 배터리에서 작은 불꽃인 미세 아크가 발생하면 다른 배터리로 옮겨 붙으면서 대형화재로 이어지기 쉽다.

ㅇ ESS 대형화재를 예방하기 위해서 1차적으로 미세 아크 발생 자체를 줄이면서도, 2차적으로 발생된 미세 아크를 조기 발견해 화재로 이어지는 것을 예방하는 시스템 마련이 시급하다.

□ ESS를 생산하는 대경산전은 미세 아크 발생 원인에 주목했다. 배터리를 연결하는 커넥터 체결부가 헐거워지면서 에너지 전달 효율이 감소하고, 결국 과부화로 인해 미세 아크가 발생하고 화재로 이어진다고 봤다.

ㅇ 이러한 문제를 개선하기 위해 배터리와 커넥터 사이에 완충부를 추가하기로 했다. 다만 배터리 커넥터의 소재는 ‘동’이었고, 완충부의 소재는 ‘알루미늄’으로 두 ‘이종소재간의 접합’ 문제가 과제로 남았다.

ㅇ 이와 함께 미세 아크 신호의 포집률을 높이기 위한 독자적 아이디어도 도출했다. 배터리 트레이 상단 안쪽을 피라미드 엠보싱 형태로 제작해 미세 아크의 빛 반사를 통해 센서까지의 도달률을 높이자는 것.

ㅇ 이를 위해 소재는 자외선 반사율이 90%이상인 알루미늄을 선택했다. 하지만 일반 프레스 성형으로는 피라미드 엠보싱의 뾰족한 부분이 찢기는 문제가 발생했다. 알루미늄 ‘난(難)성형’이 제작의 걸림돌이 됐다.

□ 생기원 탄소소재응용연구그룹 심지연 박사는 전자기력* 기반 고속접합·성형기술을 기반으로 대경산전이 안고 있던 두 가지의 문제를 완벽히 해결했다.

ㅇ 전자기력을 이용해 소재와 소재가 200m/s이상의 고속에서 충돌하면, 순간 소재가 유체처럼 변하면서 강하게 접합되는 원리를 이용해, 이종소재인 배터리 케넥터(동)-완충부(알루미늄)의 접합문제를 해결했다.

ㅇ 마찬가지로 전자기력으로 알루미늄을 고속에서 성형하면, 국부가 가열됨으로써 성형성이 개선되는데, 이를 통해 뾰족한 피라미드 엠보싱 구조의 트레이 제작이 가능해졌다.

ㅇ 피라미드 엠보싱 구조는 어느 배터리에서 미세 아크가 발생하든 빛 반사를 통해 단 1개의 센서만으로도 미세 아크 신호를 80%이상 포집할 수 있다. 다량의 센서를 달지 않아도 돼 센서 비용 절감 효과도 따라왔다.

*전자기력: 충전된 고(고)전기에너지를 수백 마이크로초(μs) 이내에 방전하면 코일과 가공재 사이에 전자기현상이 발생되는 것

□ 대경산전은 생기원과의 협업을 통해 회사의 신성장동력인 ESS시스템에 안정성을 더할 수 있었다. 아울러 기술관련 특허 출원 3건, 고용창출 3명의 성과도 냈다.

ㅇ 이번에 개발된 제품은 상용화를 위한 실증테스트를 거쳐 올해 상반기에 출시될 예정이며, 향후 판매로 이어질 경우 올해 기업의 목표인 총 매출 300억 원 달성에 기여할 것으로 기대된다.

□ 생기원 심지연 박사는 “ESS 미세 아크 감지 시스템은 기업의 독자적 아이디어와 생기원의 기술력이 합쳐진 협업의 결과물”이라면서 “이 시스템이 향후 기업의 매출 신장에 도움이 되길 바란다.”고 밝혔다.

ㅇ 대경산전 김경호 연구소장은 “중소기업에서 성형·접합에 새로운 인력이나 예산을 투입하기 어려운 게 현실”이라며, “생기원이 아이디어를 현실로 바꿔줬고, 기업이 채우기 어려운 공백을 채워주었다.”고 말했다.

ㅇ 한편 이번 연구는 생기원 ‘중소기업 지원 선도연구기관 협력기술개발사업**’을 통해 진행됐으며, 생기원 대표기술 ‘키-테크(Key-Tech)’***성과 중 하나이다.

** 중소기업 지원 선도연구기관 협력기술개발사업 : 생기원을 비롯한 출연(연)이 보유한 우수 연구 인프라(인력, 장비 등)을 활용해 중소기업 맞춤형 기술개발 지원으로 기술 경쟁력을 제고 및 지속 성장 촉진 기반을 마련하는 사업

*** ‘키-테크(Key-Tech)*’ 국가 R&D혁신을 주도하고 소·부·장 독립을 뒷받침할 수 있는 생기원 대표기술로, 뿌리산업 등 전통 제조업의 공정개선부터 4