전기차라고 내연기관에서 겪어왔던 성가신 누수, 누유 문제로부터 자유로운 것은 아니다. 오히려 마일드, 풀 하이브리드, 플러그인, 배터리, 연료전지 등 모든 전기차에서 고전압 시스템인 컨트롤러, 모터, 배터리에 대한 누수 이슈는 더 중요할 수 있다. 플렉서블 커플링으로 세계 시장을 지배하고 있는 SJM의 자회사인 엠에이치기술개발은 혁신적인 ‘제로릭 튜브’ 기술로 전기차의 누수 이슈는 물론 열 관리, 비용 문제 등을 동시에 해결하면서 전기차 쿨링 테크의 게임체인저가 되려 한다.

글 | 한상민 기자_han@autoelectronics.co.kr   







“잘 아시겠지만, 자동차 산업뿐만 아니라 거의 모든 산업에서 업무 진행이 원활하지 못했고 글로벌 교류가 사실상 중단되다시피 했쟎아요. 심지어 국내 출장조차 마음대로 다니지 못했어요. 아마 코로나 사태가 없었다면 저희는 전기차 쿨링 부문의 게임체인저가 돼 이미 양산을 하고 있을지 몰라요.” 
12월, 송도의 매서운 바닷바람을 뚫고 SJM의 자회사 엠에이치기술개발(MH Technologies)의 유근혁 이사를 만났다. 팬데믹 공포가 사그라들고, 봄을 기다리면서, 유 이사는 ‘제로릭 튜브(Zero-Leak Tube)’ 기술에 대한 북미 마케팅 재개를 손꼽아 기다리고 있었다. 엠에이치기술개발은 차세대 전기차의 수냉식 열 관리 부문에서 ‘누수’ 없는, 성능 좋고 비용 효율적인 알루미늄 하우징 솔루션으로 ‘히트’를 꿈꾸고 있었다.     


누수 원천차단

전기차라고 내연기관에서 겪어왔던 성가신 누수, 누유 문제로부터 자유로운 것은 아니다. 
오히려 마일드, 풀 하이브리드, 플러그인, 배터리, 연료전지 등 모든 전기차에서 고전압 시스템인 컨트롤러, 모터, 배터리에 대한 누수 문제는 더욱 중요해졌다. 게다가 이것은 열 관리의 문제이기도 하다. 이런 시스템은 최적 온도를 유지하기 위해 훨씬 더 복잡한 쿨링 제어 시스템을 갖고 있다. 그러니까, 전기차는 오일, 냉각수 등의 누유, 누수의 심각성을 여전히 안고 있는 것이다. 

전기차의 누유, 누수는 차량 성능에 치명적인 영향을 미칠 뿐만 아니라 심각한 안전 문제로 이어질 수 있어 매우 강조된다. 예를 들어, 배터리는 리튬, 망간, 플라스틱 등 다양한 인화성 물질을 포함하고, 특히 리튬이 물에 대한 반응성이 높아 노출될 경우 심각한 문제가 발생할 수 있다. 그만큼 배터리 전기차, 하이브리드, 연료전지이든, 자율주행 시스템이나 첨단 운전자 지원 시스템(ADAS)이든, 각종 센서, 컨트롤러, 모듈, 스타터 및 구동 모터 등 모든 전기 관련 부문에서의 가장 중요한 요소는 효율적인 냉각성능 제어를 통한 안전성의 확보다. 

“스타터 또는 구동모터, DC/DC 컨버터, 인버터, 온보드 차저 등 컨트롤러, 배터리 등 냉각이 요구되는 부문의 알루미늄 하우징에 저희 ‘제로릭 튜브’ 기술을 적용하면 고객이 요구하는 냉각 성능을 충분히 확보하면서 냉각수 유출을 원천적으로 차단할 수 있습니다. 이뿐 아니라 알루미늄 하우징의 내구성 확보는 물론, 내부 냉각 유로의 부식을 원천적으로 차단할 수 있습니다. 생산이나 비용적인 측면에서도 생산공정을 단순화하고 부품을 줄일 수 있어 무게 절감 및 원가 절감을 실현할 수 있습니다. 또 100% 알루미늄만 사용하기 때문에 리사이클링 이슈에서도 자유롭습니다.” 유 이사가 요약했다.







제로릭 튜브 기술, 이것은 혁신적인 프로세스를 갖고 있다. 알루미늄 파이프(튜브)를 압출하고, 그 안에 수용성과 통기성을 지닌 특별한 충전(filling) 소재를 넣은 다음 원하는 디자인에 맞춰 파이프를 밴딩, 프레싱, 포밍하고, 그 파이프와 알루미늄 하우징을 동시에 고압 다이캐스팅(HPDC) 한다. 그런 후 충전재를 제거하고 클리닝하면 냉각 유로(파이프)가 일체화된 혁신적인 알루미늄 하우징이 탄생한다. 동일 소재의 알루미늄 파이프와 함께 다이캐스팅 오버몰딩을 한 것이기 때문에 기존 제품의 공정과는 완전히 다르다.

컨트롤러 등에 적용되는 일반적인 냉각 하우징은 ▶커버 웰딩/볼팅 ▶파이프 피팅/글루잉 ▶스틸 파이프 삽입 몰딩 등 주로 세 가지 공법이 사용되고 있다. 
커버 웰딩/볼팅 방식의 경우 커버를 웰딩이나 볼팅으로 냉각수 누수방지를 위한 실링을 한다. 볼팅 방식의 경우 추가적으로 가스킷이 같이 적용돼야 하고 두 방식 모두 고압 다이케스팅 하우징의 기공을 메우는 함침 작업을 추가적으로 실시해야 하며, 마감 밀링, 클리닝, 니플 조립, 커버 웰딩/볼팅, 누수 테스트 등의 복잡한 공정을 거친다. 

다른 방법으로는, 냉각 유로를 하우징에 오버몰딩을 하고 싶어도 불가능하기 때문에 유로(파이프)를 따로 만들어 피팅/글루잉 방식으로 하우징에 접합하거나 스틸 파이프를 사용해 하우징에 오버몰딩을 하기도 한다. 파이프 피팅/글루잉 방식은 알루미늄 하우징 자체에 파이프를 끼울 수 있도록 홈을 만들어 다이캐스팅하고, 파이프를 하우징에 글루로 붙이는 방식이다. 하지만 글루를 사용하기 때문에 내구성 문제가 발생하는 것은 물론, 파이프와 하우징 사이 갭이 존재할 수밖에 없어 냉각 효율이 떨어질 수 있다. 

“갭이 생기면 그 안에 진공, 보온 효과가 생겨 냉각성능도 떨어지지만, 내구성도 크게 나빠집니다. 시간이 지날수록 글루는 산화되고 떨어져 나갑니다. 이에 따라 하우징과 유로 간의 갭은 점점 커질 수 있고 냉각성능도 크게 저하될 수 있습니다.”  

이러한 단점을 보완하기 위해 스틸 파이프를 이용해 하우징과 오버몰딩하기도 하지만, 이런 타입의 경우에도 알루미늄과 스틸이란 이종 재질로 인한 열경화성 갭 발생이 불가피하고 냉각성능도 우수하지 못하다. 또 리사이클링이 어렵다는 문제도 상존한다. 게다가 전통적인 방식의 하우징에는 냉각수 인렛, 아웃렛을 위한 니플이 요구된다. 부품과 공정의 추가 비용이 들어가고 니플 체결 부위의 냉각수 유출 위험도 크다. 제로릭 튜브의 경우엔 튜브 자체에서 니플 형상을 그대로 구현할 수 있어 별도의 니플을 만들고 조립하는 공정이 필요 없다. 









“저희는 알루미늄 다이캐스팅 시 파이프에 두 가지 물질을 채웁니다. 600~1200바, 용탕 온도 730도에서도 문제가 없는, 특허받은 수용성, 통기성 충전재를 통해 공정 후에도 유로가 그대로 살아있습니다. 엠에이치기술개발은 이 기술을  2년 동안 독일의 프라운호퍼 연구소와 함께 개발, 검증해 2021년 양산기술로서 적합성을 인정받았습니다. 그리고 이를 바탕으로 지속적인 연구개발로 특허(국내외 원천특허 135개 이상)를 늘려가고 있습니다. 강조하지만, 기술의 가장 중요한 장점은 차량이나 부품의 안전성에 심각한 영향을 줄 수 있는 냉각수의 ‘누수’ 가능성을 원천적으로 차단하고자 하는 것이고, 거기에 더해 기존 공법 대비 같거나 우수한 냉각 효율을 구현하고, 생산공정 및 부품의 간소화(함침, 볼팅, 웰딩, 본딩, 니플 삭제 등) 및 최적화 디자인을 통한 무게 절감 등 여러 가지 장점을 동시 실현해 비용까지 저감할 수가 있다는 것입니다.” 유 이사가 설명했다.  



모터를 식혀라 

엠에이치기술개발은 제품을 디자인할 때 자체적으로 STAR_CCM이나 FloEFD와 같은 툴을 사용해 냉각성능을 분석하고 최적화해 고객에게 제품을 제안한다. 예를 들어, 유로 단면의 경우 단지 원형이 아닌, 물이 닿는 면적을 늘리고 플로를 향상시키는 스트레이트 핀 등 다양한 형상을 만들어 냉각성능을 높인다. 

“핀을 주게 되면 그만큼 성능이 높아집니다. 이런 것을 하는 곳은 저희뿐이에요! 물론 알루미늄 파이프와 하우징을 오버몰딩하는 것도 유일합니다.” 

제로릭 튜브는 모터 애플리케이션에도 적용된다. 현재 모터에 대해 양산 중인 냉각기술은 크게 수냉과 유냉 방식으로 나뉜다. 단순 비교하면, 유냉을 적용하면 패키징 비용이 높아지고, 수냉은 상대적으로 비용 효율적이지만, 냉각성능이 떨어지고 누수 가능성이 크다는 단점이 있다. 따라서 일반적인 드라이브 모터에는 수냉이 적용되고, 유냉은 반드시 적용해야만 하는 대형 모터와 같은 애플리케이션에 주로 적용되고 있다. 
카 메이커들은 그동안 30~60 kW급 모터를 풀 하이브리드, 플러그인 하이브리드, 배터리 전기차 전반에 걸쳐 사용해왔고, 60~100 kW급 모터를 플러그인 하이브리드와 배터리 전기차, 100~150 kW 이상을 배터리 전기차에 주로 장착해왔다. 최근 들어, 북미지역을 중심으로 고출력 차량의 요구, OEM들의 전기차 브랜딩을 위해 100~150 kW, 150~250 kW 이상 고출력 모터, 멀티 모터 채용이 늘고 있지만, 볼륨은 수냉이 지배적인 방식이다. 

“마일드 하이브리드부터 C세그먼트의 전기차까지 볼륨 모델의 모터는 수냉이 주류이고 이 기술에서 주요 이슈 중 하나가 또 냉각수 유출입니다. 패키징 구조 자체가 냉각수가 유출될 수밖에 없어 안전 문제로 이어질 수 있습니다.” 유 이사가 말했다. 












양산 모터의 경우 아우터 하우징과 이너 하우징을 갖는다. 두 개 하우징을 조립해야 한다. 공차가 있을 수밖에 없고, 오링이나 가스킷을 끼워 냉각수 유출 대책을 세워야만 한다. 따라서 전체 공정은 듀얼 캐스팅, 함침, 러프 밀링, 마감 밀링, 실링, 프레스 피팅, 볼팅/리버팅, 포트 어셈블리, 누수 테스트 등 복잡하고 이에 따라 비용이 올라갈 수밖에 없다. 

“공정이 이렇게 많아 구조, 캐스팅, 오링에서 미세 크랙, 기공(porocity), 공차, 실링 경화, 수축 등의 실패가 발생해 냉각수가 유출할 수 있습니다. 또 이런 문제를 해결하기 위해 또 다른 공정이 추가되는 것입니다. 이런 문제를 회피할 수 있도록 하는 것이 이너 하우징에 대한 제로릭 튜브 기술입니다.” 

제로릭 튜브 기술을 활용하면, 동그란 형상의 이너 하우징을 알루미늄 압출로 형상 그대로를 뽑아낸다. 압출을 해 기공이 없다. 그런 다음 제로릭 튜브 기술을 적용한 파이프를 밴딩, 결합해서 고압 다이캐스팅으로 오버몰딩한다. 그 결과 채널(유로)이 이너 하우징 안에 통합 형성돼 누수 가능성이 제거된다. 

“싱글 턴, U타입, 스파이럴 유로 등 다양한 방식의 8 kg급 하우징에 대해 여러 티어들과 비교 연구한 결과 저희는 고객들의 기존 디자인 대비 무게는 대략 20% 정도까지 줄일 수 있다는 결과를 얻었습니다. 이뿐만 아니라, 쿨링 성능 측면에서도 5% 이상 우수한 냉각성능을 구현할 수 있으며 니플을 비롯한 여러 공정이 줄었기 때문에 비용 절감도 15% 정도 실현이 가능할 수 있다는 것을 공동 스터디를 통해 검증했습니다.” 



납땜, 용접은 안돼!      

엠에이치기술개발은 배터리 부문에서도 현재 여러 기업으로부터 RFQ를 받았고 디자인 리뷰를 하는 등 가시적인 성과를 내기 시작했다. 

배터리 모듈 쿨링 플레이트 제작에는 일반적으로 브레이징(brazing)과 마찰 교반 용접(FSW) 방식이 적용된다. 브레이징의 경우 얇은 알루미늄 혹은 스틸 시트에 유로(파이프)를 적용하고 위, 아래로 보호 시트를 적용해 여러 겹의 플레이트를 만든다. 그리고 이 플레이트를 배터리 모듈 케이스에 접착한다. FSW는 배터리 모듈 케이스에 직접 쿨링 채널을 만들고 냉각수를 넣고 웰딩으로 커버를 부착하는 방식이다. 

브레이징 방식을 사용하면 냉각성능이 떨어지고 열 쇼크, 진동에 따라 층간박리(delamination) 이슈가 발생하고 누수될 가능성이 높다. FSW 방식은 케이스 내에 냉각수가 흐르기 때문에 성능은 좋지만, FSW 머신 및 공법의 높은 비용, 웰딩 결함으로 인한 누수 위험이 높다. 전반적인 공정 자체의 결함률도 높다. 

반면, 제로릭 튜브 기술을 적용하면 배터리 모듈 케이스 내에 냉각 채널(유로)을 내재하는 오버몰딩 다이캐스팅으로 누수가 없다. 게다가 초기 투자 및 전반적인 비용의 절감, 높은 생산성, 열 쇼크나 진동에 대한 안정성 등의 여러 장점을 갖는다. 







“얇은 것들을 붙이는 방식은 아무래도 내구성이 떨어질 수밖에 없습니다. 쉽게 뒤틀리는 등 변형이 발생할 수 있고, 브레이징 자체가 납을 녹여 접착하는 것이기 때문에 품질 측면에서 완벽하기 힘듭니다. 유출이 생길 수밖에 없어요. 배터리 플레이트와 냉각을 원피스로 하면 내구성, 내충격성도 좋아지고 누수도 없어집니다. 유로 채널의 형상과 레이아웃을 통해 냉각성능을 높일 수도 있습니다. 밴딩의 한계에 따른 디자인 유연성이 조금 떨어질 뿐입니다.” 

2016년 제로릭 튜브 기술을 통해 송도에서 출발한 전기차 쿨링 테크 스타트업 엠에이치기술개발은 코로나 여파로 잠시 고전했지만, 그 기술력을 인정받아 2021년 12월 ‘플렉서블 커플링’으로 세계 시장을 지배하고 있는 부품기업 SJM의 투자를 받으며 자회사로 편입됐다. 그리고 SJM의 고객 및 지리적 기반이 더해지며 현재 유럽, 북미의 복수 회사로부터 RFQ를 받고 샘플 대응하는 등 제로릭 튜브 기술의 양산 적용에 다가서고 있다. 

“초기 단계이지만 배터리에서도 양산으로 갈 수 있는 최소 여건은 마련됐다고 보고 있습니다. 컨트롤러 부문은 제로릭 튜브 기술을 당장 적용할 수 있는 가장 큰 시장이고, 모터는 150 kW 이하에서 양산을 기대할 수 있습니다.” 유 이사가 말했다.