 희토류 없는 ‘SR모터’의 지평을 여는 ㈜제일테크 “토크리플 최소화·표준화가 SR모터 사용 넓힐 것”
㈜제일테크는 SR 모터를 비롯해 고효율 발전기, 공장 자동화에 필요한 센서와 아큠롤러, 부싱 등 산업에 꼭 필요한 부품을 개발하고 제작하는 곳이다. 아직까지 우리나라에서는 SR 모터에 대한 연구와 제품 개발 등이 활발한 편은 아니지만, 마그네트를 사용하지 않는 간결한 구조 등의 장점이 부각되면서 SR 모터에 대한 관심이 급증하는 추세다. ㈜제일테크는 SR 모터를 연구·개발하는 대표적인 전문 업체로서, 올해 6월에 SR 모터 제조기술로 민간 TCB 전문기관인 한국기업데이터㈜로부터‘기술역량 우수기업 인증’을 받기도 했다.
글 강창대 기자
㈜제일테크의 이한철 대표이사가 모터 설계 업계에 입문한 것은 1979년 이천전기에 입사하면서부터다. 올해로 만 39년째다. 이천전기는 1990년대까지만 하더라도 우리나라 중전기 분야를 대표하는 기업이었다고 한다. 이천전기의 기원은 1938년 인천 동구 화수동에 세워진 도시바 인천공장으로 거슬러 올라간다. 1956년 우리나라 정부가 도시바 인천공장을 민영화하면서 이천전기공업㈜라는 새로운 사명을 갖게 됐다. 1968년에는 펄프전문업체인 대동공업㈜에 합병되었다가 1993년에는 삼성에 인수되기도 하면서 이곳에서 일하는 근로자가 1천여 명에 이르기도 했다. 그러나 경영상의 문제로 내리막길을 걷기 시작해 이천전기는 1998년 말에 삼성이 일진그룹에 매각했고, 사명이 일진중공업으로 변경되면서 이천전기는 역사 속으로 사라졌다.1)
우리나라 전동 모터의 역사와 맥을 같이하며 모터 설계 분야에 몸 담아온 이한철 대표가 ㈜제일테크를 설립한 것은 2014년이고, 이천전기가 시작된 화수동에서 그리 멀지 않은 인천 동구의 송림동에 자리를 잡았다. 이 대표는 분단위로 시간을 쪼개어 쓸 만큼 바쁘게 움직이고 있어 인터뷰 일정을 잡는 일이 쉽지는 않았다. 우리나라에서는 미개척 분야인 SR 모터(SRM: Switched Reluctance Motor, 스위치드 릴럭턴스 전동기)의 상용화를 위한 연구·개발뿐만 아니라, 최근에는 높은 효율을 내는 발전기 개발에 여념이 없었다. 이 대표가 SR 모터의 연구와 개발에 집념하는 이유가 궁금했다. 그러자 그는 향후 SR 모터가 큰 흐름을 형성하게 될 것이라고 전망했다.
“SR 모터는 구조적으로 단순하다는 특징이 있습니다. 따라서 베어링의 수명이 다할 때까지 잔고장이 거의 없을 정도로 내구성이 뛰어납니다. 단순한 구조와 더불어, 희토류가 필요하지 않기 때문에 제작 원가가 비교적 적다는 것도 장점입니다. 무엇보다도 SR 모터는 고속회전에 유리합니다. 자체 시험에서 15,000에서 35,000RPM까지 올라가는 것을 확인한 바 있지요. 브러시로 인해 분진이 발생하지 않는다는 점까지 감안한다면, 고속회전과 함께 청결이나 위생을 필요로 하는 분야에 매우 유리한 기술이 SR 모터입니다.”  SR 모터의 구조에 대해 설명하는 이한철 대표영구자석·권선이 없는 간결한 구조
온실가스 문제가 깊어짐에 따라 전기를 동력으로 사용하는 탈것(EV)에 대한 연구 및 개발이 활발하게 이루어지고 있다. 앞으로 제4차 산업혁명으로 일컫는 혁신은 전기기기의 사용을 더욱 확대할 것으로 전망된다. 철도차량 및 전기자동차용 견인 전동기로는 BLDCM(Brushless Direct Current Motor) 및 IPMSM(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor)이 많이 사용돼 왔다. 그런데 이들 기술에는 네오디뮴(Nd) 등의 희토류계 영구자석을 필요로 한다. 네오디뮴은 희토류 소비의 40% 가량을 차지할 정도로 가장 널리 사용되고 있다. 특히, 자석의 자력을 강화하는 원소이기 때문에 마이크와 확성기, 컴퓨터 등에 사용하는 자석의 질량과 부피를 획기적으로 줄이는 데 기여한다. 뿐만 아니라, 차량의 전동기나 발전기 터빈 등에도 사용되기 때문에, 향후 산업전환의 요구에 따라 수요는 급증할 수밖에 없다.
희토류(稀土類, Rare Earth Element)라는 명칭에서 볼 수 있듯이, 이 자원의 매장량은 풍부하지 않다. 게다가 지역적으로 매장량이 편중돼 있기 때문에 국제적 통상 마찰 등에 의해 무기화될 가능성이 큰 자원 가운데 하나다. 현재 매장량이 가장 많은 곳으로 알려진 곳은 중국이다. 2010년 10월, 센카쿠 열도 분쟁을 이유로 중국 정부가 일본에 희토류 수출을 중단하겠다고 선언해 국제사회에 물의를 빚었던 일이 있었다. 이는 자원의 무기화 가능성을 보여주는 대표적인 사례다. 이후 일본은 희토류를 사용하지 않는 SR 모터의 연구·개발에 뛰어들게 되었고, 이 분야에서 가장 앞선 기술을 보유하고 있는 것으로 알려져 있다. SR 모터는 돌극(sailent pole) 형태의 철심에 권선이 감겨진 고정자와 역시 돌극 형태의 철심인 회전자로 이루어진 AC 모터의 한 종류이다. SR 모터 시스템은 가변자기 저항형(VR: Variable Reluctance) 모터와 인버터,그리고 위치 센서에 의하여 구성된다. 구동을 위하여 모터의 회전자 위치를 검출하여 적절한 순서로 인버터의 상을 여자(勵磁)하여 이루어진다. 일반적으로 자기 저항형 모터는 그 극의 수를 증가시킴으로써 고 정밀도의 위치 제어가 가능하며, 고속 운전을 할 수 있다는 장점이 있는 것으로 알려져 있다.2)   SR 모터 시스템토크리플과 표준화 문제
SR 모터는 회전자의 구조가 영구자석이나 권선이 없는 간단한 성층구조의 규소강판으로 되어 있어 기계적으로 견고하여 유지보수성이 매우 좋다. 이는 가혹한 부하조건을 만족시키면서 간결한 구조가 요구되는 철도견인전동기 분야에서 SR 모터의 활용이 연구되는 이유이기도 하다. 이처럼 SR 모터가 많은 장점을 보유하고 있음에도 해결해야 할 과제가 없는 것은 아니다. 이한철 대표는 그 가운데 토크리플(torque ripple)과 표준화를 가장 시급한 과제로 꼽았다.
“구조적 이점이 있음에도 SR 모터를 제어하기 위해 드라이버와 IC 등이 필요하기 때문에, 아직까지 가격 장벽이 존재합니다. 하지만 이를 표준화할 수 있다면 그 비용을 크게 낮출 수 있을 겁니다. 그리고 또 다른 단점을 꼽자면, 소음과 토크리플입니다. 이런 문제를 극복한다면 SR 모터는 매우 유망한 기술이라 할 수 있습니다.”
SR 모터의 토크리플은 기존의 AC 모터들에 비해 상당히 큰 편이다. SR 모터의 토크리플은 속도제어 성능을 떨어뜨리고, SR 모터와 직결된 기구부에 큰 진동 소음을 유발하게 된다. 학계에서는 SR 모터가 동역학적으로 비선형적 특성을 갖는다고 표현한다. 따라서 SR 모터에 대한 연구는 대개 토크리플 저감 기술에 집중돼 있을 정도라고 한다. SR 모터의 토크리플을 최소화하기 위한 연구는 일반적으로 ▲토크리플을 최소화하는 각 상의 기준 전류명령을 구하는 문제와 ▲고성능 전류제어기(current controller)의 설계 등의 영역에서 이루어지고 있다.
현재 ㈜제일테크는 주요 사업영역으로 SR 모터뿐만 아니라, 고효율 발전기와 감속기, 드라이브 개발 및 제조를 담당하고 있다. 그리고 자동화에 필요한 센서를 비롯해 아큠롤러(Accum Roller), 마그넷(Magnet) 등과 같은 부품 등을 제조하고 있다. 이외에도 일본산 모터 성능 검사기와 이동식 태양광 발전시스템 등 폭 넓은 영역에서의 활동을 보여주고 있다.
<참고>----------------- 1) 1999년 3월 29일자 인천일보 “이천전기, 43년만에 막내려” 2) 「SR 모터의 속도 제어를 위한 퍼지 스위칭 각 제어기 설계」, 이태규, 허욱열,『 전기학회논문지』, 1995.6, 790-798 <Energy News>
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