한국전자기술연구원(KETI)은 전자 및 ICT 융합기술을 기반으로 국가산업 경쟁력을 제고하는 산업통상자원부 산하 전문생산기술연구소다. 이중 스마트에너지·머신 연구본부 산하 지능메카트로닉스연구센터는 제조공정과 모빌리티, 로봇 등 다양한 분야에서 고효율 모터 및 구동시스템을 개발하고 있다. 서정무 센터장에게 기술개발 성과와 산업용 모터 고효율화를 위한 대응현황을 들었다.

 

■ 지능메카트로닉스연구센터는
KETI는 1991년 산업혁신촉진법에 따라 설립된 산업통상자원부 산하 전문생산기술연구소다. 정부출연연구원과 달리 전문생산기술연구소는 실증·상용화를 목표로 하는 응용기술 연구에 특화돼 있으며 산업현장과 밀착된 기술지원이 핵심 역할이다.

 

센터는 스마트에너지·머신 연구본부 소속으로 현재 33명의 연구인력이 근무 중이다. 전기·기계공학 전공자가 균형있게 구성돼 있으며 주로 고효율 모터 설계기술, 열유동 해석기반 열관리기술, AI 기반 예지보전기술 등을 개발하고 있다. 성남 본원과 별도로 부천 내 연구공간에 위치해 있으며 로봇·항공·자동차 등 고부가가치 산업과 연계된 연구를 수행 중이다.

센터는 기존 모터중심 기술개발뿐만 아니라 에너지효율 향상과 신뢰성 확보를 위한 산업현장 적용형 기술개발에 주력하고 있다. 특히 로봇, 모빌리티, 산업기기, 의료기기 등 다양한 응용분야에 최적화된 모터 및 액추에이터 기술을 개발 중이며 기업과의 협업을 통해 기술이전 및 제품화도 적극 추진하고 있다.

 

■ 주요 연구분야는
센터연구는 크게 세 가지 축으로 나뉜다. 첫째로 고출력·고효율 전기기기 설계 및 운용기술이며 둘째로 열·유체 해석기반의 냉각 및 방열기술이다. 셋째는 진동·소음·고장진단을 포함한 신뢰성 향상기술이다.

특히 산업용 모터, 로봇 구동계, 전기차 및 UAM 추진 모터 등 다양한 응용분야에 걸쳐 플랫폼화된 모터기술을 개발하고 있다. 최근에는 노후 산업용 모터의 회전자를 고효율 구조로 개조하는 ‘모터 리트로핏기술’과 함께 센서와 알고리즘을 결합한 예지보전시스템도 실증을 통해 사업화에 접근하고 있다.

이와 함께 입출력 특성분석, 변동부하 대응, 데이터 기반 제어알고리즘 설계, 온·습도 환경 내구성 검증 등 정밀한 운전특성 평가를 위한 종합시험인프라도 구축돼 있다. 센터가 운영하는 시험실은 중소기업의 시험·평가수요에 대응할 수 있도록 개방형으로 운영되며 연간 350여건 이상의 시험지원을 수행하고 있다.

 

 

■ 산업용모터 기술개발 현황은
산업용 모터는 국내산업 전력소비의 75%를 차지한다. 이중 상당수는 20년 이상 사용된 저효율 유도모터로 IE1~IE2 등급의 구형제품이 다수를 차지한다. 문제는 정격효율이 낮을 뿐만 아니라 부하변동에 따른 효율편차가 크다는 점이다. 이에 따라 센터는 회전자를 개조해 IE4급 이상 효율을 확보한 Ferrite PM모터, LSPM 시리즈를 개발했다. 중량 35% 감소, 효율 4%p 향상을 실현했으며 5.5kW급 LSPM은 92.4%의 공인시험효율을 달성해 실증을 마쳤다.

IE 등급은 국제효율 등급으로 IE1은 기본효율, IE2는 고효율, IE3는 프리미엄 효율, IE4는 슈퍼프리미엄 효율, IE5는 울트라프리미엄 효율에 해당한다. 5.5kW급 4극 모터 기준으로 IE1 모터의 효율은 약 87%, IE2는 89.5%, IE3와 IE4는 각각 91.7%, 92.4%이며 IE5는 IEC에서 아직 확정되지 않았으나 93.8%로 예상된다. 기존 IE2급 모터를 회전자 개조만으로 3%p 향상시키면 IE4급 효율에 근접한 수준이 가능하다. 이처럼 고정자는 유지하고 회전자만 교체함으로써 최소비용으로 등급을 한 단계 이상 끌어올릴 수 있다.

특히 해당기술은 산업공정에 널리 설치돼 운영되는 기축 저효율 모터를 대상으로 하우징과 고정자를 유지하고 내부 회전자와 베어링만 교체함으로써 모터효율 향상이 가능하며 공정소요전력 절감을 기대할 수 있다. 기존 공정설비인프라를 유지하면서도 효율개선이 가능한 구조로 중소 제조기업의 전력비 절감과 ESG 대응에 효과적인 기술로 평가된다. 30kW급 교반기 10대로 구성되는 단일공정을 예로 들면 3%p 효율향상 시 연간 절감되는 전력비용은 약 1,000만원 이상이다.

 

■ 센터가 수행 중인 고출력모터 연구사례는
센터는 로봇, 항공, 모빌리티분야에서 다양한 고출력 모터를 개발해왔다. 로봇분야에서는 감속기 일체형 축방향 자속형 모터, 고토크형 슬롯리스 정밀모터, 협동로봇용 다극·다슬롯 박형모터 등을 자체설계하고 국산화에 성공했다. 100~300W급 Frameless Type 제품은 협동로봇 구동모듈로 기술이전 사례가 있다.

항공분야는 경량 고출력 모터기술이 핵심이다. 국내 최초로 65kW급 전기항공기 추진모터를 개발해 유인 비행시험까지 완료했으며 150kW급 UAM 추진용 AFPM 모터도 시제기 구동에 성공했다. 이들 제품은 비출력 5kW/kg 이상을 달성해 글로벌 수준의 경량화 기술력을 확보했다. 추진모터와 인버터의 통합냉각 및 내열성능 향상을 위한 구조해석도 병행하고 있다.

센터는 전장용 모터분야에서도 승용차 및 상용차의 쿨링팬과 연료펌프, 파워스티어링, AGS 액추에이터 등에 적용되는 다양한 구동모터를 개발했다. 상용차용 쿨링팬 모터는 기존 벨트구동방식대비 중량 55% 절감, 시스템 효율 23%p 향상 성과를 실현했다. 프리미엄 전기차용 220kW급 구동모터도 고성능 전기강판과 헤어핀 권선구조를 적용해 고출력·고효율을 동시에 달성한 대표사례다.

 

■ 모터방열·냉각기술이 중요한데
고출력 모터의 에너지효율을 좌우하는 또 다른 핵심은 방열구조와 냉각성능이다. 모터의 전기적 입력전력을 기계적 축동력으로 변환하는 과정에서 에너지손실이 발생하며 이 손실은 대부분 열로 전환된다. 고온으로 인해 절연파괴나 자속손실이 발생하면 모터를 포함해 전체 시스템이 작동불능에 이를 수 있다. 이에 따라 센터는 수랭, 공랭, 오일냉각 등 다양한 냉각방식을 조합한 하이브리드 방식의 열관리시스템을 개발 중이다.

전기차용 모터에서는 하우징에 나선형 냉각유로를 적용한 수랭식과 회전축 내부에 냉각파이프를 삽입한 이중 냉각구조를 실증했다. 실험결과 냉각수 유량이 10~12LPM 수준일 때 가장 효율적인 방열이 이뤄졌으며 펌프부하와 열교환 성능의 균형점을 도출했다. 철도차량용 모터와 드론구동용 모터에 대해서도 벤트홀 구조, 회전자 형상변경, 내부팬 장착 등 다양한 냉각설계를 통해 최대 11%의 온도감소 효과를 확보했다.

센터는 다양한 냉각방식의 효과 비교실험을 수행하며 공정적용 최적안을 도출하고 있다. 특히 드론용 소형모터의 경우 공기유동과 방열성능이 밀접하게 연결되기 때문에 블레이드 형상, 내부 공기순환 경로, 발열 집중구간의 열소산설계 등이 중요하다. 냉각해석과 열화상 측정을 통해 평균온도 분포를 안정화시키는 기술을 확보하고 있으며 일부 모델에서는 기존모델대비 15% 이상의 온도저감을 구현했다.

 

 

■ 향후 연구방향과 산업적 의의는
향후 센터는 스마트 모터기술을 고도화해 고정밀 진단, 부하탄력 대응형 최적제어 기능을 통합할 계획이다. 동시에 저탄소 전환에 대응하기 위한 초고효율 모터의 표준화연구를 확대하고 노후기기 성능고도화 리트로핏기술을 산업계 전반에 확산시키는 데 집중할 예정이다. 특히 산업용 모터 고효율화는 단순 기술개발을 넘어 탄소중립과 제조업 경쟁력 확보의 핵심축이다. 센터는 제조현장과의 협력을 통해 실증 확대와 현장 적용성을 강화할 방침이다.

또한 예지보전기술의 AI 기반 고도화, 빅데이터 플랫폼 연계 운전상태 분석, 모터 플랫폼기술의 산업별 맞춤화도 중점 추진과제로 설정하고 있다. 향후에는 에너지절감 효과의 정량적 검증을 위한 M&V기술, 유지보수 최적화기술도 병행 연구함으로써 산업계의 실질적 수요에 부합하는 현장형 모터기술 솔루션을 제공할 계획이다.