일본산업뉴스요약

Nikkei X-TECH_2022.11.2

EV용 배터리팩 속을 철저히 수지화
이종 재료 접합도 구사하는 DuPont

전기자동차(EV)용 배터리팩 내에 내장하는 부품을 철저히 수지화한다. 미국 듀폰(Dupont)이 내부에 수지제 부품을 사용하는 배터리팩을 제작해 세계 최대의 수지/고무 전시회 ‘K 2022’(독일 뒤셀도르프, 2022년 10월19~26일)에서 선보였다. 배터리팩 내부의 부품을 이렇게까지 수지로 치환할 수 있다는 것을 시각화해, 많은 방문객의 주목을 끌었다.

전시한 배터리팩의 트레이 자체는 더미이며, 내부에 조립하는 부품의 대부분을 수지화했다. 가장 주력한 부분은 하이브리드 냉각 플레이트다. 배터리셀의 바로 위 또는 아래에 설치해 배터리셀의 냉각에 사용한다.

수지와 알루미늄 합금을 조합해 만든 것으로, 알루미늄 합금만으로 이루어진 현행 냉각 플레이트에 대해 부피의 약 절반을 수지화했다. 장점은 ‘올 알루미늄’인 현행 냉각패널보다 가볍다는 점과 설계 자유도가 높다는 점이다.

-- 알루미늄 합금과 수지를 이종 재료 접합 --
하이브리드 냉각 플레이트는 2층 구조로, 알루미늄 합금제 플레이트와 수지제 플레이트를 맞붙인 것과 같은 형태이다. 수지제 플레이트의 재료에는 내열성과 내약품성이 뛰어난 폴리프탈아미드(PPA)를 채용했다.

두 플레이트 중, 알루미늄 합금제 플레이트는 방열 기능을, 다른 한쪽의 수지제 플레이트는 냉각수를 흐르게 하는 기능을 담당한다. 그래서 수지제 플레이트에는 냉각수로 및 냉각파이프에 연결되는 접속부가 형성되어 있다.

만드는 방법은 인서트 성형이다. 기술적인 포인트는 두 플레이트를 견고하게 붙이기 위해 화학적 결합을 이용한 이종 재료 접합 기술을 채택했다는 점이다. DuPont는 이 접합 기술을 ‘Zybond’라고 부른다.

알루미늄 합금 플레이트는 프레스 등으로 미리 가공해 둔다. 인서트 성형 공정으로 이행하면, 우선 습식 블라스트나 플라즈마, 레이저 등을 사용해 알루미늄 합금제 플레이트의 표면에서 산화 알루미늄 층을 제거한다.

이렇게 알루미늄 합금 표면에 신생면을 만들면 알루미늄 합금과 PPA 모두에 화학적 결합을 일으키게 하는 액체를 스프레이나 브러시 등으로 아주 얇게 도포한다. 하지만 DuPont은 이 액체의 물질명은 공개하지 않았다.

계속해서 알루미늄 합금제 플레이트를, 액체를 도포한 표면이 겉을 향하도록 금형 내에 세팅한다. 금형 닫힘(Mold closing/clamp) 후 용융된 PPA를 금형 내로 사출한다. 이 사출 성형 시에 냉각수로와 냉각파이프에 연결되는 접속부도 금형 내에서 만든다.

이것이 식고 굳어지면 알루미늄 합금제 플레이트와 PPA제 플레이트의 계면이 화학적으로 견고하게 접합된 하이브리드 냉각 플레이트가 만들어지는 구조다.

-- 배터리 셀에도 수지제 부품 --
이 하이브리드 냉각 플레이트는 실용화 시기가 가까워 보인다. 수지제 자동차 부품을 전개하는 프랑스 Novares가 프로토 타입을 제작하고 있어, 이미 배터리 업체나 자동차 업체 등 고객이 요구하는 평가를 클리어한 단계라고 한다.

배터리 셀에도 수지제 부품을 사용하고 있다. 원통형 배터리 셀의 틈새를 메워 유지하는 셀 홀더에는 내열성과 전기 절연성이 높은 폴리부틸렌 테레프탈레이트(PBT) 혹은 폴리아미드(PA) 66을 채용했다. 각형 배터리 셀을 수납하여 양단을 누르는 엔드플레이트(End-plate)에는 PPA를 사용했다.

난연성을 부여했으며 UL규격 중 난연성을 나타내는 UL94 등급 V-0을 클리어했다. 원통형 배터리 셀의 절연 부품에는 PBT를 사용했다. 냉각 배관에는 열에도 약품에도 강하고 가수분해에도 견디는 PA612를 채용했다. 참고로 UL규격은 미국의 제3자 안전인증기관인 Underwriters Laboratories(UL)가 책정하는 제품의 안전 규격을 말한다.

DuPont은 고객의 소리에 부응하는 방향과 지속가능성을 충족하는 방향의 두 방향으로 개발을 진행하고 있다. 자동차의 전동화 트렌드는 2개의 방향에 부합한다. 앞으로도 새로운 재료와 접합 기술 개발을 적극 추진해 나갈 계획이라고 한다.

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