NS(Nucleus Scientific)는 MIT의 교수 이안 헌터(Ian Hunter)에 의해 2007년 설립됐으며, 에너지 저장, 전송 및 교통 이용 등 에너지 산업에 특화된 기업이다. 설립 이후 에너지와 관련해 향상된 성능을 제공하는 기술 특허를 여러 차례 발표하면서 제품 개발에 착수했다. 특히 이번에 발표하는 배터리 관련 기술은 전자 제품은 물론, 전기차 산업의 핵심 부품으로 작동해 괄목할 만한 성장을 가져올 수 있는 기술로 평가받고 있다.

현재 전기차 시장은 전동기에 의해 구동되는 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 자동차(Hybrid EV, HEV) 및 플러그인 하이브리드 자동차(Plug-in HEV, PHEV)로 구분되고 있다. 전기차 시장은 2011년 1백만대에서 2015년에는 6백80만대로 성장할 전망이며, 2020년에는 1천만대로 연평균 30%씩 증가할 것으로 전망된다. 전기차 시장은 초기에는 HEV 중심으로 보급되다가, 향후 PHEV와 EV의 비중이 차츰 확대될 것으로 예상된다.

정부의 지속적인 지원과 고유가, 배터리 기술의 발달과 가격 하락 등의 이유로 전기차의 수요는 전망치보다 상회할 것으로 예상되고 있다. 향후 모든 자동차는 전기차로 귀결될 것으로 보인다. 그 이유는 우선 저렴한 유지비와 무공해, 무소음 등이다. 간단한 구조로 고장이 거의 없으며 저렴한 가격으로 보급이 예상되기 때문이다.

그러나 전기차는 생산원가의 50% 이상을 배터리가 차지하고 그 외에도 모터, 인버터·컨버터 등 핵심 부품 대부분이 전장 부품이어서 향후 자동차 산업이 전기·전자기술에 크게 의존할 것이라는 게 전문가들의 공통된 의견이기도 하다.

이에 따라 자동차 관련 특허 분쟁도 보다 다양한 형태로 발생할 것으로 보인다. 최근 LG전자가 자사 특허를 침해한 오스람 LED 패키지 헤드램프를 탑재했다는 이유로 BMW와 아우디 등 독일 수입차를 대상으로 국내 판매 금지 소송을 제기한 것처럼 전기·전자 등 타 업종과의 특허 분쟁은 더욱 빈번해질 것으로 전망된다.

이에 대비해 전기차 부품을 생산하는 업체들은 기술 개발 시 자동차 분야뿐만 아니라 전기·전자 등 연관 분야를 포함한 폭넓은 특허 분석 및 분쟁 대응 능력을 구비해야 할 것으로 보인다. 자동차안전연구원에서 실시하는 성능 평가에서는 배터리 안전성, 제동 성능, 조향 안전성, 전자파(EMC) 안전성 등의 시험에 합격해야 사용될 수 있으며, 특히 전기차에서 가장 중요한 역할을 담당하는 배터리는 낙하, 침수, 연소시험 등 총 7가지의 시험을 거쳐 안전성을 확인해야 한다. 그만큼 배터리의 총체적인 기술 발전이 시급히 요구되고 있는 시점이라고 할 수 있다.

현재 아이폰을 충전하는 데 걸리는 시간은 얼마나 될까? 일반적으로는 몇 시간 정도의 시간이 지나야 완충이 된다. 그러나 NS는 20분 안에 아이폰을 충전할 수 있는 기술을 발표했다. NS는 “TechCrunch Dsrupt NY(2015. 5. 4)”를 통해 기술의 핵심 요소를 발표하고 이 기술을 통해 테슬라 가스 탱크를 완전히 펌핑하는 데 소요되는 시간 안에 충전이 가능하도록 하겠다고 밝혔다.

이 기술은 IES(Intelligent Energy System, 지능형 에너지 시스템)라고 불린다. IES는 배터리에 공급되기 전에 전원을 저장하는 장치이며, 저장된 후에는 배터리로 에너지를 안정적으로 공급하는 장치를 말한다.

NS의 연구진은 화학, 물리학 및 공학 전공자들로 다양하게 구성돼 있으며 전부 MIT에서 박사 학위를 취득했다. NS는 이미 자신들이 개발한 기술에 관심을 갖고 있는 회사들과 접촉을 시도하고 있으며, 향후 제품 라인업을 위해 하드웨어 및 소프트웨어 솔루션 통합에 대한 구체적인 논의를 진행 중이라고 밝혔다.

이 파워뱅크는 기존에 개발된 다른 유사 제품들과는 근본적으로 다른 기능을 제공한다. 1만mAh의 용량의 배터리를 15분 만에 정확하게 완충한다. 이는 기존 충전기로는 몇 시간이 소요되는 작업이었다. 스마트폰의 용량은 1만mAh의 약 1/5에 해당하므로 3분 내에 충전 가능하도록 충분한 에너지를 저장하는 것을 의미한다.

NS는 또한 전기 스쿠터 배터리의 작동 시스템을 생산했다. 전통적으로 12Km 주행 거리라면 충전 시간이 280분 정도 걸리지만 파원뱅크 솔루션으로는 10분이면 해결된다.

NS의 지능형 에너지 시스템은 사용자 정의 소프트웨어와 하드웨어 혁신, 그리고 커스텀 전지, 센서, 피드백 제어 시스템 및 알고리즘까지 포함한다. NS는 또한 대형 배터리 테스트 시설을 갖추고 실험실에서 1만4천mAh 배터리를 완충하는 데 약 100초밖에 걸리지 않는 기술도 개발했다. 이는 약 9개의 스마트폰을 한꺼번에 충전하는 용량과도 같다. 충전 시간이 3분 정도로 증가하는 경우에는 배터리의 수명을 두 배로 할 수 있는 기술도 동시에 개발했다.

현재 배터리를 충전하기 위해 일반적으로 사용되는 방법은 정전류, 정전압(CCCV) 방식이다. 이러한 충전 방식은 궁극적으로 배터리의 수명을 제한한다는 문제가 있다. 대신 CCCV처럼 배터리에 일정한 전류를 인가하는 전지의 실시간 모니터링은 배터리의 수명을 연장하고 배터리 충전 전압을 조절하기 위해 사용된다. 시스템의 효율도 6회의 비율로 기준 100W 파워 변환기의 소형화가 가능하다.

NS는 리튬-이온 및 리튬 폴리머 전지의 다양한 구성에도 적용 가능하도록 디자인했다. 가장 중요한 것은 이 솔루션은 중형 및 소형 배터리에 한정되는 것이 아니고 전기차와 스마트 폰 배터리에서 확장될 것이라는 점이다.

전기차용 배터리

배터리는 전기차의 각 부품 중에서 가장 중요한 역할을 하며, 배터리 셀(cell), 모듈(module), 배터리 관리 시스템(BMS), 냉각장치 등으로 구성된다. 셀은 양극, 음극, 전해액, 분리막, 덮개로 구성되며, 배터리 팩에는 배터리의 상태를 측정하고 통제하는 BMS와 냉각장치가 부착된다.

배터리는 전기화학 반응을 이용해 화학에너지와 전기에너지를 상호간에 자유롭게 변환시킬 수 있는 장치이다. 배터리의 기본 셀은 음극(anode or negative electrode)과 양극(cathode or positive electrode) 2개의 전극 활물질이 분리막(separator)에 의해 떨어져 있다. 두 전극 사이는 이온 전달을 가능케 하는 전해질(electrolyte)로 채워진다.

이러한 단위 기본 셀들을 적층해 단위 셀(single cell)을 만들고 적층하는 방식에 따라 원통형(Cylindrical), 다면형(Prismatic), 주머니형(Pouch) 및 타원형(Elliptic) 등으로 분류한다.

박종천 객원전문기자 (레이딕스텍 부사장)