기술과 솔루션
전기자동차용 실리콘 방열 소재 기술 개발 동향
작성자 : 편집부
2022-08-22 |
조회 : 2022
1. 실리콘의 개요
규소와 실리콘(silicone)은 대부분의 산업 분야에서 필수적으로 사용되는 고기능 재료로서 유기성과 무기성을 겸비한 독특한 화학 재료이다. 일반적으로 실리콘은 <silicon>과 <silicone>의 두 개의 용어로 단어가 서로 유사하나, 화학적으로는 엄밀히 구별된다.
즉, silicon은 원소기호 Si로 표시되는 규소를 의미하며, 암회색의 금속상 물질로 반도체용 실리콘 웨이퍼, 합금 페로실리콘(ferrosilicon) 등의 제품으로 사용된다. 한편, Silicone은 유기기를 함유한 규소(organosilicon)와 산소 등이 화학결합으로 연결된 폴리머를 의미한다. 실리콘은 유기성과 무기성을 겸비한 독특한 재료로서 여러 형태로 모든 산업 분야에서 필수적인 고기능 재료로서 위치를 점하고 있다.
실리콘 오일의 분자 구조는 사슬 모양의 분자 구조를 가지고 있으며, 이분자의 골격을 형성하고 연결하는 것은 실록산 결합으로 개개의 분자가 독립해서 존재하므로 분자 사슬은 상호 간 자유로이 움직일 수 있어서 유동성을 가진다. 즉 액체의 성질을 띠는 것으로 중합도를 조절하여 다양한 점도별 제품을 얻을 수 있다.
실리콘 고무의 분자 구조는 긴 사슬형의 고중합체로서 나선형 구조를 형성하고 있으며, 이와 같은 구조에서는 오일의 경우에서와는 달리 분자 사슬이 상호 이동할 수 없으므로 유동성은 없어지나, 분자의 자유도가 커져 신축성이 생겨 고무의 형상을 나타내고, 고무의 가교가 진행되어가면 분자의 자유도가 감소하여 신축성이 줄어들고 경도가 올라간다. 분자 간의 상호 인력이 작아 풍부한 탄성과 우수한 압축 영구 줄음률, 뛰어난 내한성 등의 특징을 나타낸다.
실리콘 레진의 분자 구조는 고무의 가교가 진행되어감에 따라 분자의 자유도가 감소하고 신축성도 줄어들게 되면서 경도가 올라가게 된다. 이 가교 밀도를 극한으로 높인 것이 실리콘 레진이다. 실리콘 레진은 고무와 달리 직쇄 상 분자들이 나중에 가교하는 것이 아니고 가교하기 쉬운 구성단위를 초기에 선택하여 망상구조의 분자 구조를 갖는 것이다.
실리콘의 특성은 낮은 표면장력, 비이온성 및 비극성, 소수성 및 발수성, 내열성 및 산화안정성, 저온 안정성, 가스투과성, 화학적 불활성, 난연성, 환경 친화성, 무독성 등을 들 수 있으며, 실리콘은 분자 구조상 무기적인 성질과 유기적인 성질을 동시에 갖는 독특한 양면성을 지니고 있어 각각의 특징으로 인해 활용도가 매우 넓다.
실리콘의 구성 원자인 규소(Si)와 산소(O)는 전기음성도의 차이가 크기 때문에, 이온 결합에 가까우므로 에너지적으로 안정되어 열과 산화에 강하여 고온에서 사용되는 경우 안정적인 물성을 유지할 수 있다.
또한 가수분해 반응의 촉매로써 작용하는 물질이 있는 경우 고온의 수증기 등에 의하여 실리콘 분자가 저분자량 물질로 변하게 된다. 예를 들어, 실리콘 고무를 밀봉 상태에서 가열하거나 수증기 중에 놓아두면 연화되는 것을 볼 수 있다.
물리적 성질은 실리콘 오일의 분자 간의 인력이 작기 때문에 표면장력은 다른 액체에 비해 낮으며, 따라서 실리콘은 물체의 표면에 얇고 넓게 되려는 경향을 가진다. 또 실리콘 오일 및 고무는 고화점이 낮아 내한성이 우수하다. 이러한 물성은 다른 물질에 비해 산업에서 실용화하는데 훨씬 효과적이다.
또한 분자 간의 거리가 크므로 온도에 의한 영향을 적게 받아 온도 의존성이 낮으며, 기체 투과성이 크다. 그리고 실리콘은 표면장력이 낮아 표면의 발수성이 크며, 실리콘은 금속에 의한 친화력이 낮다. 따라서 실리콘 오일을 금속 간의 윤활유로 사용할 경우, 마찰 면의 압력이 높아지면 유막을 보존하지 못하기 때문에 실리콘 오일은 금속 간의 윤활제로서는 적용하기 어렵다.
2. 자동차용 실리콘 응용 및 개발 동향
자동차 친환경 경량화 시장은 고연비 부품 수요와 함께 지속적인 성장을 추구하고 있다. 특히 전기자동차와 자율주행 자동차의 연구가 활발히 진행되면서 에너지 밀도 향상, 전장 제품 사용 급증에 따른 전력 소모, 방열, 전자파 발생 등 많은 문제가 발생하고 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해 자동차 연구자들은 소재부터 제품까지 다양한 분야에서 연구를 진행하고 있다. 본 논고에서는 화학소재 중 실리콘 소재가 향후 자동차 산업에 어떤 기여를 할 수 있을지에 대해 논하고자 한다.
실리콘 소재는 차량 내장 및 외장 부품에 광범위하게 사용되며, 자동차 및 기타 차량(예: 중장비 도로 및 오프로드 자동차 장비)의 다양한 부품 및 구성 요소에 사용되며, 실리콘은 경량화 및 배출 가스 감소에 많은 기여를 하고 있다고 보고되고 있다.
최근 전기자동차, 자율주행 자동차 개발이 활발히 진행되면서 더 많은 전력과 성능을 요구하는 차량 특성상 엔진에서 발생하는 열량은 증가하고 있으며, 고성능 자동차 응용 분야에 필요한 강도, 저항 및 내구성을 요구하고 있다.
실리콘 소재는 자동차 산업에 있어 고내열에서 작업 환경에 부품 보호 또는 외부 환경에 대응용으로 씰, 진동 댐퍼, 도체, 절연체 역할을 하고 있으며, 자동차의 수명을 연장할 수 있는 실리콘 접착제, 코팅용으로 사용되고 있다. 자동차 외부 환경인 비, 바람, 염수, 마모, 자외선 및 화학 물질 등 내후, 내 환경성을 확보하기 위해 자동차의 많은 부분에서 고분자 실리콘이 사용되고 있다.
2.1. 자동차 산업과 실리콘
1) 자동차용 실리콘 시장
자동차 실리콘의 시장 규모는 2018년에서 2023년까지 연평균 7.1%의 성장을 예상하고 있으며, 전기 부품 및 인테리어와 같은 고성장 응용 분야 자동차 산업에 사용되는 외장 부품 등 자동차 산업의 높은 성장은 자동차 실리콘 시장의 성장을 이끄는 핵심 요소로 자리매김할 것으로 기대된다.
자동차 산업에서 자동차의 내구성과 효율성을 향상시키며, 경량 소재에 대한 수요가 증가함에 따라 자동차 실리콘 시장도 동반 성장할 것으로 예측하고 있다.
2) 자동차에서 실리콘 역할
자동차는 전기 전자 응용 분야의 수가 계속 증가하고 복잡해짐에 따라 성능 및 안정성 향상에 대한 요구가 지속적으로 증가하고 있다. 실제 자동차 운행 관련 환경 조건은 매우 가혹하다. 보닛 아래의 온도가 상승하면서 열 사이클은 응력과 구성 요소 고장 가능성을 유발할 수 있다.
기계적 응력의 또 다른 원인은 엔진 및 도로 조건에서 발생하는 직접적인 진동으로 기인한다. 물과 습도는 지속적으로 엔진 내부와 주변에서 화학적 반응을 발생시킨다. 이러한 모든 요소들로 인해 자동차 산업에서 일하는 모든 전자 설계 엔지니어는 부품 보호를 위한 설계를 최우선으로 생각하고 있다.
실리콘은 응용 분야에 따라 자동차에 적용되는 실리콘 내장, 외장, 엔진, 전기 및 기타 부문으로 자동차 전 분야에 걸쳐 사용되고 있다. 내장 및 외장용으로는 배기 행거, 에어백, 외장 트림 및 충격 흡수 장치 등이 있으며, 엔진 분야는 개스킷, 라디에이터 씰 및 여과 등에 적용되고 있다. 전기 관련 분야에는 점화 케이블, 배터리 씰 및 커넥터 등이 있다.
특히, 실내 및 외장은 자동차 실리콘의 가장 큰 응용 분야로 추정되며 전기는 예측기간 동안 가장 빠르게 성장하는 분야로 예상되며, 플라스틱 및 코팅에서 자동차용 실리콘에 대한 수요 증가는 향후 이 응용 분야에서 시장을 주도할 것으로 예상된다.
실리콘은 에어백, 엔진 개스킷, 헤드램프, 유압 베어링, 점화 케이블, 라디에이터 씰 및 호스, 충격흡수장치, 스파크 플러그 부츠 등 광범위한 자동차 부품에 사용되고 있으며, 실리콘의 쿠션 특성을 이용한 부품들로 카시트, 대시 보드, 베어링 및 보호 충격 흡수 등이 있다.
또한 EV 배터리 씰, 엔진 개스킷, 헤드램프 씰 및 충격 흡수 장치 등 다양한 자동차 부품에 적용 되고 있으며, 파워트레인 실링, 개스킷, 호스, 윈드실드 라이닝, 케이블, 점화 세트, 에어백 쿠션 코팅 및 기타 여러 주요 응용 분야에서 실리콘의 안정성의 특성을 이용하고 있다. 실리콘의 이형 코팅을 통해 타이어를 제조 금형에서 꺼내는 데 사용하기도 한다.
자동차용 엔진 부품 분야에도 실리콘 소재가 적용되고 있다. 고온 및 저온 저항, 우수한 전기적 특성 및 높은 접착성을 이용하여 본딩 및 밀봉 재료에 RTV 실리콘 고무를 사용하고 있으며, 견고하고 물성이 우수한 특성을 이용하여 진동 댐퍼로 사용한다. 또한 공기, 연료, 오일, 캐빈, 브레이크 먼지, 조향, 냉각수, 오일 분리기 및 트랜스미션 필터 등 다양한 필터에도 사용하고 있다.
전기분야에는 동력 전달, 댐핑, 절연, 점화 케이블 및 점화 플러그 부츠, 회전 전원에서 다른 장치로 속도 및 토크 변환을 제공하는 변속기, 전력 전송 시스템에서 사용되는 케이블의 안전성을 극대화하기 위해 실리콘 화합물들이 사용되고 있다.
2.2. 전기자동차용 실리콘 방열 소재
하이브리드 자동차, 전기자동차 또는 연료전지 자동차 등의 핵심 부품을 보호하기 위해 실리콘 소재의 적용이 필요할 것이다.
열, 냉기 및 습기 등에 의한 급격한 온도 변화, 진동 또는 오일 및 화학 물질과의 접촉과 같은 극한 환경 영향으로부터 차량을 보호하기 위해 실리콘 소재의 적용은 증가할 것으로 예상 된다.
• EV Motor
ELASTOSIL®, SEMICOSIL®, SILRES® 및 WACKER SilGel® 사 실리콘 제품들은 하이브리드 및 대체 드라이브에 사용되어 효율적인 열 관리 및 기능 안전, 민감한 전자 장치의 안정적인 보호를 제공한다고 발표하였다.
일반적인 특징은 수분, 환경, 화학 물질, 냉각수 및 유체로부터 엔진 구성 요소를 보호하고, 진동 댐핑은 -45°C부터 >180°C까지 안정적으로 유지한다. 내열성은 180°C~230°C 지속적인 부하에도 안정적이다. 넓은 온도 및 주파수 범위에서 장수명 및 전기 절연 성능을 발휘한다.
실리콘 수지로 전기 코일(로터/고정자) 함침, 실리콘 엘라스토머로 코팅된 포팅 실리콘 유체로 능동 냉각, 실리콘 엘라스토머가 있는 정션 박스 및 커넥터 링을 포팅하여 전기연결 보호, 강한 실리콘 접착제로 영구자석결합 등의 전기모터 성능과 내구성을 향상시키는 재료로 응용될 수 있다.
• Batteries
현재 리튬 이온 배터리 기술로 구동되는 EV는 출력 밀도 측면에서 기존 차량 EV를 더 자주 재충전해야 한다. 각 재충전 주기는 배터리의 전체 커패시턴스를 감소시켜 배터리 수명을 단축시킨다.
또한, 재충전은 배터리 셀의 물리적 치수의 팽창으로 나타나는 내부 화학 변화를 일으켜, 내부 배터리 셀 및 부품의 박리 또는 심지어 배터리 팩의 변형을 야기할 수 있다. 이는 배터리 수명을 단축시키며 열악한 상황에서는 열 폭주로 이어질 수 있다.
• Electric Vehicles (EV) Silicone Foams
현재 자동차에 제공되는 다양하고 성장하는 인포테인먼트, 내비게이션 및 전자 장치는 차량에 많은 전기 수요가 있음을 의미한다. 결과적으로 EV 배터리가 실제로 널리 보급되려면 EV 배터리가 더 많은 전력, 더 많은 사이클 및 더 긴 수명을 제공해야 한다.
리튬 이온(Li-ion) 배터리 팩은 뛰어난 전력 밀도와 충전 효율로 인해 EV 산업의 주요 전원으로 적용되고 있다. 그러나 이 배터리는 수명은 운행 시간이 길고, 자동차 운행 환경이 까다로워질수록 악화된다.
특히 배터리 수명을 단축시키는 요인으로 배터리가 충·방전하는 동안 적당한 양의 압력이 가해져야 최적의 효율을 갖게 되지만, 장시간 충·방전을 통하여 박리가 발생하면 배터리 수명이 단축되는 현상이 발생한다. 이러한 현상을 방지하기 위해 유전체 폼이 적용되고 있다.
유전체 폼(Dielectric foam)은 배터리 셀의 치수 변화 등을 제어함으로 셀 패키지에 충분한 압력을 전달하여 사고를 방지할 수 있다.
실리콘 기반 폼의 성능은 배터리 수명보다 오래 지속되고 대부분의 다른 고무보다 훨씬 넓은 발포체의 작동 온도 범위를 가지고 있다.
• Electric Vehicles (EV) Cable $ Connector Seals
전기자동차용 케이블과 커넥터용 실은 화학성, 완벽한 절연성 및 열부하에 대한 저항력이 필요하며, 안전하고 안정적으로 전기를 공급해야 하는 특성이 있다. 실리콘 고무 경우 물리적, 기계적 및 절연 특성을 결합하여 안정적인 기능을 발휘할 수 있다.
ELASTOSIL® 실리콘 고무는 차량의 전기 회로에서 탁월한 성능을 발휘한다고 소개하고 있다.
• Electric control Unite(ECU)
현재 자동차의 편안함, 안전 및 연료 효율 관리 등 대부분 전자제어 장치의 품질에 의해 성능이 결정된다. 고품질 실리콘 엘라스토머는 전자 제어 및 안전 시스템이 장기적으로 효율적이고 안전하게 작동하도록 한다.
3. 결언
실리콘 소재는 자동차 산업에 있어 고내열에서 작업 환경에 부품 보호 또는 외부 환경에 대응용으로 씰, 진동 댐퍼, 도체, 절연체 역할을 하고 있으며, 자동차의 수명을 연장시킬 수 있는 실리콘 접착제, 코팅용으로 사용되고 있다.
자동차 외부 환경인 비, 바람, 염수, 마모, 자외선 등에 의한 급격한 온도 변화 및 화학 물질과의 접촉 등 내후성, 극한 환경 영향으로부터 차량을 보호하기 위해 실리콘 소재의 적용은 증가할 것으로 예상된다.
전기 부품 및 인테리어와 같은 고성장 응용 분야 자동차 산업에 사용되는 외장 부품 등 자동차 산업의 높은 성장은 자동차 실리콘 시장의 성장을 이끄는 핵심 요소로 자리매김할 것으로 기대된다.
하이브리드 자동차, 전기자동차 또는 연료전지 자동차 등의 핵심 부품을 보호하기 위해 실리콘 소재의 적용이 필요할 것이다.
전기자동차용 케이블, 커넥터, Battery, ECU 등 많은 부품 등이 화학성, 절연성 및 열부하에 대한 저항력이 필요하며, 안전하고 안정적으로 전기를 공급해야 하는 특성이 있다. 실리콘 고무 경우 물리적, 기계적 및 절연 특성을 결합하여 안정적인 기능을 발휘 할 수 있을 것으로 기대된다.
자동차 산업에서 자동차의 내구성과 효율성을 향상시키며 경량 소재에 대한 수요가 증가함에 따라 자동차 실리콘 시장도 동반 성장할 것으로 예측하고 있다.
