▲ 전기차 구동 모듈용 질화규소 베어링 볼 모식도

과학기술정보통신부 산하 정부출연연구기관인 한국재료연구원(KIMS, 원장 이정환)이 전기차 구동 모듈용 질화규소 베어링 볼 제조기술을 개발, 전기차 소재·부품 분야 국산화에 기여했다.

한국재료연구원(이하 재료연)은 엔지니어링세라믹연구실 고재웅 박사 연구팀이 일본이 독과점하고 있는 질화규소 베어링 볼 제조 기술을 개발하는데 성공했다고 밝혔다.

전기차는 고출력의 모터를 구동 모듈로 적용하고 있고, 기동성 및 기능 개선을 위한 고출력 추세에 따라 고전압과 고전류의 전기를 필요로 한다. 강력한 전기신호가 인가되는 경우, 일반적인 특수강 베어링은 내륜/외륜 및 볼 사이에서 순간적으로 전류가 흐를 수 있어, 이에 따라 베어링 고장을 일으키는 전기 침식(electric erosion)이 발생하기도 한다.

이러한 고장을 방지하기 위해 절연성을 보유한 세라믹 소재의 베어링 볼이 기술적으로 요구되는데, 전기차의 경우 단순히 절연성만 필요한 것이 아니라, 고속의 회전에 기계적인 내구성 및 신뢰성 또한 요구되기에 두 가지 성질을 동시에 충족할 수 있는 질화규소 소재로 만든 베어링 볼이 적용되고 있다.

질화규소 베어링 볼은. 일본으로부터 전량 수입해야 해, 이에 대한 문제가 지속해서 지적돼 왔다. 핵심 부품 공급은 지난 2019년 일본의 화이트리스트 배제를 시작으로 2022년 글로벌 공급망 재편 대응을 위해 정부가 중점 정책으로 고려할 정도로 중요한 문제다. 전기차의 경우 20,000rpm 이상의 초고속 회전이 이뤄지는 베어링 부품의 필수 소재인 베어링 볼 수급이 원활하지 않다는 게 자동차와 베어링 완제품 제조 기업의 공통된 의견이다.

연구팀은 질화규소 원료 분말에서 소재 및 베어링 볼 부품에 이르기까지 국내 수요 대응이 가능하도록 기술을 개발해왔다. 이후 해당 기술을 외부 공인 평가기관과 수요기업을 통해 테스트함으로써 세계 1위 질화규소 베어링 볼 기업인 T사에 근접한 수준의 기계적 물성과 기대 수명 값을 구현하는 데 성공했다.

T사의 상용 볼과 연구팀의 제조 볼을 같은 조건에서 평가한 결과, 하중에 견디는 성능지표인 압쇄강도는 103~105%로 비교 우위의 값을 보였고, 장시간 고속 회전을 견디는 성능지표인 구름피로수명의 경우, 동등 수준의 값을 얻을 수 있었다.

질화규소 베어링 볼은 전기차 구동 모듈 내 고속 회전하는 하이브리드 베어링, 높은 하중이 걸리는 풍력발전기용 베어링, 반도체 공정 펌프용 초고속 베어링, 우주 및 항공용 베어링 등 극한의 작동 환경이 요구되는 분야에 활용된다.

질화규소 베어링 볼 기술이 적용된 하이브리드 베어링 분야의 세계 시장 규모는 2022년 기준 약 1조 원이며, 전기차 시장의 급격한 성장세에 견인되어 2026년 이후에는 1조 3,000억 원 이상으로 증가할 것으로 전망된다.

연구책임자인 재료연 고재웅 책임연구원은 “향후 기업 기술이전을 통해 국내 질화규소 베어링 볼 수요를 충족시킬 수 있는 자체 공급망 확보의 교두보를 마련했다고 본다.”라며, “국산화에 의한 수입 대체 효과는 물론, 해외로의 수출도 기대할 수 있을 것”이라고 말했다.

현재 연구팀은 국내 세라믹 소재 및 부품을 양산화할 수 있는 인프라와 역량을 갖춘 국내 중견 강소기업에 기술을 이전하고, 향후 양산화 지원을 통해 국내에 질화규소 베어링 볼과 하이브리드 베어링 공급망을 확보하는 것을 목표로 하고 있다.

한편, 이번 연구성과는 과학기술정보통신부의 지원을 받아 한국재료연구원 기본사업 ‘반도체 고진공 펌프 베어링용 세라믹 롤링베어링 소재 개발’을 통해 수행됐다.