ESS 미세 아크 감지 시스템으로 대형 화재를 차단한다.

ESS 앞에서 생기원 심지연 박사(왼쪽), 대경상 원금경호 연구소장. 한국생산기술연구원

ESS(에너지 저장 장치, Energy Storage System)의 화재 사고가 잇따르자 관련 기업의 움직임도 바빠지고 있다.정부는 2017년부터 23건의 ESS화재가 발생한다고 사고의 심각성을 인지하고 2019년 1월”민관 합동 ESS화재 사고 원인 조사 위원회”를 발족했다.2019년 6월 1차 조사 결과에 이어2020년 2월에는 2차 결과를 냈다.결론은 “배터리”이었다.태경 산전(대표 이사 김·디호)는 수배 전반(발전소로부터 전력을 받다. 전력 시스템)와 태양광 발전 시스템, ESS등을 생산하는 전문 업체이다.당연히 ESS화재 사고에 주목할 수밖에 없었다.화재를 예방하는 사전 감지 시스템의 개발이 시급하고 그렇게 생기원 문을 두드리고 협업이 이뤄졌다.대경 산전이 가진 ESS설계 기술 및 미세 신호 감지 기술과 생기술원 전북 본부 탄소 소재 응용 연구 글ー프심·지영이 박사가 보유한 전자 기력 기반 고속 성형·접합 기술이 융합하는 “ESS미세 아크(Arc전자염)감지 시스템”이 완성했다.한국 최초의 금속 엠보스 판자를 이용한 미세 아크 감지 시스템 설계

ESS는 알다시피 수많은 배터리와 커넥터, 그리고 전원 조절 장치 등이 결합되어 만들어진다.이런 구조 때문에 각 배터리로부터 작은 불씨인 아크가 발생하면 다른 배터리에 댕겨ESS전체에 퍼져화재로 이어진다.그래서 미세 아크 발생 시 빠르게 감지하고 시스템 작동을 멈추면서 대형 화재를 예방하는 시스템 개발이 필요하다.시스템 개발 때문에 대경 산전은 생기원은 2가지 방안을 함께 고려했다.1차적으로 아크 자체의 발생을 줄이는 방안과 일단 발생한 아크를 조기 발견하고 큰 화재로 이어질 것을 막는 방안이었다.연구 팀은 먼저 배터리 간 연결에 사용되는 커넥터 체결부에서 발생하는 아크를 예방하는 바람에 완충부의 한 배터리 커넥터 제작에 나섰다.ESS는 보통 야외에 설치되지만, 외부 충격 및 진동에 의해서 연결기의 체결부가 느슨해진 에너지 전달 효율이 감소하고 결국 과부하화에 의한 화재를 일으킬 수 있기 때문이다.이와 함께 배터리 트레이 커버 안쪽에 피라미드 엠보스 구조의 아크 포집기를 만들었다.미세 아크가 발생했을 때, 빛의 반사를 통해서 센서 감지률을 높일 수 있기 때문이었다.이어 심 박사는 광학 해석을 통해서 아크 불을 80%이상 확보할 수 있는 최적의 엠보스 판자 모양 구조를 발견했다.심 박사는 설계된 피라미드 엠보스 구조의 장점을 이렇게 설명한다.

엠보싱 구조의 장점을 설명하고 있는 생기원 심지연 박사. 한국생산기술연구원

“배터리로 꽉 채워진 ESS내부에 아크가 발생했을 때 센서가 이를 감지하고 시스템 차단을 판단하는 것은 매우 어렵습니다.미세 아크의 경우 특히 그렇습니다.그러나 반사율이 높은 금속판에 끝이 뾰족한 피라미드 엠보스 구조를 성형하면 아크의 반사를 통해서 센서 감지률을 높일 수 있습니다.특히 ESS내부에 다량의 아크 감지 센서를 얻어야 할 필요가 없어 비용 절감 효과도 큽니다”배터리 트레이 커버에 부착하는 아크 포집기의 소재 선정도 중요한 과제였다.최근 자외선 검출을 통한 아크 플래시 사고 검출 연구가 활발히 진행되고 있고 이를 참고에 자외선 반사율이 90%이상의 알루미늄을 선정했다.그러나 프레스 성형에서는 파괴 등이 문제가 발생한 엠보스 구조의 판형을 만드는 것은 불가능했다.연신율의 좋은 소재로 교환할 때에는 단가가 상승하고 적용이 어려웠다.알루미늄을 엠보스 구조에 성형하는 문제를 반드시 해결해야 했다.알루미늄 판재 엠보스 성형·커넥터 접합에 전자 기력을 이용한 고속 가공 기술 적용

심 박사가 보유하고 전자 기력을 이용한 고속 가공 기술이 이 모든 문제 해결의 열쇠가 되었다.완충부가 있는 배터리 커넥터 제작을 위한 “이종 소재 접합”과 “알루미늄난 성형”문제에 모두 적용됐다.충전된 고 전기 에너지를 수백마이크로 초(μ s)이내에 방전되면 코일과 가공 자재 사이에 전자기 현상이 발생하고 가공을 위한 전자 기력이 발생한다.전자 기력으로 소재는 200m/s이상의 고속으로 성형이 이루어지는데, 국부 가열에 따른 순간적 성형성 개선으로 뾰족한 피라미드 엠보스 구조의 구현이 가능했다.또 전자 기력을 이용하고 소재와 소재를 고속으로 충돌시키면 소재는 유체처럼 바뀌는 순간 접합이 이루어지게 된다.이런 원리를 이용하고 구리 배터리 커넥터와 알루미늄 완충부를 접합하여 이종 배터리 커넥터 제작 문제까지 해결했다.이번 공동 연구에 대해서, 대경산 불 기술 연구소의 김경호 연구소장은 이렇게 평가했다.”탐사 기술은 국내 최고 수준이라고 자부하지만 중소 기업이어서 성형·접합에 새로운 인력을 보충했거나 예산을 투입하기 어려운 현실이었다.이때 아이디어를 제품 개발에 연결한 것이 바로 생기원이었다.기업이 메우는 것이 어려운 공백을 메우고 준 ”

배터리 커넥터(왼쪽)와 피라미드 엠보싱 구조의 뚜껑(오른쪽) 내부 모습. 한국생산기술연구원

대경산전은 이번 기술지원을 통해 회사의 신성장동력인 ESS의 안전성을 확보했다는 데 큰 의의를 두고 있다. 특허출원 3건, 신규인력 3명 고용창출, 관련 제품 매출 9억원 달성 등 성과도 컸다. 이번에 개발된 제품은 상용화를 위한 실증 테스트를 거쳐 내년 상반기 출시 계획도 갖고 있다. 향후 이 기술이 적용된 제품이 관공서와 태양광 발전소 등에 납품되면 내년 목표인 총매출 300억원 이상 달성에도 크게 기여할 것으로 대경산전은 판단하고 있다. 제품 개발을 함께 고민하는 파트너, 생기원 덕분에 든든한

생기원의 심 박사의 기술은 ESS뿐 아니라 대경 산전의 또 하나의 주력 제품인 태양광 발전 시스템에도 적용됐다.신제품을 개발하다가 거듭된 전기 화재의 원인은 터미널의 압착 부실에 따른 것이라는 점을 알고 이를 해결하기 위해서 전자 기력을 이용한 터미널 압착 기술을 심 박사에게 소개되고 활용하게 됐다.김 연구소장은 “태양광 발전 시스템 내의 터미널이 적용된 선로가 500회선 이상했으나 모두 수작업으로 진행되면서 품질 균일성과 압착 품질 등이 좋지 않는 접촉 저항 증가에 따른 화재가 발생하는 문제가 있었다”로서 “터미널의 내구성이 필요한 제품에는 이 기술을 적용하고 있다”고 밝혔다.ESS와 태양광의 국내외 시장은 확대할 조짐을 보이면서 신종 코로나 바이러스 감염증에 의한 국내외 상황이 좋아지면 제품의 강화된 안전성을 바탕으로 자가 전력에 어려움이 많은 동남아 지역으로 수출까지 내다봤다.이미 태국, 필리핀, 아랍 에미리트 등 다양한 나라의 ESS회사와 업무 협약을 체결했고 베트남·하노이에 지사도 운영하고 있다.

김경호 대경산전 연구소장이 생기원과의 협업 과정을 설명하고 있다. 한국생산기술연구원”국내외에 공개된 다양한 신기술 신제품과 비교하여 제조 원가가 낮은 미세 아크도 감지할 수 있는 만큼 경쟁력이 있다고 생각합니다.도움을 준 생기원이 없었다면 불가능했지.작은 문제도 함께 논의하고 고민하는 전문가들이 바로 옆에 있다는 것이 얼마나 든든한지 모르겠습니다”이번에 개발한 “ESS미세 아크 감지 시스템”이 데교은상죠은의 날개가 되어 국내외에 비상하길 기대한다.국내외에 공개된 다양한 신기술, 신제품과 비교해 제조원가가 낮고 미세아크도 감지할 수 있는 만큼 경쟁력이 있다고 생각합니다. 도와준 생기원이 없었다면 불가능한 일이었을 겁니다. 작은 문제도 함께 이야기하고 고민하는 전문가들이 바로 옆에 있다는 게 얼마나 든든한지 모르겠습니다.” 이번에 개발한 ‘ESS 미세아크 감지 시스템’이 대경상정의 날개가 되어 국내외로 비상하기를 기대해본다.국내외에 공개된 다양한 신기술, 신제품과 비교해 제조원가가 낮고 미세아크도 감지할 수 있는 만큼 경쟁력이 있다고 생각합니다. 도와준 생기원이 없었다면 불가능한 일이었을 겁니다. 작은 문제도 함께 이야기하고 고민하는 전문가들이 바로 옆에 있다는 게 얼마나 든든한지 모르겠습니다.” 이번에 개발한 ‘ESS 미세아크 감지 시스템’이 대경상정의 날개가 되어 국내외로 비상하기를 기대해본다.국내외에 공개된 다양한 신기술, 신제품과 비교해 제조원가가 낮고 미세아크도 감지할 수 있는 만큼 경쟁력이 있다고 생각합니다. 도와준 생기원이 없었다면 불가능한 일이었을 겁니다. 작은 문제도 함께 이야기하고 고민하는 전문가들이 바로 옆에 있다는 게 얼마나 든든한지 모르겠습니다.” 이번에 개발한 ‘ESS 미세아크 감지 시스템’이 대경상정의 날개가 되어 국내외로 비상하기를 기대해본다.