비결정질 철로 만든 모터가 새로운 강자로 떠오르고 있다. 틈새시장을 노린 전략이 효과를 발하고 있는 것. 비결정질 철 모터는 고주파 작업 및 에너지 효율적인 작업이 필요한 곳에 적합한 모터다.
글｜앤드류 히르첼, Radam Motors
  지금까지 기술자들은 비결정질 철을 구하기 어려운 이국적인 소재로 생각하는 경우가 대다수였다. 하지만 이 금속에 대해 흥미를 가지는 이들이 점차 늘어나고 있다. 소재의 자기적 특성이 에너지 효율을 높이는 효자 역할을 하기 때문이다. 전기기기 및 전원분배 장비 등에서 쌍수를 들 만한 일이다. 다양한 기기 및 장비 등에 비결정질 철의 특성을 유용하게 사용할 수 있을지 검토할 때다.

많은 기술자들이 생각하는 것과 달리, 비결정질 철은 지금도 대량으로 생산되고 있다. 현재는 몇몇 회사가 비결정질 철을 전 세계에 공급하고 있다. 미국 콘웨이에 있는 Metglas와 일본의 히타치 금속 그리고 중국의 Advanced Technology & Materials(AT&M)이 그들이다. 이들은 연간 10만 톤의 비결정질 철을 생산하고 있다. 히타치 금속이 이들 중 대부분을 공급한다.

비결정질 철은 일반적으로 철과 붕소 그리고 규소의 합금으로 만들어진다. 위에서 언급한 업체들이 공급하는 비결정질 철은 보통 25미크론 두께의 얇은 리본 혹은 금속 박편의 형태를 취한다. 철을 만드는 과정에서 자연스럽게 이런 형태를 띠게 된다. 비결정질 철은 순수 몰리브덴으로 구성된 휠 위에 용선을 떨어트려 만든다. 몰리브덴 휠은 사전에 설정한 온도범위를 유지한다. 따라서 철이 휠에 닿으면 빠르게 열이 식는다. 용선의 온도는 매 초당 백만 도씩 떨어진다. 고속 냉각 기술을 통해 철 분자를 결정화할 틈도 없이 냉각시킨다. 그 결과 철 결정질보다 한층 덜 정돈된 비결정질 구조가 된다.
 

몰리브덴 휠에서 얻은 비결정질 철은 얇은 형태를 취해야 한다. 두께가 약 25미크론을 넘으면 내부에 있는 철 분자의 온도가 빨리 떨어지지 않는다. 따라서 내부 분자가 결정을 형성할 수 있을 만큼의 시간이 생긴다. 이렇게 만들어진 금속은 비결정질 품질이 균일하지 않다.

비결정질 철의 무질서한 구조를 통해 일반적인 결정화된 철에 비해 자기장의 변화에 한결 편하게 대응할 수 있다. 자기장의 변화는 또한 철에 맴돌이 전류(도체의 내부에서 만들어지는 전류로, 도체 전체가 아닌 일부분에 소용돌이 모양으로 닫힌 통로를 흐르는 전류를 말한다. 와전류라고도 한다. 출처 두산백과)를 만든다. 맴돌이 전류는 손실의 원인 중 하나다. 비결정질 철은 결정화된 철에 비해 같은 자기장 강도에서의 손실이 훨씬 적다. 손실은 일반적으로 와트/파운드 혹은 와트/킬로그램 단위로 측정한다.

비결정질 철의 장점은 자화곡선(磁化曲線, BH 곡선 혹은 이력곡선履歷曲線이라고도 한다)을 그려보았을 때 한층 분명해진다. 곡선을 살펴보면, 일반적인 철을 교번 자장(AC 자장이라고도 한다)으로 사용하면 이력효과가 나타날 것임을 예측할 수 있다. 철 자체가 어느 정도의 자기력을 가지고 있기 때문이다. 다르게 말하면, 일반적인 철은 자화기장 H와 자기장 B 사이에 측정 가능한 차이점이 존재한다. H 영역이 양극 사이를 계속해서 오간다. 하지만 비결정질 철은 일반적으로 사용하는 AC 전원 구성요소의 진동수 및 주파수 영역에서의 이력현상이 거의 없다.
 

이는 비결정질 합금이 일반적인 철보다 한층 낮은 자속 밀도에서 포화 상태에 다다름을 의미한다. 자속 밀도가 낮으므로, 전기 관련 응용사례에서 자속을 원활히 처리하기 위해서는 결정화된 철을 이용하던 때보다 더 많은 양의 비결정질 재질을 사용해야 한다. 또한 비결정질 철의 자기적 특성을 바꾸지 않은 채 활용하기 어려울 수도 있어 층을 이루어 쌓여있는 재료를 처리하는 등의 작업에서 문제를 일으킬 우려가 있다.
 

상기 문제를 포함한 여러 문제점들로 인해 비교적 최근까지 모터 관련 응용사례에서 비결정질 철을 사용하는 모습을 보기 드물었다. 그 이유는 배전용 변압기에서 찾을 수 있다. 변압기가 가지고 있는 무부하손(無負荷損)은 변압기의 핵심 부품에 큰 영향을 받기 때문이다.
 

비결정질 코어는 손실률이 기존의 결정화된 철 대비 75%가량 낮다. 하지만 부하가 올라가면 비결정질 철이 가진 낮은 포화자기화(飽和磁氣化) 때문에 오히려 효율이 낮아지는 경향이 있다. 이를 보상하기 위해 최근 변압기 제조업체는 일반적으로 더 많은 구리 및 심재료(Core Material)를 사용하게 되었다. 따라서 고효율 비결정질 코어 변압기는 일반적으로 같은 등급의 여타 제품에 비해 크기가 크다. 또한 가격대가 높은 비결정질 철 및 더 많은 구리 권선을 사용하기 때문에 기존 변압기에 비해 가격이 비싸다.
 

비결정질 코어 변압기는 주로 인도와 중국에서 생산 및 설치된다. 반면 미국 변압기에는 사용하지 못하고 있다. 여기에는 이유가 있다. 아시아 지역의 에너지 관련 비용이 북미지역보다 높아 한결 빠른 자금 회수를 실현하기 때문이다. 아시아 지역에 변압기가 더욱 필요하고, 또 적합한 이유다. 또한 북미 지역에는 많은 기투입원가(이미 투입한 원가로서 현재 또는 미래의 의사결정에 영향을 미치지 않는 관련성 없는 원가. 출처 매일경제)를 들여 전기와 관련된 사회기반시설을 설치되어 있다. 미국은 장비 교체에 따르는 추가 비용을 감당할 수 있을 때에야 비결정질 변압기를 도입할 수 있을 것이다.
  모터 연구

최근 몇 해 동안 비결정질 철을 이용한 모터들이 늘어나고 있다. 이런 추세에 힘입어 학계에서 역시 최근까지 비결정질 철에 대한 연구가 활발하게 이어지고 있다. 

여러 방면에서 연구와 개발을 거듭한 결과, 비결정질 모터는 상업적으로 틈새시장을 노릴 수 있을 것으로 보인다. 새로운 가능성을 내포하게 된 셈이다. 스위칭 손실 및 자속 밀도가 낮아 높은 모터 주파수, 다시 말해 자기장 주파수가 350㎐ 혹은 그 이상인 분야에서 활용할 가능성이 있다. 

비결정질 철은 브러시리스 모터에 적합하다. 브러시리스 모터의 회전자(로터)가 자성체로 이루어져있기 때문이다. 여러 응용분야에서 비결정질 철을 적용하려는 움직임을 보이고 있다. 대표적으로 스크롤압축기에 전원을 공급하는 분야가 있다. 스크롤압축기는 등엔트로피적으로(엔트로피 또는 온위가 일정함을 의미한다) 피스톤형 압축기보다 한층 효율적이다. 이 장치의 공기 압축기는 2400rpm 정도에서 작동하며, 이런 환경에서 주파수를 동기화하고자 할 때 비결정질 철 모터는 더 나은 작업을 실현한다.

일부 원심 펌프 응용사례는 3600rpm에서 작동한다. 이 동작점은 원심 펌프에 전원을 공급하는 2극·60㎐ 모터의 최고 속도에 근거한다. 하지만 실제로 원심 펌프가 가지고 있는 최고 효율은 7500rpm 정도에서 나온다. 비결정질 모터 설계를 통해 충분히 달성할 수 있는 속도다.

위와 같은 사례에 전원을 공급하는 비결정질 모터는 기존 브러시리스 모터와 달리 다양한 방향에서의 연구가 필요하다. 현실적으로 비결정질 철의 박편 두께는 고작 25미크론에 불과하기 때문이다. 이를 활용한 사례가 바로 자기 치아(Magnetic Teeth)다. 이 분야에서는 기존에 사용하던 규소철 모터보다 더 작은 크기를 달성할 수 있을 것으로 보인다. 작은 비결정질 치아는 높은 폴 카운트(High Pole Count)를 가진 모터 제조에 적합하다. 현존하는 상업용 모터 중 하나는 두 개의 고정자(스테이터)를 사용한다. 각 고정자마다 54개의 비결정질 철을 담고 있는 것이 특징이다. 이 장치의 전속 주파수(Full-Speed Frequency)는 1㎑다.

현재 생산 단계에 접해있는 다른 제품은 분할 고정자(Segmented Stator)라고 하는 부품을 사용한다. 이 구조는 비결정질 철 치아를 통한 효율적인 고정자 조립의 어려움을 피하고자 고안되었다.

연 자성체 혹은 비결정질 철로 만들어지는 요크(Yoke)는 철 치아를 가지고 있다. 요크는 다양한 개별 부품 및 조각으로 인해 만들어진다. 장치는 구리 권선을 이빨 주위에 배치해 조립하는 것이 특징이다. 각 요크 조각에 제혀(목재 등의 이음 또는 접합에서 한쪽 재료에 I자형, L자형, U자형 등의 돌기를 두고, 다른 쪽 재료에 그에 맞추어서 판 홈을 둔 것을 말한다. 출처 건축용어사전)를 마련함으로써 여러 요크 조각들을 치아에 연결할 수 있다.
 

이런 구조는 고정자의 치아조각이 평면 위에 앉아있는 동안 구리 권선에 손상을 입을 수 있다는 문제를 야기한다. 일단 치아에 권선 작업을 완료하면, 요크 조각을 함께 연결해 완전한 고정자를 만듦으로써 이런 문제를 해결할 수 있다.