사진. 한국기계연구원

고성능 모터 제작이 가능한 자성체 3D프린팅 기술을 국내 최초로 개발됐다. 자성체 3D프린팅 전용 장비개발과 특화설계로 금형 없이 복잡한 모터 구조를 구현할 수 있게 됐으며, 제작한 차세대 모터의 출력 성능 평가까지 완료했다.

과학기술정보통신부 산하 한국기계연구원(이하 기계연) 자율제조연구소 3D프린팅장비연구실 하태호 책임연구원 연구팀은 한국재료연구원 김태훈 책임연구원 연구팀, 가천대학교 김원호 교수 연구팀 등과 협력해 설계, 소재, 공정, 장비를 아우르는 자성체 특화 3D프린팅의 전 주기적 기술을 개발했다. 이를 통해 동일 크기에서 더 높은 출력을 내는 고성능 모터 제작이 가능해졌다.

이번 기술의 핵심은 자성체 물성을 극대화하는 3D프린팅 장비를 개발해 금형 제작이 필요 없고 2차원 형상 제약을 극복해 모터 성능 한계를 넘어설 수 있다는 점이다. 이 기술은 제한된 공간에서 높은 토크와 출력을 요구하는 로봇, 전기차, 모빌리티 분야에 적합한 축방향 자속 모터 개발에 적용됐다. 그 결과 출력 밀도 2.0kW/L 이상의 성능을 갖춘 500W급 3D프린팅 모터를 구현할 수 있었다.

기존 모터는 전기강판 적층이나 분말성형 방식으로 제작돼 금형 사용이 필수적이고 제작 형상 제약이 많아 성능구현에 한계가 있었다. 또한 금형 제작과 재료 손실로 인해 비용이 증가하고 환경 문제가 발생하는 등 새로운 기술 혁신이 필요한 상황이었다.

기계연에서 개발한 자성체 3D프린팅 기술은 기존 모터 제조 방식의 한계를 극복해 고성능 모터가 필요한 로봇, 미래 모빌리티, 의료기기 등 다양한 분야에서 폭넓게 활용될 것으로 기대된다. 최근 다양한 산업 분야에서 고성능 모터 수요가 급증함에 따라, 높은 설계 자유도를 제공하는 3D프린팅 기술을 적용하면 기존 부품 대비 성능을 극대화할 수 있을 것으로 예상된다. 또한 금형과 공정, 설비 간소화로 비용 절감이 가능해져 다품종 소량생산 패러다임 전환에도 기여할 전망이다.

기계연 하태호 책임연구원은 “이번 자성체 3D프린팅 기술은 기존 제조 방식을 뛰어넘는 혁신적 기술로 차세대 고성능 모터 제작의 새로운 가능성을 열었다”라며 “향후 자성체뿐만 아니라 고기능성 소재 3D프린팅 기술과의 결합을 통해 첨단산업 분야로의 확장을 계속해 나갈 것”이라고 밝혔다. 

한편, 이번 연구는 기계연 기본사업 ‘차세대 고성능 모터 개발을 위한 3D프린팅 장비 개발’ 과제와 한국연구재단 나노 및 소재기술개발사업 ‘적층제조공정 특화 자성 분말소재 및 형상자유도 활용 모터 설계·제작 3D프린팅 공정기술 개발’ 과제의 지원을 받아 수행됐다.