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채홍 독고
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1 친환경 전기자동차 최신기술 및 특허 동향 분석을 통한 특허경쟁력 강화 방안 연구 2016년 2월 특 허 청 배 진 용 오 성 환

3 목 차 Ⅰ. 서론 1 1. 연구의 배경과 목적 1 2. 연구 범위와 방법 3 Ⅱ. 친환경 전기자동차 역사와 발전 동향 4 1. 전기자동차의 최초 발명과 그 쇠퇴(1824년 ~ 1920년) 4 2. GM 社 의 혁신과 실패(1996년 ~ 2005년) 8 3. 전기자동차의 역사 전기자동차의 기술개발 현황 전기자동차의 시장동향 전기자동차 상용화 장애 및 문제점 37 Ⅲ. 친환경 전기자동차의 구조 전기자동차의 주요부품 모터 인버터/컨버터 회생제동 장치 전지시스템 충전 인프라 및 커넥터 62 Ⅳ. 친환경 전기자동차의 전지 전지의 구성요소와 종류 리튬-이온 전지분야의 산업 및 시장동향 리튬-이온 전지의 기술동향 리튬-이온 전지의 특허분쟁 및 특허기술동향 차세대 전지로 주목되는 리튬-공기 전지 83 - iii -

친환경 전기자동차의 구조 47 1. 전기자동차의 주요부품 47 2. 모터 49 3. 인버터/컨버터 51 4. 회생제동 장치 58 5. 전지시스템 60 6. 충전 인프라 및 커넥터 62 Ⅳ.

4 Ⅴ. 테슬라 전기자동차 테슬라 社 의 역사, 엘론 머스크 및 주요사업 자동차의 정의를 바꾸다 테슬라 자동차 공장, 기가팩토리 및 슈퍼충전소 테슬라 특허현황, 핵심특허 및 특허공유 정책 99 Ⅵ. 친환경 전기자동차 보급 현황 및 주요 정책 국내 전기자동차 보급 현황 주요국 보급 계획 및 도입촉진 정책현황 친환경 전기자동차의 성장요인과 제약요인 국내 전기자동차 보급 정책 국내 전기자동차 정책의 개선과제 115 Ⅶ. 결론 118 참고문헌 iv -

친환경 전기자동차 보급 현황 및 주요 정책 108 1. 국내 전기자동차 보급 현황 108 2.

5 표 목 차 <표1> 친환경 전기자동차의 역사(1824년~2005년) 11 <표2> 전기자동차의 종류 및 특징 17 <표3> 모터의 사용정도(전기화 정도)에 따른 전기자동차 구분 20 <표4> 휘발유와 리튬-이온 배터리 사이에 에너지 저장밀도의 차이 42 <표5> 전기자동차 최고속도, 주행거리 및 완속 충전시간 비교 46 <표6> 전기자동차에 사용되는 주요 모터 비교 51 <표7> SiC(탄화규소) 소자의 장 단점 비교 55 <표8> 가정용, 완속( 緩速 ) 및 급속( 急速 ) 충전기 비교 64 <표9> 주요국의 충전기 커넥터와 차량측 소켓 형상 비교 65 <표10> 휘발유와 각 전지 사이에 에너지 저장밀도의 차이 72 <표11> 전지업체-완성차업체 협력현황 73 <표12> 리튬-이온전지의 양극물질 및 특징 78 <표13> 리튬-이온전지의 음극물질 및 특징 78 <표14> 리튬-이온전지의 분리막 및 특징 79 <표15> 리튬-이온전지분야의 특허분쟁 현황 79 <표16> 리튬-이온전지분야의 기술이전 현황 82 <표17> 테슬라 생산차량 비교 87 <표18> 엘론 머스크의 사업분야 및 창업한 회사 89 <표19> 테슬라 슈퍼충전기의 주요 스펙(Spec) 99 <표20> 주요국의 전기자동차 보급계획 110 <표21> 주요국의 전기자동차 도입 촉진 정책현황 111 <표22> 전기자동차 핵심부품 개발을 위한 연구개발 로드맵 113 <표23> 국내 친환경 전기자동차 보조금 및 구매 혜택 v -

전지업체-완성차업체 협력현황 73 <표12> 리튬-이온전지의 양극물질 및 특징 78 <표13> 리튬-이온전지의 음극물질 및 특징 78 <표14> 리튬-이온전지의 분리막 및 특징 79 <표15> 리튬-이온전지분야의 특허분쟁 현황 79 <표16> 리튬-이온전지분야의 기술이전 현황 82 <표17> 테슬라 생산차량 비교 87

6 국외훈련 개요 1. 훈 련 국 : 미국(United States of America) 2. 훈련기관명 : NKL Law Firm(NKL 법률사무소) 3. 훈련분야 : 특수 과학기술 연구분야 4. 훈 련 기간 : 2015년 10월 19일 ~ 2016년 1월 18일 - vi -

7 훈련기관 개요 훈련기관명 및 주소 기관 명 : NKL Law Firm 주소 : 1604 SPRING HILL ROAD, SUITE 320 VIENNA, VA 훈련기관 개요 NKL Law Firm은 Washington DC 접경(버지니아 주 VIENNA)에 위치하고 있으며, 9 명의 특허전문 변호사와 1 명의 특허 변리사, 1명의 기술전문가로 구성되어 있으며, 특허, 상표, 디자인 등 출원 업무를 담당하고 있으며, 특허 검색을 통한 선행기술 조사, 기술 자문 취급 및 특허, 디자 인, 저작권 소송 등 각종 특허소송 사건 취급하고 있으며, 국내의 대기업인 삼성 등의 사건을 대행하고 있다. 미국은 친환경 전기자동차 법률, 기술 및 생산에서 가장 앞선 제도 및 최신 기술을 보유한 국가이며, NKL Law Firm 미국의 전기/전자분야 특허출원 및 소송을 대행하는 특허 전문 로펌으로 전기자동차 분야 최신 특허 및 분쟁에 대한 검색을 수행하는데 가장 적합한 기관으로 최신 특허 및 판례 검색을 위한 시스템이 모두 갖추어져 있기에 전기 자동차 특허 분석을 위한 자료를 지원할 수 있는 기관입니 다. - vii -

소송 등 각종 특허소송 사건 취급하고 있으며, 국내의 대기업인 삼성 등의 사건을 대행하고 있다.

8 Ⅰ. 서론 1. 연구의 배경과 목적 자동차는 현대 사회에 가장 중요한 교통수단이라고 할 수 있고, 마치 현대 사회에서 스마트 폰(Smart Phone)과 같이 생활에 선택이 아니라 필수적인 물품이 되었다. 이러한 자동차는 인간에게 편리하고 윤택한 생활을 제공해 주고 있지만, 공기오염 및 지구환경 파괴에 가장 주된 원인이 되고 있다. 우리나라에서 자동차 산업은 1990년대 이후에 경제성장을 주도한 제 조업의 핵심 산업으로서, 지난 20년간 연평균 6.0%의 성장세를 지속하 고 있으며, 고용, 생산, 수출 등 국민경제에서 차지하는 비중이 10%에 달하는 국가 경쟁력의 근간이 되고 있다 1). 전 세계적으로 자동차 산업의 이슈는 환경, 안전, 에너지에 관한 것으 로서, 석유자원 고갈, 지구온난화 등 유한 자원과 환경보호라는 것은 내연기관 자동차에서 친환경 전기자동차로 이행 중이다. 친환경 전기 자동차는 자동차의 엔진구조가 기존 엔진과 같은 연소로부터 에너지 를 얻는 구조가 아닌 전기에너지를 통해 구동되는 엔진이 설치된 자 동차이며, 배기가스나 환경오염이 없으며, 소음도 작다는 장점을 가지 고 있다. 미국은 2008년 이후에 전 세계 금융위기로 인하여 2008년부터 2010년 사이에 미국 자동차 산업은 생( 生 )과 사( 死 )를 오가는 상황을 맞았고, 미국의 3대 자동차 제조업체 2) 중에서 적어도 두 업체는 미국 정부가 도움의 손길이 없었다면, 그대로 파산하고 말았을 것으로 평가되고 있 으며, 미국 정부는 자동차 제조업체들을 상대로 보다 연료 효율성이 뛰어난 차량 생산을 독려했고, 미국 에너지부(DOC)를 통해서 자동차 제조업체들에게 친환경 전기자동차 생산과 연계하여 다양한 대출금과 보조금 지원을 해주었다 3). 1) 김정욱, 미국 자동차 산업현황 및 전망, 지식경제부, 한국산업기술진흥원, pp. 6. 2) 포드, GM, 크라이슬러 3) 찰스 모리스 지음, 엄성수 옮김, 테슬라 모터스, 을유문화사, pp. 36~

전 세계적으로 자동차 산업의 이슈는 환경, 안전, 에너지에 관한 것으 로서, 석유자원 고갈, 지구온난화 등 유한 자원과 환경보호라는 것은 내연기관 자동차에서 친환경 전기자동차로 이행 중이다.

9 또한, 오바마 대통령은 2011년 연설에서 2015년까지 최소 100만 대의 전기 자동차가 도로를 달리게 하는 것이 목표라고 발표했으며, 캘리포 니아 주 대기자연위원회(CARB)는 2025년까지 신규 판매 차량의 16% 는 무공해 자동차여야 한다는 의무 생산 규정을 발표하여서 미국도 국가적으로 친환경 전기자동차 산업의 활성화를 추진하고 있다 4). 2003년부터 미국 실리콘 밸리에서 일발적인 자동차 회사와 상이한 자 동차 회사가 탄생하였는데, 기존까지 전기자동차라면, 연비가 좋다는 점을 부각하기 위하여 작고, 못생기고, 느리고, 주행거리가 짧다는 고 정관념이 있었지만, 엘론 머스크 5) 의 테슬라 6) 자동차는 기존 전기자동 차의 고정관념을 깨고, 2차 전지 약 7000개를 사용하여 시속 km 를 내는 후륜구동 방식과 영국 로터스 엘리스 세시를 이용한 고가의 스포츠카 버전(로드스터)의 성공을 발판으로 중고가 스포츠 세단(모델 S), 일반인을 위한 상용 자동차 세단(모델 E), 중고가 스포츠 SUV(모델 X)를 발표함을 통해서 세계적인 이목을 집중시키고 있는 중이다 7). 국제적인 추세에 발마추어, 우리나라의 산업통상부도 2015년에 전기자 동차 6000대 보급 및 2017년에 4만 6000대를 보급할 예정이고, 전기자 동차 보조금 지원은 정부로부터 1500만원, 지방 자체단체로부터 300~500만원을 지급받을 수 있고, 500만원 상당의 완속 충전기 지원, 세금 면제, 공용주차장 요금의 50% 할인 등의 본격적인 친환경 전기 자동차 도입을 추진하고 있다 8). 본 연구를 통하여 친환경 전기자동차 최신기술 및 논문을 연구하여 기술발전에 이바지하고, 주요기업과 가장 기술적으로 앞서가는 기업인 테슬라 社 의 특허 동향 조사 분석 통한 강한 특허 창출과 친환경 전 4) 찰스 모리스 지음, 엄성수 옮김, 테슬라 모터스, 을유문화사, pp. 37~39. 5) 엘론 리브 머스크(Elon Reeve Musk : 1971년 ~ 현재) : 남아프리카공화국의 프리토리아에서 태생, 전기 및 기계 엔지니어인 아버지 에롤 머스크(Errol Musk)의 영향으로 어릴 때부터, 컴퓨터 게임 및 프로그램 분야에 집중적으로 관심을 가지게 되었고, 캐나다 온타리로에 위치한 퀸즈대학교에서 경영학을 전공하다. 미국 펜실베니아 대학으로 편입하고, 경제학 및 물리학 2중 전공으로 학사를 마치고, 에너지 물리학 분야 의 박사학위를 취득하기 위하여 1995년 스탠퍼드 대학교에 입학하였으나, 창업의 길로 들어서면서, 집투 코퍼레이션(Zip2 Corporation), 온라인 은행 사업인 엑스닷컴(X.com) 및 페이팔(Paypal), 민간 우주사업 인 스페이스X(SpaceX)를 사업하였고, 2003년부터 100% 전기로 동작하는 자동차 회사인 테슬라 자동차 사업하는 미국의 사업가이자 발명가 6) 테슬라 자동차는 전기자동차의 엔진으로 사용된 유도전동기의 발명가인 미국의 니콜라 테스라의 이름을 바탕으로 테슬라라는 이름을 사용하였다. 7) Wikipedia 인터넷 사이트, 테슬라 모터스, 모터스 8) 한국에너지 기사, 2017년에 한국 전기차시장 본궤도,

3 km 를 내는 후륜구동 방식과 영국 로터스 엘리스 세시를 이용한 고가의 스포츠카 버전(로드스터)의 성공을 발판으로 중고가 스포츠 세단(모델 S), 일반인을 위한 상용 자동차 세단(모델 E), 중고가 스포츠 SUV(모델 X)를 발표함을 통해서 세계적인 이목을 집중시키고 있는 중이다 7).

10 기자동차 생산. 보급 및 활성화를 위한 법률 및 제도 연구하여 선진국 제도 등 도입을 통하여 한국형 전기자동차 제도 및 시설 도입 방 안 도출을 목표로 기술하고자 합니다. 2. 연구 범위와 방법 본 연구에서는 먼저 i) 전기자동차의 등장, 최근 상용화 되고 있는 전 기자동차의 세부적인 분류, 전기자동차의 역사, 전기자동차의 시장동 향, 전기자동차를 상용화하는데 장애 및 문제점을 적시할 것이며, ii) 현재 연구되고 있는 전기자동차의 주요부품, 전기자동차의 구동엔진인 모터 및 모터 제어기, 전기자동차용 인버터/컨버터, 특히 에너지 절감 을 위한 회생제동 장치 및 핵심 기술인 전지시스템에 대하여 살펴볼 것이다. 그리고 친환경 전기자동차를 구동시키는 에너지 공급원으로, 친환경 전기자동차가 성공하는데 가장 핵심적인 요소인 전기자동차용 배터리 개발 및 시장동향과 현재 전기자동차 전지로 사용되고 있는 리튬-이온(Lithium-ion) 전지와 리튬-폴리머(Lithium-polymer) 전지를 살펴보고, 미래의 자동차 전지로 각광받고 있는 리튬-공기(Lithium-air) 전지에 대하여 최신 기술과 특허에 대하여 살펴보고자 한다. 또한, 친환경 전기자동차로 가장 성공적인 기업을 만든 엘론 머스크의 테슬라 자동차에 대하여 현지를 방문한 자료를 정리하여 테슬라 社 의 역사, 창업자, 공장, 매장 및 슈퍼충전소에 대하여 살펴보고, 테슬라 社 의 미래 기술인 기가팩토리 및 하이퍼루프 기술과 테슬라 특허공유 및 핵심특허 동향을 새롭게 파악하고, 친환경 전기자동차 도입을 위한 친환경 전기자동차 촉진 및 환경관련 법률에 대하여 기술함을 통하여 한국형 전기자동차 제도 및 시설 도입 방안을 결론적으로 도출하 겠다

절감 을 위한 회생제동 장치 및 핵심 기술인 전지시스템에 대하여 살펴볼 것이다.

11 Ⅱ. 친환경 전기자동차 역사와 발전 동향 1. 전기자동차의 최초 발명과 그 쇠퇴(1824년 ~ 1920년) 1900년대 초에 미국에서 굴러다니는 자동의 약 38%가 전기자동차였 다 9). 그만큼 전기자동차의 역사는 오래되었다고 할 수 있을 것이다. 또한, 세계적인 발명왕인 토마스 에디슨(Thomas Alva Edison) 10) 도 전 기자동차 및 전기철도와 관련하여 총 48건의 특허를 등록은 받았고, 특히 전기자동차의 에너지 독립을 위하여 에디슨은 충 방전이 가능한 2차전지 11) 에 관하여 총 135건의 특허를 출원 및 실용화하였다 12). 세계 최초의 전기자동차는 1824년 헝가리의 발명가 앤요스 제드릭 (Ányos Jedlik) 13) 이 자신이 발명한 전기모터를 적용하여 전기자동차 개 발을 세계 최초로 시도하였다. 그림 1. 앤요스 제드릭 및 그가 세계 최초로 발명한 전기자동차 9) 찰스 모리스 지음, 엄성수 옮김, 테슬라 모터스, 을유문화사, pp ) 토마스 에디슨(Thomas Alva Edison : 1847년 ~ 1931년) : 일명 발명왕이라고 불리우는 세계적인 미국 의 발명가, 전구를 세계 최초로 발명하고, 이 실험 중에 발견한 에디슨 효과 는 20세기 들어와 열전자 현상으로 발달하여 전자공업의 초석을 마련한 미국의 과학자, 평생 1093개의 특허를 출원하였고, 잘 알 려지지 않았지만, 전기자동차, 전기철도 및 2차전지 배터리에 대해서도 수많은 연구를 수행하였다. 11) 1차전지는 방전한 뒤에 충전을 통해서 본래의 상태로 되돌릴 수 없는 전지로서, 대표적으로 건전지, 알 라라인 전지가 있으며, 세계 최초로 이탈리아 과학자 볼타에 의해서 발명되었다. 2차전지는 충전과 방전 이 반복적으로 가능한 전지로서, 대표적으로 납축전지, 니켈전지, 리튬전지가 있다. 12) 토마스 에디슨의 전기자동차 및 배터리에 관한 특허는 필자가 직접 조사함 13) 앤요스 제드릭(Ányos Jedlik: 1800년~1895년): 1800년대 초반에 전기모터에 대하여 집중적으로 연구 한, 물리학자, 엔지니어 및 발명가이며, 자신이 개발한 모터를 이용하여 세계 최초의 전기자동차를 발명 한 헝가리의 발명가 - 4 -

세계 최초의 전기자동차는 1824년 헝가리의 발명가 앤요스 제드릭 (Ányos Jedlik) 13) 이 자신이 발명한 전기모터를 적용하여 전기자동차 개 발을 세계 최초로 시도하였다. 그림 1. 앤요스 제드릭 및 그가 세계 최초로 발명한 전기자동차 9) 찰스 모리스 지음, 엄성수 옮김, 테슬라 모터스, 을유문화사, 2015.07. pp. 27.

12 이후 1830년대 스코트랜드에서 전기자동차 및 전기철도를 개발하기 위하여 초창기 연구가 시도되었고, 전기자동차는 1834년 로버트 앤더 슨(Robert Anderson) 14) 이 개발하였고, 전기철도는 1837년 로버트 데이 비슨(Robert Davidson) 15) 이 배터리를 사용하여 개발하였다. 하지만, 앤 요스 제드릭(Ányos Jedlik), 로버트 앤더슨(Robert Anderson) 및 로버트 데이비슨(Robert Davidson)의 발명은 실용화에는 부족한 점이 많았으 며, 1800년대 중반 이후에 다양한 발명가가 전기자동차 개발에 뛰어들 었다. 실질적으로 전기자동차 상용화를 추구한 발명가는 영국의 토마 스 파커(Thomas Parker) 16) 및 미국의 알버트 포프(Albert A. Pope) 17) 이 며, 이들이 그림 2 및 그림 3의 전기자동차를 개발하였고 각각 유럽과 미국에서 상용화를 위하여 노력하였다. 토마스 에디슨은 토마스 파커(Thomas Parker) 및 알버트 포프(Albert A. Pope)보다 늦게 전기철도 및 전기자동차 분야에 뛰어 들었다. 하지 만, 전구의 조도( 照度 )제어 및 발전기의 속도제어는 에디슨이 전기기기 속도제어 기술을 바탕으로 전기철도 및 전기자동차 기술개발에 전 세 계에 그 누구보다 가장 많은 총 48건의 특허기술을 개발하였다. 그림 2. 토마스 파커 및 그가 개발한 전기자동차(1884년) 14) 로버트 앤더슨(Robert Anderson: 생애에 대해 정확히 모름): 19세기 배터리를 사용하여 최초로 전기자 동차를 연구한 스코트랜드 발명가 15) 로버트 데이비슨(Robert Davidson: 1804년~1894년): 배터리를 사용하여 최초로 전기철도를 연구한 스 코트랜드 발명가 16) 토마스 파커(Thomas Parker: 1843년~1915년): 자동차 분야 기술자로서 엘웰-파커(Elwell-Parker) 社 를 공동으로 창업하여, 납 축전기 및 모터를 이용하여 전기자동차를 상용화하는 영국의 발명가 17) 알버트 포프(Albert A. Pope: 1843년~1909년): 군인 출신으로 콜롬비아(Columbia) 社 를 창업하여, 자전 거 생산을 시작으로 전기자동차를 실용화를 추진했으며, 가솔린자동차 등을 생산 및 판매한 미국의 발명 가이자 사업가 - 5 -

실질적으로 전기자동차 상용화를 추구한 발명가는 영국의 토마 스 파커(Thomas Parker) 16) 및 미국의 알버트 포프(Albert A. Pope) 17) 이 며, 이들이 그림 2 및 그림 3의 전기자동차를 개발하였고 각각 유럽과 미국에서 상용화를 위하여 노력하였다.

13 그림 3. 알버트 포프 및 그가 개발한 전기자동차(1899년) 토마스 에디슨이 자신이 가장 완숙한 발명을 수행할 수 있던 36세부 터 86세까지, 즉 30대 중반부터 평생 동안 전기자동차 및 전기철도 기 술개발보다 더욱 집중( 集中 )한 것은 발전소와 전력배선으로부터 완전 히 자유로운 전기 에너지의 독립( 獨立 )이다. 즉, 토마스 에디슨은 충 방전이 가능한 2차전지 18) 에 관하여 총 135건의 특허를 출원 및 실용 화하였다 19). 토마스 에디슨의 특허를 검토하면서, 감탄하는 점은 지금도 마찬가지 이지만, 전기자동차의 성공의 핵심은 에너지 밀도가 높은 배터리 20) 라 는 것을 100년 전에 에디슨도 너무나 잘 알고 있었다는 것이다. 전기 자동차와 배터리에 대해서 토마스 에디슨이라는 존재에 대해서 많은 사람은 정말 잘 모르는 것 같다. 아니 전기공학 분야를 전공한 나조차 이 보고서를 위해서 특허검토를 하기까지 잘 몰랐는데, 아마도 전문가 정도의 지식을 가진 극소수를 제외하고, 전기자동차와 배터리 분야에 서 토마스 에디슨이라는 이름조차 극히 생소할 것으로 생각된다. 토마스 에디슨을 전기자동차와 배터리 분야에서 다시금 평가해 보면, 전기자동차 및 전기철도에 총 48건의 특허를 발명하여 세계에서 가장 많은 연구를 수행한 발명가이다 그리고, 전기 에너지 독립을 위한 충 18) 1차전지는 방전한 뒤에 충전을 통해서 본래의 상태로 되돌릴 수 없는 전지로서, 대표적으로 건전지, 알 라라인 전지가 있으며, 세계 최초로 이탈리아 과학자 볼타에 의해서 발명되었다. 2차전지는 충전과 방전 이 반복적으로 가능한 전지로서, 대표적으로 납축전지, 니켈전지, 리튬전지가 있다. 19) 토마스 에디슨의 전기자동차 및 배터리에 관한 특허는 필자가 직접 조사함 20) 우리나라 기업인 삼성 SDI, LG 화학, SK 이노베이션은 2차전지 배터리 개발에 박차를 가하고 있으며, 리튬이온 배터리 분야에서 세계최고 양산시스템을 가지고 있으며, 국가발전에 기여하고 있다

전기 자동차와 배터리에 대해서 토마스 에디슨이라는 존재에 대해서 많은 사람은 정말 잘 모르는 것 같다. 아니 전기공학 분야를 전공한 나조차 이 보고서를 위해서 특허검토를 하기까지 잘 몰랐는데, 아마도 전문가 정도의 지식을 가진 극소수를 제외하고, 전기자동차와 배터리 분야에 서 토마스 에디슨이라는 이름조차 극히 생소할 것으로 생각된다.

14 발전이 가능한 2차전지 배터리에 총 135건의 특허를 발명하여, 역시 2 차전지 배터리에서 세계에서 가장 많은 특허를 출원한 발명가이며, 현 재 가장 앞서가는 배터리 재료인 니켈, 리튬을 가장 먼저 사용한 과학 자이며, 지금의 전기자동차의 초석을 다진 발명가라고 평가할 수 있을 것이다. 이렇게 토마스 에디슨이 전기자동차, 전기철도 및 2차전지 배터리분야 에 대해 주옥( 珠玉 ) 같은 발명을 하였지만, 이 점에 대하여 별로 부각 되지 못한 이유를 간단하게 이야기하면, 미국의 석유 왕인 록펠러 (John Rockefeller) 21) 와 자동차 왕인 핸리 포드(Henry Ford) 22) 때문으 로 생각된다. 그림 4. 석유 왕 록펠러(좌측)와 자동차 왕 핸리 포드(우측) 전기자동차는 가솔린자동차보다 먼저 발명되었고, 1920년까지 전기자 동차와 가솔린자동차는 공존 및 경쟁관계에 있었다. 하지만, 1908년 자동차 왕인 핸리 포드가 개발하여 상용화한 모델 T와 1920년 석유 왕인 록펠러가 텍사스 원유발견 및 석유산업 개발로 인하여, 가솔린자 동차는 혁신적으로 평균 500달러 ~ 1000달러 가격하락이 되었다. 이로 인하여 자동차라는 이름은 휘발유 및 경유 자동차가 대명사가 되었고, 전기모터와 배터리로 구동하는 전기자동차는 그 이름이 1920년대부터 21) 록펠러(John Davison Rockefeller: 1839년~1937년): 미국 오하이오 스탠더드 석유회사를 설립하여, 1900년대 초반에는 미국 정유소의 95%를 지배한 미국의 석유 사업가이자 석유 왕으로 통함 22) 핸리 포드(Henry Ford: 1863년~1947년): 에디슨의 컨베이어 밸트 발명으로부터 영감을 받아서 자동차 분야의 혁신적인 조립 라인인 포드시스템을 확립하였고, 미국 자동차 대표기업인 포드사를 설립한 자동 차 기업가, 발명가이자 자동차 왕으로 통함 - 7 -

석유 왕 록펠러(좌측)와 자동차 왕 핸리 포드(우측) 전기자동차는 가솔린자동차보다 먼저 발명되었고, 1920년까지 전기자 동차와 가솔린자동차는 공존 및 경쟁관계에 있었다.

15 지금까지 약 100년 동안은 사라지게 되었고, 지금도 전기자동차는 자 동차 분야에서는 아직까지 어색한 이름이라고 할 수 있을 것이다. 그림 5. 핸드 포드가 상용화한 휘발유 자동차 모델 T(Model T) 2. GM 社 의 혁신과 실패(1996년 ~ 2005년) 1990년대 미국 캘리포니아 주 정부는 자동차 회사는 전체 자동차 회 사가 캘리포니아 주에서 자동차 판매의 10% 정도는 배기가스가 전혀 나오지 않는 자동차를 판매하여야 한다는 배기가스 제로법(ZEV: Zero Emission Vehicle) 을 제정하였다 23). 캘리포니아 주의 배기가스 제로법 은 1990년 세계적인 미국의 자 동차 기업인 GM(General Motors) 社 24)가 전기자동차 EV1을 LA 모터쇼 에 선보이는 개기를 마련하였고, 1996년 GM 社 는 배기가스 및 소음이 전혀 없으며, 시속 130km(최고속도 150km)로 주행이 가능한 전기자동 23) Louise Wells Bedsworth and Margaret R. Taylor, Learning from California s Zero-Emission Vehicle Program, CEP(California Economic Policy), Vol. 3, Num, 4, ) GM(General Motors) 社 : 1904년 윌리엄 듀랜트(William Durant)가 뷰익(Buick) 社 의 지분을 사들여서 1908년 9월에 GM 社 를 설립하였고, 지속적으로 성장하여 현재는 미국의 3대 자동차 회사로 등극하였 다. GM 社 는 뷰익(Buick), 캐딜락(Cadillac), 쉐보레(Chevrolet), GMC, 오펠(Opel), 복스홀(Vauxhall) 및 홀덴(Holden) 등 미국을 대표하는 자동차 브랜드를 만들어 냈어며, 2011년 대한민국의 대우자동차를 인수하여서 쉐보레(Chevrolet)라는 브랜드를 주력으로 사용하고 있으며, 1996년 전기자동차를 부활시켰 지만, 상당한 실패를 하였던 자동차 기업 - 8 -

캘리포니아 주의 배기가스 제로법 은 1990년 세계적인 미국의 자 동차 기업인 GM(General Motors) 社 24)가 전기자동차 EV1을 LA 모터쇼 에 선보이는 개기를 마련하였고, 1996년 GM 社 는 배기가스 및 소음이 전혀 없으며, 시속 130km(최고속도 150km)로 주행이 가능한 전기자동 23) Louise Wells Bedsworth

16 차를 양산하였다. GM 社 의 전기자동차 EV1은 1996년부터 2000년까지 800대의 전기자동차 EV1을 소비자에게 대여하여 큰 호응을 얻었다 25). GM 社 가 개발한 EV1은 2인승 전륜( 前輪 )규동 방식으로, 전기콘센트가 있는 어느 곳이면 충전이 가능하고, 플러그를 꽂은 뒤 4시간이면 완전 충전이 가능하다. 무게를 가볍게 하기 위하여 알루미늄 프레임에 복합 소재를 사용하여 가볍게 하였으며, 차고 벽에 설치된 소형 액자 크기 의 충전기를 사용하여 한번 충전에 110~130km(최대 160km)의 주행이 가능한 것이 특징으로 한다. 그림 6. GM 社 의 전기자동차 EV1 및 충전모습 GM 社 는 EV1 개발을 위하여 15억 달러(한화로 약 1조 5천억원)이상을 투자하였으며, 저렴한 충전비용 덕분에 EV1은 신청자가 증가하였고, 25) Wikipedia 인터넷 사이트, Who Killed the Electric Car, ectric_car%3f - 9 -

무게를 가볍게 하기 위하여 알루미늄 프레임에 복합 소재를 사용하여 가볍게 하였으며, 차고 벽에 설치된 소형 액자 크기 의 충전기를 사용하여 한번 충전에 110~130km(최대 160km)의 주행이 가능한 것이 특징으로 한다. 그림 6.

17 기존의 휘발유 자동차 업체는 위협을 받기 시작하였다. 전기자동차는 화석연료 즉, 석유를 사용하는 내연기관이 아닌 전기 모터로 주행하기 에 엔진오일과 오일필터 등이 필요하지 않으므로 정유업체를 포함하 는 자동차 정비 및 부품업체에 큰 위협으로 다가왔다. 급기야 메이저 석유회사 및 자동차 업체는 GM 社 의 전기자동차 EV1의 인기에 위기의식을 느끼고 "전기자동차의 전지에 문제가 많고 비싸다 라는 문제점을 언론에 퍼트리고 로비를 통하여 캘리포니아 주정부 를 압박하여 공청회를 가진 뒤 2003년 배기가스 제로법 을 철배하 였다. GM 社 배기가스 제로법이 사라지자 전기자동차 EV1의 생산라 인을 철수하고 직원을 해고하였으며, 마지막으로 남은 78대의 EV1,을 2005년 사막 한가운데서 조용하게 폐차하였다 26). 소니 픽처스 社 가 2006년에 제작한 누가 전기자동차를 죽였나(Who Killed the electric car) 란 다큐멘터리에서는 GM 社 의 전기자동차 EV1을 리스(lease)하여 운전한 다수의 EV1 사용자들의 인터뷰를 통해 서 이렇게 혁신적인 전기자동차가 갑자기 사라진 것에 대하여 아쉬움 에 대하여 나타냈으며, 미국 중동 유럽 등 석유 회사들의 석유판매 에 따른 세금 문제가 복잡하게 얽혀있으며, 기존의 메이저 자동차 회 사가 내연기관 자동차의 생산을 중단하면 수익성이 나빠질 것이란 우 려가 작용하였음을 나타내고 있다. 그림 7. 소니 픽처스 社 의 포스터 및 GM 社 EV1 폐차모습 26) 정용욱 외 공저, 전기자동차 2판, GS인터비전, pp. 38~

GM 社 배기가스 제로법이 사라지자 전기자동차 EV1의 생산라 인을 철수하고 직원을 해고하였으며, 마지막으로 남은 78대의 EV1,을 2005년 사막 한가운데서 조용하게 폐차하였다 26).

18 이 다큐멘터리에서 미국의 역대 대통령인 카터, 레이건, 클린턴 등이 중동의 석유 중독을 끊겠다는 공헌을 했으나, 메이저 석유회사 및 자 동차 회사의 로비, 메이저 석유회사 및 자동차 회사에 굴복한 미국 정 부, 큰 차를 좋아하는 미국 소비자의 성향이 GM 社 의 전기자동차 EV1 을 결국 죽였다는 내용을 담고 있으며, 역사에서 조용히 사라지는 최 후를 맞이하였다 27). 3. 전기자동차 역사 전기자동차의 주요 역사를 간단하게 정리하면 다음의 표1과 같다. 표1. 친환경 전기자동차의 역사(1824년~2005년) 28) 년도 개발자 주요내용 1824년 앤요스 제드릭 (헝가리) 세계최초 전기모터를 이용한 전기자동차 를 발명 1830년 로버트 앤더슨 (스코트랜드) 최초의 전기자동차의 원형 설계 최초의 원유 전기마차 발명 1835년 그로닝겐 스트라틴 (네덜란드) 1835년 크리스트 파벡카 (네덜란드) 소형의 전기자동차 설계 최초의 전기자동차 제작 27) Youtube 인터넷 사이트, "Who Killed the Electric Car? report", 5IT8hadyk 28) 정용욱 외 공저, 전기자동차 2판, GS인터비전, pp. 47~50 참조하여 업데이트 함

19 년도 개발자/기업/기관 주요내용 1842년 토마스 다벤포트(미국) 로버트 데이빗(스코틀랜드) 최초의 실생활 이용 가능한 전기자동차 제작 재충전 할 수 없는 타입의 전지 사용 1873년 R. 데비슨(영국) 전기자동차를 실용화함 1881년 카미르 파우레(프랑스) 구스타프 트루베(프랑스) 재충전용 축전지를 개량하여 전기자동차에 적용 국제전기박람회(파리)에서 삼륜 전기자동차를 전시 1884년 토마스 파커(영국) 마차를 연상시키는 전기자동차를 개발 1895년 A.L.라이카(미국) 삼륜 전기차를 만듬(최고시속 32km에 불과) 1897년 필라델피아 전기자동차(미국) 최초로 미국서 상업용 전기자동차 판매 (최고시속 22km, 주행거리 29km) 뉴욕서 전기자동차 택시에 채용 1899년 까뮈 제나티(벨기에) 유선형 전기자동차로 시속 105km 달성 1899년 알버트 포프(미국) 미국서 전기자동차를 상용화하여 판매 1900년 ~ 1920년 우드 社, 디트로이트 社, 콜림비아 社, 에디슨(미국) 등 디트로이트 社 전기자동차(1915년) 및 충전기 다양한 전기자동차 모델의 상용화 및 2차전지 배터리 기술 개발

20 년도 개발자/기업/기관 주요내용 1920년 오하이오 스탠더드 社 (미국) 포드 社 (미국) 미국 텍사스의 원유발견으로 휘발유 가격하락 내연기관 자동차의 생산기술(포드 시스템) 발달로 휘발유 자동차가 자동차 시장이 대세 이후에 전기자동차는 비싼가격, 주행거리의 한계, 충전시간이 필요하기에 전기자동차가 사라짐 1930년 ~ 1990년 전기자동차 공백기 1990년 캘리니아주(미국) 환경오염의 대책으로 캘리포니아주는 배기가스 제로법(ZEV)을 도입하는 정책을 법제화함 1990년 GM 社 (미국) LA 모터쇼에서 전기자동차 EV1을 전시 1996년 GM 社 (미국) 2인승 전기자동차 EV1의 상용화, 최고속도 150km, 주행거리 160km, 충전시간 4시간 2003년 캘리니아주(미국) 글로벌 석유 및 자동차 회사가 GM 社 의 전기자동차의 배터리가 문제 많다는 언론 조장과 로비를 통해 배기가스 제로법(ZEV)을 철폐 2005년 GM 社 (미국) 배기가스 제로법(ZEV)이 사라지자 EV1의 생산라인을 폐쇄, 관련 직원을 해고하고, EV1을 폐차함

GM 社 (미국) LA 모터쇼에서 전기자동차 EV1을 전시 1996년 GM 社 (미국) 2인승 전기자동차 EV1의 상용화, 최고속도 150km, 주행거리 160km, 충전시간 4시간 2003년 캘리니아주(미국) 글로벌 석유 및 자동차 회사가

21 4. 전기자동차의 기술개발 현황 전기자동차에 대하여 다양한 기술개발이 진행되어 왔으며, 동력원의 전기화( 電氣化 ) 정도에 따라서 전기자동차를 구분하면 다음과 같이 정 리할 수 있다 29). 1) 하이브리드 전기자동차(HEV: Hybrid Electric Vehicle) 두 종류 이상의 동력원을 함께 이용하는 전기자동차를 말하며, 통상 의 휘발유(또는 디젤)엔진과 전기 모터를 함께 사용하는 차를 지칭 하며, 연료가 많이 이용되는 순간 휘발유 엔진 대신 전기 모터를 작 동시킴으로써 연료 사용을 저감하고, 배기가스 배출도 줄이는 전기 자동차 그림 8. 하이브리드의 정의 및 작동개요 그림 9. 하이브리드 전기자동차 [C2(Citroen), 시빅(혼다), 프리우스(도요다)] 29) 정용욱 외 공저, 전기자동차 2판, GS인터비전, pp

22 2) 플러그인 하이브리드 전기자동차(PHEV: Plug-in Hybrid Electric Vehicle) 가정용 전기를 이용하여 전기자동차의 배터리에 충전할 수 있는 하 이브리드 전기자동차를 지칭하며, 배터리의 완전 충전을 통하여 50~60km의 거리를 전기로만 주행 가능한 전기자동차 그림 10. 플러그인 하이브리드 전기자동차[Volt(GM)] 3) 배터리 전기자동차(BEV: Battery Electric Vehicle) 내연기관 엔진은 없으며, 순수하게 전기모터의 회전력으로만 달리는 전기자동차를 의미하며, 필요한 전기는 100% 충전을 통해서 얻으며, 대기 오염도 전혀 없는 가장 친환경적인 전기자동차이다. 그림 11. 배터리 전기자동차[모델S(테슬라), Leaf(닛산)]

23 다만, 전기자동차의 배터리 충전 전력 밀도가 휘발유(또는 경유)의 에너지 밀도와 비교하여 상당히 떨어지기 때문에 장거리 운전에 한 계, 충전시간 단축이 개선되어야 할 것이다. 4) 연료전지 전기자동차(FCEV: Fuel Cell Electric Vehicle) 배터리 전기자동차와 마찬가지로 순수하게 전기모터의 회전력으로 만 주행하며, 전기모터에 공급되는 전기를 연료전지(Fuel Cell)로부 터 공급받는 것을 특징으로 한다. 연료전지란 수소(H 2 )와 산소(O)를 반응시켜 전기를 생산하는 장치로서, 배기가스가 전혀 없고, 물(H 2 O) 만 배출되는 친환경 전기자동차이다. 다만, 수소의 대량생산 및 차 량 내에 수소의 저장 등이 장애요인으로 개술개발이 필요하다. 그림 12. 연료전지 전기자동차[Equinox(GM), FCHV-avd(도요다)] 4가지 대표적인 HEV, PHEV, BEV 및 FCEV 전기자동차의 특징을 정 리하면, 다음의 표2와 같이 정리할 수 있다. 하이브리드 전기자동차(HEV)는 기존의 내연기관 자동차에서 100% 완 전한 전기자동차로 이행하는 중간적( 中間的 )인 자동차라고 할 수 있다. 따라서 하이브리드 전기자동차(HEV)는 현재 대부분의 자동차 회사가 집중적으로 연구 개발하고 있으며, 모터의 사용정도(전기화 정도)에 따 라서 1Micro(Mild) HEV 2Soft(Power Assist) HEV 3Hard(Full) HEV로 구분할 수 있으며, 내연기관 엔진과 모터의 연결방식에 따라서 1직렬 형(Series) 2병렬형(Parallel) 3직 병렬형(Series/Parallel)으로 구분할 수 있다

24 표2. 전기자동차의 종류 및 특징 30) 구 분 HEV PHEV BEV FCEV 동력계 구 조 구동원 엔진 + 모터 모터 엔진(방전시) 모터 모터 에너지원 휘발유/경유 전기 전기 휘발유/경유(방전시) 전기 수소 특 징 구동시 내연기관/ 모터를 적절히 작동 시켜 연비향상 별도의 인프라 필 요 없음 배터리 전용 주행 5km 정도 단거리 주행 시 전기모터로 주행 장거리 주행 시 내연기관 사용 HEV 대비 배터리 용량증대, 주행거리 60km 정도 완전한 친환경 전 기자동차 근거리인 150km 내외만 주행가능 완전한 친환경 전 기자동차 수소/산소 반응으 로 전기를 생산하여 동력원으로 사용 수소탱크, 스택 등 장착이 필요 구매비용 다소 고가 다소 고가 고가 초고가 운영비용 다소 저비용 다소 저비용 저비용 고비용 운전편의 내연기관과 동일 전기충전 필요 전기충전 필요 수소충전 필요 주요차량 C2(Citroen) 시빅(혼다) 프리우스(도요다) 아반데 LPI(현대) Volt(GM) F3DM(BYD) Karma(Fisker) 모델 S,E,X(테슬라) Leaf(닛산) i-miev(미쓰비시) ZOE(르노) 투산(현대) Equinox(GM) B-class(다임러) FCHV-avd(도요다) Micro(Mild) HEV, Soft(Power Assist) HEV 및 Hard(Full) HEV에 대하여 구체적으로 언급하면 다음과 같다 31). 1 Micro(Mild) HEV (마이크로 하이브리드 전기자동차) Micro HEV는 공회전시 시동이 자동으로 꺼지고 출발 시 엑셀레이터 를 밟으면, 시동이 켜지는(idle stop & go system) 방식의 차량으로 전 기모터는 보조역할만 하는 차량을 의미한다. 기존의 내연기관에 부착 하거나 제약조건이 많은 소형 차량에 적합한 방식으로 이산환탄소 30) 송민규, 리튬이온전지 소재기술 동향 분석 및 전망, KDB 산업은행 보고서 및 정용욱 외 공저, 전기자동 차 2판, GS인터비전, pp. 56 참조하여 업데이트 함 31) 정용욱 외 공저, 전기자동차 2판, GS인터비전, pp. 62~65 참조하여 업데이트 함

25 (CO 2 ) 감소율이 5~10% 정도의 하이브리드 전기자동차이다. 그림 13. Citroen C2(Micro HEV) 2 Soft(Power Assist) HEV (소프트 하이브리드 전기자동차) Soft HEV의 경우 Micro HEV 방식보다는 모터의 보조역할이 더 크다. 대부분의 병렬 방식의 Soft 타입으로 현대자동차의 아반떼 LPI 하이브 리드 및 혼다자동차의 시빅 하이브리드와 같이 엔진 + 전기모터 + 변 속기(CVT: Continuously Variable Transmission)로 구성되어 있다. 이 경우 엔진과 변속기 사이에 모터가 삽입되어 있으며, 모터가 엔진의 동력 보조역할을 수행하게 된다. 전기모터 단독으로 차를 움직일 수 있지만, 모터는 단지 추진의 보조역할을 하며, Soft HEV는 전기적인 비중이 적어 가격이 저렴한 장점이 있지만, 순수 전기 모드 구현이 불 가능하여 배기가스 저감 및 연비개선에서 상대적으로 불리하게 된다. Soft HEV는 시동이나 가속순간에만 전기모터가 엔진을 보조하고 정속 주행 시는 일반자동차와 동일한 엔진으로만 구동하는 타입이기에 Hard HEV에 비교하여 연비가 나쁜 것이다. 그림 14. 혼다 시빅(Soft HEV)

26 3 Hard(Full) HEV (하드 하이브리드 전기자동차) Hard HEV의 경우 전기모터가 출발과 가속 시에만 역할을 하는 것 이 상으로 주시에도 전기모터가 사용되는 방식이다. 내연기관과 전기모터 의 배치에 따라서 직렬형 또는 직 병렬형(혼합형)으로 구분되며, 도요 다의 프리우스가 대표적으로 이 방식에 속하는 전기자동차 모델이다. 그림 15. 도요다 프리우스(Hard HEV) Hard HEV는 엔진이 전기모터 2개를 가지고 있으며, 변속기(CVT: Continuously Variable Transmission)로 구성된 하이브리드 시스템으로, 엔진, 모터, 발전기의 동력을 분할/통합하는 기구인 유성기어를 채택하 여 효율적으로 동력을 배분하며, 전기모터 2개가 유기적으로 작동하여 동력보조 역할도 수행하기에 순수한 전기자동차로 구동도 가능하다. Hard HEV는 2개 이상의 모터 제어가 필수적이며, 대용량 축전지가 필 요하여 Soft HEV와 비교하여 전용부품이 1.5 ~ 2배 이상 고가인 단점 이 있지만, 회생제동 효율이 우수하고 연비가 좋은 장점도 가지고 있 다. 기존의 Hard HEV에 대용량 축전지를 추가하고 집에서 축전지를 충전 하면, 연료를 보다 적게 소비하며 멀리주행하게 되는데 이러한 자동차 를 플러그인 하이브리드 전기자동차(PHEV)라고 한다. 하이브리드 전기자 동차(HEV)의 종류별 연료효과 및 이산화탄소(CO 2 ) 감소율에 대해서는 그림 16과 같이 정의할 수 있으며, 모터의 사용정도(전기화 정도)에 따 른 전기자동차를 구분하면, 표3과 같다

27 Micro HEV < Soft HEV < Hard HEV < PHEV < BEV 그림 16. HEV의 종류별 연료효과 및 이산화탄소 감소율 표3. 모터의 사용정도(전기화 정도)에 따른 전기자동차 구분 32) 구 분 특 징 비 고 Micro HEV 공회전시 엔진이 정지 모터는 보조 역할만하는 단순시스템 엔진 + 모터(보조미비) HEV Soft HEV 기존 엔진에 모터로 보조 전기 주행모드가 없음 시동이나 가속 순간에만 모터가 엔진을 보조 엔진(주) + 모터(보조) Hard HEV 전기모터가 출발과 가속 시를 포함하여 주행 시에도 주된 역할 하이브리드 자동차의 주류로 성장예정 엔진(주) + 모터(보조) PHEV 기본적으로 전기모터로 움직이지만, 배터 리 범위를 넘어서는 거리는 엔진을 이용해 발전기를 돌리는 방식 모터(주) + 엔진(베터 리 충전) BEV 순수 전기로만 움직이는 자동차 모터(베터리) FCEV 연료전지를 통해 얻어지는 전기를 이용 하여 움직이는 자동차 모터(연료전지) 32) 정용욱 외 공저, 전기자동차 2판, GS인터비전, pp

28 또한, 내연기관 엔진과 모터의 연결방식에 따라서 1직렬형(Series) 2 병렬형(Parallel) 3직 병렬형(Series/Parallel)으로 구분하여 정리하면, 다음과 같다 33). 1 직렬형(Series, 直列形 ) HEV 직렬형은 엔진이 발전기를 돌리고, 발전의 전기를 이용하여 모터가 회 전하는 방식이며, 엔진이 구동축에 연지 않고, 엔진과 발전기가 직접 연결되어 있으므로 직렬형(Series)이라고 부른다. 태양열 또는 태양광 자동차에 사용되며, 내연기관보다 엔진이 더 효율적이다. 다만, 직렬형 HEV 상용화의 최대 핵심은 전기의 힘으로만 기계적인 추진력을 얻어 야하기 때문에 대용량 축전지가 필요하며, 하이브리드 트럭이나 버스 와 같이 중량이나 면적에서 제약 조건이 적은 타입이 유리하다. 그림 17. 직렬형 하이브리드 전기자동차 그림 17은 앞바퀴 구동 방식의 직렬형 하이브리드 전기자동차의 구성 을 나타낸 것으로 앞바퀴 사이에 변속기가 있고, 모터는 이 변속기를 통해 동력을 바퀴에 전달하는 방식이다. 모터에 공급하는 전기를 저장 하는 배터리가 달려 있으며, 직렬형에 사용되는 엔진은 바퀴를 돌리기 위한 것이 아니라 축전지를 충전하기 위한 것으로서 엔지에는 발전기 가 연결되어 있고, 이 발전기에서 발생되는 전기를 축전지에 저장하는 33) 정용욱 외 공저, 전기자동차 2판, GS인터비전, pp. 66~67 참조하여 업데이트 함

29 타입니다. 이러한 직렬형 하이브리드 전기자동차는 엔진과 구동바퀴 사에에 동력전달 구조가 필요 없다는 점에서 다음과 같은 장 단점 있다. 장점1 : 엔진과 바퀴 사이에 동력전달을 위한 기계적인 연결이 필요 없기 에 엔진에 레이아웃이 자유로우며, 엔진이 좁은 엔진 룸에 함께 있을 필요가 없으므로 공간 효율성도 개선되었다. 장점2 : 엔진과 바퀴의 회전은 무관하므로 항상 최적의 엔진을 구동할 수 있다. 장점3 : 제어기 비교적 간단하며, 별도의 변속 장치도 필요없다. 단점1 : 차체 구동이 전적으로 전기 모터에 의존하기에 성능이 매우 뛰어 난 모터가 필요하다. 단점2 : 장거리 주행을 위해서 축전지(배터리) 용량 충분하게 커야한다는 문제를 지내고 있다. 단점3 : 전체적인 에너지 효율이 병렬형 하이브리드 전기자동차와 비교하 여 낮으며, 동력전달 방식이 완전히 바뀌므로 기존의 내연기관 차 량에 이 방식을 적용하기 힘들다는 단점이 있다. 직렬형 하이브리드 전기자동차는 에너지 효율의 감소, 축전지(배터 리 용량의 한계로 인하여 실질적으로 사용되지 못하며, 충전이 가 능한 플러그인 하이브리드 방식으로 적용되고 있으며, 2010년 GM 社 가 출시한 플러그인 하이브리드 쉐보레 볼트(Chevrolet Volt)가 플러그인 방식의 직렬형 하이브리드 구조를 채용하고 있다 34). 쉐보레 볼트(Chevrolet Volt)의 특징 쉐보레 볼트는 가정에서 전기 콘센트로 충전이 가능하며, 동시에 연료(휘발유)를 태워 얻는 방식으로 휘발유 1리터로 100km까지 주 행이 가능한 매우 경제적인 장점이 있다. 차량의 전기배터리로는 한 번에 최대 64km까지 주행이 가능한 이 차의 미국내 판매가격은 4만 1000(약 4800만원)달러로 친환경 세제 혜택을 받으면 3만 3,500 달러(약 4100만원)에 판매되고 있음 34) GM 社 인터넷 사이트, CHEVROLET VOLT BATTERY,

30 그림 18. 쉐보레 볼트(플러그인 방식의 직렬형 하이브리드 전기자동차) 그림 19. 쉐보레 볼트(좌측: 엔진, 우측: 리튬이온 배터리) 그림 20. GM 社 쉐보레 볼트의 배터리 화재사고에 대한 기사(동아일보)

31 쉐보레 볼트(Chevrolet Volt)의 배터리에서 화재사고 2011년 12월에 미국 고속도로안전관리국(NHTSA: National Highway Traffic Safety Administration) 및 다수의 언론보도를 통해서 전기 자동차인 쉐보레 볼트(Chevrolet Volt)의 배터리에서 화재사고의 문 제점이 발표되었다. 이 것은 전기자동차의 안전에 관하여 가장 핵 심적으로 지적되는 일반적인 것으로서, 자동차 충돌( 衝突 )시 냉각수 ( 冷却水 )가 결정화 되고 이것이 원인이 되어서 리튬이온 배터리 35) 사이에 합선을 유발하게 된다. 이로 인하여 리튬이온 배터리 온도 가 일시적으로 상승하고, 배터리에 연기가 피어나고 불꽃이 튀는 현상이 미국 고속도로안전관리국(NHTSA)의 차량 시험결과로 확인 되었고, 차량의 제조사인 GM 社 현재까지 판매된 차량의 소유주에 대하여 이 사실을 알리고 리콜(Recall)조치를 하였지만, 6개월간 이 시실을 숨긴 GM 社 와 고속도로안전관리국(NHTSA)에 대한 소비자의 불만과 항의가 있었음 36) 2 병렬형(Parallel, 竝列形 ) HEV 병렬형은 엔진과 전기모터가 각각 독립적으로 구동하는 방식을 말 하며, 주로 하이브리드 전기자동차라고 할 때는 병렬형 HEV를 의 미한다. 주 동력원은 내연기관 엔진의 기계적 추진력이며, 엔진을 더욱 가속할 때나 출력이 부족할 때 내연기관 엔진을 전기모터가 보조하는 방식을 의미한다. 배터리의 전기로 구동되는 전기모터가 변속기를 통해 바퀴를 구동시킨다는 점에서 병렬형은 직렬형과 동 일하다. 그러나 병렬형의 엔진은 변속기에 직접 연결되어 차체를 움직이고, 축전기의 충전에 관여하는 것이 주 목적은 아니다. 따라 서 직렬형과 달리 발전기가 필요 없는 것이 특징이다. 구체적으로 병렬형 HEV의 동력시스템은 축전지의 전기모터를 변 속기 바퀴로 이어지는 전기적 구성과 연료탱크 엔진 변속기 바퀴 의 내연기관 구성이 변속기를 중심으로 병렬적으로 연결되므로 내 연기관 엔진과 전기모터 각각이 바퀴에 직접 연결되므로 동력전달 효율이 뛰어나다. 35) GM 社 의 리튬이온배터리는 전량 LG화학에서 공급하고 있음 36) 한국에너지 기사, 2017년에 한국 전기차시장 본궤도,

32 그림 21. 병렬형 하이브리드 전기자동차 그림 21에서 내연기관 엔진과 전기모터의 출력을 동시에 바퀴에 전달할 수 있으므로 엔진의 크기를 줄이는 만큼의 성능을 발휘하 는 전기모터만 갖추면 기존의 내연기과 자동차에 손색없는 동력성 능을 이끌어 낼 수 있으며, 작은 내연기관 엔진을 고효율 영역에서 운전하기 위하여 공해를 줄인다는 점 이외에도 전기모터가 병렬로 연결되기 때문에 통상적으로 내연기관 엔진에서 배출되는 출력 중 차체를 움직이는 힘으로 사용되는 비율은 크기 않고 나머지는 버 려지는데, 병렬형 하이브리드 전기자동차에서는 엔진의 힘이 운전 자가 요구하는 동력 이상으로 발휘될 수 있을 때는 여유동력으로 모터를 구동시키고, 이 때 전기모터는 발전기 역할을 하며, 전기를 저장한다. 병렬형 방식은 전기모터가 추가의 개념이기 때문에 기존의 내연기 관에 추가로 요구되는 방식이며, 무게와 비용면에서도 제약 조건이 많이 않으며, 현재 하이브리드 전기자동차에서 가장 널리 적용되는 방식으로 다음과 같은 장 단점 있다. 장점1 : 변속기 전 후에 내연기관 엔진 및 전기모터를 병렬로 배치하여, 주행상황에 따라서 최적의 성능과 효율을 갖도록 차량구동에 필 요한 동력을 내연기관 엔진과 전기모터에 적절히 분배 가능하다. 장점2 : 엔진이 힘이 차량이 요구하는 동력 이상으로 발휘된 경우 여유동

33 력은 모터의 발전 작용으로 인하여 배터리에 전기를 저장한다. 장점3 : 내연기관 엔진의 이상의 힘이 필요할 때 전기모터를 동작시킨다. 장점4 : 기존 차량의 구조를 그대로 이용 가능하므로 제조비용 면에서 직 렬형에 비교하여 유리하다. 단점1 : 병렬형 HEV는 직렬형 HEV와 비교하여 동력전달 구조와 제어가 복잡하다. 병렬형 하이브리드 전기자동차는 혼다(Honda) 社 가 출시한 시빅 (Civic) 하이브리드가 대표적인 모델이다. 그림 22. 혼다 시빅(병렬형 하이브리드 전기자동차) 그림 23. 혼다 시빅(좌측: 엔진, 모터 및 변속기, 우측: 차량구조) 혼다 시빅(Honda Civic)의 특징 혼다 시빅은 차량내부의 일반적으로 전기를 공급하는 12V의 배터 리(납축전지, 그림 23의 도면부호 1) 이외에 모터를 직접적으로 구 동 가능한 고전압 158V 배터리(리튬이온 배터리, 그림 23의 도면부

34 호 3) 37) 가 위치하고 있다. 가장 기술적인 핵심부분은 그림 23의 좌 측에 나타나있는 내연기관의 기계적인 엔진(V6 3.0L i-vtec VCM) 과 브러시리스(Brushless) DC 전기모터(IMA Motor)이고, 기계적 엔 진과 전기모터의 동력을 배분하는 변속기(Compact 5AT)를 결합시 켜서 제어하는 것이 기술적으로 가장 어려운 과제라고 할 수 있습 니다. 특히 혼다 시빅(Honda Civic)에서 브러시리스 DC 전기모터 (IMA Motor)는 6개의 스위치로 구성된 전력용 인버터(Power Inverter)에 의해서 제어되고 있다. 가속 등 차량이 요구하는 파워가 기계적 엔진(V6 3.0L i-vtec VCM) 만으로 부족한 경우: 브러시리스 DC 전기모터(IMA Motor)는 전동기 (Motor)로 동작하고, 변속기(Compact 5AT)는 기계적 엔진(V6 3.0L i-vtec VCM)의 힘 + 브러시리스 DC 전기모터(IMA Motor) 힘을 합 해서 바퀴에 제공하는 역할을 하게 된다. 감속 등 차량이 요구하는 파워가 기계적 엔진(V6 3.0L i-vtec VCM) 만으로 넘치는 경우: 브러시리스 DC 전기모터(IMA Motor)는 발전기 (Generator)로 동작하고, 변속기(Compact 5AT)는 기계적 엔진(V6 3.0L i-vtec VCM)의 남는 힘 브러시리스 DC 전기모터(IMA Motor)를 돌려서 발전기 동작을 하게 되고, 발전된 전력을 일정한 전압(158V)으로 승압시켜서 고전압 158V 배터리(리튬이온 배터리)에 저장하게 된다. 따라서 그림 23의 우측에 위치한 내연기관의 기계적인 엔진(V6 3.0L i-vtec VCM)과 브러시리스(Brushless) DC 전기모터(IMA Motor)이 고, 기계적 엔진과 전기모터의 동력을 배분하는 변속기(Compact 5AT)의 모두를 적절하게 제어하는 것이 기술적으로 핵심이며, 병렬 형 HEV는 직렬형 HEV와 비교하여 동력전달 구조와 제어가 복잡하므로, 국내기업이 이에 대한 기술력 확보가 매우 시급한 현실입니다. 3 직 병렬형(Series Parallel, 直竝列形 ) HEV 직 병렬형은 직렬형과 병렬형을 혼합한 방식으로 엔진과 모터가 37) 혼다 시빅의 1세대는 144[V] 니켈 수소(NiMH) 배터리/ 2세대는 158.4[V] 니켈 수소(NiMH) 배터리/ 현 재 3세대는 158[V] 리튬 이온(Littium-Ion) 배터리를 사용하고 있음

35 동시에 작동되거나, 모터 단독 또는 엔진 단독으로, 그리고 엔진과 희생제동을 통해 발전기를 동려 구동축을 움직이는 방식을 말한다. 그림 24. 직 병렬형 하이브리드 전기자동차 그림 24를 참고하여 엔진 효율이 좋은 주행상태에서는 엔진으로 발전기를 돌려 축전기에 충전하여 두고자함이 주요 동작과정이다. 바퀴 회전속도를 측정하여 엔진구동이 효율적이라고 판단되며, 엔 진으로 바퀴를 직접 구동하도록 하고, 이 보다 엔진-발전기-모터의 효율이 좋다고 판단되면, 엔진은 발전기가 된다. 엔진은 일정속도 로 회전 시, 효율이 가장 좋으며, 이 엔진출력이 주행에 소요되는 구동력을 초과할 경우에는 남는 에너지로 발전하여 축전지에 저장 한다. 보다 큰 구동력을 요할 때에는 엔진, 엔진-발전기-모터, 축전 지-모터의 구동력이 함께 동원되어 강력한 힘을 발휘한다. 직 병렬형 하이브리드 전기자동차는 도요다(Toyota) 社 가 출시한 프리우스(Prius) 하이브리드가 대표적인 모델이다

36 그림 25. 도요다 프리우스(직 병렬형 하이브리드 전기자동차) 그림 26. 도요다 프리우스(좌측: 엔진, 모터 및 동력분할장치, 우측: 배터리) 도요다 프리우스(Toyota Prius)의 특징 도요다 프리우스는 직 병렬형 하이브리드 방식을 채용하고 있으 며, 다른 하이브리드 차량과 연비를 비교해보면, 현재 출시된 하이 브리드 차량 중에서 가장 높은 연비를 보이는 것을 특징으로 한다. 차량의 후방에 배치된 12V의 배터리(납축전지) 이외에 모터를 직접 적으로 구동 가능한 288V 배터리(리튬이온 배터리)를 구비하고 있 다. 가장 기술적인 핵심부분은 그림 26의 좌측에 나타나있는 내연 기관의 기계적인 엔진(4 Cylinder Internal Combustion Engine)과 브 러시리스(Brushless) DC 전기모터 및 발전기이고, 기계적 엔진과 전 기모터의 동력을 배분하는 동력분할장치(Power Split Device)를 결 합시켜서 제어하는 것이 기술적으로 가장 어려운 과제라고 할 수 있습니다. 특히 혼다 시빅(Honda Civic)과 마찬가지로 도요다 프리 우스(Toyota Prius)에서 브러시리스 DC 전기모터(IMA Motor)는 6개

37 의 스위치로 구성된 전력용 인버터(Power Inverter)에 의해서 제어 되고 있다. 그림 27. 도요다 프리우스 엔진의 세부적인 구성 그림 28. 도요다 프리우스 구동력 전달

38 그림 27은 도요다 프리우스(Toyota Prius) 엔진의 세부적인 구성을 나타내고 있으며, 내연기관 엔진과 브러시리스 DC 전기모터를 구 비한다는 점에서 혼다 시빅(Honda Civic)과 실질적으로 동일하다. 혼다 시빅(Honda Civic)의 변속기(Compact 5AT)는 내연기관 엔진과 브러시리스 DC 전기모터의 동력을 병렬적으로 배분하는 역할을 수 행하지만, 도요다 프리우스(Toyota Prius)의 동력분할장치(Power Split Device)는 엔진과 브러시리스 DC 전기모터의 동력을 직렬/ 병 렬/ 직 병렬로 분할하는 역할을 수행한다. 따라서 도요다 프리우 스의 엔진 제어가 가장 핵심적인 기술이며, 보다 구체적으로는 그 림 28과 같이 구동력이 전달되도록 동력분할장치(Power Split Device)를 제어하는 것을 특징으로 한다. 그림 28로부터 직 병렬형 하이브리드 전기자동차의 구동력에 따 른 동작원리를 설명하면 다음과 같다. ᄀ 발진, 경부하시 : 하이브리드 전기자동차가 많은 출력을 요하지 않는 경우로서, 일반적으로 내연기관의 엔진을 정지하고, 배터리 에서 공급되는 전력만을 가지고 전기모터를 구동하여 주행 ᄂ 통상 운전시 : 통상적인 운전에서는 내연기관 엔진에 의한 구동 과, 발전기에서 얻어진 전력으로 전기모터를 구동하는 두 가지 방 식의 혼합으로 주행 ᄃ 전출력 운전시 : 가속, 추월, 등반 등 최대 출력이 필요한 경우, 통상 주행시 보다 더욱 큰 힘을 얻기 위하여 배터리로부터 전력 을 공급하여, 구동력을 최대한 증가시킴 ᄅ 감속, 제동시 : 전기모터가 발전기로 동작하며, 인버터를 통하여 발전된 에너지를 배터리에 공급하여 배터리를 충전시킴 도요다 프리우스와 같이 직 병렬형 하이브리드 전기자동차에서 속도 변화시 충격없이 복접한 제어를 실현시키는 시스템이 유성기어 (Planetary-Gear) 및 전기식의 무단변속기인 것이 가장 큰 기술적 특 징이다. 이 동력분할장치는 엔진과 발전기 및 모터 각각의 회전수를 단계 없이 연속적으로 변속할 수 있는 전기적 연속 가변 변속기(CVT: Continuously Variable Transmission)의 기능을 갖는다

39 그림 29. 도요다 프리우스의 유성기어와 동력전달계통 연결 차축과 연결되어 있는 모터의 회전속도가 주행상태에 따라 여러 가지로 변하여도, 발전기의 회전속도를 제어함으로써 엔진은 항상 효율이 좋은 영역에서 운전이 가능하게 된다. 모터, 발전기 및 엔 진의 회전속도와의 관계는 다음의 식(1)과 같이 정의될 수 있다. (1) 여기서, n e : 엔진(유성기어) 회전수, n m : 모터의 회전수 n g : 발전기의 회전수 K m : 링기어(모터의 출력축)의 톱니 수 K g : 선기어(발전기)의 톱니 수 직 병렬형 하이브리드 전기자동차는 연비향상과 강력한 출력을 발휘할 수 있는 장점이 있으나, 복합한 구조와 제어기술 때문에 비 교적 고비용이라는 단점도 있지만, 중형급 이상의 차종에 적합한 방식으로 평가되며, 도요다 이외에 GM, 크라이슬러(Chrysler), BMW 등 여러 회사가 직 병렬형 하이브리드를 개발했지만, 도요

40 다는 현재 직 병렬형 하이브리드 기술에 다양한 노하우를 가지고 있으며, 선도적인 업체로 평가되고 있다. 도요다 프리우스의 개요 최초이 양산형 하이브리드 자동차(1997년) 이산화탄소 배출량의 약 50% 감소 CO, HC, Nox 배출량 : 규제치의 90% 감소 연비 : 35.3 km/l 그림 30. 에너지 사용률에 대한 자동차 분류 그림 30에서 에너지 사용률을 살펴보면, 전형적인 내연기관인 휘발유 (Gasoline), 경유(Diesel) 및 LPG 차량의 경우 순수한 화석에너지를 사 용하고 있으며, Citroen 社 의 C2는 정지시 엔진을 정지하여 연료를 저 감하는 Micro HEV로서 단지 5~10%만 전기에너지를 사용하고 있으며, 혼다 社 의 시빅(Civic)은 기존에 내연기관 엔진에 전기모터로 보조하는 Soft HEV로서 10~25% 정도의 전기에너지를 사용하고 있고, 도요다 社 의 프리우스(Prius)는 전기모터가 출발과 가속 시에만 역할을 하는 것 이 아니라 주행에 주된 역할을 하는 Hard HEV로서 25~40% 정도의 전 기에너지를 사용하고 있다. GM 社 의 쉐보레 볼트(Chevrolet Volt)는 기

41 본적으로 전기모터로 구동되지만, 배터리의 에너지 공급 범위를 넘어 서는 거리는 내연기관 엔진을 이용하여 발전기를 돌리는 방식의 Plug-in HEV로서 50~100%의 전기에너지를 사용하고 있으며, 닛산 社 의 리프(Leaf) 또는 테슬라 社 의 모델 S,E,X는 순수하게 배터리의 전기를 사용하는 방식이며, 도요다 社 의 FCHV-avd는 연료전지 전기자동차 (FCEV)로서 가장 친환경적인 자동차이다. 5. 전기자동차의 시장동향 현재 친환경 전기자동차는 그 확산을 거스를 수 없는 대세로서 점차 기술개발이 활발하게 진행되고 있다. 특히 미국, 유럽, 중국을 중심으 로 하는 전 세계 국가에서는 배기가스 규제를 강화시키는 국가적인 정책을 추진하고 있으며, 앞으로 더욱 배기가스 규제는 강화될 것으로 예상하고 있다. 따라서 현재는 배터리 전기 저장 기술의 한계로 인하 여 하이브리드 전기자동차가 주류를 이르고 있지만, 10년 후에는 순수 하게 배터리 및 전기모터로 구동 가능한 배터리 전기자동차(BEV) 시 대가 펼쳐질 것으로 예상되고 있다. 선진국에서 제안하는 2020년 온실가스 배출규제 기준은 현재의 내연 기관 엔진 자동차의 기술개발로는 달성할 수 없는 기준이며, 특히 미 국 캘리포니아 주에서 실시하는 배기가스 제로법(ZEV: Zero Emission Vehicle) 은 배터리 전기자동차(BEV)의 기술향상에 특별히 기여하는 것으로 평가되고 있다. 그림 31은 Automotive World Car Industry Forecast Report 의 전 세계의 전기자동차 시장전망을 나타내고 있다. 전 세계 자동차 시장은 2030년까지 지속적으로 성장할 것으로 예측되고 있다. 내연기관 차량 은 2005년부터 지속적으로 감소하고 있으며, 그 자리를 하이브리드 전 기자동차가 대체하고 있는 현실이다. 특히 2020년 기준으로 하이브리 드전기자동차는 전체 차량 판매의 절반 이상인 판매대수 약 5천만대, 전체차량의 약 58%로 정점을 이룰 것으로 예측하고 있다. 또한 그 이 후로는 연료전지 전기자동차(FCEV)의 판매가 증가될 것으로 예측하고 있으며, 2035년 기준으로 판매대수 약 8천만대, 전체차량의 약 90%로

42 연료전지 전기자동차(FCEV)가 전기자동차 시장을 선도할 것으로 예측 하고 있다. 그림 31. 세계의 전기자동차 시장전망 그림 32. 연도별 전기자동차 판매 시장예측

43 Automotive World Car Industry Forecast Report 에서는 내연기관 엔진 자동차 하이브리드 전기자동차(2020년 정점) 연료전지 전 기자동차(2035년 정점)으로 예측하고 있다. 상기 Report 예측의 바탕에 는 배터리에서는 첫째, 석유에너지의 점차척인 고갈을 예측하고 있으 며, 둘째, 배터리에서 전기의 저장능력이 한계가 있을 것이라는 대전 제하( 大前提 )에 이루어진 것으로 판단되고 있다. 그림 32는 Deutsche Bank, Electric Car'에서 발표한 연도별 전기자 동차 판매 시장예측이다. 2015년 기준으로 Micro(Mild) HEV(예, Citroen 社 의 C2), Hard(Full) HEV(예, 도요다 社 의 프리우스)가 전기자동차의 시장을 주도하고 있지만, 2020년에서는 Micro(Mild) HEV(예, Citroen 社 의 C2), Hard(Full) HEV(예, 도요다 社 의 프리우스), 연료전지 전기자동 차(FCEV)(예, 도요다 社 의 FCHV-avd) 및 순수한 배터리 전기자동차 (BEV)(예, 닛산 社 의 리프, 테슬라 社 의 모델 S,E,X)가 모두 경쟁하는 형 상이 될 것으로 예측하고 있다. 그림 33. 연도별 각 회사의 하이브리드 전기자동차 생산현황 그림 33은 연도별 각 회사의 하이브리드 전기자동차 생산현황으로 (하 이브리드 기술을 선도하고 있는 도요다 社 와 닛산 社 가 가장 주도하고 있으며, 하이브리드 전기자동차는 도요다 社 가 가장 독보적으로 생산할

44 것으로 예측된다. 6. 전기자동차 상용화 장애 및 문제점 현재 자동차 및 배터리 관련기술의 수많은 연구개발로 인하여 친환경 전기자동차가 본격적인 시대로 도래한 것처럼 느끼게 한다. 하지만, 친환경 전기자동차를 본격적으로 상용화하기 위하여 많은 문제들이 있으며 이에 대하여 살펴보고자 한다. 1) 셰일가스(Shale Gas) 38) 본격생산으로 인한 석유가격의 하락 1900년대 초반 활발하게 생산 및 판매 39) 되었던 전기자동차가 급격하 게 사라진 이유는 포드(Ford)시스템이라는 혁신적인 내연기관 자동차 의 생산방식과 1920년 석유 왕인 록펠러가 텍사스 원유발견 및 석유 산업 개발로 인하여, 가솔린자동차는 급격하게 가격하락이 주된 원인 이 되었다. 전기자동차의 개발에 대한 가장 큰 요인 중 하나는 석유에너지의 점 차척인 고갈을 전재하기 때문이다. 전기자동차의 본격적인 개발의 근 간에는 내연기관 자동차의 배기가스로 인한 환경오염도 그 원인이지 만, 2000대 초반에 석유에너지 고갈로 인하여 유가( 油價 )의 급격한 상 승이 주된 원인이라고 할 수 있을 것이다. 하지만, 1998년 그리스계 미국인 채굴업자 조지 미첼(George P. Mitchell)로 40) 인하여 그간 석유 및 천연가스 에너지의 생산이 불가능 하다고 여겨진 셰일층(Shale Formation)에서 에너지의 생산이 가능한 길을 열게 되었다. 일반적인 천연가스는 셰일층(진흙 퇴적암층)에 생성된 뒤에 오랜 세월 동안 투 과 암석층을 통해 지표면으로 이동해 지표면 가까이에 올라와 한 곳 에 모여 있는 반면, 셰일가스는 투과하지 못하는 불투과 암석층에 막 혀서 이동하지 못하고 셰일층에 잔류하게 된다. 개발로 천연가스의 황 38) 셰일가스의 성분은 천연가스와 비슷하며(셰일가스는 천연가스의 일종임), 주성분은 메탄 70~90%, 에탄 5%, 프로판 및 부탄이 5~15%로 구성되어 있다. 셰일가스는 주로 난방, 발전 연료 및 석유화학 원료 등 으로 사용됨 39) 1900년대 초에 미국에서 굴러다니는 자동의 약 38%가 전기자동차였다. 40) 조지 미첼(George P. Mitchell, 1919년~2013년): 텍사스 A&M대학 졸업, 셰일 에너지 개발을 위하여 1 만개 이상의 시추공을 뚫었으며, 평시추공법(horizontal drilling)과 수압파쇄공법(fracking)을 융합하여 셰 일 에너지 시추에 성공하여 셰일의 아버지라고 불리우는 미국의 기업가

45 금 시대가 도래할 것 이라고 평가했으며, 영국의 이코노미스트는 셰 일에너지의 발견은 전 세계 에너지 구성에서 엄청난 변화를 일으킬 것이며, 셰일가스 최대 매장 지역인 중국, 미국, 아르헨티나, 멕시코, 남아프리카는 에너지 공급의 전통적인 지정학적 판도를 뒤엎을 것 이라고 언급하였다. 그림 34. 셰일의 아버지 조지 미첼(George P. Mitchell) 그림 35. 전통가스와 셰일가스의 생성 및 이동경로 41) 전통가스인 천연가스는 가스가 생성된 후에 지표면으로 이동하기 때 문에 지표면 가까이에 위치하지만, 셰일가스는 사암층 아래의 모래와 진흙이 굳어서 형성된 진흙 퇴적암층에 위치하는 에너지이다. 41) 김명수, 셰일가스 개발이 해양플랜트 사업에 미치는 영향과 향후 대책 방안, 포항공과 대학교 석사학위 논문, pp

46 그림 35. 전통가스와 비전통가스 특징 비교 42) 천연가스에는 전통가스와 비전통가스로 구분할 수 있는데, 유전이나 가스전에 농축돼 있는 전통가스는 수반가스(Associated Gas)와 비수반 가스(Non-Associated Gas)로 나눌 수 있으며 한곳에 집중적으로 매장 되어 있어 개발이 용이하다. 반면, 비전통가스는 타이트가스, 석탄층의 메탄가스(CBM: Coal Based Methane), 가스 하이드레이트, 셰일가스 (Shale Gas) 등이 있으며, 일반적으로 비전통가스는 매장량이 풍부하지 만 개발을 위해서는 상대적으로 높은 기술력을 필요로 하고 있다. 그림 36은 셰일가스와 천연가스 시추과정 비교를 나타내고 있다. 일반 적으로 천연가스는 지표 근처에 가스가 모여있는 곳을 시추하여 가스 를 시추하는 반면에, 셰일가스는 지하 2~4 km로 수직으로 시추하고, 셰일층을 만나면 수평으로 시추에 의해서 시추공을 설치한다. 그림 37 은 수평시추 및 수압파쇄법을 나타내며, 수평으로 시추한 시추공에 물 과 모래, 그리고 화학물질을 섞은 액체를 고압으로 주입하여 가스가 내장된 암석에 균열을 일으켜서, 가스를 채취하는 것이 세일가스의 가 장 핵심적인 기술적 특징이라고 할 수 있다. 42) 외교통상부, 글로벌 셰일가스 개발동향 - 주요국의 셰일가스 개발현황과 전망, 외교통상부 국제경제국 글로벌에너지협력센터, pp

47 그림 36. 셰일가스와 천연가스 시추 과정 비교 43) 특히 셰일가스의 개발은 이제 에너지 시장의 판도를 변화시키는 기폭 제가 되고 있으며, 2035년 기준으로 셰일가스를 중심으로 하는 비전통 가스는 전체 가스 생상량에 약 24% 이상을 차지할 것으로 예상되고 있으며, 천연가스와 석유의 수입국이었던 미국을 2009년 이후에 세계 최대의 에너지 생산국으로 변화시키는 개기를 마련하게 되었다. 43) 김명수, 셰일가스 개발이 해양플랜트 사업에 미치는 영향과 향후 대책 방안, 포항공과 대학교 석사학위 논문, pp

48 그림 37. 수평시추 및 수압파쇄법 44) 그림 36. 셰일가스와 천연가스 시추 과정 비교 45) 또한, 천연가스의 공급 과잉으로 인하여 전기를 생산하기 위한 발전용 연료로서 석탄을 천연가스로 대체함으로 인하여 석탄수요가 감소되고 44) 외교통상부, 글로벌 셰일가스 개발동향 - 주요국의 셰일가스 개발현황과 전망, 외교통상부 국제경제국 글로벌에너지협력센터, pp. 4 45) 김명수, 셰일가스 개발이 해양플랜트 사업에 미치는 영향과 향후 대책 방안, 포항공과 대학교 석사학위 논문, pp

49 있으며, 전세계 주요 석유화학 기업은 석유화학의 대표적인 제품인 에 틸렌 생산시 세일가스 부산물인 저렴한 에탄(ethane)을 주원료로 사용 하기에 석유의 가격이 하락을 촉진하고 있는 실정이다 46). 셰일가스는 중동과 러시아에 주로 매장된 천연가스와는 달리 전 세계 에 골고루 분포되어 있으며, 중국이 가장 많은 매장량을 보유하고 있 는 것으로 알려져 있으며, 북미, 남미, 유럽, 아시아, 호주 및 아프리카 등 곳곳에 매장되어 있으며, 앞으로 더욱 다양한 지질조사에 의해서 새로운 세일가스 매장지역이 발견될 것으로 예측되고 있다. 현재 전기자동차 상용화 장애에 가장 큰 애로점은 바로 셰일가스의 개발로 인하여 기존의 내연기관 자동차의 연료인 휘발유 또는 경유가 격이 하락하고 있다는 것이고, 현재는 휘발유 및 경유 가격의 급격한 하락으로 인하여 전기자동차의 에너지 경쟁력이 감소하고 있는 부분 이라고 할 수 있을 것이다. 2) 배터리의 에너지 저장밀도의 한계 두 번째로 전기자동차 기술에 가장 큰 걸림돌은 바로 전기에너지를 저장하는 배터리라고 할 수 있다. 현재, 휘발유와 리튬-이온 배터리 사이에 에너지 저장밀도의 차이에 대해서 살펴보면, 다음의 표4와 같 다. 간단히 정리하면, 무게를 기준으로 휘발유와 리튬-이온 배터리 사 이에 에너지 밀도는 약 65배 차이가 나며, 부피를 기준으로 휘발유와 리튬-이온 배터리 사이에 에너지 밀도는 약 16배 차이가 난다. 표4. 휘발유와 리튬-이온 배터리 사이에 에너지 저장밀도의 차이 47) 기준 휘발유 리튬-이온 배터리 차이 무게 1kg 기준 부피 1L 기준 46MJ 0.7MJ 65.71배 36MJ 2.23MJ 16.14배 따라서 현재의 배터리는 아직도 많은 발전이 필요한 시기이며, 차세대 46) 외교통상부, 글로벌 셰일가스 개발동향 - 주요국의 셰일가스 개발현황과 전망, 외교통상부 국제경제국 글로벌에너지협력센터, pp. 4~8 47) Wikipedia 인터넷 사이트, Energy density,

50 배터리로는 배터리에 대해서 집중적으로 연구하고 있다. 금속-공기 배 터리의 일종인 리튬-공기 배터리는 기존의 리튬-이온 배터리와 비교 하여 최대 10배 정도 에너지 저장밀도를 향상시킬 수 있는 것으로 연 구되고 있으나, 아직은 실용화 단계에 도달하지 못하고 있으며, 캠브 리지 대학의 Clare Grey 교수와 Tao Liu 박사팀이 최근 Science 저널 에 발표한 논문에 따르면 그래핀(Graphene) 기판의 전극을 지난 리튬 -산소 배터리는 90% 이상의 효율과 2000회의 충 방전 사이클을 견딜 수 있는 향상된 리튬-공기 배터리에 대한 연구를 수행한바 있다 48). 특히 현재의 리튬-이온 배터리를 대신할 차세대 배터리 기술은 리튬- 공기 배터리에 대한 기술이며, 전극 기술과 관련하여 그래핀 기술이 적용되어 지금의 배터리 용량의 한계를 조금 더 뛰어넘을 것으로 생 각된다. 특히 그래핀은 연필심에 사용되어 우리에게 친숙한 흑연은 탄 소들이 벌집 모양의 육각형 그물처럼 배열된 평면들이 층으로 쌓여 있는 구조인데, 이 흑연의 한 층을 그래핀이라 부른다. 그림 37. 그래핀(Graphene) 그래핀(Graphene)은 0.2nm의 두께로 물리적, 화학적 안정성이 매우 높 다. 2004년 영국의 가임(Andre Geim)과 노보셀로프(Konstantin Novoselov) 연구팀이 상온에서 투명테이프를 이용하여 흑연에서 그래 핀을 떼어 내는 데 성공하였고, 그 공로로 이들은 2010년 노벨 물리학 상을 받았다. 그래핀의 물질적 특징은 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하고, 반도체로 주로 쓰이는 실리콘보다 100배 이상 전자의 이동성 48) Tau Liu 외, Cycling Li-O2 Batteries via LiOH formation and decomposition, Science 저널, Vol. 35 0, pp. 530~533,

51 이 빠르다. 강도는 강철보다 200배 이상 강하며, 최고의 열전도성을 자랑하는 다이아몬드보다 2배 이상 열전도성이 높다. 또한, 빛을 대부 분 통과시키기 때문에 투명하며 신축성도 매우 뛰어나다. 49) 3) 충전인프라 구축이 필요 전기자동차의 상용화에 대한 커다란 두 가지 걸림돌로 첫째, 셰일가스 (Shale Gas) 본격생산으로 인한 석유가격의 하락과 둘째, 현재 상용화 하는 배터리의 에너지 저장 밀도의 한계가 있으며, 이로 인하여 전기 자동차의 충전 인프라 구축이 필수적이다고 할 수 있다. 이러한 인프 라 구축을 위채서 충전기의 표준(Standard)의 전압, 표준 커택터의 마 련이 필수적이다. 또한, 전기자동차의 운행 거리를 고려하여 수많은 충전소 설치가 필수적이라고 할 수 있다. 현재 전기자동차 분야에서 가장 앞서가는 기업이 바로 미국의 테슬라(TESLA) 社 이며, 현재 전 세 계에 전기자동차 충전소 확충에 상당하게 노력을 하고 있다. 현재 테 슬라 社 는 미국과 서유럽에 전기자동차 충전소 구축을 상당히 완료했 으며, 중국, 일본 및 호주의 대도시 및 고속도로를 중심으로 전기자동 차 충전소 구축을 위해서 집중적인 투자를 하고 있다. 그림 38. 미국의 테슬라 전기자동차 충전소 50) 49) 네이버 지식백과 인터넷 사이트, 50) 테슬라 자동차 홈페이지 인터넷 사이트,

52 그림 39. 유럽, 중국, 일본 및 호주의 테슬라 전기자동차 충전소 51) 현재 리튬-이온 배터리를 사용하여 세계 최고의 전기자동차 기술을 보유하는 테슬라 社 의 전기자동차의 경우 주행거리가 430km(최대 480km)이며, 기타 전기자동차인 미쓰비시 社, 닛산 社, 현대 社, 르노 社 의 경우도 주행거리가 140~160km인 점을 고려하면, 전기자동차 충전소의 확충이 필수적이라고 할 수 있을 것이다. 따라서 현재 테슬라 社 의 경 우 미국과 서유럽, 중국, 일본 및 호주에 전기자동차 충전소의 집중적 인 확충을 바탕으로 공격적인 마케팅을 펼치고 있으며, 전기자동차의 대표주자로 자리매김을 하고 있다. 4) 충전 소요시간의 단축과 급속 충전으로 인한 배터리 성능의 감소 전기자동차를 상용화하는데 또 다른 가장 큰 문제점은 충전시간이라 고 할 수 있을 것이다. 표5는 세계최고의 기술을 보유한 테슬라 社 를 비롯하여 다수의 전기자동차 회사의 최고속도, 주행거리 및 완속( 緩速 ) 충전 시간 비교를 나타내며, 저기자동차의 배터리 충전하는데, 완속충 전의 경우 6~9시간이 필요한 것이 현실이다. 따라서 전기자동차의 경 51) 테슬라 자동차 홈페이지 인터넷 사이트,

53 우 주행거리와 충전시간의 한계로 인하여 장거리 이동용으로 사용하 기 어려우며, 특히 최근에는 1시간 이내에 충전하는 급속충전 기술에 대해서 많은 관심과 기술개발이 이루어지고 있다. 표5. 전기자동차 최고속도, 주행거리 및 완속 충전시간 비교 52) 업체명 모델명 최고속도[km] 주행거리[km] 완속충전 시간[H] 테슬라 MODEL X 미쓰비시 I-Miev 닛산 LEAF 르노 플루언스 르노 Zeo Z.E 현대 블루온 테슬라 社 의 전기자동차의 경우에는 급속충전을 위하여 슈퍼충전소 (Supercharger)를 곳곳에 운영하고 있으며, 완속충전의 경우 입력전압 이 AC 120[V]를 기준으로 하며, 급속충전의 경우 입력전압이 AC 240[V]를 기준으로 설계되어 있다. 특히 급속충전의 경우 배터리 80% 충전에 30분, 100% 충전에 1시간이 소요되고 있지만, 급속충전의 경우 완속충전과 비교하여 고전압( 高電壓 )을 사용하여 배터리에 과도한 전 류를 강제적으로 주입하는 방식이기에 배터리의 셀이 파괴되며, 동시 에 배터리 수명이 단축되는 현상이 발생하는 근본적인 문제점이 있다. 특히 충전인프라 구축과 충전시간이 상당히 오랜 시간(완속 6~9시간, 급속 1시간)이 소요된다는 것은 전기자동차의 상용화를 방해하는 크나 큰 장애물이 되고 있다. 52) 정용욱 외 공저, 전기자동차 2판, GS인터비전, pp. 19 참조하여 업데이트 함

54 Ⅲ. 친환경 전기자동차의 구조 1. 전기자동차의 주요부품 전기자동차의 주요부품을 살펴보면, 배터리팩, 모터, 감속기, 인버터, 직류변환장치(컨버터), 회생제동브레이크, 완속 및 급속 충전기 등이 다. 그림 40. 전기자동차의 주요부품 및 대략적인 위치 특히 현재 전기자동차 기술의 핵심은 배터리팩이며, 리튬-이온 배터리 를 상용화하여 사용하고 있다. 특히 리튬-이온 배터리에 저장된 DC (직류) 전기에너지를 교류 모터로 전달하기 위하여, DC-AC 변환장치 인 인버터(Inverter)가 필수적으로 필요하며, 이에 대한 제어기술이 핵 심적인 기술이다. 또한, 충전기를 통해서 배터리팩에 에너지를 저장하 기 위한 배터리 충전 직류변환장치(컨버터, Converter)가 필수적이며, 차량이 감속시에 모터가 발전기로 동작하고, 발전된 에너지를 배터리 에 충전시키면서, 차량을 감속시키는 회생제동브레이크와 차량의 충전 을 위해 완속 또는 급속 충전장치가 주요 부품이 되고 있다. 자동차 산업이 내연기관에서 친환경 전기자동차로 변화하면서, 기존의 자동차 기업과 달리 전자회사에서 자동차 분야로 뛰어들고 있으며, 최

55 근에 국내기업 중에서는 LG 그룹을 중심으로 자동차 분야에 대한 기 술개발과 시장 선도를 위하여 다양한 기술개발 및 제품생산을 수행하 고 있는 현실이다. 그림 41. LG 전자 전기자동차 부품개발 그림 42. LG 전자 계열사의 생산부품 LG 전자는 차량용 모터, 인버터, 전동 컴프레샤 등을, LG 화학은 리튬

56 -이온 배터리를, LG 디스플레이는 차량용 디스플레이를, LG 이노텍은 차량용 센서, 카메라 모듈, 챠량용 램프 및 LED를 LG 하우시스는 자 동차 원단 및 경량화 부품생산을 집중하면서, LG 그룹은 차세대 사업 이 전기자동차 부품기술을 집중하는 것으로 분석된다. 전기자동차 주 요 부품 비중을 수치적으로 살펴보면, 배터리팩 47%, 인버터 23%, 모 터 20%, 직류변환장치(컨버터) 7% 및 기타 3%로 구성되어 있다. 2. 모터 전기자동차 구동에서 가장 핵심이 되는 엔진은 바로 모터라고 할 수 있으며, 순수한 전기자동차의 경우 유도전동기가 모터로 사용되고 있 으며, 하이브리드 전기자동차의 경우 브러시리스 DC 모터의 일종인 PMSM(permanent Magnetic Synchronous Motor)이 적용되고 있다. 또 한 최근에 구조가 간단하고 강인한 SRM(Switched Reluctance Motor) 의 경우 유도전동기를 대체할 수 있는 차세대 모터로서 연구되고 있 다. 이러한 전기자동차 모터의 주요 요구조건은 1 배터리 전원은 직 류전원을 사용하며, 2 시동 토크가 크고, 3 구조가 간단하고 기계적 인 내구성이 크며, 4 속도제어가 용이하고, 5취급 및 유지보수가 용 이하고, 6 소형이며 동시에 가벼워야 한다는 특징을 요구하고 있다. 전기자동차의 모터는 출력기준으로 10~60kW를 사용하는 것이 일반적 이며, 모터가 바퀴의 안쪽에 배치되어서 회전력을 발생시키는 인휠 모 터를 후륜의 바뀌에 적용하는 것이 일반적이다. 그림 43. 인휠 모터의 구조

57 인휠 모터는 차량의 서스펜션(Suspension)에 모터, 감속기, 허브 및 바 퀴가 연결되어 있는 구조로서 모터가 바퀴를 직접 구동하는 방식이기 에 에너지 손실이 매우 적은 장점이 있다. 특히 반도체 및 전력변환 기술의 발전으로 인하여 모터의 고정자(Stator)와 회전자(Rotor)사이에 휠 베어링(Wheel Bearing)이 배치되어 있으며, 휠 베어링 안쪽에 모터 를 구동하기 위한 마이크로 인버터(Micro Inverter)가 배치되는 것이 가장 최근에 발전되고 있는 기술적 특징이라고 할 수 있다. 그림 44. 테슬라 자동차의 주요 모터 배치 그림 44는 테슬라 자동차의 주요 모터 배치를 나타내며, 자동차의 후 륜 바퀴에 인휠 모터가 배치되어 있으며, 하나의 엔진으로 4바퀴를 굴 리는 방식이 아니라 각각의 모터가 각각 제어되므로 효율을 극대화하 는 방향으로 자동차의 모터배치 및 제어가 이루어지고 있다. 표6은 전기자동차에 사용되는 주요 모터를 비교한 결과이며, 현재는 유도전동기, PMSM 및 SRM이 가장 대표적으로 사용되는 모터이며, 주 료 유도전동기가 가장 상용화 되어서 테슬라 社 를 비롯하여 대부분 전 기자동차의 모터로서 사용되고 있으며, PMSM의 경우 하이브리드 전 기자동차에 주로 적용되고 있으며, SRM은 상용화까지 이르지 못했지 만, 향후 유도전동기를 대체하기 위한 모터로서 집중적으로 연구되고 있다. 특히 PMSM은 영구자석을 사용하기에 유도전동기와 비교하여 제어 성능 및 효율이 우수한 장점을 지니고 있지만, 제조비용이 고가 이고, 출력이 다소 낮은 단점이 있으며, SRM의 경우 유도전동기보다

58 더욱 단순한 구조를 지니고 있지만, 토크(Torque) 리플이 커서 차량의 승차감이 떨어지는 문제점이 있어서 아직까지는 연구개발 단계에 있 지만, 하지만, 향후에 가격경쟁력이 있는 SRM의 경우 토크리플을 저 감하는 제어기술이 개발된다면, 적극 이용될 수 있는 모터로서 각광받 고 있다. 표6. 전기자동차에 사용되는 주요 모터 비교 53) 구분 유도전동기 PMSM SRM 모터형상 적용상태 주로 EV 및 FCEV에 상용화됨 주로 HEV에 상용화됨 연구단계 특징 저비용, 단순구조 내구성이 우수 PMSM 대비 제어특성 및 효율이 낮음 저소음/고효율/경량 제조비용이 고가 유도전동기 대비 온도특성이 불리 저비용 유도전동기 대비 구조가 단순하며 강인 토크리플이 크며, 진동 및 소음이 심함 주요기업 지멘스 ISAD HMC ENOVA 현대중공업 효성중공업 도요타 혼다 HMC 히타치 LG이노텍 계양전기 지멘스 GE TRW FORD LG 전자 3. 인버터/컨버터 일반적으로 컨버터(Converter)라는 것은 광의( 廣義 )의 의미로서 전력을 변환시키는 모든 장치를 의미하고 있다. 하지만, 일반적으로 컨버터라 고 말하는 것은 협의( 狹義 )의 의미로는 출력이 직류(DC)인 전력변환장 치로서 각종 산업용, 가정용 기기의 전원장치로 사용되고 있으며, 일 53) 한창수 외 공저, 주변국 동향파악을 통한 전기자동차 핵심부품 소재연구, 한국산업기술진흥원 최종보고 서, pp. 104 참조하여 업데이트 함

59 반적으로 직류(DC) 48[V], 27[V]는 통신용 전원공급장치의 출력으로, 직류(DC) 42[V], 12[V]는 전기자동차용 배터리 전원으로 직류(DC) 15[V], 12[V], 9[V], 5[V], 3.3[V], 2.5[V], 1[V]는 각종 전자기기 운용 전 압으로 국제적으로 규정되고 있다. 또한, 인버터(Inverter)라는 것은 출력이 교류(AC)인 전력변환장치로서 특히 교류의 전압과 주파수 변조를 통해서 교류 모터(Motor)의 속도 (Speed) 및 토크(Torque)제어와 램프(Lamp)의 조광제어를 하는 전원장 치를 의미하고 있다. 그림 45. 전력변환장치의 구분 그래서 교류(AC)를 직류(DC)로 변환하는 장치를 AC/DC 컨버터, 직류 (DC)를 직류(DC)로 변환하는 장치를 DC/DC 컨버터라고, 직류(DC)를 교류(AC)로 변환하는 장치를 DC/AC 컨버터 또는 간단하게 인버터라고 정의하고 있다(그림 45 참고). 그림 46. 모터를 구동하는 인버터의 회로적 구성도

60 그림 46은 모터를 구동하는 인버터의 회로적인 구성도로서 배터리의 전압을 입력받은 6개 스위치가 있으며, 각 스위치는 3상 모터의 각 상 의 전압 및 전류를 제어하는 기능을 수행하고 있다. 특히 전기자동차 의 경우 모터의 회전자 위치에 대한 검출이 중요하며, 검출된 위치값 을 바탕으로 모터의 위치 및 속도를 제어하기 위하여 스위치의 온/오 프 제어를 수행하는 게이트 신호를 생성하는 제어기로 구성되어 있다. 그림 47. 인버터를 이용한 모터 제어 그림 47은 인버터를 이용한 모터 제어에 대하여 나타내고 있다. 특히 반도체 스위치의 온/오프 비율(일명 듀티: Duty)을 조절하는 방법을 펄 스 폭 변조(PWM: Pulse Width Modulation) 제어라고 한다. 교류 전동 기는 정현파(Sin파)에 가깝게 제어하여야 원활한 전동기 제어가 되기 에 ± Vdc/2의 전압의 온 시간을 변조시켜 그 평균값이 최대한 정현 파에 가깝게 제어하는 방법을 취하고 있다. 또한, 상기 정현파의 주파 수를 제어하면 전동기의 속도가 제어되기에 전동기 제어는 펄스 폭 변조(PWM)를 바탕으로 정현파 주파수의 제어를 수행하는 제어기의 설계가 기술적으로 가장 어려고도 중요한 부분이 된다. 그림 48은 테슬라 社 의 자동차에 장착되는 인버터로서 리튬-이온 배터 리의 전압을 공급받아서 3상 유도전동기에 전력을 공급하기 위한 인 버터 회로로서 인버터 제어보드 PCB(Printed Circuit Board), 인버터 모 듈 및 모터에서 발생되는 노이즈를 흡수하기 위한 소자 및 과전류를 차단하기 위한 퓨즈 등의 보호회로가 내재되어 있으며, 6개의 IGBT

61 소자를 사용한 인버터 회로를 사용하고 있다. 그림 48. 테슬라 社 전기자동차 인버터 그림 49. 차량용 IGBT 소자와 SiC 소자 파워모듈 비교 그림 49는 차량용 IGBT 소자와 SiC(탄화규소) 소자 파워모듈 비교한 것으로서 최근 차량용 스위칭 소자로서 SiC 소자가 부피가 Si 소자와 비교하여 50% 정도 저감되는 소자로서 각광을 받고 있다. 특히, 미국 의 크리 社 일본의 미쓰비시 社, 히타치 社 및 덴소 社 등에서 SiC 소자에 대하여 집중적으로 개발하고 있다

62 1990년대 이후에 차량용 스위칭 소자로서 SiC 소자가 각광받고 있으 며, 특히 재료의 강인성으로 인하여 고내압 분야에서 가장 각광받는 소자로 평가되고 있다. SiC(탄화규소) 소자는 표7과 같은 장 단점을 가지고 있다. 표7. SiC(탄화규소) 소자의 장 단점 비교 54) 구분 장점 단점 SiC(탄화규소) 소자 1) 밴드갭(Band Gap)이 넓다 2) 높은 항복 전계를 갖는다. 3) 높은 열전도성을 갖는다. 4) 높은 포화 전자 드리프트 속도를 갖는다. 5) 물리적으로 매우 강인한 물질이다. 1) 강인한 물리적 특성으로 인하여 제조가 어렵다. 2) 단결정으로 크게 성장시키는 것이 어렵다. 3) 불순물 도핑이 상대적으로 어렵다. 4) 박막(특히 에피텍셜) 성장이 어렵다. 5) 탄화규소(SiC) 웨이퍼의 가공 및 연마가 어렵다. 차량용 인버터/컨버터 분야에서는 가장 앞서가는 회사로는 일본의 미 스비시(Mitsubishi) 社 를 꼽을 수 있다. 미스비시 社 에서는 IGBT 소자를 대체하여 최근 새롭게 개발되는 전력용 반도체인 SIC(실리콘 카바이 드) 소자를 이용하여 차량용 인버터/컨버터를 상용화하고 있으며, SiC 소자의 장점인 강인성으로 인하여 소형화를 시킬 수 있으며, 스위치 온/오프 특성이 향상되는바, 최근 더욱 각광받고 있다(그림 50~51 참 고). 미쓰비시 社 에서는 SiC 소자의 소형화 가능한 특성을 바탕으로 차 량용 유도전동기 내부에 인버터를 장착하는 기술을 개발하여서 상용 화하였으며, 모터와 인버터를 일체화시킴을 통하여 소형 및 경량화 가 능한 차량용 모터-인버터 일체형 기술을 상용화하였다(그림 52 참고). 54) J.W.Palmour, H.S.Kong, and R.F.Davis, High-temperature depletion -mode metal-oxide semicond uctor field-effect transistors in beta-sic thin films, Appl. Phys. Lett. Vol. 51, pp. 2029, J.W.Palmour, J.A.Edmond, H.S.Kong, and C.H.Carter, Jr., Vertical power devices in silicon carbid e, in Proc. Silicon Carbide and Related Materials, pp. 499,

63 그림 50. Si MOSFET와 SiC MOSFET 파워모듈 크기 비교 그림 51. Si 소자와 SiC 소자의 스위칭 특성 비교 그림 52. 인버터가 내장된 차량용 유도전동기(미쓰비시 社 )

64 전기자동차에서는 인버터만이 아니라 DC-DC의 변환이 필요한 다양한 컨버터 회로 및 충전 회로가 요구되고 있다. 그림 53. 전기자동차의 전력 구성도 그림 53의 전기자동차의 전력 구성도를 살펴보면, 외부의 충전기 (Charger Station)에서 차량의 배터리(Battery) 충전을 위한 전력변환 회로가 필요하며, 차량 내부에서도 배터리(Battery)를 충전하기 위한 충전기(Charger) 차량의 모터를 구동하기 위한 인버터(Motor Driver) 및 배터리-모터, 배터리-충전기 및 차량 내부의 다른 전압의 변환을 위한 DC-DC 컨버터(DC-DC Converter)가 필수적이다. 그림 53에서는 전기자동차의 전력 회로의 대략적인 배치를 나타내며, 각 회사별로, 차량구동에 적합한 전압/전류 등을 달리하는바, 각각의 회로적인 설계 는 매우 다양한 방법으로 이루어지고 있는 현실이다. 그림 54는 전기자동차의 구동을 위한 모터, 인버터, 컨버터 및 배터리 회로를 나타내고 있으며, 인버터는 3상 모터 구동을 위하여 일반적으 로 DC 380~400[V]를 3상 AC로 변환하는 장치이며, 컨버터의 경우 양 방향으로 전력을 제어하는데, 배터리 전압 DC 42[V]를 DC 380~400[V] 로 승압하여 인버터에 공급하기도 하고, 모터가 속도감속 및 정지시 발전기로 동작하는 경우 발전된 전기를 배터리에 저장하기 위하여 DC

65 380~400[V]에서 DC 42[V]로 강압하는 역할을 수행하며, 이러한 방식을 양방향 컨버터(Bi-directional Converter)라고 한다. 그림 55는 도요다 (Toyota) 社 의 전기자동차용 양방향 컨버터 장치를 나타낸다. 그림 54. 모터, 인버터, 컨버터 및 배터리의 연결 회로도 그림 55. 도요다 社 의 전기자동차용 양방향 컨버터 4. 회생제동 장치 전기자동차에서 회생제동 장치(Regenerative Braking System)는 브레 이크를 밟을 때 모터가 발전기 역할을 하여서 자동차의 연비를 향상 시키는데 가장 중요한 장치를 의미한다. 일반적으로 내연기관의 엔진 의 경우 연료에서 자동차를 움직이는데 사용되는 에너지가 총 에너지

66 의 약 16%만이 사용되고 있다. 따라서 자동차의 에너지 소비를 줄이 고 연비를 향상시키는 방식으로 모터를 역으로 회전시키면 발전기로 서 동작하게 되는 것을 적극 이용하고 있다. 그림 56. 엑셀러레이터 온/오프시 에너지 전달과정 그림 56은 엑셀러레이터(Accelerator) 온/오프시 에너지 전달과정을 나 타내며, 회생제동 장치는 엑셀러레이터 오프시 에너지를 회생하는 장 치가 핵심이 되고 있으며, 자동차가 감속 및 정지하는 기계적인 에너 지를 커패시터(Capacitor)의 전기적인 에너지로 변환시키는 역할을 수 행하며, 이를 DC-DC 컨버터에 의해서 배터리로 저장하는 총괄적인 시스템을 회생제동 장치라고 한다. 특히 일본 자동차 회사인 도요타 社 는 하이브리드 자동차인 프리우스 에서 회생제동 장치를 적극 활용하였으며, 감속 또는 브레이크 시의 에너지를 배터리에 저장 후에 가속, 등판 시에 재이용 하는 방법으로 최대 35%의 연비향상을 이루어냄을 통하여 특히 도심 주행 시 우수한 연비를 나타내게 되었다(그림 57 참고). 그림 57. 도요다 社 프리우스의 회생제동 장치

67 5. 전지시스템 전기자동차에서 전지시스템(BMS: Battery Management System)은 배터 리를 관리하는 장치를 의미하고 있다. 배터리에 저장된 에너지가 상당 하고, 특히 배터리 셀 사이에 전기에너지 불균일이 발생하는 경우 배 터리 폭발사고 등이 발생하기 때문에 최근에 가장 핵심적인 기술분야 이며, 전기자동차에서 가장 중요한 기술이다. 전기자동차에서 전지시 스템(BMS)의 주요 기능은 다음과 같다. 1) 배터리를 이루는 개별 셀의 상태를 모니터링 2) 사고 및 응급 시에 배터리 결합을 분리 3) 개별 배터리의 전압 불균형에 대한 보상 4) 배터리 충전 및 방전 상태에 대한 정보제공 5) 축전지의 사용범위를 예측 6) 최적의 충전 알고리즘을 제공 7) 배터리 수명을 예측하고 배터리 교체 시점을 예측 그림 58. 전지시스템(BMS)의 일반적인 구성도 전기자동차에서 전지시스템(BMS)의 중요성은 점점 증가되고 있으며, 단순하게 배터리의 상태를 관리하기 보다는 차량의 운전상태와 이에

68 따른 최적의 에너지 효율성을 제공하기 위한 전력관리 작업을 통합적 으로 수행하며, 사고 및 응급 시에 배터리 폭발을 방지하는 종합적인 기능을 수행하는 시스템이다. 그림 58은 일반적인 전지시스템(BMS)을 나타내며, 크게 배터리 각 셀의 전압 및 온도를 검출하는 부분과, 전 체 배터리에 전류를 검출하는 부분(Sensing Resistor), 전체 배터리에 전력공급을 결정하는 주 스위치(FET: Field Effect Transistor) 및 차량 에 표시 등(LED)/ 주 제어부와 통합적인 관리를 수행하는 전지시스템 (BMS) 제어부로 구성되어 있다. 그림 59. 배터리 개별 셀의 전압 불균형을 보상 전지시스템(BMS) 그림 59는 배터리 개별 셀의 전압 불균현을 보샇아기 위한 전지시스 템(BMS)으로서 개별 셀에서는 각각의 셀 전압을 검출하는 검출부 및 셀 온도를 검출하는 온도 검출부가 배치되어 있으며, 배터리 셀 전압 이 다른 셀에 비교하여 상대적으로 높은 셀의 경우 저항(R)와 스위치 (FET)가 직렬로 연결되어 배터리와 병렬로 연결된 회로에서 스위치 (FET)의 온/오프 제어를 통하여 배터리 전압을 감소시키는 방법을 채 택하고 있으며, 저항(R)와 스위치(FET)가 직렬회로는 사고 및 응급 시 에 배터리 충전 전압을 방전시키는 기능을 수행하고 있다. 전기자동차

69 에서 배터리의 통합적인 관리와 제어를 수행하는 전지시스템(BMS)은 각 기업의 핵심특허 기술과도 밀접한 관련성이 있으며, 전기자동차의 상용화를 위하여 가장 중요한 요소기술의 한 분야이다. 그림 58. 전기자동차용 개별 배터리 셀(좌측)과 전지시스템(BMS) 메인 보드(우측) 6. 충전 인프라 및 커넥터 전기자동차 충전 인프라의 구축과 더불어서 충전 커넥터의 표준화는 전기자동차 상용화에 있어서 가장 중요한 문제이다. 특히, 대한민국 정부는 전기자동차 보급과 활성화를 위하여 충전인프라 구축을 추진 하고 있으며, 주요 공공기관 및 마트(Mart) 등에 전기자동차 충전기의 설치를 추진하고 있으며, 2015년 기준으로 7만대 이상을 설치하였고, 2016년도에서는 15만대 설치를 목표로 추진 중에 있다. 그림 59 국내 전기자동차 충전 인프라 보급계획(누적)

70 그림 60. 국내 전기자동차 충전인프라 구성도 국내 전기자동차 충전 인프라는 전력공급시스템, 고객관리/요금부과 시스템(CIM 시스템), 전기자동차 및 원격 통합 운영을 위한 인프라 운 영 시스템을 충전기와 계량기가 공유하는 형태로서 구성되어 있으며, 국제표준에 국내 기술반영을 통한 상호 공존성 및 상호 호환성 확보 를 위해서 노력하고 있다. 또한 전기자동차-충전기 간 통신방식을 위 해서 국제표준으로 채택된 CAN 통신 55) 방식(IEC )과 PLC 통 신 56) 방식(ISO/IEC )을 채택하여 기술개발을 추진하고 있는 실 정이다 57). 전기자동차의 충전기를 구분하면, 크게 가정용 충전기, 완속( 緩速 ) 충 전기 및 급속( 急速 ) 충전기로 구분할 수 있으며, 표8과 같이 정리할 수 있다. 그림 61은 충전기와 관련하여 미국, 유럽, 중국 및 일본의 커넥터 형 상을 나타내며, 유럽에서는 국제 표준인 IEC 규격을 사용하는 반면에, 미국과 일본에서는 SAE J1722 단자를 주로 사용하고 있다. 55) CAN(Controller Area Network) 통신은 차량 내에서 호스트 컴퓨터 없이 마이크로 콘트롤러와 장치들이 서로 통신하기 위해 설계된 표준 통신 규격으로, 메시지 기반의 통신 프로토콜의 일종이며, 전기자동차, 산업용 자동화기 및 의료용 장비에 사용하고 있는 통신방식의 일종이다. 56) PLC(Power Line Communication) 통신은 전력에 고주파를 싣고 이를 분리함을 통하여 음성과 문자, 데 이터, 영상 등을 전송하는 통신방식의 일종으로서, 장거리 통신은 불가능 하지만, 전력선이 설치된 장소 에서 저렴하게 통신할 수 있는 통신방식의 일종이다. 57) 이현기 외 1명, Smart Grid 표준 이슈 보고서 - 전기자동차 충전인프라 분야 -, (재)한국스마트그리드사 업단 Issue & Focus,

71 표8. 가정용, 완속( 緩速 ) 및 급속( 急速 ) 충전기 비교 58) 구분 가정용 충전기 완속 충전기 급속 충전기 적용지역 일반가정 관공서, 쇼핑센터 병원, 공용주차장 주유소, 고속도로 휴게소 공급전압 단상 220[V] 단상 220[V] 삼상 380[V] 공급용량 2[kW] 이내 7.7[kW] 50[kW] 이상 충전시간 6~8시간 4~8시간 10분 ~ 1시간 사용시간대 귀가 후 심야시간 (심 야) 주차 시 (주 간) 긴급상황 (불특정) 예상가격 100만원 이하 300~500만원 4000~5000만원 그림 61. 주요 국가의 충전기 커넥터 형상 한국은 미국과 일본에서 사용하는 SAE J1722 단자를 충전기 커넥터로 사용하고 있으며, 충전기 커넥터와 차량층 소켓의 형상은 표9와 같이 58) 김규동 외, 전기자동차 충전인프라 구축방안, (재)한국스마트그리드사업단 최종보고서, pp

72 정리할 수 있다. 표9. 주요국의 충전기 커넥터와 차량측 소켓 형상 비교 59) 현재 전 세계 주요국가의 전기자동차 충전 커넥터 및 차량측 소켓의 형상이 통일되지 않는 문제점이 있으며, 각국은 전기자동차 산업 정책 에 맞추어서 다양한 충전기 커넥터 및 차량측 소켓 형상을 사용하는 바, 전 세계적인 통일이 반드시 필요할 것으로 예상하고 있다. 59) 이현기 외 1명, Smart Grid 표준 이슈 보고서 - 전기자동차 충전인프라 분야 -, (재)한국스마트그리드사 업단 Issue & Focus,

73 Ⅳ. 친환경 전기자동차의 전지 1. 전지의 구성요소와 종류 전지(배터리)는 두 가지의 전극(양극 및 음극)에 전해액을 이용하여 각 전극의 활성 물질과 전해액에 갖는 화학에너지를 전기에너지로 변환 시켜 양극과 음극을 연결하는 외부 장치에 전기에너지를 발생시킬 수 있는 장치를 의미한다. 이러한 전지는 다음과 같이 크게 4가지 중요한 구성요소로 이루어져 있다. 1) 양극(Cathode) : 외부 도전으로부터 전자를 받아서 양극 활성 물질 이 환원되는 전극 2) 음극(Anode) : 음극 활성 물질이 산화되면서 도선으로 전자를 방출 하는 전극 3) 전해질(Electrolyte) : 양극의 환원 반응, 음극의 산화 반응이 화학적 으로 조화를 이루도록 물질 이동이 일어나는 매체 4) 분리막(Separator) : 양극과 음극의 물리적 접촉 방지를 위한 격리막 이러한 전지는 크게 1차전지와 2차전지로 구분되며, 1차전지는 방전한 뒤에 충전을 통해서 본래의 상태로 되돌릴 수 없는 비가역적 화학반 응을 하는 전지이다. 그림 62. 볼타전지 및 그 세부구조

74 그림 62는 볼타전지 및 그 세부구조로서 1799년 이탈리아에 볼타 (Volta)가 은(또는 구리)판과 아연판 사이에 알칼리 용액을 적신 천 조 각을 끼우고 양판에 전선을 연결하여서 전류가 흐르는 것을 시작으로 전지의 역사가 시작되었다. 그림 63. 망간건전지 그림 63은 망간건전지(Manganese Dry Cell, 일명 건전지)를 나타내며, 대표적인 1차전지이다. 1877년 프랑스의 G. 르클랑셰가 발명한 것으로 양극은 탄소(C)봉을 음극은 아연(Zn)원통으로 하고, 전해질은 연화암모 늄(NH4Cl)을 사용한 것으로 건전지(Dry Cell)라는 이름으로 가장 널리 이용되었고 기전력은 1.5[V]이다. 그림 64. 망간건전지와 알카라인 건전지의 세부구조

75 그림 64는 망간건전지와 알카라인 건전지의 세부구조를 비교한 것이 다. 최근에는 일명 오래 쓸 수 있는 건전지 또는 알카라인(Alkaline)이 라는 상품으로 광고하는 알카리 망간건전지(Alkali Manganese Dry Cell)는 1877년 발명된 망간건전지에 전해질을 산성인 연화암모늄 (NH4Cl) 대신 염기성인 수산화칼륨(H2SO4)을 적용한 것이 기술적 특 징으로 한다. 염기는 산 보다 금속을 느리게 부식시키므로 건전지의 수명이 증가시키며, 일반적인 망간건전지와 같은 1.5[V]의 전압을 유지 하면서 약 3배 정도 수명이 긴 장점이 있기에 최근 A형(AA, AAA) 전 지로 많이 사용되고 있다. 그림 65. 수은전지(좌) 및 리튬1차전지(우) 1947년 미국의 맬로리사의 S.루벤은 소형의 1차전지를 개발하던 중에 수은(Mercury) 전지를 발명하였다. 크기가 기존의 망간건전지보다 획 기적으로 작기에 시계, 보청기. 무선마이크, 카메라 등의 휴대용 전자 기기에 널리 이용되며, 음극에 아연, 양극에 산화수은으로 구성하며, 전해액은 산화아연이나 수산화칼륨을 사용한다. 기전력은 대략 1.35[V] 이고, 자체방전이 적어서 제조 후 수년이 지나도 전기용량이 거의 감 소되지 않는 특징이 있지만, 수은이 인체에 해로우며 환경 오염으로 최근 생산이 중단되고 있다. 1961년 미국에서는 단추형의 1차전지인 산화은(Silver Oxide)전지가 개 발되었는데 이는 양극을 산화은, 음극을 아연을 사용하고, 수산화나트 륨이나 수산화칼륨을 전해액으로 사용한 전지로서 수은 전지를 대체 하는 전지로 개발되었다. 하지만, 최근에는 음극에 금속 리튬, 양극에 망간(MnO2)를 사용하여 수은전지에 비교하여 에너지 밀도 5~10배 확

76 장시킨 리튬1차 전지가 수은전지를 대체하였고, 기전력은 1.5[V]이다 (그림 65 참조). 일반적으로 축전지라고 말하는 2차전지는 외부에 전기에너지를 화학 에너지의 형태로 바꾸어 저장해 두었다가 필요할 때에 전기를 만들어 내는 장치로서 여러 번 충 방전이 가능한 전지를 말한다. 그림 66. 납축전지 그림 66은 납축전지 구조를 나타내며, 1859년 프랑스의 플랑테는 볼타 전지와 같은 전기화학반응을 이용하여 최초의 2차전지인 납(lead)축전 지를 개발하였다. 현재 자동차의 축전지로 널리 사용하는 납축전지는 납축전지는 과산화납을 양극으로 납을 음극으로 사용하고, 전해액으로 비중이 1.2의 묽은 황산을 사용한다. 방전이 진행되면서 양극 및 음극 은 모두 회백색의 황산납으로 변화하고 부산물로 물이 생성되어 반응 속도가 감소하지만, 화학반응이 가역적( 可逆的 )이어서 외부에저 전류를 공급하면 다시 원래 상태로 돌아가기에 충 방전을 반복하여 사용가 능하고, 높은 전류량을 얻기 위해서 전극의 면적을 크게 설계하여야 하고, 셀당 기전력은 약 2[V]로서 자동차용 납축전지의 경우 12[V] 기 전력을 얻기 위해서 6개 셀이 직렬로 연결된 구조를 가진다. 2차전지에 첫 번째 혁신을 가져온 소재는 니켈이다. 특히 니켈-카드뮴 (Ni-Cd) 전지와 니켈-수소(NiMH) 전지는 2자전지라는 명칭과 함께 전 기의 충 방전이 당연한 것으로 이끄는 전지이다. 그림 67은 니켈-카드늄(Ni-Cd) 전지를 나타내며, 양극에 니켈의 수산

77 화물을 음극에 카드뮴을 사용한 알칼리 전지이고 전해액은 20~25% 수 산화 칼륨 수용액에 소량의 수산화 리튬을 첨가한 것이 많이 사용된 다. 기전력은 셀당 1.33~1.35[V}이고, 기계적으로 튼튼하고 수명이 길어 서 전기자동차용 전지, 통신용 전지, 전철 및 고속철도와 전력변환장 치, 태양전지 및 풍력발전의 충전 장치로 사용되고 있다. 그림 67. 니켈-카드뮴 전지 그림 68. 니켈-수소 전지(좌측: 일반용, 우측: 차량용) 그림 68은 니켈-수소(NiMH) 전지를 나타낸다. 니켈-수소 전지는 양극 에 니켈, 음극에 수소흡장합금, 전해질로 알칼리 수용액을 사용한 2차 전지로서 니켈-카드뮴(Ni-Cd) 전지보다 고용량화가 가능하고, 과방전 및 과충전 특성이 우수하고, 충 방전 사이클 수명이 길어서 500회 이 상 충 방전이 가능하고, 소형 및 경량화가 가능하기에 오늘날 다양한 전자 및 가전기기에 많이 사용된다. 특히 휴대폰, 노트북, 컴퓨터, 오 디오, 카세트, 카메라 등에 널리 이용되며, 전기자동차용 전지로도 사

78 용되기도 하였다. 하지만, 니켈-카드뮴(Ni-Cd) 전지와 비교하여 높은 열이 발생하는 단점으로 배터리 사고가 일어나는 문제점이 있다. 2차전지에 최근의 혁신(두 번째 혁신)을 가져온 소재는 바로 리튬 (Lithium)이며, 최근에 2차전지 시장에 가장 뜨거운 소재이자 특허분쟁 의 주요 원인이 그림 69에서 나타난 리튬-이온(Lithium-ion) 전지이다. 리튬-이온 전지는 1960년대 제안되었지만, 리튬의 반응성이 매우 커서 안정성 문제 해결이 어려워 실용화되지 못하다가. 1991년 Sony사가 제 품개발에 성공하여서 상용화되기 시작했다. 현재 상용화되는 리튬-이 온 전지는 에너지 저장밀도 기준으로 납축전지에 약 3.88배, 니켈-카 드늄 전지에 약 3배, 니켈-수소 전지에 약 2배의 우수한 저장밀도를 특징으로 하지만, 휘발유와 리튬-이온 전지 사이에 에너지 밀도는 약 16배 차이 60) 가 나므로 앞으로 전지의 저장밀도를 더욱 높이는 배터리 기술개발이 더욱 절실하게 필요하다. 그림 69. 리튬-이온전지의 구조 및 기존의 전지와 비교 표10은 휘발유와 각 배터리 사이에 에너지 저장밀도의 차이를 나타낸 다. 현재 상용화된 2차전지 배터리를 휘발유와 기준으로 에너지 저장 밀도 차이를 비교하면, 부피기준으로 리튬-이온 전지는 16.14배, 니켈- 수소 전지는 32.27배, 니켈-카드뮴 전지는 50.03배, 납축전지는 62.54배 의 차이가 난다. 표10. 휘발유와 각 전지 사이에 에너지 저장밀도의 차이 61) 60) 정확하게 부피기준으로 16.14배, 무게기준으로 65.71배 차이가 난다

79 구분 휘발유 리튬-이온 니켈-수소 니켈-카드뮴 납축전지 에너지 밀도 비교 (부피 기준) 지금의 리튬-이온 전지가 2차전지로서 에너지 저장밀도가 기존의 전 지와 비교하여 상당히 높아진 점은 인정되지만, 전기자동차의 대중화 및 보편화를 위하여 지금보다 최소 10배 이상의 에너지 밀도 향상을 요구하고 있으며, 이에 대한 새로운 기술적 혁신은 전기자동차의 대중 화에 가장 필수적인 것으로 분석된다. 그림 70. 리튬-이온전지의 충 방전 과정 그림 71. 리튬-이온전지(좌측: 히타치 社, 우측: 테슬라 社 ) 리튬-이온 전지는 양극은 알루미늄 코일에 탄소 알갱이를 코팅하고, 음극은 구리 코일에 탄소 알갱이를 코팅하여 그 사이에 절연체를 넣 은 뒤 전해질 속에 넣어 포장하는 방식이다. 그림 70은 리튬-이온전지의 충 방전 과정을 나타내며, 그림 71은 리튬 -이온 전지의 실제 제품으로서, 히타치 社 의 전자기기용 리튬-이온 배 61) 필자가 기존에 공개되어있는 휘발유와 각 배터리 사이에 에너지 밀도를 고려하여 휘발유의 부피를 기준 으로 에너지 밀도를 산출함

80 터리와 테슬라 社 의 에너지 저장용 리튬-이온 배터리로서, 리튬-이온 배터리는 전력이 충전시 리튬이온이 양극에서 음극으로 이동하고, 전 력이 방전시 리튬 이온이 음극에서 양극으로 이동하는 원리를 이용한 것이다. 2. 리튬-이온 전지분야의 산업 및 시장동향 최근 전지시장은 전기자동차 및 휴대폰의 배터리로 사용되는 리튬-이 온전지를 중심으로 한 중 일의 주요기업이 치열한 경쟁을 펼치고 있 다. 특히 각 국가의 대표기업으로 일본의 3대 기업인 Sony, Sanyo. Panasonic사는 핵심특허를 보유한 선두기업으로 기술을 리드하고 있으 며, 한국의 삼성 SDI, LG화학은 일본기업에 이은 후발주자로 전지의 폭발사고로 일본기업의 신뢰도가 나빠지는 것을 바탕으로 시장지배력 을 강화하고 있으며, 중국의 BYD, Lishen 등은 자국의 내수시장을 바 탕으로 성장하고 있는 기업이다. 2009년까지 전지업계 1위를 유지하던 Sanyo는 2009년 12월에 Panasonic과 합병하였고, 전지의 발전은 전기자동차 시장의 성장을 견 인하기에 전지업체와 완성차업체 사이에 지속적인 협력이 이루어지고 있다. 표11. 전지업체-완성차업체 협력현황 62) 표11은 전지업체-완성차업체 협력현황을 나타내며, 주요 협력사는 62) 배진용 외, ESS 기술동향에 관한 연구, 대한전기학회 하계학술대회 논문집,

81 Panasonic-TOYOTA(96년), NEC-NISSAN(07년), 삼성 SDI-BOSCH(08년), LG화학-GM(09년), SK이노베이션-베이징자동차 그룹(14년) 각각 제휴 하여서 전 세계적으로 5개의 전지업체-완성차업체 협력체계가 탄생하 였다. 출처: Pike Reserch 그림 71. 전 세계 지역별 리튬-이온 전지 수요량 전망 그림 72. 전 세계 리튬-이온 전지 시장 전망

82 그림 71은 Pike Reserch에서 발표한 전 세계 지역별 리튬-이온전지 수요량에 관한 전망치로서, 2015년 기준으로 약 1200MW에서 2020년 약 9500MW로서 매년 1600MW급 이상으로 급격하게 시장 성장이 예 상되고 있으며, 아시아, 서유럽 및 북미 시장이 성장의 중심으로 떠오 를 것으로 전망하고 있다. 그림 72는 B3에서 발표한 전 세계 지역별 리튬-이온전지 시장 전만치로서 2015년 기준 16,845 백만 달러(약 168 억 달러)에서 2020년 37,716 백만 달러(약 377억 달러)로 매년 약 24.78%의 시장 성장이 예측되고 있다. 그림 73. 전기자동차용 리튬-이온 전지 시장 전망 그림 73은 J.P. 모건에서 발표한 전기자동차용 리튬-이온 전지 시장동 향을 나타낸 것으로 2015년 기준 59.8억 달러에서 2020년 기준 억 달러로 매년 33.2%의 시장 성장이 예측되고 있으므로 리튬-이온 전지의 시장성장이 아시아, 서유럽 및 북미 시장을 중심으로 전기자동 차의 급격한 판매가 주요한 원인이 될 것으로 예측되고 있다. 그림 74는 2013~2014년 전기자동차 생산업체와 리튬-이온 전지 공급 업체 사이에 관계를 도시한 것으로서, 리튬-이온 전지에서 세계최고 기업인 일본의 산요 社 는 전기자동차 업체인 미국의 포드 社, 일본의 도 요다 社, 독일의 폭스바겐 社 에 리튬이온 전지를 공급하며, 한국의 LG 화학 社 은 전기자동차 업체인 미국의 포드 社, GM 社, 한국의 현대자동

83 차 社 에 리튬-이온 전지를 공급하며, 한국의 삼성 SDI 社 는 독일의 폭스 바겐 社 및 BMW 社 에 리튬-이온 전지를 공급하고 있다. 특히 리튬-이온 전지공급업체 중에서 일본의 파나소닉 社 미국의 대표 적인 전기자동차 업체인 테슬라 社 에 독점적으로 리튬-이온 전지를 공 급함을 통하여 2014년 기준으로 파나소닉 社 는 테슬라 社 1375MW를 공 급하여서, LG 화학 社 430MW 및 삼성 SDI 社 177MW와 비교하여 월등 이 앞선 것으로 나타났다. 그 이유는 테슬라 社 의 전기자동차는 순수하 게 배터리 구동 전기자동차로서 하이브리드 전기자동차보다 배터리 용량이 크며, 약 테슬라 전기자동차 1대당 7000개 이상의 원통형 전지 가 필요하기 때문으로 분석되었다. 그림 74. 전기자동차 생산업체와 리튬-이온 전지 공급업체 63) 3. 리튬-이온 전지의 기술동향 그림 75는 리튬-이온 전지의 기술동향을 나타낸다. 2006년까지 리튬- 이온 전지조립 및 생산에 대한 다양한 기술이 개발되었으며, 2012년까 지 소재를 중심으로 기술의 다양화가 이루어졌으며, 리튬-이온 전지의 양극소재로 NCM(Li[Ni,Co,M n ]O 2 ), LMO(LiMn 2 O 4 ), LCO(LiCoO 2 )가 개발되 었고, 분리막으로 건식막, 습식막, 강화막이 개발되어서 특허분쟁에 주 63) 에너지경제 기사, 테슬라에 리튬전지 공급 파나소닉, LG 삼성 추월,

84 된 이슈가 되었으며, 현재는 고용량, 장수명 및 비용 저감을 위한 새 로운 혁신소자의 개발이 이루어지고 있다. 그림 75. 리튬-이온전지의 기술동향 표12는 리튬-이온전지의 양극물질 및 특징을 나타낸다. 2012년 이전에 는 안정성이 매우 높고 수명이 긴 LFP 소재가 주로 사용되었으나, 최 근에는 안정성 측면에서 NCM 소재와 가격 측면에서 LMO 소재가 주 로 사용되고 있다. 표13은 리튬-이온전지의 음극물질 및 특징을 나타낸다. 음극은 주로 흑연이 주료 사용되며, 가격이 저렴한 천연흑연이 인조흑연에 비하여 좀 더 널리 사용되고 있다. 표14는 리튬-이온전지의 분리막 및 특징을 나타낸다. 분리막은 삼성 SDI, LG 화학, Sanyo 및 Sony 등의 선두업체는 강도가 우수한 습식막 을 주로 사용하는 반면, 수작업 의존도가 높은 중국 업체의 경우 저강 도 및 저가격의 건식막을 이용하고 있다. 또한, LG 화학은 습식막에 다공성 PP 필름과 세라믹 코팅을 하여서 중대형 리튬전지에 적합한 강화막을 이용하고 있다 64). 64) 배진용 외, ESS 기술동향에 관한 연구, 대한전기학회 하계학술대회 논문집,

85 표12. 리튬-이온전지의 양극물질 및 특징 65) 표13. 리튬-이온전지의 음극물질 및 특징 66) 65) Argonne National Lab( ),송민규, 리튬이온전지 소재기술 동향 분석 및 전망, KDB 산업은행 보 고서, pp. 141 재인용 66) Argonne National Lab( ),송민규, 리튬이온전지 소재기술 동향 분석 및 전망, KDB 산업은행 보 고서, pp. 143 재인용

86 표14. 리튬-이온전지의 분리막 및 특징 67) 4. 리튬-이온 전지의 특허분쟁 및 특허기술동향 표15는 리튬-이온 전지는 특허분쟁 현황을 정리한 것이다. 표15. 리튬-이온전지분야의 특허분쟁 현황 68) 주된 분쟁영역은 리튬-이온전지의 양극재 및 분리막이며, 안정성이 매 67) Argonne National Lab( ),송민규, 리튬이온전지 소재기술 동향 분석 및 전망, KDB 산업은행 보 고서, pp. 144 재인용 68) Argonne National Lab( ),송민규, 리튬이온전지 소재기술 동향 분석 및 전망, KDB 산업은행 보 고서, pp. 158 재인용

87 우 높고 수명이 긴 LFP(LiCoO 2 ) 소재와 안정성이 비교적 높은 NCM(Li[Ni,Co,Mn]O 2 ) 소재에 대한 특허분쟁이 있었고, 분리막에 대해 서는 습식막 분야에서 세부적으로 탄소섬유 및 도전성 섬유로 구성된 분리막과 다공성 분리막에 대한 특허분쟁이 발생하였다. 그림 76은 Texas 대학이 출원한 리튬-이온 전지의 양극재 LFP(LiCoO 2 ) 소재에 관한 기술로서 특허 US 호, 및 US 호를 통해서 제시하였다. Texas 대학은 본 특허를 통하여 미국의 Valence사 및 일본의 NTT사와 소송한 바 있다. 상기의 특허는 양극재 LPF 특허의 원천 특허로 평가되고 있어서, 리튬-이온 전지에 LPF 소 재를 사용하는 주요기업과 크로스라이센스를 한 특허이다. 특히 양극 재 LPF의 화학식을 제시한 특허로 이 기술을 이용하여 리튬-이온 전 지를 개발하는 기업은 반드시 검토해야 하는 원천특허로 판단된다. 그림 76. 리튬-이온 전지의 양극재 LFP(LiCoO2) 소재 (미국 등록특허공보 US 호, US 호, Texas 대학) 그림 77은 3M사가 출원한 리튬-이온 전지의 양극재 NCM(Li[Ni,Co,Mn]O 2 ) 소재에 관한 기술로서 특허 US 호를 통해 서 제시하였다. 3M사는 일본의 이차전지 3대 회사인 Sony, Sanyo. Panasonic사 및 양극재 NCM을 사용하는 기업과 라이센스를 합의하였 다. 특히 양극재 NCM의 화학식을 제시한 특허로 이 기술을 이용하여 리튬-이온전지를 개발하는 기업의 경우 반드시 검토해야 하는 원천특 허로 분석된다. 그림 78은 Toray사가 출원한 리튬-이온전지의 탄소섬유 및 도전성 섬 유로 구성된 분리막에 관한 기술로서 특허 US 호를 통해서 제

88 시하였다. 이 특허는 탄소섬유와 금속이 피복된 도전성 섬유를 가지고 분리막에 관한 특허로서 Toray사가 SK 이노베이션에 대한 소송에 사 용한 특허이며, 특허의 침해가 인정되지 않아서 Toray사가 패소했지 만, 이차전지에 탄소섬유 및 도전성 섬유를 사용하려는 기업이 경우 반드시 검토해야 하는 특허이다. 그림 77. 리튬-이온 전지의 양극재 NCM(Li[Ni,Co,Mn]O 2 ) 소재 (미국 등록특허공보 US 호, 3M사) 여기서, 10 : 리튬-이온 셀 12 : 양극(캐소드) 14 : 음극(에노드) 16 : 디스크 스프링 18 : 스페이서 판 20 : 분리막 24 : 금속 캡 26 : 케이스 27 : 가스켓 그림 78. 리튬-이온전지의 탄소섬유 및 도전성 섬유로 구성된 분리막 (미국 등록특허공보 US 호, Toray사)

89 그림 79는 LG 화학에서 출원한 리튬-이온전지의 다공성 분리막에 관 한 기술로서 특허 US 호를 통해서 제시하였다. 이 특허는 국내 기업인 LG 화학이 SK 이노베이션에 소송한 특허로서 폴리올레핀 계 열의 분리막과 코팅된 활성층 및 무기물 입자들 사이에 기공구조가 형성된 것을 기술적 특징으로 하지만, 특허 심판원에서 일본의 JP 호 외 2건의 특허에 의해서 최종 무효심결이 내려졌기에 특허권의 효력이 상실된 특허이다. 그림 79. 리튬-이온전지의 다공성 분리막 (미국 등록특허공보 US 호, LG 화학) 표16. 리튬-이온전지분야의 기술이전 현황 69) 표16은 현재까지 리튬-이온 전지분야의 기술이전 현황을 정리한 것이 다. 특히, 캐나다 및 미국의 주요대학(Dalhousie, Texas, MIT 대학)과 기업(3M, Hydro Quebec)은 리튬-이온전지의 원천 소재에 개발과 독점 권을 확보하기 위해 상당히 협력하고 있음을 확인할 수 있었다. 따라 서 전기자동차의 배터리로서 리튬-이온 전지의 산업성이 확고하고, 이 69) Argonne National Lab( ),송민규, 리튬이온전지 소재기술 동향 분석 및 전망, KDB 산업은행 보 고서, pp. 157 재인용

90 분야의 핵심특허 확보가 2차전지 시장을 주도할 수 있기에 세계 각국 의 대학과 기업에서는 새로운 혁신소재를 개발하기 위하여 치열하게 노력하고 있으며, 동시에 시장지위의 확보를 위한 특허분쟁이 계속적 으로 발생할 것으로 예상된다. 5. 차세대 전지로 주목되는 리튬-공기 전지 현재 전기자동차용 배터리로 가장 많이 사용되는 전지는 리튬-이온 전지이다. 하지만, 리튬-이온 전지의 경우 안전성이 문제되기 때문에 이를 해결하는 한 가지 방법으로 전해질을 기준에 사용한 액체와 달 리 폴리머(Polymer)라는 아주 큰 분자로 만들어서 전해질을 사용하는 방식이 연구되고 있으며, 이러한 전지를 리튬-폴리머 전지라고 명칭되 고 있다. 리튬-폴리머 전지는 리튬-이온 전지와 비교하여 분자의 크기 가 큰 폴리머(Polymer) 고분자 물질을 사용하므로 안정성이 우수하고, 가볍다는 장점이 있지만, 동시에 에너지 저장 용량이 작고, 수명이 짧 다는 단점이 존재하기 때문에 전기자동차 배터리로 본격적으로 이용 되지 못하고 있었다. 최근 리튬-이온 전지보다 에너지 저장밀도를 6~7배 정도 향상 가능한 차세대 전지로 리튬-공기(Lithium-Air) 전지가 주목되고 있다. 리튬-공 기 전지는 리튬-이온 전지와 달리 양극이 대기 중에 산소를 활물질 70) 로 사용하므로 원료의 수급에도 매우 유리하다. 그림 80. 리튬-공기 전지의 개념도 70) 전해질과 화학 반응하여 전자의 방출 또는 흡수하는 물질

91 그림 80은 리튬-공기 전지의 개념도로서 금속 리튬을 각각 양극과 음 극에 사용하며, 리튬 이온이 음극에서 양극으로 이동시 산소와 반응하 는데 이 때 얻어지는 화학반응을 전기에너지로 저장하여 전력을 생산 하는 방식이다. 그림 81. 리튬-공기 전지 및 기존 전지와의 에너지 저장밀도 비교 71) 리튬-이온 전지의 에너지 밀도가 120~150mAh/g인 것과 비교하여 리튬 -공기 전지는 700~3000mAh/g이기 때문에 각광받고 있으나, 양극에 고 체 반응 생성물인 Li 2 O가 축적되어 미세 홀(Hall)을 막고, 공기 중에 수분이 리튬 금속과 반응하여 충 방전이 잘 되지 않는 문제점이 있 다. 따라서 리튬-공기 전지는 전해질이 불안정하고, 분극저항이 높다 는 이유로 연구개발 단계에 불과하고 아직은 상용화되지 못하고 있다. 하지만, 미국의 IBM은 2020년 배터리 500[mile] 72) 프로잭트 라는 이 름으로 리튬-공기 전지의 양산화를 추진 73) 하고 있으며, 캠브리지 대학 의 Clare Grey 교수와 Tao Liu 박사팀이 최근 Science 저널에 발표한 논문에 따르면 그래핀(Graphene) 기판의 전극을 지난 리튬-산소 배터 리는 90% 이상의 효율과 2000회의 충 방전 사이클을 견딜 수 있는 향상된 리튬-공기 배터리에 대한 연구를 수행 74) 하고 있기에 리튬-공 71) 박현식, 리튬공기전지 기술 동향, 녹색기술정보포털 72) 1mile은 약 1.6km이므로 1회 배터리 충전으로 약 800km 거리를 갈 수 있는 배터리를 의미한다. 73) IBM 인터넷 사이트, 74) Tau Liu 외, Cycling Li-O2 Batteries via LiOH formation and decomposition, Science 저널, Vol. 35 0, pp. 530~533,

92 기 전지가 리튬-이온을 대체하는 차세대 전지로 성장할 가능성을 고 려하여 우리 기업과 대학의 집중적인 기술개발이 필요할 것으로 생각 된다

93 Ⅴ. 테슬라 전기자동차 1. 테슬라 社 의 역사, 엘론 머스크 및 주요사업 테슬라 전기자동차(Tesela Motors)는 2003년 페이팔(Paypal) 社 의 대표 인 엘론 머스크(Elon Reeve Musk)에 의하여 설립된 기업으로서, 친환 경을 위하여 순수한 배터리 구동 전기자동차를 추구하는 기업의 이미 지를 고려해서, 유도전동기(Induction Motor)의 발명가인 니콜라 테슬 라(Nikola Tesela) 75) 의 이름을 따서 회사 이름을 정하였다. 2006년 7월에 친환경 전기자동차인 2인승 스포츠카 로드스터 (Roadster)를 상용화하였고, 2009년 3월에 고급 세단인 모델 S(Model S)를 출시하였다. 2010년 6월에 미국의 주식시장인 나스닥(NASDAQ)에 상장하였으며, 2010년 10월 미국 캘리포니아(California) 주( 州 ) 프리몬 트(Fremont) 시( 市 )에 150만 m 2 (제곱미터) 부지에 약 50만 m 2 (제곱미 터) 공장을 설립하였고, 연간 50만대 자동차를 생산할 수 있는 생산 공장 76) 을 설립하였다. 2012년 2월에는 SUV 승용차인 모델 X(Model E) 를 출시하였고, 2013년 3월에 일반 대중을 위한 모델 E(Model E)를 출 시하였다. 그림 82. 테슬라 社 본사(좌측) 및 공장(우측) 75) 테슬라(Nikola Tesla: 1856년~1943년): 교류(AC) 전류로 동작하는 유도 전동기 및 전력 시스템을 발명 하였고, 라디오, 레이더 및 무선전력 전송 발전에 기여한 오스트리아 제국 출신의 미국 과학자, 미국 에 디슨 연구소에서 수년간 에디슨 아래에서 연구도 하였지만, 에디슨과 연구 성향이 달라서 그만두었으며, 철도 사업가인 웨스팅하우스(Westinghouse)와 손잡고 교류(AC) 시스템을 이용하여 전력사업을 발전에 기여함, 후대의 과학자들이 그의 공로를 기념하여 자기장의 단위를 테슬라[T]로 사용하고 있다. 76) 캘리포니아 주( 州 ) 프리몬트 시( 市 ) 테슬라 공장은 총 길이 2.5km의 조립라인과 플라스틱 주물공장, 페 인트 공장 및 50MW급 발전소가 위치하고 있다

94 표17. 테슬라 생산차량 비교 구분 테슬라 생산차량 출시 특징 로드스터 (Roadster) 2006년 7월 2인승 스포츠카 (현재 생산 및 판매 중단) 모델 S 2009년 3월 5인승 고급세단 판매가 (미국기준) 약 7만 5천 달러 (약 9천만원) 모델 X 2012년 2월 7인승 SUV 판매가 (미국기준) 약 8만 달러 (약 9천 5백만원) 모델 E 2013년 3월 5인승 대중적인 차량 판매가 (미국기준) 약 3만 5천 달러 (약 4천 2백만원)

95 표17은 테슬라 社 에서 생산한 전기자동차를 비교한 것이고, 그림 82는 미국 캘리포니아(California) 주( 州 ) 팔로 알토(Palo Alto)에 위치한 테 슬라 社 본사 및 캘리포니아(California) 주( 州 ) 프리몬트(Fremont) 시 ( 市 )에 위치한 테슬라 社 공장을 나타낸다. 그림 83. 테슬라 社 회장 엘론 머스크 그림 83은 테슬라 社 의 회장 엘론 머스크(Elon Reeve Musk : 1971년 ~ 현재)이다. 엘론 머스크 남아프리카공화국의 프리토리아에서 태어나서 전기 및 기계 엔지니어인 아버지 에롤 머스크(Errol Musk)의 영향으로 어릴 때부터, 컴퓨터 게임 및 프로그램 분야에 집중적으로 관심을 가 지게 되었고, 12살 때에는 Blastar라는 이름의 게임을 동생과 함께 만 들고 이를 게임 잡지에 500달러(현재 가치 1200달러(약 140만원)에 판 매한 특이한 이력도 있다. 학력은 캐나다 온타리로에 위치한 퀸즈대학 교에서 경영학을 전공하다. 미국 펜실베니아 대학으로 편입하고, 경제 학 및 물리학 2중 전공으로 학사를 마치고, 에너지 물리학 분야의 박 사학위를 취득하기 위하여 1995년 스탠퍼드 대학교에 입학하였으나, 창업의 길로 들어서면서, 23살에 첫 회사인 인터넷 사업을 바탕으로 1집투 코퍼레이션(Zip2 Corporation), 2온라인 은행 사업인 엑스닷컴 (X.com) 및 페이팔(Paypal), 3민간 우주사업인 스페이스X(SpaceX)를 하였고, 엘론 머스크가 페이팔(Paypal) 지분을 현금화하여 4100% 전 기로 동작하는 자동차 회사인 테슬라 자동차 사업을 하고 있으며, 현 재도 5태양에너지를 이용한 솔라시티(Solar City), 6미국 네바다 (Nevada) 주( 州 )에 건설하는 세계 최고의 리튬이온전지 생산공장 및 7최고속도 1280km/h(760mile/h)를 내며, 샌프란시스코에서 로스앤젤레

96 스를 30분에 주파할 수 있는 가상의 교통수단인 하이퍼루프(Hyper Loop)를 사업화 추진을 하면서 미국의 혁신을 이루어내는 사업가이자 발명가이다. 엘론 머스크는 현재 미국을 이끄는 혁신가이고, 도전자이 다. 마치 서부를 개척하는 개척자의 이미지가 강력하다. 그의 사업 분 야와 창업한 회사를 정리하면 표18과 같다. 표18. 엘론 머스크의 사업분야 및 창업한 회사 구분 창업한 회사 및 주요사업 시작년도 (나이) 경과 인터넷 사업 집투 코퍼레이션(Zip2 Corporation) 온라인 은행 민간 우주사업 전기 자동차 태양광 사업 배터리 사업 - 인터넷으로 도시 가이드를 제공 엑스닷컴(X.com) 및 페이팔(Paypal) - 개인 대 개인의 이메일 송금 서비스 스페이스X(SpaceX) - 최초의 민간 우주사업 테슬라(TESLA) - 무공해 전기자동차 사업 솔라시티(Solar City) - 가정용 태양전지 보급 사업 기가팩토리(Gigafactory) - 세계 최대의 리튬-이온 배터리 사업 1995년 (24세) 1999년 (29세) 2002년 (32세) 2003년 (33세) 2006년 (36세) 2014년 (44세) 1999년 컴팩(Coampaq) 社 에 의해서 307백만 달러 (약 300억원)에 인수 2001년에 회사를 합병하면서 이름을 엑스닷컴(X.com)에서 페이팔(Paypal)로 변경 2002년 10월 이베이(ebay) 社 에서 15억 달러 (약 1조5천억원)에 인수 2008년 NASA는 16억 달러 (약 1조 6천억원) 계약체결 2012년 5월 민간우주선으로 국제 우주정거장에 최초 도킹 2006년 로드스터를 시작으로 모델 S,E,X를 출시하였고 2010년 10월 캘리포니아 州 에 연간 50만대 자동차 생산공장을 건설 2013년 미국 최대 태양광 시장점유율 (주택 태양광 발전시설에 26% 점유) 2014년 10월부터 미국 네바다 주에 건설하는 세계 최대의 리튬-이온 전지공장 (테슬라-파라소닉 합작, 50억불 투자, 2020년 준공, 6500명 고용예정) 초고속 운송사업 하이퍼루프(Hyper Loop) - 세계 최고 속도의 육상이동 사업 2013년 (43세) 개념만 제안 2013년 엘론 머스크 제안 (비행기 2배 속도, 서울-뉴욕 8시간 가능) 회사는 현재 미설립

97 2. 자동차의 정의를 바꾸다 테슬라 자동차의 경우 기존의 내연기관 자동차와 다른 방식의 설계를 채택하였다. 기존의 자동차 생산방식은 금속판을 찍어서 틀을 만들어 내고, 용접하고, 페인트칠을 하고, 모든 인테리어를 마친 후에 최종적 으로 모든 자동차를 조립하는 방식을 채택하고 있다. 현대의 내연기관 자동차는 수십 개의 컴퓨터가 모여서 1개의 자동차로 디자인 되어있 다. 대략 60~70개의 개별로 동작하는 컴퓨터, 20여개 회사에서 제작 된 각기 다른 소프트웨어 및 130[kg]이 넘는 전선으로 구성되어 있다. 테슬라 자동차의 혁신은 바로 기존의 자동차 제조 방식과 전혀 다른 설계시스템으로서 자동차를 움직이는 모든 소프트웨어가 합 리적인 단일 시스템으로 통합되었다는 것이다. 테슬라 자동차는 바퀴 달린 컴퓨터 라고 명명하기 적합한 전기자동차이며, 모든 소프트웨어 가 단일 시스템으로 통합되기에 컴퓨터의 수가 적고 간결하며, 소프트 웨어 통합도가 가장 높은 것을 특징으로 하며, 원격 조정으로 업그레 이드 가능한 컴퓨터와 같은 자동차를 구현하였다는 것이다. 그림 84. 테슬라 社 의 모델 S 운전석 그림 84는 테슬라 社 의 모델 S 운전석을 나타내며, 그림 85는 테슬라 자동차 운전석 바로 옆에 위치한 터치 플레이 가능한 17인치[inch] 디 스플레이를 나타낸다. 테슬라 자동차가 기존의 내연기관 자동차와 다

98 른 점이 바로 자동차 운전석 바로 옆에 위치한 17인치[inch] 디스플레 이와 그 기능이라고 정의 할 수 있을 것이다. 17인지 디스플레이를 통하여 차량 전체의 상태를 체크하고 제어할 수 있으며, 배터리 상태, 이미지 센서, 블렉박스(Black Box), 인터넷 및 네비게이션 (Navigation)이 모두 통합적으로 제어 가능한 특징이 있다. 즉 현재까 지 자동차 기업이 생산하는 자동차는 차량이 중심적으로서 컴퓨터 및 소프트웨어가 포함된 각 부품을 교체하는 방식이지만, 테슬라 자동차 는 통합적인 소프트웨어 설계를 통하여 터치 플레이 가능한 17인치 [inch] 디스플레이를 통하여 마치 거대한 스마트 폰(Smart Phone)을 조정하는 것 같이 전기자동차를 제어하는 특징이 있다. 그림 85. 테슬라 자동차의 디스플레이 테슬라 자동차의 제1 혁신이 통합적인 소프트웨어 설계에 관한 것이 라면, 제2의 혁신은 바로 리튬-이온 배터리를 적극 이용하는 것이다. 테슬라 社 의 배터리 시스템은 총괄하는 마크 타페닝(Marc Tarpenning)과 배터리 팀원들은 수많은 배터리를 테스트 해보았지만, 노트북 컴퓨터에 사용하는 리튬-이온 배터리인 파나소닉(Panasonic) 리튬-이온 배터리를 지금까지도 테슬라 자동차의 주력 배터리 로 선택하고 있다. 2004년부터 테슬라 배터리 팀은 휴대폰과 비슷하게 전기자동차의 배 터리 폭발 사고에 대한 안전성 확보를 위하여 배터리 하나하나에 열 을 가해 불이 나게 하는 등 배터리 실험에 대한 테스트를 하였다 77)

99 그림 86. 파나소닉18650 리튬-이온 배터리와 테슬라 자동차 배터리 그리고 배터리 한 개에서 보이지 않는 내부 결함으로 인하여 예고도 없이 과열되는 소위 열 폭주(thermal runaway)라는 연쇄반응으로 인 하여 전체 리튬-이온 배터리가 폭발하는 원인이 문제가 되고 있다. 따라서 과열된 배터리 하나로 인해서 연쇄 반응을 막기 위한 배터리 배치, 일련의 센서를 제작해서 차량의 기울임과 가속 및 감속을 모니 터닝 해서 사전 충돌을 예측하며, 연기발생 및 과열을 감지하는 센서 의 개발로 동력장치가 저절로 꺼지는 배터리 보호 시스템을 발명하였 다 78). 테슬라 자동차의 배터리 팀은 모든 리튬-이온 배터리의 전압 평형을 제공하기 위한 기술을 연구하였으며, 배터리 과열에 대비하여 액체 냉 각기술을 완성하였다. 그리하여 약 7000개 79) 의 배터리가 전압 평형을 유지하면서 안정적으로 제어하는 것을 기술적 목표로 하고 있으며, 리튬-이온 배터리 모두를 수직으로 세워서 차량의 바닥에 위치 하여 무게중심이 가장 낮게 설계되어 있다. 이는 기존의 하이브리드 전기자동차의 경우 차량의 뒤쪽에 배터리가 배치 80) 되는 것과 다른 가 장 혁신적인 배터리 배치이고, 또한, 테슬라 자동차는 무게중심이 가 장 낮기 때문에 급격히 방향 전환을 해도 차가 흔들리지 않는 롤링 (rolling: 차가 좌우로 흔들리는 현상) 및 전복( 顚覆 )되는 현상이 거의 없기 때문에 가장 안전한 차량이라고 테슬라 社 는 주장하고 있다 81). 77) 2006년 소니(Sony)사는 배터리 열 폭주(thermal runaway)라는 제조 결함으로 수백 만대 노트북을 리콜 78) 79) 정확하게 6831개 80) 그림 23, 그림 25 참고 81) -

100 그림 87. 테슬라 社 의 모델 X의 차체( 車體 )와 주요 생산업체 그림 87은 테슬라 社 의 모델 X의 차체( 車體 )와 주요 생산업체를 나타 내며, 테슬라 자동차의 배터리는 파나소닉(Panasonic) 리튬-이 온 배터리를 공급받아서, 여기에 배터리 셀의 전압 균형을 위한 장치, 액체 냉각기술, 연기발생 및 과열을 감지 센서 등 배터리 보호 시스템 을 장착하여 테슬라의 자동차에 장착하고 있다. 테슬라의 혁신적인 배 터리 배치는 버려진 공간이 자동차 바닥에 배터리를 깔면서 공간의 활용도를 극대화 하였으며, 특히 차량의 앞에 짐을 싣을 수 있는 새로 운 공간인 프렁크(Frunk: 프렁트+트렁크의 합성어)의 개념을 만들게 되었다

101 그림 88. 테슬라 社 의 프렁크(좌측) 및 트렁크(우측) 테슬라 자동차의 혁신 - 제1 혁신: 통합적인 소프트웨어 설계 (진정으로 바퀴달린 컴퓨터를 구현) - 제2 혁신: 전기자동차용 리튬-이온 배터리 팩의 구현 (배터리의 혁신적인 배치, 배터리 셀의 전압 균형 을 위한 장치, 액체 냉각기술, 연기발생 및 과열을 감지 센서 등 배터리 보호 시스템을 장착) 3. 테슬라 자동차 공장, 기가팩토리 및 슈퍼충전소 1913년 헨리 포드(Henry Ford)는 자동 조립 라인이라는 포드시스템 (Ford System)을 자동차 산업에 도입함을 통하여 자동차 제조에 혁신 을 가져 왔다. 포드는 이 생산 시스템으로 자동차 왕이라는 별명을 얻 게 되었고, 1900년대 초반 포드 자동차는 전 세계 자동차 시장의 절반 을 석권하며 포드 시스템은 자동차 생상방식의 표준이 되었다. 하지만 테슬라 자동차 엘론 머스크는 샌프란시스코 만 동쪽 연안에 테슬라 모터스(Tesla Motors)의 프레몬트(Fremont) 공장을 설립하여 컨베이어 벨트 = 자동차 공장 이라는 포드시스템의 공식을 과감하 게 깨버렸다. 자동차 공장의 새로운 비전을 제시한 프레몬트 공장의

102 원래 주인은 도요타(Toyota)와 GM이었다. 두 회사는 누미(NUMI: New United Motor Manufacturing, Inc)라는 합작회사를 만들고 1984년 이곳 에 조립 공장을 열었는데, 미국과 일본 자동차의 협력관계를 보여주는 상징적인 공장으로 유명세를 치렀다. 하지만 2009년 세계 경제 위기의 광풍은 이 기념비 같은 공장을 싱겁게 무너뜨렸다. 재정난에 시달리던 GM과 토요타가 공장 처분을 결정한 것. 이 소식을 전해들은 테슬라 자동차의 CEO 엘론 머스크는 4200만 달러(약 450억원)를 동원해 일부 부지와 공장을 사들였다 82). 그림 89. 테슬라 자동차 프레몬트 공장 83) 테슬라 자동차의 프레몬트(Fremont) 공장에서는 기존의 내연기관 자동 차 회사에서 볼 수 있는 컨베이어 벨트 시스템과 이 곳에 작업하는 노동자들의 바쁜 손놀림도 볼 수 없다. 그 자리를 대신하고 있는 것은 약 160 대의 붉은색 로봇들이이며, 이 공장에서 근무하는 3000여 명의 근로자는 주로 운전대와 배터리 또은 차량 내 태블릿 PC를 설치하는 세부 업무를 담당하며 대부분의 생산은 로봇과 컴퓨터에 의존하는 것 이 특징이다. 테슬라 社 는 자동차 기업을 넘어서 이제는 에너지 기업으로 전환을 추 구하고 있으며, 그 시작이 바로 2014년 10월부터 미국 네바다(Nevada) 주( 州 )에 테슬라-파라소닉 합작으로 건설하는 세계 최대의 리튬-이온 전지공장인 기가팩토리(Gigafactory)이다. 약 50억원(약 5조)을 투자하 82) 테슬라 자동차 관련 인터넷 사이트, per_page=26&sch_txt= 83) 테슬라 자동차 프레몬트 공장의 넓이는 무려 81만m2. 공장 한쪽 끝에서 다른 쪽까지의 길이가 1km가 넘는 부지이다

103 는 기가팩토리는 2020년 준공으로 6500명을 고용할 수 있는 회사로 성장시킬 예정이다. 그림 90. 테슬라 기가팩토리 조감도(좌측) 및 착공 현장(우측) 테슬라 社 2020년 비젼(Vision)으로는 50GWh의 세계 최대의 배터리 용 량을 생산하며, 50만대의 테슬라 자동차에 배터리를 공급하는 것을 목 표로 함을 선포하였다 84). 특히 2015년 4월 테슬라 社 는 가정용 배터리인 파워월(Powerwall)과 기 업용 배터리인 파워팩(Powerpack)의 제품을 소개 85) 하였다. 그림 91. 파워웰(테슬라 社 가정용 에너지 저장 배터리) 84) 테슬라 자동차 홉페이지 인터넷 사이트, 85) 테슬라 社 CEO 엘론 머스크는 파워월(Powerwall)과 파워팩(Powerpack)의 제품을 소개하면서, 다음과 같 이 인터뷰하였다. 우리한테는 핵융합 덩어리인 태양이 있지만, 태양광은 밤에는 쓸 수 없어, 에너지를 저장할 배터리가 필수적이다. 그러나 현재까지 나온 배터리는 형편없었다

104 그림 91. 파워팩(테슬라 社 기업용 에너지 저장 배터리) 테스라 社 는 가정용 배터리인 파워월(Powerwall)은 리튬-이온 배터리, 온도 제어 시스템 및 소프트웨어 등으로 구성되어 있으며, 10[(kWh]까 지 충전할 수 있는 모델은 3500달러(약 370만원)이며, 7kWh용량 모델 은 3000달러(약 320만원)으로, 높이는 91~121[cm], 두께는 15.24[cm] 크 기이다. 또한 산업용 배터리인 파워팩(Powerpack)은 가정용인 파워월 보다 대규모 전력을 다루는 데 초점이 맞춰져 있으며, 100kWh 배터리 단위로 구성해 500kWh부터 10메가와트(MWh)까지 확대할 수 있는 에 너지 저장 장치이다. 테슬라 社 CEO 엘론 머스크는 파워팩 1억 6000만개 있으면, 미국 전 지역이 재생 에너지로 변화될 수 있다 라고 주장하면서, 테슬라 社 의 2020년 비전(Vison) 기업인 기가팩토리(Gigafactory)를 통해서 미국의 에너지 혁명을 시도하고 있다 86). 테슬라 社 는 가정용 배터리인 파워월(Powerwall)은 태양광 패널을 통하 여 낮에 에너지를 저장시킬 수 있으며, 저장된 에너지를 테슬라 전기 자동차에 공급할 수 있는 기술적 특징을 가지고 있으며, 파워월 (Powerwall)과 파워팩(Powerpack)은 인터넷 연결과 원격 제어가 가능 하므로 태양광 사업인 솔라시티(Solar City)와 전기자동차 사업인 테슬 86) 조선일보 기사, 머스크 테슬라 CEO, 신개념 배터리 발표...자동차 회사가 아니라 에너지 혁신 기업,

105 라 자동차의 에너지 시스템을 통합하여 스마트그리드(Smart Grid) 시 대를 앞당기는데 기여할 수 있는 것으로 판단된다. 그림 92. 파워월을 이용한 테슬라 전기자동차 충전 2016년 1월 기준으로 테슬라 슈퍼충전소(Supercharger)는 미국, 유럽, 아시아, 호주 등을 포함하여 총 597곳에 3481대 충전기를 설치하였으 며, 테슬라 모델 S 90kWh급 리튬-이온 배터리를 충전하는데 있어서, 80% 충전 시 40분, 100% 충전 시 75분 소요되고 있다 87). 테슬라 슈퍼충전소의 충전기는 변압기부, 전력분배부 및 충전기로 구 성되어 있으며, 입력전압 교류(AC) 200~480[V], 입력전류 160~280[A], 출력전압 직류(DC) 40~410[V], 출력전류 210[A]를 공급할 수 있는 충전 기로서 세부적인 충전기의 스펙(Spec)은 표19와 같다. 87) 테슬라 자동차 홈페이지 인터넷 사이트,

106 그림 93. 테슬라 슈퍼충전소 및 충전기 구조 표19. 테슬라 슈퍼충전기의 주요 스펙(Spec) 88) 구분 충전 스펙 입력전압 교류(AC) 200~480[V] 입력전류 / 160A@480VAC 주 파 수 50 또는 60 Hz 출력전압 직류(DC) 40~410[V] 출력전류 최대 210[A] 동작온도 -30 ~ 50 무 게 1320Lbs / 600Kg 테슬라 슈퍼충전소는 테슬라 자동차가 판매되는 지역의 주요 도로와 도시를 중심으로 앞으로도 계속 설치되고 있으며, 테슬라 자동차의 리 튬-이온 배터리를 충전하기위한 배터리팩의 충전을 최적화하기 위하 여 출력 전압을 직류(DC) 40~410[V]를 가변 할 수 있는 전압제어 기술 이 핵심적인 기술이다. 4. 테슬라 특허현황, 핵심특허 및 특허공유 정책 테슬라 社 는 현재 미국, 유럽 등을 중심으로 출원하고 있으며, 미국은 총 143건을 출원했으며, 이 중에서 41건이 등록되었으며, 유럽에서는 총 64건을 출원하였고, 이 중에서 21건이 등록되었다 89). 88) 테슬라 자동차 관련 인터넷 사이트, 89) 필자가 특허 검색 시스템을 사용하여 직접 조사함

107 그림 94. 테슬라 자동차 미국 출원 및 등록 현황 그림 95. 테슬라 자동차 유럽 출원 및 등록 현황 테슬라 社 는 미국에서는 2012년부터 2014년 사이에 집중적으로 출원하 였고, 유럽에서는 2010년부터 2013년 사이에 집중적으로 출원한 것으 로 분석되었다. 한양대학교 IT 자동차 융합 고급인력 양성센터에서는 테슬라 자동차 가 본격적으로 특허 출원 활동한 10년간 특허 242건의 특허를 분석하 였고, 특허 포트폴리오를 그림 96과 같이 공개하였다. 테슬라 社 의 자동차 특허는 자동차 기술이 약 30%, 배터리 기술이 약 70%를 차지하고 있어서, 자동차 보다는 배터리 중심의 특허포트폴리

108 오가 형성되어 있으며, 배터리에서 과열방지에 관한 특허가 전체에서 27.5%를 차지하고 있어서 가장 집중적으로 연구되고 있다. 그림 96. 테슬라 자동차 특허 포트폴리오 90) 그 다음으로 배터리 충전(16.9%), 배터리팩(12.5%), 배터리 일반(9.4%) 로 배터리를 중심으로 기술개발을 가장 활발하게 하는 것으로 분석되 었고, 자동차 기술과 관련하여 차량일반(12.5%) 다음으로 자동차의 모 터제어(10.6%)을 집중적으로 연구하고 있다. 즉, 테슬라 자동차는 첫째, 리튬-이온 배터리 폭발 방지 및 사고 발생 시 안전보장을 가장 중요하게 생각하여, 배터리의 혁신적인 배치, 배 터리 셀의 전압 균형을 위한 장치, 액체 냉각기술, 연기발생 및 과열 을 감지 센서 등 배터리 보호 시스템의 기술개발에 가장 집중하고 있 음을 확인할 수 있으며, 둘째, 리튬-이온 배터리의 수명연장과 급속충 전 기술 확보를 위하여 연구개발을 하고 있으며, 셋째, 전기자동차의 모터 제어방식의 혁신적인 향상을 위하여 투자하고 있음을 확인할 수 있다. 90) 한양대학교 IT 자동차 융합 고급인력 양성센터 조사, 테슬라 자동차 특허포트폴리오, 2014년 7월, /mclab.hanyang.ac.kr/bbs/view.php?id=mcl_news&page=9&sn1=&divpage=1&sn=off&ss=on&sc=on& select_arrange=headnum&desc=asc&no=

109 테슬라 자동차의 특허출원 중점분야 - 첫째: 전기자동차 배터리 폭발방지 및 사고 시 안전보장 기술 - 둘째: 리튬-이온 배터리의 수명연장 및 급속충전 기술 - 셋째: 전기자동차 모터제어 기술 그림 97. 테슬라 자동차 배터리 특허 US 호 91) 그림 97은 테슬라 社 가 출원한 전기자동차 배터리 팩에 대한 기술로서 특허 US 호를 통해서 제시하였다. 이 특허는 전기자동차 배터 리 팩을 자동차 차체에 가장 바닥에 위치하게 배치하는 것을 기술적 특징으로 하며, 이로 인하여 다른 전기자동차와 달리 테슬라 전기자동 차는 무게중심이 가장 낮기 때문에 급격히 방향 전환에도 차가 흔들 리지 않는 롤링(rolling) 및 차량 전복( 顚覆 )을 방지하는 효과가 있다. 그림 98은 테슬라 社 가 출원한 전기자동차 배터리 팩에 대한 기술로서 91) 테슬라 社 의 미국 등록특허 US 호의 패밀리 특허는 일본에서 등록되었고, 유럽에서 공개되었음 (일본 등록특허 JP 호, 유럽 공개특허 EP 호)

110 특허 US 호를 통해서 제시하였다. 이 특허는 테슬라 전기자동 차에서 사용되는 파나소닉(Panasonic) 리튬-이온 배터리를 수 직으로 배치하는 배터리 팩과, 팩의 틀을 연결하는 구조에 관한 특허 로서, 원통형 리튬이온 배터리를 수직으로 배치하고, 배터리 팩 측면 에 공간을 두어서 자동차의 사고 시 리튬-이온 배터리에 충격 을 가장 적게 가해지며, 폭발을 방지하는 효과를 가지고 있다. 그림 98. 테슬라 자동차 배터리 특허 US 호 그림 99. 테슬라 자동차 배터리 셀의 전압균형 특허 US 호 92) 그림 99은 테슬라 社 가 출원한 전기자동차 각 배터리 셀에 전압 균형 에 대한 기술로서 특허 US 호를 통해서 제시하였다. 이 특허는 전기자동차의 각 배터리 셀에 위치한 모니터링 보드에서 배터리의 전 압을 검출하고, 배터리 셀의 전압 불균형 시 이를 균형있게 제어하는 92) 테슬라 社 의 미국 등록특허 US 호의 패밀리 특허는 일본에서 등록되었고, 유럽에서 공개되었음 (일본 등록특허 JP 호, 유럽 공개특허 EP276139호)

111 것을 기술적 특징으로 하며, 이로 인하여 배터리 셀의 열 폭주 (thermal runaway)를 방지하여 전체 배터리를 보호하는 효과를 가지 고 있다. (a) 기존의 급속충전 (b)테슬라 社 배터리 급속충전 (c)테슬라 社 배터리 충전기 그림 100. 테슬라 社 자동차 배터리 급속 충전 특허 US 호 및 US 호 93) 그림 100은 테슬라 社 가 출원한 전기자동차 배터리 급속 충전기에 대 한 기술로서 특허 US 호 및 US 호를 통해서 제시하였다. 이 특허들은 전기자동차의 배터리를 가장 빠르게 급속충전하는 방법 을 제시하고 있으며, 기존의 급속 충전방법(그림 100(a))에서는 정전류 93) 테슬라 社 의 미국 등록특허 US 호, US 호의 패밀리 특허는 유럽에서 등록되었음(유럽 등 록특허 EP 호)

112 (CC: Constant Current)와 정전압(CV: Constant Voltage)를 모드를 반복 하는 방식으로 충전하는 반면에, 테슬라 社 배터리 급속 충전방법(그림 100(b))에서는 초기에 정전류(CC: Constant Current) 충전 시간을 길계 가져가며, 정전압(CV: Constant Voltage)를 모드를 가지지 않으며, 배터 리 전압을 최대로 충전하는 방법을 제안하여서 가장 빠른 급속 충전 방법을 제안하였고, 이를 위하여 배터리 충전지(410), 배터리 관리 시 스템(415) 및 서브 시스템(420)이 유기적으로 작동하는 전기자동차 리 튬-이온 배터치 충전기를 제안(그림 100(c))하여서, 가장 빠르게 충전 하는 효과를 보이고 있다. 2014년 6월에 테슬라 社 CEO 엘론 머스크는 다른 전기자동차 제조업 체들의 개발 속도가 너무 더딘데 대한 실망감을 표시하면서, 우리의 모든 특허는 여러분의 것입니다.(Our patent are belong to you) 라는 테슬라 특허공유 정책을 발표하였다. 엘론 머스크의 조치는 이제까지 엄청난 비용을 들여서 개발한, 테슬라 자동차의 핵심 특허권을 공유하 는 조치로서, 반도체 및 IT 분야에서 벌어지는 삼성-애플 등의 특허분 쟁을 감안하면, 너무나 무모한 조치로도 보일 수 있다. 엘론 머스크는 인터뷰를 통해서 "어제까지만 해도 테슬라 社 의 본사 로비에는 테슬라가 획득한 특허권이 전시되어 있었습니다. 하지만 앞 으로는 보이지 않을 것입니다. 즉 소스코드 공개운동 정신에 따라서 전기자동차 발전을 위해서 그 특허들을 전부 치워버렸기 때문입니 다. 라고 말하면서, 테슬라 社 가 특허권이라는 지뢰들을 묻어 다른 사 람들의 접근을 막는 것은 지속 가능한 교통수단의 도래를 앞당기지 못한다고 언급하고 있다. 엘론 머스크가 강조하는 테슬라 社 의 특허공유 이유 - 첫째: 특허가 실제 발명가에게 도움이 되지 못하며, 기술발전 을 저해함 - 둘째: 특허는 거대 기업의 입지를 강화하고, 법조계 사람들의 배만 불리는 도구로 쓰이는 경우가 많음 (엘론 머스크는 특허를 등록 받는 다는 것이 결국 소송

113 으로 가는 티켓을 구입하는 것과 같다고 말함) - 셋째: 기술적 우위는 특허에 의해 주어지는 것이 아니라 세상 에서 가장 재능있는 엔지니어들을 끌어 모으고 공기부 여를 해줄 수 있는 기업의 능력에 의해 주어짐 엘론 머스크와 테슬라 社 의 우리의 모든 특허는 여러분의 것입니 다.(Our patent are belong to you) 이라는 특허공유 정책은 특허를 담당하는 모든 사람과 기관에게 매우 심각한 질문을 던지고 있다. * 엘론 머스크의 질문 : 과연 특허제도 및 특허소송이 기술 및 경제발전에 도움이 되는가? 이는 미국의 현재 특허제도 및 특허소송이 기술 및 경제발전에 도움 이 되기보다는 저해하고 있다는 점을 강력하게 지적하고 있다. 그리고 일부에서 제기하고 있는 특허 무용론( 無用論 )에 무게를 두는 정책으로 전기자동차는 새로운 IT 산업으로, 전기자동차 산업이 나아가야 할 방 향이 소스코드 공개운동 정신임을 강조하고 있다. 테슬라 社 CEO 엘론 머스크는 인터뷰를 통해서 "역사적으로 봐도 특 허는 대게 뭔가 해보려는 경쟁자의 의욕을 꺽는 편협한 보호주의에 지나지 않습니다. 이런 관점에서 우리의 특허에 소스코드 공개정신을 적용하는 것은 우리의 입지를 약화시키기는커녕 오히려 강화시켜 줄 것이라 믿습니다. 라고 말하였다. 한편으로 필자는 엘론 머스크가 추구하는 특허공유 정책은 어쩌면, 테 슬라 전기자동차의 기술적 자부심에 대한 표시로도 볼 수 있다는 생 각을 하였다. 한마디로 테슬라 자동차는 전기자동차 분야에서 가장 앞 서가는 업체이고, 시장을 선도하는 혁신적인 기업이며, 엘론 머스크는 후발 전기자동차 기업들에게 다음과 같이 자신감을 가지고 이야기 하 는 것으로도 볼 수 있을 것입니다. * 엘론 머스크의 자신감 : 테슬라 社 특허들 쓰게 해주마!! 기술적 으로 따라 오려면 따라와 봐!!

114 테슬라 社 의 특허공유 정책은 첫째, 현행 미국 특허제도 및 특허소송의 문제점을 지적하며, 둘째, 특허를 넘어서는 전기자동차 기술에 대한 테슬라 社 자신감의 나타내는 것으로 평가되며, 2014년 특허공유 정책 의 선언은 테슬라 社 의 특허 출원이 급속이 감소하는 주된 원인으로 분석된다

115 Ⅵ. 친환경 전기자동차 보급 현황 및 주요 정책 1. 국내 전기자동차 보급 현황 1) 전기자동차 보급 목표 전 세계적으로 화석연료 이용으로 인한 온실가스 배출량 증가, 대기오 염이 중요한 환경 문제로 등장하고 있어 각국은 자동차 연비 향상 및 온실가스 감축을 위한 규제를 강화하고 있다. 유럽, 미국 등 주요국은 친환경 전기자동차 시장 선점을 위해 자동차 연비 및 온실가스 엄격 하게 하고 있다(유럽 21년 26.5km/L, 미국 25년 23.8km/L, 일본 20년 20.3km/L) 또한 각국은 친환경 전기자동차 산업 유성에 국력 집중, 연비 규제 강 화 등으로 인한 자동차 산업 위기를 성장계기로 활용하려고 하고 있 다. 그래서 전기자동차는 내연기관차 증가로 인한 화석연료 사용량을 감소하고 대기오염을 완화할 수 있는 핵심 기술로 주목받고 있으며, 각국은 전기자동차 보급 확대를 위해 기술개발, 보조금 및 세제 등 다 양한 지원정책을 추진하고 있다. 우리나라에서도 글로벌 자동차 시장의 변화에 대응하고 교통부문 온 실가스 감축을 위해 전기자동차 관련 기술개발 및 시장 활성화 정책 을 실시하고 있다. 우리 정부는 2020년까지 전기자동차 100만대 보급 목표를 수립하고, 공공부문 주도로 관련 기술 연구개발사업과 전기자 동차 보급 사업을 실시하고 있다. 2) 전기자동차 보급 현황 전기자동차 보급 사업을 실시하여 2013년 말까지 약 2,000여대의 전기 자동차가 관용차량 및 공동이용 차량으로 보급되었다. 또한 2013년 하 반기부터는 제주도, 창원시 등 지방단체 중심으로 민간보급을 실시하 여 개인용 차량으로 전기자동차 구매자들도 증가하고 있는 추세이다. 2014년 들어 지금까지 국산 전기자동차만 판매되던 국내시장에 최초 로 외국에서 만든 전기자동차인 닛산(Nissan) 리프(Leap)와 BMW i3가 출시되는 등 구매자 선택의 기회를 다양하게 확대하고 있다

116 그러나 전기자동차 보급은 아직까지 자동차 가격이 비싸고, 에너지 공 급시스템인 충전소 등이 제대로 갖추지 못하여 아직까지 한국에서는 전체 자동차 시장점유율이 0.01%에 불과한 초기 보급단계이며, 향후 전기자동차 전망은 아직 불투명한 상태이다. 따라서 정부에서는 여러 가지 정책을 추진하고 있다. 2013년 이후 차량 1대당 보조금 액수 자체는 크게 변하지 않았으나, 전기자동차와 일반차량의 가격차이가 점점 줄어들고 있으며 보조금의 실질효과가 커지고 있어, 2015년에는 신규 전기자동차 등록대수(1~5월) 는 616대로 전년 동기 대비 약 44% 상승하였다. 2015년에 환경부는 1300억원으로 친환경차 3만 4417대 보급 추진하였으며, 여기에는 전기 자동차가 3000대 포함되어 있다. 그림 101. 전기자동차 국내 등록대수 94) 3) 전기자동차 이용자들의 구매 혜택 전기자동차를 구매할 경우 정부로부터 받을 수 있는 혜택은 정부 보 조금 지급 (국비 1500만원, 지자체 보조금 300~500만원), 완속( 緩速 ) 충 전기 1대 설치지원(500만원) 및 취 등록세 최대 420만원 감면 등 최 대 3000만원의 지원금을 받을 수 있다 95). 2. 주요국 보급 계획 및 도입촉진 정책현황 전 세계 주요 국가는 친환경차인 전기자동차 보급을 위해 경쟁적으로 자국의 특성에 맞는 제도 도입을 표20과 같이 추진하고 있으며, 전기 94) 국토교통부 인터넷 사이트, 95) 한국에너지 기사, 2017년에 한국 전기차시장 본궤도,

117 자동차 도입촉진을 위한 인센티브제를 표21의 정책을 추진하고 있다. 표20. 주요국의 전기자동차 보급계획 국 가 스페인 이스라엘 포르투칼 중 국 영 국 전기자동차 보급계획 2014년까지 100만대의 전기자동차 보급계획 발표 2억 4천만 유로의 예산이 투입되는 운송개혁 프로젝트 추진 프로젝트 베터플레이스(르노, 닛산과 협력)란 유태계 미국회사와 손잡고 50만개의 충전소와 2만대의 차량을 공급 닛산, 프랑스 Renault와 손잡고 전기자동차 보급계획 (2010년부터 월 평균 1만 3천대 생산 계획) 2011년까지 인프라 시설 구축계획 주유소 및 대형 마켓에 베터리 교환장치 설립계획 전국 전기자동차 충전소 설치 및 장점 홍보 10억 위엔의 정부자본 20~30억 위엔의 민간자본 투자 전망 외국기업과 합작 진행중(네델란드 TNO, 프랑스) FORD, GM 등도 중국내 합작 파트너 물색 중 2030년 전기자동차 유관 시장규모 약 6000억 위엔 전망 영국 수상 친환경 자동차 프로젝트 지원 (5년에 1억 1500만 유로 투입) NICE 사에서 개발한 Mycar (최대 64km/h로 한 시간 주행가능, 홍콩에서 제조예정) - 1km 주행에 23원(가솔린차의 1/15) - 도로세, 혼잡세 면제 - 무료 주차공간 및 무료 충전소 설치됨 런던에 현재 40여 개소의 충전소를 3배 확대중) 런던에 전기자동차 1000여대 도심 통행료 면제 덴마트 풍력발전으로 충전될 수 있는 배터리형 전기자동차 추진 프랑스 전력기업인 EDF는 도요타와 협력하여 프랑스 전역에 충전소 건설중 친환경 자동차 관련 연구개발(R&D) 지출의 50%까지 환급해주는 세금감면제도 시행

118 호 주 3천 3백만 달러를 투자해 멜버른시에 하이브리드 자동차 생산시설 건립계획 모든 관용차를 하이브리드 자동차로 바꾸기로 결정 골드코스트 지역 대중버스 모두 하이브리드로 바꿀 계획 표21. 주요국의 전기자동차 도입 촉진 정책현황 국가 보조금지원 세제지원 보조제도 표지부착지원 미국 각 주에 따라 당양 한 자체 지원 프로 그램 구입비 10%세액공제 (상한 4000달러) (보험료 10%감면) 캘리포니아 주, 2005 년부터 무공해차(ZEV) 규제 시행 연6만애 이상 판매업 체 대상 친환경차 일 정비율 이상 판매의무 화 위반시 대당 $5000 Penalty 부과 특별차선 이용허가 공항 및 공영주 차장 주차비 면제 지정 주차장에 무 료충전시설 구비 일본 일반차량과의 차액 50% 보조 취득시 저리의 재 정융자 실시 동경도민(개인)에 한해 구입비 융자 1.75% 전기자동차 개발업 체에 보고금을 부여 자동차세 50% 감면 취득세2.7% 감면 법인세 우대(7%) 소득세 7% 특별 공제 지방공공단체/저공해 차의 도입 연료공급시설 정비 구매가에서 30 만엔 공제 공영주차장의 주 차요금 할인(동 경) 독일 Free Bate제 시행 예정 등록시 5년간 자동 차세 면제 5년이후 휘발유 차 량 50% 부과 인구 25000명 이상의 도시에 대해 친환경 전기자동차 도입 의무 화 프랑스 Free Bate제 시행 도로세 면제, 등록 세 인하 특수전력세 면제 법인자동차세 면제 무 료 / 전 용 주 차 / 충 전 (파리,리용 등) 전기자동차 전용 주차장 추진 도심혼잡통행료 면제 영국 Feee Bate제 시행 예정 5년간 도로세 면제 자동차세 2% 감면 주차장 경감 이용료 주차장 내 배터 리 무료 충전

119 이탈 리아 Free Bate제 시행 예정 5년간 도로세 면제 보험료 50% 할인 노르 웨이 덴마크 스웨덴 전기자동차 등록세 면제 전기자동차의 경우 부가가치세 25% 면제 오슬로시 통행료 면제 무료주차(연간 2000~4000유로 절감) 버스전용차로 운행허용 자동차 등록세 면제 연간 자동차세 면제 무료주차 2011년 Project Better Place 발표 시 전기자동차 혜택 추가 도입 예상 친환경 전기자동차 보조금 지급(2500유로) 3. 친환경 전기자동차의 성장요인과 제약요인 96) 1) 성장요인 주요국의 연비규제 강화에 대한 대응 및 정부의 정책지원이 전기자동 차 시장의 성장을 견인할 것으로 예상된다. 각국의 완성차업체는 전 세계적으로 실시하는 탄소배출량 및 연비규제 강화에 대응하기 위해 전기자동차 비중확대가 불가피하며, 차량경량화 및 기존 내연기관의 발전만으로는 장기적인 연비규제 강화에 대응하기 어려운 현실이다 년 미국시장 연비는 연평균 약 2.5% 개선되었으나, 25년 규제 충족을 위해서는 연평균 약 4.9% 이상의 개선이 필요하다. 각국 정부는 보조금 지급 및 세금감면 등 지원으로 전기자동차 시장 확대를 유도하고 있으며, 전기자동차를 자동차산업의 미래 성장동력 분야로 인식하있기에 지원을 강화하고 있다. 최근 미국, 일본 정부는 직접적인 보조금 지급보다는 전용도로나 주차장 우선사용권 등 시장 참여 정책을 추진하고 있다. 2) 제약요인 기존의 내연기관 자동차를 생산하는 주요 자동차 회사의 미온적 태도 및 정유회사 관계자의 반대는 전기자동차 시장 확대에 부정적으로 작 96) 김시언, 세계 전기동력차 시장전망과 시사점, KDB 산업은행, pp. 37~

120 용할 것으로 예상된다. 내연기관 자동차가 전기자동차로 대체될 경우 내연기관 자동차의 차량용 부품회사 및 정유 회사 등은 수익성 급락 하려 치명적인 경제적 손실을 입을 가능성이 높다. 기존의 완성차 업 체는 1충전인프라 부족, 2비싼 가격 등의 문제를 이유로 전기자동차 의 본격적인 생산을 주저하고 있지만, 미국의 테슬라 자동차의 경우 공해를 전혀 발생하지 않는 배터리 구동 전기자동차의 생산 및 판매 를 통하여 전 세계적인 자동차 혁신을 일으키고 있다. 4. 국내 전기자동차 보급 정책 정부의 강력한 재정지원에도 불구하고, 전기자동차 보급목표에 많이 부족한 현실이다. 그 결과 자동차 배기가스의 감축을 위한 전기자동차 의 보급정책은 다소 미흡한 것으로 평가되고 있다. 이러한 원인은 전기자동차 정책 목표 및 수단을 설정하는 과정에서 실효성을 높일 수 있는 정책 집행수단에 대한 검토가 부족했다고 판 단되며, 현재는 표22와 같이 전기자동차 핵심부품 개발을 위한 연구개 발 로드맵 추진하고 있다. 표22 전기자동차 핵심부품 개발을 위한 연구개발 로드맵 1) 대기환경보전법 제58조 제3항(저공해자동차의 운행 등) 국가나 지방자치단체는 저공해자동차의 보급, 배출가스저감장치의 부

121 착 또는 교체와 저공해엔진으로서 개조 또는 교체를 촉진하기 위하여 다은 각호의 어느 하나에 해당하는 자에 대하여 예산의 범위에서 필 요한 자금을 보조하거나 융자할 수 있다. 1. 저공해자동차를 구입하거나 저공해자동차로 개조하는 자 2. 저공해자동차에 연료를 공급하기 위한 시설 중 다음 각 목의 시설 을 설치하는 자나 전기를 연료로 사용하는 자동차에 전기를 충전하기 위한 시설로서 환경부장관이 정하는 시설 2) 수도권 대기환경개선에 관한 특별법 제24조(저공해자동차의 구매 등) 1 대기관리권역에 있는 기관으로서 대통령령으로 정하는 수량(10대) 이상의 자동차를 가지고 있는 다음 각 호의 기관은 자동차를 새로 구매하는 경우 환경부령으로 정하는 비율(30%) 이상의 저공해자동 차를 구매하여야 한다. 1. 행정기관 2. 대통령령으로 정하는 공공기관(정부출연연구기관, 지방공사, 지 방공기업 등) 2 환경부장관은 제1항에 따른 행정기관 및 공공기관(이하 행정기관 등 이라 한다) 외의 자로서 환경부령으로 정하는 수량(10대) 이상 의 자동차를 가진자가 자동차를 새로 구매하는 경우에는 저공해자 동차를 우선 구매하도록 권고할 수 있다. 3 국가나 지방자치단체는 저공해자동차를 구매하는 자에게 저공해자 동차의 구매에 필요한 재정적 지원을 할 수 있다. 충전인프라 설치관련 법령에 대해서 알아보면, 전기설비의 안전관리사 항은 전기사업법에서 세부적인 전기설비 기술기준을 정하고 있다. 2014년 전기자동차 충전 설비 기술기준 및 판단기준이 포함되었으므 로 충전기 구매 및 설계, 설치 시 동 기준을 반영하여야 한다. 실무담 당자는 동 지침의 적용과정에서 전기사업법, 전기용품안전관리 법. 전기자동차 전원공급설비에 대한 전기설비기술기준 등 관련 법령의 변경사항을 수시로 확인하여야 한다

122 3) 전기자동차 구매 시 보조금 지급 97) 전기자동차 보조금 제도는 2011년부터 시행되고 있으며, 보조금 지급 은 지방 자치단체를 통해 실시되고 있다. 지방 자치단체를 통해 전기 자동차 구매를 신청하면 중앙 정부에서 지급하는 1500만원의 보조금 과 전기자동차 선도 도시들에 한해서는 지방 자치단체 보조금 300~500만원을 지원받아 차량을 구매할 수 있다. 단, 보조금 지급은 배출가스 인증을 통과하고 지급대상 차종으로 선정된 모델에 한정된 다. 또한 차량 구매시 보조금 외에도 구매단계에 부과되는 세금 중 개 별소비세, 교육세, 취득세, 공채매입금액 등을 감면해 주는 세금혜택을 표23과 같이 시행하고 있다. 표23. 국내 친환경 전기자동차 보조금 및 구매 혜택 종 류 정부보조금 지자체 보조금 교육세 개별소비세 취득세 지원금액 한도(최대) 1500만원 300~500만원 60만원 200만원 140만원 4) 전기자동차 선도도시를 통한 보급사업 환경부는 지방 자치단체 차원에서 전기자동차 보급이 효율적으로 진 행되고, 효과적인 지원이 이루어질 수 있도록 10개 지방 자치단체를 전기자동차 선도도시 를 선정하여 집중 지원하고 있다. 선도도시들 로 선정된 지역은 제주도, 서울시, 안산시, 당진시, 대전시, 춘천시, 광 주시, 영광군, 창원시, 포항시의 총 10개 지자체이다. 초기 전기자동차 보급은 주로 공공부문 관용차량 및 업무용도나 카셰어링(Car Sharing) 같은 공용차량 중심으로 이루어졌다. 5. 국내 전기자동차 정책의 개선과제 98) 지금까지 살펴본 국내 외 전기자동차 기술 및 보급 현황을 바탕으로 현재 논의가 필요한 주요 현안들을 분석하고 추진이 필요한 정책과제 들을 도출하고자 한다. 97) 박지영, 우리나라 전기자동차 보급현황과 향후 과제, 교통 기술과 정책 제11권 제4호, , pp ) 황상규, 유럽국가와 비교한 국내 전기차 정책의 진단과 개선과제, 전자공학회지 , pp

123 첫째, 친환경 전기자동차 시장 형성을 위한 정책도입 및 정책추진에 대한 연구이며, 둘째, 전기자동차 보급 확대 및 안정적인 운행환경 조성을 위한 충전 인프라 확대이다. 국내 전기자동차 보급 초기에는 CT&T 등 몇몇 중소기업체가 저속의 전기자동차를 개발 및 보급을 하였다. 그러나 저속의 전기자동차는 열 악한 성능 및 도로운행 제한으로 판매되지 못하여 회사가 도산하였다. 2011년 말 기아자동차의 레이(Ray), 2014년 4월 기아자동차의 소울 (Soul) 전기자동차와 2014년 12월 GM 대우의 SM3 전기자동차도 출시 되면서 국내 전기자동차 보급이 증가되었다. 그 밖에도 지방 자치단체 의 특성에 따라 전기승용차, 전기버스, 전기택시, 전기오토바이, 전기 트럭 등 다양한 유형의 전기자동차를 보급을 추진하지만, 보급 확산에 대한 다음의 문제점이 노출되었다. 1) 전기자동차 구매보조금에 대한 의존도가 높음 첫째, 현재의 전기자동차 보급 정책은 구매보조금 정책을 중심으로 하 고 있기에 이로 인하여 성능이 우수한 다양한 전기자동차를 개발하려 는 의욕 및 노력을 저해하는 부작용이 있다. 둘째, 전기자동차 보급대 상을 민간보다는 할당된 예산을 집행하는 공공기관에 주력하는 정책 은 궁극적으로 민간부분 전기자동차 품질을 떨어뜨리는 결과를 초래 하게 된다. 이런 맥락에서 한국 정부는 미국의 테슬라 자동차와 같이 혁신적인 기업에 집중적인 투자금 지원정책, 프랑스에서 추구하는 전기자동차 세제의 개편정책, 노르웨이와 같이 교통 및 세금정책과의 연계를 통한 패키지(Package)정책을 추진할 필요가 있다. 또한 고령화, 저성장 및 핵가족 등 사회여건의 변화와 차량기술 혁신을 감안할 때, 소비자가 원하는 다양한 형태의 전기자동차 보급을 장려하는 정책도 주력할 필 요가 있다. 2) 전기자동차 충전기 확충이 필요

124 국내 전기자동차 충전기 확충과 관련하여 첫째, 국내에 설치되고 있는 완속 충전기는 공공기관 보급형으로 가정용으로는 적합하지 않아 설 치현장 여건에 맞는 모델의 다양화가 필요하다. 또한, 현재 공동주택 에 주차 공간의 확보만 아니라 충전기 설치 공간 확보에도 어려움이 많다. 이런 문제를 해결하기 위해선 기존 노출형( 露出形 ) 충전기 타입 에서 벗어나, 매몰형( 埋沒形 ) 충전기 타입의 개발이 필요하다. 둘째, 신규 공동주택 및 건물의 건축 시, 반드시 전기자동차 충전기를 설비를 강제하는 규정을 하련하고, 공동주택에 맞는 완속충전기 및 전 기설비 공사방식의 기준마련과 과잉 공사비 방지를 위한 가이드라인 마련도 필요하다. 셋째, 지방 자치단체 및 고속도로 휴게소에 급속 충전기 설치를 의무 화하고, 주차장에 부지확보를 강제하는 정책이 필요하다. 넷째, 전기자동차 충전을 위한 전기요금체계의 개선이 필요하다. 특히 현재의 전기요금체계(기본요금, 한전불입금)로는 민간 충전인프라 서비 스 사업자가 수익을 내기에는 어려운 구조이며, 전기자동차 충전기에 대한 전용요금 외에 전용 기본요금 및 한전불입금 등의 요금 개선과 이동식 급속 충전소를 고려한 전기요금 징수방안의 마련이 필요하다

125 Ⅶ. 결론 본 연구에서는 친환경 전기자동차의 최신기술 및 특허 동향 분석을 분석하고, 국내 외 친환경 전기자동차 추진 정책을 조사하고, 친환경 전기자동차의 특허경쟁력 강화 방안마련을 목적으로 하고 있다. 친환경 전기자동차는 내연기관 자동차보다도 더욱 긴 역사를 가지고 있으며, 1824년 헝가리의 발명가 앤요스 제드릭(Ányos Jedlik)을 시작 으로 1800년대 중반에 영국의 토마스 파커(Thomas Parker) 및 미국의 알버트 포프(Albert A. Pope)가 각각 유럽과 미국에서 상용화를 위하 여 노력하였으며, 1900년대를 전 후로 세계적인 발명왕인 토마스 에 디슨(Tomas Edison)도 전기자동차와 충 방전이 가능한 2차전지 배터 리 용량향상에 대하여 노력하였다. 이러한 노력으로 1900년대 초에 미 국에서 굴러다니는 자동의 약 38%가 전기자동차였지만, 1908년 자동 차 왕인 핸리 포드(Henry Ford)가 개발하여 상용화한 모델 T와 1920 년 석유 왕인 록펠러(John Rockefeller)가 텍사스 원유발견 및 석유산 업 개발로 인하여, 가솔린자동차는 혁신적으로 평균 500달러 ~ 1000달 러 가격하락으로 인하여 1920년대부터 지금까지 전기자동차 이름은 자동차에서 어색한 이름이 되었다. 1996년 GM 社 는 캘리포니아 주 정부에서 추진하는 배기가스 제로법 (ZEV: Zero Emission Vehicle) 을 바탕으로 전기자동차 EV1을 출시하 였고, 800대의 EV1을 소비자에게 인수하여 뜨거운 호응을 받았지만, 이저 석유회사 및 자동차 업체의 로비로 2003년 배기가스 제로법 (ZEV)이 사라지자 GM 社 는 전기자동차 EV1의 생산라인을 철수하였고, 2005년 사막 한가운데서 남은 EV1을 폐차하는 조치를 하였다. GM 社 의 EV1은 배터리 전기자동차(BEV)로서 전혀 공해가 발생하지 않 는 가장 혁신적인 친환경 전기자동차이지만, 실패하였다. 하지만, 이 기간 동안 하이브리드 전기자동차(HEV), 플러그인 하이브리드 전기자동 차(PHEV), 배터리 전기자동차(BEV), 연료전지 전기자동차(FCEV)에 대 한 지속적인 연구가 수행되었으며, 본 보고서에서는 4가지 대표적인 HEV, PHEV, BEV 및 FCEV 전기자동차의 장 단점과 특징을 분석하

126 였고, 하이브리드 전기자동차의 종류별 연료효과 및 이산화탄소 감소 율 및 모터의 사용정도(전기화 정도)에 따른 전기자동차의 특성을 분 석하였다. 메이저 자동차 기업은 내연기관 자동차 판매를 집중하면서도, 연비향 상 및 CO 2 저감을 위하여 내연기관 자동차와 전기자동차의 중간 단계 인 하이브리드 전기자동차(HEV)의 출시를 하였으며, Citroen 社 C2(Micro HEV), 혼다 社 시빅(Soft HEV), 도요다 社 프리우스(Hard HEV), 쉐보레 社 볼트(PHEV), GM 社 Equinox(FCEV) 및 도요다 社 FCHV-avd(FCEV) 등이 출시하였다. 또한 닛산 社 는 100% 무공해 차량 인 리프를 출시하여서 많은 관심을 받았지만, 2003년부터 테슬라 자동 차의 CEO 엘론 머스크(Elon Reeve Musk)는 2인승 스포츠카인 로드스 터(Roadster)와 일반적인 승용 차량인 모델 S,X,E를 출시함을 통하여 진정한 무공해 자동차로서 친환경 전기자동차의 개념을 변화시키는 혁신의 개기를 마련하였다. 본 보고서에서는 메이저 회사의 대표적인 자동차들의 특징을 모두 분 석하였으며, 전 세계 전기자동차 시장전망 및 연도별 생산현황을 파악 하였고, 전기자동차 상용화 장애 및 문제점으로 1)셰일가스(Shale Gas) 본격생산으로 인한 석유가격의 하락, 2)배터리의 에너지 저장밀도의 한계, 3)충전인프라 구축이 필요, 4)충전 소요시간의 단축과 급속 충전 으로 인한 배터리 성능의 감소를 분석하였다. 특히 현재 미국과 캐나 다를 중심으로 셰일가스 개발은 석유가격을 급격하게 하락하게 하여 서, 전기자동차의 가격 및 운용비용에 치명적인 영향을 미치고 있으 며, 테슬라 자동차의 주가는 주춤하고 있으며 99), 무게를 기준으로 휘 발유와 리튬-이온 배터리 사이에 에너지 밀도는 약 65배 차이가 나며, 부피를 기준으로 휘발유와 리튬-이온 배터리 사이에 에너지 밀도는 약 16배 차이가 나므로 에너지 밀도 향상을 위한 배터리 분야의 기술 개발과 충전기술 발전이 지속되어야 함을 분석하였다. 전기자동차의 주요부품인, 모터, 인버터/컨버터, 회생제동 장치, 전지시 99) 테슬라 社 는 세계경제의 위기와 유가하락에 영향으로 테슬라 社 의 주가는 2015년 말에 240달러에서 2016 년 2월 현재 150달라 이하로 급격하게 떨어지고 있다

127 스템, 충전 인프라 및 커넥터의 주요기술을 분석하였고, 특히 가장 중 심이 되는 리튬-이온 전지의 기술, 산업, 시장동향 및 리튬-이온 전지 의 핵심특허 및 특허분쟁 경과를 조사하였다. 또한, 차세대 전지로 주 목되고 있는 리튬-공기 전지의 특성과 가능성에 대해서도 살펴보았다. 이번 미국 연수를 통하여 직접 방문하고 조사한 테슬라 자동차 매장, 공장 및 슈퍼충전소의 경험과 얻어진 자료를 바탕으로 테슬라 자동차 의 주요 차량을 분석하고, 테슬라 社 의 회장 엘론 머스크가 전기자동차 사업(테슬라 社 ), 태양광 사업(솔라시티 社 ), 배터리 사업(기가팩토리 社 ) 및 초고속 운송사업(하이퍼루프)에 대하여 본 보고서에서 정리하였다. 테슬라 자동차의 혁신은 1)진정으로 바퀴달린 컴퓨터를 구현하는 통합 적인 소프트웨어 설계 및 2)배터리의 혁신적인 배치, 배터리 셀의 전 압 균형을 위한 장치, 액체 냉각기술, 연기발생 및 과열을 감지 센서 등 배터리 보호 시스템을 장착을 통하여 새로운 전기자동차 리튬이온 팩을 구현을 완료하였다는 것이다. 테슬라 社 CEO 엘론 머스크가 2020년 비젼(Vision)으로 꿈꾸는 에너지 혁명과 이를 실현할 세계 최대 배터리 회사인 기가팩토리 社 의 착공현 황 및 기가팩토리 社 를 통하여 본격적으로 생산될 가정용 에너지 저장 장치 파워월(Powerwall)과 산업용 에너지 저장장치 파워팩(Powerpack) 을 조사하였다. 또한 테슬라 社 의 미국, 유럽의 특허출원 및 등록현황 을 분석하였고, 테슬라 자동차의 특허포트폴리오를 분석하여, 자동차 기술이 약 30%, 배터리 기술이 약 70%를 차지하고 있음을 밝히고, 자 동차 보다는 배터리 중심의 특허포트폴리오가 형성되어 있으며, 배터 리에서 과열방지에 관한 특허가 전체에서 27.5%를 차지하고 있어서 가장 집중적으로 연구되고 있음을 확인하였다. 본 보고서에서는 미국에서 등록된 41건의 테슬라 社 특허를 집중적으 로 분석함함으로서 테슬라 자동차는 1)전기자동차 배터리 폭발방지 및 사고 시 안전보장 기술, 2)리튬-이온 배터리의 수명연장 및 급속충전 기술 및 3)전기자동차 모터제어 기술임을 확인하였다. 동시에 테슬라 자동차가 탄생할 수 있었던 가장 핵심적인 배터리 관련 특허인 US 호, US 호, US 호, US 호 및 US

128 호 등에 대한 집중적인 분석도 첨부하였다. 미국, 일본, 유럽 및 중국 등 국가의 친환경 전기자동차 도입 촉진정 책을 살펴보고, 국내에서 친환경 전기자동차의 성장요인과 제약요인을 분석을 통하여, 정부가 추진하여야 하는 친환경 전기자동차 제도의 정 책적 방향은 1)친환경 전기자동차 시장 형성을 위한 정책도입 및 정책 추진과 2)전기자동차 보급 확대 및 안정적인 운행환경 조성을 위한 충 전인프라 확대를 위한 적극적 노력이 필요할 것으로 최종 분석하였다. 가칭 한국형 전기자동차 제도 및 시설 도입 방안으로 다음의 5가 지 정책방안을 다음과 같이 제시하였다. 첫째, 현재의 전기자동차 구매보조금 정책을 대신하여 테슬라 자동차 와 같이 혁신적인 기업에 집중적인 투자금 지원, 전기자동차 구 매시 교통 및 세금정책과의 연계를 통한 패키지(Package)정책 도입 둘째, 가정용 전기자동차 충전기로 적합한 기존 노출형( 露出形 ) 충전기 타입에서 벗어나, 매몰형( 埋沒形 ) 충전기 타입의 개발 및 보급 셋째, 신규 공동주택 및 건물의 건축 시, 반드시 전기자동차 충전기를 설비를 강제하는 규정과 법규 도입 넷째, 지방 자치단체 및 고속도로 휴게소에 급속 충전기 설치를 의무 화하고, 주차장에 부지확보를 강제하는 규정 및 법규 도입 다섯째, 전기자동차 충전을 위한 전기요금체계의 개선, 특히 민간 충 전인프라 서비스 사업자 및 이동식 급속 충전소를 고려한 전기 요금 징수방안의 마련이 필요 이번 연수를 통하여 테슬라 자동차 공장, 매장 및 슈퍼충전소를 방문 함을 통해서 무엇보다 테슬라 社 CEO 엘론 머스크의 창의와 도전정신 에 대하여 새롭게 느낄 있는 시간이었다. 또한, 테슬라 자동차가 출원 한 특허들을 면밀하게 검토함을 통하여 테슬라 社 가 기존의 메이저 자 동차 회사와 다른 시도와 도전으로 친환경 전기자동차를 넘어서 태양 광을 중심으로 하는 신재생 에너지 및 에너지 저장장치에 대한 기술 을 살필 수 있는 기회였다. 그리고 그 가운데 얻은 많은 정보를 본 보

129 고서에서 충실하게 담았고, 분석하였고, 부족하나마 한국형 전기자동 차 정책방향을 제시하고자 하였다. 미국의 테슬라 社 와 같이 창조와 혁신을 바탕으로 도전하는 기업이 지 금 우리나라에는 절실히 요구된다. 친환경 전기자동차 산업의 발전과 에너지 산업의 혁신을 위하여 우리 기업의 창조적인 도전과 정부의 혁신적인 정책적 지원이 계속적으로 필요하며, 이를 통하여 새로운 일 자리 창출과 한국경제를 견인할 새로운 성장 산업으로 친환경 전기자 동차 산업이 발전하기를 기대하며, 본 연수보고서를 마친다

130 참 고 문 헌 책자, 논문 및 보고서 [1] 국가과학기술심의회, 창조경제 실현을 위한 과학기술 규제개선방 안(안), [2] 김규동 외, 전기자동차 충전인프라 구축방안, (재)한국스마트그리드 사업단 최종보고서, [3] 김명수, 셰일가스 개발이 해양플랜트 사업에 미치는 영향과 향후 대책 방안, 포항공과 대학교 석사학위논문, [4] 김시언, 세계 전기동력차 시장전망과 시사점, KDB 산업은행 [5] 김정욱, 미국 자동차 산업현황 및 전망, 지식경제부, 한국산업 기술진흥원, [6] 김철수, 전기차전문가 간담회 자료, 한국교통연구원, [7] 김필수, 해외의 전기차 도입정책과 한국 전기차 활성화 정책 제안, SNE리서치 KABC [8] 김현준 전기 자동차 보급 활성화를 위한 관련 정책 연구, 대한산 업공학회 추계학술대회 논문집, [9] 박지영, 우리나라 전기자동차 보급현황과 향후 과제, 교통 기술과 정책 제11권 제4호, [10] 박현식, 리튬공기전지 기술 동향, 녹색기술정보포털 [11] 배진용 외, ESS 기술동향에 관한 연구, 대한전기학회 하계학 술대회 논문집, [12] 송민규, 리튬이온전지 소재기술 동향 분석 및 전망, KDB 산업은 행 보고서

131 [13] 외교통상부, 글로벌 셰일가스 개발동향 - 주요국의 셰일가스 개 발 현황과 전망, 외교통상부 국제경제국 글로벌에너지협력센터, [14] 이권형 외 2명, 주요국의 셰일 가스 개발 동향과 시사점, KIEP 오 늘의 세계경제, Vol. 12, No. 11, [15] 이현기 외 1명, Smart Grid 표준 이슈 보고서 - 전기자동차 충전 인프라 분야 -, (재)한국스마트그리드사업단 Issue & Focus, [16] 정용욱 외 3명 공저, 전기자동차 2판, GS인터비전, [17] 찰스 모리스 지음, 엄성수 옮김, 테슬라 모터스, 을유문화사, pp. 36~37. [18] 한명훈, 친환경 자동차 활성화 방안에 관한 연구, 한양대학교 석 사학위논문, [19] 한창수 외, 주변국 동향파악을 통한 전기자동차 핵심부품 소재 연구, 한국산업기술진흥원 최종보고서, [20] 환경 경제의 상생고리 친환경차 보급정책, 환경정책 Briefs vol 04, [21] 환경부, 전기자동차 충전인프라 설치 운영 지침, [22] 황상규, 유럽국가와 비교한 국내 전기차 정책의 진단과 개선과제, 전자공학회지, [23] J.W.Palmour, H.S.Kong, and R.F.Davis, High-temperature depletion -mode metal-oxide semiconductor field-effect transistors in beta-sic thin films, Appl. Phys. Lett. Vol. 51, pp. 2029, [24] J.W.Palmour, J.A.Edmond, H.S.Kong, and C.H.Carter, Jr., Vertical power devices in silicon carbide, in Proc. Silicon

132 Carbide and Related Materials, pp.499, [25] Louise Wells Bedsworth and Margaret R. Taylor, Learning from California s Zero-Emission Vehicle Program, CEP(California Economic Policy), Vol. 3, Num, 4, [26] Tau Liu et. al., Cycling Li-O 2 Batteries via LiOH formation and decomposition, Science 저널, Vol. 350, pp. 530~533, [27] TOI, Electromobily in Norway; experiences and possibility with Electric Vehicles, 언론 기사 [1] 에너지경제 기사, 테슬라에 리튬전지 공급 파나소닉, LG 삼성 추월, [2] 자유아시아방송 기사, 전기자동차의 환경 개선 효과, [3] 조선일보 기사, 머스크 테슬라 CEO, 신개념 배터리 발표...자동 차 회사가 아니라 에너지 혁신 기업, [4] 한국에너지 기사, 2017년에 한국 전기차시장 본궤도, [5] Underhood Service 기사, Servicing Honda Civic Hybrid Vehicles, 특허문헌 [1] 일본 공개특허공보 JP 호 (일본 히타치 社 특허)

133 [2] 일본 공개특허공보 JP 호 (일본 히타치 社 특허) [3] 미국 등록특허공보 US 호 (일본 덴소 社 특허) [4] 미국 등록특허공보 US 호 (일본 덴소 社 특허) [5] 미국 등록특허공보 US 호 (일본 덴소 社 특허) [6] 미국 등록특허공보 US 호 (일본 덴소 社 특허) [7] 미국 등록특허공보 US 호 (일본 덴소 社 특허) [8] 미국 등록특허공보 US 호 (한국 페어차일드 社 특허) [9] 미국 등록특허공보 US 호 (미국 Teaxs 대학 특허) [10] 미국 등록특허공보 US 호 (미국 Teaxs 대학 특허) [11] 미국 등록특허공보 US 호 (미국 3M 社 특허) [12] 미국 등록특허공보 US 호 (미국 3M 社 특허) [13] 미국 등록특허공보 US 호 (미국 3M 社 특허) [14] 미국 등록특허공보 US 호 (일본 Toray 社 특허) [15] 미국 등록특허공보 US 호 (한국 LG화학 특허) [16] 미국 등록특허공보 US 호 (미국 Celgard 社 특허) [17] 미국 등록특허공보 US 호 (미국 테슬라 社 특허) [18] 미국 등록특허공보 US 호 (미국 테슬라 社 특허) [19] 미국 등록특허공보 US 호 (미국 테슬라 社 특허) [20] 미국 등록특허공보 US 호 (미국 테슬라 社 특허) [21] 미국 등록특허공보 US 호 (미국 테슬라 社 특허) [22] 미국 등록특허공보 US 호 (미국 테슬라 社 특허) [23] 미국 등록특허공보 US 호 (미국 테슬라 社 특허) [24] 미국 등록특허공보 US 호 (미국 테슬라 社 특허) [25] 미국 등록특허공보 US 호 (미국 테슬라 社 특허) [26] 미국 등록특허공보 US 호 (미국 테슬라 社 특허)

134 [27] 미국 등록특허공보 US 호 (미국 테슬라 社 특허) [28] 미국 등록특허공보 US 호 (미국 테슬라 社 특허) [29] 미국 등록특허공보 US 호 (미국 테슬라 社 특허) [30] 미국 등록특허공보 US 호 (미국 테슬라 社 특허) [31] 미국 등록특허공보 US 호 (미국 테슬라 社 특허) [32] 미국 등록특허공보 US 호 (미국 테슬라 社 특허) [33] 미국 등록특허공보 US 호 (미국 테슬라 社 특허) [34] 미국 등록특허공보 US 호 (미국 테슬라 社 특허) [35] 미국 등록특허공보 US 호 (미국 테슬라 社 특허) [36] 미국 등록특허공보 US 호 (미국 테슬라 社 특허) [37] 미국 등록특허공보 US 호 (미국 테슬라 社 특허) [38] 미국 등록특허공보 US 호 (미국 테슬라 社 특허) [39] 미국 등록특허공보 US 호 (미국 테슬라 社 특허) [40] 미국 등록특허공보 US 호 (미국 테슬라 社 특허) [41] 미국 등록특허공보 US 호 (미국 테슬라 社 특허) [42] 미국 등록특허공보 US 호 (미국 테슬라 社 특허) [43] 미국 등록특허공보 US 호 (미국 테슬라 社 특허) [44] 미국 등록특허공보 US 호 (미국 테슬라 社 특허) [45] 미국 등록특허공보 US 호 (미국 테슬라 社 특허) [46] 미국 등록특허공보 US 호 (미국 테슬라 社 특허) [47] 미국 등록특허공보 US 호 (미국 테슬라 社 특허) [48] 미국 등록특허공보 US 호 (미국 테슬라 社 특허) [49] 미국 등록특허공보 US 호 (미국 테슬라 社 특허) [50] 미국 등록특허공보 US 호 (미국 테슬라 社 특허) [51] 미국 등록특허공보 US 호 (미국 테슬라 社 특허)

135 [52] 미국 등록특허공보 US 호 (미국 테슬라 社 특허) [53] 미국 등록특허공보 US 호 (미국 테슬라 社 특허) [54] 미국 등록특허공보 US 호 (미국 테슬라 社 특허) [55] 미국 등록특허공보 US 호 (미국 테슬라 社 특허) [56] 미국 등록특허공보 US 호 (미국 테슬라 社 특허) [57] 미국 등록특허공보 RE044994호 (미국 테슬라 社 특허) [58] 한국 등록특허공보 KR 호 (미국 테슬라 社 특허) 인터넷 사이트 [1] 국토교통부 인터넷 사이트, [2] 네이버 지식백과 인터넷 사이트, [3] 테슬라 자동차 관련 인터넷 사이트, [4] 테슬라 자동차 관련 인터넷 사이트, [5] 테슬라 자동차 관련 인터넷 사이트, [6] 테슬라 자동차 관련 인터넷 사이트, [7] 테슬라 자동차 홈페이지 인터넷 사이트, [8] 한양대학교 IT 자동차 융합 고급인력 양성센터 조사, 테슬라 자동 차 특허포트폴리오, 2014년 7월, [9] GM 社 인터넷 사이트, CHEVROLET VOLT BATTERY, [10] IBM 인터넷 사이트,

136 [11] Wikipedia 인터넷 사이트, Energy density, [12] Wikipedia 인터넷 사이트, 테슬라 모터스, 라 모터스 [13] Wikipedia 인터넷 사이트, Who Killed the Electric Car, [14] Youtube 인터넷 사이트, Who Killed the Electric Car? report,

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<C1B6BBE7BFF9BAB85F335F28C3D6C1BE292E687770> 전기자동차 기술개발 동향 및 경쟁력 분석 Ⅰ. 전기자동차 개요 Ⅱ. 전기자동차 개발현황 및 동향 Ⅲ. 국내 전기자동차 기술경쟁력 분석 Ⅳ. 시사점 Ⅰ 전기자동차 개요 정의 및 분류 전기자동차는 친환경자동차의 한 종류로서, 배터리와 전기모터로 구동되는 차를 말함 - 친환경자동차는 기존 내연기관 차량보다 에너지소비 효율이 우수하고 공해발생이 적은 차량을