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과학적으로 Fe-Si 연자성 합금으로 알려져 있으며 전기강판이라고도 불리는 실리콘강은 실리콘 함량이 0.5%에서 6.5% 사이입니다. 이 소재는 매미 날개처럼 얇은 철판과 비슷하지만 뛰어난 “기억력”을 가지고 있어, 교번 자기장 내에서 쉽게 가열되지 않고 반복적으로 자화될 수 있습니다. 높은 자기 투자율, 낮은 철손, 높은 포화 자속 밀도라는 세 가지 강점 덕분에 모터, 변압기, 발전기의 철심에 있어 “유일무이한 선택”으로 자리매김하고 있습니다. 이 소재가 없다면 전력망은 1킬로와트시(kWh)의 전력을 효율적으로 전송할 수 없으며, 가변 주파수 에어컨, 신에너지 차량, 풍력 터빈은 모두 “황소처럼 헐떡거리게” 될 것입니다.

02 한 세기의 여정 – 실리콘강 기술 로드맵

2.1 ◇ 열연 시대: 저탄소강에서 실리콘강으로의 첫 도약 1886년, 미국의 웨스팅하우스(Westinghouse)는 탄소 함량이 0.4%인 저탄소강판을 변압기 코어로 사용했으나, 이로 인해 상당한 와전류 손실과 심각한 자기 노화가 발생했다. 1902년, 독일의 구믈리히(Gumlich)는 소량의 실리콘을 첨가하면 저항률이 급격히 상승하고, 손실이 급감하며, 자기 노화가 감소한다는 사실을 발견했다. 이에 따라 열간 압연 실리콘강이 역사의 무대에 등장했다. 불과 몇 년 만에 이 강재는 저탄소강을 대체하며 모터와 변압기의 “주력 소재’가 되었다.

2.2 ◇ 냉간 압연 시대: 배향 실리콘강의 “독보적인 기술” 1933년, 가우스(Gauss)는 2단계의 냉간 압연과 어닐링 공정을 통해 3% 실리콘강의 압연 방향에 따른 자성 특성을 극대화했다. 1953년, 일본의 닛폰제철은 냉간 압연 스트립에 AIN+MnS 이중 억제제를 첨가하여 한 단계 더 발전시켰습니다. 1964년에는 “Hi-B” 고자속 방향성 실리콘 강판을 출시하여 일본 전기강판을 세계 정상에 올렸습니다. 두께 정밀도가 높고 표면이 매끄러우며 자기 이방성이 낮은 장점을 지닌 냉간 압연 비지향성 실리콘 강판은 소형 모터 분야에서 여전히 보조적인 역할을 수행하고 있습니다.

2.3 ◇ 중국의 발전 궤적: 추격에서 병행으로. 1952년, 태원 제철소가 열연 저규소 강판의 시범 생산을 선도적으로 시작했다. 1974년 우한 제철소는 일본의 Hi-B 특허 기술을 도입했고, 1979년에는 국산 Hi-B가 생산 라인에서 출하되었으며, 이는 오늘날까지도 중국산 방향성 실리콘강의 “기초” 역할을 하고 있다. 현재 우한철강, 바오스틸, 쇼강이 3파전을 펼치고 있으며, 고급 배향 실리콘강이 대량으로 수출되고 있다. 중국산 전기강판은 전 세계 시장 점유율의 절반을 차지하고 있다.

03 분류 및 적용 – 하나의 다이어그램으로 “누가 누구를 사용해야 하는지” 이해하기

3.1 ◇ 규소 함량에 따른 저규소 전기강판(Si<0.5%): 전자기 성능 요구 사항이 낮은 가정용 소형 가전제품에 적합하며, 공정이 간단하고 비용이 저렴하며, 일반 탄소강과 거의 “동일한 공정”을 거친다는 특징이 있다.

중간 규소 전기강판 (0.5%<Si<4.5%): 모터 및 변압기 철심의 주요 소재로, 다양한 등급과 복잡한 등급 체계를 갖추고 있다.

고규소 전기강판 (4.5%<Si≤6.5%): 고주파 모터, 초크 코일 및 자기 차폐용으로 “전용”으로 사용됩니다. 상온에서의 가소성이 낮아, 현재는 실리콘화 공정을 통해 얇은 스트립 형태로만 가공할 수 있습니다.

3.2 ◇ 생산 방식 및 결정 배향에 따른 열간 압연 전기강판: 이 유형은 거의 단종되었으며, 저가형 라미네이션 용도로만 사용된다.

냉간 압연 비방향성: 두께 0.65–0.35 mm, 낮은 자기 이방성, 높은 펀칭 계수, 다양한 모터에 널리 사용됨.

냉간 압연 단방향 배향(Goss): 입자는 압연 방향을 따라 쉽게 자화되며, CGO 강재의 경우 편차 각도는 7°이고 B8 ≈ 1.82 T입니다. Hi-B 강재의 경우 편차각은 3°이며, B8 ≈ 1.90 T이다. 이 강재는 특히 대형 변압기 및 초크 코일에 사용된다.

냉간 압연 이중 배향(입방형): 아직 산업화되지 않은 실험실 단계의 개념입니다.

그림 2는 실리콘강의 전 세계 적용 현황을 보여줍니다. 변압기가 가장 큰 비중을 차지하고 있으며, 모터가 그 뒤를 바짝 쫓고 있고, 고주파 장치의 비중이 점차 증가하고 있습니다.

04 성과 지표 – 철 손실과 자기 유도율은 “핵심 지표”이다”

4.1 ◇ 철 손실 P: 교번 자기장 내의 “열 깔때기” 철 손실 = 히스테리시스 손실 Ph + 와전류 손실 Pe + 비정상 손실 Pa.

비지향성 실리콘강: Ph가 대부분을 차지하며, P1.5/50이 평가의 핵심입니다.

결晶 방향성 실리콘강: 투자율(Pe)이 가장 중요한 요소이며, P1.7/50은 변압기의 온도 상승 및 무부하 손실을 직접적으로 결정합니다.

4.2 ◇ 자속 밀도 B: 이는 철심이 수용할 수 있는 자기장의 크기를 결정합니다. Bm을 증가시키면 철심의 단면적을 줄이고, 구리선의 무게를 줄이며, 자화 전류를 감소시킬 수 있습니다. 비지향성 재료의 경우 B50(5 kA/m)이 사용되며, 지향성 재료의 경우 B8(T)이 사용됩니다. 수치가 높을수록 비용이 더 많이 듭니다.

4.3 ◇ 추가 요구 사항: 종방향과 횡방향 간의 철손 차이는 ≤8%이어야 하며, 자속 밀도의 차이는 ≤10%이어야 하여, 적층 후에도 일관된 성능이 보장되어야 한다.

열연판의 형상, 냉연판의 표면 거칠기, 절연 코팅 품질을 완벽하게 최적화해야만 철손이 적고 자기 유도율이 높은 “이중 고성능” 제품을 생산할 수 있습니다.

05 등급 표시 방법 – “숫자 코드”를 한눈에 파악하기

그림 3은 국내산 비지향성 및 지향성 실리콘강의 등급 규정을 ‘재료 코드 + 일련번호 + 용도 코드’라는 세 가지 코드 줄로 세분화하고 있으며, 이는 간단하고 기억하기 쉽습니다.

06 향후 방향 – 더 얇게, 더 낮게, 더 효율적으로

얇은 두께의 저철손 비지향성 실리콘 강판: 두께를 0.35 mm 더 줄이면 철손을 10% 더 줄일 수 있어, 모터 효율을 2~3% 포인트 높일 수 있다.

초저 코어 손실 Hi-B 배향 실리콘강: 닛폰제철은 두께 0.15~0.35mm의 강판을 안정적으로 공급해 왔다. 일본스틸튜브는 CVD 실리콘 도금 공법을 사용하여 고실리콘 박판을 생산해 왔으며, 중국 제조사들도 이를 따라잡고 있다.

중·고주파 에너지 절약형 가전제품용 고규소 강판: 6.5% Si의 “마법의 함량”은 여전히 빛을 발하며 고주파에서 열을 발생시키고 있으며, 신에너지 차량 모터와 선박 추진 시스템이 새로운 경쟁의 장으로 떠오르고 있다.

차세대 혁신 기술: 나노결정질, 비정질 및 실리콘 강판 복합재, 초고속 냉각(USAB) + 나노미터 억제제. 이를 통해 철 손실을 P17/50 미만으로 줄일 수 있는 새로운 시대를 열 가능성이 있습니다.

전력망이 친환경적이고 효율적이며 분산형으로 전환됨에 따라, 1킬로와트시(kWh)의 전력 하나하나를 꼼꼼히 관리하고 절약해야 합니다. 모터와 변압기의 “두뇌” 역할을 하는 실리콘강은 재료적 관점에서 이 시대의 가장 시급한 과제, 즉 ‘강철을 어떻게 더 스마트하게 만들 것인가’에 대한 해답을 제시하고 있습니다. 그 해답은 더 얇은 스트립, 더 낮은 철손, 더 높은 자기 유도율에 있을 수 있으며, 이것이 바로 다음 에너지 혁명의 출발점입니다.