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이 책은 테슬라(TESLA) 전기자동차와 필자(筆者)의 특별한 인연(因緣)을 시작으로 저술하게 되었다. 테슬라(TESLA)의 특별한 만남은 2015년 가을로 거슬러 올라가서 시작되었다. 필자(筆者)는 그 당시 대한민국 특허청의 전기분야 특허심사관(사무관)으로 재직하고 있었고, 테슬라 전기자동차 핵심특허 분석을 위해서 2015~2016년 미국으로 연수를 가게 되었다. 그리고 연수 보고서를 작성하기 위하여, 테슬라社의 150여개의 모든 특허를 검토하였고, 테슬라 전기자동차의 아름다움, 강력한 파워(Power) 그리고 기술적 매력에 흠뻑 취하여 돌아오게 되었다.

2016년 12월 필자(筆者) 특허청을 퇴직하고, 서울 서초동에 위치한 창성(昌盛)특허법률사무소의 변리사로서 제2의 인생을 시작하면서, 테슬라(TESLA) 전기자동차에 대한 감동을 많은 사람들과 나누고 싶은 생각에 월간전기에 “전기자동차 기술 및 특허동향-테슬라 자동차를 중심으로”라는 제목으로 시리즈 기고를 시작하였다. 월간전기를 통하여 시리즈 기고가 결정된 2017년 1월, 그 당시에는 아직 테슬라 전기자동차가 대한민국에 본격적으로 판매되지 않았다. 하지만, 첫 번째 기고문을 월간전기에 보내고, 얼마 후인 2017년 3월 15일 경기도 하남시에 위치한 하남 스타필드에 테슬라 전기자동차 매장이 드디어 오픈(Open)하게 되어서, 테슬라 전기자동차와의 아주 특별한 인연은 계속되고 있다. 2017년 7월 전력전자학회 학술대회를 통하여 “테슬라(TESLA) 전기자동차 핵심 기술동향”이라는 제목으로 논문을 발표하였고, 국내·외 수많은 전문가들과 함께 테슬라 전기자동차에 대하여 토론하였고, 2017년 10월 전력전자학회 논문지(Journal)에 게재되었다. 이제 필자(筆者)에게 큰 감동을 전해준 테슬라(TESLA) 전기자동차의 보석과 같은 핵심 기술을 이 책을 통하여 많은 독자(讀者) 여러분과 가벼운 마음으로 나누고자 한다. 그리고 지금 이 세상을 리드(Lead)하고, 자동차의 개념을 바꾸고 있는 전기자동차라는 신(新)기술의 세계로 여러분을 안내하고자 한다. 어쩌면, 테슬라(TESLA)社의 회장인 엘론 머스크(Elon Reeve Musk)가 만든 테슬라 전기자동차는 마치 스티브 잡스(Steve Jobs)의 스마트 폰(Smart Phone)처럼 세상을 열광하게 만들고 있다. 이 책은 수많은 사람들이 테슬라(TESLA) 전기자동차에 대하여.. 왜? 열광하고... 왜? 감동하게 되었는지... 왜? 세계 최고의 전기자동차가 탄생했는지... 전기기계 및 전력전자(전력변환) 분야의 특허기술 전문가이며, 특허청의 전기분야 특허심사관(사무관)으로 테슬라(TESLA) 전기자동차 특허 분석을 총괄했던, 필자(筆者) 경험을 바탕으로 테슬라(TESLA)社 150여개 특허(特許)를 첫째, 차체(車體) 외관과 관련된 디자인 및 특허 기술 둘째, 모터 냉각과 관련된 특허 기술 셋째, 배터리 배치와 관련된 특허 기술 넷째, 배터리 냉각, 예열 및 관리와 관련된 특허 기술 다섯째, 테슬라 루디크로스(Ludicrous) 모드[제로백 2.5초]의 비밀, 유도전동기 특허 기술 여섯째, 슈퍼 충전기와 관련된 특허 기술 의 6가지 세부 기술로 나누어서 세상을 뒤집는 감동적인 특허 기술을 독자 여러분에게 재미있고, 쉽게 설명해줄 것이다. 테슬라(TESLA) 전기자동차의 수많은 보석과 같은 비밀은 ▷ 테슬라(TESLA)社의 특허(特許) 속에 고스란히 녹아 있다. 여러분도 이 책을 통하여 함께 느껴보시길 바란다. 어쩌면 세계 최고의 혁신적인 기술이라는 것은 어려운 공식과 복잡한 계산보다는 아주 단순하지만, 근본적인 발상을 뒤집는 것에서 출발한다. 모든 사람이 “안 된다” “불가능하다” “어렵다”라고 말하는 그 한계 속에 창의적인 대안을 마련하는 것이 바로 혁신인 것이고, 그 혁신의 결과는 세상을 열광하게 만든다. 그리고 테슬라(TESLA)社는 전 세계에 급부상 중인 기업으로서, 특허전문가인 필자(筆者)가 보기에 성공하는 기업의 특허출원 전략은 테슬라社처럼 해야만 반드시 성공한다고 말하고 싶다. 테슬라社는 세계적으로 성장하는 기업의 가장 성공적인 모델을 보여주고 있다. 이 책은 테슬라 전기자동차의 단순한 시승기 또는 엘론 머스크(Elon Reeve Musk) 회장의 리더쉽(Leadership)을 말하고자 하는 것이... 아니다. 어쩌면 그러한 책과 동영상은 이 세상에 너무나 많은 것 같다. 테슬라(TESLA)社의 150여개 특허, 그 속에 숨겨진 세상을 뒤집는 신(新)기술 바로 이 책을 통하여 여러분은 파워(Power)가 약한 전기자동차의 한계를 발상의 전환을 통하여 아름답게 뛰어넘는 테슬라 자동차와 엘론 머스크(Elon Reeve Musk)의 도전을 보게 될 것이며, 감동하게 될 것이다. 테슬라(TESLA) 전기자동차가 강력한 파워와 아름다움을 가지며, 왜(Why) 세계 최고의 전기자동차인지 명쾌하게 설명하는 바로 그 책..!! 이제가지 “테슬라 전기자동차” 및 “엘론 머스크”에 대한 몇몇 서적들이 국내에 출판되었다. 대표적인 책으로는 찰스 모리스의『테슬라 모터스』, 애슐리 반스의『엘론 머스크 미래의 설계자』, 다케우치 가즈마사『엘론 머스크 대담한 도전』등이 있다. 기존의 책들은 첫째, 주로 미국 또는 일본의 전문가에 의해서 작성되었구, 국내에 번역서이며, 둘째, 테슬라 전기자동차에 대한 깊이 있는 기술보다는 엘론 머스크의 사업 및 도전에 대해서 다루었던 책이라고 할 수 있다. 하지만, 이번 더하심 출판사에서 출판된 『테슬라 전기자동차 강력한 파워와 아름다움의 비밀』이라는 책은 테슬라 전기자동차에 대하여 국내에서 특허분석을 총괄했던 배진용 공학박사/변리사의 서적이다. 국내에서 테슬라(TESLA) 전기자동차의 최고 권위자가 직접 테슬라(TESLA)社의 150여개 특허를 분석하였고, 독자 여러분에게 가장 쉽게 전하기 위해서 쓴 책이라고 할 수 있다. 테슬라(TESLA)社의 150개 특허를 분석하고, 이를 각 기술별로 분석하였다. 특히 근본적으로 파워(Power)가 약한 전기자동차의 한계를 어떻게 돌파했는지 테슬라 전기자동차의 특허를 일일이 소개하면서, 모터의 회전자 및 고정자에 냉각시스템을 도입하여 약 100 마력[HP]의 모터를 가지고 최대 417 마력[HP]의 출력을 발생시키는 이유에 대하여 재미있게 언급하였다. 또한, 저자는 18650 리튬-이온 배터리를 6000 내지 8000개 사용하는 테슬라(TESLA)社의 전기자동차 배터리 기술이 처음에는 무대포 정신과 무식(無識)에 극치처럼 느끼기도 했지만, 테슬라 전기자동차의 특허를 계속하여 보다보면 묘한 반전이 생긴다고 소개하고 있다. 그리고 18650 리튬-이온 배터리를 4차의 단계로 보호함을 통하여 첫째, 전 세게에서 무게중심이 가장 낮은 자동차가 되었으며, 둘째 고속 주행에서 가장 안정적이며, 셋째 정면 및 측면 충격에서 가장 강인성 및 안정성을 가진다고 강조하고 있다. 테슬라(TESLA)社의 배터리 배치(Placement), 관리(Management), 냉각(Cooling) 및 예열(Heating)의 기술은 저자를 가슴 뛰게 만드는 특허(特許) 기술이며, 기술(技術)을 예술(藝術, Art)로 아름답게 승화시킨 것이라고 극찬하고 있다. 테슬라(TESLA)社는 150여 건의 특허(特許) 중에서 44건(27.8%)의 특허가 전기자동차 차체(車體) 외관에 관한 것으로서 자사(自社)의 고유한 브랜드(Brand)에 독특한 이미지를 트레이드 드레스(Trade Dress)로 담는데 가장 성공한 전기자동차 기업이라고 평가하고 있다. 또한, 테슬라 전기자동차가 제로백 2.5초가 만들어진 그 기술적 비밀을 소개하면서, 이중농형과 심구농형 기술을 결합시킨 새로운 테슬라 유도전동기를 만들어 냄을 통하여 단순히 자동차가 아니라 슈퍼카(Super Car)의 반열에 올라간 테슬라(TESLA) 기술을 재미있게 소개하고 있다. 이 책에서는 성공하는 기업의 특허(特許)출원 전략은 테슬라(TESLA)社처럼 해야만 반드시 성공한다.테슬라社는 최고의 성공모델이라고 강조하고 있으며, 테슬라 전기자동차에 대하여 많은 사람이 열광하는 진짜 이유는...!! “가슴이 시키는 일을 할 줄 아는 진정한 리더(leader)의 열정과 세상을 아름답게 변화시키고자 하는 엘론 머스크의 철학(哲學, Philosophy)”이 테슬라 전기자동차와 그의 사업 속에 살아서 숨쉬기 때문이라고 말하고 있다. 이 책에서는 엘론 머스크(Elon Reeve Musk)의 사업철학과 같은 불굴의 도전정신이 미국이 현재 세계 최고의 기술, 과학을 가지고 전세게 로열티를 받는 국가가 되었으며, “남들은 미쳤다고 말하지만, 가슴이 시키는 일을 할 줄 아는 진정한 용기를 가진 자”, 즉 “진정한 리더(leader)”꼭 나오기를 기대하며, 엘론 머스크의 명언(名言)을 소개하고 있다. “실패는 하나의 옵션입니다. 만약 무언가 실패하고 있지 않다면, 충분히 혁신하고 있지 않는 것입니다.” 이 책은 테슬라 전기자동차가 진정으로 세계 최고의 전기자동차가 되었는지 아주 명쾌하게 설명하고 있으며, 이 책은 테슬라 전기자동차의 매력(魅力)에 마법(魔法)처럼 빨려들게 만드는 서적이다. [책 속으로 추가] (출처)2-6. 테슬라 루디크로스(Ludicrous) 모드[제로백 2.5초]의 비밀, 유도전동기 특허 기술 133 Page ~ 137 Page 2016년 8월 23일 테슬라(TESLA)社는 모델(Model) S P100D를 발표하면서 제로백 0~100[km] 도달하는 시간 2.5초라는 루디크로스(Ludicrous) 모델을 발표하였다. 여기서 “P”는 퍼포먼스(Performance)의 약어로 주행성능을 강화시킨 것이며, “100”은 리튬-이온 배터리의 용량으로 100[kWh]의 용량을 의미하며, “D”는 듀얼 모터(Dual Motor)의 약어로서 전류 및 후륜 구동이 모두 가능한 것을 의미하며, “루디크로스(Ludicrous)”는 “터무니없는” 이라는 제로백(0~100[km] 가속시간)이 2.5초인 것을 의미 한다. 허걱 제로백이 2.5초라...정말 엄청난 기술이다. 기존까지 테슬라 전기자동차 모델 S 90D 제로백 0~100[km] 가속시간이 4.4초였다. 하지만, 어떻게 모델 S P100D는 제로백이 2.5초, 모델 S P90D는 제로백이 3초이다. 핵심은 기술적으로 무엇인가 상당히 달라졌다는 것이다. 과연 어떤 기술이 적용되어서 전기자동차로 제로백이 2.5초를 한 것인지 그 놀라운 비밀에 대하여 살펴보겠다. 일반 자동차 운전자들은 제로백 0~100[km]가 가속시간 2.5초가 얼마나 대단한 것인지 별로 감이 없을 수도 있다. (a) 에어리얼 아톰 500 V8(제로백 세계 1위: 2.3초) (b) 부가티 베이론 슈퍼 스포트(제로백 세계 공동 2위: 2.6초) (c) 포르쉐 918 스파이더 바이삭 패키지(제로백 세계 공동 2위: 2.6초) (d) 코닉세그 원(좌측), 닛산 GT-R(우측)(제로백 세계 공동 3위: 2.7초) 그림 2-73. 세계에서 제로백이 가장 빠른 차량 랭킹 1위 내지 3위 그림 2-73는 기존에 세계에서 제로백이 가장 빠른 차량 랭킹 1위 내지 3위를 나타낸다. 제로백이 가장 빠른 차량은 영국의 자동차 제작사 에어리얼(Ariel)社에서 만든 아톰(Atom) 500 V8이다. 이 차량은 일반 상용화(대중화)된 자동차가 아닌 경주용 자동차이며, 제로백 0~100[km]의 가속시간이 2.3초이다. 상용화된 차량으로는 세계적인 슈퍼카(Super Car)로 인정받고 있는 독일 폭스바겐(Volkswagen)社에서 제작한 부가티 베이론 슈퍼 스포트(Bugatti Veyron Super Sport)와 독일 포르쉐(Porsche)社에서 만든 포르쉐 918 스파이더 바이삭 패키지(Porsche 918 Spyder Weissach Package)가 있다. 자동차를 좋아하는 사람들은 한번쯤은 그 이름을 들어봤을 것이다. 슈퍼가의 대명사인 “부가티”, “포르쉐”... 두 차량은 제로백이 세계 공동 2위로서 2.6초이다. 폭스바겐社의 부가티 베이론 슈퍼 스포트의 가격은 약 25억 내지 30억원이며, 포르쉐社의 포르쉐 918 스파이더 바이삭 패키지는 13억 내지 15억원의 가격으로 판매되고 있다. 특히 폭스바겐社의 부가티 베이론 슈퍼 스포트는 1200마력[HP]의 출력을 가지며, 포르쉐社의 포르쉐 918 스파이더 바이삭 패키지는 887마력[HP]을 보유하고 있으며, 제로백 0~100[km]의 가속시간이 2.6초로 세계랭킹 공동 2위이다. 그 다음으로는 스웨덴 에커그룹에서 만든 코닉세그 원(Koenigsegg One)은 1380마력[HP]을 보유하며, 일본 닛산(Nissan) GT-R은 545마력[HP]을 가지며, 제로백 0~100[km]의 가속시간이 2.7초로 세계랭킹 공동 3위를 차지하고 있었다. 위의 차량들은 한마디로 슈퍼카(Super Car)로서 수억에서 많게는 수십억원을 호가하는 엄청난 파워(Power)를 자랑하는 자동차이다. 테슬라(TESLA) 전기자동차 모델(Model) S P100D는 한마디로 이제 제로백 2.5초로서 이제 당당히 세계 2위의 가속력을 가진 차량이며, 조만간 상용화(대중화) 될 차량으로는 세계 최고의 가속력을 보유한 차량이 될 것이다. 세계에서 순간가속력(제로백)이 가장 빠른 자동차 순위 1위 : 영국 에어리얼社 아톰 500 V8 (제로백 2.3초) 2위 : 미국 테슬라社 모델 S P100D (제로백 2.5초) 3위 : 독일 폭스바겐社 부가티 베이론 슈퍼 스포트 (제로백 2.6초) 3위 : 독일 포르쉐(Porsche)社 918 스파이더 바이삭 패키지 (제로백 2.6초) 4위 : 스웨덴 에커그룹 코닉세그 원(제로백 2.7초) 4위 : 일본 닛산 GT-R(제로백 2.7초) 이제 테슬라 전기자동차는 그냥 전기자동차가 아니다. 당당하게 슈퍼카(Super Car)에 그 이름을 올린 자동차로 급부상한 것이다. 더욱이 그동안 슈퍼카(Super Car)라는 자동차는 주로 독일, 영국, 스웨덴 등의 유럽 자동차 회사가 그 순위를 차지하고 있었지만, 이제는 순수 100% 친환경 전기자동차라는 이름으로 미국의 테슬라(TESLA)라는 이름이 당당하게 등장하게 되었다. 더 대단한 것은 테슬라社는 기존에 제로백 4,4초에서 어떻게 제로백이 2.5초로, 말 그대로 “루디크로스(Ludicrous)-터무니없는” 순간 가속력의 발전을 이룰 수 있었을까?? 과연 무엇이 달라졌을까?? 모터(유도전동기) 출력(파워)을 더욱 올렸니?? 결론부터 말하면 “아니다” 그래서 더욱 놀라운 것이다. 이것 기술의 혁신이고 전기공학 박사인 필자의 눈으로 보기에는 기술(技術)을 넘어서는 예술(藝術, Art)의 경지에 이르는 것이다. 필자(筆者)에게는 다른 것보다 바로 테슬라(TESLA)社의 특허(特許)를 검토하면 가슴 뛰게 만드는 그 무엇인가가 있다. 정말 테슬라社 특허는 “진정으로 나에게 감동을 주는 특허”이다.

제1장. 어..!! 정말 특이한 전기자동차가 세상의 돌풍을 일으키네..　4 1-1. 어..!! 정말 특이한 전기자동차가 세상의 돌풍을 일으키네..　5 1-2. 전기자동차의 최초 발명과 그 쇠퇴　9 1-3. GM社의 혁신과 실패(1824년~1920년)　17 1-4. 전기자동차 최신 기술개발 현황　21 1-5. 테슬라(TESLA) 전기자동차의 인기 비결　36 제2장. 테슬라(TESLA) 전기자동차!!! 강력한 파워와 아름다움의 비밀(秘密)　45 2-1. 150여개 특허(特許)를 앞세우고 한국 상륙작전 중　46 2-2. 차체(車體) 외관과 관련된 디자인 및 특허 기술　57 2-3. 모터 냉각과 관련된 특허 기술　70 2-4. 배터리 배치와 관련된 특허 기술　91 2-5. 배터리 냉각, 예열 및 관리와 관련된 특허 기술　111 2-6. 테슬라 루디크로스(Ludicrous) 모드[제로백 2.5초]의 비밀, 유도전동기 특허 기술　133 2-7. 슈퍼 충전기와 관련된 특허 기술　147 제3장. 세계 최고의 기술은 철학(哲學, Philosophy)에서 시작된다.　176 3-1. 엘론 머스크의 사업에 녹아있는 철학(哲學)　177 부록 　198 부록1. 전력전자학회 학술대회 논문　199 부록2. 전력전자학회 학술지 논문　201

(출처)2-3. 모터 냉각과 관련된 특허 기술 77 Page ~ 85 Page 최고시속 250[km], 제로백 0~100[km]를 도달하는 시간 4.4초, 최대출력 417마력[HP] 가솔린(휘발유) 또는 디젤 엔진으로도 417마력[HP]의 엔진을 구현하기 어려운데... 모터(Motor)로 417마력[HP]의 전기자동차를 만든다??...이거 한마디로 불가능에 도전하는 것이다..... 이제 그 비밀을 소개하고자 한다. 많은 분들이 그림 2-27과 같은 테슬라 전기자동차의 프레임을 한번쯤은 보았을 것이다. 그림 2-27. 테슬라 전기자동차 구조 테슬라 전기자동차의 구조는 생각보다 간단하다. 후륜(後輪) 구동 방식으로 뒷바퀴에 모터(Motor)와 인버터가 있으며, 그 사이에 기어박스(Gear Box)가 배치되어 있으며, 차체(車體)의 바닥은 배터리(Battery)로 구성되었음을 알 수 있다. 그림 2-28. 테슬라 자동차 모터(모델 S) 그리고 테슬라 자동차의 모델 S는 그림 2-28과 같은 유도전동기(IM)를 사용하고 있다. 전문가로서 모터(Motor)의 사이즈(크기)를 보면 대략 그 출력(마력)이 예상되는데.... 이 정도의 모터(Motor)로는 417마력[HP]은커녕 그 1/2인 200마력[HP]도 쉽지 않은데... 테슬라 자동차는 실제 약 100마력[HP]의 모터를 사용하고 있다. 한마디로 이 정도 출력이면, 중형차 수준의 엔진으로 그들이 꿈꾸는 목표인 “최고시속 250[km], 제로백 0~100[km]를 도달하는 시간 4.4초, 최대출력 417마력[HP]”은 솔직히 힘들다 테슬라社와 엘론 머스크 회장의 가장 큰 도전은 바로 어떻게 약 100마력[HP] 모터를 사용하여, 최대 400마력[HP] 이상의 출력을 낼 수 있는가 하는 점이다. 바로 그 비밀은 모터(Motor)의 냉각(冷却) 시스템에 있다. 테슬라 전기자동차와 관련된 모든 특허(特許)를 검토한 필자(筆者)가 보기에 테슬라 자동차와 관련하여 최고의 특허 4개를 꼽으라면, 미국 등록 특허 US7489057호, US7579725호, US9030063호 및 US9331552호라고 말하고 싶다. 100마력[HP] 모터로 최대 400마력[HP]의 출력을 낸다면 모터(Motor)는 어떻게 될까?? 그 이치는 너무나 간단하다.. 비유적으로 이야기하면 사람이 만약 100[kg]의 물건을 들 수 있는데, 400[kg]을 들어서 올리면 어떻게 될 것인가와 같은 질문이다. 너무나 간단하다.... 한 마디로 열이 펄펄 날 것이고, 모터는 타버린다. 모터가 정해진 출력(정격)에 4배의 출력을 발생시킨다면, 물론 제대로 모터가 돌 수도 없겠지만, 모터는 근본적으로 고정자 및 회전자에서 열이 펄펄 날 것이다. 테슬라社의 기술(技術)과 특허(特許)는 “모터(Motor) 니가 열나니??... 내가 냉각 시스템으로 열을 다 빼줄게...” 바로 이것이다. 테슬라 자동차의 모터 및 배터리의 냉각 시스템과 관련하여 총 27건의 특허가 있지만, 그 중에 위의 4건이 가장 하이라이트(Highlight)인 이유는 100마력[HP] 모터로 최대 400마력[HP]이상의 출력을 내는 기술을 완성시켰기 때문이다. 그림 2-29. 테슬라 전기자동차 모터 냉각과 관련된 특허 US9030063호 그림 2-30. 테슬라 전기자동차 모터 냉각과 관련된 특허 US9030063호 그림 2-31. 테슬라 전기자동차 모터 냉각과 관련된 특허 US9030063호 그림 2-32. 테슬라 전기자동차 모터 고정자 냉각 시스템 그림 2-33. 테슬라 전기자동차 모터 고정자 및 회전자 냉각과 관련된 특허 US9030063호 그림 2-29 및 그림 2-30은 테슬라社의 특허 US9030063호에서 공개한 전체적인 배치인 모터(Motor), 인버터 및 기어박스(Gear Box)를 보여준다. 그림 2-31 및 그림 2-32는 테슬라 전기자동차에서 모터 냉각 특허 US9030063호 및 고정자 냉각 시...

배진용 [저]