일본산업뉴스요약

멀티머티리얼, 업계 판도를 다시 쓰다 (상)
가볍고 강한 이종(異種) 소재, 바다와 하늘에서 대혼전

▶멀티머티리얼(Multi Materials): 철강 및 알루미늄, 수지, 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP) 등, 성질이 다른 복수(複數)의 소재를 적극적으로 혼합 적용하는 기술로, 단일 소재를 사용한 경우보다 경량화 및 고강도화를 실현하기 쉽다.

자동차와 항공기 분야 등에서의 확대는 물론, 스마트폰 분야, 부품 제조의 단계에서의 이종 소재의 복합 부품으로 사용되는 경우도 있다. 성질이 다른 소재 간의 강한 접합을 위해서는 새로운 기술이 필요하게 되는 경우가 많아, 제품 제조사 및 소재 제조사의 개발 경쟁이 벌어지고 있다.

자동차 및 항공기 등에, 다른 종류의 소재를 혼합해 제작하는「멀티머티리얼」이 추진되고 있어, 소재 제조업계의 경쟁 상대가 같은 업종에서 다른 업종으로 확대되고 있다. 철이나 알루미늄, 탄소섬유 등의 신소재를 적용해, 보다 가볍고 강한 소재에 대한 주도권 싸움이 벌어지고 있다. 게임의 룰이 바뀌는 이 시점에서 각 업체는 어떻게 대응해나갈 것인가?

-- CFRP, 상선(商船)용 프로펠러 / SiC섬유, 항공 엔진으로 --
세계에 어디에도 없는 공장이 오카야마(岡山)에 자리하고 있다. 작업자가 시트 모양으로 짜여진 탄소섬유를 틀에 넣어, 한 장 한 장 조심스럽게 쌓아 올린다. 최대 500~600장을 쌓아 고정시키면, 상선에 사용되는 추진용 프로펠러가 된다. 개발한 곳은 선박용 프로펠러의 세계 최대 기업인 나카시마프로펠러(오카야마 시).

-- 동(銅)합금이 일반적 --
프로펠러는 일반적으로 니켈 등이 첨가된 동합금의 주조를 통해 만들어진다. 탄소섬유에 수지를 결합시킨 탄산섬유강화플라스틱(CFRP)제는 동합금에 비해 4~5배 가벼운 반면, 강도는 같다. 유연성도 강해, 수중에서의 진동을 최대 절반으로 감소시킬 수 있다. 항공기의 날개로 사용이 추진되고 있는 경량 소재가 해양 분야로의 공략을 시작한 것이다.

개발에는 이불 압축기의 원리가 사용되었다. 틀에 넣은 탄소섬유를 싸고 있는 봉지에서 공기를 흡수해 진공 상태로 만든 다음, 수지를 섬유 안으로 부어, 빈틈 없이 완벽하게 수지를 침투시킨다. 수지를 붓는 경로 및 타이밍, 온도 조절에는 자사 기술의 핵심 요소가 도입되었다.

2014년의 첫 채택 이후, 컨테이너 화물선 등의 용도로 10개를 수주했다. 나머지 수주양은 2년 분량이 남아 있다. 가격은 동합금의 5배 이상이지만, 연비 성능을 5~6% 개선시킬 수 있어, 해운 업체로부터 주목 받고 있다.

올해는 기존보다 50% 이상 큰, 직경 4.2m 사이즈가 조선업체에 제공된다.「CFRP로 항상 세계를 앞서 나갈 것이다」(컴포짓 사업부의 야먀토기(山磨) 부장).

성(省)에너지는 바다와 육지의 공통된 과제이다. 기존 소재를 가볍고 강한 신소재로 대체해, 여러 소재를 혼합해 사용하는 멀티머티리얼 기술의 도입에는 선례가 있다. 바로 항공기이다.

미국 보잉(BOEING)의 중형기「787」에서 동체 및 메인 날개 등, 기체 중량의 약 50%에 CFRP가 사용되어, 이후, 탄소섬유의 존재감은 높아졌다. 그러나 소재 간의 경쟁을 통해 탄소섬유가 우위를 차지한 것은 아니다. 차세대 대형 비행기「777X」의 동체는 알루미늄합금으로, CFRP의 사용 비율은 20% 정도에 머무를 것으로 전망되고 있다.

CFRP가 항공기에 본격 사용되기 시작한 1990년대 이후, 그 기세가 수그러들고 있다.「섬유의 차별화와 비용 인하를 해결하기 위한 기술 개발이 이루어질 필요가 있다」라고 섬유 제조업체 테이징(帝人)의 스즈키(鈴木) 사장은 말한다.

철보다 가볍고 단단한 탄소섬유에도 커다란 약점이 있다. 그것은 금속처럼 녹여 재생하는 것이 불가능해, 리사이클이 어렵다는 점이다. 이를 위해 테이징은 항공기의 골격 등, 부품의 형성 과정에서 발생된 복합재의 남은 재료를 재사용하는 방법을 확립했다. 요구되는 성능이 낮은「2차 구조 재료」용으로 활용되지만, 부재 비용은 약 절반으로 줄일 수 있다.

도레이(TORAY)는 고열에서의 내구성이 필요한 엔진 부품 분야에 활로를 찾고 있다. 고성능의 CFRP를 개발, 지금까지 채택되지 않았던 팬블레이드 시장 등을 개척하고 있다. 프랑스의 엔진회사인 사프랑(SAFRAN)과 10년 간의 장기 계약을 맺어, 부품 제조사와의 연계도 발전시켜나갈 계획이다.

최대 가열 부분이 섭씨 150도를 넘는 항공기 엔진은 기존의 니켈 합금이 주력이었다. 항공기를 가볍게 만드는 일환으로, 보다 경량인 티탄의 사용이 확대되고 있는 가운데, CFRP로 그 격전지를 공략해나갈 예정이다. 그러나 이 싸움에는 신흥 라이벌도 자리잡고 있다. 항공기 엔진 3강 체제 중 한곳인 영국의 롤스로이스(RollsRoyce)가 개발에 나선 것이다. 관심을 가지고 있는 것이 탄화규소(SiC)섬유의 복합소재 셀라믹「CMC」이다. 미국 캘리포니아주에 연구 개발 센터를 신설, 실용화를 추진하고 있다.

SiC섬유는 규소의 유기화합물을 섬유 상태로 연소해 고체로 만든 제품이다. 무게는 니켈 합금의 3분의 1로, 강도는 2배. 내열 온도는 섭씨 1900도로 니켈보다 20% 더 높다. 제조가 가능한 곳은 니폰카본과 UBE(宇部興産)뿐이다. 항공기 엔진의 세계 최대 기업, 미국 GE는 니폰카본과 협력해, 2017년 중반기를 목표로 연 생산 10톤의 양산에 돌입할 예정이다.

GE는 개발 중의 차세대 대형 엔진「GE9X」의 고압 터빈 부품 등에 CMC를 사용,연비를 2% 개선할 수 있을 전망이다. GE의 자회사인 GE에비이션의 코레아 부사장은「항공기 엔진로부터 조만간 비(非)철금속 사용이 없어지게 될 것이다」

-- 알루미늄도 반격 태세로 --
멀티머티리얼은 전통 소재에 있어서 그 아성을 무너트리는 구조이기도 하다. 항공기로 탄소 섬유에 밀린 알루미늄도 수비태세만 고집하지는 않는다.

토치기(栃木) 현 코야마(小山) 시에 있는 UACJ의 알루미늄 압출재 공장. 미국 알루미늄 대형업체인 알코닉(ARNC, 미국 알코아(Alcor) 재단에서 분리)의 독무대였던 「7150」으로 불리는 합금의 개발에 성공하여 샘플을 제조하고 있다. 날개 및 동체의 구조부재료로써 2018년까지 보잉 둥으로부터의 인증 취득한다는 방침이다. 2020년에 항공기용의 생산량을 현재의 3배로 늘린다는 계획이다.

그러나 거대한 알코닉은 2015년에 15억 달러의 엄청난 비용을 투자하여 티탄제품의 대형업체인 미국 RTI 인터내셔날 메탈을 메입. 탈(脫)알루미늄의 흐름을 내다 보며 항공우주산업용 종합 금속소재 서플라이어로의 탈피를 꾀한다.

다양한 경쟁자가 난입하는 군웅할거(群雄割據)의 시대. 기존의 상식을 뛰어 넘는 모노즈쿠리의 다이나미즘(Dynamism)은 산업을 더욱 강하게 만든다. 한편으로는, 기회를 놓쳐버린 기업은 도퇴의 늪에 빠져버리고 만다. 멑티머티리얼의 판도는 어떻게 다시 쓰여질까? 끊임없는 기술혁신을 계속할 수 있는지에 따라 그 승패가 좌우된다고 할 수 있겠다.

 -- (하)로 계속 --