Nikkei Monozukuri_2017. 9. 특집1 (p37~60)

본격적인 멀티머티리얼의 시대
일본 멀티머티리얼의 현황과 과제

제품의 성능을 한계까지 끌어 올려 다양한 기능을 동시에 실현시키기 위해 여러 종류의 재료를 적재적소에 구사한다---. 이런「멀티머티리얼화」가 당연한 시대로 변화하고 있다. 그러나, 안타깝게도 일본은 다른 나라에 비해 멀티머티리얼화의 대응에 뒤쳐져 있다. 멀티머티리얼화를 뒷받침할 신기술을 적극적으로 도입하여 세계에서 낙오되지 않는 모노즈쿠리(장인 정신)를 위해 새롭게 전환할 때가 왔다. 그 때가 바로 지금인 것이다. 이 글에서는 멀티머티리얼화를 뒷받침 할 재료 및 접합, 가공기술을 소개하겠다.

PART 1. 총론

■ 위기와 찬스
→ 미국과 유럽에게 뒤쳐져있어 심각하지만, 이를 뒷받침하는 신기술 연이어 등장

「미국과 유럽 자동차 업체에게 5년은 뒤쳐져있다고 판단하고 있다. 모든 면에서 뒤떨어진다고 할 수밖에 없다」라고 도요타자동차에서 과거 탄소섬유강화수지(CFRP)제 몸체(Body)의 개발을 이끌었으며, 현재는 가나자와(金沢)공업대학대학원 공학연구과 교수를 역임하고 있는 가게야마(影山) 씨는 말한다. 이는 자동차 바디의「멀티머티리얼」화에 대한 일본의 자동차 업체의 실력에 대한 지적이다.

멀티머티리얼화란, 제품의 성능을 한계까지 끌어올려, 여러 기능을 동시에 실현하기 위해 다양한 종류의 재료를 적재적소에 구사하는 것이다. 실은 유럽과 미국과의 차이가 5년이라는 지적은 아직 미약하다. 재료계 기술자로부터 본 평가는 그보다 더 혹독하다.

예를 들어, 과거 접착제 업체의 노가와케미컬(도쿄)의 사장을 역임했으며, 현재는 접착기술에 관한 컨설팅을 시행하는 에비스 리서치 소장인 와카바야시(若林) 씨는「10년은 뒤쳐져 있다」라고 보고 있다. 어느 재료 업체의 자동차용 자료를 개발하는 현역 간부는「20년의 격차가 있다」라고 말한다. 이처럼 멀티머티리얼화에 대한 구미(歐美)와 일본과의 격차를 크다고 평가하는 경향이 있다.

일본의 자동차 업체는 구미 자동차업체의 멀티머티리얼화보다 뒤쳐져있다는 것에 대한 공식적인 언급은 피하고 있다. 그러나, 구미, 특히 독일자동차 업체가 개발한 차량의 바디 구조를 본다면 그 차이는 확연히 드러난다.

-- 경량화와 주행성능에서 압도적인 독일 제품 --
독일의 아우디사가 2017년 가을에 발매예정인 세단「A8」의 바디 구조는 경금속인 알루미늄(Al) 합금을 58wt%(질량 퍼센트)로 많이 쓰면서 항장력이 980MPa를 넘는 초고강력 강판 및 Al합금보다 가벼운 마그네슙(Mg)합금, 그리고 CFRP를 기존의 강판과 정교하게 조합시켜 바디를 설계한다. 이에 따라 바디 전체에서 28%의 경량화를 실현했다. 또한, 멀티머티리얼화의 최첨단 설계이다.

독일 BMW사도 자동차 바디의 멀티머티리얼화로 세계의 선두를 달리고 있다. 세단「7」시리즈의 바디 구조는 핫 스탬프재와 AI 합금, CFRP, 강판을 조합하여 설계한 바디로, 특히 2장의 핫 스탬프재의 중공부(中空部)에 CFRP를 골격처럼 배치해 강도 및 강성(剛性)을 높이고 있는 점이 특징이다. 이런 연구로 당사는 바디의 40kg 경량화를 실현했다.

이 바디가 사용된 7시리즈를 운전한 SUBARU의 한 바디 설계자는「전혀 무게가 느껴지지 않는 바디였다. 아주 조용하며 주행성능이 뛰어났다. 강성이 높아 차체가 견고하다」라고 극찬했다. 이를 통해 BMW사가 멀티머티리얼화에서 얻은 것이 단순히 경량화뿐만이 아니라는 것을 알 수 있다.

주목해야 할 점은, 독일의 자동차 업체가 이런 멀티머티리얼화를 실시한 자동차를 이미 상품화하고 있다는 사실이다. 즉, 바디의 멀티머티리얼 설계를 고안한 후, 각종 시험에 통과했을 뿐만 아니라 새로운 생산기술을 개발하여 실용화했다. 또한 신 재료를 적절하게 조합하면서 자동차를 양산한 것이다.  

앞에서 말한「5~20년 뒤쳐짐」이란 말은, 결코 근거 없는 말이 아니다. 실제로 현재 일본 자동차 업체는 멀티머티리얼화의 필요성을 느끼면서도, 바디에 채택하는 재료는 강철에 치중되어 있으며, 재료의 확대에도 궁색하다. 아직도 많은 일본 업체가 고장력(高張力) 강판 사용을 고집하고 있다.

-- 뿌리 깊은「철 문화」--
-- 등을 돌리면 경쟁력을 잃는다 --
-- 멀티머티리얼화에 매진하고 있는 것은 약 40% --
--「멀티펑션(다기능)」을 노려라 --

PART2. 사례

〈경량화 X 강도〉
■ 고베(神戸) 제강소
→ AI합금과 고장력 강판을 직접 접합, 슈퍼하이텐 소재로 대응 가능

알루미늄(Al) 합금을 사용해 가능한 가볍게 만들어 얇고 고장력 강판(하이텐재)을 채택하여 경량화 시키면서 강도를 높이고 비용까지도 낮춘다---. 이것은 자동차 바디에서의 경량화의 왕도라고도 불리는 사고방식이다. 이미 독일의 자동차업체가 멀티머티리얼 설계를 실시한 바디에 있어서 적극적으로 채택하고 있다.

그러나, 넘어야 할 과제가 남아 있다. 항장력이 590MPa를 넘는 고장력 강판, 특히 980MPa 이상의 초고장력 강판(슈퍼하이텐 소재)를 사용하지 않는 것이다. 이는 접합 기술이 확립되지 않았기 때문이다. 만약 슈퍼하이텐 소재를 사용할 수 있게 된다면 경량화와 강도를 보다 고차원에서 양립시킬 수 있다.

이것을 해결하는 기술을 고베 제강소가 개발했다. Al합금과 슈퍼하이텐 소재를 포함한 고장력 강판을 견고하게 붙이는 이종재료 접합기술인「엘레멘트 아크 스폿 용접법」이다. 예를 들어, 길이150 x 폭50 x 두께2mm의 6,000계 Al합금판과 길이150 x 폭50 x 두께1.4mm로 항장력이 980MPa의 슈퍼하이텐 소재를 접합할 경우, 양 금속판을 분리시키는 박리 강도는 10kN을 넘는다. 용접부가 아닌 모재(母材)가 파괴될 정도로 높은 접합력을 실현한다.

-- 철강재 엘레멘트와 고장력 강판을 연결 --
-- 접착제 겸용으로 전해 부식을 방지 --

■ 게이힌(京浜) 정밀 공업
→ 수지에 AI합금을 소성유동(塑性流動)으로 결합, 형상을 고안하여 20~30% 경량화 효과

게이힌 정밀공업(요코하마)은 경량화를 위한 변속기의 하우징(이하, 하우징)을 개발했다. 현행의 알루미늄(Al) 합금제(製) 하우징의 일부를 수지로 전환시켜, Al합금과 직접 접합시켜 하우징을 완성하고 있다.

높은 강도를 필요로 하는 부분에는 Al 합금을 남겨두고 그다지 강도를 필요로 하지 않는 부분은 수지화하여 가볍게 만드는 멀티머티리얼 설계의 아이디어이다. 시작(試作)한 하우징은 Al 합금(알루미 다이캐스트)제 하우징에 비해 10% 가볍다. 형상에 따라서는 20~30%의 경량화도 가능하다고 당사는 전망한다.

-- 2개의 결합 홈에 AI합금을 흘려 넣는다 --
새로운 하우징을 만들기 위해 필요한 기술은 수지제 원통형 커버와 Al 합금제 플랜지를 접착제 및 체결요소를 사용하지 않고 직접 연결하는 이종재료 접합기술이다. 여기에 게이힌 정밀공업은 소성유동 결합을 채택했다.

소성유동 결합은 경도가 다른 경질재료와 연질재료를 조합하여 사용한다. 경질 재료의 부품에 얇은 홈을 파 놓는다. 그 결합 홈에 연질 재료의 부품의 일부를 가압으로 눌려 몸체를 흘려 넣는다. 그렇게 하면 빗장이 채워지는 듯한 앵커 효과와 2개의 부품 사이의 체결 압력에 의한 마찰력을 얻게 되어 경질 재료의 부품과 연질재료의 부품이 직접 견고하게 접합되는 구조이다.

-- 3~4년 후의 실용화를 겨냥 --

〈내열성 X 경량화〉
■ 다이쿄 니시카와
→ 타이밍 체인 커버를 수지화, 180℃에 견뎌 30% 넘는 질량 감소를 노린다

다이쿄 니시카와가 개발중인 수지제 타이밍 체인 커버는 이름대로 자동차의 엔진의 캠샤프트를 구동하는 타이밍 체인을 덮는 커버이다. 현재는 알루미 다이캐스트로 되어있지만, 이것을 수지로 교체함으로써 30%이상의 경량화 실현을 꾀한다는 전략이다.

엔진분야에서는 지금,「수지 엔진」이라는 단어가 생길 정도로 이전에는 없었던 수지화에 대한 기대가 높아지고 있다. 타이밍 체인 커버는 엔진 주변의 부품 중에서도 비교적 큰 부품 중 하나이다. 따라서 경량화를 기대할 수 있는 여지가 크며, 수지화에 도전하는 가치가 높다고 당사는 보고 있다.

그러나, 타이밍 체인 커버에 요구되는 조건은 까다롭다. 하나는 내열성이다. 120℃의 고온에 견딜 필요가 있다. 다른 하나는 강도이다. 예를 들어 배기량이 2.01L이상으로 질량이 200kg의 엔진을 상정하면, 엔진을 바디와 스타트볼트로 체결하는 엔진 마운트 부분에 10kN오더의 하중이 반복해서 걸린다.

-- 유리 섬유 강화 PA6T로 시작(試作) --
이런 조건을 맞추기 위해 다이쿄 니시카와가 선택한 것은 50wt%(질량 퍼센트)의 유리 섬유가 함유되어 강화된 폴리아미드(PA)6T이다. 180℃의 내열성을 갖춰 흡수열화에도 비교적 강하다. 그러나 보다 최적의 다른 재료를 찾을 가능성도 있다. 예를 들어, 강화 소재로 유리의 단(短)수지가 아닌, 연속 수지를 사용하는 등의 방법을 모색한다.

-- AI합금제 링을 수지에 직접 결합 --

■ 미쓰이 화학
→ 엔진의 본체 부품을 30% 가볍게, 240℃내열성을 지닌 PI로 도전

질량을 더욱 줄이기 위해 자동차의 수지화가 새로운 영역에서 급속도로 진행되고 있다. 「수지 엔진」으로 표현되는 것처럼 엔진의 부품을 수지로 교체하는 움직임이 활발하게 이뤄지고 있다. 따라서 내열성이 뛰어난 수지의 수요가 높아지고 있다.

엔진의 심장부라고 할 수 있는 피스톤과 커넥팅 로드(콘로드)의 수지화에 도전하고 있는 곳이 미쓰이 화학이다. 재료는 당사가 만드는 슈퍼엔지니어링 플라스틱인 열가소성 폴리이미드(PI)「AURUM」으로 길이 수 백㎛의 탄산수지를 30질량% 추가한 탄소섬유강화수지(CFRP). 비중은 1.4정도로 Al합금의 50% 강하지만 강도를 Al 합금 수준으로 하기 위해서 두껍게 하는 등, 현행의 Al합금제 피스톤과 콘로드에 비해 30%이상 경량화에 도전한다.

-- 열가소성 수지로 세계 제일의 유리 전이 온도 --
미쓰이 화학의 열가소성의 최대 특징은 사출성형 되는 수지 중에서「세계 최고」인 내열성을 갖추고 있다는 것이다. 내열성의 하나의 지표인 열전이 온도는 250℃. 이것에 인해 240℃까지의 고온환경에서의 사용이 가능하다. 즉, 고온에서도 강도 및 강성이 높으며 치수 안정성이 뛰어나다.

-- 질량이 5분의 1인 실적도 있다 --

〈경량화 X 시인성(視認性) 향상〉
■ 데이진(帝人)
→ 「고정개념을 깨는」 프론트 윈도우, 수지화와 필러레스로 6.6kg 경량화

「『자동차의 프론트 윈도우는 유리』. 그런 고정관념을 깨고 싶었다」(테이진 복합성형 재료사업추진부 부장 호타카(帆高)씨). 테이진은 세계최초인 카보네이트(PC)제의 필러레스 프론트 윈도우를 개발했다. 이미 교토대학 발(發) 전기자동차(EV) 업체인 GLM(교토)가 채택하기로 결정했으며, 2017년 가을부터 해당 윈도우를 스포츠 EV「토미 카이라ZZ」의 옵션으로 추가할 예정이다. GLM은 현재, 일반도로에서 주행하기 위한 국내 인증의 취득을 목표로 하고 있다.

PC제(製) 프론트 윈도우의 최대 이점은 역시 가벼움이다. 유리를 수지로 교체, 프론트 부분의 프레임이 필요 없어지게 되면서 유리제품에 비해 질량을 36%정도 삭감하여 약 6.6kg이 가벼워졌다고 한다. 또한, 필러레스로 인해 자동차를 운전할 때의 시야가 확대된다. 호타카 씨는「승차 시는 오토바이에 타고 있는 듯한 해방감을 맛볼 수 있다」라며 경량화뿐만 아닌 해당 윈도우의 부가가치를 강조한다.

-- 편육후(偏肉厚) 구조의 실현을 향한 공동개발
-- 「신칸센(新幹線)으로 10년」이라는 실적 --

〈경량화 X 비용 삭감〉
■ 다이요(太陽) 공업
→ CFRTP와 Al 합금을 열로 접합, 부재의 재이용으로 비용 삭감

정밀가공 업체인 다이요 공업(나가노 현)은 신슈대학과 공동으로 탄소섬유강화열가소성수지(CFRTP)를 알루미늄(Al)합금에 접합하는 기술을 개발했다. 폴리아미드(PA)6를 사용한 CFRTP의 표면을 열로 용해시킴과 동시에 부피를 팽창시켜 Al 합금에 직접 접착시키는 기술이다.

Al합금에는 역(逆) 테이퍼가 있는 홈이 있다. Al 합금을 고온에서 뜨겁게 한 후, CFRTP를 홈에 끼워 넣음으로써 2개의 부재가 접합된다. 접합 강도는 에폭시 계(系) 수지 수준이 된다고 한다. 또한, 접합부에 한번 더 열을 가하면 접합이 헐거워져 부재를 뺄 수 있다. 만약 부재를 잘못 접합해도 망가뜨리지 않고 원래 상태로 돌릴 수 있기 때문에 부재를 재이용할 수 있다. 산업 폐기물의 삭감 및 비용의 억제로 이어질 가능성이 크다. 현재 상정하고 있는 이용 용도로는 로켓이나 자동차 부품, 항공기, 가전 등이라고 한다.

-- 역(逆) 테이퍼의 홈으로 안 빠지게 --
-- 접합한 부재를 재이용 --

〈저열 팽창성 X 성형성〉
■ 오지(王子) 홀딩스
→ 입체 성형할 수 있는 CNF 투명 시트, 저(低) 열팽창성을 살린 용도 개척으로 

오지 홀딩스(이하, 오지 HD)는 성형성에 뛰어난 식물유래의 셀룰로스 나노 섬유(CNF) 투명시트「Auro-3D」를 개발했다. 해당 제품을 프레스 가공하면 자유로운 입체 성형이 가능하다. 현재, 고객기업과 함께 용도 개발을 추진하고 있다.

CNF 투명시트는 유리 수준의 저열 팽창성을 갖추고 있으며, 수지 필름과 달리 고온 상태에서 높은 치수 안정성을 실현할 수 있다. 그러나 기존의 CNF 투명시트는 딱딱하고 약하기 때문에 자유롭게 입체 형상을 만들 수 없었다. 성형하는 시트 내에 밀도 차이가 발생해, 금이 갈라지는 경우도 있다고 한다. 여기에 오지HD는 성형 시에 CNF 투명시트가 늘어나는 것처럼 개량하여 성형 시에 파손되지 않도록 했다.

-- 2017년 하반기부터 생산 개시 --

〈저열 팽창성 X 강도〉
■ 다이요(太陽) 홀딩스
→ CNF첨가로 기존 방식의 한계 돌파로, 저열팽창으로 고강도 전자부품 재료를

기존 방법인 저열팽창성을 추구하는 것이 어려워졌다. 화학 재료업체인 다이요 홀딩스(이하, 다이요HD)는 에폭시 수지에 식물유래의 셀룰로스 나노섬유(CNF)를 첨가하여 열팽창이 잘 안 되는 전자부품용 절연재료를 개발했다.

2017년 5월에 CNF를 첨가한「세계 최초」인 층간 절연재료를 발표하고 있으며, 2018년부터 양산을 개시할 예정이다. 저열 팽창하기 위해서 기존과는 달리 실리카뿐만 아니라, CNF도 첨가함으로써 제품의 열 팽창을 억제하여 강도를 높인다고 한다.

프린트 배선 기판에는 수지부분(절연 재료)와 금속부분(배선)이 있으며, 양쪽의 열팽창률은 크게 다르다. 따라소 전자부품의 내장 공정 및 이용 시의 온도 변화에 의해 발생되는 열응력으로 변형 및 금이 가거나, 배선이 단선될 가능성이 있다. 당사는 절연 재료의 열 팽창률을 저감시켜 금속부분과의 열팽창률의 차이를 적게 만듦으로써 이런 결핍이 생기는 것을 줄인다.

-- 네트워크 구조로 열팽창 억제 --
-- 보통 수단으로는 안 되는 CNF 첨가품 개발 --

PART3. 숫자로 보는 현장
90%가「멀티머티리얼이 중요」, 향후 발전하는 관련기술은「접착제」

많은 종류의 재료를 조합시켜, 제품의 성능을 높이는 멀티머티리얼화의 중요성이 높아지고 있다. 90%가 넘는 회답자가 개발∙설계에 있어서「멀티머티리얼화가 중요해 진다」라고 예상. 제품의 경량화 및 강도∙내열성의 향상 등, 다수의 기능을 동시에 실현하지 않으면 안 되는 것이 배경에 있는 듯 하다. 향후, 멀티머티리얼화를 추진하면서 발전 가능성이 있는 기술로써는「접착제」라는 답변이 많았다.

Q1. 향후, 제품의 개발∙설계에 있어서 멀티머티리얼화가 중요하다고 생각하는가?
Q2. 멀티머티리얼화로 얻을 수 있는 이점은 무엇이라고 생각하는가?
Q3. 멀티머티리얼화를 추진하면서 과제라고 생각하는 것은 무엇인가?
Q4. 멀티머티리얼화를 추진하면서 어떤 기술이 발전할 것이라고 생각하는가?
Q5. 어떤 다른 재료의 조합으로 접합∙접착이 필요하다고 생각하는가?

 -- 끝 --