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일경 모노즈쿠리_2018/05_새로운 재료 개발로 승리한다
  • 저자 : 日経BP社
  • 발행일 : 20180501
  • 페이지수/크기 : 130page/28cm

요약

Nikkei Monozukuri_2018.5. 특집요약 (p37~63)

새로운 재료 개발로 승리한다
앞으로의 경쟁, 신소재 없이 이겨낼 수 있을까?

세계는 지금, 유례없는 신재료 개발의 붐이 일고 있다. 매력적인 신 재료가 잇따라 새롭게 등장하고 있는 상황이다. 설계에 활용하게 되면 기능 및 생산성, 환경성능, 그리고 고객의 가치가 한층 더 높아져, 제품 경쟁력이 비약적으로 향상된다.

세계에서는 경합에서 선두를 차지하기 위해 리스크를 감수하며 신 재료를 채택하는 기업도 등장하고 있다. 실제 사용되기 시작한 신재료로서 기대를 모으고 있는 탄소섬유강화수지(CFRP)와 신 기능수지, 셀룰로오스 화이버, 마그네슘 합금에 초점을 맞춰 제조에 사용하기 위해 필요한 기초지식부터 최신 응용사례까지를 소개한다.

▶ 신 기능수지
다양한 개발이 진행되고 있는 재료 중 하나. 금속 치환에 의한 경량화는 물론, 도장 리스화 및 탈 화석연료화, 전기 특성의 향상 등, 다양한 기능을 강화. 사용의 편리성을 더욱 향상시켰다.
▶ 셀룰로오스 화이버
신재료 중에서도 가장 주목을 받고 있는 ‘그린 재료’. 식물의 주성분인 셀룰로오스를 주원료로 하고 있기 때문에 지속가능성(Sustainability)이 뛰어나다. 다양한 특성도 갖추고 있어 ‘꿈의 신소재’로 불리기도 한다.
▶ CFRP
이상적인 경량화 신재료의 대표주자. 공업제품에서 현재 주류인 철강에 비해, 비중은 4분의 1로 가볍고 항장력은 1.3~4배 이상 높다. ‘첨단적’인 인상을 고객에게 제공하는 효과도 갖추고 있다.
▶ Mg합금
수요가 급증하고 있는 금속재료. 최대의 매력은 실용 금속 중에서 초경량이라는 사실이다. 생체에 무해하게 흡수되는 특성도 있다. 가공성 및 내열성의 과제를 해소시키는 기술 개발도 진행되고 있다.

PART1. 설계의 새로운 지침
업계를 초월한 수요가 확산되는 신재료, 적극적인 채택이 고객 가치를 높인다


‘붐’을 뛰어넘어 신재료의 활발한 개발이 이어지고 있다. 한가지 요인은 신재료의 ‘보급법칙’이 변화되고 있다는 것이다. 새로운 재료가 업계를 뛰어 넘어 실용화되는 과정의 스피드가 빨라져, 시험용에서 실사용으로 전환되는 시간이 단축되었다.

기존의 새로운 재료는 우주∙항공 및 기호성이 높은 스포츠용품과 같은 특수한 고부가가치 제품용으로 실용화되는 경우가 많았다. 높은 재료 비용을 커버할 수 있는 고액의 제품가격을 설정할 수 있었기 때문이다. 이와 같이 단계적으로 양산 규모를 늘리며 비용을 낮춤으로써 보다 폭넓은 용도로 사용될 수 있게 되었다. 예를 들어 자동차업계에서는 우선적으로 고부가가치가 엄격하게 요구되는 고급차에 채택해 충분한 수요를 통해 비용이 내려가게 되면 생산대수가 많은 콤팩트카에도 도입하는 방식을 취했다. 자동차에서 충분히 사용된 후에는 더욱 시장 규모가 큰 건축∙토목과 같은 타 업계에서도 사용되는 방식. 이것이 기존 신재료의 실용화에 대한 전개의 흐름이었다.

-- 환경부하를 줄이는 재료의 수요가 급상승하는 이유 --
그러나 최근에는 이런 보급의 법칙이 바뀌어 신재료의 실용화 전개가 업계의 벽을 뛰어 넘어 혼연일체가 되고 있다. 신재료의 실용화 전개에서 왜 이런 변화가 나타나는 것일까? 그것은 고객의 니즈에 부응하기 위한 요건이 엄격해지고 있기 때문이다. 기존의 재료로는 부응하기 어려워 신재료에 의지할 수밖에 없다.

최근에 특히 눈에 띄는 것은 문제 해결을 위해 신재료가 가져다 주는 ‘경량화’가 유용하다는 점이다. 자동차에서는 차체를 가볍게 만들어 연료 소비를 줄일 수 있다. 건축∙토목의 재료는 반송 및 가공의 부하를 경감시켜 현장의 작업효율을 높일 수 있다. 경량화 재료의 채택으로 재료의 사용률을 줄일 수 있다면, 전체의 가격을 낮출 수 있는 가능성도 있다.

환경부하를 경감시키는 재료에 대한 기대도 덩달아 높아지고 있다. 그 대표격이 식물 유래의 셀룰로오스 화이버(CNF)이다. 식물의 주성분인 셀룰로오스를 사용한 섬유 상태의 재료로, 예를 들어 수지에 혼합해 복합재료(CNF강화수지)로서 사용한다. 강도가 뛰어날 뿐만 아니라 친환경적인 구조재가 만들어진다. 유럽 기업에서는 2015년 9월에 국제연합이 채택한 ‘지속 가능한 개발 목표(SDGs)’라는 사고방식이 확산되고 있다. 지속 가능성의 부족을 이유로 거래가 중단되는 등, 재료가 비즈니스에 직결될 가능성도 있다.

-- 기능도 생산성도 향상 --
-- CFRP의 채택에 ‘멋지다’는 의견 --
-- 일본 제품을 뒷전으로 하는 아우디와 BMW --
-- 크라운(대형 세단)의 CO2를 프리우스(하이브리드카) 수준으로 --


● 인터뷰 (구마 겐고/건축가)
세계를 충격에 빠트린 도요타의 목조 자동차

Q. 건축분야에서 활용되는 나무를 제조업에서 생산하는 공업 제품에 전개하는 움직임에 대해 어떻게 보고 계십니까?
A. “2016년에 이탈리아에서 개최된 ‘밀라노 디자인 위크’에서 도요타자동차가 목조 로드스터인 ’세츠나(SETSUNA)’를 출품했습니다. 이것은 지금도 화제가 되고 있습니다. 지난번 파리에서 IT업계 관계자로부터 “상당히 임팩트가 있었다”라고 들었습니다”.
“공업화 사회의 상징인 자동차가 공업화 사회와 대조되는 재료인 나무로 만들어졌다는 사실. 도요타자동차의 목제 자동차는 전세계에 신선한 충격을 주었다고 생각합니다. 예를 들어 목제를 사용하면 충돌 시에 보행자의 신체를 보호해 준다는 이미지를 줄 수 있습니다. 단단한 재질로 만들어진 것이 공업화 사회의 제품이라고 한다면, 앞으로는 부드러운 재질의 제품으로 변화해 나가는 시대가 될 것입니다. 나무는 그런 시대의 상징적인 재료가 될 것이라는 생각이 듭니다”.

PART2. 재료 편

■ CFRP
경량화 재료의 ‘유력한 후보’인 CFRP, 가볍고 ‘멋진’ 인상도 부여

가볍고 강한 이상적인 경량화 재료의 대표주자라고 할 수 있는 탄소섬유강화수지(CFRP). 그 우수성은 공장 제품이나 건설 자재에서 주요 재료인 강철과 비교해 보면 알기 쉽다. CFRP의 가벼움을 나타내는 비중은 1.5~1.8인 것에 반해, 강철(기계제조용 탄소강S45C)의 비중은 7.8이다. 다시 말해 CFRP는 강철의 1/5정도로 가볍다. 다른 대표적인 경량화 재료의 비중을 보면, 티탄합금이 4.4, 알루미늄(Al)합금이 2.8, 글라스섬유강화수지(GFRP)가 2.0정도이므로 가벼움은 CFRP가 월등하다는 것을 알 수 있다.

한편, 강도의 경우는 CFRP의 항장력의 세기는 700M~3,300MPa인것에 반해, 강철은 700MPa정도이다. 강성(剛性)을 나타내는 끌어당기는 탄성률은 CFRP가 55G~450GPa인것에 반해, 강철은 200GPa로, CFRP가 강철 이상으로 강도 및 강성을 갖추고 있다는 것을 알 수 있다.

이런 CFRP의 특성에 큰 관심을 보내고 있는 것이 자동차 업계이다. 강철을 비롯한 금속제 부품을 CFRP로 대체한다면 자동차의 대담한 경향화를 실현시킬 수 있기 때문이다. 신에너지∙산업기술종합개발기구(NEDO)는 바디의 골격 및 후드 등에 CFRP를 적극적으로 채택한다면 차량 중량(자동차의 질량)을 970kg으로, 강철 중심의 현행 자동차의 무게를 1,380kg에서 410kg이나 줄일 수 있다는 계산이 나온다. 약 30%의 경량화가 가능하다는 것이다. 아 가벼움이 가져다 주는 연비 향상의 효과는 실제로 22.5%에 달한다.

-- CFRP의 성형 기술이 가속화 --
현재 최대의 과제는 비싼 재료 가격이다. 탄소섬유의 함유량 및 그에 따른 강도 및 강성률, 내열성 등의 성능의 차이에 따라 조금씩 다르긴 하지만, CFRP의 가격은 강철의 10배 이상이다. 가격이 내려가지 않는 최대의 이유는 생산량이 적기 때문이다. 그러나 현재 고급차를 중심으로 자동차에 CFRP를 사용하는 경우가 늘고 있으며 가까운 미래에 양산 효과를 통해 가격이 내려갈 것으로 기대되고 있다.

또 다른 하나의 과제는 낮은 생산성, 즉 가공시간이 긴 것이다. 현재 가장 일반적인 CFRP는 가열하면 굳어지는 에폭시 수지 등의 열경화성 수지에 탄소섬유를 섞는 타입이다. 예를 들어 항공기의 구조 부재 등에 사용하는 경우에는 고온고압의 압력 가마인 오토클레이브를 사용해 성형하기 때문에 가공 종료까지 2~4시간이 걸린다. 이것은 자동차와 같은 대량생산의 제품에는 시간적이나 생산 비용적으로 적합하지 않다.

현재 개발이 가속화되고 있는 것은 가열하면 용해되고 식으면 굳어지는 열가소성수지를 사용한 CFRP이다. 이것을 탄소섬유강화열가소성 수지(CFRTP)라고 부른다. CFRP는 열경화성 CFRP보다 성형시간이 짧게 걸리기 때문에 비용도 낮출 수 있다. 구체적으로는 대형 부품의 프레스 성형이라도 수 분 이내, 소형 부품의 경우에는 사출형을 사용하기 때문에 일반적인 플라스틱도 통상적인 수지제 부품처럼 30초 안에 성형이 가능하다. 이에 따라 자동차와 같은 대량 생산에 사용될 가능성이 보이기 시작했다.

-- 질량이 반으로 줄어든 휠 --
-- 자동차용 CFRP 부품을 1분만에 만든다 --
-- 고온의 엔진 부품에 사용할 수 있는 중간 기재 --


■ 신기능 수지
신기능으로 응용 범위를 넓히는 수지, 도장 리스, 내열성, 내 환경성으로 매력

신재료 중에서도 수지의 개발은 다양성을 포괄하고 있다. 개발의 방향성만을 봐도 내열성의 향상 및 도장 리스화, 탈 화석연료화, 전기 특성의 향상, 방열성의 향상, 기존 재료의 치환과 같은 형태로 그 폭이 다양하다.

다른 재료에 비해 수지는 일반적으로 저렴하며 가볍고 성형이 쉽다는 성질이 있어 다양한 형상을 만들 수 있다. 특성이 다른 다양한 수지가 이미 제공되고 있으며, 이것과 다른 재료를 첨가하면 기계적인 강도 특성 및 온도∙열적 특성, 전기적 특성과 같은 기능을 높이거나, 추가하거나 하는 노하우도 많다. 설계자의 눈높이에서 보면 사용하기 편리한 재료라고 할 수 있다.

지금, 수지의 개발이 전래를 볼 수 없을 정도로 활발히 이뤄지고 있다. 그 원동력 중 하나는 자동차 분야에서 추진하는 ‘수지 엔진’을 위한 개발이다. 엔진 및 그 주변에서 사용되는 금속제 부품을 수지화한다는 움직임이 있어 경량화와 저비용을 동시에 노린다.

일반적으로 수지는 금속에 비해 열에 약하다. 비교적 내열성이 높은 수지를 사용한다고 해도 내열온도는 100~120℃정도에 그친다. 이에, 내열온도를 더욱 높여 금속 대체를 노리는 내열성 수지가 등장하고 있다.

-- 구부러진 형태의 220℃에 견디는 덕트(통풍관) --
-- 수지로 만든 클러치 페달로 50% 경량화 --
-- AI 합금제로 보이는 수지로 만든 부품 --
-- 열 전도율이 월등히 높은 수지 --
-- ‘탈(脫)석유’, 설탕으로 만드는 투명 수지 원료 --


■ 셀룰로오스 나노 화이버 (CNF)
지속가능성에 부응해 성장하는 CNF, 식물성인 궁극의 ‘그린 재료’

2030년에 국내에서만 1조엔 시장으로의 성장이 기재되고 있는 신재료, 그것이 바로 셀룰로오스 나노 화이버(CNF)이다. 일본에서 개발된 ‘꿈의 신소재’로 불리고 있는 지금, 가장 주목 받고 있는 궁극의 ‘그린 재료’이다. 식물유래의 재료를 위해 고갈될 걱정이 없을 뿐만 아니라, 환경 부하도 적다.

CNF는 식물의 주성분인 셀룰로오스로부터 추출한 섬유 상태의 재료로, 직경이 수~수십nm, 길이는 0.5~수㎛인 지극히 얇고 짧은 수지이다. 목재 등을 화학적, 또는 기계적으로 처리해 셀룰로오스를 추출하여 가늘게 풀어서 제조한다.

화석 연료 및 광물 등의 천연 자원과는 달리, 식물 유래이기 때문에 재배로 재생산할 수 있어 지속 가능성이 높다. 또한 “앞으로는 비용도 낮아질 것으로 보인다” (교토 시 산업기술연구소 고분자계 팀 리더 센바(仙波) 씨). CNF의 연구 개발에서 세계를 리드하는 교토대학 생존권연구소 교수인 야노(矢野) 씨는 “나무로 자동차를 만든다”라는 미래의 목표를 말한다.

CNF에는 다른 재료와 비교할 때 눈에 띄는 또 한 가지 특징이 있다. 그것은 다양한 특성을 가진 점이다. (1)가볍고 강도가 높다, (2)열변형이 적다, (3)표면적이 크다, (4)투명성이 높다, (5)틱소트로피(thixotropy) 성질을 부여할 수 있다, (6) 가스 배리어(Gas-barrier, 기체 차단)성이 있는 등, 자유자재로 변환이 가능하다.

-- 그린 선이 번지지 않는 볼펜 --
-- 자동차 부품의 시장을 노린다 --
-- 자동차 시트용의 인공 피혁 --
-- 경량화와 난류방지를 실현하는 인테크 매니홀드(엔진의 흡기밸브) --
-- CNF로 도금의 반응속도가 향상 --


■ Mg 합금
가벼울 뿐만 아니라 의료에서도 수요가 있어, 1Kg감소로 600엔이라면 기회

Mg합금의 수요가 급증하고 있다. 호주의 컨설팅 기업인 CM그룹의 예측에 따르면, 2016년에 약 85만톤이었던 세계의 Mg 수요량은 향후 10년동안 매년 6%씩 성장해 2026년에는 157만톤으로 2배가 될 전망이다.

급속하게 수요가 증가하는 요인 중 하나는 자동차의 경량화에 대한 수요이다. 자동차 부품에 사용하는 다이캐스팅(녹인 합금을 압력으로 거푸집에 넣어 주물을 만드는 방법)용 Mg합금의 수요를 보면 2016년의 약 23만6,000톤에서 매년 10.3%씩 증가하여 2026년에는 약 57만톤으로 2배를 넘을 전망이다.

경량화를 추진함에 있어 Mg합금은 상당히 매력적인 재료이다. 구조재로서 사용할 수 있는 강도와 강성(剛性)을 갖추고 있는 실용 금속 중 가장 가볍기 때문이다. 비중은 1.7로, Al의 약 2/3, 철강의 약 1/4밖에 되지 않는다. 또한 질량당 강도와 강성이 높기 때문에 두께가 얇아도 강도를 유지하여 휘는 강성에 뛰어난 부품을 만들 수 있다.

Mg합금의 이점은 이뿐만이 아니다. 절삭 저항이 작아, 쉽게 움푹 패이지 않는다. 또한 재활용이 가능하며 생체흡수성이 있기 때문에 생체에 삽입형 기구 등 의료 분야에서의 이용도 검토되고 있다.

-- 열쇠는 600엔/kg을 뛰어넘는 경량화 효과 --
-- 프레스 가공에 사용되는 Mg합금의 판재 --
-- Mg합금의 고온 크리프를 회피한다 --
-- 인체 안에 녹는 특성을 응용 --


● 균열을 10분만에 복구하는 세라믹
물질, 재료연구기구(NIMS)와 요코하마 국립대학은 사람의 뼈와 치유과정을 힌트로 항곡기 엔진의 소음방지를 위한 터빈 날개의 부재(部材)에 사용할 수 있는 ‘자기치유 세라믹스’를 공동 개발했다. 비행 중에 터빈 날개에 균열이 생겨도 10분 정도에 “완치’된다.

제트 엔진을 구성하는 터빈부는 600~1,500℃의 내열성을 필요로 하기 때문에 니켈기 합금 등을 사용한다. 여기에 니켈기 합금에 비해 비중이 작은 세라믹을 사용하면 경량화가 가능하다, 또한 내열성이 높기 때문에 한층 더 고온화 각 가능해짐으로 연소 효율이 높다. 시산으로는 연비는 15%정도 향상되므로 세라믹의 기술혁명이 요구되고 있었다.

-- 모재료인 알루미나가 산화물과 반응 --
-- 기존의 6만배 고속화 --


● 깨져도 20초만에 들러붙는 유기 유리
안경테나 하드 콘택트렌즈, CD의 케이스 등의 원료인 유기 유리. 한번 깨져 버리면 아무리 힘을 가해 파단면을 합쳐도 원래의 형태로는 돌아가지 않는다. 그러나 그런 상식을 뒤집는 새로운 기술이 등장했다. 그것은 도쿄대학 대학원공학계 연구과 교수인 아이다(相田) 씨와 같은 연구과 학술지원 전문직원인 야나기자와(柳沢) 씨들의 연구 그룹이 2017년말에 개발한 세계 최초의 ‘자가 복구 유리’이다. 깨진 유기 유리의 파단면을 서로 실온에서 압착시키기만 해도 20초만에 원래대로 서로 들러붙는다. 가열이나 용접도 필요 없다.

유기 유리는 일반적인 유리창에 사용되는 무기 유리와는 다르다. 아크릴 수지처럼 유기화합물로 생성된 투명한 물질이다. 겔 상태 및 고무 상태의 부드러운 재료일 경우, 파단면을 눌러 놓으면 융합되어 재이용이 가능해 지는 경우도 약 10년 전부터 보고되고 있다. 그러나 안경테와 같은 단단한 재료가 자가 복구를 한다는 것은 지금까지의 상식으로는 불가능했다. ”단단한 물성과 달라 붙는 성능은 상반된다. 과학적으로는 양 측을 만족시키는 디자인은 없다고 말하지만, 연구 과정에서 우연히 발견했다”라고 아이다 씨는 회상했다.    

-- 피로내성의 향상도 가능 --

 -- 끝 --

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