Nikkei Monozukuri_2018.9. 특집 요약 (p63~70)

CNF로 자동차가 바뀐다
가볍고 강한 친환경 바디로

식물 유래의 신재료로서 화제가 되고 있는 ‘CNF(셀룰로오스 나노파이버)’. 많은 기술자∙연구자들의 개발이 실용화를 향해 빠른 속도로 진행되고 있다. 자동차에서 스포츠용품, 문방구류, 위생용품, 건축자재에 이르기까지 폭넓은 분야로부터 상품화에 대한 큰 기대가 모아지고 있다. 그 중에서도 시장 규모가 클 것으로 전망되는 것은 자동차 분야이다. 가볍고 강하다는 CNF의 최대 특성을 충분히 활용할 수 있기 때문이다. 자동차에 요구되는 엄격한 기준을 충족시킴으로써 타 분야로의 응용을 기대할 수 있다는 이점도 갖고 있다.

그렇다면, 과연 셀룰로오스 나노파이버(CNF)로 자동차를 만들 수 있을까? 이 도전적인 질문에 대한 ‘해답’을 찾고 있는 것이 환경성이 추진하는 ‘NCV(나노 셀룰로오스 자동차) 프로젝트’이다. 해당 프로젝트에서는 도요타자동차의 소형 스포츠카 ’86’의 보닛 및 트렁크 덮개와 같은 대형 부품에 CNF를 활용해 제조해 보는 등, 다양한 자동차 부품에 요구되는 기능 및 사양을 어디까지 CNF로 충당할 수 있을 지를 검증하고 있다.

식물 유래의 신재료인 CNF는 지금, 실용화를 목표로 개발이 집중되고 있다. 경량화를 비롯해 여러 가지 우수한 특성이 있기 때문이다. 자동차 부품에서의 CNF 채택은 그 흐름을 순식간에 가속화시킬 가능성이 있다.

-- 40% 가볍게 만든 보닛 --
86에 탑재된 CNF 부품 중 가장 시선을 끄는 것은 대형 부품인 보닛이다. CNF를 사용한 구조용 대형부품의 성형방법을 확립하는 것을 목적으로, 가나자와(金沢) 공업대학 대학원 공학연구과 교수인 가게야마(影山) 씨가 CNF 보닛을 개발했다. 현행의 강철로 만든 보닛의 질량이 14kg인것에 반해, CNF 보닛은 8kg으로 40%의 경량화를 실현했다. 최종 목표는 질량을 절반 이하로 낮추는 것이다.

CNF 보닛은 3겹 구조로 되어있다. 발포 폴리우레탄으로 만들어진 심재의 상하 양면을 내피와 외피로 샌드위치처럼 만든 구조이다. 두께는 발포 폴리우레탄이 약 10mm로 내피와 외피는 각각 1mm. 합계로 약 12mm의 두께가 되어 있다.

이 외피와 내피 부분에 CNF가 사용되고 있다. 내피와 외피는 각각 2겹 구조로 되어있어 발포 폴리우레탄과 맞닿는 부분에 케나프 부직포를, 그 바깥 쪽에는 CNF 페이퍼를 배치했다. 이것들을 다시 엑포시 수지로 굳힌 것이 내피와 외피를 이루고 있다. 이 CNF 페이퍼 안에는 직경이 ㎚오더~㎛오더로, 길이는 ㎛오더의 CNF가 질량의 50%를 차지하고 있다.

-- 경량화를 실현한 트렁크 덮개 --
리쇼공업(利昌工業)이 개발한 것은 트렁크 덮개이다. CNF로 제작한 허니콤지를 심재로, 그 위아래를 CNF판으로 끼워 넣어 접착시킨 ‘CNF 허니콤 샌드위치 패널’을 채택했다. 접착제 외에는 100% CNF의 성형품이다. 질량은 약 0.7kg.

이 트렁크 덮개는 제2세대 개발품이다. 제1세대는 허니콤 샌드위치 패널이 아닌, 물기를 머금은 CNF 100%의 원료를 성형하고 있었다. 그러나 질량이 1.3kg으로 제2세대 개발품의 약 2배나 된다고 한다. CNF 허니콤 샌드위치 패널의 트렁크 덮개는 제1세대 것보다 제품의 두께를 늘려 강성을 확보하고 있다. 또한 공기 층이 존재하기 때문에 방음성 및 내열성이 뛰어나다. 당사는 앞으로 해결 과제 중 하나인 내수성 향상을 위해 노력을 기울일 예정이다.

-- 20%의 경량화를 노리는 트렁크 손잡이 --
CNF를 사용해 가벼운 트렁크 손잡이를 개발한 곳은 다이쿄니시카와이다. 강철로 만든 트렁크 손잡이에 비해 20%이상의 경량화를 목표로 개발을 추진하고 있다.

큰 경량화 효과를 노리는 이유에는 2가지가 있다. 하나는 CNF 강화수지를 재료로 선택한 것이다. 당사는 트렁크 손잡이(성형체) 상태로 CNF를 질량의 5% 포함시킨 폴리아미드(PA) 6을 재료로 선택했다. 직경이 수~수백nm로 길이가 수㎛의 CNF가 포함되어 있다. 재료의 생산에는 CNF 강화수지를 연속으로 생산할 수 있는 ‘교토(京都) 프로세스’로 만든 CNF 강화수지를 사용한다.

-- 질량 20% 감소를 노리는 루프 사이드 레일 --
종이나 수지로 만들어진 권심(卷芯)및 수지 성형제품 등을 만드는 쇼와마루쓰쓰(昭和丸筒)와　쇼와프로덕트(오사카 시)가 개발한 것이 구조 부재용 CNF 알루미늄 파이프이다. 두께가 1mm인 6,000계 알루미늄 합금관에 와인딩 머신을 사용하여 두께가 수 십㎚인 CNF시트를 평탄하게 말거나 나선형으로 감는다. 와인딩 머신에는 접착제를 도포하는 ‘코터’라고 불리는 장치가 달려있어 열경화성 수지를 바르면서 CNF시트를 둘러 감는다.

쇼와마루쓰쓰와 쇼와프로덕트가 CNF를 활용하고자 하는 것리 루프 사이드 레일이다. 루프 사이드 레일은 활 모양으로 부드럽게 휘어져있기 때문에 제조를 할 때에는 먼저 알루미늄 합금관을 벤더 등에서 나선 모양으로 가공하여 그 위에 CNF 시트를 둘러 감는다. 제작된 CNF 알루미늄 파이프는 알루미늄 합금관 단품 보다 40% 가볍다.

-- 재사용에 강한 CNF 시트백 --
교라쿠(본사 도쿄)는 CNF를 첨가한 PP를 사용해 Blow molding(중공성형)하여 중공 구조의 시트백을 만들었다. CNF를 첨가한 목적은 PP의 강화와 중공성형 시에 수지의 재이용을 늘리는 것이다. 이에 따라 저비용화를 실현할 가능성이 있다.

중공성형은 (1)용융(溶融)수지의 사출, (2)금형의 틀을 끼운다, (3)압축 공기에 의한 용융수지의 팽창∙추출과 같은 과정을 거친다. 용융수지의 40%만 성형체에서 사용되고 나머지 60%는 재활용 하기 위해 회수된다.

그러나 재사용을 반복할수록 재료의 특성이 열화 될 가능성이 높다. 그 중 하나가 유동성이다. PP의 경우, 재사용 할 때마다 유동성이 높아져 “성형 시의 중력으로 용융수지가 늘어지게 되어 설계형태를 유지하지 못하게 된다”(당사). 이것을 개선하는 것이 CNF이다. PP만으로는 5회이상의 재사용이 불가능하다. 이에 반해, “CNF를 첨가한 PP로는 10회 이상 재사용해도 유동성에 문제가 없었다”(당사).

당사는 유리섬유를 첨가한 PP와의 비교를 실행했다. 유리섬유를 첨가한 PP는 재사용을 반복하면 잡아당기는 탄성률이 저하된다. 따라서 재이용을 반복하면 강도가 떨어진다. 이에 비해, CNF를 첨가한 PP는 10회 재이용해도 강도가 떨어지지 않았다고 한다.

문제는 열에 의한 CNF의 변성이다. 열을 주면서 수지와 혼련(混練)할 때 CNF가 타버려 냄새 등이 나기 때문에 혼련 회수를 줄이는 등의 연구가 필요하다고 한다. 앞으로는 시트 백뿐만 아니라 공조용 덕트 및 시트 사이드 테이블 등의 개발도 목표로 한다.

-- 자동차 이외에도 CNF를 --
자동차 업계뿐만 아니라, 전기 업계 및 제화 업계, 건축 업계 등에서도 CNF의 실용화에 대응한 개발이 활발하게 이루어지고 있다. 예를 들어 CNF 알루미늄 파이프의 개발을 추진하는 쇼와마루쓰쓰와　쇼와프로덕트는 건설재료 및 가전제품 등의 재료에 사용할 수 있는지 여부를 검토하고 있다.

CNF 알루미늄 파이프는 목재와 같은 외관과 부드러운 촉감을 지니고 있을 뿐만 아니라, 감는 방법에 따라서는 일반 알루미늄 합금관과 비교해도 손색이 없을 정도의 강도를 낼 수 있는 가능성이 있다. 이것을 활용할 수 있는 것은 자동차 부품만이 아니라고 판단. 양사는 용도의 폭을 넓히기 위해 심재에 알루미늄 합금관을 사용하지 않고 종이 통을 사용한 CNF 파이프 및 단면을 중공 사각형으로 만든 CNF 각재, 복수의 작은 사각형을 조합한 CNF 각재 등도 시작(試作)하여 실용화를 향한 개발을 추진하고 있다.

● 친환경 경량화 재료인 CNF, 비용이 과제
CNF는 식물 주성분인 셀룰로오스로부터 추출한 섬유 상태의 재료이다. 직경이 수~수 십㎚, 길이가 0.5μ~수㎛의 매우 가늘고 짧은 섬유이다. 목재 등을 화학적이나 기계적으로 처리해 셀룰로오스를 척출해 잘게 풀어 CNF를 제조한다.

-- 경량화뿐만이 아니라 자유롭게 변환하는 특성 --
CNF에서 주목해야 할 것은 계획적인 재배를 통해 지속 가능한 목재로부터 채취할 수 있는 궁극의 ‘친환경 재료’라는 점이다. 또한 일본인이 예로부터 목조 건축에 익숙해져 있다는 점도 안심이나 친근감을 불러 일으키고 있다.

특성을 보면, 탄소섬유 및 아라미드 섬유와 마찬가지로 밀도(비중)가 적은 것에 비해 강도가 높다는 것을 알 수 있다. 즉, 경량화 재료에 최적화되어 있어 자동차 업계로부터 주목을 받고 있다. 그러나 CNF의 특징은 강도가 높은 것뿐만이 아니다. Recycle성 및 표면 평활성도 뛰어나다. 또한 열변형이 적고 표면적이 크며 투명도가 높고 요변성(Thixotropy; 혼합하는 것만으로 겔이 유동성의 졸로 변화하며, 이것을 방치하여 놓으면 다시 겔로 되돌아오는 성질)이 있는 등 자유롭게 변환하는 특성을 갖추고 있다.

또한 아직 발견되지 않은 특성이 앞으로 나타나게 될 가능성도 있다. CNF는 미지의 특성을 지닌 신재료이기 때문이다. 따라서 경향화 소재로서 응용하는 것 외에도 실용화에 대해 기대를 걸 수 있다. 실제로 이미 문방구나 위생용품, 신발 등에서 신기능을 활용한 상품이 판매되고 있다.

-- 2030년까지는 1kg당 300엔을 목표로 한다 --

● CNF 실용화를 향한 돌파구
실용화를 향한 CNF의 개발이 활발해진 배경에는 ‘교토 프로세스’라는 기술의 커다란 돌파구가 있었다.

-- 양산을 가능하게 하는 생산 혁신 ‘교토 프로세스’ --
교토 프로세스는 교토대학 생존권 연구소 교수인 야노(矢野) 씨가 2016년에 창출해 낸 혁신적인 생산 프로세스로서, CNF와 수지의 복합재(CNF강화수지)의 제조비용을 대폭 삭감할 수 있다. 특히 자동차의 제조 재료 등을 저비용화할 수 있는 기술로서 기대를 모으고 있다.

교토 프로세스의 공정은 다음과 같다. 먼저 펄프에 화학처리를 하여 변성 리그노 펄프를 만든다. 변성 리그노 펄프는 높은 내열성을 갖고 있어 용융수지 안에서 펄프의 섬유를 풀어(해섬하여) CNF를 얻을 수 있는 펄프다. 또한 해섬 후에 CNF가 수지 안에 균일하게 분산되는 특징을 갖고 있다.

교토 프로세스는 기존 프로세스에서의 펄프의 나노화 공정과 CNF의 분산 공정이라는 2가지를 하나의 공정에 집약하고 있다. 수지와 혼합하기 때문에 화학 처리를 한 펄프를 투입하기만 하면 되므로 비용을 대폭 절감할 수 있다. 또한 기존의 프로세스는 물을 머금고 있는 CNF를 한 번 탈수한 뒤에 화학처리를 했던 것에 반해, 교토 프로세스에서는 수처리에 관한 공정이 없다. 이것도 비용 절감에 기여하고 있다.

 -- 끝 --