일본산업뉴스요약

머티리얼 X -- 제 1부 상식을 깬다 (상)
소재 접합 기술의 마술
강하고 빠르고 저렴한 제조(모노즈쿠리)로 변화시키는 신소재 탄생

새로운 기술의 등장이 기존의 산업구조를 완전히 바꿔버리는 파괴적 이노베이션이 소재의 세계에서도 일어나고 있다. 금속이나 수지, 섬유 등, 다양한 소재가 가지고 있는 잠재력을 끌어내어 서로 결합시키는 기술을 통해 상식을 초월한 기능을 가지게 된 신소재가 연이어 탄생, 양산화로의 첫발을 내디디려 하고 있다. 모노즈쿠리(장인정신)의 형태까지도 바꿔버릴 가능성을 가지고 있는「머티리얼 X」의 최전선을 취재했다.

■ Taisei Corporation, 금속∙수지, 나노기술로 결합
「ISO19095」. 금속과 수지를 결합시킨 복합재의 강도에 관한 국제표준을 탄생시킨 중소기업이 도쿄 니혼바시(日本橋)에 있다. 사원이 겨우 40명 정도인 다이세이(大成) 플러스(도쿄). 설립 된지 30년이 넘는 이 기업은 서로 다른 소재들을 서로 결합시키는「접합」분야에서 대기업도 따라갈 수 없는 고도의 기술을 가지고 있다.

-- 국제표준을 탄생시키다 --
「말로 설명하는 것보다는, 직접 보여주는 것이 제일 빠르죠」. 창업자인 나리토미(成富) 회장이 보여준 것은 한 장의 얇은 알루미늄 판. 가장자리부분에 2cm 정도의 검은색 수지가 튀어나와 있었다. 인사가 끝나자마자 나리토미 회장은 오른 손에 들고 있던 망치를 검은 수지를 향해 힘껏 내리쳤다. 탕, 탕, 탕---. 6번의 충격음이 울리고, 알루미늄 판은 힘 없이 구부러졌다. 그러나 직접 망치질을 당한 수지는 아무런 변화 없이 그대로 붙어있었다.

이 두 서로 다른 소재들을 결합시킨 마술의 정체는 특수 용액으로 금속 표면에 만들어진 나노미터 사이즈의 구멍들이다. 개미집과 같은 복잡한 형태로, 이곳에 녹인 수지를 부으면 금속과 일체화되는 것이다. 「2가지 소재가 결합하게 되면 전혀 새로운 소재가 된다」(나리토미 회장). 금속과 수지의 결합은 어떠한 형태로든 가능하다. 커다란 블록 형태로 접합하면 작은 부품들을 잘라내 만들 수도 있다.

보급에 걸림돌이 되었던 강도를 객관적으로 측정하는「기준」도 획득했다. 다이세이 플러스는 Tosoh, 도레이, 미쓰이(三井)화학과 공동으로 국가 제도를 활용해 2015년, 국제표준화기구(ISO)로부터 표준 규격을 획득했다. 복합재의 강도를 금속 등과 비교할 수 있는 방법이 확립됨에 따라, 그 응용 범위는 비약적으로 확대되었다.

■ 미쓰비시 케미컬, 도요타의 난제를 해결
「지금까지와는 다른 디자인으로 승부하고 싶다」. 도요타자동차가 차세대 친환경자동차 경쟁에서 승리하기 위한 전략 차로서 2월에 발매한 신형「프리우스 PHV」. 자동차 뒷문의 골격을 얇고 가늘게 만들어, 드라이버가 후방을 확인하는 창문의 면적을 10% 넓히는 것으로 설계되었지만, 알루미늄재(材) 등의 금속으로는 강도가 부족해 실현이 어려웠다. 이 때 도요타 개발진이 착안한 것이 미쓰비시 케미컬의 탄소섬유 강화플라스틱(CFRP)이다.

미쓰비시 케미컬에서 탄소섬유 복합재료의 기술 개발을 담당하고 있는 야마시타(山下)씨는「도요타가 CFRP로밖에는 만들지 못하는 도면을 설계했다니 믿을 수 없었다」라며 변화에 놀라워했다. 「지금까지는 금속 부재의 도면을 가지고 와서「수지로 만들 수 없나요?」라는 상담이 대부분이었다」.

도요타의 양산 자동차에 CFRP가 채택된 것은 처음이다. 그러나 도요타의 염원을 이루기까지의 여정은 험난했다. 「생산성을 2.5배로 향상시켜주길 바란다」. 도요타가 제시한 것은 기존에 5분 소요된 CFRP의 조형 시간을 2분으로 단축하라는 난제이다. 도요하시(豊橋)연구소(아이치 현)의 나베시마(鍋島) 주임연구원은「빠르게 굳히는 것이라면 간단하지만, 이 경우 조형이 어려워진다」라고 설명한다. 스피드를 우선시하게 되면 금형 도중에서 차질이 발생되기 쉽기 때문이다.

-- 자동차의 구조재를 타깃으로 하다 --
시트 형태의 CFRP를 금형에 주입해 조형하는「SMC(Sheet Molding Compound)」는 25mm 정도로 짧게 자른 탄소섬유를 수지에 담가 만든다. 미쓰비시 케미컬은 섬유를 담그는 수지와 첨가제를 개량. 탄소섬유를 균일하게 분산시키도록 해 물성이 가진 불규칙한 분포를 줄였다. 조형 설비 설계도 포함, 2년 반 만에 굳는 속도와 조형 속도의 밸런스를 위한 포인트에 근접해졌다.

성능이 한 단계 업그레이드된 신소재 개발 연구도 진행 중이다. 잘게 잘라진 탄소섬유를 수지로 굳히는 SMC는 빠른 조형이 가능하지만, 강도는 조금 약하다. 이를 해결하기 위해, 만들어진 탄소섬유를 수지로 굳힌 고강도 SMC로 한쪽 면을 보강, 잘게 잘린 탄소섬유의 SMC를 금형에 주입해 만드는 새로운 조형법을 개발했다.

조형에 적합한 짧은 탄산섬유의 SMC와 높은 강도를 자랑하는 긴 탄산 섬유의 SMC의 장점만을 활용한 것이다. 「지금부터 평가 받는 단계」(나베시마 씨)이지만, 창틀 등, 지금까지 금속이 우위를 차지해온 자동차 안전에 직결된 구조재료에도 보급이 확대될 가능성이 보인다.

탄소섬유분야에서는 보잉 등 항공기용 탄소섬유로 폭발적인 인기를 얻은 도레이가 40%가 넘는 세계시장 점유율로 압도적으로 앞서나가고 있다. 그러나 최근 들어 탄소섬유의 주요 전장은 경량화를 추진하고 있는 자동차용으로 옮겨지고 있는 가운데, 도레이 뒤를 쫓기만 한 미쓰비시 케미컬은 양산차용으로 반격을 꾀하고 있다.

식물 유래의 신소재「셀룰로스 나노 화이버(CNF)」. 종이의 원료가 되는 펄프를 나노미터 단위로 가늘게 해체시킨 소재로, 결정 하나 당 강도는 철의 5배, 무게는 철의 5분의 1이다. 현재 일본제지(日本製紙)와 오지(王子)홀딩스 등의 제지 대기업이 선행하고 있지만, 여기에 도전장을 내민 곳이 오랜 전통의 전선 제조기업, 후루에(古江) 전기공업이다.

「단가를 1kg 당 수 백엔으로 낮추겠습니다」. 후루에 전기공업이 비용의 벽을 허물 수 있었던 것은 CNF에 수지를 섞은「CNF 강화수지」를 이용했기 때문이다. CNF는 철보다는 가볍고 강도는 높은 성질로 자동차의 차세대 소재로 주목 받고 있지만, 기존의 제조 비용은 1kg당 수 만엔으로「너무 비싸 엄두가 나지 않는다」(자동차 제조사)라고 여겨져 왔다. 제지회사가 비용 삭감에 고심하고 있는 가운데, 후루에 전기공업은 오랫동안 이어온 전선 피복 기술을 통해 상식을 뒤집은 CNF 강화수지를 개발한 것이다.

-- (중)으로 계속 --