일본산업뉴스요약

식물유래, 수지 등 신소재 개발
다이오제지 등 신소재로 차체 경량화 / 환경부하 저감에 일익

미래의 자동차를 위해 화학업체와 제지업체가 신소재 개발을 서두르고 있다. 강판이나 유리를 식물섬유나 수지로 대체해 차체를 경량화한다. 환경에 대한 부하를 줄이기 위해서는 전기자동차(EV) 등 동력의 개선뿐 아니라 경량화도 필수다. 2040년에 차체 재료에서 차지하는 비금속 소재의 비율은 현재의 수 %에서 15%로 증가할 것이라는 시산도 있다.

다이오제지는 최근에 식물섬유 유래의 신소재 ‘셀룰로오스 나노파이버(CNF)’를 자동차의 패널에 제공했다. CNF는 종이의 원료인 펄프를 나노미터(나노는 10억분의 1) 단위로 풀어헤쳐 시트 상태로 만든 것이다. 철과 비교해 무게는 5분의 1, 강도는 5배라고 한다.

국내의 스포츠팀이 개조한 레이스용 특별 차량의 본네트와 도어의 구조재가 되었다. 실제 차량에 이용되는 것은 처음이다. 앞으로는 양산차에의 채용을 목표한다.

CNF는 2000년대부터 국내 제지업체들이 연구를 거듭하며 13년 이후에는 닛폰제지나 다이오제지가 시험 생산해 왔다. 오지홀딩스도 자동차 부품용으로 수지와 CNF의 복합재를 개발하고 있으며, 10년 후에 CNF 사업에서 200억엔의 매출을 목표한다.

-- 절반의 무게로 강하게 --
자동차용 유리의 대체 소재로서 데이진이 제공하는 것은 ‘폴리카보네이트(PC) 수지’다. 무게는 유리의 절반이지만 내충격성은 200배나 된다. 표면에 특수한 보호제를 발라, 마모나 마찰로 쉽게 상처가 생기는 PC 수지의 약점을 보완한다.

신흥 EV 업체인 GLM(교토시)이 앞으로 발매하는 시판차량에 채용하는 것을 검토한다. 호주의 EV 개발 스타트업 기업인 AEV Robotics도 20년대 전반에 발매하는 차종에 대한 채용을 검토하고 있다.

합성수지에서는 아사히카세이가 내열성이 높은 변성 PPE(폴리페닐렌에터르)를 발포화한 소재를 열에서 보호하는 보호재로서 제품화한다. 가볍고 내열성이 높다.

-- 비용이 과제 --
신소재의 과제는 비용이다. 예를 들면 자동차의 강판 가격은 1kg에 수십~백 엔 정도지만 CNF의 제조비용은 1kg에 수천~1만엔으로 약 100배나 비싸다. PC 수지 등도 아직 수십 배의 격차가 있다고 한다. 그러나 더욱 엄격해지는 환경 규제나 지금까지 이상의 저탄소화에 대한 압력이 신소재 개발을 뒷받침하고 있다.

2000년 이후에 항공기용 신소재로서 보급된 탄소섬유는 가격이 1kg에 2천엔 정도가 되면서 고급차 등에 채용되기 시작했다. 강판과 비교하면 10~20배나 비싸다. 그러나 중량은 철의 4분의 1이면서 강도가 10배나 되는 성능이 평가를 받으면서, 2030년의 미래 자동차용 탄소섬유 복합재의 세계시장은 18년의 6배인 약 5,600억엔으로 확대된다는 예측도 있다.

경제산업성은 30년에 CNF의 제조비용을 1kg에 500엔 이하로 낮출 것을 촉구하면서 자동차용 CNF 강화수지의 잠재 시장을 6천억엔으로 시산한다. 연산 수만 대 이상의 시판 차량에 채용된다면 대폭적인 비용 삭감도 기대할 수 있다.

세계적으로 저탄소화의 움직임이 강해지고 있어 자동차기업들에게도 이산화탄소(CO₂)의 배출 삭감을 절대 사명이다. 가솔린차의 연비를 낮추고 EV의 항속거리를 연장하기 위해서는 가벼운 자동차가 유리하기 때문에 업체도 비용이 비싸다는 이유로 개발을 하지 않을 수 없는 상황이다.

미국의 시장조사 기관인 센터포오토모티브리서치(CAR)는 차체 재료에서 차지하는 수지나 탄소섬유 등의 비금속 소재의 비율은 10년의 1%에서 40년에는 15%로 높아질 것으로 예측하고 있다.

이종 소재 접합기술 개발도 경쟁
접착수지나 3D프린터

자동차의 혁신은 차체 재료에서만 일어나는 것은 아니다. 가공기술에서도 혁신을 추진되고 있다. 신소재를 사용하는 것은 자동차의 일부다. 강재와 수지, 강재와 탄소섬유와 같은 이종 소재를 안정적으로 연결하지 못하면 사용할 수 없다. 접착제로는 내구성에 불안 요소가 있어 나사로 연결한다. 그러나 나사 연결의 경우는 차체가 무거워지는 과제가 있다. 소재업체들은 접합기술 개발도 경쟁하고 있다.

도레이는 내열성이나 내약품성에 뛰어난 ‘폴리페닐렌설파이드(PPS)’라는 특수한 수지를 접착제로 하는 기술을 개발하고 있다. 고베제강소는 18년 여름, 후지사와사업소(가나가와현)에 자동차용 접합기술 전시장을 개설. 이종 소재를 연결한 접합부에 회전체를 올려, 그 마찰열로 연결하는 마찰교반접합(FSW)이라는 기술 설비를 소개했다.

3D프린터도 복수의 재료를 연결하는 툴로서 주목을 받고 있다. 최근에는 금속가루를 레이저 등으로 적층하는 금속 3D프린터가 보급. 금속과 수지를 조합한 고강도 부품도 비교적 용이하게 만들 수 있게 된다. 미국 Stratasys 등이 개발하고 있다.

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