일본산업뉴스요약

Nikkei X-TECH_2020.7.29

‘세계 최초’의 CNF 배합 타이어 양산
스미토모고무공업, 양산 성공의 이유

“차세대 타이어 실현을 위한 첫 걸음이다”. 이렇게 말하는 사람은 스미토모(住友)고무공업의 가미사카(上坂) 재료개발본부장. 그가 말하는 첫 걸음이란 식물 유래의 미세섬유 ‘셀룰로오스 나노 화이버(CNF)’를 구성 재료로서 배합한 타이어 양산을 세계 최초로 성공한 것이다. 스미토모고무공업은 타이어의 질량 대비 수 % 미만의 CNF를 2019년 12월에 발매한 저연비 타이어 ‘ENASAVE NEXTⅢ’의 사이드월에 배합했다.

CNF는 식물의 세포벽 안에 존재하며 직경이 수 nm, 길이가 수 백 nm 정도의 섬유이다. 강도는 3GPa(철의 5배), 밀도는 1.5g/cm3(철의 1/5)에 달한다. 수지와 고무의 보강재로서 사용하면 완성품의 강도를 높일 수 있고 경량화할 수 있다.

현재 프론트 후드와 엔진커버 등 자동차부품 업계에서 CNF를 활용한 시작(試作)을 추진. 타이어로의 적용도 연구개발 베이스로 많은 기업들이 계속 추진해왔다. 스미토모고무공업이 다른 부품보다 먼저 타이어에서의 양산에 성공함으로써 다른 자동차부품으로의 CNF 적용도 단번에 추진될 가능성이 있다.

스미토모고무공업이 타이어의 사이드월에 CNF를 배합해 양산한 것은 쾌거라고 할 수 있지만, 아직 주행 성능과 내구성을 큰 폭으로 향상시키는 수준까지는 도달하지 못했다. 미래에 CNF의 배합률을 높이거나 적용 부분을 접지면 등으로 확대할 수 있게 된다면 파손이나 마모에 강해 장기간 사용할 수 있는 타이어 실현도 기대할 수 있을 것이다.

그 첫 걸음이 되는 CNF 배합 타이어가 탄생한 것은 무엇보다 제조 기술 개선이 큰 영향을 미쳤다. 이번 성과는 타이어 제조사인 스미토모고무공업뿐만 아니라, CNF의 공급원인 일본제지와 중간 재료를 제작하는 미쓰비시케미컬의 협력 아래 실현되었다.

일본제지가 nm 단위까지 해섬(解纖)한 CNF를 공급, 미쓰비시케미컬은 ‘WMB(Wet Master Batch)’로 불리는 CNF와 고무가 혼합된 중간 재료를 제조한다. 그것을 스미토모고무공업이 최종 제품용 고무 재료와 혼합해 타이어로서 완성시킨 것이다.

-- 일본제지가 해섬 공정 수 늘려 --
일본제지는 스미토모고무공업의 타이어용으로 폭이 3nm, 길이가 800~900nm의 CNF를 공급한다. 섬유 단위로 공급하는 것이 아니라 물 99%에 CNF를 1% 혼합해 투명한 젤리 형태로 미쓰비시케미컬에 보낸다. 제조 방법은 도쿄대학 대학원 농학생명과학연구과의 이소가이(礒貝) 특별교수가 개발한 공정을 채택했다.

CNF를 혼합해 섬유화하는 기존의 해섬 공정 전에 약한 강도로 조심스럽게 해섬하는 또 하나의 공정을 추가했다. “해섬을 중복해 이물질을 제거함으로써 고품질의 CNF를 제조할 수 있다”(노노무라(野々村) 일본제지 연구개발본부장대리)라고 한다.

타이어는 차량의 무게를 지탱하면서 회전 시 연속적으로 여러 방향으로 변형하는 특수한 자동차부품이다. 이 때문에 이물질이 혼합되거나 균일하게 분산되어 있지 않은 CNF를 도입할 경우, 회전 중에 부분적인 변형이 발생해 손상되기 쉽다.

얇고 길어 가로세로비가 큰 기존의 CNF는 고무 재료와 균일하게 혼합되기 어려웠던 점이 지금까지 CNF 배합 타이어 제품화의 걸림돌이었다. 일본제지가 공급하는 타이어용의 고품질 CNF는 고무 안에서 쉽게 분산되는 성질을 가지고 있어 이 문제 해결에 기여했다.

-- 미쓰비시케미컬의 3단 탈수 --
앞에서 언급한 바와 같이 일본제지로부터 젤리 형태의 CNF를 공급받아 미쓰비시케미컬이 WMB라고 하는 중간 재료를 제조한다. 여기서 중간 재료를 제조하는 목적은 CNF를 최종적인 타이어용 고무 재료와 혼합하기 쉽게 하기 위해서이다. 수분을 많이 포함한 재료는 소수성(疏水性) 고무와 혼합하기 어렵다. 하지만 단순히 CNF를 건조시킬 경우, 힘들게 nm 크기로 해섬한 것이 다시 응집되어 덩어리가 되기 쉽다는 문제가 발생한다.

“우리 회사는 CNF를 응집시키지 않고 수분을 빼는 기술에 강점이 있다”(미쓰비시케미컬 미네(三重)사업소 제조3부 기술실의 핫토리(服部) 실장). 미쓰비시케미컬의 방법은 물에 CNF와 카본블랙, 천연고무가 떠있는 상태를 만들고 응집제를 투입해 덩어리로 만든 다음 꺼내는 방법으로, “두부 제조 공정과 비슷하다”라고 핫토리 실장은 말한다.

이 덩어리 상태에서 수분을 빼내 고무와 혼합되기 쉬운 상태를 만드는 것이다. 미쓰비시케미컬은 CNF가 포함되어있는 이 덩어리를 3단계로 나눠 탈수하는 새로운 공정을 구축했다.

수분을 빼기 전 중간 재료 수분량은 약 95%. 첫 번째 단계는 프레스 기계를 사용한다. 하지만 이것만으로는 50%까지 밖에는 탈수할 수 없다. 이에 추가적으로 압착기로 수분을 제거하고 최종적으로 건조기를 이용해 수분이 0.5% 이하의 상태로 만든다. 이러한 일련의 탈수 공정을 거쳐 중간 재료는 건조된 고무 덩어리에 가까운 모양으로 변한다.

-- 스미토모고무공업, 섬유 방향을 정돈해 균일하게 병렬 --
스미토모고무공업은 미쓰비시케미컬로부터 수분량을 0.5% 이하까지 제거된 중간 재료를 공급받아 최종 제품인 타이어로 만든다. 스크류 형태의 칼이 장착된 믹서기에 중간 재료와 고무재료, 첨가제를 투입해 혼합한다.

이 단계에서 CNF는 아직 고무 안에 분산되어 있는 상태이다. 이것을 압연(Rolling) 공정을 통해 한 방향으로 힘을 가해 고무 재료를 늘려 타이어의 원주 방향으로 CNF의 방향을 정돈해 균일하게 병렬한다. 스미토코고무공업은 이것을 압연 시의 압력 및 속도 제어를 통해 성공했다.

CNF를 타이어의 원주 방향으로 정돈함으로써 원주 방향은 강도가 강하고 지름 방향은 유연한 타이어가 실현된 것이다. 방향에 따라 강성의 차이가 나기 때문에 스미토모고무공업이 중시하는 운전 시의 안정성과 편안함의 양립이 극대화되었다.

여기에는 한 방향에 대해 강한 힘을 발휘하는 CNF의 높은 이방성(Anisotropic)이 이용되었다. 또한 탄소섬유 등 다른 보강재에 비해 유연성이 뛰어난 CNF는 회전 시 타이어가 변형되어도 어느 정도의 굴곡까지는 견딜 수 있다.

타이어의 사이드월에 섬유 형태의 보강재를 혼합하는 것은 스미토모고무공업로서는 첫 도전으로, CNF와 타이어의 상생이 좋다는 것을 확인한 후, 시행착오를 반복해 양산에 성공했다.

이번 제품화를 계기로 스미토모고무공업은 향후 CNF 배합 타이어의 적용 확대를 목표로 하고 있다. 단, 그 실현에는 가격 문제를 해결해야 한다는 과제가 있다. CNF 공급처인 일본제지에 따르면 타이어용으로 제공되는 폭 3nm, 길이 800~900nm의 고품질 CNF는 샘플 가격이 10만엔/kg으로 고가이다.

양산화를 통한 대량 조달로 비용 절감을 기대할 수는 있지만 경제산업성이 내걸고 있는 ‘2030년에 300엔/kg’의 목표에는 크게 미치지 못 한다. 적용을 확대하기 위해서는 CNF 제조 공정을 한 층 더 저비용화해야 할 필요가 있다.

 -- 끝 --

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