일본산업뉴스요약

Nikkei X-TECH_2022.8.24

일본의 재료 개발을 바꾸는 실천적 MI
넘실넘실 움직이는 고무 구조를 재현
스미토모고무공업, 도요타의 시스템으로 개발 가속

“타이어에 나노 크기의 실리카 입자를 배합하면 강도와 그립 성능이 향상되지만 동시에 연비 성능이 떨어진다. 그 원인이 무엇인지는 잘 몰랐다”(스미토모고무공업 연구개발본부 분석센터의 기시모토(岸本) 센터장). 원인이 분명하지 않은 이러한 ‘경험칙’ 같은 것이 타이어의 고무 재료 개발에서는 아직 많이 존재한다고 한다.

그런 상황에 파문을 일으킨 것이 스미토모고무공업이 도입한 재료 해석 서비스 ‘WAVEBASE’다(‘WAVEBASE’는 재료 연구/개발 현장이 안고 있는 과제 해결의 지원을 목적으로 도요타자동차가 클라우드 서비스로 제공하고 있다). WAVEBASE를 이용하면 계측으로 얻은 빅데이터를 활용해 고무 변형에 따른 분자 구조 등 미시적인 변화를 연속적으로 해석할 수 있다.

지금까지 기술자가 추측하고 있던 현상의 정확도를 높이거나 눈치채지 못했던 변화를 포착하는 등 고무의 움직임과 관련된 다양한 현상을 해명하는 데 도움이 된다. 나아가 고성능 타이어의 개발로 연결시키는 것이 스미토모고무공업의 목적이다.

WAVEBASE는 재료 분석에 사용하는 적외흡수분광법, X선회절법, 주사전자현미경(SEM) 등으로 얻은 방대한 양의 계측 데이터를 자동 해석해 임의의 특징량을 추출할 수 있다. 예를 들면, 재료 조직의 대량의 SEM 이미지를 통해 배합물의 평균 입경(粒徑) 등을 알 수 있다.

스미토모고무공업은 고무 재료의 연구 개발용으로 시스템을 최적화한 후에 WAVEBASE를 도입했다고 한다. 구체적으로는 고무 재료 중의 분자 구조나 첨가제의 배치를 알 수 있는 극소각 X선 산란 측정(물질에 X선을 조사하여 산란각이 극히 작은 X선을 측정하여 물질의 구조 정보를 얻는 방법) 등에 대응시켰다.

-- 실리카 입자의 원인 규명, 해석 시간은 100분의 1 --
스미토모고무공업은 WAVEBASE를 이제 막 활용하기 시작했다. 종래의 해석 프로세스와 비교하면 “시산에 따르면 해석 시간이 100분의 1이하일 것으로 보고 있다”(기시모토 센터장). 이렇게 보는 이유는, 10년 이상 전에 시행한 (서두의) 실리카 입자 첨가로 연비 성능이 떨어지는 현상 연구도 WAVEBASE를 사용하면 보다 단기간에 해석할 수 있었다는 것을 알았기 때문이다. 그 해석이란 다음과 같다.

자동차 주행 시, 타이어의 고무는 항상 신축하기 때문에 고무 분자나 실리카 입자는 배치를 바꾸면서 넘실넘실 움직이고 있다. 따라서 타이어 성능을 제대로 설명하려면 고무를 변형시키면서 고무 분자나 첨가제의 움직임을 관찰할 수밖에 없다. 스미토모고무공업은 일찍이 대형 방사광 시설 ‘SPring-8’(효고현)의 극소각 X선 산란 측정을 사용해 그러한 움직임을 해석하며 연구를 진행해 왔다.

이 측정에서는 고무의 시험편을 약 10초간 당기면서 X선 산란상을 초당 1,000매, 합계 1만장 정도 취득한다. 그리고 그 산란상으로부터 재료 속의 실리카 입자의 분산 모습을 조사한다.

X선 산란상을 1장 1장 해석해 시계열로 나열하면 마치 동영상처럼 실리카 입자가 움직이는 모습을 관찰할 수 있다. 다만, 1만장의 X선 산란상 전부를 기존 방법으로 해석하려고 하면 4년 정도가 걸리기 때문에 현실적이지 않다.

그래서 당시에는 대량의 X선 산란상에서 여러 장을 골라 해석해 연구를 진행했다. “띄엄띄엄 있는 실리카 입자 상태에서, 기술자가 그 사이의 움직임을 고찰해 현상을 추정했었다”(기시모토 센터장). 그럼에도 고무의 신축에 따라 실리카 입자의 고차 응집체가 회전하고 있는 모습을 확인할 수 있었다.

자동차 주행 시 이 고차 응집체의 회전운동으로 에너지 손실이 발생해 연비 성능 저하를 초래했던 것이다. 스미토모고무공업은 그 결과를 바탕으로 실리카 입자의 응집을 억제하는 저연비 타이어를 12년에 발매했다.

그러나 지금이라면 WAVEBASE를 사용해 1만 장의 X선 산란상을 2주 만에 해석할 수 있다. 4년과 비교하면 100분의 1 수준인 셈이다. 당시는 모처럼 취득한 대량의 데이터를 활용하지 못했지만 “WAVEBASE의 도입으로 인해 추정이 아닌 리얼한 움직임을 보다 상세하게 관찰할 수 있게 되었다. 향후 활용이 기대된다”(기시모토 센터장).

-- EV 보급을 위한 타이어 개발에 주력 --
그러한 활용처 중 하나가 현재 스미토모고무공업이 주력하고 있는 내마모 성능이 높은 타이어 개발이다. “전동화로 인해 자동차가 무거워지고 있다. 그 때문에 타이어에는 높은 내마모 성능이 요구될 것으로 보고 개발을 추진하고 있다”(스미토모고무공업 연구개발본부 분석센터 마시타(間下) 연구원).

내마모 성능이 뛰어난 타이어 개발에서 중요한 것이 고무의 파괴 현상을 해명하는 것이다. “고무를 당기면 다시 되돌아가려는 힘과 견디려는 힘이 발생한다. 이 힘이 어디에서 발생하는지 밝혀지면 파괴하기 어려운 (내마모 성능이 높은) 고무를 만들 수 있을 것이다”(기시모토 센터장).

“앞으로는 극소각 X선 산란 측정뿐만 아니라 여러가지 계측 결과를 조합한 분석이 필수가 될 것이다. WAVEBASE를 비롯한 Materials Informatics(MI)의 툴을 활용하지 않으면 사회의 요구를 도저히 따라갈 수 없다고 보고, MI 활용을 추진할 계획이다”(기시모토 센터장).

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