산업기술/제조/경영

Nikkei Monozukuri_2020.9. 특집 요약 (p45~76)

초(超)개성파 재료 2020
초 발수/ 초 유연/ 초 점착/ 초 분리/ 초 전열/ 초 분기/ 초 제진/ 초 단열/ 초 결합의 9가지 신재료

재료 개발은 장기적인 노력이 가능한 일본의 전문 분야이다. 매월 ‘초(超) 개성적인’ 재료의 발표가 이어지고 있다. 물을 흡수하지 않고 세게 튕겨내는 특성을 추구한 복합 재료와 염호수를 통과시키는 것만으로 희귀 금속을 회수 할 수 있는 필름, 플라스틱과 고무의 특성을 모두 가지고 있는 고분자 재료 등---. 재료의 구조와 보강재(필러)의 주입 방식을 분자 레벨에서 개량하는 지견(知見)이 최근 연구의 원동력이 되고 있다. 원하는 특성을 실현하기까지의 시간을 단축하기 위해 컴퓨터에 의한 시뮬레이션과 인공지능(AI)을 이용하려는 시도도 진행된다.

1. 초 발수(超 發水)
가시복어의 골격과 비슷한 표면 구조의 초 발수 도료, 결정들 사이에 공기를 머금고 있게 되어 있다.

단체명: 물질∙재료연구기구
원재료: 산화아연, 실리콘

물이 물체 표면과의 접촉각이 150도 이상인 상태를 초 발수라고 한다. 물방울을 떨어뜨리면 직관적으로 물방울이 구형을 유지하면서 물체 위에 올려져 있는 것처럼 보이는 상태가 된다.

초 발수성을 실현하게 되면, 예를 들어 수용성 오염을 방지하거나 높은 방수 성능을 제공하기도 한다. 또한 수중에서의 마찰 저항도 줄일 수 있다. 예를 들어 배 바닥의 바깥 면을 초 발수 상태로 만든다면 배의 동력 에너지가 적게 소모된다.

물질∙재료연구기구는 2019년 9월에 새로운 초 발수성 재료를 개발했다고 발표했다. 페인트처럼 물체 표면을 코팅하기 쉬우며 비용도 저렴하게 할 수 있다. 기존과는 달리, 마찰이나 변형을 받아도 초 발수성을 잃지 않는 강한 내구성을 겸비한 초 발수성 재료인 것이다.

-- 연잎처럼 공기를 캡처 --
초 발수성을 가진 자연물로 알려진 것이 연꽃 잎. 물방울이 튀어도 굴러 떨어져버린다. 그 표면을 확대해 관찰하면 수십 μm 간격으로 미세한 돌기가 보인다. 이 미세한 돌기 사이에 공기가 쌓이기 쉬우며 “물과 공기는 친화도가 낮기 때문에 물은 구형으로 되려고 한다"라고 물질∙재료연구기구 통합자료개발∙정보기반 부문 데이터기반 고분자설계 그룹 리더인 나이토(内藤) 씨는 말한다. 물방울이 연잎 돌기의 끝에만 접촉하는 상황을 인공적으로 재현할 수 있다면 초 발수성도 실현할 수 있다고 알려져 있었다.

한편, 불소수지(테프론)처럼 물과 상호작용이 적은 물질을 발수성 확보에 이용하는 화학적인 방법도 있다. 그러나 "접촉각 150도 이상의 초 발수성의 실현은 화학적 방법으로는 분자의 극성 등으로 인해 어렵다"고 한다. 초 발수성을 얻는 수단으로는 미세한 구조 쪽이 확실하다.

그러나, 미세한 돌기는 물리적으로 약하다. 긁거나 압박하게 되면 곧바로 망가지고 만다. 따라서 초 발수성을 실현할 수 있어도 오래 유지하기는 어렵다. "생물 조직은 재생하는 기능을 가지고 있지만, 인공물은 그렇지 않다". 그 부분을 어떻게 해결 할 지가 과제였다.

그래서 주목 한 것이 산화아연이다. 산화아연의 결정은 소파(消波) 블록 및 닌자가 적의 추적을 방해하기 위해 사용하는 '표창'처럼 입체적인 4개의 뿔 모양으로 돌출된 형태를 하고 있다. 정사면체의 중심에서 4개의 정점을 향해 뿔이 튀어 나온 것 같은 형태이다.

이 산화아연에 상온 경화형 실리콘을 일정 비율로 혼합 한 재료가 의도한 대로 초 발수성을 나타냈다. 접거나 세게 긁어도 발수성이 저하되지 않는다. 현미경 사진으로 보면 접힌 부위, 긁힌 부위의 표면에도 뿔이 존재하고 있었다.

-- 산화아연 50%로 초 발수성 --
-- 가시복어의 골격과 비슷하다 --

2. 초 유연(超 柔軟)
못을 찔러도 구멍이 안 뚫린다 / 세계 최초의 고무 X 플라스틱

기업명 : 브리지스톤
원재료 : 공역 Diene, 올레핀

브리지스톤이 개발 한 신소재 ‘SUSYM(사시무)’. 그 특징은 합성 고무 재료와 플라스틱 성분을 분자 레벨로 결합시켜 양자의 특징을 아울러 갖게 한 것이다. 구체적으로는 부타디엔 및 이소프렌 등의 공역 Diene과 플라스틱의 에틸렌과 프로필렌 등의 올레핀을 공중합(共重合) 시킨다. 브리지스톤은 ‘양자를 공중합시킨 세계 최초의 재료’라며 자신감을 내비쳤다.

-- 구멍이 뚫리지 않으며, 뚫려도 다시 복구 --
SUSYM가 나타내는 물성은 독특하다. 예를 들어, 구멍을 내기 어렵다는 ‘탁월한 내관통성(耐貫通性)’을 들 수 있다. 일반 고무는 끝이 뾰족한 못으로 누르면 바로 구멍이 뚫린다. SUSYM는 국소적으로 힘을 가해도 플라스틱의 특성으로 파단(破斷)에 견디며, 고무의 특성으로 크게 변형되어 좀처럼 구멍이 뚫리지 않는다. 바로 고무와 플라스틱이 복합된 SUSYM 특유의 성질이다.

이외에도 기존의 고무에는 없는 특성을 플라스틱과의 융합을 통해 실현하고 있다. 그 중 하나가, 구멍이 생기거나 상처를 입거나 하더라도 열을 가하는 것만으로 막혀서 복구될 수 있는 재생∙복구성이다. 일정한 온도에 도달하면 녹아서 융착되는 열가소성 플라스틱에 유래하는 특성 중 하나다. 액체 질소로 얼려 저온 환경에서도 딱딱해지거나 물렁해지지 않는 뛰어난 저온 내(耐)충격성도 기존의 고무에는 없는 성질이다.

이러한 특성은 타이어에 국한되지 않는 새로운 용도로서의 가능성을 보여주고 있다. 실제로 SUSYM는 재료의 조합 방법 및 제조 조건을 통해 특성을 다양하게 바꿀 수 있다. 열을 가하면 상처를 복구 할 수 있는 것은 SUSYM의 특성 변화 중 하나다. 함유하는 플라스틱 분자의 길이를 조정함으로써 융착 온도까지 임의로 조정할 수 있다고 한다.

-- 가돌리늄(Gadolinium) 화합물 촉매를 독자적으로 개발 --
-- SUSYM에 내재된 이노베이션의 가능성 --

3. 초 점접착(超 粘着)
피부온도로 점착하는 시트 / 연화(軟化)가 시작되는 전이점은 28℃

기업명 : 미쓰이 화학
원재료 : 폴리올레핀

미쓰이(三井)화학이 개발한 '체온감지 자기점착성 시트’는 고분자의 일부 운동성이 커지는 유리 전이온도가 약 28℃로 체온에 가까운 폴리올레핀 계 플라스틱. 피부온도 정도로 따뜻해지면 부드러워지며 그 상태로 압력을 가해 눌러 놓으면 자가점착성을 띄게 된다.

-- 벨크로의 대체 등을 상정 --
용도로서 먼저 상정되는 것은 벨크로의 대체이다. 가느다란 루프(링)에 후크가 걸리는 구조의 일반적인 벨크로에는 쉽게 오염이 달라붙으며, 얇게 만들기 어렵다는 등의 결점이 있다. 그에 반해, 자기점착성 시트는 탈착 시에 소리가 나지 않으며 접착면이 매끄러워 먼지가 붙기 어려울 뿐만 아니라, 그 자체가 점착성을 발휘함으로써 두께까지 줄일 수 있다. 또한 무색투명하기 때문에 제품의 외관을 헤치지 않는다고 한다.

의류 및 의류 잡화의 고정구로서 사용하면 체온에 의해 신체에 달라붙어 착심지(着心地)가 높아진다. 또한 폴리올레핀이 가진 방수∙내수성을 활용해 아웃도어 용품이나 재해용품으로의 적용도 가능하다. 예를 들어 시트를 접어서 주머니 형태로 만드는 등 그 장소에 따라 형태를 바꿔서 이용할 수 있다. 손목시계의 밴드 및 웨어러블 단말기의 고정구로서 이용한 경우에는 피지 등의 부착으로 점착성이 저하되어도 물로 씻음으로써 원래 상태로 사용할 수 있게 된다.

-- ‘형상 기억 시트’의 발전형 --
-- 표면을 밋밋하게 만들어 자기점착성 향상 --

4. 초 분리(超 分離)
Li까지 통과시키는 0.8nm의 균일한 구멍 / 염호수 등으로부터 자원 회수에 활용

기업명 : 도레이
원재료 : 폴리 아미드

낮은 농도의 염호수로부터 저렴한 비용으로 리튬(Li)을 회수 할 수 있다 ---. Li이온 이차 전지를 비롯해 수요 증가가 예상된다. Li 생산 효율화에 공헌 할 것으로 보이는 재료인 ‘초고투수성 NF 막’을 도레이가 개발했다.

NF막(Nanofiltration, 나노여과막)은 액체를 여과하는 수처리 막의 일종이다. 새로 개발 한 NF막(이하, 신 NF막)은 물에 녹은 상태로 0.76nm의 Li이온(1가 이온)은 통과하지만, 0.85nm의 코발트(Co) 등의 2가 이온은 통하지 못한다는 높은 선택 분리성을 가진다. 또한 기존의 NF막에 비해 투수성을 약 3배로 높여 여과에 필요한 에너지도 저감하고 있다.

-- 구멍 직경의 편차를 작게 --
-- 가정용 정수기의 저가격화에도 공헌 --

5. 초 전열(超 伝熱)
고무이지만 열전도성이 높은 2종의 탄소로 통로를 만들어낸다

단체명 : 산업 기술 종합 연구소
원재료 : 포리로타키산, 탄소 나노 섬유, 탄소 나노 튜브

합성 고무 및 열가소성 엘라스토머의 ‘잘 수축된다'는 특성(고무 특성)은 열 전도성과 자성의 높이와 같은 기능성과는 일반적으로 트레이드 오프의 관계에 있다. 고무 특성을 가진 폴리머(이하, 고무 재료)에 기능성을 부여하기 위해 무기 재료의 혼합 물질(필러)을 첨가한 복합 재료는 혼합 물질끼리 응집하기 쉬우며 고무의 특성을 해치기 때문이다.

산업기술종합연구소가 개발한 고무복합 재료는 모재(고무 재료)와 필러의 쌍방에 연구를 거듭해 고무 특성을 손상시키지 않고 금속 수준의 높은 열전도성을 갖게　했다. 발열 부품을 장착하는 플렉서블 기판의 페이스 플레이트 등으로의 이용을 기대하고 있다. 뿐만 아니라 개발한 기술은 열전도성 이외에도 자성, 유전성(誘電性) 등의 기능 향상에도 도움이 될 것으로 보인다.

-- 2종의 카본 겸용 --
-- 플라즈마로 필러 표면을 개질(改質) --
-- 전계(電界)에서 CNF를 정렬 --
-- 다양한 무기(無機) 필러로의 응용에 기대 --

6. 초 분기(超 分岐)
양쪽 끝을 해섬한 셀룰로오스로 강화 / 2가지 단계의 균열 억제 충격에 내구성

기업명 : 파나소닉
원재료 : 셀룰로오스 섬유, 폴리프로필렌 등의 고분자

파나소닉은 청소기와 텀블러(컵)에 셀룰로오스 섬유로 강화 된 플라스틱을 응용하기 시작했다. 셀룰로오스 나노섬유(CNF)처럼 nm급으로 가늘게 하는 것이 아니라, 섬유의 중심 두께는 μm급이면서 끝이 nm급으로 가늘게 분기(分岐)한 형태로 하는 것이 특징이다. 원래의 플라스틱보다 강도를 향상시킬 수 있으며 목재 폐기물이나 커피 찌꺼기 등을 활용할 수 있어 파나소닉은 ‘써큘러 이코노미(Circular Economy)에 대응한 재료’로 자리매김하고 있다.

-- 충격을 받아들여 균열 확산을 억제한다 --
-- 물을 사용하지 않고 1공정으로 해섬(解纖) 처리 --
-- 리사이클 시에 물성이 저하되지 않는다 --

7. 초 제진(超 制振)
알루미늄의 가벼움 주철 수준의 강도 / 고속으로 움직이는 리플로우(Reflow) 지그 채택

기업명 : 어드밴스컴포지트
재료 : 세라믹, 알루미늄 합금

어드밴스컴포지트(시즈오카 현)가 개발한 ‘AC-Albolon(알보론)’은 알루미늄(Al) 합금 수준의 가벼움 주철과 동등한 강도를 가진 재료이다. 실체는 Al 합금과 세라믹 복합재. 주형에서 도자기의 다공질체를 고정한 상태에서 용융한 Al 합금을 넣고 높은 압력을 가하여 함침∙응고시키는 '용탕 단조법’으로 제조하는데, 알보론을 채용한 부품을 경량화 하고 진동을 억제할 수 있다면 동력 부분을 소형화하여 토탈 코스트를 삭감할 수 있게 된다.

-- 강하고 가벼워 가공성이 높다 --
-- 세라믹스에 알루미늄을 합침 시킨다 --

8. 초 내열(超 耐熱)
고온 충격에 견딜 금속을 대체 / 최강 플라스틱 PEEK를 나노 카본으로 보강

기업∙단체명 : 산업기술종합연구소, 산아로
원료 : 폴리에텔에텔케톤(PEEK), 탄소나노튜브

자동차의 경량화를 도모하는데 있어서 금속 부품의 플라스틱으로 대체 유력한 수단으로  일반적으로 사용되는 것이 비강도가 높은 탄소섬유강화플라스틱(CFRP)이다.

그런데 일반적으로 CFRP는 내열성이 그다지 높지 않기 때문에 고온에 노출되는 부품은 좀처럼 금속에서 다른 재료로 대체되지 않는다. 내열성이 높은 PEEK 등의 슈퍼 엔지니어링 플라스틱을 모재(母材)로 사용해도 마찬가지다. 고온 환경을 포함해 인장 강도는 높지만 내(耐)충격성을 확보하지 못해 작은 충격으로도 부러져 버리기 때문이다.

이 점을 해결한 것이 산업기술종합연구소와 산아로(도쿄)가 2020년 1월에 발표한 신재료이다. PEEK를 탄소나노튜브(CNT)로 보강하는 독자 기술을 통해 내충격성을 개선했다. 전기자동차용 모터 케이싱 등의 용도로 응용을 기대하고 있다.

-- CNT를 균일하게 분산 --
-- 파손 기점을 만들지 않는다 --
-- 대전(帶電) 방지성 실현 --

9. 초 결합(超 結合)
이종 재료에 결합하기 쉬운 PP 접착 재료 / 탄소 섬유 복합 재료의 강도 향상

기업명 : 산에이(三栄)흥업(San-ei Kogyo Corp)
원료 : 폴리프로필렌, 아크릴산 t-부틸

자동차의 범퍼 및 컵 등의 일용품, DVD 케이스 등 친근한 제품으로 많이 사용되고 있는 범용 플라스틱 중 하나인 폴리프로필렌(PP). 비중이 작고 강도가 높으며 가공성도 좋지만 ‘접착성이 낮다’ ‘도장하기 어렵다’는 약점이 있다.

그런 약점을 보완하고 PP를 다른 소재와 접착하기 쉽고, 도장을 쉽게 하는 폴리프로필렌 이오노머를 산에이흥업(치바 현)이 개발했다. 산에이흥업은 접착성을 높이는 산(酸) 블럭(산 덩어리)를 PP분자의 말단에 합성할 수 있도록 반응성을 높였다 ‘양 말단 이중결합 PP’를 사용하여 접착성 및 도장성 향상을 실현했다.

-- 접착 작용이 있는 산(酸)을 분자부터 분기 --
-- 탄소섬유복합재의 접착제로 채택 --

해설. 머티리얼 인포매틱스(MI)의 동향
데이터 축적도 발굴도 AI로 자동화 / 물질 발견의 속도 경쟁에 필수

"숙련된 연구원보다 25배 빠르게 발견할 수 있었다"---. 그렇게 자랑스럽게 발표 한 것은 쇼와덴코(昭和電工), 산업기술종합연구소(AIST), 신에너지∙산업기술종합개발기구(NEDO), 첨단소재고속개발 기술연구조합(ADMAT)이다. 인공지능(AI) 등 첨단 계산과학을 소재 개발에 응용하는 머티리얼 인포매틱스(Material Informatics, MI)의 성과를 보고했다.

플렉시블 투명필름을 대상으로 MI를 실시한 결과, AI가 제안한 3가지 재료 후보의 특성이 숙련 연구원이 경험과 지식으로부터 제안된 25종의 후보 중에서 가장 우수한 값을 제시했다. 숙련된 연구원이 25번 실험을 반복해도 답이 보이지 않았던 특성을 AI는 첫 번째 실험에서 얻고 있기 때문에 1/25 이하의 소요 시간에 해당한다.

이 AI는 사전에 27종류의 플렉시블 투명필름에 관해서만, 그 구조와 특성의 관계를 기계 학습했다.

-- 재료 개발은 ‘반대 문제’--
-- 재료 데이터를 시뮬레이션으로 확충 --
-- 실험 데이터는 발생 시점에서 취득 --
-- 실험 없이 최적 재료를 발견 --
-- 다단계의 시뮬레이션을 통합 --

-- ‘지금까지 없는’ 재료를 찾아낸다 --
기존 데이터 및 시뮬레이션에 의한 데이터의 기계학습으로 얻을 수 있는 모델은 순서대로 인과 관계를 파악한 것으로서, 곧바로 역 방향의 추론 결과는 얻을 수 없다. 예를 들어 원하는 기능 및 성능을 입력하면 최적의 조성 및 프로세스를 출력하는 뉴럴 네트워크가 가능하다는 것은 아니다. 최적의 조성과 프로세스를 얻기 위해서는 추가 실험과 추가 시뮬레이션을 조합해 모델의 블러쉬업과 보다 좋은 후보의 탐색을 병행해 진행하는 ‘베이즈 최적화’ 등의 방법의 연구가 추진되고 있다.

후보 재료 중에서 학습한 재료에 비교적 근접한 것일 경우, 모델을 사용해 예측한 기능∙성능의 정밀도는 높다. 대조적으로 학습 데이터로부터 동떨어진 재료에 대해서는 모델의 예측 정밀도가 낮아지는 반면, 생각지도 못한 탁월한 특성을 얻을 수 있는 여지가 있다. 이런 재료를 실험 또는 시뮬레이션으로 검증해 결과를 학습 모델에 추가해 나간다면 보다 좋은 재료를 발견할 수 있는 확률이 높아진다.

2020년 5월에는 돌출된 특성을 가진 ‘예외’적인 재료의 발견에 특화된 AI ‘BLOX’를 이화학연구소, 요코하마(横浜)시립대학, NIMS 팀이 개발했다. 이미 알고 있는 물질로부터 동떨어진 특성의 재료를 특히 높이 평가해 추구해 시뮬레이션 검증을 통해 모델에 포함시킨다. 저분자량 유기화합물의 광 흡수 특성을 테마로 검색한 결과, 많은 물질은 파장 250~450mm의 빛을 흡수하는 것에 반해, 그 이외의 파장의 빛을 흡수하는 물질의 후보를 다수 발견할 수 있었다. 그 중의 8개에 대해 실제로 제작해 실측한 결과, 거의 시뮬레이션의 계산대로 빛 흡수 특성을 얻을 수 있었다.

AI는 인간의 두뇌로는 상상할 수 없는 다차원의 복잡한 데이터를 다루는 도구이다. AI의 능숙한 이용은 향후 재료개발의 효율을 크게 향상시켜 국제적인 경쟁에서 살아남기 위해 지극히 중요하다고 할 수 있다.

 -- 끝 --

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