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NIKKEI Automotive_2017.2. 특집 요약 (p42~63)

2030년에 꽃피는 10대 재료
차세대 파워 소자에서 인공거미 실까지

지금부터 13년 후인 2030년. 자동차를 구성하는 재료는 크게 변해 있을 것이다. 지금 2020년대 실용화를 목표로 개발하고 있는 차세대 재료, 거기서 한 세대 더 미래의 재료가 사용되기 때문이다. “에너지효율향상”, “자원절약”, 그리고 “경량화”에 공헌할 주목할 만한 10대 재료를 소개한다.


Part 1. 파워트레인, 바디가 변한다
효율성 향상, 자원절약, 경량화 실현

2030년의 자동차는 전동화나 자율주행으로 크게 바뀐다. 그러나 변혁은 그뿐만이 아니다. 2020년대에 실용화되는 재료의 한 세대 더 미래 재료가 등장할 것이다. 배터리, 모터, 인버터와 같은 파워트레인, 외장∙내장의 바디, 그리고 희소자원을 대체할 새로운 재료의 싹이 움트고 있다.

새로운 재료가 차량에 채용되기 위해서는, 민간용 전자기기 이상으로 어려움이 기다리고 있다. 그 첫째 이유가 사용량이 많기 때문이다. 1분이 채 되지 않는 굉장히 빠른 시간에 대량생산하는 자동차에 있어, 소량밖에 공급할 수 없는 재료는 원래 채용의 대상이 되지도 못한다. 또한 저비용에 대한 요구도 크다. 자동차가 발명되고부터 지금까지 차체용 주재료인 강재(鋼材) 가격은 100엔/kg 정도로 굉장히 저가다. 이 강재를 제치고 채용되기 위해서는 그 재료만의 특성을 연마하지 않으면 안 된다. 신뢰성을 검증하기 위한 시간도 필요하다. 한번 채용되면 모델 체인지할 때까지 5~7년은 계속 만들어질 것이고, 그 차량이 시장에 나와 폐기되기까지의 10년 이상에 걸쳐 내구성이 요구된다.

이러한 이유 때문에 재료의 “세대교체”는 그렇게 쉽게 진행되지 않는다. 현재, 차세대 파워반도체로서 화제가 되고 있는 SiC(탄화규소)도 본격적인 채용은 2020년쯤으로 예상하고 있다. 꿈의 재료로서 등장하였지만, 실용화에 대한 소식 없이 소멸하는 예는 많이 있다. 그러나 앞으로의 자동차의 진화에는 대폭적인 스피드 업이 요구되고 있다. 연비나 전비(電費·전기자동차 연비)와 같은 에너지효율 향상에 대한 요구는 끊임없다. 2050년에는 내연기관만의 자동차는 거의 제로로 해야 한다고 요구되고 있다.

그 직전인 2030년에도 전동차량의 비율은 크게 높아질 것으로 예상된다. 보다 적은 배터리, 고효율의 인버터, 희소자원의 사용량이 적은 모터 등이 요구된다.

-- 전기자동차(EV)의 항속거리를 3배로 --
-- 천연자원에서 새로운 자원을 --
-- 차체질량의 20% 경량화 실현 --


Part 2. 나노 레벨에서부터 재고한다

① 전고체배터리(All Solid Battery)용 LGPS계 전해질
-- 영하 30도의 지역에서도 달릴 수 있는 EV
∙ 주요용도: 전동차량 탑재용 배터리
∙ 과제: 정극(正極)∙부극(負極) 재료의 선정이나 양산 프로세스 확립

2025년부터 2030년 무렵에, 차량탑재 배터리의 세대 교체가 일어날 것 같다. 다양한 “포스트 리튬이온 배터리” 후보 가운데, 가장 주목 받고 있는 것이 전고체배터리다. 배터리 연구자는 하나의 개발 목표로서, 에너지 밀도에서 700Wh/kg의 실현을 목표로 한다. 이는 기존 리튬이온 배터리의 3배를 넘는 수치다. 단순히 생각하면 한 번 충전으로 전기자동차(EV)의 주행거리를 3배로 늘릴 수 있다.

에너지 밀도뿐 아니라, 안전성 면에서도 뛰어나다. 전고체배터리는 전해질로 무기계 고체물질(고체전해질)을 사용하는 경우가 많다. 고체전해질은 정극과 부극의 사이에 있어, 이온이 지나는 길이 된다. 충전 시는 리튬이온이 정극에서 전해질을 통해 부극으로 모여, 전자가 정극에서 부극으로 이동한다. 방전 시는 그 반대다. 유기전해질을 사용한 기존의 리튬이온 배터리는 과충전이나 내부 단락 등 이상이 있을 때는 전해액이 고온이 되어 휘발하기 때문에 발화 위험이 있었다. 고체전해질이라면 휘발 성분이 없거나, 있더라도 미량이어서 발화가 어렵다.

-- 리튬이온 배터리 초월 --
-- 앞으로 수년 사이에 고체전해질의 우열 결정 --

② 산화갈륨 (Ga2O3)
-- 포스트 SiC의 차세대 파워반도체로
∙ 주요용도: 차량탑재 충전기, 승압 컨버터, 인버터
∙ 과제: 평가의 확충과 기판 상에서의 박막 성장의 안정화

전기자동차(EV)와 플러그인하이브리드차(PHEV) 등, 전동차량의 저연비화의 열쇠를 쥐는 주요부품이 PCU(Power Control Unit)이다. 지금은 PCU의 재료는 Si가 중심이지만, 2020년대에는 SiC(탄화규소)의 본격 보급이나 GaN(질화갈륨)의 실용화, 2030년대에는 Ga2O3(산화갈륨)의 실용화가 예상된다.

Ga2O3의 이점은 차세대 파워반도체 중에서는 가장 비용이 낮고, 또한 SiC나 그것을 웃도는 GaN과 같은 레벨의 성능을 달성할 가능성이 있다는 점이다. 인버터나 컨버터 등으로 구성되는 PCU의 용적은 현재의 Si의 1/5이상을 노릴 수 있다. 그러나 Ga2O3는 지금은 실험단계다. 그것을 연결할 수 있는 것이 SiC다. SiC는 Si와 비교하여 손실은 1/10로, 구동 주파수는 10배로 할 수 있다. 손실의 저감에 따라 하이브리드차(HEV)의 연비를 10% 정도 향상시킬 수 있다. 또한 구동 주파수가 증가함으로써 코일이나 콘덴서를 작게 할 수 있기 때문에 PCU를 소형화할 수 있다.

-- SiC에서부터 시작하는 차세대 파워재료 --
-- 비용 면에서 Ga2O3에 주목 --

③ Carbon Nanotube (CNT)
-- 탄소섬유 수준 가격으로, 전선에 응용 기대
∙ 주요용도: 전선, Capacitor, 2차배터리, 연료전지, 구조재
∙ 과제: 수천 엔/kg으로 저가격화

많은 자동차부품의 성능을 향상시킬 가능성을 갖고 있는 CNT. 비교적 싸게 만들 수 있는 다층CNT가 먼저 보급되었지만, CNT 본래의 높은 도전성이나 강도를 실현하는 단층CNT의 실용화가 가까워졌다. 일본Zeon사가 2015년 말에 단층CNT 양산 공장을 가동하였다. 과제였던 가격은 크게 낮아질 전망이다. 단층CNT의 가격은 지금은 100만엔/kg으로 비싸다. 그러나 양산 규모의 확대와 제조기술 개량을 통해「2020년에 3만엔/kg」으로 낮추는 것이 목표다. CNT의 연구를 후원하는 NEDO는 2030년경에 탄소섬유와 동등한 수준인 수천엔/kg이 될 것으로 기대하고 있다.

가격이 싸지면 응용할 수 있는 분야는 크게 늘어난다. 중에서도 자동차 기술자가 큰 기대를 하고 있는 것이 전기자동차 등에 사용하는 구동 모터의 전선에 대한 응용이다. 2030년경의 실용화를 목표로 연구를 진행하고 있다. 도전성이 높고 가벼운 단층CNT는 전선으로서 이상적인 재료다.「경량화를 추진할 여지가 모터에는 거의 없다」고 여겨지는 현재의 상황을 타파할 수 있다. 2030년 이후가 될 것으로 예상되지만, CNT의 Wire Harness가 실현될 가능성도 있다. 단층CNT를 전선 재료로 사용하는 연구성과로서 큰 성과는, 산업기술총합연구소가 2013년에 발표한 단층CNT와 동(Cu)의 복합재료다. 이것은 단층CNT에 Cu를 도금한 것으로, 허용전류밀도는 Cu의 100배, 전기전도도는 Cu와 같은 수준으로 실현한다. 허용전류밀도가 크면, 하나의 전선에 큰 전류를 보낼 수 있다. 전선의 질량을 40% 가볍게 할 수 있을 것으로 예상한다.

-- 단층CNT의 실용화는 방열시트부터 --
-- 저가의 산화그래핀(Graphene Oxide)에 주목 --

④ 1-12계 희토류 자석, L10형 FeNi자석
-- 탈 네오듐 자석으로 자원 리스크 회피
∙ 주요용도: 전동 파워트레인의 구동 모터
∙ 과제: 대량생산을 위한 양산 기술과 소결(燒結)기술의 확립

현재의 차량탑재 구동 모터에는 네오듐(Nd)이나 철(Fe), 붕소(B)를 주성분으로 하는「네오듐 자석」이 이용되고 있다. 네오듐 자석은 높은 자력 때문에 1980년대 초에 등장한 이래 30년 이상에 걸쳐 1위를 유지하고 있다. 네오듐 자석은 고온이 될수록 역(逆) 자장에 의해 쉽게 감자(減磁)되므로, 자력을 유지하기 위해 중희토류인 디스프로슘(Dy)을 첨가한다. 2010년에 중국의 수출규제조치로 인해 중희토류의 가격은 크게 올랐으며, 일본의 자동차회사는 네오듐 자석의 자원 리스크에 직면하였다. 그래서 정부는 NEDO를 기축으로 중희토류를 사용하지 않는 자석 개발을 추진하고 있다. NEDO에 의한 개발 프로젝트의 성과로서, 180도에서 기존의 1.5배의 자성을 갖는 네오듐 자석이 이르면 2019년에 실용화될 전망이다.

-- Fe성분 비율을 높인다 --
-- 희토류 프리(Free) 자석도 개발 --

⑤ 인공광합성 전극용 Cu계 촉매
-- 효율은 식물수준, CO2 가스를 연료로
∙ 주요용도: 석유자원에 의존하지 않는 연료 생성
∙ 과제: 대규모 설비에서의 실증

자동차공장이나 화학플랜트에서 배출되는 CO2를 이용하여 에너지원이 되는 탄화수소를 생성한다. 그런「인공광합성」시스템이, 자동차용으로도 2030년경에 실용화될 전망이다. 인공광합성은 말 그대로, 물(H2O)과 CO2, 그리고 태양광으로부터 유기물을 생성하는 식물의 광합성을 모방한 것이다. 태양광의 에너지를 사용하여 물을 분해하여, 수소 이온(H+)과 전자(e-)를 발생시키는 산화반응을 일으킨다. 그 수소 이온과 전자로 CO2를 환원시켜 탄화수소를 만든다. 예를 들면, 에탄올을 생성하면 자동차의 연로로도 이용할 수 있다. 인공광합성은, 온실효과가 있다고 하는 CO2의 삭감과 에너지원이 되는 유기물 획득이 가능하다. 그리고 유해물질을 배출하지 않기 때문에 연구기관뿐 아니라 자동차회사나 전자기기업체, 재료업체 등이 연구 개발에 적극 참여하고 있다. 그 때문에 기술의 진척이 빠르다. 지금까지는 식물보다 효율이 낮았지만, 최근에는 식물을 초과하게 되었다. 생성할 수 있는 유기물의 종류도 증가하였다.

2016년에도 연이어 새로운 성과가 나왔다. 중에서도 주목을 받은 것은 2016년 12월에 Showa Shell Sekiyu가 발표한, 기체인 CO2를 환원할 수 있는 기술이다. 기존의 성과는 CO2를 일단 물로 녹인 상태에서 환원하는 것이었다. 그러나 CO2는 물에 쉽게 녹지 않는다. 기체인 CO2를 환원할 수 있다면 이 문제를 해결할 수 있다.

⑥ 열전(熱電) 변환재료 (Mg-Si계와 Mn-Si계)
-- 엔진 배열(排熱)로 고효율 발전(發電)
∙ 주요용도: 미사용 열의 활용
∙ 과제: 변환효율 향상과 양산기술의 확립

가솔린 엔진의 연소에너지 중 60~70%는 엔진의 배기나 라디에이터의 배열과 같은 형태로 버려진다. 이 에너지 손실을 줄이는 방법의 하나로서 검토되는 것이「Seebeck Effect」를 이용하여 발전하는 열전변환소자다. 복수의 소자를 직렬로 연결한 높이 1cm전후, 가로세로 수cm 크기의 모듈로, 수W의 발전이 가능하다. 단위 면적 당 발전량이 크며, 배열 회수기와 일체화하는 등의 활용이 예상된다. NEDO에 의한「미사용 열에너지의 혁신적 활용기술 연구개발」프로젝트에서는, 2022년까지 실용화하는 것이 목표다. 차량탑재 모듈 개발 기간 등을 포함하면, 2030년경에는 자동차에 탑재할 수 있을 것으로 기대한다.

열전변환소자의 경우는 큰 전위차를 얻기 위해「n형」과「p형」이라고 불리는 금속과 반도체를 조합시킨 것이 일반적이다. 소자에 사용하는 재료 중, 엔진의 미사용 열(300~700도)로 높은 변환효율을 나타내는 것은 납(Pb), 텔루륨(Te), 안티몬(Sb), 셀레늄(Se), 탈륨(Tl)과 같은 희소하고 독성이 강한 저융점(Low Melting) 원소를 포함하는 것이 대부분이었다. 비용이나 환경 대응의 관점에서 차량탑재의 열전변환소자는 아직 실용화단계가 아니다.

⑦ Cellulose Nano Fiber (CNF)
-- 차량 질량의 20%경량화 목표
∙ 주요용도: 수지에 혼합하여 경량의 내∙외장 부품을 만든다
∙ 과제: 재료비 500엔/kg을 목표로 비용 삭감

수지에서 나오는 재료로 내∙외장 등 자동차의 다양한 부품을 만든다. 2030년에는 양산 차에서 실현이 가능할지도 모른다. 기대하고 있는 새로운 재료는「Cellulose Nano Fiber(CNF)」다. 이것은 식물의 세포벽 안에 존재하며, 직경이 수㎚, 길이가 수㎛ 정도의 섬유 상태다. 수지에 혼합함으로써, 수지의 강도를 높여 차량 부품으로서의 적용 폭을 넓힌다. 강판을 대체하여 사용한다면 차량 질량의 20%정도 가볍게 할 수 있다. 이미 시작품을 완성하여, 성능 평가의 단계에 있는 부품도 있다. 그 중 하나가 엔진커버다. 교토대학을 중심으로 하는 연구팀이 기업과 연계하여 개발한 것이다. Polyamide(PA)에 CNF를 질량비로 약 5% 첨가하여 만들었다. 기존의 엔진커버는 유리섬유를 질량비로 약 30% 혼합한 유리섬유강화수지(GFRP)다 기존제품의 질량은 약 900g이다. CNF강화수지를 이용한 것을 발포성형과 조합함으로써, 질량은 약 600g으로 약 30% 가볍게 할 수 있었다. 내구성은 기존제품과 비슷한 수준이다. 내열온도는 170도 정도로, 엔진커버로서 필요한 내열성은 갖추고 있다.

CNF가 주목을 받으면서 자동차 부품에 대한 응용이 진행되는 이유는 크게 두 가지다. 첫 번째 이유는 CNF가 목재를 원료로 하는 식물 유래의 재료라는 점이다.「Carbon Neutral(탄소중립)」적인 재료이며, 생산부터 사용, 폐기까지의 환경부하를 종합적으로 평가하는 Life Cycle Assessment(LCA) 관점에서도 환경성이 높다. 석유 유래의 재료를 사용하는 탄소섬유강화수지(CFRP)와 비교하여 리사이클도 용이하다. 두 번째 이유는 수지에 강도와 경량이라는 기능을 추가할 수 있다는 점이다. 교토대학 생존권연구소의 야노(矢野) 교수는「CNF의 강도는 3GPa(철의 5배), 밀도는 1.5g/㎤(철의 1/5)」라고 말한다. 기존의 수지부품의 강도를 높여 안전성을 향상시킬 수 있다. 강판에 의지하였던 부품을 CNF강화수지로 대체할 수 있다.

-- 패널 요소가 높은 부품에 사용 --

⑧ 마그네슘(Mg) 합금
-- 알루미늄 합금보다 강하게 성형 용이
∙ 주요용도: 자동차 바디의 외판이나 골격
∙ 과제: 저비용 가공법이나 다른 재료와의 접합방법 개발

자동차 바디의 외판과 골격에 마그네슘 합금을 적용한다. 쉽게 타지 않고, 6000계나 7000계의 알루미늄(Al) 합금 수준으로 강도가 높은 Mg합금의 등장으로, 2030년까지 실용화하는 것을 목표로 한다. Mg합금의 밀도는 1.7g/㎤으로, 철의 약 1/4, Al합금의 약 2/3이다. 실용 금속 가운데서 가장 가볍고, 탄소섬유강화수지(CFRP)나 유리섬유강화수지(GFRP)와 동등하다. 비용은 철강 재료보다 3배 이상 비싸지만, Al합금과는 같은 수준이다.「비강도(比强度, Specific Strength)」(재료의 강도를 밀도로 나눈 수치)는 철강 재료나 Al합금을 웃돈다. 이러한 특징을 갖는 Mg합금을 바디에 적용하면, 자동차를 보다 가볍게 만들 수 있다.

자동차 바디에 대한 Mg합금의 적용을 목적으로 하는 국가 프로젝트가 2017년 4월에 일본에서 시작한다. 그 무대는 경제산업성이 설립한「신(新) 구조재료 기술연구 조합(ISMA)」이다. 동(同) 조합에는 철강업체나 비철금속업체, CFRP를 개발하는 기업, 자동차기업 등이 참여하고 있다. 자동차에 대한 Mg합금의 적용을 시도하는 것은, 비철금속 연구 그룹이다.

--「연소하기 쉽다」등의 약점 극복 --
-- 철도 차량의 성과를 자동차에 활용 --

⑨ 인공거미 줄
-- 승객의 충격흡수 내장수지에 활용
∙ 주요용도: 시트 등 내장에의 채용을 시작으로, 외장 부품으로 확대
∙ 과제: 1000엔/kg의 비용 장벽을 넘을 수 있을 것인가?

신축성이 있는 거미집 패턴의 네트 시트는 신체의 요철을 감싸 하중을 분산함으로써 쾌적한 장시간의 착석을 가능하게 한다. 도요타자동차가 2016년 9월에 첫 공개한 자동차 시트「Kinetic Seat Concept」이 그것이다. 실은 이 시트는 재료에도 “거미”를 사용한다. 얇고 경량이면서도 강도와 유연성을 양립시키기 위해 인공적으로 합성한 거미줄을 사용하였다. 벤처기업인 Spiber가 개발한 인공 거미줄「QMONOS」섬유를 포함한 수지를 시트 재료로 채용하였다.

천연 거미줄은 “꿈의 소재”라고 불릴 정도로 뛰어난 특성을 갖는다.「비강도」가 철강의 4배로, 동시에 Polyamide보다 높은 신축성을 갖추고 있다. 게다가 원료는 석유에 의존하지 않는다. 1990년대부터 활발히 연구개발이 진행되어 왔지만, 양산에 어려움이 있어 실용화에는 이르지 못했다. 그 벽을 깬 것이 Spiber다. 거미줄을 저가이면서도 대량으로 합성하는 기초기술을 세계에서 최초로 확립하였다. 미생물을 이용하여 거미줄의 주성분인 Fibroin이라는 섬유 상태의 단백질을 만든다. Fibroin은 분자가 치밀하게 늘어선 결정성 영역과, 불규칙하며 느슨하게 연결된 비결정성 영역이 공존한다. 전자(前者)가 강도의 향상에, 후자(後者)가 신축성 향상에 기여한다. 실을 잣는 것은 화학섬유와 같은 요령이면 된다. 생산효율은 연구를 시작한 2008년에서 4500배로 증가하였다.

⑩ 환동(環動, Gyration) Polymer 도입 수지
-- 충격흡수 강도 2배 이상
∙ 주요용도: 자동차의 충격흡수 부재나 구조용 부재의 모재(母材)
∙ 과제: 저비용화와 양산 기술의 확립

베이스인 폴리머(Polymer)에 대해, 절단 신장율(Elongation at Break)은 약 6배, 굴곡 내구성은 약 20배, 에너지 흡수 성능은 약 2배다. 이러한 충격을 받아도 쉽게 부서지지 않는 단단하고 강한 Polymer Alloy를 개발한 것이 Toray사의 연구 주간인 고바야시(小林) 씨의 연구그룹이다. Crush Box와 같은 충격 흡수 부재에 적용하는 것을 예상하고 있다. 앞으로는 Side Frame, Roof Side Rail, Pillar 등의 구조 부재에의 적용도 검토할 계획이다.  실용화의 목표 시기는 2020년대로 전망하고 있다.

고바야시 연구팀이 개발한 것은 베이스가 되는 Polyamide(PA)에 Polyrotaxane(PO)을 나노레벨에서 균일하게 분산하여 가교시킨 Polymer Alloy다. PO는 링 모양의 분자에 줄 모양의 분자가 관통한 환동 폴리머 구조를 갖는 폴리머의 일종이다. 그 링 모양 분자를 PA에 가교시켰다. 그에 의해 동(同) Alloy에서는, 응력이 더해지면 링 모양의 분자가 줄 모양의 분자를 따라 움직이고, 다수의 분자 사슬에 응력이 균등하게 추가되게 된다. 폴리머가 갖는 포텐셜을 이끌어내기 쉬워져서, 앞에서 말한 것과 같은 특성이 개선될 것으로 보인다.

PA와 PO를 균일하게 분산시키는 것이 중요한 것은, 일부분에 응력이 집중하게 되면 양호한 특성을 발휘할 수 없기 때문이다. 고바야시 씨에 의하면, 양 폴리머의 상용성(相容性, Compatibility)을 높이거나, PO의 관능기(官能基, Functional Group)와 링 모양의 분자를 수식하는 분자 사슬을 고안하는 방법으로 대응하였다. 중요한 점은 PA 이외의 폴리머의 경우도, 동일한 PO도입효과를 기대할 수 있다는 점이다.

  -- 끝 --