화학저널

자동차를 비롯해 항공기, 철도 등 수송기기는 엔진·모터 등 동력기기의 효율화와 함께 경량소재, 이종소재 접합 등 멀티 소재화를 가능하게 하는 핵심기술 개발 경쟁이 세계적으로 이루어지고 있다.
특히, 일본은 에너지 절약 및 환경부담 절감을 목표로 수송기기의 효율화에 대한 연구를 적극 추진하고 있다.

멀티 소재화 위해 기술력 집합…
일본은 경제산업성이 추진하는 미래 개척 프로젝트 「혁신적 구조재 등 연구개발(R&D)」 프로젝트를 통해 국제 경쟁력 향상에 직결되는 다양한 연구를 진행하고 있다.
해당 프로젝트는 자동차를 중심으로 수송기기의 근본적인 경량화를 위한 접합기술, 주요 구조재의 고강도화 관련 기술을 개발하는 내용을 골자로 구조재는 강재, 알루미늄, 티탄, 마그네슘, 탄소섬유 및 CFRTP(탄소섬유 강화 열가소성 수지) 등을 대상으로 하고 있다.
2012-2022년 총 429억엔을 투입하며 2014년부터 신에너지·산업기술종합개발기구(NEDO) 프로젝트로 추진하고 있다.
위탁처인 신구조재기술연구조합(ISMA)에는 2016년 3월 기준 관련기업 37사, 국책연구소 1곳, 대학 1곳이 참여하고 있다.
2012-2017년 사이를 기초기술 연구기간으로 설정하고 소재, 가공기술 실용화를 추진하며 후반부 5년 동안에는 연구 성과를 바탕으로 설계기술 개발 및 새로운 CAE(Computer Aided Engineering) 기술 구축을 추진할 방침으로 멀티소재화의 실현을 목표로 하고 있다.
해당 프로젝트는 참여기업이 자사의 기술과 노하우를 베이스로 연구개발을 추진하는 운영방침을 취하고 있다는 것이 특징이다.
2015년까지 추진된 1차 연구기간에는 적절하게 설정한 경쟁 영역을 바탕으로 거의 모든 부문에서 미리 세워둔 목표를 상회하는 성과를 거두었으며 2016년부터 실시하는 2차 연구기간에는 성과에 따라 연구개발 체제를 수정하고 있다.
위탁처 가운데 하나였던 Tokyo University를 새롭게 ISMA로 투입시키고 CFRTP 연구개발과의 연계를 강화하고 있다.
또 신규 FS(사업화조사) 연구테마로 2015년 말부터 추진하고 있는 중성자 이용기술과 접착기술의 연구개발도 추진할 예정이다.
전자선과 중성자선을 활용해 소재 개발에서 중요한 고온특성에 대한 거시적·미시적 정량화 기술 연구를 추진함과 동시에 에폭시(Epoxy), 우레탄(Urethane), 아크릴(Acrylic) 등 접착제와 관련된 접착 메커니즘의 해석, 평가·예측기술의 확립을 추진한다.
구조재와 구조재를 사용한 부품의 고성능·저비용화는 차세대 수송기기 개발에서 반드시 필요한 요소로 해당 분야에서 우위성을 확보하는 것은 산업 경쟁력 강화로 이어지기 때문에 프로젝트의 성과가 주목되고 있다.

고장력강 성형성 향상해 희귀금속 감축
철강소재는 다른 소재에 비해 압도적인 코스트 경쟁력을 보유하고 있다.
철강은 설계·가공·접합·평가·해석 기반기술이 확실하게 마련돼 있을 뿐만 아니라 리사이클성도 우수해 코스트 퍼포먼스가 높기 때문에 자동차용 구조재로 주로 사용되며 관련 연구가 활발하게 진행되고 있다.
최근에는 경량화 니즈에 맞추어 고장력강(High Tensile Strength Steel) 판재가 주로 공급되고 있다.
보통강재는 인성강도가 270-330MPa 수준이지만 경량화 소재로는 440MPa 고장력강판, 980MPa 이상 초고장력강판 등의 채용이 확대되고 있으며 냉간프레스용은 1.2GPa, 열간프레스용으로는 1.9GPa급이 양산화되고 있다.
그러나 일반적으로 강판의 강도를 향상시키면 성형성(신축성)이 약화되는 것이 단점으로 지적되고 있다.
이에 따라 고강도화 적용 부위가 줄어들고 있으며 초고장력강판은 성형성을 확보하기 위해 열간프레스를 반드시 필요로 하는 등 사용면에서의 제약이 상당한 것으로 파악된다.
또 특성 향상을 위해 망간, 크롬, 니켈, 몰리브텐 등 희귀금속을 다량으로 첨가하고 있어 코스트 및 공급 안정화를 위해서는 제조공법에 변화를 주어야 한다는 지적도 제기되고 있다.
NEDO는 혁신적 구조재 등 연구개발 프로젝트를 통해 탄소, 붕소, 인, 유황, 알루미늄, 실리콘 등 경원소를 활용해 희귀금속 첨가량을 줄이는 반면 강도는 높이는 연구를 진행해 왔다.
2015년 말까지 진행한 1차 연구기간에는 강도를 1.2GPa, 성형성은 15% 향상시키겠다는 목표 아래 망간 함유량이 10% 이하인 중고급 탄소강을 활해 금속조직의 탄소농도 분포를 억제함으로써 강도 1.2GPa, 성형성 26%를 달성했다.
또 희귀금속 첨가량이 10wt% 미만인 중고탄소강 개발을 위해 고탄소 단순조성강에 경원소를 첨가해 강도 1.5GPa, 성형성 15% 이상을 가능하게 하는 이상조직을 제안하는데 성공했다.
강도 590GPa의 고장력강은 성형성이 20%로 비약적으로 향상됐다.
2016년부터 시작하는 2차 연구기간에는 2017년 말까지 희귀금속 첨가량 10wt% 미만에 강도 1.5GPa, 성형성 20% 이상의 강재를 개발하고 있다.
성형성을 기존의 1.5GPa급 고장력강의 3배 수준으로 향상시키면 동등한 성형성을 보유하고 있는 590GPa급 고장력강을 교체해 30% 경량화가 가능할 것으로 기대된다.
동시에 연구개발에 필요한 강조직의 고속정량 해석기술, 강중 헤테로구조 및 경원소 공간상관 평가기술 등을 확립할 방침이다.
1차 연구기간에는 철강소재에 포함된 탄소 함유량을 세계 최고 정밀도인 0.01% 수준까지 정량적 분석이 가능한 「FE-EPMA」 뿐만 아니라 결정 방위분포를 1100℃ 고온에서 측정하는 기술도 개발했다.
NEDO는 해당 성과를 베이스로 개발의 기반이 되는 분석·평가기술의 고도화를 추진할 계획이다.

알루미늄, 합금특성 향상으로 활용도 제고
알루미늄은 비중이 2.7로 철의 약 3분의 1 수준에 불과해 비강도가 높고 강재를 교체하는 금속계 경량소재로 자동차, 항공기, 기차 등 다양한 수송기기 구조재에 투입되고 있다.
일본에서는 연간 166만3000톤 가량의 알루미늄이 수송기기용으로 생산되고 있으며 155만1000톤은 다이캐스트 부품을 중심으로 자동차에 채용되고 있다
자동차의 알루미늄화를 선도하고 있는 북미에서는 이산화탄소(CO2) 배출규제 강화의 영향으로 알루미늄으로 제조한 패널부품의 사용량이 2012년 자동차 1대당 6.3kg에서 2025년에는 61kg으로 확대될 것으로 예상되고 있다.
NEDO의 혁신적 구조재 등 연구개발 프로젝트에서는 구조 제어기술을 통해 강도·신축성을 향상시킨 혁신적인 합금을 항공기의 동체·날개 구조재로 적용하기 위해 7000계열 합금(알루미늄-아연-마그네슘 소재)의 특성 향상에 주력하고 있다.
또 해외 메이저 수준으로 가격을 낮추기 위해 이온액체를 이용한 알루미늄의 실온 전해제동(製銅) 실용화 연구도 추진하고 있다.
신제동법은 실현된다면 2014년 3월 Nippon Light Metal이 Kanbara 사업소의 전해 사업을 종료하면서 자취를 감춘 일본 알루미늄 제동의 부활은 물론 세계적으로도 알루미늄의 산업구조를 변경할 만한 임팩트가 있는 것으로 평가되고 있다.
알루미늄 합금은 강도를 600MPa에서 660MPa로, 내구력은 550MPa에서 600MPa로 향상시키고 성형성 12% 이상 실현을 목표로 압출판 및 압연판 개발을 추진하고 있다.
2015년까지 진행된 1차 연구기간에서는 압출판의 강도를 694MPa, 내구력 645MPa, 성형성 16%로, 압연판은 강도를 690MPa, 내구력 639MPa, 성형성 15% 실현이라는 목표를 대폭 상회하는 성과를 거두었다.
이에 따라 2017년 말까지 실시하는 2차 연구기간에는 목표치를 강도 750MPa, 내구력 700MPa, 성형성 12% 이상으로 설정해 고강도·고인성화 추진에 박차를 가할 계획이다.
실온 전해제동은 무수염화알루미늄을 사용해 고체 알루미늄박 상태에서 회수하는 공법을 정립하고 있다.
1차 연구기간에는 독자적으로 설계한 연속전석실험기를 통해 장척 알루미늄박 제조에 성공했으며 격막을 통한 불순물 제거효과, 욕조성(浴組成), 전류밀도를 활용한 합금 중 원소 함유량을 제어기술을 확보했다.
2차 연구기간에는 파일럿 플랜트를 통해 실증시험을 시작했으며 안정된 고순도화 기술 및 고융점 금속의 고농도 첨가기술의 정립, 무수염화알루미늄계 이온액체의 대량 합성공법 개발에 주력할 방침이다.
또 강도와 신축성 등 상반된 특성을 겸비한 복층 알루미늄 합금의 연구개발도 본격화하고 있다.
강도 400MPa, 성형성 20% 이상을 목표로 부품 구조에 적합한 판 분포, 강도 분포를 보유한 프레스 소재를 만들기 위한 것으로 자동차 골격부품의 알루미늄 판재화를 가속화한다.

티탄·마그네슘 한계 극복…
티탄과 마그네슘은 금속계 경량소재로 이용이 확대될 것으로 기대되고 있다.
티탄은 내식성, 강도가 우수해 이미 항공기, 자동차의 구조재 등으로 사용되고 있다.
자원량이 비교적 풍부하지만 제조공정이 복잡해 다른 금속소재에 비해 가격이 높은 것이 과제로 지적되고 있다.
마그네슘은 비중이 1.8로 실용금속 가운데 가장 가벼우며 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic)와 함께 차세대 구조재로 주목받고 있으나 수송기기 구조재로 이용하기 위해서는 화학적인 활성이 일어나기 쉽고 가공 시 열화되는 단점을 고쳐야 할 것으로 요구되고 있다.
NEDO는 혁신적 구조재 등 연구개발 프로젝트를 통해 티탄의 생산성을 향상시키는 신제동 기술과 제동·용해·열연 공정을 단축한 고기능 박판 제조기술, 연속 일괄 제조공정 기술을 정립함과 동시에 구조제어와 불순물 농도 절감을 통한 고기능 티탄을 개발할 계획이다.
2015년 말까지 실시한 1차 연구기간에서 신제동 기술은 철 함유량 2000ppm 이하, 산소 함유량 1000ppm 이하로 정해둔 목표치를 달성하고 공업화에 필요한 대규모 장치의 사양설계 검토에 착수했다.
고기능 박판제조 기술은 철 함유량 200ppm 이하, 산소 함유량 150ppm 이하, 염소 함유량 300ppm 이하를 목표로 실험실 차원에서 스펀지 티탄을 시제작하고 박판 기공률에 미치는 압연 조건의 영향 등을 검토했다.
또 연속 일괄 제조공정 기술을 통해서는 열역학적 검토를 실시해 산소 함유량을 300ppm 이하로 줄이는 탈산 제동조건을 검토함으로써 판후압하 공정의 실현 가능성을 분석했다.
2차 연구기간에는 신제동 기술 공업화를 실현할 수 있는 제동 프로세스의 설계방침을 구축하는 한편 티탄 소재 연속 일괄 제조공정 기술을 개발해 산소 농도를 300ppm 이하로 낮춘 용해 탈산기술을 실현하는 프로세스의 기술 과제를 명확하게 하는 작업에 착수했다.
또 고기능 박판 제조기술 개발은 강도·신축성 밸런스 20% 향상을 목표로 실제 기기를 사용하는 대형 실험장치의 시제작에 착수하는 동시에 프로세스를 최적화하는 조건을 파악할 계획이다.
마그네슘 소재 개발은 철도 적용을 위해 조직을 제어해 가연성 및 난가공성 등의 결점을 극복한 희토류 프리 마그네슘 소재를 활용함으로써 대형 전신재를 제조하기 위한 제조공정 기술을 개발함과 동시에 특성평가·접합 기술 개발도 추진할 계획이다.
1차 연구기간에는 역가공성 합금 및 희토류 프리 AZ31 합금과 동등한 압출 속도를 실현했으며 중간 목표인 강도 250MPa, 성형성 15% 이상을 달성하는 압출재 개발도 추진했다.
고강도 합금은 합금원소를 선택하고 압연 가공조건 및 열처리 조건의 적정화를 통해 강도 350MPa, 성형성 13% 이상, AZX311 합금과 동등한 난연성 등으로 설정된 중간목표를 달성했다.
또 MIG, TIG 용접법과 FSW 공법으로 난연성 마그네슘 합금 전신재를 접합하는 기초기술을 정립하는 등의 성과도 거두었다.
2차 연구기간에는 역가공성 합금으로 강도 270MPa 이상, 성형성 20% 이상의 특성을 나타내며 알루미늄 합금 A6N01 소재와 동등한 압출 속도를 실현하는 합금 개발을 목표로 하고 있다.
또 고강도 합금은 박판의 강도를 360MPa 이상, 성형성 15% 이상을 실현하기 위한 압연가공 조건과 열처리 조건의 선정에 착수하는 외에 개발합금 7인치와 2인치 장척 빌릿(Billet)을 사용해 자동차부품으로 투입되는 길이 12미터 복잡형상을  압출하는 기술의 확립에도 착수할 계획이다.

CFRP, 시판 자동차에도 적용 확대
CFRP는 가볍고 강도가 높을 뿐만 아니라 공법안정성이 우수한 특성을 살려 항공기, 레이싱카의 구조재 등으로 사용되고 있다.
최근에는 연비 향상을 목적으로 자동차 경량화 니즈가 고도화됨에 따라 도요타(Toyota Motors)의 렉서스 LFA나 BMW의 i3 등 시판 자동차에도 적용되고 있다.
CFRP의 최대 과제는 소재 및 가공 코스트가 고가라는 것으로 현재 수준으로는 수송기기 구조재 부문에서 최대 시장을 장악하고 있는 양산용 자동차 적용은 어렵고 이용 확대를 위해서는 코스트를 절감하는 기술을 정립해야 할 것으로 요구되고 있다.
NEDO는 혁신적 구조재 등 연구개발 프로젝트를 통해 소비전력과 이산화탄소 배출량을 절반으로 줄일 수 있는 고효율 탄소섬유 제조공정과 양산공정에 적용할 수 있는 CFRTP의 실현을 위한 연구개발을 추진하고 있다.
탄소섬유 제조공정은 1차 연구기간 동안 신규 전구체 섬유로 저렴한 PAN(Polyacrylonitrile)에 용해 촉진제와 산화제를 첨가해 내염화 반응을 이끌어냄으로써 용매 가용성 내염 폴리머를 개발했다.
강도 235GPa, 파단신도 1.5% 등 목표치인 범용 탄소섬유와 유사한 특성을 확보한 것은 물론 기존 내염화 공정을 생략했으며 탄소화 수익이 높고 직경이 두꺼운 탄소섬유를 쉽게 제조할 수 있도록 했다.
또 대기압 아래에서 마이크로파 가열을 통한 탄소화 기술과 드라이 프로세스 및 짧은 시간에 탄소섬유의 표면성장을 제어할 수 있는 플라즈마 표면 처리기술도 개발했다.
일련의 성과를 통해 제조 에너지, 이산화탄소 배출량을 절반으로 줄이고 생산성은 10배로 향상시킬 수 있는 기반기술을 정립했다.
2017년 말까지 추진하는 2차 연구기간에는 지속적으로 평가법 개발 및 표준화를 추진하면서 성과를 바탕으로 이형상 탄소섬유의 제조기술을 정립할 방침이다.
CFRTP 개발은 참여 대학교가 추진해온 LFT-D 공법을 통해 탄소섬유/PA(Polyamide)의 중간소재를 제조하는 대규모 프로세스와 Tokyo University가 추진해온 CTT(테이프 소재), CMT(매트 소재) 등 다양한 섬유형태를 다루는 PP (Polypropylene) 적용 연구결과를 바탕으로 차체의 60% 경량화를 실현하는 중간소재 제조에 관련된 핵심기술을 정립하고 있다.
1차 연구기간 동안 각 참여 대학교가 추진한 프로세스를 최적화할 수 있는 기본 조건을 파악했으며 플로어 패널 설계, 금형·시제작을 실시하고 사이드씰 보강재 설계도 착수했다.
2차 연구기간에는 복잡한 차체부품 성형기술과 고속 취급운반 기술의 핵심요소, CFRTP 사용부품 사이의 고속 접합기술 등의 실용화를 위한 개발을 추진할 계획이다.
Tokyo University는 중간 기초소재를 개발해 곡면강성을 스틸에 비해 60% 경량화시키고 10MPa 이하에서 스탬핑 성형을 실시하는데 성공했으며 단순형상 부품은 강성 ±5%, 강도 10%의 CAE 해석 결과를 얻는 등 성과를 거두었다.
2차 연구기간에는 제진성, 정음성, 디자인성 등의 부가가치를 향상시킨 중간 기초소재를 제조하기 위한 핵심기술과 스틸과 동등한 양산품질 보증 기술, 성형 프로세스를 최적화해 불량률을 1% 이내로 줄이는 공법 등을 정립할 계획이다.

접합기술, 이종소재 접합 주목
차세대 수송기기 개발을 위한 소재 특성 향상과 함께 접합기술도 주목되고 있다.
특성, 코스트, 생산방법에 맞추어 각 소재를 조합해 사용하는 멀티소재화가 추진되고 있으며 알루미늄과 철, 금속과 수지 등 이종소재를 효율적으로 접합하는 기술의 개발이 요구되고 있다.
NEDO의 혁신적 구조재 등 연구개발 프로젝트는 접합기술과 관련해 중고탄소강, 티탄 소재 등 난접합재 접합, 금속/CFRP 등 이종접합을 적용할 수 있는 고상 마찰교반 접합기술, 용융 접합기술 등을 개발하고 있다.
1차 연구기간에는 고장력강/고장력강, 고장력강/CFRP, 알루미늄/CFRP, 알루미늄/고장력강, 티탄/티탄을 조함할 때의 용융접합 및 마찰접합 공정 개발 외에 철/비철소재(알루미늄, 티탄, CFRP)  등 이종소재의 수화물 가교 저온접합 기술을 개발했다.
이에 따라 회전공구의 마찰열로 발생한 소재 난화와 유동을 활용해 도구 형상을 최적화하고 1.2GPa급 중탄소강(두께 1.4mm)에서 JIS-A급 강도로 100% 계수강도를 달성했다.
2차 연구기간에는 목표를 앞당겨 달성한 티탄/티탄 접합기술에서 장치 제어시스템, 특수기구 개발, 적용제품 실용화 개발을 추진하는 등 주제별로 진척이 있던 계획과 목표를 수정해 실용화를 위한 노력을 계속하고 있다.
이종소재 접합기술은 사업화 조사를 통해 2015년부터 구조재용 접착기술 개발에 착수했다.
개발을 통해 피착체로 CFRP, CFRTP, PA, PP, 알루미늄, 티탄, 마그네슘, 강재 등을 선정했으며 접착 메커니즘과 강도 내구성 평가·예측방법, 접착공법·공정과 비파괴 검사법, 표면처리 기술 정립을 추진해 왔다.
적용 개발을 통해 에폭시계, 우레탄계, 아크릴계 접착제의 평가·개량·데이터 비축과 저경화 수축성 열경화성수지(벤조옥사진) 관련 평가도 실시할 계획으로 접착제와 관련된 공공 연구기관을 설치하는 방안에 대해서도 고려하고 있다.
또 사업화 연구를 위해 소재를 개발할 때 중성자선을 이용하는 기술의 개발도 시작했다.
금속소재 개발은 고온환경의 실제 제조 프로세스에서 조직제어 향상이 반드시 필요하며 중고온 영역에서는 소재조직을 밝혀내는 새로운 수단으로 중성자선을 이용하고자 하고 있다.
중탄소강의 중고온 영역에서의 조직 변화와 변화를 관찰할 수 있는 장치를 개발함으로써 국소 및 거시조직의 고온 특성과 관련된 소재공학적인 정량계측 데이터를 획득할 수 있는 체제를 구축할 방침이다.
혁신적 구조재 등 연구개발 프로젝트는 고도의 기술 개발력을 보유한 다양한 일본 유력기업들이 참여하고 있어 수송기기 분야에서는 국제 경쟁력을 유지·향상하기 위해 국가적으로 추진되는 해당 프로젝트에 많은 관심을 나타내고 있다.  
<강윤화 기자: kyh@chemlocus.com>

표, 그래프: <자동차용 기존소재의 개발 목표치, 고강도·고인성 알루미늄 합금 개발, 고기능 티탄 박판 제조기술 개발 목표, 고성능 접합기술(점접합·연결집합) 개발>

<화학저널 2017년 5월 29일>