일본이 미래소재 연구개발(R&D)에 총력을 기울이고 있다.
일본 산업기술종합연구소는 소재‧화학 영역에서 외부환경 변화 및 자극에 응답해 기능을 변화시킬 수 있는 소재를 개발하는 SMACTIVE Material 프로젝트를 진행하고 있다.
자동으로 기능을 발현하는 SMACTIVE Material을 활용함으로써 시스템 간소화, 지속가능한 친환경제품 개발이 가능해질 것으로 기대하고 있다.
관련기업 등 외부와 적극적으로 제휴함으로써 개발을 가속화할 방침이다.
일본, 외부자극에 반응하는 소재 개발
SMACTIVE는 스마트(Smart)와 액티브(Active)를 합성한 신조어로 기본적으로 온도, 습도 등 환경변화, 빛, 전류 등 신호입력에 따라 화학적, 구조적 변화를 일으켜 필요에 따른 기능을 발현하는 소재를 말한다.
일본 산업기술종합연구소는 2030년을 목표로 하는 연구전략에 활성물질(Active Material) 실현 및 나노기술을 활용한 고부가가치 소재 개발을 포함하고 소재‧화학 영역에서 R&D를 진행하고 있다.
SMACTIVE Material을 이용한 환경응답형 어플리케이션은 공간 및 시간적으로 광범위한 영역에 적용이 가능해 분자 스위치와 같은 소규모부터 환경발전과 같은 대규모 분야까지 응용이 가능할 것으로 기대하고 있다.
소재‧화학영역 연구전략부는 SMACTIVE Material을 이용함으로써 실현할 수 있는 꿈의 기술을 예측해 소재 설계 및 R&D를 진행하고 있으며 기존 개념에 구애받지 않는 유연한 발상을 중시하고 있다.
소재를 설계할 때 자극다양성, 가변아웃풋, 학습기능을 중시하고 있으며, 특히 환경변화 및 자극에 유연하게 대응함으로써 부가가치를 창출할 수 있을지 여부를 좌우하는 학습기능에 중점을 두고 있다.
SMACTIVE Material은 필요할 때 필요한 기능만을 발현함에 따라 수명을 연장할 수 있는 이점이 있고 전자기기 분야는 입출력을 담당하는 외부장치가 불필요해져 시스템을 간소화할 수 있을 것으로 예상하고 있다.
젤네일 분야 응용으로 페인트 실용화
외부자극에 응답해 기능을 발현하는 스마트 소재는 세계적으로 R&D가 활발하게 이루어지고 있다.
일본 산업기술종합연구소는 외부제휴를 통해 다양한 사용법을 개발하고 있으며 기술이 구체화된 후 소재‧화학 이외의 분야와도 연계를 추진할 방침이다.
SMACTIVE Material R&D 프로젝트는 2017년 무렵부터 시작했으며 쾌적한 사회를 실현하기 위한 다양한 응용분야를 검토하면서 꾸준한 성과를 내고 있다.
기능화학 부문에서는 빛을 이용해 수지 기능을 조작하는 기술 실용화를 추진하고 있으며 최근에는 젤네일 분야에 대한 응용을 검토하고 있다.
젤네일은 손톱 장식에서 나아가 QOL(삶의 질) 향상에도 기여해 스포츠 선수도 사용하고 있으나 떼어낼 때 유기용제를 대량 사용하는 문제점이 있다.
이에 따라 네일용품을 공급하는 TAT와 공동으로 아크릴수지 등에 액정 성분을 균일하게 혼합한 도료 소재를 개발했다.
특정파장의 근자외광을 조사하면 액정 성분의 응집구조가 변화해 수지로부터 상분리가 이루어짐에 따라 도료 소재의 밀착성이 대폭 하락하는 것으로 파악되고 있다.
경화하는 빛, 때어낼 때 사용하는 근자외광은 이미 젤네일 시술에 활용되고 있어 비용 부담이 적은 이점도 있다.
액정을 혼합해 범용수지 물성을 빛으로 제어하는 기술은 박리를 용이하게 할 뿐만 아니라 자가회복, 점‧접착에도 응용할 수 있어 화장품 기능성 및 생활용품 내구성 향상 등에도 기여할 것으로 기대하고 있다.
빛으로 범용수지 물성도 제어
최근에는 빛과 열 출입을 제어하는 조광창에 대한 관심이 높아지고 있다.
자동차 내부 쾌적성을 유지할 뿐만 아니라 에어컨 부하를 줄여 에너지 소비 절감에도 기여하는 이점이 부각되고 있으며, 배터리 전력 절약이 요구되는 전기자동차(EV)에서도 니즈가 높아질 것으로 예상되고 있다.
그러나 증착과 같은 기존 프로세스는 대규모 진공장치를 필요로 해 높은 비용이 보급에 걸림돌로 작용하고 있다.
이에 따라 나노소재 부문에서는 Toshiba Material, Toray Engineering, Hayashi Telempu와 함께 대면적화가 가능한 조광 디바이스 도포 프로세스를 개발했다.
전압을 가함으로써 전기화학적 이온 전도가 발생해 광학특성을 전환할 수 있으며 메모리성이 있어 전력 없이 상태를 유지할 수 있는 특징이 있다.
조광소재로 가시광을 차단하는 프러시안블루(Prussian Blue)형 착체 나노입자에 가해 가시광 차폐 효과를 보완하고 근적외광까지 차폐하는 산화텅스텐 나노입자를 물에 분산시켜 잉크로 제작했으며 유리 도포용은 Slitcoater를 채용했다.
기존 도포 프로세스는 100mm가 한계였으나 액정기판 제2세대 크기(370×470mm)까지 대면적화에 성공한 것으로 알려졌다.
구조소재 부문에서는 온도에 따라 눈 및 얼음 부착을 방지하는 표면처리기술을 개발하고 있다.
LED(Light Emitting Diode) 신호, 태양광 패널 등 한랭지 인프라 대책으로 기대되고 있으며 코스트 상승요인으로 작용하는 불소수지를 이용한 발수 및 발유기능 부여를 대체할 수 있는 것으로 파악되고 있다.
해당기술은 특히 민달팽이 체표면의 방오기능을 모방한 특징이 있어 더욱 주목받고 있다.
기름, 부동액 등 기능성 액체를 함유한 도막이 냉각되면 Syneresis라는 상분리 현상이 일어나 액체가 새어나오는 문제점이 있으나 새롭게 개발한 기술은 상온에서 분리되지 않아 불필요한 유출을 방지할 수 있는 것으로 알려졌다.
아울러 투명한 범용수지를 사용할 수 있어 비용이 저렴하고 얼음, 눈 등 고체 뿐만 아니라 점성 액체, 따개비 등 해양생물에도 뛰어난 부착 억제기능을 발휘하는 것으로 파악되고 있다.
테이진, 화학소재 플랫폼화로 미래 시스템 구축
테이진(Teijin)은 소재 분야에서 플랫폼 사업을 확립하고 있다.
개별 소재와 부품을 판매하는데 그치는 것이 아니라 시스템으로 완성해 최종 소비자가 어떻게 사용할지까지 제안할 수 있는 체제를 정비함으로써 새로운 비즈니스 모델을 구축할 계획이다.
초고령화 사회로 증가하고 있는 교통약자를 위한 저속 이동수단(LSV: Low-speed Vehicle)이나 내진보강 시스템 등을 플랫폼 사업으로 추진하는 방안이 유력하며 2022회계연도(2022년 4월-2023년 3월)까지 추진하는 중기경영계획 기간 안에 일정수준의 구상을 발표할 방침이다.
LSV는 일본을 비롯해 세계 각국에서 심화되고 있는 고령화 혹은 초고령화 사회에 급증하고 있는 교통약자를 위해 적합할 것으로 예상되고 있다.
테이진은 예전부터 오스트레일리아의 스타트업인 AEV Robotics와 저속 전기자동차(LS-EV) 경량화를 위한 공동연구를 추진해왔다.
태양전지를 탑재해 제로에미션을 실현시키는 것도 연구주제 가운데 하나이며 최종적으로는 사람들의 사회생활을 유지시키고 환경도 보호하는 것을 목표로 하고 있다.
LS-EV 완성 후 라이선스 사업을 운영하는 것까지도 검토 대상인 것으로 알려졌다.
테이진은 탄소섬유나 유리섬유 컴포지트, 글레이징 등에 사용할 수 있는 PC(Polycarbonate) 등 경량화에 도움이 되는 소재나 부품을 모두 공급할 수 있다는 강점을 갖추고 있다.
또 전동 휠체어를 포함해 설계함으로써 헬스케어 사업으로 연결시킬 수 있는 기반도 구축하고 있으며 그룹 관련기업과의 협업을 통해 단독으로는 창출하기 어려운 혁신제품이나 기술을 확대할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
내진보강 분야에서는 아라미드 섬유로 제조한 로프를 사용한 아라미드 브레이스 공법을 개발하고 있다.
강도 분석 및 설계와 시공 등을 실시할 수 있는 관련기업과 협업해 플랫폼을 구축하고 보강을 필요로 하는 공장이나 건축물을 시공업자에게 소개시켜주는 방향으로 사업을 추진할 계획이다.
테이진은 플랫포머로 거듭나기 위해 앞으로 필요한 투자를 적극 실시하면서 미래사회를 지탱할 수 있는 화학기업으로 성장하겠다는 청사진을 그리고 있다.
