도요타, MI 솔루션 서비스 제공 … 데이터 전처리로 개발기간 단축

신소재 개발 분야에서 MI(Materials Informatics) 활용이 가속화되고 있다.
MI는 연구자의 느낌을 계기로 실험을 반복하는 PDCA(계획-실행-평가-개선) 사이클의 일부를 디지털 프로세스로 전환함으로써 성과 고도화 및 개발 리드타임이 가능할 것으로 기대되고 있다.
그러나 MI를 유효하게 활용하기 위해서는 스펙트럼, 이미지 등 소재 관련 데이터를 기계학습에 사용할 수 있도록 분석‧정량화를 포함한 전처리를 실시한 후 축적해 데이터베이스화하는 정리작업이 요구됨에 따라 도입이 더딘 것으로 파악되고 있다.
MI는 실험 및 분석시험에서 소재 특성을 정리한 데이터베이스와 AI(인공지능)를 조합해 소재의 최적해를 결정하는 방법으로 구조가 비교적 단순한 알루미늄 소재 개발 등에서 효과를 발휘하고 있다.
알루미늄 압연제품 생산기업은 신규소재 탐색 뿐만 아니라 생산 프로세스 최적화, 품질관리 고도화에도 MI를 활용하고 있는 것으로 알려졌다.
최근에는 유기계, 특히 폴리머계 소재 개발에서도 유효성이 나타나기 시작했다.
MI 솔루션 서비스를 유상으로 제공하고 있는 도요타자동차(Toyota Motor) 관계자는 “아직 검토단계에 있으나 구조가 복잡해도 X선 산란, 회절, NMR(핵자기공명) 등 정보를 기계학습에 따라 간접적으로 정량화할 수 있다”며 “유기소재 속에 다양한 복합물을 분산시키면서 SEM(전자현미경), 산란 등을 사용해 구조 정량화를 확인하고 있다“고 밝혔다.
도요타가 제공하는 MI 솔루션 서비스는 독자적으로 개발한 소재 분석 플랫폼 Material DX(MDX)를 베이스로 목적에 맞는 데이터베이스를 구축해 활용을 지원하며, 자동차 소재 개발을 통해 축적한 지식 및 노하우를 포함한 자동분석 알고리즘을 활용함으로써 단기간에 적절한 개수의 샘플로 효과를 얻을 수 있는 강점을 자랑하고 있다.
도요타 연구사례에서는 20-30개의 샘플로 높은 효율을 얻고 있으며 개발기간을 20% 수준으로 단축한 것으로 확인되고 있다.
정보과학 등 전문지식이 적은 소재 기술자가 직접 운용할 수 있도록 설계했으며 최종적으로는 클라이언트가 단독으로 MI를 활용할 수 있도록 지원하는 것으로 알려졌다.
MDX는 스펙트럼, 화상데이터 등을 클라우드 상에서 자동으로 분석하고 분석 결과를 자동으로 축적·정리해 데이터 전처리가 불필요할 뿐만 아니라 브라우저에서 마우스만으로 조작할 수 있어 프로그래밍 언어 등 전문지식도 필요하지 않은 것으로 파악되고 있다.
도요타는 경량화, 환경대응 등 다양한 과제 해결에 신소재를 적극 활용하고 있다.
차체 경량화와 관련해서는 PP(Polypropylene)에 혁신을 일으킨 SOP(Super Olefin Polymer)를 개발했다.
SOP는 도요타가 독자적으로 개발한 분자설계이론에 따라 엘라스토머(Elastomer)를 연속상으로 만들어 PP를 미세분산 결정화했으며 1991년 Crown 시리즈의 범퍼에 채용한 이후 내·외장용으로 다양하게 투입하고 있다.
2017년 출시한 프리우스(Prius)의 플러그인하이브리드자동차(PHV) 버전은 백도어 구조재에 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic)를 채용했고, 당시 성형가공을 중심으로 시뮬레이션을 이용해 데이터과학 발전에도 크게 기여했다.
도요타가 제공하는 MI 솔루션에는 다양한 소재를 개발하면서 축적한 지식 및 데이터를 활용하는 노하우가 담져 있는 것으로 평가된다.
MDX는 네오디뮴(Nd) 자석의 Nd 함량 감축을 실현하는 조직 정량화에 활용되고 있다. Nd 자석은 일부를 희토류 가운데 저렴하고 매장량이 풍부한 란타넘(La), 세륨(Ce)으로 치환하고 자력 및 내열성 악화를 억제할 수 있는 기술을 개발해 Nd 함량을 최대 50% 감축함과 동시에 기존제품과 동등한 성능 유지에 성공했다.
실용화를 위해 조직 정량화 후 이론조직을 명확화해야 하는 문제가 있었으나 XRD(X-Ray Diffraction) 스펙트럼 데이터를 MDX로 정리해 기계학습함으로써 판단기준을 산출한 후 구조정보를 분석해 복잡하고 다양한 요인이 존재하는 코어쉘(Core-shell) 조직의 정량적인 해석에 성공했다.
이전에는 전자현미경 사진을 이용해 국소적인 구조밖에 파악할 수 없었으나 XRD 데이터를 통해 전체 구조를 단기간에 파악할 수 있었다.
도요타는 프로젝트당 3개월을 주기로 MI 솔루션 서비스를 제공하고 있다.
사전 컨설팅에 따른 도입계획 제안부터 자동분석 알고리즘 구축, 데이터의 실천적 활용 등 MI와 관련된 전체 프로세스를 지원하고 있으며 개별 클라우드 작성에 따른 보안체제를 확립하고 성과는 클라이언트에 종속되는 것으로 파악되고 있다.
앞으로는 유·무기를 불문하고 광범위한 소재 개발에 MI 솔루션을 적용하고, 밸류체인을 연동한 데이터 활용에 따라 소재, 프로세스, 가공 등 서플라이체인 전체에서 요구성능을 달성하도록 개발 프로세스를 다각화할 게획이다.
아울러 다양한 분야에서 MI를 도입함으로써 소재 개발의 효율화·고도화를 촉진해 제조업 경쟁력 강화에 기여토록 할 방침이다.