화학저널 2022.02.14

유리 대체에 자율주행용 컴파운드도 개발 … 코스트다운이 관건
일본이 CNF(Carbon Nano Fiber)의 자동차 적용에 박차를 가하고 있다.
일본은 자동차 경량화 용도를 노리고 다양한 CNF 신제품 개발에 나서고 있으며, 환경성 프로젝트를 통해 대학‧연구기관 등이 데모 자동차를 제작하는 등 실용화에 도전하고 있다.
최근에는 유리를 대체할 수 있는 복합수지 기술을 공개했고, 내장재나 에어컨 부품도 CNF 함유 소재 적용을 추진하고 있다.
탈탄소화를 위해 전기자동차(EV) 보급이 요구되는 가운데 식물 베이스 CNF를 사용한 경량화는 탄소중립에 유효할 것으로 기대되고 있으나 CNF 보급을 본격화하기 위해서는 큰 폭의 코스트다운이 요구되고 있다.
환경성은 CNF를 사용함으로써 자동차 무게를 10% 줄이는 나노셀룰로스(Nano Cellulose) 자동차(NCV) 프로젝트를 추진하고 있으며, 최근 공개한 슈퍼카 형태의 데모카는 썬루프에 일반 유리 대신 CNF 복합수지를 사용한 것으로 알려졌다.
도요타자동차(Toyota Motor)와 제지기업 오지(Oji)가 창유리 경량화를 위해 개발했으나 CNF와 투명수지를 용융‧혼연하는 기술로는 열 때문에 CNF에 열화나 분산 불량이 발생할 수 있고 황변되는 문제가 있어 개량을 거쳐 용도를 변경했다.
금형에 기계적 강도와 치수안정성이 우수한 투명 CNF 시트를 부착하고 PC(Polycarbonate)나 아크릴 수지로 인서트 성형하는 방식으로 개량했으며, 후부 유리창과 루프 패널 형태로 성형해 굴곡탄성률이 PC의 2배에 달하고 열팽창률은 절반으로 줄어든 것을 확인했다.
자동차 에어컨 케이스에도 적용을 진행하고 있다.
덴소(Denso)는 아세틸화 CNF를 사용해 강화한 바이오 PE(Polyethylene)로 케이스를 시험 제작했으며, 도요다고세이(Toyoda Gosei)는 PP(Polypropylene)와 CNF 복합소재로 고강성 프로토 필러 가니쉬를 시험 제작한 것으로 알려졌다. 다만, 도요다고세이 개발제품은 상용화를 위해 내충격성과 착색 문제를 해결해야 하는 것으로 파악되고 있다.
알메디오(ALMEDIO)는 자율주행 시대에 맞추어 ADAS(첨단 운전지원 시스템) 레이더파를 제어하는 기능을 갖춘 CNF 강화 컴파운드를 개발했다.
강화섬유로 성형제품의 강도와 탄성률을 대폭 향상시킬 수 있고 ADAS 시스템의 화상 해상도를 향상시키는 75-80GHz대 전파 흡수‧차폐 특성을 갖추고 있어 다양한 조건에서 안전한 운전을 가능하게 할 수 있다. 나노 사이즈로 리사이클 후에도 열화되지 않으며 해외기업을 포함해 다양한 자동차기업과 티어(Tier) 1, 화학기업 등으로부터 호평을 받고 있다.
알메디오는 핵심 소재인 CNF 공급을 확대하기 위해 2022년 9월 가동을 목표로 후쿠시마현(Fukushima) 후타바마치(Futabamachi)에 신규공장을 건설하고 있다.
알메디오는 자체 개발한 신형 CNF를 사용하는 수지 컴파운드를 적극 제안하고 있다. 섬유경 700나노미터에 섬유장 5마이크로미터 사이즈로 잘 응집되지 않고 더욱 미세한 카본 소재인 CNT(Carbon Nano Tube)보다 분산성이 우수해 보강 효과가 높은 것으로 평가되고 있다.
일반적인 2축 압출기로 깨끗하게 분산되며 PP 등 범용수지, PEEK(Polyether Ether Ketone) 등 슈퍼 EP(엔지니어링 플래스틱)에도 40% 정도 높은 비율로 배합할 수 있는 것으로 알려졌다.
나노소재이기 때문에 3회 MR(Material Recycle) 처리해도 물성이 열화되지 않는 등 리사이클성이 뛰어난 것도 특징이다. 습동성 부여에 탁월한 것으로 평가되며 강화소재 이외에 전자파 흡수‧차폐특성을 살려 용도를 개척할 수 있을 것으로 파악되고 있다.
자율주행 수준이 높아짐에 따라 자동차기업의 안전 대책의 중요성이 높아지고 있기 때문이다.
알메디오가 개발한 소재를 PP에 10% 정도 첨가하면 높은 수준의 전파 흡수 및 차폐 기능을 발휘할 수 있어 범퍼나 자동차 탑재용 밀리파레이더 전파 흡수층, 전자기 손실층에 사용하면 전파 반사가 가짜 상을 만드는 현상을 방지할 수 있을 것으로 기대되고 있다.
범퍼 등 자동차기업이 두께를 정해두고 있는 부재에도 소량을 첨가하면 기능을 충족시킬 수 있어 기존 설계를 그대로 살릴 수 있다.
CNF는 저렴한 소재는 아니나 첨가량이 적고 강화제로 사용하면 박막화에 도움이 돼 코스트 면에서도 우수한 것으로 평가되고 있고, 배합량을 늘리면 도전성과 열전도성을 부여할 수 있어 반도체 케이스용 방열소재로도 제안할 계획이다.
알메디오는 2022년 9월 신규공장을 완공해 10톤을 가동한 후 이후 단계적으로 20-30톤으로 생산능력을 확대할 계획이다. 항공기, 페인트 관련 공급계약을 확보했고 자율주행 자동차 외에도 독자적인 CNF 용도 확장에 총력을 기울이고 있다.
미세화시킨 CNF는 수지와 복합화함으로써 경량화 및 강도 향상 효과를 모두 확보할 수 있으나 가격이 kg당 1만엔으로 기존 수지보다 고가여서 보급이 어려운 것으로 평가되고 있다.
하지만, 시장이 확대되지 않는 이상 양산에 나서기 어려워 코스트다운이 진전되지 못하고 있다. (강윤화 선임기자)
<화학저널 2022년 2월 14일>
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