2030년에 꽃피는 10대 재료 - 차세대 파워 소자에서 인공거미 실까지

[chahlley]

해동일본기술정보센터가 전하는 미래와 기술
2030년에 꽃피는 10대 재료 차세대 파워 소자에서 인공거미 실까지

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 주목할만한 10대 재료를 소개한다.

① 전고체배터리(All Solid Battery)용 LGPS계 전해질
영하 30도의 지역에서도 달릴 수 있는 EV 2025년부터 2030년 무렵에, 차량탑재 배터리의 세대 교체가 일어 날 것 같다. 다양한 “포스트 리튬이온 배터리” 후보 가운데, 가장 주목 받고 있는 것이 전고체배터리다. 배터리 연구자는 하나의 개 발 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.

② 산화갈륨 (Ga2O3)
포스트 SiC의 차세대 파워반도체로 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, 2030년대에 는 Ga2O3(산화갈륨)의 실용화가 예상된다. Ga2O3의 이점은 차세 대 파워반도체 중에서는 가장 비용이 낮고, 또한 SiC나 그것을 웃 도는 GaN과 같은 레벨의 성능을 달성할 가능성이 있다는 점이다.

③ Carbon Nanotube (CNT)
탄소섬유 수준 가격으로, 전선에 응용 기대 많은 자동차부품의 성능을 향상시킬 가능성을 갖고 있는 CNT. 비 교적 싸게 만들 수 있는 다층CNT가 먼저 보급되었지만, CNT 본래 의 높은 도전성이나 강도를 실현하는 단층CNT의 실용화가 가까워 졌다. 일본Zeon사가 2015년 말에 단층CNT 양산 공장을 가동하였 다. 과제였던 가격은 크게 낮아질 전망이다.

④ 1-12계 희토류 자석, L10형 FeNi자석
탈 네오듐 자석으로 자원 리스크 회피 현재의 차량탑재 구동 모터에는 네오듐(Nd)이나 철(Fe), 붕소(B)를 주성분으로 하는「네오듐 자석」이 이용되고 있다. 네오듐 자석은 높 은 자력 때문에 1980년대 초에 등장한 이래 30년 이상에 걸쳐 1위 를 유지하고 있다. 2010년에 중국의 수출규제조치로 인해 중희토 류의 가격은 크게 올랐으며, 일본의 자동차회사는 네오듐 자석의 자원 리스크에 직면하였다. 그래서 정부는 NEDO를 기축으로 중희 토류를 사용하지 않는 자석 개발을 추진하고 있다.

⑤ 인공광합성 전극용 Cu계 촉매
효율은 식물수준, CO2 가스를 연료로 자동차공장이나 화학플랜트에서 배출되는 CO2를 이용하여 에너지 원이 되는 탄화수소를 생성한다. 그런「인공광합성」시스템이, 자동 차용으로도 2030년경에 실용화될 전망이다.

⑥ 열전(熱電) 변환재료 (Mg-Si계와 Mn-Si계)
엔진 배열(排熱)로 고효율 발전(發電) 가솔린 엔진의 연소에너지 중 60~70%는 엔진의 배기나 라디에이 터의 배열과 같은 형태로 버려진다. 이 에너지 손실을 줄이는 방법 의 하나로서 검토되는 것이「Seebeck Effect」를 이용하여 발전하는 열전변환소자다.

⑦ Cellulose Nano Fiber (CNF)
차량 질량의 20%경량화 목표 수지에서 나오는 재료로 내·외장 등 자동차의 다양한 부품을 만든 다. 2030년에는 양산 차에서 실현이 가능할지도 모른다. 기대하고 있는 새로운 재료는「Cellulose Nano Fiber(CNF)」다. 강판을 대체 하여 사용한다면 차량 질량의 20%정도 가볍게 할 수 있다.

⑧ 마그네슘(Mg) 합금
알루미늄 합금보다 강하게 성형 용이 자동차 바디의 외판과 골격에 마그네슘 합금을 적용한다. 쉽게 타 지 않고, 6000계나 7000계의 알루미늄(Al) 합금 수준으로 강도 가 높은 Mg합금의 등장으로, 2030년까지 실용화하는 것을 목표 로 한다. 

⑨ 인공거미 줄
승객의 충격흡수 내장수지에 활용 신축성이 있는 거미집 패턴의 네트 시트는 신체의 요철을 감싸 하
중을 분산함으로써 쾌적한 장시간의 착석을 가능하게 한다. 도요타 자동차가 2016년 9월에 첫 공개한 자동차 시트「Kinetic Seat Concept」이 그것이다. 실은 이 시트는 재료에도 “거미”를 사용한다.

⑩ 환동(環動, Gyration) Polymer 도입 수지
충격흡수 강도 2배 이상 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 연구그룹이다. Crush Box와 같은 충격 흡수 부재에 적용하는 것을 예상하고 있다.  

[Nikkei Automotive 2017년 2월호 특집요약 / hjtic.snu.ac.kr/ 02-880-8279] 

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- 서울공대 소식지 104호에서