[천지일보=정다준 기자] 현대자동차와 기아가 나노(Nano) 소재를 기반으로 만들고 있는 꿈 같은 미래 기술을 선보였다.
현대차·기아는 20일 서울 중구 명동에 위치한 커뮤니티하우스 마실에서 ‘나노 테크데이 2023’을 개최하고, 미래 모빌리티 실현의 근간이 될 나노 신기술을 대거 공개했다.
1나노미터(nm)는 10억분의 1미터(m)로, 머리카락 굵기의 10만분의 1 수준이다. 이렇게 작은 크기 단위에서 물질을 합성하고 배열을 제어해 새로운 특성을 가진 소재를 만드는 것을 나노 기술이라 부른다.
현대차·기아는 이날 각기 다른 목적과 활용도를 가진 총 6개의 나노 소재 기술을 소개하고 별도의 전시 공간을 마련해 직접 체험해 볼 수 있도록 했다. 이날 소개된 나노 소재 기술은 ▲셀프 힐링(Self-Healing, 자가치유) 고분자 코팅 ▲오일 캡슐 고분자 코팅 ▲투명 태양전지 ▲탠덤(Tandem) 태양전지 ▲압력 감응형 소재 ▲투명 복사 냉각 필름 등이다.
현대차·기아의 소재 연구는 1970년대부터 시작됐다. 1990년대 후반에는 첨단 소재를 중점적으로 연구하는 조직을 갖추고 대규모 투자와 다양한 연구 프로젝트를 진행해 오고 있다.
현대차·기아는 “나노 등 첨단 소재 기술 개발에 진심이다. 소재야말로 세상 모든 모빌리티의 출발점”이라며 “전동화, SDV, 자율주행 등 미래 모빌리티 혁신 역시 소재라는 원천 기술이 뒷받침돼야 완벽한 구현이 가능해진다”고 강조했다.
현대차·기아는 특히 전동화 체제 전환과 탄소중립 등 한층 거세게 불고 있는 모빌리티 산업 변화를 선도하기 위한 해법 역시 소재 기술에서 찾을 수 있다고 판단하고 신소재 개발과 친환경 기술 연구에 박차를 가하고 있다.
이종수 현대차·기아 선행기술원장 부사장은 인사말을 통해 “기술 혁신의 근간에는 기초이자 산업융합의 핵심 고리인 소재 혁신이 먼저 있었다”며 “앞으로도 산업 변화에 따른 우수한 첨단 소재 기술을 선행적으로 개발해 미래 모빌리티에 적극 적용해 나갈 것”이라고 밝혔다.
◆손상 부위 반영구 자가치유
셀프 힐링 고분자 코팅은 차량의 외관이나 부품에 손상이 났을 때 스스로 손상 부위를 치유하는 기술을 말한다. 현대차·기아가 개발한 셀프 힐링 기술은 상온에서 별도의 열원이나 회복을 위한 촉진제 없이도 두 시간여 만에 회복이 가능하고 반영구적으로 치유가 가능하다는 장점이 있다. 이 기술은 셀프 힐링 소재가 코팅된 부품에 상처가 나면 분열된 고분자가 화학적 반응에 의해 맞닿아 있던 원래 상태로 돌아가려는 성질을 활용한 것이다.
현대차·기아는 우선적으로 자율주행의 핵심 부품인 카메라 렌즈와 라이다 센서 표면 등에 적용을 검토하고 있다. 고객 안전을 위해 가장 효과가 클 것이라는 판단 때문이다. 향후에는 차량의 도장면이나 외장 그릴 등으로 적용 범위를 확대해 나갈 계획이다. 이와 더불어 혹독한 외부 환경에서도 셀프 힐링 성능을 유지하고 발수와 절연과 같은 기능을 더하기 위한 연구도 지속할 방침이다.
◆나노 캡슐로 부품 마모 획기적 줄여
오일 캡슐 고분자 코팅은 셀프 힐링의 또 다른 방식인 나노 캡슐을 연구하는 과정에서 가능성을 확장해 개발된 스핀 오프(spin-off, 파생적으로 발생한) 기술이다. 이 기술은 부품에 저 마찰과 내마모성을 부여해 제품의 부가가치를 향상시킨다. 나노 캡슐이 포함된 고분자 코팅을 부품 표면에 도포하면 마찰 발생 시 코팅층의 오일 캡슐이 터지고 그 안에 들어있던 윤활유가 흘러나와 윤활막을 형성하는 원리다.
현대차·기아가 개발한 오일 캡슐 기술은 액체와 고체 윤활제의 장점을 모두 갖춘 것이 특징이다. 나노 캡슐 내에 액체 윤활 성분을 포함하고 있어 낮은 비용으로도 높은 윤활 효과를 거둘 수 있으며, 고체 윤활제와 같이 넓은 범위에서도 적용할 수 있다.
현대차·기아는 엔진의 구동력을 바퀴에 전달하는 드라이브 샤프트(Drive Shaft)에 이 기술을 적용해 양산을 목표로 제품을 개발 중이다. 향후에는 향기를 포함한 나노 캡슐을 실내 내장재 마감에 적용해 손길이 스칠 때마다 다채로운 향을 느낄 수 있게 하는 방안도 검토하고 있다.
◆투명 창에서 태양광 발전
현대차·기아가 이날 공개한 ‘투명 태양전지’는 우수한 전기적, 광학적 특성을 지닌 페로브스카이트(Perovskite) 소재를 이용한 태양전지 기술이다. 페로브스카이트는 빛을 전기로 바꾸는 광전효율이 높아 태양전지로 제작했을 때 발전효율이 실리콘 태양전지 대비 30% 이상 높은 것으로 알려져 있다.
현대차·기아는 페로브스카이트의 또 다른 특징인 투과성을 극대화하기 위한 연구를 통해 광흡수층 두께 조절을 통해 태양광 발전과 물리적인 투명 상태 구현이라는 두 마리 토끼를 모두 잡는 성과를 거뒀다. 특히 기존 셀 단위(1㎠) 소면적 연구에서 벗어나 대면적(200㎠ 이상) 투명 태양전지를 개발했다는 점에서 의미가 있다. 모듈 단위로 커진 상황에서도 1.5와트(W)급 성능을 보이는 투명 태양전지를 개발한 것은 세계 최초다.
또 건물의 창문도 대체함으로써 에너지 소비를 절감하는 동시에 외관상으로도 크게 이질감 없는 건축 설계가 가능할 것으로 보인다. 이를 위해 현대차·기아는 현대건설 등과 함께 다양한 연구를 진행하고 있다.
◆세계 최고 효율 ‘탠덤 태양전지’
현대차·기아는 실리콘 태양전지 위에 차세대 태양광 소재인 페로브스카이트를 접합해 만든 ‘탠덤 태양전지’에 주목하고 있다. 두 개의 태양전지를 적층해 서로 다른 영역대의 태양광을 상호 보완적으로 흡수해 35% 이상의 에너지 효율 달성이 가능한 기술이다.
현대차·기아는 2022년 울산과학기술원(UNIST)과 공동연구실을 출범하고 고효율의 탠덤 태양전지를 개발 중이다. 자체 시험 평가에서 세계 최고 수준인 30% 이상에 달하는 에너지 효율을 기록하는 등 값진 성과도 내고 있다.
현대차·기아는 친환경차의 후드, 루프, 도어 등 태양광을 직접적으로 많이 받는 부위에 탠덤 태양전지를 적용하는 것만으로도 일상 주행이 가능한 전력을 생산할 수 있을 것으로 예상하고 있다. 현재 일 평균 태양광 발전만으로(국내 평균 일조량 4시간 기준) 20㎞ 이상의 추가 주행거리를 확보하는 것을 목표로 하고 있다.
◆센서 없이 압력만으로 생체신호 파악
현대차∙기아가 이날 공개한 ‘압력 감응형 소재’는 별도의 센서 없이 소재에 가해지는 압력을 전기 신호 형태로 변환하는 기술이다. 차량의 발열시트 폼(foam) 내부에 적용돼 탑승자의 체형 부위만 정확하게 발열시켜 준다. 필요하지 않는 부위의 발열을 억제함으로써 소비전력 절감을 돕고, 전동화 차량의 경우에는 추가 주행거리 확보가 가능해진다.
소재 개발에는 탄소나노튜브(CNT)가 활용됐다. 탄소나노튜브는 수 나노에서 수십 nm지름을 가진 탄소 집합체로, 튜브 모양의 구조를 갖추고 있어 가볍고 튼튼하며 전기전도도 및 열전도도가 뛰어나다는 특징이 있다. 시트에 일정 수준 이상의 압력이 가해지면 탄소나노튜브의 접촉이 증가해 저항이 줄어들고 전류량이 늘어나 해당 부위에 발열이 발생하는 원리를 활용했다.
현대차∙기아는 이 소재를 특수 용액에 균일하게 분산시켜 스펀지와 같은 시트 폼에 코팅하는 공정 기술을 독자 개발했다. 시트 폼의 유연한 물리적 성질을 유지할 수 있도록 용액을 최대한 얇게 코팅했으며 반복되는 마찰에도 성능을 유지할 수 있도록 내구성도 확보했다.
◆유리 부착해 車 내부 온도 상승 저감
현대차∙기아가 개발한 ‘투명 복사 냉각 필름’은 차량의 유리에 부착돼 더운 날씨에도 별도의 에너지 소비 없이 차량 내부의 온도 상승을 낮추는 친환경 기술이다. 특히 차량의 글라스에 적용할 수 있을 정도로 양산성을 고려해 대면적화까지 성공한 사례는 현대차∙기아가 세계 최초다. 복사냉각은 물체가 복사열을 흡수하는 양보다 방출하는 양이 많아 온도가 내려가는 현상을 말한다.
다층 필름 구조로 이뤄진 이 소재는 외부로부터 들어오는 자외선, 가시광선, 근적외선과 같은 열을 차단하고 효과적인 복사 냉각을 위해 원적외선대의 열을 방사한다. 기존 틴팅 필름이 외부의 열 차단만 가능한 반면, 투명 복사 냉각 필름은 열이 외부로 방출되도록 하는 기능이 추가돼 차량 내부 환경을 쾌적하게 하는 동시에 탄소 저감 효과까지 얻을 수 있다.
현대차∙기아가 실제 차량에 적용해 자체 시험한 결과에 따르면 복사냉각 필름을 부착한 차량은 기존 틴팅 필름 적용 차량보다 최대 7도가량 실내 온도가 낮아지는 효과를 볼 수 있었다. 이에 따라 여름철 차량 탑승 직후 에어컨 사용량을 크게 줄여 차량 운행주기 탄소배출량은 약 0.3~0.8% 저감될 것으로 내다봤다.
홍승현 현대차·기아 기초소재연구센터장 상무는 “오늘 공개된 나노 기반 기술들은 현대차그룹 소재 전문가들이 지속적인 노력을 기울인 결과”라며 “나노 소재 기술은 모빌리티 산업 변화를 선도할 중요한 열쇠가 될 것”이라고 강조했다.
