현대차·기아가 미래 모빌리티 실현에 근간이 될 나노 신기술을 공개했습니다.
현대차·기아는 20일 '나노 테크데이 2023'을 개최했습니다.
1나노미터는 10억분의 1미터로 작은 크기 단위에서 물질을 합성하고 배열을 제어해 새로운 특성을 가진 소재를 만드는 것을 나노 기술이라 부릅니다.
현대차·기아가 개발한 나노 기술로는 ▲손상 부위를 스스로 치유하는 '자가 치유 고분자 코팅' ▲나노 캡슐로 부품 마모를 획기적으로 줄이는 '오일 캡슐 고분자 코팅' ▲자동차와 건물 등 투명 성능 요구되는 모든 창에 적용 가능한 '투명 태양전지' ▲세계 최고 수준의 효율을 자랑하는 모빌리티 일체형 '탠덤(Tandem) 태양전지' ▲센서 없이 압력만으로 사용자의 생체신호를 파악하는 '압력 감응형 소재' ▲차량 내부의 온도 상승을 획기적으로 저감하는 '투명 복사 냉각 필름' 등입니다.
현대차·기아는 모빌리티 산업 변화를 선도하기 위한 해법이 소재 기술에서 찾을 수 있다고 판단하고 신소재 개발과 친환경 기술 연구에 박차를 가하는 중이라고 설명했습니다.
이종수 현대차·기아 선행기술원장(부사장)은 "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 적용할 것"이라고 말했습니다.
나노 소재를 활용한 두 가지 고분자 코팅 기술은 살아있는 유기체처럼 상처를 스스로 치유하고, 마찰이 발생하는 부위에 캡슐이 터지면서 윤활막을 형성하는 기술입니다.
셀프 힐링 고분자 코팅은 차량의 외관이나 부품에 손상이 났을 때 스스로 손상 부위를 치유하는 기술로, 상온에서 별도의 열원이나 회복을 위한 촉진제 없이도 두 시간여 만에 회복이 가능하고, 반영구적으로 치유가 가능하다는 장점이 있습니다.
현대차·기아는 자율주행의 핵심 부품으로 카메라 렌즈와 라이다 센서 표면 등에 우선 적용을 검토하고 있습니다. 향후에는 차량의 도장면이나 외장 그릴 등으로 적용 범위를 확대할 계획입니다. 더불어 혹독한 외부 환경에서도 셀프 힐링 성능을 유지하고 발수와 절연과 같은 기능을 더하기 위한 연구도 지속할 방침입니다.
오일 캡슐 고분자 코팅은 나노 캡슐이 포함된 고분자 코팅을 부품 표면에 도포하면 마찰 발생 시 코팅층의 오일 캡슐이 터지고 그 안에 들어있던 윤활유가 흘러나와 윤활막을 형성하는 원리입니다.
이러한 오일 캡슐 기술은 액체와 고체 윤활제의 장점을 모두 갖춘 것이 특징으로, 나노 캡슐 내에 액체 윤활 성분을 포함하고 있어 낮은 비용으로도 높은 윤활 효과를 거둘 수 있습니다. 고체 윤활제와 같이 넓은 범위에서도 적용이 가능합니다.
이 기술은 발열과 마찰이 큰 차량의 핵심 동력 전달 부품에 적용돼 내구성과 효율을 개선할 것으로 기대됩니다. 특히 전기차 모터와 감속기어의 회전량 손실을 줄여 전비 개선을 도모하고 부품 수명도 향상시킬 수 있습니다.
현대차·기아는 엔진의 구동력을 바퀴에 전달하는 드라이브 샤프트에 이 기술을 적용해 양산을 목표로 제품을 개발하고 있습니다. 향후에는 향기를 포함한 나노 캡슐을 실내 내장재 마감에 적용해 손길이 스칠 때마다 다채로운 향을 느낄 수 있게 하는 방안도 검토 중입니다.
또한, 태양전지 기반의 고효율 에너지 생성 기술은 전동화 차량은 물론 건물 등에도 활용될 수 있어 미래 성장 잠재력이 매우 큰 기술로 꼽힙니다.
현대차·기아가 이날 공개한 '투명 태양전지'는 전기적, 광학적 특성을 지닌 페로브스카이트 소재를 이용한 태양전지 기술입니다. 페로브스카이트는 빛을 전기로 바꾸는 광전효율이 높아 태양전지로 제작했을 때 발전효율이 실리콘 태양전지 대비 30% 이상 높은 것으로 알려져 있습니다.
특히 대면적(200㎠ 이상) 투명 태양전지를 개발했다는 점에서 의미가 있습니다. 모듈 단위로 커진 상황에서도 1.5와트급 성능을 보이는 투명 태양전지를 개발한 것은 세계 최초입니다.
투명 태양전지의 활용성은 앞으로 무궁무진할 전망입니다. 기존 불투명 실리콘 태양전지는 전동화 차량의 지붕 위에만 한정적으로 적용돼 왔지만, 투명 태양전지는 차량의 모든 글라스에 적용돼 더 많은 발전량으로 전기차 효율을 극대화할 것으로 기대됩니다.
이에 더해 탠덤 태양전지는 두 개의 태양전지를 적층해 서로 다른 영역대의 태양광을 상호 보완적으로 흡수해 35% 이상의 에너지 효율 달성이 가능한 기술입니다.
2022년 UNIST(울산과학기술원)와 공동연구실을 출범하고 고효율의 탠덤 태양전지를 개발 중입니다. 자체 시험 평가에서 세계 최고 수준인 30% 이상에 달하는 에너지 효율을 기록하는 등 성과도 내고 있습니다.
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 있습니다. 현재 일 평균 태양광 발전만으로(국내 평균 일조량 4시간 기준) 20km 이상의 추가 주행거리를 확보하는 것을 목표로 합니다.
이날 공개한 압력 감응형 소재는 별도의 센서 없이 소재에 가해지는 압력을 전기 신호 형태로 변환하는 기술입니다. 차량의 발열시트 폼 내부에 적용돼 탑승자의 체형 부위만 정확하게 발열시켜 줍니다. 필요하지 않는 부위의 발열을 억제함으로써 소비전력 절감을 돕고, 전동화 차량의 경우에는 추가 주행거리 확보가 가능해집니다.
소재 개발에는 탄소나노튜브가 활용됐습니다. 탄소나노튜브는 수 나노에서 수십 나노미터 지름을 가진 탄소 집합체로, 튜브 모양의 구조를 갖추고 있어 가볍고 튼튼하며 전기전도도 및 열전도도가 뛰어나다는 특징이 있습니다.
현대차·기아가 개발한 '투명 복사 냉각필름'은 차량의 유리에 부착돼 더운 날씨에도 별도의 에너지 소비 없이 차량 내부의 온도 상승을 낮추는 친환경 기술입니다. 특히 차량의 글라스에 적용할 수 있을 정도로 양산성을 고려해 대면적화까지 성공한 사례는 세계 최초입니다.
다층 필름 구조로 이뤄진 이 소재는 외부로부터 들어오는 자외선, 가시광선, 근적외선과 같은 열을 차단하고 효과적인 복사냉각을 위해 원적외선대의 열을 방사합니다.
기존 틴팅 필름이 외부의 열 차단만 가능한 반면, 투명 복사 냉각 필름은 열이 외부로 방출되도록 하는 기능이 추가되어 차량 내부 환경을 쾌적하게 하는 동시에 탄소 저감효과까지 얻을 수 있습니다.
현대차·기아는 자체 시험한 결과, 복사냉각 필름을 부착한 차량은 기존 틴팅 필름 적용 차량보다 최대 7℃가량 실내 온도가 낮아지는 효과를 볼 수 있었다고 밝혔습니다. 여름철 차량 탑승 직후 에어컨 사용량을 크게 줄일 수 있게 됨으로써 차량 운행주기 탄소배출량은 약 0.3~0.8% 저감될 것으로 예상됩니다.
홍승현 현대차·기아 기초소재연구센터장(상무)은 "오늘 공개된 나노 기반 기술들은 소재 전문가들이 지속적인 노력을 기울인 결과"라며 "나노 소재 기술은 모빌리티 산업 변화를 선도할 중요한 열쇠가 될 것"이라고 말했습니다.
한편, 현대차·기아는 21일 열리는 ‘나노 테크데이 2023’ 2일차 행사에 소재 분야 전공 대학생들을 초청해 나노 소재에 대한 개발 경험을 공유하고, 학생들의 질문에 연구원들이 답하는 소통의 시간을 가질 예정입니다.
