※ 아래 글은 정보통신기술진흥센터(IITP)가 발간하는 주간기술동향 1860호(2018. 8. 22. 발행)에 기고한 원고입니다.


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MIT, 세탁 가능한 직물 형태의 웨어러블 개발, 2019년 초 상용화.pdf



미국 매사추세츠 공과대학(MIT)과 스위스 로잔연방공과대학(EFPL) 등은 LED나 수광소자 (PD) 등을 배선과 함께 넣은 합성 섬유를 천 모양으로 짠 소프트 하드웨어를 개발


이 천은 세탁기에서 10회 이상 세탁할 수 있는 것으로 검증되었으며, 각종 센서 등을 갖춘 웨어러블 장치로 2019년 초에 상용화를 예정하고 있는데, 미 육군도 유니폼의 일부에 채택할 것을 검토 중이라고 함


<자료> Courtesy of the researchers

[그림 1] MIT가 개발한 섬유 소재형 웨어러블


이 웨어러블형 소재의 개발에는 MIT 재료과학 및 전자 엔지니어링 교수 요엘 핑크의 연구 그룹과 그가 CEO로 있는 기능성 섬유 개발 기업 Advanced Functional Fabrics Of America(AFFOA), 스위스 로잔 연방공과대학 등이 공동으로 참여하였음


제작 과정을 보면 먼저 가열하여 부드럽게 만든 원통형의 합성수지 안에 머리카락 정도의 가느다란 구리(Cu)선 및 LEDPD를 삽입한 후 섬유로 뽑아내며, 이를 천으로 짜는 작업은 일반 방직기를 그대로 사용함


섬유나 직물은 방수성이 있어 삽입한 LED나 배선 등은 수중에 넣어도 작동하는데, MIT에 따르면 세탁기에서 섬유를 10번 빨아도 기능을 유지했다고 함


또한 수중에서 소자가 동작하는 것도 확인했는데, 수족관에 PD를 삽입한 섬유를 넣고 수조 밖의 램프를 고속으로 점멸함으로써 헨델의 수상 음악신호를 PD에 보냈더니 PD가 그 신호를 받아 전기 신호로 변환했고 연결된 스피커가 음악을 연주했다고 함


MITAFFOALEDPD 등 발광소자 뿐만 아니라 10년 가까이 전부터 온도 센서, MEMS(초소형정밀기계기술) 마이크와 스피커, 촉각 센서, 심장 박동 및 뇌파 등 생체 센서, 통신 IC 메모리, 각종 발전 소자 등을 삽입한 섬유나 직물을 개발 중


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※ 아래 글은 정보통신기술진흥센터(IITP)가 발간하는 주간기술동향 1844호(2018. 5. 2. 발행)에 기고한 원고입니다.


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탄소나노튜브(CNT)로 가능성의 영역에 들어선 ‘우주 엘리베이터’.pdf



[ 요 약 ]


지구의 자원과 에너지 고갈이 전인류적 문제로 대두되면서 해결책으로 우주 개발이 제안되고 있음태양계에는 지구보다 광물 자원이 풍부한 소행성도 적잖이 존재한다는 것인데하지만 그 자원을 지구로 운송할 비용효율적인 수단이 현재는 없음우주 공간에서 지구까지 와이어를 늘어뜨리고 이를 통해 사람과 물자를 수송한다는 우주 엘리베이터 계획은 공상에 가까웠으나 탄소나노튜브 등 신소재의 등장으로 2050년경에는 가능할 것으로 전망되고 있음



[ 본 문 ]


ž 우주에는 지구보다 미네랄이 풍부한 소행성들이 많지만 이들 행성으로부터 지구로 자원을 가져오려면 비용효율적인 운송 수단이 필요함



Ø 지구상의 인구는 여전히 증가하고 있고이 인구를 부양하기 위한 자원과 에너지는 계속해서 고갈되어 가고 있는 상황이기 때문에최근 들어 우주개발은 에너지 문제 해결책 마련을 위한 대안의 하나로 주목받고 있음


Ø 예를 들어 미 항공우주국(NASA), 우주 공간에서는 태양광을 가로막는 것이 없어 지구 표면보다 24배 효율로 태양광 발전이 가능하기 때문에 우주에서 태양광 에너지를 만들고 마이크로파를 이용해 지상에 전송해 활용하자는 아이디어를 내고 있음


<자료> Futurism


[그림 1] NASA의 우주 태양광 발전 계획



Ø 우주 태양광 외에도 다양한 우주자원 개발에 대한 논의가 있는데, 게임에서 흔히 기본 설정으로 차용되고 있는, 소행성에 존재하는 미네랄을 캐서 활용하자는 제안이 대표적임


Ø 우리가 사는 지구의 표면에는 사실 광물 자원이 풍부한 곳이 별로 없는데, 지구가 부글부글 끓는 마그마 상태일 때 무거운 원소가 내부에 가라 앉아 버렸기 때문임


Ø 이에 비해 태양계의 우주 공간에는 미네랄이 풍부한 소행성이 많이 떠돌고 있는데, 예를 들어 지난 2015년 미국 기업 플래너테리 리소스는 소행성 511다비다(Davida, 일명 1903LU) 1,538경 달러의 자원이 매장되어 있다고 추정한 바 있음


Ø 그러나 우주개발을 통해 미네랄 같은 자원을 확보하더라도 문제는 지구로 가져오기 위해서는 대량수송 기관이 필요하다는 것인데, 우선 생각해 볼 수 있는 대량수송 로켓은 비용효과성이 전혀 맞지 않으며, 로켓은 짐을 가져 갈 수는 있으나 가져 올 수는 없음


Ø SF 처럼 워프(Warp) 같은 것이 실현 가능하다면 모르겠지만 그야말로 꿈 같은 이야기이고, 현재로서는 건설하는 데 50년이 걸릴지 100년이 걸릴지 모르지만 그나마 가능성이 보이고 가장 비용효과성이 좋을 것으로 기대되는 수송기술이 우주 엘리베이터


ž 우주 엘리베이터는 우주 공간에서 길이 수만 ㎞ 와이어를 지상에 늘어뜨려 클라이머(Climber)라 부르는 차량이 오르내리게 하는 인류 최대의 수송 인프라 계획임


Ø 우주 엘리베이터라는 아이디어 1960년대부터 존재해 왔는데, 지구의 정지위성 궤도, 즉 적도 상의 고도 3 6 km에서 지상으로 밧줄(와이어)를 매달고 이를 오르내리는 기계를 이용해 물자와 사람을 수송해 보자는 것임


<자료> xTech


[그림 2] 우주 엘리베이터 구상도


Ø 지구에서 달까지의 거리가 약 38 3 km이므로 현재 미국, 일본 등에서 현재 연구의 목표로 하고 있는 우주 엘리베이터의 와이어 길이는 정지위성 궤도까지 거리보다 훨씬 긴 약 10 ㎞ 내외임


Ø 우주 엘리베이터 구상도를 보면 수직으로 이동하는 모노레일의 이미지에 가까운데, 늘어뜨려진 와이어 위를 기차 차량과 비슷한 클라이머(climber)가 오르내리는 방식임


Ø 와이어의 길이가 10 km이고 클라이머가 시속 200 오르내린다고 가정하면 끝에서 끝까지 이르는 과정은 3주가 소요되는 셈인데, 중간 지점인 되는 정지 궤도(적도 상공 3 6천 ㎞) 가까워질수록 지구의 중력에서는 벗어나게 됨


ž 우주 엘리베이터의 연구가 시작되고는 있지만 아직은 초보 단계이며, 전문가들은 대략 2050년경에 실현 가능할 것으로 전망하고 있음


Ø 우주 엘리베이터는 천체의 자전에 의한 원심력에 의해 사람과 물자를 우주로 전송하는데 사용할 수도 있음


Ø 해머 던지기에서는 선수가 스스로 회전하며 해머를 휘두르고 그 원심력으로 해머를 멀리 날리는데, 그와 동일한 방식으로 우주 엘리베이터 맨 끝부분에서는 큰 원심력을 얻을 수 있기 때문에 효율적으로 우주 공간에 물자를 날려보낼 수 있다는 것임


Ø 이런 식으로 지구뿐 아니라 소행성, 화성, 목성, 토성의 위성에 우주 엘리베이터를 건설함으로써 태양계 물류망을 구축하게 된다면 우주 개발을 효율적으로 추진할 수 있는 수단이 될 수 있을 것으로 기대하고 있음


Ø 과학자들은 우주 엘리베이터가 2050년경에 구현될 것으로 보는데, 지구에 앞서 소행성, 화성, 달에 먼저 구축한 뒤 마지막으로 지구에 연결될 것으로 보고 있음


ž 우주 엘리베이터가 오랫동안 아이디어로만 존재하다 실현 가능성을 보이기 시작한 것은 실현 가능한 강도(強度)를 제공하는 탄소나노튜브(CNT) 소재가 등장하면서부터임



Ø 물자뿐 아니라 사람도 실어 나르려는 이 장대한 우주 인프라가 실현되려면 와이어가 말 그대로 생명줄이 되는데, 설계상 70~80 GPa(기가파스칼, 1GPa는 약 1천 기압) 정도의 높은 장력을 요구함


Ø 또한 길이가 10 km에 달하는 긴 와이어를 내려뜨리더라도 자체의 무게로 인해 끊어지지 않을 정도의 강도()를 가진 소재가 필요한데, 그 후보 소재로 유력시되고 있는 것이 탄소나노튜브(CNT)


Ø 탄소나노튜브(CNT)는 탄소 원자가 그물망처럼 결합하며 통 모양으로 된 구조를 하고 있는데, CNT 하나의 직경은 20 나노미터(1나노미터 10억 분의 1 미터)


<자료> Space Elevator Association


[그림 3] 실처럼 꼰 탄소나노튜브(CNT)


Ø CNT의 단면적당 인장 강도는 철강의 약 20 배에 이르며, 무게는 철근의 4분의 1에서 3분의 1, 전류 밀도는 구리의 100 배 이상, 열전도율은 구리보다 5 배 이상임


Ø 이러한 우월한 특성을 가진 CNT는 다양한 응용이 기대되고 있는데, 특히 전류 밀도의 특성을 살려 연료 전지와 전기를 모아 두는 커패시터(capacitor)로 활용이 기대되고 있음


Ø 이 밖에도 건설용 재료로서는 높은 인장 강도의 특성이 기대되며, 철근 및 강재 케이블의 대체재로 사용 가능성도 적극 고려되고 있음


Ø 가령 콘크리트 빔 속에 들어가는 직경 32mm의 철근을 1mm 이하의 CNT로 대체할 수 있는 것으로 알려져 있는데, 실용화된다면 구조물의 대폭적인 경량화에 기여할 수 있음


ž 이론적 가능성을 넘어 우주에서 실제로 CNT 사용하려면 길이, 무결함, 내구성 산적한 과제를 해결해야 하는데, 현 시점에서 요원한 것들이지만 여러 실험이 시작되고 있음


Ø 일본에서는 2015 4월부터 CNT 내구성 연구와 관련해 우주 환경에서 노출하는 실험을 시작했으며, 2017 7월에 2년간의 노출 기간을 마치고 시험체를 회수하여 손상 정도를 확인하였음


<자료> JAXA


[그림 4] 우주정거장의 CNT 간이 노출 실험장치


Ø 자외선, 방사선, 원자상 산소 등에 일정 기간 동안 노출된 CNT어떤 열화가 발생하는지 확인한 것인데, 자외선 한 가지 요소에 대한 환경 평가는 지상에서도 있었지, 우주 공간처럼 여러 요소가 복합적으로 영향을 끼치는 환경에서 열화 평가로는 시도였음


Ø 노출 실험에서는 CNT 뭉친 소재를 사용했는데 직경은 20 마이크로미터였고, 비교를 위해 피복하지 않은 꼰 실과 에폭시 수지로 피복한 꼰 실을 준비하였음


Ø 폭시 수지는 방사선이나 자외선으로 즉시 열화될 것을 알고 있었으므로, 고온, 마찰, 방사선, 여러 화학 약품 등에 대한 내구성이 강한 수지로 인공위성의 표면을 덮는 데 사용되는 폴리이미드 필름을 에폭시로 피복한 CNT 위에 깔았음


Ø 노출 실험 장소는 지상에서 400 km 부근을 비행하는 국제우주정거장(ISS) 실험 구간의 선외 실험 플랫폼이었으며, CNT 붙인 간이 노출 실험 장치(ExHAM) 우주정거장 밖에 부착하였음


Ø  ISS 진행 방향의 전면과 후면에 CNT 시험체가 오도록 배치하였고, 전면에서는 1 동안, 후면에서는 1년 및 2 동안 노출시킨 두 회수하였음


Ø 회수한 시험체를 전자 현미경으로 검토한 결과, ISS 진행 방향의 뒤쪽보다 앞쪽의 시험체가 크게 손상되었는데, 국제우주정거장은 초속 9km로 나아가기 때문에 전면의 원자상 산소가 CNT 부딪쳐 산화가 보다 쉽게 된 것으로 분석됨


Ø 노출 실험이 이루어진 지상 400km 부근은 전리층의 열권이라 불리는 공간인데, 산소 등의 분자 상태가 유지되지 않고 원자 별로 나누어 원자상 산소 존재하는 것으로 나타났음


<자료> SpaceElevator JP


[그림 5] ISS 노출 실험 전(), ISS 뒤쪽에서 1년간 노출 후(), 앞쪽에서 1년간 노출 후()


Ø CNT 인장 강도 저하율은 전면의 경우 노출 후 50% 정도. 뒷면의 경우 20% 정도로 확인되었으며, 노출 기간의 차이가 손상 정도에 미치는 영향은 작은 것으로 밝혀졌음


Ø 이번 실험의 의의는 지구에서 우주 엘리베이터의 와이어를 연장해 갈 때, 원자상 산소의 영향을 받는 구간이 있다는 것을 밝혀낸 것임


Ø 앞으로 일본은 방사광 측정 등을 통해 상세한 분석을 진행하여 원자 수준에서 손상 메커니즘을 규명할 예정이며, 또한 CNT 손상을 억제하기 위해 코팅 등의 내구성 향상 대책을 연구개발해 나간다는 계획임


ž CNT 외에도 우주 엘리베이터를 구현하기 위해 필요한 기술 요소는 다양하지만, CNT와 같은 신소재의 등장은 공상으로 여겨지던 아이디어의 현실화에 강한 모멘텀이 되고 있음


Ø 우주 공간에서 열화 문제 외에도, 아직 긴 섬유 형태로 CNT를 양산하는 기술을 아직 발견하지 못하는 등 와이어 자체만 해도 앞으로 기술 개발이 필요한 부분이 많이 있음


Ø 와이어 이외에도 연구개발 해야 할 과제는 아주 다양한데, 가령 각국의 우주 엘리베이터 협회는 와이어를 오르내리는 자율주행 클라이머 개발을 이벤트 형식으로 진행하고 있음


Ø 수백 kg 무게를 감당할 부력이 있는 풍선을 띄우고 거기에서 CNT가 아닌 기존 소재로 만든 밧줄을 지상에 내려뜨린 뒤 이를 클라이머가 오르내리게 하는 대회를 개최하고 있음


<자료> SpaceElevator JP


[그림 6] 우주 엘리베이터 클라이머 대회 GSPEC


Ø 대회에 출전하는 클라이머는 열차 모양의 소형 로봇으로 보면 되는데, 풍선과 지상의 거점을 어떤 경로, 어떤 방식으로든 이동해 가장 먼저 왕복하는 로봇이 승자가 됨


Ø 현재 대회에 사용되는 와이어의 길이는 최대 1250m3 6km에 도달하기 위한 장대한 로드맵을 감안하면 겨우 첫발을 뗀 셈이라 할 수 있음


Ø 기술적으로는 30 km 높이까지는 실험이 가능하다고 하는데 클라이머에 가장 어려운 것이 바로 그 높이로. 아래쪽은 1기압에 더우면 40℃까지 올라가고, 위쪽은 0.05 기압에 영하 50℃ 정도까지 내려가기 때문


Ø 그만큼 환경이 급변하는 구간을 시속 100km 이상으로 승강하려면 최대한의 신뢰성이 필요한데, 우주 엘리베이터 구현까지는 이런 류의 수 많은 과제를 해결해 나가야 함


ž 중국이 우주산업 굴기를 표방하고 있고 미국도 우주 개발 리더십 회복을 기치로 내거는 등 연구가 본격화 될 조짐이어서 향후 더 풍부한 연구 성과들이 소개될 것으로 전망


Ø 우주 개발은 여전히 공상의 영역으로 인식되며 한동안은 투자가 주춤한 모양새였지만, 인공지능(AI), 로보틱스, 나노, 3D 프린팅 등 기술이 급속히 발전하고 여러 신소재가 등장함에 따라 선진국들은 우주개발 연구를 다시 본격화 할 움직임을 보이고 있음


Ø 중국은 지난 2016 12중국 항천 백서를 발표하고 우주개발 5개년 계획을 발표했는데, 이에 따르면 2018년 달의 뒷면을 탐사하고 2020년에 화성을 탐사하는 것으로 되어 있으며, 만일 성공한다면 중국의 우주개발 능력은 미국과 러시아 수준으로 올라서게 됨


Ø 미국도 현재 시점을 우주에서 인류의 활동이 시작되려는 여명으로 규정하고, 인류가 새로운 기회와 새로운 도전을 가져 올 전환점에 서 있다는 점을 강조하고 있음


Ø 마이크 펜스 미국 부통령은 지난 달 열린 우주 재단(Space Foundation) 34회 연례 심포지엄에서 트럼프 행정부는 우주에서 미국의 리더십을 복구하겠다고 약속하며 우주 탐사에 대한 대담한 계획을 발표하였음


Ø 이에 따르면 미국은 2024년까지 화성에 초대형 우주선을 보낼 것이며, 달에 얼음으로부터 로켓 연료를 만들어내는 작업기지를 건설하게 될 것이고, 최초의 소행성 채굴 프로젝트를 통해 상당 량의 가치 있는 미네랄을 확보할 수 있게 될 것임


Ø 그리고 이러한 성과들이 계획대로 이루어지면, 비록 30여년 정도 더 걸릴 것으로 보이지만, 달에 최초의 우주 엘리베이터를 구축하는 차세대 우주기술 혁신의 단계로 접어들 수 있을 것으로 보고 있음


Ø 손에 와 닿는 우주 개발은 아직 요원해 보이지만, 최근 수년간 특이점을 넘어선 기술이 얼마나 혁명적 변화를 가져올 수 있는지 목도하고 있는 점을 감안하면, 우주 개발 역시 예상보다 훨씬 이른 시점에 이론적 가능성을 현실로 바꾸어낼 수 있을 지 모름

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※ 아래 글은 정보통신기술진흥센터(IITP)가 발간하는 주간기술동향 1839호(2018. 3. 28. 발행)에 기고한 원고입니다.


▶ IITP에서 PDF 포맷으로 퍼블리싱한 파일을 첨부합니다. 가독성이 좋으니 참고하시기 바랍니다.

마그네슘 합금 향후 10년간 수요 2배 증가, 자동차 경량화 수단.pdf



ž 마그네슘(Mg) 합금은 현재 가장 뜨거운 이슈가 되는 금속 재료인데, 미국과 유럽의 자동차 제조업체를 중심으로 향후 10년간 수요가 2배 가량 증가할 전망


Ø 호주의 컨설팅 업체 CM 그룹의 예측에 따르면, 2016년에 약 85 t이었던 전세계 마그네슘 합금의 수요는 계속 증가하여 향후 10 년 동안 연평균 6%씩 성장하며 2026년에는 157 t으로 두 배 가까이 늘어날 전망


<자료> CM Group


[그림 1] 전세계 마그네슘 합금 수요 전망


Ø 마그네슘 합금의 급속한 수요 증가를 일으키는 것은 자동차 경량화 요구인데, 자동차 부품에 사용되는 다이캐스팅용 마그네슘 합금의 수요를 보면 2016년 약 23 6,000t에서 연간 10.3%씩 증가하여 2026년에 약 57 t으로 2배 이상 늘어날 전망


Ø 다이캐스팅(Die Casting)은 정밀한 금형(金型)을 사용하여 자동 또는 수동 방식으로 주탕(酒湯)하고 쇳물에 압력을 가하여 주조하는 방법으로 정도(精度)가 높아 거의 기계적 다듬질이 필요 없는 장점이 있고 대량 생산에 적합해 가전과 자동차 부품 생산에 많이 이용됨


Ø 이 같은 장점 때문에 미국과 유럽의 자동차 메이커들은 도입에 적극적인데, 마그네슘 합금 수요의 글로벌 비중을 보면 10년 전부터 유럽과 미국이 압도적으로 높아 각각 45% 정도를 차지했고, 그 다음 일본이 5% 정도를 차지하고 있음


Ø 가령, 아우디(Audi)는 단일 재료로 차체를 경량화하겠다는 생각을 버리고 철강(고장력 강판), 알루미늄(Al) 합금, 탄소 섬유 강화 수지(CFRP), 마그네슘 합금 등 4 종류의 경량 소재를 적재·적소·적량으로 사용하는 다소재 차제(multi material body) 설계에 주력하고 있음


Ø 실제 고급 세단 'A8'에서는 차체의 비틀림 강성을 높이는 스트럿 브레이스에 마그네슘 합금을 채택했는데, 기존 알루미늄 합금 대비 28%의 경량화를 실현하였음


Ø 스트럿 브레이스는 주행 중에 자동차의 직진성을 확보하고, 회전할 때 좌우의 흔들림을 최소화해 주행 안정성을 높여 주는 보조장치로 정식 명칭은 스트럿 타워 브레이스 바(strut tower brace bar)


ž 경량화를 추구하는 데 있어 마그네슘 합금은 매우 매력적인 재료인데, 구조재로 사용할 수 있는 강도·강성이 있는 금속 중 가장 가볍기 때문


Ø 마그네슘 합금의 비중은 1.7로 알루미늄의 약 2/3, 강철의 약 1/4 밖에 되지 않으며, 게다가, 질량당 강도(비강도)와 강성(비강성)이 높기 때문에 두께가 얇아도 강도를 유지하며 굽힘 강성이 뛰어난 부품을 만들 수 있음


Ø 이런 특성을 최대한 살리고자 먼저 나선 곳이 유럽과 미국의 자동차 메이커였던 것인데, 그 외에 항공기 기체나 고속철도 차량의 경량화 목적으로도 많이 사용하고 있음


Ø 디지털 기기도 마그네슘 합금의 채택에 의한 경량화로 휴대성을 높이려는 시도가 활발한데, 노트북 케이스에서는 이미 마그네슘 합금을 많이 사용되고 있음


Ø 건축 자재 중에는 적천정(吊天井) 주위에 설치해 지진 등이 발생할 경우 붕괴 사고를 방지할 수 있는 불연성을 갖춘 마그네슘 합금 재료가 상품화 되어 있음


Ø 금속 관악기 등도 마그네슘 합금을 이용해 경량화 효과를 볼 수 분야로 꼽히고 있음


Ø 가볍다는 점 외에도 마그네슘 합금의 장점은 절삭 저항이 작고 내공동성이 뛰어나 함몰이 되기 어렵다는 장점도 있음


Ø 또한 재활용이 가능하며, 분해 흡수되어 최종적으로 생체 조직과 일체화하는 특성, 즉 생체 흡수성이 있기 때문에 의료 분야에서 활용도 적극 검토되고 있음


ž 활용도만 보면 마그네슘 합금은 완전 무결의 재료로 보이지만 꼭 그렇지 만은 않으며 매력이 큰 만큼 단점도 많은 재료인데 가연성과 부식성이 높은 문제가 있음


Ø CM그룹의 전망에서 보듯, 향후 10년간 마그네슘 합금의 수요 증가폭은 클 것으로 예상되나 당장의 연간 수요량은 100 t에 못 미치는데, 이는 철강 및 알루미늄 합금에 비해 압도적으로 이용량이 작은 것으로 그 만큼 마그네슘 합금의 단점이 많음을 시사


Ø 단점 중 하나는 불에 타기 쉽다는 것으로 마그네슘 합금은 550~600 정도로 비교적 낮은 온도에서 발화하는데, 덩어리 상태라면 쉽게 발화되지 않지만 분말이나 절분 등 작은 금속 조각이 되면 이야기가 달라져 주변에 불씨가 있다면 쉽게 발화하는 문제가 있음


Ø 부식에 견디는 성질을 의미하는 내식성이 낮은 것도 문제인데, 마그네슘 합금은 다른 금속과 결합할 경우, 서로 다른 금속이 접촉할 때 한쪽이 다른 쪽 금속의 산화를 촉진시킴으로써 일어나는 부식, 즉 갈바닉 부식(Galvanic corrosion)을 일으키기 쉬움


ž 불에 타기 쉽다는 점과 내식성이 약하다는 점은 기술적 해결책을 마련할 수 있으나, 이렇게 되면 비용이 추가로 발생해 단가가 높아지는 치명적인 문제가 발생하게 됨


Ø 가연성이 높은 문제는 생산과 가공 현장에서 공기와 직접 닿지 않는 구조의 가마와 온수기를 사용함으로써 해결할 수 있음


Ø 갈바닉 부식은 마그네슘 합금과 이종 금속 사이에 절연체를 삽입해 두 금속 사이에 물이 들어 가지 않도록 밀봉하거나 표면 처리를 하는 등의 방법으로 피할 수 있음


Ø 그러나 가연성이 높고 내식성이 약한 문제 해결에는 비용이 추가되는데, 사실 마그네슘 합금 덩어리의 가격은 1kg 3달러 정도로 알루미늄 합금 덩어리와 크게 차이가 없으나, Mg 합금으로 만든 부품의 가격은 Al 합금으로 만든 부품보다 높아지게 됨


Ø 미국과 유럽을 제외한 지역의 자동차 업체 엔지니어들 사이에서 Mg 합금을 사용하고 싶어도 사용할 수 없다는 목소리가 커지는 가장 큰 이유가 바로 여기에 있음


ž 자동차의 경량화라는 관점에서 보면, Mg 합금의 최대 라이벌은 Al 합금인데, Al 합금이 강적이긴 하지만 Mg 합금에 전혀 승산이 없는 것은 아님


Ø 전세계적으로 환경 부하 경감의 목소리가 높아지고 있는 가운데 이산화탄소(CO2) 배출량 규제 강화와 에너지 절약·고연비를 추구하는 흐름이 가속화 되고 있고, 다소 비용이 들더라도 경량화를 우선시하는 요구도 적잖이 있기 때문


Ø 실제로 '차체 1kg의 경량화'를 위해 6~10 달러 정도의 비용이 상승하더라도 고객들이 감당할 수 있다고 예상하는 부품 메이커들도 나오고 있음


Ø Mg에는 해결과제가 많다는 지적이 나오는 것도 그리 나쁜 소식이 아닌데, 기업들이 Mg 합금의 채택을 진지하게 검토하고 있다는 반증이기 때문


ž Mg합금에 대한 기업들의 관심 고조에 호응하듯 최근 남아 있는 또 하나의 과제, 즉 가공성과 내열성이 떨어진다는 약점을 해소할 수 있는 새로운 Mg 합금도 등장하고 있음


Ø Mg 합금의 가공성이 떨어진다는 점은 부연 설명이 필요한데, 일반적으로 합금은 사용하는 형태에 따라 금속을 녹여 주형에 넣은 후 응고시켜 제품을 만드는 주조용 합금과, 두들기거나 기계적으로 압력을 가해 일정한 모양을 만드는 전신재(展伸材)용 합금이 있음


Ø 가공성이 낮다는 것은 후자, 즉 전신재료(展伸材) Mg 합금일 경우를 말하는데, 대량 생산이 가능하고 프레스 가공이 가능한 Mg 합금 판재는 거의 존재하지 않음


Ø 프레스 가공이 가능한 Mg 합금이 있기는 하며, Al 3질량%, 아연(Zn) 1 질량% 포함한 Mg 합금 판재를 AZ31이라고 하는데, AZ31은 내식성이 너무 약해 내장재로밖에 사용할 수 없어 사용 영역이 한정되기 때문이 실제 이용이 어려움


Ø AZ91 Al 9질량%, Zn 1질량% 함유한 Mg 합금으로 AZ31보다 Al의 함유량을 늘려 내식성을 높이고 있지만, 저항력이 약해져 소성 가공이 없다는 약점이 있는데, 최근에는 이 AZ91을 개량하여 문제를 해결하려는 시도가 나타나고 있음


<자료> Lunt Manufacturing


[그림 2] Mg 합금으로 만든 크로스 빔


Ø 개량된 AZ91AZ31 판재와 마찬가지로 프레스 성형이 가능하면서도 보다 내식성이 우수한 특성을 실현하였고 노트북의 케이스로 제품화하는 데 성공한 기업도 나오고 있음


Ø 개량된 AZ91은 최종적으로 자동차 부품 사업을 겨냥할 것으로 보이는데, 가령 자동차 시트 프레임을 개량된 AZ91 Mg 합금으로 제작할 경우 강철에 비해 50% 이상, Al 합금에 비해 10~20%의 차체 경량화 효과를 기대할 수 있다고 함

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※ 아래 글은 정보통신기술진흥센터(IITP)가 발간하는 주간기술동향 1814호(2017. 9. 20. 발행)에 기고한 원고입니다.


▶ IITP에서 PDF 포맷으로 퍼블리싱한 파일을 첨부합니다. 가독성이 좋으니 참고하시기 바랍니다.

천천히 가면 물렁해지고 빨리 가면 단단해 지는 지능형 과속방지턱.pdf



ž 스페인의 바덴노바(Badennova)는 정해진 속도를 지키지 않는 차량에게만 순간적으로 경화되어 방해를 주는 지능형 과속 방지턱(speed bump)을 개발하고 있음


Ø 사고가 빈번한 지역이나 학교 주변 등에는 자동차의 주행 속도를 줄이기 위해 과속 방지턱이 설치되어 있는데, 과속 방지턱이 별로 높지 않은 경우는 무시하고 지나가는 차가 많으며, 반대로 턱이 높은 경우는 속도를 많이 낮춰도 통과 시 차량에 충격을 주는 문제가 있음


Ø 스페인의 바덴노바는 이 문제 해결을 위해, 정해진 속도 이하로 통과할 경우에는 범프가 액체처럼 변해 충격을 흡수해 주고, 반대로 정해진 속도 이상으로 넘을 경우에는 딱딱하게 굳어 차량에 무리가 가게 하는 새로운 과속 방지턱을 개발


Ø 이것이 가능한 것은 범프를 아스팔트 콘크리트가 아니라 비뉴턴 유체(Non-Newton Fluid)로 만들었기 때문인데, 비뉴턴 유체란 재료에 작용하는 크기가 같고 방향이 반대인 전단응력(shearing stress)과 변형 속도 사이에 비례 관계에 있지 않은 유체를 말함

<자료> Badennova


[동영상] 비뉴턴 유체를 이용한 과속방지턱


Ø 적정 속도로 달리는 경우 범프 속의 유체는 그대로 타이어의 좌우로 흘러버리기 때문에 마치 물풍선 위를 넘는 것과 같이 충격을 받지 않을 수 있게 되는 것임


Ø 제품 소개 동영상을 보면 비뉴턴 유체에 천천히 손가락을 넣으면 손가락이 유체에 잠기지만, 주먹으로 빠르게 내려치면 주먹이 유체 속으로 들어가지 못하고 튕겨 나가는 것을 볼 수 있음


Ø 이 제품은 이미 지난 2010년에 스페인의 한 마을에서 실제로 적용된 바가 있는데, 스페인어로 바덴은 과속 방지턱을 뜻하며, 노바는 새롭다는 의미라고 함

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