1나노미터는 10억분의 1미터로, 머리카락 굵기의 10만분의 1에 해당된다. 이렇게 작은 크기 단위에서 물질을 합성하고 배열을 제어해 새로운 특성을 가진 소재를 만드는 것을 '나노 테크'라 부른다. 현대차그룹은 이러한 나노(Nano) 소재를 기반으로 더 높은 효율과 안전성, 편안함을 갖춘 모빌리티 개발을 준비하고 있다. 이번에 개최된 2023 나노 테크 데이에서는 현재 개발 중인 6가지 나노 테크 기술들이 공개되었다. 각각의 기술들의 내용과 이를 통해 앞으로 우리의 모빌리티 라이프가 어떻게 변화될 지 살펴본다.

손상 부위를 스스로, 반영구적으로 치유하는 ‘셀프 힐링 고분자 코팅’

나노 단위의 고분자를 활용한 셀프힐링과 오일캡슐 고분자 코팅 기술은 차량이 스스로 스크래치를 복구하고, 별도의 윤활제없이도 마찰을 줄일 수 있는 기술이다. 자동차에 탑재되는 각종 센서와 카메라 등은 작은 상처에도 기능 고장의 원인이 된다. 오랜 시간 사용되어 마모 한계에 다다른 내부 부품은 어느 순간 갑자기 망가질 수도 있다. 또한 전동화 및 자율주행 기술은 현재보다 더 많은 센서를 필요로 한다. 이러한 센서는 윤활제의 적용하기 어려운 부분이기 때문에 전식의 우려가 있다. 이러한 문제는 자동차 오너뿐만 아니라 제조사도 관심을 가지고 해결해야 하는 과제로 손꼽힌다.

셀프힐링 기술은 모빌리티 뿐만 아니라 다양한 분야에서 연구 및 적용되고 있는 기술이다. 자가회복이 가능한 전자기기의 케이스, 콘크리트, 패브릭 등이 대표적이다. 자동차 업계에서도 셀프힐링 기술은 많은 관심을 받고 있다. 닛산은 열을 가하면 복구되는 차량 도장 기술을 선보였으며, BMW는 그릴의 스크래치가 24시간이 지나면 자연복구되는 기술을 BMW iX에 처음 적용하기도 했다.

자동차에 적용된 기존의 셀프힐링 기술은 촉진제를 통해 차체 차량 표면의 절단 및 스크레치를 회복하는 기술이다. 회복을 위한 촉진제가 코팅 내부의 캡슐 또는 혈관형 방식으로 내재하였다가 파손에 따라 이러한 구조가 깨지면 촉진제가 흘러나와 상처를 수복한다.

현대차그룹이 개발한 셀프힐링 고분자 코팅의 또 다른 특징은 상온에서 기능이 작동한다는 점이다. BMW iX에 적용되었던 자가회복 기능은 상온에서 24시간의 시간이 소요됐다. 하지만, 이번에 공개된 현대차그룹의 셀프힐링 기능은 25도의 상온에서 2시간만에 복구되며, 영하 10도의 낮은 온도에서도 24시간 내 복구된다. 

이 기술은 먼저 안전 사양인 차량의 카메라 렌즈, 라이다, 고전압 전식 보호 코팅 등에 해당 기술이 활용될 계획이며, 향후에는 자동차 도장면의 클리어코트, 외장 그릴 등에 확대 적용할 예정이다. 

나노 캡슐로 부품 마모를 획기적으로 줄이는 ‘오일 캡슐 고분자 코팅’

오일캡슐은 셀프힐링 기술을 연구하는 과정에서 나노 캡슐이 지닌 가능성을 확장하며 개발하게 된 기술이다. 나노 캡슐 내에 윤활유를 포함하여 부품에 도포하면 마찰로 인한 마모에 효과가 있을 것이란 아이디어를 도출했고, 이런 아이디어는 오일캡슐 기술 개발로 이어졌다. 

오일캡슐 고분자 코팅 기술을 활용하면 마찰이 많이 일어나는 부품에 저마찰 및 내마모 특성을 부여할 수 있다. 오일캡슐이 포함된 코팅 소재를 부품에 도포해 마찰로 인하여 마모가 발생했을 때 코팅층의 오일캡슐이 함유하고 있던 윤활 성분이 흘러나와 윤활막을 형성하는 원리다.

오일캡슐 기술 개발을 주도한 선행기술원의 연구 결과에 따르면 기존 코팅제와 비교해 오일캡슐 코팅은 마찰량은 58%, 마모량은 64%가 저감되는 효과가 있다고 전했다. 또한, 오일캡슐은 나노 단위의 캡슐에 저가의 엔진오일을 포함하므로 기존 고체윤활제와 비교했을 때 비용을 절감하면서도 더 나은 효과를 낼 수 있다. 

또한 지금의 자동차 윤활 방식은 모든 부품에 적용이 어려워 부품 마찰 문제를 해결하는데 한계가 존재했다. 그러나 오일캡슐 기술은 부품에 분사하듯 도포되기 때문에 거의 모든 형태의 부품에 적용할 수 있으며, 이를 통해 저마찰 및 내마모 특성을 부여할 수 있다. 분사해서 도포할 때도 코팅층이 뭉치거나 가라앉지 않고 오랜 시간 동안 안정적으로 상태를 유지한다.

부품에 도포된 오일캡슐 코팅은 마찰로 모두 마모되어 없어질 때까지 효과가 지속된다. 얇게 도포되는 형태지만, 오일캡슐 코팅의 수명은 부품의 수명과 동일하다는 점을 강조하기도 했다. 

전기차는 배터리 탑재로 인한 무게 증가, 전기모터의 빠른 응답성, 높은 토크 등의 이유로 핵심 동력 부품의 내마모성 및 내구성이 중요시되기 때문이다. 따라서 오일캡슐은 전기차에서 기존 내연기관에 사용되던 윤활유처럼 저마찰 및 고내구 효과를 나타낼 수 있도록 하는데 크게 일조할 것으로 보인다. 뿐만 아니라, 향기를 포함한 나노 캡슐을 실내 내장재 마감에 적용해 손이 다으면 다채로운 향이 퍼지는 공간을 만드는 데도 활용할 수 있다. 나노 캡슐이 지닌 장점은 다양한 형태로 활용가능하다. 

자동차와 건물 등 투명 성능 요구되는 모든 창에 적용 가능한 ‘투명 태양전지’

모빌리티 분야를 포함해 글로벌 시장에서 가장 널리 쓰이고 있는 실리콘 태양전지는 구조화학적으로 안정된 소재로, 일찍이 상용화가 이뤄져 제조 기술의 성숙도 역시 높다고 평가받고 있다. 현재 중국 기업들을 중심으로 높은 가격경쟁력과 함께 신뢰도 높은 안전성을 기반으로 태양전지 패널 시장에서 압도적인 점유율을 기록하고 있다. 

그러나 태양전지 기술의 핵심 가치 중 하나인 발전 효율의 개선이 더뎌 기술의 잠재력과 미래 가치는 다소 부족한 편이다. 특히 모빌리티의 적용을 시작으로 태양전지 기술의 패러다임이 변화하면서 제한된 적용 공간에서 더욱 높은 발전 효율이 요구되고 있다. 따라서 태양전지를 연구하는 여러 기관 및 기업들은 발전효율 향상이 한계에 다다른 실리콘 태양전지를 대신할 새로운 소재를 물색해 왔다.

최근 ‘페로브스카이트(Perovskite)’라는 나노 물질이 태양전지 업계의 게임체인저로 부상하고 있다. 우수한 전기적, 광학적 특성으로 빛을 전기로 바꾸는 광전효율이 높아 태양전지로 제작했을 때의 이론적인 발전효율이 40%를 상회한다. 또한 수십 년간의 상용화를 거쳐 생산 비용이 안정된 실리콘 태양전지와 비교해도 패널 공정 비용이나 소재 생산 단가가 낮아 기존 기술을 완벽히 대체할 수 있는 소재로 평가받고 있다. 그러나 아직은 상용화 단계 이전으로, 모빌리티와 건축물 등에 사용하기 위한 패널의 내구성과 안정성 등의 개선 작업이 이뤄지고 있다. 

효율성 뿐만 아니라 투과성도 우수하다. 기존의 미세 타공 설계를 기반으로 한 실리콘 투명 태양전지 기술과는 달리, 전자소자연구팀의 기술은 광흡수층의 두께를 조절해 가시광선이 부분적으로 투과하도록 구성했다. 따라서 기존의 투명 패널보다 근거리에서의 시각적 이질감이 적고, 태양광을 모을 수 있는 면적도 넓어 상품성 측면에서 기존 기술을 충분히 대체할 수 있는 가치를 지닌다.

효율성을 더욱 높인 모빌리티 일체형 ‘탠덤 태양전지’

페로브스카이트 소재의 태양전지를 한단계 발전 시킨 탠덤 태양전지도 소개되었다. 탠덤 태양전지 기술은 발전효율을 극대화하기 위해 두 개의 태양전지를 적층한 구조를 띄고 있다. 페로브스카이트 셀이 1차적으로 태양광을 흡수한 후, 걸러진 태양광 에너지를 실리콘 태양전지가 재차 흡수하는 상호보완 구조로 전체 발전 효율을 높이는 원리다. 

현재 페로브스카이트와 실리콘 태양전지를 조합한 탠덤 구조는 효율성과 가격 경쟁력 측면에서 가장 현실적인 차세대 태양전지 기술로 손꼽히고 있다. 높은 발전효율 성능을 지닌 페로브스카이트 태양전지에 원활한 전력 공급과 기술적 안정성이 보장된 실리콘 셀을 보조 개념으로 더함으로써 안정성 확보와 높은 출력이라는 시너지를 기대할 수 있기 때문이다. 

관련 연구기관들은 이론적인 한계 효율이 29% 수준인 실리콘 태양전지에 비해 페로브스카이트를 조합한 탠덤 태양전지는 최대 44%까지 발전효율을 끌어올릴 수 있을 것이라 예측하고 있다. 현대차그룹 선행기술원 소속 연구원들은 실제로 높은 발전효율을 지닌 탠덤 태양전지를 전기차에 장착했을 때 하루에 20km 가량의 추가 주행거리를 얻을 수 있을 것이라고 보고 있다(셀 크기 166x166mm², 루프 및 후드 적용시, 국내 연평균 일조량 4시간, 전비 5km/kWh 기준). 현대차그룹은 탠덤 태양전지 기술과 관련한 태양광, 디스플레이, 반도체 등의 기술을 분석하고 있으며, 국내외 연구기관들의 협업으로 내구성을 확보해 안정적인 차세대 태양전지 기술을 완성할 전망이다. 

투명 복사 냉각 필름, 들어오는 열은 막고 안에 있는 열은 빼내다

쾌적한 실내공간과 운전자의 편안함을 위한 기술도 공개되었다. 자동차와 밀접한 관련이 있는 열을 다스리기 위해 나노 소재를 활용한 기술을 개발 중이며, 그 결과물이 바로 복사 냉각 원리를 활용한 투명 복사 냉각 필름과 탄소나노튜브를 이용한 압력 감응형 소재다.

최근 자동차 디자인은 유리 적용 면적이 크게 늘고 있는 추세다. 유리는 차량 실내 온도에 많은 영향을 미치는 요소 중 하나다. 즉, 유리 면적이 넓다는 것은 그만큼 실내 온도 변화의 폭이 커진다는 것을 의미한다. 일반적인 틴팅 필름이 열과 빛을 차단하는 역활을 한다면 투명 복사 냉각 필름은 내부의 뜨거운 열을 방출하는 효과까지 더해진다. 내부의 열을 방출하면서 표면 온도를 냉각시킬 수 있는 양방향 특성은 세계 최초라는 점에서 의미가 깊다. 

투명 복사 냉각 필름의 효과는 실제 테스트에서도 드러났다. 일반 유리 적용 차량과 투명 복사 냉각 필름을 부착한 차량의 온도 평가를 진행한 결과, 낮 동안 투명 복사 냉각 필름을 부착한 차량의 실내 온도가 일반 유리 적용 차량 대비 최대 7.69도 낮은 것으로 나타났다. 또한 동일한 조건에서 일반 열 차단 틴팅 필름 부착 차량과 온도 차이는 최대 6.89도로 측정됐다. 부위별 온도 차이 역시 컸다. 열 차단 틴팅 필름 부착 차량과의 비교를 기준으로 운전석, 조수석, 뒷좌석의 머리 온도 차이는 최대 10.98도였으며, 크래시패드의 온도 차이도 최대 15.38도로 큰 폭의 차이를 보였다. 

이처럼 투명 복사 냉각 필름은 뛰어난 냉각 성능으로 탑승자에게 쾌적한 주행 환경을 제공한다. 아울러 이를 통해 냉방 에너지 사용량 절감의 효과도 볼 수 있다. 투명 복사 냉각 필름을 통해 열 관리를 하면 최소 0.3%의 탄소를 줄일 수 있을 것으로 예상된다. 이는 차량에 사용되는 철 80kg를 줄이는 것과 동등한 효과다.

압력 감응형 소재, 생체 신호로 탑승자를 보살피다

나노 소재가 열을 식히고 차단하는 기술에만 활용되는 것은 아니다. 시트에도 적용되어 탑승자의 편의 향상 및 차량의 에너지 효율을 높이는 데에도 사용된다. 그런 의도로 연구 및 개발한 기술이 바로 압력 감응형 소재다. 압력 감응형 소재는 시트의 폼과 커버 사이에 위치하며, 별도의 센서 없이 시트에 가해지는 압력을 전기적 신호 형태로 전달해 생체 신호를 파악할 수 있게 돕는다. 열전도도는 다이아몬드와 비슷하고, 전기전도도는 구리보다 높은 특징을 갖는 특징으로 이러한 용도가 가능하다. 

탄소나노튜브는 이미 많이 알려진 소재이며, 현재 여러 분야에 활용되고 있다. 다만, 체압 측정과 히팅을 위해 자동차 시트에 적용한 것은 현대차그룹이 최초다. 체압 감지가 가능한 수준으로 코팅의 두께와 탄소나노튜브의 양을 조절하고, 코팅의 내구성을 높여 탄소나노튜브가 떨어지지 않고 일정한 성능을 발휘하게 만드는 것이 해당 기술의 핵심이다. 

압력 감응형 소재는 신체와 시트가 맞닿는 부분만 발열하기 때문에 기존 방식의 히팅 시트 기능 대비 소비 전력을 약 절반 수준으로 줄일 수 있는 효과가 있다. 물론 일반 히팅 시트처럼 시트 전체의 열을 올리는 것도 가능하다. 전체 부위에 전류를 흘려 보낼 수 있기 때문에 예열도 가능하다. 나아가 별도의 센서 없이 탑승자의 탑승 여부를 파악할 수 있어 일석이조의 효과를 기대하기에 충분하다.