2023.07.20 현대자동차그룹
“나노와 열이 만나면” 효과적으로 열을 다스리는 첨단 나노 기술
현대자동차그룹은 눈에 보이지 않을 정도로 작은 나노 입자에 대한 연구를 통해 새로운 기술을 개발하고 있다. 복사 냉각 필름과 압력 감응형 소재도 그런 연구의 결실 중 하나다. 열을 다스려 운전자의 쾌적성과 편의성을 높여 줄 복사 냉각 필름과 압력 감응형 소재를 소개한다.
자동차의 상품성을 결정하는 요소는 무수히 많다. 환경과 시대 등에 따라 각 요소의 중요도는 달라지지만 변치 않는 핵심 요소도 있다. 동력 성능, 연료 효율성, 친환경성, 내구성 등이 대표적이다. 중요한 점은 이 요소들이 열과 밀접한 관련이 있다는 것이다. 가령 동력계의 열 관리 기술은 성능, 효율성, 내구성 등 모든 부분에 영향을 미친다. 내연기관차는 물론 전기차도 마찬가지다. 결국 자동차와 열은 떼려야 뗄 수 없는 관계인 것이다.
열은 탑승자의 편의성이나 쾌적성과도 밀접하게 연결되어 있다. 기온이 높은 여름철의 야외 주차장에 주차된 차를 떠올리면 이해가 쉽다. 뜨거운 햇살 아래 자동차의 실내 온도는 상상 이상으로 치솟는다. 공조 장치를 사용해 온도를 낮추면 되지만, 문제는 시간이 오래 걸리고 에너지 소비가 크다는 점이다.
겨울철에도 열은 중요한 역할을 담당한다. 최근 출시되는 차량에는 편의성을 높이기 위해 히팅 시트가 적용된다. 하지만 지금의 히팅 시트 기능은 탑승자의 착좌와 상관 없이 전원 작동에 따라 시트 전체의 온도를 높이는 방식으로 작동한다. 이 역시 에너지 소비가 크다. 즉, 열은 계절과 상관없이 효율성을 크게 저하시키는 요소인 것이다.
이처럼 현대자동차그룹은 자동차와 밀접한 관련이 있는 열을 다스리기 위해 나노 소재를 활용한 기술을 개발 중이다. 바로 복사 냉각 원리를 활용한 투명 복사 냉각 필름과 탄소나노튜브를 이용한 압력 감응형 소재다. 두 신기술은 열 관리를 통해 탑승자의 편의성을 높이는 게 특징이다. 아울러 기존에 존재하는 소재와 원리를 활용해 개발한 최초의 기술이라는 점도 주목할 필요가 있다. 과연 나노 소재를 활용한 두 신기술은 어떤 특징이 있을까?
투명 복사 냉각 필름, 들어오는 열은 막고 안에 있는 열은 빼내다
투명 복사 냉각 필름은 이름 그대로 복사 냉각 원리를 활용한 기술이다. 복사 냉각은 원적외선 영역에서 복사라는 열전달을 통해 열을 방출하면서 온도가 떨어지는 현상으로, 우리의 실생활과도 아주 밀접해 있다. 가을에서 초겨울 사이 나뭇잎에 서리가 맺히는 현상이 바로 복사 냉각이다. 뜨거운 물체를 차가운 물체 옆에 두면 온도가 떨어지는 것 역시 복사 냉각 현상이다. 이는 두 물체 사이 열 교환이 일어난 것으로, 두 물체 사이 매개체가 있으면 전도 혹은 대류를 통해 열전달이 이뤄지고, 매개체가 없으면 복사를 통해 열이 전달되는 것이다.
현대차그룹이 투명 복사 냉각 필름을 개발한 데에는 여러 가지 이유가 있다. 첫 번째는 자동차 유리 면적의 증가다. 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. 두 번째는 현대차그룹의 탄소 중립 선언이다. 탄소 중립을 달성하기 위해서는 탄소 저감 구현이 가능한 소재 개발이 필요하다. 즉, 투명 복사 냉각 필름은 차량 내 환경을 쾌적하게 하는 동시에 탄소 저감 효과까지 얻을 수 있는 일석이조의 기술이라고 할 수 있다.
투명 복사 냉각 필름은 시중에 판매되는 윈도 틴팅(썬팅) 필름과는 다른 구조적 특징을 가지고 있다. 틴팅 필름과의 가장 큰 차이는 단일 구조가 아닌 4가지 레이어가 쌓여 있는 나노 단위의 다층 구조라는 점이다. 투명 복사 냉각 필름의 각 레이어는 담당하는 역할이 다르다.
기술적 차이도 있다. 일반적인 틴팅 필름은 입사되는 태양광 에너지 파장 영역 차단에만 목적을 두고 있다. 즉, 열 차단만 가능하다는 뜻이다. 반면 투명 복사 냉각 필름은 입사되는 태양광 에너지 파장 영역 차단을 포함해 열 방출이 일어나는 원적외선 영역까지 사용하는 기술로, 기존 틴팅 필름 대비 효과적으로 차량 실내 온도를 낮추는 것이 가능하다. 특히 내부의 열을 방출하면서 표면 온도를 냉각시킬 수 있는 양방향 특성은 세계 최초라는 점에서 의미가 깊다.
투명 복사 냉각 필름의 냉각 성능은 실험을 통해 입증됐다. 현대차그룹 기초소재연구센터의 에너지소재연구실은 열에너지차량시험2팀과 함께 차량 실내 온도 변화 측정을 위한 다양한 실험을 진행했다. 실험에는 제네시스 G80 2대가 동원됐으며, 햇살이 가장 강한 낮 동안 진행됐다. 우선 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.
투명 복사 냉각 필름의 사용 방법은 다양하다. 차량 유리 표면에 부착하거나 접합 유리 사이에 끼워 사용할 수 있다. 또한 시중에서 시공이 가능한 틴팅 필름과 함께 사용할 수도 있다. 복사 냉각 필름 아래 틴팅 필름을 부착해도 성능 저하가 없으며, 필름층의 두께에 따라 투과율을 조절할 수도 있다. 또한 스마트 필름인 PDLC(Polymer Dispersed Liquid Crystal)*와 SPD(Suspended Particle Device) * 윗면에 부착하면 냉각 성능을 한층 향상할 수도 있다.
PDLC* 고분자 분산형 액정으로 두 장의 ITO 필름 사이 고분자 액정이 분산되어 있는 형태로 전압에 따라 투명도를 조절할 수 있는 스마트 필름
SPD* 분극 입자 방식으로 전압에 따라 투명도를 조절할 수 있는 스마트 필름
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.
물론 개발이 순탄치만은 않았다. 우선 크기라는 걸림돌이 존재했다. 공정 조건에 따라 소재의 종류, 적층 수, 적층 순서, 적층 두께가 달라지기 때문에 자동차에 적용할 수 있을 정도의 크기를 구현하는 것이 쉽지 않았다. 개발을 담당한 기초소재연구센터는 제작 방식에서 해결책을 찾았다. 일반적으로 업체를 선정한 뒤 공정 조건을 파악하는 방식이 아닌 공정 조건을 먼저 파악한 후 가격과 성능을 고려하는 방식을 선택한 것이다. 그 결과 초기 설계대로 소재를 구현할 수 있었고, 동시에 합리적인 비용으로 넓은 면적의 필름 생산이 가능해졌다. 무엇보다 초기 개발 단계부터 양산까지 고려했다는 점에서 의미가 깊다.
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 돕는 것이 특징이다. 즉, 눈에 보이지 않는 나노 소재가 센서를 대체해 체압과 체압 분포를 측정하고 효율적으로 발열까지 가능하게 하는 것이다.
압력 감응형 소재 개발에 활용된 나노 소재는 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube, CNT)다. 탄소나노튜브는 탄소의 한 종류로, 수 나노에서 수십 나노미터 지름을 가진 튜브 모양 탄소 집합체다. 탄소나노튜브는 흔히 접할 수 있는 연필심의 흑연처럼 탄소로 구성되어 있다. 다만 구조적 차이가 있다. 흑연은 탄소 원자들이 벌집 모양으로 서로 연결되어 평면 형태를 이뤄 여러 층으로 겹쳐 있는 구조이고, 탄소나노튜브는 원자가 연결되어 있는 평면 형태가 동그랗게 말린 튜브 모양의 구조를 이루고 있다. 구조처럼 특성도 다르다. 탄소나노튜브의 열전도도는 다이아몬드와 비슷하고, 전기전도도는 구리보다 높다. 또한 무게는 알루미늄의 절반 수준에 불과해 꿈의 신소재로 불리기도 한다.
이와 같은 특성은 압력 감응형 소재를 개발하는 데 큰 이점으로 작용했다. 시트 폼의 물리적 성질이 유지되는 수준의 얇은 코팅이 가능했고, 가볍고 높은 강성으로 인해 반복되는 마찰에도 문제가 없을 만큼 뛰어난 내구성을 확보할 수 있었기 때문이다. 물론 소재를 구현하는 데 어려움도 존재했다. 탄소나노튜브가 균일하게 분산될 수 있는 잉크 용액과 해당 용액을 균일하게 코팅하는 공정 기술의 개발이 대표적이다. 전동화구동소재연구팀은 다양한 실험을 통해 분산성이 높은 잉크 용액 조합을 찾았고, 기존 코팅 양산 공정의 일부분을 변경해 코팅의 접합성, 신뢰성, 내구성을 향상시킬 수 있는 기술을 개발했다. 또한 잉크가 폼 소재 표면에 안정적으로 부착될 수 있도록 별도의 공정을 개발해 성능 편차가 최소화된 대면적 폼 소재도 제작할 수 있게 되었다.
사실 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.
그렇다면 압력 감응형 소재는 어떤 방식으로 인체를 인식하고 발열하는 것일까? 탄소나노튜브가 코팅된 시트에 탑승자가 앉으면 폼에 압력이 가해진다. 이때 폼이 눌리면서 폼 외벽의 접촉 면적이 커지고, 자연스레 전도성 물질인 탄소나노튜브의 접촉 면적은 넓어진다. 또한 저항은 작아지고 전류는 증가한다. 같은 원리로 시트 전체 면적을 세분화해 탑승자의 체압 분포를 실시간으로 확인해 전류가 증가하는 가압 부위만 발열하는 방식이다. 참고로 압력 감응형 소재는 손가락 혹은 손바닥으로 누르는 정도의 작은 압력도 감지가 가능하다. 하지만 시트에는 체중이 가해지는 것을 고려해 민감도를 낮게 설정했다. 압력에 따른 저항값의 변화를 살펴보면, 압력이 없을 경우에는 3,000옴 수준이며, 사람이 시트에 앉을 경우 체중에 따라 저항값은 200옴까지 낮아지게 된다.
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.
자동차 라이프를 쾌적하고 편리하게 바꿀 나노 기술
투명 복사 냉각 필름과 압력 감응형 소재는 먼 미래의 기술이 아니다. 특히 투명 복사 냉각 필름은 현재 설계담당부서와 함께 선루프 접합 유리 샘플 제작을 진행하고 있다. 완성된 샘플을 이용해 여름철 냉방 평가를 진행하고, 우수한 결과가 도출된다면 바로 양산을 검토할 예정이다.
또한 현재는 냉방 효율을 높이는 것만 가능하지만, 미래에는 난방 효율도 함께 높일 수 있도록 개발해 계절과 상관없이 큰 효과를 누릴 수 있도록 할 예정이다. 나아가 투명 복사 기술은 필름 형태만이 아닌 섬유, 페인트와 같은 다양한 형태로의 발전도 기대해 볼 수 있다. 그렇다면 첨단 항공 모빌리티(Advanced Air Mobility, AAM), 로봇 기술, 건설 등 다양한 분야에도 충분히 활용 가능할 것으로 보인다.
압력 감응형 소재 역시 활용 가능성이 높다. 시트 발열 기능 외에도 체압 측정을 통해 탑승자 자세를 파악하는 데 그치지 않고 올바른 자세로 교정하는 기술과 결합할 예정이기 때문이다. 또한 가까운 미래에는 착좌 감지가 가능한 특성을 이용해 안전벨트 착용 여부, 착좌 여부, 체중에 따른 성인과 소아 구분 등을 확인하는 센서를 대체할 가능성도 높다. 아울러 호흡에 따른 압력변화와 심장의 압력변화까지 측정 할 수 있는 기술로 발전시켜 탑승자의 건강 상태를 진단하고, 이상이 발견될 경우 바로 경고 메시지와 응급 신호를 보내는 헬스케어 기술로도 발전을 기대해 볼 수 있다. 나아가 자율주행 시 탑승자의 자세, 호흡, 맥박 등을 실시간으로 확인해 정숙 운전 모드, 최단 시간 모드 등 다양한 자율주행 모드를 선택하는데 도움을 줄 수도 있을 것으로 예상된다.
이처럼 현대차그룹의 나노 기술은 발전 가능성이 무한하다. 단순히 기능을 대체하는 것을 넘어 새로운 모빌리티 시대를 열기에 충분하며, 탄소 저감에도 큰 공을 세울 것이다. 영화 속에서나 볼 수 있던 카 라이프를 현실로 옮겨 줄 현대차그룹의 나노 기술을 하루 빨리 만나볼 수 있게 되길 기대해 본다.
글. 허인학
영상. 남도연, 임우진
사진. 조혁수