타이어에 나노 사이즈 실린카 입자를 배합하면 강도와 그립 성능이 향상하지만, 동시에 연비성능이 떨어진다. 이 부분은 제대로 규명하지 못한 경험법칙으로, 타이어의 고무 재료 개발에서는 아직 많이 존재하는 부분이다.

이런 상황에 혁신을 일으킨 것이, 스미토모 고무공업이 도입한 재료 해석 서비스 「WAVEBASE」이다. 이 서비스를 이용하면 계측으로 얻은 빅데이터를 활용해 고무의 변형에 따른 분자 구조 등의 미크로 레벨의 변화를 연속적으로 해석할 수 있다.  

지금까지 기술자가 추측했던 현상의 정확도를 높이거나 몰랐던 변화를 촉진하게 되면, 고무의 거동에 관한 다양한 현상의 규명에 도움이 된다. 나아가서는 고성능 타이어의 개발로 연결하는 것이 스미토모 고무공업의 목적이다.

(그림1) 주행 시 타이어 변형과 분자 구조의 이미지

자동차가 주행하면 노면 요철 등의 영향을 받아 타이어가 변형된다. 이로 인해 고무 분자의 변형과 실리카 입자 등의 첨가제 배치가 변화한다. 타이어 성능을 분자 레벨로 규명할 수 있다면 고성능 타이어 개발이 가능하다.

WAVEBASE는 재료 분석에 사용하는 적외 흡수분광법과 X선 회절법, 주사형 전자현미경(SEM) 등으로 얻은 막대한 양의 계측 데이터를 자동 해석해, 임의의 특징량을 추출할 수 있다. 예를 들면, 재료 조직의 대량의 SEM 화상으로 배합물의 평균 입자 지름 등을 알 수 있다.

스미토모 고무공업은 이 서비스를 고무 재료 연구 개발용으로 시스템을 최적화해 도입했다. 구체적으로는, 고무 재료 중의 분자 구조와 첨가제 배치가 알 수 있는 극소각 X선 산란 측정 등에 대응시켰다.

실리카 입자의 원인 규명, 해석 시간은 1/100

스미토모 고무공업의 WAVEBASE 활용은 이제 막 시작됐는데, 당사는 기존 해석 프로세스에 비해 해석시간이 100분의 1 이하가 될 것으로 추산했다. 10년 이상 전에 실시했던 실리카 입자의 첨가에 의해 연비성능이 떨어지는 현상의 연구도, WAVEBASE를 사용하면 단시간에 해석할 수 있었을 것이라는 걸 알았기 때문이다. 이 해석은 다음과 같다.

자동차 주행 시, 타이어의 고무는 항상 신축하고 있으며 고무 분자와 실리카 입자는 배치를 바꾸면서 구불구불하게 움직인다(그림1). 따라서, 타이어 성능을 확실하게 설명하기 위해서는 고무를 변형시키면서 고무 분자와 첨가제의 거동을 관찰할 수 밖에 없다. 스미토모 고무공업은 미리 대형 방사광 시설 SPring-8의 극소각 X선 산란측정을 사용해 이들 거동을 해석하고, 연구를 진행해왔다.

이 측정으로는 고무의 시험편을 약 10초간 당기면서 X선 산란상을 매 초 1,000매, 총 1만 매 정도 수집해 그 산란상에서 재료 속의 실리카 입자의 분산 모습을 조사한다(그림2).

X선 산란상을 1장 1장 해석해 시계열로 나열하면, 마치 동영상처럼 실리카 입자가 움직이는 모습을 관찰할 수 있다. 그러나 1만 장의 X선 산란상 모두를 기존 방법으로 해석하려면 4년 정도가 걸리므로 현실적이지 않다.

(그림2) 고무를 당겼을 때의 실리카 입자 움직임 이미지

당시는 대량의 X선 산란상에서 몇 장을 선택해 해석하고 연구했다. 흩어져 있는 실리카 입자의 상태에서, 기술자가 그 사이의 움직임을 고찰해 현상을 추정했던 것이다. 그래도 고무의 신축에 따라 실리카 입자의 고차 응집체가 회전하고 있는 모습을 확인할 수 있다.

자동차 주행 시, 이 고차 응집체의 회전운동에 따라 에너지 손실이 발생하고 연비성능 저하를 초래했던 것이다. 이 결과를 토대로, 실리카 입자의 응집을 억제하는 연구를 실시한 저연비 타이어를 2012년에 출시했다.

그러나 지금이라면 WAVEBASE를 사용해 1만 장의 X선 산란상을 2주만에 해석할 수 있다. 4년에 비하면 기간으로 따졌을 때 약 100분의 1인 것이다. 당시는 겨우 취득한 대량의 데이터를 다 활용하지 못했지만, WAVEBASE를 도입하면서 추정이 아닌 실제 움직임을 더 상세히 관찰할 수 있게 되었기 때문에 향후의 활용에도 기대가 된다.

EV 보급을 위한 타이어 개발에 주력

이 활용처 중 하나가, 현재 스미토모 고무공업이 주력하고 있는 내마모성능이 높은 타이어의 개발이다. 전동화로 인해 자동차가 무거워지고 있으며, 이로 인해 타이어에 높은 내마모성능이 요구될 것으로 보여 개발을 추진하고 있다고 한다.

내마모 성능에 뛰어난 타이어 개발에서 중요해지는 것이, 고무의 파괴 현상 규명이다. 고무를 당겼을 때 되돌아가려는 힘과 버티려는 힘이 발생한다. 이 힘들이 어디에서 발생하는지 밝혀지면, 손상되지 않는 (내마모성능이 높은) 고무를 만들 수 있을 것이다.

향후에는 극소각 X선 산란 측정뿐만 아니라, 다양한 계측의 결과를 조합한 분석이 필수적일 것이다. WAVEBASE를 비롯한 Materials Informatics(MI)의 툴을 활용하지 않으면 사회의 니즈를 도저히 따라잡을 수 없을 것으로 보고, MI 활용을 추진할 계획이다.