폭스바겐은 산학 협동 연구를 통해 미래 자동차 소재를 개발하고 있습니다. 예를 들어 셀룰로스, 버섯과 같은 생물학적 고분자 물질에 기반을 둔 혁신적 소재는 가죽을 대체하고 기후를 보호하는데 큰 도움을
줄 것입니다. 지금부터 혁신적 신소재에 대한 기초 연구가 어떻게 이루어지는지 소개합니다.

볼프스부르크 외곽의 ‘오픈 하이브리드 랩팩토리(OHLF)’를 처음 본 사람들은 마치 컴퓨터 게임이 등장하는 탐험 열차를 보는 듯한 기분을 느낄 것입니다. 특히 기술 센터 내의 주조 시스템, 사출 성형 시스템, 압축 기술 및 산업용 로봇들이 미래적인 분위기를 더합니다.

이 연구 캠퍼스의 중심에는 여러 층으로 이루어진 기술 센터가 있습니다. 유리와 철제 구조물로 구성된 이곳에서는 미래 자동차 소재에 관한 연구가 진행 중입니다. 현재 진행 중인 연구의 목표는 섬유, 금속, 플라스틱 및 복합 소재를 지금보다 훨씬 더 가볍게 그리고 지속 가능하게 만드는 것이며 현재 사용 중인 소재와 같은 수준의 안정성 확보 역시 또 하나의 목표입니다.

오픈 하이브리드 랩팩토리는 산학 협력 연구 대표 모델입니다. 그만큼 고등교육기관과 기업이 긴밀하게 협력하고 있음을 상징하는 곳입니다. 현재 활동 중인 단체로는 볼프스부르크 시와 니더작센(Neidersachsen) 자동차 연구 센터, 프라운호퍼 연구소 그리고 브라운슈바이크 공과대학이 있으며, 산업 측면에서도 다수의 자동차 관련 부품 공급 업체 및 플라스틱 가공 회사들이 폭스바겐과 함께 이 연구에 동참하고 있습니다.

[출처 : Volkswagen Group] 기술센터 내에는 총 13개의 실험실이 있고, 모두 중앙 연구동 주변에 밀집되어 있습니다. Copyright : Isabell Massel

모빌리티의 변화는 연구 캠퍼스에서 진행되는 프로젝트에도 많은 변화를 가져왔습니다. 초기에는 경량 구조 설계가 연구의 중심이었지만 현재는 순환 경제에 관한 연구도 활발히 진행되고 있습니다. OHLF 운영위원회의 폭스바겐 대표, 마르코 거넉스(Marko Gernuks) 박사는 “우리는 공정, 소재, 구성품들을 통해 순환 경제를 실질적으로 개선할 수 있는 해법을 설계하고자 합니다. 이를 염두에 두고 재활용 소재 및 새로운 플라스틱을 개발할 계획이며, 자동화된 분해 공정을 통해 보다 경제적으로 단일 소재를 분리하고자 합니다. 나아가 유기 순환 구조에서 천연 소재를 얻는 것도 연구 과제 중 하나입니다.”라고 OHLF의 연구 목표를 소개했습니다.

[출처 : Volkswagen Group] 우리는 공정, 소재, 구성품들을 통해 순환 경제를 실질적으로 개선할 수 있는 해법을 설계하고자 합니다. - 마르코 거넉스 박사, 제품 생애 주기 최적화 수석 -

폭스바겐그룹 이노베이션의 마르티나 고트슐링(Martina Gottschling) 박사도 이 연구소에서 일하고 있습니다. 최근 폭스바겐이 전기차인 ID 제품군에 동물 소재를 사용하지 않기로 결정함에 따라 현재 그녀의 주 연구 과제는 차세대 대체 가죽을 위한 기초 연구입니다. 비단 전기차뿐만 아니라 가죽을 비동물성 고품질 대체품으로 교체하고자 하는 요구는 다른 모델에서도 마찬가지입니다. 이유는 가죽의 탄소 발자국이 다른 소재에 비해 높기 때문입니다. 이는 축산업계에서도 고려되어야 할 문제입니다.
따라서 새로운 기술은 탄소 발자국을 대폭 감소시키고, 이를 통한 기후 보호 및 개선을 약속합니다.

순수 셀룰로스로 만든 대체 가죽

생체 소재의 육종은 최근 폭스바겐 연구진이 큰 잠재력이 있다고 판단한 연구 접근법 중 하나입니다. 유채씨나 침엽수와 같은 산업 작물만이 유일한 해결책이 아닌, 연구실에서 직접 재배하는 것도 생체 소재 개발을 위한.방법 중 하나입니다. 현재 고트슬링 박사는 자연 상태 나무의 식물 세포벽에서 발견되는 순수 셀룰로스를 연구하고 있습니다. 이러한 셀룰로스는 실험실에서 박테리아를 이용하여 순수한 형태로 생산할 수 있습니다.

천연 고분자 물질은 높은 안정성과 일관성 등 다양하고 유용한 특성들을 지니고 있습니다. 특히 순수 비혼합 형태의 물질은 재활용이 쉽고 사용 후 퇴비로 만들 수 있다는 장점이 있습니다.

[출처 : Volkswagen Group] 기술센터 내에는 총 13개의 실험실이 있고, 모두 중앙 연구동 주변에 밀집되어 있습니다.

그렇다면 실험실에서 생산된 셀룰로스로 폭스바겐 자동차 시트 커버를 만들 수 있을까요? 이에 대해 마르티나 고트슐링 박사는 “셀룰로스는 엄청난 잠재력을 갖고 있는 물질입니다. 예를 들어 OHLF에서는 우리가 원하는 형태의 순수 셀룰로스를 배양할 수 있습니다. 그리고 수직적 농업 시설을 이용해 재배할 경우 확장도 쉽습니다. 순수 셀룰로스는 완전한 유기 물질로서 생물학적 순환 경제에도 아주 적합합니다. 적어도 6~8년 안에는 이 물질이 자동차에 사용될 수 있을 것입니다.”라고 설명했습니다.

폭스바겐이 진행하는 또 하나의 연구 과제는 곰팡이 균사체(균사망 전체)를 기반으로 한 천연 고분자 물질의 가능성을 검토하는 것으로, 패션업계, 폐기물 관리 업계 및 가죽 태닝 업체도 참여하고 있습니다.
이 분야의 초기 연구도 지속 가능한 신소재 개발 측면에서 대단히 주목할만한 연구입니다.

신소재에 대한 엄격한 요구 사항

자동차 개발에서 혁신 소재의 기나긴 개발 주기를 단축시키는 것은 쉽지 않습니다. 그럼에도 폭스바겐은 부품과 구성 제품의 지속 가능성에 대한 높은 기대를 갖고 연구를 진행하고 있습니다. 마르티나 고트슐링 박사는 “패션 업계의 경우 내구성과 수명에 대한 요구가 높지 않습니다. 그래서 연구 결과를 상대적으로 빠르게 생산으로 이전시킬 수 있을 것입니다.”라고 소개했습니다.

폭스바겐의 사양에 따라 신소재가 반영되기 전까지 재료 개발에만 약 40여가지의 테스트가 진행됩니다. 스트레스와 변형률 등 자동차 시트 커버에 가해지는 모든 영향을 복합적인 측면에서 시뮬레이션 하는 것도 테스트에 포함됩니다. 여기에 기계적 스트레스, 열과 자외선 노출에 따른 노화 패턴, 선탠 로션 등에 의한 오염 특성과 같은 구체적인 테스트 항목들도 존재합니다.

마침 마르티나 고트슐링 박사가 특수 장비를 사용해 내마모성을 측정하는 테스트를 시연했습니다. 팽팽하게 당긴 소재 위에 스탬프를 회전시켜 변형을 주며, 아래에도 같은 압력을 가하는 테스트입니다.
이 과정에서 소재의 국소부위에 높은 응력(Material Stress)이 전해지며, 스탬프는 24시간 동안 수 천 번 가량 회전하며 소재를 마모시킵니다. 따라서 마모 발생 부위를 금방 눈으로 확인할 수 있으며 발견되는 소재의 불량은 신소재의 품질 향상에 많은 도움이 됩니다.

이어지는 실험에서 연구원들은 새로운 대체 가죽의 인열 저항(Tear resistance: 찢어지는데 저항하는 강도) 관찰 실험을 진행했습니다. 현재 사용 중인 가죽과 인조 가죽의 인열 저항을 상호 비교하는 이 실험의 목표는 신소재가 기존 소재에 뒤처지지 않음을 입증하는 것입니다.

[출처 : Volkswagen Group] 폭스바겐은 오픈 하이브리드 랩팩토리(OHLF)에서 미래 소재를 연구하고 있습니다. Copyright: Detlev Wecke

고객 경험

신소재는 기술 및 생태학적 목표를 달성해야 할 뿐만 아니라 고객이 원하는 수준의 고품질 감성을 전달해야
합니다. 마르티나 고트슐링 박사는 “고품질 감성 전달 역시 소재 연구에 있어 중요한 과제입니다. 인테리어에 사용되는 모든 직물, 가죽 소재가 고객 경험을 제공하기 때문입니다.”라고 설명했습니다. 그녀는
고객 경험이 자동차를 타는 동안 계속되어야 한다고 이야기했습니다. 그녀는 “단 한 번의 성공이 목적에 맞는 신소재를 만들어낼 수 있을 것입니다. “ 라고 주장합니다.

설탕과 셀룰로스

셀룰로스는 신소재 연구의 중요한 원료입니다. 그래서 OHLF 연구원들은 박테리아를 설탕 용액에 배양합니다. 그래야 박테리아가 순수한 형태의 셀룰로스를 생성할 수 있기 때문입니다. 박테리아의 생장이 끝나고 원하는 크기의 셀룰로스를 얻었다면 다음 과정은 세척을 통해 박테리아를 제거하는 것입니다. 그리고 수확한 셀룰로스를 여러 단계에 거쳐 건조시킵니다. 이렇게 후처리 및 건조 과정을 거친 후 유기 플라스틱 전문가에게 전달하면 비로소 매끄러운 소재로 만들어집니다.

[출처 : Volkswagen Group] 세척한 셀룰로스로 박테리아에 의해 생성됐습니다.