Technology trend in adhesive materials for heterogeneous materials

173

5)

- 온실가스 저감 및 국가의 핵심 전략 산업인 수송기 기 산업의 경쟁력 확보를 위한 경량화 기술이 필수적 이다. 즉 경량화는 환경, 효율, 에너지, 제조업 경쟁력 등 국가적 주요 아젠다와 맞물린 Key-Technology로서 글로벌 경쟁력이 필요한 자동차, 철도, 선박 및 항공기 수요 산업과 소재·부품, 가공 산업이 연계한 경량화 프 로젝트가 절실한 상황이다. 수송기기 경량화는 소재 및 부품 개발의 단발성 기술이 아니라, 경량화 소재 설 계, 성형 및 가공 공정 개발, 부품 모듈화 및 재활용까 지의 전 과정의 측면의 접근이 필요한 산업으로, 각각 의 기술 융합이 필요한 산업 생태계임. 자동차 산업에 서 초기 경량화 기술은 기존의 철강 소재 차체를 알루 미늄 및 마그네슘 소재로 대체하는 기술과, 철강 소재 의 강성 향상에 따른 두께, 형상 및 제조 공법 변경을 통한 경량화로 모두 단일 금속 소재를 중심으로 경량 화 기술개발이 진행되어왔으나 제조단가, 생산성 및 충돌 안전성 확보 측면에서 단일 소재가 아니라 다중 금속 소재 적용 필요성 대두되고 있는 실정이다.

- 다중 금속소재 적용을 통한 경량화는 전 세계 자동 차 메이커의 가장 보편화된 경량화 기술이 되어 가고 있지만 기술적으로 다음과 같은 성능 한계를 극복이 필요한 기술들이 늘어나고 있다.

■ 다중 금속소재 적용시 이종 금속간 전위차에 의 한 부식문제 해결 기술

■ 이종 금속 접합시 부식 문제 방지를 위하여 기 계적 접합 및 화학 접착제를 사용함에 따라서 적절한 접합 강도 확보 기술

■ 이종 금속 접합에 화학 접착제 적용시 생산성 저하, 치수 정밀도 저하 및 변형 방지에 대한 근 본적 해결 기술

†

Corresponding author: Juyoung Kim ([email protected])

- 아래 그림은 자동차 적용 소재를 고려한 결합 기술 에 대한 경제성을 나타내고 있다. 경량화를 위한 고분 자 복합재료 적용이 늘어나면서 금속, 알루미늄, 마그 네슘 등과 복합재료의 접착을 위한 접착제에 대한 기 술이 연구되고 있다. 접착제를 이용한 접착은 접착비 용이 다른 체결 방법과는 달리 비용은 저렴하나 결합 시간이 길다는 단점을 가지고 있으며 이러한 문제를 해결하기 위해 속경화 타입의 접착제가 개발되고 있 음. 접착제의 사용은 접합 강도 및 이종 재료간 부식 문제가 대두될 것으로 예상되나 새로운 재료 간 완전 한 접착면을 통해 소음, 진동 등 NVH 및 충돌 성능을 향상시킬 수 있을 것으로 기대되며 부식은 서로 다른 물질 사이의 또 다른 주요 문제이지만 코팅을 통해 해 결할 수 있을 것으로 예상된다.

이종재료 점·접착 소재 기술 동향

김나혜⋅김주영^† 강원대학교 공학대학 신소재공학과

Technology trend in adhesive materials for heterogeneous materials

Department of Materials Engineering, Kangwon National University, Samcheok, Gangwon-do, 25931, Republic of Korea

접착 및 계면 제

19

4

, 2018

<기술동향>

Journal of Adhesion and Interface Vol.19, No.4, 2018 http://dx.doi.org/10.17702/jai.2018.19.4.173

Figure 1. 결합 소재에 따른 접합 기술 경제성 비교.

김나혜⋅김주영

접착 및 계면 제

19

4

, 2018

174

- 자동차에서 경량화 요구가 기존 내연기관보다 더 큰 전기동력 자동차 및 고급 자동차의 경우에는 기존 의 다중 금속 소재 경량화만이 아니라 고분자 소재까 지 적용한 MMI (Multi material Integration) 기술이 필요 하다. BMW i3는 항공용 소재로 알려진 CFRP를 저가 로 대량 생산할 수 있는 RTM (Resin Transfer Molding) 공법과 접착제를 이용하여 CFRP, 알루미늄 및 철강 소 재로 이루어진 경량 차체를 개발하여 상용화 하였으 며, 향후 내연기관 자동차에까지 확대할 예정이다. 기 존의 금속과 금속간의 이종 소재 접합에서는 부식 문 제 해결이 가장 중요하여 기계적 리벳 및 클린칭과 같 은 공법이 가장 많이 적용되었으나, MMI 차체에 적용 된 접합 기술은 접착제 기술이며, BMW i3의 경우 차체 에 170 미터 이상 적용하여서 MMI 차체를 통한 경량 화에는 성공하였으나, 1일 생산량 100대를 초과할 수 없는 생산성 문제는 향후 개선이 필요하다.

- 기술 선진국의 MMI 경량화 연구 핵심은 다양한 소재간의 접합성 문제 해결이며, 이를 위하여 다양한 접합 공법과 접착제가 개발되고 있음. MMI 생산 및 제조 단계에서 반드시 해결해야할 문제가 접합시 변형 및 부식 문제인 것은 기존 선행 연구 및 선진 차량에서 확인되고 있다.

- 재활용시 금속 다중 소재 적용시보다 재활용 및 재 회수 가능율이 저하될 것으로 예상되며, 소재 단위에 서부터 제조 단계까지 재활용을 고려하지 않을 경우 향후 MMI 차체는 실적용에 제한을 받을 수 있다. 국내 의 MMI 경량화 기술은 이제 개념 정립 단계로 선진

기술을 Follow up 하는 수준이지만, 단순한 모방이 아 니라 후발 주자가 선진 기술을 추월하기 위하여서는 현재까지 선진 기술 개발에서도 중요성을 인식하지 못 하고 있는 재활용 관련 기술을 소재 적용 단위에서부 터 제조 및 재활용 과정까지 확보해야 한다.

- 글로벌 자동차 생산기업들은 차체가 차량 중량의 약 40%를 차지하고 있어 철강재를 비중이 낮은 비철금 속이나 플라스틱으로 대체해 연비기준을 향상시킬 방 침이며 접착 기술에서도 구조용 접착제를 채용함에 따 라 경량화와 제조 코스트 절감 효과를 기대하고 있다.

구조용 접착제는 중형차의 제조코스트를 대당 약 90달 러 절감할 수 있는 것으로 알려졌으며 강성, 강도, 크리 프 저항이 우수하고 열 및 화학적 내성도 양호하며 금 속과 금속, 금속과 플라스틱 등 서로 다른 소재에도 접 합이 가능한 장점이 있다.

- 자동차 구조용 접착제는 1액형 에폭시 접착제를 대부분 사용하고 있으며 Hem Flange, Rocker Panels, Floor Pans, Doors, Door Panels, Closure Panels, 천정 (Roofs) 등 차체 구조를 접착하기 위해 채용되고 있으 며, 도어, 보닛(Bonnet), 트렁크 리드 (Trunk Lid), 외판 (Outer Panel)과 내판 (Inner Panel)을 접합하기 위해 외 판의 가장자리 부분을 구부리고 내판을 밀어 넣은 접 합부위 내부에도 사용을 확대하고 있다.

- 웰드본드 (Weld Bond)용 접착제도 용접과 접착을

조합한 공법에 사용되는 자동차 구조용 접착제로 사용

되고 있다. 자동차 구조용 접착제는 1액형 에폭시가

이종재료 점·접착 소재 기술 동향

Journal of Adhesion and Interface Vol.19, No.4 2018

175

95%를 차지하고 있으나 국내기업들은 기술 장벽에 부 딪혀 생산하지 못하고 있어 서유럽, 북미, 일본 등에서 전량` 수입하고 있는 실정이다.

- 현재 자동차용 금속 접착의 95%이상이 에폭시 접 착제임. 에폭시 접착제는 오일 흡수력, 내구성, 그리고 다양한 온도 범위에서의 우수한 기계적 특성 등 다양 한 장점을 제공하기 때문이다. 차량 구조에서 구조용 접착제가 사용되는 분야는 용접성이 없는 열에 민감한 부품 및 재료의 결합, 딱딱한 또는 용접기 사용이 불가 한 구조 구성품, 갈바닉 부식을 방지하기 위한 다양한 금속 및 비금속 기재의 결합 시 주로 사용되며 기존 스폿용접 수를 줄여 사이클 시간 및 비용을 감소 할 수 있으며, 정적 강성 8 ~ 15 % 증가, 동적 강성 2-3 Hz 증가, 결합 내구성 100 ~ 10.000 % 증가 한다고 DOW AUTOMOTIVE에서 발표하였다. 또한 최근에 강 판두께가 계속 감소함으로써 자동차 외관 주름 문제가 발생하고 있으며 이를 해결하기 위한 방안으로 기존 고무 기반 접착제보다 정적 및 동적 특성이 훨씬 우수 한 유연성 및 낮은 모듈러스 에폭시 수지 접착제가 개 발되고 있다.

- 하이브리드 및 전기자동차의 루프, 후드, 트렁크

리드 및 외장 부품은 복합재료의 사용 가능성이 높음.

새로운 경량화 재료를 최적의 상태로 사용하기 위해 선, 다양한 주행 조건에서 안전한 구조를 제공하고 높 은 정적 및 동적 부하를 견딜 수 있는 혁신 접착제 기 술이 필요하다. 차량 생산과정에서 복합재료 및 플라 스틱 접착을 일체화하기 위해서는 경화 시간이 매우 짧은 시스템이 필요하며 동시에, 기존 PU 2 액형 시스 템은 유리전이온도가 차량 주행범위에 위치함으로써 강도 및 강성 거동이 온도에 영향을 받지 않아야 한다.

- 차량 생산과정에서 복합재료 및 플라스틱 접착 또 는 다른 물질과의 일체화하기 위해서는 경화 시간이 매우 짧은 시스템이 필요하며 기존의 일부 접착 시스 템은 유리전이온도가 차량 주행 온도범위에 있음으로 강도 및 강성 거동이 온도 환경에 영향을 받지 않아야 함. 또한 고성능 구조용 접착제는 이종 재료 결합 시 다양한 부품간 공차 및 접합부 형상을 처리할 수 있어 야 한다. 일반적으로 PU 기반 구조용 접착제는 차량 조립품에서 구성품을 결합할 수 있도록 다양한 요건을 충족하기 위해 많은 접착제 시스템이 제공 되어야 하 며 조립 방향, 결합 및 경화 시간, 부하에 따른 결합부 분의 기하특성 및 재료 선택, 필요한 표면 처리, 서로 다른 열팽창 계수, 응력/변형 한계점을 고려해야 한다.

Ref.; www.dowautomotive.com Ref.; KLEBTECHNIK, International AVK Conference 2010 Figure 3. 하이브리드 복합재료 접착 적용 분야.

김나혜⋅김주영

접착 및 계면 제

19

4

, 2018

176

Table 1. 접착제를 이용한 접착이 가능한 자동차 부품