'접착 기술'로 자동차 만든다...'접착 혁명' 시작   

[생생일본통]일경 모노즈쿠리 '구조 접착' 기술 일본 연구자 및 기업 소개

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자료제공=해동일본기술정보센터, 정리=김지영 기자 기자 - 2019.05.09

대덕넷이 매주 목요일 일본 과학기술 및 산업계 최신 동향을 소개하는 '생생일본통'을 연재합니다. 해동일본기술정보센터의 지원을 받아 일본의 기술서적과 정기간행물, 일본 정부 산업계 백서 등 다양한 정보를 번역해 제공합니다. 더 많은 최신 일본 기술정보는 해동일본기술정보센터 홈페이지를 통해 확인 할 수 있습니다.<편집자 주>

일본 자동차 업계가 자동차 차체에 '구조 접착' 기술을 사용하기 시작했다. 구조접착 기술이 주목되는 이유는 자동차를 더 가볍게 만들 수 있고 비용절감 등에 유리하기 때문이다. 유럽과 미국 기업은 한층 더 경량화를 위해 접착제 활용에 적극적이다.

일경 모노즈쿠리가 지난 3월 발간한 간행물을 통해 '재료의 접합 혁명, 차세대 접착제 활용'을 주제로 기사를 게재했다. 산업기술종합연구소와 도쿄공업대학에서 구조접착기술 연구를 리드하고 있는 사토(佐藤) 연구원과의 인터뷰, 우수한 구조용 접착제를 개발한 일본 접착제 제조사 3사에 의한 기고를 담은 일간지 내용을 자세하게 소개한다.

일경모노즈쿠리 2019년 3월호 표지.<사진=해동센터 제공>일경모노즈쿠리 2019년 3월호 표지.<사진=해동센터 제공>

◆ 도쿄공업대학 사토 교수, 구조접착 기술의 사용


자동차 업계가 자동차의 차체에 '구조 접착' 기술을 사용하기 시작했다. 높은 강도 및 내구성을 필요로 하는 바디의 부재(구조재)를 접착제(구조용 접착제)로 접합하는 방식이다. 구조접착 기술이 주목되는 이유는 3가지다.
(1) 경량화에 유리
(2) 이종 재료의 접착이 가능
(3) 비용 절감에 유리

볼트나 리벳 등을 사용하지 않기 때문에 압도적으로 가볍게 할 수 있다. 또 용접으로는 어려운 다른 종류의 금속끼리나 금속과 수지의 접합 등도 비교적 쉽게 이뤄진다. 이 구조접착 기술의 활용이 '접합 혁명'의 요소다.  

자동차 업계에서는 지금, 서로 다른 재료를 적재적소에 사용함으로써 대폭적인 경량화를 시도하고 있다. 바디 설계의 '멀티머티리얼화'가 진행되고 있어 특히 구미(歐美)의 자동차 제조사가 적극적이다. 비용도 합리적이다. 접착제는 전형적인 기능성재료이며 원재료 자체는 그다지 비싸지 않다. 기본적으로 양산 효과를 끌어내기 쉬워 사용할수록 가격을 낮출 수 있다.

◆ 구조접착 기술에서 현저하게 뒤처진 일본 

구조접착기술에는 1에서 3까지의 3단계가 있다. 일본은 현재 가장 낮은 1단계에 있다. 1단계는 접착제 사용이 강성을 높이기 위한 단계이다. 구체적으로는 용접과 접착제를 겸용하는 접합 방식을 말한다. 대상이 되는 접합은 강(鋼)과 강, 알루미늄(A1)과 합금 간이다. 스팟용접 등의 용접으로 접합 강도를 확보하며 접착제로 강성을 보완해 주행 시에 몸체가 휘는 것을 막는다.

2단계는 접착제로 접합 강도를 거의 확보하는 단계이다. 대상이 되는 접합은 소재와 소재, A1과 A1, 그리고 소재와 A1이다. 2단계에서는 충분한 내충격성이 기술적인 조건이 된다. 내충격성을 높이기 위해서는 접착 접합부의 인성(靭性) 또는 연성(延性)을 높여 충격 에너지를 흡수할 필요가 있다. 특히 에폭시 계열 접착제의 낮은 인성이 기술적인 과제가 되고 있다.

독일은 약 10년 전에 2단계에 도달했다. 일본은 5년 정도 전에 1단계로 올랐으며 앞으로 2단계가 목표인 상황. 소재와 소재의 접합에서도 A1과 A1의 접합에서도 일본은 독일에 뒤처져있다.

독일은 현재 최고 단계인 3단계에 있다. 3단계는 접착제로 접합 강도를 확보하는 것은 물론, 대상이 되는 재료가 복합 재료이다. 다시 말해, 탄소섬유 강화수지(CFRP 및 열가소성 CFRP) 끼리, CDRP와 A1 등의 접합이다.

3단계에서는 접착제를 구조재에 칠하는 도공 시스템이 달라져 기존의 방법으로는 대응이 불가능하며 새로운 2가지 기술 과제에 대응할 필요가 있다. 하나는 붙이는 재료의 접합부 표면의 전(前)처리 기술. 예를 들어 금형으로 성형하는 CFRP구조재의 표면에는 이형제(異型劑)가 부착되어 있다. 샌드 플라스트 등으로 제거한 다음, 용재로 닦아내는 등의 접착 전공정으로 필요한 기술을 확립할 필요가 있다.

다른 하나는 이용 직전에 2종류의 액체를 혼합시키는 2액성 접착제의 이용이다. 실은 일본의 자동차 제조사는 2액성 접착제를 거의 사용하지 않는다. 생산 설비 내에서 2가지 액체를 혼합할 필요가 있어 사용이 불편하다고 보고 있기 때문이다. 그러나 앞으로 더욱 경량화하기 위해서는 피해갈 수 없다.

실제, 독일은 이미 2액성 접착제를 잘 쓰고 있다. 예를 들어, 독일 BMW의 전기자동차(EV) ‘i3’은 2액성 폴리우레탄 계열 접착제를 도입해 복합재에서 CFRP의 바디를 대부분 접착제로 접합시키고 있다.

◆ 요코하마 고무
CFRP 접착으로 세계 최강 레벨에 도달/ 저온 속경화 폴리우레탄 계열 접착제


요코하마 고무는 기존의 접착제에 대한 상식을 깨고 강도나 연성에도 뛰어난 저온 속경화 폴리우레탄계열 접착제를 개발했다. 멀티머티리얼화가 진행되고 있는 자동차를 대상으로 탄소섬유강화수지(CFRP) 등을 사용하는 경량화 바디에 전개하는 것이 목적이다. 이미 이와 같은 용도로 실용화가 이뤄지고 있는 접착제와 비교해도 강도나 신축성 면에서 모두 뛰어나며 현 시점에서 세계 최강임을 자부하고 있다.

- 강도와 연성까지 뛰어난 우레탄 화합물 
우레탄 화합물은 성분인 이소시아네이트 화합물과 폴리올의 선택에 의해 분자 설계의 자유도가 높다. 딱딱해서 늘어나지 않는 것부터 부드러워서 잘 늘어나는 것까지 다양한 성상(性狀)의 접착제를 만들 수 있다. 스티렌-부타디엔 고무, 실리콘 고무와 같은 다른 고무재료와 비교해도 큰 항장력과 연성을 발휘하는 경우가 있다.

우리는 우레탄 화합물의 이런 뛰어난 특징을 더욱 향상시켜 (1)높은 강도와 높은 연성을 선택할 수 있고 (2)다양한 성상과 특성을 창출할 수 있는 2가지 특성을 최대한 발휘하는 접착제 개발을 시도했다.

(1)의 높은 강도과 뛰어난 신축성을 양립시키기 위해 이소시아네이트 화합물과 폴리올 화합물, 우레탄 결합과 가교제의 비율과 양을 제어. 이것들로부터 구성되는 소프트 세그먼트와 하드 세그먼트가 이상적인 상분리구조가 될 수 있도록 고안해 나갔다.

(2)의 다양한 성상과 특성을 창출하기 위해서는 소프트 세그먼트를 구성해 늘어나는 부분을 주로 담당하는 폴리올의 성상이 중요하다. 다양한 종류와 분자량의 폴리올 화합물이 있으나, 분자 사슬의 종류(화학구조)에 따라서는 서로 끌어당겨 달라붙거나(인장 결정화), 작은 충돌을 일으키거나 자유롭게 움직인다.

이와 같은 우레탄 결합의 양, 폴리올의 종류, 분자량, 조합 등에 의해 구성되는 상분리 구조가 상승 효과를 발휘할 수 있게 설계해 강도와 신축성을 높은 수준으로 양립시킨 새로운 접착제를 실현할 수 있었다.

또한 이와 같은 효과로 인해, 우레탄 계열 접착제의 경우에 가끔씩 문제가 되는 온도 특성 및 내구성과 같은 문제에 대해서도 각 원료의 조합 및 특성을 최대한 활용하는 상승 효과로 인해 온도 의존성이 지극히 적으며 내구성 면에도 뛰어난 성능을 실현시켰다.

◆ 세메다인
이종재료 접합에는 저온 속경화 변성 실리콘 계열/ 강판용은 고내열∙고강도 에폭시 계열 접착제로 대응


세메다인은 기존 제품의 특성을 뛰어넘는 2종류의 새로운 접착제를 개발했다. (1)탄소섬유강화수지(CFRP)를 함유한 이종재료용 저온 속경화 변성 실리콘계열 접착제(MS접착제)와 (2)초고장력 강판(슈퍼하이텐)을 포함한 강판용 고내열∙고강도 에폭시 계열 접착제(EP접착제)이다.

- 바나나 커브를 뛰어넘는 강도를 실현 
일반적으로 접착제는 신축성과 강도가 트레이드 오프(Trade-off)의 관계에 있어, 특성은 '바나나 커브' 상에서 전개된다. 이에 반해, 세메다인이 개발하고 있는 MS접착제(이종재료용)와 EP접착제(초고장력 강판용)는 양쪽 모두 기존의 접착제보다 인성(靭性)이 뛰어나다.

MS접착제(1)는 부품을 개별로 도장한 후, 최종 조립 단계에서 사용하는 '아웃 프로세스 도장'을 상정해 탄소섬유강화수지(CFRP) 등과 금속재료와의 이종재료 접합에 이용되는 것을 목표로 한다. 따라서 접착제의 탄성률을 낮춰 접합물의 열응력 및 열변형을 최대한 낮췄다. 상온에서 80℃ 정도까지의 중간온도에서 빠르게 경화. 실제 사용 시의 온도 차이에 의한 열변형을 완화시켜줄 뿐만 아니라 내구성이 우수하다는 특성을 갖고 있다.

EP접착제(2)는 접착시킨 후 도장의 인화와 함께 접착제를 경화시키는 ‘인프로세스 도장’에 대응. 초고장력 강을 포함한 강판의 접합을 목표로 한다. 자동차의 바디를 경량화하기 위한 강판의 슬림화 및 고장력화는 소음이나 진동의 증가와 상충관계가 되기 쉽다. EP접착제를 사용해 고장력 강판끼리 면접합(面接合)한다면 바디의 강성(剛性)을 확보할 수 있어 쾌적성 향상을 도모할 수 있다.

- 고온∙고습의 내구성에 뛰어나다 
MS접착제의 재료인 MS수지는 폴리우레탄 수지의 결점을 개선할 수 있는 재료이다. 고접착 내구성과 프라이머 없이도 접착성이 높다는 특징이 있다.

MS접착제에서는 에폭시 수지를 섞어 MS수지의 유연한 매트릭스상 안에 딱딱한 에폭시드 메인이 분산된 Sea-island(海島)구조를 만들어 내고 있다. 이 구조가 양호한 물성과 높은 내구성을 실현하는 열쇠가 된다.

알루미늄(A1)합금 및 CFRP에 대해 프라이머 없이도 양호한 접착성을 나타내고 있으며 10Mpa 이상의 인장 전단 강도를 내고 있다. 경화물의 연성은 100%이상으로 종탄성계수(縱彈性係數)도 250Mps 이상으로 거의 목표 영역의 물성을 이미 실현하고 있다.

◆ 나가세캠텍스(Nagasechemtex)
높은 열응력 완화로 강(鋼)과 Al의 접합 대응/ 강도 2배의 고인성(高靭性) 열경화성 엑포시 접착제

나가세캠텍스는 높은 응력 완화 특성을 가진 열가소성 수지와 동일한 특성을 가진 열경화성 엑포시 접착제를 개발, 강 알루미늄(Al) 합금의 이종재료 접합용도로의 실용화를 목표로 하고 있다. 독자의 열가소성 엑포시 수지 기술을 이용해 매우 열가소성수지에 가까운 특성의 고인성 열응력 완화 엑포시 계열의 접착제를 개발했다.

이종재료의 접착의 과제는 피착체의 열 팽창률(선팽창 계수(線膨脹係數)) 및 탄성률의 차이에 의해 발생하는 열응력이다. 새로운 접착제는 높은 응력 완화 특성을 갖추고 있어 이 과제를 해결할 수 있다. 접착 강도도 최고의 레벨이다. 인장전단 시험에서 A1끼리 접착할 경우 A1자체가 파열하는 재료 파괴 모드가 된다. 접착제의 접착 강도가 모체의 강도를 뛰어넘고 있다.

- 유면 접착성을 높여 현장에서 사용하기 쉽게 

열가소성 엑포시 수지는 높은 가교 밀도를 가진 3차원구조를 가지고 있기 때문에 분자간에 상대적으로 붙지 않을 수 있어 응력 완화 특성이 높아지지만, 내용제성이 낮다. 열경화성 엑폭시 수지는 그와 반대의 특성을 갖고 있다. 새로운 접착제에서는 응력 완화성을 높이기 위해 응력 완화제가 될 수 있는 유연한 원료와 응력완화 효과가 높은 조성을 찾아냈다.

생산현장에서 쉽게 사용하기 위해 ‘유면 접착성’도 높였다. 차체부품은 방청유(防淸油; 녹 방지 기름) 등이 부착된 상태로 접착제를 도포한다. 새로운 접착제는 탈지 및 표면처리를 하지 않아도 접착 강도가 별로 떨어지지 않는다. 방청유를 접착제 내부에 흡수시키는 특성을 갖고 있기 때문이다.

자사 제품의 일반용 접착제와의 특성을 비교해 보면, 새로운 접착제의 늘어나는 비율은 측정 한계를 뛰어넘는 30%이상을 기록. 강판을 피착체로서 측정한 인장 강도는 49MPa로서 지극히 높다. 현존하는 접착제 중에 최고이거나 그에 가까운 강도를 갖고 있다고 자부하고 있다.

<해동일본기술정보센터는 김정식 대덕전자 회장의 기부금으로 설립된 비영리 일본 기술정보센터입니다. 후학들이 선진 일본기술을 습득해 기술강국을 만드는데 기여했으면 하는 바람으로 2010년 3월 서울대학교 관악캠퍼스 공과대학 내에 개소했습니다. 다양한 일본 기술 서적과 일본 정부·산업계 백서, 기술보고서 등을 보유, 온·오프라인으로 정보를 제공하고 있습니다. 매주 발행되는 주간브리핑 신청은 hjtic@snu.ac.kr 로 가능합니다.>
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