접착제로 자동차 무게를 줄이는 구조접착기술

 

전세계적으로 탄소배출량을 줄이기 위해 무거운 철 대신에 탄소섬유 및 플라스틱, 알루미늄과 같은 ‘경량화’ 소재를 많이 사용하고 있습니다. 자동차 소재가 다양해지면서 다른 소재와 소재를 접합해주는 ‘접착제’의 중요성도 커지고 있는데요. 어떤 접착제를 사용하느냐에 따라 자동차 무게도 달라진다고 합니다. 자동차 무게를 줄이는데 혁신적인 역할을 하고 있는 구조접착기술에 대해 알아보도록 하겠습니다.

 

 

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서로 다른 소재를 결합해주는 구조용 접착제

 

 

구조용 접착은 접착제를 사용해 화학적/기계적 표면 부착 힘을 통해 부품을 결합하고 유지할 수 있도록 해주는 것인데요. 볼트나 리벳 등을 사용해도 되지만, 이 경우 무게가 증가하고 소재의 부식이 일어날 수 있습니다. 또한 서로 다른 강도를 가진 강철부품과 플라스틱의 경우 강도 차이로 볼트를 사용하기 어렵습니다.

 

올바른 접착제를 사용하면 서로 다른 소재라도 단단히 결합되어 지속적인 결합력을 제공해 전체적인 차량 구조 강화에 도움을 주는데요. 월스트리트저널에 의하면 구조용 접착제를 활용하면 금속과 금속을 또 다른 금속으로 연결해야 하는 경우의 수가 최대 5만개까지 줄어든다고 합니다.

 

구조용 접착은 무엇보다 기존 용접이나 볼트 등 금속을 이용한 접착한 수준 이상으로 강력한 어셈블리를 만들어낼 수 있다는 것이 특징인데요. 낮거나 높은 온도에 장기간 노출되어도 우수한 접착력과 부식 저항성을 제공하며, 기계적 충격 및 열 충격 저항력이 뛰어납니다.

 

 

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구조접착제 소재 종류는 어떤 것들이 있을까요? 

 

 

 

 

미국 연방규격 FS-MMM-A-132B에 의하면 접착접합부의 최대 내열 온도는 260℃ 내외이며, 최저온도는 -55℃내외가 되어야 하는 등 내열 및 내구성이 탁월해야 합니다. 이를 만족하는 소재로는 ‘열경화성 수지’와 ‘엘라스토머(Elastomer)’로 된 복합형 접착제가 있는데요. 열경화성 수지로는 에폭시 수지나 페놀수지가 있으며, 엘라스토머는 폴리아미드(나일론), 폴리설파이드, 실리콘, 니트릴 고무 등이 있습니다.

 

 

 

 

보통 에폭시 수지와 경화제로 구성돼 있는데, 생산성 향상을 위해 에폭시 수지와 잠재성 경화제가 미리 혼합돼 있는 일액형 에폭시 접착제를 주로 사용하고 있습니다. 일액형 에폭시는 전기적 성질과 기계적 강도, 내구성, 접착력이 우수하며 고온에서 빠르게 굳는 특징을 지니고 있습니다.

 

 

 

특히 에폭시 접착제는 접착력, 공정성, 내화학성 등이 우수해 자동차, 항공, 조선, 전자 등 첨단 산업분야에서 널리 사용되고 있는데요. 차체 경량화를 위한 초고장력강, 경량금속, CFRP(carbon fiber reinforced plastics) 등의 경량화 소재에 그 사용이 증가되고 있습니다.

 

 

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구조접착기술 3단계

 

 

 

구조접착기술은 1에서 3단계까지 있는데요. 1단계는 강성을 높이기 위해 사용하는 것으로, 용접과 접착제를 겸용하는 접착방식입니다. 대상은 철과 철, 알루미늄과 합금의 접착입니다. 용접으로 접합강도를 확보하면서 접착제로 강성을 보완해줍니다.

 

2단계는 접착제로 접합 강도를 거의 확보하는 단계인데요. 철과 철, 알루미늄과 알루미늄, 철과 알루미늄 간의 접착이 대상이며, 충분한 내충격성을 확보해야 합니다.

 

최고 단계인 3단계는 접착제로 접합 강도는 확보하는 것은 물론 대상이 되는 재료가 복합재료인 것인데요. 즉 탄소섬유 강화수지(CFRP)와 열가소성 CFRP끼리 접합하는 것입니다.

 

 

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구조접착제를 사용해야 하는 이유

 

 

구조접착제를 사용해야 하는 이유 중 첫번째는 바로 ‘경량화’인데요. 자동차 무게가 가벼워지면 탄소배출감소는 물론, 연비 효율성과 성능을 높일 수 있습니다. 공차중량을 10% 줄일 경우 가속성능은 8% 향상되고 제동거리는 5%가 단축되며 차체 내구수명은 1.7배 증가하는 효과를 볼 수 있습니다.

 

두 번째는 ‘강성 확보’입니다. 차체 강성은 탑승자의 안전확보에 가장 중요한 요소인데요. 사고 등 위험상황이 발생했을 때 안전을 확보해줄 수 있기 때문입니다. 구조접착제를 사용하면 정적 강성 8~15% 증가, 동적 강성 2~3 Hz 증가, 결합 내구성은 최대 100% 증가하게 됩니다.

 

세 번째로는 서로 다른 재질의 물질을 연결하기 위해서인데요. 최근 출시되는 자동차의 경우 경량화를 위해 알루미늄, 마그네슘, 탄소섬유, CFRP 등 복합소재를 부위별로 다르게 사용하고 있기 때문입니다. 다른 소재 간에는 용접 등의 연결이 불가능해 구조용 접착제를 사용해야 합니다.

 

또한 용접을 최소화하고 구조용 접착제를 사용하면 차량 제작과정도 간소화되고 생산 공정이 보다 손쉬워져 차량 가격을 낮추는 효과를 가져옵니다. 

 

 

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지구를 살리는 구조접착기술

 

 

 

구조접착기술은 자동차 뿐만 아니라 항공, 우주, 건설, 전기 전자 등 다양한 분야에서 사용되고 있는데요. 가볍지만 더 단단한 강성에 비용절감까지 할 수 있다는 점에서 점점 그 활용범위가 넓어지고 있습니다. 특히 자동차 무게를 줄여주어 탄소배출량을 감소시켜 친환경 기술로 주목받고 있는데요. 이제 생활의 편리함을 넘어 지구를 생각하는 접착기술의 미래가 더욱 기대됩니다.

 

 

 

 

 

 

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글로벌 케미칼 & 에너지 리더,

 

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