산업기술/제조/경영

Nikkei Monozukuri_2019.12. 특집(1) 요약 (p48~73)

이종 재료 접합 기술의 진화
다양한 기술의 진보와 시장 투입 확대

금속과 플라스틱, 이종 금속간, 이종 플라스틱 간의 다양한 기술 개발이 진행되어 시장으로의 투입이 시작되고 있다. 기술의 진보와 더불어 사용 기업의 인지도 또한 높아졌다.

1. 총론
일본 자동차 채택으로 빅 비즈니스 신호탄, 기술 개량과 편의성이 호순환

일본의 자동차 업체가 양산차의 흡기(吸氣)덕트에 채택---. 기계적인 체결 요소를 사용하지 않고 다른 재료를 견고하게 붙이는 이종재료 접합 기술이 실용화를 향해 가속화하기 시작했다. 일본의 자동차 제조사가 양산품에 이종재료 접합을 채택한 것은 하나의 큰 장애물을 뛰어넘었다는 것을 말해준다.

흡기덕트는 엔진의 주변 부품이다. 금속과 고무 대신, 종류가 다른 딱딱한 플라스틱제 부품과 말랑한 플라스틱제 부품으로 교체해 양 부품의 접합에 이종재료 접합을 채택. 이것으로 인해 기대할 수 있는 경량화와 비용 절감을 자동차 제조사가 높이 평가했기 때문이라고 볼 수 있다.

일본의 자동차 제조사에 의한 채택으로 이종재료 접합의 보급에 탄력이 붙게 될 전망이다. 그 이유로는 체결 및 용접과 같은 기존 기술에 비해, ‘새로운 방법’인 이종재료 접합의 채택에 일본 자동차 제조사는 지금까지 극도로 신중한 자세를 보였기 때문이다.

원래 자동차 부품은 품질과 비용 조건이 특히 까다로워 채택의 장벽이 높다. 이종재료 접합 기술을 개발하는 기업으로부터 ‘돌다리를 두드려도 건너지 않는다’라는 볼멘소리가 나올 정도였다. 그러나 일본 자동차 제조사를 납득시킨 것은 그 의미가 크다.

이 흡기덕트에 채택된 이종재료 접합 기술을 개발한 도요보(東洋紡)는 “공수가 걸렸으나, 신뢰할 수 있는 시험 데이터를 철저히 제공함으로써 상대를 납득시킬 수 있었다”라고 말한다.

독일 다임러(Daimler)는 2013년에 발표한 3대째 ‘메르세데스 벤츠 A클래스’에 독일 에보닉(Evonik)의 이종재료 접합 기술을 채택한 사례가 있다. 폴리아미드(PA)와 알루미늄(Al) 합금을 접합해 크로스카 빔(스테어링 멤버)을 만든 것이다. 그러나 이종재료 접합 개발 업체가 시험 데이터를 제공해도 일본의 자동차 제조사는 관심조차 갖지 않았던 시기가 이어졌다.

-- 인지도 향상으로 비즈니스 찬스 확대 --
-- 평가 단계에 있는 자동차 부품도 --

-- 멀티 재료로 선행하는 유럽을 뛰어넘는다 --
다른 종류의 재료를 적재적소에서 사용해 가볍게 하는 ‘멀티머티리얼 바디’ 기술은 유럽이 일본에게 앞서있다. 그러나 유럽은 이종재료의 접합에 리벳이나 볼트와 같은 기계적 체결 요소를 많이 쓰고 있으며 접합부가 무거워지는 경향이 있다. 접합부에 이종재료 접합을 사용해 체결 요소를 줄인다면 일본이 유럽을 역전할 가능성이 있다.

종류가 다른 금속간 결합에서는 기존의 용접이나 마찰교반접합을 뛰어넘을 가능성이 있는 새로운 이종재료 접합 기술이 탄생하고 있다. LINK-US(본사 요코하마)는 전기∙전자부품용으로 도통부(導通部)에 사용하는 종류가 다른 금속을 붙이는 초음파 복합진동 접합장치를 개발했다. 예를 들어 알루미늄(Al)합금과 동(Cu)을, 용접과는 다르게 비산물 없이 높은 수율로 양산할 수 있다.

이종재료 접합의 높은 강도와 밀착성을 살려 기밀성의 니즈를 충족시키는 기술도 등장했다. 예를 들어 듀폰이 새롭게 개발한 PA와 Al합금의 직접 접합 기술은 LLC(부동액) 속에서도 쉽게 열화(劣化)되지 않는다. PA가 가진 내열성과 더불어 엔진 냉각계의 부품 등에 패킹이 필요 없게 하는 용도 등을 모색한다. 미쓰비시엔지니어링플라스틱이 개발하고 있는 금속과 플라스틱의 직접 접합 기술도 접합 강도와 더불어 기밀성의 확보, 다시 말해 틈새가 없는 접합과 열화 방지를 목표로 한다. 내부에 회로 기판을 탑재하는 전자 제어 유닛(ECU)에서 액체나 기체의 침투를 방지하는 용도 등을 상정한다.

앞에서 설명한 바와 같이 탄성이 있는 완충층을 사용해 이종재료간 선팽창 계수(線膨脹係數) 차를 흡수하는 니즈를 충족시키는 새로운 이종재료 접합 기술이 등장하고 있다.  또한 LINK-US는 앵커 효과를 사용할 수 없는 비정성(非晶成) 플라스틱까지 이종재료 접합의 대상을 확대했다.

이종재료의 개발은 지금까지 거의 일본의 독무대였다. 그러나 최근에 와서 독일기업도 참여하기 시작했다. 해외에서는 실용화까지의 스피드가 빠르다고 한다. 이종재료 접합의 채택을 위해 일본 유저도 슬슬 속도를 올릴 필요가 있다.

2. 신개발 기술

① 경량화
멀티머티리얼 설계의 핵심으로, 무거운 강철을 대체해 경량화를 노린다

강철을 비롯한 무거운 금속으로 구성된 부품 및 재료를 보다 가벼운 재료로 대체해 제품 전체의 질량 경감을 시도한다. 그러기 위해 다른 종류의 재료들을 견고하게 붙이고 싶다---. 경량화는 유저가 이종재료 접합에서 기대하는 가장 큰 니즈이다. 특히 연비 규제 및 이산화탄소 배출 규제가 엄격한 자동차 분야에서는 엔진의 부하를 낮추기 위해 차체의 경량화를 시도하고 있다.

-- 전체가 수지로 된 흡기덕트 --
그림1은 엔진의 주변 부품인 흡기덕트이다. 강도와 강성이 요구되는 딱딱한 부품과 어느 정도 자유롭게 구부러지는 말랑한 부품을 이종재료 접합 기술로 붙여 접합한다. 도요보가 개발한 이종재료 접합 기술을 사용해 어느 자동차 부품 제조사가 양산을 하고 있다.

기존에는 딱딱한 부품에 알루미늄(Al)합금을, 부드러운 부품에는 고무를 사용하고 있었다. 이와는 달리 새로운 흡기덕트는 딱딱한 부품을 PBT로, 말랑한 부품을 TPC로 대체했다. 다시 말해 ‘올 플라스틱화’에 의해 가볍게 만든 것이다. 구체적인 수치는 알 수 없으나, 10%이상의 경량화를 실현한 것으로 보인다.

딱딱한 부품은 강도와 강성과 더불어 내열성이 요구된다. 여기에서 녹는점이 225℃이며 150~180℃의 고온을 견디는 PBT를 선택했다. 내열성 플라스틱으로서 자주 사용되는 폴리아미드(PA)6이나 PA66과는 달리, 잘 흡수되지 않기 때문에 측법이 안정되는 이점도 있다. 한편, 말랑한 부품에는 중합 노하우를 살려 150℃까지의 열에 견디는 TPC를 사용하고 있다.

흡기덕트의 제조 공정은 간단하다. 딱딱한 PBT제 부품과 말랑한 TPC제 부품을 각각 사출성형으로 가공한 다음, 용착(溶着) 조형 공정으로 2개 부품을 접합하는 것뿐이다. 용착 공정에서는 양 부품 모두 단면(접합면)만을 녹는점 이상으로 가열해 녹인 다음 압력을 가해 달라붙게 한다. 그 다음은 자연적으로 냉각시키면 부품간에 강하게 결합되어 흡기덕트가 완성된다.

-- 상호 분자 확산으로 화학적으로 결합 --
단순한 용착으로는 새로운 흡기덕트를 만들 수 없다. 금속의 용접과 동일하게 플라스틱 용착은 같은 종류가 아니면 강력하게 달라붙지 않기 때문이다. TBT와 TPC는 동일한 폴리에스테르계에 속하지만 종류는 다르다. PBT제 부품과 TPC제 부품을 열로 녹인 후에 누르면 언뜻 보기에는 붙어있는 것처럼 보인다. 그러나 이것은 접합면에서 표면적으로 프라스틱간 들러붙는 앵커 효과 등으로 인해 약하게 붙어있을 뿐이다. 흡기덕트 안을 흐르는 고온의 압축 공기의 열과 압력으로 인해 쉽게 두 부품은 떨어져버리고 만다.

여기에서 도요보는 PBT와 TPC 양쪽에 첨가제를 넣어 2가지 플라스틱이 분자 레벨에서 잘 섞이도록 개선했다. 이에 따라 용착 공정에서 PBT제 부품과 TPC제 부품의 단면간을 가열해 강하게 누르면 양 플라스틱의 분자고리가 서로 결합되는 상호분자확산이 일어난다. 이 화학적 결합이 딱딱한 PBT재 부품과 말랑한 TPC제 부품이 견고하게 들러붙는 이종재료 접합의 원리이다.

이종재료 접합은 올(All)플라스틱화에 의한 경량화와 더불어, Al합금과 고무로 만든 기존의 흡기덕트에 비해 제조비용은 낮아진 것으로 보인다. 제조법은 사출성형과 용착의 조합뿐만 아니라, 부품의 형태에 따라서는 2색 성형도 가능하다.

또한 도요보는 재료 제조사이기 때문에 첨가제를 넣은 PBT 및 TPC의 펠릿을 유저에게 제공한다. 유저는 이것들을 사용해 이종재료 접합을 이용한 제품을 만들 수 있다.

-- Al 합금과 CFRP로 자동차 바디를 가볍게 --
-- Al 합금간보다 강하게 접합 --
-- 플라스틱의 종류를 가리지 않고 접합 --

② 이종금속
압착만으로 이종금속을 직접 접합, 믿기 어려운 강도와 전도성 확보

금속 표면의 산화막이나 오염을 제거해 내부를 드러낸 신생면(新生面)간 접근시키면 원자간의 결합이 발생된다. 이 현상은 이전부터 알려져 있었지만, 최근에 와서 접합 기술로서 이용되기 시작했다. 경계면의 접합층이 없는, 또는 상당히 얇아 접합부를 넘나드는 높은 도전성(導電性) 및 열전도성이 유지된다는 장점이 있다.

-- 초음파로 도통부(導通部)의 이종금속을 접합 --
전기∙전자제품의 도통 부분을 대상으로 한 이종재료 접합 기술인 ’초음파 복합진동 접합’도 금속의 신생면간 직접 압착시키는 방법 중 하나이며 이것을 개발한 것은 LINK-US(요코하마)이다.

알루미늄(Al) 금속과 동(Cu), 금(Au), 은(Ag), 니켈(Ni), 강철, 스테인리스강 등, 도통 부분에 자주 쓰이는 금속을 대상으로 같은 종류의 금속간은 물론, 이종금속간도 접합할 수 있다.

접합면은 직경0.3~20mm정도로, 작은 부품을 특기로 한다. 구체적으로는 원통형이나 라미네이트(파우치)형 리튬이온 2차배터리의 전류 집전체인 알루미늄 호일과 탭(전극) 및 조립전지와 부스바(Busbar, 전극), 파워반도체의 부스바와 회로기판, 플렉시블 프린트 기판의 도선과 기판, 하네스 및 커넥터의 도선과 기판 등에 사용할 수 있다.

실용성은 높다. 2014년 8월에 설립한 벤처기업의 LINK-US는 이미 배터리 및 차재, 반도체의 대형 일본 제조사를 고객으로 가지고 있다. 현 시점에서 이종재료 접합에서의 채택 사례는 없으나, 동종재료 접합에서는 이미 2사가 초음파 복합 진동 접합을 양산공정에 채택하고 있다. 그 하나는 원통형 리튬이온 2차전지의 안전판의 접합, 또 다른 하나는 용기 바닥과 전극의 접합이다.

-- 직선과 곡선이 합쳐져 타원진동으로 --
-- 초음파로 신생면을 노출시켜 금속 결합 --
-- 단조 프레스로 만들어진 신생면 생성 --
-- 겹친 체로 표면적을 늘린다 --

③ 밀착성
접합과 방수∙ 기밀(氣密)을 동시에 실현, 공수와 부품 수를 한꺼번에 줄인다

앞에서 설명한대로 자동차의 경량화를 추진하기 위해서 강철 등의 대체품으로서 플라스틱을 채택하는 움직임이 가속화되고 있다. 그 중에서 이종재료 접합 기술에 요구되기 시작한 기능은 밀착성과 그것에 의한 기밀성 및 방수성이다.

예를 들어 자동차 엔진을 냉각하는 부동액이나 오일이 흐르는 부품에서 밀착성이 있는 이종재료 접합 기술을 사용한다면 가스킷이나 패킹을 없앨 수 있다. 내부에 회로 기판을 탑재하는 전자제어 유닛(ECU) 등의 케이스에 이용한다면 고장의 요인이 되는 액체나 기체의 침투를 막을 수 있다. 해외에서는 차 내부를 고압수 등으로 세정하는 케이스가 있어 이런 사용 방식을 상정해 내장 부품에도 높은 방수성을 요구하는 부품 제조사도 등장하고 있다.

이와 같은 움직임에 따라, 플라스틱 재료 제조사나 가공회사가 기밀성 및 방수성이 높은 이종재료 접합 기술을 개발, 실용화가 초읽기에 들어갔다.

-- 알루미늄과 폴리아미드를 열 압착 --
플라스틱 재료를 제조하고 있는 듀폰은 높은 기밀성을 확보해 알루미늄(Al)합금과 폴리아미드(PA)를 직접 접합하는 이종재료 접합 기술을 개발. 현재, 기밀성 및 강도의 시험을 끝마치고 완성품의 검사 기술 및 제조 비용을 낮추기 위한 공정 확립을 서두르고 있다.

Al합금에도 PA에도 화학적으로 결합하는 물질을 Al합금의 표면에 도포. 거기에 PA재료를 눌러 열과 압력을 가해 접합한다. 듀폰 퍼포먼스 머티리얼즈사업부 용도개발부 부장인 모리(森) 씨는 “경계면에서 견고하게 화학적으로 결합하기 때문에 기밀성이나 방수성이 높다”라고 말한다. 접합에 있어서 Al합금의 표면에 샌드블라스트로 요철을 만드는 것과 같은 물리적인 처리는 불필요하다.

상정하고 있는 용도는 엔진 냉각계의 부품으로 보인다. “예를 들어 자동차 내열기관에 가까운 열 환경이 어려운 부분에서 냉각 사이클에 사용되는 부품이다. 엔진 오일이나 트랜스미션 오일이 있는 부분도 대상이다. 기존에 오일이 세지 않도록 뚜껑으로 커버하거나 오일을 절대로 흘러나오게 해서는 안되므로 금속제에 가스킷이나 패킹을 결합시키거나 하는 부분에 방수성과 경량화를 모두 확보할 수 있는 대체 기술로서 제공하고 싶다“(모리 씨).

-- 높은 내가수분해 특성도 강점 --
-- 표면 처리한 금속재를 PBT와 접합 --
-- 폴리에스테르 엘라스토머(TPEE)로 밀봉 --

④ 완충층
팽창 수축에 따라 응력을 흡수, 금속이나 플라스틱에도 화학적 결합

금속과 플라스틱의 결합 기술은 개량이 이어지고 있다. 그 중 하나가 온도 변화에 의한 팽창∙수축의 차이, 탄성률의 차이에 따른 변형의 차를 흡수할 수 있는 완충층이다. 접합 경계면에서 받게 되는 응력을 분산시킬 수 있으므로 국소적으로 조금씩 접합이 깨지는 사태가 거의 발생되지 않는다는 것이 장점이다.

수 십 ㎛이상으로 비교적 두께가 있으며 또한 변형하는 완충층을 구축하는 접합 기술은 접합 강도의 절대치가 다른 접합 기술에 비해 뒤떨어져있었다. 그러나 최근에는 개발의 발전으로 접합 강도가 향상되어 실용화에 가까워지고 있다.

-- PA계의 분체(粉體) 도장기술을 응용 --
다이셀에보닉(DAICEL EVONIK, 본사 도쿄)는 폴리아미드(PA)계 분체를 도장하는 기술을 발전시켜 금속과 PA를 접합하는 폴리머 ‘MENDEX’를 개발했다. 이미 채택을 위해 유저 기업과 조율을 하고 있는 단계라고 한다. 큰 면적에서의 접합에 적합하며 온도 변화 및 외부 힘에 의한 변형에 강하다는 특징이 있다. ‘MENDEX’는 접합 경계면에 폴리머에 의한 접합층을 형성하는 기술이다.

접합 공정은 금속 표면에 MENDEX를 도포해 열을 가해 도막(塗膜)으로 고정시킨다. 이 상태는 도장한 것과 같으며 금속 표면이 보호되고 있기 때문에 장기 보관이 가능하다. 필요에 따라서는 구부리거나 등의 2차 가공도 할 수 있다. 그 위에 PA를 인서트 성형으로 오버몰드하면 MENDEX와 PA가 상호 가교역할을 해서 접합된다.

-- 충격층이 선팽창계수의 차이를 흡수 --
-- 접합제와 같은 경화 시간은 불필요 --
-- 프라이머로 틈새를 메운다 --
-- 금속도 플라스틱도 화학적으로 결합 --

3. 독일의 신기술
프라운호퍼(Fraunhofe)도 참여, 양산 예측 시스템으로 제안

자동차 등으로의 멀티머티리얼화의 실용은 일본보다 유럽 쪽이 발달되어 있다. 필연적으로 이종재료의 접합 기술의 이용도 추진되고 있었으나, 리벳과 같은 기계적인 체결이 주류이다. 지금까지는 앵커 효과 및 화학적 결합에 의한 ‘직접 접합 기술’이 오로지 일본 기업의 것으로 인식되었다. 그러나 유럽도 일본처럼 기계적인 체결에 의해서가 아닌 직접 접합 기술에 나서기 시작했다.

플라스틱∙고무의 국제전시회 ‘K2019’(2019년 10월 16~23일, 메세 뒤셀도르프)에서는 독일에서 개발이 추진되고 있는 플라스틱과 금속의 직접 접합 기술의 출전이 있었다.

특히 눈에 띄는 기술은 2가지 있었다. 하나는 프라운호퍼 연구 기구레이저기술연구소(ILT)를 포함한 10사가 참여한 프로젝트 ‘FlexHyJoin’에 의한 강판과 플라스틱의 접합이다. 이탈리아 피아트크라이슬러의 소형차 ‘팬더’용의 루프 보강재를 제작했다.

또 다른 하나는 독일의 사출 성형기 대기업의 아버그(Arburg)와 표면 처리의 플라즈마트리트(Plasmatreat)가 공동으로 출전한 커넥터를 상정한 성형기술이다. 완성품은 전극과 커넥터 본체의 플라스틱이 밀착되어 있어 공기나 물이 새어 나오지 않는다.

양사 모두 요소기술의 개발뿐만 아니라, 생산 시스템의 성립성을 겸해서 검토하고 있다. 특히 아버그와 플라즈마트리트는 2개의 부스를 돌아가며 소재에서 제품 완성까지를 실현해 보였다.

-- 10사가 참여, ‘FlexHyJoin’ 프로젝트 --
-- 플라즈마 처리와 인서트 성형으로 접합 --

 -- 끝 --