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마이크로칩-이경제 부장

[기술특집]금속-수지 이재 접합 기술의 동향

입력 : 2020.04.27 11:21

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[첨단 헬로티]


카지하라 유스케(梶原 優介) 東京대학


수송기기 산업에서 경량화는 오랜 과제이며, 항상 주요 개발 테마로 되어 있다. 최근의 경량화 트렌드로서 금속 부재를 수지로 대체하는 것은 알고 있듯이 활발하게 추진되고 있다. 모든 금속 부재를 수지로 전환하는 것은 불가능하기 때문에 반드시 금속과 수지의 접합 부분이 존재하게 된다. 


예를 들면 자동차에서 말하면, 필러, 빔이나 와이어 하네스부, 수송기기 산업 이외에도 스마트폰의 내부 배선이나 이온전지 전극의 실장 등이다.


그렇기 때문에 금속과 수지의 인접 부분을 강고하게 접합하는 기술이 반드시 필요하게 되고 있다. 볼트나 리벳에 의한 기계적 체결이나 접착제를 사용한 화학적 접합으로는 공정이나 처리 시간이 늘어나 버리기 때문에 금속과 수지를 직접 접합하는 기술이 각광을 받고 있으며, 여러 가지 연구 개발이 추진되고 있다.


금속과 수지를 직접 접합하는 방법으로서는 금속 부품, 수지 부품을 독립적으로 제작, 그 후 양 부품을 가열해 접합하는 ‘성형 후 접합’ 및 금속과 수지의 복합체를 금형 내에서 일체 성형하는 ‘성형 접합’이 있다. 성형 후 접합의 예로서는 금속-수지계면에 레이저를 집광해 그 열에 의해 접합하는 방법, 초음파나 마찰교반을 이용하는 방법 등을 들 수 있다. 


성형 접합에서는 일체 성형 전에 금속 표면을 처리한다. 표면처리로서는 수지와의 화학결합성이 높은 결합막을 생성해 화학적 접합을 유기시키는 방법과 몇 십 mm에서 몇 백 μm 크기의 미세 요철 구조를 만들어 기계적인 앵커 효과를 촉진시키는 방법이 있다.


성형 후 접합과 성형 접합은 접합시키고 싶은 대상에 따라 구분 사용할 수 있는데, 성형 접합은 일체 성형을 하기 때문에 가공 시간의 단축이 도모되고 가공 임의성이 우수한 장점을 가지고 있다. 


또한 성형 접합에서는 처리가 비교적 용이하고 재료 선택성이 높은 미세 요철 구조 이용형이 연구 개발의 주류로 되어 있다. 이에 총론에서는 미세 요철 구조에 의한 앵커 효과를 이용한 성형 접합에 초점을 맞춰 이야기를 진행하고 싶다.


미세 요철 구조를 이용한 성형 접합


미세 요철 구조를 이용한 성형 접합은 20년 정도 전에 제안된 기술이다. 일본에서는 2000년대 초반의 타이세이(大成)플러스사의 NMT(Nano Molding Technology) 기술을 계기로, 여러 가지 연구 개발이 이루어져 왔다. 접합법의 개념도를 그림 1에 나타냈다. 우선 금속 표면에 몇 십 nm에서 몇 백 μm 크기의 요철 미세 구조를 만든다. 



다음으로 주로 사출성형(인서트 성형)에 의해 용융수지를 구조 근방에 유입시키면, 수지가 미세 구조 내에 충전된다. 그 후 냉각 후에 주로 앵커 효과에 의한 강고한 접합력이 발현된다. 예를 들면 전단 방향으로 힘이 가해진 경우, 각 미세 구조에 응력이 분산되기 때문에 잘 파괴되지 않는다. 금속이나 수지의 종류에 따르지만, 조건에 따라서는 전단강도 30MPa 이상에 달한다.


미세 구조를 만드는 방법으로서는 화학 에칭이나 레이저 가공이 이용되는 경우가 많다. 화확 에칭에서는 금속 부재 표면에 몇 십 nm에서 몇 μm의 미세 구멍을 여러 개 만든다. 


일본의 예에서는 앞에서 말한 NMT나 멕사의 AMALPHA 외에 양극산화를 이용한 예를 들 수 있다. 레이저 가공은 레이저 집광부의 열에너지에 의해 몇 십 μm에서 몇 백 μm의 미세 구조를 만드는 방법으로, 야마세전기사의 Laseridge나 다이셀폴리머사의 DLAMP와 같이 미세 홈을 이용하는 방법과 그 외에도 레이저 딤플을 이용한 접합 등이 보고되어 있다.


화학 에칭이나 레이저 가공 외에 최근에는 융기 구조에 의한 포지티브 앵커를 이용한 방법과 마이크로 블러스트를 이용한 방법 등이 보고되고 있으며, 세계적으로 여러 기업, 연구기관에서 활발하게 연구 개발이 추진되고 있다.


앞에서 말한 모든 기술에서 높은 퍼포먼스가 보고되어 있으며, 현장에서는 원하는 형상․기능에 따라 각 기술을 구분 사용할 수 있게 된다. 또한 2015년에는 산업종합기술연구소를 중심으로 이종재료 복합체의 특성평가시험에 관한 국제 규격(ISO19095)이 정해져, 각 기술의 통합적인 비교가 가능해졌다.


현재의 실용화 분야로서는 휴대전화의 케이스나 차재 ECU 패널 등이 다수를 점하고 있으며, 그 다수가 해외용 제품이다. 최근에는 소형 부품을 중심으로 일본 국내에서 산업 전개도 추진되고 있는데, 시장이 큰 자동차 산업(차체, 전자적 기능과의 연계를 포함하는 내장)에서는 응용 예가 적다. 


주된 이유는 성형 접합 기술의 역사가 짧아, 이론적․실험적 해석의 절대수가 적기 때문에 신뢰성이 담보되지 않는 점이다. 과제 해결을 위해서는 표면처리 형상이나 성형 조건의 최적화, 접합 강도 발현의 메커니즘 명확화가 주로 대응해야 할 과제가 된다. 


필자의 연구 그룹에서도 여러 가지 접근으로 앞에서 말한 과제 해결에 대응하고 있는데, 금형 기술에 관련된 여러분들이 읽는 것을 가정해, 여기에서는 성형 조건의 최적화에 대해 일부 소개한다.


성형 조건과 접합 강도의 관계


미세 요철 구조를 이용한 성형 접합에서 강고한 접합 강도를 얻기 위해서는 재료물성(예를 들면 금속과 수지의 선팽창계수가 크게 다르면 냉각 시에 열잔류 응력이나 변형이 생긴다), 표면처리 구조 및 성형 조건(수지 온도, 형 온도, 형내 압력, 사출 속도 등)을 최적으로 할 필요가 있다. 


접합 강도에 크게 영향을 미치는 앵커 효과를 강하게 발현시키기 위해서는 금속 미세 구조에 대한 수지 충전율을 높일 필요가 있다. 그러기 위해서는 용융수지의 유동성이 높은 편이 유리하다. 그러한 관점에서 생각하면 수지 온도, 형 온도가 높을수록 유동성이 높아지기 때문에 충전율이 향상되고 접합은 보다 강고해진다.


단, 수지 온도는 열분해 온도보다 낮고, 형 온도도 수지 융점보다 낮게 설정할 필요가 있다. 온도와 강도의 관계는 상상하기 쉽기 때문에 상세한 설명을 생략하고, 다른 지배적 인자인 형내 압력, 사출 속도와 접합 강도의 관계에 대해서 이하에 해설한다.


1. 접합실험 방법과 기본 조건


이하에 설명하는 접합실험 결과에 대해서는 금속편은 알루미늄합금(A5052), 수지는 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT, 토(東)레 1101G-X54)를 이용하고 있다. 금속 표면처리법에 대해서는 그 때마다 기술한다. 


접합 강도의 평가 방법으로서는 겹이음 구조를 제작해, 자체제작 시험기로 인장 전단응력을 측정하고 있다. 접합 시료는 모두 ISO19095에 준거한 형상으로, 접합 길이는 5mm, 접합 폭은 10mm이다. 


그림 2는 사용한 금형 파팅면의 모식도와 접합 시료 치수이다. 접합부 근방에 압력 및 온도 센서를 설치하고 있으며, 성형 시의 접합부 근방의 압력, 온도를 실시간으로 모니터링 가능하게 되어 있다. 금형 온도는 140℃로 통일되어 있다. 인서트 성형은 화낙사의 ROBOSHOT α-S100iA(스크루 지름 : 22mm)를 사용해서 하고 있다.



2. 형내 압력과 접합 강도의 관계


그림 3에 성형 중의 온도․압력 센서 신호의 한 예를 나타냈다. 동 그림에서 0초는 형체결 타이밍을 나타내고 있다. 온도는 용융수지가 센서에 도달한 순간에 크게 상승하고, 그 후 서서히 내려간다. 압력도 수지의 캐비티 충전 직후에 순간적으로 상승한다. 이하, 이 순간적인 피크 압력을 팩압이라고 부른다. 팩압 인가 후는 보압 공정에서 압력이 일정하게 유지된다. 



경험 상 오버 팩 조건(캐비티 용적보다 사출량이 큰 조건) 쪽이 접합 강도는 높기 때문에 2차압 전환 위치를 조정해 오버 팩 조건으로 성형을 하고 있다. 이하에 팩압과 보압의 영향에 대해 설명한다.



그림 4에 여러 가지 수지 온도(온도 센서가 나타내는 최대 수지 온도)에 대해 팩압을 변경하면서 접합실험을 해 인장 전단 강도와의 관계를 조사한 결과를 나타냈다. 동 실험에서는 금속 표면에 레이저 가공에 의해 직경 50μm, 깊이 85μm 정도의 딤플 구조를 주기 60μm로 만들고 있다. 각 조건의 시료 수는 3이고, 보압은 제로, 사출 속도는 50m/s이다. 


그림 4의 결과로부터 어느 수지 온도에서나 팩압과 인장 전단 강도에는 강한 플러스의 상관이 있다는 것을 알아챌 수 있다. 팩압이 큰 경우, 전사 시에 수지를 밀어 넣는 힘이 커지기 때문에 전사율이 향상되고 앵커 효과가 향상된다고 생각할 수 있다.


다음으로 보압의 영향인데, 결과로부터 말하면 보압의 크기와 인장 전단 강도 사이에 상관은 거의 없다. 그림 3에 나타냈듯이 보압이 인가되는 타이밍에서는 접합부 근방의 수지 온도는 크게 내려가 있다. 즉 접합부 근방에 스킨층이 성장해 있으며, 수지의 유동성이 낮아져 있다. 그렇기 때문에 미세 구조에 대한 보압에 의한 수지 전사의 영향은 작고, 접합 강도에 거의 영향을 미치지 않는다고 생각된다.


3. 사출 속도와 접합 강도의 영향


여기서는 화학 에칭 처리로 나노 미세 구조(구조 10nm 오더)를 만든 금속편, 앞에서 말한 것과 동일한 가공 조건에 의해 레이저 가공 처리한 금속편(구조 10μm 오더)의 2종류에 대해 사출 속도의 영향을 설명한다. 수지 온도는 230℃로 통일했다. 화학 에칭 처리편의 시료 수는 7이고, 팩압 90MPa, 보압 60MPa(8초)로 했다. 한편 레이저 가공 처리편의 시료 수는 3이고, 팩압 60MPa, 보압 제로이다.



사출 속도와 인장 전단 강도의 관계를 그림 5에 나타냈다. 매우 흥미 깊은 것으로, 화학 에칭 처리편과 레이저 가공 처리편의 결과에 대해 사출 속도가 높아질수록 인장 전단 강도가 높다. 높은 사출 속도의 경우는 팩압 인가 시의 수지 온도가 높고, 또한 수지와 미세 구조 간의 전단 발열이 커지기 때문에 국소적으로 수지의 유동성이 올라가고 전사율이 향상되는 것이 주된 이유로서 생각된다. 


주름 가공 등 일반적인 사출성형의 전사에서도 사출 속도가 높은 쪽이 높은 전사율을 나타내는 것은 잘 알려져 있으며, 예측하기 쉬운 결과일 것이다. 한편 화학 에칭 처리편에 관해서는 사출 속도가 높을수록 인장 전단 강도가 낮아진다. 


이 결과는 미세 구조의 사이즈가 성형 조건에 크게 영향을 미치고 있는 것을 강하게 시사한다. 즉 화학 에칭 처리편과 같이 표면 구조 사이즈가 10nm 오더로 매우 작은 경우와, 레이저 가공 처리편과 같이 10μm 오더로 비교적 큰 스케일인 경우에서 전사 과정이 다를 가능성이 있다.


이 경향은 화학 에칭, 레이저 가공 등의 가공 과정에 의존하는 것은 아니다. 예를 들면 알루미늄합금 표면에 대해 열수처리를 한 경우는 금속 표면에 10nm 오더의 섬유상 구조가 많이 만들어지는데, 이 처리편을 이용해 성형 접합을 할 때는 화학 에칭 처리편과 동일한 결과(사출 속도가 높을수록 접합 강도가 낮아진다)가 된다. 


한편, 마이크로 블라스트 처리와 같이 비교적 큰 미세 구조( 몇 십 μm 이상)를 만들어 동일한 조사실험을 한 경우, 레이저 가공 처리편과 동일한 결과(사출 속도가 높을수록 접합 강도가 높아진다)가 얻어진다. 


미세 구조의 크기가 나노 스케일이 된 경우의 결과에 대한 고찰은 매우 어렵지만, 고분자 사슬의 크기와 접합부 근방 수지의 점성저항, 스킨층의 미끄러짐에 의한 미세 구조 파괴 등의 영향이 생각된다.


총괄 및 앞으로의 전망


금속-수지 이재 접합 기술에 대해 최근의 동향을 소개했다. 더구나 미세 구조를 이용한 성형 접합에서 중요한 팩터인 성형 조건이 어떻게 접합 강도에 영향을 미치는지에 대해 간단하지만 설명했다. 


금속-수지 이재 접합 기술에서 최적 접합 조건의 탐색 및 접합 메커니즘 해명은 매우 중요한 테마이고, 몇 개의 그룹에서 연구가 추진되고 있지만 접합 지도 원리의 통합적인 평가에 이르기까지는 아직 멀었다. 


과제 해결을 위해 필자가 특별히 필요하다고 생각하는 점은 ①금속 표면처리면의 미세 구조의 정량 제어에 의한 미세 구조 형상의 최적화, ②인프로세스 계측이 가능한 성형 금형을 이용한 성형 조건의 최적화, ③유한요소법, 분자동력학 시뮬레이션에 기초한 멀티 스케일 파단 분석, ④EDX, EELS 등의 원소․분자 분석을 통한 계면 해석을 통합적으로 하는 것이다. 


현재는 각각의 연구기관이나 기업에서 실험과 해석에 관한 정보가 독립․분산되어 있다. 금속-수지 직접 접합 기술의 대규모 산업 응용 전개를 위해서는 컨소시엄과 같은 형태로 기본 정보를 공유하고, 통합적으로 연구 개발을 추진하는 것이 효과적일 것이다. 

/서재창 기자(prmoed@hellot.net)

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