지구 온난화 억제를 목적으로 실시되고 있는 강력한 온실가스 감소 및 탄소 배출 저감 정책에 따라, 자동차의 연비 향상 및 배출가스 저감에 대한 노력은 전 세계적으로 활발하고 다양하게 이루어지고 있다. 더불어 자동차 산업의 주요 국가를 필두로 극한의 연비 향상 및 이산화탄소 배출 규제를 극복하고자 기존 경량화보다 더욱 효율을 높일 수 있는 다종 소재 경량화 기술이 활발하게 적용되고 있으며, CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic), 초고강도 강 및 알루미늄 합금 등의 이종 소재(Multi-Material) 적용을 통한 경량화 기술 개발 경쟁이 극심한 것이 현실이다.
서로 다른 특성을 가지는 소재를 결합하거나 접합하는 것은 현재까지도 매우 어려운 기술로 분류되고 있으며, 이에 따라 다양한 접합 기술이 개발 및 응용되고 있다. 본 고에서는 이종 소재의 다양한 접합 기술 중 주로 기계적 접합 기술에 대하여 소개하고 최신 개발 동향과 실제 응용 사례에 대하여 논하고자 한다.
국내/외 환경 규제 및 산업 동향
전 세계적으로 기존 연비 및 배출가스 규제는 권고 사항이었으나, 2020년을 기준으로 대부분의 국가에서 연비 및 배출가스 규제가 강제 이행으로 변경되었으며, 상당히 극한의 수준을 요구하고 있는 상황이다. 특히 2020년 북미는 승용 평균 연비 19.81㎞/ℓ 규제로 2015년 대비 23% 강화하였고, 동년 유럽은 CO2 배출 95g/km 규제로 2015년 대비 27% 강화되었다. 2020년 국내는 연비 24.3㎞/ℓ, CO2 95g/km 규제로 각각 43%, 30% 강화되었다. 한중 FTA가 체결된 중국은 세계 자동차 생산 및 판매 1위로, 2020년 5ℓ/100㎞의 연비를 만족하지 못할 경우 인증장을 발급받지 못해 차량 판매가 불가능하게 된다. 따라서 더욱 강력하고 경제적인 경량화 기술 확보가 시급하다.
경량화 기술 개발 측면에서는 연비 향상 및 배출가스 저감에 대한 필요성이 증대되었고, 경량화와 상충되는 요구 사항인 자동차의 충돌 안전성 및 편의 장치의 증가 요구가 지속적으로 강화되고 있다. 이에 따라 기존의 경량화보다 더욱 효율을 높일 수 있는 이종 소재 경량화 기술이 대두되고 있다.
국내/외 자동차 산업은 연비 및 배기가스 규제 강화로 다양한 경량화 기술과 소재의 다변화가 추진되고 있으며, CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic), 초고강도 강 등의 다종 소재(Multi-Material) 적용을 통한 경량화 기술 개발 경쟁이 활발하다. 특히 하이브리드, 전기 및 수소차의 경우 상당한 중량을 차지하는 배터리 때문에 경량화 및 경량 소재 적용에 집중하고 있다.
자동차의 경량화 실현 방법으로는 기존 소재 대비 가벼운 소재 사용, 성형 및 가공 기술 개발, 그리고 기존 부품 형태의 최적화 등이 있다. 이 중 소재를 변경하는 것이 중량 절감 효과가 가장 크기 때문에, 최근 경량화 추세를 위해 알루미늄, 마그네슘 등 경량 금속의 사용량 증대와 CFRP 등의 고분자 소재 사용이 증가하는 추세다. 제조 단가와 생산성, 충돌 안전성 확보 측면에서 단일 소재가 아닌 다종 소재를 활발히 적용하고 있다.
국내/외 선진 자동차 제조업체들은 프리미엄 브랜드를 중심으로 이종 소재 차체를 양산 적용하는 전략을 가장 보편적으로 사용하고 있다. 그러나 이종 소재 적용은 기술적으로 극복해야 할 장벽이 증가하고 있어, 차체에 적용할 재질의 다양화에 기반이 되는 이종 소재 접합 기술 개발에 매진하고 있으며, 이미 많은 기술이 양산에 적용되고 있다.
다양한 이종 소재 접합 기술
이종 소재 접합은 서로 다른 소재들을 분리되지 않게 붙이거나 결합하는 것을 의미하며, 산업적으로는 서로 다른 금속 간의 접합, 플라스틱 간의 접합, 그리고 금속과 플라스틱 간의 접합 공정을 의미한다. 이종 소재는 다양한 소재를 혼합 공정 등을 통해 하나의 소재로 만든 복합재(Composite)와 대비되는 개념으로, 각각의 소재들을 이종 소재 접합을 통해 단일 복합재에서는 구현할 수 없었던 성능 조합을 확보할 수 있는 다중 기능 소재(Multi-materials)의 개념으로 이해할 수 있다. 높은 강도와 성능이 확보된 경량 소재에 대한 수요가 증가함에 따라 금속-플라스틱 간의 이종 소재 접합에 대한 관심이 점점 높아지고 있으며, 금속-탄소 복합재와 같은 새로운 복합재와의 접합에 대한 수요도 증가하고 있다.
이종 소재 접합을 위한 방법은 크게 기계적 툴을 이용해 접합하는 (1) 기계적 접합과 (2) 용접 등의 접합 및 무기·유기 접착제를 이용해 접합하는 (3) 접착제 접합 등으로 분류된다.
먼저, 용접 접합 기술은 주로 이종 금속 간의 접합에 많이 사용되어 왔으나, 최근에는 금속-플라스틱 간의 접합에도 사용되고 있다. 이 중 레이저 용접 기술이 가장 효과적이고 성능이 우수하나, 높은 비용과 낮은 생산성으로 인해 크게 적용되지 않고 있다. 반면, 접착 접합 기술은 주로 에폭시와 우레탄 등의 유기물 기반 접착제를 사용하여 소재 접합 부에 도포한 후 경화 과정을 통해 이종 소재를 접합하는 방식으로, 접착제가 유기물이기 때문에 플라스틱 소재 간의 접합에 유리하다. 하지만 접합 면은 접착제의 종류에 따라 전단응력 또는 박리 응력에 약점을 보이며, 접합제와 이종 소재 표면 특성이 맞지 않으면 접합 자체가 곤란한 문제점이 있다.
본 고에서는 앞서 언급한 다양한 이종 소재 접합 기술 중 ‘기계적 접합 또는 체결 기술’에 중점을 두어 소개하고, 실제 응용되고 있는 대표적인 제품의 특징과 기계적 성능에 대하여 논하고자 한다.
이종 소재 기계적 접합 기술
기계적 접합 기술은 소재 접합 기술 중 가장 오래된 기술로, 용접이 어려운 소재들에 대한 현실적 대안으로 평가받고 있다. 대표적으로 볼트/너트 체결(Bolting), 셀프 피어스 리벳(Self-Pierce Rivet), 플로우 드릴 스크류(Flow Drill Screw), 그리고 클린칭(Clinching) 등이 있다.
볼트/너트 체결법은 가장 오래된 전통 방식의 기계적 접합 기술로, 매우 폭넓게 사용된다. 하지만 이종 소재 접합에서는 양 방향에서 볼트와 너트 중 하나를 고정해야 하고, 미리 가공된 홀을 통해 체결이 이루어지므로 홀 가공이라는 추가 공정이 요구되어 생산성이 낮아지는 단점이 있다. 따라서 사전 홀 가공이 없는 기계적 접합 기술이 확대 적용되고 있다.
클린칭(Clinching)은 Pre-drilling 공정과 별도의 소모재 없이 판재의 소성 가공을 통해 기계적으로 체결하는 방식이다. 일정 이상의 신율이 확보된 소재일 경우 적용이 가능하므로 다양한 소재를 대상으로 이종 접합이 가능하다. 클린칭은 점 용접과 마찬가지로 양쪽 동시 가압을 통해 소성변형을 일으켜 접합되기 때문에 다른 접합 공정에 비해 접합 강도는 낮지만, 제품의 손상 없이 육안으로도 접합 품질을 확인할 수 있어 가전 조립 분야를 포함하여 적용이 점차 확대되고 있다.
셀프 피어스 리벳(Self-Pierce Rivet)은 선박 건조 등에 적용되어온 리벳 공정과 유사하며, 이종 소재 양쪽에서 압착하여 리벳을 체결하는 공정이다. 사전에 구멍을 가공할 필요가 없고, 접착 접합 기술과의 혼용이 가능하며, 짧은 공정 시간과 우수한 체결 강도로 인해 다양한 소재에 적용할 수 있다. 현재 알루미늄 차체의 조립 공정으로 가장 일반화된 공정 기술이다.
플로우 드릴 스크류(Flow Drill Screw)는 스크류를 건에 장착한 후 순간적으로 일정 압력을 가하여 암 나사를 성형하여 체결하는 방식이다. Pre-drilling 공정이 필요 없으며 생산성 및 작업 효율이 높다는 장점이 있다. 다양한 소재의 이종 접합이 가능할 뿐만 아니라 구조용 접착제와 혼용할 수 있어 매우 활용도가 높다.
향후 이종 소재 기계적 접합 기술의 변화
플로우 드릴 스크류 접합 기술은 마찰 드릴링과 나사 성형을 단일 프로세스로 접합한 혁신적인 방식이다. 1990년대에 처음 등장한 이래로, 양면 접근이 어려운 폐쇄된 구조에 적합해 자동차 산업에서 널리 채택되었다. 현재 자동차 산업계에서 이 접합 기술에 대한 관심이 증가함에 따라 암 나사 성형 메커니즘, 접합 품질 및 기계적 강도를 제어/최적화하는 전략에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.
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