“접착제에 이것 쬐였더니” 소재 성능·효율↑…‘전자선’ 대체 뭐길래

- 한국원자력연구원, 이종소재 접합기술 개발

이종소재 접합기술을 개발한 한국원자력연구원 첨단방사선연구소 연구진.[한국원자력연구원 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 최근 전 세계적인 이산화탄소 규제에 발맞춰 친환경 자동차 생산이 이슈다. 친환경 자동차를 만들기 위해 기능성 부품이 추가되면서 그에 따른 중량 증가 등이 걸림돌이 되고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위한 핵심기술로 이종소재 접합기술이 주목받고 있다.

한국원자력연구원 첨단방사선연구소 전준표 박사 연구팀은 전자선 경화기술을 활용해 차세대 모빌리티 생산에 필요한 이종소재 접합기술을 개발하고 시제품 제작에 성공했다고 25일 밝혔다.

이종소재 접합은 서로 다른 소재들이 분리되지 않도록 붙이는 공정이다. 서로 다른 금속 혹은 플라스틱을 접합해 단일 소재로는 구현할 수 없는 성능에 도달할 수 있다.

자동차의 경우 철로 만든 차체와 창문틀 등이 자동차 중량의 50% 이상을 차지한다. 이를 보다 가볍고 튼튼한 알루미늄, 엔지니어링플라스틱, 탄소섬유강화복합재료 등으로 경량화를 이루는 것이 미래 자동차 부품개발의 최대 목표다.

이종소재 접합 방법으로는 압착하는 물리적 접합, 용접을 활용한 금속학적 접합이 있지만 무게가 증가하는 단점이 있다. 그래서 보통 본드 같은 접착제를 활용한 접착제 접합 공정을 널리 이용한다.

접착제 접합 공정은 열경화 공정과 상온경화 공정으로 나뉜다. 접착제로 소재를 이어 붙이고 120℃의 열을 가해 접합하는 열경화 공정은 두 소재를 단단하게 결합시킬 수 있지만 소재 간 열팽창계수 차이로 소재가 휠 수 있어 접합부의 내구성이 떨어질 수 있다. 열을 가하지 않는 상온경화는 경화율이 낮아 접합강도에 한계가 있어 후공정을 추가해야 하는 단점이 있다.

연구팀은 기존 열경화 공정 대신 전자선 경화공정을 이용해 샌드위치구조의 복합재를 개발했다. 우리가 흔히 아는 와인 마개 재질인 코르크와 벌집 구조의 허니컴을 중심으로 경량화에 주로 사용하는 탄소섬유강화복합재료를 감싸 샌드위치 모양으로 접착했다. 여기에 전자선을 조사해 접착 성분이 빨리 경화되도록 분자 구조를 변형하여 시제품을 개발했다.

전자선 경화공정 이용 이종소재 접합을 통해 제작한 샌드위치구조 복합재.[한국원자력연구원 제공]

전자선을 조사해 두 소재를 이어 붙이는 전자선 접합공정은 상온에서 진행해 접합 소재 간 열팽창계수 차이로 생길 수 있는 변형 문제를 해결할 수 있고 높은 접합 성능을 구현할 수 있다. 또한 접합에 소요되는 시간이 수분 이내로, 12시간이 걸리는 상온경화나 열경화에 비해 생산성이 높으며, 접합공정에 소요되는 에너지(전기) 역시 열경화 공정 대비 1/50 이하로 절감할 수 있다.

기존 공정 대비 접합강도가 60% 이상 뛰어나 미래항공 모빌리티, 항공·우주, 풍력 블레이드 등 경량화와 강도가 동시에 필요한 많은 분야에 활용할 수 있다.

정병엽 한국원자력연구원 첨단방사선연구소장은 “전자선 기반 접합공정은 차세대 자동차 산업 뿐 아니라 항공·우주, 국방, 전자, 건설 등 다양한 산업 분야에 적용이 가능한 기술”이라며 “앞으로도 안정적인 연구 환경을 조성하고 산업체와의 협력 연구를 적극 추진하겠다”고 밝혔다.

nbgkoo@heraldcorp.com