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새로운 재료는 자동차, 비행기 그리고 모든 종류의 다른 경량의 물체를 제작하고 있다. 문제는 이러한 재료 중 많은 것이 용접할 수 없다는 것이다. 이제, 대체 결합방식을 이용할 수 있는데, 그라디언트 접착제(gradient adhesives)는 결합한 부품이 전체 서비스수명 동안 결합을 유지하고 충돌이 발생할 때도 잘 유지될 수 있는 매우 우수한 방법을 제공한다.
KISTI 미리안 글로벌동향브리핑 2014-11-12
오늘날 무게를 줄이는 것은 선풍적인 흐름이며, 중량 감소를 향한 글로벌 트렌드는 자동차 산업계에도 퍼져 있다. 자동차는 초고강도 강철이나 탄소 그리고 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP, carbon-fiber-reinforced plastics)과 같은 새로운 재료를 사용하여 더 경량화가 진행되고 있다. 그렇지만, 어떠한 중량감소 목표와 경량 부품을 제작회사가 선택한다고 해도, 그것들은 모두 자동차 구성품을 최상으로 그리고 오랫동안 결합시키는 방법을 요구하게 된다. 종종 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP)의 매트릭스 구성품으로 사용되는 듀로플라스트(Duroplast)는 용접이 되지 않기 때문에, 다른 결합기술이 요구된다.

본딩(Bonding)이 최상의 솔루션이다. “우리는 구성품을 영원히 본딩하고 추가로 형태적인 안정성도 창조하는 구조적 접착제에 대해 우선으로 연구를 진행해 오고 있다”고 독일 다름슈타트의 프라운호퍼 연구소 구조 내구성 및 신뢰성 LBF(Fraunhofer Institute for Structural Durability and Reliability LBF)의 플라스틱 디비전 화학 분석가인 장 스펭글러(Jan Spengler) 박사는 말했다. 이러한 접착제 본드에는 특수한 장점이 존재한다. 그것은 다른 형태의 본드보다 충돌 상황에서 상당히 우수하다. 더욱이, 이 접착제는 금속보다 댐핑 특성이 더 우수하여, [NVH](noise vibration harshness, 사람이 느낄 수 없는 가벼운 진동에서부터 최소한 들을 수 있는 소리 및 거친 소음 등 전반적인 소음을 총칭) 수준을 향상시킨다. [NVH]는 자동차에 탄 사람이 진동으로 인식하거나 소음으로 듣는 전부를 의미하는 용어이다. “접착제 레이어는 최고급 댐퍼와 같이 작동하여, 절연용 재료를 줄이고 중량을 감소시킨다”고 이 연구소 LBF의 구조 내구성 디비전의 할바르 슈미트(Halvar Schmidt) 박사는 말했다.

단단하면서도 탄력성이 있는 특성
이 연구소의 플라스틱 디비전과 구조 내구성 디비전 모두 지난 1년 6개월 동안 이중 중합 접착제(dual cure adhesives)에 대한 연구를 진행해 오고 있다. 이 기술이 특수한 것은 그것들이 2단계로 경화되기 때문이다. 이와 같은 그라디언트 접착제(gradient adhesives)를 위해서, 습도, 열, 무산소성 조건 또는 자외선 빛이 경화 프로세스 1단계를 트리거시킨다. 2차 경화 프로세스의 시작을 위해 다른 액티베이터가 사용될 수 있다. “이러한 종류의 접착제는 일정 기간에 시장에서 이용할 수 있었지만, 지금까지 이 제품들은 모든 지점에 연속적인 탄력성과 같은 단단함을 늘 제공해 왔다. 이제, 우리는 변화하는 탄력성을 가진 혁신적인 이중 중합 접착제 제작에 성공했다”고 스펭글러(Spengler) 박사는 말했다. 첫 번째 열-트리거 경화 메커니즘은 전체 접착 표면을 코팅하여, 부드럽고 플렉시블한 제품을 산출해 낸다. 두 번째 경화 프로세스는 자외선에 노출될 때 시작된다. 특수한 특징을 가지게 하는 것은 이 반응이 매우 특정한 영역에서 포함될 수 있다는 사실이다. 이 접착제의 폴리머 체인은 자외선에 노출되는 지점에서 크로스링크되어, 더 큰 단단함을 가진 국부 지역을 만들어낸다. 이러한 방식으로, 이 연구소 연구진들은 절반은 매우 부드럽고 절반은 매우 단단한 본딩된 플라스틱을 생산하는데 성공했다.

변화하는 강도 덕분에, 이 혁신적인 접착제는 상당히 오랫동안 진행되는 본딩 특성을 유지할 수 있다. 매번 운행할 때마다 자동차는 진동 부하에 노출되는 것을 고려한다면 그리고 이러한 외부 스트레스가 본딩 부위 주위에 항상 고르게 분배되지 않는다는 사실을 고려한다면, 이것은 중요한 문제이다. 그다음 발생하는 것은 결합부가 가장자리 부위에서 스트레스 피크가 발생하고 본딩 부위가 매우 충격을 받는 것이다. “변화하는 강도를 가진 우리가 새롭게 개발한 접착제는, 외부 가장자리 부위에서는 탄력적이고 스트레스를 더욱 잘 다루고 피크 스트레스는 흡수된다. 그렇지만, 중앙 부위에서는, 접착제 레이어가 발생지점 처리되고 점차 단단해진다. 이것은 본드와 부착된 자동차 차대가 연속적인 형태 안정성을 유지함을 의미한다”고 스펭글러(Spengler) 박사는 설명했다.