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2023년 2월 6일
우리의 주요 제품인 모터의 자석 고정 및 엔코더의 디스크 고정에는 접착 접합이 사용됩니다. 접착 접합은 볼트 체결 등의 기계적 결합에 비해 경량화, 강성의 향상, 가공 작업의 간소화 등 많은 특징을 가지는 접합 방법입니다. 모터의 소형화나 고출력화가 진행되고 있는 가운데, 안정된 접착 성능과 높은 신뢰성을 얻기 위해서는, 접착의 과제인 강도의 변동이나 고온 사용시의 강도 저하에의 대응이 지금까지 이상으로 요구됩니다. 또한 최근에는 접착 메커니즘 해명과 고신뢰성 설계를 위해 CAE(Computer Aided Engineering)에 의한 접착 강도나 파괴 거동 예측의 수요가 증가하고 있습니다.
이러한 배경을 바탕으로 당사는 대학과 연계하면서 안정된 접착 성능과 높은 신뢰성을 지원하는 최첨단 기술 개발에 임하고 있습니다. 그 대처 중에서, 이하 3개의 기술에 대해 소개합니다.
① 강도 편차 저감을 위한 피착재의 표면 처리 기술
② 고온 사용 시의 접착 특성을 평가하는 내열 평가 기술
③ 접착부의 파괴 거동을 예측하는 접착 해석 기술
그림 1 접착 메커니즘
그림 2 접착제의 파괴 형태
그림 1은 접착 메커니즘을 보여줍니다. 접착이란 "접착제를 매개로 하여 기계적, 물리적 또는 화학적 힘에 의해 두 면이 결합한 상태"로 정의되고, 접착력을 강하게 하려면 접착제와 피착재의 거리가 근접할수록 좋기 때문에 젖음성※1이 중요합니다. 접착제의 파괴 형태로서 응집 파괴와 계면 파괴가 있으며, 또한 이들의 혼합 파괴로 분류됩니다(그림 2). 또한 접착 신뢰성을 확보하기 위해서는 접착제의 내열성에 영향을 주는 점탄성이나 유리 전이 온도※2, 크리프 특성※3을 고려한 평가가 필요합니다.
※1 젖음성이란
피착재 표면에 접착제를 쉽게 부착할 수 있음
※2 유리전이온도란
접착제가 부드러운 고무 상태에서 단단한 유리 상태로 변하는 온도
※3 크리프 특성이란
접착제가 지속적인 하중으로 점차 변형될 것
신뢰성이 높은 접착력을 얻으려면 접착 강도가 높을 뿐만 아니라 강도의 변동이 적은 것이 중요합니다. 편차가 크면 접착 강도의 안전율을 크게 설정할 필요가 있기 때문에, 지금까지는 설계시의 허용 강도를 크게 견적하고 있었습니다.
금속 표면은 유지 및 산화물과 같은 오염물로 덮여 있으며 접착제와의 젖음성을 향상시키기 위해서는 이 오염물을 제거하고 표면 장력을 증가시켜야 합니다. 강도 변동을 저감하기 위해, 이 피착재 표면에 주목하여, 일반적인 탈지 처리뿐만 아니라 표면 처리에 의한 접착제와의 젖음성을 개선함으로써, 그 효과를 확인했습니다.
예를 들어, 솔벤트 탈지된 알루미늄 판 표면에 대한 접착에 비해 UV 조사 및 블라스트 처리※4하면 안정적인 접착 강도를 얻을 수 있습니다. 이와 같이 금속에 대해 안정적인 접착 강도를 얻기 위해서는 물리적 또는 기계적으로 표면의 산화막을 제거할 필요가 있다고 할 수 있습니다. 또한 접착제나 금속에 비해 표면 장력이 낮은 수지에 대해서는, 젖음성을 좋게 하기 위해서 극성 관능기※5을 도입하기 위한 표면 개질 처리가 유효합니다. 예를 들면, 난접착한 수지 표면에 산소 플라즈마를 조사하는 것으로, 강도의 편차 저감 뿐만이 아니라 접착 강도의 향상도 도모할 수 있습니다(그림 3).
이와 같이 당사에서는 신규 재료나 이종 재료 등을 접착하는 용도에 있어서 접착 강도 편차를 저감하는 방법으로서 각 피착재에 최적인 표면 처리를 적용하고 있습니다.
알루미늄 표면 처리 및 접착 강도
수지에 대한 표면 처리 및 접착 강도
그림 3 소재별 표면 처리와 접착 강도
그림 4 접착 강도와 탄성률의 온도 특성
접착부의 내열 온도는 접착제의 유리 전이 온도와 피착체 계면의 밀착성의 영향을 받기 때문에 접착제와 피착체가 다르면 내열성도 달라집니다.
당사는 접착부의 내열성을 접착 강도와 동적 점탄성에 의해 평가하고 있습니다.
접착 강도에 탄성률의 온도 변화를 겹친 결과, 강도 저하는 접착제의 내열성의 지표가 되는 유리 전이 온도보다 저온 영역에서 부드럽게 일어나는 것을 알았다. 또 탄성률의 온도 상승에 대한 저감율이 변화하기 시작하는 변곡점 근처에서 파괴 형태가 응집 파괴에서 계면 파괴로 변화해 나가는 것도 알고, 강도 저하는 접착 계면의 밀착성 저하가 요인이 되고 있다고 생각됩니다(그림 4).
많은 접착제는 탄성 요소와 점성 요소를 겸비한 점탄성체로, 외부로부터의 힘에 대해 스프링과 도어 클로저(대시 포트)를 조합한 것 같은 기계적 특성을 나타냅니다. 순발적인 힘이면 탄성 요소에만 작용하여 변형하고, 힘을 제외하면 원래대로 돌아갑니다만, 계속적인 힘이 가해졌을 때에는 점성 요소를 점점 변형시켜 가 원래의 모양으로는 돌아오지 않습니다. 크리프※3은 하중이 크고 온도가 높을수록 발생합니다(그림 5).
이와 같이 크리프 변형으로 인한 강도 저하로 인해 파괴가 발생할 수 있으므로 동적 점탄성이 내열성을 고려할 때 중요한 요소로 평가하고 있습니다. 그 평가 방법으로서 당사에서는 대학과의 제휴에 의해 마스터 커브로부터 크리프에 의한 응력 완화의 추정을 실시하고 있습니다(그림 6).
그림 5 접착제의 탄성 요소와 점성 요소의 메커니즘
외력에 의해 일정한 변형을 주었을 때, 시간 경과에 의해 변형이 가해진 상태 그대로도 응력이 완화되어 탄성률이 변화해 갑니다. 데이터는 일정 온도에서의 완화 곡선으로서 측정하지만, 다른 온도의 응력 완화 곡선의 시간축을 어긋나서 중첩되는 것이 경험적으로 알려져 있어 이것을 온도-시간 환산법이라고 합니다. 이제 110℃의 응력 완화 곡선을 기준으로 그것을 오른쪽으로 늘려가도록 120~160℃의 곡선을 겹치면 하나의 마스터 커브에 합성할 수 있습니다. 이 마스터 커브로부터 110℃에서 수년 경과할 때까지의 응력 완화를 추정할 수 있습니다.
그림 6 마스터 커브로부터 크리프에 의한 응력 완화의 추정 결과
그림 7 CZM의 개념※6
그림 8 DCB 시험 개요 및 시험 결과
제품 개발 과정에서 프로토타입 실험의 전 단계에서 제품의 강도, 강성, 파괴 모드를 예측하는 수단으로 CAE 해석이 널리 사용되고 있습니다. 최근 CAE의 발달에 따라 접착 접합부의 해석 모델화가 가능하게 되어, 그 중에서도 파괴 역학에 근거하는 해석 수법의 하나인 CZM(Cohesive Zone Model)이 대표적인 수법이 되고 있습니다. CZM은 균열 선단 근방의 영역을 균열이 닫히는 방향으로 결합력이 작용하는 영역으로 표현함으로써 접착제의 손상 개시부터 재료 분리에 이르기까지의 파괴 과정을 모의할 수 있습니다(그림 7). 결합력은 DCB(Double Cantilever Beam) 시험에 의해 요구되는 균열 진전 시에 손실되는 에너지이다”에너지 해방율 GIC”를 사용하여 평가합니다(그림 8).
당사는 대학과의 기술 협력을 통해 CZM을 이용한 접착 접합 분석 기술을 구축했습니다. 금속 서로를 맞춘 접착 시험편에 있어서, 접착부에 CZM 모델을 적용하는 것으로 실측 결과에 대해서 정밀도 좋게 해석을 할 수 있습니다(그림 9).
그림 9 CZM을 이용한 접착 접합 해석 결과
※4 블라스트 처리란입자나 분체를 분사하여 피착재 표면의 조화나 연삭하는 가공 처리※5 극성 관능기란분극하고 접착제와의 화학 반응을 갖는 결합 구조※6 CZM의 개념 참고 자료
Y.Sekiguchi, J. Adhesion Soc. Jpn., 56,447(2020).
접착 신뢰성을 확보하기 위해 당사에서 작업하는 표면 처리 기술, 내열 평가 기술, 접착 해석 기술에 대해 소개했습니다. 앞으로 이러한 기술은 당사 서보 모터의 자석 접착 신뢰성 설계에 적용할 예정입니다.
이번에 소개한 기술은 과제 해결을 위한 일례이며, 추가적인 접착 신뢰성을 향상시키기 위해 접착 설계나 접착 작업, 신뢰성 평가나 CAE 해석 등 각 요소 기술의 연계를 보다 진행해 나갈 것입니다.
