2023년 2월 6일
접착제는 당사의 주력 제품인 모터의 자석 고정과 엔코더의 디스크 고정에 사용됩니다 접착접착은 볼트체결 등의 기계적 접합에 비해 경량화, 강성향상, 가공작업의 간편화 등 많은 장점을 지닌 접합방식이다 모터의 소형화, 고출력화가 진행됨에 따라 안정적인 접착 성능과 높은 신뢰성을 달성하기 위해서는 고온 사용 시 강도 변화, 강도 감소 등 접착 문제에 대한 대응이 그 어느 때보다 중요합니다 또한, 최근에는 접착 메커니즘을 해명하고 신뢰성이 높은 설계를 설계하기 위해 CAE(Computer Aided Engineering)를 이용한 접착 강도 및 파괴 거동 예측에 대한 요구가 높아지고 있습니다
① 강도 변화를 줄이기 위한 피착체 표면 처리 기술
② 고온 사용시 접착성을 평가하는 내열성 평가 기술
③ 접합부의 파단 거동 예측을 위한 접착 해석 기술
그림 1 접착 메커니즘
그림 2 접착제의 파괴 모드
그림 1은 접착 메커니즘을 보여줍니다 접착이란 "접착제를 매개로 하여 두 표면이 기계적, 물리적, 화학적 힘에 의해 결합되는 상태"로 정의되며, 접착제와 피착체 사이의 거리가 가까울수록 접착력이 좋아집니다※1중요합니다 접착 실패 유형에는 응집 실패와 계면 실패가 포함되며, 혼합 실패로도 분류됩니다(그림 2) 또한, 접착 신뢰성을 확보하기 위해서는 접착제의 내열성에 영향을 미치는 점탄성 및 유리전이온도를 확보해야 합니다※2, 크리프 특성※3고려가 필요합니다
※1 습윤성이란 무엇입니까
접착제 표면에 접착제 접착 용이성
※2 유리전이온도란 무엇입니까
접착제가 부드러운 고무 상태에서 단단한 유리 상태로 변하는 온도
※3 크립 특성이란 무엇입니까
접착제는 지속적인 하중으로 인해 점차 변형됩니다
높은 신뢰성의 접합을 달성하려면 높은 접합 강도뿐만 아니라 강도의 작은 변화도 중요합니다 변동폭이 크면 접착강도에 대한 안전계수를 크게 설정할 필요가 있어 지금까지는 설계 당시 허용강도를 과대평가해 왔다
금속 표면은 오일, 산화물 등의 오염 물질로 덮여 있으며, 접착제의 습윤성을 향상시키기 위해서는 이러한 오염 물질을 제거하고 표면 장력을 높여야 합니다 강도 편차를 줄이기 위해 이 피착체의 표면에 주목하여 일반적인 탈지 처리뿐만 아니라 접착제와의 젖음성을 향상시키는 표면 처리의 효과도 확인했습니다
예를 들어, UV 조사 또는 블라스팅 처리는 용제 탈지만 된 알루미늄 판 표면에 대한 접착보다 낫습니다※4이렇게 하면 안정적인 접착력을 얻을 수 있습니다 금속과의 안정적인 접착력을 얻기 위해서는 표면의 산화막을 물리적, 기계적으로 제거하는 것이 필요합니다 또한, 접착제나 금속에 비해 표면장력이 낮은 수지에는 젖음성을 향상시키기 위해 극성관능기를 첨가합니다※5예를 들어, 접착이 어려운 수지 표면에 산소 플라즈마를 조사하면 강도 편차를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 접착 강도도 향상시킬 수 있습니다(그림 3)
이러한 방식으로 우리는 새롭거나 다른 재료를 접착할 때 접착력의 변화를 줄이기 위한 방법으로 각 피착체에 최적의 표면 처리를 적용합니다
알루미늄 표면처리 및 접착강도
표면 처리 및 수지에 대한 접착력
그림 3 재료별 표면처리 및 접착강도
그림 4 접착강도 및 탄성률의 온도 특성
접착된 부분의 내열 온도는 접착제의 유리 전이 온도와 피착체 계면에 대한 접착력 모두에 의해 영향을 받으므로 접착제와 피착체가 다를 경우 내열성은 변경됩니다
접착력과 동적 점탄성을 이용하여 접착 부품의 내열성을 평가합니다
탄성률의 온도 변화를 접착강도에 중첩시켰을 때, 접착제의 내열성을 나타내는 지표인 유리전이온도보다 낮은 영역부터 강도 감소가 점진적으로 발생하는 것을 발견했습니다 또한 온도 상승에 따른 탄성계수 감소율이 변화하기 시작하는 변곡점 부근에서 응집파괴에서 계면파괴로 파괴모드가 변화하는 것으로 나타났으며, 이는 강도 감소가 접착계면에서의 접착력 감소에 따른 것임을 시사한다(그림 4)
많은 접착제는 탄성 요소와 점성 요소를 모두 갖고 있는 점탄성 물질로, 외부 힘에 반응하여 스프링과 도어 클로저(대시팟)의 조합과 유사한 기계적 특성을 나타냅니다 순간적인 힘이 가해지면 탄성요소만 변형되어 힘이 제거되면 원래의 모양으로 돌아가지만, 연속적인 힘이 가해지면 점성요소는 계속 변형되어 원래의 모양으로 돌아오지 않습니다 크리프※3부하가 증가하고 온도가 증가함에 따라 발생합니다(그림 5)
이와 같이 크리프 변형으로 인한 강도 감소는 파단으로 이어질 수 있으므로 내열성을 고려할 때 동적 점탄성은 중요한 요소로 평가됩니다 평가 방법으로 당사는 대학과 협력하여 마스터 곡선의 크리프에 따른 응력 완화를 추정합니다(그림 6)
그림 5 접착제의 탄성 및 점성 요소의 메커니즘
외력에 의해 특정 변형이 가해지면 변형이 적용된 상태로 유지되더라도 응력은 완화되고 탄성 계수는 시간이 지남에 따라 변합니다 데이터는 일정한 온도에서 이완곡선으로 측정되지만, 시간축을 이동시키면 서로 다른 온도에서의 응력완화곡선이 중첩될 수 있다는 것이 경험적으로 알려져 있으며, 이를 온도-시간 변환법칙이라고 합니다 이제 110°C 응력 완화 곡선을 기준으로 사용하고 이를 오른쪽으로 확장하면 120~160°C 곡선을 결합하여 단일 마스터 곡선을 생성할 수 있습니다 이 마스터 곡선에서 응력 완화는 110℃에서 수년에 걸쳐 추정할 수 있습니다
그림 6 마스터 곡선의 크리프에 따른 응력 완화 추정 결과
그림 7 CZM 개념※6
그림 8 DCB 테스트 개요 및 테스트 결과
CAE 분석은 프로토타입 테스트에 앞서 제품의 강도, 강성 및 고장 모드를 예측하는 수단으로 제품 개발 프로세스에서 널리 사용됩니다 최근에는 CAE의 발달로 접착관절에 대한 해석모델 작성이 가능해졌으며, 파괴역학에 기초한 해석방법 중 하나인 CZM(Cohesive Zone Model)이 대표적인 방법으로 자리잡고 있다 균열 끝 근처 영역을 균열 폐쇄 방향으로 결합력이 작용하는 영역으로 표현함으로써 CZM은 접착 손상 시작부터 재료 분리까지 파괴 과정을 시뮬레이션할 수 있습니다(그림 7) 결합 강도는 DCB(Double Cantilever Beam) 테스트에 의해 결정되는 균열 전파 동안 손실되는 에너지인 에너지 손실률 GIC” (그림 8)
대학과 협력하여 CZM을 이용한 접착성 접합부 분석 기술을 개발했습니다 금속
그림 9 CZM을 이용한 접착 결합 분석 결과
※4 폭파공정이란 무엇입니까입자나 분말을 분사하여 피착체의 표면을 거칠게 하거나 갈아주는 가공공정※5 극성관능기란 무엇입니까분극되어 접착제와 화학반응을 일으키는 결합 구조※6 CZM 개념 참고 자료
YSekiguchi, J 접착 Soc 일본, 56,447(2020)
접착 신뢰성 확보를 위해 연구 중인 표면처리 기술, 내열성 평가 기술, 접착 분석 기술을 소개했습니다 앞으로 우리는 이러한 기술을 서보 모터의 자기 접착 신뢰성 설계에 적용할 계획입니다
이번에 소개된 기술은 문제 해결의 한 예이며, 접합 신뢰성을 더욱 향상시키기 위해 접합 설계, 접합 작업, 신뢰성 평가, CAE 분석 등 요소 기술 간의 협업을 더욱 촉진할 것입니다
