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[소재 기술의 개발]금속-수지 이재 접합 기술의 동향
작성일 2020.04.27 첨부파일


[첨단 헬로티]

카지하라 유스케(梶原 優介) 東京대학

수송기기 산업에서 경량화는 오랜 과제이며, 항상 주요 개발 테마로 되어 있다. 최근의 경량화 트렌드로서 금속 부재를 수지로 대체하는 것은 알고 있듯이 활발하게 추진되고 있다. 모든 금속 부재를 수지로 전환하는 것은 불가능하기 때문에 반드시 금속과 수지의 접합 부분이 존재하게 된다.

예를 들면 자동차에서 말하면, 필러, 빔이나 와이어 하네스부, 수송기기 산업 이외에도 스마트폰의 내부 배선이나 이온전지 전극의 실장 등이다.

그렇기 때문에 금속과 수지의 인접 부분을 강고하게 접합하는 기술이 반드시 필요하게 되고 있다. 볼트나 리벳에 의한 기계적 체결이나 접착제를 사용한 화학적 접합으로는 공정이나 처리 시간이 늘어나 버리기 때문에 금속과 수지를 직접 접합하는 기술이 각광을 받고 있으며, 여러 가지 연구 개발이 추진되고 있다.

금속과 수지를 직접 접합하는 방법으로서는 금속 부품, 수지 부품을 독립적으로 제작, 그 후 양 부품을 가열해 접합하는 ‘성형 후 접합’ 및 금속과 수지의 복합체를 금형 내에서 일체 성형하는 ‘성형 접합’이 있다. 성형 후 접합의 예로서는 금속-수지계면에 레이저를 집광해 그 열에 의해 접합하는 방법, 초음파나 마찰교반을 이용하는 방법 등을 들 수 있다.

성형 접합에서는 일체 성형 전에 금속 표면을 처리한다. 표면처리로서는 수지와의 화학결합성이 높은 결합막을 생성해 화학적 접합을 유기시키는 방법과 몇 십 mm에서 몇 백 μm 크기의 미세 요철 구조를 만들어 기계적인 앵커 효과를 촉진시키는 방법이 있다.

성형 후 접합과 성형 접합은 접합시키고 싶은 대상에 따라 구분 사용할 수 있는데, 성형 접합은 일체 성형을 하기 때문에 가공 시간의 단축이 도모되고 가공 임의성이 우수한 장점을 가지고 있다.

또한 성형 접합에서는 처리가 비교적 용이하고 재료 선택성이 높은 미세 요철 구조 이용형이 연구 개발의 주류로 되어 있다. 이에 총론에서는 미세 요철 구조에 의한 앵커 효과를 이용한 성형 접합에 초점을 맞춰 이야기를 진행하고 싶다.

미세 요철 구조를 이용한 성형 접합

미세 요철 구조를 이용한 성형 접합은 20년 정도 전에 제안된 기술이다. 일본에서는 2000년대 초반의 타이세이(大成)플러스사의 NMT(Nano Molding Technology) 기술을 계기로, 여러 가지 연구 개발이 이루어져 왔다. 접합법의 개념도를 그림 1에 나타냈다. 우선 금속 표면에 몇 십 nm에서 몇 백 μm 크기의 요철 미세 구조를 만든다.

다음으로 주로 사출성형(인서트 성형)에 의해 용융수지를 구조 근방에 유입시키면, 수지가 미세 구조 내에 충전된다. 그 후 냉각 후에 주로 앵커 효과에 의한 강고한 접합력이 발현된다. 예를 들면 전단 방향으로 힘이 가해진 경우, 각 미세 구조에 응력이 분산되기 때문에 잘 파괴되지 않는다. 금속이나 수지의 종류에 따르지만, 조건에 따라서는 전단강도 30MPa 이상에 달한다.

미세 구조를 만드는 방법으로서는 화학 에칭이나 레이저 가공이 이용되는 경우가 많다. 화확 에칭에서는 금속 부재 표면에 몇 십 nm에서 몇 μm의 미세 구멍을 여러 개 만든다.

http://www.hellot.net/new_hellot/magazine/magazine_read.html?code=201&sub=002&idx=52024
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