지난 수십 년간 자동차 배기량이 자동차 기술 경쟁의 척도였다면, 이제는 경량화가 중요한 경쟁요소가 되었습니다. 결국, 자동차도 다이어트에 돌입한 것인데요. 자동차의 다이어트는 사람과 다르게 몸집과 성능은 그대로 유지하면서 몸무게만 가볍게 해야 한다는 점이 특징입니다. 그렇다면 자동차가 이런 힘든 다이어트 기술개발에 돌입하게 된 가장 큰 이유가 무엇일까요? 그 이유는 자동차의 차체가 가벼울수록 연료를 덜 쓰고, 환경오염 물질도 덜 배출하기 때문에 경제적이고 친환경적이기 때문입니다.
자동차 산업뿐만 아니라 다른 산업 분야에서도 ‘경량화’는 중요한 화두가 된 지 오래입니다. 그런 노력 중 하나가 무거운 금속을 경량화 소재로 대체하는 것인데요. 그렇다 해도 모든 금속을 경량화 소재로 대체할 수는 없는 일! 예를 들어 전류 흐름이 필요한 금속의 고유 성질을 구현하기 위해서는 반드시 금속을 사용할 수밖에 없습니다.
이런 이유로 금속의 물성을 유지하면서도 가벼운 플라스틱을 접목하는 새로운 경량화 기술개발 경쟁이 한창인데요. 오늘은 금속과 플라스틱 소재를 결합하는 새로운 방식의 경량화 기술을 소개해 드립니다.
금속과 플라스틱을 일체화하는 기술 중에는 가열한 두 소재를 동시에 사출시켜 접합하는 방법이 널리 사용되고 있습니다. 이런 사출 접합 방법은 작고 얇게 소형화할 수 있을뿐더러 금속 가공 공정이 줄어들어 생산성을 높일 수 있다는 장점이 있습니다.
이런 금속-플라스틱 복합체는 IT산업에 특히 많이 적용되고 있는데요. 주로 모바일 분야에서 두드러지게 나타납니다. 기존에는 핸드폰 외관에 플라스틱 소재를 가장 많이 사용하고 있었지만 다소 저렴한 느낌을 주었습니다. 그런 이미지를 극복하기 위해 가죽을 덧대거나 도금이나 도장을 통해 메탈릭한 느낌을 더하곤 했습니다. 하지만 현재는 금속-플라스틱 복합체를 통해 금속을 사용함으로써 미래적인 느낌은 물론 고급스러움까지 더하고 있습니다.
전혀 다른 두 성질의 소재가 만나 이처럼 쓸모 있게 변신할 수 있었던 이유는 무엇이었을까요? 금속-플라스틱 복합체 기술에 대해 이해하기 위해서는 이에 사용되는 경량화에 주로 쓰이는 금속 재료와 표면처리 기술, 그리고 플라스틱 결합 기술에 대한 이해가 먼저 필요합니다.
플라스틱과 금속의 결합을 위해서는 물리적으로 가공한 뒤 화학적인 처리를 거친 금속재료가 사용됩니다. 사용되는 금속의 성질에 따라 적용해야 하는 금속 표면처리 기술이 달라지기도 합니다. 주로 알루미늄과 스테인리스, 마그네슘 등 다양한 종류의 금속이 쓰이는데요. 아직까진 가볍고 유연한 성질과 가격경쟁력이 높은 알루미늄이 대표적인 경량소재로 주를 이루고 있지만, 마그네슘과 티탄 금속도 사용이 증가하는 추세입니다.
마그네슘(Mg)의 경우 무게는 강철 대비 22%에 불과하지만, 강도는 더 단단하고 재료 가공이 쉬운 데다 진동 흡수력이 우수하다는 장점이 있습니다. 열에 약하고 쉽게 부식되는 단점이 있지만 최근 이러한 문제를 개선하는 합금이 개발되면서 주로 자동차, IT-Mobile, 의료 보조기구 등에 널리 적용되고 있습니다.
티타늄 역시 강철 무게 대비 43% 가볍고, 강도에서도 알루미늄 합금에 비해 2배나 강해 항공기, 우주선에 쓰입니다. 또한 여러 부식물에 아주 강한 내식성을 지니고 있어 해수 담수화 장치나 조선 분야에도 사용되며 인체에 대한 독성이 낮아 주방용품, 선크림 등에도 사용됩니다.
금속을 제조할 때는 금속 재질의 틀(금형)에 소재가 되는 금속을 녹여서 높은 압력으로 밀어 넣는 주조 방법인 다이캐스팅 공법과 압출 공법을 통해 바(BAR) 형태로 제작합니다. 이를 컴퓨터 정밀제어(CNC) 가공을 통해 원하는 디자인으로 깎아 냅니다. CNC 공정은 다소 복잡하고 비용도 많이 들지만, 정밀 부품의 대량 생산이 가능하다는 장점이 있습니다.
CNC 가공이 된 금속의 표면을 처리하는 방법에는 크게 두 가지 방법이 있다. 특수 화학 수용액에 요철을 만들어 내는 화학적 방법과 레이저를 이용하여 패턴을 형성시키는 물리적 방법이 있습니다. 가장 대표적인 처리 방법으로는 NMT(Nano Molding Technology)라는 기술로 Taiseiplas에서 개발한 기술로 특수용액을 이용하여 미세 홀을 금속 표면에 형성하고 특수 코팅막을 형성하는 방법이 있습니다.
레이저를 이용한 물리적 표면처리 방법은 금속 표면에 레이저를 이용해 표면을 깎아내며 일정한 반복패턴을 형성하는 표면 처리 방법입니다.
금속과 플라스틱을 결합한 플라스틱 수지에는 주로 결정성 소재가 많이 사용됩니다. 폴리에스터(PBT), 나일론(PA), 폴리페닐렌 설파이드(PPS)등의 사용이 가장 많습니다. 금속과 플라스틱의 복합체의 결합을 오랜 시간 유지하기 위해서는 크게 두 가지 기술이 있습니다. 하나는 금속 표면에 형성되는 미세한 구멍으로 플라스틱을 녹여 흘러 들어가서 구멍을 채우는 기계적인 방식입니다. 다른 하나는 금속 표면에 형성되는 코팅막과의 화학적 반응을 통해 접합력을 향상 시키는 것으로 주로 금속과 친화성이 높은 소재를 사용합니다.
일반적으로 자동차 무게 10㎏을 줄이면 연비는 2.8% 향상, 이산화탄소 4.5% 감소, 질소산화물 8.8% 감소 등을 기대할 수 있습니다. 이 때문에 기존 철강 소재보다 가벼우면서도 충분한 강도를 가진 알루미늄 소재가 자동차 부품으로 사용률이 크게 증가하고 있습니다. 자동차 업체 간의 경쟁뿐만 아니라 차세대 친환경 차 개발과 맞물리면서 경량화는 소재 산업 전반으로 확산되고 있습니다.
이에 더불어 미국 내 주요 시장조사기관 중 하나인 Ducker Worldwide 사는 2025년까지 자동차 내 알루미늄 소개 사용 비율이 현재의 2배 이상 증가할 것으로 전망했습니다. 또한, 금속을 플라스틱으로 대체하고자 하는 노력과 함께 고 기능성 플라스틱 수요가 증가할 것으로 전망되고 있습니다.
급격히 성장하는 경량화 기술개발 경쟁에서는 기존의 제조방식을 넘어 소재간 창의적인 결합이 무엇보다도 중요합니다. 이 때문에 금속-플라스틱 접합 기술을 이용한다면 보다 효과적으로 경량화를 실현할 수 있을 것으로 기대되고 있습니다. 여러분도 다양한 분야의 협력과 소통을 통해 소재에 대한 이해의 폭을 넓혀 새로운 미래 가치를 발굴해 보시기 바랍니다.
출처 : 폴리머 인사이트 2017 봄호(Vol.03) P30. ’금속-플라스틱 복합체’ (신소재 개발팀)
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