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화학이야기

폴리머 인사이트 #06. 끈적끈적 접착제 속에 첨단기술이? 산업용 핫멜트 접착제

2018년 7월 9일

#06 끈적끈적 접착제 속에 첨단기술이? 산업용 핫멜트 접착제

몽골의 유럽 정복, 비결은 접착 기술에 있다?

접착제는 자연에서 얻을 수 있는 재료를 통해 사용하기 시작했습니다. 달걀 흰자와 치즈, 나무의 송진액 등 그 재료의 종류 또한 다양합니다. 동양권의 경우, 나무의 송진액이나 어류의 껍질이나 부레로부터 만든 어교, 동물에서 얻은 아교를 접착제로 사용했습니다. 그 때문에 나무나 물고기 같은 원재료의 종류에 따라 접착력에 큰 차이를 보이곤 했습니다. 당시 이런 접착제는 창틀에 한지를 바르는 것부터 시작하여 당시 중요한 무기 중 하나였던 활 제작에 이르기까지 다양하게 활용되었습니다.

활의 경우, 오래 전 유럽과 일본은 나무나 대나무 등의 한 가지 재료를 활용한 단순궁을 주로 사용했습니다. 반면, 중국이나 몽골, 조선은 합성궁이라고 하여 유연성 있는 나무와 소의 뿔에 풀을 먹여 합치거나 나무로 된 궁체 뒷면에 동물의 힘줄을 접착하여 사용하였습니다. 다른 재료들을 복합적으로 섞어 만든 이 합성궁은 활의 탄성한계를 더욱 높여 빠르게 멀리 보낼 수 있으며 활시위도 짧아 말 위에서도 자유자재로 사용할 수 있었습니다. 몽골족은 이런 합성궁의 장점을 통해 얻은 기동력을 바탕으로 유럽 정복 전쟁에서 많은 승리를 얻기도 했습니다.

 

몰골의 유럽 정복 비밀! 접착제를 사용해 여러 재료를 복합적으로 섞에 만든 합성궁에 있었다.

유럽 역시 접착력을 가진 다양한 재료를 사용했습니다. 접착제를 가장 먼저 사용한 곳은 이집트와 로마입니다. 특히 로마는 달걀의 흰자나 치즈에서 얻은 접착 재료로 거대한 콜로세움을 짓는가 하면, 동상이나 석상의 보석, 그림 같은 미술품과 공예품 제작에 접착제를 사용해 역사상 가장 위대한 건축물과 미술품을 남기기도 했습니다.

위 사례들은 접착력을 가진 재료를 통해 기존의 재료를 좀 더 가치 있게 변화시킬 수 있음을 보여주는 사례입니다. 이처럼 접착기술은 오랜 시간 각 지역의 기후와 재료의 특색을 살려 다양한 형태로 발전하며 산업 발전에 기여해 왔습니다. 오늘은 현재 산업 분야에서 접착제가 어떻게 사용되는지 알아보고, 핫멜트 방식의 접착 기술을 중심으로 그 특징과 관련 상식을 소개합니다.

글루건으로 대표되는 핫멜트(Hot melt Adhesive)접착제

접착제는 산업 고도화에 따라 지속적으로 발전해 왔습니다. 웬만한 가전제품에는 거의 대부분 사용되고 신발, 가방, 골프채, 책, 수첩 등 일상용품은 물론 휴대폰의 터치스크린과 반도체, 의료, 우주항공 분야 등 다양한 분야에서 필수적으로 사용되는 소재입니다.

다양한 접착제 사용방식 중 핫멜트(HMA)방식의 접착제는 Hot melt Adhesive의 줄임말로 접착력이 없는 고체로 만들었다가 사용할 때 열을 가해 녹여서 사용하는 접착제입니다. 대표적으로는 시중에 쉽게 접할 수 있는 글루건 스틱을 생각하면 됩니다.

사실 대중적으로 많이 접하는 핫멜트(HMA)방식의 글루건은 공예 제품이나 집안 소품의 단순 수리 등에 다양하게 사용됩니다. 또한, 기존의 풀이나 본드, 접착 테이프로 접합하기 어려운 물건부터 기존의 접착제 사용이 가능한 분야까지 활용 범위가 넓습니다.

하지만 실제 글루건을 사용해보면 사용이 쉽지 않습니다. 고체형 접착제 심을 녹이는 글루건이라는 기기가 꼭 필요하고 전기로 열을 가해 사용하기 때문에 전기도 필요합니다. 또한, 고온의 기기에 직접적으로 사용자가 노출되기 때문에 사용 중 화상의 위험도 가지고 있습니다.

핫멜트 접착제의 구성 3요소

이런 많은 단점에도 불구하고 글루건이 널리 사용되는 이유는 건조 속도가 풀에 비해 빠르며, 본드보다 인체에 무해하고 냄새도 없으며, 테이프처럼 외관을 해치지 않는다는 장점 때문입니다. 또한, 접착하는 물건의 소재에 따라 약간의 차이는 있지만 대부분의 소재에서 높은 접착력을 보이고, 접착하는 면적에 따라 접착력을 조절할 수도 있습니다.

이러한 핫멜트 방식 접착제는 기본 중합체(base polymer)와 점착제용 수지(Tackifying resins) 그리고 왁스(Wax)를 주원료로 하여 만듭니다.

 

핫멜트(HMA)접착제의 3요소: 기본 중합체, 점착제용 수지, 왁스

점착제용 수지(Tackifying resins)는 실제 접착력을 부여하는 핵심 소재로 각 산업별 특성과 사용용도에 맞춰 수지(Resin)의 종류를 결정하는 것이 중요합니다. 왁스(Wax)와 기초원료(BASE RESIN)는 점착제용 수지(Tackifying resins)의 물성을 조절하여 각 사용조건에 맞는 최적의 접착력을 발휘할 수 있도록 돕습니다.

기본 중합체(base polymer)는 접착제에 강성을 부여해 기본 뼈대를 이루는 중요한 원료입니다. 점착제용 수지(Tackifying resins)가 낮은 분자량을 가지고 있기 때문에 상대적으로 높은 분자량을 가지고 있는 기본 중합체(base polymer)가 제품의 물성과 점도를 조절하는 역할을 합니다.

또한, 제품 생산 시 높은 온도에서 제품이 녹아 내리거나 변질되지 않도록 도와줍니다. 이 밖에도 기본 중합체(base polymer)의 종류와 사용량에 따라 전혀 다른 제품을 얻을 수 있기 때문에 사용자가 좀 더 편리하게 접착제를 사용할 수 있도록 돕는 중요한 역할을 가진 원료라 할 수 있습니다.

핫멜트 접착제에 에틸렌초산비닐이 많이 사용되는 이유

핫멜트 접착제는 구성성분의 종류에 따라서 분류될 수 있는데, 대표적인 것으로는 에틸렌-초산비닐계, 폴리올레핀계, 스티렌블록공중합체계, 폴리아미드계, 폴리에스테르계, 우레탄계(반응성 핫멜트) 등이 있으며, 각각의 특징에 따라 이용분야도 다릅니다.

이 중에서 에틸렌-초산비닐계(EVA)는 핫멜트 접착제에 가장 일반적으로 쓰이는 기초 원료입니다. EVA(Ethylene Vinyl Acetate)는 에틸렌과 초산비닐 모노머를 혼합시켜 얻어집니다. 특히 석유에서 추출된 화합물인 초산비닐수지는 접착제뿐만 아니라 풍선껌 기초제나 과실의 피막제로 식품에 첨가할 수 있으며 도료피막 제품, 잉크 등에도 사용됩니다.

다양한 종류의 기본 중합체(base polymer) 중에서 에틸렌초산비닐 공중합체(EVA)가 다른 원료에 비해 많이 사용되는 이유는 먼저 가격이 매우 저렴합니다. 또한, 결정화도가 낮으며, 접착력에 도움 되는 미세한 접착력과 극성을 가지고 있습니다. 이로 인해 접착력을 가진 점착제용 수지(Tackifying resins)와 섞어 사용할 때 접착력이 급격히 떨어지는 것을 예방해줍니다.

 

에틸렌초산비닐 공중합체(EVA)장점: 저렴한 가격, 물성 저하 적음, 무색투명, 내계절성, 범용성

에틸렌초산비닐 공중합체(EVA)는 가격도 싸고 물성이 우수하기 때문에 개발도상국이나 산업적으로 빠른 성장을 보이는 나라들에서 그 사용량이 매우 많습니다. 인도나 중국의 경우, 제품을 천이나 보자기로 보관하거나 자연 상태로 보관해 왔지만, 산업 발전으로 제품을 포장해 보관하는 비중이 늘면서 포장 제품용 접착제 사용이 크게 늘고 있습니다.

인체에도 무해한 EVA

에틸렌초산비닐 공중합체(EVA) 사용이 많은 또 다른 이유는 기본적으로 EVA Polymer를 만드는 공정 특성상 인체에 무해하기 때문입니다. 대형 화학업체에서 만드는 EVA는 규제인증을 거쳐 판매하기 때문에 대부분 안전합니다. 때문에 식품과 관련된 용기나 라벨 등에도 사용할 수 있습니다. 이에 사과나 귤 같은 과일을 담는 박스나 음용수의 라벨지처럼 식품과 접착제가 바로 접촉하지는 않지만 식품을 보관하기 위해 식품보관용기에 접착제를 사용하는 경우처럼 화학 물질의 무해성이 요구되는 기준에서 사용됩니다.

이런 이유로 식품보관용기 외에도 건설 분야와 자동차 분야 그리고 제본시장 등 여러 분야에서 사용되고 있습니다. 시장을 세분화해 보면 식품용기분야가 45%를 차지하고 있으며 제본이나 라벨분야와 위생분야가 각각 18%의 시장을 형성하고 있고 건축 등 그 외 분야에서 19%를 차지합니다.

미래 성장 산업 필수 소재가 된 접착제

접착제는 최근 수년 동안 산업적으로 그 용도의 범위가 지속적으로 확대되고 있습니다. 전자 제품이 슬림화되고 경량화와 여러 기능이 복합화가 이루어 지면서 접착제의 활용성이 크게 주목 받고 있습니다.

 

미래 성장 산업 필수 소재가 된 접착제: 고부가 가치 산업으로 발전 시키기 위해 적극적인 참여와 기술 개발 노력이 필요

접착제는 이제 일상 생활용품부터 전기/전자, 자동차, 의료 산업이 등에 사용되는 정밀화학 산업으로 미래 성장 산업으로 기대되고 있습니다. 접착제 시장이 빠르게 변화하고 있는 이때, 고기능, 고부가 가치 산업으로 발전 시키기 위해서는 당장 이익에 안주하기보다 품질과 성능 향상을 통한 적극적인 참여와 기술 개발 노력이 필요한 시점입니다.

내용 출처 :  LG화학 테크센터 <폴리머 인사이트> 2017 여름호 P2. ’Market Development for EVA HMA Application’ (PO TS팀)

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