다층구조 고성능 폴리카보네이트 시트 접착 기술

폴리카보네이트는 방향족 폴리탄산 에스테르 구조를 갖는 열가소성 수지로 기계적 성질, 내열성, 전기적 성질 등이 우수한 엔지니어링 플라스틱이다. 특히 다층구조의 폴리카보네이트의 경우 오토바이나 자동차의 글레이징을 비롯해 기계작업 안전가이드, 소음방지 벽, 방탄 창문, 실험실 안전 창 등의 분야에서 최근 주목받기 시작하면서 이에 대한 연구 역시 활발하게 이어지고 있다. 본문에서는 다양한 영역에서 활용되고 있는 다층구조의 폴리카보네이트 시트의 접착 기술을 소개함으로써 소재의 가능성을 더욱 확대시키는 방안을 함께 살펴보고자 한다.

 

 

1. 열가소성 플라스틱 성형가공

플라스틱 기반 자동차창을 제작할 때 사출성형 공정에서 고려해야 할 사항은 치수정밀도와 굴절률, 성형 후 변형 등이 있다. 이때 중요한 변수로는 Volumetric Shrinkage와 Deflection이 있으며, 이 두 가지 요소에 가장 큰 영향을 미치는 인자는 사출시의 압력과 온도, 냉각속도 등이다.
성형가공은 재료, 금형, 성형기 및 주변 기기 등의 자재 설비를 이용해 성형품을 생산하는 것이다. 따라서 이러한 자재, 설비에 대해서는 성형품의 사용 목적과 기능을 만족시킬 수 있는 준비가 필요하다.
뿐만 아니라 이를 이용해서 작업준비를 잘 진행시킬 수 있는 작업자가 없으면 목적의 성형품은 얻을 수 없다. 즉 재료에 대해서는 품질과 가격이 적절한지, 또 재생재의 사용, 건조, 스프루, 러너, 성형품의 처리 등을 어떻게 할 것인지 등 목적에 대한 적절한 판단이 필요하다.
또한 금형에 대해서도 사전 점검으로 생산의 가부를 판단하기 위해 어떤 기준을 고려할 것인지, 시험결과에 따라 금형을 어떻게 수정할 것인지 등의 판단이 요구된다. 성형기 및 주변 기기에 대해서도 그 장치의 장점과 단점에 대한 이해가 필요하며 이에 따른 종합적인 지식에 기초한 작업만이 품질·가격 등 경쟁력이 우수한 성형품을 얻을 수 있다.
앞서 말한 사항은 현장에서 기본적인 사항에 해당되지만 정작 현장에서는 성형품 생산에 즈음하여 이런 지식의 부족으로 생각지 못한 실패를 해 큰 손실을 보는 경우도 종종 발생한다. 이러한 손실을 방지하기 위해서라도 성형 종사자 및 성형 관리자는 필요한 지식과 기술을 습득하고 사전에 손실을 방지하려는 노력이 필요하다. 또, 성형 가공 종사자는 성형품 설계, 금형 설계, 나아가서는 금형 제작 등 일련의 공정에서 최종적인 결과품을 내는 입장에 있다. 따라서 생산 결과에 따라 재료, 성형품 형상, 금형, 성형기 등에 대해 개선을 제안하고, 큰 영향력을 행사해야 한다.

 

2. 다층 래미네이트 시트 제조 방법

투명 재료의 래미네이트 기술은 접착층 간의 계면에서 이종물질 간의 굴절률과 접합 상태에 의한 투명성의 유지가 가장 중요하다. 따라서 접합하고자 하는 재료의 선정과 그 재료에 대한 Interlayer의 선정에 유의해야 한다.
각 재료의 선정이 이루어지고 나면, 래미네이트 조건을 최적화해 접합의 내구성 및 신뢰성을 확보하는 기술이 요구된다. 작업은 우선 이종 혹은 동종의 시트를 Interlayer로 접합해 다층구조의 활용도가 넓은 시트를 만드는 것이 목적이다.
이를 위해서는 래미네이트에 사용되는 시트 및 접합 필름의 표면을 깨끗이 한 후 잘 통합해야 하며, 가능한 래미네이팅 바로 직전까지 보호 필름 상태를 유지해 먼지 등에 노출되지 않도록 한다. 또한 폴리카보네이트 시트를 래미네이트에 적당한 크기로 자르고, 흠집이 없는 시트를 잘 선별해 사용하는 것도 중요하다. 보호필름을 제거 했을 경우라면 흠집의 유무를 검사하며, 그렇지 않을 경우는 가능한 래미네이트 전까지 보호 필름을 제거하지 않도록 하는 것이 좋다. 만일 폴리카보네이트 시트의 세척이 필요하다면, IPA(Iso-Propyl Alcohol)와 물을 50:50의 비율로 섞은 세척액을 만들어 사용한다. 이때 폴리카보네이트 표면에 세척액에 의한 흐릿함이 없도록 세척 건조에 주의해야 한다.
또한 다층의 한 구조로 아크릴을 사용한다면 래미네이트 필름의 접착 온도를 확인해 아크릴의 변형을 막아야 한다. 이는 접착 필름과 아크릴의 작동 온도 및 제조 조건의 충분한 검토가 필요한 사항이다. 이러한 요건들을 충분히 고려했다면 이제 각 래미네이트 층을 수평하게 배열하고, 각 층과 층 사이에 접착 필름을 끼우게 되는데 각 접착필름은 가장자리까지 충분히 접착될 수 있도록 넉넉히 재단한다. 이후 래미네이트 시스템이 장착되면 각 접착층과 접착 필름에 적합한 최적의 온도 조건과 압력 조건으로 래미네이팅을 하게 된다.

 

▲ 폴리카보네이트 열압축 성형

3. 다층구조 Interlayer Film

고기능성 접착제란 원래의 접착기능 이외에 성능면, 기능면 및 경화 방법을 보강해 특수기능을 부가하거나, 환경 적합성을 고려한 각종 접착제이다. 이러한 연구 개발은 미국, 일본 등 선진국들이 주도적으로 수행하고 있으며 현재 많은 종류의 접착제가 실용화되고 있는 상황이다.
반면 우리나라의 경우 극히 일부 품목만 국산화가 되고 있어 기술의 해외 의존도가 아직도 높은 편이며, 제품 역시 거의 수입에 의존하고 있는 현실이다.
접착제(Adhesive)는 아교가 접착제의 대명사로 사용되고 있는 가운데 글루(Glue) 등 다양한 명칭으로 사용된다. Adhesive는 접착제, 교착제, 접합제, 점착제 등의 용어로 사용되는데 한때 이를 ‘접착제’로 통일했지만 구미에서는 아직도 이를 Cement, Contact Cement 등으로 칭하는 사람도 있고, Binder를 접착제와 동일한 의미로 사용하기도 한다.
현재 사용되는 접착제 상품의 종류는 약 2만 여종이 있는데, 고분자 역시 기본적으로 접착제가 될 수 있는 구조를 가졌다. 열가소성이라 하는 것은 열을 가하면 연화 또는 용해, 유동하는 것이고 열경화성은 열에 의해 수지가 한 번의 경화, 유동을 거친 후 삼차원 망상구조를 형성하고 경화하는 것이므로 경화 후에는 불융불액의 수지가 되는 것이다.
이를 활용하면 같은 고분자라도 용액의 상태, 고체의 상태, 분산계 등, 사용 시의 상태에 의해 다양한 접착제를 만들어낼 수 있다.
접착제는 그 자체를 최종적으로 사용하기보다는 타 최종제품을 접합조립하기 위한 보조제로 사용되기 때문에 접착제 산업의 전망을 위해서는 타 산업의 변화가 예측되어야 하고 변화에 부응한 접착제가 꾸준히 개발·공급되어야 한다.
현 산업의 환경변화를 개괄적으로 살펴보면 다양한 기능에 대한 요구, 신소재의 출현 및 복합 재료화, 생산 자동화, 환경 무해화 등을 들 수 있다. 접착제는 모든 산업의 접합·조립 생산에 있어 요구되는 핵심소재이고, 조립산업의 요구에 의해 새로운 기능을 갖는 접착제의 Seed가 발생하기 때문에 모든 산업의 환경변화를 파악하는 것이 중요하다. 또한 지구환경보존, 기술혁신, 가치관의 다양화, 고령화 등의 사회변화에 따라서도 무공해성 접착제, 기능성 접착제가 요구될 것이다. 이에 따라 이 분야는 지속적인 발전이 기대되고 있으나 미국, 일본, 유럽 등 선진국이 주도적으로 개발·생산을 이어가고 있는 반면 우리나라의 경우는 초보적인 단계에 머물고 있어 빠른 대응이 필요한 시점이다.
저공해 및 무공해성 접착제는 현재 여러 가지 제품이 출시되고 있지만, 사용상 완전한 무공해화를 위해서는 공급자와 사용자가 함께 적극적으로 대처해야 하기 때문에 어려운 상황이다. 따라서 타산업과 마찬가지로 접착제 산업도 환경적, 기술적인 측면에서의 추진이 중요하다.

 

4. 접착 강도 및 시험법

접착성능을 시험하는 방법은 실제의 접합부위에 외부의 힘을 가해서 파괴에 이를 때까지의 움직임을 관측해, 접착접합부의 강도를 측정하는 방법이 가장 일반적이다. 이 중 접착제 층에 걸린 응력은 실제로는 순수한 전단압력, 끌어당기는 응력뿐만 아니라 이들 응력이 복잡하게 얽혀져 있어 이론적으로 분석하는 것이 매우 어렵다. 표준적인 시험법으로는 JIS(일본공업규격), ISO(국제표준화규격), ASTM(미국시험재료협회규격), BS(영국규격), DIN(독일규격, LN규격 포함), FS(미국연방규격), NF(프랑스규격), JAI(일본접착제공업회규격) 등이 있다.
- 인장 접착강도 측정법(JIS K 9849)
일정면적을 가지는 막대기 모양 시료의 단면을 맞대어 접착시킨 시험기재를 정속인장시험기를 이용해 접착파괴 강도를 측정한다. 가장 적용범위가 넓은 시험방법이다.
- 인장 전단 접착강도 시험법(JIS K 6850)
시험편의 제작도 비교적 간단하고, 피착 재료에의 적용범위도 넓다. 단, 접착층 속의 응력분포가 복잡하고 접착단 부에의 응력집중 등으로 인해 측정 중에 시험편의 변형에 있어서 문제가 발생되기도 한다.

▲ 방탄 래미네이트 안전 글레이징

※ 출처 : EngNews (산업포탈 여기에) - 다층구조 고성능 폴리카보네이트 시트 접착 기술