[Report](9) 복합소재 구조물용 고강도 접착 기술: 탄소섬유 및 고분자 복합재 접합

서론

지속 가능한 미래 산업을 구현하기 위한 경량화 전략은 전 세계적으로 자동차, 항공우주, 건축, 스포츠용품 산업 전반에서 빠르게 확산되고 있으며, 이에 따라 **탄소섬유(Carbon Fiber) 및 고분자 기반 복합재료(Composite Materials)**의 활용이 비약적으로 증가하고 있다. 이러한 복합재는 우수한 강도 대비 무게비, 내식성, 피로저항성 등을 바탕으로 기존 금속 재료를 대체하고 있으며, 제품의 성능 향상과 에너지 효율 개선에 크게 기여하고 있다.

그러나 복합재는 구조적으로 **이방성(Anisotropy)과 다공성(Porosity)**을 가지며, 기계적 가공이나 용접과 같은 기존 금속 접합 방식이 적용되기 어렵다. 이에 따라, 복합재 간 또는 복합재-금속 간의 접합을 위한 고기능성 접착 기술의 중요성이 대두되고 있다. 특히 탄소섬유 강화 복합재(CFRP)와 같은 고성능 소재의 경우, 높은 강도와 함께 장기 내구성, 환경 안정성, 비파괴적 접합이 가능한 접착 방식이 요구된다.

본 보고서에서는 복합재 접착의 기술적 배경, 주요 소재 및 공정 기술, 응용 분야, 그리고 향후 기술 발전 방향을 체계적으로 고찰하고자 한다.

본론

1. 복합재 접착 기술의 필요성과 한계

1.1 복합재 접합의 특성

탄소섬유 및 유리섬유 기반 복합재는 매우 높은 강성과 강도를 제공하지만, 다음과 같은 고유 특성으로 인해 접합 시 특별한 고려가 필요하다.
• 이방성: 섬유 배열 방향에 따라 기계적 특성이 크게 달라짐
• 표면 불활성: 레진 매트릭스가 비활성 표면을 형성하여 접착력 확보가 어려움
• 열적 취약성: 용접 등 고온 기반 접합 방식 적용 시 손상 위험
• 계면 취약성: 섬유/수지 경계면에서의 계면 박리 가능성 존재

따라서 기계적 체결이나 고온 접합보다는 **화학적 접착 방식(Adhesive Bonding)**이 복합재 접합에 더욱 적합하며, 이는 구조 경량화, 응력 분산, 피로 수명 향상, 설계 자유도 확보 등의 이점을 제공한다.

1.2 산업별 접착 수요 증가
• 자동차 산업: EV용 경량 차체 구조물, 서브프레임, 배터리 하우징 등
• 항공우주: 동체 패널, 날개 구조, 복합재 리브 및 스트링거 접합
• 건축·인프라: CFRP 보강재의 철근 구조 접합, 고내식 구조물 제작
• 기타: 드론, 헬멧, 자전거 등 고성능 소비재

2. 복합재용 접착제의 종류 및 기술 요소

2.1 주요 접착제 시스템
• 에폭시 기반 접착제
• 높은 접착력, 내열성 및 내습성 우수
• 항공 및 자동차 구조물에 가장 널리 사용
• 2액형, 필름형, 페이스트형 다양하게 존재
• 폴리우레탄 접착제
• 유연성 및 충격 흡수 능력 우수
• 진동, 충격 환경에 적합
• 자동차 내외장재 복합소재용으로 확대 적용 중
• 실리콘계 접착제
• 내환경성 우수, 고온 안정성 확보 가능
• 고유연성 필요 부위나 실링/방습 기능 병행 시 적용
• 필름형 접착제 (Adhesive Films)
• 균일한 도포, 핸들링 용이성
• 항공기 패널, 복합재 스트링거 구조에 다량 적용

2.2 핵심 기술 요소
• 표면 전처리 기술
• 플라즈마 처리, 코로나 처리, 화학 에칭 등으로 표면 에너지 증가
• 특히 탄소섬유 표면의 활성화가 접착 강도에 큰 영향
• 섬유/수지 매트릭스 설계
• 접착제와 상호작용 가능한 기능성 수지 또는 나노필러 적용
• 섬유 계면에서의 크랙 전파 억제 설계 필요
• 내구성 확보
• 고온고습(HAST), 염수 분무, 열충격 테스트 통과 가능한 시스템 설계
• 항공/자동차용은 최소 10년 이상 내구성 요구
• CTE 매칭
• CFRP/알루미늄 등 이종재 접합 시 열팽창 계수 차이로 인한 스트레스 완화 필요
• 점탄성 혹은 연성 계면 접착제가 대안이 됨

3. 산업 적용 사례 및 기술 동향

3.1 자동차 산업
• BMW i시리즈: 전체 차체에 CFRP 적용, 구조용 에폭시 접착제 사용
• 현대차: 복합재 차체 부품 및 서브프레임 부품에 고내열성 우레탄계 접착제 적용 확대
• Tesla: 복합재 외장 패널에 고탄성 접착제를 통한 조립 공정 단순화 추진

3.2 항공우주 분야
• 보잉 787, 에어버스 A350: 동체 및 날개에 필름형 접착제를 활용한 복합재 구조 적용
• 롤스로이스: CFRP 팬 블레이드와 타이타늄 허브 간 고강도 접착 기술 개발

3.3 건축 및 토목
• CFRP 보강재의 철근 콘크리트 보강: 접착제 사용을 통한 기존 구조물 보수 적용
• FRP 외장재 구조물: 내화성·방수성 접착제가 건축 외피용으로 확대 적용 중

4. 향후 기술 과제 및 발전 방향

4.1 기술적 과제
• 계면 신뢰성 강화: 장기 환경 노출 시 계면 박리 억제를 위한 나노필러 및 하이브리드 소재 도입 필요
• 공정 최적화: 대면적 구조물에 대한 균일한 접착 품질 확보를 위한 자동화 기술 병행
• 비파괴 검출(NDT): 내부 접착 결함의 실시간 비파괴 검출 기술 확보 필요
• 재활용 대응: 분해 및 리사이클링 가능한 접착 시스템 개발 필요

4.2 발전 방향
• 스마트 접착 기술: 온도, 응력 변화 감지 가능한 기능성 접착제
• 가역 접착 기술 도입: 유지보수 및 친환경 해체를 위한 전기·열 반응형 접착 시스템
• 복합재-금속 통합 접착 시스템: 이종소재간 구조 접합을 위한 복합 하이브리드 솔루션
• 친환경 저 VOC 고기능 접착제: 환경 규제 대응과 고성능 병행 가능한 바이오 기반 접착 소재 개발

결론

탄소섬유 및 복합재의 활용이 확대됨에 따라, 기존의 기계적 체결이나 고온 용접 방식으로는 대체할 수 없는 고성능 접착 기술의 중요성이 커지고 있다. 특히 항공·자동차 산업에서는 경량화 및 생산 효율화, 건축 분야에서는 구조물 보강 및 내구성 확보의 핵심 요소로 접착제가 자리 잡고 있다.

복합재 접착은 단순한 물리적 부착을 넘어, 재료와 구조 간 계면을 제어하는 정밀 기술로 진화하고 있으며, 이에 따라 기계적 강도, 열적 안정성, 화학적 내구성, 설계 유연성을 통합적으로 확보할 수 있는 소재 개발이 핵심 과제가 되고 있다. 향후에는 접착제가 단순한 부자재가 아닌, 기능성 구조소재로 통합되는 방향으로 진화할 것이며, 이를 통해 복합재 산업은 더욱 고도화되고 다양화된 응용으로 확장될 것으로 전망된다.