1. 서 론
최근 환경 오염 문제에 대응하기 위해 국내외에서 자동차의 평균 연비 기준과 온실가스 배출 허용 기준이 강화되면서, 연비 향상을 위한 다양한 연구가 진행되고 있다1,2). 이에 따라 자동차 산업에서는 고에너지 밀도 배터리 개발, 파워트레인 효율 개선, 차량 경량화 등의 기술 개발을 통해 연비 효율을 높이고자 노력하고 있다3). 이 중에서도 차량 경량화 관련 기술은 연료 소비량 감소에 직접적인 영향을 미치며, Jacky et al.은 차량 중량을 35% 감소시킬 경우 약 10-20%의 연비 절약이 가능하다고 보고하였다4,5). 또한, 경량화 기술은 자동차뿐만 아니라 항공, 선박 등 다양한 운송 수단으로 적용 분야를 확장할 수 있어, 자동차 산업에서는 이를 위한 연구와 개발에 지속적으로 주력하고 있다6).
차량 경량화를 위한 기술 개발은 크게 세 가지로 분류할 수 있다. 첫째, 부품의 구조 최적화를 통한 경량화, 둘째, 제조 공법 개선을 통한 경량화, 셋째, 알루미늄 및 마그네슘 합금, 탄소섬유강화플라스틱(Carbon Fiber Reinforced Plastic, CFRP), 복합재와 같은 경량 소재를 활용한 방안이다7,8). 이 중 폴리머 및 복합재는 우수한 가격 경쟁력과 경량성으로 인해 최근 많은 주목을 받고 있으며, 이러한 소재를 기존에 사용되던 자동차용 강과 결합할 경우, 기존 경량화 기술에 비해 획기적인 경량화가 가능하다는 점에서 자동차 산업에서의 연구가 활발히 진행되고 있다9). 그러나, 금속과 폴리머는 용융 온도와 열변형 계수 등 물리적 성질의 차이가 커 접합이 어려운 문제가 있다. 이를 해결하기 위해, 두 이종 소재를 접합하기 위한 다양한 기술이 개발되어왔다. 금속과 폴리머의 접합을 위해 기존에 사용된 주요 방법으로는 용접10-12), 기계적 체결13-16), 접착 접합17-19), 그리고 사출 성형20,21)이 있다. 그러나, 이러한 기술들은 각각의 한계와 단점을 가지고 있다. 마찰 교반 용접(Friction Stir Welding, FSW) 및 초음파 용접은 금속-폴리머 접합에 사용되어 온 대표적인 용접 기술이다. 마찰 교반 용접은 용접부에 가해지는 열이 적어 재료 변형을 최소화할 수 있다는 장점이 있지만, 저융점 금속에만 적용 가능하다는 제한이 있다22). 초음파 용접은 빠른 접합 공정이 가능하나, 접합 범위가 작아 대량 생산에는 부적합하다는 단점이 있다23,24). 기계적 체결은 높은 접합 강도를 확보할 수 있으나, 체결 부위에서 응력 집중이 발생하며 리벳이나 볼트와 같은 부품의 추가로 인해 전체 중량이 증가한다는 문제가 있다. 접착 접합은 자동차 산업에서 가장 널리 사용되는 기술로, 차체 구조용 접착제의 경우, 최소 약 25 MPa의 접합 강도를 요구한다25). 그러나, 이 기술은 습도와 온도와 같은 외부 환경 변화에 민감하여 접합 강도가 쉽게 변할 수 있다는 문제점이 있다26,27).마지막으로 사출 성형은 금속-폴리머 접합의 대량 생산에 유리한 기술로 알려져 있지만, 금속과 폴리머 간의 용융 온도 차이로 인해, 강한 접합 강도를 확보하기 어렵다는 단점이 있다21).
레이저 표면 텍스처링(Laser Surface Texturing, LST)은 레이저 어블레이션, 즉 시료 표면에 레이저 빔을 조사하여 증발, 승화, 또는 플라즈마 발생과 함께 표면에서 물질을 제거하는 현상을 통해 미세 패턴(예: 딤플, 그루브, 필러 등)을 형성하는 기술이다28). LST는 고속, 높은 정확도, 비접촉식 표면 처리 방식 등의 장점으로 주목받고 있으며29,30), 이를 이용하면 금속과 폴리머 간 기계적 결합을 형성하거나 금속 표면에 대한 폴리머의 습윤성을 향상시켜 금속-폴리머 접합력을 높일 수 있다31,32). 선행 연구에서는 LST를 활용한 금속-폴리머 접합에 대한 영향이 조사되었다. Lambiase et al.은 LST 기술과 마찰 보조 결합 방식을 이용해 AA7075 알루미늄 합금과 폴리에테르 에테르 케톤(Polyetheretherketone, PEEK)을 접합하였으며, 이 때 최대 접합 강도는 약 9.0 MPa로 나타났다33). 또한, Liu et al.은 LST 기술과 핫 프레싱 접합 기술을 이용해 AZ31B 마그네슘 합금과 Carbon Fiber Reinforced Thermoplastics (CFRTP)를 접합하였으며, 레이저 텍스처링을 하지 않은 조건에 비해 약 2.1배 더 높은 인장-전단 강도를 나타내었고, 이때의 접합 강도는 13.6 MPa로 측정되었다34). 그러나, 차체 구조용 접착제의 요구 접합 강도가 25 MPa인 점을 고려할 때, 이러한 연구들은 충분한 금속-폴리머 접합 강도를 충족하지 못하는 것으로 평가될 수 있다.
본 연구에서는 우수한 접합 강도를 확보하기 위해 레이저 표면 텍스처링(LST)과 플라스틱 사출 성형을 이용하여 폴리아미드 6 (Polyamide 6, PA 6)와 합금화용융아연도금 초고강도강(Galvannealed Advanced High-Strength Steel, 이하 AHSS)을 직접 접합하는 방식을 채택하였다. 플라스틱 사출 성형 공정은 LST로 AHSS 표면에 형성된 그루브 내에 고온 및 고압 조건에서 PA 6를 주입함으로써 기계적 결합을 형성하여 접합 강도를 향상시킬 수 있다. PA 6는 나일론으로도 알려져 있으며, 높은 기계적 강도와 저렴한 생산 비용을 특징으로 한다. 또한, 합금화용융아연도금강판(Galvannealed Steel, GA steel)은 우수한 도장밀착성과 도장 후 내식성을 가지고 있어 두 소재 모두 자동차 산업에서 널리 활용되고 있으며, 두 소재의 접합기술은 차량의 바디나 샤시에 적용할 수 있다. 이에 따라, 본 실험에서는 AHSS 시편의 표면에 레이저 텍스처링을 진행하여 네 가지의 패턴을 형성한 뒤 사출 성형을 이용하여 AHSS-PA 6 접합 시편을 제작하였다. 이때 그루브 형상과 사출 성형 몰드 온도를 실험 변수로 설정하여, 인장 전단 시험을 통해 각 변수에 따른 접합 강도의 차이를 평가하였다. 또한, 파단 후 AHSS와 PA 6 표면의 형상 및 화학적 조성을 주사전자현미경(Scanning Electron Microscopy, SEM)과 에너지 분산 X선 분광법(Energy-Dispersive X-ray Spectroscopy, EDX)을 이용하여 분석하여 AHSS-PA 6 파단 메커니즘을 분석하였다.
2. 사용 재료
본 연구에 사용된 금속은 상업용 합금화용융아연도금 AHSS (SGAFC1180Y, 현대제철)로, 화학적 조성은 Table 1과 같다. 한편, AHSS와 접합하기 위해 사용된 플라스틱은 상업용 유리 섬유 강화 폴리아미드 6 (PA 6; 유리 섬유 wt.%: 50%, HA-9500MA, 롯데케미칼)로, 인장강도와 연신율은 ISO 527 국제 표준에 의거하여 각각 210 MPa 및 2.6%로 측정되었다.
3. 실험 방법
3.1 실험 방법
강 시편의 레이저 표면 텍스처링(LST)은 350 W Master Oscillator Power Amplifier (MOPA) 파이버 레이저(RFL-P350MX, Raycus)를 사용하여 수행되었다. 레이저의 주요 사양은 파장 1064 nm, 펄스 폭 20 ns, 반복 주파수 1500 kHz, 빔 품질(M²) 1.6, 그리고 빔 크기 38 ㎛이다. 레이저 빔은 2차원 갈바노미터 스캐너(Superscan SS-IIE-12, Raylase)를 통해 강 표면에 조사되었다. 파이버 레이저의 상세한 구성은 Fig. 1(a)에 나타나 있다.
Fig. 1
(a) Image of the nanosecond fiber laser (b) Schematic illustration and image of the laser surface texturing pattern on AHSS
Fig. 1(b)는 LST가 적용된 AHSS 시편의 모식도와 사진을 보여준다. AHSS 시편의 전체 크기는 45 mm (L) × 19 mm (D) × 1.2 mm (T)이며, 레이저 텍스처링이 적용된 영역은 5 mm (L) × 10 mm (D)이다. 텍스처링 영역에는 네 가지 패턴이 설정되었으며, 이는 인장 전단 방향과 레이저 텍스처링 방향의 관계를 기준으로 Parallel(인장 전단 방향과 평행), Perpendicular(인장 전단 방향과 수직), Diamond(마름모 형태), Grid(격자 형태)로 구분되었다. 레이저 출력은 300 W로 설정되었으며, 레이저 플루언스는 다음 공식에 따라 계산되어 17.64 J/cm²로 나타났다.
레이저 빔은 5 m/s의 속도로 AHSS 표면을 스캔하였고, 해치 간격은 200 μm, 그루브 깊이는 100 μm로 설정되었다. LST 조건의 세부 정보는 Table 2에 요약하였다.
3.2 사출 성형 조건
3.3 미세구조 및 기계적 성질
LST 공정 후, AHSS 시편은 저속 다이아몬드 절단 휠을 사용하여 절단하였으며, 단면의 미세구조는 광학현미경(Optical Microscopy, OM; BX51M, Olympus)을 통해 관찰하였다. 패턴 형상과 몰드 온도에 따른 접합력을 평가하기 위해 만능재료시험기(Instron 5969)를 사용하여 크로스헤드 속도 5 mm/min로 인장 전단 시험을 수행하였다. 각 시편 조건에 대해 5회씩 시험을 반복하였으며, 이를 통해 접합력의 평균값과 범위를 산출하였다. 파단 후 AHSS와 PA 6의 표면 형상 및 화학적 조성 분석은 주사 전자 현미경(Scanning Electron Microscopy, SEM; SU8700, Hitachi)과 에너지 분산 X선 분광법(Energy-Dispersive X-ray Spectroscopy, EDX)을 이용하여 수행하였다. SEM 분석은 LaB6 필라멘트를 사용하였으며, 가속 전압은 15.0 kV, probe current는 101 pA, beam current는 40.0 μA의 조건에서 진행되었다.
4. 결과 및 분석
4.1 레이저 텍스처링 및 단면 형상
Fig. 3은 레이저 텍스처링이 완료된 AHSS 시편을 보여준다. 시편은 인장 방향과 텍스처링 방향 간의 각도를 기준으로 Parallel (Fig. 3(a)), Perpendicular (Fig. 3(b)), Diamond (Fig. 3(c)), Grid (Fig. 3(d)) 패턴으로 구분되었다. Parallel, Diamond, Grid 패턴은 인장 방향에 수직 방향으로, Perpendicular 패턴은 인장 방향에 수평 방향으로 절단하여 단면을 관찰하였다. 그루브는 나노초 펄스 레이저 조사 과정에서 재료의 용융, 기화, 그리고 어블레이션을 통해 형성되었다. 또한, 그루브 주변에서는 리캐스트(recast)의 형성이 확인되었는데, 이는 용융된 금속이 그루브 내부에서 분출된 후 다시 굳어지는 과정에서 생성된 것이다33). Parallel과 Perpendicular에서는 표면에서 약 10 ㎛ 두께의 Zn 도금층이 검은 줄과 같은 형상으로 관찰된 반면, Diamond와 Grid에서는 더 많은 리캐스트의 발생과 리캐스트 간 융합으로 인해 표면이 덮이면서 도금층이 관찰되지 않았다. Parallel과 Perpendicular에서 평균 그루브 깊이는 각각 96.5 ㎛와 99.3 ㎛로 유사하게 나타났으며, 그루브 주변 표면에서 개별적으로 분리된 작은 리캐스트가 확인되었다. 반면, Diamond의 단면에서는 두 가지 다른 깊이의 그루브가 나타났다. 노란 점선으로 표시된 그루브의 평균 깊이는 86.9 ㎛였으며, 초록 점선으로 표시된 그루브의 평균 깊이는 130.5 ㎛로 확인되었다. 이러한 차이는 레이저 빔이 인장 전단 방향에서 45˚와 -45˚ 각도로 금속 표면을 조사하면서 발생하였다. 먼저 45˚ 각도로 조사된 후, -45˚ 각도로 추가 조사되면서 두 각도가 교차하는 지점에서 더 깊은 그루브가 생성되었다. 이 시편의 그루브 간 간격은 약 140 ㎛로, 간격이 200 ㎛인 다른 시편에 비해 더 좁은 간격을 나타냈다. 이는 단면 절단이 인장 전단 방향에서 수직 방향으로 이루어졌기 때문이다. Grid에서 평균 그루브 깊이는 수직 방향에서 125.2 ㎛, 수평 방향에서 88.9 ㎛로 측정되었으며, 양방향의 평균 그루브 깊이는 107.4 ㎛로 나타났다. 이는 Diamond와 유사하게, 레이저 빔이 수평 방향으로 먼저 조사된 후 수직 방향으로 추가 조사되었기 때문이며, 두 방향의 레이저 조사 조건 차이로 인해 LST 공정 효율에 차이가 발생했음을 보여준다.
4.2 인장 전단 시험
Fig. 4는 패턴 형상과 몰드 온도에 따른 AHSS-PA 6 접합 강도 결과를 보여준다. Fig. 4(a)는 패턴 형상의 영향을 나타내며, 몰드 온도는 150˚C로 고정되었다. 인장 전단 강도 측정 결과, Parallel, Perpendicular, Diamond, 그리고 Grid의 네 가지 패턴 중 Diamond 패턴이 78.9 MPa로 가장 높은 접합 강도를 보였다. Fig. 4(b)는 몰드 온도의 영향을 나타내며, 이 경우 패턴 형상은 Diamond 패턴으로 고정되었고, 그루브의 깊이는 평균 109.3 ㎛이었다. 몰드 온도는 100, 115, 130, 150˚C로 설정되었으며, 인장 전단 시험 결과 몰드 온도가 증가함에 따라 접합 강도도 증가하는 경향을 보였다. 이는 몰드 온도가 높아질수록 녹은 PA 6의 유동성이 증가하여 PA 6가 AHSS의 그루브 안에 충분히 채워졌기 때문이다.
4.3 파단 매커니즘 분석
AHSS-PA 6의 파단 매커니즘을 파악하기 위해, Fig. 5와 같이 인장 전단 시험 후 패턴 형상별 SEM 및 EDS 분석을 진행하였다. 금속-폴리머 접합에서 금속과 폴리머의 기계적 체결은 접합력을 결정하는 중요한 요소이다31,32). 본 연구에서는 그루브 내부 및 리캐스트 사이에 채워진 PA 6가 AHSS-PA 6 접합력에 영향을 미치는 것으로 판단하였다. Parallel 패턴(Fig. 5(a))에서는 레이저 텍스처링 패턴의 방향이 인장 전단 방향과 평행하다. Parallel 패턴의 경우, 사출 성형 후 AHSS와 PA 6의 계면에는 수많은 미세결합이 형성되었다. 이에 따라, 파단은 그루브에 채워진 PA 6 자체보다는 미세결합에 가해진 응력 집중으로 인해 발생한다. 인장 전단 응력이 미세결합의 결합력을 초과하면 결합이 파괴되고, 그루브에 채워진 PA 6는 형태를 유지한 채 그루브 사이를 관통하며 파단이 일어난다. 그 결과, 금속 표면에서는 아주 미세한 탄소 신호만 검출되며, 폴리머 표면에서는 파단된 미세결합 혹은 리캐스트가 철 신호를 통해 검출된다. 이는 파단 시 AHSS와 그루브 내 PA 6 간 기계적 체결력보다 AHSS와 PA 6 간 미세결합 또는 리캐스트에서의 기계적 체결력이 더 큰 영향을 미친다는 것을 의미한다. 한편, Perpendicular 패턴(Fig. 5(b))에서는 인장 전단 방향이 레이저 텍스처링 패턴 방향과 수직이기 때문에, 그루브 내 PA 6가 인장 전단 응력을 온전히 받게 된다36). 그 결과, AHSS-PA 6 접합은 그루브 내 PA 6가 부러지며 파단이 발생한다. Parallel 패턴과 달리, Perpendicular 패턴에서는 부러진 PA 6가 금속의 LST 처리된 영역에서 강한 탄소 신호를 통해 검출되며, 폴리머 표면에서는 다량의 금속 리캐스트가 철 신호를 통해 검출된다. Perpendicular 패턴에서는 그루브에 채워진 PA 6가 AHSS-PA 6 접합의 기계적 체결력을 높이는 요인이 되기 때문에, 접합 강도(48.3 MPa)는 Parallel 패턴(34 MPa)보다 높은 값을 가진다. Diamond(Fig. 5(c))와 Grid(Fig. 5(d)) 패턴에서는 Parallel과 Perpendicular에서 나타나는 파단 매커니즘이 결합되어 복합적으로 나타난다. 두 패턴 모두에서 다량의 부러진 PA 6 결합이 금속 표면과 폴리머 표면에서 탄소 신호를 통해 검출되며, 이는 인장 전단 방향에서 수직 방향의 PA 6 결합이 부러질 때 수평 방향 결합도 함께 파단되기 때문이다. 다만, 평균 인장 전단 강도는 Diamond(78.9 MPa) 패턴이 Grid (63.9 MPa) 패턴보다 높게 나타난다. Diamond 패턴에서는 그루브에 채워진 PA 6가 인장 전단 방향으로부터 ±45˚ 각도로 형성되어 인장 전단 응력이 분산된다. 이에 따라, 그루브 내 PA 6에 상대적으로 낮은 인장 전단 응력이 가해져 Grid 패턴보다 높은 접합 강도를 나타낸다. 이처럼 레이저 텍스처링 패턴과 인장 전단 방향 간 관계는 AHSS-PA 6 직접 접합에 유의미한 영향을 미친다.
Fig. 5
Tensile shear test results; top-sectional SEM images and corresponding EDX elemental distribution maps of the AHSS and PA 6 fracture surfaces for the patterns of (a) Parallel, (b) Perpendicular, (c) Diamond, and (d) Grid
Fig. 6 및 Fig. 7은 각각 패턴 형상과 몰드 온도의 영향을 나타낸 모식도이다. Fig. 6(a)-(d)에서, 레이저 텍스처링 패턴 형상에 따라 각기 다른 파괴 매커니즘이 발생한다. Parallel(Fig. 6(a))은 LST 패턴의 방향과 인장 전단 응력(τ0)의 방향이 일치하여 그루브 내 PA 6에는 응력의 영향이 미미하고, AHSS와 PA 6 계면의 미세결합이 접합력의 주요 매커니즘으로 작용한다. 반대로 Perpendicular(Fig. 6(b))에서는 LST 패턴 방향과 인장 전단 응력의 방향이 90˚로 교차하며, 그루브 내 PA 6가 직접적으로 응력을 받아 파단 시 부러지게 된다. Grid(Fig. 6(d))는 Parallel과 Perpendicular에서 나타나는 매커니즘이 결합된 형태이며, Perpendicular 방향 그루브 내 PA 6의 파단이 Parallel 방향 PA 6의 추가 파단을 함께 유발한다. Diamond (Fig. 6(c))에서는 LST 패턴 방향이 인장 전단 응력(τ0)의 방향과 ±45˚ 각도를 이루며, 45˚ 회전된 패턴으로 인해 접합면에 가해지는 최대 인장 전단 응력 (τmax)이 원래 응력의 절반(τ0/2)로 감소한다. 이에 따라 응력이 분산되어 Diamond 패턴이 다른 패턴보다 가장 높은 인장 전단 강도를 나타낸다. 한편, Fig. 7(a)와 (b)는 몰드 온도에 따른 AHSS-PA 6 접합 단면의 차이를 나타낸다. Fig. 7(a)에서는 몰드 온도가 높아 PA 6의 유동성이 증가하고, LST로 형성된 그루브 내에 PA 6가 완전히 채워진다. 반면, Fig. 7(b)에서는 몰드 온도가 낮아 PA 6의 유동성이 감소하며, 그루브의 국부적인 영역에서 PA 6 충진이 이루어지지 않았다. 이로 인해, 기계적 체결이 약화되고 접합 강도가 감소한다37). 따라서 몰드 온도가 낮을수록 인장 전단 강도는 감소하는 결과가 관찰되었다 (Fig. 4(b)).
5. 결 론
본 연구에서는 LST와 사출 성형을 이용한 이종소재의 직접 접합을 수행하였다. LST 공정을 통해 합금화용융아연도금처리된 초고강도강(AHSS)에 그루브를 형성하고, 사출 성형을 이용해 유리 섬유 강화 폴리아미드 6 (PA 6)를 레이저 텍스처링 처리된 AHSS 표면에 접합하였다. AHSS-PA 6의 접합 강도는 인장 전단 시험을 통해 측정하였으며, 패턴 형상 및 몰드 온도에 따른 각각의 파단 매커니즘이 규명하였다. 본 연구에서 탐구한 주요 결과는 다음과 같다.
1) AHSS-PA 6 접합: LST 공정을 통해 총 네 가지 패턴(Parallel, Perpendicular, Diamond, Grid)을 AHSS 표면에 형성하였다. Parallel, Perpendicular, Diamond, Grid의 네 패턴은 인장 전단 방향을 기준으로 LST 패턴의 방향을 각각 평행, 수직, 45˚ 교차사선, 그리고 평행과 수직을 합친 방향이다. LST 패턴을 관찰한 결과, 평균 그루브 깊이는 각각 96.5, 99.3, 109.3, 그리고 107.4 ㎛으로 나타났다. Parallel과 Perpendicular 패턴에서는 그루브 주변 AHSS 표면을 따라 작은 리캐스트가 형성된 반면, Diamond와 Grid에서는 LST 공정 과정에서 리캐스트끼리 서로 합쳐진 것을 관찰하였다.
2) 접합 강도 및 매커니즘: 레이저 텍스처링 된 AHSS에 PA 6를 사출 성형을 통해 접합하였으며, 패턴 형상 및 몰드 온도를 변수로 두어 인장 전단 강도를 측정하고 SEM과 EDX를 통해 파단 표면을 관찰하였다. 접합 강도는 패턴 형상에 영향을 받으며, 인장 전단 시험 방향과 LST 패턴의 방향의 관계가 인장 전단 강도를 결정하는 주요 매커니즘으로 작용하였다. Parallel에서는 AHSS와 PA 6 사이 계면에 존재하는 미세 결합이 접합 강도의 주요 요인으로 작용하며, Perpendicular에서는 그루브에 채워진 PA 6의 기계적 체결이 접합력을 형성한다. Diamond에서는 45도 각도로 인한 인장 전단 응력의 분산이 접합 강도 증가에 기여하며, Grid에서는 Parallel과 Perpendicular의 두 메커니즘이 결합되어 접합 강도를 형성한다. 따라서, 네 패턴 중 가장 작은 응력을 받는 Diamond 패턴에서 78.9 MPa로 가장 높은 접합 강도를 가진다. 한편, 몰드 온도를 변수로 둔 경우, 몰드 온도가 높아질수록 인장 전단 강도가 증가하는 경향을 보였으며, 몰드 온도가 낮아질수록 PA 6가 AHSS 그루브에 충분히 침투하지 못하여 기계적 체결력이 낮아지는 경향을 보였다. 따라서, 몰드 온도 변수에서는 기계적 체결이 가장 큰 150˚C에서 가장 높은 접합 강도를 가진다.
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