극한성능 접착제의 기술동향과 시장전망

극한성능 접착제의 기술동향과 시장전망

<목차>

0. 요약

1. 개요

2. 극한환경과 접착제

3. 극한환경용 접착제산업 동향

4. 극한성능 접착제의 기술 동향

5. 결론

출처 및 참고자료

0. 요약

현재 글로벌 접착제산업의 주요 이슈는 고성능 애플리케이션, 지속가능성, 건강과 안전이다. 지속가능성은 더욱 엄격해지는 환경 규제, 재생 가능 제품에 대한 소비자의 요구, 탄소 배출 최소화에 따른 긴급한 필요에 따라 보다 친환경적인 접착기술을 제공하는 것인데, 영구접착을 목표로 해왔던 접착 분야에서는 단순히 접착력을 극대화하는 것 이상이 요구되고 있다.
접착제의 고성능화는 언제나 대두되던 주제이지만, 이제는 접착 능력의 한계를 뛰어넘는 극한성능의 확보로 집약되고 있다. 탁월한 강도, 내구성과 극한 조건에 대한 저항성이 필요한 항공우주, 자동차, 전자, 의료, 건설 등 다양한 최종 적용 산업에서 극한성능 접착제에 대한 수요가 증가되면서 시장 규모도 확대되고 있다. 이에 따라 주요 글로벌 접착제기업들의 포트폴리오는 극한성능 애플리케이션으로 집중되고 있다.
극한성능을 갖는 고성능 접착제는 당초 우주용으로 개발되었으나 타 산업에서의 경량화·미세화로 인한 극한 조건의 발생, 저탄소 배출과 지속가능성을 위한 복합재료 사용의 증가로 인해 극한성능 접착제에 대한 사용이 다양한 산업으로 확대되었다. 대표적인 극한환경 접착제로는 고온 접착제, 극저온 접착제, 수중 접착제 등이 있으며, 전자, 항공우주, 에너지 저장, 의료 등 분야에서 필수적인 소재로 국내 기술의 확보가 필요하다.
극한성능을 갖는 고성능 접착제는 오랜 기간 글로벌 접착제기업에서 선점하고 있는 분야로, 그동안 국내 접착제기업이 접근하기 어려웠던 기술과 시장이라고 할 수 있다. 그러나 극한성능 접착제가 반도체, 전자, 건설, 의료, 항공우주, 자동차, 에너지 등 전 분야에 광범위하게 적용되고 있으며, 이러한 산업에서 국내 기업의 활약과 시장 확대 가능성을 볼 때 수입 접착제에 의존하던 상황에서 벗어나 국내 기술을 기반으로 한 소재부품 공급망 구축이 매우 시급하다
극한성능 접착제는 단순히 고성능 접착제 기술만으로는 시장 진입이 쉽지 않고 중소기업 위주의 국내 기업들이 독자적으로 접근하기에는 많은 위험이 있다. 이에 정부 차원에서 적극적으로 기업을 유도할 필요가 있으며, 소재나 부품의 개발과 함께 인증과 적용을 포함한 중장기 대형통합형 사업 추진이 필요하다. 극한성능 접착제 기술과 글로벌 경쟁력의 확보는 새로운 소재와 공정에 대한 기업과 정부, 연구기관, 대학 간의 지속적인 연구 협력을 통해 달성될 수 있으며, 꾸준한 기술개발 투자를 통하여 원천 기술 및 실용화 기술의 개발에 매진해야 할 것으로 판단된다.

1. 개요

접착제는 수요산업의 공급사슬에서 최후방에 위치하고 있으며, 수십 가지의 화학물질을 원료로 사용하여 제조된다. 지난 몇 년간 글로벌 접착제산업은 코로나19로 인한 수요 감소와 그에 따른 공급 축소를 겪었다. 하지만 2020년 하반기 중국의 경기회복에 의한 수요 급증이 발생하자 원자재 재고의 부족으로 인해 자재와 물류 분야에서 심각한 공급·수요 불균형 상태가 초래되었다. 이에 더해 2021~2022년 미국의 기후 문제로 인한 원자재 부족 사태까지 겹치면서 상당한 공급 차질이 빚어졌으며, 상업적·경제적 영향을 받아야 했다.
2023년에 상황이 개선되어 공급망이 대부분 정상화되었으나 원자재 가격의 상승은 여전했고, 에너지와 인건비처럼 업계에 영향을 미치는 몇 가지 요인들의 부담은 지속되었다. 또한 CO2 배출 완화, 에너지 비용, 인플레이션으로 인한 인건비 상승, 증가하는 규제와 규정 준수 비용 등으로 인해 가격 상승의 여지가 남아 있다.
Grand View Research에 따르면, 전 세계 접착제 및 실런트시장은 2023년 714억 달러 이상으로 추산 되며, 2022년부터 2030년까지 연평균복합성장률(CAGR)은 6%로 성장이 예상된다. 업계가 인플레이션의 압력과 공급망 문제에 직면했음에도 불구하고 접착제와 실런트에 대한 수요는 계속 증가하고 있다.
현재 글로벌 접착제산업을 관통하는 이슈는 고성능 애플리케이션, 지속가능성, 건강과 안전이다. 지속 가능성은 더욱 엄격해지는 환경 규제, 재생 가능 제품에 대한 소비자 요구, 탄소 배출 최소화에 대한 긴급한 필요성에 따라 모든 면에서 보다 친환경적인 접착 솔루션을 제공하고자 하는 것으로, 특히 유럽을 중심으로 강력하게 규제되고 있다.

표 1. Henkel의 지속가능성 과제 중 Regenerative Planet의 목표

* 화살표의 방향은 숫자와 상관없이 목표에 대한 추세임

지속가능한 접착제를 만들기 위해 재생 가능한 자원으로 만든 바이오 기반 접착제 같은 고품질 친환경 접착제를 만드는 데 연구개발과 투자가 이루어지고 있다. 또한 순환경제를 촉진하기 위해 재료를 재활용· 재사용할 수 있는 디본딩(debonding) 접착제의 개발도 주목받고 있다. 특히 가역적 결합이 가능한 디본딩 접착제는 탈착이 용이한 기계식 패스너의 장점을 접착제에 도입할 수 있어 제조 관점에서도 의미가 있다. 재료를 재활용할 수 있는 디본딩 접착제는 현재 포장 분야에서 완전 재활용이 가능한 형태의 접착제가 제안되고 있다.
Henkel에서는 PE, 알루미늄, PET로 구성된 다층 라미네이트 필름을 분해하지 않고 서로 분리할 수 있는 식품 포장용 접착제를 개발했으며, 필름 재료는 분리 후 다양한 산업 응용 분야에 재활용할 수 있는 고품질 소재로서 가치사슬에 다시 도입될 수 있다.

지속가능한 미래를 향한 추진력은 지난 몇 년간 속도를 높여왔고 앞으로도 계속될 것이다. 영구 접착을 목표로 해왔던 접착 분야에서는 지속가능한 미래를 향한 혁신과 발전이 필요한 때이며, 단순히 접착력을 극대화하는 것 이상이 요구되고 있다.
제조업체에서는 일부 산업용 접착제가 초래할 수 있는 건강과 안전 문제를 고려해야 한다. 대표적으로 2023년 폴리우레탄 접착제에 영향을 미치는 이소시아네이트(isocyanates)에 대한 제한이 시행되었다. 이러한 제한은 2019년에 논의되기 시작해 2023년 시행에 이르렀으며, 산업계는 비이소시아네이트계 폴리우레탄 접착제에 대한 기술혁신 요구에 직면하게 되었다. 이제는 산업용 접착제가 초래할 수 있는 건강과 안전 문제를 고려해야 하며, 규제가 발효되기 전에 기술혁신과 변화에 대한 준비가 필요하다.
접착제의 고성능화는 언제나 대두되던 주제이지만, 이제는 접착 능력의 한계를 뛰어넘는 극한성능의 확보로 집약되고 있다. 고성능 접착제는 일반 접착제에 비해 접착력, 내구성, 성능 등이 우수한 접착제로서, 기계적 접합에 비해 약한 고온, 습기, 화학물질 및 무거운 하중과 같은 극한 조건을 견딜 수 있도록 설계된 접착제다. 탁월한 강도와 내구성 및 극한 조건에 대한 저항성이 필요한 항공우주, 자동차, 전자, 의료, 건설 등 다양한 최종 적용 산업에서의 고성능 접착제에 대한 수요가 증가되면서 시장 규모가 확대되고 있다. 이에 따라 주요 글로벌 접착제기업의 포트폴리오는 극한성능 애플리케이션으로 집중되고 있다.
극한성능을 갖는 고성능 접착제는 당초 우주용으로 개발되어 점차 산업용으로 확대되었으며, 오랜 기간 글로벌 접착제기업들이 선점하고 있던 분야라 그동안 국내 접착제기업들이 접근하기 어려운 기술과 시장이었다. 그러나 수요산업의 경량화·미세화와 더불어 복합재료 사용의 증가로 인해 우주항공에 국한되었던 극한성능 접착제 수요가 다양한 산업에서도 급증하고 있다. 자동차, 전자, 의료, 건설, 항공우주 등 주요 수요산업에서 국내 기업이 차지하는 위상을 볼 때 국내 접착제기업의 글로벌 공급망 진입이 더 이상 늦어져서는 안 될 시점이다.

본고에서는 극한성능이 필요한 환경에서 접착제가 받는 영향을 통해 접착제에 요구되는 극한성능을 이해하고자 한다. 나아가 국내 접착제산업의 고성능 애플리케이션에 대한 공급망 진입과 기술개발 전략 수립을 위해 극한성능 접착제의 기술 동향과 앞으로의 시장 전망 및 글로벌 접착제기업의 동향을 간략히 정리했다.

2. 극한환경과 접착제

접착제가 극도의 응력을 받는 세 가지 극한환경 분야는 항공우주, 지열 및 해저 노출이며, 여기에 사용되는 접착제는 상황에 따라 극단적인 열, 극저온, 진공, 방사선, 산소원자, 진동, 수분의 공격을 각각 또는 동시에 받게 되므로 이러한 심각한 조건을 견딜 수 있어야 한다. 다양한 극한환경에 노출되는 대표적인 응용 분야인 우주위성이 만나게 되는 환경조건의 개요와 접착제에 미치는 영향은 다음과 같다.

고온

로켓이나 스페이스 셔틀 등은 발사 및 지구로 회수될 때와 대기권을 통과할 때 공기 저항 등으로 인해 약 1,000~1,500℃에 이르는 가혹한 열 환경이 발생한다. 초음속 항공기의 경우 고공에서 마하 2.5~3.0으로 비행할 때 표면온도는 260~316℃에 달한다. 이러한 환경조건에서 접착제는 선형 구조의 열가소성 수지가 외력에 의해 녹거나 변형될 수 있는 물리적 변화와 산화 균열이나 산소 오염이 발생할 수 있는 열분해를 주 특징으로 하는 화학적 변화가 초래되므로 내열성 접착제의 개발 필요성과 직결된다.

Thermal cycling

항공우주, 전자, 자동차, 선박 등 많은 산업 분야에서 온도 변화는 가장 일반적이고 중요한 매개변수 중 하나다. 항공기는 -60~200℃ 범위에서 작동해야 하며, 큰 온도구배를 견딜 수 있어야 한다. 90분의 저궤도 주기 동안 우주선의 표면온도는 일반적으로 –100~90°C에서 변동하며, 최대 변동은 -120~120°C이다. 정지궤도에서는 -150~150°C 범위로 온도 변동 폭이 더욱 확장된다. 이러한 변동은 재료의 내부나 결합 강도에 직접적인 영향을 미칠 수 있으며, 재료가 갈라지거나 떨어져 나가는 원인이 될 수 있다.
열팽창 차이로 인해 발생하는 열응력의 존재는 큰 온도구배에서 구조용 접착제를 사용할 때 직면하는 가장 중요한 과제 중 하나다. 표 4에는 다양한 피착재 및 접착제의 열팽창계수(Coefficients of Thermal Expansion, CTE)를 나타내었다.

주기적인 온도 변화는 접착 조인트에 심각한 열응력을 유발하여 점탄성 접착제의 기계적 특성을 변화시킬 수 있다. Thermal cycling을 받는 접착 조인트는 균열 및 파손을 나타날 수 있으며, CTE 불일치로 인한 열응력의 축적으로 인해 접착 해제가 발생하게 된다. 이러한 저온과 고온의 Thermal cycling이 반복되어 접착제에 응력이 축적되면 결국 균열이 발생하게 된다.

저온 노화

항공우주, 극지 운항 선박 등에 사용되는 접착제의 경우 극한의 고온뿐만 아니라 저온도 고려해야 한다. 고온과 달리 저온이나 극저온에서는 접착제가 열화(화학적 분해)되지 않지만, 접착제의 특성이 극적으로 변할 수 있다. 극저온 엔진용 접착제는 -184~-196°C 사이에서 기계적 성능을 유지해야 하며, 극저온 노출로 인해 일부 접착제가 부서지거나 접착력이 손실될 수 있다. 저온에서는 접착제의 모듈러스가 증가하고 유연성이 떨어지면서 부서지기 쉽고 충격이나 진동 등에 더욱 민감해지는데, 최악의 경우 접착제가 갈라지게 된다. 저온의 다른 부정적인 영향은 접착제와 기재 사이의 접착력이 저하되는 것으로, 접착 분리가 발생할 수도 있다.

고진공

진공도는 고도와 함께 변화되는데, 우주정거장이 구축되는 저궤도(수백 km)에서는 10 ~10 Torr이며, 원심력과 지구의 인력이 균형을 이루는 정지위성궤도(약 36,000km)에서는 10 Torr 이하에 이른다. 고분자 재료는 증기압이 높은 성분을 포함하는 경우가 많고 접착제가 진공에 노출되면 접착제에서 가스가 배출될 수 있다. 가스 방출 생성물은 민감한 부품의 표면에 응축되어 오염과 부식, 민감한 장치의 성능 저하나 고장까지 유발할 수 있으며, 접착제 자체의 성분, 치수 및 궁극적으로 재료 성능에 변화를 일으키기 때문에 주의가 필요하다.

태양 전자기복사와 방사선

우주 공간에서 250nm 이하의 단파장 태양 전자기복사와 우주방사선은 고분자 재료 속으로 깊숙이 침투하여 결합 파괴를 일으키고 성능 저하를 유발하는 중요한 환경 요인이 된다.

산소원자(Atomic Oxygen, ATOX)

200~600km 부근 고도에서는 고농도의 산소원자가 존재하며, 산소원자와 고분자 재료는 복잡한 물리적· 화학적 반응을 겪게 되어 재료에 균열과 품질의 손실을 포함한 손상을 일으키고 광학적 특성에도 변화를 가져온다. ATOX와 폴리머의 상호작용은 표면 침식, 화학적 조성 및 표면 형태의 변화, 광학 특성의 변화, 우주선 표면의 미립자 및 분자 오염의 형성을 초래하며 열화 문제 외에도 가시광선 및 IR 영역에서 작동하는 광학 센서의 기능을 심각하게 방해할 수 있다.

수분

극한의 온도와 응력 외에도 수분은 대부분의 접착에 있어 주요하고 심각한 환경 요인 중 하나다. 흡수된 물은 접착제에 화학적 변화를 일으킬 수 있으며, 접착제의 가수분해로 인해 결합이 파손되고 결합 강도가 저하될 수 있다. 물리적 팽창(및 수축)은 접착제 경계면에 응력을 가할 수 있으며, 결과적으로 결합 분리를 유발한다. 또한 수분은 피착재 표면을 산화시킬 수 있고, 결과적으로 형태와 결합 강도가 모두 변화되어 피착재와 접착제의 결합을 약화시킨다.

염분

소금물은 담수보다 부식성이 더 강하기 때문에 금속을 공격할 뿐만 아니라 소위 불활성 중합체인 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 폴리메틸메타크릴레이트도 분해하며, 접착 조인트를 심각하게 부식시킨다. 실제로 3개월 동안 5% 염수 분무에 노출된 경우 3년 동안 아열대 환경에 노출된 것보다 알루미늄 접합부에 더 심각한 영향을 미치는 것으로 보고되었다. 염수 분무의 심각도를 자연 및 아열대 환경을 비롯한 다양한 환경조건과 비교하여 표 5에 나타내었으며, 접착 강도의 저하는 일반적으로 담수보다 염수에서 훨씬 더 빠르게 발생한다.

3. 극한환경용 접착제산업 동향

고성능 접착제는 극한의 조건에서도 접착력이 충분히 강한 접착제가 필요한 항공우주, 자동차, 전자산업 등에 적합한 제품이 요구되고 있으며, 글로벌 접착제기업들은 가혹한 조건에서도 더 나은 접착 강도와 뛰어난 내구성을 제공할 수 있는 제품을 개발하는 데 자원을 쏟아붓고 있다. 고성능 접착제시장은 의료 및 항공우주 분야의 수요 증가와 함께 전자장치의 자동화 및 소형화 혁신으로 인해 성장 중이다.
Precedence Research에 의하면 전 세계 고성능 접착제시장의 가치는 2022년 338억 6천만 달러였으며, 2023~2032년에는 연평균복합성장률(CAGR) 약 4.9%로 2032년까지 543억 8천만 달러 이상에 이를 것으로 전망된다.

그림 2. 2022~2032년 고성능 접착제시장의 규모(단위: USD Billion)

고온 접착제

고온 접착제는 자동차, 항공우주, 전자, 산업 제조 등 산업 전반에 걸쳐 광범위하게 응용되며, 작동이나 가공 중에 강한 열에 노출되는 부품을 조립하는 데 있어 매우 중요하다. 극심한 열응력 조건에서 구조적 접착을 유지하는 능력은 금속, 세라믹 및 특정 플라스틱과 같은 열에 민감한 재료를 접착하는 데 없어서는 안 될 요소이며, 고온 환경에서 조립된 부품과 구조물의 수명과 신뢰성을 보장한다.
고온 접착제는 산소, 열, 물, 부식성 화학물질이나 공기 중 습기와 같은 환경 요소에 장기간 노출되어 화학적 분해를 견딜 수 있으며, 가혹한 사용온도에서도 강도를 유지할 수 있다. 따라서 반도체, 센서, 회로기판부터 유리 디스플레이 패널에 이르기까지 시계, 스마트폰, TV, 컴퓨터 등 광범위한 전자 제품에 사용된다. 또 자동차, 보트, 오토바이, 트럭 그리고 최근에는 e-모빌리티까지 모두 고온 접착제가 사용된다. 고온 접착제는 로켓, 미사일, 위성, 비행기 및 드론에 사용되는 항공우주산업에서도 널리 각광받고 있다. 에너지 부문에서도 고온 접착제는 일반적으로 태양광 패널의 핵심 부품인 광전지 구성 요소를 접착하는 데 사용된다.

전 세계 고온 접착제시장은 2023년에 40억 달러였으며, 2024~2030년 동안 연평균성장률(CAGR) 3.3%로 2030년에는 50억 달러에 도달할 것으로 예상된다.* 주요 글로벌 고온 접착제 제조사로는 3M, Dow, Henkel 등이 있으며, 상위 3개사가 약 30%의 점유율을 차지하고 있다. 북미는 약 29%의 점유율로 가장 큰 시장이며, 유럽과 아태 지역이 각각 약 28%, 27%의 점유율을 차지한다. 그림 4. 극저온 접착제의 사용 예시 * “Global High Temperature Adhesives Market Research Report 2024”, QYResearch, 2024. 01.

극저온 접착제

항공우주 및 국방, 초전도자석, 의료 및 건강 관리, 극저온 저장 및 운송, 기타 응용 분야에서 극저온 기술의 발전에 따라 향후 극저온 접착제에 대한 수요 증가가 촉진될 것으로 예상된다. 자기공명영상(MRI)과 같은 초전도자석 의료기기는 의사/의료 전문가가 다양한 질병을 스캔하는 데 사용되며, 약 0℃에 있어야 하는 기계 내부의 와이어에 액체 헬륨이 지속적으로 사용된다. 또 생물학적 마이크로톰은 조직의 균일한 부분을 현미경으로 검사하는 데 저온 유지 장치가 필요하다.

전 세계 극저온 접착제시장의 규모는 2023년 26억 8600만 달러였으며, 2029년까지 연평균성장률 (CAGR) 5.8%로 성장하여 2029년 37억 6,720만 달러에 이를 것으로 전망된다. 항공우주 및 국방, 초전도자석, 의료 및 건강, 극저온 저장 및 운송 분야의 수요 증가로 인해 극저온 접착제 시장이 성장 하고 있다.* 세계 주요 극저온 접착제 제조업체로는 CTD(Composite Technology Development), Master Bond, CMR-Direct, Kohesi Bond, VALPAC 및 GLT 등이 있다. * “Global Cryogenic Adhesive Market Research Report 2024”, QYResearch, 2024. 02.

수중 접착제

수중 접착제는 건설 시 접합부와 이음매에 물로 인한 손상을 방지하여 건물의 수명을 보장할 수 있으며, 마찬가지로 실외 설치나 해양 환경에서 물에 의한 부식에 보호막을 제공하기 때문에 노출된 구조물에 없어서는 안 될 요소이다. 수중에서 재료를 접합하는 제품은 해양 수리, 수영장 수리 및 보트 건조 등 재료가 마를 때까지 기다리거나, 물을 배수하거나, 제품을 물 밖으로 옮겨야 하는 번거로움을 해소할 수 있다.
수중 접착제는 수중 조건에서 물체를 접착하고 구조물을 수리하기 위해 특별히 사용되며, 건설, 해양, 석유 및 가스, 수리 및 유지 관리와 같은 다양한 분야에서 광범위하게 활용된다. 수중 접착제시장에서 주요 성장 분야 중 하나는 건설산업으로 인프라 개발에 대한 투자가 증가함에 따라 수중 조건을 견딜 수 있는 접착제에 대한 필요성도 커지고 있다. 수중 접착제가 사용되는 또 다른 주요 분야는 해양산업으로, 해양 분야에 사용되는 접착제는 염분 부식 및 고압을 비롯한 해수의 가혹한 조건을 견딜 수 있어야 한다.

또한 석유 및 가스산업은 수중 접착제 및 접착제시장에 상당한 성장 기회를 제공하는데, 수중 접착제는 접착 결합과 함께 누출을 방지하기 위해 해양 시추 플랫폼이나 파이프라인 등 광범위하게 사용된다. 심해 지역 탐사나 생산 활동이 증가함에 따라 이 분야에 대한 수중 접착제의 수요가 증가할 가능성이 높다. 접착제는 수중 구조물의 누수 수리, 수중 케이블 수리, 수중 센서 부착 등 다양한 수중 수리에 사용된다.
수중 접착제의 또 다른 주요 응용 분야는 의료용이다. 많은 의료용 접착제 연구가 시도되었으나 수중환경 에서 접착력 저하, 접착제의 화학적 성질로 인한 염증반응 문제 등으로 인해 현재까지 수술용 실을 대체하지 못했다. 의료용 수술 접착제는 사용이 간편하기 때문에 수술 시간이 짧고 빠른 회복이 가능해 수술로 인한 환자의 불편을 줄일 수 있다. 또 시술자의 숙련도에 따른 차이를 줄여 일정한 결과를 얻을 수 있다는 장점도 있다. 의료용 생체접착제는 체내 수중환경에서 강력한 접착력을 유지하면서도 생분해 시간을 조절할 수 있어야 한다.
수중 접착제를 제조하는 주요 업체로는 Mussel Polymers, Underwater Magic, Hodgson Sealants, Profi-Glue, Aquasign, 3M, SYHKXS, Flex Seal, Adhesives Technology, Gorilla Glue, Better Boat, HUITIAN, COMENS MATERIAL, JINTAS 등이 있으며, 이들 회사는 수중 수리, 건설 및 유지 관리 요구 사항을 충족하는 다양한 접착 솔루션을 제공하고 있다.

항공우주용 접착제

항공우주 접착제는 높은 결합 강도, 뛰어난 압축 강도, 뛰어난 내구성, 내부식성, 공기역학 향상 등 일련의 이점을 제공함으로써 항공우주산업에 없어서는 안 될 부품이 되었다. 목재, 알루미늄, 티타늄, 스테인리스 스틸 및 다양한 복합재료를 포함한 광범위한 피착재의 접착에 사용된다.

점착테이프도 우주항공 분야에 주요하게 사용되고 있다. 3M™의 폴리우레탄 보호 점착테이프는 비와 모래로부터 수직 안정판과 같은 앞쪽 가장자리를 보호하도록 설계된 투명한 18mil의 폴리우레탄 탄성 중합체 테이프로, 긁힘, 찢어짐, 침식, 펑크 및 충격에 강하다. 이 테이프는 환경저항성이 뛰어나 환경 손상 및 침식 요소로부터 기판을 격리하고 보호하는 역할을 하며, 모래와 빗물 침식, 낙뢰 등으로부터 항공기를 보호하기 위해 사용된다.

전 세계적으로 항공 승객수가 급증하고 항공기의 구조 성능 및 안전 측면을 개선하는 데 대한 관심이 높아지면서 항공우주 접착제에 대한 수요도 증가하고 있다. 상업용 항공기는 향후 20년 동안 두 배로 늘어날 것으로 예상되며, 노후 항공기를 교체하고 승객 수송량 증가에 대비하려면 48,000대 이상의 새로운 항공기가 필요할 것으로 전망된다. 이러한 추세에 맞춰 접착제기업에서는 충격 및 미세 균열 저항성, 내화학성, 유연성 및 강도, 극한의 작동 조건에서의 지속가능성을 특징으로 하는 혁신적인 등급의 항공우주 접착제를 출시하고 있다.
우주항공 분야에서의 접착제 사용 증가는 탄소복합소재의 사용 증가와 관련이 있다. 우주항공 분야에서는 공기역학적 이유와 연료 효율성을 위해 탄소복합소재처럼 가볍고 내구성이 뛰어나면서 강한 소재의 사용이 증가하고 있다. 현재 B787, A350 등 여객기에서의 복합소재 비중은 50%를 상회하고 있으며, 2030년에는 60% 이상이 될 것으로 예측되고 있다.

위성의 경우 전통적인 GEO(정지궤도) 대형위성 모델(>500kg)에서 LEO(저지구궤도) 소형위성 모델(<500kg)로 이동하고 있으며, 2020년에는 역대 최고인 1,163개의 소형위성이 궤도에 성공적으로 안착했다. GEO 궤도로 발사된 전통적인 대형위성은 최고 품질 표준에 따라 제조되어 약 30년 동안 계속 작동하는 반면, 소형위성은 LEO 하부 궤도로 발사되어 약 3~4년 동안 기능을 유지할 것으로 예상된다. 소형위성 분야의 접착제는 궤도에 발사되어 궤도에 머무르는 인공물에 필요한 가스 방출, 열 순환 등 엄격하고 까다로운 표준을 충족해야 하며, 우주 잔해로 인한 문제와 위험을 가중시키지 않아야 한다.
소규모 위성시장은 위성통신 네트워크에 대한 수요에 힘입어 기하급수적으로 성장하고 있다. 저궤도 소형위성시장이 성장함에 따라 LEO에 페이로드를 전달하는 데 드는 킬로그램당 비용이 2,000달러 미만으로 떨어지면서 소형위성 분야의 전체 밸류체인이 변화되었으며, 비용효율과 신속한 출시가 관련 시장의 주요 목표가 되었다. 공간에 대한 접근이 그 어느 때보다 저렴해졌으며, 접착제기업은 높은 구조적 완전성, 뛰어난 열 및 전기적 성능, 높은 신뢰성을 갖춘 혁신적인 제품을 제공하여 이러한 시장의 변화를 따라잡아야 한다.

세계 항공우주 접착제시장의 규모는 2022년에 미화 12.2억 달러였으며, 2023~2032년 동안 연평균 성장률(CAGR) 6.2%를 기록하여 2032년에는 미화 22.2억 달러에 이를 것으로 전망된다. 글로벌 제조기업으로는 Solvay, Henkel, Hexcel, L&L Products, H.B. Fuller, AVIC 등이 있다.* * “Global High Temperature Adhesives Market Research Report 2024”, QYResearch, 2024. 01.

4. 극한성능 접착제의 기술 동향

고온 접착제의 기술 동향

고온 접착제는 극한 온도를 견딜 수 있도록 설계된 특수 접착제로, 일반적으로 150°C 이상의 고온에 노출될 때 재료를 서로 접착할 수 있다. 고분자 기반의 구조용 접착제는 고온을 견딜 수 있는 능력이 상대적으로 낮기 때문에 이는 상당히 어려운 과제였다. 그러나 최근 접착화학과 결합 설계기술의 발전으로 인해 극한 온도에 최적화된 접착 시스템이 개발되었고, 다양한 접착제가 시판되고 있다. 고온 응용을 위한 접착제용 고분자는 표 7에 나타낸 바와 같이 5가지 온도 범위로 나눌 수 있다.

고온 접착제의 개발은 1950년대 후반부터 연구가 시작되었는데, 그 당시에는 에폭시 및 페놀류 접착제가 고온용으로 개발되었고 대부분 범위 IV~V에 속하는 것들이었다. 1960년대 우주 개발 계획이 활발해지면서 미국 정부의 지원 아래 고온용 접착제의 본격적인 개발이 진행되었으며, 미국항공우주국(NASA)의 선도로 1980년대에 들어서면서 분자 사슬에 방향족 및 헤테로 방향족 고리가 치환된 고분자 재료들이 개발되어 현 수준까지 이르게 되었다.

1) 범위 I, II 접착제

538~760°C의 온도 범위에서 작동하는 접착제는 미사일과 첨단무기 시스템용으로 사용되며, 400℃까지 온도가 상승하는 마이크로 전자부품의 생산 공정에 사용되는 전자기판 및 각종 재료의 접착제도 범위 I, II로 분류된다. 여기에는 두 가지 헤테로사이클릭 폴리머 계열인 폴리벤즈이미다졸(PBI)과 폴리퀴녹살린(PQ)이 개발되어 PBI가 ‘Imidite 850’이라는 상품명으로 미국 Whittaker社에서 생산되었다. PBI는 상용 고분자 중 유리전이온도가 가장 높은 425℃이고, 분해온도는 500∼600℃로 내산화성이 높고 초저온에서도 우수한 강도를 유지한다.

그림 10. Polybenzimidazole(PBI)과 Polyquinoxaline(PQ)의 분자구조

2) 범위 III 접착제

첨단항공기 및 우주선의 구조적 용도에는 288~371°C 온도 범위에서 성능을 발휘하는 접착제가 필요하다. PQ, PBI, 폴리이미드(PI) 및 폴리페닐퀴녹살린(PPQ)는 범위 III의 용도로 평가되었고, PQ는 371°C에서 50시간 동안, PPQ는 316°C에서 500시간 동안 우수한 접착력을 나타냈다. 폴리이미드에 관한 대부분 연구는 NASA 연구진에 의해 LARC 유형의 고성능 폴리이미드에 초점을 맞춰 수행되었으며, 이러한 필름형 폴리이미드는 티타늄, 알루미늄, 구리, 황동, 스테인리스강과 같은 금속을 접착할 수 있다. 폴리이미드의 경화 공정은 복잡하고 완전 경화를 위해 350℃ 근처의 온도가 필요하다. 폴리이미드계의 최초 접착제는 Dupont社에서 개발한 ‘PI-3301’과 ‘PI-1101’로 상온에서 20MPa, 300℃에서 100시간 노화 후 13MPa, 1,000시간 노화 후 약 9.5MPa의 접착 강도를 보여주었다. PI는 필름 형태 등 다양한 제품이 개발되어 고온 접착제시장에서 선두를 차지하고 있다.

그림 11. Polyimide(PI)와 Polyphenylquinoxaline(PPQ)의 분자구조

PI는 고온, 고압의 접착 공정 중에 다량의 휘발성 물질을 발생시키는 문제가 있으며, 이런 문제를 해결하기 위해 부가반응으로 가교 시 부산물이 생성되지 않는 고온용 접착제가 개발되었다. Hughes社에서 ‘HR602’라는 제품명으로 시판된 acetylene terminated polyimide(ATI)는 상온에서 22MPa, 232℃ 1,000시간 노화 후 13MPa, 260℃ 1,000시간 노화 후 8MPa의 접착 강도를 나타냈다.

3) 범위 IV 접착제

121~232°C 범위에서 작동하는 접착제는 군용 항공기, 고속 첨단 민간 항공기, 기존 민간 항공기(엔진 영역) 및 첨단헬리콥터의 구조적 용도로 개발되었다. 항공기산업에서 사용되는 페놀이나 에폭시 수지 기반의 열경화형 접착제가 범위 IV 접착제에 해당된다. 초기 항공기의 동체, 날개, 꼬리 부분에서 금속/금속 접착이나 금속/허니콤 접착용으로 에폭시계인 Cytec社의 ‘FM 73’, 3M社의 ‘AF 163-2’, Hexel社의 Redux ‘308A /NA’ 등과 페놀계 접착제로 Hexel社의 ‘Redux 775’ 등이 사용되었다.

에폭시 접착제는 강도, 강성, 인성 및 상대적으로 높은 온도 성능으로 인해 현재까지 가장 많이 사용되고 있는데, 접합 공정과 접합부 성능 요구사양에 부합하도록 경화제 및 첨가제를 조절하는 포뮬레이션 설계가 용이한 장점이 있다. 에폭시 접착제의 사용 가능한 최고 온도는 150~170℃ 정도였으나 최근 에폭시 접착제의 고온 배합이 가능해짐으로써 지지체 없이도 최대 200℃ 온도에서 효과적인 강도와 연성을 제공할 수 있다.
페놀 포름알데히드 수지로 구성된 페놀계 접착제는 극성 기판에 대한 접착력이 좋고 기계적 강도와 연소 저항성 및 고온 특성이 우수하다. 페놀계 접착제는 일반적으로 필름 형태로 공급되며, 55~260°C 범위 온도에서 금속 부품을 접착할 수 있다. 항공기산업에서 사용되는 열경화형 접착제는 주로 페놀이나 에폭시 수지 시스템을 기반으로 하고 있으며, 금속/금속 접착이나 금속/허니콤 접착용으로 사용되고 있다.
비스말레이미드(BMI) 기반 수지는 우수한 유전 특성과 기계적 강도뿐만 아니라 열과 습기에 대한 저항성이 우수하지만, 높은 경화 온도와 취성이 단점으로 알려져 있다. 높은 취성은 구조용 접착 필름에 치명적이기 때문에 인성을 높이기 위해 열가소성 수지, 하이퍼브랜치 폴리머, 열경화성 수지 및 나노 구조 재료를 강화제로 사용하는 연구가 진행되었다. 고체 열가소성 수지와 액체 반응성 고무 조합으로 강화 메커니즘을 채택한 연구에서 BMI 필름 접착제는 272°C의 높은 유리전이온도(Tg)와 316°C에서 10MPa 이상의 우수한 전단 강도를 나타냈으며, 강화 효과로 높은 박리 강도가 획득되기도 했다. 이 BMI 필름은 232°C, 500시간 후에도 전단 강도의 90%가 유지되는 열 안정성을 보여주었다.
이 외에 열경화성 접착제의 공정상 문제를 해소하기 위한 열가소성 접착제 ‘LARC-TPI’, 독성이나 용제의 사용량을 줄인 친환경 핫멜트 접착제인 ‘방향족 폴리페닐렌 에테르설파이드이미드(aromatic polyphenylene ether sulphide imide, BDSDA/APB)’와 수성 접착제 ‘Carboxylate of LARC-TPI’가 개발되었으며, 지속가능한 고온 접착제 개발이 계속되고 있다.

그림 13. Polyimide계 열가소성 접착제 ‘LARC-TPI’의 분자구조

극저온 접착제의 기술 동향

극저온용 접착제는 4~103K의 온도 범위에서 장기 사용이 가능하며, 기계적 강도와 내구성이 우수한 접착제를 의미한다. 분해 온도(Td)와 유리전이온도(Tg)로 설명되는 폴리머 구조의 높은 열 안정성과 달리, 극저온에 대한 내구성은 인성과 밀접한 관련이 있는데, 이는 저온에서의 구조적 유연성에 의해 결정된다.
Douglas社의 달 탐사용 로켓 ‘Saturn S-IVB’는 액체수소와 액체산소를 연료로 사용한 로켓으로 반구형 돔으로 닫힌 알루미늄 실린더 구조의 연료 탱크를 탑재했으며, 여기에 구조용 접착제가 사용되었다. 이 실린더는 2개 요소로 구성된 공통 격벽(Common bulkhead)에 의해 두 개 볼륨의 탱크로 나뉘어 있다.

탱크 위쪽 볼륨에는 액체수소가 채워지고 아래쪽 볼륨에는 액체산소가 채워진다. 격벽은 유리섬유 허니콤 코어로 분리된 전후방 알루미늄 돔으로 구성된다. 격벽의 스킨과 코어는 접착제로 결합되었으며, 유리섬유 지지체로 강화된 에폭시-페놀 구조용 접착제가 선택되었는데, 접착 실패가 발생하지 않았다. 에폭시 기반 접착제는 확실히 실리콘이나 우레탄만큼 유연하지 않으나 고온과 저온 모두에 강한 경향이 있다. 접착력이나 강도가 많이 저하되지 않으면서도 훨씬 낮은 온도를 관리할 수 있는 접착제가 개발되어 -150~-273°C 사이의 극저온에서도 우수한 결과를 나타냈다.
극저온용 구조 접착제로는 실온 경화(RTV) 실리콘과 폴리우레탄 및 에폭시 접착제가 널리 사용되고 있다. 표준 실리콘 등급은 약 -60°C까지 유연성을 유지할 수 있으며, 일부 특수 실리콘은 -100~-120°C까지 성능을 유지할 수 있다. 폴리우레탄 기반 극저온 접착제는 극저온 특성이 가장 우수한 것으로 알려져 있으며, 상온과 -253℃에서 25MPa 이상의 높은 전단 접착 강도를 보여준다. LNG 선박의 맴브레인 화물창에 사용되고 있으며, 액화수소 저장 탱크용으로도 개발이 활발하다.

그림 17. LNG 선박의 멤브레인 화물창에 사용되는 극저온용 구조 접착제

수중 접착제의 기술 동향

수중 환경에서의 접착은 높은 수화, 염도, pH 및 난류, 해수와 같은 가혹한 환경으로 인해 심각하게 제한된다. 물은 기재 표면 그룹과 경쟁하여 접착제 작용기와 상호작용함으로써 접착제와 피착재 사이의 직접적인 접촉을 방해하기 때문에 수중 결합을 구현하기 어렵다. 특히 하중 지지 구조물의 경우 완벽한 수중 결합을 달성하기 위해 접착제/피착재의 계면 상호작용을 개선하는 것이 매우 중요하다.
일반적으로 접착제의 수분 민감성 문제를 해결하는 방법은 소수성이 더 높거나 표면 에너지가 더 낮도록 구조를 설계하는 것이며, 불소화 에폭시 수지의 경우 수분 흡수를 낮추는 것으로 나타났다. 내습성을 높이는 또 다른 접근법은 중합체 사슬에 실록산 결합을 도입하는 것으로, 폴리이미드의 경우 실록산을 함유한 공중합체 또는 실록산을 함유한 주성분의 세그먼트가 내수성을 향상시키는 역할을 한다.
최근 유기체의 접착 성능에서 영감을 받아 접착 성분 및 접착 표면과 관련하여 습식/수중 접착제에 관한 광범위한 연구가 진행되고 있다. 따개비, 굴, 홍합과 같은 많은 고착성 해양 유기체는 단백질 기반 접착제를 분비하여 수중 환경에 적응했으며, 이러한 접착 방법에서 영감을 받아 습식/수중 환경을 위한 인공 접착제가 광범위하게 연구되고 있다.

그림 18. 홍합에서 영감을 받은 습식/수중 접착에서의 카테콜 화학 구조: (A) 접착력, (B) 코아세르베이션, (C) 습식/수중 접착 응집력

이러한 생체모방 접착제는 건조하거나 습한 조건 모두에서 유망한 접착 재료로서 수많은 연구가 진행되고 있지만, 훨씬 더 높은 접착 성능(≥5MPa)과 대규모 생산이 시급히 요구되는 수중 건축용 접착제로 적용하는 데 적합한 재료는 아직 전무한 상황이다.
이와 관련해 최근 수중에서의 접착력이 5MPa 이상인 연구 결과들이 보고되고 있다. 스티렌 단량체 단위에 4~5개의 수산기를 갖는 페놀 중합체는 10초 만에 1.4MPa의 접착 강도에 도달했고, 수중에서 10MPa을 넘는 스틸 접착 강도를 보여주었다. 또 다른 연구 그룹에서는 생체모방형 카테콜 기반의 만니히 베이스 에폭시 경화제를 제조하여 속경화형 2액형 에폭시 접착제를 개발했다. 이 접착제는 알루미늄 접착에서 20.4MPa, 4℃ 수중환경에서 9.0MPa의 접착 강도를 달성하여 수중 구조용 접착제 응용을 위한 대량 생산의 가능성을 보여주었다.
수중 접착은 물/소금층 사이 표면을 통한 접착 파괴, 오염물의 응집, 순간 접착, 수중 경화 등 많은 요소를 고려해야 하기 때문에 수중/습식 기판에 성공적으로 접착할 수 있는 접착제를 설계하는 것은 여전히 어려운 일이다. 하지만 수많은 연구를 통해 상처 드레싱 및 뼈 접착과 같은 생물의학 분야, 해양 환경용 수중 접착, 웨어러블 장치 등 특정 응용 분야에서 적용이 시도되고 있다.

기타 극한환경용 접착제

도마뱀붙이에서 영감을 얻은 접착제가 극한환경에서 유용하게 활용될 수 있다는 사실이 NASA의 연구진에 의해 증명되고 있다. 도마뱀붙이의 발은 반데르발스 결합에 의한 접착 능력뿐만 아니라 부착과 분리에 필요한 에너지가 거의 필요치 않다. 또한 진공 상태에서 작동할 수 있고 극한의 온도와 방사선을 견딜 수 있으며, 로봇이 궤도에 있는 물체에 부드러운 힘을 가할 수 있기 때문에 평평하고 부드럽게 구부러진 표면처럼 잡기 어려운 곳에서의 작업이 가능하다. 이러한 특성으로 인해 우주 쓰레기를 파악하고 회수하기 위한 솔루션으로 제안되었다.

그림 20. 미세중력 환경에서 도마뱀붙이의 발을 갖춘 ‘Lemur 3’ 등반 로봇

도마뱀붙이는 주로 반데르발스 힘을 사용하여 접착을 달성하는데, 도마뱀붙이 접착의 중요한 특징은 방향성이 있어 제어가 가능하다는 것이다. 도마뱀붙이에서 영감을 받은 접착제를 활용한 그리퍼는 NASA의 자유비행 로봇 ‘Astrobee’에 장착되었고, 2019년 7월 27일 국제우주정거장(International Space Station, ISS)으로 발사되었다.

그림 21. (a) 도마뱀붙이의 발가락과 주걱 끝이 있는 각진 강모 줄기의 확대 사진(폭 <1μm). (b) 실리콘 고무 합성 접착제의 현미경 사진. 접선 하중을 가할 때 접촉 면적이 증가하여 웨지가 편향되고 접착된다. (c) 실제 제작된 테스트 그리퍼의 모습

사용된 Gecko(도마뱀붙이) 접착제는 로켓 발사 중 하중과 응력 및 진동, 열 발생 및 소실, 전자기 간섭 등의 영향을 견디는지 테스트되었다. 접착 재료는 가스 방출과 가연성이 낮아야 하며, 날카로운 잔해를 생성할 수 있는 취성 균열이 발생하지 않아야 하기 때문에 Polyimide계의 난연성 고내열 열가소성 수지인 ‘ULTEMTM 9085’를 사용했으며, 3D 프린팅으로 제작되었다. 2021년 3월 ISS에서의 실험 두 번째 세션에서 무중력 환경에서 ‘Astrobee’의 접착제 기능이 실험되었으며, 3.15N의 지상 실험 결과와 일치하는 접착 강도가 측정되었다. 이 작업을 통해 우주 배치를 위한 도마뱀붙이 접착제의 기술 준비 수준(TRL)이 TRL-3(지상 기반 벤치마크 실험)에서 TRL-5(관련 환경에서의 테스트)로 발전되었다.

글로벌 접착제기업의 극한성능 접착제 개발 동향

Cytec Solvay Group(미국 뉴저지주 우드랜드 파크

30년 이상 접착제를 공급해 온 기업으로 에폭시, 페놀릭, BMI 및 폴리이미드 수지계 화학물질을 기반으로 한 필름 및 페이스트 접착제를 공급하고 있다. 접착 복합 구조의 신뢰성을 향상시키기 위해 R&D 시간과 자금을 투자하고 새로운 다기능 표면 처리 및 낙뢰 보호 기술은 물론, 새로운 접착 형태 및 응용 기술(자동화 포함)을 개발하여 전체 부품 비용을 절감하고 있다. 또한 오토클레이브 접착과 오토클레이브 외부 접착 모두를 위해 설계된 ‘FM 209-1’을 포함한 새로운 접착제를 보유하고 있다. 궁극적인 목표는 패스너를 본딩으로 교체하거나 줄여 무게와 비용을 절감하고 구멍 뚫는 작업을 제외하여 복합 구조의 성능을 향상시키는 것이다. Solvay는 항공우주 분야 기업인 Avio SpA(이탈리아 로마)와 Vega 우주 프로그램을 포함한 다양한 프로그램에 사용되는 복합·접착 재료 공급에 대한 장기 계약을 체결하기도 했다. 유럽우주국(ESA)의 위성 발사체는 페이로드를 저궤도(LEO)로 보내도록 설계되었으며, Solvay는 Avio에 융제 재료, RTM(Resin Transfer Molding) 수지 및 접착제 등을 공급할 예정이다.

Evonik Hanse(독일 게스트하흐트)

광범위한 제품 포트폴리오를 통해 궁극적으로 구조용 접착제에 사용되는 수지 및 접착 매트릭스용 첨가제, 화학 빌딩 블록 등을 포함한 많은 항공우주 제품을 공급하고 있다.

Henkel(독일 뒤셀도르프)

‘Loctite’라는 브랜드 이름으로 광범위한 접착제를 생산하고 있으며, 전 세계적으로 자동차, 전자, 항공우주 등 다양한 산업 분야에서 고성능 접착 솔루션을 제공하고 있다. 60일의 지속 시간을 제공하면서도 경화되는 복합재, 허니컴 코어와 face skin, 금속 접착용 강화필름 접착제인 ‘LOCTITE EA 9696 AERO’ 제품이 있다. 헨켈 필름은 항공우주 프리프레그와의 화학적 호환성을 위해 제조되었으며, 우수한 기계적 성능을 제공한다. 상업용 항공기 제작 속도가 빨라짐에 따라 접착제 결합을 더 빠르고 효율적으로 만드는 혁신에 중점을 두고 혼합 안정성을 향상하고 생산 조립 속도를 높이기 위해 페이스트 접착제와 함께 LOCTITE 자동 계량/혼합 및 디스펜싱 장비를 제공한다. 헨켈은 또한 스페인 몬토르네스에 새로운 항공우주 접착제 제조 시설을 열었다. 이 전용 최첨단 생산 현장은 항공기와 엔진 및 부품에 대한 글로벌 수요를 충족시키기 위한 생산 능력을 갖추고 있다. 항공우주 등급 접착제, 실런트, 에폭시부터 코팅 및 조립 필름에 이르기까지 헨켈은 안정적이고 효과적인 솔루션을 제공하는 항공기 제작용품 포트폴리오를 보유하고 있으며, 레이더, 유도 시스템, 위성 및 항공기용 회로 및 항공우주 PCB 조립을 위한 고신뢰성 페이스트 및 필름 솔루션의 광범위한 포트폴리오를 제공하고 있다.

Hexcel(미국 코네티컷주 스탬퍼드)

항공우주 구조 응용 분야에 사용되는 샌드위치 패널을 접착하는 ‘Redux’ 에폭시 필름 접착제를 공급한다. 박리 강도가 매우 높은 ‘Redux 319’는 비행기의 날개 구조 및 비행 제어 패널에 널리 사용되고 있다. Hexcel의 필름 접착제 포트폴리오에는 무게 절감이 반드시 필요한 우주 위성 프로그램에 사용될 수 있는 50g/㎡ 정도의 가벼운 제품이 포함되어 있다.

3M(미국 미네소타주 세인트폴)

3M은 60년 이상 항공우주와 자동차를 비롯한 수많은 산업을 위한 획기적인 구조용 접착제를 개발해 온 실적이 있으며, 신뢰성이 높은 솔루션을 제공하고 있다. 고도의 배합에 의해 난접착성 재료나 극단적인 조건에서도 내구성이 높은 접착을 실현한다. ‘3M 2216 B/A’는 극저온 환경 및 극한의 온도(최대 252℃)에 노출되는 기판 접착에 적합한 제품이다. 태양전지판, 전자기기, 건설 응용 분야 등 팽창 및 열 변화가 발생할 수 있는 포팅, 군사 장비 접착, 이동 가능한 운송 수단의 부품 접착, 진동과 움직임이 일반적으로 발생하는 일반 항공우주 및 운송 분야 접착, 세라믹, 대부분의 플라스틱과 유리와 금속 간 접착, 벽돌과 석재에 다양한 기판 접착 등의 분야에서 사용된다.

Magnolia Advanced Materials Inc.(미국 조지아주 애틀랜타)

항공우주 구조 조립용 고성능 에폭시 접착제(주로 페이스트 및 액체 심)를 장기 공급하는 또 다른 업체로 1957년부터 사업을 시작했다. 복합재, 금속, 이종 기판의 접착에 탁월하다. 잘 알려진 ‘Magnolia’ 제품은 6398 에폭시 페이스트 제품군으로, 날개 상자 또는 대형 날개 구조를 포함한 대형 부품 조립을 위한 실온 경화용으로 설계되었다.

Permabond Engineering Weldings Ltd.(영국 햄프셔주 콜든 및 미국 펜실베이니아주 포츠타운)

항공우주를 포함한 거의 모든 시장에 액체 및 페이스트 형태의 광범위한 접착제를 제공한다. 2액형의 구조용 에폭시 ‘ET5428’ 및 ‘ET5429’는 탄소 섬유 복합재와 금속을 포함한 기타 다양한 기질을 접착하도록 설계되었으며, 항공기 부품을 최대한 가볍게 유지하는 데 도움이 되는 매우 낮은 밀도의 경량 에폭시 기반 벌집형 코어 엣지 필러 라인을 제공한다. Permabond ‘ET5401’은 강화된 제품으로 차등적인 열팽창 및 수축이 발생할 수 있는 금속과 복합재 등 이종 재료를 접착하는 데 이상적이며, 성능 특성을 유지하면서 140℃에서도 지속적으로 견딜 수 있는 에폭시 접착제로 내충격과 진동 저항성이 우수하다.

Renegade Materials Corp.(미국 오하이오주 마이애미)

고온의 폴리이미드 및 비스말레이미드(BMI) 프리프레그와 함께 사용하는 구조용 접착제를 제조하는 기업이다. 초고강도에 중점을 두는 것이 아니라 높은 사용 온도에서 작업을 수행할 수 있을 만큼 충분한 강도를 갖는 접착제에 중점을 두고 있으며, 실온에서 14~21MPa 사이의 랩 전단 강도를 나타내는 제품은 고온에서도 거의 강도가 저하되지 않는다. 폴리이미드 접착제의 사용 온도는 340°C이고 BMI의 경우 232°C에 이르며, 필름 및 페이스트 형태로 제공된다.

Park Aerospace Corp.(미국 캔자스주 뉴턴)

새로운 항공우주 등급 필름 접착 소재인 ‘Aeroadhere FAE-350-1’과 항공우주, 국방, 우주선용 기타 제품들을 선보였다. ‘Aeroadhere FAE-350-1’ 필름 접착제는 복합재-복합재, 복합재-허니컴, 복합재 -금속, 금속-금속 및 금속-허니콤 결합용으로 설계된 177°C 경화 에폭시 제형 필름 접착제로 강력한 인성과 고온 성능을 입증했다.

Master Bond(미국 뉴저지주 해컨색)

이 회사는 항공우주, 자동차, 전자, 의료 등 다양한 산업에 적합한 다양한 고성능 접착제 및 실런트 포트 폴리오를 보유하고 있다. 극저온 4K에서 200°C까지 사용할 수 있는 1액형 및 2액형 에폭시 접착제 제품이 있으며, 극한 환경과 열순환 응력을 견디는 데 필요한 인성을 유지하면서 높은 Tg를 제공하는 새로운 에폭시 접착제를 개발했다. 항공우주, 자동차, 전자, 의료 등 다양한 산업에 적합한 고성능 접착제 및 실런트 제품이 있으며, 혁신에 중점을 두고 고급 접착 솔루션을 개발하기 위해 연구개발에 상당한 투자를 하고 있다. 이 기업의 고온 접착제는 뛰어난 열 안정성과 화학물질에 대한 저항성을 제공하므로 극한 환경에서 사용하기에 적합하다.

5. 결론

극한 조건에서 초강력 접착 성능과 환경 내성을 갖춘 접착제는 항공우주, 전자, 에너지, 화학산업에서 매우 필요하지만, 오랜 기간 글로벌 선도 기업들이 독과점하고 있어서 후발 기업이 추가 진입하기 어려운 시장이다. 특히 기술의 난이도와 평가의 어려움, 초기 투자 비용, 트랙레코드와 인증 확보 등 높은 수준의 진입 장벽으로 인해 국내 접착제기업이 쉽게 접근하기 어려운 분야이기도 하다. 그러나 극한성능 접착제가 반도체, 전자, 건설, 의료, 항공우주, 자동차, 에너지 등 전 분야에 광범위하게 적용되고 있고 수요산업에서 국내 기업의 활약과 시장 확대 가능성을 볼 때 수입 접착제에 의존하는 상황에서 벗어나 국내 기술을 기반으로 하는 소재-부품 공급망을 구축하는 것이 매우 시급하다.
국내에서도 유니테크와 같은 일부 기업은 자체 기술력을 통해 극저온 접착제 분야에서 높은 시장 점유율을 차지하고 로켓 분야로 영역을 확대하는 성과를 보이고 있다. 즉 극한성능 접착제에 대한 관심과 지원이 이루어진다면 많은 난관이 있겠지만 글로벌 공급망에 진입하는 것이 충분히 가능하다고 판단된다. 이와 관련하여 대한항공이나 KAI 등이 접착제기업과 함께 기술개발과 인프라 확충에 참여하고자 하는 움직임을 보이는 것은 매우 고무적이라 할 수 있다.
언급한 바와 같이 극한성능 접착제는 단순히 고성능 접착제 기술력만으로는 시장 진입이 쉽지 않다. 국내에는 극한성능을 평가할 수 있는 인프라가 드물고, 신뢰성을 보여줄 수 있는 트랙레코드의 확보가 어렵다. 또한 인증이 요구되는 적용 분야가 많고 무엇보다 특수 분야에서의 초기 시장이 작기 때문에 중소기업 위주의 국내 기업이 독자적으로 접근하기에는 많은 위험이 있다.
이에 정부 차원에서 적극적으로 기업을 유도할 필요가 있으며, 소재나 부품개발과 함께 인증과 적용을 포함한 중장기 대형통합형 사업 추진이 필요하다. 일본도 1990년대부터 국가적으로 우주 개발에 합류하면서 극한성능 접착제의 개발이 시작되었다. 향후 수소에너지, 원자력산업, 항공우주 등의 분야에서 초내열, 극저온 및 수중 접착 관련 접착제의 수요가 폭발적으로 증가할 것이 예상되므로 꾸준한 기술개발 투자를 통하여 원천기술 및 실용화기술의 개발에 매진해야 할 것이다.
극한 환경이나 이를 모사해서 테스트를 제공할 인프라의 부족도 중요한 문제다. 국내에서 극한성능 테스트를 제공할 수 있는 산업체나 국책연구기관의 협조가 반드시 필요하며, 극한 환경 접착제의 시험 평가를 지원할 시험 평가기관의 지정도 필요하다. 극한성능 접착제 기술의 확보와 글로벌 경쟁력은 새로운 소재 및 공정에 대한 기업과 정부, 연구기관, 대학 간의 지속적인 연구 협력을 통해 달성될 수 있으며, 극한 환경 산업 전반을 발전시키게 될 것이다.

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저자 : 한정우 화학공정 PD / KEIT 장광현 수석 / KEIT 김현승 책임 / KEIT 김구니 수석 / 한국소재융합연구원

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