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  • 기사등록 2022-12-30 10:21:22
  • 수정 2023-01-03 13:01:27
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“배터리 파우치 등 첨단 신산업 분자접합기술 개발 必”


반도체·디스플레이·우주항공·자동차 등 접착혁명 시대 기대

재료별 특성 고려 접착 접합기술 개발 및 실용화 수요 증대


▲ 포항공과대학교 조길원 교수

오늘날 고성능의 제품 개발을 위해 복합재료의 사용은 선택이 아닌 필수가 되었다. 다양한 재료를 하나로 결합할 수 있는 접착·접합 기술에 대한 중요성 또한 날로 커지고 있다.


이에 따라 접착·접합 기술은 반도체, 디스플레이, 배터리, 우주·항공, 자동차 및 선박 분야 등을 비롯한 다양한 산업분야에서 핵심적인 기술로 자리매김하고 있다.


또 개발되는 제품들이 점차 소형화, 경량화, 고성능화 되어감에 따라 지금까지 사용되지 않았던 새로운 접착·접합 기술이 도입되고 있다. 이와 동시에 새로운 재료가 개발됨에 따라 각 재료별 특성을 고려한 접착·접합 기술의 개발 및 실용화가 지속적으로 이루어지고 있다.


그중 접착제 없이도 금속과 고분자 수지 같은 이종간 접합 강도를 수백 배 높일 수 있는 분자접합기술이 이른바 ‘접착 혁명’으로 불리며, 5G·6G 안테나, 반도체, 배터리, 휴대전화 및 웨어러블 전자기기 등 고부가가치 新산업의 핵심기술로 큰 주목을 받고 있다.


분자접합기술이란 접착제를 이용하지 않고 나노 기술을 이용하여 금속과 고분자 수지 사이 계면을 물리·화학적으로 처리해, 금속과 고분자 수지 분자들을 이종 결합시켜 하나의 물질과 같이 연결시키는 기술이다.


따라서 금속과 수지 사이에 추가적인 접착층이 필요하지 않아 접착층의 존재 여부, 두께, 물성 등에 의한 부품의 성능 손실을 최소화할 수 있다. 또 기존의 접착과는 접착 매커니즘이 달라 접착제를 사용한 경우보다 수백배 높은 접착 강도를 갖는다.


기존 접착제는 분자간의 인력을 이용하여 두 물질이 간접적으로 결합된 방식이기 때문에 상대적으로 약한 결합력(1~40 kJ/mol)을 갖는다.


반면 분자접합 방식의 경우, 화학(공유)결합을 이용하여 서로 다른 분자를 하나의 분자로 변화시켜 연결하는 방식으로 상대적으로 매우 큰 결합력(200~800 kJ/mol)을 갖는다.


특히, 최근 첨단 기술을 필요로 하는 고부가가치 전자기기, 자동차, 이동통신, 우주항공 등의 분야에서 분자접합 기술 상용화를 위한 연구개발이 진행되고 있다.


대표적으로, 자동차 및 모빌리티 분야의 고강도 경량 하이브리드 부품, 전기 자동차용 배터리 패키징 및 방열시스템, 이동통신 분야에서는 5G·6G용 고주파 통신환경에서 전송 손실을 최소화할 수 있는 안테나 제작, 반도체 분야에서는 유연 기판의 전극 안정성 향상 및 접촉 저항 개선을 위한 연구 등이 수행되고 있다.


예를 들어 알루미늄 박막에 다층의 고분자 필름이 적층된 배터리 패키징용 파우치 필름 제조 및 이를 이용한 열전달 배터리 파우치 제작을 위해서는 접착제가 필수적이다.


이때, 배터리 충·방전 시 큰 온도 변화가 반복됨에 따른 접착제 열화로 접합부의 손상이 심할 경우 화재나 폭발이 일어날 수 있다는 문제가 있다.


이에 반해 분자접합기술을 이용한 접합 방식의 경우 높은 접착력과 반복되는 큰 온도변화에 의한 열화 상태에서도 안정적으로 접합 상태를 유지할 수 있으므로 열화 현상에 의한 접착력 손실을 근본적으로 방지하며 기밀성을 유지할 수 있다.


또 5G·6G 안테나의 경우, 현재 사용하는 주파수보다 훨씬 더 고주파수의 송수신이 필요하며 송수신 및 전송에 에너지 손실문제가 있어 이를 위해서는 고주파에서 발생하는 안테나의 전도성 손실 및 유전 손실을 줄여주어야 한다.


이에 분자접합기술을 이용할 경우 전극과 유전층 사이 계면의 거칠기를 낮춰 전도성 손실을 줄일 수 있으며 접착제를 사용하지 않으므로 접합제에 의한 유전 손실을 막을 수 있다.


이러한 특성에 더해, 분자접합기술을 이용할 경우 접착층이 차지하는 부피를 혁신적으로 줄일 수 있으므로 웨어러블 전자기기 등의 소형화 및 경량화에 적합한 장점이 있다.


뿐만 아니라, 분자접합기술을 수송기기용 경량 금속부품에 이용할 경우 무게를 줄이면서도 접합강도를 높일 수 있으므로 고경량·고내구성 드론 및 도심형 모빌리티 개발이 가능하다.


나아가 접착층 제조공정 비용을 줄일 수 있어 가격경쟁력 측면에서도 매우 뛰어난 장점을 보일 것으로 예상되고 있다. 이외에도 다양한 산업 분야에서 분자접합 기술의 필요성이 증대하고 있다.


그러나 분자접합 기술의 상용화를 위한 국내 연구개발은 아직까지 미흡한 상황이다. 반면 현재 이 분야 세계 최고 수준의 기술 보유국은 일본으로, 지난 20년간 기술개발을 통해 상용화 단계에 이르렀으며, 몇몇 선도 기업들의 경우 가시적인 성과를 내는 단계에 이르렀다.


또한 지난 2019년에 일본 경제통상산업성이 혁신적 경쟁력 강화 핵심기술로 분자접합기술을 선정하여 관련 분야 연구에 대한 투자가 지속적으로 이루어지고 있는 상황이다.


소재·부품 산업의 특성상, 대부분의 소재·부품은 협력업체에서 개발 및 생산되어, 최종적으로 모바일 과 가전 등의 전자기기, 자동차, 도심모빌리티, 배터리 등을 제조하는 대기업에서 사용된다. 그런데 대기업의 협력업체의 경우 분자접착 기술과 같이 장기적인 시각으로 투자하여 연구 개발을 수행하기에 어려움이 많다.


또한 아직도 필요한 소재나 부품은 외국 등 다른 곳에서 조달하면 된다는 생각이 우세하기에 제품과 직접 관련된 기술의 연구 및 개발에 비해 우선적으로 투자가 이루어지지 못한다는 한계가 있다.


국가 제조업의 경쟁력은 소재와 부품의 기술 차이에서부터 시작한다. 기술이 국가의 힘이 되는 기술패권 시대를 맞이하여, 분자접합 기술과 같이 미래 가치가 뛰어난 소재·부품 기술에 대한 보다 체계적인 투자 및 육성이 필요하다.


▲ 분자접합기술의 특성

▲ 분자접합기술의 대표적용 예 (열전달 배터리 파우치용 금속-수지 복합시트, 5G·6G 마이크로스트립 안테나)


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