접착제의 기본: 물리적 특성

접착제의 물리적 특성

아래는 Dexerials 웹사이트에 있는 UV 경화형 및 열경화형 접착제 제품 정보 예시입니다. 주요 특성은 용도에 따라 다르지만, 필요한 정보는 여기에 포함되어 있습니다.

다음 섹션에서는 아래 표를 살펴보고 상태 변화 순서에 따라 액체 및 경화된 재료의 특성을 간략하게 설명하겠습니다.

[액체 특성] 틱소트로피: 틱소트로피 유체로서의 접착제

액체의 물은 힘이 가해지면 변환자재로 그 모습을 바꿉니다. 컵에 넣은 물은 중력에 의해, 컵 내부의 형태에 틈없이 채워지는 것과 동시에, 상부는 수평의 형태가 됩니다. 이 물과 같은 "가해진 힘"과 "변형하는 양"이 비례 관계가 되는 액체를 뉴턴 액체라고 합니다.

한편, 마요네즈와 같은 액체는 물과 다른 성질을 가지고 있습니다. 튜브에 들어간 마요네즈를 접시를 향해 밀어 내면 입에서 푹 빠져 나옵니다. 그러나 접시 위의 마요네즈는 물처럼 수평으로 퍼지지 않고 활기차고 고조된 고체와 같은 형태를 취합니다. 이 마요네즈와 같이, 가해지는 힘에 의해 점도의 크기가 변화하는 성질을 가지고 있는 액체를 틱소성 액체라고 부릅니다.

틱소트로피성 유체는 접착 재료로 자주 사용됩니다. 틱소트로피성이 높은 유체는 작은 힘을 가하면 고체에 더 가깝게 작용하고, 강한 힘을 가하면 물과 같은 유체로 변합니다. 유체의 틱소트로피성이 높을수록 형상 유지력이 더 뛰어납니다.

[액상 특성] 점도 ~ 틱소성과 점도와 「사 뽑기」의 관계 ~

접착제 제조법을 설계할 때 발생하는 요변성과 관련된 한 가지 문제는 끈적끈적함입니다. 꿀과 같이 점성이 높은 액체를 숟가락으로 용기에서 떠내면 꿀이 늘어나는 끈처럼 늘어지는 현상이 발생합니다. 접착제를 설계할 때는 이러한 끈적끈적함을 최소화해야 합니다.

전제로 물과 같은 부드러운 액체는 실을 당기지 않습니다. 그리고 물과 같은 바삭바삭한 액체에 틱소성을 부여한 경우에도 실 끊김성이 좋아집니다. 한편, 같은 뉴턴 액체에서도 물 사탕처럼 점도가 높은 액체는 실을 당깁니다. 물 사탕과 같은 액체에 틱소성을 부여한 경우, 실을 당긴 상태로 형상 유지해 버리기 때문에, 마치 슬라임과 같이 모서리가 서 버립니다.

유체의 점도와 틱소트로피는 유체의 접착성에 영향을 미치는 중요한 요소이므로 접착제 설계 단계에서 이를 충분히 고려해야 합니다.

실제로 전자 부품 등을 장착할 때 접착제가 매우 작은 틈새로 흘러 들어가도록 저틱소트로피성 유체를 사용합니다. 반대로 접착제를 일정한 위치에 고정할 때는 고틱소트로피성 유체를 사용하는 것이 더 좋습니다. 접착제를 선택할 때는 고객과 상의하고 부품 구조와 작업성을 고려하여 최적의 접착제를 선택하는 것이 중요합니다.

[경화물 특성] 탄성률 ~ 탄성률과 선팽창 계수 ~

경화 후, 폴리머는 온도 변화에 따라 팽창 및 수축(변형)합니다. 탄성률은 재료가 이러한 변형력에 얼마나 저항할 수 있는지를 나타냅니다. 열팽창 계수는 온도 변화에 따라 폴리머의 크기가 얼마나 변하는지를 나타내는 비율이며, 선팽창 계수는 길이 변화에 초점을 맞춥니다. 전자 부품은 작동 중에는 온도가 높아지지만, 사용하지 않을 때는 주변 온도와 동일합니다. 이러한 용도에 적합한 접착제를 선택할 때는 경화된 재료의 탄성 계수와 선팽창 계수를 고려하여 사용 환경에 맞춰야 합니다.

다음 사진은 CMOS 이미지 센서를 기판에 실장하여 실시한 열충격(히트 쇼크) 시험 후의 X선 사진입니다.

센서 칩의 네 모서리 중 두 모서리에 접착제를 도포하여 얇은 본딩 와이어를 보호합니다. 왼쪽 사진은 선팽창 계수가 높은 접착제(열에 의한 높은 팽창/수축률)로 보호된 후 일부 와이어가 단선된 것을 보여줍니다. 이는 접착제의 선팽창 계수가 센서 칩과 부품을 구성하는 세라믹 기판의 계수와 크게 달랐기 때문일 가능성이 높습니다. 반대로, 선팽창 계수가 낮은 접착제로 보호된 영역에서는 치수 변화가 다른 부분과 유사했기 때문에 와이어가 단선되지 않았습니다.

이 실험은 원하는 결과(전선 보호)가 달성될 경우에만 물체에 접착하는 것이 충분함을 보여줍니다. 열팽창 계수가 다른 재료를 사용할 경우, 접착제를 선택할 때 탄성 계수와 선팽창 계수를 신중하게 고려해야 합니다.

블리드 현상(흐림) 제어

다음으로, 위의 특성 표에 포함되지 않았지만 접착제 설계 시 고려해야 할 측면의 예로 출혈에 대해 살펴보겠습니다.

블리딩(bleedability)은 액체가 흘러내리거나 스며드는 경향을 나타냅니다. 액상 접착제를 세라믹과 같은 재질의 다공성 피착재에 도포하면, 모세관 현상을 통해 액체가 피착재의 기공으로 스며들 수 있습니다. 이 경우, 필러와 고체 경화제가 피착재 표면에서 여과되어 액체와 분리됩니다. 결과적으로, 여과액으로 스며나오는 저분자량 성분의 액체는 점도가 낮아지고 블리딩 경향이 더욱 커집니다. 이러한 블리딩은 결함을 유발할 수 있으므로, 이를 제어하는 것이 필수적입니다.

번짐을 조절하려면 접착제의 번짐 정도를 조절해야 합니다. 이는 일반적으로 다음 여섯 가지 방법을 통해 이루어집니다.

1. 접착제의 주요 구성 요소의 점도를 높여 유체가 흐르기 어렵게 만듭니다.
2. 접착제의 주요 수지 성분인 오일 흡수율(흡착)을 높이기 위해 비표면적이 큰 고밀도 필러를 첨가합니다.
   ​
3. 촉매의 입경을 미세하게 하고, 액과의 분리를 적게 한다.
4. 소입경의 촉매를 채용하고, 경화시의 증점 스피드를 올려, 블리드를 억제한다.
5. 경화 후에 번짐의 원인이 되는 저분자 성분(가소제 등)을 사용하지 않는다.
6. 경화 후의 가교 구조로부터 저분자 성분이 나오지 않도록 수지를 설계한다.

아래 사진은 세라믹 기판에 접착 B(블리드 제어 대책 1 적용)를 도포한 결과를 보여줍니다. 위의 접착 A 사진과 비교했을 때, 블리드가 억제된 것을 확인할 수 있습니다.

하지만 도포 직후와 도포 16시간 후의 이미지를 비교하면 접착제가 젖어 있는 동안에도 번짐이 있었음을 알 수 있습니다. 정밀 접착이 중요한 경우에는 도포 후 경화 완료까지 시간이 최소로 걸리는 것이 좋으므로, 아래 사진은 대책 2를 적용한 접착 C를 보여줍니다. 도포 16시간 후 약간의 번짐이 있지만, 접착 B에 비해서는 충분히 억제된 것으로 보입니다.
접착제 B를 도포한 후 16시간이 지나도 약간의 젖음과 퍼짐 현상이 발생하였으나, 접착 B에 의해 충분히 억제되었다.

접착제의 몇 가지 특징을 간략하게 설명했지만, 고객 사용 사례에 따라 고려해야 할 다른 제약 사항도 있습니다. 접착제를 선택할 때는 재료, 공정, 장비 등 매우 다양한 요소를 고려해야 합니다. 덱세리얼스는 고객과 협력하여 이러한 문제들을 면밀히 검토하고, 고객의 요구와 목표에 부합하는 우수한 접착제를 선택하고 개발할 수 있도록 지원합니다.