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수지는 물처럼 흘러 들어가야 하고, 굳으면 금속처럼 움직여야 한다

서류상으로는, 전처리한 금속에 인서트 사출을 하는 데 열가소성 수지라면 뭐든 쓸 수 있다. 그런데 현장에서 실제로 쓰는 건 네 가지뿐이다. PPS, PBT, PA, PET. 거의 다 유리섬유 강화이고, 거의 다 알루미늄에 붙인다. 유행이 아니다. 이 접합부는 서로 정반대로 당기는 두 가지를 요구하는데, 그 둘을 다 만족시키는 컴파운드가 좁은 구간에만 있기 때문이다.

첫 번째 요구는 1편에서 나온 얘기다. 용융이 굳기 전 찰나에, 폭이 수십 나노미터짜리 기공 속으로 들어가야 한다. 물처럼 흐르는 수지가 필요하다는 뜻이다. 두 번째 요구는 내구성 데이터에서 나온다. 일단 굳고 나면, 수지는 부품이 사는 내내 온도가 오르내릴 때마다 금속과 같이 늘고 줄어야 한다. 금속처럼 움직이는 수지가 필요하다는 뜻이다. 물처럼 흘러 들어가고, 그다음엔 금속처럼 움직인다. 재료를 고르는 모든 판단이 이 한 쌍에서 갈린다.

열팽창이 문제다

알루미늄은 1도 오를 때마다 100만분의 23쯤 늘어난다. 무강화 열가소성 수지는 60에서 100이다. 이 둘을 단단히 붙여 놓으면, 데우고 식히는 사이클마다 그 차이가 접합면에서 전단으로 바뀐다. 접합부가 철사를 앞뒤로 구부리듯 계속 시달린다. 1편에서 그 끝을 봤다. 영하 40도와 120도 사이를 오가면 접합 강도가 45MPa쯤에서 25 쪽으로 깎여 내려간다. 접합면은 한 방에 터지는 게 아니라, 피로로 무너진다.

타이세이플라스 특허는 해법을 딱 잘라 말한다. 수지 컴파운드의 열팽창을 100만분의 20에서 40 사이, 즉 붙일 금속과 같거나 그에 가까운 값으로 맞추라는 것이다. 순수 수지로는 거기까지 못 내려간다. 내려가는 길은 필러이고, 대개는 유리섬유다. 뻣뻣하고, 싸고, 제 열팽창이 거의 없어서, 컴파운드의 팽창을 금속 쪽으로 끌어당긴다. 시중에 나온 접합용 그레이드가 하나같이 유리섬유 강화이고 보통 30% 이상인 이유가 이것이다. 특허는 여기서 한발 더 나간다. 유리섬유에 유리분말을 같이 넣으라고 못 박는다. 섬유만 넣으면 수축이 방향마다 달라지는데, 분말이 그 편차를 다듬어 사출 수축률을 0.4~0.5%쯤으로 낮추고 방향차까지 고르게 잡아 준다.

함정이 하나 있다. 앞서 유리섬유가 표면으로 뜨는 문제를 다룬 글과 맞닿아 있다. 유리섬유 한 올은 두께가 10마이크로미터쯤 된다. 기공은 그보다 200배 작다. 섬유는 전처리층 안으로 못 들어간다. 섬유 사이의 수지만 들어갈 수 있다. 그래서 컴파운드는 두 가지를 한꺼번에 해내야 한다. 덩어리 전체로는 금속처럼 움직일 만큼 유리섬유를 충분히 담으면서, 정작 앵커가 박히는 금속 표면에는 수지가 풍부한 표층을 내줘야 한다. 접합용 그레이드는 이 균형에 맞춰 배합된다. 같은 수지라도 흔한 유리섬유 강화 펠릿과 접합용 그레이드가 다른 재료인 이유가 여기 있다.

Thermal expansion: the resin must land near the metal Coefficient of thermal expansion compared on one scale. Aluminum sits near 23 parts per million per degree. The patent requires the bonding compound at 20 to 40, which glass-filled bonding grades reach. Unfilled thermoplastics run 60 to 100 — three to four times the metal. Glass fiber pulls the compound down into the landing zone; a mismatched joint fatigues at the interface with every temperature cycle. Thermal expansion: the resin must land near the metal aluminum ≈23 glass-filled bonding grades 20–40 · patent band unfilled thermoplastics 60–100 glass fiber pulls it down 02040 6080100 ppm/°C the landing zone Bond aluminum to something that expands four times faster, and every swing shears the joint. Part one measured the ending: −40↔120°C cycles, 45 → 25 MPa. Matching expansion is the fix.

왜 PPS가 기본이 됐나

이 짧은 후보 안에서, 발표된 수치가 계속 나오는 조합은 유리섬유 강화 PPS다. 이게 대세인 데는 다 이유가 있다. 우선 열에 강하다. 리플로 솔더링, 도장 오븐, 양극산화 라인을 군말 없이 견딘다. 이런 부품은 사출한 뒤에도 후공정을 여러 번 더 거치기 때문에 이게 중요하다. 물도 거의 안 먹는다. 그래서 굳을 때 잡힌 치수와 접합면이 그대로 유지된다. 결정화되면 뻣뻣하고 내약품성 좋은 고체가 되어 환경에 잘 안 밀린다. 게다가 용융 상태에서 묽게 흐른다. 첫 번째 요구가 바로 이걸 원한다.

접합 관련 문헌에 실린 가공 조건을 보면(용융 온도 290~330도, 금형 온도 120도쯤) 벌써 4편에서 할 얘기가 비친다. 이건 뜨거운 공정이다. 웬만한 현장 습관보다 뜨겁다. 특히 금형 온도 항목에서 현장 실무와 데이터시트가 갈라선다. 그 싸움은 다음 편으로 넘긴다.

PPS에도 약점은 있다. 유리섬유가 안 들어가면 잘 깨진다. 유리섬유가 늘 붙어 있는 또 하나의 이유다. 그리고 유전 특성이 어중간하다. 나머지 후보들이 들어오는 지점이 바로 여기다.

나머지 후보들

PBT는 안테나 자리를 맡는다. 사출로 채운 라인이 전파가 드나드는 창일 때는 수지의 유전 거동이 선정 기준에 끼어든다. 그런 자리에는 보통 PBT 그레이드가 쓰인다. 이 틈새가 얼마나 자리를 잡았는지 가장 잘 보여 주는 게 이거다. 원료사들이 나노몰딩 전용으로 개발한 PBT 그레이드를 판다. SABIC은 바로 이 접합부를 겨냥한 난연 PBT를 내놨고, Syensqo 같은 전문 공급사는 접합용 그레이드를 아예 독립된 제품군으로 올려놓는다. 원료 업계가 그 공정에 맞춰 전용 품번을 만들기 시작하면, 그 공정은 더는 별종이 아니다.

PA66과 PPA는 구조용·자동차 쪽을 맡는다. PPS보다 질기고 충격에 강하며, 특히 PPA는 엔진룸 온도에서도 강도를 유지한다. 대신 치르는 대가는 수분이다. 폴리아마이드는 물을 빨아들여 부풀고 물성이 바뀐다. 접합부의 역할이 온통 금속에 치수를 정확히 맞추는 일인데, 그 안에서 이 수분 문제를 설계로 감당해 내야 한다. PET는 원가와 유전 거동이 유리한 자리에 들어간다. 이들 모두 현장에서는 유리섬유 강화로 나온다. 팽창 논리는 어떤 폴리머를 골랐든 따지지 않는다.

The shortlist and how it divides the work Four resin families share the metal-bonding work. Glass-filled PPS is the default: it survives anodizing, paint and reflow, barely absorbs moisture, and runs thin in the melt. Glass-filled PBT takes radio windows, where dielectric behavior matters, and has dedicated nano-molding grades. Glass-filled PA66 and PPA carry automotive and structural parts, with moisture uptake as their tax. Glass-filled PET fills cost and dielectric niches. All of them are glass-filled, because the expansion argument does not depend on the polymer, and the skin at the wall must stay resin-rich. The shortlist and how it divides the work PPS GF — the default default survives anodizing, paint ovens, reflow near-zero moisture uptake — keeps its dimensions runs thin in the melt — enters the pores PBT GF — radio windows dielectric-friendly where the line is an antenna dedicated nano-molding grades exist, incl. FR the niche has its own SKUs — it is established PA66 · PPA GF — automotive, structural tougher than PPS, happier in impact PPA holds strength at underhood temperatures the tax: moisture uptake must be managed PET GF — cost & dielectric niches appears where cost and dielectrics favor it seen in the field alongside the other three same rule applies: glass-filled always glass-filled — the expansion argument does not care which polymer you picked and the skin at the wall must stay resin-rich — the glass cannot enter the pores

금속은 왜 알루미늄인가

알루미늄이 표준인 데는, 수지 쪽 논리를 그대로 비추는 이유들이 있다. 이 분야를 연 에칭 화학이 알루미늄에서 개발됐고, 양극산화가 잘 먹어서 TRI 방식이 여기서 나온다. 가볍고 가공도 잘 된다. 그리고 팽창이 충분히 낮아서 필러가 든 수지가 실제로 그 값까지 따라붙을 수 있다. 흔히 쓰는 프레임·하우징 합금인 5052, 6063과 그 근처 합금들이, 발표된 강도 수치를 측정한 대상이다.

다른 금속에는 단서가 붙는다. 구리는 배터리 단자에서 등장한다. 2편의 커버 모듈은 알루미늄과 구리를 같은 PPS 부품에 함께 사출했다. 전류를 흘리려면 구리여야 하기 때문이다. 스테인리스와 티타늄은 고급 하우징이나 특수 부품에 나온다. 이들도 전처리가 가능하지만, 같은 처리조로 되는 건 아니다. 기공을 만드는 화학은 금속마다 다르고, 알루미늄 표면을 파내는 처리가 스테인리스에는 아무 일도 못 한다. 현실적으로는, 금속을 무엇으로 정하느냐가 전처리 업체와 공정을 정해 버린다는 뜻이다. 그리고 한 부품에 금속을 섞으면, 같은 사출 조건을 둘 다 견뎌야 하는 전처리 두 가지를 나란히 검증해야 한다.

조합을 읽는 법

그래서 어떤 조합이든 다섯 개 항목으로 읽는다. 용융이 기공 속으로 흘러 들어갈 수 있는가(점도, 그리고 4편에서 다룰 프레스 조건). 컴파운드가 금속처럼 움직이는가(필러 함량, 수축, 열팽창계수). 표층이 앵커가 박힐 만큼 수지가 풍부하게 남는가. 부품이 전파 창이라면, 유전 특성은 어떤가. 그리고 부품이 사출 후에 무엇을 견뎌야 하는가(솔더링, 양극산화, 도장). 대부분의 밀폐 구조 부품에서는 30~40% 유리섬유 강화 PPS와 알루미늄 5052 조합이 이 다섯을 다 만족시킨다. 그래서 이게 기본이다. 그러다 항목 하나가 바뀌는 순간(안테나, 단자, 엔진룸) 후보군은 자리를 바꾸지만 이 계열을 벗어나진 않는다.

이 시리즈가 줄곧 향해 온 곳이 4편, 즉 불량 목록이다. 재료 이야기의 불편한 진실이 여기 있기 때문이다. 합금을 제대로 고르고, 접합용 그레이드를 제대로 고르고, 유리섬유 함량을 제대로 잡아도, 여전히 새는 접합부를 내보낼 수 있다. 마지막 변수가 프레스이기 때문이다. 후보 중 가장 좋은 컴파운드도 기공 속으로 들어간 뒤에야 금속처럼 움직인다. 그리고 들어가느냐 마느냐는 세팅값이 몇 초 만에 정한다.

몰드닥터는 불량 사진과 공정 세팅을 받아 유력한 원인과 조정할 것을 추정한다. 이 글에 나온 수지들(PPS, PBT, PA와 그 유리섬유 강화 형태)은 이미 알고 있고, 4편에서는 몰드닥터가 제일 잘 다루는 레버들, 그중에서도 금형 온도를 맨 앞에 놓고, 이 접합부가 무너지는 구체적인 방식들에 맞세운다.

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