용접 굿바이! 신개념 금속 접착제

메소글루 개발··· 갈륨과 인듐 화학반응 이용

과학기술의 발달은 접착제 분야에도 엄청난 변화를 몰고 왔다. 플라스틱이나 목재 같은 재료에 사용되는 요즘 접착제들을 보면, 붙인 것이라 생각하기 힘들 정도로 뛰어난 접착 능력을 자랑하는 제품들이 많다.

용접이 불가능한 재질의 파이프도 금속접착제로 연결할 수 있다 ⓒ Northeastern.edu

용접이 불가능한 재질의 파이프도 금속접착제로 연결할 수 있다 ⓒ Northeastern.edu

하지만 금속만큼은 예외다. 일부 접착제들의 광고를 보면 금속도 감쪽같이 접착시킨다고 말하고 있지만, 실제로 사용해 보면 기대에 미치지 못하는 경우가 많다. 따라서 금속 접착의 경우 아직까지는 용접이나 납땜이 가장 효과적인 방법이라 할 수 있다.

그런데 최근 미국의 과학자들이 용접 같은 작업이 전혀 필요 없는 금속접착제를 개발하여 관심이 모아지고 있다. 첨단기술 전문 매체인 ‘테크타임즈'(Tech Times)는 열을 가하지 않고도 금속을 접착시킬 수 있는 금속 전문 접착제를 개발했다고 보도하면서, 접착제의 성분도 역시 금속이라 열과 전기의 전도도(conductivity) 또한 높다고 밝혔다. (관련 기사 링크)

접착제로는 접착이 어려운 금속 재료

금속 재료들을 접착하는 것이 쉽지 않은 원인에 대해 전문가들은 보통 두 가지 이유를 든다. 첫 번째 이유로는 금속 표면을 덮고 있는 이물질 분자막으로 인하여 접착제가 가진 젖음성(wettability)이 제 역할을 발휘하지 못하기 때문이라는 점을 꼽는다.

젖음성이란 퍼지기 쉬운 정도를 나타내는 성질을 말한다. 예를 들어 왁스로 닦은 자동차에 빗물이 떨어지면 물방울들이 마치 구슬처럼 되어 흐르지만, 왁스를 바르지 않으면 빗물은 막처럼 표면에 퍼지게 된다. 이처럼 고체에 접촉된 액체가 흘러서 퍼져 가는 정도를 바로 젖음성이라 한다.

두 번째 원인은 금속과 접착제의 서로 다른 열팽창계수 때문이라고 분석한다. 두 물질의 열팽창계수 차이가 크기 때문에 시간이 지날수록 접착 부분에서 계면파괴(interfacial peeling)를 일으킨다는 것이다.

현재까지는 이 같은 두 가지 원인을 극복할 수 있는 접착제가 없었기 때문에, 금속 접착에는 용접과 납땜이 주로 사용되었다. 용접은 열로 금속을 녹여 서로 합치도록 만드는 방법으로서, 최근에는 압력 등을 더해 접착 효과를 높이는 기술도 등장했다.

반면에 납땜의 경우는 접착 용도보다는, 열이나 전기의 전도를 위해 금속과 금속 사이를 연결해 주는 방법이다. 납을 납땜용 인두로 녹인 뒤 두 재료 사이를 기계적으로 연결하는 것을 말하는데, 최근에는 납보다 주석을 더 많이 사용하고 있어 용어의 개선이 필요한 상황이다.

갈륨과 인듐은 화학 반응을 통해 액체로 변해

금속 성분의 접착제는 미국 노스이스턴대의 연구진이 개발했다. 메소글루(MesoGlue)라는 이름의 이 독특한 금속 성분 접착제는 높을 열을 가하는 방식인 용접이나 납땜을 사용하지 않고도 금속 소재들을 붙일 수 있다.

사용방법은 의외로 매우 간단하다. 메소글루는 마치 빗처럼 생긴 2개의 금속 나노막대로 이루어져 있는데, 2개 막대를 마주 본 채 빗처럼 형성된 부분을 끼우면 끝이다.

그리고 이런 형태로 놔두면 잠시 후  두 막대가 서로 반응하며 액체 상태가 되었다가, 결합하면서 굳게 되는 것이다. 마술과도 같은 이런 신기한 현상의 비밀은 2개의 금속 나노막대에 숨어 있다.

메소글루의 접착 과정 ⓒ Northeastern.edu

메소글루의 접착 과정 ⓒ Northeastern.edu

금속 나노막대의 한 쪽에는 인듐(Indium)이 코팅되어 있고, 다른 한 쪽에는 갈륨(Gallium)이 코팅되어 있다. 인듐과 갈륨은 평소 고체 형태로 존재하다가, 둘이 만나면 액체가 된다.

갈륨은 알루미늄과 흡사한 화학적 성질을 지녔지만 녹는점이 낮고, 공기 중에서 안정성을 유지한다. 휴대전화 액정의 재료로도 쓰이는 인듐은 상온에서 안정을 유지하는 고체금속으로 칼로 자를 수 있을 정도로 연한 것이 특징이다.

이 같은 성질을 이용하여 2년 전 미 노스캐롤라이나주립대의 연구진은 ‘변형액체금속(shape-shifting liquid metal)’을 개발 한 바 있다. 갈륨과 인듐을 기본 소재로 한 이 액체금속은 평상 시 온도에서는 단단한 구 형태를 유지하다가, 1볼트 미만의 낮은 전압을 가해주면 즉시 액체처럼 변했다.

마치 SF영화 ‘터미네이터2’에서 등장하는 액체금속 로봇 T-1000처럼 액체와 고체 형태의 사이를 넘나들 수 있는 이 변형 액체금속에 당시 전 세계가 상당한 관심을 보였었다.

메소글루 개발을 주도한 노스캐롤라이나주립대의 한센 후앙(Hanchen Huang) 교수는 “합성수지로 만든 접착제와는 달리 전기 전도성은 물론 열 전도성이 우수하다”고 주장하면서 “특히 다시 열을 가해도 강도가 약해지지 않고 접착할 때도 강한 압력을 가할 필요가 없는 것이 장점”이라고 덧붙였다.

후앙 교수는 “이 외에도 용접이나 납땜의 경우는 고온으로 인해 주위 부품을 손상시킬 수도 있지만, 메소글루는 그럴 염려가 전혀 없다”라고 강조하며 “이 금속 성분 접착제가 앞으로 전자 기기 제조에 큰 역할을 하게 될 것”이라고 예측했다.

그의 설명에 따르면 메소글루는 용접이나 납땜이 어려운 부품이나 소재 등에 집중적으로 사용될 것으로 보인다. 예를 들면 CPU와 방열판 사이의 공간에 적용하거나, 납땜이 불가능한 소재로 된 파이프 연결 등에 활용될 수 있다.

(62269)

뉴스레터 구독신청
태그(Tag)

전체 댓글 (1)

  • 윤길수 2016년 3월 9일11:38 오전

    용접분야에 대단한 변화가 오겠네요. 조선 쪽에서 활용할 수 있으면 좋겠습니다.

과학백과사전