에폭시 수지의 채용에 있어서 장점·단점을 철저히 해설

에폭시 수지(에폭시 레진)는 접착제, 도료, 전자 부품 등 다용도로 사용되는 열경화성 수지입니다. 이번에는, 그 장점과 단점을 설계자의 시점에서 해설합니다.

에폭시 수지의 정의

에폭시 수지의 정의와 성분

에폭시 수지는 분자 내에 2개 이상의 에폭시기를 갖는 열경화성 수지로 경화제와 반응하여 3차원 그물 구조를 형성합니다. 대표적인 비스페놀 A형은 액상에서 고형까지 분자량 폭이 넓고, 폴리아민계나 산무수물계 등의 경화제로 경화 조건과 물성을 조정할 수 있습니다.

다른 수지와의 차이(폴리에스테르·아크릴 수지와의 비교)

에폭시 수지는 다른 대표적인 열경화성 수지와 비교할 때 물리적 특성에 차이가 있습니다.

불포화 폴리에스테르 수지와의 비교

불포화 폴리에스테르 수지(UP 수지)는 FRP 성형에 사용되는 저렴한 열경화성 수지입니다. 에폭시 수지는 높은 강도, 접착력, 내구성을 갖추고 있으며, 경화 수축은 작지만 가격이 높습니다. 폴리에스테르 수지는 실온에서도 수십 분 만에 경화되어 속건성과 낮은 비용이 장점이지만, 경화 수축이 크다는 단점이 있습니다. 강도를 우선하면 에폭시 수지, 비용을 우선하면 폴리에스테르 수지로 기억해 두면 재료 선정이 원활해집니다.

아크릴 수지와의 비교

에폭시 수지는 내약품성 및 장기 내구성이 우수하며 경화 시 수축이 3%로 적은 것이 특징입니다. 아크릴 수지의 특징은 내후성이 뛰어나고 경화 속도가 빠르며 박리 강도가 뛰어난 것입니다. 따라서 도료에서는 옥외 노출 환경에는 아크릴계, 약품 환경에는 에폭시계가 적합합니다.

표 1. 에폭시 수지와 다른 수지의 비교

에폭시 수지의 특성

기계적 특성(강도・내마모성)

에폭시 수지는 경화 후에 3차원의 강직한 가교 구조를 형성하므로 압축 및 굽힘 강도가 매우 높고 경도도 우수합니다.

한편, 표준품은 인성이 낮고 인장 충격으로 깨지기 쉽다는 약점이 있습니다. 이 과제를 보완하기 위해 고무나 우레탄을 첨가해 끈기를 높인 「고인성 에폭시」가 개발되고 있습니다. 용도에 따라 개질제나 충전재를 조합하면 취성을 억제하면서 고강도, 고경도, 내마모성이라는 장점을 최대한 활용한 설계가 가능합니다.

표 2. 에폭시 수지의 물성치(기계적 특성)

물리·화학적 특성(내열성·내약품성·전기 절연성)

내열성

에폭시 수지 경화물은 높은 내열성을 보이며, 유리 전이점은 100~150℃ 정도, 방향족계 경화제는 200℃ 이상의 고내열 Grade도 있습니다. 높은 유리 전이 온도가 에폭시 봉지재로서의 용도에 적합하며, 반도체 실장 시 열에도 견딜 수 있는 특성을 가지고 있습니다.

내약품성

에폭시 수지는 많은 화학약품이나 용제에 높은 내성을 보이며, 특히 물·알칼리에 쉽게 침범하지 않으며 금속 부식 방지 장벽으로도 효과적입니다. 산성 환경에는 약간 약하지만 산 무수물 경화형은 산에도 안정되어 부식성 약품 환경에서 장기 사용에 적합한 재료입니다.

전기 절연성

에폭시 수지는 전기 절연성이 우수하며 부피 저항률은 1012~1017Ω·cm로 PEEK 수지에 필적합니다. 내전압, 유전 특성도 우수하여 고전압 부품 봉지나 프린트 기판 기재에 사용되며, 내습성도 높고 고습도 환경에서도 절연 성능을 유지할 수 있습니다.

표 3. 에폭시 수지의 물리적 특성 치(물리·화학·전기적 특성)

에폭시 수지의 장점

우수한 접착성

에폭시 수지는 우수한 접착제 성능을 가지며 목재, 금속, 콘크리트, 유리, 플라스틱 등 거의 모든 고체 소재에 높은 부착성을 나타냅니다. 구조용 접착제로 자동차 차체 조립 및 건물 내진 보강에 사용되며, 경화 후에는 고강성으로 볼트에 버금가는 강도를 발휘하며, 경화 수축이 작아 정밀 부품 접착에도 적합합니다.

내약품성・내열성의 높이

에폭시 수지 경화물은 화학 약품이나 열에 강한 내성을 나타내며산,알칼리,용제에 침입 되지 않고 가혹한 환경 하의 부품이나 방식 코팅에 매우 적합합니다. 공장 약품 탱크 내부 및 화학 플랜트 배관에 사용되며 가열로 연화되지 않아 고온 부품 접착 및 전자 기판에도 이용되어 가혹한 화학적, 열적 환경에 강한 재료입니다.

가공 후 치수 안정성

에폭시 수지는 경화 시 부피 수축율이 약 3%로 작은 반면 불포화 폴리에스테르 수지는 6~8% 수축합니다. 온도 및 습도 변화에 따른 치수 변동도 적기 때문에 정밀 부품의 성형 및 복잡 형상 포팅에 적합하고 높은 가공 정밀도를 실현할 수 있습니다.

에폭시 수지의 단점

가공 경화에 시간이 걸린다

에폭시 수지의 대표적인 단점은 경화에 시간이 걸린다는 점으로, 2액 혼합형은 가사시간이 수십 분~수시간 있고 실온 경화형은 완전 경화까지 24시간 전후 필요합니다. 아크릴계는 경화가 빨라 제조 공정상의 장점이 있는 반면, 에폭시는 경화 대기 시간이 병목 현상이 되어 양산 공정에서는 꺼려지는 경우도 있습니다.

저온에서 취화 위험

에폭시 수지 경화물은 저온 환경에서 인성이 저하되고 취약해지는 경향이 있으며, -20℃~-40℃에서는 충격으로 균열이 발생할 위험이 있습니다. 경화 자체도 저온에서는 느려져 5℃ 이하에서는 미경화 상태가 장시간 지속되는 경우도 있습니다. 대책으로서 유연성을 갖게 한 에폭시로 인성을 향상시키는 방법이 있으며, 저온 사용시에는 수지 개서 재질이나 다른 재료 검토가 필요합니다.

자외선 열화에 의한 변색

에폭시 수지의 큰 약점은 자외선(UV)에 의한 열화·변색으로, 직사광선이나 강한 자외선으로 표면이 황으로 변해 초크 상태로 열화합니다. 옥외 노출 사용은 적합하지 않으며, 옥외 용도에서는 표면에 UV 차단성 보호 도장을 실시하거나 자외선 안정제가 들어간 그레이드를 선택하는 대책이 불가결합니다. 장기간의 광폭로로 열화되는 점은 설계상의 주의 사항입니다.

안전면의 주의와 유해성

에폭시 수지의 취급에는 안전성의 위험이 있고, 주제나 경화제에는 피부 자극성·감작성을 가지는 것이 많아 맨손으로 만지면 염증이나 피부염을 일으킬 가능성이 있습니다. 작업자의 알레르기성 피부염 사례도 보고되고 있으며, 취급 시 반드시 장갑이나 보호안경을 착용하고 환기를 잘 시켜 작업하는 안전 배려가 필요합니다.

에폭시 수지의 용도

에폭시 수지는 전자·전기, 자동차·항공기, 도장·코팅, 3D 프린터의 재료 등 폭넓게 사용되고 있습니다.

표 4. 에폭시 수지의 용도

에폭시 수지의 성형 가공

에폭시 수지의 성형 가공에는 주형과 프레스 성형(몰드 성형)이 있습니다.

주형은 액상의 에폭시를 상온에서 형으로 흘려 넣어 경화시키는 간단한 공정입니다. 복잡한 형상을 단납기로 만들 수 있기 때문에 시작이나 소로트 제품에 매우 적합하지만 경화 반응에 의한 발열, 수축으로 왜곡이 발생하거나 기포가 혼입되기 쉬운 점에는 주의가 필요합니다.

프레스 성형은 가열 가압할 수 있는 금형 내에서 에폭시를 경화시키면서 성형하는 방법으로 반도체 IC 봉지가 대표적입니다. 양산성과 치수 정밀도가 우수하지만 금형과 프레스 설비를 준비하는 비용이 듭니다.

에폭시는 열경화성 때문에 한번 경화되면 재용융이 되지 않으며 사출성형은 적용되지 않습니다. 그 때문에, 필요한 생산수·형상·정밀도를 근거로 해 「시작이나 복잡 형상이라면 주형」 「대량 생산이나 고정밀도가 필수라면 프레스 성형」이라고 공법을 선정하는 것이 중요합니다.

디자이너가 주의해 할 포인트

에폭시 수지의 선정 흐름

마지막으로 에폭시 수지를 재료 후보로 검토 및 선정할 때 설계자가 눌러야 할 포인트를 플로우 형식으로 정리합니다.

1. 요구사양 정리

우선 제품·부품에 요구되는 이하와 같은 성능 요건을 명확히 합니다. 이 때 에폭시 수지를 포함한 다양한 재료와 요건 적합성을 비교 검토합니다.

• 강도·강성
• 최고 사용 온도・최저 사용 온도
• 약품 및 물에 대한 노출 상황
• 전기적 절연성
• 내후성
• 예산
• 생산 수량

2. 에폭시 수지 결정

에폭시 수지의 채택을 결정하면 구체적인 등급과 경화제 시스템을 선정합니다. 일반 용도에는 비스페놀 A형, 유연성을 확보하고 싶다면 우레탄 변성형, 고내열이 필요하면 노볼락형, 실외나 UV 노출이 있는 환경에서는 UV 차단 안정제 첨가를 검토해 주세요. 선정에 있어서는 재료 제조업체나 전문업체와 상담하여 카탈로그 데이터나 SDS 등의 안전성 정보를 충분히 수집·확인하는 것이 중요합니다.

3. 시작/평가:

선정한 에폭시 수지로 시제품이나 샘플을 제작하여 규정의 성능을 충족시키는지 평가합니다. 강도 시험, 내열·내습·내약품·내UV 등의 내환경 시험, 전기 특성 측정, 실장 테스트를 실시하고, 문제가 있으면 경화 조건을 조정하거나 다른 등급으로 전환하여 재평가합니다. 또한 성형성과 가공성도 확인하여 양산 시의 주의점을 밝혀냅니다.

4. 양산설계・도입

시작 평가를 클리어하면 그 결과를 양산 설계에 반영시킵니다. 에폭시 수지의 경화 시간을 제조 택트에 포함시켜 필요에 따라 건조로나 UV 조사 장치를 준비하고 작업자를 위한 안전 취급 절차도 정비합니다. 또, 채용 그레이드의 공급원을 확보해 가격 교섭을 진행해, 초기 로트를 생산해 품질을 확인하면서, 안정된 조달 체제를 구축합니다.

에폭시 수지 선정 시 주의점

에폭시 수지의 물성치는 제조사의 카탈로그나 웹 자료에서 확인할 수 있지만, 이것들은 특정 시험 조건에서 얻은 수치에 불과합니다. 그대로의 값이 실제 사용 환경에서도 재현된다는 보장은 없기 때문에 그대로 받아들이지 않는 것이 중요합니다.

거기서 중요하게 되는 것이, 사내에서의 과거 실적과 도입전의 시작·평가입니다. 유사 환경에서의 사용 예는 보증치는 아니지만 신뢰성이 높은 참고 데이터입니다. 여러 정보를 대조하여 종합적으로 판단함으로써 예기치 못한 트러블의 발생 확률을 억제할 수 있습니다.

또한 기존 실적이 있는 재료를 그대로 유용할 수 없는 경우도 있습니다. 그 때는 조건을 바꾼 시작·평가를 정중하게 실시하는 것이 중요합니다. 사내 자원이 부족한 경우는 외부 위탁을 활용합시다. 장치 도입 후 오류가 발생하는 것보다 시작 단계에서 시간과 비용을 들여 검증하는 편이 결과적으로 위험을 줄일 수 있습니다.

정리

에폭시 수지는 그 탁월한 특성 때문에 설계자에게 매우 매력적인 재료입니다. 「고강도, 고접착, 고내성」으로 폭넓게 이용되어 왔습니다. 한편 경화 프로세스나 환경 열화 등의 주의점도 있습니다.

에폭시 수지가 가진 잠재력을 최대한 발휘하여 우수한 제품 및 부품을 만들어내는 데 도움이 되었으면 합니다.