본 연구에서 사용된 알루미늄은 2 mm 두께로 제작된 AL6061을 사용하였다. 복합재료는 USN125B 일방향 탄소섬유 프리프레그(SK Chemical)를 사용하였다. 프리프레그는 [0/45/90/-45]_2s로 적층하여 오토클레이브(Autoclave)를 이용하여 경화하였다. 100^oC의 오토클레이브에서 0.5 MPa의 압력을 부여하고 120^oC에서 1.5시간 후에 CFRP를 냉각하였다. 적층과 경화 과정은 Figs. 1과 2와 같다. 최종적으로 제작된 탄소섬유 복합재 판의 경우 두께는 2±0.05mm이며, 탄소섬유 프리프레그 및 알루미늄의 물성은 Tables 1과 2와 같다. 시험편은 ASTM D1002 [10]에 따라 CFRP를 다이아몬드 커팅기를 사용하여 최종 사이즈 101.6 × 25.4 × 2mm로 절단하였다. 접착제는 상온 경화 폴리우레탄 구조물인 플리오그립 7779(PLIOGRIP 7779, Ashland)를 사용했다. 사용하는 접착제는 자동차, 선박을 비롯해 알루미늄, 강철 및 기타 금속과 각종 플라스틱 등 이종재료 접합에 사용이 가능한 용도로 생산되었다. 본 접합제의 기계적 성능은 Table 3과 같다.

Fig. 1 
Schematic of CFRP laminate manufacturing process

Fig. 2 
Curing process profile for CFRP

본 연구에서는 펄스 파이버 레이저 가공 시스템을 이용하여 CFRP 표면에 미세 텍스처링을 가공하였다. 이 시스템은 펄스 레이저 소스, 스캐너, XYZ축 테이블, 제어 컴퓨터 등을 포함한다. 레이저 주사선 간격 s를 변경하여 서로 다른 크기의 미세 텍스처링을 얻을 수 있었다(Fig. 3 참조). CFRP 표면의 레이저 주사 경로는 Fig. 3과 같다. 미세 텍스처링의 가공 파라미터는 Table 4와 같다. 이 연구에서 미세 텍스처링 가공한 레이저 주사선 간격은 하나의 변수로 설계되었다. 주사전자현미경(SEM)으로 레이저 처리된 CFRP 표면의 형상은 Fig. 4와 같다.

Fig. 3 
The micro textures scanning path on the CFRP

Fig. 4 
Surface morphology of textured CFRP with variation of laser scanning cross spacing: 0.2, 0.25, 0.3, 0.35 mm

단일겹침 전단시험의 시편은 규격 ASTM D1002 [10]에 따라 101.6 × 25.4 × 2 mm이며, 접착 면적은 12.7 × 25.4 mm이다. 단일겹침 전단시험의 치수 및 사진은 Fig. 5와 같다. 시험편 접착 방법은 다음과 같다.

Fig. 5 
Dimensions of test specimen

(1) 접합 전 알루미늄판의 표면을 #400 샌드페이퍼로 연마한 후 알코올로 세척한다. 레이저 처리 후 CFRP를 적당량의 알코올에 담가 15분 동안 초음파 세척한 후, 블라스트 오븐에서 2시간 동안 건조한다.

(2) 디스펜싱 건과 특수 혼합 튜브를 통해 접착제를 2개의 피접착물 위에 도포한다.

(3) CFRP와 알루미늄 합금을 접착한 후 일정한 압력 하에서 2일간 경화시킨다.

X선 광전자 분광법(XPS, Thermo Fisher Scientific Brno s.r.o) 분석을 수행하여 레이저 처리 전과 후에 CFRP의 표면 화학 조성을 검사했다. Al Kα 타겟의 입사 단색 X선 빔은 표면 조성을 분석하기 위한 분석영역에 집중된다. 분석챔버의 기초압력은 (≤ 5 × 10^-9mbar)이다. 인장전단 강도 실험에 있어 단일겹침 전단방법을 기계적 역학 성능 실험에 적용하였다. 30 kN 하중 용량의 인스트론 인장 시험기를 CFRP와 알루미늄의 단일겹침 전단강도를 시험하는데 사용하였다. 시험 시 인장 속도는 1.3 mm/min이며, 각 종류를 동일하게 3회 측정하였다. CFRP 조인트의 접합 인장전단 강도는 최대 하중을 접착 영역의 면적으로 나누어 평가하였다. CFRP 표면과 액체 사이의 접촉각(Contact Angle)은 접촉각 분석기(KSV CAM200)를 통해 각종 시편의 정적 표면 접촉각을 측정하였다. 액적 크기는 4 μL이다. 각 표면 조건을 세 차례 측정하였다. Owens-Wendt & Rabel-Kaelble (OWRK) 방법으로 표면 자유 에너지(Surface Free Energy, SFE)를 계산하였다[11,12].

접촉각 실험에 있어 극성액인 증류수(Water)와 비극성액인 요오드화메틸렌(Diiodomethane)을 선택하였다. 접촉각과 표면에너지의 정량적 관계는 식(1)과 같다[12].

여기서 γ_s는 고체의 SFE이다. γSD는 고체 SFE의 분산 성분이다. γSP는 고체 SFE의 극성 성분이다. γSD및 γSP의 값은 식(2)와 식(3)에서 계산된다[12].

여기서 γ_LW는 물의 SFE이고, θ_W는 물의 측정된 CA이며, γLWD는 물 SFE의 분산 성분이며, γLWP는 물 SFE의 극성 성분이다. γ_LD는 요오드화 메틸렌의 SFE이고, θ_D는 요오드화 메틸렌의 측정된 CA이며, γLDD는 요오드화 메틸렌 SFE의 분산 성분이다. γLDP는 요오드화 메틸렌의 극성 성분이다. 두 가지 적용 액체의 파라미터는 Table 5 [13]와 같다. 이와 같은 실험에서 고체의 표면 자유 에너지를 분산 및 극성 성분으로 구분할 수 있다[12].

레이저 스캐닝 간격에 따른 CFRP 표면에 XPS 고해상도 C1s 피크의 분석 결과는 Fig. 6과 같다. 레이저 미세 텍스처링 표면처리 전후 CFRP 표면 산화물층의 탄소결합 C-C, C-O, C = O를 분석하였다. C1s 피크 스펙트럼에서 처리되지 않은 원래 CFRP는 C-C와 C-O 두 개의 작용기로 이루어져 있으며 C = O 작용기는 관찰되지 않았다. 레이저 미세 텍스처링 표면처리된 CFRP의 경우 C-C 피크의 감소, C-O 피크 및 C =O 피크의 증가가 동시에 관찰되어 이 경우 C-C 결합키의 부분 제거 또는 산화 구조를 나타낸다[14-16]. 그중 레이저 주사 간격이 0.3 mm일 때 C-O와 C=O 피크가 동시에 가장 많이 증가하는 것이 관찰되어 C-C 결합 결합키가 많은 산화 구조가 발생했음을 확인하였다. Table 6은 레이저 미세 텍스처링 표면처리된 CFRP 표면의 C-O와 C=O 결합키의 상대적 농도가 처리되지 않은 CFRP 표면의 C-O와 C =O 결합키의 상대적 농도보다 향상됨을 나타낸다. 이는 CFRP 표면이 레이저 처리 중 탄소섬유가 산화를 일으켜 이들 산소 함유량이 증가했음을 보여준다. 이와 같은 현상은 탄소섬유와 접착제의 결합에 유리하다. 레이저 조사를 받는 탄소섬유는 표면 거칠기를 유발하고 카르복시와 같은 화학그룹을 증가시켜 접착제와 탄소섬유를 더 잘 결합시키는 것으로 판단할 수 있다[17].

Fig. 6 
The C1s peak of CFRP surface after different laser scanning cross spacing

접착 효과를 높이기 위하여 표면은 높은 수준의 표면 습윤 특성을 요구한다. 접촉각은 습윤과 밀접한 관련이 있기 때문에 접촉각을 측정하여 습윤성을 확인할 수 있다. 서로 다른 레이저 스캐닝 간격에 따른 CFRP 샘플 표면의 접촉각은 Fig. 7과 같다. 레이저로 처리되지 않은 CFRP 표면에서의 물과 요오드화메틸렌의 접촉각은 각각 104.08과 75^o였다. 반면 레이저 처리된 CFRP 표면에서는 모두 촉각이 낮아졌다. 이중 0.3 mm 텍스처 간격인 CFRP 표면의 두 접촉각은 각각 88.38과 31.36^o의 최소값을 나타냈다. 0.35 mm의 간격을 갖는 CFRP 표면에서의 접촉각은 0.3 mm의 간격을 갖는 표면에서의 접촉각에 비해 커진 것으로 확인되었다. 이러한 결과를 분석해 볼 때, 레이저 미세 텍스처링 처리된 CFRP 표면의 접촉각이 레이저 처리되지 않은 CFRP 표면보다 작은 값으로 나타났다. 이러한 경향은 높은 표면 에너지를 갖는 표면이 0.3 mm의 간격의 CFRP 표면에서 예상될 수 있으며, 이에 접착제와 CFRP 표면의 접착 특성이 좋아질 수 있음을 알 수 있다.

Fig. 7 
Contact angles of (a)-(e) Water, (f)-(j) Diiodomethane on (a), (f) Untreated, (b), (g) 0.2, (c), (h) 0.25, (d), (i) 0.3, and (e), (j) 0.35 mm textured CFRP with variation of laser scanning cross spacing

앞서 기술된 Owens-Wendt & Rabel-Kaelble 방법을 사용하여 이러한 접촉각으로부터 표면 자유 에너지를 계산한 결과를 Table 7에 나타내었다. 접착제 흡착 이론은 시료의 표면 자유가 클수록 외부 물질과의 결합력이 강해 결합 효과가 높은 것으로 나타난다[18]. 표면 자유 에너지 결과를 분석하면 레이저 미처리 CFRP는 표면 자유 에너지가 가장 낮은 반면, 미세 텍스처 처리 간격이 0.3 mm인 CFRP는 표면 자유 에너지가 가장 높은 것으로 나타났다. 표면 전체 자유 에너지의 각 성분에 대하여, 모든 CFRP 기재에 대하여, 분산 성분이 극성 성분보다 큰 것으로 확인되었다.

Fig. 8은 서로 다른 레이저 스캐닝 간격에서 CFRP와 알루미늄의 단일겹침 전단시험의 결과를 보여준다. 레이저 처리에 따른 영향을 평가하기 위해 알루미늄 표면은 #400의 샌드페이퍼로 일괄 연마하여 알루미늄 표면과 접착제 사이에 접착이 잘 이루어질 수 있도록 하였다. 레이저 텍스처링 처리는 서로 다른 주사선 간격을 통해 CFRP 표면의 미세 텍스처링을 수행하였다. 각 미세 텍스처 주사선의 간격 조건마다 3개 시편을 인장전단강도 테스트하여 평균값을 산출하였다. 인장 시험 결과를 살펴볼 때 레이저 미세 텍스처링 표면처리 후의 인장전단강도가 표면이 미처리된 CFRP 시험편의 인장전단강도에 비해 현저히 향상되었음이 관찰되었다.

Fig. 8 
(a) Tensile-shear strength of CFRP/Al joints under various laser scanning cross spacing, and (b) Maximum tensile strength

미세 텍스처링 간격의 폭이 증가함에 따라 0.3 mm까지는 인장전단강도가 증가하였다. 0.3 mm 텍스처 간격의 최대 인장전단강도는 14.52MPa로 레이저 미처리 CFRP 전단강도의 2배 가량이다. 그러나 레이저 텍스처링 간격 폭이 0.3 mm 이상에서는 감소하였으며 텍스처 간격 폭이 0.35 mm의 경우 인장전단강도는 7.86 MPa로 낮아졌다. 또한, 변위-인장전단강도 곡선에 따라 인장 과정에서 레이저 처리되지 않은 시편의 변위가 가장 짧고, 레이저 미세 텍스처링 표면처리의 격자 폭이 증가함에 따라 일반적으로 변위가 커지는 것을 관찰할 수 있다. 그러나 격자 폭이 0.35 mm인 경우에는 파단 시에 변위가 감소된 것으로 확인되었으며 이러한 현상은 시편 전단력의 감소와 관련이 있는 것으로 판단된다.

단일접합 조인트의 시험에서 인장전단강도 외에 파단 모드의 분석을 통해 접합성능을 평가할 수 있다. 레이저 미세 텍스처링 표면처리가 접합부의 파단 모드에 미치는 영향을 평가하기 위해 단일접합 인장전단 시험 후 접합된 레이저 미세 텍스처링 표면처리 전후의 CFRP와 알루미늄 합금 접합부의 파괴 형태를 비교하였다. Fig. 9는 서로 다른 레이저 스캐닝 간격에서의 CFRP와 알루미늄 합금 접합 조인트의 파괴 형태를 보여준다. Fig. 9에서 확인할 수 있듯이 일반적인 알루미늄 합금 파단면에는 잔류 접착층이 없고, CFRP 파단면에는 일부 잔류 접착층이 존재하며 알루미늄 합금과 접착층 사이의 계면 접착 파괴가 관찰되었다. 또한, 알루미늄 합금 파단면과 CFRP 파단면 모두 일부 잔류 접착층이 있는 것으로 보인다. 레이저 미세 텍스처링 표면처리 후의 CFRP와 알루미늄 합금 접합 조인트의 주요 파괴 형태는 알루미늄 합금과 접착층 사이의 계면 접착 파괴와 접착층 응집파괴의 혼합파괴 형식으로 관찰되었다. 레이저 주사 간격이 늘어날 때 접착층 응집파괴 면적도 커지는 것으로 보인다.

Fig. 9 
Fracture mode of CFRP/Al joints under various laser scanning cross spacing: 0.2, 0.25, 0.3, and 0.35 mm

이러한 경향은 다음과 같이 해석될 수 있는데, 표면 화학 분석 및 표면 자유 에너지 분석 결과를 고려할 때 레이저로 처리하지 않은 표면에 비해 레이저 텍스처 표면처리한 CFRP는 접착제와 CFRP 사이의 접착력을 향상시켜 접합 조인트의 접착층의 응집파괴 모드를 초래하는 것으로 보인다[16]. 덧붙여, 레이저 스캐닝 간격이 0.35 mm인 경우 표면 자유 에너지 및 유기 작용기가 감소함에 따라 접착제와 CFRP 사이의 접착력이 낮아져 접착층 응집파괴 면적이 감소할 수 있다. 이와 같은 특정한 실험에서 레이저 패턴처리는 특정한 스캐닝 패턴 간격에 대해 상대적으로 높은 접합품질을 예측할 수 있다고 볼 수 있다.