Ⅰ. 서론 – 에폭시 수지의 개요

에폭시 수지는 분자 내에 두 개 이상의 에폭시기를 갖는 대표적인 열경화성 고분자로, 경화제와의 반응을 통해 치밀한 3차원 가교 네트워크를 형성한다. 이러한 구조적 특성으로 인해 우수한 기계적 강도와 접착성, 높은 내열성 및 내화학성, 뛰어난 전기 절연성을 동시에 구현할 수 있으며, 다양한 충전재 및 첨가제와의 조합을 통해 폭넓은 물성 설계가 가능하다. 이와 같은 장점으로 인해 에폭시 수지는 자동차, 항공우주, 전기·전자, 반도체 패키징, 구조용 접착제 및 섬유 강화 복합재 등 고부가가치 산업 전반에서 핵심 소재로 활용되고 있다.1, 2

그러나 에폭시 수지의 가장 큰 구조적 한계는 높은 가교 밀도에서 비롯되는 취성 (brittleness)이다. 경화 과정에서 형성되는 고도로 가교된 네트워크는 우수한 강성과 치수 안정성, 내환경성을 제공하지만, 분자 사슬의 운동성을 제한하여 외부 충격이나 국부적인 응력 집중에 대한 변형 능력을 감소시킨다. 이로 인해 균열이 쉽게 발생하고 빠르게 전파되며, 특히 충격 하중이나 반복 피로 환경에서는 급격한 파손으로 이어질 가능성이 높다. 

최근 자동차 경량화, 전자·반도체 패키징의 고집적화, 고성능 복합재 및 구조용 접착 기술의 발전과 함께 에폭시 소재에는 높은 강도와 강성뿐 아니라 우수한 내충격성, 내열성, 가공성 및 장기 신뢰성이 동시에 요구되고 있다. 따라서 에폭시 수지의 내충격성 향상은 단순한 기계적 물성 개선을 넘어 다양한 산업 분야에서 요구되는 성능과 신뢰성을 확보하기 위한 핵심 소재 설계 과제로 인식되고 있다.1, 2

이에 따라 다양한 내충격성 강화 기술이 개발되어 왔으며, 고무 입자나 열가소성 수지를 이용한 상분리형 기술부터 core–shell polymer (CSP), 나노 필러, 반응성 첨가제 및 바이오 기반 지속 가능 소재를 활용한 기술까지 연구 범위가 지속적으로 확대되고 있다. 최근에는 단순히 충격강도를 향상시키는 것을 넘어 유리전이 온도(Tg), 기계적 강도, 전기적 특성, 가공성 및 제조 비용까지 고려한 다기능 설계 전략이 중요한 연구 방향으로 자리 잡고 있다.1, 2

본 보고서에서는 에폭시 수지의 내충격성 강화 기술을 소재 및 설계 전략의 관점에서 체계적으로 정리하고, 고무계, 열가소성 수지계, CSP계, 나노 필러계, 반응성·지속 가능 첨가제계 기술의 연구 동향과 특징을 비교·분석하고자 한다. 또한 각 기술이 에폭시 네트워크 구조와 기계적·열적 특성, 가공성 및 산업적 활용성에 미치는 영향을 종합적으로 검토함으로써, 응용 분야별 요구 성능에 적합한 내충격성 강화 설계 방향과 향후 기술 발전 가능성을 제시하고자 한다.

한편, Zhou et al.은 기존의 극성 액상고무와 달리 epoxidized hydroxyl-terminated polybutadiene(EHTPB)를 이용하여 에폭시의 내충격성과 전기절연 특성을 동시에 향상시키고자 하였다.4 EHTPB는 분자 내 hydroxyl기와 epoxy기를 모두 포함하고 있어 에폭시 수지와 화학적으로 결합할 수 있으며, 이를 통해 계면 접착력과 상용성을 향상시킬 수 있다. 연구 결과, EHTPB를 적용한 에폭시는 충격강도와 파단 신율이 크게 향상되었으며, 적절한 조성에서는 인장강도 역시 개선되는 결과를 나타냈다. 또한 절연 특성까지 함께 향상되어 기존 액상고무의 적용 범위를 전자재료 분야까지 확대할 수 있는 가능성을 제시하였다.

 

즉, 고무 기반 내충격성 강화 기술의 최근 연구 방향은 단순한 연성화가 아니라, 고무 입자에 의한 cavitation 및 shear yielding 메커니즘을 효과적으로 활용하면서도 계면 결합력과 상분리 구조를 정밀하게 제어하여 기계적 강도와 열적 안정성의 손실을 최소화하고, 필요에 따라 전기적·기능적 특성까지 동시에 향상시키는 방향으로 발전하고 있다.

2. 열가소성 수지 기반 내충격성 강화 기술   

 

열가소성 수지 기반 인성화는 고무계 강화에 비해 강도와 내열성 저하가 상대적으로 작다는 점에서 고성능 에폭시 분야에서 꾸준히 주목받아 왔다. 대표 재료로는 polysulfone(PSF), polyethersulfone(PES), polyether ether ketone(PEEK), polyetherimide(PEI), polyphenylene ether(PPE) 등이 있으며, 이들은 경화 과정에서 반응 유도 상분리(reaction-induced phase separation)를 통해 공연속(co-continuous) 또는 phase-inverted 구조를 형성한다. 이러한 미세구조는 단순한 구형 고무 입자보다 균열 저항에 더 효과적인 경우가 많으며, crack bridging, crack pinning, 계면 에너지 소산, 미세한 소성변형 영역 확대를 통해 내충격성을 향상시킨다. 

 

특히 열가소성 수지는 매트릭스보다 상대적으로 높은 강성과 내열성을 갖기 때문에, 적절한 상구조가 형성되면 인성 향상과 더불어 탄성률과 Tg의 유지가 가능하다는 점이 장점이다. 반면 용해성, 혼합 점도 상승, 가공성 저하, 그리고 상분리 구조 제어의 어려움은 여전히 중요한 제약으로 남아 있다.1

Yao et al.은 polyetherimide(PEI)를 열가소성 인성화제로 사용하여 RTM용 에폭시 수지의 내충격성과 가공성을 동시에 향상시키고자 하였다.5 특히 amino-terminated PEI(A-PEI)와 phthalic anhydride-terminated PEI(P-PEI)를 합성하여 말단기에 따른 인성화 거동을 비교하였다. 두 시스템 모두 충격 특성을 향상시키는 효과를 나타냈으나, 말단기의 종류에 따라 형성되는 상구조와 인성화 효과에는 차이가 있었다. 이를 통해 열가소성 수지의 화학구조뿐 아니라 계면 구조의 제어가 내충격성 향상에 중요한 역할을 한다는 점을 확인하였다.

 

Farooq et al.은 poly(ether imide)(PEI)를 기존의 단순 블렌딩 방식에서 벗어나 다층 구조 (multilayer)로 도입하여 에폭시 수지의 계층적(hierarchical) 인성화 효과를 연구하였다.6 다층 구조는 균열의 성장과 전파를 효과적으로 억제하여 에폭시의 파괴인성을 크게 향상시켰으며, 열가소성 층의 구조를 적절히 설계할 경우 기존 방식보다 우수한 인성 향상이 가능함을 보여주었다. 즉, 최근 열가소성 수지 기반 인성화 기술은 단순한 열가소성 첨가를 넘어 반응 유도 상분리와 계면 구조 제어, 그리고 계층적 구조 설계를 통해 내충격성과 파괴인성을 극대화하는 방향으로 발전하고 있다.

한편, Sun et al.은 강체 코어와 연질고무 셸을 갖는 Fe₂O₃@APFS core-shell 입자를 에폭시 수지에 적용하여 에폭시의 기계적 특성을 향상시키고자 하였다. 해당 입자를 도입한 에폭시는 높은 강도를 유지하면서도 파괴인성과 충격 저항성이 향상되는 결과를 나타냈으며, 강체 코어와 연질 셸이 상호 보완적으로 작용하여 효과적인 인성화가 이루어지는 것으로 분석되었다. 이는 단순한 고무 입자 첨가보다 코어–셸 구조를 활용한 정밀 설계가 강도와 내충격성을 동시에 확보하는 데 유리할 수 있음을 보여준다.

 

즉, 최근 CSP 기반 내충격성 강화 기술은 단순한 고무 입자 첨가를 넘어 코어와 셸의 조성, 입자 크기 및 셸 두께를 정밀하게 설계하여 높은 내충격성을 확보하면서도 강도와 강성을 유지하는 방향으로 발전하고 있다.

4. 나노 필러 기반 내충격성 강화 기술   

 

나노 필러 기반 기술은 적은 첨가량으로도 강도와 인성을 동시에 높일 수 있다는 점에서 가장 활발히 연구되는 분야 중 하나이다. 여기에는 silica, TiO2, Al2O3 같은 산화물 나노입자뿐 아니라, graphene oxide(GO), carbon nanotube(CNT), GO/CNT hybrid, POSS, cellulose nanocrystal(CNC), regenerated cellulose/TiO2 바이오 하이브리드 등 매우 다양한 필러가 포함된다. 이들의 공통점은 높은 비표면적과 계면 상호작용을 활용하여 균열 선단에서 crack pinning, crack deflection, crack branching, particle debonding, plastic void growth, matrix shear yielding을 유도한다는 데 있다. 그러나 분산이 불량하면 오히려 응력 집중 원이 되어 기계적 성능을 저하시킬 수 있으므로, 표면개질과 계면 결합 설계가 성능을 좌우한다.1

Kim et al.은 표면 개질된 SiO2 나노입자를 에폭시 수지에 도입하여 점도와 기계적 물성 변화를 조사하였다.9 연구 결과, 적절한 양의 나노입자는 인장 특성과 충격 특성을 동시에 향상시키는 효과를 나타냈으며, 표면개질을 통해 에폭시 매트릭스와의 계면 결합력을 높여 보다 안정적인 물성 향상이 가능함을 확인하였다. 다만 나노입자의 함량이 지나치게 증가할 경우 입자 응집에 의해 충격 특성이 감소하는 경향을 보여, 균일한 분산과 적정 첨가량의 확보가 중요한 요소로 제시되었다.

 

즉, 나노 필러 기반 내충격성 강화 기술은 단순히 무기 입자나 탄소계 필러를 첨가하는 방식에서 나아가, 표면개질과 하이브리드 구조 설계를 통해 분산성과 계면 결합을 향상시키고, 이를 바탕으로 강도와 인성을 동시에 확보하는 방향으로 발전하고 있다.

5. 반응성 첨가제 기반 내충격성 강화 기술

 

반응성 첨가제 기반 내충격성 강화 기술은 에폭시 네트워크 자체를 재설계한다는 점에서 기존 상분리형 인성화 기술과 구별된다. 반응성 첨가제는 경화 과정에 직접 참여하여 네트워크 구조와 가교 밀도를 조절하고, 국부적인 유연성을 부여함으로써 균열 발생과 전파를 효과적으로 억제한다. 이러한 접근법은 기존 액상고무나 비반응성 첨가제에서 발생할 수 있는 상분리 및 계면 문제를 최소화하면서 기계적 강도와 내충격성의 균형을 확보할 수 있다는 장점을 가진다. 최근에는 바이오 기반 화합물, hyperbranched polymer, 반응성 난연제 및 동적 공유결합 시스템 등을 활용한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 고성능과 지속가능성을 동시에 만족시키는 차세대 에폭시 설계 전략으로 주목받고 있다.1

 

Liu et al.은 유연한 diethylene glycol 기반 diglycidyl ether(DGEG)를 반응성 첨가제로 활용하여 에폭시 수지의 기계적 특성을 개선하고자 하였다.11 DGEG는 경화 과정에서 에폭시 네트워크에 직접 참여하여 충격 특성과 파단 신율을 효과적으로 향상시켰으며, 적절한 첨가량에서는 인장 특성 또한 개선되는 결과를 나타냈다. 반면 유연 사슬의 도입에 따라 Tg와 열적 안정성이 일부 감소하는 경향을 보여, 내충격성과 내열성 사이의 균형설계가 필요함을 제시하였다.

 

Wang et al.은 polyoxypropylene 측쇄를 갖는 아민 경화제(AFPE)를 합성하여 에폭시 시스템의 인성화를 연구하였다.12 해당 경화제를 적용한 에폭시는 충격강도와 파단 신율이 향상되어 보다 우수한 변형 및 에너지 흡수 특성을 나타냈으며, 분자구조 변화에 따라 인성화 효과를 조절할 수 있음을 확인하였다. 그러나 유연한 측쇄의 증가와 함께 가교 밀도와 Tg가 감소하는 경향도 함께 나타나, 반응성 첨가제를 이용한 인성화에서는 기계적 성능과 열적 특성의 균형 확보가 중요한 과제로 제시되었다.

즉, 반응성 첨가제 기반 내충격성 강화 기술은 첨가제가 에폭시 네트워크에 직접 참여하여 균일한 구조를 형성함으로써 기존 비반응성 인성화제의 한계를 극복하고, 강도와 인성의 균형을 효과적으로 확보하는 방향으로 발전하고 있다.

이와 더불어, Yang et al.은 열 전도성과 난연성을 동시에 요구하는 에폭시 복합재를 위해 기능성 필러와 난연 시스템을 복합적으로 설계하였으며, 효율적인 열전달 경로 형성과 우수한 화재 안전성을 동시에 확보하여 전자 패키징 및 방열 소재 분야에 적용 가능한 다기능성 에폭시 설계 전략을 제시하였다.20 

최근에는 전기차 배터리, 전자 패키징 및 항공우주용 복합재와 같이 여러 성능이 동시에 요구되는 분야를 중심으로 이러한 다기능 복합 설계의 적용이 확대되고 있다.

 

2. 친환경 및 바이오 기반 첨가제 개발  

 

탄소중립과 순환 경제에 대한 관심이 증가함에 따라, 차세대 에폭시 시스템에서는 바이오매스 및 폐자원 유래 소재를 활용한 친환경 내충격성 강화 기술이 활발히 연구되고 있다. 기존의 CTBN이나 합성 고무계 첨가제를 대체하기 위해 다양한 바이오 기반 물질을 이용한 반응성 첨가제가 개발되고 있다.

 

예를 들어, Wei et al.은 천연 식물 유래 magnolol을 기반으로 한 바이오 기반 반응성 첨가제(DGEMP)를 개발하여 diglycidyl ether of bisphenol A(DGEBA) 에폭시 시스템에 적용하였다. 해당 첨가제는 에폭시 네트워크와 우수한 상용성을 형성하여 인장강도, 인성 및 충격강도를 향상시켰으며, 동시에 난연성을 부여하여 친환경성과 고기능성을 동시에 확보할 수 있음을 제시하였다.21

 

또한, Yang et al.은 재생 셀룰로오스와 나노 TiO2를 결합한 바이오 하이브리드 첨가제를 이용하여 고체 에폭시 수지의 강도와 내충격성을 동시에 향상시키고자 하였다. 개발된 바이오 기반 첨가제는 계면 상용성을 개선하여 기계적 물성을 향상시켰으며, 열적 안정성을 유지하면서도 지속 가능한 고성능 내충격성 강화 소재로서의 활용 가능성을 제시하였다.22

최근에는 단순히 바이오 기반 함량을 높이는 것을 넘어, 지속 가능한 원료를 이용하면서도 기존 석유계 에폭시와 동등 이상의 성능을 구현하는 방향으로 연구가 발전하고 있다.