금속 대체하는 고성능 엔지니어링 플라스틱 [우리가 몰랐던 과학 이야기] (102)

출처=스페셜 엔지니어링 플라스틱(Specialist Engineering Plastics)

흔히 플라스틱 하면 페트병이나 장난감, 주방용품 등을 떠올리기 쉽죠.

이 같은 생활용품뿐만 아니라 전자제품과 자동차, 전기 부품으로도 사용되는 플라스틱이 있습니다. 특히 전자제품과 자동차에는 열에 좀더 잘 견딜 수 있는 엔지니어링 플라스틱(사진)이 쓰입니다.

엔지니어링 플라스틱은 용도와 종류에 따라 범용과, 슈퍼, 탄소섬유강화 등으로 구분할 수 있는데요.

최근 전 세계의 친환경 이슈 및 자동차 경량화 추세에 따라 무게는 더 가볍지만 강도는 더 강한 엔지니어링 플라스틱이 주목받고 있습니다.

오늘은 금속을 대체해 자동차 무게를 점점 가볍게 해주는 데 기여하고 있는 엔지니어링 플라스틱에 대해 알아보도록 하겠습니다.

◆엔지니어링 플라스틱이란?

출처=www.sentinelplastics.co.uk

엔지니어링 플라스틱(Engineering Plastics·사진)은 금속을 대체할 수 있는 고성능으로, 강도와 탄성, 내열성이 뛰어납니다. 내충격성과 내마모성, 내한성, 내약품성, 전기 절연성이 탁월해 생활용품과 전기·전자제품, 항공기 및 자동차의 구조재로 이용됩니다.

1958년 미국 듀폰사가 폴리아세탈(POM) 호모 폴리머를 ‘금속에 도전하는 플라스틱’으로 개발하기 시작하면서 ’엔지니어링 플라스틱’이라는 단어가 활용되기 시작했는데요. 금속 재료의 우수한 점과 플라스틱 특유의 장점을 모두 가진 화학 소재입니다.

◆엔지니어링 플라스틱 종류 및 특징

범용 플라스틱은 대표적으로 PVC(Poly Vinyl Chloride)와 PS(Polystyrene), HDPE(High Density Polyethylene·고밀도 폴리에틸렌), PP(Polypropylene), ABS(Acrylonitrile, Butadiene, Styrene) 등을 꼽을 수 있는데요.

엔지니어링 플라스틱 5개를 꼽는다면, 폴리아미드(Polyamide)와 폴리아세탈(Polyoxymethylene), 폴리카보네이트(Polycarbonate), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(polybutylene terephtalate), 변성 폴리페닐렌옥사이드(polyphehyleneoxide)가 있습니다.

이들의 플라스틱의 공통점은 분자량이 몇십에서 몇백 정도의 저분자 물질의 플라스틱과 달리, 몇십만에서 몇백만이나 되는 고분자 물질이라는 것입니다.

-폴리아미드(PA): ‘나일론’으로 마찰 마모성과 인장력, 내약품성, 난연성이 우수한 것이 특징입니다. 자동차 및 전기전자, 기계 부품, 의료용품, 식품 포장 필름 및 낚싯줄 등에 사용됩니다.

-폴리아세탈(POM): 금속 기계부품과의 대체가 가장 활발한 소재로, 강도와 내마모성, 치수 안정성이 우수합니다. 치수 안정성은 다양한 환경 조건에서도 폴리머(중합체)가 원래 크기를 유지할 수 있는 능력을 가리키는데, 이게 우수한 플라스틱은 낮은 열팽창 계수와 낮은 수분 흡수율을 보입니다. VCR, 오디오와 같은 전기전자 부품, 자동차 도어락(자물쇠) 및 와이퍼, 핸들·기어류에 쓰입니다.

-폴리카보네이트(PC): 광학정보 분야에 이용이 기대되는 소재로, 강도와 내열성, 내환성성이 우수해 정밀기계 부품에 많이 적용됩니다. 또한 흡습으로 인한 치수 변화가 적고 온도 변화에 안정된 특성으로 전기전자분야와 자동차 외장품, 카메라, 시계 등 기계분야 및 인공장기 등의 의료분야에 활용됩니다.

-폴리부틸렌 테레프탈레이트(PBT): 강도와 내열성, 전기 절연성이 뛰어나 전기전자 및 자동차 부품 등에 쓰입니다.

-변성 폴리페닐렌옥사이드(PPO): 우수한 강도와 치수 안정성, 전기적 특성, 그리고 최저 영하 40도~최고 130도의 넓은 사용 온도를 자랑하고 있습니다. 커넥터와 스위치 등 전기전자부품, 호일 커버, 자동차 부품 등에 이용됩니다.

◆고성능 슈퍼 엔지니어링 플라스틱

출처=www.dsm.com

일반적인 범용 엔지니어링 플라스틱은 내열 온도가 100도 이상인데, 150도 이상의 고온에서도 연속 활용할 수 있으면 ‘슈퍼 엔지니어링 플라스틱’으로 분류합니다. 대표적인 슈퍼 엔지니어링 플라스틱으로는 폴리이미드(Polyimid)와 폴리술폰(Polysulfone), 폴리페닐렌 술파이드(Poly Phenylene Sulfide), 폴리아미드이미드(Polyamide-imide), 폴리에테르 에테르케톤(Polyether ether ketone), 액정 폴리에스테르(Liquid-Crystal Polyester) 등이 있으며, 특성에 따라 용도가 다르게 사용됩니다.

슈퍼 엔지니어링 플라스틱은 높은 내열성과 뛰어난 강도, 내약품성, 내마모성으로 엔진 및 관련 고내열 부품, 전기전자 정밀부품, 펌프 및 배기가스 밸브 등에 쓰입니다.

◆강철을 대체하는 탄소섬유강화 플라스틱

출처=A Market Research Report

내열성과 강성을 강화하기 위해 유리섬유나 탄소섬유를 결합하기도 하는데요. 탄소섬유강화 플라스틱은 철보다 75% 가벼우면서도 강도와 탄성은 각각 10배, 7배 우수한 특성을 지니고 있어 철을 대체하는 차세대 경량 소재로 각광받고 있습니다.

또 1300도에서 탄소섬유 가열 과정을 거친 결과 강철 대비 인장 강도가 40배 상승하여 높은 강도와 강성을 요구하는 자동차 프레임과 엔진커버 등에 이용되고 있습니다.

출처=1zoon.me

우리가 생활 속에서 자주 접하는 범용 플라스틱, 전기전자 제품과 자동차 부품 등에 활용되는 엔지니어링 플라스틱, 고내열성으로 자동차 엔진과 정밀 부품에 사용되는 슈퍼 엔지니어링 플라스틱, 그리고 강철을 대체하는 탄소섬유강화 플라스틱까지. 플라스틱도 그 종류와 용도에 따라 다양하게 발전하고 있습니다.

플라스틱 소재의 발전은 지구 온실 가스 배출량의 25%를 차지하고 있는 자동차 산업에서 탄소 배출을 줄이고 에너지 소비를 낮추는 데 기여하고 있다는 사실도 함께 기억하길 바랍니다.

한화케미칼 블로거

*이 기고는 한화케미칼과 세계일보의 제휴로 작성되었습니다.

ⓒ 세상을 보는 눈, 세계일보