금속 대체하는 고성능 엔지니어링 플라스틱 [우리가 몰랐던 과학 이야기] (278)

출처=sentinelplastics.co.uk

 
흔히 플라스틱 하면 페트병과 장난감, 주방용품 등을 떠올리기 쉽죠. 생활용품뿐만 아니라 전자제품과 자동차, 전기 부품으로도 사용되는 플라스틱이 있습니다. 특히 전자제품과 자동차에는 열에 좀더 잘 견딜 수 있는 엔지니어링 플라스틱(Engineering Plastics)이 쓰입니다.

엔지니어링 플라스틱은 용도와 종류에 따라 범용과 슈퍼, 탄소섬유 강화 등으로 구분할 수 있는데요. 최근 전 세계 친환경 이슈 및 자동차 경량화 트렌드에 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 알아보겠습니다.

◆엔지니어링 플라스틱이란?

금속을 대체할 수 있는 고성능 플라스틱으로, 강도와 탄성, 내열성이 우수합니다. 내충격성과 내마모성, 내한성, 내약품성, 전기 절연성이 뛰어나 생활용품과 전기·전자 제품, 그리고 항공기 및 자동차 구조재로 이용됩니다.

1958년 미국 듀폰사는 폴리아세탈(POM) 호모 폴리머를 ‘금속에 도전하는 플라스틱’으로 개발하기 시작했는데요. 이때부터 엔지니어링 플라스틱이라는 단어가 사용됐습니다. 금속 재료의 우수성과 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 공통점은 분자량이 몇십에서 몇백 정도의 저분자 물질의 플라스틱과 달리 몇십만에서 몇백만이나 되는 고분자라는 것입니다.

-폴리아미드(PA): ‘나일론’으로 마찰 마모성과 인장력, 내약품성, 난연성이 우수한 것이 특징입니다.

자동차 및 전기·전자 부품, 기계 부품, 의료용품, 식품 포장 필름 및 낚싯줄 등에 활용됩니다

-폴리아세탈(POM): 금속 기계 부품과의 대체가 가장 활발한 소재로, 강도와 내마모성, 치수 안정성이 우수합니다.

VCR, 오디오와 같은 전기·전자 부품, 자동차 도어락 및 와이퍼, 핸들류 및 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 특성을 자랑해 전기·전자 분야, 자동차 외장품, 카메라, 시계 등 기계 분야 및 인공 장기 등 의료 분야에 활용됩니다.

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

-변성 폴리페닐렌옥사이드(PPO): 우수한 강도, 치수 안정성, 전기적 특성, 그리고 최저 -40도~최고 130도의 넓은 사용 온도를 자랑합니다.

커넥터, 스위치 등 전기·전자 부품, 호일 커버, 자동차 부품 등에 이용됩니다.

◆고성능 슈퍼 엔지니어링 플라스틱

출처=dsm.com

 
일반적인 범용 엔지니어링 플라스틱은 내열 온도가 100도 이상입니다. 이와 더불어 150도 이상의 고온에서도 연속 활용할 수 있는 슈퍼 엔지니어링 플라스틱으로 분류됩니다.

대표적인 슈퍼 엔지니어링 플라스틱으로는 폴리이미드(Polyimid)와 폴리술폰(Polysulfone), 폴리페닐렌 술파이드(Poly Phenylene Sulfide), 폴리아미드이미드(Polyamide-imide), 폴리에테르 에테르 케톤(Polyether ether ketone), 액정폴리에스테르(Liquid-Crystal Polyester) 등이 있으며, 특성에 따라 용도가 다릅니다.

슈퍼 엔지니어링 플라스틱은 높은 내열성과 뛰어난 강도, 내약품성, 내마모성을 지녀 엔진 및 관련 고내열 부품, 전기·전자 정밀 부품, 펌프 및 배기가스 밸브 등에 사용됩니다.

◆강철을 대체하는 탄소섬유 강화 플라스틱

출처=A Market Research Report

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

1300도에서 탄소섬유 가열 과정을 거치면서 강철 대비 인장 강도가 40배 상승하는데요. 높은 강도와 강성을 요구하는 자동차 프레임과 엔진 커버 등에 쓰이고 있습니다.

출처=1zoon.me

 
우리가 생활에서 자주 접하는 범용 플라스틱, 전기·전자 제품과 자동차 부품 등에 이용되는 엔지니어링 플라스틱, 고내열성 덕분에 자동차 엔진과 정밀 부품에 활용되는 슈퍼 엔지니어링 플라스틱, 그리고 강철을 대체하는 탄소섬유 강화 플라스틱까지 플라스틱도 그 종류와 용도에 따라 다양하게 발전하고 있습니다.

플라스틱 소재의 발전은 지구 온실가스 배출량의 25%를 차지하고 있는 자동차 산업에서 탄소 배출을 줄이고 에너지 소비를 낮추는 데 기여하고 있다는 사실도 함께 기억해주세요!

한화솔루션 블로거