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?

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

Home appliances. Tv, refrigerator, microwave, laptop and washing maching. 3d

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

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

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.

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.