엔지니어링 플라스틱(Engineering plastics) 종류, 특성

엔지니어링 플라스틱에 대해 알아보겠습니다.

 

이번 포스팅에서는 엔지니어링 플라스틱에 대한 이야기를 다뤄보겠습니다. 엔지니어링 플라스틱은 전기차, 우주항공 분야 산업이 확장되면서 지속적으로 수요가 늘어나고 있는 분야입니다. 전기차나 우주항공분야에서는 연료 절감 또는 다른 목적으로 무게가 가벼우면서도 단단하고 내구성이 좋은 재료를 찾고 있습니다. 엔지니어링 플라스틱 중에서도 이런 특성을 가진 물질이 있습니다. 그럼 어떻게 엔지니어링 플라스틱을 만들게 되었는지, 종류는 어떤 것들이 있고 특성은 어떻게 되는지에 대해 알아보도록 하겠습니다. 

 

 

 

1. 엔지니어링 플라스틱의 개발 역사

 

엔지니어링 플라스틱은 금속, 유리, 고무와 같이 기존에 사용하던 물질들을 대체하기 위해 엔지니어들이 찾아낸 재료입니다. 기존 재료에 비해 기계적, 열적, 화학적으로 더 나은 특성을 갖추기 위해 많은 실험들을 진행했습니다. 

 

먼저 대표적으로 나일론을 들 수 있습니다. 듀폰사(Dupont)가 개발한 나일론은 엔지니어링 플라스틱 분야에서 중요한 물질입니다. 섬유 형태로 만들어지는 나일론은 질기고 가벼워서 다양한 모양으로 만드는 것이 가능하고 기어, 베어링, 자동차 부품 등 내구성이 중요한 부품에 많이 사용되었습니다. 

 

제2차 세계대전에서는 여러 가지 물질에 대한 공급이 부족했으면 기존 물질을 대체할 수 있는 새로운 소재에 대한 수요가 엔지니어링 플라스틱의 개발로 이어졌습니다. 폴리에틸렌, 폴리스타이렌, PVC 등이 이 기간에 개발된 소재이며, 다양한 산업과 산업 응용 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 

 

그 후 수십 년 동안 각각 고유한 속성과 용도를 가진 수많은 새로운 엔지니어링 플라스틱이 개발되었습니다. 1960년대에는 우수한 내충격성과 광학적 투명도(말 그래도 투명한 소재)를 제공하는 폴리카보네이트가 개발되어 고글이나 항공기 창과 같은 분야에서 사용되었습니다. 

 

엔지니어링 플라스틱이 주목을 받는 이유는 무엇일까요? 몇가지 이유를 들 수 있는데 먼저 특성에서 기존 소재에 비해 우수하고, 특성을 조절함에 따라 경량화가 가능합니다. 또한 여러가지 분야에 다양하게 사용이 가능하고 기존 재료에 비해 싸게 만들 수 있다는 장점이 있습니다. 

 

1) High performance(고성능) : 엔지니어링 플라스틱은 금속이나 유리, 고무와 같은 소재보다 강도, 강성, 내화학성, 전열, 단열 특성 등에서 상대적으로 더 좋은 특성을 가질 수 있습니다. 

 

2) Light weight(경량) : 많은 엔지니어링 플라스틱은 가볍기 때문에 자동차 및 우주항공 산업과 같이 무게가 중요한 요소에 매력적인 소재입니다. 엔지니어링 플라스틱

 

3) Versatility(다목적성) : 엔지니어링 플라스틱은 다양한 모양과 크기로 성형할 수 있어 광범위한 응용분야에 활용이 가능합니다. 

 

4) Cost effectiveness (비용 효율성)  엔지니어링 플라스틱은 경우에 따라 기존 재료보다 더 비쌀 수 있지만 특성과 성능으로 인해 장d기적으로 비용 효율적인 옵션이 된는 경우가 있습니다. 예를 들어  엔지니어링 플라트식은 기존 재료에 비해 유지 보수가 짧고 서비스 수명이 길며 효율성이 향상될 수 있습니다. 

 

 

 

2. 엔지니어링 플라스틱의 종류 및 활용 분야

 

엔지니어링 플라스틱은 산업과 응용 분야에 따라 사용하는 재료가 다르지만, 현재 가장 많이 사용되고 있는 엔지니어링 플라스틱은 다음과 같습니다. 

 

1) ABS라고 부르는 아크릴로나이트릴 부타디엔 스타이렌(분자구조)

ABS는 인성, 내충격성이 좋고 생산 비용이 적게 들어가는 열가소성 수지입니다. 자동차 부품이나, 장난감, 소비재를 포함해 광범위한 응용 분야에 사용되고 있습니다. 

* 열가소성 수지(Thermoplastic resin) : 열을 가하면 다시 성형이 가능한 수지

 

2) 폴리아마이드(Polyamide)(분자구조)

나일론으로 알려져 있으며, 코오롱이나 효성과 같은 기업에서 아미드섬유라고 만들어서 방탄섬유와 같이 특수한 목적의 제품을 만드는 소재로 알려져 있습니다. 강도, 인성, 내마모성이 좋은 열가소성 수지이며, 기어, 베이링 기타 기계 부품에도 사용되고 있습니다. 

 

3) 폴리카보네이트(Polycarbonate, PC)(분자구조)

폴리카보네이트는 투명성, 내충격성 및 내열성이 좋은 엔지니어링 플라스틱으로 열가소성 수지입니다. 고글과 같이 투명성과 강도가 필요한 안전장비나 전자 부품, 자동차 부품 등에도 활용하고 있습니다. 

 

4) 폴리옥시메틸렌(Polyoxymethylene)(분자구조)

아세탈이라고도 부르며, 강성, 인성, 낮은 마찰계수로 알려진 엔지니어링 플라스틱입니다. 기어, 베어링과 같은 기계 부품에 일반적으로 사용하고 있습니다. 고분자 사슬을 중첩하여 만들기 때문에 매우 단단하게 만들 수 있는 수지이며, 이 성질을 이용해 금속을 대체하는 재료로도 사용하고 있습니다. 

 

5) 폴리페닐렌옥사이드(Polyphynyl Oxide)(분자구조)

PPO라고 부르며 고온 저항성, 치수 안정성 및 내화학성으로 잘 알려진 엔지니어링 플라스틱입니다. 자동차 부품, 전자 부품, 의료 기기와 같은 분야에 일반적으로 사용하고 있습니다. 

 

6) PEEK(Polyether Ether Ketone)(분자구조)

에테르(에테르라고 흔히 발음하지만 원래는 이써(th발음ㅋ)라고 읽어야 합니다.) 는 Ether와 Ketone 그룹이 반복되는 반결정성 고분자로 열가소성 수지입니다. 고온저항성, 강도, 인성, 내화학성이 우수한 소재로 알려져 있으며, 항공우주, 자동차, 의료 등 광범위한 영역에서 사용하고 있습니다. 

 

이렇게 많은 엔지니어링 플라스틱 중에서 산업에서 정말 많이 사용하는 ABS에 대해서 살펴보도록 하겠습니다. 엔지니어링 플라스틱은 일반적으로 폴리머이며, 플라스틱이라는 용어 자체가 폴리머를 의미합니다. 

 

 

 

ABS는 말 그대로 Acrylonitril(아크릴로나이트릴), 부타다이엔(Butadiene), 스타이렌(Styrene) 등 세 가지 모노머를 중합하여 만들게 됩니다. 중합체는 세가지 단량체의 성질을 혼합하게 되는데 각각의 단량체의 성질을 살펴보겠습니다. 

 

1) 아크릴로나이트릴 : 아크릴로나이트릴 단량체는 ABS에 열 안정성, 내화학성 및 내열성을 제공합니다. 또한 중합체의 강성, 경도 및 고온에 대한 내성에 기여를 하게됩니다. 아크릴로 나이트릴을 보면 삼중결합과 이중결합이 있습니다. 이런 다중 결합들이 강도, 안정성 등에 기여를 하게 됩니다. 

 

2) 부타다이엔 : 부타다이엔은 고분자에 인성, 내충격성 및 연성을 만드는 역할을 합니다. 일정 정도의 변형을 견디는 역할을 하게 하고 우수한 내충격성을 가지도록 기여하게 됩니다. 

 

3) 스타이렌 : 스타리렌은 가공성, 치수 안정성, 광택 표면 등을 제공합니다. 

 

ABS의 특성은 3가지 단량체를 어느 정도의 비율로 중합하느냐에 따라 특성을 조절할 수 있습니다. 

 

 

 

3. 엔지니어링 플라스틱 시장 규모

 

엔지니어링 플라스틱 시장은 'Markets and Markets' 자료에 따르면 2020년 708억 달러 규모에서 2025년에는 1,009억 달러에 이를 것으로 예측되고 있으며 연평균(CAGR, compound annual growth rate) 7.3%의 성장률을 보일 것으로 예상되고 있습니다. 

 

엔지니어링 플라스틱은 자동차, 항공, 우주, 전자 등  다양한 산업분야에서 고성능 소재에 대한 수요 증가를 포함한 여러가지 요인으로 지속 성장할 것으로 보입니다. 또한 고강도, 내구성 등 물성을 개선한 새롭고 혁신적인 엔지니어링 플라스틱의 개발도 시장 성장 견인에 한 몫을 하고 있습니다.

 

 

 

 

By. POLF