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[소재탐구] 금속을 대체하는 플라스틱, 엔지니어링 플라스틱

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2024-04-15

목차

    엔지니어링 플라스틱 개요

    엔지니어링 플라스틱은 그 이름에서 알 수 있듯이, 기술적 용도와 공학적 요구 사항을 충족시키기 위해 설계된 특수 플라스틱으로 금속을 대체하는 소재로 사용됩니다. 일반 플라스틱과 비교했을 때, 엔지니어링 플라스틱은 높은 강도, 우수한 내구성, 뛰어난 내열성 및 화학적 안정성을 제공합니다. 이러한 특성 때문에 엔지니어링 플라스틱은 자동차, 항공, 전자 기기 등 고성능을 요구하는 다양한 산업 분야에서 필수적인 소재로 자리 잡았습니다.

    엔지니어링 플라스틱 예시

    엔지니어링 플라스틱이란?

    엔지니어링 플라스틱은 일상적인 사용을 넘어서, 특정 기계적, 열적, 화학적 요구 사항을 충족하는 고성능 소재입니다. 이러한 플라스틱은 기존의 금속이나 기타 전통적 재료를 대체할 수 있는 능력을 가지고 있으며, 이는 무게 감소, 비용 절감 및 제조 공정의 단순화를 가능하게 합니다. 폴리아미드(PA), 폴리카보네이트(PC), 폴리에테르에테르케톤(PEEK) 등이 대표적인 예로, 각각의 물질은 특유의 성질을 갖고 있어 특정 애플리케이션에 적합합니다.

    엔지니어링 플라스틱의 역사

    엔지니어링 플라스틱의 역사는 20세기 초반에 시작되었습니다. 초기에는 주로 전자 및 통신 장비의 부품으로 사용되었으나, 시간이 지남에 따라 그 사용 범위가 확장되었습니다. 1960년대에 들어서면서, 폴리아미드, 폴리카보네이트 등 다양한 엔지니어링 플라스틱이 개발되기 시작했고, 이는 항공 우주, 자동차, 의료 기기 등 더욱 광범위한 산업 분야로 확대되었습니다. 오늘날 엔지니어링 플라스틱은 지속 가능한 소재로서의 역할도 중요시되고 있으며, 재활용 가능성과 환경 영향 최소화를 위한 연구가 활발히 진행 중입니다.

     

    엔지니어링 플라스틱의 분류

    엔지니어링 플라스틱은 그 사용성과 성능에 따라 다양한 분류로 나뉩니다. 이들은 일반 플라스틱에 비해 뛰어난 강도, 내열성, 내화학성을 갖추고 있어 특수한 환경이나 요구사항을 충족시키는 데 적합합니다. 엔지니어링 플라스틱을 '범용', '고성능', 그리고 '슈퍼' 엔지니어링 플라스틱으로 나누어 각각의 특성과 사용 예를 살펴보겠습니다.

    범용 엔지니어링 플라스틱

    범용 엔지니어링 플라스틱은 넓은 범위의 산업 분야에서 사용되는 플라스틱으로, 폴리아미드(PA), 폴리카보네이트(PC), 폴리아세탈(POM), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(PBT) 등이 이에 속합니다. 이들은 일반 플라스틱보다 높은 기계적 강도와 내구성을 제공하며, 비교적 높은 온도와 화학물질에 대한 저항성을 지닙니다. 예를 들어, 폴리아미드는 자동차 부품, 전기/전자 장비 등에서 광범위하게 사용되며, 그 용도는 소비재에서부터 산업용 장비에 이르기까지 다양합니다. 범용 엔지니어링 플라스틱은 가공이 비교적 용이하며, 경제적인 측면에서도 합리적인 선택지입니다.

    고성능 엔지니어링 플라스틱

    고성능 엔지니어링 플라스틱은 특히 고온 환경에서의 우수한 내열성과, 뛰어난 기계적 성질을 요구하는 분야에 사용됩니다. 예를 들어, 폴리페닐설파이드(PPS)와 폴리에테르에테르케톤(PEEK)은 각각 고온 및 강한 화학적 내성이 요구되는 환경에서 선택되는 소재입니다. 이러한 고성능 플라스틱은 항공우주, 의료기기, 자동차 엔진 부품 등 고도의 성능이 요구되는 어플리케이션에서 중요한 역할을 합니다. 이들은 비용은 높지만, 그만큼의 성능을 보장받을 수 있는 투자 가치가 높은 소재들입니다.

    슈퍼 엔지니어링 플라스틱

    슈퍼 엔지니어링 플라스틱은 최상위 카테고리에 속하며, 탁월한 내열성, 기계적 성질 및 화학적 저항성을 자랑합니다. 이 소재들은 매우 까다로운 산업 환경에서도 사용될 수 있으며, 특히 우주항공, 군사, 반도체 산업에서 그 가치를 인정받고 있습니다. 예로, 폴리이미드(PI)는 극단적인 환경에서도 성능을 유지할 수 있어 우주선의 외부 구조물에 사용됩니다. 이들 소재는 생산 비용이 매우 높지만, 그에 상응하는 성능으로 필수적인 경우가 많습니다.

     

    주요 엔지니어링 플라스틱 종류 및 특성

    엔지니어링 플라스틱 예시

    엔지니어링 플라스틱은 고성능 소재로서, 일반 플라스틱과 비교하여 뛰어난 강도, 내열성, 내화학성을 제공합니다. 이러한 특성으로 인해, 다양한 산업 분야에서 금속을 대체하는 소재로 자리 잡고 있습니다. 아래에서는 엔지니어링 플라스틱의 대표적인 네 가지 유형의 특성에 대해 소개하겠습니다.

    폴리아미드 (PA)

    폴리아미드, 일반적으로 나일론으로 불리는 이 소재는 엔지니어링 플라스틱 중에서도 특히 높은 인기를 자랑합니다. PA는 뛰어난 내마모성과 기계적 강도, 우수한 내열성을 가지고 있어 자동차 엔진 커버, 전기/전자 장비의 구성 요소, 그리고 일상용품 등 광범위한 용도로 사용됩니다. 또한, 폴리아미드는 가공이 용이하며, 강화 섬유와의 혼합을 통해 그 특성을 한층 강화시킬 수 있습니다. 환경적으로도 내한성 및 내화학성 측면에서 우수한 성능을 보여, 다양한 환경에서의 안정성이 요구되는 부품에 적합합니다.

    폴리카보네이트 (PC)

    폴리카보네이트는 투명성과 함께 충격에 강한 특성을 지녔습니다. 이로 인해 안경 렌즈, 투명한 보호 커버, 조명기구 등에서 널리 사용됩니다. PC는 또한 뛰어난 내열성과 전기적 특성을 가지고 있어 전자 기기의 외장재나 내부 구조물에도 이상적입니다. PC의 가공성이 좋고, 난연성이 뛰어나며, UV에 대한 내성도 갖추고 있어 외부 환경에 노출되는 다양한 응용 제품에도 적합합니다. 안정적인 기계적 특성과 높은 내구성은 PC를 강력한 구조적 재료로 만들어 줍니다.

    폴리부틸렌 테레프탈레이트 (PBT)

    PBT는 우수한 전기적 특성, 열 안정성 및 화학적 저항성을 가진 엔지니어링 플라스틱입니다. 이 소재는 주로 전기 스위치, 커넥터, 센서 하우징과 같은 전기 부품과 자동차 부품 제조에 사용됩니다. PBT는 또한 빠른 결정화 속도를 가지고 있어 생산 과정에서의 사이클 타임을 단축시킬 수 있는 장점을 가지고 있습니다. PBT의 변형률이 낮고 차원 안정성이 높기 때문에 정밀 부품 생산에도 적합합니다.

    변성 폴리페닐렌옥사이드 (PPO)

    변성 PPO는 원래의 폴리페닐렌옥사이드를 다른 플라스틱과 혼합하여 열적, 기계적 성질을 향상시킨 소재입니다. 높은 내열성과 전기 절연성을 지녀 전자 부품 및 가전제품의 핵심 소재로 사용됩니다. 이 소재는 또한 낮은 비중을 가지고 있어 경량화가 필요한 응용 분야에서 유리하며, 화학적 안정성도 뛰어나 다양한 화학 물질에 노출되는 환경에서도 안정적인 성능을 발휘합니다.

    폴리아세탈 (POM)

    폴리아세탈은 강한 강성, 뛰어난 치수 안정성, 우수한 마모 저항성을 가지고 있어 기계적 부품, 정밀 기어, 베어링, 자동차 부품, 전자 부품에 이상적입니다. 낮은 마찰 계수와 높은 내구성으로 인해 고성능 엔지니어링 플라스틱 중에서도 특히 우수한 성능을 자랑합니다. POM은 또한 우수한 화학 저항성을 갖추고 있어, 산이나 알칼리와 같은 강한 화학 물질에 노출되는 환경에서도 사용 가능합니다.

     

    엔지니어링 플라스틱 물성표

    엔지니어링 플라스틱은 일반적인 플라스틱과 달리 더 높은 기계적 강도, 내열성 및 화학적 안정성을 갖추고 있어 복잡하고 엄격한 응용 분야에서 널리 사용됩니다.

    소재명 흡수율 (%) 열전도율 (W/mK) 열변형온도 (°C) 선팽창계수 (x10^-6/°C) 내열온도 (°C) 비중 (g/cm³) 경도 (Shore D) 인장강도 (MPa) 신장율 (%) 탄성계수 (GPa) 마찰계수 충격강도 (kJ/m²) 체적고유저항 (Ω·cm) 절연파괴강도 (kV/mm) 유전율 유전체력율
    PA  1.2 0.25 75 80 150 1.13 75 75 300 2.7 0.35 No break 10^13 30 3.7 5
    PC  0.15 0.2 140 65 135 1.2 80 62 130 2.3 0.42 850 10^15 20 3 2.9
    PBT  0.1 0.24 50 100 160 1.31 78 50 250 2.4 0.4 30 10^15 19 3.2 2.8
    PPO  0.06 0.22 110 55 140 1.06 75 69 60 2.5 0.38 45 10^16 30 2.6 3.1
    POM  0.2 0.35 104 110 100 1.41 82 70 40 3.0 0.34 No break 10^14 24 3.8 3.0

    물리적 성질

    엔지니어링 플라스틱의 물리적 성질은 그것이 어떻게 일상생활과 산업에서 사용될 수 있는지를 결정합니다. 높은 인장 강도, 충격 저항 및 내마모성은 이들 소재를 강력한 기계적 부하가 있는 환경에 이상적으로 만듭니다. 예를 들어, 폴리아미드(PA)는 뛰어난 마모 저항성과 함께 우수한 미끄럼 특성을 제공하여 기어나 베어링과 같은 부품에 적합합니다.

    열적 성질

    열적 성질은 엔지니어링 플라스틱이 얼마나 높은 온도에서도 성능을 유지할 수 있는지를 나타냅니다. 대부분의 엔지니어링 플라스틱은 높은 융점과 함께 우수한 열안정성을 가지고 있어 자동차 엔진룸과 같이 고온 환경에서도 사용이 가능합니다. 예를 들어, 폴리카보네이트(PC)는 135°C 이상의 온도에서도 강도를 유지하며, 전자기기의 외장재 등 고온에 노출되는 부품에 사용됩니다.

    기계적 성질

    기계적 성질은 엔지니어링 플라스틱이 어떤 하중이나 스트레스 상황에서도 그 형태와 기능을 유지할 수 있는지를 말해 줍니다. 이들 플라스틱은 일반적으로 높은 인장강도, 좋은 굴곡 강도 및 우수한 충격 강도를 갖추고 있습니다. 이러한 특성으로 인해, 엔지니어링 플라스틱은 구조적 부품에서 안전과 성능이 중요한 항공기 내부 구조물에 이르기까지 다양하게 사용됩니다.

     

    엔지니어링 플라스틱의 활용 분야

    엔지니어링 플라스틱은 그 우수한 성능 덕분에 다양한 산업 분야에서 광범위하게 활용되고 있습니다. 이 플라스틱의 주요 사용처는 자동차 산업, 전자 및 전기 산업, 그리고 건축 및 건설 분야입니다.

    자동차 산업

    자동차 산업에서 엔지니어링 플라스틱은 주로 경량화 및 연비 향상을 위해 사용됩니다. 이 재료는 전통적인 금속보다 가볍지만, 내구성과 강도가 뛰어나 차체 패널, 내장재, 엔진 부품 등에 적용됩니다. 또한, 내열성과 내화학성이 뛰어나기 때문에 엔진 주변 또는 배기 시스템과 같이 고온 환경에 노출되는 부위에도 사용됩니다. 이를 통해 자동차는 더 가벼워지면서도 안전성은 유지할 수 있게 되었습니다.

    엔지니어링 플라스틱의 용례 - 자동차 산업

    전자 및 전기 산업

    전자 및 전기 산업에서는 엔지니어링 플라스틱이 기기의 견고함을 높이고, 전자파 방해를 최소화하는 데 도움을 줍니다. 컴퓨터, 스마트폰, 태블릿과 같은 전자 기기의 외장재 뿐만 아니라, 스위치, 소켓 등의 전기 부품에도 사용되어 제품의 수명을 연장시키고 성능을 향상시킵니다. 또한, 플라스틱은 가공이 용이하여 복잡한 부품의 정밀 제작이 가능하며, 대량 생산에서도 경제적입니다.

    건축 및 건설

    건축 및 건설 분야에서 엔지니어링 플라스틱은 건축물의 구조적 요소로서뿐만 아니라, 단열, 방음, 방수 등의 기능성을 향상시키는 데 사용됩니다. 창문 프레임, 파이프라인, 외장재 등 다양한 구성 요소에 적용되어 건축물의 전체적인 내구성과 효율성을 높이고 있습니다.

     

    엔지니어링 플라스틱의 장단점

    엔지니어링 플라스틱은 다양한 산업에서 필수적으로 사용되는 만큼 많은 장점을 가지고 있지만, 일부 단점도 존재합니다.

    장점

    엔지니어링 플라스틱의 가장 큰 장점은 무엇보다도 뛰어난 물리적, 화학적 성질입니다. 이 재료들은 강철과 같은 전통적인 재료보다 가벼우면서도 강도가 높고, 내화학성, 내열성, 내마모성이 우수합니다. 이로 인해 제품의 수명이 길어지고, 더 다양한 환경에서 사용할 수 있습니다. 또한, 가공이 용이하여 디자인의 자유도가 높고, 대량 생산에도 적합하여 경제적인 측면에서도 많은 이점을 제공합니다.

    단점

    반면, 엔지니어링 플라스틱의 단점으로는 높은 비용이 들 수 있다는 점을 들 수 있습니다. 일반 플라스틱에 비해 원료비가 높으며, 특수한 성질을 요구하는 경우 추가적인 처리 과정이 필요하게 되어 비용이 증가합니다. 또한, 일부 플라스틱은 UV 노출에 취약하거나 재활용이 어려운 경우가 있어 환경적인 측면에서 문제가 될 수 있습니다. 이러한 단점들은 엔지니어링 플라스틱을 선택하는 과정에서 충분히 고려되어야 할 요소입니다.

     

     

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