플라스틱 소재 PEEK란?
PEEK는 PolyEther Ether Ketone의 줄임말로, PolyEtheKetron 수지를 압출 성형한 열가소성 고기능 플라스틱입니다. 1978년에 영국의 ICI가 처음으로 PEEK에 대한 특허를 출원했고, 1981년에 빅트렉스 PEEK 폴리머로 상용화되었습니다. 이 소재는 플라스틱 중에서도 최고 수준의 내열성과 기계적 강도를 자랑하며, 다양한 산업 분야에서 활용되고 있습니다.
PEEK는 일반 플라스틱과는 다른 뛰어난 특성을 지니고 있어, 고온 및 고압 환경에서도 안정적으로 사용할 수 있습니다. 이 덕분에 전자기기, 의료기기, 항공우주산업 등 다양한 분야에서 필수적인 소재로 자리잡고 있습니다.
PEEK의 가공법
사출 성형
PEEK와 같은 열가소성 플라스틱은 사출 성형을 통해 가공할 수 있습니다. 사출 성형을 위해서는 먼저 플라스틱에 안료, 안정제, 충전제, 가소제 등을 첨가하여 소재를 칩 형태로 만들어야 합니다. 그 후 플라스틱을 용융 상태로 만들어 금형 쪽으로 사출합니다. 마지막으로 금형 속에서 굳은 플라스틱을 꺼내면 가공이 완료됩니다.
이 과정에서 주의해야 할 점은 고온 상태를 유지해야 한다는 것입니다. PEEK는 250~300도 정도의 높은 온도에서 가공해야 하므로, 적절한 온도 관리가 필수입니다.
적층 가공
적층 가공은 흔히 3D 프린팅으로 알려져 있으며, 소재를 여러 층으로 쌓아서 결합시키는 방식입니다. 금형을 제작하는 중간 과정을 생략할 수 있고, 즉각적인 수정이 가능하다는 장점이 있습니다. 그러나 공차적인 부분에서 아쉬움이 있을 수 있어, 정밀한 작업이 필요한 경우에는 PEEK를 CNC 가공으로 처리하는 것이 더 효율적입니다.
CNC 가공
CNC 가공은 PEEK 소재의 시제품 개발 및 부품 가공에 널리 사용됩니다. 고정밀 가공이 가능하고, 복잡한 형상의 제품을 제작할 수 있어 다양한 산업에서 중요한 역할을 합니다.
PEEK의 장점
1. 고온에 강한 내열성
PEEK는 연속 사용 온도가 250도 정도로 매우 높습니다. 내열성이 뛰어나 200~250도의 증기 속에서도 연속적으로 사용할 수 있으며, 단시간 동안이라면 300도까지도 견뎌낼 수 있습니다. 그러나 유리 전이점이 143도로 낮아 주의가 필요합니다.
2. 성형가공의 용이성
PEEK는 내열성이 강한 편이지만, 고온으로 가열하면 녹는 특성이 있어 유연하게 성형하고 가공할 수 있습니다. 이 덕분에 다양한 형상과 크기로 가공이 가능하며, 비용 면에서도 폴리이미드보다 저렴합니다.
3. 뛰어난 인장 강도
PEEK 소재를 탄소 섬유로 보강할 경우, 최대 29,000psi의 강도를 얻을 수 있습니다. 이는 약 2,038kgf/㎠로 환산할 수 있으며, 높은 내구성과 강도를 요구하는 환경에서도 안정적으로 사용할 수 있습니다. 이 외에도 PEEK는 난연성, 내화학성, 내마모성, 내방사선성 등의 다양한 장점을 가지고 있습니다.
PEEK의 단점
PEEK는 여전히 고가의 소재로, PPS나 PES와 같은 다른 슈퍼 엔지니어링 플라스틱 중에서도 가격이 높은 편입니다. 또한 가공 시 250~300도의 높은 온도를 유지해야 하며, 너무 높은 온도에서는 소재가 녹아버릴 수 있어 주의가 필요합니다.
PEEK는 나트륨, 황산, 질산, 크롬, 할로겐 등의 물질에는 약하며, 자외선에 대한 내성이 낮아 자외선 노출 환경에서도 주의가 필요합니다. 인장 강도가 강하지만, 단단한 재질로 밀링 가공을 시도하면 깨지기 쉽다는 단점도 있습니다.
PEEK의 종류
습동 등급
탄소 섬유, 사불화 에틸렌(PTFE), 그라파이트 등을 충전한 등급으로, 기본 등급의 접동성과 내마모성이 강화된 소재입니다. 라이너나 베어링과 같은 접동 부품에 사용됩니다.
유리 섬유 강화 등급
유리 섬유를 충전한 등급으로, 높은 강성과 내크리프성, 치수 안정성을 가지고 있습니다. 장시간 동안 높은 수준의 정적 하중이 가해지는 장소에서 사용됩니다.
카본 섬유 강화 등급
유리 섬유 강화 등급보다 높은 강성, 크리프성, 기계적 강도, 내마모성을 가지고 있습니다. 높은 열전도율을 가지고 있어 정전기 장애가 일어나거나 먼지가 묻으면 안 되는 부품에 주로 사용됩니다.
PEEK의 용도
PEEK는 다양한 산업 분야에서 널리 사용되는 고기능성 플라스틱으로, 그 용도는 매우 다양하고 특정 분야에서 핵심적인 역할을 합니다.
전자제품
PEEK는 전자제품에서 높은 내열성과 내화학성을 요구하는 부품에 사용됩니다. 특히, 고온 및 고압 환경에서도 안정적으로 동작해야 하는 반도체 장비, 커넥터, 절연체 등의 부품에 많이 활용됩니다. PEEK의 전기 절연 특성 덕분에 고전압 환경에서도 안전하게 사용할 수 있으며, 전자기 간섭을 최소화할 수 있습니다.
자동차
PEEK는 자동차 산업에서도 중요한 역할을 합니다. 높은 내열성과 내마모성 덕분에 엔진의 트랜스미션 부품, 베어링, 기어 등에 사용됩니다. 특히, 엔진 내부의 고온 환경에서도 변형 없이 견딜 수 있어 엔진 성능을 향상시키는 데 기여합니다. 또한, PEEK는 금속보다 가벼워 차량의 무게를 줄여 연비 향상과 CO2 배출 감소에 도움을 줍니다.
항공우주
항공우주 산업에서도 PEEK는 필수적인 소재로 사용됩니다. PEEK는 고온, 고압, 고진동 환경에서도 우수한 성능을 발휘하며, 항공기 내부의 다양한 부품에 사용됩니다. 특히, 경량화가 중요한 항공기에서는 PEEK의 낮은 무게가 큰 장점으로 작용하여 연료 효율성을 높이고 운용 비용을 줄이는 데 기여합니다.
의료기기
PEEK는 의료기기 분야에서도 그 활용도가 높습니다. 생체적합성이 우수하여 치과 임플란트, 정형외과용 기구, 척추 임플란트 등에 사용됩니다. PEEK는 인체와 잘 어울리며, 감염에 저항하는 특성을 가지고 있어 환자의 회복을 돕습니다. 특히, 치과 임플란트로 사용될 경우 금속 알레르기 환자에게 좋은 대안이 될 수 있습니다.
반도체 및 LCD 제조
반도체 및 LCD 제조 장비 부품에도 PEEK가 사용됩니다. PEEK는 고온에서 안정적으로 작동하며, 화학물질에 강해 반도체 제조 공정에서 발생하는 다양한 화학물질에 노출되어도 변형이나 손상이 없습니다. 이러한 특성 덕분에 반도체 공정의 효율성을 높이고, 제품의 품질을 유지하는 데 중요한 역할을 합니다.
기타 산업
PEEK는 이 외에도 다양한 산업 분야에서 사용됩니다. 예를 들어, 해양 산업에서는 PEEK의 내수성과 내염성이 중요한 역할을 합니다. PEEK는 해양 환경에서도 부식되지 않으며, 염분에 강해 해양 구조물이나 선박 부품에 사용됩니다. 또한, PEEK는 식품 가공 산업에서도 활용되며, 높은 내열성과 내화학성 덕분에 식품 가공 장비의 부품으로 사용됩니다.
