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혁신을 가져오는 소재들
 
가공성과 품질을 향상시키는 불소소재와 글라스버블
 
김유리기자 | 2014.07.28 | 2014년 8월호
 
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품질에 대한 요구수준은 끝없이 높아지고 있다. 특히 분야를 막론하고 공통으로 요구되는 것이 효율성 향상과 친환경성일 것이다. 튼튼하면서도 가볍게, 또 친환경적이면서도 온도 변화나 부식등 가혹한 환경에서 잘 견뎌야 한다. 이번에 소개할 솔루션은 이러한 요구사항에 적합한 소재와 첨가제들이다. 어떤 특징으로 이러한 요구를 충족하는지 알아보았다.
불소소재
플루오린(fluorine)이라고도 부르는 불소(F)는 원소 중 반응성이 가장 크고 제일 강한 산화제이며 전기음성도가 가장 크다. 적용 분야로는 우리에게 친숙한 충치 예방용 불소치약, 음식이 눌어붙지 않게 하는 주방 기구 코팅(테플론, teflon), 방수기능이 뛰어난 고어텍스 등을 들 수 있다.
  앞서 언급했듯 여러 원소와 결합함으로써 다양한 분야에 적용될 수 있다. 불소 화합 물은 화학약품과 열에 대한 안정성이 높고 물이 잘 스며들지 않는 발수성(撥水性)이있으며 녹는점과 끓는점이 높다는 공통적인 특징이 있다. 이에 불소는 실생활뿐 아니라 제조분야에서도 광범위하게 적용되고 있으며 그 수요 또한 점차 커지고 있다.
  불소를 기반으로 한 여러 화합물 중 제조분야에서 대표적으로 적용되는 소재로는 네 가지가 있다. 바로 불소고무 (Fluoroelastomers), 불소계 첨가제 (Polymer Processing Additives, PPA),불소수지(Fluorothermoplastics), 테플론 이라 불리는 폴리테트라플루오르에틸렌 (Polytetrafluoroethylene, PTFE)이다. 이는 모두 내화학성과 내열성이 뛰어나 자동 차, 항공, 반도체, 오일&가스 분야에 다양하게 적용된다.
  이러한 불소계 소재들은 3M의 주기율표에서 불소화합물(Fl)을 기반으로 만들어진다. 여기에 세라믹 (Ce), 신소재(Am), 중합체 용융가공(Pm), 나노기술(Nt) 등이 융합 된다. 이는 고도의 기술력이 필요하여 불소를 직접 중합하고 생산할 수 있는 기업은 세계적으로 많지 않다. 실제로 3M, 다이킨 (DAIKIN), 듀퐁(du Pont) 등이 있다. 이 중3M은 -40°C에서 견딜 수 있는 저온성 불소 고무, THV 등의 분야에서 독자적으로 특허 기술을 보유하고 있다.
폴리테트라플루오르에틸렌 (Polytetrafluoroethylene, PTFE)
내열성, 내약품성이 우수하고 마찰계수와 점착성이 낮아 매끄러운 플루오르 수지인 플리테트라 플루오르에틸렌은 테플론으로 더잘 알려져 있다(테플론은 du Pont사의 상품명). 내약품성이 뛰어나며 -200°C~260°C의 넓은 온도 범위에서도 물리적인 성질을 유지할 수 있다. 또 전기 특성이 양호하고 잘 타지 않는 특징이 있다. 무엇보다 서로 다른 성질의 두물질을 쉽게 떨어뜨리는 성질인 이형성이 가장 대표적인 특성이다.
  이에 프라이팬으로 조리할 때 음식물이 들러붙지 않도록 코팅하는데 주로 적용된다. 자동차나 반도체 제조분야에서는 오링이나 실링에 쓰이기도 한다. 그 외에도 개스킷, 베어링, 부식이 잘 발생하는 환경에서 사용되는 밸브와 펌프 등에 적용된다.
불소계 첨가제 (Polymer Processing Additives, PPA)
불소계 첨가제는 주로 몰딩에서 용융물의 흐름을 부드럽게, 매끈하게 한다. 몰딩에서 다이 코팅에 적용됨으로써 용융물의 흐름성을 향상시킨다. 원래는 용융물이 다이 벽에 부딪힐 때 바로 매끄럽게 흐르지 않고 점탄성에 의해 갑자기 퍼지거나 흐름이 끊기는 현상이 발생할 수 있다. 때문에 성형 제품 표현에 금이 가거나 자국이 남아 결국 그 품질이 떨어지기도 한다. 이에 실제로 용융물이 흐른 자국이 마치 상어 비늘과 같다고 하여 이름 붙여진 샤크스킨(shark skin) 현상이 생길 수도 있다. 불소계 첨가제를 사용하여 다이를 코팅하면 용융물이 마찰 없이 부드럽게 흐르기 때문에 사진과 같이 이러한 현상이 발생하는 것을 막을 수 있다. 이에 몰딩에서 가공성이 좋아질 뿐 아니라 제품 표면의 결함을 제거하여 품질을 향상시킬 수 있다. 이 외에도 전선 이나 케이블, 파이프와 배관 제조에서 첨가제로 사용된다.
불소고무 (Fluoroelastomers, FE)
내열성이 높고 각종 연료와 화학물 (chemical)에 강한 고무인 불소고 무는 불소(F)와 탄소(C)의 결합으로 만든다. 내열성, 내오존성, 내약품 성, 내마모성이 뛰어난 것이 특징이다. 이는 내화학성이 좋아 기름과 석유에 강한데다 고무이기 때문에 탄성이 있어 완벽한 실링이 가능 하다. 이에 자동차에서 부품 간 틈새를 완벽히 막아주는 오링 (O-ring)에 주로 적용된다. 또 일반 고무는 고온에 약하지만(적용 가능 온도 약 200°C) 불소고무는 고온(적용 가능 온도 -55°C ~310°C)에서 견딜 수 있기 때문에 일반 고무보다 활용 범위가 훨씬 넓다. 특히 3M은 유일하게 -40°C에서 견딜 수 있는 저온성 불소고 무를 상업화하여 항공 및 우주산업분야에 적용하고 있다. 이러한 불소고무는 고분자화합물(중합체)을 구성하는 단위인 단위체 (monomer, 모노머)를 어떻게 합성하느냐에 따라 이원계, 삼원계, 과불소고무가 만들어지는데, 이처럼 불소 함량에 따라 원하는 물성을 얻을 수 있어 여러 분야에 다양하게 적용 가능하다.
불소수지 (Fluorothermoplastics, FT)
내열성, 내약품성, 전기 절연성이 뛰어난 대표적인 엔지니어링 플라스틱인 불소수지는그 중에서도 연료호스배리어필름(THV)이 대표적이다. 이는 3M에서만 제조할 수 있는 특수 소재다. THV는 자동차 부품 중 연료가 지나가는 호스 내면에 필름으로 적용되어 연료가 투과되는 것을 방지하여 북미로 수출되는 차량에 적용되고 있다. 이 외에도 불소 함량을 달리하여 다양한 어플리케이션에 적용할 수 있다. 불소 함량이 적으면 본딩이 쉽고 투명하고 가공성이 좋다. 반대의 경우에는 상대적으로 가공은 어려 우나 내연성과 내화학성이 강화된다. 이처럼 불소 함량에 따라 여러 분야에 적용되는데 내식성을 강화하여 반도체 분야에서 웨이퍼를 황산으로 세척할 때 쓰는 용기 소재로 적용되기도 한다. 또 기본 적으로 내열성, 절연성이 높기 때문에 자동차 카시트의 열선에도 쓰인다. 내후성과 자외선에 강하여 태양광 모듈의 백시트에도 적용 된다.
과불소고무 (Elastomer & Perfluoroelastomer)
과불소고무는 불소함량이 가장 높은 고무계의 최강자다. 고무보다 불소고무, 불소고무보다 과불소고무가 좋다고 한다. 그만큼 불소고무를 비롯한 일반 유기물 고무제품에 비해 성능이 월등하게 뛰어나다. 이름처럼 불소 함량이 가장 높으며 수소(H) 없이 탄소(C)와 불소(F)만으로 이루어진 것이 특징이다. 원래 탄소와 수소로 이루어져 있으나 탄소와 불소만으로 결합시키는 이유는 결합력을 높임으로써 열, 압력, 부식 등에 대한 저항성을 높이기 위함이다. 실제로 열이나 압력이 가해졌을 때 불소와 탄소가 결합된 분자사슬이 분리되지 않고 강력한 결합 상태를 유지하여 내열성과 내화학성이 특히 높다.
  과불소고무는 이처럼 내열성이 높기 때문에 유기화합물 중에서도 300°C 이상의 고온에서 견딜 수 있다. 예를 들어 플라즈마 표면처리를 통해 특정 물성을 만들 때에도 과불소고무는 일반 불소고무보다 잘 견뎌낸다. 실제로 180°C에서 72시간을 플라즈마 처리를 했음에도 처음의 형태와 물성을 유지한 사례도 있다. 또 내화학성이 뛰어나 오일에 장시간 노출될 경우 소재가 부풀어오르는 스웰링(swelling) 현상이 거의 발생하지 않는다. 이에 반도체용 오링이나 정유 밸브 부품 등 화학물질이 직접적으로 닿는 부품은 필수적으로 과불소고무가 적용된다. 현재는 이처럼 특수 환경이나 고도의 안정성이 요구되는 분야에 주로 적용되나 앞으로는 친환경과 안전에 대한 기준이 강화되면서 그 수요가 늘어날 전망이다.
어드밴스드 세라믹 (advanced ceramic)
3M은 특화된 기술을 가지고 있는 불소계 고분자(유기화합물) 제조 외에 무기물인 세라믹 소재도 제조하면서 유기화합물과 무기물 소재분야를 아우르게 되었다. 어드밴 스드 세라믹은 이름처럼 기존 세라믹의 장점은 부각하고 단점은 최소화했는데 특히 극한의 온도에서 견딜 수 있다는 것이 특징이다. 주요 적용 분야는 자동차 부품, 태양광 에너지 분야, 방탄복, 군수, 정유, 의료 등으로 다양하게 적용된다.
뻥튀기된 유리입자, 글라스버블
제품을 만들 때 단 하나의 소재만으로 만드는 경우는 드물기 때문에 다양한 첨가 제가 적용된다. 물성을 강화하거나, 고가의 소재를 쓰는 경우 비용 절감을 위해 첨가 제를 사용한다. 이를테면 글라스파이버, 탈크, 돌가루 등이다. 이는 장점에 상응하는 단점이 있어 소재와는 트레이드오프(trade off)의 관계다. 예를 들어 글라스 파이버는 굴곡강도 등의 물성을 강화할 수 있지만 무게가 나간다는 단점이 있다.
  만약 경량화가 필요한 제품이라면 첨가제로 글라스버블을 적용할 수 있다. 글라스버 블은 속이 비어 있는 유리입자 형태의 첨가 제다. 유리입자를 소위 뻥튀기시켜 입자 내부를 중공상태로 만든 것이다. 때문에 경량화를 달성하는 것은 물론 단열, 전열 등의 기능이 있어 여러 분야에 다양하게 적용될 수 있다.
  글라스버블은 소다라임보로실리케이트글 라스라는 소재로 만들어진다. 보통 파이렉스 글라스(pyrex glass)라고도 하는데 염산에도 견딜 수 있을 만큼 화학적으로 안정 적이고 튼튼하다. 입자 하나의 크기는 수십 마이크론 단위로, 이것이 모여 있으면 육안으로 매우 고운 가루처럼 보인다.
  이러한 글라스버블은 얼마나 부풀리느냐에 따라 다양하게 적용된다. 크게 부풀리면 유리벽이 얇아 잘 깨지고 작게 부풀리면 유리벽이 두꺼워 튼튼하다. 기폭제에 적용될 경우 잘 터지게 하기 위해 유리벽을 얇게 하고, 자동차 분야의 부품소재로 적용될 때는 강도를 높이기 위해 유리벽을 두껍게 한다. 이러한 두께 조절능력이 곧 글라스버블 제조의 기술력인데 3M의 유리벽 강도는 250~30,000psi로 최대치는 기계적 공정으 로도 잘 안 깨지는 정도다.
경량화가 필요한 곳이라면
글라스버블의 가장 큰 기능이자 장점은 경량화이기 때문에 항공기, 자동차, 휴대폰, 신발 등 여러 분야에 다양하게 적용된다.
  특히 항공기, 자동차 분야에서 연비효율을 위한 경량화 요구가 높아지고 세계 규정이 강화되면서 경량화 소재에 대한 수요가 커지고 있다. 이에 플라스틱에 글라스버블을 첨가하여 무게를 줄이는 경우가 많아지고 있다.
  실제로 국내에서 현대, 기아 자동차와 현대 EP가 공동 개발한 ‘섬유외관 구현경량 필라 트림(모델명 프라이드 차량 필라트림)’은 글라스버블을 이용해 자동차의 경량화를 실현한 것이 대표적 사례다. 필라트림은 자동차 도어부와 천장 중간에 있는 내장 플라스틱 부품인데, 여기에 글라스 버블 소재를 사용해 필라트림 중량을 10% 줄인 것이다(이개발로 2012년 24주차 IR52 장영실상 수상). 경량화 외에도 글라스버블의 또 다른 주기능 중 하나가 단열이다. 우레탄폼이나 크리 스탈폼 등 일반 단열 스티로폼은 불에 취약하고 압력에 의해 쉽게 형태가 변해 단열 기능을 상실하기 쉽다.
  특히 심해 기름을 뽑아 올리는 파이프는 극저온과 높은 수압에 견딜 수 있어야 한다. 일반 단열재는 강력한 수압과 심해의 저온에 견디기 힘들지만 글라스버블을 넣은 단열재는 소재 내에 공기층이 물리적으로 확보되어 저온에도 그 기능을 유지할 수 있다.
화수분 같은 적용사례
글라스버블의 주요 적용 분야는 항공기, 자동차 외에도 다양한 분야에 적용될 수 있으며 사례가 다양해지면서 그 분야가 광범위 해지고 있다. 이미 소개한 경량화 플라스틱, 자동차 바디 부품, 유전 시추 시설 외에도 콘크리트, 페인트, 코팅소재 등 건축자재에도 적용 가능하다. 심지어는 농업 분야에 적용돼 사용이 빠르고 쉬운 농약 살포제를 만든 사례도 있다.
  이처럼 다양하게 응용할 수 있을 뿐 아니라 경제적인 관점에서 보면 글라스 버블을 적용함으로써 소재비도 줄일 수 있다. 글라스 버블은 기본 소재와 화학적으로 결합하는 것이 아니라 소재 내에서 공간을 차지하면서 섞이는 원리다. 때문에 우레탄과 같은 고가의 소재에 적용될 경우 글라스버블이 차지하는 부피만큼 소재를 아낄 수 있어 비용을 절약할 수 있다.

 
TAG :  3M  글라스버블  불소소재  소재  첨가제
 
 
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