폴리머 인사이트#04. 저온에서도 단단하고 투명한 ‘폴리카보네이트 실리콘 복합소재’
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화학이야기

폴리머 인사이트#04. 저온에서도 단단하고 투명한 ‘폴리카보네이트 실리콘 복합소재’

2018년 5월 29일

K팝 대표주자가 된 7인조 보이 그룹 ‘방탄소년단’. 방탄소년단의 ‘세이브 미’ 뮤직비디오가 조회 수가 2억 뷰를 돌파했고, K팝 그룹으로서는 최초로 빌보드 뮤직 어워드 소셜 아티스트 부문을 수상하는 등 그 인기가 식을 줄을 모릅니다. ‘방탄소년단’의 이름의 ‘방탄’은 총알을 막아낸다는 뜻으로 10대에서부터 20대들이 사회적 편견과 억압을 받는 것을 막아내고 당당히 자신들의 음악과 가치를 지켜내겠다는 뜻을 가지고 있습니다. 현실 속 실제  ‘방탄 소재’도 우리 일상에서 눈부신 발전을 거듭하고 있는데요. 총알도 막아내는 방탄 소재가 사실은 플라스틱으로 만들어졌다면 믿으실 수 있으신가요? 오늘 ‘폴리머 인사이트’ 4화의 주인공은 강철만큼 단단하고 알루미늄보다 가벼운 투명 플라스틱, 바로 ‘폴리카보네이트(PC)’입니다.

방탄유리는 사실 유리가 아니다?

폴리카보네이트는 일반 범용 플라스틱에 비해 강도가 높고 가벼워 산업용 소재로 사용되는 고 기능성 플라스틱인 ‘엔지니어링 플라스틱’의 일종입니다. 엔지니어링 플라스틱은 강도가 높고, 섭씨 100도 이상의 열에도 견딜 수 있어 금속의 역할을 대체하는 공업 재료로 사용 범위가 확대되고 있습니다. 구체적으로는 스마트폰 같은 전자 기기부터 자동차 부품과 항공기 소재 등 그 쓰임새가 다양합니다.

 

엔지니어링 플라스틱은 기존 플라스틱과는 다르게 기계적 물성이 우수하며, 내구성과 내화학성 등이 뛰어나다는 특징이 있습니다. 엔지니어링 플라스틱의 종류로는 폴리카보네이트(PC)를 비롯해 폴리부틸렌테레프 탈레이트(PBT), 폴리아마이드(PA) 등이 있습니다. 이 중 폴리카보네이트는 강력한 강도를 자랑함과 동시에 5대 범용 엔지니어링 플라스틱 중 유일하게 투명하다는 장점이 있습니다. 이 때문에 폴리카보네이트를 일반 유리와 접합시켜 방탄유리를 만듭니다. 이 밖에도 고속도로의 투명형 방음시설은 물론 잦은 진동과 충격을 받는 KTX 고속철도의 창문이나 전철에도 이 소재가 쓰입니다.

의외로 오랜 역사를 가진 폴리카보네이트 소재

폴리카보네이트는 최신 IT 제품의 외장재에 쓰이는 첨단 합성수지로 알려졌지만, 아폴로 우주선 비행사의 헬멧에도 사용될 정도로 그 역사가 오래되었습니다. 휴대폰의 조상이라고 할 수 있는 과거 가정용 전화기로부터 현재의 스마트폰까지 소재는 변하지 않고 그 외관만 발전해 온 것이라고 할 수 있습니다. 이처럼 폴리카보네이트 소재가 오래 전부터 첨단 기기의 발전과 함께 해온 데는 몇 가지 고유한 특성 때문입니다.

무엇보다도 전체적인 소재의 특성을 결정짓는 기계적 물성이 우수합니다. 다양한 제품 외관에 만족할 수 있도록 가공하기 쉽고, 제품을 장시간 사용할 수 있는 내구성을 가졌다는 점도 큰 특징입니다. 또한, 제품 겉면에 색을 입히기 쉽다는 점도 폴리카보네이트가 첨단 기기 소재로 많이 쓰이는 이유입니다.

특명! 저온에서도 충격에 강한 투명 소재를 만들어라!

폴리카보네이트에는 오랜 역사와 다양한 장점이 존재하지만 몇 가지 단점도 있습니다. 그것은 바로 폴리카보네이트가 저온(-30°C)에서 충격 강도가 떨어진다는 점인데요. 이러한 단점을 보완하기 위해 폴리카보네이트 소재에 실리콘을 혼합한 복합 소재가 개발되고 있습니다. 저온에서 충격에 약한 단점을 보완한 폴리카보네이트 복합 소재(PC 컴파운드 소재)는 어떻게 만들어질까요?

일반적인 폴리카보네이트 복합 소재는 온도에 따른 강도 변화를 없애기 위해 고무류의 충격 보강제를 첨가합니다. 충격 보강제의 종류에는 실리콘계, ABS*계, MBS*계 등이 있습니다.

*ABS : 아크릴로나이트릴 부타디엔 스타일렌 공중합체(acrylonitrile butadiene styrene copolymer)의 약자
*MBS : 메틸메타크릴레이트 부타디엔 스타이렌(methyl methacrylate butadiene styrene) 수지의 약자

하지만 폴리카보네이트의 가장 큰 장점인 투명성을 유지해야 하기 위해서는 위에서 언급된 충격 보강제를 단순히 첨가하는 것만으로는 부족합니다. 충격 보강제 입자와 폴리카보네이트 입자의 굴절률 차이 때문에 투명함을 유지하기 어렵기 때문입니다. 그렇다면 충격 보강제를 투입하지 않으면서도 충격 특성을 높이는 방법은 없는 것일까요?

투명하면서도 저온에도 강한 복합소재 ‘있다 VS 없다’

정답은 “있다”입니다. 폴리카보네이트를 실리콘 단량체와 공중합*시켜 새롭게 개발한 ‘실리콘 폴리카보네이트’가 바로 그것인데요. 이 신규 컴파운드 소재는 실리콘을 결합한 고 기능성 소재로 투명성을 유지하면서도 충격 특성이 향상된 소재입니다. 특히 저온에서의 충격에 강해 극한의 환경에서도 기본 물성을 유지할 수 있으며, 내화학성이 우수한 장점이 있습니다. 응용 기기로는 휴대폰 배터리 커버, 헬멧, 방탄 소재와 같이 다양한 분야에 사용되고 있습니다. 이 소재가 사용되어 판매 중에 있는 휴대폰용 투명 케이스의 경우, 제품 충격 강도가 기존 투명 소재 대비 약 10~20% 향상된 것을 확인할 수 있습니다. 또한, 향후 실리콘 폴리카보네이트의 또 다른 장점인 내화학성을 적용하여 신규 소재 개발에 적용해볼 수도 있을 것으로 보입니다.

*공중합이란? 두 종류 이상의 단량체가 동시에 중합하여 중합체에 두 종류 이상의 단량체가 존재하게 될 때 그 중합체를 공중합체라 하며 이와 같은 중합을 공중합이라고 한다.

소재 경쟁력 없이는 기업의 미래도 없다!

최근 ‘실리콘 폴리카보네이트 복합소재’처럼 기존에 존재해 온 소재의 고유 특성을 강화하거나, 다양한 요구에 맞추어 여러 소재들을 결합하는 복합 소재 기술이 주목받고 있습니다. 개별 소재의 성능과 한계를 극복할 수 있는 대안이 될 수 있기 때문입니다. 또한, IT 기술 발전으로 새로운 기능을 가진 소재에 대한 수요도 점차 늘고 있습니다. 예컨대 자동차 산업에는 더욱 가볍고, 외부 충격이나 열에 강하면서도 모든 성능을 만족시켜주는 소재가 등장하면서 금속 소재의 비중이 감소하고 복합소재나 엔지니어링 플라스틱 비중이 증가하는 현상이 일어나기도 합니다.

 

앞으로 혁신적인 제품을 만들고 시장을 선점하기 위해서는 소재에 대한 이해가 필수입니다. 제품 혁신이 지속되면 소재의 요구도 고기능화와 맞춤화가 될 것입니다. 이제 소재 연구개발에 있어서 기업들 스스로 경계를 허무는 융·복합적인 접근이 필요할 때입니다.

내용 출처 :  LG화학 테크센터 <폴리머 인사이트> 2017 봄호  ‘투명하며 높은 충격 특성을 갖는 PC컴파운드 소재 개발’ (E&E TS&D팀) 

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