폴리머 인사이트#21 금속을 대체하는 엔지니어링 플라스틱의 핵심- 자동차용 고내열 폴리아미드(Polyamide)

자동차 경량화가 중요한 이슈로 떠오른 이유

‘가볍게, 더 가볍게!’ 자동차 산업분야의 최대 이슈 중 하나는 ‘경량화’입니다.

전 세계적인 ‘온실가스 배출규제 강화에 따른 환경 규제 대응’과 ‘경제 효율성 향상을 위한 연비 효율 문제’ 때문입니다. 이를 위해 고효율 엔진 및 배터리 개발, 온실가스 저감 장치 등과 같이 다양한 시도를 하고 있습니다. 가장 쉽고 빠른 방법은 엔지니어링 플라스틱을 이용한 ‘차량 소재 부품의 경량화’입니다. 차량이 가벼워지면 연비 효율이 높아지고, 차량의 무게가 10% 줄면 평균 연비는 2.8% 향상, 온실가스는 4.5% 줄어듭니다. 또한, 경량화로 배터리 효율성도 증가되기 때문에 친환경 전기자동차의 상용화를 위한 중요한 과제 중 하나입니다.

자동차 경량화는 구조설계 변경, 신공법 적용, 플라스틱 소재 개발로 구분할 수 있는데, 이 중 가장 효과적이고 현실적인 개선 방안은 금속을 대체하는 가벼운 ‘엔지니어링 플라스틱’ 소재를 적극 개발, 활용하는 것입니다.

금속을 대체하는 플라스틱 : 엔지니어링 플라스틱

플라스틱의 가볍고 강한 특성을 살린, 엔지니어링 플라스틱(Engineering Plastics, 이하 EP)은 자동차 경량화의 핵심 열쇠입니다.

엔지니어링 플라스틱(EP)은 기계적 성질, 내충격성, 내마모성, 내한성, 내약품성, 전기절연성 등이 뛰어나 생활용품, 전기전자제품, 자동차, 항공기 2차 구조재 등 다양한 분야에 활용됩니다.

엔지니어링 플라스틱 : 폴리아미드(Polyamide)란?

엔지니어링 플라스틱(EP)은 화학 구조에 따라 다릅니다. 주로 폴리아미드(Polyamide, 이하 PA), 폴리아세탈(Polyacetal), 폴리카보네이트(Polycarbonate), 폴리부틸렌 테레프탈레이트 (Polybu Tylene Terephthalate), 변성 폴리페닐렌옥사이드(Polyphehyleneoxide) 다섯 종류로 분류할 수 있습니다. 그 중에서 폴리아미드(PA)는 오래된 합성 고분자 소재입니다. 자동차에 적용되는 엔지니어링 플라스틱(PP 제외) 중 가장 높은 비중을 차지하는 폴리아미드(PA)는 지속적으로 엔진, 공조, 연료 부품 등에서 금속을 대체하는 소재로, 그 수요가 점점 증가했습니다.

폴리아미드(PA)는 엔지니어링 플라스틱 중 마찰 마모성, 인장력, 내약품성, 난연성이 우수한 소재입니다. 또, 플라스틱이기 때문에 금속에 비해 가공성이 뛰어나며, 유리섬유와 같은 다른 무기물를 첨가하여 보다 강한 기계적 특성을 가지는 복합재료로 만들 수 있습니다. 폴리아미드를 무기물로 복합화하면 탄성율이 2~3배가 되고 열의 변형 온도는 200도 이상으로 상승해 고온을 견디는 내열성 부품 재료로 사용할 수 있습니다.

폴리아미드(PA)가 자동차 분야에서 주목 받는 이유

폴리아미드(PA)는 자동차 산업에서 사용량이 많은 엔지니어링 플라스틱 중 하나입니다. 기계적 강도(인장 강도, 굴곡 강도, 굴곡 탄성률 등)가 우수하기 때문입니다. 엔지니어링 플라스틱은 금속보다 가벼우면서 강한 특성을 살린 소재입니다. 이런 이유로 폴리아미드(PA)는 기어, 베어링, 볼트, 너트와 같은 기계부품부터 고내열, 고강성이 필요한 카브레이터, 스피드미터기어, 와이어하네스넥터 등 공조 및 연료, 파워트레인 부품으로 주로 사용되고 있습니다.

안전과 밀접하게 연관되어 있는 브레이크 패달, 스페어 타이어 보관대, 엔진 실린더 헤드커버 등 다양한 자동차 부품에도 폴리아미드를 활용할 수 있습니다.

더 가볍게, 더 강하게 –  고내열 고강성 폴리아마이드 소재

최근 전기차와 수소차 등 친환경 자동차시장의 성장세가 가파르게 진행되면서 더 높은 수준의 내열 및 강성의 플라스틱이 요구되고 있습니다. 경량화를 위해서는 플라스틱 설계 두께가 더 얇아지고, 터보 엔진 등 신규 엔진 시스템에 의해 자동차 내부에 발생하는 온도가 점점 높아지며, 전기 자동차의 주행 거리 향상을 위해 차제에 대한 금속까지 경량화가 진행되고 있기 때문에 이러한 시장의 요구에 부합되는 소재가 필요하기 때문입니다.

이에 제조 업체는 엔지니어링 플라스틱(EP)을 강화한 슈퍼 엔지니어링 플라스틱(Super Engineering Plastic, 이하 SEP)을 활용되기도 합니다. 슈퍼 엔지니어링 플라스틱(SEP)은 엔지니어링 플라스틱을 강화하여 강도와 탄성, 내열성 등이 뛰어납니다.

하지만, 일반 엔지니어링 플라스틱 보다 비싼 가격에 의해 기존의 폴리아마이드 소재의 강성과 내열성을 더욱 극대화하기 위한 개발이 진행되고 있습니다.

지구 온실 가스 배출량의 25%를 차지하고 있는 자동차 산업에서 금속보다 가벼우면서도 내열성을 확보한 열가소성 폴리아미드(PA) 등 복합소재가 확대 적용된다면 에너지 효율을 높이는 것은 물론, 탄소 배출을 줄여 환경친화적인 자동차를 개발할 수 있게 됩니다. 폴리아미드(PA)를 필두로 한 엔지니어링 플라스틱은 환경을 지키는 필수 소재입니다.

내용 출처:  LG화학 테크센터 <폴리머 인사이트> 2017 여름호 P.30 자동차용 고내열 Polyamide 제품 소개