엔지니어링플라스틱 PBT와 나노
나노입자로 성능을 보강한 엔지니어링플라스틱 PBT는 메카트로닉스 부품과 같이 고도의 기술이 요구되는 혁신적인 기능성 부품을 제조할 수 있다
특별히 유동성이 우수한 그레이드로서 나노 입자로 보강한 PBT는 정밀 제품의 사출성형, 복잡한 구조의 성형품에 매우 적합하다는 것이 입증되었으며, 그 용도는 지속적으로 확대되고 있다. 새로운 종류들이 속속 개발되고 있으며, 폴리아미드 제품군도 이와 같은 발전 양상을 보이고 있다.
PBT(폴리부틸렌 테레프탈레이트)는 엔지니어링 플라스틱 중에서도 평균 이상의 시장 성장률을 보이고 있는 수지로서, 그 주 사용처인 자동차의 승차감 개선을 위한 부품과 전자회로에서 계속 수요가 증가하고 있다. 연평균 시장 성장률은 약 5%로서 경제적인 매력이 상당히 큰 플라스틱이다. 따라서 플라스틱 제조업체들은 PBT를 기술적으로 더욱 개량하고 고객에게 더 높은 가격 대비 효용을 제공하기 위하여 노력하고 있다. 이와 동시에 최적화된 재료를 사용하여 생산공정을 더욱 개선하고 있다.
나노입자를 보강하여 유동성을 크게 개선시킨 최초의 PBT 제품(Ultradur High Speed)이 출시되었던 2004년은 이 분야에서 기록에 남을만한 연도이었다. 50 내지 300 nm 사이즈의 유기물 입자들은 기존에 널리 사용되던 무기물 입자가 2차원적인 효과만 가지는데 비해 3차원적인 효과를 발휘할 수 있다. 이 특성은 유동성을 약 두 배 가깝게 향상시켰으며 그에 따라 가공성도 대폭 개선되었다. 이런 종류의 재료를 사용하면 단순 형상을 가진 플러그와 하우징 등을 낮은 원가로 제조할 수 있다. 원료의 용융점도가 낮으므로 가공온도를 낮출 수 있으며 압력유지(보압) 시간과 냉각시간, 결과적으로 사이클 시간을 30% 이상 단축할 수 있다. 뿐만 아니라 나노입자로 성능을 보강한 재료는 메카트로닉스 부품과 같이 고도의 기술이 요구되는 혁신적인 기능성 부품을 제조할 수 있다. 또한 얇은 두께의 복잡한 구조를 가진 부품, 벽 두께 비율에 대하여 까다로운 유체 흐름 통로와 다수의 공동 등 일반 용도의 재료로서는 불가능한 제품도 제조할 수 있다. 그 응용 범위는 기계, 전기, 전자공학을 모두 포함한다. 예를 들어 실험실과 시뮬레이션을 통하여 플라스틱 내에 매입한 금속 인서트가 우수한 유동성과 함께 낮은 사출압력 덕분에 그 정확한 위치를 유지하는데 훨씬 유리하다는 것이 확인되었다.
엔지니어링 플라스틱 PBT 및 팽창용 나노입자
신제품의 시장 진입은 매우 성공적이었으며, 2004년부터 광범위한 용도로 양산되기 시작하였다. 최초의 선조(filigree) 플러그와 플러그 하우징 제품 이후 복잡한 구조의 수많은 제품이 개발 시판되었다. 보쉬(Bosch)사는 자동차 조향 핸들의 각도 센서를 개발하기 위하여 레이저 각인에 적합한 그레이드를 시험하고 있다. 자동차 안전에 핵심적인 부품 중 하나인 이 센서는 그 설치 공간 문제로 매우 평탄하여야 하며 따라서 재료의 유동성에 매우 엄격한 조건이 요구된다.
BMW사가 Mini 차종에 사용하는 조향 핸들 칼럼의 선조 구조도 카 루프 레일과 마찬가지로 PBT의 탁월한 유동성을 이용하여 쉽게 대량생산되고 있다(사진 2). 나아가서 최적의 가공성을 가진 이 재료는 완전히 새로운 방식의 가공법을 가능하게 해준다. P-Group과 BASF의 엥겔, 게오르그 카우프만이 개발한 돌핀(Dolphin) 프로세스는 단순하고 저렴한 가격의 계기반을 PBT와 ASA를 특수하게 블렌딩한 재료로 휘어짐이 극히 작게 제조할 수 있다.
그러나 이 새로운 원료가 주목을 받기 시작한 것은 전통적으로 PBT가 널리 사용되고 있던 자동차와 전기공업 분야만이 아니었다. 저명한 디자이너 콘스탄틴 그릭과 BASF사의 플라스틱 전문가들은 산업 디자이너들을 위하여 워크샵을 개최한 후 불과 일년만에 프로젝트를 완수하여 Myto 디자이너 의자를 K2007에서 처음으로 일반에게 공개하였다.
외팔보 형태의 이 의자는 일체형 구조로서 등받이와 시트에 형성된 다수의 기하학적인 형상의 구멍을 통하여 날렵한 외형을 이루고 있다. 이와 같이 섬세하고 복잡한 형태를 안정성 있게 성형하려면 유동성이 극히 우수한 엔지니어링 플라스틱이 필수적이다. 이 의자는 완전히 이 새로운 재료로 만들어졌다.
콘티넨탈(Continental)사가 아우디(Audi) 자동차에 납품하는 도어 제어장치도 높은 유동성이 필수적으로 요구되는 예이다. 이 제품은 휘어짐을 최소화할 수 있도록 특별히 블렌딩한(PBT + ASA) 재료를 사용하였다. 플러그 커넥터의 접촉핀은 정확한 위치에 삽입되어야 하며 따라서 플라스틱의 치수 안정성이 특히 중요하다. 재료의 높은 유동성으로 사이클 시간을 단축하고 금형 충진 상태를 향상시킬 수 있다. 불량품이 감소되었으며 사출압력이 감소되어 금형의 마모도 대폭 감소하였다.
PBT 그레이드와 나노입자
PBT가 큰 인기를 얻자 제조업체들은 PBT를 다양한 고속가공용 제품으로 개발하기 시작하였다. 이중에서 대표적인 제품은 열전도율이 우수한 품종과 내화성이 우수한 품종을 들 수 있다. 열전달성 PBT(그레이드: Ultradur B4300 M12 High Speed)는 범용 PBT에 비해 열전도율이 4~5배 더 높고 기계적인 성질과 유동성도 매우 우수하다. 이처럼 광물성 충진제 함량이 높은 그레이드는 나노입자를 첨가하지 않고서는 쉽게 가공할 수 없다. 이 수지는 제어장치의 하우징 뚜껑, 램프 소킷의 열 방출, 도어 록 등에서 금속 대체재로 적당하다.
신개발된 내화성 그레이드는 할로겐을 함유하고 있는 종류와 할로겐이 포함되지 않은 종류가 있다. 따라서 광범위한 용도에 적합한 재료를 선택하여 사용할 수 있다. 몰렉스(Molex)사의 16-단자 자동차 플러그는 기계적인 성질이 서로 적절하게 균형을 이루어야 하며, Ultradur B4300 High Speed로 그러한 요구를 만족할 수 있었다.
고객들이 나노입자로 보강한 PBT에서 최적의 유동성을 컴퓨터로 시뮬레이션할 수 있도록 BASF사는 모든 그레이드에 대하여 완전한 금형 유동성(Moldflow) 데이터를 제공하고 있다. 그리고 특별히 개발된 컴퓨터 프로그램으로 범용 PBT를 고속 PBT로 대체할 때의 원가절감을 즉시 계산할 수 있도록 지원하고 있다.
한 나노 PBT 그레이드는 그 동안 크게 발전한 물분사기술(Water Injection Technique; WIT)에도 사용할 수 있다. 이 기술은 주로 구조재에 적당하며, 특히 미려한 외면과 도장성 뿐만 아니라 결정화 거동과 자외선 저항성이 우수해야 하는 자동차 루프 레일 등에 가장 적합한 재료이다. 이 재료의 그레이드는 Ultradur B4040 G10 WIT High Speed로서 BASF사의 WIT 연구 프로젝트에 이어 개발된 것이다. 이 연구 프로젝트에서 얻은 중요한 성과 중 하나는 WIT 기술의 장점이 최신 개발 그레이드를 열적 완충 역할을 하는 공기나 질소가스와 함께 사용할 때(GID-WIT) 완전하게 발휘될 수 있다는 것이었다.
신 개발된 Ultradur 4300 GM24 LDS High Speed 그레이드는 아직 개발 초기 단계에 있는 LDS(Laser Di-rect Structuring) 기술에 적합하다. 이미 시판되고 있는 LDS 폴리아미드와 같은 방법으로 이 LDS 폴리아미드 재료도 레이저로 구조를 만들고 전기도금하여 기판의 3차원 표면에 전자회로를 직접 형성하고 MID 부품을 쉽게 제작할 수 있다.
엔지니어링 플라스틱에서 나노입자의 효과
그 동안의 연구에 의하여 특수 제조된 나노입자가 폴리머 재료에 부여하는 우수한 효과들이 밝혀지고 있다.
나노-PBT 재료에서는 나노입자의 첨가가 색소에 대한 친화성을 향상시킨다는 것을 알게 되었다. PBT의 유동성이 개선되어 기존의 범용 PBT에 비해 더 작은 양의 색소를 첨가하더라도 동일하고 균일한 색상을 낼 수 있는 것이다. 또한 나노-PBT 그레이드는 범용 그레이드에 비해 TPU 엘라스토머에 대한 부착력이 약 두 배 정도 더 강하다.
파단연신률을 사출속도의 함수로서 측정해보면 나노입자의 첨가가 이 부분에서도 효과를 발휘한다는 것을 알 수 있다. High-Speed 제품은 범용 제품에 비해 고속 사출가공이 가능하므로 유리섬유가 흐름에 대하여 직각방향으로 더 많이 남아 있을 수 있다. 따라서 파단연신률이 더 커지게 된다. 용융점, 결정화 정도, 수축률, 탄성률, 인장강도와 충격강도 등의 다른 물성은 크게 달라지지 않았다.
나노입자 보강 폴리아미드 출시
나노입자로 보강한 PBT의 성공에 이어 역시 중요한 엔지니어링 플라스틱의 한 종류인 폴리아미드에도 이제 나노입자를 사용하게 되었다. K2007 박람회에는 나노입자로 보강한 세 종류의 PA66 그레이드(Ultramid High Speed)가 출품되었다.
이 중 두 그레이드는 유리섬유 함량이 40%와 50%로 매우 높으며 다른 그레이드는 유리섬유와 광물질 충진제를 첨가한 것이다. 이것은 나노-PA 그레이드로서는 최초로 선택된 제품이었다. 특히 고충진 PA66에서는 유동성의 향상이 현저하게 나타났으며 100%까지 높일 수도 있었다. 뿐만 아니라 PA에 첨가된 나노입자는 유동성 향상 효과 이외에도 열에 의한 노화현상을 억제한다. 이 성질은 예를 들어 엔진 후드처럼 지속적으로 고온 환경에서 사용되는 부품 제조에 적합한 것이다.
엔진 실린더 헤드 커버와 인터쿨러 엔드 캡도 장시간 고온에 노출되는 부품이다. 재료의 용융점도가 낮으므로 이와 같이 큰 부품을 더 얇게 설계할 수 있어서 중량과 원가를 낮출 수 있다. 이 세 종류의 나노-폴리아미드 제품은 2008년부터 시판되기 시작하였다.
엔지니어링 플라스틱의 최신 사출성형에서 생산의 최적화와 효율을 더욱 개선하기 위해서는 재료, 기계, 금형, 부품 설계, 그리고 공정제어의 상호작용에 주목할 필요가 있다. 나노입자로 보강된 PBT나 폴리아미드 등 공정에 최적화된 재료는 이런 관점에서 매우 유망한 제품이라 하겠다.