[고성능 폴리머] (1) 폴리머 피라미드와 고성능 폴리머
폴리머(Polymer, 고분자)는 분자량이 낮은 분자인 단위체(모노머)가 수많이 결합되어 높은 분자량을 갖는 물질이다. 고대 그리스인들은 “많은 부분을 가지고 있다”는 의미의 “Polymeres”가 오늘날 각종 물질과 소재의 이름으로 사용될 줄은 상상하지 못했을 것이다.
대개 폴리머가 인공적으로 만들어진 물질을 의미한다고 생각하지만, 인공 합성 폴리머 등장 이전에 자연에서 훨씬 먼저 만들어졌다. 단백질, 탄수화물, 머리카락, 손톱, 심지어 DNA도 폴리머의 일종이다. 그리 길지 않은 역사를 가진 인공 폴리머는 오늘날 어디에서나 찾을 수 있으며 현대인의 삶 곳곳에서 핵심적인 역할을 한다.
현재 연간 약 3억 톤의 폴리머가 생산되고 있으며, 이는 전세계 석유 및 가스 소비량의 최대 6% 정도를 차지한다. 폴리머는 크게 열경화성 수지(thermoset)와 열가소성 수지(thermoplastic)로 구분된다. 열경화성 수지는 점성이 있는 액체로 시작해 열이나 압력을 받으면 경화되어 다시 녹을 수 없는 고체가 된다. 일례로 아랄다이트(Araldite®) 접착제를 들 수 있다. 반면, 열가소성 수지는 가열하면 성형할 수 있도록 연화, 용융되며 그런 다음 냉각되면 경화된다. 다시 녹여 재성형할 수 있다.
폴리머 피라미드
폴리머는 기능성(폴리머 피라미드 내 높이)에 따라 크게 세 가지로 구분된다.
- 범용 폴리머 (Commodity polymers)
- 엔지니어링 폴리머 (Engineering polymers)
- 고성능 폴리머 (High-performance polymers)
범용 폴리머
폴리머 피라미드의 가장 하단에 위치한 범용 폴리머에는 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE) 등이 포함된다. 범용 폴리머는 대량으로 쉽게 이용할 수 있고, 사용되는 분야에서 필요한 성능 수준을 발휘한다. 예를 들어 PE는 비닐봉지, 포장재와 같은 대량의 제품의 만드는 데 사용되며, 이때 고온이나 극한의 강도는 핵심 요소가 아니다.
한편 폴리염화비닐(PVC)은 건설업에서 널리 사용되고 있으며 경질과 연질의 두 가지 형태가 있다. 경질 PVC는 창틀, 홈통 및 배관에 사용되고 연질 PVC는 전기 케이블 절연용으로 사용된다. 일부를 제외하고 일반적으로 범용 폴리머의 원료는 석유 및 석유화학 유도체에서 얻으며 생산 비용이 저렴하다.
엔지니어링 폴리머
엔지니어링 폴리머는 범용 폴리머보다 상위 단계에 있는 물질로, 특히 기계 및 열 성능 측면에서 탁월한 특성을 제공한다. 성능이 우수한 만큼 가격 역시 상승한다. 예를 들어 폴리아미드 계열 (나일론)은 의류용 직물, 식품 및 음료 용기, 가전제품, 자동차 부품과 같은 엔지니어링 부문 등 다양한 분야에 활용된다.
고성능 폴리머
고성능 폴리머는 폴리머 피라미드의 최상단에 위치하고 있으며, 전체 인공 합성 폴리머의 0.2%에 불과하다. 일반적으로 더욱 복잡한 모노머를 기반으로 하며, 생산하기 매우 어렵고 그 결과 가격이 높다. 그러나 폴리머 생산이 까다로울수록 생산된 폴리머의 성능 역시 향상될 수 있다.
열가소성 수지인 폴리에테르에테르케톤(Poly Ether Ether Ketone, 이하 PEEK)은 폴리아릴에테르케톤(Poly Aryl Ether Ketone, 이하 PAEK) 계열의 고성능 폴리머이다. PAEK에는 300개 이상의 폴리머가 있지만 그 중 손에 꼽힐 정도만 상업화되었다. 선형 방향족(Linear aromatic) PEEK 폴리머는 아릴 그룹에 의해 분리되는 에테르, 에테르, 케톤의 반복 결합으로 구성된다. 이러한 많은 (또는 폴리) 에테르에테르케톤 배열 때문에 PEEK라는 이름과 함께 독특한 성능을 갖게 되었다.
고성능은 왜 중요한가?
빅트렉스 PEEK와 같은 PEEK 폴리머는 극한의 까다로운 환경에 매우 이상적이다. 타 소재가 특정 요건만 충족시킬 수 있는 반면, PEEK는 여러 요건을 동시에 다양한 요건에 적합한 성능을 제공할 수 있다. 경량의 고강도 PEEK 폴리머는 마모, 온도, 피로, 유체/화학물질에 대한 저항성이 높으며, 그 외에도 아래와 같은 혜택을 제공한다.
- 연료 효율 향상
- 안전성 개선
- 부품 수명 연장
- 편안함 증가(부드러운 작동, 소음 감소)
- 설계 자유도 증가
- 생산 비용 효율
>1 billion
빅트렉스 PEEK 폴리머 솔루션은 다양한 업계에 핵심적인 기능을 담당하고 있다. 2억명 이상의 자동차 운전자가 혁신적인 빅트렉스 PEEK 기반 ABS/ESC 브레이크 부품을 사용하고 있으며, 브래킷, 크램프, 열 방음재와 같은 빅트렉스 솔루션을 탑재한 항공기는 15,000대가 넘는다. 또한 10억 대 이상 모바일 기기의 초소형 고성능 스피커에 빅트렉스 솔루션이 사용되었다.
임상 결과 개선을 위해 생체 적합 물질인 PEEK가 인체에 사용된 지 15년이 넘었으며, 이미 전세계적으로 약 900만 대의 이식 장치에 빅트렉스의 의료 사업 부문인 인비비오(Invibio)의 PEEK-OPTIMA™ 폴리머가 사용되고 있다.
이처럼 폴리머 피라미드 최상단에 위치한 첨단 PEEK 폴리머와 PEEK 기반의 소재, 생산 공정, 통합 제품은 기존 제품이나 공정의 효율을 높이고 새로운 용도로 활용할 수 있도록 한다.
Araldite®는 Huntsman Advanced Materials의 등록 상표이다.
글쓴이에 관하여
빅트렉스 수석 과학자 존 그래스메더(John Grasmeder) 박사
존 그래스메더 박사는 영국과 독일을 오가며 ICI, BASF, Hoechst, Shell계열 합작투자회사에서 R&D, 커머셜, 비즈니스 리더십 직책을 역임하며 25년 이상 근무한 바 있다. 빅트렉스에서는 지난 13년간 근무했으며, 2010년부터 기술 이사를 맡고 있으며 2016년 수석 과학자가 되었다.
저자 정보
