어떤 소재는 세월이 흐르며 더 이상 쓰이지 않지만, 어떤 소재는 발전을 거듭하며 새로운 쓰임새를 찾곤 합니다. 플라스틱은 다른 소재의 단점을 보완하고 장점은 강화하는 방향으로 변화 발전해 왔는데요. 오늘의 주인공 ‘엔지니어링 플라스틱’은 기존 플라스틱이 고도화된 소재로 최첨단 기술이 집약된 분야에 필수적으로 쓰이고 있습니다. 함께 알아볼까요?
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다양한 플라스틱의 쓰임새
현 시대를 플라스틱 시대라고 할 수 있을 만큼 플라스틱은 다양하게 쓰이고 있습니다. 일상적으로 쓰는 생활용부터 산업용, 건축용까지 각 분야의 용도와 환경에 따라 요구되는 특성도 달라지겠죠? 이를 ‘플라스틱 피라미드’로 표현하기도 하는데요. 일반적으로는 내열성 혹은 물성*에 따라 구분하는데 이에 비례하게 가격이 책정됩니다. 이처럼 기술의 발전과 함께 플라스틱도 장점을 살려 다양한 요구에 맞게 쓰임이 되는 방향으로 발전해왔고 현재까지도 그 범위는 지속적으로 확대되고 있지요.
예를 들어, 깨지기 쉬운 유리 대신 충격성이 우수한 플라스틱을 사용하고, 무겁고 산화되는 금속이나 목재 대신 가볍고 지속성이 좋은 플라스틱을 사용하는 거죠. 생산에 많은 시간과 비용이 드는 천연섬유도 가볍고 부드러우며 보온성이 뛰어난 플라스틱 섬유로 대체되고 있답니다.
*물성: 물질이 지닌 물리적 성질
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02
현대 사회에 꼭 필요한 엔지니어링 플라스틱
최첨단 기술의 집합체인 스마트폰에도 꼭 쓰임이 되는 플라스틱 소재가 있는데요. 충격에 강하고 변색이 없는 폴리카보네이트(Polycarbonate, PC)입니다. 폴리카보네이트 외에도 열과 압력에 취약한 일반 플라스틱의 단점을 보완한 다양한 초고성능 플라스틱을 엔지니어링 플라스틱(Engineering Plastic, EP)이라고 하는데요. 금속보다 가벼우면서도 강도, 탄성, 내열성 등이 우수합니다.
특히나 전기/전자 제품의 활용도가 높아진 현대사회에는 엔지니어링 플라스틱이 필수적으로 활용되고 있습니다. 전자 제품은 하나의 기기에 수많은 기능이 포함되어 있기 때문에 설비 크기의 소형화와 무게의 경량화가 중요합니다. 한편으로는 설비과정에서 발생하는 열이나 외부 충격으로 인한 화재, 오염물로 인한 화재, 주변으로의 화염 전파 등의 위험성이 있어 높은 안전성도 함께 요구됩니다. 전기/전자 제품의 부품에 고성능 엔지니어링 플라스틱이 필요한 이유죠.
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전기차와 배터리에 요구되는 효율성과 안전성
현재 자동차 시장은 내연기관 차에서 전기차로 변환되는 과정에 있어 자동차 배터리 관련 소재 및 전장 부품의 시장 성장성이 두드러지고 있습니다. “Electric Vehicle Outlook(글로벌 전기 자동차 전망) 2022”에 따르면 전기 자동차는 2030년에 2억 7,000만대 이상으로 전 세계 승용차 중 30% 이상을 점유할 것이라고 합니다.
그러나 전기차는 배터리와 구성 시스템으로 인해 가솔린 차량보다 무거워 주행거리가 감소되므로 상대적으로 연비가 좋지 못합니다. 때문에 경량화(lightweight vehicle)가 필수적인데 1%의 경량화를 통해 약 0.5%의 주행 효율 효과를 볼 수 있습니다.
뿐만 아니라, 배터리 관련 부품 소재는 화재로 인한 인명 피해 리스크를 안고 있어 효율성과 함께 안전성이 필수적으로 고려되어야 합니다. 따라서 불에 타는 시간을 지연시키는 난연성, 배터리의 모양 변형을 방지하는 치수 안정성, 고온 저항 및 전기 절연성, 우수한 기계적 물성 등을 높이기 위한 연구가 계속되고 있는데, 최근 전기자동차에서 발생하는 열폭주* 화재로 인해 안전 규격에 대한 요구는 더 높아 지고 있습니다.
*열폭주: 배터리의 과충전/방전, 과열 혹은 외부 스트레스 등으로 인해 전압이 상승하거나 배터리가 팽창해 배터리 내 전해액 온도가 상승하여 800℃ 이상의 열에너지 폭주로 화재가 발생하는 현상
04
한화토탈에너지스의 엔지니어링 플라스틱 개발은?
한화토탈에너지스에서 생산하는 수지 제품의 하나인 PP(Polypropylene·폴리프로필렌), PE(Polyethylene·폴리에틸렌)의 경우에는 가격 경쟁력 및 성형성이 좋아 범용해 사용하는 용도에는 적합합니다. 하지만 상대적으로 낮은 녹는점으로 인해 고온의 환경에 적용하거나 높은 기계적 물성 확보가 필요한 전기 자동차 배터리 소재 및 전장 부품에는 활용이 어렵겠죠.
따라서 한화토탈에너지스에서는 기술 고도화를 통해 고부가 소재 개발 및 신규 시장 진입을 위한 엔지니어링 플라스틱 소재 검토를 시작하였고 향후 성장성이 두드러지는 자동차 배터리 관련 소재 및 전장 부품 개발을 진행하고 있습니다.
자동차 시장 변화에 발맞춰 배터리 관련 및 전장 부품 소재연구를 통해 PP(Polypropylene), mPPO (modified Polyphenylene oxide·변성 폴리페닐렌옥사이드), PA (Polyamide·폴리아마이드), PBT (Polybutylene terephthalate·폴리부틸렌 테레프탈레이트) 등 다양한 수지 기반 제품을 개발하였고 2023년 상반기 상업화를 앞두고 있습니다. 또한 자동차 외 배터리 관련 부품 분야의 적용을 위해 국내외 업체와도 개발을 진행 중에 있습니다.
한화토탈에너지스는 앞으로도 발전하는 고부가가치 시장의 흐름과 고객의 니즈를 파악하여 기술 개발에 힘쓰겠습니다. 업그레이드된 기술을 바탕으로 신규 고부가 제품을 개발하고 가속화할 수 있도록 노력하겠습니다.
(글: 복합소재연구팀 김태영 프로)
종합 케미칼 & 에너지 리더,
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