고강도를 위한 금속 소재? 금속 헤드에 도전하는 고성능 폴리머

폴리머는 우리가 상상할 수 있는 각종 기계 장치의 다양한 부품 제조 역량을 향상하고, 실용적이고 저렴한 부품을 생산하는 동시에 설계 역량의 한계를 극복하는 데 기여해왔다.

폴리머가 본격적으로 사용되기 전, 금속 소재는 수많은 부품 제조에 사용되었다. 다양한 금속 소재는 크고 작은 기계와 장비, 각종 제품의 핵심 부품으로 활용되어 왔지만, 원자재에서 최종 제품으로 만들어지기까지 여러 공정을 필요로 한다는 점에서 폴리머에 비해 최종 부품으로 만들어지기 쉽지 않다.

항공 우주 분야에서는 이를 완제품에 이르는 원재료의 비율, 즉 원자재 대비 버려지는 비율(Buy-to-fly ratio)이라고 하며, 제품에 사용된 원자재와 제품 무게 사이의 비율을 측정한다. 수많은 1차 및 2차 공정이 필요한 알루미늄이나 티타늄과 같은 대부분의 금속 합금은 해당 비율이 높은 편이다. 알루미늄은 이론적으로는 무제한 재활용이 가능하지만 제조 공정상 효율이 떨어진다.

한 조사 결과(Geyer, Jambeck, Law)에 따르면 2015년에 4억 톤 이상의 폴리머가 생산되었다. 또한 유관 금속 협회의 최신 통계에 따르면 고성능 폴리머(High-performance polymer, HPP)가 대체할 수 있는 일반 금속 소재(주로 알루미늄, 강철, 티타늄, 코발트, 황동, 청동 등)에 대한 수요는 총 폴리머 소비량의 약 4배에 달했다. PEEK와 같은 폴리머는 적용될 수 있는 광범위한 산업군 및 응용 분야에서 현재 약 20% 정도 활용되는 것으로 파악되며, 향후 금속 부품 대체 가능성이 무궁무진하다. 

폴리머는 통상 기능 특성과 작동 온도 범위에 따라 범용 폴리머 (물량 기준으로 가장 큰 비중을 차지), 엔지니어링 폴리머, 고성능 폴리머로 구분할 수 있으며, 빅트렉스 PEEK 폴리머는 고성능 폴리머의 최상단에 위치한다. 폴리아릴에테르케톤(PolyArylEtherKetone, 이하 PAEK) 계열의 폴리에테르에테르케톤(PolyEtherEtherKetone, 이하 PEEK) 폴리머는 열가소성 수지(thermoplastic)로서 기계적 특성에 영향을 미치지 않고 녹여서 새로운 형태로 성형할 수 있으며, 최근 고성능 폴리머의 효율적인 적용을 이끄는 강력한 동인으로 인정받고 있다. 

고성능 폴리머의 일반 생산량은 약 70만 톤으로 추정되며, 그 중 PAEK가 약 6천 톤을 차지한다. 총 폴리머 생산량에서 차지하는 비중은 매우 작지만, PEEK는 특히 부식에 노출된 환경에서 고온 고압을 견뎌야 하는 분야에 금속을 대체할 수 있는 매력적인 소재다.

보다 많은 잠재력을 실현하기 위한 고성능 폴리머

빅트렉스 PEEK와 같은 고성능 폴리머는 금속 대체를 통해 아래를 포함한 다양한 혜택을 제공한다.

경량화: PEEK 부품은 강도 대비 중량 비율이 우수하기 때문에 금속 소재에 비해 훨씬 가볍고, 동일 강성일 때 PEEK 소재 부품은 동급의 강철 부품보다 최대 70% 정도 무게를 줄일 수 있다. 이러한 무게 절감은 일례로 차량이나 항공기의 무게를 줄여 CO² 배출과 연비에 대한 엄격한 환경 규정을 준수하는 데 도움을 줄 수 있다. 

비용 절감: 금속 소재의 원자재 비용이 조금 더 낮을 수 있지만 제조 공정에 더 많은 시간과 여러 단계의 공정 처리가 필요한 반면, 빅트렉스 PEEK 폴리머와 같은 고성능 폴리머는 1단계 사출 성형 공정으로 제품 생산이 가능해 제품 비용을 낮출 뿐 아니라 제조 효율이나 자원 관리, 폐기물 감소에도 긍정적인 영향을 줄 수 있다.

설계 자유도: 폴리머의 유연한 특성과 사출 성형 또는 압출을 통한 상대적으로 용이한 부품 제조는 설계 시 특히 부품을 더욱 작게 혹은 복잡하거나 강하게 만들기 위한 새로운 부품 제작 방법을 모색하는 데 도움을 줄 수 있다. 이러한 유연성과 창의성은 적층가공으로도 알려진 3D 제조 기술의 확산으로 더욱 각광받을 것으로 기대된다. 

제품 수명 연장: 폴리머의 기존 특성과 더불어 특정 특성을 강화하기 위해 필러를 보강할 수 있다는 점은 최종 제품의 성능 강화는 물론 수명 연장에도 기여할 수 있다. 고성능 PEEK 폴리머는 최대 200°C의 온도에서 광범위한 화학물질에 대한 내화학성을 제공한다. 또한 높은 내마모성, 낮은 마찰 계수 등 고유한 마찰 특성 역시 제품 수명 및 유지 보수 주기의 연장에 기여한다. 

빅트렉스 PEEK 소재를 통한 금속 대체는 아래 사례를 비롯해 각종 산업군과 응용 분야에서 진행되고 있다.

• 에어버스 A350 항공기 도어에 사용된 알루미늄 소재를 탄소 섬유를 보강한 고성능 빅트렉스 PEEK로 만든 브래킷으로 대체할 경우, 무게와 비용이 약 40% 감소한다
• 빅트렉스 HPG™ 폴리머로 만든 기어로 주철 기어를 교체할 경우 NVH(Noise Vibration Harshness)가 50%(3 dB)정도 감소하고 무게가 최대 68% 줄어 더 가볍고 조용하며 효율적인 엔진을 만들 수 있다
• PEEK로 제작된 씰, 가이드 링, 베어링은 PTFE에 비해 제품 수명주기가 4배 더 길고 폴리아미드(PA) 대비 내구성이 10배 이상이다. PEEK 소재 기반 베어링에서는 열화 없이 10,000 시간 사용이 가능한 데 비해 폴리아미드는 약 1,000시간 후에 고장 났다
• 체내 이식 가능한 PEEK로 만든 JUVORA 치과 보철물은 티타늄에 비해 충격 흡수력이 최대 26배 향상되었다
• 컴프레서의 강철 배출 밸브를 PEEK 배출 밸브로 교체하면 2% 정도 효율을 향상시킬 수 있다

아인슈타인의 교훈

위대한 과학자 알버트 아인슈타인은 “나에게 1시간이 주어진다면 문제가 무엇인지 정의하는 데 55분의 시간을 쓰고, 해결책을 찾는 데 나머지 5분을 쓸 것이다”고 말했다. 비슷한 맥락으로 금속 대체 기회를 찾아낼 수 있는 첫 단계는 올바른 질문을 하는 것이다. 올바른 질문은 까다로운 환경이나 충족되지 않은 요구사항을 파악하고 이를 해결하기 위해 빅트렉스 PEEK 소재를 어떻게 적용할 수 있을지 해결책을 찾도록 도와줄 것이다.