LMPAEK™ 폴리머의 원리와 복합소재 및 적층 제조 적합성 분석

이전 블로그 “PEEK 와 PAEK 폴리머 - 이름 속에 담긴 의미와 차이는?”에서는 PAEK 계열의 폴리머 구조와 특징, 그리고 두 개의 반복 단위를 갖는 공중합체(co-polymer, 코폴리머) 기반의 LMPAEK™ 폴리머를 소개한 바 있다. 빅트렉스 AE™ 250 UD테이프, 빅트렉스 AM™ 200 필라멘트 또한 LMPAEK™ 폴리머 제품군에 포함된다. 

공중합체(co-polymer, 코폴리머)는 PAEK 계열뿐만 아니라 다양한 폴리머 계열에서 흔히 볼 수 있는 구조이. 예를 들어, 단일 반복 단위 A로 구성된 선형 폴리머는 다음과 같은 형태의 사슬 구조를 가진다. 

-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-

한편, 두 가지 반복 단위 A 와 B 를 포함하는 공중합체의 경우 다양한 조합이 가능하다. A 와 B의 비율이 같다면, 규칙적인 교대 구조가 만들어질 수 있다. 

-A-B-A-B-A-B-A-B-A-B-A-B-A-B-A-B-

이런 구조는 실제로는 드물다. 대부분의 경우, 반복 단위가 결합되는 방식은 통계적이거나 무작위적 특성을 띤다. 이는 폴리머 합성 과정에서 흔히 나타나는 현상이다. 예를 들어, A가 75%, B가 25%인 경우 다음과 같은 불규칙한 구조가 형성될 수 있다.

-A-A-B-A-B-A-B-B-A-A-A-B-A-A-A-A-A-B-A-A-

반복 단위가 블록 형태로 배열되는 블록 공중합체(block co-polymer)도 있다. 70:30 비율을 적용하면 다음과 같은 형태로 나타날 수 있다.

-A-A-A-A-B-B-B-B-B-B-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-

이러한 반복 단위의 배열 방식은 폴리머의 결정화 속도나 결정화도에 영향을 미친다. 폴리머는 A와 B의 구획된 영역에서 결정화될 수도 있고, 무질서한 형태로 결정화되거나 그 중간 단계일 수도 있다. 이러한 구조적 차이는 궁극적으로 강성, 인성, 파열 저항성, 내화학성 등 폴리머의 기계적 물성에 결정적인 영향을 줄 수 있다.  

새로운 PAEK 공중합체를 개발한 주된 목적은 용융온도(Tm)을 낮춰 더 낮은 온도에서 가공할 수 있으면서, 유리전이온도(Tg)를 유지해 고온 특성을 확보하는 것이었다. 더불어, 이런 공중합체는 실제 적용되는 공정의 적합성도 한층 향상시켰다. 각 사례를 차례로 살펴보자. 

빅트렉스 AE™ 250 UD 테이프 – 컴포지트 공정을 위한 설계

초기 목표는 기존 PEEK 폴리머보다 컴포지트(composite, 복합소재) 가공에 좀더 적합한 폴리머를 개발하는 것이었다. 이를 위해 가공 온도를 낮추는 것과 동시에 결정화 속도 조절이 주요 과제였다. PEEK 폴리머는 아주 빠르게 결정화되기 때문에 사출 성형에는 유리하지만, 컴포지트 공정, 특히 OoA(Out-of-Autoclave) 가공 시 적층 및 재료 간 결합을 용이하게 하기 위해 느린 결정화 속도가 요구된다. 

고성능 컴포지트 라미네이트 

빅트렉스는 Daher사와의 협업을 통해 빅트렉스 AE™ 250 UD 테이프가 기존의 약 32 플라이(ply)* 수준에서 최대 176 플라이 두께의 고품질 컴포지트 라미네이트 제작이 가능함을 입증했다. (*‘플라이(ply)’는 복합소재 적층 수를 나타내는 단위)

열경화성 적층 속도에 근접한 열가소성 컴포지트 

최근 Electroimpact사와의 협업으로 열경화성 컴포지트와 유사한 적층(lay-up) 속도를 구현할 수 있었다. 용융온도(Tm)가 낮아진 덕분에 빅트렉스 AE™ 250 UD 테이프는 빅트렉스 PEEK 150CA30과 같은 컴파운드와의 오버몰딩에도 적합하다. PEEK 폴리머와 공중합체는 용융 상태에서 완전히 상용성이 확보되어, 복합소재 패널 표면과 오버몰딩된 소재 간에 우수한 계면 접착력을 발현할 수 있다.

빅트렉스 AM™ 200 필라멘트 – 적층 제조(3D 프린팅)를 위한 최적화

PAEK 계열 폴리머의 적층 제조 적용 한계
빅트렉스 AM™ 200 필라멘트를 개발하기 전까지 반결정성 PAEK 소재를 사용한 3D 프린팅 부품 제조는 어렵다는 인식이 일반적이었다. 그 주요 원인 중 하나는 각 레이어(층) 간 접착력이 낮다는 점이었다. 3D 프린팅 공정에서는 하나의 레이어가 프린트된 후 다음 레이어가 프린트, 적층되기까지 시간이 걸리는데, 이 사이에 먼저 프린트된 하층이 결정화되어 냉각되기 때문에 상층과의 접착이 어려워진다. 

이러한 특성으로 인해 수직 방향(Z축)의 기계적 특성은 수평 방향(X-Y축)보다 훨씬 낮았으며, Z축의 강도가 X-Y 축 대비 13~25%에 불과한 경우도 있었다. 최근에는 Bond 3D와 같은 선도 기업들이 이러한 문제를 해결하고 있다. 

빅트렉스 AM™ 200은 가공 온도를 낮추는 동시에 결정화 속도를 크게 늦춤으로써, 프린팅된 부품의 Z축 강도를 X-Y축 대비 최대 80% 수준까지 끌어올릴 수 있다. 또한, 일부 PEEK 등급 대비 3배 이상의 연성(ductility)을 확보할 수 있어 적층 제조 공정에서 더욱 우수한 기계적 성능을 구현할 수 있다.

빅트렉스 AM™ 200 – 적층 제조(3D 프린팅)를 위해 설계, 최적화된 폴리머

엑서터대학교 적층 제조 센터(Centre for Additive Layer Manufacturing, CALM)의 파트너들과 빅트렉스 기술진은 빅트렉스 AM™ 200의 작동 메커니즘을 심도 깊게 연구해, 해당 소재가 적층 제조에 적합한 이유를 명확히 이해할 수 있게 되었다.

결론 및 요약
이번 글이 PAEK계열의 공중합체(co-polymers, 코폴리머)에 대해 이해하는데 도움이 되었기를 바란다. PEEK 폴리머는 향후에도 주요 소재로 활용될 것이며, 새로운 공중합체는 기존 PEEK 폴리머가 해결하지 못했던 다양한 엔지니어링 과제를 해결하고, PAEK 기반의 고성능 소재 솔루션이 폭넓은 분야의 혁신적인 애플리케이션에 적용되는 데 기여할 것으로 기대된다.