PEEK 와 PAEK 폴리머 - 이름 속에 담긴 의미와 차이는?

항공우주용 컴포지트(복합소재)인 빅트렉스 AE™ 250 UD 테이프에 이어, 적층 제조(3D 프린팅)에서 Z 방향 강도를 재정의한 빅트렉스 AM™ 200 필라멘트가 빅트렉스 PAEK 제품군에 추가되었다. 이후 PEEK(PolyEtherEtherKetone)와 PAEK(PolyArylEtherKetone)의 차이점에 대한 질문을 자주 들었는데, 그런 궁금증을 해결하는 데 조금이나마 도움이 되길 바라며 이번 포스팅을 작성했다.

‘PAEK’는 아릴(aryl), 에테르(ether), 케톤(ketone) 구조를 포함한 폴리머 계열을 의미한다. ‘PAEK’를 하나의 성(family name)으로 생각하면 쉽게 이해할 수 있다. (참고: 고성능 폴리머 PEEK란?)

지금까지 보고된 PAEK 계열의 폴리머는 340종이 넘는다. 그러나 이들 대부분은 비결정성 (amorphous, 비정질)으로, 산업적으로 관심이 적은 소재들이다.

빅트렉스는 반결정성(semi-crystalline, 반정질) 소재에 집중하고 있다. 반결정성 소재는 우수한 내화학성, 내마모성, 피로 강도, 크리프 저항성 등과 같은 특성을 제공한다. (참고: 고성능 폴리머-폴리머 결정화도)

가장 잘 알려진 PAEK 계열의 소재는 PEEK다. PEEK 소재의 반복 단위(repeat unit)는 다음과 같다.

빅트렉스의 또다른 PAEK 계열의 소재인 빅트렉스 HT™ 폴리머는 PEK로, 반복 단위는 아래와 같다.

다음은 PEKEKK인 빅트렉스 ST™ 폴리머의 반복 단위이다.

한편, 용융온도(Tm)가 높다는 것은 그만큼 폴리머의 가공 온도가 높아짐을 의미한다. 일반적으로 PAEK 계열 폴리머는 용융 온도(Tm)보다 30~60°C 높은 온도에서 가공되며, 실제로 430°C를 초과하는 고온에서의 열가소성 수지 가공은 상당히 까다로울 수 있다. 

위 표를 보면 유리전이온도(Tg)와 용융온도(Tm)를 절대 온도 척도인 켈빈(K. K = °C + 273.15) 기준으로 비교했을 때, 반결정질(반정질) 소재인 PAEK는 거의 일정하게 Tm : Tg = 약 1.5:1 비율을 유지하고 있음을 확인할 수 있다. 이는 반결정성 올-파라(all-para)형 PAEK 소재의 ‘비공식적인 규칙’으로 여겨진다.

규칙을 재정의하다 – 빅트렉스의 도전 

빅트렉스에서는 “이 규칙을 깨면 어떻게 될까?”라는 질문을 던졌다. “Tm(용융온도)을 낮추면서 Tg(유리전이온도)를 그대로 유지할 수 있다면, 고온 특성을 유지하면서 가공 온도를 낮출 수 있지 않을까?”

이러한 질문은 결국 빅트렉스 AE™ 250 UD 테이프와 빅트렉스 AM™ 200 필라멘트에 사용된 새로운 PAEK 계열의 폴리머인 LMPAEK™ 폴리머의 개발로 이어졌다. 빅트렉스의 LMPAEK 폴리머는 Tm: Tg 비율이 약 1.35로, Tm과 가공 온도를 약 40°C 낮추면서 Tg는 PEEK 수준으로 유지된다.

“LMPAEK™ 폴리머- 복합소재 및 적층 제조에 적합한 이유” 편에서는 빅트렉스 LMPAEK™ 폴리머가 컴포지트(복합소재), 하이브리드 오버몰딩, 적층 제조 (3D 프린팅)에 적합한 이유와 이점에 대해 설명할 예정이다.