[고기능 폴리머] (2) PEEK란?

PEEK는 대표적인 고성능 폴리머(High-Performance Polymer, HPP)로 널리 인정받고 있다. PEEK는 그간 자동차, 항공우주, 석유 및 가스, 의료기기 산업에서 사용된 금속을 대체할 수 있는 소재로 주목받고 받고 있다.

, 수석 과학자,

PEEK란 무엇인가?

PEEK 또는 폴리에테르에테르케톤은 “방향족 폴리케톤” (더 정확하게는 “폴리아릴에테르케톤” 또는 PAEK)이라는 폴리머 계열에 속하며, 다음과 같은 구성요소로 만들어진다.

PAEK에 대한 연구개발은 1960년대에 시작되었지만, 영국 ICI(Imperial Chemical Industries)가 PEEK에 대한 특허를 출원한 것은 1978년이며, 1981년 빅트렉스 PEEK 폴리머로 처음 상용화되었다.

다소 생소하게 들리는 “Aromatic(방향족)”은 독특하거나 달콤한 향이 난다는 의미로, 과학자들이 앞서 제시된 아릴 구성요소와 같은 고리 모양의 구조를 포함하거나 여기서 파생된 일부 분자를 설명하기 위해 사용된다. 이러한 유형의 작은 분자인 톨루엔, 나프탈렌은 특유의 향이 있다. 반면, PEEK는 대부분의 열가소성 수지처럼 정상 조건에서는 무취다. 또한 PEEK는 화학적인 측면에서 대체로 선형의 반결정질 폴리머이며, 구성요소가 결합되는 방식과 에테르에테르케톤 또는 EEK를 얻게 되는 방식은 다음과 같다.

위의 대괄호로 표시된 이 “반복 단위”는 하나의 PEEK 폴리머 사슬을 만들기 위해 여러 번, 평균적으로 200-300회 반복된다. "많다"는 뜻의 그리스어 “Poly”에서 온 P에, 수많은 EEK가 연결되어 PEEK가 된다.

아릴기와 케톤기는 높은 용융점과 함께 높은 강성(Stiffness)을 제공한다. 에테르기는 인성(Toughness)에 대해 일정 수준 이상의 유연성을 제공하며, 아릴기와 케톤기처럼 반응성이 없어 내화학성을 제공한다. 반복 단위의 규칙적인 구조는 PEEK 분자가 부분적으로 결정화될 수 있음을 의미하며, 결정도(Crystallinity)는 마모, 크리프(Creep: 장기적 하중을 받았을 때 변형되지 않는 성질), 피로, 화학물질에 대한 저항성을 제공한다.

이러한 구조로 생성된 PEEK 폴리머는 세계에서 가장 성능이 뛰어난 열가소성 수지 중 하나로, 금속에 비해 매우 가볍고 성형이 쉬우며 부식에 강하고 높은 비강도(단위 무게당 강도)를 제공할 수 있다.

응용 분야에 적합한 설계

빅트렉스는 PEEK를 만들 때 사슬 길이나 분자량을 제어하는 공정을 거친다. 더 긴 사슬 (고 분자량 혹은 MW)을 갖는 PEEK는 짧은 사슬의 PEEK보다 더 단단하고 충격을 잘 견딜 수 있지만 용융되면 점성이 매우 높아서 작은 몰드를 채우는 데 제한적일 수 있다. 반면, 저 분자량 PEEK는 충격 저항성은 다소 낮지만 용융되면 흐름성이 훨씬 좋아 작고 복잡한 부품을 보다 쉽게 만들 수 있다.

PEEK의 광범위한 특성

광범위한 특성을 가진 PEEK는 제한된 특정 기능만을 제공하는 타 폴리머에 비해 고기능이 요구되는 다양한 방면에 활용될 수 있다.

  • 고내열성

테스트에 따르면 빅트렉스 PEEK 폴리머의 연속 사용 온도는 260°C (500°F)이다. 이는 산업 공정, 석유 및 가스 부문, 차량의 엔진과 변속기 등 상당히 높은 온도에 대한 저항성을 필요로 하는 환경에서 사용하기 적합하다. PEEK는 스러스트 와셔(Thrust washers), 씰 링(Seal ring)과 같은 역학 분야에서도 마찰과 마모에 대한 높은 저항성을 제공한다.

  • 내화학성

PEEK는 석유 및 가스산업의 유정 내 다운홀, 기계 및 자동차 분야의 기어와 같은 공격적인 화학물질에 노출되는 환경에서 발생할 수 있는 손상을 견딜 수 있다. 항공우주산업에 사용되는 제트유, 유압유, 제빙제, 살충제 등을 비롯한 각종 화학물질에 대해 광범위한 압력, 온도, 시간에 걸쳐 높은 저항성을 제공한다.

  • 우수한 기계적 특성

PEEK는 넓은 온도 범위에서 우수한 강도와 강성을 나타낸다. 특히, PEEK 계열의 탄소 섬유 복합 소재는 금속이나 합금에 비해 뛰어난 강도를 가진다. “크리프(Creep)”는 일정한 응력이 가해질 때 시간에 따른 물질의 변형을 뜻하며, “피로(Fatigue)”는 연속적인 순환 하중에서 기계적 물성, 특히 취성 파괴(Brittle failure)를 나타낸다. PEEK는 반결정질 구조로, 크리프 및 피로 저항성이 모두 높으며, 유효한 사용 수명 혹은 긴 시간동안 많은 다른 폴리머 및 일부 금속 소재 대비 우수한 내구성을 보인다.

  • 난연성

높은 난연성을 가진 PEEK는 거의 600°C까지 연소하지 않는다. 매우 높은 온도에서 탈 경우, PEEK는 연소를 돕지 않고 연기도 거의 발생하지 않는다. 이러한 특징으로 PEEK는 상용 항공기에 널리 사용된다.

  • 가공 용이성 및 재활용 가능성

PEEK 분자는 매우 안정적이므로 폴리머를 반복해서 재용융, 처리할 수 있으며, 이러한 과정에서도 물적 특성은 크게 변화하지 않는다. 이러한 특성은 폐기물을 경제적으로 재사용하고 환경 발자국을 줄이는 데 도움을 줄 수 있다.

  • 그 외 다양한 특성

PEEK는 습기를 흡수하지 않기 때문에 습한 환경에서 특성이 변하지 않는다. 감마 및 전자 빔 방사에 강하고 X선을 투과하므로 의료 기기 분야에서 사용하기에 적합하다. 또한 안정적인 전기적 특성을 지닌 PEEK는 전기 절연체로 사용될 뿐 아니라 전기 전도성이나 정전기적으로 소산되도록 변경될 수도 있다.

열가소성 수지인 PEEK는 기존 열가소성 수지를 위한 장비를 사용해 압출, 사출, 압축 성형 및 가공이 가능하다. 이와 더불어 PEEK는 다양한 분야에 걸쳐 부품 성능 및 내구성 향상, 중량 감소, 제반 시스템 비용 절감 등을 위해 활용되고 있다.

많은 산업군과 까다로운 환경에 적합한 소재를 찾는 재료 전문가나 부품 설계자, 구매자에게 고기능성, 중량 감소, 에너지 효율 향상, 조립 시간 및 비용 절감과 같은 혜택을 제공하는 PEEK는 기존 금속이나 합금 소재를 대체할 수 있는 좋은 대안이 될 수 있다.

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