자동차용 플라스틱
오 승 민 주식회사 일광
Automotive plastics
Seungmin Oh
R&D Center, ILKWANG Co.,Ltd. Ulsan 689-871, Korea
Abstract: Plastic 소재와 성형기술의 발달로 많은 부품들이 자동차에 사용되어지고 있으며 특히 전기자동차(EV)와 하이브리드카(HV)의 시장이 확대되면서 자동차용 플라스틱이 크게 성장되어지고 있다. 또한 연비규제에 맞추어 연비 향상을 위한 차량중량의 경량화와 환경을 고려한 ECO 자동차를 생산하기 위해 경량화 소재 및 그 생산기술과 친환경 적인 플라스틱 소재를 만드는 제조사도 점점 늘어나는 추세이다. 세계 자동차용 플라스틱 소재의 변화 추세에 맞추어 국내 플라스틱 산업에서도 경량화 소재, ECO 소재에 대한 연구와 개발에 박차를 가해야 할 것이다.
Keywords: plastic, enpla, composite, automobile, injection
1. 서 론
1)
자동차용 플라스틱은 크게 범용 플라스틱, 엔지 니어링 플라스틱 (ENPLA, 엔프라), 수퍼 엔지니어 링 플라스틱(수퍼 엔프라)이 있다.
범용 플라스틱은 자동차 내외장재 등에 사용되 어지고 있으며 PP (Polypropylene), PE (Polyethy- lene) 등이 가장 많이 사용되어지고 있다.
엔지니어링 플라스틱(Engineering plastic, enpla) 은 합성수지(Resin)와 유리 및 탄소섬유, Talc 등 의 충진물을 배합하여 만든 플라스틱으로 범용 플 라스틱에 비하여 인장강도와 내열성, 굴곡탄성율 등이 우수한 특성을 가지고 있어 자동차 부품에 사용되어지고 있으며 금속을 대체할 수 있는 재료 로 사용되어지고 있다 . 엔프라는 결정성 소재인 PA (Polyamide), POM (Poly acetal resin), PBT (Polybutylene terephthalate)와 비결정 소재인 mPPO, PC (Polycarbonate) 등 5가지 소재가 주도하고 있 으며 엔프라의 정의는 각종 자료에서 살펴보면,
저자(E-mail: [email protected])
｢자동차부품이나 기계부품, 전기ㆍ전자부품과 같 은 공업용도에 사용되는 플라스틱이면서, 50 MPa 이상의 인장강도, 2.4 GPa 이상의 굴곡탄성율, 100℃ 이상의 장기내열성을 가진 것｣으로 나타내 어지며, 150도 이상의 내열성을 기준으로 엔프라 와 수퍼 엔프라로 구분한다.
자동차용 플라스틱 소재의 범위는 경량화, 전기
자동차(EV), 하이브리드카(HV), 환경규제 및 고
유가 시대의 연비절감 소재로 패키징 소재, 부품
소재, 내열소재, 난연성 소재 등 금속부품을 바꾸
는 소재와 각종 전기부품과, 공급처 기준으로 대
분야로는 범용 플라스틱, 5대 범용 EP, 5대 수퍼
EP 및 수퍼 섬유 등이 있고, 원재료의 컴파운딩,
성형가공 및 부품화 공정에 따라서 단품 패키지,
모듈화, 패키지화 단계에 사용되는 각종 소재와
부품을 포함하며 기술적으로는 각 소재와 부품의
제조기술, 성능 향상 기술, 원가절감 기술, 경량화
기술, 소재 국산화 기술 등이 포함된다.
대분야 중분야 세부 제품
자동차용 플라스틱
범용 플라스틱
ABS Lamp Reflactor, Side/Back Mirror 등 내외장재 PU Bumper, Fender, Rear Quarter Panel 등 PVC Instrument Panel, Floor Mat, Headlining Skim 등
PE Under Cover, Insulator 등
PP Bumper, Battery Case, Rock Panel, Instrument Panel 등
5대 범용 EP
PC Head Lamp Lens, Instrument Panel, Back Beam PBT Connector, Head Lamp, Back Beam, Wiper Arm 등
POM Glove Box, Window Regulator, Door Lock, Safety Belt Anchor 등 구동부품
PA6, PA66 Intake Manifold, Fuel Tank, Radiator Tank, Cylinder Head Cover 등 엔진 및 연료 관련 부품
mPPO Connector, Switch, Fail Cover, FuseBox 등
5대 슈퍼 EP
PP5 Alternator, Waterpump, 배기가스 밸브/필터, 각종 센서, EV용 밧데리 등 LCP 엔진 및 엔진관련부품, 보빈, 컨넥터, 그러나 전기전자 수요가 대부분 PEEK 트랜스 밋션용 오일 실링, 엔진/베어링 열수메터부품, 열수펌프 등
PI 항공우주용 내열구조 부품, 공업용 모터/PCB외 절연재료 등
내열 PA 엔진 및 연료관련 부품 등
슈퍼 섬유 탄소섬유 항공기에 주로 이용, 자동차에는 CNG Cylinder에 일부 이용
아라미드 섬유 타이밍 벨트, 무단변속기용 벨트, 타이어 코드 및 보강재, 브레이크 패드 등
*출처 : 2013년 중소기업 기술로드맵-유무기소재
Table 1. 자동차용 플라스틱소재의 분류 관점의 범위
*자료 : Lanxess, 2013년
Figure 1. 자동차용 플라스틱 부품 적용사례.
수퍼 엔지니어링 플라스틱은 1964년 PI (폴리이 미드, Polyimide)가 개발된 후 PPS, PEEK (Poly- ether ether ketone), LCP (액정폴리머 Liquid crys- tal polymer), 내열 PA (PPA, PA6T, PA9T, PA46 등) 등 다양한 제품이 개발되었다. 그러나 범용 엔 지니어링 플라스틱의 가격이 4,000원/kg 정도에
형성되어 있는 것에 반해 수퍼 엔지니어링 플라스 틱은 10만원/kg 이상인 것이 대부분이며 높은 온 도의 성형조건으로 제품생산이 까다로워 생산원 가가 높고 리사이클링이 어려워 시장규모는 소규 모이지만, 최근에 자동차부품의 다이케스팅제품 을 PPS로 사용하거나, 항공기, 전자제품 등에서 고기능 플라스틱 수요가 확대되고 있으며, 컴파운 딩 및 리사이클링 기술의 발전으로 미국, 유럽, 일 본 등 선진시장을 중심으로 생산이 확대되고 있다.
특히 PPS는 2010년 세계 시장규모가 7만톤으로
연평균 9%의 성장률을 기록하며 수퍼 엔지니어링
플라스틱 중 가장 높은 성장세를 보이고 있다. 또
한, PPS는 200℃ 이상의 높은 내열성과 고강도를
지니고 있어 자동차 제너레이터, 배기가스 밸브,
쓰로틀 바디, 각종 센서 등에 사용되고 있으며, 향
후에도 xEV용 2차전지, 모터 등 장시간 고 내열이
요구되는 플라스틱 수요 확대로 높은 성장세를 지
속할 것으로 기대되고 있다.
2. 자동차용 플라스틱의 종류
2.1. PE (Polyethylene)
PE는 플라스틱 원재료로부터 일용 잡화 등 많 은 곳에 사용되어지는 범용 플라스틱이다.
1933년 영국의 ICI사 연구실에서 고압 실험 중 우연히 발견된 수지인 폴리에틸렌은 1940년대 초 반 미국에서 본격적으로 양산되어 석유화학공업 에서 대량생산되어 많이 사용되어졌으며 범용 플 라스틱의 대표적인 소재다 . PE는 원유를 증류해서 얻어지는 나프타를 분해해서 얻어지는 에틸렌을 중합하여 만들어진다. 각기 다른 형태로 생성시킨 분자구조에 따라 그 물성이 다양하게 변하는데 , 분 자구조에 따른 결정도 , 평균분자량, 그리고 분자량 분포에 따라 폴리에틸렌의 물성이 크게 좌우된다.
PE는 가볍고 잘 변화되지 않으며 잘 썩지 않는 플라스틱의 기본 특성뿐 아니라 화학 안정성, 내 후성, 내수성, 내저온 충격성, 절연성, 성형성 등 광범위한 뛰어난 특성을 갖추고 있고 , 더욱 플라 스틱 중에서도 가벼운 소재에 속해 가격이 싸다 . PE의 특징으로는 밀도에 의해 HD-PE［high den- sity polyethylene], (고밀도 폴리에틸렌 = 경질 폴 리에틸렌)와 LD-PE［low density polyethylene], (저밀도 폴리에틸렌 = 연질 폴리에틸렌)로 나누어지 며 , 식품위생성에 적합하고 저온 특성이 뛰어나다.
PE의 가장 큰 특성으로는 유연성을 들 수 있는 데, 이는 장점이면서도 결점이다. PE는 유백색이 며 반투명∼불투명의 플라스틱으로 낮은 비중과 내수성, 전기 절연성이 우수하고, 산과 알카리에 잘 견딘다 . 또한 위생적으로 무독하며, 저온에서도 유연성을 잃지 않고 충격에 강하다. 또 PE는 거의 수분을 통과시키지 않지만 탄산가스, 유기용제, 향 료 등의 투과도는 상당히 크다.
PE는 화학적으로 아주 안정하며, 상온에서 용 해시킬 수 있는 용제가 없다. 그리고 완전히 무극 성이기 때문에 접착제로서의 접합, 표면의 인쇄를 하기는 어렵다 .
PE뿐만 아니라 결정성 플라스틱에 대해서도 마 찬가지이지만, 일반적으로 결정화도가 크면 클수
록 융점, 연화점, 항복점, 강성, 내약품성, 경도 등 이 커지는 반면, 투명도가 떨어지거나 신축성이 줄어들고 사출 가공이 쉽다.
이와 같이 PE는 밀도, MI (Melt Index), 분자량 분포에 의해 성질이 크게 변한다. PE는 성형수축 이 크고 반복에 약하며 내열성이 떨어지는 점 등 이 결점이다.
2.2. PP (Polypropylene)
PP는 비중이 작고, 경첩 특성이 뛰어난 범용 플 라스틱으로 PP의 성질의 상당수는 PE와 유사하지 만, 스트레스 분쇄 특성, 투명성, 항장력 등에 있어 서 PE보다 우수하다.
PP의 특징으로는 플라스틱 중에서 가장 비중이 작고 반복되는 휨에 강한 특유의 경첩 특성을 가 지며 식품위생성에 적합하고 스트레스 분쇄에 우 수하며 성형 후 수려한 외관표면과 내스크레치성 에 강하다.
PP의 특성 중에서 유사한 플라스틱과 비교하면 가장 현저한 것은 비중, 기계적 강도, 굽힘 피로성, 내열성, 전기적 특성, 내약품성 등이다. 기계적 강 도는 HDPE보다 항복점, 인장강도, 압축강도, 탄 성율이 요구되는 물성보다 강한 소재이다. 화학적 으로는 황산, 질산을 제외하고는 안정하다. 원색은 PE와 같은 불투명한 유백색이다.
PP의 최대 특징은 반복 휨이 강해서, 본체와 뚜 껑을 하나로 성형하는 힌지를 만들 수 있다.
PP의 결점은 PE에 비해 저온에서의 충격에 약 하고 자외선에 약하다.
고강성, 내충격성, 투명성, 고유동성의 강점을
지닌 PP는 자동차 플라스틱 소재로 가장 많이 사
용되어지며 가전제품, 일회용 주사기, 다양한 투명
용기, 위생용 부직포, 포장용 필름 등의 원료로 널
리 사용되고 있다. PP밀도, MI, 분자량 분포에 따
라 호모폴리프로필렌(HOPELEN), 블록코폴리머
(KOPELEN), 랜덤코폴리머, 랜덤터폴리머(RANPE-
LEN) 등 PP의 다양한 제품을 생산하고 있으며,
차세대 PP 제품 연구개발을 국내에서도 시도하고
있다.
*출처 : A&D컨설턴트, 자동차산업동향과 플라스틱의 신조류
Figure 2. BMW 1 series 플라스틱 219 kg 사용 비율.
2.3. ENPLA
2.3.1. 폴리카보네이트(PC)
폴리카보네이트는 방향족계 비정성 엔프라이다.
최대의 생산량을 자랑하는 재료임에도 자동차 를 포함한 수송용 기기에서의 수요비율은 낮은 편 이다. 이는 PC의 내약품성이 그다지 양호하지 않 기 때문인데, 최근에는 그 투명성이나 기계적 특 성(내충격성), 치수특성, 내열성 등을 살린 용도가 증가하고 있다 .
사용부위로는 내외장부품, 외판부품이 많다. 구 체적 용도 예로는 헤드램프 렌즈 , 아우터 도어핸 들, 휠 캡, 스포일러, 루프레일, 미터 커버, 인스트 루먼트파넬, 프론트그릴, 라디에이터그릴, 리어파 넬 가니시 , 선바이저, 범퍼, 스위치 등이다.
2.3.2. 폴리아미드(PA): 나일론
결정성 엔프라로, 원료에 보다 많은 종류가 있 다. 자동차분야에서는 PA6, PA66이 대부분을 차 지한다.
PA는 PC에 이은 생산량을 가진 재료로, 또한 자동차분야에서의 수요량이 많고, 범용 엔프라에 서 최대의 사용량을 보이고 있다. 내열성, 내약품 성, 기계적 특성(내충격성), 내마찰마모성, 내피로 성에 뛰어나다는 점이 자동차분야에서 많이 사용
되는 큰 이유다.
사용부위로는 엔진룸 내 부품, 내외장부품, 전 장부품이 많다. 구체적 용도로는 실린더 헤드커버, 엔진커버, 에어 인테이크 매니폴드, 인테이크 에어 덕트, ABS 모듈, vapour canister, FUEL 스트레이 너, 연료계 다층 튜브, 라디에이터 탱크, 냉각 팬, 에어컨트롤 밸브, 액셀패달, 도어미러 스테이, 컨 비네이션 스위치, 램프리플렉터, 휠 캡, 베어링 테 너, 시트벨트, 아우터도어 핸들, 헤드레스트 가이 드, 공업용 퍼스, coupler 등 다방면에 걸쳐 채용되 고 있다.
2.3.3. 폴리아세타르(POM)
POM은 지방족 폴리에테르로, 결정화도가 높은 범용 엔프라이다.
POM은 상온에서 밸런스가 잘 이루어진 기계적 특성을 가지며, 특히 내마찰ㆍ마모성이 매우 뛰어 나기 때문에 기어, 캠 등의 기능부품에 많이 사용 되고 있다. 또, 내약품성에도 뛰어난 점을 살려 자 동차 용도로 사용되고 있다.
사용부위로는 엔진룸 내 부품, 내외장부품, 전 장부품이 많다. 구체적 용도로는 fuel pump mod- ule, 가솔린 캡, 라디에이터 드렌콕, 오일탱크캡, 배출가스 대책밸브, 브레이크부품, 도어락 액츄에 이터, 도어락 사이드커버, 컨비네이션 스위치케이 스, 윈도 레귤레이터 기구부품, 선바이저 부품, 이 너도어 핸들, 시트조절 레바, 히터팬 등이다.
2.3.4. 변성 폴리페닐렌에텔(m-PPE)
m-PPM은 비정성 방향족 폴리에테르의 폴리페 닐렌에테르와 스틸렌계 수지나 폴리 아미드, 폴리 프로필렌 등과의 폴리마 알로이이며, 스틸렌계 수 지와의 폴리마 알로이의 비율이 높다.
m-PPE는 기계적 특성의 균형이 잘 잡히고, 내 열성, 치수특성, 내수성, 전기적 성질이 뛰어나다.
사용부위로는 내외장부품, 외판부품이 많다. 구체
적 용도로는 인스트루먼트 파넬, 스포일러, 미터후
드, 아우터도어핸들, 사이드실 프로텍터, 벤틸레이
터, 휠캡, 공기청정기 하우징, 프론트팬더 파넬, 범
퍼페이셔, 니켈수소전지케이스 등이다.
2.3.5. 폴리부틸렌 텔레프타레이트(PBT)
PBT는 범용 엔프라 중에서는 가장 새로운 결정 성 열가소성 폴리에스테르이다.
PBT는 매우 물성 균형이 잘 잡힌 엔프라로, 특 히 성형성 , 전기특성이 우수하고 내열성, 내열열화 성, 내약품성 등도 뛰어나다.
자동차용도에서는 대부분이 글래스섬유로 강화 한 그레이드가 사용된다 . 사용부위로는 엔진룸 내 부품, 내외장부품, 전장부품이 많다. 구체적 용도 로는 오토드라이브 액츄에이터 케이스, 배기가스 대책 밸브, 와이퍼암, 도어미러 스테이, 에어플로 우 미터 , 선루프 림ㆍ프레임, 와이어하네스 커넥 터, 이그닛션 코일 커버, 에어백용 통전부품, 하이 트센서 케이스, 아우터핸들, 전자 액셀센서 케이 스, 모터하우징, CPU, ECU의 케이스, 보조 배터 리용 케이스 등이 있다.
2.3.6. GF 강화 폴리에틸렌텔레프탈레이트(GF ․ PET) GF 강화 PET는 PBT와 같은 열가소성 폴리에 스테르이다.
GF 강화 PET는 PBT보다 성형성이 떨어지지만 내열성, 용적코스트, 치수특성, 강성, 표면광택 등 이 뛰어나다. 사용부위로는 엔진룸 내 부품, 내외 장부품, 전장부품이 많다.
구체적 용도로는 엔진커버, 오일필터, 기어케이 스, 도어미러 스테이, 와이퍼, 선루프, 대시인슐레 이터, 램프리플렉터, 파워윈도 레귤레이터, 스위 치, 커넥터, 모터하우징, 이그닛션 코일 케이스 등 이 있다.
2.4. 수퍼 ENPLA 2.4.1. 불소수지(FR)
결정성의 슈퍼 엔지니어 플라스틱이다. 기계적 강도는 반드시 높은 것은 아니지만 그 유니크한 성질로 각종 분야에 있어서 사용되고 있다. 분자 내에 불소를 포함한 수지로 , 약 10종류 정도이다.
불소수지는 탄소골격과 불소 미량의 산소로 된 퍼
*출처 : NETZSCH-Composites europe(2012)
Figure 3. 플라스틱 특성 분류표.
플오로수지와 불소와 수소 또는 염소로 된 부분불 소수지로 나누어진다.
자동차분야에서의 주요 사용부위는 바디관계, 트랜스밋션, 샷시, 전장품, 엔진관계 등이다. 구체 적 응용 예로서는 산소 센서ㆍ전선피복, AT 실링, 쇼크압소바용 링, 악셀용 푸시풀케이블, 연료배관, 리드밸브시트, 자동변속기, 도어윈도 스태빌라이 저, 센서케이블, 푸시풀케이블 등이다.
2.4.2. 폴리페닐렌 설파이드(PPS)
PPS는 내열성이 매우 뛰어난 결정성 슈퍼 엔지 니어링 플라스틱이다. 중합방법으로 가교타입, 반 가교타입, 직쇄타입으로 나누어진다.
PPS는 그 뛰어난 내열성, 내약품성, 난연성, 치
수안정성, 성형성 등을 살려 이 분야에서의 채용
을 넓히고 있다. 주요 사용용도 부위는 전장부품,
엔진부품, 기구부품이다. 구체적 응용 예로는 얼터
네이터의 브래시홀더, 전자코일보빈/케이스, 휴즈
케이스, 각종 센서부품, 각종 커넥터, 각종 모터부
품, 연료분사 에어플로우 미터, 엔진마운트용 올리
피스, 이그닛션부품, 각종 밸브부품, 워터펌프용
인스프루먼트펠러, 오일필터 부품, 캐브레이트 부
품, 램프 리플렉터, AT부품 등이 있다.
2.4.3. 폴리아릴레이트(PAR)
PAR은 2페놀과 방향족 지카르본산으로 된 전 방향족 폴리에스테르라고 정의하고 현재 시판되 고 있는 PAR은 비스페놀A와 프탈산류의 중축합 계 폴리머이다 .
PAR은 전기ㆍ전자분야, 자동차분야를 중심으 로 범용 엔지니어플라스틱으로는 대응하기 어려운 성능이 요구되는 분야에서 용도를 전개하고 있다.
자동차분야에서는 내열성, 투명성, 내후성, 기계적 강도, 스프링특성 등을 살려 램프주변의 기능부품 을 중심으로 채용되고 있다. 구체적인 응용 예로 는 패트라이트 리플렉터 등 각종 리플렉터, 턴램 프의 암바캡/클리어캡, 보색 캡, 룸램프렌즈, 컴베 네이션 스위치의 캠 등이다.
2.4.4. 액정폴리마(LCP)
LCP는 용액상태에서 액정성을 나타내는 라이 트 로픽 액정폴리마와 용융상태에서 액정성을 나 타내는 서모트로픽 액정 폴리마로 분류된다. 사출 성형에 사용되는 것은 후자이다.
LCP의 용도의 대부분이 전기ㆍ전자분야이다.
특히 용융핸더에 접촉하는 표면실장관련 부품에 많이 사용되며, 급속하게 신장하고 있다. 자동차분 야로의 응용사례는 아직 많지는 않지만, 기계적 강도, 고강성, 내약품성, 내열열화성, 치수안정성, 저선팽창률을 살려, 크루즈컨트롤 센서 부품, 연료 계통의 부품(퓨엘펌프ㆍ임페라), 인히비터 스위치 부품, 각종 센서 등에 사용되고 있다.
2.4.5. 폴리설폰계 수지(PSU)
PSU는 술포닐기(SO
2)를 포함한 비정성 폴리마 로 지크롤로지페닐슬포닐과 비스페놀 A의 공중합 체이다.
PSU는 의료분야, 전기ㆍ전자분야, 식품산업분 야, 배관분야 등을 중심으로 시장 전개되고 있다.
자동차분야에서의 사용 예는 비교적 적지만, 내열 성, 내열수성, 유전특성, 치수정도 등을 살려, 오토 휴즈, 브레이드 휴즈, 이그닛션 부품, 배터리 캡, 센서 등에 사용되고 있다.
2.4.6. 폴리에테르설폰(PES)
PES는 술포닐기(SO
2)를 포함한 비정성 폴리마 로, 지크로로지페닐술포닐을 주원료로 해서 중축 합한 호모폴리마이다.
PES는 성형재료에서는 각종 전자부품분야, 전 기기기분야, OAㆍAV 기기부품, 배관분야, 식품 산업분야, 자동차ㆍ기계분야 등으로 전개하고 있 다. 다른 용도로는 에폭시계 복합재의 인성부여재 로 유용하며 탄소섬유 복합재는 항공기용 구조재 로 수요가 늘고 있다.
자동차분야에서는 PES의 고강성, 치수정도, 내 클립성, 내열성 등을 살려, 기어박스의 베어링 리 테이너, 브레이크사프트용 부시, 슬러스트워셔, 캐 브레이터용 코일보빈, 램프 리플렉터 등에 사용되 고 있다.
2.4.7. 폴리에테르 에테르케톤(PEEK)
PEEK는 카르보니르기와 에테르기가 연결된 결 정성 슈퍼 엔지니어링 플라스틱으로, 지하로게노벤 조페논과 하이드로키논과의 중축합계 폴리마이다.
PEEK는 자동차분야, 반도체, 액정 FPD(플랙파 넬 디스플레이)의 제조프로세스 용도(클린분야), 전기ㆍ전자분야, 의료분야, 석유ㆍ천연가스 공급 시스템, 원자력 발전용도, 일반공업용도로 넓은 용 도분야에서 사용되고 있다.
뛰어난 내열안정성, 내약품성, 강도, 내피로특 성, 내열수성, 마찰마모특성 등을 살려 각종 자동 차부품에 사용되고 있다. 구체적인 응용사례로는 엔진부품(오일펌프ㆍ로터), 캠사프트 베어링, 워 셔, 터보차지 임페라, 트랜스밋션 부품(실링, 플러 스트워셔, 체그볼 등), 스티어링 컬럼 어저스트, 볼 조인트 등, 기타(램프 소켓, 연료라이너, 컴프레서 실, 진공펌프 부품, 브레이크 부품, 디스트리뷰터 기어), O2센서, 도어모듈 부품 등을 들 수 있다.
2.4.8. 폴리아미드이미드(PAI)
PAI는 비정성의 슈퍼 엔지니어링 플라스틱으
로, 폴리이미드의 성형성을 개량하기 위해 분자
내에 아미드기를 도입, 이미드기와 아미드기를 서
로 공중합시킨 것으로, 방향족 트리칼본산과 방향 족 지아민으로 제조된다.
PAI는 산업기계부품, 전기ㆍ전자분야, OA기기 분야, 자동차분야, 항공우주분야 등, 선단산업 분 야에 시장전개가 이루어지고 있다. 자동차분야에 서는 그 뛰어난 내열성, 내마찰ㆍ마모성, 내약품성 등을 살려 슬러스트워셔 , 실링, 기어, 베어링, 엔진 부품(피스톤, 피스톤링, 밸브시스템 등), 트랜스밋 션 부품(스프루변, 폴 역지변 등), 라카암 등에 사 용되고 있다.
2.4.9. 폴리에테르이미드(PEI)
PEI는 비정성 슈퍼 엔지니어링 플라스틱으로, 뛰어난 내열성과 강도를 가진 이미드결합과 양호 한 가공성을 가진 에테르결합의 조합이기 때문에, 고기능이면서 뛰어난 가공성을 나타낸다.
PEI는 전기ㆍ전자분야를 주체로 OA기기분야, 자동차분야 , 항공기분야, 기타 산업 부품분야 등에 시장전개가 이루어지고 있다. 자동차분야에서는 고강성, 고인성, 내후성, 스냅피트성 등의 특징을 살려 터보차져용 베어링 테너, 스피드 센서 사프 트, 기화기 펌프레바, 에어컨부착 너트, 커넥터 등 에 사용되고 있다.
2.4.10. 열가소성 폴리이미드(TPI)
열경화성 폴리이미드 본래의 뛰어난 성능(내열 성, 고강도 등)을 헤치지 않으면서, 가공성이 뛰어 난 폴리이미드로 개발된 슈퍼 엔지니어링 플라스 틱의 전방향족 열가소성 폴리이미드이다.
TPI는 전기ㆍ전자분야, 항공기, 자동차, OA기 기분야, 각종 산업분야에서 시장개발이 진행되고 있다 . 자동차분야에서는 三井화학의 TPI ｢AURUM｣
은 내열성, 내마찰ㆍ마모성, 강도, 강성이 뛰어난 점을 살려, 슬러스트워셔, 실링, 부시, 오토텐셔너 (엔진부품), 피스톤링 등에 사용되고 있다.
2.5. GMT
GMT(Glass Mat Thermoplastic)는 1960년대 말 미국의 Azdal에서 개발되어졌다.
*출처 : REINFORCED plastics, January 2008
Figure 4. GMT.
GMT는 기존의 자동차 부품에 그 우수한 강성 을 이용하여 스틸소재보다 경량화 소재로 사용되 어 있으며 압축 성형 공정의 쉬운 취급 형상의 제 품에 사용되고, 우수한 충돌성능과 고 에너지 흡 수능력으로 프론트 엔드 모듈, 도어모듈, 범퍼빔, 스페어 휠 팬 등에 사용되어 지며 자동차 하부 언 더커버에도 사용되어진다.
2.6. LFT(Long Fiber Thermoplastic)
필렛(사출원재료)으로 만들어진 LFT-G는 기존 파우더 형식의 무기첨가제보다 물성이 강하여 많 은 부분에 적용되어지고 있다. 도아 인너모듈의 경우 스틸 강판을 프레스 성형하여 사용하였으나 LFT 사출소재를 이용하여 플라스틱으로 개발 적 용되었다.
LFT는 압출기에 Glass 섬유를 같이 수지와 함 침시켜 나온 상태를 사용하여 장섬유를 보유하면 서도 복잡한 성형을 요하는 부품에 사용되어진다.
원재료 상태의 LFT는 Glass 섬유길이를 길게 유지하고 있지만 사출성형기에서 성형공정을 거 칠 때 섬유의 파단으로 원재료보다는 현저히 짧은 섬유길이를 유지해 압축 성형품에 비하여 충격강 도는 떨어진다.
2.7. LFT-D(Long Fiber Thermoplastic- Direction)
용융된 수지에 섬유를 혼입하는 것으로 지난 몇
년 동안, LFT-D 성형공법이 증가되었다.
*출처 : REINFORCED plastics, January 2008
Figure 5. 섬유 강화 열가소성 수지의 제조 공정의 분류.
LFT-G와 같은 원재료의 반제품단계를 제거하 고 바로 성형하는 방법으로 플라스틱 수지에 섬유 와 첨가제를 직접 혼합하여 생산하는 방법이다 . 이는 Dieffenbacher GmbH에 의해 LFT-D 기술 과 ILC (In Line Compounding) 기술개발로 이어져 재료의 유연성을 증가한 성형공법을 개발하였다.
2.8. Reinforcement 강화 플라스틱
최근에 복합소재를 이용한 플라스틱제품들이 개발되어지고 있으며 2010년 K Show에서 소개된 Glass Fabric에 Thermoplastic을 함침하며 만든 Thermoplastic Prepreg를 인서트 사출한 제품이 소개되어 큰 이슈를 일으켰다.
이에 해외는 물론 국내에서도 소개된 기술을 이 용하여 스틸소재를 복합소재로 개발하는 연구를 진행하고 있으며 Thermoplastic Prepreg 원소재 개발을 이루었다.
자동차에 적용 가능한 부품은 프론트 엔드 모 듈, 범퍼 백빔, 도아 임펙드 빔, 스트링 휠 커버, 시 트프레임 등으로 개발되어지고 있다.
기존의 GMT, LFT에 비하여 물성이 3∼4배 이 상의 인장강도를 나타내고 있어 자동차 부품의 경 량화에 현저한 역할을 할 것이다.
3. 맺음말
자동차용 플라스틱의 시장은 소재의 다양한 생 산기술로 자동차의 다양한 부품에 경량화가 가능
*출처 : DIEFFENBACHER Catalog
Figure 6. 플라스틱 재료의 특성.
Figure 7. TEPEX® make Bond Laminates.
하고 제품가격을 낮출 수 있으며, 자동차 부품산 업은 최대 규모의 산업으로 연평균 17% 가량 성 장하고 있으며 지속적으로 성장할 것이다.
점점 더 커지는 시장의 수요에 맞추기 위한 5가 지의 필요사항이다.
◦ 자동차용 플라스틱 사용 비중 확대 - 자동차의 차체 경량화, 연비향상, 친환경차 보급 증가 ◦ 자동차용 플라스틱 경량화 속도 증대 - 자동
차의 경량화와 성능개선
◦ 자동차용 플라스틱 소재의 모듈화 - 자동차 용 부품의 모듈화를 통한 원가절감 및 품질 향상
◦ 수퍼 엔지니어링 플라스틱 수요의 점진적 확
대 - 세계 PPS 시장규모의 급속 성장
◦ 고유가 및 환경규제에 따른 차량 경량화 이 슈부각 - 연비 및 배기가스 규제에 대응하기 위한 경량화
또, 세계자동차 생산 Big 3의 2012년 한해 연구 개발비는 140억 달러에 달하며 이 중 80%는 미국 내에서 지출되었다 . Michigan은 전세계 자동차 산 업 연구개발 센터 허브로서의 위상을 유지하고 있 는데 글로벌 10대 자동차 메이커 중 9개 업체가 Michigan에 자동차 연구개발 센터를 보유하고 있 으며 GM은 전세계 모든 산업에 걸쳐 가장 많은 연구개발비를 지출하고 있다.
자동차 시장에서 영업중인 해외 자동차 메이커 들도 각자 연구개발 센터를 운영하고 있는데 이들 의 주요 목적은 자동차 소비자들의 수요와 기호에 적합한 자동차를 생산하기 위한 것으로 판단되어 지며 글로벌 자동차 메이커들은 자동차 연비향상 이나 안전성 강화뿐만 아니라 편의성 증진, 환경 보호 강화, 생산비용 절감, 신재생 에너지 자원을 위한 엔진 개발 등에도 연구개발 역량을 집중하고 있다.
현대차는 지난 2007년 제네바 모터쇼에서 유리 와 판넬을 고분자복합재로 만들어 경량화를 성공 한 플라스틱 자동차 ‘카르막’을 공개하였으며, 폭 스바겐은 2011년 카타르 모터쇼에서 탄소섬유를 사용한 무게 795 kg의 플라스틱 자동차 ‘KL1’을 공개하였다.
최근 일본 자동차 업체는 바이오 플라스틱의 개 발적용이 확대되고 있으며 생분해성 바이오 플라 스틱을 사용한 자동차는 미래의 탈것에 요구될 가 장 중요한 기준 중 하나인 ‘친환경성’을 어떤 소재 보다 만족시키는 자동차용 플라스틱 소재이다.
또한, 국내에 자동차회사와 수많은 부품공급업 체에서도 많은 연구개발을 정부지원을 받아 수행 하고 있으며 많은 성과를 내고 있으나 더 많은 기 업들이 참여로 인한 연구개발과 더 많은 정부지원 으로 신기술개발에 매진해야 할 것이며 선진기술 도입보다는 원천기술개발에 부단한 노력을 해야 앞 으로의 글로벌 경쟁력에서 뒤처지지 않을 것이다 .
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오 승 민
1996 부산과학기술대학교 공업화학과 1996∼2001 현대석유화학 #2NCC 2001∼현재 (주)일광 전주공장 개발팀
연구개발팀장
