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전기를 통하고 불에 강하며 강철보다 단단하고 액체상태인 신기한 플라스틱들이 산업에 응용되고 있다.

플라스틱은 가전제품 부엌기구 및 자동차부품에 널리 사용되고 있다. 어린이 장난감의 대부분이 플라스틱 제품이며 많은 음식물의 포장재료도 플라스틱이다. 비닐하우스나 생선을 잡기 위한 어망이 플라스틱제품일뿐만 아니라 최신 항공기의 탄소섬유복합재료 부품이라든지 컴퓨터의 핵심인 반도체제품도 플라스틱이 없으면 만들 수가 없다.

플라스틱이 이와 같이 우리 일상생활에 긴요하게 이용되는 것은 주어진 제품이 필요로 하는 성능을 쉽고 값싸게 대량생산을 할 수 있기 때문이다. 즉 플라스틱은 가볍고 강하며 아름다운 색채와 형태를 쉽게 그리고 빠르게 나타낼 수 있는 특성을 가지고 있다. 더욱 중요한 사실은 금속이나 세라믹에 비해 그 종류가 엄청나게 많으며 분자설계라는 기술을 이용해 앞으로도 수없이 많은 새로운 플라스틱을 창조해낼 수 있다는 점이다.

공액이중결합 물질을 도핑하면

분자설계란 우리 주위에 무한하게 많은 탄소(C) 수소(H) 및 산소(O)를 주축으로 질소(N) 염소(Cl) 플루오르(F) 유황(S) 등을 일부 결합하도록 계획하는 것이다. 많은 연구에 의해 재료를 구성하는 분자의 구조와 물질의 특성을 연관시킬 수 있으므로 상식을 벗어난 플라스틱 또한 얼마든지 만들어 낼 수 있다. 그 중 몇 가지를 골라 소개해 본다.

전기를 사용하는 대부분의 제품은 전선 끝에 달린 플러그를 전원에 꽂아 전기를 통하게 한 후 사용한다. 이때 전기는 플라스틱이라는 절연체에 의해 전선의 중심에 있는 구리선으로만 흐른다. 따라서 구리선을 감싸고 있는 전선을 손으로 만져도 감전될 위험은 없다. 텔레비전이나 개인용 컴퓨터의 내부를 보면 복잡한 회로로 구성되어 있는데 이들 회로는 기판위에 고정되어 있으며 이 기판은 절연성이 뛰어난 플라스틱으로 되어 있다. 플라스틱이 전기를 통하지 않는 절연체라는 것은 상식이다.

플라스틱이 절연체인 이유는 금속에서는 전자가 쉽게 그 속을 이동할 수 있지만 절연체에서는 원소끼리 결합했을 때 전자가 쉽게 다른 원소로 이동하기가 어렵기 때문이다. 따라서 플라스틱의 분자구조를 금속의 그것과 같이 하든지 또는 금속구조는 아니지만 전자가 이동할 수 있는 구조를 갖게만 하면 플라스틱도 전기를 통하게 할 수 있다.

플라스틱은 분자의 크기가 몇만에서 부터 몇백만까지나 된다. 물 분자가 18이고 산소가 32이며 술의 주성분인 알코올이 46인 것에 비하면 플라스틱은 엄청나게 큰 분자로 구성되어 있음을 알 수 있다.

이들 분자들이 전자를 서로 가지는 공유결합으로 이루어졌고 한 원소가 전자를 한개씩 내놓는 일중결합과 두개씩 내놓는 이중결합을 교대로 가지는 공액이중결합으로 구성되어 있으면 이들 분자속의 전자는 분자속 뿐만 아니라 분자간을 지나다닐 수 있는 가능성을 갖게 된다. 공액이중결합을 가진 물질을 이온이나 금속으로 도핑, 즉 약물을 먹이면 플라스틱은 구리에 버금가는 전기전도성을 나타내게 된다.

전기전도성 플라스틱은 처음부터 분자를 설계해서 만든 것은 아니다. 1975년 카바이드를 물속에 넣으면 발생하는 아세틸렌을 고분자로 만드는 실험중에 실수로 폴리아세틸렌필름을 얻게 되었고 그리고 2년 뒤에 폴리아세틸렌필름을 요오드(I)로 도핑하면 절연체가 도체로 변한다는 사실을 발견하게 되었다. 폴리아세틸렌은 공액이중결합을 가진 것으로 알려졌고 따라서 공액이중결합을 가진 많은 새로운 고분자물질이 합성되었다.

전기전도성 플라스틱은 대량생산이 가능하고 원료를 석유에서 얻으며 구리에 비해 비중이 7분의 1밖에 되지 않는다. 이와 같은 특성 때문에 모든 도선을 구리로부터 전기전도성 플라스틱으로 대체하려는 노력이 경주되고 있다. 특히 무게를 가볍게 하는 것이 중요한 과제인 인공위성이나 항공산업에서 전기전도성 플라스틱에 대한 기대는 대단히 크다.

전자파 차폐용으로 각광

그러나 전기전도성 플라스틱은 아직까지 대량으로 구리와 같은 도선을 대체할 수 없다. 구리와 비슷한 전기전도도를 나타내는 폴리아세틸렌은 공기 중에서 쉽게 반응하여 전기전도성을 잃게 되기 때문이다. 폴리피롤이나 폴리사이오펜 같은 안정성이 뛰어난 물질도 합성되었지만 구리의 전기전도도에 비해 1천분의 1 또는 1만분의 1 밖에 되지 않는다. 따라서 전기전도성 기능을 살려 특수한 용도에 사용될 수 있도록 하는 연구가 대신 활발하게 진행되고 있으며, 도선으로서의 용도보다 훨씬 중요한 역할을 전기전도성 플라스틱으로부터 기대하고 있다.

현재 전기전도성 플라스틱을 이용한 상품은 단추형 배터리와 전자부품의 일종인 캐퍼시터(콘덴서라고도 함)가 대표적이다. 플라스틱배터리는 출력전압이 3V로서 일반건전지보다 전압이 두배이고 또 1천번 이상 재충전이 가능하므로 정전이 일어났을 때 컴퓨터의 저장자료를 보호하는 전원으로 이용되고 있다. 단위무게당 충전량도 많기 때문에 대용량 충방전장비로의 응용도 기대된다. 플라스틱전해캐퍼시터는 온도와 주파수에 따라 성능이 크게 변하지 않으며 수명이 길고 재래의 캐퍼시터에 비해 크기를 아주 작게 할 수 있으므로 캠코더나 소형 컴퓨터 같은 휴대용 전자제품에 크게 이용될 것으로 기대된다.

전도성 플라스틱이 가장 널리 쓰일 분야는 전자파차폐용과 센서용이다. 요즘 모든 전기 전자제품의 외피는 플라스틱으로 되어 있으며, 이들 제품으로부터 발생하는 전자파는 다른 장비에 영향을 미칠 뿐만 아니라 심지어 인체에도 해를 끼치는 것으로 알려져 있다. 금속으로 전자제품의 외피를 만들면 전자파는 차단되지만 플라스틱으로 대체한 이유였던 경량화와 대량생산의 문제점이 다시 등장한다. 최근 일반 플라스틱에 전기전도성 플리스틱을 합금시키면 전자제품의 전자파 문제를 해결할 수 있다는 사실이 밝혀졌고 이와 같은 특성을 가진 시제품이 소개 되고 있다.

전기전도성 플라스틱은 온도 습도 방사선 또는 화학반응에 따라 전기저항이 달라지므로 이와 같은 현상을 감지하는 센서로의 이용 또한 기대된다. 특히 인체내 질병의 근원이 되는 특수물질의 농도측정에 대한 센서로서도 가능성이 보이고 있다.

전기전도성 플라스틱은 가해진 전압이나 전류에 따라 변색이 되는 특성을 가지고 있으므로 자동차의 계기판, 전자제품의 표시판, 네온사인 같은 광고판, 화학반응의 정도를 나타내는 반응조절판 등으로도 응용이 가능하다. 가장 크게 기대되는 분야는 전류의 방향과 증폭조절을 할 수 있는 다이오드와 트랜지스터를 전기전도성 플라스틱으로 만드는 것이다. 제작과정이 까다로운 실리콘과 같은 금속반도체를 전기전도성 플라스틱으로 대체할 수 있는 가능성은 이미 이론적으로 증명되어 있다.

겨우 15년의 역사를 가진 전기전도성 플라스틱은 응용되는 분야보다 앞으로 개발될 용도가 훨씬 더 많다.
 

3백50℃까지 견뎌내

가볍고 가공하기 쉬우며 대량생산이 가능한 플라스틱제품은 역사가 1백년도 채 되지 않지만 재료분야에 혁신을 가져왔다. 그러나 여러가지 장점에도 불구하고 열에 약하다는 치명적인 결점 때문에 그 용도가 제한되고 있다. 금속 중에서 가장 많이 사용되고 있는 철은 5백℃ 이상에서 사용할 수 있고 세라믹은 1천℃에서도 견디지만 플라스틱은 1백℃ 정도에서 형태를 바꾸는 것이 많다. 엔지니어링플라스틱이 그나마 1백50℃에서도 열변형이 일어나지 않지만 장시간 사용할 수 없다.

그러나 최근 열변형온도가 크게 향상된 엔지니어링플라스틱이 시장에 선보이고 있다.

재료의 모든 성질은 분자의 구조에 영향을 받으며 열적 성질도 예외는 아니다. 고분자의 열적 성질은 분자내에 방향족기와 복소환기 및 강한 수소결합단위가 있으면 가능하다. 방향족기는 벤젠구조를 의미하며 분자운동이 어렵고 분자간의 인력을 크게 한다. 따라서 높은 온도에서도 재료의 강도를 유지하게 한다.

1백50℃에서 열변형이 일어나는내열성플라스틱으로는 폴리이더이더키톤(PEEK)과 폴리알릴레이트(PAR)가 알려져 있다. 유리섬유로 충전하면 PEEK의 열변형온도는 3백℃로 크게 향상된다. 범용엔지니어링 플라스틱에 속하는 폴리에스터(PET)도 유리섬유로 충전하면 열변형온도가 2백40℃나 된다.

복소환구조는 질소와 탄소가 환상구조를 가진 것으로 대표적인 플라스틱은 폴리이마이드(PI)계이며 폴리이더이마이드(PEI)와 폴리아마이드이마이드(PAI)는 열변형온도가 각각 2백℃와 2백80℃이다. 만약 유리섬유로 충전하면 PI는 3백50℃까지 견디며 열변형온도가 가장 높은 엔지니어링플라스틱이 된다. PET와 나일론66도 유리섬유로 충전했을때 열변형온도가 2백50℃에 달하며 나일론66은 강한 수소결합이 큰 역할을 한다.

플라스틱분자구조가 유황원소로 벤젠핵을 연결하는 모양을 갖추어도 열적 성질은 우수해진다. 폴리페닐렌설파이드(PPS)는 유리섬유로 강화했을 때 열변형온도가 2백60℃에 달한다. 폴리벤즈이미다졸(PBI)계도 3백℃ 이상에서 사용이 가능하며 PI와 같이 5백℃에서도 짧은 시간 견딜 수 있다.

지금까지의 내열성고분자는 모두 뛰어난 강도를 나타내어 금속을 대체할 수 있는 플라스틱이지만, 강도는 떨어지나 내열성이 뛰어난 플라스틱 중에는 불소수지와 실리콘수지가 있다. 이들 플라스틱은 2백50℃에서도 사용이 가능하며 특기할 것은 -80℃에서도 강도가 크게 변하지 않는다.

내열성고분자는 가공성과 내약품성이 뛰어나기 때문에 금속이나 세라믹으로는 만들 수 없는 또는 생산성이 크게 요구되는 화학 기계부품, 자동차의 엔진주변부품 및 섭동기계부품으로 사용된다. 절연성까지 뛰어난 PI계 플라스틱은 필름형태로 모터나 전선의 절연재료, 필름IC의 기판으로 사용되어 전자제품 우주 항공 원자로 등에 이용되고 있다. 이 물질은 접착제로서도 우수하며 섬유로도 쓰이고 다른 섬유를 보강재로 하는 복합재료의 매트릭스로도 쓰인다. 불소수지는 윤활성이 크기 때문에 윤활유를 사용하지 않는 베어링이나 부시로 이용되며 실리콘수지는 주로 탄성체로서 고열부품이나 추운 지방에서 요긴하게 쓰이고 있다.

내열성플라스틱은 분자설계에 의해 성능이 더 우수한 것도 제조가 가능하지만 경제성이 대단히 중요하다. 값을 결정하는 가장 큰 인자는 플라스틱의 구성요소인 단량체의 값이다. 대체로 분자구조가 복잡한 이들 단량체는 여러 단계를 거쳐 합성되기 때문에 단계마다의 반응률, 반응물질의 분리와 회수 그리고 합성단계를 간략하게 하는 것이 내열성플라스틱의 미래와 밀접한 관계를 갖는다.

자동차엔진을 플라스틱으로 만들어 경주용에 이미 사용하고 있는 것을 보면 가까운 장래에 많은 금속과 세라믹이 플라스틱으로 대체될 것으로 예상된다.

초강력강보다 단단한 아라미드섬유

내열성엔지니어링플라스틱은 또한 고강도 플라스틱이기도 하다. 즉 분자구조가 방향족, 복소환족 또는 유황계이면 거의 예외없이 고강도를 나타낸다. 탄소강의 인장강도가 2백~4백MPa(메가 파스칼)이지만 30% 유리섬유로 충전된 PEEK는 인장강도가 1백80MPa이고 액정고분자인 벡트라(Vectra)는 유리섬유 충전없이 2백MPa을 나타낸다. 즉 벡트라는 철강과 맞먹는 인장강도를 가지고 있다.

대체로 인장강도나 탄성률을 나타낼 때 재료의 비중이 대단히 중요해 진다. 즉 같은 강도라도 무게가 절반이면 운반할 때 드는 에너지가 절반밖에 되지 않을 것이다. 특히 우주나 항공산업에서는 재료의 비중이 대단히 중요하며 강도 대신에 비강도라는 단위를 쓰게 된다. 비강도는 강도를 밀도로 나눈 것으로 단위는 ㎝ ㎞ 등 길이로 나타낸다. 철강의 비중이 7.9이고 내열성플라스틱은 1.4 이므로 강도가 같다면 비강도는 플라스틱이 5.5배나 크게 된다.

내열성플라스틱을 섬유로 만들면 인장강도가 크게 향상되며 그 예로 방향족계나일론인 아라미드섬유는 인장강도가 3GPa(기가 파스칼)로서 금속의 티탄합금이나 초강력강보다 더 크다. 벡트라 섬유도 인장강도가 3GPa에 달하며 가장 일반적인 폴리에틸렌(PE)은 분자량과 분자배향을 조절하면 3백50MPa까지 높은 인장강도를 나타낸다. 지금까지 알려진 가장 높은 인장강도를 가진 탄소섬유는 7백60MPa에 도달한 것이 있으며 폴리아크릴로니트릴이라는 고분자로 부터 만들어졌다.

고강도고분자는 가볍고 복잡한 형태를 쉽게 얻을 수 있으며 철이나 다른 금속들의 합금에 비해 기계적 성질이 더욱 우수하다. 따라서 금속제품을 대체할 뿐만 아니라 금속으로는 실현할 수 없는 형태를 단 한번의 사출로 성형할 수가 있다.

고강도플라스틱은 대체로 값이 비싸고 용융점이 높으며 강도가 필요 이상으로 커서 용도가 제한받게 된다. 그러나 금속에서와 같이 플리스틱에서도 합금이 가능하며 실제로 많은 플라스틱이 합금되어 나온다. 플라스틱분야에서는 합금을 블렌드(blend)라 말한다. 가공성을 향상시킨다든지 물성에는 큰 영향을 주지 않으면서 증량효과를 나타내기 위해서 블렌드를 생산한다. 블렌드기술은 대체로 섞이지 않는 두개 이상의 플라스틱을 용융혼합하는 것으로 제3의 물질을 섞든지 또는 개개의 플라스틱을 특수하게 처리하기도 한다. 새로운 플라스틱을 창안하는 것 보다는 이미 성질이 알려진 플라스틱들을 섞어 새로운 플라스틱을 얻을 수 있으므로 물성도 쉽게 예측할 수 있고 또한 경제적이다.

고강도플라스틱의 용도는 내열성플라스틱의 용도와 거의 일치하며 정밀치차 중장비부품 항공기소재 원자력산업용소재 특수의료 기기부품 등 헤아릴 수 없는 많은 용도를 가지고 있다. 고강도플라스틱도 내열성플라스틱과 마찬가지로 단량체를 경제적으로 생산하는 것이 가장 큰 과제다.
 

화면혁명 몰고올 액정고분자

액정은 액체인 물질의 분자들이 방향성을 나타내면서 규칙적으로 배열되어 있는 것을 말한다. 손목시계의 시간을 숫자로 나타내는 요소가 액정이며 최근 휴대용 컴퓨터의 화면 또한 액정을 이용하고 있다. 고분자물질이 용매에 녹아 있든지 또는 용융상태에서 분자들의 일부 또는 전부가 액체상태가 되면 이것을 액정고분자라 한다.

액정고분자가 최초로 알려진 것은 1971년이었으나 그것이 왜 액정 성질을 나타내는지는 몰랐다. 액정고분자가 최초로 학술문헌에 소개된 것은 1976년으로서 용융상태의 고분자가 아주 낮은 점도를 나타내는 것이 발견된 후 정밀한 실험에 의해 액정상태인 것이 확인되었다.

용매에 녹였을 때 액정성을 나타내는 고분자를 용액액정고분자라 하고, 열에 녹였을 때를 용융액정고분자라 한다. 액정고분자는 분자의 일부 또는 전부가 방향족구조 또는 복소환구조를 가지며 따라서 내열성고강도 플라스틱의 일종이다. 다른 내열성고강도플라스틱에 비해 용융점이 낮으므로 사출성형이 가능하다는 것이 가장 큰 장점이다.

역사가 20년 밖에 되지 않지만 많은 종류의 액정고분자가 현재 시판되고 있으며 응용기술 또한 빠른 속도로 발전하고 있다. 엔지니어링플라스틱으로는 폴리알릴레이트(PAR)와 폴리하이드록시벤조에이트(PHB) 등 많은 액정고분자가 소개되어 있고 인장강도는 내열성고강도고분자인 PAI와 비슷하다. 액정고분자의 용도중 가장 큰 것은 다른 고분자와의 블렌드이다. 범용엔지니어링플라스틱은 물론 특수엔지니어링플라스틱과 블렌드를 하면 가공성 강도 및 경제성을 모두 만족시킬 수 있다.

액정고분자로 만들어진 제품에는 복수회로커넥터, 스피커의 진동판, 광섬유보강용 필라멘트, 내열식기조리용기 등이 있으며 성능이 우수한 것으로 증명되고 있다. 플라스틱자석의 바인더를 액정고분자로 하면 자석물질의 고충전도 가능하다. 액정고분자를 방사하여 섬유로 만들면 탄성률이 2백50GPa로서 티탄합금의 1백GPa이나 초강력강의 2백GPa보다 높은 값을 나타낸다. 복합재료의 강화용섬유로서 이용되고 있으며 탄소섬유와 복합사를 만들면 두 섬유의 장점을 향상시키는 효과가 있다.

액정고분자는 강도 이외에도 기능 또한 큰 기대를 낳게 한다. 투명전극의 간격을 미크론(μ) 단위로 하고 레이저광을 선택적으로 조사한 후 전압을 걸면 용융된 부분이 전장에 따라 배열하고 이 상태를 냉각하면 영구적인 무늬가 생기게 된다. 광디스크를 이와 같은 원리로 만들 수 있으며 실용화에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 분자의 배열은 광파장을 변경할 수 있는 비선형광재료(NLD)로도 사용될 가능성이 엿보이며 광컴퓨터의 성능을 크게 향상시킬 수가 있다.

플라스틱 또는 고분자라는 단어가 쓰이기 시작한 지는 1백년도 되지 않지만 우리 주위에는 이들 물질이 수없이 많으며 우리나라 산업에 차지하는 비중도 대단히 크다. 앞으로 분자설계기술을 비롯해 기술이 더욱 발달하면 강도와 기능이 뛰어나며 값싸고 가공성이 우수한 많은 고분자제품이 인간의 생활을 더욱 풍요롭게 할 것으로 예상된다.