산업 기계나 가전, 자동차, 식기, 조리 기구 등 다양한 제품에 수지가 사용되고 있습니다. 그 중에서도 불소 수지는 고기능 소재로 알려져 있으며 다양한 용도로 사용되고 있습니다.
이번 기사에서는 불소 수지의 종류나 장점과 단점, 용도 등을 해설합니다.
목차
불소 수지란?
불소 수지(fluorocarbon polymers)는 불소를 포함한 올레핀의 중합으로 얻어지는 수지의 총칭입니다.
불소 수지는 내열성이나 내후성, 낮은 마찰 계수 등 뛰어난 특성이 많이 있습니다. 자동차나 반도체 제조 장치, 정밀 기계, 제약 설비, 가전, OA 기기 등에 사용되고 있습니다. 익숙한 예에서는 조리 기구에도 사용되고 있습니다.
「테플론」의 상표로 잘 알려진 불소 수지는 DuPont 사에 의해 개발되었습니다. 나중에 케머즈사에 분사되어 불소 수지 사업이 이관되고 있습니다. 불소 수지 중에서도 매우 많이 사용되고 있습니다.
불소 수지의 주요 용도
불소수지는 내약품성이나 내열성, 내후성 등 가혹한 환경에서도 열화되지 않는 특성을 가지고 있습니다. 따라서 반도체 제조장치나 의료기기, 전자기기 등 다양한 기계에서 이용되고 있습니다. 몸 주변에서 잘 보이는 제품에서는 식기나 조리기구 등은 불소수지제의 경우가 있습니다.
또한 마찰 계수가 낮으며 미끄러지기 쉽기에 코팅제로도 활용되고 있습니다. 예를 들어, 프라이팬은 불소 수지 코팅으로 인해 눌어 붙지 않습니다.
불소 수지의 종류
불소수지에는 다음과 같은 7종류가 있습니다.
PTFE(폴리테트라플루오로에틸렌)
PTFE는 세계 제일 생산량이 많은 대표적인 불소 수지로, 분자 구조 내의 불소의 밀도가 높고, 열을 가해도 거의 유동성이 없습니다.
가공에 관해서는, 사출 성형 에는 적합하지 않고, 절삭 가공 은 가능합니다만 MC나일론등과 비교하면 마무리의 정밀도는 뒤떨어집니다.
또한 절삭 가공은 사출 성형에 비해 가공에 시간이 걸리고 PTFE는 가공 비용이 높아집니다.
PTFE는 고온 고압 환경에서 사용되는 경우가 많으며 패킹 소재로도 사용됩니다. 또한, 마찰계수가 낮고 미끄러지기 쉬우므로, 접동부의 마찰계수를 낮추는데 사용되는 경우도 많을 것입니다.
PFA(퍼플루오로알콕시알칸)
PFA는 내약품성이나 절연성, 점착하기 어려운 등의 특성을 가진 불소 수지입니다. 고기능 소재로 PTFE와 거의 동등한 인장 강도와 내열성을 가지고 있습니다. 쇼어 경도는 PTFE가 D50~55 정도에 비해 PFA는 D62~66 정도로 우수합니다.
PFA는 열을 가하면 녹아 유동성을 가지므로 사출 성형으로 가공할 수 있어 비용이 저렴합니다.
PFA는 내약품성을 살려 의약품의 병이나 비커 등에 사용됩니다. 그 외에는 반도체 제조 장치에도 사용되고 있습니다.
FEP(플루오르화 에틸렌 프로필렌)
FEP는 열가소성 수지 이므로 유동성이 있고 사출 성형하기 쉬운 불소 수지입니다. PTFE의 융점이 327℃ 정도에 대해 FEP는 260℃ 정도, 최고 사용 온도는 PTFE가 260℃에 대해 FEP는 200℃ 정도입니다. 그러나 인장 강도와 신장, 쇼어 경도와 절연성 등은 동등 이상의 특성을 가지고 있습니다.
소재의 색상은 반투명하고 PFA 등과 마찬가지로 내약품성도 높습니다.
ETFE(에틸렌-테트라플루오로에틸렌)
ETFE는 PTFE와 에틸렌의 공중합물입니다. PTFE와 에틸렌 모두의 특성을 갖춘 것 같은 특징을 가지고 있습니다.
ETFE는 용매에 녹기 때문에 코팅제로 사용됩니다. 또한 PFA와 동등한 내약품성, 낮은 마찰성을 가지고 있습니다.
한편, 절연성이나 내후성, 내열성 등은 PTFE에 뒤떨어져 있습니다.
PVDF(폴리비닐리덴플루오라이드)
PVDF는 불소 수지 중에서 가장 기계적 강도가 우수합니다. 가공하기 쉽고 다양한 기계 부품의 소재로 사용되고 있습니다.
ETFE와 비교하면 PVDF가 융점이 100℃ 정도 낮기에 사용 환경의 온도가 고온이 되는 경우에는 녹지 않도록 주의가 필요합니다.
PVDF는 산업기계의 밸브나 캡, 파이프, 필름 시트나 벨트 종류 등 널리 사용되고 있습니다.
PCTFE(폴리클로로트리플루오로에틸렌)
PCTFE는 불소와 염소의 중합체입니다.
무색 투명한 불소 수지로 내열성이나 절연성, 점착하기 어려움 등의 특징을 가지고 있습니다. 또, 수증기나 각종 가스 등이 투과하기 어렵기에, 씰스티커재나 펌프 부품, 튜브 등에 사용됩니다.
PCTFE는 미끄러지기 쉽기 때문에 수지성 베어링으로도 사용되고 있습니다.
ECTFE(에틸렌-클로로트리플루오로에틸렌)
ECTFE는 에틸렌이 중합되어 있기 때문에 유동성이 잘 가공하기 쉬운 불소 수지입니다.
고강도나 용해 가공성, 비연소성, 내약품성, 내방사선성 등 다양한 특성이 뛰어납니다.
ECTFE는 고온 환경에서도 기계 강도를 유지하고 있으며 열이 걸리는 용기나 파이프 등의 소재로 사용됩니다.
| 특성 | 단위 | 시험법률 | PTFE | PFA | FEP | PCTFE | ETFE | ECTFE | PVDF |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 융점 | ℃ | JIS K 6935 | 327 | 310 | 260 | 220 | 270 | 245 | 151-178 |
| 밀도 | g/cm^3 | K 7112 | 2.13-2.20 | 2.12-2.17 | 2.15-2.17 | 2.10-2.20 | 1.73-1.74 | 1.68-1.69 | 1.75-1.78 |
| 인장 강도 | MPa | K 7162 | 20-35 | 25-35 | 20-30 | 31-41 | 38-42 | 41-48 | 30-70 |
| 성장 | % | K 7162 | 200-400 | 300-350 | 250-330 | 80-250 | 300-400 | 200-300 | 20-370 |
| 쇼어 경도 | [D 스케일] | K 7215 | D50-55 | D62-66 | D60-65 | D75-80 | D67-78 | D53-57 | D64-79 |
| 절곡 탄성률 | GPa | K 7171 | 0.53-0.58 | 0.54-0.64 | 0.55-0.67 | 1.25-1.79 | 0.90-1.20 | 0.66-0.69 | 0.60-1.99 |
| 인장 탄성률 | GPa | K 7161 | 0.40-0.60 | 0.31-0.35 | 0.32-0.36 | 1.03-2.10 | 0.70-0.85 | 1.55-1.70 | 0.37-2.58 |
| 동 마찰 계수 | [0.69MPa, 3m/min] | K 6935 | 0.1 | 0.2 | 0.3 | 0.4 | 0.4 | 0.4 | 0.4 |
| 열전도율 | W/m·K | A 1412 | 0.23 | 0.19 | 0.2 | 0.22 | 0.24 | 0.16 | 0.17 |
| 선팽창 계수 | 10^-5/ K (-30℃~+30℃) | 10 | 12 | 9 | 6 | 6 | 8 | 16 | |
| 최고사용온도(연속) | ℃ | K 7226 | 260 | 260 | 200 | 120 | 150 | 150 | 150 |
| 체적 저항률 | Ω･cm[50%RH,23℃] | K 6911 | 10^18 | 10^18 | 10^18 | 10^18 | 10^17 | 10^15 | 10^15 |
| 절연내력(단시간) | MV/m [3.2mm 두께] | K 6935 | 19 | 20 | 22 | 22 | 16 | 20 | 11 |
| 난연성 | [3.2mm 두께] | K 7140, UL-94 | V-0 | V-0 | V-0 | V-0 | V-0 | V-0 | V-0 |
| 내약품성 | 산 | 완벽 | 완벽 | 완벽 | 유의 | 유의 | 유의 | 유의 | |
| 알칼리 | 완벽 | 완벽 | 완벽 | 유의 | 유의 | 유의 | 검토 | ||
| 유기용제 | 완벽 | 완벽 | 완벽 | 검토 | 유의 | 유의 | 주의 | ||
| 완벽 : 대부분의 약품, 용매에 가혹한 조건 하에서도 침범되지 않는다. 유의 : 일부 약품, 용제에는 특정 조건 하에서 사용을 유의할 필요가 있다. 검토: 사용하는 약품, 용제, 사용 조건을 상세히 검토할 필요가 있다. 주의: 일부 용제에 녹는다. |
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불소 수지의 특징
각 재료의 특징을 정리하면 아래 표와 같습니다.
| PTFE | 내열성, 내약품성, 전기적 특성이 뛰어난 것 외에 높은 비점착성, 자기 윤활성을 가지고 있다. 따라서 코팅재 등에 적합하다. |
|---|---|
| PFA | PTFE와 동등한 높은 특성을 가지고 있다. 또한 열용융 성형으로 복잡한 형상도 만들 수 있다. |
| FEP | PTFE와 비교하면 내열성이 60℃ 정도 낮지만, 그 이외에는 거의 동등한 특성을 가진다. 열용융 성형이 가능. |
| ETFE | 가공성이 좋고, 컷 스루 저항 등의 기계적 강도가 우수하다. 또한 높은 전기 절연성과 내방사선성도 가지고 있다. |
| PVDF | PTFE보다 높은 기계적 강도를 갖는다. 내후성, 내약품성도 우수하고, 장기간 열화하지 않고 사용할 수 있다. |
| PCTFE | PTFE보다 기계적 강도나 내충격성이 높다. 또한, 광학적 성질이 우수하고, 극저온에서의 치수 안정성이 높은 등, 특징적인 성질을 갖는다. |
| ECTFE | PTFE보다 기계적 강도가 우수하다. 또한 용융 가공성이 높다. |
또, 여기에서는 대표적인 불소 수지인 PTFE에 대해서 더 해설합니다.
PTFE의 장점
내열성이 높음
PTFE는 연속 사용 온도가 260℃ 정도로, 수지 중에서는 높은 내열성을 가지고 있습니다. 기계 내부의 열원 근처의 부품이나 조리기구, 식기류 등의 재질로도 사용되고 있습니다.
내약품성이 높음
불소 수지는 약품에 노출되어도 열화하기 어려운 이점이 있습니다.
내약품성은 산업 기계에 중요한 특성 중 하나입니다. 예를 들어, 반도체 제조 및 약품 제조 기계에는 다양한 약품과 접촉하는 부품이 있습니다. 약품을 만져 열화되지 않는 소재를 사용해야 합니다.
따라서, 내약품성이 있는 불소수지는 파이프재 등 매체를 운반하는 부품의 소재로서 적합합니다.
내마모성이 높음
불소 수지는 마찰 계수가 낮고 미끄러지기 쉬운 특성을 가지고 있습니다. 공업 제품 내부에는 미끄러운 부분이 많이 있고 여기에 미끄러운 소재를 필요로 하기에 불소 수지를 사용하는 경우가 있습니다.
PTFE제의 시트를 붙여 긁어도 손상되지 않게 하거나, 베어링으로서 사용하거나 등 다양한 활용을 할 수 있습니다.
비점착성이 높음
PTFE는 물질이 부착하기 어려운 특성을 가지고 있습니다.
예를 들어 가정용 조리 기구는 다양한 재료와 조미료가 묻을 수 있습니다. PTFE를 사용하면 얼룩이 부착하기 어렵거나 씻기 쉽습니다.
그 외에는 프린터나 복사기 등의 내부에서는 종이나 잉크, 토너 등이 접촉하는 부품에는 PTFE제의 롤러를 사용하고 있습니다. 잉크나 종이의 성분이 부품 롤러에 부착하여 더러워지지 않도록 하고 있습니다.
절연성이 높음
불소 수지는 전기 저항 값이 높고 절연성이 우수합니다.
기계 내부에는 모터, 센서, 고압 기판 등 다양한 전자 부품이 있습니다. 전류가 주변 부품에 누출되지 않도록 절연성이 높은 소재로 덮어야 합니다.
불소수지는 시트재나 코팅제, 튜브 등에도 가공할 수 있으므로 절연에 적합합니다.
또한 누출 할 경우를 대비해 불타기 어려운 소재인 것이 중요합니다. PTFE는 난연성이 높은 소재이기 때문에, 전자 부품 주위의 절연 부재로서 자주 사용되고 있습니다.
내후성이 높음
내후성이란, 자외선 등에 장기간 노출되었을 경우에 특성이 열화하지 않는 것입니다. PTFE는 20년 등 장기간 자외선에 노출되어도 특성이 거의 변화하지 않습니다. 따라서 건축물의 지붕이나 농업의 비닐 하우스 등에 활용되고 있습니다.
PTFE의 단점
유동성이 거의 없기 때문에 가공성 부족
PTFE는 열을 가해도 유동성이 나쁘고 사출 성형에 적합하지 않습니다. 사출 성형을 할 수 없으면 대량 생산하는 경우 효율이 떨어집니다.
ETFE 등 사출 성형 가능한 불소 수지도 있습니다.
높은 비용
다양한 장점이 있는 PTFE이지만, 비용이 높은 점은 단점이 됩니다. PTFE는 소재 비용 뿐만 아니라 가공 비용도 높기에 부품의 재료 선정을 할 때는 기능상 필요한 부분에만 PTFE를 사용하도록 주의합시다.
마무리하며
불소수지는 고기능 소재로 다양한 공업제품과 생활용품에 사용되고 있습니다. 강도가 높고 미끄러우며 내약품성이 높고 절연성 등 다양한 특징이 있지만 동시에 비용이 높기에 필요한 부분에만 불소 수지를 사용하는 등의 궁리를 권장합니다.
