FKM(불소 고무)은 자동차나 화학 플랜트 등 가혹한 환경에서 사용되는 고성능 고무 재료입니다. 뛰어난 내열성과 내약품성을 갖추고 있어, 다양한 산업 분야에서 씰재 등으로 널리 사용되고 있습니다.
이번 내용에서는 FKM의 기본 특성, 장단점, 설계 선정 시의 포인트에 대해 설명합니다. 재료 선정을 담당하는 설계·개발 담당자분들은 꼭 끝까지 읽어 주세요.
목차
FKM(불소 고무)의 정의
FKM은 불소를 함유한 합성고무(플루오로엘라스토머)의 일종으로, 「불소 고무」라고도 불립니다. ASTM 규격에서는 「Fluoro」, 「Kohlenstoff(탄소)」, 「M클래스」에서 유래하였으며, 구 ISO 규격의 「FPM」과 본질적으로는 같은 재료입니다.
대표적인 제품으로는 듀폰사의 Viton®(바이톤)이 널리 알려져 있습니다. 이 외에도 다이킨 공업의 DAI-EL(다이엘), AGC의 AFLAS(애풀러스) 등이 있으며, 특히 AFLAS는 다른 계통의 FEPM(에틸렌계 불소 고무)으로 분류됩니다.
시장에서는 FKM계가 약 80%를 차지하며, 나머지는 고성능의 FFKM(퍼플루오로엘라스토머)이 특수 용도로 사용됩니다. FKM은 불화비닐리덴이나 육불화프로필렌 등을 중합해 만들어지며, 불소 함유율은 약 66~70%로 높습니다. 이러한 높은 불소 함유율이 뛰어난 내열성과 내약품성을 만들어냅니다.
NBR(니트릴 고무)과 FKM(불소 고무)의 차이
씰에 사용되는 고무 재료는 많이 있지만, 그중에서도 대표적인 것이 NBR(니트릴 고무)과 FKM(불소 고무)입니다. 양자의 특성과 용도를 이해하는 것은 적절한 재료 선정을 위해 매우 중요합니다.
NBR은 내유성이 우수하고, 저비용으로 가공이 용이하며, 자동차의 가스켓낸ㄴ이나 유압 씰, 내유 호스 등에 널리 사용됩니다. 그러나 사용 온도는 약 120℃가 상한이며, 오존·자외선·산·알칼리에 약하다는 단점이 있습니다.
한편 FKM은 200℃에 가까운 고온에서도 성능을 유지하며, 연료, 용제, 산·알칼리에 높은 내성을 가집니다. 게다가 내후성이나 장기 밀봉성이 뛰어나 항공우주, 화학 플랜트, 반도체 제조 장치 등에서 많이 사용됩니다. 그러나 비중은 1.8(NBR의 약 2배), 재료비도 NBR의 약 4~6배로 높기 때문에, 용도에 따라서는 오버 스펙이 되는 경우도 있습니다.
표 1 FKM-NBR 비교표
| 품목 | 불소 고무(FKM) | 니트릴 고무(NBR) |
| 내열 온도(기준) | -20 ~ +200 ℃ | -40 ~ +120 ℃ |
| 내유성 | 가솔린·혼합연료에 강함 | 광유·연료유에 강함 |
| 내약품성 | 광범위한 화학제품에 강함 | 산·알칼리가 떨어진다 |
| 내후성
(오존·UV) |
양호 | 다소 떨어지는 |
| 비용 | 비쌈(NBR의 4~6배) | 저렴 |
| 비중 | 약 1.8 | 약 1.0 |
| 주요 용도 | 화학 장치, 반도체 장치 등 | 자동차 부품, 유압 씰 등 |
| 사용 환경 | 고온·고신뢰성·장기 사용 환경 | 중온·정기 교환 전제의 범용 용도 |
FKM의 특성
등급과 배합에 따라 물성과 특성은 크게 달라지므로, 용도와 사용 환경에 따라 각 제조사가 제시하는 물성 데이터를 확인하고 최적의 재료를 선정하는 것이 중요합니다. 미국 ASTM 규격이나 일본 JIS 규격에서는 각종 시험 방법과 평가 기준이 정해져 있습니다.
표 2 FKM의 물성표(예: 다이킨 공업의 불소 고무 DAI-EL G-701)
| 품목 | 수치・내용 | 시험 방법 |
| 외관 | 유백색 또는 담황색 | 시각적 확인 |
| 불소 농도 | 66mass% | ― |
| 비중(23°C) | 1.81 | JIS K 6268 |
| 무니 점도 (ML 1+10 ) |
55(100°C), 41(121°C) | JIS K 6300-1 |
| 용해성 | 저급 케톤 에스테르에 가용성 | ― |
| 100% 인장 응력 | 5.2MPa | JIS K 6251 |
| 인장 강도 | 14.0MPa | JIS K 6251 |
| 인장 신장 | 190% | JIS K 6251 |
| 압축 영구 왜곡 | 17% | 200°C×70h, 25% 압축 (P-24 O링) |
| 경도(쇼어 A) | 72(peak),68(3sec) | JIS K 6253 |
| 저온 탄성 회복치 (TR10) |
-18°C | JIS K 6261 |
| 용도 | O링 등의 압축 성형품 | 상대적으로 간단한 모양에 적합 |
FKM의 장점
내열성
FKM은 열에 매우 강하며, 연속 사용 온도에서는 200~250℃, 단시간이라면 300℃ 전후의 고온에도 견딜 수 있습니다. 예를 들어, 204℃에 수천 시간 노출되어도 탄성을 유지할 수 있고, 316℃에서도 단시간이라면 실제 사용 예가 있습니다. 고온 라인이나 배기계 씰 등, 장기간에 걸쳐 온도 부하를 받는 용도에서 신뢰성을 발휘합니다.
내유·내약품성
FKM은 내약품성, 내유성이 매우 뛰어나며, 매우 광범위한 화학물질에 대해 안정적입니다. 광물유, 연료(휘발유, 경유 등), 유기용제, 각종 약품에 대해 FKM은 팽윤이나 열화가 잘 일어나지 않아 밀봉재로서 신뢰성이 높은 것이 장점입니다. 이 때문에 자동차의 연료계나 화학 플랜트의 배관 씰에 FKM이 채용되고 있습니다.
내구성(경년 열화・내후성)
FKM은 분자 구조에 이중 결합이 없기 때문에 산소나 오존에 의한 균열이 발생하기 어렵고, 옥외 노출이나 고온 환경에서도 물성을 장기간 유지할 수 있습니다. 많은 고무 재료에서는 내열·내후성 향상을 위해 열화 방지제를 첨가하지만, FKM은 소재 자체가 높은 내열성과 내산화성을 갖추고 있어 첨가제에 의존하지 않고도 안정성을 확보할 수 있다는 점이 특징입니다.
FKM의 단점
저온 특성이 약함
일반 등급의 FKM은 동적 사용 시 –20℃에서 –25℃가 한계입니다. 이를 밑돌면 경화나 균열이 생겨 탄성을 잃을 위험이 있습니다. 한랭지나 극저온 환경에서는 실리콘 고무나 에틸렌 프로필렌디엔 고무(EPDM) 등과 적재적소에 맞게 사용하는 것이 요구됩니다.
특정 약품에 약함
케톤(아세톤 등), 에스테르, 아민, 유기산 등 극성이 높은 약품에는 적합하지 않습니다. 특히 아세톤이나 초산에서는 팽윤과 열화가 현저하며, 가성소다나 암모니아 등 강알칼리에도 내성이 없습니다. 이러한 환경에서는 EPDM 등 내알칼리성 고무나 특수 그레이드의 FKM이 유력한 후보가 됩니다.
고비용·고비중
FKM은 원재료가 되는 함불소 단량체의 제조가 복잡하며, 일반 고무(NBR이나 EPDM 등)보다 가격이 비쌉니다. 비중도 약 1.8로 무겁기 때문에 실리콘(약 1.1)이나 NBR(약 1.2)과 비교했을 때 부품 중량이 증가한다는 점에 유의할 필요가 있습니다.
FKM의 주요 용도와 다른 재료의 비교
이러한 특성으로 인해 씰 용도를 비롯한 다양한 산업에서 널리 사용되고 있습니다.
표 3 FKM의 용도
| 용도 | 사용 예 | 선정 포인트 | 다른 재료와의 비교 |
| 자동차 | 오일 씰, 가스켓, 연료 호스, O 링 | 고온·고압·유침 환경하에 강하고, 장기간의 씰 성능 유지 | NBR은 고온에서 열화(사용 온도 120℃ 정도) VMQ(실리콘 고무)는 오일에 약하다 |
| 화학 플랜트 | 펌프, 밸브, 배관 가스켓 | 산·용제에 대한 고내성, 약품의 열화를 방지 | NBR, VMQ는 약품 열화 |
| 반도체 제조 장치 | 플라즈마 처리부, 약액조 씰 | 부식성 환경에서도 안정, 저 아웃 가스성 | 내약품·내열이 뛰어난 FFKM(예: Chemours사의 Kalrez®나 다이킨의 퍼플로®)의 검토 |
| 의료 기기 | 내시경 삽입부 튜브 의료용 펌프 씰 |
생체에 무해하고 내 약품성 | VMQ(실리콘)는 투명성과 생체 적합성으로 우위 |
| 식품제조설비 | 고온유나 청소용 약품(세정제·살균제)에 접하는 가스켓이나 O링 | 추출물이 적고 냄새가 나기 어렵다. | ー |
| 주택 시설 | 수도꼭지 패킹, 펌프 패킹 | 염소나 온수에 비교적 강하고 장기간 사용이 가능 | EPDM은 고온 스팀 환경에 강함 |
FKM의 주요 가공 방법과 취급 주의점
가황 성형
FKM을 금형 내에서 가열 및 가압하여 경화시키는 가장 표준적인 방법입니다. O링이나 대형 씰 등 폭넓은 형상을 높은 치수 정밀도로 성형할 수 있어, 시제품부터 양산까지 대응 가능합니다.
반면, 금형 제작 비용과 리드 타임이 발생하기 때문에 제품 출시 시 비용 및 일정을 반드시 확인해야 합니다. 고무 수축을 고려한 금형 설계와 가열 시간, 온도의 엄밀한 관리, 성형 후 버 제거 작업을 빼놓을 수 없습니다.
사출 성형
재료를 용융하여 고압으로 사출하고 단시간에 가황 경화시키는 양산용 프로세스입니다. 고속 충전으로 복잡한 형상도 안정적으로 성형할 수 있으며, 자동차용 O링이나 밸브 씰 등의 대량 생산에 널리 채택되고 있습니다.
취급 시에는 고온 조건에서 경화 불량이 발생하기 쉽기 때문에 실린더·금형 온도 및 보압, 냉각 시간을 엄격하게 관리하여 가황 부족이나 과가황을 방지하는 것이 중요합니다. 또한, 배합 시 사용하는 건조제가 잔류하면 블리스터나 박리의 원인이 되므로 원료를 충분히 예비 건조하고 균일하게 분산시킨 후 성형하는 것이 중요합니다.
절삭 가공
고무판이나 블록을 직접 깎기 때문에 금형이 불필요하고, 1개로부터의 프로토타입이나 소량 생산에 최적입니다. NC 선반이나 워터 제트를 이용하면 자유도가 높고 개발 단계의 평가 샘플로 향합니다.
한편, 부드러운 고무는 가공시에 변형하기 쉽고, 얇은 벽이나 미세 형상에서는 치수 오차(±0.5 mm 정도)를 예상할 필요가 있습니다. 공구는 날카로운 것을 선택하고 저속 절삭이나 냉각으로 보풀 서 변형을 억제하면 마무리가 안정됩니다.
불소 고무 선정시의 설계 포인트
설계시에 억제하는 재료 특성
적절한 사용환경(온도・압력)
FKM의 상용 온도 범위는 -20℃~200℃가 기준이며,
250℃를 초과하는 경우에는 FFKM 등 상위 재료로의 전환을 검토합니다.
온도뿐만 아니라 압력 조건도 중요한 요소이며, 고압 유체에 노출되는 O-링에서는 유체가 홈 틈새로 밀려나오는 익스트루전(Extrusion)을 방지하기 위해, 백업 링의 병용이나 경도 조정 등의 검토가 필수적입니다.
