PEEK 수지란? 종류나 특징, 용도를 해설

엔지니어링 플라스틱보다 고기능으로 금속의 대체 재료로도 주목받고 있는 슈퍼 엔지니어링 플라스틱. 그 중에서도 가장 고성능 수지 중 하나로 알려진 것이 PEEK 수지입니다.

PEEK 수지는 내열성과 기계적 특성, 내약품성, 전기적 특성 등이 종합적으로 우수한 열가소성 수지로 다양한 용도로 활용되고 있습니다. 폴리에틸렌과 같은 범용 수지와는 달리, 일반적으로는 그다지 유통되지는 않지만, 우리의 생활을 지원하는 중요한 재료입니다.

이번 기사에서는 PEEK 수지의 개요와 종류, 장점과 단점, 용도 등을 설명합니다.

PEEK 수지란? 개요나 대표적인 등급에 대해 해설

PEEK 수지는 「Poly Ether EtherKetone (폴리 에테르 에테르 케톤)」라는 명칭의 슈퍼 엔지니어링 플라스틱 입니다. 한국에서는 「피크」수지라고 불리고 있습니다.

PEEK 수지는 방향족 폴리에테르케톤(PAEK:Polyaryl Ether Ketone) 수지(복수의 벤젠환이 에테르기(-O-)와 케톤기(-C(=O)-))로 일렬로 연결된 구조의 수지 )라고 불리는 열가소성 수지군의 한 종류입니다. 연속 사용 온도는 260℃로 높고, 내열성, 내약품성, 내열수성, 난연성, 역학적 특성, 전기적 특성이 뛰어나 슈퍼·엔지니어링·플라스틱 중에서도 가장 고성능인 수지 중 하나로 알려져 있습니다.

PEEK 수지는 영국의 ICI사(현:Victrex사)에 의해 1978년에 처음으로 개발되었습니다. 지금까지 PEEK 수지 이외에도 다양한 PAEK 수지가 개발되어 왔습니다만, PEEK 수지 쪽이 가공성이나 물성이 뛰어났기 때문에, 다른 PAEK 수지의 대부분은 개발이 중지되었습니다. 현재 PEEK 수지는 PAEK 시장을 거의 독점하고 있습니다.

PEEK 수지는 파우더나 펠릿 등 다양한 형상으로 제조, 판매되고 있습니다. PEEK 수지의 가격은 1kg 당 10 만원 정도로 다른 수지에 비해 꽤 비쌉니다. 그러나, 종합적인 성능이 매우 뛰어나기 때문에, 첨단 분야를 지지하는 소재로서 많은 용도에 활용되고 있습니다.

PEEK 수지의 종류

PEEK 수지에는 배합이 다른 다양한 등급이 있습니다. 각 등급의 특징은 다음과 같습니다.

기본 등급

일반적으로 「PEEK」라고 불리는 제품은 기본 등급입니다. 상술한 바와 같이, 내열성이나 내약품성 등이 뛰어난 슈퍼·엔지니어링·플라스틱입니다.

강화 등급

강화 등급은 기본 등급 PEEK에 섬유 등을 첨가하여 기계적 강도를 향상시킨 제품입니다. 유리 섬유를 첨가한 「유리 섬유 강화 등급」나, 탄소 섬유를 첨가한 「탄소 섬유 강화 등급」등이 있습니다. 강화 등급은, 기본 등급에 비해 강도와 모듈러스(탄성을 가지는 물체에 응력을 가했을 때에, 원래로 돌아가려는 힘)가 훨씬 향상되어, 단기 내열성의 평가 기준인 열 변형 온도가 매우 높아지는 점이 장점입니다. 한편, 첨가한 섬유의 영향으로 절삭 가공성은 나빠집니다.

접동 등급

기본 등급에 탄소 섬유, 흑연 및 사불화에틸렌( PTFE )을 각각 10% 정도 첨가하여 접동성과 내마모성을 향상시킨 등급입니다. 자동차 및 산업 등의 분야에서 기어 및 베어링에 자주 사용됩니다.

전도 등급

전도 등급은 기본 등급에 탄소 섬유를 첨가하여 전도성을 향상시킨 제품입니다. 정전기나 먼지를 싫어하는, 미소한 전자 부품 등에 자주 사용됩니다. 강화 등급과 마찬가지로 탄소 섬유에 의해 절삭 가공성이 악화되는 점에는 주의가 필요합니다.

PEEK 수지의 특징

PEEK 수지에는 어떤 특징이 있습니까? 아래에 장점과 단점으로 나누어 설명합니다.

PEEK 수지의 장점

PEEK 수지에는 많은 이점이 있습니다. 대표적인 것은 다음과 같습니다.

내열성이나 고온 특성이 뛰어난

PEEK 수지의 연속 사용 온도는 260℃ 정도로 일반적인 슈퍼 엔지니어링 플라스틱 (연속 사용 온도: 150℃ 이상)에 비해 매우 고온입니다. 융점은 334℃에서 매우 높고, 성형시에는 400℃에 가까운 고온에서 용융시킵니다. 또한, PEEK 수지는 열수나 스팀에 대해서도 내성이 있어, 오토클레이브에 의한 고압 증기 멸균도 가능합니다. 고온 환경 하에서 안정된 물리적 성질을 유지할 수 있는 점은 PEEK 수지의 큰 강점이라고 할 수 있습니다.

기계적 특성이 높음

PEEK 수지는 고온 환경에서도 우수한 기계적 특성(인장 강도 및 내충격성, 내 크리프성, 내마모성 등)을 나타냅니다. 상술한 바와 같이, 유리 섬유나 탄소 섬유를 첨가하면, 한층 더 강도를 향상시킬 수 있습니다.

내약품성이 뛰어난

PEEK 수지의 큰 강점 중 하나가 높은 내약품성입니다. 진한 황산 중에는 용해되어 버립니다만, 그 외 대부분의 산이나 알칼리, 유기 용매에 대해서는, 고온하에서도 내성을 나타냅니다. 약품에 접하는 의료 기기 등에도 문제없이 사용할 수 있다는 점이 장점입니다.

식품안전성이 인정됨

PEEK 수지는 일본의 식품위생법이나 미국 FDA(식품의약품국) 등의 규격을 충족하고 있어 식품에 대해서도 안전하게 사용할 수 있습니다. 따라서 식품이나 음료의 가공장치에 PEEK제의 부품을 사용하는 경우도 자주 볼 수 있습니다.

다른 PAEK 수지보다 성형하기 쉬운

일반적으로 성형 온도가 수지의 분해 온도에 가까워지면 성형이 어려워집니다. PEEK 수지는 다른 PAEK 수지보다 성형 온도가 낮은(380~400℃ 정도) 때문에 용융 성형하기 쉬운 점이 장점입니다.

PEEK 수지의 단점

상기와 같이 PEEK 수지는 뛰어난 특징을 가지는 재질이지만, 단점도 존재합니다.

높은 비용

PEEK 수지의 가격은 2022년 10월의 시점에서는 1kg당 약 10만원으로 슈퍼 엔지니어링 플라스틱 중에서도 매우 비쌉니다. 수지 가격은 원재료비의 변동 등의 영향에 따라 변화하지만, 이 가격은 범용 수지의 약 50배, 일반적인 엔지니어링 플라스틱의 약 30배가 됩니다. 원료 비용을 줄이고 가격을 줄일 수 있다면 PEEK 수지의 수요와 생산 규모가 더 커질 것으로 예상됩니다.

강도가 매우 높기에 절삭 가공이나 절단 가공이 어렵습니다.

전술한 바와 같이, PEEK 수지는 강도가 높은 점이 큰 장점입니다. 그러나, 강도가 높기 때문에, 절삭 가공 이나 절단 가공시에 균열이나 칩이 발생해 버리는 것이 단점입니다. 또한 칼날이 빠지거나 부러지는 경우도 있습니다. 칼날을 사용하여 PEEK 수지를 가공할 때는 주의합시다.

PEEK 수지의 주요 용도

PEEK 수지는 신뢰성이 높은 수지로 다양한 산업에서 활용되고 있습니다. 예를 들면, 우주·항공, 자동차, 의료기기, 3D프린터, 식품, 반도체 등의 분야입니다.

자동차 분야에서는 경량화, 성능 향상, 비용 절감을 위해 금속 부품을 PEEK 수지로 대체하는 움직임이 진행되고 있습니다. 금속제 기어를 PEEK제로 교체하면 불필요한 노이즈나 진동을 억제할 수 있습니다.

의료 분야에서는 주사 바늘이나 임플란트, 의치 등에 PEEK 수지가 활용되고 있습니다. PEEK 수지는 체내에서 비독성이고 불활성이며 생체 적합성이 높기에 의료용에 적합합니다. 세계 각국의 재료 제조업체로부터 다양한 의료용 PEEK 수지가 판매되고 있습니다.

PEEK 수지는 3D 프린터용 필라멘트로도 주목받고 있습니다. 독일의 Indmatec사(현:Apium사)는 2015년 PEEK 수지 전용 3D 프린터 를 처음으로 개발했습니다. 이 회사는 의료 분야를 대상 중 하나로 정하고 있으며, 현재는 의료 현장에 특화된 3D 프린터도 판매하고 있습니다.

정리

PEEK 수지는 다른 PAEK 수지에 비해 내열성이나 내약품성, 내열수성, 난연성, 역학적 특성, 전기적 특성 등이 뛰어난 슈퍼 엔지니어링 플라스틱입니다. 열가소성 수지 중에서도 최고 수준의 성능을 자랑하는 재료로 알려져 있습니다. 기본 등급 외에 강화 등급이나 접동 등급, 전도 등급 등이 존재합니다.

다양한 특성의 밸런스가 높은 점이나 식품 안전성이 인정되고 있는 점, 성형 가공하기 쉬운 점 등은 PEEK 수지의 장점입니다. 한편, 비용이 높고, 칼날을 사용한 가공이 곤란하다는 단점도 있습니다.

PEEK 수지는 우주, 항공, 자동차, 의료 기기, 3D 프린터 등 다양한 분야에서 활용되고 있습니다. 앞으로도 우리의 삶을 그늘에서 계속 지탱할 것입니다.

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