저밀도 폴리에틸렌(LDPE)의 정의, 특성, 용도 및 가공 방법까지 해설

저밀도 폴리에틸렌(LDPE, Low Density Polyethylene)은 뛰어난 유연성과 가공성으로 포장 필름이나 일용품 용기 등에 널리 이용되는 범용 플라스틱입니다. 제조업의 설계·개발 담당자에게 있어서, 경량으로 코스트 퍼포먼스가 뛰어난 제품을 개발하는데 있어서, 취급하기 쉬운 수지의 하나입니다. 다만 성능을 최대한 활용하기 위해서는 내열성이 낮거나 강성이라는 재료 특성을 올바르게 이해하고 적재적소에서 활용하는 지식이 필요합니다.
이번 내용에서는 LDPE의 기본 특성부터 장점·단점, 고밀도 폴리에틸렌(HDPE, High Density Polyethylene)과의 구체적인 차이, 나아가 가공 시 포인트까지 해설합니다. 플라스틱 제품의 재료 선정에 관련된 설계·개발 담당자 분은, 꼭 끝까지 봐 주세요.

저밀도 폴리에틸렌의 정의

저밀도 폴리에틸렌(LDPE)은, 「연질 폴리에틸렌」이라고도 불리는, 부드럽고 유연한 성질을 가지는 대표적인 플라스틱입니다. 이 유연성은 분자 구조에 다수의 분지를 갖는 데서 유래했으며 분자끼리 치밀하게 정렬할 수 없기 때문에 밀도가 낮아지고 있습니다. 밀도가 911~925kg/m³ 범위에 있는 폴리에틸렌이 저밀도 폴리에틸렌으로 분류됩니다. 1933년에 세계 최초로 발견되었다고 하는 역사의 오래된 수지이며, 뛰어난 내수성, 내약품성, 가공의 용이성에 의해, 식품용 랩 필름이나 폴리 봉투, 스퀴즈 보틀(압출 용기) 등, 우리 생활에 친숙한 제품에 폭넓게 이용되고 있는 재료입니다.

저밀도 폴리에틸렌의 특성

저밀도 폴리에틸렌의 재료 선정에서는 특성의 올바른 이해가 중요합니다. 여기에서는 기계적 특성과 물리·화학적 특성으로 나누어 물성치의 표를 섞어가며 자세히 해설합니다.

기계적 특성

저밀도 폴리에틸렌의 대표적인 기계적 특성은 다음과 같습니다.

저밀도 폴리에틸렌의 가장 큰 기계적 특징은 뛰어난 유연성과 충격 저항성입니다. 분자 구조에 많은 분지가 있어 결정화도가 낮아지기 때문에 고무와 같은 유연함이 생깁니다. 따라서 손으로 잡고 내용물을 내보내는 조임병이나 충격을 흡수하는 완충재, 잘 찢어지지 않는 비닐봉지 등에 널리 이용되고 있습니다. 또한, -60℃정도의 저온환경에서도 쉽게 깨지지 않으며, 냉동용도로도 적합한 재료입니다. 한편 강성이나 인장강도는 다른 플라스틱에 비해 낮기 때문에 큰 하중을 지탱하는 구조부재에는 적합하지 않습니다. 이와 같이 LDPE는 강도보다 유연성과 깨지기 어려운 점이 요구되는 용도에 적합합니다.

물리 및 화학적 특성

주요 저밀도 폴리에틸렌의 물리적 및 화학적 특성을 아래 표에 요약합니다.

저밀도 폴리에틸렌은 경량이면서 내수성, 내약품성이 우수하다는 물리, 화학적 특성을 가진 재료입니다.
비중이 물보다 가볍고 분자 구조가 화학적으로 안정된 폴리올레핀이기 때문에 흡수성이 낮아 많은 산과 알칼리에 침범되지 않습니다. 이 특성 때문에 식품의 신선도를 유지하는 포장 필름이나 액체 용기, 약품 병 등에 널리 사용되고 있습니다. 또한 무미무취로 위생성이 높은 점도 큰 장점입니다.
단, 일부 유기용제나 자외선에는 약하기 때문에 사용 환경에 주의가 필요합니다. 이처럼 저밀도 폴리에틸렌은 물이나 약품에 강하고 가볍고 안전하기 때문에 특히 포장재나 용기 분야에서 뛰어난 성능을 발휘합니다.

저밀도 폴리에틸렌의 장점

설계 재료로 볼 때 대표적인 저밀도 폴리에틸렌의 장점을 살펴 보겠습니다.

유연하고 깨지기 어렵다.

저밀도 폴리에틸렌의 가장 큰 장점은 뛰어난 유연성과 충격 저항성입니다. 분자 구조에서 유래하는 유연한 성질을 가지기 때문에, 경질 플라스틱처럼 떨어뜨려도 잘 깨지지 않고, 안전성이 높은 제품 설계를 가능하게 합니다.
예를 들어 손으로 잡고 내용물을 내보내는 조임병이나 제품을 충격으로부터 보호하는 기포완충재는 이 특성을 활용한 대표적인 예입니다. 이와 같이 저밀도 폴리에틸렌은 반복적으로 변형시키거나 충격이 가해지거나 하는 용도에서 잘 깨지지 않는다는 큰 장점을 제공합니다.

경량으로 가공이 용이

제품 경량화와 생산성 향상에 기여할 수 있다는 점도 저밀도 폴리에틸렌의 장점입니다. 물보다 작은 비중(0.92~0.93)이기 때문에 부품의 중량을 줄일 수 있습니다.
또한 융점이 낮고 용융 시 유동성도 좋아 사출 성형이나 압출 성형 등 다양한 가공법에 적용하기 쉽고 적은 에너지로 고속으로 대량 생산할 수 있습니다. 복잡한 형상의 금형에도 원활하게 충전되므로 성형 불량이 발생하지 않는 것도 특징입니다.
이 취급 용이성이 저밀도 폴리에틸렌이 범용 수지로 널리 사용되는 이유이기도 합니다.

내약품성・내수성이 뛰어난

저밀도 폴리에틸렌은 화학적으로 안정적이며, 물이나 많은 약품에 대해 뛰어난 내성을 갖는 것도 장점입니다. 분자구조가 안정된 폴리올레핀 수지이므로 산이나 알칼리, 알코올류와 접촉해도 거의 열화되지 않으며, 흡수에 의한 치수 변화도 없습니다.
따라서 식품 포장 필름이나 액체 세제 병, 약품 용기 등 내용물의 품질을 장기간 유지해야 하는 용도에 적합합니다. 이 화학적 안정성과 무미무취·무해라고 하는 성질에 의해, 특히 위생성이 요구되는 분야에서 높은 신뢰성을 발휘하는 것입니다.

저밀도 폴리에틸렌의 단점

한편, 저밀도 폴리에틸렌에는 단점도 존재합니다. 구체적으로 살펴 보겠습니다.

내열성이 낮고 고온 용도에는 적합하지 않습니다.

저밀도 폴리에틸렌의 큰 단점은 낮은 내열성입니다. 녹는점이 100~115℃로 낮고 80℃를 넘는 환경에서는 연화, 변형이 시작되므로 고온에서 사용하기에는 적합하지 않습니다.
따라서 저밀도 폴리에틸렌 용기에 끓는 물을 넣거나 전자레인지로 가열하는 것은 불가능합니다. 또한 식기 세척기와 같은 고온 환경에도 견딜 수 없기 때문에 용도가 한정됩니다.

기계적 강도 · 강성이 낮음

저밀도 폴리에틸렌은 유연성을 뒷받침하기 위해 기계적인 강도와 강성이 낮다는 단점이 있습니다. 하중에 대한 변형이 크고 형상을 유지하는 힘이 약하기 때문에 큰 힘을 지탱하는 구조 부재에는 적합하지 않습니다.
저밀도 폴리에틸렌제의 얇은 판은 자중으로 휘어지기 쉽고, 무거운 액체를 넣은 용기는 측면이 부풀어 오를 수 있습니다. 충분한 형상 유지가 요구되는 용도에서는 두께를 늘리거나 리브를 설치하는 등 설계상의 연구가 필수적입니다.

실외 노출로 열화(내후성이 낮음)

저밀도 폴리에틸렌은 야외에서의 장기 사용에는 적합하지 않다는 단점이 있습니다. 태양광에 포함된 자외선에 의해 분자 구조가 파괴되어 시간이 지남에 따라 재료가 취약해지기 때문입니다.
대책이 없는 저밀도 폴리에틸렌 제품을 야외에 장기간 방치하면, 표면에 균열이 생기고, 최종적으로는 너덜너덜해져 버립니다. 따라서 농업용 필름이나 야외용 배관 등 내후성이 요구되는 용도에서는 카본블랙과 같은 자외선 열화 방지제를 첨가한 특수 등급 선정은 필수입니다.

저밀도 폴리에틸렌의 용도

저밀도 폴리에틸렌의 용도에 대해 4가지 범주로 나누어 구체적인 제품 예와 함께 살펴보겠습니다.

포장재·필름 제품(식품 포장·랩·가방류 등)

저밀도 폴리에틸렌의 대표적인 용도는 유연하고 잘 찢어지지 않는 포장용 필름입니다. 저밀도 폴리에틸렌이 얇으면서도 일정한 강도가 있고 뛰어난 방습성을 지녀 내용물을 안전하게 보호하는데 최적이기 때문입니다.
구체적인 예로는 가정용 식품 랩 필름이나 슈퍼에서 야채를 넣는 비닐 봉투, 상품을 충격으로부터 보호하는 기포 완충재 등을 들 수 있습니다. 또한 그 유연성과 보온성을 살려 농업용 비닐하우스의 피복 필름으로도 이용되고 있습니다.

성형품(캡・용기・튜브 등)

저밀도 폴리에틸렌은 유연성을 활용하여 다양한 성형품에도 이용되고 있는 재료입니다. 특히, 손으로 잡고 내용물을 밀어내는 「스퀴즈성」이 요구되는 용기에 적합합니다.
대표적인 제품이 마요네즈와 케첩 병, 핸드 크림 등의 튜브 용기입니다. 반복적으로 변형시켜도 잘 깨지지 않는다는 저밀도 폴리에틸렌의 특성이, 이러한 제품의 사용 편리성을 실현하고 있습니다. 또한 터퍼 등의 밀폐용기 뚜껑에도 그 부드러움에서 나오는 높은 밀봉성(밀폐성)을 목적으로 채택되는 경우가 있습니다.

전기·전자 부품(절연 피복·케이블 등)

저밀도 폴리에틸렌은, 뛰어난 전기 절연성을 가지는 것으로부터, 전기·전자 분야에서도 중요한 역할을 담당하고 있는 재료입니다. 분자구조에 전기를 통하기 쉬운 부분이 없고 수분의 영향도 잘 받지 않기 때문에 전선이나 케이블의 절연 피복재로 오래전부터 이용되어 왔습니다.
특히, 고압 전력 케이블에는, 저밀도 폴리에틸렌의 절연 성능을 한층 더 높인 가교 폴리에틸렌(XLPE)이 불가결한 재료가 되고 있습니다. 또, 신호의 손실을 억제할 필요가 있는 통신 케이블이나 동축 케이블에도, 그 뛰어난 전기적 특성을 살려서 채용되고 있습니다.

건축·토목·농업 자재(방수 시트·농업용 필름 등)

건축, 토목, 농업 현장에서도 저밀도 폴리에틸렌은 내수성과 가공의 용이성 때문에 자재로 널리 활용되고 있는 재료입니다. 이러한 분야에서는, 저렴하고 대면적을 덮을 수 있는 시트나 필름이 요구되기 때문입니다.
예를 들어 건축 현장에서 콘크리트의 품질을 유지하기 위해 씌우는 양생 시트나 지면으로부터의 습기를 방지하는 방습 필름으로 사용됩니다. 농업 분야에서는 밭 잡초를 억제하고 땅의 온도를 유지하기 위한 검은 멀티 시트가 대표적입니다.

저밀도 폴리에틸렌의 가공 방법과 포인트

저밀도 폴리에틸렌은 열가소성 플라스틱 중에서도 특히 가공하기 쉬운 재료입니다. 여기에서는 대표적인 3가지 가공법과 그 때의 포인트를 해설합니다.

압출 성형

저밀도 폴리에틸렌 가공에서 가장 대표적인 것이 용융된 수지를 꼭지쇠에서 밀어내는 압출 성형입니다. 이는 저밀도 폴리에틸렌이 녹은 상태에서 매끄럽게 흘러 안정적으로 연속 성형할 수 있기 때문으로 특히 필름이나 시트 제조에 널리 사용됩니다.
예를 들어, 비닐 봉투의 근원이 되는 튜브 모양의 필름은 이 방법으로 만들어집니다. 포인트는 저밀도 폴리에틸렌의 용융 시 점성이 적당하며 얇게 펴도 잘 끊어지지 않는 성질을 활용하는 것입니다. 이것에 의해, 균일한 두께의 제품을 효율적으로 대량 생산하는 것이 가능하게 됩니다.

블로우 성형

저밀도 폴리에틸렌의 유연성을 활용한 중공 용기의 제조에는 블로우 성형이 이용됩니다. 이 가공법은 녹인 수지를 통 모양(파리슨)으로 만들어 금형 내에서 공기에 의해 부풀려 성형하기 때문에 마요네즈 병과 같은 제품에 매우 적합합니다.
저밀도 폴리에틸렌은 용융 상태에서 잘 늘어나기 때문에, 얇은 고기라도 균일한 두께의 용기를 만들기 쉬운 것이 특징입니다. 성형 시에는 저밀도 폴리에틸렌이 부드럽기 때문에 팰리슨이 자중으로 처지고 두께 얼룩이 생기지 않도록 압출 속도 등을 정밀하게 제어해야 합니다.

사출 성형

저밀도 폴리에틸렌은 복잡한 형상의 부품을 고속으로 양산하는 사출 성형에도 적합합니다. 그 이유는 용융 시 유동성이 좋아 낮은 압력에서도 금형 구석구석 수지가 골고루 전달되기 때문입니다. 이 특성으로 인해 저장 용기의 뚜껑과 같은 얇은 제품의 성형이 용이해집니다.
가공 시 포인트는 저밀도 폴리에틸렌이 부드럽고 고화된 후에도 변형하기 쉽기 때문에 금형에서 꺼낼 타이밍을 서두르지 않는 것입니다. 냉각 시간을 충분히 확보함으로써 제품의 휨과 뒤틀림을 방지하고 치수 안정성을 높일 수 있습니다.

저밀도 폴리에틸렌과 다른 소재의 비교

저밀도 폴리에틸렌을 채택할 때는 흔히 비교되는 범용 플라스틱과의 특성 차이를 파악해야 합니다. 여기에서는 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)이나 폴리프로필렌(PP), 기타 수지와의 구분 기준을 해설합니다.

고밀도 폴리에틸렌(HDPE)과의 차이

저밀도 폴리에틸렌과 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)은 유연성과 내열성의 차이로 구분하여 사용됩니다. 같은 폴리에틸렌이라도 고밀도 폴리에틸렌은 결정밀도가 높고 단단하기 때문에 높은 강성과 내열성이 요구되는 용도에 적합하기 때문입니다.
견고함이 필요한 탱크나 공업용 파이프에는 고밀도 폴리에틸렌이, 내용물이 보이는 투명성과 부드러움이 필요한 식품 랩이나 마요네즈 용기에는 저밀도 폴리에틸렌이 선택됩니다. 따라서 경도와 내열성을 중시한다면 고밀도 폴리에틸렌, 유연성과 투명성을 중시한다면 저밀도 폴리에틸렌이라는 기준으로 선정합니다.

폴리프로필렌(PP)과의 차이

폴리프로필렌(PP)과의 비교에서는 사용하는 온도 환경이 선정의 열쇠입니다. 폴리프로필렌은 100℃ 이상의 내열성이 있어 전자레인지도 사용할 수 있지만 영하에서는 취약해지는 약점이 있습니다. 한편, 저밀도 폴리에틸렌은 내열성이 떨어지지만 냉동 환경에서도 유연함을 유지할 수 있습니다.
내열 용기나 반복적으로 접히는 힌지 부품에는 폴리프로필렌이, 냉동 식품의 포장 봉투에는 저밀도 폴리에틸렌이 적합합니다. 따라서 고온 환경에서 사용한다면 폴리프로필렌, 저온 환경이나 매우 높은 유연성이 필수라면 저밀도 폴리에틸렌이라는 구분이 중요합니다.

EVA·PVC 등 다른 수지와의 비교

저밀도 폴리에틸렌 단체에서는 성능이 부족할 경우 EVA(에틸렌 초산 비닐 공중합 수지)나 PVC(폴리염화비닐) 등이 대체 후보가 됩니다. 이들은 저밀도 폴리에틸렌의 약점인 접착성과 난연성, 내구성 등을 보완할 수 있는 재료이기 때문입니다.
구체적으로는 저밀도 폴리에틸렌보다 더 높은 유연성과 접착성이 필요한 경우에는 EVA가, 건자재와 같이 장기간의 내구성과 불에 잘 타지 않음이 요구되는 용도에서는 PVC가 선택됩니다. 저밀도 폴리에틸렌은 밸런스가 좋은 저렴한 재료입니다만, 특정 기능이 더 필요한 경우는, 이러한 수지로의 전환이나 저밀도 폴리에틸렌과의 블렌드를 검토하는 것이 효과적입니다.

정리

저밀도폴리에틸렌(LDPE)은 뛰어난 유연성과 가공성으로 포장 필름이나 용기 등 매우 넓은 용도로 이용되는 대표적인 범용 플라스틱입니다. 분자구조에서 유래한 부드러움과 내충격성이 가장 큰 특징으로 제품의 경량화 및 안전성 향상에 크게 기여합니다.
또, 내수성이나 내약품성도 뛰어나 위생성이 높아 식품 용도에도 적합하지만, 내열성이나 기계적 강도가 낮다는 약점도 가지고 있습니다. 따라서 그 성능을 최대한으로 끌어내기 위해서는 사용 환경을 고려하고 다른 수지 재료와의 차이를 이해한 후 적절한 재료 선정이 필수적입니다.
이번 내용을 참고해, 재료 선정이나 제품 설계, 부품 조달의 업무에 꼭 활용해 주세요.