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폴리카보네이트
폴리카보네이트(polycarbonate, PC)는 비스페놀 A(BPA)와 포스젠의 연쇄 구조로 이루어진 무색 투명한 무정형의 열가소성 플라스틱 중합체이다. 모노머 단위끼리의 결합이 카보네이트 즉, 탄산 에스테르(-O- (C = O) -O-)로 구성되며 쉽게 가공할 수 있고, 사출성형되며, 열성형이 된다. 엔지니어링에 사용되는 폴리카보네이트는 강하고 거친 소재이며 일부 등급은 광학적으로 투명하다. 이러한 특성 때문에 폴리카보네이트는 현대 화학공업에서 많은 응용 분야에 다양한 제품의 재료로 널리 사용된다. 렉산으로 불리기도 한다.
내열성, 내충격성 및 투명성이 좋기 때문에 상품 플라스틱과 엔지니어링 플라스틱, 유리 대용 플라스틱으로 많이 사용된다. 휴대폰과 노트북, 모니터 등 IT 제품의 외장재를 비롯해 CD, DVD 등 미디어 광저장매체 소재의 원료에 폭넓게 사용되는 고기능성 플라스틱이다.
폴리 카보네이트에는 고유한 수지 식별 코드(RIC)가 없으며 RIC 목록 7번, "OTHER(기타)"로 분류된다. 즉, 플라스틱 재활용 업체의 재질 분류 6개 항목 중 어느 것에도 속하지 않으므로 재활용 코드는 7번이다. 폴리카보네이트로 만든 제품은 전구체 모노머 비스페놀 A(BPA)를 함유할 수 있다.
독일 바이엘 사가 1953년에 처음 개발한 폴리카보네이트(polycarbonate)의 등록상표명을 본따 마크롤론(Makrolon)이라고도 한다. 아폴로 계획에서 월면활동을 실시한 비행사의 헬멧에도 사용되었다. 1956년 독일의 헤르만 슈넬(Hermann Schnell)이 처음 합성한 것으로, 1958년 바이엘(Bayer AG)로부터 필름과 성형재료로 판매되었다. 이어 미국의 제너럴일렉트릭을 비롯하여 각국에서 공업화되었다.
목차
물성[편집]
- 밀도: 1.20 g/cm3
- 가용 온도: −100 ℃ to +180 ℃
- 열변형 온도: 135 ℃
- 녹는점: 약 250 ℃
- 굴절률: 1.585 ± 0.001
- 광투과율: 90 % ± 1 %
- 열전도율: 0.19 W/mK
- 선팽창률: 3.8×10-5 cm/cm℃
역사[편집]
폴리카보네이트는 1898년 독일의 과학자 알프레트 아인혼(Alfred Einhorn)에 의해 처음 합성이 보고되었다. 1953년 독일 바이엘(Bayer)사의 헤르만 슈넬(Hermann Schnell)과 미국 제너럴 일렉트릭사(General Electric (GE))의 다니엘 폭스(Daniel Fox)가 상업적인 목적을 가지고 개발에 성공한다. 1955년 두 회사는 동시에 미국 특허를 신청하였다. 특허 심사 기간 동안 양사는 어느 쪽에서 특허권을 취득하여도 상대방이 일정 사용료를 지급하고 특허의 사용을 허가하는 협정을 맺는다. 최종 결과는 베이어사의 슈넬이 제너럴 일렉트릭사의 폭스보다 1주일 먼저 개발한 것으로 결정되어 베이어사가 원천 특허를 획득하였으며, 제너럴 일렉트릭사는 사용료를 지급하고 상업화한다. 베이어사는 1958년 메를론(Merlon)이라는 제품명으로 제너럴 일렉트릭사는 렉산(Lexan)으로 1960년부터 상업생산을 시작하였다. 1980년대 베이어사는 제품명을 마클론(Markrlon)으로 변경하였다. 현재 다수의 기업이 폴리카보네이트를 생산하고 있으며 매년 600만 톤을 생산하여 소비한다.
제조법[편집]
폴리카보네이트의 제조법은 크게 두 가지로 구분한다. 포스젠 법과 용융법이다.
계면법 (포스젠 법)[편집]
초기 폴리카보네이트는 비스페놀-A와 포스젠의 반응으로 양산하였으며, 현재에도 대부분의 폴리카보네이트는 포스젠 법으로 생산한다. 수용액 상의 비스페놀-A 소듐염이 다이클로로메테인(dichoromethane) 층에 녹아 있는 포스젠과 계면에서 반응하여 폴리카보네이트가 생성된다. 용융법과 비교를 위하여 계면법이라 부른다. 포스젠의 높은 생산성과 반응성으로 인하여 널리 사용되었지만, 독성이 매우 강한 포스젠의 사용에 따른 안전 및 관련 사고 문제 때문에 현재는 더 이상의 설비 확장 및 신규 포스젠법 양산 시설의 건설은 하지 않고 있다. 이를 대체하는 용융법으로 전환 과정에 있다.
용융법[편집]
제너럴 일렉트릭사의 폭스가 처음 폴리카보네이트를 제조한 공법이 용융법이다. 다이페닐카보네이트(DPC)와 비스페놀-A 사이의 에스터 교환 반응을 통하여 제조하였다. 첫 개발 당시 다이페닐카보네이트의 제조 역시 포스젠을 사용하였다. 하지만 1990년대 일본의 아사이화성(Asahi-Kasei)사에서 비포스젠법 DPC 제조 공정의 수립과 함께 용융법을 이용한 폴리카보네이트 양산에 성공하였다. 폐기물이 적으며 유독한 포스젠을 사용하지 않는다. 또한, 반응 원료로써 이산화 탄소를 사용하여 친환경 폴리카보네이트 공법이다. 현재 동아시아(한국, 대만)를 중심으로 양산하고 있으며, 사우디아라비아에서도 대형 공장을 건설, 운영 중이다. 신규 설비의 경우 대부분 친환경 용융법을 기반으로 한다.
폴리카보네이트의 성질[편집]
폴리카보네이트는 내구성이 강하다. 매우 강한 내충격성을 가지지만, 긁힘에 약하다. 외장 또는 보안경 렌즈용으로 사용할 때에는 표면에 하드 코팅처리가 필요하다. 투명 플라스틱 소재로서 많이 쓰이는 폴리메틸 메타크릴레이트 (polymethyl methacylate, PMMA)에 대비하여 강하고 내열성이 우수하다. 하지만 내스크래치성은 PMMA가 우수하다. 가시광선에 대해 높은 투과율을 가지며, 유리 대체 소재로써 사용된다. 폴리카보네이트의 유리 전이 온도(Tg)는 분자량에 따라 145-150 °C 이다. 높은 내열성과 강성으로 엔지니어링 플라스틱으로 분류된다.
용도[편집]
가전, 전기용품 재료[편집]
폴리카보네이트는 가벼우면서 단단한 성질, 그리고 전기 절연도, 내열성, 난연성을 가진 소재이다. TV, 모니터, 휴대전화 외장 등의 소재로 널리 사용되고 있다. 폴리카보네이트와 ABS 혼합 수지가 대형 가전 중심으로 사용된다. 휴대전화의 배터리 커버 소재가 대표적인 폴리카보네이트의 사용처이다.
건축 재료[편집]
투명하며 단단한 성질은 건축 외장, 지붕, 방음벽 소재로서 널리 활용된다. 다중 격벽 구조 또는 단일 시트 형태로서 사용한다. 외장에 사용하는 경우 자외선에 대한 분해를 방지하기 위하여 자외선 안정제를 투입하여 가공한다. 기본 수지의 투명성은 다양한 색상의 구현에 유리하다.
미디어 재료[편집]
CD, DVD로 대표되는 다양한 저장 매체의 제조에 폴리카보네이트를 사용한다. 투명하면서 얇은 두께에서도 우수한 강도, 그리고 높은 내열성은 일상 및 가혹 조건에서 데이터 및 미디어 보관용 제품의 재료로서 적합하다.
자동차, 철도, 항공기 소재[편집]
자동차, 항공기 등의 중량을 가볍게 하여 에너지 효율을 향상하는 목적으로 밀도가 높은 금속 및 유리 소재를 플라스틱으로 전환하는 시도는 계속되어왔다. 높은 강도와 내열성을 가지는 엔지니어링 플라스틱의 대표인 폴리카보네이트는 이런 요구에 적합한 소재이다. 자동차 헤드램프 소재로 활용된다. 이 경우 스크래치에 대한 보호를 위한 UV 경화 코팅 처리가 요구된다. 유리에 대비하여도 단단한 내충격성을 가지고 있어서, 전투기 F-22 랩터의 조종석 캐노피가 폴리카보네이트로 제조되었으며, 고속 열차의 창문 소재로도 일부 사용된다.
방탄, 안전 소재[편집]
실험실 및 건설 현장 등에서 사용되는 일반적인 보안경 렌즈 소재로 폴리카보네이트를 사용한다. 또한, 경찰의 시위 진압 보호 방패 소재, 은행의 창구 방탄 소재로 유리를 대체하여 사용한다. 오토바이 및 운동용 보호 헬멧 제조에서도 폴리카보네이트가 사용된다. ABS 소재가 일반적이지만 더 고강도를 요구하는 용도에는 폴리카보네이트를 사용한다.
보관, 저장 용품[편집]
폴리카보네이트는 그 투명성, 내구성, 착색성 때문에 다양한 음식 및 음료 보관 용기로서 오랜 기간 활용되었다. 하지만 환경 호르몬으로 의심받는 비스페놀-A의 용출 문제로 음료를 보관하는 용도로서는 더 이상 사용하지 않는다. 특히 어린이용 물품의 재료로서는 일부 국가에서 그 사용이 금지되었다. 현재 생수 보관 용기로는 사용이 되고 있다. 최근 여행용 가방의 소재로도 단단한 폴리카보네이트로 만든 제품이 시판되고 있다.
참고자료[편집]
같이 보기[편집]
