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플라스틱
플라스틱(plastic)은 열과 압력을 가해 성형할 수 있는 고분자화합물이다. 플라스틱이라는 말은 쉽게 원하는 모양으로 가공할 수 있다는 의미의 그리스어 플라스티코스(plastikos)에서 유래했다. 플라스틱에는 다양한 종류가 있으며, 열을 가해서 재가공이 가능한지에 따라서 열가소성수지와 열경화성수지로 나눌 수 있다. 대부분의 플라스틱은 100℃ 이상으로 가열될 때 녹거나 분해된다. 합성수지(合成樹脂)라고 한다.
전기자동차용 플라스틱
플라스틱은 경량, 내구성, 다용도 및 경제적인 소재로 여겨지며, 다양한 산업용 용도에 사용되고 있다. 팬, 케이싱, 에너지 회수 장치 등 전기 자동차 부품, 펌프 및 기타 움직이지 않는 부품은 차량의 성능 측면을 손상시키지 않고 차량의 전체 중량을 줄여준다. 플라스틱이 다른 금속 대신에 사용될 때 차량의 무게는 40%까지 감소된다. 또한 고성능 중합체와 엘라스토머의 사용은 구성 요소와 기능의 효과적인 통합을 돕는다.
플라스틱은 전기도체가 될 수 있고 절연체가 될 수도 있다. 열가소성 플라스틱 중합체는 플라스틱의 높은 다기능성과 쉬운 성형성으로 인해 전기 차량의 요구 사항에 따라 다양한 모양과 디자인으로 제작될수 있다는 이점을 갖고 있다. 또 전기 차량에 플라스틱을 사용하면 이러한 차량의 중량이 줄어들어 충전 간격을 더 넓힐 수 있다. 플라스틱은 내열성이 뛰어나 배터리 구획과 냉각 시스템을 구성할 수 있으며 전기차가 제공하는 내구성과 안전성을 저해하지 않아 핵심 소재로 빼놓을 수 없다. 더욱이 엄격한 배출 규범과 PHEV /HEV 및 BEV의 중량 감소 추세에 따라 고성능 플라스틱의 수요가 증가할 것으로 추정된다. 또한 인테리어 적용은 전기 자동차 플라스틱 수요의 대부분을 차지하는 것으로 추정되며 예측 기간 동안 이러한 추세는 계속될 것으로 예상한다.
전기자동차 시장용 플라스틱은 플라스틱 유형을 기준으로 ABS(acrylonitrile butadiene s tyrene), 폴리아미드(PA), 폴리카보네이트(PC), 폴리비닐부티랄(PU), 폴리우레탄(PP), 폴리프로필렌(PP) 등으로 세분화된다. 폴리프로필렌 부문은 2019년 플라스틱 타입 기준 전기차 시장용 플라스틱을 선도했다. 폴리프로필렌(PP)은 프로필렌 모노머를 결합해 생산하는 열가소성 추가 폴리머를 말한다. PP는 단단하고 결정성이 있기 때문에 포장용 트레이, 가정용, 의료기기 등 일상용품의 제조에 널리 사용되고 있다. 열가소성 중합체로서 폴리프로필렌은 유연성, 견고성, 경량성, 내열성이 필요한 플라스틱 유형에 거의 모든 형태로 쉽게 형성될 수 있다. 또한, 에틸렌과 합성되어 탄성-프로필렌 공중합체를 발생시킬 수 있다. 내화학성, 피로성, 높은 전기 저항성, 탄성 및 인성, 투과성, 극한 기후 조건 등은 폴리프로필렌과 관련된 유익한 속성 중 하나로서 수요를 더욱 증가시킬 것이다.
현재 폴리프로필렌은 범퍼, 케이블 절연재, 배터리 박스, 실내 및 실외 카펫, 카펫 섬유와 같은 자동차 용도에서 널리 사용되고 있다. 저렴한 비용과 유연한 몰딩 기능을 통해 다양한 자동차 구성요소 및 부품에 사용할 수 있다. 향후 예측 기간에도 PP는 전기자동차에서 상당한 수요가 있을 것으로 예상된다.
나아가 폴리우레탄(PU)은 다른 종류의 플라스틱 중에서 시장가치가 가장 크다고 꼽히고 있다. 폴리우레탄 소재는 자동차 제조업체에서 널리 사용되고 있으며, 이는 디자인 자유로인한 편안함, 안전성, 경량성, 내수성 등의 측면에서 이점을 제공한다. 폴리우레탄(PU)은 디자이너와 제조업체가 조립, 분해, 재활용할 수 있는 좌석을 설계하는 데도움이 되는 강하고 가벼운 소재다. 또한, 폴리우레탄은 대시보드와 같은 내부 부품 제조에 사용되며 도어 핸들 및 계기판의 TPU가 차량의 무게를 줄이는데 도움이 된다. 제품의 다기능성과 용이한 금형능력을 통해 자동차 제조사들은 다양한 형상과 디자인을 제작할 수 있다. 폴리우레탄은 내구성이 가장 뛰어나 재활용이 가능하므로 전기자동차에 상단한 채택이 가능하다.
전기자동차에 전기부품이 점점 더 많이 사용되고 있어 전선, 케이블, 커넥터의 필요성이 커지고 있다. 온보드 충전기는 충전하는 동안 AC를 DC로 변환하는 데 사용된다. 이러한 충전기는 과열을 방지하는 전압 수준에서 작동한다. 커넥터, 케이블 및 호스는 전기 자동차의 다른 부분에 전력을 공급하는 데 사용된다. 이러한 구성 요소는 충전 또는 사용 중에 배터리에서 발생하는 고온을 유지해야 한다. 따라서 플라스틱은 고온을 견디고 전기 절연 기능을 제공할 수 있기 때문에 이러한 구성 요소에 적합한 재료다. 특히 ABS, 폴리카보네이트, PBT, 폴리아마이드와 같은 중합체로 만들어진 구성품이 선호된다. 유럽에서는 첨단 안전 기능이 추가됨에 따라 회로, 센서 등과 같은 전자 구성 요소가 더 많은 전자 구성 요소를 추가하게 되고 결과적으로 전기 자동차에서 플라스틱 사용을 증가시킨다. 또한 전면과 후면 헤드램프 배 선, 후면 카메라 모듈 및 360도 카메라(경우에 따라)는 시장 성장에 중요한 역할을 할 것으로 보인다. 따라서 전기 차량에 필요한 커넥터, 램프 하우징 부품, 전기전자 부품을 만드는 데 사용되는 플라스틱 부품에 대한 수요가 증가할 것으로 예상된다.
리포트링크에 의하면 2019년 세계 전기차용 플라스틱 시장은 9억 6690만 9000달러로 평가되었으며, 2027년에는 40억 2172만 달러에 이를 것으로 내다보고 있다. 2020년부터 2027년까지 CAGR은 19.7% 성장할 것으로 예상하고 있다. 리서치마켓닷컴은 또한 전기자동차시장용 플라스틱이 2020년 7억9700만 달러에서 2025년까지 26.9%의 CAGR로 성장해 26억 2천 9백만 달러의 시장규모에 이를 것으로 전망했다.
전기차용 플라스틱 시장은 BASF(독일), SABIC(사우디아라비아), 다우(미국), L yondellbas ell Indus tries Holdings B.V (네덜란드), DuPont de Nemours (주) 미국 등 세계적인 업체들이 주도하고있다. 코베스트로(독일), 솔베이(벨기에), LANX ESS(독일), LG화학(한국), 아사히카세이(일본) 등이 대표적이다.[1]
역사
- 상아 당구공 대체품 찾다가 발명한 플라스틱
플라스틱의 역사는 독일인 크리스티안 쇤바인(Christian Friedrich Schönbein, 1799~1868)으로부터 출발한다. 그는 스위스 바젤대학 교수로 재직하던 1846년 즈음, 폭발성이 강하고 탄성이 큰 질산섬유소(니트로셀룰로오스) 합성에 성공한다. 이어 1862년 영국의 알렉산더 파크스(Alexander Parkes, 1813~1890)가 질산섬유소를 가지고 실험을 했다. 질산섬유소를 에테르와 알코올에 용해시킨 뒤 틀에 넣어 건조시키면 원하는 모양대로 만들 수 있었다. 그는 이 물질에 파크신이란 이름을 붙였다. 파크신은 단단했고, 탄성도 있어 성형하기 쉬웠다. 그러나 건조하면 줄어드는 결점이 있었다.
최초의 플라스틱은 당구공의 재료로써 비싸고 귀했던 아프리카 코끼리의 상아를 대체할 물질을 찾으려는 노력에서 얻어졌다. 미국의 존 하이엇(John. W. Hyatt 1837~1920)은 질산섬유소를 잘 용해시킬 수 있는 물질을 찾으려 노력했다. 그러던 어느 날, 피부약으로 쓰이는 캠퍼팅크를 질산섬유소에 넣었더니 질산섬유소가 녹기 시작했다. 캠퍼팅크란 장뇌를 알코올에 녹인 의약품으로, 그 가운데 장뇌가 질산섬유소를 녹인 것이다.
1869년 최초의 천연수지 플라스틱 셀룰로이드는 이렇게 만들어졌다. 이 새로운 물질은 열을 가하면 어떠한 모양으로도 만들 수 있었고, 열이 식으면 상아처럼 단단하고 탄력 있는 물질이 됐다. 그러나 셀룰로이드는 깨지기 쉬워 당구공 재료로는 적합지 않았다. 대신 틀니, 단추, 만년필 등의 용도로 사용됐다.
- 베이클라이트, 최초의 합성수지 플라스틱
합성수지를 원료로 한 최초의 플라스틱은 1907년 벨기에 태생의 미국인 리오 베이클랜드(Leo Hendrik Baekeland, 1863~1944)가 발명한 베이클라이트다. 전기화학회사를 운영하던 베이클랜드는 기존에 사용하던 절연체를 대체할 새로운 물질을 연구하던 중에 독일의 화학자 아돌프 폰 바이어(Johann Friedrich Wilhelm Adolf von Baeyer, 1835~1917)가 1872년에 썼던, 페놀과 포름알데히드를 반응시키면 나뭇진 같은 것이 생긴다는 논문을 찾아냈다.
그는 이 사실에 착안해 페놀과 포름알데히드를 이용해 베이클라이트를 만들었다. 베이클라이트는 천연원료를 사용하지 않고 만들어진 최초의 합성수지로, 단단하고 절연성이 있으며 부식되지 않았다. 또한 여러 가지 첨가물을 넣고 가공하면 다양한 특성의 복합재료가 만들어졌다. 열과 압력으로 성형한 뒤에는 다시 열을 가해도 물러지지 않는 열경화성 수지였고, 값싸고 내구성도 뛰어났다. 이런 특성 때문에 베이클라이트는 각종 전자제품에 널리 쓰이기 시작했다. 미국 정부는 제2차 세계대전 중 구리가 부족해지자 베이클라이트로 1센트 동전을 만드는 것까지 고려할 정도였다.
1922년에는 플라스틱이 서로 연결된 수천 개의 분자사슬, 즉 고분자로 이루어졌다는 사실이 밝혀졌다. 이를 밝혀낸 사람은 독일의 화학자 헤르만 슈타우딩거(Hermann Staudinger, 1881~1965)로, 고분자화학에 대한 공로를 인정받아 1953년 노벨화학상을 받았다. 그의 발견 이후 플라스틱은 다양한 형태로 개발되기 시작했다.
종류
값이 싸고 가공도 쉬우므로 대부분의 일상용품에 빠지지 않고 쓰인다. 의외로 총기 같은 물건에도 많이 들어가는 편이다. 과거에는 금속과 나무로 만들었지만 가격과 생산성에서 유리하고, 가벼우며, 기술의 발달로 비교적 튼튼해졌기 때문에 근래에는 플라스틱을 많이 사용한다. 대표적으로 글록과 H&K G36, 슈타이어 AUG 등이 있다.
플라스틱 폭약은 가소성이 있어서 그런 이름을 가지게 된 것뿐, 실제로 폭발하는 플라스틱은 최초의 플라스틱인 셀룰로이드를 제외하면 없다.
- 폴리에틸렌(polyethylene, PE)
- 폴리프로필렌(polypropylene, PP)
- 폴리스타이렌(polystyrene, PS)
- 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET, 페트)
- 폴리아미드(polyamides, PA, 나일론)
- 폴리에스터(polyester, PES)
- 폴리염화비닐(polyvinyl chloride, PVC)
- 폴리우레탄(polyurethanes, PU)
- 폴리카보네이트(polycarbonate, PC)
- 폴리염화비닐리덴(polyvinylidene chloride, PVDC, 사란)
- ABS
- 폴리아세탈(poly oxy methylene, POM)
- 나일론
- 폴리카프로락톤(PCL)
- 폴리비닐알코올(PVA)
- 중합젖산(PLA)
- 아크릴(Acrylic resin)
- 폴리에스테르
- PET
- PBT
- 셀룰로이드
- 베이클라이트
- 에폭시
- 테플론
- 멜라민수지
장점
- 금속이나 도자기에 비해서 비중이 작기 때문에 가볍고도 강한 제품을 만들 수가 있다.
- 여러 가지 약품에 해를 입지 않으며, 식초 등을 넣어도 녹슬거나 부패하지 않는다.
- 투명성이 있고 착색을 자유롭게 할 수 있기 때문에 밝고 아름다운 제품을 만들 수가 있다.
- 가공성이 좋고, 복잡한 형상의 것도 능률적으로 대량생산을 할 수가 있다.
- 전기절연성이 우수하기 때문에 전기냉장고, TV, 라디오 등의 부품에 사용할 수 있다.
- 플라스틱 발포제는 단열재로서 고성능을 갖고 있어 단열성이 우수하다.
- 플라스틱은 청결해서 미생물의 오염으로부터 식품을 보호해준다.
- 전기와 열을 잘 전달하지 않는다.
특수 플라스틱
- 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE, 테플론)
- 폴리에테르에테르케톤(polyetheretherketone, PEEK, 폴리케톤)
- 폴리에테르이미드(polyetherimide, PEI, 울템)
고기능성 플라스틱과 미래의 플라스틱
20세기 후반으로 들어오면서 고기능성 플라스틱의 개발 속도는 더욱 가속화됐다. 일본의 히데키 시라카와(Hideki Shirakawa, 1936~)는 앨런 맥더미드(Alan G. MacDiarmid, 1927~2007), 앨런 히거(Alan J. Heeger, 1936~)와 함께 전기가 통하는 플라스틱을 개발해 2000년 노벨화학상을 받았다. 전도성 플라스틱은 광학재료나 유기물질을 이용한 전기발광소자(OLED 디스플레이), 접거나 말 수 있는 차세대 디스플레이, 가볍고 투명한 태양전지의 제조에 이르기까지 다양한 분야에서 기술 개발이 이뤄지고 있다. 인공피부나 연골 같은 인공장기 역시 플라스틱으로 개발되고 있으며, 생체재료로서 플라스틱은 의학 분야에 광범위하게 사용될 것으로 예측된다.
수백 도의 온도에 견디는 플라스틱도 만들어졌다. 일본 혼다사는 이를 이용해 경주용 자동차 엔진까지 제작했다. 미국 듀퐁사는 철사보다도 인장 강도가 뛰어난 케블러 섬유와 아라미드 섬유를 개발하기도 했다. 이처럼 미래의 플라스틱 신소재 개발의 응용 범위에는 한계가 없다. 또한 첨단 기능의 특수 플라스틱 시장은 매우 확대될 것으로 전망된다. 그러나 플라스틱은 환경 문제에서 자유롭지 못하다. 쓰고 버려지는 수많은 플라스틱으로 지구의 환경이 오염되고 있기 때문. 따라서 분해성 플라스틱의 개발은 앞으로 플라스틱 기술에서 매우 중요한 과제다. 또한 플라스틱의 원료로써 사용되는 원유의 고갈 역시 플라스틱 산업이 직면한 커다란 위기 가운데 하나이다. 천연 소재 기반의 플라스틱을 서둘러 개발해야 하는 이유가 바로 여기에 있다.
플라스틱 오염
플라스틱 오염은 사용된 플라스틱이 방치되어 지역을 오염시키는 것을 말한다.
1950년대 이후 사용량이 폭증한 플라스틱은 세계 시장 규모가 7,500억 달러(한화 840조 원)에 이르게 되었다. 유엔에 따르면 2016년 세계의 플라스틱 병은 4,800억 개로 집계되었다. 2021년에는 그 수가 5,830억 개로 늘어날 것으로 예상한다. 이에 플라스틱이 폐기물의 약 10%를 차지하게 되었다. 그런데 대부분의 플라스틱은 미생물이 분해할 수 없는 화학 구조를 가지고 있다. 그래서 자연 분해 기간이 기하급수 적으로 늘어나 버렸다. 스티로폼 컵은 50년, 일회용 기저귀는 450년, 낚시줄은 600년이 걸린다. 반면 재활용되는 플라스틱의 양은 매우 적은 상황이다. 결국 도시에는 폐비닐이 쌓이고, 강과 해안에는 플라스틱 병들이 수북하며, 바다는 거대한 플라스틱 뭉치들이 떠다는 상황이다.
유엔환경계획(UNEP)이 2016년 5월 펴낸 보고서 <해양 플라스틱 쓰레기와 미세 플라스틱>에 따르면, 플라스틱이 2010년에만 최소 480만t에서 최대 1270만t이 바다로 흘러들어갔다고 한다. 이러한 이유로 일각에서는 2050년 바다에 물고기와 플라스틱의 비율이 50 대 50이 될 것이라고 예측하였다. 1997년 발견된 태평양 거대 쓰레기 지대는 2009년 두배 가까이 커져 한반도의 7배에 이르게 되었다. 이러한 바다 쓰레기섬의 90%가 플라스틱이다. 이 중 잘게 쪼개진 플라스틱들은 바다를 떠다니다 바다 생물에게 먹히게 되는데, 바다 쓰레기섬 주변 어류 35%의 뱃속에서 작은 플라스틱이 들어있다고 알려졌다. 한 편 1mm 미만의 플라스틱 입자들은 미세 플라스틱이라 하는데 먹이사슬을 통해 음식으로 인간의 몸속에 도달해 문제가 되고 있다.
이로인해 미생물에 분해되는 생분해성 플라스틱으로 대체하기 위한 노력이 일고 있다. 하지만 강도가 기존 플라스틱에 미치지 못하여 아직 대체율은 낮은 상황이다.
각주
- ↑ 플라스틱사이언스, 〈전기자동차용 플라스틱 시장, 호조 전망〉, 《플라스틱넷》, 2021-02-16
참고자료
- 〈플라스틱〉, 《화학산책》
- 〈플라스틱〉, 《위키백과》
- 〈플라스틱〉, 《나무위키》
- 플라스틱사이언스, 〈전기자동차용 플라스틱 시장, 호조 전망〉, 《플라스틱넷》, 2021-02-16
같이 보기
