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제목 열전도성 플라스틱 성장 가능성
작성자 플라스틱코리아
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Date : 2019/08/29 15:45

 

  

사용자의 요구에 따른 맞춤 제작이 용이한 특성 덕분에 전자제품, 조명, 자동차엔진 등의 온도를 낮게 유지하도록 도와주는 열가소성 수지에 대한 수요가 급격히 증가하고 있다. 그 이유는 컴파운드가 가볍고, 비용이 낮으며, 성형이 쉽고, 사용자의 요구에 따른 맞춤 제작이 용이하며 폭넓은 열안정성, 충격강도, 긁힘 및 마모내성 등 강화 솔루션 때문이다.

전기·전자, 자동차, 조명, 의료기기, 산업기계 등 산업 분야의 장비 제조업체들은 방열판 및 기타 열제거용 장치, LED 엔클로져, 전기 배터리 하우징 등의 제품응용을 위한 새로운 솔루션을 찾고 있고, 그에 따라 열전도 특성이 있는 열가소성 플라스틱이 큰 주목을 받고 있다.

열전도성 플라스틱은 많은 장점을 제공한다. 해당 산업분야에 대한 연구들은 이러한 소재들을 순수전기차 및 복잡한 자동차 그리고 상업용 대형 LED 조명 어셈블리와 같은 새로운 응용제품이 늘면서 그 사용이 두 자릿수로 증가하고, 금속(특히 알루미늄) 및 세라믹과 같은 기존 소재들의 자리를 급속히 대체해가고 있다.

열전도성을 향상시키는 첨가제로는 흑연, 그래핀 그리고 질화붕소 및 산화알루미늄과 같은 세라믹 충전재를 들 수 있다. 이 첨가제들의 사용 기술도 발전하면서 비용 효율성 또한 높아지고 있다. 또 다른 추세로는 나일론 6 및 66, PC와 같은 저비용 엔지니어링 수지가 열전도성 컴파운드 분야로 진입함으로써 PPS, PSU, PEI와 같이 더욱 널리 채택돼 왔던 고가 소재의 자리를 위협하고 있다.

  

수요 증가의 이유

열전도성 수지의 수요 급증 원인은 무엇일까? 미국 엔지니어링 플라스틱 전문기업 RTP사의 한 소식통은 “부품의 정밀성형이 가능하고, 부품 개수와 조립 단계를 줄일 수 있으며, 무게와 비용 또한 낮출 수 있다는 점 모두가 이 소재들의 채택을 크게 늘리는 데 이바지하고, 전기 하우징 및 부품 오버몰드 등의 일부 응용제품에서 전기절연체이면서도 동시에 열을 전달할 수 있는 성능이 큰 관심사항”이라고 설명한다.

BASF사의 고성능 소재 사업부 관계자는 “열전도성에 대한 전자부품 제조업체와 자동차 제조사들의 관심이 급격히 높아지면서 기술향상 및 공간제약으로 인해 응용제품들이 소형화됨에 따라 열 축적이 갈수록 중요해지고 부품에 할당된 공간이 제한되면서 금속 부품의 사용영역이 좁혀졌다”고 설명한다.

고전압 응용제품들이 차량 모터 내부에 사용되면서 전력 처리능력에 대한 수요가 높아지고 있다. 전기자동차 배터리 팩에서 열 분산이나 방출을 위해 금속을 사용하는 것은 무게를 증가시키기 때문에 바람직하지 않은 옵션이다. 높은 전력이 흐르는 금속부품은 감전의 위험을 낳을 수 있다. 하지만 플라스틱은 열전도성을 지니면서도 전기전도성이 없어 전기로부터 안전하고 더 높은 전압을 사용할 수 있다.

주요 엔지니어링 플라스틱 공급기업 Celanese사의 관계자에 의하면, 전기·전자 부품, 특히 전기자동차 내의 부품 사용공간이 물리적으로 복잡해지면서 부품 크기가 더 축소됐다. 이 부품 크기의 축소에 제약을 가하는 요인은 열 관리능력으로 열전도 성능을 지닌 패키징 옵션성능을 개선해 더 작고 더 효율적인 장치를 만들 수 있다.

열전도성 플라스틱 전력공급 관련 전자장치는 금속이나 세라믹 소재가 구현할 수 없는 오버몰딩이나 캡슐화가 가능하다. 카메라나 소작장치가 달린 발열 의료기기에 열전도성 플라스틱이 제공하는 설계 유연성에 힘입어 더욱 가벼운 기능성 패키징이 가능하다.

PolyOne사의 특수 엔지니어링 소재 사업부 관계자는 자동차 및 전기·전자 부문에서 열전도성 컴파운드에 대한 수요가 가장 높다고 밝힌다. 열전도성 플라스틱 소재가 폭넓은 열 변동성 수용이 가능하도록 표면적을 늘리는 설계상의 유연성을 비롯해 고객 및 업계의 다양한 요구사항을 충족시킨다고 말한다.

또한, 열 전도성 폴리머는 하우징과 동일한 부품으로 방열판 통합으로 더욱 균일한 열 관리시스템을 만들어주는 기능 등과 더 폭넓은 경량화 옵션과 부품 통합 솔루션을 제공한다. 비용면에서도 유리한 사출성형공정을 통해 가공할 수 있다는 점 또한 긍정적 요소가 된다.

Covestro사 또한 열전도성 플라스틱이 자동차 애플리케이션을 중심으로 그 수요가 크게 늘고 있다고 지적한다. 이 소재들은 50% 수준의 밀도상의 이점을 제공하기 때문에 경량화에 크게 도움을 주면서 배터리 전기자동차로도 확장될 수 있다. 배터리 모듈 열 관리에 여전히 금속을 사용하는 경우가 많지만, 대부분의 모듈은 내부에 반복적 구조가 많기 때문에 열전도성 폴리머로 금속 소재를 대체함으로써 경량화를 빠르게 달성할 수 있다.

Covestro사 관계자는 “대형 상용 조명 어셈블리 부문에서도 중량 감소 요구가 높아지고 있다”며, “하이베이(high-bay) 조명의 무게를 70 파운드에서 35파운드로 줄이면 설치를 위해 필요한 구조물도 줄어들 뿐 아니라 설치 작업자들이 다루기에도 훨씬 쉽다”고 설명한다. Covestro사는 플라스틱 부품이 일종의 용기 역할을 하면서 열 관리기능을 제공해주는 라우터와 같은 전자장치 하우징을 대상으로 프로젝트를 고객들과 추진하고 있다. 이를 통해 모든 시장 부문에서 설계 특성에 따라 최대 20%까지 비용 절감을 실현하고 있다.

  

 

금속을 대체하는 열전도성 플라스틱

PolyOne사의 Sheepens 제품은 자사의 열전도성 기술을 적용할 수 있는 주요 자동차 및 전기·전자용도로 LED 조명, 방열판, 전자·장치 엔클로저(예: 마더보드, 인버터 박스, 전원관리/안전관리 애플리케이션 등) 등에 적합하다. 이와 비슷하게 RTP사의 열전도성 컴파운드 또한 하우징 및 방열판을 비롯해 산업, 의료 또는 전자기기 내에 더욱 통합된 방열성능 구성품에 사용되고 있다.

Covestro사의 Matsco 제품은 상업용 조명의 주요 응용분야로 기존의 금속 방열판 교체 수요를 들었다. 라우터 및 기지국 같이 하이엔드 네트워크 애플리케이션에서도 열 관리 수요가 늘어나고 있다. BASF사도 구체적으로 버스-바(bus bars), 고전압 접속배선함 및 커넥터, 모터 절연체, 전후방 카메라, 전자장치 등 열전도성 컴파운드의 주요 수요처로 꼽았다.

Celanese사의 열전도성 플라스틱은 LED 조명의 높아지는 열관리 요구사항에 대응해 3D 디자인 유연성을 제공하며 시장을 늘려가고 있다. 자동차 조명 분야에서 Celanese사의 CoolPoly 열전도성 폴리머(TCP)는 로우프로파일 오버헤드 조명을 위한 엔클로져에 사용됐고, 외부 헤드램프용 방열판 소재로 알루미늄을 대체하고 있다.

CoolPoly TCP는 갈수록 성장하고 있는 자동차 헤드업 디스플레이(HUD) 부문을 위한 솔루션이다. 헤드업 디스플레이는 제한적인 대시보드 공간으로 인해 공기 흐름이 제한적이고 쏟아지는 햇볕이 조명보다 열방출이 더 높지만, 경량화에 유리한 열전도성 플라스틱이 이 부위에서 느껴지는 충격과 진동 영향을 줄여준다.

Celanese사는 배터리 하우징 분야에서 CoolPoly TCP D-Series를 활용해 전기전도성은 없지만 열전도성을 제공함으로써 이 애플리케이션이 요구하는 엄격한 품질기준을 충족하는 창의적인 솔루션들을 찾아냈다. 열전도성 플라스틱에 충전된 강화 소재가 연신율에 제한을 주는 경우가 있기도 하지만 Celanese사의 소재전문가들이 열전도도나 밀도에 영향을 주지 않으면서 일반 그레이드(100MPa 굴곡 강도, 14GPa 굴곡 탄성률, 9 kJ/m2 샤르피 노치 충격 강도)에 비해 강성을 50~100% 향상시켜주는 나일론 기반 CoolPoly TCP 그레이드를 개발했다.

CoolPoly TCP는 전통적으로 알루미늄을 사용해왔던 여러 가지 애플리케이션의 열전달 요구를 충족시키기 위한 대류 설계에 폭넓은 유연성을 제공할 뿐 아니라 알루미늄과 다이캐스팅에 필요한 에너지의 1/3만으로 툴의 수명이 6배나 긴 사출성형의 이점을 활용할 수 있다.

자동차 분야의 주요 애플리케이션은 헤드램프 모듈, 안개등 모듈, 테일램프 모듈 등 방열판 교체 수요라고 Covestro사는 말한다. LED 하이 빔 및 로우 빔 기능을 위한 방열판, LED 라이트 파이프 및 라이트 가이드, 주간 주행등(DRL) 및 회전신호 역시 모두 적용 가능한 분야다.

열전도성 Makrolon PC의 핵심 경쟁력 가운데 하나는 멀티숏 성형 또는 이중 성형법을 사용해 리플렉터, 베젤, 하우징과 같은 조명장치부품에 방열판 성능을 바로 통합할 수 있다는 점이다. PC로 리플렉터와 베젤을 만들면 열관리를 위해 그 위에 열전도성 PC를 두 번째 샷으로 오버몰딩하면 접착력이 향상돼어 조립 나사나 접착제 사용이 적다.

그 결과, 전체 부품 수, 이차 가공 및 전체 시스템 차원에서 비용을 줄일 수 있다. 또한, 전기자동차 분야에서는 배터리 모듈의 열관리 및 지지 구조부품의 수요를 기대할 수 있다. 전기자동차에서도 셀 분리막과 같은 배터리팩 구성부품 분야가 매우 유망하다. 리튬이온 배터리는 많은 열을 발생시키는 반면, 주변온도를 약 65℃로 일정하게 유지해야 한다. 그렇지 않으면 성능 저하나 고장이 발생한다.

  

어떤 수지 사용이 늘고 있나?

초기의 열전도성 플라스틱 컴파운드 제품들은 하이엔드 엔지니어링 수지를 기반으로 했다. 그러나 지난 몇 년간은 나일론 6과 66, PC 및 PBT와 같이 대량 생산된 엔지니어링 수지가 커다란 역할을 해오고 있다. 이 소재들 모두 실제 시장 수요가 없는 미개척 상태로 출시됐다. 하지만 시장은 저렴한 비용 탓에 나일론과 폴리카보네이트를 주로 선택하고 있다.

PPS 또한 여전히 널리 사용되고 있지만, PBT나 나일론 6과 66 양쪽에서도 성장을 누리고 있다. RTP사에 따르면, PA, PPS, PBT, PC, PP가 가장 수요가 높은 수지들이지만, 까다로운 용도에는 PEI, PEEK, PPSU 등 성능이 더 우수한 열가소성 플라스틱도 사용되고 있다. 예를 들어, LED 조명용 방열판은 나일론 66 컴파운드로 가공해 최대 35W/mK의 열전도성을 제공하면 되지만, 빈번한 멸균과정을 견뎌야 하는 외과용 배터리는 전기절연 특성을 유지하고 수분 축적을 최대한 줄이기 위해 PPSU 컴파운드를 사용해야 한다.

DSM 엔지니어링 플라스틱사는 최근 전기자동차의 열관리시스템 성능을 최적화하는 40% 유리섬유강화 PPS인 Xytron G4080HR를 출시했다. 이 제품은 우수한 열노화 성능, 가수분해 내성, 치수 안정성, 고온 내화학성 및 고유 난연성 등을 구현하도록 엔지니어링돼 있다.

이 소재는 130℃를 넘는 연속작동온도에서 6000~10000시간 동안 강도를 유지한다. 최근에 이뤄진 3000시간 135℃ 물/글리콜 유체에서 경쟁 그레이드와 비교 시험에서 Xytron G4080HR는 타사 제품보다 114% 높은 인장강도, 63% 우수한 파단 연신율을 나타냈다.

  

 

첨가제는 약속을 지킨다

RTP사는 애플리케이션의 필요에 따라 광범위한 첨가제 중 하나를 열전도성 구현을 위해 사용할 수 있다고 말한다. 가장 널리 사용되는 것은 흑연 같은 첨가제지만, 그래핀이나 새로운 세라믹 첨가제 시스템과 같은 새로운 옵션 또한 늘 연구하고 있다. 이 같은 새로운 첨가제로는 지난해 Huber Engineered Polymers사의 산화알루미늄을 기반으로 출시한 제품을 들 수 있다.

이 첨가제는 차량의 전기화와 같은 새로운 모빌리티 트렌드를 겨냥하고 있다. 이 회사에 의하면, Martoxid 라인 첨가제는 다른 산화알루미늄 및 여타의 전도성 충전재보다 성능이 우수하다는 설명이다. Martoxid는 첨가제 입자의 크기 분포 및 형태를 제어함으로써 사출성형시 우수한 패킹 및 밀도를 제공하는 동시에 특수한 표면 처리를 구현할 수 있도록 향상됐다. 이 신제품 첨가제는 기계적 물성 및 유동 특성을 손상시키지 않고도 60% 이상의 충전원료에서 사용할 수 있다. PP, TPO, 나일론 6 및 66, ABS, PC, LSR 등에 사용시 탁월한 성능을 발휘한다.

Covestro사는 흑연과 그래핀이 이제 일반적으로 사용되고 있다. 흑연은 상대적으로 저렴하고 중간 수준의 열전도성을 갖는 반면, 그래핀은 보편적으로 비용이 높지만 열전도 성능이 현저히 우수하다는 점을 지적했다. 열전도성과 전기절연성을 동시에 갖춘(TC/EI) 소재가 요구되기도 한다. 이런 경우에 질화붕소 같은 첨가제가 널리 사용되기도 하는데 전기절연성은 제공하지만, 열전도성은 감소되고, 질화 붕소의 비용이 높을 수 있기 때문에 TC/EI 특성이 비용 상승을 정당화할 만큼 필요한 경우에만 국한해야 한다.

PolyOne사 관계자는 탄소계 충전재(흑연)와 세라믹 충전재 두 가지 모두를 원하는 수준의 열전도성을 얻고 기타의 전기적 특성 및 기계적 물성과 균형을 유지할 수 있는 유망한 첨가제로 보고 있다.

  

 

다기능성 전도성 컴파운드

열전도성과 전기전도성을 함께 갖추고 있거나 열전도성과 난연특성을 갖춘 다기능성 전도성 컴파운드에 대한 수요 또한 증가하고 있다.

Covestro사 관계자는 “우리가 열전도성 Makrolon TC8030 및 TC8060 PC를 출시하자마자 고객들이 전기절연성 기능도 포함돼 있는지 묻었다”며 “솔루션이 그렇게 간단하지 않고, 전기전도성을 높이기 위해 어떤 방법을 취하든 이는 곧 열전도성에 부정적인 영향을 미치기 때문에 우리는 지금 Makrolon TC110 폴리카보네이트를 시장에 내놓고 있지만, 이 같은 고객의 요구를 충족할 수 있는 다른 개발 프로젝트도 진행하고 있다”고 밝혔다.

BASF사의 관계자는 “다양한 애플리케이션에서 열전도성에 더해 부가적 특성이 필요하며, 배터리팩과 고전압 커넥터를 예로 들었다. 이 두 가지 애플리케이션은 모두 열을 방출해야 할 뿐 아니라 엄격한 난연성 표준을 준수해야 한다. 이는 리튬이온 배터리팩 화재에 대비해 특히 필수적이다”고 설명했다.

PolyOne, RTP, Celanese사 모두 다양한 시장 부문에 걸쳐 다기능성 컴파운드에 대한 수요 증대에 직면하고 있으며, 그에 따라 열전도성에 더해 EMI 차폐, 높은 내충격성, 난연성, 전기절연성, UV 내성, 열안정성 등과 같은 기능을 함께 제공하는 컴파운드를 시장에 내놓고 있다.

  

  

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