PET 재료의 완벽한 분석

슈퍼마켓 진열대에서 생수 한 병을 집어들 때, 이 투명한 병 뒤에는 재료 과학의 혁명이 숨어 있다는 사실을 깨닫지 못할 수도 있습니다. 현대 산업의 가장 중요한 고분자 소재 중 하나인 폴리에틸렌 테레프탈레이트는 인간 생활의 모든 면에 조용히 스며들어 왔습니다.

식품을 포장하는 투명 필름부터 전자 부품을 보호하는 절연층, 섬유 섬유부터 자동차 부품까지 이 다재다능한 소재는 놀라운 속도로 우리의 소재 세계를 재편하고 있습니다. 연간 글로벌 생산능력이 1억 1천만톤이 넘는 PET는 포장산업의 주요 원재료일 뿐만 아니라 첨단기술 분야에서도 없어서는 안 될 기초소재입니다.

PET 재료 기본 정보

폴리에틸렌테레프탈레이트의 화학명인 PET는 테레프탈산과 에틸렌글리콜로 구성되어 있으며 에스테르화 및 중축합 반응을 통해 규칙적인 선형 고분자 사슬을 형성합니다. 이러한 고도로 대칭적인 분자 구조는 탁월한 결정화를 제공하여 적절한 가공 조건에서 조밀한 결정 영역을 형성할 수 있게 하여 탁월한 물리적 특성을 제공합니다. 산업용 PET 생산은 주로 두 가지 공정 경로, 즉 디메틸 테레프탈레이트를 에틸렌 글리콜과 에스테르 교환 반응하는 방식과 정제된 테레프탈산을 에틸렌 글리콜과 직접 에스테르화하는 방식을 통해 이루어집니다. 둘 다 20,000~30,000g/mol 범위의 분자량을 갖는 폴리머를 생성하려면 여러 중축합 단계가 필요합니다.

PET는 유백색 또는 연황색의 고결정성 폴리머로 표면이 매끄럽고 유리 같은 광택이 있습니다. 변형 방법 및 용도에 따라 PET 재료는 세 가지 주요 유형으로 나눌 수 있습니다.

• APET : 주로 식품 포장 용기에 사용되는 무정형 투명 소재
• RPET: 재활용 시스템을 통해 가공되어 탁월한 환경 친화성을 제공하는 재활용 PET
• PETG: PET에는 시클로헥산디메탄올 공단량체가 포함되어 있어 가공 투명성과 인성이 향상됩니다.

PET 수지는 세계에서 가장 널리 사용되는 엔지니어링 플라스틱 중 하나가 되었습니다. 그 응용 분야는 초기 합성 섬유 응용 분야에서 포장, 전자, 운송 및 기타 주요 부문을 포함하도록 확장되었습니다. 글로벌 생산능력은 2025년까지 1억1천만톤을 넘어설 것으로 예상된다.

PET 소재의 핵심 특성

업계에서 PET의 인기는 예외적으로 균형 잡힌 특성 조합에서 비롯됩니다. 물리적, 기계적 특성면에서 PET는 강성이 높고 경도가 높으며 치수 안정성이 뛰어납니다. 굴곡 강도는 148-310MPa에 도달하고 로크웰 경도는 M90-95에 도달하여 열가소성 수지 중에서 가장 높은 인성을 나타냅니다.

물리적 특성

표 1: PET의 주요 물리적 특성

열적 특성
PET는 최대 120°C의 온도에서 장기간 사용을 견딜 수 있습니다. 강화 버전은 변형 없이 250°C 납땜 욕조에 10초 동안 담가도 견딜 수 있습니다. 이러한 내열성은 전자 납땜 분야에서 대체할 수 없는 이점을 제공합니다. 전기 절연성도 우수하여 고온, 고주파 환경에서도 안정적으로 유지됩니다. 그러나 코로나 저항은 상대적으로 제한적입니다.

화학적 안정성
PET는 내후성 및 내화학성이 우수하며 약산 및 유기용제에 대한 저항성이 우수합니다. 그러나 강한 염기에 의해 부식되기 쉬우며, 뜨거운 물에 장기간 담가두는 경우에도 성능 저하가 발생할 수 있습니다.

PET 필름 – 이축연신 폴리에스테르 필름

다양한 형태의 PET 중에서 이축 배향 폴리에스테르 필름은 특별한 위치를 차지합니다. 정밀 연신 공정을 통해 생산되는 이 필름은 일반적으로 두께가 약 0.012mm로 놀라운 물리적 강도를 가지고 있습니다.

생산 공정 분류

• 이축 연신 필름: 세로 및 가로 방향으로 연신된 고순도 "광택" 소재로 만든 고성능 필름이 시장을 지배하고 있습니다.
• 단축 연신 필름: 이산화티타늄을 첨가한 반무광 소재를 세로 방향으로만 연신합니다. 품질이 낮고 비용 효율적이며 주로 의약품 포장에 사용됩니다.

BOPET 필름의 뛰어난 성능은 독특한 제조 공정에서 비롯됩니다. 필름은 먼저 280°C에서 두꺼운 무정형 시트로 압출됩니다. 냉각 후 연신 단계에 들어갑니다. 86~87°C에서는 세로 방향으로 약 3배, 100~120°C에서는 가로 방향으로 2.5~4배 연신됩니다. 마지막으로 230~240°C로 설정됩니다. 이 공정을 통해 높은 수준의 분자 사슬 배향이 이루어지며 필름에 뛰어난 인성을 부여합니다. 즉, 금속에 필적하는 인장 강도와 우수한 내마모성, 접힘 저항성 및 인열 저항성을 제공합니다. 열 수축이 최소화되고 빛 투과율이 90%를 초과하며 표면이 거울과 같습니다.

표 2: 용도별 PET 필름 분류 및 용도

PET 소재 응용

PET 응용 분야의 폭은 놀라울 정도로 현대 산업의 거의 모든 주요 영역을 포괄합니다.

• 포장 산업: 전 세계 PET 생산량의 70%가 포장에 사용됩니다. 탄산음료 및 생수병은 가장 큰 용도로 사용되며 식용유병, 조미료병, 약품병 등으로 적용 범위가 확대됩니다. 500ml PET 병의 무게는 약 18g으로 유리병보다 80% 가볍지만 최대 150psi의 내부 압력을 견딜 수 있습니다. 식품 포장 필름은 높은 산소 차단성과 투명한 디스플레이 특성을 활용합니다.
• 전자 및 전기 분야: PET의 우수한 절연성 및 내열성은 다양한 절연 필름, 커패시터 유전체 및 연성 회로 기판을 제조하는 데 사용됩니다. 전기 등급 필름은 5kV를 초과하는 항복 전압으로 3.5~125μm 사이의 두께로 정밀하게 제어할 수 있습니다. 강화 PET는 커넥터, 변압기 보빈 등 내열성 전자 부품을 제조하는 데 사용됩니다.
• 섬유 산업: PET 섬유는 전 세계 합성 섬유 생산량의 50% 이상을 차지하며, PET 섬유의 높은 강도와 ​​주름 저항성은 섬유 산업을 변화시켰습니다.
• 자동차 산업: 강화 PET는 램프 홀더, 배전반 커버, 밸브 등의 부품을 생산하는 데 사용되며 경량화를 위해 금속을 대체합니다.
• 특수 용도: 고점도 PET 보호 필름은 LCD 패널 및 터치 스크린의 표면을 보호하는 데 사용되며 두께가 0.05~0.1mm에 불과하여 긁힘 방지 기능이 뛰어납니다. 치수 안정성과 투명성은 감광성 필름 기판에도 사용됩니다. 진공 코팅된 알루미늄 필름은 장식 목적 및 커패시터 제조에 사용됩니다.

PET 엔지니어링 플라스틱은 전자 및 전기 26%, 자동차 22%, 기계 19%, 생활 필수품 10% 등 여러 산업 분야에 걸쳐 광범위한 보급률을 보여줍니다. 엔지니어링 플라스틱은 전체 PET 시장에서 차지하는 비중이 1.6%에 불과하지만 가장 높은 기술력과 부가가치를 갖고 있다.

PET 생산 공정

PET 제품의 제조는 매우 엄격한 온도 제어가 필요한 정밀한 열역학적 공정입니다.

사출 성형
병 프리폼, 전자부품 등의 제품에 사용됩니다. 배럴 온도는 후면 섹션(250~270°C), 중간 섹션(265~275°C), 전면 섹션(270~275°C), 노즐(280~295°C) 등 단계적으로 제어됩니다. 금형 온도는 30~85°C, 배압은 5~15kg/cm²로 유지됩니다. 가수분해로 인한 분자 사슬 파손을 방지하려면 원료를 120~140°C에서 2~5시간 동안 사전 건조해야 합니다.

이축 배향 필름 공정

• 사전 건조 및 용융 압출: 제습 후 얇게 썬 필름을 280°C에서 두꺼운 시트로 압출합니다.
• 급속 냉각: 냉각 드럼이나 냉각수를 통한 급속 냉각으로 비정질 상태를 유지합니다.
• 2축 연신: 세로 연신(86~87°C, 연신 비율 ≒ 3x) → 가로 연신(100~120°C, 연신 비율 2.5~4.0x).
• 열경화: 230~240°C에서 내부 응력을 완화하여 치수 안정성을 향상시킵니다.

블로우 성형
주로 중공 병 생산에 사용됩니다. 프리폼은 유리 전이 온도 이상으로 재가열된 후 고압 가스를 사용하여 성형됩니다. 이 공정에서는 균일한 병 벽 두께를 보장하기 위해 온도 분포와 블로우 압력을 정밀하게 제어해야 합니다.

압출
시트 및 튜브와 같은 연속 프로파일을 생성합니다. 두꺼운 시트는 후속 열성형을 위해 T-다이를 통해 압출되거나 포장용 시트로 직접 압출됩니다. 온도 조절 범위는 사출 성형과 유사하지만 냉각 방법이 더 다양합니다.

2차 가공 기술
코팅, 진공 금속화, 인쇄, 용접 등을 포함하여 PET의 응용 범위를 더욱 확장합니다.

지속가능성 과제와 미래

PET 소재가 환경에 미치는 영향에 대한 우려가 커지고 있습니다. 전통적인 PET는 석유 기반 공급원료에 의존하며 자연적으로 분해되는 데 400년 이상이 걸립니다. 전 세계 PET병 재활용률은 약 58%이지만, 여전히 상당량의 폐기물이 환경에 유입되고 있습니다.

기술 혁신이 그린 트랜스포메이션을 주도하고 있습니다.

• 기계적 재활용에는 사용한 PET 병을 파쇄하고 세척한 다음 섬유 또는 비식품 접촉 포장에 사용하기 위해 녹이고 펠렛화하는 작업이 포함됩니다.
• 화학적 해중합은 PET를 단량체로 환원시킨 후 재중합하여 식품 등급 rPET를 생산합니다.
• 바이오 기반 PET는 바이오매스 공급원료를 활용하여 석유를 대체합니다. 예를 들어, 코카콜라의 PlantBottle은 사탕수수 에탄올을 사용하여 에틸렌 글리콜을 생산하여 탄소 배출량을 30% 줄입니다.

소재 성능의 최전선에서
나노변성 PET는 1~100nm의 무기입자를 첨가해 높은 투명성을 유지하면서 항균, 고차단성 등의 새로운 기능성을 부여합니다. 분해성 코폴리에스터는 분자설계를 통해 환경 친화성을 향상시킵니다. 고성능 합금에 PC, PA 등의 소재를 복합시켜 단일 소재의 성능 한계를 뛰어넘고 있습니다.

식품 등급 rPET에 대한 수요가 급증함에 따라 첨단 "병 대 병" 재활용 기술의 상용화가 가속화되고 있습니다. 전 세계 PET 시장은 2030년까지 620억 달러에 이를 것으로 예상되며, 식품 등급 rPET의 가격은 이미 버진 제품보다 50% 이상 높습니다.

가벼우면서도 내구성이 뛰어난 음료수병부터 마이크론 크기의 커패시터 필름까지, 일상복부터 자동차 엔진룸의 내열 부품까지 다양한 소재인 PET는 현대 생활에 깊숙이 들어왔습니다. 성능과 비용, 투명성과 강도, 강성과 인성 사이의 복잡한 균형을 유지하여 포장 혁명의 중심이 되었습니다.

재활용 기술의 획기적인 발전과 바이오 기반 소재의 혁신을 통해 실험실에서 탄생한 이 폴리머는 지속 가능한 개발을 위한 새로운 가능성을 탐구하고 있습니다. 그 이야기는 아직 끝나지 않았습니다. 향후 10년 동안 PET 기술은 환경 친화성과 고성능에 초점을 맞춰 산업과 생활의 경계를 계속해서 재정의할 것입니다.