KISTI 산업정보분석실 김기일 (Tel: 02-3299-6033 e-mail: kimkiil@kisti.re.kr)

자동차 경량화를 위해 사용되고 있는 발포 플라스틱
발포 플라스틱은 특정한 압력, 온도, 시간 등의 조건하에서 기체를 발생시키거나 팽창하여 고무나 플라스틱을 비롯한 매트릭스 중에 기포(Cell)를 형성시키는 발포제와 고무, 고분자 수지, 발포 온도를 조절하는 Activator, 분산성을 증대시키는 오일 등의 첨가제로 제조된다. 발포 플라스틱의 주요 구성 성분인 플라스틱이나 고무가 발포 플라스틱의 주요 요소이기는 하지만 발포 플라스틱의 밀도와 셀의 형태 또한 발포 플라스틱의 물성을 결정하는 중요한 요소이다. 발포 플라스틱은 전통적으로 경량성, 완충성 및 방음성 등을 부여해주는 기능성 복합소재이며 이와 같은 특성을 이용하여 기능별로 다양한 제품에 적용되고 있다. 특히 최근에는 자동차 경량화를 위한 내외장재로 많이 이용되고 있다.

기능별로 다양한 제품에 적용되고 있는 발포 플라스틱은 최근 자동차 경량화를 위한 내외장재로 많이 이용되고 있다.

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화학 발포제는 열에 의해 화학적 분해가 일어나고 분해 물질 중 가스 물질에 의해 수지 속에 기공을 형성해 주는 물질이며 물리 발포제는 화학적 분해나 구조 변화가 일어나지 않고 물리적인 상변이 혹은 부피변화가 일어나면서 기공을 형성시키는 물질로 구분되며, 이는 다시 플라스틱 소재에 가스를 주입시키는 EPS, EPP 등의 가스형과 액상형 발포제를 캡슐화하여 미립자 형태를 가지는 EMS(Expandable Microsphere) 형태의 팽창형으로 다시 분류된다.

최근 각 발포제를 주원료로 발포 조제를 조합하여 다양한 성형법에 대응할 수 있는 복합 발포제가 제조되어 사용되고 있다. 또한 발포제의 분산 특성, 분진 문제, 경량성의 기능성을 향상시키기 위해 고분자와 발포제를 혼합한 마스터 배치 형태도 많이 사용되고 있다. 고무 마스터 배치로는 네오스렌 캐리어 레진(LDPE, NBR, SBR, CR), 열가소성 수지 마스터 배치로는 폴리스렌 캐리어 레진(LDPE, PS, ABS, EVA), 고농도 타입으로 판스렌 캐리어 레진(LDPE, EVA) 등이 사용되고 있다.

발포 플라스틱의 성형 방법은 크게 다섯 가지가 있다. 첫 번째는 발포 압출 시 수지와 발포제, 기타 분해온도 조절 등의 첨가제를 미리 배합하여 압출하거나 압출기의 적당한 위치에 발포제를 펌프로 주입하여 고압에서 균일하게 분산시킨 후 압출물이 다이를 통과하여 압출될 때 압축되었던 발포제가 즉시 팽창하면서 발포시키는 방법이다.

두 번째는 압출공정에서는 발포제가 분해되지 않는 낮은 온도에서 압출하고 이를 다시 가열장치 내를 통과하면서 발포를 시키는 방법,

세 번째는 발포제를 다양한 형태의 고분자에 함침하거나 입자 내부에 주입하고 이를 2차 가공에서 팝콘 제조와 유사한 방법으로 발포시킨 후 성형하여 발포제, 수지, 기타 첨가제를 혼련한 후 이를 금형에 투입하고 발포시켜 고분자 블록을 적당한 형태로 만들어 사용하는 방법이다

네 번째는 폴리우레탄이나 요소수지, 실리콘수지 등과 같은 축중합으로 만든 고분자의 경우 축합 시 생성되는 저분자 물질을 급속하게 발생시켜 이를 발포제로 이용하여 발포 플라스틱을 제조하는 방법이고, 다섯 번째는 발포제를 추가로 첨가하여 수지 중합이 일어나면서 동시에 발포시키는 방법 등이 있다.

일본과 유럽에서는 최근 한 개의 소재로 여러 기능성을 발휘하는 다기능성 복합소재로의 화학 발포 플라스틱 연구를 활발하게 진행하고 있다.

화학 발포 플라스틱은 1990년대 말부터 이미 일본을 중심으로 자동차 내외장 부품들에 적용시키는 기술이 활발히 개발되어 왔으나 최근에는 발포 플라스틱의 전통적인 특성인 경량성, 완충성 및 방음성 외에 하기와 같은 기능성 첨가재를 통하여 한 개의 소재를 이용하여 여러 기능성을 발휘하는 다기능성 복합소재로의 연구가 일본, 유럽 등지에서 활발히 진행되고 있다.

또한 발포 플라스틱의 미세 오픈셀 구조는 엔진의 중고주파대역 소음을 효과적으로 흡수하며 폼을 둘러싼 부직포 역시 거의 모든 대역의 소음을 차단하는 역할을 한다. 바스프의 발포 플라스틱 제품은 상기 흡음성능 외에 9kg/㎥의 낮은 밀도 특성을 확보하여 기존 자동차 언더후드(Under-Hood)에 사용되는 다른 소재보다 가벼워 자동차 연료 소모 및 이산화탄소 배출이 줄어들게 한다.

또한 중국과학원 닝보(寧波) 재료기술 및 공정연구소 정원거(鄭文革) 연구원 연구팀은 폴리머 마이크로 발포 기술을 이용하여 폴리머 기능 마이크로 발포 기술과 도전성 탄소소재를 첨가제로 적용하여 밀도 0.3g/cm3, 전자파 차폐능 36.4dB/(g/cm3)의 경량 전자파 차폐 마이크로 발포 시트 재료(Sheet Material)를 개발하여 향후 활용이 기대된다.

자동차용 발포 플라스틱, 신시장 창출을 통한 고성장 전망
최근 발포 플라스틱 시장은 경량성이나 단열성능을 이용한 에너지 절약, 환경 부하 경감의 기능을 요구되는 저부가가치의 건축 단열재, 포장 용기, 신발 등의 발포제 전통 시장에서 전자파 차폐, 정전기 방지, 방열 등의 기능성 필러들을 첨가제로 사용하여 다기능을 부여한 가전, 휴대폰 등의 IT, 자동차용 소재부품으로 영역이 확대되고 있다.

결과적으로 저부가가치의 전통적인 발포제 및 발포 플라스틱 생산은 환경오염 규제가 상대적으로 유연하며 임금, 원료비 등의 생산단가가 낮은 중국, 인도네시아 등의 개발도상국들을 중심으로 이루어지고 있으며, 다기능 복합소재 등의 고부가가치 시장은 악조노벨, 세끼스이, 마쯔모토, 오츠카, 에이와 등의 스웨덴, 일본 기업과 동진쎄미켐, 영보화학 등의 한국 기업 등을 중심으로 만들어지고 있다.

이와 같은 산업 흐름은 소재 업체들 간의 수평적 협력, 원소재 업체에서 최종 제품 제조업체까지의 수직적 협력이 복합화된 매트릭스 형태의 협업, 인수합병, 발전 전략 등에 새로운 트렌드로 자리 잡아 가고 있으며, 중국을 중심으로 한 후발업체들과의 치열한 경쟁에서 선진 업체들이 시장 지배력을 유지할 수 있는 중요한 사업전략이 되고 있다.

발포 플라스틱의 주요 시장인 하이브리드 자동차나 전기 자동차 등 차세대 자동차에서 연비 향상을 위한 경량화 요구가 있어, 비즈 발포(EPP), PE/PS 복합 비즈 발포, 압출 발포 고무 등을 이용한 도어패널, 쉴드트림, 헤드라이너, 인스트루먼트 패널 등의 기존 제품이 제공되고 있으며, 기능성 필러를 적용한 다기능성 소재부품에 대한 수요도 점증하여 향후 시장의 주요 성장인자가 되리라 예상된다.

자동차용 발포 플라스틱 시장은 다기능 복합소재로의 신시장 창출을 통한 성장으로 인하여 2020년까지 연평균 성장률 30%의 고성장이 예측된다. 세계 시장은 2015년 2,377억 원에서 2020년 8,826억 원으로, 국내 시장은 2015년 90억 원에서 2020년 334억 원 규모가 될 것으로 추정된다.

구체적으로는 자동차에서 점차 많아지는 각종 전장부품 장치의 유해 전자파 차단 및 전기 전자 기기 간 오작동 방지를 위한 전자파 차단소재를 포함하여, 방열소재 및 고감성 소재부품 시장이 성장하리라 예상되며 이외에도 PCM(Phase Change Material) 소재를 이용한 자동차 내장소재부품, 영구 대전방지 기능을 이용하여 자동차 내부의 오염을 감소시키는 소재부품, 스크래치를 복원할 수 있는 캡슐 혹은 섬유가 함유된 스크래치 복원 가능 소재부품 등에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이는 금속 소재가 구현할 수 없는 화학 소재의 강력한 장점으로서 현재까지는 비용 및 양산성의 문제로 널리 적용되고 있지는 못하나, 향후 차량의 적용사례가 증가할 것으로 예상된다.

이와 같은 자동차용 발포 플라스틱은 2005년 미국 교통부와 화학회의 자동차의 미래 공동 워크샵에서 최우선 과제 중 하나로 선정되었다.

2011년 일본 후지키메라 발포 플라스틱 시장 현황자료 및 관련 업체 조사 결과, 전체 시장은 연평균 2.1% 정도로 완만히 성장하나 자동차 관련 발포 플라스틱 시장은 전자파 차폐, 방열, 정전기 방지 등의 다기능 복합소재로서의 신시장 창출을 통한 성장으로 인하여 2020년까지는 연평균성장률 30%, 2020년 이후는 연평균성장률 20%의 고성장이 예측된다. 또한, 각종 증권사 리포트 및 전문가 의견에 따르면, 자동차용 발포 플라스틱의 국내 시장 규모는 세계 시장의 3.8%를 차지한다. 따라서 2015년 세계시장은 2,377억 원, 국내시장은 90억 원에서 2020년 각각 8,826억 원, 334억 원 규모가 될 것으로 추정된다.

국내 시장의 새로운 성장 동력이 될 가능성
한국의 화학 업체들은 기존의 범용 제품(PE, PP, ABS, PU, PVC) 대비 수익성이 높은 엔지니어링 플라스틱 같은 신규 사업에 대한 투자에 주력하고 있으나, 금속 대체용, 친환경, 기능성 플라스틱에 대한 연구는 선진국 대비 열악한 수준이다. 예를 들면, 폴리아마이드의 경우 국내시장에서 해외업체의 점유율은 약 80%이며, 세계 EP 시장은 Rhodia, DuPont, BASF 등 미국 및 유럽업체가 시장의 약 47% 이상을 점유하고 있다. R&D 투자비율을 보더라도 국내 주요기업의 R&D 투자비중은 약 1% 수준이며, 상대적으로 규모가 큰 글로벌 대기업(BASF 2.8%, 듀폰 5.3%)에 비해 현저히 낮은 수준이라고 볼 수 있다.

고분자 기능의 다기능성 발포 플라스틱은 우리나라의 주력 산업인 IT, 석유화학, 자동차 산업의 경쟁력을 확보 및 유지할 수 있으며, 나아가 산업들 간 융합을 통하여 우리나라의 새로운 신성장 동력이 될 신산업이 될 수 있으리라 예측된다.

또한 국내 화학업체들은 저가의 중동 및 중국산 소재로 인하여 경쟁력을 잃고 있다. 따라서 우리 화학 산업은 부가가치가 새로운 소재 개발을 통한 신흥국과의 차별화 및 선진국과의 경쟁에서 우위를 확보하여 지속성장할 수 있는 틀을 마련해야 하는 문제에 직면하고 있다.

그런데 고분자 기반의 다기능성 발포 플라스틱은 우리나라의 주력 산업인 IT(고기능성 필러), 석유화학(고분자), 자동차(부품 및 최종 제품) 산업의 경쟁력을 확보 및 유지할 수 있으며, 나아가 이들 산업들 간의 융합을 통하여 우리나라의 새로운 신성장 동력이 될 신산업이 될 수 있으리라 예측된다.

이러한 신산업이 창출되기 위해서는 유기+무기+금속 소재들 간의 그룹 내 계열사 혹은 외부 동종 소재기업들 간의 상호 연계(복합화)를 바탕으로 하는 횡적인 협력, 소재부터 최종 제품에 이르는 종적인 협력, 국가전략을 바탕으로 하는 산학연 연계 등이 필요하리라 판단된다.