열가소성 탄성체 시장 및 기술동향(上)

<편집자 주>
열가소성 탄성체(TPE)는 리사이클성, 용이한 가공성형성, 비교적 낮은 가격 등의 여러 가지 장점을 보유함에도 불구하고 기존(천연)고무 대비 낮은 탄성 등의 한계성능을 지니고 있어 그 적용에 한계를 가지고 있다. 하지만 최근에 이를 극복한 연구개발이 매우 활발히 이루어지고 있는데 이번 본문에서는 TPE의 적용산업별, 소재별 시장규모 분석 및 예측과 기술개발 동향을 살펴보고자 한다.

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Ⅰ. 서론

Ⅱ. 시장 및 기술 동향
   1. 자동차
   2. 신발
   3. 산업용품
   4. 아스팔트 & 역청 개질제
   5. 접착제, 실란트, 코팅
   6. 소비재 & 스포츠용품
   7. 전선 & 케이블 자켓
   8. 의료 용품 및 장비
   9. 기타

Ⅲ. 결언
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Ⅰ. 서론

그림 1. (a) 열가소성 탄성체와 열경화성 탄성체 구조 비교, (b) 열가소성 탄성체 구조

차량 타이어로 대표되는 고무는 혼련, 예비성형, 가황(가교) 등 일련의 긴 공정을 거쳐 제조되는 열경화성인 반면에 열가소성 탄성체(Thermoplastic Elastomer, 이하 TPE)는 상온에서 탄성을 가지고 가열하면 용융하여 일반적인 플라스틱처럼 성형할 수 있는 고분자 재료이다.
앞서 고무와 같이 가교구조를 지닌 열경화성 고무(Thermoset Rubber)는 사용 후 리사이클 할 수 없는 단점을 지니고 있으나, TPE는 사용 후 용융하여 리사이클 할 수 있다는 장점을 지니고 있어 최근에 많은 관심을 받고 있다. 이러한 TPE는 엔트로피 탄성을 가진 연질상(소프트 세그먼트)과 소성변형을 방지하는 경질상(하드세그먼트)으로 구성된다. TPE 분류법은 매우 다양하며 뚜렷한 기준이 있는 것이 아니지만 경질상의 종류에 따라 스타이렌계, 올레핀계, 에스터계, 아마이드계, 우레탄계 등으로 분류하는 경우가 많다.

Ⅱ. 시장 및 기술 동향
TPE에 대한 세계 수요는 다양한 분야에서 열경화성 고무, 열가소성 플라스틱, 금속의 지속적인 대체품으로 매년 약 6.0%씩 증가하여, 2013년에는 420만 톤에 이를 것으로 예상된다. 주요한 적용시장을 살펴보면 자동차, 신발, 전선 및 케이블 자켓, 산업용품, 아스팔트 및 역청 개질제, 의료, 소비재 및 스포츠 용품, 접착제, 실란트, 코팅 분야 등을 들 수 있다.

1. 자동차

TPE의 자동차 적용 사례

2008년도에 자동차 분야에서의 수요는 세계 TPE 수요의 27%를 차지하면서 단일 산업군으로는 최대 시장이었고 세계 올레핀계 열가소성 탄성체(Thermoplastic Polyoeifins, 이하 TPO)와 올레핀계 열가소성 가황체(Thermoplastic Vulcanizates, 이하 TPV) 수요의 55%를 차지했다. 자동차 시장에서 TPE에 대한 세계 수요는 매년 6.8%씩 증가하여 2013년에는 120만 톤에 이를 것으로 예상되며, 이는 같은 기간 자동차 생산대수 성장의 약 2배 이상이다. TPE 수요는 계속되는 제품 개발로 성장을 할 것이며 특히 열경화성 고무와 특정한 열가소성 플라스틱 및 금속의 대체품으로 사용될 것으로 보인다.
2013년에, 이르면 올레핀계 TPO와 TPV의 자동차 내장재 및 외장재로의 적용이 계속 증가할 것으로 예상된다. 주요 적용 부위로는 부드러운 터치감을 주는 TPO 트림, TPO 에어백 커버, TPV 바디씰, 무도장의 Pre-colored TPO 외부 패널, TPV 웨더씰, 도어 패널 등과 같은 넓은 부분의 이중샷 TPO나 TPV 오버몰딩을 포함한다.
올레핀계는 자동차 내장재 쪽으로의 적용이 커질 것으로 보인다. 인스트루먼트 패널에 사용되는 TPE는 지난 5년간 서유럽, 북미와 일본에서 크게 유행하고 있는 Invisible Airbag Door에 대한 선호로 사용량이 계속 증가할 것이다. 이러한Invisible Airbag Door는 에어백의 효율적인 전개가 가능하도록 (패널) 스킨 내부에 선을 그어놓았다. 그러므로 낮은 온도에서도 에어백이 터졌을 때 작은 파편이 발생하지 않는 물질이 요구되며, 이러한 면에서 TPE는 기존 PVC 기술의 한계를 뛰어넘는다. 따라서 자동차 시트용 인조가죽으로의 TPO 사용이 새롭게 시작하거나 계속적인 증가가 예상된다.
환경적인 문제는 TPE 사용량 증가의 중요한 원동력이다. TPE에 대한 수요는 리사이클성에 대한 수요와 맞물려서 혜택을 보리라 예상된다. 다른 예로, TPE는 금속과 플라스틱 부분과 함께 결합되어 사용되어왔으며, 종종 인체공학적인 디자인이나 부드러운 터치감을 주기위해 오버몰드로 사용된다. 고연비를 달성하기 위한 경량화를 추구하는 디자인 경향은 금속 보다 TPE의 사용을 증진시킨다.
자동차 회사는 지난 10년에 걸쳐서 내장재에 PVC의 사용을 줄이는 것을 시도, PVC를 사용함으로써 항상 문제시되어 왔던 가소제 문제를 줄이려고 노력해 왔다. TPO는 PVC가 사용되던 에어백 커버와 내장 필라에 적용되고 있다. 혼다는 현재 진공성형 인스트루먼트 패널 스킨에 TPO를 사용하고 있으며, 도요타는 열가소성 우레탄(Thermoplastic Polyurethanes, 이하 TPU) 캐스트 스킨을 사용하고 있다.
그러나 TPE에 대한 수요증가에 있어서 상기의 좋은 인자들에도 불구하고 몇 가지 이를 방해하는 요소들이 있다. Dynamic Sealing 응용 분야와 같은 경우에는 자동차 회사는 매우 엄격한 테스트 과정을 거친다. 자동차의 평균 수명은 10년이고 새로운 자동차를 개발하고 생산에 들어가는 것은 대략 3년이 걸린다. Jyco Sealing Technologies(미국)는 2007 Dodge RAM에서 Dynamic Body Seal에 세계 최초로 TPO를 개발했다.
한편 미국에서 감소하는 평균 자동차의 크기는 TPE에 대한 수요성장 전망을 어둡게 한다. TPE는 자동차에서 세 가지 주요 응용 분야가 있다(내장재 부문, 외장재와 구조 부분, 그리고 엔진과 기계 부분). 내장재 부문에서는 현재까지 적게 사용되고 있지만 향후에는 가장 높은 성장이 기대되며, 외장재 부문에서도 비교적 높은 성장이 예상된다. 엔진과 기계 부분은 TPE의 내열성 등의 한계성능 때문에 성장이 평균수준 아래일 것으로 예상된다. 자동차 산업에서 TPO에 대한 수요는 매년 6.9%씩 증가하여 2013년에는 47.5만 톤에 이를 것으로 예상된다. 이는 양호한 치수안정성, 높은 내충격성, 저비중, 가공용이성, 상대적으로 낮은 가격과 같은 TPO의 뛰어난 성능 특성에 의해 주도될 것이다. 컴파운딩된 TPO의 뛰어난 내마모성과 내후성은 범퍼덮개(Bumper Fascias, 가장 많은 부피의 TPO 사용), 범퍼패널, 바디패널, 그릴, Air Dam, Wheel Flares, Step Pad, 바디 몰딩과 같은 다양한 외장재에 적용되게 한다.
내장재에서는 특히 인스트루먼트패널 스킨과 도어패널 스킨에 TPO의 적용이 기대된다. 다른 내장재로는 에어백 커버, 코팅시트, 손잡이, 안전벨트 커버를 포함한다. TPO의 약한 유연성, 내스크래칭성 문제는 계속적으로 다루어져 왔고 이를 극복할 수 있다면 시장 확대를 촉진할 것이다. 자동차 산업에서 시간과 비용을 줄이기 위한 무도장 경향은 외장재에 새로운 메탈릭 착색 TPO 개발을 이끌었다. 앞으로 수년간 TPO는 Molded-in-color(MIC) 기술을 사용하여 외부 수직패널(Vertical Panel)에 더욱 일반적으로 사용될 것이다.
서유럽에서는 외부 수직패널에 미립자 탈크 필러를 적용한 TPO를 성공적으로 적용했다. Smart Fortwo 자동차는 TPO를 모두 적용한 바디패널을 차량에 적용한 최초의 상용 자동차이다. TPO는 이외에도 가스켓, 씰, 그로밋, 벨로우, 연료라인과 같은 엔진과 기계 부문에서 상대적으로 적은 양이지만 일부 사용된다.
TPV는 가장 빠른 성장을 나타낼 것으로 예상되는데 매년 수요가 11.1%씩 증가하여 2013년에는 22만 톤에 이를 것이다. 수요가 외장재에 집중되는 TPO와 대조적으로 TPV는 주로 랙, Pinion Joints, 호스, 튜브, 가스켓, 씰, strut boots, 그로밋, 벨로우와 같은 엔진과 기계 부문에 주로 사용된다. 최근에는 내장재에 적용되는 TPV 사용도 조금씩 증가하고 있다. 전형적인 내장재 적용부문은 에어백 커버, 도어 트림, 조절 손잡이, 안전벨트 커버를 포함하며, 착색된 TPV 그립, 컵홀더, 매트 또한 수요가 급속하게 증가하고 있다. 지난 5년 동안 TPV는 EPDM 대체를 통해 웨더씰에 많이 적용됐다. 비록 아직은 EPDM이 씰 시장의 80%를 차지하고 있지만 TPV는 EPDM 보다 가격이 20% 싸고 중량이 작으며 다양한 모양이 가능한 성형성이 뛰어난 장점을 지니고 있다.

2. 신발

신발 구조도

세계 신발 산업에서의 TPE 수요는 매년 4.0%씩 증가하여 2013년에는 53.5만 톤에 이를 것이며, 스타이렌계 블록코폴리머(Styrenic Block Copolymer, 이하 SBC)가 전체 수요의 80% 가까이 차지할 것으로 예상된다. 신발에서 TPE의 주요 응용은 One-piece 몰드로 제조한 Outsole, Midsole, Insole, Upper, 굽, 슬리퍼 솔을 포함한다. SBC는 주로 워킹화, 슬리퍼, 여성 예복용 구두, 선수용 신발에 사용되는 One-piece 몰드로 제조한 솔에 쓰인다. TPE는 쉬운 가공성과 성형성, 내마모성, 유연성, 미적 특성으로 등으로 신발에 적용되고 있다.
신발제조 산업은 매우 노동집약적이며 제조과정은 상대적으로 미숙련 노동(단순노동)으로 이루어진다. 지난 20년에 걸쳐 신발 산업의 지정학적인 위치는 고임금의 선진국인 서유럽과 미국, 한국, 대만 등의 지역에서 저임금의 중국과 인도와 같은 개발도상국(브라질, 인도네시아, 멕시코, 태국, 베트남 또한 큰 성장이 예견됨)으로 급격히 이동했다.
중국은 2008년에 세계 신발 생산의 약 65%를 차지했다. 미국과 서유럽과 같은 선진국은 신발 생산이 계속 감소함에도 불구하고 여전히 TPE의 주요 시장을 차지하고 있다. 이는 이들 국가의 신발 제조사가 고급 틈새시장에 초점을 둠으로써 저임금의 장점을 지닌 개발도상국과의 경쟁력을 유지하고 있기 때문이다. 고급 신발은 형상 특성 구현에 이점을 가진 TPE를 선호하기 때문에 이들 국가는 전체 TPE의 주요 시장으로 남는다.
SBC는 신발 생산에서 가장 일반적으로 사용되는 TPE이며 2013년에는 41.5만 톤에 이를 것으로 예상된다. SBC는 좋은 성형성, 내마모성, 저온 유연성, 내마찰력 등으로 신발에 주로 쓰인다. 신발에 사용되는 다른 TPE로는 TPU, COPE(에스터계 TPE), TPO, 아마이드계 TPE가 있다.
TPU는 하이힐과 선수용 신발에 쓰인다. COPE는 Insole과 Outsole에 쓰인다. 또한 사출성형 COPE는 가죽으로 구성된 Upper의 대체품으로 사용된다. 또한, COPE는 정전기 방지 신발 Outsole과 전자업종 근로자를 위한 정전기 방지 의복에 적용되고 있다. TPO는 선수들의 수요를 만족시키는데 필요한 초경량, 편안함, 높은 충격 흡수성을 제공하고 있다. 최근 몇 년 동안 신발의 투명성은 패션 트렌드가 되고 있다. <다음호에 계속>

* 자료출처 :

* 필자 : 김동현 한국생산기술연구원 수석연구원

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