액체 실리콘 고무는 매우 높거나 낮은 온도에서도 유용한 성질을 유지한다. 열가소성 플라스틱 제품과의 차이점이다. 견고하고 탄성적이며, 열적·화학적·전기적 저항이 우수한 것 역시 특징이다. 액체 실리콘 고무 제품의 장단점과 응용분야에 대해 알아본다.
자료 | Proto Labs(protolabs.com)

  Q. 액체 실리콘 고무란 무엇인가?

A. 액체 실리콘 고무(LSR) 성형은 2성분형(二成分形) 화합물을 혼합하는 일종의 열경화성 수지 공정이다. 일반적으로 사출성형 기술을 사용해 부품을 만들 수 있다. 

액체 실리콘 고무 성형은 기존의 플라스틱 사출성형과 비교했을 때 한 가지 중요한 차이점이 있다. 재료의 운반 수단(Material Delivery System)을 냉각하고, 주형(Mold)을 경화(硬化, Curing)하기 위해 가열하는 것. 플라스틱 사출성형과 정반대의 형태인 셈이다.

액체 실리콘 고무는 견고하고도 탄성적인 부품을 생산한다. 또한 액체 실리콘 고무 제품은 열적·화학적·전기적 저항이 우수하다. 액체 실리콘 제품이 생체에 적합함을 의미한다.

Q. 왜 이 소재를 사용해야 하는가?

A. 액체 실리콘 고무가 열가소성 수지보다 ‘더 나은’ 소재인 것은 아니다. 하지만 몇 가지의 우수한 특성을 보이는 것이 사실이다. 

그 중 중요한 특징은 매우 높거나 낮은 온도에서도 유용한 성질을 유지한다는 점이다. -50℃부터 220℃에 이르는 광범위한 온도에서 원활하게 작동할 수 있는 것. 이와 대조적으로 열가소성 폴리우레탄(TPU)나 열가소성 플라스틱 탄성체(TPE) 등의 열가소성 플라스틱은 극한의 온도에 노출될 경우 특성의 대부분을 잃게 된다. 강도·유연성·씰을 유지하는 능력(Hold a Seal) 등이 그것이다. 

액체 실리콘 고무는 보다 넓은 범위의 온도에서 특성을 유지할 수 있으며, 따라서 소비재용·산업용·전자·항공우주·자동차·제약 분야의 응용사례에 적합하다.

Q. 응용사례의 예시를 들자면?

A. 의료 산업에서는 장비 및 삽입·삽관물(Implantable)에 액체 실리콘 고무를 사용하고 있는 추세다. 최근 수 년 동안 고급 가공 형상(Advanced Machining Geometry) 분야에서 큰 혁명이 일어났고, 이를 바탕으로 복잡한 의료 부품도 여러 조각을 조립하는 방식이 아니라 한 조각으로 만들 수 있다.

액체 실리콘 고무는 살균이 가능하다. 이러한 특징으로 인해 멸균이나 살균 과정을 견딜 수 없는 재료를 액체 실리콘 고무로 대체할 수 있다. 오토클레이브(고온·고압 하에서 합성·분해·승화·추출 등의 화학처리를 하는 내열·내압성 용기. 출처 두산백과)가 대표적이다.

극한 기온에서의 저항력은 액체 실리콘 고무를 다양한 자동차 시장에서 활약할 수 있도록 만들었다. 다양한 실외 작업에 쓰이는 장비 시장 역시 액체 실리콘 고무가 주름잡고 있다.

소비재 분야를 살펴보면, 액체 실리콘 고무는 취사도구와 조리기기 그리고 컨테이너 등의 분야에서 큰 성장을 이뤄내고 있다. 안정적이고 구멍이 없으며 통기성이 없다는 특징 덕에 다양한 음식·피부 접촉 등급을 충족한다.

실용화가 기대되는 기술 중 하나로 광학 액체 실리콘 고무(Optical LSR)가 있다. 이 재질은 시각적으로 투명한(Optically Crear) 것이 특징이다. 유리가 최선의 선택이라면, 광학 액체 실리콘 고무는 차선이다. 제조공정에서 재료계산서(Bill of Materials, BOM) 비용을 줄일 수 있다는 점 역시 이점으로 다가온다. 한 부품으로 렌즈와 씰 그리고 보호 덮개의 역할을 모두 수행할 수 있기 때문이다. 또한 흠집이 나지 않고 자외선에서 노란색을 띠지 않는다. LED 및 실외조명 분야에서는 현재 액체 실리콘 고무로 만든 광학 실리콘을 사용하고 있다.

  Q. 액체 실리콘 고무의 단점은?

A. 재료적 특성의 관점에서 보면, 직접 연료 접촉(Direct Fuel Contact)이야말로 액체 실리콘 고무의 아킬레스건이다. 현존하는 거의 모든 등급의 액체 실리콘 고무가 연료 접촉 분야에서 고장을 일으킨다. 일부 첨가물을 투자해 성능 향상을 기대할 수 있기는 하지만, 불로실리콘(Flourosilicone, FLSR)이 더 나은 해결책이다.

액체 실리콘 고무를 제작하기 위해서는 특수한 사출성형 장비가 필요하다. 이는 제조공정 및 시설에 추가적인 비용을 야기한다. 

액체 실리콘 고무는 제조공정이 다르며, 따라서 공작기계 및 공구도, 전환(Changeover) 과정도 다르다. 액체 실리콘 고무가 화려한 물질(Flashy Material)이기 때문이다. 

액체 실리콘 고무의 의가소성(Pseudoplastic) 및 가파른 솎음 특성(Sheer Thinning Nature)은 0.002in. 가량의 작은 주형 틈으로도 재료가 침투하는 상황을 야기한다.

오늘날 액체 실리콘 고무의 제조기술은 눈에 띄게 발전하고 있다. 주형과 주입 그리고 사출 장비 등 다양한 장비의 정확도와 정밀도 그리고 제어 관련 기능이 크게 향상된 것. 보다 많은 제조업체들이 액체 실리콘 고무의 이점 및 고유 특성을 활용하고 있는 이유다.

Q. 대체할 수 있는 기술이 있을까?

A. 액체 실리콘 고무를 대체할 수 있는 물질로는 탄성 중합체의 열가소성 수지(Eleastomeric Thermoplastic)가 있다. 열가소성 폴리우레탄(TPU)이나 열가소성 플라스틱 탄성체(TPE)가 대표적이다. 이들 소재는 많은 이들에게 잘 알려져 있으며, 제조분야에서 고유한 영역을 가지고 있다. 일반적인 사출성형장비로 제작하는 것 또한 특징이다. 

하지만 일부 물리적 특성이 결여되어있다는 단점도 있다. 이들이 가지고 있지 않은 물리적 특성은 액체 실리콘 고무에서만 찾을 수 있다.

매우 적은 양을 생산하는 분야에서의 대안으로는 실온경화(Room Temperature Vulcanizing)가 있다. 이 기법을 사용하면 두 부분으로 나뉜 재료(Two-Part Material)를 사용해 가득 채운, 매우 간단한 주형을 사용해 서로 다른 다양한 재료를 가공할 수 있다. 

하지만 실온경화 기법은 과정이 매우 느리며 주형이 오랫동안 지속되지 않는다. 이 기법은 이름에서 알 수 있듯 실온에서 경화하므로, 환경에 따라 하나의 부품을 생성하기까지 4시간에서 8시간 이상 걸리기도 한다.

첨삭가공(Additive Manufacturing) 공정은 매우 흥미로운 대체기술이긴 하지만, 이는 실온경화 주조와 같은 결과를 낳는다. 즉, 적은 양을 생산하는 데에는 효과적이지만, 물성 특성과 검사 측면에서 화학적 저항성 및 탄성 정도 등에 상당한 손실을 입는 것. 첨삭가공은 아직 개발 및 진화 단계에 있는 분야이며, 향후 수 년 동안 지켜볼 가치가 있다.

  Q. 제품 개발에 있어 다른 과제는?

A. 생산체계를 새로이 구축하거나 소량생산에 쓰이던 장비를 교체하는 데에 적지 않은 비용이 든다. 따라서 이 액체 실리콘 고무 성형을 활용하기 위해서는 타당한 이유가 필요하다. 반대로 대량생산에는 교체와 관련한 비용이 크게 중요치 않다.

하지만 많은 이들이 조언하듯, “모든 제품을 설계할 수는 있지만, 그것이 생산으로 이어짐을 의미하진 않는다”. 액체 실리콘 고무 분야도 예외가 아니다. 프로젝트에 액체 실리콘 고무 도입을 평가할 때 타당성에 대해 명확하게 정의하는 것이 매우 중요하다. 첫 번째 대표 시험(Representative Test)을 통해 최종 제품에 대한 표본을 얻을 수 있다. 

원형 제품을 제작하는 데에는 다양한 방법이 있으며, 이 방법을 정하는 것 역시 중요한 과정이다. 장기간 생산을 실현하기 위해서는 제품을 정확히 모사(Replicate)해야 하기 때문이다.

각 재료와 재질 그리고 제조공정에 대해 숙지하는 것 역시 중요하다. 많은 재료와 공정에 대한 사항을 이해하기란 쉬운 일이 아니다. 하지만 일단 한 번 익히고 나면 각 재료 및 공정에 대한 다양한 이점을 판단하고, 제품 개발을 위한 새로운 선택사항들을 접할 수 있다.