PAEK 필라멘트: 3D 프린팅을 위한 고성능 소재

3D 프린팅 세계에서 FDM/FFF 방식은 수년간 단연 돋보이는 소재군을 보유해 왔습니다. 바로 PAEK(폴리아릴에테르케톤) 계열입니다. 이 계열에 속하는 소재들은 반결정성 플라스틱으로, 높은 온도(약 200°C)에서도 높은 기계적 강도를 유지합니다.

PEEK 필라멘트 (PolyEtherEtherKetone)

PEEK(폴리에테르에테르케톤)는 세 소재 중 가장 결정화도가 높습니다. 이는 탄소섬유 복합체를 제외하면 가장 높은 기계적 강도 값을 가진다는 의미입니다. 하지만 분자가 고체 상태에서 3차원 공간에서 반복적인 정렬 패턴을 따르기 때문에 용융 시 더 불안정합니다. 이는 전문가와 고급 3D 프린터를 사용하더라도 PEEK 필라멘트 사용에 높은 난이도를 부여합니다.

PEKK 필라멘트 (PolyEtherKetoneKetone)

PEKK(폴리에테르케톤케톤)는 반결정성 구조를 가지며(PEEK보다 결정화도 낮음), 비정질 영역과 결정질 영역이 명확히 구분되는 구조적 특성으로 인해 출력 용이성이 향상(결정화 속도 저하)되면서 PEEK와 유사하거나 더 높은 강도 값을 유지합니다.

PEKK는 압축 강도에서 PEEK보다 최대 80% 더 뛰어납니다. 또한 할로겐화 탄화수소(벤젠), 자동차 유체(냉각수), 알코올, 수용액(해수) 등 수많은 유체에 대한 내화학성을 갖습니다.

PEKK의 응용 분야

PEKK는 의료부터 군사 분야까지 광범위하게 사용됩니다. NASA는 우주 공간에서의 3D 프린팅에 이 소재를 사용합니다. 의료 분야에서는 무릎, 고관절 등 기능성 임플란트 제작에 성공적으로 활용되고 있습니다. 이러한 장점들이 결합되어 가볍고 튼튼하며 반사 방지 기능이 있는 군사용 헬멧 개발로 이어졌고, 대형 항공사들도 항공기용 기능성 부품 제작에 PEKK를 사용합니다.

PEI 필라멘트 (ULTEM 1010 및 ULTEM 9085)

PEI(ULTEM 1010 및 ULTEM 9085)는 PAEK 계열 중 가장 개량된 소재로, 전문가들은 수지(resin)로 분류하기도 합니다. 이 소재의 내열성은 FDM/FFF 3D 프린팅 분야에서 최고 수준으로, 유리 전이 온도 215°C, 0.45 MPa 압력 하에서 최대 연속 사용 온도 200°C를 자랑합니다.

PEI의 장점은 이러한 고온에서도 기계적 물성이 거의 변하지 않는다는 점입니다. 뛰어난 치수 안정성 덕분에 온도가 상승해도 구조적 형태를 유지하며, 이는 기존 FDM/FFF 소재 대부분으로는 불가능한 일입니다.

PEI의 응용 분야

ULTEM 1010은 단기 사출 금형, 탄소섬유 적층 금형, 고온·고압 환경(오토클레이브)에 노출되는 각종 금형 제작에 주로 사용됩니다. 고무 등의 플라스틱 가황 공정용 금형도 이에 해당합니다. PEI ULTEM 1010 덕분에 기존 강철 금형보다 빠르고 쉽고 저렴하게 금형을 제작할 수 있습니다. 반면 ULTEM 9085는 항공 산업의 '게임 체인저' 소재입니다. 내열성, 내화학성, 내파손성, 고성능을 겸비해 항공우주 산업과 인증 기관의 엄격한 시험 및 추적성 기준을 충족합니다.

소재 개선을 위한 지속적인 혁신

프랑스의 Nanovia 같은 대형 필라멘트 제조사들은 PEKK와 PEI(ULTEM 1010)를 탄소섬유로 개량해 시장에 혁신을 가져왔습니다. 탄소섬유는 준비정질 소재로, 이들 소재에 더 낮은 융점, 더 느린 결정화, 높은 결정화 온도(Tg=160°C) 유지를 부여해 출력 용이성을 높입니다. 또한 구조적 안정성을 강화해 기계적 물성을 향상시킵니다. 이러한 이유로 PEKK CF와 PEI CF는 FDM/FFF 3D 프린팅에서 가장 강력하면서도 사용하기 쉬운 소재군으로 자리 잡았으며, 엔지니어링 산업에서 가장 널리 쓰이는 열가소성 수지(폴리설폰, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리케톤)와도 당당히 경쟁합니다.

PAEK 소재 사용을 위한 요구 사항

마지막으로, 이러한 고급 소재는 숙련된 사용자와 고성능 3D 프린터를 위한 것임을 강조해야 합니다. FDM/FFF 3D 프린터가 이들 소재를 사용하기 위한 최소 사양은 다음과 같습니다: 익스트루더 온도 370~400°C, 베드 온도 150°C 이상, 챔버 온도 80°C 이상. 이 값들은 소재가 서로 다른 온도의 공기 구역과 접촉할 때 구조적 변형에 민감하기 때문에 필요합니다.

결론적으로 PAEK 계열의 모든 소재(PEEK, PEKK, PEI, PEKK CF, PEI CF)는 높은 인화 온도, 내화학성, 기계적 강도, 우수한 강도/중량 비율 덕분에 산업용 소재의 최상위에 위치합니다.