불소수지는 공업에서 널리 다루어지는 소재입니다. 내약품성·내열내한성·표면평활성·내마모성 등 우수한 성질이 있어 다양한 분야에서 활용되고 있습니다.
또한 불소계 코팅제인 플루오로서프는 불소수지와의 공통점을 가지면서도 몇 가지 차이점이 있는 제품으로, 많은 분들로부터 주목받고 있습니다.
이 글에서는 불소수지의 특징과 플루오로서프와의 차이점, 불소수지의 종류에 대해 해설하므로, 불소수지 도입을 검토하고 계신 분들은 꼭 참고하시기 바랍니다.

불소수지란 형석을 원료로 불소를 추출하여 수지화한 것으로, 화학약품에 대한 내구성과 전기절연성이 높고, 고온에서도 안정적이며, 불연성인 특징이 있습니다.
불소수지에는 여러 종류가 있지만, 그 중에서 가장 유명한 것이 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)입니다.
PTFE는 미국에서 제2차 세계대전 중에 개발되어 전후에 공업제품화된 경위가 있습니다. 현재는 프라이팬이나 다리미의 눌어붙음 방지 코팅 등에 이용되고 있습니다.
또한 불소수지의 성분을 일부 치환하여 새로운 재료로 개발되는 등, 더욱 편리하고 사용하기 쉬운 재료가 되도록 연구·활용이 이루어지고 있습니다.
일반적으로 고가의 재료이며, 가공하기 어렵다는 단점도 있지만, 특정 용도에 대해서는 중요한 재료임에는 틀림없습니다.

불소수지의 불소는 "형석"이라고 불리는 광석이 원료입니다.
천연 형석은 포함된 불순물에 따라 녹색이나 보라색, 분홍색 등의 색깔을 띱니다. 또한 블랙라이트를 비추면 빛나는 특징이 있습니다.
주성분은 불화칼슘(CaF2)이며, 철 등의 금속 제련용 재료로 빼놓을 수 없는 것입니다.
불소수지에는 몇 가지 종류가 있고, 만드는 방법도 다르지만, 이번에는 형석에서 불소수지의 일종인 PTFE를 만드는 방법에 대해 설명합니다.
먼저 형석에 황산을 첨가하여 불화수소(HF)를 만듭니다. 불화수소에 클로로포름(CHCl3)을 첨가하여 열분해하면 불소수지가 되기 한 단계 전의 재료인 테트라플루오로에틸렌(C2F4)이 됩니다.
테트라플루오로에틸렌을 화학반응으로 중합시켜 불소수지가 완성됩니다.

일용품부터 공업, 의료까지 폭넓게 사용되는 불소수지이지만, 몇 가지 단점도 있습니다.
·강성이 낮음
강성이란 외부에서 가해지는 굽힘이나 비틀림의 힘에 대해 변형되지 않는 성질입니다. 불소는 굽힘이나 비틀림의 힘에 약하고, 다른 소재와 비교하면 강도가 떨어지는 경향이 있습니다. 유연성이 요구되는 상황에서는 장점이 되지만, 강성을 요구하는 상황에서는 단점이라고 할 수 있습니다.
·일부 용제에 약함
불소는 내열성과 내약품성이 우수한 특징을 가지지만, 일부 용제에 대해서는 화학반응이 일어날 가능성이 있습니다. 예를 들어 금속수소화합물이나 암모니아, 아세톤, 용해상태의 알칼리금속 등입니다. 화학반응을 일으키는 용제와 함께 사용하지 않도록 주의가 필요합니다.
·연소 시 유해가스 발생
불소수지는 고온에서 연소할 때 이산화탄소나 일산화탄소 외에 불화수소와 기타 유해가스가 발생합니다. 유독가스를 흡입하면 두통이나 어지럼증, 구토 등이 일어날 수 있어 화재 위험이 높은 장소에서의 사용은 피하고 있습니다.
·제조 비용이 높음
불소수지의 종류에 따라 다르지만, 실리콘수지나 폴리우레탄수지 등보다 제조 비용이 높아지는 경향이 있습니다. 적합한 사용 상황이 다르기 때문에 다른 수지로 대체하는 것이 비용 절감이 된다고 단언할 수는 없지만, 불량률에 따라서는 이익을 압박할 가능성이 있습니다.

불소수지란 불소원자와 탄소원자가 결합하여 만들어지는 플라스틱의 총칭입니다.
화학적으로 안정된 성질을 가지며, 다른 소재에서는 볼 수 없는 다양한 특성이 있습니다.
불소수지의 주요 특성은 다음과 같습니다.

불소수지 가공이란 말 그대로 불소수지를 가공하여 사용하는 것이지만, 주로 기판의 방수 등 공업용으로 사용되는 경우가 많습니다.
일반적으로는 잘 알려지지 않은 용어로 느껴지지만, 가까운 곳에서도 사용되는 것들이 있습니다.
알기 쉬운 예로 소개하면 프라이팬·냄비 등의 코팅입니다.
가공 방법은 다양하지만, 모두 불소수지 가공을 한 것이 대부분입니다. 일반적으로는 "테플론 가공"이라고 부르기도 합니다.
프라이팬이나 냄비를 불소수지로 코팅함으로써 내마모성이 향상되고, 식재료가 달라붙거나 타는 것을 방지해 줍니다.
또한 약 -200~400도에 견딜 수 있다고 알려져 있어 내열성도 우수하며, 범용성이 높아 일상에서도 활약하고 있습니다.

플루오로서프와의 차이
플루오로서프는 주식회사 플루오로테크놀로지의 "불소계 코팅제·발수발유처리제"입니다.
불소수지와 플루오로서프의 공통점으로는 발수·발유성과 방수·방습성, 오염 방지 등의 성질이 있습니다.
플루오로서프의 사용으로 제조나 가공 등의 작업 공정에서 발생하는 다양한 문제를 해결할 수 있습니다.
다만, 불소수지와 플루오로서프는 공법이나 특성의 일부가 다르기 때문에, 사용 시에는 용도·목적에 따라 적절한 소재를 도입하는 것이 중요합니다.
불소수지와 플루오로서프에는 다음과 같은 차이가 있습니다.

○공급형상

불소수지의 공급형상은 수지의 분체이지만, 플루오로서프는 특수한 불소수지를 용해한 액체입니다.

○시공공정

불소수지의 시공은 분체도장 후 가열소성으로 이루어집니다. 전문가 수준의 기술과 전용 설비가 필요합니다. 내열성이 없는 소재에는 시공할 수 없습니다.
플루오로서프는 액체이므로 일반 도료와 마찬가지로 붓칠, 침지, 스프레이건 등으로 간단히 도포할 수 있고, 상온에서 건조시키기만 하면 됩니다. 기술에 자신이 없는 분들도 전용 설비 없이 시공할 수 있습니다. 또한 내열성이 없는 소재에도 시공 가능합니다.

○피막의 외관과 막두께

불소수지의 피막 외관은 백색 불투명하며 막두께는 5~100마이크로미터 정도입니다.
반면, 플루오로서프의 피막 외관은 투명하며, 막두께는 0.01~40마이크로미터 정도입니다.

○내열성

불소수지의 내열성은 약 400도인 반면, 플루오로서프는 열가소성 타입의 내열성이 80~120도, 열경화 타입의 내열성이 200~250도입니다.
플루오로서프용 불소수지는 축적된 가공 기술을 바탕으로 합성되고 있습니다.
그래서 특성의 제어나 막두께 제어, 사용하는 용제의 변경 등 다양한 사양 변경이 가능합니다.

불소수지는 비점착성·발수성·내열성·전기내성 등이 우수하여 오늘날 공업에는 빼놓을 수 없는 소재 중 하나가 되었습니다.

이처럼 많은 분야와 업계에서 불소수지가 이용되고 있습니다.
앞으로도 불소수지 시장은 완만하게 성장을 계속할 것으로 예측되며, 2027년까지는 연평균 성장률 4.3%로 늘어날 것으로 전망됩니다.

불소수지는 많은 업계에서 사용되고 있지만, 그 비율은 분야에 따라 차이가 있습니다.
불소수지 분야별 사용 현황
이 그래프에서 정리한 대로, 불소수지를 가장 많이 사용하는 것은 반도체 분야임을 알 수 있습니다.
다음으로 자동차 산업, 산업용 기계 등 정밀성과 내구성, 내약품성 등이 요구되는 분야에서 불소수지가 많이 사용되고 있습니다.

테플론은 불소수지의 일종으로, 화학 메이커인 듀폰사(현 케머스사)의 등록상표입니다. 그래서 테플론을 제조하는 것은 듀폰사뿐입니다.
테플론이 발견된 것은 우연한 사건으로, 원래는 탄소와 불소로 이루어진 냉매 연구를 하던 중 가스 봄베 내에 흰색 물질이 생긴 것이 발단입니다.
이 냉매가 프레온이었던 것에서 유래하여 "테플론"이라고 명명되었습니다.
테플론은 불소수지의 일종이므로 높은 내열성과 화학적 안정성, 내후성을 가진 물질입니다.
반면, 저마찰성 때문에 가공하기 어렵고, 가공이 어려워 재료로서의 가격이 높다는 문제가 있습니다.
테플론이 처음 발견된 것은 1938년이지만, 발견 당초에는 도입 비용이 높아 재료로서의 수요는 낮았던 것 같습니다.
이후 화학적으로 안정적이라는 점에서 내약품용 패킹 재료로 채택된 이후 각 산업에 도입되게 되었습니다.

불소수지에 포함되는 주요 소재는 PTFE나 PFA, FEP 등 총 8종류로 나뉩니다.
불소수지에는 원소의 조합에 따라 많은 종류가 있지만, 구조는 완전불소화수지와 부분불소화수지의 2개로 나뉩니다.
완전불소화수지(퍼플루오로)는 유기불소화합물로 탄화수소의 수소를 모두 불소로 치환한 구조의 것입니다.
PTFE(폴리테트라플루오로에틸렌)
PFA(테트라플루오로에틸렌·퍼플루오로알콕시에틸렌 공중합체)
FEP(테트라플루오로에틸렌·헥사플루오로프로필렌 공중합체)
등이 완전불소화수지입니다. 부분불소화수지는 부분적으로 수소 또는 염소가 불소로 치환되거나 탄화수소 단량체와 중합반응시켜 중합체 합성한 것을 가리킵니다.
PVDF(폴리비닐리덴플루오라이드)
PCTFE(폴리클로로트리플루오로에틸렌)
ETFE(에틸렌·테트라플루오로에틸렌 공중합체)
ECTFE(에틸렌·클로로트리플루오로에틸렌 공중합체)
PVF(폴리불화비닐)
등이 부분불소화수지의 예로 들 수 있습니다.
불소수지의 각 소재는 종류에 따라 분자구조가 다르고, 분자구조에 따른 고유의 특징·성질을 가지므로, 불소수지를 다루는 경우에는 각 소재의 이해가 필요합니다.
제품에 따라 다르지만 일반적으로 완전불소화수지는 비점착성이나 내식성 등 불소가 가진 특성이 강한 반면, 비용이 높고 내구성도 비교적 낮다고 알려져 있습니다.
부분불소화수지는 불소가 가진 특성이 퍼플루오로와 비교하면 다소 저하되는 경향은 있지만, 원소의 조합에 따라서는 내구성이 높아지거나 완전불소화수지에는 없는 특징이 부여되는 장점도 있습니다.
이하에서는 8종류의 불소수지에 관하여 명칭과 특징, 대표적인 용도 예를 해설하므로 꼭 참고하시기 바랍니다.
불소수지의 종류 주요 성형 방법 용도 예

PTFE의 화학명은 폴리테트라플루오로에틸렌(Poly tetra fluoro ethylene)입니다.
높은 내열성·비점착성·내약품성을 가진 PTFE는 불소수지 중에서 가장 많이 사용되며, 전체 수요의 약 60%를 차지합니다.
또한 PTFE에는 현탁중합품과 유화중합품의 2종류가 있으므로 주의가 필요합니다.
현탁중합품은 시트나 파이프의 압축성형에 사용되고, 유화중합품은 전선 피복 등의 압출용 원료나 코팅용 재료에 사용됩니다.
PTFE에 대해서는 뒤에서 자세히 언급하겠습니다.
불소수지 중에서도 널리 사용되는 PTFE란?

PFA의 화학명은 퍼플루오로알콕시알케인(Perfluoro alkoxy alkane)입니다.
PFA는 PTFE의 가공성을 더욱 높이기 위해 개발되었습니다.
그래서 PTFE와 동일한 내열성·비점착성·내약품성이 있고, 추가로 용접가공이나 성형가공도 용이한 점도 PFA의 특징입니다.
또한 PFA는 일반품과 고순도품의 2종류로 나뉘며, 일반품은 개스킷이나 전선 피복재, 내식 라이닝 등에, 고순도품은 반도체 부품이나 액정 부품에 사용됩니다.

FEP의 화학명은 퍼플루오로에틸렌프로펜 코폴리머(Perfuluoro ethylene propylene copolymer)입니다.
FEP도 PFA와 마찬가지로 PTFE의 가공성을 높이기 위해 개발되었습니다.
PTFE와 비교하여 내열성은 떨어지지만, PTFE에 있는 실온전이점이 FEP에는 없는 점이 FEP의 장점입니다.
FEP의 주요 용도 예는 전선 피복재나 배관재료를 비롯하여 변압기의 절연필름이나 과자 틀, 패킹 등에도 사용됩니다.

ETFE의 화학명은 에틸렌·테트라플루오로에틸렌 코폴리머(Ethylene-tetrafluoroethylene)입니다.
ETFE는 테트라플루오로에틸렌과 에틸렌 공중합체로 만들어집니다.
ETFE의 특징은 역학적으로 강인하고, 전기절연성·내방사선성도 겸비하고 있는 점입니다.
ETFE는 FEP와 마찬가지로 전선 피복재나 코팅, 튜브 등에 사용되는 경우가 많고, 내식용 막두께가 두꺼운 성질을 살려 화학탱크 소재에도 사용되고 있습니다.

PCTFE의 화학명은 폴리클로로트리플루오로에틸렌(Polychlorotrifluoroethylene)입니다.
PCTFE는 트리클로로트리플루오로에탄을 메탄올 중에서 탈염소화함으로써 합성이 가능합니다.
PCTFE의 특징으로는 투명성·내약품성·내충격성·내식성·내방사선성이 높다는 점을 들 수 있습니다.
또한 PCTFE는 수증기나 가스에 대한 투과성이 낮은 것도 특징입니다.
그래서 PCTFE는 베어링 등의 기계부품이나 관찰창 등을 중심으로 의약품용 포장필름이나 부식성이 강한 약액의 파이프에도 사용됩니다.

ECTFE의 화학명은 클로로트리플루오로에틸렌·에틸렌 공중합체(Chlorotrifluoroethylene ethylene copolymer)입니다.
ECTFE는 에틸렌과 클로로트리플루오로에틸렌의 중합 기술에 의해 얻어집니다.
ECTFE의 특징은 우수한 전기특성·내방사선성·내화학약품성과 고온 환경하에서도 기계적 강도를 잃지 않는 점입니다.
또한 ECTFE는 약품탱크나 파이프, 배리어성이 필요한 부품의 코팅에 응용이 가능합니다.
그러나 현재 일본에서는 ECTFE가 거의 사용되지 않습니다.

PVDF의 화학명은 폴리비닐리덴플루오라이드(Polyvinylidene fluoride)입니다.
PVDF는 비닐리덴 단량체를 중합화함으로써 얻어집니다.
PVDF의 특징은 기계적인 강인함과 내화학약품성을 가지며, 자외선 방사에도 내성이 있는 점입니다.
PVDF는 용융가공이나 성형도 가능하므로 펌프나 밸브, 절연제나 자동차용 부품·화학공업용 파이프에도 사용됩니다.

PVF의 화학명은 폴리비닐리덴플루오라이드(Poly Vinylidene Fluoride)입니다.
PVF는 불화비닐을 중합함으로써 얻어집니다.
PVF의 특징은 기계적 강도와 내후성이 높다는 점을 들 수 있고, 다른 불소수지에서 볼 수 있는 내열성이나 내약품성도 갖추고 있습니다.
또한 태양전지용 백시트는 PVF의 주요 용도 예라고 할 수 있습니다.
특히 시트 형태의 PVF는 금속이나 목재, 플라스틱에 붙임으로써 실내외 건재나 지붕 표면재에도 사용할 수 있습니다.

주요 불소수지의 종류를 표로 정리했습니다.

불소수지의 특성은 많고, 화학·반도체나 자동차·공업, 식품, 의료, 토목 등 폭넓은 분야에서 활용되고 있습니다.
·조리기구 사용
표면에 식재료가 달라붙기 어려워지고 내구성이 올라가기 때문
·금속이나 플라스틱 사용
내약품성·내마모성·내구성·저마찰성이 있기 때문
·전선이나 케이블, 콘덴서 사용
절연성을 갖게 하기 위해
·의료기구 사용
약품과 화학반응을 일으키기 어렵고, 표면을 매끄럽게 하여 체내에 삽입하기 쉬워지기 때문
·실외 건축물이나 해양구조물 사용
내후성·불연성·자정성이 있기 때문
앞으로도 항공·우주산업이나 재생가능에너지, 3D 프린팅 기술 등 최첨단 기술에 대한 활용이 기대되고 있습니다.

PTFE(폴리테트라플루오로에틸렌)는 불소수지 전체의 절반 이상의 수요를 차지하는 열가소성 플라스틱 중 하나입니다.
원래는 미국 듀폰사의 R.J. 플런킷 박사가 프레온가스 관련 연구를 하던 중 프레온의 중합반응에 의해 발견되었습니다.
1944년 듀폰사에 의해 상표등록된 "TEFLON®"(테플론®)이라는 명칭이 널리 알려져 있지만, 테플론®=PTFE입니다.
제2차 세계대전 중에는 군용으로 사용되었고, 전후 공업화되어 프라이팬 등의 조리기구나 코팅재·이형제 등의 일용품에도 사용되게 되었습니다.

앞서 소개한 대로 PTFE는 내열성·비점착성·내약품성 등이 우수합니다.
이는 분자구조에 의한 것이 크며, PTFE는 탄소와 수소가 결합되어 있지만 긴밀하고 대칭이라는 독자적인 원자배열과 고분자량에 의해 전기적으로 안정되어 있는 것이 특징입니다.
탄소와의 결합력은 수소·산소·염소 등과 비교해도 매우 견고하여 열이나 자외선 등 외부로부터의 영향을 받기 어렵습니다. 이 특성이 내열성·내약품성·내후성의 높이로 나타나고 있습니다.
또한 고주파의 영향을 받기 어려운 것에서 전기특성도 우수하여 절연재로도 사용됩니다.
또한 불소수지는 분자끼리 끌어당기는 힘이 약하고 표면장력은 낮습니다. 물이나 기름처럼 분자끼리 끌어당기는 힘이 강하고 표면장력이 높은 물이나 기름을 튕겨냅니다. (=발수성·발유성)
【독성이 있어서 위험?】불소 코팅이란? 불소 코팅제에 사용되는 불소수지가 가진 특성과 안전성에 대해 해설!

常温型フッ素コーティング剤は「防湿絶縁性」が高く、また、表面の皮膜が化学変化の影響を受けにくいことから「耐酸性」も高い抑制があります。以下のようなシーンでも効果を発揮します。

불소수지는 화학적으로 안정된 구조를 가지고 우수한 성질을 발휘하는 소재입니다.
내열성·내약품성·전기절연성·비점착성 등의 성질이 있어 불소수지는 다양한 산업에서 사용되고 있습니다.
또한 불소계 코팅제인 플루오로서프는 불소수지와 공통의 성질을 가진 제품입니다.
플루오로서프는 시공에 특별한 기술이나 설비가 불필요하여 간단하게 도입할 수 있습니다.
불소수지나 플루오로서프의 이용에 관심이 있는 분들은 각각의 특징과 차이를 정확히 파악한 후, 자사 서비스·상품에 적합한 소재를 도입해 주시기 바랍니다.