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제목 열변형온도 vs 동역학적분석 ③
작성자 플라스틱코리아
글정보
Date : 2019/09/26 12:30

 

  

동역학적분석(dynamic mechanical analysis, DMA)은 폴리머 성능을 풍부하고 상세하게 그려 보여준다. 우리가 사용하는 소재에 대해 알 수 있고 알아야 하는 모든 것을 이해하기란 그리 쉽지 않다. 하지만 어려울 수 있다는 사실이 곧 시도도 하지 말아야 한다는 뜻은 아니다.

   

이 칼럼의 1부, 2부를 통해서 열변형온도(heat deflection temperature, HDT) 테스트가 고온성능에 관해 제공하는 세부사항이 부족하다는 점을 입증해냈다. 그런데 어째서 이 테스트 방법을 계속 사용하고 별 의미 없는 그 결과를 공개하는 것인지 의아해하는 독자가 있을 것이다.

NPE 2018에서 필자는 ‘열변형온도 값은 이제 사용하지 말자’는 간단한 프레젠테이션을 진행했었다. 그 목적은 앞으로 열변형온도 테스트를 하지 않는 것이다. 우리는 특정 방법에 너무도 길들여져 있기 때문에 누군가가 열변형온도 테스트 결과를 만들어 내놓는 한, 열변형온도 값을 계속해서 사용하고자 할 것이다. 그러나 그 목적은 무엇일까?

열변형온도의 유용성에 관한 질문은 온라인 토론에서 주기적으로 등장하며, 때로는 열변형온도와 동역학적분석을 비교하는 구체적 질문들이 제기된다. 여기서 만나게 되는 답변들 가운데 어떤 것들은 필자의 궁금증을 자아내기도 한다. ‘테스트 방법이 널리 공표돼 나와 있으므로’ 열변형온도를 선호한다는 토론자의 답변을 들은 적이 있다.

이 사람의 생각 속에는 테스트 수행을 위한 방법이 존재한다는 사실이 그 테스트의 유용성을 판단하기 위한 기초가 되는 것이다. 동역학적분석 방법이 또한 여러 가지 공표돼 있다는 사실과 열변형온도 테스트 방법의 역사를 간단히 살펴보는 것이 이 시점에서 도움이 될 수 있을 것 같다.

D648로 알려진 ASTM(미국재료시험협회)의 방법은 1941년 처음 공표됐다. 일반적으로 이 방법에 붙여진 숫자가 낮을수록 해당 시험 방법의 공표일이 더 빠르다. 인장시험, 굴곡시험, 노치 및 아이조드 충격시험(notched Izod impact test) 등을 포함해 플라스틱의 기계적 물성을 파악하기 위해 널리 사용되는 대부분의 테스트가 이에 해당한다.

열변형온도 테스트와 달리, 기타 시험법들은 금속소재를 대상으로 이미 잘 정립돼 있던 내용을 단순히 플라스틱 소재 용도로 변형되었을 뿐이다. 테스트 방법들이 주기적으로 검토되고 업데이트되는 것이 사실이지만, 열변형온도 테스트를 수행하기 위한 일반적인 틀은 약 80년 전에 만들어진 후 크게 바뀌지 않았다.

ISO75는 D648과 유사한 국제표준이다. ISO75에는 더욱 다양한 샘플 구성에 대한 세부조항이 포함돼 있으며, ASTM 버전에서 사용되는 두 가지 응력수준보다 훨씬 높은 제3의 응력수준이 추가됐다. 그러나 ISO75와 D648 두 가지 방법은 본질적으로 동일한 목적을 가지고 있다. 소재의 탄성계수가 특정값 수준으로 떨어지는 온도를 알아내는 것이다.

동역학적분석은 1960년대에 소재의 특성 파악을 위해 보다 사용자 중심적 방법으로 처음 등장했지만, 소재를 진동시키는 실험을 사용한다는 아이디어의 탄생은 Leo Baekeland이 석탄산을 발명한 해와 우연히 겹치는 1909년으로 거슬러 올라간다.

동역학적분석은 매우 다양한 성능을 발휘하는 기술로, 액체 및 용융물뿐만 아니라 고체를 대상으로도 수행할 수 있다. 1980년대에 이르러 매우 높은 강성을 가진 고체물질에 대한 시험을 쉽게 수행할 수 있는 도구가 사용되기 시작했고, 지난 9월호 칼럼에서 PBT에 대해 보여준 것과 같은 유형의 곡선을 얻는 것이 가능해졌다. 동역학적분석의 초기 ASTM 방법은 이 시기에 개발됐으며, 오늘날에는 여러 가지 변형된 방법들이 존재한다.

1980년대 후반에 필자가 동역학적분석 테스트를 처음 시작했을 당시에 업계 사람들이 가장 큰 관심을 보였던 분야는 열경화성 소재였다. 고온에서 고성능 열가소성플라스틱 소재보다 뚜렷한 실용적인 이점을 가진 자신들의 열경화성 소재의 열변형온도가 낮게 나오는 경우가 많았기 때문에 열경화성 소재 제조업체들이 열변형온도 테스트에 오랫동안 좌절감을 느끼곤 했다.

동역학적분석 곡선은 더욱 정확한 그림을 그려 보여준다. 이런저런 컨퍼런스에 참가해 동역학적분석 곡선을 보여주기 시작했을 때 다양한 업계 관계자들은 데이터가 어디에서 왔는지 알고 싶어 했다. 이는 지금도 내가 여전히 받고 있는 질문으로 소재를 제대로 이해하는 데 도움이 되는 정보로, 어떤 것을 구할 수 있는지에 관한 업계의 인식 부족을 잘 보여준다.

물론 학계 및 폴리머 연구자들은 동역학적분석에 대해 모두 알고 있었다. 하지만 이들은 소재의 엔지니어링 특성을 제대로 전달하기 위한 방법으로 이를 사용하지 않았다. 이들은 폴리머 구조와 점탄성 특성에 대해 깊이 파고들기 위한 방법으로 이를 사용했다. 동역학적분석에 대한 출판물은 복잡한 개념과 골치 아픈 수학으로 가득 차 있다.

점탄성 이론의 토대가 현재 사용하는 플라스틱 제품에 일어나는 모든 것을 통제하고 있음에도 그 제품 개발을 담당하는 설계자와 엔지니어들은 대개 무관심하다. 대부분의 과학분야에는 기초가 되는 문제를 생각하는 이론가와 이론을 검증하거나 뒤집는 역할을 하는 실험자, 이 같은 발견을 제품으로 만들어내는 세부사항을 알아내는 엔지니어가 있다.

불행하게도, 폴리머 세계는 이 각각의 그룹이 고립되어 서로를 무시하는 경향이 있다. 동역학적분석은 이 같은 태도 때문에 피해를 봤다고 할 수 있다. 이 방법은 연구개발 도구로만 국한돼 사용되면서 폴리머 성능 평가를 위해 더 우수한 도구가 절실히 필요했던 엔지니어 그룹은 이 방법 존재를 망각해 왔다.

동역학적 분석의 폭넓은 기능은 복잡성 때문에 가려져 실험의 우수성을 정확히 대변해줄 사람이 없었기 때문에 동역학적분석으로부터 가장 많은 혜택을 볼 수 있는 사람들이 이를 무시하는 상황이 벌어져 온 것이다.

그러나 이제는 달라져야 할 때가 왔다. 엔지니어링의 관점에서 동역학적분석의 가장 실용적인 용도는 탄성계수가 온도에 따라 어떻게 변하는지에 관한 전체적인 그림을 얻는 것이다. 만일 이것을 출발점으로 삼는다면 머지않아 열변형온도 데이터를 온도 함수에서 탄성계수 곡선으로 대체하는 것이 가능해질 수 있다. 온도의 영향과 부하 아래서 시간 영향 사이의 유사성을 설명할 수 있다.

동역학적분석은 폴리머 성능을 풍부하고 상세하게 그려 보여준다. 우리가 사용하는 소재에 대해 알 수 있고 알아야 하는 모든 것을 이해하기란 절대 쉽지 않다. 하지만 어려울 수 있다는 사실이 곧 시도도 하지 말아야 한다는 뜻은 아니다. 플라스틱 산업이 금속 대체와 같은 성능에서 그 신뢰성을 입증하고자 한다면 설계자와 엔지니어들에게 계속 열변형온도값을 던져주면서 그들이 현명한 결정을 내리기에 충분한 정보를 제공했다고 믿어서는 안 된다.

몇 달 전 알루미늄을 유리로 충전한 나일론으로 교체하는 방안에 관한 웹 세미나에 참석한 적이 있다. 두 소재의 실온 탄성계수가 비교 가능하도록 제시됐으며, 제품의 작동 온도범위는 -40℃~120℃(-40℉~248℉)로 제시됐다.

웹 세미나 후 발표자에게 실온과 120℃ 사이에서 알루미늄의 특성은 본질적으로 변하지 않지만, 유리 충전된 나일론의 특성은 약 50% 감소한다는 점을 지적했다. 나는 소재 변환을 고려하는 엔지니어에게 이 점이 어떻게 전달되는지 알고 싶었다. 세미나 발표자는 내가 이 사실을 어떻게 알았는지 물었고, 내가 동역학적분석 곡선을 통해 알 수 있다고 답하자 그의 반응은 “글쎄요, 그런 자료를 찾기가 어렵잖아요”였다.

바로 이런 태도가 문제다. 보면 알겠지만, 동역학적분석 자료는 결코 찾기 어렵지 않다. 수많은 소재 공급업체들, 특히 고성능 폴리머 생산하는 업체들이 다년간 설계용 매뉴얼에 이 자료를 게재해왔다. 또한, 제대로 잘 갖춰진 소재물성 데이터베이스를 통해서도 구할 수 있다. 그러나 약간의 문제가 있다.

이 데이터 대부분은 동역학적분석 이론에 익숙한 사람들이 개발했으므로 늘 엔지니어와 부품 설계자에게 친숙한 형태로 제공되지는 않는다는 점이다. 다음 칼럼에서는 이러한 데이터 제공방식 문제에 대해 논의하고, 나와 있는 정보를 최대한 활용할 수 있는 실제적 방법을 알아본다.

 

 

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