유리전이온도 Tg란? 광학 수지의 내열성을 판단하는 지표

유리전이온도(Tg)는 광학 수지의 내열 설계에서 가장 기본적이면서 중요한 지표 중 하나입니다. 스마트폰 카메라, 차량용 광학계, HUD 등 발열 환경에서 쓰이는 용도에서는 Tg를 넘어서면 치수 정밀도나 광학 성능이 단번에 저하됩니다. 이 글에서는 Tg의 물리적 의미부터 HDT·연속 사용 온도·융점과의 차이, 주요 수지 비교, JIS 규격에 따른 측정법, 설계상의 판단 기준까지를 광학 설계자·소재 구매 담당자를 위해 정리합니다.

📌 3줄 요약

• Tg는 비정질 수지가 유리 상태에서 고무 상태로 바뀌는 경계 온도이다. 소재 고유의 물성
• Tg·HDT·연속 사용 온도·융점은 모두 다른 개념이다. 혼동하면 설계를 그르친다
• 광학 수지의 Tg는 대체로 PS 약 100℃, PMMA 약 105〜110℃, PC 약 145〜150℃, COP 123〜156℃, Iupizeta EP 140〜145℃

유리전이온도(Tg)란

유리 상태와 고무 상태의 경계

유리전이온도(Tg)란 비정질 고분자가 유리 상태(단단하고 취약함)에서 고무 상태(부드럽고 탄력성이 있음)로 변화하는 온도입니다. 저온에서는 분자쇄의 운동성이 낮아 고체로 거동하지만, Tg를 넘어서면 분자쇄가 자유롭게 움직일 수 있게 되어 고무 같은 유연한 거동으로 바뀝니다.

Tg를 경계로 열팽창 계수·비열·탄성률·유전율과 같은 물성이 불연속적으로 변화합니다. 광학 수지에서는 Tg 부근에서 치수·복굴절·투명성 등이 크게 변동하므로, 실용 온도를 Tg에서 충분히 낮게 잡는 것이 설계의 철칙입니다.

비정질 수지와 결정성 수지

수지는 분자 구조의 규칙성에 따라 결정성 수지(PE, PP, PA, PET 등)와 비정질 수지(PS, PMMA, PC, PEI, COP 등)로 나뉩니다. 결정성 수지는 명확한 융점(Tm)을 갖는 반면, 비정질 수지는 융점을 갖지 않아 Tg가 사실상의 내열성 지표가 됩니다. 광학 수지는 투명성을 확보하기 위해 대부분이 비정질 수지입니다.

Tg와 HDT·연속 사용 온도·융점의 차이

‘내열성’이라고 한마디로 말해도 업계에서 사용되는 지표는 여러 가지입니다. 의미를 잘못 이해하면 설계를 그르치므로 명확히 구별할 필요가 있습니다.

Tg는 무하중 하에서의 소재 고유의 성질이며, 하중이 가해진 조건에서의 변형을 나타내는 HDT와는 역할이 다릅니다. 연속 사용 온도는 열산화 열화나 물성 저하도 감안한 장기 평가로, Tg보다 상당히 낮게 설정되는 것이 일반적입니다.

광학 설계 현장에서는 사용 온도가 Tg − 40〜50℃ 이하에 들어가도록 재료를 선정하는 것이 안전 마진의 기준입니다.

주요 광학 수지의 Tg 비교

대표적인 광학 수지·투명 수지의 Tg 기준값입니다. 같은 수지라도 그레이드·코모노머·첨가제에 따라 폭이 있으므로, 설계 시에는 반드시 사용 그레이드의 TDS를 참조하시기 바랍니다.

출처: 각 사 TDS

광학 수지를 선택할 때는 굴절률·아베수·복굴절에 더해 Tg를 조기에 좁혀나가는 조건으로 활용하는 것이 정석입니다.

JIS K 7121과 DSC에 의한 Tg 측정

JIS K 7121:2012의 위치

수지의 Tg는 JIS K 7121:2012(플라스틱의 전이 온도 측정 방법, ISO 3146 대응)으로 표준화되어 있습니다. 융해 온도(Tm), 결정화 온도, 유리전이온도의 세 가지를 동일한 틀에서 규정하는 규격입니다.

DSC법에 의한 측정

측정에는 주로 DSC(시차주사열량분석)가 사용됩니다. 시료와 기준 물질을 일정 속도로 승온하여 양자의 열량 차이를 기록함으로써 Tg 부근의 베이스라인 이탈을 검출합니다. 표준적인 승온 속도는 분당 10℃ 또는 20℃입니다.

JIS K 7121에서는 Tg의 결정 방법으로 다음 세 가지 온도를 정의하고 있습니다.

• 외삽 유리전이 개시 온도(Tig): 유리 상태의 베이스라인에서 벗어나기 시작하는 온도
• 중간점 유리전이온도(Tmg): 전이 영역의 중점 온도
• 외삽 유리전이 종료 온도(Teg): 고무 상태의 베이스라인으로 이행하는 온도

문헌이나 TDS에 ‘Tg = ○○℃’로 기재되는 경우, Tmg가 채택되는 것이 일반적입니다. 시료의 전처리(열 이력 제거)나 승온 속도에 따라 측정값이 달라지므로, 비교할 때는 측정 조건을 맞추는 것이 원칙입니다.

Tg 부근에서 일어나는 현상

실용 온도가 Tg에 가까워지면 여러 불량이 동시에 진행됩니다.

치수·형상의 불안정화

Tg 근방에서는 분자 운동이 활발해져 응력 완화에 의해 끼워맞춤부의 고정력이 저하되거나, 잔류 응력의 해방에 의한 예기치 못한 휨·변형이 발생합니다. 광학 렌즈에서는 초점거리 드리프트나 수차 악화로 나타납니다.

광학 성능의 저하

광학 수지는 Tg 근방에서 굴절률·복굴절이 변동하므로 화상의 번짐, 색 시프트, 콘트라스트 저하가 일어납니다. 스마트폰 카메라나 AR 글래스처럼 발열원 근방에 놓이는 용도에서는 불과 수 ℃의 상승만으로도 성능이 제대로 나오지 않는 경우도 있습니다.

기계 물성의 급변

탄성률이 Tg를 경계로 수 자릿수 저하하므로 충격 강도나 강성이 크게 변화합니다. 동적기계분석(DMA)으로 Tg를 평가하면 저장 탄성률의 급강하와 tanδ의 피크로서 뚜렷하게 관찰됩니다.

설계상의 안전 마진

이러한 현상을 피하기 위해 광학·정밀 용도에서는 사용 온도를 Tg − 40〜50℃ 이하에 두는 것이 실무적인 가이드라인입니다. 나아가 장기 신뢰성이 필요한 차량용·의료용 용도에서는 연속 사용 온도(RTI)도 함께 확인하는 것이 권장됩니다.

Iupizeta EP의 고 Tg 설계

주요 그레이드 대부분이 Tg 140〜145℃

미쓰비시가스화학의 광학 수지 ‘Iupizeta EP’는 주요 그레이드 대부분이 Tg 140〜145℃라는 높은 수준을 확보한 광학 수지입니다(Iupizeta EP 공식 제품 페이지). 일반 PMMA보다 20〜40℃ 높고, 범용 PC와 동등 이상의 Tg를 갖는 점이 차량용·근접 발열원용 광학 설계에서 이점이 됩니다.

▼대표 그레이드(발췌)

※ 측정값이며 규격값이 아닙니다.

고굴절률·저복굴절·고Tg를 양립

고굴절률을 노리면 일반적으로 Tg가 낮아지기 쉬운 경향이 있는 가운데, Iupizeta EP는 굴절률 1.616〜1.671의 범위를 유지하면서 대표 그레이드는 Tg 140〜145℃입니다. 용도에 따라 Tg 156℃의 EP-7500이나 Tg 260〜280℃의 리플로 대응재도 전개하고 있습니다. 또한 고Tg재로 개발한 EP-7500은 Tg 156℃로, 환경 시험에서의 치수 안정성이 우수합니다. 나아가 독자적인 분자 설계로 저복굴절도 실현하고 있어, 스마트폰 카메라·차량용 광학계·HUD·AR 글래스처럼 ‘고해상도＋고온 환경’의 조합이 요구되는 용도를 고려한 설계입니다.

내열성을 극한까지 높인 리플로 내열재도 개발

미쓰비시가스화학의 광학 수지 ‘Iupizeta EP’는 Tg 260〜280℃라는 리플로 공정에도 대응 가능한 재료도 개발하고 있습니다. 센서나 광통신 용도에서의 수요가 높아지고 있으며, 조립 공수 절감이 기대됩니다.

정리

유리전이온도(Tg)는 광학 수지의 내열 설계를 검토할 때의 기본 지표입니다. HDT·연속 사용 온도·융점과는 별개의 개념이며, 각각을 올바르게 구별하여 다루는 것이 설계 품질을 좌우합니다. 광학 수지를 선택할 때는 굴절률·아베수·복굴절과 함께 Tg를 조기에 스크리닝하고, 사용 온도에 대해 충분한 마진을 확보하는 것이 장기 신뢰성과 광학 성능의 양립으로 이어집니다.

Iupizeta EP에 대하여

Iupizeta EP는 미쓰비시가스화학이 개발한 광학 수지로, 굴절률 1.616〜1.671, 아베수 19.2〜25.8, Tg 140〜145℃의 그레이드를 갖추고 있습니다. 나아가 고Tg재도 개발하고 있어, 고객의 요구에 맞추어 Tg의 조정도 가능합니다.

독자 분자 설계에 의한 저복굴절과 고굴절률의 양립도 특장점입니다. 상세한 물성 데이터나 샘플 제공에 관한 문의는 공식 사이트의 문의 양식을 통해 부담 없이 연락 주시기 바랍니다.

Iupizeta EP 공식 사이트