내열 수지란? 정의, 측정 규격, 주요 수지의 내열 데이터 비교

내열 수지라는 용어는 일상적으로 사용되지만, 업계 전반에서 합의된 단일한 정의는 존재하지 않으며, 실무에서는 평가하려는 특성에 따라 여러 지표가 함께 사용됩니다. 대표적인 지표는 유리전이온도(Tg), 하중휨온도(HDT), UL746B에 기반한 연속사용온도(RTI)의 3가지이며, 각각 측정 조건과 평가 대상이 다르므로 단순히 수치의 크고 작음만으로 우열을 비교할 수는 없습니다. 본 글에서는 이 3가지 지표의 관계를 정리한 후 주요 수지의 내열 데이터를 1차 자료로 비교하고, 광학 용도 특유의 ‘투명성과 내열성의 양립’이라는 논점까지 다룹니다. 광학 설계자, 재료 조달 담당자, 연구자를 주요 독자로 상정하고 있습니다.

📌 3줄 요약

• 내열 수지에는 단일한 정의가 없으며, Tg 기준·HDT 기준·연속사용온도(UL746B) 기준의 3가지 평가축이 병존
• 주요 엔플라의 기준은 Tg 약 100~220℃, 연속사용온도 약 70~260℃로 수지 계통에 따라 크게 다름
• 광학 수지는 투명성 유지를 위해 비결정성 구조로 한정되기 쉬워 내열성과의 양립이 어려움. Iupizeta®EP는 Tg 140~145℃에서 이를 실현

내열 수지란? 여러 정의축 정리

내열 수지란 일반적인 범용 수지가 변형·열화되는 온도 영역에서도 안정적으로 기능하는 플라스틱을 통칭하는 말입니다. 다만 ‘안정적으로 기능한다’는 것을 뒷받침하는 지표는 하나가 아니며, 평가축마다 서로 다른 규격과 측정법이 사용되고 있습니다(아라카와기켄 내열 수지란? 종류·온도별 비교).

Tg 기준: 재료 고유의 상전이점

유리전이온도(Tg)는 비결정성 수지가 유리 상태에서 고무 상태로 전이하는 온도로, 무하중 하에서 DSC 측정을 통해 구하는 재료 고유의 물성입니다. Tg의 정의, 측정 원리, 주요 수지의 비교 데이터는유리전이온도(Tg) 해설 기사에서 자세히 다루고 있습니다. 여기서는 Tg가 내열성을 판단하는 여러 지표 중 하나에 불과하다는 점을 짚어 두겠습니다.

HDT 기준: 하중 하에서의 변형 시작점

하중휨온도(HDT)는 규정된 굽힘응력을 가한 상태에서 시험편의 온도를 높여 규정된 처짐량에 도달한 온도를 가리키는, 구조 강도에 가까운 지표입니다. 무하중 조건의 Tg와 달리 HDT는 실제 사용에 가까운 하중 조건을 반영하므로, 구조 부품의 내열 설계에서는 HDT가 실무 판단에 더 직결됩니다.

연속사용온도 기준 장기 사용 시 열화 한계

연속사용온도는 UL746B에 기반한 장기 열화 시험으로 규정되는 지표입니다. 여러 온도에서 가열 열화시킨 데이터를 아레니우스 법칙에 따라 외삽하여, 인장강도·충격강도·전기절연성 등의 초기 물성이 대략 절반 수준까지 저하되는 온도를 산출한 것이 RTI(상대온도지수)입니다(UL746B 규격 해설 야스다세이키 제작소). Tg·HDT가 단시간·사실상 열화가 없는 조건에서의 지표인 것과 달리, RTI는 경년 열화를 반영한 실사용 수명의 지표라는 점에서 본질적으로 다릅니다.

내열성을 측정하는 규격: JIS·UL

내열성의 3가지 지표에는 각각 대응하는 JIS 규격·국제 규격이 존재합니다.

• Tg: JIS K 7121:2012(ISO 3146 대응). DSC법으로 외삽 유리전이 개시온도·중간점온도·종료온도의 3가지 값을 규정
• HDT: JIS K 7191-1:2015/JIS K 7191-2:2015(ISO 75 대응). 굽힘응력 1.8MPa 등의 하중 하에서 실시하는 3점 굽힘 시험으로, 표준 시험편(길이 80mm×폭 10mm×두께 4mm)을 승온 속도 120℃/h로 측정하여 규정 처짐량 0.34mm에 도달한 온도를 읽음(JIS K7191 해설 유모토전기)
• 연속사용온도(RTI): UL746B(IEC 60216 관련 규격)

또한, 수지의 열분해가 시작되는 온도는 Tg·HDT·RTI 중 어느 것과도 다른 네 번째 평가축입니다. 분해 메커니즘과 측정 규격(JIS K 7120 등)은열분해 해설 기사에서 다루고 있습니다. 내열 수지의 ‘상한’을 생각할 때는 변형 지표(Tg·HDT)와 분해 지표를 혼동하지 않는 것이 중요합니다.

주요 수지의 내열 데이터 비교표

아래는 주요 수지 계통의 내열성 지표를 1차 자료를 바탕으로 정리한 것입니다. 등급, 강화재, 난연제 유무에 따라 수치는 달라질 수 있으므로 참고용으로 활용하시기 바랍니다.

출처:수지·플라스틱 재료 환경 협회 플라스틱 재료의 내열성 비교

결정성 수지(PA66·POM·PBT·PPS·PEEK)는 Tg를 넘어서도 결정 부분이 형상을 유지하므로, Tg가 아니라 융점(Tm)과 HDT가 실질적인 내열 지표가 됩니다. 반면 비결정성 수지(PMMA·PC·PEI)는 Tg가 사실상의 상한 온도로 작용합니다. 수지의 결정성·비결정성 구분이 내열 지표를 해석하는 방식 자체를 좌우한다는 점에 유의해야 합니다.

투명성과 내열성의 양립이 어려운 이유

광학 수지 설계에서는 투명성 확보가 내열 수지 선정의 제약 조건이 됩니다.투명 수지 해설 기사에서 다룬 바와 같이, 수지가 투명하려면 분자 배열이 불규칙한 비결정성 구조를 가져야 하며, 위 표의 PPS·PEEK와 같은 결정성 고내열 수지는 결정 부분에서의 광산란으로 인해 백탁이 발생하므로 광학 용도에는 그대로 사용할 수 없습니다. 즉 광학 수지의 내열 설계는 처음부터 비결정성 수지라는 한정된 선택지 안에서 Tg를 얼마나 끌어올리느냐의 문제가 됩니다.

Tg를 끌어올리는 접근법으로는 강직한 분자골격의 도입이나 고리 구조의 부여 등이 있으나, 어느 쪽이든 부작용이 따릅니다. 분자골격을 강직하게 하면 Tg는 상승하는 반면 선팽창계수(CTE)가 커지기 쉽고, 성형 시 분자 배향에서 비롯되는 복굴절도 발생하기 쉬워집니다. 이러한 내열성과 다른 광학·치수 특성 간의 트레이드오프에 대해서는선팽창계수(CTE) 해설 기사에서 자세히 다루고 있습니다. 이러한 구조적 트레이드오프로 인해, 광학 수지에서 투명성과 고내열성을 양립시키는 설계는 공업적으로 난도가 높으며, 범용 수지의 단순한 조성 변경만으로는 실현되지 않습니다.

엔지니어링 플라스틱과의 관계

내열 수지의 상당수는 성능·가격대에 따라 분류되는 ‘엔지니어링 플라스틱(엔플라)’과 ‘슈퍼 엔지니어링 플라스틱(슈퍼 엔플라)’이라는 틀 안에 위치합니다. 기준으로는 연속사용온도가 대략 100~150℃인 수지군이 엔플라, 150℃ 이상이 슈퍼 엔플라로 분류됩니다(아라카와기켄 슈퍼 엔플라란? 종류·특성·주요 용도 일람표). 위 표의 PA66·POM·PBT는 엔플라, PPS·PEEK는 슈퍼 엔플라에 해당합니다.

Iupizeta®EP의 위치 투명×고내열의 양립

미쓰비시가스화학의 광학 수지 ‘Iupizeta®EP’는 전 등급에서 Tg 140~145℃를 확보하면서, 굴절률 1.616~1.671, 아베수 19.2~25.8이라는 광학 성능을 동시에 갖추고 있습니다(Iupizeta EP 공식 제품 페이지).

※ 측정치이며 규격치는 아닙니다(공식 주석)

Tg 140~145℃는 위 표의 일반적인 비결정성 수지와 비교하면 표준 PMMA(약 100~110℃)를 크게 웃돌며, 범용 PC(약 145~150℃)와 동등한 수준입니다. 고굴절률화는 Tg를 낮추는 방향으로 작용하기 쉬운 것이 분자설계상 일반적인 경향이지만, Iupizeta®EP는 굴절률 1.616~1.671 범위에서 Tg 140~145℃를 거의 유지하고 있어, 투명성·고굴절률·고내열을 동시에 충족하는 설계로 되어 있습니다. 이러한 특성은 발열원에 인접한 스마트폰 카메라나 차량용 광학계처럼 높은 광학 성능과 내열성이 동시에 요구되는 용도에서 선정 조건을 충족하기 쉬운 점으로 이어집니다.

정리

내열 수지라는 용어는 Tg·HDT·연속사용온도라는 세 가지 서로 다른 평가축을 하나로 묶은 총칭이며, 단일한 임계값으로 정의되는 것이 아닙니다. 수지 선정 시에는 이러한 지표를 혼동하지 말고 대상 부품의 사용 조건(하중 유무, 단기 사용인지 장기 사용인지)에 따라 적절한 지표를 참조해야 합니다. 광학 수지에서는 투명성을 유지하는 비결정성 구조라는 제약 속에서 내열성을 확보해야 하며, 이는 Iupizeta®EP처럼 Tg와 광학 성능을 동시에 최적화하는 분자설계가 요구되는 영역입니다.

Iupizeta®EP에 대하여

Iupizeta®EP는 미쓰비시가스화학이 개발한 광학 수지로, 굴절률 1.616~1.671, 아베수 19.2~25.8, Tg 140~145℃의 고내열 등급을 갖추고 있습니다. 독자적인 분자설계를 통한 저복굴절과 고굴절률의 양립도 특장점입니다. 자세한 물성 데이터나 샘플 제공 문의는 공식 사이트의 문의 양식을 통해 부담 없이 연락 주시기 바랍니다.

Iupizeta EP 공식 사이트