투명 수지란? 종류별 물성과 광학 용도별 선정법

투명 수지란 가시광선 영역의 빛을 높은 비율로 투과시키는 플라스틱을 총칭하는 말입니다. 기기 커버부터 스마트폰 카메라 렌즈까지 용도는 광범위하지만, 투명성이 높다고 해서 그대로 광학 부재로서의 적성을 의미하는 것은 아닙니다. 본 기사에서는 물성을 1차 정보의 수치로 정리하고, 광학 용도에서의 선정 기준까지 다룹니다.

📌 3줄 요약

‘투과율 ○% 이상’이라는 공적인 임계값 정의는 없음, 판단 기준은 용도별 요구값임

투명성의 유무는 분자 배열이 무질서한지(비결정성), 규칙적인지(결정성)로 거의 결정됨

광학 용도에서는 투과율만으로는 부족하며, 굴절률·아베수·복굴절·내열성을 함께 평가해야 함

투명 수지란?

빛을 잘 통과시키는 플라스틱의 총칭

투명 수지란 가시광선을 잘 통과시키는 플라스틱을 총칭하는 말입니다. 아크릴 수지(PMMA)의 전광선 투과율은 92%로, 동일 자료에서 유리의 90%를 웃돕니다 (아사히카세이 델펫, ISO 13468-1).

‘투과율 ○% 이상’이라는 정의는 존재하지 않는다

‘전광선 투과율 80% 이상을 투명 수지로 한다’는 설명이 널리 유포되어 있지만, JIS·ISO·업계 단체 어디에서도 임계값 정의는 존재하지 않습니다. JIS K 7361-1:1997은 측정 방법을 규정하는 규격이며, 합격 기준을 정하는 것은 아닙니다.

동일한 90%라는 수치라도 간판 용도에서는 충분하지만 렌즈 용도에서는 부족한 것처럼, 임계값이 아니라 용도의 요구값이 판단 기준이 됩니다.

전광선 투과율과 헤이즈는 다른 지표

전광선 투과율 : 입사 광속에 대한 투과 광속의 비율. JIS K 7361-1:1997 (ISO 13468-1 준거)

헤이즈 (탁도) : 투과광 중 확산 성분이 차지하는 비율. JIS K 7136:2000 (ISO 14782 준거)

투과율이 동일하더라도 외관상의 명료도는 일치하지 않습니다. COC (환상 올레핀 코폴리머)의 광학 그레이드는 투과율 91%에 대해 헤이즈 0.5% 이하이지만, 일반 그레이드는 동일한 투과율 91%에서 헤이즈 2~3%에 달합니다.

수지가 투명해지는 원리

비결정성 수지는 분자가 흩어져 있어 빛을 통과시킨다

비결정성 수지란 고분자사슬이 장거리 질서를 갖지 않고 무작위로 고화되는 수지입니다. 유리와 마찬가지로 결정립계를 갖지 않으므로, 가시광선은 산란되지 않고 투과합니다. PMMA, 폴리카보네이트 (PC), PS, COP가 여기에 해당합니다.

결정성 수지는 결정 입계에서 빛이 산란한다

결정성 수지는 고분자사슬의 일부가 규칙적으로 배열된 결정상과 비결정상이 공존하는 구조를 취합니다. 두 상 간에 굴절률이 다르므로 그 계면에서 빛이 산란되어 백탁이 발생합니다 (가와이 히로마사, ‘광학용 플라스틱 재료’, 고가쿠(光学) 24(2), 1995).

예외적으로 폴리메틸펜텐(PMP/TPX)은 결정성이면서도 결정상과 비결정상의 굴절률이 가까워 투명성을 나타냅니다 (가와이 1995).

주요 투명 수지의 종류와 물성 비교

표로 보는 주요 투명 수지

1차 정보에 기반한 수치만을 제시합니다.

출처 : 아사히카세이 델펫 / 가와이 1995 / 미쓰이화학 APEL / 니혼제온 광학 그레이드 물성치 / Iupizeta® EP 제품 정보

표 주기

전광선 투과율의 측정 규격은 ISO 13468-1 / JIS K 7361 / ASTM D1003 간에 통일되어 있지 않으며, 두께 조건도 일치하지 않으므로 엄밀한 상호 비교는 불가능합니다.

COP의 아베수 (※)는 가와이 1995에 의한 값입니다.

PET·PETG·투명 폴리아미드는 1차 정보가 미확인되어 제외하였습니다. 표 중의 ‘—’는 미공표 항목입니다.

브랜드 간에도 수치는 변동합니다 (COP의 굴절률은 실측 1.51~1.53, 시마즈제작소). 설계 시에는 사용 그레이드의 TDS에서 확인이 필요합니다.

수지별 특성

PMMA : 투명성은 수지 중에서 최상위에 위치하며, 가와이 1995는 ‘플라스틱의 여왕’이라 평합니다. 포화 흡습률 2.0%가 약점입니다.

PC : 내충격성이 다른 수지와 확연히 차이가 나며, IZOD 충격값은 PC가 650 J/m, PMMA·PS는 20 J/m로 32배의 차이를 보입니다 (미쓰이화학, ASTM D256).

PS·SAN·PVC : 저렴한 반면, 복굴절이나 내열성 면에서 정밀 광학에는 적합하지 않습니다.

COP·COC : 흡수율 0.01% 미만, Tg도 122~155℃로 넓은 분포를 보입니다.

흡수율에 대해서는 관련 기사에서도 자세히 설명하고 있습니다.

용도로 선택하는 투명 수지

보이는 용도와 보호하는 용도

시인성 확보와 내용물 보호를 목적으로 하는 용도에서는 투과율·내충격성·비용·내후성이 지배적인 선정 요인이 됩니다.

PMMA는 전반사를 이용한 조명·의장 부재에, PC는 얇은 도광판이나 높은 내충격성이 요구되는 부재에 채택됩니다.

정밀 광학 용도

렌즈나 센서 주변 부재에서는 투명성 유무에 더하여 결상 성능이 요구됩니다.

대상 영역은 스마트폰 카메라, XR (AR/VR) 글라스, 차량용 카메라, HUD, 광통신 부품 등입니다. COC 광학 그레이드는 스마트폰이나 차량용 카메라 렌즈, HMD·HUD 등에 채택된 사례가 공개되어 있습니다.

선정 절차

용도의 요구값을 수치로 규정합니다 (투과율·사용 온도·치수 공차 등).

전광선 투과율과 헤이즈로 1차 선별을 실시합니다.

내열성·흡수율·내충격성·비용으로 후보를 좁힙니다.

광학 용도라면 추가로 굴절률·아베수·복굴절로 결정합니다.

광학 용도에서 확인해야 할 4가지 물성

굴절률 : 빛을 얼마나 휘게 하는가

굴절률이란 빛이 매질에 입사할 때 그 진행 방향이 얼마나 변화하는지를 나타내는 물성치입니다.

공기는 약 1.0, 물은 1.3, 일반적인 PC는 1.58입니다. 굴절률이 높을수록 더 얇은 렌즈로 동등한 광학적 작용을 얻을 수 있습니다.

굴절률에 대해서는 관련 기사에서도 자세히 설명하고 있습니다.

아베수 : 색번짐을 좌우하는 요인

아베수란 파장에 따른 굴절률의 차이, 즉 분산의 정도를 나타내는 수치입니다. 값이 작을수록 파장 간 굴절률 차이는 커집니다.

굴절률과 아베수 사이에는 양쪽을 동시에 높이기 어렵다는 트레이드오프가 있습니다. 굴절률이 높은 PS (1.592)와 PC (1.584)는 아베수가 31인 반면, 굴절률이 낮은 PMMA (1.492)와 PMP (1.466)는 각각 58, 61을 나타냅니다 (가와이 1995).

설계에서는 이 트레이드오프를 역으로 활용하여, 고분산 재료와 저분산 재료를 조합하여 색수차를 상쇄합니다.

아베수에 대해서는 관련 기사에서도 자세히 설명하고 있습니다.

복굴절과 광탄성계수 : 보이지 않는 왜곡이 화질을 떨어뜨린다

복굴절이란 광선이 이방성 물질(성질이 방향에 따라 다른 물질)을 투과할 때, 편광 방향에 따라 두 개의 굴절광으로 나뉘는 현상입니다. 성형 시 고분자사슬이 배향되면 이 상태가 발생하여 상이 번지고, 편광을 이용하는 기기에서는 화질이 저하됩니다. 투과율에는 나타나지 않으므로 간과되기 쉬운 물성입니다.

PMMA를 1로 한 성형품 복굴절의 상대치는 PMMA 1, PC 8, SAN 15, PS 20입니다 (가와이 1995).

또 하나의 지표가 광탄성계수이며, 응력에 대해 복굴절이 얼마나 쉽게 발생하는지를 나타냅니다. PMMA는 −6, PC는 90입니다 (×10⁻¹³ cm²/dyne, 가와이 1995). 부호는 방향을 나타내므로 강도는 절댓값으로 비교하며, PC는 PMMA보다 약 15배 응력에 민감합니다.

따라서 PC는 내열성과 내충격성이 우수하더라도 정밀 렌즈에는 사용하기 어려워집니다. 저복굴절을 노린 설계도 진행되어, COC 광학 그레이드에서는 복굴절 20nm 미만(각판 65×35×3t 중앙부 Φ25의 실측 조건)까지 억제한 사례가 공개되어 있습니다.

복굴절에 대해서는 관련 기사에서도 자세히 설명하고 있습니다.

내열성과 흡수 : 환경이 바뀌면 광학 성능도 달라진다

내열성의 지표는 유리전이온도(Tg)이며, 이를 초과하면 수지는 연화되어 렌즈 형상을 유지할 수 없게 됩니다. 열변형온도는 PMMA가 100℃, PC가 130℃입니다 (가와이 1995).

흡수는 치수 변화를 일으키며, 굴절률에도 영향을 미칩니다. 포화 흡습률은 PMMA가 2.0%, PC가 0.4%, COP계는 0.1% 미만입니다 (가와이 1995). 같은 문헌에는 습도 변화에 따라 초점 거리가 변동하는 실측 데이터도 제시되어 있습니다.

관련 지표에 대해서는 아래 각 기사에서 자세히 설명하고 있습니다.

유리전이온도 Tg란? / 선팽창계수 CTE란?

고굴절률과 저복굴절을 양립하는 Iupizeta® EP

Iupizeta® EP의 위치

미쓰비시가스화학의 Iupizeta® EP는 광학 용도의 특수 폴리카보네이트 수지입니다.

굴절률은 일반적인 PC의 1.58에 비해 1.616~1.671 대역에 있습니다. 굴절률 상승에 따라 아베수가 낮아지는 트레이드오프 하에서, 아베수는 19.2~25.8, 유리전이온도 Tg는 140~145℃입니다. 공식 사이트는 특장점으로 고굴절률·저복굴절·고내열성을 꼽고 있습니다.

Iupizeta® EP의 상세 정보는 아래 링크를 참고하십시오.

예상되는 용도

공식적으로 제시되는 주요 용도는 3개 영역입니다.

스마트폰 : 카메라 렌즈의 박형화와 화질 향상

XR (AR/VR) : 넓은 시야각과 착용감의 양립

차량용 카메라 : 내열성으로 렌즈 형상과 광학 물성의 변화를 억제

요약

선정의 사고방식

투명 수지에 ‘투과율 ○% 이상’이라는 공적인 정의는 존재하지 않습니다. 용도의 요구값에 근거하여 판단하는 것이 실무상의 원칙입니다. 보이는 용도와 보호하는 용도에서는 투과율·내열성·내충격성·비용으로 선정이 완결되지만, 광학 용도에서는 그 다음 단계로 굴절률·아베수·복굴절·내열성과 흡수라는 선정 기준이 기다리고 있습니다.

Iupizeta® EP에 대하여

Iupizeta® EP는 미쓰비시가스화학의 광학용 특수 폴리카보네이트 수지입니다. 굴절률 1.616~1.671, 아베수 19.2~25.8, Tg 140~145℃의 그레이드가 있습니다.

그레이드 선정 상담이나 샘플 의뢰는 공식 사이트의 문의 양식을 통해 부담 없이 연락 주시기 바랍니다.

Iupizeta EP 공식 사이트

이 글의 일부 이미지와 텍스트는 생성형 AI의 도움을 받아 제작되었습니다.