흡수율이란? 광학 수지의 치수와 굴절률이 변하는 이유

플라스틱은 공기 중이나 물속의 수분을 시간이 지나면서 흡수하며, 그 흡수되기 쉬운 정도를 수치화한 것이 흡수율입니다. 흡수율이 높은 수지는 치수와 강도가 변화하며, 광학부품에서는 굴절률까지 변동합니다. 본 글에서는 측정 방법부터 수지 종류에 따른 차이, 성형 현장에서의 관리까지 정리합니다.

📌 3줄 요약

흡수율은 수분 흡수에 따른 질량 증가율이며, JIS K 7209·ISO 62의 기준은 23℃ 물속에 24시간 침지한 값

동일한 수지라도 24시간값·포화값·평형값 중 무엇을 채택하느냐에 따라 수치가 2배 이상 차이

흡수는 치수 변화에 그치지 않고 굴절률까지 변동시켜 렌즈의 초점 거리를 어긋나게 함

흡수율이란?

흡수율은 ‘물로 늘어난 무게의 비율’

흡수율이란 수지가 수분을 얼마나 흡수하는지를 질량 변화로 나타낸 지표입니다. 플라스틱은 공기 중이나 물속의 수분을 시간이 지나면서 흡수하여 수지 내부에 보유합니다.

산출 방법은 침지 전후의 질량을 비교하여 증가분을 침지 전 질량으로 나눈 뒤 100을 곱하는 것이며, 단위는 %로 나타냅니다(JIS K 7209).

‘흡수’와 ‘흡습’, 그리고 골재의 흡수율

물속에서의 측정을 ‘흡수’, 습윤한 공기 중에서의 측정을 ‘흡습’이라고 구별하지만, 두 값은 동일한 규격 안에 자리 잡고 있으며 카탈로그에서는 둘 다 ‘흡수율’로 병기되는 경우가 많으므로 참조 시 주의가 필요합니다.

또한 골재나 콘크리트에서의 ‘흡수율’은 표면건조포화상태의 수분량을 절대건조상태의 질량으로 나눈 것으로, 수지와는 다른 정의에 기반합니다. 이후로는 수지에 한정하여 논합니다.

흡수율의 측정 방법과 규격

JIS K 7209와 ISO 62의 4가지 시험 방법

일본에서는 JIS K 7209(플라스틱 – 흡수율 구하는 방법), 국제 규격으로는 ISO 62, 미국에서는 ASTM D570이 사용됩니다(JIS K 7209:2000은 ISO 62와 정합합니다). JIS가 규정하는 시험 방법은 4종입니다.

출처: JIS K 7209:2000

미국의 ASTM D570에서도 23±1℃·24시간이 표준 조건이며, 물성표에는 ‘24시간·3.2mm 두께’와 같이 시험편 두께가 함께 표기됩니다.

24시간값·포화값·평형값 구분하기

동일한 수지라도 측정 조건에 따라 다음과 같이 세 가지 다른 수치가 도출됩니다.

24시간값 : 23℃ 물속에 24시간 침지한 값. 카탈로그상의 대표값

포화값 : 더 이상 흡수되지 않을 때까지 침지한 값. 24시간값을 상회함

평형값 : 소정의 습도 조건 하에서 평형에 도달한 값. 사용 환경에 근접함

어느 폴리카보네이트 (PC)의 물성표에는 포화값 0.3% (23℃ 물속)와 평형값 0.12% (23℃·습도 50%)가 함께 기재되어 있어, 동일 재료에서 2.5배의 차이가 발생합니다. 나일론66에 대해서도 24시간값 1.5%인 데 비해, 조건이 제시되지 않은 채 8.4%라는 수치가 유통되는 사례가 있습니다.

주요 수지의 흡수율 비교

수지별 흡수율 비교

대표적인 수지의 흡수율을 측정 조건과 함께 아래에 나타냅니다. 조건이 다른 수치를 단순히 나란히 비교할 수는 없습니다.

출처: 미쓰보시벨트, 코베스트로, 윌코, 미스미, 니혼제온 각 사의 공개 자료, 그리고 가와이 히로마사(河合宏政), ‘광학용 플라스틱 재료’, 光学(고가쿠) 24(2), 1995

광학용 수지로 한정하면 포화흡수율은 PMMA 2.0% > PCHMA 1.2% > ARTON 0.5% > PC 0.4% > PS 0.1% > COP 0.1% 미만의 순서가 됩니다 (가와이, 1995). 1995년 문헌값으로 현행 그레이드의 수치는 아니지만, 수지 종류만으로도 1자릿수 이상의 차이가 발생합니다.

수지별로 차이가 나는 이유

차이를 가르는 요인은 분자 구조 내 산소의 유무이며, 물 분자가 산소 원자와 결합하기 쉬운 성질에 기인합니다.

0.1% 이하 : 산소를 포함하지 않음 (PE, PP, 불소수지, PS)

0.1~1% : 에스테르 결합·에테르 결합으로 산소를 포함 (PC, PET, 아크릴, POM)

1% 이상 : 수산기 (OH)로 산소를 포함하거나 아미드 결합을 보유 (나일론)

분자사슬이 규칙적으로 배열된 결정 영역에는 물 분자가 침투하기 어려우므로, 결정화도도 흡수율에 영향을 미칩니다 (아사히카세이 델펫 기술자료).

흡수하면 어떤 일이 일어나는가

치수가 바뀌고 강도가 낮아진다

흡수한 수지는 팽윤합니다. 어느 아크릴 수지의 자료에서는 20℃에서 습도가 0%에서 100%로 변화함에 따라 치수가 약 0.4% 변화한다고 되어 있으며, 1m 부품에서는 약 4mm에 해당합니다. 다만 이 변화는 완만하여, 두께 3mm의 시험편이 안정되기까지 30일 이상이 걸립니다.

강도도 저하됩니다. 침투한 물 분자가 고분자 사슬 간의 결합을 느슨하게 하여 가소제 (부드럽게 하는 첨가제)로 작용하기 때문입니다. 인장응력은 약 75MPa (수분 0%)에서 약 60MPa (수분 1.6%)로 저하되는 예가 보고되어 있으며 (아사히카세이 델펫 기술자료), 흡수한 수지는 일반적으로 유리전이온도（Tg）도 저하되는 경향을 보입니다.

성형 시 가수분해가 일어난다

에스테르 결합을 가진 수지 (PET, PBT 등)와 카보네이트 결합을 가진 PC는 열과 물이 동시에 가해지면 결합이 절단됩니다. 이를 가수분해라고 하며, 분자사슬이 짧아지면서 강도가 저하됩니다. 폴리에스터계 수지의 성형에서는 용융 수지가 250~320℃에 달하므로, 약간의 수분만으로도 가수분해가 진행됩니다 (곤도, 1996). 이는 이러한 결합을 가진 수지에 공통되는 성질이며, 따라서 성형 전 건조가 필수적입니다.

가수분해에 대해서는 별도 글에서 자세히 설명하고 있습니다.

광학부품에서는 굴절률이 변동한다

이것이 광학부품에 특유한 문제입니다. 흡습은 형상을 팽윤시킬 뿐 아니라 굴절률 자체를 증감시켜 초점 거리와 파면수차를 변동시킵니다.

습도를 99%→7%→99%로 변화시켰을 때, 플라스틱 광학계의 초점 위치가 수백 μm 폭으로 움직인 예가 있습니다 (가와이, 1995). 게다가 이 변화는 완만한 경시 변화이며, 온도 변화와 같은 직선적인 가역성을 갖지 않습니다. 사후 보정으로 회피하기 어려운 변화입니다.

성형 현장의 실무: 예비건조와 수분율

‘흡수율’과 ‘한계 수분량’은 다른 지표

카탈로그의 흡수율은 % 단위이지만, 성형 시 지켜야 할 수분량은 자릿수가 두 자리 다릅니다. 이를 한계 수분량이라고 하며, 이를 초과하면 가수분해의 위험이 높아지는 수분량입니다.

출처: 곤도, 1996

PC의 한계 수분량은 0.02%이며, 이는 펠렛 10kg에 포함된 수분이 2g 이하인 수준에 해당하므로, 저울로 직접 관리하는 것은 불가능합니다. 따라서 건조기의 운전 조건으로 관리합니다.

실버 스트릭 없이도 강도가 떨어진다

건조가 불충분한 재료를 성형하면 수분이 가열로 인해 수증기가 되어 표면에 은색 줄무늬가 생깁니다. 이를 실버 스트릭 (은조)이라고 하며, 건조 부족의 지표가 됩니다.

다만 이는 PS나 나일론처럼 한계 수분량이 0.1~0.2%로 비교적 큰 수지에 해당하는 현상입니다. PC나 PET는 한계 수분량이 0.02~0.05%로 낮아, 이를 초과해도 외관상의 변화로 나타나지 않습니다. PC의 가수분해에서는 무색무취의 이산화탄소만 생성되므로 성형 중 이상 감지가 어려우며, 출하 후에 강도 부족으로 드러나는 경우도 있습니다 (곤도, 1996). 실버 스트릭이 나타나지 않는다고 해서 건조가 충분하다는 의미는 아닙니다.

예비건조와 운용상의 함정

범용 폴리카보네이트에서는 사출성형 전 잔류수분 0.02% 이하를 기준으로 120℃에서 건조합니다. 정밀 광학부품에서는 더욱 엄격한 관리가 요구됩니다. 유피제타 EP에서는 120℃·6시간 이상의 건조와 잔류수분율 0.01% 미만이 권장 조건입니다 (그레이드에 따라 다릅니다).

예비건조 권장 조건에 대해서는 별도 글에서 확인할 수 있습니다.

제조사가 제시하는 건조 조건은 방습포장을 개봉한 직후의 신품 펠렛을 전제로 합니다. 개봉 후 방치된 펠렛, 착색 페이스트 혼합품, 재활용품, 분쇄품은 이미 수분을 흡수한 상태이므로 동일한 조건으로는 건조가 부족해집니다 (곤도, 1996).

광학 용도에서 저흡수성이 중요한 이유

온도의 영향은 보정할 수 있어도 흡습은 보정하기 어렵다

온도에 의한 굴절률 변화는 실용 온도 영역에서는 가역적이고 직선적이므로 설계나 교정에서 감안할 수 있습니다. 흡습에 의한 변화는 완만하게 진행되며, 돌아가는 방식도 직선적이지 않습니다 (가와이, 1995). 아무리 고정밀도로 성형하더라도 재료 자체가 습기로 인해 움직인다면 정밀도는 유지되지 않습니다.

유피제타 EP의 포지셔닝

유피제타 EP는 고굴절률·저복굴절·고내열을 특장점으로 하는 특수 폴리카보네이트 수지입니다. 굴절률 1.616~1.671, 아베수 19.2~25.8, 유리전이온도（Tg） 140~145℃의 그레이드를 갖추고 있습니다.

유피제타 EP에 대한 자세한 내용은 다음에서 확인하시기 바랍니다.

용도는 스마트폰 카메라, 차량용 카메라, XR 디바이스 등, 작은 렌즈에 높은 정밀도가 요구되며 환경 변화에도 노출되는 영역입니다.

요약

흡수율을 읽을 때 확인할 3가지

수치를 참조하기 전에 규격과 조건 (24시간값/포화값/평형값, 두께)을 확인한다

치수나 강도뿐 아니라 광학부품에서는 굴절률의 드리프트를 상정한다

성형에서는 흡수율이 아니라 한계 수분량을 기준으로 건조 조건을 설정한다

가수분해의 원리는 폴리에스터 수지의 가수분해 칼럼에서, 건조 조건은 예비건조 칼럼에서 자세히 설명하고 있습니다.

유피제타 EP에 대하여

유피제타 EP는 미쓰비시가스화학이 개발한 광학용 특수 폴리카보네이트 수지입니다. 200종 이상의 모노머 조합을 통해 굴절률·아베수·내열성을 용도에 맞게 설계할 수 있습니다. 공개된 물성표에 없는 데이터 상담이나 샘플 제공은 공식 사이트의 문의 양식을 통해 부담 없이 연락 주시기 바랍니다.

Iupizeta EP 공식 사이트

이 글의 일부 이미지와 텍스트는 생성형 AI의 도움을 받아 제작되었습니다.