ABS 소재개발팀박인혁 inhyeokpark@lgchem.com 내후성시험의이해 11 01 시작하기에앞서 우리일상생활에서플라스틱을이용한제품을만나기란어렵지않다. TV, 냉장고, 컴퓨터등의가전제품 하우징을비롯하여우리가흔히 비닐봉지 라고부르 는각종포장재에이르기까지, 우리의실생활과아주밀접한많은곳에서사용되고있다. 이렇게우리에게친숙한플라스틱이지만외부에노출되어자외선과습도변화에의하여그표면품질과물성의저하가나타나는플라스틱의특성상한낮의강렬한햇빛과함께때로는눈, 비등의다양한기상변화에노출되어야하는외장용도로는그쓰임이제한적일수밖에없다. 하지만기술이발달함에따라철이나돌과같은재료들을가볍고상대적으로비용이저렴한플라스틱으로대체하는경우가늘어남에따라, 외부의기상변화에의하여일어나는플라스틱의특성변화를관찰하고이를검증하는것에대한니즈는점점확대되고있다. 고분자사슬을파괴하면서내부구조의변화를야기, 표면품질저하를비롯하여물성을저하시킨다. 이뿐아니라무작위적으로발생하는강우, 강설과같은급격한습도와온도의변화역시플라스틱이본래의성능을유지하는데있어서피해야할요소이다. 내후성평가는이처럼플라스틱에영향을미치는다양한기후조건들에대한저항성을평가하여외부환경에영향을받지않고안정적으로사용이가능한소재인지 ( 에대하여 ) 검증하는과정이며, 본지면에서는다양한내후성평가방법을소개하여이에대한이해를도모하고자한다. 그림 1 다양한외장용플라스틱 다양한기후조건에서가장플라스틱에영향을많이미치는것은광원이다. 대표적인자연광인태양에는우리가흔히자외선이라부르는 UV(UltraVioletray) 선이있다. 이 UV는높은에너지를가지고있는데사람에게뿐아니라플라스틱에게도피해야할대상으로서강한에너지를가진 UV가플라스틱을이루는
그림 2 2005 년개장한서산옥외폭로시험장 02 내후성평가의종류와방법 내후성평가는평가의장소와방법에따라크게두 종류로나뉜다. 장기간시편을외부환경에직접노출시켜시편의변화를관찰하는옥외폭로시험, 외부의 환경을모사한기기에서비교적단기간에결과를얻 어낼수있는촉진내후성시험이있다. 각자의평가 방법에는장단점이존재하며지금부터세부적인사항 에대하여살펴볼것이다. [ 옥외폭로시험 Outdoor exposure test ] 플라스틱이외부의기상변화에어떻게변화하는지 알아보는가장정확하고편리한방법은시편이나제 품을실제로평가하고자하는환경에장기간노출시켜나타나는변화를관찰하는것이다. 시편을외부에 노출시키는기간이수년에달하며그기간동안지속 적으로물성의변화를추적하여야하는점에서비용 과시간이많이든다는단점이있지만플라스틱이실 제로사용되는외부환경에노출시켜생기는품질의 변화를측정하기때문에옥외폭로실험을통하여얻 어진결과는실사용조건에서플라스틱의물성변화 추이를비교적정확하게예측이가능하다는점에서 이상적인시험방법이다. 옥외폭로시험을진행하기에앞서서중요하게고려 해야하는요소는시험을진행할장소의선정이다. 전세계에걸쳐서매우다양한기후가존재하기때문에제품이사용되는장소의기후를고려하여시험을진행하는것이중요하다. 따라서다양한기후를가진옥외폭로시험장소들이전세계에걸쳐분포해있는데가장널리이용되는곳으로는미국의플로리다와애리조나가있다. 플로리다는연중평균기온이높으며강수량이풍부한지역으로아열대성기후를대표하는장소이며애리조나는일조량이많고연간강수량이매우낮은지역이다. 또한일교차가매우큰지역으로서고온건조한기후를대표하는곳이다. 각지역의특징은표 1에서요약하였다. 세계유수의내후성기기제작업체들은다양한기후에서내후성을측정하고자하는고객들의요구에대응하기위해세계곳곳에옥외폭로시험시설을갖추고있다. 실사용조건과부합하는결과를얻기위해서는제품의사용조건에따라적절한장소를선정, 진행하여야할것이다. 옥외폭로시험의종류옥외폭로시험은시편혹은제품의시험목적에따라다양하게나뉜다. 일정한경사를가진시편대에시험하고자하는시편을설치하여장기간방치하는시험이일반적이지만제품특성이나확인하고자하는물성에따라적합한시험방법을선택하여야한다. 12
내후성시험의이해 표 1 대표적인옥외폭로시험장소의기후 지역 위도 고도평균기온평균습도강수량조사량 (m) ( ) (%) (mm) (MJ/m 2 ) Arizona 25 33 N 4 24 70 1,420 6,588 Florida 33 23 N 322 21 25 186 8,004 13 그림 3 Phoenix 에위치한 Atlas 사의옥외폭로시험센터 그림 4 Dupont 사의직접폭로시험 1 직접폭로시험 (Direct exposure) 알루미늄으로제작된시편대에시험하고자하는시편혹은제품을설치하여외부환경에직접노출시키는시험법으로서옥외폭로시험중가장널리사용되는방법이다. 시편대의각도는다양하게선택이가능한데일반적으로 0 ( 수평 ), 5, 45, 90 ( 수직 ) 이널리사용되며해당지역의위도와동일한각도도많이사용된다. 각도에따라조사량과시편내수분체류시간에차이를보이는데위도에근접할수록조사량은증가하고수평에가까워질수록시편에수분이체류하는시간은길어진다. 본시험은자동차용외장재, 도료, 건축용외장재등외장으로사용되는대부분의재료에대해시험이가능한범용적인방법으로서시험목적에따라적절한각도선정을통한시험진행이요구된다. 2 언더글래스폭로시험 (Under glass exposure) 내장용으로사용되는제품에대하여실시하는시험방법으로서 2.5~3mm 두께의유리창아래에시편을설치하여직접폭로에비하여적은에너지의태양광을조사하도록하는방법이다. 시험에사용되는유리창은자연광의 85% 이상을차단할수있으며 310nm 이하의 UV를 77% 이상차단할수있다.
그림 5 Q-Lab 사의언더글래스폭로시험 3 블랙박스폭로시험고온의환경에서일어나는제품의변화를관찰하고자하는목적으로사용되며검은색의금속상자윗부분에시편을설치한후나머지부분은검은색의금속판으로채워온도상승을최대화한다. UV와함께온도상승에의해서나타나는물성의변화를보고자할때사용할수있다. 4 태양광추적폭로시험일광시간동안시편이태양광을수직으로받을수있도록고안된장치로태양을추적하는시험방법이다. 장치에따라일반적인직접폭로방법에비하여 300~500% 이상의조사량을확보할수있으며다른옥외폭로시험에비하여훨씬빠른시간에결과를확인할수있다는것이장점이다. [ 촉진내후성시험 Accelerated weathering test ] 옥외폭로시험은실사용조건과유사한조건에서제품의내후성을확인할수있다는점에서이상적인방법이지만적합한장소를물색하는과정에서부터내후성시험결과를얻기까지비용과시간이많이필요하다. 따라서원하는환경을모사하여단기간에결과를얻어내는시험방법이사용되기도한다. 이를촉진내후성시험 - 실제기후를인위적으로모사한다는점에서실험실내후성시험 (Laboratory weathering 그림 6 Q-Lab 사의추적시험기 Q-Trac test) 으로불리기도하지만본지면에서는촉진내후성시험으로통일하도록한다 - 이라고하며자동차업계의경우외장용으로사용되는소재에대한자체적인촉진내후성시험규격이존재하며이에따라모든제품들은엄격하게관리된다. 촉진내후성시험의장점은원하는기후조건을자유롭게모사할수있다는것이다. 광원의종류와필터조합을통하여광량뿐만아니라광원의스펙트럼을자유롭게조절할수있으며습도및온도역시원하는조건으로조절이가능하다. 이를통하여원하는조건에만족하는장소의물색필요없이단순한조건의변경을통하여간편하게실험을진행할수있다. 변경가능한조건이다양하기때문에동일한조건에서제품의성능을비교하기위해서는시험조건을규격화하여통일하는것이중요하다. 미리서술한바와 14
내후성시험의이해 그림 7 대표적인내후성기기 Atlas 사의 Ci4000 Q-Lab 사의 QUV 표 2 촉진내후성시험방법의예 ( 부분발췌 ) 단계 시간광량 (340nm) 패널온도챔버온도상대습도조사, 분무 (min) (W/m 2 ) ( ) ( ) (%) 1 240 암흑, 분무 - - 40 95 2 30 조사 0.4 50 42 50 3 270 조사 0.8 70 50 50 4 30 조사 0.4 50 42 50 15 같이업체마다내후성을평가하기위한각자의촉진내후성시험규격을보유하고있는데아래와같은조건들을규격으로고정하여동일한조건에서제품의성능을비교할수있도록하고있다. 표 2는실제사용되는촉진내후성시험규격의시험방법일부를발췌한것이다. 표와같이각단계마다조사및분무여부, 조사되는광원의광량, 이를통해조절되는온도와습도를규정하고있으며추가적으로광원의종류및필터의종류에대해서도규정하고있다. 촉진내후성시험에있어서가장중요한것이올바른광원과필터의사용이다. 원하는시험결과를얻기위해서는사용되는다양한종류의광원과필터에대한올바른이해가선행되어야한다. 따라서광원과필터에대하여알아볼필요가있다. 1. 광원촉진내후성시험에사용되는광원의종류는매우다양하며각광원들은서로다른스펙트럼을가지고있다. 동일한시편에다른종류의광원을이용하여진행되는촉진내후성시험은서로다른거동을나타낼수있다. 널리사용되는광원은카본아크 (Carbon arc), 제논아크 (Xenon arc), 형광 UV 램프 (Fluorescent UV lamp), 메탈램프 (Metal halide), 실내액티닉 (Indoor actinic), 수은램프 (Mercury lamp) 등 6종이며그중에서도카본아크와제논아크등이가장널리사용된다. 2. 필터하나의광원내에서도필터의조합을이용하여그특성을변화시킬수있다. 필터마다흡수하고투과시
표 3 필터조합의예필터이너필터아우터필터 시험조건 Type S Borosilicate Type S Borosilicate 가장일반적인시험조건 Type S Borosilicate Soda Lime 유리창을덧댄촉진시험의가장일반적인조건 Quartz Type S Borosilicate 태양광의 UV 대비단파장및해당파장대의 더높은광량이필요한시험에서사용 키는광원의파장대가다르기때문에다양한필터들을조합하여원하는스펙트럼을가진광원을만들수있다. 표 3은 Atlas 사에서제공하는제논아크촉진내후성시험기의필터조합의예이다. 동일한광원내에서도다양한필터의조합을통하여원하는상황에적합한스펙트럼을만들수있고, 대다수의내후성기기제작업체들은필터의개발도병행하고있고고객이상황에맞게필터를조합할수있도록가이드도제공하고있다. 실험실에서진행하는내후성시험의장점은원하는기후를자유자재로조절가능하다는것이다. 하지만태풍, 황사, 산성비와같은특이기상상황의재현이어려우며, 현실을 100% 모사하는것은불가능한일이므로옥외폭로시험이나실사용조건에서의경향에완벽히일치하는결과를얻기힘들다는점을인지해야한다. 이에대해서많은내후성기기업체들이나플라스틱제조업체들은옥외폭로시험과촉진내후성시험결과간의상관관계를찾기위해서많은연구를하고있으며, 더나은재현성을확보하기위해노력하고있다. 16 그림 8 광원의종류에따라다른스펙트럼 03 결론 Irradiance(W/m 2 /nm) 0.8 0.7 Sunlight UVA-340 UVB-313 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 250 275 300 325 350 375 400 Wavelength(nm) 플라스틱의활용범위가외장으로점점확대됨에따라내후성의검증을통한안정적인신뢰성확보가필수적이다. 내후성시험방법에대한올바른이해가선행된다면다양한플라스틱중에서도사용목적에적합한외장재용플라스틱을물색하고적용하는데도움이될것이다.