고분자 소재의 스크래치 연구동향

최근 고분자 소재 제품의 스크래치에 대한 연구와 이를 방지하기 위한 여러 기술들이 중요해졌다. 스크래치는 전체적인 외관에도 문제가 될 뿐 아니라 제품의 수명이나 성능에도 영향을 미치기 때문이다. 이러한 스크래치를 객관화해 평가하기 위한 다양한 방법들이 소개되고 있는 가운데 본문에서는 고분자 소재의 스크래치 평가법을 상호 비교해 최근 동향을 알아보고자 한다.

 

▲ Erichsen사의 스크래치 테스터기

Ⅰ. 서론

최근 들어 감성 품질이 중요해짐에 따라 고분자 소재의 표면 특성 즉 표면조도(Roughness), 경도(Hardness), 마찰(Friction)·마모(Wear) 및 스크래치(Scratch) 특성 등에 관한 연구의 중요성이 인식되고 있다. 외관뿐 아니라 마찰·마모 및 스크래치는 소재의 변형, 제품의 오작동, 그리고 수명 단축 등의 문제점을 발생시키기도 한다. 따라서 이러한 고분자 소재의 표면 손상을 정량적·종합적으로 평가할 수 있는 시험법과 시험 장비도 최근 주목을 받고 있다.

 

1. 고분자 소재 표면의 고려사항
기능적인 측면과 외적 미관적인 관점에서, 사용 제품의 우수한 표면 내스크래치 특성은 제조자 뿐 아니라 소비자들 모두가 기본적으로 원하는 특성 중 하나이다. 따라서 고분자 소재 및 코팅제를 산업분야에 적용하기 위해서는 기능적 측면 이외에도 표면 미학, 표면 건전성 및 내구성이 고려되어야 한다.
첫째, 표면 미학 관점에서는 사람들이 빈번하게 자동차 내·외장재와 전자 제품의 외장용 고분자 소재에서 스크래치의 문제점을 제기하는 경우를 예로 들 수 있다. 특히 자동차의 외관과 핸드폰 표면상의 스크래치 발생은 사용 기능에는 전혀 문제가 없지만 처음에 가졌던 호감을 반감시키고 새 제품을 구매하고자 하는 충동을 불러일으키게 된다.
두 번째, 표면 건전성 관점은 주로 음식 포장(Food Packaging)과 관련해 중요한 문제로 인식된다. 포장 필름 상의 스크래치 발생은 제품의 부패·손상과 직결되어 막대한 손실을 유발시킬 수 있기 때문이다.
세 번째는 표면 내구성 관점의 예로 코팅 재료 및 데이터 저장 매체(하드디스크, CD, 광학저장 매체 등)상의 직접적인 스크래치 발생이 해당된다. 이 경우는 재료 부식이나 저장된 데이터의 손실 등과 같은 회복할 수 없는 결과를 초래하고, 그 결과 데이터를 복구하는 데 엄청난 시간과 비용이 소비된다.

 

2. 국외 기술 개발 동향
스크래치 관련 국외 연구 추세를 살펴보면 70년대와 80년대에는 관련 연구에 대한 노력이 거의 제한되었지만 최근 20년 동안 감성 품질 및 내스크래치에 관한 급격한 학문적 관심을 보이고 있다는 점을 알 수 있다.
특히 자동차 산업의 발전과 더불어, 고감성 및 내스크래치성을 지닌 다기능성 폴리올레핀 복합소재의 개발에 관한 관심은 최근 급속도로 상승해왔다. 전반적으로 다양한 기능성 플라스틱 소재 개발의 필요성을 인식하고 있으며, 새로운 다기능성 소재를 개발하기 위한 산업체 간의 경쟁도 심한 상태이다. 그 중에서도 다우화학을 중심으로 고분자 소재의 표면미학의 관점(내스크래치성, 내지문성, 내환경성 등)의 연구가 활발히 진행되고 있다.

 

3. 국내 기술 개발 동향
한국 3M사에서 광학필름의 스크래치 특성을 조사하기 위한 노력이 있었지만, 이것은 정량적인 평가보다는 정성적인 평가에 국한된 연구였으며, 고분자 소재의 스크래치 특성에 관한 연구는 거의 전무한 실정이다. 현재 대부분의 현장에서는 스크래치 특성을 조사하기 위해 ASTM D3363에 따라 연필경도계를 이용하여 스크래치 경도를 측정하고 있지만, 연필의 경도에 의존하는 정성적인 값에 불과해 정확한 스크래치 특성을 평가할 수 있는 정량적인 방법이라 보기는 어려움이 있다.
따라서 고분자 소재의 스크래치 특성을 평가함에 있어 산업체에서 보편적으로 사용되는 GM실험법(GMW14688)과 현재 국제 표준화를 추진하고 있는 신규 평가법을 서로 비교/평가해 두 시험법 간의 상호 연관성과 장/단점을 파악하고자 한다.

 
Ⅱ. 기존 평가법과 신규 평가법 비교

1. 기존 스크래치 실험 방법
기존의 GM 자동차사의 스크래치 평가법(GMW14688)은 스크래치가 도입된 영역과 그렇지 않은 영역에서의 휘도 값의 차이로 나타내는 방식이다. 스크래치 평가 시 일반적으로 색차(ΔE)를 대신하여 휘도차 값(ΔL)이 사용되며, 분광측색계를 이용한 색분석은 D65 표준 광원, 경면 반사광 제거 모드(Specular Component Excluded, SCE)에서 측정한다.

 

2. 신규 스크래치 실험 방법
신규 스크래치 실험방법은 3차원 컬러모델(RGB, HSI 등) DMF를 이용하여 스크래치를 손상을 정량적으로 평가할 수 있다. 스크래치 손상도(Degree of Scratch Damage, △D)는 스크래치 생성 부위(x) 및 미 생성 부위(y)의 세 가지 색좌표의 유클리디언 거리(Euclidean Distance)로 표현해 스크래치에 의한 표면 손상을 정량적인 수치로 나타낸다.

 

3. 실험 재료
실험에 사용된 시험편은 Impact PP에 15μm의 사이즈를 가진 탈크를 10%와 20% 첨가했다. 그리고 EBR(Ethylene Butene Rubber)과 EOR(Ethylene Octene Rubber)을 추가로 첨가했다. 시험편의 탈크 함량과 EBR, EOR의 함량은 표와 같다. 크기는 150×150㎜이며, 두께는 3㎜인 시험편을 준비했다.

 

4. 스크래치 실험 결과
기존 평가법과 신규 평가법은 측정된 모든 시험편에서 같은 경향과 만족할만한 상호 연관성을 가지는 것으로 보인다. 다만 측정값을 살펴보면, 기존 평가법은 최대 측정값이 ΔL= 14인 반면, 신규 평가법은 최대값이 ΔD=260으로 측정 해상도가 우수함을 알 수 있다. 즉, 신규 평가법은 측정 해상도가 기존 평가법보다 높아 측정 데이터의 정확도가 상승하게 된다. 신규 평가법은 실험 결과에서 나타나듯이 측정 결과는 신뢰성 및 재현성이 있고 측정자 및 측정 환경에 의한 오차를 현저하게 줄일 수 있는 효과가 있다. 더불어 상기 소재 표면의 컬러 유무 및 무늬 형상에 무관하게 적용이 가능하며 사용자가 원하는 컬러 모델을 직접 선택함에 있어 제약이 없어 광범위하게 사용할 수 있는 장점도 가진다.

 

Ⅲ. 결언

화학소재에서 스크래치 분야는 자동차의 내·외장재, 노트북 및 IT기기 케이스 등 산업전반에서 중요시 된다.
최근 제조사 및 제품에 따라 적용 소재가 다소 차이를 보이고 있으나 감성 품질, 원가절감, 고급감, 가벼운 무게 등의 기능을 만족하기 위해 고분자를 기본으로 하는 표면 코팅이 점진적으로 늘어가고 있는 실정이다. 이 중 감성 품질의 중요성이 대두되면서 소재 표면 스크래치 관련 연구가 주목 받고 있다. 이렇든 모든 분야에서 사용할 수 있는 스크래치 평가 방법은 수요 시장이 점차 확대될 것으로 예상된다. 앞서 본문에서는 기존 평가 방법과 새로운 평가 방법의 비교를 통해 새로운 평가 방법의 적용성에 대해 고찰했다. 그 결과 향후 산업체 전반에서 새로운 평가 방법을 이용한 정량적 스크래치 평가 방법이 주목 받을 것이라는 예상을 해볼 수 있다.

* 본 내용은 지면상의 이유로 재편집되었습니다.
 * 출처 : 화학소재정보은행
* 필자 : 동국대학교 원종일 교수

※ 출처 : EngNews (산업포탈 여기에) - 고분자 소재의 스크래치 연구동향