Tg, Tm, 결정화도(DSC) 실무 해석: 제품 변형, 취성, 내열 문제를 데이터로 해결하는 법

날짜:

현장에서 “같은 재질인데 왜 휘지?”, “추운 날만 깨지는 이유가 뭐지?”, “내열이 부족해서 변형이 생긴다” 같은 문제를 만나면 감(경험)만으로는 원인을 좁히기 어렵습니다. 이럴 때 가장 빠르게 방향을 잡아주는 데이터가 열분석, 그중에서도 DSC(Differential Scanning Calorimetry, 시차주사열량법)입니다. DSC는 고분자의 유리전이온도(Tg), 용융온도(Tm), 결정화 거동(결정화온도 Tc, 결정화도)을 한 번에 읽을 수 있어 제품 변형, 취성, 내열 문제를 “수치와 곡선”으로 설명하고 재발 방지까지 연결할 수 있습니다.

이 글은 실무에서 가장 많이 쓰는 해석 흐름으로 구성했습니다. (1) Tg/Tm/결정화도의 의미를 제품 문제와 연결해 이해하고, (2) DSC 곡선을 어디부터 어떻게 읽는지, (3) 대표 트러블 사례로 원인-해결 방향을 정리하며, (4) 마지막에 체크리스트와 FAQ로 현장 적용성을 높였습니다.

목차

  1. Tg, Tm, 결정화도: 실무에서 꼭 알아야 하는 정의
  2. DSC로 무엇을 볼 수 있나: 곡선 구성과 피크 의미
  3. Tg가 바꾸는 현장 문제: 취성, 소음, 크리프, 치수 불안
  4. Tm이 바꾸는 현장 문제: 내열 한계와 열변형의 오해
  5. 결정화도(및 결정화 거동)가 바꾸는 현장 문제: 수축·뒤틀림·강성
  6. DSC 결과 해석 절차: 한 장의 결과지로 결론 내는 순서
  7. 현장 사례 3개: 변형/취성/내열 문제를 데이터로 해결
  8. 체크리스트: 불량·소재변경·공정변경 시 즉시 점검
  9. FAQ

1) Tg, Tm, 결정화도: 실무에서 꼭 알아야 하는 정의

1-1. Tg(유리전이온도, Glass Transition Temperature)

Tg는 “고분자 사슬의 운동성이 갑자기 달라지는 경계 온도”입니다. Tg 아래에서는 재료가 유리처럼 단단하고 취성(깨짐)이 커질 수 있고, Tg 위에서는 사슬이 움직이기 쉬워져 연성이 늘고 충격에 더 버티는 경향이 나타납니다. 따라서 저온 파손, 충격 취성, 소음(딱딱한 타격음), 크리프(장기 처짐), 씰링 성능 같은 이슈가 Tg와 연결됩니다.

1-2. Tm(용융온도, Melting Temperature)

Tm은 결정영역이 녹는 온도입니다(반결정성 고분자에서 의미가 큼). 다만 현장에서 자주 하는 오해가 “Tm이 곧 내열 한계”라는 생각입니다. 실제 제품 변형은 Tm보다 훨씬 낮은 온도에서도 발생할 수 있고, 그 이유는 하중, 시간(크리프), 결정화도, 배향, 충전재, 형상, 그리고 측정 기준(HDT/Vicat)이 함께 작동하기 때문입니다.

1-3. 결정화도(Crystallinity)

결정화도는 재료 안에서 “결정 영역이 차지하는 비율”을 의미합니다. 일반적으로 결정화도가 높아지면 강성, 치수 안정성, 내화학성이 좋아지는 방향으로 작동할 수 있지만, 동시에 수축이 커지고, 뒤틀림 위험이 올라가며, 충격성이 떨어질 수 있습니다(재료/구조에 따라 정도는 다름). 같은 PP라도 냉각 조건과 핵제/첨가제에 따라 결정화 거동이 달라져 변형 패턴이 달라질 수 있습니다.

2) DSC로 무엇을 볼 수 있나: 곡선 구성과 피크 의미

DSC는 온도를 올리거나(가열) 내리면서(냉각) 시료가 흡수/방출하는 열을 측정합니다. 결과 곡선에서 실무적으로 자주 보는 이벤트는 아래와 같습니다.

  • Tg: 베이스라인이 “계단처럼” 꺾이는 형태(열용량 변화)
  • 냉결정화(Cold crystallization): 가열 중 결정이 새로 생기며 발열 피크가 나타날 수 있음
  • 용융 피크(Tm): 결정이 녹으며 흡열 피크
  • 결정화 피크(Tc): 냉각 중 결정이 생기며 발열 피크

실무에서는 “가열 1회차”만 보고 결론을 내리면 위험할 때가 있습니다. 가열 1회차는 성형 이력(배향, 잔류응력, 부분 결정화)이 그대로 반영될 수 있어, 소재 자체 특성인지 공정 이력 때문인지 분리하려면 “가열-냉각-재가열(2회차)” 비교가 매우 유용합니다.

3) Tg가 바꾸는 현장 문제: 취성, 소음, 크리프, 치수 불안

Tg는 특히 “사용 온도”와 비교해야 의미가 커집니다. 사용 온도가 Tg보다 충분히 높으면 연성/충격이 유리한 방향, Tg 근처 또는 Tg 아래에서 사용하면 취성 파손이 급증하는 방향으로 나타날 수 있습니다.

  • 저온 파손: 겨울철 낙하/충격에서 깨짐 증가
  • 딱딱한 촉감/소음: Tg 이하에서 탄성 회복이 제한
  • 장기 처짐(크리프): Tg 부근에서 사슬 운동성 증가로 변형 누적이 빨라질 수 있음
  • 치수 안정 문제: Tg 부근에서 응력 완화가 진행되며 변형이 나타날 수 있음

4) Tm이 바꾸는 현장 문제: 내열 한계와 열변형의 오해

Tm은 “결정이 녹는 온도”이지만, 실제 제품 변형은 다음 이유로 훨씬 낮은 온도에서 생길 수 있습니다.

  • 하중이 존재: 같은 온도라도 하중이 있으면 크리프가 진행
  • 시간 효과: 짧게는 버티지만 장시간 노출 시 처짐
  • 결정화도 차이: 결정이 적으면(결정화도 낮음) 고온에서 지지력이 약해짐
  • 형상 영향: 얇은 리브, 긴 캔틸레버 구조는 변형에 취약
  • 평가 기준 차이: Tm이 아니라 HDT/Vicat 등 시험 기준으로 내열을 판단해야 하는 경우가 많음

따라서 내열 문제를 다룰 때는 “DSC의 Tm”만 보지 말고, Tg/결정화도/공정 이력과 함께 HDT/Vicat, 크리프 데이터까지 연결해서 판단하는 것이 안전합니다.

5) 결정화도(및 결정화 거동)가 바꾸는 현장 문제: 수축·뒤틀림·강성

반결정성 수지(PP, PE, POM, PA, PET 등)에서 결정화 거동은 수축과 뒤틀림의 “근본 변수” 중 하나입니다.

  • 수축 증가: 결정이 형성되며 밀도가 올라가 부피 수축이 커질 수 있음
  • 뒤틀림: 배향/냉각 불균일 + 결정화 불균일이 겹치면 변형이 커짐
  • 강성/내화학: 결정화도가 높으면 강성과 내화학이 유리한 경향
  • 충격성: 과도한 결정화도는 취성 증가 방향으로 작동할 수 있음

현장에서는 “같은 재질인데 뒤틀림이 갑자기 커졌다”는 이슈가 많습니다. 이때 핵제/첨가제 변화, 냉각 조건(금형 온도, 냉각 시간), 유동 배향 변화가 결정화 거동을 바꿨는지 DSC로 확인하면 원인 추정이 빨라집니다.

6) DSC 결과 해석 절차: 한 장의 결과지로 결론 내는 순서

  1. 시료 이력 확인: 로트, 성형 조건, 건조/보관, 사용 중 열이력 여부
  2. 가열 1회차: 잔류응력/배향/부분 결정화의 흔적이 있는지 확인
  3. Tg 확인: 사용 온도 범위와 비교(특히 저온 파손 이슈)
  4. 용융 피크(Tm) 확인: 수지 종류 확인, 혼입/블렌드 가능성 힌트
  5. 냉결정화/재결정화 여부: 공정 이력 또는 결정화 속도 문제 추정
  6. 냉각 곡선(Tc) 확인: 결정화 시작/피크 온도 변화가 있는지 확인
  7. 재가열(2회차): 소재 고유 특성과 공정 이력을 분리해 판단

7) 현장 사례 3개: 변형/취성/내열 문제를 데이터로 해결

사례 1. 겨울철에만 제품이 깨진다(저온 취성)

  • 관찰: 상온에서는 문제 없는데 저온/겨울 출하품에서 파손 증가
  • DSC에서 볼 것: Tg 위치가 사용/보관 온도 범위와 얼마나 가까운지
  • 해결 방향: Tg를 낮추는 설계(공중합, 고무상 도입, 가소화 전략), 제품 형상 응력 집중 완화, 저온 충격 시험 조건 재설정

사례 2. 같은 금형인데 뒤틀림이 증가했다(치수 문제)

  • 관찰: 수축/변형 패턴이 바뀌고 조립 불량 증가
  • DSC에서 볼 것: 결정화도 변화(용융 엔탈피), Tc 변화(결정화 속도), 가열 1회차의 이력 흔적
  • 해결 방향: 금형 온도/냉각 시간/보압 최적화, 핵제·충전재 로트 변화 확인, 필요 시 결정화 속도 제어 등급으로 변경

사례 3. 내열 요구 온도에서 처짐 발생(열변형)

  • 관찰: 특정 온도 노출 후 변형, 장기 노출에서 더 심함
  • DSC에서 볼 것: Tg 부근 사용 여부, 결정화도 저하 여부(고온 지지력 약화), 재료 혼입/열화 흔적
  • 해결 방향: HDT/Vicat 및 크리프 데이터로 재평가, 결정화도/강성 강화(충전재, 결정화 제어), 형상/리브 보강, 하중 조건 재설계

8) 체크리스트: 불량·소재변경·공정변경 시 즉시 점검

  • 문제 발생 온도(저온/고온)가 Tg 근처인지 먼저 확인했는가
  • 내열 이슈를 Tm만으로 판단하지 않고, HDT/Vicat/크리프 기준을 함께 봤는가
  • 뒤틀림/수축 변화가 있으면 결정화도와 Tc 변화를 점검했는가
  • 가열 1회차와 2회차를 비교해 공정 이력 vs 소재 고유 특성을 분리했는가
  • 로트 변경, 핵제/안정제 패키지 변경, 건조 조건 변경 등 열이력 변수를 함께 추적했는가
  • 필요하면 DSC 외에 DMA(온도-탄성), TGA(열안정), GPC(분자량)로 교차검증할 계획이 있는가

FAQ

Q1. Tg가 없거나 잘 안 보이는 재료도 있나요?

반결정성 수지에서도 Tg는 존재하지만, 결정 영역의 영향과 베이스라인 변화가 작아 DSC에서 뚜렷하지 않을 수 있습니다. 이 경우 DMA가 Tg(또는 완화 거동)를 더 민감하게 보여주는 경우가 많습니다.

Q2. Tm이 높은데도 왜 낮은 온도에서 변형이 생기나요?

열변형은 “녹느냐/안 녹느냐”가 아니라 “하중과 시간에 대해 형태를 유지하느냐”의 문제입니다. Tg 부근 사용, 결정화도 부족, 얇은 형상, 장시간 노출(크리프) 때문에 Tm보다 훨씬 낮은 온도에서도 변형이 발생할 수 있습니다.

Q3. DSC 결과에서 결정화도를 어떻게 비교하나요?

보통 용융 피크의 엔탈피(흡열량)를 비교하고, 필요하면 100% 결정 엔탈피 값을 기준으로 환산해 결정화도를 추정합니다. 다만 정확 비교를 위해서는 동일 시료 질량, 동일 측정 조건(승온/냉각 속도), 동일 베이스라인 처리 기준이 중요합니다.

Q4. 가열 1회차와 2회차가 다르면 무엇을 의미하나요?

가열 1회차는 성형·가공 이력(배향, 잔류응력, 부분 결정화)이 반영될 수 있습니다. 2회차는 그 이력을 지운 뒤의 거동이므로, 1회차와 2회차 차이가 크면 공정 이력이 물성에 크게 영향을 주고 있음을 시사합니다.

Q5. 제품 불량 분석에서 DSC만으로 결론이 가능한가요?

DSC는 방향을 빠르게 잡는 데 매우 강력하지만, 단독으로 확정 결론을 내기 어려운 경우도 많습니다. 예를 들어 저온 취성은 DMA/충격시험과, 내열/변형은 HDT/Vicat/크리프와, 열화 의심 시에는 TGA, FT-IR, GPC를 함께 보면 훨씬 안전하게 원인을 특정할 수 있습니다.

Tg, Tm, 결정화도는 “재료 데이터시트에 적힌 숫자”로 끝나는 항목이 아니라, 제품 변형, 취성, 내열 문제를 해결하는 실무 도구입니다. DSC 결과를 1회차/2회차로 나눠 보고, 사용 온도 및 하중 조건과 연결해 해석하면 소재 변경, 공정 최적화, 설계 보완 중 무엇이 정답인지 훨씬 빠르게 판단할 수 있습니다.