플라스틱 광파이버의 동적 점탄성 측정 (上) :: 전체

1. 서론

무기섬유인 유리계 광학섬유에 비해 저렴하고 가공하기 쉬운 플라스틱 광파이버(Plastic Optical Fiber, POF)는 센서나 OA기기 등의 통신용 배선 등에 주로 적용되며, 폴리메타크릴산메틸(PMMA), 폴리카보네이트 등과 같이 굴절률이 큰 심재(코어)와 굴절률이 적은 초재(클래드)로 이루어진다.
POF의 대표적 심재인 폴리메타크릴산메틸은 강도 등 역학적 성질이 뛰어난 반면, 유리 전이 온도가 낮고 내열성이 떨어진다는 단점이 있다. 따라서 POF에서 고속 전송 시에 파형 퇴화를 초래하는 요인인 편광모드분산(Polarization Mode Dispersion, PMD)을 줄이는 것이 매우 중요하다.
PMD의 크기는 일반적으로 코어의 타원화와, 응력의 이방성에 의해 생기는 간섭편파의 군지연 시간차로 표시한다. PMD는 동적점탄성측정에서 요구되는 손실 정접(Loss Tangent)과 관계가 있으며, 싱글 모드 광파이버의 경우 보통 0.042 이상이 적절한 PMD 값이다.
본고에서는 POF의 점탄성측정장치에 의한 동적점탄성 파라미터의 온도특성과 주파수특성상의 유리전이 및 단열성 평가, 그리고 광범위한 주파수를 예측해보고자 한다.

2. 동적점탄성측정

시료에 진동을 주어 입출력의 정현파로부터 복소탄성률을 구하는 동적점탄성측정(Dynamic Mechanical Analysis, DMA)은 주로 플라스틱과 고무의 유리 전이 온도, 고분자의 구조 파악 등에 이용되고 있다.
유리전이영역에서 물성치가 크게 변하는 엘라스토머 등의 유리전이온도는 DSC나 TMA보다 DMA쪽이 측정하기 쉬운 경우도 있다. DMA는 시료에 사인파 진동을 가한 입력파와 출력파와의 관계를 다음과 같이 복소수로 표시하여 탄성률을 구한다.

E* = E' + iE" …(1)

여기서 E*는 복소탄성률을, E'는 저장탄성률을, E"는 손실탄성률을 의미한다. 저장탄성률은 동적탄성률이라고도 불리는데, 본고에서는 동적탄성률로 통일하도록 한다. E"/E'(=Tanδ)는 위상차의 탄젠트로, 손실탄젠트라 불리며, 이 δ가 0이면 완전 탄성체, 0에 가까울수록 탄성이 높음을 의미한다. 반면 π/2 이면 완전 점성체, π/2 에 가까울수록 점성이 높다.
손실탄젠트는 현재 타이어의 구름 저항과 플라스틱·고무의 진동감쇠능력 평가지표에 주로 이용되고 있다. 시료의 경도에 따라 벤딩, 인장, 전단, 압축 등의 치구를 구분하여 사용하기도 한다. DMA에서 유리전이영역의 E'를 하강개시온도, E"와 tanδ의 최대 온도를 유리전이온도라고 하지만, 사실상 유리전이영역 중간에 위치한 tanδ를 유리전이온도로 보는 경우가 많다.
한편 DMA의 온도특성측정에 있어, 기종이나 측정 모드, 측정 조건의 차이에 따라 데이터가 어긋나는 경우가 많으므로 정확한 유리전이온도 등을 구하기는 어려운 상황이다. 따라서 측정 데이터의 해석 방법에 대한 검토가 필수적으로 요구된다.
본고에서 저자는 온도 특성 데이터의 차이를 이용해 단열성 평가를 검토했다. 그 결과 연질폴리우레탄 폼, 열경화성 폴리우레탄 엘라스토머, 공업용 호스, 저발포 폴리염화비닐판이 승온속도와 동적점탄성 매개변수의 온도특성보다는, 구해진 한계온도 또는 전이피크온도와의 수직선에서 그 관계식의 기울기의 크기가 열전도율과 밀접한 상관관계가 있다는 것을 밝혀냈다.

3. 시료와 실험

실험의 측정 시료는 미츠비시 레이온(주)의 POF소선으로, 주로 조명용에 적용되는 ‘에스카’이다. 코어의 둘레에 클래드가 덮인 POF소선은 소정의 각도로 코어 안에 입사한 빛을 굴절률이 다른 클래드와 코어의 계면에서 전반사시킴으로써 빛을 전파시킨다.
이때 적용되는 코어 재질은 폴리메틸메타크릴레이트수지이며, 클래드 재질은 플루오린계 수지의 스탭인덱스형이다. 물성치는 제조업체의 카탈로그를 참조했으며, 코어 굴절률은 1.49, 개구수는 0.5NAJ, 지름은 3㎜이다.
한편, 실험에 사용한 점탄성측정장치는 (주)레오로지의 ‘DVE-V4’이다. 인장의 경우는 길이 35㎜, 직경 3㎜의 POF시료에 대해 인장용 치구를 사용했으며, 자동 정하중을 걸어 압축의 경우에는 <그림1>과 같이 아래의 원반 치구에 시료를 축 방향이 가로가 되도록 위치시켜 위의 원반 치구를 내리는 방법으로 정적 변형을 주어 측정했다. 각각을 인장모드, 압축모드라고 표시했으며, 동적탄성률은 각기 동적인장탄성률, 동적압축탄성률로, 손실탄젠트를 각기 인장손실탄젠트, 압축손실탄젠트로 표시했다.

4. 결과와 고찰

4-1 POF의 온도 특성
<그림2>에는 POF의 동적인장탄성률, 손실인장탄성률, 인장손실탄젠트의 온도 특성을 나타냈다. 동적인장탄성률은 강하 도중 인장손실탄젠트의 피크온도에 가까운 150℃ 근방에서 측정 불능 상태가 되었다.
<그림3>은 POF의 승온속도 2~10℃/min의 동적인장탄성률과 인장손실탄젠트의 온도 특성이다. 여기서 승온속도는 100℃에서 1℃ 간격으로 측정 데이터를 추출할 때 온도를 올리는 속도를 의미한다.
승온속도가 커질수록 전이온도영역은 온도가 높은 쪽으로 이동하지만 플라스틱은 열전도율이 낮아서 시료 전체에 열전달이 늦게 되는 데다, 온도 센서는 시료표면 근처 기체 중의 온도를 측정하기 때문에 시료 전체가 설정 온도에 도달하기도 전에 다음 설정 온도로 바뀌게 된다. 따라서 승온속도가 커질수록 열이 전해지는 속도가 현저히 느려진다.

<그림4>는 POF의 승온속도와 <그림3>에서 구한 전이온도영역에서 동적인장탄성률의 강하가 시작되는 변곡점의 온도인 한계온도 그래프이다. 승온속도와 한계온도는 다음식과 같은 양의 선형관계가 성립된다.

Tcp = A·TS+B …(2)
Tcp : 한계온도(℃), TS : 승온속도(℃/min)

여기서 A=1.35, B=125, R2=0.975이다. <그림3>의 인장손실탄젠트의 온도특성으로부터 전이피크온도를 구해보려 했으나, 측정 불능 온도에 가까웠기에 측정값의 편차가 커져 승온속도와의 관계는 밝힐 수 없었다.

* 필자소개

足立　廣正(아다치 히로마사)
나고야시공업연구소 시스템기술부 계측기술연구실 연구원

<참고문헌>
(1) 足立廣正：プラスチックス，62，5，16（2011）
(2) 足立廣正：プラスチックス，63，11，45（2012）
(3) 足立廣正：プラスチックス，64，7，17（2013）
(4) 足立廣正：プラスチックス，65，7，29（2014）
(5) 種谷   一：やさしいレオロジ一工   ，工業調査東京（1992）.
(6) 日本lレオロジ一      編：講座レオロジ，高分子刊行   ，京都（1996）
(7) 村上謙吉：やさしいレオロジ一，産業   書，東京（1996）
(8)    峰   樹：熱設計完全入門，日刊工業新聞社，東京    （2009）
(9) J. M. Lederman：J. Appl.Polymer Sci., 15, 693（1971）