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H.Ishida 박사는 종합분석 및 고장분석 전문연구기관으로 잘 알려진 일본 도레이연구센터(TRC)의 연구소장 겸 부사장으로 본 강연에서는 크게 나누어 도레이연구센터의 연구분야 및 조직, 분석기술 서비스, 국제협력 등의 현황에 대한 소개와 최근의 첨단 분석기기를 사용한 고장분석기술의 개발 현황에 대한 사례를 소개하고자 한다.
최근의 디스플레이 및 반도체 산업 등에서 미세분석(microanalysis) 및 박막분석(thin-film analysis)등이 점증하고 있어 기존의 전통적인 분석법을 기반으로 미세영역에 대한 새로운 분석기술이 개발되고 있다. TRC에서 개발된 마이크로샘플링 질량분석법(μ-MS)은 미세영역의 불순물과 결함 구조를 확인하는데 유용한 분석수단이며, 근적외 라만분광 현미경법(NIR Raman Microscopy)은 형광 간섭없이 고분자소재의 화학구조 및 상구조를 규명하는데 유용하게 사용될 수 있다. 또한 디스플레이소재에서 중요한 유기 및 무기 박막소재의 고장분석에 유용한 깊이분석(depth profile analysis)을 위한 분석기술 및 시료 제작기술을 사례를 들어 소개하고, 새로운 분석기술로 개발되고 있는 원자현미경(SPM)에 기초한 미세열분석법(μ-TA) 및 미세기체크로마토그라피법(m-EGA)의 분석원리와 분석사례를 소개하고자 한다.
끝으로 연료전지소재를 사례로 최근에 개발되어 분석에 활용되고 있는 투과전자현미경에 의한 3차원 영상분석법(3D Tomography)을 소개하고자 한다.

일반적으로 고장분석은 아이템의 고장 및 잠재고장의 고장·열화기구를 규명·분석하는 행위로 정의되지만, 고분자소재의 고장분석은 제품형태의 거시적 고장을 화학적 분자 수준에서 고분자의 열화 또는 고장과 연관지어 설명하고자 하는 일련의 분석법 및 분석 절차로 이해하는 것이 보다 적절하다. 이러한 이유로 고분자소재의 고장분석은 복잡한 조성물의 화학적 성분 및 특정 성분의 화학적 구조를 확인하는 분석 기법 또는 절차로 이해되는 경우도 종종 발생하게 된다.
그러나 이러한 종합분석(total analysis)이나 역배합분석(deformulation analysis) 등은 고장분석을 위한 중요한 기술적 수단이 될 수는 있지만 고장분석 자체를 의미하지는 않으므로 구별하여 이해하는 것이 필요하다. 고장분석이 종합분석 또는 역배합분석 등과 구별되는 중요한 기술적 특징 중의 하나는 고장분석은 일반적으로 특정 영역으로 한정된 문제 또는 차이를 규명한다는 것이다. 따라서 대부분의 고장분석은 한정된 분석 부위를 가지고 있으며, 때로는 그 한정된 부위가 현미경 이하에서만 확인이 가능한 미세 영역으로 제한되기 때문에 전자현미분석과 같은 미세 영역에 대한 분석기법이 상대적으로 중요하게 된다.
본 내용에서는 전자현미분석의 적용 사례를 중심으로 고분자소재의 고장분석이 갖는 중요한 특징을 검토하고자 하였다.

폴리에틸렌과 폴리프로필렌으로 대표되는 폴리올레핀 수지는 현재 국내·외에서 사용되는 합성수지 사용량 가운데 50% 이상을 차지하는 가장 범용적인 플라스틱이다.
폴리올레핀 수지는 고내열 및 고강도의 엔지니어링 플라스틱에 비하여 내열성과 물리적 강도가 약하여 일반적으로 정밀부품용 소재로의 사용은 제한되고 있으나 성형 가공성 및 재활용성이 우수하기 때문에 자동차 및 전자기기의 케이스 및 내·외장 소재로의 사용은 지속적으로 증가하는 추세에 있다.
폴리올레핀 수지는 자외선 조사 및 열산화 메커니즘을 따르는 수지 자체의 열화에 의한 고장 메커니즘이 중요한 소재이며, 더하여 일부 금속성분 및 화학물질에 의한 산화촉진 반응과 크랙 생성이 유발되는 고장 메커니즘이 잘 알려져 있는 소재이다.
본 내용에서는 폴리올레핀 수지의 고장을 LDPE 필름, PP 자동차범퍼 성형품, HDPE 용기 성형품, PP 자동차 라디에이터 성형 부품, PE 파이프, PE 및 PP pallet 성형품의 사례별로 발생한 고장의 양상과 이의 개선을 위한 고장원인분석 및 대처 방안을 소개하고, 추가적으로 폴리올레핀 소재 및 성형품에서 흔히 발생하는 불량 또는 고장 현상의 분류와 통계를 소개하고자 한다. 각 사례별로 고장분석에 사용된 분석법 및 분석기기를 소개하였고 해당하는 주요 분석결과를 제시하여 고장분석에의 직접적인 이해를 돕고자 하였다.

고분자 성형물에 존재하는 잔류응력은 경우에 따라 성형물의 파괴특성을 향상시키기도 하지만 대부분의 경우 성형물에 정적, 동적 기계적 특성을 비롯하여 수치 및 형상안정성, 내환경균열 특성 등, 제품으로서 요구되는 제반 특성에 악영향을 미치므로 성형물의 설계된 수명 이전에 고장을 일으키는 주요 원인으로 잘 알려져 있다. 이러한 잔류응력은 열가소성 및 열경화성 플라스틱소재로 가공된 성형물 모두에서 흔히 관찰되며 잔류응력의 분포와 크기에 대한 정확한 예측은 매우 어렵다고 알려 있는데 그이유로는 몰드설계, 소재, 가공조건 등 매우 다양한 변수가 분포와 크기에 영향을 미치는 것을 그 이유로 들 수 있다.
고분자 성형물에 존재하는 잔류응력의 측정은 목적에 따라 여러 방법으로 가능하지만 주로 사용되는 방법으로는 Layer removal (층간제거)법, Hole-drilling (홀드릴링)법, Birefringence (편광이미지)법 등을 들 수 있다. 이중 층간제거법은 각 층에 있는 잔류응력의 평균을 구하는 반면 홀드릴링법은 성형물의 아주 국한된 부위의 위치의 잔류응력을 측정하는데, 두 방법 모두 깊이 방향으로 잔류응력의 분포를 제한적 또는 일반적으로 구할 수 있다.
편광이미지법은 일정한 면적에서 존재하는 잔류응력의 분포를 추정 할 수 있는 방법으로서 복굴절이 가능한 투명한 고분자 성형물에 사용 할 수 있다. 본 내용에서는 Layer removal (층간제거)법, Hole-drilling (홀 드릴링)법, Birefringence (편광이미지)법을 이용한 잔류응력 측정을 소개하고자한다.

고분자 소재의 열적 거동 특성에 대한 이해는 고분자소재의 올바른 선택과 적용을 위하여 필수적인 항목이라 할 수 있다. 유리전이 온도나 열전도율 같은 일반적인 열적 거동 항목은 물론, 온도별 특정 영역에서 발생하는 휘발성 가스 성분이나, 고분자소재 조성들이 열적으로 분해되어 발생하는 성분들에 대한 정보는 소재를 적용하여 사용할 때 발생할 수 있는 여러 가지 고장의 원인을 기초적이고 근본적인 수준에서 파악 할 수 있는 중요한 근거를 제공하여 준다.
고분자 재료의 소재 특성은 점차 다양화되고 보다 특별한 기능이 요구되어 다양하고 복잡한 조합의 첨가제들이 개발되고 적용된다. 그에 따라 발생할 수 있는 고분자 재료의 문제들 중에 첨가제들의 기본적인 특성이나 부적절한 처방, 조합에 의해 기인하는 문제들도 다양하게 발생한다.
열분해 되어 발생하는 가스들은 고분자 재료에 따라 특징적인 조성으로 이루어진 독특한 형태로 생성되며 고분자 물질들의 확인에 지문처럼 사용할 수 있다. 첨가제와 관련한 고분자 소재의 고장분석을 위하여 적용 가능한 여러 가지 분석 기법 중에 열분해 가스 크로마토그라피 중심으로 열분해 분석 방법에 대하여 정리하고 열분해 작용에 대한 기본적인 이해와 적용에 대하여 소개하고자 한다.

고분자 소재의 기계적, 물리 화학적 및 전기적 물성 등을 향상시키기 위해 수행되는 표면 코팅의 목적을 달성하기 위해서는 코팅제와 소재 표면 사이의 접착이 우수하여야 한다. 그러나 불행히도 접착에 영향을 미치는 다양한 요소들에 대한 과학적인 해석이 부족한 것이 현실이다. 표면 코팅 공정이 완결되어지면 그 다음 단계는 코팅이 요구되는 성능을 만족하는지에 대한 평가가 필요하다. 필름 두께와는 별도로 접착, 경도 및 탄성 등과 같은 물리적/기술적 특성들이 코팅의 성능을 평가하는데 매우 중요한 역할을 한다. 이와 같이 접착공정 자체는 기술적으로 크게 어려운 일은 아닌 것으로 생각될 수 있지만 접착 불량 등의 문제가 발생하게 된다면 그 대책을 세우는 일이 결코 쉽지만은 않은 경우가 상당히 많이 발생하고 있다.
접착에는 여러 가지 요인들이 관여하고 있기 때문에 접착불량의 문제를 해결하기 위해서는 각 요인들의 정확한 이해와 더불어 해석을 필요로 한다. 접착 고장현상의 정확한 규명은 접착의 기초를 잘 이해하는 것으로부터 출발을 해야 하며 더 나아가 접착력 측정방법에 대한 충분한 이해를 통해 결과의 명확한 해석을 얻음으로써 달성될 수 있을 것이다.
본 내용에서는 접착이론에 관한 설명을 통해 코팅 공정의 기초를 이해하며, 더 나아가 접착 고장현상의 분석을 위한 코팅접착력 측정방법과 결과 해석법에 대해서 고찰하고자 한다.