[논문]고분자 소재에서 흡습 특성의 평가

박희진

doi:10.3795/ksme-a.2012.36.11.1297

고분자 소재에서 흡습 특성의 평가
Evaluation of Moisture Sorption Characteristics in Polymer Material 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.36 no.11, 2012년, pp.1297 - 1303

초록
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본 논문에서는 PET(Polyethylene Terephthalate)와 같은 박막 형태의 고분자 소재에서 수분 확산을 특성화 하기 위한 표준 과정을 열 중량법을 사용하여 제시하고 소재의 흡습 물성을 정량적으로 얻었다. 온도 및 습도에 대한 흡습 물성들의 영향을 조사하기 위해 아레니우스(Arrhenius) 식에 따른 PET 필름의 용해성과 확산성을 특성화 하였다. Fickian 확산에 기반한 박막 소재의 수분 투과성을 구하여 열중량법에서 얻은 흡습 물성의 타당성을 토론하였다. 고분자 소재가 금속과 같은 무기물과 다층 경계면을 가지는 경우 농도에 의존적인 비선형 수분 확산성의 특성을 실험적으로 조사하였고 Non-Fickian 모델에 따른 비선형 확산 특성을 수치적으로 정량화 하였다. 얻어진 흡습 물성들에 기반한 Fickian/Non-Fickian 모델에 대해 수치적으로 비교 및 토론 하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, the standard procedures for measuring the moisture sorption properties of thin polymeric materials such as polyethylene terephthalate (PET) by using the thermo-gravimetric method to characterize the moisture diffusion in the polymer are presented, and the sorption properties are quantified. The moisture diffusivity and solubility are characterized to investigate the effect of temperature and humidity on the moisture sorption properties according to the Arrhenius equation. The validation of the obtained sorption properties using thermogravimetry is discussed with the measured permeability based on Fickian diffusion. The nonlinear behavior of the concentration dependent moisture diffusion is investigated experimentally, and the nonlinearity is characterized numerically for the case of having an interface with an inorganic material such as a metal. The Fickian/Non-Fickian model based on the obtained moisture sorption properties is compared and discussed.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

⁽⁹⁾ 이것은 Fickian 모델이 바탕된 열전달과 유사한 질량 확산에 근거하여 대부분 소재의 흡습 거동을 묘사할 수 있지만 확산 농도에 따른 확산성의 차이로 오차는 여전히 남아 있다. Non-Fickian 확산성을 특성화하기 위한 모델링과 챔버, 저울을 이용한 에폭시 합성물(Epoxy Molding Compound)에 대한 수분 흡습에 관한 실험은 수행되었다.⁽¹⁰⁾ 이러한 흡습 실험은 전통적으로 항온, 항습 챔버와 고정도 저울을 사용하여 흡습 물성인 용해성과 확산성을 측정하여 왔다.
온도, 습도에 따라 수분이 고분자 소재 내부로의 확산되어 있는 형태, 표면에 수분이 흡착된 형태, 소재 내부의 공간 틈(Pore) 사이에 물이 존재하는 형태 등과 같이 고분자에 존재하는 모든 형태의 물과 수증기에 대해 조사할 필요가 있다. 하지만, 본 논문에서는 이러한 형태적인 차이에 대해 구분하지 않고 고분자 내에 존재하는 전체 물의 형태에 관해 정량화를 하였음을 알린다.

제안 방법

측정된 수분 투과성은 고분자 소재 물성에 관한 문헌에 제시된 값과 비교할만한 수준이었다.⁽¹⁷⁾ 상호 비교를 위해 열중량법과 투과법으로 측정된 값에 대한 독립적 근사 및 전역(Concatenate) 근사를 각각 수행하였다. 근사를 통해 얻어진 R² 및 자유도(Degree of freedom)를 이용하여 R² 확률을 관계식을 통해 구하였다.
확산 특성을 측정하기 위해 온도 및 습도 제어기능을 가지는 챔버 내에서 실시간으로 무게를 측정할 수 있는 마이크로 저울을 사용하였다. 개략적인 장비는 Fig. 1에 도식화되어 있으며 온도, 습도를 제어 가능한 챔버와 챔버 내부에 위치하여 시료의 무게 변화를 실시간으로 측정 가능한 마이크로 저울을 도식화 하였다.
⁽¹⁷⁾ 상호 비교를 위해 열중량법과 투과법으로 측정된 값에 대한 독립적 근사 및 전역(Concatenate) 근사를 각각 수행하였다. 근사를 통해 얻어진 R² 및 자유도(Degree of freedom)를 이용하여 R² 확률을 관계식을 통해 구하였다.⁽¹⁸⁾ 독립적 근사 및 전역 근사 모두 R² 확률이 1 에 근접한 값을 얻었다.
는 확산 농도 의존성에 대한 무차원 전통적인 방법으로 측정이 어려운 박막 형상 고분자의 흡습 물성 특성을 열중량법을 이용하여 정량화 하였고 수분 투과성과 비교하여 타당함을 보였다. 대표적 수분 차단 소재인 박막 형상의 PET에 대해 온도, 습도에 따른 흡습 물성 특성을 평가 하였고 다음과 같은 결론을 얻었다.
이러한 문제점을 대처하기 위해 본 논문에서는 열중량법을 사용하여 온도에 따른 흡습 물성을 정량화 및 과정을 제시하였고 수분 투과성과 비교하여 타당함을 보였다. 또한, 아레니우스(Arrhenius) 식에 따른 특성화를 위해 확산성과 용해성의 온도 의존적인 변수 특성을 얻었고 확산 모델링에 기반한 수치적 계산 값들과 비교하였다.
일반적으로 차단성 재질로 널리 활용되고 있는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 재질을 이용하여 흡습 특성을 다양한 온도 및 습도 조건에서 실험적으로 조사하였다. Fig.
이런 방식으로 얻어진 데이터는 측정 하는 동안 수분 손실의 양이 무시할 수 있을 때만 타당하다. 측정 동안 수분을 쉽게 흡습하거나 탈습하는 박막의 시료에 대해서는 이러한 점을 막기 위해 유리판을 시료 양쪽으로 덧대어 흡수된 수분의 손실을 최소화하여 소재를 평가한다. 하지만, 이러한 방법은 확산 계수를 얻기 위해 요구되는 과도 응답 반응 데이터에 대해서 측정 시간 간격이 챔버의 개폐에 따른 측정 가능한 환경에 도달하는 시간에 비해 충분히 커야만 한다.
)는 시편의 질량과 체적을 각각 나타내며 용해성은 식 (2)로부터 결정된다. 확산 특성을 측정하기 위해 온도 및 습도 제어기능을 가지는 챔버 내에서 실시간으로 무게를 측정할 수 있는 마이크로 저울을 사용하였다. 개략적인 장비는 Fig.

성능/효과

(1) 열중량법을 이용하여 박막 형태의 고분자 소재인 PET의 수분 질량을 온도, 습도에 따라 얻었고 온도에 따른 흡습 물성을 특성화 하는 아레니우스 식과 수분 농도가 수증기압과의 평형을 이루는 헨리(Henry)의 법칙에 따라 타당한 결과를 실험을 통해 얻었다.
하지만, 물과 같은 극성 분자가 극성을 가지는 고분자로 흡수 될 때 용해 에너지는 특별히 커지고 고습에서 포화 농도가 온도에 의존하고 있음이 관측되었다.⁽¹⁴⁾ 본 실험에서 사용된 건조 온도는 60℃였고 사용된 PET 필름의 유리 전이 온도는 약 98℃로 측정되었다. 이것은 DMA(Dynamic Mechanical Analyzer)를 사용한 측정에서 확인되었다.
(2) 열중량법을 통해 얻어진 흡습 물성을 특성화 하였고 측정된 수분 투과성과의 비교를 통해 얻어진 흡습 물성의 타당성을 보였다. 이러한 결과는 소재의 흡습 특성 평가 및 선택에 빠르고 함축적인 예측을 가능하게 한다.
(3) 확산 상수를 추정함에서 생기는 오차는 수분 확산 농도에 따른 확산성을 가지는 Non-Fickian 모델을 통해 최소화 하였고 비선형 특성 변수들을 수치적으로 구할 수 있었다.
(4) 얻어진 흡습 물성 및 특성은 신뢰성에 필수적으로 수반되는 온도, 습도 환경에서 소재로 침투되는 수분의 양을 예측 가능하게 하였고 실험과 일치하는 결과를 얻을 수 있었다.
⁽⁷⁾ 고분자의 구조적 변화가 일어나지 않는 상태에서 박막 소재의 두께가 재료에 미치는 영향 분석을 위해 수분 수송(transport)에 관한 인자들은 조사되었다.⁽⁸⁾ 높은 확산 농도에서 낮은 확산 농도로 고분자 내에서 매질은 확산되고 투과성은 소재를 통과해서 빠져나가는 수분의 이동을 나타낸다. 이러한 투과성의 메커니즘을 조사하기 위한 방법, 고분자에서의 확산, 투과율의 과도 응답 등으로부터 확산 계수를 정량적으로 구하기 위해 재료의 형상에 따른 수학적인 방법이 연구되었다.
7 에 보여준 형상에 대한 아크릴 계열 고분자의 측정된 수분 흡습량을 보여주고 있고 Fickian 모델 및 Non-Fickian 모델과 상호 비교하였다. Non-Fickian 모델에서 정규화된 흡습 수분량은 약 0.5 까지의 낮은 확산 농도에서는 Fickian 모델의 거동을 따르는 것으로 보이나 확산 농도가 증가 함에 따라 점차 확산 속도가 늦어짐을 관측하였다.
실험 결과는 포화 수증기압과 용해 활성화 에너지는 거의 동일함을 보여주고 있고 이것은 문헌에서의 내용과 일치한다.⁽²⁾D_o, S_o은 확산성 조정 계수, 용해성 조정 계수를 각각 나타낸다.
여기서 DoC 는 확산 농도 의존성에 대한 무차원 전통적인 방법으로 측정이 어려운 박막 형상 고분자의 흡습 물성 특성을 열중량법을 이용하여 정량화 하였고 수분 투과성과 비교하여 타당함을 보였다.
결과적으로, 전통적인 방법을 사용하여 확산성이 매우 큰 박막의 흡습 물성을 측정하기는 매우 어렵다. 이러한 문제점을 대처하기 위해 본 논문에서는 열중량법을 사용하여 온도에 따른 흡습 물성을 정량화 및 과정을 제시하였고 수분 투과성과 비교하여 타당함을 보였다. 또한, 아레니우스(Arrhenius) 식에 따른 특성화를 위해 확산성과 용해성의 온도 의존적인 변수 특성을 얻었고 확산 모델링에 기반한 수치적 계산 값들과 비교하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	플라스틱 패키징에 존재하는 수분은 어떠한 문제점을 발생시키는가?	플라스틱 패키징에 존재하는 수분은 기계적 열물성의 변화를 가져와 열 응력을 변화시킨다. 습기에 의한 서로 다른 팽창은 응력을 유발시키고 결국엔 팝콘(popcorn) 크랙 또는 박리와 같은 고장의 원인이 되는 증기압을 야기시킨다. 또한 수분은 전자 소재의 신뢰성에서 유전 물성을 변화시킨다고 알려져 있다.(1~4) 특히 고온, 고습의 신뢰성 조건은 터치 스크린 패널(touch screen panel)에서 고분자의 전기적 전도성과 같은 물성의 특성의 변화를 가져온다.
	고분자 소재에서 물은 어떠한 형태로 존재하는가?	(5) 하지만, 이러한 제품 신뢰성에 중요한 영향을 미치는 온도, 수분에 대한 재료의 영향에 관한 특성화 과정 및 재료의 특성에 관한 연구는 미약한 실정이고 따라서 고분자 소재인 전자 부품에서 흡습 물성들의 측정과 이해는 수분으로 유발된 고장의 신뢰성 모델링에 필수적이다. 고분자 소재에서 물은 일반적으로 구속되지 않고 자유로운 물, 동결할 수 있는 구속된 물, 동결하지 않는 물인 3 가지의 상태로 존재한다고 알려져 있다.(6) 폴리이더이미드(PEI) 필름을 사용하여 다양한 온도, 습도에서 디클로로메탄(Dichloromethane)액의 용해는 온도에 따라 고분자의 연결 구조에서 형태적인 변화를 가져올 가능성이 있다고 알려져 있다.
	전통적으로 항온, 항습 챔버와 고정도 저울을 사용하여 흡습 물성인 용해성과 확산성을 측정하는 방법은 어떠한 문제점이 있는가?	(10) 이러한 흡습 실험은 전통적으로 항온, 항습 챔버와 고정도 저울을 사용하여 흡습 물성인 용해성과 확산성을 측정하여 왔다. 이런 방식으로 얻어진 데이터는 측정 하는 동안 수분 손실의 양이 무시할 수있을 때만 타당하다. 측정 동안 수분을 쉽게 흡습하거나 탈습하는 박막의 시료에 대해서는 이러한 점을 막기 위해 유리판을 시료 양쪽으로 덧대어 흡수된 수분의 손실을 최소화하여 소재를 평가한다. 하지만, 이러한 방법은 확산 계수를 얻기 위해 요구되는 과도 응답 반응 데이터에 대해서 측정 시간 간격이 챔버의 개폐에 따른 측정 가능한 환경에 도달하는 시간에 비해 충분히 커야만 한다. 결과적으로, 전통적인 방법을 사용하여 확산성이 매우 큰 박막의 흡습 물성을 측정하기는 매우 어렵다. 이러한 문제점을 대처하기 위해 본 논문에서는 열중량법을 사용하여 온도에 따른 흡습 물성을 정량화 및 과정을 제시하였고 수분 투과성과 비교하여 타당함을 보였다.

참고문헌 (18)

Galloway, J. E. and Miles, B. M., 1997, "Moisture Absorption And Desorption Predictions for Plastic Ball Grid Array Packages," IEEE Trans. Comp. Packag. Manuf. Technol., Vol. 20, pp. 274-279.

상세보기
Wong, E. H. and Rajoo, R., 2003, "Moisture Absorption and Diffusion Characterization of Packaging Materials-Advanced Treatment," Microelectron. Reliab., Vol. 43, pp. 2087-2096.

상세보기
Stellrecht, E., Han, B. and Pecht, M. G., 2004, "Characterization of Hygroscopic Swelling Behavior of Mold Compounds And Plastic Packages," IEEE Trans. Comp. Pkg. Tech., Vol. 27, pp. 499-506.

상세보기
Fan, X. J. and Lim, T. B., 1999, "Mechanism Analysis for Moisture-Induced Failure in IC Packages," Proc. ASME IMECE 11th Symposium on Mechanics of Surface Mount Assemblies, Nashville, Tennessee, pp.14-19.
Vitoratos, E., Sakkopoulos, S., Dalas, E., Paliatsas, N., Karageorgopoulos, D., Petraki, F., Kennou, S. and Choulis, S. A., 2009, "Thermal Degradation Mechanism of PEDOT:PSS," Organic Electronics, Vol. 10, No. 1, pp. 61-66.

상세보기
Hodge, R. M., Edward, G. H. and Simon, G. P., 1996, "Water Absorption and State of Water in Semicrystalline Poly(Vinyl Alcohol) Films," Polymer, Vol. 37, No. 8, pp.1371-1376.

상세보기
Ruvolo-Filho, A. and Da Silva, A., 1998, "Transport of Dichloromethane in Poly(ether Imide) Films. Effect of the Solvent Activity and Temperature," J. Macromol. Sci. Phys., Vol. B37, pp. 349-363.
Ruvolo-Filho, A. and Murakami, M. M., 1998, "Transport Properties of Water in Glassy Polycarbonate Films. Effects of the Processing and Thickness," J. Macromol. Sci. Phys., Vol. B37, pp. 627-643.
Pasternak, R. A., Schimscheimer, J. F. and Heller, J., 1970, "A Dynamic Approach to Diffusion and Permeation Measurements," J. Poly. Sci.: Part A-2, Vol. 8, pp.467-479.

상세보기
Jang, C., Han, B. and Yoon, S., 2010, "Comprehensive Moisture Diffusion Characteristics of Epoxy Molding Compounds over Solder Reflow Process Temperature," IEEE Trans. Comp. Packag. Tech., Vol. 33, No. 4, pp. 809-818.

상세보기
Comyn, J., 1985, "Polymer Permeability," Elsevier Applied Science Publishers, New York.
ASTM D5229, 1998, "Standard Test Method for Moisture Absorption Properties and Equilibrium Conditioning of Polymer Matrix Composite Materials."
Crossman, F. W., Mauri, R. E. and Warren W. J., 1978, "Advanced Composite Materials-Environemntal Effects," ASTM STP, Vol. 658, pp. 205-220.
Wolff, E. G., 1991, "Polymer Matrix Composites: Moisture Effects and Dimensional Stability," Int. Encyclopedia Comp., Vol. 4, New York, VCH Publishers, pp. 279-323.
Launay, A., Thominette, F. and Verdu, J., 1999, "Water Sorption in Amorphous Poly(ethylene terephthalate)," J. Appl. Pol. Sci., Vol. 73, p. 1131.
ASTM F1249, 1995, "Standard Test Method for Water Vapor Transmission Rate Through Plastic Film And Sheeting Using a Modulated Infrared Sensor."
Brandrup, J. and Immergut, E. H., 1989, "Polymer Handbook," 3rd ed. Wiley, New York.
Evans, D. H., 1992, "Probability and Its Applications for Engineers," Mercel Dekker Inc.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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