플라스틱의 자외선 노화 및 내광 견뢰도

자외선 노화는 광화학 반응, 산화 및 안정화 성분의 분해를 통해 고분자, 코팅제 및 염료를 변화시킵니다. 촉진 시험은 소재의 차이를 가시화할 수 있지만, 스펙트럼, 조사량, 온도, 습도 및 시료 형상이 해당 질문에 적합한 경우에만 실제 노화 현상을 신뢰성 있게 대변합니다. 이 페이지에서는 노화 메커니즘, 영향 변수 및 단기 조사(照射) 측정 계획에 대해 설명합니다.

자외선에 의한 노화

자외선은 광화학 반응의 결과로 고분자 기반 소재 및 기타 광민감성 소재에 다양한 변화를 일으킵니다. 대표적인 손상 메커니즘으로는 솔라리제이션, 광변색, 광분해, 오존 생성으로 인한 소재 노화가 있습니다:

a) 솔라리제이션
솔라리제이션은 유리나 플라스틱과 같은 투명 기재에서 자외선에 의해 유발되는 투과율 손실입니다: 색 중심과 분해 생성물이 빛을 흡수하여 소재가 변색되고 흐려 보이게 됩니다.

b) 광변색
광변색은 열가소성 폴리우레탄(TPU), 실리콘 또는 폴리카보네이트와 같은 반투명 플라스틱에서 발생하는 분광학적 변화를 나타냅니다. 자외선에 노출되면 점진적인 황변 또는 백색·분필 같은 표면 변화(이른바 "초킹(chalking)")가 나타나며, 이는 분자 재구성 또는 첨가제의 분해에 기인합니다.

c) 광분해
광분해는 고분자 망상 구조 내 분자 결합의 분해로 특징지어집니다. 이러한 과정은 인장 강도를 현저히 저하시키고 기계적·열적 특성의 변화를 초래하여 소재의 완전성을 심각하게 손상시킵니다.

d) 오존 유발 산화
자외선의 영향 아래 대기 중 산소로부터 광분해 반응을 통해 생성될 수 있는 오존은 강력한 산화제입니다. 오존은 산화적 노화 과정을 가속화하며, 특히 엘라스토머, 씰 및 고분자 기반 마감재에서 취화 및 균열을 유발합니다.

단파장 방사선은 특수한 경우에 해당합니다: UVC로 인한 소재 노화는 UVA에서보다 더 빠르고 더 표면적으로 진행되는데, 이는 광자가 더 많은 에너지를 가지고 있어 처음 몇 마이크로미터 이내에서 흡수되기 때문입니다. 이 때문에 UVC 소독은 수년간의 일광에도 손상되지 않는 표면을 초킹시킬 수 있습니다.

UV 방사는 플라스틱의 고분자 구조 내에서 광화학 반응을 유발합니다. 이로 인한 재료 劣化(열화)는 방사선의 강도와 분광 조성에 따라 달라집니다. 섬유는 일반적인 플라스틱과 유사한 손상 기구의 영향을 받습니다.

UV 조사(照射) 하에서 나타나는 이러한 효과는 다음과 같이 고려됩니다.

고분자는 대부분 유기적으로 공유 결합된 구조 단위로 이루어져 있습니다. 대표적인 손상 기구는 광분해에 의한 사슬 절단입니다. 여기서 고에너지 광자는 직접 흡수를 통해 고분자 주쇠사슬을 절단시킵니다. 또한 고분자 복합체 내부의 여기 상태로 인해 자유 라디칼이 생성됩니다. 앞서 설명한 劣化(열화) 과정은 대체로 표면 근처의 층에 한정되며, 일반적으로 재료 내부 0.5 mm보다 깊게 진행되지 않습니다. 그럼에도 불구하고 취성 증가로 인한 응력 집중은 특히 기술 성형 부품에서 구조적 파손 기구를 유발할 수 있습니다.

UV-C 방사는 더 긴 파장에 비해 에너지가 가장 높으며, 따라서 고분자 재료에 대한 손상 가능성이 가장 큽니다. 지구 대기에 의한 흡수로 인해 자연 상태의 UV-C 방사는 지표면에서 발생하지 않습니다. 산업적 이용 또한 특정 용도에 한정되어 있습니다. 그 결과, 단독 UV-C 조사(照射) 하에서의 재료 노화 거동에 대한 경험적 데이터는 제한적입니다. 기술 기기에 UV-C 방사가 사용되는 경우, 이에 상응하는 시험이 가능합니다.

UV 방사의 종류

UV 방사는 그 분광 조성과 재료에 대한 각각의 물리적 영향에 따라 구분됩니다. 자연광, 즉 전천 일사(全天日射)에는 주로 UV-A와 UV-B 방사가 포함됩니다. UV-A(315~400 nm)와 UV-B(280~315 nm)는 자유 대기 중에서 발생하지만, UV-B는 일반적인 창유리에 의해 거의 완전히 흡수됩니다. 이는 실내에서는 감소된 비율의 UV-A 방사만이 유효하다는 것을 의미합니다.

UV-A 및 UV-B 복사조도를 증가시킨 시험은 통제된 실험실 조건에서 가속화된 광화학적 노화를 모사합니다. 그러나 이러한 가속 노화는 재료의 종류, 조사 시간, 파장, 온도 및 습도에 크게 의존하므로 보편적인 환산 계수로 표현할 수 없습니다.

최적 조건(맑은 하늘, 여름 태양, 태양 고도 45°)에서 지표면의 최대 전천 복사조도는 약 1000~1100 W/m²입니다. 이 중 UV 성분은 UV-A의 경우 약 5~6 %, UV-B의 경우 약 0.5~1 %입니다. 이로부터 지표면의 일반적인 UV 복사조도 값은 약 62 W/m²(UV-A) 및 약 5.6 W/m²(UV-B)로 산출됩니다.

이에 비해, BS-02 UV 조사(照射) 장치는 장착된 램프에 따라 최대 약 80 W/m²의 UV-A 복사조도와 최대 약 50 W/m²의 UV-B 복사조도를 발생시킵니다. 따라서 UV-B 성분은 자연 태양광에 비해 최대 9배까지 높습니다. 연간 약 1000시간의 일조 시간을 가정하면, BS-02 장치를 사용하여 약 30일 만에 이와 동등한 연간 UV-A 조사량을 달성할 수 있습니다.

UV-B 영역에서는 이러한 집중적인 조사(照射)를 통해 고분자 유형 및 그 안정화 정도에 따라 최대 200배의 노화 가속 계수를 얻을 수 있습니다. 그러나 이러한 실험실 노화 모사의 실제 유효성은 재료와 용도에 따라 항상 개별적으로 평가되어야 하며, 비교 조사(照射)가 필요합니다.
 

UV 노화 예시

이 이미지는 발광다이오드를 예로 들어 신품과 노화된 전자 부품을 비교하여 보여줍니다. 왼쪽에는 신품 부품이, 오른쪽에는 350시간 동안 인공 UV 노화를 거친 시료가 나타나 있습니다. 이 사진은 노화 과정을 예시적으로 보여줍니다. 노화된 발광다이오드는 황변 및 색 바램 현상을 보입니다. 또한 색이 바랜 보호 코팅은 부분적으로 균열이 생기고 부서지기 쉬운 상태입니다.

인공 노화 시 광원의 차이는 특히 흥미로운 부분입니다. UVB-313 조사(照射)(하단)와 필터링된 제논 램프를 이용한 인공 촉진 노화(상단)를 비교하였습니다. 총 조사량은 UVB-313 조사(照射)의 경우 약 70 MJ/m², 필터링된 제논 램프를 이용한 인공 촉진 노화의 경우 약 190 MJ/m²였습니다.

[Schulz, Kurzzeitbewitterung, 2007]에 따르면, 형광램프를 사용하는 노화 방법은 자외선(UV) 조사(照射)로 인해 시료의 황변이 증가하는 것으로 나타납니다. 반면, 제논 아크 램프를 이용한 조사(照射)는 시료의 색 바램을 더 강하게 유발합니다.

두 방법의 또 다른 차이점은 시료의 온도에 있습니다. 형광램프를 사용할 경우 시료는 더 낮은 온도를 유지합니다. 이는 자외선(UV) 스펙트럼으로 제한되기 때문이며, 이 경우 시료는 제논 램프 장치에서 발생하는 복사조도의 약 6%에만 노출됩니다.

다음 그림은 두 개의 양극산화 알루미늄 표면을 직접 비교한 것입니다. 왼쪽은 새 부품이고, 오른쪽은 동일한 유형의 노화된 변형입니다.

UVB 및 UVA를 이용한 노화 후, 노화된 부품에서는 명확한 광변색(변색)이 나타납니다. 이러한 시각적 변화는 양극산화층의 색 안정성이 저하되는 자외선(UV) 유발 노화 과정의 특징입니다. 그 원인으로는 유기 색소의 광화학적 분해뿐만 아니라 장기간의 자외선(UV) 조사(照射)로 인한 산화층의 구조적 변화가 있을 수 있습니다.

의약품의 광안정성 시험은 별도의 규제 사항에 따르며, ICH Q1B 전문 페이지에서 다루고 있습니다. 이 페이지에서는 소재, 코팅 및 내광성에 중점을 둡니다.

이러한 시험은 균일도가 정의되고 시간 또는 조사량이 제어되는 차폐된 챔버에서 수행됩니다. 각 구조와 시험 과제에 대한 배정은 UV 조사 챔버에서 설명합니다. 시료 위치에서 설정된 조사량을 확인하는 방법은 UV 측정기 및 복사계에서 다룹니다.

실험실에서 태양광 조사를 시뮬레이션하는 데 얼마나 걸립니까?
이는 오로지 복사조도의 비율로부터 도출됩니다. 지표면에서 태양은 약 62 W/m²의 UVA와 5.6 W/m²의 UVB를 제공하며, 연간 약 1,000시간의 일조시간을 기준으로 연간 UVA 조사량은 223 MJ/m², 연간 UVB 조사량은 20 MJ/m²가 됩니다. UVA 80 W/m², UVB 50 W/m²의 실험실 챔버는 연간 UVA 조사량을 약 775시간의 가동 시간, 즉 약 32일 만에 제공하며, 연간 UVB 조사량은 약 112시간, 즉 5일이 채 안 되는 시간에 제공합니다. 따라서 하루의 일조는 약 2시간의 UVA 또는 18분의 UVB에 해당합니다. 이 계산은 조사량 수지 계산이며, 동일한 손상이 발생하는지 여부는 알려진 기준값과의 비교 조사를 통해서만 판단할 수 있습니다.

UVB를 이용한 가속 노화는 얼마나 빠릅니까?
UVB 50 W/m²의 실험실 챔버는 자연 UVB 복사조도의 약 9배에 달하며, 밤과 날씨의 영향 없이 이를 제공합니다. 연간 약 1,000시간의 일조시간을 기준으로 한 옥외 폭로와 비교하면 약 80배의 가속 계수가 나오며, 재료에 따라 최대 200배까지 관찰됩니다. 이 계수는 재료의 고유 특성이 아닙니다. 사슬 절단, 황변, 취화는 증가된 복사조도에 각기 다르게 반응하며, 재료에 따라 정해지는 한계를 넘어서면 옥외에서는 발생하지 않는 손상 패턴이 나타납니다. 따라서 시간 단축은 알려진 기준값과의 비교를 통해서만 신뢰할 수 있게 됩니다.

UV 시험 챔버의 복사조도는 태양과 비교하여 얼마나 높습니까?
UVA 영역에서 80 W/m²의 일반적인 시험 챔버는 지표면에서 약 62 W/m²에 달하는 태양의 약 1.3배에 해당합니다. UVB 영역에서는 자연 상태의 5.6 W/m²에 비해 50 W/m²는 이미 9배에 달합니다. UVC의 경우 280 nm 이하의 복사선이 지표면에 도달하지 않기 때문에 비교 대상이 없습니다. 따라서 UVC 시험은 태양광 시뮬레이션이 아니라 기술적 부하 조건에 대한 시험입니다. 따라서 제시되는 모든 가속 계수는 해당 스펙트럼 범위와 함께 이해되어야 합니다.