Moisture sorption behavior and dimension change of polymeric materials (ASA, ABS, PMMA, PC, PP, PPS) for automotive exterior lamp has been investigated. The variations of the moisture sorption have been represented following the theoretical model of the Fick’s 2nd law of diffusion. In order to understand the dimensional change during the moisture sorption process, the change in length of each sample was studied. The length of polymeric materials increased as equilibrium water content increased. The moisture absorbed polymer materials provided a 33% decrement of the coefficient of thermal expansion, seemingly by swelling the polymer materials under atmosphere condition.

본 연구에서는 자동차 외장 램프에 사용되는 고분자 소재(ASA, ABS, PMMA, PC, PP, PPS)의 수분 흡습거동과 이에 따른 치수 변화에 대해 연구하였다. 수분 흡습의 초기 거동은 확산 지배 방정식인 Fick의 제 2법칙을 따르는 거동을 보였다. 수분 흡습에 따른 치수 변화를 분석하기 위해 각 샘플의 길이 수분 흡습 후 길이 변화를 측정하였으며, 그 결과 수분 흡습에 따라 치수가 증가하는 변화를 보였다. 또한, 최대 흡습량이 증가한 소재일수록 치수변화도 증가하는 것을 확인하였다. 수분을 흡습한 고분자의 열팽창계수는 건조된 고분자 대비 최대 33%(본 연구에서는 PMMA의 경우) 감소된 값을 보였다. 이는 수분 흡습에 의해 1차적으로 팽창하여, 열에 의한 팽창이 상대적으로 감소한 것으로 판단된다.

Keywords: moisture sorption, dimensional change, coefficient of thermal expansion, automotive exterior lamp, Fick’s second law

자동차 전조등은 야간 또는 전방 시야 확보가 어려운 상황에서 자동차의 진로를 비추는 가장 중요한 조명이며, 후미등은 차폭을 지시하기 위해 차 뒷부분 양쪽 끝에 설치된 램프로 후방에 대한 신호 및 표지용 램프이다.¹ 기존에는 단순 조명 역할을 했으나, 최근에는 차량 외관의 디자인 중요도가 높아지고, 안전 편의에 대한 요구가 증가됨에 따라 전조등 및 후미등의 기능이 다양해지고 있다. 최근 자동차 외장용 램프는 다양한 광원을 사용하고 있으며 그와 더불어 램프 내부의 형상도 복잡해지고 있다.^2-6 이로 인해 디자인 자유도가 높은 고분자를 적용한 전조등 부속품 채용이 늘어가고 있는 추세이다.² 하지만, 자동차 외장 램프의 경우, 밀폐된 공간에서 램프의 점등 및 소등으로 인해 내부 온도가 상승 및 하락하게되고 이로 인해 플라스틱 부속품 내 함유된 수분을 방출하게되어 램프 내부에 김서림이 발생하게 된다. 이렇게 발생된 렌즈 내부 표면의 습기가 전조등 성능 저하 및 미관을 저해하게 된다.^2-5
고분자 및 플라스틱은 일반적으로 사출성형을 통해 성형성이 우수하고 복잡한 형상 구현이 가능하다는 장점이 있다. 또한 금속 대비 가볍기 때문에 부품 경량화 측면에서 유리하다. 최근 자동차 연비 규제 강화로 인해 신소재 적용을 통한 차량 경량화 기술이 주목받고 있으며, 실제 다양한 부품에 플라스틱 채용이 증가하고 있는 추세이다.⁷ 하지만, 금속 재료대비 외부 환경에 매우 열악한 특성을 보이는 경우가 있어 적용에 제한이 되고 있다. 자동차의 경우 열악한 온도 및 수분의 조건하에서 장기간 사용되는 경우가 많은데, 고분자는 이러한 조건에서 일반적으로 물성저하가 일어난다고 알려져 있다. 또한 대부분의 고분자는 수분을 흡수하는 성질을 가지고 있으며, 이에 따른 치수 변화가 발생한다.^8,9 특히 대기 환경에 노출된 상태에서 사용되어지는 제품의 경우 대기 중의 수분에 의한 흡습 특성 연구가 요구된다.
고분자 물질 또는 복합재료에 흡수된 물은 고분자 고유의 자유부피 그리고 수분의 흡습/발습 과정에서 비가역적으로 생성되는 미세기공 등에 침투하면서 다양한 변화를 유발한다. 이 때 온도 변화로 인한 수분의 흡습에 의해 가역적인 변화 또는 비가역적인 변화가 관찰되기도 하며, 소재의 물성 변화를 가져온다.⁹
본 연구에서는 자동차 전조등 및 후미등을 구성하는 부속품용 고분자 및 복합소재인 아크릴로나이트릴-스타이렌-아크릴레이트(ASA), 아크릴로나이트릴-부타다이엔-스타이렌(ABS), 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA), 폴리카보네이트(PC), 폴리프로필렌(PP), 폴리페닐렌 설파이드(PPS)의 흡습 거동을 분석하였다. 또한 흡습에 따른 소재의 치수 변화를 분석하였다.