유리전이 온도(Tg)의 개념과 영향을 미치는 요인

1. 유리전이 온도(Glass Transition Temperature, Tg)의 개념

 유리전이 온도(Glass Transition Temperature, Tg)는 비정질(무정형) 고분자가 유리(glassy) 상태에서 고무(rubbery) 상태로 변화하는 온도를 의미합니다. 이는 고분자 사슬의 운동성이 급격하게 증가하는 온도로, 고분자의 기계적 성질과 열적 특성을 결정하는 중요한 지표입니다.

• 유리전이 온도(Tg) 이하: 고분자는 분자 운동이 제한되며 딱딱하고 깨지기 쉬운 유리 상태(glassy state)
• 유리전이 온도(Tg) 이상: 고분자의 사슬 운동이 활발해지며 유연하고 탄성을 가지는 고무 상태(rubbery state)

 유리전이 온도는 특히 비정질(Amorphous) 고분자 또는 결정성(Crystalline) 고분자의 비정질 영역에서 중요한 역할을 하며, 이는 플라스틱, 고무, 코팅재료 및 다양한 산업용 소재의 물성을 결정하는 핵심 요소입니다.

2. 유리전이 온도(Glass Transition Temperature, Tg)와 녹는점(Melting Temperature, Tm)

 고분자는 일반적인 저분자 물질과 다르게 뚜렷한 녹는점 (Melting Temperature, Tm)을 가지지 않으며, 두 가지 주요 전이 온도를 가집니다.

분류	유리전이 온도(Glass Transition Temperature, Tg)	녹는점(Melting Temperature, Tm)
정의	비정질 고분자가 유리 상태에서 고무 상태로 변하는 온도	결정성 고분자가 고체에서 액체로 녹는 온도
적용 대상	비정질 고분자 및 결정성 고분자의 비정질 부분	결정성 고분자
전이 특성	점탄성이 증가하고 가소성이 향상됨	고분자가 완전히 액체화됨
상태 변화	딱딱한 상태 → 부드럽고 유연한 상태	고체 → 액체

3. 유리전이 온도에 영향을 미치는 요인

1) 고분자의 화학 구조

① 유리전이 온도 상승 요인 : 고분자 간의 강한 분자 간 상호작용(수소결합, 극성 결합)이 많거나 고분자 내에 경직된 고분자 주쇄(방향족 고리 등)가 많이 포함될수록 유리전이 온도는 증가합니다. 또한 고분자의 분자량이 증가하면 유리전이 온도도 상승하는데 그 이유는 사슬 간 얽힘(entanglement)과 분자 간 힘이 증가하여 운동성이 감소하기 때문입니다.

 

② 유리전이 온도 감소 요인 : 단순한 탄화수소 구조를 가진 유연한 고분자와 고분자 사슬 간 결합이 약한 고분자는 유리전이 온도가 감소합니다.

2) 가소제(Plasticizer) 첨가

 가소제는 고분자 사슬 간의 상호작용을 약화시켜 유리전이 온도를 낮추게 됩니다. 한 예로 폴리염화비닐(PVC)에 가소제를 첨가하면 부드러운 PVC 고분자를 만들 수 있습니다. 

3) 가교 결합(Cross-Linking)

 가교도가 높아질수록 고분자의 유동성이 감소하여 유리전이 온도가 상승합니다.

4. 대표적인 고분자의 유리전이 온도 예시

고분자	유리전이 온도 (, °C)	특징 및 용도
폴리스타이렌 (PS)	100°C	투명 플라스틱, 포장재
폴리카보네이트 (PC)	150°C	내충격성 플라스틱, 방탄유리
폴리염화비닐 (PVC)	80°C (가소제 無)	배관, 카드, 바닥재
폴리에틸렌 (PE)	-125°C (LDPE)	플라스틱 필름, 포장재
폴리프로필렌 (PP)	-10°C	내열성 용기, 자동차 부품

 

 유리전이 온도(Tg)는 고분자의 기계적, 열적 특성을 결정하는 중요한 물성입니다. 유리전이 온도(Tg) 이하에서는 딱딱한 상태(유리 상태), 유리전이 온도(Tg) 이상에서는 부드러운 상태(고무 상태)로 변화하고, 고분자의 화학 구조, 분자량, 가소제, 가교 결합 등 다양한 요인에 의해 조절 가능하며, 산업 전반에서 플라스틱, 고무, 전자재료, 의료기기 등 다양한 응용 가능한 고분자의 물성입니다.