아크릴 수지의 정의,특성에서 아크릴판 가공의 주의점과 요령까지 해설

아크릴 수지는 유리를 능가할 정도로 뛰어난 투명성을 가진 플라스틱 재료입니다. 경량이면서도 뛰어난 내후성을 가지고, 절삭·절곡·용접 등 가공성도 우수해 디스플레이, 지그, 기계 커버, 수조 등 다양한 분야에서 활용되고 있습니다.
이번 내용에서는 아크릴 수지의 기본 지식과 화학적·물리적·광학적 특성, 그리고 다른 재료와의 비교에 대해 자세히 설명합니다. 용도와 가공상의 포인트도 정리했으니, 부품 설계자분들은 꼭 끝까지 확인해 주세요.

아크릴 수지의 정의 

아크릴 수지는 아크릴산이나 메타크릴산의 에스터를 중합해 만든 고분자 재료입니다. 아크릴 수지는 유리를 능가할 정도로 높은 투명성을 가진 무색 비정질 합성수지이며, 열을 가하면 연화되고, 냉각하면 다시 굳는 열가소성 수지에 속합니다. 가열에 의한 절곡 가공이나 복잡한 형상의 성형이 용이하다는 점도 특징입니다.
또한 가볍고 강성이 높으며 뛰어난 내후성을 갖추어 야외에서도 견딜 수 있는 내구성을 제공합니다. 착색성도 뛰어나 다양한 색상 변형을 구현할 수 있을 뿐 아니라, 산과 알칼리에 대한 내성도 비교적 높아 산업 제품부터 일상용품까지 폭넓은 분야에서 활용되고 있습니다. 일반적으로는 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)를 가리키는 경우가 많으며, 메타크릴 수지라고도 불립니다.

아크릴 수지의 특성 

아크릴 수지는 투명도와 가공성이 뛰어나지만, 충격 저항성 및 내열성에 한계가 있어 주의가 필요한 특성을 가지고 있습니다. 여기서는 아크릴 수지의 화학적·물리적·광학적 특성을 차례대로 설명합니다.

화학적 특성 

아크릴 수지의 주요 화학적 특성은 다음과 같습니다.

아크릴 수지는 열에 의해 연화되고 냉각에 의해 경화되는 열가소성 수지로, 약 100℃ 정도에서 연화가 시작됩니다. 특히 뛰어난 내후성을 갖추고 있어 자외선과 비바람에 노출되는 야외 환경에서도 오랫동안 아름다운 외관과 성능을 유지할 수 있습니다. 다만, 가연성이므로 화기 근처에서의 사용은 엄격히 금지됩니다. 내약품성에 대해서는 물이나 중성 약품에는 비교적 안정하지만, 강알칼리성 용액이나 특정 유기 용제에는 약한 단점이 있습니다. 시너, 아세톤, 알코올 등이 묻으면 표면이 침식되어 백탁이 생기고, 이를 「케미컬 크랙」이라 부르는 미세한 균열이 발생하게 됩니다.

물리적 특성 

다음으로 아크릴 수지의 대표적인 물리적 특성을 살펴 보겠습니다. 

아크릴 수지의 비중은 1.17~1.20으로 유리의 절반 이하이기 때문에, 유리로는 무게 문제가 발생하는 대형 패널이나 부품도 쉽게 다룰 수 있습니다. 기계적 강도가 플라스틱 중에서 높고 인장 강도 등에서도 우수하기 때문에, 엔지니어링 플라스틱에 준하는 취급을 받는 경우도 있습니다.
다만, 충격에 대한 인성(끈기)은 그리 높지 않아 급격한 하중이 가해지면 끈기 있게 변형되지 않고 쉽게 깨지는 「취성 파괴」가 일어나기 쉬운 특성을 가지고 있습니다. 표면 경도는 다른 투명 플라스틱보다 높지만, 유리보다 부드러워 마찰이나 긁힘에 의한 스크래치가 생기기 쉬우니 주의가 필요합니다.
내열성은 연속 사용 온도가 약 80℃로 그리 높지 않아 고온 환경에서는 적합하지 않습니다. 한편, 열전도율이 낮고 단열성이 뛰어나며 전기가 통과하기 어려운 절연체라는 특성도 가지고 있습니다.

광학 특성 

대표적인 아크릴 수지의 광학 특성을 아래 표에 정리합니다. 

아크릴 수지의 가장 뛰어난 특성은 광학적 성질입니다. 순도가 높은 아크릴 수지의 전체 광선 투과율은 약 92~93%에 이르며, 일반 유리(약 90~92%)를 능가합니다. 이 특성을 활용해 미술품 전시 케이스, 고급 디스플레이, 간판 등 가시성이 중요한 다양한 제품에 적용되고 있습니다.

또한 굴절률이 약 1.49로 유리(약 1.5)와 비슷해 렌즈 재료로도 매우 유용합니다. 실제로 확대경, 조명 커버, 자동차 테일램프 등 다양한 광학 부품에 활용되고 있습니다. 또한 색칠이 자유롭고, 다양한 색상의 투명판 및 반투명판을 제작할 수 있다는 점도 매력적입니다.

아크릴 수지의 용도와 주의점 

다음으로, 아크릴 수지의 주된 용도와, 다루기 위한 주의점에 대해 살펴보겠습니다. 

용도 

제조업계에서는 그 뛰어난 특성을 활용해 다음과 같은 용도로 아크릴 판이 사용되고 있습니다.

• 지그·고정구: 가볍고 가공이 쉬워 복잡한 형태의 지그와 고정구를 제작할 수 있습니다. 투명도가 높아 작업 중 시인성을 확보할 수 있다는 점도 장점입니다.

• 검사장치·계측기기: 검사 장비·계측 기기: 투명성과 내약품성 때문에 검사 장비나 계측 기기의 창재, 커버, 본체 등에 활용됩니다. 투명하기 때문에 내부 상태를 직접 확인할 수 있습니다.

• 디스플레이·간판: 높은 투명도와 빛 투과성, 가공 용이성을 활용해 디스플레이, 간판, 제품 전시 케이스 등에 사용됩니다.

• 모델 모형: 시제품 및 모형 제작에 적합합니다. 투명한 아크릴판을 사용하여 내부 구조를 보여주는 것도 가능합니다. 

• 수조 : 그 강도와 투명성 덕분에 일반 가정용 소형 수조부터 수족관 같은 대형 수조까지 활용되고 있습니다. 유리보다 가벼워서 운반 및 설치가 용이합니다.

주의점과 대책 

균열 

아크릴 판은 급격한 충격이나 과도한 힘이 가해지면 균열(파손)이 발생하기 쉬운 취성 재료입니다. 나사로 고정하는 홀 주변이나 형태가 날카로운 각을 가진 부분 등, 응력이 한 점에 집중되기 쉬운 부위에서는 균열이 발생하기 쉬우므로 설계 단계에서의 배려가 필수적입니다.

대책으로는 응력 집중을 피한 설계가 중요합니다. 구체적으로는 홀이나 절단면의 모서리에 반드시 적절한 반경(R)을 두어 모서리를 매끄럽게 마무리합니다. 또한, 나사로 체결할 때는 하부 홀을 나사 직경보다 약간 크게 뚫어 체결 응력을 분산시키는 최그리 가공을 하거나, 고무 와셔를 끼우는 등의 방법이 효과적입니다.

흐림·백화 

투명했던 아크릴 판이 사용하면서 흰색으로 흐려지는 현상은 주로 두 가지 원인으로 발생합니다. 첫 번째는 표면에 무수히 많은 미세한 스크래치가 생겨 빛이 무작위로 반사되는 현상입니다. 또 하나는 화학 약품이 부착된 상태에서 응력이 가해져 발생하는 미세한 균열(케미컬 크랙)입니다.

대책으로는 일상적인 관리에서 유기용제나 강알칼리성 세제를 사용하지 않고, 물에 희석한 중성 세제와 부드러운 천으로 부드럽게 닦아내는 것이 기본입니다. 이미 발생한 가벼운 흐림이나 백화는 눈이 고운 아크릴용 연마제로 정성스럽게 닦으면 어느 정도 회복시킬 수 있습니다.

취성 파괴를 일으키기 쉽다. 

아크릴 수지는 금속이나 폴리카보네이트와 같은 끈기 강도(인성)가 낮아 낙하 등의 급격한 충격이나 예상치 못한 하중에 의해 갑자기 취성 파괴를 일으킬 가능성이 있습니다. 설계 단계에서 충분한 안전 마진을 확보하십시오. 

특히 대형 패널이나 구조 부재로 사용하는 경우에는 처짐이나 부하에 의한 파손을 방지하기 위해 주위에 보강 프레임을 설치하거나 중간에 지지하는 등의 구조적인 배려가 중요합니다. 안전율을 높인 신중한 설계가 예기치 않은 사고를 막는 열쇠입니다. 

모서리의 R 부착 등 응력 집중을 피하는 설계가 필요 

아크릴 부품의 파손은 응력이 집중되는 부위에서 시작되는 경우가 많습니다. 특히 힘이 많이 가해지는 모서리나 홀 주변은 파손의 시작점이 되기 쉬운 약점이 있습니다. 이 위험을 줄이기 위해서는 응력 집중을 완화하는 설계가 필수적입니다.
기본적인 대책은 형태의 모서리, 즉 모서리에 적절한 반경(R)을 부여하는 것입니다. 또한, 홀 가공 시에는 너무 작은 선 구경을 피하고, 나사의 체결 토크를 관리하는 것이 중요합니다. 좌그리 가공이나 면처리도 국부적인 응력을 완화하는 데 효과적이며, 부재 전체의 내구성을 향상시킵니다.

연마, 코팅 등의 표면 처리로 대응 

아크릴 표면은 비교적 부드러워 다른 소재와의 접촉이나 청소 시 마찰로 인해 스크래치가 생기기 쉬운 단점이 있습니다. 흠집이 쌓이면 투명도가 떨어져 외관이 손상될 수 있습니다.
대책으로는 연마 처리와 표면 코팅이 효과적입니다. 가벼운 흠집이나 표면의 백화는 전용 연마제(컴파운드)로 닦아 제거합니다. 또한, 미리 표면에 하드코트(내스크래치 코팅)가 된 아크릴 판을 선택하면 흠집 발생 자체를 억제할 수 있습니다. 광학 용도 등, 특히 높은 투명도가 요구되는 경우에는 필수적인 대책이 됩니다.

아크릴 수지의 종류 

아크릴 수지로 특히 잘 알려진 것은 PMMA이지만, 그 외에도 몇 가지 종류가 있습니다. 하기가 아크릴 수지의 대표적인 것입니다. 

폴리메타크릴산메틸(PMMA) 

유기 유리라고도 불리며, 캐노피나 수조, 렌즈 등에도 사용되는 투명도가 높은 수지 소재입니다. 이 글에서 주로 소개하는 재료입니다. 내후성·내충격성도 뛰어납니다.

폴리아크릴산 에스테르( PAA) 

페인트와 접착제에 사용되는 아크릴 수지입니다. 유연성과 접착성이 뛰어납니다. 가공물과 결합하면 용제 용해성이나 수성 등 다양한 특성을 만들 수 있습니다.

폴리아크릴니트릴( PAN) 

합성 섬유와 필름에 사용되는 강력하고 내약품성이 뛰어난 수지입니다. 섬유는 울과 같은 질감을 가지고 있어 스웨터나 속옷 등에 사용됩니다. 필름은 가스 차단성이 뛰어나 식품 포장용 필름 등에 사용됩니다.

폴리아크릴산나트륨( PANa ) 

흡수성이 있는 수지로, 분말 형태로 만들어 흡수 폴리머로 사용됩니다. 종이 기저귀와 위생 용품 등이 널리 알려진 용도입니다.

폴리아크릴아미드( PAAm ) 

폴리아크릴산 나트륨과 동일한 아크릴계 폴리머로, 수용성이며 흡수성 및 부착성이 높은 수지입니다. 고분자 응집제로서 폐수 처리에 사용됩니다.

다른 재료와의 비교 

여기에서는 아크릴 수지가 폴리카보네이트나 유리에 비해 뛰어난 점과 뒤떨어지는 점을 정리합니다. 

아크릴 수지 와 폴리카보네이트 의 차이 

아크릴 수지와 폴리카보네이트(PC)는 모두 대표적인 투명 플라스틱입니다. 최고의 투명도와 표면 경도를 원한다면 아크릴 수지를, 충격에 강하고 내열성을 중시한다면 폴리카보네이트를 선택하는 등 용도에 따라 구분해서 사용할 수 있습니다. 두 종류의 주요 차이는 다음과 같습니다.

이처럼 폴리카보네이트는 망치로 두드려도 깨지지 않을 정도의 높은 충격 저항성과 뛰어난 내열성, 난연성을 겸비해 안전성이 요구되는 분야에서 강점을 발휘합니다.

반면 투명도와 표면 경도에서는 아크릴 수지가 우위에 있습니다. 일반적으로 폴리카보네이트가 더 비싸지만, 그만큼 높은 기능성을 가지고 있습니다.

아크릴 수지 와 유리 의 차이 

전통적인 투명 재료인 유리와 비교했을 때, 아크릴 수지의 장점은 경량성, 안전성, 그리고 가공 자유도입니다. 반면 표면 경도와 내열성, 장기적인 내구성에서는 유리가 압도적으로 우수합니다. 양자의 주요 차이를 아래 표에 정리했습니다.

이처럼 아크릴 수지는 유리 무게의 절반 이하에 불과해 운반 및 시공이 훨씬 용이합니다. 또한, 혹시 파손되더라도 파편이 흩어지기 어려워 안전성이 높고, 복잡한 형태로 가공할 수 있는 자유도가 높다는 점도 매력입니다.

반면 유리는 긁힘과 열에 압도적으로 강하고, 자외선이나 화학약품에 의한 노화도 거의 없기 때문에 혹독한 환경이나 장기 사용에서도 뛰어난 성능을 발휘합니다.

아크릴판의 홀 가공

아크릴 판의 홀 가공을 볼드릴로 하면 절삭 저항으로 인해 열이 발생합니다. 경우에 따라 홀 내부가 녹아 정밀도(직경, 원형도 등)가 나오지 않을 수 있어 마감이 흐트러질 수 있습니다. 이는 아크릴 수지의 열전도율이 매우 낮아 홀 가공 부위에 열이 축적되는 것이 원인입니다.

요령①

적절한 드릴 회전수와 이송 속도로 설정합니다. 드릴 공구 카탈로그 등에서 아크릴 수지에 적합한 값을 찾아보거나, 공구 제조사에 문의하면 알려줍니다.

요령②

절삭유를 주입하면서 가공합니다. 이 경우, 절삭유가 냉각 역할을 수행해 홀 가공 부위의 온도 상승을 방지할 수 있습니다. 또한 적절히 절단된 조각을 제거하면 효과가 지속됩니다.

아크릴판의 탭 가공

아크릴 판 홀에 나사를 끼울 때는 탭을 사용해 가공합니다. 하지만 아크릴 수지는 열전도율이 낮아 탭 가공 시 국부적인 온도 상승으로 인해 끼임이 발생할 수 있으며, 탭이 회전하지 않아 최악의 경우 파손될 수도 있습니다.

요령

드릴 가공과 마찬가지로, 절삭유를 자주 보충하면서 가공합니다. 또한 절단된 부스러기는 적절한 시기에 에어 등으로 제거합니다.

아크릴판의 엔드밀 가공

프라이스밀을 이용한 엔드밀 가공으로 아크릴 판의 외주를 가공하면, 엔드밀의 엔게이지 포인트(날이 처음 닿는 부분)가 각이 되어 있을 경우 아크릴 판이 깨지거나 갈라지는 경우가 자주 발생해 가공자를 고민하게 합니다.
원인은 프라이스밀의 이송 장치 백래시(가타)입니다. 공구의 이송 방향과 회전 방향이 이송 방향으로 진행하도록 다운컷이 되어 있으면, 엔게이지 포인트에서 백래시가 발생해 급격히 칼날이 이동하고 각 부분이 충격으로 파손됩니다. 또한 절삭이 끝나는 각에서 균열이 발생하기도 합니다. 이는 마지막 절삭면이 얇아져 절삭력 때문에 균열이 생기는 것이 원인입니다.

요령①

아크릴 판의 엔드밀 가공은 공구 이송 방향에 반대되는 공구 회전 방향의 업컷으로 진행합니다. 프라이스밀의 회전 방식은 좌우로 회전을 전환할 수 있습니다. 또한 엔드밀도 좌회전용과 우회전용이 있어 상황에 맞게 사용할 수 있습니다.

요령②

한 번에 절단량을 적게 하면 마지막 모서리 갈라짐을 방지할 수 있습니다.

*NC 프라이스밀을 사용할 경우, 이송 장치의 백래시가 최소화되어 다운컷에 의한 엔게이지 포인트 균열이 발생하기 어렵습니다.

정리 

아크릴 수지는 투명도와 내후성이 뛰어난 열가소성 수지로, 빛 투과율이 높고 깨지기 어려운 특성을 가지고 있습니다. 가볍고 가공이 쉬우며 착색도 용이해 다양한 용도로 활용됩니다. 특성으로는 투명성, 충격 저항성, 내후성, 가공성의 우수함이 있으며, 간판, 조명 커버, 디스플레이 부품, 창재 등 다양한 분야에서 사용되고 있습니다.
또한, 아크릴 판 가공에서는 소재 특성상 열전도율이 낮은 것이 큰 주의점입니다. 볼드릴 가공은 절삭열이 쉽게 축적되고, 녹거나 변형으로 정밀도가 떨어지기 때문에 적절한 회전수와 이송 속도 설정, 그리고 절삭유를 이용한 냉각이 필요합니다. 엔드밀 가공에서는 프라이스밀의 백래시가 원인이 되어 모서리 균열이 발생하기 쉬우므로, 업컷으로 가공하거나 절단량을 줄이는 것이 효과적입니다.