UV 경화 수지는 UV 광 조사에 의해 빠르게 경화되며, 공정 단축과 에너지 절감과 같은 장점으로 인해 전자 재료, 광학 소자, 자동차, 바이오, 인쇄, 코팅 등 다양한 산업 분야에서 널리 활용되고 있다. 이러한 폭넓은 응용 가능성에도 불구하고, UV 경화 수지를 특정 용도에 적합하게 구현하기 위해서는 단순히 경화 반응성만을 고려하는 것으로는 부족하다. 최종 경화물이 요구하는 기계적 강도, 열적 안정성, 화학적 내구성 등 다양한 물성을 종합적으로 충족시켜야 하며, 이러한 물성은 주로 모노머, 올리고머, 광 개시제 등의 화학적 구조와 조성비, 그리고 경화 후 형성되는 고분자의 분자량 및 구조적 특성에 의해 결정된다.

한편, UV 경화 수지가 광학 재료로 사용되는 경우에는 적절한 점도, 빠른 경화 속도, 낮은 경화 수축률 등과 같은 일반적인 공정 제어를 위한 물성 설계 외에도, 광학 성능을 결정짓는 굴절률의 정밀한 제어가 매우 중요한 설계 인자가 된다. 특히 렌즈, 광도파로, 디스플레이 구성 요소 등 정밀 광학 부품에 적용될 경우, 사용 환경 및 기능적 요구에 맞춘 굴절률의 조정은 재료 설계의 핵심 과제로 떠오른다. 

그러나 현재 상용화된 UV 경화 수지 시스템은 사용할 수 있는 재료의 한계로 인해 굴절률 조정 범위가 제한적이며, 이로 인해 고굴절 특성이 요구되는 광학 소자로의 적용에 어려움이 있다. 이러한 한계를 극복하기 위해서는 단순한 배합비 조정보다는, 분자 굴절이 큰 작용기를 갖는 모노머 및 올리고머를 설계하고 이를 최적의 조성으로 배합하는 고분자의 정밀한 분자 설계가 필수적이다.

 

UV 광 경화형 고분자 조성물은 일반적으로 올리고머, 반응성 모노머 또는 희석제, 광 개시제, 첨가제로 구성된다. 이 중에서도 올리고머는 최종 경화막의 특성, 즉 기계적 강도, 내화학성, 접착성, 내마모성 등과 같은 물성을 결정짓는 중요한 구성 요소이다. 올리고머는 일반적으로 고분자량의 반응성 수지로서, 예를 들어 우레탄 acrylate나 에폭시 acrylate 등이 주로 사용된다. 

그리고 모노머는 점도 조절 및 경화 반응을 통해 가교구조를 형성하며 주로 저점도 희석, 경화 속도 제어, 최종 물성 보조 등의 목적으로 사용된다. 특히 다관능 모노머는 가교 밀도를 높여 경도와 내화학성을 향상시키지만, 과도하게 사용할 경우 수축과 휨을 유발할 수 있으므로 모노머의 선택과 함량은 정밀한 설계를 필요로 한다.

 

가공성 측면에서 저점도 모노머를 활용한 점도 조절이 매우 중요하며, 특히 용제를 사용할 수 없는 100% 고형분 시스템에서는 반응성 희석제로서 기능을 수행하는 모노머의 물성 조절이 중요하다. 이 경우 선택된 모노머는 경화 전에 도포성과 작업성을 향상시키고, 경화 후에는 최종 물성에 부정적인 영향을 주지 않아야 한다. 따라서 올리고머와의 상용성, 휘발성, 반응성 관능기 수, 분자구조 등 다양한 요소를 종합적으로 고려하여 설계해야 한다. 또한 생산설비의 조건에 따라 경화 속도를 조절해야 할 경우 광 개시제의 종류, 파장 흡수 특성, 투입량, 다관능 모노머의 구조, 램프 종류 등 복합적인 요소가 최적화되어야 하며, 이는 단순한 조합 이상의 정밀한 제어가 요구되는 부분이다.

 

다관능 모노머의 사용은 짧은 시간 내에 고밀도의 3차원 가교구조를 형성하여 경화시간을 단축시키고 물성을 향상시킬 수 있지만, 이 과정에서 발생하는 수축과 내부응력으로 인해 도막의 균일성이나 접착성이 저해될 수 있다. 따라서 첨가제 조정, 점도 조절, 공정 온도, UV 광 강도 등을 함께 고려해야 한다. 결국 모노머와 올리고머는 단순히 혼합물의 구성 요소가 아니라, 조성물의 전체적인 특성과 공정성을 제어하는 핵심적 매개체로서 작용한다. 이들의 정밀한 분자 및 배합 설계 없이는 목적으로 하는 기능성 고분자 재료를 구현하는 것이 불가능하다. 따라서 기능성 고분자 조성물의 설계는 각 성분 간 상호작용에 대한 깊은 이해와 방대한 실험데이터를 바탕으로 정량적 예측을 수행하는 것이 바람직하다.

 

아래 [표 1]부터 [표 3]에 고분자 재료의 대표적인 물리적, 화학적, 광학적 물성을 나타내었다.

 

 

 

(Meth)acrylate계 모노머는 일반적으로 hydroxyl기를 포함한 화합물과 (meth)acrylic acid 또는 그 유도체 간의 탈수축합 또는 ester 교환반응을 통해 합성된다. 이들의 구조는 관능기 수, 알킬 사슬의 형태, 반응성 작용기(–OH, –COOH, –NH₂ 등)의 존재 여부에 따라 분류되며, 이는 최종 경화막의 기계적 특성, 점도, Tg, 경화 속도, 수축률 등에 직접적인 영향을 미친다. 따라서 최종 제품의 용도와 성능 목표에 따라 적절한 분자구조를 설계하는 것이 필수적이다.단관능 (meth)acrylate 모노머는 일반적으로 낮은 점도를 가지며 hydroxyl기, carboxyl기, 지방족기, 방향족기 형태 등으로 세분화된다. 이들은 주로 반응성 희석제 또는 중간체로 활용되며, 선형적이며 2차원적인 가교구조를 형성하는 경향이 있다. 

 

특히 ester기 알코올 성분의 분자량이 증가할수록 점도가 높아지고 분자 사슬의 유연성이 향상되어, 충격에 강하고 유연한 경화막을 구현하는 데 유리하다.

 

 

다관능 모노머는 3개 이상의 반응성기를 포함하고 있어 고속 경화성, 높은 경도, 우수한 내마모성의 특성을 발현할 수 있다. 이들은 고도의 3차원 가교구조를 형성함으로써 경화막의 내구성과 치수 안정성을 극대화하지만, 동시에 높은 점도와 경화 수축이 크다는 단점을 수반한다. 또한 경화 과정 중에는 라디칼 소멸과 분자운동의 제한으로 미반응기가 잔류할 가능성이 있으므로, 적절한 반응 조건 설정 및 조성 설계를 통해 이러한 문제를 최소화하는 것이 중요하다. 일반적으로 다관능 모노머는 단관능 또는 2관능 모노머와 병용하여 점도와 수축률 조절, 유연성 확보 등의 균형을 맞추며, 이는 최종 고분자 조성물의 성능 최적화에 결정적인 역할을 한다.

 

 

다관능 (meth)acrylate의 경우 경화막이 부서지기 쉽기 때문에 Tg 측정이 어렵다. 이 경우 열적 물성은 주사슬의 알코올 구조보다는 가교 밀도에 크게 좌우된다. 

 

이처럼 Tg는 알코올 성분의 분자구조에 강하게 의존하며, 이는 고분자 시스템의 내열성에 영향을 미친다. Tg는 고분자의 마이크로 브라운 운동이 시작되는 온도로 간주되므로, 내열성을 향상시키기 위한 분자 설계에서는 이러한 운동을 억제할 수 있는 구조를 고려하는 것이 중요하다. 분자량을 증가시키는 것도 한 가지 방법이지만, 공정 적합성이나 희석성까지 고려할 경우 저분자량 또는 compact한 분지형, 고리형 또는 방향족 구조의 도입, 그리고 강한 수소결합을 유도할 수 있는 설계가 효과적일 수 있다.

 

3.2 굴절률

 

최근 UV 경화형 acrylate 수지가 광학 재료로서 역할을 확대하고 있으며, 굴절률 조절을 중심으로 한 정밀한 분자 설계의 중요성이 더욱 부각되고 있다. 광학 재료의 핵심 특성으로 굴절률, 광투과율, 낮은 분산성, 복굴절 등이 포함된다. 이와 같은 특성은 대부분 수지의 화학적 구조에 의해 결정되므로, 목적에 부합하는 굴절률 설계를 위해서는 정교한 분자구조 조절이 필요하다. 

 

굴절률()과 물질의 화학구조 간의 관계는 Lorentz-Lorenz의 식으로 나타낼 수 있다.

굴절률은 일반적으로 진공에서의 빛의 속도에 대한 매질에서의 빛의 속도의 비로 정의되며, 매질 내에서 빛의 속도, 진행 방향, 파장이 변화하는 스넬(Snell)의 법칙과도 밀접한 관련이 있다. 물질의 굴절률은 분자 굴절과 분자 부피에 의해 지배되며, 이들은 각각 전자밀도, 원자 굴절, 반데르바알스 반경, 결합거리, 분자의 체적 팽창률과 같은 분자 수준의 요소에 의해 결정된다. 일반적으로 높은 굴절률을 얻기 위해서는 분자 굴절이 크고 분자 부피가 작아야 하며, 반대로 낮은 굴절률을 설계할 경우 분자 굴절이 작고 분자 부피가 큰 구조가 요구된다.

 

굴절률은 수지의 분자구조에 따라 [표 5]와 같이 분류될 수 있다. 초고굴절 재료는 대체로 방향족, 유황, 할로겐 함유 화합물이나 금속 산화물을 분산시킨 hybrid계로 설계되며 대략 이 순서대로 굴절률이 증가하는 경향이 있다. 그러나 고굴절화 설계는 여러 가지 단점을 수반한다. 예를 들어, 유황 화합물은 내광성이 낮고, 할로겐계는 환경 유해성과 전자부품에 대한 부정적 영향을 초래할 수 있으며, 금속 산화물은 나노 수준에서 균일한 분산이 요구되므로 저장 안정성과 상용성 측면에서 까다로운 조건을 갖는다. 따라서 고굴절 설계 시에는 내열성, 내광성, 투명도, haze 등의 광학 특성과 함께 복합적인 재료공학적 고려가 필요하다.

 

한편, 저굴절 수지의 수요도 증가하고 있으며, 특히 광섬유 코팅제나 반사방지막 등에는 낮은 굴절률이 필수적으로 요구된다. 저굴절화를 위해 주로 사용되는 구조는 지방족, 실리카계, 불소계 등이 있으며, 이 중 불소계는 가장 낮은 굴절률을 제공하지만 내열성과 기계적 강도 측면에 부족하다. 실리카계는 굴절률 조절 범위가 크지만, 재료의 수가 제한적이고 가격이 높으며, 지방족계는 상용성이 뛰어나지만 굴절률 저하에 한계가 있다. 또한 불소계 및 실리카계 재료는 다른 구성 성분과 상용성 문제로 인해 조성 설계에 주의가 요구된다.

 

기본적으로 에폭시 구조체에 acryloyl기가 부착된 구조로, acrylate기 인근에 생성되는 hydroxyl기를 공통적으로 포함하고 있다. 이러한 hydroxyl기는 기재와의 접착성 향상, 다른 수지 및 모노머와의 상용성 개선, 경화성 향상에 기여한다.

 

2관능 에폭시 올리고머는 비교적 저분자량으로 사슬 연장이 가능하고, 설계 자유도가 크다. 반면 다관능 에폭시 acrylate는 노볼락계 또는 나프탈렌계 에폭시 구조를 기반으로 하며, 높은 반응성과 가교 밀도를 특징으로 한다. 

 

이러한 구조는 UV 경화에서 라디칼 개시제의 반응성과 함께 산소에 의한 경화 방해 저항성을 갖추는 데 도움을 준다. 또한, 주사슬 구조의 강성과 배향성은 경화막의 Tg 및 열적 안정성에 중요한 영향을 미친다.

(4) 물성

 

에폭시 acrylate는 고분자 구조에서 다음과 같은 우수한 물성을 지닌다.

 

■ 경화성

라디칼 중합을 통해 UV 또는 열경화가 가능하며, hydroxyl기의 존재로 산소에 의한 경화 방해 저항성이 일부 향상된다.

 

■ 기계적 특성

가교 밀도가 높은 구조는 Tg가 높고 열적 안정성이 우수하지만, 과도한 가교에 의해 휨을 유발할 수 있다. 따라서 적절한 가교 밀도 조절이 필요하다.

 

■ 열적 특성

에폭시 acrylate는 일반적으로 350℃ 이상의 열분해 온도를 가지며, 전자부품 등 고온 환경에서 내열성이 요구되는 용도에 적합하다. Tg는 가교 밀도와 주사슬 구조의 배향성에 따라 결정되며, rigid하고 배향성이 큰 구조일수록 Tg가 상승하고 흡수율은 낮아진다.

 

■ 흡수율 및 환경 내성

높은 가교 밀도는 흡수율을 증가시켜 내환경성을 저하시킬 수 있다. 따라서 Tg와 흡수율의 균형이 중요하며, 주사슬의 높은 배향 구조를 통해 흡수율을 억제할 수 있다.

 

■ 기타

다양한 후경화 반응(isocyanate, 멜라민 등) 및 알칼리 수용성 기능기 도입이 가능하여 패터닝, 수계 잉크용 레진과 같이 용도 폭이 넓다.

 

5. 우레탄 acrylate 올리고머

 

주로 단계(step-growth) 중합반응을 통해 합성된다. 2관능 또는 다관능 isocyanate와 사슬 연장용 디올을 먼저 isocyanate 과량 조건에서 반응시켜 선형 또는 분지형 우레탄 사슬을 형성한 후, hydroxyl기 함유 acrylate ester를 말단에 부가 반응시켜 acryloyl기를 도입한다. 이 반응은 무용매 또는 저휘발성 용매 조건에서 진행되며, 반응속도 조절을 위해 촉매(dibutyltin dilaurate 등)가 사용되기도 한다.

(3) 구조

 

주사슬 내에 반복적인 우레탄 결합을 갖고 있으며, 말단에는 acryloyl기가 도입된 구조를 가진다. 사슬 중에는 PEG, PPG, polyester, polycarbonate 등의 soft 세그먼트를 포함할 수 있으며, 이는 유연성과 내충격성에 기여한다. 반면 isocyanate 구조와 acryloyl기 등은 경화 반응성과 경도 조절에 영향을 준다. 다관능화 구조의 경우 분지된 형태를 가지며 복잡한 네트워크 구조 형성이 가능하다.

 

(4) 물성

 

분자량 및 가교 밀도에 따라 물성이 크게 변화한다. 일반적으로 신장률은 분자량 증가에 따라 상승하며, 파단강도는 일정 수준 이후 급격히 저하할 수 있다. UF계(특수 폴리올 구조 사용)의 경우 신장률과 파단강도의 균형을 유지할 수 있도록 설계되어 있다.

또한 우레탄 acrylate는 UV 경화 속도가 빠르고 투명성, 내약품성, 내마모성, 점착성 등 다양한 물성을 목적에 맞게 조절할 수 있어 기능성 수지로서 매우 우수한 특성을 발현한다.