3D 필라멘트 유리 전이 온도 완벽 이해 및 최적화 가이드

이번 글에서는 유리 전이(Glass Transition)란 무엇인지, 가장 일반적인 필라멘트 종류별 유리 전이 온도와 용융 온도(이 둘은 분명히 다릅니다), 그리고 PLA처럼 유리 전이 온도가 낮은 필라멘트로 출력한 모델의 유리 전이 온도를 높이는 방법까지 자세히 다루겠습니다.

유리 전이 온도(Tg)란 무엇인가?

화학에서 유리 전이 온도(Tg)는 물질이 단단하고 결정적인 상태에서 유리질의 비정질 상태로 전이되는 온도입니다. 즉, 고체가 단단하고 부서지기 쉬운 결정질 고체에서 부드럽고 고무 같은 비정질 고체(고무 상태)로 물리적 특성이 변하는 온도입니다.

유리 전이 온도는 분자 운동이 본질적으로 정지되는 온도입니다. 이는 반데르발스 힘 같은 분자 간 인력의 강도에 직접적인 결과입니다.

반데르발스 힘은 분자 내 전자 축적 때문에 생깁니다. 열에너지가 너무 많으면 분자 간 인력이 파괴되어 유리 전이가 일어납니다.

화학 용어가 낯선 분들을 위해 쉽게 설명하면: 어떤 물질의 유리 전이 온도는 그것이 단단하고 다소 부서지기 쉬운 고체에서 부드럽고 다소 고무/끈적한 상태로 변하는 온도입니다. '끈적하다'는 껌이나 시럽 같다는 뜻이 아니라, 짜도 갈라지거나 부서지지 않는다는 의미입니다.

주요 3D 필라멘트의 유리 전이 온도와 용융 온도

필라멘트	노즐 온도	유리 전이 온도 Tg (°C)	용융 온도 Tm (°C)	열판 온도	워핑 위험	사용 난이도	비용
PLA	180–230°C	60–65°C	155°C	60°C (필수 아님)	낮음	쉬움	$10–25
ABS	230–250°C	105°C	비정질	약 100°C	보통	중급	$15–25
PETG	230–250°C	80–82°C	210°C	약 100°C	낮음	쉬움	$15–20
나일론	230–260°C	70–80°C	217°C	80–100°C	보통	중급	$50–65
ASA	220–250°C	100°C	250–260°C	약 100°C	낮음	중급	$30–50
폴리카보네이트	270–310°C	147°C	260°C	90–110°C	높음	어려움	$30–60
HIPS	230–250°C	88–92°C	180–270°C	약 100°C	낮음	중급	$20–60
TPE	210–230°C	60–130°C	150–210°C	필수 아님	낮음	쉬움	$80–100

유리 전이 온도와 용융 온도의 차이

유리 전이 온도(Tg)와 용융 온도(Tm)는 밀접한 물리적 특성이지만 전혀 다른 개념입니다. 둘 다 상태 변화를 다루지만 의미하는 바가 다릅니다.

유리 전이는 점도와 관련된 현상으로, 반드시 고체와 액체의 경계점이 아닙니다. 단단한 고체와 고무 같은 고체 사이의 경계점입니다. 과학적으로는: 용융 온도는 고체가 액체로 녹기 시작하는 온도이고, 유리 전이 온도는 고체가 액체가 아닌 고무 같은 상태가 되는 지점입니다.

이해를 돕기 위해 피자 치즈를 예로 들어보겠습니다. 냉동실에서 꺼낸 치즈 조각은 단단하지만 실온에서 몇 분 지나면 부드럽고 고무처럼 변합니다. 이게 치즈의 유리 전이 온도(Tg)입니다.

이 치즈를 피자 위에 올리고 오븐에서 구우면 녹습니다. 이게 치즈의 용융 온도(Tm) 즉, 고무 같은 고체에서 끈적한 점성 액체로 녹는 온도입니다.

유리 전이 온도가 높다는 의미

유리 전이 온도(Tg)가 높다는 건 열을 가했을 때 물질이 단단한 상태에서 부드러운 상태로 변하는 데 더 오랜 시간(더 높은 온도)이 걸린다는 뜻입니다. 예를 들어 Tg가 200°C인 물질은 200°C에서 부드러워지기 시작합니다. Tg가 390°C인 물질은 390°C에서 부드러워집니다. '부드러워진다'는 인장 강도, 강성, 경도를 잃는다는 뜻이며, 물체가 자기 무게로 인해 변형될 수도 있습니다.

필라멘트가 유리 전이 온도 이상으로 올라가면?

유리 전이 온도(Tg) 이상의 필라멘트는 열역학적으로 불안정한 유리 상태에 있으며 액체의 모든 특성을 보입니다.

앞서 표에서 본 본인의 필라멘트 유리 전이 온도를 참고하되, 제조사 사양을 반드시 확인하시기 바랍니다. 제조사가 더 상세한 출력 지침을 제공합니다.

열판 온도 설정과 유리 전이 온도의 관계

압출된 필라멘트 온도, 즉 열판 온도와 냉각 속도와 관련해 두 가지 주요 문제가 발생합니다. 바로 워핑(Warping)과 엘리펀트 풋(Elephant's foot)입니다.

워핑(Warping)

워핑은 출력 중인 부품이 위로 휘어 올라가는 현상입니다. 주원인은 바닥 레이어가 차가운 빌드 플레이트에 출력되어 냉각되면서 위쪽 레이어보다 더 많이 수축하기 때문입니다. 따라서 위쪽 레이어가 냉각되면서 바깥쪽으로 휘어져 부품에 고르지 않은 응력을 가해 워핑을 일으킵니다.

이를 줄이기 위해 제조사들은 열판(Heated Bed)을 도입했습니다. 열판을 사용하면 바닥 레이어가 급격히 냉각되지 않아 수축 차이가 줄어듭니다.

여기서 유리 전이 온도 지식이 핵심입니다. 열판 온도를 무작정 설정하는 대신, 사용하는 필라멘트의 유리 전이 온도에 아주 가깝게 설정하면 워핑이 완전히 제거되고 베드 접착력도 향상됩니다.

추가 팁: 출력할 온도에서 베드 레벨링을 하세요. 그래야 최상의 결과를 얻습니다.

엘리펀트 풋(Elephant's foot)

엘리펀트 풋은 주로 냉각되지 않은 첫 레이어 때문에 발생합니다. 열판 온도가 너무 높거나 냉각이 부족하면 첫 레이어가 충분히 빨리 식지 않아 돌출됩니다. 이 문제는 주로 대형 출력물에서 나타나는데, 물체 무게가 첫 레이어를 누르기 때문입니다. 제대로 식지 않으면 이 무게가 첫 레이어를 불룩하게 만듭니다.

열판 온도가 필라멘트 유리 전이 온도보다 높으면 바닥이 제대로 식지 않고 바깥쪽으로 불룩해집니다. 따라서 필라멘트 유리 전이 온도를 알고 열판 온도를 약간 낮게 설정하면 엘리펀트 풋을 방지할 수 있습니다.

높은 유리 전이 온도가 중요한 경우

유리 전이 온도는 3D 출력 부품이 단단한 '출력된' 유용한 물체에서 부드러운 '고무 같은' 무용한 물체로 전이되는 온도를 대략적으로 알려줍니다. 자기 무게로 변형될 수도 있습니다.

이 때문에 특정 필라멘트의 유리 전이 온도를 알면 3D 출력 부품의 용도를 더 현명하게 결정할 수 있습니다. PLA 같은 플라스틱은 햇빛이나 차 안에 두면 금방 변형되기 때문입니다.

실외용 필라멘트

실외용으로 출력한다면 ABS가 적합합니다. 유리 전이 온도(105°C)가 한여름 실외 온도보다 훨씬 높기 때문입니다. 반면 PLA는 더위에 방치하면 변형될 수 있습니다.

PETG, ASA 등 다른 실외용 필라멘트도 많습니다. 이 주제로 별도 글을 썼으니 참고하세요.

고온 환경에서 견뎌야 하는 용도

고온에 노출될 부품을 출력한다면 더 높은 유리 전이 온도를 가진 필라멘트가 필수입니다. 그렇지 않으면 변형됩니다.

예를 들어 PETG(Tg 82°C)로 85–95°C 환경에서 쓸 부품을 출력하면 확실히 실패합니다. PLA는 유리 전이 온도가 매우 낮아 열이 가해지는 용도에는 추천하지 않습니다.

반면 ABS, 폴리카보네이트, ASA 등은 고온용으로 적합합니다(앞 표 참고).

차 안에서 PLA가 녹을까?

PLA(폴리락트산)는 옥수수, 사탕수수 등 재생 자원에서 만든 열가소성 수지입니다. 출력 품질, 레이어 접착력, 적당한 강도가 뛰어나 전반적으로 훌륭한 소재이며, 기어 출력용으로 나일론 다음으로 추천합니다.

콩 기반, 옥수수 기반 생분해성 PLA 필라멘트도 있습니다.

하지만 PLA는 자동차 부품 출력에 부적합합니다. Tg가 60–65°C라 한여름 차 안에서는 변형되기 때문입니다. 엔진룸 부품용으로 PLA를 생각한다면 포기하세요.

자동차 부품은 보통 ABS로 만드는데, 더 튼튼할 뿐 아니라 Tg도 105°C로 훨씬 높습니다.

PLA 부품의 유리 전이 온도를 높일 수 있을까?

네, 첨가제를 넣어 PLA 출력의 유리 전이 온도를 높일 수 있습니다. 다만 강도와 융해성 면에서 트레이드오프가 있을 수 있습니다.

TPLA, HTPLA 같은 PLA 파생 소재는 일반 PLA 장점에 후처리 열처리(어닐링)가 가능해 일반 PLA보다 훨씬 높은 온도에서 형태와 강성을 유지합니다.

일반 PLA 필라멘트로 출력한 3D 물체의 유리 전이 온도를 높이는 최선의 방법은 어닐링(Annealing)입니다. 유리 전이 온도까지 가열하되 용융점 아래에서 열처리하는 것입니다.

어닐링의 장점

3D 출력물의 열처리를 '어닐링'이라 부릅니다.

일반적인 어닐링 방법은 상압로, 오븐, 간접 가열원을 사용하는 것입니다.

이 과정은 내부 결정 구조를 재배열해 더 큰 결정립을 형성하게 하여 레이어 분리가 훨씬 덜 일어나는 더 강한 물체를 만듭니다. 테스트 결과 어닐링으로 출력물 강도와 전반적 저항이 약 40% 증가했습니다.

단점은 잘못하면 모델이 휘고 X, Y 방향으론 수축하면서 Z 방향으론 팽창한다는 점입니다.

또 하나 중요한 점: 어닐링하려면 100% 인필로 출력해야 합니다. 20–30% 인필로는 예측 불가능한 수축으로 거의 항상 실패합니다. 과정 중 인필이 지지대 역할을 해야 비정상적 빈 공간으로 인한 변형을 막을 수 있습니다.

어닐링에 가장 적합하고 저렴하며 빠른 인필 스타일은 라인 인필입니다.

내구성 향상

3D 프린팅은 복잡한 부품을 비용 효율적으로 제작하는 기술입니다. 하지만 일부 출력물은 사출 성형품만큼의 구조적 무결성을 가지지 못합니다. 특히 고강도 조건에서 그렇습니다.

어닐링은 3D 출력물의 물리적 특성을 개선해 더 내구성 있게 만듭니다. 레이어 간 결합이 훨씬 강해지기 때문입니다.

유리 전이 온도 증가

어닐링은 3D 출력물의 내열성도 높입니다. 과학적 원리는 간단합니다. 일반 3D 출력물은 무작위 비정질 분자 구조를 가져 녹는점이 없고, 가열 시 점차 부드러워지다 완전히 액체가 됩니다. 어닐링 과정에서 가열하면 분자가 부분적으로 조직된 준결정 구조로 재배열됩니다.

이로 인해 분자 간 결합이 강해지고 유리 전이 온도가 상승합니다.

직접 실험해 봤습니다: PLA 필라멘트(Tg 60°C)로 출력한 물체를 90°C에서 어닐링했더니 유리 전이 온도가 110°C로 올랐습니다.

거의 100% 증가로, 일반 PLA의 가장 큰 단점 하나를 거의 해소했습니다.

후처리 용이성

FDM 3D 프린팅은 출력물 표면이 거칩니다. 매끄럽지 않아 도장, 래커 등 후처리가 어렵습니다.

어닐링으로 출력물 표면을 매끄럽게 하고 구멍을 메워 전문가다운 외관을 만들 수 있습니다.

따라서 어닐링은 마무리 작업 시간을 줄여주고 강도도 높여줍니다!