1. 서론
점탄성 거동이란 고체의 역학적 특성인 탄성 거동과 유체의 특성인 점성 거동이 동시에 나타나는 거동이다. 여기서 탄성거동이란 재료에 가해진 하중이 제거되면 변형이 원래의 상태로 되돌아가는 것을 의미한다. 유체의 점성 거동은 재료의 거동이 하중의 크기뿐만 아니라 하중이 가해지는 속도에 의해서도 달라지는 특성을 의미한다.
이러한 탄성 거동과 점탄성 거동을 동시에 보이는 재료를 점탄성 재료라고 한다. 점탄성 재료의 예로는 폴리머(polymer), 고무, 고온환경에서 금속, 고체 추진제, 생체 재료 등이 있다. 주변에서 흔히 볼 수 있는 고무 타이어, 고온환경에서 터빈 블레이드의 변형, 라텍스 배게, 실리콘, 사람의 피부 조직 등이 점탄성 거동을 보인다고 생각하면 된다(그림 1).
그림 1. 점탄성 거동을 보이는 물체들 (좌: 고무 타이어 / 우: 터빈 블레이드)
점탄성 거동의 몇가지 특징에 대해서 알아보도록 하겠다. 재료에 일정한 크기의 변형률이 가해지게 되면 재료 내부에는 응력이 발생한다. 탄성 거동을 하는 재료인 경우 변형률의 크기가 일정하기 때문에 응력의 크기도 시간과 무관하게 일정한 값을 갖게 된다. 점성을 가진 유체에 이러한 변형률이 가해지게 되면 변형률이 가해진 시점에는 응력이 발생하지만 이후에는 변형률 속도가 0이 되므로 응력이 0이 된다.
점탄성 거동은 이러한 탄성거동과 점성거동이 동시에 나타나는 거동으로 변형률이 가해진 시점에는 순간적으로 탄성거동을 보이고 시간이 지남에 따라서 서서히 응력의 크기가 줄어드는 거동을 보인다. 이러한 거동을 응력완화(stress relaxation) 거동이라고 한다. (그림 2. (a)) 반대의 경우에 대해서도 알아보겠다.
재료에 일정한 크기의 응력이 가해지게 되면 탄성 거동을 하는 재료는 응력의 크기에 비례하여 변형률이 발생하고 그 크기는 시간에 무관하게 일정하다. 점성을 가진 유체에 일정한 크기의 응력이 가해지면 시간에 따른 변형의 크기는 계속해서 커지게 될 것 이다.
점탄성 거동은 이 두가지 거동이 동시에 나타나게 되고 응력이 가해진 초기에는 순간적인 탄성 거동을 보이고 또한 시간이 지남에 따라서 변형률이 서서히 커지는 거동을 보이게 된다.(그림 2. (b)) 이러한 현상을 크리프(creep) 현상이라고 한다. 크리프 현상의 예는 고온에서 장시간 작동하는 터빈블레이드에서 찾아 볼 수 있다.
이러한 경우 블레이드의 작동시간에 의존적인 크리프 변형을 고려하여 설계를 해야 한다. 크리프 변형이란 시간의존적인 현상이므로 부품의 수명 과도 연관되어 있다고 할 수 있다.
그림 2. 점탄성 거동의 특징 (a)응력완화, (b)크리프 현상
위의 설명처럼 점탄성 거동은 시간의존적인 거동을 보이므로 재료의 물성 또한 시간에 따른 함수로 표현이 된다. 물성은 재료에 단위 변형률을 가하고 그 결과로 나온 응력을 매시간마다 측정하여 두 값의 비로 정의된다. 이를 응력완화계수( 
)라고 하고 점탄성 재료의 물성을 표현하는 값이 된다.
반대개념으로 일정 응력을 가하고 시간마다 변형률을 측정하여 물성으로 정의할 수 있다. 이때 물성은 크리프 컴플라이언스( 
)라고 하고 응력완화계수와 반대되는 개념이다.
폴리머 재료의 일반적인 응력완화계수를 그림3에 나타내었다. 시간이 지남에 따라서 응력의 크기가 점점 작아지는 응력완화 동을 보인다. 시간을 로그척도로 나타내면 응력완화계수를 크게 3가지 구간으로 구분 할 수 있다.
시간이 매우 짧은 영역에서는 순간적으로 하중이 가해진 것으로 재료는 단단한 탄성체처럼 거동을 하므로 유리영역이라고 불린다. 반대로 시간이 매우 긴 영역에서는 재료가 점성의 영향을 크게 받지 않아 강성이 낮은 고무와 같이 거동을 한다고 해서 고무영역이라고 불린다.
유리영역과 고무영역 사이의 구간을 전이 구간이라고 한다. 이 세가지 영역에서 보이는 거동이 매우 다르기 때문에 각 영역을 구분하는 시간은 점탄성 재료의 특징을 나타내는 중요한 값이라고 할 수 있다.
그림 3. 점탄성 재료의 물성(시간영역)
점탄성 거동을 보이는 재료는 진동을 감쇠시키는 용도로 많이 활용이 되기 때문에 주파수 영역에서도 살펴볼 필요가 있다. 시간의존적인 거동을 보이므로 가진 주파수의 진동수에 따라서 재료는다른 거동을 보인다. 아래 그림4는 정현 파형으로 다양한 주파수영역에서 재료를 가진 시켰을 때 점탄성 재료의 일반적인 물성을 의미한다.
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