재료의 점탄성(Viscoelasticity) — 시간에 따라 달라지는 재료의 반응

점탄성은 ‘탄성’과 ‘점성’이 동시에 나타나는 거동이다

재료에 하중을 가하면 어떤 재료는 즉시 변형되고 즉시 되돌아오지만, 어떤 재료는 천천히 늘어나거나 하중을 제거해도 한동안 변형이 남아 있다가 서서히 회복된다. 이처럼 즉각적인 반응과 지연된 반응이 함께 나타나는 성질을 점탄성이라 부른다. 점탄성 재료는 스프링처럼 에너지를 저장하는 탄성적 성질과, 점성이 있는 유체처럼 에너지를 소모하며 흐르려는 성질을 동시에 가진다. 중요한 점은 이 두 성질이 분리되어 작용하는 것이 아니라, 시간이라는 변수 안에서 함께 얽혀 나타난다는 사실이다.

 

 

점탄성 재료는 ‘하중의 크기’보다 ‘하중의 지속 시간’에 민감하다

순수 탄성 재료에서는 하중의 크기가 거동을 거의 결정하지만, 점탄성 재료에서는 같은 하중이라도 얼마나 오래 작용했는지가 결과를 바꾼다. 일정한 하중을 오래 유지하면 변형이 시간이 지남에 따라 점점 증가하는데, 이를 크리프라고 한다. 반대로 변형을 일정하게 유지하면 처음에는 큰 응력이 필요하지만 시간이 지나면서 필요한 응력이 점점 줄어드는데, 이를 응력 완화라고 한다. 점탄성은 재료가 하중을 ‘순간적으로’ 받아들이는 방식과 ‘장시간’ 받아들이는 방식이 다르다는 사실을 보여준다.

 

점탄성 거동의 근원은 내부 미시 구조의 지연 반응이다

점탄성이 나타나는 이유는 재료 내부 구조가 외부 자극에 즉각적으로 정렬되지 않기 때문이다. 고분자 재료에서는 분자 사슬이 얽혀 있고, 이 사슬이 늘어나고 재배열되는 데 시간이 필요하다. 이 과정에서 일부 에너지는 저장되고 일부는 내부 마찰로 소모된다. 금속에서도 고온이나 장시간 하중 조건에서는 점탄성에 가까운 거동이 나타날 수 있으며, 이는 재료가 ‘완전히 고체적’이지 않다는 사실을 보여준다. 점탄성은 재료가 시간에 대해 기억과 지연을 동시에 가지는 물리적 특성이다.

 

점탄성은 구조물의 장기 거동을 지배한다

점탄성을 무시하면 구조물의 장기 성능을 크게 오해하게 된다. 단기적으로는 문제가 없어 보이던 부재가 시간이 지나며 처짐이 증가하거나, 진동 특성이 변하고, 연결부의 응력이 재분배되는 현상이 발생한다. 특히 플라스틱, 고무, 접착제, 복합재를 사용하는 구조에서는 점탄성 거동이 설계 수명과 직접적으로 연결된다. 점탄성은 즉각적인 파괴보다는 ‘서서히 바뀌는 실패’를 만들어내는 성질이기 때문에 더욱 위험하게 작용할 수 있다.

 

점탄성을 이해하면 ‘시간을 포함한 설계’가 가능해진다

점탄성을 고려한 설계란 단순히 안전율을 키우는 것이 아니라, 구조물이 시간에 따라 어떻게 변할지를 예측하는 설계다. 초기 성능뿐 아니라 장기 변형, 응력 재분배, 에너지 소산 특성을 함께 고려할 때 구조물은 실제 사용 조건에 맞게 설계된다. 점탄성은 재료가 하중을 받아들이는 방식이 고정되어 있지 않다는 사실을 보여주며, 구조 설계를 ‘순간의 계산’에서 ‘시간을 포함한 판단’으로 확장시킨다. 결국 점탄성이란 재료가 시간 속에서 어떻게 버티고, 어떻게 적응하는지를 설명하는 재료역학의 핵심 개념이다.