포장필름을 눈으로 확인했을 때 아무런 문제가 없어 보여도 실제 차단 성능은 크게 떨어져 있을 수 있다. 대표적인 원인이 핀홀(Pinhole)이다.

핀홀은 필름에 발생하는 매우 작은 구멍이나 관통 결함을 의미한다. 특히 알루미늄박, 알루미늄 증착필름, 무기산화물 코팅필름처럼 높은 차단성을 목적으로 사용하는 포장재에서는 작은 결함도 전체 포장재의 산소 및 수분 차단 성능에 영향을 줄 수 있다.

중요한 점은 핀홀이 반드시 제조 단계에서만 발생하는 것은 아니라는 것이다. 필름을 반복해서 접거나 구부리고 비트는 과정에서도 미세균열이 성장하면서 핀홀로 발전할 수 있다.

그렇다면 포장필름을 반복적으로 굴곡시켰을 때 내부에서는 어떤 변화가 발생하며, 이것이 OTR과 WVTR 같은 차단 성능에 어떻게 영향을 줄까?

포장필름에서 핀홀이 발생하는 과정

포장재는 실제 유통 과정에서 생각보다 다양한 기계적 힘을 받는다.

제품을 충전하고 밀봉하는 과정에서 필름이 접히며, 박스에 포장된 이후에도 제품끼리 부딪히거나 눌릴 수 있다. 운송 과정에서는 지속적인 진동도 발생한다.

이러한 변형이 한 번 발생했다고 해서 바로 핀홀이 만들어지는 것은 아니다.

문제는 동일한 위치에 변형이 반복되는 경우다.

반복 굴곡 → 국부적인 응력 집중 → 미세균열 발생 → 균열 성장 → Barrier layer 손상 → 핀홀 또는 투과경로 형성

이라는 과정으로 진행될 수 있다.

특히 다층필름에서는 모든 층이 동일하게 변형되는 것이 아니다. 각 소재는 탄성률, 연신율, 두께 및 계면접착 특성이 다르기 때문에 반복 굴곡을 받았을 때 특정 층에 응력이 집중될 수 있다.

PE와 같이 비교적 연성이 높은 고분자층은 변형을 어느 정도 흡수할 수 있지만, 얇은 금속층이나 무기산화물층은 상대적으로 취성 파괴에 민감할 수 있다.

굴곡 피로(Flex Fatigue)란 무엇인가?

한 번의 강한 힘으로 필름이 파손되는 현상과 작은 힘이 반복되어 손상되는 현상은 구분할 필요가 있다.

후자를 굴곡 피로 또는 반복 굴곡에 의한 피로 현상으로 볼 수 있다.

예를 들어 어떤 포장필름이 한 번 접혔을 때는 아무 문제가 없더라도 수백 번 또는 수천 번 반복해서 변형되면 미세한 결함이 누적될 수 있다.

필름의 내굴곡성을 평가할 때는 실제 유통 중 발생할 수 있는 반복적인 굽힘과 비틀림을 모사하는 시험이 사용된다.

대표적으로 알려진 방법 가운데 하나가 Gelbo Flex 형태의 반복 굴곡 시험이다.

시험에서는 필름이나 유연 포장재 시편에 반복적인 압축과 비틀림을 가한 뒤 발생한 핀홀 수 또는 굴곡 전후의 차단 성능 변화를 평가할 수 있다.

여기서 중요한 것은 단순히 ‘핀홀이 몇 개 생겼는가’만 확인하는 것이 아니다.

실제 포장 설계에서는 굴곡 이후 **OTR(Oxygen Transmission Rate)**이나 **WVTR(Water Vapor Transmission Rate)**이 어느 정도 변화했는지를 함께 확인하는 것이 더 유용할 수 있다.

작은 핀홀이 차단 성능에 큰 영향을 줄 수 있는 이유

결함이 없는 필름에서는 산소나 수증기가 고분자 내부에 용해되고 분자 사이를 확산하는 과정을 거쳐 반대편으로 이동한다.

즉 정상적인 고분자 필름에서는 기체가 필름 내부를 통과해야 한다.

하지만 관통 결함이 만들어지면 상황이 달라진다.

기체가 고분자 내부를 확산하는 기존 경로 이외에 결함을 통한 별도의 이동 경로가 생길 수 있기 때문이다.

따라서 고차단성 필름에서는 아주 작은 결함이라도 중요하게 다뤄야 한다.

예를 들어 원래 OTR이 매우 낮은 구조에서 Barrier layer에 균열이나 핀홀이 발생하면, 필름 자체의 고유 투과보다 결함을 통한 이동의 영향이 상대적으로 커질 수 있다.

반대로 처음부터 기체 투과도가 높은 단층 고분자 필름이라면 동일한 크기의 미세 결함이 전체 투과 성능에 미치는 상대적 영향은 다른 양상을 보일 수 있다.

따라서 핀홀의 영향은 단순히 구멍의 개수만으로 판단해서는 안 된다.

굴곡 횟수가 증가하면 OTR도 일정하게 증가할까?

반드시 그렇지는 않다.

이해를 위해 가상의 실험 결과를 만들어보자.

아래 값은 원리를 설명하기 위한 예시이며 실제 특정 제품의 시험 결과가 아니다.

굴곡 조건	확인된 핀홀	OTR 상대값
굴곡 전	0	1.0
초기 굴곡	1	1.3
중간 굴곡	4	2.7
강한 반복 굴곡	11	7.5

핀홀 수가 1개에서 4개로 증가했다고 해서 OTR이 정확히 네 배 증가한다고 볼 수 없다.

핀홀의 직경과 위치가 모두 다를 수 있고 Barrier layer에 눈으로 확인하기 어려운 미세균열이 존재할 수도 있기 때문이다.

또한 여러 미세균열이 서로 연결되면서 새로운 투과경로를 형성할 수도 있다.

따라서 실제 시험에서는 굴곡 횟수와 핀홀 개수뿐 아니라 굴곡 전후 OTR 또는 WVTR을 직접 비교하는 방식이 중요하다.

단층필름과 다층필름에서 나타나는 차이

핀홀에 대한 민감도는 포장재 구조에 따라 달라진다.

PE 단층필름

PE는 비교적 유연하고 연신성이 높은 재료다. 반복 변형을 어느 정도 흡수할 수 있다는 장점이 있다.

하지만 필름 두께가 지나치게 얇거나 날카로운 제품과 지속적으로 접촉하면 천공이나 파손이 발생할 수 있다.

알루미늄박 적층재

알루미늄박은 우수한 빛·기체·수분 차단성을 구현하는 데 사용될 수 있지만 반복 굴곡에 의해 결함이 발생할 가능성을 고려해야 한다.

특히 얇은 foil 구조에서는 포장 설계와 취급 조건이 중요하다.

알루미늄 증착필름

증착층은 매우 얇기 때문에 육안으로 필름 자체가 찢어지지 않았더라도 증착층에 미세한 균열이 발생할 수 있다.

이 경우 외관만으로 차단 성능 저하를 판단하기 어렵다.

SiOx·AlOx 계열 투명 Barrier film

무기산화물층 역시 높은 차단 성능을 구현할 수 있지만 취성 특성 때문에 굴곡에 따른 미세균열 관리가 중요하다.

결국 높은 초기 Barrier 성능뿐 아니라 변형 이후에도 그 성능이 얼마나 유지되는가를 평가해야 한다.

실제 포장에서는 언제 문제가 될까?

대표적인 상황이 모서리가 있는 내용물을 포장하는 경우다.

냉동식품이나 건조식품처럼 내용물 자체가 단단하거나 날카로운 부분을 가지고 있다면 운송 과정에서 내용물이 필름 안쪽을 반복적으로 누를 수 있다.

처음 포장했을 때는 정상이라도 운송 중 진동이 반복되면서 특정 부위에 응력이 집중될 수 있다.

진공포장에서도 주의할 필요가 있다. 내부 공기를 제거하면 필름이 내용물 표면에 밀착하기 때문에 날카로운 부분이 필름에 직접적인 응력을 줄 가능성이 커질 수 있다.

대형 파우치 역시 충전 후 이동 과정에서 반복적인 굽힘이 발생할 수 있으므로 실제 유통 조건을 고려해야 한다.

핀홀 문제를 줄이기 위한 포장 설계

핀홀 문제는 단순히 필름을 두껍게 만드는 것으로 해결되는 문제가 아니다.

첫 번째로 고려해야 할 것은 층구성이다.

취성 Barrier layer만으로 기계적 하중을 견디도록 하기보다 외부 충격과 굴곡을 흡수할 수 있는 다른 층과 조합할 수 있다.

두 번째는 필름의 두께와 균일성이다.

평균 두께가 충분하더라도 국부적으로 얇은 영역이 존재하면 해당 부위에서 응력 집중이 발생할 수 있다.

세 번째는 내용물과 포장재의 접촉 형태다.

날카로운 모서리가 지속적으로 특정 위치를 누르는 구조라면 필름 자체의 성능만 개선하기보다 제품 배치나 포장 구조를 함께 변경하는 것이 효과적일 수 있다.

네 번째는 실제 유통조건을 반영한 시험이다.

초기 OTR이나 WVTR만 측정하면 포장재가 출고 당시 얼마나 좋은지는 알 수 있지만 수송 후에도 동일한 성능이 유지되는지는 알기 어렵다.

따라서 필요에 따라 반복 굴곡 또는 운송 모사 후 차단 성능을 다시 측정하는 방식이 유용하다.

핀홀 시험 결과를 해석할 때 확인할 항목

시험성적서를 볼 때 단순히 핀홀 개수만 확인하지 말고 다음 정보를 함께 확인해야 한다.

• 시편의 전체 층구성
• 각 층의 두께
• 굴곡 조건과 반복 횟수
• 시험 전후 핀홀 개수
• 핀홀의 크기 또는 검출 기준
• 시험 전후 OTR
• 시험 전후 WVTR
• 시험 온도
• 상대습도 조건
• 시편 수와 반복 측정 여부

특히 서로 다른 두 포장재를 비교한다면 시험조건을 동일하게 맞추는 것이 중요하다.

한 제품은 굴곡 전 값을 사용하고 다른 제품은 굴곡 후 값을 사용한다면 제대로 된 비교가 될 수 없다.

Barrier 성능은 초기값만으로 판단하기 어렵다

포장필름을 평가할 때 OTR이나 WVTR이 낮다는 사실만으로 포장재의 실제 성능을 모두 설명할 수는 없다.

실제 제품은 생산 이후 충전, 밀봉, 박스 포장, 적재, 운송, 진동 및 소비자의 취급 과정을 거친다.

이 과정에서 필름에 반복적인 기계적 변형이 발생한다.

따라서 높은 차단성이 필요한 제품에서는 다음 두 질문을 구분할 필요가 있다.

첫째, 처음 만들어진 포장재의 Barrier 성능은 얼마나 높은가?

둘째, 반복적인 변형을 받은 이후에도 그 Barrier 성능을 유지하는가?

두 번째 질문을 확인하는 과정에서 굴곡 피로와 핀홀 평가가 중요해진다.

포장재의 성능은 실험실에서 측정한 초기 투과도뿐 아니라 실제 유통 과정에서 발생할 수 있는 기계적 손상까지 함께 고려해야 보다 정확하게 평가할 수 있다.

참고할 시험 규격

포장재의 굴곡 내구성과 핀홀 평가를 실제 시험에 적용할 경우 시험 목적과 소재에 맞는 최신 규격을 확인해야 한다.

대표적으로 ASTM F392는 유연한 Barrier 재료의 굴곡 내구성과 관련해 참고할 수 있는 시험규격이다. 산소투과도와 수증기투과도를 추가로 측정하는 경우에는 해당 측정법에 적용되는 ASTM 또는 ISO 규격과 시험조건을 별도로 확인해야 한다.

규격은 개정될 수 있으므로 실제 품질관리나 시험성적서 작성에 적용할 때는 최신 버전을 기준으로 시험조건과 적용범위를 확인하는 것이 필요하다.