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KIST, 도장 찍듯이 간단한 초미세 인쇄기술 이용, 3차원 나노구조 전극 개발

- 촉매 내구성 증대 및 백금 사용량 저감을 통한 수소연료전지 경제성 확보 수소를 연료로 이용해 전기에너지를 생성하는 친환경 발전장치인 수소연료전지는 수소전기차에서는 엔진과 같은 역할을 한다. 그러나 연료전지의 핵심 구성요소인 백금 촉매를 지지하기 위해 사용되는 탄소 입자가 쉽게 부식되어 연료전지의 수명이 길지 않다는 문제가 있다. 부식된 연료전지는 새로이 교체가 필요한데, 수백~수천만 원을 호가하는 연료전지 교체 비용은 차주로서는 부담스러울 수밖에 없다.국내 연구진이 이러한 문제를 해결해 수소연료전지의 수명을 획기적으로 늘릴 수 있는 기술을 개발했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 수소·연료전지연구센터 김진영 박사와 물질구조제어연구센터 김종민 박사가 한국과학기술원(KAIST, 총장 이광형) 정연식 교수와의 공동연구를 통해 도장 찍듯이 간단한 20nm급 초미세 인쇄기술을 활용하여 연료전지 부식 문제의 원인인 탄소를 사용하지 않는 새로운 형태의 백금 나노구조 전극을 개발했다고 밝혔다. [그림 1] 철골구조와 비슷한 형태의 멀티 스케일 백금 나노 아키텍처 전극 모식도 [그림 2] 멀티 스케일 백금 나노 아키텍처 기반 박막형 막전극접합체(MEA) 모식도 수소연료전지의 촉매로 사용되는 백금은 나노미터 크기일 때 서로 달라붙는 성질이 있어 안정적이지 못해 백금만으로는 촉매 소재로 활용될 수 없다. 이 때문에 현재 상용화된 촉매는 2~5nm 크기의 백금 나노입자를 탄소 입자 위에 붙여 안정화시켜 놓은 것이다. 하지만 탄소 입자는 연료전지의 반복 구동 과정에서 부식으로 인해 소실되어 백금을 지탱하지 못하며, 결과적으로 연료전지의 성능이 지속적으로 감소하는 문제를 일으킨다. 또한 전극 두께가 수 마이크로미터로 두껍고 구조가 복잡해 연료전지의 효율 또한 좋지 못했다. 연구진은 수소연료전지 수명에 치명적인 탄소 입자를 사용하지 않고도 안정적인 백금 촉매를 만들기 위해 도장을 찍듯이 간단한 인쇄공정을 여러 번 반복하여 20nm급의 안정적인 형태의 백금 구조물을 적층하는 초미세 공정을 개발하였다. 이 공정을 통해 개발한 전극은 철골 건축물과 닮아 구조물 사이에 넓은 통로가 있어 연료전지 내부에서의 산소, 수소, 물의 이동이 원활해졌고, 기존의 1/10 이하로 두께가 얇아질 수 있다.이로 인해 탄소 입자 없이 백금만으로 전극을 제작할 수 있게 됐으며, 해당 전극을 사용할 경우 기존 상용 촉매 전극보다 내구성이 3배 이상 향상1)됐을 뿐만 아니라 연료전지 출력 또한 27%가량 향상되는 결과를 얻었다. 고분자전해질 연료전지에 적용하여 테스트한 결과, 5,000회의 반복 구동 시 상용 촉매 전극의 경우 72% 성능 감소하는 가혹 조건에서 연구진이 개발한 전극은 탄소 입자가 없어 18%의 성능만 감소함 [그림 3] PET 유연 기판 위에 롤투롤 대면적 나노 인쇄공정 구현 및 전사된 백금 나노선 SEM 이미지 [그림 4] 20nm급 고해상도 나노 인쇄공정 과정 및 마스터 몰드에 따른 백금 나노 아키텍처 SEM 이미지 [그림 5] 기존 상용 Pt/C 전극 및 다양한 나노 아키텍처 백금 전극 성능 비교 및 탄소 담지체 열화 테스트 이후 최대전력 밀도 유지율 KIST 김진영 박사는 “초미세 인쇄 기술을 통해 개발한 촉매는 전극의 내구성 및 성능을 획기적으로 향상시켜 수소연료전지의 경제성을 확보할 수 있다.”라고 말했다. 공동연구를 수행한 KAIST 정연식 교수는 “연료전지뿐만 아니라 촉매, 센서, 배터리 등 다양한 전기화학 응용 분야에서의 활용을 기대한다”라고 밝혔다. 한편, 본 연구에는 연료전지 계산전문가인 인하대학교 주현철 교수도 참여해 연료전지 전극 내 유체의 거동에 대한 시뮬레이션 분석 역할을 담당했다.본 연구는 과학기술정보통신부(장관 임혜숙)의 지원을 받아 KIST 주요 사업, 기후변화대응사업, 글로벌프론티어사업을 통해 수행되었으며, 이번 연구 결과는 국제 과학 저널인 ‘Science Advances’ (IF: 14.136, JCR 분야 상위 6.164%) 최신 호에 게재되었다. * 논문명: Conformation-Modulated Three Dimensional Electrocatalysts for High Performance Fuel Cell Electrodes 제1저자 김종민 박사○ 소속: 한국과학기술연구원 첨단소재기술연구본부 물질구조제어연구센터 선임연구원○ 전화: 02-958-5406○ e-mail: jongminkim@kist.re.kr교신저자 김진영 박사○ 소속: 한국과학기술연구원 청정신기술연구본부 수소·연료전지연구센터 책임연구원○ 전화: 02-958-5294○ e-mail: jinykim@kist.re.kr교신저자 정연식 교수○ 소속: 한국과학기술원(KAIST) 신소재공학과○ 전화: 042-350-3328○ e-mail: ysjung@kaist.ac.kr

편집부 2021-09-16

사출성형조건의 기본원칙과 체계적인 금형 시험 Injection Molding Basic & Systematic Mold Proving

자료제공 : LS엠트론 김영기 고문010-6603-8210 / ykkim2025@gmail.com4. 체계적인 금형 시험1) 정보모든 금형 시험 공정의 초기 단계에서 금형과 플라스틱 재료 및 성형품에 대한 필요한 정보와 시험목적이 있어야 한다.2) 절차이 금형 시험은 위에 표기된 플로 차트에 맞게 수행되어야 한다.3) 부분 충진각 시험과 불량원인의 분석을 위해서 부분 충진을 진행하는 것이 아주 중요하다. 여기에서 보압단계 중에 용융수지가 금형의 캐비티로 들어가지 않는 것을 확인하는 것이 중요하다. 설정한 보압절환점을 육안으로 점검되어야 한다. 보압절환 위치가 초과되는 것을 피하기 위해서 보압의 양을 아주 적은 값을 선택하는 것이 중요하다.계량 중 용융 수지가 금형 캐비티 내로 들어가지 않게 확보하기 위해 충분히 긴 계량 지연 시간이 요구된다.부분 충진 단계는 흐름 공정의 명확한 형상을 갖기 위해서 직경의 변화나 표면 결점이 있는 곳에 단계적으로 나누어서 수행되어야 한다. 부분 충진은 흐름 전단이 추적될 수 있도록 해당 절환점이나 계량량을 기록해야 한다. 상응한 이젝터 위치를 확보하기 위해서 부분 충진의 생산에서 충분한 사전 충진이 요구된다. 4) 사출 구간일정한 표면 품질을 얻기 위해서 사출 초기 속도가 상대적으로 일정해야 한다. 사출 초기 속도는 사출 구간에서 사출 초기에 커버되는 거리이다.일정하게 설정된 사출 속도에서 용융 수지가 일정한 양으로 사출된다. 그림 2.1과 같이 게이트에서 가깝고 먼 곳의 적은 수지 전단의 직경으로 수지 전단 속도는 중간에서 보다 이들 구역에서 높다.좀 더 일정한 수지 전단 속도를 얻기 위해 저속-고속-저속의 사출 프로파일이 설정되어야 한다. 성형품의 상당한 흐름 전단 직경의 크기와 위치를 설정한 후에 스크류 전진 속도는 대략적으로 동등한 사출 전단 속도를 얻기 위해서 채택되어야 한다.5) 보압절환점보압절환점은 사출에서 보압단계로의 변환을 결정한다. 성형품의 과충진을 방지하고, 가능한 금형 손상을 방지하기 위해 성형품 전체용량의 대략 98%에 달할 때 보압절환이 되어야 한다.계량되는 용융량이 변수 변화에 의해서 영향을 받을 때마다 보압절환점이 점검되어야 한다.• 압력: 용융 수지의 압축• 석백: 스크류 전단 구역의 수지량 변화• 초기 사출 단계: 스크류 체크링의 닫힘 동작6) 효과적인 보압시간효과적인 보압시간은 점차 증가되는 보압시간에 따라 생산되는 성형품의 무게를 측정하여 결정할 수 있다.보압의 양을 일정하게 유지해야 한다. 무게가 상당하게 증가하는 것이 멈추자마자 효과적인 보압시간에 도달한 것이다. 성형품에서 게이트 시스템으로 혹은 스크류 전단의 공간으로 불명확한 방법에 의해서 용융 수지가 뒤로 새지 않도록 하는 것이다. 이것은 성형품의 무게나 치수에서의 변화의 결과일 수 있다.7) 냉각시간경제적인 이유로 냉각시간은 가능한 한 짧아야 한다. 계산식에 의한 값이나 경험치는 해당 수지에 대한 고정된 값으로 사용될 수 있다. 결정적인 것은 제품두께, 금형 온도와 이형 온도이다. 냉각시간에서 금형 온도의 영향, 즉 생산 과정에서 추정컨대 금형 온도가 매우 높다는 것을 명심해야 한다. 온도 10℃의 변화는 냉각시간을 대략 20%까지 변화시킨다. 더군다나, 이형 온도나 금형 온도도 수축에 영향을 준다. 따라서 금형 치수 수정은 일정한 사이클에서 생산된 성형품을 갖고 이루어져야 한다. 8) 공정영역사출성형품의 품질이 품질 관련 설정값의 확실한 범위 안에서만 보증될 수 있다. 이러한 범위를 가끔 공정영역이라고 부른다. 공정영역의 중간에서 기계 설정값만이 재료, 기계, 주변장치 등의 오차에 의해서 원인이 되는 불량률을 낮게 확보할 수 있다. 기계 설정에 대한 변화의 허용된 오차를 정의하는 것이 가능하다. 만약 생산 중에 품질 문제가 발생한다면 완벽한 기능을 위한 모든 구성 품목을 사전에 점검하는 것이 의무사항이다. 일반적으로 공정온도가 측정되어야 하고 수지 건조가 점검되고, 변수의 설정값과 실제값이 비교되어야 한다.기계의 설정값이 체계적으로 최적화되었을 때만이 정확한 원인을 파악할 수 있다. 9) 변수변경 절차만약 최적화가 아래의 조치대로 수행된다면 한 번에 변수 하나만 바꾸어야 하고 기록되어야 한다. 특히 용융온도와 금형 온도에 변화가 있다면 열 균형이 도달했을 때 성형품을 평가해야만 한다.10) 상관관계여러 변수의 상관관계와 그들이 성형품 품질에 끼치는 영향이 평가될 수 없다면, 체계적인 금형 시험이 수행되어야 한다. 이러한 목적으로 사출률, 보압 등 각각의 품질 관련 변수가 체계적으로 변경되도록 시험계획에 포함되어야 한다. 금형 시험 횟수는 2n이다.< 예 > 변경될 변수사출 시간 te보압 tn금형 온도 Tw금형 시험 횟수 = 2n = 23 = 8 te+ 사출 높임te- 사출 낮춤tn+ 보압 높임tn- 보압 낮춤Tw+ 금형 온도 높임Tw- 금형 온도 낮춤시험에 필요한 시간은 가능하면 적게 들어야 한다. 따라서 시험은 설정온도의 변화에 따라서 실시되어야 한다. 상기 도표와 같은 경우에는 2, 3, 4, 7, 1, 5, 6, 8번 순으로 시험을 진행되어야 한다.… 10월호에 ‘5. 성형작업을 위한 준비 및 기계조작’가 이어집니다

취재부 2021-08-31

탄소섬유 - 특허통계 분석 보고서

취재부 2021-08-31

사출성형 금형에 대하여 - 3단 금형

자료제공: 우진플라임 기술교육원 / 교수 한선근1. 3단 금형기본적인 명칭과 용도는 2단 금형과 동일하며, 아래에 열거된 부품이 추가된다.① 서포트 핀 (Support Pin)가이드 핀과 함께 런너 스트리퍼 판, 고정측 형판, 가동측 형판의 위치를 잡아 주는 역할② 풀러 볼트 (인장볼트, Puller Bolt)금형이 열릴 때 런너 스트리퍼 판을 당겨 주는 기능과 고정측 형판과 가동측 형판 사이를 열어 성형 제품을 뽑기 위한 파팅 기능을 한다.③ 런너 스트리퍼 플레이트 (Runner Stripper Plate)3단 금형에서 고정측 설치판과 고정측 형판 사이에 설치한 것으로, 스푸루 부시에 있는 스푸루를 뽑아내는 기능을 한다. 1-1. 3단 금형의 특징① 게이트의 위치 선정이 자유롭다. (게이트의 이상적 위치 선택)② 핀포인트 게이트를 채용할 수 있다. (게이트를 절단하는 후가공이 불필요)③ 성형품과 스푸루, 런너, 게이트를 각각 취할 수 있다.④ 형개 스트로크가 큰 성형기가 필요하다.⑤ 구조가 복잡하여 내구성이 떨어진다.⑥ 금형비가 비싸다.⑦ 성형 사이클이 길다.1-2. 3단 금형의 선택 이유① 게이트 처리의 공정을 생략하기 위해② 성형품의 가장자리 이외에 핀포인트 게이트를 사용하고자 할 때③ 사이드 게이트를 채용하는 경우 흐름의 균형을 고려하여 런너를 다른 플레이트에 설치하고자 할 때1-3. 3단 금형 몰드 베이스 (Mold Base)1-4. 3단 금형의 구조① 사용 빈도가 많은 형대의 몰드 베이스는 표준으로 하여 상품화하여 판매하고 있다. ② 코스트 다운, 납기 단축③ 게이트 방식에 의해 P(핀 게이트) 시리즈: 8타입④ 플레이트 수에 의해 3 플레이트 타입: DA, DB, DC, DD, EA, EB, EC, EH, 기타(DE, DF) 타입1-5. 3단 금형의 작동 순서캐비티를 만드는 가동형 금형(코어 금형)과 고정형 금형(캐비티 금형)의 기본 구조에서 고정형 금형 위에 한 개 금형(판)이 더 추가된 금형 구조- 1 단계 : 가동측 전진(금형 닫힘) → Nozzle 전진 → Injection(사출) → Cooling(냉각)- 2 단계 : Parting Line 1 열림- 3 단계 : Parting Line 1이 완전히 열림 → Puller Bolt로 인하여 P/L 2 열림- 4 단계 : Parting Line 3 열림- 5 단계 : Ejector Rod 전진 → 제품이 Core 면에서 이탈 → Runner 취출- 6 단계 : Ejector Rod 후진 → 밀판 후퇴 → 금형 닫힘2. 특수금형2-1. 슬라이드 코어 금형2-2. 핫런너 금형사출성형기에서 금형의 Cavity에 이르는 수지의 흐름 부위(Sprue와 Runner)에 열을 가하는 방법으로 수지가 항상 용융된 상태를 유지하도록 함으로써 Sprue나 Runner의 생성 없이 계속해서 사출을 가능케 하는 부품- 장점 ① 런너 형상이 없음으로 사이클 타임 단축② 형개 거리 단축 등을 통한 생산성 향상③ 런너에 의한 수지 손실이 없음④ 제품과 게이트가 분리되어 제품 후가공이 필요 없음⑤ 금형 내압이 감소하여 사출 속도 증가 가능⑥ 다점 게이트 제작이 용이⑦ 게이트 온도조절을 통해 유동을 자유로이 조절할 수 있다.- 단점① 금형 온도제어가 필요하다.② 사출 제품 색상 교환이 어렵다.③ 온도에 민감한 수지와 온도 변화에 대하여 점도가 급격히 변하는 수지를 사용하는 금형은 게이트 설계에 신중을 기해야 한다- 시스템 구성도2-3. 스텍 몰드(Steak Moid)성형기는 깊은 성형품도 성형되도록 형개 스트로크를 설정하고 있는데, 접시와 같이 얇은 성형품은 투영 면적에 비해 형체력에는 여유가 없으나, 스트로크는 여유가 너무 많은 상태로 된다. 이와 같은 경우에 성형기의 형체 능력을 2배로 해서 사용하려고 설계된 것이 스텍 몰드(Steak Mld) 이다.- 구동 시스템스텍 몰드(Steak Mold)는 런너 플레이트가 2단인 캐비티의 중앙에 배치되기 때문에 양쪽의 성형품을 배출하기 위해서는 양쪽의 캐비티는 가동 프라텐의 1/2 비율로 열려야 한다.- 구동 시스템의 종류① 랙과 피티언을 사용한 것② 토글 장치를 사용한 것 ③ 유압 실린더에 의한 방법- 스텍 몰드(Steak Mold)의 장점① 성형기의 형체력에 대해 2배의 투영 면적이 취해지기 때문에 기계 설비가 다소 적어도 된다.② 성형기의 설치 면적이 1/2로 된다.③ 형 개폐에 관한 전력이 절감된다.- 스텍 몰드(Steak Mold)와 일반 Mold(1단 빼기)의 생산성일반적으로 1단 빼기와 비교하면, 성형 사이클은 약간 늘어나므로 생산량은 약 80% 정도 증가한다.

취재부 2021-08-31

햇빛 받아 수소 만드는 인공 나뭇잎 효율, 신종 도핑 물질로 높인다!

- UNIST 장지현 교수팀, 인공 나뭇잎 원료(산화철)에 게르마늄 도핑 효과 극대화- 햇빛과 물만으로 청정수소 생산 가능… Nature Communications 게재‘인공 나뭇잎’의 수소 생산 효율을 극대화하는 기술이 개발됐다. 인공 나뭇잎은 식물 광합성 원리를 본떠 물속에서 햇빛을 받아 수소를 만드는 장치다. 탄소가스 배출 없이 청정 연료인 수소 생산이 가능해 탄소중립 시대를 앞당길 기술로 기대를 모으고 있다.UNIST(총장 이용훈) 에너지화학공학부 장지현 교수팀은 게르마늄을 인공 나뭇잎에 도핑(doping)해 수소 생산 효율을 높이는 제조 기술을 개발했다. 게르마늄은 이론상 뛰어난 도핑제(dopant)지만 실제로는 다른 도핑제보다 효과가 떨어졌는데, 연구팀이 그 이유를 찾아내 기존보다 효율을 3배 이상 높였다.인공 나뭇잎 시스템의 핵심은 광촉매다. 식물 엽록소처럼 햇빛을 받아 전자를 만드는 역할을 한다. 광촉매 주재료로는 철의 녹 성분인 산화철이 꼽힌다. 값도 싸고 무엇보다도 물속에서 안정적이기 때문이다. 하지만 산화철은 전기전도도가 낮아 이를 높여 줄 첨가제(도핑제)가 필요하다.* 도핑(doping): 특정 성능을 얻기 위해 물질에 다른 물질(이종 물질)을 첨가하는 기술. 반도체 제조 등에 주로 쓰인다.게르마늄도 주요 도핑제 후보 중 하나다. 하지만 이론상 기대치에 비해 실제로는 효과가 크지 않은 의문점이 있어 널리 연구되지 않은 물질이다.연구팀은 광촉매 전극 제조과정에서 그 원인을 찾아냈다. 주석(Sn) 성분이 고온의 열처리를 거치면서 광촉매 속으로 침투해 내부 구조를 훼손하는 것이다. 주석은 광촉매에 붙여 쓰는 투명 전극(FTO)에 포함된 성분이다.광촉매 내부에 게르마늄과 주석이 함께 있으면 내부 구조를 크게 훼손한다는 사실이 이번 연구로 새롭게 밝혀졌다.장 교수팀은 열처리 때 주석이 함께 도핑되는 것을 막는 산화 게르마늄 막 코팅법을 개발했다. 광촉매 표면적이 열처리 후에 주는 문제도 함께 해결돼 수소 생산 효율이 3배나 높아졌다.제1저자인 윤기용 UNIST 에너지화학공학과 박사과정 연구원은 “간단한 표면 처리로 산화철 광촉매 기술의 문제점이었던 낮은 전기전도도와 열처리 후 표면적 감소 현상을 단번에 해결할 수 있게 됐다”고 밝혔다.또 개발된 코팅법은 미량의 게르마늄 용액에 담갔다 빼기만 하면 될 정도로 과정이 간단해 상업화에도 유리하다.장지현 교수는 “기존의 단일 산화철 전극으로 구성된 인공 나뭇잎 기술은 수소 생산 효율이 대부분 1~3%에 머물던 한계가 있었다”며, “이번 연구에서 입증한 5% 효율은 기존 기술과 비교하면 세계 최고 수준이다”라고 설명했다.장 교수는 이어 “산화철은 이론적으로 15%의 수소 생산 효율을 낼 수 있는 물질이라 가격적인 측면에서뿐만 아니라, 기술적 잠재력도 우수한 광촉매 후보”라며, “더욱 정교한 제조 기술을 개발해 수년 내에 상용화를 이루는 것이 목표”라고 밝혔다.이번 연구는 UNIST 에너지화학공학과 석상일 교수와 이준희 교수가 함께 참여했다.연구성과는 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 7월 14일 자로 공개됐다.연구 수행은 한국연구재단(NRF)의 ‘중견 연구자 지원 사업’과 ‘온사이트 수소충전소를 위한 광전기화학 수소생산기술 및 시스템 개발 사업’, 그리고 S-Oil의 지원을 받아 이뤄졌다.* 논문명: NiFeOx decorated Ge-hematite/perovskite for an efficient water splitting system문의: 에너지화학공학과 장지현 교수 052-217-2922

취재부 2021-08-24

소각되는 폐 난방용 파이프, 업사이클링 제품으로 재탄생

- 연속식 이축 압출 공정에 친환경 초(아)임계 기술을 접목- 폐플라스틱 재활용 및 이산화탄소 저감으로 2050 탄소중립에 기여난방용 파이프(가교 폴리에틸렌 파이프)는 내열성 및 내구성이 높아 꾸준히 수요가 증가하고 있다. 이에 따라 난방용 파이프를 제조할 때 발생하는 약 10%의 불량품, 스크랩(부산물)과 사용 후 폐기물도 매년 증가하는 추세에 있으나, 열경화성 수지이기 때문에 재가공이 어려워 대부분을 매립 혹은 소각한다.한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 물질구조제어연구센터 홍순만 박사팀은 산·학·연 협력 연구를 통해 친환경 초(아)임계 유체 공정을 적용한 폐 난방용 파이프의 재활용 기술개발에 성공하였다고 밝혔다.연구팀은 연속식 이축 압출 공정에 친환경 초(아)임계 기술을 접목, 선택적 탈 가교 반응을 통해 재생 폴리에틸렌 생산에 성공하였다. 초(아)임계 유체는 기체의 확산성과 액체의 용해성을 동시에 가지므로 난방용 파이프 소재인 가교 폴리에틸렌 사이의 결합에 침투하여 빠른 탈 가교 반응을 유도하고, 높은 열과 압력을 동시에 적용하여 가교 폴리에틸렌의 분자 사슬을 선택적으로 절단할 수 있기 때문에 폴리에틸렌 고유의 물리·화학적 특성은 보전한다.1) 가교 폴리에틸렌(PEX, Cross-Linked Polyetheylene): 폴리에틸렌의 내열성 한계를 극복하기 위하여 분자구조를 변형시킨 개질 폴리에틸렌 수지의 일종2) 초(아)임계 유체: 초임계 유체는 액체와 기체가 구분되는 임계점 이상의 온도 및 압력에서 존재하는 물질의 상태를 의미하며, 용해 능력은 액체에 가깝고 확산성은 기체에 가까운 성질을 가진다. 한편, 임계점을 넘어가지는 않았으나 임계점에 근접했을 때를 아임계라 한다.3) 이축 압출 공정: 플라스틱을 가열하면서 압출(성형)하는 스크루가 두 개로 구성된 공정이렇게 생산한 재생 폴리에틸렌은 신재 폴리에틸렌과 유사한 분자량과 물성(분자량 Mw 180,000 이상)을 가져 건물 경량화 및 층간소음 방지용 슬라브 볼과 전선 보호용 CD(Combine Duct)관 제품으로 업사이클링할 수 있다. 또한, 폐 난방용 파이프를 수거해 활용함으로써 원가 절감이 가능하다.이번 연구성과로 소각처리되던 폐 난방용 파이프를 재활용함으로써 이산화탄소 저감이 가능할 것으로 기대되며, 이를 통해 2050년 탄소중립 달성에 이바지할 수 있을 것으로 전망된다. 또한 초(아)임계 유체를 이용한 공정은 인체 및 대기에 해로운 VOC를 유발하는 유기용매 대신 물이나 알코올과 같은 저독성 용매를 사용하며, 사용 후 추가적인 분리 공정이 없이 용매를 회수할 수 있어 친환경적이기도 하다.KIST 홍순만 박사는 “본 기술은 원천기술로서 전량 폐기되고 있는 열경화성 플라스틱의 재활용은 물론, 재생 플라스틱의 급격한 물성 저하를 극복할 수 있는 원료(단량체) 재생기술로 확장 적용이 가능하다”라고 전망했다. 또한 “전 지구적 극복과제인 플라스틱 쓰레기 처리 및 미세플라스틱 오염 문제를 해결하는 방안을 제공할 수 있기를 바란다”라고 이번 개발의 의의를 밝혔다. 기술개발에 참여한 ㈜동명 배성규 품질개발실장은 “향후 스케일업 및 제품 양산화 공정을 거쳐 사업화를 추진할 예정”이라고 밝혔다. 본 연구는 환경부(장관 한정애)의 지원을 받아 ㈜동명(대표 김창완), 세명대학교 조항규 교수, ㈜그린폴(대표:김명기)과의 산·학·연 협력 연구를 통해 한국환경산업기술원 생활폐기물 재활용 기술개발 사업으로 수행되었다.4) VOC(Volatile Organinc Compounds): 휘발성유기화합물. 대기 중에서 질소산화물(NOx)과 함께 광화학반응으로 오존 등 광화학산화제를 생성하여 광화학스모그를 유발하기도 하고, 벤젠과 같은 물질은 발암성물질로 인체에 유해하며, 스티렌을 포함한 대부분의 VOC는 악취를 일으키는 물질로 분류함.

취재부 2021-08-24

사출성형조건의 기본원칙과 체계적인 금형 시험 Injection Molding Basic & Systematic Mold Proving

3. 사출성형조건의 기본원칙1) 쿠션과 보압절환점사출성형기의 사출성형에서는 사출장치의 스크류 직경(㎜)이 제일 중요하다.즉, 이 스크류 직경(D)과 스크류(계량) 스트로크(S)에 의해서 이론 사출 용적이 계산된다. 그리고 사출성형에서 더욱 중요한 사출 압력과 사출 속도도 이 스크류 직경에 의해서 결정되고 변경된다. 이 사출 압력은 일반적으로 설정하는 유압 압력이 아니라 사출 실린더와 스크류 직경과 유압 압력에 따라서 변경되는 스크류 선단에 걸리는 이론 사출 압력을 의미한다. 하지만 이 스크류 직경이 누구나 다 알고 있는 위에서 언급한 내용 만에 국한되지 않는다.쿠션은 사출 충진이 진행되고 보압이 완료되는 시점에서의 스크류의 최종위치를 뜻한다. 간단히 얘기하면 이 쿠션 위치도 스크류 직경(D)에 의해서 결정된다. 즉, 스크류 직경의 10~20% 사이에 위치하는 것이 좋다. 한 예로 스크류 직경이 50㎜이면 5~10㎜ 사이에서 쿠션이 잡히면 좋다는 것이다.그러나 더욱 중요한 것이 있다. 스크류 위치로 표시하는 보압절환점(위치)이다. 사출 충진이 시작된 후 보압절환을 스크류의 어느 시점(위치)에서 시작하여 보압이 진행되고, 종료된 후 쿠션이 완료되는지가 관건이다. 계량량(사출량)을 중량으로 따졌을 때 98%는 사출 충진으로, 나머지 2%는 보압으로 제품의 치수와 중량, 그리고 수축 등을 잡으면서 원하는 품질을 만들고 재현성을 유지하는 것이다. 즉, 사출 중량의 98%는 사출로 충진시키고 난 후 보압절환점(위치)에 의해서 보압절환이 이루어진 후, 나머지 2%의 량으로 보압을 진행해야 한다는 것이다.사출량의 98%에 상당하는 보압절환점을 알아내는 방법으로는, 사출물의 중량을 측정하여 스크류의 거리로 환산하는 방식과 시험 초기에 보안 동작 없이 보압절환점(위치)을 점진적으로 줄이면서 사출하는 방식인 부분 사출을 병행으로 실시하여 98%에 상당하는 보압절환점(위치)을 결정한다.예로 스크류 직경이 50㎜인 경우 사출 중량의 쇼트 사이즈가 100㎜이고, 쿠션을 스크류 위치 8㎜에서 유지하려고 한다면 계량 완료 위치는 8+100 = 108㎜가 되어야 100㎜의 양을 사출하고 계량할 수 있다. 여기서 사출 중량과 스크류 거리의 백분율은 일치한다. 즉, 토털 쇼트 사이즈 100㎜의 98%는 98㎜이고 2%는 2㎜가 되므로, 원하는 쿠션량 8㎜에 2%의 중량 2㎜를 더하면 최적의 보압절환 위치는 10㎜가 된다.보압절환 위치를 10㎜에 설정하게 되면 108㎜에서 사출을 시작하여 보압절환 위치 10㎜까지 98%인 98㎜가 충진된 후에 보압으로 절환되어 나머지 2%인 2㎜ 정도 설정한 보압 시간과 압력으로 사출 중량을 보충하면서 제품의 중량과 치수, 그리고 수축 등으로 외관 품질을 최종 보완하는 사출 보압 공정이 종료되는 것이다.쿠션이 방석을 뜻하는 것처럼 변화가 있다는 것을 의미한다. 이 쿠션의 변화는 재료, 금형과 가열 실린더 등의 온도 변화에 대해서 사출성형기의 사출 압력의 변화로서 일정한 중량과 치수 등의 재현성 있는 성형품을 만들어 주기 위한 것이다. 따라서 성형품 중량의 크기에 따라서 쿠션의 변화량도 커지는 것은 당연한 것이다.(성형품 중량을 기준으로 허용 편차가 만약 사출 중량 대비 1.0%의 허용치를 갖고 있다면, 스크류 직경 50㎜와 계량 스트로크(쇼트 사이즈) 100㎜인 성형품의 사용재료 PC(배출률 1.04(g/㎤)) 기준으로 성형품의 중량을 산출하면 204g(= π(3.1416) × 2.5(㎝) × 2.5(㎝) × 10(㎝) × 1.04(g/㎤))이므로 허용치 1.0%는 대략 2g 이내의 편차가 발생되어야 한다.)2) 석백량과 배압의 중요성여기에 마지막으로 가장 중요한 계량 후 석백량을 스크류 직경의 10%만큼 설정해 주어야만 매 쇼트마다 NRV(Screw Head Assembly) CHECK RING의 동작과 위치를 동일하도록 하여 일정한 계량량과 사출량을 유지하여 쿠션량의 편차를 줄여 줄 수 있다. 한 예로 스크류 직경이 50㎜이면 계량 완료 후 석백량을 최소 5㎜로 설정해 주어야 한다. 계량과 석백 후 스크류의 최종위치는 계량량 108㎜에 석백량 5㎜를 더하면 113㎜이고, 여기서부터 사출이 시작되는데 석백량은 제품의 중량에는 영향을 미치지 않는다.특수한 플라스틱재료(특히 재생품 혹은 GF 같은 첨가제 사용)나 핫런너와 밸브 게이트를 사용하는 금형과 이에 관련된 온도 등 여러 요인으로 쿠션량의 변화가 심할 때 위에서 언급한 계량 후 석백량을 스크류 직경의 10%만큼 설정해 주면 탁월한 효과를 볼 수 있다. 밸브 게이트를 사용하는 경우 일반적으로 석백을 사용하지 않는 것으로 알고 있으나, 성형품의 중량과 쿠션의 변화를 적게 하기 위해서는 석백량을 반드시 설정해야 한다.마지막으로, 계량 중 동시에 동작하는 배압은 전혀 사용하지 않는 것보다는 배압이 필요 없는 경우에라도 어느 정도 즉 3~5kg/㎠(bar)를 사용하는 것이 계량량을 일정하게 해주고 가스를 방출시켜주는 등 주요한 역할을 해 준다. 물론 가장 중요한 재료의 용융과 믹싱 효과를 상승시켜주기 위해서는 당연히 배압을 최적으로 설정해 주어야 한다.위에서 언급한 내용은 사출기의 성능과 품질이 최적인 상태에서의 가장 기본적인 사출성형 조건설정의 원칙에 관해서 얘기한 것이다.하지만 쿠션량의 변화가 심한 것은 사출성형 중인 복잡한 특정 성형품의 금형에 장착된 많은 핫런너와 밸브 게이트의 Unbalance와 Control 등의 문제일 가능성도 배제할 수 없다. 3) 계량 스트로크의 중요성사출 성형품의 가장 기본적인 품질은 성형품의 중량과 치수를 일정하게 유지하는 것이 최우선이다. 즉, 일차적으로는 계량(중)량이 일정해야 한다. 이는 플라스틱 재료가 가열 실린더로 일정하게 공급되어야 한다는 것인데, 공급되는 플라스틱 재료 상태, 수지 공급부 온도와 실린더 및 금형의 온도, 그리고 그 프로파일이 제대로 설정되어 일정하게 유지되어야 하는 것은 가장 기본이 되는 사안이다.그리고 사출성형 프로세스의 기본원칙은 온도와 압력 간의 상관관계인데, 위에서 언급한 재료와 온도의 일정한 조건 하에서 계량과 사출에 필요한 적정 배압과 사출 압력의 설정 또한 중요하다. 사출과 계량 프로세스에서의 속도와 압력 등의 급격한 변화로 인한 전단 열을 줄여주는 것도 반드시 필요하다.결론은 계량량과 사출량을 매 쇼트마다 일정하게 해주어야 하는데, 여기서 가장 중요한 역할을 하는 부품이 NRV(Screw Head Assembly) CHECK RING의 동작과 위치의 재현성이다. 이 NRV CHECK RING의 위치가 매 쇼트마다 사출과 계량 시에 항상 동일한 위치에 있어야만 일정한 양이 계량되고 사출될 수 있는 기본 조건이 되는 것이다.더구나 사출 성형품의 중량과 치수 재현성을 확보하기 위해서는 최소 계량(사출)량이 스크류 직경의 1D 이상, 그리고 최대 계량(사출)량이 스크류 직경의 3D 이하가 되어야 한다는 것이 성형품의 재현성을 위한 중요한 프로세스 원칙 중의 하나임을 알고 있어야 한다.계량량은 한 사이클 내의 스크류의 전 스트로크이다. 이 선택한 계량 스트로크가 스크류 직경대비 상대적으로 너무 적거나 너무 큰 경우 열적 문제나 표면 불량이 발생할 수 있다.계량 스트로크가 스크류 직경보다 작은 경우의 단점(1D) * 열적으로 민감한 플라스틱에 긴 체류시간을 제공 * 상대적으로 긴 반응시간이 소요되며, 역류방지밸브(CHECK RING)의 반응시간 편차 발생계량 스트로크가 스크류 직경보다 3배 이상인 경우의 단점(3D) * 완전히 용융되지 않은 재료에 의한 줄 발생 * 기포 발생 * 열적으로 불 균일한 용융상태4) 가열 실린더 온도 설정 방법이 계량 스트로크와 관련하여 중요한 것이 가열 실린더의 온도인데 이는 가열 실린더의 길이 방향 구멍(런너 근처의 노즐에서) 근처에서 측정한 온도이다. 운전에 따라 재료용융에 필요한 에너지의 60에서 85%까지가 구동 에너지에 의해서 발생하지만, 이 용융온도는 실린더 벽 온도 특히 후열 2개 존에 의해서 강한 영향을 줄 수 있다.하지만 가열 실린더의 온도는 초기에 평균 추천 값으로 시작되어야 하나 아래와 같이 세 가지의 다른 설정 방법이 있다. 열적으로 민감한 플라스틱 재료에 있어 용융재료에 열을 적게 가하기 위해 노즐 방향으로 증가하는 온도 프로파일을 사용한다. 이 프로파일은 용융재료의 잔류시간이 긴 경우 유리하다.노즐 방향으로 증가하다 감소하는 온도 프로파일을 사용하는 경우는 오픈 노즐을 사용하는 경우 다음과 같은 현상을 방지하기 위해 사용한다.용융재료에 좀 더 많은 열을 전달하기 위해 호퍼 부에서 노즐 방향으로 약간 감소하는 온도 프로파일을 사용하는 경우는 다음과 같다.또한, 수지 공급부의 온도제어는 공급성능과 성형재료 이송의 안정성을 위해 결정적이다. 재료 입자와 실린더 벽 사이의 마찰률이 온도에 의존하므로, 이곳의 온도제어가 해당 운전조건과 마찰에 관한 환경에 적합해야 한다. 하지만 마찰 동작을 알지 못할 때 수지 공급부의 최적온도는 기계를 설정할 때 결정되어야 한다. 여기서 스크류 스트로크에 의한 공급성능의 가이드로서 일정한 계량 용량이 고려될 수 있다.이 수지 공급부 온도도 평균 추천 값으로 시작하고, 가소화 시간이 매 쇼트 별로 일정한지 점검할 것을 추천한다. 그렇지 않을 경우엔 가능한 수지 공급부 온도의 점진적 변화가 보다 좋은 기계 설정을 유도한다.

편집부 2021-08-16

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