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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

식품 포장용 고분자 필름 기술개발 동향

편집부 2021-08-16

사출성형 금형에 대하여 - 2단 금형

자료제공: 우진플라임 기술교육원 / 교수 한선근1. 사출 금형 구조1) 금형의 개요재료의 소성(Plasticity), 전연성(Malleability, Ductility), 유동성(Fluidity) 등의 성질을 이용하여 재료를 가공 성형, 제품을 생산하는 도구. 정의를 내리면 “동일형상, 동일 규격의 제품을 대량 생산하기 위한 모체가 되는 틀”이라고 할 수 있다. 우리나라에서는 다이(Die)와 몰드(Mould)를 통칭하는 의미로서 “금형” 또는 “형”이라 하고 중국, 대만, 홍콩, 싱가포르 등 중화 경제권에 속하는 국가에서는 “모구”라 말한다. 또한 영국을 비롯한 독일, 프랑스, 미국 등 서방 선진국에서는 “Special Tooling”이라 한다. (1) 금형의 장점① 대량 생산이 가능하다.② 생산제품, 부품의 치수 정밀도가 높다.③ 제품규격이 동일하여 호환성이 있고 조립 생산이 쉽다. ④ 제품생산 시 금형을 이용하면 특수기술이나 숙련 기술 없이도 제품을 만들 수 있다. ⑤ 제품의 외관이 깨끗하고 모델의 변경이 쉽다.⑥ 신제품의 개발 또는 모델의 변경이 쉽다.⑦ 제품의 생산시간이 단축된다.⑧ 다른 생산 방법보다 종업원 수를 줄일 수 있어 인건비가 절약된다. ⑨ 두께가 얇은 제품의 생산이 가능하고 무게도 줄일 수 있다.(2) 금형의 단점① 금형 가격이 높다.② 성형 사출기 및 부대 장치의 가격이 높다. ③ 성형품의 품질을 빠르게 결정할 수 없다.④ 사출성형 기술이 필요하다.2) 금형의 분류3) 사출성형 금형(Injection mould)열가소성 플라스틱의 성질(경화시키기 위해 용융상태로 가열하였다가 냉각시키더라도 그 구조상 물리적 변화만 생긴다)을 이용하여 실린더 안에서 가열된 재료가 녹게 되면 플랜저가 그 용해된 재료를 노즐을 통하여 고압으로 압입하면 용융 수지는 스프루, 런너, 게이트를 지나서 캐비티 부에 충전되고, 냉각된 금형에 의해서 냉각·고화되므로 성형이 된다. 사출 플랜저가 후퇴하고 금형이 파팅 라인을 따라 열리면 성형품이 금형으로부터 떨어지도록 이젝터 기구를 작동시킨다.4) 사출성형 금형의 분류5) 사출성형 금형의 구성(1) 보통 금형 코어와 캐비티로 구성되어있으며 형체 방향으로 여닫음의 운동만으로 사출품을 얻고 빼낼 수 있도록 구성되어 있는 금형- 2단 금형 (2장 구성 금형, 2매 판 금형, 2단 금형) 표준타입, 스트리퍼 플레이트 타입- 3단 금형 (3장 구성 금형, 3매 판 금형, 3단 금형) 표준타입, 스트리퍼 플레이트 타입(2) 특수금형금형이 형체 방향의 움직임뿐만 아니라, 금형을 구성하는 부품이 형체 방향의 직각 방향으로 움직이면서 금형을 여닫음으로써 사출품을 얻고 빼낼 수 있도록 구성되어있는 금형- 슬라이드 코어 타입- 분할형 타입- 나사 붙이 금형- 기타 등(3) 금형의 기본구조사출 금형의 구조는 금형의 본체인 몰드 베이스에 캐비티와 코어를 만들고, 런너, 게이트, 성형품의 돌출장치, 냉각 채널 등을 만들어 몰드 베이스의 양 끝에 붙어있는 부착판(취부판)을 사출기의 고정 반과 가동 반에 부착하여 성형작업을 한다.(3.1) 2단 금형(3.1.1) 2단 금형 몰드 베이스(Mold Base)① 사용 빈도가 많은 형대의 몰드 베이스는 표준으로 하여 상품화하여 판매하고 있다.코스트 다운, 납기 단축② 게이트 방식에 의해 S(사이드 게이트) 시리즈: 4타입③ 프레이트 수에 의해 2 플레이트 타입: S 타입(3.1.2) 2단 금형의 구조(3.1.3) 2단 금형의 작동순서스푸루, 런너, 게이트가 캐비티와 동일면에 있는 2개의 금형(코어, 캐비티)으로 구성된 금형- 1단계: 가동 측 전진(금형 닫힘) → Nozzle 전진 → Injection(사출) → Cooling(냉각)- 2단계: 가동 측 후진(금형 열림) - 3단계: Ejector rod 전진 → 제품이 Core 면에서 이탈 → 제품 수취 → Gate 절단- 4단계: Ejector rod 후진 → 밀판 후퇴 → 금형 닫힘(3.1.4) 2단 금형의 특징① 구조가 간단하고 자유낙하 성형에 적합② 내구성이 뛰어나며 성형 사이클이 빠르다③ 금형 제작비가 싸다④ 게이트의 형상 및 위치를 비교적 임의로 결정할 수 있다⑤ 다이렉트 게이트 이외는 특별한 공작을 하지 않는 한 게이트 위치는 성형품의 가장자리로 한정된다⑥ 성형 후 게이트의 절단 작업이 필요하다(서브마린 게이트는 제외)< 금형 각 부분의 명칭과 설명 >1) 2단 금형 ① 고정측 취부판(고정측 플레이트, Top Clamping Plate)금형의 고정측 부분을 사출기의 다이 플레이트(Die Plate)의 고정 플레이트(고정반)에 부착하는 플레이트② 로케이트 링(스푸루 부싱 리테이너 링, Lacate ring, Sprue Bushing Retainer Ring)노즐의 위치가 스푸루 부시의 중심에 잘 맞도록 해주는 링③ 고정측 형판(Cavity Retainer Plate)금형의 고정측 부분으로 캐비티를 구성함. 스푸루 부시, 가이드 부시 등이 끼워져 있다④ 가동측 형판(Core Retainer Plate)금형의 가동측 상부 판으로 코어를 구성하고 있고 가이드 핀 등이 설치되어 있다. 고정측 형판과 함께 파팅 라인을 형성함⑤ 받침판(Support Plate)가동측 형판을 받쳐 주는 플레이트⑥ 가동측 취부판(가동측 고정 플레이트, Bottom Clamping Plate)금형의 가동측 부분을 사출기의 다이 플레이트의 이동 플레이트(이동반)에 부착하는 플레이트⑦ 스페이서 블록(Spacer Block)받침판과 하부 취부판 사이에 위치하며, 이젝팅 핀이 움직일 수 있는 공간을 제공해줌⑧ 이젝트 플레이트 - 상(Ejector Plate - Upper)이젝트 핀, 이젝트 리턴 핀, 스푸루 록 핀 등이 끼워질 수 있도록 카운터 보어가 만들어져 있다.⑨ 이젝트 플레이트 - 하(Ejector Plate - Lower)이젝트 핀, 이젝트 리턴 핀, 스푸루 록 핀 등을 받치며, 고정시키는 받침판으로 상부 이젝트 플레이트와 볼트로 체결되어있다.⑩ 스푸루 부시(Sprue Bush)원뿔 모양으로 고정측 취부판에 고정되어 있으며, 여기에 사출기의 노즐이 밀착되어 용융 수지를 주입한다.⑪ 가이드 핀(Guide Pin)주로 가동측 형판에 고정되어 있으며, 고정측 형판과의 정확한 결합이 되도록 가이드해 준다. 상대 금형의 가이드 핀 부시에 결합된다.⑫ 가이드 핀 부시(Guide Pin Bush)주로 고정축 형판에 고정되어 있으며, 이동측 형판과의 정확한 조립이 되도록 가이드 핀이 들어오는 홀을 제공해준다.⑬ 이젝터 핀(Ejector Pin, Knockout Pin)금형이 열리고 나서 제품이 빠지도록 제품을 밀어내는 핀. 이젝터 플레이트들에 부착되며 이들과 함께 움직인다.⑭ 스푸루 록 핀(Sprue Lock Pin, Sprue Puller Pin)성형 후 금형이 열릴 때 스푸루를 부시에서 빠지게 하도록 스푸루를 잡도록 만든 핀.⑮ 리턴 핀(Return Pin)이젝터 핀이 제품을 밀어낸 다음 제자리로 돌아가도록 하는 핀으로 이젝터 플레이트에 부착되어 있다. 금형이 닫힐 때 고정측 형판(캐비티 금형)에 닿아서 뒤로 움직인다.⑯ 캐비티(Cavity)용융 수지가 들어가도록 고정측 형판(금형)에 오목하게 만들어진 빈 공간. 캐비티를 갖는 금형을 캐비티 금형이라 함. (고정측 형판 = 캐비티 금형)⑰ 코어(Core)가동측 형판(금형)에 볼록하게 만들어진 형상. 코어를 갖는 금형을 코어 금형이라 함. (가동측 형판 = 코어 금형) 금형이 닫히면서 캐비티와 코어가 결합되어 제품의 형상을 만들 수 있는 공간을 제공해준다. 이렇게 만들어진 공간을 “캐비티”라 부른다.

편집부 2021-08-16

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

1. 서론인류의 삶에 지대한 영향을 끼친 20세기의 기적의 소재, 플라스틱의 개발과 사출성형기의 개발로 다양한 제품 개발과 산업 발전에 기여한 공이 어마어마하게 큰 반면에 국내에서는 성형품을 양산하는 사출성형기술은 금형처럼 뿌리산업으로 지정된 것도 아니고 다른 산업과 달리 체계적인 교육 기관인 전문기관이나 교육과정 등이 아예 없거나 부족하고, 특히 전문가 자격증을 부여하는 기사나 기술사 시험도 없는 것 같아 야속하기만 했는데, 이번에 정부에서 뿌리산업법을 전면 개정해서 하기 도표와 같이 기존 6개에서 사출·프레스를 포함해 8개가 뿌리산업에 추가되어 변화를 기대해볼 만하다. 기존의 뿌리 기술은 금속 소재를 활용한 주조, 금형 등 6대 공정기술이었는데, 신소재 등장, 경량화 추세 등 4차 산업혁명에 대응한 뿌리산업 디지털화 확산, 글로벌 밸류체인(GVC) 진출 확대를 위한 수요 맞춤형 고부가가치화, 기업 경쟁력 제고 및 차세대 뿌리 기반조성을 확대해 나간다는 전략이다.이에 따라 정부는 노동집약적, 低부가형 산업구조에서 탈피해 “미래형 구조로의 전환을 위한 뿌리산업 육성”이라는 비전하에 하기 표와 같은 4대 분야를 중심으로 “2021년도 뿌리산업 진흥 실행계획 추진 과제”를 마련하고, 정부 자금을 투입하여 적극적으로 육성해 나갈 예정이다.하지만 이와 별도로 사출성형산업에서는 기술을 터득한 성형기술자들이 정당하게 인정도 못 받는 현실이 된 지 오래고, 언제부터인가 제조업 대부분이 어렵고(Difficult), 더럽고(Dirty), 위험한(Dangerous) 3D 업종으로 취급되어 유망한 젊은이들이 신규 진입하지 않고 단기 체류 외국인들로 대체되고 있어 이번에 뿌리산업으로 지정된 중소 사출성형회사들을 더욱 안쓰럽게 하고 있는 것이 사실이다. Industry 4.0, 즉 스마트시대로 일컫는 4차산업 시대에도 제품을 개발하는 데 가장 중요한 역할을 하는 플라스틱 사출성형기술과 전문인력이 필요한데 현실이 뒷받침되지 않고, 더욱이 근래의 글로벌화에 편승하여 기업들이 해외로 빠져나가고 있지만 사출성형공장을 제대로 운영할 좋은 인재를 구하는 것이 하늘의 별 따기처럼 어려운 현실이 되고 있다.너무 잘 아는 것처럼 양품의 성형품을 양산하기 위한 사출성형의 조건과 공정이 어느 하나 쉬운 것이 없다. 그리고 사출 업체의 성형기술자들은 그동안 선배로부터 배우고 시행착오를 통한 경험한 대로 각자 다르게 성형조건을 설정하여 성형품을 생산하고 있는 것이 현실이다. 즉 사출성형조건의 설정에는 원칙이 없다는 것이 정설로 되어있다.사용 수지의 특성과 성형품의 디자인, 금형과 사출성형 기계 등에 의한 사출성형해석에 의해서 산출된 사출 조건을 사출성형기와 연동해서 자동으로 조건 설정이 가능하고, 여기에 상기 그림과 같이 Industry 4.0에 부합한 AI(인공지능), Deep & Machine Learning, Big Data에 의한 최적의 사출 조건이 더해져서 양품을 양산할 수 있는 시스템이 구축되고 사출성형기는 사출성형조건이 변화할 때 적응제어(Adaptive Control)가 가능하여 더이상 불량품을 생산하지 않는 그 날이 그리 멀지 않을 것 같다는 희망을 품어본다.그날이 오기를 기다리면서 이러한 것들을 종합적으로 처방할 수 있는 이 연재 자료에서 서술하고 있는 “사출성형조건의 기본원칙과 체계적인 금형 시험”을 사출성형공정에 적극 활용하여 추후 불량품 생산을 최소화할 수 있는 기반을 구축할 수 있기를 기대한다.2. 사출성형공정기계 변수는 요구하는 특성의 성형품을 얻기 위해서 사출성형기나 추가 장치에 직접 입력하는 설정값이다. 기계 변수는 다른 기계로의 생산조건과 성형품 특성 사이의 절대적으로 동등한 상호 데이터의 전송이 가능하지 않다. 기계 변수와 성형품 공정데이터 사이의 관계는 경향적으로는 같지만, 기계에서 기계는 절대적으로 다르고, 더구나 스크류나 스크류 팁과 유압 부품의 마모 이유로 시간이 지남에 따라 변할 수 있다.공정변수는 용융재료의 압력과 온도 및 시간과 금형 벽 온도 같은 금형 캐비티 내에서 성형품 생산 관점으로 본 사출성형공정을 뜻한다. 공정변수는 기계의 독립적인 용어로 실제로 발견되고 전달될 수 있다. 공정변수가 재현성을 가질 때만 성형품이 동일한 특성을 갖는다. 내부특성은 원재료의 분자량, 배향, 내부응력, 결정화도, 첨가제의 분포와 배향 같은 성형품의 내부구조에 대한 정보이다. 성형품의 외부특성은 치수와 공차, 형상, 표면 정도, 그리고 성형품의 기계적, 광학적, 전기적 특성 같은 기능적인 특성이다. 특정 기계의 사출성형공정에서 공정데이터는 설정값과 사출 금형, 그리고 사용된 플라스틱 재료로부터 얻는 중요한 결과이다. 그들은 개별작업단계에서 측정하여 저장되어 추가 평가와 감시를 위해 활용될 수 있다. 사출성형공정에서 가장 잦은 방해 요소로는,• 온도와 점도 변화 • 계량에서의 양 변화• 스크류 팁의 부정확한 동작 등인데, 이 요소들이 공정데이터에 의해 기록될 수 있고, 성형품의 품질확보를 위해 사용된다. 공정변수가 상응하게 평가되고 방해 요소에 대한 결론을 알기 위해서 언제 어디서 어떻게 측정되는지 반드시 알아야 한다. 그래서 작업과 금형 및 사출성형기의 기능을 좀 더 세밀하게 조명하는 것이 필요하다.

편집부 2021-07-12

차세대 전지용 고분자 이온교환(전해질) 막 소재의 기술 및 현황

I. 리튬배터리용 이온교환막 소재 동향1. 리튬배터리에서의 고분자 이온교환막의 중요성리튬 이차전지는 양극(Cathode), 음극(Anode), 분리막(Separator), 전해질 (Electrolyte) 등으로 구성되어 있다.양극은 리튬 이온의 공급원이며 충전 시 산화 반응이 일어나면서 리튬 이온을 방출하며, 방전 시 환원 반응이 일어나면서 리튬 이온을 흡수한다. 음극은 양극과 반대로 충전 시 리튬 이온과 외부 회로를 통해 전달된 전자(Electron)를 흡수하며, 방전 시 리튬 이온과 전자를 방출한다. 각 전극에서는 위의 반응식에 의한 화학 반응이 일어난다.전해질은 양극과 음극에서 충·방전 시 생성된 리튬 이온이 이동할 수 있는 매개체가 된다. 분리막은 전지의 양극활물질과 음극활물질을 분리하여 내부 단락을 방지함과 동시에, 충·방전이 일어날 수 있도록 리튬 이온을 통과시키는 기능을 한다.리튬배터리의 작동 전압, 에너지 밀도 등 성능은 이론적으로 전극 재료 및 전해질에 의하여 결정되나, 우수한 성능과 더불어 높은 안정성을 얻기 위해서는 양극과 음극 사이에서 리튬 이온을 전달하는 분리막 또한 매우 중요하다. 리튬배터리용 분리막으로서의 요구 물성은 높은 리튬 이온 전도도와 열적, 기계적 안정성 등이 있다. 기존액체 전해질을 사용하는 리튬이온전지에 적용되었던 분리막은 다공성 PE나 PP와 같은 폴리올레핀 계열의 분리막이었으나, 고온에서의 열 수축에 기인한 회로의 단락으로 인한 화재, 폭발 등의 안전성 문제가 제기되었다. 이를 개선하기 위하여 겔형 전해질을 이용하여 안전성을 높이고자 하였으나 온도, 외부 충격 등에 대한 취약성으로 인한 사고가 이슈화되고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 기존의 액체 전해질을 고분자 또는 무기물 기반 전해질 등의 고체 전해질로 전환한 전고체 전지의 개발이 이루어지고 있다. 이때 고체 전해질이 분리막의 역할도 겸하기 때문에 구조가 단순화되고, 배터리 자체의 안전성을 향상시킬 수 있다. 또한, 단위 면적당 에너지 저장 공간이 늘어나 에너지 밀도가 이론상 495Wh kg-1까지(일반 리튬배터리는 255Wh kg-1) 향상될 수 있다.2. 리튬배터리 및 고분자 이온교환막의 시장 및 산업 동향현재 에너지 변환 및 저장 기술은 세계적으로 에너지 효율 향상, 기후변화 대응, 전기 및 연료전지 자동차, 신재생 에너지 ESS 등의 이머징 산업 및 4차 산업혁명 관련 스마트기기의 확대로 급격히 발전하고 있다. 보고된 세계 리튬이온전지 시장 수요는 2019년 기준 198GWh에서 2030년 3,392GWh로 10년간 약 17배 규모로 성장할 전망(SNE Research, 2020)이다.리튬 이차전지는 용도에 따라 모바일 IT 기기에 주로 사용되는 소형전지와 전기자동차(xEV) 및 대용량 전기저장장치(ESS) 등에 사용되는 중·대형전지로 구분되며, 세계 리튬 이차전지 시장 규모는 2017년 187억 달러로, xEV용이 50.3%, IT용 소형전지가 46.0%, ESS용이 3.7%를 차지한다.국내의 삼성SDI와 LG화학은 모바일 IT 기기 시장을 기반으로 전동공구, E-Bike 등 사용처가 확대되면서 2017년 시장점유율이 각각 19.3%와 15.3%로 선두권 유지하고 있다.세계 자동차 시장에서 전기차 판매 점유율은 지속 성장(’13년 0.23% → ’18년 2.03%)하여 2040년에는 57%에 이를 것으로 전망되며, 이에 따라 전기차에 탑재되는 중·대형 전지 시장은 용량 기준으로 10년간(’20~30년) 15배 이상 성장이 예상된다. (Bloomberg New Energy Finance (BNEF), 2019)EU는 2017년 European Battery Alliance를 출범하고 Strategic Action Plan을 발표하였으며, 미국의 Tesla는 Panasonic과 합작하여 전기차용 이차전지 생산을 위한 65GWh급 기가팩토리를 건설하고 있다. Panasonic은 Tesla 납품으로 세계 점유율 상위를 차지하고 있으며, 전기자동차 산업이 급속히 발전하고 있는 중국의 BYD, CATL, Farasis, BAK, Skyrich 등이 세계 10위권 이내를 유지하고 있다.국내 업계도 시장점유율을 확대하고 있는 가운데 2017년 LG화학은 세계 2위, 삼성SDI는 5위를 기록하였으며, SK이노베이션은 후발주자로서 현재 시장점유율은 미미하나, 2022년까지 xEV 분야 세계 3위 달성을 목표로 과감한 투자를 진행 중이다 (IEA., “Global EV Outlook 2018”) 리튬배터리에서 고분자 이온교환 분리막 소재는 크게 습식/건식 방식으로 분류되고 있으며, 아사히카세이, 도레이, SK이노베이션 등이 습식 방식을 채택해 왔다. 건식법 분리막의 경우 상대적으로 습식보다 내열 특성이 좋아 최근 많은 이차전지 업체에서 자동차용 이차전지 분리막으로 검토하고 있으며, 수요가 증가할 것으로 전망된다. 분리막 소재 종류도 기존 PE, PP 중심에서 안정성이 더욱 중요시되는 전기차용 배터리에 유/무기/폴리머 코팅 분리막, 복합 분리막의 수요가 크게 증가할 것으로 전망되고 있다.전 세계 리튬배터리용 분리막 시장은 최근 연평균 20% 이상 성장하고 있다. 현재 일본의 아사히 카세이가 업계 1위이며, SK이노베이션이 세계 2위를 기록하고 있으며, SK이노베이션의 분리막 생산량은 2020년 중국에서의 양산이 진행되면 아사히 카세이의 생산 능력에 근접할 것으로 예상된다. 3. 리튬배터리 및 고분자 이온교환막 연구 동향기존 리튬배터리는 높은 이온 전도도의 액체 전해질을 사용하여 가장 대표적으로 상용화되어 있는 시스템이지만 화재, 안전등이 취약하다. 따라서 외부 환경 영향을 줄이고자 액상 또는 겔형 전해질을 고체 전해질로 바꾼 전고체 전지에 연구가 활발히 진행되고 있다.리튬배터리용 분리막의 경우 전해질의 상(Phase)에 따라 이온 전도 특성, 고온 및 저온 안정성, 그리고 기계적 안정성이 다르고, 각 소재의 특성에 따라 다양한 방향으로 연구가 진행되고 있다. 액체 전해질을 사용하는 리튬배터리의 경우 분리막의 소재로 PE, PP 등을 사용하고 있으며, 리튬 이온 전도도 향상과 더불어 전기화학적 안정성, 고온 안정성을 위한 유/무기 첨가제 개발과 더불어 고전압의 양극재가 개발되고 있다. 또한, 고전압에서도 안정성이 우수한 분리막의 개발을 위한 연구가 진행되고 있다. 차세대 전해질로 가장 주목받고 있는 전해질은 분리막과 전해질의 역할을 동시에 수행하는 고체 전해질이며. 크게 황화물계, 산화물계, 폴리머 고체 전해질로 나뉜다. 각 전해질은 개선해야 할 단점이 있다. 황화물계는 수분 안정성, 산화물계는 전지 셀 가공성, 폴리머는 이온 전도도 등이다.황화물계 소재는 결정형인 LGPS, LSPSCl, Argyodite 등과 Glass-ceramic형인 LPS, LPS+LiCl을 주축으로 연구가 진행 중이며, 황(S)이 수분(H2O)과 만나 발생하는 황화수소(H2S)의 발생을 억제하거나 발생량과 속도를 줄이는 첨가제 연구가 활발히 진행 중이다. 산화물계 소재는 Perovskite(LLTO), NASICON, Garnet(LLZO) 등을 중심으로 연구 중이며, 고온에서 동시 소결(Co-sintering)하는 공법을 통하여 양극활물질과 전해질 간의 계면 저항을 줄이는 가공법 연구가 진행 중이다. 고분자 소재는 Poly(Ethylene Oxide) (PEO) 또는 그 유도체를 중심으로 연구가 진행 중이며, 폴리머 소재가 갖는 우수한 Bending 특성을 기반으로 플렉서블 배터리를 구현하여 웨어러블 기기 등의 응용에 유리하다. 가소제, Al2O3, TiO2 등의 무기물 필러를 고분자 전해질에 도입함으로써 실온에서 결정성을 감소시켜 전도성을 향상시키거나, 폴리머 blending, block copolymer 등의 방법으로 새로운 폴리머 구조를 통한 이온 전도도 및 기계적 안정성, 전극과의 계면 안전성 향상 연구가 진행 중이다. II. 바나듐 레독스 흐름 전지(VRFB)용 이온교환막 소재 동향1. VRFB의 구성 및 이온교환막의 중요성무한한 양과 청정함을 갖춘 신재생 에너지가 새로운 에너지원으로 각광 받고 있으나, 외부 환경에 따라 생산 시기가 한정되기 때문에 지속적인 전력 공급이 어려워 이를 보완하기 위한 에너지 저장장치가 필요하며, 레독스 흐름 전지는 이러한 에너지 저장장치의 일종이다.레독스 흐름 전지(Redox Flow Battery, RFB)란 산성 전해액에 존재하는 금속 활물질의 산화·환원 반응을 통해 충전 및 방전이 일어나는 이차전지로서 전해액 저장 탱크, 전해액을 순환시키는 펌프, 양극 및 음극과 양 전극의 접촉을 막는 분리막으로 구성되어 있다. 이때 사용하는 활물질은 바나듐, 철, 크롬 등의 전이금속이며, 전해액은 이 활물질이 강산 수용액에 용해된 형태이다. RFB는 사용하는 활물질의 수명이 길고, 전해액 저장 탱크의 확장을 통해 대용량화가 쉬운 장점이 있다. 그중 양쪽 전해액에 바나듐을 사용하는 바나듐 레독스 흐름 전지(VRFB)는 각 전극에서 아래 화학 반응식에 나타난 산화·환원 반응을 통해 충·방전이 일어난다.VRFB의 핵심부품인 이온교환막은 양 전해액이 혼합되지 않게 하는 분리막의 역할을 함과 동시에 충·방전이 진행되는 동안 전해액의 전기적 균형을 유지하기 위한 전하 운반체(프로톤, 황산이온)의 이동 경로가 되기 때문에 VRFB의 성능을 결정 짓는 요소이다. VRFB에 사용되는 이온교환막의 대표적 요구 물성은 내산성, 높은 이온 전도도와 이온 선택성임. VRFB 전해액은 강한 산성을 나타내기 때문에 산성 환경에서 물성을 유지해야 한다. 또한, 바나듐 이온이 반대 전극으로 투과될 경우 효율 저하의 주원인인 자가 방전 반응이 일어나기 때문에 이온을 선택적으로 전달할 수 있어야 한다.2. VRFB 및 이온교환막의 시장 및 산업 동향Flow battery의 세계 시장 규모는 2017년 기준 187.7백만 달러에서 2023년 946.3백만 달러로, 연평균 32.7%의 성장률로 성장할 것으로 전망된다. Flow battery의 시장 분류는 타입, 사용물질, 규모, 응용 분야 등 다양한 카테고리를 가지며, 그중에서도 가장 많은 비중을 차지하고 있는 것은 활물질로 바나듐을 사용하는 산화·환원 흐름 전지이다. 이러한 Flow battery는 다양한 분야에서 적용되고 있는데, 그중에서도 공공 에너지 부문 및 산업 분야가 큰 비중을 차지하고 있으며, 전기차의 보급에 따라 전기차 충전소 인프라 구축 분야도 매우 높은 성장률을 보이고 있다.지역별로는 북미지역이 2017년 기준 72.5백만 달러로 가장 많은 비중을 차지하고 있다. 아시아-태평양 지역은 대용량화를 바탕으로 하여 2번째로 많은 비중을 차지하고 있으며, 가장 높은 성장률로 2023년에는 가장 큰 시장이 될 것으로 전망된다. 유럽 지역은 RFB를 적용한 전기차 및 충전소 인프라 구축을 주력으로 하고 있으며. 규모는 2017년 기준 49.3백만 달러에서 2023년 170백만 달러로 성장할 것으로 전망된다. 국내 시장 규모는 1,500억 원, 설치 용량은 약 150MW로 국가개발보급사업 및 한전 등을 통해 수십 MW 규모의 ESS를 설치 중이다.VRFB용 이온교환막은 현재까지 Dupont 사의 양이온 교환막인 Nafion이 주로 적용되어 왔으나, Nafion의 비싼 가격은 VRFB 스택에서 높은 원가 비중을 차지할 뿐만 아니라 스택 가격의 상승으로 상용화를 늦추는 요인이 되고 있다. Dupont 사외에도 여러 제조사에서 VRFB용 이온교환막을 개발 및 생산하고 있다. 대표적으로 일본의 Tokuyama 사의 음이온 교환막인 Neosepta AHA, 아사히 글래스의 과불소화계 양이온 교환막인 Flemion 등이 있으며, 독일의 Fumatech 사의 음이온 교환막인 Fumasep 막이 Nafion과 경쟁 중이다.현재 상용화에 가장 근접해 있는 바나듐 레독스 흐름 전지는 15~25Wh/L의 낮은 에너지 밀도와 높은 초기 투자 비용으로 인해 EV 및 소형 ESS 등 보다는 중대형 ESS에 응용이 활발하다. 일본과 미국 등 선진국 위주로 기술개발 및 실증 연구가 활발하며 일부 상용화로 사업화 초기 단계에 있다.미국의 Zn/Br FB 전문회사인 EnSync 사(전 ZBB)는 시카고에 250kW/500 kWh의 시스템을 이용하여 실증 운전을 진행 중이며, 일본의 Sumitomo는 2015년에 15MW급 60MWh 레독스 흐름 전지를 후쿠오카에 상용 플랜트 건설을 추진하였으며, 2020년 약 11,500MW 규모로 확대하고 있다. 독일은 Fraunhofer ICT에서 VRB 개발 및 실증 추진 중이며, 전기 자동차용 레독스 플로우 배터리 프로토타입 개발 및 유기계 활물질 개발을 진행하고 있다.국내에서는 2010년을 전후로 본격적인 연구개발이 시작되었으며, 2011년 5월 「에너지 저장 기술개발 및 산업화 전략(K-ESS 2020)」을 수립하여 세계 에너지 저장 시장의 점유율 30% 목표로 기술개발에 매진 중이다.2013년에 에이치투(H2)가 독자 기술로 개발하여 설치에 성공한 50kW/100kWh VRFB ESS가 있다. 국내 레독스 흐름 전지를 제조하는 대표적 기업은 롯데케미칼로 미국 EnSync 사(전 ZBB)와 공동 개발 중이다. 한국에너지기술연구원은 V/V 커플을 이용한 고전압형 레독스 플로우 배터리 연구개발 결과를 기반으로, 업체 기술이전을 완료하였으며, 현재 RFB의 낮은 에너지 밀도를 높이기 위해 수계/비수계 레독스 커플 기술 연구개발 중이다.3. VRFB용 이온교환막의 연구 동향VRFB의 시장 경쟁력 향상 및 적용 분야 확대를 위해서 VRFB 스택 및 소재 부품의 대면적화, 박형화, 저가화가 요구되고 있다. 이를 만족하기 위해 가격 비중을 가장 많이 차지하는 이온교환막에 관한 연구가 주를 이루고 있다. VRFB용 이온교환막으로는 Nafion이 가장 먼저 상용화되어 있으나, Nafion은 높은 바나듐 이온 투과도에 의한 성능 저하가 큰 단점으로 지적되어 이를 보완하기 위한 연구가 활발하다. 즉 저렴한 생산 단가와 낮은 바나듐 이온 투과도를 보이는 탄화수소계 고분자를 기반으로 한 이온교환막과 이에 더불어 기공의 크기로 선택적으로 이온을 투과시키는 다공성 막에 관한 연구도 진행되고 있다.과불소화계 고분자를 기반으로 한 Nafion의 단점을 보완하기 위해서 SiO2나 TiO2 같은 무기 산화물을 첨가제로 하여 바나듐 이온의 투과도를 낮추거나 Nafion의 주사슬과 구조가 같은 PTFE나 산화 그래핀을 복합화함으로써 바나듐 이온 투과도를 줄여 VRFB의 성능을 향상시키는 연구가 진행되고 있다. 탄화수소계 고분자를 기반으로 한 VRFB용 이온교환막은 크게 두 가지로 나누어진다. 주쇄에 프로톤을 전달할 수 있는 기능기를 도입한 양이온 교환막과 주쇄에 황산이온(SO42-)을 전달할 수 있는 기능기를 도입한 음이온 교환막이 있다. 아래 표에 각 이온교환막의 특징을 정리하였다.탄화수소계 양이온 교환막은 술폰화시킨 방향족 고분자가 주를 이루며 블록 공중합체, 가교 구조 도입 등의 화학적 구조를 제어하거나 Nafion, 무기 산화물 등을 첨가하여 복합 막을 제조함으로써 프로톤 전도도는 향상시키면서 바나듐 이온 투과도를 줄이고자 하는 연구가 진행 중이다. 탄화수소계 음이온 교환막의 경우 양전하를 띠는 기능기를 가지고 있어 바나듐 이온 투과도가 양이온 교환막에 비해 현저히 낮으나 프로톤보다 크기가 큰 황산이온을 전달하기 때문에 이온 전도도는 양이온 교환막에 비해 떨어진다. 또한, 양전하를 띠는 기능기의 경우 산성 조건에서 분해될 수 있어서 화학적 안정성이 높은 기능기를 도입하거나 고분자 구조의 가교화를 통한 안정성 향상에 대한 연구가 많이 이루어지고 있다. 이 외에도 양이온 교환막과 음이온 교환막의 특성을 모두 갖는 양쪽성(amphoteric) 전해질막과 과불소화계 탄화수소를 기반으로 하고 기공의 크기를 이용하여 이온을 선택적으로 투과시키는 VRFB용 분리막에 관한 연구도 진행 중이다.III. 연료전지용 이온 교환막 동향1. 연료전지의 구성 및 고분자 이온 교환 막의 중요성연료전지는 일반적으로 연료가 공급되는 음극(anode), 반대쪽 면에 산화물이 공급되는 양극이 존재하며, 그 사이에 양쪽 전극을 분리하면서 프로톤을 전달하는 전해질로 구성되어 있다. 그 중, 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC)는 음극(anode)에 수소가 공급되고 양극(cathode)에 공기(산소)가 공급되며 그 사이에 양쪽 전극을 분리하면서 프로톤(H+)을 투과하는 고분자 전해질막이 있다. PEMFC는 저온에서 작동 가능하고, 높은 전력 밀도와 에너지 전환 효율을 갖고 있으며, 친환경적이고 휴대형부터 중대형에 이르는 다양한 응용 분야로 인해 연료전지 중 가장 많은 수요와 공급을 지니고 있다.연료전지 내부로 공기와 수소가 각각 음극과 양극을 통해 전달되면, 양극에서는 수소가 전자를 잃고 산화하여 프로톤(H+)이 되고, 음극에서는 산소가 외부 회로를 통해 전달된 전자와 전해질막을 통해 전달된 H+와 만나 환원되면서 물이 생성되는데 이때 화학 에너지가 전기 에너지로 변환된다. 연료전지용 전해질막의 주요 요구 물성은 높은 프로톤 전도도, 우수한 치수 안정성 및 기계적 강도이다. 각 전극에서 화학 반응이 원활하게 이루어지기 위해서는 생성된 프로톤이 전해질막을 통해 빠르게 전달되어야 하기 때문이다. 연료전지의 작동 중에는 프로톤 전도를 위해 전해질막은 습윤 상태가 유지되어야 하지만 이때 수분이 과도하면 flooding 현상이 일어나 전극에 수소 및 산소 공급이 원활하게 이루어지지 않으며, 수분이 너무 적으면 프로톤 전도도가 감소하기 때문에 적정한 수분 유지가 되어야 한다. 또한, 전해질막은 연료전지가 작동 중에는 습윤 상태이고 그렇지 않은 경우에는 건조한 상태에 있으며, 습윤 상태에서는 팽윤이, 건조 상태에서는 수축이 일어나므로 기계적 강도가 약하면 팽윤, 수축의 반복으로 인해 막에 손상에 따른 성능이 저하될 수 있어서 전해질막은 우수한 기계적 강도를 가져야 한다.2. 연료전지 및 고분자 이온교환막의 시장 및 산업 동향연료전지의 시장 규모는 수소 시장의 발전과 밀접한 관계를 가지며, 전 세계 수소 수요는 급증하여 2050년 수소 경제 시장은 약 2조 5천억 달러의 부가가치와 누적 3,000만 개의 신규 일자리를 창출할 것으로 예상된다. 우리나라 정부도 수소경제 활성화 로드맵을 통해 2040년까지 연간 43조 원의 부가가치와 42만 개의 신규 일자리 창출을 기대하고 있다. 증가하는 수소산업 시장 비중에 발맞춰, 수소를 연료로 사용하는 연료전지 시스템의 시장 역시 가파르게 증가하는 추세이다. 일본 후지경제는 2030년 전 세계 연료전지 시장은 2017년 대비 28배 성장해 약 50조 원에 이를 것이라고 예측하고 있다.한국, 중국, 일본을 중심으로 하는 아시아 시장이 세계 시장의 절반 이상을 차지할 전망이다. 향후 중국과 한국을 중심으로 한 아시아 시장이 급격히 확대될 것으로 보인다. 중국은 수소 전기차 보급 확대를 추진하는 방향으로 정책 전환이 이뤄지고 있으며, 특히 수소전기버스와 트럭의 생산이 급증하고 있다. 중국 정부는 2020년까지 현 수준의 수소차 정부지원금을 유지하는 한편, 수소차 5,000대, 수소충전소 100곳 이상을 보급하겠다고 밝혔고, 2030년까지는 수소차 100만대와 충전소 1000곳 이상을 공급할 계획이다. 한국은 2030년까지 약 10만대의 트럭 및 버스를 포함한 약 80만 대의 수소전기차가 운행할 것으로 보이며, 건물 부문에서는 약 2만 가구의 건물용 연료전지가 보급돼 연간 약 15만 톤의 수소를 소비할 수 있을 것으로 예상된다. 발전 부문에서는 수소 터빈의 상용화로 약 3.5GW 규모의 수소연료전지 발전소가 상업용 운전을 하고 있을 것으로 전망된다.수소연료전지 자동차 초기시장은 2015년 수소연료전지 자동차 상용화 이후 유럽과 미국에서 시장이 먼저 형성되고, 한국과 일본의 완성차가 그 시장을 주도할 것으로 전망됨에 따라 자동차용 불소계 강화막의 세계 시장도 급격한 성장을 이룰 것으로 전망된다. 불소계 강화막은 현재 주로 고분자 전해질 연료전지(76%), CA 공정용 전해질(23%)로 응용되고 있으며, 각 시스템의 성능 및 수명 특성을 좌우하는 핵심소재로의 역할을 수행하고 있다. 불소계 강화막 핵심부품인 PFSA 소재는 듀폰, Dow, Solvay, Asahi Kasei E-Materials, Asahi Glass Sumitomo, 3M 등 다국적 기업들이 기술개발 및 생산, 판매하고 있다. 코오롱 인더스트리는 전해질막 국산화를 목표로 2013년부터 기술개발에 들어갔으며, 2018년 파일럿 설비를 구축했다. 아울러 같은 코오롱 계열사인 코오롱머티리얼과 협업해 원천기술을 확보하였고, 이 기술을 통해 기존 불소계 대비 10분의 1 수준의 원료가 및 고온 내구성을 가진 전해질막을 개발하고 있다. 3. 연료전지용 고분자 이온교환막의 연구 동향최근 국내외에서 수소에너지 시대를 맞이하여 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)의 실용화 및 시장 확대에 박차를 가하고 있다. PEMFC에 사용되는 고분자막은 이온전도체, 양극의 가스 차단, 전극 분리 등의 역할을 한다. PEMFC 고분자막 연구개발 동향은 고분자막 두께를 얇게 하고 내구성을 향상시키는 방향으로 진행되고 있다. 얇은 고분자막의 장점은 고가인 불소계 이오노머의 사용량이 적어 전해질막 가격을 낮출 수 있고, 이온 전도도가 증가해 성능이 향상되는 것이다. 또한, 스택 부피를 감소시켜 출력밀도가 높아지지만, 고분자막이 얇아지면 내구성이 감소하므로 내구성을 향상시키려는 연구개발이 활발히 진행되고 있다.과불소계 이온교환막은 내화학성이 우수한 과불소화계 고분자를 주사슬로 하고 술폰산으로 대표되는 강산의 음이온을 도입하여 매우 높은 프로톤 이온 전도성을 보여 이상적인 재료로 평가되고 있다. 또한, 기계적 강도가 우수한 강점도 있으나, ① 복잡한 제조공정으로 막의 가격이 매우 비싸고($800 m-2), ② 불소 알킬 구조로 인해 낮은 유리 전이온도 등의 단점이 있다. 특히 양이온 교환막인 Nafion 막은 연료전지 생산 단가를 높이는 주요 요인으로 작용하고 있다. 미국 에너지부(DOE)의 연료전지 스택 표준단가에 따르면 고분자 전해질막의 원가는 전체 연료전지 스택의 22%를 차지하고 있다. 과불소화 전해질막의 대안은 탄화수소계 전해질막이다. 탄화수소계 전해질막은 ① 저렴한 재료 및 쉬운 합성 방법에 따라 전해질막의 단가를 낮출 수 있으며. ② 높은 유리 전이온도를 보유하여 100℃ 이상의 장기운전에서도 높은 안정성 유지가 가능하다. 탄화수소 고분자 전해질막의 원천기술은 일본, 미국, 유럽 등의 선진국만 보유하고 있다. 한국, 중국은 합성 기술이 부족하여 선진국에게 기술적으로 의존하고 있으나, 최근 국내 여러 업체가 탄화수소 고분자 전해질막을 연구개발하고 있고, 일부 업체에서 가시적인 성과를 보이고 있다.

편집부 2021-07-12