4차원성형기술카페

4차원 셩형기술 카페

핸들러유튜브

핸들러 유튜브

4차원성형기술카페

핸들러 블로그

HANDLER 고객센터 로그인 회원가입

사이트맵 ×

HANDLER 고객센터 로그인 회원가입 사이트맵
토탈산업
플라스틱재팬
현대보테코

뉴스 News

mew
진산피알엠
현대기어
로그사출기
일광폴리머

기술과 솔루션

news 기술과 솔루션
엠쓰리파트너스
hnp인터프라
휴먼텍
한국마쓰이
기사제목

생기원, 2050 탄소중립 시대, 지구를 지킬 친환경 촉매 원천기술 개발

- 화석연료 대체 원천기술로 새로운 화학 패러다임 선도한다   최근 플라스틱 폐기물이 크게 늘면서 이를 원천적으로 감량하고 대체할 수 있는 기술 개발이 화두다. 이를 위해 지속 가능 자원 기반의 대체 플라스틱 개발도 한창 진행 중이다. 정부 역시 플라스틱 폐기물 발생량을 2025년까지 20% 감축하고 재활용 비율은 70%(현재 54%)까지 상향하기로 했다. 또한, 탄소중립과 연계해 석유 유래 플라스틱 중 바이오 플라스틱 대체 비율을 2050년까지 100% 높임으로써 탈 플라스틱 사회로의 전환에 나서고 있다.​​한국생산기술연구원 친환경융합소재연구부문 김용진 박사   ​김용진 박사, 친환경 촉매 전환공정 개발한국생산기술연구원 친환경융합소재연구부문 김용진 박사는 최근 탄소중립 시대를 앞당길 ‘지속 가능 자원 기반 화학적 촉매 전환기술’ 개발에 성공했다. 이산화탄소/일산화탄소(이하 C1)와 바이오매스를 주원료로 고분자 원료 물질인 핵심 단량체를 고효율로 제조할 수 있는 신촉매·신공정 기술이다. 지난 2017년 개발한 바이오매스 유래 FDCA 제조 촉매기술을 진일보시킨 원천기술 성과여서 의미가 깊다. 특히 고분자 제조공정의 원천 소재기술로서 지속적인 연구개발이 가능해 더욱 기대를 모으고 있다.이 기술을 이용하면 기존의 석유 유래 물질을 C1 및 바이오매스 기반의 재생 가능 원료로 대체할 수 있어 환경에 덜 유해한 고분자 소재를 만들어 낼 수 있다. 또한, PET의 대체 고분자인 PEF 단량체, 나일론 또는 폴리우레탄의 단량체, 차세대 2차 전지 전해액도 만들어 낼 수 있다.​김용진 박사가 실험실에서 촉매 반응을 연구하고 있다   “저는 촉매 화학자로서 산업 및 실생활에서 폭넓게 사용되는 다양한 고분자 단량체를 친환경적으로 만드는 역할을 맡고 있습니다. 식물자원을 활용하는 신촉매기술을 20여 년간 연구 중인 거죠. ‘신’촉매란 어떤 출발물질에서 목적하는 화합물을 합성할 때 기존 촉매보다 에너지 효율이 더 뛰어난(온도나 시간을 적게 사용하나 높은 수율로 목적 화합물을 제조) 촉매입니다. 저희 분야에서는 하나의 과제에 ‘완료’라는 개념은 사실상 존재하지 않습니다. 하지만 우리 연구팀에서 개발한 기술이 세계에서 가장 완성도 높은 기술 중 하나라고 자신할 수 있습니다.”​종전에 원유에서 뽑아내던 원료가 필요 없어지기 때문에 지구 온난화를 막는 데 기여할 수 있고, 촉매는 에너지 효율도 높여주기 때문에 공정에서 생산되는 이산화탄소를 줄이는 데에도 큰 도움이 된다는 것이 김 박사의 설명이다. 전 세계적으로 FDCA 제조기술은 아직 상용화된 기술이 아니지만, 2017년 기술이전 하면서 축적된 기술 노하우를 기반으로 꾸준한 연구를 통해 노하우를 쌓았다. C1 및 오탄당 또는 육탄당을 이용한 다양한 단량체를 제조하는 원천기술 포트폴리오(SCI 논문 22편, 특허 80건)는 사실상 김용진 박사가 세계에서 유일하다.​​C1과 바이오매스 융합 친환경 단량체 제조​​이번에 개발된 원천기술 역시 ‘진행형’ 기술이다. 환경친화적이고 재생 가능 물질을 원료로 하는 플라스틱 단량체를 만들기 위해서는 촉매가 달라져야 한다는 단순한 사실에서 출발했다. 이를 위해서 촉매가 다양한 소재에서 어떤 메커니즘으로 움직이는지 알아보고, 향상된 새로운 촉매를 만들어 내는 것이 중요하다. 설명은 단순하지만, 실험은 수없이 이뤄지고, 복잡한 과정을 거쳐 새로운 촉매가 만들어진다.이번에 개발된 신기술은 C1과 바이오매스로부터 치환 우레아, 카바메이트(우레탄) 등 이소시아네이트의 전구체와 퓨란계 다이올(diol) 등 플랫폼 단량체를 제조하는 기술이다. 카바메이트(우레탄)를 재료로 열분해한 물질을 고분자화하면 폴리우레탄이 되는 식이다. C1이나 바이오매스를 직접 플라스틱으로 만들 수는 없지만, 이를 다양한 화합물로 만들어 합성하는 과정에서 플라스틱 ‘원료의 원료’가 되는 물질(플랫폼 화합물)을 만들어 내야 하는데, 이를 위해서는 C1과 바이오매스를 ‘활성화’해야 한다. 촉매는 이 ‘활성화’ 공정에서 필요하다.​“석유화학에 활용되는 물질은 대부분 육각 고리 구조로 되어 있어 생분해가 어렵습니다. 그런데 바이오매스는 오각 고리 구조로 되어 있어, 이를 기반으로 하는 대체 플라스틱은 생분해 가능성이 더 높아집니다.”​신촉매 시스템을 개발하고 있는 김용진 박사​​이산화탄소 → 치환 우레아 95.1%, 바이오매스 → FDCA 99.1% 세계 최고 전환 수율​촉매 효율이 높을수록 플랫폼 화합물 생산수율도 높아진다. 김용진 박사가 개발한 Cs[BTd] 촉매를 이용해 이산화탄소를 치환 우레아로 전환할 경우, 95.1% 수율, Ru/MnCo₂O₄ 촉매를 이용해 바이오매스를 전환해 FDCA 수율 99.1%를 달성했다. 이 기록은 모두 세계 최고 수율 기록이다. 더욱이 종전 기술은 순 산소(O₂)와 산화제, 유기용매 등을 사용해 폭발 위험이 있지만, 신기술은 일반 공기와 물을 촉매와 용매로 사용해 안전성을 더했다.김 박사는 “C1과 바이오매스 기반의 단량체는 화학 산업에서는 업스트림 부문에 해당합니다”라며, “업스트림 소재는 최종산물인 다운스트림 물질(예: 고분자 소재)의 소재가 되므로 전체 화학 산업에 끼치는 파급효과가 매우 큽니다. 일본 수출규제로 대한민국의 반도체 산업이 비상을 맞았던 때를 우리는 기억합니다. 마치 상류에서 강줄기가 끊어지면 하류에서 물 부족으로 난리가 나는 것과 같은 원리입니다” 그는 친환경과 탄소중립 측면에서 해당 기술의 위상을 묻는 취재진의 질문에 이렇게 답했다.​“기존 석유화학 공정은 새로운 시대에 맞지 않습니다. C1과 바이오매스를 기반으로 새로운 화학물질을 만드는 길을 모색해야만 합니다. 국내 대기업뿐만 아니라, 세계 유수의 기업도 이제는 친환경 사업으로 나아가고 있습니다. ‘친환경’은 이미 세계적인 경쟁의 주제입니다. 이런 상황에서 우리 정부도 탄소중립을 정책 키워드로 내건 만큼 저와 같은 화학자들이 할 일은 앞으로도 무궁무진합니다.”​​​김용진 박사가 개발 중인 기술에 대해 설명하고 있다  
편집부 2021-03-17
기사제목

기계연, VR 기반 무인 작업기계 가상시험 및 관제기술 개발

- 무인 작업기계의 안전신뢰성을 높이는 가상현실 핵심기술 개발에 박차 - 스마트 건설, 스마트 팜 등 자율작업 시대 앞당길 것 기대   과학기술정보통신부 산하 한국기계연구원(원장 박상진, 이하 기계연)은 VR(가상현실)을 기반으로 다양한 산업용 작업기계 무인화를 앞당길 수 있는 ‘무인 작업기계 가상시험 및 관제기술’을 개발했다.산업용 작업기계는 농업, 건설업 등 외부의 열악한 환경에서 활용되는 경우가 많아 무인으로 작업할 수 있는 기술이 요구되어왔다. 하지만 운영 시나리오가 매우 다양하고 안전과 비용 측면에서 제약이 커 무인화 기술개발에 어려움을 겪어왔다.기계연 스마트산업기계연구실 차무현 책임연구원 연구팀은 국내 농기계 전문기업 LS엠트론과 손잡고 ‘VR 기반 무인 작업기계 가상시험 및 관제기술’을 개발했다. 농업 현장에서 쓰이는 작업 기계에 무인 기술을 실제로 적용하기 전에 가상환경에서 다양한 테스트를 할 수 있는 모의시험기술과 장거리에서도 무인 작업을 관제하는 기술이 핵심이다.   VR 기반 무인 작업기계 가상시험 시뮬레이션한국기계연구원이 개발한 VR 기반 무인 작업기계 가상시험 프로그램 실행 화면(왼쪽)과 실제 무인 트랙터와 연동하여 가상시험을 수행하는 장면(오른쪽). 기계연이 개발한 ‘VR 기반 무인 작업기계 가상시험 및 관제기술’을 이용하면 실제 야외에서 무인 작업기계를 자율운행하기 전 화면을 보면서 다양한 작업 경로와 시나리오에 따라 무인으로 잘 작동하는지 시험할 수 있다.   사용자가 위성 지도의 위치정보를 기반으로 작업 경로를 지정하면, 3D 기반의 가상 작업환경에서 무인 작업 과정을 시뮬레이션해 볼 수 있다. 환경 인식과 경로 제어 등의 무인화 핵심성능을 가상으로 시험할 수 있어, 실제 필드시험을 대체하거나 보완할 수 있다. 특히, 유압 액츄에이터 작동지연과 같이 대형 작업기계의 구체적인 운영특성까지 반영할 수 있는 자율주행 제어알고리즘 시험기법을 개발하여, 더욱 현실적인 주행 테스트를 진행할 수 있게 됐다.   VR 기반 무인 작업기계 영상 및 3D 기반 관제한국기계연구원이 개발한 ‘VR 기반 무인 작업기계 가상시험 및 관제기술’을 이용한 원거리 영상 관제 장면(왼쪽)과 트랙터의 작업 완수 여부를 3D 프로그램으로 확인하는 장면(오른쪽). 기계연이 개발한 ‘VR 기반 무인 작업기계 가상시험 및 관제기술’을 이용하면 작업자가 화면 앞에 앉아 관제하는 대로 기계가 야외 환경에서 정확하게 작동하는지 테스트할 수 있다.   또한, 실제 운영 중인 무인화 작업기계와 연동하여, 장거리 카메라 영상을 이용한 원격조작과 모바일기기를 이용한 차량 통제도 가능하다. 이를 이용하면 스마트 팜이나 스마트 건설 분야처럼 여러 대의 작업기계가 동시에 작업을 할 때도 중앙에서 효율적으로 관제할 수 있다. 그뿐만 아니라 실제 무인 작업 차량의 센서 데이터를 동기화하여 3D 기반으로 작업의 모든 과정을 실시간 모니터링할 수도 있다.   가상시험결과를 활용한 실차 시험 및 몰입형 관제 시스템한국기계연구원의 ‘VR 기반 무인 작업기계 가상시험 및 관제기술’을 이용하여 무인 트랙터가 실제 환경에서 작업하는 모습(왼쪽)과 HMD(Head mounted Display·머리 착용 디스플레이)를 착용하고 원격으로 주행하는 모습(오른쪽). 기계연이 개발한 ‘VR 기반 무인 작업기계 가상시험 및 관제기술’을 이용하면 가상시험으로 개발한 알고리즘대로 무인 작업을 진행할 수 있고, 작업 결과도 실시간으로 확인할 수 있어 효과적인 통합 관제가 가능하다.   아울러 이번 기술은 오픈소스를 활용한 순수 국내기술로 개발됐다. 농업용 트랙터뿐 아니라 다양한 산업용 작업기계의 무인화 운용개발에도 기여할 것으로 기대하고 있다. 이와 함께 해당 기술을 이전받은 LS엠트론은 향후 자율주행 중대형 트랙터 개발 및 스마트 팜 서비스화 기술개발 등에 이를 활용할 계획이다.차무현 책임연구원은 “산업용 작업기계의 무인화 수요와 더불어, 상용화를 위한 안전/신뢰성 요구사항도 점차 증대되고 있는 상황”이라며, “현장 필드시험보다 훨씬 다양하고 복잡한 시나리오의 사전시험이 가능한 데다 데이터 축척도 할 수 있어 무인화 제품개발 및 시험에 필요한 시간과 비용을 효과적으로 절감할 수 있을 것”이라고 말했다.이번 연구는 과학기술정보통신부가 지원하는 기계연 주요사업 ‘산업용 모바일 작업기계 자율화 기반기술개발’ 과제의 일환으로 수행되었으며, 해당 기술과 관련하여 한국 CDE(Computational Design and Engineering) 학회에서 주최하는 2020년 디지털 트랜스포메이션 경진대회에서 과학기술정보통신부 장관상(대상)을 수상한 바 있다.한국기계연구원 기계시스템안전연구본부 스마트산업기계연구실(실장 이한민 책임연구원, 042-868-7812 / hmlee@kimm.re.kr)은 4차산업혁명 기술을 산업기계 분야 전반에 적용하기 위한 다양한 연구를 수행하고 있다.농업용 작업기계 뿐만 아니라, 굴착기, 크레인 등의 건설기계, 국방용 특수임무 장비, 육상-공중 협력 무인 차량을 비롯한 다양한 종류의 오프로드 산업기계를 대상으로 무인화, 자율화에 대한 핵심기술을 개발하고 있으며, 최근 ▲ 인공지능 안전기능 및 운전자 편의 기능을 가진 고신뢰성 250톤급 전지형 크레인 개발(산업부, 2018-2022), ▲ 육해공 자율협력 임무 수행을 위한 험지 주행 지상 무인 이동체 시스템 개발(과기부, 2020-2027), ▲ 육공 분리 합체형 도심 환경 자율배송용 육상 무인 이동체 개발(과기부, 2020-2027), ▲활주로 제설 장비의 무인화 기술개발 (방사청, 2019-2022) 등 무인 자율기계기술과 관련한 다양한 연구를 수행하고 있다.   문의: 한국기계연구원 기계시스템안전연구본부 스마트산업기계연구실 차무현 책임연구원 042-868-7927 / mhcha@kimm.re.kr  
편집부 2021-03-17
기사제목

UNIST 조재필 특훈교수, 신개념 ‘코발트-보라이드’ 전극(양극) 코팅 원천 기술 개발

- 저렴한 상온 코팅으로 상용 양극재 수명·열안정성 극복해… Nature Energy 게재   한 번 충전으로 오래 달리는 전기차 배터리(리튬이온전지) 개발이 탄력을 받게 됐다. 국내 연구진이 대용량 전극(양극재)을 보호하는 코팅 기술을 개발했기 때문이다. 신규 코팅 물질을 쓴 배터리 셀은 수백 회의 충전·방전 이후에도 재료구조가 안정적으로 유지됐으며, 상용 양극재 대비 약 20%나 향상된 수명을 보였다. 이번 연구결과는 에너지 분야의 권위 학술지인 Nature Energy에 3월 2일 자(현지시각)로 공개됐다.UNIST (총장 이용훈) 에너지화학공학과 조재필 특훈교수 연구팀은 배터리 수명을 저해하는 양극재 입자의 미세균열과 화학적 불안정성을 획기적으로 개선할 수 있는 코팅 기술을 개발했다. 상온에서 입자 표면뿐만 아니라 입자 내부까지 코팅 가능한 혁신 기술로 주목을 받고 있다.대용량 배터리 양극 소재로 꼽히는 하이니켈 소재는 고용량 발현이 가능하고 가격이 상대적으로 저렴하다. 하지만 충·방전이 반복되면서 소재 입자 내부에 미세균열이 생길 뿐만 아니라 배터리 전해액과의 부반응 때문에 수명이 급격히 감소한다.* 하이니켈 소재: 니켈(Ni)함량이 80% 이상인 소재. 배터리 양극재는 배터리 가격에서 차지하는 비중이 높은데 비싼 코발트 함량은 낮고 니켈함량이 높아 저렴하다는 장점이 있다.   이 때문에 전극을 보호하기 위해 현재 생산 중인 모든 소재 표면에 코팅제를 발라 700°C 이상의 고온에서 열처리하는 방식을 쓰고 있지만, 이는 성능 저하와 공정비 상승으로 이어지는 문제가 있다.   그림 1. 개발된 코팅법이 입자 내부(결정립계)까지 코팅하는 모식도와 실제 현미경 사진CoXB 코팅 물질이 Ni계 양극 소재의 이차 입자의 최 외각 표면을 비롯한 일차 입자 간 결정립계에 확산하여 분포함. 일반 Ni계 양극 소재의 주사전자현미경 이미지(SEM, 좌), CoXB 코팅 물질이 적용된 Ni계 양극 소재의 주사전자현미경 이미지(SEM, 우)   연구팀은 보호제인 ‘코발트-보라이드 (CoxB)’ 화합물을 양극재 입자 표면뿐만 아니라 입자 내부까지 골고루 침투시킬 수 있는 상온 코팅 기술을 개발했다. ‘코발트-보라이드 (CoxB)’ 물질이 하이니켈 양극 구성 성분인 산소와 강한 결합을 이루는 원리로 상온 코팅이 가능하다. 주로 입자 표면에서 시작된 균열이 안으로 파고들어 입자 내부까지 균열이 생기는데, 새로 개발된 코팅법을 쓰면 입자 안팎을 모두 보호할 수 있어 수명 유지 효과가 뛰어나다.   그림 2. 개발된 코팅법을 적용한 양극재를 썼을 경우 배터리 수명 유지 효과음극을 인조흑연으로 채택하고, 양극을 각각 CoXB-NCM, 그리고 일반 NCM으로 적용한 셀의 사이클 당 용량 및 (쿨롱)효율의 변화를 비교한 그래프이다. ‘CoXB-NCM/흑연’ 셀은 ‘일반 NCM/흑연’에 비하여, 500 사이클 기준 약 20%가량 향상된 수명 유지율을 보인다. 효율이 ‘일반 NCM/흑연’에 비하여 ‘CoXB-NCM/흑연’에서 높은 수치에서 안정적으로 유지됨을 통해 부반응이 억제되고 있음을 알 수 있다.   연구진은 코팅제를 쓴 하이니켈 양극재와 상용 인조흑연 소재를 음극재로 쓴 배터리를 제조하고 코팅제의 성능을 평가했다. 실험 결과 500회 충전 및 방전 후에도 기존 용량의 95%에 이르는 성능을 보였으며, 이는 일반 하이니켈계 소재 대비 약 20% 향상된 수명 유지율이다.제1저자인 윤문수 UNIST 에너지공학과 박사과정생은 “하이니켈계 소재는 45°C 이상의 고온에서 미세 구조 붕괴가 발생하는 문제가 있는데, 새로 개발한 코팅 법으로 이 문제도 해결했다”고 설명했다.또 연구진은 개발된 코팅 물질이 하이니켈 양극 소재의 구조적 안정성을 개선하는 원리와 현상도 이론계산과 원자단위의 투과전자현미경으로 규명했다.지도교수인 조재필 특훈교수는 “현재 상용화된 하이니켈계 양극 소재는 습식코팅 공정을 이용하는 것이 보편화되어 있으나, 잠재적으로 이미 등록된 미국특허의 침해 가능성이 아주 크고, 고온 합성이라 생산비용 상승 문제가 있다”며, “신규 개발된 코팅법을 적용한 양극재 대량 합성공정 개발 시, 기존 코팅공정 대비 적어도 20% 이상의 비용 절감 가능할 것”이라고 기대했다.한편, 이번 연구는 美 MIT(매사추세츠공과대학교)의 쥐 리(Ju Li) 교수 연구팀과 공동으로 진행됐다. * 논문명: Reactive boride infusion stabilizes Ni-rich cathodes for lithium-ion batteries   자료문의: 에너지화학공학과 조재필 특훈교수 (052)217-2910    
편집부 2021-03-17
기사제목

필름 포장재, 업사이클링 신소재 개발 성공… 특허 출원

- 최근 적체된 필름 포장 폐기물, 업사이클링 신소재로 재탄생- 특허기술은 필름 포장재를 이용한 업사이클링 목적으로 공개- 대량 생산 위해 전국 SRF 복합화 소재 분석 돌입 실시 한국포장재재활용사업공제조합(이사장 송재용 이하 공제조합)은 최근 한국생산기술연구원과 협약을 맺고, 합성수지 포장 폐기물에 그래핀을 혼합한 업사이클링 재생원료 개발에 성공했다고 밝혔다.한국생산기술연구원 최두영 박사팀은 시멘트 소성로 보조 연료로 재활용하는 고형연료(SRF, Solid Refused Fuel)에 꿈의 소재로 불리는 그래핀을 혼합하여 고가의 알루미늄 재질을 대체할 수 있는 기능성 재생원료를 개발했다. 최두영 박사는 필름 포장재와 그래핀 복합 신소재 제조기술 개발과 함께 단일재질 재생원료(PP, 폴리프로필렌)를 이용하여 가로등에 사용되는 히트싱크(방열판)와 건축용 나무합판을 대체하는 보드를 만들었는데, 신소재로 만든 히트싱크는 알루미늄을 사용한 기존 제품의 중량을 약 56.5%로 감소시키면서도 90% 이상 수준의 방열 기능성을 확인했고, 건축용 보드는 나무합판에 비해 중량을 감소시켜 작업시간을 크게 단축할 수 있으며, 새집증후군을 일으키는 오염물질인 포름알데히드도 검출되지 않아 매우 친환경적인 건축 자재인 점을 특히 강조했다.     필름 포장재-그래핀 복합화 재생원료 제조기술 특허 출원한국생산기술연구원은 필름 포장재 등 합성수지 폐기물에 그래핀을 혼합하여 업사이클링 재생원료 제조기술을 공제조합과 공동명의로 특허를 출원했다. 공제조합은 필름 포장재를 이용하여 업사이클링 재생원료를 제조할 목적으로 기술이전을 요청하는 기업에 한국생산기술연구원을 통해 지원할 예정이다.   필름 포장재-그래핀 복합화 물성 분석과 상용화 지원사업 추진공제조합은 올해도 적체된 필름 포장재를 복합화한 신소재로 제조 가능한 제품을 추가 개발하는 등 상용화 사업에 적극 나설 방침이다. 전국에서 발생되는 필름 포장재를 재활용한 고형연료(SRF)를 지역별, 계절별로 수집하고, 그래핀 복합화 신소재와 물성(소재가 가지고 있는 성질)을 비교·분석한 뒤, 데이터베이스(DB)를 구축한다는 계획이다.공제조합 송재용 이사장은 “이번에 개발한 업사이클링 재생원료는 그래핀 함량 조절에 따라 다양한 제품에도 적용이 가능한 것으로 확인되었다”라면서, “재활용사업자가 이 기술을 이전받아 고부가가치의 업사이클링 제품 대량생산이 가능하게 된다면 폐비닐 적체도 해소되고, 재활용시장에도 획기적인 변화를 가져올 것으로 기대한다”고 말했다.    
편집부 2021-03-12
기사제목

생기원, ‘탄소섬유강화플라스틱 공정기술 국산화’ 신호탄 쐈다

- CFRP 공정장비 국산화 및 원천기술 확보로 해외 종속 탈피 기대- 생산 공정 개선으로 경제적 효과 20~50%↑, 공정효율 70%↑예상   대표적 경량소재인 탄소섬유강화플라스틱(이하 CFRP, Carbon Fiber Reinforced Plastic)은 고강도·고탄성 경량소재로서 미래 산업을 이끌 핵심 부품 소재로 각광받고 있다. 자동차, 항공기, 우주 분야는 물론 반도체와 디스플레이 등 그 활용 분야도 무궁무진하다. CFRP는 철과 비교해 강도는 10배 강하면서도 무게는 1/5 정도이며, 부식이 전혀 없다. 게다가 화학적 안정성, 내열성, 저열 팽창률이라는 장점 때문에 이미 많은 기업에서 금속 대체재로 사용하고 있다. 다만 고품질 CFRP 제조 장비의 경우 대부분 해외의 고가 장비를 수입해 사용해와서 제품 생산단가가 높아지고, 장비 유지보수도 어렵다는 단점이 있어 제조 공정 국산화가 꾸준히 요구되어 왔다.한국생산기술연구원(이하 생기원, 원장 이낙규)이 자평테크(대표 전형길)와 함께 용도와 작업자에 최적화된‘CFRP 생산 엔지니어링 공정기술’을 개발했다. 이번에 개발된 기술은 디스플레이 제조 공정 간 이동 및 보관에 사용되는 ‘카세트’에 유리기판을 안착시키는 기능을 하는 ‘카세트용 서포트 바(Cassette Support Bar)’ 제조 장비에 적용해 시험 생산 중이다. 일반적으로 서포트 바는 유리기판을 옮기는 로봇팔의 간섭을 최소화하기 위해 단단하고 휘어짐이나 처침이 없고, 진동이 적어야 한다. 가볍고, 강한 CFRP가 카세트 서포트 바에 가장 적합한 소재로 널리 사용되는 이유다.   생기원과 자평테크가 용도와 사용자에 최적화한 CFRP의 생산 엔지니어링 공정기술을 개발했다.   생기원 지능형생산시스템연구부문 최경락 수석연구원(왼쪽)과 자평테크 정원경 기술개발 책임연구원   생기원 지능형생산시스템연구부문 최경락 수석연구원팀은 카세트 서포트 바 제조 핵심공정인 ‘CFRP 제조용 주입장치 원천기술’을 확보했다. CFRP는 원자재인 탄소섬유와 합성수지를 성형·가공해 만드는데, 합성수지의 물성치와 성형공정조건이 데이터화 되어 있지 않으면 경화 과정에서 균열이나, 성형 불량 등의 문제가 발생할 수밖에 없다.연구팀은 기존의 수조에 담긴 합성수지에 탄소섬유를 담가 묻히는 방식에서, ‘품질 표준화’를 목표로 탄소섬유에 합성수지를 주입하는 방식의 원천기술을 개발했다.주입 양 제어 및 경화온도 관리를 위해 탄소섬유와 합성수지의 혼합비율, 투입배열, 온도에 따른 경화도 등 관련 다양한 실험 및 해석 데이터를 도출했다. 또한, 밀폐 조건에서 탄소섬유 합침률을 높이는 방법과 탄소섬유 적층 방법, 원액 누출 방지 방법도 고안했다. 연구팀은 이 기술을 기반으로 탄소섬유 투입 장치, 원액 함침-경화 구간 온도제어 시스템, 혼합 도구 등을 한 데 합친 ‘밀폐형 재료 주입 장비’를 만들어 냈다. 해당 장비로 생산된 CFRP 부품을 카세트 바에 적용할 경우 약 20~50%의 비용 절감과 공정개선으로 인한 최대 70%의 생산효율 효과를 거둘 것으로 기대된다.   생기원 최경락 수석연구원이 개발된 공정으로 생산된 CFRP 부품에 대해 설명하고 있다.   자평테크 정원경 기술개발 책임연구원이 이번에 개발된 공정장비를 조작하고 있다.   생기원 최경락 수석연구원은 “CFRP의 제조기반 기술을 국산화했다는데 이번 기술지원의 의의가 있다”라며, “첨단 신소재 제조기술 분야에서 선진국 종속에서 벗어나는 계기가 되기 바란다”라고 밝혔다.자평테크 정원경 책임연구원은 “생기원의 기술지원 덕분에 해외 선진국과 동등한 수준의 부품을 국내기술로 생산할 수 있게 됐다”고 전하며, “CFRP가 다양한 산업에 활용되는 만큼 타 산업에 도전할 수 있는 추진력을 갖게 됐다”고 말했다. 한편 이번 연구는 생기원 ‘중소기업 지원 선도연구기관 협력기술개발사업*’을 통해 진행됐다. * 중소기업 지원 선도연구기관 협력기술개발사업: 생기원을 비롯한 출연(연)이 보유한 우수 연구 인프라(인력, 장비 등)을 활용해 중소기업 맞춤형 기술개발 지원으로 기술 경쟁력을 제고 및 지속 성장 촉진 기반을 마련하는 사업   문의: 한국생산기술연구원 지능형생산시스템연구부문 최경락 수석연구원(041-589-8475 / grchoi@kitech.re.kr)
편집부 2021-03-12
기사제목

우리 생활에 없어서는 안될 유용한 플라스틱 제품을 만드는 사출성형기 이야기 32

기고 : LS엠트론 김영기 고문010-6603-8210 / ykkim2025@gmail.com5. 사출과 보압사출 공정에서 스크류가 플런저의 역할을 수행한다. 완전한 균질의 용융재료가 고압력과 일정한 속도 프로파일로 스크류의 전진 동작 때문에 금형 안으로 사출된다. 캐비티가 충진될 때 압력 제어로 절환되고 성형품이 금형 안에서 냉각되는 동안 재료의 수축을 보상하기 위해서 유동체 중앙에 압력을 가한다. 사출 속도가 성형제품에 미치는 영향- 탄 자국: 에어 벤트가 원활히 이루어지지 않은 경우- 미성형 제품: 캐비티가 완전히 충진되기 전에 수지가 고화되는 경우- 플래시 발생: 사출 도중 충진된 재료가 급속히 고화되어 필수적으로 높은 압력이 발생되는 경우- 젯팅, 갇힌 공기(기포): 사출 초기에 매우 높은 속도를 가지는 경우- 박리: 충진 마지막 단계에서 용융재료가 첨가제 주위를 더 이상 흐르지 않는 경우- 크라우드: 용융재료가 표면에서 고화된 상태에서 여전히 밀려지는 경우- 레코드판 효과: 표면 부에서 용융재료의 고화 속도가 매우 빠른 경우, 유동 저항이 커져 유동 선단부의 흐름에 영향을 주는 경우이며, 이러한 이유로 생성된 레코드판 형상은 보압에 의해 사라지지 않는다.보압이 성형제품에 미치는 영향- 싱크마크, 기공(용융재료의 중앙부가 고화 시 일으키는 수축에 의해)- 플래시 생성(높은 보압에 의해 금형이 열리는 경우)- 응력 크랙, 이형성 문제(높은 보압에 의해 과충진이 일어난 경우)- 성형제품의 중량과 치수5.1. 스크류 전진 속도스크류 전진 속도는 스크류가 스크류 전방 공간에 계량된 성형혼합물을 금형으로 밀어 넣는 속도이다. 금형에서의 유동 선단 속도는 금형 캐비티 구조와 스크류 전진 속도에 의해서 유동 선단에서 일어나는 유동률이다. 특히 큰 유동과 벽 두께를 갖는 성형품에서 유동 선단부에서의 신속한 충진이 벽에 밀착한 게이트로부터 동작한다.금형 캐비티에 발생한 전단 열이 순간적인 냉각 효과에 의해서 유동 선단의 이른 용융 흐름의 정체를 막아야 한다.짧은 충진시간이 거대 분자의 내부 마찰로 인한 전단에 의한 추가적인 열로 짧은 열전도 기간으로 캐비티 벽의 열 손실을 방해한다.그래서 낮은 용융 점도가 스프루로부터 멀리 떨어진 성형품 곳곳으로 더욱 나은 압력전달을 시킨다. 또한, 용융재료에 대한 보다 일정한 압축이 이루어진다. 낮은 금형 캐비티 압력에 의해서만 보다 적은 로킹력(형체력)이 필요하다. 금형 충진에 필요한 스크류 전진 속도를 도달하기 위해서는 금형 충진단계 중의 유압압력이 충분히 높게 설정되어야 한다. 벽 근처 층에서의 융융 재료가 갑자기 고화되는 것처럼, 금형 충진단계는 외관, 배향, 결정화도 같은 표면층의 특성에 특히 책임이 있다.스크류 전진 속도를 향상시키게 되면 다음과 같은 현상이 발생한다.- 외관상 나타나는 웰드라인의 감소- 웰드라인 생성 위치의 접합성 향상- 전체적인 배향의 감소- 제품표면의 배향 증가- 결정화도의 증가- 금형 내에서 수지 온도의 상승- 형체력의 상승 및 표면 불량 증가최적의 충진시간을 결정하기 위해 작업자는 보압 압력이 없는 상태에서 스크류 전진 속도를 낮게 설정하고 시작해야 한다. 하지만 이때 계량량은 충분하게 설정되어야 한다. 설정한 스크류 전진 속도에 도달하기 위해 충진을 위한 유압압력은 반드시 실제 필요한 압력 이상으로 설정되어야 한다. 그런 후 캐비티 체적이 충진될 때까지 보압절환 점을 소량씩 감소시켜 나간다. 만약 보압절환 위치가 스크류에 의해 도달되지 않으면 스크류 전진 속도를 조금씩 증가시켜 냉각 효과에 의한 미성형 제품이 나오지 않도록 한다.5.1.1. 스크류 전진 속도의 프로파일충진 시작 시 스크류 전진 속도를 낮게 설정- 금형의 변형을 감소시키기 위해- 제팅 발생을 최소화하기 위해- 게이트 주변의 뿌연 점을 감소시키기 위해충진 완료 시 스크류 전진 속도를 낮게 설정- 제품의 특정 특성에 대한 재연성 향상을 기대- 형체력의 감소가 가능- 보다 정확한 보압절환이 가능- 금형 내에서 공기 압축을 감소시켜 벤팅 효과를 향상5.1.2. 사출 속도 설정금형에 충진단계에서 특정한 사출 속도 프로파일이 성형품의 구조, 용융과 금형 온도, 그리고 다른 최적의 목표를 고려하여 설정한다. 이 10 속의 프로파일이 해당 금형에 기계의 최적 응용을 가능하게 해준다. 각 사출 속도는 계량스트로크 C1을 10등분하여 동작한다.기능키 F3의 설정값 그래픽 화면에서 속도절환 점을 수동으로 변환시킬 수 있다. 계량스트로크 C1에 동일 값을 두 번 입력하면 자동으로 10등분으로 나누어진다.만약 사출 중에 사출압력이 설정한 한곗값 P6에 도달하면 그래픽 화면의 Sp에 그때의 스크류 위칫값과 수직 라인이 해당하는 위치에 표시된다.사출 공정에서 필요한 사출압력은 필수적으로 수지의 점도, 온도, 사출 속도와 금형의 흐름저항(스프루 단면적, 성형품의 벽두께, 금형 온도 등)에 달려있다. 사출에서 기계는 보압절환 점에 도달할 때까지 재료의 점도 변화나 온도 변화가 사출 저항을 변화시키는 것처럼 요소가 변할지라도 설정 속도를 정확하고 재현성 있게 제어할 수 있어야 한다. 이때 설정한 사출압력 P6가 실제로 필요한 사출압력보다 높게(대략 20bar 이상) 설정했을 때만이 가능하다. 최대 유압 시스템 압력이나 설정한 사출압력 P6가 사출 중에 도달하지 않아야 함이 반드시 확보되어야 한다.(실제 압력은 PHx로 확인) 이 설정한 사출압력한계는 안전한 설정값으로 고려되어야만 한다.사출 공정과 보압 공정에서의 압력 및 속도제어사출 프로세스는 사출과 보압 구간으로 구분되는데, 사출 구간에서는 사출압력한계 P6를 설정하여 피드백 제어에 의해 설정된 10단의 사출 속도로 사출한다. 이때 설정한 사출 속도가 나오지 않을 때는 사출압력한계 P6의 압력을 높여 주어야 한다. 이것은 사출 속도가 압력이 받쳐주어야만 원하는 속도를 낼 수 있기 때문이다. 즉 사출압력한계 P6의 범위 내에서 각 단계의 사출 속도를 내는데 필요한 압력만을 공급해준다. 이 10단의 사출 속도는 실제 속도 단위인 ㎜/sec의 값으로 설정하여 클로즈 루프 제어에 의해 항상 동일한 속도제어를 구현한다.보압으로 절환된 후에는 마지막 사출 속도(V21)로 피드백제어에 의해 설정된 10단의 보압을 정확하게 제어한다. 이 10단의 보압도 실제 압력 단위인 bar(kg/㎠)의 값으로 설정하여 클로즈 루프 제어에 의해 항상 동일한 압력 제어를 구현한다. 결론적으로, 사출 구간에서의 사출 속도와 보압 구간에서의 압력을 정확하게 클로즈 루프 제어에 의한 피드백을 위해서 사출압력한계(P6)와 보압 속도(V21)는 단순한 보조역할을 할 뿐이다.5.1.3. 사출 시간 감시일정한 사출 시간은 속도에서 압력으로의 오픈 루프나 클로즈 루프의 위치에 의한 보압절환 시에 재현성의 사출 속도를 보장한다. 대부분 성형품의 품질 측면에서 가장 많이 사용되고 있는 “위치에 의한 보압절환” 방식 등을 선택할 경우 하기 사출화면의 “사출 시간 감시”에 실제 소요되는 사출 시간이 “ZSx”에 표시되기 때문에 “최솟값”과 “최댓값”을 실제값 “ZSx”에 근접하게 설정하여 사출 시간 감시 범위를 벗어날 경우에 해당 사이클 종료 후 성형품의 양부를 판별하고자 하는 것이다.사출 시작에서 보압절환될 때까지의 사출 시간이 너무 빨리 진행되면 즉 “사출 시간 감시” “최솟값”보다 적게 걸리면 #31 “사출 시간 미달” 에러가 발생하고, 역으로 사출 시간이 너무 오래 걸리면, 즉 “사출 시간 감시” “최댓값”까지 사출했는데도 보압으로 절환되지 않으면 #30 “사출 시간 초과” 에러가 발생하여 사출이 중단되면서 한 사이클이 완료된 후 기계가 정지한다. 이때 생산된 제품은 불량 처리한다.5.1.4. 절대압력과 유압압력의 환산사출장치는 일반적으로 3개의 다른 스크류 직경 중의 하나를 선택할 수 있다. 예로 650 사출장치는 40, 45, 50㎜ 직경의 스크류 중에서 선택하여 장착할 수 있다. 적은 직경의 스크류는 사출압력이 높으나 이론 사출 용적과 사출률은 낮아지고, 큰 직경의 스크류는 사출압력이 낮아지나 이론 사출 용적과 사출률은 높아진다. 이를 사출압력선도라고 하며 우측 그림과 같이 스크류 직경에 따라서 노즐 선단에 걸리는 이론 사출 압력(절대 압력)이 바뀐다.따라서 스크류 직경이 적은 것은 높은 사출압력을 필요로 하는 엔지니어링 플라스틱에 사용하고, 스크류 직경이 큰 것은 사출률과 가소화율이 커지기 때문에 속도로 사출을 요하는 시장제품에 선호한다. 하지만 E사 사출성형기는 하나의 스크류 직경으로 사출압력증가 여부를 선택할 수 있도록 설계되어 있어 2개의 스크류를 장착한 것과 동일한 효과를 낸다. 즉 엔지니어링 플라스틱같이 높은 압력을 요구하는 경우에는 사출압력 증가를 선택해야 하며, 고속사출을 원할 때는 사출압력 증가를 선택하지 않으면 일반 압력에서 고속사출이 가능하다.사출 속도 계산식• 사출 속도(㎜/s) = 이론 사출률(㎤/s) ÷ 스크류 단면적(㎠) × 10• 스크류 스트로크(㎜) = 이론 사출 용적(㎤) ÷ 스크류 단면적(㎠) × 10 • 스크류 단면적(㎠) = 3.1416 × 스크류 반경(㎝) × 스크류 반경(㎝)으로 계산한다.… 다음 호에 “5.2. 보압 절환점”이 이어집니다.자료제공: LS엠트론 기술교육아카데미 (http://lsmtronacademy.com)
편집부 2021-03-08
기사제목

생분해성 플라스틱의 연구개발 현황 및 시장 동향

1. 서론 우리 일상생활의 편리성을 기하급수적으로 발달시킨 플라스틱이라 불리는 고분자 재료는 지속적인 연구로 인해 유리, 금속, 목재, 종이 등과 같은 기존의 재료를 대체하여 다양한 용도로 사용되고 있다. 고분자 재료는 현대인의 일상생활과 산업발달에 큰 영향을 끼쳐 왔으나, 시간이 흐름에 따라 잘 썩지 않는다는 특징으로 인해 처분하려 할 때 자연적으로 완전히 분해되기 위해서는 수백 년의 시간이 걸린다는 단점을 가지고 있다. 1전 세계적으로 플라스틱 폐기물에 대한 관리 문제가 이슈로 떠오르는 가운데, 매립과 소각 등의 처리 방식이 존재하나 이들은 썩지 않고 유해가스가 발생하여 또 다른 오염을 초래한다. 특히 환경문제와 포장재 산업은 가장 밀접한 주제로 관련이 있다. 포장재의 비율이 폐기물 중 가장 크며, 포장재 자체에서 발생하는 자원 낭비 또한 환경에 미치는 영향이 크기 때문이다. 2이러한 한계를 극복하고자 빨리 자연적으로 분해되는 능력을 가지는 생분해성 플라스틱은 환경부하가 없을 뿐만 아니라 환경오염 해결방안의 하나로 주목받고 있는 분해성 플라스틱이다. 생분해성 플라스틱의 주요 메커니즘은 열화(Deterioration) → 생물 절단(Biofragmenation) → 동화작용(Assimilation) → 광화작용(Mineralization)으로, 미생물이 분비하는 효소로 인해 플라스틱 물질이 붕괴되어 저분자화 된 후, 미생물이 저분자를 흡수하고 대사 작용을 하여 최종적으로 자연으로 돌아가게 된다. 3 국제적 기준에 따르면, 플라스틱의 생분해도는 최종분해까지 도달하였을 때 생분해로 인정하고 있으며, 일정 기간동안에 특히 이산화탄소의 발생량을 측정하여 생분해도를 평가하는 표준시험방법도 규정되어 있다. 생분해성 플라스틱은 필름(쇼핑백, 일회용품), 사출성형(의료·위생·스포츠·사무용품, 화장품 용기), 시트 및 진공성형(상품내외부 포장재, 발포 시트) 등 여러 분야에 사용될 수 있으며 포장재, 자동차, 전자제품산업에서도 많은 영향을 끼친다. 생분해성 플라스틱 시장규모가 성장함에 따라 환경 영향을 최소화하기 위해, 생분해성 바이오 플라스틱의 순환기술로 재활용, 퇴비화, 혐기성 소화기술 등이 개발 중이다. 4 따라서 생분해성 고분자는 현재까지도 주목하는 재료이며 끊임없는 개발과 지속적인 연구를 통하여 다양한 방면에서 응용될 수 있도록 노력이 필요하다. Ⅱ. 본론1. 기술 동향   1.1 천연 고분자계(Naturally Occurring Polymers) 식물에서 유래한 천연 고분자(셀룰로스, 헤미셀룰로스, 펙틴, 리그닌, 녹말)와 동물에서 유래한 생분해성 고분자(키틴)를 기반으로 만들어진 생분해성 고분자를 천연 고분자계라고 칭한다. 천연 고분자계를 이용한 소재는 원료의 비용이 합리적이며, 생산성 또한 무한하여 원료고갈의 염려가 없다. 수분에 취약하고 점성이 낮아 기계적 물성의 문제점이 있으나 일정 수준 이상의 기계적 물성을 가지는 신소재들이 개발되고 있다. E. Khashoggi Industries(EKI)에서는 감자전분과 석회로 수지제조 기술을 개발하였다. 이는 전분을 끓인 후 석회-나무 섬유소를 혼합하여 제조하였다. 5 수분함량이 20% 이내에서 결합력이 유지될 수 있게 하였으며, 토양에서의 분해속도도 매우 빠르고 가격도 합리적이다.1.2 미생물 합성계(Microbially Synthesized Biodegradable Polymers)미생물이 양분의 저장형태 및 배설물의 형태로 생산한 고분자를 미생물 합성계라 부른다. 이는 뛰어난 생분해성과는 달리 고가의 가격과 생산량 및 속도에 제약이 많으며 분자량 또한 범용수지로 사용하기에는 부족하다. 대표적인 예인 폴리하이드록시부티레이트(PHB)는 가공 물성을 향상시키기 위해 폴리카프로락톤(PCL)과 혼합하거나 폴리하이드록시밸러레이트(PHV)와 공중합체를 형성하는 방법을 이용한다. 6일본의 이화학연구소에서는 Pediococcus pentosaseus를 이용하여 5탄당을 유기산으로 전환시킨 후 전환된 유기산을 다른 미생물(Alcaligenes eutrophus)과 고분자생산을 하는 공정을 도입하여 제조원가를 낮추었다. 또한, Alcaligenes eutrophus의 합성요소 유전자를 재조합한 대장균을 이용하여 분자량이 최고 3500만에 이르는 입체 규칙성 폴리머를 생성하는 기술을 보유하고 있다.1.3 화학 합성계(Chemically Synthesized Biodegradable Polymers)비 분해성인 방향족 폴리에스테르의 벤젠고리를 탄화수소로 대체하여 지방족 폴리에스테르화 시킨 물질인 생분해성 화학 합성계는 기존 범용 플라스틱의 대체물질로 떠오르고 있다. 자연환경에서 생분해가 완전히 일어나고 가공성 또한 뛰어나나 생산원가가 높아 실용화에 어려움을 겪고 있다. 7자연환경에서 생분해가 완전히 일어나고 가공성 또한 뛰어나 대표적인 예인 폴리락산(PLA)은 투명하고 강도가 높으며 재사용에도 유리하다. 또한, Tm = 170℃, Tg = 59℃를 가지는 열가소성 수지로 압출 및 사출 등 다양하게 가공할 수 있다. 사용 초기에는 수술용 봉합사로 많이 쓰였으며, 최근에는 DDS, 혈관이식 재료 등으로 사용하고 있다.8 PCL은 ε-카프로락톤의 중합에 의해 합성되는 지방족 폴리에스테르이다. Tm = 62℃의 저융점을 가지고 있으나 200℃ 이상에서 안정하여 가공에 용이하며 폴리에스터, 폴리아미드, 폴리우레탄과 같은 다른 고분자와의 혼용성이 뛰어나 광범위한 용도를 개발할 수 있다. PCL은 PLA보다 느린 생분해 속도를 가지고 있으며, 인공 피부에 적용할 수 있다. 9 폴리부틸렌숙시네이트(PBS)는 숙신산과 1,4-부탄디올(BDO)의 다중 축합반응에 의해 생성된 생분해성 지방족 폴리에스테르이며, 열가소성 공중합체 수지이다. 용융온도가 100℃를 초과하여 내열성이 필요한 분야에 적용이 가능하고, 가공온도는 200℃ 정도까지 사용 가능하다. 특히 PBS는 유연성, 천연 섬유 호환성, 내열성, 생분해성에서 PBAT 및 PLA보다 장점을 가지며 이들과 블랜딩하여 가공성을 더욱 향상시킬 수 있다. 또한, 압출, 사출, 열성형, 섬유, 필름 등에 적합한 다양한 용융지수를 가진다. 10 폴리부틸렌아디페이트테레프탈레이트(PBAT)는 화석연료 기반의 생분해성 플라스틱이다. PBAT는 인장 및 인열 강도가 우수하고 내구성과 가공성도 뛰어나며 시간에 따라 적절하게 생분해도가 이루어진다. 현재 응용은 필름, PLA 개질제, 쇼핑백, 쓰레기 종량제 봉투, 명함, 일회용 제품 등에서 이루어지고 있다. 111.4 천연물 블렌드계(Naturally Blending System)전분 같은 천연물과 올레핀 등의 기존 수지를 혼련하여 만든 천연물 블렌드계는 간단한 공정과 합리적인 원가로 선호도가 높다. 분해성을 강조하기 위해 전분 함량을 증가시키면 결국 기계 물성을 감소시키기 때문에 이 균형을 조절하는 것이 중요하다. 12 이를 개선시키기 위해 Environmental Tech.의 자회사인 Clean Green Polymer에 따르면, 전분 함량을 80%까지 높여도 기계 물성의 저하를 막을 수 있다고 한다. 즉 뛰어난 인장강도와 충격강도를 가지면서 파운드당 1달러의 저렴한 가격과 높은 생분해성을 갖춘 소재의 생산이 가능하다고 발표하였다.1.5 산화 생분해성 플라스틱(Oxo-biodegradable Plastic)기존 플라스틱에 바이오매스, 산화 생분해제, 상용화제, 생분해 촉진제를 첨가한 산화 생분해성 플라스틱은 열과 빛, 미생물, 효소, 화학반응의 복합적인 작용에 의해 분해가 촉진된다. 완전분해 기간이 1~5년 정도인 신개념 생분해성 플라스틱이다. 고가인 기존 생분해 플라스틱은 제품의 응용성 및 생산성 저하, 광분해 제품의 최종 생분해가 어려운 점이 있다. 13        산화 생분해성 플라스틱은 기존의 생산설비를 그대로 사용하여 장치비 부담이 적으며 기존 플라스틱과 유사한 물성과 저렴한 비용 등으로 최근 전 세계적으로 기술개발 및 제품화가 활발하게 진행되고 있다. (주)바이오소재의 산화 생분해 플라스틱 원료 첨가제(Oxo-biodegradable Additive)인 TGR®은 자연계에서 물과 이산화탄소로 완전분해된다. 사출성형, 진공성형, 압·진공성형, 필름 압출 등 제품 응용범위가 넓으며 내열성도 우수하다. 특히 내열성이 120도 이상으로 수출 시 적도 통과 시점에 제품의 열변형 문제 발생이 없다. 사막 기후인 중동에서는 수분이 부족하여 미생물 분해가 어렵고 아열대인 동남아 지역은 생분해가 너무 빨라 유통 중 조기 생분해가 우려된다. 이 두 지역을 중심으로 산업화가 많이 되고 유럽, 미국 등으로 산업화가 빠르게 확산되고 있다. 141.6 바이오 베이스 플라스틱(Bio-based Plastic)생분해성 플라스틱의 단점을 보완한 바이오 베이스 플라스틱은 생분해 수지와 산화 분해제 등을 첨가하여 만들었다. 즉 식물체 유래 물질, 생분해 물질, 석유화학 유래 물질 등을 이용하여 제조되며 중합형 및 결합형이 있다. 유통기한이 길며 물성 보완이 필요한 분야에 적용되어 바이오 PET, Bio-PE, Bio-PP 등이 산업화되어 있다. 이는 자연에서 2~5년의 분해 시간이 소요되며 생분해성 플라스틱보다 생산성이 우수하고 가격이 저렴할 뿐만 아니라 재활용할 수 있어 일반 플라스틱과 함께 분리배출 할 수 있다. 최근 바이오 베이스 플라스틱은 바이오 베이스 페트병, 식품 용기, 전자제품, 건축 토목 자재 분야, 화분 등 농·원예용 자재, 문구 파일 분야 등 적용 분야가 다양해지고 있다. 15, 16 2. 국내 동향 2.1 국내 생분해성 바이오 플라스틱 시장현황국내 바이오 플라스틱 시장은 약 4만 톤 규모로 국내 플라스틱 시장의 0.5%를 차지하며, 글로벌 바이오 플라스틱 시장의 1~2% 내외를 점유하고 있다. 기존의 석유화학 회사(SK, GS칼텍스, LG화학 등)와 발효 전문회사(CJ제일제당, 대상 등)를 중심으로 발효를 통한 바이오 화학 제품 연구개발을 진행 중이거나 일부 기업은 제품을 생산하고 있다. 17 국내 생분해성 바이오 플라스틱 산업은 PLA/PBS/PBAT 등 생분해성 원료 소재를 수입·가공하여 플라스틱 제품을 생산하는 중소·중견기업을 중심으로 바이오 플라스틱 전·후방 산업생태계가 구축되어 있으며, 생분해성 원료 소재는 대기업을 중심으로 아직 연구단계에 머물러 있는 상황이다.2019년 한국화학연구원 바이오화학연구센터에서는 상전이 촉매를 이용하여 아이소소바이드의 반응성을 극대화시켜 고강도·고내열성의 슈퍼 바이오 플라스틱 개발에 성공하였다. 이는 기존 석유 플라스틱을 대체할 수 있고, 식물성 원료로 만들어졌기 때문에 환경 호르몬에도 영향을 끼치지 않는다. 또한, 열가소성 수지로써 열에 녹여 재활용이 가능하여 폐플라스틱 처리도 가능할 것으로 보인다. 한국화학연구원과 ㈜일광폴리머는 친환경 슈퍼 엔지니어링 플라스틱 제조기술을 기반으로 공동연구를 수행하여 기술 상용화를 추진할 계획이다.㈜CJ의 경우, 옥수수 전분당을 제조하고 바이오매스 전처리 관련 연구를 수행하며 상업화를 계획하고 있다. 또한, 미국 메타볼릭스(Metabolix)의 PHA 관련 자산 인수를 통해 미국 보스턴에 위치한 연구시설과 고급 연구인력 및 네트워크를 확보하고 상용화 연구를 진행하고 있다. CJ는 롯데케미칼과 공동으로 PLA 제조를 위한 정제 기술개발에 성공하였다. 그러나 유가 급락으로 화학 제품의 원가경쟁력이 상대적으로 높아져 원가경쟁력을 갖추기 위한 기술개발에 노력하고 있다. 대상그룹은 전분계 생분해성 바이오 플라스틱 연구개발을 진행하고 있으며, 지주회사인 대상홀딩스(주)는 국내 식품 업계 최초로 인도네시아에서 팜 오일공장을 준공하고 본격적인 생산에 돌입하고 있다. SKC는 PLA를 세계최초로 필름 상용화에 성공하였으나 시장성 성장의 둔화로 인해 소량으로 판매 중이며 재활용이 가능한 페트병 포장재 에코라벨을 생산 중이다. 이 외에도, 롯데케미칼은 옥수수와 사탕수수로 만든 바이오 페트 생산에 성공하였고 폴리부틸렌 카보네이트-코-테레프탈레이트(PBCT)의 기술이전 후 파일럿 규모 생산 연구개발을 진행하고 있으며, 에스엔폴은 PBS, PBAT를 2천 톤/연 규모로 생산 중이나 경제성 문제로 베트남 기업에 매각되었다.현대자동차는 SK케미칼(주)와 공동으로 ‘자동차 내장부품용 내크랙성이 향상된 바이오매스를 포함한 PC/ABS 복합재 제조기술’을 개발해 신기술로 인정받는 등, 바이오 플라스틱 사업화에 집중하고 있다. 또한 SK케미칼(주)이 개발한 바이오 PETG(브랜드명: 에코젠) 등 친환경성 소재를 기존 내장재와 혼합해 환경 호르몬과 탄소 배출량은 감소시키고 내크랙성을 개선하는 새로운 소재 개발에 성공하였다. 그뿐만 아니라, 기아자동차는 2014년에 최초로 공개된 기아의 전기차 ‘쏘울 E5’는, 친환경 내장재를 대거 적용해 자동차 업계 최초로 미국 UL 사로부터 환경마크(Environmental Claim Validation)을 획득하였다. 내장 트림용 셀룰로스 기반 플라스틱, 표피재용 바이오 열가소성 탄성체, 카펫용 바이오 섬유, 내장재용 바이오 도료, 콘솔용 폴리유산를 함유한 고내열·고충격 플라스틱 등을 최초로 차량에 적용하였다. 18–20 바이오화학산업은 각 바이오 기술에 따라 레드, 그린, 화이트 세 가지 색깔로 구별되는데, 이중 가장 주목하고 있는 것은 화이트 바이오산업이다. 바이오화학산업 중 화이트 바이오 범주에 속하는 바이오 플라스틱의 특징은 생분해성으로 CO2 배출을 저감시키고 현재 기술 수준에서 석유화학제품 대비 CO2 배출량을 10~100까지 줄일 수 있어 저탄소 녹색성장 산업의 핵심 산업으로 발전 가능성이 있다. 화이트 바이오는 식물 자원을 원료로 친환경 화학 제품이나 바이오 연료 등을 제조하는 분야로, 바이오 플라스틱 원료 생산기업에서는 화이트 바이오 사업 진출을 발표하고 있다. 21 국내 기업 중에서는 SK 계열사가 가장 큰 두각을 나타내고 있다. SK케미칼은 생분해성 플라스틱과 식물성 원료로 만든 바이오 유래 플라스틱 개발에 주력하고 있으며, 유전자 조작을 하지 않은 식물에서 추출한 원료를 80~100% 사용한 생분해성 바이오 플라스틱 소재인 ‘에코플랜’의 생산을 검토 중이다. 특히 SK케미칼은 2017년 3D프린터에 적용 가능한 바이오 플라스틱을 출시하였는데, 이 제품은 안정적인 출력은 가능하나 고온 상에서 제품의 안정성을 위해 고민하고 있다. 삼양그룹은 식물 자원에서 추출한 전분을 화학적으로 가공해 만드는 바이오 소재인 ‘이소소르비드’는 플라스틱의 기존 화학 물질을 대체할 수 있으며 이에 대한 공장 증설을 예정 중이다. 현재 국내 바이오화학산업은 레드 바이오에 주력하고 있다. 레드 바이오 기술은 신약개발, 진단 시약 등을 비롯한 줄기세포 및 장기이식 등의 생물 의약 분야를 뜻하는데, 이는 수요가 가장 많고 시장이 넓기 때문에 국내 산업의 90%를 차지하고 있다. 그린 바이오는 농림, 수산, 생물 등 1차 식품에 바이오테크를 접목한 기술로써 콩, 옥수수와 같은 유전자 변형을 통해 고부가 가치 제품을 생산해 내는 기술을 말한다. 이 세가지 기술 중 화이트 바이오 기술은 실생활에서 바로 접할 수 있는 바이오 기술로 이루어져 있는데, 이는 화이트 바이오 기술의 발전으로 바이오 기술이 산업화되면서 차세대 바이오 시장의 핵심으로 떠올랐으며, 전문가들은 이런 발전으로 인해 바이오 제품이 2020년 1,600억 달러의 시장을 형성하고 매년 10~30% 이상 성장할 것으로 예상하고 있다.2.2 국내 시장 전망국내 바이오 플라스틱 생산 규모는 2017년 138백만 톤에서 2022년 369백만 톤의 생산 규모를 형성할 것으로 전망된다. 국내 바이오 플라스틱은 1980년대 후반부터 대두된 기존 플라스틱의 대체품으로써, 1990년대 중반 이후 환경 규제가 강화되면서 새롭게 부각되고 있는 신흥 산업 분야이다. 국내 기업들은 식품 포장재, 산업용 포장재, 면도기, 칫솔, 포크, 수저 등의 다양한 일회용 플라스틱 제품에 대한 대체원료를 출시하여 일회용 플라스틱 제품을 급속하게 바이오매스 소재로 대체하고 있어, 추후 바이오 플라스틱의 국내 시장규모는 최소 5조 원 이상이 될 것으로 예상하고 있다.최근에는 화학 플라스틱과의 가격 격차가 축소되면서 바이오 플라스틱을 활용한 제품응용 분야가 확대되고 있다. PLA 가격은 1995년 첫 시범 생산 당시 석유계 플라스틱 대비 약 7배 수준이나, 현재는 비슷한 수준으로, 생분해성 플라스틱의 생산 규모는 2010년 35만 톤에서 2020년 280만 톤으로 연평균 20% 이상으로 고성장할 것으로 전망되고 있다. 바이오 플라스틱은 앞으로 고유가로 인한 바이오 제품의 생산기술 발전으로 그 시장이 확대될 것으로 예상되며, 이미 일부에서는 석유화학 제품과 경쟁할 수 있는 제품이 나타나고 있다.정부는 온실가스를 2020년 배출전망치의 30%를 감축하기 위한 목표를 달성하기 위해 온실가스 저감 효과가 큰 자원 순환형 바이오매스 비중을 적극적으로 향상시킬 것으로 예상되며, 추후 석유 기반 합성고분자는 탄소세 부과로 인해 고분자 시장에서 경쟁력이 약화될 것으로 예상된다.3. 해외 동향3.1 글로벌 생분해성 바이오 플라스틱 시장현황세계적으로 2020년 온실가스 배출전망치를 30% 감축하기 위한 대안으로 온실가스 감소에 효과적인 바이오 플라스틱이 주목받고 있다. 이는 높은 제조원가와 엄격한 규제에도 불구하고 기존 플라스틱의 탄소세 부과로 인해 이를 대체할 수준의 바이오 플라스틱 제품 개발에 다수의 기업이 참여하고 있다. 현재 바이오 플라스틱의 가장 큰 비중을 가지고 있는 포장재 분야는 선진국의 주도하에 고부가 가치 시장으로 성장하고 있으나 기술력으로 인해 개발도상국의 시장진입이 어렵다는 평가를 받고 있다. 그러나 최근 개발도상국에서 대량으로 사용 가능한 범용 제품시장에 진입을 추진함으로써 바이오 플라스틱의 적용 범위가 변화하고 있다. 22  스타벅스는 2020년까지 전 세계 2만8,000여 개 매장에서 빨대 사용을 단계적으로 중단할 것이라고 밝혔다. 대안으로, 냉 음료용 컵 뚜껑을 폴리프로필렌으로 자체 제작하여 사용한다고 밝혔다. 또한, 종이컵은 플라스틱 비닐로 코팅되지 않고 재활용이 가능하기 때문에 사용 도입을 추진하고 있다. 맥도날드는 현재 영국에서 종이 빨대를 시범적으로 제공하여 플라스틱 빨대 사용이 감소하고 있으며, 2025년까지 모든 포장재는 산림을 파괴하지 않고 인증을 받은 곳에서 만든 천연 재생과 재활용을 통해 생산한 섬유질 기반의 종이 포장지, 튀김 상자, 종이컵을 사용할 것이라고 발표했다. 또한, 코카콜라는 매년 플라스틱병 약 1,200억 개를 사용하고 있으나 2030년까지 캔과 플라스틱병의 재활용 시스템을 구축할 예정이며, 용기 제조 시 재활용 물질을 평균 50% 이상 사용하겠다고 밝혔다. 가구 브랜드 이케아는 2020년까지 전 세계 모든 매장과 레스토랑에서 일회용 플라스틱 제품 사용을 중단한다고 발표했다. 유기농 브랜드 닥터 브로스너는 100% 재활용 가능한 플라스틱 재질과 화학성분을 배제하고 미국 USDA에서 유기농 인증을 받은 100% 자연 분해 원료만 사용하고 있다. 아베다도 마찬가지로 사탕수수를 원료로 한 바이오 플라스틱 용기와 100% 재활용 용기, 친환경 플라스틱과 바이오 플라스틱을 혼합한 용기를 사용한다. 이외에도 뚜껑 재활용 프로그램을 운영 중이다. 시어테라 오가닉스와 온뜨레 역시 모든 제품을 100% 생분해되는 소재인 옥수수 성분으로 만든 인지오(Ingeo) 용기와 에코서트에서 허가한 용기에 담으며 천연 식물유 소이 잉크로 염색해 패키지가 자연 분해되도록 하였다. 이외에도 러쉬는 별도 포장이 필요 없는 경우에는 제품 그대로를 판매하며, 록시땅은 리필을 별도 출시하여 용기 재사용을 권장한다. 또한, 버츠비, 프리메라, 시오리스 등 수많은 뷰티 브랜드들이 친환경 패키지 개발에 콩기름 인쇄를 적극 활용하고 있다. 글로벌 석유화학기업과 바이오기업은 바이오 플라스틱 원료 및 소재 생산기술 경쟁력 확보를 위해 노력을 기울이며, 필요에 따라 석유화학기업과 바이오기업이 합자회사를 설립하기도 한다.Total Corbion PLA는 PLA 생산을 위해 Total(프랑스)과 Corbion(네덜란드)을 합자하여 설립하였다. Succinity는 BASF(독일)과 Corbion이 합자하여 Succinity GmbH를 설립하여 바이오 숙신산을 생산하였다. Dupont Tate & Lyle BioProducts는 화학기업인 Dupont(미국)와 바이오기업인 Tate & Lyle(네덜란드)이 설립하여 1,3-프로판디올을 약 4만 5천 톤/년 규모로 생산하였다. NatureWorks LLC는 Cargill(미국)와 PHH(태국)의 합작회사이다. 미국 바이오 플라스틱 시장에서 약 28%의 점유율을 가지고 있으며, 연간 PLA 생산량이 14만 톤으로 세계 최대의 PLA 생산업체이다. 또한, 기존 플라스틱과 같은 방식으로 생산 가능하며 건축, 전자기기부품, 포장재, 의료기기 등 적용 범위가 매우 광범위하다. 최근 NatureWork LLC는 미국 네브라스카주 소재의 공장에서 ‘고성능 인지오 바이오 고분자 수지’와 ‘락타이드 중간체’ 생산을 위해 투자를 실시하였고, BioAmber와 합작하여 AmberWorks라는 합작회사를 설립하여 바이오 고분자생산을 진행 중이다. 그뿐만 아니라, Novamont, NatureWorks, Total Corbion PLA, BASF, Mitsubishi Chemical, Kaneka, Danimer Scientific 등의 글로벌 기업이 생분해성 원료 소재의 생산기술개발을 완료하고 생분해성 바이오 플라스틱 시장을 선도하고 있다. Novamont는 전분계(starch blends) 바이오 플라스틱 생산을 주도하고 있으며, 전분계 바이오 플라스틱(TPS – PBAT) 수지를 10만 톤/년 규모로 생산하고 있다. 최근에는 폴리비닐알코올(PVA)과 전분을 합성한 ‘Mater-Bi’를 개발하여 유럽에서 상용화하였으며, 이는 기존 플라스틱과 같은 방식으로 생산이 가능하다. 또한, Novamont는 현재 연간 18,000톤의 바이오 플라스틱 생산설비를 보유하고 있다. NatureWorks는 락트산, 락티드, PLA 생산에 독보적인 기술을 보유하고 있으며 15만 톤/년의 규모로 PLA를 생산하고 있다. 후발 기업인 Total Corbion PLA가 7만 5천 톤/년 규모로 뒤를 이어가고 있다. BASF에서는 PBAT 수지와 PBAT/PLA 혼합수지를 7만 4천 톤/년의 규모로 생산하고 있으며, Mitsubishi Chemical에서 바이오매스를 부분적으로 포함하고 있는 PBS 수지인 Bio PBTM 제품을 약 2만 톤/년의 규모로 생산하고 있다. Kaneka와 Danimer Scientific는 PHA의 주요 생산기업이며 Kaneka는 Biodegradable PBHBTM 제품을 약 5천 톤/년 규모로 생산하고 있다. Novozymes는 덴마크의 효소 전문기업으로, 옥수수 전분 분해효소 시스템을 개발하여 효소 비용을 낮추었으며 다양한 전분의 원료에 적합한 효소를 개발하고 있다. 이러한 기술은 원재료 가격을 낮춤으로써 바이오 플라스틱의 가격경쟁력을 높일 수 있을 것으로 예상하고 있다. 3.2 글로벌 생분해성 바이오 플라스틱 시장전망바이오 플라스틱 산업은 2012년 기준 전체 플라스틱 시장에서 10~15%를 점유하고 있으며, 2020년에는 최소 30%까지 기존 플라스틱 시장을 대체할 것으로 보인다. 이에 따라 글로벌 바이오 플라스틱 생산 능력은 2019년 약 210만 톤에서 2024년에는 약 242만 톤으로 증가할 것으로 예상된다. 바이오 플라스틱은 2018년까지 석유 기반 생분해성 고분자보다는 바이오 플라스틱인 전분, PLA, PHA, 기타 바이오 플라스틱의 수요가 증가할 것으로 예상된다. 특히 포장재에 집중적으로 사용되는 현재와는 달리 2020년경에는 포장재뿐만 아니라 섬유와 같은 다른 분야에서도 바이오 플라스틱의 사용이 증가하여 총량 대비 26%까지 상승할 것으로 예상된다. 지역별로는 서유럽지역이 40%, 북미 지역이 약 30%, 일본이 20% 정도의 수요를 나타내고 있으며, 점차 시간이 지날수록 중국을 비롯한 다른 지역으로의 확대가 될 것으로 예상된다.Ⅲ. 결론플라스틱에 관한 환경문제가 대두되면서 이미 선진국의 포장재 공급업체들은 소비자의 관심과 재활용 규제가 친환경 포장재 수요를 불러일으킬 것으로 전망하였다. 이러한 수요에 대응하기 위해 옥수수와 같은 식물을 활용해 만든 여러 형태의 바이오 플라스틱을 출시해 왔으며, 국내 업체들에서도 점차 이에 대한 관심을 높여가고 있다. 점차 강화되고 있는 폐기물 부담금과 불안정한 국제 유가를 고려할 때, 바이오 플라스틱은 국내 플라스틱 산업에 새로운 활기를 불어넣어 줄 것이라 생각된다. 과거 바이오 플라스틱 시장은 일회용품을 중심으로 형성되었으나, 바이오 베이스 플라스틱, 산화 생분해 플라스틱을 중심으로 한 기술이 발달되면서 적용 분야가 급격히 넓어지고 있다. 향후 이런 기술적인 발전과 산업화 추진 전망은 경제적인 성공과 환경 보호 및 사회의 후생적인 면을 모두 반영한 지속 가능한 발전을 고려한 연구들이 주목받을 것으로 예상된다. 현재 바이오 생산기술은 계속적으로 발전하고 있고, 가격경쟁력 또한 강화되고 있다. 석유계 프로필렌의 생산단가는 kg당 약 2달러 수준인 반면 생분해 플라스틱인 PLA, 지방족폴리에스터, TPS, 올해 상용화 예정인 PHA(폴리에스터 분자로 바이오 플라스틱의 일종)의 생산단가는 kg당 3~5달러 수준이다. 이러한 면은 시장 확대를 빠르게 증가시켜 바이오 플라스틱의 적용 분야를 확대시킬 것으로 예상된다.국내 친환경 플라스틱 기술은 비교적 초기 단계에 있기 때문에 기업과 대학에서 활발한 연구가 이루어져야 한다. 빠른 시일 내에 생분해성 플라스틱을 주원료로 한 각종 포장 용기를 실용화시키고, 장기적으로는 폐수 내의 중금속 이온 제거제를 비롯하여 생체 의료용제 등과 같은 첨단 생명공학기술을 응용한 다양한 종류의 환경 친화 제품의 출시가 예상되며, 향후 생분해성 플라스틱 산업의 시장 잠재력과 성장성은 무한하다고 평가된다. 하지만 우리나라는 아직까지 바이오 플라스틱에 대한 이해가 많이 부족한 상황이며, 체계적인 교육을 받을 수 있는 기관도 부족하기 때문에 이에 대한 현실적인 대안이 필요하다.향후 바이오 플라스틱의 개발을 위해서는 가격경쟁력 확보와 내열성, 가공성, 내충격성 등의 물성을 개선해야 한다. 또한, 가공기술을 개발하여 응용 분야를 확대하고, 분해 기간조절에 따른 유통기간이 1년 이상인 제품에 대한 적용성 연구가 필요하며, 바이오 플라스틱의 표준화, 규격 기준 제정 작업 등을 보완해야 할 것이다. 특히 재활용과 생분해 측면에서는 더더욱 인증 제품의 사용 권고가 필요하다. 그 예로, 기존의 PE가 코팅되어있어 재활용이 어려운 제품의 경우, 환경마크 및 녹색인증을 받아 사용 후 폐기 시 물에 해리되어 재활용이 우수한 수용성 코팅제품 사용을 권고하는 방안이 있다. 추가적으로 생분해 수지로 코팅이 된 제품을 사용하는 방안도 훌륭한 차선책이 될 것이다. 생분해성 플라스틱의 시장 활성화를 위해서는 생분해성 플라스틱의 사용을 지원하기 위한 관련 법규를 시행하고, 친환경 상품의 홍보 및 사용 권장에 힘써야 할 것이다. 
편집부 2021-03-08
기사제목

스마트공장(Smart Factory)을 위한 사출성형 모니터링 및 최적화 기술

최근 사출성형 산업계에서는 복잡한 제품 구조와 복합 성형 공정의 증가, 그리고 다양한 사용 환경에 대한 더욱 엄격해진 품질요구에 직면하고 있다. 이러한 변화에 이해하고 대응하기 위하여, 사출성형 모니터링에서 얻어지는 데이터를 기반으로 사출성형 공정을 최적화하고 활용하는 방법과 이에 필요한 기본적인 지식에 초점을 맞추어 기사를 연재하고자 한다.RJG사는 사출성형 교육, 기술 및 리소스 분야에서 세계적인 리더로 인정받고 있는 회사이며, 사출성형 공정 모니터링에 사용되는 센서와 장비를 생산/공급하고 있다. 본 기사에 게재된 자료들은 씨에이프로(주)와 RJG사에 모든 권한이 있다. 자료제공 :  이길호 (RJG공식 컨설턴트/트레이너)Ⅴ. 사출공정 모니터링 시스템의 미래모니터링 시스템 및 압력/온도 센서는 로봇(Robot)이나 제어기기(Control Instrument)와 함께, 스마트 공장(Smart Factory)을 구현하기 위한 여러 기술 중에 한가지로써 필수적으로 확보하여야 할 요소기술이다. 또한, 스마트 공정을 보다 저비용으로 단기간에 구축하고, 최적화하기 위하여 물리적인 가상현실 엔지니어링을 이용하는 디지털 트윈(Digital Twin) 기술이 사용되어야 한다.여기에서는 사출성형 공정 모니터링 시스템이 스마트 공장(Smart Factory)과 디지털 트윈(Digital Twin) 영역에서 어떻게 활용되고 있고, 이를 토대로 앞으로 어떠한 방향으로 발전될 것인 지에 대하여 고민하고자 한다. 일반적으로 사이버 물리 시스템과 사물 인터넷(IoT)이 결합된 스마트 공장(Smart Factory)의 시대 또는 기술영역을 인터스트리 4.0(Industry 4.0)이라고 부르기도 한다.“인더스트리 4.0이란 무엇입니까?” 우리가 많이 듣는 질문이지만, 인더스트리 4.0의 적용은 시장마다 크게 다름으로 하나의 답으로 모든 것을 설명할 수 없기 때문에 잘못된 질문이다. 일반적인 관점에서 보면 인더스트리 4.0은 사용 가능한 기술을 사용하여 프로세스를 간소화하고 워크플로(Workflow)의 효율성을 높이는 것이라고 간단히 말할 수 있을 것이다.위의 목적을 이루기 위해서는 생산 설비에 원격으로 액세스가 가능하고, 자동화 및 표준화에 이용되는 데이터를 생산/공유할 수 있어야 하며. 이런 데이터를 이용하여 스마트 제조 시설과 자율 시스템을 만드는 데 사용되어야 한다.사이버-물리 시스템과 사물 인터넷(IoT)의 결합 덕분에 스마트공장이 현시대에 가능하게 되었으며, 사이버-물리적 시스템은 네트워킹을 통하여 물리적 프로세스(로봇 및 자동화) 및 분석을 통합하여 구성된다.사출성형 공정에서 얻어진 데이터를 생성(Create), 수집(Gather), 분석(Analyze) 및 확장(Broaden)을 하면, 공정 모니터링과 QC 및 유지보수를 동시에 관리할 수 있는 스마트 제조 공정을 이룰 수 있으며, 과거의 추세(Trend)를 AI 분석의 데이터로 사용하면, 문제 발생을 사전에 예측할 수 있게 된다.인더스트리 4.0의 핵심은 조직 전체에서 데이터를 효과적으로 사람과 기계에 정보를 제공하여 품질을 개선하고 비용을 절감하며, 이전에는 불가능했던 기회를 창출하는 것이다.1. 스마트 공장(Smart Factory)에서의 적용사출성형 공장에서 작업자나 엔지니어에게 다음과 같은 질문을 던졌을 때, 대부분이 명쾌한 답을 내놓을 수 없는 경우가 대부분이다. 이러한 모호성이 불량에 대한 판단을 어렵게 하고, 신속한 의사결정의 부재가 되어 회사에 심각한 경제적, 시간적인 피해를 주게 된다. 1. 사출 공정이 문서화된 설정과 일치하는지 어떻게 알 수 있습니까?2. 각 작업에서 얼마나 많은 프로세스 변경이 발생합니까? 올바른 변화입니까?3. 지속적인 프로세스 개선을 위해 프로세스 변경 기준/내역이 사용됩니까? 4. 모든 성형 기술자가 설정 변수를 올바르게 선택할 수 있는 충분한 지식을 보유하고 있습니까?스마트공장의 필수 요건인 자율 프로세스와 정보의 수집 및 분산을 결합하면, 사출성형 산업 내에서 무한한 활용 가능성의 문이 열릴 수 있다. 위의 질문에 대한 확신을 가지기 위하여, 사출성형 공장을 스마트화하면 다음과 같은 경제적, 기술적 많은 혜택을 누릴 수 있다.• 문제점 사전 예측 및 분석• 원격 모니터링 및 제어• 생산 위치에 상관없는 글로벌 표준화• 품질 향상과 결합된 매우 낮은 불량률• 더 빠르고 효율적인 프로세스• 작업공정 / 제품의 위험도 감소• 더 낮은 비용의 시사출 및 제품 출시 기간 단축• 무인 제조스마트공장을 구축하기 위해서는 데이터의 흐름과 사용 목적에 따라 여러 단계로 나누어질 수 있으며, [그림 210]은 층(Layer) 간의 데이터의 이동 경로와 필요한 요소(H/W, S/W)를 보여준다.모니터링 시스템과 센서들은 물리적 단계(Physical Layer)에서 시작하여, 장치단계(Device Layer), 데이터 수집단계(Data Acquisition)를 거쳐 데이터베이스 단계(Database Layer)까지의 영역에서 이용되고 있음을 보여주며, 그 위의 단계에서는 제조실행시스템(MES, Manufacturing Execution System)과 전사적 자원관리시스템(ERP, Enterprise Resource Planning)과 연계되고, 수집된 데이터를 분석/가공하여 회사의 경영 효율성을 극대화하는 데에 사용된다. 전 세계적으로 널리 이용되고 있는 사출성형 모니터링 시스템인 RJG사의 eDart(기존 제품)와 CoPilot(신규 제품)의 구성과 기능을 예를 들어, 현재 사출성형 스마트공장의 상황과 앞으로의 발전 방향을 기술하고자 한다.위의 [그림 211]은 물리적/장치단계(Physical/Device Layer)에서 필요한 모니터링 시스템과 각종 센서의 기본적인 구성을 보여주며, 이 외에도 재료관리나 제품관리에 필요한 습도 측정기, 냉각수 유속 측정기 등의 추가적인 장치들을 모니터링 시스템과 결합시킬 수 있다. 위의 [그림 212]은 사출기 동작 상태 표시창(Screen)을 보여주며, 이를 위해서는 사출기에 압력/거리 센서와 동작 신호를 얻기 위한 링스(Lynx) 모듈이 설치되어야 한다. 이러한 데이터는 금형 캐비티 내에서 얻어지는 데이터와 연계되어, 불량 발생 시에 원인 파악과 사출기 입력조건 최적화, 그리고 유지보수 등의 부가적인 업무를 손쉽게 처리할 수 있도록 지원한다. 위의 [그림 213]은 사출기 동작과 금형 내압 및 온도 센서에서 얻어지는 데이터를 동시에 보여주는 표시창(Screen)이며, 이러한 곡선 데이터는 사출기의 동작에 의한 금형 내의 재료의 변화를 검토할 수 있도록 작업자에게 도움을 준다. 이러한 데이터를 기반으로 사출기의 동작에 관련한 알람(Alarm)을 설정할 수 있으며, 이는 20 샷(Shots) 이상의 축적된 데이터를 통계적으로 처리하여 4.5σ를 기준으로 상/하한선을 결정한다. 미래에는 AI(Artificial Intelligence)를 기반으로 보다 정밀한 공정관리와 품질관리를 수행할 수 있을 것으로 기대된다.위의 [그림 214]는 설정된 품질관리 기준값들의 매 사이클마다 변화를 모니터링하는 표시창(Screen)을 보여준다. 이를 위해서는 사출품의 품질에 연관된 변수의 이해가 필요하며, 이를 토대로 적절한 기준값을 설정하여야 한다. 앞의 장에서 강조한 4대 변수(4-Variables; 압력, 온도, 속도, 냉각속도)의 변화를 기본으로 이에 영향을 주는 사출기의 인자들을 분석하여야 하며, 캐비티의 압력과 온도 데이터와 더불어 양산 품질관리의 기준값으로 설정하여 계속 모니터링을 하여야 한다. 추후 관리 인자에 대한 수동적 설정이 축적된 데이터 기반의 AI 분석으로 전환될 전망이다.[그림 215]의 하단의 3개 창은 모니터가 아이들(Idle) 상태에서 공정운전 상황을 보여주는 메시지이다. 상단의 창은 사출기의 동작 이상이 발생하거나 재료의 변화가 발생하여, 금형 내의 상황이 기준 설정치를 벗어나는 경우에, 이에 대한 사출기의 조정값을 자동 계산하여 나타내 주는 것이다. 이러한 어드바이스(Advice) 기능은 숙련되지 않은 작업자나 엔지니어들이 손쉽게 조건 변경을 하는 것을 도와주어, 계속된 양품 생산이 이루어지도록 하는 것을 지원한다. 데이터 수집 단계(Data Acquisition)를 거쳐 데이터베이스 단계(Database Layer)에서는 서버에 설치된 HUB 시스템(S/W)을 사용하면, 위의 [그림 216], 아래의 [그림 217]과 같이 공정의 상태를 분석하고, 효율성과 생산성을 검증하기 위한 다양한 결과들을 얻을 수 있다. 이러한 데이터는 사출성형 공정의 현 상황과 문제점을 손쉽게 파악할 수 있도록 도움을 주며, 회사의 경영과 관련된 의사결정이 손쉽게 처리할 수 있도록 지원한다. 사출성형이 수많은 산업 응용 분야에서 가장 일반적으로 사용되는 플라스틱 성형기술 중 하나이기 때문에 시장규모는 지속해서 확장/진화하고 있다. 특히 맞춤형 플라스틱 부품은 의료산업 분야에서 가장 빠르게 성장하는 시장이다. 예를 들어 임신 테스트 장치, 혈액샘플 분석 큐벳(Cuvettes), 바늘용 하우징(Housing)은 사출성형 기술을 이용하여 효율적으로 양산화를 이룰 수 있는 제품들이다.Grand View Research의 보고서에 따르면, 전 세계 사출성형 플라스틱 시장규모는 2019년에 2,582억 달러(약 300조 원)로 평가되며, 추후 더 성장할 것으로 예상된다. 특히 선진국 시장에서는 품질에 대한 보다 강력한 규제와 요구가 발생할 것으로 예상되며, 이에 부합하여 모니터링 시스템과 생산과 품질에 관련된 각종 센서의 수요가 증가할 것이다. 미래에도 계속하여 발전이 요구될 분야는 고성능 재료의 사용, 재활용에 대한 책임, 그리고 소프트웨어와 AI 기술의 광범위한 사용이 될 것으로 예측된다. 특히 소프트웨어와 AI 기술은 제조업체가 처음부터 부품의 설계 품질과 정확성을 개선하고, 양산과 품질관리 비용을 절감할 수 있게 지원하게 될 것이다. 사출성형 업계는 더 나은 기술, 환경 조건 및 더 정밀한 재료 사양으로 계속 발전할 것이며, 이에 동참하기 위해서는 데이터를 수집하고 관리하며 분석할 수 있는 능력을 키우는 것이 선행되어야 한다.2. 디지털 트윈(Digital Twin)에서의 적용Digital Twin은 4차 산업혁명에서 중요한 역할을 할 것이 명백하다. 실제 공간의 실제 제품과 가상 공간의 가상 제품, 즉 물리적 공간과 가상 공간을 연결하는 디지털 트윈은 데이터와 정보의 연결 및 분석을 통하여 개발 기간 단축과 비용 절감을 손쉽게 이루게 하며, 무한경쟁 시대에 살아남을 수 있는 최선의 길을 제시한다.디지털 트윈(Digital Twin)에서의 가장 중요한 점은 시스템에 사용되는 디지털 모델에서 실제 물리적 생산 시스템으로의 복제가 어느 정도 정확도를 가졌는지 이며, 이에 따라 인공 지능과의 통합을 통한 최적화, 모니터링, 진단 및 예측, 물리적 시스템의 대량 데이터를 사용한 기계 학습 및 소프트웨어 분석 기술 등의 발전이 요구되고 있다.사출성형 분야에서도 공정 중에 용융된 플라스틱이 흐르는 방식을 시뮬레이션(Simulation)하는 소프트웨어를 이용하여, 설계 프로세스 초기에 발생하는 문제점을 사전에 방지하고, 효과적으로 부품 제조 가능성을 평가 및 수정하는 작업을 수행하고 있다.그러나 현재의 시뮬레이션 소프트웨어는 설계 단계의 방향성과 문제점을 파악하는 수준에 머물고 있는 것이 사실이며, 궁극적인 디지털 트윈을 이루기 위해서는 공정 매개 변수에 따른 제품의 품질 결함 예측, 실시간 공정 최적화, 공정 모니터링 등의 연구와 적용이 동반되어야 한다.동일한 사출성형기인 경우에 기계 사양과 모델은 동일하지만, 동일한 성능의 기계로 볼 수 없으며, 모든 사출기는 각각의 고유한 성능과 특성을 가지고 있음을 명심해야 한다. 생산이 수시로 진행될 때 상태가 변경되고, 게다가 재료의 일관성을 보장하기가 어렵기 때문에, 이로 인하여 제품 품질이 불안정해질 수밖에 없다.그러므로 금형 제작단계에서 금형 테스트 결과에 따라 설정된 생산 전의 초기 매개 변수는 생산 과정에서 얻어진 데이터를 통하여 검증되고 수정되어야 한다. 여기에 사용되는 데이터는 각 사출기에 설치된 센서를 통하여 얻어지며, 제조 공정에서 업데이트된 생산 데이터는 시스템 및 가상 모델로 피드백(Feed Back)되어 새로이 계산된 템플릿(Template)을 생성하고, 이를 사출기의 공정 매개 변수를 수정하는 데에 사용되어야 한다.시뮬레이션은 지난 30년 동안 먼 길을 걸어왔지만, 양산 과정에서 치수 변화 등과 같은 제품의 문제점을 정확하게 예측하기에는 무리가 있다. 이를 방지하려면 시뮬레이션의 정확도를 결정하는 요인이 무엇인지를 이해하여야 올바른 엔지니어링 결정을 내릴 수 있어야 한다. 시뮬레이션의 정확성은 다음과 같은 5가지 사항에 영향을 받으며, 현재로서는 정확성을 완벽하게 보장하지는 못함을 인지하고, 결과를 현장에 적절하게 적용하여야 한다.1. 적절한 메시(Mesh)의 형성 및 개수2. 알고리즘(Algorithms)의 한계성3. 일치하는 재료 물성(Material Properties)4. 시뮬레이션에서 금형 형상의 정확한 구현5. 실제 성형기 성능 정보메시를 만들 때 정확도와 컴퓨터가 계산을 수행하는 데 필요한 시간 사이에는 반비례의 관계가 있으며, 대부분의 경우 500,000개의 메시 요소가 몇 시간 내에 결과를 제공할 수 있는 반면, 12,000,000개의 요소는 완료하는 데 거의 36시간이 걸릴 수 있다. 그러므로 정확도와 해석시간 사이에 균형이 필요하다.소프트웨어 내에는 정확한 결과를 제공하기 위해 직/병렬로 발생하는 엄청난 양의 계산을 수행하여야 하지만, 모든 변수를 포함하여 계산되지는 않는다. 예를 들어 충진 과정 중의 제품과 금형의 변화는 압력, 온도 및 속도의 계산이 포함되지만, 그 외의 많은 변수들이 고려되지 않는 비교적 간단한 냉각 계산을 수행한다. 다양한 압력, 속도 및 온도에서의 재료 거동 물성은 정확도를 높이는 요소 중에 중요한 사항이나, 현실적으로 수백 수천 가지 재료에 대한 정확한 물성을 입력하여 시뮬레이션을 수행할 수 있는 것은 아니다. 그러므로 시뮬레이션 결과를 이용할 때에 실제와의 갭(Gap)을 인지하고 적용하여야 하며, 미래에는 측정기술과 알고리즘의 발전, 그리고 AI 기술의 적용으로 정확도가 개선될 것으로 예측된다.현장에서 시뮬레이션 결과와 실제 제품의 품질 사이에서 상당한 차이가 종종 발생하며, 이는 성형기의 성능과 특성을 고려하지 않고 해석조건을 성형기의 조작 변수로 바로 입력하여 발생하는 경우가 대부분이다. 이를 해결하기 위해서는 사출기의 성능과 특성을 고려한 정규화(Normalization)된 템플릿(Template)을 사용하여, 입력조건을 시뮬레이션과 사출기가 공유하여 사용하여야 한다.모니터링 시스템과 각종의 물리적 변수를 측정하는 센서들은 시뮬레이션과 실제 제품과의 갭(Gap)을 메울 수 있는 역할을 수행하며, 시뮬레이션 소프트웨어의 정확도 향상에 유용한 데이터로 활용된다. 또한, 이러한 데이터는 사출성형 분야에 인공 지능 기술을 적용하는 데에도 필수적으로 필요하다.사출성형 산업에서 디지털 트윈(Digital Twin)을 구현하기 위해서는 사물 인터넷(IoT)과 Cyber Physical System(CPS)을 기반으로 금형 설계에서 최종 사출성형 공정까지의 데이터 축적과 분석 기술이 수반되어야 한다. 현재에는 데이터 자동 획득, 센서의 개발, 실시간 자동 육안 검사 시스템, 최적화 및 예측 분석 모델과 같은 몇 가지 해결되지 않는 문제들이 존재하며, 이를 해결하기 위하여 다양한 전문가와 연구가들이 계속적으로 노력하고 있다.스마트 공장(Smart Factory)과 디지털 트윈(Digital Twin)은 현재의 사출성형 산업에서의 잠깐의 유행이나 장기적인 관점에서의 트랜드(Trend)가 아니라, 가까운 미래에 회사의 명운을 좌지우지할 수 있는 이슈(Issue)임을 알아야 한다.“스마트공장(Smart Factory)을 위한 사출성형 모니터링 및 최적화 기술”이란 제목으로 1년 동안의 연재를 마무리하며, 부족한 점이 많았던 부분에 대하여 죄송스럽게 생각합니다. 여러분들께서 기사의 오류나 개선되어야 할 점에 대해서 피드백을 주신 것에 감사드립니다. 그리고 그 동안 부족함에도 불구하고 읽어 주신 모든 분들께 감사의 마음을 전합니다.< 연재 끝 >
취재부 2021-03-08