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시험 사출의 준비 과정에 대하여

자료제공: 우진플라임 기술교육원 교수 한선근사출현장에서는 늘 양산 제품만 작업할 수 있는 것은 아닙니다.때로는 새로 제작한 금형에 대한 시험 사출이 진행되는데, 이런 시험 사출을 진행하는 과정에서 경험과 기술이 습득되기도 합니다. 일반적으로 시험 사출을 진행하는 과정에서 부서 간의 유기적인 협조가 필요한데 이때 늘 부서 간의 이견이 발생하는 경우가 많습니다. 생산은 양산을 해야 하고, 개발이나 조달을 담당하고 있는 부서에서는 빠르게 신제품을 양산하기 위한 승인이 필요하기 때문에 시험 사출을 진행하려고 합니다.이런 시험 사출을 진행하는 과정을 문서로 남겨야 합니다.또, 개발에서는 시험 사출 의뢰서를 작성해야 합니다. 시험 사출 의뢰서는 생산 관리부서와 서로 의견이 조율되어있지 않으면 작성할 수가 없습니다. 제조회사는 납기 준수가 필수이기 때문에 우선시 되는 것은 양산 작업입니다.이렇게 시험 사출 의뢰서가 생산에 접수되면 생산 관리 담당자는 생산 일정에 차질이 없는지 확인 후 -이때 확인할 사항은 다음과 같습니다. 재고 파악이 우선 되어야 하고, 차기 납기에 차질이 생기지 않을지 파악하여- 생산 관리자에게 보고합니다.이때 생산 관리자는 시험 사출 의뢰서의 내용을 파악하여 우선시 되어야 하는 것들을 시행하여야 합니다. 금형 입고 확인, 재료 입고와 건조현황 파악, 배정된 기계의 상태 파악(생산 수량), 제품에 대한 기계 제원 파악(형체력), 사출용적량, 주변 기계 등등 이러한 사항이 파악되어 시험 사출을 진행하게 되면 다시 한번 시험 사출을 진행한 성형기의 제원을 파악해 보는 것이 좋습니다. 이때는 성형기의 메뉴얼에 나와 있는 제원표를 참고하는 것입니다.또한, 사용되는 재료의 물성표를 참조하여 수지의 온도와 금형 온도 등 특징을 파악하는 것이 시험 사출을 하는 데 도움이 됩니다.시험 사출을 진행하는 과정은 변수가 많이 발생할 수 있기에 여러 가지 대처 방안이 모색되어야 합니다. 일단 금형을 장착하고 형체력을 설정하여야 하는데 사출을 진행하지 않은 상태에서는 형체력을 과하게 설정하는 것은 좋지 않습니다. 아래는 형체력(ton) 계산식입니다. 유압식 사출성형기는 ton으로 설정하는 방식을 사용하며, 전동식을 KN을 사용하고 있습니다. 사출성형기의 메이커에 따라 달라질 수도 있습니다.형체력 F = P*A*(안전계수)입니다.즉, 형체력은 = 제품 투영면적(㎠) × 사용하는 수지의 평균압력(㎏f/㎠) × 안전계수입니다.안전계수는 금형과 사용하는 사출성형기의 성능에 따라 1.2%~1.5%로 설정해 주시면 됩니다.제품 투영면적: 금형의 이동 방향으로 사출 제품에 평형 광선을 비췄을 때의 그림자의 면적을 말하며, 이때 총 투영면적은 제품의 면적+런너와 게이트의 면적도 포함합니다.형체력을 구할 때, 또 한 가지 재료에 따르는 형 내 평균압력을 곱해야 합니다.다음으로 고려해야 할 사항은 사출 중량입니다. 아무리 충분한 형체력이 뒷받침되어 있어서 사출량이 부족하다면 원활한 시험 사출을 진행할 수 없습니다. 이에 시험 사출을 진행하고자 결정된 사출성형기의 제원표와 실 사출량을 계산하여 충분한 양이 확보되는지 확인이 필요합니다.실 사출량 = [이론 사출 용량 × 용융 수지의 밀도(수지 밀도 × 효율)]사출성형 조건을 잘 설정하는 유능한 관리자라고 해도 마지막으로 갖추어야 할 기술은 방향 제시입니다. 조건을 잘 설정하여 품질이 우수한 제품을 생산하는 것도 좋지만 시험 사출은 늘 다른 변수를 예상하며 조건의 설정보다는 금형에 대한 또는 제품에 대한 여러 가지 문제점을 개발부서와 금형부서 등 관련된 부서에 전달하고, 의견을 조율 또는 방향을 제시해 주는 역할을 하는 것이 최선입니다. 이때 작성하는 문서가 시험 사출 결과 보고서입니다.시험 사출이든 양산 작업이든 부서 간의 견해차를 줄이고, 서로 조금씩 이해가 되어야 좋은 품질과 원하는 수량의 작업이 잘 될 수 있을 것 같습니다.잠깐! 부서 간에 친하게 지내는 것이 좋으나, 생산과 품질부서는 상호 간에 지켜야 할 선이 있습니다. 품질부서와 생산이 서로 협의와 합의를 한다면 품질 불량이 발생할 수도 있으니, 늘 선의 경계를 잘 지키면서 상생해야 합니다.
취재부 2021-03-06
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KompoGTe® LFT 내습성 향상 고충격 Grade

- PA66/PPA가 Alloy된 LN5G60BL은 Polyamide의 취약한 내습성을 개선 코오롱플라스틱(주)의 열가소성 장섬유 강화 복합소재인 KompoGTe® LFT는 해를 거듭할수록 진화하고 있다.연속 섬유를 일정한 힘으로 당기면서 다양한 수지와의 함침을 유도해 내는 인발 공법(Pultrusion Process)은 연속 생산이 유리할 뿐 아니라 소재의 형태나 모양도 타 공정에 비해 다양하게 생산할 수 있는 장점을 가지고 있어 복합소재 생산 방식으로 널리 적용하고 있다. 또한, 사출 성형이 가능한 펠릿(Pellet) 형태 중 보강 섬유의 평균 잔존 길이가 상대적으로 길어 기계적 물성이 우수한 장점을 가지는 LFT는 미국 및 유럽 등 선진 자동차 부품 시장에서 Door Module Plate, Crash Pad Core 등의 부품용 소재로 활용되고 있으며, 세탁기 아웃 터브, 아스팔트 첨가제 등 전기·전자 및 산업용 자재 시장으로도 확대되고 있다.코오롱플라스틱(주)는 다양한 Application 적용을 위한 PP 계 LFT 외에도 주력 소재인 PA6 계를 적용한 LFT도 양산 판매하고 있으며, 함침성 및 성형성 등 다양한 특성에 있어서 타 소재 대비 우수한 것으로 평가받고 있다. 그러나 범용 LFT의 경우 기계적 물성 및 내열 특성의 한계로 현재 적용되고 있는 시장 외의 신규 Item의 확장에 제약을 받고 있으며, 고강성 LFT의 경우는 기계적 물성뿐 아니라 다양한 조건에서도 안정적으로 사용이 가능한 환경 특성을 만족하는 Grade에 대한 요구가 확대되고 있는 실정이다.이에 코오롱플라스틱(주)는 환경 특성에도 강성이 유지되는 LFT 개발에 성공하였다.KompoGTe® LFT LN5G60BL은 PA66/PPA가 Alloy된 소재이다. LN5G60BL은 Polyamide가 가지는 취약한 내습성을 개선하여 포화상태에서도 10% 이하의 현저히 적은 물성 감소율을 나타낸다. 환경조건에 따라 공기 중 또는 주행 중의 수분흡수가 불가피한 대부분의 자동차 부품 특성을 고려한 고강성 장섬유 강화 플라스틱 소재이다. 또한, 수분을 제거한 상태에서도 원래의 물성과 동등한 물성 특성이 발현되는 장점을 가지며, 타 플라스틱 소재와 단순히 기계적 물성만 비교하더라도 고인장, 고충격 성능을 가지는 엔지니어링 플라스틱 LFT 소재로 각광받고 있다.LN5G60BL의 주요 Application은 사출 공정을 주로 이용하는 복잡한 형태의 골격 역할에 주로 사용되는 구조용 제품이나, 플라스틱 기어류, 고내열 부품류 등 비틀림이나 휘어짐을 방지하고 강성을 높이기 위해 사용되는 제품에 적용할 수 있으며, 뛰어난 내습성을 바탕으로 다양한 환경에 노출되는 제품으로 활용하기에 적합하다.또한, 국내 최초로 상업화 개발된 해당 소재는 2020년 12월에 현대자동차, 덕양산업과 공동으로 LN5G60BL 소재를 적용한 자동차용 CCB(Cowl Cross Beam)을 개발하여 소재의 우수성을 인정받았으며, 산업 기술혁신 촉진법에 의거한 NET(신기술)로 일체형 CCB 제조의 기술성을 인증받는 성과도 달성하였다. 해당 CCB는 금속 소재의 복잡한 제조 공정 없이 사출 공정으로 제품을 제조할 수 있어 공정의 단순화와 경량화 및 가격경쟁력을 확보하는데 유리한 것으로 평가받고 있다.현재 다양한 산업 분야에서 다루어지는 경량화 추세는 에너지, 건축 등 주요 산업의 핵심 트렌드로 이슈화되고 있으며, 특히 자동차 산업에서 주요 관심사였던 경량화는 전동화, 친환경, Flying-Car와 같은 미래차 시장에서도 연비와 직결되는 핵심 사항임을 부정할 수 없는 것이 현실이다.따라서 효과적인 중량 절감을 위한 고성능의 비금속 소재에 대한 요구는 지속적으로 확대될 것으로 예상되는 만큼, 코오롱플라스틱(주)는 엔지니어링 플라스틱을 기반한 고성능의 플라스틱 소재 개발을 확대하여 시장을 선도해 나갈 것이다. 
편집부 2021-03-03
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UNIST 김건태 교수팀, 분리막 없어 더 간단한 ‘수계 금속-이산화탄소 시스템’ 개발

- 물에 녹은 이산화탄소로 수소와 전기 생산하는 독자 기술의 진화… Nano Energy 게재온실가스인 ‘이산화탄소’를 없애는 동시에 ‘수소’와 ‘전기’를 더 쉽고 빠르게 생산하는 새로운 시스템이 개발됐다.UNIST(총장 이용훈) 에너지화학공학과 김건태 교수팀은 시스템을 분리하는 멤브레인(분리막)이 필요 없는 ‘멤브레인 프리(Membrane-free) 수계 금속-이산화탄소 배터리’를 개발했다. 기존 ‘수계 금속-이산화탄소 시스템’과 달리 전극 분리막이 없어 제조 공정이 간단할 뿐만 아니라 한 종류의 전해질만으로 지속적인 동작이 가능하다.다양한 금속-이산화탄소 배터리 시스템 모식도 기존 선행 금속-이산화탄소 배터리 시스템(Organic Metal-CO2 battery)으로부터 현재까지 배터리 시스템의 발전 방향 가장 오른쪽이 이번에 개발한 멤브레인(‘Membrane-free’ 금속-이산화탄소) 배터리임. 이산화탄소 활용 성능 및 가격 경쟁력이 향상되고 있음.김 교수팀은 선행연구를 통해 ‘수계 금속-이산화탄소 시스템’을 세계 최초로 개발한 바 있다. ‘수계 금속-이산화탄소 시스템’은 이산화탄소가 녹아 산성화된 물에서 자발적으로 발생하는 화학 반응을 통해 이산화탄소를 수소와 전기로 바꾸는 시스템이다.이번에 개발된 ‘멤브레인 프리 수계 금속-이산화탄소 배터리는(Membrane-free Mg-CO2 Battery)’은 음극(마그네슘 금속), 수계전해질, 양극(촉매)만을 필요로 한다. 수소 발생 효율(패러데이 효율)이 92%로 높을 뿐만 아니라 충전 반응에서 생성되는 산소와 염소도 유용하게 쓸 수 있다.* 패러데이 효율(Faradaic efficiency): 반응을 일으키는데 사용되는 전류를 100으로 두고, 원하는 반응에 사용된 전류가 그 중 얼마인지 측정하는 것을 말한다.Membrane-free Mg-CO2 battery 전기화학 성능 분석 및 이산화탄소 활용 및 수소 생산 효율 데이터 (a) 최대 전력 생산량이 202.3mA cm-2의 전기화학적 성능을 가지며, (c) 최대 출력의 경우 64.8mW cm-2의 결과값을 보임. 수소 전환 효율의 경우 평균 > 92% 패러데이 효율을 가지는 것을 파악함.이산화탄소를 제거하는 동시에 유용한 자원을 생산하는 ‘이산화탄소 활용 및 저장기술(Carbon Capture, Utilization and Storage; CCUS)’이 주목받고 있다. 이산화탄소로 전기에너지를 생산하는 ‘금속-이산화탄소 전지’(Metal-CO2 Battery) 기술도 그중 하나이다. 하지만 금속-이산화탄소 전지는 반응이 지속되면 전극에 쌓이는 고체생성물 때문에 전지용량이 떨어지는 단점이 있다.김정원 UNIST 에너지공학과 석‧박사통합과정 연구원(제1저자)은 “수계-금속 이산화탄소 시스템은 ‘금속-이산화탄소 전지’와 달리 반응 생성물이 기체와 이온 형태로 존재한다는 점에서 지속적으로 구동 가능한 효율적인 CCUS 기술”이라고 설명했다.Membrane-free Mg-CO2 battery 모식도 및 생성물실제 시스템 방전 후, 이산화탄소가 변환되어 탄산마그네슘(MgCO3)염 고체 형태로 형성된 것을 확인할 수 있음.연구진이 개발한 멤프레인 프리 수계 금속-이산화탄소 배터리(Membrane-free Mg-CO2 Battery)는 음극(마그네슘 금속)과 수계전해질, 양극(촉매)만 필요하다는 점에서 수소차 연료전지와 유사한 구조다. 하지만 연료전지와 달리 촉매가 물속(수계전해질)에 담겨 있으며 음극과 도선으로 연결돼 있다. 물에 이산화탄소를 불어넣으면 전체 반응이 시작돼 이산화탄소는 사라지고, 전기와 수소가 만들어진다.전동협 동국대학교 기계시스템공학 교수는 “시뮬레이션 결과 멤브레인 프리(Membrane-free) 수계 금속-이산화탄소 배터리의 성능 저하 원인을 정밀하게 찾아낼 수 있었다”며, “문제점의 정확한 진단을 통해 지금보다 향상된 이산화탄소 활용 배터리를 개발할 수 있을 것”이라고 전했다.김건태 교수는 “제조 과정은 단순화하면서도 이산화탄소 활용도를 더 높인 ‘멤브레인 프리’ 기술로 수계 금속-이산화탄소 시스템의 상용화를 앞당길 수 있을 것”이라며, “이번 연구는 단순히 새로운 이산화탄소 활용 시스템 개발에 그치지 않고 더 많은 파생 연구로 이어질 것”이라고 설명했다.Membrane-free Mg-CO2 battery를 활용한 충·방전 에너지 사이클 모식도이번 연구는 동국대 전동협 교수와 뉴 사우스웨일스 대학교(University of New South Wales)의 리밍 다이(Liming Dai) 교수가 함께 참여했다. 연구결과는 에너지 분야 세계적 권위지인 ‘나노 에너지(Nano Energy)’에 1월 4일자로 온라인 공개돼 출판을 앞두고 있다. 연구 수행은 한국동서발전, 과학기술정보통신부-한국연구재단 (NRF) 등 지원으로 이뤄졌다.* 논문명: Indirect surpassing CO2 utilization in membrane-free CO2 battery자료문의: 에너지화학공학과 김건태 교수(052-217-2917)
편집부 2021-02-16
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우리 생활에 없어서는 안될 유용한 플라스틱 제품을 만드는 사출성형기 이야기 31

기고 : LS엠트론 김영기 고문010-6603-8210 / ykkim2025@gmail.com4. 용융온도가소화 장치의 역할은 열적으로, 그리고 기계적으로 균질의 용융재료를 생산하는 것이며, 일정한 사출량을 공급하기 위한 것이다.용융온도에 영향을 미치는 요인* 실린더 내에서 영향을 미치는 인자- 실린더 내벽 온도- 배압- 스크류 회전속도- 실린더 내에서의 용융재료의 체류 시간* 금형 내에서 영향을 미치는 인자- 핫 런너 내에서의 용융재료의 체류 시간- 핫 런너 설정 온도- 금형에 충진 시 발생 되는 전단열- 금형 벽 온도용융온도가 증가하게 되면……용융온도가 증가하게 되면 다음과 같은 현상이 나타난다.- 웰드라인의 발생이 감소하게 된다.- 결정화도가 증가하게 된다.- 재료 점도가 감소하게 된다.- 배향 정도가 감소하게 된다.- 금형 내에서 압력손실이 감소하게 된다.- 용융재료의 열적응력이 증가하고 열분해에 의한 가스 방출을 향상시킨다.- 노즐 스프루 게이트 시스템에서 분자 체인의 파손과 금형에서의 수많은 바이패스와 좁은 단면적에 의해서 용융재료의 기계적 응력(전단)이 감소하게 된다.- 냉각시간이 약간 증가하게 된다. (대략 0.3% / ℃)용융온도와 압력의 측정을 위해선 하기 그림과 같이 바렐에 측정을 위한 플렌지를 장착할 수 있다.4.1. 실린더 온도실린더 온도는 가열 실린더의 길이 방향 구멍(용융 채널 근처의 노즐에서) 근처에서 측정한 온도이다. 운전하는 경우에 따라 재료용융에 필요한 에너지의 60에서 85%까지 구동 에너지에 의해서 발생하지만, 용융 온도는 실린더 벽 온도 특히 후열 2개 존에 의해 강한 영향을 줄 수 있다. 그것은 초기에 평균 추천 값으로 시작되어야 한다. 열적으로 민감한 플라스틱 재료에 있어 용융재료에 열을 적게 가하기 위해 노즐 방향으로 증가하는 온도 프로파일을 사용한다. 이 프로파일은 용융재료의 잔류시간이 긴 경우 유리하다.- 냉각시간이 매우 긴 경우- 계량스트로크가 매우 작은 경우- 스크류 채널 또는 핫 런너 내에 큰 재료용적을 가지는 경우노즐 방향으로 증가하다 감소하는 온도 프로파일을 사용하는 경우는 오픈 노즐을 사용하는 경우 다음과 같은 현상을 방지하기 위해 사용된다.- 늘어짐(Stringing: 실바리) 현상을 방지하기 위한 경우- 많은 양의 누출 손실을 방지하기 위한 경우용융재료에 좀 더 많은 열을 전달하기 위해 호퍼 부에서 노즐 방향으로 약간 감소하는 온도 프로파일을 사용하는 경우는 다음과 같다.- 큰 계량스트로크에 의해 많은 양의 수지가 충진되며, 짧은 냉각시간을 가지는 경우- 날이 깊은 스크류 또는 베리어 스크류를 사용하는 경우수지공급부의 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 수지공급 부의 최적 온도는 기계를 설정할 때 결정돼야 한다. 여기서 스크류 스트로크에 의한 공급성능의 가이드로서 계량용량의 일정함이 고려될 수 있다. 평균 추천 값으로 시작하고 가소화 장치가 쇼트별 일정한지 점검하는 것을 추천한다. 그렇지 않을 때 가능한 수지공급 부 온도의 점진적 변화가 보다 좋은 기계 설정에 인도한다.4.1.1. 실린더 히팅실린더와 노즐 가열을 위한 열가소성 플라스틱의 성형을 위한 사출성형기에서 운모나 운모절연 히터가 사용된다.좋은 기계의 온도상승을 위해 히터밴드가 고정볼트에 의해서 장착된다. 그렇지 않으면 이른 파손이 나쁜 열전도 때문에 일어난다. 실린더표면의 표준 히팅 용량은 3~3.5 Watt/㎠이다. 일반적으로 공급 존에서 스크류 팁까지 온도가 올라가는 프로파일이 설정된다. 특수장비로 용융온도와 압력측정을 위한 측정용 플렌지가 추천되는데, 이는 중요한 공정변수로 표시되고 평가될 수 있다.실린더 히팅 작업이 성형제품에 미치는 영향- 흑줄 (과열에 의한 재료의 열 손상)- 완전히 용융되지 않은 재료 입자 (매우 작은 이송에너지)- 늘어짐 (실 바리: 스프루와 노즐 사이의 제한된 용융상태 유지)4.2. 계량스크류의 회전에 의해서 재료가 스크류 채널로 공급되고, 압축되면서 열에 의해 계량된다. 용융의 추가적인 가열의 원인이 되는 전단력이 나타난다. 용융재료가 스크류 전방의 공간으로 전송되고, 조정 가능한 배압하에서 스크류를 뒤로 미는 승압, 그리고 설정한 사출량에 상응하는 계량된 재료를 스크류 전방의 공간에 채운다. 이 공정에서 사출장치는 전진되어 있다. 노즐이 금형에 접촉되어 계량공정 중 실린더로부터 수지가 새는 것을 방지한다.계량공정이 성형제품에 미치는 주요한 영향- 색줄 (스크류에 의한 안료의 불 충분한 분산)- 흑줄 (가소화 실린더 내에서 플라스틱 재료의 열 손상)- 완전히 용융되지 않은 재료 입자 (매우 작은 이송에너지, 매우 작은 체류 시간)- 미충전된 성형제품 (너무 작은 계량량)계량을 위해 5단계의 계량속도와 배압의 프로파일을 설정할 수 있다. 각각의 계량속도와 배압이 계량스트로크를 5 등분하여 동작한다.설정값은 그래픽 이미지에서 배압과 계량속도 절환 위치를 수동으로 변화할 수 있다. 그리고 5등분으로의 자동분할은 계량스트로크 C1에 같은 값을 두 번 입력하면 가능하다.4.2.1. 계량스트로크계량스트로크는 한 사이클 내의 스크류의 전 스트로크이다. 선택한 계량스트로크가 스크류 직경 대비 상대적으로 너무 적거나 너무 큰 경우 열적 문제나 표면 불량이 발생할 수 있다.계량스트로크가 스크류 직경보다 작은 경우의 단점(1D)- 열적으로 민감한 플라스틱에 긴 체류 시간을 제공- 상대적으로 긴 반응시간이 소요되며, 역류 방지 밸브의 반응시간 편차 발생계량스트로크가 스크류 직경보다 3배 이상인 경우의 단점(3D)- 완전히 용융되지 않은 재료에 의한 줄 발생- 기포 발생- 열적으로 불 균일한 용융상태보압절환점에 의해 금형 캐비티를 충진하기 위해선 초기에 스크류 전방 공간에 충분한 용융량이 어느 정도 큰 계량스트로크의 설정에 의해서 확보되어야 한다. 충진 상태를 확인하기 위해선 초기에 적은 계량스트로크를 설정해서 조금씩 증가해야 한다.4.2.2. 배압배압은 스크류가 계량시간 동안 전달하는 스크류 전방공간에 용융재료에 작동하는 압력이다. 유압실린더의 출구에서 압력을 변화시킴으로써 바꿀 수 있다.배압의 역할은 다음과 같다.- 용융재료의 열적 균질화를 제공한다. 특히 스크류의 전단 작용에 의해 용융되지 못하여 입자 상태로 존재하는 플라스틱에 있어 반드시 필요로 한다.- 기계적인 동질성, 예를 들어 안료 또는 첨가제를 고르게 분산시키게 된다.- 입자 상태의 플라스틱 재료와 함께 침투한 공기를 호퍼 방향으로 배출시킨다.- 계량공정 중 유효 스크류 길이의 감소에 따라 발생하는 온도감소에 대해 축 방향의 온도 프로파일을 상승시켜 보상하게 된다.- 갇힌 공기에 의해 매 쇼트마다 발생하는 재료 잔량(쿠션량)의 편차를 감소시키게 된다.배압이 증가하면 계량용량은 떨어진다. 즉 계량시간이 늘어난다. 요구되는 배압의 크기는 사용 플라스틱 재료의 용융 점도와 열적 민감도에 따라 다르다. 초기에는 적은 배압으로 시작해야 한다.4.2.3. 계량속도계량속도는 분당 스크류의 회전수이다. 스크류 원주 속도는 회전수를 곱하는 스크류 원주와 시간의 비율이다. (v=d×p×n) 원재료에서 용융으로의 계량이 스크류의 회전에 의해서 일어난다. 회전에 대한 기준은 스크류의 원주 속도다.너무 높은 스크류 회전속도는 종종 다음과 같은 불량을 일으키게 된다.- 용융재료의 열적 손상- 유리섬유의 길이 감소- 스크류와 실린더의 마모 증대계량에서 전체의 가용시간이 사용되어야 한다. 계량용량이 증가하는 것에 대해선 감소하는 계량시간이 말해준다. 사이클 시간을 결정하는 계량시간을 줄이기 위해선 배압을 줄일 수 없을 때 계량용량을 증가시키기 위해선 깊은 골을 가진 스크류나 직경이 큰 스크류를 사용하는 것이 정확하지 않을 땐 안전하다. 열적으로 민감한 패키징처럼 흐름이 아주 좋은 재료에서의 최대 원주 속도인 0.1m/s까지는 재료와 기계 제조업체의 공정데이터 표에서 얻을 수 있다. 하지만 최대속도의 적용은 전단력에 민감할 수 있는 안료나 난연제 같은 첨가제에 의해서 제한된다.허용 가능한 최대 원주 속도(v) 0.1m/s인 재료에 직경 40㎜의 스크류가 장착된 기계에서 허용되는 계량속도는 하기와 같이 계산한다. 4.2.4. 계량시간 감시계량시간 ZDx는 계량속도, 배압, 스크류 구조와 재료의 공급효율에 달려있다. 동일한 기계 설정값에서 계량시간 변화는 스크류와 실린더의 마찰과 마모의 다른 율로 인한 다른 공급효율에 관한 것을 의미한다. 계량감시 시간 ZD를 ON 시키면 계량과 석백이 설정 시간 내에 마쳐야 한다. 그렇지 않으면 계량시간 초과 에러가 발생함과 동시에 계량과 다음 사이클이 중단된다.4.2.5. 계량 수계량공정의 서류와 감시를 위해서 치수없는 계량 수가 공정분석의 화면에서 결정되고 표시된다. 이 공정변수는 계량에 필요한 평균압력을 뜻한다. 이것은 계량 모터의 필요한 힘 혹은 토크에 비례한다. 계량 수(PLZ)는 계량작업과 계량공정에서의 연속성을 알려 준다. 계량 수는 항상 계량 시작에서부터 완료까지 결정된다. 이것은 품질데이터프로그램인 QDP에서 선택하고, 기록되고 감시된다.자료제공: LS엠트론 기술교육아카데미 (http://lsmtronacademy.com)
취재부 2021-01-31
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재사용·재활용을 위한 접착·분리 기술

1. 서론 우리가 사용하는 다양한 공업제품은 수많은 소재와 부품으로 구성되는 경우가 대부분으로 각 구성 부품은 조립, 접합의 방법을 통해 완제품으로 완성된다. 특히 접착제에 의한 접착은 낮은 비용, 경량성, 이종재료 접합의 용이성 등의 특징으로 인해 점차 적용이 확대되고 있다. 접착 기술은 수천 년의 역사가 있는 오래된 기술로 그동안의 접착 기술은 접착 강도를 최대한 높여 영구적으로 접합 상태가 유지되는 것을 지향해왔다. 그러나 최근 지속 가능한 순환사회를 위한 자원의 재사용, 재활용이 중요시되면서 접합부가 쉽게 분리될 수 있게 하는 것이 중요해지고 있다. 사용이 끝난 제품은 분리되어 재사용의 경우는 다시 접합되어 사용된다. 재활용의 경우는 원재료까지 분리된 후 부품으로 가공되어 접합되어 사용된다. 이 과정에서 분리가 어려운 영구접착은 재료의 종류에 따른 분별 회수가 어려워 재자원화에 장애가 되고 있으며 필요에 따라 분리, 분해가 가능한 접착제가 사용되면 재사용·재활용 비용을 낮출 수 있다. 2. 해체성 접착·점착해체성 접착제란 사용 시에는 충분한 접착 강도를 가지며 필요한 때에 외부의 자극에 의해 빠르게 접착 강도가 저하하는 성질을 가진 접착제이다. 해체성 접착제의 용도는 이종재료의 분별 회수나 불량부품의 교환, 자원 재활용 등으로 제조공정에서의 가 접착 용도와 리워크 접착에서의 수요도 높다. 접착 강도가 유지되고 있을 때 접착제 분자 간에는 물리적 및 화학적인 상호작용이 강하게 작용하고 있다. 접착제가 해체성을 갖도록 하기 위해서는 그러한 상호작용을 외부자극으로 약화 시키는 어떠한 장치가 필요하다. 지금까지 제안되어온 해체성 접착제를 분류하면, 외부자극에 의해 물리적 변화를 일으키게 하는 것과 화학적 변화를 일으키는 것으로 구별할 수 있다. 2.1. 해체성 접착제외부자극에 의해 물리적 변화를 일으키게 하여 접착을 분리할 수 있는 접착제의 예로는 핫멜트 접착제, 열팽창성 미립자 첨가 접착제, 저분자 접착제 등이 있다. 개발된 해체성 접착 기술은 다음과 같은 것들이 있다.통전 박리성 접착제는 에폭시 수지에 PDMS, PEG 및 특수한 염을 혼입하여 경화에 의해 섬구조를 갖는 염이 포함된 접착제이다. 섬구조의 염은 클러스터 중의 PEG를 통해 이동이 가능하여 전압이 인가될 경우 이동하게 되고 이동한 이온은 양극 피착체 표면에서 전기 화학반응을 일으켜 계면 박리를 가능하게 한다.2.2 해체성 점착제점착제는 액체와 고체의 두 성질을 갖고 있고 쉽게 탈부착이 가능하여 분리가 쉽다. 그러나 접착력을 높이면 쉽게 떼어내기 어려울 수 있어 재활용 등 분리요구에 대해 문제가 될 경우가 있으며, 쉽게 박리시킬 수 있는 해체성 점착제가 개발되고 있다. 전단 박리 테이프는 기재의 인장강도를 높임으로써 해체 시에 피착재가 파손되거나 점착제의 잔유물이 남지 않게 설계된 점착제로, 가전제품이나 OA 기기 등의 제품에 적용되고 있다.  아직까지 해체성 접착제 적용 사례의 대부분은 제조공정에서 임시 접착 용도로 사용되는 경우가 많으며, 이는 해체성 접착제의 접합강도가 상대적으로 낮고 장기적인 신뢰성 데이터가 부족하기 때문이다. 고강도 해체성 접착제는 에폭시, SGA, 혐기성 아크릴 접착제 등 구조 접착제에 해체성을 부여하거나 경화형 접착제에 해체성을 부여하는 기술로 해체성 접착제 기술의 적용 범위를 넓혀 사업경쟁력을 높이기 위해서는 신뢰성이 높은 고강도 해체성 접착제 기술을 개발해 나갈 필요가 있다.3. 고강도 해체성 접착 기술3.1. 팽창성 마이크로캡슐해체성 부여를 위해 혼입되는 발포제는 물리 발포제, 유기 발포제 및 무기계 발포제가 있다. 물리 발포제에는 열팽창 마이크로캡슐을 포함하여 재료의 기화 및 연화 등 물리적 특성을 이용한 발포에 사용된다. 이 밖에 왁스나 파라핀 등 비교적 저분자량의 탄화수소 등이 이 범주에 들어간다. ADCA(Azodicarbonamide)와 OBSH(4,4’-oxydibenzenesul fonyl hydrazide)와 같은 유기 발포제는 화학반응이 일어나는 동시에 기체를 발생하며 플라스틱이나 고무 등의 발포제로 비용이 저렴하다. 무기계 발포제로는 팽창흑연이 유명하며 접착제 박리 강도가 우수하나 입자경이 커서 도공성이 불량하다는 문제가 있다. 팽창성 마이크로캡슐 혼입 접착제는 낮은 강도의 접착제에 사용됐지만, 우레탄이나 에폭시 등 고강도 접착제에도 그 적용이 진행되고 있다. 마이크로캡슐은 polyvinylidene 또는 아크릴 수지의 쉘 내부에 액상 탄화수소가 충전되어 있으며 가열하면 내부 압력이 상승하면서 팽창을 시작한다. 다양한 팽창 개시온도와 체적 증가량을 갖는 마이크로캡슐이 개발되고 있으며, 이를 이용하여 접착제의 해체 개시온도를 선택할 수 있다. 발포제는 팽창력에 한계가 있어 고무변성 등 고인성 접착제 등의 박리가 어렵다. 특히 내열성 접착제는 Tg가 높고 고무 영역에서의 탄성률도 높아 팽창에 한계가 있으며, 접착 수지의 분자설계에 의한 개량이 필수적이다.3.2. ECODISM 프로젝트유럽에서는 자동차 부품의 해체성 및 재활용을 검토하는 EU 프로젝트가 2008년까지 진행되었으며, 여기에는 Saint-Gobain, Akzo Nobel, FIAT 등 자동차 기업을 포함한 12개 기업이 컨소시움으로 참여하였다. 프로젝트명은 ECODISM(Ecological and economical development of innovative strategy and process for clean maintenance and dismantling further recycling of vehicle parts)이며, 자동차에 적용되는 고강도 해체성 접착제의 연구와 부품의 해체성 및 재활용을 검토하는 프로젝트이다. 이 프로젝트에서 자동차 유리창과 프레임의 접착에 팽창성 마이크로캡슐을 혼입한 접착제를 적용하여 실용화 가능한 단계까지 개발되어 있다. 현재의 유리창 교체작업은 접착제 층을 와이어로 파단 시키지만, 팽창성 마이크로캡슐을 적용하여 쉽게 해체가 가능해진다. 3.3. 내열 해체성 에폭시 접착제무기계 발포제로 팽창흑연은 박리 강도가 우수하여 고강도 해체성 접착제의 팽창제로 주목받고 있다. 시스템 주방 스테인리스 싱크대 접합에 적용이 검토되고 있으며, 천연광물에 산을 인터칼레이션(intercalation)한 단순한 구성이기 때문에 비용도 낮다. 에폭시 수지의 내열성을 살리기 위해 마이크로캡슐보다 고온에서 발포하는 팽창흑연과 결합된 고내열 해체성 접착제에 대한 연구가 보고되었다. Mono functional epoxy 수지를 혼합하여 고온에서 에폭시 접착제의 탄성률을 낮추고 팽창흑연을 10wt% 혼입하여 제조된 에폭시 접착제는 CFRP와 금속의 접착에서 15MPa의 접착 강도를 나타낸다. 해체를 위해 250°C 5분간 가열처리 하면 접착 강도는 거의 소실된다. 반면에 마이크로캡슐을 20wt% 혼입한 에폭시 접착제의 상온 접착 강도는 약 13MPa이었으며, 170°C 5분간 열처리에 의해서도 10MPa의 강도를 나타내어 해체성을 얻을 수 없었다. 3.4. 해체성 우레탄 접착제우레탄 접착제에 마이크로캡슐 팽창제를 혼입하여 제조한 접착제를 이용하여 고무와 EVA foam의 해체 접착 기술이 보고되었다. 우레탄의 탄성률은 하드 세그먼트의 함량을 조절하여 변화시켰으며, 최대 팽창온도가 160~170°C인 마이크로캡슐을 혼입하고 해체를 위한 트리거로는 마이크로웨이브에 의한 가열방법을 사용하였다. 우레탄 접착제의 접착 강도와 내열성은 저장탄성률이 높을수록 우수하였으며, 하드 세그먼트 25% 이상에서 11kgf/2cm 이상의 접착 강도로 피착체가 파단되었고, 80°C에서 박리길이 1㎜ 이하의 내열성을 얻을 수 있었다. 해체를 위해 마이크로웨이브로 가열했을 때 마이크로캡슐의 팽창온도에서 저장탄성률이 높은 접착제에서는 접착제가 연화되지 않아 마이크로캡슐의 팽창을 억제하였으며 접착 강도도 떨어지지 않았다. 반면에 동일한 상온 접착 강도를 나타내지만, 마이크로캡슐의 팽창온도에서 저장탄성률이 낮은 접착제는 마이크로캡슐의 팽창에 의해 쉽게 분리되는 결과를 얻을 수 있었다. 이처럼 고강도의 접착 강도와 해체성을 동시에 얻기 위해서는 마이크로캡슐의 팽창특성과 요구 접착 강도를 고려하여 접착수지를 설계하는 것이 필요하다.3.5. 자동차 리튬 이온 배터리에 적용되는 접착·분리 기술2012년경부터 용량 20~30kWh 전후의 배터리를 탑재한 전기자동차가 시판되기 시작하여 2018년 220만대 이상이 팔리고 있다. 국내에서도 연간 약 3만 대의 전기차가 판매되고 있다. 전기자동차가 10년 전후의 수명이 끝났을 때 발생하는 중고 배터리는 연간 수만 개에 이를 전망이고, 회수되는 배터리를 저렴한 비용으로 재사용·재활용이 가능하게 하는 기술 및 방법의 확립이 필요한 시점이다.자동차 리튬이온 전지 셀은 수지와 금속의 적층 필름으로 밀봉된 라미네이트형 셀로 알루미늄 합금 등의 금속용기를 이용한 하드 셀로 분리되어 있다. 밀봉에는 용접이나 융착이 이용되고 이러한 셀을 여러 개 묶은 모듈이나 모듈을 묶은 팩의 형태로 자동차에 탑재된다. 모듈에는 각 셀이 용접, 나사 고정, 접착 등의 방법으로 접합되어 있다. 중고 배터리를 자동차 이외의 용도로 재사용하는 경우 필요한 전류·전압·용량이 다르기 때문에 모듈을 셀 단위로 분해하여 다시 모듈로 조립하여 사용한다. 모듈은 부스바 부분이 레이저 용접 등으로 접합되어 있고 전지 용기끼리의 고정에는 접착제가 사용되고 있다. 용접부를 쉽게 분리할 수 있는 기술 및 접착제 접합 부분을 쉽게 분리할 수 있는 기술이 있으면 분리·해체 비용을 대폭 낮출 수 있다. 방법의 일례로는 전지 셀을 마이크로캡슐을 혼합한 접착제로 접착 고정하고 전극 단자를 도마뱀 발가락 구조의 부스바로 접합하는 것이다. 해체 시에는 가열로 접착제를 분리하고 특정 방향으로 힘을 가해 부스바를 제거할 수 있다. 여기에 자원 재활용을 위해 용접 접합부에 Ga을 도포하여 용접부를 제거하고 외장용기와 내부 전극을 분리해 낸다. 이렇게 분리하면 부품마다 개별로 재활용함으로써 자원 회수율을 높일 수 있다. 외부자극에 의해 해리되는 화학결합으로는 비가역 해리와 가역 해리가 있으며, 그 화학결합의 예가 그림 12와 13에 있다. 비가역 해리 화학결합으로는 열분해성의 화학결합이 다양한 열해체성 폴리머 네트워크에 도입되고 있다. 220°C 부근에서 열분해하는 1급 및 2급 carbonate, 250°C에서 열분해하는 acetal ester, 258°C에서 열분해하는 phosphite 등이 접착재료로서 연구되고 있으며, 이러한 열해리 결합을 이용하여 Wong 등은 플립칩 디바이스용 thermally reworkable underfill을 제작하였다. Polyperoxide는 보다 저온인 100°C 부근에서 분해하며 가수분해성을 갖는 polycyanurate나 광분해성을 갖는 o-nitrobenzyl 부위 등도 해체성 접착제로 이용되고 있다. 가역적으로 해리와 재결합을 형성하는 결합을 접착제에 도입하는 것은 피착체의 가 용접이나 접착 위치의 미세조정, 또 접착제 자체의 재사용·재활용에 유익하다. 이러한 일련의 화학결합은 일반적으로 동적공유 결합(dynamic covalent bond)이라고 불리며 평형 반응에 의해 해리와 재결합의 교환이 가능하다. 따라서 평형 반응을 외부자극에 의해 제어할 수 있다면 접착유지, 해체, 재접착이 가능해진다.4. 화학결합 해리에 의한 해체성 접착 기술4.1. Disulfide 결합을 이용한 해체성 접착제Disulfide 결합은 탄소-탄소 결합보다 약하지만, 산소-산소 결합보다는 강하며 공유결합이면서 비교적 저온에서 반응할 수 있고 광 반응도 가능하다는 특성이 있다. Disulfide 결합의 특징으로는 1) 균일한 해리 2) 금속과 강한 상호작용 3) 비교적 저온 영역(실온~ 150도)에서의 다채로운 반응 형태 등이며, 이러한 disulfide 결합의 반응성을 이용하여 열 및 광 해체성 접착제의 예가 보고되었다. 광염기 발생제(photobase generator, PBG), 염기 증식제(Base amplifier, BA) 및 관능성 에폭시 수지로 구성된 anionic UV 경화계 접착제에서 BA는 365nm 광(50mW) 조사에 의해 PBG로부터 발생한 염기를 트리거로 자기 촉매적으로 분해하여 염기를 발생하는 화합물이다. PBG/BA/EP1(disulfide 결합 함유 에폭시 수지)과 PBG/BA/EP2(일반 에폭시 수지)로 접착 시편을 제조하여 시험한 결과, disulfide 결합이 없는 PBG/BA/EP2에서는 100°C 가열에 의해 해체되지 않는 반면, PBG/BA/EP1에서는 100°C 가열에 의해 해체되었다. 가열상태에서 경화물에 응력이 추가되었을 때 미시적으로 특정한 네트워크 사슬에 응력이 집중되고 가장 분해하기 쉬운 disulfide 결합(diarylsulfide 결합)이 해리되어 라디칼이 생성되면서 가교가 해제되고 인접한 disulfide 결합과 교환반응을 일으킴으로써 결과적으로 응력이 완화되는 것으로 추정된다. 유사한 예로 PBG와 결합된 열경화성 Poly(olefin sulfone)은 빛과 열로 분해되어 해체성 접착제로 사용할 수 있다.4.2. 주사슬 분해성 고분자를 이용한 해체성 접착제Polyperoxide를 이용한 해체성 접착재료는 다른 주사슬 분해성 고분자를 이용하는 예와 비교하여 100°C 정도의 비교적 온화한 조건 하에서 해체할 수 있다. Sorbic ester로부터 만들어지는 polyperoxide는 열 또는 UV에 의해 주사슬이 분해되어 해체성 접착재료로 사용할 수 있다. Hydroxyethyl sorbate의 polyperoxide 화합물(PP-HES)은 TDI와 같은 다관능 이소시아네이트와 반응하여 열분해 가능한 가교 polyperoxide(가교 PP-HES)가 된다. 가교 PP-HES는 우레탄기를 포함하고 있기 때문에 유리나 알루미늄판에 대해서 높은 접착성을 보여 핫멜트계 접착제에 필적하는 값을 보인다. 110°C에서 2시간 가열 처리에 의해 PP-HES의 주사슬 분해가 진행하고 접착제 층의 응집력이 저하되어 미처리 시의 20% 정도로 접착 강도가 저하한다. Polyperoxide는 자외선에 의해서도 분해가 가능하여 피착체로써 유리판을 사용할 경우 인장 전단 접착 시험에서 유리판이 부서지는 강도를 나타낸 반면, 자외선을 19J/㎠ 이상 노출하면 유리판을 파손하는 일 없이 해체할 수 있다. 4.3. 가교성 고분자를 이용한 해체성 접착제가교에 의해 접착제의 기계적 강도를 높이는 것은 접착력을 향상시키는 방법이지만 내부 응집력을 높임으로써 계면과의 상호작용을 줄인다는 점에서는 해체성 접착제에도 응용할 수 있다. 이러한 방법은 점착제에 유효할 수 있으며, UV나 가시광에 노출시켜 가교에 의해 접착제 내부의 탄성률을 올림으로써 계면 박리를 유도한다. 탄성률의 증대에 의해 박리 강도를 저하시킴과 동시에, 점착제 층 안에서 가스를 생성시키는 시스템도 보고되어 있다. 가스 생성을 병용하는 것으로 가교만의 경우와 비교하여 보다 효과적으로 박리 강도를 저하시킬 수 있는 점이 특징이다.2-Hydroxyethyl acrylate를 t-butoxycaronyl group으로 보호하는 형태의 점착성 고분자는 150°C 이하에서는 열적으로 안정하지만 200°C로 가열될 경우 t-butoxycarbonyl group이 빠르게 탈 보호되면서 생성되는 이소부틸렌(비점: -7°C)과 CO2가 가스로써 작용한다. 또한, 탈 보호로 생성된 HEA의 하이드록시기와 점착제의 아크릴산(AA)은 에스테르화 가교점이 되기 때문에 가교, 즉, 탄성률의 증가를 촉진하는 효과도 나타난다.5. 결언용접이나 나사 고정 등은 점과 선으로 접합되는 반면 접착제는 면으로 접합하기 때문에 접합체의 강성 등 강도가 증가하는 이점이 있고, 접착하려는 재질이나 형태에 상관없이 접착할 수 있는 장점이 있다. 일반적으로 접착에서는 접합의 신뢰성 확보가 다른 접합 방법에 비해 어려운 것이 하나의 과제로 대두된다. 필요한 때 외부의 자극에 의해 분리되는 해체성 접착제는 신뢰성에 대한 의구심으로 인해 산업현장에서 쉽게 받아들이기 어려운 부분이 있다. 이를 해소하기 위해서는 계면 상호작용의 이해에 기반한 새로운 컨셉에 따른 해체성 접착재료의 연구가 필요하고 용도에 따라 요구되는 내구성이 달라지기 때문에 목적에 맞는 해체성 재료를 선택해야 하는 세밀한 고려도 필요하다.그동안 물리적 변화에 의한 접착제의 분리기술이 많이 알려져 있었지만, 지금은 화학적 변화를 통한 접착 분리기술의 연구가 활발히 진행되고 있으며, 화학반응에 기초한 접착·분리기술이 요구되고 있다.분리성 접착 기술은 사회적 중요성에 비해 아직 산업계의 이해가 부족한 분야로 이해의 부족이 기술의 개발과 보급의 장애물 중 하나가 되고 있다. 순환사회를 실현하기 위해 향후 점차 더 넓은 용도에서 접착·분리 기술의 적용이 요구될 것이고, 이에 대응하여 제품의 life cycle을 고려한 접착 기술의 개발이 필요한 때이다. 
취재부 2021-01-31
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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)                                                                        홈페이지 :  http://www.caepro.co.krⅣ. 사출 공정 모니터링 시스템의 활용 예제여기에서는 사출 공정 프로세스 상에서 모니터링 시스템 및 압력/온도 센서가 어떻게 활용되고 있는지를 기술하고자 한다. ‘적용 예제-1’에서는 사출기와 주변 장비에 관련된 문제점을 해결하는 사례를 소개하고, ‘적용 예제-2’에서는 최적화와 양산품질 관리에 대한 활용 예제를 간단히 설명하기로 한다.1. 적용 예제(Application Example) - 1 사출성형 공정에 사용되는 사출기의 성능에 대한 충분한 이해가 없는 경우에, 현장에서 발생하는 여러 가지 문제들의 원인과 이에 대한 해결책을 도출하기는 쉽지 않다. 여기에서는 사출기 성능 관련 현장에서 발생한 사출 불량과 사출기와 주변기기의 문제점 해결에 대하여 사례를 중심으로 기술하고자 한다.성능점검에 대한 보다 자세한 사항은 앞의 ‘사출기 성능점검’ 편을 참고하는 것이 좋으며, 기본적으로 다음과 같은 사항들을 점검하여 사출기의 성능을 평가하는 것이 최근 추세이다.1. 스크류 위치의 정확성 및 제어 (Screw Position Control)2. 부하 민감도 (Load sensitivity)3. 역류 방지 밸브 성능 (Dynamic/Static Check Ring Repeatability)4. 사출 속도 선형성 및 정확도 (Injection Speed Linearity)5. V/P 절환 응답성 (Pressure Response at V/P Transfer)6. 배압 제어 (Back Pressure Control)7. 온도 제어 (Temperature Control)8. 형체 시스템 제어 (Clamp System Control)9. 안전 시스템 및 장비 (Safety System & Equipment1.1 사례-1: 사출기 성능(Machine Capability) – 제어 시스템 부적절자동차 부품 중 하나인 헤드램프 베젤(Bezel)에 웰드라인이 비정기적으로 발생하여 불량률이 증가하고, 제품의 신뢰성이 저하한 경우이며, 사용재료는 PBT로 최신 하이브리드(Hybrid) 타입의 A사 사출기를 사용하였으며, 설정된 성형조건 상에서 이상 유무가 발견되지 않은 사례이다. 원인 규명을 위하여, 아래와 같은 모니터링 시스템과 내압(Cavity) 센서를 사출기와 금형에 설치하여 데이터를 얻었으며, 보압 절환 시점에서 내압(Cavity Pressure)과 유압(Hydraulic Pressure) 곡선의 변화가 정상적이지 않아 [그림 189]와 같은 성능점검 테스트를 수행하였다.[그림 189]의 성능 테스트 결과 중에서 특히 압력 반응성(Pressure Response)에 대한 성능이 의문 시 되었다.웰드라인이 형성되는 부위를 충진하는 중에 V/P 절환이 실행되어 유동 선단의 지체(Hesitation)가 발생하였으며, 이로 인하여 웰드라인의 품질이 악화되는 현상으로 판별되었다. (* 일반적으로 웰드라인의 품질은 접촉각(Meet Angle)과 이때의 압력과 온도에 의하여 결정된다) 사출압 제어 시스템을 수정하는 것으로 해결책이 제시되었으며, 개선 후에 20% 이상의 과도한 불량 발생률을 약 3% 이내로 낮추어 생산성을 크게 향상 시키게 되었다.1.2 사례-2: 사출기 성능(Machine Capability) – 유지보수 미비모터사이클의 외장부품에서 싱크마크(Sink-Mark), 미성형(Short-Shot), 그리고 플래시(Flash) 등이 비정기적으로 발생하여 불량률이 증가한 경우이며, 사용재료는 PP로 최신 680톤 도시바 사출기를 사용하였고 성형품의 불량을 최소화하기 위하여 성형조건을 최적화하려고 시도한 사례이다. 원인 규명을 위하여, [그림 190], [그림 191]과 같은 모니터링 시스템과 내압(Cavity) 센서를 사출기와 금형에 설치하여 데이터를 얻었으며, 금형 내에는 충진 패턴과 온도를 모니터링하기 위하여 6개의 온도 센서와 불량 및 수축을 예측하기 위하여 2개의 압력 센서를 충진 말단부에 설치하였다.[그림 192]에서 보는 바와 같이 충진(Fill) 공정에서 보압(Hold) 공정으로 전환 이후에 사출기의 유압이 큰 파형을 나타내며 불안정한 상태임을 발견하였으며, 유압펌프(Hydraulic Pump)의 노후화가 원인으로 판별되었다. [그림 193]은 새로운 펌프로 교체 후에 안정적인 보압이 작용하는 상태를 보여주며, 더불어 사출 조건 최적화를 진행하였다.위의 해결책을 통하여, 불안정한 사출 조건으로 인하여 잦은 조건변경에 투여되는 시간과 자원을 절약할 수 있었으며, 매일 30% 정도의 생산성 향상을 이룰 수 있었다.1.3 사례-3: 핫런너 성능(Hot-Runner Capability) – 런너 불균형자동차의 구동계 부품으로 사용하는 기어(Gear)에서 치수 불량을 자동 선별하기 위하여, 각각의 캐비티 유동 말단에 압력 센서를 설치하였으며, 사용재료는 PA66+30% GF로 200톤 LS 사출기를 사용하였고, Scrap을 최소화하여 비용을 절감하기 위하여 핫런너(Hot-Runner)를 금형에 채용하였다. [그림 195]에서 보는 바와 같이 충진(Fill) 공정에서 각 캐비티 간에 불균형이 발생하고, 이로 인하여 제품의 품질이 서로 달라지는 현상이 발생하였다. 이에 밸브 게이트(Valve-Gate)를 적용하고, 모니터링 시스템과 내압 센서를 이용하여 밸브 게이트를 제어하였다. 그림 좌측의 캐비티 균형 수치는 내압의 최고점 간의 편차에 의하여 계산되어지며, 기존 방법으로는 87~91% 정도의 밸런스를 달성할 수 있었다. 일반적으로 다수의 캐비티를 가지는 금형에 핫런너를 사용하면 캐비티 간의 균형을 이루기가 상당히 어려우며, 성형 환경에 의해서 균형이 매우 쉽게 무너지는 현상이 많이 발생한다.[그림 196]은 제어를 통한 캐비티 균형이 이루어진 결과를 보여주며, 제품과 밸런스 수치가 98% 이상으로 매우 양호하게 변화하였음을 볼 수 있다. 이를 통하여 제품의 개발 기간을 단축하고, 캐비티 모두에서 고품질의 규격을 만족하는 제품을 생산하게 되었다.고품질 또는 고사양의 제품을 다수 캐비티의 금형으로 대량 생산하는 경우에는, 핫런너(Hot-Runner) 보다는 콜드런너(Cold-Runner)가 손쉽게 캐비티 균형을 이룰 수 있으며, 또한 외부의 환경에도 민감하게 변화하지 않는다.2. 적용 예제(Application Example) - 2 사출성형 공정에서 모니터링 시스템과 각종 센서를 사용하면, 공정에 대한 보다 깊은 이해가 가능하며, 이는 사출 공정 최적화(Optimization)와 불량품 자동선별과 같은 공정 모니터링(Monitoring), 그리고 금형 이관(Mold Transfer) 등에 유용하게 사용될 수 있다. 또한, 고품질 또는 고사양의 플라스틱 제품이나 부품 생산에 대하여 ISO나 FDA 등의 공정 유효성(Validation) 평가를 해야 하는 경우에, 이러한 모니터링 시스템과 센서를 이용하면 더욱 쉽고 저비용으로 단기간에 인증 절차를 통과할 수 있다.2.1 사례-4: 공정 최적화(Process Optimization) 자동차의 전장부품인 커넥터 생산에서 매우 엄격한 품질관리 기준을 충족시켜야 하면서 발생하는 미충진(Short-Shot)을 감소시킬 수 있는 성형조건을 최적화한 사례이다. 궁극적으로 품질에 대한 판별을 내압 센서의 압력에 기준을 두고, 모니터링 데이터를 통하여 자동선별 시스템을 구축하였다. 사용재료는 PBT+15% GF로 100톤 FANUC 사출기를 사용하였고, Pin-Point 타입의 게이트와 콜드런너, 그리고 8개의 캐비티를 금형에 채용하였다.내압 센서는 사출 속도, V/P 절환 시점, 보압(Hold)의 크기/시간 등과 같은 성형조건을 최적화하는 데에는 매우 유용하게 사용되었으며, 각 캐비티의 압력 크기와 변화, 그리고 캐비티 간의 편차 등과 같은 데이터를 이용하여 최적화를 수행하였다. (* 자세한 내용은 ‘사출 공정의 최적화’ 편 참조)최적화된 성형조건을 기준으로 제품의 규격이나 사양을 충족시키지 못하는 상한선(Upper Limit)과 하한선(Lower Limit)을 실험에 의하여 선정하고, 이를 양산 공정에서 모니터링 장비를 이용하여 QC를 수행한다. 또는 생산공정이 안정화된 이후에 20~30 샷의 데이터를 이용하여 4.5 Sigma 정도의 수준을 계산하여 상한선(Upper Limit)과 하한선(Lower Limit)을 설정하는 것도 타당한 방법이다.[그림 199]에서 보는 바와 같이 각 캐비티의 말단에 설치되어있는 8개의 모든 압력 센서를 선택하여, 모니터링하고 자동선별에 사용할 수 있으나, 일반적으로는 가장 중요하고 목적에 적합한 5~6개 정도의 중요한 데이터만을 사용하여도 무방하다. 예를 들어 8개의 캐비티 중에 최대값, 최소값, 평균값을 나타내는 캐비티를 선정하고, 여기에 캐비티 밸런스값을 추가하면 전 캐비티의 이상 유무를 확인할 수 있다.모니터링 시스템의 사용으로 인하여 품질관리(QC)에 필요한 약 60% 인원을 절감할 수 있었으며, 보다 단기간에 품질보고서 작성이 가능해져 업무의 효율성이 증대되었다. 2.2 사례-5: 공정 모니터링(Process Monitoring) & 자동선별(Automatic Sorting) 자동차의 외장부품인 펜더(Fender) 생산에서 비정기적으로 대량의 불량이 발생하며, 싱크마크(Sink-Mark)가 55%, 플래시(Flash)가 45% 정도의 비율로 관측되었고, 불량품이 도장(Paint)공정에 투입되어 비용손실이 확대되었다. 이에 모니터링 시스템과 내압 센서를 이용하여, 불량의 원인을 파악하고 공정조건을 최적화하였으며, 불량품 선별을 자동화하였다. 사용된 재료는 TPO(Thermo-Plastic Olefin), 사이클 시간은 59.6sec, 금형은 다른 형상을 가지는 2개의 캐비티를 포함하는 패밀리(Family) 타입이다. 런너 시스템은 핫드롭(Hot-drop)과 콜드런너를 혼합하였고, 금형 온도는 75F(Water)로 설정하였으며, 3000ton Cincinnati (Hydraulic) 사출기를 이용하였다.[그림 200]에서 보는 바와 같이 센서는 좌/우측 캐비티에 게이트 부(PST)와 유동 말단(EOC)에 2개씩. 총 4개의 압력 센서를 설치하였으며, 사출기에는 유압과 스크류 위치를 감시할 수 있는 센서를 부착하였다.[그림 201]의 좌측(#L) 캐비티의 EOC지점에서 최대압(pk)이 공정 중에 변화함을 볼 수 있으며, 이때의 사출압의 변동이 아래의 그림에서 나타난다. 이는 우측에 비하여 좌측의 캐비티에 유동이 느리게 충진되는 것을 보여주며, 원인으로는 핫런너(Hot-runner)와 콜드런너의 조합이 불안정하기 때문으로 예측되었다. 양호한 곡선과 불량품에 연관된 데이터로 불량품 선별에 필요한 상/하한선을 설정하였으며, 추가적으로 성형조건 최적화를 수행하여, 사이클 시간을 59.6sec에서 42.9sec으로 단축하였고, 불량품이 도장공정으로 이송되는 것을 방지하여, 큰 비용을 절감하였다.2.3 사례-6: 공정개발(Process Development) 및 모니터링(Monitoring)기어와 기어 조립품 생산에서 최대한의 치수 안정성을 얻기 위하여, 이에 영향을 주는 인자를 검토할 목적으로 금형에 내압 센서와 온도 센서를 설치한 사례이다. 원인 파악 후에 해결책을 적용하고, 성형조건 최적화를 수행하였다.사용된 재료는 POM, 사출기는 ENGEL 65ton 전동식이다. 금형은 4개의 캐비티로 구성되어 있으며, 각각의 캐비티에는 4개의 Pin-Point 게이트가 설치되었다. [그림 202]의 개선 전의 유동 패턴에서 안쪽의 2개의 게이트를 통하여 재료의 충진이 빠르게 되는 것을 볼 수 있으며, 이는 런너(Runner)에서의 유동특성에 의하여 발생한다. 이로 인하여 충진 재료의 온도 차이가 발생하고 냉각 속도의 차이로 이어진다. 이는 POM 같은 반결정성(Semi-Crystalline) 수지의 결정화도를 불균일하게 만들고 불균일한 수축을 발생시켜 진원도를 악화시키는 것으로 예측되었다.이러한 유동특성의 문제점을 해결하기 위하여 [그림 203]과 같은 멜트플리퍼(MeltFlipper)를 이용하였으며, [그림 202] 하단의 유동 패턴과 그래프와 같은 매우 양호한 결과를 도출하였다. 이로 인하여 온도 차이는 38.3℉에서 4.8℉로 감소하였으며, 결정화도(Crystallinity)의 편차는 73% 정도 감소하였고, 이에 따라 진원도는 약 50% 개선되었다.2.4 사례-7: 의료산업에서의 모니터링 시스템 적용(Monitoring & Sorting, Mold Transfer)의료기기 산업에서 사출성형 공정을 통하여 플라스틱 부품을 제조하려면, 이에 필요한 생산설비, 즉 사출기(IMM)와 금형의 조합에 대하여 각각의 프로세스 유효성 검사가 요구되며, 이러한 검증 단계는 ISO나 FDA의 규정에 따라 필수적으로 수행되어야 하므로 큰 비용과 시간을 투자하여야 한다.이러한 검증은 정해진 사출기와 금형에 한하며, 원칙적으로 사출기 간의 금형을 이동하여 생산할 수 없다. 이를 원하는 경우에 재검증(Revalidation)을 수행해야 하며, 재검증 비용으로 인해 성형공정에서 높은 비용과 비효율성이 발생한다.• IQ(Installation Qualification): 금형과 보조 장치가 적절히 설치, 보정 및 유지 관리되고 있음을 검증• OQ(Operational Qualification): 공정의 상/하한의 한계(Limit)를 정의(치수, 물성 등의 측정값과 연동)• PQ(Performance Qualification): 공정이 허용되는 품질의 제품을 지속적으로 생산하는지를 검증 의료기기 및 부품 생산 분야에서 금형은 특정 사출기에서만 실행되도록 검증된다. 금형을 다른 사출기로 이동하는 것은 종종 운영 효율성을 위해 필요하지만, 일반적으로 재검증이 필요하다. 사용하는 절차와 방법에 따라 재검증 비용은 매우 비쌀 수 있으며, 이에는 사출기 사용 시간, 재료, 엔지니어링 시간, 계측 및 검사, 문서화, 오류 발생 시 전체주기 반복 비용이 포함된다. 이 모든 비용을 고려할 때 기존의 일반적인 방법을 이용하면, 재검증 비용이 1~2천만 원을 초과하는 것은 드문 일이 아니다.그러나 MIV(Machine Independence Variable), 즉 RIG에서 말하는 4대 변수(압력, 온도, 충진 속도, 냉각 속도)를 기반으로 아래와 같은 방법과 데이터를 사용하여 노력과 비용을 크게 줄일 수 있다. 1. 기계에 독립적인 설정 매개 변수를 기반으로 한 범용 설정 시트(Universal setup Sheet)2. 표준화된 스트로크(Stroke) 및 사출 압력 센서 데이터3. 캐비티 압력 및 온도 센서 데이터이러한 새로운 검증 절차를 규격화하기 위하여, 2016년 5월 미국에서는 의료 OEM 컨소시엄(MOEMC)이 결성되었고, OEM(Original Equipment Manufacturer) 그룹이 사출성형을 위한 보다 효율적인 부품 검증 프로세스를 확립하여, 공식적으로 문서화하였다.여기에서는 범용 설정 시트(Universal Setup Sheet)와 캐비티 데이터(Cavity Data)를 사용하여 재검증 비용을 획기적으로 줄일 수 있는 MIV 기반의 검증 방법을 간략하게 소개하며, 이러한 기술은 높은 품질관리를 요구하는 의료기기 제조업체와 맞춤형 성형업체에서 유용하게 사용될 수 있다.범용 설정 시트(Universal Setup Sheet)범용 설정 시트는 네 가지 플라스틱 변수를 사용하는 프로세스를 문서화한다.([그림205] 참조) 이 설정 시트를 사용하여 프로세스를 다른 프레스에서 복제할 수 있으며, 범용 설정 시트는 원래 공정의 사출기 설정을 기계에 독립된 설정으로 변환하여 생성하고, 그런 다음 기기와 무관한 설정을 다른 사출기에서 사용할 설정으로 변환하는 것을 뜻한다.금형을 이관하여도 공정이 일치하므로 다른 사출기에서 공정을 재검증할 때 별도의 OQ를 수행할 필요가 없으며, 이는 상당한 시간과 비용을 절약할 수 있다.스트로크 및 사출압력 데이터 정규화(Normalize Stroke and Injection Pressure Data)정규화(Normalization)된 스트로크(Stroke) 및 사출압력 데이터는 사출 중 스크류의 위치를 ​​측정하는 스트로크(Stroke) 센서와 사출 실린더의 압력을 측정하는 유압 센서에서 읽어 들이며, 전동식 사출기의 경우 스크류에 있는 로드 셀(load Cell)의 데이터를 사용한다.정규화(Normalization)하기 위하여 선형 스트로크 데이터를 체적 스트로크 데이터로 변환하여야 하며, 이는 선형 스트로크에 스크류 단면적을 곱하여 계산한다. 이것은 체적 유량과 사출 중에 전달된 재료의 총 부피를 측정하는 데 사용하며, 플라스틱 압력을 계산하기 위해 유압에 강화 비율을 곱한다.정규화된 스트로크 및 유압 데이터를 포함한 그래프는 [그림 206]과 같으며, 이는 많은 설정에 대하여 범용 설정 시트 대신 사용할 수 있다. 그러나 용융 온도 및 냉각 속도 데이터는 여전히 별도로 측정해야 한다.캐비티 데이터의 역할(The Role of In-Cavity Data)대부분의 금형 들은 표준화된 스트로크 및 사출압력 데이터와 함께 범용 설정 시트를 이용하여, 다른 사출기에서 공정을 손쉽게 복제할 수 있다. 그러나 가장 까다로운 금형의 10~20%에 대해서는 네 가지 플라스틱 변수 완전히 일치시켜야 부품 품질을 동일하게 구현할 수 있으며, 이때 금형 캐비티 데이터가 필수적으로 필요하다.캐비티 데이터 수집에는 두 가지 유형의 센서가 유용하게 사용되며, 캐비티 압력 센서는 압력 및 유량에 관한 정확한 정보는 물론, 용융 온도 및 냉각 속도를 간접적으로 표시한다. 캐비티 온도 센서는 금형 온도 및 유속에 관한 정확한 정보를 제공할 뿐만 아니라 용융 온도를 간접적으로 측정할 수 있으나, 금형 내부의 압력에 대한 정보를 거의 제공하지 않는다.범용 설정 데이터와 4가지 플라스틱 변수를 기반으로 하는 검증(Validation) 전략은 재검증 비용을 크게 줄이고 보다 일관된 부품 품질을 보장 ​​할 수 있다. 이러한 기술은 세계에서 가장 앞선 일부 의료기기 제조업체에서 수년 동안 사용되어 왔으며, FDA 등과 같은 외부 감사의 정밀 조사를 견뎌 올 수 있었던 기반이다.… 핸들러 3월호에서는 ‘ Ⅴ. 사출 공정 모니터링 시스템의 미래’가 이어집니다.
편집부 2021-01-31
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플라스틱 관련 사업에 필요한 우수한 인력양성을 위해 최선을 다하는 ㈜우진플라임 기술교육원

지난 1월호까지 연재해왔던 ㈜우진플라임 기술교육원의 “사출 성형품에 나타날 수 있는 트러블 종류와 해결방법”이 일단락되면서, 마침 우진플라임 기술교육원의 ‘2021년도 연간 교육 일정’이 발표되어 이번 2월호에서는 우진플라임 기술교육원에 대한 소개와 더불어 2021년 연간 교육 일정을 소개하는 것으로 기술연재를 대신에 하고자 한다.다음 호부터는 우진플라임 기술교육원의 강사진이 소개하는 플라스틱 관련 기술을 계속 연재해나갈 예정이다.㈜우진플라임 기술교육원은 기술인력 부족과 교육 시설 부재로 고민하는 산업계의 요구를 수용하여, 2007년 40억 원을 투자해 설립하였으며, 매년 약 2,000명의 수료생을 배출하는 사출성형/사출 금형 직업능력개발시설(고용노동부 지정)이다.“技術 敎育의 最高를 指向한다”라는 원훈을 바탕으로 생산현장의 경력 10년 이상의 교·강사들이 전공 분야별(사출성형/사출 금형)로 초급, 중급, 고급으로 세분화하여 교육 훈련을 진행하고 있으며, 커리큘럼 역시 NCS* 기반으로 구성되어 체계적이고, 효율적으로 학습할 수 있도록 지원하고 있다.* 국가직무 능력표준(NCS, National Competency Standards)은 산업현장에서 직무를 수행하기 위해 요구되는 지식·기술·태도 등의 내용을 국가가 체계화한 것(www.ncs.go.kr 참고)대한민국 최초이자 최고의 사출성형/사출 금형 전문교육 훈련기관으로 인정받고 있는 ㈜우진플라임 기술교육원은 사업주훈련 이외에도 정부 지원사업을 적극적으로 수행하여, 2020년까지 총 29,000명의 수료생을 배출하였으며, 채용예정자(구직자)과정 수료자 연간 100여 명의 취업 연계를 진행하였다.
취재부 2021-01-31
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화학연, 빛의 연쇄증폭 반응 보이는 광사태 나노입자 세계 최초 발견, 네이처紙 표지 장식

- 바이오 의료분야, 첨단 IoT 분야, 신재생 에너지 분야 등 광사태 나노입자 활용해 미래 신기술 상용화 앞당길 것으로 기대- 한국화학연구원과 미국/폴란드 공동연구팀 연구, 세계 최고 권위지 Nature지(IF=42.8)의 2021년 1월 14일 자 표지논문(Cover Article)으로 선정 나노 물질에 작은 빛 에너지를 쏘여주면 물질 내에서 빛의 연쇄증폭 반응이 일어나 더 큰 빛 에너지를 대량 방출하는 ‘광사태 현상(Photon Avalanche)’이 세계 최초로 발견돼 네이처지 표지논문에 선정됐다. 이 광사태 나노입자는 바이러스 진단 등 바이오·의료 분야, 자율주행자동차 등 첨단 IoT 분야, 태양전지 등 신재생 에너지 분야 등 미래 기술에 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 일반적으로 나노 물질은 빛 에너지를 흡수하면 일부는 열에너지로 소모하고, 나머지를 처음 흡수한 빛보다 작은 에너지의 빛으로 방출한다. 이렇게 대부분의 물질에서 하향(下向)변환이 일어나는 것과 달리, 일부 원소의 나노물질에서는 상향변환이 일어난다. 즉, 작은 에너지의 빛을 흡수해서 더 큰 에너지의 빛을 방출한다.이 상환변환 나노 물질(UCNP, UpConversion Nano Particle)을 이용하면, 광원으로 작은 에너지의 적외선을 사용할 수 있어서 측정하고자 하는 시료를 제외한 이물질에 빛이 잘 도달하지 않아 노이즈가 적으며, 작은 에너지를 사용하기 때문에 시료에 손상을 주지 않는다. 이러한 장점 때문에 상향변환 물질은 차세대 바이오 의료 기술, IoT 기술, 신재생 에너지 기술 등에 활용 가능성이 높아 최근 활발하게 연구가 진행되고 있다.그러나 상향변환 나노 물질(UCNP)은 광 변환효율*이 1% 이하로 매우 낮기 때문에 현재 상용화되지 못하고 있다. 이런 걸림돌을 해결할 수 있는 특별한 상향변환 나노 물질인 광사태 나노입자가 처음으로 발견된 것이다. 연구팀이 발견한 광사태 나노입자는 광 변환효율을 기존 상향변환 나노물질보다 매우 높은, 40%까지 높일 수 있다.* 들어간 빛의 양(빛의 세기) 대비 나온 빛의 양(빛의 세기). 즉, 강한 세기의 빛은 빛의 양이 많고, 약한 세기의 빛은 빛의 양이 적다.한국화학연구원 서영덕, 남상환 박사 연구팀은 미국/폴란드 연구팀과의 공동 연구로, ‘툴륨(Tm)’이라는 원소를 특정한 원자격자 구조를 가진 나노입자로 합성하면 작은 에너지의 빛을 약한 세기로 쪼여도 빛이 물질 내부에서 연쇄적으로 증폭 반응을 일으켜 더 큰 에너지의 빛을 강한 세기로 방출하는 현상을 발견했다. 연구팀은 이러한 광학적 연쇄증폭 반응을 일으키는 나노입자가, 마치 빛이 눈사태를 일으키는 모습과 비슷하다는 점에 착안해 ‘광사태 나노입자(Avalanching Nano Particle: ANP)로 새롭게 이름 붙였다. 본 내용은 ”광사태 나노입자로부터의 거대 비선형 광학 반응(Giant Nonlinear Optical Responses from Photon-Avalanching Nanoparticles)” 제목으로, 영국시간 2021년 1월 14일 자 네이처紙(I.F.=42.8)의 표지논문에 선정됐다.2021년 1월 14일 자(영국시간) Nature 誌 전면 표지논문- 공동 교신저자: 화학연 서영덕 책임연구원(GRL의 한국측 책임자), 미국 컬럼비아대학 P. James Schuck 교수  (GRL의 미국 측 책임자) 등  - 단독 제1저자: 이창환 미국 컬럼비아대학 박사과정생(2020년 5월~8월 한국화학연구원 방문연구생)- 공저자: 화학연 남상환 책임연구원연구팀이 발견한 이 현상은, 일단 빛이 나노입자에 여러 번 다중으로 흡수되면, 나노입자를 구성하는 원자 격자 구조 속에서 빛의 연쇄증폭 반응이 일어나 다시 더 큰 에너지의 빛을 강한 세기로 방출하는 광학 현상이다. 따라서 광사태 나노입자에 레이저 포인터 수준의 약한 세기의 빛만 쪼여줘도 매우 강한 세기의 빛을 방출할 수 있다. 연구팀은 이 새로운 현상의 발견을 통해, 빛으로 보기 힘든 매우 작은 25㎚ 크기의 물질을 높은 해상도로 관측하는 데 성공했다*. * 빛으로 볼 수 있는 물질의 해상도는 한계가 있다. 가시광선 파장인 400㎚~700㎚ 이하 크기의 물질은 고해상도로 보기가 매우 어려운데, 400㎚ 이하의 크기도 빛으로 볼 수 있도록 하는 광학 분야를 초고해상도 나노스코피 이미징이라고 한다. 이 분야는 2014년 노벨화학상을 수상한 분야로, 현대 광학 분야에서 중요한 의미를 지닌다. 연구팀은 광사태 나노입자를 이용해, 더욱 간단하게 초고해상도 나노스코피 이미징을 구현하여 이번 논문에 발표했다. 그림 1. 툴륨 이온(Tm3+)이 도핑된 나노입자 내부에서의 빛의 광사태(PA: Photon Avalanche) 연쇄증폭 반응의 메커니즘a. 툴륨 이온의 농도가 8% 이상일 때 광사태 현상을 일으키는 코어-쉘 광사태 나노입자 모양. * 삽입 그림: 이터븀 이온 (Yb3+)의 바닥상태 흡수(ground-state absorption)로부터 유발되는 기존의 에너지 전달 상향변환(ETU: energy transfer upconversion) 과정과의 비교 그림. [그림 a 속의 용어: Core(알맹이), Inert Shell(비활성 껍질). Tm3+ concentration ≥ 8%(툴륨 이온 도핑 농도 8퍼센트 이상).  GSA(Ground State Absorption: 바닥 상태 광 흡수), ESA(Excited State Absorption: 들뜬 상태 광 흡수). Tm3+-Tm3+ cross-relaxation(툴륨 이온-툴륨 이온 사이의 교차 안정화 과정(안정화는 들뜸/여기(excitation)의 상대어)). Upconverted avalanching emssion(800㎚): 800㎚ 파장에서의 상향변환 광사태 방출. 그래프의 가로축: Excitation intensity(여기광 세기), 그래프의 세로축: Emission intensity(방출광 세기)]b. 광사태 현상이 일어나기 전과 도중과 후의 3단계 과정을 보여주는 여기광 세기(Excitation intensity) 대비 발광 세기(Emission intensity) 거대 비선형 광학 반응 모형 곡선(Model plot of Photon Avalanching Giant Nonlinear Optical Response Curve).[그림 b 속의 용어: Before threshold(광사태 연쇄증폭 반응 현상의 문턱치 직전), PA(광사태 현상 구간), Saturation(광사태 현상의 포화상태로서 과도한 여기(excitation)광 세기 구간.]  c. 툴륨 이온의 4f12 오비탈 에너지 준위 그림. R1, R2는 각각 바닥상태 광흡수율(ground state excitation rate)과 여기상태 광흡수율(excited state excitation rate)을 나타내고, W2와 W3는 각각 3F4 에너지 준위와 3H4 에너지 준위로부터의 안정화 과정 후의 축적율(aggregation rate after relaxation)을 나타냄. 이러한 광흡수율들과 축적율들은 방사형 및 비방사형 안정화 과정들(radiative and non-radiative pathways)을 설명하면서 동시에 교차 안정화(cross-relaxation)나 다른 형태의 에너지 전달과정(other energy transfer processes)을 제외한다.[그림 c 속의 용어: GSA(Ground State Absorption: 바닥상태 광 흡수), ESA(Excited State Absorption: 들뜬상태 광 흡수), cross-relaxation(툴륨 이온-툴륨 이온 사이의 교차 안정화 과정), Emission(상향 변환된 빛의 방출). 그래프의 세로축: 103cm-1(1,000 웨이브 넘버(빛의 에너지 단위 중의 한 가지) 단위의 에너지)]연구팀은 향후 화학연 페로브스카이트 태양전지* 연구팀과 함께, 전지의 효율을 높이는 응용연구를 진행할 계획이다. 광사태 나노입자는 기존 전지가 흡수·활용할 수 있는 빛의 영역보다 더 긴 파장의 빛도 흡수할 수 있기 때문에 전지의 효율을 높일 수 있다.* 부도체·반도체·도체의 성질은 물론 초전도 현상까지 보이는 특별한 구조의 물질로, 페로브스카이트 태양전지는 저렴하고 간단하게 제조할 수 있어 차세대 태양전지로 각광받고 있다.또한, 광사태 나노입자를 활용해 임신 진단키트 형태의 바이러스 진단키트 등 체외진단용 바이오메디컬 기술, 레이저 수술 장비 및 내시경 등 광센서 응용기술, 항암 치료와 피부 미용 등에 쓰이는 체내 삽입용 마이크로 레이저 기술 등으로 발전시킬 계획이다. 이를 위해 연구팀은 레이저 포인터보다 더 약한 세기의 LED 빛으로도 광사태 현상을 일으키기 위한 후속 연구를 진행 중이다.후속 연구와 관련해 본 표지논문의 공동 교신저자인 서영덕 박사와 미국 컬럼비아대학의 P. James Schuck 교수는 최근 세계적인 권위의 고든 컨퍼런스(Gordon Research Conference)에서 상향변환 나노입자(Upconverting Nanoparticle) 분야의 Conference를 처음으로 공동창립하여 올해 6월 하순에 미국에서 첫 컨퍼런스를 개최할 예정이다.그림 2. 광사태 나노입자 기반 단일광선(Single-beam) 초고해상도 이미징a, b. 포화 광세기 구간(saturation regime: 9.9kWcm-2)으로 여기시켰을 때(a)와 광사태 구간(PA regime: 7.1kWcm-2)으로 여기시켰을 때(b)의 8% 툴륨 이온으로 도핑된 광사태 나노입자(ANP: Avalanching Nano Particle) 이미지  c. 이미지 a와 b 상의 파란색 선에 해당하는 라인 컷: 초고해상도를 나타내는 비교를 위해 1,064㎚의 여기광을 N.A.=1.49의 대물렌즈로 집속했을 때의 이론적인 회절 한계가 검은색 점선으로 표시되어 있음.d, e.이미지 a와 b에 대한 각각의 이론적인 이미징 시뮬레이션 결과인 c와 d. f. 여기광의 세기에 따른 단일 광사태 나노입자에 대한 실제 측정된(검은색) 이미징 해상도 선폭과 시뮬레이션을 통한 이미징 해상도 선폭(FWHM: Full Width at the Half Maximum)g. 포화 광세기 근처로부터 광사태 문턱치 직전까지 차츰 여기 광세기를 줄여가면서 8% 툴륨 이온으로 도핑된 광사태 나노입자 두 개가 300㎚의 간격으로 놓여진 시료에 대해 얻어진 이미지.h. 실험적으로 얻어진 g의 이미지들에 대한 시뮬레이션 결과.화학연 서영덕 박사는 “이번 연구성과는 빛을 활용하는 모든 산업과 기술에 광범위하게 쓰일 수 있어 향후 미래 신기술로 활용될 가능성이 크다. 바이오 의료분야를 비롯해 자율주행자동차, 인공위성 등 첨단 IoT 분야, 빛을 활용한 광유전학 연구나 광소재 등의 포토스위칭 기술 분야 등 폭넓게 활용될 수 있다. 후속 연구를 통해 상용화 가능성을 높이겠다”고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부의 한국화학연구원 강소형 연구과제, 한국연구재단 글로벌연구실(GRL) 지원사업과 산업자원부의 산업기술혁신사업 지원으로 수행되었다. < 연구원 소개 >                                                  서영덕 책임연구원○ 소속 : 한국화학연구원 의약바이오연구본부               & 성균관대학교 화학공학부(학연교수)○ 전 화: 042-860-7597, 010-3360-6607○ e-mail: ydsuh@krict.re.kr, ydsuh@skku.edu남상환 책임연구원○ 소속: 한국화학연구원 의약바이오연구본부○ 전화: 042-860-7278, 010-8994-5582○ 이메일: shnam@krict.re.kr 미국 방문연구 당시 서영덕 그룹장과 James Schuck 교수 사진문의: 의약바이오연구본부 서영덕 책임연구원(042-860-7597, 010-3360-6607)  남상환 책임연구원 (042-860-7278, 010-8994-5582)
편집부 2021-01-21