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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
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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
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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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- 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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- 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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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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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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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