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화학연, 사물인터넷, 착용형 기기 시대 여는 3D 프린팅용 전지 소재 개발

- 3D 프린팅용 전지 부품 ‘집전체’의 핵심 성능인 전기전도성, 고전압 안정성 모두 잡아… 저렴한 니켈 활용해 정교한 형태의 전지 구현 가능한 기술 - 화학연·경희대 공동 연구진, <Advanced Functional Materials(IF:16.836)> 게재 미래 사물인터넷(IoT), 센서, 착용형(웨어러블) 기기 소자 등에 필요한 3D 프린팅용 전지 소재가 개발됐다.미래 착용형(웨어러블) 기기, 센서, 소형 로봇, 인체삽입형 소자 등은 크기가 작고 다양한 형태를 지니고 있어, 여기에 들어가는 이차전지도 기존 전지처럼 정형화된 형태가 아니라 정교한 형태 구현이 필요하다. 따라서 정교한 형태로 원하는 모양대로 만들어내기 위해, 3D 프린팅으로 전지를 제작하는 기술이 전 세계적으로 주목받고 있다. 특히 3D 프린팅용 전지로 전극 이중 층 슈퍼커패시터(EDLC) 전지가 꼽히고 있는데, 이 전지 안에 들어가는 집전체 소재를 연구팀이 개발한 것이다. 전극 이중 층 슈퍼커패시터(EDLC) 전지는 구조가 단순하고 수명이 길어, 작은 전력을 사용하는 센서, 사물인터넷, 웨어러블 소자 등의 첨단 기기 구동을 위한 에너지원으로 적합한 것으로 알려져 있다. 현재에도 리튬이온전지의 보조 전지 격으로, 일부 자동차 및 스마트폰, 카메라 등에 쓰이고 있다. 전지는 집전체, 전극, 전해질로 구성되어 있으며, 3D 프린팅으로 제작할 수 있으려면 이 세 구성 성분 모두 3D 프린팅이 가능한 잉크 소재여야 한다. 한국화학연구원 최영민·김태호 박사팀과 경희대학교 정선호 교수팀은 이 세 부분 중 그동안 기술 개발이 더뎠던 집전체 소재를 개발했다. 집전체는 전자를 뽑아내 이동할 수 있도록 연결해주는 소재로 이차전지의 핵심 부품이다. 전극과 전해질 소재는 지금까지 전 세계적으로 3D 프린팅용으로 연구가 활발히 진행되어왔다. 그러나 집전체에 대해서는 괄목할 만한 3D 프린팅용 소재가 개발되지 않아서, 3D 프린팅 공정 대신 비싼 금(Au)을 표면에 증착(evaporation)하는 공정 또는 빛으로 회로를 만드는 복잡한 패턴화 공정(리소그래피, lithography)만 적용할 수 있었다. 집전체의 경우, 3D 프린팅용 소재로 탄소나노튜브나 은 나노섬유로 이루어진 소재가 개발된 적은 있었지만, 성능에 한계가 있었다. 전지 집전체의 성능을 평가하는 중요한 기준은 전기전도성이 높은지, 고전압에서도 소재가 안정적으로 유지되는지다. 이 두 가지 요소를 높은 수준으로 충족시키는 기술은 전 세계적으로 드문 상황이다. 연구팀은 나노미터(nm)와 마이크로미터(μm) 사이즈의 니켈(Ni) 입자, 소량의 고분자 소재(PVP*) 등을 혼합하여 전기전도성과 고전압 안정성 모두 높은 3D 프린팅용 금속 잉크 소재를 개발했다.* PVP: polyvinylpyrrolidone잉크 소재는 프린팅된 후, 극히 짧은 순간(1/1000초) 빛을 쬐어주면 잉크 속 나노미터(nm)와 마이크로미터(μm) 사이즈의 니켈(Ni) 입자 들이 서로 연결되며 전기전도성이 극대화된다.또한, 동시에 고분자 소재의 순간적인 광분해 현상과 함께 니켈 입자가 다른 입자로부터 전자를 받는 환원 반응이 일어나 표면에 전도성 보호층이 생긴다. 이 보호층 덕분에 전극 이중 층 슈퍼커패시터(EDLC) 전지의 최고전압(3V) 조건에서도 안정성을 오래 유지하는 것으로 나타났다.니켈 금속 집전체의 고전압(3V) 안정성 평가 결과※ 이번에 개발된 프린팅용 집전체 소재와 기존 열 증착 집전체의 안정성 비교. 시간이 지나도 전류가 낮게 안정적으로 흐르는 것을 볼 수 있다. 안정성이 좋지 않으면 소재가 분해되어 전류가 치솟는다.개발 소재가 적용된 마이크로 슈퍼커패시터 소자는 높은 에너지밀도(79mJ cm2)를 구현하였다. 이는 3D 프린팅 공정이 아닌 기존 증착 공정이나 리소그래피 공정의 소자 특성과 비교했을 때 비슷한 수준이다. 에너지밀도가 높으면 전지를 한번 충전했을 때 쓸 수 있는 지속 기간이 길다. 본 소재는 주재료로 니켈 입자를 활용하기 때문에 가격이 매우 저렴하다. 더불어, 잉크에 들어가는 입자들의 배율을 다르게 하여 잉크의 점성을 적절히 조절할 수 있어, 어떤 모양의 전지도 정교하게 프린팅해 만들 수 있다는 점도 큰 장점이다.경희대 정선호 교수는 “이번 연구의 가치는 인쇄 공정을 이용한 맞춤형 전지를 제작할 수 있는 공백 기술을 개발했다는 점에서 큰 의의가 있다”라고 이번 기술 개발의 중요성을 강조했다.한국화학연구원 최영민, 김태호 박사는 “슈퍼커패시터를 넘어 고전압, 고전도성이 요구되는 다양한 이차전지에도 폭넓게 적용될 수 있는 인쇄용 금속 소재 기술”이라고 자평했다. 금속 집전체 잉크와 이를 이용한 3차원 프린팅 기반 전지 제작 과정 이번 연구결과는 ‘Advanced Functional Materials(IF: 16.836)’의 2020년 6월호에 표지논문으로 게재(A Printable Metallic Current Collector for All-Printed High-Voltage Micro-Supercapacitors: Instantaneous Surface Passivation by Flash-Light-Sintering Reaction)되었다.이번 연구는 글로벌연구실사업(NRF-2015K1A1A2029679), 나노소재원천기술개발사업(NRF-2015M3A7B4050306), 및 중견연구자지원사업 (NRF-2020R1A2C2010067)의 지원으로 이뤄졌다.문의: 화학소재연구본부 최영민 책임연구원(042-860-7362, 010-6456-7113) 화학소재연구본부 김태호 책임연구원(042-860-7379, 010-3290-1793)

편집부 2020-11-21

우리 생활에 없어서는 안될 유용한 플라스틱 제품을 만드는 사출성형기 이야기 28

자료제공: LS엠트론 기술교육아카데미ⓖ 중판- 전기장치부품들이 설치되어 있는 알루미늄판- 약 3㎜ 정도의 두께로, Control Box 외부 충격에 대한 회로 소자들의 보호 목적으로 설치- 접지 및 소자 방열판의 용도로도 사용ⓗ 변압기, Transformer- 교류용 변압기- 유압식 사출기에서는 주로 고압 교류 전원을 Fan 구동용 전압과 SMPS의 입력 전압으로 강압시키기 위해 사용한다.ⓘ 접지, Earth- 단선이나 누설전류로 인한 접근자의 감전을 막기 위해, 회로가 아닌 곳으로 흐르는 전류를 지면으로 흘려주는 것- 사진상의 접지는 중판에 되어있다.ⓙ 냉각팬, Fan- Control Box 내부의 온도가 높아지는 것을 막기 위해, 강제적으로 공기를 순환시키는 장치- 열에 민감한 SSR과 같은 경우, SSR 전용 Fan을 설치(사진 G2 ⓙ 참조)ⓚ 제어장치, Controller (Rack)- 사용자가 입력한 성형조건에 따라 속도, 온도, 압력, 위치 값을 실질적으로 계산/처리하는 부분- APU, 온도/Power, Combo I/O Board 등이 Main Board에 연결된다. Board들은 각각의 부품들에 전기신호를 보내어 사출성형기를 제어한다.- Rack은 그 보드들을 고정시키는 일종의 Case(Frame).Analog Process Unit Board- APU: 아날로그 신호를 받아들여 계산하고, 그에 맞는 아날로그 출력을 담당. 메인보드를 통해 각 보드에게 지령을 내린다.온도/Power Board- 온도/Power: 온도 감지 센서로부터 받아들인 정보를 APU에게 전송하고, APU로부터 지령을 받아 신호를 출력. 4 Pin Connector로 Power를 공급받아 메인보드를 통해 설치되어 있는 각 보드로 전원을 공급한다.Combo Input/Output Board- Combo I/O: 각각 32개의 입력, 출력 단자를 가지고 있다. 디지털 신호를 출력하여 전장품들의 기동을 제어한다.Main Board- Main Board: 슬롯 간 보드들의 통신 및 전원 공급을 담당. Rack에 고정되어 있으므로 교체 시 Rack을 분해해야 한다.ⓛ 이더넷 허브, Ethernet Hub- APU Board를 2EA 이상 사용 시, OP Panel과 APU들 사이의 통신을 위해 사용한다.- APU Board의 IP 설정을 중복되지 않게 설정되어야 Controller가 정상 작동한다.- 220V 전원과 전용 AC/DC Adapter가 필요하다.ⓜ 과부하 계전기, Overload Relay- Thermal Relay- 과전류가 흐르게 되면 OR 내의 Bi-Metal이 구부러져, 회로 스위치를 Trip 시킨다. 전류의 방향을 바꾸는 장치(열동형)- 과다 전류가 흐르게 되면 히터의 발열로 인해 Bi-Metal이 휘게 되고, c-b로 연결되어 있는 회로가 c-a로 연결.- 시간이 지나면 Bi-metal의 온도가 내려가 곧게 펴지고, 문제를 해결한 후 복귀 버튼을 누르면 원래 회로로 복귀 ⓝ 누전차단기, Earth Leakage Breaker- 누전차단기- 도선에 흐르는 전류에 의해 발생되는 자기장을 비교하여 전류 누설 여부를 판단- 누설전류가 없을 경우: i1 = i2, Φ1 = -Φ2(상쇄) 수신부에서 검출되는 전류 = 0- 누설전류가 있을 경우: i1 ≠ i2, Φ1 ≠ -Φ2(상쇄 ×) 수신부에서 검출되는 전류 ≠ 0(유도전류 발생)- 수신부에서의 전류를 증폭시켜 Bi-Metal을 가열, Trip 시키는 것이 누전차단기ⓞ 릴레이, Relay- 제어장치에서 받은 신호로 밸브, 전기 기기의 전원을 개폐하는 장치 - 좌측: PLC 릴레이, 소전류를 구동한다.- 우측: 릴레이- 우측의 그림에서 ‘스위치가 닫히고, 전류가 흐르는 것’을 ‘Controller의 신호’로 대체하면, 원리는 동일- 사진에서의 PLC 릴레이는 On/Off 스위치 4개의 역할- LED가 켜진 것은 On 상태- 릴레이는 스프링의 힘으로 보통 상태 시 c-b로 이어지는 회로로 유지된다.- 코일 회로에 전류가 흐를 시, 코일이 전자석이 되면서 LED 발광. c 접점을 아래로 끌어당기며 c-a로 이어지는 회로로 변경된다.- 일종의 회로변경 소자ⓟ 휴즈, Fuse- 과전류 차단을 위해 제작된 용단(鎔斷, fusing)되기 쉬운 도선- 과전류가 오랜 시간 흐를 시, 과열된 도선이 녹아 회로가 차단된다.- 사진은 Fuse Holder. 내부에 원통형의 Fuse가 들어있다.ⓠ DC 전류계- 각종 비례 밸브(형체력, 유량, 유속, 배압)에 흐르는 전류를 표시하여 현재 흐르는 전류를 표시함으로써 구동 상태를 점검해 볼 수 있다.ⓡ 전원공급장치, Switched Mode Power Supply- 직류가 필요한 부품(유·공압 밸브류, 제어장치)들에 전원을 공급하기 위한 장치로, 교류를 직류로 변환 후에 PWM 방식을 이용하여 원하는 전압을 출력한다.… 이어서 12월호에서는 ‘2.3.2 Control Box 외부 전장품’이 이어집니다.

취재부 2020-11-06

탄소섬유를 이용한 UD TAPE 개발 동향

취재부 2020-11-06

㈜우진플라임 사출성형기 사출 성형품에 나타날 수 있는 트러블의 종류와 해결 방법

자료제공: 우진플라임기술교육원(http://woojinplaimm.or.kr) < 성형품에 나타날 수 있는 불량의 종류 >5. Weld Line (용접 선)Weld Line이란 플라스틱 부품상 Weld Line은 흔히 광학적/기계적 결함으로 나타난다.또 노치 현상 및 색상 변화가 나타날 수 있다. 노치 현상은 특히 표면이 곱고, 고광택을 가진 Black 또는 짙은 색상에서 많이 나타나며 투명 제품에는 더욱 선명하게 나타난다.< 원인 >Weld Line은 2개 이상의 유동 선단이 만날 때 발생하는 현상이다.수지 흐름의 볼록한 유동 선단은 서로 접촉하여 납작해지고 서로 붙는다. 이 과정은 이미 높아진 점성을 가진 유동 선단의 퍼짐이 요구된다. 따라서 높아진 점성으로 인해 온도와 압력이 충분하지 못하면 유동 선단의 모서리는 충분히 Purge지 못하고 노치를 형성한다.또한, 유동 선단은 더 이상 균일하게 용융/융합되지 못하고 약한 지점을 만든다.첨가제(안료, 윤활제)가 포함된 수지를 사용할 경우 Weld Line 주변에서 이들 첨가제가 심한 방향성을 나타내며, 이로써 Weld Line 주변에서 색상이 달라지는 것을 유발한다. 가장 중요한 해결책은 금형 온도를 올리는 것이며, 금형 온도를 올리면 Cooling Time은 정상적인 금형 온도에 비하여 약 2%/℃ 만큼 길어진다. < Weld Line 원인/대책 요약 >성형재료가 Cavity 내에서 Core Pin 주위를 흐를 때 또는 2개 이상의 흐름이 완전히 결합되지 않을 때 생기는 Line이다. 이 Line은 Gate로부터 분류가 있는 한 Weld Line을 완전히 제거하는 것은 불가능하므로 불량 현상이 최소한으로 되도록 방한을 모색하여야 한다.- 문제점과 현상: Weld Line 부근에서 색이 다른가? < 대책 > - 미세한 안료를 사용한다. - 가벼운 수지를 사용한다.- 문제점과 현상: 금형 구조상 개선이 가능한가?< 대책 > - Sprue Runner Size를 + 방향으로 조절한다. - Gate Size를 + 방향으로 조절한다. - Gate 추가 및 위치를 이동한다. (Weld Line 은폐) - Weld Line 부의 Air Vent를 확인하고 조치한다. - 수지 유동을 저해하는 부분을 확인하고 조치한다. - 금형의 성형부를 Polishing 한다.- 문제점과 현상: 성형 조건으로 개선이 가능한가? < 대책 > - 금형 온도를 + 방향으로 조절한다. - 수지 온도를 + 방향으로 조절한다. - 사출 속도를 + 방향으로 조절한다.6. Silver Streak(수분 줄)수분 줄은 성형품의 표면에 열린 U자 모양으로 나타난다.수분 줄 주위의 표면은 흔히 거칠고 기공을 나타내며, 금형 표면상의 수분 때문에 발생한 수분 줄은 폭이 넓고 거친 얇은 층 모양으로 나타나는 현상이다.< 원인 >보관 또는 성형 중 수지 입자, 수지의 수증기 형성으로 수분이 흡수된다.유동 선단에서 속도 때문에 Gas가 기포 및 수증기 형태로 수지의 표면으로 밀고 들어간다. 성형에서 보압을 가하기 때문에 터진 기포는 움직이는 유동 선단에 의하여 변형되어 금형 벽면에 고화된다.수분 줄이 생길 수 있는 원인: 금형 Cooling Line 누수, 금형 표면의 결로 현상, 수지 건조 불충분, 수지 보관 불량< 문제점 분석 >이렇듯 수분 줄은 재료 안에 함유된 수분의 영향으로 나타나는 현상이라도 해도 과언이 아니기 때문에 재료의 건조 상태를 늘 확인하여야 한다.7. 공기 줄 (Air Streak)대개의 경우 공기 줄(Air Streak)은 망 모양 또는 백색 줄로 나타나고 Domes, Rib 및 살 두께의 변화가 있는 주위에서 찾아볼 수 있는데, Sprue 및 Gate 주위에서 시작하여 박막 모양의 줄이 나타날 수 있다. 또는 Air Hooks은 글자와 같은 조각부의 오목부나 돌출부 근처에 나타날 수 있다.< 원인 >금형 내로 수지 충전 중 시간 내에 빠져 나가지 못하는 공기는 성형품 표면까지 밀려 유동 방향으로 퍼진다. 특히 글자, Icon, Mark 등과 Rib, Dome 등 오목부 부근의 공기는 휘말려 수지에 의하여 갇힌다. 그 결과 Air Hooks가 형성된다.사출성형기 가소화 장치에 수지를 계량할 때 Screw 앞쪽(Nozzle) 부위에서 공기가 흡입되면, 공기는 사출 중 Cavity로 운반되어 수지가 고화되는 금형 벽을 향해 밀린다. 따라서 이 경우는 Gate 주변에 공기 줄(Air Streaks)이 많이 나타난다.< 공기 줄 원인/대책 요약 >성형품 표면에 수지의 유동 방향으로 나타나는 은색의 선이나 구상의 점을 말한다. 이것은 성형 수지에 수분이 흡수되었거나 성형 수지의 일부 또는 전부가 Cylinder 내에서 과열되어 분해 Gas 발생 시 특히 잘 나타난다.< 원인과 대책 >

취재부 2020-11-06

스마트공장(Smart Factory)을 위한 사출성형 모니터링 및 최적화 기술6

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)Ⅲ. 사출성형 모니터링 시스템의 활용3. 양산품질관리(Monitoring & Quality Management) - 1사출 성형품을 생산하는 회사들의 궁극적인 목표는 아래와 같으며, 치열한 시장환경 속에서 사출성형 제품의 양산(Mass Production) 공정이 안정되지 않는 경우에 제품의 경쟁력이 약화되어 기업의 존립에 영향이 미칠 수밖에 없다.1. 최고의 균일한 품질의 제품을 고객에게 납품2. 적기 납품3. 가장 높은 이윤4. 가장 낮은 비용위의 1~3번의 사항은 최적의 설계와 공정 최적화를 통하여 이룰 수 있으며, 4번 사항인 낮은 비용(Low Cost)을 계속 실현하기 위해서는 양산품질관리 체계(System)를 통한 지속적인 모니터링과 공정 제어, 그리고 불량품 선별(제거) 등을 수행하여, 안정적인 양산과 불필요한 비용의 발생을 억제하여야 한다.센서(Sensor)와 모니터링(Monitoring) 시스템을 사용하여 양산품질관리를 수행하여야 하는 이유는 다음과 같으며, 이를 통하여 안정적인 생산과 납품이 이루어질 수 있다.1. 중요 품질 변수의 모니터링을 통한 실시간(On-line) 생산 공정(Process) 진단: - 생산 설비의 정상작동 여부 - 양산 프로세스 설정의 적절성 - 양산 프로세스의 안정성 및 유효성 2. 불량품 또는 불량이 의심되는 제품의 선별 또는 제거(Containment) 3. 변동(Variation)을 최소화하는 공정 자동제어최적의 제품을 생산하기 위해서는 ‘사출성형 모니터링 시스템의 활용에 필요한 기본지식’에서 언급된 재료, 금형, 사출기 그리고 제품설계에 대한 이해를 바탕으로 품질관리에 사용될 적절한 데이터의 선정, 해석, 관리가 필요하다.필요한 데이터를 얻기 위해서는 센서의 위치와 최소 설치 개수를 적절하게 선정하여 센서를 설치하여야 하며, 이를 통해 얻은 그래프에서 양산관리에 필요한 기준값을 선별할 수 있는 지식과 이해가 필요하다. 여기에서는 양산품질관리에 필요한 제반 사항에서부터 그래프 데이터의 해석과 품질 기준의 설정 및 실행까지를 2회에 걸쳐 다루고자 한다.3.1 센서(Sensor)의 위치 및 최소 설치 개수센서 위치나 개수의 적절한 선정이 이루어지지 않으면, 센서를 통하여 얻어지는 그래프 데이터의 유용성과 정확성이 낮아져 최적의 양산품질 관리가 이루어질 수 없다. 예를 들어 공정 중간에 빨리 냉각되는 얇은 두께를 가지는 부위에 센서를 설치하면, 공정 전체를 모니터링하기 어려워, 여기서 얻어지는 데이터를 제어를 목적으로 사용하기 어려워진다.[그림 130]에서와같이 압력의 변화를 측정할 수 있는 위치는 유압실린더, 노즐, 금형 내부 등이 있으며, 노즐에서의 압력, 또는 사출압(Injection Pressure)은 유압실린더에서 측정된 유압에 증압비(Pressure Intensified Ratio)를 곱하여 얻을 수 있다. (* ‘사출기’ 편 참고)금형의 내압을 측정하는 센서의 위치는 게이트 부근과 유동 말단부, 두 곳을 선정하는 것이 일반적이며, 게이트 부근에 설치하는 센서를 PST(Post Gate)라 하고 캐비티 내 유동 거리의 15% 이내에 위치시키는 것이 바람직하다. 이 센서는 V/P 절환과 같은 공정 제어에 주로 사용된다.캐비티 내 유동 거리의 85% 이후의 유동 말단 부위에 설치하는 센서를 EOC(End of Cavity)라고 부르며, 제품 불량 관련 모니터링 목적으로 주로 사용되지만, 간혹 공정 제어 목적으로도 이용된다.게이트 부근의 센서를 사용하면 플라스틱이 캐비티에 들어가는 시점과 압력을 알 수 있으며, 이 정보를 사용하여 압력 손실(노즐에서 게이트까지), 충전(Pack) 속도 및 게이트 고화(보압이 해제될 때 손실되는 압력)를 포함한 다양한 데이터를 얻을 수 있다. 또한, 이 위치의 센서는 Decoupled III 성형법에 이용되는 캐비티 압력을 얻는 데에 사용된다.간혹 제품의 중앙부(Mid-Cavity)에 센서를 설치하기도 하며, 이 센서는 자동차 패널과 같은 큰 부품에서 밸브 게이트의 여닫음(Open/Close) 시기를 조정하는 데에 사용되기도 한다. 이 위치의 센서는 일반적으로 캐비티의 평균 압력을 나타낼 수 있고, 충진 말단 부위에서 이젝터 핀을 사용할 수 없는 경우에 차선책으로 이용되며, 매우 작은 부품에 적합하다.유동 말단의 센서는 캐비티 압력 데이터를 사용하여 미성형과 같은 불량 부품을 자동으로 분류하는 데 사용되며, 게이트 부근의 센서와 함께 사용할 때 부품을 채우는 데 필요한 압력 손실을 모니터링할 수 있다. 또한, 반결정성 폴리머에서 중요한 플라스틱의 냉각 거동을 관찰할 수 있다.영향 영역(Influence Area)아래의 [그림 132]에서와 같이 센서는 사출 공정의 변화가 가장 잘 감지되는 영역(Area)에 설치되어야 하며, 이를 위하여 사출성형 시뮬레이션 프로그램을 사용하기도 한다.금형의 내압을 측정하는 센서의 개수는 일반적으로 게이트 부근과 유동 말단부를 포함하는 2개 이상으로 하는 것이 일반적이나. 다수의 캐비티(Multi-Cavities)를 가지는 금형의 경우에는 센서 개수의 증가로 인하여 초기 투자비용이 상승한다는 단점이 있다. 이런 경우에 다음과 같은 개념으로 센서의 개수를 줄이는 것이 좋다.다수 캐비티를 가지는 Cold-Runner 금형에서의 센서 위치와 최소 설치 개수아래의 [그림 133]에서와 같이 가장 먼저 충진되는 캐비티의 게이트 부근과 가장 늦게 충진되는 캐비티의 유동 말단부를 선정하여, 두 개의 센서를 설치한다. 게이트 부근에 설치된 센서는 공정 제어에 사용하며, 유동 말단부에 설치된 센서는 제품 불량 관련 모니터링에 이용한다. 미세한 차이에 의하여 변화가 발생하는 캐비티의 충진 불균형은 시뮬레이션을 통하여 확인하기에는 무리가 있는 경우에는 시사출을 통하여 확인 후에 센서를 설치하는 것이 좋다.다수 캐비티를 가지는 Hot-Runner 금형에서의 센서 위치와 최소 설치 개수아래의 [그림 134]에서와 같이 평균 순위로 충진되는 캐비티의 게이트 부근과 모든 캐비티의 유동 말단부를 선정하여, 센서를 설치한다. 게이트 부근에 설치된 센서는 공정 제어에 사용하며, 유동 말단부에 설치된 센서는 제품 불량 관련 모니터링에 이용한다. Hot-Runner를 사용하는 금형의 각 캐비티는 Cold- Runner와 다르게 각각의 캐비티의 충진 양상이 개별적으로 진행되기 때문에 서로 간의 영향이 매우 적어 다른 캐비티의 센서로 연관성을 찾기는 매우 어려움으로, 양산품질관리를 위해서는 캐비티 수 만큼의 센서가 유동 말단 부위에 설치되어야 한다.3.2 센서(Sensor)의 설치압력 센서의 가장 일반적인 설치 스타일은 플러시 마운트(Flush Mount)와 버튼(Button), 또는 직접식(Direct)과 간접식(Indirect)으로 나누며, 직접식으로 설치된 센서는 캐비티 블록에 장착되어 감지 표면이 플라스틱과 접촉한다. 간접식으로 설치된 센서는 캐비티에서 떨어져 장착되며, 압력은 이젝터 핀(Ejector-Pin), 전송 핀(Transfer-Pin), 고정핀 또는 이젝터-슬리브(Ejector-Slave)를 통해 센서로 전달된다. 센서 스타일의 선택은 원하는 캐비티 위치에서 이젝터 핀의 가용성, 센서에 사용할 수 있는 공간, 금형 온도 등 여러 요인에 따라 달라진다. 금형 제작이 완료되고 시사출 후에 설계의 변경 등으로 인하여 형상 변경이 이루어질 가능성이 있는 금형에는 버튼(Button) 타입의 센서를 설치하는 것이 바람직하다. 이는 캐비티의 수정이 이루어질 때 이젝터 핀의 상단면을 함께 가공하거나 새로 교체하기가 쉽기 때문이다.수십 년간의 센서 설치, 고객 피드백 및 내구성 테스트 결과에 의하면, 센서를 형체판(Clamping Plate)에 장착하고 압력을 전달하기 위해 전송 핀(Transfer-Pin)을 사용하는 것이 가장 좋은 방법이며, 이에 따른 몇 가지 이점은 다음과 같다.• 금형의 작동, 또는 유지보수 작업으로 인하여 센서가 손상될 가능성이 적음• 접근성이 양호하여 유지보수 용이• 센서에 대한 열 노출 최소화• 이젝터 플레이트의 움직임 및 충격에서 자유로워 센서의 수명 향상버튼(Button) 타입의 센서를 사용하는 경우에는, 이젝터 핀의 상단 면적 또는 원형인 경우에는 직경에 대한 정확한 값을 모니터링 시스템에 입력하여야 한다. 이는 센서에서 측정된 힘으로 캐비티 내의 압력을 계산하기 때문이며, 또한 금형에 따라 이젝터의 크기가 사용자 또는 제작자 임의로 결정되기 때문이다. 캐비티 온도(Cavity Temperature) 센서를 사용하여, 유동 선단이 캐비티의 특정 영역을 통과하는 시간을 감지할 수 있으며, 플라스틱이 그 위로 흐르면 온도가 빠르게 상승하기 때문이다. 이 온도 센서가 각 게이트 가까이에 있을 때 순차적 밸브 게이트의 개방 시간을 측정하는 데 사용되기도 한다. 반결정성(Semi-Crystalline) 재료를 사용한 부품의 경우에 냉각 환경의 변화가 치수(Dimension)에 많은 영향을 끼침으로, 캐비티 온도 센서를 이용하여 금형 표면 온도의 변화를 측정하고, 이를 통하여 양산품질 관리에 필요한 상/하한 기준으로 활용할 수 있다.3.3 그래프(Graph) 분석양산품질관리에서 가장 중요한 작업은 센서에서 얻어지는 그래프에서 품질관리에 필요한 데이터(값)를 선정하고 분석하여 관리하는 일이다. 그러므로 각 곡선에서 얻어지는 데이터 값들에 대한 이해가 요구되며, 이러한 값들의 변화가 제품 품질에 어떠한 영향을 끼치는지를 고민할 필요가 있다. 위치 센서(Stroke Sensor) 데이터아래 [그림 138]에서의 검은색 곡선은 위치 센서(Stroke Sensor)에서 얻어지는 시간에 따른 Screw 위치를 나타내며, 각각의 변곡점, 기울기 등은 사출기의 동작과 매우 긴밀한 관계를 가진다. 적절한 곡선 데이터를 얻기 위해서는 위치 센서가 스크류 최대 전진 위치를 인식할 수 있도록, 보정하는 작업을 필수적으로 수행하여야 한다. 이러한 작업이 완료되면 그래프의 Y축 최대치는 자동으로 스크류 최대 전진 위치(Screw bottom)로 설정된다.(* 위의 작업을 수행하지 않는 경우에, 모니터링 시스템은 쿠션량(Cushion)을 자동으로 계산할 수 없다.)위의 그림에서의 각각의 위치나 구간들은 다음과 같은 의미를 가지며, 이를 통하여 사출기의 동작에 대한 설정값(Setting Value)이 아닌 실제 동작 값에 대한 데이터를 얻을 수 있다.A 위치: 스크류 최대 전진 위치 (Screw Bottom)A to B: 쿠션량(Cushion)C 위치: V/P절환 위치B to D: 최종 사출량(Shot Size)D to E: 감압(Decpmpression) 거리유압 센서(Hydraulic Pressure Sensor) 데이터아래 [그림 139]에서의 빨간색 곡선은 유압 센서(Hydraulic Sensor)에서 얻어지는 시간에 따른 사출기 유압의 변화를 나타내며, 각각의 변곡점, 기울기 등은 사출기의 유압 시스템과 밸브의 동작과 성능에 따라 변화한다. 적절한 곡선 데이터를 얻기 위해서는 유압 센서가 압력이 ‘0’인 상태를 인식할 수 있도록, 보정(Calibration)하는 작업을 필수적으로 수행하여야 한다. 위의 그림에서의 각각의 위치나 구간들은 다음과 같은 의미를 가지며, 이를 통하여 사출기의 동작에 따른 압력의 변화 값과 사출기의 성능 판별에 필요한 데이터를 얻을 수 있다.A: 사출기의 최대 사출압C: 사출기의 보압(Holding Pressure) B to D: V/P 절환 전이 구간-사출기의 압력 응답 성능(Pressure Response) 관련 데이터E: 사출기의 배압(Back Pressure)* 압력 응답성은 사출기의 성능을 판별하는 매우 중요한 항목으로 A에서 C까지의 압력 차이를 전이 발생 구간의 시간으로 나누어 계산하며, 전이 구간의 진폭(B to D)은 유압과 밸브 시스템의 성능과 직결된다.[그림 140]에서 충진(Fill) 구간에서의 사출압(유압) 곡선의 면적을 유효 점도(Effective Viscosity)라고 하며, 이러한 데이터는 모니터링 시스템에서 자동으로 계산된다. 유효 점도 값을 이용하여, 사출기로 공급되는 재료의 일관성(Consistency)을 모니터링할 수 있다. 시간(Time)의 변화에 따른 데이터아래 [그림 141]에서의 유압 센서(Hydraulic Sensor), 위치 센서(Stroke Sensor) 그리고 내압 센서(Cavity Pressure Sensor)의 곡선에서 얻어지는 시간(Time) 값은 사출기 동작과 금형 내에서의 유동의 변화를 예측하는 유용한 데이터를 제공한다. 위의 그림에서의 각 시간이나 시간의 구간들은 다음과 같은 의미를 가지며, 이를 통하여 사출기와 금형에서의 현상을 파악하고, 이를 사출기의 유지보수나 제품의 품질관리에 필요한 데이터로 사용한다.0 to A: 스프루/런너 충진시간(Sprue/Runner Fill Time)0 to B: 사출기 충진시간(Machine Fill Time)A to C: 캐비티 충진시간(Cavity Fill Time)C to D: 캐비티 충전시간(Cavity Pack Time)B to E: 사출기 보압시간(Machine Hold Time)E to F: 사출기 스크류 회전 연기 시간(Screw Rotation Delay Time)F to G: 사출기 계량시간(Screw Run Time)‘H’ 부근에서 스크류 위치 변화가 과도하게 일어나는 경우에는 다음과 같은 원인에 의하여 발생함으로 원인을 파악하여, 적절한 조치를 취해야 한다. 특히 핫런너 금형에 압축성이 높은 재료를 사용하는 경우에는 메니폴드(Manifold)에 과도한 압력이 오랜 시간을 작용하지 않도록 적절한 보압과 보압시간을 설정하는 것이 바람직하다.1. 체크링(Checking-Ring)이나 사출기 실린더의 마모2. 금형의 런너(Runner)나 스프루(Sprue)의 과도한 체적3. 핫런너(Hot-Runner) 사용 시‘K’를 압력 응답시간(Response Time)이라고 하며, 사출기의 성능을 판단하는 중요한 항목이다. 이는 응답시간을 압력의 변화로 나눈 값을 말하며, (T1-T2)/[(P1-P2)/10,000]로 계산되는 값이 0.2sec/1000psi 이하인 경우를 사출기의 성능이 적절하다고 판단한다. 내압 센서(Cavity Pressure Sensor) 데이터아래 [그림 142]에서의 빨간색 곡선은 유압 센서(Hydraulic Sensor)에서 얻어지는 사출기의 유압 또는 사출압의 변화를 나타내며, 파란색 곡선은 내압 센서(Cavity Sensor)에서 얻어지는 캐비티 압력의 변화를 보여준다. 사출기의 일정한 동작에 의하여 동일한 사출압을 보여주나, 내압은 매우 변화가 심함을 알 수 있으며, 이것은 금형 내에서 측정된 데이터를 이용해야 더욱 적절한 제품의 품질관리가 이루어질 수 있음을 설명한다.양산 공정에서 발생하는 이러한 무작위 변동(Random Variation) 현상은 아래 요인에 의하여 발생하며, 결과적으로 내압의 변동에 영향을 주어 제품의 품질을 변화하게 한다.(1) 일정하지 않은 재료의 물성(* 점도)(2) 핫런너의 불안정성(3) 게이트와 런너에서의 불안정한 유동 및 냉각(4) 균일하지 않은 계량(Melting & Mixing)(5) 실린더 또는 핫런너 메니폴드(Manifold)에서의 일정하지 않은 체류 시간(Residence Time)(6) 온도 및 습도의 변화 등…PST(게이트 근처) 위치에 내압 센서를 설치하면 위 [그림 143]의 녹색 곡선을 얻을 수 있으며, EOC (유동 말단 근처) 위치에 내압 센서를 설치하면 아래 [그림 144]의 파란색 곡선을 얻을 수 있다. 게이트 부근의 센서는 충진(Fill) 공정부터 전 공정에 걸쳐 압력 변화를 감지할 수 있으나, 유동 말단부의 센서는 충전(Pack)이 시작되는 시점에서부터 압력의 변화를 보여준다. 이 두 개의 곡선에서 각각의 최대 압력(Peak Pressure), 충전속도(Pack Rate), 냉각속도(Cooling Rate)를 얻을 수 있으며, 각 값의 차이가 클수록 제품이 균일하지 못하게 된다. 특히 최대 압력(Peak Pressure) 값은 유동 공정에서 발생하는 미 충진, 불균일한 패턴 전사 등과 같은 외관 불량을 선별하는 데에 기본으로 사용된다. 또한, 곡선의 아래 면적(Integral)으로 충진(Fill) 적분, 충전(Pack) 적분, 냉각(Cooling) 적분 값을 얻어 제품이 각각의 공정과 전 과정에서 총 압력이 작용하는 정도를 비례적으로 계산된다. 플라스틱은 다른 재료에 비하여 열전도도(Conductivity)가 낮아 냉각 시간이 매우 길며, 상온까지 냉각되는 압력의 이력이 제품의 품질에 많은 영향을 끼친다. 특히 수축(Shrinkage), 싱크 마크(sink-mark), 제품 치수, 그리고 변형(Warpage)과 같은 불량을 선별하고 모니터링하는 데에 적분(Integral) 값이 사용된다.캐비티 온도 센서가 없는 경우에도 보압(Hold) 공정에서의 압력 곡선 기울기를 이용하여, 비례적으로 냉각속도(Cooling Rate)를 계산할 수 있으며, 비결정성(Amorphous)에 비하여 반결정성(Semi-Crystalline) 재료의 수축(Shrinkage)이 냉각속도에 민감함으로 캐비티 온도 센서가 없는 경우에 필수적으로 모니터링해야 한다.기울기(Slope)는 재료의 열전도도, 제품의 두께, 금형 온도, 재료의 용융온도에 의하여 변화함으로, 문제 발생 시에 변동성이 있는 항목(금형/용융온도)의 변화에 주목하여야 한다.… 2020년 핸들러 12월호에서도 [양산품질관리] 편이 계속되며, 이번 호에서 기술된 내용과 연계하여 품질과 그래프(Graph)의 상관관계, 양산품질관리 전략과 방법 등을 다루고자 한다.

취재부 2020-11-06

생기원, 10월 16일 시흥뿌리기술센터에서 항우연과 업무협약 체결

- 생기원이 3D프린팅 부품 제조, 항우연이 제작부품 실증평가 역할 분담항공우주부품은 그 기능이 고도화됨에 따라 형상이 복잡해지고 경량화가 요구되면서 3D프린팅 등의 첨단 제조기술 적용이 확대되고 있다. 세계적 항공기업 보잉(Boeing)사는 공기공급 배관, 제너럴일렉트릭(GE)은 터빈 블레이드, 유나이티드 테크놀로지스 코퍼레이션(UTC)는 항공기 엔진 등 핵심 부품 제작에 3D프린팅 기술을 접목하고 있다. 반면 국내 항공우주산업 분야에서는 기술 활용도가 상대적으로 떨어져 공공연구기관 주관의 시범사업 추진을 통한 활성화가 필요한 시점이다.한국생산기술연구원(원장 이낙규, 이하 생기원)과 한국항공우주연구원(원장 임철호, 이하 항우연)이 3D프린팅 및 첨단 제조기술을 활용해 항공우주부품 공동개발 및 관련기업 지원에 힘을 모으기로 하고, 10월 16일(금) 업무협약을 체결했다. 생기원 시흥뿌리기술센터에서 열린 이날 행사에는 협약기관 대표인 이낙규 생기원장, 임철호 항우연장을 비롯해 생기원 문경일 공정지능연구부문장, 손용 3D프린팅제조혁신센터장, 항우연 박재성 미래발사체연구단장 등 관계자 10여 명이 참석했다. 생기원은 이번 협약을 계기로 뿌리기술센터를 제조혁신의 전초기지로 삼아 보유한 첨단 뿌리기술과 3D프린팅 기술을 기반으로 항공우주부품 제조 자립 및 3D프린팅 산업 저변 확대에 기여하겠다는 구상이다.양 기관은 기술협력을 위해 각각 역할을 분담했다. 생기원 3D프린팅제조혁신센터에서 산업용 3D프린터 장비와 기술인력을 활용해 부품을 만들면, 항우연이 제작된 부품에 대한 실증평가방안을 마련하겠다는 계획이다. 이를 위해, 생기원에서는 2021년도까지 항공우주부품 제작에 적합한 산업용 3D프린터를 경기도 시흥시 및 대전 테크노파크에 위치한 3D프린팅제조혁신센터 2곳에 구축해 3D프린팅 제작 및 실증평가기술을 지원한다.한편 항우연에서는 발사체 연소기, 추진체 고압 탱크를 비롯한 3D프린팅 수요부품을 발굴하고 그에 맞는 평가방안을 제시한다. 해당 부품에 3D프린팅 기술이 적용될 경우, 별도의 조립작업 없이 일체형으로 제작 가능해짐에 따라 공정을 단순화할 수 있으며, 제작 비용과 시간도 크게 감축할 수 있을 것으로 기대된다.생기원 이낙규 원장은 “국내 항공우주부품 제조 자립을 위해서는 최근 14대 뿌리기술로 선정된 3D프린팅 기술을 접목해 공정을 혁신하는 것이 필수 불가결한 일”이라고 밝히며, “향후 항우연과 협업체계를 강화하는 한편, 항공우주부품 제조기업들이 필요로 하는 기술지원에 힘쓰겠다”고 말했다.문의: 한국생산기술연구원 공정지능연구부문 손용 박사

편집부 2020-10-21

기계연, 만능 그리퍼로 언택트 시대를 위한 로봇기술 확보

편집부 2020-10-20

생기원, 고성능 수전해 촉매 개발로 그린뉴딜 선도한다.

- 기존 백금 소재보다 60%가량 저렴, 수소 생산효율 10% 더 높여- 「Advanced Functional Materials」 9월 표지 논문 게재한국생산기술연구원(원장 이낙규, 이하 생기원)이 건국대학교와 함께 기존 백금 소재보다 60%가량 저렴하면서 수소 생산효율을 향상시킨 새로운 수전해 촉매 소재 개발에 성공했다.이번 연구성과는 2020년 9월 소재 분야 해외 유명저널인 ‘Advanced Functional Materials’(Impact Factor:16.836)의 표지 논문으로 선정돼 온라인상에 게재됐다. 생기원 기능성소재부품연구그룹 김강민 박사와 건국대 한혁수 교수가 공동개발한 고효율 저단가 수전해 촉매 기술이 지난 9월 ‘Advanced Functional Materials’ 표지 논문에 게재됐다.수소는 지역적 편중 없이 세계적으로 풍부하고 보편적인 친환경 에너지 자원이지만, 물이나 유기화합물 형태로만 존재해 별도의 분리 기술 연구가 선행되어야 한다.현재 대부분의 수소는 석탄이나 석유, 천연가스와 같은 화석연료로부터 분리해내는 방식을 통해 주로 생산되고 있는데, 제조단가는 저렴한 반면, 생산과정에서 온실가스를 배출하고 환경오염을 유발한다는 단점이 있다. 그에 반해 수전해 기술은 물을 전기 분해해 수소를 생산하는 기술로, 제조공정이 친환경적이어서 최근 연구개발이 매우 활발한 분야이다. 하지만 현재 기술력으로는 수전해 수소 생산에 백금과 같은 고가의 귀금속 기반 촉매를 필요로 해 상용화에 어려움을 겪고 있다.생기원 기능성소재부품연구그룹 김강민 박사와 건국대학교 미래에너지공학과 한혁수 교수가 이끄는 공동연구팀은 수전해 기술 상용화의 핵심이 고효율 저단가 촉매 개발에 있다고 보고 함께 연구를 진행했다.수전해 촉매 효율 향상을 위해서는 전기분해가 잘 될 수 있도록 전기전도도가 우수해야 하고 촉매 표면의 흡착 기능도 뛰어나야 한다. 연구팀은 먼저 촉매 표면에 화학적 표면 식각(蝕刻) 공정*을 적용해 전기전도성이 우수한 니켈보라이드(Ni2B)와 반응물 흡착에 유리한 니켈하이드록사이드(Ni(OH)X)를 동시에 형성할 수 있는 원천기술을 개발했다. * 화학약품의 부식작용을 응용한 표면가공 방법그리고 이를 기반으로 효율적인 촉매 반응을 일으킬 수 있도록 전하 전달과 표면 흡착을 한 번에 최적화시킬 수 있는 새로운 촉매 소재 설계 패러다임을 제시했다. 이 방식으로 제조된 촉매를 사용할 경우, 기존 귀금속 촉매에 상응하는 내구성에 수소 생산효율도 10%가량 높일 수 있으며, 촉매 가격은 기존 대비 약 40% 수준으로 절감될 것으로 예상된다.생기원 김강민 박사는 “수소 촉매뿐만 아니라 배터리·연료전지·슈퍼 캐패시터(Super-Capacitor)* 등 에너지 전환 및 저장 소자에도 적용할 수 있는 기술”이라고 밝히며, “수소산업 생태계 조성 및 그린뉴딜 선도에 기여할 것으로 기대된다”고 말했다.* 전자회로에서 전기를 일시적으로 저장하는 축전 장치한편, 본 연구는 한국연구재단이 지원하는 개인 기초연구 지원 사업으로 2019년 11월부터 2020년 10월까지 1년 동안 진행됐다.문의: 한국생산기술연구원 기능성소재부품연구그룹 김강민 박사(033-649-4025 / 010-4310-9311 / kmkim@kitech.re.kr)

편집부 2020-10-20