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UNIST·부경대·조선대 공동 연구팀, 리튬금속전지 시스템 개발 본격 착수

- 삼성미래기술육성사업 지원받아… 재료부터 전지 시스템까지 융합연구양산형 리튬금속전지 연구에 착수한 공동 연구팀전기차 배터리의 에너지 밀도를 2배 이상 향상시킬 ‘리튬금속전지’ 연구가 본격화된다. 신진연구자들과 중견 연구자들의 융합연구로 배터리 산업의 성장 기회가 마련될지 주목된다.UNIST(총장 이용훈)와 부경대학교, 조선대학교 공동 연구팀이 차세대 전기차 배터리 개발을 위한 연구를 시작한다. 연구팀은 지난 6월 삼성미래기술육성사업 신규과제로 선정됐으며, 8월부터 본격적인 연구에 착수했다.인물사진 4장 첨부(좌측부터 UNIST 정경민 교수, 최남순 교수, 부경대 오필건 교주, 조선대 손윤국 교수)정경민, 최남순 UNIST 에너지 및 화학공학부 교수와 오필건 부경대학교 인쇄정보공학과 교수, 손윤국 조선대학교 전기공학과 교수로 구성된 연구팀은 향후 2년간 10억 원을 지원받아 리튬금속전지 시스템을 위한 전극 설계와 소재기술 개발에 나선다.리튬금속전지는 리튬 금속을 음극으로 사용하는 전지로, 현재 상용화된 리튬이온전지에 비해 에너지 밀도가 높아 전기차용 차세대 고용량 배터리로 주목받고 있다. 공동 연구팀은 양산 가능한 리튬금속전지를 개발, 무게는 가벼우면서도 에너지 용량은 더 큰 차세대 전기차용 배터리 구현을 목표로 하고 있다.연구책임자인 정경민 교수는 “현재 국내 배터리 생산기반과 제조기술을 가능한 그대로 이용하면서 고용량 배터리를 양산할 수 있도록 만드는 것이 목표”라며, “배터리 산업이 한 단계 도약하는데 실질적 기여를 할 수 있는 연구를 추진해나갈 계획”이라고 밝혔다.연구팀은 리튬금속전지 상용화를 위한 새로운 재료 개발에서부터, 촉매 물질, 전해액, 전극기술과 전지 시스템까지 배터리 개발 전 과정에 걸친 연구를 수행할 계획이다. 연구팀에는 각 분야를 담당할 전문가들이 함께하고 있는데, 이들은 모두 UNIST에서의 연구 경험을 갖고 있다는 공통점이 있다.오필건 부경대 교수와 손윤국 조선대 교수는 모두 UNIST에서 박사 학위를 취득했다. 이들은 산업체 경험을 거쳐 각 대학 교원으로 임용됐으며, 차세대 배터리 소재 연구를 수행하고 있다. 이번 공동 연구팀은 UNIST 소속 교원들과 UNIST 출신 교원들이 한 팀을 이룬 셈이다.정경민 교수는 “이번 공동연구는 이차전지 연구에 최적화된 UNIST의 연구 환경과 인재육성 시스템이 있었기에 시작될 수 있었다”며, “짧은 역사에도 불구하고 실용적 융합연구 전통이 이어지고 있는 만큼, 미래를 바꿀 차세대 전지 연구가 더욱 활발하게 진행될 것으로 기대한다”고 밝혔다.UNIST는 최근 산업통상자원부의 ‘산업 혁신 인재성장 지원 사업’ 중 하나인 배터리 전문 인력양성사업 수행 대학으로 선정되기도 했다. 이에 따라 UNIST는 향후 5년간 ‘배터리 핵심 소재’ 전문 인력을 양성하게 된다.한편 삼성미래기술육성사업은 삼성전자가 기초과학 발전과 산업기술 혁신을 위해 기금을 출연해 시행하는 과학기술연구 지원 사업이다. 올해 상반기 연구과제로는 총 28건이 선정됐는데, UNIST에서는 정경민 교수를 포함 총 3건의 과제가 선정됐다. 부경대학교와 조선대학교는 이번 공동 연구팀의 과제가 첫 선정 사례다. 자료문의: 에너지 및 화학공학부: 정경민 교수(052)217-2596

편집부 2020-09-08

‘공기 구멍’ 많아지면 더 튼튼해지는 다공성 금(gold) 소재 개발 UNIST 김주영 교수팀, 다공성 금 소재의

- 자가치유 특성·넓은 표면적의 3차원 나노소재 최초 구현… Nano Letters 게재 값비싼 금 대신 ‘공기’를 채워 넣어 가볍고, 내부 표면적이 넓은 소재가 나왔다. 금 내부의 공기구멍(pore)을 아주 작게 만들어 강도는 높고, 자가치유 능력까지 있다.UNIST(총장 이용훈) 신소재공학부 김주영 교수 연구팀은 부러진 후에도 쉽게 다시 붙는 ‘자가치유 능력’을 가진 3차원 나노 다공성(nano porous) 금 소재를 개발했다. 연구팀은 다공성 금 소재 내부의 기공을 작게 만드는 방법을 이용해 쉽게 부서지는 다공성 소재의 단점을 해결했다.물질 내부에 미세한 구멍을 많이 만들면 반응이 일어날 수 있는 표면적이 넓어진다. 나노 다공성 금 소재도 내부에 수십 나노미터(㎚, 1㎚=1억분의 1m) 크기의 작은 구멍이 촘촘히 있는 구조를 갖는다.넓은 표면적 때문에 반응성이 좋아 센서, 전극 재료, 촉매 등으로 사용될 수 있을 뿐만 아니라 공기로 채워져 있어 무게가 가볍고 금의 인체 친화성 때문에 생체 재료로도 사용할 수 있다. 하지만 소재 자체가 갖는 다공성 구조 때문에 작은 변형에도 쉽게 균열이 일어나 활용에 제약이 있었다.다공성 금의 이미지 연구팀은 기공을 25나노미터 크기로 줄여 오히려 더 튼튼하고 잘 부서지지 않는 다공성 금 소재를 만들었다. 일반적으로 기공 숫자가 많아지면 강도가 떨어지지만, 이번에 개발된 소재는 크기가 작은 기공이 조밀하게 있음에도 강도가 높다. 특히 부러진 이후에도 스스로 달라붙는 능력이 있어 파손된 이후 강도가 처음 강도의 약 50% 수준까지 회복된다. 자가치유된 나노 다공성 금의 강도 변화 연구진은 추가적 실험을 통해 강도가 높은 원인과 자가치유 과정을 밝혀냈다. 확산을 통해 움직이는 금 원자가 파손된 단면을 메우는데, 기공이 작아지면 표면에 노출되는 금 원자 비율이 높아져 원자가 잘 확산되기 때문이다. 그뿐만 아니라 메워지는 단면의 형태가 매우 뾰족해서 자가치유 현상이 촉진된다. 결과적으로, 열이나 전자빔은 같은 외부 에너지 없이 ‘절단면이 살짝 접촉했을 때 자연적으로 발생하는 힘’(압축 응력)만으로 균열이 치유된다.이번 연구에 제1저자로 참여한 곽은지 신소재공학부 박사는 “기공이 작을수록 표면에 노출되는 원자가 많아 상온에서 원자의 확산(diffusion)이 잘 일어난다는 점과 금 뼈대가 엿가락처럼 끊어질 때(necking*) 그 단면이 기공 크기(25nm)보다 더 작다는 점 때문에 자가치유 현상이 잘 일어난다”고 설명했다.* 네킹(necking): 연성(延性)을 가진(말랑말랑한) 금속이나 고분자 재료 등을 위아래로 잡아당겨 늘리면(인장) 변형하는 부분과 변형하지 않는 부분으로 나뉘고, 그 경계에 잘록함이 생기는데 이를 네킹이라고 한다. 말랑말랑한 엿가락을 잡아당겨 끊을 때 절단 부분이 가늘어지는 현상과 같다.개발된 소재는 다공성 소재의 장점과 금의 장점을 모두 갖췄다. 기공이 전체 부피의 70%를 차지해 가벼우며, 일반적인 금에 비해 표면적은 10만 배 이상 넓다. 또 전기전도도가 높고 화학적으로 안정한 데다 생체에도 적합하다. 금의 장점을 그대로 유지한 것이다.김주영 교수는 “나노 다공성 금은 화학적으로 안정적이며 인체에 무해한 소재”라며, “이번 연구로 쉽게 부서진다는 약점을 극복한 만큼 다양한 분야로 활용될 것”이라고 기대했다. 또한 “파손된 금 소재를 재활용할 수 있다는 측면에서도 중요한 연구”라고 밝혔다.이번 연구는 나노분야의 국제학술지인 나노 레터(Nano Letters) 8월 14일 자로 온라인 공개됐으며, 24일 정식 출판을 앞두고 있다. 연구수행은 한국연구재단의 ERC 후속 지원사업, 소재융합혁신기술개발사업과 포스코 청암재단 ‘포스코 사이언스 펠로십’의 지원을 받아 이뤄졌다.* 논문명: Self-Healing of Nanoporous Gold Under Ambient Conditions자료문의: 신소재 공학부: 김주영 교수 (052)217 2334

편집부 2020-09-08

페인트처럼 칠해서 만들 수 있는 태양전지, 실험실 밖으로 나온다

- 대면적 용액공정 태양전지 핵심 소재 설계를 위한 원리 규명- 향후 플라스틱 기반의 태양전지 페인트 기술로 활용 기대국내 연구진이 태양전지 원료의 용액을 코팅 후 고체화되는 속도를 제어하는 방법으로 고효율 용액공정1) 유기 태양전지의 대면적화에 성공했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 광전하이브리드연구센터 손해정 박사팀은 용액 공정상에서 유기 태양전지 소재의 작은 면적과 큰 면적에서 필름 형성 기작의 차이점을 규명하고 이를 공정 기술상의 해결을 통해 고효율 유기 태양전지2) 대면적화 기술을 개발했다고 밝혔다.KIST 손해정 박사팀의 연구원(박소현 연구원(좌), 박성민 박사(우))들이 고효율 유기 태양전지의 대면적화에 성공, LED 전력 테스트를 하고 있다.태양전지 소재를 페인트처럼 만들어 건물이나 자동차 등 원하는 공간에 칠하는 방식으로 쉽게 만들고, 전기를 자급자족하게 할 수 있다면 세계 에너지 빈곤층에 저가의 친환경 에너지 공급이 가능해질 것이다. 그뿐만 아니라 도심 건물에 태양광 설치를 위한 공간 활용이 쉬워지고, 이상적으로는 필요시에 페인트를 덧바르는 형태로 태양전지 패널을 유지 보수할 수 있다.이러한 태양전지 소재의 용액을 코팅하는 방식을 이용한 태양전지 생산 기술인 용액공정 태양전지는 전기를 생산하는 활성 영역3)이 매우 작은(0.1㎠ 이하) 실험실 수준에 머물러 있다. 실질적으로 전력생산이 가능한 넓은 면적으로 적용하면 소재와 공정에서 오는 한계로 태양전지의 성능감소와 재현성 문제가 있어 상용화에 걸림돌이 되고 있다. KIST 손해정 박사팀에서는 스핀 코팅을 활용한 용액공정 방식으로 대면적의 고효율 태양전지 기술을 구현했다.KIST 손해정 박사팀은 상용화된 유기 소재가 쉽게 결정화되는 성질을 갖고 있어 대면적 용액공정에 부적합하다는 사실을 밝혔다. 산업용으로 쓰이는 대면적 용액공정은 태양전지 소재가 녹아 있는 용매가 증발하여 필름이 형성되는 속도가 느리기 때문에, 뭉침 등의 현상이 일어나 태양전지의 효율이 떨어지게 된다. 반면에 실험실 연구 단위에서 쓰이는 작은 면적용 공정인 스핀 코팅 방법의 경우 필름 형성 과정에서 필름을 빠르게 회전시켜 용매의 증발을 빠르게 진행시키기 때문에 이런 문제점 없이 고효율의 필름을 형성할 수 있다.유기 태양전지 광활성 층 소재에 따른 대면적 용액공정 최적화 기술개발KIST 연구진은 위 사실을 바탕으로 대면적 용액공정 방식에서 코팅 공정 후 용매의 증발속도를 제어하여 태양전지 성능에 최적화된 필름을 형성, 고성능 대면적 유기 태양전지를 개발했다. 그 결과, 기존보다 태양전지 광전변환 효율4)이 30% 상승한 9.6%의 고효율 대면적 유기 태양전지 기술을 구현하였다. 용액공정 태양전지 (Solution processable solar cell) : 기존의 고가의 진공 프로세스가 아닌 잉크 타입의 유기물 전구체를 이용하여 저가의 코팅이나 인쇄방식으로 제작되는 태양전지 유기태양전지(Organic Photovoltaics) : 탄소 기반의 전도성 광 흡수 유기재료를 사용하여 만든 태양전지 활성 영역(Photoactive area) : 태양 빛을 흡수하여 얻은 빛 에너지로 전력을 생산하는 태양전지 내 필름 형태 부품으로 필름의 크기를 칭함 광전변환효율 (Power conversion efficiency) :정격 최대출력 조건에서 출력전력과 입력 유효전력의 비를 말함.KIST 손해정 박사는 “고품질의 대면적 용액공정이 가능한 태양전지 소재의 핵심 디자인 원리를 제안함으로써 향후 용액공정 태양전지 개발이 가속화될 것으로 예상된다”라고 말하며, “차세대 용액공정 태양전지의 고효율화뿐만 아니라 상용화에 필요한 대면적 제조를 위한 태양전지 소재의 핵심기술 개발에 기여하였다”라고 밝혔다.본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업과 연구재단 중견연구자지원사업으로 수행되었으며, 연구결과는 에너지 분야의 국제학술지 ‘Nano Energy’(IF: 16.602, JCR 분야 상위 4.088%) 최신 호에 게재되었다.* 논문명: ‘Development of highly efficient large area organic photovoltaic module: Effects of non-fullerene acceptor’- 제1저자: 한국과학기술연구원 박소현 학생연구원- 제1저자: 한국과학기술연구원 박성민 박사후연구원- 교신저자: 한국과학기술연구원 손해정 책임연구원문의: 광전하이브리드연구센터 손해정 책임연구원(T.02-958-5320, 010-2167-1333, hjson@kist.re.kr)

편집부 2020-09-03

생분해성 친환경 포장재/필름 기술개발 동향

자료제공: 소재종합솔루션센터(www.matcenter.org), 화학소재정보은행(www.cmib.org) 지식정보 심층보고서

취재부 2020-09-02

우리 생활에 없어서는 안될 유용한 플라스틱 제품을 만드는 사출성형기 이야기 26

자료제공: LS엠트론 기술교육아카데미 (http://lsmtronacademy.com)

취재부 2020-09-02

㈜우진플라임 사출성형기 “다단 사출로 성형하라”

자료제공: 우진플라임기술교육원(http://woojinplaimm.or.kr)

관리자 2020-09-01

스마트공장(Smart Factory)을 위한 사출성형 모니터링 및 최적화 기술 6

Ⅲ. 사출성형 모니터링 시스템의 활용1. 사출기 성능점검(Machine Evaluation)많은 성형 엔지니어는 자신이 ‘자신의 기계를 안다’라고 생각하지만, 실제로는 사출기의 성형조건 변화가 사출기의 작동에 정량적으로 어느 정도 영향을 미칠 수 있는지를 파악하지 못하는 경우가 대부분이다.사출성형 공정에서 설정 조건이 아니라, 설정된 조건으로 사출기의 실제 작동결과가 중요한 것이며, 제품의 품질과 양산성에 직결된다는 점을 명심해야 한다.사출기의 성능은 사출기 제작업체의 사양서(Specification)에 의하여 평가되기도 하는데, 이는 사출기의 대략적인 용량(Capacity)을 나타내는 것임으로, 사출기의 성능(Performance), 즉 정확성, 안정성, 반복성 등의 정도를 나타내는 것은 아님을 알아야 한다. 현재 국내에서는 자체적으로 평가 항목을 정하고 평가를 실시하는 몇몇 업체들이 있으며, 해외의 평가 방법과 비교하여 가장 두드러진 차이점은 배럴 내의 수지가 없는 무부하(Unload) 상태에서 대부분의 항목을 평가한다는 점이다.국내의 평가 항목에서 사출 속도에 대한 스펙(Specification) 대비 속도 직진성(Linearity) 테스트를 실시하는 경우에 수지가 배럴 내에 없는 상태에서 단순히 실린더의 직선운동의 정확성만을 평가한다. 모든 성형공정에서는 용융재료와 금형에 의하여 유동 저항이 존재하며, 다양한 부하(Load) 상태에서 사출기가 조작자의 명령에 따라 정확하게 작동하는 지가 제품 품질과 성형성에 관련된 실제적인 성능인 것이다.예를 들어 두 대의 트럭의 성능을 비교할 때에, 짐이 없는 트럭이 평지를 달릴 때의 능력과 짐을 가득 실은 트럭이 언덕길을 올라갈 때의 능력을 비교하는 것과 매우 유사하다고 볼 수 있다.1.1 성능 평가에 필요한 기본금형 제작이 완료되면, 시사출이나 생산을 시작하기 전에, 성형에 사용되는 사출기가 제대로 작동하는지 확인해야 한다. 이러한 과정이 생략되면, 성형조건을 선정하는 데에 어려움이 발생하고 불량 발생 시에 원인 파악과 해결책 도출이 어려워진다. 다음과 같은 사출기의 성능을 판별할 수 있는 성능점검 테스트가 선행되어야 더욱 정밀하고 안정적인 생산이 이루어질 수 있다. 또한, 이를 수행하는 데에 총 2시간 이상 걸리지 않도록 간결하고 직관적인 테스트여야 하며, 이를 연간 기계 점검의 일환으로 1년에 한 번 이상 수행해야 한다. • 스크류 위치의 정확성 및 제어 • 부하 민감도 • 역류 방지 밸브 성능 • 사출 속도 선형성 및 정확도 • V/P 절환 응답성 • 배압 제어 • 온도 제어 • 형체 시스템• 안전 시스템 및 장비1.1.1 스크류 위치제어의 정확성(Accuracy of Screw Position Control)샷(Shot) 간 일관성을 달성하기 위해 사출은 동일한 양의 재료로 시작해야 하며, 이는 사출이 시작되는 위치와 충진 후에 보압(Packing) 공정으로 절환하는 위치가 매 샷마다 동일하여야 한다는 것이다.일반적으로 유압식 사출기가 전동식 사출기에 비하여, 높은 변동성을 보여주며, 그 편차가 클수록 위치제어의 알고리즘과 장치에 성능이 떨어진다고 볼 수 있다. 또 다른 중요한 (그리고, 종종 간과되는) 포인트는 스크류의 바닥(Bottom) 영점 조정이며, 사출부가 보압(Pack & Hold) 공정 중에 플라스틱에 압력을 전달하려면 쿠션(Cushion)을 유지해야 하므로, 스크류의 바닥(Bottom) 영점 조정이 정확하지 않으면, 사출기가 일관된 쿠션을 유지하지 못하여 미성형 및 치수 변화가 발생할 수 있다.1.1.2 부하 민감도(Load Sensitivity) 이 테스트는 사출기가 다양한 부하(재료 점도 변화, 열 순환 등)에서 충전 속도(시간)의 일관성을 유지하는지를 평가한다. 도로 상황이 변하더라도 차량이 일정한 속도를 유지하도록 돕기 위한 차량의 크루즈 컨트롤(Cruise Control)이라고 생각하면 된다. 부하 민감도 테스트는 여러 사출 속도 하에서 수행하며, 한 속도에서 테스트를 통과하지만 다른 속도에서는 불만족스러울 수 있다. 따라서 재품 성형에 사용하려는 속도 범위 내의 모든 구간에서 사출 속도 제어를 정확하게 유지할 수 있는지 테스트하고 확인하여야 한다. (일반적으로 세 가지 다른 속도로 테스트를 진행한다.)1.1.3 역류 방지 밸브 성능(Non-Return Valve Capability) 금형에 플라스틱을 주입할 때마다 얼마간의 소량의 재료가 밸브를 지나 누출되며, 밸브(일반적으로 슬라이드 체크링 스타일)와 배럴이 마모되기 시작하면 누출이 증가하여 공정의 변동이 발생한다. 역류 방지 밸브의 상태를 모니터링하기 위하여 정적 또는 동적 테스트(또는, 둘 다)를 수행하여 정도를 파악하는 것이 중요하며, 결과에 따라 과도하게 마모된 부품은 교체해야 한다.1.1.4 사출 속도 선형성 및 정확도(Velocity Linearity & Accuracy) 이 테스트에서는 다양한 속도에서 사출기의 사출 속도 제어 정도를 평가한다. 다만 스크류의 움직임을 가속화 하는데 걸리는 시간이 긴 경우에 테스트의 정확도가 감소할 수 있음에 주의하여야 한다.테스트 정확도를 개선하기 위한 쉬운 방법 중 하나는 사출기의 최대 스크류 이동 거리(또는, 최대 사출량)의 70~80% 이상을 사용하는 것이다. 그리고 금형 캐비티의 체적이 작아 샷 용량이 너무 작은 경우에는 감압(Decompression)을 추가하여 이동 거리를 증가시키는 편법을 쓰기도 한다. 이때 금형의 밴트(Vent)가 유입되는 추가 공기를 처리할 수 있는지 확인하여야 한다. 사출기마다 사출 감속을 처리하는 알고리즘이 상이하며, 컨트롤러 속도, 스캔 속도, 유압 밸브 응답 및 구동 기술(유압, 전기 서보 또는 하이브리드)과 같은 다른 요인들과 함께 사출기의 성능에 직접적인 영향을 준다. 이러한 요소는 V/P 절환 시 제어되지 않은 오버슈트가 얼마나 많이 발생하는지에 영향을 주며, 일반적으로 모든 전동사출기는 유압 사출기보다 오버슈트(Overshoot)가 적지만 일부 사출기 제조업체는 이러한 상태를 최소화하는데 도움이 되는 고급 유압 구동 기술을 제공하기도 한다.1.1.5 V/P 절환 응답성(Switch-over Response) 이것은 아마도 가장 미묘하고 복잡하지만, 사출기 성능 평가 테스트 중 가장 중요한 것 중 하나일 것이다.V/P 절환 시 문제는 생각하는 것보다 훨씬 더 빈번히 발생하며, 치수 제어, 미성형, 플래시 및 기타 성형 결함 문제로 이어질 수 있고, 극단적인 경우에는 금형 손상으로 이어질 수도 있다.V/P 절환 시 과도한 압력강하(Pressure Drop at Switch-Over)오래된 사출기든 새로운 사출기든 많은 사출기에서 절환 시 유동 선단 멈춤(Flow-Front Hesitation) 문제가 발생한다. 예를 들어 절환 시 압력이 21,000psi이고 보압단계에서 15,000psi를 적용하는 경우 스크류의 밀림(Bounce Back)이 종종 발생할 수 있다.소량의 스크류-밀림(Bounce Back)은 스크류가 용융물을 계속 움직이게 하기 위해 여전히 압력을 가지고 있기 때문에 유동 선단의 멈춤이 발생하지 않지만, 스크류 앞의 용융재료의 압력이 너무 많이 떨어지면 많은 스크류-밀림(Bounce Back)이 발생하여 결과적으로 유동 선단에 멈춤(Hesitation) 현상이 발생한다. 유동 선단이 멈추면 점도가 가파르게 상승하고, 재료가 더 굳어지게 되어, 스크류 앞의 보압(Packing & Holding Pressure)이 캐비티 안으로 전달되지 않는다. [그림 95]는 캐비티에서 유동 선단 멈춤(Flow-Front Hesitation)을 제공하거나 너무 많은 스크류-밀림(Bounce Back)을 제공할 수 있는 사출기의 전형적인 압력-시간 곡선을 보여준다. 이 모든 현상은 0.1 초 내에 발생하며, 이것은 절환 후 나머지 채울 캐비티 영역 근처의 복잡한 형상부나 웰드라인(Wled-Line)이 있는 부품에 심각한 문제를 발생시킬 수 있다.느린 V/P 절환 (Slow transfer at Switch-Over)충진 단계에서 보압 단계로 천천히 절환하는 것은 좋게 들릴 수 있지만, 그 시간 동안 얼마나 많은 플라스틱이 캐비티로 유입되는지를 생각하여야 한다. 이 마지막 몇 그램의 플라스틱은 [그림 96]에서 보는 바와 같이 캐비티에 날카로운 압력을 발생시키고, 금형의 파팅에 플래쉬를 일으키며, 최대 캐비티 압력을 일정하게 유지하기가 어려워져 제품 품질의 일관성(Consistancy)을 저하시키기도 한다.빠른 V/P 절환 (Fast transfer at Switch-Over)충진 단계에서 보압 단계로 빠르게 절환하는 것은 캐비티에 압력을 전달하는 데에 거의 이상적인 상황을 제공한다. [그림 97]에서 보는 바와 같이 빠른 절환은 보압 단계에서 더 둥글고 일정한 최대 캐비티 압력을 발생시킨다. 이것은 종종 견고(Robust)한 프로세스를 제공하여 일관된 부품을 만들게 하며, 이러한 프로세스는 다른 사출기로 쉽게 이전하여 적용할 수 있으나, 이 방법을 사용하려면 스크류의 체크링의 성능이 좋아야 한다.1.1.6 배압 제어(Back-pressure Control) 대부분의 성형 엔지니어들은 배압에 대하여 깊게 고려하지 않는 경우가 많으나, 배압 문제는 치수 변화, 미성형, 플래시, 검은색 반점, 색상 문제 및 기타 여러 성형 결함으로 이어질 수 있을 만큼 중요한 사항이다. 또한, 사이클 시간(Cycle Time)의 불일치 또는 연장에 영향을 미치는 인자이다.배압 제어를 평가하는 가장 좋은 방법은 사출기 컨트롤러 내에서 또는 외부 장치(예: RJG eDART 시스템)와 함께 일종의 그래픽 프로세스 모니터링 기능을 사용하는 것이다. 그래픽 화면을 사용하여 실제 배압을 계량공정에서 설정된 배압과 비교하여, 불일치가 클수록 문제가 발생할 가능성이 커진다고 예측 가능하며, 동일한 방법으로 보압 제어의 정확도를 평가할 수도 있다.1.1.7 온도 제어(Temperature Control) 사출기의 히터는 플라스틱 온도를 기준으로 하는 것이 아니라 배럴에 위치한 열전대에서 측정한 온도를 기준으로 작동한다. 열전대 및 히터 밴드의 배치와 스타일은 가열(Heating) 시스템(배럴, 노즐, 핫 러너 등) 전체의 온도를 제어하는 능력에 큰 영향을 미친다. 간혹 노즐 영역에서 온도를 측정할 때, 설정온도에 비하여 30~50℃의 온도 차이를 발견하기도 함으로 실측에 의한 검증이 꼭 필요하다.1.1.8 형체 시스템(Clamp System) 사출기 성능 검증은 사출부(Injection Unit) 뿐만 아니라, 형체 시스템(형판 평행도 및 편향, 형체력 제어 등)의 평가도 함께 수행되어야 한다. 이 평가 절차는 종종 유지 보수 메뉴얼에 포함되어 있으며, 형체 시스템(토글, 유압, 2-Platen 등)의 차이에 따른 형체력 변화와 일관성을 중점적으로 파악하여야 한다.(* 토글 시스템의 경우 열팽창의 영향으로 인해 형체력을 정확하게 제어하기가 매우 어렵다.)1.1.9 안전 시스템 및 장비(Safety System & Equipment) 성형에서 가장 중요한 항목은 안전(Safety)이다. 너무 많은 성형업체가 주요 안전 시스템의 올바른 작동을 확인하지 않고 사출기를 사용하고 있으며, 또한 가드가 제거되거나 누락되고, 리미트(Limit) 스위치가 우회되어 있는 경우가 종종 발견된다. 이러한 관행은 어떤 상황에서도 용납되어서는 안 된다.1.2 성능 평가(예제)여기에서는 사출부(Injection Unit)의 성능을 중심으로 3종류의 사출기에 대한 중요한 몇 가지의 성능 평가 결과를 비교하고, 이에 대한 성능 평가 방법과 결과 판정 기준에 대하여 간략하게 기술하고자 한다.(* 여기에서의 평가 기준은 절대적인 것이 아니며, 제품의 특성과 요구 정밀도에 따라 변경될 수 있다.)1.2.1 성능평가에 필요한 장비(Test Equipment) 성능 평가에는 대상 사출기, 모니터링 시스템과 센서(거리/속도 센서, 유압 센서), 그리고 기타 측정 장비(중량측정, 온도측정, 거리측정)들이 필요하며, 전동식 사출기의 경우에는 사출부에 장착된 로드셀에서의 압력값으로 유압을 대신한다.위와 같은 장비를 이용하면, 대상 사출기의 컨트롤러 성능에 상관없이 객관적인 데이터를 통하여 성능을 평가할 수 있으며, 평가 항목뿐만 아니라 사출기의 성능 관련 문제점 발견 시 원인 파악에 필요한 보다 자세한 정보를 얻을 수 있다. 1.2.2 사출 속도 선형성 테스트(Speed Linearity Test) 이 테스트는 사출 속도 변화에 대하여 얼마나 적절한 제어가 이루어지고 있는지를 파악하는 것에 목적이 있으며, 표준 Decoupled Molding-II 성형 방식을 기본으로 한다. 성형조건은 충진 만 이루어지도록 설정하고, 사출 속도를 10%씩 낮추어가며 반복한다.[그림 104]에서 보는 바와 같이 각각의 사출기들은 설정값에 대하여 다양한 결과를 보여주고 있으며, 위의 10% 이내의 판정 기준에 의하면, B-Company의 사출기가 가장 양호하다고 판정할 수 있다.그러나 A, B-Company의 사출기를 고속영역에서 사용하여 실제의 속도가 설정치에 비례하여 빠르게 작동하지 않는 것을 성형 엔지니어가 인지하지 못하는 경우에, 성형조건 조정으로 양질의 제품을 얻을 수 있는 기회를 상실할 수 있으며, 더 나아가 금형 수정을 결정하여 불필요한 시간과 경비를 낭비할 수도 있다. 사출기의 선형성(Linearity) 판정은 최대 값과 설정값과의 비례관계를 파악하는 것이 더욱 중요하다. (* C-Company의 사출기가 다른 사출기에 비하여 상대적으로 전 영역에서 사용이 더 용이함) 1.2.3 압력 응답성 테스트(Pressure Response Test) 사출기의 V/P 절환 시에 유압 및 밸브제어 시스템과 알고리즘의 성능을 확인하기 위한 테스트이며, 표준 Decoupled Molding-II 성형 방식을 기본으로 충진 조건을 설정하고, 보압의 크기와 시간은 최대 사출압의 30~60% 정도를 기준으로 설정한다.‘1.1.5 V/P 절환 응답성(Switch-over Response)’에서 기술된 여러 절환(Transfer) 타입을 보여주고 있으며, 수치적인 판정 기준 외에도 이러한 압력 응답 패턴에 세심한 주의를 하여야 한다.1.2.4 계량 안정성 테스트(Plasticizing Stability Test) 이 테스트는 매 사이클마다 일정하게 계량이 가능한 지를 파악하는 것에 목적이 있으며, 재료 공급사가 추천하는 계량속도와 배압(Back Pressure)을 기본으로 표준 사이클 타임 하에서 수행한다. 계량시간이 일정하지 않으면, 매 사이클마다 금형에 주입되는 용융재료의 물성(특히 점도)이 일정하지 않아 캐비티의 압력분포의 변동이 발생하여, 불안정한 치수분포와 수축/변형이 발생할 가능성이 증가된다.1.2.5 체크링 반복성 테스트(Check-ring Repeata-bility Test) 스크류 선단에서 유동의 흐름을 제어하는 체크링은 매 사이클마다 동일한 동작을 반복하여야 금형 내에 유입되는 용융재료의 양을 동일하게 유지할 수 있다. 이 테스트의 목적은 사출 시 체크링 동작의 일관성 및 수지의 누출량을 확인하는 데에 있다. 체크링 반복성 테스트에는 충진(Fill) 시의 체크링의 동작과 누출량의 일관성을 평가하는 동적(Dynamic) 테스트와 보압(Pack & Hold) 시의 누출량의 정도를 평가하는 정적(Static) 테스트로 나눠진다.1.2.6 그 외의 테스트 그 외에 사출기의 성능을 체크할 수 있는 테스트로는 하중 민감도(Load Sensitivity), 온도 안정성, 배압 안정성 그리고 형판 평행도 등과 관련된 항목을 평가하는 것이 있다. 하중 민감도는 부하의 정도에 따라 사출기의 동작이 어느 정도 차이를 발생하는지에 대한 평가이며, 온도와 배압 안정성은 공정 중에서 일정하게 유지되는지를 평가한다. 형판 평행도는 사출기 제조사에서 시행하는 방법을 따르는 것이 일반적이다.1.3 성능 평가 관련 참고문헌사출기의 성능을 체크할 수 있는 테스트와 평가 기준은 생산하고자 하는 제품의 특성과 요구되는 정밀도에 밀접한 관계가 있으며, 위에 예시한 여러 테스트 방법은 일반적인 무부하 상태에서 수행되는 테스트의 단점을 보완하기 위함이다.성능 평가의 가장 중요한 목적은 생산에 사용하는 사출기의 성능을 인지하고, 주어진 사출기의 성능을 최대한 활용하여, 최적의 생산성과 양질의 품질을 얻기 위함이다. 다음의 참고자료로 더욱 폭넓은 이해에 도움이 되었으면 한다. 1. Bozzelli, J. and Groleau, R.; “Molten Polymer Flow, a Novel Explanation for Injection Molding; The Molding Machine as a Rheometer;” Las Vegas West SPE Conference, February, 1991.2. Bozzelli, J.; “Selection/Buying an Injection Molding Machine for SPC/SQC: Some Questions to Ask Machine Suppliers;” ANTEC,1989; pg. 228-230.3. Bozzelli, J. and Larin, B.; “Implementation of Advanced Screw Design for Injection Molding; How to Improve Your Productivity and Profits: A Case History;” ANTEC, 1990; pg. 257-259. 4. Has the Molding Ma chineBeen Tested? Gary Chastain, RJG ., Moldmaking Technology 5. Injection Molding: How Does Your Machine Control Pack Velocity? John Bozzelli , Plastics Technology October 20146. Injection Molding: ‘Know Your Machine’ Injection Molding, Kip Doyle, Plastics Technology, May 20147. Injection Molding Machine Inspection Manual, SEC, Ver.2.2, April 2013… 2020년 핸들러 10월호에서 ‘스마트공장(Smart Factory)을 위한 사출성형 모니터링 및 최적화 기술 7’ 이 이어집니다.

취재부 2020-09-01

폭발, 화재 없는 안전한 차세대 아연이온 배터리 개발

- 아연금속의 표면처리 기술 개발, 기존 아연금속 전지의 소재적 한계 극복- 유연한 섬유 형태로 제작 가능, 안전하게 입을 수 있는 인체 친화형 배터리 제작한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 에너지저장연구단 이중기 박사 연구팀이 원천적으로 폭발이나 화재의 위험 없는 차세대 아연금속 전극 이차전지를 개발했다고 밝혔다. 이 전지는 신체에 착용할 수 있을 정도로 안전하고, 섬유 형태로 제조할 수 있어, 향후 웨어러블 기기용 전원으로도 적용될 수 있다.최근 리튬이온배터리를 활용한 다양한 전자기기에서 발생하는 화재 사고로 인해 안전한 배터리에 대한 수요가 급증하고 있다. 화재의 주요 원인은 가연성의 전해질인데, 아연이온 이차전지는 물 기반의 전해질을 사용하기 때문에 폭발위험이 없어 리튬이온배터리를 대체할 유력한 후보 가운데 하나이다.하지만, 기존 아연이온 이차전지의 핵심 소재인 아연금속 음극(-)은 물 기반 전해질에서 지속적으로 부식되는 문제가 있었다. 또한, 아연이온이 금속 표면에 저장될 때, 나뭇가지 형태의 결정(덴드라이트*)으로 쌓여 전극 간의 단락을 일으켜 효율이 급격하게 저하된다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 아연금속을 복합화하거나 표면코팅, 형상 변형 등 다양한 연구가 시도되고 있으나, 공정비용과 시간의 소모가 큰 한계가 있었다. * 덴드라이트: 아연 이온이 환원되어 금속전극 표면에 증착될 때, 금속 표면 일부에서 비정상적으로 성장하는 나뭇가지 형태의 결정. 전극 부피팽창과 전극-전해질 사이 부반응 등을 유발해 전지의 안전성과 수명을 떨어뜨린다.KIST 이중기 박사팀은 금속전극 표면에 전류를 반복적으로 흐르게 했다가, 차단하는 사이클 양극산화 공법을 개발하여 아연금속의 산화막 표면코팅과 형상을 동시 제어에 성공하였다.KIST 연구진은 이 공법을 통해 아연금속 표면에 육각뿔 피라미드가 배열된 형상을 형성시켜 전기화학 반응 중에 덴드라이트의 발생을 원천적으로 억제했다. 사이클 양극산화 공법에 의하면 육각뿔 피라미드 형상의 윗부분은 두껍게, 측면 부분은 얇게 산화아연으로 덮여있다. 이와 같은 두께 편차는 아연금속이 상대적으로 산화아연이 얇은 측면에 쌓이도록 유도한다. 덴드라이트는 금속 표면에 수직 방향으로 쌓이기 때문에 문제가 되는데, 전극 표면에 수평 방향으로 아연금속 막이 자라게 하는 본 기술은 덴드라이트 생성을 효과적으로 억제할 수 있었다. 또한, 표면에 형성된 산화아연 막은 전해질과 직접 접촉하는 것을 차단함으로써 부식을 방지할 수 있었다.개발된 아연금속 이차전지는 구조적, 전기화학적인 안정성으로 인해 상당한 가혹 조건(9,000mA/g, 약 2분 만에 총 용량의 완전충전 및 방전)으로 충·방전을 지속해도 1,000 사이클 동안 100%에 가깝게 용량을 유지하였다.KIST 연구진은 이와 같은 안정성을 바탕으로 유연한 섬유 형태로도 아연금속 이차전지를 제조하였다. 이 배터리는 자유롭게 구부릴 수 있고, 직물로 제작하여 옷이나 가방 형태로도 응용할 수 있었다.(ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 5, 5820-5830)KIST 이중기 책임연구원은 “이번 연구에서 개발된 고성능 아연금속 이차전지는 기존의 리튬이온배터리가 인체와 접촉하였을 경우 발생할 수 있는 잠재적 위험요인을 차단했다. 동시에 전지용량 측면에서도 기존 상용전지를 대체 가능할 수준의 우수한 전기화학적 성능과 함께 폭발, 화재의 위험이 없는 안전한 인체 친화형 차세대 이차전지로써 주목받을 것으로 기대된다”라고 말하며, “높은 안정성과 향상된 전기화학적 성능뿐만 아니라 간단한 공정을 바탕으로 제조공정에 대한 실용화 가능성에 대한 경쟁력도 확보할 수 있을 것으로 보인다”라고 밝혔다.본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업과 중견연구자지원사업 등으로 수행되었으며, 이번 연구 결과는 재료과학 분야 국제 저널인 ‘Advanced Functional Materials’ (IF: 16.836, JCR 분야 상위 3.981%) 최신 호에 게재되었다.* 논문명: Functionalized Zn@ZnO Hexagonal Pyramid Array for Dendrite-Free and Ultrastable Zinc Metal Anodes - 제1저자: 한국과학기술연구원 김지영 연구원(박사과정) - 교신저자: 한국과학기술연구원 이중기 책임연구원

편집부 2020-08-31