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화학연·경기대 공동 연구진, 유기 태양전지 제조비용 획기적으로 낮췄다

- 제조법 학부 유기화학실험 수준으로 간단·비용 1/20로 저렴… 상용화 물꼬- Advanced Energy Materials(IF:24.884) 등에 게재유기태양전지 제조비용을 획기적으로 낮출 수 있는 기술이 개발됐다. 제조법이 학부 유기화학실험 수준으로 간단하면서도 비용은 대폭 낮춰 유기태양전지 상용화에 물꼬를 틀 전망이다.한국화학연구원 에너지소재연구센터 송창은(좌) 박사와 신원석(우) 박사가 새로 개발한 광활성 신소재가 적용된 유기 태양전지를 들고 포즈를 취했다.한국화학연구원 송창은·신원석 박사팀과 경기대학교 임은희 교수팀은 유기 태양전지 광활성층(빛을 흡수해 전하를 생성하는 층)에 들어가는 신소재를 개발, 제조비용을 20분의 1로 낮췄다.유기태양전지는 광활성층에 유기물질을 사용하는 차세대 태양전지로, 광활성층은 전자주개(donor)와 전자받개(acceptor)로 이뤄져 있다. 빛을 쬐면 광활성층 내부에서 발생한 정공(양전하)과 전자(음전하)가 각각 양극과 음극으로 이동하고, 이 전위차에 의해 전류가 흐르게 되는 원리다.유기 태양전지 구조 및 원리유기 태양전지는 투명기판, 투명전극, 광활성층, 금속전극으로 구성되어 있다. 이중 핵심은 광활성층으로, 전자받개(acceptor)와 전자주개(donor) 소재가 섞여 있다. 빛을 쬐면 광활성층 내부에서 발생한 정공(양전하)과 전자(음전하)가 각각의 전극으로 이동하고, 이 전위차에 의해 전류가 흐르게 된다. 연구자들의 화두는 전자받개(acceptor)에 들어가는 신소재 개발이었다. 처음에는 축구공 모양처럼 생긴 풀러렌 소재(PCBM)가 쓰였다. 빛을 흡수해서 생성된 전자는 풀러렌을 따라 고속도로를 달리듯 빠르게 이동할 수 있지만, 빛 흡수량이 적은 탓에 광전변환 효율(빛→전기 변환효율)이 낮았다.이러한 문제를 개선한 게 비풀러렌 구조의 전자받개 소재였다. 하지만 이 소재(ITIC)는 분자구조가 복잡하고, 분자들이 길게 연결된 탓에 합성하려면 5단계를 거쳐야 해 시간과 비용이 많이 들었다. 게다가 빛을 흡수하는 파장대가 전자주개 소재(PTB7-Th)와 겹쳐 넓은 범위의 태양광을 흡수하는데 비효율적이었다. 전자주개 소재(PTB7-Th)는 주로 가시광선과 근적외선을 흡수한다.전자받개(acceptor) 및 전자주개(donor) 소재의 분자구조이에 공동 연구진은 분자구조가 단순한 신소재(T2-ORH)를 개발했다. 단 2단계 만에 합성할 수 있는 소재로, 합성시간과 비용을 크게 줄였다. 실제 신소재 합성비용은 그램당 40달러로, 기존 비풀러렌 소재 합성법의 20분의 1 수준이다. 또한, 전자주개 소재가 흡수하지 못하는 단파장 영역(자외선)을 흡수할 수 있어 광전변환 효율을 높였다.경기대 화학과 임은희 교수는 “이번 연구의 가치는 학부 유기화학실험 수준의 간단한 합성법을 사용해 단 2단계 만에 저가로 합성하는 소재로도 고성능 유기 태양전지를 구현할 수 있는 데에 있다”고 설명했다.실험을 통해 최적의 비율(2:1)로 전자받개 신소재(T2-ORH)와 전자주개 소재(PTB7-Th)를 섞어 만든 유기 태양전지의 광전변환 효율이 0.1㎠ 기준으로 9.33%를 기록했다. 기존 전자받개 소재(ITIC)와 전자주개 소재(PTB7-Th)를 2:1로 혼용한 유기 태양전지 효율은 7.46%(0.1㎠)였다. 한국화학연구원 송창은 박사는 “기존의 복잡한 화학 구조를 탈피한 신소재의 개발 전략이 앞으로 고성능 유기 태양전지 상용화에 큰 역할을 할 것”이라고 자평했다.공동 연구진은 여기서 한발 더 나아가 인체와 환경에 유해한 할로겐 용매 대신 비할로겐 용매에서도 용액공정이 가능하도록 용해도를 향상시켰다. 보통 유기 태양전지는 고체 상태의 광활성 소재를 유기 용매에 녹인 후 기판 위에 코팅해 만든다.지금까지 할로겐 용매가 인체와 환경에 유해한 것을 알았지만, 광활성층 소재들이 비할로겐 용매에 잘 녹지 않아 불가피하게 할로겐 용매를 사용해왔다.하지만 공동 연구진은 신소재 분자(T2-ORH)의 양 끝에 비대칭적인 곁사슬을 붙이는 방법으로 T2-OEHRH를 만들었고, 비할로겐 용매에서의 용해도를 향상시켰다. 그와 동시에 신소재 특유의 광학적·전기화학적 특성을 그대로 유지하는 데 성공했다.그 결과, T2-OEHRH와 PTB7-Th를 2:1로 혼용한 유기 태양전지는 0.1㎠에서 9.7% 대면적에서는 6.2% 광전변환 효율을 나타냈다. 이번 연구결과는 ‘Advanced Energy Materials(IF: 24.884)’의 2019년 4월호*와 ‘Journal of Materials Chemistry A(IF: 11.301)’의 2019년 10월호**, 2020년 5월호***에 게재됐다. 또한, 관련 연구결과는 국내 및 미국에 특허 등록됐다.* 논문명: Simple Bithiophene–Rhodanine-Based Small Molecule Acceptor for Use in Additive-Free Nonfullerene OPVs with Low Energy Loss of 0.51 eV ** 논문명: Enhanced efficiency and stability of PTB7-Th-based multi-non-fullerene solar cells enabled by the working mechanism of the coexisting alloy-like structure and energy transfer model *** 논문명: Non-halogenated solvent-processed ternary-blend solar cells via alkyl-side-chain engineering of a non-fullerene acceptor and their application in large-area devices 이번 연구는 한국에너지기술평가원의 에너지기술개발사업과 한국연구재단 중견 사업의 지원으로 이뤄졌다.

편집부 2020-08-18

화공 차형준 교수팀, 거저리 유충, ‘환경 골칫덩이’ 플라스틱 먹어치운다

편집부 2020-08-17

한국화학연구원, JNK히터(주)에 유해오염물질 제거용 중화제 제조기술 이전 및 제품화 추진

- 사고지점 먼 거리에서 중화제 살포·화학반응 발생 열 100℃ 이상 낮춰… 소방대원 안전 확보한국화학연구원이 골든타임 내에 화학물질 누출사고에 안전하고 효과적으로 대응할 수 있는 중화제를 개발하고, 제품화를 추진하기로 했다.한국화학연구원은 ‘유해오염물질 제거용 중화제 제조기술’을 개발하고, JNK히터(주)에 기술을 이전했다. 앞으로 양 기관은 제품화를 위해 상호협력할 계획이다.새로 개발된 중화제는 과립형(알갱이 형태)으로, 사고 발생지점에서 멀리 떨어져 살포기로 물대포를 쏘듯이 분사하는 방식이다. 중화제는 화학사고로 누출된 산성이나 염기성 화학물질을 중화(pH7)하여 제거하는 약제다.기존의 분말 중화제와 비교해 먼 거리에서 살포할 수 있고, 중화열이 60℃ 이하로 낮아서 소방대원들의 안전을 지킬 수 있을 것으로 기대된다. 실제 실험 결과, 과립형 중화제는 15m 떨어진 25㎡ 넓이의 표적에 80% 적중률을 보였다. 이에 반해 기존의 분말 소석회 중화제는 적중률이 10%에도 미치지 못했다. 또한, 산성 유해 화학물질(95% 황산)이 누출된 조건에서 과립형 중화제를 투입하자 1시간 후 95% 중화됐고, 중화열도 60℃에 불과했다. 하지만 분말 소석회 중화제의 중화열은 최대 180℃로 높은 탓에 그동안 사고지점 가까이 접근하는 게 어려웠다.이처럼 중화열이 낮은 것은 중화제의 발열량이 낮을 뿐만 아니라, 중화반응에서 발생하는 발열반응이 한꺼번에 일어나지 않고, 중화제에 쓰인 점토가 중화반응 속도를 지연시켜 열을 서서히 발생하기 때문이다.(윗줄 맨 왼쪽부터) 기존의 분말 중화제와 새로 개발된 과립형(알갱이) 중화제. (아랫줄 맨 왼쪽부터) 점토 시드와 지시약 코팅 중화제한국화학연구원 유병환 박사팀은 화학물질의 산성 및 염기성 여부를 알 수 없을 때 쓰는 지시약 중화제도 함께 개발했다. 알갱이 가장 바깥층에 지시약을 코팅한 것이다. 화학물질에 지시약 중화제를 살포했을 때, 진분홍색을 띠면 산성이고, 파란색을 띠면 염기성 물질이다. (윗줄 왼쪽부터 지시약 중화제와 염산, 질산, 황산, 증류수, 암모니아수와 반응한 결과이며, 아랫줄은 지시약 코팅 점토와 반응한 결과이다.) 이번에 개발된 중화제는 산성 및 염기성 화학물질용으로 나뉘어 만들어졌다. 산성(염산·질산·황산·불산)일 경우 탄산수소나트륨, 염기성(암모니아)일 경우 황산알루미늄 수화물을 각각 사용했다.중화제의 핵에 해당하는 맨 안쪽에는 점토, 그 바깥쪽에는 각각 탄산수소나트륨(베이킹소다)과 황산알루미늄 수화물(명반), 점토를 넣어 산성 및 염기성용 중화제를 만든 것이다.이는 여러 후보물질과 산·염기성 물질의 중화반응으로 발생하는 중화열을 실제로 측정하고, 이를 연세대 한병찬 교수팀과 공동으로 컴퓨터 시뮬레이션 값과 비교해 최적의 중화제를 도출한 것이다. 특히, 염기성 화학물질용 중화제(황산알루미늄 수화물)는 처음으로 개발됐다. 현재 염기성 화학물질 암모니아 누출사고의 경우, 물로 희석하지만, 이제는 중화 제거가 가능해진 것이다. 지시약 중화제도 함께 개발했다. 중화제 가장 바깥층에 지시약을 코팅한 것으로, 화학물질의 산·염기 여부를 모를 때 쓸 수 있다. 화학물질에 지시약 중화제를 살포했을 때 티몰블루의 경우 진분홍색을 띠면 산성, 파란색을 띠면 염기성 물질이다.이에 대해 한국화학연구원 화학안전연구센터 유병환 박사는 “누출된 화학물질이 산성인지 염기성인지 알 수 없을 때, 지시약 기능이 있는 알갱이를 살포해 바로 산·염기 여부를 알고 초동대응을 할 수 있다”고 설명했다.한국화학연구원 이미혜 원장은 “이번에 개발된 유해물질 대응 방제제를 개발하여 대국민 안전에 활용할 수 있게 됐다”면서, “사고수습의 골든타임을 확보해 사고피해를 줄일 수 있다”고 설명했다.이번 연구결과는 한국화학연구원 유병환 박사팀과 JNK히터가 공동으로 개발했으며, 환경분야 학술지 ‘Chemosphere(케모스피어)’에 발표됐다. 또한, 환경부의 화학사고 대응 환경기술개발사업의 일환인 ‘화학사고 환경 피해 저감 사업’의 지원을 받아 수행됐다.< 연구진 소개 >◯ 이름: 유병환◯ 소속: 한국화학연구원 화학플랫폼연구본부 화학안전연구센터 ◯ 이메일: bhryu@krict.re.kr ◯ 이름: 김태경 ◯ 소속: 한국화학연구원 화학공정연구본부 그린탄소연구센터 ◯ 이메일: tkkim@krict.re.kr◯ 이름: 신수일◯ 소속: 한국화학연구원 화학플랫폼연구본부 화학안전연구센터 ◯ 이메일: shin@krict.re.kr문의: 화학안전연구센터 유병환 책임연구원(042-860-7365)

편집부 2020-08-06

KAIST 임성갑 교수 연구팀, 초고 굴절 투명 플라스틱 필름 개발에 성공

- 한 차례의 화학 반응만으로 1.9 이상의 굴절률을 가진 우수한 투명도 고분자 박막 제조기술 개발- 가볍고 저렴하며 자유자재 가공할 수 있는 광학 소자 부품 제작기대KAIST 생명화학공학과 임성갑 교수 연구팀이 서울대 차국헌 교수(화학생물공학부) 및 경희대 임지우 교수(화학과) 연구팀과 공동 연구를 통해 단 한 차례의 증착 반응을 이용해 1.9 이상의 고 굴절률을 갖는 투명 플라스틱 필름을 제조하는 기술을 개발했다.굴절률이란 진공상태에서의 빛의 속도와 어떤 물질에서의 빛의 속도의 비율로, 빛이 그 물질을 통과할 때 꺾이는 정도를 나타내는 척도다. 최근 모바일 기기 및 이미지 처리(imaging) 등에 사용되는 다양한 광학 부품의 소형화 추세와 함께 더욱 얇은 두께에서 많은 빛의 굴절을 유도하는 고 굴절률 투명 소재의 수요가 급격히 늘어나고 있다.고분자(플라스틱) 소재들은 특성이 우수하고, 다양한 형태로 쉽게 가공할 수 있다는 장점으로 인해 플라스틱 안경 렌즈 등과 같이 다양한 분야에 널리 활용되고 있다. 하지만 현재까지 개발된 고분자 소재 가운데 굴절률이 1.75를 넘는 재료는 극히 드물고, 비싼 원료와 복잡한 합성 과정이 필요하며, 무엇보다도 소재 관련 원천기술 대부분은 일본이 보유하고 있다는 데 문제가 있다. 따라서 기존 재료와 비교할 때 가볍고 저렴하며 자유자재로 가공할 수 있는 광학 소자 부품 제작을 위해서는 고성능의 고 굴절 고분자 재료 확보가 매우 중요하다.공동 연구팀은 단 한 차례의 화학 반응만으로 1.9 이상의 굴절률을 가지면서도 투명도가 우수한 새로운 형태의 고분자 박막 제조기술을 개발하는 데 성공했다. 공동 연구팀은 원소 상태의 황이 쉽게 승화한다는 점을 이용, 기화된 황을 다양한 물질과 중합하는 방법을 적용해 고 굴절 고분자를 제조했다. 이 방법으로 지나치게 긴 황-황 사슬의 형성을 억제하는 한편 높은 황 함량에서도 우수한 열 안정성과 동시에 가시광선 전 영역에서 투명한 비결정성 고분자를 만드는 개가를 올렸다. 연구팀은 기상 반응의 특성 때문에, 실리콘 웨이퍼나 유리 기판뿐만 아니라, 미세 요철 구조가 있는 다양한 표면에도 표면 형상 그대로 고 굴절 박막을 코팅할 수 있다는 점과 함께 1.9 이상의 굴절률을 갖는 고분자를 세계 최초로 구현하는 데 성공했다.이 기술은 고 굴절 플라스틱 소재 원천기술의 국산화와 더불어, 디스플레이의 밝기 향상을 위한 표면 코팅 재료, 디지털카메라 센서용 마이크로 렌즈 어레이 등 얇은 두께와 높은 굴절률, 우수한 가공성 등이 요구되는 최신 IT 기기 분야에 널리 적용될 수 있을 것으로 기대가 크다.이번 연구에 교신저자로 참여한 경희대학교 임지우 교수는 “기체 상태의 황을 고분자 제조에 이용한다는 발상의 전환이 초고 굴절, 고 투명성 고분자 박막 제조기술의 원천이 됐다”라면서, “향후 고 굴절 소재뿐만 아니라 평면 렌즈, 메타 렌즈 등으로 대표되는 차세대 초경량 광학 소재를 구현하는데 핵심적인 역할을 할 것으로 기대된다”고 말했다.한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 글로벌프론티어사업(나노 기반 소프트 일렉트로닉스 연구단) 및 선도연구센터 지원사업(웨어러블 플랫폼 소재 기술센터), 그리고 기초연구사업(중견연구)의 지원을 받아 수행됐다.KAIST 생명화학공학과 김도흥 박사와 장원태 박사과정 학생이 공동 제1저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제적인 학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’ 誌 7월 8일 자 온라인판에 게재됐다. * 논문명: One-StepVapor-PhaseSynthesisofTransparentHigh-RefractiveIndex Sulfur-Containing Polymers

취재부 2020-08-03

서울대 공대 이병호 교수팀, 전기 변색 기반한 새로운 디스플레이 소재 개발

- 간단한 구조로 풀 컬러 재현, 광 정보 암호화 및 디스플레이에 적용 가능서울대 공대(학장 차국헌)는 이병호 전기·정보공학부 교수와 정택동 화학부 교수, 선호정 군산대학교 신소재공학과 교수로 구성된 공동 연구팀이 전기 변색 물질인 산화 텅스텐 나노 박막을 이용한 디스플레이 소자를 개발했다고 밝혔다. 생산 비용과 소모 전력을 줄이고 보다 더 얇은 디스플레이 개발 가능성에 한발 다가선 연구 결과다.전기 변색은 전압에 따른 전기화학적 반응에 의해 물질의 색이 바뀌는 현상으로서 각각의 전기 변색 물질은 산화·환원에 따른 고유한 발현 색을 가지는 것으로 알려져 있다. 대표적 전기 변색 물질인 산화 텅스텐의 경우 투명한 상태에서 환원 전압을 통해 리튬 이온이 물질에 주입되면서 짙은 청색으로 변색되며, 이를 산화 전압을 통해 리튬 이온을 다시 추출함으로써 투명한 상태로 돌아올 수 있다.낮은 전압으로 색을 바꿀 수 있는 이 현상을 디스플레이에 이용하려는 연구가 많이 행해졌으나 청색 이외의 다른 색으로 변색될 수 없는 한계 때문에 다양한 색을 표현하고 세기를 조절하는 데 어려움을 겪어왔다.이병호 교수 공동 연구팀은 이러한 문제점을 해결하기 위해 대략 성인 머리카락 굵기의 1/500에 해당하는 나노미터 두께의 산화 텅스텐 박막을 반도체 및 금속에 결합하여 다양한 색 재현 및 변색이 가능한 광소자를 개발했다.복잡한 구조를 사용하지 않고 실리콘 반사판 위에 겹겹이 쌓인 산화 텅스텐 구조를 만들어 그 두께에 따라 반사된 빛의 다양한 색을 재현하였으며, 산화·환원 전압을 통해 반사된 빛의 색이 다른 색으로 변하는 원리를 기반으로 광 정보 암호화 소자를 제작해 디스플레이 소자 응용 가능성을 확인했다.또한, 산화 텅스텐 박막을 나노미터 두께의 금속과 결합하여 기존의 디스플레이에서 사용되는 색 영역의 약 94%를 표현할 수 있는 투과형 RGB(빨강, 초록, 파랑) 컬러 픽셀을 재현하고 그 세기를 전압으로 제어하는 데 성공했다. 제작된 광소자는 간단한 적층형 구조로서 200나노미터 이하의 두께이며, 색 유지를 위한 전압이 필요하지 않아 저비용, 초박형, 저전력 디스플레이의 개발에 큰 도움이 될 것으로 예상된다.실험을 주도한 이요한 박사는 “이번 연구를 통해 전기 변색 물질을 이용한 풀 컬러(full color) 디스플레이 소자 개발에 한 걸음 더 다가섰다”며, “보다 개선된 소자 구동 가역성 및 응답속도 확보가 실용화를 위한 관건”이라고 설명했다.이 연구는 미국 화학회(ACS)에서 출판하는 국제 학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’에 7월 6일 온라인 논문으로 게재됐다.참고 논문 자료: http://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.웹사이트: http://snu.ac.kr

관리자 2020-08-03

미세플라스틱 동향

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

취재부 2020-08-01

우리 생활에 없어서는 안될 유용한 플라스틱 제품을 만드는 사출성형기 이야기 25

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

취재부 2020-08-01

스마트공장(Smart Factory)을 위한 사출성형 모니터링 및 최적화 기술 5

II. 모니터링 시스템의 활용에 필요한 기본지식4. 공정(Process)사출성형 공정(Process)은 플라스틱 제품이 만들어지는 과정을 이야기하며, 반복적인 공정상에서 제품을 생산하는 한 번의 주기를 성형 사이클(Molding Cycle)이라고 한다. 사출기의 동작에 따라 성형공정을 순서대로 나열하면, 아래와 같은 세부 단계로 구분할 수 있다.(1) 금형 닫힘(Mold Close) (2) 형체(Clamping) (3) 충진(Injection) (4) 보압(Packing & Holding) (5) 냉각(Cooling) 및 개량(Plasticizing) (6) 금형 열림(Mold Open) (7) 제품 취출(Part Removal or Ejecting)모니터링 시스템에서는 플라스틱 재료의 캐비티(Cavity) 및 사출기 배럴(Barrel) 내에서의 변화를 모니터링함으로, 형체 단계 이후의 충진, 보압, 냉각 그리고 계량 단계(Step)를 추적할 수 있다.재료의 관점에서 보면, 건조된 수지가 배럴에서 마찰열과 히터(Heator) 열에 의하여 용융되고, 노즐을 통하여 금형으로 유동이 발생하며, 충진 완료 후에 압력을 받으며 냉각되어 고화된 후에 금형에서 분리되는 순서로 공정(Process)이 진행된다. 이때 재료의 상태 변화에 영향을 미치는 인자를 4 - Plastics Variables(4대 플라스틱 변수)라고 하며, 열(Heat), 유동(Flow), 압력(Pressure), 냉각(Cooling)을 말한다.4.1 공정 최적화(Process Optimization)의 필요성최적화된 공정은 다음과 같은 조건이 만족되어야 하며, 최적화되지 않은 공정은 불량률과 제품 생산비용을 증가시키고, 사출기의 가동률을 저하시키는 요인으로 작용한다.• 설계 기준을 만족하는 양질의 제품을 생산하여야 한다.• 최소의 사이클 타임(Cycle Time)으로 생산 가능하여야 한다.• 양산 안정성이 확보되어야 한다.예를 들어 사이클 타임이 1초가 차이 나는 경우에 다음과 같은 생산 조건 하에서 11일 생산비용(인건비, 사출기 및 부대장비 운용비용...)이 절약되며, 50대 정도의 사출기를 운용한다면 약 2대 정도의 사출기에 대한 투자를 절약할 수 있다. 아울러 양산 안정성이 떨어져 불량률이 약 10% 정도라면, 약 26일 정도의 생산비용이 상승할 수 있으며, 불량 감별에 대한 인력과 시간이 추가되어 과도한 비용 상승을 유발할 수도 있다. 이보다 더욱 심각한 문제는 불량품이 고객사에 납품된 경우로, Lot 전체를 회수하여 재검수를 진행하거나, 이에 대해 배상을 하여야 할 경우가 발생하여, 회사의 존립에 영향을 주기도 한다.4.2 사출기의 공정 설정 사출기 동작 조건의 설정에 의하여 제품의 질과 양산성 및 비용을 결정되지만, 매우 복잡하고 다양한 공정조건(Processing Condition)으로 인하여, 경험이 풍부하지 않은 엔지니어에게는 공정조건 설정이 매우 어려운 것이 사실이다. 또한, 문제가 발생하는 경우에 쉽게 원인파악과 대처를 하기에 어려움이 있다.여기에서는 사출기에서의 공정조건 설정에 대하여, 현재 현장에서 많이 사용되고 있는 아래 사출기들의 제어판(Control Panel)의 예를 들어 중요한 설정 부분에 대해서만 간략하게 알아보기로 한다. 4.2.1 형 개폐(Mold Close & Open)와 취출(Ejecting)일반적으로 형 개폐(Mold Close & Open)와 취출(Ejecting), 그리고 형체력(Clamping Force)은 동일한 페이지에서 설정할 수 있도록 되어 있으나, Fanuc과 같이 여러 페이지로 나누어져 있기도 하다.금형의 형 개폐와 이젝터(Ejector)의 동작은 속도(Velocity)와 위치(Position)로 설정되며, 금형 설치(Mold Set) 단계에서 측정된 금형 두께에 따른 위치를 기준으로 형체 시작 위치와 금형 보호 위치를 설정하도록 되어있다. 형체력은 금형의 투영면적(Projection Area)과 캐비티의 평균압력으로 계산되어진 값에 20% 정도의 안전율을 더하여 입력하면 된다.취출(Ejecting)은 다음과 같은 입력값에 의하여 제어되며, 이젝팅 속도와 압력은 제품의 표면 강도와 제품의 표면 품질에 따라 결정하며, 횟수는 가능한 1회로 설정하는 것이 좋다.1. 취출 속도(Ejecting Velocity)2. 취출 압력(Ejecting Pressure)3. 거리(Distance)4. 취출 횟수(No. of Ejecting)형개(Mold Open)는 초기속도는 빠르게, 최종속도는 느리게 설정하여 금형의 동작으로 인한 진동이 발생하지 않는 최단의 시간으로 설정하는 것이 적절하며, 형폐(Mold Close)는 아래의 그림에서와같이 고압의 형체력을 작동시키기 전에 저속과 저압으로 금형이 닫히는 구간을 설정하여, 금형을 보호하도록 하여야 한다.그림 76은 형폐 단계의 조건 설정치를 보여주는 예제이며, 초기 75% 속도로 1.3㎜ 위치까지 금형이 닫히고, 15%의 속도로 1.3㎜에서 0.02㎜까지 최대 15%의 압력으로 형폐를 하여, 0.02㎜에 도달하면 35톤의 형체력을 금형에 작용하는 설정이다. 만일 1초 동안 1.3㎜에서 0.02㎜까지 금형이 닫히지 못하면, 기계가 멈추며 알람(Alarm)을 울리게 된다.4.2.2 사출(Injection), 보압(Packing & Holding), 냉각(Cooling), 그리고 계량(Plasticizing)일반적으로 스크류의 움직임(직선과 회전운동)과 연관된 동작, 즉 사출(Injection), 보압(Packing & Holding), 그리고 계량(Plasticizing)은 동일한 페이지에서 설정할 수 있도록 되어 있으며, 냉각시간의 설정도 동일 페이지에서 가능하다.(사출성형 공정에서 제품의 품질과 관련된 가장 중요한 설정 페이지임)금형 내에서 일어나는 유동은 사출기 스크류의 직선운동의 제어를 통하여 발생하며 이때 사출기의 제어 변수는 속도(Velocity)가 된다. 일반적으로 V/P 절환(V/P transfer) 또는 Switch-Over라는 항목의 입력값을 이용하여 보압공정으로 넘어가며, 이때 사출기의 제어 변수는 압력(Pressure)이 된다.(빨간색 Box 참조)속도/압력 절환은 위치(Position), 시간(Time), 압력(Pressure), 외부 신호(External Signal) 등과 같이 여러 가지 방법이 있으며, 대부분의 경우에는 스크류의 위치(Position)에 따르는 방법을 사용한다.다음에서는 일반적인 성형조건(Processing Condition) 선정방법을 간략하게 다루어 보도록 한다.사출거리 설정(Shot Distance Setting)사출거리 설정은 계량거리로 설정할 수 있으며, 최종 스크류(Screw)의 위치는 계량거리에 디컴프레션(Decompression)거리를 더하여 결정된다. 여기에서 Decompression은 석백(Suck-Back)과 같이 회전없이 직선운동으로 스크류를 뒤로 이동시키는 것을 말한다. 계량거리는 실제 사출거리에 쿠션(Cushion)량을 더하여 결정되며, 사출거리는 다음과 같은 방식으로 초기 값을 설정할 수 있다.(1) 목표 중량이 결정되어 있는 경우, 사출거리는(목표중량÷용융밀도)÷Screw 단면적(2) 금형의 체적정보가 있는 경우, 사출거리는 체적×(고체밀도÷용융밀도)÷Screw 단면적(3) 모든 정보가 없는 경우, 실험적으로 95~98% 충진되는 시점을 찾고 10㎜정도 거리를 추가• 최종 스크류(Screw)위치 = 계량거리(Metering Distance) + 디컴프레션(Decompression) 거리* 계량거리 = 쿠션(Cushion) + 사출거리(Shot Distance)쿠션(Cushion)은 사출이 완료된 후에 최종적인 스크류의 위치, 즉 잔류거리를 말하여, 쿠션이 없으면 보압(Packing & Holding) 단계에서 캐비티로 압력을 전달할 수 없다. 또한, 이 값으로 금형에 유입되는 재료의 양을 변동을 예측할 수 있어, 공정에서 주요한 관리 포인트로 사용되며, 일반적으로 쿠션(Cushion)량은 약 5~7㎜ 정도를 유지하는 것이 좋다.사출속도 설정(Injection Speed Setting)사출속도는 외관상의 불량이 관측되지 않는 가장 빠른 영역에서 설정하는 것이 좋으며, 이는 추후의 보압단계에서 보다 균일한 캐비티(Cavity) 압력분포를 달성하는 데에 이점을 준다.일반적으로 사출속도를 설정할 때에는 사출압을 100%, 보압은 15~25% 정도로 설정하고, 속도를 변화시켜 가면서 제품의 외관(Appearance) 품질을 검토하여 결정하는 것이 좋다.사출속도가 과도하게 빠르면, 플래쉬(Flash), 플로우마크(Flow-Mark), 공기갇힘(Air-Trap)과 같은 불량이 발생하고, 사출속도가 과도하게 느리면, 미충진(Short-Shot)이나 심한 웰드라인(Weld-Line) 등이 나타난다.사출압력 설정(Injection Pressure Setting)사출압력은 설정된 사출속도가 충분히 구현될 수 있도록 높게 설정되어야 하며, 사출압이 불충분할 경우에는 사출시간이 설정치에 비하여 늘어나게 되고, 일정하지 않은 유동 선단 온도분포를 가지게 된다.V-P 절환 설정(V-P Transfer Setting)속도(V)-압력(P) 절환은 위치(Position), 시간(Time), 압력(Pressure), 외부 신호(External Signal) 등과 같이 여러 가지 방법이 있으며, 대부분의 경우에는 스크류의 위치(Position)에 따르는 방법을 사용한다.절환 시점은 캐비티가 95~98% 정도 충진될 때를 선택하는 것이 바람직하며, 절환 시점이 너무 빠르면 미충진(Short-Shot)이 발생하고, 너무 느리면 플래쉬(Flash)가 발생한다.보압 & 시간 설정(Holding Pressure & Time Setting)적절한 보압시간은 작용시간을 증가시켜도 제품 중량이 변화하지 않는 시점 이상으로 선정하는 것이 바람직하며, 이때가 물리적으로 게이트(Gate)가 고화되는 시간과 일치한다.[* 밸브(Valve) 게이트 경우는 제외]보압의 크기는 싱크마크, 플래쉬가 없이 적절한 치수의 제품을 얻을 수 있도록 설정하여야 한다.밸브(Valve) 게이트 경우는 그림 82와 같이 보압과 보압시간의 조합으로 실험에 의하여 최적화할 수 있다. 냉각시간 설정(Cooling Time Setting)냉각시간은 길면, 제품 취출 후에 발생하는 후 수축(Post Shrinkage)이 적으나, 이에 따라서 공정 사이클(Cycle)이 늘어나 생산비용이 증가함으로, 제품의 치수 공차를 만족하는 최소의 시간으로 설정하여야 한다.계량속도 설정(Screw RPM Setting)스크류 RPM은 사이클 타임을 늘리지 않는 한도 내에서, 가능한 낮은 속도로 설정하여야 하며, 크기가 다른 기계로 이동할 때에는 원주(Circumferential) 속도를 기준으로 RPM을 환산하여야 한다.낮은 RPM은 높은 RPM에 비하여 다음과 같은 이점이 있다.(1) 일정한 전단을 발생하여 재료를 보다 균일하게 용융한다. (2) 유리섬유(Glass Fiber)와 같은 충전재의 파손을 감소시킨다.(3) 매 사이클마다 재료의 물성 편차를 줄여준다.배압 설정(Back Pressure Setting)배압은 계량(Plasticizing) 중에 회전하는 스크류 뒤쪽에 가해지는 압력을 말하며, 일반적으로 플라스틱 제조업체의 권장 조건에 따라 설정하는 것이 좋다. 이러한 성형조건 가이드가 없으면, 3.0MPa에서 7.0MPa 사이의 플라스틱 압력으로 시작하는 것이 좋으며, 가능한 낮게 시작하는 것이 좋다.* 성형조건 가이드에 기술된 대부분의 배압은 기계의 유압을 기준으로 나타내며, 이를 플라스틱 압력으로 환산하여야 한다. 플라스틱압력 = 유압 × 강화비(Intensification Ratio)다단의 배압을 사용하는 경우에, 배럴(Barrel) 내 계량된 재료의 용융온도가 균일하지 않음으로, 사용하지 않는 것이 좋다. 이는 추후 캐비티 내의 불균일한 온도분포를 야기하여, 불균일한 수축을 유발할 가능성을 높일수 있다.• 용융온도를 조절하기 위하여 배압(Back Pressure)을 변경하지 말 것.• 배압을 바꾸면, 배럴 내 용융 플라스틱의 혼련(Mixing)과 균질(Homogenization)의 정도가 바뀐다.4.2.3 공급구(Feed Throat)와 배럴(Barrel) 온도 온도(Temperature)설정 페이지에서는 노즐과 배럴의 각 구역(Zone)의 히터 온도를 설정할 수 있으며, 초기 설정온도는 재료 제조사에서 추천하는 온도를 사용하여 최적화하는 것이 간편하면서도 합리적이다.사출기 편에서 기술한 바와 같이 배럴은 히터밴드(Heater Band)로 쌓여있고 절연체로 보호되고 있으며, 열전대(Thermocouple)에 의하여 설정된 온도로 전기공급을 제어한다. 다음의 설정온도는 히터밴드의 온도이며, 플라스틱 용융재료의 온도를 말함은 아니다.• 히터에 의한 전도열은 융용온도를 유지하는 데에 약 20% 정도의 열원 만을 제공한다.• 스크류 회전에 의한 마찰열이 나머지 80% 정도의 열원으로 작용한다.공급구 온도 설정(Feed Throat Temperature Setting)공급구의 온도는 재료의 용융과 습기/가스의 방출에 영향을 미치며, 온도의 설정과 유지가 잘못되는 경우에 공급구에 재료가 달라붙거나 서로 엉켜서 덩어리가 될 수 있다.(Sticking & Clumping) 또한, 습기와 가스에 의하여 제품에 스프레이(Splay) 현상을 발생하기도 한다.종종 사출기에서는 공급구를 ‘Zone 0’ 또는 ‘Feed’라고 부르며, 설정온도는 덩어리가 발생할 정도로 충분히 차가워야 하며, 이슬이 형성되지 않을 정도로 충분히 뜨거워야 한다.• 일반적으로 55℃~120℃ 범위에서 설정하는 것이 좋다.• 45℃ 이하로 설정하는 것은 좋지 않다.• 재료가 건조되어 바로 투입되는 경우에는 건조온도보다 5℃~10℃ 정도 낮추어 설정하는 것이 좋다.배럴 온도설정(Barrel Temperature Setting)사출기는 4개 이상의 배럴 구역을 가질 수 있지만, 기본 구역은 피드(Feed), 후방(Rear), 중간(Middle) 및 전방(Front)입니다. 또한, 노즐 바디와 팁을 정확하게 제어해야 한다.[초기 배럴 온도 설정]Step-1: 재료성형지침(Processing Guide)에서 용융온도의 중간값으로 히터 밴드의 온도를 설정.Step-2: 적절한 배압을 선정.Step-3: 적절한 스크류 RPM 선정.Step-4: 온도가 안정될 때까지 기계를 가동.Step-5: 용융 재료의 온도를 실제로 측정.Step-6: 용융온도가 목표치와 다를 경우, 권장 범위 안에서 중앙과 후방의 설정값을 조정. 스크류의 회복(Recovery)에 문제가 있는 경우, 배압과 RPM을 조정하지 말고 최적화 실시.ABS와 HIPS 같은 비결정(Amorphous) 수지는 버터와 같이 서서히 용해되어 쉽게 부드러워지며, 반대로, 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), 나일론(PA)과 같은 반결정(Semi-Crystalline) 수지는 얼음처럼 녹으며 융점에 도달할 때까지 단단히 유지되는 특성이 있다.이 재료들은 녹는 점에 도달하기 위해는 일정량의 에너지가 필요하고, 반결정 수지는 비결정 수지를 녹이는 데 비하여, 약 2배의 에너지가 필요하다. 예를 들어, PS는 약 160Btu/lb가 녹이는 데에 필요한 반면, PP는 250~300Btu/lb를 소비한다. (* 반결정 수지를 제대로 녹이는 것이 더 어렵다.)[배럴 온도 최적화]Step-1: 후방구역의 온도를 조정하여 고정(Tacking)온도를 찾는다. 고정온도는 스크류의 회복(Recovery) 즉, 계량이 안정적일 때의 온도를 말한다. (변동이 최소일 때)- 반결정 수지이고 샷이 배럴 용량의 약 50%보다 큰 경우, 5℃~10℃ 정도 높게 설정. - 반결정 수지이고 샷이 배럴 용량의 약 40%보다 작을 경우, 10℃~15℃ 정도 낮게 설정.- 비결정 수지의 경우, 중간구역과 동일하거나 낮게 설정Step-2: 용융 재료의 온도를 실제로 측정.Step-3: 전방구역의 온도를 조정할 때에는 중간구역의 온도를 후방구역과의 중간값으로 설정.Step-4: 용융 재료의 온도를 확인하고, 필요에 따라 Step-1~Step-3의 작업을 반복.Step-5: 노즐 구역을 마지막으로 설정.(노즐은 금형과 접촉하여 냉각됨으로 실제 성형 사이클에서 조정)[용융온도 측정]실제적인 용융온도를 지속적으로 모니터링하는 것은 매우 어렵다. 이유는 플라스틱이 절연체로써 분수유동(Fountain Flow)에 의하여 충진이 이루어지기 때문이다. 일반적으로 사출기 노즐에서의 측정온도를 용융온도로 생각하기 쉬우나, 노즐과 열전대(Thermocouple)가 도체이고 유동의 코어에 열전대 설치가 불가능함으로 성형 중에 직접 고온계(Pyrometer)를 이용하여 측정할 필요가 있다.Step-1: 사이클 완료 후에서 퍼지(purge)한다.(가능한 경우 퍼지 플레이트 사용)Step-2: 수집용 절연 컵/용기에 용융물을 수집한다.Step-3: 가는 탐침을 가진 고온계(Pyrometer)를 용융물에 찌른다.Step-4: 탐침을 용융물에 서서히 휘젓는다.(약 30초간)Step-5: 느리게 반응하는 고온계의 경우, 탐침을 예열해야 한다.(* 용융물과 30℃ 이내 유지)앞에서는 사출성형 공정의 최적화 필요성과 초기 사출 성형공정의 설정에 대하여 간략하게 논하였으며, 보다 자세한 기술적 내용은 재료, 사출기, 금형에 따라 달라질 수 있으므로 유의하여야 한다.다음은 본편에서 일부 참고한 기술자료의 목록이며, 여기에서 참고한 내용 외에 보다 자세한 내용은 본문의 내용을 참고하기 바란다.1. Optimizing Pack & Hold Times for Hot-Runner & Valve-Gated Molds, SUHAS KULKARNI2. Feed-Throat Temperature Control, JOHN BOZZELLI3. How to Set Barrel Zone Temps, JOHN BOZZELLI공정을 보다 합리적이고 빠르게 최적화하기 위해서는, 공정조건과 결과에 대한 데이터가 축적되어야 하며, 이를 통하여 체계적인 성형조건 확립 프로세스가 존재하여야 한다. 또한, 데이터 축적을 통하여 AI와 같은 선진 기법을 도입할 수 있으며, 나아가 스마트팩토리(smart Factory)의 실현이 가능하게 되는 것이다.★ 공정 최적화를 위한 사출기 모니터링 시스템의 필요성 용융온도(Melt Temperature)의 모니터링(예제)생산공정에서 온라인(On-Line)으로 용융온도를 측정하는 것은 매우 어렵다. 노즐이나 배럴에 설치된 열전대(Thermo-couple)는 유동 중심(Core)이 아니라 표면(Skin)의 온도를 측정하는 것이며, 더욱이 적외선(Infrared Ray) 온도 측정기는 표면의 온도를 빛의 반사로 측정함으로 정확성이 더욱 떨어지고 온도 측정의 일관성이 확보되지 않는다.캐비티의 온도 센서를 통하여, 간접적으로 유동 선단의 온도를 측정할 수 있으며, 이는 모니터링 시스템에서 일련의 테스트를 통하여 얻은 금형 캐비티 벽면 온도와 실제 용융온도의 상관관계를 설정하는 것이다.보다 정확한 결과를 얻기 위해서는 Press-fit 타입의 온도 센서를 사용하는 것이 바람직하다.보압시간(Packing Time)의 최적화(예제)공정 제어를 하기 위하여 금형에서 모든 캐비티의 게이트(Gate) 밀봉(Seal)이 언제 발생하는지 여부를 파악하는 것이 중요하며, 모니터링 장비가 없는 경우, 여러 번의 반복 실험에 의하여 중량의 변화가 없는 시점을 게이트 밀봉(고화)시간으로 선정한다.모니터링 시스템과 압력 센서가 장착된 경우에는, 게이트 부근의 압력곡선으로 보다 정확한 게이트 밀봉(고화) 시간을 설정할 수 있다. 게이트 고화 시간이 짧으면, 게이트에서 역류가 발생하며, 이는 게이트 근처의 압축응력을 감소시켜 압력 구배에 영향을 주어 휨(Warpage)과 치수 변화의 원인이 된다. 게이트 고화 시간이 길면, 사이클 타임을 증가시켜, 생산비용을 증가시킨다.… 2020년 핸들러 9월호에서 ‘스마트공장(Smart Factory)을 위한 사출성형 모니터링 및 최적화 기술 6’ 이 이어집니다.

취재부 2020-08-01