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스마트공장(Smart Factory)을 위한 사출성형 모니터링 및 최적화 기술2

최근 사출성형 산업계에서는 복잡한 제품 구조와 복합 성형공정의 증가, 그리고 다양한 사용 환경에 대한 더욱 엄격해진 품질요구에 직면하고 있다. 이러한 변화에 이해하고 대응하기 위하여, 사출성형 모니터링에서 얻어지는 데이터를 기반으로 사출성형공정을 최적화하고 활용하는 방법과 이에 필요한 기본적인 지식에 초점을 맞추어 본지에서는 이번 4월호부터 씨에이프로(주) 이길호 대표이사로부터 원고를 제공받아 연재하고자 한다.RJG사는 사출성형 교육, 기술 및 리소스 분야에서 세계적인 리더로 인정 받고 있는 회사이며, 사출성형공정 모니터링에 사용되는 센서와 장비를 생산/공급하고 있다. 본 기사의 게재된 자료들은 RJG사에 모든 권한이 있다. 자료제공 :  이길호 (RJG공식 컨설턴트/트레이너)II. 모니터링 시스템의 활용에 필요한 기본지식1. 사출성형기(Injection Molding Machine)사출성형기는 플라스틱 재료를 용융시켜 금형에 주입하고, 압력(보압)을 가하면서 냉각시키는 성형시스템이며, 크게 사출부(Injection Unit), 금형부(Mold), 형체부(Clamp Unit)으로 나눌 수 있다.다음 그림에서 일반적인 사출기의 각 부위에 대한 명칭을 보여준다 (그림-20)1.1 사출 성형기의 분류사출성형기(또는 사출기) 종류는 구동 방식, 형체 구조, 사출 구조, 기계의 형태, 기계의 성능 등으로 분류할 수 있으며, 여기에서는 구동 방식과 형체 구조에 따른 특징과 장단점을 기술코자 한다. 또한, 이러한 특징들이 사출 제품과 성형공정에 어떻게 영향을 주는 가를 이야기하고자 한다.1.1.1 구동 방식에 따른 분류사출성형기를 구동 방식에 따라 분류하면, 유압식(Hydraulic), 전동식(Electric), 하이브리드식(Hybrid)으로 나눌 수 있다.유압식은 모터를 회전시켜 연결된 유압펌프로 탱크 내의 오일(작동유)을 작동 부위에 설치된 액추에이터(Actuator, 유압 실린더 등)에 공급하여 움직이게 하며, 필요한 공정순서에 따라 위치, 압력, 속도를 임의 조정하여 작동하는 방식이다. 전동식은 서보모터(Servo-Motor)를 각 작동 부위에 설치하여, 볼 스크류(Ball Screw), 기어박스(Gear Box), 타이밍 밸트(Timing Belt) 등을 이용하여 동력을 전달하는 방식으로 회전수와 토크(Torque)를 제어한다.하이브리드식은 유압식과 전동식의 장점을 살려서 혼용하여 사용하는 방식이다. 예를 들면 형체와 계량에만 서보모터를 구동하는 방식, 유압식의 메인 전동기를 서보모터로 구동하는 방식이 있다.1.1.2 형체 구조에 따른 분류사출성형기를 형체 구조에 따라 분류하면, 토글식(Toggle)과 유압식(Hydraulic) 또는 직압식, 복합식으로 나눌 수 있다.토글식은 지렛대 원리를 이용한 토글 링크와 유압 실린더에 의하여 형체력을 발생시키는 방식이며, 형체력의 조정이 용이하지 않은 단점을 가진다.유압식(또는 직압식)은 유압 실린더에 유체 압력을 금형에 직접 가하여 형체력을 발생시키는 방식이며, 형체력의 조정과 설정이 용이한 장점을 가진다.복합식은 기계식과 직압식의 복합구조로, 형체력 발생은 직압식과 유사하나, 최종적으로 기계적인 체결력으로 형체를 유지하는 방식이다. 이 방식은 주로 500톤 이상의 대형 사출기에 적용되며, 투 플레이트 락킹(Two Plate Locking) 방식과 웨지(Wedge) 방식이 있다.1.2 사출부(Injection Unit) 1.2.1 유압식(Hydraulic Type)저장통(Reservoir)은 유체를 담아두는 장소이며, 일반적으로 탱크(Tank)라고 한다. 유체가 시스템을 통과하도록 힘을 가하는 펌프(Pump)와 유체 방향과 압력을 제어하는 밸브(Valve), 그리고 유체 에너지를 기계적 힘으로 변환시키는 액추에이터(Actuator)로 구성되어 있다. 일반적으로 직선 운동은 실린더가 담당하며, 회전 운동은 모터를 이용한다. 3가지 유압 원리1. 운동은 오일의 흐름(Flow)에 의해 발생한다.2. 유속에 따라 속도(Speed)가 결정된다.3. 하중(저항)에 따라 압력(Pressure)이 결정된다실린더와 스크류의 단면적의 비를 이용하여 최대 사출압을 예측할 수 있으며, 이러한 면적 비(Dc/Ds)를 증압 비(Pressure Intensified Ratio)라고 한다. 아래의 그림은 실린더에 작용하는 유압과 사출 압의 관계를 나타내며, 유압식 사출기에서는 사출 압을 유압 실린더의 압력 게이지에서 측정하여 보여준다.• 펌프(Pump)를 통하여 나오는 유량(Q)을 제어하여 유압식 사출기를 작동한다.• 압력은 플라스틱이 유동하는 데에 필요한 것이 아니라, 플라스틱이 움직이는 결과로 발생한 것이다.• 유속과 압력은 독립적으로 제어할 수 없다. • 사출압(Injection Pressure)은 유압 실린더의 센서에서 측정된 유압을 이용하여 계산된다.1.2.2 전동식(Electric Type)아래의 그림과 같이 모터의 토크(Torque)와 풀리(Pulley)의 치차 개수비(Ratio)에 의하여 최대 사출압이 정해지며, 유압식에 비하여 사출 속도와 압력의 제어가 정밀하나 대형화하기가 용이하지 않다.• 사출압(Injection Pressure)은 스크류(Screw) 후면에 설치된 로드 셀(Load Cell)에서 측정된다.1.3 배럴(Barrel)배럴은 두꺼운 벽을 가지는 파이프 형태로 제작되며, 재료를 투입하는 공급 통로(Feed Port)와 열전대(Thermocouple)를 설치하는 구멍, 그리고 노즐 어댑터(Nozzle Adaptor)를 연결하는 볼트 구멍 등이 가공되어 있다. 사출기에 나타나는 배럴 온도는 배럴 내의 수지 온도와 조금 상이함을 인지하여야 한다.공급 통로(Feed Port)는 호퍼(Hopper)와 연결되어 있으며, 건조된 재료가 자유낙하에 의하여 배럴 내로 이동하게 된다. 투입구(Feed Throat)에는 냉각 재킷(Cooling Jacket)이 설치되어 있으며, 이는 재료가 녹아 덩어리져서 공급부를 막는 것을 방지하기 위함이며, 유지보수가 필요한 부분이다.• 투입구 온도가 높으면, 투입되는 재료가 녹아 재료의 이송이 불가능해진다.• 투입구 온도가 낮으면, 투입되는 재료에 응결(Condensation)이 일어나 수분을 함유하게 된다.1.4 스크류(Screw)스크류는 고체의 재료를 금형에 주입하기 위하여 용융하고 혼련시키는 역할을 하며, 아래의 그림과 같은 3개의 영역인, 공급부(Feed Zone), 압축부(Compression Zone 또는 Transition Zone), 그리고 계량부(Metering Zone)로 나눌 수 있다. • 공급부(Feed Zone) – 재료 이송(moving): 고체 상태• 압축부(Compression Zone 또는 Transition Zone) – 재료 용융(melting): 고체/액상 혼합 상태• 계량부(Metering Zone) – 재료 혼합(mixing): 액상 상태일반적으로 스크류를 크기와 성능을 구분하는 데에는 L/D나 압축비(Compression Ratio)를 사용한다. L/D는 스크류 길이와 직경의 비를 이야기하며, 압축비는 공급부(Feed Zone) 채널 깊이(Channel Depth)와 계량부(Metering Zone) 채널 깊이(Channel Depth)의 비를 나타낸다.스크류의 L/D가 큰 경우에는 안료나 마스터 배치(Batch) 사용 시 혼련 효과가 높아지나 원료의 정체가 발생하여 변색 또는 탄화가 발생할 수도 있다. 반면, 스크류 L/D가 작은 경우에는 혼련이 부족해지고 열량이 부족하여 재료의 미용융이 발생할 수 있다. 혼련 정도를 증가시키기 위하여, 스크류 전면에 믹서(Mixer)를 장착하여 사용하기도 한다.• 낮은 압축비(Compression Ratio): 1.5 ~ 2.5:1 - 전단에 민감한 재료에 사용(예: PVC, PC, PMMA)• 중간 압축비(Compression Ratio): 2.5 ~ 3.0:1 - 일반적인 재료에 사용(예: ABS, PS, SAN)• 높은 압축비(Compression Ratio): 3.0 ~ 5.0:1 - 결정성 수지 재료에 사용(예: Nylon, PE, PP)압축영역(Compression Zone 또는 Transition Zone)에서의 재료 용융 원리재료의 용융(Melting)은 가열된 배럴(Barrel)과 고체 덩어리의 미끄럼마찰의 결과로 이루어지며, 이것은 마치 네모난 얼음 조각을 뜨거운 연삭숫돌(grinding wheel)에 밀어 넣어서 녹이는 것처럼 빠르고 효과적이다. 용융이 계속되면 고체 덩어리의 크기는 감소하지만, 용융 풀의 크기는 증가하며, 채널 깊이가 얕아지면 전단율(shear rate)이 증가한다. 1.5 역류 방지 밸브(Non-Return Valve)사출기 스크류의 끝단에는 스크류 팁과 함께 역류 방지 밸브(Non-Return Valve)가 설치되어 있으며, 이는 용융된 재료가 스크류 선단에서 뒤쪽으로 역류하는 것을 방지하는 목적으로 사용된다.공정 중에 이 밸브의 동작이 일정하지 않으면 제품의 품질이 일정치 않게 되어 불량률이 증가하게 된다.• 사출 중에 밸브 차단(Seal)의 일관성과 누출량을 알아보기 위하여 다음 테스트를 수행하는 것이 좋다.(1) 동적 체크링 반복성 테스트(Dynamic Check-ring Repeatability Test) (2) 정적 체크링 반복성 테스트(Static Check-ring Repeatability Test) 아래와 같이 역류 방지 밸브(Non-Return Valve)에는 다양한 디자인이 있지만, 모두 4가지 카테고리 중 하나에 속하며, 모든 역류 방지 밸브의 공통점은, 팁 어셈블리와 배럴 사이에서 간격(clearance)이 0%가 되지 않음으로, 밸브가 어느 정도는 샐 수 있다는 것이다.1.6 노즐(Nozzle)배럴(Barrel) 끝단에는 노즐(Nozzle)이 조립되어 있으며, 이는 금형의 스프루 부싱(Sprue Bushing)과 접촉하여, 배럴 내의 용융된 재료를 최소의 열손실 하에 샘(Leakage) 없이 금형 내로 공급하는 역할을 한다. 공정 중에 노즐의 온도 안정성과 유지보수 상태가 양호하지 않으면 불량률이 증가하게 된다.• 노즐(Nozzle)의 볼록 곡률과 스프루 부싱(Sprue Bushing)의 오목 곡률이 서로 맞아야 한다.• 노즐(Nozzle)의 구멍의 크기는 스프루 부싱(Sprue Bushing)의 구멍보다 작아야 한다.1.7 히터 밴드(Heater Band)배럴(Barrel) 외부에는 전기 히터 밴드(Electric Heater Band)와 단열재로 둘러싸여 있으며, 일반적으로 클로즈 루프(Closed Loop) 제어를 통하여 온도를 제어한다.• 사출기에서 피드백(Feed-back)되어 표시되는 온도는 재료의 온도가 아니라 배럴에 설치된 열전대의 온도임을 인지하여야 한다.1.8 형체부(Clamp Unit)형체부는 크게 고정판(Fixed Platen), 이동판(Moveable Platen), 심압대(Tailstock Platen), 취출 시스템(Ejecting System), 그리고 타이바(Tie Bar)로 구성되어 있다. 1.8.1 토글식과 유압식의 특징 비교토글식의 특징- 토글을 압축하고 타이바(Tie Bar)를 늘려 형체력을 제어한다.- 일반적으로 금형의 모서리 4곳에 형체력이 작용한다.- 형체력을 미세하게 조정하기 어려우며, 최대치 이하로 설정하기 어렵다. - 금형/작업장 온도에 따라 형체력이 변화한다.유압식(또는 직압식)의 특징 - 유압 실린더로 형체력을 직접 제어한다.- 일반적으로 금형의 중심에 형체력이 작용한다. - 형체력을 미세하게 조정하여 설정하기 용이하다. - 금형/작업장 온도에 따라 형체력이 변화하지 않는다.- 최소 금형 높이는 형체 실린더의 행정거리(Stroke)에 따라 제한된다.1.8.2 토글식과 유압식에서 판(Platen)의 변형에 따른 금형 처짐(Mold Deflection)아래와 같이 토글식과 유압식 사출기는 금형을 다르게 지지하며, 이에 따라 형판(고정판과 이동판)의 변형이 다르게 발생한다.금형이 얼마나 잘 지지가 되는지는 아래의 세 가지 요소에 달려 있다.- 클램프(Clamp)의 유형: 토글식 또는 유압식(직압식)- 형판의 강성(Strength): 주물이 강판보다 더 뻣뻣(Stiff)하다.- 형판과 금형 크기 관계: 형판의 크기가 금형의 한 방향으로 최소 2/3 공간보다 커야 한다. 1.9 취출 시스템(Ejecting System)거의 모든 사출기는 취출 시스템(Ejecting System)을 이동판에 부착하고 있으며, 취출 판(Ejector Plate)을 움직여 이젝트 핀(Eject Pin)이 금형에서 제품을 밀어내는 형태이다. 취출 공정은 속도, 압력, 거리, 횟수, 4가지 변수로 제어되며, 이를 최적화하여야 사이클 타임(Cycle Time)과 금형에서 취출될 때에 발생하는 문제점(예: 취출 불량, 찍힘 자국, 후 변형 등)을 최소화할 수 있다.[ 사출기 모니터링 시스템의 필요성 ]금형에만 내압(Cavity Pressure) 센서나 온도 센서 등을 설치하는 경우에, 제품에서 발생하는 현상과 사출기의 동작 및 기계적 요소의 문제점을 연관시키기가 어렵다. 사출기에 유압(Hydraulic) 센서, 스트로크(Stroke) 센서, 그리고 사출 신호 입력장치 등을 설치하여, 사출기의 동작을 함께 모니터링하면, 현상 파악이 쉽고 문제점 해결이 용이하다. 아울러 이러한 장치들에서 받은 정보들은 사출기의 유지보수를 위하여 매우 유용하게 이용되기도 한다.이 장에서는 제품의 품질에 크게 영향을 끼칠 수 있는 사출기의 몇 가지 기계적인 요소에 대하여 간략하게 기술하였다. 추후에 연재되는 [사출기 성능점검] 편에서 중요한 이슈를 보다 자세하게 다루고자 한다.… 2020년 핸들러 6월호에서 ‘스마트공장(Smart Factory)을 위한 사출성형 모니터링 및 최적화 기술 3’ 이 이어집니다.
편집부 2020-05-07
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전해액 첨가제 0.5% 더하면, 장거리용 전기차 배터리 된다

- 고용량 ·장수명 리튬 이온 배터리 실현 가능… Advanced Energy Materials 게재 한 번 충전해 오래 달리는 장거리용 전기차 배터리를 위한 기술이 나왔다. 현재 사용하는 리튬 이온 배터리의 구성요소 중 전해액에 소량의 첨가제만 추가해 용량과 수명을 늘린 방식이다.UNIST(총장 이용훈) 에너지 및 화학공학부의 최남순-곽상규 교수팀은 ‘고리형 아미노 실레인 계열 첨가제’를 추가한 고용량 리튬 이온 배터리용 전해액 시스템을 개발했다. 이 첨가제는 전극 보호막을 공격하는 불순물 생성을 억제하는 동시에 양극에 새로운 보호막을 만드는 역할을 한다. 전체 전해액의 0.5% 수준만 더해도 양극과 음극을 보호하면서 배터리 성능을 높일 수 있는 획기적인 기술이다.리튬 이온 배터리에서는 ‘리튬 이온’이 전극(양극/음극)을 오가며 충·방전한다. ‘전해액’은 리튬 이온이 지나다니는 통로면서, 그 자체가 전극 표면과 반응해 보호막도 만든다. 따라서 고용량 배터리용으로 전극 물질을 바꾸면 전해액 시스템도 달라져야 한다. 고용량 양극으로 ‘니켈리치 소재(Nickel Rich, 니켈 함량이 60% 이상)’가 주목받는데, 이 물질은 반응성이 크므로 전극 표면에서 기존 전해액을 쉽게 분해시킨다. 또한, 전해액 구성 성분인 리튬염(LiPF₆)이 수분과 반응하고, 이때 나온 물질은 전극 보호막을 파괴하며 전이금속(전지 용량 결정)을 밖으로 꺼내 배터리 성능을 낮춘다.* 니켈리치 양극: 리튬 전이 금속산화물로 니켈 함량이 60%보다 높은 양극 소재이다. 니켈 외에 망간, 코발트 등과 같은 전이금속을 포함한다. 대표적으로 LiNi0.7Co0.15Mn 0.15O2가 있다.* 리튬염: 용매, 첨가제와 함께 전해액 구성 성분의 하나. 이온화돼 전지의 이온 공급원이 된다. 상용화된 전지에는 주로 리튬육불화인산(LiPF₆)을 사용한다.최남순 교수팀은 기존 전해액에 ‘아미노 실레인(Amino Silane) 작용기를 지닌 새로운 첨가제(TMS-ON)’을 추가해 기존 문제점을 극복했다. TMS-ON 첨가제는 전극 보호막을 파괴하는 산성 화합물 생성을 근본적으로 억제하며, 소량으로 생성된 산성 화합물까지 제거한다. 또 양극 표면에 새로운 보호막 만들어, 전극을 구조적으로 보호할 뿐만 아니라 전이금속이 전극 밖으로 나오는 것도 막는다.제1저자인 김고은 UNIST 박사(現 현대자동차 연구원)는 “산성 화합물은 배터리 양극뿐 아니라 음극의 보호막도 공격한다”며, “새로운 첨가제는 산성 화합물의 생성 자체를 억제하므로 음극까지 보호할 수 있다”고 추가 설명했다.곽상규 교수팀은 계산을 통해 신규 첨가제(TMS-ON)의 작동 원리를 이론적으로 규명했다. 분석 결과 첨가제의 형태인 고리 모양이 리튬염의 분해를 억제하는 것으로 나타났다. 또 첨가제 속에 포함된 ‘비공유 전자를 갖는 질소(N)’가 리튬이 분해되면서 만들어지는 오불화인산(PF₅)를 안정화해 불화수소(HF)의 생성 자체를 막는다. 곽 교수는 “첨가제의 리튬 이온 결합 에너지가 낮아서, 기존 전해액의 성분인 리튬육불화인산(LiPF₆)의 해리도를 효과적으로 증가시킨다”며, “또한, 전해액과 전극 물질이 반응해 생성되는 오불화인산(PF₅)도 안정화한다”고 설명했다.* 불화수소(HF): 양극에서 전이금속 용출을 유도해 배터리 용량 저하의 원인이 될 뿐만 아니라, 양극 및 음극 계면에 형성된 보호막을 붕괴시키고 가스를 발생시켜 배터리 안정성을 위협하는 물질이다.최남순 교수는 “수명이 긴 리튬 이온 배터리를 만들려면, 전극 보호막 생성뿐만 아니라 보호막을 공격하는 물질을 제거할 수 있는 첨가제 기술이 필수적”이라며, “이번 연구로 ‘니켈 리치 양극’과 ‘흑연 음극’의 계면 구조 보호를 위한 전해액 첨가제의 새로운 역할에 대한 이해도 가능해졌다”고 연구 의미를 짚었다.이번 연구는 재료 분야의 세계적인 저널 ‘어드벤스드 에너지 머터리얼스(Advanced Energy Materials)’에 3월 3일 자로 공개됐다. 연구 수행은 현대자동차와 산업통상자원부의 에너지기술개발사업의 지원으로 이뤄졌다.* 논문명: Cyclic Aminosilane-Based Additive Ensuring Stable Electrode–Electrolyte Interfaces in Li-Ion Batteries자료문의:- 대외협력팀: 장준용 팀장, 양윤정 팀원 052) 217-1228- 에너지 및 화학공학부: 최남순 교수 052) 217-2926
취재부 2020-05-06
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한국화학연구원, 냉장 배송 식료품 상했는지 알려주는 스티커 개발

- 상온 노출 시 스티커에 나타나는 이미지로 변질 여부 확인… 신선 배송시장 급성장 속 수요 기대- 『어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials (IF:25.809))』 3월호에 논문 발표냉장으로 배송받은 어류와 육류, 청과물 등 식료품의 변질 여부를 확인할 수 있는 스티커가 개발됐다.일명 ‘콜드체인(저온유통) 안심 스티커’로, 상온(10℃ 이상)에 노출되면 스티커에 나타나는 이미지로 변질 여부를 알 수 있다. 상온 노출 이력뿐만 아니라 상온 노출 시간까지 알 수 있다.일반적으로 냉장·냉동 보관된 식품이 상온에 노출되면 세균이 증식하기 시작한다. 하지만 육안으로 변질 여부를 알기 어렵다. 특정 세균은 서식해도 식품의 맛과 향에 영향을 주지 않으며, 냉동식품은 녹았다가 다시 얼려도 외관상 차이가 거의 없기 때문이다.이 같은 상황에서 ‘콜드체인 안심 스티커’를 이용하면 냉장·냉동 배송 차량, 이른바 탑차의 오작동으로 식품이 상한 지 모른 채 먹어 발생하는 식중독·햄버거병 등을 미연에 방지할 수 있다.또한, ‘콜드체인 안심 스티커’는 얇고 유연한 데다 제조비용이 저렴하고, 임의로 조작할 수 없어 최근 급성장하는 신선 배송시장에서 활용도가 높을 것으로 기대된다.한국화학연구원 바이오화학연구센터 오동엽·박제영·황성연·최세진 박사팀은 이 같은 기술을 개발하고, 저명 학술지인 ‘어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials, IF:25.809)’ 3월호에 발표했다.윗줄 이미지는 콜드체인 안심 스티커의 앞면에 해당하는 나노섬유 필름이 투명해지면서 뒷면의 일반 필름의 이미지가 나타나는 모습이다. 아랫줄 현미경 이미지는 상온에 노출된 후 시간이 흐르면서 나노섬유가 붕괴하는 모습이다. 가느다란 실이 교차된 형태의 나노섬유 구조가 서로 엉겨 붙어 뭉치면서 빛이 투과하게 된다.냉장고에서 꺼낸 햄버거 패티를 2시간 동안 상온에 뒀더니, 포장지에 부착된 콜드체인 안심 스티커에 이미지가 나타났다. 스티커 전면의 나노섬유 필름이 상온에 반응해 투명해진 결과, 후면 일반 필름의 이미지가 나타난 것이다.이 스티커의 핵심은 상온에 노출되면 투명해지는 나노섬유 필름이다. 연구진은 새로 개발한 나노섬유 필름의 뒷면에 일반 필름을 붙여 ‘콜드체인 안심 스티커’를 만들었다.저온 상태의 나노섬유 필름은 가느다란 실이 교차한 안정된 형태로, 빛을 산란시켜 불투명하다. 하지만 상온에 일정 시간 동안 노출되면 나노섬유 구조가 붕괴되면서 빛이 투과해 투명해지는 것이다. 이 같은 원리로, 상온에 노출된 스티커 앞면의 나노섬유 필름이 투명해지면 뒷면의 일반 필름 이미지가 나타난다. 이를 통해 식료품의 변질 여부를 알 수 있는 것이다.여기서 한 걸음 더 나아가 연구진은 상온에서 나노섬유 필름이 투명해지는 시간도 조절했다. 식료품에 따라 부패시간이 다른 점에 착안한 것이다. 스티커별로 최단 30분에서 최장 24시간 후 투명해지도록 일종의 타이머를 설정했다. 이는 나노섬유의 조성과 두께를 변화시키는 방법을 이용했다.한국화학연구원 오동엽 박사는 “한 번 상온에 노출된 스티커를 다시 냉장·냉동하더라도 원래 상태로 되돌릴 수 없고, 상온 노출 시간을 임의로 느리게 할 수도 없다. 사실상 조작이 불가능하다”고 설명했다.‘콜드체인 안심 스티커’는 식료품 이외에도 고가의 의약품 저온유통에 폭넓게 활용될 수 있다. 스티커 자체가 얇고 유연한 데다 예상 제작 비용이 개당 10원 대로 저렴하기 때문이다. 현재 경쟁제품으로 상온 노출 이력을 알려주는 키트가 있다. 글로벌 화학기업들이 고가 의약품의 저온유통 용도로 만들었다. 특수 잉크의 화학 반응을 이용해 상온 노출 여부를 알려주는 방식이다. 하지만 키트가 단단하고 두꺼운 플라스틱으로, 다양한 제품에 부착하기 어렵고 제조비용도 수천 원대다.한국화학연구원 최세진 박사는 “기존의 의약품 유통용으로 쓰이는 키트는 파손될 경우 특수 잉크가 흘러나올 위험성도 있다”라면서, “반면에 이번에 개발된 콜드체인 안심 스티커는 유통 과정에서 손상돼도 화학물질 유출 우려도 없고, 기능도 정상적으로 작동한다”고 말했다.콜드체인 안심 스티커는 얇고 유연해 어디에든 부착할 수 있다. 또한, 가위로 스티커 일부를 잘라내도 정상적으로 작동한다.이 같은 연구성과는 세계적으로 저명한 학술지인 ‘어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials, IF:25.809)’ 3월호에 ‘식품의 콜드체인 배송 시 온도·시간 이력을 지시하는 나노섬유 스티커(A Self-Healing Nanofiber-Based Self-Responsive Time-Temperature Indicator for Securing a Cold-Supply Chain)’라는 제목의 논문으로 게재됐다. 또한, 이번 성과는 과학기술정보통신부의 한국화학연구원 주요사업으로 수행되었다.
취재부 2020-05-06
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화학연, 제습 냉방·건조 공기 시스템 핵심 MOF 제습제 기술 (주)에이올코리아에 이전

- 4월 8일(수) 대전 유성구 한국화학연구원에서 기술이전 협약식 개최지난 4월 8일(목) 대전 유성구 한국화학연구원에서 열린 에너지 최소화 제습 냉방기 및 건조 공기 시스템 기술이전 협약식(왼쪽부터 에이올코리아 백재현 대표이사, 한국화학연구원 이미혜 원장)한국화학연구원과 (주)에이올코리아가 공동으로 전기 사용을 최소화하는 ‘제습 냉방기’와 ‘건조 공기 시스템’의 사업화를 추진하기로 했다.한국화학연구원(원장 이미혜)은 지난 4월 8일(수), 대전 유성구 한국화학연구원에서 제습 냉방 및 건조 공기 기술의 핵심인 ‘MOF 제습제’ 관련 기술을 (주)에이올코리아에 이전하는 기술이전 협약식을 가졌다.이날 행사에는 한국화학연구원 이미혜 원장, 황영규 화학공정연구본부장, 박용기 CCP융합연구단장, 장종산 CCP융합연구단 올레핀연구팀장, 이우황 책임연구원, (주)에이올코리아 백재현 대표이사, 홍오성 전무이사, 남형일 상무이사, 김태수 상무이사 등 10여 명이 참석했다. 이번 기술이전의 핵심은 MOF* 제습제이다. MOF 제습제는 나노 크기의 미세한 구멍이 수없이 난 수분 흡착제이다. 마치 혈액을 순환시키는 심장처럼 공기 중 수분을 흡수하고 내뱉고 재생되는 특성을 통해 아주 약간의 전기만으로 ‘제습 냉방기’와 ‘건조 공기 제조 시스템’을 가동될 수 있게 한다.* MOF(Metal-Organic Framework): 금속 양이온과 유기카르복시산 음이온이 배위결합에 의해 형성된 금속-유기골격 하이브리드 나노세공체실외기에 의해 가동되는 일반적인 전기 에어컨은 하절기 피크 전력 문제는 물론, 도심 열섬화의 주범으로 알려져 있다. 또 실내 냉방을 위해 공기 중 잠열이 높은 수분을 먼저 없애고, 실내를 냉각하는 탓에 실내 체감온도는 낮아지고 20~30%의 전기를 추가로 써야 한다. 하지만 초절전 제습 냉방기는 ‘실외기 없는 에어컨’으로, MOF 제습제를 이용해 공기 중 수분을 없애고, 쓰다 남은 70℃ 이하의 폐열을 이용해 수분을 머금은 제습제를 건조·재생시키기 때문에 전기 사용을 최소화할 수 있다. 기존 상업용 제습제(실리카겔, 제올라이트, 활성 알루미나)는 적어도 100~200℃ 이상의 온도에서 건조·재생된다. 또한, MOF 제습제는 기존 실리카겔 제습제 대비 전력소모량이 50% 이상 절감되면서 제습 성능은 55% 이상 향상된 특성을 나타낸다. 이에 차세대 에너지 절약형 제습·냉방기 시장에 진출할 수 있을 것으로 기대된다.건조 공기 제조 시스템, 일명 ‘에어 드라이어(Air Dryer)’는 조선 및 자동차산업을 비롯해 반도체와 스마트폰 등 첨단 전자산업현장에서 제품의 품질 유지를 위해 쓰이는 제습장치이다. 에어 드라이어는 산업현장의 공기를 압축한 후, 압축된 수분을 제거해 건조한 공기를 만드는데, MOF 제습제는 압축된 공기의 수분 제거에 쓰인다. 기존 제습제는 180~220℃의 고온에서 재생되는데, MOF 제습제는 압축기의 폐열(120℃) 이하의 온도에서 재생되고 성능을 유지할 수 있어 전기 사용을 최소화할 수 있다.한국화학연구원 장종산 박사는 “화학연구원의 기술은 태양열과 저온 폐열을 이용할 수 있는 MOF 제습제 기술로 실외기가 필요 없는 냉방, 에어 드라이어의 건조 공기 제조 등에 응용성을 갖고 있어서 온실가스 저감과 환경문제에 효과적으로 대응할 수 있다”면서, “화학연의 MOF 제습제를 적용해 에이올코리아가 개발 중인 제습 냉방·건조 공기 시스템의 상용화에 적극적으로 협력해 나가겠다”고 말했다.현재 국내에서는 실리카겔, 제올라이트, 알루미나 성분의 제습제가 쓰인다. 하지만 전량 일본, 스웨덴, 미국, 인도 등에서 수입하는 데다, 에너지사용량이 많으므로 혁신적 기술이 필요한 상황이다. 한국화학연구원의 MOF 제습제 기술은 다수의 미국특허를 획득했고, 2019년 과학기술정보통신부 국가연구개발 우수성과 100선 및 2018년 정부 출연연구원 우수성과 10선에 선정된 바 있다.㈜에이올코리아 백재현 대표는 “한국화학연구원의 MOF 제습제로 전량 수입 중인 수분 제습제의 국산 대체와 함께 다양한 사업의 전개 가능성을 확인했다”라며, “차세대 제습 냉방 및 건조 공기 제조 시스템에 적용해 국내 시장을 선도하고 빠른 미래에 해외시장에 진출을 기대한다”고 말했다.(주)에이올코리아는 한국화학연구원의 MOF 제습 로터를 탑재한 주택 및 제로 에너지 빌딩용 복합환기시스템과 제습 냉방시스템을 개발했고, 2021년 상반기 사업화를 목표로 제품 생산을 준비하고 있다. 이번 연구는 과학기술정보통신부 글로벌프런티어사업 하이브리드 인터페이스 기반 미래소재 연구단(단장: 김광호)과 국가과학기술연구회 CCP 융합연구단(단장: 박용기)의 지원을 받아 이뤄졌다.
편집부 2020-04-19
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한국화학연구원, 냉장 배송 식료품 상했는지 알려주는 스티커 개발

- 상온 노출 시 스티커에 나타나는 이미지로 변질 여부 확인… 신선 배송시장 급성장 속 수요 기대- 『어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials (IF:25.809))』 3월호에 논문 발표이번 연구성과는 그 우수성을 인정받아‘어드밴스트 머티리얼스’3월호 내지 삽화(Frontispiece)로 실렸다냉장으로 배송받은 어류와 육류, 청과물 등 식료품의 변질 여부를 확인할 수 있는 스티커가 개발됐다.일명 ‘콜드체인(저온유통) 안심 스티커’로, 상온(10℃ 이상)에 노출되면 스티커에 나타나는 이미지로 변질 여부를 알 수 있다. 상온 노출 이력뿐만 아니라 상온 노출 시간까지 알 수 있다.일반적으로 냉장·냉동 보관된 식품이 상온에 노출되면 세균이 증식하기 시작한다. 하지만 육안으로 변질 여부를 알기 어렵다. 특정 세균은 서식해도 식품의 맛과 향에 영향을 주지 않으며, 냉동식품은 녹았다가 다시 얼려도 외관상 차이가 거의 없기 때문이다.이 같은 상황에서 ‘콜드체인 안심 스티커’를 이용하면 냉장·냉동 배송 차량, 이른바 탑차의 오작동으로 식품이 상한 지 모른 채 먹어 발생하는 식중독·햄버거병 등을 미연에 방지할 수 있다.또한, ‘콜드체인 안심 스티커’는 얇고 유연한 데다 제조비용이 저렴하고, 임의로 조작할 수 없어 최근 급성장하는 신선 배송시장에서 활용도가 높을 것으로 기대된다.한국화학연구원 바이오화학연구센터 오동엽·박제영·황성연·최세진 박사팀은 이 같은 기술을 개발하고, 저명 학술지인 ‘어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials, IF:25.809)’ 3월호에 발표했다.상온(20℃) 노출 후 시간 경과에 따른 ‘콜드체인 안심 스티커’의 변화윗줄 이미지는 콜드체인 안심 스티커의 앞면에 해당하는 나노섬유 필름이 투명해지면서 뒷면의 일반 필름의 이미지가 나타나는 모습이다. 아랫줄 현미경 이미지는 상온에 노출된 후 시간이 흐르면서 나노섬유가 붕괴하는 모습이다. 가느다란 실이 교차된 형태의 나노섬유 구조가 서로 엉겨 붙어 뭉치면서 빛이 투과하게 된다.냉장고에서 꺼낸 햄버거 패티를 2시간 동안 상온에 뒀더니, 포장지에 부착된 콜드체인 안심 스티커에 이미지가 나타났다. 스티커 전면의 나노섬유 필름이 상온에 반응해 투명해진 결과, 후면 일반 필름의 이미지가 나타난 것이다.이 스티커의 핵심은 상온에 노출되면 투명해지는 나노섬유 필름이다. 연구진은 새로 개발한 나노섬유 필름의 뒷면에 일반 필름을 붙여 ‘콜드체인 안심 스티커’를 만들었다.저온 상태의 나노섬유 필름은 가느다란 실이 교차한 안정된 형태로, 빛을 산란시켜 불투명하다. 하지만 상온에 일정 시간 동안 노출되면 나노섬유 구조가 붕괴되면서 빛이 투과해 투명해지는 것이다. 이 같은 원리로, 상온에 노출된 스티커 앞면의 나노섬유 필름이 투명해지면 뒷면의 일반 필름 이미지가 나타난다. 이를 통해 식료품의 변질 여부를 알 수 있는 것이다.여기서 한 걸음 더 나아가 연구진은 상온에서 나노섬유 필름이 투명해지는 시간도 조절했다. 식료품에 따라 부패시간이 다른 점에 착안한 것이다. 스티커별로 최단 30분에서 최장 24시간 후 투명해지도록 일종의 타이머를 설정했다. 이는 나노섬유의 조성과 두께를 변화시키는 방법을 이용했다.한국화학연구원 바이오화학연구센터 오동엽(좌)·최세진(우) 박사가 ‘콜드체인(저온유통) 안심 스티커’가 부착된 식료품을 들고 있다.한국화학연구원 오동엽 박사는 “한 번 상온에 노출된 스티커를 다시 냉장·냉동하더라도 원래 상태로 되돌릴 수 없고, 상온 노출 시간을 임의로 느리게 할 수도 없다. 사실상 조작이 불가능하다”고 설명했다.‘콜드체인 안심 스티커’는 식료품 이외에도 고가의 의약품 저온유통에 폭넓게 활용될 수 있다. 스티커 자체가 얇고 유연한 데다 예상 제작 비용이 개당 10원 대로 저렴하기 때문이다. 현재 경쟁제품으로 상온 노출 이력을 알려주는 키트가 있다. 글로벌 화학기업들이 고가 의약품의 저온유통 용도로 만들었다. 특수 잉크의 화학 반응을 이용해 상온 노출 여부를 알려주는 방식이다. 하지만 키트가 단단하고 두꺼운 플라스틱으로, 다양한 제품에 부착하기 어렵고 제조비용도 수천 원대다.한국화학연구원 최세진 박사는 “기존의 의약품 유통용으로 쓰이는 키트는 파손될 경우 특수 잉크가 흘러나올 위험성도 있다”라면서, “반면에 이번에 개발된 콜드체인 안심 스티커는 유통 과정에서 손상돼도 화학물질 유출 우려도 없고, 기능도 정상적으로 작동한다”고 말했다.콜드체인 안심 스티커는 얇고 유연해 어디에든 부착할 수 있다. 또한, 가위로 스티커 일부를 잘라내도 정상적으로 작동한다.이 같은 연구성과는 세계적으로 저명한 학술지인 ‘어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials, IF:25.809)’ 3월호에 ‘식품의 콜드체인 배송 시 온도·시간 이력을 지시하는 나노섬유 스티커(A Self-Healing Nanofiber-Based Self-Responsive Time-Temperature Indicator for Securing a Cold-Supply Chain)’라는 제목의 논문으로 게재됐다. 또한, 이번 성과는 과학기술정보통신부의 한국화학연구원 주요사업으로 수행되었다.< 연구진 이력 사항 >오동엽 박사(선임 연구원· 소속: 한국화학연구원 바이오화학소연구센터· 이메일: dongyeop@krict.re.kr최세진 박사(박사후 연구원)· 소속: 한국화학연구원 바이오화학연구센터· 이메일: schoi@krict.re.kr황성연 박사(센터장)· 소속: 한국화학연구원 바이오화학연구센터 센터장· 이메일: crew75@krict.re.kr박제영 박사(선임 연구원)· 소속: 한국화학연구원 바이오화학연구센터· 이메일: jypark@krict.re.kr
편집부 2020-04-12
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스마트공장(Smart Factory)을 위한 사출성형 모니터링 및 최적화 기술1

Ⅰ. 사출성형 모니터링 시스템1960년대 당시의 자동차에는 책상만큼 넓은 플라스틱 계기판이 있었고, 여러분이 상상할 수 있듯이 많은 문제가 있었다. 그중에서도 사출품의 품질(수축)관리가 제대로 이루어지지 않아 치수가 불안정하고, 다른 부품들과의 조립과 도색공정에서의 과도한 불량판정으로 생산성이 떨어지고 있었다. 이러한 불일치를 줄이기 위해 사출 공정에서 어떤 변수를 모니터링하고 제어해야 하는지를 연구하기 시작하였다.그들은 공정 변수와 부품 크기 간의 관계에 대한 철저한 통계 분석을 포함하여 수많은 테스트를 수행하였으며, 각 데이터 포인트를 노란색 그래프용지에 꼼꼼하게 수동으로 표시했다. 또한, 기계가 내부 및 외부에서 어떻게 작동하는지 연구하였으며, 마침내 사출성형공정을 표준화하고 예측할 수 있다는 것을 깨닫게 되었다. 이후 금형 내부의 데이터를 통해 무엇이 바뀌고 있는지 정확하게 알 수 있었고, 금형 내부 환경에 적합한 센서를 개발하여, 사출성형공정에 적합한 캐비티(Cavity) 압력 센서라는 새로운 눈(eye)을 만들었다.결국, General Motors의 문제 해결을 통하여, 처음으로 실제 현장에 적용이 진행되었으며, 사출성형 산업을 위한 최초의 캐비티 압력 센서가 상용화되었다.1. 모니터링 시스템의 필요성금형 내압 센서 및 모니터링 시스템을 사용하면, 다음과 같은 기술적이고 경제적인 혜택을 얻을 수 있다.- 품질향상 및 불량품 감소 - 불량에 대한 원인 파악 용이- 공정 최적화를 통한 사이클 타임(Cycle Time)의 단축- 시 사출 및 양산 안정화 기간 단축- 글로벌 공장의 금형 이관 기간 단축- 플라스틱 재료의 절감- 인건비 절감- 에너지 사용 비용 절감- 금형 수명 연장 및 용이한 유지보수 시기 예측- 투명한 공정관리를 통한 기업 경쟁력 제고- 축적된 데이터를 이용한 인공지능(AI) 및 머신러닝 기법 적용과 이를 통한 기술력 향상위와 같은 많은 이점에도 불구하고, 국내 사출성형 업계에서는 금형 내압 센서 및 모니터링 시스템을 적용하는 노력이 적은 것이 현실이며, 이는 활용성과 효용성 등에 대한 부족한 이해와 투자와 교육을 꺼리는 산업 환경에 원인이 있다고 생각된다. 그러나 스마트공장(Smart Factory)과 인더스트리 4.0(Industry 4.0)과 같은 새로운 산업 환경이 시작되는 현시점에서, 해외 선진 업계에서는 금형 내압 센서 및 모니터링 시스템의 적용이 활성화되고 있으며, 새로운 업계표준(Industry Standard)으로 자리 잡고 있음에 주목해야 할 것이다.1.1 기존 성형 시스템의 문제점사출성형기에서 설정하고 피드백(Feed-back)되는 데이터가 실제 제품의 품질에 직결되지 않는 것으로 알려져 있다. 이는 성형에 사용되는 재료인 플라스틱이 용융상태에서 외부의 변화에 영향을 받아 점도(Viscosity)가 변화하는 특성을 가지고 있기 때문이다.[그림 1]에서와 같이 사출기에서의 사출압(유압)이 일정하다고 하더라도 금형 내에서는 압력변화가 매우 심할 수 있으며, 사출기에서 피드백되는 유압 데이터와 품질을 직결시키기에는 무리가 있음을 알 수 있다. 이러한 일관성(Consistance)의 부재는 불량 발생과 사출성형기의 경보(Alarm)를 유발하고, 작업자는 작업조건의 수정으로 대응하게 되는데, 사출성형기 데이터를 통해서는 정확한 원인 추적이 불가능함으로 작업자는 추측과 경험에 따라 임의로 공정변경을 수행하여야만 한다. 더욱 큰 문제는 불량 발생의 원인에 대한 정확한 규명 없이 계속 추측문제로 남게 되고, 불량의 재발 방지에 속수무책일 수밖에 없는 딜레마에 놓이게 된다.1.2 금형 내압 센서 및 모니터링 시스템의 장점1.2.1 품질향상금형 내에서 측정되는 데이터(Data)만이 품질과 직결된 가장 유익한 공정 변수 정보이다.플라스틱은 사출기와 금형 내부에서 열, 유동, 압력, 냉각에 의하여 변화하며, 성형공정 상 모든 성형의 문제점을 수지의 관점(View of plastics)에서 파악하면, 매우 쉽게 분석할 수 있다. 예를 들어 금형 내압(Cavity Pressure)의 프로파일(Profile)은 유동(Fill), 보압(Pack/Hold), 냉각(Cool)단계에서 발생하는 모든 성형 이력을 담고 있으며, 이 데이터는 성형품의 무게, 형상, 치수 변화, 플래쉬(Flash, Burr), 싱크마크(Sink-mark), 수축(Shrinkage), 변형(Warpage) 등과 같은 품질문제와 연관시킬 수가 있다.공정의 변화에 따른 4가지 성형 인자를 사출기의 제어(Control)변수와 연계하면, 손쉽게 성형문제를 파악하고 안정적인 성형조건을 선정하는 것이 가능하다. (그림 2)1.2.2 사출성형공정의 최적화시험 사출 및 양산준비 기간 단축개발단계에서 금형 내압 센서 및 모니터링 시스템을 사용하여 공정(Process)을 분석하면, 금형, 재료, 그리고 사출기의 성능 및 문제점을 손쉽게 파악할 수 있어, 문제점과 해결책의 분석이 용이하게 된다. (그림 3)이를 통하여 시 사출(Mold Trial) 반복 횟수를 최소화하고 시간과 비용을 절감할 수 있으며, 여러 사출 분야에서 최대 약 75%까지 절약할 수 있다고 보고되고 있다.공정(Process) 최적화 및 단축공정 최적화를 구현하는 목적은 효과적인 생산 공정을 찾고 안정적인 공정구간을 설정하는 것이다.이 단계의 핵심은 최소의 공정시간과 우수한 품질이며, 금형 내압 시스템을 이용하여 품질에 영향을 미치지 않으면서 공정시간을 단축시킬 수 있도록 사출기의 작동조건을 결정하는 데에 초점을 맞추어야 한다.금형 이관(Mold Transfer) 기간 단축 및 품질 동질화개발이 완료된 금형을 생산공장으로 이관하여 성형조건을 설정(Setting)하거나, 생산 일정 변경에 따라 동일 공장 내에서 다른 사출성형기로 이동하여 생산하여야 하는 경우에, 내압 센서 및 모니터링 시스템에서 얻어진 기준 데이터를 이용하면, 단기간 내에 성형조건의 설정이 용이하게 된다. 일반적으로 스크류 위치(Screw Stroke)와 내압 프로파일(Cavity Pressure Profile)이 기록된 템플레이트(Template)를 이용하여, 시간에 따른 유량(Shot Volume)을 일치시킨 후에 내압(Cavity Pressure)이 일치되도록 사출 속도와 압력, 그리고 절환 위치 등을 미세하게 조정하는 방법을 이용한다.(그림4)1.2.3 비용 절감불량품 자동선별을 통한 무결점 제품(불량률 0%) 납품금형에 설치된 압력/온도 센서 등은 대량 생산과정에서 각 사이클(Cycle) 동안 지속적인 품질관리를 위하여 사용된다. 만일 요구되는 품질기준을 만족시키지 못할 때에는 모니터링 시스템은 성형기에 경고신호(Alarm Signal)를 보내거나 자동 취출장치(또는 로봇)를 통하여 불량품을 선별하기도 한다.(그림 5)이러한 시스템을 통하여, 최종적으로 고객에게 무결점의 제품이 납품되도록 효율적 관리가 가능하다.실시간 자동제어내압/온도 센서와 모니터링 시스템은 Open/Close-loop 제어를 통하여 절환 위치(Switch-over position)나 밸브 게이트(Valve-gate) 등을 제어할 수 있으며, 생산 중에 작업자의 개입 없이도 균일한 제품을 얻을 수 있게 도와주어 생산 효율을 높이고 비용을 절감시켜준다.(그림 6)품질(QC) 문서화/데이터베이스(Database)화모니터링 시스템을 이용하면 내압/온도 프로파일은 물론 성형품의 품질에 대한 정확한 정보를 제공받을 수 있어, 품질관리 및 문서화를 추가 인원 투입 없이 달성할 수 있다.(그림 7)이는 부품의 품질보증에 관한 비용을 절감시켜주고, 공정자료의 자동적인 문서화를 제공할 뿐만 아니라, 방대한 기술자료의 축적을 이루게 되어 경쟁력 제고에 크게 도움이 된다.2. 사출성형 모니터링 시스템 구성사출성형 모니터링 시스템은 [그림 8]과 같이 금형에 장착하는 압력/온도 센서, 사출기 screw 쪽에 장착하는 스트로크(Stroke) 센서/유압(Hydraulic) 센서, 사출기의 입출력 신호를 제어하는 I/O 컨트롤, 그리고 데이터를 수집하고 분석하는 모니터링 부분으로 이루어져 있다. 여기에서는 미국 RJG사의 eDart 시스템을 기준으로 모니터링과 센서에 관련된 기술적인 내용을 소개하고자 한다.2.1 압력 센서(Cavity Pressure Sensor)사출성형 모니터링에 사용되는 압력 센서는 압력 측정방식에 따라 스트레인 게이지(Strain-Gage) 센서와 압전(Piezo-Electric)센서로 분류할 수 있으며, 설치 방식에 따라 직접식(Direct)과 간접식(In-direct)으로 나누어진다. 일반적으로 압전(Piezo)센서가 스트레인 게이지(Strain-Gage) 센서에 비하여 정밀도가 우수하다고 알려져 있으나, 사출성형공정에서 사용하는 경우에는 정밀도 차이가 미미하다고 볼 수 있다.다음 [표 1]은 스트레인 게이지(Strain-Gage) 센서와 압전(Piezo-Electric)센서의 특징 및 장단점을 비교한 것이며, 일반적으로 고정도의 실험에는 압전센서가 양산에는 간접식 스트레인 게이지 센서가 사용된다.[그림10]에서와 같이 직접식(Direct)은 캐비티 내부까지 관통하여 센서를 설치하고, 간접식(In-direct)은 이젝트 핀(Ejector-Pin) 밑의 공간에 설치하는 것이 일반적이다.압전센서에 비하여 스트레인 게이지 센서가 양산현장에서 많이 쓰이고 있는 이유는 센서 설치 후에 금형 캐비티의 수정이나 표면 처리를 수행하여야 하는 경우에 압전센서의 적용이 어렵고, 또한, 비용적인 측면에서 스트레인 게이지 센서가 유리하며, 정밀도에서도 크게 차이가 나지 않기 때문이다.(그림 11)압력 센서의 위치 선정압력 센서의 위치 선정이 적합하지 않은 경우에는 얻어진 데이터가 단편적일 수밖에 없으며, 센서의 위치 선정은 센서를 선택할 때 센서의 최대 측정치와 더불어 매우 중요한 사전 검토사항이다.(그림 12)가장 기본적인 개념은 센서가 사출 공정에서 발생할 수 있는 문제점을 모니터링할 수 있는 위치에 설치되어야 한다는 것이며, 이를 위하여 성형해석 소프트웨어를 사용하는 것도 좋은 방법이 될 수 있다.2.2 온도 센서(Temperature Sensor)온도 센서는 제작에 사용된 재료에 따라 B, S, R, N, K, J, E, T로 나누어지는데, 사출기에 사용되는 K, J 타입 온도 센서가 주류를 이룬다.(한국에서는 K 타입이 가장 많이 쓰임)[그림 13]은 설치 방식에 따른 온도 센서를 보여주며, 끼워맞춤 방식의 Press-Fit, 나사쪼임 방식의 Flush Mount, 스프링을 이용하여 밀착시키는 Spring-Loaded 등이 사용되고 있다. 2.3 기타 센서 2.3.1 사출압(유압) 센서사출성형공정에서 제품과 직접적인 연관이 있는 것은 내압(Cavity Pressure)이지만, 성형조건의 변경이나 제품 불량의 원인을 파악하기 위해서는 사출압(Injection Pressure)의 프로파일(Profile)에 대한 정보가 필요하다. 또한, 사출기의 성능을 검토하는 데에도 유용하게 사용될 수 있다.유압식(Hydraulic) 사출기의 경우에는 [그림 14]와 같이 사출압(유압) 센서를 사용하며, 전동식(Electric) 사출기의 경우에는 로드 셀(Load Cell)에 설치된 압력 센서에서 전송되는 사출압 값을 사출기의 I/O 슬롯(Slot)을 통하여 모니터링 시스템에 전달하게 된다.2.3.2 스트로크(Stroke) 센서사출기의 스크류(Screw) 위치와 속도를 측정하기 위하여 사용하며, 금형 이관 시에 기본적인 데이터인 시간당 유량의 변화(Shot Volume)에 대한 정보를 제공한다.(그림15) 사출기의 I/O 슬롯(Slot)에서 데이터를 제공받을 수 있는 경우에는 이를 사용하여도 무방하다.2.3.3 금형 변형(Mold Deflection) 센서금형의 강도, 구조특성 또는 형체력 부족 등의 문제로 인하여, 금형의 파팅 라인(Parting-Line)이 벌어지는 경우가 발생한다. 이는 성형 이후, 냉각과정 중에 과도한 압력을 제품에 계속 작용시켜 예측하지 못한 제품의 변형을 유발할 수 있다. 2.3.4 그 외의 센서그 외에 사출성형공정의 관리를 위해서 다음과 같은 센서들이 종종 사용되기도 한다.(그림 17)- 노즐압력 센서: 사출압을 보다 정밀하게 측정하기 위하여 사용(실험실에서 주로 사용)- 유량/온도 센서: 냉각수의 유속과 온도를 측정하기 위하여 사용- 습도 센서: 원재료의 습도 관리를 위하여 사용(주로 호퍼(Hopper)에 설치)2.2 모니터링 본체(Unit) 및 소프트웨어  센서에서 측정된 데이터는 Digital 값으로 모니터링 본체 [그림 18]에 전달되며, 본체에는 사출성형공정을 실시간(Real-Time)으로 모니터링, 분석 및 제어를 하기 위한 소프트웨어가 탑재되어 있다.소프트웨어는 크게 압력/온도/스트로크 등의 실시간 그래프 창(Window), 각 사이클(Cycle)마다 계산된 값을 이용한 양산관리 그래프 창(Window), 축적된 데이터를 이용한 통계값을 표시하는 창(Window), 절환(Switch-over)/밸브 게이트/취출장치 등을 제어하는 콘트롤 창(Window), 그리고 데이터 수집이나 환경설정에 사용되는 값을 입력하는 입력/표시 창(Window)으로 나눈다.(그림 19)기술문의 : CAE프로 http://www.timon.co.kr  전화: 02-2081-1870
편집부 2020-04-03
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초임계 질소 및 이산화탄소를 이용한 초임계 발포 사출성형법

자료제공: 소재종합솔루션센터(www.matcenter.org), 화학소재정보은행(www.cmib.org) 지식정보 심층보고서
편집부 2020-04-02
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우리 생활에 없어서는 안될 유용한 플라스틱 제품을 만드는 사출성형기 이야기 21

자료제공: LS엠트론 기술교육아카데미 (http://lsmtronacademy.com)
편집부 2020-04-02