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전기차·ESS 상용화, 차세대 전 고체 전지로 앞당긴다 생기원, 폭발·화재 위험 없는 대면적 전 고체 전지

- 배터리 부피 3분의 1로 줄여, 전기차 적용 시 주행거리 2배 향상 기대한국생산기술연구원(이하 생기원, 원장 이성일)이 폭발 및 화재 위험을 없애면서도 배터리 팩의 부피를 획기적으로 줄일 수 있는 바이폴라(Bipolar) 구조의 전 고체 전지 제조기술을 개발했다. 단위 셀을 직렬로 10개 연결하여 제작한 바이폴라 구조의 37V, 8Wh급 셀스택전 고체 전지(All-Solid Battery)란 전지 내부 양극과 음극 사이에 있는 전해질을 액체에서 고체로 바꾼 차세대 이차전지를 말한다.현재 상용화된 이차전지는 가연성 액체 전해질을 사용하는 리튬이온전지인데, 과열 또는 과충전될 경우 팽창하여 폭발할 위험이 있다. 생기원 김호성(現 제주지역본부장) 박사 연구팀이 개발한 전 고체 전지는 내열성과 내구성이 뛰어난 산화물계 고체 전해질 소재를 사용하기 때문에 폭발 및 화재 위험이 없고 안전하다. 또한, 개발된 전 고체 전지는 다수의 단위 셀이 하나의 셀스택 안에서 직렬로 연결되어 있는 바이폴라 구조로 설계·제작되어 고전압 구현에 유리하다. 이로 인해 전기차 배터리 팩을 간소화해 부피를 약 3분의 1로 줄이면서도 주행거리는 2배 이상 향상시킬 수 있을 것으로 전망된다. 전 고체 전지의 구성 소재와 단위 셀 및 바이폴라 구조의 대면적 파우치 셀전 고체 전지는 고체 전해질 종류에 따라 산화물, 황화물, 고분자 계열로 분류되는데, 연구팀은 산화물계, 그중에서도 가장 효과적이라 평가받는 가넷 LLZO(리튬·란타늄·지르코늄·산소) 소재를 사용한 고강도 복합고체 전해질 시트 제조기술에 초점을 맞췄다. LLZO 소재는 전위창* 및 안전성이 뛰어나지만, 제조공정 비용이 비싸고 이온전도도**가 상대적으로 낮아 그동안 상용화에 어려움이 있었다. * 고체 전해질 소재에서 전기화학적 산화 또는 환원 반응이 일어나지 않은 전압 구간** 고체 내부에서 리튬이온이 확산되는 속도로, 낮을 경우 용량 및 수명도 감소한다이에 연구팀은 테일러 반응기*를 활용한 저가의 연속생산 공정을 도입해 LLZO 분말의 생산비용을 최소화하고 분말 입자를 나노화하는 데 성공했다.* Taylor Reactor, 테일러 유체 흐름 원리를 이용하는 일종의 화학 반응기나노급 LLZO 고체 전해질 분말은 이종 원소(갈륨·알루미늄) 도핑에 의해 소결 시간이 약 5배 이상 단축되어 비용이 크게 절감됐고, 이온전도도가 세계 최고 수준인 1.75×10-3S/㎝로 3배 이상 개선됐다. 이렇게 개발된 LLZO 분말은 소량의 고강도 이온전도성 바인더와 복합화되어 약 50~60㎛ 두께의 복합고체 전해질 시트로 제작됐는데, 이는 전 고체 전지의 부피 에너지밀도를 445Wh/L 수준으로 향상시키는 국내 최고 수준의 핵심기술이다.나아가 연구팀은 전 고체 전지 단위 셀 10개로 구성된 바이폴라 구조의 셀스택(37V, 8Wh급)을 국내 최초로 제작해 상용화 가능성을 높였다. 제작된 셀스택은 대면적(11㎝×12㎝)의 파우치 외장재 형태이며, 과충전된 상태로 대기 중에서 가위로 절단한 경우에도 발화 및 폭발 현상이 나타나지 않아 안전성이 검증됐다. 또한, 셀스택에 사용된 단위 셀은 400회의 충‧방전 실험결과 배터리 초기 용량의 약 84%를 유지, 종래 전 고체 전지보다 수명 특성이 5배 이상 개선됐다. 김호성 본부장 ○ 소속: 한국생산기술연구원 제주지역본부장 ○ 이메일: hosung42@kitech.re.kr ○ 전문분야: 전기화학, 이차전지, 신재생에너지, 에너지 저장 및 변환김호성 박사는 “최근 잇따른 신재생에너지 ESS 폭발 및 화재로 배터리의 안전성이 중요해지는 상황에서 국내 기술력으로 기존 전지를 대체할 수 있는 차세대 전 고체 전지 제조기술 확보에 성공했다”고 밝히며, “LLZO 소재 제조기술은 이미 국내 기업에 이전 완료됐고, 올해부터는 셀스택 사업화에 착수해 조기 상용화에 주력할 계획”이라고 말했다.이번 연구는 국가과학기술연구회(이사장 원광연)가 지원하는 창의형융합연구사업으로 추진되었으며, 생기원이 주관기관으로 한국에너지기술연구원(정규남 박사), 한국과학기술연구원(정경윤 박사), 한국전자통신연구원(이영기 박사)과 공동 수행하고 있다.한편 일본 후지경제연구소에 따르면, 세계 전 고체 전지 시장은 2035년 약 28조 원 규모로 확대될 전망이다.

이용우 2019-06-26

복합소재 사출성형의 불량 현상과 대책 2

Ⅰ. 서 론 지난 호 ‘사출성형의 불량 현상과 대책 I’에서 short-shot, burr, sink mark, void, 그리고 silver streak 등의 발생과 대책을 소개하였다. 사출성형 공정은 성형품의 형상이 복잡하고 대량생산을 목적으로 하는 경우가 많아 불량 현상이 다양하게 나타난다. 또한, 일반적인 고분자 수지 이외에 복합소재의 경우에는 수지와 필러의 상용성과 필러의 함량에 따라 변수가 많아지고 있다. 불량 현상은 공정 현장에서 case by case로 대책이 마련되고 있으나, 기본적으로는 금형 온도와 재료 온도를 최적화하는 것이 가장 효과적일 것이다. 불량 현상의 대책을 제안하는 것이 정답은 될 수 없으나, 원인을 파악하고 현장에서 빠르게 대응하는 방법은 될 수 있을 것으로 생각된다.Ⅱ. 사출성형의 불량 현상과 대책1. 투명도 저하(Haze, Cloudy)무색투명한 제품의 성형 시 옅은 백색으로 투명성을 저하시키고, 착색품의 경우에는 엷게 서리 낀 상태를 나타내는 현상으로, 경우에 따라 반사광을 잘 관찰하지 않으면 판단하기 어려울 수 있다. 윤활제를 과다하게 사용하거나 휘발분 함유량이 많으면 재료가 게이트 통과 후 압력이 저하되었을 때 윤활제나 휘발성분의 기화로 금형 면에 응축되어 옅은 우윳빛 혹은 백색으로 흐려지게 된다. 윤활제의 입자가 클 때 분산이 어려워져 짙은 백색의 줄무늬가 생기는 경우도 있다. 윤활제의 함량을 줄이고 분산이 쉽도록 재료 온도를 올리거나, 성형 사이클을 길게 해 금형 온도를 높이는 것도 응축을 막는 효과적인 방법일 수 있다. 이형제의 사용량이 많을 경우에도 재료가 금형 면에 밀착되지 못하기 때문에 표면 광택이 없어진다. 금형 면에 물이나 기름이 부착된 경우도 마찬가지이다. 따라서 성형품의 상품성은 금형의 표면 관리가 매우 중요하다. 실린더 온도, 노즐 온도, 금형 온도가 너무 낮거나, 수지 온도가 저하되면 광택 불량을 일으켜 표면이 흐려진다.재료 온도가 너무 높고, 열분해가 되는 경우에 발생 가스가 응축하여 흐름 현상으로 나타나기도 한다. 이러한 경우 실린더의 온도를 내려주는 것이 효과적인 방지법이 될 수 있다. 노즐, 스프루, 런너, 그리고 게이트 등이 작을 경우와 사출 속도가 빠를 경우에 발생되는 국부발열 시에도 같은 현상이 나타난다.2. 웰드라인(Weld-line)웰드라인은 성형품의 재료 불연속부를 나타내는 것으로 흐름이 두 방향 이상으로 분기하여 일정 거리를 흐른 뒤에 다시 합류하는 장소에서 생기는 모발상의 가는 선이다. 이러한 웰드라인은 재료의 불연속부를 형성하여 기계적 파손을 일으키기 쉽기 때문에 가능한 최소화해야 한다. 웰드라인은 플로우 마크보다 선명하게 나타난다. 재료가 캐비티 내에서 분기한 후 다시 합류할 때 발생하는 재료의 온도 차이로 완전히 융합되지 못하는 경우에 나타난다.합류 면이 넓어지면 표층의 온도가 높아져 완전히 융합되어 웰드라인 발생이 감소하고, 표층의 양쪽에서 거의 동일한 곳에 미세한 선으로 나타나게 된다. 한편 금형의 온도가 높으면 접촉면이 반대쪽보다 웰드라인이 미세하게 나타나기도 한다.재료 온도를 높여 점도를 저하시키고 사출 속도를 높이면 웰드라인은 약해진다. 금형 온도를 높이고 캐비티 내에서 재료가 서서히 냉각되도록 할 경우에도 유동성이 좋아져 웰드라인은 감소한다. 금형을 수정할 수 있다면 게이트를 넓히거나 수를 늘리고, 위치를 변경하는 등의 방법도 가능하다. 금형 설계에 있어 웰드라인의 위치를 예측하여 문제없는 곳에 게이트 위치를 결정하여야 한다. Voids 또는 휘발물질, 이형제 과다사용 혹은 재료나 금형 내에 존재하는 수분은 접합 면에서 융합 불충분으로 웰드라인을 발생시킨다.열전도성 복합소재와 같이 고화가 빠른 재료일 경우, 접합 면이 반고체 상태에 이른 채로 합류하기 때문에 융합 불량이 나타나기 쉬우므로 재료 온도, 금형 온도 및 사출압력 등을 올리는 조건이 필요하다. 웰드라인 발생부에 리브를 설치하는 것이 효과적이며 강도까지도 높일 수 있다. 착색품은 안료의 입자가 크면 웰드라인이 선명해지는데 금속, pearl(작은 알갱이 형상) 등의 경우 더욱 그렇다. 외관을 감안하여 웰드라인을 조정하는 것이 중요하다.3. 블랙 스트리크(Black streak 흑줄) 및 가스 탄화(burnt)블랙 스트리크는 재료 속의 가열성 휘발분 혹은 윤활제 등이 열분해하거나, 혼입된 공기가 연소하여 성형품에 검은 줄이 생기는 현상이다. 성형품 내부에 흑색 안료가 불규칙하게 분산되는 듯한 상태를 나타낸다. 가스 탄화는 게이트에서 가장 멀리 떨어진 말단에 블랙 스트리크 혹은 웰드라인 부의 재료가 탄화되어 검은 점 상태가 되는 현상이다. 탄화된 부분은 성형품 내에 분산되지 않고 표면에 노출되는데 이것은 재료가 사출될 때 금형 내 공기가 단열 압축되어 재료 일부가 탄화하기 때문이다. 재료충진 시간은 2~5초 정도로 배기가 빠르게 진행되어 공기 압축에 의한 고열이 발생된다.3.1 블랙 스트리크(black streak 흑줄)윤활제가 부족할 때 실린더와 스크류의 마찰열이 발생하고, 공기의 배출이 원활하지 않기 때문에 재료가 타버린다. 윤활제를 첨가하면 없어지는 현상이지만, 첨가량이 너무 많으면 반대로 윤활제 속의 가열성 휘발성분이 블랙 스트리크로 나타날 수 있다. 스크류의 공급부에서 재료가 원활하지 않고 정체되어 가스나 공기를 포함해서 사출되는 경우도 있다. 성형 사이클이 길거나 성형기에 비해 성형품이 작을 경우에는 재료가 과열되기 때문에 공기 정체 또는 재료 분해 등을 일으켜 블랙 스트리크가 된다. 실린더 혹은 스크류가 파손되었거나, 스크류의 편중 현상에서도 과열되어 탄화된다. 런너부의 온도 조절을 위해 핫런너나 단열런너를 사용할 경우 런너부와의 접속 면이 탄화되어 흑색의 엷은 피막이 생기고 이것은 블랙 스트리크의 원인이 되는 경우가 많다. 게이트가 협소하면 재료가 통과할 때 마찰열이 발생하여 타버리는 일도 있다.3.2 가스 탄화(burnt)성형기의 사출 속도를 가능한 낮추면 캐비티 말단의 가스 탄화를 감소시킬 수 있다. 그러나 이럴 경우 사출 시간이 늦어져 재료의 충진 시 온도저하가 커지고 플로우 마크나 웰드라인의 원인이 될 가능성도 있다. 캐비티의 말단에 체류하여 가스 탄화의 원인이 되는 공기를 제거하는 방법도 효과적이다. 이형 핀에 적당한 치수 공차를 두어 이러한 방법을 활용할 수 있다. 그 밖의 방법으로서 금형의 분할 면에 극히 미세한(깊이 0.05㎜ 정도) air vent 설치로 공기가 배출되기 쉽게 할 수도 있다.4. 크레이징(Crazing)크레이징은 성형품의 표면에 발생하는 crack으로 모발상의 선으로 보이는 작은 파편 또는 잔금이 나타나는 현상이다. 투명한 경우 균열이 빛에 반사하여 빛나는 바늘 상태로 보이기도 하며 내부의 잔류응력에 의해 발생한다. 성형품은 수일 이내에 많은 수축이 일어나기 때문에 일반적으로 크레이징은 성형 후 곧 나타나지 않고 약간의 시간 경과 후 발생하는 것이 보통이다.성형 시의 열적 특성과 분자형태 등을 원인으로 하며 상당히 큰 내부 응력이 성형물 속에 남아있어 그것이 재료의 탄성한계 값 이상이 될 때 미세한 잔금이 된다. 장기간에 걸친 옥외노출, 성형품에 이용되는 용제류의 사용, 재료를 침식하는 물질과의 접촉 혹은 변형을 가중시키는 조립방법(예를 들면 나사 조임 등)을 택하면 크레이징이 생긴다.내부변형은 투명 성형품인 경우 편광을 비추면 그 부분에 무지개와 같은 줄무늬가 생기고 그 줄무늬의 간격이 좁을수록 밀도가 높으며 변형이 많다. 금속 인서트 공정에서 합성수지의 팽창계수는 금속에 비해 5~10배 크기 때문에 수축 시에 응력을 일으켜 크레이징의 원인이 된다.내부의 응력이 집중되는 곳에 발생하는 crack은 응력 집중을 막을 수 있는 방법으로 성형품을 설계하는 것이 좋다. 일반적으로 응력 집중을 낮추기 위해 코너(corner) 부위의 설계에서 두께(T)와 코너부 반경(R)을 약 0.5(R/T) 이상으로 설계하는 것이 효과적이다. 응력 집중 계수는 성형품과 금형의 설계로 보완할 수 있다.스타이렌 수지는 코일 상의 사슬형 분자구조를 이루고 있어 충진될 때 내면에 접촉한 부분은 냉각되어 고화 또는 유동성이 낮아지지만, 중심부는 온도가 높아 고 유동층이 된다. 따라서 이 사이에 전단력이 발생하여 스타이렌 분자는 길게 늘여져 코일 상태가 되지 않고 3 layers를 형성한 채로 고화된다. 변형된 분자의 복원력이 내부 응력으로 작용한다. 재료의 유동성이 상당히 낮은 상태로 성형되면 흐르기 어려운 부분에 심한 전단력이 작용되어 응력을 받게 된다. 성형품의 형태, 금형 설계 등의 원인을 분석하여 제거하는 것이 좋으며, 내부 응력은 크레이징의 원인이 될 뿐만 아니라 성형품이 열변형 온도 이하의 온도로 변할 경우 기계적 강도를 저하시키는 원인이 되어 흐름이 좋지 않은 재료를 사용할 때에는 주의가 필요하다.사출 성형품 중 내부변형이 없는 것은 거의 없지만, 편광을 이용한 광탄성(photo elasticity) 시험 결과 재료 온도가 적절하면 사출압이 낮은 쪽에서 내부 응력이 감소하는 것을 관찰할 수 있다. 그러나, 사출압력이 너무 낮을 경우 재료 온도를 올려야 하고 여기에 동반하는 다른 결점이 발생하거나 반대로 내부 응력이 증가할 수 있으므로 실제 공정에 맞게 적용해야 한다. 사출압이 너무 높으면 ‘젯팅’이나 난류를 일으킬 우려가 있다. 재료 혹은 금형 온도가 낮으면 캐비티 내면에 접촉한 재료가 빨리 고화되어 3 layers를 형성하면서 전단력이 발생한다. 금형의 설계가 미흡하여 급격한 두께 변화 부위가 많을 때나 재료의 흐름이 급격하게 변하는 경우 난류가 일어나 코너부에 응력이 집중된다. 에젝트 핀이 캐비티 내에서 난류를 일으킬 때 두께가 얇으면 응력이 현저하게 낮아진다. 두께가 두꺼운 부분에 에젝트 핀이 있으면 이형 시에 성형품의 표피층은 고화되어도 중심부는 고화되지 않고 고점도 상태가 된다. 이때 에젝터 핀에 압력이 가해진 곳에서 방사성의 흐름을 일으켜 응력이 발생하기도 한다. 따라서 성형 사이클은 길어지지만, 충분히 고화된 뒤에 이형해야 한다. 에젝트 핀이 동시에 작동되지 못하면 무리하게 이형되는 곳에 크레이징(핀에 의한 백화현상)이 생성된다.코어에 밀착한 성형품을 이형할 경우 내부가 진공상태이기 때문에 중심부 방향으로 외력에 의한 응력이 발생하므로, 코어부에 통풍구를 설계하거나 에젝트 핀 직경과 핀홀의 직경 차이를 크게 해서 공기가 들어오기 용이하도록 한다. 센터 게이트는 스프루가 팽창하므로 일부 감압 되어 응력을 일으키는 경우가 있어 삼단금형을 사용하는 것이 좋다. 성형품의 sink mark를 적게 하고 광택을 잘 내기 위해 사출 후 일정 시간 압력을 걸어두는 방법(dwelling, pack, 보압 등)이 흔히 이용된다. 보압기간 중에 캐비티 내부의 온도가 노즐부 온도보다 낮기 때문에 캐비티 내에서 성형품의 수축이 일어나고 재료가 그 양만큼 유입된다. 그러나, 이 경우 고체상태에 가깝게 재료가 압입 되기 때문에 분자 변형이 생기고 크레이징의 원인이 된다. 전체 압력에 큰 영향을 미치지 않도록 보압 유지시간을 갖는 것이 좋지만, 너무 과다할 경우 크레이징이 발생할 수 있다. 보압 시간을 일정 시간에 멈추고 게이트를 통해 여분의 재료가 유입되는 것을 방지하기도 한다. 핀포인트 게이트의 크기를 재료, 온도, 압력 검토 후 결정하거나, 게이트 부에 자동 개폐 밸브를 설치하고, 노즐에 체크 밸브를 사용한다든가, 캐비티 내의 압력저하에 대응하여 연속적으로 합치시키도록 릴리프 밸브를 유압장치로 사용하기도 한다.어닐링은 열적 변형을 줄일 수 있다. 성형품의 열변형 온도보다 5~10℃ 낮은 온도에서 충분한 시간을 주면 효과적이다. 사출성형 후에 행하면 표면의 크레이징이나 인서트 부의 크랙이 현저히 줄어든다. 성형품을 항온기에서 보관하여 일정 시간 후 꺼내는 것이다. 어닐링 전/후의 내부 응력 분포는 편광테스트를 통해 관찰할 수 있다. 성형품의 두께가 두꺼울 때는 이형 후 실온이 될 때까지 시간이 꽤 소요된다. 옥외노출이나 큰 온도변화를 반복하게 되는 것에는 내후성 및 내열성 재료를 사용하여 크레이징의 발생을 피하여야 하며, 노즐에 체크 밸브를 사용하면 충진 과잉으로 의한 내부 응력이 적어지고, 캐비티를 닦거나 인서트를 세척할 경우에 재료에 침투되는 용제는 가능한 피하도록 해야 한다.5. 젯팅(Jetting)게이트 부의 재료 유속이 너무 빠르거나 게이트에서 캐비티에 유입하는 방향으로 유로가 길어지면 성형품 표면에 Z자 형상의 흔적이 생기는 현상을 젯팅이라고 한다. 이 현상은 우선 게이트 부의 재료 유입 속도가 과대하면 캐비티 내에 길고 가는 실 모양을 이루면서 충진된다. 충진이 완료되는 초기에 재료의 빠른 냉각으로 흐름이 어려워지고 그 때문에 뒤에 이어 들어오는 재료에 의해 Z자 형상을 이루게 되지만 온도와 점도 차이로 충분히 융합되지 못하고 Z자 형상이 그대로 성형품 표면에 나타나는 것이다. 재료가 캐비티 면의 수직 방향으로 유입되도록 게이트를 설치하거나, 재료 유속을 늦추기 위해 게이트의 단면적을 넓게 하므로 탭게이트도 효과적이다. 사출 속도를 늦추면 게이트의 유속이 늦어지고, 재료 온도를 올려 젯팅 부분의 융합을 향상시키며, 금형 온도를 높게 하는 것도 효과가 있다.6. 휨 및 변형(warpage)성형품의 휨은 일반적으로 성형품 설계에 원인이 있는 경우가 많고, 비율적으로는 적지만 성형과정에 기인한 것도 종종 있다. 생산능률을 올리기 위해 냉각속도를 빠르게 하면 내부 응력을 증가시키게 되고, 이것은 성형품 열변형 온도 이상으로 가열하였을 때 발생하는 변형으로 판별이 가능하다. 휨 현상은 외부의 힘에 의한 것보다 내부 응력이 원인인 경우가 많다. 크레이징의 경우도 내부 응력이 외부 변형으로 나타난다.재료가 경질인 경우 성형품에 내부 응력이 있어도 외형에 심하게 영향을 미칠 정도는 아니기 때문에 그 형태가 보전되어 변형을 일으키는 일은 거의 없다. 그러나, 폴리에틸렌과 같은 열가소성 재료는 내부 응력에 따라 눈에 띄게 변형을 일으킨다. 성형품이 충분히 냉각되지 않은 채로 이형되면 에젝트 핀에 의해 그 표면에 외부 힘이 가해지기 때문에 휨과 같은 외부 변형이 일어난다. 이 경우 금형 온도를 내리거나 냉각시간을 길게 해야 할 필요가 있다. 성형품 이형 뒤 외형유지를 위해 틀이나 추를 사용하는 경우가 있으나, 이때에는 내부 응력 때문에 연신(Creep, 늘림현상)이 일어날 수 있어 일정 시간 경과 후 성형품의 치수에 오차가 생길 수 있다. 성형품의 두께가 불균일할 경우에도 각 부분의 냉각속도가 달라져 수축량 차이로 휘어진다. 금형 온도의 불균일에 의한 성형품이 휘어짐은 고온 쪽으로 형성된다. 캐비티에 동합금 등의 열전도율이 좋은 재료를 사용하여도 마찬가지 현상이 나타난다. 따라서 온도가 균일하게 냉각될 수 있도록 냉각수 홈을 설계하거나 위치를 조정하는 것이 좋다. 앞에서도 언급한 바와 같이 폴리에틸렌의 경우 금형 면의 온도 차가 10℃ 이상이면 휘어질 가능성이 있다.단면이 C형상인 것으로 한쪽 끝에 게이트를 설치할 경우 사출압이 너무 높아지면 벌어지고 너무 낮아지면 오므라지는 방향으로 비뚤어진다. 게이트를 두께가 얇은 부분에 설치하면 냉각이 빨라지고, 점도가 높아져 두꺼운 부분까지 충분히 압력이 가해지지 않아 밀도 차가 생기고 이로 인해 휘어진다. 따라서 게이트 위치의 변경이 필요하다. 금형에 가늘고 긴 코어가 있는 것은 소재가 충진되면서 약간의 편중이 생길 때 사출압력에 의해 코어가 무너질 수 있으며, 편중된 정도가 심해지면서 성형품이 구부러지게 된다. 이때에는 편중되지 않도록 조건을 설정하는 것과 동시에 압력을 균등하게 전달되기 위한 게이트를 조정하는 것이 필요하다. 게이트가 여러 개일 경우 각 게이트에서 재료가 거의 같은 거리를 흘러 충진이 완료되도록 설계하면 내부 응력이 적어지기 때문에 변형도 적어진다. 일정 간격을 갖는 3점 게이트로 했을 경우 고밀도폴리에틸렌은 유동 상태를 나타내고 휨을 방지할 수 있는 효과가 크다.7. 성형품의 이형 불량열가소성 수지는 금형이 열렸을 때 가동 금형에 달라붙게 하여 에젝트 핀 혹은 에젝트 플레이트 등에 의해 적당한 온도로 이형되어야 한다. 금형이 양호하지 못할 경우 고정금형에 남는다든지 가동 금형에 달라붙어 이형할 때 에젝트 핀이 성형품을 손상시키거나 깨뜨릴 수 있다. 스타이렌 수지나 ABS 수지 등이 이형 시 백색의 선이나 점이 생기는 경우가 많다. 고분자 수지의 성형품을 구부렸을 때 발생되는 것과 유사하다.캐비티 내로 재료가 충진될 때 압력이 너무 높으면 변형이 강하게 남아 균일하게 수축되지 못해서 이형하기 어렵다. 사출압력, 재료 온도 및 금형 온도를 내리고 캐비티 내 압력이 낮아지도록 하는 것이 좋다. 배기 공간이 생기도록 금형을 설계함과 동시에 금형의 표면을 잘 연마하고, 에젝트 핀의 움푹 패인 곳을 정확히 마무리한다든지 언더 컷이나 가는 요철을 될 수 있는 한 적게 만드는 것 등 이형 공정이 원활하게 진행되도록 하는 방법을 결정해야 한다.이형을 원활히 하기 위해 공정 중 성형 사이클마다 금형 면에 이형제를 사용하므로 외관 불량의 우려가 많다. 실리콘계의 이형제를 다량 사용하면 깊이가 있는 성형품의 경우 배기가 충분히 이루어지지 않고 각 성형 사이클마다 금형 면에 휘발성분이 응축되어 부착되기 때문에 주의가 필요하다. 금형 온도를 조절하면 금형에 달라붙은 것을 막을 수 있다. 성형품을 냉각하고 수축시켜 고정금형에서 이형을 원활히 하는 것이 원칙이나 너무 수축하면 가동 금형에서 이형이 나빠지기 때문에 최적 금형 온도를 유지해야 한다. 금형 형개 시 성형품의 수축으로 고정금형 쪽에 남아 정상적인 이형 동작을 할 수 없게 되는 경우가 있다. 이것은 사출압력으로 캐비티가 약간 열리고 스크류가 후퇴했을 때 극단적으로 형개가 이루어지지 못하는 경우도 있는데 금형 자체의 변형을 방지하기 위한 방안이 필요하다. 금형의 일부가 사출 시 변형하여 이형 시에 파손되는 일이 있을 때에도 금형의 개조, 설계 등의 과정이 요구된다. 깊은 용기의 경우 이형 시에 코어 측이 진공상태가 되어 밑부분이 벌어질 수 있는데 이때에는 에젝트 핀에서 공기가 들어오기 쉽게 하거나 돌출 시 안쪽으로 공기가 들어가도록 하면 효과적이다.8. 스프루의 이형 불량 및 절단스프루는 사출 완료 시 가장 온도가 높아 냉각이 늦어진다. 더구나 원추모형으로 두꺼운 제품의 경우 냉각과 동시에 고온상태가 계속되어 이형하기 어렵거나 끊어진다. 이러한 원인은 성형품 변형의 원인으로 작용된다.노즐과 스푸루 홀의 엇갈림이 있을 때, 노즐이 스프루 홀보다 클 때, 그리고 금형의 스프루에 언더 컷이 있는 경우 등에도 스프루 이형이 어렵다. 스프루가 너무 작고 테이퍼 각이 작으면 고정금형에 붙어 이형할 때 끌어당기는 힘을 견디지 못하고 절단된다. 스프루 직경이 클 때 혹은 고정 측 금형 온도가 너무 높아 스프루 일부의 냉각이 불충분할 때 성형품이 고화해도 스프루는 반고체 상태가 되기 때문에 냉각이 느린 부분에서 절단된다. 스프루의 냉각이 충분히 되도록 금형을 수정해야 하며, 단열판이나 단열패드를 넣어 노즐에서의 열전도를 적게 하는 것도 방법이 된다. 금형 내의 언더 컷, 코너 R의 과소, 테이퍼 부족, 마무리 불량 등이 원인인 경우도 있다.9. 재료공급 불량(Feeding 불량)호퍼에서 스크류의 회전에 따라 재료가 공급되지 않는 경우 성형품 충진 부족으로 불량이 발생되고 성형 사이클이 길어진다. 착색제나 무기 충진재 등의 첨가물 함유량이 많으면 호퍼에서 일정량을 공급하는 것이 어려워 진동자(바이브레이터)나 스크류 피더(feeder)를 호퍼에 설치하는 등의 대책이 필요하다. 분쇄 재생품이 많을 때도 호퍼 입구에서 원활히 공급될 수 있도록 해야 한다. 원활한 공급을 위한 방법으로 외부 윤활제를 사용할 경우 너무 많으면 스크류의 공급부에서 재료가 미끄러져 앞쪽으로 전진할 수 없게 되므로 윤활제의 양을 최소화해야 한다.Ⅲ. 결 언앞에 소개한 불량 이외에 치수정밀도가 평균치에 어긋난다든가, 얼룩, 박리, 인서트 불량, 돌출 불량, 찰상(스쳐 생긴 홈) 등의 불량도 많이 발생한다. 사출 성형품은 대량생산을 목적으로 하기 때문에 초기 공정 조건을 설정하는 것이 매우 중요하며, 자칫 조건의 설정이 적절하지 못하면 불량품 생산이 대량으로 발생할 수 있다. 최근에는 복합소재의 개발이 활발해지면서 성형 공정에서 불량의 원인을 찾거나, 최상의 성형품을 위한 공정 조건 설계에 대한 필요성이 높아지고 있다. 물론 일반적인 방법으로 다양한 복합소재의 성형조건 불량 대책이라고 할 수는 없으나, 소재개발 후 시사출을 진행하면서 발생할 수 있는 오류에 대한 가이드 라인은 될 수 있을 것으로 생각된다. 대부분의 공정 조건은 현장 상황에 따라 좌우될 수 있다. 본 고에서는 현장에서 발생되는 수많은 불량 및 문제점들을 대처하는 기본 방향 설정하는데 부분적이나마 지표가 되고자 하였다.

관리자 2019-06-07

우리 생활에 없어서는 안될 유용한 플라스틱 제품을 만드는 사출성형기 이야기 11

▶ 5월호에 이어서...자료제공: LS엠트론 기술교육아카데미 (http://lsmtronacademy.com)4. 전원공급장치 SMPS(Switching Mode Power Supply)1) 원리 및 특징 설명교류(AC)전압을 필요한 직류(DC)전압으로 변환해주는 장치이다.필요 전압에 따라 DC 5V, 12V, 24V로 변환된다.시스템 전원 공급용, 릴레이 장치 동작 전원, 센서, 밸브 등의 전원 공급용으로 사용된다.2) 구조 및 결선도15. 근접센서(Photo Sensor)1) 원리 및 특징 설명기계적으로 온-오프를 하던 리밋 스위치나 마이크로 스위치 대신, 비접촉 동작으로 같은 스위칭 작용을 하게 한 센서. 센서의 동작 원리로부터 고주파 발진식, 정전용량식, 자기식, 광전식(방사선도 포함)으로 분류할 수 있다. 일반적으로 근접 스위치라고 할 경우에는 고주파 발진식과 정전용량식인 것을 의미한다. 다른 두 방식은 리드 스위치, 광전 스위치라 하여 구별하고 있다. 고주파 발진식 근접 스위치는 그림과 같은 구성으로 되어 있다. 검출 코일에 금속물체가 접근하면 전자 유도 작용에 의하여 금속물체 내에 유도전류가 흐르고, 검출 코일의 인덕턴스가 변화한다. 따라서 검출 코일에 발진회로를 접속해 놓으면 발진회로의 발진 주파수나 발진진폭이 변화하여 스위칭 동작을 시킬 수 있다. 2) 구조 및 결선도16. 열전대(Thermo Couple)1) 원리 및 특징 설명두 종류의 금속 도체 양단을 전기적으로 접속시키고, 이 양단에 온도 차를 주면 회로 중에 전류가 흐른다. (Zee Back효과) 이와같이 한쪽(기준 접점)의 온도를 일정 온도로(원칙적으로 0℃) 유지하고, 열기전력의 수치를 측정함으로써 다른 끝단(측온 접점)의 온도를 알 수가 있다.2) 구조 및 결선도• K 열전대(chromel-Alumel) K 열전대는 +쪽에 Cr을 약 10% 포함한 Ni-Cr합금(chromel)과 -쪽에 Al, Mn을 조금 포함한 Ni합금(Alumel)을 사용한 열전대이다. • J 열전대(Iron-constantan)+쪽에 순철(Fe)과 -쪽에 Cu-Ni합금(constantan)을 사용한 열전대이다. J 열전대는 환원성 분위기 중에서 사용에 적절하고, 기전력 특성이 E 열전대에 이어서 높은 것이 특징이다. 또 비교적 값이 싸기 때문에 손쉽게 측정을 할 경우에 편리한 열전대이다• 사용온도 범위 - K type (CA): -100~1300℃ - J type (IC): 0~800℃ 17. 리미트 스위치(Limit Switch)1) 원리 및 특징 설명기계장치 등에서 동작이 일정한 한계 위치에 달하면 접점이 전환되는 스위치를 말한다. 접점기구와 극성을 작동시키는 핀이나 바 기구가 조합되어 있다. 스위치 중에서 설정하는 위치, 시간에 대해서 이것을 「ON」으로 하거나 「OFF」로 하거나 할 수 있는 구조로 만들어진 스위치를 말한다. 자동제어장치나 크레인 기타 동작 제어 또는 안전장치에 사용된다. 2) 구조 및 결선도레버가 달려서 기계적 동작의 한계점에 위치시켜 접점을 On/Off 시키는 장치18. 위치센서(PotentioMeter)1) 원리 및 특징 설명직선 변위와 회전 변위를 전기저항의 변화로 바꾸는 가변저항기. 접촉형과 비접촉형이 있다. 접촉형은 저항 체위를 브러시가 움직이는 구조로서, 직선형의 경우는 스트로크가 3,000㎜ 정도인 것까지 있고, 회전형인 경우는 1회전에서 다(多) 회전인 것까지 있다.또 저항체의 종류에 따라 다음과 같이 분류된다.① 권선형: 고유저항이 크고 저온도 계수의 Ni-Cr, Cu-Ni계 합금선율 권심 위에 코일 모양으로 감은 것.② 전도성 플라스틱형: 카본 블랙이나 흑연 분말 등을 플라스틱 수지와 혼합하여 세라믹스 등의 기판 위에 인쇄한 것.③ 서밋형: 금속 분말을 세라믹 기판 위에 소성(燒成)한 것.④ 하이브리드형: 권선(卷線) 상에 전도성 플라스틱을 도포한 것. 권선형은 저항온도 계수가 작고, 전도성 플라스틱형, 서밋형은 고분해력, 수명이 긴 장점이 있다. 양쪽의 장점을 합친 것이 하이브리드형 이다. 비접촉형은 자기 저항형이라고도 불리며, 자계의 강도에 따라 저항값이 변화한다. 자기 저항 소자를 저항체로 사용한 것이다.2) 구조 및 결선도저항식

관리자 2019-06-07

한국전기연구원 한중탁 박사팀, 탄소나노소재 고효율 기능화 기술개발

- 전기소재 꿈의 기술 “탄소나노소재”, 밀가루 반죽 방식으로 실용화 앞당긴다- 기술사업화 통한 탄소나노소재 응용 폭 확대휘어지는 배터리, 투명 디스플레이 등 스마트기기의 차세대 전극 재료로 각광받고 있는 탄소나노소재의 활용도를 획기적으로 높일 수 있는 기술을 국내 연구진이 세계 최초로 개발했다. 특히 우리 일상에서 흔히 볼 수 있는 밀가루 반죽에서 그 해답을 찾아 많은 주목을 받고 있다.과학기술정보통신부 국가과학기술연구회 산하 전기전문 연구기관인 한국전기연구원(KERI, 원장 최규하) 나노융합연구센터 한중탁 박사(책임연구원)팀이 기능화(functionalized) 및 용매의 분산 과정에서 탄소나노소재의 손상을 최소화하면서도 전도성을 유지할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다. 해당 성과는 자체 정부 출연금 사업 및 과학기술정보통신부 글로벌 프런티어 나노기반 소프트 일렉트로닉스 사업단(단장 조길원 교수) 참여를 통해 이뤄졌다.탄소나노소재는 탄소가 육각형 모양으로 이루어져 있는 나노 스케일의 전도성 소재로, 그 종류로는 ‘탄소나노튜브’와 꿈의 신소재라 불리는 ‘그래핀’ 등이 있다. 우수한 전도성 및 기계적 물성을 바탕으로, 기존 실리콘 기반의 딱딱한 반도체 소자를 뛰어넘어 구부러지는 전자소자를 만드는 데 필수 재료로 각광받고 있다.현재 스마트폰의 터치패널이나 액정 디스플레이 등에 활용되는 유연 투명전극을 비롯해 최근에는 배터리용 소재에서부터 수소생산, 연료전지, 전도성 섬유, 바이오센서 등 다양한 분야에서 탄소나노소재를 활용하기 위한 시도가 진행되고 있다.이러한 탄소나노소재를 분산제 없이 물이나 유기용매에 분산하여 잉크나 페이스트를 제조하기 위해서는 그 표면에 용매와 친한 ‘기능기’를 도입해야 한다. 기능기는 화학반응에 관여하는 원자의 집단이다. 흔히 탄소나노소재를 기능화하는 대표적인 방법 중 하나로 질산이나 황산 같은 강산과 산화제를 첨가하는 것이 있지만, 이러한 방식은 소재에 심한 손상을 주게 되어 전도성이 낮아진다는 단점이 있었다. 또한, 많은 양의 강산을 사용하다 보니 폐수처리 등 환경문제가 발생하기도 하여 탄소나노소재 실용화에 큰 걸림돌이 되어왔다.탄소나노소재 기능화 과정이에 한국전기연구원 연구팀이 대안으로 고안한 방법은 빵이나 국수를 만들 때 밀가루에 물과 기타첨가물을 섞어주고 반죽을 하면 숙성이 되는 방식을 모방한 것이다. 과정은 매우 간단하다. 탄소나노소재 분말에 소량의 강산과 첨가제를 넣고 반죽하여, 상온에 일정 시간 보관만 하면 기능화가 끝나게 된다.기능화된 탄소나노소재는 물이나 알코올뿐만 아니라 다양한 용매에 분산이 용이하다. 전기가 통하는 잉크나 페이스트로 쉽게 만들 수 있는 것이다. 또한, 간단한 화학적·열적· 광학적 방법을 통해 표면에 도입한 기능기를 제거하여 구조를 다시 회복시켜줌으로써, 탄소나노소재의 전도도를 원래의 상태로 회복할 수 있다. 무엇보다 소량의 강산을 사용하기 때문에 배출되는 산 폐수의 양을 획기적으로 줄일 수 있어서 환경에 미치는 영향도 최소화할 수 있다.연구책임자인 한중탁 박사는 “이번 기술은 새로운 개념의 기능화를 통해 탄소나노소재를 용액상태로 쉽게 만들고, 전도성을 살리면서 원하는 형태로 만들 수 있다는 큰 장점이 있다”라고 밝히며, “기존 응용기술에 대한 한계를 훌쩍 뛰어넘는 신개념의 원천 기술로, 탄소나노소재를 이용한 배터리 전극, 수소연료전지 전극, 유연 투명전극뿐만 아니라 전도성 첨가제로 활용하는 기업들의 많은 관심을 받을 것”이라고 전했다.해당 연구결과는 우수성을 인정받아 미국 화학회(American Chemical Society)가 발행하는 재료과학 분야 세계적인 학술지인 ‘케미스트리 오브 머터리얼즈(Chemistry of Materials)’에 게재됐다. 연구팀은 현재 성과에 대한 국내외 원천특허 출원을 완료했으며, 상업화를 위한 기술이전 수요 업체 탐색 및 협의를 통해 사업화를 추진할 예정이다.

관리자 2019-05-13

한국화학연구원, 포스트 페트(PET)병 ‘친환경 플라스틱 페프(PEF)’ 촉매개발에 성공

관리자 2019-05-13

복합소재 사출성형의 불량 현상과 대책 1

Ⅰ. 서 론 복합소재의 개발은 매트릭스와 필러의 개발을 시작으로 복합화 과정과 이를 이용한 부품화 기술을 전체적으로 다루고 있다. 소재를 개발하여 부품화 한다는 것은 성능과 원가를 만족해야만 시장에 등장시킬 수 있음을 의미한다. 이러한 이유로 소재부품 산업은 원천기술에서 응용기술, 그리고 공정기술의 통합 기술이라 할 수 있을 것이다.이미 오랜 기간 고분자 소재의 부품성형 기술 중 사출성형은 현장에서 최적화되어 있으며, 각 기업에서 사용하고 있는 고유의 고분자 소재를 이용한 공정 기술 최적화가 숙련도로만 여겨지는 경우가 많았다. 그러나, 최근 복합소재의 특성이 다양하게 요구되고 이러한 기능성 복합소재들은 각 레시피에 따라 유변학적 성질이 다르게 나타나고 있다.따라서 기존의 고분자 소재를 기반으로 하는 숙련된 공정 기술만으로 대응하기가 쉽지 않고, 적용 부품이 다양화되면서 성형기술에 대한 관심은 더욱 높아지고 있다.본 고에서는 사출성형에서 발생될 수 있는 불량현상과 이에 대한 대책을 소개하고자 산업 현장의 고경력 기술자들에 의해 know-how로 여겨지던 자료를 정리하였다. 우수한 소재 특성을 부품에서도 구현할 수 있도록 성형공정 기술을 완성해야 상품성과 기능성을 나타낼 수 있기 때문이다.

이용우 2019-05-13

Moldex3D의 Hot Runner 해석

이티에스소프트(주) Moldex3D 사업부 기술지원김명호 과장Hot Runner System 소개런너 시스템은 사출성형 공정에서 매우 중요한 역할을 한다. 런너를 통해 사출기 노즐에서 캐비티까지 용융 수지가 운반된다. 따라서, 최적의 런너 디자인은 제품의 품질을 높이는데 대단히 중요하다. 하지만 보편적으로 사용되어 왔던 콜드 런너 시스템들은 폐 수지의 발생 및 이를 재사용함으로써 생기는 문제나 전체적인 사이클 타임 증가 같은 문제점을 안고 있다. 또한, 웰드라인이나 표면 광택 저하 등과 같은 제품 외관상 나타나는 문제점들은 전통적인 콜드 런너 시스템을 사용할 때 종종 나타나는 현상이다. 결론적으로, 핫런너 기술은 사출공정 과정에서 나타나는 이러한 문제점들에 대응하기 위해 널리 적용되어 왔다. 핫런너를 적용함으로써 볼 수 있는 장점은 사출압 및 형체력을 감소시킬 수 있어 더 쉽게 캐비티를 충전 시키고 전체 사이클 타임을 줄일 수 있으며, 제품 품질을 향상시킬 수 있고 에너지와 원료를 절감할 수 있다는 점이다. 이러한 장점이 많은 핫런너 시스템을 적용하고 있는 제품으로는 자동차용 범퍼나 대쉬보드, TV 커버 등 대형 제품뿐만 아니라 병뚜껑이나 실생활에 사용되는 용기 등 일반적으로 사용하는 제품군에도 다양하게 적용되고 있다. 핫런너 시스템은 핫런너 게이트와 핫노즐, 매니폴드와 히팅 코일 등으로 구성되어있다. 이러한 핫런너 시스템의 각 부분의 디자인은 전체 시스템의 효율에 지대한 영향을 미치게 된다. 그렇지만 핫런너 시스템의 메커니즘은 아주 복잡하기 때문에 온도 제어, 충진 불균형, 수지의 과열 등과 같은 몇 가지 결정적인 이슈를 현재까지 안고 있다. 결론적으로 핫런너 디자이너나 제작자들에게 실제 현장에 적용하기 전에 이러한 잠재적인 문제들을 예측하기 위한 시뮬레이션 기술의 요구가 커지고 있다.

이용우 2019-05-13

우리 생활에 없어서는 안될 유용한 플라스틱 제품을 만드는 사출성형기 이야기 10

▶ 4월호에 이어서...8. 무접점 릴레이 SSR(Solid State Relay)1) 원리 및 특징 설명반도체 릴레이(Solid State Relay, SSR)는 전기기계 릴레이와 다르게 움직이는 부품을 포함하지 않는 전자 스위치로 무접점 릴레이라고도 한다. 반도체 릴레이의 종류는 빛에 반응하는 반도체 릴레이, 전압에 반응하는 반도체 릴레이와 두 가지 모두에 반응하는 반도체 릴레이가 있다. 빛에 반응하는 반도체 릴레이는 부하에서 광학적으로 분리된 상태이며, 낮은 전압 신호로 제어한다. 일반적으로 빛에 반응하는 반도체 릴레이에서 제어 신호는 빛에 반응하는 다이오드가 동작하도록 발광 다이오드에 전압을 가한다. 광 다이오드가 턴온되면, 연속된 사이리스터, 실리콘제어 정류기, 금속 산화막 반도체, 전계효과 트랜지스터의 스위치가 부하에 연결된다.2) 구조 및 결선도장점: 움직이는 부품이 없어서 마모되는 곳이 없으므로 수명이 길다.전기적 노이즈가 적다.단점: 열렸을 때 역으로 새는 전류(수 µA)가 존재한다.

이용우 2019-05-13