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자동차 경량화 플라스틱과 복합재료 1

 Ⅰ. 서론 지구 온난화와 자원 고갈 등의 지구 환경 문제에 대한 해결 노력으로 자동차 분야에서도 예외 없이 환경 대응 차량과 관련된 문제 해결을 위해 각 해당 기업들이 연구 개발을 진행하고 있다. 일본의 경우, 도요타자동차의 하이브리드차(HV)도 전 세계 생산 대수가 천만 대를 넘어섰으며, 대표차인 프리우스도 현재 제4세대에 진입하고 있다. HV 이외에도 전기자동차(EV)와 연료전지차(FCV), 대체 연료 등의 환경 대응 차량의 개발도 병행되고 있다. 2014년에는 BMW의 EV인 i3가 일본 국내에서도 양산 판매되기 시작했으며, FC의 양산화를 노린 도요타자동차의 FCV Mirai도 발표되었다. 이런 가운데, CO2 배출량 절감에 관련된 규제는 더욱 강화되고 있어, 유럽 EU 규제 등 긴급 과제로써 각 사가 대응에 고심하고 있다. 이러한 CO2절감에는 연비 대책이 크게 관계되기 때문에, 친환경 차량에 있어서 파워트레인 효율을 올릴 뿐 아니라, 차량 자체의 경량화도 커다란 요인이 되고 있다.이 때문에 각 회사는 친환경 차량연구를 추진할 뿐만 아니라 경량화 대책을 키워드로 한 개발을 동시에 진행하고 있는 상황에 있다. 다른 키워드에서 중요한 것은 향후 차에 대한 인식이 사회적으로 변화되며 차의 기능과 사양이 어떻게 변화할 것인가 하는 것이다. 2030년에 요구되는 자동차의 모습을 [표 1]에 나타내었지만, 향후에는 한 대의 차를 구입해 여러 용도로 사용하는 것이 아니라 목적에 따라 차를 사용하는 시대가 올 것으로 예상된다.[표 1] 2030년 이동수단 및 요구사항이 때문에 렌터카와 택시가 형태를 변화시켜 크게 바뀔될 것으로 예측된다. 렌터카는 타고 버리는 카쉐어형, 목적에 맞춘 장기 임차형, 몇 번이나 사용할 수 있는 중고차형으로, 택시는 통근과 통학에 맞춘 소형 승합형, 노약자와 신체장애인에 맞춘 노인·장애인형으로 나누어질 것으로 예상된다. 이런 가운데 이동수단 사양으로 환경 대응은 필수이며, 스마트 관리, 자동 운전, 그리고 긴급 시 신속한 대응이 가능해야 한다. 차량에 대한 요구 성능으로 경량, 소형, 고효율, 난연, 건강 등 여러 종류의 요구가 강해질 것으로 예측된다. 이 때문에 복합재료화는 유효한 수단이며, 많은 연구·개발이 필요하다는 것이 예견된다. 2030년에는 단순한 이동수단이 아닌 환경 친화형 차량으로 대체될 것이며, 이를 위해 많은 복합재료가 사용될 것으로 예상된다.승용차 산업(3,530억 달러)은 미국과 캐나다 양국에 중요한 경제 부분이며, 화학제품의 최종 소비자 시장이기도 하다. 2016년 미국과 캐나다에서 생산된 1,465만 대의 승용차 제조에는 49억 파운드의 플라스틱과 고분자 복합재료(57억 달러, 차량당 390달러)가 사용되었다. 최근 자료에 따르면, 미국/캐나다 경차의 평균 무게가 증가한 것으로 나타났다. 2016년 경차에 사용되는 플라스틱은 7,500만 파운드 증가했으며, 차량당 평균 332파운드가 사용되었다. 또한, 탄소섬유는 자동차용 탄소섬유강화 플라스틱(CFRP) 제조에 활용되며, 폴리프로필렌은 열가소성 플라스틱 폴리올레핀 엘라스토머(TPO)에도 사용된다. 평균 TPO와 탄소섬유 사용량은 차량당 35파운드이며, 플라스틱 및 고분자 복합재료를 포함하면 차량당 365파운드가 된다. 대형 트럭과 SUV에 대한 소비자의 선호도 변화는 이들 사용비율에 영향을 주었다. 그러나 낮은 연료 가격과 차량 평균 무게 증가 때문에 차량 총 무게에 대한 이들 비율은 2016년 약간 감소(8.3%)하였다. 플라스틱과 고분자 복합재료는 현재 차량의 안전과 성능 향상을 위해 필수적으로 사용되고 있다. 경량 차량에서 고분자와 고분자 복합재료는 1960년대에 차량당 20파운드 미만이 사용되었으나 2016년에는 332파운드로 증가하였다. 플라스틱은 실제로 이러한 재료가 기능성 및 기타 긍정적인 특성을 부여하는 착색제 및 기타 첨가제와 혼합될 때 훨씬 더 큰 역할을 한다. 첨가제와 컴파운딩 서비스는 플라스틱 자동차 부품에 부가가치를 부여할 뿐만 아니라 최종 자동차 플라스틱 및 고분자 복합재료 제품 시장에 최대 208억 달러의 가치를 가져다준다. 이 자동차 플라스틱 제품은 45개 주에 있는 1,618개 공장에서 생산된다. 이들 공장에는 61,836명의 직원이 근무하고 있으며, 전체 급여는 31억 달러에 이른다. 미시간 주가 가장 많은 15,125명을 고용하고 있으며, 이어서 오하이오가 8,758명, 인디아나 8,175명, 테네시 4,150명, 미네소타 3,025명, 펜실베니아 2,750명, 위스콘신 2,275명, 일리노이 2,100명, 노스캐롤라이나 1,700명, 그리고 뉴욕에 1,500명이 고용되어 있다. 자동차용 플라스틱 및 고분자 복합재료 제조업체는 플라스틱 수지, 첨가제, 기타 재료, 부품 및 서비스를 구매한다. 결과적으로 플라스틱 및 고분자 복합재료의 기여도는 직접적인 경제효과 이상으로 크다고 할 수 있다. 자동차용 플라스틱 및 고분자 복합재료 산업은 공급과 구매 사슬을 통해 간접적으로 경제 활성화를 촉진시킨다. 결과적으로 자동차용 플라스틱 및 고분자 복합재료 산업의 모든 직무는 미국 경제 활동에서 추가적으로 일자리를 창출하여 총 117,000개의 일자리를 창출한다.이 보고서는 자동차 경량화를 위한 화학 및 기타물질 구성 평가에 대한 최신 결과와 함께 정책제안을 제시한다. 2016년 미국과 캐나다에서 조립된 1,465만 대 규모의 경차 시장은 441억 달러의 화학에 해당하는 중요한 시장이다. 이 화학적 가치는 1,438만 대가 조립된 2015년의 439억 달러보다 증가한 수치이다. 2009년 경기 불황에는 694만 대를 생산하고 이에 대한 화학적 가치가 207억 달러였던 반면, 2016년 화학적 가치는 크게 상승하였다. Ⅱ. 승용차와 화학 산업 경량 자동차산업은 미국과 캐나다의 경제에서 큰 비중을 차지하고 있으며, 2016년에는 3,530억 달러 이상의 출하량을 기록하였고, 945,000명의 근로자가 이 산업에 고용되어 있다. 경량 자동차산업은 화학업종을 포함한 대부분의 제조산업에 중요한 부분을 차지한다. 미국과 캐나다에서 차량 1대 생산에 3,013달러의 화학적(케미컬 제품과 케미컬 공정) 비용을 사용하기 때문에 이러한 상관관계는 기초 및 특수 화학 물질에서 특히 강력하다. 차량 1대당 화학적 가치는 지난 10년간 크게 성장하여 2006년 2,444달러에서 23% 상승하였다. 대부분의 화학 물질에 대한 유가와 제품 가격의 약세로 인해 평균 화학 물질 가격은 2015년에 비해 1.3% 하락하였다. 화학적 가치에는 부동액 및 기타 액체, 촉매, 플라스틱 계기판 및 기타 부품, 고무 타이어와 호스, 실내 장식 섬유, 코팅 및 접착제 등이 포함된다. 사실상 앞범퍼에서 후미 등에 이르기까지 경량 자동차의 거의 모든 부품에는 여러 화학제품이 포함되어 있다. [그림 1]에는 화학 사업의 다양한 부문에서 2016년 미국과 캐나다 경차 화학 물질의 평균값을 보여 주고 있다. [그림 1] 2016년 미국/캐나다 경량 자동차의 직접 화학 물질 함량($/vehicle)2016년 동안 차량 1대당 평균 직접적인 화학적 가치는 평균 1,632달러였으며 전체 화학적 가치의 54%에 해당된다. 사용된 화학 물질에 대한 상세 내역은 [표 2]에 나타냈다. 나머지 46%는 가공 및 간접적 화학(예를 들면 유리제조에 사용되는 소다회 및 기타 공정화학 물질)과 관련된 것이다.[표 2] 연도별 미국/캐나다 경량 자동차의 화학 물질 함유량($/vehicle) Ⅲ. 경량 자동차용 플라스틱과 고분자 복합재료 경량 자동차산업은 금속 및 기타 재료 제조업체에게는 중요한 고객이 되는 산업이다. 특히 플라스틱과 고분자 복합재료는 알루미늄과 강철과 같은 다른 소재와의 경쟁이 치열하다.2016년 미국과 캐나다의 평균 차량 무게는 0.9%(35파운드) 증가한 4,026파운드였다. 1990년에는 평균 차량 무게가 3,426파운드였으며, 2000년 평균 차량 무게는 3,922파운드였다. SUV의 인기 상승은 1990년대와 지난 10년 동안의 차량 무게 증가에 기여했다. 그러나 2008년 휘발유 가격상승은 이러한 경향에 반대하여 더 작고 연비가 좋은 차량으로의 변화를 촉진시켰다. 그 결과, 평균 차량 무게가 줄어들었다. 이후 경제 회복 및 휘발유 가격의 저하와 함께 대형 차량이 다시 인기를 끌었으며, 이는 차량 무게의 증가를 가져왔고, 차량 무게를 상쇄시키기 위해 플라스틱과 복합재료, 기타 경량 소재가 보급되었다.차량의 성능은 지난 수년간 크게 향상되었다. 예를 들어 EPA 자료에 따르면, 미국 내 평균 마력(HP)은 1990년에는 135HP, 2000년 181HP, 2010년 214HP, 2016년 229HP였다. 평균 연비효율은 1990년 21.2MPG(miles per gallon), 2000년 19.8MPG, 2010년 22.6MPG에 비하여 2016년에는 25.6MPG이었다. 이러한 차량 성능향상에는 개선된 엔진 기술이 큰 역할을 해왔지만 화학 및 경량재료가 있었기에 가능한 일이었다. 일반 강철과 고강도 및 중강도 강철은 경량 자동차의 주요 소재이다. 이들을 합하면 전체 차량 무게의 52%가 된다. 고강도 및 중강도 강철의 점유율은 점차 커져 왔다. 지난 수십 년 동안 경량소재의 점유율은 철강에 비해 매우 작았다. 예를 들어 알루미늄의 점유율은 2016년에 3.8%(또는 15파운드) 증가하여 차량당 410파운드를 기록하였다.경량 자동차는 플라스틱 및 고분자 복합재료의 중요한 시장으로 성장했다. 이는 지난 50년 동안 크게 성장하였다. 오늘날 미국과 캐나다의 경량 자동차에는 평균적으로 332파운드의 플라스틱과 고분자 복합재료가 포함되어 있다. 이는 2010년 359파운드보다는 낮아진 수치이지만 2000년 286파운드, 1990년 194파운드보다 상승한 수치이다. 1960년에는 20파운드 미만이 사용되었다. 전형적인 경량 자동차는 1,000개 이상의 플라스틱 부품을 사용한다.[그림 2] 미국/캐나다 경량 자동차용 플라스틱 및 고분자 복합재료 사용량 추세( 단위 : pounds/vehicle )복합재료는 고분자 기재와 섬유 형태의 강화재를 복합화한 것이다. 폴리에스터, 폴리우레탄, 에폭시, 폴리프로필렌, 나일론 또는 기타 수지 등의 고분자 매트릭스가 섬유 사이의 하중을 보호하고 전달하는 동안 섬유 형태의 유리, 탄소, 아라미드 및 기타 섬유가 강도와 강성을 제공한다. 이는 고분자 또는 섬유 단독보다 우수한 속성을 가진 재료를 만들게 된다. 최근 몇 년 동안 탄소섬유강화 복합재료는 경량 차량 제조에 사용되고 있다. 이처럼 플라스틱과 고분자 복합재료는 오늘날 다양한 차종에 대한 광범위한 안전과 성능 혁신에 중요한 돌파구가 되고 있다.차체 외부플라스틱과 고분자 복합재료는 차체 외부 디자인을 혁신적으로 바꾸게 해주었다. 범퍼에서 도어 패널에 이르기까지, 경량 플라스틱은 더 좋은 연비를 가질 수 있게 해주고 디자이너와 엔지니어가 혁신적인 개념을 차량에 자유롭게 적용할 수 있도록 해주었다. 차체 외부 패널 및 부품용 특정 플라스틱과 복합재료는 제조업체가 모듈 조립 실례를 채택하고 생산 원가를 낮추며 에너지를 개선하고 유체역학적인 외형을 만들 수 있게 해주고 있다.차체 내부차 내부 디자인요소는 안락함, 소음수준, 심미적 매력, 인체공학 설계로 소비자의 구매 결정에 큰 영향을 준다. 자동차 내부용 플라스틱 부품은 이러한 모든 면을 매우 효과적이며 효율적인 방법으로 해결한다.자동차 안전플라스틱의 다양한 기능은 더 안전한 자동차를 생산하면서 차량 무게를 줄여주는 디자인 선택을 가능하게 해준다. 차량 전면의 플라스틱 복합재료 구조는 안전에 문제를 주지 않으면서 차 무게를 줄여주고, 사고 발생 시 탑승자를 보호할 수 있도록 쉽게 접히게 설계된 부분인 충격완화구역의 플라스틱 부품은 에너지를 흡수한다. 플라스틱은 측면충돌 안전을 유지 및 개선하기 위해 도어 모듈에도 사용되며, 자동차 안전유리의 플라스틱층은 승객의 부상을 예방해주고, 플라스틱 폼은 자동차 차체의 빈 구멍을 채워 강도를 증가시키며 승객의 안전을 향상시킨다.자동차 전기 시스템지난 20년 동안 경량 자동차의 전기 시스템은 혁명적으로 변하였다. 자동차의 전기 및 전자 시스템 부품 수는 현재 더 많아졌으며, 이는 브레이크, 연료 주입, 산소 센서, GPS 운항 장비, 음향 시스템을 제어하고 감시하는 컴퓨터 칩과 함께 더욱 중요해지고 있다. 플라스틱은 소켓, 스위치, 커넥터, 회로 기판, 배선 및 케이블의 하우징과 기타 전기 전자 장치를 만들 수 있게 한다.이외에도 자동차 Chassis(차대), Po-wertrains(동력발생 및 전달 장치), 연료 시스템, 엔진 부품에 다양한 플라스틱 부품들이 금속 대체용 부품으로서 경량화, 부식방지, 저가 비용의 장점을 내세워 활용되고 있다. 자동차 시장은 PP, PU, 나일론(PA, 폴리아마이드), 엔지니어링 플라스틱 및 열가소성 폴리에스터 같은 플라스틱 수지의 시장이 된다. 차량 경량화 응용 분야는 각 수지 수요의 30% 이상을 차지한다. ABS와 Polyvinyl butyral은 안전유리에 사용되며, 자동차 시장에서 85% 이상을 차지한다. 나일론, 폴리카보네이트(그리고 폴리카보네이트 브랜드)와 같은 엔지니어링 플라스틱은 많은 응용 분야에서 금속을 대체한다. 전형적인 플라스틱과 복합재료 응용 분야로는 외장 패널, Trim, 범퍼, 내장 트림 패널, Window Encapsulation, Heat lamp housing, 전기·전자 부품, 운전대, 단열, 방음, 의자 덮개, 기계적 부분 및 부품, 안전유리 등이 있다. 미국과 캐나다 차량 조립에서 차량당 평균 플라스틱과 복합재료 사용은 2016년 2파운드(0.6%) 줄어든 332파운드였고, 전체 차량의 무게에서 차지하는 비율도 줄어들었다. 15개 주요 수지는 경량 자동차에서는 상당량 사용되고 있다. 수지 사용에 대한 상세 내용은 [표 3]과 [표 4]에서 볼 수 있다. 경량 자동차에서 주요 고분자의 사용량을 살펴보면, PP는 84파운드, 폴리우레탄은 59파운드, 나일론 35파운드, PVC 20파운드, ABS 19파운드, PE는 18파운드, 폴리카보네이트는 16파운드였다. [그림 3] 2016년 미국/캐나다 경량 자동차에 사용되는 플라스틱 및 고분자 복합재료( 단위 : pounds/vehicle )폴리프로필렌은 열가소성 플라스틱 폴리올레핀 엘라스토머(TPO)로 사용되며, 미국, 캐나다 차량 조립에서 사용되는 평균 TPO는 차량당 35파운드이다. 그리고 만약 이를 플라스틱과 복합재료에 포함시키면 차량당 플라스틱의 사용량은 약 370파운드가 된다.지난 20년 동안 Polyacetal, Poly-phenylene Ether(PPE)와 같은 기타 엔지니어링 수지와 열가소성 플라스틱 폴리에스터 엔지니어링 수지는 다양한 응용 분야에서 금속을 대체해왔다. 이들 수지는 미국과 캐나다 경량 자동차 조립에서 2016년 38파운드 사용되어 2010년 40파운드보다 줄어들었으나, 2000년 31파운드, 1990년 19파운드보다는 상승하였다. 폴리카보네이트와 나일론은 엔지니어링 수지로 분류되는데 이들을 포함시키면 총 엔지니어링 수지 소비량은 89파운드가 된다. Polyvinyl butyral은 평균 7파운드가 사용되었다. 아크릴, 페놀, 불포화 폴리에스터 및 기타는 35파운드가 사용되었다.[표 3] 미국/캐나다 경량 자동차의 대용량 플라스틱 함량(pounds/vehicle)[표 4] 미국/캐나다 경량 자동차의 엔지니어링 플라스틱 및 기타 플라스틱 함량플라스틱과 복합재료를 사용한 경량화에 추가적인 기회도 가능하다. ①저밀도 첨가제, 나노 입자, 그리고 대체섬유 사용으로 기존 플라스틱과 부품의 무게를 절감하고, ②더 많은 금속 부품을 플라스틱과 복합재료로 전환한다. 또한 자율운행차 및 카쉐어링과 같은 미래 이동수단에 대한 산업 메가트렌드는 더 많은 안전에 대한 요구와 새로운 차 구조 요구 때문에 많은 기회가 올 것이다. 결과적으로, 경량 자동차 시장은 미래 플라스틱과 복합재료 확산에 큰 기회를 제공할 것이다.기타 화학제품다양한 화학제품이 경량 자동차 제조에 사용된다. 대부분의 화학제품은 공정과 간접적 화학(예, 유리제조 시 사용되는 소다회)에 사용되지만, 270파운드 이상의 고무, 섬유 및 코팅도 사용되고 있다. 미국/캐나다 경량 자동차는 평균 199파운드의 고무를 주로 타이어에서 사용하지만 벨트, 호스 및 기타 부품과 같은 비타이어 분야에서도 고무를 사용한다. 한편, 천연고무도 사용되지만 가장 널리 사용되는 고무는 스티렌-부타디엔 고무(SBR)로, 타이어와 다양한 비타이어 응용 분야에 사용된다. 또한 일반적으로 라디에이터 및 히터 호스, 차체 부품, 범퍼, 틈 마개, 창과 유리창 씰, 바닥 매트, 밧줄 고리, 튜브, 벨트 및 다양한 성형 및 압출 제품에 사용되고 있다. 열가소성 플라스틱 폴리올레핀 엘라스토머(TPO)는 널리 사용되는 또 다른 엘라스토머이다. 천연고무, SBR과 TPO 엘라스토머가 전체 고무 소모량의 3/4을 차지한다. 기타 엘라스토머로는 부틸 고무, 염소화된 폴리에틸렌, Chlorosulfonated polyethylene 등 다양한 엘라스토머가 사용되고 있다. 1970년대 이후 타이어 디자인의 변화는 타이어에 대한 차량 무게 감소와 연료 소비 절감의 결과를 만들었다. 최근에는 더 장기간 사용할 수 있는 낮은 회전 저항 타이어와 신규 재료가 개발되어 이들 제품이 시장에 침투하여 연비를 향상 시켰다. 전형적인 미국/캐나다 경량 자동차는 주로 합성섬유 44파운드를 사용한다. 천연섬유는 거의 사용하지 않으며, 레이온과 멜라민 섬유의 사용은 사라졌다. 가장 주목할만한 합성섬유는 나일론과 폴리에스터 직물섬유이다. 그리고 폴리프로필렌과 폴리에스터 부직포도 다양한 용도로 사용되고 있다. 탄소섬유는 플라스틱과 혼합하여 자동차용 탄소섬유강화플라스틱(CFRP)으로 만들어진다. 탄소섬유는 높은 강도를 가지면서 무게가 가벼워 차량 무게 감축에 주요 역할을 한다. 이는 자동차 제조업체가 2025년까지 연비 54.5mpg라는 목표 추진에 중요한 역할을 할 것이다. 또한 2016년 차량당 코팅에는 28파운드를 사용하였다. 이러한 재료뿐만 아니라, 화학제품은 경량 자동차의 액체와 윤활제에 226파운드가 사용된다. 이들은 엔진오일, 트랜스미션, 앞 유리 와이퍼 액체, 에어컨 냉매 및 기타 제품에 사용된다. 이들 모두에는 성능을 보강하기 위해 화학 첨가제가 들어가 있으며, 주로 탄화불소 냉매같은 화학제품들이다. 엔진 윤활제에서는 합성 윤활제가 전통적인 석유제품시장 점유율보다 높아지고 있다. IV. 미국의 자동차용 플라스틱과 고분자 복합재료의 경제적 파급효과 경량 자동차는 플라스틱과 고분자 복합재료의 중요한 시장이며 지난 50년 동안 크게 성장하였다. 미국 내 자동차에 사용된 플라스틱과 관련된 일자리를 주별로 평가하였고, 플라스틱 제품제조에서 각 주별 일자리, 출하 가격 및 임금과 봉급을 측정했다.3,261개의 플라스틱 제품제조업이 참여하는 그룹으로 구성된 North Ame-rican Industry Classification System (NAICS) 기준으로, 이들의 플라스틱 수지에서 중간 또는 최종 제품에 대한 지출로 가압성형, 압출성형, 사출성형, 블로우성형 및 캐스팅 같은 공정으로 구성되어 있다.[표 5]에는 자동차용 플라스틱 제품과 관련된 출하량 및 임금, 봉급과 함께 2016년 일자리 자료가 포함되어 있다. 출하 품목은 NAICS 산업그룹 3,261개의 시설에서 자동차 응용 분야에 사용된 완성품 또는 가공 제품의 가치를 평가하였다. 직접 고용뿐만 아니라, 공급망으로부터 구매에 의한 자동차용 플라스틱 부문 간접 고용을 측정하고, 자동차용 플라스틱 제품 부문이 직간접적으로 고용한 사람들의 소비로 유도된 고용을 평가하였다. [그림 4] 각 주별 자동차용 플라스틱과 복합재료에 의한 직접 고용(2016)Townsend Solution, Bureau of Labor Statistics와 Census Bureau 자료를 종합한 2016년 자료에 의하면,- 미국에서 생산한 자동차용 플라스틱의 가치는 208억 달러- 자동차용 플라스틱 생산은 45개 주 1,618개 공장에서 생산- 공장에서 직접 고용한 인원은 61,836명이며, 급여 총 지불액은 31억 달러- 미시간이 가장 많은 15,125명을 고용하고 있으며, 이어서 오하이오가 8,758명, 인디아나 8,175명, 테네시 4,150명, 미네소타 3,025명, 펜실베니아 2,750명, 위스콘신 2,275명, 일리노이 2,100명, 노스캐롤라이나 1,700명, 그리고 뉴욕에 1,500명이 고용되어 있다.[표 5] 미국 자동차 플라스틱 및 고분자 복합재료 분야 직접 고용, 출하량, 임금, 연봉(2016)[표 6] 미국 자동차 플라스틱 및 고분자 복합재료 분야 직간접 고용 및 유도된 일자리… 다음 내용은 핸들러 9월호에서 이어집니다.
이용우 2018-08-08
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우리 생활에 없어서는 안될 유용한 플라스틱 제품을 만드는 사출성형기 이야기 1

우리가 일상생활에서 가장 많이 사용하는 재질은 플라스틱과 철이다.그 중에서도 플라스틱은 현대 문명을 가능하게 한 새로운 공업재료이자 우리 생활에서 없어서는 안될 유용한 소재다.이러한 플라스틱을 가전제품, OA기기, 자동차, 휴대폰 등 일상생활에 필요한 제품으로 만들어 사용하기 위해서는 특별한 장치들이 필요하다.우선 '플라스틱 재료(수지,Resin)'가 있어야 하고, 만들고자 하는 제품의 형상을 가진 '금형(Mold)'이란 틀이 있어야 한다. 마지막으로 플라스틱을 녹여 장착된 금형 내부에 주입시키는 '사출성형기'가 필요하다.본 고에서는 위의 사출성형의 세 가지 요소 중 플라스틱 제품을 성형하기 위해 제작된 사출성형 전용기계인 사출성형기(Injection Molding Machine)의 구조 및 종류와 가공방법과 같은 기초지식에 대해 알아보고자 한다.
박애영 2018-08-08
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삼보계량시스템(주), 중량식 정량 공급장치

- 높은 기술력을 바탕으로 정량의 원료만 공급될 수 있도록 원료량 제어- 대량생산 시, 일정한 제품 품질 유지 가능중량식 정량 공급장치가 왜 필요한가?정량 공급장치는 화학, 컴파운딩, 레진 업체나 플라스틱, 필름, 식품 제조업체에서 주로 사용된다. 중량식 정량 공급장치(Gravimatric Constant Feeder)는 중량을 기준으로 원료의 종류와 겉보기 비중 등의 원료 특성에 맞는 공급기를 이용해 정량의 원료만 공급할 수 있게하는 원료제어장치다. 사람의 손으로는 불가능한 세밀한 원료량 제어를 통해 대량생산 시 일정한 품질의 제품이 생산될 수 있도록 한다.중량식 정량 공급장치는 크게 ‘감량식(Loss In Weight)식’과 ‘벨트식(Belt Weighing)’으로 나뉜다.
박애영 2018-08-08
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에스엘, 헤드램프 비구면 렌즈 개발 성공

- 2018년도 제31주차 IR52 장영실상 수상- 20분 걸리던 자동체 헤드램프 생산시간 4분으로 단축▲ 왼쪽부터 허민규 책임, 김정영 선임, 이지호 책임, 이상선 책임연구원자동차 부품 제조 업체인 에스엘이 개발한 ‘투샷 사출 공법을 이용한 자동차 헤드램프 비구면 렌즈’가 2018년도 LG화학, 대한민국 화학기업 최초 ‘글로벌 TOP10’ 진입했다. 자동차 앞부분에 있는 헤드램프는 야간 주행 시 도로표지판, 보행자 인식뿐 아니라 운전자의 시야확보를 돕는 제품이다. 헤드램프 빛은 상대편 차와 마주치는 왼쪽부분은 미세하게 어두워 눈부심을 줄여야 하고, 도로표지판이 위치한 높이에서는 밝게 빛나는 등 까다로운 법 규제를 통과해야만 자동차에 탑재할 수 있다. 최근 친환경·경량화 요구로 헤드램프에 LED 광원 적용이 늘어나고 있는데, LED 헤드램프는 크게 LED 방열시스템과 광학장치로 나뉘는데, 광학장치 중 하나인 ‘비구면 렌즈’는 헤드램프 밝기를 조절하는 핵심부품으로 꼽힌다. 일반적으로 비구면 렌즈는 광학적 성능유지를 위해 두께가 24㎜나 될 정도로 두껍다. 기존 비구면 렌즈는 플라스틱 사출 공법으로 만들었다. 플라스틱을 녹여 금형에 넣은 뒤 원하는 형상을 만들어 굳히는 방식이다. 하지만 두께가 두꺼운 만큼 플라스틱을 굳히는 데 걸리는 시간이 20분으로 상당히 길었다. 허민규 에스엘 생산기술센터 사출표면기술개발팀 책임연구원은 “헤드램프 하나를 만드는 데 20분이 걸리는 만큼 생산성이 떨어질 수밖에 없었다”며 “과도한 설비투자가 필요하다는 단점도 존재했다”고 말했다. 에스엘 연구진은 이 문제를 해결하기 위해 플라스틱 사출을 두 번으로 나눠 비구면 렌즈를 만드는 공법을 개발했다. 아직 국내에서 개발되지 않은 공법인만큼 양산설비에서 예상치 못한 불량품이 발생하기도 했다. 연구진은 금형설계·가공 연구를 통해 비구면 렌즈를 삼등분으로 분할해 사출하고 접합하는 데 성공함으로써 성형품 냉각시간을 단축시켰다.허 책임연구원은 “20분 걸리던 제품 생산시간을 4분으로 줄이는데 성공했을 뿐 아니라 생산공정을 무인화 함으로써 생산성을 높이고 설비투자비를 절감하는 두 마리 토끼를 잡을 수 있었다”고 전했다. 에스엘이 개발한 투샷 사출 공법을 이용한 자동차 헤드램프 비구면 렌즈는 2018년 1월부터 기아자동차 K3·카니발, 미국에서 생산되는 쏘렌트 등에 적용됐다. 올해 예상 매출은 내수 32억 7,000만원, 수출 2억 7,000만원 등 총 35억 원을 기록할 것으로 기대되고 있다. 허 책임연구원은 “개발되는 신차종에도 순차적으로 적용해 나갈 예정”이라며 “LED 광원을 이용한 차량이 고급 차종뿐만 아니라 저가형 차종에도 적용되는 추세를 볼 때 2022년까지 비구면 렌즈 매출은 78억 원 이상이 될 것”이라고 기대했다. 
박애영 2018-08-07
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제30주차 IR52 장영실상, 현대차·현대모비스·한화토탈 ‘ 페인트리스 사출 크래시패드’가 수상

- ‘도장’ 과정 없이 매끈한 외관 구현 가능- 높은 수준의 외관 확보가 필요한 소형 생활가전, 대형 가전기기, 장난감 등에 적용 기대▲ 왼쪽부터 최익근 책임연구원, 안재헌 책임연구원, 이병호차장현대자동차와 현대모비스, 한화토탈이 함께 개발한 ‘페인트리스 사출 크래시패드’가 2018년 30주차 IR52 장영실상을 수상했다. 페인트리스 사출 크래시패드는 페인트를 칠하는 공정인 ‘도장’ 과정 없이 외관이 매끈한 크래시패드를 만드는 기술을 말한다. 크래시패드는 계기판 등이 붙어있는 자동차 실내 앞부분의 선반이다. 이처럼 크래시패드는 운전자와 보조석에 앉은 사람이 자주 접촉하는 차량 부위로, 운전 관련정보를 제공할 뿐 아니라 충돌 시 가해지는 충격을 흡수하는 한편, 내부에 에어백이 들어가 있어 승객의 부상을 감소시키는 중요한 역할을 한다.  일반적으로 크래시패드는 플라스틱을 높은 온도에서 녹인 뒤 금형에 넣어 특정 형태로 만드는 사출을 통해 만들어진다. 그런데 사출 시 높은 온도로 인해 끓는 상태의 플라스틱에서 기체가 발생하는데, 이 가스가 금형 안으로 들어가면 외관이 지저분해지는 문제가 발생할 수 있다. 이처럼 사출 과정에서 발생하는 표면의 잡티, 얼룩 등을 제거하기 위해 페인트를 칠하는 도장 과정을 거치는 게 일반적이다.하지만 페인트에 들어 있는 유기화합물이 크래시패드에 남아 있다가 조금씩 공기 중으로 흘러나오면서 차량 실내로 퍼져 나간다는 점이 골칫거리였다. 이 때문에 그동안 많은 업체들이 도장 공정이 필요 없는 크래시패드 개발에 나섰지만 외관 결함을 극복하지는 못했다.현대차와 현대모비스, 한화토탈 연구진은 이 같은 문제를 해결하기 위해 국내 최초로 뜨거운 온도에서 물처럼 빨리 흐르는 고유동성 플라스틱 소재를 개발해 크래시패드 제작에 적용했다. 일반 플라스틱 소재는 녹아서 금형으로 들어갈 때 마치 용암이 흐르듯 천천히 스며든다. 이 때문에 금형 안에서 플라스틱이 굳는 속도가 부위마다 달라지면서 기포나 얼룩, 긁힘 현상 등이 발생하는 문제를 고유동성 플라스틱 소재를 통해 해결한 것이다. 안재헌 현대차 칵핏모듈설계팀 책임연구원은 “페인트리스 사출 제품은 공정이 단순해 공정단가를 낮출 수 있다”며 “자동차용 페인트리스 크래시패드 사출용 소재는 도장 수준의 외관 확보가 필요한 소형 생활가전, 대형 가전기기, 장난감 등 다양한 분야로 확대 적용할 수 있을 것”으로 기대한다고 전했다. 
박애영 2018-08-07
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이구스, 스마트 에너지체인 적용으로 다운타임 사전에 방지

- 이구스의 스마트 플라스틱 제품으로 안정적인 자동화 생산 보장자동차 산업에서 가장 강조하는 부분은 바로 안정성이다. 전체 차체 또는 엔진과 같은 개별 구성품은 매우 높은 수준의 자동화 생산 라인을 거친다. 만약 이 중 한 부분이라도 생산이 갑자기 멈추게 되면 곧 엄청난 비용 손실로 이어진다. 그렇기 때문에 차량 생산 업체 및 부품 공급 업체에게는 안정적인 생산 설비가 중요하다. 이를 위해 오스트리아의 한 엔진 제조업체는 이구스의 ‘스마트 플라스틱’을 도입했다. 이구스 솔루션은 체인에 부착된 센서로 마모 정도를 측정하고 사용자에게 사전에 수리 및 교체시기를 알려준다. ■ 오스트리아 엔진 생산 공장의 엔진 블록 자동 분류를 위한 실내 리니어 로봇 이구스의 에너지체인 시스템은 한 주에 거의 18~19번 교체 가동되는 리니어 로봇에 적용되었다. 가장 바쁠 때는 하루 6,000개 정도의 엔진이 생산되는데, 평균적으로 14초에 엔진 하나가 조립라인을 떠나야 한다. 그렇기에 리니어 로봇에 적용된 에너지체인 시스템은 순식간에 백만 스트로크에 다다른다. 금속 체인대비 중량과 소음을 최소화하기를 원하는 제조업체가 있다면 이구스의 플라스틱 에너지체인이 하나의 솔루션이 될 수 있을 것이다. 제조산업 내에서 ‘예방적 유지보수’가 중요한 화두로 떠오르며 구현 가능한 시스템을 찾고 있는데, 이구스는 이에 대해 수년간 준비해왔다. 이구스의 e체인 시스템 담당자인 Michael Blaß은 “우리가 ‘isense’라는 명칭으로 분류한 이 제품군은 다양한 센서와 모니터링 모듈로 구성되어 있다. 기계와 제품의 디지털 네트워크 시스템 덕분에 구성품의 상태를 측정 및 기록하고, 유지보수가 필요할 때 즉시 사용자에게 알릴 수 있다”고 밝혔다. 해당 기술로 사용자는 예기치 않은 다운타임이나, 막대한 비용 손실을 방지할 수 있게 되었다.■ 이중 안전 장치: 마모 및 파손 모니터링 이번 베타 테스트에는 isense EC.W(Wear) 제품이 적용 되었다. e체인의 크로스바에 설치된 마모 감지센서가 주행 중인 e체인의 상태를 실시간으로 측정하며, 마모가 지속적으로 진행되어 체인의 수명이 다할 때쯤 신호를 전송하는 시스템이다. 다만 고성능 에너지체인의 뛰어난 내마모성 덕분에 지금까지 심각한 수준의 마모가 진행되지 않아, 실제 신호는 아직 전송되지 않았다. 폴리머 와이어와 센서로 체인의 상태를 모니터링하는 isense EC.B(Break) 모듈을 사용하는 것이 더욱 중요하다. 과거에는 외관상으로는 변화가 감지되지 않지만 에너지체인 시스템이 파손되는 경우가 있었으나, EC.B로 이러한 문제점을 사전에 예방할 수 있다. 오스트리아의 엔진 공장에서 이구스의 isense 모듈은 이달의 혁신 기술로 선정되었으며, 현재 50~60대의 파손 감지형 에너지체인 시스템의 추가 주문이 계획되어 있다. 베타 테스트에 적용된 세 시스템중 하나는 이제 생산라인에 그대로 남아 가동되고 있다. 시스템의 육안 점검 후 엔지니어는 알람이 잘못 되었는지, 유지보수가 실제 필요한지 여부에 대한 판단이 가능하다. 이러한 방식으로 해당 공장은 유지보수나 파손으로 인한 막대한 손실을 효과적으로 방지하고 있다. 
박애영 2018-08-07
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화학(연), 높은 효율과 열안정성 모두 잡아… 페로브스카이트 태양전지 분야 세계 선도

- 1㎠ 소자 세계 최고 효율 20.9% 공인인증, 네이처 에너지(IF=46.859) 논문 게재 - 높은 열안정성 지닌 새로운 정공 수송 소재 개발하여 고효율과 장기 안정성 동시 확보한국화학연구원 에너지소재연구센터 서장원 박사 연구팀은 페로브스카이트* 태양전지를 구성하고 있는 새로운 소재를 개발해 전지의 열안정성을 높이고 1㎠ 소자 세계 최고 효율(20.9%)을 기록했다. 본 성과는 네이처 에너지(Nature Energy, IF=46.859) 7월 9일자(현지일자) 온라인판에 게재되었다. * 부도체·반도체·도체의 성질은 물론 초전도 현상까지 보이는 특별한 구조의 물질로 AMX3 화학식을 갖는 구조체(A, M은 양이온, X는 음이온, 발견자인 러시아 과학자 페로브스키를 기념하여 명명함)페로브스카이트 태양전지는 제조가 쉽고 저렴해 차세대 태양전지로 주목받고 있다. 태양전지가 상업화되려면 태양광을 전기에너지로 변환시키는 효율과 실제 태양전지 구동 환경에서의 높은 온도에 대한 열안정성이 동시에 높아야 한다. 하지만 지금까지는 페로브스카이트 태양전지에서 고효율과 열안정성을 동시에 만족시키기 어려웠다. 화학(연) 연구팀은 효율을 높게 유지하면서 열안정성도 동시에 만족시키는 기술을 개발한 것이다. 페로브스카이트 태양전지 단면은 총 세 개의 층으로 이루어져 있다. 맨 위에는 물질의 정공*을 이동시키는 정공 수송 층이, 가운데에는 빛을 받아 전하를 생성하는 페로브스카이트 구조의 화합물층이, 아래에는 전자를 이동시키는 전자 수송 층이 있다. 태양광을 받으면 페로브스카이트 구조를 가진 중앙 화합물층의 전자와 정공이 이동하면서 전기가 발생한다. 이때 정공은 양극으로, 전자는 음극으로 이동하는데 정공을 운반하는 층을 정공 수송 층이라고 한다. 연구팀은 이 정공 수송 층에 쓰이는 새로운 화학소재를 개발한 것이다. * 정공 : 반도체 내에서 전자가 부족한 상태를 나타내는 가상의 입자로서, 전자와는 반대로 양의 전하를 띈다.‘DM’으로 명명된 새로운 화학소재는 정공을 운반하는 능력이 뛰어나고 페로브스카이트 전지에 최적화된 에너지 레벨*을 지녔다. 이러한 특성은 태양전지의 개방전압을 높이는 데 결정적인 영향을 끼쳤다. 개방전압은 태양전지의 효율을 측정하는 주요 기준으로, 본 소재를 적용한 페로브스카이트 태양전지는 단위 소자 면적(0.1㎠)보다 10배 큰 1㎠ 소자에서도 높은 효율을 보였다.** * 에너지 레벨 : 물질의 전기적 특성에 관한 고유값(원자, 분자 혹은 고체 물질 등과 같이 양자역학적 계에서 형성된 전자들이 존재할 수 있는 양자화된 상태들이 가지는 에너지 값)** 태양전지 소자 효율은 단위 면적당 입사하는 빛 에너지와 태양전지 출력의 비율을 의미한다. 소자 효율을 측정하는 항목에는 개방전압, 단락전류밀도, 성능지수가 있는데, 본 기술은 개방전압을 높였다. 전압이 높으면 태양전지의 효율이 향상된다. 또한, 기존 정공 수송 소재인 Spiro-OMeTAD 소재가 가지고 있는 취약한 열안정성을 극복했다. 신규 개발된 소재는 섭씨 60도에서 500시간 이상 장기 열안정성을 보인다. 본 결과는 같은 면적 1㎠에서 지난 2017년 기록한 19.7%의 효율(사이언스지 게재)을 약 1년여 만에 갱신한 성과다. 한편, 화학(연)에서 지난해 11월 미국재생에너지연구소(NREL) 차트의 단위 소자 면적 세계 최고 효율(22.7%)을 기록한 기술과는 다른 기술이다. 그러나 성능 면에서 지난해 기술에 버금가는 우수한 결과*다. * 2017년 22.7% 효율은 단위 소자인 0.1㎠에서의 결과이며, 올해 본 기술을 적용한 결과는 단위 소자에서 22.6%, 그 10배 면적인 1㎠에서는 20.9% 효율이다(1㎠ 세계 최고 효율). 화학(연) 서장원 박사는 “이번 연구는 페로브스카이트 태양전지의 효율과 열안정성을 동시에 확보하여 상용화 가능성을 높였다는데 큰 의미가 있다. 앞으로 고효율화 기술을 적용한 대면적 모듈 제조 개발에 힘쓰겠다”고 향후 계획을 밝혔다.공동교신저자로 참여한 화학(연) 이재민 박사는 “이번에 새롭게 개발된 정공 수송 소재는 유기화합물로 이루어져 있다. 앞으로, 우리나라가 강점을 가지고 있는 유기반도체 소재 분야와 페로브스카이트 태양전지 분야의 협업이 더욱 활발해질 것으로 기대된다”고 말했다.이번 연구는 화학(연) 주요사업 및 산업통상자원부 한국에너지기술평가원 신재생에너지 핵심기술 개발사업, 과학기술정보통신부 한국연구재단 글로벌 프론티어 사업(멀티스케일에너지시스템연구단)과 학문후속세대 대통령포스닥사업의 지원으로 수행되었다. - 논문명: A fluorene-terminated hole-transporting material for highly efficient and stable perovskite solar cells (DOI:10.1038/s41560-018-0200-6)- 저자정보: 화학(연) 서장원 박사(공동 교신저자), 이재민 박사(공동 교신저자), 전남중 박사(공동 제1저자), 나혜진 연구원(공동 제1저자), 정의혁 박사(공동 제1저자) 연구내용본 연구팀은 고품질 페로브스카이트 박막 구현을 위해 다양하고 획기적인 기술의 개발을 통해 상대적으로 단기간에 괄목할 만한 소자 성능 향상을 이루었다. 상용화를 위해서는 고효율 이외에 장기 안정성과 소자의 대면적화에 관한 연구 또한 상당히 중요하다. 기존에 사용되는 spiro-OMeTAD는 낮은 유리전이온도(Tg)와 흡습성이 있는 첨가제의 도입 (Li-TFSI, tBP)으로 인해 소자의 안정성을 저해한다고 알려져 있다. 이를 극복하기 위해 페로브스카이트 태양전지 구성 요소 중 열적으로 가장 취약한 spiro-OMeTAD를 화학적으로 간단하게 개질하여 상용화를 위한 세 가지 요소를 모두 확보할 수 있는 방안을 개발하였다.본 연구는  spiro-OMeTAD 구조(그림 1 위 왼쪽)의 말단을 기존의 methoxy phenyl-에서 구조적으로 평면성이 높고 electron donating이 약한 fluorene을 도입한  DM(그림 1 위 오른쪽)을 설계하고 합성하였다. 상대적으로 electron donating 능력이 약한 말단이 도입된 DM은 spiro-OMeTAD대비 낮아진 highest occupied molecular orbital (HOMO) energy level을 보였다.(그림 1 아래 왼쪽) 이는 본 연구에서 사용한 페로브스카이트 층의 valance band maximum(VBM)의 줄어든 energy offset으로 감소한 energy loss를 확보할 것으로 예상된다. DM은 spiro-OMeTAD대비 40∘C 높은 유리전이온도를 보이며 향상된 물질의 열적 안정성을 확인하였다.(그림 1 아래 오른쪽)그림 1. (위 왼쪽) spiro-OMeTAD, (위 오른쪽) DM 의 화학 구조식, (아래 왼쪽) 해당 물질을 도입한 페로브스카이트 태양전지 각 층의 에너지 레벨, (아래 오른쪽) spiro-OMeTAD와 DM의 열적 특성Energy level 조절을 통해 DM 기반의 페로브스카이트 태양전지는 spiro-OMeTAD 기반의 태양전지에 비해 향상된 개방회로전압(VOC)를 얻었다.(그림 2 위 왼쪽) 증가한 VOC를 기반으로 22% 이상의 높은 효율을 나타냈으며, 이 효율은 이전 발표되었던 22.1% (2017년 Science 발표)에 비해 향상된 효율이다. 또한, DM을 1㎠ 면적의 태양전지에 적용하였을 때, 20.9%의 전력 변환 효율을 보였고 이는 공인인증을 받았다. 위 효율은 지금까지 보고된 1㎠ 면적의 페로브스카이트 태양전지 중 최고 효율이며, 모듈로 도입 가능성을 충분히 증명할 수 있는 의미 있는 결과이다. 증가한 효율에 더불어 DM 기반의 태양전지는 spiro-OMeTAD를 도입한 태양전지에 비해 60~80℃ 내의 온도에서 높은 열안정성을 보였다.(그림 2 위 오른쪽) DM 기반 태양전지의 장기 안정성을 확인할 결과, 500시간 동안 60℃의 온도에서 보관한 태양전지의 효율(21.2%)은 초기 태양전지의 효율(22.3%)에 비해 95%를 유지하는 우수한 열안정성을 보였다. 그림 2. (위 왼쪽) spiro-OMeTAD를 도입한 페로브스카이트 태양전지와 DM을 도입한 태양전지의 에너지 변환 효율, (위 오른쪽) 각 해당 태양전지의 온도별(60℃, 70℃, 80℃) 열안정성 비교, (아래) DM을 도입한 페로브스카이트 태양전지의 60℃에서 장기 열안정성기대효과이번 연구는 정공 수송 소재의 화학적 개질을 통해 무/유기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지의 고효율과 더불어 대면적화, 안정성 확보를 동시에 구현할 수 있음을 밝혔다. 본 연구에서 개발한 정공 수송 물질은 페로브스카이트 태양전지의 상용화에 한 걸음 더 나아가게 만들었다.이는 기존 상용화된 단결정 실리콘 태양전지나 박막형 태양전지의 광전 변환 효율에 근접한 성능으로 차세대 태양전지의 상용화에 적극적으로 활용될 것으로 전망한다. 또한 본 연구에서 적용한 말단 개질의 전략은 추후 더욱 우수한 정공 수송 물질 개발에 큰 기여를 할 수 있을 것으로 기대한다.
이용우 2018-07-11
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우레탄 소재의 자동차부품 적용기술 동향

Ⅰ. 폴리우레탄 개요폴리우레탄은 1937년 독일 오토 바이엘 박사와 그의 팀원들이 개발한 이후 전자·전기, 자동차, 의류, 건축 등 많은 곳에 응용되고 있다.우레탄 결합(Urethane Bond)은 활성 수산기(-OH)를 갖고 있는 알코올과 이소시아네이트기(Isocyanate Group, -N=C=O)를 갖고 있는 이소시아네이트(Isocyanate)가 부가중합반응(Addition Polymerization Reaction)에 의해 반응열을 발생시키면서 형성된다.
이용우 2018-07-05