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

최근 사출성형 산업계에서는 복잡한 제품 구조와 복합 성형 공정의 증가, 그리고 다양한 사용 환경에 대한 더욱 엄격해진 품질요구에 직면하고 있다. 이러한 변화에 이해하고 대응하기 위하여, 사출성형 모니터링에서 얻어지는 데이터를 기반으로 사출성형 공정을 최적화하고 활용하는 방법과 이에 필요한 기본적인 지식에 초점을 맞추어 기사를 연재하고자 한다.RJG사는 사출성형 교육, 기술 및 리소스 분야에서 세계적인 리더로 인정받고 있는 회사이며, 사출성형 공정 모니터링에 사용되는 센서와 장비를 생산/공급하고 있다. 본 기사에 게재된 자료들은 씨에이프로(주)와 RJG사에 모든 권한이 있다. 자료제공 : 이길호 (RJG공식 컨설턴트/트레이너)Ⅲ. 사출성형 모니터링 시스템의 활용5. 금형 이관(Mold Transfer)금형이 완료된 후에는 국내 또는 해외의 공장으로 이송하여, 다른 사출기에서 제품 생산을 준비하여야 하며, 이때의 과정을 금형 이관(Mold Transfer)라고 한다. 이 공정(Process)에는 프로젝트 관리자, 금형 엔지니어, 품질 엔지니어, 성형 엔지니어, 그리고 재무 관리자 등의 여러 분야의 전문가가 필요하며, 고객이 원하는 규격의 제품을 생산하기 위해서는 반복적인 사출 공정 설정에 많은 시간과 경비를 투여하여야 한다.제작된 금형의 성형성과 제품의 적합성을 입증하기 위하여, 시사출, 측정 같은 검증작업을 수차례 반복하여야 한다. 그 이후에 검증된 금형을 양산 공장으로 이송하여, 많은 시간과 경비가 소요되는 검증작업을 양산 사출기를 대상으로 다시 수행하여야 하는 경우가 대부분이다. 이러한 경비와 시간의 반복적인 낭비를 줄이기 위하여, 짧은 시간 내에 최소의 인원을 투입하여 동일한 품질의 제품을 얻을 수 있는 새로운 방법이 모색하게 되었으며, 이에 내압 센서를 이용한 방법이 개발되게 되었다.5.1 금형 이관(Mold Transfer) 방법전통적인 금형 이관(Traditional Mold Transfer)아직도 많은 금형 및 성형 업체에서는 전통적인 금형 이관방법을 사용하고 있으며, 이는 공정 및 제품에 관련한 문서에 크게 의존하는 방법이다. 공정(Process) 문서에는 온도, 속도, 시간 및 기계 압력에 대한 기계 설정 데이터들이 포함되어 있으며, 제품(Product) 문서에는 설정된 공정 조건에서 얻어진 광범위한 부품 측정 데이터가 포함되어 있다.이 방법의 문제점은 공정 문서에 기술된 데이터들이 사출기가 바뀌면 효용성이 떨어진다는 데에 있으며, 이는 동일한 제작업체의 사출기 간에도 성능이 서로 다르고, 이종의 사출기에서는 더더욱 차이가 나기 때문이다. 이를 해결하기 위하여 사출기 간의 규격 차이를 고려하여, 모든 데이터를 변환하여 사용하는 방법을 이용하지만, 이 또한 실제 사출기 성능을 고려하지 않으므로 많은 시행착오를 발생시킨다. 이로 인하여 많은 경비와 시간을 낭비하게 되고, 때에 따라서는 이관이 실패하기도 한다.1. 생산 제품 사양 또는 도면 (Production Part Print & Drawing)2. 게이지 / 고정용 보조기구 (Gage / Fixture)3. 자제명세서 & 표준공정도 (BOM and Routing Sheet)4. 마스터 샘플 (Master Sample)5. 금형 도면 및 금형 수리 이력 (Tool Drawings and Tool Maintenance Records)6. 재료 성형 가이드 (Material Processing Guide)7. 시사출 성형조건 (Processing Condition for Final Mold Trial)8. 사출기 사양서 (Injection Molding Machine Specification)9. 품질검사 결과 보고서 (Quality Inspection Report) ...금형 이관 시에 위의 서류나 문서들이 동봉되어 이송되며, 이러한 문서에 근거하여 양산공정의 사출기의 성형조건을 다시 최적화하게 된다. 이때 필요한 사출기의 사양 관련 데이터는 아래 [그림 167]과 같으며, 이외에 기본적인 형판(Platen) 크기, 타이바(Tie-bar) 간격, 형판 간의 최대거리 등이 필요하다.특히, 사출기의 스크류 직경이 달라지는 경우에는, 모든 데이터를 정규화(Normalization) 시킬 필요가 있다. 예를 들어 사출 속도는 ㎜/sec, in/sec, % 와 같은 단위가 아닌 ㎣/sec과 같은 유속 단위로 환산하여 비교되어야 하며, 스크류의 회전속도는 각속도(RPM)가 아닌 스크류 끝단의 선속도를 기준으로 변환하여 사용하여야 한다. 위의 [그림 167] 데이터는 실제 사출기의 성능이 아닌 제원상 수치이며, 보다 정확하게 금형을 이동해야 하는 상황에서는 사출기의 성능을 다시 입증하는 데 시간과 비용을 투자하여야 한다. 캐비티 압력 센서를 이용한 금형 이관 (Mold Transfer with Cavity Pressure Sensor)정밀기기나 의료기기 등과 같은 엄격한 품질관리를 요구하는 플라스틱 부품은 제조업체가 명확하고 체계적인 성형공정(Process)을 통하여 생산하고 품질관리를 하고 있음을 고객에게 입증해야 한다. 초기 설치부터 제조, 검수에 이르기까지, 이러한 과정에서 IQ / OQ / PQ 검증에 막대한 비용이 소요된다.이렇게 설정된 최적의 공정을 사출기의 변경이나 환경의 변화에 사용하지 못한다면, 다시 검증 과정을 거쳐야 하며, 이에 따라 비용과 시간을 많이 소비하게 된다. 캐비티 압력 센서를 이용하는 방법을 사용하면 최적화된 부품과 공정 조건을 손쉽게 복제할 수 있으며, 이는 신뢰도 증가와 함께 비용을 절감시키고, 제품 출시 시간을 단축하여 수익성을 높일 수 있다.사출기가 변경되면 변화하는 입력설정 값에 중점을 두고 금형을 이관하는 방식에서, 과학적인 사출성형 원리를 활용하여 설정과 무관한 물리적(Physical) 변수*를 기반으로 금형을 이관하는 효율적이고 과학적 방법으로 변환하여야 경쟁력을 갖출 수 있다. (* 물리적 변수 - 재료 점도, 압력, 온도, 냉각 속도 등)동일한 품질의 제품을 생산하는 공정 능력(Capability)은 금형 캐비티 내부에 플라스틱 온도, 유량, 압력 구배, 냉각 속도, 즉 4가지 주요 플라스틱 변수를 일관되게 제공하는 데 달려 있으며, 이 네 가지 플라스틱 변수가 일치하면 금형을 작동하는 사출기와 관계없이 동일한 제품을 생산할 수 있게 된다.5.2 캐비티 압력 센서를 이용한 금형 이관(Mold Transfer) 방법동일한 금형을 이용하여 한 시스템에서 다른 시스템으로 프로세스를 단기간에 성공적으로 이관하기 위해서는 캐비티 압력 곡선을 활용하여 템플릿(Template)을 일치시키는 방법을 사용한다. 이 방법을 사용하기 이전에 사출기의 변수를 개략적으로 일치(Matching)시킬 필요가 있으며, 이는 문서관리나 변환작업에 대한 방법과 기준이 확립되어 있는 경우에는 사출기의 출력 데이터를 사용하고, eDart 모니터링 시스템을 사용하는 경우에는 캐비티 압력 센서 사용과 동일하게 템플릿(Template) 내의 스크류 위치(Stroke), 사출압(Injection Pressure) 데이터를 사용한다.모니터링 시스템을 이용하여 금형 이관을 성공적으로 수행하기 위해서는 다음과 같은 작업을 순서에 따라 수행하는 것이 효과적이고 간단하며, 이는 플라스틱의 재료가 사출기에 투입되어 용융되고 금형으로 주입되어 냉각된 후에 금형에서 취출되는 일련의 과정과 동일하다고 보면 된다.템플릿 일치(Template Matching)에서 유의할 점은 다음과 같으며, 100% 일치를 기대하지 말고, 짧은 시간 내에 최대한 유사하게 일치시키는 목표로 하여야 한다.- 최적화나 시사출에 사용된 성형기에서 금형 이관에 사용될 템플릿(Template)을 준비한다. [그림 169]- 사용되는 거리(Stroke), 유압(Hydraulic Pressure) 센서의 영점조정(Calibration)이 선행되어야 한다.- 성형기(Machine)가 아니라, 센서를 이용하여 Cavity 내의 조건을 맞추는 것이 가장 중요하다.- 성형기에서의 조건을 이용하여 근사로 맞춘 후, 이후에는 오로지 압력 그래프만 주의하여 일치시킨다.- 성형기의 신호를 사용할 수 없는 경우, Cursor를 이용하여 수동으로 Fill Volume을 정의하여야 한다.- 정확하게 100% Matching이 불가능함으로, 최대한 근사하게 일치시켜야 한다. (약 97~98% 이상)사출기의 작동 변수(Variables) 외에 템플릿 일치(Template Matching)에 크게 영향을 주는 중요 인자들은 (1) 사이클 타임 (2) 형체력 (3) 용융온도 (4) 금형 온도이며, 금형 이관 작업을 수행하기 전에 동일한 지를 검토하고, 일치되지 않을 때는 원인을 파악하여 수정하여야 한다. 이러한 점검이 완료된 후에 다음과 같은 단계(Step)에 따라 금형 이관(Mold Transfer)을 진행하며, 이에 필요한 최소한의 데이터는 캐비티 압력(PST)과 사출 체적(Shot Volume) 그래프이다. (* 속도 구간의 미세한 변화를 판별할 필요가 있는 경우에 유속 그래프가 필요할 수도 있음.)STEP-1: 배압(Back Pressure) 일치 배압은 용융재료의 점도와 계량시간을 변화시키는 사출기 변수로써, 설정값과 실제값에서 차이가 발생할 수 있으므로, 이를 템플릿 상의 압력 값과 일치시켜, 금형에 주입되는 재료의 물성, 특히 점도를 동일하게 유지시킬 필요가 있다. 이는 동일한 재료가 충진을 위하여 배럴 내에 준비되어야 한다는 개념이다.STEP-2: 스크류 속도(Screw RPM) 일치스크류 속도는 재료를 전단에 의한 마찰력으로 용융시키고, 점도(Viscosity)를 변화시키는 사출기의 변수로써, 금형에 주입되는 재료의 물성에 바로 영향을 준다. 이때 사용되는 곡선은 사출기의 위치(Stroke)에 스크류 단면적을 곱하여 체적(Volume)으로 변환하여 사용한다. 이는 사출기의 스크류 직경이 다른 경우에 동일한 스크류 위치(Position)더라도 동일한 계량량이 아니기 때문이다.여기에서는 곡선의 기울기(Slope)를 일치시키는 데에 중점을 두어야 하며, 이는 추후 충진과 보압 시간에 따라 시점(Time)이 달라지기 때문이다. (* 계량량과 속도를 맞추어야 한다.)STEP-3: 감압(Decompression) 일치감압은 사출기의 배럴 내의 용융된 재료의 불균일한 압력분포를 완화하기 위하여 사용하며, 감압 정도에 따라 주입되는 재료의 초기 상태가 달라짐으로 일치시켜야 한다. 이때에도 사출기의 위치(Stroke)에 스크류 단면적을 곱하여 체적(Volume)으로 변환한 곡선을 사용한다.STEP-4: 충진 속도(Fill Rate/Speed) 일치충진 속도는 곡선의 기울기(Slope)를 의미하며, 세밀한 위치보다는 기울기를 일치시키기는 데에 중점을 두어야 한다. 이때에도 사출기의 위치(Stroke)에 스크류 단면적을 곱하여 체적(Volume)으로 변환한 곡선을 사용한다.STEP-5: V/P절환(Transfer or Switch-Over) 위치 일치V/P절환 위치는 95~99% 사이에서 설정되며, 이 설정값으로 캐비티에 충진 완료가 이루어지는 시점에서 캐비티 내압의 최대값이 변화된다. 이때에도 사출기의 위치(Stroke)에 스크류 단면적을 곱하여 체적(Volume)으로 변환한 곡선을 사용하며, 이 단계(Step)에서는 대략적인 위치를 설정하고 추후에 캐비티 내압 곡선을 이용하여 미세한 조정을 수행한다.STEP-6: 충전속도(Pack Rate/Speed) 일치충전(Pack)속도는 캐비티의 충진 완료 시점에서 캐비티 내압의 최대값을 결정하는 주요한 설정값이며, 이때에도 사출기의 위치(Stroke)에 스크류 단면적을 곱하여 체적(Volume)으로 변환한 곡선을 사용한다. 이 단계(Step)에서는 대략적인 일치(Macthing)를 수행하고, 추후에 캐비티 내압 곡선을 이용하여 미세한 조정을 수행한다.STEP-7: 보압(Hold Pressure) 일치사출압(Injection Pressure) 또는 유압(Hydraulic Pressure) 곡선을 사용하여, 보압(Hold Pressure)의 크기와 시간을 일치시킨다. 이 단계에서 설정된 보압의 크기나 시간은 캐비티 압력 곡선을 이용한 추후의 미세조정 단계에서 변화될 수 있다. (* 캐비티의 압력 변화가 제품 품질에 정량적/직접적인 관계가 있으며, 사출기의 압력 곡선은 정성적/간접적인 관계를 맺고 있다.)STEP-8: 모든 사출기 변수들의 개략적 일치(Matching) 점검사출기의 설정값들을 변경하여 위의 7가지 사항에 대하여 사출압과 체적 곡선을 일치(Matching)시킨 후에, 아래의 그림과 같이 캐비티 내압 곡선을 활성화하여, 일치되는 정도를 검토한다. 만족하는 수준을 달성하지 못할 때에는 미세조정 단계로 이동한다. STEP-9: 미세조정(Fine Tuning)사출기 설정값들의 조정을 통하여 캐비티 내압 곡선을 일치시키지 못한 경우에는, 다음과 같은 항목들을 미세하게 조절하여 내압 곡선을 일치(Matching)시킨다. (1) 평균 충진(Fill) 속도 (2) 85~95% 충진(Fill) 구간에서의 속도 (3) V/P절환 위치(4) 충전(Pack)속도아래의 [그림 179]는 위의 (1), (2) 항, 즉 충진(Fill) 속도를 미세 조정하면, 내압 곡선의 초기 시점이 변화하는 것을 보여준다. 속도를 증가시키면 곡선의 출현이 빨라지고, 감소하면 느려진다.다음의 [그림 180]은 위의 (3) 항목인 V/P절환 위치를 미세 조정하면, 내압 곡선의 변곡점이 변화하는 것을 보여준다. 물론 사용하고 있는 V/P절환 방법이 위치(Position)일 경우이며, 압력이나 시간에 의한 절환(Transfer)인 경우에는 이들 값을 변화시켜 조정하여야 한다.아래의 [그림 181]은 위의 (4) 항목인 충전(Pack)속도를 미세 조정하면, 변곡점 이후에 내압 곡선이 다시 상승하는 기울기, 즉 속도가 변화한다. 충전속도가 조절되지 않는 사출기로 금형 이관을 하는 경우에는, 이 부분을 미세하게 조정할 수 없으므로 주의하여야 한다. (* 금형 이관 작업을 수행하기 전에 필수로 사출기 성능점검을 수행하여야 하는 이유 중의 하나이다.)손쉽고 정확하게 금형 이관을 성공시키는 방법은 최적화된 성형조건의 템플릿을 이관 대상의 성형기에서 일치(Matching)시키는 것이나, 때로는 템플릿을 일치시키기가 매우 어려운 경우도 종종 발생하며, 이런 경우에는 플라스틱의 재료가 동일하지 않아 발생하는 경우가 상당 부분을 차지한다.재료의 첨가물(Additives)이 변경되거나, 또는 재생(Regrind) 수지를 혼합하여 사용하는 경우에는 물성의 변화가 발생하는지를 검토하여야 하며, 이를 간과하는 경우에 품질의 변화가 발생하여, 기존의 최적화된 프로세스나 품질관리 기준이 무용지물이 될 가능성이 높아진다. 위의 [그림 182]은 유리섬유(Glass Fiber)를 함유하는 폴리에스테르(Polyester)를 사용하는 제품을 ±0.010″의 사양 내에서 평탄도(Flatness)를 얻도록 공정을 최적화하였으나, 평탄도 불량으로 인하여 고객으로부터 제품이 반환된 사례이다. 사용된 재료는 동일한 등급(Grade)이었지만, 공급 업체가 난연제를 변경하였고, 이로 인해 핵 형성 또는 결정화 속도가 변화하여 부품이 휘는 경향과 정도가 변화된 경우이다.이는 재료관리의 중요성을 보여주는 사례로써 금형 이관 과정 중 초기에 점검하여야 할 가장 중요한 항목 중의 하나임을 명심하여야 하며, 특히 반 결정(Semi-crystalline) 재료인 경우에 더욱 주의하여야 한다.5.3 주요 설정 외의 조건 변화에 따른 내압(Cavity Pressure) 곡선의 변화 (예제)금형 이관 작업 중에 템플릿(Template)을 일치하기 위해서는 주요 공정변수(사출 속도, 보압 크기, 시간, V/P절환 시점, 냉각시간 등)에 따른 내압의 변화 외에 부가적인 공정변수의 변화에 따른 결과를 이해할 필요가 있으며, 다음과 같은 예제를 통하여 그 이해의 폭을 넓히고자 한다.배압(Back Pressure)의 변화배압을 증가하면, 동일한 스크류 계량속도 하에서 계량시간이 길어지고, 보압 완료 후에 쿠션량(Cushion)이 늘어나며, 사출압 또는 유압은 변화하지 않으나 금형에서의 내압(Cavity Pressure)은 증가한다. 계량속도(Screw RPM)의 변화계량속도를 낮추면, 계량시간이 길어지고, 금형에서의 내압(Cavity Pressure)은 감소하지만, 사출압 또는 유압은 변화하지 않는다. 배럴 히터 온도(Heat Temperature)의 변화배럴의 밴드 히터 온도를 높이면, 쿠션과 계량시간의 변화는 미미하고, 금형에서의 내압(Cavity Pressure)은 증가한다. 점도가 낮아짐에 따라 사출압 또는 유압은 충진(Fill) 구간에서 감소하고, 보압(Hold) 구간에서는 변화하지 않는다. (* 충진 구간에서는 속도에 따라 사출압이 변화하고, 보압 구간에서는 압력에 따라 스크류의 움직임이 변화함.)형체력(Clamp Force)의 변화형체력을 높이면, 금형의 변형에 의하여 캐비티 체적이 줄어들어 쿠션량이 증가하고 금형에서의 내압(Cavity Pressure)도 증가하며, 이에 따라 충전(Pack)속도가 빨라진다. 최대 사출압 또는 유압은 충진(Fill) 구간에서 약간 증가하지만 미세하고, 보압(Hold) 구간에서는 변화하지 않으며, 계량속도에는 영향을 미치지 않는다.일반적으로 현장에서 형체력을 최대로 설정하여 사용하는 경우가 많다. 이는 금형 이관 시에 더욱 높은 형체력을 가지는 사출기를 최대 형체력으로 사용하는 경우에, 금형의 수명에 영향을 줄 뿐만 아니라, 제품의 품질에도 영향을 줄 수 있음을 명심하여야 한다. 따라서 항상 계획된 또는 계산된 형체력을 설정하여 사용하여야 하며, 이를 위하여 금형 변형 센서를 적극적으로 사용하는 것도 현명한 선택 중의 하나이다.동일한 재료가 동일한 변화과정을 거쳐서 제품화되면, 품질이 동일할 수밖에 없으므로, 재료의 관점(Plastic’s Point of View)에서 금형 이관(Mold Transfer)을 수행하여야 한다. (* 사출기 설정 조건에 따른 제품의 변화로 이해하지 말고, 4대 변수(4-Variables)의 변화와 제품의 품질을 연계하면, 보다 깊은 이해가 가능할 것으로 예상된다.)… 핸들러 2월호에서는 ‘Ⅳ. 사출 공정 모니터링 시스템의 활용 예제’가 이어집니다

편집부 2021-01-03

㈜우진플라임 사출성형기 사출 성형품에 나타날 수 있는 트러블의 종류와 해결 방법 4

자료제공: 우진플라임기술교육원(http://woojinplaimm.or.kr)< 성형품에 나타날 수 있는 불량의 종류 >12. Scratch, Deformation, Crack (긁힘, 변형, 균열)손상의 정도에 따라서 긁힘, 변형, 균열로 구분한다. 성형품의 긁힘/변형/균열은 이형 시 Ejector Pin에 의하여 일어나는 변형과 내부 압력의 완화또는 수축으로 일어나는 변형을 말한다. 변형도 면에 평행방향 변형을 휨(Warp), 대각선 방향의 변형을 뒤틀림(Twist)이라 하며 변형이 심하게 진행된 경우에는 균열도 발생함.< 원인 및 대책 >변형은 금형 자체의 불량이나 잔류 응력, 이형 시 이형력에 의하여 대부분 발생하며, 금형 내에서 냉각이 불충분한 상태에서 이형 시에도 많이 발생한다.13. Surface desquamation (표층 박리)수지의 층이 균일하게 결합되지 못하여 박리가 발생한다. 이는 Sprue Runner & Gate 부위 또는 성형품 상에서 발생할 수 있고, 조건에 따라 면적이 크고 두꺼울 수도 있고, 면적이 작고 얇을 수도 있다.< 원인 및 대책 >표면층 박리는 박리현상이 발생하는 부위의 표피층 결합이 충분하지 못하기 때문이다. 사출 성형품은 다른 유동 효과와 냉각 조건에 따라 여러 층이 형성되며, 전단응력과 수지의 불 균형성 때문에 이들 층의 결합이 약화하여 표피층의 박리가 시작된다. 사출 속도가 빠르거나, 수지의 온도가 높을 때 발생한다. 상호 혼합이 안 되는 착색제 또는 마스터 배치 사용, 예비 건조가 불충분해도 발생한다. 또한, 사출성형기의 가소화 장치에서 용융이 불충분하여 발생하는 때도 있다. 14. Cold Slag (식은 수지 저장공간)냉각된 수지가 Nozzle(Hot Runner도 동일)을 통하여 사출되면서 제품 표면에 혜성 꼬리와 같은 자국을 만든다. 이들은 Gate 주변 또는 성형품의 넓은 범위에 걸쳐서 나타날 수 있다. 또 Cold Slag가 Runner를 통하여 성형품으로 들어갈 때 Weld Line을 발생시키며 정체된 Cold Slag가 Cold Flow Line을 발생시키는 때도 있다.< 원인 >Cold Slag은 사출성형 공정 중 사출 공정 후 보압 공정에서 이루어지기 시작하여 차기 사출 과정이 시작되기 전까지 형성이 된다. 형성된 Cold Slag은 수지 통로인 Runner를 막아서 수지를 분리시킨다. Cold Slag가 다시 용융되지 않으면 해성의 꼬리와 같은 자국을 만들고, 이것이 성형품에 퍼질 수 있으며, 그 결과 Weld Line과 같은 Cold Slag Line이라는 성형 결함으로 나타난다. Cold Slag는 Nozzle 온도제어 불량 또는 가소화 Unit 후퇴 지연에 의해 발생하기도 하며 작은 Nozzle 직경도 불리한 영향을 미친다.

편집부 2021-01-03

기계연, DNA 니들 패치·스마트 로봇 의족 올해의 10대 기계기술선정

- 한국기계단체총연합회 선정 2020년 올해의 10대 기계기술에 나란히 올라통증 없이 약물을 피부에 전달하는 ‘붙이는 주사’, 나라를 지키다 상처 입은 국가유공자에게 새로운 다리가 되어줄 스마트 로봇의족. 한국기계연구원의 우수 연구 성과 2건이 올해의 10대 기계기술에 선정됐다.한국기계연구원(원장 박상진, 이하 기계연)은 지난 12월 9일(수) 한국기계기술단체총연합회 선정 올해의 10대 기계기술에 정준호 전략조정본부장의 ‘통증 없이 붙이는 주사-나노마이크로 DNA 니들 패치’ 기술과 우현수 의료지원로봇연구실장의 ‘하지 절단 장애인의 정상보행을 위한 발목형 로봇 의족’ 기술이 나란히 오르는 영예를 안았다.올해의 10대 기계기술은 한국기계기술단체총연합회가 국내에서 개발된 기계기술을 대상으로 심사하여 올해 가장 우수한 기계기술에 수여하는 명예로운 상이다. 나노 마이크로 DNA의 체내 전달 원리 DNA 니들에 유효물질을 탑재해 피부에 부착하면 니들이 피부의 각질층을 뚫고 들어가 피부 안쪽에서 융해되고, 유효물질이 DNA와 함께 체내로 흡수된다. 0.3㎚ 연어 DNA로 제조한 200∼1,000㎛ 니들 패치 200∼1,000㎛ 수준의 DNA 니들을 확대한 이미지. 한국기계연구원 정준호 전략조정본부장정준호 본부장의 나노 마이크로 DNA 니들 패치는 3차원 나노 패터닝 기술로 만든 DNA 니들을 피부에 부착해 통증 없이도 백신 같은 원하는 유효성분을 피부 내로 흡수시킬 수 있는 세계 최초 기술이다. 이 기술은 국내 등록 특허 및 미국과 중국, 인도를 포함한 해외 7개국 출원 특허를 바탕으로 연구소기업을 설립하여 상용화에도 성공했다.정준호 본부장은 “독감 및 신규 유행성 바이러스 백신이 탑재된 나노 마이크로 DNA 니들 패치 실용화를 위한 연구개발에 전력을 다하겠다”고 말했다.하지 절단 장애인의 정상보행을 위한 발목형 로봇 의족(왼쪽) 세계 최고 수준의 경량 고출력 구동 메커니즘이 적용된 전자제어식 의족.(오른쪽) 전자제어식 의족을 착용하고 계단을 오르는 모습. 한국기계연구원 우현수 의료지원로봇연구실장우현수 의료지원로봇연구실장이 개발한 하지 절단 장애인 정상보행을 위한 발목형 로봇 의족은 세계 최고 수준의 경량 고출력 구동 메커니즘을 적용하여 구현한 전자제어식 의족으로, 무릎 아래 부위가 절단된 장애인이 착용하고 평지와 경사로, 계단 등을 자연스럽게 걸을 수 있도록 돕는 기술이다.로봇 의족은 현재 과학기술정보통신부와 국가보훈처가 협력하여 사용성 개선 테스트를 진행하고 있으며 연내에 다수의 국가유공자를 대상으로 시범 공급하는 사업도 진행할 예정이어서 큰 관심을 모으고 있다.우현수 의료지원로봇연구실장은 “국산 기술로 가격은 기존 외산제품 대비 1/4 수준이면서 성능은 동등한 로봇 의족을 개발하고 사업화함으로써 국내 하지 절단 장애인분들의 편안하고 자연스러운 보행에 도움이 되기를 기대한다”며, “향후 발목형뿐 아니라 무릎형 로봇 의족까지 제품군을 다양화하고 경쟁력을 보강하여 해외시장에도 진출할 수 있도록 노력하겠다”라고 말했다.

편집부 2020-12-20

고성능 폴리머가 기여하는 5G 기술 발전

고성능 플라스틱의 도움으로 5G 출시 속도 향상코로나 바이러스로 인하여 5세대 (5G) 무선 기술의 출시가 지연되지 않을것으로 보이며, 하이 퍼포먼스 폴리머는 이러한 초고속 데이터 네트워크의 발전을 실현하는 데 필요한 인프라 구축에 핵심적인 역할을 계속하고 있습니다. 세계 최대 통신 장비 공급 업체 중 하나 인 에릭슨은 2020년 말까지 전 세계 5G 휴대 전화 가입자 수에 대한 추정치를 2억 2천 8백만으로 다시 상향 수정한 새로운 보고서를 발표했습니다. 이는 지난 6월 예상치 인 1억 9천만명에서 증가한 수치입니다. 5G구축에 필요한 많은 하드웨어에 장비를 사용하는 스웨덴의 네트워크 대기업은 이 초고속 기술이 2026년까지 전 세계 인구의 약 60 %를 차지할 것이라고 예측합니다. 또한 미국 소비자 기술 협회의 "미국 소비자 기술 1년 산업 전망”은 5G 지원 스마트폰이 올해보다 296% 증가한 436억 달러의 수익을 2021년에 기여할 것으로 예측합니다. CTA의 연구에 따르면 미국의 5G 스마트 폰 출하량은 2021년 말까지 6,500만대, 2024년에는 1,억730만대에 이를 것이라고합니다. 그럼에도 불구하고 대부분은 5G 기술이 모바일 통신을 넘어 우리 삶과 많은 산업에 영향을 미칠 것이라는 데 동의합니다. 예를 들어 사용자가 몇 초 만에 고화질 영화를 다운로드 할 수 있도록 지원하며, 안전한 자율 주행을 가능하게하고, 증강 현실 기술을 발전시키고, 공장 자동화를 촉진하고, 원격 의료를 강화하고, 엔터테인먼트 산업에 혁명을 일으킬 것입니다. 원료 공급 업체는 5G 관련 인쇄 회로 기판 (PCB) 및 기지국에 필요한 고열, 내구성 및 투명 사양을 수용하는 데 필요한 수지 및 화합물을 개발하기 위해 열심히 노력하고 있습니다. 다음은 몇 가지 최근 개발 사항입니다. Clariant는 Exolit® OP 및 Exolit EP 라인의 인 기반 난연제가 고속, 고주파 PCB에서 필요한 특성을 지원하고 5G 표준을 실현하는 데 필요한 모든 특성을 갖추고 있다고 말합니다. 액상 가공품 (Exolit EP)과 초 미세 분말 (Exolit OP)로 모두 사용 가능하며, 다른 난연제와 시너지를 낼 수 있는 인 함량이 높아 저용량에서도 높은 효율을 제공합니다. 열 안정성이 높기 때문에 전자 제품의 조립 및 패키징에 적합하며 5G 전송으로 인해 발생되는 "열을 견딜"수 있습니다. Kaneka Corp.는 고속, 고주파 5G 용 초 내열 폴리이미드 필름인 Pixeo ™ IB를 개발했습니다. Pixeo ™ IB는 고주파수에서 손실 탄젠트를 폴리이미드 필름의 글로벌 최고 수준인 0.0025까지 감소시킵니다. 이를 통해 5G 밀리미터파 영역을 처리 할 수 있어 고속 통신을 실현할 수 있습니다. △ Kaneka Corp.의 새로운 Pixeo IB 폴리이미드 필름은 초 내열성으로 5G 애플리케이션에 사용하기에 이상적입니다. Toray Industries Inc.는 폴리머의 분자 특성, 난연성 및 화학적 견고성을 유지하면서 40 °C 에서 내열성을 유지하는 폴리페닐렌 설파이드 (PPS) 필름을 개발했습니다. 도쿄에 본사를 둔이 회사는 새로운 필름이 변형에 강하고 융점 근처에서 치수적으로 안정적이라고 말합니다. 5G 애플리케이션을위한 연성 인쇄 회로에서이 필름은 고주파에서 통신 장치의 전송 손실을 줄이고 온도 및 습도 스펙트럼에서 고속 통신을 안정화 한다고 합니다. △도레이는 독자적인 기술을 이용하여 PPS 필름의 특성을 유지하고 내열성을 높이면서 PPS 필름의 구조를 제어하는 기술을 개발했습니다. Dow Inc.는 최근 민감한 전자 부품에서 많은 양의 열을 방출하기 위해 개발 된 1 액형 열전 도성 젤을 출시했습니다. DOWSIL ™ TC-3065 Thermal Gel은 뛰어난 습윤성으로 인해 틈새를 쉽게 채우고 5G의 높은 전력 밀도와 관련된 높은 열로부터 전자 장치를 보호하지 못할 수 있는 탄성 열 패드를 대체 할 수 있습니다. △ Dow Inc.는 전자 부품에 사용되는 새로운 Dowsil TC-3065 열전도성 젤이 자동 디스펜싱을 지원한다고 밝혔습니다. SABIC은 5G 기지국에 사용되는 CCL (동박 적층판)이 필요한 고성능 인쇄 회로 기판에 사용되는 특수 Noryl SA9000 폴리페닐렌 에테르 (PPE) 수지의 글로벌 생산 능력을 높일 계획이라고 밝혔다. 2019년 증산을 기반으로한 이 최신 기술은 아시아 지역 생산량을 거의 두 배로 늘리고 아시아의 전체 Noryl SA9000 수지 생산량을 2018년 대비 10배 증가시킬 것입니다. 이 확장 프로젝트는 현재 인도에서 진행 중이며 연말까지 완료 될 것으로 예상됩니다.△ SABIC은 5G 기지국, 단말 및 모바일 기기에 사용하기위한 다양한 특수 소재를 제공합니다. 이 수지는 열 관리 및 무선 주파수 개선과 같은 문제를 해결합니다.한편 SABIC은 자사의 포트폴리오에 LNP ™ 화합물 및 공중합체, Ultem ™ 수지, NORYL ™ 수지 및 코폴리머를 포함한 5G 기지국, 단말기, 모바일 장치를 위한 기타 특수 재료가 포함되어 있다고 말합니다. 이러한 재료는 열 관리 및 RF (무선 주파수) 성능 개선, 무게 및 비용 감소, 생산 수율 향상과 같은 주요 산업 과제를 해결하는 것으로 알려져 있습니다. 따라서 5G 혁명이 본격화됨에 따라 플라스틱 공급 업체가 이를 실현하는 데 앞장서고 있는것은 분명한 사실이다.자료제공: C P R J 자표편집 : 핸들러 전문지핸들러 전문지는 차이나플라스 전시 주최사인 애드세일에서 발행하는 CPRJ미디어와 한국독점 제휴가되어 있습니다. CPRJ 미디어(중국.아시아)에 홍보 계획이 있으시다면 핸들러 전문지에 문의 바랍니다.

편집부 2020-12-18

화학연, 온실가스 이산화탄소와 폐글리세롤로부터 유용한 자원 생산한다!

- 바이오디젤 부산물인 폐글리세롤과 버려지는 온실가스 이산화탄소로부터 유용 화학원료 젖산 및 포름산 동시 생산 촉매 공정 개발… 온실가스 감소 효과 기대- 물질 분야 권위지 『물질 화학(Chemistry of Materials)』紙 12월호 표지논문 발표온실가스인 이산화탄소와 바이오디젤의 부산물인 글리세롤로부터 유용한 화학원료인 젖산과 포름산을 동시에 생산할 수 있는 촉매 공정 기술이 개발됐다. 최근 친환경 정책의 영향으로 식물 유래 연료인 바이오디젤 생산이 전 세계적으로 증가하고 있다. 글리세롤은 바이오디젤이 생산될 때 약 10% 정도 나오는 부산물로, 가격이 매우 저렴하다. 글리세롤에 있는 수소를 떼어내 반응시키면 생분해성 플라스틱의 원료인 젖산을 만들 수 있어 관련 연구가 전 세계적으로 증가하고 있다. 새로 개발한 촉매의 반응을 통해 글리세롤과 이산화탄소를 동시 전환해 젖산과 포름산을 생산하는 것을 나타낸 그림이다. 화학연 황영규 박사팀은 이 글리세롤과 온실가스인 이산화탄소를 활용해 젖산과 포름산을 높은 수율로 생산할 수 있는 촉매 공정을 개발했다. 젖산은 썩는 플라스틱의 원료로 활용될 수 있으며 포름산은 연료전지의 수소저장물질, 가죽과 사료 첨가제로 쓰이거나 추가 촉매 공정을 통해 화학제품으로 만들어질 수 있다. 2020년 기준 세계적 시장 규모로 젖산은 170만 톤, 포름산은 200만 톤이고, 매년 15%, 5%씩 시장이 성장하는 추세다.** 출처: Markets and Markets, 2015,

편집부 2020-12-15

UNIST·KIST 공동연구팀, 그래핀 튜브가 규칙적으로 이어진 메조 다공성 구조 구현

- 에너지 변환·저장 장치 적용 가능한 탄소 나노물질… 앙게반테 케미 논문 게재전기전도도가 우수한 그래핀으로 만들어진 새로운 ‘메조(meso) 다공성’ 탄소가 개발됐다. 그래핀 메조 다공성 탄소는 차세대 에너지 생산 및 저장장치의 상용화를 앞당기는 데 크게 기여할 것으로 기대된다.메조 다공성 흑연질 탄소 골격 구조UNIST(총장 이용훈) 화학과 주상훈 교수 연구팀은 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 김진영 박사팀과의 공동연구를 통해 그래핀 튜브(탄소 나노튜브)가 규칙적 연결된 ‘그래핀 골격 메조 다공성 탄소(Ordered Mesoporous Graphitic Tubular Carbon, OMGC)’를 합성하는 데 성공했다.(그림 참조) 구멍이 많고 전기전도도가 높아 연료전지 촉매, 촉매 지지체, 에너지 저장장치 등으로 다양하게 쓰일 수 있다.메조 다공성 탄소는 기공 크기가 일정하고 균일하게 배열된 탄소 나노물질이다. 반응 표면적이 넓어 촉매로서 유리하다. 그러나 전기전도도가 낮다는 단점 때문에 쓰임새의 제한이 있었다. 물로 수소를 만드는 ‘물 전기분해 시스템’이나, 수소로 전기를 만드는 연료전지 촉매로 쓰이려면 물질의 전기전도도가 높아야 한다.메조 다공성 흑연질 탄소 골격 제조 방법(이중 주형법)주 교수 연구팀은 ‘메조 다공성 실리카’와 ‘몰리브데늄 카바이드’를 틀(주형)로 사용하는 ‘이중 주형법’을 고안했다. 제1저자인 백두산 화학공학과 박사과정 연구원은 “‘몰리브데늄 카바이드’를 메조 다공성 구조로 만들게 되면 겉에 그래핀 층(few-layer graphene)이 여러 겹 생긴다”며, “이 상태에서 ‘몰리브데늄 카바이드’만 제거하면 그래핀 튜브로 이뤄진 메조 다공성 탄소를 얻을 수 있다”고 설명했다.이 물질과 루테늄을 함께 쓴 촉매는 상용 촉매 (루테늄, 백금)보다 높은 성능을 보였다. 실제 상용화된 수소생산 장치에서도 우수한 성능을 보였다. 이 실험을 진행한 한국과학기술연구원 김진영 박사는 “차세대 수소생산 장치로 각광받고 있는 알칼리 고체막 물 분해 장치의 성능 향상에 큰 전기를 마련한 연구”라고 전했다.메조 다공성 흑연질 탄소 골격의 성능(좌) 탄소 나노물질 전기전도도(Conductivity) 비교 그래프. 메조 다공성 그래핀 골격 탄소(붉은색 막대그래프)의 전기전도도가 가장 높다. (우) 음이온 교환막 물 전기분해 장치에서 루테늄 나노촉매의 성능 비교 그래프. 루테늄 금속 입자 지지체로 메조 다공성 그래핀 골격 탄소를 쓴 경우(붉은색 막대그래프) 성능이 가장 우수하다.한편, 이 소재는 에너지 저장장치로도 쓰일 가능성이 보였다. 에너지 저장장치 중 하나인 리튬이온 커패시터(Lithium-ion capacitor)에서 그래핀 메조 다공성 탄소는 기존 메조 다공성 탄소 대비 우수한 에너지 저장 성능을 보였다.주상훈 교수는 “새롭게 개발한 소재는 메조 다공성 탄소, 그래핀, 탄소 나노튜브의 장점을 결합한 물질”이라며, “에너지 변환장치용 촉매 또는 촉매 지지체, 에너지 저장장치, CO2 흡착제, 오염물질 흡착제 등에 다양하게 응용될 것”이라고 기대했다.UNIST 화학과 주상훈 교수팀, 에너지화학공학과 강석주 교수팀, KIST 김진영 박사팀이 참여한 이번 연구는 화학 분야 권위지인 ‘앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Edition)’에 11월 12일 자로 온라인 출판됐다.연구 수행은 과학기술정보통신부(장관 최기영)와 한국연구재단(이사장 노정혜)이 추진하는 ‘기후변화대응기초원천기술개발사업’, ‘미래소재디스커버리사업’, ‘수소에너지혁신기술개발사업’ 및 한국과학기술연구원 주요사업의 지원을 받아 이뤄졌다.* 논문명: Ordered Mesoporous Carbons with Graphitic Tubular Frameworks via Dual Templating for Efficient Electrocatalysis and Energy Storage자료문의: 화학과 주상훈 교수(052)217-2522

편집부 2020-12-15

스마트폰 액정, 돈 내고 수리하세요? 깨져도 알아서 고쳐지는데

편집부 2020-12-07

우리 생활에 없어서는 안될 유용한 플라스틱 제품을 만드는 사출성형기 이야기 29

취재부 2020-12-07