HANDLER

기술과 솔루션

news 기술과 솔루션

생기원 스마트 윈도우, 외부 기온에 따라 실내온도 조절

- 태양광 적외선의 투과율을 자동 조절해 냉난방 에너지 30% 절감- 외부 전원 필요 없고, 대면적 필름 형태로 양산 가능해 상용화 유리전 세계 에너지 사용량의 약 41%는 건물 냉난방에 사용되고 있으며, 그중 45%가량의 에너지가 외부로 노출된 유리창을 통해 손실된다. 특히 최근 유리창이 건물 외곽의 대부분을 차지하는 커튼 월(Curtain Wall) 구조의 고층 건물들이 늘어나면서 에너지 손실을 줄이기 위한 방안으로 ‘스마트 윈도우(Smart Window)’가 주목받고 있다. 스마트 윈도우란 실내로 들어오는 태양광선을 차단하거나 그 투과율을 제어함으로써 에너지 손실을 줄이고 냉난방 효율을 향상시켜주는 기능성 창호이다.스마트 윈도우 필름 시제품을 제작하고 있는 생기원 전북본부 소속 연구원한국생산기술연구원(원장 이낙규, 이하 생기원)이 외부 기온 변화에 따라 태양광 적외선의 투과율을 스스로 조절해 쾌적한 실내온도를 유지해줄 수 있는 스마트 윈도우 제조기술을 개발했다.개발된 스마트 원도우는 특정 온도에서 가시광선은 투과시키지만, 적외선을 차단하는 특성을 지닌 열변색 소재 ‘이산화바나듐(이하 VO2)’을 사용해 외부 기온이 일정 수준 이상 상승할 경우 적외선 투과를 자동 제어한다. 특히 여름철 고온에서는 적외선을 70%가량 차단시켜 냉방 효율을 향상시켜주는 반면, 겨울철 상온에서는 적외선을 최대한 받아들여 보온 효과를 냄으로써 적정 실내온도 유지에 필요한 에너지 소비를 일반 창호보다 30%가량 절감시켜준다. 개발한 스마트 윈도우 필름 시제품을 점검하고 있는 김대업 박사개발을 주도한 생기원 탄소소재응용연구그룹 김대업 박사 연구팀은 스마트 윈도우 제작비용 감소와 설치 편의성 증대에 초점을 두고 2016년부터 자체 연구비로 개발에 착수해 4년 만에 성과를 냈다.기존 전기변색 방식의 스마트 윈도우의 경우 전력 구동 회로가 복잡해 공정비용이 많이 들고, 설치 시 전기 배선 작업이 필요하다는 단점으로 인해 그동안 상용화에 어려움을 겪어왔다. 반면 개발된 스마트 윈도우는 기온 변화에 자동 반응하는 소재 특성상 별도의 외부 전원과 전력 구동 회로가 필요 없어 제작비용이 저렴하다. 또한, 창호뿐만 아니라 유리창에 덧붙이는 필름 형태의 플렉시블(Flexible) 제품도 생산 가능해 사용자가 쉽고 간편하게 시공할 수 있다.현재 50㎝×50㎝ 크기의 필름 개발을 완료한 상태이며, 향후 1m×1m 크기의 대면적 필름을 고속 생산에 유리한 롤투롤(Roll-to-roll) 공정*을 통해 저렴하게 양산할 수 있을 것으로 예상된다.* 필름, 동박 등 얇은 소재를 회전 롤에 감으면서 소정의 물질을 도포해 새로운 기능을 부가하는 공정이번 기술개발의 핵심은 유리 또는 필름 기판 위에 VO2 박막을 코팅하는 공정에 세계 최초로 인쇄전자* 분야에서 주로 활용돼왔던 백색광 저온 소결 공정을 적용했다는 데 있다.* 원하는 전자회로 부분을 기판이나 필름 등에 전도성 전자잉크로 인쇄하듯이 제조하는 기술기존 VO2 박막은 68℃ 수준에서 적외선을 반사하는 특성을 보여 이보다 온도가 낮은 상온에서는 스마트 윈도우 소재로 활용하기 어렵고, 결정성이 낮아 반사 효율도 떨어진다는 한계가 있었다.연구팀은 VO2 소재에 도핑 물질을 첨가해 적외선 반사 온도를 23℃ 수준까지 낮췄으며, 이 소재로 만든 용액을 코팅해 박막을 만들고 40℃~60℃ 사이의 저온 영역에서 제논램프(Xenon lamp)*의 광에너지로 VO2 나노입자를 소결, 결정성을 높임으로써 적외선 반사 효율을 향상시키는 데 성공했다.* 고압 제논 가스가 이온화를 통해 전기를 인가시켜 빛을 생성하는 백색 전등이 공정을 통해 기존 열처리 공정 대비 소결 시간을 1/10,000 수준 이하로 단축했고, 제조비용도 약 40% 이상 절감해 상용화 가능성을 높였다.생기원 전북본부에 구축된 백색광 저온 소결 공정 장비김대업 박사는 “적외선램프를 활용한 시제품 비교 평가결과 스마트 윈도우 필름 부착 여부에 따라 실내 온도 차가 13℃가량 발생했다”고 밝히며, “현재 상품성을 높이기 위해 소비자들이 선호하는 푸른색 계열의 필름 색상 개발에 주력하고 있으며, 향후 자동차나 온실, 옥외 디스플레이용 필름까지 응용 분야를 확대할 예정”이라고 말했다.한편 연구팀은 국내 특허 9건과 해외 특허 3건을 출원해 우수특허 1건을 포함한 국내 특허 4건이 등록되고, 게재된 SCI 논문 10편 중 4편이 우수논문에 포함되는 실적을 냈다. 또한, 2019년 12월 액정필름 제조 전문기업 ㈜큐시스와 기술이전 계약을 체결해 건축 창호용 필름 양산을 준비 중이며, 현재 다른 전문기업 2곳과 추가 기술이전을 협의하고 있다.관련문의: 한국생산기술연구원 탄소소재응용연구그룹 김대업 박사 (063-210-3740 / 010-7128-9166 / dukim@kitech.re.kr)한국생산기술연구원 홍보문화실 이한영글 행정원 (041-589-8039 / 010-3126-7596 / left0723@kitech.re.kr)

취재부 2020-05-18

화학연, 냉장식품 변질 여부 알려주는 스티커 기술이전 설명회 개최

- 콜드체인 안심 스티커 제조기술 라운드테이블 5월 19일(화) 13시 서울 양재aT센터서 열려- 기업들의 높은 관심 속 국내외 유통·제조기업 15개사 참여 의사 밝혀한국화학연구원(원장 이미혜)은 5월 19일(화) 오후 1시 서울 양재aT센터 세계로룸에서 기술 도입 희망기업을 대상으로 ‘콜드체인 안심 스티커 제조기술 라운드 테이블’을 개최한다.콜드체인 안심 스티커 제조기술은 그 우수성을 인정받아 ‘어드밴스트 머티리얼스’ 3월호 내지 삽화(Frontispiece)로 실렸다.‘콜드체인(저온유통) 안심 스티커’는 냉장·냉동 식료품 변질 여부를 알려주는 스티커로, 10℃ 이상의 상온에 노출되면 투명해지는 나노섬유 필름을 이용한 것이다.이번 기술설명회는 한국화학연구원 바이오화학연구센터 연구진이 개발한 안심 스티커 제조기술이 지난 4월 초 언론에 보도된 이후, 기업들이 높은 관심을 보여 열리게 됐다. 현재 국내외 유통 및 제조기업 15개사가 기술설명회 참여 의사를 밝혔다.이번 기술설명회는 크게 연구진의 기술소개와 질의응답, 기업별 기술상담으로 나눠 진행된다.콜드체인(저온유통) 안심 스티커 제조기술 라운드테이블 개최 안내문우선, 한국화학연구원 바이오화학연구센터 황성연 센터장과 오동엽, 박제영 박사가 콜드체인 안심 스티커 제조기술에 대해 설명하고, 참여기업들의 질문에 답하는 시간을 갖는다. 이어서 제조기업과 유통기업으로 나눠 기업별 기술상담이 진행될 예정이다.이번 기술설명회에 참여하고 싶은 기업은 5월 13일(수)까지 한국화학연구원 기술사업화실에 전화(042-860-7076)나 이메일(chanian@krict.re.kr)로 신청하면 된다.한국화학연구원 바이오화학연구센터 오동엽·박제영·황성연·최세진 박사팀은 지난 4월 7일 냉장으로 배송받은 식료품의 변질 여부를 확인할 수 있는 스티커를 개발했다고 밝혔다.콜드체인 안심 스티커는 10℃ 이상의 상온에 노출되면 투명해지는 나노섬유 필름이 핵심으로, 나노섬유 필름과 일반 필름 두 겹으로 이뤄져 있다. 나노섬유 필름은 저온 상태에서 안정된 형태로 빛을 산란시켜 불투명하다. 하지만 상온에 일정 시간 동안 노출되면 나노섬유 구조가 붕괴되면서 빛이 투과해 투명해진다.이 같은 원리를 이용해 스티커 앞면의 나노섬유 필름이 상온에 노출되어 투명해지면 뒷면의 일반 필름 이미지가 나타나는 것이다. 이를 통해 식료품의 변질 여부를 알 수 있다. 이 스티커는 식료품뿐만 아니라 고가의 의약품 저온유통에 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 스티커 자체가 얇고 유연한 데다 예상 제작 비용이 개당 10원 대로 저렴하기 때문이다.이 연구성과는 ‘어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials, IF:25.809)’ 3월호에 ‘식품의 콜드체인 배송 시 온도·시간 이력을 지시하는 나노섬유 스티커’라는 제목의 논문으로 게재됐으며, 과학기술정보통신부의 한국화학연구원 주요사업으로 수행됐다.기술설명회 문의: 연구전략본부 기술사업화실 이영석 실장(042-860-7995, 010-8803-1841)연구전략본부 기술사업화실 최경선 선임연구원(042-860-7076, 010-7942-7164)

취재부 2020-05-14

KAIST 이상엽 특훈교수 연구팀, 미생물 기반 바이오 숙신산 대량 생산기술 개발

- 화석연료에 대한 의존성을 대폭 낮추고, 숙신산을 효과적으로 생산할 수 있는 근간을 제시왼쪽부터 생명화학공학과 김기배 박사과정, 안정호 박사, 이종언 박사과정, 이상엽 특훈교수국내 연구진이 플라스틱의 원료와 식품·의약품 합성에 사용되는 중요한 화학물질인 숙신산을 대량으로 생산할 수 있는 기술을 개발했다. KAIST 생명화학공학과 이상엽 특훈교수 연구팀과 경북대학교(총장 김상동) 김경진 교수 연구팀이 시스템 대사공학을 이용해 미생물 기반의 바이오 숙신산 대량 생산을 가능케 하는 세계 최고의 효율을 지닌 숙신산 생산 균주를 개발하는 데 성공했다고 밝혔다. 이 교수와 김 교수가 이끄는 공동연구팀의 이번 연구성과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)’ 4월 23일 저 온라인판에 게재됐다.(논문명 : Enhanced succinic acid production by Mannheimia employing optimal malate dehydrogenase) 기후변화 대응기술 중 바이오리파이너리 기술은 화석연료에 의존하지 않고 바이오매스 원료로부터 생물공학적‧화학적 기술을 이용해 화학제품과 바이오 연료 등 산업 화학물질을 친환경적으로 생산하는 분야이다. 이 중 특히 핵심 기술인 ‘시스템 대사공학’은 미생물의 복잡한 대사 회로를 효과적으로 조작해 산업 화학물질의 생산 효율을 높일 수 있다. 현대산업 전반은 화석연료를 바탕으로 하는 산업에 매우 의존적이며 숙신산의 생산 또한 화석연료를 기반으로 이뤄진다. 그러나 이는 화석연료의 고갈과 이에 따른 원류 가격의 지속적인 증가, 화석연료 기반 산업으로부터 발생하는 지구 온난화 등 매우 심각한 부작용을 낳는다. 또 급속도로 고갈돼 가는 화석연료를 대체할 수 있는 바이오 기반의 숙신산 생산은 필수적이다. 연구팀은 한우의 반추위에서 분리한 미생물인 맨하이미아(Mannheimia)의 대사 회로를 조작해 숙신산을 생산하는 연구를 지속해 왔으며, 이번에 세계 최고의 생산 효율을 지닌 숙신산을 생산할 수 있는 개량 균주를 개발하는 데 성공했다.개발된 숙신산 생산 미생물의 대사 회로 및 숙신산 생산에 핵심적인 말산 탈수소효소의 효소 구조숙신산은 탄소 4개로 구성된 다이카복실산인데 대사과정에 있어 숙신산 한 분자를 생산할 때 이산화탄소 한 분자를 소모한다. 따라서 미생물 배양에 의한 숙신산 생산을 통해 이산화탄소의 저감에 기여한다. 연구팀은 이번 연구 과정에서 숙신산 전환에 핵심역할을 하는 효소의 구조를 밝히는 한편 단백질 공학을 통해 효소 성능을 개선했으며, 이를 전체 대사회로 최적화에 연계시키는 시스템 대사공학을 수행했다. 이를 통해 포도당, 글리세롤, 이산화탄소를 원료로 리터당 134g(그램)의 높은 농도로 숙신산을 생산하고 경제와 가장 밀접하게 연관되는 생산성이 시간당·리터당 21g(그램)에 달하는 등 매우 효율적인 공정을 개발했는데 이는 세계 최고의 효율성을 지닌 숙신산 생산 공정으로 평가를 받고 있다. 지금까지는 일반적으로 시간당·리터당 1~3g(그램)이 최고 수준이었다.기후변화 등 환경 문제의 주범으로 꼽히는 화석연료에 대한 의존성을 대폭 낮추고 주요 산업 기반 화학물질인 숙신산을 효과적으로 생산할 수 있는 근간을 제시한 이번 연구성과는 학계로부터 중요성을 인정받아, 국제학술지인 네이처 커뮤니케이션지에 게재됐다. KAIST 이상엽 특훈교수는 “이번에 개발한 미생물 기반 바이오 숙신산 대량 생산기술은 화학산업의 플랫폼 화학물질로 사용될 수 있는 숙신산을 보다 더 효율적으로 생산할 수 있기 때문에 환경친화적인 바이오화학산업으로의 전환에 기여할 것”이라고 설명했다.한편 이번 연구는 과학기술정보통신부가 지원하는 ‘C1 가스 리파이너리 사업’ 및 ‘바이오리파이너리를 위한 시스템 대사공학 원천기술개발 과제’의 지원을 받아 수행됐다.

편집부 2020-05-14

UNIST 박혜성·양창덕 교수팀, 폴리이미드·그래핀 일체형 유연 투명 전극 개발

- 투과성·내구성 높아 고성능 웨어러블 전자기기 적용에 가능… 줄(Joule) 게재꿈의 신소재로 불리는 ‘그래핀’을 이용한 유연하고 투명한 전극이 개발됐다. 이 전극을 유기 태양전지에 적용하자, 같은 종류의 태양전지 중 최고 효율을 기록했다. 새로운 전극은 태양전지뿐 아니라 디스플레이나 광센서 등에도 쓸 수 있어 활용도가 높을 전망이다.UNIST(총장 이용훈) 에너지 및 화학공학부의 박혜성·양창덕 교수팀은 ‘그래핀 기반 고성능 투명 유연 전극’을 개발했다. 그래핀이 가진 우수한 전기 전도성과 내구성을 해치지 않도록 새로운 제조기법을 고안해, 기존 그래핀 전극의 단점을 보완했다.그래핀 전극은 ‘유기 태양전지’의 상용화를 앞당길 구성요소로 주목받는다. 태양전지는 태양광을 받아 전자를 만들어내는 ‘광활성 층’과 전자의 통로 역할을 하는 ‘전극’, 전체 전지구조를 유지하는 ‘기판’ 등 여러 층으로 이뤄진다. 유기 태양전지는 광활성 층으로 가볍고 유연한 유기물을 사용하므로 차세대 태양전지로 각광 받고 있다. 하지만 기존의 딱딱한 전극을 사용하면 유연하고 가벼운 태양전지를 구현하기 어려워진다.‘그래핀 전극’은 가볍고 유연한 데다 전기 전도성이 뛰어나고 내구성도 좋아 유기 태양전지의 특성을 살릴 수 있는 소재로 손꼽혀왔다. 그러나 그래핀이 원자 한층 수준으로 얇아서 전극 기판으로 옮길 때 지지층이 필요했다. 보통 지지층으로 전기가 안 통하는 고분자 물질을 쓰는데, 이들이 완전히 제거되지 않아 전기 전도성을 떨어트리는 문제가 있었다. 또 기판 위에 그래핀을 고정하는 힘이 부족해 굽히거나 외부 힘을 반복적으로 가하면 떨어지기도 했다.그림 1. 폴리이미드 그래핀 일체형 투명 전극 제작 공정 모식도공동연구팀은 그래핀을 옮기는 지지층을 기판으로도 사용하는 새로운 제조법으로 ‘기판 일체형 그래핀 전극’을 개발했다. 이 전극을 유기 태양전지에 적용한 결과, 15.2%의 광전변환 효율(태양광을 전기 에너지로 바꾸는 효율)을 기록했는데, 이는 이제껏 개발된 유연한 유기 태양전지 중 가장 높다. 이 태양전지는 또 5,000번의 굽힘 시험 후에도 초기 효율의 98% 이상을 유지하는 우수한 기계적 내구성을 보였다.그림 2. 개발된 그래핀 전극의 내구성(유연성)과 투명도(A) 개발된 전극을 적용한 유연 유기 태양전지 (B) 1000회의 굽힘에도 고른 전극 표면 유지 (C) 전극의 투명도제1 저자인 구동환 에너지 및 화학공학과 박사과정 연구원은 “투명한 폴리이미드(PI) 소재를 지지체 및 기판으로 사용해 잔여물도 없고 투명한 그래핀 전극을 얻었다”며, “그래핀 전극 위에 폴리이미드 기판을 직접 형성해 기판과 전극 사이의 접착력이 향상돼 내구성도 좋다”고 설명했다.이번에 개발한 기판 일체형 그래핀 전극의 경우 ‘고온 공정’이 필요한 다른 전기 소자에도 적용할 수 있다. 기존 그래핀 전극의 기판으로 이용되는 물질은 고온에서 변형됐으나, 폴리이미드 소재는 400℃ 이상의 고온도 견딜 수 있어 변형이 나타나지 않기 때문이다.그림 3. 폴리이미드/그래핀 일체형 투명 전극 기반 유기 태양전지 성능폴리이미드/그래핀 일체형 전극 기반 소자가 ITO 및 PET/그래핀 전극 기반 유연 소자 대비 우수한 효율(빨간선)을 보이며(좌), 우수한 광 투과도에 의해 광 흡수량이 증가한 것을 보여준다(중). 또한, 5㎜의 곡률 반경 아래에서 5,000회 굽힘 시험을 반복한 뒤에도 초기 효율의 98% 이상을 유지하는 우수한 기계적 내구성을 확인할 수 있다(우).박혜성 교수는 “이번에 개발한 ‘고성능 그래핀 전극’은 유기 태양전지의 효율과 내구성 등을 크게 높였다”며, “향후 태양전지뿐 아니라 고성능 LED, 광센서 등 다양한 차세대 유연 광전소자 개발에도 크게 도움이 될 것”이라고 기대했다.이번 연구는 저명한 국제학술지 ‘줄 (Joule)’ 4월 6일 자로 온라인에 미리 공개됐으며, 추후 출판될 예정이다. 연구 수행은 과학기술정보통신부와 미래창조과학부, 한국연구재단, 한국동서발전의 지원을 통해 이뤄졌다.논문명: Flexible Organic Solar Cells Over 15% Efficiency with Polyimide-Integrated Graphene Electrodes자료문의: 대외협력팀 _ 장준용 팀장, 양윤정 담당 (052)217-1228에너지 및 화학공학부 _ 박혜성 교수 (052)217-2563

편집부 2020-05-12

UNIST 장성연 교수팀, 고효율 ‘양자점-유기고분자 접합 태양전지’ 개발

편집부 2020-05-12

5G 이동통신용 화학소재 동향

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

편집부 2020-05-08

우리 생활에 없어서는 안될 유용한 플라스틱 제품을 만드는 사출성형기 이야기 22

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

편집부 2020-05-08

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