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열 차단 필름의 재료와 기능 2

9. 시공 평가 마지막으로 열 차단 필름이 없는 경우와 IR 흡수 입자 열 차단 필름 및 금속반사 열 차단 필름이 시공된 경우의 IR 차단효율을 비교하였다.  (1) 열 차단 필름이 없는 경우(그림 37)- 투명 유리는 약 13%의 태양에너지 차단: 5%의 열 흡수 + 8%의 열 반사- 하지만 시간이 지나면서 2.5% 실외로, 2.5%는 실내로 유입- 따라서 TSER는 10.5%(열 반사 8% + 열 재방사 2.5%)- SHGC는 89.5%(열 투과 87% + 열 재방사 2.5%)* SHGC(태양열 취득계수): 투과된 태양에너지 + 흡수 후 실내로 재방출되는 에너지* TSER(총 태양에너지 차단율): 유리에 반사되는 태양에너지 + 실외로 재방출 되는 에너지* SHGC + TSER = 100%    (2) IR 흡수 입자 열 차단 필름을 시공한 경우(그림 38)- 유리+선팅 필름은 약 80%의 태양에너지 차단: 72%의 열 흡수 + 8%의 열 반사- 실내로 유입되는 태양에너지는 불과 20%- 하지만 시간이 지나면서 36% 실외로, 36%는 실내로 유입- 따라서 TSER는 44%(열 반사 8% + 열 재방사 36%)- SHGC는 56%(열 투과 20% + 열 재방사 36%)    (3) 금속반사 열 차단 필름을 시공한 경우(그림 39)- 열 반사 type이라도 유리가 열을 약간 머금고 있음- 유리+선팅 필름는 약 80%의 태양에너지 차단: 30%의 열 흡수 + 50%의 열 반사- 실내로 유입되는 태양에너지는 20%, 시간이 지나면서 15% 실외로, 15%는 실내로 유입- 따라서 TSER는 65%(열 반사 50% + 열 재방사 15%)- SHGC는 35%(열 투과 20% + 열 재방사 15%)  열 차단 필름이 없이 glass만 있는 경우 89.5%의 태양에너지가 실내로 유입되며, IR 흡수 입자 type의 열 차단 필름을 시공한 경우 56%의 태양에너지가 실내로 흡수된다. 한편, 금속반사 열 차단 필름을 시공하면 35%의 태양에너지가 유입되어 가장 열선 차단효율이 높은 것을 알 수 있다. 10. 맺음말 갈수록 심해지는 기후변화 요인과 건축 디자인 변화 및 전기자동차 시대의 도래 등에 따라 하절기의 냉방효율이 올리기 위한 노력이 더욱 요구되는 추세에 있다. 이를 위한 솔루션의 하나로서, (습식 및 건식) 코팅된 필름을 점착제에 의해 단순히 부착하는 것만으로 가성비 높게 태양에너지에 의한 열선 영향을 감소시키는 열 차단 필름의 재료와 기능에 대해 알아보았으며, 향후 보다 고기능의 재료와 구조설계로 한층 더 업그레이드된 제품이 출시되기를 기대해 본다.   
취재부 2024-11-26
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열 차단 필름의 재료와 기능 1

 1. 태양에너지의 특징과 성질  태양으로부터 방출되는 에너지양은 일 년 내내 거의 일정하지만, 지구의 공전궤도가 타원형이고 지축이 기울어진 천문학적 요인에 의해 지구가 받는 태양복사 에너지양은 계절에 따라 변화하고 있다. 태양과 지구의 평균 거리는 약 1.5×108km로, 이 거리가 1AU(AU: Astronomical Unit)이다. 지구가 가장 태양에 가까워지는 곳은 근일점이고, 반대로 멀어지는 곳은 원일점이라 한다. 방사강도는 거리의 제곱에 반비례하며 거리가 멀어질수록 작아진다.  지구는 태양 주위를 1년에 걸쳐 한 바퀴 도는 공전운동 외에 약 24시간 주기로 자전운동을 하고 있다. 이때 지구의 지축이 공전 면에 대해 약 66.5°로 기울어져 있기 때문에 북반구의 겨울은 태양으로부터 멀어지는 방향으로 기울고, 반대로 여름은 태양에 가까워지는 방향으로 기울어진다. 지표면에서의 방사강도는 태양이 수평면과의 사이에 이루는 각도의 사인에 비례하기 때문에 태양의 남중고도가 높아지는 여름에 북반구의 방사강도가 커진다. 태양이 방출하는 전자파를 태양복사라 한다. 태양복사는 태양의 표면온도가 약 5,540℃인 높은 온도에서 방출하는 복사에너지로 대기권 밖의 태양광 스펙트럼은 태양 표면의 복사 스펙트럼과 매우 유사한 형상을 나타내고 있다.  그리고 태양복사 에너지는 지구에 도달한 후 공기, 구름, CO₂ 등에 의해 흡수·산란하기도 하며 지표에 도달할 때까지 감쇠·확산하기 때문에 그림 2과 같은 분포가 된다. 생명에 해로운 자외선 등 300㎚ 이하의 파장대는 대기권 밖의 태양광 스펙트럼에는 분포를 보이지만, 오존층에 의한 흡수로 지표에는 도달하지 않는다.   태양에서 우주공간을 거쳐 지구에 도달하는 태양의 복사에너지를 정의하는 양으로 태양상수(solar constant)가 있다. 태양상수란, 태양과 지구와의 거리가 1AU일 때 지구 대기 상단에서 입사 방향으로 수직 입사하는 단위면적당 단위시간의 태양 에너지양으로, 인공위성에 의한 측정 결과에 따르면 그 양은 약 1.4kW/㎡이다. 이 태양에너지는, 약 30%가 지표면에 의한 반사나 대기 중에서의 산란, 구름에 의한 반사에 의해 우주공간으로 돌아간다. 나머지 약 70%는 지표에 도달하는 태양에너지가 되며, 그 양은 약 1.0kW/㎡이다.    지표에 도달하는 복사에너지는 파장 범위 0.2~2.0㎛의 단파 복사로서 파장이 짧은 γ선과 x선부터 자외선, 가시광선, 적외선 및 파장이 수 m에 달하는 전파까지 전자기파로 이루어져 있다. 태양방사의 파장별 에너지를 그림 3에 나타내었다.  2. 여름철 폭염 및 차량 실내 온도 절기상의 입추는 이미 지났지만 폭염의 기세는 좀처럼 꺾이지 않고 대한민국 전체가 찜질방이 된 듯한 느낌이다. 우리나라 자연 계절에 관한 연구에 의하면, 가을이 시작하는 시점은 최고기온 25℃ 이하로 정의하고 있는데 아직 멀기만 하다. 이러한 더위는 밤낮을 가리지 않아서, 낮에는 연일 30℃ 이상의 폭염 경보가 뜨고, 밤엔 그 열기가 식지 않아 열대야 현상에 시달리고 있다. 이러한 더위에 의해 열사병과 같은 온열 질환이 발생하여 어지럼증, 두통, 피로감 등의 건강 문제로 위협을 받는다.   또한, 자동차 역시 열에 상당히 취약한 특성이 있다. 특히 밀폐된 차 안은 불가마를 방불케 하는 높은 온도로 한낮 차량의 실내온도는 외부 온도의 2~3배까지 상승한다.  외부 기온이 30℃일 경우, 실내는 무려 90℃까지 상승하는 것이다. 교통안전공단에서 여름철 외부 기온에 따른 자동차의 실내온도를 측정한 결과, 한여름 기온 35℃인 상태가 4시간 지속될 때 자동차의 평균 실내온도가 70℃ 이상으로 올라가고, 앞 유리 부근의 실내온도는 무려 92℃, 뒷유리 부근은 78℃, 조수석과 뒷좌석은 62℃까지 올라갔다. 더욱이 하절기에는 어린이 실내 방치 사고 예방과 함께 인화성 물질의 제거도 상당히 중요하다.  교통안전공단의 실험에 따르면, 여름철 실외에 장시간 주차했을 경우 일회용 라이터와 캔 음료 등을 올려놓고 실험한 결과, 대시보드 온도는 92℃까지 상승했고 라이터는 82℃, 캔 음료는 78℃에서 폭발했다. 이 밖에도 뜨겁게 달궈진 실내 내장재로 인한 화상 사고와 인화성 물질을 비롯해 전자기기 내부에 장착된 배터리의 폭발 우려도 있다. 3. 창유리에 열 차단 필름 부착의 필요성 우리나라 기온은 뚜렷한 사계절에서 여름 겨울이 봄 가을 대비 상대적으로 길어지고 여름철에는 폭염으로 인해 냉방을 위한 에너지 소비의 감소를 위해 열 차단 필름이 더욱 요구되고 있다. 이러한 열 차단 필름은 창유리에 부착함으로써 차열 기능 외에도 다음과 같은 여러 가지 효과를 부여하고 있다.  (1) 냉방효율 향상에 따른 에너지 절감 효과 건물의 창유리에 열 차단 필름을 적용하면, 태양열의 40~80%를 차단할 수 있다. 이에 따른 여름철 냉방비용을 약 10~30%까지 절감할 수 있다는 연구 결과가 있다. 이는 내부 온도를 최대 2~5℃까지 낮추는 효과를 가져와, 냉방장치의 사용을 줄이는 결과를 가져올 수 있다.  미국 에너지부(DOE)의 보고서에 의하면, 고기능 열 차단 필름을 사용할 경우, 상업용 건물의 연간 에너지 비용을 최대 19%까지 절감할 수 있다고 한다. 또한 영국의 연구 결과에 의하면, 열 차단 필름의 부착으로 건물의 총에너지 사용량을 7~15% 감소한 보고도 있다.이러한 데이터는 열 차단 필름이 에너지 소비가 많은 상업용 건물에서 더 큰 에너지 절감 효과를 가져올 수 있다는 것을 나타내고 있다. (2) UV 차단에 의한 실내 인테리어 보호자외선은 그 강한 에너지에 의해 피부에 해로울 뿐 아니라, 실내의 인테리어나 소파와 같은 가구에 장기간 반복 노출하면 변색을 일으킨다. 또한 차량 내부의 시트나 대시보드에도 손상을 일으키게 된다. 열 차단 필름은 일반적으로 99% 이상의 UV 차단 기능을 하고 있어서 태양광의 UV에 의한 손상을 최소화할 수 있다. (3) 사생활 보호 효과아파트나 상가의 용도 외에도, 자동차는 개인 프라이버시가 요구되는 장소로서, 차량 내부에서의 모습이나 행동을 보호받고 싶어 한다. 열 차단 필름은 여러 가지 색상 부여로 적절한 가시광 투과율을 조절함으로써 사생활 보호 효과를 부여하고 있다. (4) 비산 방지 효과지진이나 강한 태풍과 같은 자연재해에 의한 창유리의 파손뿐만 아니라, 차량을 운전하다 보면 사고 등의 이유로 창유리가 파손, 외부침입에 의한 파손, 외부에서 날아온 아스팔트 파편 및 돌멩이 칩에 의해 전면 유리가 손상되기도 한다.창유리에 열 차단 필름을 부착하는 것만으로도 깨진 유리 파편의 비산을 방지하며, 차량의 유리가 파손되었을 때 잘게 부서지도록 설계된 자동차 유리 조각들을 필름이 잡고 있는 역할을 하게 된다. (5) 건축적, 세련된 효과외벽이 유리로 마감되는 건축 트랜드 변화와 우리나라의 대표적인 주거공간인 아파트의 발코니 확장 등의 공간변화로 인해 여러 가지 색상이 들어있는 열 차단 필름의 필요성이 증가하고 있다.또한 차량의 경우, 창유리에 색상을 부여하여 외관을 한층 더 세련되고 고급스럽게 꾸밀 수 있게 해주고 있다, (6) 눈부심 방지 효과자동차 운전 시에 태양 빛이나 다른 차량의 헤드라이트 빛이 강할 때, 열 차단 필름에 색상이 부여되어 있으면 시야 확보가 더 쉬워진다. 하지만 너무 진한 색상은 터널 안에나 야간과 같은 어두운 곳에서는 오히려 시야 확보를 방해하기 때문에 적절한 농도를 선택하는 것이 중요하다. 4. 열 차단 필름의 시장 규모  인터넷 검색 자료이기는 하지만, 세계 열 차단 필름 시장 규모는 지난 2023년에 22억7천만 달러로 평가되었으며, 2024년 24억1천만 달러에서 2032년까지 39억9천만 달러로 성장하여 예측기간 동안 6.5%의 CAGR을 나타낼 것으로 예상된다.   건축용 윈도우 필름은 유형에 따라 NIR/UV 차단 필름, 장식용 필름, Safety 필름, 프라이버시 필름 등으로 구분할 수 있다. 지난 2021년 Global Architectural Window Film의 마켓 share는 선팅 필름이 대략 절반이고, 그다음 장식 필름, Safety&Security 필름, Privacy 필름의 순으로 차지하였다.  한편, 윈도우 필름의 용도에 따라 건축 건물용, 자동차용, 해양 및 기타용으로 분류할 수 있다. 이 중 건축 건물용이 예측기간 동안 가장 빠른 CAGR로 성장할 것으로 예상된다. 그리고 자동차용은 향후 전기자동차에 대한 수요의 증가와 각 주요 국가의 정부 규정에 따른 자동차산업의 시장 성장에 따라 달라질 것으로 예측된다. 5. 열 차단 필름의 종류 및 구조 컬러를 부여하여 선팅(혹은 틴팅) 필름이라고도 하는 열 차단 필름은 그 재료와 구조에 따라 매우 다양하게 제품이 출시되어 있으며, 하기의 표 1과 같이 분류할 수 있다.   상기의 분류는 재료, 컬러 및 기능 구현을 위한 기본적인 분류이며, 실제 판매되고 있는 제품은 2종류 이상을 합지하여 훨씬 다양한 제품들이 출시되고 있다. 하기의 그림 10은 2 ply 제품의 구조 예이다. 별개의 기능을 가진 2매의 PET 필름을 합지한 제품으로 점착층에는 시공 전에 분리하는 이형 필름이 합지되어 총 3매의 필름구조로 되어 있다.   6. IR 흡수재료 대표적인 투명 적외선 흡수 재료로 산화인듐(ITO: Indium Tin Oxide)이나 안티몬이 첨가된 산화주석(ATO: Antimony doped Tin Oxide) 등이 알려져 있으며, 보다 강력한 흡수기능을 가진 세슘-텅스텐옥사이드(CTO: Cesium dopped Tungsten Oxide)가 있다. CTO는 페로브스카이트(Perovskite) WO₃ 구조를 가진다. Perovskite는 러시아 과학자 페로브스키를 기념하여 명명한 큐빅AMX₃의 구조체(A와 M은 양이온, X는 음이온)로 부도체, 반도체, 압전성질을 가지며, 유·무기물과 결합하여 높은 에너지 전환효율(20.1%)로 태양전지용 재료로도 연구되고 있다. IR 복사 및 전기 전도성이 우수하고, dopant를 첨가한 Perovskite 산화물 구조를 가진 입자에 대한 연구도 활발하게 진행되고 있다.   Perovskite 산화물에서 산소의 이동속도는 빛 흡수, 전기 전도성과 같은 재료의 성질에 큰 영향을 미친다. 전자와 산소 이동성의 조합에서, 재료 성질의 향상을 위하여 산소 이온의 확산 속도를 증가시킬 수 있다. 즉, A나 B와 원자가가 다른 원소로 doping 하면 기존 산소의 site가 비거나 새로운 산소가 들어와 산소결함의 농도가 높고 이동속도가 높아져 산소확산 속도가 빨라진다. BO₃(금속산화물)의 A-site에 dopant 원소를 첨가하여 다양한 특성을 가진 입자를 형상할 수 있다. 일반적으로 tungsten oxide(WO₃) 중에는 유효한 자유전자가 존재하지 않아 IR 영역의 흡수 특성이 낮고 IR 흡수제로서 유효하지 않다. 이에 따라 IR 흡수에 특히 유효한 W와 O의 조성범위를 연구하고, WO₃에서 산소의 비율을 3보다 작게 하여 자유전자를 생성시켰다.  산소량의 제어는 WyOz에서 y에 대한 z의 비율을 2.45 ≤ z/y ≤ 2.999로 조절하여 IR 흡수를 높이고, 더욱이 자유전자를 생성하는 원소를 첨가하여 IR 흡수 효율을 더욱 향상시켰다. dopant로는 알카리금속, 알카리토금속, 희토류 원소인 Cs, Rb, K, Ti, In, Ba, Li, Ca, Sr, Fe, Sn 등을 검토하였으며, 이온반경이 큰 원소(M)를 첨가했을 때 육방적의 결정이 형성되기 용이했다.  IR 흡수 파장의 경우, 입방정 < 정방정 < 육방정의 결정구조로 갈수록 IR 흡수가 장파장으로 shift하였고, 가시광 영역에서는 반대로 육방정 < 정방정 < 입방정일수록 흡수성능이 낮아 육방정 구조가 가장 유효한 구조인 것을 확인하였다. 세슘-텅스텐옥사이드(CTO: Cesium dopped Tungsten Oxide)의 경우, 스미토모금속광산(SMM)에서는 CWO (Cs0.32WO3-y) 나노입자를 출시하고 있다. 세슘-텅스텐 산화물인 Cs0.32 WO3의 결정구조를 그림 13에 나타내었다.  이 재료는 P6₃/mcm 공간군을 가지며, c축 방향에서 투영하면 텅스텐(W)과 산소(O)에 의한 WO₆ 팔면체가 육방정의 골격을 형성하고, 그 중심에 세슘(Cs)이 위치한다(그림 13(a)). a 축 혹은 b 축 방향에서 투영하면 Cs-O(1) 면과 W-O(2) 면이 교대로 적층된 구조를 가지고 있다(그림 13(b)).    최근 이 재료의 적외선 흡수 밴드에 대한 결정의 이방성 및 입자의 불균일성을 고려한 Mie의 이론에 근거한 해석 및 제1 원리 계산에 의한 해석이 있으며, 그중에서 Cs와 산소 결함(VO)으로부터 W-5d 궤도에 공급되는 전자는 국소 표면 플라즈몬 공명(LSPR) 흡수나 폴라론(Polaron) 흡수를 담당하는 것으로 나타났다. 최근에도 전자에너지 손실 분광법(EELS)에 의한 연구 등 적외선 흡수기구의 규명을 위한 여러 가지 연구가 진행되고 있다. Cs0.32WO₃ 입자를 만들 수 있는 다양한 제조 방법이 있으며 고상법, 수열합성법, 플라즈마법, 화염법 등이 보고되어 있다. 이들 제조 방법에 따라 분말 특성이 다르며, 투명적외선 흡수재료로서 성능에 영향을 미치는 정도도 차이가 나는 것으로 알려져 있다.    CWO의 양산공정에는 고상법이 사용되고 있으며, 원료를 소성한 후에 몇 시간 이상의 분쇄처리가 이루어지고 있다. 얻어지는 입자는 100㎚ 이하의 범위에서 여러 가지 크기 및 형상을 가지고 있으며, 이러한 편차는 폭넓은 파장의 적외선 흡수기구에 기여하기 때문에 투명적외선 흡수재료로서 실용성을 높인다. 그림 14에 900°C와 1,200°C의 전기가열로를 사용한 분무 열분해법에 의해 합성된 Cs0.32WO₃ 입자의 SEM 이미지를 나타내었다. 일반적으로 분무 열분해법으로 합성되는 입자는 액적의 크기와 입자 농도에 기인하여 서브 미크론 크기의 입자를 얻을 수 있다.  그러나 재료에 따라서는, 생성한 서브 미크론 크기의 입자가 고온에서 승화하고, 생성한 응축성 물질이 반응관의 출구 부근에서 급격하게 냉각되어 나노입자를 얻을 수 있는 것이 알려져 있다. Cs0.32WO₃ 입자의 경우도 기상 가열온도가 1,000°C 이하인 경우는 서브 미크론 크기의 입자를 얻을 수 있지만(그림 14(a)), 1,200°C 이상으로 함으로써 거의 모든 생성된 입자의 나노화가 가능해졌다(그림 14(b)).      Cesium이 doping 된 WO₃ 입자를 수열 합성법으로 제조한 Cs0.33WO₃ 입자의 제조법 예를 조사하였다.  Tungstic acid 입자의 제조는 Tungstic acid 용액의 고분자화 과정에 이루어진다. 전구체 물질로 Sodium tungstate solution(Na₆O39W12H₂O)을 수용 액상에서 제조하고, 양이온 교환수지를 통과시켜 Na를 치환하고 투명한 노란색의 Tungstic acid 용액을 얻는다. 그리고 일정 시간 방치, 원심분리로 불투명 노란색 입자를 침전하여 Tungstic acid 입자를 제조한다. 제조된 텅스텐 산화물 입자는 구연산에 분산하고 Cesium을 첨가하여 120~180℃ 수열 합성하여 진남색의 물질을 얻고, 세척과 진공 건조하여 세슘-텅스텐 산화물을 제조한다. 그 과정을 그림 15 및 그림 16에 정리하였다.     이와 같이 제조된 Cs0.33WO₃ 입자는 나노 분산기에서 수십 ㎚의 크기의 sharp한 입도로 분산시키고 도료화하여 입자의 첨가량별 파장별 IR 흡수 특성을 확인할 수 있다. 한편 dopant 물질인 Cesium의 CsxW₁O₃ 입자의 Cs 비율에 따른 1,000㎚ 파장에서의 흡수율이 보고되어 있다. Perovskite 산화물은 ABO₃의 구조를 가지며, 합성된 CsxW₁O₃ 입자의 구조 control을 위해 heat annealing 온도는 700~900℃ 범위 중, 800℃가 흡수율에 최적이었다. 가시광 투과율을 위해 입자 크기는 수십 ㎚ 이하로 유지하였고, binder는 빛에 의한 yellowing을 최소화하기 위해 silane계 무기 binder를 사용하였다.   Cesium의 mol 수 0.33, 0.5, 0.75, 1.0에 따라 4종의 CsxW₁O₃(Cs0.33W₁O₃, Cs0.5W₁O₃, Cs0.75W₁O₃, Cs1.0W₁O₃) 입자를 제조하여 평가하였다. 그 결과, 그림 18에서 보듯이 Cs0.33 W₁O₃에서 최대 흡수를 확인하였다.    스미토모금속광산(SMM)의 보고(Near Infrared Absorption of Tungsten Oxide Nano particle Dispersion, 2007)에 의하면, 텅스텐옥사이드(WO₃)의 band gap은 2.62eV이고, 가시광(380~ 780㎚)과 NIR 영역(780~2,100㎚)에서 투명하다.  앞에서 서술한 바와 같이 NIR의 흡수는 O₂ 성분의 감소, 3번째 성분의 doping에 따른 free electron의 금속 내 도입에 의해 유도로 기능이 발생한다. 산소의 결핍은 Magnéli 구조인 complex-ordered 구조를 형성하는 반면, +이온인 3번째 성분의 도입은 tungsten bronze 구조를 만든다. 합성된 powder 크기(0.5~5.0㎜)를 filler/분산제/toluene=8/8/84의 비율로 0.3㎜ 지르코니아 beads가 충진된 paint shaker mill을 사용하여 6hr동안 나노 분산하여 particle size 50~100㎚(1차 입자 크기 20~30㎚)를 얻었다. 그 결과, 그림 19에서 보듯이 WO₃의 환원에 따른 파장별 빛의 흡수영향을 확인하였다.     환원된(reduced) Tungsten oxide는 가시광과 NIR 영역에서 broad한 흡수를 하지만 O₂의 감소에 따라 ① 가시광 영역에서 투과율 감소, ② main 흡수는 단파장 쪽으로 shift의 결과를 보이고 있다. 그리고 1,620~ 1,700㎚에서의 disturbance는 용매로 사용한 toluene에 의한 영향이다. 이러한 결과로 Tungsten oxide bronze(MχWO₃)는 강한 NIR 흡수를 이끄는 것을 알 수 있다.  한편 입자 size의 감소에 따라 가시광 영역에서는 scattering을 감소시켜 높은 투과율을 보이지만, NIR 영역에서 nano particle의 total 개수가 많아지기 때문에 흡수가 증가한다 (absorption >> scattering). 그림 20에서 보듯이 Dopant 물질의 도입에 의해 MχWO₃의 HTBs(hexagonal tungsten bronze) Ti, Rb, Cs, Na는 NIR 영역에서 강한 흡수를 보이고 있다. Na의 경우 가시광 영역에서 다른 물질에 비해 투과율 감소의 경향을 나타낸다.    한편 시중에서 일반적으로 사용되고 있는 ATO(antimon tin oxide)와 CTO(cesium doped tungsten oxide)의 입자 첨가량에 따른 투과율의 변화를 그림 21에 나타내었다.  ATO 졸의 경우 비교적 장파장(1,500~2,500㎚) IR 영역에서 우수한 흡수 효과를 보이는 반면, CTO 졸은 NIR(1,000~2,000㎚) 영역에서 양호한 흡수기능을 가지고 있다. 재료의 가격 면에서도 ATO 졸이 CTO 졸의 30% 수준으로 낮기 때문에, 선팅 필름의 IR cut 설계에서는 일반적으로 CTO 졸과 ATO 졸을 혼합 사용하여 측정 가능한 IR 영역(~2,500㎚)의 모든 파장에 걸쳐 효과적인 흡수기능을 부여하고 있다. 또한 단일 파장(1,000㎚) ATO 졸과 CTO 졸의 함량별 흡수율을 조사하였다. 그림 22에서 NIR 열선의 주요 파장(950~1,400㎚)에 있어, 두 입자의 흡수 특성에 기인해 ATO 졸은 함량을 늘려도 50% 정도의 흡수에서 수렴하는 반면, CTO 졸은 97.5% 정도까지 상승하는 것을 볼 수 있다. 이를 통해 가성비를 고려한 적정한 비율의 formulation 설계가 가능해진다.  7. IR 흡수 입자의 나노 분산    IR 흡수 입자는 1차 입자 크기(수십 ㎚)로 binder 내에 균일하게 분산되어 있어야 한다. 입자가 뭉쳐 있을 경우, haze 상승, NIR 흡수 저하, sparkling 외관 불량을 유발하고 시인성이 떨어져 열 차단 필름의 상품 가치가 저하된다.시판 중인 ATO size는 30~50㎚ 정도이며, 그 입자 분포도 그림 23에서 보듯이 sharp한 형상을 보이고 있다.       분산은 그림 24와 같이 3단계의 과정을 거쳐 표면 젖음, 기계적 해쇄, 분리된 입자의 안정화 상태를 만든다.  nano particle은 제조공정에서 많은 에너지를 가하여 생산하기 때문에, 제조된 입자는 표면에 쌓인 에너지를 가지고 있으므로 통상 수백 ㎚~수 ㎜ 정도의 크기로 응집하여 상온에서 안정을 유지하려고 한다.      그러므로 particle은 1차 입자 사이에 공기층을 두고 분자인력에 의해 면 접촉하며 강하게 흡착하고 있다. 이를 효과적으로 분리하기 위해서는 먼저 ① 용매(solvent)를 사용하여 공기층을 밀어내 대체하여 입자의 표면을 wetting시키고, ② 입자 사이를 분리할 수 있는 기계적인 강한 원심력과 beads 충격력에 의해 기계적 해쇄를 하며, 마지막으로 ③ 분산제를 사용하여 분리된 입자 사이에 입체적 장애를 만들어 다시 응집하지 않고 일정 기간 분리된 상태를 유지시킨다.  이렇게 분산 안정된 도료는 일정 기간 후에 재료의 비중 차이에 의해 침전이 생기고, 재응집이 발생해도 선 접촉 혹은 점 접촉에 의해 약하게 연결되어 있기 때문에 가벼운 교반만으로도 다시 초기의 분리 상태로 회복할 수 있다. 많은 유형의 분산장치가 시판되고 있으며, 나노 분산에는 주로 폐쇄형 disk bead mill이 사용되고 있다. 일반 disk mill과 비교하여 나노 분산기의 특징은 ① 도료와 beads의 분리 방식, ② 충진 beads 크기이다.    일반 disk mill의 경우, 토출구에서 beads 분리를 위해 mech seal 또는 screen을 사용한다. 일반적인 도료는 1.0~2.0㎜ 정도의 zirconia 및 glass beads를 사용하지만, nano particle에는 sub-micron 크기를 사용하기 때문에 이를 효과적으로 분리해내기 위해 원심분리 방식의 분리기가 적용되고 있다. 더욱이 1990년 중반의 1회전 축(disk 회전+원심분리)을 좀 더 개선한 2축 분리된(disk 회전과 원심분리 회전축 별개) 2세대 나노 분산기가 2008년 출시되어 널리 사용되고 있다. nano particle의 분산에 사용되는 beads는 수백 ㎚ 크기이다. 이는 예를 들어 쌀알을 분리시키기 위해 축구공과 골프공으로 부딪쳐 충격을 가할 때, 비 표면적 충돌의 기회가 어느 쪽이 더 효과적인지 이미지로 비교하면 이해가 가능할 것이다. 8. IR 흡수 금속 막(증착, 스퍼터링) 코팅 가공기술 중 금속 막을 형성시키는 증착과 스퍼터링의 기본적인 구조와 코팅 방법에 대해 비교를 하고자 한다. 증착은 진공 속에서 물질을 증발시켜 성막 하는 방법으로 스퍼터보다 이전부터 실용화되어 사용되어 왔다. 진공 챔버 내에서 재료가 되는 물질에 저항 가열, 전자빔, 고주파 유도, 레이저 등에 의한 열에너지(10-1~10-2eV)를 가해 재료를 증발시켜 기판(필름)에 막을 형성하는 기술이다.    증착 물질을 기화시키는 방법에 따라 가열하여 기판에 부착하는 Thermal Evaporation과 전자빔으로 기화시키는 E-beam Evaporation으로 나눌 수 있으며, E-beam 증착이 국소적으로 높은 온도를 가할 수 있기 때문에 비점이 높은 물질에도 가능한 장점이 있다. 스퍼터링은 진공 속에서 음극(target)에 전압을 가하면 양극(기판, 필름 등) 사이에 전기장이 형성되고, 이 전기장에 노출된 아르곤(Ar) 가스가 Ar+로 이온화되면서 양극-음극 사이에 플라즈마(plasma)가 발생한다.  Target 물질의 표면이 음전위로 유지되므로 Ar+가 target 표면에 가속하여 충돌하고, target 물질이 표면으로부터 방출되어 기판(필름)으로 날아가 막을 형성하게 된다.  스퍼터링은 재료에 운동에너지(102~103eV)를 가하여 증착에 비해 복잡한 합금층을 유지하는 능력이 뛰어나고, 막응력이 높으며 금속의 고온 내열성이 우수하다. 스퍼터링 공정의 수율은 충돌 이온의 입사각, target 물질의 조성, 충돌 이온의 종류, 이온의 에너지 등에 의해 영향을 받는다.  열 차단 필름을 제조하기 위해 스퍼터링 공정은 multi target을 사용하여 단층~다층 막을 형성하며, 생산성 향상과 cost 절감에 기여한다. 다층 설계는 주로 Ag층을 형성할 경우 산화 방지를 위해 상하의 보호층으로 금속 산화물(metal oxide)층을 적층하여 성막한다. 또한 내구성 향상을 위해 Ag층도 단층이 아닌 복수의 층을 구성하기 때문에 적게는 몇 개~20여 개까지 multi target의 sputter 장치를 사용하고 있다. 열 차단 필름의 경우 0.5~1.5mil(1mil=25㎛)의 얇은 PET 필름을 사용하기 때문에 성막 가공 시의 열특성에 민감하며, 공정에 이상이 있을 경우 열 주름이 발생한다. 또한 금속층 두께에 따라 색상 및 IR 흡수성의 변화가 있기 때문에 정밀한 operating에 의해 공정을 제어해야 한다.    니켈크롬(NiCr), 티타늄(Ti), 구리(Cu) 등과 같은 금속 성막층은 Ag에 비하여 비교적 산화 영향이 적기 때문에 가성비의 스퍼터 필름으로 널리 사용된다. 알루미늄층의 경우는 스퍼터 보다 훨씬 저렴한 증착 공정 제품이 적용되고 있다.  이들 금속층은 성막 농도(OD; optical density)가 가시광부터 IR 영역까지 거의 전 파장에 걸쳐 유사하기 때문에 가시광 투과율(VLT; visible light transmittance)과 IR 차단율(IRR; Infrared rejection)의 비율이 거의 일정하다. Ag는 성막 층이 두께에 따라 색상도 달라지며, 가시광 영역(380~780㎚)에서 투과율이 높고 NIR 영역(950~1,400㎚)에서 투과율이 낮아지는 특성을 가지고 있어 시인성이 요구되는 열 차단 필름에 외관 및 특성 제어를 할 수 있는 매우 이상적인 재료이다.  한편, Ag 성막 층은 Ag의 두께 증가에 따라 Ag layer의 morphology가 변화하며, 그 영향으로 파장별 투과율이 달라진다. 그림 33과 같이 GZO/Ag/GZO 구조에서 Ag층의 두께가 상승함에 따라 550㎚ 파장에서의 투과율은 높아지며, 두께 12㎛에서 최대 peak를 보이고 다시 감소한다. 이러한 이유는 그림 34와 같이 Ag층의 두께에 따른 표면의 모폴로지(morphology)의 차이에 기인하는 것으로 생각된다.  두께가 낮은 경우는 Ag층이 random 배열로 밀도가 낮으며, 두께의 증가에 따라 농도가 높아지다가 12㎛에서 가장 조밀한 형상을 보이고, 그 이상의 두께에서는 rough 해지는 표면 형상에서 유래하는 것으로 여겨진다.   또한 다른 문헌에서도 AZO(30㎚)/Ag(x)/AZO(30㎚)의 구조에서, x=5, 7, 9, 10, 11, 13, 15, 17㎚ 중 10㎚에서 투과율이 max peak를 보이는 것을 알 수 있다(그림 35). 한편 Ag의 aggregation은 온도, 습도, surrounding layer에 의한 diffusivity에 의해서도 영향을 받는다. 
취재부 2024-11-26
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코팅용 투명 폴리이미드

   Ⅰ. 서론 최근 투명 폴리이미드는 디스플레이, 태양전지, 광학센서, 플렉시블 프린트기판(FPC) 등의 전자광학 재료로서 주목을 받고 있다. 1~3 기존 전방향족계 폴리이미드는 우수한 내열성, 기계 물성, 절연성을4~5 가지고 있어 FPC 분야에서 폭넓게 사용되고 있지만, 짙은 착색 때문에 응용범위가 제한적일 수밖에 없었다. 또한 필름 형태로 공급받아 사용하기 때문에 디바이스 설계의 자유도나 디자인성이 제한적일 수밖에 없었다.   투명 폴리이미드는 이러한 착색 문제를 해결함으로써 보다 광범위한 용도로 응용이 가능하게 되었다. 더구나 폴리이미드가 사용된 제품 형태는 PAA(PolyAcetic Acid 아세틱산)와 필름의 형태 두 가지였으나, PAA는 코팅 후 반드시 이미드화 공정이 필요하고, 이때 필요한 고온 공정으로 말미암아 플라스틱 기재위에서의 코팅은 불가능하였다.   필름은 두께가 일정하여 대면적화가 가능하지만 정해진 두께로만 생산되므로 소비자가 원하는 두께의 필름을 얻기가 어려웠다.본 投稿에서는 투명 폴리이미드의 분자설계와 중합, 그리고 Film 제막법을 기존의 유색 폴리이미드와 비교해서 간략히 설명했다. 그리고 투명 폴리이미드 코팅액의 용도와 향후 제품으로서의 가능성에 관하여 정리를 해 보았다.  Ⅱ. 폴리이미드 개요1. 폴리이미드의 특성   폴리이미드는 내열성, 전기적 특성 및 기계적 특성이 우수하여 우주항공산업이나 전자산업을 중심으로 여러 분야에서 이용되고 있다. 기존의 폴리이미드는 일반적으로 고도로 공역한 분자구조에 의한 전하이동 착체(CTC)의 형성으로 짙은 색과 낮은 광 투과율로 인해서 광학 분야에서의 응용에 문제점이 있었다.6~8  최근 광전자공학의 급속한 발전으로 광전자 디바이스에서 요구하는 고신뢰성, 고집적화, 고신호전송에 대한 요구가 점점 높아지고 있고, 고투명&고내열성 수지에 대한 수요가 늘어나고 있다.9~10 일반적으로 고분자 광학필름은 그림 1과 같이 공정온도와 Tg의 범위에 의해서 세 가지 부류로 나눌 수 있다.      ① Tg가 100℃ 이하인 보통의 광학필름과 ② 100℃
편집부 2024-10-30
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나노 셀룰로오스의 표면 개질 및 최근 응용 동향

나노 셀룰로오스의 표면 개질 및 최근 응용 동향 자료제공: 소재종합솔루션센터(www.matcenter.org), 화학소재정보은행(www.cmib.org) 지식정보 심층보고서    1. 나노 셀룰로오스의 제조 및 표면 개질  나무, 풀, 곡물, 해초 같은 바이오매스를 원료로 하는 유기 소재는 원유에서 출발하는 합성 유기 소재보다 탄소발자국(footprint)을 줄일 수 있고, 대부분은 사용 후 자연에서 분해가 일어나는 생분해 특성이 있어 최근 산업계, 학계에서 친환경소재로 많은 관심을 두고 있는 소재이다. 바이오매스 중에서 가장 많은 물질이 polysaccharide인 starch(녹말)와 cellulose(셀룰로오 스)이다.  둘 다 생분해 소재로 사용되고 있으나 특성, 가공성 등이 우수한 셀룰로오스가 좀 더 고성능 소재로 쓰이고 있다. 셀룰로오스는 주로 목본 및 초본류의 식물자원에서 얻을 수 있으며, 이외에도 조류(algae), 균류(fungi), 박테리아(bacteria) 등을 통해서도 각기 다른 특성의 셀룰로오스가 얻어진다. 목본계의 경우 셀룰로오스 함량이 전체 구성 성분의 약 40~55% 정 도를 차지하고 있으며, 펄핑공정을 통하여 일정량의 리그닌과 헤미셀룰로오스를 제거함으로써 약 80% 이상의 셀룰로오스로 구성된 펄프 섬유 형태로 얻을 수 있다.  최근에 셀룰로오스로부터 직경이 수~수십 ㎚, 길이가 수십~수백 ㎚이고 강도가 매우 우수한 셀룰로오스 나노파이버(CNF), 셀룰로오스 나노크리스탈(CNC) 등을 제조하는 다양한 기술이 개발되고 있다. 제조된 CNF, CNC 등의 나노 셀룰로오스(nano cellulose, NC) 입자를 플라스틱, 고무 등과 용융 컴파운딩 혹은 용액, 에멀젼 상태에서 복합화하여 고분자의 강도, 내열성, 배 리어성 등을 강화하여 활용하는 연구가 활발히 이루어지고 있다.    NC의 개요, 제조 방법, 응용에 대하여 화학소재정보은행의 심층보고서 여러 편에 잘 기술되어 있으며, 본 심층 보고서는 2023년 11월 발표된 심층 보고서 “나노 셀룰로오스 제조 및 표면 개질”에 이어 작성된 내용이다. NC와 고분자의 혼합 시 NC의 표면 특성이 분산성, 접착성에 직접 영향을 주고 결과적으로 복합체의 기계적, 광학, 전기적, 배리어 등의 특성을 좌우한다. 따라서 NC의 표면 특성을 화학적, 물리적으로 제어하는 연구가 이루어지고 있다.  저분자량 물질과 반응시켜 NC의 표면에 친수성, 소수성을 부여하는 방법에 대하여 전편에 보고하였으며, 본 보고서에서는 고분자, 물리적 방법, 효소 등을 이용하여 표면을 제어하는 방법과 NC/고분자 복합체의 최근 응용 동향에 관하여 기술하였다. 그림 1에 목재로부터 CNF, CNC의 제조 방법을 간략하게 나타내었다. 그림 2에는 화학, 물리, 효소 등의 방법을 이용하여 나노 셀룰로오스의 표면을 개질하는 방법을 정리하였다  2. 고분자 그라프팅에 의한 표면 개질  고분자 그라프팅 반응에 의한 나노 셀룰로오스의 표면 개질은 나노 셀룰로오스/고분자 복합소재의 물리적, 화학적 특성 향 상을 위한 대표적 방법이다. NC 표면에 있는 수산기(-OH)는 표면 반응의 화학적 연결고리 역할을 하여 작은 유기 분자를 NC에 도입하거나 거대분자인 고분자를 표면에 성장시킬 수 있다. 고분자를 이용한 표면 그라프팅은 도입된 고분자에 따라 계면 특성이 조절될 수 있으므로 극성 용매뿐 아니라 비극성 용매에서도 안정적인 현탁액을 만들 수 있다.  고분자 그라프팅은 그림 3에 나타낸 바와 같이 세 가지 방식의 경로로 분류할 수 있다. 즉 “grafting-to”, “grafting-from”, 그리고 “grafting-through”로 분류할 수 있다. “Grafting-to”법은 말단에 반응기를 갖는 고분자 사슬을 미리 합성하고, 이를 나노 셀룰로오스의 표면 -OH 그룹과 반응시키거나 커플링제를 통해 결합시킨다. 이 접근 방식은 그라프트된 고분자의 특성을 잘 제어할 수 있지만, 입체 장애로 인해 높은 그라프트 밀도를 얻기가 어려운 단점이 있다.     “Grafting-from”법은 나노 셀룰로오스 표면을 개시제(initiator)로 기능화(활성화)시키고, 활성화된 표면에서 단량체가 직접 중합되어 성장한다. 이 방법을 사용하면 “grafting-to” 방식으로 얻은 것보다 그라프트 밀도가 더 높고 다양한 고분자 그라프트 를 생성할 수 있으나, 생성된 고분자의 특성 분석이 어려울 수 있다. 한편, “Grafting-through”법은 중합 가능한 화합물, 즉 비닐기와 같은 중합 가능 그룹을 셀룰로오스 표면에 미리 도입하고, 이후 개질된 셀룰로오스 표면에서 단량체가 중합 반응을 진행한다.  위의 그라프팅 방법 중 “grafting-from” 법이 가장 효율적인 것으로 알려져 있으며, 이 방법은 셀룰로오스 표면에서 그라프 팅 시에 개환중합(ROP), 라디칼 중합, 원자 이동 라디칼 중합(ATRP) 및 Reversible addition fragmentation chain transfer(RAFT)과 같은 다양한 중합 방식을 적용할 수 있다. 아래에 고분자 그라프팅에 의한 나노 셀룰로오스의 표면 개질에 대한 몇 가지 사례를 기술하였다.  2.1. Grafting-to 표면 개질 및 응용  “Grafting-to”법은 미리 합성된 고분자를 나노 셀룰로오스의 표면에 그라프팅하여 표면 특성을 맞춤화하는 방법이다. 나 노 셀룰로오스 표면에 고분자 그라프팅은 특히 자기조립(self-assemble)을 형성하거나 비극성 용매에서 나노 셀룰로오스의 분산성을 개선하기 위해 많은 관심을 받고 있다.  Kloser와 Gray는 PEO-g-CNC의 입체적 현탁액(steric suspension)을 제조하기 위해 CNC의 수성 현탁액에 에폭시 말 단의 폴리(에틸렌옥사이드)(PEO)를 공유 결합으로 간단하게 그라프팅 하는 방법을 보고하였다. 이 방법에서는 처음에 셀룰 로오스로부터 황산 촉매 가수분해에 의해 CNC가 제조된 다음 황산 에스테르 그룹을 제거하기 위해 수산화나트륨으로 처리 되었다. 강알칼리성 조건에서의 친핵성 반응은 PEO 사슬과 CNC 백본 사이에 공유 결합 에테르 연결을 위해 PEO의 에폭시 고리열림 반응이 진행되었다. 제조된 PEO-g-CNC는 안정적인 콜로이드 현탁액을 형성하였으며 몇 달 후에도 침전이 발생 하지 않았다.  Rosiloet 등은 CNC 표면에 10-undecanoyl chloride를 공유 결합하여 가교 가능한 이중 결합을 포함하는 조밀한 탄화 수소 브러시(m-CNC)를 개발하였다. 이를 이용하여 폴리부타디엔(PBD) 고무 매트릭스 내 m-CNC의 농도가 0~80wt%로 조절된 복합 필름을 UV 광 유도 티올-엔 클릭 반응으로 제조하였다. 복합재에서 m-CNC의 중량 분율이 높을 때는 m-CNC 와 고무질 PBD가 서로 삽입된 도메인(intercalated domains)을 형성하여 16MPa의 강도 및 190MPa의 모듈러스를 갖는 복합재가 생성되었다.  낮은 m-CNC 중량 분율(10wt%)을 사용하면 생성된 복합재의 영률과 강도 향상은 무시할 정도로 나 타났다. m-CNC 중량비를 30~35wt%로 증가시키면 복합재의 모듈러스 및 인장 강도에 급격한 변화가 일어났다. 형광 분자도 공유 결합을 통해 나노 셀룰로오스 표면에 그라프팅될 수 있다. 나노 셀룰로오스의 형광 라벨링은 바이오 이 미징 및 센싱 분야에 이용될 수 있다. 즉, 나노 셀룰로오스의 고유 특성을 이용하며 다양한 형광 바이오센서 개발용 플랫폼으 로 활용될 수 있다.  Fanet 등은 낮은 수준의 세포 독성을 갖는 두 가지 다른 형태(구형 및 막대형)의 형광 CNC를 고안하였다. 이 형광 라벨을 만들기 위해 CNC 표면 –OH기는 포름산을 사용하여 Fischer 에스테르화 반응에 의해 카르보닐기로 개질되었다. 이어 암모 니아와의 이민 반응 후, 2차 이미노 그룹과 fluorescein isothiocyanate(FITC)의 isothiocyanate moiety 사이에 공유 결합 이 형성되어 형광성 CNC(FITC-g-CNC)를 생성하였다(그림 4). FITC-g-CNC는 30~36%의 높은 형광 양자 수율을 보여 바이오 이미징 및 라벨링을 위한 다기능 바이오 프로브로 사용할 수 있었다. FITC-g-CNC는 친수성 폴리비닐알코올(PVA) 및 소수성 PLA에서 보강재로서도 분산성이 우수해 형광 기능 외에도 기계적 특성이 향상되었다.     Chuet 등은 2단계 반응으로 형광성 1,8-나프탈이미드 염료(NANI)와 PEG-NH2 브러시를 CNC 표면에 공유 결합으로 도입하여 수중에서 잘 분산되는 우수한 형광 나노프로브를 개발하였다. 이와 같은 개질 방법으로 제조된 TOCNC은 높은 염 용액에서도 우수한 분산성을 가지고 있으며, 550nm에서 황록색 형광을 방출하여 생물의학 연구에 응용될 수 있다.  2.2. Grafting-from 표면 개질 및 응용  2.2.1. 개환중합에 의한 표면 개질 개환중합에 의한 셀룰로오스 표면의 그라프트 중합은 가장 많이 사용하는 grafting-from 법으로 나노 셀룰로오스 표면 에서 에폭사이드, 락톤, 락탐 등의 환(cyclic) 모노머를 그라프팅 중합할 수 있다. 개환중합에서는 촉매인 stannous octoate(Sn(Oct)2)로 활성화된 나노셀룰로오스 표면의 OH- 그룹이 개환중합을 직접 개시하여 일어난다.  Sn(Oct)2는 높은 효 율성과 낮은 독성으로 인해 ROP 공정에서 가장 널리 사용되는 촉매이다. 또한, 이 방법을 사용하면 나노 셀룰로오스 본래 의 구조적 특성을 유지하면서 미세 조절된 사슬 길이와 고밀도 그라프팅 사슬을 갖는 나노 셀룰로오스를 제조할 수 있다. 촉매에 의한 락톤의 개환중합은 폴리에스테르 기반 나노복합체 개발에서 분산 및 상용성 문제를 개선할 수 있다. 락톤 및 락타이드와 같은 환 모노머를 중합하는 표면 개시 개환중합법은 셀룰로오스 섬유에 임의의 말단 그룹을 가지면서 그라 프트 사슬의 밀도를 잘 제어할 수 있다. Hafrén 및 Córdova에 의해 처음 보고된 이후로 많은 연구자가 개환중합 조건을 최적화하려고 시도하였다.  예를 들어, Carlsson 등은 반응 시간이 PCL 그라프트 함량 및 분자량 각 각과 둘 모두에 영향을 주는지를 조사하였다. 개환중합 반응은 단량체, 용매로서 톨루엔, 개시제로서 벤질 알코올 등의 혼합물을 사용하여 90℃에 서 수행되었다. 결과는 CNC 표면에서 반응 시간이 길어지면 PCL 사슬이 대부분 더 크게 성장했지만, 그라프팅된 사슬의 분지도(DS) 값은 3~7% 범위에서 일정하게 유지되어 겉보기에는 개환반응 시간과 무관한 것으로 나타났다. CNF를 보강재로 사용한 복합체 제조를 위해 비극성 매트릭스 고분자 내에 친수성 CNF의 분산성을 향상시키기 위하여 Lönnberget 등은 CNF 표면에 PCL 사슬 길이를 다르게 접목하였다.  그라프팅 밀도뿐만 아니라 그라프팅된 PCL 사슬 길 이는 개환중합 시스템에 포함된 촉매 및 자유 희생 개시제(free sacrificial initiators)의 양을 변화시킴으로써 조정 가능한 것으로 나타났다. PCL 그라프팅 후 유기용매에서 CNF의 분산성이 크게 향상되었으며, 가장 긴 PCL 사슬을 가진 PCL-gCNF는 보강 효과가 우수하여 강한 생체 복합재료를 제조할 수 있었다. 또한, 그라프트 고분자의 양은 free initiators 대비 단량체의 비율을 증가시켜 제어할 수 있었다.  2.2.2. SI-ATRP에 의한 표면 개질  원자 전자 라디칼 중합(atom transfer radical polymerization, ATRP)은 전이 금속 콤플렉스를 촉매로, 알킬할라이드 (R-X)를 개시제로 사용하여 개시 라디칼을 생성하고, 여기에 단량체가 중합하여 분자량 분포가 좁은 고분자를 만드는 방법 이다. 촉매에 있는 전이 금속은 Cu, Fe, Ru, Ni 등이 사용되며, 이온중합과 달리 아미노, 에폭시, 하이드록시, 비닐 그룹 같 은 단량체 기능기에 중합이 큰 영향을 받지 않으며, 저가의 Cu를 사용하는 이점이 있다.  표면 개시 원자 전달 라디칼 중합(surface initiated atom transfer radical polymerization, SI-ATRP)은 개환중합과 함께 가장 일반적인 grafting-from 법으로 나노 셀룰로오스 표면에 고분자 사슬을 성장시킬 수 있다. 또한, SI-ATRP 및 단일 전자 전달 리빙 라디칼 중합(single electron transfer living radical; SET-LR)과 같은 리빙 라디칼 중합은 나노 셀룰로오 스 표면에 고분자 그라프팅에 사용할 수 있다.  구리 매개 SI-ATRP는 고분자 브러시로써 다양한 단량체 중합을 통해 나노 셀룰로오스의 표면을 제어할 수 있다. 일반적 으로 구리 매개 SI-ATRP는 2단계 반응으로 진행되며, 반응은 습식 화학반응 또는 화학 기상 증착을 통해 나노 셀룰로오스 의 OH- 또는 -COOH 그룹에 브롬화 사이트를 형성하는 것으로 시작된다. 그다음 공정은 중합을 유도하기 위해 거대분자 프라이머 역할을 하는 브롬화된 나노 셀룰로오스와 단량체의 추가 반응으로 진행된다. SI-ATRP는 나노 셀룰로오스 표면에서 높은 그라프팅 밀도, 제어된 고분자 사슬 길이 및 낮은 분산성을 가진 고분자를 합 성하는 데 널리 사용되고 있다.  SI-ATRP를 통한 그라프팅은 나노복합체의 빌딩 블록부터 반응성 나노물질 제조에 이르기 까지 가능하다. 예를 들어, Le Gars 등은 SI-ATRP를 통해 CNC 표면에 다양한 길이로 그라프팅된 폴리(글리시딜 메타크릴 레이트)(PGMA) 브러시를 제조하였다. 먼저, CNC는 ATRP 반응에서 일반적으로 사용되는 개시제인 α-bromoisobutyryl bromide(BIBBR)로 브롬화 시키고, 이어서 브롬화된 개시제 사이트(BIB-CNC)로부터 원하는 모노머인 글리시딜 메타크릴 레이트(GMA)를 성장시켰다.  생성된 PGMA 체인은 1시간 후에 CNC 표면의 약 40%를 덮었으며, 24시간 후에는 PGMA가 전체 중량의 80%를 차지하였다. SI-ATRP 또는 전자 전달로 재생된 표면 개시 활성화제(SI-ARGET)를 통해 희생 개시제로서 BIBBR의 존재 하에 CNC 표면에 소수성 폴리스티렌(PS) 및 친수성 폴리(4-비닐피리딘)(P4VP)의 그라프팅도 연구되었다. SI-ARGET 시스템이 그라 프팅에 기여함을 알 수 있었고, 고전적인 SI-ATRP 방법에 비해 더 긴 사슬을 얻을 수 있었지만, 그라프팅 밀도는 낮았다.  또 한, SI-ATRP에서는 BIB-CNC의 거의 모든 Br 개시 부위가 반응하는 반면, SI-ARGET 시스템은 스티렌 또는 4-비닐피리 딘 여부에 무관하게 6~7%의 Br 부위만이 개시하는 것이 관찰되었다. CNC보다 더 복잡하고 부분적으로 무정형 구조를 가진 CNF의 SI-ATRP는 다른 양상을 나타내었다. Moritset 등은 두 가지 경로를 통해 제어된 SI-ATRP를 사용하여 CNF 표면에 폴리(n-부틸 아크릴레이트)(PnBA) 및 폴리(2-(디메틸 아미노) 에틸 메타크릴레이트)(PDMAEMA) 브러시의 그라프트 중합 가능성을 연구하였다.  첫 번째 경로에서는 BIBBR 개시제를 CNF 에어로겔에 화학 기상 증착(1단계)한 다음 DMF에서 용액 에스테르화(2단계) 를 포함하는 2단계 에스테르화 공정을 기반으로 높은 수준의 브롬화(높은 개시제 밀도)를 사용하였다. 두 번째 경로는 물에 서 DMSO로의 점진적인 용매 교환을 기반으로 한 낮은 수준의 브롬화(낮은 개시제 밀도)를 사용하였으며, 이어서 용액 에 스테르화를 진행하였다. 브롬화 정도가 높은 경우 그라프팅은 CNF 주변에 강하게 서로 얽힌 고분자 브러시를 형성했지만, CNF 사슬의 붕괴가 관찰되었다.  반면, 낮은 수준의 브롬화로 그라프팅을 통해 얻은 것들은 파편화가 적고 CNF의 구조적 무정형이 유지되었다. 이 관찰을 바탕으로 저자들은 DS가 낮은 브롬화를 사용하여 CNF의 예상치 못한 열화를 유발할 수 있는 사이드 체인 브러 시의 형성을 억제할 수 있다고 발표하였다.  2.2.3. RAFT에 의한 표면 개질  RAFT(reversible addition-fragmentation chain transfer polymerization) 중합법은 thiocarbonylthio compound 같은 사슬이동제와 reversible chain transfer 메커니즘을 사용하여 분자량 분포가 좁은 고분자를 만드는 방법이다. RAFT 는 말단 그룹을 쉽게 티올로 환원할 수 있어서 그림 5와 같이 추가로 개질할 수 있는 기능 그룹을 제공할 수 있는 주요 이점 이 있다.  RAFT를 사용하여 셀룰로오스 표면에 폴리(2-(디메틸 아미노)에틸 메타크릴레이트)를 그라프팅한 후 중합체 사슬은 산 성 조건에서 셀룰로오스로부터 절단될 수 있으므로 분리한 중합체의 특성을 분석할 수 있고, 이 특성은 용액에서 단순 중 합한 고분자와 비교할 수 있다. 동일한 절차와 특성 분석을 셀룰로오스에 그라프팅된 폴리스티렌에 적용한 결과, 그라프팅 된 폴리스티렌은 분자량 분포가 좁고 그라프팅 밀도와 적용면적(coverage)이 향상되었다. RAFT 법으로 셀룰로오스 표면에 항균성 고분자를 성장시킬 수 있다.  탄소수가 8, 12 또는 16인 알킬 브로마이드를 사 용하여 셀룰로오스 표면의 폴리(2-(디메틸아미노)에틸 메타크릴레이트) 사슬에 양이온 전하를 부가하였다. 그런 다음 이들 물질을 하이브리드 셀룰로오스 재료가 있는 상태에서 박테리아 용액을 배양하여 대장균에 대한 항균 활성을 테스트하였다. 비변성 및 1-bromooctane quaternized 고분자 그라프팅 셀룰로오스가 가장 높은 항균 활성을 나타내는 것으로 나타났다. 더 긴 알킬 사슬은 셀룰로오스의 소수성을 증가시켰고, 따라서 용액에서 물질과 박테리아 사이의 상호 작용을 감소시켰다.  2.2.4. 자유 라디칼 그라프팅에 의한 표면 개질  자유 라디칼 중합된 온도 감응성 폴리(N-이소프로필 아크릴아미드, p-NIPHM)과 CNC의 혼합 특성 변화를 연구하기 위해 물리적으로 흡착된 셀룰로오스와 공유 결합된 셀룰로오스를 제조하였다. 물리적으로 흡착된 CNC는 친수성이 더 우 수하여 균일하게 최대로 로딩할 수 있었다. 반면에 공유 결합된 CNC는 팽윤 정도가 더 크며 다공성 구조와 같은 특성으로 인해 확산이 잘되는 겔이 생성되었다. CNC/겔 조합은 순수한 폴리아크릴아미드 겔과 비교하여 압축 후 형태 복원성이 우 수하였다(그림 6).     3. 물리적 및 효소에 의한 표면 개질  3.1. 물리적 방법  전기 방전(플라즈마 처리), 초음파 처리, UV 조사 및 표면 세동 방법 등은 대표적 CNC의 물리적 표면 개질 기술이다. 플라 즈마 개질의 주요 특성 중 하나는 벌크 특성을 손상하지 않고 표면 특성을 개질할 수 있으며, 나노 셀룰로오스 표면에 카르복 실기, 카르보닐기 및 산소 함량을 증가시킬 수 있는 점이다. 또한 플라즈마 방전과 함께 초음파 조사와 같은 기술 조합을 사 용하면 나노섬유 코팅의 습윤 및 산화를 더욱 증가시키는 것으로 보고되었다. 바이오 소재 분야에서는 박테리아에서 제조된 나노 셀룰로오스(BNC) 표면을 질소 플라즈마로 개질하여 셀룰로오스 표 면-셀 상호 작용을 촉진하기 위한 연구에서 처리된 표면에서 세포주의 뚜렷한 성장 현상이 나타났다. 한편 산소 플라즈마를 사용하여 BNC 표면을 개질할 경우 형태 구조 및 표면 특성을 변형시켰고, 친수성 막이 형성됨을 관찰하였다.  3.2. 효소에 의한 표면 개질  효소 또한 나노 셀룰로오스 표면을 개질하는 데 사용될 수 있다. Afrin과 Karim은 두 가지 접근법을 사용하였다. (a) 효소 가 나노 셀룰로오스와 직접 접촉하는 직접 개질, (b) 간접적인 효소 매개 개질 방법으로 나노 셀룰로오스를 제조하고, 이를 추가로 기능화하는 것으로 이들 효소 개질법이 화학적 개질 방법에 비해 친환경 개질 방법이라고 결론지었다.  Islam 등은 CNF를 개질하는 데 있어 결정 구조를 보존하기 위해 형태를 손상하지 않고 표면만 개질하는 것이 중요하다고 보고하였다. Hydrolases 및 산화환원효소(oxidoreductases)는 가장 일반적으로 사용되는 두 종류의 효소이다. 글리코시다아제, 프로 테아제 및 리파아제가 자주 사용되는 hydrolases 효소인 반면, 산화환원효소의 경우 락카아제, 티로시나아제 및 퍼옥시다아 제가 주로 사용되는 효소이다. 생의학 응용과 관련하여 효소를 사용, 개질하여 기능화된 나노 셀룰로오스는 화학적 경로로 개질된 제품에 비해 독성을 피할 수 있는 많은 이점을 가지고 있다.  또한, 고밀도의 하이드록실 그룹의 존재를 기반으로 BNC도 개질될 수 있다. Kalhori와 Bagherpour는 공학 응용을 위한 BNC의 활용이 중요하다고 주장하였다. 예를 들어 Akhlaghi 등은 BNC가 시멘트 모르타르의 기계적 특성을 향상하는 것을 관찰하였으며, 시멘트 복합재의 보강재로서 BNC 섬유의 적용성을 확인하였다.  4. 나노 셀룰로오스의 최근 응용 동향  CNF는 자체로 고강도, 고 탄성율, 고 투명성, 고 표면적, 저선열 팽창계수를 가져 고분자 컴파운딩용 필러, 가스 고 배리어 성 등의 용도로 활용이 가능하다. CNF 제조에 널리 사용되는 표면 개질 방법은 1편에 기술한 TEMPO 매개 산화 방법으로 표면에 -COOH 그룹을 갖게 된다. 제조된 초미세 CNF는 나노미터 크기에서 오는 큰 표면적과 수소결합을 쉽게 할 수 있는 – COOH로 인하여 수분산 상태에서 CNF들이 서로 연결된 네트워크 구조, 즉 겔이 만들어진다.  여기에 힘을 가하면 네크워크 구 조가 파괴되어 흐름성이 좋아지고 힘을 그치면 다시 네트워크 구조로 되어 흐름성이 적은 성질, 즉 thixotropic 성질을 갖는다. 이를 이용하여 증점 효과, 기름 분리 방지, 미입자 등의 침강 방지, 흘러내림이 적은 스프레이 제품 등이 개발되고 있다(그림 7).  최근에 CNF가 갖는 고유의 특성을 이용하여 다양한 산업 분야에서 다음과 같은 용도도 활용되고 있다(그림 8). - 분산 안정제: 착색제, 세라믹, 화장품, 섬유, 고무, 플라스틱 등 - 표면 처리제: 전자부품, 섬유, 플라스틱 등 - 지력 증강제: 종일, 펄프 등 - 증점제 및 유화제: 색재, 화장품, 농약, 생활용품, 세라믹 등 - 보강제: 고무/플라스틱 등으로 용도가 개발되고 있다. 이 중에서 대표적인 몇 가지 활용에 관하여 기술한다.     4.1 화장품에 응용  앞서 언급한 바와 같이 바이오매스로부터 제조된 CNF는 친수성, thixotropic성으로부터 유래하는 보습, 증점, 유화 안정, 고체 침강 방지, 안료의 응집억제 등의 기능을 가져 이를 이용하여 기능성 화장품 제조에 널리 응용되고 있다. 일본의 애원제지는 감귤로부터 CNF를 제조하는 기술을 개발하였으며, 제조된 CNF는 증점, 보습 기능이 있어 보습크림, 린스/샴푸 같은 화장품의 원료로 사용되고 있다.  이 제품은 점도를 높이고, 자외선으로부터 피부보호 효과가 있다고 알려져 있다. 애원제지는 감귤의 이미지를 이용하며 식품 첨가에도 활용을 추진하고 있으며, 빵 제조 시 첨가하면 경도가 높아지고 보습과 백색이 양호해져 식감 개선이 기대되고 있다.    4.2 고분자 보강제로 응용  CNF는 고강도, 저밀도, 환경 친화 특성이 있어 플라스틱, 고무에 보강제로 혼합하여 기계 부품, 자동차 부품 등의 소재로 활용되고 있다. 일본의 아사히케미칼 사는 커지는 환경 대응 이슈에 대응하기 위해 CNF와 폴리아세탈, 나일론수지와의 복합체를 개발하 였다. 아세탈 수지와 CNF의 복합체는 진동 흡수 능력, 차음성, 저 마찰계수, 저 마모성 등의 특성을 나타내 기어 부품, 전기 자동차 모터 소재, 차음재, GREASELESS 베어링 등의 소재로 개발되고 있다(그림 10).  나일론수지와의 복합체는 우수한 내열성, 미끄럼성, 고강도, 저밀도와 reworkability를 가져 소형 부품, 얇은 시트, 경량 부품 등의 소재로 개발되고 있다. 특히 GF 복합체와 비교해보면 5번 재가공 후에도 특성을 유지하는 reworkability성이 우 수하다(그림 11).       일본제지는 CNF를 천연고무에 균일하게 분산시켜 고강 도와 에너지 로스를 줄인 고무 시트 ‘셀렌피아 엘라스’를 개발하였다. 고무 보강에 가장 많이 사용하는 화석연료 유 래의 카본 블랙(탄소 미립자)보다 소량으로 동등한 강도를 가졌고, 에너지 로스는 약 20% 삭감할 수 있다고 한다(그림 12).  4.3 기타 용도 및 개발 동향  일본의 제일공업제약은 CNF 제조 및 응용에 대한 연구 개발을 활발히 추진하고 있는 기업이다. TEMPO 산화법으 로 제조된 CNF(상품명 “RHEOCRYSTA”)는 섬유 폭 3㎚ 의 초미세 섬유로 투명성, 증점성, 분산성이 우수하여 도 료, 잉크, 세라믹, 코팅, 포장재 등에 이용될 수 있으며, 현 재 화장품 제조에 사용되고 있다.  미래 산업용 소재로서도 개발되고 있으며, LiB 전해질 첨가제, 수소탱크용 고 배리 어 소재로 연료전지차, 수소 스테이션용 수소탱크에 활용 이 기대되고 있다. 의료용으로는 창상 치료, 재생의료 재료 로 기대되고 있다. 일본의 공작기계 메이커 스키노머신 사는 알루미나, 바 륨티탄 같은 세라믹 바인더용 CNF 슬러리를 개발하였다.  폴리비닐알코올 수지와 함께 수계 바인더로 사용하여 세라믹 기판의 중간재인 그린 시트 제조 시에 소량 첨가로 강도, 굴곡성을 향상할 수 있다. 파우더 제품용은 용제계에 활용하여 전자부품, 모빌리티 제조공정용으로 전개하고 있으며, 압출 성형으로 하니콤 제조에 적용을 추진 중이다(그림 13).     CNF의 활용에 가장 큰 제약은 고가의 제조 비용이다. 일본의 교토에 있는 수정화학(垂井化學)은 CNF의 미세화에 필요한 독자의 화학 기술 및 제조 에너지 저감을 통해 기존 제품보다 저렴하게 CNF를 사업화하여 판매 및 응용 분야를 개척하고 있 다. 섬유 폭은 약 3㎚로 스프레이로 뿌려도 겔 형상을 유지하여 무기, 미세금속 분말 혼합에서 균일하게 분산시키며 안정화 한다.  또한 고농도에서는 분산제 첨가제로 사용 가능하다고 보고하였다. CNF는 표면에 친수성 그룹인 –COOH, -OH 등을 갖고 있어서 소수성 고분자와의 혼합 시 분산이 어렵다. 이를 개선하기 위해 전편과 본 보고서의 2, 3장에서 언급한 표면 개질 기술이 연구되고 있으나, 이들 방법은 화학반응 공정이 수반된다.  일본의 한본약품공업은 간단한 방법으로 소수성 고분자에 CNF의 분산성을 향상하기 위한 첨가제를 개발하였다. 폴리글 리세린계 2종류의 분산제를 사용하여 폴리프로필렌-CNF 복합체에서 CNF의 응집을 억제시킬 수 있었다. 즉, 고분자와 CNF 혼합 시 분산제를 첨가하는 것만으로도 우수한 분산 효과를 얻을 수 있다. 이 분산제는 계면활성제로서 표면의 친수성 부분에 흡착해서 표면을 소수성화 한다.  또한 이 방법을 사용하면 CNF 수분산에서 수소결합이 어려워 3차원 네트워크 생성 이 억제된다고 발표하였다. 일본의 동아합성은 셀룰로오스의 나노 피브릴화에 사용하는 고가의 특수 장비를 사용하지 않고 일반 교반기를 사용하여 투자비가 적게 드는 방법을 개발하였다.  이 기술은 강산화제인 NaOCl을 고농도로 사용, 목재를 산화시켜 CNF를 제조할 수 있는 방법이다. 이 방법을 사용하면 제조 에너지를 삭감하고 CO2 배출량도 억제 가능해서 전체 제조 비용을 종래의 1/5로 줄일 수 있다고 발표하였다. 저점도 페이스트, ABS 수지/광 경화 수지 등의 보강제, 세라믹 등의 분산제로 응용 분야를 개척 하고 있다 일본의 Fujiki 사는 CNF 마스터배치(M/B)를 개발하였다. TEMPO 법으로 개발된 CNF를 건조하여 분말을 제조하고, 이 를 식물계 왁스, 변성 로진 등과 혼합, 3본 롤로 가공하면 분산이 잘되는 M/B 상태가 되며, 이를 이용하여 PP, PS, PE 복합체 제조에 이용할 수 있다(그림 14).   5. 맺음말 나노 셀룰로오스는 바이오매스 자원에서 풍부하게 얻을 수 있으며, 생분해성을 갖고 있어 탄소중립 실현에 기여할 수 있는 주요 환경 친화 소재이다. 셀룰로오스에 있는 OH-그룹은 저분자, 고분자, 효소 등과 화학반응으로 친수성, 소수성 표면으로 개 질을 가능하게 해주며 개질된 나노 셀룰로오스는 용융, 용액, 에멀젼, 분말 상에서 다른 소재와 혼합 시 분산성을 향상시킬 수 있기 때문에 여러 응용이 기대되고 있다.  최근에 셀룰로오스 나노섬유(CNF) 및 나노결정(CNC)이 갖는 고강도, 저비중, 환경 친화 등의 특성을 활용하고자 나노 셀룰 로오스 제조 및 표면 개질과 새로운 응용 분야 탐색이 활발하게 진행되고 있다. 현재까지 진행된 주요 응용 분야는 고분자 복합 소재, 바이오 메디칼, 용수 및 폐수처리, 다양한 센서 및 웨어러블 소재, 화장품, 식품 포장 등 광범위한 영역에 걸쳐있다.  1, 2편 에 걸친 본 심층 보고서에서는 저분자, 고분자, 물리, 효소를 이용하여 CNF의 표면을 개질하는 방법과 최근 시도되고 있은 응 용에 대하여 중점을 두고 기술하였다. 나노 셀룰로오스가 이들 영역에서 성공적으로 활용되기 위해서는 에너지 절감 등의 공정개선과 최적화를 통한 원가절감 및 대량생산 기술, 환경친화적인 표면 개질 기술과 응용에 대응하는 맞춤형 표면 개질 기술 및 분산 기술 개발 등에 더 많은 노력 이 필요하다.     
편집부 2024-09-27
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가소화 스크류에 관한 모든 것 Part 3

가소화 스크류에 관한 모든 것 Part 3  WITTMANN innovations (Volume 14 - 2/2020)Filipp Pühringer/heads the WITTMANN BATTENFELDProcess Engineering Development Department. 앞 시리즈에서는 가소화 장치 설계 및 스크류 구조 계산의 기본 원리에 대해 논의했다. 처리량 거동, 압력 상승 용량 및 용융 공 정에 대한 계산은 모범적인 스크류 형상에서 입증되었다. 이 기획 시리즈의 세 번째이자 마지막인 Part 3에서는 스크류 구조를 최적화할 수 있는 가능성을 다룬다.  첫 번째 산출 결과 Results of the first calculation     이전 시리즈에서 제시된 예에서, 평균 계량 성능은 배압이 80bar이고, 원주 스크류 속도(회전수, RPM)가 300㎜/s인 경우 약 12.49g/s로, 이는 적절한 형상 최적화로 개선될 수 있다. 스크류는 압력 상승을 위한 상당한 초과 용량을 보여주었다.  배압이 80bar인 스크류는 160bar 미만의 최고 압력에 도달할 수 있었다. 그러나 재료를 보호하기 위해서나 부드러 운 가소화를 위해서는 이 피크 압력을 실제로 120bar 미만으로 줄여야 한다. 하지만 이송 방향으로 약 8D 이동한 후에 재료가 이미 완전히 액화되었기 때문에 용융 공정은 매우 긍정적으로 전개 되었다.  추가 최적화 과정에서 이제는 단단한 재료가 계량 존으로 너무 멀리 이동하는 것을 막아야 한다. 극단적인 경우 스크류, 배럴 및 체크 밸브가 과도하게 마모될 수 있다.     궁극적으로, 이는 용융 수지의 체류시간이 재료 업체가 권장하는 최소 체류시간 아래로 떨어지지 않아야 하는 이유이기도 하다.  구조의 최적화 Optimizing the geometry  Test 1: 계량 존 단축(Shortening the metering zone)  첫 번째 단계로 계량 존의 길이를 줄여야 한다. 이에 대한 아이디어는 플라이트 깊이가 낮고 길이가 상당한 계량 존이 선행하 는 스크류 존에 해당 차단 효과를 생성한다는 것이다.  이것은 또한 최적화 시도 전에 압축 존의 끝까지 피크 압력 포인트의 근 접성에 의해 나타난다. 이 첫 번째 테스트에서는 계량 존이 5.5D에서 3.5D로 단축되었다. 22D의 총 스크류 길이를 변경하지 않고 유지하기 위해 압축 존이 연장된다. 피크 압력에 미치는 영향은 무시할 수 있다.  그러나 압력 피크가 체크 밸브에 가까워지면서 계량 존의 압 력 구배가 더 가파르게 되었다. 완전성을 위해, 변화가 용융 공정 및 처리량에 유사하게 작은 영향을 미친다는 점도 언급해야 한다. 액화는 이제 L/D 8.9에서 완료되었으며, 평균 계량 성능은 약 13.02g/s이다. Test 2: 계량 존 깊이 증가(Increasing the metering zone depth)  계량 존을 단축하여 달성된 효과는 미미하기 때문에 이제 플라이트 깊이는 두 번째 단계로 검사한다. 개별 존은 원래 길이(전 체 길이의 25% / 25% / 50%)로 돌아간다. 2개 존의 플라이트 깊이 비율은 변경되지 않지만, 계량 존의 플라이트 깊이 비율은 25~30% 증가한다.  반올림한 수치로, 계량 존에 대해 약 3.2mm의 플라이트 깊이가 산출된다. 이 최적화 시도를 수행한 후 압력 곡선은 158bar 의 원래 압력이 129bar로 감소했음을 보여준다. 플라이트 깊이가 28% 증가하면 계량 존을 약 36% 단축하는 것보다 막힘 효과가 훨씬 더 많이 감소하는 것이 흥미롭다.  여기에서 언급할 가치가 있는 다른 점은 이 이동으로 도달한 평균 계량 성능 15.23g/s 및 완전한 액화가 L/D 10.4로 이동한 것이다. 또한, 기본적으로 공정 파라미터에 대한 영향을 최적화하기 위해 압축비, 존 길이 비율 등을 유사한 방식으로 변경할 수 있다.  유니멜트 스크류 UNIMELT screws   이러한 테스트가 다양한 재료에 대해 수행되고 그에 따라 조화되는 경우 보편적으로 적용 가능한 스크류 구조가 나타난다. WB(Wittmann Battenfeld)에서 이러한 종류의 다용도 스크류는 ‘UNIMELT’라는 이름으로 판매된다.  열가소성 수지 가공에서 매우 광범위한 응용 분야에서 두드러진다. 적합한 내 마모 패키지와 함께 오래 지속되는 가소화 시스템을 제공한다. WB 엔지니어 팀은 사출성형의 특별한 과제를 해결해야 할 경우 고객이 모든 개별 목적에 맞는 최적의 가소화 솔루션을 공동으로 조사할 수 있도록 지원한다.          
편집부 2024-09-27
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스마트공장(Smart Factory)을 위한 사출성형 모니터링 데이터 분석 (부제: 사출성형 공정 그래프(Graph)에 대한 분석 및 이해)

최근 사출성형 산업계에서는 극심한 경쟁 구도에 직면하고 있으며, 이로 인하여 지속적인 생산성 향상, 엄격한 품질관리, 인건비 절감 등의 요구에 직면하고 있다. 이러한 산업환경 변화에 대응하기 위하여, 고품질 또는 대량 생산 플라스틱 제품을 중심으로 센서를 이용한 사출성형 모니터링 시스템의 활용이 확대되고 있다. 이 연재 기사에서는 각종 센서와 사출기에서 얻어지는 데이터(그래프)를 이해하고 활용하는 방법에 필요한 기본 지식에 초점을 맞추어 기사를 연재하고자 한다.RJG사는 사출성형 교육, 기술 및 리소스 분야에서 세계적인 리더로 인정 받고 있는 회사이며, 사출성형 공정 모니터링에 사용되는 센서와 장비를 생산/공급하고 있다. 본 기사의 게재된 자료 들은 RJG 사의 모니터링 시스템(eDart/Copliot)에 기반을 두고 있으며, RJG 사에 Copyright의 모든 권한이 있음을 밝힌다. 자료제공: 이길호 대표이사(씨에이프로(주), RJG 사 공식 컨설턴트/트레이너)     Ⅳ. 과학적(Scientific) 공정을 위한 기술적 조언 (사출성형에서의 인공지능(AI)에 대한 고찰)  오늘날과 같이 급변하는 제조업 세계에서 인공지능(AI)은 게임체인저가 되어 뒤흔들고 있으며, 기존 프로세스를 전환하려는 시도를 이어가고 있다. 여기에서는 이러한 시대의 변화와 관련하여 인공지능(AI)과 사출성형을 연결시키기 위하여 필요한 기 본 내용들을 서술하고자 한다. 우선 AI가 무엇인지, 어떻게 작동하는지, 왜 그렇게 중요한지, 그리고 인공지능(AI)의 다양한 종류를 분석하여 AI가 무엇을 할 수 있고, 어떻게 사용되는지를 이해하여야 한다.  더불어 더 빠른 생산, 더 나은 품질관리, 더 스마트한 의사 결정과 같은 사출 성형에서 인공지능(AI)의 실질적인 이점과 적용 시 발생하는 위험(Danger) 사항도 점검하고자 한다. 인공지능(AI)은 일반적으로 인간의 지능이 필요한 작업을 수행할 수 있는 컴퓨터 시스템의 개발을 말하며, 이러한 작업 에는 학습(Learning), 추론(Reasoning), 문제 해결(Problem-solving), 지각(Perception), 언어 이해(Language understanding), 심지어 음성 인식(Speech recognition)을 포함한다. 일부 AI 형태는 인간의 인지 기능을 모방하여 시간이 지남에 따라 적응하고 성능을 개선할 수 있는 기계를 만드는 것을 목표로 하지만, 특정 작업을 수행하기 위해 미리 정의된 데이터 세트를 사용하는 더 간단한 형태의 AI도 있다     여기에서는 인공지능(AI)을 사출성형 공정에 적용하기 위하여 가져야 할 기본 지식을 다음과 같은 내용과 순서로 서술하였으며, 마지막으로 RJG 사의 인공지능(AI)을 적용한 컴퓨터 시스템개발에 관한 내용을 소개하고자 한다.  가) 인공지능(AI)의 종류 나) 사출성형에서 인공지능(AI)의 이점 다) 투자 수익률 및 비용 절감 가능성 라) 사출성형에서 인공지능(AI)의 위험 마) 인공지능(AI)에서 좋은 데이터의 중요성 바) 사출성형 분야의 인공지능(AI) 적용에서 캐비티 압력 데이터의 중요성  가. 인공지능(AI) 종류  1. 좁은 AI 또는 약한 AI(Narrow or Weak AI)좁은 AI는 특정 작업 또는 밀접하게 관련된 작업 집합을 수행하도록 설계되었으며, 사전 정의된 도메인에서 탁월하지만, 그 범위를 넘어 지능을 일반화하는 능력은 부족하다. 예를 들어 Siri 또는 Alexa와 같은 가상 개인 비서는 특정 음성 명령을 이해하고 응답하는 데만 능숙하다.  2. 일반 AI 또는 강력한 AI(General or Strong AI) 일반 AI는 기계가 인간 지능과 유사하게 광범위한 작업에 걸쳐 지식을 이해하고 학습하고 적용할 수 있는 수준의 인공지 능을 나타낸다. 일반 AI를 달성하는 것은 여전히 상당한 과제이며, 현재 AI 시스템은 대부분 좁은 AI로 분류하고 있다.  3. 머신러닝(Machine Learning) 머신러닝은 명시적 프로그래밍 없이 기계가 데이터에서 학습할 수 있도록 하는 데 중점을 둔 AI의 하위 집합으로 분류된 다. ML 알고리즘은 패턴과 통계 기술을 사용하여 시간이 지남에 따라 성능이 개선되며, 이는 추천 시스템, 이미지 인식 및 자연어 처리의 기반이 되는 기술이다.   4. 딥 러닝(Deep Learning) 딥 러닝은 여러 계층(딥 신경망)이 포함된 특수한 형태의 머신러닝이며, 인간의 뇌 구조를 모방한 딥 러닝은 이미지 및 음성 인식과 같은 작업에서 탁월 하다. 이러한 기술은 얼굴 인식 기술, 자율주행차 등 의 발전을 촉진했다. 5. 강화 학습(Reinforcement Learning) 강화 학습은 원하는 행동에 보상하고 바람직하지 않은 행동에 처벌을 주어 일련의 결정을 내리도록 머신을 훈련하는 것을 포함한다. 이 유형의 AI는 종종 게임, 로봇 공학 및 최적화 문제에 사용되어 머신이 시행착오를 통해 학습할 수 있도록 한다.  6. 자연어 처리(NLP; Natural Language Processing) NLP를 통해 머신은 인간 언어를 이해하고 해석하고 생성할 수 있으며, 응용 프로그램에는 언어 번역, 감정 분석 및 챗봇 이 있다. NLP는 AI 시스템을 사용자에게 더 접근이 가능하고 상호 작용적으로 만드는 데 필수적이다.  나. 사출성형에서 인공지능(AI)의 이점(Benefit)  플라스틱 사출성형 산업에서 공정을 최적화하고 제품 품질을 향상시키려는 노력이 증가되면서 AI는 이 분야에서 게임체인저로 부상하고 있으며, AI를 사용함으로써 얻을 수 있는 이점은 다음과 같다.  정밀도 및 품질 향상 플라스틱 사출성형에 AI를 통합하는 주요 이점 중 하나는 정밀도와 제품 품질을 향상시키는 능력에 있으며, RJG 사의 MAX와 같은 AI 기반 시스템은 실시간으로 매개변수 조정을 모니터링하고 제안하여 일관되고 고품질의 제품을 보장할 수 있다. 이를 통해 불량이 크게 감소하고, 비용이 많이 드는 재작업의 필요성이 최소화되며 전반적인 생산 효율성이 향상된다.  가동시간 증가를 위한 예측유지 관리 AI는 기계에 내장된 센서의 데이터를 분 석하여 예측유지 관리를 가능하게 하며, 제 조업체는 문제가 발생하기 전에 잠재적인 장비 고장을 예측하여 유지 관리를 위한 정 비시간을 사전에 예약하고 가동 중지 시간 을 최소화하여 생산 일정을 최적화할 수 있 다. 이를 통해 운영 효율성이 향상되고 비용이 절감된다.     에너지 효율성 및 비용 절감 플라스틱 사출성형의 AI는 에너지 사용을 최적화하는 데 중요한 역할을 한다. AI는 성형업체가 실시간 데이터를 활용하 여 안정적인 프로세스를 유지할 수 있도록 지원하여 폐기물, 기계 가동 중단 시간 및 불필요한 에너지 소비를 줄이는 데 도 움이 된다. 이는 지속 가능 목표에 기여할 뿐만 아니라 장기적으로 상당한 비용 절감으로 이어진다  고급 프로세스 모니터링 AI는 방대한 양의 데이터를 실시간으로 처리할 수 있는 기능을 가짐으로, 고급 프로 세스 모니터링을 용이하게 한다. 여기에는 원자재의 거동 모니터링, 생산조건 변화 감 지, 실시간 지원(MAX)을 제공하여 프로세 스를 다시 안정적인 환경으로 돌려놓는 것 이 포함된다. 결론적으로 제조업체는 전체 생산 프로세스를 엄격하게 제어하여 일관성 을 보장하고 재료 낭비를 최소화할 수 있다  제품출시 기간 단축AI의 빠른 응답과 높은 적응성을 가지는 특성으로 인하여 제품개발 주기를 가속화하며, 사출성형 프로세스를 간소화함으 로써 신제품의 출시 기간을 단축하는 데 기여한다. 이는 신속한 혁신과 시장 수요에 대한 신속한 대응이 가장 중요한 산업 에서 특히 중요할 것이다.     다. 투자 수익률 및 비용 절감 가능성  AI는 기업이 운영을 최적화하고 생산성을 높여 상당한 투자 수익률(ROI)을 창출할 수 있는 기회를 제공한다. AI의 다재 다능함은 다양한 부문에 걸쳐 확장되어 스크랩 및 기계 가동 중단 시간을 줄이는 것부터 직원이 프로세스를 개선하고 생산성을 높일 수 있도록 지원하는 것까지 다양한 문제에 대한 혁신적인 솔루션을 제공한다.  스크랩 감소 우리 모두는 스크랩을 최소화하는 것이 수익성을 높이는 핵심(그러나 종종 간과되는) 방법 중 하나라는 것을 알고 있다. AI 기반 품질관리 시스템은 사전 예방적 접근 방식을 제공하며, 실시간으로 불량을 식별할 수 있도록 가능하게 낭비를 줄이 고 리소스를 최적화한다. 생산 데이터를 분석하고 이상 징후를 실시간으로 감지함으로써 문제가 확대되기 전에 신속하게 식별하고 수정하여, 재료 낭비를 최소화하면서 더 높은 품질의 생산량이 보장 가능하다. AI를 사용하는 업체의 54%가 AI로 인해 서비스 운영기능의 비용이 감소했다고 보고하고 있다.  기계 가동중단 시간 감소기계 가동중단은 많은 성형 업체에게 심각한 문제를 야기하여 생산성과 수익 손실로 이어지게 하는 중요한 문제점이다. AI 지원 프로세스 제어 시스템을 사용하면, 프로세스가 규정 범위를 이탈하는 순간을 알 수 있고, 그 이유와 함께 프로세스 를 다시 되돌리기 위한 간단한 단계별 지침을 제공받을 수 있다. 또한, 전 세계 어디에서나 문제를 해결하고 과거의 머신 데이터를 분석하여 문제가 발생하기 전에 더 정확하게 예측할 수 있다.  생산량 증대 데이터 세트를 분석하고 실행 가능한 계획을 도출하는 AI의 기능을 통해 생산 프로세스를 최적화하고 생산량을 극대화 할 수 있으며, 실시간으로 생산 매개변수를 미세 조정하여 리소스 할당을 최적화하고 전반적인 생산성 향상이 가능해진다.  라. 사출성형에서 인공지능(AI)의 위험(Dangers)  플라스틱 사출성형에 AI를 통합하여 놀라운 발전을 이루었지만, 큰 힘에는 큰 책임이 따른다는 것을 인식하는 것이 중요 하다. 산업이 제조 공정을 최적화하기 위해 AI의 잠재력을 활용함에 따라, 잠재적 위험을 인식하고 해결하는 것도 마찬가지 로 중요함을 인지하여야 한다.  안전 위험 AI 제어 기계와 로봇은 오작동하여 사고와 부상으로 이 어질 수 있으므로 적절하게 설계 및 유지 관리하지 않으면 AI 시스템은 근로자에게 안전 위험을 초래할 수 있다. 이러한 위험을 최소화하기 위해 안전 기준과 적절한 교육을 실시하는 것이 매우 중요하다.  투명성 부족 일부 AI 알고리즘, 특히 딥 러닝 모델은 의사 결정 프로세스가 불투명하며, 이러한 투명성 부족으로 인해 AI 시스템이 어떻게 결론을 내리는지 이해하기 어려워 근로자와 이해 관계자 사이에 불신이 생길 수 있음에 유의하여야 한다.  AI에 대한 과도한 의존 AI 시스템은 효율성과 품질을 크게 향상시킬 수 있지만, 인간의 감독 없이 맹목적으로 신뢰하는 것은 문제가 될 수 있다. 과도한 의존은 안주로 이어져 중요한 의사 결정 프로세스에서 인간의 역할을 줄이고 AI 알고리즘이 포착하지 못할 수 있는 미묘한 문제를 간과할 수 있다.  데이터 보안 및 개인 정보 보호 문제 플라스틱 사출성형에 AI를 구현하려면 방대한 양의 데이터를 수집하고 분석해야 하며, 이러한 데이터는 종종 민감하고 독점적이므로 보안 및 개인 정보 보호에 대한 우려가 발생한다. 무단 액세스 또는 데이터 보안 위반은 지적 재산권 도용으 로 이어져 제조업체의 경쟁 우위를 손상시킬 수 있으므로 새로운 기술을 구현하기 전에 데이터 보안을 이해하는 것이 중요하다.  일자리 대체 AI 시스템이 플라스틱 사출성형 프로세스의 특정 작업을 자동화함에 따라 일상적이고 수동적인 작업에 참여하는 근로자의 일자리 대체 위험이 있다. 제조업체는 공정하고 정당한 전환을 보장하기 위해 해고된 근로자의 재교육 및 기술 향상을 고려하여야 하며, 자동화의 윤리적 의미를 신중하게 고찰해야 한다.  마. 인공지능(AI)에서 좋은 데이터의 중요성  AI의 중심에는 알고리즘을 구동하고, 모델을 훈련하고, 인사이트를 이끌어 내는 연료인 데이터가 필요하다. 데이터 관리 영역에서는 “쓰레기를 투입하면, 쓰레기가 나온다(garbage in, garbage out)”라는 오래된 격언이 있으며, 데이터 품질은 AI 시스템의 성능, 신뢰성 및 효율성에 직접적인 영향을 미친다. 그러므로 좋은 데이터의 중요성을 이해하는 것은 AI의 잠재력을 최대한 활용하는 데 가장 중요한 요소이다.     AI 성공의 토대좋은 데이터는 AI 시스템이 구축되는 기본이 되며, 관 련성이 높고 잘 구성된 데이터를 통해 AI 알고리즘은 패 턴을 학습하고, 예측을 수행하고, 정확하고 정밀하게 귀 중한 결과를 생성할 수 있다. 좋은 데이터가 없으면 AI 시 스템은 신뢰할 수 없는 결과를 생성하여 잘못된 결정과 차선의 결과로 이어질 수 있음을 명심하여야 한다. 프로세스 제어 시스템에 공급하든, 부품 품질을 확인하든, 자 동화된 로봇을 제어하든, 데이터 품질은 AI 애플리케이션의 성공에 가장 큰 영향을 미친다.  향상된 의사 결정 오늘날의 데이터 중심 세계에서 기업은 AI 기반 분석을 사용하여 실행 가능한 통찰력을 얻고 이에 입각한 결정을 내린다. 그러나 AI 기반 의사 결정의 효율성은 기본 데이터의 품질에 달려 있으며, 나쁜 데이터는 AI 알고리즘이 정확한 예측을 저 해하고 관련 추세를 예측하지 못하도록 결과를 도출한다.  신뢰와 신뢰성 신뢰는 AI 기술의 채택 및 수용에 있어 중요한 요소이며, 고객, 직원, 규제 기관 등 이해 관계자는 AI 시스템의 신뢰성과 무결성에 대한 확신을 가질 수 있어야 한다. 좋은 데이터는 AI 기반 프로세스에서 투명성, 일관성 및 책임성을 보장하여 신 뢰를 구축하는 데 중추적인 역할을 한다. AI가 고품질 데이터로 훈련되면 AI 알고리즘이 편향되지 않으며 오류 또는 비윤리 적 결과에 대한 가능성이 줄어들어 사용자와 이해 관계자 간의 신뢰를 높일 수 있다.  혁신과 성장 좋은 데이터는 혁신을 촉진하고 조직의 성장을 촉진한다. AI는 방대한 양의 정형 및 비정형 데이터를 활용하여 여러 분야의 숨겨진 패턴을 발견하고, 새로운 방향성을 도출하여 미개척 기회를 식별할 수 있도록 지원하여, 혁신과 성장이 지속하도록 도움을 준다.  바. 사출성형 분야의 인공지능(AI) 적용에서 캐비티 압력 데이터의 중요성 대부분 성형기가 사출성형기의 범위 내에서 온도, 압력 및 유속과 같은 매개변수들을 모니터링 한다. 이러한 데이터는 프 로세스에 대한 전반적인 데이터를 제공하지만, 사출기 동작과 관련된 일부 데이터만을 알려주는 것에 불과함을 인지하여야 한다. 보다 정밀하고 안정적인 사출성형 프로세스를 확립하려면, 공정의 핵심인 캐비티(Cavity) 자체에 대해 더 깊이 파고 드는 것이 필수적이다. 캐비티 압력 데이터는 사출성형 공정 중 캐비티 내부의 용융 재료에 의해 가해지는 압력을 실시간으로 측정한 것을 말하며, 이 데이터는 부품 품질, 금형 성능 및 프로세스 일관성과 같은 프로세스의 중요한 측면에 대한 귀중한 통찰력을 제공한다.     캐비티 압력 데이터가 매우 중요한 주된 이유 중 하나는 부품 품질을 보장할 수 있는 데이터와의 관련성이며, 용융 물질이 캐비 티를 채울 때 가해지는 압력을 모니터링함 으로써 제조업체는 미성형, 플래시, 또는 싱 크와 같은 잠재적 결함을 감지할 수 있다. 이를 통해 공정 매개변수를 즉시 조정할 수 있어 폐기율을 최소화하고, 최종적으 로 고객에게 고품질 제품만을 납품할 수 있다. 또한, 캐비티 압력 데이터는 사출성형 공정 자체를 최적화하는 데 중추적인 역할을 하며, 각 주기 동안 압력 프로파일을 분석함으로써 제조업체는 추세, 이상 및 개선 영역을 식별할 수 있다.  AI가 사출성형에서 혁신적인 잠재력을 진정으로 발휘하려면 캐비티 압력 데이터를 포함한 포괄적이고 세분화된 데이터 에 접근이 가능하여야 하며, 캐비티 내부의 실시간 압력 데이터를 AI 시스템에 공급함 으로써 새로운 차원의 정밀도, 효율성 및 혁 신을 실현할 수 있다. 이러한 데이터를 수집 하려면 금형에 캐비티 압력 센서를 설치하 고 기계에 공정 제어 시스템을 설치하는 것 이 중요하며, 올바른 센서를 올바른 위치에 배치하는 것도 중요하다.  현재 사출성형 산업 전반에 걸쳐 새로운 AI 기술이 등장하고 있지만, 이러한 기술을 현장에 적용하기 전에 이러한 기술과 작동 방식을 완전히 이해하여 생산 프로세스에 이점이 아닌 손해가 되지 않도록 하는 것이 매우 중요하다. 이러한 관점에서 개발된 새로운 기술 중 하나는 RJG 사의 MAX 시스템이다.Molding Automation Xperience, 또는 줄여서 MAX는 직관적이고 사용하기 쉬운 인터페이스를 특징으로 하며, 프로세스를 최적의 성능으로 복원하는 데 도움이 되는 단계별 조언을 제공한다. 입증된 Master Molder® 기술로 구동되는 이 스마트 AI는 전에 없던 수준의 제어, 효율성 및 품질을 제공할 수 있다.    이 스마트 어시스턴트는 공정 매개변수 를 실시간으로 모니터링하고 문제 해결 조언(Advice)을 제공하여 성형 작업자가 문제를 신속하게 해결하고 생산성을 향상 시킬 수 있도록 지원한다. MAX는 사출성형 공정이 최고의 성능으로 가동될 수 있도록 지원하는 것에 1차적인 목적을 둔다. 또한, 경쟁사와의 기술 격차를 줄이는 동시에 스크랩 및 가동 중지 시간을 최소화하여 효율성을 높이며, 부품 품질을 향상시켜야 하는 성형업체의 요구 사항을 해결하는 데 도움을 준다.    핵심 요약  1. AI에는 다양한 유형이 있으며, 가장 도움이 되는 도구를 찾는 것이 중요하다.  2. AI를 적절하게 사용하면 효율성, 생산성, 수익성 및 지속 가능성에 도움이 될 수 있다.  3. 데이터 보안 조치가 마련되어 있고, 예산이 AI의 초기 비용에 맞게 조정되도록 하는 것이 중요하다.  4. 정확하고 신뢰할 수 있는 데이터는 성공적인 AI 구현에 절대적으로 필요하다.  5. 캐비티 압력 데이터는 금형 내부의 현상에 대한 전체적인 그림을 제공하며, AI 시스템의 성공에 필요한 정보를 제공하는 데에 매우 중요하다.        
편집부 2024-09-27
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스마트공장(Smart Factory)을 위한 사출성형 모니터링 데이터 분석 (부제: 사출성형 공정 그래프(Graph)에 대한 분석 및 이해)

최근 사출성형 산업계에서는 극심한 경쟁 구도에 직면하고 있으며, 이로 인하여 지속적인 생산성 향상, 엄격한 품질관리, 인건비 절감 등의 요구에 직면하고 있다. 이러한 산업환경 변화에 대응하기 위하여, 고품질 또는 대량 생산 플라스틱 제품을 중심으로 센서를 이용한 사출성형 모니터링 시스템의 활용이 확대되고 있다. 이 연재 기사에서는 각종 센서와 사출기에서 얻어지는 데이터(그래프)를 이해하고 활용하는 방법에 필요한 기본 지식에 초점을 맞추어 기사를 연재하고자 한다.RJG사는 사출성형 교육, 기술 및 리소스 분야에서 세계적인 리더로 인정 받고 있는 회사이며, 사출성형 공정 모니터링에 사용되는 센서와 장비를 생산/공급하고 있다. 본 기사의 게재된 자료 들은 RJG 사의 모니터링 시스템(eDart/Copliot)에 기반을 두고 있으며, RJG 사에 Copyright의 모든 권한이 있음을 밝힌다. 자료제공: 이길호 대표이사(씨에이프로(주), RJG 사 공식 컨설턴트/트레이너)       Ⅲ. 성형 중에 얻을 수 있는 그래프의 해석 및 이해  5. 데이터를 이용한 제품 불량 판별(예제)  사출 성형품의 불량은 적절하지 않은 금형 설계, 사출기의 불안정한 작동, 부적절한 성형조건, 그리고 재료의 변동성 등의 요인에 의하여 발생하며, 여기에서는 초기 시사출에서 발생하지 않지만 양산 중에 부정기적으로 발생하는 성형품 불량에 대하여 중점적으로 얘기하고자 한다. 일반적인 대부분의 성형품 불량은 캐비티의 형상과 두께 분포, 게이트의 형태/위치/개수, 런너의 형태와 배열 등의 금형 설계 변경으로 해결이 가능하다. 그러나 양산에서 돌발적으로 발생하는 불량은 금형 외에 다른 요인에 의하여 발생할 확률이 높음으로 지속적인 모니터링을 통한 품질 관리가 필요하다.      사출성형에서 발생하는 불량을 제어하기 위해서는 사출기와 성형조건, 그리고 재료에 대한 폭넓은 이해가 필요하며, 많은 변수(Parameter)들과 불량 현상과의 관계를 직접적으로 파악하기보다는 4대 변수를 매개로 이해하는 것이 많은 도움이 된다. 4대 변수는 용융온도(Melt Temperature), 충진 속도(Fill Speed), 압력(Cavity Pressure), 냉각 속도(Cooling Rate)를 말하며, 이들과 불량 발생 원인 관계에 대한 이해는 시스템적(Systematic)인 사고를 할 수 있는 기본적인 지식을 제공한다.      일반적으로 양산에서 외부의 변수에 의하여 불규칙적으로 발생하는 Short Shots(미성형), Flash(플래쉬), Sink-mark(싱크 마크), Dimensional Variations(치수안정성), Warp(변형), Gloss Gradient(표면광택 차이), Strength(강도 차이) 등과 같은 불량을 4대 변수와 연관시켜 분류하고 사고하면, 비교적 손쉽게 원인과 해결책을 파악할 수 있다. [그림 1]에서 보는 바와 같이 재료의 물성 중에 가장 중요한 점도(Viscosity)와 4대 변수는 직간접적으로 관계가 있으며, 이러한 4대 변수는 사출기의 많은 조작변수와 관련되어 있다. 많은 조작변수를 직접적으로 공정 중의 재료의 물성 변화와 연관시키고 원인과 해결책을 찾기가 쉽지 않음을 알 수 있으며, 4대 변수에 대한 이해와 활용이 중요함을 보여 준다.  캐비티 내의 압력/온도 센서의 필요성 제품의 불량 유무는 사출기의 동작과 재료, 그리고 외부 환경의 일관성(Consistency)에 의하여 결정되지만, 사출기에서 나타내는 성형 결과값이나 그래프로 이를 판단하기가 쉬운 것은 아니다. [그림 2]에서 보는 바와 같이 재료의 압축성과 점성으로 인하여 사출기에서 나타나는 압력과 캐비티에서 측정하는 압력의 측정범위가 현격하게 차이가 나기 때문이다. 예를 들어 사출기의 충진 최대 압력 값이 100MPa인 경우에 캐비티 유동 말단부의 압력이 압력 손실로 인하여 10MPa로 작용하고, 유동 말단의 압력이 5MPa 변동함으로 미성형이 발생한다면, 사출기에서의 압력 변화를 이용하여 유동 말단의 미성형(Short-shot)을 감지할 수 있는 가능성이 5%, 캐비티 압력센서를 이용하면 가능성이 50%일 것으로 예측이 가능하다.      [그림 3]에서는 사출기에서의 압력이 일정하더라도 캐비티의 압력이 달라지는 사례이며, 이는 사출기의 압력 변화를 모니터링하여 성형품의 불량 유무 판정하는 것이 어려움을 보여준다. 사출기의 압력이 700bar로 일정하게 매 공정에 작용하더라도, 충진된 재료의 점도(Viscosity)가 다르면 충진 말단에서의 압력은 점도의 높고 낮음에 따라 크게 변화하며, 일반적인 플라스틱 재료의 점도 편차인 +/- 10%의 변화에도 46% 정도의 압력 변화가 발생한다. 위의 2가지 예는 사출기의 성형 결과를 이용하여, 제품의 불량 유무를 판정하기에는 낮은 가능성을 가짐을 보여주며, 이는 캐비티 내의 센서를 활용함으로써 극복할 수 있다. 다음은 양산 공정에서 가장 많이 발생하는 2가지 불량, 미성형(Short-shot) 또는 플래쉬(Flash)와 치수 불균일(Dimensional Inconsistency)을 중심으로 그래프의 특성과 불량을 판독하는 데에 필요한 팁(Tip)을 이야기하고자 한다.  5.1 미성형(Short-shot)/플래쉬(Flash) 미성형(Short-Shot)과 플래쉬(Flash or Burr)는 4대 변수의 관점에서 보면, 온도, 압력, 속도와 관계가 있으며, 모두 점도의 변화에 영향을 끼쳐서 불량이 발생한다. 예를 들어 온도가 높으면 점도가 낮아지고 압력의 전달이 용이하여 압력이 과도하게 상승하고 플래쉬(Flash)를 유발할 가능성이 커지며, 반대로 온도가 낮아지면 압력 전달이 쉽지 않아 유동 정체 현상이 발생하고 끝단의 압력이 과도하게 낮아 미성형을 유발한다.      [그림 4]에서와 같이 유동 말단의 압력센서에서 관측되는 그래프가 정상적인 상태에 비하여 과도하게 낮은 경우에 말단이나 근처의 얇은 보스(Boss) 또는 리브(Rib)에서 미성형이 발생할 확률이 높아진다.미성형의 유/무는 성형조건 변경 실험을 통하여 정확한 압력(센서) 기준을 설정하는 것이 바람직하다.  유동 말단 예측에 대한 Tip 아래의 그림에서와 같은 두꺼운 부분과 얇은 부분이 혼재되어 있는 제품에서 EOC 센서의 위치를 선정하기 위해서는 유동 말단 예측에 매우 주의를 기울여야 한다. 일반적으로 위의 우측 그림과 같이 게이트와 게이트 사이를 웰드라인 형성과 유동 말단 지역으로 예측할 수 있으나, 극단적인 경우에는 유동 말단의 위치가 아래의 그림과 같이 속도의 변화에 의하여 변경될 수도 있음을 주의하여야 한다.       이러한 속도에 따른 유동 말단의 변경을 예측하기 위해서는 유동 해석(Filling Simulation) 소프트웨어를 이용한 해석이 매우 유용하며, 이 외에도 시사출(Mold Trial) 시에 속도를 변화해가며 유동 말단의 위치를 확인하고 센서를 설치하는 방법도 사용된다.  우측의 그림은 속도에 따른 유동 말단에서의 압력의 안정성을 보여주는 그림이며, 속도가 느릴수록 안정성을 낮아져 각 Cycle마다 압력 크기와 작용 시간이 일정하지 않으며, 고속일수록 안정성이 높아져 각 Cycle마다 압력 곡선의 형상이 균일함을 알 수 있다. 이는 점도의 특성에 기인한 것으로 전단률(충전 속도)이 높을수록 점도가 낮아지면서 변동성이 줄어들기 때문이다.  안정성(Stability)와 불안정성(Instability)의 판별에 대한 Tip 일반적으로 한 Cycle에서의 압력과 온도, 그리고 속도의 변화를 보는 사이클 그래프로 모든 양산 과정을 모니터링 할 수 없으며, 그래프의 곡선에서 얻어지는 값들, 예를 들어 최대/최소 압력값, 적분값, 기울기 등을 기준으로 불량 판별을 수행한다. 여기에서는 선정된 기준값들이 생산 과정에서 어떤 패턴으로 변화하고 분류할 수 있는지를 고찰하여 보고자 한다.       (1) 안정적인 프로세스 패턴우측의 그림은 안정적인 프로세스의 예를 보여주며, 작은 변동이 존재하지만 크게 변화하는 패턴을 보여주지 않는다. 점도에서 흥미로운 변동이 몇 가지 있지만, 대체로 표시된 3시간 동안은 안정적이고, 상승, 하락 또는 순환적 추세가 없으며, 변동은 각각의 평균값에 비해 작음을 볼 수 있음으로 안정적이다. (2) 시작 시 불안정 프로세스 패턴우측의 그림은 사이클이 중단되고 다시 시작할 때 발생하는 전형적인 현상으로, 프로세스가 안정화되는 데 일정 이상의 시간이 요구됨을 볼 수 있다. 제품이 Q/C 요구 사항을 만족하더라도 프로세스는 약 25분 동안 안정되지 않고 있으며, 이는 128개 캐비티를 가지는 대형 금형에서 나온 결과이다. (3) 한 캐비티의 불안정한 순환 프로세스 패턴우측의 그림은 캐비티 #1에서의 말단부의 압력 적분 값이 명확한 순환 패턴을 가지고 변화하는 것을 알 수 있으며, 변화 수준은 약 3%의 변동 계수를 가지고 있다. 이런 패턴의 원인을 찾아서 안정화하는 것이 대량 생산에서 불량품을 최소화하는 가장 빠른 길이며, 이 경우는 금형 온도 조절기가 5도 정도 주기적으로 변화하는 것이 원인으로 판명되었다. (4) 다중 순환 변화 프로세스우측의 그림은 불안정한 배압(2,300~2,700psi)으로 인하여 샷 크기의 변화를 유발하여 발생하는 현상을 보여주며, 캐비티를 충진하는 시간(CFill t)이 배압의 변화에 따라 변화함을 볼 수 있다. 이러한 공정에 서는 안정적인 품질의 부품을 만드는 것이 매우 어려우며, 이를 해결하기 위해서는 사출기의 모터 성능을 점검하고 최적화된 배압과 스크류의 회전속도를 선정하여야 한다.      (5) 다양한 주기를 갖는 순환적 변화 프로세스우측의 그림은 모든 순환 패턴이 동일하게 일정한 주기를 갖는 것은 아니며, 각 캐비티가 서로 다른 주기의 패턴을 가지고 있다. 사이클은 각 주기의 끝에서 갑작스러운 변화가 나타나며, 이러한 패턴은 핫 러너 팁이 천천히 막혔다가 더 높은 압력으로 인해 갑자기 파편이 방출된 다음 다시 매끄럽게 흐르는 상황에서 이러한 그래프를 보여준다.  (6) 단기 안정성 – 장기 불안정성 프로세스우측 그림의 초기 약 2시간 분량의 데이터에서 눈에 띄는 변동은 없고 데이터는 무작위 패턴을 보임으로 우리는 이를 안정적인 프로세스라고 결론 내릴 수 있다. 하지만, 금형의 크기가 큼으로 인하여 온도는 꾸준히 상승하게 되어, 전 공정(약 16시간) 동안 안정적이지 않음을 알 수 있다. 공정 중에 온도가 지속적으로 상승하면서 캐비티 충진 시간은 7.6초에서 6.6초로 감소했고, 캐비티 피크의 끝은 1,400psi에서 2,300psi로 증가하였기 때문에 프로세스는 처음에는 안정적으로 보였지만 전체적으로는 안정적이지 않은 것으로 판단할 수 있다. 이 경우 온도를 안정화할 방법이 없었기 때문에 불안정한 온도에서도 품질을 일정하게 유지해야 할 필요가 있으며, 이를 위하여 말단의 캐비티 압력을 기준으로 공정을 제어할 수 있는 성형법을 적용하여 플래쉬(Flash)를 방지할 수 있도록 하였다.  5.2 치수 불균일 (Dimensional Inconsistency) 각각의 사이클마다 치수가 일정하지 않은 것은 성형공정 중에 캐비티 내의 온도와 압력이 일정하지 않아 발생하며, 이는 캐비티에 설치된 압력센서를 이용하여 모니터링하고 불량 판별을 수행할 수 있다.  우측 그림의 왼쪽 그래프와 같이 품질 규격을 통과한 사이클 제품의 그래프를 기준(Template)으로 선정하고, 각각의 사이클 그래프를 이와 비교하여 치수 불량의 유무를 결정한다.  오른쪽은 제품의 크기가 전체적으로 작은 경우에 나타나는 전형적인 그래프이다. 반대로 파란색과 초록색의 실선이 점선보다 높게 나타나는 경우는 제품의 치수가 전체적으로 크게 나타나는 경우일 것이다. 우측 그림은 제품의 치수가 게이트 근처에서 작게 나타나는 경우의 그래프를 보여주며, 이러한 경우는 게이트의 고화 불량에서 원인을 찾을 수 있다. 게이트 고화 불량은 압력이 게이트를 통하여 외부로 손실되는 것을 의미하여, 이러한 현상의 원인으로 불안정한 사출기의 동작, 금형과 용융 수지의 온도 변화 등을 원인으로 예측할 수 있다.  상단 우측의 오른쪽 그림과 같이 반대로 초록색의 실선이 점선보다 높게 나타나는 경우는 게이트 부근의 제품 치수가 전체적으로 크게 나타나는 경우일 것이며, 이에 대한 원인은 V/P절환 후에 100% 충전(Pack)되는 속도와 압력의 크기에 변동이 발생하기 때문이다.      다수의 캐비티에서 얻어지는 곡선을 이용한 불량 판별에 대한 Tip 다수의 캐비티를 가지는 금형에 압력센서 또는 온도 센서를 설치하는 경우에 많은 곡선으로 인하여 각각의 캐비티의 변화를 그래프에서 인지하기가 어려울 경우가 종종 발생한다. 예를 들어 16-캐비티 금형에 각 캐비티에 2개의 압력센서를 설치하는 경우에 기본적으로 32개의 곡선이 한 개의 그래프 안에 표시되며, 이러한 경우, 사용자가 변화를 인지하는 것이 어려울 수 있다. 이러한 경우에는 각 곡선의 데이터를 2차 가공한 새로운 곡선 하나로 단순화하여 모니터링하는 것이 매우 효과적이다. (이를 유령 곡선(Phantom Curve)이라 부르기도 한다.) 우측 상단의 그림은 8개 EOC 압력센서에서 얻어지는 곡선과 1차 가공된 최대/최소 곡선을 동시에 표기한 것이며, 사용자가 문제 발생 여부를 판별하기 쉽지 않다. 그러나 우측 하단의 그림과 같이 최대/최소 곡선으로 단순화하고 2차 가공 곡선인 범위 곡선(#RNG)을 이용하면 더욱 손쉽게 판별할 수 있다.            
취재부 2024-09-08
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가소화 스크류에 관한 모든 것 Part 2

가소화 스크류에 관한 모든 것 Part 2  WITTMANN innovations (Volume 14 - 2/2020)Filipp Pühringer/heads the WITTMANN BATTENFELDProcess Engineering Development Department.  8월호 Part 1시리즈에서는 가소화 장치의 기본 설계와 사출장치의 올바른 선택이 논의되었다. 사출량을 기준으로 필요한 스크류 직경을 결정하는 방법도 설명했다. 평균 체류시간에 대한 공식을 적용함으로써 활용률 및 열 재료 부하를 추정할 수 있다. 후자는 고급 제품 품질을 달성하기 위해 낮게 유지되어야 한다. 최대 사출 압력과 사용 가능한 스크류 토크는 성공적인 사출성형 생산을 위한 추가 주요 변수이다. 이러한 고려 사항은 배럴 및 스크류 조합 선택의 기초가 되며 추가 최적화를 위한 출발점이기도 하다. 이 기획 시리즈의 두 번째인 Part 2에서는 3-존 스크류의 예를 사용하여 주어진 스크류의 형상을 시뮬레이션 평가하는 기본 방법이 제시된다.     스크류 구조 개발(Developing a screw geometry)   대답해야 할 첫 번째 질문은 스크류 구조를 개발할 때 어떤 목표를 추구해야 하는가? 이다. 유동률 증가, 용융 온도 감소, 혼합(blend) 품질 개선 등과 같은 목표를 명확하게 정의할 수 있다. 원하는 결과가 스크류 구조에 간접적으로만 연결되는 즉시 요구 사항이 더 복잡해지거나 예를 들어, 플라크(plaque)의 형성을 감소시키는 것이 바람직한 경우, 또는 마모 거동 및 전달 안정성이 개선될 필요가 있는 경우, 여러 원인에 기인할 수 있는 경우, 스크류 장치에 대한 이러한 여러 요구는 종종 서로 충돌한다. 여러 다른 목표 간의 이러한 충돌을 해결하려면 레이아웃의 신중한 균형 조정이 필요하다. 실제 실험 스크류로 첫 번째 테스트를 수행하기 전에 시뮬레이션을 통해 스크류의 형상을 최적화하는 것이 일반적인 관행이 되었다. WB(Wittmann Battenfeld)는 PSI/REX와 함께 스크류 설계 계산을 위한 특수 소프트웨어를 보유하고 있다. 이 소프트웨어는 매우 현대적이며, Paderborn University에서 수행된 표적 연구를 통해 지속적으로 업데이트된다. 스크류 구조를 계산하기 위해 컴퓨터를 사용하는 동안 구조를 매우 유연하게 변경할 수 있으며, 결과로 나타나는 변경 사항을 화면에 즉시 시각화할 수 있다. 사전 정의된 일련의 테스트를 통해 체계적으로 실행함으로써 새로운 트렌드를 분석할 수 있다.마지막으로, 모든 계산 결과가 결합되고 비교된다. 이 정보의 합계에서 해당 스크류 형상이 개발되어 원하는 결과가 나올 때까지 마지막 세부 사항까지 더욱 최적화된다. 그래야만 실험용 스크류가 생산되고 실제 테스트에 사용된다. 작업의 복잡성에 따라 여러 가지 실험 스크류를 사용하여 다양한 각도에서 목표에 접근할 수 있다. 이러한 테스트에 성공하면 최적화 프로세스가 완료된 것이다. 여전히 개선의 여지가 있는 경우 개발 루프가 다시 실행된다. 스크류 구조의 변수(Screw geometry parameters) 다음으로 표준 3-존 구조의 파라미터에 관해 설명하고, 제조 공정에 미치는 영향을 예를 들어 설명한다. 공정기술 측면에서 이러한 형상에 대한 전체 설명을 제공하려면 다음 매개 변수를 알아야 한다. • DSC = 외부 스크류 직경• L/D 및 또는 스크류 길이• lE = 공급 존 길이• lK = 압축 존의 길이• lM = 계량 존의 길이• hE = 공급 존의 플라이트 깊이• hM = 계량 존의 플라이트 깊이• b = 플라이트 폭  • i = 스크류 플라이트 수• t = 플라이트 피치• e = 스크류 산 넓이• 측면 각도, 구동• 측면 각도, 수동• rtr = 구동 측면베이스의 반경• rntr = 수동 측면베이스의 반경    비교적 단순한 표준 3-존 스크류의 구조 매개 변수의 수에서 이 유형의 스크류에 대해서도 기본적으로 여러 가지 변종이 있을 수 있다. 배리어 스크류, 전단 및 믹싱 섹션이 있는 스크류 또는 전단/믹싱 스크류에서 발견되는 것과 같은 보다 복잡한 구조의 경우에 형상 파라미터의 수는 몇 배 더 높다.  모범적인 계산(Exemplary calculations)  관련 전문 문헌에 나와 있는 권장 사항을 기본으로 시작하여 한 예로 50㎜ 스크류의 형상 최적화를 아래에 계산한다.공급 존의 길이는 스크류의 총 길이의 50%이고, 압축 존 및 계량 존의 길이는 각각 총 길이의 25%여야 한다고 가정한다. 공급 존 깊이를 0.1D, 즉 5㎜로 설정했다. 공급 존과 계량 존 사이의 플라이트 깊이 비율은 2여야 한다. L/D 비율은 ​​22로 가정한다. 이러한 사전 정의된 매개 변수를 사용하여 가소화 스크류에 대해 다양한 계산을 수행할 수 있다. 본 논의는 용융 처리량, 압력 곡선 또는 압력 상승 용량 및 용융 공정에 중점을 둔다. 추가 가정에는 계량 스트로크(85㎜)와 사이클 시간(35초)도 포함된다. 배압은 80bar로 설정된다. 적당하고 현실적인 계량 조건을 시뮬레이션하기 위해 원주 스크류 속도 300㎜/s가 가정된다. 배럴 온도 프로파일은 모든 계산에 대해 아래 예시된 패턴을 따른다. 프로파일(압력 곡선, 용융 공정)의 계산은 50㎜ 스크류 위치에 대해 수행된다. 처리량 동작(Throughput behavior)  이전에 선택된 사이클 파라미터에 대해, 현재의 가소화 스크류 구조에 대한 평균 계량 성능은 약 12.49g/s로 계산된다. 총배출량은 44.92kg/h이다. 이는 사출성형기가 계량 단계에서 12.49g/s를 이송하므로 해당 재료 158g을 가소화하는데 약 12.7초가 소요됨을 의미한다. 12.7초 이상의 잔여 냉각 시간으로, 성형 기계는 새로운 계량 스트로크를 제때 시작할 수 있다. 그러나 가소화가 잔류 냉각 시간보다 오래 걸리면 계량 타이밍이 전체 사이클 시간에 영향을 미쳐서 생산성이 저하된다. 총생산량은 생산 과정에서 재료 소비량을 결정한다. 대부분의 사이클 시간 동안 스크류가 계량을 하지 않기 때문에 이 출력은 평균 계량 성능에서 제안한 수치보다 낮아진다. 총 출력은 보조 장비(건조기, 원료 로더 등)의 사양 선정에 결정적인 매개 변수이다. 압력 상승 용량(Pressure build-up capacity) 계량 단계 동안 스크류 채널 내부의 압력이 공급 부에서 대기실의 배압까지 증가한다. 스크류 형상에 따라 그들 사이에 하나 이상의 압력 피크가 있을 수 있다. 아래의 그래프는 가소화 스크류 길이에 따른 압력 곡선을 보여준다. 이 특정한 경우에, 압력 곡선은 약 L/D 2에서 상승하기 시작하고, 약 L/D 14.25에서 약 160bar의 피크 압력에 도달한다. 스크류의 마지막 존인 계량 존에서는 압력이 체크 밸브까지 지속적으로 떨어진다. 용융 공정 곡선(MP)(Melting process curves) 용융 공정(아래의 해당 그래프 참조)은 두 개의 곡선을 통해 시각화된다. 해당 스크류 채널 섹션에 대해 솔리드 베드 폭(빨간색)이 표시되고, 계량 공정 중 용융된 재료의 비율(파란색)이 표시된다. 또한 사이클이 끝날 때까지 이 두 매개 변수의 전개가 설명되어 있다(녹색 및 주황색). 결과로부터, 용융의 비율이 약 L/D 8에서 이미 100%에 도달했기 때문에(용융 MP의 비율 = 1), 이 용융 공정은 재료의 양호한 용융을 약속한다는 결론을 내릴 수 있다. 다시 말해, 솔리드 베드 폭이 0으로 감소되었다.         “Wittmann innovations” 매거진의 다음 호인 이 기획 시리즈의 마지막 Part 3에서는 계산 결과를 분석하고, 형상 최적화를 위한 첫 번째 단계의 개요를 설명한다.    
취재부 2024-09-08