[ 논문 ] 한국소성가공학회지, 제 23 권제 1 호, 2014 41 Transactions of Materials Processing, Vol.23, No.1, 2014 http://dx.doi.org/10.5228/kstp.2014.23.1.41 박형도광판의고속사출성형을위한수지점도측정및수치해석 정태성 # 김종선 1 하석재 2 조명우 2 Measurement of Viscosity and Numerical Analysis of High Speed Injection Molding for Thin-Walled LGP T. S. Jung, J. S. Kim, S. J. Ha, M. W. Cho (Received January 8, 2014 / Revised January 14, 2014 / Accepted January 20, 2014) Abstract The light guide plate has become the major component for the backlight module in general information technology products (e.g. mobile phones, monitors, etc.). High speed injection molding has been adopted for thin walled LGP giving advantages such as weight, shape, size, and reduction in production costs. In the current study, the rheological characteristics of high liquidity plastic resin PC(HL8000) were measured using a capillary rheometer to improve the reliability of the numerical analysis for high speed injection molding. With the measured viscosity and PVT of PC(HL8000), numerical analysis of injection molding was conducted using the simulation software(moldflow). Filling time and deflection were predicted and compared with those of traditional PC resins(h3000, H4000). The results show that PC(HL8000) has significantly different rheological characteristics during high speed injection molding. Hence proper properties of the resin should be used to improve the accuracy of numerical predictions. Key Words : Light Guide Plate, High Speed Injection Molding, Thin-wall, Viscosity, Numerical Analysis, Rheometer 1. 서론 도광판 (Light Guide Plate) 은자체발광능력이없는 TFT-LCD의광원역할을하는 BLU(Back Light Unit) 의핵심부품으로서최근휴대폰, 모니터, TV 등관련 IT 제품의발달로인해대면적화, 박육화되어가는추세이다 [1]. 도광판은주로투명플라스틱소재를사용하여사출성형을통해제작되고있는데, 현재도광판의두께는 0.30mm 정도로얇아지고있으며, 휴대폰용배터리케이스의경우는 0.25mm의두께까지얇아지고있다 [2]. 이러한플라스틱제품의박육화에대응하 기위하여냉각에의해수지의유동두께가감소되기전에수지를빠른속도로금형내에사출하여충전을완료하는고속사출성형공정을적용하고있다. 고속사출성형공정을위한생산장비및성형공정에관한많은연구가진행되었으며, 국내에서는고응답 / 고정밀도성형이가능하면서유압사출성형시스템대비약 70% 에너지저감및친환경청정생산을구현하기위하여전동식고속사출성형시스템이개발되고있다. 초박판제품의최적금형제작및품질확보를위한공정조건도출을위해사출성형해석을도입하고있으며, 성형해석의신뢰성향상에대한연구도진행되고있다 [3~6]. 1. 유테크 2. 인하대학교기계공학과 # Corresponding Author : Department of Mechanical Design Inha Technical College, E-mail: tsjung@inhatc.kr
42 정태성ㆍ김종선ㆍ하석재ㆍ조명우 한편, 플라스틱제품의목적에따라서사출성형의적용수지는새롭게조성되고같은계열의수지에도수많은종류가사용되고있는데, 최근플라스틱제품의고품질화, 경박화요구가강해지면서다양한고강성, 고유동성수지가개발되어적용되고있다. 사출성형해석에있어서수지물성데이터의정확성은해석신뢰성을증대시키기위한주요인자이며, 실제제품에사용되는수지와성형해석에적용한소재의유동특성이상이한경우해석결과에대한신뢰성은크게떨어지고해석을이용한공정예측이불가능해진다. 본연구에서는 5인치박형도광판성형을위해최근많이사용되는고유동성수지의유동특성을모세관유동계를사용하여분석하고, 사출성형해석과실제사출성형을통해기존에사용되던수지와비교하였다. (a) Photograph of capillary rheometer 2. 도광판성형용수지의특성분석 근래도광판은투명하고열적기계적특성이우수하여다양한광학제품에응용되고있는범용엔지니어링플라스틱재료인폴리카보네이트 (PC) 를주로사용하는데, 본연구는근래다수의제품에서적용되고있는일본 Mitsubishi사의 PC(HL-8000) 를대상으로하였으며, 모세관유동계를이용하여유변학적특성을분석하고, 성형해석을위한수지의물성데이터를측정하였다. 전단속도가변점도계인유동계 (rheometer) 는재료에유동과변형을가하여물리적인방법으로점탄성 (viscoelastic) 특성을분석하는기기로서유동계의종류로는모세관유동계 (capillary rheometer), 원추 (cone)-원판(plate) 유동계방식등이있는데, 이러한측정기기로부터측정및분석이가능한물성값들은유변학에서정하는동점성계수 (dynamic viscosity), 전단점도 (shear viscosity), 탄성계수 (elastic modulus), 저장탄성률 (storage modulus), 손실탄성률 (loss modulus) 등이있다 [7, 8]. 유동계의종류중원추-원판유동계는원추와원판사이에유체를채운다음원추또는원판을회전시키며생기는토크를측정하여유변물성을구하는장치로서주로 10이하의낮은전단율점도를측정하는데주로사용한다. 모세관유동계는압력차에 (b) Schematic drawing Fig. 1 Capillary rheometer (SR50) Table 1 Specification of capillary rheometer(sr50) Maximum force range 50kN / 11250 lbf Piston speed 0.0024-1200 Barrel type Single / Twin Bore Barrel working length 290 mm Temperature range 50 450 Temperature accuracy ± 0.2 Force transducers 1-50 kn Pressure transducers 3.5-200 MPa 의한전단유동으로부터물질함수를구하는유동계로서높은전단율 10 2 이상을측정하는데주로사용되는데, Hagen-Poiseuille`s law에기초하여일정압력에의해모세관에내부저항을가지고흐를때그속도는액체내의마찰계수에반비례하므로, 이마찰계수를점도 (viscosity) 라고하고, 모세관을통해액체를밀어내어유출액량과압력의관계로점성을측정하는원리이다. Fig. 1은본연구에서사용한미국 Instron사의모세관유동계 (capillary rheometer, SR50) 를나타낸다.
박형도광판의고속사출성형을위한수지점도측정및수치해석 43 모세관유동계는열가소성플라스틱과복합재료를 ASTM 및 ISO표준에따라측정할수있고, 사출 (injection molding), 압출 (extrusion molding), 블로잉 (blow molding), 필름블로잉 (film blowing) 과같은프로세스를시뮬레이션하면서용융강도, 열전도율, 출구팽창 (die swell) 및 pvt 거동등과같은필수물성을측정할수있다. 모세관유동계의주요사양은 Table 1과같다. 다음의측정방법으로 PC(HL-8000) 수지의점도를측정하였다. 모세관유동계의베럴 (barrel) 을일반적인 PC의성형온도를기준으로측정온도에따라일정시간동안예열 (preheating) 한후속도나힘을조정하며가압 (compacting) 하여일정한전단률 (shear rate) 과전단응력 (shear stress) 을측정하였다. 본연구에서는 260 부터 360 까지 20 간격으로측정온도를정하였으며, 측정된전단률및응력 (stress) 을이용하여식 (1) 에나타난점도근사식 (fitting equation) 을구하였다. (a) Shear rate(10~100,000) ( C C ) ( T ) 1 2 (,, ) 0 g T (1) 1 n ( T ) g 1 0 * 여기서,,, T 는점도 (viscosity), 전단률 (shear tate), 온도를각각의미하며, ( T ) B exp( T / ) 이며, 0 b T 다른값들은점도근사식을위한상수이다. Fig. 2(a) 는전단률 (10~10,0000) 에서의성형온도 300 와 340 에서측정된 PC(HL-8000) 와 Autodesk 사의성형해석소프트웨어인 Moldflow Insight에서물성데이터를제공하고있는동일회사의일반적인 PC 수지 PC(H-4000) 과 PC(H-3000) 의점도를비교한그래프를나타낸다. Fig. 2(b) 는사출성형구간에서의전단률 (1,000~100,000) 에따른점도를나타낸다. 3가지수지모두온도증가에따라점도가민감하게감소였으며, 기존 PC(H-3000/4000) 수지가고유동성수지인 PC(HL-8000) 보다전단률증가에따른점도감소율은컸지만모든영역에서점도값자체는높다. 성형수지의점도에대한정보는재료의제조사에서제공하는 MI(melt index) 로판단할수있지만, MI는주로낮은전단율 100이하에서측정이 (b) Shear rate(1,000~100,000) Fig. 2 Comparison of viscosity according to polymers (PC;HL-8000, H-4000, H-3000) 이루어진다. 본논문에서사용한 PC 수지의 MI값은측정온도 300, 하중은 1.2kg에서 PC(H-3000) 는 30g/10min, PC(H-4000) 는 63g/10min, PC(HL-8000) 는 140g/10min이다. MI가가장큰 PC(HL-8000) 수지의흐름성이좋다는것을알수있으며, 점도측정결과에서도도광판성형용 PC(HL-8000) 수지는일반적인 PC(H-3000/H-4000) 보다동일전단률및온도에서점도가낮은것을측정을통해확인할수있었다. PC(H-3000) 의 MI값은 PC(H-4000) 와약 2배정도차이를보이며, 점도그래프를비교한결과동일전단율에서점도가 MI값과비슷하게약 50% 정도차이를보였다. Table 2는각수지의 MI값과점도를나타낸다. Fig. 3은일반적인 PC(H-3000/4000) 수지와고유동성 PC(HL-8000) 수지에대한온도와압력변화에따른부피변화를나타낸다. pvt 특성을나타내는일반
44 정태성ㆍ김종선ㆍ하석재ㆍ조명우 Shear rate [1/s] Table 2 Viscosities according to polymers 300 H-3000 H-4000 HL-8000 340 300 340 300 340 10 0 300.0 94.4 179.1 54.8 25.4 8.23 10 1 297.8 94.1 178.2 54.6 25.3 8.23 10 2 283.7 92.3 172.4 54 25.2 8.22 10 3 214.9 81.9 141.4 49.8 24.5 8.13 10 4 81.3 46.5 63.8 32.7 20.1 7.51 Melt Index 30 g/10min 63g/10min 140g/min 300 / 1.2 kg Fig. 4 View of 3D model and mesh result for injection molding analysis Fig. 3 Comparison of pvt data according to polymers (PC;HL-8000, H-4000, H-3000) 적인 Tait 방정식에서액상의비체적을나타내는 b1,m은 PC(HL-8000) 가 8.75 10-4, 기존수지는 8.58 10-4 로나타나비체적이증가하여밀도가낮은것을알수있고, 온도에따른체적변화율을나타내는 b 2,m 은 5.46 10-7 로기존수지와동일하였다. Moldflow에서제공하는 PC(HL-3000) 과 PC(HL-4000) 의 pvt값은동일하다. 3. 실험장치및성형해석 3.1 사출성형해석을위한모델링 본논문에서는 5인치박형도광판을제작하기위하여앞서측정된 PC(HL-8000) 의물성과일반적인 PC(H-3000/H-4000) 를적용하여전산성형해석수행함으로써각수지의성형특성을분석하였다. 시뮬레이션도구는 Autodesk Moldflow Insight 2012을사용하 였으며, 사출속도 (injection speed) 에따른각수지의충진시간을비교하였고, 충진, 보압, 냉각과정의해석을통해 PC 수지에따른제품의변형량을예측하였다. Fig. 4는성형해석을위한유한요소와냉각시스템의모델링을나타낸다. 성형품은가로 109.3mm, 세로 71.1mm, 두께 0.40mm의크기를갖는박판형태의 5인치도광판으로성형을위하여가로 30.35mm인팬게이트 (fan gate) 가적용되었다. 도광판이평판구조의형상을지니는점을고려하여 45,412개의노드 (node) 를가지는 dual-domain 메쉬 (mesh) 를사용하였으며, 일치도 (match percent) 는 97.5% 를나타내었다. 3.2 도광판사출성형조건 실제도광판사출성형과동일한공정조건을성형해석에적용하였으며, Table 3은주요공정조건을보여준다. 실험에사용된고속사출성형기는일본 Sumitomo 사에서제작된 SE130DUZ-HP의전동식사출성형기로서주요제원은 Table 4에나타내었다.
박형도광판의고속사출성형을위한수지점도측정및수치해석 45 Table 3 Injection molding conditions Injection temp. 340 Mold temp. 90 Cooling temp. 80 Cooling time 8sec V-P crossover position 6mm Ram Position Injection Speed Posirion0 29.5mm 95mm/s Posirion1 26mm 660mm/s Posirion2 20mm 720mm/s Posirion3 15mm 210mm/s Posirion4 10mm 85mm/s Posirion4 6mm - Packing pressure Duration Packing pressure1 400Mpa 0.5s Packing pressure2 450Mpa 0.5s Packing pressure3 400Mpa 3.5s Table 4 Specification of injection molding machine Maximum machine injection stroke 114 mm Maximum machine injection rate 491 cm3 /s Machine screw diameter 25 mm Maximum machine injection pressure 392 MPa Maximum injection speed 1,000 mm/s Maximum machine clamp force 130 ton Fig. 5 Predicted fill time according to injection speed 4. 성형해석및실험결과 Fig. 5 는단일사출속도로충진하였을때사출 속도 (injection speed) 변화에따른충진시간 (fill time) 의변화를그래프로나타낸것이다. 해석결과측정 Fig. 6 Predicted temperature at flow front with various viscosities(pc; H-3000, H-4000, HL-8000, Injection speed: 600mm/sec) 된 PC(HL-8000) 가기존수지보다점도가낮아유동성이증가되어기존수지의충진시간보다약 10.7% 정도감소를확인할수있었다. 또한 PC(H- 3000) 과 PC(H-4000) 의사출속도에따른충진시간은 PC(H-4000) 수지가약 1.6% 정도작은것으로나타났다. 각수지에대한최대사출압은 PC(HL-8000) 이약 159.2MPa 이며, PC(H-3000) 과 PC(H-4000) 은각각약 273.1MPa, 약 330.8MPa 작용하는것을확인할수있었다. 각각의수지는점도비교에서는약 50% 정도차이를보였지만실제성형에서는고점도수지의경우 Fig. 6에서보이는바와같이마찰에의한전단열과압력이증가하여수지의점도가낮아지는효과가생기므로각수지별충진시간의차이는수지의점도차이보다작았다. Fig. 7은 Table 3의실제성형조건및다단사출속도를적용하여 PC(H-3000), PC(H-4000) 및 PC(HL- 8000) 에따른충진패턴을예측한결과를나타낸다. 성형해석결과각수지의충진시간은 PC(H-3000) 이 0.0772sec, PC(H-4000) 이 0.0743sec, PC(HL-8000) 은 0.0655sec 로예측되었으며, 기존 PC(H-3000/H-4000) 은제품중앙끝단부분에서유동정체현상이나타나는것을확인할수있었다. 반면 PC(HL-8000) 은정체현상이발생하지않았다. Fig. 8은본연구에서의 PC(HL-8000) 수지를적용하여제품을성형한것을보여주며, 실제성형에서도성형해석과같은충진패턴을확인할수있다.
46 정태성ㆍ김종선ㆍ하석재ㆍ조명우 (a) PC(H-3000) Fig. 8 The result of experiment using PC(HL-8000) (b) PC(H-4000) (a) PC(H-3000) (c) PC(HL-8000) Fig. 7 Predicted the filling pattern with various polymer viscosities (PC; H-3000,H-4000, HL- 8000) (b) PC(H-4000) Fig. 9는각각의수지에대하여도광판제품의전체변형량을나타낸다. 도광판제품의변형형태는제품말단부분에서최대변형이발생한것을확인할수있으며, 각수지에대해변형량은 PC (H-3000) 과 PC(H-4000) 이약 0.61mm, 약 0.60mm이며, PC(HL-8000) 이약 0.46mm로예측되었고, 수지의불균일수축이주요원인으로분석되었다. Fig.10은충진완료시점에서캐비티내의온도분 (c) PC(HL-8000) Fig. 9 Predicted total deflection with various viscosities (PC; H-3000, H-4000, HL-8000)
박형도광판의고속사출성형을위한수지점도측정및수치해석 47 (a) PC(H-3000) Fig. 11 Predicted of pressure at end of fill with various viscosities (PC; H-3000, H-4000, HL-8000) 4000) 은약 107.4MPa, PC(H-3000) 은약 128.7MPa 로예측되었다. 따라서고유동수지인 PC(HL-8000) 은기존수지보다충진공정후에발생하는압력편차의감소및온도분포가균일하여수축에의한변형이감소한것으로판단된다. 5. 결론 (b) PC(H-4000) (c) PC(HL-8000) Fig.10 Predicted of bulk temperature at end of fill with various viscosities (PC; H-3000, H-4000, HL- 8000) 포를보여주는데각수지에대한도광판제품의평 균온도는 PC(H-3000) 와 PC(H-4000) 수지는약 369.7, 약 364.8 이며, PC(HL-8000) 는약 350.1 로예측되 었다. 또한, Fig. 11 은수지의종류에따라게이트와인 접한부분과제품끝단에작용하는압력의예측결과 를나타낸다. 게이트부근과제품끝단의압력차는 점도가낮은 PC(HL-8000) 이약 41.74MPa, PC(H- 본연구에서는 5 인치 0.4mm 두께를가진박형도광판성형을위해근래다수의박육제품에서적용되고있는고유동성수지인 PC(HL-8000) 를대상으로모세관유동계를이용하여성형해석을위한점도데이터및 pvt 데이터를측정하였다. 또한, 기존에사용되던일반적인수지인 PC(H- 3000/H-4000) 와의충진패턴비교및변형해석을수행하였다. 최근개발된고유동성 PC 수지는기존수지와비교하여우수한점도특성을갖는것을확인하였고, 비교분석된각각의수지는점도비교에서는약 50% 정도차이를보였지만실제성형에서는고점도의수지의경우마찰에의한전단열로인해수지의점도가낮아지는효과가생기므로충진속도에따른충진시간의차이는수지의점도차이보다작았다. 한편, 고유동성 PC 수지는제품성형시내부의온도가낮고, 압력편차가기존수지보다적어취출시부피수축량감소되고, 변형량도감소할것으로예측되었다. 본연구에서측정된수지의유변학적물성자료는다양한제품의성형성예측에유용하게활용될수있을것으로판단되며, 향후성형해석결과와실제
48 정태성ㆍ김종선ㆍ하석재ㆍ조명우 제품의변형비교검증, 고속사출성형조건최적화를위한추가적인연구가필요하다. 후기 본연구는산업원천기술개발 다층구조제품생산을위한다색다종 1,200mm/s 급초고속전동사출성형시스템개발 과제연구비지원으로수행되었습니다 (Project No. 10040061). REFERENCES [1] M. C. Song, Z. Liu, M. J. Wang, T. M Yu, D. Y. Zhao, 2007, Research on Effects of Injection Process Parameters on the Molding Process for Ultra-thin Wall Plastic Parts, J. Mater. Process. Tech., Vol. 187, pp. 668~671. [2] J. Aho, S. Syrjala, 2012, Shear Viscosity Measurements of Polymer Melts using Injection Molding Machine with Adjustable Slit Die, Polym. Test., Vol. 30, No. 6, pp. 595~601. [3] M. H. Tsai, K. L. Ou, C. F. Huang, H. C. Cheng, Y. K. Shen, C. Y. Chang, C. H. Wu, J. H. Chen, P Guan, 2008, Study on Micro-injection Molding of Light Guiding Plate by Numerical Simulation, Int. Commun. Heat Mass, Vol. 35, No. 9, pp. 1097~1100. [4] Y. K. Shen, W. Y. Wu, S. Y. Yang, H. M. Jian, C-C. A. Chen, 2004, Study on Numerical Simulation and Experiment of Light Guide Plate in Injection Molding, J. Reinf. Plast. Comp., Vol. 23, No. 11,pp. 1187~1206. [5] C. Feng, J. Kuo, T. L. Su, 2007, Optimization of Injection Molding Processing Parameters for LCD Light Guide Plates, J. Mater. Eng. Perform., Vol.16, No. 5, pp. 539~548. [6] C. J. Hwang, J. S. Kim, J. G. Oh, C. Jeong, H. J. An, Y. M. Heo, J. D. Kim, K. H. Yoon, 2008, Molding Stability of Hydro-mechanical High Speed Injection Molding for Thin-wall(0.3mm) LGP, Trans. Mater. Process., Vol. 17, No. 8, pp. 657~661. [7] J. L. White, 1990, Principles of Polymer Engineering Rheology, John Wiley & Sons, New York, p. 272. [8] Z. Tadmor, C. G. Gogos, 1979, Principle of Polymer Processing, John Wiley & Sons, New York, pp. 889~895.