특 집 고분자사출성형기술동향 김월룡 1. 국내사출성형분야산업동향최근대형할인점등에서판매되는플라스틱제품을보면대부분이라고해도과언이아닐정도로 Made in China 가휩쓸고있으며, Made in Korea 를찾기가쉽지않을정도이다. 1980년대에일본이사출성형분야에서선두에선적이있고, 이어서 1990중반부터 2000년대초까지우리나라가이분야에서일본을능가하다시피하게되었는데, 이제는중국이나기타국가에밀리는형상이다. 사출성형에소요되는비용을수지, 사출기, 금형, 각종 utility, 인건비등 5개부문으로나누면수지와인건비부분이많은부분을차지한다. 고분자수지비용은제품화되는원료의비용이며세계적으로유사한가격이므로차이를비교할필요가없다. 하지만, 인건비부분에대해언급하면, 우리나라의경우통상적인플라스틱제품의경우값싼중국의인건비로인해경쟁력저하로이어졌고, 이는생활용품뿐만아니라, 가전제품, 자동체, IT/OA 제품등각종산업전반에영향을미치게되어보통의기술이나제품으로는저가의중국제품과의경쟁에서밀려퇴출된지벌써수년째이다. 더욱이, 국내에기반을둔사출성형업체도국내에는간단한설비와운영직원몇명만있는공장을두고중국, 베트남, 인도네시아등인건비가저렴한해외에주요공장을운영하는경우가적지않다. 또한, 사출성형산업의특성인물량이있으면하루 24 시간내내생산하는경우가많다보니, 이분야에종사하는사람들은 3D 직종으로생각하여내국인이꺼려서임시직으로근무하는외국인들의수가많아지고, 기술축적이나신제품및신기술개발에대한의욕이나활동이없어진지오래이다. 이러다보니우리나라에서사출성형분야를연구하거나관련업종에종사하는전문가들의수는더욱줄어들어, 기술축적이나신기술개발이활발하지못하고, 외국으로부터도입한신기술의제품화에도급급한경우가적지않다. 중국산에밀려고전을면치못하던국내의사출성형관련업종중그나마경쟁력을어느정도확보하고있는 IT 업체나가전업체등에서더욱경쟁력을향상시켜타의추종을불허하고자내세운것들이획기적인원가절감, 우수한제품품질과디자인, 경쟁사가흉내내지못할정도로탁월한신기술의적용등이다. 이로인해플라스틱을사용하는첨단제품의외관제품등에적용되 는신기술이나, 인건비를상쇄하고도품질을향상시킬수있는제품이나기술개발에힘을써서국내외로널리적용이확대되는분야도있으며, 해외의우수한신기술을접목해생산성과외관품질을향상시키는분야도점차늘어가는추세이다. 이에우리나라사출성형분야에서경쟁력을키울수있고시장을선도할수있는핵심가공기술과이와관련된분야의현황등에대해살펴보고자한다. 2. 고품질분야기술동향 2.1 금형가열통상적인사출성형에서는금형온도가 30 80 정도유지되는것이일반적이다. 온도를낮추는이유는급냉을시켜서냉각시간을줄임으로써생산성을높이고자함이고, 온도를높이는이유는수지의유동성을개선하고압력전달이잘이루어지게하여외관을좋게하고자함이다. 특히고온에서성형해야하는수지나 G/F 가보강된수지의경우에는 90 120 정도유지하는경우가있다. 이렇듯사출성형공정의특성상고온에서용융된수지를차가운금형내빈공간으로주입하는직후부터수지는냉각되기시작하여수지온도가 T g 이하로된후금형을열고제품을취출하는것이일반적인공정이다. 저온금형에성형하면충전중발생하는 weld line, flow mark, gate mark, sink mark, 광택도저하등의외관문제뿐만아니라, 성형시가해지는높은사출압력으로인해사출품내부에잔류응력이존재하여, 성형후장기간경과하거나 T g 이하의비교적높지않은열에의해변형이발생하기쉽고제품의성능이저하된다. 김월룡 1987 서울대학교섬유공학과 ( 학사 ) 1989 서울대학교섬유공학과 ( 석사 ) 1989 삼양사중앙연구소선임연구원 1997 1997 LG 화학테크센터응용기술팀부장현재 Technological Trend for Polymer Injection Molding LG 화학테크센터응용기술팀 (Worl Yong Kim, Product and Processing Technology Team, Tech Center, LG Chem, 84, Jang-dong, Yusung-gu, Daejeon 305-343, Korea) e-mail: wrkimb@lgchem.com 30 Polymer Science and Technology Vol. 20, No. 1, February 2009
이러한문제들은성형품을도장하거나, 사출시수지온도나금형온도를높이거나, 금형설계에서 gate system 을개선하는방법을통해어느정도해결할수있다. 하지만, 단점들도존재하는데도장은환경및후가공비용이과다해지는문제가있고, 수지온도나금형온도를높이면 cycle time 이길어져생산성이저하되며, gate system 은약간은개선될수있으나완벽하게제거하기곤란하다. 이개선방안중단점을최소화할수있는것이금형온도를높이는것이다. 즉, 금형전체온도를올리기보다는충전과정및보압과정에서수지가접촉하는금형표면온도만올리고, 냉각과정에서는내리는것이 cycle time 및에너지효율성측면에서좋다. 금형표면의온도를높일경우, 장점으로는외관성능향상, 유동성향상, weld line 제거, flow mark 제거, 경면금형의광택도향상, 무광부식금형의무광효과향상, 사출압감소, 잔류응력감소로인한변형최소화등이있으며, 단점으로는가열및냉각시간으로인해 cycle time이늘어나며, 가열설비, 가열 / 냉각 utility 비용, 특허사용료등비용이발생하며, 고분자의고유유동특성인분수유동 (fountain flow) 으로인해수지내에점도가낮은성분이제품의표면으로분포하기쉬워서사출품의표면경도저하가일어나기쉽다. 이러한장단점이상존하는가운데, 2000년대초까지실험적인시도가이어졌지만상업화에는고온에서의금형재질의부식문제, 금형의변형, 불균일한표면온도, 가열 / 냉각시간의과다등으로인한생산성저하등문제가지속적으로걸림돌이었다. 일본에서는외관에문제가발생하는부위에할로겐램프로가열하여개선하는시도가있었고, 한국에서는제품외관과맞닿는금형표면을분리하여그뒷면을 LPG 가스로가열하는 MmSH(Momentary mold Surface Heating) 라는기술에대한특허가 1 출원되었고, 미국에서는고주파유도전류에의한표면순간가열 (RTR : Rapid Thermal Response, RHC : Rapid Heating and Cooling) 등의기술이발표되었지만, 2,3 이러한기술들은상업화를시도하였으나성공하지못했다. 한편, 일본에서고온고압증기로금형표면을가열하는 RHCM(Rapid Heat Cycle Molding) 등의 4,5 기술을상업화에성공하였고, 이기술들이 2004년한국의 display 업체에도 controller 및금형설계기술, 금형재질, 보일러및부대설비등이도입되어제품개발에적용되고있다. 국내에서도관련기술개발이진일보하게되었는데, 화재시대형사고로번질가능성이큰플라스틱공장에서위험하게 LGP 를이용하여금형을가열한다는자체가도입 / 확산에큰걸림돌이되었고, 금형의가열부에설치된 gas channel 및 nozzle dimension 에의해부위별로 gas 분사량이다르면온도편차를최소화하기어려운등의기술적한계가있는 MmSH 를보완한것이 E-Mold 이다. 6 아래에서 RHCM 과 E-Mold 에대해좀더자세히알아보기로한다. 2.1.1 RHCM 일본의 Ono Sangyo, Fuji mold 와보일러업체인 Sysko 등이 Consortium으로개발하여 Hitachi사의 PDP TV Front cabinet과 Fujitsu 사의 laptop PC Housing 등에적용되었다. 보일러를이용하여증기 (150, 5 kg/cm 2 ) 를금형내에 3차원적으로가공된열수관을통해금형을가열한다. 냉각은통상적인냉각수를사용하며, 냉각관이열수관보다금형표면쪽에가깝다. 이것은그림 1과같이가열하는시간보다는냉각에많은시간이소요되므로냉각시간을단축하기위해표면에가까운곳에열수관보다작은직경의냉각관 그림 1. RHCM 금형모식도. 그림 2. HIT 금형모식도. 을많이설치하여균일한냉각을유도하고자함이다. 금형가열시열수관에증기가흐를때냉각관에는냉각수가존재하므로가열해야할열적체적이많으므로가열시간도길어지고, 냉각시에는열수관에고온의증기 ( 또는 100 이하의열수 ) 가남아있으므로냉각에많은시간이걸리는등열효율측면에서매우비효율적이다. 그래서초기 RHCM 은하루당보일러운영비용이 100 만원정도로비싼적도있다. 이보다개선한것이국내의금형온도조절기업체인 ( 주 ) 마상기공에서개발한 HiT란 7 기술이있는데, 그림 2에서와같이동일한관에충전과정직전가열시열수를흘려보내고, 냉각과정전에압축공기를뿜어열수관내의열수를재가열장치로보낸후냉각수가흘러서냉각을하고다시열수공급전에압축공기로냉각수를냉각수탱크로보내는등의단계를거치도록개발하여열효율을극대화시켰다. 이기술이유지비절감의효과가매우크므로양산에적용되다가업체및사출처의사정으로돌연사장되고있다. 이기술은 RHCM 의보일러운영비용을 1/4 정도로낮추는방법으로응용되고있다. 열수를이용한기술의단점은비교적열효율이낮다는것이고, 장점은국내외의 display 업체등에서양산사례가많다는것이다. 2.1.2 E-Mold RHCM 이금형의고정측에표면에가까운곳에열수관및냉각관을설치하여표면부위만가열 / 냉각한다고해도금형재질의열전도특성으로고정측전체의온도가상승하는것은피할수없는단점이다. 이런이유로가열할필요가없는고정측의다른부위까지가열과냉각과정을반복하기때문에열효율저하및에너지낭비가심하여경쟁력이낮은것은사실이다. 이런단점을해소할수있는것이충전중고온으로유지하여야할제품의외관이형성될금형의표면층을고정측또는이동측으로부터일정두께로분리하여이부분을충전 / 보압과정에서는가열하고냉각과정에서는냉각함으로써열효율을높이고자하는기술이국내의 NADA Innovation 사의 MmSH이고, 이를전기히터로가열하는방식으로발전시킨것이 E-Mold 이다. 8 분리되는층인가열코어는열전도의효율성과내구성을위해서일정한두께 ( 통상 10 mm) 와형상을가져야한다. 지나치게두꺼우면열전도효율이떨어지고, 또얇으면열전도는좋지만사출시높은사출압및형체력에의해변형, 파손의우려가있기때문에적절한두께가필요하다. 그림 3은이동측에있는형상을가열코어로분리한금형의모식도 고분자과학과기술제 20 권 1 호 2009 년 2 월 31
이다. 가열코어에직경 5 mm 또는 6 mm의전기히터가장착되고, 이동측에는냉각효율을좋게하기위해열전도가우수한 Be-Cu 합금또는두랄루민등으로냉각코어를사용하기도한다. 그림 4의가열코어는전기히터를사용하여금형이열린직후부터닫히기직전까지일정시간동안가열되고, 금형이닫히면이동측과가열코어가밀착되어냉각되기시작한다. 두께 10 mm 의금속층의열전도시간이어느정도있기때문에충전과정과보압과정까지의통상적인시간내에서는가열코어의수지가맞닿는표면이냉각되지않기때문에이과정에서는표면온도가높은상태에서수지가사출된다. 따라서, 통상적으로냉각과정부터용융수지의열을전달하기시작한다. E-Mold 는개발초기에전기히터의잦은단선으로인한불량이많았으나, 열전달해석및설계최적화를통해 know-how 를쌓아최적화된설계로단선불량등의문제가없는우수한기술로발전시켰고, 지금은전세계적으로 150 여대이상의 controller 판매및 650 벌이상의금형에적용했을정도로안정화되었다. NADA Innovations 사의이기술은기존의불균일한가열로인한온도편차및화재의위험등의 MmSH 의문제점들을극복하였을뿐만아니라, RHCM 등의기술로는불가능한금형온도 150 350 구현도가능하여 engineering plastics 뿐만아니라 super engineering plastics 등의가공에도유용하게사용될수있다. 국내의 display 업체에서이기술을아직사용하지않고있거나, 해외공장등에서극히일부사용하고있는데, 그이유는이기술이나설비의문제가아니라, 2004 2005 년에투자했던 RHCM 설비를사용하고있기때문이다. Utility 비용을따지면 RHCM 에서 E-Mold 로그림 3. E-Mold 금형모식도. 의전환을긍정적으로고려할필요가있다. E-Mold 는현재국내기업뿐만아니라일본기업, 중국기업, 대만기업의중국, 대만, 말레이시아, 베트남, 슬로바키아등의현지공장에서 LCD TV와 monitor, PDP TV, notebook PC housing, home theater housing, 냉장고등의고광택무도장제품에널리사용되고있고, 가전제품, 자동차내외장부품등으로적용제품군이확대되고있다. 앞으로재활용규제 (WEEE) 및환경규제 (RoHS) 에대응하기위해서는도장을하지않고도외관품질을높일수있는기술의중요성이부각되는데, E-Mold 는양산성, 고온, 열효율등의장점으로인해더욱적용범위가넓을것으로기대된다. 또한, 특수용도의사출성형에보조기술로사용되고있는데, 구체적인내용은해당기술소개에서설명하고자한다. 2.2 이중사출성형이중사출성형이최근에개발된기술은아니지만, 다성분사출성형공법 (multi-component injection molding) 의한부분으로서그동안중소형제품에국내외에간간히적용되어왔다. 명맥을유지하던수준의기술인이중사출성형이최근다시각광받는이유가그동안정밀도문제로각종불량을유발하기쉬운이공법이축적된높은정밀도의금형가공기술및사출성형기술을바탕으로 display 등비교적대형제품에적용하기시작하면서고품질제품의출시에획기적으로기여하고있다. 일반사출성형은사출부와형체부가각각 1개씩있고 1회사출로 1 개제품을성형할수있다. 만약, 일반사출성형기 2대와금형 2벌로이중사출성형과같은효과를내려면, 그림 5(a) 와같이첫번째사출기와금형으로 1차사출후그림 5(b) 와같이두번째사출기와금형에 1차성형품을삽입하고 2차성형을한다. 이렇게할경우, 2차사출시고온의 2차성형수지에의해 1차성형품표면에서온도차가생겨변형과수축이발생하며, 2차사출압에의한 1차성형품에크랙이발생할가능성이있는등불량의소지가매우많다. 또한, 1차성형품과 2 차성형품과의계면에서의접착성도저하되는등의기능상의불량도문제될수있다. 이중사출로제품을성형하게되면, 사출기에사출부 2대와제품 2 종의 cavity 가있는금형 1벌이필요하다. 그림 6과같이금형내고정측 cavity 가서로같지않고한쪽이다른쪽보다큰형상이어야한 (a) (b) 그림 4. E-Mold 공정순서 ( 가열 / 사출 / 냉각단계 ). 그림 5. (a) 일반사출성형 :1 차성형 and (b) 일반사출성형 :1 차성형품삽입후 2 차성형. 32 Polymer Science and Technology Vol. 20, No. 1, February 2009
그림 6. 이중사출성형예 ( 형반회전방식 ). 그림 8. 특수형반회전성형기의중앙지지형반. 그림 7. 형반회전방식이중사출성형기. 다. 1차사출후성형품이냉각되기전에금형이열리고, 이동측에붙어있는그대로회전하여 2차수지가성형되고, 한편으로새로운 1차사출이동시에진행된다. 1차사출한제품이 2차 cavity 내에있는상태에서 2차사출수지에의해덮여지기까지장시간이소요되지않기때문에 1차성형품의수축과변형이심하지않아서양품을생산할수있다. 이중사출기술의분류는형체부에따른분류및사출부의위치에따른분류등으로구분될수있는데, 형체부에따른분류중형반회전방식에대해간단히언급하기로한다. 그림 7은이동측형반이회전하는형반회전다성분사출성형 (rotary injection molding) 이다. 9 이그림에서금형 1벌에휴대폰케이스가 2개씩설치된형상을보여준다. 즉, 하측 2개형상은 1차성형품을, 상측 2개형상은 1차성형품위에 2차성형된제품을보여준다. 이런방식은휴대폰케이스와같은소형제품의이중사출성형에적용이용이하지만, LCD TV front cabinet 등과같이대형제품에적용하기곤란하다. 소형제품은사출기의형반이넓지않아도되지만, 대형제품의경우제품의면적이사출기의형반보다작다고하더라도 cavity 2개가하나의형반에존재하는형반회전방식을사용하려면사출기가감당할수없을정도로넓은면적의회전형반이필요하기때문이다. 따라서, 통상적인형반회전방식이아니라특별한방식을사용해야만한정된크기의사출기에서이중사출성형이가능하다. 통상적인고정형반과이동형반외에별도로타이바하부에그림 8 과같이중간에지지형반을 9 설치하였다. 그림 9와같이좌우에사출부가각각 1개씩있고, 2 cavity 의고정측형판 (plate) 은사출기의고정형반과이동형반에각각장착되고, 2 cavity 의이동측형판은중앙지지형반위에장착된다. 1차사출시에는금형이닫혀있고금형이열리면 180 회전하여 2차사출및신규 1차사출이동시에진행되어서 LCD TV front cabinet 과같은대형이중사출품을성형할수있다. 이런이중사출성형기술을 LCD TV 등과같은대형제품에적용하게되면, 일반적인성형방법보다우수한품질의제품을비교적저렴하게생산할수있는장점이있다. 예를들어그림 10과같이적용하 그림 9. 특수형반회전이중사출성형기와금형동작. 그림 10. 이중사출성형의대형평판제품적용예 ( 개념도 ). 게되면, 화면부에는투명한수지를사용하여기존 LCD display 의화면을투명층이보호할수있으며, 전면전체를덮었기때문에투명수지층이내스크래치성능등이우수하면유리로전면을덮은것보다원가절감및경량화가가능하다. 또한, 좌우측스피커부분은투명층밑에배경색이있어서칼라디자인측면에서심색성을부여할수도있고, 그러데이션 (gradation) 효과도부여할수있다. 2.3 사출압축성형일반적인사출성형제품은충전및보압과정에서매우높은사출압을받게되고, 이압력은사출성형공정내에서완전히제거되지못하고잔류응력으로존재하게되고, 사용환경에서온도의영향을받거나시간의변화에따라내부의잔류응력이해소되는과정에서변형또는 고분자과학과기술제 20 권 1 호 2009 년 2 월 33
사출 초기충전단계그림 11. 사출압력성형. 압축단계 성능저하가발생한다. 특히최근의사출제품의경향과같이두께가얇아지는경우사출압은더증가하고, 잔류응력은더욱심해진다. 이를해소하기위한방법으로사출압축성형이적용되고있다. 종류로는사출압력방식 (injection pressure) 과사출압축방식 (injection compression) 이있다. 사출압력방식은그림 11과같이금형이완전히닫지않고약간열린상태에서충전되는방식이고, 사출압축방식은금형이닫힌상태에서충전되지만, 매우낮은형체력을설정하였으므로충전압에의해금형이약간열리게된다. 두방식다압축단계에서는보압대신형체력으로이동측을닫아압축하는방식으로차이가없다. 따라서, 가스배출측면에서는거의차이가없지만, 사출압축방식은사출압력방식보다 mold flash 를줄일수있고, 사출압력방식에서쉽게나타날수있는 flow mark 를줄일수있다. 사출압축성형의장점은낮은압력으로수지의충전을유도하고충전도중또는종료후, 주로금형을압축하는것으로보압을대체할수있으므로, 균일한압력으로충전 / 보압이이루어지기때문에제품전체의압력차이를최소화할수있어서, 수축차이가줄어들고변형이줄어든다. 낮은사출압에서도전사성이우수하고, 낮은충전압 / 보압을사용하므로잔류응력을최소화할수있고수지의배향성을완화할수있다. 따라서, 광디스크와같이높은정밀도와낮은잔류응력이요구되는제품의성형에적합한공정이다. 단점은특수사출성형기가필요하며정밀제어가요구된다. 또한, 금형구조가복잡하고제작비용이상승하며, 제품형상에제한이있을수있다. 일반사출성형과사출압축성형의압력변화를비교하면다음과같다. 일반사출성형공정은가스밴트를설치하더라도충전단계에서공기저항이있고유동층단면이얇기때문에충전압이높다. 또한, 그림 12와같이제품에서게이트로부터최종충전위치에이르기까지압력차이가있으므로보압단계에서압력차이가해소되지않으면수축차이가발생하여변형발생이쉽고, 잔류응력이많을수있다. 사출압축성형은그림 13과같이초기사출단계에서공기저항이없고유동층단면이두꺼워서비록게이트로부터최종충전위치까지의압력차이는약간발생하지만, 전반적으로충전압이낮다. 보압단계에서는제품의전체면적에걸쳐고르게형체에의한보압을받으므로제품의위치에따른압력차이가거의없어서수축차이가거의없고변형과잔류응력이최소화될수있다. 최근의추세는금형가열과이중사출성형및사출압축성형등 3종의기술을함께접목하여 LCD TV 등대형 display 제품에표면전체를투명수지 ( 예 : 투명 ABS, PMMA, PC 등 ) 로, 내부 frame 부분 ( 그림 10의회색부분 ) 은불투명수지 ( 예 : ABS, PC/ABS 등 ) 로성 그림 12. 일반사출성형공정. 그림 13. 사출압축성형공정. 형하되, 게이트로부터멀리떨어진부분까지의압력차이를최소화하면서 2개이상의게이트를사용할경우 weld line 도제거하고자이중사출성형및금형가열을적용하여외관광택도도높이고일체화성형도가능하게하면서사출압축성형으로충전압을낮출수있어서잔류응력및변형도최소화한다. 잔류응력이낮아지면투명부분에주로발생하는복굴절률차이에의한무지개색과같은색상차이도제거할수있다. 이렇듯예전에새로운성형기술로대두되던사출성형최신공법들이지금은새롭게재조명받으면서 2 3 종의공법이동시에한제품의개발에적용되는경우가있다. 이런기술들을통해쉽게모방할수없는아주우수한품질의제품을출시할수있어서제품의경쟁력을높일수있다. 3. 원가절감분야기술동향 3.1 무도장기술사출성형품의외관특성을향상하는방법중대표적인방법이도장인데, 그종류는고광택, 무광, 내스크래치성, 내마모성, SF(soft feel), 금속질감, 진주질감등매우많다. 일반적으로플라스틱제품의표면에도장을하는경우열경화성수지의원료성분들을용제에녹인용액에기능을부여하는특수성분을일정비율로녹여제품표면에도장한후고온이나기타적정한환경에서용제성분은증발하고남은성분은경화하여열경화성수지와수지내에기능을부여받은성분이조밀하게존재함으로써도장으로 34 Polymer Science and Technology Vol. 20, No. 1, February 2009
서추구하려던목적에맞는기능을수행하는것이다. 이렇게할경우웬만한외관불량이발생한성형품도도장을통해양품화할수있고, 제품의기능성및질감도향상시킬수있지만, 성형품표면에있는도장성분을제거하기어렵기때문에재활용이불가능하여 WEEE(Waste Electrical and Electronic Equipment), RoHS(Restriction of the Use of certain Hazardous Substances in Electrical and Electronic Equipment) 등환경규제에대응하지못하여수출이어렵고, 통상적으로도장비용이사출품을성형하기까지의총비용을능가하여가격경쟁력이없다. 예를들어성형품에사용된수지가격 500 원, 사출비용 ( 기계감가상각비, 인건비, utility 비포함 ) 500원하여성형품의총비용이 1,000 원이라면통상적으로도장비용만 1,000원이상이므로, 성형품의원가는 2,000 원이된다. 도장을하지않고도특수한질감을낼수있는수지가격이 1,000원이라면사출비용포함하여 1,500 원이므로제품 1개당 500 원의원가절감이가능하여경쟁력을갖추게된다. 따라서, 최근의추세는가전제품, display 제품, IT 제품, 자동차내외장재등에도장을하지않고도도장한것과유사한질감을구현함으로써원가절감을꾀하고자하는추세이나, 기술적인한계가많아상업화하기가어렵다. 각각의문제점과개선방안에대해서는아래구체기술에서언급하기로한다. 3.1.1 무도장 Pearl Color 및 Metallic Color 플라스틱제품에 pearl 또는 metallic 색상을부여하기위해일반적으로 pearl 안료나 metallic 안료가함유된혼합액을사출품표면에도장하여질감을부여한다. 일반적인 pearl 안료나 metallic 안료는우수한질감을위해판상형태를사용하는데, aspect ratio 가수십 수백수준이다. 그림 14의좌측과같이사출품에도장하면판상입자가표면에평행하게배열함으로써넓은면적에서빛을반사하거나회절을일으켜금속질감또는진주질감을나타낸다. 이안료를수지에혼합사출할경우그림 14의우측그림과같이안료층이성형품전체에분포하게되므로, 도장액과동일한함량의안료를수지에혼합할경우에표면층에서빛을반사할안료가도장공법보다많지않기때문에질감이저하된다. 이를극복하기위해서는많은양의안료를투입해야하는데, 수지측면에서는불순물이많이포함되는것이기때문에기계적물성저하와유동성저하및외관불량이발생할소지가매우크다. 대표적인외관불량으로는 weld line 부근에서수지의 weld line 과무관하게안료성분에의한 weld line 이발생하며, gate 주위, 흐름이복잡한부위, 충전말단부위및 gas vent가잘되지않는부위등에서안료성분에의한 flow mark 도발생한다. 이런불량들은단순히성형조건만으로개선하기불가능하고, 고점도 유체내에판상형입자의거동에대한이해가선행되지않으면해결하기어렵다. 그림 15는안료의크기와사출품의표면질감및불량과의관계를나타낸것이다. 일정한무게비율로투입할경우안료의크기가클수록안료의질감은떨어지지만, 안료의개수가적어지기때문에유동성도다소회복되어 weld line 이나 flow mark 등의외관불량이줄어든다. 그림 16은안료의함량과사출품의표면질감및불량과의관계를나타낸것이다. 동일한크기일경우투입량이많아지기때문에표면질감은좋아지지만, 함량이많으면수지의유동성이저하되므로안료입자와고분자유체간의속도차이가더욱심해지기때문에유체의속도가떨어지는 weld line 부근이나 flow mark 부근에서안료입자의유동이제대로이루어지지않아빛을반사할정도의안료입자가없기때문에외관불량이증가한다. 그림 17은안료가포함된수지의유동성과사출품의표면질감및불량과의관계를나타낸것이다. 수지의유동성은단순히유체의점도만을얘기하는것이아니라사출성형에서충전속도도중요한변수이고사출성형에서속도를저해할수있는각종요인들예를들어 gas vent 가효과적으로작동하는지와수지온도와금형온도등도외관품질의변수가됨을의미한다. Weld line 이나 flow mark 등의불량이발생하는원인에대해살펴보면다음과같다. 첫번째원인으로그림 18과같이판상안료가그림 15. 안료의크기와외관성능. 그림 16. 안료의함량과외관성능. 그림 14. 도장층의반사. 그림 17. 수지의유동성과외관성능. 고분자과학과기술제 20 권 1 호 2009 년 2 월 35
weld line 부근에서제품표면과평행한방향으로배열되지못하고오히려 fountain flow에의해표면과수직에가까운방향으로배향되어있기때문에이부위에서빛을반사시키지못하여그림 19의좌측그림과같이우리눈에는흑색선처럼나타난다. 이부위를확대하여뒷면에서부터빛을투과시켜서보면그림 19의우측그림과같이안료입자가없는부분은밝게나타난다. 특이한것은수지의 weld line 과안료입자로인해흑색선 weld line 처럼나타나는입자수직배향부분과는위치상으로일치하지않는다. 이는수지의 weld line 부근에서표면층과내부층에서좌우측으로부터의흐름의차이가있기때문으로추정된다. 두번째원인으로그림 20과같이안료입자의분포차이가발생하기때문이다. 그림의시료는판상안료입자가아닌다면체형상의안료입자를사용했는데 weld line 부근에서판상안료를사용하지않았으므로표면에수직방향으로의배향이나타날수가없는데도안료입자의개수의차이가나타났는데, 비교적고점도유체내에고체인그림 18. Weld line에서의입자배향. 그림 19. Weld line에서의흑선원인분석. 입자가함께유동하게되면 weld line 부근에서유동성이좋은유체는양방향의흐름이만난직후에도 fountain flow effect에의해표면쪽으로이동할수있지만점도가무한대라고가정할수있는고체입자는유동이현격히저하되어 weld line 직전부터접경영역으로이동하기어렵고특히접경영역에서부터표면쪽으로는더욱이동할수가없기때문에이러한입자의분포차이가나타난다. 판상안료의배향을개선하는방법은 2가지가있다. 첫째는판상안료와다면체안료를적절한비율로섞어사용하는것이다. 10 판상안료는질감향상을위해사용하고, weld line 이나 flow mark 부근에서의배향성향상을위해서는다면체안료를사용하면 weld line 이나 flow mark 를현격하게개선할수있다. 10 둘째는그림 21과같이금형가열기술을적용하여금형표면온도 (T m -30 ) 를 T m 정도로높이고충전속도를매우빠르게하여충전함으로써그림 21의좌측아래그림과같이 fountain flow 의중심을변경시켜판상의입자가표면근처에서표면에평행하게배열되도록한다. 단, 금형가열기술에약간의제한이있다. Pearl color 또는 metallic color 용으로사용하는투명 / 내스크래치성 ABS 의경우 T m 범위가 240 250 정도인데, 금형표면온도를최소한 210 이상으로올려야하는데, 고온고압열수를사용하는 RHCM 등과같은기술로는불가능하고, E-Mold 와같이최대 350 까지올릴수있는초고온금형가열기술이개선효과가있다. 또, pearl color 혹은 metallic color 용투명 PC의경우는점도에따라다르겠지만최소한 250 300 이상을유지해야효과가있다. Weld line 에서의분포차이를개선하는방법은 weld line 에서의유체및안료입자의유동성을향상시키는것이다. 즉, weld line 주변의금형표면이나이동측에 gas vent를잘설치하여유체의흐름을저해하지않도록하는것과, weld line 부위에 overflow well을설치하여보다더적극적인유체흐름을유도하는것과, E-Mold 등의기술을사용하여금형온도를높임으로써 weld line 에서의유동을더욱높여야한다. 이러한무도장 pearl/metallic color 제품을성형하기위해서는수지의유동성이좋아야하고, 안료입자도 weld line 을최소화할수있어야하며, 금형측면에서 gas vent, overflow well, 복잡한흐름을회피할수있는 gate system, E-Mold 와같은금형가열기술등으로유동성저하를최소화해야하며, 사출측면에서는가능한한사출속도를높여서유동성손실을최소화해야양품을생산할수있다. 그림 20. Weld line 에서다면체입자의분포. 그림 21. Fountain flow 와판상입자의배향개선. 36 Polymer Science and Technology Vol. 20, No. 1, February 2009
3.1.2 무도장 / 무광자동차의유리에플라스틱내장재표면이반사되면시야를방해하여사고의위험이크기때문에내장재표면은일반적으로무광도장을하는데, 도장공정비용이성형품의제조원가이상으로높기때문에요즘과같은글로벌위기상황에서는원가절감의주요한대상으로거론된다. 이를위해도장하지않고도수지, 금형, 성형조건, 기타설비등의측면에서신기술을적용하여제품의표면에무광효과를균일하게구현하는것을무도장 / 무광기술이라고한다. 수지측면에서는성형후수지의내부성분들차이에의해표면에수 μm 의요철이스스로형성되어가시광선의산란을유발하여무광효과를발현하게된다. 또한, 수지자체에 gas 가많으면이러한효과및금형표면에밀착되는전사성을떨어뜨리게될뿐만아니라광택편차등각종문제를야기하므로가스성분이최소화되어야한다. 금형표면에그림 22와같은 embossing 처리를형상크기별로만들어평가를하면, 그림 23과같이표면조도에따른광택도를비교할수있다. 가장무광효과가좋은구간은 2 μm 정도이고, 1 μm 이하면수지의유동성이충분치못해미세한 embossing 부위에미성형이발생하여광택도가증가하고, 5 μm 이상이면빛을반사할면적이넓어지기때문에광택도가증가한다. 그림 24는일반적인 embossing 금형에일반수지를사용하였을때의광택도를예시하였다. 산란되는부위도있지만광택이있는부위도있음을보여준다. 그림 25는동일금형에무광수지를사용할경우의광택도를예시하였다. 대부분의지역에서산란이일어나무광효과를확인할수있다. 무광제품용금형의가스 vent 는통상적인금형보다수배이상많이설치해야한다. 도장하지않기때문에충전말단에가스 vent 가제대로이루어지지않으면가스가몰려서수지의유입을방해하기때문에금형표면에밀착되지못하여광택도가증가하기때문이다. 성형조건측면에서도유동성향상을위해충전속도를빠르게하고, 수지온도와금형온도를가능한한높게해야한다. 단, 가스 vent 효과를높이기위해서성형조건을최적화해야한다. 예를들어충전말단부위에충전되기직전까지는높이되, 직전부터는충전속도를낮추어가스가배출되는시간적인여유를주는등다단충전속도제어를하는것이좋다. 가소화과정에서용융수지내가스함유를최소화하기위해 screw rpm 과배압도최적화해야하고, 가소화과정중수지내가스를배출할수있는추가설비 ( 국내시온테크의실린더가스배출기 11,12 또는 Gaven 13,14 등 ) 를사출기에설치하면더욱우수한무광제품을생산할수있다. 3.2 MuCell Mucell 은고온고압가스 (CO 2 나 N 2 ) 를수지내에용해시켜고유동 SCF(super critical fluid) 를만들어충전후보압과정에서이들가스가성형품내부에서미세발포를하여보압이없이 sink mark 나변형을개선할수있으며, 발포율에따라 7 15% 의무게감량을통해경량화를달성할수있다. 최근에나온기술이아니라 95 년말상업화되기시작하여해외자동차업체및 IT/OA 업체에서널리사용되고있는기술인데, 최근에 Mucell 과금형가열기술을접목한연구또는사출압축성형 (core back 방식 ) 등과접목한연구들이 15 많이진행되고있다. 금형가열기술이다양한제품에적용되고있는데, 양면가열방식을사용하는경우가드물고주로제품의외관면에만가열하므로성형후변형이쉽게발생하고또한, sink mark 를쉽게개선할수없는단점이있다. 따라서, 충전압을낮추어잔류응력을줄이면서보압과정에서보압대신발포로수축을개선할수있어서, 미려한표면을가지면서도외관불량이없는개선한대형제품을성형할수있다. 또한, 발포기체가성형품표면으로나타나 silver streak 등과같은외관불량이쉽게나타날수있는데, 금형가열기술과접목하게되면외관불량을감출수있다. 실험적으로건조하지않은수지를일반성형으로사출하면표면에 silver streak 등이많이나타나지만, 금형가 그림 22. Embossing 표면. 그림 24. 일반수지의 embossing 효과. 그림 23. 표면조도와광택도. 그림 25. 무광수지의 embossing 효과. 고분자과학과기술제 20 권 1 호 2009 년 2 월 37
그림 26. MuCell 과 core back 을통한발포개념. 그림 27. Core back 방식으로발포된성형품단면사진. 열을하면건조하지않은수지라도표면에 silver streak 등이많이나타나지않는현상을쉽게볼수있다. 이는차가운금형표면에닿은수지는고화되기시작하면서가스를포함하게되고이후밀려오는용융수지에의해고화중인표면의수지와가스의혼합층이함께늘어나면서미세한백화현상이발생하여 silver streak 이나타나는데, 금형온도가높으면금형표면에서수지와가스혼합되지도않고혼합되었더라도가스를둘러싸고있는용융유체의온도가높아점도가매우낮기때문에혼합가스가압력이낮은지역으로쉽게이동할수있으므로안쪽으로이동하여표면에는 silver streak 등가스에의한불량이낮아진다. 또한, 발포율을높이는기술로금형내에 SCF 내가스의압력보다높은압력으로환경을만들어 SCF 가금형내충전시표면으로나오지않도록한후 SCF 를충전하고, 표면층의일정두께부분이고화되고나면그림 26과같이금형을일정거리만큼벌려서내부의압력을매우낮게함으로써고화되지않은부분에서발포를가속화시킨다. 9 이렇게하면그림 27과같이발포율을높일수있는데, 이기술은일본과유럽등지에서자동차내외장재및대형품의경량화방법으로상업화되고있다. 4. 사출성형기술인증자격제 16 아무리좋은제품과금형을설계하고좋은설비를설치하였지만, 사출현장에근무하는작업자의기술수준및역량이부족하다면제품의품질은편차가클것이고제품의불량이증가하여경쟁력도저하될것이다. 앞에서도얘기하였지만사출공장의특성상 3D 직종이란관념이있어서우수한인력이꺼리는분야이다보니, 이런문제가더욱심화되고있었다. 그래서, 2005년부터중소기업연수원, LG 전자, LG 화학등 3개기관에서협약을맺어 LG 전자의협력사중휴대폰사출업체의기술력강화를위해, 유사기관들이해오던단순한교육을벗어나사출성형기술에대한이론과실무교육및수준별필기시험, 실기시험, 사례발표등을통해평가를하여합격한경우에한해 3 1급까지의기술인증자격을부여하는인증자격제를실시하였다. 교육및필기시험은사출성형관련하여교육 / 연수를주로하는이들이운영할수있다. 그러나, 사출성형실기시험과현장개선사례발표를점수화하여변별력있게평가한다는것은상당히해결하기곤란한과정이지만, 상기 3개기관은이를훌륭히수행해내었다. 이러한교육의성과는제도를시행한직후바로나타나는것이아니라 2~3 년에걸쳐서꾸준히나타나게되는데, 2006 년말부터조금씩나타나기시작하여현재는완전히안정화되어 LG 전자협력사의기술수준향상에크게기여하였고, 자격제에참가하는이들의의식구조개선에도큰전환점이되어단순히사출성형작업자라는체념을극복하고지금은제품개발초기부터양산관리및품질관리까지제품개발전반에걸쳐다양한역량을갖춘이들로성장할수있게하였고, 사출성형기술인증자격제의효과는협력사의기술력향상및수익향상뿐만아니라 LG 전자휴대폰사업분야의성과창출에있어서기술적인측면에서기여하였다고말할수있다. 사출성형기술인증자격제운영초기에일부업체는불량률관리조차한적이없을정도로협력사의기술및관리수준이낮았지만, 본제도에적극참여함으로써환골탈태하여이들업체가지금은 LG 전자의프리미엄폰을개발한주요업체로성장하기도하였다. 인증자격제를 2005년부터현재까지운영한결과, 3급및 2급자격증취득자가약 100명정도로이들자격증취득자들은소속협력사에서주요한직책을맡고있으며, 진급및자격수당에서그노력과성과를보상받고있다. 이러한과정을 2008 년까지는국내에서만운영하였고, 글로벌시대에맞춰 2008년말부터인도네시아등해외에있는한국업체의협력사에도확대적용하고있는데, 국내에서개발된시장선도기술과개발된제품이해외생산기지에서제대로생산되기위해서는해외에서도인증자격제와같은 tool 이활성화되어야한다. 5. 결론앞서살펴본바와같이최근의기술동향은 10 여년전에발표되었지만용도나적용제품군이한정되어성장하지못했거나, 양산화과정에서제한적으로사용되던과거의신기술들이최근새로운적용분야를찾고또한, 그사이발전한각종가공기술및금형기술등을이용하여다양한제품으로적용이확대되고있는추세이다. 특히현재까지우리나라가강세인 IT, OA, display 등의분야에서이런경향이활발하게진행되고있다. 또한, 이런기술들을단독으로적용하게되면그효과도크지않지만, 다른 2~3 종의기술과결합할경우설비측면에서는이전에는생각하지못했던고비용이투자되지만, 고부가가치제품을생산할수있는기술을축적하여경쟁력을갖춤으로써우수한디자인과접목하여시장을선도하는제품군들을볼수있다. 신제품이출시되면후발업체가디자인은복제할수있지만, 가공기술과개발 know-how 는쉽게복제할수없다. 따라서, 디자인과결합 38 Polymer Science and Technology Vol. 20, No. 1, February 2009
된가공기술은디자인을복제하기어렵게하여디자인을보호할수있으므로, 경쟁력강화와후발업체와의차별화에필요한핵심역량으로서가공기술을중요시해야하고지속적으로발전시켜나가야한다. 참고문헌 1. KR-10-0380802, B1 (2003). 2. D. Yao, B. Kim, SPE ANTEC, 49, 607 (2003). 3. D. Yao, B. Kim, SPE ANTEC, 49, 521 (2003). 4. 日本特開 2002-210783. 5. USP-6752612, B2 (2004). 6. KR-10-0644920, B1 (2006). 7. KR-10-0470835, B1 (2005). 8. http://www.e-mold.co.kr/. 9. http://www.engelglobal.com/. 10. KR-10-0789244, B1 (2007). 11. http://www.zion-tech.co.kr/. 12. KR-0709576, B1 (2007). 13. http://www.gaven.co.kr/. 14. KR-0822479, B1 (2008). 15. S. C. Chen, J. S.Huang, P. S. Hsu. et al., SPE ANTEC, 54, 426 (2008). 16. 조복기, 뿌리깊은중소기업바람에아니뮐쌔, 중소기업진흥공단, 서울, 2008. 고분자과학과기술제 20 권 1 호 2009 년 2 월 39