사출성형 브리핑 (2014년 자료)

[서선식]

출처: http://www.amenews.kr/atc/view.asp?P_Index=17979

■ 기술의 개요

◇ 기술의 정의 및 분류

사출성형기술(Injection Molding Technology)은 열가소성 혹은 열경화성 수지를 금형 주입구를 통해 높은 속도와 압력으로 주입한 후 금형 내부에서 굳혀 성형을 하는 기술을 총칭한다. 사출성형과 유사하게 금형 내부로 수지를 주입하는 성형가공기술에는 전사성형기술(Transfer Molding Technology)이 있는데 사출성형과의 주요한 차이점은 수지가 금형에 주입되는 속도다. 사출성형기술에서는 수지가 매우 빠른 속도로 주입되지만 전사성형기술에서는 상대적으로 낮은 속도로 주입된다. 사출성형기술은 복잡하고 다양한 형상을 매우 빠르게 생산할 수 있기 때문에 현대의 다품종 대량생산 요구에 가장 적합한 생산제조기술로 인정받고 있다.

1차 성형된 제품에 재가열 했을 때 녹아서 흐를 수 있는 상태가 되는 수지를 열가소성(Thermoplastic) 수지라 하고, 녹지 않고 타버리는 수지를 열경화성(Thermoset) 수지라고 한다. 사출성형기술을 적용하는 수지는 대부분이 열가소성 수지다. 열가소성과 열경화성 수지용 사출성형은 금형의 온도와 스크루 구조에서 차이가 난다. 열가소성 수지를 위한 사출금형은 보통 차갑게 유지되며 열경화성 수지를 위한 사출금형은 약 180℃ 이상으로 유지된다. 열가소성 수지용 사출성형기는 스크루가 테이퍼 설계돼 있는 반면, 열경화성 수지용 사출성형기 스크루는 테이퍼가 없는 구조로 설계된다.

▲ 열가소성 수지와 열경화성 수지의 사출성형 구분 

▲ 사출성형기술 분류 

사출성형기는 형체부, 사출부, 동력제어부로 구성된다. 형체부는 금형이 용융수지의 주입으로 인한 내부의 높은 압력에 의해 열리지 않도록 붙잡아주는 부분이며 일반 프레스와 동일한 구조를 가진다. 사출부는 고상의 수지를 넣어 빠른 시간 내에 용융한 후 용융수지를 금형 내부에 주입시킬 수 있는 구조로 된 배럴과 스크루로 구성된다. 사출부는 수지를 용융하는 방식에 따라 인라인 스크루(Inline Screw) 방식과 플런저(Plunger) 방식으로 구분된다. 현대의 사출성형기는 대부분이 인라인 스크루 방식으로 설계 되고 있다. 동력제어부는 형체부와 사출부에서 필요로 하는 압력을 발생하는 유압발생장치와 각 부분의 작동순서와 정도를 조절하는 제어부가 함께 있는 부분이다. 최근 들어 개발된 전기식 사출성형기는 유압발생장치 역할을 서보모터가 대신하고 있다. 사출성형기는 형체부와 사출부가 배열된 방식에 따라 수평식과 수직식 사출성형기로 구분할 수 있다. 아래 그림은 수평식 사출성형기의 주요 부분을 나타낸 것이다.

▲ 수평식 사출성형기의 주요부 

◇ 작동원리 및 적용부품

사출성형 공정은 재료의 변화 관점에서 보았을 때 고상의 수지가 용융되고 금형 내로 주입된 후 고화돼 금형 외부로 방출되는 과정에 따라 5단계로 구분할 수 있다. 사출성형기의 제어도 이 5단계의 구분에 따라 이루어진다.

○ 가소화단계(Plasticating Stage)

고상의 수지가 용융되는 단계

○ 충전단계(Filling Stage)

용용수지가 금형 내부로 주입되는 단계

○ 보압단계(Packing or Holding Stage)

주입된 수지가 고화됨에 따라 줄어드는 부피를 보충하기 위한 단계

○ 냉각단계(Cooling Stage)

주입구가 고화돼 더 이상의 외부 압력이 금형 내부로 전달될 수 없어 외부와 차단된 상태에서 수지의 온도가 낮아지는 단계

○ 방출단계(Ejecting Stage)

금형 외부로 밀어낼 때 제품이 변형을 일으키지 않을 정도의 기계적 성질을 회복한 상태에서 금형 외부로 밀어내는 단계

▲ 사출성형 공정의 주요 단계 

사출성형기술에서 금형의 역할은 매우 주요하다. 금형은 사출성형기의 형체부에 장착돼 양쪽으로 개폐되는 특징을 가진다. 거의 모든 사출금형은 이와 같은 기본적인 동작 특성을 지키고 있으므로 사출성형품 또한 이 특성에 따라 설계돼야 한다. 모든 사출성형품에는 금형이 개폐되는 면에 의해 생성된 자국이 남게 되는데 이를 파팅선(Parting Line)이라 부른다. 사출금형은 성형품의 음각으로 형성된 캐비티(Cavity) 이외에 성형품을 금형에서 빼내기 위한 방출장치(Ejection System)와 양쪽 금형이 정렬하기 위한 장치 등을 기본적으로 갖추도록 설계된다. 또한 캐비티까지 용융수지를 운반하기 위한 유동안내부가 설치돼야 한다. 유동안내부는 스프루, 러너 그리고 게이트로 구성된다. 아래 그림은 표준 금형의 구조를 보여준다.

▲ 사출금형의 주요 구조 

사출성형기술을 적용해 생산하는 제품은 매우 다양하다. 크기별로 보면 대형제품은 자동차 내외장 부품과 대형 가전제품의 외관 등이 있다. 중형제품은 일반 가전제품 외관, 자동차 내장부품, 생활 용기 등이 있으며, 소형제품은 모바일 기기 외관, 의료기기 부품, IT기기 기능부품 등이 있다. 아래 그림은 사출성형기술을 적용한 다양한 제품의 사진을 보여준다.

▲ 사출성형기술을 적용한 다양한 제품 예 

■ 기술의 환경변화 및 중요성

세계적으로 사출성형기술에 관련된 산업 환경은 빠르게 변화하고 있다. 이에 따라 기술 수준에 대한 향상 요구는 크지만 인력 양성의 어려움으로 인해 이 요구를 충분히 만족시키지 못하고 있는 것이 산업계의 현실이다. 사출성형기술관련 변화의 주요 동인은 다음과 같다.

◇ 경량화 요구 증가

세계적인 에너지 감소와 지구온난화에 따른 이산화탄소 감축 요구에 따라 자동차와 항공기 등의 경량화 수요가 급격하게 증가하며 금속 부품이 가벼운 플라스틱으로 대체되는 범위가 증가했다. 이와 같은 변화는 플라스틱의 사용 범위와 적용제품의 다양성을 크게 증가시켰다. 이러한 요구를 충족하기 위해 사출성형기술이 크게 주목 받고 있다.

◇ 표면 품질기준 향상

사출성형기술을 통한 플라스틱 소재가 가장 널리 적용되는 분야는 가전제품 및 휴대기기의 외관 등이다. 세계적으로 급속하게 증가하는 휴대기기와 외관 디자인을 주요한 승부요인으로 꼽고 있는 가전제품 시장의 확대에 따라 표면 품질기준이 급속하게 높아지고 있다. 이러한 품질 기준을 만족하는 제품을 생산하기 위해서는 사출성형기술이 근본적으로 가지고 있는 문제점을 해결할 수 있도록 하는 기술적 도약이 필요하다.

◇ 사출성형 적용 제품의 다양화 및 한계 성능 향상

플라스틱 수지를 이용해 생산하는 제품 크기의 범위는 더욱 넓어져가고 있다. 눈에도 보이지 않을 만큼 작은 크기의 제품 내부에 매우 정교한 형상을 만들어야 하는 초소형 정밀제품부터, 점점 대형화 돼가는 자동차 부품과 건축용 부품까지 크기가 다양화 되고 있다. 또한 제품이 견뎌야 하는 힘은 감소시키지 않으면서 가볍고 작은 부품을 설계해야 하는 요구가 증가하고, 제품의 기능이 고도화 돼감에 따라 플라스틱 제품의 정밀도 요구수준도 비약적으로 높아졌다. 플라스틱 수지는 열팽창이 타 재료에 비해 크고 기계적 성질이 낮은 특징을 가지고 있지만 요구되는 한계 성능은 점점 더 증가하고 있기 때문에 이를 극복할 수 있는 정밀한 설계 기술과 생산 기술이 요구된다.

■ 기술 분야별 동향

기존의 사출성형기술은 단일한 소재와 단순한 형상을 대상으로 발전해 왔으나 최근에는 원가 절감, 다양한 디자인, 고품질화 등의 요구가 증가하면서 기술의 발전방향이 다변화되고 있다. 기술 발전의 방향을 크게 분류해 정리하면 아래와 같다.

▪ 사출 재료의 복합화와 다양화

▪ 높은 표면 품질과 유동거리의 증가

▪ 초소형화와 고정밀화

▪ 제조단계 단축

◇ 복합 성형기술

복합 성형기술이란 하나의 금형이나 두벌 이상의 금형을 하나의 사출성형기에 장착해 2종 이상이나 2색 이상의 수지를 사출성형해 제품을 완성하는 기술이다. 복합 성형기술을 활용하면 제조 단계를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 제품 디자인을 다양화할 수 있다.

기술수준 지속 상승 요구 커 인력 양성 부족 우려

車 경량화 등으로 고분자 사출성형 수요처 지속 증가

○ 열가소성/열경화성수지 복합성형 기술

열가소성 수지는 온도 변화에 의한 기계적 물성 변화가 열경화성에 비해 크지만 재가열에 의해 여러 번 성형이 가능한 장점을 가진다. 이에 비해 열경화성 수지는 높은 온도에서도 높은 기계적 물성을 유지할 수 있으나 재성형이 불가능한 단점이 있다. 열가소성/열경화성수지 복합성형 기술은 이 두 가지 재료의 특성을 함께 요구하는 제품의 제조를 위해 활용할 수 있는 성형기술이다.

열가소성 수지를 위한 금형은 열을 빼내어 고화시켜야 하므로 냉각을 해야 하고, 열경화성 수지를 위한 금형은 열을 가해주어 경화를 해야 하므로 가열해야 한다. 이 두 가지 특성을 함께 만족하려면 금형에서 유동안내부의 온도 조절이 매우 까다로운 조건을 가지게 된다. 또한 유동안내부부의 정확한 설계기술과 관리 기술이 요구된다.

최근 들어 열가소성 수지를 이용한 몸체에 실리콘 고무로 만든 밀폐용 부품을 함께 사출하는 기술이 개발되고 있다. 이 기술은 밀폐용 부품을 별도로 제조해 조립하던 종래의 기술에 비해 조립 단계를 줄이고 다양한 밀폐용 부품의 형상을 구현할 수 있는 장점이 있다. 실리콘 고무를 열가소성 수지 제품에 사출하는 다른 예로 유아용 젖꼭지 일체 젖병을 들 수 있다. 일체화 젖병은 열가소성 수지를 이용해 투명한 용기를 만든 후 젖꼭지를 실리콘 고무를 이용해 사출해 접착시켜 제조한다.

다른 예는 금형 내 코팅(In-Mold Coating)이 있다. 이 기술은 제품에 도장을 하는 대신 열가소성 수지를 이용해 성형 후 표면에 열경화성 코팅제를 주입한 후 경화시켜 미려한 표면을 만드는 기술이다. 이 기술은 이미 일부 고급 승용차 미러하우징(Mirror Housing)에 적용되고 있다.

▲ 금형 내 코팅 성형기술 

○ 이색/이종 수지 성형 기술

이 기술은 다양한 디자인 효과를 위해 제품의 일부 색상을 변경하거나 촉감이 다른 재질을 가지도록 제조하기 위한 목적으로 활용된다. 1차 금형에서 큰 부피를 가지는 형상을 성형하고 금형의 반쪽을 다른 금형으로 교체한 후 다른 색을 가진 수지나 재질을 가진 소재를 사출해 제품을 완성한다.

이와 같은 기술을 적용해 제조한 제품의 예로서 단단한 재질로 성형한 뼈대에 손이 닿은 부분에만 부드러운 촉감을 가진 소재를 사출해 만든 칫솔을 들 수 있다. 모바일 기기 외관에도 디자인 다양화를 위해 다른 색상을 함께 섞어 제조하는 경우도 이에 해당된다.

○ 돌핀(Dolphin) 공정 기술

돌핀 공정 기술은 오스트리아의 사출성형기 업체인 엥겔(Engel)사와 스위스의 금형업체인 게오르그 카우프만(Georg Kaufmann)사가 공동으로 개발한 특허 기술이다. 이 기술은 뼈대를 구성하는 부분을 사출하고 금형의 한쪽을 교체해 표면에 폼(Foam)재를 성형해 단단하면서도 표면이 부드럽고 폭신한 제품을 하나의 사출성형기에서 제조하는 기술이다. 주로 자동차 내장부품을 제조하는데 적용된다. 이 기술의 특징은 금형이 수직면 상에서 회전하지 않고 수평면 상에서 회전하므로 대형 금형을 사용하더라도 사출성형기의 높이나 구조 강도가 증가할 필요가 없다는 점이다.

▲ 수평회전반을 적용한 복합성형기와 수평회전반 

○ 듀오 라미네이팅(Duo Laminating) 기술

이 기술은 스위스 금형업체인 게오르그 카우프만(Georg Kaufmann)사가 개발한 기술로서 수평면 상에서 회전하는 금형에 두 가지 표면 라미네이팅 필름 소재를 순차적으로 넣고 뼈대 소재를 두 번 사출해 다양한 표면 질감을 완성하는 기술이다. 주로 자동차 내장부품 중에서 토어트림을 제조하는데 적용된다.

○ 금형내 조립성형(In-Mold Assembly) 기술

이 기술은 조립 단계를 절감할 목적으로 금형 내부에서 부품을 조립성형해 제품 제조를 완성하는 기술이다. 플라스틱 수지는 서로 동일하거나 유사한 분자구조를 가지지 않은 한 수지끼리는 접착력이 없다. 이와 같은 특성을 이용해 금형에 일부 형상을 이루는 캐비티에 1차 소재를 사출한 후 금형의 한쪽을 변경해 1차 소재를 감싸도록 한 캐비티를 만든 후 2차 소재를 사출하면 1차 소재와 2차 소재가 서로 접착력이 없어 붙지 않아 상대 운동이 가능하다.

이와 같은 방법을 사용해 자동차 내부 통기구창(Ventilation Grill)의 날개와 프레임 등이 일체화돼 생산되고 있다. 다른 예로 어린이용 완구 중 팔다리가 각각 움직이는 인형을 제조할 때 적용된다. 이 기술을 적용하면 각각의 부품을 성형한 후 조립하는 과정을 없애 원가 절감을 구현할 수 있다.

○ 가스/물 사출성형 기술

사출성형기술을 이용한 제품을 설계할 때 중요한 점은 제품 두께를 균일하게 하는 것이다. 이는 플라스틱 수지가 열전달이 잘 안 되는 소재이기 때문에 두껍게 설계하면 냉각시간이 매우 길어지고 두께 변화를 많이 주면 변화가 있는 부분에서 큰 잔류응력이 발생해 제품의 휨변형을 증가하는 요인이 되기 때문이다. 제품 일부가 큰 응력을 받는 경우 가장 기본적인 해결 방안은 해당 부분의 살두께를 증가하는 것으로서 구조 설계에서는 가장 기초적인 방법이지만 플라스틱 수지를 이용한 사출성형품에는 쉽게 적용하기 어려운 방법이기도 하다.

이와 같은 경우 살두께를 균일하고 두껍게 하는 대신 속이 빈 구조를 만든다면 큰 응력을 받는 외곽부분이 보강돼 응력을 견딜 수 있는 능력이 증가하면서도 전체적인 살두께와 중량은 증가하지 않는 장점이 있다.

또한 가스나 물의 높은 압력 전달 능력으로 제품 전체에 보압을 고루 전달해 제품 표면이 금형 표면을 잘 전사할 수 있도록 하는 장점이 있기도 하다. 이와 같이 사출성형 공정 중 제품 가운데로 가스나 물을 고압을 이용해 넣은 후 성형이 완료되면 빼내어 속이 빈 구조를 만드는 기술이 ‘가스/물 사출성형’ 기술이다.

물사출 기술은 가스사출 기술에 비해 뒤늦게 발달했으며 가스에 비해 뛰어난 물의 열전달 능력으로 인해 냉각속도를 높일 수 있어 사이클 타임의 감소에도 큰 효과가 있다.

또한 가스 사출에 비해 벽두께를 균일하게 성형할 수 있는 장점으로 인해 내부 공간이 기능적인 파이프와 같은 제품을 제조할 때도 적용할 수 있다.

▲ 물사출 기술을 적용한 제품과 특징 

◇ 금형표면 급속가열 기술

사출성형기술이 가진 근본적인 어려움 중의 하나가 충전과정 중 소재가 사출돼 들어가면서도 벽에서는 고화층이 형성돼 유로가 지속적으로 좁아져 압력 강하가 증가하고 보압전달성이 낮아지는 점이다. 이와 같은 현상으로 인해 수지의 흐름이 갈라졌다 합쳐질 때 발생하는 웰드라인(Weldline)과 같은 결함이 발생했을 때 표면 품질과 결합력의 감소를 방지할 수 없다. 고화층의 발생을 억제하는 방법으로는 용융수지의 열이 금형 표면을 따라 흡수되지 않도록 하는 기술이 있다. 열전달을 억제하려면 열전달 계수가 낮은 소재를 사용하거나 온도차이를 줄이는 방법이 있다. 금형표면을 가열해 용융수지와 금형표면의 온도차이를 줄여줌으로써 금형으로의 열전달을 억제하고 고화층 발달을 지연하는 것이 금형표면 급속가열 기술의 기본적인 원리다.

금형온도를 높이는 방법이 열전달을 억제하는 방법이기는 하지만 사이클타임 증가를 막을 수 있는 방법은 없다. 따라서, 충전과정 동안만 금형표면 온도를 올리고 이후에는 냉각을 위해 정상적인 금형온도를 유지하도록 하는 방법이 효과적이다. 급속하게 금형표면 온도를 높이는 방법은 여러 가지가 있으나 각 방법마다 제품의 크기와 형상적인 제약조건, 금형구조의 복잡성 등 제약 요인이 있어 절대적으로 우세한 방법이 있는 것은 아니다.

이 기술을 이용해 표면에 웰드라인 자국을 보이지 않게 하며 금형 표면의 전사성을 높여 성형품 표면 품질을 높여 도장공정을 없애는 방법이 ‘무도장 성형’ 기술이다. 무도장 성형 기술은 도장공정을 없애 원가 절감을 달성할 수 있어 많은 업체가 시도하고 있다.

◇ 이종재료 복합성형 기술

이종 재료 복합성형 기술이란 서로 다른 색상이나 수지를 사용하는 것이 아니라 서로 다른 종류의 소재, 즉 금속이나 세라믹스 또는 필름 재료를 사용해 성형하는 기술을 말한다. 종래에도 이와 같은 기술을 사용했다. 종래에 사용된 기술은 오버몰딩(Over-Molding)이라고 해 금속재에 플라스틱 수지를 사출성형하는 기술과 인서트 사출성형(Insert Molding)이라고 해 금속으로 된 작은 기능 부품을 금형에 넣고 그 위에 수지를 사출성형하는 기술이 발전돼 왔다. 하지만 여기서는 그와는 별도로 새롭게 떠오르는 기술을 살펴본다.

▲ 금형 내 라벨링 성형기술과 적용 제품 

○ 금형내 라벨링 성형기술(IML, In-Mold Labeling)

사출성형품 표면을 미려하게 하는 방법으로 도장이나 도금이 주로 사용됐다. 그러나 도장이나 도금은 제조단계를 복잡하게 하며 원가절감에 방해가 된다. 이에 도장이나 도금이 필요 없도록 미리 인쇄된 필름을 금형에 넣고 그 위에 수지를 사출성형해 기능적인 조건과 높은 표면 품질을 구현할 수 있도록 하는 기술이 개발됐다. 필름의 두께가 증가함에 따라 IML(In-Mold Labeling), IMD(In-Mold Decoration) 그리고 FIM(Film Insert Molding)으로 부른다.

필름 형태의 표면 소재를 금형에 넣고 뒤쪽으로 수지를 사출하는 성형은 소형 모바일 기기 외관을 제조할 때 널리 활용하고 있으며 최근 들어 자동차의 넓은 면을 가지는 부품을 제조할 때에도 적용하고 있다. 표면 소재로 투명한 필름을 사용하면 내부에 발광체를 넣은 후 제품의 일부 표면으로만 빛이 투과할 수 있도록 한 제품을 제조할 수도 있다.

○ 금형 내 장치 성형기술(MID, Mold-in Device)

종래의 전자장치는 플라스틱 외관을 제조한 후 내부에 전자장치를 넣어 조립했다. 그러나 제품의 크기가 작아지고 기능이 복잡해짐에 따라 전자장치 혹은 회로를 외관과 일체화돼 제조하기 위한 기술이 발전했는데 그 중 하나가 MID 기술이다. 현재까지 가장 일반화된 방법은 플라스틱 수지를 1차 사출성형하고 회로가 들어갈 부분을 레이저를 이용해 제거한 후 그 위에 금속으로 된 회로를 증착시키는 방법이다. 다른 방법으로는 금속회로를 미리 금형에 넣고 그 위에 플라스틱 수지를 사출성형해 덮는 방법이 적용되기도 한다.

현재 이와 같은 기술로 생산되는 대표적인 제품은 자동차 운전대의 컴비네이션 스위치 모듈(Combination Switch Module)이다. 이 제품은 단순히 회로선을 내장하는 정도이지만 이 기술을 적용해 제품 내부에 IC와 기능 전자부품을 내장하는 기술도 개발 중이다.

◇ 마이크로 성형 기술

최근 들어 의료기기 산업이 발달하고 미세 정밀기기와 광학기기 제조 수요가 증가함에 따라 플라스틱 수지 마이크로 부품 수요가 증가했다. 특히 모바일 IT 기기의 수요 증가로 마이크로 부품 시장규모가 크게 확대됐다. 마이크로 성형이라고 하면 성형품 크기가 매우 작은 것도 해당되지만 일반적인 성형품 크기에 매우 미세한 표면 패턴이 있는 성형품도 마이크로 성형 기술에 해당된다. 마이크로 성형기술이 적용되는 예를 보면, 마이크로 기어, 의료용 임플란트 부품, 미세 광학용 렌즈 및 렌즈 경통 등이다.

마이크로 성형기술에서는 금형 표면의 전사성을 높이고 수축을 제어하는 기술과 함께 정밀하게 계량된 수지를 사출할 수 있는 사출성형기의 능력도 매우 중요하다.

◇ 금속/세라믹 사출성형 기술

사출성형기술이 가지는 큰 장점은 복잡한 형상을 매우 빠르게 대량 생산할 수 있다는 점이다. 플라스틱 수지는 쉽게 사출성형을 적용할 수 있는 소재이지만 금속이나 세라믹은 플라스틱 수지와 같은 높은 성형성을 가지지 못한다. 금속/세라믹 사출성형기술은 최근에 개발된 기술로 금속과 세라믹 분말로 만들어 유기물로 제조된 결합제(Binder)와 혼합해 온도를 높여 흐를 수 있도록 한 후 이 혼합제를 사출성형 공정을 이용해 성형하고 이후에 결합제를 빼낸 후 소결(Sintering)과정을 거쳐 최종적으로 금속이나 세라믹 소재로 만드는 기술이다. 금속이나 세라믹 소재를 용융하지 않고 분말로 소결과정을 거쳐 제품을 제조한다고 해 통합적으로 분말사출성형(Powder Injection Molding) 기술이라고도 한다.

금속이나 세라믹 분말이 아직은 고가이므로 제품이 큰 경우 경제성이 낮아 주로 작은 크기의 정밀하고 복잡한 형상을 가진 제품에 적용하고 있다. 금속소재 중에서는 용융 가공을 할 수 없는 초경소재나 타이타늄 등 고융점 소재가 선호되고 있다. 세라믹 소재는 과거에도 용융가공을 할 수 없었기 때문에 주로 압축성형후 소결과정을 거치는 기술을 적용했지만 압축성형을 할 때 내부 밀도와 표면 밀도의 차이가 발생해 최종 밀도가 낮아지는 단점이 있기 때문에 고강도 제품의 제조에 세라믹 사출성형 기술이 선호되고 있다.

▲ 금속 분말사출성형 공정단계와 적용 제품 

■ 기술개발의 주요이슈

사출성형 기술을 개발하는 과정에서 요구되는 주요한 사항을 요약하면 다음과 같다.

◇ 정확한 공정 예측, 제어, 관리 기술

사출성형 기술이 현장에서 구현될 때 발생하는 어려움은 배럴(Barrel) 내부와 금형 내부에서 발생하는 현상을 정확하게 알 수 없다는 점이다. 반복되는 사이클의 상태가 균일해야 제품의 균일도가 보장되는데, 공정변수의 상태는 다양한 영향인자에 의해 영향을 받아 변동하며 전체적인 공정 상태를 변화시킨다. 따라서 작업자가 이를 정확하게 파악할 수 없어 제품의 균일도를 낮추는 원인이 된다.

종래의 복잡하지 않은 형상과 정밀하지 않은 성형품의 제조에는 작업자의 숙련된 경험에 의존해도 큰 문제는 발생하지 않았다. 그러나 성형품의 복잡도가 증가하고 다수의 소재가 함께 금형 내로 사출되는 상황에서는 더 이상 경험에 의존한 기술로서는 품질을 보장할 수 없게 된다. 이에 제품을 설계하고 금형을 설계하는 단계에서 현장에서 공정을 관리하고 제어하는 단계까지 체계적인 예측 기술과 제어 기술을 적용해야 한다. 이를 위해 필요한 사항을 정리하면 다음과 같다.

▪ 정확한 공정을 예측하기 위한 CAE(Computer Aided Engineering) 기술과 현장 기술의 융합

▪ 정확하고 즉각적인 판단을 위한 사출성형기와 금형의 상태 측정 기술

▪ 균일한 공정 상태 유지를 통해 성형품 품질을 관리하는 관리 기술

◇ 새로운 재료 개발

종래의 사출성형 기술 환경에 비해 매우 다양하고 높아진 품질 조건으로 인해 까다로운 성형조건을 만족하는 물성을 가진 소재를 개발해야 한다. 이를 위해서는 플라스틱 수지 개발자가 사출성형 기술에 대한 이해를 높일 필요가 있으며 사출성형 기술자 역시 플라스틱 수지에 관련된 화학적 기본 지식을 익힐 필요가 있다.

2010년 美 사출성형용 수지 소비 147억불, 年 2.8% 성장

韓, 명확한 산업군 분류·고급인력 양성·산학협력 절실

■ 국가별 동향-미국

◇ 연구개발 현황

흔히 국가별 연구개발 동향 파악을 위해서는 연구 주제별로 조사하고 이해하는 것이 일반적인 접근 방법이지만 그와 함께 연구개발 방식과 접근 방법을 이해하는 것도 매우 중요하다. 미국을 비롯한 선진국의 경우, 한국과 달리 사출성형 기술을 통합적인 기술로 인식하고 있다. 산업체는 제품 개발과정부터 공정 개발과정까지 사출성형 기술 담당자가 관여해 발생할 수 있는 모든 문제점에 대해 관리한다. 산업체의 연구개발은 통합적으로 이루어지는 특징을 보이는데, 사출성형기와 금형 그리고 공정 및 소재 개발이 함께 이루어지고 있다. 산업체 자체적으로 기술 개발을 하는 경우도 있지만 많은 경우 산업체에서는 요구되는 기술을 요소기술로 분해해 학회 등을 통해 문제점으로 제시하면 학계나 연구계에서 연구하고 결과를 발표하고 적절한 결과인 경우 해결 방안을 제시한 학교와 협력해 기술을 개발하는 특징을 보인다.

학계나 연구계에서는 산업체의 요구에 맞추어 산업체와 경쟁하기보다는 보다 근본적인 문제를 해결하기 위한 연구를 진행한다. 이를 위해서는 지속적으로 산·학·연이 유기적으로 정보를 교환해야 하는데 대부분 학회를 이용한다. 학회가 학계의 주도로 운영되고 있는 사정은 한국만의 특수한 사정이다. 선진국에서는 응용성이 강한 기술의 경우 산업계가 활발하게 참여하고 주도하는 특징을 보인다. 미국의 플라스틱 관련 산업을 주도하는 학회는 SPE(Society for Plastics Engineers)이며 협회로는 SPI(Society of Plastics Industry)로 두 기관은 산업체에 의해 주도되고 있으며 학계와 연구계가 보조적으로 참여하고 있다. 최근 미국의 연구개발 주제를 조사해 보면 다음 몇 가지로 정리할 수 있다.

○ 폼(Foam) 사출성형기술

경량화 요구에 대응하기 위한 주제로서 사출공정 변수, 유변학적 특성, 전용 사출성형기 개발 등의 주제를 연구함

○ 복합성형 기술

산업체가 주도가 돼 진행하고 있으며 대표적인 업체로서 Husky Inc. 가 있음.

이외에도 사출성형기의 복합화, 사출성형 공정 변수의 과학적인 측정과 제어 기술 등이 지속적으로 연구개발되고 있다.

▲ 사출성형기술 - 미국과 캐나다 선도 연구기관 

■ 국가별 동향-일본

◇ 연구개발 현황

일본은 고분자가공학회가 설립돼 활동하고 있으며 이를 통해 산학연 간의 정보교류와 연구개발 협력이 이루어지고 있다. 학계에서는 산업계가 요구하는 주제를 근본적인 수준에서 연구하고 결과를 산업계로 공급하는 형태로 협력이 이루어진다. 사출성형기술에 관련된 연구주제는 일본이 강점을 가진 산업분야와 관련된 것들이 많은데 그 중에서도 특히 마이크로 사출성형 관련 연구가 활발하다. 다른 국가의 연구에 비해 광학적 방법을 이용한 수지 흐름의 시각화 연구가 발달했다.

▲ 사출성형기술 - 일본의 선도 연구기관 

■ 국가별 동향-EU

◇ 연구개발 현황

유럽의 사출성형기술 연구개발은 독일, 영국에서 가장 활발하다. 특히, 독일의 IKV 연구소는 1950년부터 사출성형을 비롯해 플라스틱 성형가공 연구를 진행하면서 현재도 세계적인 수준의 연구를 진행하고 있는 곳으로서 많은 산업체가 컨소시엄 형태로 산학협력을 하고 있는 곳이다. 독일의 강점인 기계공업의 영향을 받아 사출금형과 사출성형기에 관련된 연구개발이 특히 활발하다. 유럽도 미국과 유사하게 공정 연구는 대부분이 산업체 주도로 이루어지고 있으며, 학교는 그에 필요한 인력 양성과 기초연구를 진행하고 있다.

▲ 사출성형기술 - 유럽의 선도 연구기관 

■ 국가별 동향-한국

◇ 연구개발 현황

한국의 사출성형기술 관련 연구는 한국이 강점을 가진 디스플레이, 모바일 IT 기기, 고급 가전제품 등에 관련된 연구가 활발하다. 사출성형기술에 대한 인식이 선진국에 비해 다소 낮은 편이며 최근 들어 대기업을 중심으로 사출성형기술의 중요성에 대한 인식이 높아지고 있으나 여전히 통합적인 기술로서의 인식보다는 금형기술의 일부라는 인식이 지배적 편이다.

최근 들어 대기업의 인식 변화에 따라 대기업과 학계의 개별적인 협력연구 노력이 증가하고 있다. 그러나 선진국에 비해 산업계와 학계의 유기적인 협력이 낮은 편이다. 특히 사출성형기술에 관련된 학회가 독립돼 있지 못해 연구자들이 유사 분야 학회에 나누어져 활동하고 있는 상황이다. 또한 산업계와 학계가 학회를 통해 최신 기술 정보를 공유하고 교류하는 것이 선진국에 비해 저조한 편이다. 한국의 사출성형기술 관련 연구주제를 정리하면 다음과 같다.

○ 대형제품의 미세패턴 사출성형 연구

○ 모바일 IT기기용 소형 광학부품 제조를 위한 성형과 금형기술

○ 고급 가전제품 산업을 위한 고급 표면 품질 기술

○ 자동차 대형 사출성형품 정밀도 향상 연구

○ 사출성형품 설계 최적화 및 자동화 연구

▲ 사출성형기술 - 국내 선도 연구기관 

◇ 기술경쟁력 분석

한국의 사출성형 관련기술의 수준은 최고 수준을 가진 국가에 비해 전체적으로 약 60% 정도의 수준으로 평가된다.

▲ 사출성형기술 - 기술격차 및 기술수준 

■ 국내외 주요 기업의 생산활동

대부분의 최신 사출성형기술은 독일과 주변 유럽국가 업체에 의해 개발되고 상용화 되고 있다. 복합 사출금형은 스위스 업체가 다양한 종류의 기술을 개발하고 공급하고 있다. 마이크로 사출성형기술도 독일을 비롯한 유럽지역 업체의 활동이 가장 활발하다. 최근 독일 연구소 IKV에 의해 개발된 물사출 기술과 관련된 제어기도 대부분이 독일 업체가 생산 공급하고 있다.

미국과 일본은 사출성형 공정을 이용한 새로운 제품 설계와 생산이 활발하다. 특히 미국이 강점을 가진 분야는 금속/세라믹 사출성형 분야이며 해당 분야는 미국에서 기본적인 연구개발이 이루어지고 세계 전체의 50%의 업체가 있다. 그러나 금속 분말사출성형품의 최대 수요처는 아시아권이며 약 50%를 차지하고 있다. 고가의 사출금형 생산이 미국과 유럽에서 이루어지고 있으나 대부분 제품과 함께 이루어지고 있으며 최근에 개발된 특별한 기술 상품은 주목할 만한 것이 없다.

한국 내의 사출성형 관련 업체는 특별한 신기술을 개발하기 보다는 미국과 일본과 같이 제품 개발과 함께 개발하는 상황이며 주로 신기술의 소비에 더욱 집중돼 있는 상황이다. 한국의 사출성형기 제조업체는 주로 중저가 제품을 생산하고 있고 복합사출성형기와 같이 기술집약적인 제품은 생산하더라도 기술력을 충분히 인정받지 못하고 있다.

▲ 사출성형기술 - 국내외 주요 기업의 생산활동 

■ 시장규모 및 전망

미국에서 소모되는 플라스틱 수지 중 사출성형용 수지의 양은 2010년에 160억 파운드였으며 이를 달러로 환산하면 147억달러로 368억달러에 달하는 전체 수지 소모량의 약 40%에 해당된다. 미국의 사출성형용 수지 수요는 매년 2.8%의 성장세를 나타내고 있다.

사용된 수지 중 64%의 수지가 포장 산업과 일반 소비자 시장에서 사용됐으며, 수지의 종류별로 가장 큰 수요를 가진 수지는 폴리프로필렌이다.

분말사출성형은 금속과 세라믹스 분말사출성형으로 구분할 수 있다. 2009년도 기준 전 세계 금속 분말사출성형 관련 시장 규모는 9억849만달러였다. 이 시장은 2014년에 19억달러 규모로 연평균 13.9% 성장할 것으로 전망된다. 세라믹 분말사출성형 관련 시장 규모는 2009년 기준으로 3억945만 달러였으며 2014년에는 8억10만달러 규모로 성장할 것으로 예상하고 이는 연평균 성장률 15.2%이다. 아래 그림은 2009년과 2014년의 세계 지역별 시장 비중(%)을 나타내는 것으로 아시아 시장이 약 50% 정도를 차지하고 있다.

▲ 세계 분말사출성형 시장의 지역별 시장규모 

국내의 사출금형 생산 규모(금액기준)는 2009년에 2조3,529억원으로 전체 금형 생산량의 41.3%에 해당한다. 사출금형 생산은 매년 지속적인 성장을 나타내고 있다. 다음 그림은 2007년도에서 2009년도까지의 국내 사출금형 생산 규모와 수출입 규모를 보여준다.

▲ 국내 사출성형금형 연도별 생산과 수출입 규모 

국내의 시장 동향을 보면, 자동차 부품 등 경량화 수요에 따라 사출성형품 생산 규모는 매년 증가하는 추세이며 제품의 고급화 수요에 의해 부가가치가 높은 제품 개발과 금형 쪽으로 시장이 빠르게 움직이고 있다. 고부가가치 제품인 의료기 부품 시장은 아직 미약한 움직임을 보이고 있다.

■ 미래의 연구방향 및 국내 산업이 나아갈 길

◇ 미래의 연구방향

사출성형기술은 대량생산에 매우 적합한 기술이지만 영향인자가 많고 영향인자 간 관련성이 복잡해 쉽게 접근하기 어려운 기술이다. 제품 설계과정에서 사출성형 공정에 대한 정확한 이해가 없는 경우 사출성형 공정단계에서 모든 문제를 해결해야 하는 어려움이 발생한다. 이와 같은 문제점을 개선하기 위해서는 설계단계에서 결정되는 요소가 공정에 어떤 영향을 주는지를 CAE 해석과 실험을 통해 밝힐 필요가 있다. 공정 결함의 원인분석과 대응방안을 모색할 때 CAE 해석을 적절하게 활용하는 기술이 필요하다.

공정단계에서는 설계 의도를 정확하게 구현하도록 정밀한 공정제어 기술이 연구 개발돼야 할 필요가 있다. 정밀한 공정제어를 위해서는 작업자의 경험에 의존한 관리보다 정확한 측정과 체계화된 판단 방법에 의한 관리기술이 무엇보다 중요하다. 특히 공정 모니터링 기술과 진단 기술에 대한 투자가 시급한 상황이다.

◇ 국내 산업이 나아갈 길

사출성형기술이 비약적으로 발전하기 위해서는 다음의 사항에 대한 해결방안이 마련돼야 한다.

○ 명확한 관련 산업군 분류와 확정

국내에서는 아직 사출성형 관련 산업에 어떤 분야가 포함돼 있고 서로 어떤 관련성을 가지고 있는지 통합적으로 파악할 수 있는 자료가 없다. 이는 본 산업으로 진출하려는 인력을 효율적으로 훈련시키는데 방해가 되고 있으며 관련 산업 간의 협력 방법을 찾는데도 어려움을 갖도록 한다. 현재와 같은 요소기술별 구분보다는 목적지향적 구분으로 산업군 분류를 재편할 필요가 있다.

○ 고급인력 양성과 산학협력 연구

사출성형 관련 산업의 발전을 위해서는 무엇보다 고급 인력의 충원이 시급한 문제이다. 현재 전국적으로 사출성형기술 관련 인력 양성기관이 매우 부족하고 이를 현실적인 교육 프로그램으로 뒷받침할 수 있는 산학협력 체계가 미흡하다. 국가적으로 고급 인력양성을 위한 제도적인 뒷받침이 절실한 상황이다.

[볼루전무]

좋은 정보 잘보고 갑니다

[박승혁]

정말 알찬 정보네요~ㅋ