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고분자 사출성형 기술동향
1. 국내 사출성형 분야 산업 동향
최근 대형할인점 등에서 판매되는 플라스틱 제품을 보면 대부분이라고 해도 과언이 아닐 정도로 Made in China가 휩쓸고 있으며, Made in Korea를 찾기가 쉽지 않을 정도이다. 1980년대에 일본이 사출성형 분야에서 선두에 선 적이 있고, 이어서 1990중반부터 2000년대초까지 우리나라가 이 분야에서 일본을 능가하다시피 하게 되었는데,이제는 중국이나 기타 국가에 밀리는 형상이다. 사출성형에 소요되는 비용을 수지, 사출기, 금형, 각종 utility, 인건비 등 5개 부문으로 나누면 수지와 인건비 부분이 많은 부분을 차지한다. 고분자 수지 비용은 제품화되는 원료의 비용이며 세계적으로 유사한 가격이므로 차이를 비교할 필요가 없다. 하지만, 인건비 부분에 대해 언급하면, 우리나라의 경우 통상적인 플라스틱 제품의 경우 값싼 중국의 인건비로 인해 경쟁력 저하로 이어졌고, 이는 생활용품뿐만 아니라, 가전제품, 자동체, IT/OA제품 등 각종 산업 전반에 영향을 미치게 되어 보통의 기술이나 제품으로는 저가의 중국제품과의경쟁에서 밀려 퇴출된지 벌써 수년째이다. 더욱이, 국내에 기반을 둔 사출성형 업체도 국내에는 간단한 설비와 운영직원 몇 명만 있는 공장을 두고 중국, 베트남, 인도네시아 등인건비가 저렴한 해외에 주요 공장을 운영하는 경우가 적지 않다. 또한, 사출성형 산업의 특성인 물량이 있으면 하루 24시간 내내 생산하는 경우가 많다보니, 이 분야에 종사하는 사람들은 3D 직종으로 생각하여 내국인이 꺼려서 임시직으로 근무하는 외국인들의 수가 많아지고, 기술축적이나 신제품 및 신기술 개발에 대한 의욕이나 활동이 없어진지 오래이다. 이러다 보니 우리나라에서 사출성형 분야를 연구하거나 관련 업종에 종사하는 전문가들의 수는 더욱 줄어들어, 기술축적이나 신기술 개발이 활발하지 못하고, 외국으로부터 도입한 신기술의 제품화에도 급급한 경우가 적지 않다. 중국산에 밀려 고전을 면치 못하던 국내의 사출성형 관련업종 중 그나마 경쟁력을 어느 정도 확보하고 있는 IT업체나 가전업체 등에서 더욱 경쟁력을 향상시켜 타의 추종을 불허하고자 내세운 것들이 획기적인 원가절감, 우수한 제품품질과 디자인, 경쟁사가 흉내내지 못할 정도로 탁월한 신기술의 적용 등이다. 이로 인해 플라스틱을 사용하는 첨단 제품의 외관제품 등에 적용되는 신기술이나, 인건비를 상쇄하고도 품질을 향상시킬 수 있는 제품이나 기술 개발에 힘을 써서 국내외로 널리 적용이 확대되는 분야도 있으며, 해외의 우수한 신기술을 접목해 생산성과 외관품질을 향상시키는 분야도 점차 늘어가는 추세이다. 이에 우리나라 사출성형 분야에서 경쟁력을 키울 수 있고 시장을 선도할 수 있는 핵심가공기술과 이와 관련된 분야의 현황 등에 대해 살펴보고자 한다.
2. 고품질 분야 기술 동향
2.1 금형가열
통상적인 사출성형에서는 금형온도가 30∼80 ℃ 정도 유지되는 것이 일반적이다. 온도를 낮추는 이유는 급냉을 시켜서 냉각시간을 줄임으로써 생산성을 높이고자 함이고, 온도를 높이는 이유는 수지의유동성을 개선하고 압력전달이 잘 이루어지게 하여 외관을 좋게 하고자 함이다. 특히 고온에서 성형해야 하는 수지나 G/F가 보강된 수지의 경우에는 90∼120 ℃ 정도 유지하는 경우가 있다. 이렇듯 사출성형 공정의 특성상 고온에서 용융된 수지를 차가운 금형 내 빈 공간으로 주입하는 직후부터 수지는 냉각되기 시작하여 수지온도가 Tg 이하로 된 후 금형을 열고 제품을 취출하는 것이 일반적인 공정이다. 저온금형에 성형하면 충전 중 발생하는 weld line, flow mark, gate mark, sink mark, 광택도 저하 등의 외관문제 뿐만아니라, 성형시 가해지는 높은 사출압력으로 인해 사출품 내부에 잔류응력이 존재하여,성형 후 장기간 경과하거나 Tg 이하의 비교적 높지 않은 열에 의해 변형이 발생하기 쉽고 제품의 성능이 저하된다. 이러한 문제들은 성형품을 도장하거나, 사출시 수지온도나 금형온도를 높이거나, 금형설계에서 gate system을 개선하는 방법을 통해 어느 정도 해결할 수 있다. 하지만, 단점들도 존재하는데 도장은 환경 및 후가공비용이 과다해지는 문제가 있고, 수지온도나 금형온도를 높이면 cycle time이 길어져 생산성이 저하되며, gate system은 약간은 개선될 수 있으나 완벽하게 제거하기 곤란하다.이 개선방안 중 단점을 최소화할 수 있는 것이 금형온도를 높이는 것이다. 즉, 금형 전체 온도를 올리기보다는 충전과정 및 보압과정에서 수지가 접촉하는 금형표면 온도만 올리고, 냉각과정에서는 내리는것이 cycle time 및 에너지 효율성 측면에서 좋다.금형표면의 온도를 높일 경우, 장점으로는 외관성능 향상, 유동성 향상, weld line 제거, flow mark 제거, 경면 금형의 광택도 향상, 무광 부식금형의 무광효과 향상, 사출압 감소, 잔류응력 감소로 인한 변형최소화 등이 있으며, 단점으로는 가열 및 냉각시간으로 인해 cycle time이 늘어나며, 가열설비, 가열/냉각 utility 비용, 특허사용료 등 비용이 발생하며, 고분자의 고유유동 특성인 분수유동(fountain flow)으로 인해 수지 내에 점도가 낮은 성분이 제품의 표면으로 분포하기쉬워서 사출품의 표면경도 저하가 일어나기 쉽다. 이러한 장단점이 상존하는 가운데, 2000년대 초까지 실험적인 시도가 이어졌지만 상업화에는 고온에서의 금형 재질의 부식문제, 금형의 변형, 불균일한 표면온도, 가열/냉각시간의 과다 등으로 인한 생산성 저하 등 문제가 지속적으로 걸림돌이었다. 일본에서는 외관에 문제가 발생하는 부위에 할로겐 램프로 가열하여 개선하는 시도가 있었고, 한국에서는 제품 외관과 맞닿는 금형 표면을 분리하여 그 뒷면을LPG 가스로 가열하는 MmSH(Momentary mold Surface Heating)라는 기술에 대한 특허가1 출원되었고, 미국에서는 고주파유도전류에
의한 표면순간가열(RTR : Rapid Thermal Response, RHC : Rapid Heating and Cooling) 등의 기술이 발표되었지만,2,3 이러한 기술들은 상업화를 시도하였으나 성공하지 못했다. 한편, 일본에서 고온고압증기로 금형 표면을 가열하는 RHCM(Rapid Heat Cycle Molding) 등의4,5 기술을 상업화에 성공하였고, 이 기술들이 2004년 한국의 display 업체에도 controller 및 금형설계기술, 금형재질, 보일러 및 부대설비 등이 도입되어 제품개발에 적용되고 있다. 국내에서도 관련기술 개발이 진일보하게 되었는데, 화재시 대형사고로 번질 가능성이 큰 플라스틱 공장에서 위험하게 LGP를 이용하여 금형을 가열한다는 자체가 도입/확산에 큰 걸림돌이 되었고, 금형의 가열부에 설치된 gas channel 및 nozzle dimension에 의해 부위별로 gas 분사량이 다르면 온도편차를 최소화하기 어려운 등의 기술적 한계가 있는 MmSH를 보완한 것이 E-Mold이다. 6 아래에서 RHCM과 E-Mold에 대해 좀 더 자세히 알아보기로 한다.
2.1.1 RHCM
일본의 Ono Sangyo, Fuji mold와 보일러업체인 Sysko 등이Consortium으로 개발하여 Hitachi사의 PDP TV Front cabinet과 Fujitsu사의 laptop PC Housing 등에 적용되었다. 보일러를 이용하여 증기(150 ℃, 5 kg/cm2)를 금형 내에 3차원적으로 가공된 열수관을 통해 금형을 가열한다. 냉각은 통상적인 냉각수를 사용하며, 냉각관이 열수관보다 금형 표면쪽에 가깝다. 이것은 그림 1과 같이가열하는 시간보다는 냉각에 많은 시간이 소요되므로 냉각시간을 단축하기 위해 표면에 가까운 곳에 열수관 보다 작은 직경의 냉각관을 많이 설치하여 균일한 냉각을 유도하고자 함이다. 금형가열시 열수관에 증기가 흐를때 냉각관에는 냉각수가 존재하므로 가열해야할 열적 체적이 많으므로 가열시간도 길어지고, 냉각시에는 열수관에 고온의 증기(또는 100 ℃ 이하의 열수)가 남아있으므로 냉각에 많은 시간이 걸리는 등 열효율 측면에서 매우 비효율적이다. 그래서 초기 RHCM은 하루당 보일러 운영비용이 100만원 정도로 비싼 적도 있다. 이보다 개선한 것이 국내의 금형온도조절기 업체인 (주)마상기공에서 개발한 HiT란7 기술이 있는데, 그림 2에서와 같이 동일한 관에 충전과정 직전 가열시 열수를 흘려보내고, 냉각과정 전에 압축공기를 뿜어 열수관 내의 열수를 재가열 장치로 보낸 후 냉각수가 흘러서 냉각을 하고 다시 열수 공급 전에 압축공기로 냉각수를 냉각수 탱크로
보내는 등의 단계를 거치도록 개발하여 열효율을 극대화시켰다. 이기술이 유지비 절감의 효과가 매우 크므로 양산에 적용되다가 업체 및사출처의 사정으로 돌연 사장되고 있다. 이 기술은 RHCM의 보일러운영비용을 1/4 정도로 낮추는 방법으로 응용되고 있다.열수를 이용한 기술의 단점은 비교적 열효율이 낮다는 것이고, 장점은 국내외의 display업체 등에서 양산사례가 많다는 것이다.
그림 1. RHCM 금형 모식도.
그림 2. HIT 금형 모식도.
2.1.2 E-Mold
RHCM이 금형의 고정측에 표면에 가까운 곳에 열수관 및 냉각관을 설치하여 표면 부위만 가열/냉각한다고 해도 금형재질의 열전도 특성으로 고정측 전체의 온도가 상승하는 것은 피할 수 없는 단점이다. 이런 이유로 가열할 필요가 없는 고정측의 다른 부위까지 가열과 냉각과정을 반복하기 때문에 열효율 저하 및 에너지 낭비가 심하여 경쟁력이 낮은 것은 사실이다. 이런 단점을 해소할 수 있는 것이 충전 중 고온으로 유지하여야 할 제품의 외관이 형성될 금형의 표면층을 고정측 또는 이동측으로부터 일정 두께로 분리하여 이 부분을 충전/보압과정에서는 가열하고 냉각과정에서는 냉각함으로써 열효율을 높이고자 하는 기술이 국내의 NADA Innovation사의 MmSH이고, 이를 전기히터로 가열하는 방식으로 발전시킨 것이 E-Mold이다.8 분리되는 층인 가열코어는 열전도의 효율성과 내구성을 위해서 일정한 두께(통상 10 mm)와 형상을 가져야한다. 지나치게 두꺼우면 열전도 효율이 떨어지고, 또 얇으면 열전도는 좋지만 사출시 높은 사출압 및 형체력에 의해 변형, 파손의 우려가 있기 때문에 적절한 두께가 필요하다.
그림 3은 이동측에 있는 형상을 가열코어로 분리한 금형의 모식도이다. 가열코어에 직경 5 mm 또는 6 mm의 전기히터가 장착되고,이동측에는 냉각효율을 좋게 하기 위해 열전도가 우수한 Be-Cu 합금 또는 두랄루민 등으로 냉각코어를 사용하기도 한다.
그림 4의 가열코어는 전기히터를 사용하여 금형이 열린 직후부터 닫히기 직전까지 일정시간 동안 가열되고, 금형이 닫히면 이동측과 가열코어가 밀착되어 냉각되기 시작한다. 두께 10 mm의 금속층의 열전도 시간이 어느 정도 있기 때문에 충전과정과 보압과정까지의 통상적인 시간 내에서는 가열코어의 수지가 맞닿는 표면이 냉각되지 않기때문에 이 과정에서는 표면온도가 높은 상태에서 수지가 사출된다. 따라서, 통상적으로 냉각과정부터 용융수지의 열을 전달하기 시작한다. E-Mold는 개발초기에 전기히터의 잦은 단선으로 인한 불량이 많았으나, 열전달해석 및 설계최적화를 통해 know-how를 쌓아 최적화된 설계로 단선불량 등의 문제가 없는 우수한 기술로 발전시켰고, 지금은 전세계적으로 150여대 이상의 controller 판매 및 650벌이상의 금형에 적용했을 정도로 안정화되었다. NADA Innovations사의 이 기술은 기존의 불균일한 가열로 인한 온도편차 및 화재의 위험 등의 MmSH의 문제점들을 극복하였을 뿐 만아니라, RHCM 등의 기술로는 불가능한 금형온도 150 ℃∼350 ℃구현도 가능하여 engineering plastics 뿐만 아니라 super engineering plastics 등의 가공에도 유용하게 사용될 수 있다. 국내의 display 업체에서 이 기술을 아직 사용하지 않고 있거나, 해외 공장 등에서 극히 일부 사용하고 있는데, 그 이유는 이 기술이나 설비의 문제가 아니라, 2004∼2005년에 투자했던 RHCM 설비를 사용하고 있기 때문이다. Utility 비용을 따지면 RHCM에서 E-Mold로의 전환을 긍정적으로 고려할 필요가 있다. E-Mold는 현재 국내기업 뿐만아니라 일본기업, 중국기업, 대만기업의 중국, 대만, 말레이시아, 베트남, 슬로바키아 등의 현지공장에서 LCD TV와 monitor, PDP TV, notebook PC housing, home theater housing, 냉장고 등의 고광택 무도장 제품에 널리 사용되고 있고, 가전제품, 자동차 내외장부품 등으로 적용제품군이 확대되고 있다. 앞으로 재활용 규제(WEEE) 및 환경규제(RoHS)에 대응하기 위해서는 도장을 하지 않고도 외관품질을 높일 수 있는 기술의 중요성이 부각되는데, E-Mold는 양산성, 고온, 열효율 등의 장점으로 인해 더욱 적용범위가 넓을 것으로 기대된다. 또한, 특수용도의 사출성형에
보조기술로 사용되고 있는데, 구체적인 내용은 해당기술 소개에서 설명하고자 한다.
그림 3. E-Mold 금형 모식도.
그림 4. E-Mold 공정 순서(가열/사출/냉각 단계).
2.2 이중사출성형
이중사출성형이 최근에 개발된 기술은 아니지만, 다성분 사출성형공법(multi-component injection molding)의 한 부분으로서 그동안 중소형 제품에 국내외에 간간히 적용되어왔다. 명맥을 유지하던 수준의 기술인 이중사출성형이 최근 다시 각광받는 이유가 그 동안 정밀도 문제로 각종 불량을 유발하기 쉬운 이 공법이 축적된 높은 정밀도의 금형가공기술 및 사출성형기술을 바탕으로 display 등 비교적대형제품에 적용하기 시작하면서 고품질 제품의 출시에 획기적으로 기여하고 있다. 일반사출성형은 사출부와 형체부가 각각 1개씩 있고 1회 사출로 1개 제품을 성형할 수 있다. 만약, 일반사출성형기 2대와 금형 2벌로 이중사출성형과 같은 효과를 내려면, 그림 5(a)와 같이 첫번째 사출기와 금형으로 1차 사출 후 그림 5(b)와 같이 두번째 사출기와 금형에 1차 성형품을 삽입하고 2차 성형을 한다. 이렇게 할 경우, 2차 사출시 고온의 2차 성형 수지에 의해 1차 성형품 표면에서 온도차가 생겨 변형과 수축이 발생하며, 2차 사출압에 의한 1차 성형품에 크랙이 발생할 가능성이 있는 등 불량의 소지가 매우 많다. 또한, 1차 성형품과 2차 성형품과의 계면에서의 접착성도 저하되는 등의 기능상의 불량도 문제될 수 있다. 이중사출로 제품을 성형하게 되면, 사출기에 사출부 2대와 제품 2종의 cavity가 있는 금형 1벌이 필요하다. 그림 6과 같이 금형내 고정측 cavity가 서로 같지 않고 한 쪽이 다른 쪽보다 큰 형상이어야 한다. 1차 사출 후 성형품이 냉각되기 전에 금형이 열리고, 이동측에 붙어있는 그대로 회전하여 2차 수지가 성형되고, 한편으로 새로운 1차사출이 동시에 진행된다. 1차 사출한 제품이 2차 cavity 내에 있는 상태에서 2차 사출수지에 의해 덮여지기까지 장시간이 소요되지 않기 때문에 1차 성형품의 수축과 변형이 심하지 않아서 양품을 생산할 수 있다. 이중사출 기술의 분류는 형체부에 따른 분류 및 사출부의 위치에 따른 분류 등으로 구분될 수 있는데, 형체부에 따른 분류 중 형반회전 방식에 대해 간단히 언급하기로 한다. 그림 7은 이동측 형반이 회전하는 형반회전 다성분 사출성형(rotary injection molding)이다.9 이 그림에서 금형 1벌에 휴대폰 케이스가 2개씩 설치된 형상을 보여준다. 즉, 하측 2개 형상은 1차 성형품을, 상측 2개 형상은 1차 성형품 위에 2차 성형된 제품을 보여준다. 이런 방식은 휴대폰 케이스와 같은 소형제품의 이중사출성형에 적
용이 용이하지만, LCD TV front cabinet 등과 같이 대형제품에 적용하기 곤란하다. 소형제품은 사출기의 형반이 넓지 않아도 되지만, 대형제품의 경우 제품의 면적이 사출기의 형반보다 작다고 하더라도 cavity 2개가 하나의 형반에 존재하는 형반회전 방식을 사용하려면 사출기가 감당할 수 없을 정도로 넓은 면적의 회전 형반이 필요하기 때문이다. 따라서, 통상적인 형반회전 방식이 아니라 특별한 방식을 사용해야만 한정된 크기의 사출기에서 이중사출성형이 가능하다. 통상적인 고정형반과 이동형반 외에 별도로 타이바 하부에 그림 8과 같이 중간에 지지형반을9 설치하였다. 그림 9와 같이 좌우에 사출부가 각각 1개씩 있고, 2 cavity의 고정측 형판(plate)은 사출기의 고정형반과 이동형반에 각각 장착되고, 2 cavity의 이동측 형판은 중앙 지지형반 위에 장착된다. 1차 사출시에는 금형이 닫혀있고 금형이 열리면 180° 회전하여 2차 사출 및 신규 1차 사출이 동시에 진행되어서 LCD TV front cabinet과 같은 대형 이중사출품을 성형할 수 있다. 이런 이중사출성형기술을 LCD TV 등과 같은 대형제품에 적용하게 되면, 일반적인 성형방법보다 우수한 품질의 제품을 비교적 저렴하게 생산할 수 있는 장점이 있다. 예를 들어 그림 10과 같이 적용하게 되면, 화면부에는 투명한 수지를 사용하여 기존 LCD display의 화면을 투명층이 보호할 수 있으며, 전면 전체를 덮었기 때문에 투명수 지층이 내스크래치 성능 등이 우수하면 유리로 전면을 덮은 것 보다원가절감 및 경량화가 가능하다. 또한, 좌우측 스피커 부분은 투명층 밑에 배경색이 있어서 칼라 디자인 측면에서 심색성을 부여할 수도 있고, 그러데이션(gradation) 효과도 부여할 수 있다.
(a)
(b)
그림 5. (a) 일반 사출성형:1차 성형 and (b) 일반 사출성형:1차 성형품삽입 후 2차 성형.
그림 6. 이중사출성형 예(형반회전 방식).
그림 7. 형반회전방식 이중사출성형기.
그림 8. 특수 형반회전 성형기의 중앙지지형반.
그림 9. 특수 형반회전 이중사출성형기와 금형 동작.
그림 10. 이중사출성형의 대형 평판제품 적용 예(개념도).
3. 결론
앞서 살펴본 바와 같이 최근의 기술동향은 10여 년 전에 발표되었지만 용도나 적용 제품군이 한정되어 성장하지 못했거나, 양산화 과정에서 제한적으로 사용되던 과거의 신기술들이 최근 새로운 적용분야를 찾고 또한, 그 사이 발전한 각종 가공기술 및 금형기술 등을 이용하여 다양한 제품으로 적용이 확대되고 있는 추세이다. 특히 현재
까지 우리나라가 강세인 IT, OA, display 등의 분야에서 이런 경향이 활발하게 진행되고 있다.
또한, 이런 기술들을 단독으로 적용하게 되면 그 효과도 크지 않지만, 다른 2~3종의 기술과 결합할 경우 설비측면에서는 이전에는 생각하지 못했던 고비용이 투자되지만, 고부가가치 제품을 생산할 수 있는
기술을 축적하여 경쟁력을 갖춤으로써 우수한 디자인과 접목하여 시장을 선도하는 제품군들을 볼 수 있다.
신제품이 출시되면 후발업체가 디자인은 복제할 수 있지만, 가공기술과 개발 know-how는 쉽게 복제할 수 없다. 따라서, 디자인과 결합된 가공기술은 디자인을 복제하기 어렵게 하여 디자인을 보호할 수 있으므로, 경쟁력 강화와 후발업체와의 차별화에 필요한 핵심역량으로서 가공기술을 중요시해야 하고 지속적으로 발전시켜나가야 한다.
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