플라스틱 시트·필름의 최신동향

1. 서론
플라스틱 시트 및 필름과 관련해 (주)테크노벨이 개발한 다층 필름 제조라인의 특징을 알아보고자 한다. (주)테크노벨은 압출기를 전문적으로 제조하는 기업으로 오랜 기간 다층 필름 성형라인을 설계·제조하면서 그 기술력을 축적해왔다.
다음은 다층필름성형라인의 개요·구성을 중심으로 각 성형 방법의 장점·단점을 포함한 전반적 이론을 소개한 내용이다.

2. 다층 필름 제조라인의 개요, 구성, 성형방법
2-1. 다층 필름 제조라인의 개요
다층 필름 제조라인은 여러 대의 압출기에서 나오는 수지가 피드블럭(또는 멀티매니폴드 다이나 인플렉션 다이)을 경유해 2층 이상의 구조를 형성한 후, 선단 다층용 T다이스에서 냉각인장와인더를 통해 성형된다.
예를 들면, 2가지 종류의 재료를 사용해 2층 구조로 형성된 것이 2종2층필름, 3종류의 재료로 5층 구조를 이루고 있는 것이 3종5층필름이다.

2-2. 다층 필름 장치 구성
다층 필름 성형 장치를 구성하는 기기로는 <그림1>과 같은 장치가 사용된다. 먼저 3종3층 피드블럭 타입을 살펴보자.
(1) 3종3층필름 성형장치(<그림1>,<표1>)
①  2축혼련 압출기(모델: KZW15TW-45MG-NH (-70)) 2대 : 주로 코어층용으로 사용된다. 2축혼련 압출기를 사용하게 되면 토대가 되는 중심수지에 첨가제 등의 부재를 혼련·분해시키면서 직접 성형이 가능하다. 따라서 사전 마스터배치화 작업이 필요 없으며, 열 이력에 따른 수지의 열 열화 리스크도 경감된다. 진공 펌프를 연결해 진공 탈휘(脫揮)하면서 성형을 하는 경우에는 흡습성 있는 수지를 사용하는 것이 유용하다.
②  단축 압출기(모델:SZW20GT-24MG-NH(-70)) 2대 : 주로 스킨층으로 사용한다.
③  원료공급장치(모델: CFD-151, 2축압출기용) : 2축 압출기용 원료공급장치이다.
④  정량식 기어펌프유닛(모델: GPU-151) : 기어펌프를 연결하는 목적은 크게 두 가지를 들 수 있다. 하나는 피드블럭에 공급을 정량으로 실행하기 위해서이며, 다른 하나는 압력 손실이 클 경우, 승압 능력을 올리기 위해서이다. (주)테크노벨의 2축압출기의 경우에는 내압력이 35Mpa로, 높은 압력치에서의 압출에도 우수한 능력을 발휘하기 때문에 정량 압출용으로 사용한다.
⑤  3종3층용 피드블럭(모델: FBU-315) : 각 압출기의 라인에서 공급된 수지가 이 피드블럭 내에 쌓이게 된다.
⑥  다층 필름용 T다이스(모델: TDU-150, 폭: 150㎜) : 적층(積層)의 층비는 피드블럭 내에서 결정되며, T다이스에서는 전체 층의 두께와 미조(微調)이다. 전체 층은 슬라이드 립, 미조는 조정볼트로 조정한다.
⑦  필름냉각 인장와인더장치(모델: FPU-150) : 이 장치는 제1냉각롤, 제2냉각롤, 아이들롤, 인취롤, 권취축 등으로 구성된다. 제1, 2냉각롤은 금형온조기에서 공급받는 열매체에 의해 온도가 제어되며, 열매체는 온도 영역에 따라 물을 사용하는 경우와 기름을 사용하는 경우로 나뉜다.
이때, 냉각롤의 온도 제어는 필름을 성형할 때 상당히 중요한 요소이다. 설정 온도가 너무 낮으면 냉각롤에 의해 급랭되어 필름에 물결 현상이 보이게 된다. 반대로 온도가 너무 높을 경우에는 냉각롤에 수지가 접착해버린다. 공정에 엔프라나 슈퍼 엔프라 수지 등을 사용할 경우, 냉각롤의 온도는 200℃를 넘는 온도로 성형해야하는 경우도 있다.

2-3. 다층 필름 제조 방법
(1) 피드블록 법(<사진1>)
피드블록은 각 압출기에서 나온 용융수지를 구성에 맞춘 세트에 층을 쌓아 층류 상태로 제품T다이로 내보내는 장치이다. 각 용융수지의 배분을 분담하는 부분과 광폭 평판화를 실행하는 부분, 합류 적층화 부분이 있으며, T다이는 싱글 매니폴드 T다이를 포함한다.
일반적으로 피드블록 법은 복잡한 층수로 이뤄진 다층 필름에 적응되는 경우가 많다. 피드블록으로 만들어진 용융수지 적층체는 다이 내에서 광폭하면서 점도차에서 층 분포의 난조를 일으키기도 하는데, 이를 개선하거나 고가 배리어 층의 주변과 트림의 단층화를 실현하기 위해서는 피드블록 각 장치에 따라 층분포 정리를 실행하는 방법이 있다. 하지만 그 작업은 수많은 Try-and-error(시행착오)와 숙련을 거쳐야 하는 어려운 작업이다.

<장점>
①  층수 증가에 따른 적응성이 좋고, 층수나 층 위치 변경에 용이하다.
②  각 층의 두께를 아주 얇게 형성하는 성형도 가능하다.
③ 제작, 취급(분해청소)이 쉽다.
④ 가격이 저렴하다.
<단점>
① 층마다 두께의 정도(精度)가 떨어진다.
②  각 층재의 점도 차, 온도 차가 있는 경우에는 여러 가지 제약이 있다.

(2) 멀티매니폴드 법(<사진2>)
멀티매니폴드 법은 각각의 용융 수지가 다이 내 여러 개의 매니폴드에 유입돼 다이 폭에 펼쳐진 후, 합체되고 다층화하는 방법이다. 이는 다이를 하나로 만드는 작업으로, 고가의 복잡한 작업이지만 층 분포의 균일성이 우수한 장접이 있다. 하지만 다이 구조가 복잡함에 따라 실질적으로는 5층 정도가 한계이며, 조정이나 분해, 조립 작업이 복잡해 긴 시간이 소모되기 때문에 일반적으로는 한정된 양산 타입의 제품에 일부 사용된다. 이 방식은 각 층의 두께 분포가 잘 분산되지 않고, 넓은 폭의 제품의 대응도 비교적 용이하며, 2축 연신부터 무연신라인까지 적용이 가능하지만 부품 수가 증가하므로 고액의 비용이 발생된다.

<장점>
① 층마다 두께의 정도가 우수하다.
② 각 층재의 점도차, 온도차의 제약이 적다.
<단점>
① 제작 취급(분해청소)이 어렵다.
② 가격이 높다.
③ 4층이 한계다.
④ 층수 위치의 변경이 어렵다.

(3) 인플레이션 법 (<사진3>)
압출기의 선단에 ‘링다이스’ 또는 ‘크로스헤드 다이’라고 불리는 링 모양의 립을 가진 금형을 설치하고, 튜브 모양 재료를 활용해 연속으로 성형하는 방법이다. 링다이스의 중앙에는 공기구멍이 설치되어있으며, 여기에 압착 공기를 불어넣어 튜브를 2~3배 정도로 팽창시킨 후, 핀치롤이라 불리는 롤러로 잡아당기면서 냉각해 필름을 빼낸다. 다이스의 지름 및 빼낸 공기의 압력을 조정함으로써 필름의 폭과 재료의 토출량을 조절하고, 핀치롤을 잡아당기는 속도를 조정해 필름의 두께를 변경하는 방식이다. 공랭법으로는 토출 속도가 느려 필름의 투명성도 떨어지기 때문에 수지의 종류에 따라서 수냉법이 적용되기도 한다.통상적으로는 필름을 아래에서 위로 밀어내지만, 폴리프로필렌 수지를 밀어낼 경우에는 설비의 윗 부분에 링다이스를 설치해 위에서 아래쪽으로 밀어내는 필름화 기법을 사용한다.

<장점>
설비가 간단해 조작하기 쉽고 작은 금형으로도 폭이 넓은 필름을 제조할 수 있다. 보통은 필름을 말기 전에 끝을 갈라 평평한 형태로 만들어야 하지만, 이 공정을 생략하고도 튜브 모양의 필름을 만들 수 있어 포장용 필름의 제조에 많이 쓰인다.
<단점>
일반적으로 두께 제어가 어렵고 정도가 떨어진다.

3. 성형 사례와 효과
필름 성형에서 2축 압출기의 장점을 살린 성형으로는 PET, 폴리카보네이트, 아크릴, 나일론 등의 기재를 사용하는 현장을 꼽을 수 있다.
이러한 현장에서 2축 압출기를 적용하는 이유는 탈기 효율을 충분히 살려 압출기 내에서 건조 효과를 볼 수 있기 때문이다. 또한 단축 압출기보다 체류 시간이 짧아 열렬화와 수지가 타는 현상을 줄일 수 있어 투명도가 필요한 수지에도 유익하다.

4. 맺음말
본고에서 소개한 성형 장치는 납입 실적의 한 사례다. 당사는 설립 초부터 유저의 요구 사양에 의해 커스터마이즈 제작을 기본으로 하고 있다. 테크니컬센터에는 2축혼련 압출기의 필름 성형 라인의 데모기를 설치해 고객들에게 안내하고 있다.

*필자
(주)테크노벨 제2영업부 과장
梅田杉也(우메다 스기야, Umeda Sugiya)

※ 출처 : EngNews (산업포탈 여기에) - 플라스틱 시트·필름의 최신동향