사출성형기술과 장치의 최신동향

1. 서론
최근 자동차 분야에서는 경량화에 따른 연비 저감이, 휴대 단말기나 전자기기 분야에서는 소형·경량화와 같은 기능성 향상이, 사회적으로는 환경 안전, 자원 절약, 에너지 절약 등이 이슈로 떠오르고 있다. 따라서 사출성형기 역시 이들의 다양한 시장 니즈에 맞춰 전동 사출성형기의 정밀 제어나 재료, 금형, 주변기기 등을 포함하는 융합성형기술 등을 중심으로 기술 개발이 진행되고 있는 상황이다.
본고에서는 최근 사출성형기술의 트렌드를 살펴볼 수 있었던 국제플라스틱페어(IPF)2014를 토대로 주목할 만한 기술에 대해 알아보고자 한다.

2. 수지성형특성에 대응하는 제어기술
2-1. 충진 시의 균등제어
사출과정에서 사출을 일차적으로 정지시키게 되면 충진 압력 밸런스가 균등화되면서 등압충진이 가능해진다. 사출성형은 고사출압과 유동선단과의 압력 구배에 따라 유동성을 갖게 된다.
충진을 진행하면 유동 저항에 대응해 유동압은 점차 높아지지만 충진 완료 전 적절한 타이밍으로 사출을 일차적으로 정지시키게 되면, 유동압에 압축되어 있는 용융 수지가 체적팽창하는 현상을 확인할 수 있다. 압출성형에서 수지가 다이로부터 밀려난 직후, 다이압에서 해방되면서 스웰링(Swelling)을 일으키는 것과 동일한 현상이다.
압출성형에서 수지는 대기 중의 공간으로 밀려나면서 스웰링을 일으키게 되지만, 사출성형에서 수지는 캐비티의 개폐공간 내 미충진 선단을 향해 이동하면서 체적팽창을 야기한다. 이러한 체적팽창은 압력구배가 없어 균등압으로 충진이 가능하다는 특징을 갖는데, 이 효과를 이용하면 여러 개의 충진 밸런스 제어와 휨 방지가 가능하다.
이 원리를 활용해 스미토모중기계공업(住友重機械工業)은 Zero-Molding기능 중 하나인 FFC(Flow Front Control)제어를 성공했으며, 성형에 직접 적용해 ABS수지로 에어컨루버의 휨을 방지하는 효과도 증명해 보였다. 또한 니이가타머신테크노는 이 방법을 통해 BPF(Balance Pressure Filling)라고 불리는 제어를 실현했으며, 메타크릴 수지를 사용하여 렌즈와 경통 인서트의 일체성형을 시행하기도 했다.

2-2. 저 전단 가소화 스크류
종래의 플루프라이트 스크류 압축비는 2.0~2.5 정도로, 압축 존에서 반 용융 상태인 용융점도가 크기 때문에 전단력에 의해 전단열이 발생하는 것을 피할 수 없었다. 이는 결부적인 선단열에 의해 열분해를 일으키면서 수지가 타거나, 분해가스에 의한 성형품 표면이 흐려지거나, 흑점이 생기는 등의 불량을 발생시켜왔다. 이 때문에 최근 광학용 재료, 수퍼 엔프라 등의 성형에서는 열분해를 제어하기 위해 선단열 발생이 적은 스크류가 개발되고 있다.
IPF2014에서는 스미토모중기계공업의 SL스크류, 동양기계금속의 SAG 스크류 등이 성형 시연을 통해 가능성을 입증했다. 스미토모중기계공업은 압축비를 1로 설계해 선단 발열의 발생을 제어하는 동시에, 정량 공급 장치(GS 로더)를 통해 실린더 내에서의 체류 시간을 단축시켰다. 토요기계금속은 플라이트 폭을 조정하는 방법으로 압축비를 1에 가깝게 스크류를 설계했으며, 도시바기계(東芝機械)와 닛세이수지공업도 선단열의 발생을 제어하는 전용 스크류를 적용한 성형 시연을 진행했다.
2-3. 형내압 파형 제어
용융수지의 비용적v와 압력P, 수지온도T(절대온도)의 관계를 나타낸 특성을 PvT특성이라 한다. 곧, 비용적v는 압력P, 수지온도T와 밀접하게 관련이 있으므로 T를 일정하게 조정하게 되면 형내압 파형 제어를 통해 v가 일정한 고정도 제품을 성형할 수가 있는 것이다. 따라서 매 쇼트의 형내압 파형을 우수 제품이 나왔을 때와 같은 파형이 되도록 피드백 제어하면 고정도의 우수 제품을 생산할 수 있다.
화낙 주식회사에서는 이러한 형내압 파형 제어에 따라 카메라용 오목렌즈의 고정도 성형을 시행하고 있다(특수광학 PC).

3. 제품 성형 기술
3-1. 박육 하이사이클 성형
최근 휴대 단말기가 소형화, 박육화 됨에 따라 액정 폴리머(LCP)를 사용하는 좁은 피치용 커넥터 시장도 확대되고 있다. 이러한 시장 동향에 대응해서는 도시바기계, 소딕, 화낙 등이 성형 시연을 선보였다.
지난 IPF2011에서는 이들 제품의 사이클이 2초 정도로 측정되었으나, 이번 전시에서는 1.86~1.88초로 더욱 단축된 모습이었다. 예를 들어, 소딕은 사이클 1.89초로 B&B(Board to Board) 방식의 좁은 피치용 커넥터 성형 시연을 통해 관심을 모았다. 이와 같이 하이사이클화는 사출성형기, 성형 재료, 성형품 설계, 금형 등의 융합 기술에 의해 꾸준히 달성되고 있다.
하이사이클화는 전동식 사출성형기의 개발과 진화에 따라 급속도로 진행되어 왔다. 박육 하이사이클 성형에서도 사출 속도의 고속화는 불가결한 요소이다.
전시회에서는 최대 사출속도(스크류 전진 속도) 1,000~1,200㎜/s인 성형기를 시연하면서, 동시에 Burr 방지 부분부터 충진 완료 직전에 사출 속도를 늦춰 멈추는 정밀 제어 기술까지 소개되어 참관객들의 눈길을 집중시키기도 했다. 또, AC 서보모터의 독립 작동이 가능해져 가소화 동작과 형 열림 동작을 동시에 시행하는 복합동작(동시동작)을 통해 사이클 단축도 실현했다. 도시바기계는 기존 기기에 비해 드라이 사이클을 25% 단축시키며 기술력을 과시했다.
소재를 살펴보면 LCP는 PBT, PPS 등과 비교해 고 전단 속도에서의 용융 점도는 현저히 줄어들지만, 반대로 저 전단 속도는 용융 점도가 커진다는 특성이 있다.
즉, 사출 속도가 빠르면 유동성이 커지고, 충진 완료 직전 타이밍에서 사출 속도를 늦추면 용융점도가 증대되는데, 이는 Burr가 쉽게 발생하지 않는다는 장점이 있다. 이 점에서 LCP는 박육 하이사이클에 적합한 재료라고 볼 수 있다.
단, 박육화 과정에서는 휨 현상이나 용접 강도에서의 문제가 자주 발생하기 때문에 개량 재료가 적용되어야 한다. RoHS지침(EU)에서 납이 프리납땜으로 변경되고, 납땜 내열성은 280℃ 이상이 요구되고 있다는 점도 LCP를 채용하는 이유 중 하나이다.
한편 성형품의 설계에서 두께(肉厚)는 냉각 시간과 밀접한 관계가 있다. 일반적으로 냉각시간은 성형품 두께의 제곱에 비례한다. 예를 들어 두께를 1/2로 얇게 하면 냉각 시간은 1/4이 단축되는 것이다.
따라서 LCP를 사용하면 두께를 0.25~0.30㎜ 까지 박육화함으로써 냉각시간을 단축시킬 수 있다.
또한 게이트 방식에는 이형 시 자동 절단할 수 있는 잠수함 게이트가 채용되는데 핀포인트 게이트(3매형)와 비교해 잠수함 게이트는 2매형으로 구성돼있어 형개 및 형체 스트로크가 짧아지기 때문에 성형 사이클 단축에 기여한다.
단, 이러한 박육품은 미충진이나 Burr 불량이 발생하기 쉽다는 한계가 있는데 이를 위해 최근 도시바기계에서는 CCD 카메라에 의해 미충진 및 Burr를 온라인 전수 검사하는 시스템을 선보이고 있다.

3-2. 도광판 성형
최근 노트북, 게임기, 휴대전화, TV, 스마트폰 등의 액정 디스플레이 시장이 확대되고 있으며, 그에 따라 주요 부품 중 하나인 도광판의 수요도 증가하고 있다. 엣지라이트 방식인 LED 액정 디스플레이의 보급에 있어 박형화(薄型化)가 진행됨에 따라 도광판도 보다 박육화되고 있는 추세다.
도광판은 박육이기 때문에 ▲높은 유동성 ▲점 또는 프리즘 패턴의 높은 전사율 ▲광학적 변형이 작을 것 ▲ 투명성이 높을 것 ▲이물이 적을 것 ▲가스에 의한 표면 오염이 없을 것 등 까다로운 요구들을 만족해야 한다.
이처럼 성형의 까다로운 요구 사항을 만족시키기 위해 각 사출성형기 브랜드는 광학판 전용 성형기를 개발해 대응했으며, 전시에서도 다양한 기술들이 참관객에게 소개됐다.
주요 기업의 성형 시연 개요는 <표1>에 요약되어 있다. 각 회사는 저마다 각각의 전문 성형 시스템을 개발하고 있지만, 성능과 기능에 있어서는 비슷한 점도 다수 찾아볼 수 있다.

①  최대 사출 속도(스크류 전진 속도)는 500~1,500㎜/s로, 고속 사출 사양 또는 고정밀 속도 제어에 중점을 두고 있다.
②  제품의 두께 정밀도를 높이기 위한 다이 플레이트의 평행도, 평행 형체 및 형내압에 의한 형반 변형 방지 등 구조·기구에 대한 연구가 집중되고 있다.
③  휨 저감이나 고전사율 확보를 위해 사출 압축기구 방식을 적용하거나 형체력과 사출 속도 제어를 활용하기도 한다.
④  공급부에 있어서 재료의 산화 변색을 막기 위해 진공 방식이나 질소 퍼지 방식을 채용하기도 한다.
⑤  전단열에 의한 수지의 열분해를 억제하기 위해 저전단 가소화 스크류를 탑재하는 방식을 적용한다.

예를 들어 도시바기계에서는 최고 사출 속도 1,300㎜/s의 성형기를 사용해 고속 사출과 더불어 충진 중 압축을 통한 고속 압축을 구현했다. 이를 통해 도시바기계는 10.1인치의 스마트 디바이스용 박육 도광판을 성형하는 데 성공했다. 또, 메이키제작소(名機製作所)에서는 직압 고속 사출 및 압축 성형기로 제품을 생산하고 있다.

*필자소개
本間精一 혼마 세이이치
혼마기술사사무소 소장

<참고문헌>
(1) 早崎寬朗：プラスチックスエ-ジ、55(2)、p.63（2009）
(2) 井上玲：プラスチックスエ-ジ、58(2)、p.92（2012）

※ 출처 : EngNews (산업포탈 여기에) - 사출성형기술과 장치의 최신동향