[사출] 사출성형품 경면 표면 광택 불량 제어 연구
사출성형품 중 외관 제품이 차지하는 비중이 매우 높다. 특히 고급스러운 외관을 만들기 위해 경면을 선호하는 제품들이 많다. 경면 뿐만이 아니라 미세 패턴을 구현한 외관 제품도 점점 증가하고 있다. 그림 1은 경면을 사용한 고급스러운 성형품의 예를 보여준다. 이와 같은 외관 제품에서 발생하는 표면 불량은 외관 제품 생산과정에서 까다로운 문제가 되고 있다. 이러한 표면 불량에 속하는 불량은 Halo, Dust mark, Stress mark, 이색불량 등의 이름으로 불리고 있다. 이와 같은 다양한 표면 불량의 요인은 정확하게 밝혀져 있지 않고 따라서 대응 방안도 명확하게 제시되어 있지 않다. 본 연구에서는 이런 표면 불량 중 금형표면 전사율이 저하되면서 발생하는 불량의 발생 기구를 밝히고 공정조건의 조절로 이 같은 불량을 최소화할 수 있는 제어 방안을 제시하였다.
[그림 1] 경면을 활용한 고급스러운 이미지의 사출성형품
본 연구에서 초점을 둔 표면 불량은 주로 Halo 또는 Dust mark 라고 불리는 경면에서 나타나는 표면 광택 불량이다. 이들 불량은 경면 가공된 금형 표면을 충분히 정밀하게 전사하지 못하게 되면서 나타난다. 이와 같은 금형표면 전사율이 낮은 상태와 웰드라인과 같은 표면불량을 최소화하기 위해 금형표면 급속가열 (RHCM) 기술과 같은 방법이 개발되기도 하였다. 이들 불량이 발생하는 공정 상황을 관찰하면 공통적인 특징을 발견한 수 있었다. 용융수지 선단속도가 급격하게 변하는 곳에서 주로 발생하고 있다는 것을 알 수 있었다. 그림 2는 표면 광택불량의 예를 보여준다.
[그림 2] 본 연구의 대상이 된 경면에서 나타나는 표면 광택 불량의 예
이와 같은 관찰의 결과로 표면 형성 과정에 용융수지 선단속도가 매우 큰 영향을 주고 있다는 것을 알 수 있었다. 이 같은 용융수지 선단속도의 영향을 실험으로서 재현하였다. 그리고 광택 불량의 원인을 조사하기 위해 성형품의 표면 조도를 측정하고 동일한 지점의 표면 광택도를 광학 광택계로 측정하여 관련성을 조사하였다. 표면 조도와 표면 광택도는 직접적인 관련을 가지고 있음을 확인하였으며, 이로써 표면 조도를 직접 측정하지 않고 표면 광택도 측정값으로 표면의 상태를 판단할 수 있게 되었다. 그림 3은 표면 조도와 표면 광택도의 상관 관계를 나타내는 실험 결과이다. 그래프에 나타난 바와 같이 표면 조도의 차이는 용융수지 선단속도를 조절하여 얻은 결과이다.
[그림 3] 표면 조도와 표면 광택도의 상관 관계를 보여주는 실험 결과
이를 바탕으로 사출성형품 표면 형성 기구를 살펴 보면, 사출성형품 표면은 분출유동을 일으키며 금형에 주입된 용융수지가 금형과 접촉한 후 냉각 수축을 일으키는 성형품 표면을 유동거리의 증가로 인하여 발달한 충분한 압력이 금형 표면으로 밀어 붙여 냉각 수축을 상쇄시키는 과정에서 결정된다는 것을 확인하였다. 이 시간은 매우 짧아서 수 밀리 초 밖에 걸리지 않는다. 표면 형성 기구를 이해하면 용융수지 선단속도가 빠른 경우 전사율이 높은 표면을 얻을 수 있으며, 아니면 금형 표면온도가 상당히 높은 상태에서는 상대적으로 빠르지 않은 선단속도에서도 전사율이 높은 표면을 얻을 수 있다는 것을 의미한다. 즉, 표면 형성에는 크게 용융수지 선단속도와 금형 표면온도가 매우 큰 영향을 주고 있다는 것을 확인하였으며 이는 그림 4에 나타난 실험으로도 확인하였다.
[그림 4] 용융수지 선단속도 변화에 따른 표면 광택도 차이와 보압의 영향을 보여주는 실험 결과
이와 같은 실험적인 결과를 바탕으로 본 연구에서는 단순히 선단속도와 금형 표면온도 뿐만이 아닌 보다 근본적인 표면 형성 기구를 정량적으로 판단할 수 있는 정량지표를 제안하였다. 이는 금형 표면이 형성되는데 중요하게 작용하는 두 가지 요인으로서 표면 전사율을 높이는 수지압력과 이를 방해하는 요소인 표면 강성 (stiffness)의 비율로 만들어진 무차원수로서 전사 상수 (Re: Replication factor)라고 명명하였다. 이를 상세하게 설명하면 수지압력을 변화시키는 요인은 용융수지 선단속도, 용융수지 점도, 성형온도 등이 있으며, 표면 강성에 영향을 주는 요인은 수지의 온도에 따른 강성 회복도, 금형 표면온도, 성형온도 등이 있다. 그리고 전사율이 매우 높아져 광택도가 증가하더라도 어느 정도 이상의 전사율에서는 광택도 변화가 사람의 눈으로는 구분되지 않는다. 이러한 상태를 나타내는 상태의 Re 값을 Critical Re 라고 하고 이를 실험적으로 찾아내면 Re 값을 구성하는 요소들을 이용하여 안정된 표면 광택도를 얻을 수 있는 공정변수, 금형 표면온도 등을 알 수 있다. 그림 5는 용융수지 선단속도와 금형 표면온도와 관련된 Re Map 을 보여주며 Critical Re 값보다 큰 영역을 구성하는 공정변수의 조합에서는 높은 광택도를 가지는 표면을 얻을 수 있다는 것을 보여준다. 예를 들어 금형표면 급속가열 기술에서는 금형 표면온도를 높여 성형품 표면이 강성을 회복하는 시간을 지연시켜 고속 충전이 아닌 상황에서도 금형의 전사율을 향상시킬 수 있는 효과를 내고 있다. 그러나 낮은 금형 표면온도에서도 높은 금형 전사율을 달성하려면 용융수지 선단속도를 일정 크기 이상으로 유지해준다면 동일한 효과를 얻을 수 있다는 것을 알 수 있다. 그리고 점도가 낮은 수지보다 점도가 높은 수지가 동일한 조건에서 금형 전사율이 높아질 수 있다는 점도 알 수 있다. 이처럼 금형 표면 형성과정을 정량화함으로써 경면 뿐만이 아니라 미세 패턴을 가진 금형의 전사율을 높일 수 있는 근본적인 이해를 넓히게 된 점이 본 연구의 가장 큰 소득이라고 볼 수 있다.
[그림 5] 용융수지 선단속도와 금형 표면온도로 구성된 Re Map과 높은 광택도를 얻는 공정 윈도우
[관련 논문]
김진수, 한은수, 이병옥, Walter Friesenbichler, Dieter Gruber, “Causes of the Gloss Transition Defect on High-Gloss Injection-Molded Surfaces”, Polymer, Vol.12, 2020
김진수, 이병옥, “Generation mechanism of gloss defect for high-glossy injection-molded surface”, KARJ, Vol. 32, No. 3, pp 183-194, 2020
김진수, 이병옥, “Control of gloss defect on high-gloss injection-molded surfaces”, KARJ, Vol. 33, No. 2, pp133-141, 2021
