2021. 05. 29
플라스틱 사출 성형 시 발생할 수 있는 불량 요인에는 여러 가지가 있습니다. 그 중에서 은색 줄(Silver Streak, 실버 스트리크)는 은선, 반짝이, 가스 등으로 불립니다. 이 은색 줄은 사출 부품의 외관 품질을 떨어트리는 대표적인 불량 요소인데요. 은색 줄의 크기는 눈으로 확인 가능한 수준부터 그렇지 못한 경우까지 다양합니다. 은색 줄의 원인으로는 1차로 성형 제품의 외관 불량이 될 테고 2차로 후가공(Painting, Metal Plating) 후에 나타나는 제품 불량입니다. 특히나 후가공 후에 나타나는 불량은 대부분 사출 성형 직후 눈으로 감지하기 어려운 경우가 대부분입니다.
은색 줄은 어떤 이유로 발생하고 그 발생을 막을 수 있는 대책에는 무엇이 있을까요? 은색 줄의 발생 원인으로 수분, 공기, 가스를 꼽을 수 있는데요. 크게는 외부 환경에 의한 영향과 사출 성형 조건에 의한 영향, 그리고 재료에 의한 영향으로 나눌 수 있습니다. 그럼 세밀하게 해당 원인을 살펴보겠습니다.
플라스틱 재료는 시간이 흐름에 따라 외부에 있는 습기를 흡수합니다. 습기를 흡수할 경우 은색 줄이 나타날 수 있습니다. 사용 전에 충분히 건조하지 않았기 때문입니다. 오랜 시간 동안 플라스틱 재료가 건조기에 들어가 있다고 해서 건조에 문제가 없다고 단정 지어서는 안 됩니다. 충분히 건조되었는지를 판단하려면 건조기가 제대로 작동했는지를 반드시 확인해야 합니다. 건조기에 설정된 온도와 실제 가동 시 온도가 다를 수 있으며 건조기 필터가 청소되지 않은 상태라면 공기가 순환되지 않는 등 여러 문제가 발생할 수 있기 때문입니다. 또 건조기 호퍼(Hopper)의 밀봉(Sealing)이 닳아서 외부 공기가 건조기 안으로 유입되고 있는지도 점검해야 합니다. 습도가 높은 날씨에 건조를 할 경우 바깥 공기가 건조기 내부로 유입되어 건조를 방해할 수 있습니다.
사전에 충분히 건조했음에도 습도가 높은 날, 특히 장마철에 은색 줄 불량이 자주 발생하는데요. 이는 사출기기와 금형이 외부의 낮아진 이슬점(일정한 압력 하에서 온도를 내려서 공기가 포화되는 순간의 온도)에 노출되었기 때문입니다. 작업 주변 환경 역시 철저하게 관리해야 할 대상으로 볼 수 있습니다．외부의 공기를 차단하지 않은 상태에서 사출 성형은 예상하지 못한 문제를 발생시킬 수 있습니다.
동일 사출기에서 다른 종류의 소재를 사용한다면? 실린더 안에 남아 있는 다른 재료의 탄화물(Char, 유기물의 고상 탄화 에 생성되는 탄소질 물질)이 은색 줄의 형태로 나타날 수 있습니다. 이런 이유로 사출기 내부 청소(Cleaning)에 신경 써야 합니다.
사출하는 현장에서는 불량 성형 부품을 스크랩하여 원료(Virgin) 소재와 혼합해 사용하는 경우가 있는데요. 이 경우 스크랩 재료를 잘 관리하지 못해 은색 줄이 나타날 수 있습니다. 스크랩 장비 내부를 깨끗하게 관리하기가 사실상 불가능하기 때문입니다. 또 재분쇄(Re-grinding) 시 발생되는 분칩은 사출기에 들어가 실린더 내부에서 용융 되지 않아 제품 표면의 은선(Silver Streak) 불량을 일으키는 원인이 되기도 합니다. 스크랩 재료는 그 크기가 동일하지 않기에 사출기 호퍼에서 재료를 넣을 시에 패킹(Packing) 밀도가 낮아지게 됩니다. 이는 원재료(virgin material)의 투입 때보다 더 많은 공기를 포함할 수 있기 때문에 은선(Silver Streak)의 원인이 되기도 합니다.
재료의 특성을 충분히 반영하지 못한 사출 성형 조건은 완벽한 품질의 제품을 만들 수 없는데요. 높은 사출 온도와 속도 때문에 소재 안정성을 떨어트릴 수 있습니다. 사출기 크기 대비하여 성형하는 부품의 크기가 작다면 소재가 사출기 실린더 안에서 오랜 시간 머물게 되고， 이것은 고온에서 소재가 체류됨으로 인해 많은 분해 가스를 발생시켜 은선(Silver Streak) 불량의 원인이 될 수 있습니다．
사출 부품의 크기와 구조에 비해 소재의 움직임(유동) 특성이 떨어질 경우 사출 성형 시에 마찰 발열이 높아져 재료의 안정성이 떨어지고 분해 가스가 발생하기도 합니다. 이 경우에도 마찬가지로 불량이 생깁니다.
재료가 실린더를 지나 통과하는 스프루(Sprue, 노즐에서 방출된 수지가 지나는 통로의 일부), 러너(Runner, 제선 공정 중 출선구에서 나온 용선을 레이들까지 흘려 내기 위해 주조 바닥에 설치된 홈통), 게이트(Gate, 사출 성형용 금형과 트랜스퍼 성형용 금형에 있어서 용융, 연화한 재료가 금형의 캐비티 내에 들어가기 직전 부분으로 가장 좁고 게다가 짧은 부분)의 디자인에 따라 재료의 마찰 발열이 높아질 수도 있습니다. 이럴 경우 사용 안정성(고유동, 열 안정성 재료)이 높은 재료를 사용해 은색 줄의 발생 확률을 낮추는 것도 방법입니다.
사출 조건 중 배압(Back Pressure)을 높이고 공기의 양을 줄여 은색 줄 발생을 낮추는 방법도 있습니다. 사출 속도와 사출 압력을 낮춰 분해 가스 증가를 막는 것도 주요한 방법입니다. 이외에도 용융 온도, 계량 속도, 실린더 안에 재료가 있는 시간 등을 조절해 제품의 불량을 최소화할 수 있습니다.
외부 환경에 의한 영향을 점검하고, 사출 조건 조정에 따른 노력에도 은색 줄 불량이 개선되지 않는다면 재료 자체의 문제를 검토해야 합니다. 재료의 불안정성에서 문제가 발생될 수 있기 때문입니다. 열 또는 마찰로 인해 발생하는 가스를 줄이도록 재료의 안정성을 확보해야 합니다. 휘발분(Volatile)이 적게 발생되는 원료, 열에 안정적으로 작용하는 첨가제를 사용하는 게 필요합니다. 재료를 만드는 압출 공정(Extrusion Compounding) 과정에서 충분한 가스배기(Gas Vent)가 이루어 질 수 있도록 압출기기의 점검이 필요합니다．생산성 향상을 위한 압출 공정 운전 조건을 변경해 진행하더라도 주의 깊게 가스배기구의 적정성을 고려해야 합니다. 특히, 압출기의 스크류 속도(Screw Speed)를 올리는 건 생산성 향상에는 도움이 되겠지만 재료의 열 안정성을 떨어트릴 수 있으므로 재료에 맞는 적절한 공정이 필요하겠습니다．
이 재료가 가진 안정성, 즉 바뀌거나 달라지지 않고 일정한 상태를 유지하는 성질을 알 수 있는 방법이 있을까요? 재료의 안정성을 평가하는 방법은 몇 가지가 있습니다. 보통 A재료에는 문제가 없으나 B재료에서 문제가 나타나는 경우가 있는데요. 이럴 때는 두 재료를 비교, 분석하여 문제가 생기는 재료의 개선 포인트를 찾을 수 있습니다. 재료의 가스 때문에 은색 줄이 문제가 되는 것이기에 가스 특성을 분석해야 합니다. 가스 함량을 비교, 분석하는 방법으로 보통 TGA(Thermo Gravimetric Analysis, 열적 중량 분석)와 TVOC(Total Volatile Organic Compounds, 대기 중으로 쉽게 휘발되는 액체 또는 기체상 유기 화합물의 총칭) 분석법을 이용합니다. TGA 결과로는 가스 발생량을 상대 비교하고 TVOC로 휘발되는 성분을 검토할 수 있습니다.
비교된 두 분석 결과를 살펴보며 소재의 가스 발생 원인 물질을 추정해 개선을 진행할 수 있습니다. 하지만 이 결과가 꼭 사출 현장에서 발생하는 은색 줄의 문제를 재현 혹은 대변할 수 있는 것은 아닙니다. TGA와 TVOC 결과는 정적인 상태에서 열에 의한 가스 함량을 확인하는 방법이기 때문에，사출 성형에서 발생하는 동적 영역에서 스트레스(Stress)는 실제 사출 성형을 살펴보면서 비교/검증이 필요합니다.
은색 줄은 다양하고 복합적인 원인으로 나타납니다. 따라서 원인을 정확하게 밝혀 내기가 어렵고 완벽한 답을 찾기 어려울 수 있습니다. 모든 변수는 고정되지 않고 움직이기 때문입니다. 앞서 언급한 바와 같이 사출 현장의 변수 사항을 꼼꼼히 확인하는 게 문제를 해결할 수 있는 유일한 방법입니다. 품질 높은 성형품 생산을 위해서는 현장에서 도출되는 데이터를 꼼꼼하게 남겨두어야 합니다. 이는 문제의 원인을 찾는 시발점이자 개선점을 찾기 위한 중요한 시초입니다. 현장을 점검하고 도출되는 데이터를 남겨두는 작은 노력이 이어져 품질 높은 성형품을 생산할 수 있게 됩니다.
내용 출처 : LG화학 <폴리머인사이트> 2017 가을호 P.39 플라스틱 사출 성형품의 Silver Streak 불량과 대책
공부 많이 하고 갑니다 감사합니다