최근 AV 가전, 모바일, 자동차 내장의 사출성형 부품에 있어서 디자인 차별화의 중요성이 점점 커지고 있다. 현재 디자인 차별화 수단으로 착색, 소재, 표면처리 등이 다양하게 적용되고 있으나 이의 효과적인 구현을 위한 기본적인 전제는 사출품의 외관품질이 높아야 한다는 것이다. 또한 광학부품 또는 정밀기능부품에서는 유리, 금속 등의 소재로 사용되던 많은 부품이 플라스틱 사출성형이 가지는 높은 생산성과 결합된 수지 사출부품으로의 전환이 활발하게 이루어지고 있다.
이러한 플라스틱의 기능을 만족시키기 위해서는 사출-성형(냉각)사이클에 따라 금형 표면을 가열-냉각하는 과정이 반복될 수 있게끔 금형 온도를 제어하는 것이 중요하다. 즉, 사출과정에서는 수지 유리 전이온도(Tg) 이상으로 금형표면 온도를 유지해 금형 내 유동성과 전사성을 향상시키고, 사출 후에는 바로 급격하게 표면 온도를 낮춰 줌으로써 변형 없이 빠르게 성형이 완료될 수 있게 해 주어야 한다는 것이다. 다만, 사출 생산성의 손실 없이 금형 내에서 어떻게 급가열-급냉각 사이클을 구현할 수 있는가가 상용화의 관건이다.
이러한 문제를 해결한 기술이 최근 2000년을 전후하여 시장에 출현했고 특히 고광택(High Glossy) 고품질의 무도장 사양을 요구하는 디자인 차별화의 시장 수요에 부응해 TV 등 가전시장을 중심으로 급격하게 보급되기 시작했다.
초고온금형 Heat Cycle 성형시스템
초고온금형 Heat Cycle 성형시스템(E-Mold)의 특징은 가열, 냉각매체의 단열과 열전도의 기구적 구성을 갖춘 독특한 금형 구조에 있다. 금형의 가열은 최소화된 피가열 체적을 갖는 적은 열용량의 구조체에, 에너지 발생효율이 매우 높은(고밀도의 와트밀도) 카트리지 히터가 균일한 깊이로 삽입된 구조로 되어 있다. 냉각에 관해서는 냉각 블록(Block)이라고 불리는 냉각 전용 구성 부품이 가열 캐비티 배면에 분리되어 배치된다. 또한 가열 캐비티의 승온 효율, 냉각블록에 의한 냉각 효율을 높이기 위해 캐비티와 블록 사이에 공기 단열층을 갖는 구조로 설계했다.
고밀도 카트리지 히터의 개발
폴리카보네이트(PC) 등 150℃ 근방의 높은 유리전이 온도(Tg)를 갖는 수지에 있어 물이나 증기에 의한 승온은 한계가 있다. 그러나 E-Mold 시스템은 높은 와트밀도를 갖는 특수한 카트리지 타입의 히터를 개발해 다른 가열원에 비해 매우 용이하게 승온 한계를 높일 수 있고 최대 300℃까지 승온이 가능하다.
히터의 설치는 가열 캐비티에 표면으로부터 균일한 깊이, 균일한 간격으로 가공된 구멍에 삽입하는 형태이며 특별히 가공의 어려움은 없다. 또한 캐비티의 직경은 6mm 정도의 미세경구조로, 금형 강도의 유지와 가열 캐비티의 박판 구조가 양립될 수 있도록 개발했다. 또한 정기 점검을 통해 히터의 교환이 필요한 경우에는 쉽게 교환이 가능한 구조로 돼 있다.
금형 강도 보강
적은 열용량을 갖게 하기 위해 가열 캐비티는 박판화 돼 있는데 높은 강도와 함께 충전시 수지의 가스 발생에 따른 부식을 고려해 SUS계의 재료를 추천하고 있고, 냉각 블록은 열전도율이 좋은 Al계 또는 Cu계의 재료를 사용하고 있다. 사출 충전 시에는 형체와 함께 냉각 블록이 가열 캐비티에 밀착되는 구조로, 냉각 블록이 캐비티를 지지하게 되어 있어 사출 압력에 대한 금형 휨 등의 우려가 없다.
가열·냉각성능
가열 캐비티는 일반적으로 가열 온도 구배가 15초에 30℃에서 150℃까지 승온이 가능한 구조로 배치되며 히터의 와트밀도를 높이게 되면 보다 빠른 승온 속도를 얻을 수 있다. 동시에 냉각 블록의 온도 구배는 통상적으로 30초 내에 150℃에서 30℃까지 냉각이 이루어지도록 설계하고 있으나 이 또한 냉각 칠러(Chiller)의 설정 여부로 그 시간의 단축 및 조정이 가능하다. 형체와 동시에 열용량이 큰 냉각 블록이 가열 캐비티에 접촉되게 되면 순간적으로 빠른 냉각이 이루어진다.
E-Mold 시스템의 적용 사례
고광택 고외관품질 구현
앞에서도 언급했듯 초기 초고온 금형기술은 TV 등의 가전제품에서의 사출제품의 표면 의장성 개선의 목적으로 적용되기 시작했다. 사출성형의 충진 공정에 있어서 금형을 수지의 유리 전이온도(Tg) 근방의 초고온 상태를 유지하게 되면 웰드라인, 플로마크 등의 제거가 가능해지며 경면의 금형 표면을 그대로 전사하게 되어 고광택의 외관 품질을 얻을 수 있다.
미세 패턴의 성형성 향상
광학 관련 부품의 경우, 광특성 등의 개선을 목적으로 표면에 1μm 이하 수십 나노미터 단위의 미세 형상 패턴의 성형이 필요한 부품이 있다. 이런 부품의 경우, 일반 금형으로 사출하면 캐비티 충전과정에서 유동성 저하로 미세 패턴의 전사가 불가능하게 되나 초고온 금형 사출은 전사성을 개선해 미세 패턴의 성형이 가능하다.
슈퍼 엔지니어링 고농도 필라 충전 수지에서의 초고온 성형
E-Mold 기술을 적용하면 최대 300℃까지 금형의 표면 온도를 올릴 수 있다. 이에 따라 전기 커넥터 등에 초고온 내열특성 및 전기 절연성의 향상을 목적으로 하는 LCP 수지 등의 성형이나, 높은 전기 전도도 특성을 요구되는 연료전지용 분리판의 성형이 가능해져 그 적용이 구체화되고 있다.
3차원 입체 형상 구조
3차원 자유 곡면을 갖는 제품의 경우, 카트리지 히터로는 가열 캐비티면에서 균일한 거리로 배치하는 것이 곤란했다. 이 경우 캐비티 표면 형상을 따라 가열 캐비티 배면에 균일한 깊이로 홈 가공을 해 주고 그 가공면을 따라 곡면의 히터를 매립, 고정하는 방법을 채택함으로써 자유롭게 금형 표면의 온도를 균일하게 유지시킬 수 있다.
소형 사출품에서의 High Cycle 구현
핸드폰 배터리 커버와 같은 소형 사출물의 경우, 통상적으로 15초 내외의 짧은 사출 사이클 타임을 갖는 것이 일반적이고 또한 박판화의 경향을 보이고 있다. 그러나 박판화에 따른 충격강도 등 강성 보완의 필요성이 대두되고 있으며, 이를 위해 글라스 파이버(Glass Fiber) 등의 보강재료가 충전된 수지의 사용이 확대되고 있다.
고밀도 카트리지 히터와 냉각 구조의 변경을 통해 100℃에서 200℃의 Heat Cycle을 15초 내에 달성했고, 유리 섬유를 수지 스킨 층 밑에 함침시킴으로써 미려한 표면을 얻을 수 있었다. 현재 노키아 핸드폰에의 양산 적용을 위한 최종 검증이 구체적으로 진행되고 있다.
맺음말
이상에서 살펴본 바와 같이 초고온금형 기술의 하나인 E-Mold 시스템은 그 나름의 차별적인 특징을 바탕으로 하여 가전 분야에 한정돼 있는 현재 초고온 금형 기술의 수요를 자동차, 핸드폰 시장 등 다양한 분야로의 시장 확대를 가시화하고 있다.
2010년 10월부터 미국 포드자동차의 이스케이프 2011년 모델에 E-Mold 시스템으로 사출된 제품이 양산 적용되기 시작했고, 그를 통해 Innovation Awards를 수상했다. 이러한 일련의 평가는 포드자동차가 전세계 자사 개발 차종에 본격적인 확대 적용을 위해 E-Mold 시스템의 특허 기술 사용권을 구매하는 결과로 이어졌다. 또한 핸드폰 분야에서도 주요 관련사와 양산 적용을 위한 연구 개발이 마무리 단계에 있는 등 그 성과를 구체화하고 있다.
초고온금형 시스템(E-Mold) 및 응용사례 소개
* 출처 : 대한기계학회 「기계저널」2011. 4월호 45~49p
* 본 내용은 지면상의 이유로 재편집됐습니다.
