독일 Fraunhofer IWM 연구진은 보다 효율적인 비용으로 더 향상된 표면 품질을 가진 플라스틱 부품을 만들 수 있는 새로운 방법을 개발했다. 이번 연구진이 개발한 박막 가열 방법은 향상된 표면 품질을 가진 플라스틱 부품 제조에 도움이 될 것으로 전망되며, 더불어 연구진은 전체 프로세스를 더 효율적인 에너지로 작동시킬 수 있는 방법을 발견했다.

고품질 플라스틱 표면을 위한 연구

와플을 만들 때, 와플을 만드는 틀을 올바론 온도로 가열해야만 맛있는 와플을 만들 수 있다.

이 같은 원리는 사출성형 기술을 사용해 디스플레이, 외장재, 커버, 계기판 등과 같은 다양한 플라스틱 부품을 제조하는 데에도 적용할 수 있다.

용융된 액체 플라스틱은 와플을 굽는 틀과 같은 금형 속에 주입된다. 완벽한 표면을 가진 주형을 제조하기 위해 표면이 기능성 구조의 특징을 가지거나 거울처럼 매끄러워야 한다. 바람직한 구조적 및 기능적 표면을 가진 플라스틱 부품을 구현하는데 한 단계의 사출성형 방법을 적용하는 것은 비용이 많이 드는 도금 단계를 필요로 하지 않는다. 따라서 이 공정은 경제적이고 에너지 효율적이다.

새로운 템퍼링 기술 개발

하이-엔드(High-end) 표면을 가진 플라스틱 부품을 제조하기 위해서 전체 금형은 Variothermic 템퍼링으로 알려진 기술을 이용해 약 110℃까지 가열된다. 폴리카보네이트와 같은 열가소성 재료들은 유사한 온도에서 처리된다. 표면이 손상되지 않는 최종 플라스틱 부품을 얻기 위해서 몰드는 약 20~30℃까지 냉각되어야 한다. 이것은 모든 제조 주기 동안에 수행되어야 하며, 이 프로세스는 상당한 양의 에너지를 소비한다.

이런 상황을 극복하기 위해 연구팀은 새로운 종류의 템퍼링 기술을 개발했다. 이 기술은 이전에 사용되는 다른 기술에 비해 90%까지 에너지를 절약할 수 있다. 이 방법은 전체 금형을 가열할 필요가 없기 때문이다. 가열되는 부분은 용융 플라스틱과 실제로 접촉하는 금형 표면이다.

우선 스퍼터링(Sputtering)이라고 알려진 진공 기반의 코팅 기술을 사용해서 금형 벽을 코팅한다. 절연 기판의 원자를 당구공으로 사용하는 당구 게임을 상상해 보자. 에너지가 풍부한 이온으로 그들을 때리면, 그들은 진공 챔버 주위로 보내지게 된다. 스퍼터링된 재료는 단지 몇 마이크로 두께를 가진 층으로 금형 표면 위에 증착된다. 이런 지극히 얇은 코팅은 바람직한 온도까지 금형 표면을 가열하는데 사용될 수 있고, 사출성형 동안에 발생하는 열역학적 스트레스를 견딜 수 있다.

금형 아래의 전도성 가열층을 보호하는 세라믹층에 의해 전기 절연이 이루어진다. 실제로 가열되는 이 층은 특별하게 디자인된 전도성 하드(Hard) 물질로 만들어진다. 이런 경우 스퍼터링은 어떠한 단락도 없는 완벽하게 절연된 층을 제조할 수도 없을 뿐만 아니라 박막 가열층 속에 센서를 집적시키는 것도 어렵다. 그러나 여기에 설치된 센서는 금형 벽의 온도를 측정할 수 있고 제조 프로세스를 조절하는데 사용될 수 있다.

이를 가능하게 하기 위해 연구진은 매우 미세한 열전대를 사용했다. 이 열전대는 니켈 또는 니켈-크롬 합금으로 만들어지고 두께는 몇 백 나노미터밖에 되지 않는다. 열전대는 박막 기술을 사용해 제조될 수 있고 절연층 속에 결합될 수 있다. 지극히 낮은 질량 때문에 열전대는 온도 변화에 매우 빠르게 반응하고 이것은 금형 벽의 온도를 직접적으로 측정할 수 있게 한다.

산업 적용 위한 준비 완료

일련의 실험을 통해 연구진은 박막 가열이 바람직한 금형 벽 온도를 매우 빠르게 달성하는데 사용될 수 있다는 것을 증명했다. 이번 연구진은 이 프로세스를 산업에 적용할 수 있는 파트너를 찾고 있다.

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