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제목 MKE 김명호 대표이사, 점도 측정의 비밀을 풀어내다
작성자 플라스틱코리아
글정보
Date : 2019/04/01 17:20

 

 

지난 3월 12일부터 16일까지 개최된 Koplas 2019에서 MKE 대표이사이자 한남대 화공신소재공학과 김명호 교수는 세미나에서 ‘효과적인 Intelligent Compounding을 위한 물성 측정과 활용 기법’을 발표하고, 부스를 통해 실험실 규모의 Batch Internal Mixer와 Minicompounder, 용융점도와 용융강도 등 Rubber 소재의 전단점도 측정장비 Rubber Screw Rheometer, 플라스틱 Melt의 전단점도 측정장비 Melt Screw Rheometer, 용융강도 측정장비 MS-ELVis, 복합물성 측정기 RheoStation, 소형 필름 성형장비인 EzCast MiniCombo 등을 전시했다. MKE에서 준비한 세미나 내용과 intelligent compounding 관련장비들에 대해 알아봤다.

 

  

Intelligent Compounding 세미나

‘효과적인 Intelligent Compounding을 위한 물성 측정과 활용기법’ 세미나에서 김명호 대표는 2008년부터 자신이 명명한 지능형 컴파운딩(Intelligent Compounding)에서 가장 중요한 것은 관리항목으로 그동안 일반적으로 사용하던 MI와 사용물성에서 벗어나 고객 사용 기기에 초점을 맞춰 필요한 가공물성을 관리항목으로 설정하는 것이 핵심이라 강조했다.

현재 한국 플라스틱 산업은 이러한 Intelligent Compounding을 접목해 컴파운딩 산업과 기술의 고도화가 요구되는데, 이를 위해 플라스틱 기술 역량의 필요성에 집중해야 한다고 밝혔다. 조금 오래된 자료지만 통계청 자료에 따르면, 우리나라는 수지공급업계의 매출과 제품성형가공업계의 매출이 2014년 기준으로 합성고무 플라스틱 물질 매출 40조원, 고무 및 플라스틱 제품 매출 65조원이다.

플라스틱 물질의 국내 소비 50%를 기준으로 원료 대비 제품 매출액은 3.5배로 OECD국가 일반통계인 6~7배 정도의 가치창출 수치에 비해 낮아 한국 플라스틱산업은 고도화의 가능성이 충분하다. 다시 말해 우리나라 플라스틱산업의 고도화는 원료 대비 제품의 매출 비율을 현재의 3.5배에서 3~4배 정도로 향상시킬 수 있는 무궁무진한 기회가 생길 수 있으며, 이를 통해 요즘 문제가 되고 있는 양질의 일자리 창출도 가능하다고 강조했다.

컴파운딩업계는 원료공급업계에서 대응하기 힘든 고객 니즈에 부합하는 품질, 가격, 시간의 가치를 제공하고 있다. 따라서 컴파운딩업계를 고도화는 경험 기술 중심에서 벗어나 측정을 통한 계산과 예측 중심의 기술로 전환하고, 연속 품질을 담보할 수 있는 모니터링 시스템을 도입하는 방법으로 이뤄져야 한다는 것이 김대표의 뜻이다.

컴파운딩 기술 구현에 있어 Mixing(혼련)과 Degradation(분해)의 주요한 특성을 설명한 후 흐름을 규정하는 유일한 물성이 Viscosity(점도)라고 설명하면서 점도 측정과 관리가 Intelligent Compounding의 핵심이 되는 이유를 설명했다. 현장에서 혼용 사용으로 불편을 초래하고 있는 블랜딩과 컴파운딩의 용어 차이는 녹은 물질끼리 섞는 것과 녹는 물질과 녹지 않는 물질을 섞어주는 것의 차이라는 것을 명확히 구분하고, 컴파운딩은 이를 위해 반드시 사이드피더를 이용해 필러를 투입하는 것이 필요하다고 밝혔다.

믹싱 기초이론에서 이를 설명하기 위해 널리 이용되는 Harold Grace[1982]의 액적분산 동영상을 보여주며, simple shear flow와 elongation flow를 적용한 두 가지 사례에서 바깥(matrix) 물질의 점도가 더 작고 내부(domain)의 액적 점도가 클 경우 전단속도(shear flow)만을 이용할 때 전단속도를 아무리 올려줘도 분산되지 않고 액적만 제자리에 돌 뿐 물질이 잘 섞이지 않는다는 것을 보여줬다. 트윈 스크류에서 이들을 믹싱하기 위해 니딩블록(kneading blocks)을 이용해 elongation flow를 도입하고, 믹싱을 보완해야 원하는 혼련 정도를 얻을 수 있다는 것을 명확히 했다.

따라서 트윈 스크류의 믹싱을 위해서는 반드시 니딩블록이 필요하지만, 최근 국내에서 외국 업체들이 니딩블록 없어 믹싱이 제대로 이뤄지지 않는 MiniLab과 MicroCompouder 등을 소량 컴파운드 제조를 위해 판매하는 것을 보고 안타까워했다.

니딩블록이 없는 기계는 실제 트윈압출기와는 다르다. 컴파운딩의 소량 screening에 이용할 때 실제 컴파운더와는 전혀 다른 결과가 나올 수 있기 때문이다.

김 대표는 기존의 batch recirculation 형태의 기기로는 컴파운딩 효과를 얻을 수 없음을 명확히 하고, 이에 대한 대안으로 새로 개발한 짧은 배럴을 갖고 트윈이 같이 연속작업을 수행하는 축약형 MKE Minicompounder를 제시했다.

MKE 부스에 전시된 MiniCompounder는 블랜딩과 컴파운딩, 사이드피딩, Liquid Injection 등 모두가 가능한 co-TSE로, 매우 짧은 17:1(L/D)로도 이 모든 기능을 수행할 수 있다. 연속 컴파운더이면서도 최소 처리량 500g 배치를 운용할 수 있고 최대 처리량은 5㎏/hr로 연속 컴파운딩 기로도 운용이 가능한 기기로 MKE에서 Intelligent Compounding의 핵심설비로 제안하는 기기다.

이번 전시회에 출품한 Rubber Screw Rheometer를 비롯해 MKE 실험실에 보유하고 있는 Melt Screw Rheometer, RheoStation, Injection Molding Rheometer(IMR) 등을 통한 점도 측정에 대한 실험 결과를 사례로 들었다.

MKE는 전단점도를 단일 온도 설정에서 0.1부터 106 [1/sec]까지 복잡한 시간-온도-중첩원리(TTS) 없이 광범위한 전단점도에서 점도 측정기술을 확보하고 있다. 이러한 광범위한 전단점도를 한 기관에서 측정하는 기술은 세계적으로도 드문 경우라고 김 대표는 강조했다.

 

 

물성 측정 서비스(Polymer Testing Service)

그동안 플라스틱의 물성이라고 하면 기계적 물성, 광학적 물성 등 사용자 물성(End-use property)을 칭하는 것이 일반적이고, 이러한 물성의 측정은 공인시험 기관에 의뢰해 측정했었다. 하지만 플라스틱을 가공할 때 필요한 정보는 가공물성(Polymer Processing Property)을 통해 얻을 수 있는데, 이 물성의 측정은 일반적으로 잘 알려지지 않아 이에 대한 이해가 부족한 것이 사실이다.

업체들이 원하는 제품생산에 필요한 것은 원료의 가공물성이다. 사용자 물성은 제품개발과 품질관리에 널리 이용되고 있으나, 가공물성은 제품 생산과정에서 가공업체에서 원하는 ‘가공공정에 잘 맞는’ 제품 생산을 가능하게 하는 물성으로, 생산성과 수율을 향상에 직접적인 영향을 준다.

가공물성에는 용융점도, 동마찰계수, 겉보기 밀도 등 적절한 조절을 통해 동일 조건의 원료 개발이 가능하다. 이러한 가공물성을 측정할 수 있는 측정시스템을 갖추고 있는 기업은 국내는 물론 세계적으로도 흔하지 않아 국내에서는 그 중요성에 비해 많이 알려지지 않았다.

또한, 많은 경우 가공물성은 측정 재현성을 확보하기 힘들기 때문에 일부를 제외하고는 지금까지도 ISO와 ASTM 표준이 없다. 이는 측정 노하우가 있어야 재현성을 확보되는데, 대부분 측정 노하우 데이타가 없어 처음부터 측정을 포기하거나 형식적인 절차로만 인식하게 된다. 용융점도가 가공물성의 대표적이지만, 수지 용융점도 측정은 지금까지 측정 재현성이 충분하지 않아 측정결과를 log-log 도표를 이용하는 상대적인 수치로 여겨져 왔다.

이러한 업계의 고민을 해결하고자 MKE는 현장의 니즈를 파악하고 맞춤형 솔루션을 제공하고자 개발제품의 스케일업에 필수적인 가공물성 측정을 위해 고분자 가공물성 측정의 첨단기술플랫폼을 구축했다. 국내 발표에 이어 지난 3월 미국 디트로이트에서 개최되는 SPE ANTEC과 DOW Chemical에서 연구성과를 발표하고, 관련 측정 노하우를 보유하고 있는 기관들과 협력사업을 추진할 예정이다.

MKE에서 제공하는 물성 측정 서비스는 물성에서 반드시 필요한 정확도와 재현성을 기반으로 한 가공물성 측정 서비스로, 원료 가공시에 생산성 향상과 품질향상을 위해 필요한 물성이다. 물성 측정 오차를 방지하기 위해 사람의 개입을 막고 시간이 지나도 균일한 관리가 가능하도록 컴퓨터 제어시스템을 사용하고 있다.

특히, 국내에서 측정하지 못해 해외 기관을 이용하고 있는 P-v-T는 수지의 체적이 온도와 압력에 따라 어떻게 변화하는지를 측정하는 것으로 사출성형 해석에서 필수적인 측정으로 알려져 있다. 또한 플라스틱의 용도 확장에 따라 점차 중요해지고 있는 열전도도를 측정할 수 있는 서비스도 제공하고, 펠렛 제공만으로 밀도와 열용량 측정 없이 직접 열전도를 얻는 방법을 채용해 간편성을 장점으로 제안하고 있다.

 

  

TRY P-TEC

이러한 물성 측정서비스를 기반으로 MKE는 고기능 플라스틱 부품 소재의 고도화를 위해 Polymer Technology를 제공하고 있다. MKE의 사업 모토이기도 한 ‘TRY P-TEC’은 Project(개별기업 프로젝트), Testing(가공물성 측정 서비스), Education(가공실험 교육훈련), Consulting(고분자가공 기술컨설팅) 등의 솔루션을 통해 Time to Market(납기 단축), Rate-up(생산성 향상), Yield-up(불량률 감소) 등 엔지니어링 솔루션을 고객사에 제공한다는 MKE의 의지를 축약시킨 말이다.

먼저, 고점성 물질의 점도 측정방법은 회전형 점도계, 캐필러리 점도계, 스크류형 점도계가 산업적으로 이용되고 있다. 이 중 Screw Rheometer는 ‘잊혀졌던’ Rheometer로, 오랜 연구개발 끝에 이제 본격적인 상용화에 돌입했다. 김 대표 본인이 직접 경험해본 결과, Screw Rheometer를 이용한 측정법은 측정시 상당한 노하우를 요구하는 측정방법으로 그 동안 상용화가 왜 힘들었는지 이유를 개발 과정에서 절감할 수 있었음을 토로했다.

나머지 두 가지 측정방법인 Rotation Rheometer와 Capillary Rheometer의 경우 그동안 널리 이용되면서 점도값을 상대적인 값으로 인식시켜 왔던 측정법으로, 이는 기기 내에서 용융시켜 측정하기까지 시간이 오래 걸려 열이력의 일정한 컨트롤이 불가능한 방법이다.

반면, MKE가 개발한 Screw Rheometer는 기본적으로 압출기를 이용하기 때문에 일정한 시간이 지난 후 측정을 컨트롤해도 일정하게 유지되고, 재현성이 보장된다.

무기 필러함유 물질인 경우 Capillary Rheometer에서 필러 함량이 15% 이상 넘어가면 클로깅(clogging) 현상이나 용융물 전이(migration)현상이 일어나 측정 재연성이 떨어지거나 측정이 불가능한 경우가 발생하게 된다. 하지만 Screw Rheometer는 WPC 경우에서 최대혼합(maximum packing density)인 75% 목분함량까지도 측정 가능하다는 것을 확인했다. 스크류는 기본적으로 측정 중에 계속 혼련되기 때문에 측정이 가능했으며, 이는 Screw Rheometer의 큰 장점이다.

또한 Melt Screw Rheometer는 써머플라스틱의 전단점도 측정에서, PET, PA6, PA66 등 엔지니어링 플라스틱의 Ⅳ 대체 점도로 이용해 측정할 수 있는 방법을 개발하고, PPS, PEEK, PSU 등 슈퍼엔지니어링 플라스틱의 전단점도도 측정과 PLA, PBS, PBAT, PHA 등 biodegradable polymer의 열안정성 평가 및 점도도 측정할 수 있다. 활제, 첨가제, 필러의 가공성 영향평가도 가능하고, 특히 최근 관심이 증대되는 LFT(Long-Fiber reinforced Thermoplastic), 나노 셀룰로오스, 그래핀 소재의 점도 측정도 가능한 설비다.

  

Rubber소재 전단점도 측정장비

Rubber Screw Rheometer는 Rubber 소재의 전단점도를 측정하는 장비다. Rubber는 원료물질이 괴상으로 일반 압출기로는 피딩이 안 된다. 이러한 피딩을 개선한 것이 Rubber Screw Rheometer로 200년만에 최초로 Rubber의 전단점도를 재현성 있게 측정이 가능하다. 지금까지 Rubber의 전단점도 측정은 불가능했다. 측정할 때마다 측정 수치가 일정하지 않아 점도를 신뢰하기 힘들었다. 이렇듯 점도의 재현성에 신뢰성이 없어 상대적인 수치로 여겨졌는데, 4번의 실험 분석 결과에서 재현성이 구현되고 점도 수치가 절대적인 값으로 바뀌게 됐다. 김 대표는 “물성 측정의 일대 패러다임이 전환된 것을 의미하며, 다우케미켈의 요청으로 강연도 했다.

일반적으로 지금까지 용융점도 측정 결과는 10%의 정확도로 측정된 캐필러리 점도를 이용해왔다. 하지만 Rubber Screw Rheometer의 점도 측정 오차는 2~3% 내의 오차만을 허용한다. 측정영역은 10~1000(1/sec)이며, 고무·천연고무 전단점도 측정은 측정의뢰 다음날이면 측정이 완료될 만큼 신속한 서비스를 제공한다.

Rubber Screw Rheometer는 천연고무 lot간(원산지, 컨테이너별) 퀄리티 컨트롤이 가능하고, 전단점도 측정을 통한 처방(recipe)별 차이를 측정할 수 있다. Rubber/Elastormer 원료의 특성 파악과 첨가제의 가공성 영향평가 역시 가능하다.

김 대표는 “이제 Melt Screw Rheometer를 이용해 플라스틱의 Intelligent Compounding 지표로 이용할 수 있는 용융점도 측정이 가능하고, Rubber Screw Rheometer를 이용해 복잡한 고무원료 선택과 컴파운드 관리에 높은 분해능력을 갖는 측정법을 이용할 수 있는 시대로 진입했다”고 강조했다.

MS-ELVis(Elongational Viscosity) Station은 Melt Strength(용융강도; 가공공정 물성)를 측정할 수 있는 장비로, 현재 보급돼 있는 장비는 Goettfert사의 장비가 유명한 편이다. MS EL-Vis Station은 상부에 장착된 14mm 압출기에서 토출되는 일정양의 압출 스트랜드를, 일정한 가속비를 이용해 권취하면서 가해지는 load를 측정해 용융강도를 측정한다.

압출기의 경우 서징 발생으로 일정한 피딩이 안 되는데, 이럴 경우 압출기 피딩이 불가능하다. MKE는 축적된 노하우를 토대로 설계된 스크류를 적용해 일정한 피딩이 이루어지면서 안정된 스트랜드를 기기에 유입할 수 있는 장비를 개발해 상용화했다. 측정 오차 한계는 0.1cN(centi-Newton)이며, 최대 속도 1500㎜/sec으로, 컴퓨터로 제어 가속을 설정할 수 있다.

여기에 아직 외부에 공개하지 않고 내부적으로만 측정 서비스를 하고 있는 복합물성 측정기 RheoStation도 함께 소개했다. 이 기기는 1년간 테스트를 거친 후 검증이 완료되면 공개될 예정이다.

RheoStation은 Capillary rheometer만을 측정 뿐만 아니라 열전도도를 측정하고, P-v-T를 측정해 수지의 온도와 압력 변화에 따른 체적 변화를 측정할 수 있다. 또 다른 장점으로는 전 세계 최초로 Motor driven과 Pressure driven을 모두 수행할 수 있는 유일한 장비다. MKE는 국내에서 RheoStation을 공격적인 마케팅으로 보급해 업체들이 제대로 된 장비를 사용하면서 생산성을 높여야 한다고 강조했다.

파일롯 캐스트 필름 설비인 EzCast Mini Combo는 전 세계 두 개 기업만 보유하고 있는 필름 솔루션으로 500g으로 폭 100㎜, 두께 300㎛까지 생산할 수 있는 실험실용 랩 장비이며, 5월 말까지 캐스팅 필름과 블로운 필름 모두 가능한 SUPER EP(Engineering Plastics) 필름 개발을 완료할 예정이다.

  

www.mkepolymer.com

Tel. 042-347-5734

  

  

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