[논문]초발수 곡면표면 실리콘 사출금형성형기술

이성희; 강정진; 이종원; 홍석관; 고종수; 이제훈; 노지환

doi:10.7736/kspe.2012.29.1.013

초발수 곡면표면 실리콘 사출금형성형기술
Silicone Injection Mold & Molding Technology for Super-hydrophobic Curved Surface 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.29 no.1, 2012년, pp.13 - 18

이성희 (한국생산기술연구원 금형기술센터) , 강정진 (한국생산기술연구원 미래융합연구그룹) , 이종원 (한국생산기술연구원 금형기술센터) , 홍석관 (한국생산기술연구원 미래융합연구그룹) , 고종수 (부산대학교 기계공학부) , 이제훈 (한국기계연구원 광응용기계연구실) , 노지환 (한국기계연구원 광응용기계연구실)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, silicone injection molding technology with curved thermoplastic insert was developed to produce super-hydrophobic surface. Thermoplastic insert part and injection mold design of base plastic cover were performed to produce cost effective hydrophobic surface part. An optimization process of part thickness for thermoplastic insert part was performed with transient thermal analysis under silicone over-molding process condition. Structural thermal analysis of silicone injection mold was also performed to obtain uniform temperature condition on the surface of micro-patterned mold core. Super-hydrophobic surface for the silicone injection molded part with thermoplastic insert could be verified from the measurement of contact angle. It was shown that the averaged contact angle was over $140^{\circ}$.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 가격경쟁력이 확보된 열가소성(thermoplastic) 수지를 인서트로 사용한 두께 500 ㎛, 면적 50x50mm 의 박막 LSR 곡면 인서트 사출금형기술에 대한 연구를 수행하였다. 이를 위해 플라스틱 인서트 부품에 대한 부품설계, 금형설계 및 사출성형실험을 수행하며, 성형된 플라스틱 부품을 인서트로 사용하여 초발수 곡면 표면을 갖는 실리콘 복합사출성형을 위한 금형설계, 사출성형 및 초발수 특성 평가 시험을 수행하고자 한다.
본 연구에서는 초발수 표면 구현을 위한 액상실리콘의 인서트 사출금형기술에 대한 연구를 수행하였다. 이를 위해 대면적(50mmx50mm) 곡면 플라스틱 인서트에 대한 부품설계, 금형설계, 금형제작 및 사출성형 실험을 수행하였고, 성형된 플라스틱 인서트 적용이 가능한 초발수 표면 구현용 복합 곡면 실리콘 사출금형설계, 제작 및 성형실험을 수행하였다.
단 재료가 일부 용도에 대하여 대응하지 못하는 점이 있고 다른 고무에 비해 고가라는 결점도 있어 금형기술에 대한 활발한 연구가 진행되지 못하고 있는 실정이지만, 최근 전자부품에서 초기 응력이 파손에 미치는 영향에 대한 연구,¹ 연료전지에서의 밀봉 재료로 사용시 사용수명에 대한 연구 ² 들이 계속적으로 진행되고 있다. 한편 본 연구와 같이 액상실리콘수지를 사용하여 초발수 특성 표면을 생성하기 위한 연구는 1997년 Barthlott and Neinhuis³ 의 연꽃잎 미세 돌기들이 초발수 특성에 미치는 영향에 대한 연구를 근간으로 한다. 이러한 현상은 1940 년대 이미 Cassie 와 Baxter 그리고 Wenzel 에 의해 예시되었으며, 최근 들어 많은 연구자들에 의해 여러 방법으로 연구가 진행되고 있다.

제안 방법

을 적용하였다. 미세 형상의 네크워크 구조를 이용해서 초발수성을 더욱 향상시키는 방법으로 미세 메쉬 구조 ¹¹등 여러 가지가 제안되어 왔는데 본 연구에서는 레이저에 의한 미세 가공특성을 고려하여 줄무늬형(stripe-type)의 미세 패턴을 곡면코어 상에 가공하였다. 레이저 미세 가공선폭은 10 ㎛이며 가공면적은 50x50mm² 이다.
금형은 2 캐비티 금형구조로 설계되었다. 본 금형의 설계에서 가장 중요시 된 부분 중의 하나가 금형의 온도측면이며, 3D 로 설계된 금형을 사용하여 금형의 온도분포를 파악하기 위한 열해석을 수행하였다. 해석의 대표적인 결과를 Fig.
설계 제작된 플라스틱 인서트 사출금형 및 복합 곡면 실리콘 인서트 사출금형을 이용하여 사출성형실험을 수행하였으며, 사출 성형된 시편을 Fig. 7 에 제시하였다. Fig.
곡면 가공을 위한 다이나믹 포커싱 범위는 3mm 이며, 레이저 파워 안정도는 2%/hr 이다. 이 때 레이저 파워 안정화를 위하여, 레이저 빔의 일부에 대한 측정치가 일정하게 유지되도록 레이저 파워를 피드백 제어하는 방식이 적용되었다. 일차적으로 대상코어의 곡면을 컨포컬 방식을 이용하여 측정한 후 측정된 곡면 데이터를 이용하여 폭이 10 ㎛인 마이크로 그루브 패턴 가공이 가능하였으며, 그 결과를 Fig.
열가소성 플라스틱 인서트의 두께 변화에 따른 액상실리콘 수지와 인서트가 접하는 부분에 대한 온도 변화 특성을 얻기 위해 사출유동전용 프로그램인 Moldflow^TM, AMI 2011 을 사용하여 반응성형(reactive molding) 해석을 수행하였으며, 반응점도모델과 Kamal 모델이 사용되었다. 이때 해석은 평판 인서트 모델에 대해 해석을 진행하였으며, 인서트 부품표면에 오버 몰딩되는 액상실리콘수지는 다우코닝의 SILASTIC 9280/50E 이다. 해석에 사용된 열가소성 플라스틱 인서트의 기계적 물성치는 Table 1 에 제시하였다.
제품의 외관상 플라스틱 인서트 부품의 외각에 핀포인트 형태로 게이트를 설계하는 것이 바람직하나, 중심부 두께의 박막 특성으로 인해 유동정체 현상이 발생됨을 확인할 수 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서는 유동거리가 짧게 되도록 게이트를 설치하는 것이 필요하여, 그림에서와 같이 중앙에 게이트를 설계하여 완전한 유동이 발생될 수 있도록 하였다. 이때 사용된 수지는 제일모직 PC LB1020 이다.
본 연구에서는 초발수 표면 구현을 위한 액상실리콘의 인서트 사출금형기술에 대한 연구를 수행하였다. 이를 위해 대면적(50mmx50mm) 곡면 플라스틱 인서트에 대한 부품설계, 금형설계, 금형제작 및 사출성형 실험을 수행하였고, 성형된 플라스틱 인서트 적용이 가능한 초발수 표면 구현용 복합 곡면 실리콘 사출금형설계, 제작 및 성형실험을 수행하였다. 인서트 부품의 설계에서는 500㎛급 박막 실리콘의 경화를 위한 플라스틱 두께의 최적화가 가장 중요하였으며, 실리콘 금형에서는 대면적의 실리콘 수지가 균일한 경화가 발생될 수 있도록 하기 위한 금형내 히터 설계가 가장 중요하였다.
따라서 본 연구에서는 가격경쟁력이 확보된 열가소성(thermoplastic) 수지를 인서트로 사용한 두께 500 ㎛, 면적 50x50mm 의 박막 LSR 곡면 인서트 사출금형기술에 대한 연구를 수행하였다. 이를 위해 플라스틱 인서트 부품에 대한 부품설계, 금형설계 및 사출성형실험을 수행하며, 성형된 플라스틱 부품을 인서트로 사용하여 초발수 곡면 표면을 갖는 실리콘 복합사출성형을 위한 금형설계, 사출성형 및 초발수 특성 평가 시험을 수행하고자 한다.
이 때 레이저 파워 안정화를 위하여, 레이저 빔의 일부에 대한 측정치가 일정하게 유지되도록 레이저 파워를 피드백 제어하는 방식이 적용되었다. 일차적으로 대상코어의 곡면을 컨포컬 방식을 이용하여 측정한 후 측정된 곡면 데이터를 이용하여 폭이 10 ㎛인 마이크로 그루브 패턴 가공이 가능하였으며, 그 결과를 Fig. 5 에 제시하였다.

대상 데이터

본 패턴가공에 사용된 레이저 파워는 10mW, 반복률 400kHz, 사용된 파장은 355nm 이며, 시편이송속도는 100mm/sec, 반복 가공횟수 25 회이다. 대상 면적에 총 2,500 개의 미세 그루브가 가공되었다.
미세 형상의 네크워크 구조를 이용해서 초발수성을 더욱 향상시키는 방법으로 미세 메쉬 구조 ¹¹등 여러 가지가 제안되어 왔는데 본 연구에서는 레이저에 의한 미세 가공특성을 고려하여 줄무늬형(stripe-type)의 미세 패턴을 곡면코어 상에 가공하였다. 레이저 미세 가공선폭은 10 ㎛이며 가공면적은 50x50mm² 이다. 곡면 가공을 위한 다이나믹 포커싱 범위는 3mm 이며, 레이저 파워 안정도는 2%/hr 이다.
본 패턴가공에 사용된 레이저 파워는 10mW, 반복률 400kHz, 사용된 파장은 355nm 이며, 시편이송속도는 100mm/sec, 반복 가공횟수 25 회이다. 대상 면적에 총 2,500 개의 미세 그루브가 가공되었다.

이론/모형

2 에서는 액상실리콘 인서트 사출성형과정에서 발생될 수 있는 금형, 플라스틱 인서트 및 실리콘 수지 사이의 열전도 개념도를 보여주고 있다. 열가소성 플라스틱 인서트의 두께 변화에 따른 액상실리콘 수지와 인서트가 접하는 부분에 대한 온도 변화 특성을 얻기 위해 사출유동전용 프로그램인 Moldflow^TM, AMI 2011 을 사용하여 반응성형(reactive molding) 해석을 수행하였으며, 반응점도모델과 Kamal 모델이 사용되었다. 이때 해석은 평판 인서트 모델에 대해 해석을 진행하였으며, 인서트 부품표면에 오버 몰딩되는 액상실리콘수지는 다우코닝의 SILASTIC 9280/50E 이다.
초발수 곡면코어의 가공을 위해 레이저 미세가공기술 ¹⁰ 을 적용하였다. 미세 형상의 네크워크 구조를 이용해서 초발수성을 더욱 향상시키는 방법으로 미세 메쉬 구조 ¹¹등 여러 가지가 제안되어 왔는데 본 연구에서는 레이저에 의한 미세 가공특성을 고려하여 줄무늬형(stripe-type)의 미세 패턴을 곡면코어 상에 가공하였다.

성능/효과

7(b)에 제시하였다. 미세 표면에 대한 음각은 금형에 레이져 가공을 통해 제작되었으며, 그림에서 보듯이 레이져 가공특성에 따른 미세 표면 형상이 전사되어 있음을 확인할 수 있었다.
본 모델의 경우 취출이 가능한 경화도를 0.5 로 가정할 때 인서트의 두께가 0.3mm 인 경우도 상부 대비 약 2 초의 지연이 발생되고, 두께가 가장 두꺼운 1.5mm 인 경우는 약 8 초 이상의 경화도 지연이 발생됨을 볼 수 있다. 이러한 지연 결과는 실리콘 성형부의 두께 방향 불균일 경화를 발생시켜 최종성형품의 품질에 영향을 미칠 수 있으므로, 인서트의 사출성형성을 고려하여 최소화 하는 것이 필요함을 알 수 있었다.
5mm 인 경우는 약 8 초 이상의 경화도 지연이 발생됨을 볼 수 있다. 이러한 지연 결과는 실리콘 성형부의 두께 방향 불균일 경화를 발생시켜 최종성형품의 품질에 영향을 미칠 수 있으므로, 인서트의 사출성형성을 고려하여 최소화 하는 것이 필요함을 알 수 있었다.
1 에서 같이 보여주고 있다. 제품의 외관상 플라스틱 인서트 부품의 외각에 핀포인트 형태로 게이트를 설계하는 것이 바람직하나, 중심부 두께의 박막 특성으로 인해 유동정체 현상이 발생됨을 확인할 수 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서는 유동거리가 짧게 되도록 게이트를 설치하는 것이 필요하여, 그림에서와 같이 중앙에 게이트를 설계하여 완전한 유동이 발생될 수 있도록 하였다.
인서트 부품의 설계에서는 500㎛급 박막 실리콘의 경화를 위한 플라스틱 두께의 최적화가 가장 중요하였으며, 실리콘 금형에서는 대면적의 실리콘 수지가 균일한 경화가 발생될 수 있도록 하기 위한 금형내 히터 설계가 가장 중요하였다. 플라스틱 인서트를 사용한 대면적 곡면 실리콘 사출성형 실험을 통해 이종의 소재가 완전히 접착된 초발수 표면을 갖는 부품성형이 가능하였으며, 접촉각 측정을 통해 평균 140 도 이상의 접촉각 특성을 갖는 부품성형이 가능하였다.

후속연구

한편 플라스틱 인서트는 일반 금형강 재료에 비해 매우 낮은 열전도 특성으로 인해, 액상실리콘 수지가 금형으로 유입시 금형의 열전달을 방해하는 절연물질로 작용할 수 있게 되므로, 액상실리콘 수지의 안정적인 경화 및 생산성을 확보하기 위해서는 플라스틱 인서트의 두께에 대한 최적화가 필요하다. Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	액상실리콘수지의 결점은 무엇인가?	특히 우수한 절연 및 내구특성으로 인해 오래 전부터 사용 되어 왔으며, 전기, 전자, 자동차, 의료, 스포츠 및여러 산업분야에서 응용범위가 계속적으로 확대되고 있는 실정이다. 단 재료가 일부 용도에 대하여 대응하지 못하는 점이 있고 다른 고무에 비해 고가라는 결점도Fig. 1 Designed shape of thermoplastic insert part for silicone injection over-molding (tb=500 ㎛, ts=500 ㎛) and effect of gate location on filling pattern for thermoplastic insert partF 있어 금형기술에 대한 활발한 연구가 진행되지 못하고 있는 실정이지만, 최근 전자부품에서 초기 응력이 파손에 미치는 영향에 대한 연구,1 연료전지에서의 밀봉 재료로 사용시 사용수명에 대한 연구 2 들이 계속적으로 진행되고 있다.
	액상실리콘수지란 무엇인가?	액상실리콘수지(liquid silicone resin, LSR)는 사출성형측면에서 고유동성이 확보된 수지이며, 내열성, 전기적 특성, 내습성, 내수성, 내약품성, 내후성 및 난연성의 특징을 갖는 수지이다. 특히 우수한 절연 및 내구특성으로 인해 오래 전부터 사용 되어 왔으며, 전기, 전자, 자동차, 의료, 스포츠 및여러 산업분야에서 응용범위가 계속적으로 확대되고 있는 실정이다.
	사출 금형성형 공정에서 플라스틱 인서트의 두께에 대한 최적화가 필요한 이유는 무엇인가?	한편 플라스틱 인서트는 일반 금형강 재료에 비해 매우 낮은 열전도 특성으로 인해, 액상실리콘 수지가 금형으로 유입시 금형의 열전달을 방해 하는 절연물질로 작용할 수 있게 되므로, 액상실리콘 수지의 안정적인 경화 및 생산성을 확보하기 위해서는 플라스틱 인서트의 두께에 대한 최적화가 필요하다. Fig.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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