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문제 정의
- 대전방지제를 사용하여 펄프 몰드 포장소재로 인해 발생할 수 있는 정전기의 대전 전압을 감소시키고자 하였다. 대전방지제의 농도를 증가시킴에 따라 펄프 몰드의 대전전압과 표면저항을 감소시킬 수 있었다.
- 본 연구를 통해 이들 물질 중의 하나를 펄프 몰드의 평량과 유사하게 제조된 종이에 적용하여 정전기 방지 효능을 확인한다면 폐지로 제조되는 펄프 몰드에도 정전기 방지 기능을 부여할 수 있음을 의미하는 것이다. 이를 통해 향후 많은 수요가 예측되는 정전기 방지 기능을 갖는 펄프 몰드 제조에 응용할 수 있는 기초 자료로 이용하고자 하였다.
- 본 연구를 통해 이들 물질 중의 하나를 펄프 몰드의 평량과 유사하게 제조된 종이에 적용하여 정전기 방지 효능을 확인한다면 폐지로 제조되는 펄프 몰드에도 정전기 방지 기능을 부여할 수 있음을 의미하는 것이다. 이를 통해 향후 많은 수요가 예측되는 정전기 방지 기능을 갖는 펄프 몰드 제조에 응용할 수 있는 기초 자료로 이용하고자 하였다.
제안 방법
- 2와 같이 종이와 합성섬유를 5회에 걸쳐 일정하게 문지른 후 그 때 발생되는 대전전압을 측정하였다. 각 시료당 10회씩 대전 전압을 측정하여 그 평균값을 나타내었다.
- 7은 대전방지제를 처리한 펄프 몰드가 놓여 있는 환경의 상대습도에 따라 펄프 몰드의 대전 전압이 어떻게 영향 받는가를 보여준다. 상대습도의 조절은 디지털 제어가 가능한 가습기와 제습기를 사용하여 진행하였다. 각각의 대전방지제 농도에서 상대습도가 21%에서 23% 이상으로 높아지면서 정전기 대전전압이 급격히 낮아지는 것을 확인 할 수 있었다.
- KONP는 물에 수 시간 침지시킨 후 실험실용 표준해리기로 7,200 rpm의 속도에서 완전히 해리시킨 후 시편을 제조하였다. 시편을 제조할 때 KONP의 현탁액에 습윤지력증가제(polyamine-polyamide-epichlorohydrin resin, Finex 414, TGChem Co.)와 AKD(EXPEL 200D, TGChem Co.)를 전건펄프의 중량(g)에 대하여 각각 1%와 0.1%를 첨가하였고 TAPPI Test Method T205에 의거하여 시편의 평량 200 g/m2로 제조하였다.
- 일정 크기로 재단한 종이 시료(120 mm×120 mm)에 대한 표면저항 측정방법은 KSCIEC61340-2-3의 대전 방지 재료(정전기 전하 축적을 방지하기 위해 사용되는)의 저항 측정에 의거하여 시료 위에 표면 저항계(ST-3, Simco, Japan)의 측정 전극을 올려놓고 10초가 지난 후에 시료의 표면저항을 측정하였다.
- 시료에 대한 대전 전압 측정 방법은 KSCIEC61340-2-2의 마찰시험법(rubbing tests)에 의거하여 합성섬유를 시료(120mm×120mm)와 마찰시킬 때 발생되는 대전 전압을 정전기 측정기(FMX-003, Simco, Japan)로 측정하였다. 정전기 발생을 위한 마찰 실험을 위해 고분자 물질의 대전 서열 중에서 종이와의 서열 차이가 가장 큰 폴리에스테르계 합성섬유를 마찰재료로 선택하였고, Fig. 2와 같이 종이와 합성섬유를 5회에 걸쳐 일정하게 문지른 후 그 때 발생되는 대전전압을 측정하였다. 각 시료당 10회씩 대전 전압을 측정하여 그 평균값을 나타내었다.
대상 데이터
- 국내에서 발행되는 일간 신문용지(Korean old newspaper, KONP)를 수집하여 함유된 이물질을 모두 제거하고 공시재료로 사용하였다. KONP는 물에 수 시간 침지시킨 후 실험실용 표준해리기로 7,200 rpm의 속도에서 완전히 해리시킨 후 시편을 제조하였다.
- 본 연구에 사용된 대전방지제는 고분자 물질, 종이, 탄화수소계의 액체 등 고유저항이 큰 재료에 적용하여 이들의 도전성을 향상시키기 위해 사용되고 있는 glycerol monstearate(GMS, AMPACET, USA)를 사용하였다. 제조된 종이 시편에 대전방지제를 도포 처리하기 위해 사용된 장치는 자동코터(SB1000, 명성계측기)이다.
이론/모형
- 1% 농도의 호화전분에 대전방지제를 희석한후 도포하였다. 도포한 시료에 대한 시편 표면의 형상을 관찰하기 위하여 주사전자현미경(JSM-6400, JEOL)을 사용하였다.
- 시료에 대한 대전 전압 측정 방법은 KSCIEC61340-2-2의 마찰시험법(rubbing tests)에 의거하여 합성섬유를 시료(120mm×120mm)와 마찰시킬 때 발생되는 대전 전압을 정전기 측정기(FMX-003, Simco, Japan)로 측정하였다.
성능/효과
- Fig. 5의 (a)에서 보는 바와 같이 대전방지제의 농도가 높아질수록 펄프 몰드의 표면에 적용되는 대전방지제의 코팅량도 증가하였다. 또한 Fig.
- 물체의 표면에 일시적으로 머무르는 다량의 전하는 물체의 표면에서 일어나는 전자의 과잉 또는 부족으로 인해 발생한다.1) 정전기는 크게 두가지로 나눌 수 있는데 어떤 두 물체가 접촉했다가 다시 분리될 때 발생하는 마찰 정전기와, 대전된 물체 주위에 전도성 물체가 있을 때 발생하는 유도 정전기가 있다. 특히 수만 볼트에 해당하는 유도 정전기는 전자 제품에 심각한 피해를 주는 원인이 되고 있다.
- 즉, 정전기 방출이 충분한 에너지를 가지고 있다면 전자제품 내의 국부적인 과열로 인해 손상이 일어날 수 있다.3) 일반적으로 더 정교한 전자장비 일수록 정전기로 인한 손상에 보다 더 민감하다. 따라서 이들 제품의 포장에 사용되는 포장재는 정전기 방지 처리가 반드시 되어 있어야만 제품의 손상을 방지할 수 있다.
- Table 1은 대전방지제의 코팅 농도와 코팅 횟수에 따른 코팅량의 변화를 보여준다. 각 코팅 농도별로 코팅 횟수가 증가할수록 코팅량이 증가하였다. Fig.
- 상대습도의 조절은 디지털 제어가 가능한 가습기와 제습기를 사용하여 진행하였다. 각각의 대전방지제 농도에서 상대습도가 21%에서 23% 이상으로 높아지면서 정전기 대전전압이 급격히 낮아지는 것을 확인 할 수 있었다. 특히 상대습도가 45%일 때는 20%대 수준에 비해서 대전방지제의 처리 농도에 관계없이 현저히 낮은 값을 나타내었다.
- 또한 대전방지제의 농도가 증가함에 따라 상대습도의 크기에 관계없이 표면 저항이 감소하였다. 결론적으로 상대습도가 펄프몰드의 대전저항에 밀접한 관련이 있음을 확인할 수 있었고, 대전방지제의 농도가 15% 이상이 될 경우 각 농도별 표면저항에 있어서는 큰 차이를 보이지 않았다.
- Table 2는 반도체 소자별 정전기 파괴 민감 전압을 나타내는데, 각 종류별로 최소 30 V, 최대 7,000 V까지 다양한 정전기 발생 범위를 보이고 있다. 그러나 본 연구에서 적용된 대전방지제의 농도 12% 수준 이상에서는 겨울철과 같이 대기 중의 수분이 거의 없는 매우 건조한 조건에서도 반도체의 종류에 관계없이 정전기로 인한 피해 자체를 원천적으로 차단할 수 있음을 확인할 수 있었다. 펄프 몰드의 경우에는 반도체 자체를 포장하기 보다는 반도체를 일부 부품으로 채택한 전자제품을 포장하는 용도로 사용되기 때문에 반도체보다도 훨씬 더 높은 민감 전압 범위가 적용될 것이고, 이에 따라 전자제품 포장에 사용되는 펄프 몰드는 정전기를 완전히 차단할 수 있을 것으로 기대할 수 있을 것이다.
- 대전방지제의 각 농도별로 상대 습도 21-25% 범위에서는 표면 저항에 있어서 큰 차이를 보이지 않았고, 상대습도가 45%로 높아지면 표면 저항이 9 Ω 이하로 매우 크게 낮아졌다.
- 여기에서 볼 수 있는 바와 같이 대전방지제의 처리 농도가 높아짐에 따라 펄프몰드의 함수율이 증가하는 것을 쉽게 확인할 수 있다. 대전방지제의 농도가 12% 이상이 되면서 펄프 몰드의 함수율은 10%이상 높아졌고, 대전방지제의 농도가 15% 보다 커지면서 함수율 증가폭은 줄어들었다. 대전방지제가 처리된 펄프몰드는 대전방지제의 친수성기가 바깥쪽으로 배향되면서 대기 중으로부터 수분 흡착이 급격히 일어나 펄프몰드의 함수율 증가에 크게 기여한 것으로 보인다.
- 대전방지제의 농도가 높을수록 펄프몰드의 표면저항은 감소하였고, 9% 이상의 농도에서 표면저항이 12 Ω 미만으로 낮아짐으로써 정전기 방지 효과를 갖는 것으로 나타났다.
- 6은 대전방지제의 도포 횟수에 따른 대전 전압의 변화를 보여준다. 앞서 살펴본 바와 같이 대전방지제의 농도가 증가할수록 정전기 대전전압이 빠르게 감소하는 것을 확인할 수 있었고, 특히 대전방지제의 도포 횟수가 1회에서 3회로 증가할수록 대전전압이 무처리보다 96-99% 수준까지 감소하였다. 대전방지제의 농도가 10% 이상일 때에는 두번 이상의 표면 도포 처리가 정전기 방지 효과에 있어서 큰 차이를 만들지는 않았다.
- 펄프 몰드가 놓인 환경에서 상대습도를 높게 할수록 대전방지제의 농도에 상관없이 펄프몰드의 대전전압과 표면저항이 낮게 측정되어 정전기 방지 효과가 향상되었다. 주사전자현미경(SEM)을 이용하여 시편 표면의 형상을 관찰한 결과 대전방지제가 펄프몰드의 표면을 완전히 피복하여 대전방지 효과와 함께 분진 방지 효과를 동시에 얻을 수 있었다.
- 대전방지제의 농도를 증가시킴에 따라 펄프 몰드의 대전전압과 표면저항을 감소시킬 수 있었다. 특히 대전방지제의 농도가 15% 이상일 때에는 겨울철과 같이 매우 낮은 습도에서도 정전 분산(static dissipative) 범위에 들었고, 전자 부품 포장백으로 사용되는 정전기 방지용 플라스틱 백이 갖는 정전기 방지 효과보다도 우수한 결과를 나타내었다. 펄프 몰드가 놓인 환경에서 상대습도를 높게 할수록 대전방지제의 농도에 상관없이 펄프몰드의 대전전압과 표면저항이 낮게 측정되어 정전기 방지 효과가 향상되었다.
- 특히 대전방지제의 농도가 15% 이상일 때에는 겨울철과 같이 매우 낮은 습도에서도 정전 분산(static dissipative) 범위에 들었고, 전자 부품 포장백으로 사용되는 정전기 방지용 플라스틱 백이 갖는 정전기 방지 효과보다도 우수한 결과를 나타내었다. 펄프 몰드가 놓인 환경에서 상대습도를 높게 할수록 대전방지제의 농도에 상관없이 펄프몰드의 대전전압과 표면저항이 낮게 측정되어 정전기 방지 효과가 향상되었다. 주사전자현미경(SEM)을 이용하여 시편 표면의 형상을 관찰한 결과 대전방지제가 펄프몰드의 표면을 완전히 피복하여 대전방지 효과와 함께 분진 방지 효과를 동시에 얻을 수 있었다.
후속연구
- 4) 하지만 이러한 방법은 전자제품을 제조하는 단계나 포장하기 전의 단계에 해당 하는 것이고, 제품용으로 판매하는 단계에서 발생하는 정전기는 정전기 방지 처리가 된 포장재료의 사용과 같은 별도의 처치가 필요하다.
- 6) 이와 함께 친환경 기능까지 갖춘 포장완충소재가 사용된다면 그 수요가 빠르게 증가될 것으로 전망된다. 정전기 방지 기능, 충격완화기능, 그리고 환경 친화적 특성을 갖는 완충재가 바로 펄프몰드 완충재이다.
- 11의 (c))과 마찬가지로 표면 조직이 완전히 피복되어 있어 섬유의 탈리를 원천적으로 방지할 수 있다. 즉, 대전방지제를 처리하게 되면 대전방지 효과와 더불어 펄프 몰드에서 빈번하게 발생하는 분진 문제를 함께 해결할 수 있을 것으로 기대할 수 있었다.
- 그러나 본 연구에서 적용된 대전방지제의 농도 12% 수준 이상에서는 겨울철과 같이 대기 중의 수분이 거의 없는 매우 건조한 조건에서도 반도체의 종류에 관계없이 정전기로 인한 피해 자체를 원천적으로 차단할 수 있음을 확인할 수 있었다. 펄프 몰드의 경우에는 반도체 자체를 포장하기 보다는 반도체를 일부 부품으로 채택한 전자제품을 포장하는 용도로 사용되기 때문에 반도체보다도 훨씬 더 높은 민감 전압 범위가 적용될 것이고, 이에 따라 전자제품 포장에 사용되는 펄프 몰드는 정전기를 완전히 차단할 수 있을 것으로 기대할 수 있을 것이다.
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