플라스틱산업 사출 / 압출 / 금형 /원료

1. 서론 : 배경

플라스틱 산업은 시장규모가 매우 큰 산업이자, 일본의 중요한 기간산업 중 하나이다. 플라스틱은 열과 압력 등에 의한 가소성을 갖고 있으며, 임의의 형태로 가공·성형이 가능한 고분자로, 특히 양산화가 가능하기 때문에 폭넓은 용도로 사용되고 있다.
플라스틱에는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 염화비닐수지, ABS수지 등의 범용 플라스틱과 폴리카보네이트, 폴리아미드 등의 범용 엔프라를 비롯해 다양한 종류가 있으며 이들은 각각 경량성, 내구성, 내열성, 고강도, 가격 등의 특성을 살려 다양한 분야의 산업에 기여하고 있다. 때로는 산, 알칼리, 기름에 강하고 위생적으로 가스 투과성이 작아 식품 관련 용기로도 사용되고, 한편으로는 가볍고 녹슬지 않으며 전기 절연 특성이 뛰어나기에 반도체의 미세한 전자 회로의 배선을 가능하게 하는 프린트 기판 등에도 적용되고 있으며, 최근 급성장한 자동차·일렉트로닉스 산업에도 크게 기여하고 있다. 또한 생체 적합성과 위생 면에서 뛰어나 콘택트렌즈, 동맥풍선, 카테터, 주사기 등 의료 분야에서도 널리 사용되고 있다.
이처럼 뛰어난 특성을 자랑하는 플라스틱이지만, 플라스틱이 가진 전기절연성은 쌓인 전기를 흘리지 않기 때문에 정전기를 띠기 쉽다는 것을 의미하기도 한다. 정전기는 물체에 전하가 축적된 상태(대전)와 축적되어 있는 전하 그 자체를 뜻한다. 대전은 2개의 다른 재료를 접촉·박리·마찰하는 것만으로도 발생이 가능하다.
예를 들어 서로 다른 재료 A와 B를 고체 물리의 관점에서 보면 전자구조가 다르기 때문에 각각의 페르미 준위도 다르다. 따라서 그 재료들을 접촉시키면 한쪽 A에서 또 한편의 B로 전자의 유입이 생기고, 그 계면에서 밴드구조가 만곡함으로써 계면의 페르미 준위가 일치하게 된다. 그 상태에서 순간적으로 두 재료를 떼어내면, 전자가 나간 상태(재료 A)와 전자를 받은 상태(재료 B)가 유지되고, 재료 A는 플러스로, 재료 B는 마이너스로 대전하게 되는데 이것이

<그림1>이다.

한편 이 두 재료를 접촉한 상태에서 떼어내면 그 공간적 간격이 작은 영역에서 양쪽 간에 높은 전류가 발생하기 때문에 방전이 일어난다. 그 방전에 의해 공기 중에서는 전자 및 N+이온이 다량 생성되고, 접촉으로 인해 발생된 대전 전하와 역극성의 전하가 재료 표면에 부착된다(박리대전).

<그림1> 금속에 대한 접촉대전·박리대전의 개념

마찰 대전은 이러한 현상뿐만 아니라 마찰에 의한 발열과 마이크로프라즈마가 더해져 더 복잡한 현상이 일어난다. 이 과정에서 발생한 전하는 표면저항이 높은 플라스틱에서 표면 확산이 이뤄지지 않은 채 생성된 곳에 그대로 유지된다. 그로 인해 재료의 동일면에 정과 부의 대전전하가 혼재하게 되는 것이다.
또한 플라스틱은 가열·용융하여 제조하는 과정에서 재료 내 전하 주입과 분극이 유지, 즉 일렉트릿화하는 경우도 있다. 이러한 과정에서 생성된 대전은 전기적 인력과 척력을 초래해 주위의 가벼운 이물질이 제품의 오염을 일으키거나, 반송공정에서 정상적으로 움직이지 않고 예상하지 못한 곳에 달라붙어 생산문제를 일으키게 된다.
정전기는 습도, 온도, 접촉하는 표면 상태 등에 따라 대전량이 크게 달라지기 때문에 정전기에 기인한 문제는 재현성이 없으며, 원인 부위를 특정할 수 없는 경우도 종종 발생한다.
이와 같은 문제는 정전기가 어느 일정량을 넘게 되면 발생하는 대표적인 사례로 손꼽히지만, 사실 문제가 발생하지 않은 경우라 하더라도 정전기는 적잖이 발생하고 있다. 따라서 생산의 고효율화를 유지하기 위해서는 항상 정전기를 계측하고 관리하는 것이 중요하다.
현재 정전기와 관련해서는 계측기술들이 존재하고 있지만, 본문에서는 집속 초음파와 유기 전계를 이용한 정전기 시각화 시스템에 대해서 소개하고자 한다.

2. 개요, 특징, 시스템 구성

본문에서 소개하는 정전기 가시화시스템은 ▲집속 초음파 생성 및 주사 ▲전하 진동에 의한 시변 전계의 유기 ▲전계검출 및 정전기에 대한 정보 변환이라는 3가지로 구성되어있다.

2-1 집속 초음파 생성 및 주사 
본 기술은 먼저 공기 중의 물체에 접촉하지 않는 국소적 여진이 필요하다. 따라서 본 시스템에서는 물체가 초음파의 진행을 막을 때, 초음파의 진행 방향에서 물체 표면에 응력이 발생하는 비선형 음향학적 현상인 음향방사압을 이용하고 있다.
단, 단일 초음파 진동자에서 발생하는 음향방사압은 아주 미약하기 때문에 다수의 초음파 진동자를 사용했으며, 공중 초음파의 위상 배열을 구사하여 집속 초음파를 생성했다. 위상 배열의 개념은 <그림2>의 (a)에서 살펴볼 수 있다.

<그림2> 위상배열의 개념(a)과 구형진동자배열을 갖는 집속초음파 장치(b)

이러한 위상 배열법에서는 각 진동자의 위상을 적절히 제어하고, 공중에 단일 초점을 설정할 수 있으며, 각각의 위상을 조작하여 초점 위치를 바꿀 수도 있다. 또한 이를 통해 떨어진 위치로부터 공간 중 임의의 위치를 선정해 힘을 발생시킬 수 있다.
<그림2>의 (b)와 같이, 직사각형의 진동자 배열을 이용한 초점 거리를 R(m), 정사각형 배열의 한 변의 길이를 D(m), 초음파의 파장을 λ(m) 라고 했을 때 초점 지름의 폭 w(m)은 다음의 식이 된다.

본 시스템의 배열사이즈는 D=170㎜로, 그 직사각형 영역 내에 285개의 초음파 진동자가 배열되며 초점에서 발생하는 힘의 최대치는 16mN이다. 이 장치는 40㎑의 초음파를 ON/OFF 조작을 통해 DC-1㎑로 변조 할 수 있다. 때문에 초음파의 본질이 손상되지 않고 집속도를 유지하면서도 저주파로 여진할 수 있는 것이다.
한편 이 장치에서 R=170㎜인 경우를 설정해 초음파 집속점에서 음압의 공간 분포를 <그림 3>으로 표시했다.
이러한 배열형태를 가진 진동자에서 발생된 집속 초음파의 음압은 공간적으로 대칭성을 유지하고 있는 점이 특징이다.
주파수 40㎑의 초음파를 이용한 경우 파장은 λ=8.5㎜이고 (1)의 관계식을 대입해보면 w=17㎜로 산출되는데, 이는 실험 결과의 음압 분포(직경:20㎜)와 거의 같은 수치이다. 이처럼 공중 초음파 위상 배열을 이용하면 공기 중에서 음압을 집속시킨 초음파를 얻어낼 수 있다.
이 집속 초음파는 대상물을 국소적으로 여진 시킬 수 있을 뿐 아니라 집속 초음파를 주사해 이차원적인 국소적 여진을 실현하는 것도 가능하다.

<그림3> 집속초음파의 수렴점에 대한 음압의 공간분포의 일례

2-2 전하 진동에 의한 시변 전계의 유기
본 기술은 정전기 계측을 위해 전하 진동에 의한 시변 전기장을 유도하는 기술이다. 그 개념은 <그림4>에 표시했다.

<그림4> 정전기를 계측하기위한 개념

우선 정(또는 부)의 전하가 대전 중인 물체를 물리적으로 진동시킨 경우를 생각해보면, 물체와 함께 대전 중인 정전하 역시 공간적으로 진동하게 된다. 이처럼 전하의 공간 위치가 시간적으로 변동하게 되면 그 주위에 시변 전계도 함께 유기된다.
이 전하 진동에 의해 유도되어진 전계에 쌍극자복사 이론을 적용하면 전하 q(C)를 가진 가전입자가 z방향으로 운동 할 때, 만드는 전계 E(V/m)는 주파수 1㎑ 이하가 되고 관측거리 1파장 이하(300㎞)의 경우에 발생하는 전계의 지배적인 식은 다음과 같다.

이 계산식에서 전하와 전계는 비례 관계에 있기 때문에, 특정 시간동안 변화하는 전계를 측정함으로써 전하, 즉 정전기를 평가할 수 있다.

* 필자소개

菊永 和也(키쿠나가 카즈야)
국립연구개발법인 산업기술종합연구소