적용분야

열성형은 플라스틱 시트를 가열해 유연한 상태로 만든 뒤, 특정 형상으로 성형하는 열가소성 소재 가공 공정입니다. 이 공정은 식품 포장재, 의료용 트레이, 소비재 포장 등을 생산하는 포장 산업에서 매우 중요하게 활용됩니다. 자동차 산업에서는 대시보드, 도어 패널, 실내 트림과 같은 부품에 열성형 플라스틱이 사용됩니다. 건설 분야에서는 창호 프로파일, 파이프, 단열재 생산에 필수적인 역할을 합니다. 또한 음료병, 기능성 신발 필름 등 다양한 생활용품을 포함한 여러 소비재에서도 열성형 플라스틱을 찾아볼 수 있습니다.

열성형 공정은 열가소성 시트를 가열하여 유리전이온도에 도달할 때까지 부드럽고 유연한 상태로 만드는 단계에서 시작됩니다. 이 단계는 소재를 원하는 형태로 쉽게 성형할 수 있게 해주기 때문에 매우 중요합니다. 적외선 히터는 높은 효율성과 제어된 가열이 가능하다는 장점 때문에 이 공정에 주로 사용됩니다. 열가소성 시트가 충분히 연화되면, 진공 성형, 압력 성형, 또는 기계식 성형과 같은 방법을 통해 금형 안에서 원하는 형태로 성형됩니다.

각 성형 방식은 고유한 적용 분야와 장점을 가지고 있지만, 공통적으로 가열된 플라스틱에 압력이나 진공을 가해 성형하는 원리에 기반합니다. 성형이 완료된 후에는 시트를 냉각시켜 새로운 형태를 고정해야 하며, 이를 통해 플라스틱이 형상과 구조적 강도를 유지할 수 있습니다. 냉각된 부품은 금형에서 분리된 후, 최종 제품 사양을 충족하기 위해 추가적인 트리밍 및 마감 공정을 거칠 수 있습니다. 열성형에 일반적으로 사용되는 소재로는 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리스티렌(PS), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS), 폴리염화비닐(PVC) 등이 있습니다. 최종 제품에서 결함을 방지하기 위해서는 온도의 균일성이 매우 중요하며, 균일한 가열은 플라스틱 시트 전체가 동일한 수준의 연화 상태에 도달하도록 보장해 약한 부위나 불균형을 예방합니다. 또한 과열 없이 필요한 연화 상태를 확보하기 위해서는 충분한 열 침투가 필수적입니다.

플라스틱이 유리전이온도에 도달했는지를 확인하기 위해서는 적외선 센서가 필수적입니다. 그러나 플라스틱은 두께가 400 µm 미만인 경우가 많고, 공정에 적외선 히터가 사용되기 때문에 온도 모니터링이 쉽지 않습니다. 적외선 히터는 지향성 적외선 복사를 통해 비접촉 방식으로 열이나 에너지를 전달합니다. 적외선 가열 공정을 최대한 효율적으로 활용하기 위해서는 플라스틱 소재의 방사율을 고려해야 하며, 이에 따라 IR 방출기가 단파, 중파, 장파 적외선 영역 중 어느 파장에서 작동해야 하는지가 결정됩니다. 방사율은 소재의 종류, 표면 상태, 파장, 측정 각도, 그리고 경우에 따라 적용된 공정 조건에 따라 달라집니다.

복사식 히터 또는 적외선 방출기에 대한 요구 조건은 IR 방사의 파장과 제품 소재에 따라 달라집니다. 이와 관련된 한 가지 과제는, 동일한 파장 대역에서 작동하는 적외선 센서가 열 방출기에서 반사된 신호를 함께 감지할 수 있다는 점입니다. 또한 열성형 공정에서는 벽 두께가 매우 얇은 부품을 만들기 위해 박막 플라스틱 필름이 사용되는데, 이 필름은 특정 분광 영역에서 투명할 수 있습니다. 이로 인해, 잘못된 분광 감도를 가진 적외선 온도 센서를 사용할 경우 플라스틱 필름에서 방출되는 적외선 신호를 제대로 감지하지 못할 수 있어, 해당 애플리케이션은 더욱 까다로워집니다.

적외선 히터는 제어된 균일 가열이 가능해 열가소성 시트가 필요한 유리전이온도에 도달하도록 보장하기 때문에 일반적으로 사용됩니다. 가열된 표면의 상태를 정확히 파악하는 것은 가열 공정을 제어하는 데 매우 중요합니다. 적외선 파이로미터는 성형 이전 단계에서 플라스틱의 유리전이온도를 모니터링하여, 가장 빠르고 직접적인 온도 측정 방법을 제공합니다.

적외선 히터 인근에서 IR 측정을 수행할 때의 한 가지 과제는, 히터가 작동하는 것과 동일한 분광 대역에서의 측정을 피하는 것입니다. 적외선 히터와 건조기는 일반적으로 근적외선(NIR)과 중적외선(MIR) 파장 대역에서 작동합니다. NIR 히터는 보통 0.75 µm에서 1.5 µm 범위에서 작동하며, 빠른 가열이 필요한 공정에 적합한 강하고 집중된 열을 제공합니다. MIR 히터는 1.5 µm에서 5.0 µm 범위에서 작동하여, 표면 가열과 함께 소재 내부로의 비교적 깊은 열 침투가 가능한 균형 잡힌 가열을 제공합니다. 이러한 신호 간섭(크로스토크)을 피하기 위해, 대부분의 건조 및 가열 공정에서는 파이로미터가 8 µm~14 µm의 장파장(LT) 범위에서 작동하도록 설정됩니다. 가장 바람직한 방법은 IR 히터와 다른 분광 감도를 가진 적외선 센서를 사용하여 크로스토크를 방지하는 것입니다.

얇은 플라스틱 필름에서도 추가적인 어려움이 발생하는데, 이는 일부 분광 대역에서 필름이 투명할 수 있기 때문입니다. 이로 인해 반사된 신호로 인한 부정확한 측정을 피하려면, 올바른 분광 감도를 가진 센서를 사용하는 것이 필요합니다. 두께가 0.4 mm 이상이거나 안료가 포함된 플라스틱 필름은 방사율이 0.9 이상으로, 장파장 적외선 분광 대역(8~14 µm)에서 비교적 쉽게 측정할 수 있습니다. 그러나 매우 얇은 플라스틱 필름은 이 분광 대역에서 투명하기 때문에, 좁은 대역 감도를 가진 적외선 센서를 사용해 소재별 IR 흡수 대역에서만 온도 측정이 가능합니다.

플라스틱의 적외선 온도 측정은 특정 분광 대역과 온도 범위를 고려해야 합니다. 파장 3.43 μm의 C–H 대역은 50 °C 이상의 온도(P3 > 50 °C)에서 효과적으로 활용됩니다. 반면, 파장 7.95 μm의 C–F 에스터 대역은 0 °C 이상의 온도(P7 > 0 °C)에서 적합합니다. 플라스틱 소재에 따라 이러한 분광 대역에 대한 반응은 서로 다릅니다. 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 셀로판, 폴리스티렌(PS)은 3.43 μm의 C–H 대역에는 민감하지만 C–F 에스터 대역에는 반응하지 않습니다. 반대로 플루오로플라스틱(FEP)과 폴리이미드는 7.95 μm의 C–F 에스터 대역에는 민감하지만 C–H 대역에는 반응하지 않습니다. 아크릴과 폴리카보네이트와 같은 일부 소재는 두 분광 대역 모두에 반응합니다. 폴리에스터는 두께가 10 μm 이상일 경우 C–H 대역에서 효과적으로 측정할 수 있으며, C–F 에스터 대역에도 반응합니다. 폴리염화비닐(PVC)은 두 분광 대역 모두에 반응하여, 적외선 온도 측정 응용 분야에서 활용도가 높은 소재입니다.

CT LT 센서는 식료품용 저가 플라스틱 포장재를 생산하는 공정에 적용되었습니다. 플라스틱 필름의 두께가 400 µm 이상이기 때문에 장파장 센서만으로도 충분한 측정이 가능합니다. 제조사는 여러 대의 파이로미터를 생산 라인에 통합하여 온도 불균일을 모니터링하고 있습니다. 온도 측정 값에 차이가 발생하면, 프로그래머블 로직 컨트롤러(PLC)가 아날로그 입력을 통해 수신한 온도 데이터를 기반으로 적외선 히터의 출력을 조절합니다. 온라인 온도계는 플라스틱 필름이 최고 온도에 도달하는 적외선 히터 인근에 설치되어, 불필요한 반사(기생 반사)를 방지합니다. 그럼에도 불구하고 주변 온도의 영향이 크기 때문에, 센서는 이러한 환경 온도를 견딜 수 있는 내열 성능을 갖추어야 합니다.

이 애플리케이션에서는 Optris 파이로미터의 열충격에 강한(thermoshock-insensitive) 특성이 매우 중요합니다. 이 기능은 급격한 온도 변화나 인접한 열원으로 인한 간섭이 있는 환경에서도 정확하고 신뢰할 수 있는 온도 측정을 보장합니다. Optris는 기존 열성형 장비에 센서를 손쉽게 통합할 수 있도록 다양한 기계식 액세서리를 제공합니다. 이 액세서리에는 장착 브래킷, 조절식 스탠드, 보호용 윈도우, 보호 하우징 등이 포함되어 있어, 대규모 개조 없이도 적외선 온도 측정 시스템을 장비에 적용할 수 있습니다. 또한 센싱 헤드와 전자 박스를 분리할 수 있어, 복잡한 장비 구성에서도 설치와 유지보수가 훨씬 간편해집니다. 이를 통해 설치 시간을 단축할 수 있을 뿐만 아니라 전체 설치 비용도 효과적으로 절감할 수 있습니다.