금형 표면 텍스처와 성형품의 표면 광택 조절

금형 표면의 텍스처(Texture) 또는 질감의 영향을 충분히 이해하고 있는 성형 기술자는 그리 많지 않다. 그러나 그 영향은 성형품의 외관에만 미치는 것이 아니다. 이 기사에서는 금형 표면의 텍스처와 그것이 마이크로 레벨에서 광택도에 미치는 영향을 설명한다. 광택도와 텍스처의 형상은 성형품의 외관뿐 아니라 성형품이 금형에 들러붙는 성질과 시각적 결함에도 영향을 미친다.

플라스틱 성형산업에서 일부 관련 전문가들 이외에는 텍스처(질감)에 대해 충분히 이해하고 있지 못한 실정이다. 사실 플라스틱 수지 종류마다 각기 광택도가 다르므로, 어떤 수지에 적용할 수 있는 이론과 기법이 다른 수지에는 적용할 수 없는 경우도 많다. 그러므로 가장 기본적인 것부터 설명하고자 한다.

마이크로 수준에서 플라스틱 부품의 표면 광택에 영향을 미치는 것은 무엇일까? 표면 텍스처의 기하학적인 형상과 그 깊이, 그리고 금형의 폴리싱이나 블라스팅에 의한 강철 표면 마감가공 상태가 가장 큰 영향을 미친다. 이 부분에 대해서 좀 더 상세하게 설명하려면 맨 눈으로는 볼 수 없는 현미경 수준으로 내려가야 한다.

다시 한번 강조하지만 광택성에 영향을 주는 것은 표면의 기하학적인 형상과 표면 마감 상태이다. 여기서, 플라스틱 수지를 강철 금형으로 성형하는 것이므로 금형강의 색깔은 플라스틱 성형품 광택성능에 전혀 영향을 주지 않는다는 것을 유의할 필요가 있다.

강철의 표면은 그 거칠기(조도)에 따라서 다른 색상으로 보일 수도 있다. 그러나 색상을 결정하는 것은 표면의 마감 상태와 광선을 반사하는 방식이다. 날씨가 맑게 개인 날, 바람이 없는 잔잔한 호수의 표면에서 햇빛이 반사되는 모습을 생각해보자. 이런 상태에서는 눈이 부셔 바로 쳐다 볼 수 없을 정도로 햇빛이 밝게 반사된다.

다음은 날씨는 맑게 개었지만 부드러운 바람이 불어서 호수의 표면에 작은 물결이 이는 경우에도 햇빛은 여전히 반사되지만 잔물결에 의해 산란된다. 다음에는 맑은 날에 상쾌할 정도의 바람이 부는 경우를 생각해보자. 호수 표면에서 반사되는 햇빛은 더욱 많이 산란될 것이다.

여기서 두 가지의 사실을 알 수 있게 된다. 첫째, 물결을 금형 표면의 텍스처에 비유할 수 있으며, 표면이 평평하고 매끈할수록 성형품의 광택성능이 높아진다. 그리고 텍스처, 즉 물결이 높을수록 광택성능은 낮아진다. 둘째, 텍스처의 높낮이 차이가 크면 골과 봉우리 사이의 면적이 증가하여 전체 표면적이 커지게 된다.

표면 텍스처에 관한 연구는 오래 전부터 진행되어 왔으며 현미경적인 수준에서 그 형상은 매우 복잡하다. 높낮이 차이(깊이), 패턴, 그리고 봉우리와 골짜기의 날카로운 정도 등이 모두 플라스틱 성형품의 광택성능에 영향을 준다. 널리 많이 사용되고 있는 산은 표면을 침식시키는 마이크로-에칭 기술은 텍스처의 기하학적인 형상에 변화를 주어 광택성능을 낮추는 것이 목적이다. 이 기술은 마치 호수 표면에 물결을 일으켜서 햇빛의 반사를 산란시키는 것과 같다.

텍스처에 변화 주는 방법
이제 표면의 마감가공 형상이 텍스처 자체에 주는 영향을 고려해보자. 지금 우리는 현미경 수준에서 논의를 전개하고 있지만, 텍스처 형상의 표면 마감은 평탄하고 매끈한 모양과 봉우리 및 골기가 있는 모양을 서로 대비하는 것과 같다. 여기에서 블라스팅 입자 또는 폴리싱의 역할이 필요하게 된다.

현재 플라스틱 성형업계에서 광택성능을 조절하기 위해 널리 사용하고 있는 블라스팅 입자는 산화 알루미늄과 유리 구슬이다. 그리고 규사 등 다른 재료도 사용된다.

금형의 표면에 텍스처를 형성하기 위해 산으로 에칭 한 후에 블라스팅 처리하여 표면을 정리하고, 플라스틱 성형품에 원하는 광택성능을 구현할 수 있도록 다듬어 준다. 산화 알루미늄(AO)은 모서리가 날카로운 연마용 광물로서 텍스처 표면 형태에 봉우리와 골기를 형성하여 그 금형에서 성형되는 플라스틱 부품의 표면 광택성능을 낮춰준다.

표면 텍스처 의 골기와 봉우리를 원하는 깊이와 높이로 형성할 수 있도록 그릿(Grit) 사이즈라 부르는 다양한 입도의 AO가 시판되고 있다. 블라스팅 입자와 그릿 수치(입도) 외에도 블라스팅하는 공기의 압력과 거리도 영향을 미치지만, 그것은 블라스팅의 전문 기술적인 문제이며 이 기사의 범위를 벗어나는 것이다.

유리 구슬(Glass Beads, GB)은 둥글고 표면이 매끈한 유리알로 텍스처를 매끈하게 가공하여 성형품의 표면 광택성능을 높여준다. 따라서 AD로 블라스팅하면 광택성능을 최저로 낮출 수 있으며, GB로 블라스팅하면 최고로 높일 수 있는 것이다.

또한 이 두 블라스팅 입자를 적절한 비율로 배합하여 사용하면 어느 한 가지만 사용할 때에 비해 원하는 수준의 광택성능을 얻을 수 있게 된다. 예를 들어 AD:GB를 1:2 정도로 섞어서 사용하면 중간 정도의 광택성능을 낼 수 있다. 1:1로 혼합하는데 어떻게 그 중간 정도의 광택성능을 얻을 수 있는 것인지 의문을 가질 수도 있을 것이다. 그 이유는 GB에 비해 AO가 표면 마감 상태에 미치는 영향이 더 크기 때문이다.

필자는 원하는 광택성능을 구현하기 위해 이 두 연마재를 1:1부터 12:1까지 다양하게 혼합, 사용해본 경험이 있다. 그러나 현재 필자는 AO나 GB를 단독으로, 또는 1:2로 혼합하여 낮은 수준, 중간 수준, 높은 수준의 광택성능을 내고 있다.

광택성능이 극히 중요한 제품일 경우에는 별도로 적당한 혼합비로 섞어서 사용하기도 한다. 또한 AO를 단독으로 또는 GB와 배합 사용할 때 90% 정도는 320 그릿 사이즈를 사용한다.

사진을 보면 320 그릿 입자는 고운 분말 상태로서, 입도가 큰(그릿 숫자가 작은) AO에 비해 캐비티와 금형의 파팅라인을 덜 손상시키며 광택성능을 더 낮춰준다. 220, 180 및 120 그릿 입도의 AO는 거의 사용하지 않는다.

이 입도의 입자는 광택성능을 낮추는 효과가 낮을뿐더러 블라스팅을 빈번하게 실시하면 텍스처를 침식시키게 된다. 만일 가장 큰 입도의 24 그릿 사이즈를 사용한다면 금형 파팅라인의 모서리와 텍스처의 형상을 빠르게 손상시킬 것이다.

시중에는 400 그릿의 AO도 판매되고 있지만 이것은 분말이 너무 미세해서 수분을 흡착하여 서로 엉기는 성질이 있다. GB는 가장 작은 입도를 사용하고 있으며 이것 역시 고운 분말에 비슷한 상태이다. GB 역시 큰 입도를 사용하는 것보다 작은 입도의 입자를 사용하는 것이 텍스처의 형상을 미세하게 연마할 수 있다.

블라스팅으로 원하는 광택성능을 얻을 수 없는 경우에는 다른 표면 마감 가공법을 사용하게 된다. 광택성능을 낮추려면 마이크로 산 에칭이 좋다. 필자는 마이크로 에칭과 비슷한 효과를 얻기 위해 54 그릿 입도의 AO를 사용해본 경험이 있지만, 표면 마감가공에 많은 경험을 가지고 있으며 블라스팅 도중에 파팅 라인을 보호할 수 있는 방법이 없다면 사용하지 않는 것이 좋다.

만일 GB 블라스팅으로도 원하는 광택성능을 구현할 수 없다면 텍스처의 표면을 와이어 브러시나 폴리싱으로 가공할 수 있다. 수작업으로 와이어 브러싱 마감을 실시하면 광택성능을 조금 높일 수 있으며, 작업 방법은 단순하므로 별다른 숙련이 필요하지 않다.

그러나 전동 공구를 사용하여 와이어 브러싱 또는 폴리싱 가공을 한다면 전문적인 숙련이 필요하다. 그렇지 않으면 텍스처와 파팅 라인을 손상시킬 수 있다. 필자는 원하는 광택성능을 얻기 위해 브러시와 다이아몬드 컴파운드도 사용해본 경험이 있다.

폴리싱 가공 후에 광택성능이 너무 높아서 다시 조절할 필요가 있을 경우에는 GB 블라스팅으로 낮출 수 있다. 그러나 광택성능이 원래 GB만으로 가공한 것보다 여전히 더 높을 것이다.

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