KITECH 생산기술 전문지

본 연구에서는 308nm XeCl 엑시머 레이저 시스템을 활용하여 비정질 실리콘(a-Si)을 저온 다결정 실리콘(LTPS)으로 변환하는 공정 기술을 개발하고, 다양한 공정 조건에 따른 결정화 특성을 분석하였다. 기존의 Furnace 및 Rapid Thermal Annealing(RTA)과 같은 열처리 공법이 가진 열적 손상 및 긴 공정 시간의 단점을 극복하기 위해 엑시머 레이저 어닐링(Excimer Laser Annealing, ELA)을 적용하였다. 본 연구에서는 Fused Silica 기판 위에 LPCVD 공법으로 증착한 100nm 두께의 a-Si 박막을 대상으로 레이저 어닐링을 수행하였으며, GI-XRD, AFM, SEM, TEM 분석을 통해 결정립 크기 및 결정 방향성을 조사하였다.
GI-XRD 분석 결과, 레이저 어닐링 공정 이후 a-Si 박막이 111, 220, 311 방향으로 결정화된 것을 확인하였으며, AFM 및 SEM 분석을 통해 결정립계 크기가 레이저 에너지와 반복 횟수에 따라 변화함을 관찰하였다. TEM 분석에서는 강한 레이저 에너지(469mJ)와 반복 횟수(50회) 조건에서 단일 방향의 결정 성장이 유리함을 확인하였다. 연구 결과, 레이저 에너지 200~400mJ 범위와 펄스 횟수 50회가 최적의 조건임을 도출하였으며, 이를 통해 기존 공법 대비 열적 이득을 극대화하면서 더 큰 결정립계를 형성할 수 있음을 입증하였다.
본 연구는 엑시머 레이저 기술이 박막 트랜지스터(TFT) 및 능동형 유기 발광 다이오드(AMOLED) 등 고성능 반도체 및 디스플레이 소자 제조에 적용 가능함을 제시하며, 특히 유리와 같은 열적 내구성이 낮은 기판에서의 활용 가능성을 제시하였다.

반도체, 엑시머 레이저 어닐링, LTPS, 실리콘 박막, 결정화

Directed Energy Deposition (DED) 공정은 Powder Bed Fusion (PBF) 방식과 함께 금속 3D 프린팅 기술 중 가장 널리 연구되고 상용화된 공정 중 하나이다. 레이저 및 플라즈마 아크와 같이 집속된 에너지 열원을 사용하여 모재 및 기 적층된 적층물 표면에 용융풀을 형성하고, 이후 형성된 용융풀에 분말이나 와이어등의 금속재료를 공급하여 한층씩 적층하므로 최종적으로는 복잡한 형상의 부품을 제조하는 3D 프린팅 기술이다. 최근에는, 금속 3D 프린팅 기술이 중대형 구조물을 제작하려는 산업적 요구에 따라, 기존 분말 소재 대신 금속 와이어를 사용하는 DED 방식이 주목받고 있다. 와이어 기반 DED 공정은 금속 분말을 활용하는 기존 적층 제조 방식과 비교했을 때 높은 생산성과 비용 효율성을 제공한다. 공정 비용에 대한 부분만을 비교한다면 와이어 형태의 금속 소재의 경우 동일조성의 구형분말 형태의 소재에 비해 20~50% 수준의 낮은 가격대를 형성하고 있다. 또한 소재의 활용률에서도 차이를 보이는데 와이어 소재의 경우 용융풀에 100 % 용융되어 적층에 활용되는 반면 분말형태의 powder DED의 경우 약 10~50 %의 분말만 용융풀에 참여되고 나머지는 외부로 버려지게 된다. 따라서 소재 비용 측면에서, 같은 무게의 부품을 적층한다고 가정시 와이어 DED 활용에 따라 1/4배에서 많게는 1/20배 가까운 소재비용을 절약할수 있어 공정 비용 측면에서도 유리한 점을 가지고 있다. 그러나, 와이어 DED 공정 특성상 높은 입열량으로 인하여 열축적, 열변형 및 산화와 같은 문제에 상대적으로 취약하며 이를 해결하기 위하여 공정 모니터링 및 경로 제어에 관한 연구가 지속되고 있다. 본 논문은 금속 와이어를 활용한 DED 기술의 최신 연구 현황과 향후 전망에 대해 고찰한다.

3D프린팅, 와이어 DED 공정, WAAM, 지능화SW

본 연구에서는 Cu 마이크로 및 나노 분말 혼합비에 따른 5 종의 Cu 페이스트를 제작 하였으며, 소결 시간 및 Bi-modal Cu 페이스트에 따른 소결 접합부의 미세구조 변화 및 접합부의 기계적 강도를 평가하였다. 소결 공정 후 모든 조건에서 양호한 Cu 소결 접합부가 형성되었으며, 접합 시간이 10분으로 증가함에 따라 우수한 계면 특성 및 미세구조가 관찰되었다. 또한, 25:75 wt.%(1 ㎛ : 0.3 ㎛ Cu 분말) Cu 페이스트에서 가장 양호한 소결 접합부가 관찰되었으며, 가장 높은 전단강도가 측정되었다. 또한, 접합 시간, 압력, 온도가 증가 할수록 접합강도는 증가하였으며, 소결 압력은 소결 시간 및 온도에 비해 Cu 소결 접합부의 전단 강도에 더 큰 영향을 미친 것으로 판단된다.

Power semiconductors, Cu sintering, Bimodal Cu paste, Interfacial properties, Shear strength

블로우 성형은 플라스틱 사출 성형된 프리폼을 목표 온도로 가열하여 금형 내에서 공기를 주입하여 성형하는 공법이다. 1-Stage 블로우 성형은 사출 성형과 블로우 성형이 하나의 장비에서 이루어지는 공정을 말하며 프리폼의 외관 손상이 없어 주로 화장품 용기와 같이 광택 외관이 중요한 제품 생산에 적합하다. 사출 성형 공정에서 프리폼을 완전히 냉각하지 않고 잔여 열을 이용하여 블로우 성형하기 때문에 재가열이 필요 없어 에너지 절약에 유리하지만 제품의 품질을 프리폼 형상에 의존하게 되는 특성이 있다. 제조 현장에서는 아직까지 프리폼 설계를 경험자의 노하우에 의존하고 있어 설계에 대한 디지털 전환이 시급한 상황이다. 본 논문에서는 블로우 성형 시뮬레이션을 이용하여 프리폼 설계를 최적화하는 기법에 대해 고찰하였다. 설계 대상은 열가소성수지인 PET 소재로 용량 500mL의 사각병이다. 목표 무게를 만족해야 하며 블로우 성형 후 제품의 두께가 균일하도록 최적설계하였다. ANSYS Polyflow와 Parameter 자동화 기능을 통해 제품과 프리폼 형상이 자동으로 수정되어 성형해석되도록 프로그래밍하였다. 프리폼의 설계변수는 제품 무게와 두께 균일도에 가장 영향을 크게 미치는 3개를 선정하여 프리폼의 무게와 블로우 성형물 벽 두께 편차를 최소화하는 설계 치수를 예측하였다.

최적설계, 반응표면법, 프리폼 설계, 1-Stage 블로우 성형, 블로우 시뮬레이션

과학기술의 놀라운 진보와 산업화로 야기되는 환경오염문제로 인해 생태계는 생존의 커다란 위협을 맞고 있다. 지구 온난화 등의 세계적인 문제뿐만 아니라 개인의 삶의 질에도 막대한 영향을 미치고 있어 20세기 중반부터 오염물질을 유해 잔류물 없이 완전히 분해하는 방법에 대한 연구개발이 세계적으로 집중되었다. 그리고 1970년대 후반에 TiO₂ 기반 광촉매 기술이 등장하면서 이산화티타늄의 산화력을 활용한 오염물질 제거가 본격화된 이후 이 기술은 실내외 공기 중 휘발성 유기화합물(VOCs)과 유해 미생물을 분해하는 데 주로 사용되었으며, 자외선과 가시광선 하에서 작동할 수 있는 촉매 개발을 중심으로 연구개발이 발전하고 있다[1]. 특히, COVID-19 팬데믹을 계기로 실내 공기 정화의 중요성이 급부상하면서, 효과적이고 안전한 공기 정화 기술의 개발 필요성이 강조되었으며 TiO₂광촉매는 자외선이나 실내조명과 같은 광원 하에서 활성화되어 공기 중 유해 물질과 바이러스(예: SARS-CoV-2)를 효율적으로 제거할 수 있는 솔루션으로 연구되고 있다 [2]. TiO₂광촉매는 활성 산소종을 생성하여 유기 오염물질과 코로나 바이러스 변이종을 포함한 여러 바이러스를 신속하고 효율적으로 분해하며 2차 오염물질을 생성하지 않는 장점을 가지고 있다. 이러한 광촉매 기반 정화 기술은 HVAC (Heating, Ventilation and Air-Conditioning)시스템에 통합하여 실내 공기를 지속적으로 정화하고, 산업현장에서도 사용되어 작업자들의 건강을 보호하는 데 기여할 수 있기 때문에 다양한 산업 및 의료 환경에서 활용함으로서 미래 감염 병에 대비한 중요한 실내 공기 정화 기술로서의 잠재력이 크다. 그러나 TiO₂광촉매는 가시광선 영역인 실내조명 하에서는 활성화 효율이 상대적으로 낮고, 광촉매 표면의 오염이나 노화로 인해 성능이 저하될 수 있는 한계가 존재한다. 이러한 문제를 극복하기 위해, 본 연구에서는 유해 물질 및 병원체를 보다 효율적이고 신속하게 분해할 수 있도록 나노 크기의 TiO₂ 입자를 활용한 최적화된 바인더 조성 코팅 방식을 적용한 필터 기반 공기 청정기를 제조하고 공기 정화 성능을 평가하였다.

이산화티타늄, 공기청정기, 바이러스, 세균, 휘발성유기화합물

압출금형 냉각 기술은 압출금형 내부에 냉각유로를 형성시키고 이곳으로 상온 혹은 극저온의 질소를 공급하여 압출 다이 (Die) 베어링부 (Bearing) 후방의 인젝터 홀 (Injector hole)을 통해 배출시킴으로써 압출에 중요한 역할을 하는 압출 다이 베어링부와 압출되어 나오는 소재를 동시에 냉각시키는 기술이다. 압출공정에서 압출재의 품질을 결정하는 변수로는 다이 형상과 금형-컨테이너-소재 (빌렛)의 온도 및 램 (Ram) 속도 등이 있지만, 소재의 특성과 생산성을 고려했을 때 각 변수는 이미 어느 정도 정해진 값을 가지므로 기존의 압출 설비를 통해 압출재의 품질을 제어하는 데에는 한계가 있을 수밖에 없다. 이런 점에서 압출 기업으로서는 압출재의 품질을 능동적으로 빠르게 제어할 수 있게 도와주는 압출금형 냉각 시스템을 매력적으로 느낄 수밖에 없을 것이다. 본 원고에서는 현재 활용되고 있는 압출금형 냉각 방법 및 특징을 소개하고 액체질소를 활용한 압출금형 냉각 시스템의 확대적용을 위한 숙제들을 정리하였다.

알루미늄 압출, 압출금형 냉각, 기체질소, 액체질소, 생산성 향상, 품질 개선

본 연구에서는 차량용 램프의 광원을 제어하는 부품인 후육 라이트가이드의 사출 성형 기술에 대한 연구를 수행하였다. 사출성형해석을 통하여 제품 수축과 변형을 최소화 할 수 있는 게이트 위치를 선정하였고, 해석 결과가 반영된 금형을 제작하여 마이크로 패턴 성형 시 사출속도와 보압조건이 전사성에 미치는 영향을 실험을 통하여 평가하였다. 두께가 변화하는 제품의 사출 금형 설계 시 두꺼운 부분의 측면에 게이트를 설치하는 것이 부피 수축 및 변형 감소에 유리하며, 패턴 전사성에 있어 게이트의 위치보다 두께에 의한 수축 영향이 클 수 있음을 확인하였다. 또한 사출 속도와 보압이 증가할수록 패턴 전사오차는 감소하며 사출속도를 증가시키는 것이 상대적으로 효과적임을 확인하였다.

사출성형, CAE, 마이크로 패턴, 패턴 전사성, 후육(thick-walled) 라이트가이드

본 연구에서는 저온 플라즈마를 활용한 분말 표면처리 모듈을 개발하고, 세라믹 분말에 대한 공정 적용 테스트를 진행하였다. 본 모듈은 Quartz 소재의 회전형 챔버 둘레에 유도코일을 적용함으로서 제한된 공간에서 플라즈마 방전이 이루어지도록 설계되었으며, 미세관 가열 히터 및 시린지 펌프로 구성 된 기화 모듈을 추가로 적용하여 기체 (가스) 뿐만 아니라, 물 (H₂O) 또는 과산화수소 (H₂O₂) 등 액상 전구체 공급이 가능하게 하였다. H₂O 플라즈마 발생을 통해 알루미나 분말에 대한 표면처리 공정을 진행한 후 슬러리 형태로 제조하여 시간 경과에 따른 투과도를 관찰 한 결과, 최적 조건 하에서 상대적으로 낮은 값을 나타내어 분산도가 향상 되었음을 확인할 수 있었다.

플라즈마, 분말, 표면처리, 슬러리, 분산

본 실험은 주철(Cast Iron) 시료 내 규소(Si) 함량을 효율적이고 정확하게 분석하기 위해 기존 KS D 1805:2019 규소 정량 방법과 HF(Hydrofluoric acid)를 활용한 전처리 방법을 비교하였다. 주철 내 규소는 흑연 형성을 촉진하여 경도, 인성, 충격 저항성 및 내식성 등 물리적 특성에 큰 영향을 미치므로, 규소 함량의 정확한 측정이 중요하다. 그러나 기존의 KS D 1805:2019 규소 분석법은 산(acid) 전처리에 장시간이 소요된다는 단점이 있다. HF는 주철 내 규소와 반응하여 SiF₄(육불화규소) 기체를 형성함으로써 규소를 완전히 용해할 수 있어, 보다 신속하고 정밀한 분석을 가능하게 한다. 본 실험에서는 HF 전처리법의 분석 시간을 다양하게 조정하여 기존 방법과 비교하였으며, 이를 통해 두 방법의 전처리 시간과 분석 정확도를 평가하였다. 실험 결과, HF를 사용한 전처리법은 KS D 1805:2019 대비 전처리 시간을 크게 단축하면서 유사한 분석 정확도를 보였다. 따라서 HF 전처리법은 주철 내 규소 함량 분석의 신속성과 정확성을 확보할 수 있는 유용한 대안임을 확인하였다.

주철, 규소, 전처리

한국생산기술연구원 국가뿌리산업진흥센터는 인식제고를 위한 기업 지정제도를 정부의 위임을 받아 운영하고 있다. 현재 운영하고 있는 기업 지정제도로는 뿌리기업 확인서, 뿌리기술 전문기업, 일하기 좋은 뿌리기업, 뿌리기업 명가로 각 지정제도 별로 운영 및 평가가 별도로 운영되고 있기에, 평가지표와 점수비중에 대한 명확한 근거가 마련되어 있지 않다. 따라서, 현 뿌리기업 지정제도가 미래 지향적이고, 공정성을 가미하여 경쟁력이 우수한 기업을 선별하여 지원할 수 있도록 현재보다 효율적인 평가체계가 마련되어야 할 필요성이 존재한다. 이에, 본 연구를 통해 모든 뿌리기업 지정제도를 만족시킬 수 있는 기본 공통평가지표와 비중을 기존지표에서 개선 및 도출하고자 한다. 현재 평가지표들의 개선을 위하여 AHP를 이용한 계층구조를 만들고 각 항목 간 상대적 중요도를 분석하였다.

뿌리기업, 지정제도, 평가지표

알루미늄은 소성 변형 특성이 우수하여 판재 및 형재 등으로 소성 가공된 소재들이 다양하게 응용되고 있다. 압연 공정의 경우, 산업적으로 요구되는 다양한 두께로의 압연이 가능하며, 압하율에 따른 소성 변형 특성 변화와 조건에 따른 열처리 공정조건에 관련된 다양한 연구도 진행되어왔다. 산업적 활용 방안의 한계로 고강도의 특성을 갖는 알루미늄 합금들에서 연구가 진행되었으나, 순수 알루미늄에 관련 연구결과는 미비한 상황이다. 이에 본 연구에서는 압하율, 열처리 공정조건을 변화하여, 순수알루미늄의 적정 풀림 열처리 공정방안을 검토하였다.

주조, 소성, 열처리

제조 현장 및 공사 현장에서 안전장비 미착용으로 인한 안전사고가 지속되면서, 인공지능을 활용한 무인 안전검사 시스템에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 그러나 기존 2D 영상 데이터 기반 안전검사 방식은 이미지 내 안전장비의 존재 여부만을 확인할 수 있으며, 실제 착용 여부를 정확히 판단하기에는 한계가 있었다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 본 논문에서는 LiDAR 센서와 RGB 카메라 데이터를 융합하여 작업자의 안전장비 착용 여부를 효과적으로 판별하는 시스템을 제안한다. 제안된 시스템은 탐지된 객체의 경계 내부에 대해 LiDAR 센서를 이용하여 거리를 측정하고, 객체 간 거리 비교를 통해 작업자의 안전장비 착용 여부를 판단하는 방식을 채택하였다. 또한, 배경 부분의 불필요한 거리 측정을 최소화하고, 객체에 대한 정밀한 거리 측정을 수행하기 위해 실시간 이미지 분할 모델인 YOLACT를 적용하여 객체 탐지를 수행하고 탐지된 객체의 분할 중심 좌표 간 비교를 통해 안전장비의 정상 착용 여부를 판별하였다. 실험 결과, 안전장비를 정상적으로 착용한 경우 객체 간 평균 거리 오차가 4cm 이하로 나타나, 제안된 시스템이 매우 정밀한 검사 성능을 보임을 확인하였다. 본 연구는 무인 안전검사 시스템의 실효성을 향상시켜 제조업 및 건설업에서의 안전관리에 기여할 것으로 기대된다.

Deep Learning, Instance Segmentation, LiDAR Aided Detection, Safety Detection