발포(foaming)는 “같은 재료로 더 가볍게” 만드는 기술입니다. 단순히 공기를 넣는 것이 아니라, 기포(셀)를 원하는 크기와 분포로 만들고, 그 셀 구조가 제품 강도, 단열, 충격, 흡음, 치수 안정, 외관을 결정합니다. 현장에서는 밀도만 낮추면 강도가 무너지고, 강도를 잡으면 발포가 안 되거나, 표면 스킨이 거칠어져 외관 불량이 나는 등 트레이드오프가 반복됩니다.
이 글은 실무에서 바로 적용할 수 있도록 (1) 발포제 선택 로직, (2) 셀 구조를 좌우하는 핵심 변수, (3) 밀도-강도 최적화 프레임, (4) 표면 스킨 문제를 유형별로 해결하는 방법, (5) 마지막에 체크리스트와 FAQ 순서로 구성했습니다.
목차
- 발포 공정의 핵심: “기체 생성-핵생성-성장-안정화”
- 발포제 종류: 화학발포제(CFA) vs 물리발포제(PFA)
- 셀 구조(크기·분포·폐/개방)가 성능을 바꾸는 이유
- 발포에 유리한 재료 특성: 용융강도, 점도, 결정화
- 밀도-강도 최적화: 설계·재료·공정으로 동시에 잡는 방법
- 표면 스킨 문제 해결: 거칠음, 실버, 줄무늬, 함몰, 수축
- 공정별 포인트: 압출발포 vs 사출발포
- 체크리스트
- FAQ
1) 발포 공정의 핵심: “기체 생성-핵생성-성장-안정화”
발포는 아래 4단계가 동시에 잘 맞아야 성공합니다.
- 기체 생성/용해: 기체가 만들어지거나(화학발포) 용융 수지에 녹음(물리발포)
- 핵생성(nucleation): 기포가 시작되는 “씨앗”이 충분히 생김
- 셀 성장(growth): 기포가 원하는 크기까지 커짐
- 셀 안정화(stabilization): 셀이 터지거나 합쳐지지 않고 고정됨
현장에서 문제는 대부분 2~4단계에서 터집니다. 핵이 부족하면 셀이 거칠고 커지며, 성장이 과하면 셀이 합쳐져 강도가 급락하고, 안정화가 부족하면 표면 스킨이 무너지고 수축/함몰이 발생합니다.
2) 발포제 종류: 화학발포제(CFA) vs 물리발포제(PFA)
2-1. 화학발포제(CFA, Chemical Foaming Agent)
화학발포제는 열에 의해 분해되어 N2, CO2 같은 기체를 발생시키는 방식입니다. 장점은 설비가 비교적 단순하고 취급이 쉬운 편이라는 점이며, 단점은 분해 부산물(잔사, 냄새, 색 변화)과 분해 온도 창에 대한 민감도입니다.
- 주요 체크: 분해 시작/피크 온도, 기체 발생량, 잔사/냄새, 분산성
- 현장 이슈: 과열 시 분해 과다 → 기포 조대화/표면 거칠음, 저온 시 발포 부족
2-2. 물리발포제(PFA, Physical Foaming Agent)
물리발포는 CO2, N2 같은 기체를 고압에서 용융 수지에 용해시킨 뒤 압력 강하로 기포를 만들며 발포시키는 방식입니다(미세발포 공정 포함). 장점은 잔사 없이 깨끗한 발포가 가능하고 미세 셀 구현에 유리한 점, 단점은 고압 설비와 공정 제어 난이도입니다.
- 주요 체크: 가스 용해도, 압력/온도 제어, 혼련(용해) 효율, 감압 프로파일
- 현장 이슈: 용해 불균일 → 셀 분포 불량, 압력 변동 → 표면 무늬/불량 반복
3) 셀 구조(크기·분포·폐/개방)가 성능을 바꾸는 이유
3-1. 셀 크기와 분포
같은 밀도라도 셀이 작고 균일하면 강도와 외관이 좋아지는 경향이 있습니다. 반대로 셀이 크고 불균일하면 국부 결함처럼 작용해 파손이 빨라지고, 표면 거칠음이 증가합니다.
3-2. 폐쇄셀 vs 개방셀
- 폐쇄셀: 단열, 부력, 방수에 유리. 셀이 터지지 않도록 안정화가 핵심
- 개방셀: 흡음, 쿠션감, 통기성에 유리. 셀 연결 구조를 설계해야 함
목표 성능이 단열이면 폐쇄셀 유지가 중요하고, 흡음/완충이면 개방셀 비율을 조절하는 쪽이 유리합니다.
4) 발포에 유리한 재료 특성: 용융강도, 점도, 결정화
4-1. 용융강도(melt strength)가 발포 성패를 가른다
발포 중 셀은 내부 압력으로 계속 커지려 합니다. 이때 수지의 용융강도가 부족하면 셀이 합쳐지거나 터져 밀도는 떨어져도 강도와 외관이 무너집니다. 그래서 발포에서는 “MFR 하나로 재료를 고르면 실패”하는 경우가 많습니다.
4-2. 점도와 분자량분포(MWD)
고분자량 성분(고분자량 꼬리)이 어느 정도 존재하면 용융 탄성과 용융강도가 올라 발포 안정성이 좋아질 수 있습니다. 반대로 분자량이 낮거나 열이력으로 분자량이 떨어지면 셀 유지가 어려워지고 수축/함몰이 증가할 수 있습니다.
4-3. 결정화 거동(반결정성 수지)
PP, PE 같은 반결정성 수지는 냉각 중 결정화가 진행되며 셀 구조가 “얼어붙듯” 고정됩니다. 결정화가 너무 빠르면 성장 시간이 부족해 발포비가 낮아지고, 결정화가 너무 느리면 셀이 무너져 수축/표면 불량이 늘 수 있습니다. 핵제(결정핵제/발포핵제)의 영향도 함께 봐야 합니다.
5) 밀도-강도 최적화: 설계·재료·공정으로 동시에 잡는 방법
5-1. 밀도를 먼저 정하고, 그 다음 강도를 ‘셀 구조로’ 맞춘다
강도는 단순히 “밀도만”의 함수가 아닙니다. 같은 밀도에서도 셀 크기/분포가 균일하고, 스킨층이 안정적이며, 기포 합체가 적을수록 강도가 더 잘 나옵니다. 따라서 목표 밀도를 정한 뒤, 셀을 미세화하고 균일화하는 방향으로 튜닝하는 것이 일반적으로 효율적입니다.
5-2. 실무에서 자주 쓰는 최적화 레버
- 핵생성 증가: 핵제/미세 충전재 활용, 가스 용해·감압 조건 안정화
- 셀 성장 제어: 온도/압력 프로파일, 냉각 속도 조정
- 셀 안정화: 용융강도 확보(등급 선택/블렌드), 점도 유지(열이력 최소화)
- 스킨층 설계: 금형온도/충전속도/보압으로 표면을 먼저 다져 외관과 강도 확보
5-3. “발포비를 욕심내면” 흔히 생기는 현상
- 셀 조대화 → 강도 급락
- 셀 합체/터짐 → 표면 거칠음, 은줄, 무늬
- 수축/함몰 → 치수 불량
그래서 발포는 보통 “목표 밀도에서 공정 안정성”을 먼저 확보한 뒤, 단계적으로 밀도를 낮추는 방식이 실패 확률을 줄입니다.
6) 표면 스킨 문제 해결: 거칠음, 실버, 줄무늬, 함몰, 수축
6-1. 표면이 거칠다(오렌지필/기공 노출)
- 가능 원인: 셀 조대화, 표면에서 셀 터짐, 핵 부족, 금형온도 낮아 표면이 깨짐
- 우선 조치: 핵생성 증가(핵제/분산 개선), 금형온도/표면 온도 상향, 충전 속도 조정, 발포제량/가스량 소폭 하향
6-2. 은줄/흰 줄이 생긴다
- 가능 원인: 가스/수분/휘발분이 전단 흐름 중 표면으로 끌려 나옴, 발포제 분산 불량
- 우선 조치: 건조/휘발분 관리, 온도/체류시간 과다 방지, 스크류 혼련 개선, 사출 속도 프로파일 조정
6-3. 표면 줄무늬/무늬가 반복된다(흐름 흔적)
- 가능 원인: 압력/가스 용해 변동, 유동 전면 불안정, 게이트/러너 설계 문제
- 우선 조치: 압력 안정화(설비/밸브/공급), 충전 패턴 조정, 금형 온도 균일화, 게이트 조건 점검
6-4. 함몰(싱크) 또는 내부 보이드가 늘어난다
- 가능 원인: 보압 부족, 두꺼운 부위 냉각 지연, 셀 붕괴 후 수축
- 우선 조치: 보압/보압시간 최적화(게이트 동결 시간 기준), 냉각 개선, 두께 균일화, 발포비 과다 여부 점검
6-5. 전체가 수축하고 치수가 불안정하다
- 가능 원인: 셀 안정화 부족(용융강도 부족), 결정화/냉각 조건 불안정, 발포가 과도해 구조 붕괴
- 우선 조치: 용융강도 높은 등급/블렌드 검토, 공정 온도 하향(셀 고정 빠르게), 냉각 균일화, 발포제량/가스량 단계 조정
7) 공정별 포인트: 압출발포 vs 사출발포
7-1. 압출발포(시트/보드/프로파일)
- 가스 용해(고압)와 다이 출구 감압이 핵심
- 다이 온도와 냉각/캘린더 조건이 셀 성장과 스킨 형성에 직접 영향
- 라인 안정성이 곧 셀 균일성(압력 변동 최소화)
7-2. 사출발포(구조발포 포함)
- 충전-보압-냉각 단계에서 “스킨층 형성”과 “코어 발포”의 균형이 핵심
- 게이트 동결 전 보압이 과하면 발포가 억제되고, 너무 부족하면 함몰/보이드가 늘 수 있음
- 유동 말단/두께 변화 부위에서 셀 구조 불균일이 자주 발생
8) 체크리스트
- 목표가 단열/부력(폐쇄셀)인지 흡음/쿠션(개방셀)인지 먼저 정의했는가
- 발포제(화학/물리) 선택이 제품 요구(냄새, 잔사, 설비)와 맞는가
- 용융강도 부족 신호(셀 합체, 수축, 표면 붕괴)가 있는가
- 핵생성이 부족한 신호(셀 조대화, 셀 분포 불균일)가 있는가
- 온도/압력 변동이 셀 무늬를 만들고 있지 않은가(설비 안정성)
- 금형온도/냉각 균일성이 스킨 외관과 수축에 영향을 주고 있지 않은가
- 건조/휘발분/체류시간 관리가 은줄·기포·냄새 문제를 악화시키고 있지 않은가
FAQ
Q1. 발포비를 올리면 왜 강도가 급격히 떨어지나요?
발포비가 올라가면(밀도 저하) 기본적으로 단면을 지지하는 고체 재료량이 줄어듭니다. 여기에 셀 조대화, 합체, 터짐이 생기면 결함이 커져 강도 저하가 더 급격해집니다. 그래서 발포비보다 “셀 미세화/균일화 + 스킨층 안정”이 강도 유지의 핵심입니다.
Q2. 표면 스킨이 거칠어지는 가장 흔한 원인은?
셀이 표면까지 올라와 터지거나, 표면이 너무 빨리 얼어 유동 전면이 불안정해질 때 흔합니다. 핵 부족(셀 조대화)과 용융강도 부족(셀 붕괴)이 함께 있는 경우가 많아 핵생성/안정화 두 축을 동시에 점검하는 것이 효율적입니다.
Q3. 동일 MFR 수지인데 발포 안정성이 다른 이유는 무엇인가요?
MFR은 한 조건에서의 유동성 지표일 뿐, 발포에 중요한 용융 탄성/용융강도와 분자량분포(MWD)를 모두 설명하지 못합니다. 고분자량 성분(꼬리) 존재, 장쇄분지 여부, 열이력 민감도에 따라 발포 안정성이 달라질 수 있습니다.
Q4. 화학발포제에서 냄새/잔사가 문제가 되면 어떻게 해야 하나요?
분해 부산물 특성이 원인일 수 있으므로 발포제 종류/등급 변경이 가장 직접적입니다. 동시에 분해 온도 창에 맞춰 온도 프로파일을 조정하고, 혼련(분산) 불량이 잔사처럼 보이는 경우도 있어 스크류/혼련 조건 점검이 필요합니다.
Q5. 발포 수축(치수 불안정)을 줄이는 핵심은 무엇인가요?
셀을 “무너지지 않게 고정”하는 것이 핵심입니다. 용융강도 확보(등급/블렌드), 공정 온도/냉각 최적화(고정 타이밍), 발포비 단계 조정, 그리고 사출발포라면 보압/게이트 동결 조건 최적화가 수축 저감에 직접적으로 작동합니다.