- 공유 링크 만들기
- X
- 이메일
- 기타 앱
현장에서 수지를 비교할 때 가장 먼저 보는 값이 MFR(MFI)인 경우가 많습니다. 빠르고 싸고, 로트 관리에도 유용합니다. 하지만 MFR은 “딱 한 가지 조건에서의 흐름”만 보여줍니다. 실제 사출·압출·필름 공정은 전단율(shear rate)과 온도, 압력, 체류시간이 계속 변하고, 그에 따라 용융 점도(흐름 저항)도 크게 바뀝니다. 그래서 “MFR이 같은데도 충전 압력이 달라짐”, “압출 토크가 튀고 다이 줄무늬가 생김”, “필름 게이지가 흔들림” 같은 문제가 생깁니다.
이 글은 레올로지(점도 거동)를 처음 접하는 분도 현장 적용까지 바로 연결할 수 있도록, (1) 전단박화/전단박화(전단박화=전단박화, shear thinning) 기본을 잡고, (2) MFR이 놓치는 부분이 무엇인지, (3) 사출·압출·필름에서 자주 터지는 문제를 레올로지 언어로 바꿔 보는 방식으로 구성했습니다. 마지막에는 공정창(Window) 설정 체크리스트와 FAQ를 넣어, 검색 유입과 실무 활용성을 동시에 노렸습니다.
목차
- 레올로지와 점도: “흐름”을 보는 공학
- 전단율(shear rate)과 전단응력(shear stress) 개념
- 전단박화(전단박화, shear thinning)란 무엇인가
- 왜 MFR만으로 공정성을 설명하기 어려운가
- 레올로지 곡선 읽는 법: 점도-전단율, 점탄성(G′/G″) 핵심
- 공정별 전단율 범위와 “문제 발생 구간” 연결
- 현장 사례 3개: 문제 → 레올로지 원인 → 해결 방향
- MFR 한계를 넘어 공정창(Window) 잡는 실전 절차
- 체크리스트: 소재 변경/불량 발생 시 즉시 점검
- FAQ
1) 레올로지와 점도: “흐름”을 보는 공학
레올로지(Rheology)는 재료가 “흐르고(점성)” “되돌아오려는(탄성)” 거동을 함께 다루는 분야입니다. 고분자 용융체는 물처럼 단순한 점성 유체가 아니라, 사슬 얽힘(entanglement) 때문에 점탄성(viscoelasticity)을 보입니다. 그래서 같은 온도라도 전단율이 바뀌면 점도가 바뀌고, 공정 안정성이 흔들릴 수 있습니다.
실무에서 레올로지는 다음 질문을 해결하는 도구입니다.
- 왜 충전 압력이 갑자기 올라갔나(사출)?
- 왜 압출 토크가 불안정하고 다이 줄무늬가 생기나(압출/필름)?
- 왜 필름 두께(게이지)가 흔들리나(필름/블로잉)?
- 왜 표면이 거칠어지거나 번짐(샤크스킨 등)이 생기나?
- 왜 용융 강도가 부족해 처짐이나 파단이 생기나?
2) 전단율(shear rate)과 전단응력(shear stress) 개념
전단율은 “얼마나 빠르게 층이 미끄러지며 변형되는가”를 나타내는 값이고, 전단응력은 “그 변형을 만들기 위해 필요한 힘”입니다. 단순화하면 다음 관계로 이해할 수 있습니다.
점도(η) = 전단응력(τ) / 전단율(γ̇)
물 같은 뉴턴 유체는 전단율이 바뀌어도 점도가 거의 일정하지만, 고분자 용융체는 전단율이 올라가면 점도가 내려가는 전단박화(전단박화) 거동을 보이는 경우가 많습니다.
3) 전단박화(전단박화, shear thinning)란 무엇인가
전단박화는 전단율이 증가할수록 점도가 감소하는 현상입니다. 고분자에서는 전단이 걸리면 사슬 얽힘 구조가 부분적으로 풀리고, 사슬이 흐름 방향으로 정렬되면서 흐름 저항이 감소하는 방향으로 거동합니다.
실무적으로 중요한 포인트는 두 가지입니다.
- 저전단 영역 점도: 금형 충전 시작, 압출기 내부 혼련, 다이 입구 등에서 영향을 크게 줌
- 고전단 영역 점도: 게이트/다이 립처럼 전단율이 큰 구간에서 표면 결함, 압력 손실과 직결
즉, 같은 수지라도 “어느 전단율에서의 점도”를 보느냐에 따라 공정 안정성과 불량 패턴이 달라집니다.
4) 왜 MFR만으로 공정성을 설명하기 어려운가
MFR은 표준화된 조건(온도, 하중)에서 모세관을 통해 흘러나오는 양을 측정합니다. 즉, 특정 조건에서의 유동성을 비교하기에는 좋지만, 실제 공정에서 나타나는 다음 요소를 충분히 반영하지 못합니다.
- 전단율 범위: 공정에서 전단율은 구간마다 크게 다름(저전단~초고전단)
- 점탄성: 탄성 성분이 크면 다이 스웰, 게이지 흔들림, 용융 파단에 영향
- 온도 의존성: 온도 변화에 따른 점도 민감도(활성화 에너지)가 수지별로 다름
- 분자량분포(MWD): 분포가 넓으면 저전단/고전단 거동이 다르게 나타날 수 있음
그래서 실무에서는 “MFR은 같지만 공정 거동이 다르다”는 상황이 흔하고, 이때 공정창(Window)을 잡으려면 레올로지 곡선 기반 접근이 필요합니다.
5) 레올로지 곡선 읽는 법: 점도-전단율, 점탄성(G′/G″) 핵심
5-1. 점도-전단율(η-γ̇) 곡선
이 곡선은 공정 해석의 출발점입니다. 전단율이 올라가면서 점도가 얼마나 빨리 떨어지는지(전단박화 정도), 저전단 점도가 얼마나 높은지(초기 충전/토크 영향), 고전단 점도가 얼마나 낮아지는지(게이트/다이 립 압력손실 영향)를 봅니다.
5-2. 점탄성: 저장탄성률(G′)과 손실탄성률(G″)
고분자 용융체의 탄성 성분은 필름/발포/블로잉에서 특히 중요합니다. 일반적으로 다음을 의미합니다.
- G′(저장탄성률): 탄성(되돌아가려는 성분) → 다이 스웰, 버블 안정, 용융 강도와 연결
- G″(손실탄성률): 점성(에너지 소산 성분) → 흐름과 열 발생, 감쇠 특성과 연결
단순히 “잘 흐른다”만으로는 해결되지 않는 공정(필름 게이지, 버블 안정, 처짐)은 점탄성 정보를 같이 봐야 공정창을 넓게 잡을 수 있습니다.
6) 공정별 전단율 범위와 “문제 발생 구간” 연결
전단율은 장비/형상/속도에 따라 달라지지만, 실무적으로는 “어느 구간이 문제 구간인가”를 잡는 게 중요합니다. 대표적으로 다음 연결이 자주 나옵니다.
- 사출 게이트/러너: 고전단 → 압력손실, 샤크스킨/표면 결함, 번짐, 게이트 블러시
- 사출 캐비티 내부: 중~저전단 → 충전 밸런스, 용접선(웰드라인) 강도
- 압출 다이 립: 고전단 → 다이 라인, 샤크스킨, 멜트 프랙처
- 압출기 내부 혼련: 저~중전단 → 토크, 혼련 균일성, 겔/미용융
- 블로잉/발포/필름: 저전단 + 탄성 → 용융 강도 부족 시 처짐/파단, 게이지 불안정
7) 현장 사례 3개: 문제 → 레올로지 원인 → 해결 방향
사례 1. 사출 충전압 상승 + 숏샷 증가(로트 변경 후)
- 문제: MFR은 유사한데 충전압 상승, 숏샷/충전 불안
- 레올로지 관점 원인: 저전단 점도 상승 또는 전단박화 곡선 형태 변화(초기 구간이 뻣뻣해짐)
- 해결 방향: 사출 속도 프로파일 조정(전단율 영역 이동), 실린더 온도/금형 온도 최적화, 필요 시 분포/점도 레벨이 맞는 등급 재선정
사례 2. 압출 다이 줄무늬(다이 라인)와 샤크스킨 발생
- 문제: 표면 거칠음, 줄무늬, 고속에서 급격히 악화
- 레올로지 관점 원인: 다이 립의 고전단 영역에서 점도/탄성 조합이 임계 구간에 진입(멜트 프랙처 전조)
- 해결 방향: 출구 전단율 낮추기(라인 속도/다이 설계), 온도 조정으로 점도 낮추기, 가공보조제(PPA) 검토, 고전단 점도 특성이 다른 등급 검토
사례 3. 필름 게이지 흔들림 + 버블 불안정
- 문제: 두께 편차 증가, 버블 흔들림, 파단 증가
- 레올로지 관점 원인: 용융 강도 부족(탄성 성분 부족) 또는 온도 의존성이 커서 작은 온도 편차가 큰 점도 변화를 유발
- 해결 방향: 용융 강도 높은 등급/블렌딩, 냉각·온도 제어 강화, 체류시간 안정화, 점탄성(G′/G″) 관점에서 등급 비교
8) MFR 한계를 넘어 공정창(Window) 잡는 실전 절차
- 문제 구간을 전단율 관점으로 특정: 게이트/다이 립(고전단)인지, 혼련/버블 안정(저전단+탄성)인지 구분
- 목표 공정 범위 정의: 생산 속도, 온도 범위, 압력 한계, 불량 허용 수준 정리
- 점도-전단율 곡선 비교: 저전단/고전단에서의 상대 점도와 전단박화 정도 확인
- 온도 민감도 확인: 온도 변화에 점도가 얼마나 민감한지(작은 온도 편차가 공정 흔들림으로 연결되는지)
- 점탄성까지 필요 여부 판단: 필름/발포/블로잉/표면 결함이면 G′/G″ 또는 용융 강도 지표를 포함
- 공정조건으로 “전단율 영역 이동”: 사출 속도/게이트 변경, 압출 속도/다이 설계 조정 등으로 문제 구간을 피함
- 윈도우 확정: 온도-속도-압력(또는 토크) 3축에서 불량이 없는 구간을 문서화(레시피 고정)
9) 체크리스트: 소재 변경/불량 발생 시 즉시 점검
- MFR이 같아도 저전단/고전단 점도 거동이 달라질 수 있음을 전제로 했는가
- 문제가 고전단(게이트/다이 립)인지 저전단+탄성(버블/발포)인지 구분했는가
- 온도 편차가 작은데도 품질이 흔들리면 온도 민감도(점도-온도 의존성)를 의심했는가
- 표면 불량(샤크스킨/멜트 프랙처)이면 임계 전단율을 넘고 있는지 점검했는가
- 필름/블로잉이면 “잘 흐름”보다 용융 강도/탄성을 포함해 등급을 비교했는가
- 원인 규명이 필요하면 레올로지 데이터(η-γ̇, G′/G″)를 확보할 계획이 있는가
FAQ
Q1. 전단박화(전단박화)가 강하면 무조건 좋은가요?
아닙니다. 고전단에서 점도가 잘 떨어지면 충전/압출은 유리할 수 있지만, 저전단 영역 점도가 너무 높으면 토크 상승이나 초기 충전 문제가 생길 수 있습니다. 또한 탄성 성분이 과하면 다이 스웰이나 표면 불안정이 커질 수 있어, 공정 목적에 맞는 균형이 중요합니다.
Q2. MFR과 레올로지 점도는 어떤 관계인가요?
MFR은 특정 조건의 “흐름 결과값”이고, 레올로지는 전단율·온도에 따른 점도 변화를 “곡선”으로 보여줍니다. 같은 MFR이라도 분자량분포와 점탄성 차이로 곡선 형태가 달라질 수 있어, 공정 안정성은 달라질 수 있습니다.
Q3. 사출성형에서 레올로지는 어디에 가장 크게 영향을 주나요?
게이트/러너의 압력손실(고전단), 충전 밸런스(중전단), 보압 구간의 수축·치수 안정(점도-온도 의존성)에서 영향을 크게 체감하는 경우가 많습니다.
Q4. 압출 표면 불량(샤크스킨/멜트 프랙처)은 재료 문제인가요, 조건 문제인가요?
둘 다 가능합니다. 임계 전단율을 넘어가면 조건 문제로도 발생하고, 같은 조건에서도 재료의 점탄성/고전단 점도 특성에 따라 발생 민감도가 달라집니다. 조건으로 전단율을 낮추거나, 재료/첨가제(PPA)로 임계 구간을 밀어내는 방식이 함께 사용됩니다.
Q5. 레올로지 데이터를 꼭 직접 측정해야 하나요?
경향 파악은 제조사 기술자료나 등급 비교 데이터로도 시작할 수 있습니다. 다만 “MFR은 같은데 공정이 흔들리는” 상황에서 원인 규명이 필요하면, 최소한 점도-전단율 곡선(여러 온도) 정도는 확보하는 것이 공정창 설정에 큰 도움이 됩니다.
정리하면, MFR은 현장 관리에 강력하지만 “한 점의 정보”입니다. 사출·압출·필름 공정은 전단율과 온도가 계속 바뀌는 “곡선의 세계”이기 때문에, 점도-전단율(그리고 필요한 경우 점탄성) 관점으로 접근해야 공정창(Window)을 넓히고 불량 재발을 줄일 수 있습니다.