이 글의 목적은 압출 공정에서 스크류 L/D(Length/Diameter) 선정과 존(Zone) 배치, 혼련·탈기·온도 상승 리스크를 실무 관점에서 체계적으로 정리하여, 장비 사양 협의와 트러블슈팅에 바로 활용할 수 있도록 돕는 것이다.
1. 스크류 L/D의 의미와 설계에서 실제로 결정되는 것
스크류 L/D는 스크류 유효 길이(L)를 직경(D)으로 나눈 무차원 비율이다. L/D는 단순히 “길면 좋다”가 아니라, 공정이 요구하는 기능을 스크류 내부에서 얼마나 안정적으로 구현할 수 있는지의 여유도를 결정하는 변수이다.
L/D가 커질수록 일반적으로 다음 항목의 “설계 자유도”가 증가하다. 용융 구간을 길게 가져가 저전단 용융을 만들 수 있다. 혼련 요소를 더 넣어 분산·분배 혼합을 강화할 수 있다. 벤트(탈기) 구간을 분리해 기포·잔류 용매·수분 제거를 안정화할 수 있다. 체류시간이 길어져 반응·상용화·가스 확산에 유리해질 수 있다.
반대로 L/D가 커질수록 불리해질 수 있는 항목도 명확하다. 체류시간 증가로 열이력과 열분해 리스크가 증가하다. 스크류 축 토크 요구가 증가해 구동계 여유가 줄어들 수 있다. 압력 손실과 온도 상승(점성 발열) 관리가 어려워질 수 있다. 장비 길이 증가로 설치·정비 제약이 생기다.
주의 : L/D를 키우면 성능이 자동으로 좋아지는 것이 아니라, “좋게 만들 여지”가 커지는 것이다. 같은 L/D에서도 피치, 채널 깊이, 압축비, 혼련 요소, 벤트 설계가 다르면 결과가 완전히 달라지다.
2. L/D 선정의 출발점: 제품 요구 성능을 기능으로 쪼개기
L/D를 결정할 때 가장 흔한 실패는 “과거 장비 관성”만으로 숫자를 정하는 것이다. 실무에서는 먼저 공정 요구를 기능 단위로 분해하는 것이 유효하다.
2.1 요구 기능 체크리스트
- 처리량 목표가 크다. 라인 속도·토출량이 우선이다.
- 용융 안정성이 중요하다. 미용융, 서징, 압력 변동이 문제이다.
- 혼련 품질이 중요하다. 필러·안료·첨가제 분산이 핵심이다.
- 저전단이 중요하다. 분자량 저하, 젤, 변색이 민감하다.
- 탈기가 필요하다. 수분, 잔류 용매, 모노머, 냄새 성분이 문제이다.
- 반응/상용화가 필요하다. 반응 압출, 상용화제 반응, 점도 상승 제어가 필요하다.
- 재생원료/리그라인드 사용이다. 오염·수분·분해산이 변동하다.
위 기능이 많아질수록 스크류 내부에 “구간 분리”가 필요해지며, 이때 L/D가 부족하면 서로 다른 기능이 한 구간에 겹쳐 품질과 안정성이 동시에 흔들리다.
3. 단축(싱글) 스크류에서의 L/D 설계 포인트
단축 스크류는 일반적으로 고체 이송, 용융, 압력 형성, 혼합을 한 축에서 연속적으로 수행하다. L/D가 늘어나면 용융 안정화와 혼합 여유가 증가하지만, 열이력과 토크 한계도 같이 따라오다.
3.1 전형적 L/D 범위의 의미를 기능으로 해석하다
현장에서는 단축 스크류 L/D가 대략 20, 24, 30, 34, 36 같은 단계로 논의되는 경우가 많다. 이 숫자는 “성능 등급”이 아니라 “구간을 어떻게 나눌 수 있는가”를 암시하다.
| 구간/요구 | L/D 여유가 작을 때 발생하기 쉬운 현상 | L/D 여유가 커질 때 가능한 설계 |
|---|---|---|
| 용융 안정화 | 미용융, 서징, 용융 전단 편차가 커지다 | 저전단 용융 구간 확장, 배리어 구조 적용 여유가 생기다 |
| 압력 형성 | 다이 압력 변동, 토출량 흔들림이 커지다 | 계량 구간 길이 확보, 압력 마진 확보가 가능하다 |
| 혼련 | 분산 불량, 어글로머레이트, 색상 편차가 증가하다 | 혼련 요소 추가, 분배 혼합 구간 분리가 가능하다 |
| 탈기(벤트) | 벤트 설치 여유 부족, 가스 끼임, 기포가 증가하다 | 벤트 전후 실링·감압·재압축 구간 분리가 가능하다 |
| 열이력 | 상대적으로 짧아 유리할 수 있다 | 길어져 열분해·변색 리스크가 증가하므로 조건 관리가 필요하다 |
3.2 존 배치 관점에서 L/D를 “길이 예산”으로 다루다
단축 스크류는 대개 고체 이송 구간, 압축(용융) 구간, 계량 구간으로 설명되지만, 실무에서는 다음처럼 기능을 더 쪼개어 길이를 배분하는 것이 유리하다.
| 기능 구간 | 역할 | 설계 포인트 | 트러블 신호 |
|---|---|---|---|
| 고체 이송 | 펠릿/분말을 안정적으로 물고 보내다 | 과도한 채널 깊이 증가는 슬립을 유발할 수 있다 | 호퍼 브리징, 토출량 변동이 증가하다 |
| 예열·부분 용융 | 급격한 용융을 피하고 열을 분산하다 | 배럴 온도 프로파일과 일치시키다 | 용융 지연, 미용융이 발생하다 |
| 주 용융 | 용융 완료와 기포 억제를 달성하다 | 전단 과다를 피하고 용융 프런트를 안정화하다 | 기포, 은줄, 표면 결함이 증가하다 |
| 압력 형성(계량) | 다이 저항을 이기고 일정 유량을 만들다 | 압력 마진이 부족하면 서징이 커지다 | 다이 압력 진동, 치수 편차가 증가하다 |
| 혼련(선택) | 분산·분배 혼합을 수행하다 | 혼련 추가는 토크와 온도 상승을 동반하다 | 과열, 변색, 젤이 발생하다 |
| 탈기(선택) | 가스·수분·용매를 제거하다 | 벤트 전후 실링 구간이 없으면 토출이 불안정하다 | 기포, 냄새, 진공 불안정이 발생하다 |
주의 : 벤트를 추가하는 경우 “벤트 위치”만으로 해결되지 않는다. 벤트 직전은 감압이 필요하고, 벤트 직후는 재압축이 필요하다. 이 길이 예산이 부족하면 벤트는 오히려 공정 변동을 키우다.
3.3 압축비와 L/D의 동시 설계가 필수이다
압축비(Compression ratio)는 고체 이송 구간 채널 깊이 대비 계량 구간 채널 깊이 비율로 설명되는 경우가 많다. 압축비를 크게 하면 용융과 압력 형성이 쉬워질 수 있으나, 전단과 점성 발열이 증가해 열민감 재료에 불리하다. L/D가 충분하면 압축비를 과도하게 키우지 않고도 용융 길이를 확보해 안정화를 도모할 수 있다.
3.4 점성 발열 관점에서 “L/D를 늘린 만큼 전단을 낮추다”가 원칙이다
폴리머 용융물은 점도가 높아 전단에 따른 발열이 크다. L/D를 늘려 혼련과 체류를 확보하되, 동일 성능을 전단으로만 만들지 않도록 설계해야 한다. 실무적으로는 스크류 회전수 상승으로 처리량을 얻는 방식은 온도 상승과 분해 리스크를 동반하므로, L/D 증가와 함께 피치·혼련 구조·배럴 온도·냉각을 재설계하는 접근이 필요하다.
4. 이축(트윈) 스크류에서의 L/D 설계 포인트
이축 스크류는 모듈형 요소 조합으로 기능을 구간별로 명확히 분리할 수 있다는 점에서 L/D가 “공정 레시피 공간”에 가깝다. 특히 동회전 맞물림 이축은 혼련과 탈기, 반응을 동시에 다루는 경우가 많아 L/D가 공정 안정성에 직접 영향을 주다.
4.1 이축에서 L/D는 “필수 구간 + 선택 구간”의 합이다
이축에서는 통상적으로 다음 구간들이 필요하다. 고체 이송 및 용융 구간이 필요하다. 주 혼련 구간이 필요하다. 감압·탈기 구간이 필요할 수 있다. 사이드 피더(필러 투입) 구간이 있을 수 있다. 반응·상용화 구간이 있을 수 있다. 각 구간을 분리할수록 공정 창이 넓어지며, 이때 L/D가 부족하면 기능 간 간섭이 커지다.
4.2 사이드 피더와 벤트 조합은 L/D를 빠르게 소모하다
필러를 사이드 피더로 투입하면 투입 직후 충분한 젖음과 분산을 확보해야 한다. 동시에 벤트를 사용하면 벤트 직전 감압 구간과 직후 재압축 구간이 필요하다. 이 구간들을 안전하게 분리하려면 L/D가 빠르게 소모되며, 결과적으로 “혼련은 되는데 토출이 불안정” 또는 “탈기는 되는데 분산이 부족” 같은 트레이드오프가 나타나기 쉽다.
주의 : 벤트 구간에서 용융물이 끓어오르거나 토출로 빨려 나오는 현상은 진공도만의 문제가 아니다. 스크류 충만율, 감압 길이, 벤트 전후 실링 요소, 다이 저항과의 밸런스 문제이다.
4.3 반응 압출에서 L/D는 “체류시간 분포”와 같이 논의하다
반응 압출에서는 평균 체류시간뿐 아니라 체류시간 분포가 중요하다. L/D가 길어지면 평균 체류시간이 증가하는 경향이 있으나, 요소 구성에 따라 분포가 넓어지면 과반응 또는 열분해 구간이 생기다. 따라서 반응 구간은 단순히 길게가 아니라, 열제어와 혼련 강도를 포함해 “목표 전환율을 얻는 최소 열이력”으로 설계하는 것이 합리적이다.
5. L/D 결정에 직접 연결되는 계산과 확인 항목
현장 설계 협의에서는 정교한 해석보다, 리스크를 빠르게 걸러내는 1차 체크가 중요하다. 다음 항목은 L/D 논의에서 즉시 확인해야 하는 실무 포인트이다.
5.1 체류시간(Residence time) 1차 추정
체류시간은 열이력과 분해 리스크를 판단하는 기초 지표이다. 상세 모델이 없을 때는 “스크류 내부 유효 체적”과 “질량 유량”으로 1차 추정이 가능하다.
# 1차 체류시간 추정 개념식이다 # tau ≈ V_eff / Q # tau: 평균 체류시간(s)이다 # V_eff: 스크류 내부 유효 체적(m^3)이다 # Q: 체적 유량(m^3/s)이다
질량 유량 기준으로 쓰면 다음과 같이 쓰다
tau ≈ (rho * V_eff) / m_dot
rho: 용융 밀도(kg/m^3)이다
m_dot: 질량 유량(kg/s)이다V_eff는 충만율, 요소 구성, 배럴 클리어런스에 따라 달라지는 값이다. 따라서 이 계산은 절대값보다 “L/D 변경 시 체류시간이 어느 정도 늘어나는가”를 보는 용도로 사용하다.
5.2 토크 마진과 축 강도 한계 확인
L/D를 늘리거나 혼련 요소를 강화하면 요구 토크가 증가하다. 구동 모터 용량만이 아니라 감속기, 커플링, 스플라인, 샤프트 강도 마진을 함께 확인해야 한다. 토크 마진이 낮으면 생산 중 점도 변동, 투입 편차, 냉각 조건 변화에 즉시 공정이 무너지다.
5.3 압력 예산과 다이 저항의 관계 확인
다이 저항이 큰 제품에서 L/D가 부족하면 압력 형성 구간이 짧아 서징이 나타나기 쉽다. 반대로 L/D가 길어도 압력 형성 구간이 혼련·벤트에 잠식되면 동일 문제가 발생하다. 따라서 “총 L/D”가 아니라 “계량·재압축에 배정된 L/D”를 따로 관리해야 한다.
6. 목적별 L/D 설계 전략
6.1 처리량 우선 전략
처리량이 최우선이면 고체 이송 안정성과 용융 안정성이 핵심이다. L/D를 늘려 용융을 안정화하되, 과도한 혼련 요소로 토크를 소모하지 않도록 설계하다. 다이 저항이 크면 계량 구간 길이 예산을 확보하다. 호퍼에서의 공급 안정(브리징 방지, 피더 제어)을 병행하다.
6.2 품질(분산) 우선 전략
필러·안료 분산이 우선이면 혼련 구간의 길이와 강도가 중요하다. L/D를 늘려 분산(고전단)과 분배(저전단) 구간을 분리하다. 고전단 혼련은 최소 길이로 목표 분산을 달성하고, 후단에 분배 혼합을 두어 균질화를 마무리하다. 과혼련으로 인한 온도 상승을 배럴 냉각과 회전수로 제어하다.
6.3 탈기 우선 전략
잔류 용매, 수분, 냄새 성분 제거가 우선이면 벤트 구간을 “감압-탈기-재압축”으로 완결되게 구성하다. 벤트 전후 실링 요소가 없으면 진공 안정성이 떨어지고 토출 변동이 증가하다. L/D가 충분하지 않다면 벤트를 추가하기보다, 투입 원료의 전처리(건조, 탈휘발) 또는 다이 저항 조정으로 해결하는 편이 안전한 경우가 많다.
6.4 열민감 재료 전략
열민감 재료는 L/D 증가가 오히려 불리할 수 있다. 이 경우는 L/D를 무작정 키우기보다, 용융을 저전단으로 만들고 불필요한 체류를 줄이는 방향이 유리하다. 혼련은 “필요한 만큼만” 수행하고, 배럴 온도 프로파일과 냉각 용량을 먼저 확보하다. 체류시간 분포가 넓어지는 요소 조합은 피하는 편이 안전하다.
주의 : 열민감 재료에서 “분산 불량을 회전수로 해결”하는 접근은 단기적으로는 통과해도 장기적으로 변색, 젤, 휘발 성분 증가로 이어지기 쉽다.
7. 현장 트러블을 L/D 관점으로 역추적하는 방법
같은 결함이라도 원인이 L/D 부족인지, 요소 배치 문제인지, 운전 조건 문제인지 구분해야 한다. 다음은 현장에서 자주 쓰는 역추적 포인트이다.
7.1 미용융이 반복되다
용융 구간이 짧거나, 고체 이송에서 슬립이 발생하거나, 배럴 온도 프로파일이 스크류 설계와 불일치할 때 나타나다. L/D가 짧은 경우 용융 여유가 부족해 회전수·처리량 변화에 취약하다. 해결 방향은 용융 길이 예산 확보, 배리어 구조 검토, 회전수와 배럴 온도 재조정이다.
7.2 다이 압력 서징이 크다
계량 구간의 압력 마진이 부족하거나, 벤트 후단 재압축이 부족하거나, 원료 공급 변동이 클 때 나타나다. L/D 자체보다 “압력 형성에 배정된 L/D”가 핵심이다. 다이 저항이 큰데 혼련 요소가 후단을 점유하면 서징이 커지다.
7.3 기포·은줄·냄새가 남다
탈기 필요성이 있는데 벤트가 없거나, 벤트가 있어도 감압·재압축이 불완전하거나, 원료 건조가 부족할 때 나타나다. L/D가 충분해도 벤트 전후 구간이 짧으면 효과가 제한되다. 진공도만 올리면 용융물 비산과 토출 변동이 커질 수 있다.
7.4 변색·젤·분해 냄새가 증가하다
체류시간 과다, 전단 과다, 핫스팟이 원인인 경우가 많다. L/D 증가, 혼련 강화, 회전수 상승이 겹치면 점성 발열이 누적되다. 해결 방향은 혼련 강도 재배치, 회전수와 배럴 냉각 조정, 체류시간 단축, 퍼지 절차 개선이다.
8. 장비 사양 협의 시 바로 쓰는 L/D 질문 템플릿
장비 업체와 협의할 때 “L/D 몇이 좋나”로 끝내면 실패 확률이 높다. 아래 질문으로 기능별 길이 예산을 확보하다.
| 질문 | 의도 | 확인해야 할 산출물 |
|---|---|---|
| 용융 완료 지점이 스크류 몇 D 지점인가 | 용융 여유와 전단 리스크를 확인하다 | 존별 온도/압력 프로파일 가정이다 |
| 혼련 요소 구간의 길이와 종류는 무엇인가 | 분산·분배 혼합 전략을 확인하다 | 요소 조합도, 예상 토크이다 |
| 벤트가 있다면 감압·재압축 구간은 몇 D인가 | 탈기 안정성을 확인하다 | 벤트 전후 실링 요소 구성이다 |
| 목표 처리량에서 토크 사용률은 몇 %인가 | 점도 변동에 대한 마진을 확인하다 | 모터/감속기 정격 대비 마진이다 |
| 열민감 재료에서 배럴 냉각 용량은 충분한가 | 점성 발열 누적을 억제하다 | 존별 냉각 방식과 최대 제거 열량이다 |
9. 실무 결론: L/D는 숫자가 아니라 “기능 구간 분리 능력”이다
L/D 설계의 핵심은 다음 한 문장으로 정리되다. 필요한 기능을 구간으로 분리해 서로 간섭하지 않게 만드는 길이 예산이 L/D이다. 처리량만 올리면 되는 공정이라면 과도한 L/D가 불필요할 수 있다. 혼련·탈기·반응·열민감 요소가 동시에 걸리면 L/D가 부족할 때 트러블이 구조적으로 반복되다.
따라서 L/D를 결정할 때는 총 L/D를 먼저 정하지 말고, 용융, 혼련, 탈기, 압력 형성에 각각 몇 D가 필요한지 기능 예산을 합산하는 방식이 합리적이다. 이후 토크, 열이력, 압력 마진을 동시에 검증해 최종 L/D를 확정하다.
FAQ
단축 스크류에서 L/D를 늘리면 처리량이 항상 증가하다?
항상 증가하는 것은 아니다. 처리량은 고체 이송 안정성, 용융 능력, 다이 저항, 회전수 한계, 토크 마진의 동시 제약을 받다. L/D 증가는 용융·혼련·탈기 설계 여유를 늘리지만, 토크와 열이력 제약이 먼저 걸리면 처리량은 제한되다.
벤트가 필요하면 L/D는 어느 정도가 유리하다?
중요한 것은 총 L/D보다 벤트 전후의 감압-탈기-재압축 구간을 분리할 길이 예산이다. 벤트 직전 감압이 부족하면 기포가 빠지지 않고, 벤트 직후 재압축이 부족하면 토출이 흔들리다. 따라서 벤트 채택 시에는 벤트 구간을 완결시키는 요소 배치를 먼저 확정해야 하다.
열민감 재료는 L/D가 짧을수록 유리하다?
무조건 그렇지는 않다. 짧은 L/D는 체류시간을 줄일 수 있으나, 용융을 확보하기 위해 전단을 키우면 점성 발열로 오히려 불리해질 수 있다. 열민감 재료에서는 L/D, 회전수, 혼련 강도, 배럴 냉각을 동시에 최적화해야 하다.
이축에서 L/D를 키우면 혼련이 자동으로 좋아지다?
자동으로 좋아지지 않는다. 이축에서는 요소 조합이 혼련을 결정하다. L/D가 길면 요소를 배치할 수 있는 공간이 늘어날 뿐이며, 목표 품질을 달성하는 혼련 전략(분산 구간과 분배 구간 분리, 열제어, 충만율 관리)이 없으면 과혼련과 열분해로 이어지다.
장비 교체 없이 L/D 한계를 운전으로 보완할 수 있다?
일부는 가능하다. 배럴 온도 프로파일 조정, 회전수 최적화, 다이 저항 조정, 원료 건조 강화, 피더 안정화로 개선되는 경우가 있다. 다만 기능 구간 분리가 구조적으로 부족한 경우에는 운전으로 해결할 수 있는 범위가 제한되다.