이 글의 목적은 폴리머 압출 공정에서 발생하는 용융파단(melt fracture)의 원인을 체계적으로 정리하고, 현장에서 바로 적용 가능한 진단 방법과 개선 대책을 제공하는 것이다.
1. 용융파단의 정의와 현장에서의 대표 증상
용융파단은 다이(die) 출구 부근에서 용융 폴리머의 유동이 불안정해지며 압출물 표면 또는 형상이 주기적으로 깨지거나 거칠어지는 현상이다.
현장에서는 “표면이 물결처럼 울렁거림”, “샤크스킨(sharkskin)처럼 잔잔한 줄무늬”, “대형 요철과 뒤틀림”, “치수 변동과 압력 헌팅”으로 관찰되는 경우가 많다.
1-1. 용융파단의 형태 분류
용융파단은 강도와 스케일에 따라 구분하는 것이 공정 처방에 유리하다.
| 구분 | 현장 관찰 | 주요 발생 조건 | 핵심 원인 축 | 대표 대응 |
|---|---|---|---|---|
| 샤크스킨 | 미세한 주름·광택 저하가 연속적으로 나타나다. | 중고전단, 다이 출구에서 급격한 신장 변형이 걸리다. | 출구 신장응력 > 용융강도, 표면층 균열이 발생하다. | 다이 출구 온도 상승, 출구 라운딩, 슬립 유도, 유량 완화가 유효하다. |
| 그로스 멜트 프랙처 | 큰 요철, 형상 뒤틀림, 치수 변동이 동반되다. | 고전단, 압력 변동, 유동 불안정이 뚜렷하다. | 탄성 불안정, 벽면 응력 임계 초과, 압력 헌팅이 결합하다. | 전단응력 저감, 다이 설계 변경, 체류·온도 균일화, 스크류 안정화가 유효하다. |
| 스틱-슬립 유동 | 압력이 주기적으로 오르내리며 표면 패턴이 주기성을 띠다. | 벽면 슬립이 불연속적으로 전환되다. | 마찰 조건 전이, 벽면층 접착/슬립이 반복하다. | 표면처리·첨가제·온도·다이 거칠기 조정으로 슬립을 안정화하다. |
주의 : 용융파단을 단순히 “온도를 올리면 해결”로 접근하면 열열화, 젤, 휘발분 기포, 색상 변화를 동시에 키울 수 있다.
2. 용융파단이 생기는 물리적 원리
용융파단은 “다이 내부의 전단 유동”과 “다이 출구의 신장 유동”이 동시에 관여하는 비선형 점탄성 불안정 현상이다.
2-1. 벽면 전단응력 임계값을 넘는 현상이다
다이 내부에서 유량이 증가하면 벽면 전단응력이 증가하다.
특정 임계 전단응력 이상에서 벽면 부근 유동이 불안정해지며 표면 결함이 발생하다.
다이 원형 채널의 대표 관계식 예시이다. - 벽면 전단응력(근사) : tau_w = (ΔP * R) / (2 * L) 이다. - 겉보기 전단률(근사) : gamma_dot_app = (4 * Q) / (π * R^3) 이다. 여기서 ΔP는 다이 압력강하, R은 반경, L은 다이 길이, Q는 체적유량이다.현장에서는 압력 트렌드와 유량을 함께 기록하면 임계 구간을 빠르게 찾을 수 있다.
2-2. 다이 출구에서 신장응력이 표면층을 찢는 현상이다
다이 출구에서 용융물은 벽면 구속이 사라지며 급격히 가속되거나 팽윤(die swell)하며 신장 변형이 발생하다.
표면층이 견딜 수 있는 용융강도보다 신장응력이 커지면 미세 균열이 연속적으로 발생하며 샤크스킨이 나타나다.
2-3. 벽면 슬립의 불연속 전이가 주기성을 만든다
일부 수지와 조건에서 벽면은 “붙음(stick)”과 “미끄러짐(slip)” 상태가 급격히 전환되다.
이 전환이 반복되면 압력 헌팅과 함께 표면 패턴이 주기적으로 나타나다.
3. 원인 분석 프레임: 재료·다이·공정·설비로 쪼개서 본다
3-1. 재료 요인이다
- 분자량이 높고 분자량분포가 넓으면 탄성 성분이 커지며 불안정이 증가하다.
- 선형 구조(예: 일부 LLDPE, HDPE)는 특정 전단률 구간에서 샤크스킨이 두드러지다.
- 장쇄분지(LCB)가 있으면 용융강도가 올라가 샤크스킨이 완화되는 방향성이 있다.
- 첨가제, 윤활제, 왁스, 안티블록은 벽면 마찰과 슬립 조건을 바꾸어 스틱-슬립을 유발하거나 완화하다.
- 수분, 휘발분, 저분자 올리고머가 많으면 기포·표면거칠기와 겹쳐 오진을 유발하다.
3-2. 다이(금형) 요인이다
- 다이 랜드 길이가 짧고 출구 모서리가 날카로우면 출구 신장 변형이 커지다.
- 다이 표면 거칠기와 코팅 상태가 벽면 슬립 전이에 직접 영향을 주다.
- 유로의 급격한 수축·확대, 데드존이 있으면 온도·체류시간 분포가 넓어져 압력 변동이 커지다.
- 다이 온도 구배가 크면 점도 차로 유량 분포가 비대칭이 되며 표면·두께 불량이 증폭하다.
3-3. 공정 조건 요인이다
- 라인 속도 상승, 스루풋 증가가 임계 전단응력 초과를 유발하다.
- 용융온도가 낮으면 점도가 증가해 동일 유량에서 전단응력이 상승하다.
- 다이 출구 온도가 낮으면 표면층이 더 빨리 “스킨”을 형성해 신장 균열에 취약하다.
- 스크류 회전수 변동, 피더 변동, 기어펌프 맥동이 압력 헌팅을 유발하다.
- 냉각 조건이 과도하면 출구 직후 수축 응력이 커져 표면 결함이 더 도드라지다.
3-4. 설비·운영 요인이다
- 스크린팩 막힘, 브레이커 플레이트 오염이 압력 변동과 국부 전단을 키우다.
- 배럴 히터 불량, 온도 센서 편차가 점도 변동을 만들다.
- 스크류 마모, 역류 링 문제, 믹싱 불량이 용융 균일성을 떨어뜨리다.
- 퍼지 불충분, 탄화물(블랙 스펙) 발생이 표면 결함을 혼합해 보이게 하다.
주의 : 표면 결함이 “항상 같은 위치”에만 나타나면 다이 손상, 코팅 박리, 국부 히터 불량 같은 국소 요인을 먼저 의심하다.
4. 현장 진단 절차: 재현성과 지표를 먼저 잡는다
4-1. 압력·유량·온도 트렌드로 유형을 가른다
압력이 주기적으로 진동하면 스틱-슬립 또는 설비 맥동 가능성이 높다.
압력은 안정적이지만 표면 미세 주름이 늘어나면 출구 신장 불안정 가능성이 높다.
4-2. 임계 유량을 찾는 단계적 램프 테스트를 수행하다
라인 속도를 일정 단계로 올리고 각 단계에서 3~5분 이상 안정화 후 표면과 압력을 기록하는 방식이 유효하다.
임계 유량이 뚜렷하면 “전단응력 임계” 기반 처방이 가능하다.
4-3. 다이 출구 온도만 분리해 조정하다
샤크스킨은 다이 출구 온도에 민감한 경우가 많다.
배럴 전체 온도를 올리는 대신 다이 출구 구간만 상향하면 열열화 리스크를 낮추며 효과를 볼 수 있다.
4-4. 표면 결함과 기포·젤을 구분하다
결함이 랜덤 점상으로 보이면 젤, 오염, 열열화 가능성이 있다.
결함이 흐름 방향으로 연속 패턴이면 용융파단 가능성이 크다.
5. 해결 전략: 전단응력 저감, 출구 신장 완화, 슬립 안정화로 정리하다
5-1. 전단응력을 낮추는 처방이다
- 스루풋을 낮추거나 다이 간극을 키워 겉보기 전단률을 낮추다.
- 용융온도를 소폭 올려 점도를 낮추되 열열화 지표(색상, MI 변화, 가스)를 같이 확인하다.
- 스크린팩 교체, 오염 제거로 불필요한 압력강하를 줄이다.
- 기어펌프 사용 시 맥동과 압력 안정화를 확인하다.
5-2. 다이 출구 신장 변형을 완화하는 처방이다
- 다이 출구 립을 라운딩 처리해 급격한 신장률 집중을 줄이다.
- 다이 출구 온도를 상향해 표면층 연성(ductility)을 확보하다.
- 출구 직후 과도한 인장(drawdown)을 줄이고 냉각 위치를 재조정하다.
5-3. 벽면 슬립을 “연속적”으로 만드는 처방이다
- 다이 표면 상태를 균일하게 유지하고 손상·코팅 박리를 제거하다.
- 수지 시스템에 따라 슬립을 유도하는 가공 보조제(예: 특정 불소계 PPA)가 효과적일 수 있다.
- 윤활제·왁스 조합을 바꾸어 스틱-슬립 전이 구간을 피하도록 설계하다.
주의 : 가공 보조제 도입은 식품접촉, 전기전자, 코팅 접착, 도장성 등 후공정 요구사항과 동시에 검토해야 하다.
5-4. 다이 설계 변경이 필요한 전형적 신호이다
다음 조건이면 단기 조건 조정만으로는 재발 가능성이 높다.
- 임계 유량이 생산 목표 유량보다 낮게 고정되어 있다.
- 다이 출구 모서리가 예리하고 랜드가 짧으며 샤크스킨이 반복된다.
- 압력 헌팅이 사라지지 않고 표면 패턴 주기성이 뚜렷하다.
이 경우 랜드 길이 조정, 유로 완만화, 출구 립 형상 변경, 표면 마감 개선이 근본 대책이 되다.
6. 수지별 경향과 적용 포인트를 정리하다
| 수지 계열 | 빈번한 형태 | 민감한 조절 변수 | 우선 적용 대책 |
|---|---|---|---|
| PE(LLDPE/HDPE) | 샤크스킨, 스틱-슬립 | 다이 출구 온도, 전단률, PPA 여부 | 출구 온도 상향, 전단 저감, 슬립 안정화가 우선이다. |
| PP | 표면 거칠기, 조건에 따라 멜트 프랙처 | 용융온도, 다이 형상, 냉각·인장 | 온도 균일화, 출구 신장 완화, 다이 표면 관리가 우선이다. |
| PVC(가소/경질) | 표면 흐림, 열민감 결함과 혼재 | 열이력, 윤활제 밸런스 | 열안정성 확보, 윤활제 조정, 스크류·다이 체류 관리가 우선이다. |
| 엔지니어링 수지 | 고전단 불안정, 열열화 동반 | 건조, 온도, 전단 | 건조 관리, 전단 저감, 체류시간 최소화가 우선이다. |
7. 현장에서 바로 쓰는 용융파단 체크리스트이다
| 점검 항목 | 확인 방법 | 정상/이상 신호 | 즉시 조치 |
|---|---|---|---|
| 압력 헌팅 | 다이 앞단 압력 트렌드 기록을 확인하다. | 주기 진동이면 스틱-슬립 또는 맥동 가능성이 크다. | 스크린팩 교체, 피더 안정화, 온도 균일화부터 수행하다. |
| 임계 유량 | 유량 단계 상승 테스트로 재현하다. | 특정 유량에서 급격히 표면이 깨지다. | 전단률 저감, 다이 간극·온도 조정으로 임계 구간을 피하다. |
| 출구 립 상태 | 다이 분해 점검, 마모·스크래치를 확인하다. | 립 손상이 있으면 국부 결함이 반복하다. | 폴리싱, 코팅 보수, 립 라운딩을 검토하다. |
| 온도 구배 | 다이 각 존 온도 편차와 실제 용융온도를 확인하다. | 편차가 크면 유량 편차와 표면 불량이 동반되다. | 센서 교정, 히터 점검, 다이 단열을 수행하다. |
| 오염·열열화 | 젤, 블랙스펙, 냄새, 색상 변화를 확인하다. | 점상 결함이 랜덤이면 혼재 가능성이 크다. | 퍼지, 체류시간 단축, 온도 과상승 제거를 수행하다. |
8. 자주 하는 실수와 안전한 접근 순서이다
8-1. 온도만 올리는 접근의 한계이다
온도 상승은 점도를 낮춰 전단응력을 줄이는 장점이 있다.
동시에 열열화, 휘발분, 금형 오염을 증가시킬 수 있어 단독 처방으로는 위험하다.
8-2. 생산성 목표를 유지하면서 접근하는 순서이다
- 압력 헌팅과 스크린팩 상태를 먼저 정리하다.
- 다이 출구 온도와 출구 형상 요인을 분리해 조정하다.
- 전단률을 낮추는 방향으로 다이 간극, 유량, 점도를 동시 최적화하다.
- 재발하면 다이 설계 변경과 재료 레시피 변경을 병행하다.
FAQ
샤크스킨과 그로스 멜트 프랙처를 현장에서 어떻게 빠르게 구분하다?
샤크스킨은 미세 주름과 광택 저하가 비교적 연속적으로 나타나는 경향이 강하다.
그로스 멜트 프랙처는 큰 요철, 형상 뒤틀림, 두께 변동이 동반되며 압력 변동이 함께 나타나는 경우가 많다.
압력은 안정적인데 표면만 거칠어지는 경우의 우선 처방은 무엇이다?
다이 출구 신장 불안정 가능성이 크다.
다이 출구 온도 상향, 출구 립 라운딩, 출구 직후 인장 완화, 냉각 위치 조정이 우선 처방이다.
압력 헌팅이 있을 때 공정 조건부터 만지면 악화할 수 있나?
설비 기인 맥동이나 스크린팩 막힘이 원인인 경우가 있다.
이 경우 조건 변경이 임계 구간을 오히려 자극할 수 있어 압력강하 요인과 공급 안정성을 먼저 점검하는 것이 안전하다.
다이 표면 거칠기와 코팅은 왜 중요한가?
벽면 마찰 조건이 슬립 전이와 스틱-슬립 주기성에 직접 영향을 주기 때문이다.
국부 스크래치나 코팅 박리는 결함을 특정 위치에 반복시키는 원인이 되기 쉽다.