코로나19 확산 방지를 위한 플라스틱의 활약상이 눈길을 끈다. 플라스틱은 의료장비 및 부품으로 코로나19 방어 최전선에서 고군분투하는 의료진과 환자들의 든든한 안전망이 되고 있다. 또한 비대면 트랜드 확산에 따른 포장·배달 용기 및 보호 장구로 생활 속 거리두기를 하고 있는 사람들에게 편리함과 안도감을 제공하고 있다. 전 세계 기업 및 연구기관은 플라스틱 소재의 우수한 특성을 기반으로 코로나19 예방을 위한 고기능 제품 및 혁신 기술들을 앞다투어 내놓고 있다. 팬데믹에 맞서 선방하고 있는 플라스틱 관련 제품과 기술, 코로나19 최고 방어역할을 하고 있는 마스크를 통해 플라스틱의 역할과 필요성을 조명해 본다.

이번 팬데믹으로 N95마스크와 수술용 마스크는 전 세계적으로 유례없는 수준의 부족 현상이 발생하고 있다. 우리 정부 역시 마스크 수급 안정화 대책을 마련하기 위해 6월 30일까지 수입 마스크 및 MB필터 수입 시 할당관세를 적용해 한시적으로 수입관세를 0%로 하기도 할 만큼 국내외 할 것 없이 마스크 수요가 치솟았다. 이에, 업계 선두주자들은 마스크의 대량 생산에 집중하면서 동시에 좀 더 효율적인 여과 기능을 가진 마스크의 품질 개선과 관련용품 개발에 고군분투하고 있다. 이번 코로나19 유행으로 인해 업그레이드된 마스크 제품은 어떤 것들이 있고, 코로나바이러스 퇴치에 기여하기 위해 플라스틱 가공 산업의 기업들이 선보인 서로 다른 혁신 기술에 대해 살펴보기로 한다.

나노섬유막, 재활용과 여과 효율성을 높인 N95 마스크에 기여

미국화학학회지(American Chemical Society, ACS)의 ACS Nano 저널에 따르면, 사우디아라비아 킹 압둘라 과학기술대학(KAUST) 연구팀이 여과 효율이 강화된 재사용 가능한 N95 마스크를 만들기 위해 유연하고 대체 가능한 나노 다공성 막을 개발했다. 기존의 수술 등급 N95마스크의 300나노미터 이하(nm) 입자에 대한 여과 효율은 약 85%였다. 하지만 COVID-19 바이러스의 지름은 약 65~125nm로 훨씬 더 좁기 때문에 보다 효율적인 마스크 개발이 필요해 폴리이미드 기반의 나노섬유막을 개발한 것으로 알려졌다.

연구팀은 다공성 실리콘 템플릿이 막 위에 놓인 후, 그 안에 작은 기공들을 배열하도록 반응성 이온 에칭(reactive ion etching)이라 불리는 공정을 사용했다. 모공 크기는 코로나 바이러스보다 훨씬 더 작은 5에서 55nm다. 충분한 통기성을 제공하기 위해 기공 간격은 서로 330nm 이상 떨어뜨리지 않도록 배치했다. 또한 막은 본질적으로 소수성(water-repelling)이 있어서 마스크의 경사진 부위에서 물방울이 구르고 미끄러지면서 파울링(fouling)을 막고 자정 작용(self-cleaning)을 한다.
한편 폴리이미드는 항공 우주 및 마이크로일렉트로닉스 응용 분야에서 널리 사용되고 있으며, 최근에는 광범위한 온도(-20°C~400°C)에서 우수한 기계적 강도, 열 안정성 및 화학적 특성으로 인해 유연한 전자 장치에 사용되고 있다.

가상 몰딩, 안면 마스크 협동 생산 최적화 이뤄내

SIGMA 엔지니어링과 Arburg는 파트너사와 협동하여 COVID-19 확산 방지에 도움이 되는 다기능 안면 마스크를 개발했다. 현재 LSR로 만든 사출 성형 마스크 생산은 전속력으로 진행되고 있으며 마스크의 원활한 생산을 위해 SIGMASOFT Virtual Molding 프로그램을 활용했다. SIGMASOFT Virtual Molding은 LSR 재료의 주입 지점, 압력 요건, 온도 분포, 공기 끼임 및 교차 연결을 결정하고 최적화한다.
SIGMA의 토마스 클라인 상무는 "Arburg, Polar-Form 등 파트너사와의 성공적이고 집중적인 협력으로 최단 시간 내에 완전한 LSR 금형의 레이아웃을 시뮬레이션할 수 있었고, 공정 효율성과 견고성을 위해 금형 설계를 최적화할 수 있었다"고 말했다.
먼저 SIGMA 팀은 가상 몰딩 시뮬레이션을 통해 금형이 절단되기 전부터 사출 지점의 위치, 환기 시스템, 열 설계의 위치를 평가한다. 공정 매개변수의 예측과 필요한 경화 시간 또한 시뮬레이션을 통해 얻을 수 있는 중요한 요소다. 금형이 어떻게 열 정상 상태에 도달하는지 추측할 필요가 없고, 필요한 사이클 수를 정확하게 계산하므로 대량 생산의 신뢰성도 확보된다. 온도분포를 정확히 제어하기 위해 금형 내 온도센서 수를 6개로 늘리고 시뮬레이션 결과를 바탕으로 위치를 최적화했다. 이를 통해 난방 카트리지를 집중 조절할 수 있었다. 또한 금형의 절연으로 필요한 에너지가 최소로 감소하여 에너지 낭비를 피할 수 있었다.
SIGMA가 금형 설정부터 충전 계산, 열 배치까지 24시간 이내에 프로젝트를 완료한 후 Wacker사에서 공급하는 비(非)후경화 LSR Elastosil LR 5040에서 사이클당 180°C에서 총 4개의 부품을 사출 성형한다. 4개의 캐비티에서 요구되는 대칭 온도 패턴은 먼저 최적의 절연, 6개의 온도 센서 및 조절 가능한 가열 카트리지를 사용한 시뮬레이션에서 생성되고 최적화되었다가 금형 단계에서 파트너사인 폴라폼(Polar-Form)이 실현해낸다.
SIGMA의 프로젝트 엔지니어 Tobias Sonntag은 “우리는 많은 다양한 요소들을 검사했다. 무엇보다 구성요소의 품질, 광학적 특성 및 사용자의 안전에 중점을 두고 공기 포획이나 기타 결함이 없는 완벽한 구성요소와 함께 제공하도록 했다. 더불어 이번 프로젝트는 최대한 빠르고 자원 절약형 공정 설계가 중요했다”고 말했다.

의료 얼굴 보호막에 사용되는 Milliken의 PP 농축액

세계적인 소재과학 전문기업인 밀리켄앤컴퍼니(Milliken&Company)는 COVID-19 유행 기간 동안 필요한 개인 보호 장비(personal protective equip-ment, PPE)를 생산했다. 보호면 차폐에 사용되는 플라스틱 소재에 대한 수요가 늘면서 즉시 구할 수 있는 폴리프로필렌 플라스틱을 제공하기 위해 힘쓰고 있다.
Milliken에 따르면 플라스틱 소재 특성상 비교적 흐릿해 플라스틱 제조업체들은 Milliken의 NX UltraClea 폴리프로필렌 농축액에 의존해 헬스 케어 산업 안면 보호막에 적합한 선명도 수준의 플라스틱을 생산하고 있다. Milliken&Company의 CEO, Halsey M. Cook은 “우리는 고객을 지원하고 COVID-19와의 싸움에 참여할 수 있는 솔루션을 찾기 위해 노력하고 있다”고 말했다.

Milliken은 신제품 응용 분야에서 NX UltraClear를 평가하기 위해 글로벌 선두기업에서 지역 기반 회사에 이르는 다수의 플라스틱 제조업체와 협력했다. 미국의 Impact Plastics사는 NX 울트라클리어 농축액을 사용해 폴리프로필렌을 얼굴 보호막 등에 사용할 수 있도록 투명하게 만드는 기업 중 하나다. 독일의 Mezger(메제르) 역시 NX 울트라클리어 농축액을 채용해 페이스 실드에 사용하기에 적합한 폴리프로필렌 시트를 생산하고 있다. NX 울트라클리어 폴리프로필렌으로 만든 의료용 페이스 실드는 현재 시중에 출시돼 일선 직원들이 사용하고 있다.


코와 목 감염 테스트용 면봉 대량 생산 체계 구축

사출 성형기 제조업체인 엔겔 오스트리아(ENGEL AUSTRIA)와 해크 포멘바우(Hack Formenbau)는 COVID-19 감염 테스트를 위한 코와 목 테스트용 면봉에 대한 수요가 증가함에 따라 테스트 면봉의 글로벌 공급을 보장하기 위해 공동으로 노력하고 있다. 양사는 통합 시스템 솔루션과 공정 기술 컨설팅을 제공함으로써 플라스틱 프로세서가 리드 타임이 짧은 2개 부품 테스트 면봉의 대량 생산을 시작할 수 있도록 돕고 있다.
테스트 면봉에는 안정적인 열가소성 핸들과 열가소성 엘라스토머로 제작된 헤드가 있어 환자 검사 시 불편함을 덜 수 있다. 핸들 길이와 형태, 면봉 헤드 디자인, 소재 등을 고객 요구사항에 맞게 개별적으로 수정하고 있다. 개발 목표는 높은 제품 품질과 대량 생산, 높은 비용 효율을 함께 해결하도록 하는 것이다. 32-캐비티 몰드와 6-8초의 사이클 타임으로 하여 단일 생산 유닛으로 분당 최대 320개의 테스트 면봉과 하루에 46만 개의 테스트 면봉을 생산할 수 있다.
ENGEL은 Hack이 개발한 금형 솔루션에 적용되는 통합 생산 공정을 통해 높은 효율성을 보장한다. 이 프로세스는 엔겔 바이퍼 선형 로봇이 내장된, 타이 바가 없는(tie-bar-less) 유압식 엔겔 승전분사 몰딩 기계에 기초하여 면봉의 완전 자동 제거 및 침전 작업을 수행한다. 승리 기계에는 높은 공정 일관성을 위해 iQ 중량 제어 기능을 장착했다.
ENGEL inject 4.0 프로그램의 스마트 지원 시스템은 원자재 및 주변 조건의 변동을 감지하고 품질 관련 프로세스 매개 변수를 조정하여 촬영 된 샷을 자동으로 보정한다. COVID-19 관련 주문은 Hack Formenbau 및 전 세계 ENGEL 공장에서 가장 우선적으로 처리하고 있다. 또한 인플루엔자 검사 또는 부인과 검사를 위한 면봉 생산을 위해 매우 효율적인 완전한 시스템을 공동으로 개발하고 있다.

마스크 품질을 향상시키는 PolyOne의 새로운 기능성 첨가제

폴리원(PolyOne)은 파이버 솔루션 포트폴리오의 일환으로 보호 안면 마스크를 위한 새로운 기능성 첨가제를 출시했다. MagIQ Non-Woven Electret Plus는 안면 마스크의 유전체 특성을 개선하여 여과 효율을 높이고 마스크의 충전 시간을 늘리는 이점이 있다. N95와 수술용 마스크는 모두 마스크 생산의 핵심 원자재 중 하나인 MB필터 부직포 재료(melt-blown non-woven material)로 만들어진 중간층이 있는 다층 구조에 의존한다. 이 층은 박테리아와 바이러스가 포함된 에어로졸과 미립자를 걸러내 착용자와 주변 사람들을 보호한다. 이 층에 더 나은 입자 차단 기능을 제공하기 위해 일렉트릿 공정을 거치기 전에 압출하는 동안 첨가제로 섬유를 개질(改質)할 수 있다. 충전된 섬유는 입자를 막는 데 더 효과적이다. PolyOne 측은 “MagIQ Non-Woven Electret Plus는 적절한 성분 선택과 가공을 통해 보호 마스크의 중간층이 0.3미크론의 작은 입자도 효과적으로 포획할 수 있도록 돕는다”고 말했다. MagIQ Non-Woven Electret Plus는 전 세계적으로 상용화되어 있어 제조업체가 증가하는 글로벌 수요를 충족시키기 위해 안면 마스크 여과 효율과 유효 기간을 늘리는 데 도움을 줄 것이라 말했다.