하이브리드 복합 커버: 초박형 전자제품을 위한 최첨단 보호

SABIC이 최근 연구에서 1mm 두께 커버가 매우 얇은 노트북이나 태블릿에 대한 모든 관련 산업 성능 사양을 충족할 수 있음을 입증했습니다. Source, all images | SABIC

소비자 전자제품은 제품 세대 간 주기가 매우 짧은 역동적 시장입니다. 스마트폰, 스마트워치, 태블릿, 노트북/랩톱에서 소비자는 더 빠른 작동 속도, 더 오래가는 배터리, 더 높은 내구성, 더 많은 기능을 더 낮은 비용과 무게로 원합니다. 소비자 수요 충족을 위해 OEM은 공급업체에 높은 심미성과 설계 자유도, 우수한 충격 저항성, 높은 강성(이 시장에서 품질을 의미)을 저중량과 얇은 벽 두께로 요구합니다. 또한 연간 수천만 대 글로벌 생산 수요를 충족하는 비용 효율적이고 높은 반복성의 가공법도 원합니다. 이러한 압력은 시장을 먼저 경량 금속 커버/케이스와 프레임으로, 이제는 금속/복합 하이브리드와 완전 복합 솔루션으로 밀어붙이고 있습니다.

SABIC(네덜란드 베르헌 옵 좀)이 수행한 타당성 연구에서는 두 종류의 열가소성 복합재를 사용해 1mm 두께 노트북/태블릿 커버를 제작했습니다. 연구 결과 하이브리드 열가소성 복합 설계가 도전적인 소비자 전자제품 시장에 실행 가능한 솔루션이 될 수 있음을 보여주었습니다.

테스트 케이스

2012년부터 SABIC은 자체 단방향(UD) 섬유 강화 열가소성 복합 테이프 개발에 일련의 투자를 해왔습니다( '연속 섬유 보강재로의 진화' 참조). 이는 단섬유 사출과 장섬유 열가소성(LFT) 소재라는 핵심 역량을 확장해 더 고성능 열가소성 복합재로 진출할 수 있게 했습니다. 2015년 테이프 제조사 Fiber Reinforced Thermoplastics B.V.(FRT, 네덜란드 렐리스타트) 과반수 지분 인수, 2017년 Airborne(네덜란드 헤이그)과 파트너십 맺고 소수 지분 투자해 복합 가공 라인 개발 기계 제조사와 협력했습니다.

SABIC과 Airborne이 진정한 대량 생산 시장용 넷쉐이프 고품질 열가소성 테이프 기반 라미네이트를 신속하고 비용 효율적으로 생산하는 기술을 설계·구축하면서( '고속, 고속 열가소성 복합 제조' 참조), 팀은 테스트 케이스를 찾기 시작했습니다. 이 시연기는 열가소성 복합 테이프로 제작된 복합 라미네이트의 설계 개념을 입증하고, 양 기술용으로 개발한 예측 엔지니어링 도구 테스트, 네덜란드에서 진화하는 고속 제조 공정 쇼케이스를 위한 중요한 마케팅 도구가 될 것입니다.

"우리는 소비자 전자 응용 분야에 특화하기로 결정했습니다."라고 SABIC 글로벌 복합 리더 Gino Francato는 설명합니다. "이 시장은 모바일 폰과 노트북을 더 가볍고 얇게 만들기 위해 경량 소재로 이동하려는 진정한 야망이 있어 매우 흥미롭습니다. 수백만 대를 만드므로 이 시장이 제시하는 도전을 받아들이기로 했습니다."

"비교적 복잡하지만 너무 복잡하지 않은 것부터 시작하기로 했습니다."라고 SABIC 글로벌 응용 기술 스태프 과학자 Scott Davis는 설명합니다. 매우 얇은 노트북 컴퓨터나 태블릿의 상판 커버(결국 스마트폰 부품으로 확장 희망)는 시작하기 좋은 곳 같았습니다. "전체 형상은 단순한 직사각형이지만 여전히 높은 심미성을 유지하고 B-side에 부착 기능 등 많은 복잡성을 제공해야 했습니다."라고 Davis는 계속합니다. "커버를 매우 얇게 유지하면서 업계에서 흔한 까다로운 처짐 요구사항을 충족해야 했습니다. 그리고 물론 복잡한 신규 제조 공정으로 매우 일관된 제품을 제공해야 했습니다."

실제 고객 설계가 아닌 스크린 보호 커버만 만들었기에 제너릭 지오메트리를 사용했습니다. 사실 Davis에 따르면 내부 개발용 사출 툴링 절단 시작 시 태블릿인지 노트북 커버인지조차 확실치 않아 둘 다 작동하도록 설계했습니다. "복합 솔루션을 대량 생산 준비시키는 데 많은 과제가 있었습니다." Davis는 덧붙입니다. "사실 테이프 개발, 라미네이트 개발, 공정 개발 등 많은 일이 동시에 일어났고, 그 모든 것이 완료될 때까지 툴링을 기다릴 수 없어 그런 설계가 나왔습니다." 기본 설계 완료 후 팀은 게이팅 최적화, 라미네이트 인서트와 오버몰딩 컴파운드 간 오버랩 종류, 툴 내 자동 배치 처리, 두 복합재 간 선형 열팽창 계수(CLTE 또는 CTE) 불일치 처리, 쉬운 반복 생산 등 세부 사항에 집중했습니다.

까다로운 요구사항 충족

목표는 높은 강성을 제공하고 모든 성능 및 심미성 요구사항을 통과하는 1mm 두께 상판 커버 개발이었습니다. 특히 랩톱 커버에 정기적으로 적용되는 센터 포인트 처짐 테스트(하부 스크린 손상 압력 평가)가 중요합니다. 하중/처짐 요구사항은 OEM, 기기, 모델별로 다르지만 일반적으로 40-120뉴턴 압력 하에서 3-5mm 이하 처짐이 허용됩니다. 이는 인간 사용자가 일어나면서 손가락이나 팔꿈치로 커버를 누르는 하중을 시뮬레이션합니다. 많은 산업에서는 단면 두께를 늘리는 전략을 쓰지만, 이 시장은 디바이스 크기나 무게 증가 없이 더 큰 배터리 등 부품 공간 확보를 위해 더 얇은 설계를 선호합니다. 따라서 팀은 스크린 손상 방지를 위해 더 단단한 소재 선택(라미네이트 인서트)과 형상(예: 사출 오버몰딩 리빙) 같은 다른 설계 전략이 필요했습니다. 하지만 먼저 소재를 특정해야 했습니다.

이 소재 중 하나인 폴리카보네이트(PC)는 뛰어난 심미성과 높은 충격 강도로 이 산업에서 커버 등 부품에 이미 널리 쓰입니다. 폴리머 최대 약점은 내화학성과 표면 스크래치지만, 대부분 커버에 적용되는 코팅, 페인트, 또는 둘 다로 이 잠재적 문제를 일반적으로 극복합니다.

"초경량 컴퓨터가 너무 얇아 패키지 공간이 실제 프리미엄이라 처짐과 기계적 특성이 정말 중요해집니다."라고 Francato는 지적합니다. "비용 관점에선 유리를 쓰고 싶었지만, 필요한 강성을 얻으려면 탄소섬유를 써야 했습니다." 결과적으로 평가된 모든 테이프 기반 라미네이트는 SABIC 자회사 FRT에서 개발 중인 등급의 탄소섬유 강화 폴리카보네이트 변형이었습니다.

SABIC은 라미네이트 유형과 구조(오버몰딩 컴파운드 유무)에 따른 성형 부품 성능 시뮬레이션 예측 모델을 개발했으며, 예측과 실험 결과 간 강한 상관관계 달성했다고 보고합니다. 예측 엔지니어링 도구는 소재 개발 가속화한다고 합니다.

오버몰딩 컴파운드에는 다른 접근이 필요했습니다. 초기엔 장섬유 LFT 컴파운드 전략이었으나, 높은 심미성 요구사항, 부품 크기, 게이팅 전략 등 여러 이유로 단섬유 컴파운드가 프로젝트 요구사항에 더 부합했습니다. 또 다른 이슈는 섬유 종류. "단탄소 사출 컴파운드는 높은 심미성으로 작업하기 정말 어렵습니다."라고 Francato는 계속합니다. "그래서 오버몰딩 소재로 단유리 강화 등급을 봤습니다." SABIC 자회사 LNP Engineering Plastics, Inc.(미국 펜실베이니아 익스턴)는 기기 OEM들 사이에서 인기 있는 좋은 심미성과 강성의 다수 유리섬유/PC 등급을 제공하므로 팀은 이에 집중했습니다.

완전 비정질 PC는 반결정성 폴리머보다 휨 변형이 덜하지만, 팀은 고강화 이방성 UD 탄소섬유 테이프와 낮은 섬유 충전율의 더 등방성인 단유리섬유 오버몰딩 등급 간 CLTE 차이를 우려했습니다. "이렇게 얇은 벽에서는 오차 여유가 거의 없어 CLT 미세 차이도 신중히 고려해야 했습니다."라고 Davis는 설명합니다. "게이트 위치, 충전 패턴, 팩킹 압력, 웰드 라인 등 사출 성형 시 통상 우려되는 모든 요소도 시뮬레이션하고 물리 테스트로 검증했습니다."

소재 선정 후 SABIC 엔지니어들은 금형 충전, 구조 해석, 휨 시뮬레이션을 여러 반복 수행해 라미네이트 레이업, 형상, 소재 조합을 최적화해 하중/처짐 테스트용 강성 극대화와 기타 성능·비용 요구사항을 맞췄습니다. 회사는 라미네이트 구조, 오버몰딩 컴파운드 조성, 다양한 가공·툴링 옵션 대비 성형 부품 성능을 신속 모델링·시뮬레이션하는 포괄적이고 정확한 복합 모델링 도구(일반 구조·가공 코드에서 실행 가능, 고객에게 제공)를 개발했다고 밝혔습니다. 이 도구들은 예측과 실측 성능 간 강한 상관관계를 달성하며 맞춤 소재 개발 가속화에 이상적이라고 합니다.

양산 준비 완료

최종 노트북/태블릿 커버 전면. 탄소섬유 강화 폴리카보네이트 테이프 기반 라미네이트 인서트를 단유리/폴리카보네이트-공중합체 컴파운드로 오버몰딩해 1mm 두께 부품에서 모든 관련 기계적·심미적 요구사항 충족.

최종 시연기는 개발 중인 UDMAX 탄소섬유/PC 테이프(55% 섬유 체적 분율) 7층으로 만든 라미네이트 인서트를 통합, 트리밍, 예비성형, 재트리밍해 최종 넷쉐이프로 만든 후, 40% 섬유 중량 분율 THERMOCOMP D452 단유리섬유/PC-공중합체(높은 흐름과 높은 심미성 최적화 등급, 이 세그먼트에서 이미 널리 사용)로 사출 오버몰딩했습니다. 이 조합은 수많은 3D 설계 디테일, 부착 기능, 좋은 심미성을 포함하면서 저질량·얇은 단면에서 높은 강성과 강도를 구현해 각 소재의 장점을 극대화했습니다. 커버는 모든 필수 업계 테스트를 통과했다고 보고되며 현재 기기 OEM들로부터 평가받고 있습니다.

완성된 커버 후면.

Airborne과 SABIC 협력도 SABIC 소비자 전자 시장 목표에 결실을 맺었습니다. 파트너십은 2018년 발표됐고, 올해 양사가 Digital Composites Manufacturing Line이라 부르는 것에 대한 추가 세부사항이 제공됐습니다. 이 라인은 열가소성 복합 테이프로부터 넷쉐이프 통합 라미네이트 인서트를 분당 4개, 단일 생산 라인에서 연간 150만 개 라미네이트 생산 가능합니다. 시스템은 레이업 구조와 소재 측면에서 유연하고 빠르다고 합니다. 2020년부터 Airborne이 이 라인으로 소비자 전자 상업용 라미네이트를 제조해 양사가 이 매우 경쟁적이고 빠른 세그먼트에서 열가소성 복합재 침투를 크게 늘릴 자원이 되길 희망합니다.