[Trouble Shooting] 외부반도전 압출량 부족으로 인한 케이블 외경 불량 개선 사례

 

이번 포스팅은 특집편으로 현업에서 실제로 있었던 Trouble Shooting을 다루는 내용입니다. 문제 추론의 과정과 문제 해결 과정을 담았습니다. 이론적 배경에 근거하여 문제 현상을 규명하고 해결책을 찾아나가는 시행착오의 과정을 담았습니다.

 

 

1. 문제 개요

11kV급 240mm² Al 도체 케이블 생산 중, 외부반도전(Outer Semicon) 압출량이 목표치에 도달하지 못하면서 케이블 외경 불량이 발생했다. 원인은 절연스크린(외부반도전) 두께가 최소 규격인 1.2mm를 충족하지 못하는 데 있었으며, 압출기 RPM을 높여도 두께가 늘어나지 않는 현상이 반복되었다.

일반적으로 초고압 케이블 트러블슈팅은 부분방전이나 서징(Surging)과 같은 전기적 특성 이슈로 다뤄지는 경우가 많지만, 이번 사례는 압출 공정 자체의 처리량(Throughput) 저하가 원인이 된 케이스로, 원료 로트 특성과 압출 온도 조건이 핵심 변수였다.

 

2. 설비 및 시료 사양

• 압출 라인: 단축(Single Screw) 방식 압출 라인
• 압출기 구성: XLPE 압출기 Ø140mm, 내/외부반도전 압출기 Ø55/Ø75mm
• 케이블 사양: 11kV, 240mm² Al 도체
• 절연 구조: 내부반도전 0.9mm / 절연 3.2mm / 외부반도전 0.9mm
• 총 길이: 5,400m
• 메쉬 사이즈: XLPE 20/70/100/20, 반도전 20/35(내부), 20/70/20(외부)
• 적용 재료: 절연용 수지, 내부반도전 수지, 외부반도전 수지(제품명 생략)

 

3. 현상 및 1차 대응

RPM을 14.0에서 21.0까지 높여도 외부반도전 두께는 오히려 정체되거나 소폭 상승에 그쳤다(0.82mm → 0.85mm → 0.97mm, 1일차 시점). 단순히 회전수를 높이는 접근으로는 두께 확보가 불가능하다고 판단하여, 원료 로트 자체의 특성을 의심하고 외부반도전 원료를 다른 로트로 교체하는 방향으로 전환했다.

구분Zone 온도(℃)Resin Temp(℃)RPM절연스크린 두께(mm)결과

절연스크린(1일차) 기존 로트	65/84/90/93/97/99	-	14.0	0.82	초기 조건
〃	58/82/82/87/97/99	117	14.0	0.85	미개선
〃	58/82/82/87/97/99	-	21.0	0.97	미개선
절연스크린(2일차) 변경 로트	52/82/82/87/97/99	114	14.0	1.34	개선
〃	55/82/82/87/97/99	-	14.0	1.32	-
〃	58/82/82/92/97/99	-	14.0	1.31	표면 개선

로트 교체 후에는 RPM을 오히려 14.0으로 낮게 유지한 상태에서도 목표 두께(1.2mm 이상)를 안정적으로 충족했다. 이는 문제의 본질이 RPM(전단력) 부족이 아니라 원료 자체의 압출 거동 차이에 있었음을 보여준다.

 

4. Bleeding Test를 통한 원인 규명

두 로트의 압출 거동 차이를 확인하기 위해 외부반도전 원료의 bleeding test를 진행했다. 각 조건에서 RPM을 10~20 수준으로 변화시키며 Melt Resin Temperature와 Output(g/min)을 동시에 측정하고, 각 항목의 RPM에 대한 선형 회귀(R²)를 비교했다.

 

① 1일차 조건 (Z1~Z4 = 58/82/82/87)

• Resin Temp. vs RPM: R² = 0.9889 → 매우 높은 선형성
• Output vs RPM: R² = 0.8312 → 선형성 낮음, 변동 폭 큼

 

② 2일차 조건 (Z1~Z4 = 52/82/82/87, 로트 교체 후)

• Resin Temp. vs RPM: R² = 0.9798 → 높은 선형성
• Output vs RPM: R² = 0.995 → 선형성 매우 높음, 안정적

 

두 조건 모두 Resin Temp.는 RPM 증가에 따라 안정적으로 상승했으나(R² 0.98 이상), Output(압출량)의 RPM 대비 선형성은 로트에 따라 뚜렷한 차이를 보였다. 기존 로트는 동일 RPM 조건에서도 압출량이 예측 범위를 벗어나 변동했던 반면, 교체 로트는 RPM 증가에 비례해 압출량이 일관되게 증가했다. 이는 수지가 스크류 내에서 균일하게 이송·가소화되고 있는지를 보여주는 지표로, 교체 로트가 이송 안정성 측면에서 명확히 우수했음을 뒷받침한다.

 

5. 근본 원인 분석

RPM을 높였음에도 두께가 증가하지 않았던 현상은 다음 두 가지 메커니즘이 복합적으로 작용한 결과로 추정된다.

① Feeding Slip (이송 슬립) 스크류가 수지를 제대로 그립(grip)하지 못하고 미끄러지는 현상이다. 이 경우 RPM을 높여도 실제 이송량은 비례해서 증가하지 않으며, 오히려 전단열만 과도하게 발생시켜 역효과를 낼 수 있다. 1일차 데이터에서 Resin Temp.는 RPM에 선형적으로 반응했음에도(R²=0.9889) Output은 그렇지 못했던 점(R²=0.8312)이 이를 뒷받침한다.

② 과도한 전단열에 의한 점도 급락 및 역류(Backflow) RPM 상승은 전단속도 증가로 이어지고, 이로 인해 수지 점도가 급격히 낮아지면 스크류 채널 내 역류량이 늘어난다. 결과적으로 순 이송량(net output)은 오히려 감소하거나 정체될 수 있다.

여기에 더해, 반도전 원료 표면에서 발생하는 **첨가제 마이그레이션(Additive Migration)**이 원료-스크류 계면의 마찰 특성을 변화시켜 Feeding Slip을 유발하는 부가 요인으로 작용했을 가능성이 있다. Bleeding test에서 확인된 로트 간 Output 선형성 차이(R² 0.83 vs 0.995)는 이러한 표면/이송 특성 차이를 정량적으로 뒷받침한다.

 

6. 개선 조치 및 결과

1. 원료 로트 교체: 외부반도전 원료를 이송 선형성이 낮았던 기존 로트에서, 안정적인 로트로 변경
2. Zone 1 온도 하향 조정: 65℃ → 52~58℃로 낮춰 초기 구간에서의 과도한 전단열 발생을 억제

두 조치를 병행한 결과, 절연스크린 두께가 0.82~0.97mm 수준에서 1.31~1.34mm로 개선되어 규격(min. 1.2mm)을 안정적으로 만족했다. 이후 정상적인 케이블 생산 조건으로 전환되었다.

다만 현장에서 케이블 표면이 다소 뻣뻣하다(soft하지 않음)는 의견이 있어, 압출 후단부인 Zone 4 온도를 소폭 상승시켜 표면 유연성을 보완하는 것을 후속 조치로 제안했다.

 

 

7. Pan-insights 시사점

이번 사례는 압출 두께 부족 문제에서 흔히 시도하는 "RPM 상향"이 오히려 문제를 악화시킬 수 있음을 보여준다. RPM을 높여도 두께가 개선되지 않는다면, 이는 전단력 부족이 아니라 원료의 이송/가소화 특성 문제일 가능성을 우선 점검해야 한다는 교훈을 준다.

특히 Zone 1 온도를 너무 높이면, 스크류 표면에 반도전 원료가 달라 붙는 경우가 발생하는데, 이 경우 Conveying Zone에서의 Slip이 일어나 압출량 저하 문제가 발생할 수 있다. 

 

특히 동일 등급(grade)의 원료라도 로트에 따라 압출 거동이 달라질 수 있으며, Bleeding Test에서 Resin Temperature 뿐만 아니라 Output의 RPM 대비 선형성(R²)을 함께 확인하는 것이 로트 간 이송 안정성 편차를 사전에 스크리닝하는 데 효과적임을 확인할 수 있다.

 

참고문헌

1. Frankland, J., "Extrusion: A Simple Way to Evaluate Your Screw Performance, Part 2," Plastics Technology. — 스크류 실측 압출량과 계산된 드래그 플로우(drag flow)를 비교해 이송/용융 이상 여부를 진단하는 방법을 다룬다. https://www.ptonline.com/articles/extrusion-a-simple-way-to-evaluate-your-screw-performance-part-2
2. "Single Screw Extruder," ScienceDirect Topics. — 단축 압출기의 이송(feeding)·용융(melting)·계량(metering) 구간별 작동 원리와 flood feeding 조건에서의 처리량 결정 메커니즘을 설명한다. https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/single-screw-extruder
3. "Single-Screw Extrusion: The Extruder Characteristic," Pennsylvania State University 강의자료. — 드래그 플로우(Drag Flow)와 압력 플로우(Pressure Flow) 이론에 기반해 RPM과 압출량의 관계식을 정리한 자료. https://zeus.plmsc.psu.edu/~manias/MatSE447/21_Extrusion2.pdf
4. "Examination of the Performance of a High Speed Single Screw Extruder," SPE Extrusion Division Technical Paper. — RPM 증가에 따른 이송 안정성(feeding consistency)과 비출력(specific output, kg/hr-rpm)의 선형성이 압출 품질 평가 지표로 활용될 수 있음을 보여준다. https://extrusion.4spe.org/wp-content/uploads/2019/01/2012-11-SPE-Extrusion-Division-Technical-Article.pdf
5. "Introduction to Polymer Melt Rheology and Its Application in Polymer Processing," TA Instruments Applications Note. — 전단속도 증가에 따른 고분자 용융점도 저하(전단 박화, shear thinning) 현상과 이것이 압출 공정에 미치는 영향을 다룬다. https://www.tainstruments.com/applications-notes/introduction-to-polymer-melt-rheology-and-its-application-in-polymer-processing/
6. "Shear Thinning," Wikipedia. — 고분자 사슬의 전단 정렬(disentanglement) 및 이에 따른 점도 저하 메커니즘에 대한 개괄적 설명. https://en.wikipedia.org/wiki/Shear_thinning
7. "How to Control Additive Blooming in Polymer Films," Brighton Science. — 압출 등 성형 과정에서 첨가제가 고분자 표면으로 이동(마이그레이션/블루밍)하는 메커니즘과 이를 촉진하는 온도·전단 조건을 설명한다. https://www.brighton-science.com/blog/how-to-control-additive-blooming-in-polymer-films
8. "How to Minimize Additive Blooming and Migration in Flexible Packaging," SILIKE Technologies. — 과도한 온도·전단력이 첨가제 마이그레이션과 블루밍을 촉진할 수 있으며, 압출 조건(온도·스크류 속도·체류시간) 최적화가 이를 억제하는 핵심 인자임을 제시한다. https://www.siliketech.com/news/how-to-minimize-additive-blooming-and-migration-in-flexible-packaging/
9. IEC 60502-2, Power cables with extruded insulation and their accessories for rated voltages from 1 kV up to 30 kV — Part 2. — 중저압 XLPE 케이블의 내부/외부 반도전 스크린 구조 및 절연 규격에 대한 국제 표준. https://tratosgroup.com/products/standards/international/iec-60502/
10. "Medium Voltage Cable Manufacturer Quality Control Guide," TDDL Cable. — CCV(Catenary Continuous Vulcanization) 라인에서 도체스크린/절연/절연스크린 압출 시 두께·편심 관리가 케이블 품질에 미치는 영향을 다룬다. https://www.tddlcable.com/news/industry-news/medium-voltage-cable-manufacturer-quality-control-pe-extrusion-pd-testing-and-type-tests.html