DSM Engineering Plastics

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스마트폰 트렌드: 차세대 스마트폰 케이싱

10 11월 2017
  • 타민 피터 시디키 박사DSM Engineering Plastics의 전자제품 글로벌 마케팅 이사

Apple은 2007년에 아이폰을 처음으로 출시했고, 이에 따라 완전히 새로운 시장이 형성됐습니다. 그 후 스마트폰은 방대한 성장을 했지만, 시장은 이제 성숙기에 접어들고 보편화의 시기로 전환되고 있습니다. 그 동안 주문자상표부착생산자(OEM)는 급격한 변화를 경험했습니다. 중국 시장의 강력한 점유율 덕분에 Vivo와 OPPO 같은 브랜드가 스마트폰 제조업체의 전 세계 상위 5위에 올라서는 반면, Nokia, Motorola, RIM 같은 유명 브랜드들은 사라지게 되었습니다. 이러한 브랜드들이 아직 여러 국가들 사이에서는 알려지지 않았지만, 삼성과 Apple 다음으로 시장 점유율 3위를 확보하기 위해 Huawei와 경쟁 중에 있습니다. 하지만 이들 제조업체 간의 성능, 기능, 디자인은 대동소이합니다.

스마트폰의 보편화가 현실화되자 OEM들은 새로운 웨어러블과 커넥티드 홈 시장을 점유하는 데 보다 더 집중하고 있습니다. 스마트폰 기술에 중대한 변화가 예상되며, 이에 OEM들은 치열한 경쟁 환경에서 차별성을 가질수 있습니다. 2018년에 모바일 산업은 점진적인 성능 향상뿐만 아니라 플렉서블 디스플레이 등 새로운 하드웨어 기술을 보게 될 것이며, 인공 지능 등 소프트웨어의 획기적인 발전으로 스마트폰을 보다 더 친밀한 동반자로 만들 수 있습니다. 금속 케이싱의 장단점: 수년 동안 Apple은 알루미늄 본체 스마트폰 디자인을 선호해 왔습니다. 주로 Sony Corporation(일본)의 고급형 기기와 80년대 후반 워크맨에 사용한 개념입니다. 아이폰의 대중성에 힘입어 알루미늄, 스테인레스스틸, 티타늄 또는 마그네슘으로 된 금속 케이스의 트렌드가 도래했습니다.

이러한 소재들은 우수한 기계적 성능과 함께 가치 있는 심미적 특성과 감성이 결합되어 있습니다. 대부분의 중급 및 고급 모델의 경우 금속 케이스가 플라스틱 하우징을 대체했습니다. 금속 고유의 열 전도율은 훨씬 더 강력한 프로세서에서 생성, 증가되는 열을 분산하는 데 도움을 주는 반면, 전기 전도율은 무선 주파수(RF) 감쇠의 원인이 되어 무선 신호의 전송과 수신 저감을 초래합니다. 금속 케이싱의 전자파 장해(EMI) 차폐 문제를 극복하는 한 가지 방법은 케이스를 접지하여 안테나를 확장하는 것입니다. 현대 스마트폰에는 셀룰러(GSM, EDGE, 3G, 4G, LTE), GPS, WiFi, Bluetooth 같은 다중 안테나가 있습니다. 스마트폰은 셀룰러 안테나 2개를 장착하고 있으며, 수신 신호는 기기를 잡고 있는 손에 흡수되는 정도에 상관없이 양호한 수신을 보장합니다. 일차 안테나는 전화기의 상단에, 이차 셀룰러 안테나는 하단에 위치합니다. 스마트폰은 이 셀룰러 안테나들 사이에서 수신이 더 양호한 쪽으로 전환할 수 있습니다.

유리 사용 : 차세대 스마트폰 케이실

올-글래스(all-glass) 스마트폰 하우징이 ‘업계 디자이너’의 야심작이 될 수 있습니다. 적어도 심미적으로는 그렇습니다. 하지만 스마트폰의 일상 사용 중 신뢰도를 보장하는 필수적인 낙하 시험과 연속낙하 시험과 같은 제품 시험을 통과하는데 있어 요구되는 기계적 강도가 부족해질 수 있습니다. 이러한 결과와 아울러 현재 진행 중인 티노베이션 트렌드로 인해 올-글래스 디자인으로 된 고급 모델은, 완전한 플렉시블 디스플레이가 구현되지 않는 한 금속 프레임을 지속해서 사용할 것으로 예측됩니다. 이들 금속 프레임은 지속적으로 스마트폰 디자인을 지원하며 프린트 배선판(PCB), EMI 차폐 장치, 금속 코팅 등 스마트폰 하우징에 있는 부품과 관련하여, RF 감쇠를 상쇄하는 안테나 증폭기의 역할을 할 것입니다.

프레임에 사용되는 금속의 선택이 기계적 무결성, 무게, 내구성, 달성 가능한 마감 공정과 그에 따른 효과에 대한 영향이 있습니다. 알루미늄은 저밀도, 재생가능성, 낮은 원료비와 가공비로 인해 매력적인 소재 선택이 될 수 있으나 알루미늄 합금은 금속 프레임으로 장기간 사용하면 부식성을 나타냅니다. 스테인리스스틸 합금은 무광택에서 고광택, 연마 금속에서 브러시드 금속, 심지어는 가는 선 마감처리를 포함하여 알루미늄 합금보다 마감처리의 폭이 더 넓다는 특징이 있습니다. 표면은 진공 증착(VM)이나 물리 증착(PVD), 전착(ED)으로 처리될 수 있습니다. 또한 PVD는 일부 소비자가 니켈에 민감 반응을 보이고 폐기물 처리에 환경 제한이 있기 때문에 니켈 도금의 대안으로 고려될 수 있습니다.

보다 높은 밀도로 인해 무게 증가가 우려사항이 될 수 있지만, 보다 높은 기계적 성질 덕분에 제품 벽 두께 감소가 가능해 기기의 무게 증가는 무시할 정도가 될 수 있습니다. 무게가 우려되는 사항이라면 티타늄 또한 고려할 수 있습니다. 스테인리스스틸 합금은 SUS 304가 가장 널리 사용됩니다. 금속-폴리머 접착 나노 몰드 기술(NMT)에 대한 새로운 수요로 직접 금속-폴리머 접착이 가능하고, 이는 양극 산화나 PVD 같은 장식 가공을 하기 전에 진행하는 중요한 이차 가공입니다. NMT는 특수 질감 처리된 금속의 표면을 폴리머로 오버몰딩하여 강하게 접착합니다. 접착 강도는 금속 표면, 가공 조건 혹은 화합물 성질의 영향을 받을 수 있습니다. 서로 다른 기질들이 적절한 표면 질감을 이루기 위해서는 서로 다른 처리가 요구되지만, 표면 질감의 핵심 특성은 멀티스케일 조도(거칠기)로서, 마이크로 및 나노 특징을 포함하고 있어 최적의 폴리머 충전과 인터록을 허용하는 것입니다. 아래는 NMT 가공의 개요와 질감이 적절하게 표현된 기질 표면의 예입니다. 갇힌 공극을 피하고 응력이나 열악한 환경에서 박리를 방지하도록 강하게 접착하는 것이 중요합니다. 알루미늄 대신 스테인리스스틸을 선택하면 NMT용 폴리머 선택에 추가적인 도전과제가 발생합니다.

알루미늄은 주로 양극 산화처리되어 부드러운 알루미늄 표면이 긁히고 부식되는 것을 방지하고 디자인에 따라 색상을 입힐 수 있습니다. 양극 산화처리 공정은 NMT 후에 이뤄지기 때문에 반드시 양극 산화처리 공정을 견딜 수 있는 폴리우레탄테레프탈레이트(PBT), PBT/폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 혼합물 혹은 폴리설폰(PSU) 같은 폴리머를 사용해야 합니다. 양극 산화처리가 알루미늄에는 이상적인 반면, 스테인리스강과 티타늄 등과 같이 보다 높은 기계적 성질을 가지고 있는 다른 금속에는 적합하지 않은 처리법입니다. 이런 대안적인 합금은 주요 후보 물질로서 차세대 스마트폰에 구조적 무결성을 제공하지만, PVD 같이 가공 기술의 높은 온도를 견딜 수 있는 NMT용 폴리머가 필요합니다. PVD 가공은 150°C~180°C에서 3시간이 소요되기 때문에 일반적으로 NMT에 폴리머를 사용하는 것이 적절하지 않습니다. PPS는 불량한 내자외선성과 착색도 때문에 높은 미학적 요건을 충족해야 하는 외부 부품에는 이상적인 소재가 아닙니다. 따라서 OEM은 폴리에테르에테르케톤(PEEK) 등 보다 고온의 플라스틱 및 PEEK와 성능 경쟁력이 입증된, 특수 고유리전이온도(Tg)와 열 변형온도(HDT)를 지닌 새로운 PPA들 중에서 선택해야 합니다.

NMT 가공은 다음 단계로 설명될 수 있습니다.

  1. 기판을 세척하고 나면 금속표면에 마이크로와 나노 크기의 공극들이 생성됩니다. 알루미늄은 습식 다단계 화학 에칭 가공이 이뤄집니다.
  2. 금속이 적절하게 에칭되고 세척되면 그 위에 플라스틱 화합물을 덧씌웁니다. 그렇게 하면 표면 질감에 씌워진 폴리머 충전재로 인해 강력한 금속-폴리머 접착이 이뤄집니다.
  3. 오버몰딩 후 이 부분의 금속층에 PVD 같은 장식 가공을 할 수 있습니다.

새로운 NMT용 고온 소재로, DSM에서는 NMT로 적절한 고성능 ForTii Ace 폴리머를 토대로 신소재를 개발했습니다. ForTii Ace는 모든 폴리프탈아미드(PPA) 중에서 Tg가 가장 높습니다. 이 소재의 고유성은 다른 PPA들이 우수한 결정화 활동을 가능하게 하는 C4 분자 화학식에 있습니다. 또한, 높은 Tg는 방향족 성분으로 인해 PEEK의 것과 견줄 만한 온도 저항성과 내화학성을 보여주는 반면, 높은 가공 온도에서의 강성은 PEEK를 능가합니다. ForTii Ace의 높은 폴리머/분자 강도로 인해 모든 PPA 중에 최고의 기계적 강도를 나타냅니다.

이 소재는 티타늄과 스테인리스스틸이 허용하는, 예외적으로 높은 NMT 접착력을 이룰 수 있습니다. 이는 폴리머 강도와 가공성이 우수하기 때문입니다. 마이크로/나노 공극에 충전재를 충분히 채울 수 있으려면 흐름과 결정화를 통제할 경우에만 접착이 적절하게 이루어집니다. 금속 표면 구조가 충분히 채워지면 결정화로 인해 뛰어난 접착 강도와 화합물의 높은 강성과 강도가 보장됩니다. DSM에서는 티타늄과 스테인리스스틸 합금용으로 두 가지 전용 NMT 그레이드인 ForTii NMX33 및 ForTii Ace NMX5를 개발했습니다. 치수 안정성이나 옅은 색상의 내열성과 내자외선성 및 유전체가 중요한 역할을 하는 어플리케이션용으로는 ForTii Ace 폴리머가 이상적인 소재입니다. 두 그레이드 모두 상용화되어 있어 높은 미적 요건 및 소재 성능을 요구하는 차세대 올-글래스 케이싱이나 기타 창조적인 금속-플라스틱 접착을 실현할 수 있습니다. NMT는 금속을 플라스틱에 접착하는 고급 기술로, 산업, 항공우주, 자동차 부문을 비롯한 다양한 어플리케이션과 산업에 사용됩니다.

당사의 전체 NMT 포트폴리오에는 PBT와 PPS 화합물이 포함됩니다. 이렇게 폭넓은 포트폴리오로 인하여 제조업체는 하나의 접점을 통해 다양한 디자인 및 산업용 소재와 어플리케이션을 지원받을 수 있습니다. ForTii NMX33 및 ForTii Ace NMX5는 스테인리스스틸과 티타늄 모두의 접착 강도에서 최고 성능을 나타냅니다. 각각 320°C 및 340°C의 용융 온도에서 이 화합물들은 최고 온도 저항성을 보여주기 때문에 PVD 가공 중에 도달하게 되는 극한의 온도를 온전히 견딜 수 있습니다.

스마트폰 혁신의 다음 도약을 실현하다

스마트폰이 어플리케이션으로서 성숙기에 접어들면서 디자인과 기능에 대한 혁신 요구가 급격히 증가하고 있습니다. 소규모 스타트업과 글로벌 다국적 기업 모두 수익성이 좋은 수십억 달러 시장에서 차별화를 가져올 수 있는 새로운 디자인 콘셉트를 위해 부단히 노력하고 있습니다.

스마트폰의 뚜렷한 트렌드는 알루미늄 엔클로저에서 스테인리스스틸이나 티타늄 같은 보다 높은 기계적 강도를 지닌 소재로 만든 금속 프레임을 갖춘 유리나 자기 본체로 옮겨 가고 있습니다. 이러한 디자인은 DSM의 포트폴리오에 속한 고성능 엔지니어링 플라스틱을 기반으로 입증된 플라스틱-금속 접착 기술에 의존하게 될 것입니다. 당사의 제품들은 2017년에 출시한 차세대 콘셉트에서 볼 수 있습니다. 표준 NMT 기술이 PBT, PBT/PET, PPS 폴리머와 함께 널리 이용되는 반면, DSM의 새로운 ForTii Ace 의 성능은 지금까지 PEEK에서만 봤던 수준으로 상승했습니다. 이런 신소재들은 화학적, 기계적, 열적 저항성의 측면에서 PEEK와 견줄만 하며, 또한 아주 우수한 치수 안정성, 뛰어난 금속 접착 강도, 보다 나은 기계적 강도를 제공합니다. ForTii Ace를 이용하게되면 디자이너들은 현재 소재의 역량을 뛰어넘어 스마트폰 혁신을 다음 단계로 끌어올릴 수 있습니다.

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