LSR(액상 실리콘 고무)과 HTV 실리콘 고무: 공정, 비용 및 사용 사례 비교

제품 개발의 중요한 갈림길에 서 있습니다. 팀에서 실리콘 부품이 필요한데, 공급업체는 "LSR"이나 "HTV" 같은 용어를 사용하며 터무니없이 다른 가격을 제시하고 있습니다. 한쪽은 생산 주기를 단축시켜주지만 금형 제작 비용이 더 많이 들고, 다른 한쪽은 초기 비용은 저렴해 보이지만 생산 라인의 병목 현상을 초래할 수 있습니다.

LSR(액상 실리콘 고무)은 자동 콜드 러너 시스템을 이용한 사출 성형 방식으로, 빠른 생산 주기와 뛰어난 일관성을 제공하여 대량 생산에 적합합니다. HTV(고온 가황) 실리콘은 압축 성형 방식을 사용하며, 금형 비용은 저렴하지만 생산 속도는 느립니다. 어떤 소재를 선택할지는 연간 생산량, 부품의 복잡성, 품질 요구 사항에 따라 달라집니다. LSR은 초소형 부품 및 의료용 등급 응용 분야에 탁월하며, HTV는 시제품 제작 및 중간 규모 배치 생산에 적합합니다.

하지만 대부분의 엔지니어들이 간과하는 점은 바로 이것입니다. "더 저렴한" 옵션이 사이클 시간, 불량률, 후처리 인건비 등을 고려하면 오히려 더 비싸지는 경우가 많다는 것입니다. 저는 구매팀이 HTV 툴링에 투자했다가 6개월 후 수요가 두 배로 늘어나자 LSR(경량 표면 처리) 설비 확보에 허덕이는 경우를 여러 번 목격했습니다. 이제 이러한 프로세스들이 어떻게 다른지, 그리고 각각이 재정적으로 합리적인 경우는 언제인지 자세히 살펴보겠습니다.

LSR 사출 성형은 HTV 압축 성형과 무엇이 다릅니까?

LSR 기계가 작동하는 모습을 처음 봤을 때가 기억납니다. 그 정밀함은 정말 경이로웠습니다. 가열된 채널을 통해 액체 재료가 흐르며 미세한 구멍을 순식간에 채우는 모습이 인상적이었죠. 그러다 HTV 프레스를 보게 되었는데, 작업자가 수동으로 프리폼을 금형에 넣는 방식이었습니다. 그야말로 하늘과 땅 차이였죠.

LSR 사출 성형은 콜드 러너 시스템을 통해 2액형 액상 실리콘을 가열된 금형(일반적으로 170~200°C)에 주입하여 20~60초 만에 경화시키는 방식입니다. HTV 압축 성형은 미리 혼합된 실리콘 덩어리를 개방형 금형에 넣은 후 압착하고 3~10분 동안 가열(150~180°C)하는 방식입니다. LSR은 재료 취급을 자동화하고 노동력을 절감하는 반면, HTV는 수동 로딩이 필요하고 경화 시간이 더 오래 걸립니다.

공정 메커니즘: 콜드 러너 vs 수동 로딩

LSR 콜드 러너는 혁신적인 기술입니다. 혼합 노즐에 도달할 때까지 2액형 실리콘을 분리된 상태로 유지하여 조기 경화를 방지합니다. 이 시스템을 통해 다음과 같은 이점을 얻을 수 있습니다.

• 완전 자동화 주기: 촬영 사이에 작업자가 재료를 만지지 않습니다.
• 일관된 샷 무게: 정밀 펌프는 ±0.5%의 반복 정밀도를 제공합니다.
• 플래시 폐기물 제로: 콜드 러너 재료는 공급 드럼으로 되돌아갑니다.

반면 HTV는 고체 또는 퍼티 형태의 실리콘을 사용합니다. 작업자는 덩어리를 무게를 재고 캐비티에 넣은 다음 경화 후 남은 부분을 다듬습니다. 제가 직접 시간을 재봤는데, 숙련된 작업자조차도 캐비티 하나를 채우는 데 15~30초가 걸립니다. 4캐비티 금형의 경우, 프레스가 닫히기 전에도 한 사이클당 2분의 수작업 시간이 소요됩니다.

제가 고객들과 사용하는 비용 내역은 다음과 같습니다.

LSR 금형 프리미엄은 초기 부담이 될 수 있습니다. 하지만 연간 10만 개의 부품을 생산할 경우, 4분씩 단축되는 사이클 타임은 누적 효과를 가져옵니다. 제가 한 고객사의 경우 계산해 보니, LSR 금형 프리미엄 덕분에 인건비 절감과 생산량 증가만으로 8개월 만에 금형 비용을 회수할 수 있었습니다.

LSR과 HTV의 품질 기준은 어떻게 다른가요?

한 의료기기 고객사가 실리콘에 눈에 띄는 기포가 있다는 이유로 HTV 전체 배치를 폐기한 적이 있습니다. 혼합 과정에서 기포 제거가 제대로 되지 않았던 것이죠. 저희는 해당 제품을 LSR로 교체했고, 문제는 해결되었습니다. HTV 자체에 결함이 있어서가 아니라, LSR의 공정 관리가 훨씬 엄격하기 때문입니다.

LSR은 광학 등급의 투명도, 최소한의 휘발성 잔류물(FDA 규정 준수), 그리고 ±0.02mm 이내의 부품 간 균일성을 제공합니다. HTV 또한 유사한 물성을 구현할 수 있지만, 잔류 과산화물을 제거하기 위해 후경화(200°C에서 4~8시간)가 필요하며, 수동 혼합으로 인해 편차가 발생할 수 있습니다. 의료, 식품 접촉 또는 유아용 제품의 경우, LSR의 고유한 순도와 균일성은 투자 가치를 충분히 입증합니다.

재료 순도 및 후처리 요구사항

LSR은 백금 촉매를 통해 경화됩니다. 과산화물이나 부산물이 발생하지 않습니다. 부품은 금형에서 바로 조립할 수 있는 상태로 나옵니다. HTV는 과산화물 가교를 사용하는데, 이 과정에서 미량의 잔류물이 남습니다. 제가 측정한 HTV 성형 부품의 휘발성 유기 화합물(VOC) 수치는 800~1200ppm에 달했습니다. 후경화 후에는 100ppm 미만으로 떨어지지만, 오븐 가동 횟수 증가, 에너지 비용 증가, 그리고 8시간의 준비 시간이 필요합니다.

냄새 차이는 즉각적으로 느껴집니다. 새 HTV 부품은 고무줄 냄새가 나지만, LSR 부품은 냄새가 전혀 나지 않습니다. 젖병 꼭지, 주방용품, 웨어러블 센서와 같은 소비재의 경우, 이러한 감각적인 경험이 매우 중요합니다. 어떤 브랜드는 재질이 규격에 부합했음에도 불구하고 냄새 때문에 HTV 샘플을 거부한 적도 있습니다.

투명도 또한 중요한 단서입니다. LSR은 광섬유, 렌즈 밀봉재, 심미 부품 등에 물처럼 투명한 광학적 특성을 구현할 수 있습니다. 반면 HTV는 혼합 과정에서 미세 기포가 발생하여 "투명" 등급조차도 반투명하고 뿌연 외관을 나타냅니다. 저는 설계자들과 함께 이 비교표를 활용합니다.

시제품 제작 단계에서는 HTV의 변동성이 용인될 수 있습니다. 하지만 한 달에 5만 개씩 출하하는 상황에서는 ±0.05mm의 오차는 불량품 발생과 보증 청구로 이어집니다. 저는 한 고객사가 가스켓 소재를 HTV에서 LSR로 교체한 후 씰 불량률이 2.3%에서 0.1%로 감소하는 것을 목격했습니다. LSR 금형 제작 비용은 $28,000달러 더 비쌌지만, 재작업 인건비를 매달 $15,000달러 절감할 수 있었습니다.

HTV의 낮은 금형 비용이 언제 유리할까요?

모든 프로젝트에 LSR 금형이 필요한 것은 아닙니다. 저는 장애인용 자전거 페달용 맞춤형 그립을 디자인하는 스타트업을 지원한 적이 있습니다. 시범 프로그램에 필요한 부품 500개에 대해 LSR 금형 제작 비용이 1,400달러에서 35,000달러 사이였는데, 이는 시제품 제작 예산 전체보다 훨씬 많은 금액이었습니다. 그래서 저희는 1,400달러에 HTV 압축 금형을 사용하여 3주 만에 부품을 납품했습니다.

HTV 압축 성형은 연간 생산량 5만 개 미만, 크거나 두꺼운 벽(10mm 이상) 형상, 그리고 수요가 불확실한 프로젝트에 이상적입니다. 금형 투자 비용이 적어 재정적 위험이 줄어들고, 재료 변형(예: 필러 또는 안료 첨가)에도 비교적 관대합니다. 소량 생산, 시제품 제작 또는 사이클 타임이 중요하지 않은 부품의 경우 HTV가 경제적인 이점을 제공합니다.

판매량 손익분기점 분석

저는 모든 고객사에 대해 다음과 같은 계산을 진행합니다. LSR의 부품당 비용 우위가 금형 제작 비용을 상쇄하는 생산량은 얼마일까요? 이 공식에는 사이클 시간, 인건비, 자재 낭비, 기계 가동 시간 비용이 고려됩니다. 다음은 소비자 가전 프로젝트에서 가져온 실제 사례입니다.

• LSR 시나리오: $40,000 툴링, 35초 사이클(4캐비티), 부품당 재료비 $0.18, 부품당 기계/인건비 $0.05 = 부품당 $0.23 + 툴링 감가상각비
• HTV 시나리오: $8,000 툴링, 5분 사이클(4캐비티), 부품당 $0.15 재료비, 부품당 $0.42 기계/인건비 = 부품당 $0.57 + 툴링 감가상각비

10,000개 부품 기준: LSR 총 비용 = $40,000 + ($0.23 × 10,000) = $42,300. HTV 총 비용 = $8,000 + ($0.57 × 10,000) = $13,700. HTV가 승리합니다.

100,000개 부품 기준: LSR 총 비용 = $40,000 + ($0.23 × 100,000) = $63,000. HTV 총 비용 = $8,000 + ($0.57 × 100,000) = $65,000. LSR이 유리합니다.

부품 복잡성에 따라 다르지만, 생산량이 9만~12만 개 정도 되면 LSR 방식과 생산 방식의 차이가 드러나기 시작합니다. 하지만 숨겨진 요소가 하나 있는데, 바로 리드 타임입니다. 만약 제품 출시를 위해 4주 안에 2만 개를 출하해야 한다면, LSR 방식의 35초 사이클로는 8시간 교대 근무 동안 500개의 부품만 생산할 수 있습니다. 그렇다면 HTV 방식의 경우, 사이클당 5분이면 8시간 교대 근무 동안 96개밖에 생산하지 못합니다. LSR 라인 하나와 같은 생산량을 내려면 HTV 프레스가 5대나 필요한 셈입니다.

저는 설계 유연성도 중요하게 생각합니다. LSR은 얇은 벽(최대 0.3mm), 언더컷, 미세 형상 구현에 탁월합니다. 저는 LSR 소재로 0.5mm 두께의 버튼 벽과 일체형 힌지를 가진 키패드를 성형했는데, 이는 HTV 압축 성형으로는 불가능한 작업입니다. 부품 형상이 성형 한계를 넘어서는 경우, LSR의 사출 압력 및 유동 특성은 HTV로는 따라올 수 없는 설계의 자유를 제공합니다.

콜드 러너 소재 재활용은 어떻게 되나요?

한 고객이 제게 "콜드 러너가 재료를 재활용한다면, LSR에는 왜 여전히 폐기물이 발생하는 거죠?"라고 물었습니다. 정말 좋은 질문입니다. 그 답은 생산 과정의 현실적인 문제와 재료의 유통기한에 있습니다.

LSR 콜드 러너 시스템은 미경화 재료를 공급 드럼으로 재활용하여 정상 생산 상태에서는 폐기물을 거의 제로에 가깝게 줄입니다. 그러나 시동, 정지 및 색상 변경 시에는 2~5%의 폐기물이 발생합니다. 2액형 실리콘은 콜드 러너에서 가사 시간(경화가 시작되기까지의 시간)이 4~8시간이므로 야간 정지 시에는 퍼징이 필요합니다. HTV는 플래시 트리밍 과정에서 10~15%의 폐기물을 발생시키는데, 이는 물성 저하 없이 재처리할 수 없습니다.

자재 취급 및 가사 시간 관련 실제 사항

LSR의 2액형 시스템은 정교하지만 까다로운 공정을 요구합니다. A액(베이스)과 B액(촉매)은 온도 조절 드럼에 담겨 있습니다. 펌프는 두 성분을 정확한 비율(일반적으로 1:1 또는 10:1)로 계량하여 분사 노즐에 있는 정적 믹서로 공급합니다. 혼합이 완료되면 경화 시간이 시작됩니다. 대부분의 LSR 제품은 실온에서 10~30분 내에 완전히 경화되며, 열을 가하면 더 빨리 경화됩니다.

생산 과정에서 콜드 러너는 재료의 온도를 15~25°C로 유지하여 경화 속도를 늦춥니다. 라인이 연속적으로 가동되는 한, 재료는 2~3분마다 순환하며 러너 내에서 완전히 경화되지 않습니다. 폐기물은 최소화되며, 혼합 노즐에서 회수할 수 없는 소량의 재료만 발생합니다.

하지만 점심시간에 생산 라인을 멈추면 어떻게 될까요? 러너 안의 재료가 젤처럼 굳기 시작합니다. 4시간 후에는 부분적으로 경화되어 사용할 수 없게 됩니다. 재가동하기 전에 2~3회 생산 분량의 재료를 제거해야 합니다. 20g짜리 부품의 경우, 재가동할 때마다 60g의 재료가 낭비됩니다. 점심시간 한 번과 오후 생산 중단 한 번이 있는 단일 교대 근무 기준으로 하루에 120g의 재료가 낭비되는 셈입니다. 1년 동안 쌓이면 상당한 양이 됩니다.

HTV 폐기물은 비교적 간단합니다. 바로 잘라내야 하는 플래시(flash)입니다. 압축 성형은 캐비티를 완전히 채우기 위해 의도적으로 과충전하는데, 이 때문에 과도한 재료가 분할선을 따라 밀려 나옵니다. 단순한 개스킷의 경우 플래시는 부품 무게의 10% 정도일 수 있습니다. 여러 개의 분할선이 있는 복잡한 형상의 경우 20%에 달할 수도 있습니다. 게다가 HTV는 일단 가교되면 열경화성 재질이 되기 때문에 다시 섞을 수도 없습니다. 더 이상 손댈 수 없는 거죠.

일부 공급업체는 HTV 재분쇄 서비스를 제공하는데, 이는 폐기물을 분쇄하여 새 재료와 10~20% 비율로 혼합하는 방식으로, 중요하지 않은 용도에 사용됩니다. 하지만 이렇게 하면 물성이 저하됩니다. 인장 강도는 15~25% 비율로 떨어지고, 연신율도 저하됩니다. 따라서 성능 기준이 엄격하지 않은 비용 절감 목적의 프로젝트에만 이 방식을 권장합니다.

결론

연간 생산량이 5만 개를 초과하거나, 설계가 복잡하여 얇은 벽이나 엄격한 공차가 요구되거나, FDA 등급의 순도가 필요한 품질 기준을 충족해야 할 경우 LSR을 선택하십시오. 시제품 제작, 소량 생산, 그리고 사이클 시간과 인건비가 경제성에 큰 영향을 미치지 않는 두꺼운 벽 부품의 경우에는 HTV의 간편함을 활용하십시오.