KR100326748B1 - 전기적 부도체 기판의 정전기 파우더 코팅 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 파우더 코팅 방법은 전기적 부도체 기판의 표면에 정전기 방지 물질을 도포하는 단계를 포함한다. 정전기 방지 물질은 양호하게는 지방 아민염이고, 스프레잉에 의해 도포된다. 정전기적으로 대전된 파우더 입자들의 플로우는 기판 쪽으로 향하게 되어 기판 상에 파우더 코팅을 형성한 다음, 파우더 코팅은 경화된다.
Description
파우더 코팅은 표면 상에 내구성 있는 코팅을 제공하는데 사용되는 기술이다. 경화성 유기 파우더 코팅 화합물(curable organic powder-coating compound)의 파우더 입자는 정전기적으로 대전되고 기판의 표면을 향하게 되어 있다. 기판이 접지되어 있거나 극성이 반대로 대전된 금속에 접속되어 있는 경우, 입자들은 그 표면으로 끌리게 되어 일시적으로 표면에 부착된다. 이후, 표면은 가열되어 온도가 상승하게 되므로써 경화성 유기 화합물을 경화시켜 최종 코팅을 형성하게 된다.
파우더 코팅은 페인팅 또는 전기 이동 페인트 코팅에 대한 양호한 대체 코팅법이다. 이러한 프로세스에서, 솔벤트는 페인트 안료용 캐리어(carriers) 및 페인트 코팅의 다른 구성 요소(constituents)로서 사용된다. 고품질 페인트 코팅용으로 사용된 솔벤트는 휘발성 유기 화합물(VOCs)을 포함하는데, 이는 잠재적으로 환경 오염 물질이다. 파우더 코팅은 솔벤트를 이용하지 않고, VOCs도 사용하지 않으므로, 실질적으로는 매우 환경 친화적이다.
파우더 코팅은 기판이 플라스틱 또는 세라믹과 같은 전기적 부도체 물질일 때 더욱 어렵다. 몇몇 기술은, 정전기적으로 파우더 코팅될 수 있게 기판에 충분한 전기적 도전성을 부여하도록 개발되어 왔다. 흑연과 같은 도전성 물질이 도전성을 개선하기 위해 기판에 첨가될 수 있지만, 이러한 기술은 기판의 성질을 변하게 하는 결점을 갖는다. 기판은 파우더 입자가 초기에 뜨거운 표면과 접촉될 때 부분적으로 경화되거나 고착(stick)되게 예열될 수 있으나, 이러한 방법에서는 기판이 유기-매트릭스 합성 물질(composite materials)과 같은 몇가지 형태의 기판에 대해 내성을 가질 수 없을 정도의 온도까지 가열되어야 한다. 또 다른 방법에서, 전형적으로 금속성 또는 흑연 입자를 함유하는 전기적 도전성 시발체(始發體;primer)가 기판의 표면에 코팅된다. 이러한 방법이 실시가능하더라도, 완성품에 기판과 경화된 파우더 코팅 사이의 전기적 도전성 코팅을 남긴다. 이러한 전기적 도전성 코팅은 완성품의 어떤 이용들과 간섭할 수 있는데, 다른 방법으로는 전기적 도전성을 나타내지 않을 것이다.
따라서, 전기적 부도체 물체의 정전기적 파우더 코팅을 위한 개선된 방법이 필요하다. 그러한 방법은 합성 물질, 세라믹, 플라스틱 등의 코팅에서 광범위하게 응용됨을 알 수 있다. 본 발명은 이러한 요구를 충족시키며, 또한 관련된 장점들을 제공한다.
〈발명의 요약〉
본 발명은 전기적 부도체 기판의 파우더 코팅을 위한 방법을 제공한다. 이 방법은 코팅 동작 중에 기판을 가열하지 않고도 실행된다. 파우더를 정전기적으로 대전하여 이를 기판에 피착시키기 위한 장치 및 방법이나, 사용된 파우더 코팅 타입에 대한 제한은 없다. 코팅된 기판은 높은 표면 전기 저항을 갖는 전기적으로 부도체 상태로 남아 있고, 무선 주파수 신호에 대해 투명하게 되어야 하는 미사일 분야와 같은 몇몇 응용 분야에서 중요하게 고려되어야 한다.
본 발명에 따르면, 파우더 코팅법은 전기적 부도체 기판을 제공하는 단계; 정전기 방지 물질을 기판 표면에 도포하는 단계; 정전기적으로 대전된 파우더 입자들을 기판 쪽으로 향하게 하여 기판 상에 파우더 코팅을 형성하는 단계; 및 파우더 코팅을 경화시키는 단계를 포함한다.
기판은 예를 들어, 플라스틱, 세라믹, 글래스, 또는 비금속 합성 물질과 같은 전기적 부도체 물질일 수 있다. 정전기 방지 물질은 양호하게는 지방 아민염(fatty amine salt)이다. 양호한 지방 아민염은 디탈로우 디알킬 암모늄염(ditallow dialkyl ammonium salt)이고, 가장 양호한 지방 아민염은 디탈로우 디메틸 암모늄염이다. 정전기 방지 물질은 스프레잉, 딥핑 및 브러싱과 같은 공지된 기술에 의해 도포될 수 있다.
파우더 입자들을 도포하기 위해서는, 파우더 물질(또한 '파우더 선구' 물질이라고도 함)의 플로우(flow)가 형성되고 정전기적으로 대전되어야 한다. 도포 및 정전기적 대전은 공지된 기술, 예를 들면 대전된 필드를 통해 파우더 입자의 플로우를 통과시키거나, 입자의 플로우를 표면과 마찰 접촉시켜 입자 상에 전하를 유도하므로써, 달성될 수 있다. 사용가능한 파우더 입자의 형태에 대한 제한은 알려진 바 없다. 파우더 입자가 기판 표면에 도포된 후, 파우더는 사용된 파우더 코팅에 대해 제안된 경화 스케쥴에 따라 상승된 온도로 파우더 코팅 및 기판을 가열하므로써 경화된다. 이러한 경화 단계는 하부 정전기 방지 코팅의 고유 저항 변화를 수반하고, 전체 코팅된 입자가 다시 한번 전기적으로 부도체가 되므로 바람직한 결과가 얻어진다.
본 발명의 중요한 특징은 파우더 코팅 이전에 기판에 정전기 방지 물질을 도포하는 것이다. 전형적으로 대략 수 마이크로미터 두께 이하의 정전기 방지 코팅은 기판에 충분한 전기적 전도도를 제공하여 정전기적 파우더 코팅을 가능하게 한다. 정전기 방지-코팅된 기판의 표면 전도도는 대략 1012ohms/square 이상이고, 열처리에 의해서 조정될 수 있다. 이러한 높은 저항은 대부분의 응용에 대해서 용인할 수 없는 전자기파 감쇠를 야기하지는 않는다.
〈도면의 간단한 설명〉
도1은 본 발명에 따른 파우더 코팅에 대한 방법을 도시하는 블럭 흐름도이다.
도2는 기판에 정전기 방지 코팅의 도포를 도시하는 개략 정면도이다.
도3은 기판의 정전기 파우더 코팅을 도시하는 개략 정면도이다.
도4는 코팅된 기판의 개략 정면도이다.
본 발명은 국방부에서 인정한 계약 번호 MDA972-93-c-0020호 하에서 정부 지원으로 만들어졌다.
본 발명은 전기적 부도체 기판의 정전기 파우더 코팅에 관한 것이다.
본 발명의 다른 특징 및 장점에 대해서는 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하고자 한다.
도1은 기판을 파우더 코팅하는 방법을 도시하고, 도2 내지 도4는 상기 방법의 단계별 처리 및 최종 산물을 도시한다. 전기적 부도체 기판(30)은 단계 20에서 제공된다. 기판은 전기적으로 부도체 고체일 수 있으며, 구성 및 형태에 대한 제한은 알려진 바 없다. 그러한 전기적 부도체 고체는 예를 들어, 플라스틱, 세라믹, 글래스, 또는 비금속 합성 물질을 포함할 수 있다. 발명자들은 석영 섬유/폴리시안네이트 매트릭스(quartz fiber/polycyanate matrix) 합성 물질, 흑연 섬유/폴리이미드 매트릭스 합성 물질, 에폭시, 주름형 저밀도 폴리에틸렌 백(a wrinkled low density polyethylene bag), 폴리이미드, 폴리아미드, 폴리에테르이미드 열가소성 수지, 폴리에테르에테르케톤 열가소성 수지, 폴리카본네이트 플라스틱, 폴리프로필렌 플라스틱, 및 글래스를 포함하는 다양한 전기적 부도체 기판들을 파우더 코팅하기 위해 본 발명의 프로세스를 사용한다. 서비스 중에 무선 주파수 에너지에 대해 투명해야 하는 전기적 부도체 기판 구조들은 예를 들어, 미사일 및 항공기 외판 구조들과 레이돔(missile and aircraft skin structures and radomes)과 같은 양호한 응용에 사용된다.
정전기 방지 코팅 물질이 제공되어 코팅(32)으로서 기판(30)에 도포된다(단계 22, 도2 참조). 정전기 방지 물질은 다른 응용 분야에서도 사용가능한 것으로 공지되어 있으며, 예를 들어, 본 명세서에서 참고로 채택된 미국특허 제5,219,493호에 기술되어 있다. 본 발명에 사용하기 위한 양호한 정전기 방지 물질은 디탈로우 디알킬 암모늄염과 같은 지방 아민염이다. 가장 양호한 지방 아민염은 디탈로우 디메틸 암모늄염인데, 그 화학적 구조는 다음과 같다:
여기서, R1은 알킬계 함유 16-18 카본 원자 COOH이고, R2는 CH3이며, X-는 할로겐화물, 질산염, 또는 저 알킬 황산염 이온(a lower alkyl sulfate ion)이다.
정전기 방지 물질은 스프레잉, 딥핑 또는 브러싱과 같은 소정의 실시가능한 기술에 의해 도포될 수 있다. 스프레잉은 도2에서 양호하게 도시된다. 정전기 방지 코팅의 플로우(필요한 경우, 적절한 캐리어 솔벤트에서의)는 에어졸(aerosol) 또는 다른 형태의 스프레이 헤드(34)에 공급되기 때문에, 박막 코팅(32)이 쉽게 도포될 수 있다. 스프레이로부터의 플로우는 기판(30)으로 향하게 되어 코팅(32)으로서 피착된다. 솔벤트가 사용되면, 정전기 방지 물질이 기판 표면에 피착된 직후 증착된다. 정전기 방지 코팅(32)은 양호하게는 수 마이크로미터 두께이지만, 이러한 치수는 중요하지 않다.
정전기 방지 코팅(32)은 추후의 파우더 코팅 동작 중에 기판(30)의 표면으로 이동된 전기적 전하를 방산시킨다(dissipate). 기판 표면의 넓은 면적에 걸쳐 전하를 확산시키므로써, 공간 전하 효과는 수용가능할 정도의 낮은 레벨로 감소된다. 정전기 방지 코팅의 사용은 전기적 도전성 시발체의 사용에 중요한 장점을 갖는데, 그 이유는 기판(30)의 표면에 도전성 입자를 남기지 않기 때문이고, 바람직한 전기적 전도도로 열처리될 수 있기 때문이다. 결과적으로, 최종 파우더-코팅된 입자의 표면 전도도는 상당히 낮게 유지되고, 서비스 중에 무선 주파수 에너지에 노출될 기판은 중요한 고려 대상이 된다.
정전기적으로 대전된 파우더 입자들의 플로우는 단계 24에서 기판으로 향하게 된다. 단계 24에서 사용된 파우더 코팅 물질은 소정의 사용가능한 경화가능 파우더 코팅 물질일 수 있다. 그러한 많은 물질들은 본 분야에 공지되어 있고, 본 발명에 사용될 수 있는 파우더 코팅의 형태에 대한 제한은 없는 것으로 알려져 있다. 파우더 코팅 조성물은 예를 들어, 본 명세서에 참고로 채택된 미국특허 제3,708,321호, 제4,000,333호, 제4,091,048호, 및 제5,344,672호에 기재되어 있다. 현재의 경우에, 양호한 파우더 코팅의 조성물은 에폭시이지만, 아크릴 및 폴리에스테르와 같은 다른 파우더 포뮬레이션(formulations)도 사용가능하다.
파우더 코팅 입자의 플로우는 전형적으로 공기 또는 질소와 같은 가스의 흐름에 의해 부유된 채 운반되어 튜브(36)로부터, 정전기 방지 코팅(32)으로 이미 코팅된 기판(30) 쪽으로 추진된다. 파우더 코팅 입자는 소정의 실시가능한 기술에 의해 정전기적으로 대전된다. 도3에 도시된, 한가지 방법에 있어서, 입자들은 2개의 전극(38)들 간에 생성된 디스차지(discharge)를 통해 통과하므로써 정전기적으로 대전된다. 다른 방법에 있어서, 스프레이 장치 내부의 마찰은 파우더 입자 상에 충분한 정전기적 전하를 생성한다. as-스프레이 파우더 코팅(as-sprayed powder coating)의 두께는 전형적으로는, 경화 및 결합 강화(curing and associated consolidation) 후에, 약 0.001 내지 0.005 인치, 가장 양호하게는 약 0.001 내지 0.003 인치의 최종 코팅을 생성하기에 충분하지만, 두께는 원하는 것보다 크거나 작을 수 있다.
파우더 입자는 전형적으로, 물리적 부착 및 정전기적 전하 유인(electrostatic charge attraction)의 조합에 의해 기판(30)/정전기 방지 코팅(32)의 표면에 부착되는 유기 조성물로 이루어진다. 또 다른 처리가 없다면, 파우더 입자는 쉽게 표면으로부터 제거될 수 있다.
도4에 도시된 바와 같이, 박막 정전기 방지 코팅(32)이 사이에 개재된 채로, 기판(30) 상에 영구적이며 강한 부착성의 파우더 코팅(40)을 얻기 위해서는, 단계 26에서 as-스프레이 파우더 코팅이 경화된다. 경화 동작 중에, 기판(30) 및 비경화 코팅(32 및 40)은 특수한 파우더 코팅 물질에 특정적이며 파우더 코팅 물질의 제조업자에 의해 통상적으로 제공되는 경화 사이클에서 처리된다. 경화 사이클은 보통, 코팅(40)을 경화시키기 위해 일정 시간 주기 동안 상승된 온도까지 기판(30) 및 코팅(32 및 40)을 가열시킨다. 전형적인 경화 동작에서, 기판(30) 및 코팅(32 및 40)은 약 30분 동안 약 250 내지 약 340℉의 온도로 가열된다. 코팅의 중합 성분(polymeric components)은 교차 결합 이전에, 파우더 코팅을 강화, 균질화 및 평활화시키기 위해, 가능한한 소정 등급의 플로우와 함께 교차 결합하므로써 경화된다. 경화 후에, 파우더 코팅(40)은 두께가 전형적으로 약 0.001 내지 약 0.005 인치이다.
또한, 파우더 코팅(40)을 경화시키기 위한 가열은 정전기 방지 코팅(32)의 전기적 저항율을 증가시키는 바람직한 효과를 갖는다. 부도체 기판(30) 및 as-도포 코팅(32)의 표면 전기적 저항율은 전형적으로 약 1012ohms/square이다. 상술한 바와 같이 파우더 코팅(40)에 대한 전형적인 경화 사이클 후에, 정전기 방지 코팅(32)의 전기적 저항율은 전형적으로 더 이상 개별적으로 측정가능하지 않을 정도의 레벨까지 증가하고, 소정의 표면 저항율 측정은 코팅(32 및 40)보다는 오히려 기판(30)의 특성을 반영한다. 즉, 코팅(32)은 파우더 코팅 단계 24 중에 전하의 방산(dissipation of charge)을 허용할 수 있을 정도로 충분히 전도성이 있다. 그후, 코팅(32)의 전도도는 감소되는데 (즉, 저항율 증가), 전체 코팅된 물체(기판 30, 코팅 32, 및 코팅 40)가 코팅의 전기 전도도가 아닌 기판의 전기 전도도에 대응하는 높은 전기 저항을 갖게 된다.
항공기 및 미사일 외판 구조 및 레이돔의 파우더 코팅과 같은 응용 분야에 대한 중요한 결과는 이들 기판들이 코팅 경화 후, 무선 주파수 방사에 대해 놀라울 정도로 그리고 예상외로 투명하다는 것이다. 이러한 투명도는 저-관측가능한(low-observables) 기술적 요건을 달성하기 위해 중요하다. 그러한 저항율의 증가는 종래의 도전성 코팅이 파우더 코팅 단계 이전에 파우더 코팅 공정에서 사용되는 경우에는 달성될 수 없다. 그러한 종래의 도전성 코팅은 도전성 입자를 기판의 표면에 피착시키는데, 여기서 도전성 입자는 경화 단계가 완료된 후에도 남아 있게 되고, 그 결과 코팅된 입자의 표면 저항율이 낮아지게 된다. 본 방법에서, 코팅된 물질의 저항율은 경화 완료 후, 기판의 저항율로 되돌아 간다.
본 발명은 다수의 기판 및 파우더 코팅의 조합들에 대해 실시되었다. 사용된 기판은 석영 섬유/폴리시안네이트 매트릭스 합성 물질, 흑연 섬유/폴리이미드 매트릭스 합성 물질, 에폭시, 주름형 저밀도 폴리에틸렌 백, 폴리이미드, 폴리아미드, 폴리에테르이미드 열가소성 수지, 폴리에테르에테르케톤 열가소성 수지, 폴리카본네이트 플라스틱, 폴리프로필렌 플라스틱, 및 글래스를 포함하였다. 정전기 방지 물질은 상술한 디탈로우 디메틸 암모늄염인데, 이는 스프레이 도포를 허용하는 캐리어 내에서 상업적으로 이용가능하고, 파우더 코팅은 에폭시 파우더였다.
본 발명의 특정 실시예가 설명을 목적으로 상세히 설명되었더라도, 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한도에서 다양하게 변형 및 수정될 수 있다. 따라서, 본 발명은 첨부된 특허청구범위에 의해서만 제한될 뿐, 그 이외에는 제한되지 않는다.
Claims (10)
- 파우더 코팅 방법에 있어서,표면을 갖는 전기적 부도체 기판을 제공하는 단계 - 상기 기판은 무선 주파수 방사에 투명함 -,상기 기판의 상기 표면에 정전기 방지 물질 코팅을 도포하는 단계;정전기적으로 대전된 파우더 입자들의 플로우(flow)를 상기 기판의 상기 표면 쪽으로 향하게 하여 상기 기판의 상기 표면상에 상기 정전기 방지 물질 코팅을 피복한 파우더 코팅을 형성하는 단계 - 상기 정전기 방지 물질은 상기 대전된 파우더 입자들에 의해 상기 기판의 상기 표면에 운반된 전하들을 방산함 -; 및상기 파우더 코팅을 경화하고 상기 정전기 방지 물질 코팅의 전기 저항을 증가시키기에 충분한 온도까지 상기 기판을 상기 기판상의 상기 정전기 방지 물질 코팅 및 상기 파우더 코팅과 함께 가열하여, 그 결과로서 코팅된 기판이 전기적으로 비전도성이고 무선 주파수 방사에 투명하도록 만드는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 파우더 코팅 방법.
- 제1항에 있어서, 전기적 부도체 기판을 제공하는 상기 단계는플라스틱, 세라믹, 글래스 및 합성 물질을 포함한 그룹으로부터 선택된 기판을 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 파우더 코팅 방법.
- 제1항에 있어서, 정전기 방지 물질 코팅을 도포하는 상기 단계는지방 아민염(fatty amine salt)을 도포하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 파우더 코팅 방법.
- 제1항에 있어서, 정전기 방지 물질 코팅을 도포하는 상기 단계는디탈로우 디알킬 암모늄염(ditallow dialkyl ammonium salt)을 도포하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 파우더 코팅 방법.
- 제1항에 있어서, 정전기 방지 물질 코팅을 도포하는 상기 단계는스프레잉, 딥핑 및 브러싱을 포함한 그룹으로부터 선택된 방법을 이용하여 상기 정전기 방지 물질을 상기 기판에 도포하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 파우더 코팅 방법.
- 제1항에 있어서, 파우더 입자들의 플로우(flow)를 상기 기판의 상기 표면 쪽으로 향하게 하는 상기 단계는상기 파우더 입자들의 플로우를 형성하는 단계; 및상기 파우더 입자들의 플로우를 정전기적으로 대전하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 파우더 코팅 방법.
- 제1항에 있어서, 파우더 입자들의 플로우(flow)를 상기 기판의 상기 표면 쪽으로 향하게 하는 상기 단계는에폭시, 아크릴 및 폴리에스테르를 포함한 그룹으로부터 선택된 파우더 입자를 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 파우더 코팅 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 가열 단계는상기 파우더 코팅 및 상기 기판을 상승된 온도로 가열하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 파우더 코팅 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 가열 단계는상기 기판, 상기 정전기 방지 물질 코팅 및 파우더 코팅을 상기 파우더 코팅을 경화하고 상기 정전기 방지 물질의 전기 저항을 증가시키기에 충분한 온도로 가열하여 코팅된 기판이 무선 주파수 방사에 투명하도록 만드는 것을 특징으로 하는 파우더 코팅 방법.
- 제1항 또는 제9항에 있어서, 전기적 부도체 기판을 제공하는 상기 단계는항공기 외판 구조, 미사일 외판 구조, 항공기 레이돔 및 미사일 레이돔을 포함한 그룹으로부터 선택된 형태를 갖는 기판을 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 파우더 코팅 방법.
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