KR100908334B1 - 상압 플라즈마를 이용한 도장 전처리 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

피처리물을 따라 이동하며, 상기 피처리물 표면으로부터 미리 설정된 크기 이상의 물방울을 흡입하는 흡입 장치; 플라즈마 발생에 필요한 비활성 기체를 저장하는 저장 장치; 및 상기 흡입 장치에 연결되어 이동하며, 상기 저장 장치에 저장된 비활성 기체를 반응 기체와 혼합하여 상압 플라즈마를 생성하고, 생성된 상압 플라즈마를 상기 피처리물의 표면으로 토출하여 수분을 제거하는 플라즈마 발생장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 도장 전처리 시스템이 개시된다. 본 발명에 따른 도장 전처리 시스템을 사용하여 피처리물의 표면 에너지를 증가시키고 표면의 미세 수분 및 유분 등의 이물질을 제거하여 도막과 피처리물 사이의 부착력을 향상시킬 수 있으며, 광범위한 박리에 의해 배관 막힘 등의 현상이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 피처리물 표면이 매끄러워져 마찰 손실이 최소화되고, 습기나 온도에 민감하지 않아 다양한 환경에서 처리하기에 용이한 이점이 있다.

플라즈마, 도장, 전처리, 상압

Description

상압 플라즈마를 이용한 도장 전처리 시스템 및 방법{PRETREATMENT SYSTEM AND METHOD FOR COATING USING ATMOSPHERIC PRESSURE PLASMA}

본 발명은 상압 플라즈마를 이용한 도장 전처리 시스템 및 방법에 관한 것으로, 상세하게는 흡입 장치가 피처리물을 따라 이동하여 피처리물 표면에서 물방울을 제거하고, 플라즈마 발생장치가 비활성 기체를, 극성 작용기를 포함하는 반응 기체와 혼합하여 생성된 상압 플라즈마를 피처리물 표면에 일정 시간 동안 토출함으로써, 소수성의 피처리물 표면에 산소를 함유하는 극성 작용기를 도입하여 표면 에너지를 증가시킴으로써 피처리물 표면에서 이물질을 제거하고 도료와 표면 사이의 부착력을 향상시킬 수 있는 도장 전처리 시스템 및 방법에 관한 것이다.

취수장에서 정수장까지 원수를 공급하는데 사용되는 지하에 매설된 수도용 강관은, 한번 매설되면 재시공이 어렵기 때문에 약 20년 이상의 내구수명을 갖는 도장이 필요하다. 그러나, 통상적으로 수도용 강관을 8년 정도 사용하면 일부 강관에서 떨어짐 및 박리현상이 발생한다. 특히, 수도용 강관의 경우 강관이 지하에 매설되기 때문에 고습도 및 결로(結露) 환경에서 도장 작업을 수행하여야 하며, 이러한 도장환경은 계면의 접착력 저하, 도장불량 및 용접부위와 같은 취약부분에서의 고장발생의 원인이 된다.

현재 사용되는 수도용 강관의 도장 공법에서는 강관의 표면에 연마볼을 투사하는 숏 블라스터 방법을 사용하여 강관의 표면 전처리를 실시한다. 전처리는 금속의 표면으로부터 부착성을 저하시키거나 상용성이 없는 잔여 이물질들을 제거하는 처리 과정이다. 전처리는 강관의 표면을 불활성화하여 내식성을 향상시키고, 도장 후 도막에서 조기 결함을 유발시킬 수 있는 모든 이물질을 사전에 제거하여 강관 표면에 도료가 양호하게 부착이 될 수 있도록 하며, 표면상의 돌출부를 제거하여 표면을 평탄하게 하는 것을 목적으로 실시된다.

도장의 내구 기간은 적용한 도장 사양에 못지않게 표면이 전처리된 정도에 따라 크게 좌우되므로, 전처리 과정은 도장 시공의 수명을 결정하는 가장 중요한 단계에 해당한다. 또한 중방식 도장은 엄정한 표면 전처리의 결과로 얻어지기 때문에 중방식 도장의 성패는 표면 전처리 기술에 달려있다. 국내에서 시공되는 철구조물 도장의 경우, 도장 전의 전처리 비용이 전체 도료 시공 비용의 1/2 이상을 차지하는 것으로 알려져 있다.

그러나, 수도용 강관과 같이 지하에 매설된 환경에서는 금속표면에 전처리의 급속한 결로 현상으로 습기가 발생하여 도막과 금속강관의 계면의 부착성을 저하시키는 요소로 작용한다. 또한, 피도물 표면에 부착된 유지, 녹, 염화물 또는 황산염 등의 이물질에 의해 도료와 피도물 사이의 부착력이 감소하기 때문에 도막의 조기 박리나 발청이 발생하는 등의 결함이 발생하게 된다. 일반적으로 사용되는 도료는 금속표면의 전처리상태 및 도장작업 조건이 좋은 경우에만 목적하는 소정의 물성을 나타내므로, 지하와 같은 열악한 환경에서 금속표면의 결로 현상을 방지할 수 있는 전처리 방법이 요구된다.

현재 이온이나 라디칼과 같은 다량의 반응성 핵종(reactive species)의 플럭스를 발생시키는 플라즈마(plasma)가 산업적으로 물체의 표면처리를 위하여 많이 사용되고 있다. 그러나, 고온의 플라즈마를 사용할 경우 플라스틱과 같이 낮은 융점을 가지는 재료의 표면처리 시 표면이 녹아서 변형되거나 물성이 변화될 수 있다. 또한, 종래 기술에 따를 경우 챔버(chamber) 내에서 진공을 형성하여 플라즈마를 생성하므로, 피처리물의 크기에 제약이 있고 생산 공정이 복잡한 단점이 있다.

상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 수도용 강관 등과 같은 피처리물의 표면을 미리 설정된 세기의 저온 상압 플라즈마를 사용하여 처리하여, 소수성의 강관 표면에 산소를 함유하는 극성 작용기를 도입하여 표면 에너지를 증가시킴으로써 피처리물 표면에서 이물질을 제거하고 도료와 표면 사이의 부착력을 향상시킬 수 있는 도장 전처리 시스템 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 도장 전처리 시스템은, 피처리물을 따라 이동하며, 상기 피처리물 표면으로부터 미리 설정된 크기 이상의 물방울을 흡입하는 흡입 장치; 플라즈마 발생에 필요한 비활성 기체를 저장하는 저장 장치; 및 상기 흡입 장치에 연결되어 이동하며, 상기 저장 장치에 저장된 비활성 기체를 반응 기체와 혼합하여 상압 플라즈마를 생성하고, 생성된 상압 플라즈마를 상기 피처리물의 표면으로 토출하여 수분을 제거하는 플라즈마 발생장치를 포함하여 구성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 도장 전처리 방법은, 피처리물 표면으로부터 미리 설정된 크기 이상의 물방울을 제거하는 단계; 및 반응 기체를 비활성 기체와 혼합하여 생성된 상압 플라즈마를 상기 피처리물의 표면으로 토출하여 수분을 제거하는 단계를 포함하여 구성될 수 있다.

본 발명에 따른 도장 전처리 시스템 및 방법을 사용하여 수도용 강관 등과 같은 피처리물 표면을 저온 상압 플라즈마를 사용하여 처리함으로써, 피처리물의 표면 에너지를 증가시키고 표면의 미세 수분 및 유분 등의 이물질을 제거하여 도막과 피처리물 사이의 부착력을 향상시킬 수 있으며, 광범위한 박리에 의해 배관 막힘 등의 현상이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 피처리물 표면이 매끄러워져 마찰 손실이 최소화되고, 습기나 온도에 민감하지 않아 다양한 환경에서 처리하기에 용이한 이점이 있다.

이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 살펴본다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 도장 전처리 시스템을 도시한 측면도이다. 도 1을 참조하면, 상기 실시예에 따른 도장 전처리 시스템은 하나 이상의 제1 지지 부재(6)의 말단에 부착된 흡입구(5)를 통하여 피처리물 표면으로부터 물방울을 제거하는 흡입 장치(4) 및 하나 이상의 제2 지지 부재(11)의 말단에 부착된 토출구(9)를 통하여 피처리물 표면에 소정의 세기의 플라즈마를 일정 시간동안 토출하는 플라즈마 발생장치(8)를 포함하여 구성될 수 있다.

또한, 상기 도장 전처리 시스템은 수도용 강관 등과 같은 피처리물 내부를 이동하면서 피처리물 내부 표면을 처리하므로, 본 발명의 일 실시예에서는 도장 전처리 시스템의 이동을 보조 및 제어하기 위한 컨트롤 박스(1), 카메라(2) 및 조명등(3)을 더 포함하는 것도 가능하다.

다양한 크기의 수도용 강관에 적용하기 위하여, 각각의 제1 지지 부재(6) 및 제2 지지 부재(11)는 예컨대 유압식 조절장치 등을 사용하여 중간에서 인입 또는 인출되는 방식으로 길이를 조절할 수 있으며, 길이 조절에 따라 피처리물 내부 표면에 밀착하여 습기 제거 또는 플라즈마 처리를 실시한다. 바람직하게는, 제1 및 제2 지지 부재(6, 11)는 지름 1 내지 3 미터의 수도용 강관을 처리할 수 있도록 길이가 조절될 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 도장 전처리 시스템에서 흡수 장치를 도시한 정면도이며, 도 3은 플라즈마 발생 장치를 도시한 정면도이다. 도 2 및 도 3을 참조하면, 각각의 제1 지지 부재(6) 및 제2 지지 부재(11)는 회전축(10)에 부착되어, 회전축(10)을 중심으로 회전 가능하다. 도 2에 도시된 제1 지지 부재(6)의 경우, 총 4개의 제1 지지 부재(6)가 회전축(10)에 부착되어 있다. 따라서, 회전축(10)을 90°회전시킴으로써 피처리물 내부 표면을 360°에 걸쳐 처리할 수 있다.

반면, 도 3에 도시된 제2 지지 부재(11)의 경우 총 6개의 제2 지지 부재(11)를 사용하며, 따라서 회전축(10)을 60°회전시켜 피처리물 표면 전체를 처리하는 것이 가능하다. 도 2 및 도 3에 도시된 제1 및 제2 지지 부재(6, 11)의 개수는 예시적인 것으로서, 제1 또는 제2 지지 부재(6, 11)의 개수는 피처리물을 처리하는 속도에 따라 상이하게 결정될 수 있다. 예컨대, 도 1 내지 도 3에 도시된 본 발명의 일 실시예에서는 초당 150mm 의 속도로 피처리물을 처리하는 것이 가능하다.

흡입 장치(4)는 제1 지지 부재(6)의 말단에 부착된 흡입구(5)를 통하여 피처리물 내부 표면으로부터 미리 설정된 크기 이상의 물방울을 제거한다. 흡입 장 치(4)는 공지된 다양한 형태의 장치로 구성하는 것이 가능하며, 바람직하게는 지름 1mm 이상의 물방울들을 제거할 수 있는 습식 흡입 장치로 구성할 수 있다. 플라즈마 발생장치(8)는 저온 플라즈마를 발생시키기 위한 장치로서, 진공을 형성하기 위한 챔버(chamber) 없이 상압에서 저온 플라즈마를 발생시켜 제2 지지 부재(11)의 말단에 부착된 토출구(9)를 통하여 피처리물 내부 표면으로 토출한다. 본 명세서에서 상압이란, 대기압 또는 대기압과 극히 인접한 압력 상태를 의미한다

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 도장 전처리 시스템에서, 플라즈마 발생장치의 구성을 도시한 블록도이다. 도시되는 바와 같이, 플라즈마 발생장치는 RF 전원(31), 기체 공급기(33) 및 상압 플라즈마 반응기(34)를 포함한다. 상압 플라즈마 반응기(34)는 하나 이상의 전극 사이에 형성된 방전 공간에 기체 공급기(33)로부터 반응기체를 제공받고, RF 전원(31)의 전원을 사용하여 반응기체를 이온화시킴으로써 상압에서 플라즈마를 생성한다. 또한, 플라즈마 발생장치(8)는 상압 플라즈마 반응기(34)에 공급되는 전원의 주파수를 제어하기 위한 매칭 박스(32)를 더 포함할 수도 있다.

도 1 및 도 4를 참조하면, 플라즈마 발생장치(8)는 내부의 기체 공급기(33)에 저장된 반응 기체를 저장 장치(7)에 저장된 비활성 기체와 혼합하여 생성된 혼합 기체를 사용하여 상압 플라즈마를 생성한다. 바람직하게는, 반응 기체와 비활성 기체를 혼합한 혼합 기체에서, 반응 기체가 10% 이하의 부피를 차지하도록 하여 플라즈마를 생성한다. 본 발명의 일 실시예에서, 플라즈마 발생장치(8)는 비활성 기 체로는 아르곤(Ar)을 사용하며 반응 기체로는 산소(O₂)를 사용하여 플라즈마를 발생시킨다. 그러나, 다른 실시예에서는 산소를 포함하는 다양한 극성 작용기를 반응 기체로 사용하여 플라즈마를 발생시키는 것도 가능하며, 극성 작용기가 피처리물 표면에 자유 에너지를 제공하여 도막과의 접착력을 증가시키는 역할을 한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 도장 전처리 방법의 각 단계를 도시한 순서도이다. 도 5를 참조하면, 상기 실시예에 따른 도장 전처리 방법은 피처리물 표면에서 습기를 제거하는 단계로 시작된다(S1). 도장 전처리 시스템이 수도용 강관 등과 같은 피처리물 내부를 이동하면서, 흡수 장치(4)에서 흡입구(5)를 통하여 피처리물 표면에서 일정 크기 이상, 예컨대, 지름 1mm 이상의 물방울을 제거한다. 전술한 바와 같이, 제1 지지 부재(6)는 피처리물의 지름에 맞도록 길이가 조절되며, 제1 지지 부재(6)의 개수에 따라 미리 설정된 각도만큼 회전축(10)을 중심으로 회전하면서 피처리물 내부 표면에서 360°전방향의 물방울을 제거한다.

일정 크기 이상의 물방울이 제거되면, 다음으로 흡수 장치(4)의 뒤에 연결되어 이동하는 플라즈마 발생장치(8)에서 피처리물 내부 표면에 상압 플라즈마를 토출한다. 플라즈마 발생장치(8)는 전술한 바와 같이 극성 작용기를 포함하는 반응 기체를 비활성 기체와 혼합하여 생성된 혼합 기체를 사용하여 상압 플라즈마를 발생시킨다. 상압 플라즈마는 제2 지지 부재(11)의 말단에 부착된 토출구(9)를 통하여 피처리물 표면으로 토출된다. 제1 지지 부재(6)와 마찬가지로, 제2 지지 부재(11) 역시 피처리물의 지름에 맞도록 길이가 조절되며, 제2 지지 부재(11)의 개 수에 따라 미리 설정된 각도만큼 회전하면서 피처리물 내부 표면을 플라즈마 처리한다.

본 발명의 일 실시예에서, 플라즈마 발생장치(8)는 세기가 5 내지 15 W/cm² 인 플라즈마를 2초 동안 피처리물 표면에 처리할 수 있으며, 종래 기술에 비하여 아주 짧은 시간 동안의 플라즈마 처리를 통하여 도장 전처리를 수행할 수 있다. 또한, 플라즈마 발생장치(8)는 글로우 방전 상태의 플라즈마를 사용하여 피처리물 표면을 처리하는 것이 바람직하며, 플라즈마의 세기가 지나치게 커질 경우 아크(arc) 또는 스트리머(streamer) 방전 등이 발생하여 피처리물의 표면을 손상시킬 위험이 있다. 글로우 플라즈마의 유지 상태는 방전시의 전류-전압 신호 특성을 통하여 확인할 수 있다.

하기 표 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 플라즈마 처리를 실시한 후의 피처리물 표면에서의 부착 강도를 플라즈마 처리 전의 피처리물과 비교하여 도시한 표이다.

표 1에 도시되는 바와 같이, 본 발명에 따라 플라즈마 처리를 실시한 피처리물 표면의 부착 강도가 현저하게 증가한 것을 알 수 있다.

도 6 내지 도 9는 처리 전의 피처리물 표면 및 본 발명의 일 실시예에 따라 상압 플라즈마 처리를 실시한 피처리물 표면을 원자 현미경(Atomic Force Microscope; AFM)을 사용하여 관찰한 사진이다. 도 6은 플라즈마 처리 전의 피처리물 표면의 사진이며, 도 7 내지 도 9는 각각 3회, 6회, 9회씩 본 발명에 따라 전처리를 실시한 후의 피처리물 표면의 사진이다. 상압 플라즈마를 사용한 전처리 회수가 거듭될수록, 피처리물 표면에 돌기가 형성되면서 전체 표면의 높이가 평탄화되는 것을 알 수 있다. 또한, 생성된 돌기로 인하여 피처리물 표면의 부착력이 향상된다.

도 10 및 도 11은 피처리물 표면에서 도장 전처리 실시 전후의 적외선 통과 스펙트럼을 도시한 그래프이다. 도 10은 전처리 실시 전의 피처리물 표면의 적외선 통과 스펙트럼이며, 도 11은 전처리 실시 후의 피처리물 표면의 적외선 통과 스펙트럼이다. 두 스펙트럼을 비교하면, 도 10에는 물의 흡수 특성을 나타내는 3600 cm-1 부근에 통과율이 감소하는 피크(peak)가 존재하나, 도 11에는 피크가 사라져 피처리물 표면에 존재하는 수분이 증발된 것을 알 수 있다.

본 발명에 따른 도장 전처리 시스템을 사용하여 수도용 강관 등과 같은 피처리물 표면을 저온 상압 플라즈마를 사용하여 처리함으로써, 피처리물의 표면 에너지를 증가시키고 표면의 미세 수분 및 유분 등의 이물질을 제거하여 도막과 피처리물 사이의 부착력을 향상시킬 수 있으며, 광범위한 박리에 의해 배관 막힘 등의 현상이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 피처리물 표면이 매끄러워져 마찰 손실이 최소화되고, 습기나 온도에 민감하지 않아 다양한 환경에서 처리하기에 용이한 이점이 있다.

이상 본 발명의 특정 실시예를 도시하고 설명하였으나, 본 발명의 기술사상은 첨부된 도면과 상기한 설명내용에 한정하지 않으며 본 발명의 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 변형이 가능함은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 사실이며, 이러한 형태의 변형은, 본 발명의 정신에 위배되지 않는 범위 내에서 본 발명의 특허청구범위에 속한다고 볼 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 도장 전처리 시스템을 도시한 측면도이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 도장 전처리 시스템에서 흡입 장치를 도시한 정면도이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 도장 전처리 시스템에서 플라즈마 발생 장치를 도시한 정면도이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 플라즈마 발생장치의 구성을 도시한 블록도이다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 도장 전처리 방법의 각 단계를 도시한 순서도이다.

도 6은 플라즈마 처리 전의 피처리물 표면을 원자 현미경으로 관찰한 사진이다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 3회 플라즈마 처리한 피처리물 표면을 원자 현미형으로 관찰한 사진이다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 6회 플라즈마 처리한 피처리물 표면을 원자 현미형으로 관찰한 사진이다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 9회 플라즈마 처리한 피처리물 표면을 원자 현미경으로 관찰한 사진이다.

도 10은 전처리 실시 전의 피처리물 표면의 적외선 통과 스펙트럼을 도시한 그래프이다.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 전처리를 실시한 후의 피처리물 표면의 적외선 통과 스펙트럼을 도시한 그래프이다.

Claims (14)

1. 피처리물을 따라 이동하며, 상기 피처리물 표면으로부터 미리 설정된 크기 이상의 물방울을 흡입하는 흡입 장치;

   플라즈마 발생에 필요한 비활성 기체를 저장하는 저장 장치; 및

   상기 흡입 장치에 연결되어 이동하며, 상기 저장 장치에 저장된 비활성 기체를 반응 기체와 혼합하여 상압 플라즈마를 생성하고, 생성된 상압 플라즈마를 상기 피처리물의 표면으로 토출하여 수분을 제거하는 플라즈마 발생장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 도장 전처리 시스템.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 흡입 장치는,

   상기 피처리물 표면에서 미리 설정된 거리 이내에 근접하도록 신축 가능한 하나 이상의 지지 부재;

   상기 흡입 장치의 이동 방향과 길이 방향으로 정렬되며, 상기 하나 이상의 지지 부재에 연결되어 상기 하나 이상의 지지 부재를 회전시키는 회전축; 및

   상기 하나 이상의 지지 부재 각각의 말단에 결합되어 물방울을 흡입하는 하나 이상의 흡입구를 포함하는 것을 특징으로 하는 도장 전처리 시스템.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 플라즈마 발생장치는,

   상기 피처리물 표면에서 미리 설정된 거리 이내에 근접하도록 신축 가능한 하나 이상의 지지 부재;

   상기 플라즈마 발생장치의 이동 방향과 길이 방향으로 정렬되며, 상기 하나 이상의 지지 부재에 연결되어 상기 하나 이상의 지지 부재를 회전시키는 회전축; 및

   상기 하나 이상의 지지 부재 각각의 말단에 결합되어 상압 플라즈마를 토출하는 하나 이상의 토출구를 포함하는 것을 특징으로 하는 도장 전처리 시스템.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 흡입 장치는, 지름이 1mm 이상인 물방울을 흡입하는 것을 특징으로 하는 도장 전처리 시스템.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 플라즈마 발생장치는, 5 내지 15 W/cm²의 세기를 가지는 상압 플라즈마 를 2초 동안 상기 피처리물의 표면으로 토출하는 것을 특징으로 하는 도장 전처리 시스템.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 반응 기체는 극성 작용기를 포함하는 것을 특징으로 하는 도장 전처리 시스템.
7. 제 1항에 있어서,

   상기 반응 기체는 산소(O₂)이며, 상기 비활성 기체는 아르곤(Ar)인 것을 특징으로 하는 도장 전처리 시스템.
8. 삭제
9. 피처리물 표면으로부터 미리 설정된 크기 이상의 물방울을 제거하는 단계; 및

   반응 기체를 비활성 기체와 혼합하여 생성된 상압 플라즈마를 상기 피처리물의 표면으로 토출하여 수분을 제거하는 단계를 포함하며;

   상기 수분을 제거하는 단계는, 5 내지 15 W/cm²의 세기를 가지는 상압 플라즈마를 2초 동안 상기 피처리물의 표면으로 토출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 도장 전처리 방법.
10. 제 9항에 있어서,

    상기 물방울을 제거하는 단계는, 지름이 1mm 이상인 물방울을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 도장 전처리 방법.
11. 삭제
12. 제 9항에 있어서,

    상기 반응 기체는, 극성 작용기를 포함하는 것을 특징으로 하는 도장 전처리 방법.
13. 제 9항에 있어서,

    상기 반응 기체는 산소(O₂)이며, 상기 비활성 기체는 아르곤(Ar)인 것을 특징으로 하는 도장 전처리 방법.
14. 삭제

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