KR101432024B1 - 자동차 코팅용 열 반사 다층 도막 - Google Patents

자동차 코팅용 열 반사 다층 도막 Download PDF

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Abstract

본 발명은 자동차 코팅용 열 반사 다층 도막에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기존의 자동차 도료용 흑색 착색 안료로 일반적으로 사용하는 카본블랙 안료를 중도층 및 베이스코트층에 사용하지 않고 클리어코트층에 소량의 흑색안료를 적용함음으로써 자동차용 다층 도막에서 요구되는 태양광 반사율과 흑색도 관련 물성을 모두 만족시킬 수 있는 자동차 코팅용 열 반사 다층 도막에 관한 것이다. 본 발명에 따른 태양광의 투과 및 반사 기능을 갖는 다층 도막을 통해 자동차 도막 특히 블랙 색상 도료의 일광에 의한 온도상승을 최소화함으로써 차량 내부 온도 상승을 최소화하여 에어컨디셔너 가동 시간 및 용량을 줄여 CO2 배출을 절감하는 효과가 있다.

Description

자동차 코팅용 열 반사 다층 도막{HEAT REFLECTION MULTILAYERED COATING FILM FOR COATING AUTOMOBILE}
본 발명은 자동차 코팅용 열 반사 다층 도막에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기존의 자동차 도료용 흑색 착색 안료로 일반적으로 사용하는 카본블랙 안료를 중도층 및 베이스코트층에 사용하지 않고 클리어코트층에 소량의 흑색안료를 적용함음으로써 자동차용 다층 도막에서 요구되는 태양광 반사율과 흑색도 관련 물성을 모두 만족시킬 수 있는 자동차 코팅용 열 반사 다층 도막에 관한 것이다.
통상적인 자동차 외장 도막은 다층 도막으로 이루어지며, 일반적으로 전착층, 중도층, 유색 베이스코트층 및 투명 상도층으로 구성된다. 이때, 자동차 도료의 유색 베이스코트층의 흑색을 구현하는데 널리 사용하는 안료가 카본블랙이다. 카본블랙은 석유, 석탄 등의 화석연료나 나무 등이 불완전 연소할 때 생기는 물질로, 대기중의 열 및 태양의 자외선 영역에서 원적외선 영역, 즉 태양 적외선 및 열 방사선에 이르는 파장을 가지는 빛을 흡수한다. 일반적으로 카본블랙을 적용한 흑색도료의 태양광 흡수율은 95% 이상으로 측정된다. 이러한 특성으로 인해 자동차 도막에 혼합된 카본블랙은 적외선을 흡수하여 도막의 온도 상승을 유발하고, 상승된 도막 온도로 인해 차체, 차 내부로 열 전달이 이루어져 결과적으로 차 내부 온도 상승으로 이어진다. 따라서 더운 여름철에 차량운행 시, 에어컨디셔너의 가동 시간 및 가동 강도를 높게 설정하게 되어, 자동차 연비를 떨어뜨리고 CO2 발생을 증가시키는 원인이 될 수 있다. 이에 따라 미국 켈리포니아 환경보호국에서는 2009년 쿨카 규정을 통해 자동차도료의 적외선 반사율을 구체적으로 규제하려는 움직임도 있다.
카본블랙 대체용 유기안료로는 대표적으로 국제공개특허 제05/098527호와 국제공개특허 제05/078023호에서 기술한 바와 같은 페릴렌블랙 안료를 예로 들 수 있다. 페릴렌블랙 안료를 적용함으로써 흑색 색감을 구현할 수 있으나, 페린렌블랙 안료가 갖는 고유한 바이올렛 색감으로 인해, 카본블랙과 같은 깊은 블랙감(흑색도)을 구현할 수 없어 자동차 도료용으로 적용하기에는 매우 제한적이라는 단점이 있다.
또한, 일본공개특허 제2001-157870호는 자동차용 열 차폐 도막에 관한 것으로 전착(Primer)층에 카본블랙을 사용하지 않음으로써 광반사율을 높이는 방식을 제안하고 있다. 하지만 다층 도막으로 이루어지는 자동차 도료에서 적외선을 가장 많이 흡수하는 층인 베이스코트층과 중도층에서의 열 흡수를 방지하는 방법에 대한 기술이 전혀 없어 자동차 도막에 적용하기에는 매우 제한적이라는 단점이 있다.
본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 종래 기술들의 문제점을 해결하고자 한 것으로서, 베이스코트층에 카본블랙 안료 대신 페릴렌블랙 안료를 적용하여 흑색감 및 적외선 투과 효과를 유도하고, 중도층에 카본블랙 안료 대신 산화지단을 적용하여 적외선 반사 효과를 유도하고, 클리어코트층에 흑색안료를 소량 적용함으로써 태양광 반사율이 우수하면서 흑색도를 만족시킬 수 있는 열 반사 다층 도막을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 소지 표면에 전착층, 중도층, 베이스코트층, 클리어코트층이 순차적으로 형성되어 있는 다층 도막으로서, 상기 중도층은 카본블랙 안료를 포함하지 않고, 중도 도료 조성물 총 중량 기준으로 산화지단 5∼30 중량%을 포함하는 중도 도료 조성물이 도포된 층이고, 상기 베이스코트층은 카본블랙 안료를 포함하지 않고, 베이스코트 도료 조성물 총 중량 기준으로 페릴렌블랙 안료 0.5∼10 중량% 및 광휘제 0.1∼8 중량%를 포함하는 베이스코트 도료 조성물이 도포된 층이고, 상기 클리어코트층은 클리어코트 도료 조성물 총 중량 기준으로 흑색안료 0 초과∼1 중량%를 포함하는 클리어코트 도료 조성물이 도포된 층인 것을 특징으로 하는 열 반사 다층 도막을 제공한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 자세하게 설명한다.
도 1은 종래 기술에 따른 자동차 코팅용 다층 도막을 나타낸다. 도 1에 도시한 바와 같이, 종래 기술에 따른 자동차 코팅용 다층 도막은 중도층(3)과 베이스코트층(4)에 포함되는 카본블랙 안료에 의해 열이 흡수되고, 흡수된 열이 중도층과 전착층을 거쳐 소지에까지 전도되는 경향이 있다.
도 2는 본 발명의 열 반사 다층 도막을 나타낸다. 도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 자동차 코팅용 다층 도막은 중도층에 적외선 반사 기능을 부여하기 위해 중도층에 카본블랙 안료 대신 산화지단을 사용하고, 베이스코트층이 카본블랙 안료 대신 페릴렌블랙 안료와 광휘제를 사용함으로써 클리어코트층과 베이스코트층에서 열을 투과하고 중도층에서 열을 반사할 수 있다.
본 발명의 소지층(1)은 주로 금속재료이고, 그 예로서는 자동차 차체에 널리 사용되는 아연도금강등의 강재, 알루미늄, 마그네슘 소재이며, 금속 이외의 소재로는 플라스틱, 유리, 세라믹류에도 사용이 가능하다.
본 발명의 금속 소지 표면 위에 도장되는 유기도막층은 금속차체에 내식성을 부여하는 전착층(2), 평활성과 내칩핑성, 광차단성을 부여하는 중도층(3), 자동차의 색상 및 광휘감을 부여하는 베이스코트층(4), 마지막으로 평활성, 광택, 내후성, 내구성을 부여하는 클리어코트층(5)으로 구성된다.
본 발명의 전착층(2)은 통상적인 전착 도료 조성물을 특별한 제한 없이 도포하여 형성할 수 있다. 일반적으로 전착 도료 조성물은 양이온 변성 에폭시수지를 수용성 수지로 사용하고 암모늄염계의 안료분산용 수지로 분산한 안료를 첨가하며, 필요에 따라 체질안료, 녹방지안료, 유기용제, 계면활성제 등을 함유한다. 전착 도료 조성물에 포함되는 가교제로는 공지된 블록 폴리이소시아네이트를 사용할 수 있다.
본 발명의 중도층(3)은 본 발명에서 클리어코트층(4)과 베이스코트층(5)을 투과한 적외선을 반사시키는 역할을 한다. 중도층의 반사효과를 높이기 위해서는 굴절률이 높은 루타일 타입의 산화지단 안료를 사용한다. 루타일 타입의 산화지단은 중도 도료 조성물 총 중량 기준으로 5∼30 중량%로 사용하며, 바람직하게는 10∼20 중량%로 사용된다. 본 발명에 따른 산화지단 안료로서 적용가능한 제품의 예로는 DuPont사의 Ti-Pure R706, Ti-Pure R900, Kronos사의 Kronos1000, Kronos1001 등을 들 수 있다.
본 발명의 중도층은 카본블랙 안료 대신 산화지단 안료를 적용한 것에 중요한 기술적 특징이 있으므로, 중도층에 도포되는 중도 도료 조성물의 나머지 성분들은 특별한 제한 없이 종류 및 함량을 조절하여 사용할 수 있다. 예를 들면, 중도 도료의 수지로서는 유성도료의 경우, 알키드, 폴리에스테르,멜라민 수지계가 바람직하고 수성도료의 경우, 폴리에스테르, 폴리우레탄, 멜라민 수지계가 바람직하다. 이 수지를 구성하는 모노머의 예로는 트리메치롤프로판, 무수프탈산, 이소프탈산, 헥사히드로프탈산, 카프로락톤을 들 수 있다.
또한, 중도층의 광반사 효과를 더 높이기 위해서는 알루미늄 입자, 마이카 입자 등의 광휘제를 더 사용할 수 있으며, 그 함량은 중도 도료 조성물 총 중량 기준으로 0.1∼8 중량%로 사용하며, 바람직하게는 0.5∼2 중량%가 적당하다. 본 발명에 따른 광휘제로서 적용가능한 제품의 예로는 Eckart사의 STAPA30, Hydrolan 2192,Silberline사의 Sparkle Silver E2141, E 2992, Merck사의 Iriodin 121 등을 들 수 있다.
본 발명의 베이스코트층(3)은 카본블랙 안료를 사용하지 않는 대신 적외선을 투과하는 페릴렌블랙 안료를 사용하고, 태양광의 반사 효과를 극대화하기 위해 광휘제를 사용함으로써 적외선을 흡수하지 않고 투과시키는 역할을 한다. 본 발명에 따른 페릴렌블랙 안료는 베이스코트 도료 조성물 총 중량 기준으로 0.5∼10 중량%로 사용하며 바람직하게는 1∼5 중량%가 적당하다. 본 발명의 페릴렌블랙 안료로서 적용가능한 제품의 예로는 BASF사의 Lumogen®Black FK 4280, Lumogen®Black FK 4281등을 들 수 있다. 본 발명에 따른 광휘제는 알루미늄 또는 마이카 타입의 광휘제를 사용할 수 있으며, 베이스코트 도료 조성물 총 중량 기준으로 0.1∼8 중량%로 사용하며 바람직하게는 0.5∼2 중량%가 적당하다. 본 발명의 광휘제로서 적용가능한 제품의 예로는 Eckart사의 STAPA30, Hydrolan 2192, Silberline사의 Sparkle Silver E2141, E 2992, Merck사의 Iriodin 121 등을 들 수 있다.
본 발명의 베이스코트층은 카본블랙 안료를 사용하지 않는 대신 페릴렌블랙 안료와 광휘제를 함께 적용한 것에 중요한 기술적 특징이 있으므로, 베이스코트층에 도포되는 베이스코트 도료 조성물의 나머지 성분들은 특별한 제한 없이 종류 및 함량을 조절하여 사용할 수 있다.
본 발명의 클리어코트층(5)은 베이스코트 도막면을 보호하며, 평활감, 광택감 등의 외관효과와 내후성, 내수성, 내화학성 등의 내구성을 부여한다. 본 발명의 클리어코트층에 도포되는 클리어코트 도료 조성물의 성분들은 특별한 제한 없이 종류 및 함량을 조절하여 사용할 수 있다.
본 발명에 따르면, 클리어코트층의 태양광 반사 효과를 극대화하기 위해 알루미늄 입자, 마이카 입자 등의 광휘제를 더 사용할 수 있는데, 그 함량은 0.1∼8 중량%로 사용하며, 바람직하게는 0.5∼2 중량%가 적당하다. 본 발명의 광휘제로서 적용가능한 제품의 예로는 Eckart사의 STAPA30, Hydrolan 2192, Silberline사의 Sparkle Silver E2141, E 2992, Merck사의 Iriodin 121 등을 들 수 있다.
본 발명에 따른 다층 도막은 클리어코트층 및 베이스코트층의 태양광 투과 효과, 중도층의 태양광 반사효과로 인해 도막 온도 상승을 최소화할 수 있다. 기존의 카본블랙을 적용한 흑색 다층 도막의 경우 태양광 반사율이 5% 미만인데 반해, 본 발명의 다층 도막을 적용하는 경우, ASTM E903에 의거하여 솔라 스펙트로메터로 350∼2500 ㎚ 범위로 측정시 태양광 반사율을 25% 이상까지 상승될 수 있다.
본 발명에 따른 다층 도막을 통해 태양광 반사율을 기존 다층 도막에 비해 5배 정도 상승시킬 수 있지만, 베이스코트층에 사용한 페릴렌블랙 안료의 고유한 바이올렛 색감에 의해 흑색도가 기존 카본블랙에 비해 떨어질 수 있다. 일반적으로 흑색도(Blackness or Jetness)는 Lippok-Lohmer가 정립한 Mc값으로 표시하는데, Mc값은 스펙트로포토메터로 측정된 광원의 3자극치((Xn, Yn, Zn))와 반사광의 3자극치(X, Y, Z)를 다음 식에 근거하여 산출된다:
Mc = 100[log(Xn /X)-log(Zn /Z)+log(Yn /Y)]
일반적으로 자동차 도료에서 Mc값이 150 이상인 경우 흑색도가 높은 것으로 판정하게 된다. Mc값을 150 이상으로 높이기 위하여 본 발명에서는 클리어코트층에 흑색도를 부여하기 위해 소량의 흑색안료를 적용한다. 흑색안료로는 카본 블랙, 아닐린 블랙, 산화철 블랙 및 산화크롬 블랙을 사용할 수 있으며, 그 함량은 클리어코트 도료 조성물 총 중량 기준으로 0 초과∼1 중량%로 사용하며 바람직하게는 0 초과∼0.1 중량%를 사용한다. 1 중량%를 초과하여 흑색안료를 사용하면 흑색도는 증가할 수 있지만 태양광 반사율이 현저하게 감소하므로 바람직하지 않다. 본 발명의 흑색안료로서 적용가능한 제품의 예로는 Cabot사의 Black Pearls®1400, DEGUSA사의 FW200 등을 들 수 있다.
한편, 페릴렌블랙 안료와 혼용하여 흑색도를 최적화하기 위해서 본 발명의 베이스코트층에 도포되는 베이스코트 도료 조성물은 프탈로시아닌계 청색 또는 녹색, 퀴나크리돈계 청색, 인다스론계 청색 등의 유기안료를 더 포함할 수 있다. 본 발명의 베이스코트층에 도포되는 베이스코트 도료 조성물은 프탈로시아닌계 청색, 프탈로시아닌계 녹색, 퀴나크리돈계 청색, 인단스론계 청색 안료 등을 0.1∼3 중량% 더 포함할 수 있으며, 바람직하게는 0.3∼1 중량%가 적당하다. 본 발명의 유기 안료로서 적용가능한 제품의 예로는 BASF사의 Heliogen®Blue L 7080(프탈로시아닌계), Heliogen®Blue L 6975 F(프탈로시아닌계), Heliogen®Green L 8730(프탈로시아닌계), Paliogen®Blue L 6385(인단스론계) 등을 들 수 있다.
본 발명에 따른 다층 도막은 클리어코트층 및 베이스코트층의 태양광 투과 효과, 중도층의 태양광 반사효과로 인해 도막 온도 상승을 최소화할 수 있다. 기존의 카본블랙을 적용한 흑색 다층 도막의 경우 태양광 반사율이 5% 미만인데 반해, 본 발명의 다층 도막을 적용하는 경우, ASTM E903에 의거하여 솔라 스펙트로메터로 350∼2500 ㎚ 범위로 측정시 태양광 반사율을 25% 이상까지 상승될 수 있다. 더불어, 본 발명에 따른 다층 도막은 클리어코트층에 흑색 안료가 적용되어 도막에서 요구되는 흑색도 관련 물성을 만족시킬 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 다층 도막은 태양광 반사율과 흑색도를 동시에 만족시킬 수 있다.
본 발명에 따른 태양광의 투과 및 반사 기능을 갖는 다층 도막을 통해 자동차도막 특히 블랙 색상 도료의 일광에 의한 온도상승을 최소화함으로써, 차량 내부온도상승을 최소화하여, 에어컨디셔너 가동 시간 및 용량을 줄여 CO2 절감을 꾀하는 친환경 기술을 제공할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 자동차 다층 도막을 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 열 반사 다층 도막을 도시한 단면도이다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정할 수 있음은 통상의 기술자에게 있어 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
하기 표 1 내지 표 3에 나타낸 조성과 같이, 중도 도료 조성물(A1∼A3), 베이스코트 도료 조성물(B1∼B5), 클리어코트 도료 조성물(C1∼C3)을 제조하였다.
조성 조성물 A1 조성물 A2 조성물 A3
산화지단 19.5 19.5 19.5
체질안료 9.4 9.4 9.4
카본블랙 - - 0.5
광휘안료 - 0.4 -
수지 혼합액 34.1 34.1 34.1
희석제 혼합액 37.0 36.6 36.5
100.0 100.0 100.0
조성 조성물 B1 조성물 B2 조성물 B3 조성물 B4
페릴렌블랙 3.1 2.8 - -
프탈로시아닌계 청색 - 0.3 - -
카본블랙 - - 0.5 0.5
광휘안료 0.4 0.4 0.4
수지 혼합액 19.9 19.9 19.9 19.9
희석제 혼합액 76.6 76.6 79.6 79.2
100.0 100.0 100.0 100.0
조성 조성물 C1 조성물 C2 조성물 C3
카본블랙 0.05 0.05 -
광휘안료 - 0.3 -
수지 혼합액 52.25 52.25 52.30
희석제 혼합액 47.70 47.40 47.70
100.00 100.00 100.00
우선적으로 중도 도료 조성물을 전착 도막 위에 건조 도막의 두께가 25∼35 마이크론이 되도록 벨 도장(도장조건: 20℃ 상대습도 80%, 25℃ 상대습도 70%, 28℃ 상대습도 60%)한 후 일반오븐에서 150℃에서 약 30분간 경화시켜 경화 도막을 형성하였다. 형성된 중도 도막 위에 베이스코트 조성물을 건조 도막의 두께가 10∼20 마이크론이 되도록 벨 도장(도장조건: 20℃ 상대습도 80%, 25℃ 상대습도 70%, 28℃ 상대습도 60%)한 후, 상온 조건에서 1∼5분 방치(수성도료인 경우, 열풍건조를 거쳤음)한 후 클리어코트 도료 조성물을 건조 도막의 두께가 25∼35 마이크론이 되도록 벨 도장(도장조건: 20℃ 상대습도 80%, 25℃ 상대습도 70%, 28℃ 상대습도 60%)한 후 일반오븐에서 150℃에서 약 30분간 경화시켜 다층 경화 도막을 형성하였다. 이들의 태양광 반사율과 흑색도를 각각 측정하여 그 결과를 하기 표 4에 나타내었다.
실시예
1
실시예
2
실시예
3
실시예
4
비교예
1
비교예
2
비교예
3
비교예
4
비교예
5
다층도막
구성
중도 A1 A1 A2 A2 A3 A3 A3 A3 A1
베이스코트 B1 B2 B1 B2 B1 B2 B3 B4 B1
클리어코트 C1 C1 C2 C2 C1 C2 C3 C3 C3
태양광반사율 26.66% 25.78% 27.75% 26.34% 6.87% 7.46% 3.26% 4.13% 28.6%
흑색도( Mc ) 161 166 153 158 162 152 178 175 112
<평가>
· 태양광반사율 : ASTM E903에 의거하여 솔라 스펙트로메터로 350 ㎚-2500 ㎚ 범위 측정
· 흑색도 : Mc값으로 판정하며 Mc 값은 스펙트로포토메터로 측정된 광원의 3자극치((Xn, Yn, Zn))와 반사광의 3자극치(X, Y, Z)를 다음 식에 근거하여 산출됨.
Mc = 100[log(Xn /X)-log( Zn /Z )+log(Yn /Y)].
<목표수준>
· 태양광 반사율이 25% 이상이며, 흑색도 MC=150이상일 것
상기 표 4에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예의 따른 다층 도막은 태양광 반사율 25% 이상, 흑색도 150 이상을 만족하였으며, 비교예에 따른 다층 도막은 태양광반사율 목표나 흑색도 목표 중 하나를 충족시키지 못하였다. 상기 시험 결과를 분석해보면, 태양광 반사율을 목표 이상의 수준으로 구현하기 위해서는 중도 조성물의 경우, 카본블랙을 함유하지 않아야 하며, 중도 조성물에 광휘제를 포함하는 경우, 태양광 반사율이 다소 상승하는 결과를 나타내었다. 베이스코트의 경우, 태양광 반사율을 목표 이상의 수준으로 구현하기 위해서는 카본블랙을 함유하지 않아야 하며, 페릴렌블랙 또는 페릴렌블랙과 유기안료 조합으로 안료가 구성되어야 하며, 베이스코트 내에 광휘제를 포함하는 경우, 태양광 반사율이 다소 상승하는 결과를 나타내었다. 클리어코트의 경우, 클리어코트 내 카본블랙이 0.05% 함유되는 경우, 태양광반사율이 약 2% 저하되는 결과를 보였다.
흑색도의 경우, 비교예 5를 통해 보면 베이스코트 도료용 안료로 페릴렌블랙 안료 단독으로는 흑색도를 목표 이상으로 달성할 수 없었으며, 클리어코트에 카본블랙을 소량 투입해야만 흑색도 목표를 달성할 수 있었다. 아울러 베이스코트에 페릴렌블랙과 청색, 또는 녹색 유기안료를 혼용하는 경우, 흑색도가 향상되는 경향을 보였다.

Claims (4)

  1. 소지 표면에 전착층, 중도층, 베이스코트층, 클리어코트층이 순차적으로 형성되어 있는 다층 도막으로서,
    상기 중도층은 카본블랙 안료를 포함하지 않고, 중도 도료 조성물 총 중량 기준으로 산화지단 5∼30 중량% 및 중도 도료 조성물 총 중량 기준으로 광휘제 0.1∼8 중량%를 포함하는 중도 도료 조성물이 도포된 층이고,
    상기 베이스코트층은 카본블랙 안료를 포함하지 않고, 베이스코트 도료 조성물 총 중량 기준으로 페릴렌블랙 안료 0.5∼10 중량% 및 광휘제 0.1∼8 중량%를 포함하는 베이스코트 도료 조성물이 도포된 층이고,
    상기 클리어코트층은 클리어코트 도료 조성물 총 중량 기준으로 흑색안료 0 초과∼1 중량%를 포함하는 클리어코트 도료 조성물이 도포된 층인 것을 특징으로 하는 열 반사 다층 도막.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 베이스코트층은 베이스코트 도료 조성물 총 중량 기준으로 프탈로시아닌계 청색 또는 녹색, 퀴나크리돈계 청색 및 인다스론계 청색으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 유기안료 0.1∼3 중량%를 더 포함하는 베이스코트 도료 조성물이 도포된 것을 특징으로 하는 열 반사 다층 도막.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 클리어코트층은 클리어코트 도료 조성물 총 중량 기준으로 광휘제 0.1∼8 중량%를 더 포함하는 클리어코트 도료 조성물이 도포된 것을 특징으로 하는 열 반사 다층 도막.
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KR20070102592A (ko) * 2005-02-04 2007-10-18 이 아이 듀폰 디 네모아 앤드 캄파니 프라이머 서페이서 무함유 다층 코팅의 제조 방법

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