KR101568535B1 - 차열 코팅 조성물 및 이를 이용한 차열능이 우수한 강판 - Google Patents

차열 코팅 조성물 및 이를 이용한 차열능이 우수한 강판 Download PDF

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Abstract

본 발명은 차열 코팅 조성물 및 이를 이용한 차열능이 우수한 강판에 관한 것으로, 보다 상세하게는 세륨 옥사이드 및 실리카 중공 구체를 포함하는 차열 코팅 조성물, 및 이를 이용하여 차열능이 우수한 강판에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 세륨 옥사이드 (CeO2)와 함께 표면 난반사 및 외부 쉘과 내부 공극간 빛 굴절 유도를 통해 태양광의 내부 침투를 최소화하기 위해 실리카 중공구체(Silica Hollow Sphere)를 도입하여 전 파장대 특히 승온의 원인이 되는 근적외선 파장대에서의 반사율이 향상된 차열 코팅 조성물을 획득할 수 있으며, 본 발명의 차열 코팅 조성물은 박막 코팅 시에도 우수한 차열 성능을 보유함으로써 가격 경쟁력 및 생산성 향상을 도모할 수 있으며, 나아가 코팅 두께 감소에 의해 가공성(0t-bending 및 테이프 박리)도 향상될 수 있다.

Description

차열 코팅 조성물 및 이를 이용한 차열능이 우수한 강판{THERMO-SHIELD COATING COMPOSITION AND STEEL SHEET HAVING EXCELLENT THERMO-SHIELD PERFORMANCE USING THE SAME}
본 발명은 차열능이 우수한 강판용 코팅 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 박막 코팅 시에도 우수한 차열능을 갖는 강판용 코팅 조성물에 관한 것이다.
국내 주요 도료 제조사에서는 차열 안료 및 방열 목적의 금속 무기 안료를 도입하여 태양광 중 특히 온도 상승의 주요 원인이 되는 파장대인 근적외선에 대한 반사율의 향상을 통해 차열 성능을 향상시키고 있다. 예를 들어, 운모 성분의 마이카 (Mica), 펄 (Pearl) 안료 등을 기반으로 하는 고굴절률 금속 안료를 첨가하여 가시광 또는 2500nm까지의 근적외선에 대한 반사 효율을 증대시키고 있다.
이에, 반사율(Reflectance) 향상을 위해 종래 대부분의 차열 코팅 조성물은 TiO2와 같은 고굴절 물질이 필수적으로 포함되어 있으며, 종래의 차열 코팅 조성물에 포함된 상기와 같은 성분들은 그 입자 크기가 수십 μm 수준으로, 통상적인 도막 두께가 100 내지 1,000 μm 또는 그 이상에 이르는 후막 코팅에 적합한 것이다.
그러나, 높은 생산성 확보 및 한정된 오븐(oven)의 경화설비 길이를 감안할 때 이와 같은 후막 코팅이 실제 라인에 제한적으로 적용되는 경우가 많다. 즉, 상하도 도막 두께가 20 마이크론 이하인 박막 코팅에서는 이와 같은 성분이 포함되기 어렵다.
따라서, 차열 코팅의 두께가 박막으로 형성되는 경우에도 차열능이 우수한 강판용 코팅 조성물이 제공되는 경우 관련 분야에서 유용하게 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
이에 본 발명의 한 측면은 박막 코팅 시에도 우수한 차열 성능과 가공성을 나타내는 강판용코팅 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 견지에 의하면, 세륨 옥사이드 및 실리카 중공구체를 포함하는 차열 코팅 조성물이 제공된다.
상기 코팅 조성물은 세륨 옥사이드 5 내지 10 중량%, 실리카 중공구체 1 내지 5 중량% 및 잔부의 베이스 성분을 포함하며,
상기 베이스 성분은 베이스 성분 100 중량부 당 폴리에스터 수지 30 내지 60 중량부, 차열 안료 30 내지 50 중량부, 금속성 무기 안료 1 내지 10 중량부, 소포제 0.1 내지 5 중량부, 분산제 0.1 내지 5 중량부, 및 레벨링제 0.1 내지 5 중량부를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 세륨 옥사이드의 평균 입경은 5 내지 10μm인 것이 바람직하다.
상기 실리카 중공 구체의 평균 입경은 1 내지 5μm 인 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 견지에 의하면, 소지강판; 및 상기 소지강판의 적어도 일면에 형성된 차열 코팅층을 포함하며, 상기 차열 코팅층은 상술한 본 발명의 차열 코팅 조성물로 형성되는 차열능이 우수한 강판.
상기 차열 코팅층의 두께는 10 내지 50 μm인 것이 바람직하다.
상기 차열 코팅층의 표면 조도(Ra)는 1 내지 5 μm인 것이 바람직하다.
상기 소지 강판은 탄소강, 알루미늄강, 알루미늄 합금강, 스테인리스강, 구리강, 아연도금 강판 및 아연을 포함하는 이원계 또는 삼원계 합금도금 강판으로 이루어진 그룹으로 선택되는 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면, 세륨 옥사이드 (CeO2)와 함께 표면 난반사를 유도하는 실리카 중공구체(Silica Hollow Sphere)를 도입하여 전파장대, 특히 승온의 주원인인 근적외선 영역에서 반사율이 향상된 차열 코팅 조성물을 획득할 수 있으며, 본 발명의 차열 코팅 조성물은 박막 코팅 시에도 우수한 차열 성능을 보유함으로써 가격 경쟁력 및 생산성 향상을 도모할 수 있으며, 나아가 코팅 두께 감소에 의해 가공성(0t-bending 및 테이프 박리)도 향상될 수 있다.
도 1은 동일 세륨 옥사이드 (CeO2) 함량에서의 실리카 중공구체(PS5)의 함량에 따른 반사율 특성 변화를 나타낸 그래프이다.
도 2는 동일 실리카 중공구체 (PS5) 함량에서의 세륨 옥사이드 (CeO2) 함량에 따른 반사율 특성 변화를 나타낸 그래프이다.
도 3은 코팅층의 가공성 평가 결과를 나타낸 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 의하면, 박막 코팅 시에도 우수한 차열 성능을 보유할 수 있는 코팅 조성물이 제공된다.
보다 상세하게, 본 발명에 의한 차열 코팅 조성물은 세륨 옥사이드(CeO2) 및 실리카 중공 구체를 포함한다. 즉, 종래 기술로 사용되고 있는 티타늄 옥사이드(TiO2)를 대체하여 가시광 내지 근적외선 영역에서의 굴절률이 높은 세륨 옥사이드를 도입하였으며, 표면 난반사 및 외부 쉘과 내부 공극간 빛 굴절 유도를 통해 태양광의 내부 침투를 최소화 하기 위해 실리카 중공구체(Silica Hollow Sphere)를 도입하였다.
보다 상세하게, 하기 식으로부터 코팅층의 굴절률이 소재 굴절률보다 클 때 (n1>n2) 상(phase)의 변화없이 보강 간섭이 일어나, 고 반사율(R)의 확보가 가능하다.
Figure 112013118660257-pat00001
(Erefl: 반사광의 장 세기 (field strength), Einc: 입사광의 장 세기, R: 반사율 (Reflectance), n1: 코팅층의 굴절률, n2: 소재의 굴절률)
이를 위해 본 발명에서는 코팅층에 고 굴절률 물질인 세륨 옥사이드를 도입하였다. 아울러, 중공구체의 특징인 외부 쉘과 내부 공극간 굴절, 내부 공극에서의 다중 반사를 통한 산란을 유도하기 위해 실리카 중공구체를 함께 도입하였다.
본 발명과 같이 실리카 중공구체와 세륨 옥사이드를 함께 사용하는 경우 전 파장대에서 반사율이 향상될 수 있다. 본 발명에 사용될 수 있는 실리카 중공구체 및 세륨 옥사이드는 상업적으로 입수할 수 있으며, 특히 제한되는 것은 아니다.
본 발명에 사용될 수 있는 실리카 중공구체는 특히 제한되는 것은 아니나, 입도 분포가 균일하고, 입자의 형태가 원형에 가까운 것이 바람직하다.
또한, 실리카 중공구체에서 중요한 인자는 내부 공극(void)의 직경 또는 부피이며, 중공구체(hollow sphere)에서는 외부 쉘과 내부 공극 간 굴절, 공극 내에서의 다중 반사로 인하여 빛의 산란이 활발해지는데, 대체로 공극의 직경 또는 부피가 클수록 산란 효율이 증가하는 경향을 나타낸다. 따라서, 내부 공극의 최대 직경이 1 ㎛를 초과하는 산란 효율이 우수한 실리카 중공구체를 사용하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 코팅 조성물은 세륨 옥사이드 5 내지 10 중량%, 실리카 중공 구체 1 내지 5 중량% 및 잔부의 베이스 성분을 포함하는 것이 바람직하다.
세륨 옥사이드가 전체 차열 코팅 조성물의 중량을 기준으로 5 중량% 미만으로 포함되는 경우에는 반사율이 감소하는 경향이 있으며, 10 중량%를 초과하여 포함되는 경우에는 가공성과 접착성이 저하되는 문제가 있다.
한편, 실리카 중공 구체가 전체 차열 코팅 조성물의 중량을 기준으로 1 중량% 미만으로 포함되는 경우에는 반사율 상승의 정도가 불충분할 수 있으며, 5 중량%를 초과하여 포함되는 경우에는 저비중 입자의 표면 부상에 따른 표면 조도(Ra)의 상승에 따라 난반사가 촉진되어 광택도가 저하되는 외관상의 변화가 관찰되는 문제가 있다.
따라서, 본 발명의 차열 코팅 조성물은 표면 난반사 촉진으로 인한 광택 저하를 고려하고, 이를 통해 코팅 두께 감소 시 나타나는 반사율 감소에 상대적으로 둔감한 차열 코팅 조성물의 제조를 위해 세륨 옥사이드 5 내지 10 중량%, 실리카 중공 구체 1 내지 5 중량%를 포함한다.
한편, 본 발명의 차열 코팅 조성물의 나머지 부분을 차지하는 잔부의 베이스 성분은 특히 제한되는 것은 아니나, 상기 베이스 성분은 베이스 성분 100 중량부 당 폴리에스터 수지 30 내지 60 중량부, 차열 안료 30 내지 50 중량부, 금속성 무기 안료 1 내지 10 중량부, 소포제 0.1 내지 5 중량부, 분산제 0.1 내지 5 중량부, 및 레벨링제 0.1 내지 5 중량부를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 폴리에스터 수지는 상업적으로 이용할 수 있는 것이면, 특히 제한되는 것은 아니다. 한편, 상기 차열 안료는 이시하라 Tipaque, Daipytroxide Brown, 및 Fe-Cr 산화물로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나일 수 있으며, 다만 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 금속성 무기 안료는 안티몬 주석 옥사이드(Antimony Tin Oxide), 인듐 주석 산화물(Indium Tin Oxide) 또는 이들의 조합일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다. 다만, 그 입경은 500 nm 미만인 것이 바람직하다.
상기 소포제는 비와이케이(BYK)를 이용할 수 있으며, 다만 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 상기 분산제는 디스퍼 비와이케이(Disper-BYK)를 이용할 수 있으며, 다만 이에 제한되는 것은 아니다.
한편, 상기 레벨링제는 아크릴계 DD-27, 실록산계 BYK 300 시리즈 또는 이들의 조합일 수 있으며, 다만 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 차열 코팅 조성물에 포함될 수 있는 상기 세륨 옥사이드의 평균 입경은 5 내지 10μm인 것이 바람직하며, 상기 세륨 옥사이드의 평균 입경이 5μm 미만인 경우에는 세륨 옥사이드의 작은 입자 크기로 인하여 장파장 영역대에서의 반사 효율이 저하되는 문제가 있으며, 10μm를 초과하는 경우에는 접착력 및 가공성이 저하되는 문제가 있다.
한편, 본 발명의 차열 코팅 조성물에 포함될 수 있는 상기 실리카 중공 구체의 평균 입경은 1 내지 5μm 인 것이 바람직하며, 상기 실리카 중공 구체의 입경이 1μm 미만인 경우 내부 공극 직경 또는 부피 감소에 따른 태양광 굴절 및 공극 내에서의 다중 반사(산란) 효율이 떨어지고, 입경이 5μm를 초과할 경우 도막의 가공성이 저하될 수 있다.
나아가, 본 발명의 다른 견지에 의하면, 상술한 본 발명의 코팅 조성물을 이용하여 차열능이 우수한 강판이 제공된다.
보다 상세하게, 본 발명의 차열능이 우수한 강판은 소지강판; 및 상기 소지강판의 적어도 일면에 형성된 차열 코팅층을 포함하며, 상기 차열 코팅층은 상술한 본 발명의 차열 코팅 조성물로 형성되는 것이다.
본 발명에 사용될 수 있는 소지강판을 이루는 금속의 종류는 특히 한정되지 않으며, 탄소강, 알루미늄강, 알루미늄 합금강, 스테인리스강, 구리강 등을 사용할 수 있고, 상기 소지강판은 또한 아연도금 강판 또는 아연을 포함하는 이원계 또는 삼원계 합금 도금 강판 등을 제한 없이 사용할 수 있다.
상기 차열 코팅층의 두께는 10 내지 50 μm인 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 10 내지 20 μm인 것이다. 상기 차열 코팅층의 두께가 10μm 미만인 경우에는 차열 성능이 불충분한 문제가 있으며, 50 μm을 초과하는 경우에는 가공성이 저하되고, 제조 단가가 상승하며, 후막 조건에서의 충분한 경화시간 확보가 어려워 실라인에서의 높은 생산성을 확보하기 어렵게 된다.
또한, 상기 소지강판과 차열 코팅층 사이에는 필요에 따라 하도막층으로써 표면처리층, 전처리층 또는 기타 강판에 기능성을 부여하기 위한 코팅층을 추가로 포함할 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 차열 코팅층의 표면 조도(Ra)는 1 내지 5 μm인 것이며, 본 발명의 차열 코팅층은 상기와 같은 범위의 표면 조도(Ra)를 보유하면서도 적절한 광택도를 함께 보유함으로써 높은 반사율을 획득할 수 있다.
이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시에 불과하며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예
1. 실리카 중공구체( PS5 )의 함량에 따른 반사율 특성 변화
실시예 1
크롬프리 하도 조성물(㈜범우, BCF)을 1,500~2,000 mg/m2의 부착량으로 아연도금강판(부착량 20 g/m2)의 일면에 하도 도막을 형성하였다.
한편, 세륨 옥사이드 3.5g 및 실리카 중공구체(PS5) 0.7g 를 포함하며, 베이스 성분으로 고내후성 폴리에스터 수지 31.5g, 차열 안료로 이시하라 Tipaque, Daipytroxide Brown, 및 Fe-Cr 산화물의 혼합물 28g, 분산제로 디스퍼 비와이케이 (Disper-BYK) 1.4g, 금속성 무기안료로 안티몬 주석 옥사이드(Antimony Tin Oxide)와 인듐 주석 산화물(Indium Tin Oxide)의 혼합물 2.8g, 소포제로 비와이케이 (BYK) 1.4g, 및 레벨링제로 실록산계 BYK 300 0.7g를 포함하는 차열 코팅 조성물을 제조하였다. 보다 구체적으로, 실리카 중공구체 (PS5) 합성을 위해 배치 타입의 반응기에 에탄올에 10 wt%의 비율로 분산시킨 폴리스티렌 코어 7.5g, 에탄올 85g, 암모니아 8g, 테트라 에톡시 실란(TEOS) 3g 순으로 투입한 뒤 상온에서 100~200 rpm의 속도로 24시간 동안 교반하였다. 이때, 중공구체의 합성을 위해 200℃의 온도에서 2시간 유지 후, 분당 5℃의 승온 속도로 500℃까지 승온한 뒤 500℃에서 2시간 가열하였다.
나아가, 알칼리 탈지된 도금량 20g/m2의 아연도금 강판에 크롬프리 하도 조성물을 부착량 1,500~2,000 mg/m2로 코팅하고, 경화 후, 수세, 및 건조한 뒤 상하도 코팅두께의 합이 14~15μm가 되도록 본 발명의 차열 코팅 조성물을 이용하여 상도 코팅하고 하도와 마찬가지로 경화 후 수세, 건조하였다.
실시예 2
실리카 중공구체를 2 중량% 포함하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건으로 차열 코팅 강판을 제조하였다.
실시예 3
실리카 중공구체를 4 중량% 포함하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건으로 차열 코팅 강판을 제조하였다.
비교예 1
실시예 1과 동일하게 하도막을 형성한 후 차열 안료만을 포함하는 베이스 성분을 이용하여 차열 코팅 강판을 제조하였다.
상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1에 의해 획득된 차열 코팅 강판의 태양광 파장 별 반사율 특성을 UV-VIS-NIR 스펙트로미터(Spectrophotometer)를 이용하여 측정하여, 도 1에 도시하였다.
또한, 이와 함께 상기 차열 코팅 강판의 표면 조도, 외관 광택을 측정하여 하기 표 1에 나타내었다. 이때, 광택도는 반사광을 입사광과 동일한 각도로 수광할 때 강도를 비율로 나타낸 것이다.
표면 조도(Ra, μm) 광택도
수직 방향 수평 방향 20° 60° 85°
비교예 1 0.26 0.29 8.60 44.10 84.70
실시예 1 2.24 1.97 2.27 19.33 29.43
실시예 2 2.38 2.91 1.17 11.17 12.87
실시예 3 4.02 3.60 0.40 3.97 2.17
도 1에 나타난 바와 같이 실리카 중공구체의 함량 증가에 따라 300 내지 2500nm 사이의 전파장, 특히 300 내지 1500nm 파장대의 반사 효율이 향상되는 것을 확인할 수 있었다. 하기 표 2는 도 1의 결과를 파장대 별 반사율 평균값으로 수치화한 것이다.
Visible Near Infrared
400~700 nm 700-1200 nm 700-2500 nm
비교예 1
(Base Formulation)		 9.77 36.55 67.09
실시예 1
(CeO2 5wt%+PS5 1wt%)		 11.69 38.65 68.38
실시예 2
(CeO2 5wt%+PS5 2wt%)		 12.11 38.80 68.96
실시예 3
(CeO2 5wt%+PS5 4wt%)		 12.45 39.42 69.41
다만, 중공구체 함량이 본 발명의 범위를 벗어나 과도하게 증가하는 경우 저비중 입자의 표면 부상에 따른 표면 조도(Ra)의 상승에 의해 난반사가 촉진되어, 광택도가 저하되는 외관 상의 변화가 관찰되었다.
2. 세륨 옥사이드 ( CeO2 ) 함량에 따른 반사율 특성 변화
비교예 2
실리카 중공구체만을 2 중량% 포함하고, 세륨 옥사이드를 포함하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건으로 차열 코팅 강판을 제조하였다.
실시예 4
실리카 중공구체 2 중량% 및 세륨 옥사이드 10 중량% 포함하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건으로 차열 코팅 강판을 제조하였다.
비교예 1, 비교예 2, 실시예 2 및 실시예 4 에 의해 획득된 차열 코팅 강판의 태양광 파장 별 반사율 특성을 UV-VIS-NIR 스펙트로미터(Spectrophotometer)를 이용하여 측정하여, 도 2에 도시하였다.
하기 표 3은 도 2의 결과를 파장대 별 반사율 평균값으로 수치화한 것이다.
Visible Near Infrared
400~700 nm 700-1200 nm 700-2500 nm
비교예 2
(PS5 2wt%)		 11.14 36.94 65.46
실시예 4
(PS5 2wt%+CeO2 10wt%)		 12.70 40.37 69.40
실시예 2
(PS5 2wt%+CeO2 5wt%		 12.11 38.80 68.96
도 2에 나타난 바와 같이 본 발명의 범위에 속하는 조성에 따라 차열 코팅 강판을 제조하는 경우 광택도 저하를 최소화함은 물론 높은 반사율 특성을 동시에 확보할 수 있으며, 특히 실시예 4의 경우에는 표면 조도(Ra) 값의 상승의 최소화되어 20°, 60°, 85°에서의 광택도가 각각 2.55, 23.05, 53.60을 나타내어 우수한 반사율 특성과 상대적으로 높은 광택도를 동시에 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
3. 가공성 평가
상기 실시예 4에 의해 획득한 차열 코팅 강판을 이용하여 0t-굽힘(bending) 후 테이프 박리 실험을 통해 가공성 평가를 실시하였으며, 그 결과 벤딩(Bending)부가 양호하였고, 테이프 박리 시 도막이 박리되지 않는 것을 확인할 수 있었으며, 그 결과를 도 3에 나타내었다.
0t-굽힘(bending) 평가는 강판을 굽힌(bending) 후 니찌방(Nichiban) 테이프를 굽힌 부분에 붙인 뒤 떼어내어 도막의 박리 여부를 관찰하는 평가 방법으로, 도막의 밀착성이 열위할 경우 테이프에 도막이 묻어 나오게 된다.
도 3(a)를 참고하면 스테레오스코프(Stereoscope) 관찰 결과 가공부가 굽힘 및 테이프 박리 후에도 안정적으로 유지되고, 또한 도 3(b)의 테이프 박리 후의 관찰 결과를 참고하면 박리가 발생되지 않아 강판의 가공성 및 밀착성이 양호함을 확인할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.

Claims (8)

  1. 평균 입경이 5 내지 10μm인 세륨 옥사이드 5 내지 10 중량%, 평균 입경이 1 내지 5μm인 실리카 중공 구체 1 내지 4 중량% 및 잔부의 베이스 성분을 포함하는 차열 코팅 조성물.
  2. 제1항에 있어서, 상기 베이스 성분은 베이스 성분 100 중량부 당 폴리에스터 수지 30 내지 60 중량부, 차열 안료 30 내지 50 중량부, 금속성 무기 안료 1 내지 10 중량부, 소포제 0.1 내지 5 중량부, 분산제 0.1 내지 5 중량부, 및 레벨링제 0.1 내지 5 중량부를 포함하는 차열 코팅 조성물.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 소지강판; 및
    상기 소지강판의 적어도 일면에 형성된 차열 코팅층을 포함하며,
    상기 차열 코팅층은 청구항 제1항 또는 제2항의 차열 코팅 조성물로 형성되는,
    차열능이 우수한 강판.
  6. 제5항에 있어서, 상기 차열 코팅층의 두께는 10 내지 50 μm인 차열능이 우수한 강판.
  7. 제5항에 있어서, 상기 차열 코팅층의 표면 조도(Ra)는 1 내지 5 μm인 차열능이 우수한 강판.
  8. 제5항에 있어서, 상기 소지 강판은 탄소강, 알루미늄강, 알루미늄 합금강, 스테인리스강, 구리강, 아연도금 강판 및 아연을 포함하는 이원계 또는 삼원계 합금도금 강판으로 이루어진 그룹으로 선택되는 차열능이 우수한 강판.
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