KR101911882B1 - 주철의 표면 코팅 방법 및 이를 이용하여 제조된 주방용기 - Google Patents

주철의 표면 코팅 방법 및 이를 이용하여 제조된 주방용기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 인체에 유해함을 갖지 않으면서도 우수한 표면 강도, 경도 및 비점착성을 갖는 주철의 표면 코팅 방법 및 이를 이용하여 제조된 주철 주방용기에 관한 것이다. 상기 주철의 표면 코팅 방법은 인체에 유해하지 않고, 주방용기 제품의 항균력을 유지할 수 있는 방법으로서, 상기 방법을 통해 에나멜 코팅과 옻칠 또는 세라믹 코팅을 수행하여 제품의 내부 표면 경도 및 강도를 높여 외부 충격에도 표면 손상이 일어나지 않으면서도, 비점착성 기능을 갖는 주철 주방용기를 제조할 수 있다. 이러한 방법으로 제조된 주철계 주방용기는 요리 재료들이 내부 표면에 들러붙는 것을 방지하는 효과가 있다.

Description

주철의 표면 코팅 방법 및 이를 이용하여 제조된 주방용기 {Iron casting kitchenware coating and manufacturing method}
본 발명은 인체에 유해함을 갖지 않으면서도 우수한 표면 강도, 경도 및 비점착성을 갖는 주철의 표면 코팅 방법 및 이를 이용하여 제조된 주방용기에 관한 것으로서, 상기 주철의 표면 코팅 방법은 에나멜 코팅을 수행한 후 옻칠 또는 세라믹 코팅을 적용하여 수행되는 것을 특징으로 주철의 표면 코팅 방법에 관한 것이다.
일반적으로 우리가 쉽게 접하고 있는 주방용기에 대한 대표적인 코팅으로는 불소코팅, 세라믹코팅, 에나멜 코팅 등이 있다. 이 코팅들은 나름으로 장단점을 가지고 있으며 인체에도 유해한 것과 무해한 것으로 분류할 수 있다. 불소코팅과 세라믹 코팅과 같은 경우 가공 공정이 쉬우며, 저렴한 가격으로 코팅이 가능하다. 하지만 불소코팅은 수명이 짧고 인체에 유해하며, 내알칼리성이 약하다는 단점을 가지고 있다.
에나멜 코팅은 표면 경도가 높아 표면 손상이 전혀 일어나지 않고, 강한 내식성을 가지며, 인체에 해가 없으며, 항균력 등의 장점을 가진다. 반면 에나멜 코팅은 불소코팅 또는 세라믹 코팅과 다르게 비점착성 기능이 없어 사용자가 요리하는데 불편함을 제공하는 것이 단점이다. 에나멜 코팅된 제품의 경우 비점착성 기능이 약해 요리 전에 식용유나 동물성 기름으로 코팅하는 것이 우선적으로 행해져야 한다. 전문 요리사는 이런 사항에 대해서 익숙하지만 일반 사용자는 에나멜 코팅 제품을 다루는데 어려움이 있다.
뿐만 아니라 일반적으로 강판이나 주강의 경우 기재 표면에서의 가열 온도 730~800℃의 부근에서는 카본이 대부분 Fe3C등의 화합물을 형성하고 있어 대기 중의 산소와 반응이 발생하지 않아 에나멜 코팅에 큰 문제가 없지만 주철 주방용기의 경우 기재 표면에 있어서 카본이 단독으로 존재하는 경우가 많아 에나멜 코팅이 강판이나 주강과 같이 용이하지 않다.
그 이유로는 주철은 흑연 즉 카본을 3% 이상 포함하고 있어 에나멜 코팅을 하는 730℃ 이상의 온도에서 주철 표면에 흑연으로 존재하는 C가 대기 중의 산소와 반응(C + O(O2) -------> CO(CO2)↑)하여 가스를 발생시키므로 에나멜 코팅에서 신중을 기해야 될 뿐만 아니라 양질의 에나멜 코팅을 하기가 어렵다. 이와 더불어 최근에는 강한 코팅 강도와 친환경 소재, 요리과정에서 재료가 눌어붙지 않고도 사용 가능한 비점착성 기능을 포함하는 제품들을 선호하는 추세에 있다. 따라서 본 발명자들은 에나멜 코팅된 주철 주방용기 표면 상부에 옻칠 또는 세라믹 코팅을 추가함으로써 코팅강도가 우수하고 비점착성 기능을 구비하는 코팅 방법 기술을 통해 주철의 표면 코팅 방법 및 이를 이용하여 제조된 주철 주방용기를 발명할 수 있었다.
한국공개특허 제10-2008-0110351호 (발명의 명칭 : 금속 코팅용 도료 조성물 및 금속 기재에 코팅 막을 형성하는 방법, 출원인 : 그린닉스주식회사, 공개일 : 2008.12.18) 한국등록특허 제10-0789694호 (발명의 명칭 : 옻칠한 금속제 주방 용기의 제조방법, 출원인 : 최의영, 등록일 : 2007.12.21)
본 발명의 목적은 인체에 유해함을 갖지 않으면서도 우수한 표면 강도, 경도 및 비점착성을 갖는 주철의 표면 코팅 방법 및 이를 이용하여 제조된 주방용기를 제공하는 데에 있으며, 상기 주철의 표면 코팅 방법은 에나멜 코팅을 수행한 후 옻칠 또는 세라믹 코팅을 적용한 주철의 표면 코팅 방법 및 이를 이용하여 제조된 주방용기를 제공하는 데에 있다.
본 발명은 주철의 표면 코팅 방법 및 이를 이용하여 제조된 주방용기에 관한 것이다.
바람직하게는 주철 주방용기 표면 상부에 에나멜 코팅하는 단계;
코팅된 주철 주방용기 표면 상부에 비점착성 코팅을 하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 주철의 표면 코팅 방법이다.
상기 에나멜 코팅은 스프레이 또는 디핑 방법으로 수행 가능하며, 스프레이 방법은 물 60~70wt%, 유리원료 혼합물 분말 30~40wt%를 포함하는 슬러리를 도포하는 것이며, 디핑 방법은 물 65~75wt%, 유리원료 혼합물 분말 25~35wt%를 포함하는 슬러리를 도포하여 코팅하는 것을 특징으로 한다. 상기 유리원료 혼합물 분말은 SiO2, 점토, 응고염, 연삭미분도 및 내녹성 혼합물을 포함한다. 주철 주방용기 표면 상부에 상기 슬러리가 도포되어 코팅될 때, 상기 슬러리는 동일한 조건의 도포, 건조 및 가열하는 과정으로 다수 회 반복할 수 있다. 상기 다수 회 실시되는 동일한 조건의 에나멜 코팅 과정은 슬러리 도포 후 200~300℃에서 5~10분 동안 건조한 뒤 740~760℃에서 5~10분 동안 가열하는 단계로 구성되어 있으며, 경제성 및 생산성을 고려할 때 2회에 걸쳐 실시하는 것이 바람직하다.
가열과정에서 에나멜 코팅된 주철 주방용기 표면 상부에 광택 정도를 정하기 위해 컨베이어벨트 속도와 가열 시간을 조절한다. 에나멜 코팅은 내열, 내산, 내알카리, 내마모성이 가장 우수한 코팅 방법이며, 인체에 유해하지 않은 코팅으로서, 오랜 기간 유지할 수 있다.
상기 비점착성 코팅은 옻칠 또는 세라믹 코팅인 것을 특징으로 한다. 옻칠의 횟수는 추가로 1~5회 수행할 수 있으며, 옻액 도포 후 20~35℃에서 건조 단계를 수행하고, 270~330℃에서 5~15분 가열하는 것이 바람직하다.
세라믹 코팅은 에나멜 코팅된 주철 주방용기 표면 상부에 세라믹 코팅액을 도포하여 수행할 수 있다. 세라믹 코팅액은 1~3회 도포할 수 있으며, 50~80℃에서 5~10분 동안 건조 후, 250~300℃에서 7~15분 동안 가열하는 단계를 거친다.
본 발명의 방법으로 주철 주방용기 표면 상부에 에나멜 코팅 후 옻칠 또는 세라믹 코팅을 수행할 경우, 주방용기의 내부 표면 경도 및 강도가 높아 외부 충격에도 표면 손상이 일어나지 않으며, 비점착성 및 내항균성 기능을 갖는 주철의 표면 코팅 방법 및 이를 이용하여 제조된 주방용기의 제공이 가능하다.
도 1은 에나멜 코팅된 주철 주방용기 표면 상부에 비점착성 기능을 갖는 옻칠이 수행된 주철 주방용기를 나타내는 그림이다.
도 2는 에나멜 코팅된 주철 주방용기 표면 상부에 비점착성 기능을 갖는 옻칠을 하는 주철의 표면 코팅 공정을 나타낸 도식이다.
도 3은 에나멜 코팅된 주철 주방용기 표면 상부에 비점착성 기능을 갖는 세라믹 코팅이 수행된 주철 주방용기를 나타내는 그림이다.
도 4는 에나멜 코팅된 주철 주방용기 표면 상부에 비점착성 기능을 갖는 세라믹 코팅을 하는 주철의 표면 코팅 공정을 나타낸 도식이다.
도 5는 물 80wt%와 유리원료 혼합물 분말 20wt%의 슬러리 혼합비에 따른 주철 주방용기 표면 상부의 에나멜 코팅 박리 현상을 나타낸 사진이다.
도 6은 가열 과정에 있어서 컨베이어벨트 속도에 따른 주철 주방용기 표면 상부의 광택 유무를 나타낸 사진이다.
도 7은 에나멜 코팅 후 옻칠을 한 주방용기로 누룽지를 만든 뒤 찍은 사진이다.
도 8은 에나멜 코팅 후 옻칠을 하지 않은 주철 주방용기로 누룽지를 만든 뒤 찍은 사진이다.
도 9는 에나멜 코팅 후 수행하는 세라믹 코팅의 가열과정을 나타낸 그래프이다.
도 10은 에나멜 코팅 후 세라믹 코팅을 한 주방용기로 누룽지를 만든 뒤 찍은 사진이다.
본 발명은 주철의 표면 코팅 방법 및 이를 이용하여 제조된 주방용기에 관한 것이다.
바람직하게는 주철 주방용기 표면 상부에 에나멜 코팅하는 단계;
에나멜이 코팅된 주철 주방용기 표면 상부에 비점착성 코팅을 하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 주철의 표면 코팅 방법이다.
상기 주철 주방용기 표면 상부는 용기 내부의 표면을 의미한다. 상기 주철 주방용기는 주로 편상 흑연 주철을 이용하고 있으며, 열전도도 및 유동성이 좋아 두께가 얇은 제품에 유용하다. 또한 편상 흑연 주철은 탄소 3.2~3.4%, 화합 탄소(combined carbon) 0.01~0.2%, Si 2.5~3.0%, Mn 0.01~0.5%, P 0.5~1.0%, S 0.01~0.12%와 잔부철로 이루어져 있으며, 불가피한 불순물도 함유될 수 있다.
상기 에나멜 코팅에 사용되는 슬러리는 주로 스프레이와 디핑 용으로 제조되며, 이 중 스프레이 코팅용은 물 60~70wt%, 유리원료 혼합물 분말 30~40wt%를 포함하는 슬러리 형태의 용액이며, 디핑 용은 물 65~75wt%, 유리원료 혼합물 분말 25~35wt%를 포함하는 슬러리 형태의 용액으로 제조되어 에나멜 코팅에 사용된다. 상기 유리원료 혼합물 분말은 SiO2, 점토, 응고염, 물, 연삭미분도 및 내녹성 혼합물 분말을 포함한다. 주철 주방용기 표면 상부에 상기 에나멜 코팅용 슬러리를 도포하는 경우에는, 상기 슬러리는 1~3차로 구분하여 도포하는 것이 바람직하며, 상기 과정은 슬러리 도포, 건조 및 가열하는 과정을 각각 거칠 수 있고, 이 때 각 과정은 동일하게 수행하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 슬러리의 도포, 건조 및 가열을 2차 수행할 경우, 1차 과정은 슬러리를 도포한 후 200~300℃에서 5~10분 동안 건조한 뒤 740~760℃에서 5~10분 동안 가열하고, 2차 과정은 1차 과정의 코팅층 위에 슬러리를 도포한 후 200~300℃에서 5~10분 동안 건조한 뒤 740~760℃에서 5~10분 동안 가열하는 것이다. 이러한 과정을 통해 주철 주방용기 상부에 에나멜 층이 견고하게 코팅된다. 슬러리를 건조하는 시간이 10분 초과하는 경우나 건조하는 온도가 300℃ 초과하는 경우에는 슬러리에 포함된 물이 필요이상으로 건조되기 때문에 도포된 에나멜 코팅 층이 갈라져 박리되는 현상이 발생한다. 또한 건조하는 시간이 5분 미만인 경우나 건조하는 온도가 200℃ 미만인 경우에는 슬러리에 포함된 물이 과다 함유되어 가열 과정에서 급격한 수축 현상이 발생됨에 따라 코팅 층의 표면이 울퉁불퉁해질 수 있다. 또한 건조 과정 후에 수행되는 가열 과정에서 가열 온도가 760℃ 초과할 경우나 가열 시간이 10분 초과할 경우에는 도포된 코팅 층에서 과잉으로 용융 현상이 발생하여 평활한 코팅 층 표면을 구성하기 어렵다. 또한 740℃ 미만의 온도에서 가열하거나 가열 시간이 5분 미만일 경우에는 도포된 코팅 층이 부분적으로 경화되지 않아 견고한 코팅 층을 구비하기 어렵다.
상기 에나멜 코팅은 내열, 내산, 내알카리, 내마모성이 우수한 코팅 방법 중의 하나이며, 인체에 유해하지 않은 코팅으로서, 오랜 기간 코팅막을 유지할 수 있다.
이 때, 에나멜 코팅의 슬러리를 도포하기 전에 전처리 과정으로서 표면 청결 처리 및 sanding 처리가 수행될 수 있다. 상기 에나멜 코팅용 슬러리 도포 전의 표면 청결 처리 단계는 주철 주방용기 표면 상부에 부착된 오염물질을 제거하는 것을 특징으로 하는 표면 전처리 과정이다. 에나멜 코팅을 하기 전에 표면 청결 처리를 수행함으로써 이물질 제거 외에도 주철 주방용기 표면 상부의 에나멜 코팅결함 및 함몰 현상을 방지할 수 있다. 이와 같은 전처리 과정은 Air spray 또는 Air blowing을 통해 실행 가능하다.
상기 에나멜 코팅용 슬러리를 도포하기 전에 수행하는 sanding 처리는 주철 주방용기 표면 상부에 에나멜 코팅의 밀착력을 높이기 위해 수행하는 것을 특징으로 하는 에나멜 코팅의 표면 전처리 과정이다. 상기 sanding 처리를 통해 주철 주방용기 표면 상부가 무광(Matte) 형태의 표면 거칠기로 유지할 수 있도록 평균 거칠기를 Ra 2~3㎛으로 한다. 표면의 평균 거칠기가 2㎛ 미만인 경우, 주철 주방용기 표면이 매우 평활하여 상부에 대한 에나멜 코팅의 밀착력이 약해질 수 있다. 평균 거칠기가 3㎛를 초과한 경우에는 표면의 평활성이 불규칙하며, 일부 요철이 심한 부분은 밀착력이 나빠져 슬러리가 일정하게 도포되지 않기 때문에 에나멜 코팅의 밀착력이 약해질 가능성이 있다. 주철 표면을 sanding 처리 후, 잔존하는 잔사 제거는 Air spray 및 Air blowing을 통해 하는 것이 바람직하다. 잔사 제거가 확실히 되지 않을 경우, 잔사가 있는 부분부터 코팅이 부분적으로 박리되는 현상이 생길 수 있다.
에나멜 코팅 전에 모래를 이용한 sanding 처리 과정은 sandpaper를 사용하여 표면 거칠기를 조절하는 과정으로 대체할 수 있다. sandpaper를 사용할 경우, sandpaper #3000을 사용하는 것이 바람직하며, 더 부드러운 sandpaper를 이용하는 것도 가능하다. 상기 표면 거칠기 조절 과정은 에나멜 코팅 전의 전처리 과정뿐만 아니라 옻칠 또는 세라믹 코팅 과정 전에도 실시 가능하다. 에나멜 코팅 전의 전처리 과정이나 세라믹 코팅 전의 전처리 과정에는 모래를 이용한 sanding 처리 과정을 수행하는 것이 더 바람직하며, 옻칠 전의 경우에는 sandpaper를 사용하여 표면 거칠기 조절하는 것이 각 코팅을 보다 더 견고하게 할 수 있다.
에나멜 코팅에 사용되는 슬러리는 SiO2, 점토, 응고염, 물, 연삭미분도, 내녹성 혼합물 등을 포함하며, 다음 [표 1]을 통해 슬러리의 혼합비를 확인할 수 있다.
구성원소 구성비
스프레이 용 디핑 용
유리원료 혼합물 분말 SiO2 20~25wt% 17~20wt%
점토 8~10wt% 5~8wt%
응고염 0.5~1wt% 0.5~1wt%
연삭미분도 1~3wt% 2~5wt%
내녹성 혼합물 0.5~1wt% 0.5~1wt%
물 60~70wt% 65~75wt%
총 중량 100wt% 100wt%
에나멜 코팅을 위한 상기 슬러리의 비중은 1.5~1.6g/㎤이며, 스프레이용 슬러리 혼합비는 물 60~70wt%, 유리원료 혼합물 분말 30~40wt% 범위 내에서 조정 가능하다. 디핑용 슬러리 혼합비는 물 65~75wt%, 유리원료 혼합물 분말 25~35wt% 범위 내에서 조정 가능하다. 스프레이용 슬러리 혼합비의 경우, 물 75wt% 초과 및 유리원료 혼합물 분말 25wt% 미만인 경우, 물의 과다 함유로 인해 점도가 묽어 슬러리의 균일한 도포가 어려울 뿐만 아니라 슬러리의 표면 상부에 대한 밀착력이 떨어진다. 반면, 물 60wt% 미만 및 유리원료 혼합물 분말 40wt% 초과인 경우 슬러리에 포함된 물의 과소 함유로 인해 가열 과정에서 도포된 에나멜 코팅 층이 갈라질 수 있다.
한편, 에나멜 코팅에 구비되지 않은 비점착성 기능을 보완하기 위하여 에나멜 코팅된 주철 주방용기 표면 상부에 옻칠 또는 세라믹 코팅을 수행한다. 옻칠은 추가로 내항균성 기능을 부가한다. 상기 옻칠 대신에 세라믹 코팅을 하여 비점착성 기능을 부여할 수 있다. 이하, 옻칠에 관하여 설명하도록 한다.
상기 옻칠은 옻액 도포, 건조, 가열 단계를 거쳐 수행될 수 있으며, 옻칠을 수행하기 전에 전처리 과정인 표면 청결 처리, sanding 처리 과정이 수행되는 것이 바람직하다. 상기 옻액은 정제 옻액을 사용한다.
상기 표면 청결 처리 과정은 옻칠하기 전에 수행하며, 에나멜 코팅된 주철 주방용기 표면 상부에 부착된 오염물질을 제거하는 것을 특징으로 하는 표면 전처리 과정이다. 옻칠 전의 표면 청결 처리를 통해 오염물질을 제거함으로써 주철 주방용기 표면 상부에 오염 물질의 잔류 현상 및 옻칠의 접착 불량(박리)을 방지할 수 있다. 표면 청결 처리는 Air spray 또는 Air blowing을 이용하여 실행 가능하며, 이는 에나멜 코팅 전에 수행하는 표면 청결 처리 단계와 동일하게 수행할 수 있다.
상기 옻칠 전의 sanding 처리 과정은 에나멜 코팅된 주철 주방용기 표면 상부에 대한 옻칠의 밀착력을 높이기 위해 수행하는 옻칠의 표면 전처리 과정이다. 이 단계도 역시 에나멜 코팅 전에 처리하는 sanding 처리 과정과 같은 목적으로 수행된다. 즉, 옻칠 전의 sanding 처리 과정을 통해 에나멜 코팅된 주철 주방용기 표면 상부를 무광(Matte) 형태의 표면 거칠기로 만들어 옻칠의 밀착력을 높일 수 있다. 에나멜 코팅의 표면 거칠기가 유광(bright) 형태인 상태에서 옻칠을 수행하면 코팅 밀착력이 떨어져 옻칠이 벗겨질 수 있다.
이 때, sanding 처리 과정을 여러 번 반복하더라도 이전에 도포한 에나멜 코팅 층은 벗겨지지 않으므로 내산, 내알카리 및 내마모성 기능에는 문제가 일어나지 않는다. sanding 처리 과정으로 인해 표면에 발생된 이물질은 물 또는 아주 부드러운 천을 이용하여 제거하는 것이 바람직하며, 그러지 못할 경우 코팅 불량의 원인이 될 수 있다. 상기 과정은 Air Spray 및 Air Blowing을 사용하여 수행할 수 있다.
옻칠 전에 생 옻액을 정제 옻액으로 제조하는 과정이 추가될 수 있는데, 정제기를 이용하여 생 옻액을 정제하는 것이 바람직하다. 생 옻액을 정제 옻액 대신 사용하여 옻칠을 수행할 수도 있으나, 옻액에 불순물이 혼합된 경우 옻칠 코팅 층에 기포 결함을 생성하는 원인이 될 수 있으므로 생 옻액의 보관 및 취급에 주의해야 한다. 한편, 생 옻액을 구입하여 정제 옻액으로 제조할 수도 있으나, 옻칠 작업에 사용되는 통상적인 시판용 정제 옻액을 구입하여 사용할 수도 있다.
상기 옻액 도포 단계는 20~50℃에서 수행되며, Spray gun 또는 붓을 사용하여 에나멜 코팅된 주철 주방용기 표면 상부에 옻액을 도포할 수 있다. 옻액 도포시, 온도가 20℃ 미만일 경우 옻액 도포 후에 옻액의 퍼짐성이 좋지 않아 골고루 옻칠하는데 어려움이 있다. 반면 온도가 50℃ 초과할 경우, 옻액의 윤활성이 좋아져 평활하게 옻액을 도포하기 어려우며, 옻액 내 앙금이 발생하여 옻 성분이 분리될 뿐만 아니라, 옻액 색깔이 검게 변하기 시작한다. 따라서 옻액 도포는 20~50℃에서 하는 것이 바람직하다. 옻액 도포는 수작업을 통해서도 수행 가능하지만 대량생산을 목적일 때는 전용 Spray gun을 사용하는 것이 좋다. 옻액의 도포는 1회 이상 수행하는 것이 바람직하며, 1회 수행 후 추가로 옻액을 도포할 때는 이전에 도포된 옻액이 건조된 후에 하는 것이 좋다. 이 때, 시간 간격은 중요하지 않기 때문에 도포된 옻액 건조에 따라 조정할 수 있다. 옻액을 도포하는 횟수는 제한되지 않으나 바람직하게는 1~5회 수행하는 것이 좋다.
상기 옻액 건조 단계는 옻액을 도포한 후에 20~35℃에서 30분~1시간 방치하여 건조하는 것을 특징으로 한다. 20~35℃에서 옻액의 건조가 이루어질 경우 밀착력 및 퍼짐성이 좋아진다.
상기 옻액 건조 후에 수행하는 가열 과정은 270~330℃에서 5~15분 동안 수행는 것을 특징으로 한다. 이 때, 270℃ 미만의 온도에서 가열과정을 수행하면 도포된 옻액이 부분적으로 경화되지 않아 밀착력이 떨어질 수 있으며, 330℃ 초과한 온도에서 가열 과정을 수행하면 도포된 옻액이 급속도로 경화되어 옻칠이 오히려 갈라지고 벗겨질 수 있다. 가열 시간이 5분 미만이거나 15분을 초과인 경우에도 역시 옻칠 층의 밀착력이 나빠질 수 있으므로, 가열 시간은 5~15분을 준수하는 것이 바람직하다.
이러한 과정을 통해 옻칠을 수행한 주철 주방용기는 에나멜 코팅의 장점인 우수한 표면 경도 및 강도와 옻칠의 특징인 비점착성 및 내항균성의 기능을 구비할 수 있다.
앞서 설명한 옻칠은 비점착성 기능을 구비한 코팅 방법의 하나로서 세라믹 코팅으로 치환가능하다. 이하, 옻칠과 치환 가능한 세라믹 코팅에 관하여 설명하도록 한다.
에나멜 코팅 층 상부에 세라믹 코팅을 수행하는 과정은 세라믹 코팅액 도포, 건조, 가열 단계를 순서대로 실시하는 것을 특징으로 한다. 상기 코팅액은 주철 용기 또는 세라믹 용기에 사용되는 통상의 세라믹 코팅용 분말(유약 분말)을 용매에 녹인 후 숙성하여 사용할 수 있다. 이렇게 제조된 코팅액을 사용하여 도포 과정을 진행하기 전에 예열 단계를 수행할 수 있다. 또한 세라믹 코팅 시에도 전처리 과정인 표면 청결 처리, sanding 처리를 수행 하는 것이 바람직하다.
상기 세라믹 코팅 전에 수행하는 표면 청결 처리 단계는 에나멜 코팅된 주철 주방용기 표면 상부에 부착된 오염물질을 제거하는 과정이다. 표면 청결 처리는 이물질 제거 외에도 세라믹 코팅의 부착 불량 및 함몰 현상을 방지할 수 있다. 이는 Air spray 또는 Air blowing을 통해 실행 가능하다. 즉, 에나멜 코팅액 도포 전이나 옻액 도포 과정 전에 수행하는 전처리 과정과 동일한 방법으로 표면 청결 처리 단계를 수행할 수 있다.
상기 세라믹 코팅 전에 실시하는 sanding 처리는 에나멜 코팅된 주철 주방용기 표면 상부에 대한 세라믹 코팅의 밀착력을 높이기 위해 수행하는 것을 특징으로 한다. sanding 처리를 통해 에나멜 코팅된 주철 주방용기 표면 상부가 무광(Matte) 형태의 표면 거칠기를 유지할 수 있도록 평균 거칠기를 Ra 2~3㎛으로 한다. 표면의 평균 거칠기가 2㎛ 미만인 경우, 에나멜 코팅된 주철 주방용기 표면 상부의 표면이 매우 평활하여 세라믹 코팅의 밀착력이 약해질 수 있다. 표면의 평균 거칠기가 3㎛ 초과인 경우에는 표면의 평활성이 불규칙하며, 일부 요철이 심한 부분은 밀착력이 나빠져 세라믹 코팅액이 일정하게 도포되지 않기 때문에 밀착력이 약해질 가능성이 있다. sanding 처리 후, 잔존하는 잔사 제거는 Air spray 및 Air blowing을 통해 하는 것이 바람직하다. 잔사 제거가 확실히 되지 않을 경우, 잔사가 존재하는 부분부터 코팅이 부분적으로 박리되는 불량 현상이 생길 수 있다.
세라믹 코팅액은 실란(silane), 올리고머(oligomer), 마이크론 크기의 산화규소(SiO2), 알칼리 토금속의 산화물 및 수산화물로 구성되는 군으로부터 선택된 화합물 하나 이상을 선택하여 제조할 수 있으며, 통상적인 주물용기나 도자기의 코팅에 사용되는 유약도 세라믹 코팅액으로 사용할 수도 있다.
상기 세라믹 코팅액은 에나멜 코팅층 상부에 1~3회 도포할 수 있으며, 밀착력 및 경제성을 고려할 때 2회 도포하는 것이 바람직하다. 이 때, 첫 번째 도포액을 베이스 코트(base coat), 두 번째 도포액을 탑코트(top coat)라 하며, 상기 base coat와 top coat의 코팅액은 동일한 조성의 코팅액을 사용하되, 보다 바람직한 코팅 조건을 위해 다음과 같은 가공 공정을 수행할 수 있다. Base coat는 코팅액 제조 후 상온에서 7~12시간 동안 숙성시킨다. 숙성된 코팅액은 80~100rpm으로 교반기를 통해 혼합하여 250~300mesh의 체를 이용한 필터링 작업을 수행한다. Top coat는 코팅액 제조 후 상온에서 2~5시간 동안 숙성시켜 80~100rpm으로 교반기를 통해 혼합한다. 혼합된 코팅액은 100mesh 체를 이용하여 필터링 작업을 수행하여 가공 공정을 완료한다. 이 후 상기 base coat와 top coat를 30분~1시간 동안 안정화하는 과정을 거쳐 에나멜 코팅층 상부에 도포한다. 세라믹 코팅액(base coat와 top coat)의 안정화 시간이 부족할 경우에는 코팅액 내 포함되어 있는 분말의 분포가 일정하지 않아 도포시 Cratering(홀) 불량의 원인이 될 수 있으며, 세라믹 코팅액의 안정화 시간이 과도할 경우에는 조기 Gelation(겔화)로 도포된 세라믹 코팅액이 일부 박리되는 현상의 원인이 될 수 있다. 한편, 세라믹 코팅액 도포 전에 에나멜 코팅된 주철 주방용기 표면 상부의 습기를 제거하기 위해 예열하는 단계가 필요하다. 이를 위해 에나멜 코팅된 주철 주방용기 표면 상부를 40~60℃에서 예열해 준다. 예열을 통하여 도포된 코팅액의 흐름을 방지시킬 수 있고, 광택 및 도막의 질감을 개선시킬 수 있다. 예열 온도가 40℃ 미만일 경우 에나멜 코팅된 표면 상부의 건조되지 않은 수분이 과도막이 되어 세라믹 코팅의 부착 불량을 발생시키며 광택 불량 및 흐름 현상과 같은 문제점을 발생시킨다. 예열 온도가 60℃ 초과인 경우, 표면 상부에 함유된 수분이 지나치게 건조되어 광택 얼룩 및 접촉 불량이 발생하여 세라믹 코팅이 균일하게 도포되지 않는 문제점이 발생한다.
상기 세라믹 코팅액 도포는 25~50℃에서 Spray gun으로 base coat와 top coat를 순차적으로 도포하여 수행할 수 있다. Base coat의 코팅 층의 두께는 30~40㎛가 바람직하며, top coat의 코팅 층의 두께는 5~10㎛가 바람직하다. Spray gun으로 세라믹 코팅액을 도포하기 전까지 에나멜 코팅된 주철 주방용기 표면 상부가 오염되지 않도록 주의해야 하며, 세라믹 코팅액 내의 성분들이 침전되지 않도록 일정 주기로 교반하는 것이 바람직하다. Base coat와 top coat는 10~60초 정도의 간격을 두고 도포하는 것이 좋다. 도포 간격이 10초 미만인 경우, 도포된 base coat가 충분히 건조되지 않아 top coat를 도포하면 base coat와 혼합되는 문제점이 발생한다. 도포 간격이 60초를 초과하는 경우, base coat의 표면 응고가 나타나 접착력이 낮아져 top coat의 도포가 제대로 이뤄질 수 없다. 통상적으로 top coat의 에어 압력은 base coat의 40~60%의 세기가 적당하며, spray gun의 코팅액 분출량과 에어 압력은 주철 주방용기 표면 상부의 코팅 표면을 관찰하면서 조절하는 것이 바람직하다. Top coat의 에어 압력이 base coat의 에어 압력 대비 60% 초과인 경우, 코팅 층이 평활하게 도포되기 어려우며, 40% 미만일 경우 압력이 약해 코팅액이 공중 분사되는 양이 과도해져 목표한 코팅 두께를 형성하기 어렵다.
상기 세라믹 코팅액 도포 후에 수행되는 가열 단계는 50~80℃에서 5~10분 동안 건조 과정을 거친 후, 서서히 온도를 승온시켜 250~300℃에서 7~15분 동안 가열하는 것을 특징으로 한다. 300℃ 초과된 온도나 15분 초과하여 가열한 경우, 코팅된 표면이 급격히 건조되면서 세라믹 코팅의 밀착성이 떨어지는 현상이 생길 뿐만 아니라 기포도 발생할 수 있다. 250℃ 미만의 온도나 7분 미만의 시간 동안 가열한 경우, 코팅액이 충분히 경화되지 않아 표면 경도 및 강도가 우수하지 못하다.
상기 과정에 의해 에나멜 코팅 및 세라믹 코팅이 된 주철 주방용기는 에나멜 코팅의 장점인 우수한 표면 경도 및 강도와 세라믹 코팅의 특징인 비점착성 기능을 갖게 된다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 내용이 철저하고 완전해지도록, 당업자에게 본 발명의 사상을 충분히 전달하기 위해 제공하는 것이다.
< 실시예 1 >
주철 주방용기 표면 상부를 sanding 처리하여 무광(Matte) 형태의 표면 거칠기인 Ra 2.5㎛으로 만들었다. 에나멜 코팅에 사용되는 슬러리 제작에 있어서 하기 [표 2]와 같이 물과 유리원료 혼합물 분말의 혼합비는 물 55~80wt%, 유리원료 혼합물 분말 20~45wt%의 범위에서 코팅액을 제조하여 스프레이 코팅을 실시하였다. 상기 유리원료 혼합물 분말은 SiO2, 점토, 응고염, 연삭미분도 및 내녹성 혼합물을 포함한다. 슬러리를 1차 도포한 후, 750℃에서 7.5분 동안 건조하고, 슬러리를 2차 도포한 후에 750℃에서 7.5분 가열하였다. 상기 과정을 거쳐 생성된 주철 주방용기 표면 상부의 코팅 결과를 [표 3]과 같이 나타내었다.
단위:wt%
실시예 1-1 실시예 1-2 실시예 1-3 실시예 1-4 실시예 1-5 실시예 1-6
물 55 60 65 70 75 80
유리원료
혼합물 분말		 45 40 35 30 25 20
실시예 1-1 실시예 1-2 실시예 1-3 실시예 1-4 실시예 1-5 실시예 1-6
코팅상태 Ｘ ○ ◎ ○ △ Ｘ
Ｘ : 나쁨. △ : 보통, ○ : 좋음. ◎ : 매우 좋음.
[표 3]과 같이 주철 주방용기 표면 상부의 에나멜 코팅은 슬러리 혼합비가 물 60wt%, 65wt%, 70wt%, 분말 40wt%, 35wt%, 30wt%일 때 광택, 경도 및 강도 정도가 우수했으며, 그 중 슬러리 혼합비가 물65wt%, 유리원료 혼합물 분말 35wt%일 때 강도 및 경도, 광택 정도가 가장 우수하다는 것을 확인하였다. 슬러리 혼합비가 물 55wt%, 75wt%, 80wt%와 분말 45wt%, 25wt%, 20wt%,의 범위에서는 다음 [도 5]의 사진에서와 같이 주철 주방용기 표면 상부의 에나멜 코팅 일부가 박리되는 현상이 생기는 것을 확인하였다. 실시예 1-1은 슬러리의 점도가 높아 평활하게 도포되지 않음에 따른 것이며, 에나멜 코팅 일부가 박리되는 현상을 띄는 실시예 1-5, 1-6로 구성된 슬러리는 물이 과다 함유됨에 따라 점도가 묽어져 표면 상부에 도포시 밀착력이 떨어지는 현상에 기인하는 것으로 확인되었다.
< 실시예 2 >
[표 2]의 실시예 1-3의 조건으로 주철 주방용기 표면 상부에 에나멜 코팅을 하고 건조 및 가열 작업을 실시하였다. 가열 작업에 있어서, 로의 온도를 [표 4]와 같이 730℃에서 770℃까지 10℃씩 증가시켰다. 로의 길이는 14m이며, 컨베이어벨트 속도 1100mm/min로 가열 작업을 실시하여 주철 주방용기 표면 상부의 광택의 유무를 확인해 보았다.
실시예 2-1 실시예 2-2 실시예 2-3 실시예 2-4 실시예 2-5
온도 730℃ 740℃ 750℃ 760℃ 770℃
코팅결과 무광
(Matte)		 무광
(Matte)		 무광
(Matte)		 무광
(Matte)		 유광
(Bright)
표면 경도 및 강도 부적합 적합 적합 적합 적합
코팅 표면 상태 부분 박리 거칠음 거칠음 약간 거칠음 미려현상
[표 4]를 보면 730~760℃에서 에나멜 코팅된 주철 주방용기 표면 상부에 무광(Matte) 형태가 나타났고, 770℃에서는 유광(Bright) 형태가 생성되는 것을 확인할 수 있었다. 무광(Matte) 형태의 표면은 에나멜 코팅된 주철 주방용기의 상부에 옻칠 코팅을 함에 있어서 우수한 밀착력이 부가되었다.
표면 경도 및 강도에 있어서 에나멜 코팅된 주철 주방용기 표면 상부에 연필 경도 실험을 실시하였다. 연필경도 시험기를 이용하여 1 ㎏/f의 힘으로 1 ㎝ 그어서 10 회 반복 측정한 결과, 740~770℃의 온도 범위에서 가열 과정을 거친 에나멜 코팅 층에서 8H의 우수한 경도 및 강도 값을 확인 할 수 있었다. 상기 실시예는 2차 건조 후 실행하는 2차 가열 과정에서도 같은 결과를 나타내었다. 이와 같이 실시예 2의 1차 및 2차 가열 과정은 표면 코팅 형태, 경도 및 강도를 고려할 때, 740~760℃에서 실시하는 것이 바람직하다는 것을 알 수 있었다.
< 실시예 3 >
슬러리가 도포된 주철 주방용기 표면 상부의 가열 단계에 있어서, 750℃에서 컨베이어벨트 속도의 변화를 주어 1차 및 2차 가열 과정을 실시하였다. 컨베이어벨트 속도는 [표 5]와 같이 900mm/min부터 1200mm/min까지 100mm/min씩 차등을 두어 실험하였다. 가열 과정에 있어서 컨베이어벨트 속도에 따른 주철 주방용기 표면 상부의 광택의 유무를 확인해 보았다.
실시예 3-1 실시예 3-2 실시예 3-3 실시예 3-4
컨베이어벨트 속도 900mm/min 1000mm/min 1100mm/min 1200mm/min
걸리는 시간 약 9.5분 약 8.5분 약 7.5분 7분
실시예 3-1 실시예 3-2 실시예 3-3 실시예 3-4
광택 유광
(Bright)		 무광
(Matte)		 무광
(Matte)		 유광
(Bright)
가열 과정에서 컨베이어벨트 속도에 따라 광택의 유무가 차이 나는 것을 [표 6] 및 [도 6]와 같이 확인할 수 있었다. [도 6]의 맨 위 첫 번째 줄과 맨 아래 네 번째 줄은 750℃에서 각각 컨베이어벨트 속도 900mm/min과 1200mm/min에서 가열 과정을 거친 주철 제품으로서 광택이 나는 것을 확인할 수 있었다. 컨베이어벨트 속도 900mm/min에서는 로를 지나가는 시간이 길기 때문에 에나멜 코팅 층이 용융되고, 컨베이어벨트 속도 1200mm/min에서는 로를 지나가는 시간이 너무 짧아 충분한 열이 가해지지 않아 광택이 생겼다. [도 6] 맨 위에서 두 번째 줄과 세 번째 줄은 각각 750℃, 컨베이어벨트 속도 1100mm/min과 1000mm/min에서 가열 과정을 거친 주철 제품으로서 무광(Matte)인 것을 확인할 수 있다. 상기 실시예를 통해 14m 길이의 로를 컨베이어벨트 속도 1000~1100mm/min의 속도로 통과하는 시간인 가열 시간 7.5~8.5분 동안 실시하는 것이 바람직하다고 판단하였다. 상기 실시예는 2차 건조 후 실행하는 2차 가열 작업에서도 같은 결과를 나타내었다.
에나멜 코팅된 주철 주방용기 표면 상부의 무광(Matte) 형태의 표면 거칠기는 옻칠 코팅 및 세라믹 코팅에 있어서 우수한 밀착력을 부가하므로 실시예 2와 3을 통해서 가열 과정은 로의 길이가 14m일 때, 750℃, 컨베이어벨트 속도 1000mm/min에서 실시하는 것이 가장 바람직하다는 것을 알 수 있었다.
< 실시예 4 >
로의 길이 14m, 컨베이어벨트 속도 1000mm/min, 750℃에서 가열 과정을 거친 에나멜 코팅된 주철 주방용기 표면 상부에 정제기를 통해 정제된 옻액으로 옻액 도포를 실시하였다. 그 다음 25℃에서 건조 단계를 수행하고, 300℃에서 10분 가열하였다. 이 때 옻칠을 하지 않은 것과 각각 1~3회의 옻액 도포를 수행하는 것으로 실시하였다. [표 7]과 같이 옻액 도포를 1~3회 한 제품과 옻액 도포를 하지 않은 제품으로 누룽지를 만들어 비점착성 기능을 테스트해 보았다.
옻액 도포 횟수 0 1 2 3
비점착성 기능 x o o o
[표 7] 및 [도 7]과 같이 옻칠을 한 제품은 주철 주방용기 표면 상부에 누룽지가 달라붙지 않았고, 옻칠을 하지 않은 제품은 주철 주방용기 표면 상부에 누룽지가 달라붙는 것을 [표 7] 및 [도 8]을 통해 확인 할 수 있었다. 옻칠은 옻액 도포 횟수와 관계없이 비점착성 기능을 발휘하지만 경제성의 이유로 2회 하는 것이 가장 바람직하였다.
< 실시예 5 >
로의 길이 14m, 컨베이어벨트 속도 1000mm/min, 750℃에서 가열시킨 에나멜 코팅된 주철 주방용기 표면 상부에 세라믹 코팅을 실시하였다. Base coat 및 top coat 도포 후, [도 9]과 같이 75℃에서 8분 동안 건조 과정을 거쳐 20분 동안 75℃에서 300℃까지 온도를 서서히 승온시킨 후, 300℃에서 7분 동안 유지하는 세라믹 코팅 과정을 수행하였다.
이와 같이 에나멜 코팅 및 세라믹 코팅된 주철 주방용기 제품을 제조하였으며, 이 제품을 이용하여 누룽지를 만드는 실험으로 비점착성 기능을 테스트하였다. 옻칠이 된 용기에서처럼 세라믹 코팅을 한 제품은 누룽지 테스트 결과 [도 10]과 같이 주철 주방용기 표면 상부에 누룽지가 달라붙지 않아 우수한 비점착성을 확인 할 수 있었다.
이상에서 본 발명은 기재된 구체적인 실시예에 대하여 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허 청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims (14)

  1. 주철 주방용기의 표면을 코팅하는 방법에 있어서,
    주철 주방용기 표면 상부에 에나멜 코팅하는 단계;
    코팅된 주철 주방용기 표면 상부에 비점착성 코팅을 하는 단계;를 포함하며,
    상기 에나멜 코팅은 주철 위에 물 65~70 wt%, 유리원료 혼합물 분말 30~35 wt%로 이루어진 슬러리를 도포하고,
    상기 슬러리 도포 후 200~300 ℃에서 5~10 분 동안 건조하고, 740~760℃에서 5~10 분 동안 가열하며,
    상기 에나멜 코팅 표면은 무광(Matte)인 것을 특징으로 하는, 주철의 표면 코팅 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 에나멜 코팅은 스프레이 또는 디핑 방법으로 수행하는 것을 특징으로 하는 주철의 표면 코팅 방법.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 에나멜 코팅은 적어도 2회 반복하는 것을 특징으로 하는 주철의 표면 코팅 방법.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 에나멜 코팅 시, 슬러리 도포 후 로에서 가열하는 과정에서 컨베이어벨트 속도와 가열 시간에 의해 광택의 유무를 결정하는 것을 특징으로 하는 주철의 표면 코팅 방법.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 비점착성 코팅은 옻칠 또는 세라믹 코팅인 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 주철의 표면 코팅 방법.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 옻칠은 옻액 도포 후 20~35℃에서 건조 단계를 수행하고, 270~330℃에서 5~15분 가열하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 주철의 표면 코팅 방법.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 옻액을 도포 후 건조하는 과정을 1~5회 수행하는 것을 특징으로 하는 주철의 표면 코팅 방법.
  13. 제 10항에 있어서,
    상기 세라믹 코팅은 에나멜 코팅된 주철 주방용기 표면 상부에 세라믹 코팅액 도포 후 50~80℃에서 5~10분 건조한 뒤, 250~300℃에서 7~15분 동안 가열하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 주철의 표면 코팅 방법.
  14. 삭제
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