KR102075520B1 - 컬러 재귀 반사 기능을 구비하는 고휘도 페인트 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 45~55 Volume%로 포함되는 Glass Beads와, 39~43 Volume%로 포함되는 Binder류와, 4~8 Volume%로 포함되는 반사체와, 0.5~1.0 Volume%로 포함되는 착색제와, 1.0~2.0 Volume%로 포함되는 침강방지제와, 0.5~1.0 Volume%로 포함되는 첨가제를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

컬러 재귀 반사 기능을 구비하는 고휘도 페인트 및 이의 제조방법 {HIGH LUMINANCE PAINT AND MANUFACTURING METHOD WITH COLOR RECURSIVE REFLEX}

본 발명은 컬러 재귀 반사 기능을 구비하는 고휘도 페인트 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 야간 운전 시에 재귀반사 칼라가 주간 색과 거의 동일하게 밝은 칼라로 구현되어 운전자에게 반사 칼라 시인성을 제공하고, 국도 및 지방도의 곡선 구간, 낙하 위험 방지 시설물과 고속도로 및 도심 도로의 충돌 방지용 방호 시설물과 중앙 분리대 시선 유도 및 각종 교통 진입로 경계부에 손쉽게 도색할 수 있는 컬러 재귀 반사 기능을 구비하는 고휘도 페인트 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 도로 차선은 도로 교통의 안전과 원활한 소통을 도모하는 데 필요하며, 안전 표시를 보완하거나, 혹은 단독으로 운전자에게 규제 또는 지시 등의 정보를 전달하여 도로 상의 선형 유도로 운전자가 안전하게 차량을 운행하기 위해 필요로 하는 시각 정보를 사전에 제공한다.

국내외 차선의 경우 백색, 황색 혹은 청색으로 주행의 구분선을 표시하며 주간뿐만 야간에도 각각의 색을 구분할 수 있음으로서 앞에 서술한 도로의 선형 정보 및 표시를 운전자에게 사전에 제공할 수 있어야 한다.

그러나 야간에는 주간과는 달리 차선 주변의 간접 조명이 작기 때문에 자동차 헤드라이트의 광량에만 의존할 수밖에 없는 상황이라서 광량을 모아 증폭시켜 재귀 반사시키는 재귀 반사체가 없는 차선의 경우 운전자의 시각에 전달되는 최소 광량이 낮기 때문에 차선을 인지하기 어렵게 되어 안전 운전에 장애를 유발한다.

국내외 모든 차선에는 반드시 재귀 반사체인 그라스 비드를 페인트위에 살포하여 고착시킴으로서 야간에도 재귀 반사에 의해 자동차 헤드라이트의 낮은 광량에도 차선이 잘 보이도록 시공 운영하고 있다.

그라스 비드는 스프레이 도색 시공장비를 사용하여 차선 도색 시에 주제와 경화제가 별도의 공급라인을 통화여 공급되어 혼합되면서 분사된다.

이때, 소정의 혼합 비율 조정이 무게 정량이 아닌 부피 정량으로 분사가 이루어지기 때문에 시공 현장의 대기 온도 변화에 따른 주제와 경화제의 밀도가 변할 수 있어 시공 중에 수시로 혼합 비율의 보정 작업을 실시해야만 하는 불편함이 있다.

또한, 공급라인에서의 주제 또는 경화제의 흐름이 나쁘거나 라인이 막힐 경우 주제와 경화제와의 비율이 변화되는 것을 인지 할 수 없어서 차선 도막의 불균질성 및 경화 부족 상태가 나타나는 문제점이 있다.

상기한 스프레이 방식의 시공에 의한 도로 차선은, 1회 도장 도막 두께가 얇아서 마모 손실에 따른 내구성을 향상시키기 어렵고, 황색 차선의 경우 주간과 야간 칼라 시인성이 일치되지 않는 문제가 있다.

또한, 스프레이 방식 시공장치는, 스프레이가 가능하기 위하여 에어리스 펌프 도료 공급시스템에 부하가 걸리지 않아야 하므로 입경이 600㎛ 이상인 그라스 비드나 무기 충진제를 첨가할 수 없어 1회 도장 시 400㎛ 이상의 도막 두께를 얻을 수 없고, 마모 손상에 의한 유효 도막 두께 유지가 어려운 문제점이 있다.

본 발명의 배경기술은 대한민국 등록특허공보 제10-1150310호(2012년 5월 21일 공고, 발명의 명칭 : 야간 및 우천 시 가시성능이 향상된 도로용 차선 및 이의 도색방법)에 개시되어 있다.

종래기술에 따른 도로용 차선은, 주로 노면 표시 페인트가 주류를 이루고 있으며, 이들 노면 표시용 기존의 재귀 반사 페인트는 노면과 같이 수평면인 도로 노면에 1차로 칼라 페인트로 일정 두께로 도장을 한 뒤에 연이어 도장된 페인트가 고화되기 전에 도장면 위에 재귀반사체인 Glass Beads를 중력에 의한 낙하로 살포시켜 Glass Beads의 직경의 약 40~60%가량이 잠기게 시공하고 나머지 60~40%의 Glass Beads 직경 면이 공기층에 노출되게 하여 고화(건조)시킴으로서 이들 노출된 Glass Beads 면에 의해 자동차 헤드라이트를 운전자에게 되돌아오게 하여 시인성을 부여하는 칼라 재귀반사 시스템이다.

난부착성 콘크리트 시설물 및 철제 시설물 등은 도장 대상면이 대부분 수직면이기 때문에 해법의 수단으로 재귀반사 페인트 시공을 기존의 노면 표시용 칼라 재귀 반사 시스템으로 적용하기 어려운 문제점이 있다.

따라서 이를 개선할 필요성이 요청된다.

본 발명은 Glass Beads , 결합제인 Binder , 반사체 ,착색제 및 첨가제로 구성된 칼라 재귀반사 페인트 구성 요소별 재귀 반사성능에 미치는 최적의 광학적, 물리 화학적 이론과 올바른 개념을 정립하고 서로의 최적 상관관계를 찾아내어 설계법을 확립함과 동시에 각 구성 요소별 최적의 상관비를 찾아내어 야간 운전 시에 재귀반사 칼라가 주간 색과 거의 동일하게 밝은 칼라로 구현되어 운전자에게 반사 칼라 시인성을 제공하고, 국도 및 지방도의 곡선 구간, 낙하 위험 방지 시설물과 고속도로 및 도심 도로의 충돌 방지용 방호 시설물과 중앙 분리대 시선 유도 및 각종 교통 진입로 경계부에 손쉽게 도색할 수 있는 컬러 재귀 반사 기능을 구비하는 고휘도 페인트 및 이의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은, 45~55 Volume%로 포함되는 Glass Beads와, 39~43 Volume%로 포함되는 Binder류와, 4~8 Volume%로 포함되는 반사체와, 0.5~1.0 Volume%로 포함되는 착색제와, 1.0~2.0 Volume%로 포함되는 침강방지제와, 0.5~1.0 Volume%로 포함되는 첨가제를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 상기 페인트는, 국도 및 지방도의 곡선 구간 , 낙하 방지 시설물 , 충돌 방지용 방호 시설물 및 중앙 분리대 시선 유도 및 교통 진입로의 경계부에 도색되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은, Glass Beads와, Binder류와, 반사체와, 착색제와, 침강방지제와, 첨가제를 포함하는 컬러 재귀 반사 기능을 구비하는 고휘도 페인트 제조방법에 있어서, 상기 Glass Beads의 굴절률 값과 입경 값, 상기 Binder류의 굴절률 값으로부터 최적의 재귀 반사 휘도를 얻기 위한 상기 Glass Beads의 Volume과 상기 Binder류 성분의 Volume 비를 판단하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 상기 Glass Beads의 Volume과 상기 Binder류 성분의 Volume 비는,

에 의해 계산되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 상기 Glass Beads는 광투과율 및 광투과 효율 상승에 의한 재귀 반사 휘도 증진을 위한 표면 처리 코팅으로 코팅된 Glass Beads를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 컬러 재귀 반사 기능을 구비하는 고휘도 페인트 및 이의 제조방법은, 페인트를 이루는 각 구성 성분들의 구성비를 효율적으로 관리할 수 있을 뿐만 아니라 칼라 재귀반사페인트의 성능이 백색 1300 cd/㎡ 이상, 황색 1100 cd/㎡ 이상 녹색 1000 cd/㎡이상 ,청색 700 cd/㎡ 및 적색 550 cd/㎡이상의 휘도 성능이 우수한 칼라 재귀 반사 페인트 제조가 가능함과 동시에 야간 운전 시 ,재귀반사 칼라가 주간 색과 거의 동일하게 밝은 칼라로 구현되어 운전자에게 시각 인지를 밝은 빛반사 칼라 시인성을 제공함으로서 , 난부착성 콘크리트 시설물 및 철제 시설물 등의 수직 피착 대상면인 국도 및 지방도의 곡선구간 , 낙하 위험 방지 시설물 과 고속도로 및 도심 도로의 충돌 방지용 방호 시설물과 중앙 분리대 시선 유도 및 각종 교통 진입로 경계부에 손쉽게 도색할 수 있는 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 컬러 재귀 반사 기능을 구비하는 고휘도 페인트의 사용 상태도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 컬러 재귀 반사 기능을 구비하는 고휘도 페인트의 글라스 비드가 도시된 사진이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 컬러 재귀 반사 기능을 구비하는 고휘도 페인트가 도색된 교량의 사용 상태도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 컬러 재귀 반사 기능을 구비하는 고휘도 페인트의 주간 및 야간 상태가 도시된 사진이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 컬러 재귀 반사 기능을 구비하는 고휘도 페인트 및 이의 제조방법의 일 실시예를 설명한다.

이러한 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다.

또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로써, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다.

그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 컬러 재귀 반사 기능을 구비하는 고휘도 페인트의 사용 상태도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 컬러 재귀 반사 기능을 구비하는 고휘도 페인트의 글라스 비드가 도시된 사진이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 컬러 재귀 반사 기능을 구비하는 고휘도 페인트가 도색된 교량의 사용 상태도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 컬러 재귀 반사 기능을 구비하는 고휘도 페인트의 주간 및 야간 상태가 도시된 사진이다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 컬러 재귀 반사 기능을 구비하는 페인트는, 45~55 Volume%로 포함되는 Glass Beads와, 39~43 Volume%로 포함되는 Binder류와, 4~8 Volume%로 포함되는 반사체와, 0.5~1.0 Volume%로 포함되는 착색제와, 1.0~2.0 Volume%로 포함되는 침강방지제와, 0.5~1.0 Volume%로 포함되는 첨가제를 포함한다.

Glass Beads를 이용한 재귀 반사 시스템은 도 1에서와 같이 , 인가된 광원의 빛이 1차 매질인 공기층( nD1 ,굴절률=1.0)을 통과하여 2차 매질인 Glass Beads( nD2 ,굴절률=1.53)을 통과 시, 굴절되어 Glass Beads가 매립되어 있는 결합제(Binder)에 닿아 반사되어 다시 역순으로 본래 광원으로 되돌아가는 재귀 반사되어 가는 시스템임은 주지의 사실이다.

인가된 광원의 빛이 1차 매질인 공기층(nD=1.0)을 통할 때 광속 V1은 굴절률이 큰 Glass Beads(nD=1.53)로 진행할 때 광속이 V2로 감소되고 빛의 경로가 최소로 되는 경로로 굴절된다는 페르마의 원리로 부터 유도된 스넬 법칙에 의하여 다음과 같이 표시된다.

[식 1]

스넬 법칙 (Snell's Law) : Sin θ1 / Sin θ2 = nD2 / nD1 = V1 / V2

또한, 스넬 법칙에 의거 인가된 빛은 공기층(nD=1.0)을 통과하여 Glass Beads(nD=1.53)에 입사될 때 도 2에서와 같이 입사광들이 집속되어 촛점을 형성되게 되는 데, 촛점이 형성되는 위상에서 빛이 반사될 때에 재귀 반사 휘도가 최고점이 되는 것인 이론적 배경이며 가장 휘도가 높을 때가 초점 위치가 Glass Beads의 반경(r)과 동일한 즉, Glass Beads 외접점면에 형성될 때임이 이론적 배경이다.

이와 같은 이론적 배경 하에, 앞서 언급한 기존의 노면 표시용 칼라 재귀 반사 페인트 시스템을 구조적으로 해석해 보면, 1차 칼라페인트 위에 Glass Beads(nD=1.53)가 직경의 약 40~60% 깊이로 매립시키고 직경의 약 60~40%를 공기 층(nD=1.0)에 노출시킨 구조 시스템으로서 스넬 법칙에 도입하면 nD2/nD1=1.53/1.0=1.53 index 로 굴절하여, 향후 상세 기술하겠지만 Glass Beads 반경(r)의 약 44.34%인 0.4434*r 길이만큼 떨어진 위치에서 촛점이 형성되는 시스템이다.

기존의 칼라 재귀 반사 페인트 시스템은 공기 중에 약 60~40% 노출된 Glass Beads를 통하여 입사된 빛이 Glass Beads의 반경(r)로 부터 0.4434*r 만큼의 촛점까지 도달하기 전에 1차 칼라페인트의 은폐성 때문에 Glass Beads와 페인트 계면에서 대부분의 광량이 광산란되어 재귀 절대 반사량이 감소되어 휘도 발현 효율이 낮아짐과 동시에 만약 우천 시 빗물(nD1=1.33)이 닿을 경우 스넬 법칙에 의거 nD2/nD1=1.53/1.33=1.15 Index로 굴절되어 Glass Beads반경(r)의 약 2.825*r길이만큼 떨어진 위치 즉 공기 중에 노출된 Glass Beads의 촛점 거리 보다 약 6.37배 길어진 위치에 촛점이 형성되기 때문에 재귀 절대 반사량이 6.37배 만큼 줄어들어 결국은 거의 재귀 반사 기능을 상실하게 되는 것으로 판단된다.

이와 같은 이론적 배경 하에 기존의 칼라 재귀 반사 시스템에서 만약 1차 칼라 페인트 위에 살포되는 Glass Beads가 60% 이상 깊이 매립되면 될 수록 칼라 페인트의 굴절률이 물의 굴절률 1.33 보다 높을 수밖에 없기 때문에 광학적으로 재귀 반사 기능이 급속하게 저하될 뿐만 아니라 , 물리적으로도 수광 면적이 작아지게 됨에 따른 입사 광량이 낮아져 재귀 반사 효율이 나빠짐을 예측할 수 있다.

한편, Glass Beads와 같은 구형(球形) 광학체는 임의 매질 속에서의 광학체 표면 임계면에서 프리넬 반사에 의해 구면수차(Spherical Aberration)가 발생하여 빛이 반사 손실을 갖게 되는 데 이를 프리넬 광반사율이라고 한다.

[식 2]

R =[( nD1-nD2) /(nD1+nD2)]2

=[( 1.53-1.0) /(1.53+1.0)]2

= [0.53 /2.53]2=0.04388

공기 중에서 nD=1.53 Glass Beads는 표면에서 약 4.388% 빛반사 손실을 갖게 되며, 결국 95.612% 광투과율을 갖게 된다.

또한, 광반사 손실(R)은 다음과 같이 광투과효율로 좀 더 세밀하게 해석할 수 있다.

[식 3]

광투과 효율 = (1-R)18=광투과율18

공기 중의 nD=1.53의 Glass Beads의 표면 광투과 효율 =(1-0.04388)18=(0.95612)18=0.445885, 광투과 효율이 44.5885% 정도로서 Glass Beads표면에 별도의 처리를 하지 않는 한 입사광량의 약44.6%정도만 투과되어 재귀반사광량이 낮아지기 때문에 별도의 Glass Beads의 표면처리가 필요함을 알 수 있다.

따라서 본 발명의 광학적 최적의 재귀 반사 기능을 확보하도록 설계하기 위해서는 첫째로 최적 굴절률을 갖는 Glass Beads 선정 및 선정된 Glass Beads가 자신의 촛점거리까지 가능한 최소한의 광산란 혹은 광흡수 하에 인가된 광량이 도달할 수 있도록 광투과율이 적정한 Binder 선정법 및 이론적 촛점 거리 산출에 의한 촛점 유도층 두께 개념을 도입 운영함과 동시에 Glass Beads의 수광면적 극대화와 함께 내구성 확보를 위한 Glass Beads와 Binder의 적정 Volume비를 이론적으로 설계함과 동시에 Glass Beads의 표면을 최적 코팅제 코팅하여 광투과 효율 상승을 유도하여 인가된 광량에 대하여 최대 광량이 투과되고 재귀 반사되도록 설계하는 기법 및 그를 이용한 칼라재귀반사 페인트 제법을 제공하고자 한다.

본 실시예의 Glass Beads는 통상 공기 중에서의 굴절률에 따라 ng=1.5~1.6(평균 1.53), ng=1.6~1.8, ng=1.93, ng=2.2, ng=2.41 등으로 분류되어 통용되고 있는 Solid type의 구형 유리체이다.

이들 구형 유리체는 굴절률에 따라 앞에서 서술한 바와 같이 페르마의 원리로 부터 유도된 스넬 법칙에 의하여 입사된 광이 집속되어 초점을 형성하게 되는 데, 이때 재귀 반사 페인트의 휘도 성능을 극대화시키기 위해서는 초점 위치에 반사층을 형성하도록 설계하는 것이 이론적으로 최적 설계 포인트이다.

따라서 최적 휘도 발현을 위하여 Glass Beads의 굴절률에 따른 촛점 위치가 어디에서 형성되는 지를 다음과 같은 이론 시험식에 의거 산출하여 촛점까지 빛이 투과될 수 있도록 가능한 한 광투과율이 높은 투명 수지로 촛점유도층 두께를 산출하여 투명수지 Binder량의 최소 한계량을 결정할 필요가 있다.

[식 4]

유리알촛점 거리 f=(ng*r)/(2(ng-1))=ng*D/(4(ng-1))

여기서, f : 촛점거리 (유리알 중심부터의 거리)

ng : 유리알의 굴절률 in Air

r : 유리알 반경

D : 유리알 직경

[식 5]

촛점유도층 두께(t) =f-r

여기서, t : 촛점유도층 두께( 유리알 최외면부터의 거리)

r : 유리알 반경

상기 식에 대입하여 Glass Beads의 공기 중의 굴절률에 따른 유리알 촛점거리 및 촛점유도층 두께를 산출하면 다음의 표 1과 같다.

표 1에서 알 수 있듯이, 공기 중의 굴절률(ng)=1.53인 Glass Beads는 입사광의 촛점 형성 위치가 Beads 최외면에서 Beads 반경(r)의 44.34% 떨어진 외곽에 형성되며 , 굴절률(nD=1.93)인 Glass Beads의 경우는 입사광의 촛점 형성 위치가 Beads 최외면에서Beads 반경(r)의 3.76% 떨어진 외곽에 형성되며 굴절률(nD=2.0) 이상에서는 입사광의 촛점이 Beads 내부에 형성되는 것을 알 수 있다.

촛점 유도층 두께 결정 설계법은 Glass Beads의 굴절률이 2.0 이상에서는 입사광의 촛점 형성 위치가 Glass Beads 내부이기 때문에 촛점 유도층 두께가 음수(-)를 갖기에 산출값을 그대로 사용하는데 에는 한계가 있다. 즉, 상기 Glass Bead는 Beads의 표면에 Binder가 Coating 되어있지 않은 순수한 Bare상태의 Glass Beads 표면이 공기 중에 노출되어 있을 때의 값이므로 Glass Beads가 재귀 반사 페인트에 함유되어 있는 실질 시스템에서는 상기 촛점 위치 계산에 의한 초점 유도층 두께 결정식을 다음과 같이 보정이 필요하다.

스넬법칙에 의거 Glass Beads의 굴절률(ng)는 유리알의 굴절률(ng)/공기(air) 즉, 유리알의 굴절률(ng)/1 이란 굴절률(nD) Index값을 갖게 되는 데 반하여 , Glass Beads가 재귀 반사 페인트에 함유되어 있을 때 , 필연적으로 Binder 성분이 Glass Beads표면에 Coating이 될 수밖에 없기 때문에 결국 유리알 굴절률 Index는 유리알 굴절률(ng)/ Coating 굴절률(nb)가 되는 데 , Coating의 굴절률(nb)는 공기 굴절률(air)=1 보다 크기 때문에 굴절률 Index는 낮아지게 되고 , 따라서, 촛점 위치는 더 멀리 형성될 수밖에 없게 된다.

Glass Beads의 표면에 굴절률( nb>1.0 ) 인 Coating이 될 경우의 촛점 유도층 두께 결정식은 다음과 같다.

[식 6]

[식 7]

t = D * f

한편, 상기한 바와 같이 Glass Beads와 같은 구형(球形) 광학체는 임의 매질 속에서의 광학체 표면 임계면에서 프리넬 반사에 의해 구면수차(Spherical Aberration)가 발생하여 빛이 반사 손실을 유발하여 입사광의 광투과 효율 저하에 의한 재귀 반사 휘도 저하를 개선하기 위하여 본 발명에서는 별도로 사전에 운영할 Glass Beads의 표면을 본 발명의 표면 코팅액으로 전처리함을 특징으로 한다.

따라서 본 실시예의 Glass Beads 표면 처리 코팅액의 굴절률 nt=1.39로 결정하고 , Binder의 굴절률 nb=1.486으로 결정하여 운영할 경우 , 상기 최적 촛점층 두께 상수(f) 및 최적 촛점층 두께(t)를 구하면 표 2와 같다.

표 2에서와 같이 알 수 있듯이 , Glass Beads가 공기 중(air=1.0) 매질에 접했을 때 보다 Coating 매질(nb,nt>1.0)에 접해있을 때 , 촛점거리가 확연하게 길어졌음을 알 수 있을 뿐만 아니라 , ng=2.0 이상인 Glass Beads 또한 형성되는 촛점이 Glass Beads의 최외면 밖에 형성됨을 알 수 있다.

또한, 본 발명의 최적 재귀 반사 페인트 설계를 위한 Binder 투입량 설계에 필요한 결정 변수를 구할 수 있다.

투명 Binder의 최소 배합 필요량 설계는 운영할 Glass Beads에 대한 상기와 같이 예측된 최적촛점층 두께(t)에 운영할 Glass Beads 투입량의 비표면적을 곱한 값의 1/2 값을 다음과 같이 투명 Binder의 배합 필요 Volume량을 설계할 수 있다.

참고로, Glass Beads의 비표면적 계산은 Glass Beads의 투입량, 단위중량 및 단위 표면적 관계식으로 유도하여 산출할 수 있는 데 이론적으로 3*투입량/(비중*직경) 식에 의해 도출해 낼 수 있다.

[식 8]

상기와 같은 설계법에 의거 선정된 Glass Beads의 굴절률 및 입경 Data에 의해 이론 최적 촛점층 두께(t) 및 산출된 이론 비표면적으로 부터 계산된 Binder의 최소 배합 필요 Volume량을 투입하여, 착색제, 반사체 및 침강방지제, 유동성 조절제, 레벨링제, 소포제 등등 Additives를 첨가하여 제조한 본 발명의 칼라 재귀반사페인트의 조성에 있어서 Glass Beads의 함유량은 제품 전체 중 Volume으로 45~55%가 되도록 설계하는 것이 최적의 칼라 재귀 반사 휘도 성능을 발휘하는 것으로 확인되었다.

본 실시예의 Glass Beads는 공기 중의 굴절률 ng=1.5~1.6 , ng=1.7~1.8 , ng=1.9~2.0 , ng=2.1~2.41인 Glass Beads를 단독 혹은 2종류 이상 병용하여 사용할 수 있으며 , 이들 Glass Beads의 직경은 40 ㎛ 이상 1,200 ㎛까지의 범위 내에서 최종 용도에 맞도록 그 범위를 선정하여 사용할 수 있다.

Glass Beads의 Volume 함유량이 45% 미만에서는 재귀 반사 기능을 부여하는 Glass Beads 표면에 과도한 도막이 형성되어 광투과량이 낮아지기 때문에 시인성을 확보하기 위한 재귀 반사 휘도가 낮아져 바람직하지 못하였으며 , 55% 이상의 경우에 시인성 향상에는 기여되지만 Glass Beads의 Binder에 대한 결합력 약화에 의한 내구성이 약해지기 때문에 바람직하지 못하였다.

본 실시에의 Glass Beads 표면 처리 코팅 신규 도입에 의한 Glass Beads의 표면 반사 손실률 감소에 따른 광투과 효율 증가 유도로 재귀 반사 휘도 증진법 도입 실시함을 특징으로 한다.

[식 9]

표면 반사 손실률 및 광투과 효율 계산식에 의거하여 임계면이 공기(air=1.0)일 때와 표면 처리 코팅액(nt=1.39) 일 때를 예를 들어 산출하면 다음과 같이 표 3으로 정리되어진다.

표 3에 도시된 바와 같이 Glass Beads 표면에 코팅액을 처리할 경우, Bare상태의 Glass Beads보다 광투과율 상승과 함께 획기적으로 광투과 효율이 Glass Beads의 굴절률(ng) 높아질수록 최소 2배에서 최대 7.6배가량 높아기기 때문에 , 동일한 입사 광량에 대하여 많은 광량이 입사되고 또한 재귀 반사되어 본 발명이 추구하고자 하는 재귀 반사 휘도를 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.

본 실시예의 Glass Beads 표면 처리 코팅액은 Tri Deca Fluoro octyl Ethoxy Silane , Heptadeca-Fluorodecyl tri mothoxy Silane , Heptadeca fluoro decyl triisopropyloxy Silane 등 Fluoro Alkoxy Silane 화합물 1종 혹은 2종 이상 및 이온 교환수 와 Sol-Gel catalyst로 구성된 Sol-Gel Ethanol coating액으로서 굴절률을 (nt)= 1.3~1.4로 Control한 투명 표면처리 코팅액이다.

Glass Beads 표면 처리 코팅액은 그 조성비를 특정하여 권리를 주장하고자 함이 아니기 때문에 상세한 조성비는 비공개로 하였으며 , 단지 Glass Beads에 표면 처리 코팅 시 , Glass Beads의 비표면적을 앞에서 기술된 바와 같이 산출하여 코팅의 두께( 100% 유효성분)를 0.1 ~ 0.3 ㎛ 되도록 Glass Beads에 균질 교반 Coating 후 , 상온에서 6시간 이상 자연 건조 후 , 120℃ Oven에서 2시간 경화시켜 해립화시키는 것을 특징으로 한다.

본 실시예의 Binder는 투명도 및 내후성이 좋은 Acryl Base의 Homopolymer 혹은 Copolymer류로서 methyl acrylate, Methyl metacrylate, Ethyl acrylate, Ethyl metacrylate, Butyl acrylate, Butyl metacrylate2-Ethyl hexyl acrylate, 2-Ethyl hexyl metacrylate, 2- Hydroxyl ethyl metacrylate, lauryl acrylate, N,N'-Dimethyl aminoacrylate 및 Acrylonitrile 등등 Acryl monomer류를 1개 혹은 2개 이상을 조합하여 굴절률 (nb)=1.450 ~ 1.500 범위 내이고, 광투과율이 70% 이상인 Emulsion Process 에 의해 제조된 Acrylic Emulsion Resin 혹은 이들 Monomer류의 Homopolymer 혹은 Copolymer류들의 Oilgomer류를 Acryl monomer로 Cut하여 제조한 굴절률(nb)=1.450 ~ 1.500 범위 내이고, 광투과율이 70% 이상인 반응성 Acryl Solution류 이라면 종류 및 Type에 관계없이 사용할 수 있다.

본 실시예의 굴절률(nb)=1.450 ~ 1.500 범위 내이고, 광투과율이 70% 이상인 Binder의 배합량은 상기와 같은 설계법에 의거 선정된 Glass Beads의 굴절률 및 입경 Data에 의해 이론 최적 촛점층 두께(t) 및 산출된 이론 비표면적으로 부터 계산하여 Binder의 최소 배합 필요 Volume량이 ,본 발명의 칼라 재귀반사 페인트의 제품 전체 중 Volume량으로 39~43%가 되도록 설계하는 것이 최적의 칼라 재귀 반사 휘도 성능을 발휘하는 것으로 확인되었다.

또한, 본 실시예의 Binder의 Volume %가 39% 이하일 경우 , Glass Beads의 함량이 과도하여 내구성에 문제가 있으며 , 43%이상의 경우에는 Glass Beads의 입사 수광 면적이 낮아져 재귀 반사 휘도 성능이 나빠지기 때문에 바람직하지 못한 것으로 확인되었다.

재귀 반사 성능에 주요 핵심 요소인 Glass Beads의 촛점위치에 입사광 반사를 시킬 수 있는 반사체가 적절하게 배열할 수 있도록 하는 설계법이다.

반사체의 종류로는 , 광반사율이 높은 TiO2 무기 안료 , 각종 Pearl류, Colored pearl류 및 Aluminium Flake, Silver Flake ,Copper Flake 등등 Metal Flake류 다양하게 이용할 수 있다.

그러나 이들 반사체의 입자크기가 너무 작을 경우 , Glass Beads로 입사광이 투과되어 촛점을 형성하기 위해 필요한 Binder의 불투명도를 증가시켜 입사광을 흡수하는 양이 많아지는 경향과 더불어 Glass Beads 표면에 과도하게 부착되어 역시나 광투과율을 저하시킴으로 인하여 재귀 반사 휘도를 나쁘게 한다.

따라서 본 발명에 있어서 반사체의 첨가량 결정은 많은 시험을 통하여 반사체의 입자크기가 사용된 Glass Beads 직경(D)의 1/10 ~ 3/10 입경이 되도록 입자 크기를 관리해야 함과 동시에 첨가량은 Volume %로 재귀 반사 페인트 제품에 대하여 4.0~8.0 %가 되도록 설계하는 것이 최적의 칼라 재귀 반사 휘도 성능을 발휘하는 것으로 확인되었다.

본 실시예의 반사체의 입자 크기가 Glass Beads 직경(D)의 1/10보다 작을 경우 Binder의 투명도를 낮추어 광투과량을 작게 함과 동시에 Glass Beads의 표면 부착 면적이 높아져 Glass Beads의 수광면적을 낮추어 재귀 반사 휘도를 저해할 수 있으며 Glass Beads 직경(D)의 3/10보다 클 경우 반사체 면적이 낮아져 역으로 재귀 반사 휘도가 낮아지는 것을 발견하였다.

한편, 반사체의 첨가량에 있어서 , 4.0 volume % 이하에서는 반사체의 면적이 낮아져 재귀 반사율이 낮아져 바람직하지 못하였으며 , 8.0 volume % 이상에서는 역으로 Binder의 투명도 감소 및 Glass Beads의 표면 부착율 증가에 의한 수광면적 감소에 의한 재귀 반사 휘도 성능이 감소됨을 발견하게 되었다.

본 실시예의 재귀 반사가 주간 및 야간의 칼라가 동일하게 함과 동시에 재귀 반사 페인트의 착색력을 향상시키기 위하여 유기 안료 및 염료 등 착색제를 그 종류에 관계없이 사용할 수 있다.

착색제의 입도는 광투과성에 영향을 덜 받도록 입자 크기가 0.5 ㎛ 이하로 분산시켜야 본 발명의 목적에 부합되며 첨가량은 재귀 반사 페인트 제품에 대하여 Pigment Net량의 0.5 ~1.0 Volume %가 적정하다.

착색제의 입자 크기가 0.5㎛ 보다 클 경우 , 입사광의 파장 550㎚ 보다 크기 때문에 광투과율이 낮아져 Binder의 투명도 감소에 따른 광투과율이 훼손됨과 동시에 Glass Beads의 광투과성을 훼손하여 결국 재귀 반사 휘도를 떨어뜨리기 때문에 바람직하지 못하다.

또한, 착색제의 첨가량 범위인 0.5 volume % 이하 및 1.0 volume % 이상에서의 하한값 및 상한값의 거동은 앞서 명기한 반사체와 동일한 영향을 미치기 때문에 세심한 첨가량 범위 관리가 필요하다.

본 실시예의 재귀 반사 페인트의 구성 성분 상, 비중이 2.4~4.5 범위인 glass beads의 비중이 높기 때문에 이들 Glass Beads의 저장 중 침강을 방지하기 위하여 Bentonite , Fumed Silica 및 Urea type의 유기 침강 방지제, Urea-Urethane Copolymer 유기 침강 방지제를 단독 혹은 병용하여 운영할 수 있으며 , 기타 소포제 레벨링제 등등 Additive를 첨가하여 제품의 완성도를 높일 수 있다.

< Binder 및 코팅액 굴절률 측정 >

◆ 굴절률 측정 : ABBE 굴절률 측정기

ATAGO , Japan

< Glass Beads의 입경 측정 >

◆ 입경 측정 : PEAK 2034 Microscope

< 칼라 재귀 반사 휘도 평가 >

◆ 시편 제조 : 가로 X 세로 = 20 ㎝ X 30 ㎝ MDF Plate위에

재귀 반사 페인트를 적정량 붓고

Applicator(Tester sangyo)로

Wet thickness 4 mil( 100㎛) Coating 후

상온에서 자연 건조

◆ 재귀반사 휘도 : 조명 ; 1300 루멘

측정거리 ; 1 Meter

측정 각도 ; 1도

측정기기 ; Konica Minolta LS-100

측정 단위 ; Cd/㎡

< Glass beads 표면처리 예 1 >

20리터 자전과 공전을 하는 Mixer기에 굴절률(ng)=1.93, 입경(D)=50 ㎛ 인 Glass Beads(비중 4.2)를 1,000 그램을 투입 후 , 50 rpm으로 교반하면서 당사의 투명 표면처리 코팅액 SFS-1500 Sol-Gel Coating (nt=1.39) 을 4.3그램(NV=100%)을 약 5분간에 걸쳐 분무 투입하여 투입이 종료된 시점에서 약 10분간 교반 후, 스테인리스 쟁반에 추출하여 , 대기 중에서 약 6시간 자연 건조를 실시한다.

이후, 120℃ 로 조정된 열풍 순환식 오븐에 넣고 동 온도에서 약 2시간 동안 Curing을 실시한 뒤 취출하여 싱온 방랭 후 170 mesh로 해립화를 실시하여 약 0.15㎛ Coating 표면 처리된 ng=1.93 glass beads 시료를 얻었다.

< Glass beads 표면처리 예 2 >

Glass beads 표면 처리 예1 과 동일한 공정으로 굴절률(ng)=1.53, 입경(D)=70 ㎛ 인 Glass Beads(비중 2.4) 1,000 그램에 투명 표면 처리 코팅액 SFS-1500 Sol-Gel Coating을 5.4 그램 처리하여 0.15㎛ Coating 표면 처리된 ng=1.53 glass beads 시료를 얻었다

< Glass beads 표면처리 예 3 >

Glass beads 표면 처리 예1 과 동일한 공정으로 굴절률(ng)=2.2, 입경(D)=50 ㎛ 인 Glass Beads(비중 4.5) 1,000 그램에 투명 표면 처리 코팅액 SFS-1500 Sol-Gel Coating을 4.0 그램 처리하여 0.15㎛ Coating 표면 처리된 ng=2.2 glass beads 시료를 얻었다

< 착색제 제조 >

Alpha Lab Zeta RS 미세 분산기에 glycerine 과 Sufactants를 Base로 하여 Pigment 농도를 20 wt%되도록 Premixing된 Pigment Base 500 그램을 투입하여 입자 Size가 0.5 ㎛ 이하 되도록 분산시켜 Color별 착색제 Paste를 제조하였다. 착색제 Color별 사용한 Pigment는 백색( Dupont, R-902 TiO2), 황색( BASF , Paliotol Yellow L 0962 HD), 적색( BASF, Irgazin Red L 3670 HD), 청색( BASF , Heliogen Blue L 6930), 녹색(BASF, Heliogen Green L 9361)을 각각 사용했으며, 각 Color 별 착색제로 사용하였다.

< 실시 예 1 >

먼저, Glass beads 표면처리 예1에서 얻은 0.15㎛ Coating 표면 처리된 ng=1.93,입경(D)=50 ㎛ glass beads를 사용하고, Binder로 Acryl Copolymer Emulsion (nb=1.486)을 사용하여 칼라 재귀 반사 페인트를 제조함에 있어서, 식 6, 식 7 및 식 8을 활용하여 Binder 최소 필요 Volume량을 설계하였으며 , 반사체 , 착색제 침강 방지제 및 기타 Additives를 첨가하여 배합을 설계한 결과를 요약하면 표 4와 같다.

본 발명의 실시 예1에 있어서, 최적의 재귀 반사 휘도 구현을 위한 설계 배합에 준하여 , 500 CC 스테인리스 Vessel에 Acryl Binder 40.94 volume %, Yellow L0962HD 20% Paste를 Net Volume 0.97%되도록 투입 후 교반기로 약 200 rpm으로 5분간 균질 교반 후 Benton-38 0.19 volume % , Tafigel PUR-60 0.97 Volume%를 투입하여 동일한 rpm으로 약 5분간 교반 후 이어서 Glass Beads의 직경(D)의 3/10 size인 입자 크기가 15㎛ Max인 Iriodin 110 Pearl 5.15 Volume% 및 소포제, 레벨링제를 0.64 volume %를 투입하여 100rpm으로 교반 속도를 낮추어 약 5분간 교반한 후 , 표면 처리된 Glass Beads 51.14 volume %를 교반하면서 투입하여 투입이 완료된 후 약 10분간 교반 후 취출하여 본 발명의 실시 예1의 황색 재귀반사 페인트 시료로 하였다.

< 실시 예 2~4 >

실시예2는 실시 예1에서 착색제만 Red L3670D로 대체 , 실시 예3은 착색제만 Blue L6930로 대체, 실시 예4는 착색제만 Green L9361로 대체하고 모든 배합 및 공정은 동일하게 실시하여 본 발명의 적색 재귀 반사 페인트 , 청색 재귀 반사 페인트 및 녹색 재귀 반사 페인트 시료로 하였다.

< 실시 예 5 >

실시 예5에서는 실시 예1 배합에서 Acryl Binder를 Acryl oligomer를 Acryl monomer로 Cut한 반응성 Acryl Solution으로 대체하고, 착색제로 백색(TiO2) 로 대체한 것 이외에 동일한 배합 및 공정으로 실시하여 제조한 본 발명의 실시 예5 백색 반응성 Acryl 재귀 반사페인트 시료로 하였으며, 운영 시 Radical 가교제로 실시 예5 시료 100 중량 대비 BPO Paste를 4 parts 투입하여 1분간 균질 교반 후 Coating하여 응용시험을 실시하였다.

< 실시 예 6 >

실시 예6에서는 실시 예5 배합에서 표면처리 실시 예1의 Glass Beads와 표면처리 실시 예2의 Glass Beads를 Volume으로 2 : 1로 혼합 운영한 것 이외에는 실시 예5와 동일한 배합 및 공정 그리고 응용 시험을 실시했다.

< 실시 예 7 >

실시 예7에서는 실시 예5 배합에서 표면처리 실시 예1의 Glass Beads와 표면처리 실시 예3의 Glass Beads를 Volume으로 2 : 1로 혼합 운영한 것 이외에는 실시 예5와 동일한 배합 및 공정 그리고 응용 시험을 실시했다.

< 비교 실시 예 1 >

비교 실시 예1에서는 실시 예1배합에서 Glass Beads를 표면처리 하지 않은 Bare상태의 Glass Beads로 대체 한 것 이외는 동일한 배합 및 공정으로 실시하여 비교 실시 예1의 시료로 사용하였다.

< 비교 실시 예 2 >

비교 실시 예2에서는 실시 예1 배합에서 Acryl Binder의 배합량을 1.5배하여 운영한 것 이외는 동일한 배합 및 공정으로 실시하여 비교 실시 예2의 시료로 하였다.

< 비교 실시 예 3 >

외국의 칼라 재귀 반사 페인트의 Technical report상의 주야간 휘도 및 Color 발현 자료(도 3) 이상의 실시 예 및 비교 실시 예의 시료에 대한 본 발명의 목적인 재귀 반사 휘도 성능 및 주야간 Color 변화에 관하여 평가를 실시한 결과를 도 4와, 표 5에 명기하였다.

이상의 시험을 통하여 표 5에서 알 수 있듯이, 비교예와 같이 Glass Beads의 표면 처리 없이는 광투과 효율이 낮아져 재귀 반사 휘도 발현이 낮았으며, 또한 최소 필요 Volume량 보다 많을 경우, Glass Bead의 수광 면적을 감소시켜 휘도가 낮아졌고 또한, 비교 실시 예3[도-7]과 같이 주간 황색이 야간 반사시에 백색의 휘광으로 주야간 색 불일치가 유발되는 단점 없이 ,본 발명의 실시 예 1~7의 결과에서 칼라 재귀 반사 페인트의 명도가 밝을수록 재귀 반사 휘도 성능이 상승됨을 알 수 있었으며, 명도가 가장 낮은 적색 재귀 반사페인트 휘도 성능 또한 550 cd/㎡ 이상 발현되었고, 주간의 색과 야간 반사색 발현이 거의 일치되었다.

이에, 본 발명의 목적인 야간 운전 시에 도 4에서와 같이 재귀반사 칼라가 주간 색과 거의 동일하게 밝은 칼라로 구현되어 운전자에게 시각 인지를 밝은 빛반사 칼라 시인성을 제공함으로서, 난부착성 콘크리트 시설물 및 철제 시설물 등의 수직 피착 대상면인 국도 및 지방도의 곡선구간, 낙하 위험 방지 시설물과 고속도로 및 도심 도로의 충돌방지용 방호 시설물과 중앙 분리대 시선 유도 및 각종 교통 진입로 경계부에 손쉽게 도색할 수 있는 칼라재귀반사 페인트 설계법 및 제조법이 합당한 것으로 판단된다.

본 실시예의 페인트는, 국도 및 지방도의 곡선 구간 , 낙하 방지 시설물, 충돌 방지용 방호 시설물 및 중앙 분리대 시선 유도 및 각종 교통 진입로의 경계부에 도색된다.

본 발명은 도면에 도시되는 일 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

또한, 컬러 재귀 반사 기능을 구비하는 고휘도 페인트 및 이의 제조방법을 예로 들어 설명하였으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 컬러 재귀 반사 기능을 구비하는 고휘도 페인트 및 이의 제조방법이 아닌 다른 제품에도 본 발명의 페인트 및 이의 제조방법이 사용될 수 있다.

따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.

Claims (5)

1. 45~55 Volume%로 포함되는 Fluoro Alkoxy Silane 화합물 1종 혹은 2종 이상 및 이온 교환수와 Sol-Gel catalyst로 구성된 Sol-Gel coating액으로서 굴절률을 (nt)= 1.3~1.4로 Control한 투명 표면처리 코팅액으로 코팅한 Glass Beads와, 39~43 Volume%로 포함되는 Acrylic Emulsion Resin 혹은 반응성 Acryl Solution 류의 Binder와, 4~8 Volume%로 포함되는 반사체와, 0.5~1.0 Volume%로 포함되는 착색제와, 1.0~2.0 Volume%로 포함되는 침강방지제와, 0.5~1.0 Volume%로 포함되는 첨가제를 포함하는 것을 특징으로 하는 컬러 재귀 반사 기능을 구비하는 고휘도 페인트.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 페인트는, 국도 및 지방도의 곡선 구간 , 낙하 위험 방지 시설물 , 충돌 방지용 방호 시설물 및 중앙 분리대 시선 유도 및 교통 진입로의 경계부에 도색되는 것을 특징으로 하는 컬러 재귀 반사 기능을 구비하는 고휘도 페인트.
   
3. Fluoro Alkoxy Silane 화합물 1종 혹은 2종 이상 및 이온 교환수와 Sol-Gel catalyst로 구성된 Sol-Gel coating액으로서 굴절률을 (nt)= 1.3~1.4로 Control한 투명 표면처리 코팅액으로 코팅한 Glass Beads와, Acrylic Emulsion Resin 혹은 반응성 Acryl Solution 류의 Binder와, 반사체와, 착색제와, 침강방지제와, 첨가제를 포함하는 컬러 재귀 반사 기능을 구비하는 고휘도 페인트 제조방법에 있어서,
   상기 Glass Beads의 굴절률 값과 입경 값, 상기 Binder의 굴절률 값으로부터 컬러 재귀 반사 휘도를 얻기 위한 상기 Glass Beads의 Volume과 상기 Binder 성분의 Volume 비를 판단하는 것을 특징으로 하는 컬러 재귀 반사 기능을 구비하는 고휘도 페인트 제조방법.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 Glass Beads의 Volume과 상기 Binder 성분의 Volume 비는,
   

   

   
   
   

   

   
   에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 컬러 재귀 반사 기능을 구비하는 고휘도 페인트 제조방법.
   
5. 삭제

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