KR102174294B1 - 3차원 형상물의 나노 무기 도막 형성방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고기능성 나노 무기조성물을 이용하여 미세한 사이즈의 박막을 3차원 형상을 갖는 입체형상물에 형성하는 방법에 관한 기술이다. 상기의 고기능성은 주로 표면경도, 마모특성을 포함하는 기계적 특성이 우수하고 내수 및 내산, 내알칼리 등 화학적으로 매우 안정된 특성을 가지며 무기소재로 구성되어 열적 안정성이 매우 우수한 특성을 갖고 있다. 또한 코팅방법에 따라 초친수와 친수, 소수특성의 기능제어가 가능하며 박막코팅에 따라 표면의 내오염 및 이지클린(Easy-Clean)특성이 매우 뛰어나며 광투과성 및 광의 반사율 등에 있어 광학적으로 뛰어난 특성을 갖는다.

Description

3차원 형상물의 나노 무기 도막 형성방법{Method of forming nano-inorganic film of three-dimensional object}
본 발명은 고기능성 나노 무기조성물을 이용하여 미세한 사이즈의 박막을 3차원 형상을 갖는 입체형상물에 형성하는 방법에 관한 기술이다. 상기의 고기능성은 주로 표면경도, 마모특성을 포함하는 기계적 특성이 우수하고 내수 및 내산, 내알칼리 등 화학적으로 매우 안정된 특성을 가지며 무기소재로 구성되어 열적 안정성이 매우 우수한 특성을 갖고 있다. 또한 코팅방법에 따라 초친수와 친수, 소수특성의 기능제어가 가능하며 박막코팅에 따라 표면의 내오염 및 이지클린(Easy-Clean)특성이 매우 뛰어나며 광투과성 및 광의 반사율 등에 있어 광학적으로 뛰어난 특성을 갖는다.
나노코팅기술은 주로 반도체와 디스플레이와 같이 매우 정밀한 기술분야에 CVD나 스퍼터와 같은 고가의 장비를 이용하여 코팅하는 나노미터 두께의 높이로 박막을 형성하기 위해 사용되어 왔다. 하지만 최근 나노소재의 개발과 함께 일반 코팅방법을 통하여 나노미터 두께의 코팅을 할 수 있도록 연구개발이 진행되고 있는 실정이다.
특히 최근 개발된 웰쳐화인텍의 FC 코팅제의 경우 수 나노의 입자로 이루어진 소재를 이용하여 일반적인 스프레이, 스핀코팅, 바코팅, 슬롯다이코팅 방법등을 통하여 나노두께의 코팅을 하는 것을 대한민국 등록특허 제10-1735383호를 통하여 무기도료 조성물과 무기도막을 형성하는 방법에 대하여 설명하고 있다.
그러나, 상기의 특허에 나타난 나노 무기 소재의 경우 고형분의 양이 수십wt% 이상으로 이루어져 수백~수천나노 미터 두께로 코팅되고 있어 일반 코팅방법을 통하여 코팅 시 백화현상이나 열처리 시 마이크로 크랙이 발생하는 등의 문제가 발생하며 도막의 두께가 두꺼워질수록 도막형성이 어려울 뿐만 아니라 열처리 후 상기와 같은 마이크로 크랙이나 백화현상이 쉽게 발생하는 것을 알 수 있다.
특히, 강판이나 유리와 같은 2차원 형상의 모재에 대한 코팅은 비교적 용이하게 할 수 있으나 입체형상을 갖는 3차원 형상물에 대해서는 스프레이, 디핑, 바코팅 등 각각 하나의 코팅방법만으로는 입체적인 형상에 전반적으로 균일한 도막을 형성하기 어렵고 대량생산을 위한 자동화에 어려운 문제점이 있었다.
또한, 컵, 식판, 텀블러, 접시, 그릇류와 같이 입체형상을 같은 식기류의 경우 코팅 도막을 형성하기 위해서는 사람이 직접 수동으로 코팅을 해야 하는 어려움이 있어 대량 생산을 위한 자동화 공정에는 한계가 있었다.
또한, 일반적으로 원통형상은 관(pipe)을 말할 수 있고 관은 일상생활이나 산업현장에서 광범위하게 사용되는 자재인데, 일례로 상수도관 또는 하수도관으로 사용되는 주철관, 강관 및 콘크리트관 등과 최근 개인적으로 많이 사용하고 있는 컵과 텀블러 등도 원통형상을 가지고 있다. 이러한 원통형상을 갖는 매체들은 내부 부식을 방지하고 관 내부에서 유동하는 유체의 흐름을 원활하게 유지하기 위해서 다양한 재질의 코팅재로 내부를 코팅하여 사용하고 있지만 강관과 텀불러, 컵 등이 갖는 원통형상의 내부코팅 도막을 형성하는 것에 많은 어려움이 있어 왔다.
대한민국 등록특허 제10-1735383호 대한민국 등록특허 제10-1414019호
상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 본원 발명의 목적은 소재에 포함된 고형분의 양을 10wt% 이하로 점도를 낮추고 용매인 물의 양을 그에 상응하도록 높여 열처리에 의하여 자연적으로 수십 나노 두께의 나노 박막을 형성하는 방법의 제공함으로서 코팅 도막형성을 용이하게 함으로서 기존 발명의 문제점을 해결하고자 하였다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 원통형상의 매체 또는 노즐을 전진 및 후진시키면서 원통형상의 내부를 균일하게 코팅할 수 있으며, 오목 또는 볼록 형상의 입체형상 매체에 대해서는 단위 면적당 노즐의 개수와 노즐 팁의 각도 및 회전력을 제어하여 균일하게 코팅 도막을 형성하는 코팅 장치 및 방법을 제공함에 있다.
상기의 문제를 해결하기 위한 수단으로 하나 이상의 코팅방법을 활용함으로서 입체형상을 갖는 모든 내·외부 표면에 균일한 도막을 형성할 수 있는 코팅 장치 및 방법을 제공한다.
특히 본 발명에서 활용하는 나노 무기조성물은 도막의 두께가 수 마이크로미터와 매체에 따라 수백나노미터 이하에서 양호한 품질을 갖기 때문에 가능한 균일성을 확보하면서 박막을 형성할 수 있도록 디핑방식 또는 일정한 압력 하에서 일정량의 조성물만이 표면에 부착될 수 있도록 특화된 스폰지 등을 활용하고 이때 도막두께의 차이에 의해 발생할 수 있는 색깔 즉 무지개 빛 등을 제거하기 위하여 공기압의 적하방식인 스프레이를 통한 코팅 도막형성 방식을 추가 하여 코팅의 품질을 균일하게 하였다.
이를 도면과 함께 상세히 설명하면, 상기의 과제를 해결하기 위한 수단으로서의 나노 무기 조성물은,
하기 화학식으로 표시되는 알칼리 금속산화물(M2O)인 산화나트륨(Na2O), 산화칼륨(K2O), 산화리튬(Li2O) 중 적어도 하나 이상 포함되고; 무기산 화합물; 및 물(H2O);을 포함하며;
하기 화학식에서, 알칼리 산화금속들의 몰수인
Figure 112019037433756-pat00001
고, 실리카의 몰수인
Figure 112019037433756-pat00002
며;
[화학식]
Figure 112019037433756-pat00003
상기 화학식의 나노무기조성물 100중량부에서 (M2O+ySiO2)은 0.1~10 중량부이고 무기산 화합물 0.01 ~ 2 중량부와 나머지의 물을 포함하도록 하여 제조한다.
상기 제조된 나노 무기조성물을 이용하여 도막 두께를 수십 나노 미터에서 수백 나노미터 수준으로 낮춤으로서 도막내의 공기층의 형성을 감소시키고 1차 열처리(건조) 온도를 110℃에서 90℃로 낮추어 진행함으로서 온도상승에 따른 물의 증기화에 의한 공기층의 형성을 방지함으로서 결함을 감소시켜 내구성을 향상시키고자 하였다.
또한, 피 코팅 모재의 무광 또는 유광 효과를 구현시키거나 헤이즈를 통한 반투명, 불투명 등이 필요한 모재에 대해서는 모재 또는 주변의 온습도를 제어하여 스프레이 방식으로 도막형성을 함으로서 달성할 수 있다.
본 발명을 통하여 부분적인 입체형상을 갖는 매체, 즉 오목 또는 볼록한 형상을 갖는 경우는 단위면적에 대하여 노즐의 갯 수를 제어하여 도막 두께와 균일도를 제어하고 노즐의 각도를 제어하여 코팅 시 오목과 볼록한 모재의 나노 무기조성물의 부착 사각지역을 없애고 노즐을 회전시킴으로서 코팅하고자 하는 모든 면에 균일한 코팅면이 형성될 수 있도록 하였으며 특히 원통형 매체의 경우 노즐 또는 원통매체의 회전을 이용하여 균일성을 확보하였다.
또한 원통 형상이 경우 원통 내부에 노즐을 삽입하여 전진 또는 후진하는 과정에서 노즐이 회전하면서 코팅 도막이 형성될 수 있도록 하였다.
본 발명에 따른 나노 무기 조성물을 사용하여 형성되는 나노 크기의 무기 코팅 도막은 모재의 종류에 관계없이, 특히 금속재 및 비금속재의 표면들과의 결합력이 강하여 모재와의 접착력 및 부착력 등이 우수하고 오랜 시간이 지나도 코팅막이 모재로부터 이탈되는 문제가 없다.
또한, 상기 무기계 코팅막은 친수성 코팅막으로서 유기물질 등과 결합력이 약하여 유기계 오염물질들이 잘 묻지 아니하고, 나아가 유기계는 물론 기타의 오염 물질들의 제거가 용이하여 다른 작업을 가하지 않고 코팅막 표면에 단지 물을 흘려주는 것만으로도 오염물질이 쉽게 제거되는 효과가 있다. 특히 식기류와 같은 모재의 경우 세정제를 사용하지 않고 물만으로 세척이 가능하여 환경 친화적이며 세정 시 사용되는 물의 양을 절약하고 세척에 필요한 시간을 절약할 수 있는 장점이 있다
또한, 무기계 도막의 특성상 강한 내후성, 내구성, 내약품성, 내마모성, 표면의 고경도, 원적외선 방사, 불연성, 내약품성, 내식성 등이 뛰어나고 항균성도 우수한 나노 무기 조성물 및 이를 이용한 무기계 코팅막이 제공되어 내스크래치성 뿐만 아니라 대장균 등의 항균특성으로 인체에 매우 적합한 특성을 갖는다.
또한, 용매로 물을 사용하기 때문에 조성물의 제조과정 및 코팅과정에서 오염물질이 발생하지 않아 친환경적이고, 그 수명이 반영구적인 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 의한 코팅장치를 나타내는 평면도
도 2 내지 도 6는 도 1의 코팅장치의 각 구성요소
도 7 및 도 8은 본 발명에 의한 코팅장치의 사용상태도
도 9는 본 발명에 따른 조성물의 삼각분석도
도 10은 본 발명의 이지크린(Easy-Clean) 특성 실시예
도 11은 본 발명에 따른 헤이즈 실시예
도 11은 본 발명의 스프레이에 의한 도막형성 실시예
도 12는 본 발명에 따른 두께측정도
이하, 본 발명의 나노 무기 조성물 및 이를 이용한 입체 형상물의 코팅방법에 대해 상세히 설명하도록 한다.
본 발명의 다양한 특성을 갖는 나노 무기 조성물은,
하기 화학식으로 표시되는 알칼리 금속산화물(M2O)인 산화나트륨(Na2O), 산화칼륨(K2O), 산화리튬(Li2O) 중 적어도 하나 이상 포함되고 ; 무기산 화합물; 및 물(H2O);을 포함하며;
[화학식]
Figure 112019037433756-pat00004
상기 화학식 (x1Na2O+x2K2O+x3Li2O)·ySiO2에서는,
Figure 112019037433756-pat00005
,
Figure 112019037433756-pat00006
를 만족한다.
상기 화학식으로 표기되는 나노무기조성물((x1Na2O+x2K2O+x3Li2O)·ySiO2·nH2O) 100 중량부에서 (M2O+ySiO2)은 0.1~10 중량부이고 무기산 화합물 0.01 ~ 2 중량부와 나머지의 물을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 화학식으로 표현된 조성물은 요구되는 기능성과 코팅방법 및 코팅장치에 따라 분산제와 촉매제 그리고 계면활성제 등이 추가로 포함될 수 있다.
상기의 코팅장치에 따른 조성물의 변경은 전처리장비에 따라 달라질 수 있으며 특히, 모재 표면의 친수여부에 따라 계면활성제를 포함시켜 부착특성을 개선시키고, 색상을 위한 칼라안료의 분산을 향상시키기 위해 분산제를 더 포함할 수 있으며 조성물의 생산시간 단축 및 화학반응의 촉진 등을 위해 촉매제를 추가로 포함시킬 수 있다.
상기 첨가되는 용매(물+무기산화합물)의 양은 첨가 되는 알칼리 산화금속의 용매에 대한 용해도 보다 크며, 무기산 화합물은 주로 인산 또는 붕산을 사용한다.
본 발명의 나노 무기 조성물은 상기 화학식으로 표시되는 x1Na2O, x2K2O, x3Li2O 중 1종 또는 2종 그리고 3종을 모두 포함하여 제조할 수 있다. 즉, 본 발명은 상기 화학식에 나타난 산화 알칼리 금속 중 적어도 하나 이상을 포함함으로써, 모재와의 접착력 또는 부착력을 높이면서도 코팅박막의 이지클린(easy-clean) 특성, 방오성, 내수성 및 기계적 및 화학적 특성을 포함한 다양한 고기능성을 향상시키는 나노 무기 조성물을 구현할 수 있다.
본 발명의 상기 화학식에서 X는 나노 무기조성물에 포함되는 알칼리 산화금속(M2O)들의 몰수이며 y는 실리카(SiO2)의 몰수로서 실리카의 몰수는 항상 알칼리 금속의 몰수보다 크거나 같은 것으로
Figure 112019037433756-pat00007
를 만족하여야 하며, 산화나트륨(Na2O)의 몰수 x1, 산화칼륨(K2O)의 몰수 x2, 산화리튬(Li2O)의 몰수 x3중에서 상기 X(X=x1+x2+x3)는 항상 0보다 큰 수로서 X〉0를 만족하며, 각각의 알칼리 산화금속들은 0보다 크거나 같은 수로서
Figure 112019037433756-pat00008
와 같이 표현할 수 있다.
또한 기존 발명에서는
Figure 112019037433756-pat00009
와 같이 Na2O를 50% 이상 포함하는 나노무기조성물로 제조 되어 도막두께가 일정 이상이 될 경우 도1과 도8에 관찰되는 것처럼 백화현상의 원인이 되고 소성시 공기층을 발생시키는 원인이 되는 물질로서 본 발명의 제조예 4와 제조예 5를 통하여
Figure 112019037433756-pat00010
의 식을 만족시킬 수 있도록 제조할 경우 광학특성, 친수특성 및 내수성(내구성)에서 만족스러운 결과가 나타났으며 Na2O의 최적의 함량은 X(X=x1+x2+x3)와 대비하여 30±10% 임을 실시예를 통하여 알 수 있었다.
또한, 실시예에서 산화 알칼리 금속을 혼합하기 위해 산화 알칼리 금속과 실리카의 몰비(y/X)는 3~4에서 가장 안정적이며 백화현상에 강하고 내수성 및 내열성을 갖게 됨을 알 수 있다.
나노 무기조성물의 고형분(M2O+ySiO2)과 용매(물+무기산화합물)의 비율은 제조예 4, 5에서 나타난 바와 같이 고형분이 10wt% 이하에서 광학특성과 내구특성이 매우 향상되는 것을 실시예를 통하여 알 수 있다.
특히, 용매(물+무기산화합물)의 경우 인산과 붕산을 요구되는 특성에 따라 포함시켜 사용할 수 있으며 2% 이상 첨가할 경우 젤 형태화되어 요구되는 나노무기조성물의 특성에 부합되지 않는다.
상기 나노무기조성물((x1Na2O+x2K2O+x3Li2O)·ySiO2)은 화학식에 나타난 바와 같이, 중심금속 원자에 다른 비금속 원소가 치환하여 규소(Si)와 다른 원자 간의 단일결합(Single bond)을 이중결합(Double)으로 만들고 망목 구조가 생성되어 규산염과 축합반응을 함으로서 규산염에 붙어 있는 수산화이온(-OH)이 다른 이온으로 치환 및 해리되는바 물의 침투를 막아주어 내수성을 향상시키는 메커니즘으로 예상된다.
또한, 금속산화물의 부피변화를 포함한 각각의 금속산화물의 서로 다른 특성에 따라 또는 요구되는 기능성에 따라 첨가되는 금속산화물의 함량을 직접적으로 제어함으로서 요구되는 기능성의 최적화를 이루고자 하였다.
또한, 상기 나노 무기조성물의 PH는 11이하일 경우 고형화가 진행되어 제조에 어려움이 있으며 13이상이면 다양한 기능성이 감소되어 11~13사이의 PH가 가장 적합하다.
또한, 상기 나노 무기조성물의 박막 표면의 접촉각은 20° 이하의 친수특성을 나타내며 이지클린(Easy-Clean) 특성을 갖는다.
또한, 상기의 나노 무기조성물은 헤이즈(탁도)를 제어하여 광택도를 유광 또는 무광형태로 할 수 있으며 투명기판의 경우 반투명과 불투명 등 다양하게 헤이즈(탁도)를 구현시킴으로서 소비자의 요구를 만족시킬 수 있다.
본 발명에서 산란도와 헤이즈 그리고 탁도는 동일한 의미를 갖는 것으로 투명기판의 투명도에 따라 달라지는 투명상태를 나타내는 것이며 유광 또는 무광등과 같이 코팅 표면의 광택도를 나타내는 의미로 사용될 수도 있다.
본 발명에서는 유리와 같은 투명기판에 상기의 나노 무기조성물을 이용하여 코팅 도막을 형성할 경우 일반적인 맑고 깨끗한 유리와 같이 광투과도가 80%이상의 헤이즈가 없는 투명한 헤이즈 1단계와 70%의 투과도를 헤이즈 2단계, 60%의 투과도를 헤이즈 3단계, 50%의 투과도를 헤이즈 4단계, 40%의 투과도를 헤이즈 5단계, 30%의 투과도를 헤이즈 6단계, 20%의 투과도를 헤이즈 7단계, 10%의 투과도를 헤이즈 8단계, 완전불투명을 헤이즈 9단계로 정의하여 나타내면 헤이즈 1에서 헤이즈 9단계에 이르기 까지 전 영역에 코팅 박막을 형성할 수 있다.으로서 규산염에 붙어 있는 수산화이온(-OH)이 다른 이온으로 치환 및 해리되는바 물의 침투를 막아주어 내수성을 향상시키는 메커니즘으로 예상된다.
상기의 코팅장치에 따른 조성물의 변경은 전처리장비에 따라 달라질 수 있으며 특히, 모재 표면의 친수여부에 따라 계면활성제를 포함시켜 부착특성을 개선시키고, 색상을 위한 칼라안료의 분산을 향상시키기 위해 분산제를 더 포함할 수 있으며 조성물의 생산시간 단축 및 화학반응의 촉진 등을 위해 촉매제를 추가로 포함시킬 수 있다.
200g 제조 시
구분 제조예 1
(중량부)		 제조예 2
(중량부)		 제조예 3
(중량부)		 제조예 4
(중량부)		 제조예 5
(중량부) G

고형분



 ySiO2 (몰수) 0.3327 0.3216 0.3206 0.105 0.206
x1+x2+x3 (몰수) 0.0916 0.0847 0.0818 0.027 0.051
M2O 몰분율 Na2O 0.5151 0.416 0.417 0.338 0.28
K2O 0.3031 0.334 0.214 0.397 0.38
Li2O 0.1818 0.25 0.369 0.265 0.34
몰분율 합계 1 1 1 1 1
Molar ratio (y / x) 3.63 3.7968 3.9213 3.885 4.0179
고형분 함량 wt% (M2O+SiO2) 13.01 12.4 11.96 4.04 7.8
용매 H2O 186.39 186.6 187.14 194.76 191.6
무기산화합물
(인산 or 붕산)		 0.6 1 0.9 1.2 0.6
합 계 186.99 187.6 188.04 195.96 192.2
총 합 (고형분 + 용매) 200 200 200 200 200
구분 제조예 1 제조예 2 제조예 3 제조예 4 제조예 5
연필경도 9H 9H 9H 9H 9H
부착력 5B 5B 5B 5B 5B
이지클린성 ◎ ◎ ◎ ◎ ◎
광투과도 1% 이내 향상 1% 이내 향상 1% 이상 향상 2% 이상 향상 2% 이상 향상
접촉각 23.2
친수		 20.7
친수		 12.4
친수		 7.8
초친수		 9.3
초친수
내수성 ○ ○ ○ ◎ ◎
본 발명에 이용되는 모재는 금속 및 비철금속재, 기타 플라스틱(고분자 재료), 필름, 도자기, 타일, 석재, 목재 등의 다양한 소재가 사용 가능하며, 기타 도료의 코팅이 필요한 다양한 모재들이 모두 이용 가능하다.
상기 제조된 조성물을 이용하여 코팅 도막을 형성하는 공정을 살펴보면 상기 화학식의 조성물을 제조하는 단계(S100)에 이어 코팅이 필요한 모재의 전처리(세정)하는 단계(S200)는 코팅 후 코팅 품질을 가늠하는 매우 중요한 요소가 된다. 세정은 나노 무기 조성물을 코팅하기 위해서는 어떠한 표면의 이물질도 결함을 유발할 수 있기 때문에 매우 중요한 공정으로 일반적인 알칼리 혹은 중성세제 등으로 세정을 할 수 있으며 모재에 따라 알코올 또는 아세톤과 같은 물질을 이용하여 세정할 수 있다. 또한 경우에 따라 초음파 세척을 하거나 산세정 또는 연마 등과 같은 공정을 통하여 세정을 할 수 도 있다.
세정이 끝나면 표면에 형성된 물 또는 습분을 제거하기 위한 건조단계(S300)를 진행한 후 다양한 코팅 방법을 이용하여 상기의 나노 무기조성물을 부착하는 코팅단계(S400)을 진행한다. 세정 후 모재 표면에 잔존한 물 또는 습분에는 이물질이 잔존할 수 있으며 이러한 이물질이 건조되면서 표면에 그대로 잔존할 수 있어 이를 제거하기 위하여 공기(바람), 열 또는 두가지를 동시에 활용함으로서 표면을 깨끗하게 건조할 필요가 있으며 열 또는 높은 온도를 이용할 경우 증류수와 같은 물이나 기타 순도가 높은 물질을 이용하여 코팅 표면에 이물질이 남겨지지 않도록 한다.
상기와 같이 건조단계(S300) 후 코팅 조성물 부착단계(S400)가 마무리되면 모재와 코팅 조성물의 완전한 부착을 위하여 열처리를 할 필요가 있다. 코팅 직후 바로 소성을 위해 100℃ 이상의 높은 온도를 가열하면 조성물에 포함된 물이 증발하면서 기포와 같은 문제점을 발생할 수 있기 때문에 코팅 직후에는 자연적인 상온건조 또는 100℃ 미만으로 일정시간 건조하는 단계(S500)이 필요하다. 이러한 건조과정 이후 코팅의 내구성을 확보하기 위하여 100~1000℃의 높은 온도에서 열처리를 위한 소성하는 단계(S600)가 필요하다. 상기 소성단계(S600)은 건조단계(S500)와 연결되어 온도제어기를 이용하여 제어할 수 있다.
일반적으로 열처리 과정은 300℃ 미만에서 이루어지나 특별히 사용온도가 높은 모재이거나 매우 열악한 환경에 사용되는 모재의 경우에는 500℃이상에서 열처리를 수행할 수 있다.
강화 유리처럼 700℃ 이상에서 열처리가 필요한 경우는 상기의 건조단계인 S500단계에서 바로 유리 강화를 위한 열처리를 하는 과정으로 S600을 대체할 수도 있다.
본 발명의 조성물은 완전한 무기물로 구성되어 있어 일반적으로 높은 온도에서 열처리를 할 경우 내구성이 높아지는 현상이 있으며 우리가 일상적으로 생활하는 실내와 같은 온습도가 조절되는 매우 좋은 환경에서는 S600의 열처리 과정 없이 S500과정 이후 사용이 가능하며 상온에서 건조 후 사용이 가능하다.
열처리를 위한 소성은 코팅된 조성물과 모재의 부착력을 열(온도)에너지를 이용하는 것으로 자외선, 적외선, 마이크로웨이브 등을 이용할 수 있으며 자연경화로서 상온에서 경화하여 부착할 수 있다. 다만 상온에서 경화를 진행할 경우 다소 많은 시간이 소비되며 내구성 등의 기능성면에서 열처리를 진행한 경우와 비교하여 다소 떨어질 수 있다.
열처리 시간은 승온 시간을 제외한 10분 이상의 열처리(소성) 유지 시간이 필요하다. 또한 소성이 끝난 후 냉각하는 경우에 있어서도 유리 또는 석재와 같이 온도에 매우 민감한 모재의 코팅 시 냉각시간을 충분히 할 필요가 있으며 고온 열처리를 진행했을 경우 100℃ 미만에서 상온상태인 외부로 나올 수 있도록 하는 것이 좋다. 특히 유리와 석재 등 냉각온도에 민감한 소재에 코팅할 경우 필요에 따라 냉각단계(S700)가 필요할 수 있다.
더 구체적으로 코팅 도막을 형성하는 공정을 설명하면, 상기 화학식의 조성물을 제조하는 단계(S100)에 이어 코팅이 필요한 모재의 전처리(세정)하는 단계(S200)는 일반적으로 코팅을 하기 위한 모재의 표면을 가공하는 과정에서 많은 유기물 및 기름 등과 같은 이물질을 포함하고 있어 이를 제거하기 위하여 일반적으로 습식세정인 수세정을 하고 있으며 수세정 환경이 어려운 경우 플라즈마와 같은 방법을 이용한 건식세정을 한다.
습식세정인 수세정에 비하여 건식세정은 비교적 공정이 간단하고 환경친화적이며 코팅을 위한 모재의 표면을 친수화시키는 등의 장점이 있고 경우에 따라 모재와 나노 무기조성물의 부착을 용이하게 하기 위하여 표면처리할 필요가 있을 때 상기의 플라즈마 공정은 매우 유익하지만 모재의 표면에 궁극적으로 이물질이 잔존할 수 있는 단점이 있어 모재에 따라 표면의 이물질을 완벽하게 제거할 수 있는 세정방법을 선택할 필요가 있다.
세정에는 표면의 이물질 제거를 위하여 세정제를 사용할 수 있으며 세정제 사용 후 세정제 내의 계면활성제 또는 이물질이 표면에 남아 있지 않도록 완전히 제거하여야 한다.
또한 모재의 표면 거칠기 상태 또는 모재에 부착된 이물질의 상태에 따라 모재 표면의 폴리싱 또는 연마 등을 할 수 있다. 이는 코팅 모재의 평활도를 높이거나 표면의 오염이 심하거나 이물질이 모재에 스며들어 세정이 어려운 경우 이를 제거할 목적으로 이용할 수 있다.
한편, 본 발명의 나노 무기조성물을 활용하여 무기 도막을 형성하기 전에 본 발명의 나노 무기조성물이 용매로서 물을 사용하는 관계로 모재와 부착을 용이하게 할 목적으로 친수특성을 갖도록 플라즈마(plasma), 애노다이징(anodizing), 샌딩(sanding), 에칭(etching) 등 전처리하는 단계를 더 포함하여 무기계 코팅막의 형성이 보다 효율적으로 이뤄질 수 있도록 할 수 있다.
상기 모재 표면을 세척하는 과정의 하나로서 이용할 수 있는 초음파 세척은 모재를 초음파 탱크 안에 잠기도록 담근 후, 초음파를 발생시켜 모재 표면의 미세 부분까지도 세척할 수 있도록 한다. 초음파는 28 ~ 48 kHZ인 것이 바람직하다. 상기 초음파 세척과정에서는 무기염이 포함된 수용성 세척제를 사용할 수 있다. 무기염이 포함된 수용성 세척제를 사용하면, 모재의 표면에 형성되는 코팅막인 무기계 코팅 도막과의 밀착도를 높일 수 있는 장점도 있다.
또한, 본 발명에서는 상기 초음파 세척과정 이전에, 유분 및 불순물을 제거하는 침적 및 증기 세척단계를 더 포함할 수 있다. 이는 모재 표면이 깨끗한 경우에는 별도로 진행할 필요가 없으나, 불순물 제거가 어려운 경우, 예를 들어 목재 또는 석재와 같은 경우에는 특히 바람직하게 적용할 수 있다.
상기 침적 및 증기 세척단계는 모재의 표면에 부착되어 있는 광물성 합성유 등과 같은 각종 유분을 제거하기 위하여 진행되며, 모재를 탱크 안에 넣고 용제에 침적하여 세척하거나, 용제를 증발시켜 증기를 응축하여 모재 표면에 흐르도록 하여 흐르는 응축수에 의하여 유분 및 불순물을 깨끗이 세척되도록 한다. 증기의 응축에 의한 세척은 탱크에서 꺼낸 즉시 건조되므로 별도의 건조 단계를 거치지 않고서도 다음 단계로 넘어갈 수 있어 생산 시간을 단축시킬 수 있다.
또한, 세정이 끝나면 표면에 형성된 물 또는 습분을 제거하기 위한 건조단계(S300)를 진행하는데 건조 시 공기나 열을 이용하여 건조할 경우 소정의 온도로 예열된 공기를 활용하여 건조할 수 있다.
이는, 모재표면의 습기를 제거하는 과정으로 여름철은 공기 중 습분을 제거한 후 이용할 수 있으나 겨울철과 같이 주변온도가 낮고 습도가 낮을 경우 약 50±20℃ 정도의 온도로 공기를 예열하여 사용할 수 있다. 이때 모재 표면에 전이된 상온 이상의 온도를 활용하여 코팅 시 투명기재의 경우 헤이즈를 주거나 불투명 기재의 광택도를 유광 또는 무광과 같이 선택적으로 적용할 수 있도록 하며 나노 무기 조성물이 효율적으로 코팅되도록 할 수 있다.
물론 예열된 공기를 활용하지 않고 상기의 유, 무광이나 헤이즈(탁도)를 의도적으로 구현하기 위하여 모재표면 온도를 상온 이상으로 전이하여 원하는 정도의 헤이즈(탁도)를 구현할 수 있으며 모재 표면의 온도가 높을수록 헤이즈(탁도)의 단계는 높아진다.
상기 모재의 표면 전처리 및 예열건조처리가 종료되면, 상기 나노 무기 조성물을 모재의 표면에 부착시키기 위한 코팅 단계(S400)를 수행한다.
상기 조성물의 코팅방법은 특별히 제한되지 아니하는바 공지의 방법을 이용할 수 있으며, 예를 들어 딥핑(Dipping)코팅 또는 스프레이코팅, 롤코팅, 스핀코팅, 바코팅, 플로우코팅, 커튼코팅, 나이프코팅, 진공증착, 이온플레이팅, 플라즈마증착법, 스퍼터, 붓이나 스폰지를 비롯한 부드러운 천등을 이용하여 부착시키는 등의 방법들 중 어느 하나의 방법을 이용하거나 하나 이상의 방법을 동시에 사용함으로서 모재 표면에 나노 무기 조성물을 코팅할 수 있다.
이때, 모재 표면에 코팅되는 나노 무기 조성물의 코팅막은 10nm ~ 5㎛의 두께로 코팅되도록 함이 바람직하다. 상기의 모든 코팅 방법은 용도에 따라 상기 범위 내에서 코팅두께로 제어가 가능할 것이다.
경우에 따라, 상기 코팅단계는 상기의 S200 또는 S300에서 S600의 과정을 수회 이상 진행하여 코팅 도막의 두께를 높게 형성함으로서 내부식성과 같은 화학적 안정성과 기계적 특성을 높일 수도 있다.
상기 단계에 의하여 나노 무기 조성물을 모재의 표면에 코팅한 후에는 나노 무기 조성물을 완전히 경화시키기 위하여 소정 온도에서 소정 시간 동안 소성하는 단계(S600)를 수행한다.
상기 건조된 모재를 소성하는 단계(S600)는 100℃ ~ 1000℃의 온도에서 10분 ~ 3시간 동안 소성하는 것이 모재의 종류에 따라 차이는 있지만 모재 자체에 큰 영향을 주지 않으면서도 코팅막의 경도 및 매끄러운 표면 거칠기 구현을 위하여 바람직하다. 일반적인 소성온도는 300℃미만에서 열처리를 하지만 특별히 열악한 환경(물내부, 염수, 강산 등에 노출)하에서 코팅된 모재가 사용되는 경우는 500℃이상에서 소성하거나 3시간 이상 충분히 열처리를 진행하여 내수성과 내구성을 높일 수 있다.
상기 소성 단계는 1차 건조 공정(S500), 2차 소성 공정(S600), 냉각공정(S700)의 소단계로 나뉘어서 진행될 수도 있다.
구체적으로는, 먼저 코팅 도막이 형성된 모재를 소성로에 투입하고, 소성로 내부의 온도를 3~5℃/min정도로 서서히 상승시킨다. 소성로 내부 온도가 제1 소성 온도(100±20℃)에 도달하면 온도를 더 이상 상승시키지 않고, 소성로 내부 온도를 제1 소성 온도로 유지하면서 1차 소성 공정을 소정 시간 동안 진행한다. 이때 제1 소성 온도는 100±20℃인 것이 바람직하다.
상기와 같은 1차 소성을 진행하는 목적은 본 발명의 나노 무기조성물의 용매로서 물을 사용하고 있는 관계로 100℃ 이상의 너무 높은 온도에서 급하게 온도를 상승시키거나 100℃이상이 환경에 용매인 물이 노출되면 나노 무기조성물을 구성하고 있는 물이 기화하여 코팅 도막에 물의 증발로 인해 도1에 나타난 바와 같이 공기층이 형성되거나 열처리과정에서 결함이 발생할 수 있기 때문에 이를 방지할 목적으로 승온 속도를 낮추거나 100±20℃정도에서 수분~수십분 정도의 1차소성 과정을 진행함으로서 나노 무기조성물 상에 존재하는 물을 외부로 방출시킴으로서 열처리를 진행하는 것이다.
그리고, 1차 소성 공정이 완료되면 다시 소성로 내부의 온도를 서서히 상승시킨다. 소성로 내부 온도가 제2 소성 온도에 도달하면 온도를 더 이상 상승시키지 않고 소성로 내부 온도를 제2 소성온도로 유지하면서 2차 소성 공정을 소정 시간동안 진행한다. 이때 제2 소성 온도는 100℃ ~ 1000℃인 것이 바람직하다. 1000℃이상의 온도 상승은 나노 무기조성물은 1000℃ 이상의 온도에서도 물리적, 화학적인 문제가 발생하지 않지만 대부분 모재의 종류에 따라서 열(온도)에 의한 열화가 발생할 수 있기 때문에 모재의 온도특성을 주의 깊게 살펴 진행할 필요가 있다.
이렇게 하여 1, 2차 소성 공정이 완료되면 소성된 모재를 상온으로 식히는 냉각 공정(S700)이 진행된다. 이 냉각 공정에서는 모재에 특별한 처리를 하는 것이 아니고 모재의 온도를 상온으로 낮추는 과정이다. 이때 이 냉각 공정을 1, 2차 소성 공정과 마찬가지로 온도를 일정속도로 제어하면서 하강시키거나 자연적으로 냉각이 될 수 있도록 진행할 수도 있다.
상기 소성 온도는 모재의 재료에 따라 모재와 코팅도막 사이의 열팽창 특성에 차이가 있어 냉각에 의한 열 충격을 줄이기 위해 달리 선택할 수 있음은 물론이다.
특히 유리 또는 석재, 세라믹제품, 금속 등과 같이 온도에 매우 민감한 모재의 경우 100℃이상에서 상온으로 바로 노출시키게 되면 표면에 마이크로 크랙 등 결함이 발생하거나 깨어지는 현상이 발생할 수 있어 모재에 따른 주의가 필요하다.
본 발명의 나노 무기조성물을 이용한 도막형성을 위해 모재에 따라 서로 다른 코팅방법을 이용한 실시예를 통하여 설명하면 아래와 같다.
노즐의 높이가 높아지면 단위 면적당 모재표면에 부착되는 조성물의 양이 감소하여 도막 두께가 감소하고 반대로 노즐의 높이가 낮아질수록 모재에 부착되는 조성물의 양이 증가하여 도막두께는 증가될 것이며 모재의 이동속도가 증가하면 부착되는 조성물의 양은 감소하고 이동속도가 감소하면 부착되는 조성물의 양은 증가하는 것은 당연한 물리적인 법칙이다. 또한 고형분의 함량이 낮으면 코팅 두께가 감소하고 고형분 함량이 많으면 코팅 두께가 두꺼워진다. 조성물의 분출되는 공기압을 제어함으로써 표면 헤이즈를 조절할 수도 있다.
이외에 조성물의 유량을 직접 제어하여 도막의 상태와 두께를 조절할 수 있음은 당연하다.
상기의 판재에 대해 전처리를 위한 세정(S200)단계 진행 후 100*100mm 면적에 대하여 노즐의 높이는 100mm, 유량 1,000ul/min, 모재의 이동속도 0.25m/min, 노즐의 이동속도를 20m/min로 진행하며 이때 주변온도 25±5℃와 습도 40~60%를 기준으로 할 경우 200~500nm 정도의 두께로 도막형성을 할 수 있으며 도막 두께를 높이기 위해서 동일 조건으로 코팅 횟수를 늘리는 것으로 가능하다.
본 발명에서 단위면적은 100*100mm을 나타낸다.
상기의 기준은 습도가 40%이하일 경우 유량이 증가하며 60%이상일 경우 유량을 감소시켜 코팅도막의 두께와 도막의 표면상태가 유니폼하고 일정하게 유지될 수 있도록 제어하며 석재 또는 목재와 같이 물을 흡수하는 표면을 가지고 있을 경우 이를 감안하여 유량을 증가시켜 코팅도막을 형성함으로서 가장 최적의 도막두께를 형성할 수 있도록 하여야 한다.
스프레이 방식을 통한 실시예를 구체적으로 설명하면 하기의 식과 같다.
스프레이 방식의 코팅에 따른 실시예는 코팅 도막두께를 기준으로 하여 코팅도막을 형성할 경우 아래와 같은 계산식을 활용하여 실시한다.
스프레이 방식의 코팅도막 형성을 위한 조건들의 관계식은 다음과 같다.
Figure 112019037433756-pat00011
Ht : 코팅 두께
Q : 유량(ul/min)
C : 점도 또는 농도(고형분 함량)
U : 모재의 이동속도(m/min)
t : 코팅 횟수
W : 스프레이 면적 (m2)
h : 노즐의 높이(m)
0.1m x 0.1m 평판 코팅의 경우, 유량(100 ul/min ~ 10,000ul/min), 점도(1~10cp), 모재의 이동속도 (0.1~5m/min), 노즐의 높이(0.1m ~ 0.5m), 코팅 횟수 등의 조건들을 통해 다양한 두께의 코팅 층을 만들 수 있다. 상기 식에서 유량을 제어하기 위한 공기압은 정압으로 일정한 값을 기준으로 정하고 코팅을 실시하며 0.5Mpa 이상일 경우 투명한 유리의 경우 헤이즈(탁도)가 생길 수 있으며 불투명한 모재의 경우 투과도를 낮추어 반투명 또는 불투명하게 할 수 있다.
본 발명에서는 유리와 같은 투명기판과 다양한 제품의 광택도에 상기의 나노 무기조성물을 이용하여 코팅 도막을 형성할 경우 일반적인 맑고 깨끗한 유리와 같이 광투과도가 80%이상의 헤이즈가 없는 투명한 헤이즈 1단계와 70%의 투과도를 헤이즈 2단계, 60%의 투과도를 헤이즈 3단계, 50%의 투과도를 헤이즈 4단계, 40%의 투과도를 헤이즈 5단계, 30%의 투과도를 헤이즈 6단계, 20%의 투과도를 헤이즈 7단계, 10%의 투과도를 헤이즈 8단계, 완전불투명을 헤이즈 9단계로 정의하여 나타내면 헤이즈 1에서 헤이즈 9단계에 이르기 까지 전 영역에 코팅 박막을 형성할 수 있으며 제품 표면의 유광 또는 무광에 대해 상기의 헤이즈 단계와 같이 제어할 수 있다.
하기의 식은 상기의 산란도(헤이즈)와 관련된 비례식이다.
Figure 112019037433756-pat00012
S : 일정한 유량에서의 산란도(헤이즈 또는 탁도)
C : 점도 또는 농도(고형분 함량)
P : 공기압
U : 모재의 이동속도(m/min)
T : 모재의 표면 온도
t : 코팅 횟수
W : 스프레이 면적
h : 노즐의 높이
0.1m x 0.1m 평판 유리 코팅의 경우, 주변온도 25±5℃와 습도 40~60%를 기준으로 하며 모재의 표면온도 역시 상온으로 가정할 경우 공기압(0.1Mpa ~ 1Mpa), 점도(1~10cp), 모재의 이동속도 (0.1~5m/min), 노즐의 이동속도 (10~50m/min), 노즐의 높이(0.3m ~ 0.5m), 의 조건들을 통해 다양한 헤이즈(탁도)를 나타내는 코팅 층을 만들 수 있다. 상기의 조건들일 때, 유량이 일정량(예 : 3,000ul/min 이상) 이상이면 다시 투명해질 수 있어 정밀한 제어가 필요하며 공기압이 높아질수록 압력에 의한 액상원료의 분해도가 높아져 헤이즈(탁도)가 높아지고 조성물이 점도 또는 농도 역시 산란도와 비례관계에 있다는 것을 알 수 있다.
또한, 헤이즈를 제어하기 위해서는 모재 표면의 온도를 제어하거나 주변 환경(온도 및 습도)을 제어함으로서도 가능하다.
즉 모재의 표면온도를 상온 이상으로 높일수록 동일한 조건에서 산란도(헤이즈 또는 탁도)를 높일 수 있으며 주변 온도를 높임으로서 동일한 효과가 가능할 수 있다.
상기와 같이 나노 무기조성물의 부착을 위한 코팅단계(S400)끝나면 소성단계를 진행한다.
상기에 기술한 바와 같이 1차와 2차로 구분되어 소성을 진행하며 모재에 따라 1,2차의 구분 없이 소성을 진행할 수 있으며 소성온도 역시 조정할 수 있다.
예를 들어 온도에 민감한 필름 또는 석재, 목재 등의 모재에 따라 모재를 소성로 내부에 입고하여 모재 전체를 열처리하는 방식보다는 코팅도막이 형성되는 표면에만 열처리를 하는 것이 더 효과적인 모재에 대해서는 마이크로웨이브, UV경화 또는 적외선(중적외선) 등을 이용하여 모재 표면에만 열처리하는 방식으로 진행할 수 있다.
또 다른 목적으로는 고분자 재료로 구성된 필름과 기판형태에 따라 롤코팅, 스프레이 코팅 또는 디핑(dipping)코팅과 같은 방식을 활용하는 경우에는 단면 혹은 양면 코팅이 가능하며 코팅물질을 고분자 재료에 부착시키고 바로 마이크로웨이브를 이용하여 소성함으로서 다양한 사이즈의 두께로 고분자 재료에 코팅이 가능함으로서 다양한 형태를 유지하면서 무기소재가 가지고 있는 다양한 특성을 활용할 수 있어 이미 설치되어 있는 산업재에 직접 부착함으로서 활용범위를 다양화할 수 있다.
또한, 스프레이 시스템을 이용하여 원통형상의 내부 코팅 도막형성을 위해서 내부에 삽입되어 코팅제를 분사하는 노즐; 및 상기 노즐 또는 원통을 전, 후진시키는 이동수단;을 포함하여 이루어지며, 특히, 상기 노즐은 선단의 외주면에 테이퍼부가 형성되고, 상기 테이퍼부에 다수개의 분사홀이 형성된다.
또는 상기 노즐에는 팁이 착탈가능하게 결합되며, 상기 팁은 다수개의 분사홀이 구비된 테이퍼부가 형성될 수 있다.
상기 노즐의 분사각도는 단면 상태에서 수직선을 기준으로 -45°~ +80°인 것이 바람직하다.
또한 상기 이동수단은 상기 노즐 또는 원통과 직교되게 결합되는 가이드 바; 상기 노즐 또는 원통과 평행하게 배치되는 가이드 레일; 및 상기 가이드 바가 상기 가이드 레일을 따라 전, 후진되도록 구동력을 제공하는 구동부;를
포함하여 이루어진다.
또한 상기 노즐이 상기 원통의 내부 중심을 따라 전, 후진하기 위한 중심가이드부가 더 구비되는데, 상기 중심 가이드부는 상기 노즐의 외주면에 탈부착되는 클램프; 및 상기 클램프로부터 돌출 형성되어 상기 원통에 내접하는 복수개의 지지바;를 포함하여 이루어지고, 상기 복수개의 지지바는 이웃하는 지지바들 간의 사잇각이 동일하게 구비되는 것이 바람직하다.
또한 상기 지지바의 끝단에는 상기 원통의 내주면과 접촉할 수 있는 볼롤러가 더 구비될 수 있다.
또한 상기 노즐의 선단부가 상기 원통의 내부에 삽입될 수 있도록 받침대가 더 구비되는 것이 바람직하다.
또한 일측은 상기 노즐이 가이드되면서 통과하고, 타측은 상기 원통이 밀착되며, 양측이 원추형으로 형성된 통과 가이드부가 더 구비되는 것이 바람직하다.
본 발명에 의해 원통의 내주면을 코팅하는 방법은 1) 상기 원통을 로딩하는 단계; 2) 상기 노즐 또는 원통형상의 모재를 전진하여 상기 노즐을 상기 원통의 내부로 진입시키는 단계; 3) 상기 노즐 또는 원통을 후진하면서 코팅제를 분사하여 상기 원통의 내주면을 코팅하는 단계; 및 4) 코팅 처리가 완료된 상기 원통을 언로딩하는 단계;를 포함하여 이루어진다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 코팅장치의 구성을 구체적으로 설명한다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 의한 코팅장치(1)는 노즐(10) 및 이동수단을 포함하여 이루어진다.
상기 노즐(10)은 일단에 에어 공급부(11)와 원료공급부(12)가 형성되어 있으며, 타단에는 이를 분사하는 분사홀이 형성되어 있다.
또한 상기 이동수단은 상기 노즐(10)과 직교 결합하는 가이드바(21)와, 가이드 레일(23)과, 상기 가이드바(21)를 상기 가이드 레일(23)을 따라 전, 후진 시키는 구동부(22)인 서보모터를 포함한다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 노즐(10)의 외주연에는 적어도 1개 이상의 중심가이드부(30)가 착탈가능하게 결합되어 있다. 본 실시예에서 중심가이드부(30)는 볼트(33)에 의해 상기 노즐(10)의 외주연에 탈부착되는 클램프(31)와, 상기 클램프(31)의 외주연에 돌출형성된 3개의 지지바(32)로 구성된다.
이웃하는 지지바(32)들 사이의 사잇각이 120°로 동일하게 함으로써, 상기 노즐이 상기 원통(100)의 내부 중심에 정확히 위치할 수 있는 것이다. 또한 원통(100)의 내경에 따라 지지바(32)를 교체할 수 있도록 상기 지지바(32)는 상기 클램프(31)에 나사결합 등의 방법으로 착탈가능하게 결합된다.
또한 상기 지지바(32)의 끝단은 상기 원통(100)의 내주연을 따라 전진 또는 후진해야 하므로, 마찰을 줄이기 위하여 볼롤러가 부착되어 있다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 상기 노즐(10)의 선단은 폐쇄된 중심부(13)가 형성되고, 대신 주변부에 테이퍼면(14)이 형성된 팁이 구비되어 있다. 상기 테이퍼면(14)에 코팅제를 분사하는 분사홀(15)이 다수개 형성되어 있다. 상기 코팅제는 상기 노즐(10) 선단의 단면상태에서 수직선을 기준으로 좌측 및 우측으로 소정각도(-β°~+γ°)를 이루도록 분사되는데, 보다 바람직하게는 수직선으로부터 -β°~+α°는 -45°~ +90°가 되도록 하고 텀블러와 컵처럼 일측면이 막힌 부분 또는 두께제어를 위해서는 γ°를 제어할 수 있는 중앙부 분사홀(16)을 제어하여 균일한 코팅 도막이 형성되도록 하는 것이다.
또한 상기 분사각도의 조절을 위하여 상기 노즐(10)의 선단에 팁을 탈부착할 수 있도록 구성할 수도 있다. 상기 팁은 앞서 설명한 것과 마찬가지로, 폐쇄된 중심부가 형성되고, 폐쇄된 중심부에 분사홀(16)이 생성된 팁과 주변부에 형성된 테이퍼면에만 분사홀이 다수개 형성되도록 하여 이러한 팁을 교체함으로써 분사각도를 용이하게 조절할 수 있는 것이다.
또한 노즐이 회전할 수 있도록 구성되어 있어 테이퍼부의 분사홀의 개수는 원통 내부의 코팅 두께에 따라 팁을 교체하여 사용할 수 있다.
상기 노즐(10)이 상기 원통(100)의 내부로 진입할 수 있도록 가이드하기 위해 상기 원통(100)의 전방에 받침대(40)가 구비된다. 그러나 상기 받침대(40)는 또한 상기 중심가이드부(30)를 간섭할 수 있기 때문에, 승강구동할 수 있도록 구성된다. 즉, 상기 노즐(10)의 선단이 상기 원통(100)의 내부 선단에 진입할 때까지 가이드한 후에는 상기 중심가이드부(30)를 방해하지 않도록 상기 받침대(40)를 하강시켜야 하는 것이다.
도 6를 참조하면, 본 발명에 의한 코팅장치는 통과가이드(50)가 구비된다. 상기 통과가이드(50)는 양측이 원추형으로 형성되는데, 일측은 상기 노즐(10)이 가이드되면서 통과하여 원통(100)의 내부 중심으로 진입하도록 유도하며, 타측은 상기 원통(100)이 밀착된다.
또한, 원통의 내경 또는 원통매체의 크기에 따라 팁의 개수와 회전속도 및 노즐과 원통의 이동속도는 차이가 있다.
도 8을 참조하여 위와 같이 구성된 본 발명에 의한 코팅장치의 작동 및 코팅방법을 설명한다.
도시된 바와 같이, 원통(100)이 컨베이어(60)를 타고 이송되면서 코팅스테이지에 위치하게 되면, 상기 원통(100)을 상승하여 노즐(10)의 전방으로 위치시킨다. 상승된 원통(100)이 유동하는 것을 방지하기 위하여 홀더(미도시)로 홀딩한다.
다음으로 상기 중심가이드부(30)를 도면상 우측으로 전진시켜 상기 원통(100)의 선단에 근접시킨다.
다음으로 상기 노즐(10)의 선단이 상기 받침대(40) 및 통과가이드(50)를 따라 상기 원통(100)의 내부 중심으로 진입할 때까지 서서히 전진(도면상 우측으로 이동)시킨다.
이와 같이 상기 노즐(10)의 선단이 원통(100)의 내부로 진입하게 되면, 상기 중심가이드부(30)를 방해하지 않도록 상기 받침대(40)를 하강하고, 상기 노즐(10)의 선단이 상기 원통(100)의 내부 끝에 도달할 때까지 전진시킨다.
다음으로, 상기 원통(100)의 내부에서 상기 노즐(10)을 도면상 좌측으로 후진시키면서 코팅제를 분사하여 내주면을 코팅한다(도 7 참조). 이 때, 상기 중심가이드부(30)의 각 지지바(32)가 상기 원통(100)에 내접하면서 후진하기 때문에, 상기 노즐(10)은 상기 원통(100)의 내부에서 정확히 중심을 따라 후진하게 되며 코팅제가 분사되기 시작되는 부분이 막혀있는 원통구조의 매체에 대해서는 시작시점에 분사홀(16)을 제어하여 막힌 부분에 대해 코팅제를 분사하고 일정 지점까지 분사 후 분사홀(16)은 분사를 멈출 수 있도록 제어된다.
이때 필요에 따라 노즐(10) 또는 원통매체(100)를 회전시켜 코팅의 균일도를 높일 수 있다.
상기 노즐(10)이 상기 원통(100)의 내부로부터 완전히 이탈될 때 즈음하여, 다시 상기 받침대(40)가 상승하여 상기 노즐(10)의 선단을 지지한다.
위와 같은 방법으로 상기 원통(100)의 내부 코팅이 완료되면, 상기 통과가이드(50)를 원위치로 후진(도면상 좌측)시킨다.
마지막으로 상기 원통(100)을 홀딩하고 있는 홀더를 탈거하고, 상기 원통(100)을 하강하여 컨베이어(60)에 안착시킨 후, 컨베이어(60)를 구동하여 상기 원통(100)을 이송한다.
상술한 설명에서는 원통은 홀더에 의해 고정된 채, 노즐이 전진 및 후진하면서 코팅하는 것을 설명하였으나, 이와 반대로 노즐이 고정되고, 원통을 이동수단에 의해 전진 및 후진시키면서 코팅할 수도 있다. 또한 상기 노즐의 선단부, 또는 팁을 회전시키면서 코팅하거나, 원통을 회전하면서 코팅할 수도 있다.
또한, 상기 노즐에 탈부착이 가능한 팁에 대해 일정한 압력에서 일정량의 원료가 지속적으로 주입되어 원통 내부에 일정 두께로 부착될 수 있도록 제어되는 스폰지 또는 부드러운 천과 브러쉬 등으로 상기 노즐이 팁을 대체하여 코팅제를 부착할 수 있다.
또한, 원통형 매체의 길이가 길고 짧음에 따라 또는 원통의 내경의 크고 작음에 따라 상기의 코팅 시스템은 대형과 소형을 자유롭게 제작하여 사용할 수 있으며 필요에 따라 상기 시스템의 구성요소를 생략하거나 부가하여 사용할 수 있다.
입체형상의 물체중 원통형상의 물체에 대한 도막형성은 내부와 외부의 도막형성에 있어 큰 차이가 있고 특히 내부의 코팅도막 형성은 원통형 물체의 내구경의 크기에 따라 코팅 도막형성 방법이 달라질 수 있다.
이를 상세히 설명하면 내구경이 큰 경우 즉 스프레이 장비가 내구경 내부에서 도막을 형성할 수 있는 경우는 노즐의 회전을 통하여 스프레이 방식의 코팅 도막을 형성할 수 있다.
상기 노즐은 하나의 노즐에 다수의 팁을 형성하여 도막을 형성할 수 있고 다수의 노즐을 장착하여 최적의 코팅도막을 형성할 수 있다.
또한, 내구경이 작은 원통형 물체의 경우 디핑방식의 코팅도막 형성이 가능하다.
디핑방식의 코팅 도막형성은 원료에 피코팅 물체를 침적하여 일정시간 및 일정한 속도로 원료를 외부로 배출하는 방식의 도막형성 방법으로 내부와 외부를 한꺼번에 도막형성이 가능하다는 장점이 있다.
다만 원료의 점도가 낮을 경우 상부와 하부의 도막두께 차이에 의한 색의 변화가 있을 수 있으며 하부 끝단에 맺힌 원료의 마무리는 코팅 품질에서 매우 중요한 요소이다.
일반적으로 이러한 하부끝단의 맺힌 원료를 마무리를 위하여 회전을 통한 원심력을 이용하거나 공기, 진동, 초음파 등의 에너지를 이용할 수 있다.
또한 원통형 물체의 내부 코팅도막 형성을 위해서는 상기의 디핑방식과 스프레이 방식을 이용하는 것과 같이 두 가지 이상의 코팅 방식을 이용하여 코팅 도막을 형성할 수 있다.
이와 같이 두 가지 이상의 코팅 도막을 형성하는 것은 디핑방식의 코팅 도막형성시 문제점인 하부 끝단의 원료의 맺힘에 따른 문제를 공기를 이용한 스프레이 방식에 의해 해결할 수 있으며 도막의 두께를 제어할 수 있는 장점이 있기 때문이다.
또한 디핑방식을 이용하여 코팅제 부착 후 스프레이의 공기를 이용하여 매체의 내부에서 후진하여 원통 내부의 부착된 원료의 양을 끝단부분으로 유도함과 함께 끝단의 원료 맺힘 현상을 공기에너지를 이용하여 마무리 할 수 있으며 스프레이를 사용할 경우 원료의 분사가 동시에 이루어질 수 있도록 함으로서 도막의 두께와 균일도를 제어할 수 있도록 하고 경우에 따라 원통매체의 일측을 높이거나 낮추어 경사를 만들어 줌으로서 디핑코팅 시 부착된 원료가 자연스럽게 일측으로 배출될 수 있도록 할 수도 있다.
스프레이코팅 시 노즐의 팁은 도 4와 도 7에 나타난 바와 같이 팁끝단이 경사가 되어 직각방향과 모서리 방향에 고루 코팅 도막이 형성될 수 있도록 하며 노즐의 회전을 통하여 도막의 두께에 대한 평활도를 제어할 수 있다.
또한 이와 같은 스프레이 장치는 세정과 건조과정에서도 사용할 수 있다.
1. 연필경도(Pencil hardness)
ASTM D3363의 기준에 따라 측정하였다.
측정용 연필을 끼우고, 일정 하중(1Kg)을 가함으로써 측정하였다. 측정결과는 9H ~ 1H, F, HB, 1B ~ 6B로 나타내었으며, 9H의 경우 최고로 단단한 것이며, 6B의 경우 가장 약한 경도를 나타낸다.
2. 부착력 내지 접착력(Adhension)
ASTM D3359의 기준에 따라 측정하였다.
나노 무기 조성물을 이용한 코팅막에 cutter로 바둑판 모양의 흠을 낸 후, 그 위에 3M 테이프를 완전 밀착시킨 후 일정한 힘으로 떼어내어 코팅층과 기재와의 밀착 정도를 관찰하였다. 측정결과는 0B, 1B, 2B, 3B, 4B, 5B로 기재하였으며, 수치는 아래와 같다.
0B: 측정 후 코팅 막이 65% 이상 손실된 경우.
1B: 측정 후 코팅 막이 35 ~ 65% 정도 손실된 경우.
2B: 측정 후 코팅 막이 15 ~ 35% 정도 손실된 경우.
3B: 측정 후 코팅 막이 5 ~ 15% 정도 손실된 경우.
4B: 측정 후 코팅 막이 5% 미만 손실된 경우.
5B: 측정 후 코팅 막의 손실이 없는 경우.
3. 클린성(Pollution resistant)
코팅막에 유성 매직을 칠한 다음, 물(수돗물)을 뿌린 후 매직이 지워지는 정도로 측정하였으며, 한 포인트에 10회 연속 실시한 결과에 대해 아래와 같이 기재하였다. ◎ : 아주 좋음, ○ : 좋음, △ : 보통, X : 나쁨
4. 접촉각(Contact angle)
코팅막에 물 한 방울을 떨어뜨린 후 코팅 막 위의 물의 형태가 어떻게 변하는지 관찰하였다. 이는 코팅막의 친수성 정도를 알 수 있는 실험으로 초친수성 또는 친수성인 경우 클린성이 더 좋게 나온다. 접촉각이 20±5도인 경우는 친수성, 10±2도인 경우에는 초친수성이라 할 수 있다.
5. 내수성
90℃의 온도에서 모재를 12시간 동안 방치한 결과 코팅막의 상태를 측정하였다.
◎ : 아주 좋음, ○ : 좋음, △ : 보통, X : 나쁨
6. 투과율
UV-Visible Spectrometer를 이용하여 가시광선 영역부터 자외선 영역까지에서 유리판에 코팅된 코팅막의 투과율을 측정하였다.
1: 코팅장치 10: 노즐
11: 에어공급부 12: 원료공급부
20: 이동수단 21: 가이드바
22: 구동부 23: 가이드레일
30: 중심가이드부 31: 클램프
32: 지지바 33: 볼트
40: 받침대 50: 통과가이드부
60: 컨베이어

Claims (23)

  1. 3차원 형상의 물체에 나노 무기도막을 형성하는 방법에 있어서,
    화학식((x1Na2O+x2K2O+x3Li2O)·ySiO2·nH2O)으로 표시되는 알칼리 금속산화물(M2O)인 산화나트륨(Na2O), 산화칼륨(K2O), 산화리튬(Li2O) 중 적어도 하나 이상 포함되고; 무기산 화합물; 및 물(H2O);을 포함하며;
    알칼리 산화금속들의 몰수인
    Figure 112020049976540-pat00013
    ,
    Figure 112020049976540-pat00014
    ,
    Figure 112020049976540-pat00015
    ;를 만족하고,
    실리카의 몰수인
    Figure 112020049976540-pat00016
    를 만족하는 나노무기조성물의 (M2O+ySiO2)은 0.1~10 중량부이고 무기산 화합물 0.01 ~ 2 중량부와 나머지의 물을 포함하는 나노 무기조성물로서 전처리(세정)와 상기 나노무기조성물의 부착 후 100℃ 미만에서 건조 후 온도를 상승시킴으로서 코팅 도막을 형성하는 것을 특징으로 하는 3차원 형상물의 나노 무기도막 형성방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    모재의 전처리(세정)하는 단계(S200)후 조성물 부착이 용이하도록 표면처리 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 형상물의 나노 무기도막 형성방법.
  4. 제1항에 있어서,
    모재의 전처리(세정)하는 단계(S200)는;
    플라즈마(plasma), 애노다이징(anodizing), 샌딩(sanding), 에칭(etching), 알칼리 세정, 또는 산세정의 전처리를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 형상물의 나노 무기도막 형성방법.
  5. 제1항에 있어서,
    무기도막 형성은 하기의 수식과 같이 단위 면적당 유량(Q)은 100 ~ 10,000ul/min, 점도(C)는 1~10cp, 모재의 이동속도 U은 0.1~5m/min, 노즐의 이동속도 u2는10~50m/min이고, 노즐의 높이는 0.05 ~ 1m 조건에 비례하여 도막 두께(Ht)를 제어하는 것을 특징으로 하는 3차원 형상물의 나노 무기도막 형성방법.
    Figure 112020049976540-pat00017

  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    입체형상은 원통형상인 것을 특징으로 하는 3차원 형상물의 나노 무기도막 형성방법.
  8. 제7항에 있어서,
    원통내부에 삽입되고 선단에는 코팅제를 분사하는 분사홀이 형성된 팁이 구비되는 노즐; 및 상기 노즐 또는 원통을 전·후진시키는 이동수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 형상물의 나노 무기도막 형성방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 노즐 또는 원통은 회전이 가능한 것을 특징으로 하는 3차원 형상물의 나노 무기도막 형성방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 팁의 외주면에 테이퍼부가 형성되고 상기 분사홀은 상기 테이퍼부에 형성되는 것을 특징으로 하는 3차원 형상물의 나노 무기도막 형성방법.
  11. 제8항에 있어서,
    분사홀이 형성된 팁은 탈부착이 가능한 것을 특징으로 하는 3차원 형상물의 나노 무기도막 형성방법.
  12. 제8항에 있어서,
    분사홀이 형성된 팁을 스폰지 또는 브러쉬로 대체하는 것을 특징으로 하는 3차원 형상물의 나노 무기도막 형성방법.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 노즐의 분사각도는 -45°~+90° 인 것을 특징으로 하는 3차원 형상물의 나노 무기도막 형성방법.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 이동수단은,
    상기 노즐 또는 관과 직교되게 결합되는 가이드 바; 상기 노즐 또는 원통과 평행하게 배치되는 가이드 레일; 및 상기 가이드 바가 상기 가이드 레일을 따라 전, 후진되도록 구동력을 제공하는 구동부;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 3차원 형상물의 나노 무기도막 형성방법.
  15. 제8항에 있어서,
    상기 노즐이 상기 원통의 내부 중심을 따라 전, 후진하도록 하기 위한 중심가이드부가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 3차원 형상물의 나노 무기도막 형성방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 중심가이드부는, 상기 노즐의 외주연에 탈부착되는 클램프; 및 상기 클램프로부터 돌출형성되어 상기 원통에 내접하는 복수개의 지지바;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 3차원 형상물의 나노 무기도막 형성방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 지지바의 끝단에는 상기 원통의 내주면과 접촉할 수 있는 볼롤러가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 3차원 형상물의 나노 무기도막 형성방법.
  18. 제1항에 있어서,
    도막형성은 디핑방식으로 나노 무기조성물을 부착한 후 열처리하고, 이후 스프레이 방식으로 나노 무기조성물을 부착한 후 열처리하여 코팅 도막의 두께 및 품질을 제어하는 것을 특징으로 하는 3차원 형상물의 나노 무기도막 형성방법.
  19. 제5항에 있어서,
    도막 두께(Ht)는 10~5,000nm 인 것을 특징으로 하는 3차원 형상물의 나노 무기도막 형성방법.
  20. 제1항 또는 제5항에 있어서,
    상기 무기 도막의 산란도(S)는 하기의 수식에 비례하며 제1단계에서 제9단계까지 제어가 가능한 것을 특징으로 하는 3차원 형상물의 나노 무기도막 형성방법.
    Figure 112020049976540-pat00018

  21. 삭제
  22. 제20항에 있어서,
    산란도는 모재의 표면온도에 따라 제1단계에서 제9단계까지 제어가 가능한 것을 특징으로 하는 3차원 형상물의 나노 무기도막 형성방법.



  23. 삭제
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