KR102207259B1 - 칼라 구현이 가능한 투명기판의 나노 무기도막 형성방법 - Google Patents

칼라 구현이 가능한 투명기판의 나노 무기도막 형성방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 태양광 발전용 모듈에 사용되는 커버유리 상에 고기능성 나노 무기조성물을 이용하여 미세한 나노사이즈의 박막을 형성함과 더불어 다양한 색상을 구현하는 방법에 관한 기술이다. 특히 유리와 같은 투명기판 위에 나노 무기도막을 형성하는 방법에 관한 것으로 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. 본 발명을 통하여 생성되는 상기의 특성을 활용하여 태양광용 유리에 적용하여 에너지변환효율을 획기적으로 증가시킬 뿐만 아니라 다양한 칼라 색상을 구현하여 유리와 같은 투명한 모재의 다양한 특성을 발현시킬 수 있다.

Description

칼라 구현이 가능한 투명기판의 나노 무기도막 형성방법{A method for forming a nano-inorganic coating film on a transparent substrate capable of realizing a color}
본 발명은 태양광 발전용 모듈에 사용되는 커버유리 상에 고기능성 나노 무기조성물을 이용하여 미세한 나노사이즈의 박막을 형성함과 더불어 다양한 색상을 구현하는 방법에 관한 기술이다. 특히 유리와 같은 투명기판 위에 나노 무기도막을 형성하는 방법에 관한 것으로 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. 본 발명을 통하여 생성되는 상기의 특성을 활용하여 태양광용 유리에 적용하여 에너지변환효율을 획기적으로 증가시킬 뿐만 아니라 다양한 칼라 색상을 구현하여 유리와 같은 투명한 모재의 다양한 특성을 발현시킬 수 있다.
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 코팅시 백화현상이나 열처리시 마이크로 크랙이 발생하고 투과도 또는 반사율과 같은 광학특성을 저하시킬 뿐만 아니라 최근 많이 사용되고 있는 로이 유리에 보호용으로 사용시 방사율을 저하시키는 등의 문제가 발생하는 것을 알 수 있다.
또한, 태양광 발전 분야에서 나타난 바와 같이 스프레이 코팅방식으로 광학특성을 개선하기 위한 평활도와 두께의 제어 및 완전하게 투명한 박막 형성이 어려운 문제가 있었다.
또한, 태양광 발전분야에 사용되고 있는 유리는 일반적으로 일반유리보다 광 투과도가 높은 저철분 유리를 사용하고 있지만 전 세계 시장의 대부분을 중국에서 생산하고 있으며 일반유리에 비하여 가격도 2배정도의 차이가 있으나 그럼에도 광투과도를 더 높여 더 높은 발전효율을 획득하기 위하여 반사반지필름을 이용하거나 광확산을 위하여 식각기술을 이용한 텍스쳐링을 등을 실행하고 있다.
또한, 자동차 및 건축물의 유리에 사용되는 주요 소재인 폴리에스테르수지는 우수한 물리적, 화학적 특성을 가지고 있어, 고분자 가공제품으로 광범위하게 사용되고 있으며, 필름용도 개발에 있어, 폴리에틸렌테레프탈레이트 필름은 광범위한 용도와 공업용 소재로 사용되고 있다. 특히, 라벨용, 전사용, 포장용, 사진용 및 이미지용 등 대체물의 용도 개발이 활발하게 이루어지고 있다. 고분자물 소재(素材) 특히, 폴리에스테르 필름을 이용한 유리용 필름에 대한 종래의 기술은 한국특허 등록 제252022호에 의하면, 수성 호료 용액중에 최소한 1종의 분산염료를 분산시킨 분산액으로 구성되는 염료 혼합물을 제조하는 공정과 이 염료 혼합물을 폴리에스테르 필름의 일면에 피복하여 피막층을 형성하고, 최소한 1종의 염료가 이 피막층에서 필름 속으로 이염되도록 필름을 가열하는 공정으로 이루어지는 착색 필름에 관한 것으로, 염료 혼합물의 점도가 실온에서 500센티포이스 이하의 점도를 갖도록 하는 것을 특징으로 하는 착색 폴리에스테르 필름의 제조방법이 소개되고 있으며 대부분의 종래의 기술은 염료를 통하여 착색하는 방식으로 칼라를 구현하고 있어 용이하게 다양한 색의 구현이 어렵고 특히, 기존의 컬러 필름에 복층으로 코팅하기 위해서는 물을 용매로 사용하여 복층유리에 필름 코팅 필름을 붙인 후 60℃ 이상에서 건조를 진행하여 진행하였다. 그러나, 이러한 물을 기재로 사용했을 경우 함유된 수분이 휘발되지 않는 문제점이 있으며, 코팅표면이 거칠어지는 결점을 가지고 있었고 더불어 색상을 하나 이상 사용하지 못하기 때문에 다양한 색상 구현이 어려운 문제점이 있다.
또한, PET 필름의 한쪽면에 한가지 색의 색상을 구현하면 세척과 착색과정이 구현하고자 하는 색상마다 반복됨으로서 생산성이 감소되고 비용이 증가되는 문제점이 있다.
대한민국 등록특허 제10-1735383호 대한민국 등록특허 제10-1414019호
상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 본원 발명에서는 소재에 포함된 고형분의 양을 10wt% 이하로 점도를 낮추고 용매인 물의 양을 그에 상응하도록 높여 열처리에 의하여 자연적으로 수십 나노 두께의 나노 박막을 투명한 기판에 형성하는 방법의 제공함으로서 기존 발명의 문제점을 해결하였다.
이와 같이 두께를 수십 나노미터 수준으로 낮추고 평활도를 높이면 광투과 및 광반사와 같은 광학특성에 매우 높은(2배 이상) 효과를 나타낼 수 있을뿐만 아니라 디스플레이 분야에서 직사광선 환경에서도 높은 선명도와 가독성으로 높여 큰 효과를 발휘할 수 있으며 금속산화물이 용출되거나 규산성분의 표면으로 방출되는 등의 백화현상을 해결할 수 있다.
또한, 본 발명의 조성물을 이용하여 도막을 형성함으로서 건축용 유리의 방사율을 높여 사계절에 따른 에너지를 절약하고 로이 유리와 같은 특수기능을 갖는 유리의 보호기능을 부가함으로서 내구 수명을 높일 수 있다.
또한, 본 발명을 통하여 유리 표면 또는 거울 등에 친수 기능을 부가함으로서 김서림, 성에와 같은 문제점을 해결할 수 있으며 광투과도 향상과 표면의 이지클린 특성을 활용하여 건물용 유리분야에서는 에너지를 절약하고 태양광 발전분야에서는 에너지 변환효율을 증대시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 나노 무기도막을 태양광 발전의 유리에 활용함으로서 광투과도를 높이고 환경에 해를 주는 식각기술에 의한 텍스쳐링 대신 본 발명의 헤이즈 기술을 이용하여 광확산을 도모할 수 있으며 반사방지필름과 동일이상의 광반사 저감효과에 의해 광에너지의 이용 효율을 극대화 할 수있다.
또한 값비싼 저철분 유리를 사용하지 않고 일반유리를 태양광 분야에 사용함으로서 발전단가를 낮출 수 있으며 적외선 영역에서 저철분유리보다 낮은 투과율을 이용할 경우 태양광 발전시 1℃ 온도상승에 따른 출력 0.45% 감소에 대한 발전효율 상승을 기대할 수 있다.
또한, 본 발명은 기존 기술로서 다양한 색상 구현이 어려운 문제를 해결하기 위하여 공정은 매우 단순하지만 두 개의 칼라 층을 구성하고 각각의 칼라 층을 일정한 색으로 제어하여 다양한 색상을 구현할 수 있도록 하였으며 다양한 색상구현 뿐만 아니라 광투과도를 85%이상으로 기존 기술과 대비하여 획기적으로 향상시켜 문제점을 현저하게 개선하였다.
상기의 문제점을 해결하기 위한 수단으로 투명한 코팅을 위해서는 다양한 코팅방법 중 바, 슬롯다이, 스크린프린팅과 같은 방식의 코팅방식이 유용하다. 다만 헤이즈가 필요하거나 반투명 또는 불투명한 유리가 필요한 경우에는 스프레이와 같은 적하방식의 박막형성이 효과적임을 알 수 있다.
상기의 과제를 해결하기 위한 수단으로서 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 112019037472759-pat00001
고, 실리카의 몰수인
Figure 112019037472759-pat00002
며;
[화학식] (x1Na2O+x2K2O+x3Li2O)·ySiO2·nH2O
상기 화학식의 나노무기조성물에서 (M2O+SiO2)은 0.1~10 중량부이고 무기산 화합물 0.01 ~ 2 중량부와 나머지의 물을 포함하도록 하여 제조한다.
상기 제조된 조성물을 이용하여 투명유리 또는 거울 등에 김서림 또는 성에를 방지하기 위하여 20도 이하의 접촉각을 갖는 친수특성을 투명유리와 거울등의 표면에 유지할 필요가 있으며 10도 미만의 접촉각을 유지할 경우 매우 효과적으로 김서림이나 성에를 방지할 수 있다.
또한 방사율과 투과율 및 반사율 등 광학특성 개선을 위하여 유리의 표면에 수십 나노미터 수준의 평활도가 매우 높은 코팅 도막이 요구된다.
상기의 방사율은 건축용 유리의 에너지 절약에 효과적이고 투과율은 태양광 발전의 에너지변환 효율 증대에 효과적이며 반사율 감소는 디스플레이 분야에 가독성과 광도를 높여주는데 큰 역할을 할 수 있다.
또한, 스프레이 방법으로 투명기판의 표면에 온도/습도와 유량 및 모재의 이동속도 등을 제어함으로서 헤이즈(탁도)를 조절할 수 있다.
특히 유리의 경우 매우 클리어 한 코팅이 필요하지만 경우에 따라 반투명 또는 불투명 유리가 요구되어 일반유리에 비하여 상기의 헤이즈 제어는 부가가치를 높일 수 있는 장점이 있다.
이러한 코팅은 모재 표면의 광택을 조절하는 효과를 동시를 발현할 수 있다. 이것은 모재의 유광 또는 무광을 자유롭게 형성할 수 있다는 장점을 동시에 갖는 것이다.또한, 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 단색 및 다색의 색상 구현이 가능한 투명 컬러 필름을 제조하기 위한 공정으로 폴리우레탄계 중합체와, 다관능 아크릴레이트계 화합물을 함유하는 프라이머 층을 PET 필름 양면에 코팅하는 단계; 상기 프라이머 층의 일측 표면에 R, G, B, Y, K의 나노 컬러 유리 안료를 이용하여 다양한 색상을 구현하기 위한 하드 코팅층 형성 단계; 상기 프라이머 층의 다른 일측 표면에 R, G, B, Y, K 컬러나노 안료, 아크릴계 수지, 첨가제로 구성된 점착제층 형성 단계; 상기 점착제 층 표면에 점착제의 고착화를 방지하기 위한 이형 필름을 접착시키는 단계; 및 합지된 필름의 경화 단계;로 구성된다.
전술한 본 발명에 따른 나노 무기 조성물을 사용하여 형성되는 무기계 코팅막은 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.
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 제공된다.
또한, 용매로 물을 사용하기 때문에 조성물의 제조과정 및 코팅과정에서 오염물질이 발생하지 않아 친환경적이고, 그 수명이 반영구적인 효과가 있다.
상기 제조된 나노 무기조성물을 태양광 발전분야에 적용할 경우 이지클린(자정작용) 특성에 의하여 세척비용 절감뿐만 아니라 광특성 향상과 광확산을 증대를 통한 발전효율 향상을 도모할 수 있으며 값비싼 저철분 유리대신 값싼 일반 유리를 사용함으로서 발전단가를 낮추고 적외선 영역에서의 낮은 투과율을 활용하여 에너지변환효율의 증대효과와 자정작용 특성에 의한 세척시 사용하는 세정제의 토지오염을 비롯한 환경오염을 방지하는데 큰 효과가 있다.
또한, 상기의 문제점을 해결하기 위한 수단으로 다양한 코팅방법을 사용할 수 있다. 본 발명에서는 유리와 같은 투명기재의 경우 슬롯다이와 바 코팅 방법을 이용하여 코팅하는 것이 가장 유니폼하면서도 수십 나노미터 수준으로 코팅이 용이함을 실험을 통하여 알 수 있었으며 피 코팅 모재의 무광 또는 유광 효과를 구현시키거나 헤이즈를 통한 반투명, 불투명 등이 필요한 모재에 대해서는 스프레이 방식의 코팅을 활용하는 것이 가장 효과적인 수단임을 알 수 있었다.
본 발명은 상기와 같이 태양광 모듈의 최외곽으로 공기중에 노출되는 부분에 나노 무기도막을 형성하고 태양광 모듈의 내측 부분에는 칼라를 구현할 수 있도록 함으로서 기존 기술로서 다양한 색상 구현이 어려운 문제를 간단한 공정으로 다양한 색상을 구현할 수 있도록 하였으며 다양한 색상구현 뿐만 아니라 광투과도를 85%이상으로 기존 기술과 대비하여 획기적으로 향상시켰을 뿐만 아니라 경도를 9H이상으로 높여 표면 스크래치에 의한 문제점을 현저하게 개선하였다.
도 1은 본 발명에 따른 바코팅 개념도광투과 특성
도 2는 본 발명에 따른 광투과 특성
도 3은 본 발명에 따른 광반사 특성
도 4는 본 발명에 따른 헤이즈에 따른 실시예
도 5는 본 발명에 따른 접촉각 실시예
도 6는 본 발명에 따른 이지클린 특성
도 7는 본 발명에 따른 두께측정 사진
도 8는 본 발명에 따른 전영역의 투과도
도 9는 본 발명에 따른 가시광선 영역의 투과도
도 10는 본 발명에 따른 칼라 필름 형성도
이하, 본 발명의 나노 무기 조성물을 이용한 투명기판의 코팅 도막형성 방법과 다양한 칼라를 구현할 수 있는 방법에 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;
하기 화학식에서, 알칼리 산화금속들의 몰수인
Figure 112019037472759-pat00003
고, 실 리카의 몰수인
Figure 112019037472759-pat00004
며;
[화학식] (x1Na2O+x2K2O+x3Li2O)·ySiO2·nH2O
상기 화학식의 나노무기조성물에서 (M2O+SiO2)은 0.1~10 중량부이고 무기산 화합물 0.01 ~ 2 중량부와 나머지의 물을 포함하도록 하여 제조하고 상기 화학식으로 표현된 조성물은 요구되는 기능성과 코팅방법 및 코팅장치에 따라 분산제와 촉매제 그리고 계면활성제 등이 추가로 포함될 수 있다.
본 발명에 이용되는 모재는 금속 및 비철금속재를 이용한 거울, 기타 플라스틱(고분자 재료) 소재로 이루어진 투명 기판과 필름, 유리, 도자기, 타일, 석재, 목재 등의 다양한 소재가 사용 가능하며, 기타 도료의 코팅이 필요한 다양한 모재들이 모두 이용 가능하다.
상기 제조된 조성물을 이용하여 태양광 모듈의 최외곽인 커버유리에 코팅 도막을 형성하는 공정을 살펴보면 상기 화학식의 조성물을 제조하는 단계(S100)에 이어 코팅이 필요한 모재의 전처리(세정)하는 단계(S200)가 매우 중요하다. 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 필요에 따라 알코올 또는 아세톤과 같은 물질을 이용하거나 산세정 등을 활용하여 세정할 수 있다.
또한, 연마와 같은 방식을 이용하여 코팅 전에 전처리로서 세정을 할 수도 있다.
특히 투명기판의 경우 모재에 잔재하는 이물질에 의한 결함은 코팅 도막 형성 후 품질에 매우 큰 영향을 미칠 수 있어 중요한 공정이다.
세정이 끝나면 표면에 형성된 물 또는 습분을 제거하기 위한 건조단계(S300)를 진행한 후 다양한 코팅 방법을 이용하여 상기의 나노 무기조성물을 부착하는 코팅 조성물 부착단계(S400)을 진행한다. 세정 시 사용한 물 또는 기타 매체에는 이물질이 잔존할 수 있으며 이러한 이물질이 건조되면서 표면에 그대로 잔존할 수 있어 이를 제거하기 위하여 공기(바람), 열 등을 활용하여 표면을 깨끗하게 건조할 필요가 있다.
상기와 같이 건조단계(S300) 후 코팅 조성물 부착단계(S400)가 마무리되면 코팅된 표면을 다시 건조 또는 소성할 필요가 있다. 코팅 조성물 부착 직후 바로 소성을 위해 100℃ 이상의 높은 온도를 가열하면 조성물에 포함된 대부분의 물이 증발하면서 기포와 같은 문제점을 발생할 수 있기 때문에 코팅 조성물 부착 직후에는 자연적인 상온 건조 또는 100℃ 미만으로 일정시간 건조하는 단계(S500)이 필요하다. 이러한 건조시간과 연이어 코팅의 내구성을 확보하기 위하여 100~1000℃의 열처리를 위한 소성하는 단계(S600)가 필요하다. 상기 소성단계(S600)은 건조단계(S500)와 연결되어 온도제어기를 이용하여 연속적으로 제어한다.
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 상기이 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 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)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 자연 상태인 상온의 외부로 나올 수 있도록 하는 것이 좋다. 특히 유리와 석재 등 냉각온도에 민감한 소재에 코팅할 경우 필요에 따라 강제로 냉각시간을 제어하는 냉각단계(S700)이 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 코팅 도막 형성을 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 공기(Air) 등을 이용하여 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 친수특성을 갖도록 하기 위하여 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 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 건조시 공기나 열을 이용하여 건조할 경우 소정의 온도로 예열된 공기를 활용하여 건조할 수 있다.
이는, 모재표면의 습기를 제거하는 과정으로 여름철은 상온의 공기중 습분을 제거한 후 이용할 수 있으나 겨울철과 같이 주변온도가 낮을 경우 약 50±20℃ 정도의 온도로 공기를 예열하여 사용할 수 있다. 이때 모재 표면에 전이된 상온 이상의 온도를 활용하여 코팅시 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 있다.
상기 모재의 표면 전처리 및 예열건조처리가 종료되면, 상기 나노 무기 조성물을 모재의 표면에 부착시키기 위한 코팅(도막형성) 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, 스크린프린팅, 브러쉬, 붓, 스폰지 등의 방법들 중 어느 하나의 방법에 의해 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 동일한 방법으로 수회 진행하여 코팅 도막의 두께를 높게 형성할 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 1차 소성 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℃ ~ 700℃인 것이 바람직하다. 700℃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 석재와 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.
주로 강판, 유리, 석재 등과 같이 판재로 이루어진 모재의 경우 스프레이 방식의 코팅방법이 가장 일반적이라 할 수 있으며 양산을 위한 자동화에도 가장 적합할 수 있다.
또한, 최적의 두께로 코팅도막을 형성하기 위하여 노즐의 높이, 유량, 이동속도, 고형분 함량, 공기압 등을 제어함으로서 이를 달성할 수 있다.
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 탁도를 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.
또한 유리와 같은 투명기판의 코팅 도막형성은 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.
또한 유리와 같은 투명기판에 코팅 시 다양한 기능성을 구현하기 위하여 반투명 및 불투명한 유리를 만들 수 있으며 유리 이외의 불투명 모재의 유광 또는 무광을 위한 코팅 조건들의 관계식은 다음과 같다.
Figure 112019037472759-pat00005
U=u1 * u2
S : 일정한 유량에서의 산란도(헤이즈 또는 탁도)
C : 점도 또는 농도(고형분 함량)
P : 공기압
u1 : 모재의 이동속도(m/min)
u2 : 노즐의 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.
모재가 투명기판인 경우 스프레이 코팅방식은 헤이즈를 위한 코팅방식으로 적합하지만 맑고 깨끗한 유리상태로 코팅을 위해서는 슬롯다이 또는 바코팅 방식이 스프레이 방식의 코팅과 비교시 일정한 표면거칠기를 유지할 수 있어 유리하다.
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. 그러나 유리의 맑은 특성을 살리기 위해서는 스프레이 방식으로 제어가 어렵기 때문에 상기의 슬롯다이 또는 바코팅 방식을 활용하는 것이 용이하다.
슬롯다이 또는 바코팅 방식은 슬롯과 바를 피 코팅 표면에 수십에서 수백마이크로미터 이격시켜 메니스커스(meniscus)를 형성하여 피 코팅표면에 조성물을 부착시키는 것으로서 실시예는 아래와 같으며 피 코팅표면의 코팅을 위해서는 100mm x 100mm 크기의 유리샘플을 기준으로 100nm 두께의 코팅 도막층을 고려했을 때, 바 또는 슬롯다이의 높이를 100±50㎛ 정도로 이격시키고 바 또는 슬롯에 주입되는 유량을 50~500ul/min, 모재의 이동속도 1~10 mm/sec로 진행한다. 이때 도막의 두께는 바 또는 슬롯다이의 높이, 유량, 이동속도, 조성물 고형분 함량 등을 제어함으로서 조절할 수 있다.
바 또는 슬롯다이 코팅을 위한 조건들의 관계식의 경우 다음과 같다.
Figure 112019037472759-pat00006
: 바의 길이
Figure 112019037472759-pat00007
: 매니스커스 끝단에서 실제 코팅이 되어지는 두께
Figure 112019037472759-pat00008
: 모재의 이동속도
Figure 112019037472759-pat00009
: 유량 (코팅 시 매니스커스에서 소모되는 용액의 양)
Figure 112019037472759-pat00010
: 용액 주입용 주사기 니들의 개수
Figure 112019037472759-pat00011
: 매니스커스의 곡률반경
Figure 112019037472759-pat00012
: 표면장력
Figure 112019037472759-pat00013
: 용액의 점도
Figure 112019037472759-pat00014
: 바의 높이
tdry : 건조 후 도막두께
코팅 시 메니스커스에서 소모되는 용액의 양과 새로 주입되는 양이 같다고 가정할 때, 아래의 식으로 나타낼 수 있으며,
Figure 112019037472759-pat00015
코팅 면적 증가에 따라 추가 될 조성물을 주입할 니들 개수를 넣으면 아래의 식으로 나타낼 수 있다.
Figure 112019037472759-pat00016
Figure 112019037472759-pat00017
: 주사기의 내경
Figure 112019037472759-pat00018
: 조성물 주입 속도
Figure 112019037472759-pat00019
Landau Levich theory에 따라 아래의 식을 활용하면,
Figure 112019037472759-pat00020
,
여기서
Figure 112019037472759-pat00021
이고, 상기의 식을 응용하면
Figure 112019037472759-pat00022
임으로 최종적으로 아래의 식을 유추할 수 있다.
Figure 112019037472759-pat00023
즉, 매니스커스 끝단에서 실제 코팅이 되어지는 두께인 Twet는 니들의 개수와 유량에 비례하고 바의 길이와 조성물의 주입속도와 반비례관계임을 알 수 있으며 C1은 Dynamic meniscus curvature와 관계된 상수이다.
스프레이 코팅과 달리 바 또는 슬롯다이 코팅의 경우 고형분 함량을 제외한 조건들로 두께를 두배 이상 올리기는 쉽지 않다. 반면 광학특성 중 투과도 향상을 위한 코팅 방법으로서는 얇은 박막두께와 상대적으로 균일한 표면을 구현할 수 있는 바 또는 슬롯다이 코팅이 더 용이하다.
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 민간함 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 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 도면에 나타난 바와 같이 태양광 발전에 사용되는 저철분 유리와 일반유리의 광학특성을 살펴보면 가시광선영역(380~750nm)에서는 저철분 유리보다 본 발명의 나노 무기도막이 형성된 일반유리(Soda-lime Glass)에서 광투과율이 높으며 근적외선 영역(750~1,500nm)에서는 저철분 유리와 코팅된 일반유리의 투과율에 차이가 많음을 활용하여 발전효율을 크게 개선할 수 있다.
태양광 발전의 경우 대부분 에너지의 흡수는 가시광선영역에서 이루어지기 때문에 가시광선영역에서는 투과율은 높을수록 에너지 변환효율이 높다고 할 수 있고 태양광 발전중에 모듈의 온도가 1℃높아질수록 출력이 0.45% 감소함으로 운전중 온도는 낮을수록 발전효율이 높아진다는 점을 감안할 때 적외선 영역에서의 투과율은 낮을수록 발전효율을 증대할 수 있음을 알 수 있다.
이하에서는, 본 발명에 따른 나노 무기 조성물을 이용한 무기계 코팅도막의 평가 시험 결과에 대해 대한민국 특허등록번호 제10-1275782호
“무기도료 조성물 및 이를 제조하는 방법” 및 대한민국 특허 등록번호 제10-1735383호 “무기도료 조성물 및 이를 이용한 무기 도막의 형성방법”에서 제조된 조성물을 이용한 코팅 도막과 본 발명을 통하여 제조된 조성을 이용한 코팅 도막에 대한 test 실시예를 통하여 각각의 특성을 살펴보기로 한다.
구분 실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4 실시예 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
도막 두께(nm) 800±200 800±200 500±100 100±50 100±50
내수성 ○ ○ ○ ◎ ◎
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.
상기와 같이 태양광 모듈 최외곽부분의 나노 무기도막 형성이 마무리되면 태양광 모듈의 내측으로 단색 및 다색의 색상 구현이 가능한 투명 컬러 필름을 제조하기 위한 공정으로 폴리우레탄계 중합체와, 다관능 아크릴레이트계 화합물을 함유하는 프라이머 층을 PET 필름 양면에 코팅하는 단계; 상기 프라이머 층의 일측 표면에 R, G, B, Y, K의 나노 컬러 유리 안료를 이용하여 다양한 색상을 구현하기 위한 하드 코팅층 형성 단계; 상기 프라이머 층의 다른 일측 표면에 R, G, B, Y, K 컬러나노 안료, 아크릴계 수지, 첨가제로 구성된 점착제층 형성 단계; 상기 점착제 층 표면에 점착제의 고착화를 방지하기 위한 이형 필름을 접착시키는 단계; 및 합지된 필름의 경화 단계;로 구성된다.
또한, 상기에서 제조된 필름의 향후 사용 시에는 점착제층에 부착된 이형필름을 제거하고 이를 유리표면에 부착시켜 사용할 수 있으며 상기 하드코팅 층과 점착제 층에 색상을 변화를 주어 원하는 다양한 색상의 컬러 필름이 제조할 수 있다
상기 하드코팅 층은 고형분 100중량부에 대하여 컬러 나노 안료 1~10중량부, 용매 10~70중량부, 광개시제 1~5중량부, 첨가제 0.1~1중량부, 촉매 1~10중량부, 경화제 1~5중량부를 포함하며 희석용제를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 프라이머층은 폴리우레탄계 중합체 70중량부와, 다관능 아크릴레이트계 화합물 30중량부를 함유하고 상기 하드코팅 층은 마이크로 그라비아(micro gravure) 롤투롤 코팅(roll to roll) 방식으로 프라이머 층의 일측 면상에 도포하며 또 다른 일측 면상에는 컬러 안료와 아크릴이 혼합된 점착층을 형성시켜 제조한다.
또한, 상기 제조된 필름의 최외각에 위치한 하드코팅 층의 경우 연필경도 3H 내지 9H의 범위를 갖으며 일반적으로 9H 이상이 높은 표면경도를 유지할 수 있으며 더불어 자외선 차단율이 99%이상의 성능을 가지는 투명 컬러 비산방지 필름을 제조하는 공정으로 이루어진다.
상기의 제조된 필름의 경우 표로 나타난 실시예에서 보는 바와 같이 하드코팅 층은 3~10㎛, 프라이머층 10~20㎛, 접착제 층 5~20㎛, 이형필름층 6~10㎛의 코팅 두께를 형성할 수 있으며 하드코팅 층 10~30nm, 프라이머 층 80~120nm, 접착제 층 30~50nm, 이형필름 층 40~60nm의 표면거칠기를 갖도록 형성할 수 있어 기존 필름과 비교시 코팅두께와 표면거칠기를 낮추어 품질을 개선하는 효과를 확인할 수 있다.
또한, 본 발명에 의해 제조된 필름의 경우 헤이즈(탁도)를 개선하였으며 전체필름의 경우 85% 이상의 광투과율과 표면경도 9H 이상으로 나타날 수 있도록 기존 필름과 비교시 획기적인 개선이 이루어졌음을 실시예를 통하여 알 수 있다.
또한, 본 발명으로 제조된 필름의 최상위에 있는 상기 하드코팅 층의 보호와 초친수 특성 및 자정작용 특성과 향상된 기계적 화학적 안정성 등 추가로 부가된 기능을 위하여 나노 무기소재를 이용하여 코팅을 할 수 있으며, 나노 무기소재의 조성물은 소듐 실리케이트, 포타시움 실리케이트, 리튬 실리케이트와 같은 알칼리 금속 등을 포함한 수용성 실리카를 이용하여 최외각 표면에 코팅을 더 포함할 수 있다.
컬러필름 실시예
No. 구 성 Coating Thickness(㎛) Coating Roughness(nm) Coating speed 안료 입자
(유/무기nm)		 Haze 투과율(%) 경도
1 하드코팅층 3~10 10~30 1~5sec 1~100 1 > 10~85% 9H
2 프라이머코팅층 10~20 100 1~10sec - - 90
3 컬러 점착층 5~20 30~50 1~5sec 1~100 1 > 10~85%
4 이형필름층 6~10 50 1~10sec - - -
기존 기술의 비교예
No. 구 성 Coating Thickness(㎛) Coating Roughness(nm) Coating speed 안료 입자
(유/무기nm)		 Haze 투과율(%) 경도
1 하드코팅층 3~50 40~70 1~5sec 1~100 5 > 1~50% 6H
2 프라이머코팅층 30~50 120~200 1~10sec - - 85
3 컬러 점착층 25~30 60~110 1~5sec 1~100 5 > 1~50%
4 이형필름층 15~25 70 1~10sec - - -

Claims (14)

  1. 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 112020097248961-pat00024
    (
    Figure 112020097248961-pat00025
    )과,
    x1+x2+x3 > 0,
    Figure 112020097248961-pat00027
    를 만족하는 나노무기조성물의 (M2O+SiO2)은 0.1 ~10 중량부이고 무기산 화합물 0.01 ~ 2 중량부와 나머지의 물을 포함하는 나노 무기조성물과 칼라 구현을 위해 1 내지 100nm 크기의 컬러 안료입자를 분산시켜 코팅 도막을 형성하며 도막의 두께는
    Figure 112020097248961-pat00041
    식에 따라 제어하는 것을 특징으로 하는 칼라 구현이 가능한 투명기판의 나노 무기도막 형성방법.
  2. 제1항에 있어서,
    칼라 구현은 폴리우레탄계 중합체와, 다관능 아크릴레이트계 화합물을 함유하는 프라이머 층을 PET 필름 양면에 코팅하는 단계;
    상기 프라이머 층의 일측 표면에 R, G, B, Y, K의 나노 컬러 유리 안료와 컬러 색상을 구현하기 위한 하드 코팅층 형성 단계;
    상기 프라이머 층의 다른 일측 표면에 R, G, B, Y, K 컬러나노 안료, 아크릴계 수지, 첨가제로 구성된 점착제층 형성 단계;
    상기 점착제 층 표면에 점착제의 고착화를 방지하기 위한 이형 필름을 접착시키는 단계; 및
    합지된 필름의 UV 경화 단계;로 구성할 수 있는 것을 특징으로 하는 칼라 구현이 가능한 투명기판의 나노 무기도막 형성방법.
  3. 제1항에 있어서,
    나노 무기도막 형성이 용이하도록 표면처리 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 칼라 구현이 가능한 투명기판의 나노 무기도막 형성방법.
  4. 제3항에 있어서,
    표면처리 과정은 플라즈마를 이용하는 것을 특징으로 하는 칼라 구현이 가능한 투명기판의 나노 무기도막 형성방법.
  5. 삭제
  6. 제2항에 있어서,
    상기 하드코팅 층은 마이크로 그라비아(micro gravure) 롤투롤 코팅(roll to roll) 방식으로 코팅 층을 형성시키는 것을 특징으로 하는 칼라 구현이 가능한 투명기판의 나노 무기도막 형성방법.
  7. 제1항에 있어서,
    나노 무기조성물을 부착은 스프레이, 바, 스핀, 슬롯다이, 증착, 스퍼터, 디핑, 스크린프린팅, 스폰지, 또는 브러쉬를 이용하여 코팅 도막을 형성하는 것을 특징으로 하는 칼라 구현이 가능한 투명기판의 나노 무기도막 형성방법.
  8. 제1항에 있어서,
    코팅도막의 형성은 하기의 수식으로 대체하여 도막 두께(Ht)를 제어하는 것을 특징으로 하는 칼라 구현이 가능한 투명기판의 나노 무기도막 형성방법.
    Figure 112020097248961-pat00028

  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서,
    도막 두께(Twet)는 단위면적당 바와 슬롯의 높이 100±50㎛, 주입되는 유량 50~500ul/min, 모재의 이동속도 1~10 mm/sec의 조건에 비례하는 것을 특징으로 하는 칼라 구현이 가능한 투명기판의 나노 무기도막 형성방법.
  11. 제1항 또는 제8항에 있어서,
    도막 두께(Ht)는 1,000nm 이하인 것을 특징으로 하는 칼라 구현이 가능한 투명기판의 나노 무기도막 형성방법.
  12. 제1항 또는 제8항에 있어서,
    무기 도막의 산란도(S)는 하기의 수식에 비례하여 제어하는 것을 특징으로 하는 칼라 구현이 가능한 투명기판의 나노 무기도막 형성방법.
    Figure 112020097248961-pat00030

  13. 제1항에 있어서,
    나노 무기도막이 형성된 일반유리가 저철분유리보다 가시광선영역에서는 투과율이 높고 적외선영역에서는 투과율이 낮은 것을 특징으로 하는 칼라 구현이 가능한 투명기판의 나노 무기도막 형성방법.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 나노 무기도막은 자정작용 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 칼라 구현이 가능한 투명기판의 나노 무기도막 형성방법.

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