KR102327299B1 - 스프레이 코팅법을 이용한 조리기구 표면의 코팅막 형성방법. - Google Patents

Abstract

본 발명은 스프레이 코팅법을 이용한 조리기구 표면의 코팅막 형성방법에 관한 것으로서, 조리기구 표면을 전처리하는 단계, 상기 조리기구 표면에 하도 코팅제를 스프레이 코팅하여 하도 코팅막을 형성하는 단계, 상기 하도 코팅막을 소성 처리하는 단계, 상기 하도 코팅막 상에 상도 코팅제를 스프레이 코팅하여 상도 코팅막을 형성하는 단계, 상기 상도 코팅막을 소성 처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

스프레이 코팅법을 이용한 조리기구 표면의 코팅막 형성방법.{SPRAY COATING METHOD FOR FORMING COATING LAYER ON COOKING UTENSIL}

본 발명은 스프레이 코팅법을 이용한 조리기구 표면의 코팅막 형성방법에 관한 것으로서, 스프레이 코팅법을 통하여 높은 광택과 우수한 표면 평탄성, 내염수성 및 논스틱성이 우수한 불소수지 코팅막을 형성할 수 있는 조리기구 표면의 코팅막 형성방법에 관한 것이다.

프라이팬, 웍, 냄비, 불판 등의 가열조리를 위한 조리기구의 표면에는 코팅막이 형성되는데, 이러한 코팅막의 형성을 위하여 일반적으로 스프레이 코팅과 스핀 코팅법을 이용하여 코팅막을 형성하고 있다.

스핀 코팅법은 전기화학적 에칭 및 아노디아징으로 전처리한 조리기구의 표면에 불소수지를 함유하는 코팅제를 일정량 떨어뜨린 후 이를 고속 회전하여 도막을 형성하는 기술로서, 코팅막의 표면 평탄성이 우수하고 광택이 뛰어나며, 내염수성, 논스틱성이 우수한 코팅막을 얻을 수 있는 방법이다.

그러나 스핀 코팅법으로 코팅막을 형성할 경우 기재의 평탄성에 따라 불량이 발생하기 때문에 기재인 조리기구 표면의 평탄 가공 및 전처리 공정이 까다로운 문제점이 있다. 특히, 기재를 일정한 각도 이상으로 성형하면 코팅막이 형성되기 어렵기 때문에 다양한 디자인의 조리기구에 적용하기 어렵고 높이가 낮은 프라이팬 등에만 적용하고 있는 실정이다.

한편 스프레이 코팅으로 도막을 형성하는 기술은 공정이 간단하여 다양한 분야에 활용되고 있으나, 조리기구의 경우, 스프레이 코팅으로 형성된 도막은 도막의 평탄성이 떨어져 광택이 저하되며, 이로 인하여 조리기구의 품질을 저하시키기 때문에 적용하기 곤란한 문제점이 있었다.

대한민국 등록특허공보 10-1600166호에서는 2중 코팅 프라이팬을 제조하는 공정에서 소량의 실리콘유 또는 실리콘 용액이 첨가된 불소수지액을 스프레이 코팅으로 코팅층을 형성하는 기술이 개시되어 있으며, 이를 통해 상도층과 하도층의 접착강도가 4,306㎏/㎟인 고강도의 코팅막을 얻을 수 있다. 그러나 이러한 방법에 의해 형성된 도막은 도막의 평탄성이 떨어져 광택이 부족하며 도막의 불균일성으로 인하여 논스틱성도 낮은 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 하는 것으로서, 스프레이 코팅법으로 조리기구의 표면에 코팅막을 형성하되 종래의 스핀 코팅법으로 제조된 코팅막과 동등한 정도의 광택과 표면 평탄성, 내염수성, 논스틱성을 나타내는 코팅막을 형성하는 코팅막 형성방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

또한, 하도 코팅제 및 상도 코팅제의 조성을 최적화함으로써 스프레이 코팅법으로도 우수한 코팅막이 형성될 수 있는 코팅막 형성방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 코팅막 형성방법은 조리기구 표면을 전처리하는 단계, 상기 조리기구 표면에 하도 코팅제를 스프레이 코팅하여 하도 코팅막을 형성하는 단계, 상기 하도 코팅막을 소성 처리하는 단계, 상기 하도 코팅막 상에 상도 코팅제를 스프레이 코팅하여 상도 코팅막을 형성하는 단계, 상기 상도 코팅막을 소성 처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 하도 코팅제는 불소수지, 폴리아미드이미드, 폴리에테르술폰, 폴리디메틸실록산 및 실리카를 포함하며, 상기 상도 코팅제는 불소수지, 폴리디메틸실록산, 및 용제를 포함할 수 있다.

또한, 상기 하도 코팅막은 150 내지 200℃에서 15분 내지 30분 동안 소성 처리하며, 상기 상도 코팅막은 400 내지 430℃에서 0.5 내지 1시간 동안 소성 처리할 수 있다.

본 발명의 코팅막 형성방법에 따르면 스프레이 코팅법으로 조리기구의 표면에 코팅막을 형성하되 종래의 스핀 코팅법으로 제조된 코팅막과 동등한 정도의 광택과 표면 평탄성, 내염수성, 논스틱성을 나타내는 코팅막을 형성할 수 있다.

또한, 하도 코팅제 및 상도 코팅제의 조성을 최적화함으로써 스프레이 코팅법으로도 우수한 코팅막이 형성될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 스프레이 코팅법으로 형성된 코팅막(a)과 종래의 스핀 코팅법으로 형성된 코팅막(b)을 비교한 사진이다.

이하 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명은 스프레이 코팅법으로 조리기구 표면의 코팅막을 형성하되 종래의 스핀 코팅법으로 얻어지는 코팅막과 동일한 정도의 광택과 표면 평탄성, 내염수성, 논스틱성을 나타낼 수 있는 코팅막을 형성하는 방법에 관한 것이다. 이를 구체적으로 설명하면, 상기 코팅막의 형성방법은 조리기구 표면을 전처리하는 단계, 상기 조리기구 표면에 하도 코팅제를 스프레이 코팅하여 하도 코팅막을 형성하는 단계, 상기 하도 코팅막을 소성 처리하는 단계, 상기 하도 코팅막 상에 상도 코팅제를 스프레이 코팅하여 상도 코팅막을 형성하는 단계, 상기 상도 코팅막을 소성 처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 코팅막은 프라이팬, 웍 등의 고온에서 조리하기 위한 조리기구의 표면에 형성되는 것으로서 일반적으로 불소수지를 포함하는 코팅제를 이용하여 형성하게 된다. 이와 같은 코팅제는 성분과 함량에 의해 점성을 조절하여 스핀 코팅법에 의해 조리기구의 표면에 고르게 퍼져 균일한 두께의 도막을 형성할 수 있는데, 스프레이 코팅법을 적용하는 경우 표면에 고르게 퍼지지 못하여 도막의 두께가 불균일해지고 이는 불량률이 높아지는 원인이 된다.

본 발명에서는 스프레이 코팅법으로도 종래의 스핀 코팅법에서 얻어지는 것과 동등한 수준의 코팅막을 형성할 수 있도록 공정조건과 코팅제를 최적화하고 있다. 스프레이 코팅법을 적용할 수 있으면 평탄한 조리기구의 표면에만 적용할 수 있는 스핀 코팅법과 달리 곡면에도 적용할 수 있어 웍과 같은 곡면 형상에도 적용할 수 있고 프라이팬의 곡면에까지 코팅막을 형성할 수 있게 된다.

상기 스프레이 코팅법에 의한 코팅 공정에 사용되는 상기 하도 코팅제는 불소수지, 폴리아미드이미드, 폴리에테르술폰, 폴리디메틸실록산 및 실리카를 포함하는 코팅제 조성물을 적용하고 있으며, 상기 상도 코팅제로는 불소수지, 폴리디메틸실록산, 및 용제를 포함하는 코팅제 조성물을 적용하고 있다.

상기 불소수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 퍼플루오로알콕시알칸(PFA) 또는 불소화에틸렌프로필렌(FEP)을 사용할 수 있으며, 상기 수지를 2 이상의 성분으로 혼합하여 사용할 수도 있다.

상기 조리기구는 금속제로 이루어져 있으므로, 코팅제를 사용하여 코팅 작업을 하기에 앞서 조리기구의 표면을 전처리할 필요가 있다. 이러한 전처리는 샌딩처리 및 아노다이징(anodizing) 공정을 포함할 수 있다. 샌딩처리만으로도 코팅제의 도포가 용이한 표면을 형성할 수 있으나, 접착력 향상을 위하여 아노다이징 처리를 할 수도 있다. 스핀 코팅법의 경우 매우 높은 표면 평탄성이 요구되기 때문에 표면을 물리적 에칭 가공한 후 다시 화학적 에칭 가공을 하고, 이러한 에칭 가공된 표면을 아노다이징하여 표면강도를 증가시킨 후 코팅 공정을 수행해야 하나 스프레이 코팅법은 공정 특성상 이러한 복잡한 전처리 공정을 거치지 않아도 되는 장점이 있다.

전처리된 조리기구 표면에 하도 코팅제를 스프레이 코팅하여 하도 코팅막을 형성하는데, 상기 하도 코팅막은 금속제 조리기구의 표면에 프라이머를 형성하는 것으로서 도막 두께는 20㎛ 내지 40㎛가 되도록 코팅막을 형성하는 것이 바람직하다.

상기 하도 코팅제를 구성하는 코팅제 조성물은 불소수지, 폴리아미드이미드, 폴리에테르술폰, 폴리디메틸실록산 및 실리카를 포함하는데, 상기 불소수지로는 PTFE를 사용하는 것이 바람직하다.

보다 구체적으로 상기 코팅제 조성물은 PTFE 30 내지 40 중량부, 폴리아미드이미드 20 내지 30 중량부, 폴리에테르술폰 5 내지 10 중량부, 폴리디메틸실록산 10 내지 20 중량부 및 실리카 10 내지 20 중량부 및 필요에 따라 충진제를 배합하여 제조할 수 있다.

상기 폴리디메틸실록산은 절연체의 보호 코팅막에 적용되는 물질로서 350℃까지 지속적인 내열성을 가지고 있다.

본 발명에서는 SILIKOPHEN P40W(Degussa)를 사용하고 있다.

또한, 상기 실리카로는 합성 실리카를 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 폴리디메틸실록산, 폴리에테르 변성 폴리디메틸실록산, 폴리알킬실록산 등의 시판되는 폴리실록산을 실리카 입자와 반응시켜 표면을 소수화시킨 합성 실리카를 사용할 수 있다. 일 실시예에서 상기 합성 실리카는 평균 입경이 3㎛인 실리카 입자 100 중량부에 대하여 폴리디메틸실록산 10 중량부를 혼합하고 300℃에서 1시간 동안 열처리함으로써 제조할 수 있다. 상기 합성 실리카를 사용함으로써 소수성인 폴리디메틸실록산과의 상용성을 높일 수 있고, 이를 통해 스프레이 코팅법에 의한 고품질의 코팅막을 형성할 수 있게 된다.

하도 코팅막을 형성하는 공정에서 스프레이 코팅법으로 코팅제를 분사한 후 균일한 도막을 형성하기 위해서는 코팅제의 유동성이 필요한데, 이는 코팅제를 구성하는 성분의 함량에 영향을 받는다.

상기 하도 코팅제의 특성을 확인하기 위하여 폭 70㎜, 두께 1㎜의 SUS304 시편에 다양한 하도 코팅제 조성물을 제조하여 스프레이 코팅 후 열처리 하고 표면 상태를 확인하였는데, 합성 실리카가 아닌 일반적인 시판되는 실리카를 사용하는 경우 도막의 두께 편차가 2㎛까지 되어 도막 품질이 저하되는 것으로 나타났다. 또한, 상기 합성 실리카는 충전제의 역할을 하는데, 합성 실리카를 사용하지 않고 폴리디메틸실록산만을 사용한 코팅제 조성물의 경우 제조된 도막의 내마모성이 크게 저하되어 후술한 내마모성 시험에서 코팅면의 불량이 발생하는 것으로 나타났다.

또한, 상기 상도 코팅막을 형성하기 위한 코팅제 조성물로는 불소수지, 수용성 실리콘 수지를 포함하는 코팅제 조성물을 적용하는데, 상도는 하도 코팅층의 보호층 역할을 하는 탑코팅층으로서 상기 불소수지 60 내지 70 중량부, 폴리디메틸실록산 20 내지 30 중량부, 및 용제 10 내지 50 중량부를 포함하는 코팅제 조성물을 사용하여 코팅막을 형성한다. 상기 불소수지로는 PTFE, PFA, 및 FEP를 배합한 불소수지를 사용할 수 있는데, PTFE 50 내지 60 중량%, PFA 20 내지 30 중량%, 및 FEP 20 내지 30 중량%를 배합하여 불소수지로서 사용할 수 있다. 상기와 같은 불소수지를 함유하는 상도 코팅층은 표면의 논스틱성을 향상시키고 내염수성도 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 용제로는 에탄올 또는 이소프로판올에서 선택되는 알코올을 사용하는 것이 바람직하다.

상기 상도 코팅막의 도막 두께는 15 내지 25㎛가 되도록 코팅막을 형성하는 것이 바람직하며, 상기 하도 및 상도가 적층된 전체 코팅막의 두께는 소성 후 40㎛ 이상이 되도록 하는 것이 바람직하다. 이는 조리기구의 표면보호 및 논스틱성의 구현을 위한 것으로서 코팅막의 두께가 지나치게 얇으면 표면 내구성이 저하되어 스크래치에 의한 표면 손상과 제품불량 발생의 문제가 있으므로 상기 두께 이상이 되도록 코팅막을 형성하는 것이 바람직하다.

상기 하도 코팅막 및 상도 코팅막을 형성한 후 소성 처리하여 도막을 경화하게 되는데, 하도 코팅막의 경우, 150 내지 200℃에서 15분 내지 30분 동안 소성 처리하며, 상도 코팅막의 경우, 400 내지 430℃에서 0.5 내지 1시간 동안 소성 처리하는 것이 바람직하다. 즉, 하도 코팅막을 상대적으로 저온에서 열처리한 후 상기 하도 코팅막 상에 상도 코팅막을 형성하고 상대적으로 고온에서 열처리함으로써 전체적인 코팅막을 경화시키며, 이를 통하여 형성된 도막의 강도를 향상시킬 수 있게 된다.

본 발명의 제조방법을 적용한 조리기구의 특성을 평가하기 위하여 다음과 같이 시편을 제조하였다.

폭 70㎜, 두께 1㎜의 SUS304 시편을 샌딩처리한 후 스프레이 코팅장치를 이용하여 상기 프라이팬 표면에 하도 코팅제를 스프레이 코팅하였다. 상기 하도 코팅제로는 PTFE 35 중량부, 폴리아미드이미드 20 중량부, 폴리에테르술폰 8 중량부, 폴리디메틸실록산(SILIKOPHEN P40W) 15 중량부 및 합성 실리카 15 중량부로 이루어진 코팅제 조성물을 사용하였다. 상기 합성 실리카는 평균 입경이 3㎛인 실리카 입자 100 중량부에 대하여 폴리디메틸실록산 10 중량부를 혼합하고 300℃에서 1시간 동안 열처리한 후 분쇄한 것을 사용하였다.

상기 하도 코팅막을 180±2℃에서 30분 간 소성 처리한 후 실온으로 냉각시켰으며, 26±0.2㎛ 두께의 코팅막이 형성되었다.

다음으로 상기 하도 코팅막이 형성된 프라이팬 표면에 상도 코팅제를 스프레이 코팅하여 상도 코팅막을 형성하였다. 상기 상도 코팅제로는 PTFE 60 중량%, PFA 20 중량%, 및 FEP 20 중량%를 배합한 불소수지 65 중량부, 폴리디메틸실록산(SILIKOPHEN P40W) 25 중량부, 및 에탄올 20 중량부로 이루어진 코팅제 조성물을 스프레이 코팅하여 코팅막을 형성하였다. 상기 상도 코팅막을 420±2℃에서 40분 간 소성 처리한 후 실온으로 냉각시켰으며, 전체 코팅막의 두께는 45±0.2㎛인 것으로 나타났다(실시예).

또한, 비교를 위하여 동일한 상도 및 하도 코팅제를 적용하여 코팅막을 형성하되 스핀 코팅법으로 코팅막을 제조하였다(비교예). 스핀 코팅법을 적용하기 위하여 코팅막을 형성할 기재는 1차 에칭으로 물리적 에칭을 수행한 후, 2차 에칭으로 화학적 에칭을 수행하였으며, 불순물을 제거한 후 표면의 아노다이징을 실시하여 전처리 공정을 수행하였다.

실시예와 비교예의 프라이팬에 대하여 JIS S 2010:2013 8.3.4.5에 따라 내마모성 시험을 실시하였다. 시편에 40°의 각도로 2.8±0.2N의 무게로 힘을 가하여 매분 40회 속도로 50만회 왕복시킨 후 본체 금속 소재의 노출이 되는지 여부를 확인하였으며 실시예 및 비교예 모두 양호한 것으로 나타났다. 이는 본 발며에 따른 스프레이 코팅법을 적용하여도 종래의 스핀 코팅법과 동일한 정도의 내마모성을 나타내는 것을 시사하는 결과이다.

또한, 상기 실시예 및 비교예와 동일한 방법으로 SUS304 재질의 프라이팬에 코팅막을 형성한 후 논스틱성을 시험하였다. 시험은 스카치 브라이트 수세미를 사용하여 1.2㎏의 수직하중으로 코팅 표면을 마찰시켜 스크래치를 발생시킨 후 논스틱성 유지 회수를 측정하는 것이었다. 종래의 스핀 코팅법을 적용한 비교예의 경우 2,250회까지 논스틱성을 유지하였는데, 실시예에서도 2,220회까지 논스틱성을 유지하는 것으로 나타나 논스틱성에 차이가 없는 것으로 나타났다. 이는 본 발명에 따른 코팅제 조성물을 상도 및 하도에 적용하는 경우 스프레이 코팅법이나 스핀 코팅법에서 모두 동일한 물성의 코팅막이 형성되는 것을 시사하는 결과이다.

또한, 내식성 시험을 위하여 상기 실시예 및 비교예의 방법으로 제조된 프라이팬을 비교하였다. JIS S 2010:2013의 내식성 검사 기준에 따라 실시하였으며 5% 소금 농도의 80℃ 염수에 720시간 동안 노출시켜 코팅막의 이상 유무를 확인하는 시험 결과 실시예 및 비교예의 프라이팬이 모두 코팅에 이상이 없는 것으로 나타났다. 따라서 본 발명에 따른 코팅제 조성물을 적용하는 스프레이 코팅법에서 종래의 스핀 코팅법과 동일한 정도의 코팅막 물성을 얻을 수 있음을 확인하였다.

이러한 결과로부터 본 발명에 따른 제조방법은 스프레이 코팅법을 적용하더라도 종래의 스핀 코팅법에서와 동일한 정도의 물성을 가진 조리기구 표면 코팅막을 형성할 수 있는 것으로 나타났다. 또한, 스프레이 코팅법을 적용하기 때문에 종래의 스핀 코팅법과는 달리 다양한 표면 형태에 대해서도 효율적으로 코팅막을 제조할 수 있는 것으로 나타났다.

비록 본 발명이 상기에 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명하였지만 발명의 요지 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위에는 본 발명의 요지에 속하는 한 이러한 수정이나 변형을 포함한 것이다.

Claims (3)

1. 조리기구 표면을 전처리하는 단계;
   상기 조리기구 표면에 하도 코팅제를 스프레이 코팅하여 하도 코팅막을 형성하는 단계;
   상기 하도 코팅막을 소성 처리하는 단계;
   상기 하도 코팅막 상에 상도 코팅제를 스프레이 코팅하여 상도 코팅막을 형성하는 단계;
   상기 상도 코팅막을 소성 처리하는 단계;
   를 포함하며,
   상기 하도 코팅제는 불소수지 30 내지 40 중량부, 폴리아미드이미드 20 내지 30 중량부, 폴리에테르술폰 5 내지 10 중량부, 폴리디메틸실록산 10 내지 20 중량부 및 실리카 10 내지 20 중량부를 포함하며,
   상기 실리카는 폴리실록산을 실리카 입자와 반응시켜 표면을 소수화시킨 합성 실리카이며,
   상기 상도 코팅제는 불소수지 60 내지 70 중량부, 폴리디메틸실록산 20 내지 30 중량부, 및 용제 10 내지 50 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 스프레이 코팅법을 이용한 조리기구 표면의 코팅막 형성방법.
   
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 하도 코팅막은 150 내지 200℃에서 15분 내지 30분 동안 소성 처리하며,
   상기 상도 코팅막은 400 내지 430℃에서 0.5 내지 1시간 동안 소성 처리하며 것을 특징으로 하는 스프레이 코팅법을 이용한 조리기구 표면의 코팅막 형성방법.

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