KR102403236B1

KR102403236B1 - 백색광 펄스를 이용한 옻칠된 도막의 투명화 방법

Info

Publication number: KR102403236B1
Application number: KR1020190135251A
Authority: KR
Inventors: 임정아; 이상수; 이보라; 이한나; 김수진
Original assignee: 한국과학기술연구원
Priority date: 2019-10-29
Filing date: 2019-10-29
Publication date: 2022-05-30
Also published as: KR20210050789A

Abstract

본 발명은 기판에 옻칠을 도막하는 제1단계; 도막된 옻칠을 경화시키는 제2단계; 및 상기 경화된 옻칠도막에 백색광 펄스(intensive pulsed light; IPL)를 조사하여 투명화하는 제3단계;를 포함하는, 옻칠된 도막의 투명화 방법에 관한 것이다.
옻칠된 도막에 백색광 펄스를 조사함으로써, 고경도, 고접착성, 고내구성, 향균성, 내수성을 가지는 옻칠의 장점을 가지면서도, 도막의 두께, 경도, 광택도 등에 영향을 미치지 않고, 옻칠 자체의 암갈색이 옅어지고 채도가 향상되어 옻칠 공예뿐만 아니라 친환경 코팅제로서 응용될 수 있다.

Description

백색광 펄스를 이용한 옻칠된 도막의 투명화 방법{A transparent method for lacquered composition coating using intensive pulsed light}

본 발명은 기판에 옻칠을 도막하는 제1단계; 도막된 옻칠을 경화시키는 제2단계; 및 상기 경화된 옻칠도막에 백색광 펄스(intensive pulsed light; IPL)를 조사하여 투명화하는 제3단계;를 포함하는, 옻칠된 도막의 투명화 방법에 관한 것이다.

옻칠은 예로부터 접착제 및 코팅제로 사용되어 왔다. 고분자 코팅소재는 우리 생활 전반에 걸쳐 사용되는 거의 대부분의 제품에서 필수적으로 사용되고 있으며, 광학적, 물리적, 화학적 외부 자극으로부터 제품을 보호해 제품이 실생활에서 오랜기간 그 기능을 유지할 수 있도록 한다. 최근 환경호르몬, 화학첨가제에 대한 소비자의 부정적 인식이 확대되면서 친환경 코팅제의 개발에 대한 연구개발 필요성이 대두되고 있다. 이에 전통 한옥과 문화재 유물에서 코팅제로 쓰였던 옻칠(漆, oriental lacquer 또는 Ottchil)이 천연 친환경 고분자 코팅소재로써 새롭게 주목받고 있다.

옻칠은 우리문화를 대표하는 전통 공예기법으로 역사적으로 한반도의 칠기(漆器 ; 옻칠을 한 용기) 사용은 기원전 1세기 전후로 시작된 것으로(다호리 1호, 철기시대) 보고되고 있다. 놀라운 것은, 옻칠의 고강도, 내열 성, 고광택, 내화학성, 방수성, 방충성 등 우수한 도막 특성로 인해, 이러한 유물들이 2,000여 년이 지난 현재에 도 부패하지 않고 그 형태가 온전히 유지되고 있다는 것이다. 옻칠은 옻나무에 상처를 내어 얻어지는 진액으로, 카테콜(catechol) 구조를 가지는 지방(lipid) 분자들이 효소에 의해 상온에서 자연적으로 중합되면서 매우 치밀한 네트워크 구조를 형성한다. 즉, 옻칠은 화학첨가제가 필요하지 않은 천연 코팅제인 것이다.

전통 문화 속 코팅 소재 기술은 현대 과학기술이 발전하면서 일부 장인과 예술가들에 의해 칠 공예의 형태로만 기술이 전수되어 오고 있었으나, 최근 천연 고분자 코팅소재에 대한 관심이 높아지면서 옻칠 분자 구조 및 중합과정, 코팅막의 물성 등 기초연구에서부터 다양한 응용으로의 적용 가능성까지 연구 범위가 확장되고 있다.

옻칠을 채취할 수 있는 옻나무는 한국, 일본, 중국 등지에 자생하는 참옻나무(Rhus verniciflua stokes)와 베트남, 태국 등의 검양 옻나무 변종(Rhus succedanea Linnaeus var. damoutieri kudo et Matsumra), 미얀마의 북부 산악지역과 태국의 북부지역, 인도 등지에서 생육되는 미얀마 옻나무(Melanorrhoea usitata), 그 외에 버마 옻나무(Gluta usitata), 캄보디아 옻나무(Gluta laccifera) 등에서 채취되고 있다.

옻의 주성분은 알킬 사이드 체인에 이중결합을 가지는 카테콜 구조이며, 중합반응에 참여한다. 또한 옻은 습도가 높은 환경에서 락카아제(laccase)에 의해 상온에서 경화된다.

옻칠의 특징은 항균성, 내곰팡이성, 방충성, 방염성, 선영성, 방수성, 내화학성, VOC 흡수, 습도조절, 수맥차단, 선영성 등의 특징을 나타내는 우수한 도료임에도 불구하고 옻칠 도막의 색깔이 암갈색을 나타내서 다양한 색상과 높은 채도를 구현할 수 없는 문제점이 있다. 또한, 최근에는 다양한 색상을 나타내는 컬러 옻칠 개발이 주목받고 있으나, 컬러 옻칠의 채도가 낮은 문제가 있어 이를 개선할 수 있는 방법 개발이 요구되고 있다.

한편, 백색광 펄스(Intensive pulse white light)는 기존의 레이저가 특정 매질에서 나오는 특정 파장의 빛을 이용하는데 반하여 IPL은 일정한 범위의 파장 대역을 갖는 빛 (515 ~ 1400 ㎚)을 강한 펄스(pulse) 형태로 방출시키는 것으로, 빠른 신터링(sintering) 방법으로 부각되고 있다.

이러한 배경하에, 본 발명자들은 옻칠 도막의 투명도를 향상시킬 수 있으며, 공정성이 용이한 후처리 공정 개발이 필요하다고 판단하에 예의 연구 노력한 결과, 대면적, 초고속 노광이 가능한 백색광 펄스를 이용하여 도막 특성에 영향을 주지 않으면서도, 옻칠에 의한 채도 감소 및 투명도 약화를 개선할 수 있는 방법을 개발하여 본 발명을 완성하였다.

0001)한국공개특허 제10-2013-0133471호 0002)일본공개특허 제2000-129212호

본 발명의 목적은 상기 과제를 해결하기 위한 하나의 양태로서 기판에 옻칠을 도막하는 제1단계; 도막된 옻칠을 경화시키는 제2단계; 및 상기 경화된 옻칠도막에 백색광 펄스(intensive pulsed light; IPL)를 조사하여 투명화하는 제3단계;를 포함하는, 옻칠된 도막의 투명화 방법을 제공하는 것이다.

이하에서는, 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

한편, 본원에서 개시되는 각각의 설명 및 실시형태는 각각의 다른 설명 및 실시 형태에도 적용될 수 있다. 즉, 본원에서 개시된 다양한 요소들의 모든 조합이 본 발명의 범주에 속한다. 또한, 하기 기술되는 구체적인 서술에 의하여 본 발명의 범주가 제한된다고 할 수 없다.

또한, 당해 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 통상의 실험만을 사용하여 본 출원에 기재된 본 발명의 특정 양태에 대한 다수의 등가물을 인지하거나 확인할 수 있다. 또한, 이러한 등가물은 본 발명에 포함되는 것으로 의도된다.

본 발명의 하나의 양태로서, 기판에 옻칠을 도막하는 제1단계; 도막된 옻칠을 경화시키는 제2단계; 및 상기 경화된 옻칠도막에 백색광 펄스(intensive pulsed light; IPL)를 조사하여 투명화하는 제3단계;를 포함하는, 옻칠된 도막의 투명화 방법을 제공한다.

본 발명의 상기 “기판”은 옻칠 가능한 소재를 의미한다. 구체적으로, 유리, 목재, 금속, 도자기, 가죽, 대나무일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.

본 발명의 상기 제1단계는 생칠과 용매를 약 1:1의 비율로 섞은 용액을 기판 표면에 균일하게 도포하는 것이다.

본 발명의 상기 제2단계는 옻은 습도가 높은 환경에 옻칠 도막을 노출시키면, 물이 막에 침투하여 물 속에서 활성을 나타내는 락카아제(laccase)와 반응을 통해 건조 또는 경화가 일어난다.

본 발명의 상기 제3단계는 경화된 옻칠도막을 열처리하는 경우에는 금속과 철과의 접착력을 증가 시키나 투명화 효과는 없다는 문제가 있으며, 레이저 조사의 경우 대면적을 적용하기에는 좁은 영역에서만 적용되는 한계가 있다. 자외선 조사의 경우, 시간이 오래 걸린다는 문제가 있다. 반면, 백색광 펄스의 경우, 넓은 가시광선 영역을 포함하는 파장을 가지는 것으로, 대면적에 적용이 가능하면서도 펄스 처리 시간이 매우 짧아 초고속 노광이 가능하며, 도막의 특성에 영향을 미치지 않아 투명화 코팅 방법으로서 현저한 효과를 가져 상기 백색광 펄스 조사 방법을 채택하였다.

본 발명의 용어 “투명화”는 옻칠의 고유한 암갈색을 옅어지게 하면서 도막 표면의 색 특히, 컬러옻칠의 경우 백색광 펄스를 조사하기 전보다 도막의 컬러 채도가 향상되도록 하는 것을 의미한다. 투명화는 FT-IR (Fourier-transform infrared spectroscopy)분석 결과(도 1) C=C 이중결합이 깨짐을 통해 옻칠 자체의 색이 옅어짐으로써 나타나는 현상임을 밝혀냈다.

본 발명의 상기 제 1단계에서 옻칠은 컬러 안료와 옻칠을 혼합한 컬러옻칠을 포함하는 것일 수 있다. 컬러 안료와 옻칠을 약 1:1의 비율로 섞은 용액으로 기판을 컬러옻칠 하는 것이다. 상기 컬러옻칠은 백색광 펄스를 조사하기 전에 비해서 경화된 도막의 컬러 채도를 향상시키면서도 기판의 결이 드러나게끔 투명도를 가지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 상기 제 1단계에서 백색광 펄스 조사에 의한 투명화가 가능한 옻칠의 두께는 1 내지 20 μm 인 것일 수 있다. 구체적으로 5 내지 10 μm 일 수 있다. 보다 구체적으로 5 내지 7 일 수 있다.

본 발명의 상기 옻칠의 화학식 1로 표현되는 화합물을 하나 이상 포함하는 것이다.

[화학식 1]

R은 C15 내지 C17의 알케닐기이고,

상기 C15 내지 C17의 알케닐기는 이중결합을 1 내지 3개 포함하는 것일 수 있다.

구체적으로, 카테콜 분자는 원산지에 따라 주성분이 다르게 나타난다. 한국, 중국, 일본에서는 알킬체인이 15개인 우루시올, 베트남은 알킬체인이 17개인 락콜, 미야마산은 알킬체인의 위치가 다른 티티올이 주성분이나, 이에 제한되지 않는다. 상기 알킬체인에는 알킬기, 알케닐기를 포함하나, 보다 구체적으로는 이중결합 1 내지 3개를 포함하는 알케닐기일 수 있다.

본 발명의 상기 “백색광 펄스”의 조사 횟수는 3회 내지 9회일 수 있다. 10회 이상인 경우, 기판의 종류마다 효과에 차이가 있으나, 목재 기판의 경우 목재의 광택도가 감소할 수 있어 10회 이상인 경우 문제가 발생할 수 있다. 조사 횟수가 3회 미만이면, 투명화 효과를 기대하기 어려운 문제가 있다.

상기 백색광 펄스는 조사 횟수 1회당 0.1 내지 5 ms의 펄스 지속시간, 0.9 ms 내지 99.999 s 의 휴지시간 (0.01 내지 100 Hz의 펄스 주파수), 1 내지 9999개의 펄스 수(pulse) 일 수 있다. 펄스 휴지시간은 구체적으로 0.9 ms 내지 90 s, 0.9 ms 내지 80 s, 0.9 ms 내지 50 s, 0.9 ms 내지 40 s, 0.9 ms 내지 30 s, 0.9 ms 내지 15 s, 0.9 ms 내지 8 s, 0.9 ms 내지 5 s, 0.9 ms 내지 3 s, 0.9 ms 내지 1 s, 0.9 ms 내지 50 ms, 0.9 ms 내지 20 ms, 0.9 ms 내지 15 ms 일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 펄스 수(pulse) 는 1 내지 9000 개, 1 내지 5000 개, 1 내지 3000 개, 1 내지 2000 개, 1 내지 1000 개, 1 내지 500 개, 1 내지 200 개, 1 내지 100, 1 내지 50 개 일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 백색광 펄스는 목적하는 효과에 따라 달라질 수 있으며, 상기 조건에 제한되지 않는다.

상기 백색광 펄스는 100 내지 700 V의 전압을 가질 수 있다. 구체적으로, 100 내지 600 V, 100 내지 500 V, 150 내지 내지 700 V, 150 내지 600 V, 150 내지 500 V, 150 내지 400 V, 200 내지 700 V 200 내지 600 V, 200 내지 500 V, 200 내지 400 V, 200 내지 300 V, 300 내지 700 V, 300 내지 600 V, 300 내지 500 V, 300 내지 400 V 일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.

옻칠된 도막에 백색광 펄스를 조사함으로써, 고경도, 고접착성, 고내구성, 향균성, 내수성을 가지는 옻칠의 장점을 가지면서도, 도막의 두께, 경도, 광택도 등에 영향을 미치지 않고, 옻칠 자체의 암갈색이 옅어지고 채도가 향상되어 옻칠 공예뿐만 아니라 친환경 코팅제로서 응용될 수 있다.

도 1은 옻칠된 슬라이드 글라스(slide glass)에 백색광 펄스 처리 횟수에 따른 옻칠 도막의 투명화를 보여주는 사진이다.
도 2는 옻칠된 슬라이드 글라스에 조사된 백색광 펄스 조사 횟수에 따른 슬라이드 글라스 투과도 측정한 도이다.
도 3a는 우루시올(Urushiol) 구조를 나타낸 도이다.
도 3b 및 3c는 백색광 펄스 횟수에 따른 슬라이드 글라스의 FT-IR 분석 결과를 나타낸 도이다.
도 4는 백색광 펄스 횟수에 따른 슬라이드 글라스 두께 변화를 나타낸 도이다.
도 5는 나무시료 백색광 펄스 조사 실험의 개략도를 나타낸 도이다.
도 6은 백색광 펄스 횟수에 따른 나무 시료 표면 사진이다.
도 7은 백색광 펄스 횟수에 따른 나무시료 광택도 변화를 나타낸 도이다.
도 8은 컬러 옻칠된 슬라이드글라스의 백색광 펄스 조사 후 표면 변화를 나타낸 도이다.
도 9는 컬러 옻칠된 슬라이드글라스의 백색광 펄스 조사 후 투과도 변화를 나타낸 도이다.
도 10은 백색광 펄스 노출에 따른 녹색(Green, 왼쪽), 적색(Red, 오른쪽) 채도 향상 효과를 타나낸 사진이다.

이하, 하기 실시예에 의하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐 본 발명의 범위가 이들로 한정되는 것은 아니다.

실시예 1. 옻칠된 슬라이드 글라스에 백색광 펄스 조사

실시예 1.1 백색광 펄스 조사 횟수에 따른 투명도

도 1의 문자를 기재한 슬라이드글라스를 준비한 후 우루시올이 주성분인 생옻칠과 테레빈유(turpentine oil) 용매를 1:1 비율로 섞은 후 상기 옻칠 용액을 상기 슬라이드글라스에 고르게 도포하였다. 이후, 30℃, 상대습도 90%로 설정한 항온/항습기에 4일동안 경화시켰다. 경화된 슬라이드글라스를 백색광 펄스를 2 ms 지속시간, 10 ms 휴지시간 (83 Hz 펄스 주파수), 50 펄스 수(pulse) 및 전압 400 V의 조건에서 조사횟수 (shot 횟수) 를 달리하여 조사하였다. 그 결과, 백색광 펄스 횟수가 늘어날수록 색이 연해지는 것을 육안으로 확인할 수 있었다(도 1). 또한, 자외선-가시광선 분광분석법(UlV-Vis spectroscopy)을 이용하여 백색광 펄스 횟수에 따른 투과도를 측정하였다. 백색광 펄스의 노광 횟수가 늘어날수록 투과도가 증가하는 것을 확인하였다. 600 nm 기준으로 투과도가 43.57%에서 49.33%로 대략 13% 증가하였고, 400~500 nm 황색(yellow) 대역에서의 투과도가 증가함을 확인하였다(도 2).

실시예 1.2 백색광 펄스 조사 횟수 증가에 따른 투명도 증가 분석

슬라이드글라스에 백색광 펄스를 조사하기 전과 후의 FT-IR 변화를 살펴보았다(도 3a 내지 3c). 백색광 펄스 횟수를 늘릴수록 C=O 피크(peak) 대비 C=C 피크의 강도(intensity)가 감소하였고, 트라이엔 피크 강도(triene peak intensity)도 줄어들었다(도 3b 및 3c). 이에 따라, 백색광 펄스에 의해 우루시올(도 3a)의 side chain의 이중결합 부분이 깨지는 것을 확인할 수 있었다. 즉, 이중결합이 깨지면서 색이 옅어지고 투명도가 증가함을 유추할 수 있다.

실시예 1.3 백색광 펄스 조사 횟수에 따른 도막특성-도막두께 및 경도 평가

상기 실시예 1.1의 옻칠된 슬라이드글라스를 A-스텝(A-step)을 이용하여 백색광 펄스 조사 횟수 별 두께를 확인하였다. 도 4에 나타난 바와 같이, 백색광 펄스 조사 전 도막의 두께는 6.92 μm이고, 백색광 펄스 18회 조사 후 도막의 두께는 6.99 μm이다. 두께 변화가 거의 없는 것을 확인하였고, 스클레로미터(Sclerometer) 와 연필경도계 측정 결과 백색광 펄스 처리 전 후로 옻칠 도막의 경도는 차이가 없음을 확인하였다. 이를 통해, 백색광 펄스가 도막 특성에 영향을 주지 않는 것을 알 수 있었다.

실시예 2. 옻칠된 나무에 백색광 펄스 조사

실시예 2.1 백색광 펄스 조사 횟수에 따른 투명도

도 5에 나타낸 바와 같이, 상기 실시예 1.1과 도막 소재만 달리하고 나머지 방식은 동일하게 적용하여 준비한 옻칠된 나무시편 반쪽을 테플론 필름으로 마스킹하여 백색광 펄스 조사하였다. 백색광 펄스 횟수가 늘어날수록 색이 연해지면서 나무 결이 보이는 것을 육안으로 확인할 수 있었다(도 6).

실시예 2.2 백색광 펄스 조사 횟수에 따른 도막특성-광택도 평가

상기 실시예 2.1의 옻칠된 나무도막에 백색광 펄스 횟수를 늘려가면서 광택도를 측정하였다. 광택도는 광택계(gloss meter)를 이용하여 측정하였다. 광택값은 587.6nm의 파장에서 1.567의 굴절율을 가진 흑유리표면에 반사된 빛을 100으로 설정 하였을 때의 비율을 의미한다(단위: GU). 보편적인 측정 각도인 60°에서 6샷(shot) 까지는 광택도의 변화가 거의 없으나 (65.70→64.20) 10샷 후 20.40% (65.7→52.3) 감소함을 확인하였다(도 7).

실시예 3. 컬러옻칠된 슬라이드글라스에 백색광 펄스 조사 횟수에 따른 투명도

컬러옻칠의 경우 당업자에게 통상적으로 알려진 컬러안료(초록색, 파란색)와 옻칠의 조성비 1:1로 혼합된 컬러옻칠을 적용하였다. 컬러옻칠을 제외한 나머지 방식은 상기 실시예 1.1과 동일하게 적용하여 준비한 컬러옻칠된 슬라이드글라스에 백색광 펄스를 8회 조사하였다. 그 결과, 초록색 옻칠과 파란색 옻칠은 백색광 펄스 조사 후 투명해지는 것을 육안으로 확인 할 수 있었다(도 8).

자외선-가시광선 분광분석법(UlV-Vis spectroscopy)을 이용하여 백색광 펄스 조사 전과 후의 투과도를 측정하였다. 초록색 옻칠 도막과 파란색 옻칠 도막은 백색광 펄스 횟수가 늘어날수록 투과도가 증가하는 것을 확인하였다. 600 nm 기준으로 투과도가 초록색 옻칠은 21.30% (24.04%→29.16%), 파란색 옻칠은 45.13% (4.52%→6.56%) 증가하였다(도 9).

실시예 4. 컬러옻칠된 나무에 백색광 펄스 조사에 따른 투명도 및 도막특성

컬러옻칠의 경우 당업자에게 통상적으로 알려진 컬러안료(초록색, 빨간색)와 옻칠의 조성비 1:1로 혼합된 컬러옻칠을 적용하였다. 컬러옻칠 및 나무 소재 도막을 제외한 나머지 방식은 상기 실시예 1.1과 동일하게 적용하여 준비한 컬러옻칠된 나무에 백색광 펄스를 조사 횟수를 달리하여 조사하였다. 그 결과, 초록색 및 빨간색 옻칠된 각각의 나무 기판의 채도가 향상됨을 육안으로 확인할 수 있었다(도 10). 조사횟수가 10회 이상인 경우 나무 기판이 타게 되므로 10회 미만으로 조사하여야 함을 확인하였다. 또한, 스크래치 경도를 측정하는 스클레로미터를 이용하여 경도를 측정한 결과, 백색광 펄스를 조사 전 후 경도가 1 N으로 동일함을 확인하였다. 이를 통해, 백색광 펄스 조사 전후 도막특성에 영향이 없음을 알 수 있었다.

삭제

Claims

기판에 컬러 안료와 옻칠을 혼합한 컬러옻칠을 도막하는 제1단계;
도막된 옻칠을 경화시키는 제2단계; 및
상기 경화된 옻칠도막에 백색광 펄스(intensive pulsed light; IPL)를 조사하여 투명화하는 제3단계;를 포함하는, 옻칠된 도막의 투명화 방법으로서,
상기 투명화는 옻칠의 암갈색을 옅어지게 하는 것을 특징으로 하며,
백색광 펄스를 조사하지 않은 옻칠도막에 비해서 컬러 채도를 향상시키는 것이 특징인, 투명화 방법.
삭제
삭제
삭제
제1항에 있어서
상기 제 1단계에서 옻칠의 두께는 1 내지 20 μm 인 것인, 투명화 방법.
제1항에 있어서,
상기 옻칠의 성분은 하기 화학식 1로 표현되는 화합물을 하나 이상 포함하는 것인, 투명화 방법:
[화학식 1]

상기 식에서,
R은 C15 내지 C17의 알케닐기이고,
상기 C15 내지 C17의 알케닐기는 이중결합을 1 내지 3개 포함하는 것일 수 있다.
제6항에 있어서,
상기 옻칠 주성분은 우루시올, 락콜, 티티올로 이루어진 군에서 선택된 어느하나인 것인, 투명화 방법.
제1항에 있어서,
상기 기판 소재는 유리, 목재, 금속, 도자기, 가죽, 대나무를 포함하는 것인, 투명화 방법.
제1항에 있어서,
상기 백색광 펄스 조사 횟수는 3회 내지 9회인 것인, 투명화 방법.
제1항에 있어서,
상기 백색광 펄스는 조사 횟수 1회당 0.1 내지 5 ms의 펄스 지속시간 인 것인, 투명화 방법.
삭제