KR20070013128A

KR20070013128A - 전기분사 방식의 박막 코팅 시스템 및 이를 위한 분사장치

Info

Publication number: KR20070013128A
Application number: KR1020050067500A
Authority: KR
Inventors: 박종수; 안성기; 허웅
Original assignee: 박종수
Priority date: 2005-07-25
Filing date: 2005-07-25
Publication date: 2007-01-30
Also published as: KR100684292B1

Abstract

본 발명은 전기분사 방식을 사용하는 박막 코팅 시스템 및 이를 위한 분사장치에 관한 것이다.

본 발명에 따르면, 코팅용액을 공급하는 용액공급부; 상기 코팅용액을 하전시키도록 고전압을 인가하는 고전압제공부; 코팅 대상 기재에 대하여 하전 코팅용액을 미세선 혹은 미립자 형태로 분사할 수 있는 분사노즐들이 집적배열된 분사장치; 상기 하전 코팅용액의 분사처리 전에, 상기 기재에 대하여 친전하처리를 수행하는 전처리부; 및 상기 분사장치에 의해 하전 코팅용액 분사처리가 수행된 기재에 대하여 열을 가하여 경화시키는 열처리수단;을 포함하는 박막 코팅 시스템이 개시된다.

또한, 본 발명에 따르면, 코팅용액이 유입되는 내부공간과, 상기 내부공간과 연통되는 다수의 슬리브 장착구가 일정 간격으로 마련된 몸체부; 및 상기 슬리브 장착구에 장착되는 슬리브와, 상기 슬리브의 중공에 끼워지는 중공니들을 구비한 분사노즐;을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 코팅 시스템의 분사장치가 개시된다.

전기분사, 전기방사, 슬리브, 중공니들, 하전, 통전물질

Description

전기분사 방식의 박막 코팅 시스템 및 이를 위한 분사장치{Thin layer coating system of electrospray type and spray device for the same}

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 박막 코팅 시스템의 구성도.

도 2는 도 1에서 분사장치의 구성을 도시하는 저면의 일부분해사시도.

도 3은 도 1에서 분사장치의 다른 구성을 도시하는 단면도.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 박막 코팅 시스템에 의해 발수 코팅된 표면에서의 발수 상태를 나타내는 사진.

<도면의 주요 참조부호에 대한 설명>

100...용액공급부 101...저장조

102...이송펌프 103...고전압제공부

104...용액이송라인 105,105'...분사장치

107...슬리브 장착구 108...분사노즐

108a...슬리브 108b...중공니들

110...기체주입구 111...기체토출관

112...전처리부 115...제전처리부

116...열처리수단

본 발명은 전기분사 방식의 박막 코팅 시스템 및 이를 위한 분사장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기재(코팅대상물)에 대한 전기분사 효율을 높일 수 있고 분사노즐을 고밀도로 집적할 수 있는 구조를 가진 박막 코팅 시스템 및 이를 위한 분사장치에 관한 것이다.

일반적으로 기재에 대한 용액코팅처리는 침지(dip) 코팅, 그라비어(gravure) 코팅, 롤(roll) 코팅, 나이프 슬롯다이(knife slot die) 코팅, 에어나이프(air knife) 코팅, 봉(rod) 코팅, 블레이드(blade) 코팅, 공압분사코팅 등의 공법을 통해 수행된다.

그러나, 이러한 코팅공법들은 코팅의 박막화가 용이하지 않은 관계로 기재의 고유촉감이 상실될 뿐만 아니라, 코팅공정시 가해지는 기계적, 화학적 스트레스로 인해 기재의 강도가 저하될 수 있고, 기재의 특정영역에 대한 선택적 코팅작업이 쉽지 않은 한계가 있다. 특히, 침지코팅법의 경우에는 단면코팅이 곤란한 문제가 있으며, 공압분사 코팅법의 경우에는 강한 공기압력으로 액적이 분할되므로 분사중 되튀김 현상이 심하게 발생하고, 직경이 큰 분사노즐을 사용해야 하는 관계로 용액 을 미량제어하기가 어려운 문제가 있다.

상술한 바와 같은 코팅공법들과는 달리 코팅용액을 미립화 혹은 미세화하여 박막 코팅을 수행할 수 있는 방법으로는, 전기분사(electrospray) 공법을 들 수 있다.

전기분사 공법은 코팅용액에 대하여 수백 내지 수만볼트의 고전압을 인가하여 전하를 부여한 후, 하전된 용액을 미세경의 분사노즐을 이용해 기재로 분사하는 박막 코팅 처리를 수행한다. 분사시 하전용액은 전하 간의 반발력에 의해 대기중에서 수백 나노미터(nm) 내지 수 마이크로미터(㎛)의 크기로 분할되거나 가늘어짐으로써 초미립자 혹은 극미세선의 나노 구조를 이루게 된다.

이러한 전기분사의 원리는 단백질 등에 대한 질량분석 분야의 전기분사 이온화(electrospray ionization(ESI))[Fenn, J. B.; Mann, M.; Meng, C. K.; Wong, S.F.; Whitehouse, C.M. Science, 1989, 246, 64.], 용액 미립화 분야의 전기수력학적 분사(electrohydrodynamic spray) [Cloupeau, M. (1994) Recipes for use of EHD spraying in cone-jet mode and notes on corona discharge elects. J. Aerosol Sci. 25, 1143.; Cloupeau, M. and Prunet-Foch, B. (1989) Electrostatic spraying of liquids in cone-jet mode. J. Electrostat. 22, 135.; Cloupeau, M. and Prunet-Foch, B. (1990) Electrostatic spraying of liquids: main functioning modes. J. Electrostat. 25, 165.; Cloupeau, M. and Prunet-Foch, B. (1994) Electrohydrodynamic spraying functioning modes: a critical review. J. Aerosol Sci. 25, 1021.], 도장분야의 정전분무(electrostatic spray)[미국특허 제 4,380,321호; 미국특허 제4,009,829호], 나노섬유분야의 전기방사(electrospinning)[대한민국 공개특허번호 제2003-93892호; 대한민국 공개특허번호 제2004-16320호; J.M.Deitzel, J.D.Kleinmeyer, D.Harris, N.C.Beck Tan, Polymer 42, 261-272(2001)], ES-CVD[electrospray assisted chemical vapor deposition]법에 의한 세라믹물질의 박막 코팅[K.-L. Choy, W. Bai, British Patent File No. 9525505.5 (1995)] 등에 적용되고 있다.

한편, 전기분사 방식을 사용하는 종래의 박막 코팅 시스템은 통상적으로 용기형태의 노즐몸체와, 상기 노즐몸체의 하단에 일체화되는 니들과, 상기 노즐몸체가 일정 간격으로 장착되고 코팅용액이 공급되는 수납공간을 가진 몸체 하우징 등으로 이루어진 분사장치를 구비하는 구조상 단지 수 개의 분사노즐만을 배치할 수 밖에 없고, 분사노즐 사이의 배치 간격이 커서 대면적의 기재에 대한 균일한 박막 코팅이 사실상 불가능한 문제가 있다.

또한, 종래의 박막 코팅 시스템은 주로 코팅용액의 하전량과 분사거리 등에 의존하여 코팅작업이 이루어지므로 분사노즐이 위치한 지점과 그 이외의 지점 간의 코팅 불균일 문제가 더욱 심하게 발생하게 된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 기재에 대한 하전 코팅용액의 분사시 전기적 상호작용을 촉진시킬 수 있는 전처리 수단을 구비한 박막 코팅 시스템을 제공하는 데 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 코팅용액의 전기분사를 위한 분사노즐을 고밀도로 집 적할 수 있는 노즐 장착구조를 가진 분사장치를 구비한 박막 코팅 시스템 및 그 분사장치를 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 박막 코팅 시스템은, 코팅용액을 공급하는 용액공급부; 상기 코팅용액을 하전시키도록 고전압을 인가하는 고전압제공부; 코팅 대상 기재에 대하여 하전 코팅용액을 미세선 혹은 미립자 형태로 분사할 수 있는 분사노즐들이 집적배열된 분사장치; 상기 하전 코팅용액의 분사처리 전에, 상기 기재에 대하여 친전하처리를 수행하는 전처리부; 및 상기 분사장치에 의해 하전 코팅용액 분사처리가 수행된 기재에 대하여 열을 가하여 경화시키는 열처리수단;을 포함한다.

상기 분사장치는 코팅용액이 유입되는 내부공간과, 상기 내부공간과 연통되는 다수의 슬리브 장착구가 일정 간격으로 마련된 몸체부를 구비하고, 상기 분사노즐은, 상기 슬리브 장착구에 장착되는 슬리브와, 상기 슬리브의 중공에 끼워지는 중공니들을 구비하는 것이 바람직하다.

바람직하게, 상기 몸체부에는 기체 유입구와, 상기 기체 유입구와 연통되고 상기 슬리브 장착구에 일대일 대응되는 튜브 장착구가 더 마련되고, 상기 튜브 장착구에는 상기 기체 유입구를 통해 주입된 기체가 토출될 수 있는 간극을 형성하면서 상기 중공니들이 끼워지는 기체토출관이 장착된다.

상기 전처리부는 상기 기재의 표면에 대하여 통전물질을 부여하는 통전물질 공급수단을 구비할 수 있다. 이 경우 상기 통전물질은 수용액, 정제수, 알코올계, 물/알코올 혼합액, 아세톤류 및 휘발성 용액 중 선택된 어느 하나가 채용될 수 있다.

대안으로, 상기 전처리부는 상기 기재에 대하여 상기 하전 코팅용액과 반대 극성의 전하를 하전시키는 방전수단을 구비할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 코팅용액을 공급하는 용액공급부; 상기 코팅용액을 하전시키도록 고전압을 인가하는 고전압제공부; 슬리브와 상기 슬리브의 중공에 끼워지는 중공니들로 이루어진 분사노즐이 집적배열되어 코팅 대상 기재에 대하여 하전 코팅용액을 미세선 혹은 미립자 형태로 분사하는 분사장치; 및 상기 분사장치에 의해 하전 코팅용액 분사처리가 수행된 기재에 대하여 열을 가하여 경화시키는 열처리수단;을 포함하는 박막 코팅 시스템이 제공된다.

상기 분사장치는 코팅용액이 유입되는 내부공간과, 상기 내부공간과 연통되는 다수의 슬리브 장착구가 일정 간격으로 마련된 몸체부를 구비하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 몸체부에는 기체 유입구와, 상기 기체 유입구와 연통되고 상기 슬리브 장착구에 일대일 대응되는 튜브 장착구가 더 마련되고, 상기 튜브 장착구에 장착되는 한편, 그 중공에는 상기 기체 유입구를 통해 주입된 기체가 토출될 수 있는 간극을 형성하면서 상기 중공니들이 끼워지는 기체토출관이 더 포함될 수 있다.

상기 코팅용액이 수용액인 경우 상기 코팅용액에는 휘발성 용매가 5중량% ~ 50중량% 함유되는 것이 바람직하다.

상기 고전압제공부는, 상기 분사노즐의 팁과 기재 간의 단위거리(cm)당 0.5 ㎸ ~ 15㎸의 고전압을 인가하는 것이 바람직하다.

상기 분사장치와 열처리수단 사이에는 상기 기재 표면의 전하를 제거하는 제전처리부;가 개재될 수 있다.

상기 제전처리부는, 상기 하전 코팅용액 분사처리가 수행된 기재와 전기적으로 접촉되는 한편, 접지부와 연결되거나 상기 코팅용액과 반대 극성으로 하전되는 제전롤러;를 구비하는 것이 바람직하다.

부가적으로, 본 발명에는 기재와 전기적으로 접촉하는 동시에 상기 기재를 지지한 채로 일정속도로 이송시킬 수 있는 베이스면을 제공하는 집적이송부;가 더 구비될 수 있다.

상기 집적이송부는 디스크형, X-Y 이송형, 드럼형, 컨베이어형 및 롤러형 중 선택된 어느 하나인 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 기재에 대하여 하전 코팅용액을 미세선 혹은 미립자 형태로 분사하는 박막 코팅 시스템의 분사장치에 있어서, 코팅용액이 유입되는 내부공간과, 상기 내부공간과 연통되는 다수의 슬리브 장착구가 일정 간격으로 마련된 몸체부; 및 상기 슬리브 장착구에 장착되는 슬리브와, 상기 슬리브의 중공에 끼워지는 중공니들을 구비한 분사노즐;을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 코팅 시스템의 분사장치가 제공된다.

상기 슬리브의 소재는 연성 및 탄성을 지닌 고분자 수지, 알루미늄계, 신주계, 스테인레스계 및 도전성 고분자 수지 중 선택된 어느 하나인 것이 바람직하다.

상기 연성 및 탄성을 지닌 고분자 수지는, 플루오르네이티드에틸렌프로필렌, 퍼플루오르알콕시알칸, 폴리테트라플루오르에틸렌, 폴리에테르에테르케톤, 폴리페닐렌설파이드, 폴리에테르이미드, 폴리에틸렌계, 폴리프로필렌, 에틸렌테트라플루오르에틸렌, 에틸렌클로로트리플루오르에틸렌 및 폴리클로로트리플루오르에틸렌 중 선택된 어느 하나가 해당된다.

상기 슬리브는 내경 0.05mm ~ 2mm, 외경 1mm ~ 4mm의 구조를 갖는 것이 바람직하다.

또한, 상기 중공니들은 내경 0.001mm ~ 0.5mm, 외경 0.05mm ~ 2mm, 길이 0.1 mm ~ 50mm의 튜브 구조를 갖는 것이 바람직하다.

상기 중공니들에는 90도 각진 팁, 라운드 가공된 팁 및 테이퍼 가공된 팁 중 선택된 어느 하나의 팁구조가 구비될 수 있다.

바람직하게, 상기 슬리브의 내경과 상기 중공니들의 외경 공차는 0.001mm ~ 0.5mm, 상기 몸체부의 슬리브 장착구 내경에 대한 상기 슬리브의 외경 공차는 0.001mm ~ 0.5mm로 구성될 수 있다.

바람직하게, 상기 분사장치의 몸체부에는 기체 유입구와, 상기 기체 유입구와 연통되고 상기 슬리브 장착구에 일대일 대응되는 튜브 장착구가 더 마련되고, 상기 튜브 장착구에는 상기 기체 유입구를 통해 주입된 기체가 토출될 수 있는 간극을 형성하면서 상기 중공니들이 끼워지는 기체토출관이 장착된다.

상기 기체토출관은 내경 0.06mm ~ 2mm, 외경 0.3mm ~ 3mm, 길이 0.1mm ~ 50mm의 튜브 구조를 갖는 것이 바람직하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하 기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1에는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 박막 코팅 시스템의 개략적인 구성이 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 박막 코팅 시스템은 코팅을 정량 공급하는 용액공급부(100)와, 상기 코팅용액에 대하여 고전압을 인가하는 고전압제공부(103)와, 기재에 대하여 하전 코팅용액을 전기분사하는 분사장치(105)와, 상기 기재에 대한 친전하처리를 위해 상기 분사장치(105)의 전단에 구비되는 전처리부(112)와, 상기 분사장치(105)의 후단에 구비되는 열처리수단(116)을 포함한다.

용액공급부(100)에는 코팅용액을 저장하는 저장조(101)와, 상기 저장조(101)에 연결되어 코팅용액을 분사장치(105) 측으로 정량 펌핑하는 이송펌프(102)가 구비된다.

저장조(101)에 투입되는 코팅용액은 구조적인 측면으로 볼 때 나노미터(㎚) 내지 마이크로미터(㎛) 크기의 입자를 포함하고 있는 용액이나, 용매 증발 후 미립자나 미세선의 입자구조가 남는 용액, 혹은 미립자나 미세선을 제조할 수 있는 전구체(precursor)가 해당될 수 있다. 보다 구체적인 예로서, 코팅용액으로는 초발수성 물질, 대전방지제, 전도성 물질, 항균소취물질, 향마이크로캡슐, 전자파 차폐물질, 광촉매 물질 등이 해당될 수 있다. 여기서, 코팅용액의 종류가 이러한 예에 한정되지 않고, 요구되는 코팅작업에 상응하는 다양한 물질의 용액이 해당될 수 있음은 물론이다. 코팅용액이 수용액인 경우, 후술하게 될 분사노즐(108)의 구조나 휘발성능 등을 감안할 때, 용액 내에는 휘발성 용매가 5중량% ~ 50중량% 함유되는 것이 바람직하다.

상기와 같은 코팅용액이 전기분사되는 기재로는 섬유원단, 직물, 편물, 부직포, 종이, 필름, 유리판, 세라믹판 등이 해당될 수 있다.

이송펌프(102)로는 용액의 이송량을 일정하게 유지할 수 있는 통상의 액체 정량펌프나 튜브연동식 펌프(peristaltic pump), 기어펌프 등이 사용될 수 있다. 본 발명에 있어서, 용액의 이송량은 분사장치(105)에 마련된 분사노즐(108)의 수와 각 분사노즐(108)의 홀(Hole)당 토출량에 의해 결정된다. 여기서, 홀당 토출량은 나노리터(nℓ)/분 내지 마이크로리터(㎕)/분 단위로 설정되는 것이 바람직하다.

고전압제공부(103)는 상기 이송펌프(102)에 의해 분사장치(105)로 공급되는 코팅용액에 대하여 고전압을 인가하여 코팅용액에 대하여 전하를 부여하는 하전처리를 수행한다. 즉, 고전압제공부(103)는 직류전원을 제공하는 장치로서, 예컨대 그 양극단이 분사장치(105)에 직접연결되어 분사장치(105) 내에 투입된 용액에 전 기적으로 접촉되거나, 상기 용액공급부(100)와 분사장치(105) 사이의 용액이송라인(104)에 연결되어 전압을 인가한다. 이때, 팁과 기재 간의 단위거리(cm)당 인가 전압은 적정 전기분사 성능을 고려할 때 0.5kV/cm ~ 15kV/cm로 설정되는 것이 바람직하다. 보다 바람직한 인가전압은 1kV/cm ~ 8kV/cm이다.

분사장치(105)는 도 2에 도시된 바와 같이 상기 용액이송라인(104)에 연결되는 몸체부(106)와, 상기 몸체부(106)의 길이방향을 따라 집적배열된 분사노즐(108)의 어레이(Array)를 구비한다.

분사장치(105)의 몸체부(106)에는 용액이송라인(104)을 통해 이송된 코팅용액이 유입되는 내부공간(도 3의 109 참조)과, 상기 내부공간과 연통되는 다수의 슬리브 장착구(107)가 일정 간격으로 마련된다. 몸체부(106)에 있어서, 코팅용액이 유입되는 유입구는 두줄나사의 루어락(LuerLock) 구조를 구비하는 것이 바람직하다.

몸체부(106)는 코팅용액의 종류에 상응하여 스테인레스스틸(SUS)이나, 알루미늄, 니켈 혹은 크롬으로 도금한 SUS계, 니켈 혹은 크롬으로 도금한 신주계, 테프론과 같은 불소계 고분자, 폴리에틸렌계, 폴리프로필렌계, 아세탈, 나일론계, 폴리에스테르계 등의 소재로 제작될 수 있다.

상기 몸체부(106)에 일정간격으로 구비되는 다수의 슬리브 장착구(107)는 분사노즐(108)의 슬리브(108a)가 밀착되면서 장착되도록 슬리브(108a)의 외경에 비해 미세하게 작거나 같은 내경으로 형성된다. 여기서, 슬리브 장착구(107)의 입구는 슬리브(108a)의 압입이 용이하도록 소정의 홈 가공이 될 수 있으며, 슬리브 (108a)가 나사결합되는 경우 슬리브 장착구(107)의 내벽에는 슬리브(108a)의 외주 구조에 대응되는 스크류(Screw) 구조가 형성된다.

분사노즐(108)은 기재에 대하여 하전 코팅용액을 전기분사할 수 있는 미세경의 분사 홀을 제공하는 부분으로서, 상기 슬리브 장착구(107)에 장착되는 슬리브(108a)와, 상기 슬리브(108a)의 중공에 끼워지는 중공니들(108b)을 구비한다.

바람직하게, 본 발명에는 상기 슬리브 장착구(107) 중 상기 분사노즐(108)이 장착되지 않는 미사용 장착구를 선택적으로 실링(Sealing)하도록 상기 슬리브 장착구(107)에 끼워질 수 있는 밀폐플러그(122)가 더 구비될 수 있다. 따라서, 다수의 슬리브 장착구(107) 중 특정의 슬리브 장착구(107)들에 대해서만 분사노즐(108)을 장착하고, 미사용 슬리브 장착구(107)는 밀폐플러그(122)를 이용해 실링함으로써 필요에 따라 다양한 형태의 분사노즐(108) 패턴을 제공할 수 있다. 이러한 방식을 사용하게 되면 분사노즐(108)을 예컨대, 지그재그형, 선형, 원형 패턴으로 장착함으로써 기재의 형태 등에 상응하여 보다 균일한 분사처리를 수행할 수 있다. 바람직하게, 분사노즐(108)들은 전체적으로 서로 엇갈리도록 배열되고, 분사노즐(108)이 장착되지 않은 슬리브 장착구(107)에는 밀폐플러그(122)가 끼워진다.

대안으로 본 발명의 분사장치(105)는 슬리브 장착구(107)가 일렬로 배열된 몸체부(106)가 다중으로 구비되는 것도 가능하다.

몸체부(106)에 분사노즐(108)을 집적함에 있어서, 중공니들(108b) 사이의 거리는 2mm ~ 5mm로, 중공니들(108b)의 길이는 1mm ~ 50mm 정도로 설정되는 것 균일한 박막 코팅을 위해 바람직하다.

하전 코팅용액을 미세선 혹은 미립자 형태로 분사하기 위해 상기 슬리브(108a)는 내경 0.05mm ~ 2mm, 외경 1mm ~ 4mm의 구조를 갖는 것이 바람직하다. 또한, 상기 중공니들(108b)은 내경 0.001mm ~ 0.5mm, 외경 0.05mm ~ 2mm, 길이 0.1 mm ~ 50mm의 튜브 구조를 갖는 것이 바람직하다. 여기서, 상기 슬리브(108a)의 내경과 상기 중공니들(108b)의 외경 공차는 0.001mm ~ 0.5mm이고, 상기 몸체부(106)의 슬리브 장착구(107) 내경에 대한 상기 슬리브(108a)의 외경 공차는 0.001mm ~ 0.5mm인 것이 바람직하다.

분사노즐(108) 구조가 상기와 같은 수치범위를 벗어나는 경우 고밀도나 균일한 분사가 제대로 이루어지지 않거나, 과도하게 큰 직경으로 토출되어 사실상 전기분사가 아닌 전기방사 작용이 이루어진다.

상기 슬리브(108a)의 소재로는 연성 및 탄성을 지닌 고분자 수지, 알루미늄계, 신주계, 스테인레스계, 도전성 고분자 수지 등이 채택될 수 있다.

여기서, 상기 연성 및 탄성을 지닌 고분자 수지로는 플루오르네이티드에틸렌프로필렌[FEP(fluorinated ethylene propylene)], 퍼플루오르알콕시알칸[PFA(perfluoro alkoxy alkane)], 폴리테트라플루오르에틸렌[PTFE (poly(tetrafluoroethylene))], 폴리에테르에테르케톤 [PEEK (poly(etheretherke tone))], 폴리페닐렌설파이드[poly(phenylene sulfide))], 폴리에테르이미드[PEI(poly(etheri mide)], 폴리에틸렌[PE(poly(ethylene))]계, 폴리프로필렌[PP(poly(propylene))], 에틸렌클로로트리플루오르에틸렌[ECTFE (ethylene-chlorotrifluoroethylene)],에틸렌테트라플루오르에틸렌[ETFE(ethylene-tetra fluoroethylene)], 폴리클로로트리플루오르에틸렌[PCTFE(poly(chloro- trifluoro ethylene))], PEEK/silica 등이 채용될 수 있다.

상기 도전성 고분자 수지는 도전성이 부여되도록 카본이나 금속성분이 함유된 수지가 채용될 수 있다.

슬리브(108a)는 몸체부(106)의 슬리브 장착구(107)에 대하여 압입될 수 있으며, 대안으로 나사결합되는 것도 가능하다. 나사결합의 경우 슬리브(108a)의 외주에는 슬리브 장착구(107)의 내벽에 대응되도록 스크류 구조가 형성된다.

상기 중공니들(108b)은 90도 각진 팁(Tip)이나, 라운드(Round) 가공된 팁, 테이퍼(Taper) 가공된 팁 중 어느 하나가 사용되는 바람직하다.

도 3에는 본 발명에 따라 제공되는 다른 구성의 분사장치(105')가 도시되어 있다. 도면에 나타난 바와 같이, 분사장치(105')의 몸체부(106)에는 기체 유입구와, 상기 기체 유입구와 연통되고 상기 슬리브 장착구(107)에 일대일 대응되는 튜브 장착구가 더 마련되고, 상기 튜브 장착구에는 기체토출관(111)이 장착된다.

기체토출관(111)은 그 중공에 상기 중공니들(108b)이 끼워지도록 상기 튜브 장착구에 장착된다. 이때, 중공니들(108b)은 기체 유입구를 통해 주입된 기체가 통과할 수 있도록 그 외경과 기체토출관(111)의 내경 사이에 소정 간극을 유지하면서 끼워진다. 이러한 분사노들(108)/기체토출관(111)의 이중구조에 따르면, 기체의 기류하에 코팅용액의 분사가 이루어짐으로써 중공니들(108b)의 팁에 코팅용액이 침적되는 것이 억제되며, 용매의 휘발이 촉진된다.

중공니들(108b)의 구조를 고려할 때, 상기 기체토출관(111)은 내경 0.06mm ~ 2mm, 외경 0.3mm ~ 3mm, 길이 0.1mm ~ 50mm의 튜브 구조를 갖는 것이 바람직하다.

또한, 코팅용액의 침적 억제나, 용매의 휘발 촉진 효과를 보다 높이기 위해, 상기 기체토출관(111)의 선단과 중공니들(108b)의 선단은 기재를 기준으로 상호 동일 높이에 위치하는 것이 바람직하다.

상기 기체토출관(111)으로 주입되는 기체로는 코팅용액의 용매와 동일한 기화물이 사용되는 것이 바람직하나 이에 한정되지 않음은 물론이다. 예를 들어, 상기 기체로는 더운공기, 찬공기, 산소, 질소, 아르곤, 이산화탄소, 휘발성 용매 등이 사용될 수 있다. 이때, 기류의 압력은 0.01 내지 10기압 범위가 적절하다.

전처리부(112)는 상기 분사장치(105)의 전단에 구비되어 기재에 대하여 사전에 친전하처리를 수행하여 분사처리시 하전 코팅용액의 부착성을 향상시킨다. 여기서, '친전하처리'라 함은 하전 코팅용액과 기재 간의 전기적 상호작용을 촉진시킬 수 있도록 기재의 전기적 물성을 변화시키는 처리를 지칭한다.

친전하처리를 위해 전처리부(112)는 기재의 표면에 대하여 통전(전도성) 물질을 부여하도록 예컨대, 용기부(113)와 노즐부(114)로 이루어진 통전물질 공급수단을 구비한 구성을 갖는다. 통전물질 공급수단은 분사나 도포, 그밖에 침지 등의 방법으로 기재의 표면이나 전면에 통전물질을 부여한다. 이때 통전물질은 수용액, 정제수, 알코올계, 물/알코올 혼합액, 아세톤류, 휘발성 용액 등이 사용될 수 있다.

대안으로, 전처리부(112)는 하전 코팅용액과 반대 극성의 전하를 기재에 하전시킬 수 있는 방전수단(미도시)을 구비한 구성을 갖는다. 이 경우 방전수단은 탐 침구조의 방전팁을 구비한 통상의 방전장치가 사용될 수 있다.

분사장치(105)의 후단에는 제전처리부(115)가 구비되어 상기 하전 코팅용액 분사처리가 수행된 기재에 축적되어 있는 전하를 제거하여 중성화 한다. 이를 위해, 제전처리부(115)는 분사처리가 수행된 기재와 전기적으로 접촉되는 한편, 접지부와 연결되거나 상기 코팅용액과 반대 극성으로 하전되는 제전롤러를 구비하는 것이 바람직하다. 부가적으로, 제전처리부(115)에는 통상의 광조사식 정전기 제거장치가 더 구비되어 상기 제전롤러와 병행 사용될 수 있다.

제전처리부(115)의 후단에는 분사처리와 제전처리가 수행된 기재에 대하여 열을 가하여 경화시키는 열처리수단(116)이 구비된다.

열처리수단(116)은 코팅시 물질의 결합 내구성을 증가시키기 위해 코팅용액에 함유되어 있던 결합제(Binder)를 경화 처리하는 장치로서, 이송되는 기재의 주변에 일정간격으로 배치되는 복수개의 가열봉(117)과, 상기 가열봉(117)에 대하여 열풍이나 적외선을 가하는 가열원(118)을 구비한다.

상기 열처리수단(116)은 기재의 장력이 유지된 상태에서 20℃ ~ 200℃의 열풍 혹은 적외선을 가하여 경화 처리를 수행한다.

바람직하게, 분사장치(105)의 하방에는 분사된 하전 미립자 혹은 미세선이 기재에 균일하게 박막 코팅되도록 기재와 전기적으로 접촉하는 동시에 상기 기재를 지지한 채로 일정속도로 이송시킬 수 있는 베이스면을 제공하는 도전성 재질의 집적이송부(119)가 구비된다. 이러한 집적이송부(119)에는 통상의 디스크형, X-Y 이송형, 드럼형, 컨베이어형 또는 롤러형 이송구조가 구비된다.

상기 집적이송부(119)는 금속성 재질 등 도전성 재질로 구성되고 접지단에 연결되어 접지된다. 집적이송부(119)의 이송속도는 코팅용액의 토출량이나 수 ㎛의 박막두께 등을 고려할 때 0.1m/분 ~ 50m/분 정도로 설정되는 것이 바람직하다. 이러한 기재 및 집적이송부(119)의 이송속도는 기재를 시스템의 최전단과 최후단에 각각 구비되는 기재급송부(120)와 기재견인부(121)의 구동속도에 의해 조절된다.

분사장치(105)의 니들 팁과 상기 집적이송부(119) 사이의 거리는 전술한 고전압제공부(103)의 인가 전압을 고려할 때 1mm ~ 500mm로 설계되는 것이 바람직하다.

부가적으로, 상기 분사장치(105)의 분사노즐(108) 양측에는 유도판(미도시)이 대칭되게 설치되어 상기 분사노즐(108)에서 토출되는 용액의 분사흐름을 변화시키거나 안정적으로 유지한다. 상기 유도판에는 분사흐름을 제어하기 위한 전기장을 형성할 수 있는 직류전원이 인가된다.

이상과 같은 구성을 갖는 박막 코팅 시스템은 기재의 표면에 두께 0.05㎛ ~ 5㎛의 박막 코팅이 형성되도록 전기분사 공정을 수행하는 것이 바람직하다. 코팅박막의 두께가 상기 범위를 벗어나는 경우 기재의 촉감이나 본래 기능이 저하되는 현상이 발생할 수 있다.

또한, 전기분사 공정이 진행되는 도중에는 하전용액에 포함된 용매를 대기중으로 휘발시키도록 열풍을 주입하는 공정이 병행되는 것이 바람직하다. 이때, 주입되는 열풍은 0.1m/초 ~ 10m/초의 풍속과 5℃ ~ 80℃의 온도 범위를 갖는 것이 바람직하다.

그러면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 박막 코팅 시스템의 구체적인 사용예를 설명하기로 한다.

본 사용예에서는 박막 코팅 시스템을 사용하여 유기불소화합물의 초발수가공제(스위스 CIBA사의 OLEOPHOBOL)를 폴리에스테르(PET) 극세 직물원단에 전기분사 하여 원단의 발수상태를 알아보았다.

코팅용액으로는 초발수가공제(OLEOPHOBOL S) 수용액과 이소프로필 알코올을 혼합비 70/30(중량%)로 혼합하여 사용하였으며, 용액공급부(100)의 이송펌프(102)로는 실린지 펌프(미국 KDS model 200)를 채용하여 중공니들(108b)당 10㎕/min의 코팅용액을 토출하도록 설정하고, 고전압제공부(103)는 35kV의 직류전압을 분사장치(105)에 인가할 수 있도록 구성하였다.

친전하처리를 수행하는 전처리부(112)는 원단 기재에 대하여 통전액으로서 정제수를 토출하여 습윤상태를 유지하도록 구성하였으며, 분사장치(105)는 내경 0.1mm, 외경 0.3mm, 길이 10mm의 중공니들(108b)이 마련된 분사노즐(108)을 장착하였다. 또한, 분사노즐(108)은 중공니들(108b) 사이의 간격이 4mm를 유지하도록 50개를 일정간격으로 장착하되, 기재의 이송방향으로 3열을 이루고, 기재의 폭방향으로 2mm 차이를 두고 엇갈리게 배치하였다. 이때, 분사노즐(108)의 슬리브(108a)로는 플루오르네이티드에틸렌프로필렌[FEP(fluorinated ethylene propylene)] 재질로 이루어지고 분사장치(105)의 슬리브 장착구(107)에 압입될 수 있는 것을 사용하였다.

또한, 분사노즐(108)의 니들 팁과 기재 상면 간의 거리는 100mm, 기재의 이 송속도는 2m/분로 설정하고, 전기분사 처리는 코팅막의 두께가 1㎛가 되도록 수행하였다. 이때, 집적이송부(119)로는 길이 2m, 폭 0.5m인 컨베이어형 롤러를 접지하여 사용하였으며, 제전롤러를 구비한 제전처리부(115)를 분사장치(105) 후단에 설치하여 기재에 축적된 전하를 제거하도록 하고, 제전처리부(115) 후단에는 열처리수단(116)을 구비하여 기재에 대하여 장력을 유지시킨 상태에서 130℃의 열을 가하여 경화처리를 수행하도록 하였다.

상기와 같은 박막 코팅 시스템을 통해 1㎛ 두께로 박막 코팅 공정이 수행된 PET 극세 직물원단은 발수도가 우수하고 촉감의 저하가 없는 것으로 나타났다. 도 4는 원단 표면에서의 발수 모습을 보여주는 사진으로서, 이 경우 접촉각은 130도로 측정되었다.

이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 박막 코팅 시스템은 다음과 같은 효과를 제공한다.

첫째, 미세 직경의 슬리브를 이용해 중공니들을 장착되는 구조상 고밀도의 집적이 가능하므로 대면적의 기재에 대하여 균일한 박막 코팅을 수행할 수 있다.

둘째, 분사장치의 몸체부에 대한 분사노즐의 탈착이 용이하여 장비의 셋팅이 나 교체작업이 편리하다.

셋째, 전기분사 공정 전에 미리 기재에 대하여 친전하처리를 수행함으로써 하전 코팅용액의 분사시 전기적 상호작용을 촉진시킬 수 있다.

넷째, 전기분사 공정이 수행된 후에는 기재에 축적된 전하를 제거함으로써 중성으로 유지할 수 있다.

다섯째, 전기분사 방식으로 기재의 표면에 나노입자나 나노섬유와 같은 나노구조체를 코팅하는 분야에 사용될 수 있으며, 섬유원단, 부직포, 페이퍼, 필름 등과 같은 유기기재의 표면에 대한 박막 코팅 분야에도 유용하게 사용될 수 있다.

여섯째, 기재의 촉감이나 본래의 기능을 유지하면서 기능성 용액의 박막 코팅 공정을 수행할 수 있는 최적의 전기분사 조건을 제공할 수 있다.

Claims

코팅용액을 공급하는 용액공급부;

상기 코팅용액을 하전시키도록 고전압을 인가하는 고전압제공부;

코팅 대상 기재에 대하여 하전 코팅용액을 미세선 혹은 미립자 형태로 분사할 수 있는 분사노즐들이 집적배열된 분사장치;

상기 하전 코팅용액의 분사처리 전에, 상기 기재에 대하여 친전하처리를 수행하는 전처리부; 및

상기 분사장치에 의해 하전 코팅용액 분사처리가 수행된 기재에 대하여 열을 가하여 경화시키는 열처리수단;을 포함하는 박막 코팅 시스템.
제1항에 있어서, 상기 분사장치는,

코팅용액 유입공간과, 상기 코팅용액 유입공간과 연통되는 다수의 슬리브 장착구가 일정 간격으로 마련된 몸체부를 구비하고,

상기 분사노즐은, 상기 슬리브 장착구에 장착되는 슬리브와, 상기 슬리브의 중공에 끼워지는 중공니들을 구비하는 것을 특징으로 하는 박막 코팅 시스템.
제2항에 있어서,

상기 몸체부에는 기체 유입구와, 상기 기체 유입구와 연통되고 상기 슬리브 장착구에 일대일 대응되는 튜브 장착구가 더 마련되고,

상기 튜브 장착구에 장착되는 한편, 그 중공에는 상기 기체 유입구를 통해 주입된 기체가 토출될 수 있는 간극을 형성하면서 상기 중공니들이 끼워지는 기체토출관;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 코팅 시스템.
제1항에 있어서,

상기 전처리부는 상기 기재의 표면에 대하여 통전물질을 부여하는 통전물질 공급수단을 구비한 것을 특징으로 하는 박막 코팅 시스템.
제4항에 있어서,

상기 통전물질은 수용액, 정제수, 알코올계, 물/알코올 혼합액, 아세톤류 및 휘발성 용액 중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 박막 코팅 시스템.
제1항에 있어서,

상기 전처리부는 상기 기재에 대하여 상기 하전 코팅용액과 반대 극성의 전하를 하전시키는 방전수단을 구비한 것을 특징으로 하는 박막 코팅 시스템.
코팅용액을 공급하는 용액공급부;

상기 코팅용액을 하전시키도록 고전압을 인가하는 고전압제공부;

슬리브와 상기 슬리브의 중공에 끼워지는 중공니들로 이루어진 분사노즐이 집적배열되어 코팅 대상 기재에 대하여 하전 코팅용액을 미세선 혹은 미립자 형태 로 분사하는 분사장치; 및

상기 분사장치에 의해 하전 코팅용액 분사처리가 수행된 기재에 대하여 열을 가하여 경화시키는 열처리수단;을 포함하는 박막 코팅 시스템.
제7항에 있어서,

상기 분사장치는 코팅용액이 유입되는 내부공간과, 상기 내부공간과 연통되는 다수의 슬리브 장착구가 일정 간격으로 마련된 몸체부를 구비하는 것을 특징으로 하는 박막 코팅 시스템.
제8항에 있어서,

상기 몸체부에는 기체 유입구와, 상기 기체 유입구와 연통되고 상기 슬리브 장착구에 일대일 대응되는 튜브 장착구가 더 마련되고,

상기 튜브 장착구에 장착되는 한편, 그 중공에는 상기 기체 유입구를 통해 주입된 기체가 토출될 수 있는 간극을 형성하면서 상기 중공니들이 끼워지는 기체토출관;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 코팅 시스템.
제1항 또는 제7항에 있어서,

상기 코팅용액이 수용액인 경우 상기 코팅용액에는 휘발성 용매가 5중량% ~ 50중량% 함유된 것을 특징으로 하는 박막 코팅 시스템.
제1항 또는 제7항에 있어서,

상기 고전압제공부는, 상기 분사노즐의 팁과 기재 간의 단위거리(cm)당 0.5㎸ ~ 15㎸의 고전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 박막 코팅 시스템.
제1항 또는 제7항에 있어서,

상기 분사장치와 열처리수단 사이에 개재되어 상기 기재 표면의 전하를 제거하는 제전처리부;를 더 포함하는 박막 코팅 시스템.
제12항에 있어서, 상기 제전처리부는,

상기 하전 코팅용액 분사처리가 수행된 기재와 전기적으로 접촉되는 한편, 접지부와 연결되거나 상기 코팅용액과 반대 극성으로 하전되는 제전롤러;를 구비하는 것을 특징으로 하는 박막 코팅 시스템.
제1항 또는 제7항에 있어서,

상기 기재와 전기적으로 접촉하는 동시에 상기 기재를 지지한 채로 일정속도로 이송시킬 수 있는 베이스면을 제공하는 집적이송부;를 더 포함하는 박막 코팅 시스템.
제14항에 있어서,

상기 집적이송부는 디스크형, X-Y 이송형, 드럼형, 컨베이어형 및 롤러형 중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 박막 코팅 시스템.
코팅 대상 기재에 대하여 하전 코팅용액을 미세선 혹은 미립자 형태로 분사하는 박막 코팅 시스템의 분사장치에 있어서,

코팅용액이 유입되는 내부공간과, 상기 내부공간과 연통되는 다수의 슬리브 장착구가 일정 간격으로 마련된 몸체부; 및

상기 슬리브 장착구에 장착되는 슬리브와, 상기 슬리브의 중공에 끼워지는 중공니들을 구비한 분사노즐;을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 코팅 시스템의 분사장치.
제16항에 있어서,

상기 슬리브는 연성 및 탄성을 지닌 고분자 수지, 알루미늄계, 신주계, 스테인레스계 및 도전성 고분자 수지 중 선택된 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 박막 코팅 시스템의 분사장치.
제17항에 있어서,

상기 연성 및 탄성을 지닌 고분자 수지는,

플루오르네이티드에틸렌프로필렌, 퍼플루오르알콕시알칸, 폴리테트라플루오르에틸렌, 폴리에테르에테르케톤, 폴리페닐렌설파이드, 폴리에테르이미드, 폴리에틸렌계, 폴리프로필렌, 에틸렌테트라플루오르에틸렌, 에틸렌클로로트리플루오르에 틸렌 및 폴리클로로트리플루오르에틸렌 중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 박막 코팅 시스템의 분사장치.
제16항에 있어서,

상기 슬리브는 내경 0.05mm ~ 2mm, 외경 1mm ~ 4mm의 구조를 가진 것을 특징으로 하는 박막 코팅 시스템의 분사장치.
제16항에 있어서,

상기 중공니들은 내경 0.001mm ~ 0.5mm, 외경 0.05mm ~ 2mm, 길이 0.1 mm ~ 50mm의 튜브 구조를 가진 것을 특징으로 하는 박막 코팅 시스템의 분사장치.
제16항에 있어서,

상기 중공니들은 90도 각진 팁, 라운드 가공된 팁 및 테이퍼 가공된 팁 중 선택된 어느 하나를 구비하는 것을 특징으로 하는 박막 코팅 시스템의 분사장치.
제16항에 있어서,

상기 슬리브의 내경과 상기 중공니들의 외경 공차가 0.001mm ~ 0.5mm이고,

상기 몸체부의 슬리브 장착구 내경에 대한 상기 슬리브의 외경 공차가 0.001mm ~ 0.5mm인 것을 특징으로 하는 박막 코팅 시스템의 분사장치.
제16항에 있어서,

상기 몸체부에는 기체 유입구와, 상기 기체 유입구와 연통되고 상기 슬리브 장착구에 일대일 대응되는 튜브 장착구가 더 마련되고,

상기 튜브 장착구에 장착되는 한편, 그 중공에는 상기 기체 유입구를 통해 주입된 기체가 통과할 수 있는 간극을 형성하면서 상기 중공니들이 끼워지는 기체토출관;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 코팅 시스템의 분사장치.
제23항에 있어서,

상기 기체토출관은 내경 0.06mm ~ 2mm, 외경 0.3mm ~ 3mm, 길이 0.1mm ~ 50mm의 튜브 구조를 가진 것을 특징으로 하는 박막 코팅 시스템의 분사장치.
제16항에 있어서,

상기 슬리브 장착구 중 상기 분사노즐이 장착되지 않는 미사용 장착구를 선택적으로 실링하도록 상기 슬리브 장착구에 끼워지는 밀폐플러그;를 더 포함하는 박막 코팅 시스템의 분사장치.