KR20140063447A - 무기 도료 조성물 및 이를 이용한 무기 도막의 형성방법 - Google Patents

무기 도료 조성물 및 이를 이용한 무기 도막의 형성방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 무기 도료 조성물 및 이를 이용한 무기 도막의 형성방법에 관한 것으로, 하기 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 알칼리 금속 실리케이트 중 적어도 하나 이상; 인산(H3PO4); KOH, NaOH 및 LiOH 중 선택된 어느 하나 이상의 강염기; 및 물(H2O);을 포함하는 것을 특징으로 하는 무기 도료 조성물을 제공한다(하기 화학식 1 내지 화학식 3에서, x 및 y는 각각 0.01 ~ 500이며, n은 1 ~ 20의 자연수).
[화학식 1] xNa2OySiO2nH2O
[화학식 2] xK2OySiO2nH2O
[화학식 3] xLi2OySiO2nH2O
본 발명에 따른 무기 도료 조성물을 사용하여 형성되는 무기계 코팅막은 모재의 종류의 관계없이, 특히 금속제 및 비금속제의 표면들과의 결합력이 강하여 모재와의 접착력 및 부착력 등이 우수하고 오랜 시간이 지나도 코팅막이 모재로부터 이탈되는 문제가 없으며 유기계는 물론 기타의 오염 물질들의 제거가 용이하고 물을 흘려주는 것만으로도 오염물질이 쉽게 제거되며 강한 내후성, 내구성, 내마모성, 표면의 고경도, 원적외선 방사, 불연성, 내약품성, 내식성 및 항균성이 우수한 무기 도료 조성물 및 이를 이용한 무기계 코팅막을 제공한다.

Description

무기 도료 조성물 및 이를 이용한 무기 도막의 형성방법{INORGANIC COATING COMPOSITION, AND METHOD FOR FORMING INORGANIC LAYER USING THE SAME}
본 발명은 무기 도료 조성물 및 이를 이용한 무기 도막의 형성방법에 관한 것이다.
일반적으로, 도료는 철도, 차량, 선박, 도로시설, 전자, 전기 등의 각종 산업분야는 물론이고, 주방, 거실 등의 일반 가정에서도 사용되는 등 매우 광범위한 용도를 갖는다.
그러나, 종래의 유기 도료는 알코올 등 유기 용제를 사용하므로 환경오염의 문제가 있으며, 그 표면에 유기 물질(예를 들어, 각종 기름, 락카 스프레이, 유성 매직 등)이 묻어서 오염되는 경우, 유기 도료의 표면이 유기 물질과 잘 결합할 수 있는 소수성을 갖기 때문에 오염 물질을 물로 제거하는 것이 용이하지 않은 문제점이 있다.
뿐만 아니라, 유기 도료는 금속 및 비철금속 표면에 대한 접착성 및 부착력이 약하여 금속 및 비철금속 표면에 코팅하기 위해 금속 및 비철금속 표면을 샌딩, 산처리, 접착력이 높은 별도의 물질을 코팅하는 전처리 등의 추가 공정이 요구되어 코팅 공정이 복잡해지고, 비용이 높아지는 문제점이 있으며, 사용 시간이 오래 되거나 외부의 충격을 받게 되면 모재로부터 떨어지는 현상이 잦은 문제점도 있다.
아울러, 고온에 약하고 불에 잘 타는 문제 등도 있어, 유기 도료를 대신할 수 있는 도료 및 코팅제에 대한 요구가 계속되었다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 수용성 규산염과 알루미늄 또는 알루미늄 금속산화물로 제조한 수용성 규산염을 주재료로 사용한 무기질 피복 조성물이 개발되었다. 그러나 이러한 피복 조성물은 바인더로 사용되는 수용성 변성 규산염이 강한 알칼리성 물질이므로 도막이 형성된 후 미량의 알칼리 성분이 도막 표면으로 용출되어 백화 현상을 일으키는 문제가 있다.
또한, 알칼리 금속 산화물과 알칼리 실리케이트를 경화제로 하고, 금속 산화물 및 금속 인산화물과 알칼리 실리케이트를 베이스로 하는 친수성 무기 도료 조성물에 대한 연구도 있으나, 이 경우도 알칼리 용출에 의한 백화 현상을 완전히 방지하지 못했을 뿐 아니라, 물에 대한 내수성이 완전하지 않고 모재에 대한 접착력이나 부착력에 있어 개선이 요구되고 있다.
한국등록특허 제10-0235093호
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 하나의 목적은 모재에 코팅되어 물에 의한 오염물의 제거가 용이하며 내열성 및 불연성이 우수하고, 모재의 종류에 관계없이 간단한 방법에 의해 코팅될 수 있으며, 모재와의 접착력 및 부착력이 우수한 무기 도료 조성물을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 하나의 목적은 상기 무기 도료 조성물을 이용하여 모재에 무기계 코팅막을 형성하는 방법을 제공하는데 있다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명은,
하기 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 알칼리 금속 실리케이트 중 적어도 하나 이상; 인산(H3PO4); KOH, NaOH 및 LiOH 중 선택된 어느 하나 이상의 강염기; 및 물(H2O);을 포함하는 것을 특징으로 하는 무기 도료 조성물을 제공한다:
[화학식 1] xNa2OySiO2nH2O
[화학식 2] xK2OySiO2nH2O
[화학식 3] xLi2OySiO2nH2O
상기 화학식 1 내지 화학식 3에서, x 및 y는 각각 0.01 ~ 500이며, n은 1 ~ 20의 자연수이다.
또한, 상기 무기 도료 조성물은, 무기 도료 조성물 100 중량부 기준으로, 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 알칼리 금속 실리케이트 중 적어도 하나 이상 25 ~ 95 중량부; 인산(H3PO4) 0.1 ~ 1 중량부; 강염기 0.5 ~ 5 중량부; 및 물(H2O) 4 ~ 84 중량부;를 포함하는 것일 수 있다.
여기서, 상기 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 알칼리 금속 실리케이트는, 무기 도료 조성물 100 중량부 기준으로, 각각 12 ~ 40 중량부, 1 ~ 30 중량부, 및 12 ~ 40 중량부로 포함되는 것일 수 있다.
그리고, 상기 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 알칼리 금속 실리케이트는, 각각 고형분의 함량이 25% ~ 50%, 15% ~ 40%, 10% ~ 35%인 것일 수 있다.
아울러, 상기 무기 도료 조성물의 pH는, 8 ~ 14인 것일 수 있다.
더불어, 상기 무기 도료 조성물로부터 형성된 코팅막은, ASTM D3363의 기준에 따라 측정한 연필경도가 9H, ASTM D3359의 기준에 따라 측정한 부착력이 5B, 코팅막에 물 한 방울을 떨어뜨린 후의 코팅막과 물 간의 접촉각이 30.7도 이하인 것일 수 있다.
또한, 상기 무기 도료 조성물의 코팅막이 형성된 모재 표면은 염산, 황산, 질산과 같은 10% 농도의 강산에 48시간 이상 노출된 후에도 부식이 일어나지 않는다. 다만, 유기 및 고분자 재료, 알루미늄, 스틸과 같은 부식 취약 모재의 경우 강산에 대한 저항성이 수 분에서 수 십분으로 차이가 있고 내부식성이 일정 수준 보완된 소재인 스테인레스강 또는 티타늄 등에 형성된 코팅 막은 수십 시간에서 수백 시간동안 내부식 특성을 갖는다.
그리고, 상기 무기 도료 조성물이 코팅된 유리의 반사율은 코팅이 없는 경우 대비 1 ~ 3% 감소하고, 그 투과율은 코팅이 없는 경우 대비 1 ~ 3% 증가하는 것일 수 있다.
한편, 본 발명은 상기 과제를 해결하기 위한 또 하나의 수단으로,
a) 하기 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 알칼리 금속 실리케이트 중 적어도 하나 이상; 인산(H3PO4); KOH, NaOH 및 LiOH 중 선택된 어느 하나 이상의 강염기; 및 물(H2O);을 혼합하고 교반하여 무기 도료 조성물을 제조하는 단계; b) 모재를 예열 처리하는 단계; c) 상기 무기 도료 조성물을 모재의 표면에 코팅하는 단계; d) 건조된 모재를 소성하는 단계;를 포함하는 무기 도료 조성물을 이용한 무기 도막의 형성방법을 제공한다:
[화학식 1] xNa2OySiO2nH2O
[화학식 2] xK2OySiO2nH2O
[화학식 3] xLi2OySiO2nH2O
상기 화학식 1 내지 화학식 3에서, x 및 y는 각각 0.01 ~ 500이며, n은 1 ~ 20의 자연수이다.
또한, 상기 b) 단계는, 이전에 모재를 친수화 하기 위하여 플라즈마(plasma), 애노다이징(anodizing), 샌딩(sanding), 에칭(etching), 모재 표면을 탈지 세척하여 불순물을 제거하는 방법 중 어느 하나의 방법으로 전처리하는 단계를 더 포함하는 것일 수 있다.
그리고, 상기 d) 단계 이전에 코팅된 모재를 상온 이상의 온도에서 건조하는 단계를 더 포함하는 것일 수 있다.
아울러, 상기 b) 단계는, 50±10℃의 온도에서 예열 처리하는 것일 수 있다.
더불어, 상기 a) 단계의 무기 도료 조성물의 제조는, pH 8 ~ 14에서 수행되는 것일 수 있다.
또한, 상기 a) 단계의 무기 도료 조성물의 제조는, 무기 도료 조성물 100 중량부 기준으로, 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 알칼리 금속 실리케이트 중 적어도 하나 이상 25 ~ 95 중량부; 인산(H3PO4) 0.1 ~ 1.0 중량부; 강염기 0.5 ~ 5 중량부; 및 물(H2O) 4 ~ 84 중량부;를 포함하여 제조하는 것일 수 있다.
여기서, 상기 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 알칼리 금속 실리케이트는, 무기 도료 조성물 100 중량부 기준으로, 각각 12 ~ 40 중량부, 1 ~ 30 중량부, 및 12 ~ 40 중량부로 포함되는 것일 수 있다.
그리고, 상기 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 알칼리 금속 실리케이트는, 각각 고형분의 함량이 25% ~ 50%, 15% ~ 40%, 10% ~ 35%인 것일 수 있다.
아울러, 상기 d)의 건조된 모재를 소성하는 단계는, 상온 ~ 450℃의 온도에서 수십분에서 수시간 동안 소성하며 소성 장비의 조건에 따라 소요되는 소성 시간이 달라질 수 있다. 소성 장비의 일정 온도를 장기간 유지할 수 있을 경우 단 시간에 소성이 되지만 장기간 일정 온도 유지하기 어려울 경우 장시간의 소성 과정이 요구된다. 소성 온도가 250± 50℃ 일 경우 전기로 또는 가마와 같은 밀폐형 챔버 형태의 소성 장비를 적용하면 250± 50℃를 유지하기 위해서 많은 양의 전기와 유지비용이 발생함으로 소성 할 때 승온, 체류, 냉각의 공정을 거쳐서 무기도막 형성을 하는 것이 효율적이다. 처음 소성로를 가동할 때의 승온 공정과 정지할 때의 냉각공정이 반드시 필요하여 전체 소성시간은 1~3시간 정도 요구되지만 가동 이후 반복되는 소성에는 효율적으로 온도를 제어할 수 있으며 1시간 이하에서 소성이 가능함을 알 수 있다. 또한 열원이 다양하여 전기와 가스 등 일반적인 에너지를 열원으로 이용할 경우 초기 승온에 필요한 시간이 많이 필요하지만 마이크로웨이브를 이용한 소성로 등 특수소성로를 활용할 경우 수분에서 수십분내에 승온이 가능하여 소송시간을 단축할 수 있으며, 컨베이어 타입의 소성 장비일 경우도 구간 고온 유지가 가능함으로 수분에서 수십분 내에 소성 후 무기 도막 을 얻을 수 있다. 실험에 의하면 가장 최적의 시간은 10~30분 이내이다. 또한 소성 온도가 상온 또는 170℃이하일 경우 충분한 열에너지이 부족으로 소성(건조)시 온도와 시간이 반비례하여 상온에서 코팅할 경우 수십시간 이상 필요할 수 있고 소성(건조)온도가 상승함에 따라 시간은 감소하여 100℃ 이상에서는 수시간 소성하여 도막을 형성할 수 있다. 그러나, 상기와 같이 저온에서 소성(건조) 되어 도막이 형성될 경우 무기 도막의 연필 경도, 부착력 및 클린성은 우수하지만 250℃ 이상에서 소성한 무기 도막보다 내수성이 취약함으로 물에 장기간 노출되는 분야를 제외한 내스크레치 및 오염 방지와 같은 특성이 요구되는 분야에 적용 할 수 있다.
더불어, 상기 c)의 무기 도료 조성물을 모재의 표면에 코팅하는 단계는, 딥핑(Dipping)코팅 또는 스프레이코팅, 롤코팅, 스핀코팅, 바코팅, 플로우코팅, 커튼코팅, 나이프코팅, 진공증착, 이온플레이팅, 플라즈마증착법 중 선택된 어느 하나의 방법에 의해 코팅하는 것일 수 있다.
또한, 상기 c) 단계에서 무기 도료 조성물은 모재의 표면에 0.01 ~ 30㎛ 두께로 코팅되는 것일 수 있다.
그리고, 상기 a) 단계는, 인산(H3PO4); 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 알칼리 금속 실리케이트 중 적어도 하나 이상; 강염기; 물(H2O);을 포함하는 제1 조성물; 및 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 알칼리 금속 실리케이트 중 적어도 하나 이상; 강염기; 물(H2O)을 포함하는 제2 조성물;을 각각 먼저 제조하고, 상기 제1 조성물과 제2 조성물을 1 : 1의 비율로 혼합하고 교반하여 제조하는 것일 수 있다.
여기서, 상기 제1 조성물은, 전체 무기 도료 조성물 100 중량부 기준으로, 인산 0.1 ~ 1 중량부, 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 알칼리 금속 실리케이트 중 적어도 하나 이상 0.001 ~ 49 중량부; 강염기 0.5 ~ 5 중량부; 물(H2O) 1 ~ 50 중량부;를 포함하며; 상기 제2 조성물은, 전체 무기 도료 조성물 100 중량부 기준으로, 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 알칼리 금속 실리케이트 중 적어도 하나 이상 12 ~ 69 중량부; 강염기 0.5 ~ 5 중량부; 물(H2O) 1 ~ 85 중량부;를 포함하는 것일 수 있다.
한편, 본 발명은 상기 과제를 해결하기 위한 또 다른 수단으로,
1) 무기 도료 조성물을 혼합하고 교반하는 단계; 2) 상기 무기 도료 조성물을 모재의 표면에 코팅하는 단계; 및 3) 상기 무기 도료 조성물이 코팅된 모재에 마이크로웨이브(Micro-wave)를 조사하여 소성하는 단계;를 포함하며, 상기 무기 도료 조성물은, 하기 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 알칼리 금속 실리케이트 중 적어도 하나 이상; 인산(H3PO4); KOH, NaOH 및 LiOH 중 선택된 어느 하나 이상의 강염기; 및 물(H2O);을 포함하는 것을 특징으로 하는 무기 도막의 형성방법을 제공한다:
[화학식 1] xNa2OySiO2nH2O
[화학식 2] xK2OySiO2nH2O
[화학식 3] xLi2OySiO2nH2O
상기 화학식 1 내지 화학식 3에서, x 및 y는 각각 0.01 ~ 500이며, n은 1 ~ 20의 자연수이다.
또한, 상기 무기 도료 조성물은, 무기 도료 조성물 100 중량부 기준으로, 상기 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 알칼리 금속 실리케이트 중 적어도 하나 이상 25 ~ 95 중량부; 인산(H3PO4) 0.1 ~ 1 중량부; 강염기 0.5 ~ 5 중량부; 및 물(H2O) 4 ~ 84 중량부;를 포함하는 것일 수 있다.
여기서, 상기 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 알칼리 금속 실리케이트는, 무기 도료 조성물 100 중량부 기준으로, 각각 12 ~ 40 중량부, 1 ~ 30 중량부, 및 12 ~ 40 중량부로 포함되는 것일 수 있다.
그리고, 상기 마이크로웨이브의 주파수는 2400MHz ~ 2500MHz인 것일 수 있다.
여기서, 상기 마이크로웨이브의 주파수는 2450MHz인 것일 수 있다.
아울러, 상기 마이크로웨이브를 조사하여 소성하는 시간은 50초 ~ 1200초인 것일 수 있다.
더불어, 상기 마이크로웨이브는 연속적으로 조사하여 소성하는 것일 수 있다.
또한, 상기 마이크로웨이브는 30초 ~ 120초의 간격을 두고 간헐적으로 조사하여 소성하는 것일 수 있다.
그리고, 상기 무기 도료 조성물이 코팅된 모재에 마이크로웨이브(Micro-wave)를 조사하여 소성하는 단계는 상기 모재의 하부 냉각 공정과 함께 수행하는 것일 수 있다.
여기서, 상기 모재의 하부 냉각 공정은 공냉 또는 수냉 방식에 의해 수행하는 것일 수 있다.
아울러, 상기 무기 도료 조성물을 모재의 표면에 코팅하는 단계는 무기 도료 조성물의 코팅 전에 모재 표면에 대한 전처리 단계를 더 포함하는 것일 수 있다.
여기서, 상기 전처리 단계는, 상기 모재 표면을 탈지, 세척하여 불순물을 제거하는 단계이거나, 모재의 표면개질을 위해 표면처리를 실시하는 단계를 더 포함하는 것일 수 있다.
더불어, 상기 2)단계 수행 전에 모재 표면에 60±30℃의 온도 하에서 예열처리를 수행하는 것일 수 있다.
또한, 상기 2)단계 수행 후에 모재 표면에 60±30℃의 온도하에서 예열처리를 수행하는 것일 수 있다.
그리고, 상기 3)단계에서는, 상기 무기 도료 조성물을 0.01 ~ 50㎛의 두께로 소성하는 것일 수 있다.
아울러, 상기 3)단계 후 UV경화를 더하는 것일 수 있다.
한편, 상기 3)단계는 상기 모재 표면에 코팅된 무기 도료 조성물을 휴대용 마이크로파 방사기에 의하여 조사시간을 제어하여 소성하는 것일 수 있다.
여기서, 상기 마이크로웨이브 조사시간은 30분 이하인 것일 수 있다.
또한, 상기 모재 표면 코팅 전에 모재 표면의 거칠기를 제어하거나 탈지, 세척하여 불순물을 제거하는 전처리 단계를 더 포함하는 것일 수 있다.
그리고, 상기 2)단계 수행 전에 모재 표면에 60±30℃의 온도하에서 예열처리를 수행하는 것일 수 있다.
아울러, 상기 3)단계에서는, 상기 무기 도료 조성물을 0.1 ~ 50㎛의 두께로 소성하는 것일 수 있다.
더불어, 상기 3)단계 후 UV 경화를 더하는 것일 수 있다.
전술한 본 발명에 따른 무기 도료 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 무기 도료 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.
도 1은 본 발명에 따른 무기계 코팅막이 형성된 모재 표면에 대한 SEM 사진.
도 2는 본 발명에 따른 무기계 코팅막이 형성된 모재 표면에 대한 클린성 테스트 결과.
도 3은 본 발명에 따른 무기계 코팅막이 형성된 모재 표면에 대한 부식성 테스트 결과.
도 4는 본 발명에 따른 실시예 12(적색선) 및 비교예 2(흑색선)에 대한 빛 반사율 측정 결과에 대한 그래프.
도 5는 본 발명에 따른 실시예 12(적색선) 및 비교예 2(흑색선)에 대한 빛 투과율 측정 결과에 대한 그래프.
도 6은 본 실시예에 따른 무기 도막 형성방법에 대한 개략도.
도 7은 롤 코팅을 이용한 무기 도료 조성물의 코팅방법에 대한 다양한 실시예에 대한 개략도.
도 8은 비교예 1(무코팅 sus 표면) 및 실시예(코팅된 표면)에 따른 스탠인레스 표면에 대한 사진.
도 9는 본 발명에 따른 비교예 및 실시예에 따른 표면 무기 도막의 수분 접촉각에 대한 SEM 사진.
이하, 본 발명의 무기 도료 조성물 및 이를 이용한 무기 도막의 형성방법에 대해 상세히 설명하도록 한다.
본 발명의 무기 도료 조성물은,
하기 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 알칼리 금속 실리케이트 중 적어도 하나 이상; 인산(H3PO4); KOH, NaOH 및 LiOH 중 선택된 어느 하나 이상의 강염기; 및 물(H2O);을 포함하는 것을 특징으로 한다:
[화학식 1] xNa2OySiO2nH2O
[화학식 2] xK2OySiO2nH2O
[화학식 3] xLi2OySiO2nH2O
상기 화학식 1 내지 화학식 3에서, x 및 y는 각각 0.01 ~ 500이며(바람직하게는, x : y의 비는 1 : 1.9 ~ 500), n은 1 ~ 20의 자연수이다.
상기 알칼리 금속 실리케이트는 화학식 1 내지 화학식 3에 나타난 바와 같이, 착화합물(Complex Compound)로 구성된다. 즉, 1개 또는 그 이상의 리튬, 나트륨, 칼륨 원자를 중심으로 몇 개의 비금속 원자 또는 원자단이 결합하여 이루어진 화학종이며, 중심금속 원자에 다른 비금속 원소가 치환하여 규소(Si)와 다른 원자간의 단일결합(Single bond)을 이중결합(Double)으로 만들어 망목 구조가 생성되어 규산염과 축합반응을 하여 규산염에 붙어 있는 수산화이온(-OH)이 다른 이온으로 치환 및 해리되는바 물의 침투를 막아주어 내수성을 향상시키는 메커니즘이다.
본 발명의 상기 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 알칼리 금속 실리케이트는 액상의 재료 즉, 규산나트륨, 규산칼륨, 및 규산리튬 수화물인 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 알칼리 금속 실리케이트 수화물에 포함되는 고형분의 함량은 각각 25% ~ 50%, 15% ~ 40%, 10% ~ 35%인 것일 수 있다.
이와 같은 고형분 함량 범위의 알칼리 금속 실리케이트 수화물을 포함함으로써, 본 발명의 무기 도료 조성물은 제조시 다른 구성요소들과의 빠르고 높은 반응효율을 얻을 수 있으며, 그 제조 후에도 안정성이 향상된다.
본 발명의 무기 도료 조성물은 상기 화학식 1 내지 3으로 표시되는 규산나트륨 수화물, 규산칼륨 수화물, 규산리튬 수화물 중 1종, 2종 또는 3종을 포함하는데에 특징이 있다. 즉, 본 발명은 상기 화학식 1 내지 3의 규산염 수화물 중 적어도 하나 이상을 포함함으로써, 모재와의 접착력 또는 부착력을 높이면서도 코팅막의 방오성, 내수성을 향상시키는 무기 도료 조성물을 구현할 수 있다.
본 발명의 무기 도료 조성물에 포함되는 알칼리 금속 실리케이트는 무기 도료 조성물의 총 중량을 기준으로(즉, 무기 도료 조성물 100 중량부 기준으로) 25 ~ 95 중량부로 포함될 수 있다. 25 중량부 미만으로 포함되는 경우에는 이를 포함하는 무기 도료 조성물의 오염물 제거 능력이나 경도, 내식성 면에서 바람직한 효과를 얻을 수 없으며, 95 중량부를 초과하는 경우에는 모재와의 접착성 및 부착력에 있어 문제가 생길 수 있다.
상기 화학식 1 내지 화학식 3의 알칼리 금속 실리케이트들을 모두 포함하는 경우에 있어, 이들은 무기 도료 조성물 100 중량부 기준으로, 상기 화학식 1로 표시되는 규산 나트륨염 수화물 12 ~ 40 중량부, 상기 화학식 2로 표시되는 규산칼륨염 수화물 1 ~ 30 중량부, 및 상기 화학식 3으로 표시되는 규산리튬염 수화물 12 ~ 40 중량부로 구성될 수 있다.
상기 알칼리 금속 실리케이트를 이루는 화학식 1 내지 화학식 3의 화합물의 조성비가 상기와 같은 범위를 만족하는 경우, 본 발명이 목적하는 효과, 즉 모재와의 강한 결합력 및 내식성, 방오성, 고경도성, 내열성 등에서 크게 개선된 효과를 발현할 수 있다. 그러나 물의 첨가량이 상기 바람직한 함량보다 부족할 경우에는 모재 표면에서 코팅 막에 크랙이 발생할 수 있다.
상기 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 알칼리 금속 실리케이트 수화물의 제조방법은 본 발명에서 특별히 한정하지 아니하며, 상기의 화학식을 만족하는 알칼리 금속 실리케이트라면 본 발명에 이용될 수 있음은 물론이다.
본 발명의 무기 도료 조성물은 또한 인산(H3PO4)을 더 포함한다.
상기 인산을 포함함으로써, 무기 도료 조성물이 모재 표면에 코팅되어 코팅막을 형성하는 경우, 수분과 코팅막과의 접촉각을 증가시켜 친수성을 향상시키는 효과가 있다. 상기와 같은 인산은 무기 도료 조성물(100 중량부 기준)에 0.1 ~ 1 중량부로 포함됨이 바람직하다. 상기 범위를 벗어나 포함되는 경우에는 인산의 첨가에 따른 목적하는 효과를 얻기 어렵기 때문이다.
또한, 본 발명의 무기 도료 조성물은 KOH, NaOH 및 LiOH 중 선택된 어느 하나 이상의 강염기를 더 포함한다. 이러한 강염기는 무기 도료 조성물의 총량을 기준으로(즉, 무기 도료 조성물 100 중량부 기준으로) 0.5 ~ 5 중량부로 포함됨이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 1 ~ 3 중량부로 포함될 수 있다. 상기와 같은 바람직한 함량에 따라 강염기가 무기 도료 조성물에 포함되는 경우 조성물의 높은 반응효율을 얻을 수 있으며, 최종 생산된 무기 도료 조성물의 발림성을 좋게 할 수 있고, 조성물의 제조시 굳는 현상 등을 방지할 수 있다.
또한, 상기 무기 도료 조성물은 pH가 8 ~ 14가 되도록 제조함으로써 바람직한 반응효율을 얻을 수 있으며, 조성물이 용액상태를 최적의 상태로 유지할 수 있도록 할 수 있다.
본 발명의 무기 도료 조성물은 상기와 같은 조성 성분들을 혼합하는 용매로서 친수성 용매(예컨대, 물)를 사용할 수 있다. 이러한 친수성 용매 중 대표적인 것인 물은 무기 도료 조성물의 총 중량을 기준으로(즉, 무기 도료 조성물 100 중량부 기준으로) 4 ~ 84 중량부로 포함될 수 있다. 용매로 작용하는 물은 또한 알칼리 금속 실리케이트의 분산성 및 반응효율 등을 높일 수 있다.
기타, 본 발명의 무기 도료 조성물에는 코팅막의 색상을 부여하기 위한 안료 및 코팅막의 유연성, 부착성, 내충격성, 평활성 등을 보다 개선하기 위하여 첨가제를 더 첨가할 수도 있다.
이러한 첨가제로는 에틸렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 스테아린산알루미늄, 실리카, 지르코늄실리케이트, 칼슘실리케이트, 알킬술포레이트금속염, 폴리실록산변성물, Poly-oxyethylene Sorbitan Monostearate, 실란 중에서 1 종 이상을 선택하여 사용할 수 있으며, 이러한 첨가제는 상기 무기 도료 조성물을 구성하는 전체 중량에 대해(즉, 무기 도료 조성물 100 중량부 기준으로) 0.1 ~ 2 중량부로 사용되어 원하는 효과를 발현할 수 있다.
본 발명의 무기 도료 조성물로부터 형성된 코팅막은, ASTM D3363의 기준에 따라 측정한 연필경도가 9H, ASTM D3359의 기준에 따라 측정한 부착력이 5B, 코팅막에 물 한 방울을 떨어뜨린 후의 코팅막과 물 간의 접촉각이 30.7도 이하인 것일 수 있다.
또한, 본 발명의 무기 도료 조성물의 코팅막이 형성된 모재 표면은 염산 10% 용액으로 12시간 이상(바람직하게는, 48시간 이상) 처리한 후에도 부식이 일어나지 않는 것일 수 있다.
또한, 본 발명의 무기 도료 조성물이 코팅된 유리(예컨대, 태양전지용 유리)의 반사율은 코팅이 없는 경우 대비 1 ~ 3% 감소하고, 그 투과율은 코팅이 없는 경우 대비 1 ~ 3% 증가하는 것일 수 있다.
이하에서는, 본 발명에 따른 무기 도료 조성물을 이용한 무기 도막의 형성방법에 대해 설명한다.
본 발명의 무기 도막 형성방법은,
a) 하기 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 알칼리 금속 실리케이트 중 적어도 하나 이상; 인산(H3PO4); KOH, NaOH 및 LiOH 중 선택된 어느 하나 이상의 강염기; 및 물(H2O);을 혼합하고 교반하여 무기 도료 조성물을 제조하는 단계; b) 모재를 예열 처리하는 단계; c) 상기 무기 도료 조성물을 모재의 표면에 코팅하는 단계; d) 건조된 모재를 소성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다:
[화학식 1] xNa2OySiO2nH2O
[화학식 2] xK2OySiO2nH2O
[화학식 3] xLi2OySiO2nH2O
상기 화학식 1 내지 화학식 3에서, x 및 y는 각각 0.01 ~ 500(바람직하게는, x : y의 비는 1 : 1.9 ~ 500)이며, n은 1 ~ 20의 자연수이다.
이를 상설하면,
a) 먼저 상기 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 알칼리 금속 실리케이트 중 적어도 하나 이상; 인산(H3PO4); KOH, NaOH 및 LiOH 중 선택된 어느 하나 이상의 강염기; 및 물(H2O);과 (필요에 따라) 기타 첨가제들을 상기한 조성물 범위 내에서 교반기에 넣고 혼합하여 본 발명에 따른 무기 도료 조성물을 제조한다.
이때, 교반속도는 150 ~ 400RPM인 것이 바람직한데, 150RPM 미만의 경우에는 조성물이 충분히 혼합되지 않는 문제가 있고, 400RPM을 초과하더라도 교반 성능에는 큰 차이가 없기 때문이다.
또한, 본 발명의 무기 도료 조성물은 상기와 같이 무기 도료 조성물의 구성물질들을 모두 한번에 투입하여 교반함으로써 제조할 수도 있으나, 2 이상의 조성물로 따로 분리하여 제조한 뒤에 이들을 다시 교반하여 최종적으로 무기 도료 조성물을 제조할 수도 있다.
즉, 본 발명의 무기 도료 조성물은 인산(H3PO4); 상기 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 알칼리 금속 실리케이트 중 적어도 하나 이상; 강염기; 물(H2O);을 포함하는 제1 조성물;과 상기 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 알칼리 금속 실리케이트 중 적어도 하나 이상; 강염기; 물(H2O)을 포함하는 제2 조성물;을 각각 먼저 제조한 다음, 상기 제1 조성물과 제2 조성물을 1 : 1의 비율로 혼합하고 교반하여 제조되는 것일 수도 있다. 이와 같은 방법으로 제조하는 경우에는 결과적으로 코팅막의 클린성을 더욱 향상시키는 결과를 얻을 수 있다.
이때, 상기 제1 조성물에는, 전체 무기 도료 조성물 100 중량부 기준으로, 인산 0.1 ~ 1 중량부, 상기 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 알칼리 금속 실리케이트 중 적어도 하나 이상 0.001 ~ 49 중량부; 강염기 0.5 ~ 5 중량부; 및 물(H2O) 1 ~ 85 중량부;가 포함될 수 있으며,
상기 제2 조성물에는, 전체 무기 도료 조성물 100 중량부 기준으로, 상기 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 알칼리 금속 실리케이트 중 적어도 하나 이상 12 ~ 69 중량부; 강염기 0.5 ~ 5 중량부; 및 물(H2O) 1 ~ 85 중량부;가 포함될 수 있다.
이들 제1 조성물 및 제2 조성물의 제조방법 및 이들을 혼합하여 최종 무기 도료 조성물을 제조하는 방법은 상기한 방법과 동일한 방법으로 혼합 교반하는 것일 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 무기 도료 조성물의 제조시 pH는 8 ~ 14의 상태를 유지하여 바람직한 반응효율을 얻을 수 있으며, 조성물이 용액상태를 최적의 상태로 유지할 수 있도록 할 수 있다.
b) 상기 단계에 의하여 무기 도료 조성물을 제조한 후에는 이를 코팅하기 위한 모재를 소정 온도에서 예열 처리하는 단계를 수행한다.
이는, 모재를 소정 온도로 가열하는 단계로서, 약 50±10℃ 정도의 온도로 예열하며, 이로써 모재 표면에 무기 도료 조성물이 효율적으로 코팅되도록 할 수 있다.
본 발명에 이용되는 모재는 금속 및 비철금속재, 기타 플라스틱, 도자기, 석재, 타일 등의 다양한 소재가 사용 가능하며, 기타 도료의 코팅이 필요한 다양한 모재들이 모두 이용 가능하다.
한편, 본 발명의 무기 도막 형성방법은 상기 b) 단계 이전에 모재를 친수화 하기 위하여 플라즈마(plasma), 애노다이징(anodizing), 샌딩(sanding), 에칭(etching), 모재 표면을 탈지 세척하여 불순물을 제거하는 방법 중 어느 하나의 방법으로 전처리하는 단계 및 모재 표면을 세척하는 단계를 더 포함하여 모재를 보호하고 무기계 코팅막의 형성이 보다 효율적으로 이뤄질 수 있도록 할 수 있다.
상기 모재 표면을 세척하는 단계로서 이용할 수 있는 초음파 세척단계는 모재를 수용성 세척제가 채워져 있는 초음파 탱크 안에 잠기도록 담근 후, 초음파를 발생시켜 모재 표면의 미세 부분까지도 세척할 수 있도록 한다. 초음파는 28 ~ 48 kHZ인 것이 바람직하다. 상기 초음파 세척단계에서는 무기염이 포함된 수용성 세척제를 사용한다. 무기염이 포함된 수용성 세척제를 사용하면, 모재의 표면에 형성되는 코팅막인 무기계 코팅막과의 밀착도를 높이고, 고경도 코팅막을 형성할 수도 있다.
또한, 본 발명에서는 상기 초음파 세척단계 이전에, 유분 및 불순물을 제거하는 침적 및 증기 세척단계를 더 포함할 수 있다. 이는 모재 표면이 깨끗한 경우에는 별도로 진행할 필요가 없으나, 불순물이 있는 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.
c) 상기 단계에 의하여 모재의 표면처리 및 예열처리가 종료되면, 상기 무기 도료 조성물을 모재의 표면에 코팅하는 단계를 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 등의 방법들 중 어느 하나의 방법에 의해 모재 표면에 무기 도료 조성물을 코팅할 수 있다.
이때, 모재 표면에 코팅되는 무기 도료 조성물의 코팅막은 0.01 ~ 30㎛의 두께로 코팅되도록 함이 바람직하다. 더욱 구체적으로는, 디핑코팅의 경우 0.01 ~ 5㎛ 정도로 코팅막을 형성할 수 있고, 스프레이코팅의 경우 0.1 ~ 10㎛로 형성할 수 있으며, 상기의 모든 코팅 방법은 용도에 따라 상기 범위 내에서 코팅두께의 제어가 가능할 것이다.
경우에 따라, 상기 코팅단계는 동일한 방법으로 수회 진행하여 코팅막을 형성할 수도 있다.
d) 상기 단계에 의하여 무기 도료 조성물을 모재의 표면에 코팅한 후에는 무기 도료 조성물을 완전히 경화시키기 위하여 소정 온도에서 소정 시간 동안 소성하는 단계를 수행한다.
상기 건조된 모재를 소성하는 단계는 80℃ ~ 450℃의 온도에서 30분 ~ 3시간 동안 소성하는 것이 모재 자체에 큰 영향을 주지 않으면서도 코팅막의 경도 및 매끄러운 표면 발현을 위하여 바람직하다.
상기 소성 단계는 1차 소성 공정, 2차 소성 공정, 냉각공정의 소단계로 나뉘어서 진행될 수도 있다.
구체적으로는, 먼저 코팅막이 형성된 모재를 소성로에 투입하고, 소성로 내부의 온도를 서서히 상승시킨다. 소성로 내부 온도가 제1 소성 온도에 도달하면 온도를 더 이상 상승시키지 않고, 소성로 내부 온도를 제1 소성 온도로 유지하면서 1차 소성 공정을 소정 시간 동안 진행한다. 이때 제1 소성 온도는 80±60℃인 것이 바람직하다. 물론 상기 제1 소성 온도보다 낮은 온도에서 10분 이상 온도를 일정하게 유지시켜서 보조적으로 소성시키는 보조 소성 단계가 더 진행될 수도 있다.
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 250±50℃ ~ 400±90℃인 것이 바람직하다.
또한, 제1 소성 온도와 제2 소성 온도 사이의 온도에서 10분 이상 온도를 일정하게 유지시켜서 보조적으로 소성시키는 보조 소성 단계가 더 진행될 수도 있다.
이렇게 하여 1, 2차 소성 공정이 완료되면 소성된 모재를 상온으로 식히는 냉각 공정이 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 하강시키다가 소정 온도에서 일정 시간 동안 머물게 하고 다시 온도를 하강시키는 방법으로 진행할 수도 있다.
상기 소성 온도는 모재의 재료에 따라 모재와 코팅막 사이의 열팽창계수에 차이가 있어 냉각에 의한 열 충격을 줄이기 위해 달리 선택할 수 있음은 물론이다.
추가적으로는, 상기 소성 단계 이전에 무기 도료 조성물이 코팅된 모재를 소정 시간 동안 상온 이상의 온도에서 건조시키는 단계를 더 수행할 수도 있다. 예를 들어, 스프레이 코팅시 양면코팅을 위해 한 면을 코팅한 후에 일정시간 건조하고 그 후 다른 한 면을 코팅하기 위해 건조단계가 더 포함될 수도 있으며 코팅막 형성시 코팅 조성물에 포함된 물(H2O)의 양에 따라 온도와 시간을 제어함으로써 생산성을 향상시키고 적용대상에 따라 최적 조건의 코팅막을 형성할 수도 있다.
상기 본 발명에 따른 무기 도막 형성방법에 의해 모재의 표면에는 본 발명에 따른 무기 도료 조성물을 이용한 무기계 코팅막이 형성된다.
이러한 코팅막은 모재와 코팅막 사이에 강력한 접착력을 가지는 인산 피막이 형성되며, 코팅막 표면에는 친수성을 가진 OH 단분자막이 형성된다.
나아가, 본 발명은 마이크로웨이브를 이용한 무기 도막의 형성방법을 제공한다.
또한 마이크로웨이브를 직접 조사할 경우 문제가 발생할 수 있는 피코팅 대상 재료에 대해 챔버를 이용하여 전자기파를 태양의 열과 동일한 자연광선으로 변환시킨 원적외선과 복사열로 소성함으로서 저에너지 저가격의 소성로로 활용이 가능하고 다양한 두께의 챔버를 이용하거나 마이크로웨이브의 조사 시간 제어를 통하여 온도를 제어할 수 있는 방법을 제공한다.
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, 마이크로파를 활용한 본 발명의 무기 도막 형성방법은 마그네트론(magnetron)에서 진동수가 2,450MHz로 진동하는 전파가 방출되면 그와 비슷한 고유 진동수를 가진 물 분자는 고유진동수에 해당되는 전파나 파동에너지를 흡수하는 성질인 공진현상에 의하여 양과 음의 방향을 바꾸며 매우 빠르게 회전하여 전자기장을 따라 정렬하게 된다. 분자의 회전에 의해 분자들이 서로 밀고 당기거나 충돌하는데 이러한 운동 에너지가 무기 도료와 혼합되어 있는 물 전체의 온도를 높이게 되므로 에너지 손실이 거의 없이 전기 에너지가 효율적으로 열에너지로 바뀌어 모재에 영향을 미치지 않고 모재표면의 무기원료와 믹싱된 물에 마이크로웨이브가 흡수되어 열에너지로 변환 후 모재와 무기 도료 조성물사이에 도막이 형성될 수 있도록 한다.
마그네트론에서 방사되는 마이크로파에 의한 에너지는 물이 포함된 무기 도료 조성물에만 흡수되며 고유진동수가 다른 주변의 공기나 다양한 모재 물질에는 전파의 에너지를 흡수하지 않기 때문에 가열되지 않고 무기 도료 조성물 내의 물만을 가열함으로서 모재 위에 무기 도막을 형성할 수 있도록 작용한다.
또한 마이크로웨이브를 활용하여 소성할 경우, 마이크로웨이브가 물을 포함하고 있는 무기 도료 조성물에 흡수되면 물을 구성하는 원자의 운동 상태가 바뀌어서 원자들이 더 빠르게 움직이게 되며 이렇게 원자들이 빠르게 움직이면서 짧은 시간 안에 매우 높은 열을 발생하고 상기의 열을 이용해서 기존방법의 소성시간을 획기적으로 단축함으로서 생산성을 매우 높일 수 있는 장점도 있다.
이하에서는, 본 발명에 따른 무기 도료 조성물을 이용한 무기계 코팅막의 평가 시험 결과에 대해 실시예 및 비교예를 통하여 살펴보기로 한다.
제조예
본 발명에 따른 구성물질을 모두 한번에 혼합, 교반하여 제조한 무기 도료 조성물(제조예 1 내지 제조예 5)에 대한 조성비는 [표 1]에 기재하였으며, 2개의 조성물로 나누어 무기 도료 조성물을 제조한 무기 도료 조성물(제조예 6 내지 제조예 8)에 대한 조성비는 [표 2]에 기재하였다. 이때, 규산나트륨 수화물(Na2OySiO2nH2O) 및 규산칼륨 수화물(K2OySiO2nH2O)은 대정화금社의 제품을 사용하였으며, 규산리튬 수화물(Li2OySiO2nH2O)은 영일화성社의 제품을 사용하였다.
구분 원재료 고형분
함량		 제조예 1
(중량부)		 제조예 2
(중량부)		 제조예 3
(중량부)		 제조예 4
(중량부)		 제조예 5
(중량부)


코팅용액



 H3PO4 0.85 0.25 0.3 0.5 0.5 1.0
Na2O?SiO2?H2O 0.39 40 30 20 10 15
K2O?SiO2?H2O 0.28 5 10 15 15 5
Li2O?SiO2?H2O 0.22 20 30 40 40 15
KOH 0.95 0.5 0.5 0.75 1.0 0.5
Poly-oxyethylene Sorbitan Monostearate - 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05
H2O 0 34.2 29.15 23.7 33.45 63.45
총 합 - 100 100 100 100 100
구분 원재료 제조예 6
(중량부)		 제조예 7
(중량부)		 제조예 8
(중량부)

제1
조성물		 H3PO4 0.5 0.5 0.25
Na2O?SiO2?H2O - 10 -
K2O?SiO2?H2O - - -
Li2O?SiO2?H2O 30 - -
KOH 0.1 0.25 0.1
Poly-oxyethylene Sorbitan Monostearate 0.02 0.02 0.02
H2O 19.38 39.23 49.63
제2
조성물		 Na2O?SiO2?H2O 20 15 15
K2O?SiO2?H2O 15 10 5
Li2O?SiO2?H2O 10 5 20
NaOH 0.75 0.75 0.5
Poly-oxyethylene Sorbitan Monostearate 0.03 0.03 0.03
H2O 4.22 19.22 9.47
총 합 100.0 100.0 100.0
상기와 같은 방법에 의해 제조된 제조예 1 내지 제조예 8의 무기 도료 조성물들을 이용하여 스테인리스 스틸 기판에 딥핑(Dipping) 방법에 의해 코팅하고 250℃의 온도에서 2시간 동안 소성하여 코팅막을 형성하였다. 이와 같이 형성된 무기계 코팅막(실시예 1 내지 실시예 8)에 대해 아래와 같은 방법으로 평가 실험을 하였으며, 그 결과는 하기 [표 4]에 기재하였다.
또한, 규산나트륨, 규산칼륨, 규산리튬 수화물을 각각 1가지씩 단독으로 첨가하여 제조한 무기 도료 조성물(표 3에 조성비 기재)을 스테인리스 스틸 기판에 딥핑(Dipping) 방법에 의해 코팅하고 250℃의 온도에서 2시간 동안 소성하여 코팅막을 형성하였다. 이와 같이 형성된 무기계 코팅막(실시예 9 내지 11)에 대해 아래와 같은 방법으로 평가 실험을 하였으며, 그 결과는 하기 [표 4]에 기재하였다.
구분 원재료 고형분함량 실시예 9
(중량부)		 실시예 10
(중량부)		 실시예 11
(중량부)
코팅용액
 H3PO4 0.85 0.25 0.3 0.5
Na2O?SiO2?H2O 0.39 55 - -
K2O?SiO2?H2O 0.28 - 55 -
Li2O?SiO2?H2O 0.22 - 55
KOH 0.95 0.5 0.5 0.75
Poly-oxyethylene Sorbitan Monostearate 0 0.05 0.05 0.05
H2O 0 44.2 44.15 43.7
총합 - 100.0 100.0 100.0
또한, 상기 제조예 1에 따른 무기 도료 조성물을 이용하여 유리기판에 딥핑(Dipping) 코팅하고 250℃의 온도에서 2시간 동안 소성하였으며(실시예 12) 이에 대해 반사율 및 투과율을 측정한 결과 그래프를 각각 도 4 및 도 5에 기재하였다.
비교예 1
상기와 같은 무기 도료 조성물을 코팅하지 않은 스테인리스 스틸 기판에 대해 조도와 클린성에 대해 아래와 같은 방법으로 평가 실험을 하였으며, 그 결과는 각각 도 1 및 도 2에 기재하였다.
비교예 2
상기와 같은 무기 도료 조성물을 코팅하지 않은 유리 기판에 대해 반사율 및 투과율을 측정한 결과 그래프를 각각 도 4 및 도 5에 기재하였다.
평가 방법
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.
무기 도료 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. 내열성
90℃의 온도에서 모재를 12시간 동안 방치한 결과 코팅막의 상태를 측정하였다.
6. 투과율
UV-Visible Spectrometer를 이용하여 가시광선 영역부터 자외선 영역까지에서 유리판에 코팅된 코팅막의 투과율을 측정하였다.
7. 반사율(Reflectance)
UV-Visible Spectrometer를 이용하여 가시광선 영역부터 자외선 영역까지에서 유리판에 코팅된 코팅막의 반사율을 측정하였다.
구분 실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4 실시예 5 실시예 6 실시예 7 실시예 8 실시예 9 실시예 10 실시예 11
연필경도 9H 9H 9H 9H 9H 9H 9H 9H 9H 9H 9H
부착력
(접착력)		 5B 5B 5B 5B 5B 5B 5B 5B 4B 4B 4B
클린성
(Pollution resistant)		 X
접촉각
(Contact angle)
 23.2
친수		 20.7
친수		 12.4
초친수		 9.3
초친수		 7.8
초친수		 4.7
초친수		 28.8
친수		 30.7 35.2 38.7 43.2
내열성 안녹음 안녹음 안녹음 안녹음 안녹음 안녹음 안녹음 안녹음 녹음 녹음 녹음
또한, 본 발명은 무기 도막 형성방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 무기 도료를 마이크로웨이브를 이용하여 코팅도막을 형성하며, 소성 과정에서 발생하는 화학적, 물리적 변화에 의하여 모재와의 밀착도 및 도막 특성이 우수한 도막을 형성시키는 무기 도막 형성방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 무기 도막 형성방법은 모재의 재료와 상관없이 양산시간을 단축시켜 생산성을 향상시키고 고분자재료와 유기 혹은 유무기 복합재료로 이루어진 모재의 녹는점과 관계없이 마이크로파를 활용하여 경화시킴으로서 모재의 표면에 열에 의한 변형이 없이 매우 짧은 시간에 경화가 가능한 장점을 가지고 있으며 여러가지 무기 도료의 도막 형성에 효과적으로 사용될 수 있다. 이때 형성되는 도막의 경도가 우수하고, 평활성이 우수한 장점이 있다.
전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,
무기 도료 조성물을 혼합하고 교반하는 단계;
상기 무기 도료 조성물을 모재의 표면에 코팅하는 단계; 및
상기 무기 도료 조성물이 코팅된 모재에 마이크로웨이브(Micro-wave)를 조사하여 소성하는 단계;를 포함하는 저온 무기 도료 조성물을 모재의 표면에 도막의 형태로 형성하는 방법을 제공한다.
이때, 상기 무기 도료 조성물은, 하기 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 알칼리 금속 실리케이트 중 적어도 하나 이상; 인산(H3PO4); KOH, NaOH 및 LiOH 중 선택된 어느 하나 이상의 강염기; 및 물(H2O);을 포함하는 것이다.
[화학식 1] xNa2OySiO2nH2O
[화학식 2] xK2OySiO2nH2O
[화학식 3] xLi2OySiO2nH2O
상기 화학식 1 내지 화학식 3에서, x 및 y는 각각 0.01 ~ 500이며(바람직하게는, x : y의 비는 1 : 1.9 ~ 500), n은 1 ~ 20의 자연수이다.
본 발명에 따른 무기 도막의 형성방법은 상기 무기 도막을 형성하고자 하는 모재의 종류에 관계없이 모재에 무기 도료 조성물을 도포한 후 마이크로웨이브 에너지를 이용하여 기존의 소성 과정을 보다 적은 에너지로 빠르게 처리할 수 있도록 하는 방법이다.
상기 마이크로웨이브는 종래 일반적으로 사용되는 전자레인지에서 사용하는 것과 같은 2,450MHz 대의 마이크로웨이브를 이용하여 모재에 도포된 무기 도료만을 빠르게 소성이 가능한 온도까지 도달하게 함으로써 매우 빠른 시간에 피코팅 대상 재료에 원하는 무기 도료의 소성이 가능하도록 한다.
이 방식은 기존의 오븐 등 발열체를 이용하는 경우 코팅 대상 재료의 물성적 특징에 따라 고온에서 장시간 소성이 불가능한 재료에 대한 작업이 가능하도록 한다. 아울러 마이크로웨이브를 사용할 수 없는 모재의 경우, 챔버 형태의 간접 발열체를 이용하여 소성하도록 하여 모재에 관계없이 본 발명에 따른 무기 도막의 형성방법을 이용할 수도 있으며 모재를 소성로에 넣을 수 없는 현장에 설치된 구조물 또는 이동이 어려운 모재의 경우 휴대용 마이크로웨이브 방사기를 이용하여 소성할 수 있다.
또한, 상기 방법 외 무기 도막의 형성방법을 이용하여 무기 도막 두께가 균일하고 광학적 및 전기적 특성이 우수한 박막을 형성하기 위한 방법으로써 유기 또는 고분자 필름과 같은 내열성이 취약한 기재에 무기 도료 조성물 효율적으로 빠르게 처리할 수 있도록 하는 방법이다.
또한 본 발명은, 코팅을 수행하기 전에 모재 표면에 소정의 처리를 실시하는 전처리 단계;를 더 포함하여 모재를 보호하고 도막형성이 효율적으로 이루어지도록 한다.
이때 전처리 공정으로는, 플라즈마 표면처리, 애노다이징(anodizing), 에칭(etching)과 같이 모재표면을 개질하여 무기 도료 조성물과 모재사이의 친화시키는 공정과, 탈지 세척 공정 등으로 표면의 이물질을 제거함으로서 코팅소재가 원활하게 소성될 수 있도록 처리함이 바람직하다.
또한 본 발명은, 표면에 무기 도료 조성물을 도포하기 전과 후에 각각 60±30℃의 온도 하에서 모재에 대한 예열처리를 수행함으로써, 무기 도료 도막의 소성이 용이하게 하며 짧은 시간에 높은 온도에 의한 물의 증기화로 형성되는 기포의 발생을 방지하고 소성의 완성도를 높이는 역할을 한다.
또한 본 발명에서는, 무기 도료 조성물의 입자가 나노사이즈 임을 감안하여 0.01 ~ 50 ㎛의 두께로 코팅하여 도막을 형성시키는 것이 바람직하다.
또한 모재의 재료에 따라 UV(자외선)을 활용하여 경화함으로서 무기 도막을 형성할 수 있으며 경도와 접착력을 높이고 도막형성이 더욱 효율적으로 이루어지도록 마이크로 웨이브와 UV(자외선)경화를 혼합하여 소성의 완성도를 높일 수 있다.
본 실시예에 따른 무기 도막 형성방법은, 모재의 표면에 무기질 도료를 견고하게 코팅하고 소성하는 방법으로 고분자 재료와 복합재료의 단점인 경도를 매우 높게 유지할 수 있을 뿐만 아니라 초친수성 및 내부식성, 불연성, 내화학성, 항균성 등 무기재료가 갖는 일반적인 특징을 모두 포함할 수 있는 장점이 있다.
도 6은 본 실시예에 따른 무기 도막 형성방법의 각 공정을 설명하는 공정도이다.
우선 모재 표면에 대한 전처리 공정(P110)이 진행된다. 모재 표면이 깨끗하고 오염되지 않은 경우에는 본 공정이 필요하지 않을 수 있다. 다만, 더 우수한 도막을 얻기 위하여 모재 표면에 대한 전처리 공정을 수행하는 것이다.
이러한 전처리 공정으로는 먼저 모재 표면의 불순물을 제거하기 위한 탈지 세척 공정을 들 수 있다. 즉, 모재 표면에 이물질이 묻어 있는 경우에는 그 부분에 대한 코팅이 비정상적으로 발생할 수 있으며, 도막면의 평활성 등에 이상이 발생할 수도 있기 때문이다.
또한 모재 표면에 대한 전처리 공정으로는 플라즈마 표면처리, 애노다이징 또는 에칭을 들 수 있다. 이러한 전처리 공정은 모재 표면에 특정 형상을 형성시키거나 모재표면을 친수화함으로서 무기 도료가 쉽게 코팅될 수 있도록 하기 위한 것이다. 또한 모재 표면을 고르게 하고, 불순물을 제거하기 위해 샌딩 공정을 거칠수도 있다.
다음으로는 예열 처리공정(P120)이 진행된다. 즉, 모재를 소정 온도로 가열하는 단계이다. 본 실시예에서는 모재를 약 60±30℃ 정도의 온도로 예열한다. 코팅 전 예열은 모재 표면에 무기 도료 조성물이 효율적으로 코팅되도록 하기 위함이며 코팅후 예열은 마이크로웨이브에 의해 소성시간이 매우 짧고 높은 온도에 의한 기포의 발생을 방지하기 위하여 실시할 수 있다.
본 실시예에 따른 무기 도막 형성방법을 사용하고, 무기 도료로 친수성 무기 도료를 사용하여 모재에 코팅 작업을 실시하면 도 8에 도시된 바와 같은, 도막(10)이 형성된다. 즉, 모재(20)와 도막(10) 사이에 강력한 접착력을 가지는 인산 피막(30)이 형성되며, 도 9에 도시된 바와 같이, 도막(10) 표면에는 친수성을 가진 OH 단분자막이 형성된다.
친수성 무기 도료 조성물을 사용하는 경우에는 무기 도료 조성물을 혼합 교반하는 단계를 더 거치는 것이 바람직하다.
이하에서는 전술한 친수성 무기 도료 조성물을 설명한다.
친수성 무기 도료 조성물은 알칼리 실리케이트(소성식 : M20nSiO2mH2O, M은 알칼리 금속임.)와 알칼리 금속 산화물(alkali metal oxide)로 이루어지는 것이 바람직하다.
더욱 구체적으로 상기 무기 도료 조성물은,
본 발명에 포함되는 알칼리 금속 실리케이트는 화학식 1 내지 3으로 표시되는 것이다.
[화학식 1] xNa2OySiO2nH2O
[화학식 2] xK2OySiO2nH2O
[화학식 3] xLi2OySiO2nH2O
상기 화학식 1 내지 화학식 3에서 x 및 y는 각각 0.01 ~ 500이며(바람직하게는, x : y의 비는 1 : 1.9 ~ 500), n은 1 ~ 20의 자연수이다.
상기 알칼리 금속 실리케이트는 화학식 1 내지 화학식 3에 나타난 바와 같이, 착화합물(Complex Compound)로 구성된다. 즉, 1개 또는 그 이상의 리튬, 나트륨, 칼륨 원자를 중심으로 몇 개의 비금속 원자 또는 원자단이 결합하여 이루어진 화학종이며, 중심금속 원자에 다른 비금속 원소가 치환하여 규소(Si)와 다른 원자간의 단일결합(Single bond)을 이중결합(Double)으로 만들어 망목 구조가 생성되어 규산염과 축합 반응을 하여 규산염에 붙어 있는 수산화이온(-OH)이 다른 이온으로 치환 및 해리되어 물의 침투를 막아주어 내수성을 향상시키는 메커니즘이다.
본 발명의 상기 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 알칼리 금속 실리케이트는 액상의 재료 즉, 규산나트륨, 규산칼륨, 및 규산리튬 수화물인 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 알칼리 금속 실리케이트 수화물에 포함되는 고형분의 함량은 각각 25% ~ 50%, 15% ~ 40%, 10% ~ 35%인 것일 수 있다.
이와 같은 고형분 함량 범위의 알칼리 금속 실리케이트 수화물을 포함함으로써 본 발명의 무기 도료 조성물은, 제조시 다른 구성요소들과의 빠르고 높은 반응효율을 얻을 수 있으며, 제조 후에도 안정화 측면에서 바람직하다.
또한, 본 발명의 무기 도료 조성물은 상기 화학식 1 내지 3으로 표시되는 규산나트륨 수화물, 규산칼륨 수화물, 규산리튬 수화물을 모두 포함하는데에 특징이 있다. 상기 화학식 1 내지 3의 규산염 수화물을 모두 포함함으로써, 모재와의 접착력 또는 부착력을 높이면서도 코팅막의 방오성, 내수성을 향상시키는 무기 도료 조성물을 구현할 수 있다.
한편, 본 발명의 무기 도료 조성물에 포함되는 알칼리 금속 실리케이트는 무기 도료 조성물의 총 중량을 기준으로 25 ~ 95 중량부로 포함될 수 있다.
25 중량부 미만으로 포함되는 경우에는 이를 포함하는 무기 도료 조성물의 오염물 제거 능력이나 경도, 내식성 면에서 바람직한 효과를 얻을 수 없으며, 95 중량부를 초과하는 경우에는 모재와의 접착성 및 부착력에 있어 문제가 있을 수 있다.
나아가, 상기 알칼리 금속 실리케이트는 상기 화학식 1로 표시되는 규산 나트륨염 수화물 12 ~ 40 중량부, 상기 화학식 2로 표시되는 규산칼륨염 수화물 1 ~ 15 중량부, 및 상기 화학식 3으로 표시되는 규산리튬염 수화물 12 ~ 40 중량부로 구성될 수 있다.
상기 알칼리금속 실리케이트를 이루는 화학식 1 내지 화학식 3의 조성비가 상기와 같은 범위를 만족하는 경우, 본 발명이 목적하는 효과, 즉 모재와의 강한 결합력 및 내식성, 방오성, 고경도성, 내열성 등에서 크게 개선된 효과를 발현할 수 있다. 그러나 물의 첨가량이 상기 바람직한 함량보다 부족할 경우에는 모재 표면에 코팅 막에 크랙이 발생할 수 있다.
상기 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 알칼리 금속 실리케이트 수화물의 제조방법은 본 발명에서 특별히 한정하지 아니하며, 상기의 화학식을 만족하는 알칼리금속 실리케이트라면 본 발명에 이용될 수 있음은 물론이다.
본 발명의 무기 도료 조성물은 또한 인산(H3PO4)을 더 포함한다.
상기 인산은 무기 도료 조성물에 포함되어, 모재 표면에 코팅되어 코팅막을 형성하는 경우, 수분과 코팅막과의 접촉각을 증가시켜 친수성을 향상시키는 효과가 있다. 상기와 같은 인산은 무기 도료 조성물에 0.1 - 1 중량부로 포함됨이 바람직하다. 상기 범위를 벗어나 포함되는 경우에는 인산의 존재에 의한 목적하는 효과를 얻기 어렵기 때문이다.
본 발명의 무기 도료 조성물은 또한, KOH, NaOH 및 LiOH 중 선택된 어느 하나 이상의 강염기를 더 포함한다. 이러한 강염기는 무기 도료 조성물의 총량을 기준으로 0.5 - 5 중량부로 포함됨이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 1 ~ 3 중량부로 포함될 수 있다. 상기 바람직한 함량에 따라 무기 도료 조성물에 포함되는 경우 조성물의 높은 반응효율을 얻을 수 있으며, 최종 생산된 무기 도료 조성물의 발림성을 좋게 할 수 있고, 조성물의 제조시 굳는 현상 등을 방지할 수 있다.
또한 상기 무기 도료 조성물은 pH는 8 ~ 14가 되도록 제조함으로써 바람직한 반응효율을 얻을 수 있으며, 조성물이 용액상태를 최적의 상태로 유지할 수 있도록 할 수 있다.
본 발명의 무기 도료 조성물은 상기와 같은 조성 성분들을 혼합하는 용매로서 물과 같은 친수성 용매를 사용할 수 있다. 이러한 친수성 용매 중 대표적인 물은 무기 도료 조성물의 총 중량을 기준으로 4 ~ 84 중량부로 포함될 수 있다. 용매로 작용하는 물은 또한 알칼리 금속 실리케이트의 분산성 및 반응 효율 등을 높일 수 있다.
기타, 본 발명의 무기 도료 조성물에는 코팅막의 색상을 부여하기 위한 안료 및 코팅막의 유연성, 부착성, 내충격성, 평활성 등을 보다 개선하기 위하여 첨가제를 더 첨가할 수도 있다.
이러한 첨가제로는 에틸렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 스테아린산알루미늄, 실리카, 지르코늄실리케이트, 칼슘실리케이트, 알킬술포레이트금속염, 폴리실록산변성물, Poly-oxyethylene Sorbitan Monostearate, 실란 중에서 1 종 이상을 선택하여 사용할 수 있으며, 이러한 첨가제는 상기 무기 도료 조성물을 구성하는 전체 중량에 대해 0.1 ~ 2 중량부로 사용되어 원하는 효과를 발현할 수 있다.
본 발명에 따른 무기 도막의 형성방법은 상기의 무기 도료를 도포한 후 마이크로웨이브를 이용하여 소성함으로서 코팅을 완성하는 단계를 포함하며 마이크로웨이브는 인체에 유해하기 때문에 방사된 후 모재에 반사되거나 마그네트론에서 방사될 때 작업자에게 미치지 못하도록 마이크로웨이브를 반사할 수 있는 특수복을 입고 작업하는 것이 필요하며 또한 마이크로웨이브를 반사시켜 코팅하고자 하는 표면에 재반사될 수 있도록 특수한 형태의 마이크로웨이브를 이용한 휴대용 소성기를 제작할 필요가 있다.
또한 고분자재료와 같이 100℃내외의 온도에서 소성이 되어야 하는 경우 소성과정에서 마이크로웨이브의 출력강도를 제어하거나 마이크로웨이브를 수십초 혹은 수분 간격으로 간헐적으로 방사함으로서 고분자재료로 구성된 모재에 열충격을 최소화하는 방법으로 소성을 진행해야 하며 모재하부에 냉각에 의해 표면의 온도가 모재에 전달되지 않도록 처리함으로서 최적의 소성이 이루어질 수 있도록 할 필요가 있다.
모재의 재료에 따라 냉각이 필요한 경우 마이크로웨이브가 조사되고 있는 모재 하부에서 공기를 이용하여 냉각을 하거나 롤코팅의 경우 마이크로웨이브가 조사되는 곳의 롤내부에 냉각물질을 활용하여 냉각시킴으로서 마이크로웨이브에 의한 소성시 모재에 열에 의한 충격을 최소화시키는 단계가 필요하다. 특히 필름형태의 경우 유리 혹은 강판소재와 같은 모재에 직접 무기 도막을 형성시키지 않고 필름상에 무기 도막을 형성하여 유리를 포함한 기존의 산업재에 직접 부착시킴으로서 유리 혹은 강판소재와 같은 모재위에 직접 도막을 형성한 효과를 얻을 수 있으며 기존의 태양전지표면에 필름을 부착함으로서 태양전지의 출력을 향상시키는 등 다양한 용도로 활용이 가능하다.
마이크로웨이브를 이용한 소성의 경우 무기원료와 믹싱되어 있는 물에 의해 소성이 되기 때문에 물의 양을 제어함으로서 소성을 최적화할 수도 있다.
물의 양을 제어하는 것은 무기원료를 모재에 부착시키고 상온 또는 그 이상에서 예열 건조함으로서 최적의 소성 조건을 찾을 수 있다.
이하, 본 발명의 무기 도막 형성방법에 따른 실시예 및 비교예에 대해 설명한다.
실시예
대정화금社의 규산나트륨 수화물(Na2OySiO2nH2O) 및 규산칼륨 수화물(K2OySiO2nH2O)을 각각 40중량부, 5중량부, 영일화성社의 규산리튬 수화물(Na2OySiO2nH2O) 20 중량부 및 인산 0.25 중량부, NaOH 0.5 중량부, 첨가제로서 Poly-oxyethylene Sorbitan Monostearate 0.005 중량부, 물 34.2 중량부로 혼합 교반하여 무기 도료 조성물을 제조하였으며, 스테인레스(SUS) 표면에 디핑 코팅한 후, 2,450MHz 주파수의 마이크로웨이브로 5분간 소성 하였다. 이에 대한 기능 평가 및 표면 코팅 정도(도 8) 및 무기 도막 위의 수분의 접촉각을 측정(도 9)하여 표 5 및 도 8, 9에 기재하였다.
비교예 1
상기 실시예에 따른 무기 도료 조성물을 코팅하지 않은 스테인레스에 대한 물성 측정 및 표면 코팅 정도 및 표면에 수븐의 접촉각을 측정하여 표 5 및 도 8, 9에 기재하였다.
비교예 2
상기 실시예에서 마이크로웨이브가 아닌 250도 온도에서 2시간동안 소성한 것을 제외하고는 실시예와 동일한 방법으로 무기 도막이 형성된 SUS를 제작하였다.
평가 방법
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.
무기 도료 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 후 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. 내열성
90℃ 도의 온도에서 상기 실시예 1 내지 8 및 비교예 1에 따른 모재를 12시간 동안 방치한 결과 코팅막의 상태를 측정하였다.
비교예 1 비교예 2 실시예
연필경도 HB 9H 9H
부착력
(접착력)		 해당없음 5B 5B
클린성
(Pollution resistant)		 X
접촉각
(Contact angle)
 53.0 23.2
친수		 초친수
10도 미만
내열성 해당없음 안녹음 안녹음

Claims (42)

  1. 하기 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 알칼리 금속 실리케이트 중 적어도 하나 이상;
    인산(H3PO4);
    KOH, NaOH 및 LiOH 중 선택된 어느 하나 이상의 강염기; 및
    물(H2O);을 포함하는 것을 특징으로 하는 무기 도료 조성물:
    [화학식 1] xNa2OySiO2nH2O
    [화학식 2] xK2OySiO2nH2O
    [화학식 3] xLi2OySiO2nH2O
    상기 화학식 1 내지 화학식 3에서, x 및 y는 각각 0.01 ~ 500이며, n은 1 ~ 20의 자연수이다.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 무기 도료 조성물은,
    무기 도료 조성물 100 중량부 기준으로, 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 알칼리 금속 실리케이트 중 적어도 하나 이상 25 ~ 95 중량부; 인산(H3PO4) 0.1 ~ 1 중량부; 강염기 0.5 ~ 5 중량부; 및 물(H2O) 4 ~ 84 중량부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 무기 도료 조성물.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 알칼리 금속 실리케이트는,
    무기 도료 조성물 100 중량부 기준으로, 각각 12 ~ 40 중량부, 1 ~ 30 중량부, 및 12 ~ 40 중량부로 포함되는 것을 특징으로 하는 무기 도료 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 알칼리 금속 실리케이트는,
    각각 고형분의 함량이 25% ~ 50%, 15% ~ 40%, 10% ~ 35%인 것을 특징으로 하는 무기 도료 조성물.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 무기 도료 조성물의 pH는,
    8 ~ 14인 것을 특징으로 하는 무기 도료 조성물.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 무기 도료 조성물로부터 형성된 코팅막은 연필경도가 9H, 부착력이 5B, 접촉각이 10.0도 이하인 것을 특징으로 하는 무기 도료 조성물.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 무기 도료 조성물의 코팅막이 형성된 모재 표면은 강산 10% 용액에 0.01 ~ 300시간동안 노출된 후에도 부식이 발생하지 않는 것을 특징으로 하는 무기 도료 조성물.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 무기 도료 조성물이 코팅된 유리의 반사율은 코팅이 없는 경우 대비 1 ~ 3% 감소하고, 그 투과율은 코팅이 없는 경우 대비 1 ~ 3% 증가하는 것은 특징으로 하는 무기 도료 조성물.
  9. a) 하기 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 알칼리 금속 실리케이트 중 적어도 하나 이상; 인산(H3PO4); KOH, NaOH 및 LiOH 중 선택된 어느 하나 이상의 강염기; 및 물(H2O);을 혼합하고 교반하여 무기 도료 조성물을 제조하는 단계;
    b) 상기 무기 도료 조성물을 모재의 표면에 코팅하는 단계;
    c) 코팅된 모재를 소성하는 단계;를 포함하는 무기 도료 조성물을 이용한 무기 도막의 형성방법:
    [화학식 1] xNa2OySiO2nH2O
    [화학식 2] xK2OySiO2nH2O
    [화학식 3] xLi2OySiO2nH2O
    상기 화학식 1 내지 화학식 3에서, x 및 y는 각각 0.01 ~ 500이며, n은 1 ~ 20의 자연수이다.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 b) 단계는,
    이전에 모재를 친수화 하기 위하여 플라즈마(plasma), 애노다이징(anodizing), 샌딩(sanding), 에칭(etching), 모재 표면을 탈지 세척하여 불순물을 제거하는 방법 중 어느 하나의 방법으로 전처리 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무기 도료 조성물을 이용한 무기 도막의 형성방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 d) 단계 이전에 코팅된 모재를 상온 이상의 온도에서 건조하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무기 도료 조성물을 이용한 무기 도막의 형성방법.
  12. 제10항에 있어서,
    전처리 단계 후 50±10℃의 온도에서 예열 처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무기 도료 조성물을 이용한 무기 도막의 형성방법.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 a) 단계의 무기 도료 조성물의 제조는,
    pH 8 ~ 14에서 수행되는 것을 특징으로 하는 무기 도료 조성물을 이용한 무기 도막의 형성방법.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 a) 단계의 무기 도료 조성물의 제조는,
    무기 도료 조성물 100 중량부 기준으로, 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 알칼리 금속 실리케이트 중 적어도 하나 이상 12 ~ 69 중량부; 인산(H3PO4) 0.1 ~ 1.0 중량부; 강염기 0.5 ~ 5 중량부; 및 물(H2O) 1 ~ 85 중량부;를 포함하여 제조하는 것을 특징으로 하는 무기 도료 조성물을 이용한 무기 도막의 형성방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 알칼리 금속 실리케이트는,
    무기 도료 조성물 100 중량부 기준으로, 각각 12 ~ 40 중량부, 1 ~ 30 중량부, 및 12 ~ 40 중량부로 포함되는 것을 특징으로 하는 무기 도료 조성물을 이용한 무기 도막의 형성방법.
  16. 제9항에 있어서,
    상기 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 알칼리 금속 실리케이트는,
    각각 고형분의 함량이 25% ~ 50%, 15% ~ 40%, 10% ~ 35%인 것을 특징으로 하는 무기 도료 조성물을 이용한 무기 도막의 형성방법.
  17. 제9항에 있어서,
    상기 c)의 코팅된 모재를 소성하는 단계는,
    170℃ 미만의 경우 소성시간과 온도가 반비례하는 것을 특징으로 하는 무기 도료 조성물을 이용한 무기 도막의 형성 방법.
  18. 제9항에 있어서,
    상기 c)의 코팅된 모재를 소성하는 단계는,
    170℃ ~ 450℃의 온도에서 3시간 이하의 소성 시간이 요구되는 것을 특징으로 하는 무기 도료 조성물을 이용한 무기 도막의 형성 방법.
  19. 제9항에 있어서,
    상기 b)의 무기 도료 조성물을 모재의 표면에 코팅하는 단계는,
    딥핑(Dipping)코팅 또는 스프레이코팅, 롤코팅, 스핀코팅, 바코팅, 플로우코팅, 커튼코팅, 나이프코팅, 진공증착, 이온플레이팅, 플라즈마증착법 중 선택된 어느 하나의 방법에 의해 코팅하는 것을 특징으로 하는 무기 도료 조성물을 이용한 무기 도막의 형성방법.
  20. 제9항에 있어서,
    상기 b) 단계에서 무기 도료 조성물은 모재의 표면에 0.01 ~ 30㎛ 두께로 코팅되는 것을 특징으로 하는 무기 도료 조성물을 이용한 무기 도막의 형성방법.
  21. 제9항에 있어서,
    상기 a) 단계는,
    인산(H3PO4); 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 알칼리 금속 실리케이트 중 적어도 하나 이상; 강염기; 물(H2O);을 포함하는 제1 조성물; 및
    화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 알칼리 금속 실리케이트 중 적어도 하나 이상; 강염기; 물(H2O)을 포함하는 제2 조성물;을 각각 먼저 제조하고,
    상기 제1 조성물과 제2 조성물을 1 : 1의 비율로 혼합하고 교반하여 제조하는 것을 특징으로 하는 무기 도료 조성물을 이용한 무기 도막의 형성방법.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 제1 조성물은, 전체 무기 도료 조성물 100 중량부 기준으로, 인산 0.1 ~ 1 중량부, 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 알칼리 금속 실리케이트 중 적어도 하나 이상 0.001 ~ 49 중량부; 강염기 0.5 ~ 5 중량부; 물(H2O) 1 ~ 85 중량부;를 포함하며;
    상기 제2 조성물은, 전체 무기 도료 조성물 100 중량부 기준으로, 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 알칼리 금속 실리케이트 중 적어도 하나 이상 12 ~ 69 중량부; 강염기 0.5 ~ 5 중량부; 물(H2O) 1 ~ 85 중량부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 무기 도료 조성물을 이용한 무기 도막의 형성방법.
  23. 1) 무기 도료 조성물을 혼합하고 교반하는 단계;
    2) 상기 무기 도료 조성물을 모재의 표면에 코팅하는 단계; 및
    3) 상기 무기 도료 조성물이 코팅된 모재에 마이크로웨이브(Micro-wave)를 조사하여 소성하는 단계;를 포함하며,
    상기 무기 도료 조성물은, 하기 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 알칼리 금속 실리케이트 중 적어도 하나 이상; 인산(H3PO4); KOH, NaOH 및 LiOH 중 선택된 어느 하나 이상의 강염기; 및 물(H2O);을 포함하는 것을 특징으로 하는 무기 도막의 형성방법:
    [화학식 1] xNa2OySiO2nH2O
    [화학식 2] xK2OySiO2nH2O
    [화학식 3] xLi2OySiO2nH2O
    상기 화학식 1 내지 화학식 3에서, x 및 y는 각각 0.01 ~ 500이며, n은 1 ~ 20의 자연수이다.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 무기 도료 조성물은,
    무기 도료 조성물 100 중량부 기준으로, 상기 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 알칼리 금속 실리케이트 중 적어도 하나 이상 25 ~ 95 중량부; 인산(H3PO4) 0.1 ~ 1 중량부; 강염기 0.5 ~ 5 중량부; 및 물(H2O) 4 ~ 84 중량부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 무기 도막의 형성방법.
  25. 제23항에 있어서,
    상기 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 알칼리 금속 실리케이트는,
    무기 도료 조성물 100 중량부 기준으로, 각각 12 ~ 40 중량부, 1 ~ 30 중량부, 및 12 ~ 40 중량부로 포함되는 것을 특징으로 하는 무기 도막의 형성방법.
  26. 제23항에 있어서,
    상기 마이크로웨이브의 주파수는 2400MHz ~ 2500MHz인 것을 특징으로 하는 무기 도막의 형성방법.
  27. 제23항에 있어서,
    상기 마이크로웨이브를 조사하여 소성하는 시간은 50초 ~ 1200초인 것을 특징으로 하는 무기 도막의 형성방법.
  28. 제23항에 있어서
    상기 마이크로웨이브는 연속적으로 조사하여 소성하는 것을 특징으로 하는 무기 도막의 형성방법.
  29. 제23항에 있어서,
    상기 마이크로웨이브는 30초 ~ 120초의 간격을 두고 간헐적으로 조사하여 소성하는 것을 특징으로 하는 무기 도막의 형성방법.
  30. 제23항에 있어서,
    상기 무기 도료 조성물이 코팅된 모재에 마이크로웨이브(Micro-wave)를 조사하여 소성하는 단계는 상기 모재의 하부 냉각 공정과 함께 수행하는 것을 특징으로 하는 무기 도막의 형성방법.
  31. 제30항에 있어서,
    상기 모재의 하부 냉각 공정은 공냉 또는 수냉 방식에 의해 수행하는 것을 특징으로 하는 무기 도막의 형성방법.
  32. 제23항에 있어서,
    상기 무기 도료 조성물을 모재의 표면에 코팅하는 단계는 무기 도료 조성물의 코팅 전에 모재 표면에 대한 전처리 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무기 도막의 형성방법.
  33. 제32항에 있어서,
    상기 전처리 단계는, 상기 모재 표면을 탈지, 세척하여 불순물을 제거하는 단계인 것을 특징으로 하는 무기 도막의 형성방법.
  34. 제32항에 있어서,
    상기 전처리 단계는, 모재의 표면개질을 위해 표면처리를 실시하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무기 도막의 형성방법.
  35. 제23항에 있어서,
    상기 3)단계에서는, 상기 무기 도료 조성물을 0.01 ~ 50㎛의 두께로 마이크로웨이브를 조사하여 소성하는 것을 특징으로 하는 무기 도막의 형성방법.
  36. 제23항에 있어서,
    상기 3)단계 후 UV경화를 더하는 것을 특징으로 하는 무기 도막의 형성방법.
  37. 제23항에 있어서,
    상기 모재 표면에 코팅된 무기 도료 조성물을 휴대용 마이크로파 방사기에 의하여 조사시간을 제어하여 소성하는 것을 특징으로 하는 무기 도막의 형성방법.
  38. 제37항에 있어서,
    상기 마이크로웨이브 조사시간은 30분 이하인 것을 특징으로 하는 무기 도막의 형성방법.
  39. 제23항에 있어서,
    상기 모재 표면 코팅 전에 모재 표면의 거칠기를 제어하거나 모재와 코팅 도막 간의 부착력을 향상시키기 위한 전처리 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무기 도막의 형성방법.
  40. 제23항에 있어서,
    상기 2)단계 수행 전에 모재 표면에 60±30℃의 온도 하에서 예열처리를 수행하는 것을 특징으로 하는 무기 도막의 형성방법.
  41. 제23항에 있어서,
    상기 3)단계에서는, 상기 무기 도료 조성물을 0.1 ~ 50㎛의 두께로 소성하는 것을 특징으로 하는 무기 도막의 형성방법.
  42. 제23항에 있어서,
    상기 3)단계 후 UV 경화를 더하는 것을 특징으로 하는 무기 도막의 형성방법.
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