KR20220128810A

KR20220128810A - 기능성 세라믹 코팅제 및 그 코팅방법

Info

Publication number: KR20220128810A
Application number: KR1020210033407A
Authority: KR
Inventors: 김진욱
Original assignee: 김진욱
Priority date: 2021-03-15
Filing date: 2021-03-15
Publication date: 2022-09-22
Also published as: KR102720786B1

Abstract

본 발명은 기능성 세라믹 코팅제의 제조방법 및 이를 이용한 코팅방법에 관한 것으로, 규산염계 광물과 코팅의 결합력을 향상시키는 이산화망가니즈(MnO₂) 등을 혼합하여 인체에 이로운 원적외선을 방사하고, 항곰팡이 및 항균 효과를 갖는 코팅제를 구현할 수 있으며, 코팅 표면이 모스경도 5 이상의 경도를 가져 내마모성이 뛰어나면서 코팅 대상물로부터 탄소가 방출되는 것을 제한함으로써 코팅층이 균일하게 형성되도록 할 수 있는 기술로서, 내열성, 내마모성, 내용제성, 내변색성, 비점착성, 불연성 등의 기능성을 가지고 있다. 본 발명의 규산염계 광물을 채취하여 분쇄 후 1000mesh 정도로 미분하여 코팅 조성물의 주제로 사용한다. 이 때 각 광물은 독립적으로 한 가지만 사용할 수 있지만 2~3종류의 광물을 혼합하여 사용하는 것이 바람직 하다.
각종 분쇄된 광물을 결합제인 세라믹 바인더와 혼합하고, 부착성 및 결합성을 향상시키기 위해 부재료를 혼합하여 기능성 세라믹 코팅 조성물을 제조한다. 제조된 조성물은 Sandblast 처리를 통하여 표면에 있는 이물질 등을 완벽히 제거하고, 표면 처리가 된 금속판, 금속관 등의 표면에 스프레이 혹은 담금(Deeping) 등의 공정을 거쳐 열처리(소성) 과정을 거쳐 완성된다. 코팅 대상물이 철일 경우에는 상기 공정을 시행하기 전에 철이 가지고 있는 불순물 등을 제거하기 위하여 소둔 과정을 거쳐야 한다. 소둔 과정에서 가열온도는 750~850℃ 정도이며, 시간은 10~30분이 적당하다. 상기 기능성 세라믹 코팅제로 스프레이 혹은 담금 공정(Dipping)으로 코팅 피막을 형성시킨 코팅 대상물은 열처리(소성) 공정을 거친다. 이 때 열처리(소성) 시간은 약 5~20분이 적당하다. 열처리와 냉각을 마치면 표면이 미려하고 기능성을 가진 코팅이 완성된다. 이때 열처리(소성) 과정에서는 세라믹 분말과 모재 사이의 이온화 반응(Ionizing)에 의해 두 소재 간의 접합력을 높이므로 계면 파괴에 대한 높은 저항성을 가지게 되는 특징을 나타낸다.

Description

기능성 세라믹 코팅제 및 그 코팅방법{Functional ceramic coating agents and their coating methods}

본 발명은 기능성 세라믹 코팅제 및 그 코팅방법에 관한 것으로, 더욱 구체적으로 설명하면, 자연계에서 얻을 수 있는 규산염계 광물과 코팅의 결합력을 향상시키는 이산화망가니즈(MnO₂) 등을 혼합하여 인체에 이로운 원적외선을 방사하고, 항곰팡이 및 항균 효과를 갖는 코팅제를 구현할 수 있으며, 코팅 표면이 모스경도 5 이상의 경도를 가져 내마모성이 뛰어나면서 코팅 대상물로부터 탄소가 방출되는 것을 제한함으로써 코팅층이 균일하게 형성되도록 할 수 있으며, 코팅 소재를 고온으로 소결하지 않고 상온에서 혼합만으로 제조가 가능한 기능성 세라믹 코팅제 및 그 코팅방법에 관한 것이다.

기존의 세라믹 코팅이 단순히 표면 보호기능 만을 가지고 있으며, 외부 충격 등에 의하여 쉽게 균열이 발생하거나 박리가 발생하는 문제점이 있었다. 기존 세라믹 코팅의 대표적인 예는 법랑 코팅, 세라믹 도료 등이 있으며, 기존 코팅제 혹은 도료의 이러한 문제점은 기존 세라믹 코팅제나 세라믹 도료가 코팅 대상물의 표면에 완전히 고착되어도 코팅제와 코팅 대상물 사이의 결합력이 떨어져 발생되는 문제점이다. 기존 특허 제10-1703345호로 등록된 “세라믹 코팅 조성물의 제조방법, 그 코팅 조성물 및 이를 이용한 코팅방법”에서는 고온 소결(소성)이 필요하지 않은 세라믹 코팅제 조성물을 개시하고 있으나 역시 규석, 장석, 나트륨 등 각 재료들을 혼합한 후 소결과정을 거쳐 소결체로 만들어 분쇄하여 코팅제를 제조하고 있으며, 따라서 각 소재의 소결을 위하여 1,000~1,600℃의 온도로 적게는 1시간에서 많게는 10시간의 열처리가 필요하므로 많은 에너지 비용이 소요되는 단점을 가지고 있으며, 또한 촉매 등을 이용하여 기능성을 부여하고 있다.

기존 세라믹 코팅제의 주 원료를 제조하기 위하여 소결 등의 전처리를 통해 코팅제의 기본 혼합물을 제조하고 제조된 기본 혼합물에 여타 다른 성분들을 다시 에탄올 등 용매와 혼합하여 코팅제를 제조하거나 기능성을 부여하기 위하여 은나노 성분을 혼합하여 조성하여 코팅제를 제조하거나 혼합물을 직접 코팅 대상물에 부착시켜 열처리(소성)에 의하여 코팅을 하는 방법 등이 기존 특허에 개시되어 있다. 상기의 기존 세라믹 코팅이 단순히 표면 보호 기능 만을 가지고 있으며, 외부 충격 등에 의하여 쉽게 균열이 발생하거나 박리가 발생하는 문제점을 가지고 있다.

KR 10-1703345 “세라믹 코팅 조성물의 제조방법, 그 코팅 조성물 및 이를 이용한 코팅방법” KR 10-1416508 “복합세라믹을 이용한 기능성 코팅제와 그 코팅제의 제조방법 및 그 코팅제가 코팅된 제품

본 발명의 목적은, 상기 도료의 문제점을 해결하고자 도료를 구성하는 각 재료들을 그대로 혼합하고, 물리적인 처리를 하여 사용하므로 소결 등의 과정이 없고 또한 소결 등의 과정에서 소요되는 에너지를 절약할 수 있는 기능성 코팅제를 제공하는 것이다.

본 발명의 목적은, 상기 기존 세라믹 코팅제의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 기존 세라믹 코팅제나 세라믹 도료의 문제점을 해결하고 보다 뛰어난 금속 등 표면과의 결합력과 미려한 코팅 면을 구현하기 위하여 발명되었으며, 도료를 구성하는 각 재료들을 그대로 혼합하고 물리적인 처리를 하여 사용하므로 소결 등의 과정이 없어 소결 과정에서 소요되는 에너지를 절약할 수 있으며, 상기와 같은 기존 세라믹 도료의 문제점을 개선하고 보완한 코팅제로서 코팅 조성물에는 환경 파괴물질이 전혀 포함되지 않은 친환경적인 코팅제이며, 항균 및 항곰팡이 기능, 탈취기능, 원적외선 방사 등의 복합적인 기능을 가지고 있어서 코팅소재와 금속 표면의 결합력을 높여 균열이나 박리가 발생하지 않는 보다 내구성이 향상되는 코팅제 및 그 코팅방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 이러한 목적은, 상기 규산염 광물을 900~1100메쉬 정도의 입도로 분쇄하여 주원료로 하며 5~15 wt%의 조성이 되고, 여기에 결합제인 세라믹 바인더를 첨가하여 기본적인 코팅 조성물을 만든 후에, 상기 코팅 조성물과 코팅 대상물의 표면 부착력을 향상시키기 위하여 첨가제인 아질산나트륨을 혼합하고, 추가로 결합력을 향상시키는 이산화망가니즈를 첨가하고, 이를 코팅제로 완성하기 위하여 물을 첨가, 볼밀로 24시간 이상 분쇄 및 혼합하여 제조된 본 발명에 따른 기능성 세라믹 코팅제에 의하여 달성된다.

본 발명에 사용되는 세라믹 바인더는 실리카 42.5~48.7 wt%, 산화철 7.65~8.38 wt%, 산화칼슘 7.35~7.85 wt%, 산화칼륨 1.54~1.72 wt%, 산화붕소 9.45~9.82 wt%, 알루미나 11.8~12.7 wt%, 산화마그네슘 0.05~0.15 wt%, 산화나트륨 12.2~13.1 wt%, 불소 1.26~2.88 wt%의 조성으로 되어있는 것이 사용되었다.

본 발명의 이러한 목적은, 스프레이를 이용한 분사나 담금(Dipping) 방법 중 코팅 목적에 따라 선택되며, 스프레이 분사나 담금방법으로 코팅된 코팅 목적물은 40~50℃ 에서 약 25~35분간 건조되는 단계와, 열처리로에서 열처리(소성)를 수행하고, 상기 열처리(소성) 온도는 750~920℃에서, 약 5~20분간 열처리를 수행하는 단계와, 열처리로에서 꺼내 상온에서 냉각하는 단계를 포함하는 본 발명에 따른 기능성 세라믹 코팅제의 코팅방법에 의하여 달성된다.

본 발명의 기능성 세라믹 코팅제 및 그 코팅방법은, 원적외선 방사와 표면 보호의 특징을 가지고 있으며, 그 중에서도 원적외선은 파장이 근적외선과 마이크로파의 중간 파장을 가진 빛으로 인체의 피부 속 약 40mm까지 침투하여 인체세포를 구성하는 분자와 공명정진, 분자운동 촉진에 의해 스스로 열을 내게 하는 특성이 있어 온열효과 등 인체에 유익한 기능을 가지고 있다.

특히, 본 발명의 기능성 세라믹 코팅제는 인체에 이로운 파장 영역인 40℃에서 5~20㎛ 파장범위에서 90.7%가 방사되고, 방사에너지는 3.66×10²W/m²를 나타내는 뛰어난 소재이고, 가열을 하면 원적외선 방사기능이 더욱 향상되어 500℃에서 3~20㎛ 파장범위에서 82.6%가 방사되고, 그 에너지는 1.41×10⁴W/m²를 나타내고, 이러한 원적외선의 방사는 상기와 같이 인체에 유익한 역할을 한다.

또한, 본 발명의 기능성 세라믹 코팅제의 조성물로 코팅을 하여 열처리를 한 코팅물은 표면 경도가 모스경도 5 이상을 나타내고 뛰어난 내화학성을 가지고 있기 때문에 설비의 표면보호는 물론 약품으로부터 설비를 보호할 수 있는 효과를 기대할 수 있다. 특히 오염이 많은 작업장에 설치된 설비의 내외 면에 코팅을 하였을 경우 내마모성, 내화학성 등의 기능으로 설비의 수명을 연장할 수 있어서 교체시기를 연장할 수 있고, 그에 따른 비용절감도 기대할 수 있다. 그리고 원적외선의 방사로 인하여 특히 환경 분야의 설비에 적용하였을 경우 부패의 방지, 냄새 제거 등의 효과 또한 기대할 수 있다. 또한 기능성 세라믹 코팅 조성물은 무기물로 조성되어 있기 때문에 코팅제로부터 인체에 해로운 휘발성 유기화합물(VOCs(Volatile Organic Contaminant)) 등이 발생하지 않는 무공해의 코팅제이기도 하다. 또한, 상기의 기능성 세라믹 코팅제로 코팅된 코팅 표면은 염수(소금물)과도 반응을 하지 않으므로 염해의 피해가 예상되는 장소에 설치되는 설비 등에 코팅을 하면 코팅 면에 녹이 슬지 않으므로 설비의 내구성 강화와 교체주기를 연장하는 효과도 기대할 수 있다.

도 1은 본 발명 실시를 위한 처리 계통도를 나타낸다.

본 발명에 따른 기능성 세라믹 코팅제는, 규산염 광물을 900~1100메쉬 정도의 입도로 분쇄하여 주원료로 하고, 여기에 결합제인 세라믹 바인더를 첨가하여 기본적인 코팅 조성물을 만든 후에, 상기 코팅 조성물과 코팅 대상물의 표면 부착력을 향상시키기 위하여 첨가제를 혼합하고, 추가로 이산화망가니즈를 첨가하고, 이를 코팅제로 완성하기 위하여 물을 첨가, 볼밀에서 24시간 이상 분쇄 및 혼합과정을 거쳐 제조된다.

상기 규산염계 광물은 10~25 wt%, 세라믹 바인더 69~72 wt%, 첨가제인 아질신나트륨 1~5 wt%, 이산화망가니즈 5~10 wt%, 나머지 물을 혼합하여 제조된다.

상기 규산염 광물은 SiO₂ 10.50~16.50wt%, Al₂O₃ 7.32~12.20wt%, MgO 8.05~12.50wt%, Fe₂O₃ 6.80~13.50wt%, Ti 0.95~1.65wt%를 포함하는 조성을 가지며, 더구나 희토류로 알려진 Y 0.0035~0.0058wt%, La 0.0075~0.0117wt%, Nd 0.005~0.009wt% 또한 조성에 포함되어 있다.

본 발명에 적용되는 규산염계 광물은 지각 내에 가장 많이 분포하는 원소인 산소(O)와 규소(Si)로 구성되어 있다. 대부분의 규산염 광물은 고용체로서 자연상에서는 금속 양이온들(Al³⁺, Fe³⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, Fe²⁺, Na⁺, K⁺)이 팔면체 판에서의 치환과 OH^-과 F^- 등의 음이온 치환 등에 의하여 대단히 복잡한 조성을 갖는다.

크게는, 규산염 사면체 내 Si 이온의 치환상태, 수화광물과 무수광물(구조 내 OH^-의 포함 여부), 철과 마그네슘의 관계(모두 2가 양이온일 경우 이온 크기가 비슷)에 따라 광물구조가 달라진다.

그렇기 때문에 같은 규산염계 광물이라 하더라도 다양한 조성과 그에 따른 층 전하 차이에 따라 수많은 종류로 구분된다. 규산염계 광물을 구분하면 크게 여섯 가지로 분류할 수 있다.

그 종류는, 1. 층상규산염: SiO₄ 사면체가 3개의 산소원자와 공유하여 판상형의 층상구조를 만들고 있으며, 대부분 구조 내에 수산기(OH)를 갖는 함수(含水) 광물이다. 사면체판과 팔면체판의 배열에 따라 1:1층형(TO구조), 2:1층형(TOT구조)으로 구분된다. 대표적인 광물로는 일라이트, 녹니석, 백운모, 흑운모 등이 있다.

2. 망상규산염: SiO₄ 사면체가 이웃하는 사면체와 그 정점산소 원자 모두를 공유하여 복잡한 3차원의 입체구조를 띄고 있다. 이 때 규소와 산소의 비율은 1:2이며, 규소와 산소가 모두 이어져 버리면 이론적으로 전하가 중성을 이루기 때문에 양이온이 더 이상 치환되어 들어갈 수 없어 화학식이 SiO₂인 석영이 된다. 그렇지만 자연 상에서는 양이온들이 구조 내로 치환되어 들어가 있는 경우가 흔하고 이런 구조의 대표적인 광물로는 정장석, 준장석, 제올라이트 등이 있다.

3. 환상 규산염: 3개, 4개 혹은 6개의 SiO₄ 사면체가 꼭짓점의 산소원자를 공유하며 고리 모양을 이루고 있다. 모두 규소와 산소의 비율은 1:3이다. 주로 육각환형의 규산염 광물이 지표에서 많이 발견되며 삼각환형과 사각환형 규산염 광물들은 매우 드물게 산출된다. 대표적인 광물로는 녹주석, 근청석, 전기석 등이 있다.

4. 그물형 규산염: SiO₄ 사면체의 2개의 사슬이 평행으로 결합되어 있으며, 각각의 사슬은 1개 간격으로 상대 사슬과 1개의 산소원자를 공유한다. 규소와 산소의 비율은 4:11이다. 대표적인 광물로는 휘석, 각섬석 등이 있다.

5. 독립사면체 규산염: SiO₄ 사면체가 꼭짓점의 산소원자를 공유하지 않고 독립된 규산이온으로 이루어져 있으며, 규소와 산소의 비는 1:4가 된다. 대표적인 광물로는 감람석, 석류석, 홍주석, 지르콘, 황옥, 석류석 등이 있다.

6. 복사면체 규산염: SiO₄ 사면체가 꼭짓점의 산소원자를 공유하고 유한한 무리를 이루고 있으며 규소와 산소의 비율이 2:7이다. 이극석, 황장석, 옥염석 등이 있다.

상기 여섯 종류의 규산염계 광물 중에서, 본 발명에서는 1~6까지의 모든 종류의 규산염 광물을 채취하여 분쇄 후 분말로 만들어 코팅 조성물의 주재료로 사용한다. 이 때 광물의 분말 입도는 1000mesh 이상의 미분으로 처리한 것을 사용하며, 각 광물은 독립적으로 한 가지만 사용할 수 있지만 바람직하게는 2~3종류의 광물을 혼합하여 사용하여도 무방하다.

상기 규산염계 광물은 10~25 wt%로 설정된 이유는 10 wt% 미만에서는 충분한 기능성을 나타낼 수 없으므로 곤란하고, 25 wt% 이상에서는 코팅제의 부착성에 문제가 발생하므로 문제이므로, 상기 규산염계 광물은 10~25 wt%에서 설정되었다.

각종 분쇄된 규산염계 광물을 결합제인 바인더와 혼합하고, 부착성을 향상시키기 위해 부재료를 혼합하여 기능성 세라믹 코팅 조성물을 제조한다.

상기 결합제인 바인더는 실리카 42.5~48.7 wt%, 산화철 7.65~8.38 wt%, 산화칼슘 7.35~7.85 wt%, 산화칼륨 1.54~1.72 wt%, 산화붕소 9.45~9.82 wt%, 알루미나 11.8~12.7 wt%, 산화마그네슘 0.05~0.15 wt%, 산화나트륨 12.2~13.1 wt%, 불소 1.26~2.88 wt%의 조성으로 이루어진 무기물이다.

상기 첨가제인 아질산나트륨을 1~5 wt%로 설정한 이유는 1 wt% 이하이면 코팅의 부착력이 현저히 떨어지고, 5 중량% 이상이면 중량 대비 효과가 미미하다.

상기 이산화망가니즈 5~10 wt% 로 설정된 이유는 5 wt% 이하이면 코팅의 결합력이 떨어지고, 10 wt% 이상이면 함량 대비 기능성은 거의 증가되지 않아 첨가량 대비 기능의 향상을 기대하기 어려워 정해진 성분비이다.

이와 같이 제조된 기능성 세라믹 코팅 조성물은 표면의 이물질 제거를 위하여 Sandblast 처리 등 면 처리 후 중회(重灰: 탄산나트륨, Na₂CO₃)로 표면에 남아 있는 유분 등 이물질을 제거한 후 금속판의 표면이나 금속관의 내, 외부에 코팅을 하여 기능성을 부여한다.

코팅의 방법은 스프레이를 이용한 분사나 담금(Dipping) 방법 중 코팅 목적에 따라 선택하여 코팅하면 된다.

스프레이 분사나 담금 방법으로 코팅된 코팅 목적물은 40~50℃애서 약 30분간 건조 후, 열처리로에서 열처리(소성)를 행한다. 이 때 열처리(소성) 온도는 750~920℃으로 하는 것을 특징으로 하며, 약 5~20분간 열처리를 행하고 열처리로에서 꺼내 냉각하면 완성된다.

이러한 열처리 과정은 코팅제와 코팅 대상물이 이온화 결합(Ionizing)을 이루게 되어 코팅층의 부착성이 향상되고 내마모성 등의 내구성의 향상에 도움을 준다.

본 발명에 따른 기능성 세라믹 코팅제 및 이를 이용한 코팅방법은, 보다 상세하게는, 철 및 스테인리스나 비철금속 즉 구리, 황동, 청동 등의 표면에 기능성 세라믹 코팅제를 코팅하여 내열성, 내마모성, 내용제성, 내변색성, 불연성 등의 기능성을 부여하는 코팅제의 제조방법과 제조된 기능성 코팅제를 이용하여 철 및 비철금속의 표면에 코팅을 하여 내열성, 내마모성, 내화학성, 내후성, 내용제성, 내변색성, 비점착성, 불연성 등의 기능성 코팅 표면을 얻는 것이다.

상기 기능성 세라믹 코팅제에 포함된 규산염계 광물 분말의 역할로 인체에 이로운 파장영역인 40℃에서 5~20㎛ 파장범위에서 90.7%가 방사되고, 방사에너지는 3.66×10²W/m²를 나타내는 뛰어난 소재이다. 또한 가열을 하면 원적외선 방사기능이 더욱 향상되어 500℃에서 3~20㎛ 파장범위에서 90.7%가 방사되고 그 에너지는 1.41×10⁴W/m²를 나타낸다.

이러한 원적외선이 방사되어 항균 및 항곰팡이성, 탈취에 우수한 기능을 갖도록 할 수 있으며, 원적외선은 파장이 근적외선과 마이크로파의 중간 파장을 가진 빛으로 인체의 피부 속 약 40mm까지 침투하여 인체세포를 구성하는 분자와 공명정진, 분자운동 촉진에 의해 스스로 열을 내게 하는 특성이 있으므로 온열치료의 효과를 기대할 수 있고, 원적외선의 온열효과는 또한 인체의 향상성 유지에도 큰 도움을 줄 수 있는 장점이 있으며, 각종 환경기기에 접목하였을 경우 탈취, 부패방지 등의 효과를 갖는 기능성 세라믹 코팅제의 제조방법 및 제조된 코팅제를 이용하여 철, 스테인리스나 비철금속에 코팅을 하는 코팅방법에 관한 것이다.

본 발명의 기능성 세라믹 코팅제 및 그 코팅방법은 기존 개발된 세라믹 코팅제를 개선하여 기존 주방용기 등에 국한된 적용범위를 확대하여 일상에서 사용하는 주방용품뿐만 아니라 금속으로 만들어진 설비 등에 코팅을 함으로서 내화학성, 내부식성, 내후성, 내스크래치성 등의 기계적인 기능을 향상시켜 교체시간을 연장함으로써 비용의 절감은 물론 자원의 절약에도 기여할 수 있는 것이다.

본 발명의 기능성 세라믹 코팅제가 가지고 있는 특징인 원적외선 방사 기능을 이용하여 건강에 이로운 제품을 만들 수 있다.

본 발명의 기능성 세라믹 코팅제는 주 원료가 규산염 광물로 이루어져 있고, 나머지는 코팅을 보다 완벽하게 할 수 있는 첨가물로 구성되고, 바인더 역할을 하는 결합제는 고온에서 용융되어 기능성 세라믹 코팅 조성물을 결합하고 코팅하고자 하는 코팅 면에 접착이 잘 될 수 있는 역할을 하며, 이산화망가니즈는 규산염 광물로 이루어진 코팅제에 첨가되어 코팅제의 기능성을 높여주는 역할을 한다. 나머지 첨가물은 코팅 대상물의 표면과 코팅제의 결합을 향상시키는 역할을 한다. 이렇게 제조된 코팅제는 Sandblast 처리한 코팅 대상물-철의 경우에는 소둔처리 후-에 스프레이나 담금(Dipping)기법으로 50~60℃로 예열된 금속의 표면에 코팅층을 형성시킨다. 코팅층이 형성된 금속은 가열로에서 750~920℃의 온도에서 열처리를 하여 완성한다. 본 발명의 기능성 세라믹 코팅제는 금속의 표면에 약 80~250㎛ 두께의 코팅층을 형성하여 피 코팅물의 표면을 보호하고 상기의 기능성을 부여하며, 또한 피 코팅물의 표면을 미려하게 가공하는 효과도 있다.

이하, 본 발명에 따른 기능성 세라믹 코팅제의 제조방법 및 코팅방법에 대해 상세히 설명한다. 먼저 본 발명에 따른 기능성 세라믹 코팅제는 기본적으로 가장 기능성을 기대하는 규산염계 광물의 분쇄, 바람직하게는 900~1100메쉬 바람직하게는 약 1000메쉬 정도로 미분을 하는 것이 좋다.

본 발명의 기능성 세라믹 코팅제는 미분된 규산염계 광물과 세라믹 바인더 등 결합제와 첨가물을 물과 적정 비율로 혼합하여 생성하는 것으로 그 혼합비율은 1:1 혹은 2:1이 바람직하다.

본 발명의 기능성 세라믹 코팅제는 항균성 및 항곰팡이성 등의 기능성을 갖게 된다. 이 때 생성된 코팅 조성물을 코팅의 부착성 등을 개선할 수 있는 부재료인 바인더 등 부재료와 함께 볼밀에 넣어 18~32시간 혼합 및 분쇄를 하여 기능성 세라믹 코팅 조성물을 완성한다.

이 때 주 원료인 규산염계 광물의 분말과 함께 코팅의 부착성, 코팅 면의 개선 및 기능성 향상 등을 위하여 혼합하는 부재료는 바인더 역할을 하는 결합제 69~72 wt%와, 결합력을 향상시키는 이산화망가니즈 5~10 wt%와, 코팅의 부착성을 향상시키는 첨가제인 아질산나트륨 1~5 wt%를 주재료인 규산염계 광물과 혼합하여 기능성 세라믹 코팅제를 완성한다. 결합제인 바인더는 실리카 42.5~48.7 wt%, 산화철 7.65~8.38 wt%, 산화칼슘 7.35~7.85 wt%, 산화칼륨 1.54~1.72 wt%, 산화붕소 9.45~9.82 wt%, 알루미나 11.8~12.7 wt%, 산화마그네슘 0.05~0.15 wt%, 산화나트륨 12.2~13.1 wt%, 불소 1.26~2.88 wt%의 조성으로 구성되어 있다.

상기와 같이 제조된 기능성 세라믹 코팅 조성물의 코팅방법을 아래와 같이 개시한다.

먼저 코팅 대상물이 금속일 경우에는 전처리 과정이 필요하다.

특히, 철의 경우를 특징지어 설명하면 철의 경우에는 내부에 혼합되어 있는 불순물 등이 있어서 그대로 코팅을 하여 열처리를 할 경우 내부의 불순물이 솟아 나와 코팅 면을 오염시킬 우려가 있다. 따라서 코팅을 시행하기 전에 전처리 과정이 반드시 필요하다.

전처리 과정은 코팅 대상물을 750~820℃로 10~30분을 전처리(소둔)하여 불순물을 제거하여야 한다. 불순물이 제거된 코팅 대상물 - 이하의 과정은 철 이외의 금속의 코팅 과정과 동일하다 -은 냉각을 시킨 후 금강사를 사용하여 Sandblast를 시행하고 표면에 남아 있을 수 있는 유분 등의 불순물 제거를 위하여 중회(重灰: 탄산나트륨, Na₂CO₃)를 물에 희석, 분무한다. 이 때 분무되는 중회는 물에 분말의 중회를 희석시켜 준비한다. 이 때 물에 희석시키는 중회의 양은 5~15 wt%가 적당하다.

중회가 희석된 분무액이 코팅 대상물의 표면에서 건조가 완료되면 스프레이 분무나 담금(Deeping) 방법으로 코팅을 진행한다. 코팅 진행 전에 코팅 대상물을 50~60℃로 예열하고 코팅을 진행한다. 코팅 대상물 예열은 물을 주성분으로 하는 코팅제의 빠른 건조를 위해 가열하는 것이다. 이 때 도포되는 코팅 두께는 80~250㎛이바람직하다.

코팅층이 형성되면 완전히 건조를 한 후 열처리(소성)을 행한다. 건조는 온풍을 이용하여 건조를 하며 온풍의 온도는 약 50~60℃가 바람직하다. 코팅면이 완전하게 건조가 되면 열처리(소성) 과정을 진행한다. 코팅 대상물의 열처리(소성)의 온도는 750~920℃이다. 이 때 열처리(소성) 시간은 약 5~20분 정도이고 코팅된 대상물을 열처리로에서 꺼내 냉각하면 완성된다.

열처리가 마무리된 코팅제와 코팅 대상물은 이온화 결합(Ionizing)을 이루게 되어 코팅층의 부착성이 향상되고 내마모성 등의 내구성의 향상에 도움을 주며, 두 소재 간의 접합력을 높이므로 계면 파괴에 대한 높은 저항성을 가지게 되는 특징을 나타낸다

이와 같은 구성을 갖는 기능성 세라믹 코팅제의 제조방법에 의하여 제조된 실시예, 실험예 및 비교예들에 의하여 본 발명의 기능성 세라믹 코팅제의 우수성을 이해할 수가 있을 것이다.

[실시예 1]

본 발명의 기능성 세라믹 코팅제로 도포한 금속 시편 의 원적외선 방사율을 규산염계 광물을 5wt %와 10 wt%를 혼입한 코팅제로 비교 테스트한 결과이다.

상기 실시예에서 알 수 있듯이 규산염계 광물의 함량이 본 발명인 기능성 세라믹 코팅제의 기능성 부여에 결정적인 역할을 미치는 것을 알 수 있다.

실시예에서 규산염계 광물이 본 특허인 기능성 세라믹 코팅제의 기능성에 큰 영향을 미치는 것을 알았다. 상기의 실시예를 바탕으로 본 발명의 기능성 세라믹 코팅제의 기능성을 다음의 시험예 1~5와 같이 기능성을 가지고 있으면서 친환경적인 코팅제인 것을 분석을 통해 증명하였다.

[실험예 1]

본 발명의 기능성 세라믹 코팅제로 도포한 금속 표면의 항균성을 테스트한 결과이다.

※ 사용균주: Escherichia coli ATCC 8739

Pseudomonas aeruginosa ATCC 15442

Staphylococcus aureus ATCC 6538P

상기 시험결과에서 각 균주는 24시간 경과 후 그 수가 감소하여 99.9%의 감소율을 보였다.

[실험예 2]

본 발명의 기능성 세라믹 코팅제로 도포한 금속 표면의 항곰팡이성을 테스트한 결과이다.

※ 곰팡이의 균주(혼합 균주)

Aspergillus nigar ATCC 9642

Penicillium pinophilum ATCC 11797

Chaetomium globosum ATCC 6205

Gliocladium virens ATCC 9645

Aureobasidium pullulans ATCC 15233

상기 시험결과에서 각 곰팡이 균주를 접종한 결과 균사의 발육이 전혀 인지되지 않았다.

[실험예 3]

본 발명의 기능성 세라믹 코팅제로 도포한 금속 표면의 원적외선 방사율을 테스트한 결과이다.

상기 시험의 결과는 우리 몸에 가장 이로운 파장 영역인 5~20㎛에서의 방사율 및 방사에너지에 관한 실험 데이터이다. 시험결과 파장대 및 방사 에너지가 큰 것을 알 수 있다.

[실험예 4]

본 발명의 기능성 세라믹 코팅제로 도포한 금속 표면의 촉진 내후성 및 염수분무 테스트 결과이다.

상기 시험은 도막의 내구성과 관련하여 대기 부식성을 나타내는 내구성과 부식을 촉진하는 염수 분무시험을 한 결과로 2가지 부문 모두 이상 없는 결과를 나타내었다.

[실험예 5]

상기 시험은 본 발명의 코팅의 내화학성 및 친환경성과 관련한 시험 결과이다. 내산성, 내알칼리성 모두 이상이 없었으며, 코팅에서 우리 몸에 해로운 환경오염물질인 VOCs 및 포름알데히드도 거의 방출되지 않은 것을 알 수 있다.

비교예 1

대한민국 특허 제1703345호로 등록된 세라믹 코팅 조성물의 제조방법, 그 코팅 조성물 및 이를 이용한 코팅방법에서는 유기 바인더가 첨가되지 않는 순수 무기질 코팅제에 대하여 개시하고 있다. 본 비교 특허는 무기질로만 이루어진 코팅제이기는 하지만 코팅제를 제조하기 위한 조성물들을 혼합하여 1,000~1,600℃의 온도로 1~10시간 동안 소결 처리하여 소결 처리된 조성물들을 분쇄하여 코팅제로 사용한다. 따라서 각 소재들의 소결처리에 많은 에너지 비용이 추가되고 또한 고온의 열처리를 거치지 않는다고 하였지만 고주파 유도 가열장치로 600~1,000℃로 열처리를 하기 때문에 기존 가열로에서의 열처리와 비교하여 비용적인 면에서 큰 장점을 발견할 수 없다.

비교예 2

대한민국 특허 제1416508호로 등록된 “복합세라믹을 이용한 기능성 코팅제와 그 코팅제의 제조방법 및 그 코팅제가 코팅된 제품”에서는 코팅에 사용되는 소재를 200~1400℃까지 단계적으로 가열하여 소결하고 소결된 재료를 분쇄한 것을 주 원료로 하여 제조하는 방법을 개시하고 있다. 본 특허에서 소결을 통하여 주 원료를 제조하고 이를 분쇄하고 용매에 분산시켜 코팅제를 완성한다. 따라서 코팅제에 사용되는 재료들이 소결을 통하여 완성되므로 소결에 소요되는 에너지 비용이 상당히 크고 또한 상, 중, 하도의 단계로 코팅막을 형성시키므로 과정이 복잡한 단점이 있다. 그리고 제조과정에서 졸겔법에 사용되는 TEOS(테트라에톡시실란)이 사용되어 발수성 등의 기능을 부여하고 있지만 상대적으로 코팅막의 경도가 낮아 내구성이 떨어지는 단점이 있다.

이렇게 기능성 세라믹 코팅 조성물로 코팅된 코팅 대상물은 표면이 미려하고, 표면의 경도가 높아 마모에 강하고(내마모성, 내후성), 각종 산 혹은 알칼리에도 견디는(내산성, 내알칼리성: 내화학성) 품질이 우수한 코팅 결과물을 만들 수 있다. 또한 기능성 세라믹 조성물의 특징인 원적외선 방사로 인하여 일상생활에 적용되는 기물에 코팅하였을 경우 원적외선 방사로 인하여 인체에 매우 유익한 기물을 제조할 수 있다. 그리고 본 발명의 기능성 세라믹 코팅을 설비 등에 코팅을 하였을 때 상기의 내마모성, 내화학성, 내후성 등 표면 강도 및 기능성의 증가로 설비의 내구연한을 증가시켜 설비의 교체주기를 연장할 수 있으며, 이에 따른 교체 비용을 감소를 기대할 수 있다.

본 발명에 따른 기능성 세라믹 코팅제 및 그 코팅방법은 코팅제의 제조산업에서 동일한 제품을 반복적으로 제조하는 것이 가능하고 동일한 방법을 반복적으로 수행하는 것이 가능하다고 할 것이므로 산업상 이용 가능성이 있는 발명이라고 할 것이다.

Claims

기능성 세라믹 코팅제에 있어서,
상기 기능성 세라믹 코팅제는 바인더 역할을 하는 결합제 45~69wt%와, 규산염계 광물 10~25wt%와, 코팅의 결합력을 향상시키는 이산화망가니즈 5~10wt%와, 코팅의 부착성을 향상시키는 첨가제인 아질산나트륨 1~5wt%로 구성되는 것을 특징으로 하는 기능성 세라믹 코팅제
제1항 있어서,
상기 코팅용 조성물을 분산제인 물과 1:1 내지 2:1의 비율로 혼합하여 생성되는 것을 특징으로 하는 코팅제 제조방법
상기 코팅제로 코팅하기 전에 코팅 대상물의 표면을 Sandblast로 처리하는 표면처리 단계와,
Sandblast 처리 후 표면에 남아 있는 유분 등의 불순물을 제거하기 위하여 중회(重灰: 탄산나트륨, Na₂CO₃)를 물에 희석하여 스프레이 건으로 표면에 분무하는 표면 전처리 단계,
분무된 탄산나트륨이 건조되면 상기 코팅제를 분무 또는 담금의 방법으로 코팅 대상물의 표면에 피막을 형성하는 단계와,
상기 표면 전 처리된 대상물을 50~60℃로 가열하여 형성된 피막을 완전 건조시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기능성 세라믹 코팅방법
제3항에 있어서,
상기 코팅제로 코팅될 대상물을 50~60℃로 가열하여 형성된 피막이 완전히 건조된 후, 대상물을 750~920℃로 열처리(소성)하는 열처리 단계 및 상온에서 냉각을 포함하는 것을 특징으로 하는 코팅방법.