파우더 코팅이란 무엇인가? 금속 표면 처리 공정에 대한 초보자 가이드

분체 도장, 또는 정전기 분사 증착(ESD)은 금속 제품 및 부품에 가장 널리 사용되고 인기 있는 착색 공정입니다. 분체 도장은 수많은 장점을 제공합니다. 가전제품부터 자동차, 심지어 건물에 이르기까지 사실상 모든 표면에 도장이 가능합니다. 정전기를 이용해 도포되며 자외선이나 열을 통해 경화됩니다. 분체 도장은 북미에서 가장 빠르게 성장하는 마감 기술로, 전체 산업용 마감 공정의 10% 이상을 차지합니다. 분체 도장은 뛰어난 보호 기능과 함께 색상에 새로운 매력을 더해줍니다. 분체 도장된 가구 및 기타 제품은 시간이 지나도 손상될 가능성이 적습니다. 코팅층은 균일하고 두껍으며, 내구성이 뛰어나고 무독성이며 가연성이 낮습니다.

파우더 코팅이란 무엇인가요?

분체 도장은 정전기를 띤 접지된 색소 및 수지 입자를 금속 기반 제품이나 부품에 도포하는 공정입니다. 그런 다음 부품들은 오븐으로 이동하여, 사용된 재료와 분말에 따라 평균 200°C에서 10~20분간 가열됩니다. 오븐 내에서 안료와 수지가 녹아 하나로 융합됩니다. 일단 냉각되면, 이는 제품을 보호하는 데 사용할 수 있는 가장 내구성이 뛰어난 도료 중 하나가 됩니다.

분체 도장은 세 가지 주요 단계로 구성됩니다. 첫째, 이 공정에는 미세 입자를 미리 준비된 금속 표면에 분사하는 분체 도포 단계가 포함됩니다. 둘째, 입자 접착 단계가 있습니다. 정전기 충전을 통해 분체가 접지된 가공물에 접착됩니다. 마지막으로, 경화 과정이 이루어집니다. 열을 가해 코팅재를 녹이고 화학적으로 경화시켜 연속적인 막을 형성합니다.

분체 도장은 기존의 도장과는 다릅니다. 이는 100% 고체, 무용제 분체 도장의 새로운 유형입니다. 용제를 사용하지 않기 때문에 유해 물질이 없고, 오염을 일으키지 않으며, 재활용이 가능하고, 환경 친화적이며, 에너지와 자원을 절약하고, 노동 효율이 높습니다. 다음 표는 분체 도장의 구성 성분을 요약한 것입니다.

분체 도장 공정은 어떻게 이루어지나요?

분체 도장 공정은 표면 전처리, 분체 도포, 열경화라는 세 단계로 이루어집니다.

1단계: 표면 처리

분말의 접착력을 확보하기 위해서는 표면 전처리가 필수적입니다. 이는 분말과 기판 사이에 강력한 접착력을 보장합니다. 표면 전처리 과정에서는 다음과 같은 작업이 수행됩니다.

표면을 세척하고 기름기를 제거하십시오

표면에는 기름, 그리스, 녹, 먼지 등이 없어야 합니다. 알칼리성 세정제를 사용하여 기판을 세척하고, 여러 단계에 걸쳐 헹군 후 건조시켜야 합니다.

표면을 화학적으로 전처리한다

표면, 특히 금속 표면은 내식성과 도막 접착력을 높이기 위해 인산철, 인산아연 또는 크롬이 포함되지 않은 지르코늄으로 처리됩니다. 알루미늄의 경우 크로메이트 또는 티타늄 기반의 변환 코팅이 적용되는 경우가 많습니다.

표면을 기계적으로 전처리한다

때로는 기판 표면에 화학 처리만으로는 효과적으로 제거하기 어려운 심한 오염 물질이 묻어 있는 경우가 있습니다. 이러한 오염 물질은 샌드블라스팅, 샷 블라스팅 또는 그릿 블라스팅과 같은 방법으로 제거해야 합니다. 이러한 방법을 통해 표면에 질감을 형성함으로써 기계적 접착력을 향상시킬 수 있습니다. 사용되는 연마재의 종류는 원하는 마감 상태와 기판의 민감도에 따라 달라집니다.

마스크 착용 구역

일부 부품은 도장하지 않은 상태로 남겨둬야 할 수도 있습니다. 마스킹 테이프나 마스킹 도트를 사용하면 나사산이나 표면을 분말 도료의 비산으로부터 보호할 수 있습니다. 마스킹을 하면 분말 도료가 이러한 표면에 달라붙는 것을 방지할 수 있습니다.

2단계: 정전기 도포

분말은 금속 부품 분야의 업계 표준인 정전기 분사 증착(ESD) 방식을 통해 도포됩니다. 이 공정에서 스프레이 건은 재료를 유동화시켜 부품 표면에 분사합니다. 분말 입자는 전하를 띠게 되어 접지된 기판으로 끌려갑니다. 이러한 정전기적 인력을 통해 복잡한 형상의 부품도 고르게 코팅할 수 있습니다.

두 종류의 총이 재료를 분사합니다.

코로나 건스

이 장비는 건 끝단의 날카로운 전극에 연결된 외부 고전압 전원(일반적으로 60~100 kV)을 사용합니다. 코로나 방전이라고 하는 강력한 정전기장이 공기를 이온화시킵니다.  분말 입자가 이 이온화된 공기 영역을 통과하면서 음전하를 띠게 되고, 접지된 금속 부품을 향해 전하를 띤 구름을 형성합니다. 코로나 건은 높은 전이 속도, 넓은 평면 표면의 신속한 코팅 및 일반적인 산업용 응용 분야에 가장 적합합니다. 효과적인 접지는 정전기 방전을 방지하고, 균일한 두께를 보장하며, 전이 효율을 향상시키고, 분말 낭비를 방지합니다. 이는 또한 정전기 분사 시 스파크 점화 위험을 완화하기 위한 필수적인 산업 안전 요건이기도 합니다. ^[1]. 이는 안전과 품질에 있어 매우 중요한 요소입니다.

마찰발전(트리보) 건

코로나 건과 달리, 이 건들은 노즐에 외부 고전압 전극이나 전원 케이블을 사용하지 않습니다. 대신 마찰 충전 방식을 이용합니다. 유동화된 분말 입자들은 특수하게 설계된 마찰 배럴을 통해 격렬하게 흐르도록 유도됩니다. 이 배럴은 충전을 용이하게 하기 위해 대개 테플론이나 이와 유사한 공학용 플라스틱으로 만들어집니다.  내벽과의 물리적 접촉과 마찰을 통해 입자에 양전하 또는 음전하가 전달됩니다.

ESD 외에도 유동층 코팅 방식을 통해 분체 도장을 수행할 수 있습니다. 이 공정에서는 부품을 예열한 후 공기가 주입된 분체층에 담급니다. 분체는 접촉 즉시 녹아 연속적인 막을 형성합니다. 이 방식은 주로 평평하지 않은 부품이나 고강도 부품에 열가소성 분체를 도장하는 데 사용됩니다.

3단계: 열 경화

경화는 분말을 고체 상태의 보호층으로 변환시키는 분체 도장의 핵심 공정입니다. 기판에 분말을 도포한 후, 도장된 부품을 160~220°C의 온도에서 가열합니다. 가열 온도는 분말의 종류와 부품의 질량에 따라 달라집니다. 열경화성 분말의 경우, 열에 의해 가교 반응이 일어나 화학적으로 안정된 마감층이 형성됩니다. 반면, 열가소성 분말은 화학 반응 없이 녹았다가 다시 굳어집니다.

일반적으로 사용되는 오븐으로는 대류식 오븐, 적외선(IR) 오븐, 자외선(UV) 오븐 등이 있습니다. 대류식 오븐은 뜨거운 공기를 순환시키며 대형 부품에 적합합니다. 적외선(IR) 오븐은 단면이 얇은 부품을 빠르게 가열해 줍니다. UV 오븐은 MDF나 플라스틱과 같은 열에 민감한 소재에 이상적이며, 장시간 가열 대신 빛을 이용하여 특수 UV 경화성 분말을 경화시킵니다.

분체 도장의 장점은 무엇인가요?

분체 도장은 액체 도료에 비해 여러 가지 장점을 가지고 있습니다.

• 분체 도장은 품질 문제를 최소화합니다: 분체 도장 공정은 습식 도장**에 사용되는 용제를 제거함으로써 휘발성 유기 화합물(VOC) 및 유해 대기 오염 물질(HAP)을 대폭 줄여 엄격한 환경 규정을 준수합니다. ^[2]. 도장 공정에 사용되는 용매가 적을수록 대기로 배출되는 오염 물질도 줄어듭니다.
• 분체 도장은 도포하기 쉽습니다. 분체 도장은 일반적으로 부품에 도포하기가 더 쉽습니다. 또한 분체 도장은 액상 도료에 비해 흘러내리거나 뚝뚝 떨어지는 현상이 발생할 가능성이 적습니다.
• 파우더 코팅은 내구성이 뛰어납니다: 분체 도료는 수성 도료보다 내구성이 뛰어난 재료로 만들어지는 경우가 많습니다. 내구성이 중요한 요소라면 분체 도료가 더 나은 선택입니다.
• 비용 효과성: 대부분의 경우, 부품에 분체 도장을 하는 것이 더 저렴합니다. 현대의 대량 생산 시설에서 자동화 라인을 통해 대량의 부품에 분체 도장을 실시하면, 기존의 도장 방식에 비해 비용을 대폭 절감하고 효율성을 크게 높일 수 있습니다.

분체 도장의 한계는 무엇인가요?

산업 현장에서 폭넓게 적용되고 있음에도 불구하고, 분체 도장에는 고유의 어려움이 존재합니다. 제조업체는 다른 도장 공정 대신 분체 도장을 선택하기 전에 이러한 어려움을 해결하고, 그 이점과 장단점을 신중히 따져보아야 합니다. 다음은 분체 도장 사용 시 직면하는 몇 가지 어려움입니다.

• 분체 도장 공정에서는 분체에 전하가 쏠리고, 기판이 분체를 끌어당겨 정전기력에 의해 분체가 고정됩니다. 전통적으로 이는 비전도성 표면에는 분체 도장을 할 수 없음을 의미했습니다. 표준 열경화성 분체 도료는 여전히 접지된 금속 기판이 필요하지만, UV 경화형 분체 도료와 같은 최신 기술의 발전으로 인해 이제 이러한 한계를 극복하여 엔지니어링 플라스틱이나 MDF와 같은 열에 민감한 소재에도 적용할 수 있게 되었습니다.
• 분체 도장은 반드시 열경화 과정을 거쳐야 합니다. 분체를 기판에 “녹여” 붙이려면 상당한 시간과 높은 열이 필요합니다.
• 전기적 구성 요소가 필요하기 때문에, 필름 내에 상당한 공극이 생길 수 있습니다. 특히 모서리나 좁은 공간과 같이 패러데이 케이지가 형성될 수 있는 곳에서 이러한 현상이 두드러집니다. 공극을 제거하기 위해 전압을 높이면, 모서리에 분말이 쌓일 수 있습니다. 이로 인해 경화되지 않은 재료가 남거나 약점이 발생할 수 있으며, 작품의 디테일이 손실될 수도 있습니다.
• 제대로 준비되지 않았거나 임상적으로 청결하지 않은 상태라면, 파우더가 제대로 밀착되지 않아 띠 모양으로 벗겨질 수 있습니다.
• 필요한 경우, 분말을 먼저 태워 없애지 않으면 보정하거나 교체하기가 어렵거나 불가능합니다.

파우더 코팅은 페인트와 얼마나 다른가요?

분체 도장과 일반 도료의 주요 차이점은 물리적 형태와 도포 방식에 있습니다. 일반 도료는 대개 액체 형태입니다. 일반 도료에는 바인더라고 하는 성막제가 안료 및 기타 첨가제와 혼합되어 있습니다. 점도를 유지하기 위해 유성 도료는 탄화수소 용매를 사용하며, 수성 도료의 경우 용매로 물이 사용됩니다.

분체 도장의 경우, 바인더 역시 고체입니다. 고체 바인더, 안료 및 기타 첨가제를 혼합하여 혼합물을 만듭니다. 그런 다음 이 혼합물을 녹이면, 용융 과정에서 성분들이 균일하게 혼합됩니다. 녹은 도료는 냉각된 후, 건조된 혼합물을 분말 형태로 만듭니다. 이 미세한 분말이 바로 분체 도료입니다. 분체 도료에는 용제가 전혀 포함되어 있지 않습니다. 분체 도료는 항상 특수 도장 건을 사용하여 분사 방식으로 도포됩니다. 다음 표는 분체 도료와 일반 도료의 차이점을 요약한 것입니다.

액체 도료는 용제 또는 수성 액체 매체를 사용하는 반면, 분체 도장은 분말 형태의 고체 결합제를 사용합니다. 분체 도장은 특수한 분사 장비와 오븐 경화 과정이 필요하지만, 내구성이 뛰어난 도막을 형성하고 용제 배출을 줄일 수 있습니다.

참조

[1] 직업안전보건청(OSHA). (발행일 미상). 1910.107 – 인화성 및 가연성 물질을 이용한 스프레이 마감 작업. 미국 노동부. 출처: https://www.osha.gov/laws-regs/regulations/standardnumber/1910/1910.107

[2] 미국 환경보호청(EPA). (2020). 기타 금속 부품 및 제품의 표면 코팅: 유해 대기 오염 물질에 대한 국가 배출 기준(NESHAP). EPA 대기오염 고정 배출원. 출처: https://www.epa.gov/stationary-sources-air-pollution/surface-coating-miscellaneous-metal-parts-and-products-national