센터에서 진행되는 연구 내용 및 방향과 연구전략 에 대해서도 기술하였다. 이 외에도 생체고분자의 유변특성에 대한 연구나, 생물반응기(bioreactor) 의 유동특성에 대한 연구 또한 생체유변학의 한 분야로 볼 수 있을 것이다. 생체고분자의 중요성 은 앞으로 더욱 부각될 것이며, 생물반응기 역시 보다 정교한 유동제어를 전제로 향후 바이오 기술 의 본격적인 산업화 단계에서 새롭게 조명받을 것 으로 예상된다. 또한 DNA나 단백질을 중심으로 한 생체고분자의 미세채널유동 또한 미세채널에
서의 혈류유동과 동일한 관점에서 접근될 필요가 있어, 이들 분야들도 당 센터의 연구전략 상에 중 요한 축을 형성하고 있다. 생체유변학은 생체의학 (bio medical) 분야의 한 부분으로서 나름대로 핵 심적인 역할이 있으며, 이는 인류의 건강 및 복지 증진이라는 이상 외에도, 관련 산업의 급성장이 대두되는 등 산업 경제적 의미도 크다. 또한 여기 에서 파생되는 생체시스템의 유동제어 기술은 향 후 바이오 산업의 발전에 크게 기여하게 될 것으 로 기대된다.
다양한 기능과 우수한 성능을 갖는 물질의 개발 및 공정 기술은 모든 산업 분야에서 필수적으로 요구되고 국가경쟁력의 핵심이 되는 기술이다. 그 중에서도, 복잡한 미세구조를 갖는 유체에 대한 첨단 코팅 공정은 그 응용 범위가 매우 다양하여 중요성이 증대되고 있다. 예를 들면, 코팅 공정은 LCD/PDP 등과 같은 디스플레이, 자성 또는 광 학 디스크, photoresists, 고집적회로 기판, 광섬유 등의 정보·전자산업용; 첨단 코팅에 의한 자동 차·항공산업용; 의료진단기기 등의 의료용; 연 료전지, 생촉매 휠름, 고분자 휠름, 분리막 등의 화 공산업; 점착성 테이프, 인화용 또는 형상 휠름, 제지, 음료캔, 포장재 등의 일반 산업용 및 가정용 에 이르기까지 그 응용 범위가 다양하여 모든 산 업의 핵심이 되는 분야라 할 수 있다. 특히 IT/NT/BT 분야의 기술 발전과 더불어 관련 소
재의 산업화를 위한 핵심 기술로 그 중요성은 증 대되고 있다.
이 공정은 web(또는 substrate) 위에 액막 (liquid film)을 만드는 공정으로서[그림 1], 크게 분류하면 다음과 같다. 일반적으로 코팅 공정의 분류는 계량을 언제 시키느냐에 따라 달라지게 된 다[그림 2]. Forward-roll 코팅, reverse-roll 코팅, blade 코팅 등은 web에 원하는 도포량보다 과량 의 코팅액을 전이시키고, 그 후에 좁은 고체표면 사이에서의 유체 유동에 의해 원하는 도포량 또는 정 현 욱
고려대학교 화공생명공학과/유변공정연구센터, [email protected]
그림 1. 코팅공정의 개요도.
휠름 두께로 되게 하는 후계량(post-metered) 시 스템이다. 이와 달리, slot 코팅, slide 코팅, curtain 코팅 등은 원하는 도포량 또는 휠름 두께를 만들 기 위해 미리 계량한 후에 코팅 용액을 web(또는 substrate)에 전이시키는 전계량(pre-metered) 시스템으로 이는 높은 생산속도에서도 정확하게 계량된다는 특징을 가지고 있다.
코팅 공정을 분석하는데 있어 중요한 유동 특성 들은 다음과 같다. 코팅 유동은 위에서 설명한 바 와 같이 코팅 용액이 web에 도포되어 자유 표면 을 갖는 마이크로 또는 나노 크기의 층류 액막을 만드는 유동이다. 코팅 유동은 예를 들어, slide 코 팅에서 코팅액이 web에 처음 만나는 권취 영역, forward-roll 코팅에서 액막이 서로 나뉘어지는 코 팅 bead 영역에서 일반적으로 높은 전단(shear) 변형과 신장(extension)변형을 나타낸다. 이런 곳 에서 전단변형률속도(shear rate)는 105s-1정도이 고 신장변형률속도(extension rate)도 최대 104s-1 정도로 다른 공정에서보다 훨씬 큰 수치를 나타낸 다. 또한, 코팅액은 순수한 물질이거나, 고분자 용 액(polymer solutions), 콜로이드 분산 용액(colloidal dispersions), 입자 현탁액(particulate suspensions), 용융체(melts) 또는 이들의 혼합으로 사용되고
있으며 이들 대부분은 해석이 어려운 비뉴튼성 (non-Newtonian)의 복잡한 유동 거동을 보인다.
이와 관련된 학문 분야를 코팅 유변학(coating rheology)이라고도 한다.
현재 코팅 공정은 고기능성 코팅 제품의 품질 향상과 생산성 돌파를 위해 더 빠른 코팅 생산속 도, 다양한 기능성 성분을 포함한 더 얇고 균일한 제품의 생산 및 다층 코팅 기술 등을 요구하고 있 다. 또한, 최근 산업이 고도로 발전함에 따라 그에 따른 부작용으로 환경 문제가 사회적 쟁점으로 부 각되고 있는데 코팅 산업도 이의 해결을 위해 환 경친화적 공정 개발에 많은 노력을 기울이고 있다.
즉, 수용성 코팅 용매를 사용하거나 용매를 다시 재순환시키는 등의 공정 기술 개선이 이루어지고 있으며, 용매에 고분자를 첨가한 점탄성 유체의 유변학적 특성을 살피는 연구가 최근 활발히 진행 되고 있다.
그러므로, 코팅 공정은 시대적 환경에 따라 요 구되고 있는 많은 현안을 충족시키면서 생산성 향 상과 품질의 혁신적 돌파를 위해 끊임없이 연구되 어져야 하는 중요 분야이다.
국내외 연구기술동향
국외의 경우 코팅 공정에 관한 연구는 1970년대 초 미국 미네소타대학 연구팀에 의해 본격적으로 시작되었으며 1980년대 유동 가시화(flow visualization) 방법을 발전시켰고 수치해석 기법 을 개발하여 체계적이고도 통합된 코팅 공정 연구 를 확립해 왔다. 이외에도 3M, DuPont, BASF, Fuji Photo Film, Kodak 등의 세계 유수업체와 MIT, Univ. of California, 큐슈대, PUC-Rio(브라 질) 등의 학계에서도 코팅 공정에 관한 연구를 활 발히 수행하고 있다. 그리고 2년마다 개최되는 코팅 공정만을 다루는 국제학회인 ISCST(International Symposium on Coating Science and Technology) 그림 2. 다양한 코팅 공정의 예：(A)forward roll
coating (B)reverse roll coating (C)blade coating, (D)slot coating (E)slide coating (F)curtain coating.
에서 코팅 연구에 관한 정보를 교류하고 있다.
국내의 경우는 지금까지 고분자 휠름을 생산하 는 산업체를 중심으로 이 분야에 관한 연구가 중 점적으로 수행되어져 왔으나, 최근 국내 유변학관 련 학문 분야와 반도체·전자 산업, 고분자 산업, 자동차·항공기 산업, 에너지 산업 등과 같은 첨 단 산업 분야의 비약적인 발전에 힘입어 코팅 공 정의 개선과 개발을 위한 노력이 산·학·연에서 활발하게 전개되고 있다.
코팅 공정에 대한 최근 연구 동향을 요약하면 다음과 같다. 첫째, 다른 공정에서와 마찬가지로 생산성을 향상시키기 위해 생산속도를 빠르게 하 면서 더 얇고 정밀한 코팅 제품을 생산하는 것과 다층 필름 및 동시 양면 코팅 제품 등과 같이 다양 한 기능성을 부가하는 것이 최우선 과제라 할 수 있다. 둘째, 환경친화적 공정으로의 개선을 위해 수용성 용매를 사용하거나 용매를 다시 환원시키 는 시스템의 연구도 활발히 진행 중이다. 셋째, 최 근 코팅 공정에서는 다양한 기능성을 부여하기 위 해 뉴톤 용액 대신 높은 분자량과 비뉴톤성의 복 잡한 거동 특성을 갖는 고분자 용액을 연구대상으 로 하고 있다. 이에 따른 물질의 유동과 변형에 관 한 학문인 유변학(rheology)의 중요성이 강조되 고 있으며, 특히 신장유변학에
대한 연구가 그 중심을 이룬다.
또한, 이러한 점탄성 유체의 유 변학적 거동에 따른 유변 구성 방정식의 개발이 함께 이루어지 고 있다. 넷째, 코팅 공정에서 나타나는 여러 유동 불안정성 (예를 들면, roll 코팅에서의 ribbing, cascade 현상, slide 코 팅 에 서 의 wave formation, chatter, ribbing, streaks 등)의 이론적·실험적 분석과 최적의
코팅 운전 영역을 설정하기 위한 노력이 끊임없이 전개되고 있다.
이상과 같이, 코팅 공정에 관한 연구는 첨단 산 업 발전에 있어서의 중요성과 그 파급 효과로 인 해서 핵심 학문 분야로 부각되고 있다.
다음은 전계량, 후계량 코팅 공정의 대표적인 예라고 할 수 있는 curtain 코팅과 roll 코팅 공정 을 소개하고 이 공정들의 대표적인 동특성 및 불 안정성과 이로부터 도출될 수 있는 최적의 코팅 운전 조건을 간략히 설명하고자 한다.
Curtain 코팅 공정
Curtain 코팅 공정은 slot 코팅, slide 코팅 공정 과 함께 전계량(pre-metered) 코팅 공정의 가장 대표적인 공정으로서 외부의 지지체없이 자유 낙 하에 의해 코팅액이 web에 도포되는 특성을 가지 고 있다. 이 공정은 코팅액을 매우 빠른 속도로 도 포시킬 수 있으며(5m/s이상) 불균일한 web에도 적용 가능하다는 장점을 가지고 있어 다층 휠름이 나 patch 등의 제품을 생산하는데 널리 이용되고 있다. [그림 3]에서 보듯이 curtain은 slot die나 다층 휠름 제작을 위한 slide die를 통해 형성될 수 있다.
그림 3. (A) Slot-fed와 (B) Slide-fed curtain 코팅 공정의 개요도.
Slide-fed curtain 코팅 공정의 유동은 크게 다 섯 가지 유동 영역으로 세분화된다. 즉, inclined slide에서의 film forming region, slide lip 주위의 curtain forming region, 코팅액이 주로 신장유동 (extensional flow) 하에서 중력에 의해 떨어지는 curtain flow region, 코팅액이 web에 부딪히는 impingement region, curtain이 web에 코팅되어 web 속도하에서 완전 발달된 유동을 갖는 take- away region이 그것이다.
이 공정이 다른 공정에 비해 독특한 점은 앞에 서도 언급한 바와 같이 코팅액이 web에 닿기 전 에 외부의 지지체없이 자유낙하하는 curtain flow region이 존재한다는 점이다. 이 영역은 신장유동 이 지배적이고, 예기치 않은 외부 외란(예를 들면, 외부 압력의 변화 등)에 매우 민감하여 공정을 불 안하게 하기 때문에 이 영역에 대한 면밀한 검토 가 필요하다. 최종 코팅 제품의 품질에 결정적인 영향을 주는 흥미있는 동특성들은 다음과 같다.
Curtain forming 영역에서 hydrodynamic 특성에 기인된 “teapot effect”라는 유동 특성과 코팅액의 contact line이 공정조건에 따라 바뀌는 hysteresis 현상을 보인다. Curtain flow 영역에서는 임계점 이상에서 외란에 의해 curtain의 폭과 위치가 주 기적으로 바뀌는 불안정성이 발생하며 코팅액이 web과 만나는 impingement 영역에서는 공정조 건(특히, 유량)에 따라 curtain의 모양이 heel 형 태로 되기도 하고, air가 entrainment되기 쉬운 pulled film이 형성되기도 한다. 이와 같이, 이 공 정에서 발생하는 여러 동특성과 불안정성들의 정 보로부터 설정된 coating window를 개략적으로 도시한 것이 [그림 4]이며 안정한 코팅 운전을 제 한하는 여러 현상들은 다음과 같다.
낮은 유량에서 휠름의 disintegration
낮은 유량과 낮은 코팅 속도에서 휠름의 잡아당 겨지는 현상
높은 코팅 속도와 이보다 상대적으로 낮은 유량 에서 air entrainment
높은 유량과 낮은 코팅 속도에서의 heel 형성 높은 유량과 높은 코팅 속도에서의 air entrainment
Roll 코팅 공정
Roll 코팅은 2개 혹은 그 이상의 roll을 사용하여 회전하는 roll 사이로 코팅액을 계량하고 web에 도포시키는 공정이다. 코팅된 휠름의 두께와 균일 성은 roll 사이의 유동에 의해 결정적인 영향을 받 으므로 이 부분에 대한 이론적, 실험적 연구가 이 공정의 중심을 이룬다. 즉, 이 코팅 공정의 엄밀한 유동 해석을 위해서는 roll 사이의 코팅 bead 영역 에서의 공기와 액체의 경계, 정적·동적 wetting lines, 수많은 코팅액의 유변학에 대한 고찰이 중 요하다.
Roll 코팅 공정은 크게 roll의 재질 특성과 roll들 의 회전 방향에 따라 다음과 같이 분류된다. Roll 의 재질 특성에 따라 rigid(nondeformable chromeplated steel), deformable(rubber-covered), patterned(engraved gravure roll), tensioned web(in place of one of the rolls)으로 나눌 수 있 으며 roll 회전 방향에 따라 크게 forward(roll들이 그림 4. Curtain 코팅 공정에서의 coating window.
같은 방향으로 회전), reverse (roll들이 역방향으 로 회전) roll 코팅으로 나눌 수 있다. 여기서는 [그림 5]와 같이 rigid roll들로 구성된 가장 기본 적인 형태의 forward, reverse roll 코팅 공정의 특 성에 대해 고찰한다.
Forward roll 코팅은 일반적으로 점도가 낮은 액체의 얇은 광학용 코팅에 주로 사용되며 전형적 인 운전조건은 3~60m/min 속도, 1~50mPa·s 유체 점도, 25~60µm의 코팅 두께이다. Reverse roll 코팅 공정은 오늘날 여러 분야에서 가장 널리 응용되는 코팅 공정 중의 하나이다. 이 공정은 응 용의 다양성과 함께 코팅의 정확성, 곧 원하는 코 팅 도포량으로 휠름을 정확하게 만들 수 있는 점 과 높은 속도로 운전이 가능하다는 장점 때문에 magnetic media, 점착 테이프, 종이, 금속·고분 자 기질에 decorative 코팅 등의 제품을 만드는데 널리 사용되고 있다. Reverse roll 코팅 공정의 일 반적인 운전조건은 3~600m/min의 속도, 1~500,000mPa·s의 용액 점도, 10~1000µm의 코팅 두께이다.
코팅시키는 원리는 roll들의 회전방향이 다르다 는 점을 제외하고는 forward roll 코팅과 유사하다.
어느 코팅 공정이나 공정을 체계적으로 분류하고
이해하기 위한 가장 좋은 방법은 유동을 기본적인 세부영역으 로 나누어서 살펴보는 것이다. 그 중에서도 forward roll 코팅 공 정에서는 applicator roll과 back-up roll 사 이 의 film splitting region에서의 유동과, reverse roll 코팅에서 의 applicator roll과 metering roll사이의 metering flow region에서의 유동에 대한 분석이 이 공정들의 핵심이다.
본 공정의 해석에 있어서 중요한 공정 변수들은 roll 사이의 gap과 roll의 반경(또는 직경)의 비인 gap-to-radius(or diameter) ratio, 점성력과 표면 장력의 비인 capillary number,(µ는 유체의 점도, U는 roll의 속도, σ는 표면장력), roll들의 속도비인 speed ratio 등이 있다. 특히, roll 코팅 공정의 유동 특성에 Ca가 큰 영향을 준다.
이 공정에서도 임의의 공정조건하에서 외부 외 란 등에 의해 다양한 형태의 불안정성이 발생할 수 있는데 forward roll 코팅에서는 [그림 6]에서 보는 바와 같이 cross-web 방향으로 두께의 주기 적인 변화가 있는 ribbing(또는 corduroy, rake- lines, phonographing) 현상이 주로 발생하고, reverse roll 코팅에서는 ribbing과 휠름의 유동방 향으로 큰 진폭을 갖는 주기 불안정성인 cascade (또는 herringbone, seashore)가 주를 이룬다.
[그림 7, 8]은 위의 결과들을 바탕으로 얻어진 forward, reverse roll 코팅 공정에서의 코팅 window를 개념적으로 도시한 것이다. 높은 점도 를 갖는 유체의 거동이 낮은 점도의 것과 상당히 다름을 알 수 있다. 높은 점도에서는 주로 ribbing, 그림 5. (A) Forward roll 코팅, (B) reverse roll 코팅 공정의 기본 형태.
cascade에 의해 코팅 속도가 제한받지만, 낮은 점 도에서는 주로 starvation, air entrainment,
inertial vortex 등에 의해 제한받는다.
그러므로, 이러한 불안정성들로부터 안정한 코 팅 windows를 확보하는데 있어 capillary number, gap-to-radius ratio, speed ratio 등과 같 은 공정변수의 이해가 중요하며, 특히, 유체의 비선 형 특성을 고려한 코팅 유변학의 연계가 중요하다.
이상과 같이 코팅 공정의 개요, 연구동향 및 전 계량, 후계량 공정의 대표적인 예로 curtain 코팅 과 roll 코팅 공정에 대해 간단히 소개하였다. 국내 많은 연구자들의 코팅 공정 기술에 대한 관심과 활발한 연구가 국내 산업발전과 국가경쟁력 제고 에 이바지할 것으로 기대한다.
그림 6. Roll 코팅에서 발생하는 다양한 ribbing-type 불안정성.
그림 7. Forward roll 코팅의 코팅 windows (A)점성 영역, (B)관성 영역.
그림 8. Reverse roll 코팅에서의 코팅 windows (A)점성 영역, (B)관성 영역.
