하이라이트
1. 서론
연속 코팅 공정은 주로 기능성 필름 제작에 사용 되는 액체를 사용한 대량 생산 공정이다. 여기서 기 능성 필름은 주로 유연한 고분자 기재(예를 들면 Polyethylene terephthalate, PET 필름) 혹은 구리 필름 과도 같은 금속 기재 위에 추가적인 기능성을 부여하 는 코팅 막이라 불리우는 얇은 막을 도포하여 제작된 다. 예를 들어 광학 필름의 경우, 투명도 이외에 시인 성의 향상을 위해 반사 방지(Anfi-reflection) 기능을 부여하는 추가적인 층을 필름 위에 코팅 할 수 있다.
현재 많은 소재 부품들(예 : 접착 테이프, 광학 필름, 배터리 전극, 태양전지 전극 등)이 이러한 높은 종횡 비(Aspect ratio)를 가지는 얇은 막 형태를 취하는 경우 가 많다. 이로 인하여, 기능성 필름을 양산 생산하는 데 관심이 폭발적으로 증대하고 있는 실정이다.
소재 부품 제작에 대한 수요에 비례하여, 새로 운 소재 관련 연구가 기하급수적으로 늘어나고 있 다. 실제로 여러가지 전자부품관련 소재(특히 나노 소재) 의 키워드로 Web of Science와 같은 인터넷 기 반 논문 색인 검색을 하면 엄청난 양의 논문들을 쉽 게 발견할 수 있다. 그러나 대부분의 소재 연구가 신소재의 개발에 초점이 맞추어지고, 이를 가공하 는 기법의 개발 관련 연구 자체가 수적으로 매우 부 족하다. 이러한 경향에 대한 반등으로 최근 많은 소 재 관련 논문들에서 “용액 공정이 가능한(Solution processable)”이라는 표현 등을 통하여, 개발한 소재
로 실제 부품을 양산하는 것이 가능함을 강조하는 경우가 많아지고 있다. 그러나 대부분의 경우, 소재 가 분산된 용액을 사용한 가공 기법을 실험실 규모 로 시연하는 정도에 그치거나, 특수하게 제작된 장 비를 사용하여 비교적 큰 규모의 샘플을 제작하는 정도에 그치고 있다.
개발된 소재는 반드시 양산 가공 단계를 거쳐야 만 실제로 제품화가 가능한데, 이렇게 개발된 소재 가공에는 다른 화학 산업과 마찬가지로 공법의 스케 일 업 과정이 필수적이다.
본 하이라이트의 내용은 기존의 필자가 지난 2010 년 NICE지에 투고 했던 기고문 [1] 과 2016년 화학연 합지에 기고문 [2]의 내용에 연장선 상에 있다. 해당 연속 공정의 기본적인 내용은 앞선 두 기고문에서 확인할 수 있으며, 본 기고문에서는 기본적인 코팅 공정의 특성을 다루지는 않으려 한다(관심 있으신 독자들은 [1]번 참고문헌을 살펴보길 권장한다). 대 신 지난 기고문들 내용의 연장선 상에서, 코팅 공정 에 대한 이야기를 풀어가고자 하며, 특히 필자가 그 간 연구 및 산학 자문 그리고 기업체 대상 교육을 통 해서 느낀 사항들을 위주로 이야기하고자 한다. 이 번 기고문에서는 특히 많은 코팅 엔지니어들이 흔히 오해 하고 있는 연속 액체 코팅 공정의 스케일 업에 관련된 이야기에 대해 최근 가장 각광받고 있는 슬 롯 코팅 기법(Slot coating method)을 중심으로 이야기 하고자 한다.
기능성 필름 제조를 위한 액체 코팅 공정 스케일 업에 대한 소고( 小考)
남 재 욱 성균관대학교 화학공학부
학 전공자들이 알고 있듯이 매우 어려운 엔지니어링 문제이다. 예를 들어, 화학 반응기(Chemical reactor) 의 경우, 실험실 규모 초자를 사용한 반응을 그대로 크기만 비례하여 확대한 화학반응기를 사용할 수 없 는 이유는 여러가지가 있다. 그 중 가장 중요한 이유 는 부피의 변화, 즉 3개의 차원 모든 방향으로 크기 가 증가함에 따라, 열, 물질 그리고 운동량 전달 현상 (Transport phenomena) 가 크게 다른 양상(특히, 난류 상황에서의 전달 현상)을 보이기 때문이다. 따라서, 플라스크와 같이 작은 규모에서 그다지 중요하지 않 던 반응물과 촉매 등의 혼합 및 교반(Mixing)의 제어 가 연속 교반 반응기(Continuous-stirred tank reactor) 에서는 매우 중요한 문제로 떠오른다. 이로 인하여, 반응기 설계는 기존 실험실 장비와는 전혀 다른 양 상의 설계 연구가 필요하다. 예를 들어, 난류 유동 상 황에서 교반 현상을 효율적으로 제어하기 위한, 교 반기(Agitator) 및 배플(Baffle), 냉각 및 가열 장치 (Cooling or heating jacket) 등의 설계 연구가 뒷받침 되어야 한다. 이러한 다양한 장비의 최적 디자인을 통해, 양산 반응기 내부의 모든 3차원 공간에서 반응 물들이 최적의 반응 속도를 유지하기 위한 열역학적 상태(즉, 온도, 압력 그리고 농도)를 도출해 낼 수 있 다. 이러한 양상으로 인하여 대부분 화학 공정에서 의 스케일 업 연구와 반응 연구는 전혀 별개의 연구 로 간주되고 있다. 특히, 난류에 대해서는 아직도 그 특성을 정확하게 파악하고 있지 못하는 경우가 많 다. 따라서, 주로 스케일 업의 경우, 엔지니어링 마진 (Engineering margin) 혹은 경험 법칙(Rule of thumb) 으로 대변되는 숙련된 설계 엔지니어의 경험에 의존 하는 경우가 많다.
그러나 코팅 공정, 특히 코터(Coater)의 스케일 업 (Scale up)은 위와는 전혀 다른 양상을 가진다. 우선
공정(Continuous liquid coating process) 을 초점으로 하고 있다. 따라서, 코팅 막의 양산 제조를 고속으로 움직이는 기재(Substrate) 위의 공기를 걷어내고 액체 막을 형성하는 현상으로 이해 할 수 있으며, 이러한 관점에서 코터를 이러한 현상을 제어하여 두께가 일 정한 코팅 막(Uniform coating layer) 을 기재 위에 도 포하는 장비로 한정하려 한다.
2.1 슬롯 코팅의 특징
우선 코터의 스케일 업에 관련된 이슈를 살펴보 기에 앞서서, 실제 양산에 사용되는 장비의 특징을 살펴보고자 한다. 전체 코팅 공정의 전반적인 특성 및 구성은 참조[1]을 확인하길 권장한다. 그림 1은 현 재 가장 많은 관심을 받고 있고, 광학 필름, 전자 제 품 용 필름의 생산에 사용되는 슬롯 코터(Slot coater) 에 대한 모식도이다. 전체 코팅 공정에서 가장 중요 한 두 단계를 코팅 단계(Coating step)과 건조 단계 (Drying step)으로 구분할 수 있는데, 여기서 코터는 코팅 단계의 핵심 공정 부품으로 크게 두 가지 역할 (분배와 도포)을 수행하고 있다. 분배(Distribution)는 액체를 코팅의 폭방향으로 배분해 주는 역할을 의미 하며, 주로 매니폴드(Manifold)라 불리는 코터 내부 의 공간에서 이루어 진다. 도포(Application)은 공급 된 액체가 움직이는 기재에 안착하여 액체 코팅 막 을 형성하는 역할을 의미하며, 주로 다이 립(Die lip) 근처의 코팅 비드(Coating bead)라 불리우는 영역의 유동에 의해 제어된다. 또한 코터에 공급된 유량만 큼 코팅 막으로 전사되는 선계량 방식(Pre-metered method)이다.
이런 특징들로 인하여, 슬롯 코팅의 경우, 그림 2 에서 요약될 수 있듯이
1) 정상상태 유동: 시간에 따라 유동의 변화가 없고,
기능성 필름 제조를 위한 액체 코팅 공정 스케일 업에 대한 소고(小考)
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2) 이차원 유동: 코팅의 폭방향(Cross-web direction) 의 유동 없이 코팅 진행방향 (Down-web direction) 의 유동만 존재하며,
3) 덜 민감한 유동: 외부 진동에 의하여 두께 편차가 유발되지 않는 유동이 형성되었을 때,
매우 정밀한 코팅 막의 두께가 펌프의 유량과 기 재의 진행 속도에 의해서만 결정된다. 다시 말하면, 점도, 표면장력, 밀도 등 코팅액의 물성은 공정 조건 에 변화를 주지만, 코팅 막의 두께와는 전혀 무관하 다. 이러한 물성과 상관없는 두께 조절 메커니즘이, 슬롯 코팅이 딥 코팅이나 스핀 코팅, 롤 코팅을 제치 고 정밀 코팅(High precision coating) 기법으로 각광 받는 이유라 하겠다.
2-2 슬롯 코팅 유동의 스케일 업에 대한 고찰 앞서 살펴본 슬롯 코팅의 경우, 당연히 양산형 슬 롯 코팅 장비와 같이 거대한 장비와 실험실에서 사 용하는 벤치 탑(Bench-top)형 슬롯 코팅과 같이 소규 모 장비가 있을 수 있다. 그러나 두 장비는 앞서 간략 하게 예를 들었던 대규모 화학 반응기와 실험실 규 모의 반응기와의 상관관계와 좀 다른 측면이 있다.
이러한 측면을 인지하기 위해서는 코팅 유동과 그 공정으로 도포된 액체 코팅 막의 크기를 보면 이해 할 수 있다.
액체 코팅 막은 다양한 길이 스케일(Length scale) 과 관련이 있다. 일반적인 코팅 막의 두께는 마이크 로미터 정도이나 코팅의 폭은 양산 공정의 경우 미 터 단위에 이르며, 제작되는 코팅 막의 길이가 킬로 미터 이상은 되어야 대량 생산이라 말할 수 있다. 이 를 보면 양산 코팅 자체가 매우 다양한 길이 스케일 로 둘러싸여 있음을 쉽게 알 수 있다. 그런데 이 중 하나의 길이 스케일은 매우 특별하다.
코터의 유동의 길이 스케일의 가장 큰 특징은 양 산 규모의 공정과 실험실 규모의 공정 모두 하나 의 차원(Dimension), 즉 코팅 막의 두께 방향의 크기 가 같다는 점이다. 이러한 길이 스케일의 특성은 앞 서 살펴본 화학 반응기의 경우(3차원 모든 방향으로 의 길이 스케일 변화)와 달리, 코팅 공정에서의 스케 일 업은 2개 차원 방향의 스케일 변화가 주로 일어
그림 1. 슬롯 코팅의 모식도 및 분배와 도포에 대한 개요.
그림 2. “안정적인” 코팅 유동 조건, 해당 조건들에 대한 자세한 설명은 [2]와 [3]을 참조.
그림 3 슬롯 코팅과 관련된 다양한 길이 스케일(Length scale).
direction 혹은 Machine direction)의 길이 스케일 변화 만 일어나게 된다. 예를 들어 실험실에서 10마이크 론 필름을 1센티미터 폭에 길이 10센티미터로 제작 했다면, 양산의 경우 10마이크로 두께는 그대로 유 지한 채 1미터 폭 코팅 막을 1킬로미터 제작하는 경 우로 볼 수 있다.
그러나 앞서 살펴본 “안정적인” 코팅 유동 조건이 만족된다면 실험실 장비에서 양산장비로의 변화가 가져올 길이 스케일의 변화는 사실상 코팅 유동의 관점에서는 큰 의미가 없다. 코팅 유동이 “1) 정상상 태” 조건을 만족한다면, 유동의 방향으로의 변화가 없게 된다. 따라서, 코팅 방향 길이 (L)이 10센티미터 이건 1킬로미터이건 코팅 유동이 지속적으로 안정될 수 있다. 또한 유동이 “2) 이차원 유동”을 만족한다 면, 폭 방향의 유동이 없는 상태가 된다. 따라서, 제 대로 설계된 코팅 다이 매니폴드로부터 고르게 분배 된 코팅액이 코팅 비드 영역으로 공급된다면, 폭 방 향 길이(W)는 어떠한 길이를 가져도 상관이 없다. 추 가적으로 유동이 “3) 덜 민감한 유동”을 만족한다면, 펌프의 맥동, 기재(Web) 구동 메커니즘의 진동, 혹은 기재를 지지하면서 고속으로 회전하는 롤(Back-up roll)의 가공 공차에 따른 코팅 갭(Gap height) 진동(그 림 4 참조)과 같은 다양한 진동들이 유발할 수 있는 코팅 막 두께 편차를 최소화할 수 있다.
이와 같은 코팅 유동의 특징으로 볼 때, 코팅 장비
의 스케일 업는 앞서 살펴본 화학 반응기와 다른 양 상을 가진다. 화학 반응기의 경우, 작은 규모에서 그 다지 중요하지 않던 난류로 인한 교반 및 전달 현상 이 반응기의 크기가 커지면서 중요하게 대두되는 반 면, 코팅의 경우에는 “안정적인” 코팅 조건이 만족되 는 이상, 코팅 유동 현상 자체 내에서 다른 현상이 중 요해지지 않는다. 대면적의 경우(W가 큰 경우) 단위 코팅 막 면적당 코팅 막의 가장자리(Edge) 부분이 가 지는 부분이 줄어들게 되어, 실험실용 코팅 장비보 다 오히려 코팅 막 두께의 균일도가 상승할 수 있다.
이러한 두꺼운 가장자리 코팅 현상(Heavy edge, 그림 5 참조)은 표면장력에 의한 모세관 현상으로 인한 압 력 변화에 의하여 발생하며, 해당 부분의 경우 코팅 막의 두께를 앞서 말한 공정 조건 만으로 조절할 수 없게 된다.
이러한 관점은 코터 스케일 업 연구에서 중요한 점이 무엇인지를 시사한다. 대부분의 화학 공정에서 보다 현실성 있는 스케일 업 장비는 규모가 큰 설비 를 의미한다. 그러나 코팅 공정, 특히 코터에 있어서 는 단지 규모가 큰 장비라고 좋은 스케일 업 장비는 아니다. 앞서 살펴본 대로, “안정적인” 코팅 유동을 보장해 주는, 코팅 액의 물성 조합, 코팅 다이의 디 자인, 코팅 공정 조업 조건(유량, 기재 속도)을 찾는 것이 스케일 업 연구라 할 수 있다. 물론 코터의 크 기가(특히 폭방향으로) 증가하는 경우, 위에서 말한 유동 현상 이외의 현상이 나타날 수 있다. 서포트 롤 (Back-up roll)이 미터 정도 길이로 길어지면 롤의 무 게로 인하여 늘어짐 현상(Sagging)이 일어날 수 있으 며 이로 인하여 코팅 갭이 폭 방향으로 일정하지 않 을 수 있다. 코팅 다이의 경우, 특히 다이 립의 경우
그림 4 슬롯 코팅에서 존재하는 다양한 진동 원인들.
하는 고압(high pressure) 영역을 의미한다.
기능성 필름 제조를 위한 액체 코팅 공정 스케일 업에 대한 소고(小考)
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매우 정밀하게(수마이크론 이내의 편차) 가공되지 않으면, “안정적인” 코팅 유동의 2번과 3번 조건을 유지할 수 없게 된다. 따라서, 정밀한 코팅 막의 두께 조절이 불가능하다. 그러나 이 사항들은 코팅 유동 에 관련된 사항이 아니라 기계 가공 및 기계적 구조 안정성에 관련된 내용이며, 이러한 사항은 모든 화 학공정의 스케일 업에도 공통적으로 적용되는 내용 이다.
3. 맺음말
이번 기고문에서는 슬롯 코터라고 하는 연속 코 팅 공정의 중요 공정 장비의 스케일 업에 대한 몇가 지 특징에 대하여 살펴보았다. 위에서 언급한 사항 만으로 슬롯 코터 스케일 업이 완벽하게 될 수는 없 다. 그러나 분명한 것은 위의 “안정적인” 코팅 유동 이야 말로, 코팅 장비의 크기, 즉 스케일과 상관없이 가장 중요한 기본 원리라는 것이다. 이러한 사항은 확연히 다른 화학 공정 스케일 업과는 차이가 있다.
코터의 경우, 광폭 장비가 좋은 스케일 업 연구 장비 는 아니다. 코팅 공정 운행 중의 가공의 정밀성 및 장비의 구조적 안정성을 테스트할 목적이 아닌 이 상 위의 대형 테스트용 장비는 스케일 업 연구로서 의 큰 효용이 없다. 오히려, 이론적인 분석을 통하여
“안정적인” 유동이 유지될 수 있는 코팅 액의 조성
들, 코팅 다이의 디자인들 및 공정 조업 조건들을 여 러 종류 선별하고, 이를 소규모 장비로 실험하여 검 증하는 방식이 실제 스케일 업에 있어서 더 효과적 이다.
실제 소재의 제품화를 위해서는 단순한 신소재의 개발 뿐만 아니라, 가공기술(특히 양산 기술) 및 시 장에서의 수요와 시설 투자 등 복잡한 요소들이 있 다. 이 중 어느 하나만 중요한 것이 아니라, 적절한 시기에 모든 요소들이 다 갖추어져야 비로소 제품화 가 가능하다. 그러나 여러가지 특허의 제작 및 논문 작성의 용이성 때문인지 많은 연구들이 신소재 개발 에만 집중된 국내 연구 현실이, 필자로서는 많이 안 타깝다. 소재 관련 연구가 공학적으로 의미 있기 위 해서는 현재 신소재 기술 개발에 비견할 정도의 투 자와 노력이 양산 공정 기술 개발에도 부여되어야 할 것이다.
참고문헌
1. 남재욱, “연속코팅 공정과 미래과제”, NICE지, 28권, 2호, p552
2. 남재욱, “액체 연속 코팅 공정의 이슈와 이래”, 화학연합 (Bul- letin of Korean Chemical Science and Technology), 8권, 2 호, p15
3. Lee, S. and Nam, J., AIChE J. 61, 1745–1758(2015) 4. Lee, S. and Nam, J., J Coat Technol Res. 12, 949-
958(2015)
