[특별기획(Ⅱ)] 자동차 선도장 강판용 스크래치 특성 및 물성

서론

통상 도료는 제품 제조단계의 최종공정에서 그 제 품이 필요로 하는 특성에 의하여 결정되는 색상 및 외

관, 내식성, 내충격성, 부착특성 등 소재가 별도로 필 요로 하는 특성들을 제공하기 위하여 도장되는 것이 일반적이다. 그러나 최근에는 그 반대로 처음부터 미

자동차 선도장 강판용 스크래치 특성 및 물성

노승만*^,**, 남준현**

*고려대학교 화공생명공학과, [email protected]

**PPG Korea, [email protected]

외관품질의 손상이 발생할 수 있다[그림 7]. 자동차의 외관품질은 일반 가전제품이나 건축자재에 비하여 매 우 양질의 외관품질을 제시해야 한다.

가공성과 경도 및 가공에 의한 외관품질 손상 문제 를 해결하기 위해서는 새로운 패러다임이 요구된다.

그 예로 2단계 경화형 도료 시스템을 들 수 있다. 1차 경화로부터 가공성과 외관품질을 2차 경화로부터 경 도를 확보하고 가공으로 손상된 외관을 회복할 수 있 도록 도료 및 경화 시스템을 최적화하는 것이다[그림 8]. 2단계 경화형 도료 시스템을 도입함으로써 가공 이후에도 광택의 저하폭이 크게 감소하였고, 뿐만 아 니라 2차 경화 후 광택이 95 %까지 회복 가능하다는 것이 확인되었다[표 1]. 이처럼 고분자의 분자구조 및 관능기 최적화와 새로운 도막의 경화 시스템에 의한 망상구조 최적화에 관한 연구는 자동차용 선도장 강 판의 물리적 물성 및 외관품질 문제의 해결을 위한 실 마리를 제공할 수 있을 것으로 판단된다.

더 나아가 접합공정 또한 과제로 남아있다. 현재 도 장 공정 투입 전의 자동차 차체는 용접을 통하여 조립 된다. 하지만 선도장 칼라강판으로 자동차를 제조할 경우 용접은 배제되어야만 한다. 따라서 용접을 대체 할 수 있는 강판접합 및 공정과 접착 기술의 개발 또 한 중요한 문제이다.

자동차용 선도장 칼라강판 기술의 개발은 환경 및

경제적으로 큰 파급효과를 기대할 수 있다. 기존의 습 식 도장 공정이 대체됨에 따라 VOC, 슬러지 및 오폐 수가 배출되지 않는 그린생산 시스템 구축이 가능해 지고, 자동차 모듈화 공정의 도입으로부터 제조원가 의 감소 및 생산성 향상 등 자동차 제조사에서도 상당 한 경쟁력을 가지게 된다.

결론

현재의 자동차 도장 시스템은 복잡한 연속공정으로 환경오염 및 인력집약형으로 아주 비효율적이다. 이 러한 복잡한 도장 공정이 코일코팅으로 대체된다면 경제 및 환경적 측면에서 아주 유익할 것으로 판단된 다. 더불어 자동차 제조사에서도“자동차 모듈화 공 정”을 실현함으로써 제조원가의 절하 및 생산 시스템 단순화에 의한 생산성의 향상 등의 효과를 얻을 수 있 다. 그러나 자동차용 선도장 칼라강판을 제조하기 위 해서는 가장 먼저 새로운 차원의 도료 시스템 개발이 필수적이다. 따라서 고분자의 분자구조 및 관능기 최 적화, 새로운 경화 시스템에 의한 도막의 망상구조 최 적화 및 스마트 코팅 기술의 접목 등 다양한 연구가 시도되어야 할 것이다. 더 나아가 절단면부식 방지와 용접 대체 강판 접합 및 접착 기술 개발 또한 자동차 용 선도장 칼라강판 생산을 위해서는 반드시 해결해 야 할 과제이다.

리 도장된 강판 또는 소재 등을 절단 및 조립하여 제 품으로 생산하는 공법이 미래의 기술적 화두로 대두 되고 있는 상황으로 기존의 후도장 방법에 비하여 제 품 생산공정을 크게 줄일 수 있는 장점을 갖고 있어 이러한 기술은 현재 가전용 및 건축자재용으로 적용 되어 상당한 시장을 확보한 상태로서 생산공정을 현 저히 줄임에 의한 원가절감이 가능하여 기존의 공정 을 거의 대체한 상태인 것으로 알려져 있다.

자동차용 도료는 1980년대부터 외관 및 물성 부분 에 대한 집중적인 연구개발을 시도하여 제품화되어 왔으나 1990년대부터 친환경적인 제품에 대한 개발 요구가 대두되면서 외관 및 물성 그리고 친환경성을 동시에 구현할 수 있는 제품의 개발을 점차적으로 요 구하고 있다. 친환경적인 부분에 대한 기술적 구현은 현재와 미래의 자동차용 도료에 대한 핵심 키워드로 자리매김 하였으며 대부분의 선진 완성차 메이커에서 는 친환경적인 도료 시스템의 적용을 필수화하고 있 다. 특히 지구 온난화의 주원인으로 지목되고 있는 휘 발성유기화합물(VOCs)를 저감시킬 수 있는 자동차 용 도료 시스템의 개발과 적용은 완성차 업계와 도료 업계의 당면한 필수과제로 받아들여지고 있다.

근래에 들어 세계적인 자동차 제조사의 화두로 급 부상 중인 자동차 모듈화 공정은 자동차 주요부품 및 섀시-프레임, 기타 부품 등을 모두 모듈화 함으로써 생산공정을 매우 단축시켜 제조원가를 낮추는 동시에

현재의 복잡한 구조를 갖는 완성차 공정의 시스템을 단순화 함으로써 생산성을 향상시킬 수 있는 새로운 방안으로 대두되고 있다. 이러한 완성차업계의 모듈 화 요청은 심각한 지구 온난화 및 화석연료의 고갈 위 험 그리고 친환경녹색기술 등의 요구에 의한 시대적 변화에 의하여 기존의 비친환경적인 자동차 제조공정 의 새로운 패러다임을 요구하는 계기가 되었는데 이 것은 자동차 도장공정 과정에도 모듈화 공정의 도입 을 시도하는 것으로서 일련의 현장적 요구를 통하여 자동차용 고성형성 선도장 칼라강판 제조 및 모듈화 적요기술 개발이 요청되고 있다.

자동차용 고성형성 선도장 칼라강판은 기존의 자동 차용 도장공정에 적용 중인 전착 및 중도, 상도 도장 공정이 완전 생략되고, 자동차 강판 제조단계에서 고 속 도장용 롤코터 공정을 적용한 중도와 상도, 상도클 리어코트가 선도장/후가공 생산되는 자동차용 선도장 칼라강판의 공정기술을 의미하는 것으로 선도장/후가 공 자동차 강판에 적합한 내식성 및 외부충격, 강판 소성가공 또는 심가공 시의 구석 부위와 구부림 부위 등에서 발생할 수 있는 도막의 스크래치 및 깨짐 현상 등을 제어할 수 있는 고탄성 프라이머 기술과 고속 롤 코터를 이용한 선도장 공정에서 중도/상도와의 계면 에 발생할 수 있는 섞임 현상과 블리딩, 양 계면의 접 합성 및 접착/외관특성을 균일하게 부여할 수 있는 핵심 층벽 프라이머 기술 그리고 고속 시스템 층간 도 그림 1. 자동차용 선도장 강판 도장 시스템.

장에 따른 균일한 색상 구현이 가능한 메탈릭 상도베 이스코트 기술, 내한칩핑성 및 내스크래치성, 내산성 등의 기능성이 구현되는 상도클리어코트를 개발하는 기술 등이 세부적으로 포함된다[그림 1].

특히 상도클리어코트까지 모두 선도장된 강판이 자 동차용으로 요구되는 성형을 위하여 준비된 금형 내 부에 넣어지면서 자동차 외장부품 등으로의 성형 시 발생될 수 있는 다양한 형태의 스크래치와 마 손상은 성형 이후 조립되어 외부의 외력에 의하여 발생되는 스크래치 및 마 손상과 더불어 본 기술에서는 극복해 야 될 매우 중요한 물리적 특성으로 알려져 있으며 이 러한 도막 표면에서 발생되는 물리적 특성의 제어는

자동차의 미적 감성과 더불어 자동차 판매가격에 상 당한 영향을 미치고 있어 이에 대한 기술적 접근이 매 우 중요한 이슈로 자리잡고 있다.

스크래치의 특성

수려한 외관을 제공하는 최근의 자동차용 클리어코 트는 지속적인 손상 외에도 다양하면서도 심각한 외 부 환경적 스트레스에 처해 있는데, 가장 극심한 환경 적 스트레스로 꼽히고 있는 기계동력학적 응력은 자 동차 클리어코트 표면에 상당한 스크래치와 작은 손 상들을 형성하게 하여 자동차로부터 제공되어야 하는 고광택 외관이 파괴되는 현상을 제공한다. 자동차용 클리어코트에 발생되는 마 손상의 영향은 물리적 훼 손의 한 종류로서, 표면의 수 밀리미터 이내로 발생되 는 특징이 있으며 최근의 자동차 코팅시스템의 고선 명 이미지로 인하여 발생된 마 손상 효과가 상대적으 로 확실하게 스크래치 형태로 나타나고 있다. 특히 매 우 작은 스크래치는 외관의 광택효과에 상당히 치명 적인 문제를 제공할 수 있다. 근래에 자동차 클리어코 트의 스크래치와 마 손상은 환경적으로 도막의 훼손 과 관련된 중요한 이슈가 되었으며, 자동차 산업계에 서는 이러한 도막의 훼손이 매우 중대한 소비자 관심 사이자 품질보증의 문제로 대두되고 있다[그림 2].

그림 2. 자동차용 클리어코트에서 발생되는 전형적인 스 크래치 형태.

그림 3. 자동차용 클리어코트에 미치는 전형적인 외부적인 손상의 예.

이러한 외부적인 영향에 의하여 발생되는 스크래치 및 마 손상이 자동차의 외관과 심미적인 부분에 미치 는 영향을 최소화 하기 위한 외부 환경적인 요소에 대 항할 수 있는 연구가 활발히 진행되고 있는데 이러한 외부 환경적인 요소로는 기계동력학적 영역과 화학적 영역으로 구분이 될 수 있다. 기계동력학적 요소로는 스크래치 및 마 손상, 비석 및 외부 충격에 의한 손상 등으로 나뉘는데 이러한 외부적인 요소는 자동차 클 리어코트 도막의 기계적 변형의 원인을 제공하게 된 다. 반면에 화학적 요소는 자외선 및 습도, 산성비, 생 물학적인 물질 등이 원인으로 볼 수 있으며 이러한 요 소들은 고분자 코팅 소재를 구성하고 있는 화학적 구 조에 영향을 미치게 되며, 결과적으로 외관과 같은 자 동차 도막의 표면의 특질과 물리화학적인 물성의 변 화를 제공하게 되어 제품으로서의 경쟁력을 잃게 된 다[그림 3].

특히 스크래치와 마 손상은 완성차 업체로서는 매 우 중대한 이슈로 대두되고 있는데 그 중 대표적인 문 제로서 소비자가 직접 자동세차 작업을 수행하는 도 중에 고분자 플라스틱 브러쉬 표면에 부딪혀 발생되 는 클리어코트 표면 손상이 시각적으로 인식되면서 상대적으로 높은 비용을 수반하는 손 세차공정을 이 용하는 소비자가 늘어나면서 이에 대한 기술적인 대 안 제시를 요구하는 상황에 이르고 있다. 스크래치와 마 손상의 메커니즘은 크게 균열파단 변형과 플라스 틱 변형으로 나뉘며 균열파단 변형은 대표적으로 자 동차 표면에 축적되면서 시각적으로 반사되는 빛의 굴절을 높이게 되어 자동차 클리어코트가 제공해야 될 빛의 반사량인 광택율을 낮추는 동시에 흐릿한 외 관을 줌으로써 쉽게 표면이 손상됨을 인지할 수 있게 된다. 반면에 플라스틱 변형은 자동차 표면에 발생된 스크래치와 마 손상이 외부에서 제공되는 태양광 또 는 정기적인 열적 순환 조건에 의하여 스스로 손상된 부위가 회복하게 되는 현상을 얻을 수 있다. 그러나 이러한 손상된 부위가 회복되는 효과는 현재 사용되 고 있는 자동차용 클리어코트에서 그렇게 큰 효과를

얻지 못하고 있는데 그러한 원인으로는 스크래치와 마 손상이 지속적으로 축적되고 있고, 자기회복을 위 한 특성을 제공할 수 있는 화학적 구조를 제공하지 못 하고 있기 때문이다[그림 4].

스크래치 대응 기술

우수한 스크래치 및 마 저항성을 갖는 자동차용 클 리어코트의 최적 배합화를 위한 연구가 광범위하게 이루어지고 있으며 스크래치와 마 저항성의 특성화에 적합한 기술들의 개발이 이루어지고 있다. 가장 대표 적인 접근으로는 자동차용 클리어코트에 경화공정 후 가교밀도를 높여 스크래치에 대한 저항성을 높이기 위하여 클리어코트에 사용되는 고분자 수지의 반응 단량체와 가교를 이룰 수 있는 기능그룹의 함량을 조 절하는 방법이 주로 사용되어 왔다. 이러한 방법으로 구현된 고분자 수지의 가교밀도 증가는 고분자 네트 워크의 저항특성을 강화하고 플라스틱 변형 흐름을 증진시킬 수 있으나 상대적으로 높아진 가교밀도는 또한 자동차 도막의 단단함을 높이게 되고 이렇게 된 도막은 자동차 클리어코트가 갖추어야 할 억세면서도 탄성력을 갖는 동시에 질겨야 하는 고분자 특성이 감 소하게 되어 결국에는 외부적인 크랙을 유발하는 스 트레스의 저하를 가져다 주게 된다(상대적으로 높은 가교밀도의 자동차용 클리어코트와 낮은 가교밀도의 클리어코트 간의 고분자 네트워크 형성에 대한 특징 그림 4. 균열파단 변형과 플라스틱 변형에 의한 스크래치 형태의 차이.

을 그림에 설명해 놓았다).

스크래치와 마 저항성을 높이기 위한 새로운 기술 적 접목이 무기입자의 적용을 통하여 시도 되었다. 서 로 다른 금속산화물 입자군들은 무기입자의 형태로서 고분자 용액에 쉽게 분산이 되며 특히 나노 크기의 무 기입자들은 고분자와 나노 무기입자들간의 상호반응 정도를 조절할 수 있어 고분자의 스크래치 저항성을 높일 수 있는 중요한 기술로서 대두되었다. 나노 크기 의 무기입자를 적용하는 데 있어 극복해야 될 문제점 은 나노 무기입자가 층분리 없이 균일하게 유기용액 내에 분산되어 있느냐가 관건으로 제조 공정 중에 쉽 게 응집되는 현상들이 발생되어 결국 기계적 물성에 영향을 주게 되기 때문이다. 게다가 고농도의 나노 무

기입자는 바람직하지 못한 높은 고점도를 유발하게 되는데 이러한 현상은 자동차용 도료의 공정 적용에 문제를 일으킬 수 있다. 또한 외부에 오래 방치하게 될 경우에는 나노 입자의 분포특성 등이 변하게 되어 결국 스크래치 저항성에 대한 유효한 특성이 줄어들 게 된다. 결과적으로 장시간의 내구성을 요하는 자동 차용 클리어코트는 나노 무기입자의 적용을 통해서는 클리어코트 표면에 깊게 침투하는 스크래치에 대한 저항성을 완벽하게 얻기가 어려운 것으로 알려져 있 다[그림 5].

최근에 자기 스스로 인식 및 치유가 가능한 스마트 코팅기술이 기존의 기술들을 대체할 수 있는 미래기 술들로 각광을 받아 다양한 개발이 시도 중에 있다.

특히 스크래치 및 마 손상에 대한 클리어코트의 자기 회복기술은 도료에 사용되는 고분자 수지와 경화시스 템 간의 화학적 구조 및 고분자 사슬의 변화를 통하여 기술적 접근이 시도되었고, 특히 외부적인 열적 조건 의 변형을 통하여서도 연구가 깊이 있게 진행되었다.

자기 치유 현상은 손상된 클리어코트 부위의 재흐름 변형에 기인한 것으로 연구 결과 밝혀졌는데, 이러한 특성은 고분자의 일반적인 가교결합이 비가역적 반응 으로 인한 높은 탄성계수 및 용제 저항성 그리고 높 그림 5. 나노 무기입자의 스크래치 저항성 사진.

그림 6. 가역적 가교결합의 외부적인 요인에 대한 영향.

은 파괴강도를 제공하여 재가공성에는 취약한 특성을 제공하는 동시에 특히 높은 가교밀도의 열경화 도막 특성인 높은 취성과 크랙성 등의 파괴적 변형이 쉽게 발생하게 되나 자기 치유가 가능한 가역적 가교결합 은 온도 및 빛 등의 외부 자극에 의하여 쉽게 자기 치 유의 특성을 제공할 수 있어 이러한 분야로서 대표적 으로 폴리우레탄 기반의 화학적 접근이 집중적으로 진행되고 있다[그림 6]. 이와 더불어 마이크로캡슐화 와 모세관 형태의 중공관을 이용하여 스크래치로 발 생된 크랙을 자기 치유화 시킬 수 있는 첨단의 연구 기법이 진행되고 있으며 이와 더불어 자체적인 자기 치유 기능화 그룹을 보유하고 있으면서 외부 자극에

의하여 비가역적 고분자화 및 용해특성과 고분자 주 사슬의 위치 및 구조 변화 등을 통한 자기 치유 효과 가 일어날 수 있는 시스템의 연구가 집중되고 있다 [그림 7].

기술적 시도

최근에 우수한 스크래치 및 마 저항성을 갖는 새로 운 자동차용 클리어코트의 개발이 필자에 의하여 시 도 되었다. 화학적 구조에 실란과 블록이소시아네이 트가 동시에 하이브리드로 구성된 유무기 혼용 경화 시스템에 대한 자동차 클리어코트의 기술적 접목과 자외선-열적 듀얼 경화형 고분자 적용을 통한 자동차 용 클리어코트로의 물성과 특성을 비교하기 위한 연 구를 진행하였다.

유무기 하이브리드 혼용의 실란 변성 블록이소시아 네이트와 뷰틸 멜라민을 기반으로 하는 경화시스템에 아크릴 폴리올을 클리어코트의 주수지로 적용하여 자 동세차방법과 나노-스크래치방법을 기반으로 하는 스 크래치 및 마 저항 특성을 비교 평가하였으며 스크래 치에 대한 3차원의 스크래치 프로파일을 형상화하여

그림 8. 실란 변성 블록이소시아네이트 적용량에 따른 나노-스크래치 방법에 대한 1차균열 파단변형 지점 및 이에 대한 3차원 이미지와 스크래치 프로파일.

그림 7. 도막 손상부위의 자기 치유 메커니즘의 유형.

비교하였고 실란 변성 블록이소시아네이트의 경화반 응에 기인하여 발생되는 가교밀도 변화에 따른 화학 적 및 기계적 물성에 대한 그 효과를 기계동력학적 분 석방법과 적외선분광분석법을 적용하여 면밀히 검토 하였다. 또한 세 가지의 다른 형태의 블록 이소시아네 이트를 적용하여 경화시스템의 차이에 따라 나타나는 고분자 반응에 의한 가역적 경화반응의 정도를 다양 한 온도와 시간 변위를 두고 각 클리어코트의 자기 치 유 현상을 관찰하였다. 실란 변성 블록이소시아네이 트의 비율이 증가될 때, 실란 가교결합과 더불어 우레 탄결합의 형성에 기인한 가교 네트워크가 증가됨에 의하여 상당한 물성적인 증진을 이룰 수 있었으며 이 러한 겨로가는 원자현미경 및 주사전자현미경을 통하 여 스크래치가 발생된 클리어코트 표면의 이미지와 표면 프로파일로부터 확인되었다[그림 8].

자외선 경화기술을 기반으로 한 자동차용 클리어코 트 기술은 불포화 이중결합과 수산화기가 서로 다른

비율로 구성된 수산화-메타아크릴레이트 기능화 우레 탄 올리고머를 적용한 자외선-열적 듀얼 경화가 가능 한 자동차용 클리어코트를 기반으로 하며 최적화된 경화공정 및 스크래치 거동을 규명하였다. 자외선 부 과량 및 열적 경화시간과 온도 그리고 공정순서의 변 경 하에서 자외선과 열적 듀얼경화 공정에 의하여 생 성되는 화학적 반응으로 얻게 된 가교 네트워크 변화 를 기계적동적물성과 적외선분광법으로 관찰하였다.

듀얼경화형 우레탄 올리고머 및 멜라민 열경화제 그 리고 아실포스파인옥사이드 광경화제로부터 상당히 우수한 가교밀도의 프로세스를 관찰하였고 자외선-열 적경화 순서 과정에서 현저하게 증진된 스크래치 및 마 저항성과 기계적 물성들을 확인하였다. 이러한 결 과는 이중결합의 전환율의 비교를 통하여 관찰이 가 능하였고, 이러한 결과는 반응속도와 주사전자현미경 에 의하여 얻은 스크래치화된 클리어코트의 표면 이 미지로부터 확인할 수 있었다[그림 9].

그림 9. 나노-스크래치 측정방법을 이용한 자외선-열적 듀얼경화 공정에서의 1차 균열파단 변형 지점의 비교.

서론

자동차용 선도장 강판은 기존의 자동차 제조라인에 서 도장공정을 생략할 수 있는 청정 제조기술이다. 선 도장 강판의 실용화를 위해 우수한 밀착력, 변형성, 외 관 등의 특성을 갖는 도료와 성형공정의 개발연구와 함께 선도장 강판의 성형 이후 어셈블리를 위한 접합 공정 및 접착제에 대한 개발연구도 진행되고 있다.

선도장 강판에 사용될 접합공법으로는 후드, 도어 등 무빙파트의 가장자리에 적용되는 헤밍실링 접합과 루프와 사이드멤버 간의 접합에 적용되는 구조접합을 들 수 있다. 루프-사이드멤버 구조접합의 경우 기존에 는 저항 점 용접을 수행하고 있지만, 선도장 강판의 경우 전기전도성이 없으므로 접착제를 사용한 공법이 요구된다.

자동차 차체 구조용 접착제는 구조물의 강성 증가, 소음진동 감소, 경량화 등에 탁월한 효과가 있으며 해 외에서 실차 적용을 통해 내구수명이 검증되면서 최 근 국내에서도 사용이 급증하고 있는 추세이다. [그림 1]은 자동차 차체 구조용 접착제의 적용사례를 보여 준다. 자동차에 따라 접착제 도포길이가 150m에 달하 는 경우도 있는데, 이는 차체의 주요 접합부에 접착제 가 대부분 사용되고 있음을 나타낸다.

자동차 차체용 접착제는 뛰어난 접착강도와 내충격 그림 1. 자동차 차체 구조용 접착제 적용부위 [Self-Study

Programme 383, Audi TT Coupé’07 - Body].

자동차용 선도장 강판 접합을 위한 구조용 에폭시 접착제 개발

김준기*, 박영도**, 최영선***

*한국생산기술연구원 용접접합기술센터, [email protected]

**동의대학교 신소재공학과, [email protected]

***부산대학교 화공생명공학부, [email protected]

맺음말

자동차용 선도장 강판에 적용되는 클리어코트는 기 존의 열경화형 클리어코트 시스템과는 달리 강판의 성형공정을 통해서 발생되는 스크래치 및 마 손상의 제어 능력 및 자기 치유 효과를 부여하는 기술이 필요 하며 이에 대한 기술적 기반으로 앞에서 언급한 다양 한 클리어코트 고분자 수지및 경화시스템에 적용되는 화학적 구조의 변화와 새로운 유무기 하이브리드 기

술의 접목 그리고 새로운 컨셉의 자외선 경화형 기술 에 대한 접근 등을 통하여 기술적 발전이 가능할 것으 로 보이며 최근에 좀 더 진일보한 자기 치유 메커니즘 을 갖는 스마트 재료를 이용한 코팅기술이 미래의 기 술로서 자리잡을 것으로 예상되므로 이러한 기술들의 접목을 바탕으로 하는 스크래치 대응기술이 개발될 것으로 예측된다.