UV 경화 코팅의 자동차 응용 분야

많은 사람들이 자외선(UV) 기술을 산업용 코팅 경화 분야의 "떠오르는" 기술로 보고 있습니다. 산업 및 자동차 코팅 업계에서는 다소 생소하게 느껴질 수 있지만, 다른 산업 분야에서는 이미 30년 이상 사용되어 왔습니다.

많은 사람들이 UV 기술을 산업용 코팅 경화 분야의 "떠오르는" 기술로 보고 있습니다. 산업 및 자동차 코팅 업계에서는 다소 생소하게 느껴질 수 있지만, 다른 산업 분야에서는 이미 30년 이상 사용되어 왔습니다. 사람들은 매일 UV 코팅된 비닐 바닥재 위를 걷고 있으며, 많은 가정에도 이러한 제품이 설치되어 있습니다. UV 경화 기술은 소비자 전자 제품 산업에서도 중요한 역할을 합니다. 예를 들어, 휴대폰의 경우 플라스틱 하우징 코팅, 내부 전자 부품 보호 코팅, UV 접착제로 접합된 부품, 심지어 일부 휴대폰에 사용되는 컬러 화면 제작에도 UV 기술이 사용됩니다. 마찬가지로 광섬유 및 DVD/CD 산업은 UV 코팅 및 접착제를 전적으로 사용하고 있으며, UV 기술이 없었다면 오늘날 우리가 알고 있는 형태로 존재할 수 없었을 것입니다.

그렇다면 UV 경화란 무엇일까요? 간단히 말해, UV 경화는 자외선 에너지를 이용하여 화학적 반응을 통해 코팅을 가교(경화)시키는 공정입니다. 1분도 채 안 되는 시간에 코팅은 액체에서 고체로 변환됩니다. 원료나 코팅에 사용되는 수지의 기능에는 근본적인 차이가 있지만, 코팅 사용자는 이러한 차이를 인지하지 못합니다.

기존의 분무식 스프레이 건, HVLP, 로터리 벨, 플로우 코팅, 롤 코팅 등의 장비는 UV 코팅을 적용하는 데 사용됩니다. 그러나 코팅 도포 후 열 오븐에서 용매를 증발시키는 기존 방식과는 달리, UV 램프 시스템은 최소한의 에너지로 코팅을 조사하도록 구성되어 있으며, 이러한 장비들은 UV 에너지를 이용하여 코팅을 경화시킵니다.

자외선 기술의 장점을 활용하는 기업과 산업은 탁월한 생산 효율성과 우수한 최종 제품을 제공하는 동시에 수익을 향상시켜 엄청난 가치를 창출해 왔습니다.

UV의 속성 활용

어떤 핵심적인 장점을 활용할 수 있을까요? 첫째, 앞서 언급했듯이 경화 속도가 매우 빠르고 상온에서 진행할 수 있습니다. 이는 열에 민감한 소재도 효율적으로 경화시킬 수 있게 해주며, 모든 코팅을 매우 빠르게 경화할 수 있습니다. UV 경화는 공정상의 제약(병목 현상)이 긴 경화 시간이라면 생산성 향상의 핵심 요소입니다. 또한, 빠른 경화 속도 덕분에 설치 공간을 훨씬 줄일 수 있습니다. 예를 들어, 라인 속도 15fpm에서 30분 동안 베이킹해야 하는 기존 코팅은 오븐 내 컨베이어 길이가 450피트(약 137m)에 달하는 반면, UV 경화 코팅은 25피트(약 7.6m) 이하의 컨베이어 길이만으로도 충분할 수 있습니다.

자외선 가교 반응을 통해 물리적 내구성이 훨씬 뛰어난 코팅을 얻을 수 있습니다. 코팅은 바닥재와 같은 용도에 맞게 단단하게 만들 수도 있지만, 매우 유연하게 만들 수도 있습니다. 자동차 분야에는 단단한 코팅과 유연한 코팅 모두 사용됩니다.

이러한 특성들은 자동차 코팅 분야에서 UV 기술의 지속적인 개발과 보급을 이끄는 원동력입니다. 물론 산업용 코팅의 UV 경화에는 몇 가지 어려움이 있습니다. 공정 담당자의 가장 큰 관심사는 복잡한 부품의 모든 영역에 UV 에너지를 조사하는 것입니다. 코팅 경화에 필요한 최소한의 UV 에너지를 코팅 표면 전체에 조사해야 합니다. 이를 위해서는 부품에 대한 세심한 분석, 부품 배치, 그리고 그림자 영역을 없애기 위한 램프 배열이 필요합니다. 하지만 램프, 원료 및 제품 배합의 상당한 개선으로 이러한 제약 조건 대부분이 극복되었습니다.

자동차 전방 조명

자동차 분야에서 UV 코팅이 표준 기술로 자리 잡은 대표적인 영역은 전방 조명 산업입니다. UV 코팅은 15년 이상 사용되어 왔으며 현재 시장 점유율 80%를 차지하고 있습니다. 헤드램프는 폴리카보네이트 렌즈와 반사판 하우징이라는 두 가지 주요 구성 요소로 이루어져 있으며, 이 두 부분 모두 코팅이 필요합니다. 렌즈에는 외부 환경과 물리적 충격으로부터 폴리카보네이트를 보호하기 위해 매우 단단하고 긁힘 방지 기능이 뛰어난 코팅이 필요합니다. 반사판 하우징에는 기판을 밀봉하고 금속 도금을 위한 매우 매끄러운 표면을 제공하는 UV 베이스코트(프라이머)가 도포됩니다. 현재 반사판 베이스코트 시장은 사실상 100% UV 경화 방식으로 전환되었습니다. UV 코팅이 도입된 주요 이유는 생산성 향상, 작은 공정 공간, 그리고 우수한 코팅 성능입니다.

사용되는 코팅제는 자외선 경화 방식이지만 용매를 함유하고 있습니다. 하지만 대부분의 오버 스프레이는 회수되어 공정에 재활용되므로 거의 100%에 가까운 전사 효율을 달성할 수 있습니다. 향후 개발 목표는 고형분 함량을 100%로 높이고 산화제 사용 필요성을 없애는 것입니다.

외부 플라스틱 부품

덜 알려진 적용 사례 중 하나는 차체 측면 몰딩에 UV 경화형 투명 코팅을 사용하는 것입니다. 이 코팅은 원래 비닐 소재의 측면 몰딩이 외부에 노출될 때 발생하는 황변 현상을 줄이기 위해 개발되었습니다. 코팅은 몰딩에 충격이 가해져도 접착력을 유지하고 균열이 생기지 않도록 매우 견고하고 유연해야 했습니다. 이러한 용도에 UV 코팅을 사용하는 주요 요인은 빠른 경화 속도(작은 공정 공간)와 우수한 성능 특성입니다.

SMC 바디 패널

판재 성형 복합재(SMC)는 30년 이상 강철을 대체하는 소재로 사용되어 왔습니다. SMC는 유리 섬유가 함유된 폴리에스터 수지를 판 형태로 주조한 후, 압축 금형에 넣어 차체 패널로 성형하는 방식입니다. SMC는 소량 생산 시 금형 비용을 절감하고, 무게를 줄이며, 흠집 및 부식에 강하고, 디자인의 자유도를 높여주기 때문에 선택되는 소재입니다. 그러나 SMC 사용의 어려움 중 하나는 조립 공장에서의 후가공 과정입니다. SMC는 다공성 소재이기 때문에 차량에 장착된 차체 패널이 투명 코팅 도장 공정을 거치는 과정에서 "기공 기포"라고 알려진 도장 결함이 발생할 수 있습니다. 이러한 결함은 부분적인 보수가 필요하며, 기포 기포가 여러 개 발생할 경우 차체 전체를 재도색해야 할 수도 있습니다.

3년 전, 이러한 결함을 해결하기 위해 BASF Coatings는 UV/열 하이브리드 실러를 상용화했습니다. 하이브리드 경화 방식을 사용하는 이유는 중요하지 않은 표면의 오버 스프레이는 경화되기 때문입니다. "기공 돌출" 현상을 없애는 핵심 단계는 UV 에너지에 노출시켜 중요 표면의 코팅 가교 밀도를 크게 높이는 것입니다. 실러가 최소 UV 에너지를 받지 못하더라도 코팅은 다른 모든 성능 요구 사항을 충족합니다.

이 사례에서 이중 경화 기술을 사용함으로써 UV 경화를 활용하여 새로운 코팅 특성을 제공하는 동시에 고부가가치 응용 분야에서 코팅의 안전성을 확보했습니다. 이 적용 사례는 UV 기술이 어떻게 독특한 코팅 특성을 제공할 수 있는지 보여줄 뿐만 아니라, UV 경화 코팅 시스템이 고부가가치, 대량 생산되는 크고 복잡한 자동차 부품에도 적용 가능하다는 것을 입증합니다. 이 코팅은 약 백만 개의 차체 패널에 사용되었습니다.

OEM 클리어코트

자외선(UV) 기술 시장에서 가장 주목받는 분야는 단연 자동차 외장 패널용 A급 코팅이라고 할 수 있습니다. 포드 자동차는 2003년 북미 국제 오토쇼에서 콘셉트 U 차량에 UV 기술을 적용한 시제품을 선보였습니다. 당시 시연된 코팅 기술은 아크조 노벨 코팅(Akzo Nobel Coatings)에서 개발 및 공급한 UV 경화형 투명 코팅이었습니다. 이 코팅은 다양한 재질로 만들어진 차체 패널에 도포 및 경화되었습니다.

프랑스에서 격년으로 개최되는 세계 최고의 자동차 코팅 컨퍼런스인 수르카르(Surcar)에서 듀폰 퍼포먼스 코팅과 바스프는 2001년과 2003년에 자동차 클리어코트용 UV 경화 기술에 대한 발표를 진행했습니다. 이러한 기술 개발의 원동력은 도장면의 주요 고객 만족도 문제인 긁힘 및 마모 저항성을 향상시키는 것이었습니다. 두 회사 모두 하이브리드 경화(UV 및 열) 코팅을 개발했습니다. 하이브리드 기술을 추구하는 목적은 UV 경화 시스템의 복잡성을 최소화하면서 목표 성능을 달성하는 것입니다.

듀폰과 배스프는 모두 자사 시설에 시범 생산 라인을 설치했습니다. 부퍼탈에 있는 듀폰 라인은 전체 차체 경화가 가능합니다. 코팅 업체들은 우수한 코팅 성능을 입증해야 할 뿐만 아니라, 도장 라인 솔루션도 제시해야 합니다. 듀폰이 언급한 UV/열 경화의 또 다른 이점은 열 오븐의 길이를 줄이는 것만으로도 마감 라인의 클리어 코트 공정 길이를 50%까지 단축할 수 있다는 것입니다.

엔지니어링 측면에서 Dürr System GmbH는 UV 경화를 적용한 조립 공장 콘셉트에 대한 프레젠테이션을 진행했습니다. 이러한 콘셉트의 핵심 변수 중 하나는 마감 라인에서 UV 경화 공정의 위치였습니다. 엔지니어링 솔루션으로는 UV 램프를 열 오븐 전, 내부 또는 후에 배치하는 방안이 제시되었습니다. Dürr는 현재 개발 중인 배합을 사용하는 대부분의 공정 옵션에 대해 엔지니어링 솔루션이 가능하다고 판단하고 있습니다. Fusion UV Systems는 또한 자동차 차체용 UV 경화 공정의 컴퓨터 시뮬레이션 도구인 새로운 도구를 선보였습니다. 이 도구는 조립 공장에서 UV 경화 기술의 도입을 지원하고 가속화하기 위해 개발되었습니다.

기타 응용 프로그램

자동차 내부용 플라스틱 코팅, 알로이 휠 및 휠 커버 코팅, 대형 컬러 성형 부품 및 엔진룸 부품용 투명 코팅 등 다양한 분야에서 개발 작업이 지속되고 있습니다. UV 코팅 공정은 안정적인 경화 플랫폼으로서의 타당성 검증을 받고 있습니다. 근본적으로 변화하고 있는 것은 UV 코팅이 더욱 복잡하고 고부가가치 부품으로 확대 적용되고 있다는 점입니다. 전방 조명 분야에 적용된 사례를 통해 UV 코팅 공정의 안정성과 장기적인 활용 가능성이 입증되었습니다. 20여 년 전에 시작된 이 기술은 이제 업계 표준으로 자리 잡았습니다.

UV 기술은 일부 사람들이 "멋진" 기술이라고 생각하는 측면이 있지만, 업계에서 이 기술을 통해 진정으로 원하는 것은 도장 작업자들의 문제를 해결하는 최적의 솔루션을 제공하는 것입니다. 기술 그 자체만을 위해 기술을 사용하는 사람은 없습니다. 기술은 실질적인 가치를 제공해야 합니다. 그 가치는 경화 속도 향상으로 인한 생산성 증대, 기존 기술로는 달성할 수 없었던 새로운 또는 개선된 특성, 코팅 표면이 오염에 노출되는 시간을 줄여 처음부터 높은 품질을 확보하는 것, 또는 시설 내 휘발성 유기화합물(VOC) 발생을 줄이거나 없애는 것 등 다양한 형태로 나타날 수 있습니다. UV 기술은 가치를 창출할 수 있습니다. UV 업계와 도장 작업자들은 도장 작업자들의 수익성을 향상시키는 솔루션을 개발하기 위해 지속적으로 협력해야 합니다.