도장의 결함·막 두께 및 도료의 안료 분산 측정·검사
도료·도장의 품질에 대해 이전에는 심미성 및 내구성이 요구되었으나 시대의 흐름에 따라 환경성 및 경제성을 고려한 것으로 변화해 왔습니다.
도료·도장에는 건축용 및 자동차용부터 공업 분야까지 매우 다양한 종류가 있습니다. 예를 들어, 자동차의 외판 도장에는 심미성은 물론 내후성 및 내퇴색성 등 매우 높은 수준의 품질이 요구됩니다.
여기에서는 도료 및 도장·도막의 기초 기술부터 최신 4K 디지털 마이크로스코프에 의한 관찰·측정, 그리고 과제 해결에 관하여 풍부한 사례와 선명한 화상을 활용하여 소개합니다.
도료의 재료
도료는 여러가지 원재료로 구성되는 화학 제품입니다. 그 중에서도 도료의 성격을 결정짓는 성분인 「바인더」와 녹을 방지하고 색채를 만들어 내는 「안료」의 역할은 중요하다고 할 수 있습니다.
바인더는 도막의 강인성 및 밀착성 등의 물리적 기능, 내구성 및 내약품성 등의 화학적 기능, 도막 형성 방식(건조 방식)을 부여합니다. 바인더의 주성분은 합성 수지입니다. 바인더를 수지로 수용화하거나 물로 분산시킨 것은 수성 도료라고 합니다. 또한, 분말 형태로 만들어 공기로 유동성을 부여한 것은 분체 도료라고 합니다.
안료는 물이나 용제에 녹지 않으며 내광성이 있는 미세한 색채 분말입니다. 안료에는 「착색 안료」, 「방청 안료」, 「체질 안료」 등이 있습니다. 착색 안료는 말 그대로 색을 결정하는 안료이며, 타이타늄백 및 카본 블랙, 황토, 카본 블루, 시아닌 그린, 퀴나크리돈 레드 등이 있습니다. 방청 안료로는 인산 알루미늄, 아연 몰리브덴산염, 아연말 등이 있습니다. 또한, 체질 안료는 도막의 형태를 만듭니다. 그 밖에 도막의 광택을 조정하는 무광 안료 및 기능을 부여하는 알루미늄 분말, 형광·축광 안료가 있으며, 더 특수한 안료로는 적외선 반사재 및 페라이트 전파 흡수재 등이 있습니다.
도장 기술
도장은 도막을 형성하는 가공법으로 도장이 만드는 도막 두께는 보통 수 미크론~수백 미크론입니다. 이 도막에 기능을 부여하며 가격 대비 성능을 크게 좌우하는 공정이 도장입니다.
도장은 「전처리⇒도장⇒건조」의 3공정으로 실시됩니다. 다층 도장의 경우에는 이 공정이 반복됩니다*.
전처리에서는 소재 표면을 정화합니다. 크게 습식법과 건식법으로 나뉘며, 습식법에서는 피막화 처리가 실시되고 건식법은 샌드 블라스트가 대표적인 처리 방법입니다.
도장은 도료를 액상으로 칠하는 방법과 안개 형태로 분사하는 방법이 있습니다. 액상으로 칠하는 방법은 브러시로 도포하는 브러싱 도장, 슬릿을 통해 커튼 형상으로 흘려보내 도포하는 커튼 플로 코터 도장, 고무 롤에 전사하여 도포하는 롤 코터 도장 등이 있습니다. 또한, 도료를 안개 형태로 분무하는 방법은 압축 공기를 이용하여 도료를 안개 형태로 만들어 도포하는 에어 스프레이 도장, 안개 형태가 된 도료를 마이너스 하전하여 피도물을 플러스 하전함으로써 전기적으로 도포하는 정전 스프레이 도장, 도료를 분체화, 하전하여 도포하는 분체 스프레이 도장 등이 있습니다.
「재벌칠」, 「정벌칠」에서는 「전처리」가 생략되기도 한다.
도막의 결함과 대책
전처리 상의 표면 상태 및 도장 시의 기상 조건, 도료 및 도장 방법 등 어느 하나라도 문제가 있으면 도막에 결함이 나타납니다. 결함을 관찰하고 그 원인을 밝히는 것은 도료의 선택이나 도장 방법 개선 등 결함 재발을 방지하기 위해 반드시 필요합니다.
여기에서는 도막의 대표적인 결함을 예로 들어그 원인과 대책을 설명합니다.
돌기
돌기의 주요 원인은 이물질 부착과 도료의 응고입니다. 이물질은 사람이나 기기에 의해 날아 오르거나 마스킹 또는 연마 작업 중에 부유하여 부착되는 경우가 많습니다. 또한, 수지 제품은 성형 후 형틀에서 박리할 때 대전이 일어나 부유 이물질이 끌려와서 부착되는 등의 경우도 있습니다.
부유 이물질에 대해서는 도장 설비 주변 청소나 반송 장치의 커버 설치, 대전에 의한 이물질 부착에 대해서는 제전기 설치 등이 효과적입니다. 도료의 응고에 대해서는 희석 용제나 교반 횟수의 재검토가 필요합니다. 또한, 도료의 여과도 효과적인 대책입니다.
- 현상:
- 표면에 좁쌀 같은 돌기가 있다.
- 원인:
- 도장면에 이물질이 부착되었다.
응고된 도료 등 도료에 이물질이 혼입되었다.
건조 전에 부유하던 이물질이 부착되었다.
- 대책:
- 전처리에서 도장면을 정화한다.
도료를 여과하여 이물질을 제거한다.
방진 대책을 취한다.
균열(크래킹)
균열의 원인은 도장 공법 및 도료의 재질에 따라 다릅니다.
예를 들면, 다층 도장은 초벌칠 도료와 정벌칠 도료의 적합성이 맞지 않거나, 초벌칠 도료가 충분히 건조되지 않으면 균열이 발생합니다. 이 경우, 도료의 변경이나 초벌칠의 건조 시간을 충분히 확보하는 등의 대책이 필요합니다.
균열은 노후화에 의해서도 발생하는 등 원인이 다양하기 때문에 원인 파악을 위해서는 도막의 상황을 잘 관찰하는 것이 중요합니다.
- 현상:
- 도막에 갈라진 선이 있다.
- 원인:
- 도장면에 균열이 발생했다.
도막이 너무 두껍다.
경화제의 배합이 적절하지 않다(2액형 도료의 경우).
시너의 선택이 적절하지 않다(시너를 사용한 경우).
- 대책:
- 전처리에서 도장면의 균열을 제거해 둔다.
표면 건조*가 발생할 가능성이 있는 두꺼운 도포를 피한다.
도료를 충분히 교반한 후 사용한다.
경화제의 규정량을 지킨다.
표면 건조: 도막의 표면만 건조되고 하층부가 충분히 건조되지 않은 상태. 「겉 건조」라고도 한다.
박리
박리는 주로 도장면의 처리가 불충분하거나, 도료와 소재 또는 초벌칠 도료와 정벌칠 도료가 적합하지 않아서 발생합니다.
도장면의 녹이나 오래된 도장은 디스크 그라인더(샌더)로 연마하여 제거한 후 이물질이나 유지 성분을 닦아내고 도장합니다. 또한, 도료와 소재 및 초벌칠 도료와 정벌칠 도료의 부적합으로 발생하는 박리는 「층간 박리」라고 하며 도료의 성상 조합 및 도장 공법을 재검토할 필요가 있습니다.
박리를 방지하는 이러한 작업들이 전처리에 해당한다는 점을 보면 전처리의 중요성을 이해할 수 있습니다.
- 현상:
- 도막이 부착력을 잃고 벗겨진다.
- 원인:
- 녹 제거 등의 바탕 처리가 충분하지 않다.
도장면 연마·정화가 충분하지 않다.
초벌칠과 정벌칠의 층간 밀착이 충분하지 않다.
- 대책:
- 도장면의 녹을 없애고 기름이나 오염·먼지를 제거한다.
소재에 적합한 바탕 처리를 실시한다.
오래된 도막에 도장하는 경우는 오래된 도막을 충분히 벗겨낸 후 도장한다.
도료의 배합을 적절하게 조정한다.
기정 도막 두께로 도장한다.
도막 두께 검사
도막이 설계대로 생성된 것을 확인하는 방법 중 하나가 「도막 두께」의 측정입니다.
도장은 외부로부터 수분 및 산소가 침입하는 것을 차단하고 소재가 부식되는 것을 피하기 위해 실시하는 작업입니다. 따라서 도막의 두께는 그 기능에 큰 영향을 미칩니다. 그러나 무조건 두껍다고 좋은 것은 아니며, 도막이 충분한 기능을 발휘하려면 도막 두께가 적절해야 합니다.
도막 두께는 도막 두께 측정기로 계측합니다. 도막 두께 측정기에는 자석의 흡착력·자속 변화를 이용하여 비파괴로 측정하는 타입과 적외선·초음파를 이용하는 타입이 있습니다.
- 전자식 막 두께 측정기:
- 영구 자석을 장비한 프로브를 도막에 접촉시켜 도막 두께를 측정합니다. 자석이 지닌 「잡아당기는 힘」의 강도에 따라 발생하는 자속 밀도가 변화하여 전자석을 흐르는 전류양의 변화로 막 두께를 측정합니다. 자성 금속의 모재에 코팅 및 라이닝 처리된 도막(비자성 금속층, 무기층, 유기물층)의 두께를 측정할 수 있습니다. 프로브 선단의 자석을 잡아당기는 힘이 바탕까지의 거리와 비례하는 성질을 이용한 측정 방법입니다. 단, 도막이 자기를 띤 경우는 정확한 막 두께를 측정할 수가 없습니다.
- 와전류식 막 두께 측정기:
- 철심을 넣은 코일(프로브)에 통전하여 발생한 소용돌이 형태의 전류(와전류)로 도막 두께를 측정합니다. 금속면상에 발생하는 와전류의 값이 거리에 비례하는 성질을 이용한 측정 방법입니다. 와류식 막 두께 측정기는 와전류의 진폭으로 막 두께를 측정하는 「접촉식」과 와전류의 위상차로 막 두께를 측정하는 「비접촉식」으로 나뉩니다. 소재가 도전성 비자성 금속(알루미늄·구리·오스테나이트계 스테인리스 등)이고 도막이 플라스틱, 수지·고무 등의 절연성 소재인 경우에 사용할 수 있습니다.
- 적외선 막 두께 측정기:
- 도막에 적외선을 조사하여 투과광 또는 반사광을 분광하면 나타나는 스펙트럼으로 막 두께를 측정합니다. 도막에 적외선을 조사하면 도막의 소재와 두께에 따른 특정 파장의 적외선 흡수 현상이 발생합니다. 도막에 이용되는 소재의 「흡수율과 막 두께의 관계」를 바탕으로 측정 대상의 막 두께를 산출할 수 있습니다.
- 초음파 막 두께 측정기:
- 도막에 프로브를 접촉시키고 센서에서 발신한 초음파가 바탕에서 반사되어 돌아올 때까지의 시간으로 도막 두께를 측정합니다. 초음파 막 두께 측정기를 이용한 도막 두께는 다음과 같이 구합니다.
D: 막 두께
C: 도막의 음속*(m/s)
t: 초음파가 도막을 왕복하는 시간(s)
도막의 음속: 재질별로 대략적인 값이 정해진 속도. 단, 같은 재질이라도 종류가 다르면 음속도 다르다. 따라서 초음파 막 두께 측정기를 사용할 때는 실제 도막을 바탕으로 한 조정(교정)이 필요하다.
도장·도막에 대한 측정·관찰의 최신 사례
기존의 측정기에 의한 도장·도막 측정·관찰을 크게 바꾼 것이 최신 디지털 마이크로스코프입니다.
KEYENCE의 초고해상도 4K 디지털 마이크로스코프 「VHX 시리즈」를 이용하여 고해상도 화상에 의한 도장·도막 관찰·평가의 고도화는 물론 다양한 작업을 대폭으로 효율화할 수 있습니다.
고해상도의 광학 화상을 이용한 다층 도장의 막 두께 측정
전자식 막 두께 측정기 및 와전류식 막 두께 측정기로 대표되는 기존의 측정기는 자기 및 전류의 값을 바탕으로 도막의 막 두께를 측정합니다. 이런 방법들은 측정값으로 도막의 상태를 추측하는 등 간접적인 관찰 방법이기도 하기 때문에 다층 도장 등의 상태를 파악하기가 어려웠습니다. 또한, 측정기 자체의 오차도 문제입니다.
최신 4K 디지털 마이크로스코프는 광학 화상으로 막 두께를 측정합니다. 클리어층의 영향을 받지 않기 때문에 샤프한 초점 조정이 가능합니다. 그렇게 나온 화상은 선명하여 도막에서 더 많은 정보량을 얻을 수 있습니다.
지금까지 초점이 맞지 않는 등의 이유로 측정하지 못했던 도막 두께도 있는 그대로의 도막을 포착하여 정확한 관찰을 실현합니다.
진화한 포커스와 멀티 라이팅으로 클리어층을 3D 관찰
카메라의 프레임 레이트가 대폭 향상되어서 관찰 포인트로 스테이지를 이동시키면 초점 정보를 자동 인식합니다. 바로 풀 포커스 화상을 취득할 수 있습니다.
기존의 현미경은 초점이 맞지 않는 경우, 조명을 어떻게 비추어야 할지 알 수 없었습니다. 디지털 마이크로스코프는 심도 합성과 멀티 라이팅을 조합하여 풀 포커스 화상을 취득한 후 조명을 자유롭게 선택할 수 있습니다.
또한, 고해상도 HR 렌즈와 4K CMOS·조명으로 구성된 Optical Shadow Effect Mode는 화상에 컬러 정보를 중첩시켜 요철 정보와 컬러 정보를 동시에 표현할 수 있습니다. 이 기능으로 도장 불량이나 돌기의 윤곽 형상 등 프로파일 측정도 실현되어 수치를 통해 해석할 수 있습니다.
1대로 2D·3D 측정을 실시할 수 있는 4K 디지털 마이크로스코프를 이용한 관찰은 확대 관찰의 보편적인 요구에 대응하는 새로운 방법을 제공합니다.
안료의 분산을 고정도로 측정
도료의 기능을 결정하는 중요한 요소 중 하나인 안료. 그 안료의 분산을 관찰하여 수치화할 수 있습니다. 안료는 물이나 용제에 녹지 않으며 내광성이 있는 미세한 색채 분말입니다. 이것을 도료에 배합·교반하여 다양한 기능을 도막에 부여할 수 있습니다.
4K 디지털 마이크로스코프는 지정한 범위에서 대상 물체의 면적 계측 및 카운트를 간단하게 실시할 수 있습니다. 불필요한 대상 물체를 제외하거나 서로 겹쳐 있는 대상 물체를 분리할 수도 있습니다. 또한, 계측 결과는 막대 그래프로 출력할 수 있습니다.
그리고 이러한 일련의 조작은 간단하면서도 안정적인 높은 정도의 측정을 실현합니다. 특별한 지식이나 경험이 없는 작업자도 높은 수준으로 해석할 수 있게 되었습니다.
도장·도막의 측정·해석에 관한 새로운 상식
고해상도 4K 디지털 마이크로스코프 「VHX 시리즈」를 사용하면 기존의 측정기나 현미경에 비해 압도적으로 효율화되며 작업자에 의한 오차의 해소, 정확한 측정·해석이 실현됩니다.
또한, 최첨단 광학·비전 시스템·자동화 기술로 실현한 고해상도 4K 화상으로 도막 및 돌기·분산의 세부적인 상태를 선명하게 관찰할 수 있습니다. 그리고 어려운 조작이 필요하지 않기 때문에 기기 사용이 익숙하지 않더라도 고도의 해석 결과를 빠르게 얻을 수 있습니다.
뿐만 아니라, 촬영·측정한 데이터는 「리포트 기능」에서 설정한 정형 양식으로 간단하게 리포트를 만들 수 있으며, 사내 서버 등으로 데이터를 공유하여 공업 규격에 대한 적합성이나 품질 보증뿐 아니라 도장 결함 발생 시 원인 파악 및 공정 개선 등에도 활용할 수 있습니다.
그 밖에도 여러 최첨단 기능을 탑재한 「VHX 시리즈」는 도장·도막의 품질과 신뢰성을 획득하기 위한 강력한 파트너입니다.
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