전기영동 코팅은 자동차 산업에서 흔히 사용되는 코팅 공정입니다. 이 글에서는 전기영동 코팅이란 무엇이며 어떻게 작동하는지 살펴보겠습니다.
전기영동 코팅이란 무엇인가요?
전기영동 코팅은 코팅할 공작물을 수용성 페인트에 담그고, 공작물을 음극 또는 양극 중 하나의 전극으로 사용하는 코팅 공정입니다. 이에 상응하는 전극을 설치하고 두 극 사이에 직류(DC) 전류를 인가합니다. 전기장의 영향으로 대전된 페인트 입자는 공작물 표면으로 방향성 이동을 하며, 표면에서 방전되어 코팅막을 형성합니다.
전기영동 코팅 방법은 일반적으로 도료의 특성과 코팅 대상물의 극성에 따라 분류됩니다.
가공물이 양극 역할을 하고 음이온성 페인트를 사용하는 경우를 양극 전기영동 코팅이라고 합니다. 반대로 가공물이 음극 역할을 하고 양이온성 페인트를 사용하는 경우에는 음극 전기영동 코팅이라고 합니다. 현재 전 세계 자동차 차체 코팅의 90% 이상이 음극 전기영동 코팅 방식을 사용하고 있습니다.
양극 전기영동 코팅은 비용이 저렴하지만, 내식성이 음극 전기영동 코팅보다 떨어집니다. 따라서 현재 거의 모든 제조업체는 음극 전기영동 코팅을 채택하고 있습니다. 전기영동 코팅은 접착력이 우수하고 균일한 표면을 형성하며, 복잡한 형상의 가공물에 적합하고 내부 공동 표면에도 피막을 형성할 수 있습니다. 그러나 관련 장비가 복잡하고 투자 비용이 많이 들며, 사용 가능한 코팅 종류도 제한적입니다. 현재는 수용성 및 수성 유화 도료로 한정되어 있습니다.
E-코팅 공정
전기영동 코팅은 매우 복잡한 전기화학 반응입니다. 음극 또는 양극 코팅 모두에서, 이 공정은 전기영동, 전기 도금, 전기삼투, 전기분해라는 네 가지 전형적인 메커니즘이 동시에 일어납니다. 이 과정에서 수분산 코팅 내의 이온화된 수지는 하전된 콜로이드 입자로 분해됩니다. 직류 전기장 내에서 이 네 가지 메커니즘의 복합적인 작용을 통해, 이 입자들은 가공물 표면으로 이동하여 방전되면서 절연 코팅막을 형성합니다.
전기 영동
전기영동은 전하를 띤 콜로이드 입자가 전기장의 영향으로 반대 극성을 가진 전극 쪽으로 이동하는 현상입니다. 전기영동 과정에서 전하를 띠지 않는 안료 및 증량제 안료 입자도 전하를 띤 콜로이드 입자에 흡착되어 함께 이동할 수 있습니다. 일반적으로 코팅 용액의 고형분 함량과 점도가 낮을수록 전기영동에 대한 저항이 줄어듭니다.
전착
전기 도금은 대전된 콜로이드 입자가 반대 극성의 전극(가공물)에 도달하여 방전되면서 불용성 절연 코팅막을 형성하는 공정을 말합니다. 전기 도금전기영동 과정에서 코팅막의 전도도가 변하여 절연체가 됩니다. 전기 도금은 공작물 표면에서 전기장 선이 집중된 위치에서 먼저 발생합니다. 절연막의 두께와 면적이 증가함에 따라 전기 저항도 크게 증가합니다.
전기내삼투
전기삼투는 하전 입자의 이동 방향과 반대 방향으로 분산 매질이 이동하는 현상입니다. 전기영동 과정에서 새로 형성되는 코팅막은 수분 함량이 높은 반투과성 막입니다. 전기장과 내부 삼투압의 영향으로 막 내부의 물과 이온은 방향성 전기삼투 및 반대 방향의 전기영동 운동을 통해 용액으로 이동합니다. 일반적으로 전기삼투의 탈수 효과로 코팅막의 수분 함량을 5~15%까지 줄일 수 있습니다.
전기 분해
물은 직류 전기장에서 전기분해 반응을 일으켜 음극에서는 수소를, 양극에서는 산소를 방출합니다. 이로 인해 음극의 pH는 상승하고 양극의 pH는 하강합니다. 용액의 전도도가 높을수록 전기분해 반응이 더욱 격렬해지고, 전극에서의 pH 변화가 커지고 기포 발생량이 증가하여 미세 기포가 많아지고 코팅막이 거칠어집니다. 따라서 전기 도금이 공정의 주요 반응이지만, 전기분해는 코팅막 품질에 영향을 미치는 중요한 요소입니다. 양극 전기영동은 장비 투자 비용이 적고 도료 비용이 저렴하지만, 내식성이 떨어지고 전압이 낮다는 단점이 있습니다. 양극 전기영동 코팅과 비교했을 때, 음극 전기영동 코팅은 보호 성능이 3~4배, 쿨롱 효과는 2배, 도포력은 1.2~1.4배 더 우수합니다. 따라서 음극 전기영동이 널리 사용되는 반면, 양극 전기영동은 주로 요구 조건이 낮은 용도에 사용됩니다.
전기영동 코팅의 장점
- 자동화 및 기계화의 손쉬운 구현: 전기영동 코팅은 높은 자동화 수준, 빠른 코팅 속도 및 높은 생산 효율을 특징으로 합니다. 예를 들어, 자동차 프라이머 전기영동 코팅의 효율은 기존 침지 코팅 공정보다 최대 450% 더 높을 수 있습니다.
- 높은 도막 두께 균일성: 모서리, 슬롯, 구멍, 용접 돌출부와 같은 불규칙한 영역에서도 전압을 조절하고 전기 도금 공정을 제어함으로써 균일한 코팅 두께를 얻을 수 있습니다.
- 뛰어난 코팅 품질: 형성된 도막은 평평하고 매끄러우며 처짐이 없습니다. 건조 과정에서 탁월한 평탄성을 보여 미적인 품질을 높이고 샌딩 시간을 단축하며 생산 비용을 절감합니다. 또한, 도막은 우수한 내수성과 접착력을 갖추고 있습니다.
- 높은 도료 이용률: 도료의 농도와 점도가 낮아 가공물에 묻어나는 양이 매우 적어 95% 이상의 이용률을 달성할 수 있습니다.
- 우수한 환경 및 작업 조건: 이 코팅제는 보조 용제를 거의 함유하지 않아 휘발 시 페인트 미스트 발생이 최소화되고 환경 오염을 줄입니다.
E-코팅의 단점
- 대규모 투자: 장비 투자 비용이 높고 운영 관리 요구 사항이 엄격합니다.
- 수많은 공정상의 제약 사항: 전기영동 도막은 단색으로만 구현 가능합니다. 여러 종류의 금속 가공물에 동시에 코팅할 수 없습니다. 플라스틱이나 목재와 같은 비전도성 재료에는 전기영동 코팅을 적용할 수 없습니다. 또한, 프라이머 표면에 상도 도막을 전기영동 코팅할 수 없으며, 프라이머 자체의 내후성도 상대적으로 떨어집니다.
- 청소 작업량이 많습니다.: 가공물과의 접촉 시 전도성을 보장하기 위해 행거는 철저하고 빈번하게 세척해야 하므로 작업량과 노동 강도가 높습니다.
E-코팅용 장비
전기영동 코팅 장비는 전기영동 탱크, 보조 탱크, 순환 및 여과 시스템, 초여과 시스템, 전극 장치, 도료 온도 조절 장치, 도료 보충 장치, 환기 시스템, 직류 전원 공급 장치, 제어 캐비닛, 전기영동 후 세척 장치 및 도료 저장 장치로 구성됩니다.
전기영동 탱크
전기영동 탱크는 핵심 장비이자 공정이 진행되는 용기이며, 그 크기는 가공물의 최대 외부 크기에 따라 결정됩니다. 전기영동 탱크는 주 탱크, 보조 탱크, 오버플로우 탱크로 구성됩니다. 전기영동 코팅은 일반적으로 연속 통과형과 간헐식 단계형 시스템으로 나뉩니다. 연속 통과형은 대량 생산에 적합하며 선박형 탱크를 사용하는 반면, 간헐식 단계형은 중소 규모 생산에 적합하며 주로 직사각형 탱크를 사용합니다. 오버플로우 탱크는 일반적으로 액면 높이를 조절하고 표면의 거품을 제거하기 위해 탱크의 한쪽 또는 양쪽에 설치됩니다. 보조 탱크는 주 탱크의 세척 또는 유지 보수 중에 도료 용액을 임시로 저장하는 데 사용됩니다.
순환 및 여과 시스템
이 시스템은 순환 펌프, 배관 및 스프레이 노즐을 포함하며, 일반적으로 여과 순환, 열 교환 및 초여과를 조합하여 사용합니다. 이 시스템의 목적은 페인트 조성 및 농도의 안정성을 확보하고, 우수한 분산성을 유지하며, 안료 침전을 방지하는 것입니다. 침전을 방지하기 위해서는 특정 유량과 순환 횟수를 유지해야 합니다.
전극 장치
이 장치는 전극판, 격막 덮개, 보조 전극 및 탈이온수 시스템으로 구성됩니다. 양극 전기영동의 경우, 양극으로는 구리 또는 스테인리스강판을 사용하며, 음극과 공작물의 면적 비율은 일반적으로 1:1입니다. 음극 전기영동의 경우, 음극으로는 스테인리스강 또는 티타늄 합금판을 사용하며, 음극과 공작물의 면적 비율은 일반적으로 1:4입니다. 격막 덮개는 탈이온수로 채워진 반투과성 막으로 만들어진 주머니 모양의 구조물로, 전극판을 감싸고 전해 산이나 염기가 페인트로 확산되는 것을 방지하여 pH를 안정화합니다. 보조 전극은 복잡한 내부 벽과 공동에 균일한 도막 형성을 보장하는 데 사용됩니다.
페인트 보충 장치
보충은 혼합 탱크에서 수행되며, 이 탱크에서 원액 페인트는 작업액으로 희석되고 교반 및 혼합된 후 전기영동 탱크에 첨가됩니다. 또는 연속적인 보충을 위해 믹서를 순환 배관에 직접 통합할 수도 있습니다.
전기영동 후 세척 장치
도막 형성 후에는 공작물을 순환식 초여과액, 새로운 초여과액, 그리고 탈이온수를 사용하여 즉시 반복적으로 세척해야 합니다. 이는 도막 표면에 부착된 페인트 액체를 제거하고 도막이 다시 녹거나 얇아지는 것을 방지합니다.
전기 도금에 적합한 재료
- 강철 및 그 합금: 자동차 차체, 섀시 부품, 엔진 부품, 철물, 금속 공구, 농기계 및 건설용 구조용 강철을 포함합니다.
- 알루미늄 합금: 자동차 부품(예: 후드, 휠 허브, 라디에이터, 브래킷), 문과 창문용 알루미늄 프로파일, 가전제품 케이스, 공예품 등이 포함됩니다.
- 아연 및 아연 합금: 아연 도금 강판(아연 도금층에 대한 음극 전기영동이 매우 일반적임) 및 다이캐스팅 합금 부품 등이 있습니다.
- 구리 및 구리 합금: 구리 이온이 존재할 경우 탱크 용액의 안정성에 영향을 미칠 수 있으므로 특별한 주의가 필요합니다.
전기영동 코팅에 영향을 미치는 요인
전기영동 코팅의 공정 흐름은 다음과 같습니다.
탈지 → 냉수 세척 → 온수 세척 → 표면 처리 → 인산염 처리 → 냉수 세척 → 부동태화 처리 → 탈이온수 세척 → 건조 → 전기영동 코팅 → 초여과액 세척 → 탈이온수 세척 → 베이킹 → 냉각. 전기영동 코팅 전에 공작물을 인산염 처리하면 코팅막의 보호 성능이 향상됩니다.
고형분 함량
페인트 액상의 고형분 함량은 안정성, 투사력, 도막 두께 및 외관에 영향을 미치는 중요한 요소입니다. 고형분 함량이 너무 낮으면 안료 침전이 심해져 안정성과 투사력이 저하되고, 결과적으로 도막이 얇고 거칠며 다공성이 되어 보호력이 부족해집니다. 반대로 고형분 함량이 너무 높으면 도막이 두꺼워지고 전기삼투가 어려워지며 표면이 오렌지 껍질처럼 거칠어집니다. 또한 고형분 함량이 높으면 여과 및 세척 과정에 부담이 가중됩니다. 일반적으로 양극 전기영동의 경우 고형분 함량은 10~15%, 음극 전기영동의 경우 20% ± 0.5%로 조절합니다.
온도
도료 용액의 온도를 높이면 전기 도금이 용이해지고 도막 두께가 증가합니다. 그러나 온도가 지나치게 높으면 용매 증발이 가속화되어 안정성이 저하되고 표면이 거칠어지거나 처질 수 있습니다. 반대로 온도가 낮으면 수용성이 감소하고 도금 저항이 증가하여 도막이 얇아지거나 움푹 들어간 부분에 도막이 형성되지 않을 수 있습니다. 또한 온도가 낮으면 점도가 증가하여 기포가 발생하고 표면이 거칠고 광택이 없어집니다. 따라서 양극 전기영동 온도는 20~25°C, 음극 전기영동 온도는 28~30°C로 조절해야 합니다.
PH 값
pH 값은 안정성과 전도도에 직접적인 영향을 미치므로 ±0.1 이내의 변동 범위 내에서 엄격하게 제어해야 합니다. 일반적으로 양극 전기영동의 경우 pH는 7.5~8.5, 음극 전기영동의 경우 5.8~6.7이 적절합니다. 양극 시스템에서 pH가 높으면 수지 분해 및 불안정성이 발생합니다. 음극 시스템에서 pH가 낮으면 쿨롱 힘과 분출력이 감소하고 배관 부식이 증가하는 반면, pH가 높으면 액체의 안정성이 저하됩니다.
전도도
불순물 농도가 증가함에 따라 전도도가 증가합니다. 높은 전도도는 전기분해를 심화시켜 도막을 거칠고 다공성으로 만들고, 도금액의 전압, 분사력 및 안정성을 저하시킵니다. 일반적으로 음극 도료의 전도도는 1000~2000μS/cm인 반면, 양극 도료의 전도도는 이보다 상대적으로 높습니다.
전극 간 거리
전극과 공작물 사이의 거리가 멀어질수록 용액의 저항이 증가합니다. 거리가 너무 가까우면 공작물의 돌출부와 함몰부에서 두께가 고르지 않게 됩니다. 거리가 너무 멀면 증착 효율이 떨어지고, 박막이 매우 얇아지거나 아예 형성되지 않습니다. 따라서 전극과 공작물 사이의 거리는 일반적으로 150~800mm 사이로 유지됩니다.
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