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    • [코팅 역학2] 딥 코팅 기술의 특징과 연구 동향

      곽현수(곽현수(포항공과대학교 기계공학부)) / 2021-11-04 오전 9:07:34

    지금까지 유체의 흐름을 유발하는 박막 제조 기술에 대하여 간단한 소개와 우리 주변에서 흔히 관측되는 코팅 사례들과 함께 3 가지의 코팅 기술에 대하여 설명을 해드렸습니다. 본 코팅 기술들은 CVD나 PVD와 같이 별도의 화학적인 처리 혹은 부가 장비를 부여하지 않고 비교적 간단한 물리적인 힘을 통하여 표면의 유동 흐름을 제어하는 방식으로 코팅을 하게 됩니다.
    하지만 이러한 코팅 기술도 역시 기술적인 한계를 갖게 됩니다. 따라서 우리는 각 코팅 기술이 보유하고 있는 특징을 정확히 이해하고 적용가능한 범위에 대하여 접근하는 것이 중요합니다. 이번에는 딥 코팅에 대하여 해당 코팅 기술이 갖는 장점과 단점 혹은 적용이 가능한 활용 분야등을 구체적으로 설명을 드리도록 하겠습니다.



    딥 코팅 공정은 비교적 간단하고 빠른 속도로 이루어지기 때문에 연구실 단위에서도 널리 사용되는 방법 중 하나입니다. 딥 코팅 공정은 코팅 용액이 담긴 수조에 피 코팅재를 담갔다가 빼고 건조시키는 방식으로 이루어지기 때문에 간단한 환경을 필요로 합니다.

    딥 코팅 공정이 갖는 가장 큰 특징은 바로 곡률이 있는 표면에 적용 가능하단 것입니다. 물론 딥 코팅 역시 플랫한 평면에도 균일한 코팅을 형성할 수 있지만 다른 코팅 방법들이 비하여 곡률이 있는 표면에 비교적 균일하고 일정한 두께의 코팅층을 형성할수 있습니다. 이러한 장점을 보유하기 때문에 FIG. 5에 따르면 딥 코팅 공정을 적용하여 파이버 형태를 갖는 전선 혹은 구리 도선 표면에 절연 성능 및 내마모성을 부여하기 위하여 에나멜 코팅을 진행하는 경우가 있습니다.



    또한 딥 코팅 공정은 카테터 및 인공 혈관과 같은 의료용 분야에 널리 쓰이기도 합니다. FIG. 1는 SDVG(Small Diameter Vascular Grafts) 라고 불리는 인공 혈관(Vascular)을 제작하는 방법을 나타내고 있습니다. 특히 주목할 만한 것은 딥 코팅 공정을 여러번 적용하여 관 내부와 외부를 다른 물질로 코팅한다는 것이 특징입니다. 3D 프린터로 제작된PVA 기반 원통형 코어를 TPU와 식염수 기반의 수조에 여러번 딥 코팅 공정을 통하여 3층 기반의 혈관을 제작할 수 있습니다.


    혹은 FIG. 1의 오른쪽 그림처럼 카테터(Catheter)라고 불리는 튜브 형태의 의료용 시술 기기를 제작하는 곳에 쓰이기도 합니다. 카테터는 혈관 내부에 직접 침투하는 방식으로 혈관 확장 및 약물 투여 등 다양한 목적을 수행하는 시술 기기중 하나입니다. 카테터와 같은 경우 체내부로 들어가기 때문에 혈전방지 코팅이 필수적입니다. 따라서 딥 코팅 공정을 통하여 항 혈전제를 표면에 코팅하거나 혈관 침투시 발생되는 수력학적 저항을 최소화 하는 노력을 하고 있습니다.



    딥 코팅 공정은 매우 간단한 공정과 별도의 화학처리 없이 표면에 균일한 코팅이 가능한 방법으로 위와 같이 다양한 활용 분야에 적용되는 기술임을 확인할 수 있었습니다.



    하지만 이러한 딥 코팅 공정 역시 몇 가지의 문제점을 가지고 있습니다. 일반적으로 딥 코팅 공정에서 발생되는 문제점은 비 균일한 인출속도와 코팅 된 기판과 외부 환경과 반응으로 분류됩니다. (FIG. 2 참고)

     

    대표적인 문제점 중 하나는 줄무늬가 생기는 'Strip' 결함입니다. 스트립 결함은 두께에 수직한 방향으로 가로 줄무늬가 일정한 주기를 갖으면서 울퉁불퉁해지는 것을 의미합니다. 이러한 구조적 불안정성은 도포된 코팅 두께가 평소보다 두껍거나 인출속도가 매우 낮을 때 형성됩니다. 인출속도는 딥 코팅 공정에서 매우 핵심적인 변수입니다.

    만약 인출 속도가 매우 낮다면 매니스커스(Maniscus) 자리에서 많은 코팅 용액이 침착되기 때문에 박막이 두껍게 형성되게 되고 이 상태로 기판이 위로 상승하게 되면 상대적으로 많이 침착된 용액은 모두 이동하지 못하고 부분적으로 이동하게 되는데 이러한 현상이 지속적으로 발생하게 되면 그림과 같은 줄무늬가 형성되고 표면에 불안정한 특징을 부여합니다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 인출 속도를 보다 빠르게 형성해야만 합니다. 인출속도가 증가하게 되면 메니스커스 영역에서 침전되는 현상을 억제할 수 있으며 모세관으로 인한 공급을 줄일 수 있습니다.



    두 번째로 발생되는 문제점은 바로 딥 코팅이 된 표면에 조그만 구멍이 형성되는 것을 확인할 수 있습니다. 이는 외부 요인으로 인한 문제로 코팅 경화가 완료되기 전에 모재에 먼지나 혹은 미세입자가 표면에 붙게되는 경우 발생합니다. 즉 딥 코팅 공정의 치명적인 단점 중 하나가 코팅을 진행한 뒤 외부에 방치시키게 되면 외부 입자들이 쉽게 달라 붙을 수 있다는 것입니다. 따라서 엄격한 환경을 비치하는 것이 우수한 표면 성능을 제작할 수 있습니다.


    세 번째로 발생되는 문제는 바로 크랙입니다. 이 문제 역시 외부 먼지의 결함으로 발생될 수 있으나 열적 비균일 팽창으로 발생되기도 합니다. 즉 기판과 필름이 같은 속도로 팽창 및 수축이 되지 않아 이러한 팽창 속도의 차이로 필름에는 인장 응력이 가해지게 됩니다. 이로 인하여 표면 코팅이 깨지게 됩니다. 따라서 딥 코팅 공정시 신경을 써야할 부분은 코팅 모재와 기판 사이의 열 팽창 계수가 큰 차이가 없을 수록 좋은 표면을 획득할 수 있을 것 입니다.

    마지막으로 발생되는 문제는 비 균일한 코팅 두께입니다. 딥 코팅에서 가장 핵심적으로 고려할 사항이 바로 균일한 코팅층이 형성이 되느냐로 결정됩니다. 균일한 코팅 층을 형성하기 위해서는 표면 장력이 낮은 코팅 모재를 사용하는 것이 중요합니다. 만약 코팅 액의 표면장력이 매우 높다면 충분하게 코팅하지 못하게 됩니다. 따라서 낮은 젖음각을 유지하도록 계면활성제를 사용하거나 표면 에너지를 증가시킬 수 있는 처리를 하는 것이 중요합니다.

    혹은 일관되지 않는 인출속도 역시 코팅 두께 층이 비 균일하게 형성되는 요인 중 하나입니다. 그러므로 딥 코팅 공정의 올바른 수행을 위해서는 균일한 인출속도, 코팅 용액과 기판 사이의 충분한 젖음성, 경화 및 건조 중 외부 환경과 완벽한 차단과 같은 조건을 만족할 때 균일하고 일정한 코팅 층을 형성할 수 있을 것입니다.



    지금까지 살펴본 사례들은 코팅 용액이 주로 순수한 용질로 이루어져있는 상태로 딥 코팅 기술에 적용하였습니다. 최근에는 서스펜션(Suspension) 및 콜로이달(Colloidal) 용액을 딥 코팅 공정에 적용한 흥미로운 연구들이 제시가 되고 있습니다. 

    서스펜션 및 콜로이달 용액이라 함은 흔히 용질 내부에 마이크로 및 나노 사이즈의 입자가 섞여 있는 혼탁액을 의미하는데 이 입자의 사이즈가 1~ 100 마이크로 미터 수준이면 흔히 콜로이달 용액이라 부르게 되고 이보다 큰 사이즈가 함유되면 서스펜션 용액으로 부르곤 합니다.

    일반적으로 순수한 용액으로 코팅하는 것 대신에 특정 입자가 함유된 상태로 제작하게 되면 기계적 및 전기적 성능이 우수한 표면 성능을 부여할 수 있기 때문에 많은 연구들이 진행되었습니다. 대표적인 예시로 UCSB 및 MIT 연구팀은 입자가 함유된 콜로이달 용액을 코팅할 때 표면에 적층될 수 있는 최소 입자 크기를 예측할 수 있는 수학모델을 제시하였습니다. [15]



    FIG.4 은 해당 논문에서 진행한 연구를 나타내는 모식도입니다. 이들 결과에 따르면 입자 크기를 고려한 특정 Ca (Capillary Number) 이상을 만족할 때 딥 코팅을 진행하게 되면 해당 입자가 함유된 상태로 표면에 코팅된다는 사실을 밝혔습니다.



    여기서 α 는 Prefactor 로서 대략 0에서 2 사이의 값을 갖는 실험치를 의미하고 a 는 용액에 함유된 파티클의 반지름을 의미하고 R 은 코팅 기판의 반지름을 의미합니다. 결과적으로 위와 같은 기하학적인 조건을 만족할 때 표면부에 입자가 코팅될 수 있음을 시사합니다. 이들은 20 ~ 200 마이크로 미터 사이의 입자에 대해서 실험 결과 위 식을 따르는 것을 확인하였습니다. 또한 프랑스 한 대학연구팀은 파티클이 함유된 서스펜션 용액을 코팅하게 되는 경우 인출 속도에 따라서 3 가지의 경우가 존재하는 사실을 밝혀냈습니다. [16]



    인출 속도가 매우 느린 경우에는 코팅 두께도 매우 낮을 뿐만 아니라 어떠한 입자도 표면에 적층되지 않았고 중간 층의 인출 속도를 가질 때 코팅 두께와 입자의 크기가 유사한 코팅층이 형성됨을 알 수 있습니다. 또한 이들은 속도가 매우 빠른 경우 비례하여 코팅 두께가 상승하는 'Thick film' 영역을 제시하였습니다.

    이러한 결과들은 기존 순수한 코팅 용액을 활용한 딥 코팅의 결과와 다소 다르다는 것을 알 수 있습니다. 이러한 연구 결과는 FGM (Functional Gradient Material) 을 제작하는 방법이 될 수 있습니다. FGM이란 것은 일정한 방향으로 특정한 물질의 농도가 연속적으로 변화함을 의미합니다.


    서스펜션 용액을 반복적으로 적용하여 표면에 적층되는 입자의 농도를 지속적으로 변화를 줄 수 있고 뿐만 아니라 원하는 크기의 입자를 적층할 수 있을 것입니다. 서스펜션 기반 딥 코팅은 Capillary Sorting 과 같은 분야도 활용될 수 있음을 알 수 있습니다.

    딥 코팅 공정의 인출 속도 및 기하학적인 조건을 조절한다면 여러가지 입자가 섞여 있는 혼탁액에서 원하고자 하는 입자만 걸러낼 수 있는 방법이 될 수 있습니다. 지금까지 딥 코팅 공정을 오직 표면에 코팅을 하는 방향으로 고려하였지만 다른 관점으로 보게 된다면 입자들을 구분짓고 원하는 입자만 골라낼 수 있는 수단이 될 수 있습니다.

    딥 코팅이란 것은 매우 간단하고 단순해보이는 코팅 기술이지만 코팅 용액 혹은 기판에 변화를 주게 되어 기존의 불가능한 문제점들을 해결할 수 있는 주체가 될 수 있음을 알 수 있습니다. 이상으로 딥 코팅 공정의 기술적 특징, 장점과 단점 그리고 응용 분야에 대해서 알아보았습니다.
     

     



     

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