In order to investigate the properties of soft-feel coating paints for automotive interior plastics, the characteristics of coating systems were systematically determined by changing the main resin composition, isocyanate type cross-linker ratio, and curing temperature conditions. During the thermal curing process, the change in cross-linked network structure of coating systems was analyzed from the rheological properties using a rotational rheometer and curing behaviors of thin coating films were scrutinized by a rigid-body pendulum tester. After finalizing the curing process, the change in the amount of functional groups, according to the ratio (NCO/OH ratio) between main resin and crosslinker, was checked by Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR). Also, thermal and mechanical properties of cured films were measured via dynamic mechanical analysis and nano-indentation test. Through these analyses, the relationship between curing characteristics of soft-feel paints during the curing process and various properties of final cured coating films was elucidated.

자동차 내장 플라스틱 기재에 코팅되는 소프트 질감 도료의 특성을 연구하기 위하여 주 수지 성분, 이소시아네이트 계열 경화제 비율(NCO/OH 비율), 공정 온도 조건 등에 따른 경화 물성들을 분석하였다. 열 경화 과정에서 코팅 시스템 내 가교 구조의 변화를 회전형 유변 물성 측정기를 통해 얻은 유변 물성으로 고찰하였고, 박막 코팅 필름의 경화 거동을 살펴보기 위해 강체형 진자 물성 측정기를 이용하였다. 경화 이후 주제와 경화제 비율에 따른 관능기 양의 변화를 푸리에 변환 적외선 분광법(FTIR)을 통해 확인하였고, 경화된 박막의 열적-기계적 물성을 동적기계 분석과 나노 인덴테이션 분석법을 활용하여 측정하였다. 이와 같은 분석을 통해 소프트 질감 도료의 경화 과정 및 경화 이후 특성의 상관관계를 규명하였다.

Keywords: soft-feel coatings, crosslinker ratio, real-time rheological properties, nano-indentation test, thermal curing

제품의 질감 특성은 자동차 산업 뿐 아니라 전자, 건설, 의류, 화장품 등의 다양한 산업에서도 응용되며 이러한 ‘감성공학’적 특성은 사용자의 구매 선호도에 많은 영향을 끼친다.^1,2 자동차 내장재용 코팅에서 이러한 질감 특성은 도료를 구성하는 물질에 따라 달라지기 때문에, 도료를 설계하는 시점에 서 주 수지와 경화제 종류를 적절하게 선택하는 것은 매우 중요하게 고려되어야 할 사항이다. 또한 내장재용 도료는 ABS나 PP 등 다양한 플라스틱 기재에 도포되어 사용자의 피부에 직접적으로 닿는 부분이기에 인체에 무해해야 하며, 엄격한 환경 규제에 맞는 제조 공정을 거쳐 생산되어야 한다. 이러한 이유로 최근 유성도료에서 수성도료를 이용한 공정으로 변화되고 있는 추세다. 일반적으로 자동차 도료와 관련하여 많은 연구가 진행되었지만, 주로 외부 도장인 프라이머, 베이스코트, 클리어코트 등에 집중되어 왔다. 이러한 외부 도장용 코팅도료는 산성비나 스크래치 등의 외부 유해요소에 직접적으로 노출되어 있어 내한칩핑성, 내스크래치성 등 높은 기계적 물성이 요구되는 것에 비해^3,4 내장재용 코팅도료는 적절한 가교도와 부드러운 질감을 갖추어야 하기 때문에 외부 도장 시스템을 그대로 도입하여 적용할 수 없으므로 내장 도료자체의 코팅 시스템 개발이 필요하다.⁵
자동차 내장재의 소프트 질감 효과를 구현하기 위한 가장 알맞은 화학적, 물리적 특성은 polyurethane 시스템으로 알려져 있으며 이를 구성하는 주 수지 polyol과 가교제로 사용되는 isocyanate에 대한 연구가 중점적으로 이뤄졌다. 특히, polyester-polyacryl 혼합 수지의 경우 부드러운 polyester 구조가 유연성을 높여주고, 단단한 polyacrylate 구조가 도막의 경도를 강화시켜 주기 때문에 플라스틱 도장용 코팅제로 적합하다.⁶ 가교제로 사용되는 isocyanate계열 단량체의 경우 주수지에 포함된 OH기와 화학반응을 일으켜 polyurethane을 형성하게 되는데 주 수지와 경화제 비율이라 할 수 있는 NCO/OH ratio에 따라 잔여 NCO기가 경화 이후 도막에서 수분과 함께 반응하여 amine(-NH2)으로 변환된 후 다른 NCO기와 urea 반응을 일으켜 추가적인 조밀한 가교 구조를 형성하기도 한다.⁷ 최근에 진행된 관련 연구를 살펴보면 화장품, 방향제 등 화학제품에 대한 내화학성이 요구되는 내장 도료 개발을 위해 완성차 업체가 제시한 사양에 맞는 분석 실험이 진행되었으며,⁸ 이러한 물성과 별개로 소프트 질감 도료에 대해 사용자가 느끼는 표면 질감과 물성간의 관계 수립에 관한 연구, 사용자가 느끼는 질감을 tribological probe microscope (TPM) 또는 atomic force microscope(AFM)으로 표면의 거친 정도(roughness)로 예측하는 연구가 수행되었다.^9,10
하지만, 현재까지 진행된 소프트 질감 도료에 대한 연구는 앞에서 언급한 바와 같이 대부분 사용자가 느끼는 질감과 최종 경화 도막의 기계적/화학적 물성의 연계성을 도출하는 것이 대부분으로, 실제 경화 공정의 온도 조건에서 도료 성분을 고려하여 도료의 경화 과정과 경화 이후 도막에 대한 물성을 함께 살펴본 연구는 보고되지 않았다. 이에 본 연구에서는 주 수지를 구성하는 polyols(polycarbonate, polyester, acryl)의 혼합 비율, 경화제 비율(전체 도료에서 isocyanate기의 양), 경화 온도 조건의 영향을 고려한 소프트 질감 코팅도료 시스템을 설계하였고, 완성차 업체가 제시한 사양에 맞추기 위한 실제 도료 공정 조건에서 경화 과정 중 가교 특성과 경화 이후 도막의 열적-기계적 특성들을 비교하여 경화 전후 도료의 물성 변화 관계를 고찰하였다. 경화 과정에서의 유변물성은 회전형 유변물성 측정기(rotational rheometer)를 이용하여 각 도료 조성과 경화 조건에 따라 저장 탄성률(G') 데이터를 기반으로 측정되었다. 또한 측정된 유변물성 정보 및 경화된 박막 필름의 기계적 물성과 연계하기 위해 바 코터(bar coater)로 steel 기재 위에 도료를 코팅시킨 후 강체형 진자 물성 측정기(rigid-body pendulum tester)를 이용하여 강체주기 변화를 고찰하였다. 주 수지와 경화제 비율에 따른 각 반응기의 경화 공정 직후에서의 변화를 확인하기 위해 FTIR을 이용하였다. 경화 이후 도막의 열적-기계적 물성을 파악하기 위해 도장 공정에 의해 제작된 도막 필름을 사용하여 동적 기계적 물성 분석법(dynamic mechanical analysis)으로 저장 탄성률(G') 변화 및 tan δ 값으로부터 경화 공정 이후 도막 샘플의 유리전이온도(T_g, glass transition temperature)를 추정하였다. 또한 경화 이후 도막 표면의 정량적인 기계적 물성 분석을 위해 나노 인덴테이션 측정기(nano-indentation tester)로 경도 및 탄성계수를 측정함으로써 경화 과정과 경화이후 물성들의 상관관계를 규명하고자 하였다.