특집 자동차용소재기술 : 차세대자동차스마트코팅소재기술동향 A Review of Next Generation Automotive Smart Coating Technologies 김진철ㆍ박영일ㆍ이상호ㆍ노승만 Jin Chul KimㆍYoung Il ParkㆍSang-Ho LeeㆍSeung Man Noh Center for Green Fine Chemicals, Korea Research Institute of Chemical Technology(KRICT) 45, Jongga-ro, Jung-gu, Ulsan 44412, Korea E-mail: jckim81@krict.re.kr 1. 서론 현재까지자동차코팅소재는특정기재표면을외부환경으로부터보호하고심미적외관을향상시키는목적으로주로이용되어왔으나최근에는자기치유, 저온경화, 자기세정, 자극 응답, 자율주행등과같은다양한스마트기능과접합된형태로진화하고있다. 글로벌시장조사전문기관인나노마켓 (Nanomarkets) 에따르면글로벌스마트코팅소재시장은 2022년약 107억달러규모로성장할것으로보이며이중에서자동차용스마트코팅소재는약 13억달러규모로전체스마트코팅시장의약 12% 를차지하는거대한시장을형성할것으로예측된다. 1 현재자동차용코팅소재기술은탄소배출, 유해화학물질저감등의글로벌환경규제정책이나자율주행자동차등의 4차산업혁명이슈에대응하기위한신기술개발이매우중요한시점으로글로벌선진기업을중심으로많은신기술이개발되고있는상황이다. 본고에서는최근 PPG Industries, BASF, DOW-Dupont, Bayer 등글로벌선진기업에서주목하고있는차세대자동차용스마트코팅소재기술동향을살펴보고자한다. 2. 본론 2.1 차세대자동차스마트코팅소재기술개발의필수요소자동차코팅소재는전기 전자, 건축 토목, 생명공학등의다른산업분야에서사용되는코팅소재대비현격히높은기계적 화학적내구성과다양한사용환경에서의내후성을확보하면서도상품성을위한미려한외관또한구현해야하는고난이도기술분야이다 ( 그림 1). 김진철 2005 경북대학교고분자공학과 ( 학사 ) 2007 POSTECH 신소재공학과 ( 석사 ) 2012 POSTECH 화학과 ( 박사 ) 2013 Minnesota 대학교 (Post-Doc.) 2013-현재 한국화학연구원선임연구원 박영일 2006 가톨릭대화학과 ( 학사 ) 2008 가톨릭대화학과 ( 석사 ) 2011 가톨릭대화학과 ( 박사 ) 2013 Los Alamos 연구소 (Post-Doc.) 2013-현재 한국화학연구원선임연구원 이상호 2008 숭실대학교섬유공학과 ( 학사 ) 2010 고려대학교화학과 ( 석사 ) 2014 교토대학교고분자공학 ( 박사 ) 2017 U.C. Santa Barbara (Post-Doc.) 2017-현재 한국화학연구원선임연구원 노승만 1995 고려대학교재료공학과 ( 학사 ) 1997 고려대학교화학과 ( 석사 ) 2012 고려대학교화공생명공학과 ( 박사 ) 2006 KCC 중앙연구소선임연구원 2014 PPG Industries 선행연구팀장 2013-현재 한국화학연구원책임연구원 고분자과학과기술제 29 권 6 호 2018 년 12 월 523
특 집 자동차용 소재 기술: 차세대 자동차 스마트 코팅 소재 기술 동향 실제로 자동차 코팅 소재 기술 개발 역사를 되짚어 보면 1970년대에 글로벌 기술 개발 트렌드가 외관 향상에만 집중 크릴레이트(polyurethane acrylate)를 기반으로 한 고탄성 되어 있었던 것에 반해 2010년에 들어와서는 제품의 외관뿐 그러나 Scratch Shield는 탄성회복에 의존하기 때문에 기 가교형 고분자 수지이다(그림 4). 만 아니라 기계적 화학적 내구성, 친환경성, 내스크래치성, 존 상용 클리어코트 수지와 대등한 기계적 화학적 내구성을 공정 효율성을 동시에 고려해야 하는 하이테크 기술로 변모 구현하기 힘들고 경도가 낮아 코팅 표면이 쉽게 연마되지 않 한 것을 알 수 있다(그림 2). 기 때문에 보수 도장 시 현장 작업성이 현저히 저하되는 문 따라서, 자동차 코팅 소재에 어떠한 스마트 기능을 접합하 제점이 있다. 이러한 단점들을 극복하기 위해 학계와 산업계 여 새로운 제품을 개발하기 위해서는 전술한 상품으로의 모 에서는 새로운 고성능 자기치유 메커니즘을 개발하는 연구 든 필수 요소를 충족하면서도 목적한 스마트 기능 또한 발현 가 활발히 진행 중이다. 시켜야 하기 때문에 종전의 코팅 기술보다도 더욱 기술 집약 적인 개발이 이루어져야 한다. 자기치유 메커니즘은 외인성 자기치유 시스템(extrinsic self-healing system)과 내인성 자기치유 시스템(intrinsic self-healing system)으로 분류된다(그림 5). 외인성 자기치 2.2 자기치유 코팅 소재 기술 유 시스템은 액상의 자기치유 물질을 함유하는 마이크로 캡 자기치유 코팅 기술은 자동차 외관 품질의 service life를 슐을 코팅 층에 분산시킨 형태로 물리적 충격으로 인해 코팅 비약적으로 향상시킬 수 있는 중요한 스마트 코팅 기술이다. 층이 손상을 입었을 경우 마이크로 캡슐이 파괴되면서 자가 특히, 자동차 클리어코트(clearcoat)에 적용할 수 있는 스크 치유 물질이 방출된 후 경화됨으로써 손상을 치유하는 방식 래치 자기치유 코팅 기술은 많은 글로벌 완성차 업체에서 가 이다3-5. 외인성 자기치유 시스템은 넓은 면적의 손상 부위를 장 주목하고 있는 기술 중 하나이다. 최초로 자동차용 스크래 자기 치유할 수 있다는 점에서 큰 이점을 가지고 있으나 마 치 자기치유 코팅 소재 기술을 상용화한 업체는 일본 Nissan 이크로캡슐의 제조 공정이 복잡하여 소재의 대량 생산이 용 2 자동차이다(그림 3). Nippon Paint와의 기술 협력을 통해 이하지 않고, 코팅 바인더와 마이크로캡슐 간 굴절률 차로 인 개발된 이 제품의 상품명은 Scratch Shield로 폴리우레탄 아 한 광 난반사 현상(haze)으로 인해 투명한 코팅 층을 제조하 기 어렵다. 또한 자기치유 현상이 마이크로캡슐의 붕괴에 의 해 일어나기 때문에 일회성 자기치유만을 제공할 수 있고 물 리적 화학적 내구성을 보유한 마이크로캡슐 제조가 용이하 지 않아 내구성과 투명성을 동시에 요구하는 자동차용 코팅 그림 1. 기계적 화학적 내구성과 다양한 사용 환경에서의 내후성을 동시에 확보해야 하는 자동차 코팅 소재 기술. 그림 3. Nissan 자동차에 적용된 스크래치 자기치유 클리어코트 기술. 그림 2. 자동차 코팅 소재 기술 개발 트랜드 변화. 524 Polymer Science and Technology Vol. 29, No. 6, December 2018 그림 4. Scratch Shield 제품의 스크래치 자기치유 원리.
김진철ㆍ박영일ㆍ이상호ㆍ노승만 분야 등에서는 그 사용이 매우 제한된다. 하고 상온 자기치유 시스템이므로 높은 자기치유 성능과 기 이에 반해, 내인성 자기치유 코팅 시스템은 코팅 소재에 i) 수소결합(hydrogen bonding) 및 전하-이동 복합체(charge 계적 물성을 동시에 확보할 수 있는 기술로 상용화 가능성이 9 매우 높을 것으로 판단된다(그림 7). transfer complex) 등의 물리적 상호 작용, ii) 가역적 촉매 반응 (catalytic reaction), iii) 디엘스 알더-역디엘스 알더 반 2.3 저온경화 코팅 소재 응(Diels Alder(DA)/retro-Diels Alder(r-DA) reaction) 및 친환경 저온경화 코팅 소재 기술은 기존 고온 경화 공정 대 힌더드 유레아 결합(hindered urea bond), 알콕시 아민 (alkoxy amine), 보로닉 에스터(boronic ester), 디-설파이드 비 낮은 온도(100 이하)에서 화학적 가교 (crosslinking) 결합(di-sulfide bond) 등 다양한 동적가교시스템(dynamic 에서 본 기술이 크게 주목받고 있는 이유는 후술할 두 가지 반응을 구현할 수 있는 시스템이다. 최근 자동차 코팅 시스템 crosslinking system)을 도입하여 자기치유 소재를 제조하 측면 때문이다. 첫째는 전세계적인 경량화 자동차 개발 이슈 는 기술로써 외인성 자기치유 시스템과는 달리 다회성 자기 이다(그림 8-10).10-11 경량화 자동차에는 플라스틱 부품이 많 치유가 가능하다는 점과 투명한 코팅 층도 제조할 수 있다는 이 적용되고 있는데 플라스틱은 금속이나 세라믹과 비교하 7,8 점에서 산업계의 큰 주목을 받고 있다(그림 6). 여 용융점 낮고 고온 안정성이 현저히 떨어지기 때문에 현재 특히, 힌더드 유레아 기반 가역 고분자 네트워크 시스템은 이소시아네이트(isocyanate)와 2차 아민 간 반응을 이용하 (a) 므로 기존 폴리우레탄 기반 코팅 시스템에 즉시 적용이 가능 (b) 그림 5. 자기치유 코팅 시스템의 종류: (a) 캡슐형 및 (b) 관상형 외인성 자기치유 시스템, (c) 내인성 자기치유 시스템, (d) 각 시스템 별 자기치유 6 면적 및 효율 비교. 그림 6. 내인성 자기치유 코팅 소재 기술. 그림 7. 힌더드 유레아 기반 가역 고분자 네트워크: (a) 가역반응 메커니즘 (b) 저장 모듈러스-자기치유 성능 관계. 그림 8. 연도별 플라스틱 부품 자동차 적용 비율. 고분자 과학과 기술 제 29 권 6 호 2018년 12월 525
특집 자동차용소재기술 : 차세대자동차스마트코팅소재기술동향 자동차생산라인에서사용되는고온경화공정 (~150 ) 에서는뒤틀림등의구조적치수변형을유발하기쉽다. 둘째는이산화탄소배출권과같은국제환경규제에대응하기위한에너지세이빙 (energy saving) 공정기술개발이슈이다. 현재자동차생산라인에서사용되고있는열경화오븐은길이 100 m, 표면적 300~400 m 2 의대형시설이며글로벌수준의완성차양산력을보유하기위해서는약 20여개가가동되어야한다. 화석연료를사용하여 20여개의경화오븐을 24시간구동할경우이산화탄소배출량은약 6 톤으로이를저감하여신기후체제에대응하기위해서는저온경화공정의개발이필수적이다. 저온경화코팅시스템개발의핵심은낮은온도에서도높은가교밀도를구현하는동시에코팅액의장기보관안정성을확보할수있는저온경화촉매설계기술이다. 최근다양한저온경화시스템들이 BASF, Cavestro, Asahi Kasei 등의글로벌화학기업들에의해개발되고있는데상용화가유망한기술로는열개시제 (TRI, Thermal Radical Initiator) 기반, 블록이소시아네이트 (blocked isocyanate) 기반, 에폭시 (epoxy) 기반코팅시스템이있다. 12 2.4 자동차코팅공정단축화기술 (Compact Process) 전술한바와같이곧다가올전세계적신기후체제발효에따라자동차용코팅공정기술또한새로운국면으로접어들고있다 ( 그림 11). 자동차용코팅공정은크게전처리, 전착공정, 중도코팅, 상도베이스코트코팅, 클리어코트코팅공정으로나뉘는데각각의개별공정은매우복잡한세부공정으로이루어져있다. 이러한복잡한단계를통합하여단축하는공정 (compact process) 을개발하는것은국내외완성차업체의기술적숙원사업이다 ( 그림 12). 그림 11. 신기후체계발효로드맵. 13 그림 9. 플라스틱경량화자동차 BMW i3 모델. 그림 10. 주요국자동차연비규제기준. 그림 12. 자동차코팅공정단축화기술의예. 526 Polymer Science and Technology Vol. 29, No. 6, December 2018
김진철ㆍ박영일ㆍ이상호ㆍ노승만 BMW의영국 Oxford 공장과미국 Spartanburg 공장은자동차용단축코팅공정의성공적인사례로평가받는다. 본기술의핵심은중도및상도코팅공정을 wet-on-wet 으로코팅하고한번에경화하는것으로각계면간층분리를물리 화학적으로정밀하게제어하는것이중요하다. 자동차코팅공정단축화기술로써자가계층화 (selfstratification) 현상을이용한적층시스템이크게각광받고있다. 이시스템에서는서로상용성이없는두가지이상의수지를공통용매 ( 혹은공통용매혼합물 ) 에용해시켜코팅액을제조한후코팅공정에서용매휘발, 열또는질량이동현상, 화학반응등을이용하여두개이상의서로다른코팅을층분화에의해한번에형성한다 ( 그림 13). 14-17 2.5 자기세정코팅소재기술자기세정코팅기술은코팅표면에오염물질이흡착되는것을방지하거나스스로세정할수있는시스템으로혹독한외부환경에빈번히노출되어표면오염이많이발생할수있는자동차외장코팅에적용하고자하는연구가국내외에서활발히진행되고있다. 일본 Nissan 자동차는최근자사자동차에자기세정코팅기술을적용하였는데본기술의핵심은초소수성 (super hydrophobic) 또는올레오포빅 (oleophobic) 표면을구현하는것이다 ( 그림 14). 18 그러나자기세정코팅을본격적으로상용화하기위해서는해결해야할과제가몇가지있는데그중가장중요한이슈는재도장공정적합성개선이다. 전술한바와같이자기세 정코팅소재는낮은표면에너지를통해구현되는데재도장공정시보수용도료 (refinish paint) 가기존코팅층위에도장되지않는문제점이있다. 2.6 자율주행자동차코팅소재기술최근 4차산업혁명과관련하여자동차산업에서가장큰주목을받고있는것은자율주행자동차의상용화기술이다. 자율주행자동차를구현하기위해서는거리측정이나 3차원입체이미지데이터를감지하는센서시스템탑재가필수적인데이러한센서시스템중에서도특히그필요성이증대되고있는것은라이더 (light detection and ranging, LIDAR) 관련기술이다. 라이더는빛을이용해물체를감지하고거리를측정하는기술을뜻하며거리측정수단이레이저이기때문에흔히레이저레이더또는 3차원스캐너 (scanner) 라고도불린다. 전자기파를주기적으로방출하여물체에반사되는신호를읽어물체와의거리, 이동방향, 높이등을확인하는레이더 (radio detection and ranging, RADAR) 와측정원리는비슷하지만라이더의경우전자기파대신레이저를사용한다는점에서레이더와는다르다. 라이더는파장이짧은레이저를사용하므로레이더보다측정정밀도와공간해상도가높아물체의형태를빠르고입체적으로파악할수있으 그림 13. 자가계층화코팅과범용코팅의차이 : (a) 일반코팅공정, (b) 자가계층화코팅소재에의한고분자코팅공정. 그림 15. 천정중앙에 360 도회전식 LIDAR 센서를장비한 Google 의자율주행자동차. 19 그림 14. Nissan 자동차의자동차용자기세정코팅기술 Nissan LEAF. 그림 16. 자율주행차사고사례 ( 테슬라모델 X, 센서시스템오작동으로인한사고로추정됨 ). 고분자과학과기술제 29 권 6 호 2018 년 12 월 527
특집 자동차용소재기술 : 차세대자동차스마트코팅소재기술동향 며물체특성에따라서는레이더가감지하지못하는물체도확인할수있다. 자율주행자동차에탑재되는라이더센서에관한연구개발을가장활발히진행하고있는기업은 Google, Tesla, Apple, Uber 등의글로벌기업들이다 ( 그림 15). 자율주행차상용화를위해해결해야할가장큰과제는사고회피시스템의신뢰도를높이는것으로이는라이더센서시스템성능과밀접한관련이있다 ( 그림 16). 기존에는센서감지디바이스및상황인지인공지능의성능을개선하여사고회피시스템을개선하는연구가많이이루어졌으나최근에는자동차코팅소재에입사되는레이저의반사강도를증폭시키는연구가 PPG Industries를중심으로연구되고있다. PPG Industries 에서주력하고있는라이더감지코팅소재는모든파장의빛을흡수하는다크톤 (dark tone) 의도료에서도라이더광원의빛을선택적으로반사할수있는기술로가지 (eggplant) 의표면구조를자연모사하여구현한것이다. 가지는표면이검은빛을띄고있지만강한햇빛아래에서도내부는낮은온도를유지할수있는데이는흡수된빛이내부에서반사되기때문이다. PPG Industries 는과거이를응용한코팅시스템을항공기에적용해표면과객실온도를 -14 ~ -4 까지낮출수있는기술을상용화한사례가있다. 20 3. 결론 본특집에서는차세대자동차스마트코팅소재기술에관해살펴보았다. 자동차코팅소재기술은대한민국주력산업인수송기기산업의글로벌경쟁력과밀접하게관련된핵심정밀화학분야로본고에서서술한국내 외주요이슈에대응할수있는국산원천기술개발이시급한상황이다. 참고문헌 1. Nanomarkets, Smart Coatings Market 2015-2022 (2015). 2. https://www.nissan-global.com. 3. S.H. Cho, S.R. White, and P.V. Braun, Adv. Mater., 21, 645 (2009). 4. Y.K. Song, B. Kim, T.H. Lee, J.C. Kim, J.H. Nam, S.M. Noh, and Y.I. Park, Macromol. Rapid Commun., 38, 1600657 (2017). 5. Y.K. Song, B. Kim, T.H. Lee, S.Y. Kim, J.C. Kim, S.M. Noh, and Y.I. Park, Sens. Actuators B Chem. 257, 1001 (2017). 6. T.-P. Huynh, P. Sonar, and H. Haick, Adv. Mater., 29, 1604973 (2017). 7. Z. Wei, J. H. Yang, J. Zhou, F. Xu, M. Zrínyi, P. H. Dussault, and Y. Osada, and Y. M. Chen, Chem. Soc. Rev., 43, 8114 (2014). 8. J. C. Kim, Y. I. Park, S. H. Lee, and S. M. Noh, J. Adhes. Interf., 19, 30 (2018). 9. S. Zechel, R. Geitner, M. Abend, M. Siegmann, M. Enke, N. Kuhl, M. Klein, J. Vitz, S. Gräfe, B. Dietzek, M. Schmitt, J. Popp, U. S. Schubert, and M. D. Hager, NPG Asia Mater., 9, e420, (2017). 10. ATKeamey, ACS Publications, Research Center, Hanwha Investment & Securities Co., Ltd. 11. https://playtube.pk/watch?v=xvaqmtccksg. 12. K. I. Jung, B. Kim, D. G. Lee, T. -H. Lee, S. Y. Choi, J. C. Kim, S. M. Noh, Y. I. Park, and H. W. Jung, Prog. Org. Coat., 125, 160 (2018). 13. http://www.etnews.com/20151109000207. 14. H. Murase and W. Funke, 15 th FATIPEC Congress, 2, 387, (1980). 15. V. V. Verkholantsev, Prog. Org. Coat., 13, 71 (1985). 16. V. V. Verkholantsev, Prog. Org. Coat., 26, 31 (1995). 17. V. V. Verkholantsev, Pigmnet & Resin Technology, 32, 300 (2003). 18. https://www.nissanusa.com. 19. https://waymo.com. 20. http://corporate.ppg Industries.com. 528 Polymer Science and Technology Vol. 29, No. 6, December 2018