부식대전 방지용 테프론

코팅의 문제해결을 위한

기술정보지원

2013 10

본 분석물은 미래창조과학부 과학기술진흥기금과

복권기금의 지원을 받아 작성하였습니다

머 리 말

최근 반도체 관련 기업체공장과 공정 중에서 부식방지와

대전방지의 문제점들을 해결하기 위하여 테프론 코팅들이

채택되어 왔습니다 그 중에서도 테프론 코팅은 전기가 통

하지 않는 성질을 갖고 있는 불소수지 고분자재료를 활용하

여 부식 대전방지 코팅을 목적으로 하고 있지만 실제 정

전기를 유발하는 제반 문제들이 발생되고 있어 이를 극복해

야할 필요성이 크게 대두되고 있습니다 이러한 문제점들을

해결하기 위해서 ReSEAT 프로그램의 전문연구위원으로부

터 최신의 기술정보들에 관한 멘토링과 지원을 받고자 지원

요청하고 있어 이 문제점들을 해결하는데 상응하는 최신 학

술문헌과 특허정보들을 KISTI를 통하여 조사 연구하여 적

극적으로 지원하고자 합니다

이 보고서는 「ReSEAT 프로그램 사업」의 일환으로 저희

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램에 참여하신 김학

주와 성용길 전문연구위원이 작성한 것으로 필자의 노고에

감사드립니다 아울러 본고의 내용은 필자의 사견일 뿐 저희

연구원의 공식견해가 아님을 밝혀둡니다

2013년 9월

한국과학기술정보연구원

원 장 박 영 서

목 차

제1장 개 요 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 1

1 정보지원의 필요성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 1

2 정보지원의 목적 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 2

3 참여연구원 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 3

제2장 지원 내용 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 4

1 정보지원 업체의 요구사항 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 4

2 정보지원의 범위 및 내용 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 5

제3장 지원 프로세스 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 7

1 1차 지원 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 7

2 2차 지원 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 10

3 3차 지원 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 12

4 4차 지원 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 16

5 5차 지원 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 18

세부 지원내용 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 19

(1)플루오르화 탄소의 특성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 19

⑵플루오르화 탄소 수지 코팅 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 22

⑶대전방지 플루오르화탄소 수지 코팅 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 30

⑷탄소나노 튜브 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 39

⑸내마모성 테플론 코팅 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 42

⑹충전 또는 강화 플루오르화탄소 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 51

⑺시트 테이프 및 박층(laminates) middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 55

⑻DLC코팅 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 57

⑼불소수지의 안정성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 60

(10)불소화합물의 안정성과 환경대책 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 62

제4장 지원결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 66

1 지원 결과 종합 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 66

2 지원의 한계 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 68

3 기대효과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 68

참고문헌 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 69

표 목차

lt표 1-1gt 참여연구원 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 3

lt표 3-1gt 플루오르화탄소 플라스틱의 유형 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 20

lt표 3-2gt 테플론 코팅 두께 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 25

lt표 3-3gt 테플론 코팅을 위한 화학첨가제 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 28

lt표 3-4gt 불소수지의 전기 특성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 30

lt표 3-5gt 불소수지용 충전제 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 53

lt표 3-6gt 15종 유해물질 및 유독성 기체 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 61

그림 목차

lt그림 3-1gt 테플론 거품코팅 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 29

lt그림 3-2gt 피렌카르복시산을 이용한 μD 표면처리 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 48

lt그림 3-3gt 테플론 PTFE에 미치는 충전제의 종류와 농도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 54

1

제 1 장

개 요

1 정보지원의 필요성

최근 반도체관련 기업체공장과 공정 중에서 부식방지

와 대전방지의 문제점을 해결하기 위해서 불소수지 고

분자재료의 전기가 통하지 않는 성질을 이용하여 부식

대전방지 테프론 코팅을 채택하고 있으나 테프론 코팅

은 실제 정전기를 유발하는 제반 문제들이 발생되고

있어 이를 극복하여야 한다

금속 혹은 세라믹 기재 등에 내마모성과 비점착성 및

윤활성을 부여하기 위하여 불소수지 고분자와 다양한

충전제를 배합한 조성물과 유기 또는 무기질 바인더를

이용하여 기재인 알루미늄 혹은 철 재료의 표면에 코

팅하여 저마찰성 비점착성 내마모성 등의 물성을 부

여하는 기술개발은 계속되고 있다 그리고 합성수지인

테프론 등 불소수지가 고온에서 화학분해 과정을 통해

2

유독성분이 발산되므로 최근에는 조리용 프라이팬 등

에 PTFE계 수지의 사용을 제한하는 조치가 시도되고

있는 등 환경관련 문제에 관한 정보가 필요하게 되었

다

위의 문제점들을 해결하기 위해서 ReSEAT 프로그램

의 전문연구위원으로부터 최신의 기술정보들에 관한

지원과 멘토링을 받고자 요청하고 있다 이 문제점들

을 해결하는데 상응하는 최신 학술문헌과 특허정보들

을 KISTI를 통하여 연구 조사하여 지원하고자 한다

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구

위원 김학주와 전문연구위원 성용길은 기술정보지원

신청업체에 부식대전 방지용 테프론 코팅의 제반 문제

들을 해결하기 위한 필요한 기술을 전수하고자 한다

2 정보지원의 목적

ㅇ 본 정보지원의 목적은 LCD와 PDP OLED 등 테프론

코팅이 필수적 요소인 대형 디스프레이 공정에서 정전

기 유발을 방지할 수 있는 기술에 관한 최신정보 및 특

허조사 등에 관한 자문과 현재진행 중에 있는 각종 부

3

식과 대전 방지기술에 관한 객관적 멘토링을 통하여 부

식대전 방지용 테프론 코팅에 관한 제반 문제들을 해결

하고 안전하게 본 중소기업체의 제품생산과 기술을 향

상시키고 고급화 하는데 있다

ㅇ 또한 화학반응용 용기 및 원자로 건설에 필요한 각종 제

작품 등에 필요한 부식방지 및 대전방지를 위한 테프론

코팅의 최신 기술정보를 제공 지원하고 그 특수코팅에

필요한 맞춤형 기술정보를 제공하는 것이 본 연구의 목

적이다

3 참여연구원

lt표 1-1gt 참여연구원

구분 성명 직위 전공 업무

ReSEAT

프로그램

김학주 전문연구위원 고분자 과제 책임자 기업현황 분석

성용길 전문연구위원 고분자 정보지원 기술전수 멘토링

4

제 2 장

지원 내용

1 정보지원 업체의 요구사항

테프론 코팅 기술의 문제점과 부식대전 방지용 테

프론 코팅에 관한 최신 기술정보

정전기 대전방지용 테프론 코팅과 부식대전방지 테

프론 코팅기술의 특허문헌과 학술문헌

불소수지 코팅에 관한 기술 동향과 부식대전 방지용 테

프론 코팅의 응용기술에 관한 기술정보

유리의 정전방지 박리대전 가공 C-나노튜브 코팅 수

분산성 도료(binder) 등을 사용한 내열성 세라믹코팅

및 대규모 DLC증착 관련 기술정보

5

2 정보지원의 범위 및 내용

가 정보지원 범위

정보지원은 LCD공정용 스테이지(Stage) 박리 대전방지

코팅 반도체 공정용 석영 관련제품 코팅 추출용 반응기

튀김틀 코팅 광학필름 및 기능성 필름 생산롤러 코팅

전기재료 석유화학 정밀화학 반응기 코팅 및 필터드라

이어 등 테프론 코팅에 관한 전반적인 기술 자료와 불소

수지의 특성과 용도 및 환경과 관련한 안전문제에 관한

지식과 기술정보를 제공하였다

나 정보지원 내용

KISTI에서 체계적적으로 NDSL 검색 유럽특허청 검

색 Web of Science 검색 Google 검색 Sci Dir를 통

한 원문입수 등의 작업을 수행하였다

- Keywords에 의한 문헌 및 특허조사 TEFLON +

Coating Anti-corrosion Coating Anti-static

Coating Fluoropolymers Fluorinated polymers

Fluorocarbon polymers

6

- Keywords=TI (TEFLON or Fluoropolymers or

(Fluorinated polymers)) Coating) 또는 AB

((TEFLON or Fluoropolymers or (Fluorinated poly

mers)) Coating) 활용하여 학술문헌과 특허를 검색

하였다

신청업체 공장현장에서 현재까지 수행되고 있는 부식

방지 및 대전방지 테프론 코팅기술들을 종합하여 분석

하고 조사된 기술정보 자료들과 비교 분석하여 장차

개선할 수 있는 코팅 신기술을 조사 분석하여 자문하

고 멘토링 하였다

7

제 3 장

지원 프로세스

1 1차 지원

일시 및 장소 2013년 4월 22일(월요일) 1000-1400시 신청

업체 2층 회의실

참석자 히토시 사토(부사장) 성용선(연구소장) 장용석

이사

주제 및 토의사항

- 지원업체의 현황 LCD공정용 스테이지(Stage) 박리

대전방지 코팅 반도체 공정용 석영 관련제품 코팅

추출용 반응기 튀김틀 코팅 광학필름 및 기능성필름

생산 롤러 코팅 전기재료 석유화학 정밀화학 반응기

코팅 및 필터드라이어 등의 테프론 코팅에 관한 작업

8

- 지원내용과 향후지원계획 공장 현장을 방문하고 브리

핑을 통해 필요한 정보를 파악함 조사된 자료(문헌

특허 등)를 전달하고 희망 사항을 파악한 결과 특히

유리의 코팅을 중심으로 한 박리대전 방지 가공 세라

믹 코팅(수분산성 도료-바인더-)을 사용한 내열성 코

팅 대형 DLC 증착기술 및 경쟁사가 개발하고 있는

C-나노튜브 코팅에 관한 정보에도 관심이 많았음

ReSEAT NDSL 및 구글 야후 네이버 등을 통한 자

료조사 방법의 활용 방법을 설명해 주었음

- 지원효과 ReSEAT NDSL 구글 야후 네이버 등을

통한 주제 또는 키워드 검색에 의한 자료 검색 분석

능력 향상 제공 자료와 문헌의 활용 효과 등

- 자료제공

① Klaus Lunkwitz Uwe Lappan Ulrich Scheler

Modification of perfluorinated polymers by

high-energy irradiation Journal of Fluorine

Chemistry Vol 125 2004 pp863sim873

② LBorucki et al Diamond Conditioner Wear

Characterization for Copper CMP Process

Transaction on Electronic Materials Vol 8

9

2007 pp1520sim20

③ Polytetrafluoroethylene Aluminum magnesium

boride Diamond-like carbon Carbon nano-tube

-Wikipedia the free encyclopedia (2013)

④ 野坂正隆 低溫環境下におけるドライボロジドラ

イボロジスト(日本) Vol 52(11) 2007 pp759sim

764

⑤ 식품의약안전청 연구보고서(연구책임자 유승석)

불소수지코팅 주방기구의 안전성 평가C 2004 12

⑥ 이장호 등 테프론 코팅 전열관 표면으로의 열 및

물질 전달 특성에 관한 실험적 연구 대한기계학

회논문집 B권 Vol 27(8) 2003 pp1051sim1060

⑦ Eun-Joo Kim et al Teflon coating of fabric

filters for enhancement of high temperature

durability J of the Korean Oil Chemists Vol

28(2) 2011 pp232sim239

⑧ Jin-Goo Park et al Characterization of

Fluorocarbon Thin Films by Contact Angles

Measurements Journal of Microelectronics amp

Packaging Society Vol 6(1) 1999 pp39sim49

⑨ WO 200054614(Solex Robotics Systems Inc

Anti-static Non-sparkling Coatings for

10

Explosive Environments)

⑩ WO 2012123103(WLGore amp Associates GMBH

Use of an Ionic Fluoropolymers as Antistatic

Coating)

⑪ WO 2006 017259 (Thomae Kurt J Multilayer

Corrosion-resistant Finish and Method)

2 2차 지원

일시 및 장소 2013년 5월 16일(월요일) 1000-1400시 신청

업체 2층 회의실

참석자 성용선(연구소장) 장용석 이사

주제 및 토의사항

- 지원내용과 향후지원계획 지참 자료를 제공하고 연구

원들의 기초지식 배양을 목적으로 불소수지의 특성에

관해 각 유형을 중심으로 제공 자료를 통해 종합 설

명함 불소 수지 코팅 방법 개발 목적 기질의 전처리

방법 두께 제어의 중요성 코팅시스템 등을 토의하고

이에 관한 자료를 제공하여 기초지식을 배양함은 물

11

론 최근 기술 동향을 파악함 다음 방문 시(6월 20일)

에는 대전 방지 불소 수지 코팅을 중심으로 그 중요

성과 이론 등 기초지식과 최근의 개발동향을 검토하

기로 함

- 지원효과 불소수지의 유형과 특성을 통한 원료의 선

정 시 고려할 사항 코팅 방법 기질의 전처리 방법

용도에 따른 두께 제어의 중요성 파악 공정 및 제품

관리에 관한 기초지식 배양과 최근 기술 동향 파악

- 자료제공

① JP-2005-237860(三洋電氣株式會社 電氣掃除機)

② JP-2010-261035(Xerox Corpor- ation フツ素ナノ

ダイヤモンドを含むテフロン定着器部材)

③ JP-2010-78036(株式會社ルネサステクノロジ 配管

チュ-ブおよびこれを備えた機械裝置)

④ WO 2008154391(Alcoa Inc Heat Exchanger)

⑤ 등록번호10-0365003 (주식회사 엘지아이 열처리를

이용한 테프론 코팅 방법)

⑥ 공개특허10-2008-0061943(주식회사 하이닉스반도체

이온 주입장비의 웨이퍼 지지 장치)

⑦ 등록번호 10-0449561(주식회사 봉성비에스 완충기

12

용 피스톤의 테플론 코팅장치)

⑧ 등록번호 10-0522254(백원두 브레이크 라이닝(또

는 패드) 제조방법)

⑨ 등록번호 10-0811228(조철환 내열 세라믹 주방용

기의 불소수지코팅방법 및 그 방법에 의해 불소수

지 코팅된 내열 세라믹 주방용기) 등

3 3차 지원

일시 및 장소 2013년 6월 20일(목요일) 1000-1400시 신청

업체 2층 회의실

참석자 김학주 성용길 성용선(연구소장) 이채영 차장

및 연구원

주제 및 토의사항

- 지원내용과 향후지원계획 불소수지의 전기적 특성과

대전 방지용 불소수지의 충전제에 관한 장단점 토의

대전 방지의 중요성 폭발 환경에서의 정전기 안전지

침 반도체 제조 장치에서의 작업스테이지의 대전방지

에 관한 기술 동향 토의 최근 관심의 대상이 되고 있

13

는 탄소나노튜브(CNTs)의 제조 방법 용도 등에 관한

설명과 의견교환 내마모성 테플론 코팅 방법 용도

등에 관한 자료제공 및 의견교환 충전 또는 강화 불

소수지에 관해 자료조사를 통해 얻은 충전제의 종류

기계적 및 물리적 특성 향상 방법에 관한 기초지식을

제공함 다음 방문 시(7월 25일)에는 시트 테이프 및

박층 테플론과 최근 내마모성 코팅기술로 주목받고

있는 DLC코팅과 테플론의 안정성 문제에 관해 의견

을 교환하고 그간의 정보지원에 관한 내용들을 종합

정리하기로 함

- 지원효과 대전방지 불소수지 코팅의 작업표준 및 관

리지침에 반영할 자료 제공 최근 관심의 대상이 되는

CNTs에 관한 기초지식 배양 및 정보수집과 분석 불

소수지에 사용되는 각종 충전제의 선정 시 참고 자료

확보

- 자료제공

① Francis J Clauss Chapter 9 Fluorocarbons

Solid Lubricants and Self-lubricating Solids 1972

pp195sim238

② Eunsoo Kang Seongcheol Choi Changhoon Choi

14

Sang Eun Shim Aqueous dispersion of

submicron-sized diamond particles for thermally

conductive polyurethane coating Colloids and

Surfaces A Physiochem Eng Aspects415(2012)

pp255-261

③ Masaaki Yamane Tadeusz A Stolarski Shogo

Tobe Influence of counter material on friction

and wear performance of PTFEndashmetal binary

coatings Tribology International Vol 41 (2008)

pp269ndash281

④ M Pazderova M Bradac M Vales

Tribological Behaviour of Composite Coatings

Procedia Engineering Vol 10 (2011) pp472-477

⑤ S Rossi F Deflorian F Venturini

Improvement of Surface finishing and Corrosion

Resistance of Prototypes by Direct Metal Laser

Sintering Journal of Materials Processing

Technology Vol 148 (2004) pp301-309

⑥ S Rossi F Chini etal Corrosion Protection

Properties of Electroless NickelPTFE Phosph-

ateMoS2 and BronzePTFE Coatings Applied to

Wear Resistance of Carbon Steel Surface and

15

Coatings Technology Vol 173 (2003) pp235-242

⑦ VC Malshe Nivedita S Sangaji Fluorinated

Acrylic Copolymers Part I Study of Clear

Coatings Progress in Organic Coatings Vol 53

(2005) pp207-211

⑧ Xing-Dong Yuan Xiao-Jie Yang A Study on

Friction and Wear Properties of PTFE Coatings

under Vacuum Conditions Wear Vol 269 (2010)

pp291-297

⑨ Amel Delimi Elisabeth Galopin etal

Investigation of the Corrosion Behaviour of

Carbon Steel Coated with Fluoropolymer Thin

Films Surface amp Coatings Technology Vol 205

(2011) pp4011-4017

⑩ 이계영 김태균 김종구 ldquo내마모성 및 윤활성 코팅

조성물rdquo 대한민국특허 등록번호 10-1151909 (2012)

⑪ Thomae Kart J Multilayer Corrosion Resist

ant Finish and Method WO 2006017259(2006)

⑫ (주)바론에스엘 ldquo불소수지와 세라믹의 유무기

하이브리드 코팅 조성물 및 그를 이용한 도막 형성

방법rdquo 대한민국 공개특허 10-2013-0028553 (2013)

16

4 4차 지원

일시 및 장소 2013년 7월 25일(목요일) 1000-1400시 신청

업체 2층 회의실

참석자 성용선(연구소장) 이채영 차장 및 연구원

주제 및 토의사항

- 지원내용과 향후지원계획 발암물질인 석면대체재로써

테플론의 개발 동향을 나선 권형 가스켓과 자동차브

레이크 제동장치를 중심으로 토의하고 내마모 특성을

필요로 하는 DLC 코팅에 관한 정보제공과 DLC 특성

에 관해 집중 토의함 환경문제와 관련하여 대두되고

있는 테플론 분해가스 등 안정성 문제에 관한 자료를

제공하고 이에 관한 의견을 교환함 그간의 제공 정보

를 종합하고 8월 말 작성예정인 최종보고서 내용을

협의하였음

-지원효과 신기술 개발을 위한 내마모 코팅 DLC코팅

환경문제를 고려한 친환경 제품 등 신기술과 신공정

개발을 위한 개념을 확립하였음

17

- 자료제공

① WO 2006047500(Henkelkommanditgesellschaft auf

Aktien Article of Manufacture and Process for

Anodically Coating an Aluminum Substrate with

Ceramic Oxides Prior to Organic or Inorganic

Coating)

② 이치옹 분석자료 ldquo나선형 개스킷의 비석면화rdquo

Takashi Miyoshi 배관기술(일) Vol 46(10) 2004

pp43-47

③ 유호천 ldquoDLC 코팅 표면처리rdquo KISTI 중소기업 정

보지원 2011 10 11

④ 유호천 ldquoPVD DLC TRD 코팅설비를 활용한 복

합충 개발및 제품적용rdquo KISTI 중소기업 정보지원

2010 10 21

⑤ 국립환경과학원 ldquo화학물질 배출량 조사 OECD와 협

력강화rdquo 보도자료 (2010 11 18)

⑥ ldquo새로운 코팅기술과 공구에 대한 적용rdquo 월간기계기술

기자 2005년 3월호

⑦ Teflon off-gas studies Environmental Working

Group Ewg Org Retrieved on 2013-01-01

⑧식품의약품안전청 ldquo식품용 기구 및 용기 포장 공전rdquo

18

2012

⑨ 廣野高生 ldquo環境保全型フッ素系 撥水撥油剤の 開發

と 工業化rdquo ファインケミカル(日本) 37(11) 2008

pp39-44 이치옹 모니터링분석 KISTI

5 5차 지원

일시 및 장소 2013년 8월 21일(수요일) 1000-1400시 신청

업체 2층 회의실

참석자 성용선(연구소장) 이채영 차장 및 연구원

김학주(전문연구위원) 성용길(전문연구위원)

김종헌(KISTI 연구책임자)

주제 및 토의사항

1 불소화합물의 안전성과 환경대책 정보지원 결과 종합

등 최종보고서(안) 내용에 관한 의견교환

2 지원의 한계와 기대효과에 관한 의견 교환

3 건의 사항 등

19

세부 지원 내용

⑴플루오르화탄소 플라스틱의 특성

Teflon TFE(폴리테트라플루오로에틸렌)은 1940년대부

터 사용되어 왔으며 Teflon FEP(플루오르화에틸렌프

로필렌 공중합체)는 1958년에 소개되었고 압출 및 사

출성형이 용이하며 TFE 유형은 딱딱하고 낮은 마찰계

수를 가지며 마모에 강하고 보다 높은 온도에서 사용

가능하다 이 외에도 플루오르화탄소 플라스틱에는 폴

리염화플루오르화에틸렌(CFE 또는 CTFE)와 폴리비닐

리덴플루오라이드(PVF) 등이 있다 플루오르화탄소 플

라스틱은 그 코팅방법에 따라서도 응용범위가 광범위

하게 발전되어 왔으며 그 용도는 주방용기로부터 기

계 자동차 반도체는 물론 우주항공 산업 부품에 이르

기까지 무한하며 상업 생산되고 있는 플루오르화탄소

플라스틱은 표 3-11)과 같다

PTFE는 열가소성 플라스틱으로 상온에서 밀도 약 2200

인 백색고체로 융점은 327이며 마찰 및 마모 특

성을 나타내는 마찰계수는 고체재료 중 BAM(alumi-

20

nium magnesium boride 마찰계수 002)과 DLC

(diamond-like carbon 마찰계수005)에 이어 3번째로

낮은 005-010로 반데르발스 힘에 대한 저항력으로 도

마뱀이 붙을 수 없는 유일한 표면으로 알려져 있다2)

표 3-1 플루오르화탄소 플라스틱의 유형1)

21

Teflon의 유용한 기계적 특성은 -450sim500(-267sim

260)에서 유지되며 여러 가지 특성들은 가공기술을

바꾸어 변경시킬 수 있다 마찰 및 마모 특성을 나타

내는 마찰계수들은 시험조건에 따라 다르며 Teflon은

증기압이 극히 낮아 진공에서도 우수한 안정성을 가

지며 방사선 안정도는 부족하나 방사선 내용성은 극

히 높다

테프론의 특징은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat-

resistant) 비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coeffi-

cient of friction) 내약품성(chemical resistance) 특이한

전기적특성(unique electrical properties) 저온내구력

(cryogenic stability)으로 대표된다3)

- 테프론 코팅된 표면에는 거의 모든 물질이 달라붙지

않으며 내열성(heat-resistant)이 우수하여 -260sim+26

0까지 사용할 수 있고 단시간 사용의 경우에는 30

0까지 견디며 Teflon FEP는 232에서 연속사용이

가능하다 비유성(non-wetting)이 우수하여 표면에 물

이나 기름이 잘 묻지 않아 표면이 오염되지 않아 쉽

게 청소가 가능하고 기계설비의 보수시간이 단축되어

생산성을 향상시킬 수 있다 테프론은 비-절연성은 물

22

론 비-유전정접과 우수한 표면 저항률을 보인다

⑵ 플루오르화탄소 수지 코팅

얇고 강인한 플루오르화탄소 수지 필름을 금속 등에

소결이나 수지-접착에 의해 바르면 기질에 침착된 필

름은 저온흐름으로 고체 플루오르화탄소 수지보다 낮

은 마찰계수를 띠고 금속은 양호한 열전도도를 갖고

열을 분산할 수 있어 고속으로 운전할 수 있고 양호한

내구성을 갖게 된다

1950년대 미국 해군연구소에서 소결 Teflon TFE필름을

수성 분산액(현탁질)으로부터 무기 탄약통 비행기부

품 잠수함부품의 건조-필름 윤활제 및 보호 코팅용으

로 개발한 후 이것들은 기어 정첩(hinges) 샤프트 베

어링 밸브 플러그 콕 피스톤 링이나 그 외의 산업분

야에 응용되고 있다

- 실제로 적절한 테플론 현탁질을 고체 표면에 침적한

후 수분 증발이 너무 빠르지 않게 공기에서 필름이

건조되게 한 후 테플론 입자들이 연화 및 소결되도록

건조된 표면을 약 385(725)로 가열하고 냉각하면

23

얇은 연속 필름이 표면에 남지만 필름 중의 많은 작

은 세공들은 테플론의 높은 용융점도 때문에 제거할

수 없다 세공들은 윤활 작용에는 제한을 받지 않으나

녹슬거나 부식의 공격점이 되어 부식방지를 위해서는

1회 이상의 박막 추가 코팅이 반복되고 보통 2회 코

팅으로 충분하나 각 침적 테플론 층은 두께가 00003

인치(762)를 초과하지 않아야 하며 그렇지 않으면

말린 진흙 같이 균열이 발생한다 필름이 윤활제로 사

용될 때는 필름두께가 00006-00007인치(152-178)

를 초과하지 않아야 한다1)

- 테플론코팅은 통상으로 존재하는 표면 산화물이 제거

되지 않은 깨끗하고 탈지된 강철 황동 및 알루미늄금

속표면일 때 가장 잘 접착한다 만일 산세척에 의해

과잉 두께의 산화물이 제거되었다면 필수적으로 얇은

산화층이 형성될 때까지 공기 중에서 가열한다 접착

은 실표면적이 증가하면 증가하므로 경면가공(mirror

finish)보다 모래분사가공이나 무광택가공이 양호하다

- 테플론 코팅된 표면의 마찰계수는 금속기질 표면을

거칠게 함으로써 낮출 수 있으나 미끄럼마찰 조건 아

래 내구성은 금속의 거칠기가 32마이크로인치(rms)를

초과하면 감소한다

24

철강 기질의 인산처리는 소결 Teflon TFE필름의 마모

수명을 향상시킨다고 보고되었으며 양극처리 된 코팅

의 경도 및 내마모성과 불소수지의 윤활성을 결합하기

위해 다공성 경화 양극처리 알루미늄 위에 불소수지를

침윤하여 왔다 Teflon S 마감재는 Du Pont이 도입한

최초의 수성-기초 분산 TFE FEP로 이들은 ldquo계층화

된rdquo 마감재이다 Francis J Clauss1)는 다양한 용도에

서의 Du Pont사 제품들의 선정 가이드를 표로 종합하

였으며 이것을 요약하면 표 3-2와 같다

- 테플론 코팅은 프라이머 단층 프라이머 코팅 후 에나

멜이나 클리어 마감 또는 프라이머 에나멜과 클리어

마감 등 3-코팅 시스템으로 구성된다 프라이머들은

금속이나 세라믹 기질에 접착을 향상시키기 위해 개

질제를 함유한다 프라이머들은 가끔 1회 코팅 마감재

로 사용되나 음식물과 접촉하는 용도로는 반드시 에

나멜이나 클리어 마감재로 마무리 칠을 하여야 한다

프라이머는 층간 접착력이 부족하기 때문에 다중 코

팅에 적용될 수 없고 만일 06mil 이상의 코팅이 필요

하면 프라이머는 에나멜이나 클리어 마감재로 마무리

칠을 하여야 한다

25

표 3-2 테플론 코팅 두께1)

최종

용도대표적 용도

전체두

께(mils)

프라이머에나멜클리어

가공(mils)

비점착

산업

직물 슬래셔 통

열 봉합 봉 고무경화 롤러

우레탄과 에폭시 경화 주형

제빙기

목재 고무 주석도금 아연

10-25

07

20-50

08-13

07

03 07-22 07-10

07 마무리칠 불가

03 07-37 10min

03 05-10 05-10

07 마무리칠 불가

식품

프라이팬 내열접시

반죽롤러

캔디 장치

08-12

10-30

20-30

03 05-09

03 07-27

03 07-17 10

One-coat

system

금지

드라이

윤활

플러그 밸브

유리병 제조 전달 장치

베어링

03-07

15-25

05-07

03-07

03 03-05 03-05

02

전기

전자

저항기 코팅

아이들 롤러(제지 섬유 공업)

세라믹 절연체

40-50

10-15

20-25

03 37-47

03 07-12

03 17-22

부식

방지용기 라이닝 gt50 03 47 또는 5-10 이상

Non-

wetting콘덴서 튜브 02-04 02-04

- 유색 프라이머는 통상 안료가 필름의 범위와 두께를

시각적으로 체크할 수 있게 하므로 그렇지 않은 것에

비해 더 선호된다 에나멜과 클리어 마감재는 충분한

접착을 위해 프라이머 위에 발라야 한다 ldquo진흙 갈라

짐 현상(mud-cracking)은 코팅 당 최대 두께를

10mil로 한정하나 다중 코팅에 의해 극단적이 조건

하에 전체 두께를 10mils까지 바를 수 있으며 각각의

26

코팅은 분리하여 구워진다

불소화 고분자들은 낮은 표면장력 물과 기름에 젖지 않

고 비점착성이며 방오 특성(antifouling properties) 등을

갖기 때문에 다양한 특수 코팅에 적용되나 합성과 조성

이 몇몇 제조업자들에 독점되어 있고 값비싼 중간체를

필요로 한다 VC Malshe 등4)은 플루오르 함량이

4-10인 불소화된 아크릴 공중합체를 간단한 방법으로

합성하고 클리어 코팅하여 광학적 기계적 및 보호 특성

을 연구하였다

최근 에너지 절감과 CO2규제와 같은 환경규제에 대한 대

응 필요성이 증가하면서 발전소나 각종 보일러 시스템에

서 배가스로 배출되는 응축잠열 에너지의 회수 및 활용

에 관심이 증가되고 있다 Lee 등5)은 스테인레스 관 표

면에 400정도의 두께로 테플론을 코팅한 전열관에서

관의 열 및 응축 열전달 특성을 연구하여 테플론 코팅관

의 총괄 열전달 계수는 스테인레스 관보다 약 20 작은

것으로 나타나고 응축열전달 계수는 유사하였음을 보고

하였다

알루미늄 용광로의 비-여과 배출가스에 장기간 사용하기

적합한 역류 열교환기에 관한 것으로 원통형 쉘의 표면

27

은 알루미늄 용광로 배출가스 입자 및또는 먼지 및 부

식 흄과 접촉될 수 있어 테프론 계로 코팅 처리하는 특

허6)가 있다 이 특허에서는 원통형 쉘을 만들도록 복재

(web member 웨브재)와 함께 연결된 유체 운반튜브로

이루어진다 각 원통형 쉘에 위치한 헤더는 열교환기의

튜브에서 튜브로 유체를 공급하며 뜨거운 난류가스에 작

용하여 스케일링을 최소화하기 위해 헤더의 보호덮개를

설치한다

저온에서 고온에 이르는 환경에서 유체에 사용되는 배관

튜브는 열에 의한 경시적 열화가 진행되어 균열 발생이

쉽다 가동부에 사용되는 배관 튜브는 움직임이 수반되어

그 경향이 현저하며 반도체 제조장치에 일반으로 사용되

는 실리콘튜브는 저온에서 열화되어 파손되기 쉽다 이러

한 문제점을 해결하기 위해 실리콘 튜브 외측 표면을 테

플론으로 코팅하여 균열발생을 억제함으로써 장시간 사

용 가능하도록 고안한 특허7)가 있다

섬유상 부직포로 제작하는 다공성 여과필터는 다양한 산

업공정의 배출가스를 정화시키는 데 사용되며 특히 중고

온 환경에서 사용이 가능한 다양한 종류의 기능성 필터

의 개발이 요망된다 일반으로 소각장 및 발전소 등의 중

고온 조건에서 사용되는 Nomex를 비롯한 섬유상 필터는

28

200 이상에서는 열변형으로 사용이 제한적이고 세라믹

필터와 같이 고온에서 적용이 가능한 소재는 매우 고가

일 뿐 아니라 초기 작업으로 인해 에너지 사용량이 매우

높아지는 문제점이 있다 Kim 등8)은 250-300 영역의

중고온의 배출가스를 처리하기 위한 필터에 표면 소수성

과 고온 안정성을 부여하기 위하여 표 3-3과 같은 조성

으로 그림 3-1과 같은 장치를 이용하여 테플론 수지를

거품 형태의 코팅액으로 조제하여 유리섬유 원단에 공급

하여 표면코팅하고 열처리 및 압착과정을 거친 후 표면

분석하였다

표 3-3 테플론 코팅을 위한 화학첨가제8)

테플론 코팅이 전기 집진장치에 활용되는 특허도 있다

종전 사이클론 방식의 전기집진기에서는 집진부의 먼지

를 떨어뜨리는 것이 용이하지 않았다 발명자들은 먼지

압축 기능을 갖는 집진실 내측에 테플론 가공을 하여 정

전기에 의한 미세먼지의 부착을 억제함으로써 집진실의

먼지를 원 터치로 처리할 수 있도록 하였다9)

29

그림 3-1 테플론 거품코팅8)

일반으로 테프론을 조리용기에 코팅하는 방법은 금속소

재를 사용 제품형태로 제작한 후 세척하고 에이징(소둔)

처리한 후 샌딩하여 표면조도를 유지하도록 하고 표면에

프리머 처리하여 베이킹 처리한 후 분사방법으로 테프론

코팅을 하고 다시 베이킹 처리하므로 공정이 복잡하고

제조원가가 상승하며 부착력에 한계가 있다한다 (주) 엘

지아이 특허10)에서는 피처리물을 세척한 후 산질화처리

하여 표면에 열처리 층이 형성되게 한 후 테프론을 코팅

하고 베이킹 처리하는 것을 특징으로 한다 그 외에 내열

세라믹 주방용기의 불소수지 코팅방법에 관한 특허가 있

다11)

(주) 봉성비에스는 차량의 주행 충격을 흡수하는 완충기

30

내부에 삽입하는 피스톤 외주면의 마찰과 소음을 최소화

하기 위한 목적으로 테프론 코팅을 하기 위한 코팅장치

를 등록하였다12)

⑶ 대전 방지 플루오르화탄소 수지 코팅

ㅇ 본래 불소수지 자체는 높은 절연성과 큰 대전성을 갖고

있기 때문에 도전 효과를 얻기 위해서는 분상 필러를 다

량으로 충전할 필요가 있으나 이렇게 하면 비점착성이

떨어진다 여러 회사들의 제품 안내서들을 종합한 불소수

지의 전기적 특성은 표 3-4와 같다

표 3-4 불소수지의 전기 특성

특성측정법

(ASTM)단위

PTFE

(비충전)

PTFE

(25

유리충전)

PTFE

(25

탄소충전)

표면 내아크성 D495 sec 75-110

체적저항

(비저항)D257

ohm-

cmgt1018 gt1016 104

표면저항 D257ohm

sq-1 gt10

14

유전율(유전상

수) at 1MHzD150-81 e 25 24

절연내력 short

time 18thickD149

kv

mm285

유전정접(유전

정합) at 1MHzD150-81 lt00002 005

31

ㅇ 불소수지는 내열성 내한성이 높고 내약품성 내연소성

난연성이 우수하고 절연성 및 비점착성과 저 마찰계수를

갖고 있으나 절연성이 높아 정전재해의 원인이 될 수 있

어 재해 방지를 위해 대전 방지 또는 저저항을 특징으로

하는 불소수지 가공품이 개발되어 사용범위가 넓어지고

있다

불소수지에 충전하여 저저항으로 하는 필러에는 일반적

으로 도전성이 높은 카본 금속 또는 산화알루미늄 등의

금속산화물이 사용된다 재료의 형상으로는 미분 탄소

스테인레스 스틸 니켈 금속분과 같은 입상물 단섬유 탄

소섬유 위스커(whisker) 등이 사용된다

- 미분은 비표면적이 크기 때문에 소량의 충전으로 저

항치를 내릴 수 있으나 약품의 침투가 있는 경우 비

표면적이 크기 때문에 약품의 영향을 받기 쉬워 내부

식성 떨어질 가능성이 크다

- 입자상물질들은 미분에 비해 비표면적이 작기 때문에

약품의 영향을 비교적 적게 받지만 저항치를 내리기

위해 충전량이 많게 되어 불소수지의 특징인 비점착

성과 저마찰계수 특성을 저해한다 섬유 위스커 형상

은 단방향에 대한 장방향의 비가 클수록 적은 충전량

32

으로 저항치를 낮출 수 있지만 분산이 나쁘면 요철이

발생한다 부식 방지 코팅에서는 충전제의 내약품성이

관건이다 즉 부식 환경에서 불소수지 자체는 충분히

견디어도 충전제가 내약품성이 없으면 충전제가 서서

히 에칭되어 기기가 부식될 가능성이 크다

화학 석유 및 정제 산업에서는 시험 검사 세척 및 다양

한 공정의 용기 저장 탱크 반응기와 같은 많은 구성요

소들이 사용되며 플루오르화 고분자는 고온에서 높은 열

안정성을 갖고 다양한 유기용매에 전혀 용해되지 않으므

로 부식방지 등을 위해 플루오르화 고분자와 같은 내화

학성 고분자로 코팅된다 그러나 이들 고분자는 코팅된

구성요소의 표면에 정전하 축적을 조장하기 때문에 폭발

성 환경에서는 사용할 수 없다

특히 이들 구성요소들의 금속 구조물은 용기나 탱크에

보관된 가스 증기 분진의 이동에 의해 생성된 정전하

(electrostatic charge)를 흐르게 하는 전도경로가 되나 금

속표면을 강산 강알칼리나 유기용제에 의해 침투되는 방

지하기 위한 목적으로 부식방지 테플론으로 코팅될 경우

얇은 필름의 비-전도체로 작용하므로 폭발성 환경에서

사용을 규제하고 있다

33

- 예로 유럽 표준 EN 50014 section 732에서는 정전

하로 인한 발화 위험을 피하기 위해 사용 보수 및 세

척 조건 하에 설계된 울(enclosure)이 필요하고 울의

절연저항은 1GΩ을 초과할 수 없도록 규제하고 있고

일본은 후생노동성 관할 산업안전연구소의 정전기 안

전지침의 누설 저항치는 108Ω 이하로 되어 있다

- 따라서 부식 및 폭발성 환경에서 안전하고 다양한 구

성 요소에 적용할 수 있는 정전방지 비-발화 테플론

코팅기술을 요하며 정전방지 코팅은 표면저항을 낮추

기 위해 카본블랙이나 개질 전도성 탄소 금속이나 전

도성 고분자를 테플론에 충전하여 코팅한다

폭발성 환경용 내화학약품 특성과 대전방지 비발화

코팅 조성물로는 높은 비저항을 갖는 플루오르 고분자

50-90wt 10-50wt의 전도성물질인 탄소분(carbon

powder)으로 이루어진 Solex Robotics Systems Inc

특허가 있다13)

- 폭발환경에서 사용되는 이상적인 코팅은 정전하를 피

하기 위해 낮은 비저항을 가져야 한다 완벽한 전도체

는 비저항이 영(0)이고 완벽한 절연체는 무한 비저항

34

을 갖는다 금속(구리 금 같은) 합금(망가닌 Mn-Ni-

Cu 니크롬 Ni-Cr-Fe) 반도체(카본이나 게르마늄)는

낮은 비저항을 갖고 있어 좋은 도체이다

- 수많은 고분자 기초 코팅들이 부식화학 환경에 사용

되었으나 85GΩ 이상의 비저항으로 대전방지 시험에

서 실패하였다 정전기 도체로 인증기준 아래 적합하

기 위해서는 100cm2이상의 노출 표면이 1GΩ 이하의

비저항이어야 한다 코팅에 첨가된 탄소분은 전도도를

증가시키며 10-50의 함량은 1GΩ 이하의 비저항을

만족시킨다

비전도성 표면의 표면저항을 감소시키도록 카본이나 금

속을 사용하여 대전방지를 부여하는 공정의 단점으로는

카본이나 금속의 접착력이 낮아 입자의 마모가 일어나

장기간 사용 시 대전방지 수준이 감소하는 것이다 더욱

클린룸에서 입자의 방출은 심각한 문제가 된다 대부분의

비전도성 기질은 통상 23 상대습도 50에서 표면 비

저항이 109ohmsquare 이상으로 높고 PTFE 경우는 10

12

ohmsquare이상이다14)

반도체 제조 장치에서는 웨이퍼 기판을 안착하기 위해

작업 스테이지를 사용하며 작업스테이지는 통상 금속과

35

세라믹으로 제작되나 웨이퍼기판을 작업스테이지에 올려

놓을 때 작업스테이지와 웨이퍼기판 사이에 마찰 정전기

가 발생한다 FPD(flat panel diplay 평판표시)용 디스펜

서(dispenser)에 사용되는 작업스테이지는 진공방식으로

디스플레이 기판을 흡착 고정하며 흡착 고정되었던 디스

플레이 기판이 작업스테이지에서 박리될 때 작업스테이

지에 정전기가 발생하여 디스플레이 기판에 대전된다 최

근 디스플레이 기판이 대형화됨에 따라 대전량이 증가되

고 정전기 대전문제가 더욱 심각해지고 있다 웨이퍼기판

이나 디스플레이기판에는 반도체소자 등 다수의 전자부

품들이 배치되어 있기 때문에 정전기가 발생되면 전자부

품의 신뢰성에 치명적 손상을 주고 기판에 분진이 부착

되거나 정전기의 대전으로 기판 리프트 업(lift up)시 기

판이 깨어지는 문제가 발생한다 정전기 대전을 방지하기

위해서는 작업스테이지에 이오나이저를 설치하여 중화하

기도하나 리프트 업이 불가능하거나 이온풍이 도달하기

전 방전하는 등 작업 스테이지와 기판 사이에서 발생한

정전기가 순간적으로 일으키는 박리대전 문제를 해결하

기 어려워 작업 스테이지의 정전기 방지를 위해 불소수

지로 코팅한다

- 불소수지는 다른 물질과의 흡착에너지가 작고 비점착

성이 우수하며 마찰계수가 작아 유리기판과의 상관관

36

계가 작아져 박리에 의한 정전기의 발생량이 적어지

나 불소수지는 절연성을 가지므로 테프론 코팅에서는

카본 블랙이나 전도성 고분자 등을 필러로 사용한다

대전방지가 필요한 반도체 제조장비 디스플레이 장치 및

테스트 장치 등의 작업 스테이지를 테프론 코팅함으로써

작업 스테이지의 정전기 발생을 방지하는 방법의 단점의

하나는 제작비용이 상대적으로 많이 드는 것으로 디스펜

서의 경우 디스플레이 기판이 대형화됨에 따라 작업 스

테이지의 크기가 커져 제작비용이 증가한다 또한 불소수

지의 경도가 낮아 코팅 막에 스크래치가 발생하고 이 부

분은 평탄도 유지가 어려우며 입자들이 발생하는 요인으

로 작용하며 불소수지가 절연성이므로 카본블랙이나 전

도성 고분자 등의 도전성 필러를 충전하여 대전방지에

적합한 면-저항을 갖도록 할 경우 카본블랙은 구형으로

분진이 발생하는 문제점이 있고 전도성 고분자를 사용할

경우는 내용제성이 약하고 과량의 바인더를 사용하여야

하며 박막 형성이 어렵고 불소수지의 경도를 보완하기

위해 아노다이징 처리를 하는 경우는 이후 별도의 코팅

과정을 거쳐야 하므로 제작비용과 제작시간이 증가하는

등 여러 가지 단점들이 있다 이러한 문제점들을 해결하

기 위한 방법으로는 작업 스테이지와 기판이 만나는 면

에 정전기 발생을 최소화시킴과 동시에 그 제조비용이

37

절감되고 적절한 면-저항을 조절할 수 있으며 마찰계수

가 낮고 내마모성이 향상된 작업스테이지 표면의 대전방

지 처리 방법에 관한 국내의 탑나노시스 사의 특허15)가

있다

- 탑나노시스 사의 특허 목적은 작업스테이지의 기판과

만나는 면에 정전기의 발생을 최소화시킴과 동시에

그 제조비용이 저감되고 적절히 면-저항을 조절할 수

있으며 마찰계수가 낮고 내마모성이 향상된 스테이지

표면의 대전방지 처리 방법에 관한 것으로 이 특허에

서는 금속소재의 작업 스테이지 표면을 아노다이징

처리하여 복수의 산화표면 홀들을 형성시키고 여기에

탄소나노튜브를 삽입하고 경화하며 탄소나노튜브 경

화 후에 표면을 봉공 처리한다

- 작업스테이지 표면은 106-10

9Ωsq의 면-저항을 갖는

것이 바람직하며 산화표면 홀들은 직경 30-900nm 깊

이 100-900nm가 바람직하다 아노다이징 처리를 하는

금속소재는 Al Mg Zn Ti Ta(탄탈륨) Hf(하프늄)

Nb(니오븀) 등일 수 있고 이 발명에서는 가벼우며 일

정 강도를 갖고 가공성이 우수한 Al합금을 예로 들어

설명하고 있다

38

- 알루미늄소재 작업스테이지 표면에 산화피막(Al2O3)처

리를 하는 아노다이징(anodizing 양극산화)에서 전해

액은 수산화나트륨이나 수산과 황산 등이 사용될 수

있고 수산화나트륨의 농도(20-50) 공급전압 전류

및 시간 등을 조절하여 산화표면 홀의 크기(D)와 깊

이(L)를 조절하며 D와 L에 따라 대전방지 효과나 내

구성 및 표면경도를 조절한다

- 탄소나노튜브를 산화표면 홀 내에 삽입시키는 단계는

전해 흡착 하여 이루어질 수 있고 정전도장을 통해서

도 이루어질 수 있다 탄소나노튜브는 분산제를 포함

하는 용액으로 코팅되며 분산제로는 소듐 도데실설페

이트(SDS) 트리톤X Tween20(폴리옥시에틸렌 소르

비탄모노올레이트) CTAB(cetyl trimethyl ammonium

bromide)를 예로 들고 있으며 탄소나노튜브 용액은

아크릴계 우레탄계 등 또는 전도성 고분자계 유무기

하이브리드계 바인더가 포함될 수 있다

- 봉공처리는 산화표면 홀과 산화피막을 봉공하여 내식

성 등이 향상되도록 보호 층을 형성시키는 것으로 비

등수 가압증기에 의한 수화봉공 금속염을 포함한 열

수에 의한 금속염 봉공 오일로 도포나 침적하는 유기

물 봉공 양극산화 피막 층에 도장하는 도장에 의한

39

봉공 등이 있다

반도체 소자를 제조하는 과정에는 불순물 이온을

주입하는 장비가 이용되고 있다 (주)하이닉스 반도

체의 특허에서는 이온주입 장비의 웨이퍼 지지 장

치 리프트 핀의 끝단을 라운드 처리하고 리프트 핀

에 테플론을 코팅하여 리프트 핀과 웨이퍼 후면의

접촉 시 웨이퍼 후면에 스크래치와 같은 손상이 유

발되는 것을 억제할 수 있게 한다16)

⑷ 탄소나노튜브(CNTs Carbon Nano Tubes)17)

탄소나노튜브는 탄소의 동소체로 1991년 일본 NEC 연구

소의 Ijima박사에 의해 전자 현미경을 통해 처음으로 확

인되었다 1985년에 Kroto와 Smalley가 탄소의 동소체인

풀러렌(탄소 원자 60개가 모인 것C60)을 처음으로 발

견한 이후 전기방전 시 흑연 음극 상에 형성된 탄소덩어

리를 투과전자현미경으로 분석하는 과정에서 발견하여

Nature학술지에 처음으로 발표되었다18) 탄소나노튜브에

서 탄소원자 하나는 주위의 다른 탄소원자 3개와 sp2결

합을 하여 육각형 벌집무늬를 형성하며 이 튜브의 직경

이 대략 수 나노미터(nm nanometer) 정도로 극히 작기

40

때문에 나노튜브라고 부르게 되었다 이 탄소나노튜브는

전기 세기가 클수록 더 수축하는 성질을 가지고 있는 등

튜브의 직경이 nm수준으로 극히 작아서 특유의 전기화

학적 특성을 나타낸다

Ku 등19)에 의하면 CNTs는 전기방사법(arc-discharge)

레이저증발 법(laser vaporization) 플라즈마 화학기상증

착 법(plasma enhanced chemical vapor deposition) 열

화학 기상증착 법(thermal chemical vapor deposition) 등

의 다양한 합성법이 개발되어 대량생산이 가능하다

CNTs의 종류는 벽의 수에 따라 단일 벽 탄소나노튜브

(SWNTs) 이중 벽 탄소나노튜브(DWNTs) 다중벽 탄소

나노튜브(MWNTs)가 있으며 물성에 관한 많은 연구결

과 기계적 전기적 열적으로 우수한 성능을 갖고 있음이

입증되었다

CNTs는 인장강도와 탄성률 면에서 지금까지 발견된 재

료 중 가장 강하고 질기며 다중벽 CNT는 63GPa에 이른

다 표준 단일 벽 CNT는 25GPa의 압력까지 변형 없이

지탱된다 그래핀의 대칭성과 특이한 전기적 구조 때문에

CNTs의 구조는 그것의 전기적 특성에 영향을 미쳐 금속

성이나 반도체의 특성을 나타내고 이론적으로 금속성

41

CNTs는 구리와 같은 금속의 1000배가 큰 4times109Acm

2

전류 밀도를 운반할 수 있으며 나노크기의 단면으로 전

자가 튜브의 축 방향으로만 전파되고 전자의 이동은 양

자효과를 수반하여 1차원 전도체로 간주된다

CNTs는 우수한 물성과 상대적으로 큰 표면적으로 갖고

있어 충전제(filler)로써 에폭시 폴리스틸렌 폴리우레탄

등 고분자와 혼합하여 폴리머의 기계적 전기적 특성을

향상시키려는 연구가 활발하다 CNTs가 폴리머 중에서

충전제 역할을 하기 위해서는 고른 분산이 필요하나 반

데르발스 힘에 의한 CNTs 응집현상(agglomeration)으로

인해 효과적인 분산이 어려워 오히려 폴리머의 물성을

저해하므로 이것을 개선하기 위한 다양한 기계적 화학적

분산 방법이 연구되고 있다

- CNTs를 분산시키기 위한 가장 일반적인 방법은 용매

나 폴리머에 CNTs를 투입하고 초음파처리를 하는 것

으로 초음파처리를 하면 SWNTs의 길이가 짧아지고

다발(bundle)이 얇아져 분산력이 증가한다

- CNTs 표면을 산이나 아민으로 기능화하여 분산을 높

이는 방법도 연구되고 있으며 MWNTs를 HNO3

H2O2NH4OH 용액에 침지시켜 MWNTs에폭시 복합

42

재료는 전기적 특성을 향상시키려는 연구와 산과 아

민 등의 기능기를 도입하여 SWNTs의 열전도도를 향

상시키려는 연구들이 수행되고 있다

- 기계적 분산방법인 전단혼합방법은 좁은 관이나 상대

적으로 높은 속도의 유동을 이용하여 발생한 전단력

으로 CNTs를 분산시키는 방법이다 Ku 등19)은 전단

혼합과 초음파처리를 이용하여 MWNTs로 강화된

에폭시 복합재료를 만들어 기계적 및 열적 특성을 연

구하였다

⑸ 내마모성 테프론 코팅

ㅇ 재료의 부식은 구조재에 원하지 않은 변화 원인으로 작

용하여 경제적인 문제로 귀결되는 심각한 문제이다 이들

원치 않는 변화는 때로 적절한 코팅에 의한 표면처리로

예방할 수 있다 가장 일반적이고 자주 사용되는 전착 코

팅은 아연에 기초한 아연 코팅 및 합금 코팅으로 이들

코팅은 간단한 기술로써 내부식성이 양호하여 전 표면처

리의 약 14에 해당하나 최근 낮은 마찰계수 등 다른 특

성들이 매우 중요하게 되었다 이들 특성은 다층 코팅으

로 대응할 수 있으나 두께가 증가하고 기술이 복잡하여

가능한 해결방법으로는 복합체 코팅이 있다 복합체 코팅

43

은 일반기계와 자동차 전자부품 및 컴퓨터 등 다양한 분

야에 적용된다 금속 기질에 미세한 PTFE 입자의 전착

에 의한 증착은 새로운 세대의 복합체 코팅으로써 가장

바람직한 특성은 양호한 내마모성 자기윤활 내부식성이

다 M Paderovaacute 등20)에 의하면 이들 특성은 주로 사용

한 입자(흑연 다이아몬드 MoS2 또는 PTFE)와 용액의

유형(pH 온도 bath 등) 뿐 아니라 입자의 크기 농도

분산 및 형태학에 의존한다

ㅇ 충전되지 않은 PTFE의 마모율은 736-741times10-4mm3Nm

로 내마모성이 낮아 다양한 충전제들이 첨가되고 있다

Xing-Dong Yuan 등21)은 진공 조건에서 PTFE 코팅

의 마모특성을 연구하여 초기에는 하중이 증가함에 따

라 마찰계수가 감소하나 하중이 6N 이상으로 커지면

마찰계수도 증가하며 압력이 PTFE 코팅의 마찰계수

에 미치는 영향이 거의 없고 마모는 압력이 증가하면

초기에는 감소하나 10Pa 보다 높으면 급격히 증가한

다고 보고하였다

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위해서는 윤활제로 PTFE

계 수지 접착제로는 폴리아미드이미드수지 산화철 분말

44

및 브론즈 분말 등을 혼합한 조성물을 사용하거나 미국

특허에서는 스와시플레이트 형 압축기의 플레이트 표면

에 MoS2 흑연 PTFE계 윤활제와 열경화성 수지인 폴리

아미드이미드(PAI) 조성물을 코팅하여 내마모 및 윤활성

을 부여하고 있다22) 내열성 향상을 위해서는 고체윤활

제 접착제수지 및 저융점 금속인 Sn Pb In Bi 등을 함

유하는 합금이나 화합물을 사용하여 금속의 잠열을 이용

내열성 향상을 시도하기도 한다

ㅇ 그간 철강(스테인리스강 탄소강 아연도금강판 등)의 내

부식성 향상을 위한 많은 연구들이 수행되어 왔다 4플루

오르에틸렌(C2H4) 4플루오르에탄(CF4) 6플루오르에탄

(C2F6) 3플루오르화에탄(CHF3) 8플루오르화에탄(C4F8)

같은 불소화된 단량체의 플라즈마 중합에 의한 테플론

류 코팅은 그들의 소수성으로 인해 금속의 내부식성 향

상을 위한 대안으로 주목을 받고 있다 A Delimi 등23)

은 유도결합 고주파플라즈마(inductively coupled radio

fre- quency plasma)를 사용하여 소수성 박막 불소수지

필름을 탄소강에 증착하고 3염수에서 내부식성을 평가

한 결과 1개월 동안 9nm의 필름이 유지되는 것을 관찰

하여 불소고분자 박막이 금속과 금속산화물의 보호층이

될 수 있음을 보고하였다

45

ㅇ PTFE를 이용한 세라믹코팅 기술로는 알루미늄 및 알루

미늄 합금 공작물을 양극처리에 의해서 티타늄 및또는

지르코늄 산화물을 포함하는 내식성 내열성 및 내마모

성 세라믹 코팅을 하고 이어서 양극처리된 공작물을

PTFE 또는 실리콘 함유 코팅과 같은 제 2 코팅으로 코

팅한다 이 발명은 가소성을 가지는 경질의 필름 내에서

내식성 내열성 및 내마모성을 제공하는 티타늄 및또는

지르코늄 산화물의 양극처리 층으로 기판을 예비-코팅함

으로써 알루미늄 기판에 보다 긴 수명의 코팅을 형성하

는데 특히 유용하다24)

ㅇ Nosaka 등25)은 PTFE로 대표되는 불소수지는 마모-링이

나 극저온 밸브의 실링부에 많이 사용되며 진공치환법에

의해 탄소재료에 PTFE나 MoS2 분말을 1-2wt 함침시

키면 무함침한 것에 비해 마모가 약 13로 감소한다고

보고하였다 한편 저자들은 터보펌프의 실링재료가 극저

온 환경에서 보이는 특이한 현상을 극복하기 위해 베어

링의 표면에 노출된 유리섬유를 불소산으로 처리하여 용

해 제거하고 윤활성을 높인 유리섬유강화 테프론 리테이

너를 개발하여 내구성과 윤활성을 향상시킬 수 있었다고

보고하고 있다

46

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위한 또 다른 특허로는

폴리실록산계 접착제를 단독 혹은 폴리에스테르계 접착

제와 병용하고 고체 윤활제로 MoS2(이황화몰리브덴

WS2(이황화텅스텐) h-BN(육방정 질화붕소) 팽창흑연

및 PTFE를 사용하고 충전제로 탄화규소 알루미나 산화

지르콘 산화티탄 등의 미분말을 사용하여 내마모 내열

및 윤활성을 부여하고자 하는 내마모성 및 윤활성 코팅

조성물에 관한 특허가 있다26)

ㅇ 내열성 내후성 내오염성 내약품성 내구성 등의 물성

은 유지하면서 비점착성을 높이기 위해 무기계 세라믹

코팅 조성물에 PTFE를 첨가하기도 한다 이러한 하이

브리드 코팅 조성물에 관한 특허로는 불소수지(01sim25

중량) 콜로이달 실리카나 콜로이달 알루미나 등 무

기계고분자 바인더(20sim80중량) 알콕시실란 화합물

(1sim50중량) 수용성 유기용제(1sim10중량) 충전제

또는 안료(5sim50중량) 및 물(100중량 까지 보충)로

이루어진 코팅 조성물에 관한 것으로 무기질 도료 및

무기계 세라믹 코팅에 의해 내열성 내오염성 내약품

성과 내구성을 유지하고 접착력을 높이기 위해 소량의

PTFE를 사용하는 것이 있다27)

47

ㅇ 정전 복사기에 사용되는 정착기재부의 최외층에 코팅하

여 기계적 성질 및 내마모성을 향상시키려는 목적으로

불소수지 기질 중에 분산된 불소화 다이아몬드를 함유하

는 입자로 구성된 조성물에 관한 일본 특허28)가 있다

ㅇ 부식 특성을 개선한 흑색 무크롬(chrome-free) 다층 내

부식 마무리 칠과 방법에 관한 특허29)로는 ASTM B 117

표준으로 시험할 때 백색 부식에는 최소 500시간 염수분

무시간 및 적색 부식에는 1500시간 염수분무시간에 적합

하게 설계된 마무리 칠에 관한 것이 있다 이 다층 시스

템은 광택(gloss) 4 이상을 만족하는 자동차 차체 강판

자동차 하부와 내장에 사용되기 위해 설계된 것으로 이

다층 마무리 칠은 3층 부식 방지 시스템을 형성하도록

아연-철 전기도금 기질 오르토인산을 사용한 무전해 인

산염 결정 전환 층과 XylanTeflon 실러 코팅의 조합이

다

ㅇ 전통적으로 철 강판(steel sheet)은 크롬산 염 전환 코팅

으로 개질되어 왔으나 6가 크롬이 배출되어 환경을 오염

시키는 문제점이 있어 강판의 내-부식성을 개선하기 위

해 고분자 수지 코팅들이 수행되고 있으나 이 방법은 고

48

분자 코팅 층이 열전도도를 감소시키는 단점을 가지고

있다 Kang 등30)은 강판 위의 고분자 코팅 층의 열전도

도를 향상시키기 위해 초미세-크기 다이몬드(μD)입자를

열전도 물질로 사용하였다 다양한 음이온 및 비-이온

계면활성제들을 사용하여 수용액 중에서 무거운 μD입자

의 안정화를 시험들을 한 결과 1-피렌카르복시산(PCA)

이 가장 양호하였다 그림 3-2는 이 시험 결과를 요약한

것이다

- 강판 위에 PCA로 안정화 된 μD 입자를 함유한 폴리

우레탄-기초 코팅 층은 열전도도가 0351W(mK)에서

0434 W(mK)(10 wtμD)로 향상되었으며 더욱 144

시간 동안 염수 분무 시험결과 부식거동은 관찰되지

않았다

그림 3-2 피렌카르복시산을 이용한 μD 표면처리

ㅇ 자동차공업에서는 기본적인 특성으로 내마모성이 요구되

49

는 강철 기계부품들의 마찰특성을 향상시키기 위해 다양

한 금속 및 고분자 코팅들이 광범하게 이용된다 내-마

모 코팅은 두 가지 주요 특성인 높은 표면경도와 자기-

윤활 특성이 필요하다 후자의 범주에 속하는 것이

PTFE와 MoS2 기초 코팅이다 무전해 니켈 코팅은 높은

경도로 인해 양호한 마찰 특성을 보이며 한편 열처리를

통해 경도를 향상시킬 수 있다 PTFE입자의 첨가는 코

팅경도를 감소시키나 자기-윤활특성을 부여한다 S

Rossi 등3132)은 마찰특성을 향상시키기 위해 이용되는 탄

소강에 이용되는 몇 가지 공업적인 코팅에 관한 부식거

동에 관해 평가 PTFE입자를 함유한 무전해 니켈-인

(Electroless Nickel-Phophorus)코팅은 PTFE 입자(자기-

윤활 특성)를 갖는 외층과 장벽-효과를 갖는 내층으로

인한 이중 특성으로 가장 양호한 특성을 보였다고 보고

하고 있다

ㅇ 모든 기계적 시스템은 동적 요소를 필요로 하며 마찰과

마모를 줄이기 위한 다양한 수단들이 가능하나 그 선택

은 환경이나 조작 조건에 제한을 받는다 PTFE는 자기

윤활 낮은 마찰계수 높은 열안정성과 화학약품 안정성

으로 산업분야에 널리 사용되는 엔지니어링 고분자이지

만 내마모성이 매우 부족하다 이러한 이유로 금속

-PTFE충전 복합체들이 PTFE의 마찰특성과 금속충전제

50

의 내마모성을 결합하여 특정 분야의 용도로 소개되어

왔으나 금속-고분자 물질에서의 충전제의 역할은 완전히

설명되지 않고 있다 복합체 표면의 과잉의 충전제 농도

는 미끄러지는 동안 부하를 지지하여 내마모성을 증가시

키는 것으로 생각되며 PTFE의 마모율은 Mo Zn Ni

Y2O3 및 SiO2 같은 무기 충전제에 의해 1000배가량 감소

되었다는 보고도 있다 유리섬유 구리 세라믹 탄소섬유

절단 탄소섬유 나노입자를 포함한 경질의 충전제 입자들

이 PTFE의 내마모성을 높이기 사용되어 왔다

ㅇ 비교적 두꺼운 코팅에는 열분사(thermal spray) 용사기

술이 정립되어 있고 용사 코팅은 내마모 내마찰 내프레

팅(fretting) 및 내부식을 요하는 산업에 많이 이용되고

있다

- 용사 몰리브덴(Mo)코팅은 실질적 내마모성 코팅으로

가장 광범하게 이용되며 프레임용사(flame spray)거나

와이어용사(wire spray)기술로 생산된 몰리브덴(Mo)

코팅은 흠이나 마모에 대한 고도의 저항을 얻기 위한

가장 좋은 코팅재료 중의 하나이다

- 알루미늄 청동(aluminium bronze)은 높은 내-부식성

과 내마모성을 갖는 것이 특징이다 저압 플라즈마 용

51

사 기술은 자기-아닐링(self-anealing)과 부서지기 쉽

도록 유도하는 γ-상의 형성을 피할 수 있도록 높은

냉각 속도를 얻는 데 사용되며 알루미늄 청동 저압

플라즈마 용사 코팅은 낮은 마찰과 마모를 보였고 비

교적 최근 플라즈마 용사 기술을 이용하여 알루미늄

기질에 고분자-세라믹 복합체를 코팅하는 기술이 개

발되었다33)복합체 코팅으로 행한 마찰 시험에서 낮

은 마찰계수를 얻을 수 있었다

- 낮은 마찰계수와 고 내마모성을 갖는 이성분 금속

-PTFE 코팅이 개발되었고 이들의 마찰 공학적 성능

이 보고되었다 PTFE-기초 복합체 설계에서 일반적

인 접근방법은 경질의 충전 입자들을 도입하는 것으

로 M Yamane 등34)은 PTFE-금속 이성분 코팅의 마

찰 마모성능에 관한 연구 결과 알루미늄 청동 코팅이

Mo코팅에 비해 PTFE 저장소(reservoir)에 유용했음

을 보고하였다

⑹ 충전 또는 강화 플루오르화 탄소1)

ㅇ 분말이나 강화섬유 등 전형적인 충전재들이 충전 또는

강화 플루오르화 탄소에 사용된다 충전재는 저온흐름

52

을 향상시키는 데 사용되며 수축과 균열을 줄이고 열

팽창을 낮추며 열전도율을 향상시킨다

ㅇ 분말이나 단섬유로 된 전형적인 충전제를 표 3-5에 종합

하였다 유리섬유는 가장 보편적인 PTFE 충전제로 화

학 및 전기적 특성에 최소로 영향을 미치며 기계적 특

성을 크게 향상시킨다 분말에 비해 섬유는 압축강도

강성도 및 지지용량을 더욱 향상시키나 분말은 충전

테플론의 내구성에 거의 영향을 미치지 않는다 금속분

말은 특히 열전도도를 향상시키며 고속에서 발생하는 마

찰열을 소멸하는데 도움이 되며 전기저항을 상당히 감소

시켜 금속-충전 조성물은 양호한 절연체는 아니다

ㅇ 흑연(graphite) MoS2는 초기 내구성과 마찰을 개선하고

기계적 특성을 향상시킨다 석면은 많은 유용한 특성을

갖지만 가공 처리 중 가스가 방출할 뿐 아니라 사용금지

물질이다 표 3-5 외에도 금속 망 장섬유 다공성 금속

등 다양한 충전제들이 있으며 다양한 종류의 제품들이

상업 생산되고 있어 최종 선정을 하기 전에 플라스틱 가

공업자로부터 보다 완전한 정보와 추천을 받는 것이 바

람직하다

53

표 3-5 불소수지용 충전제

ㅇ 압축강력 인장과 압축 시의 탄성률 및 항복강력은 첨가

제의 첨가에 의해 모두 증가하나 일반으로 인장강력과

신도 및 충격강도는 손실된다 통상 충전 테플론은 압축

상태에서 사용되므로 인장강력의 감소는 중요하지 않다

인장강력의 손실은 설치(연속적인 링-실링)할 때 인장되

는 재료에서 중요하다 열팽창 계수는 비-충전 테플론에

비해 감소되어 통상 금속 부품의 팽창계수와 잘 맞는다

ㅇ 마찰과 마모를 수반하는 분야에서 가장 중요한 것은 충

전제로 얻어지는 PV한계치의 증가와 마모의 감소다 비-

54

충전 테플론에 비해 PV한계치 크기는 개략적으로 1차원

적으로 증가하나 마모인자는 3차원적으로 감소한다 충전

테플론의 평균치들은 동적 마찰계수는 01-02 PV한계치

는 10000-20000 psi-fpm 마모상수는 10times10-10in3-min

lb-ft-hr이다 그림 3-3은 충전 테플론 PTFE의 마찰계

수에 미치는 충전제 종류와 농도의 효과에 관한 것이다

그림 3-3 테플론 PTFE에 미치는 충전제 종류와 농도1)

ㅇ 내마모성을 향상시키는 충전제는 실제로 연마저항성을

감소시키는 것으로 날카로운 입자는 보다 쉽게 침투하고

충전제 입자와 수지 사이의 경계를 따라 충전 플라스틱

을 찢는다 따라서 라이닝 슈트 같은 분야의 적용 시는

55

비-충전테플론이 보다 바람직하다

⑺ 시트 테이프 및 박층(laminates)

ㅇ 대부분의 플루오르화탄소는 충전 여부에 관계없이 두

께 1mil(0001 in)까지 시트나 테이프로 만들 수 있고

시트나 테이프를 찍어서 원하는 형상의 립-씰(lip seal)

펌프 컵(pump cup) 피스톤 링(piston rings) 가스켓

(gaskets) 등을 만들 수 있다

ㅇ 유체의 누설을 정지시키는 밀봉기능 부품 중 각종기기의

접합부나 배관 플랜지 등의 밀봉에 사용되는 가스켓

(gaskets)은 석면이 널리 사용되어 왔으나 유해물질 배

출 및 이동량 보고제도(PRTR Pollutant Release and

Transfer Register)에서 발암성을 가진 제1종 지정 화학

물질로 지정되어 사용이 금지되어 PTFE가 가스켓으로

개발되었다 PTFE는 용융 알칼리 금속 및 그 용액과 불

소 및 3불화염소에 의해 약간 침식되나 모든 화학약품에

안정하고 우수한 내부식 재료로 C-F결합력이 크고 F원

자가 C-C결합의 주위를 간격 없이 들러 싸고 있기 때문

에 다른 물질의 공격을 방어하고 있고 내열성은 260로

높다35)

56

- PTFE 필러를 사용한 PTFE 나선 권형 가스켓은 석

면에 대한 사용규제와 상관없이 사용되어 왔으며 유

연한 필러를 사용하므로 석면 가스켓 보다 낮은 체결

압력에서도 실 특성이 우수하고 내식 면에서도 광범

하고 다양한 유체에 사용이 가능하다 다만 단열성 면

에서는 석면 나선 권형 가스켓 보다 사용온도 범위가

제한된다

ㅇ 산업 기계나 자동차의 브레이크 제동장치에 부착하여 마

찰력을 부가하는 브레이크 라이닝에서는 마찰계수와 내

마모력 및 충격계수 등 마찰특성이 우수한 석면을 주로

사용하여 왔으나 제동 시 발생하는 미세 석면분진으로

인해 대기오염에 의한 환경을 파괴 뿐 아니라 인체에 흡

입될 경우 암을 유발하여 PRTR로 사용이 금지되었다

석면을 대체할 유기질 또는 무기질 된 다양한 비석면 마

찰 섬유 등이 사용되고 있으며 마찰 섬유에 테프론을 코

팅하여 브레이크라이닝의 수명향상 제동 시 발생하는 소

음 떨림 및 제동력 향상을 위한 제품개발이 시도되고

있다

- 예로 국내 특허36)에서는 브레이크 라이닝(또는 패드)

의 마찰재 배합재료 중 유기섬유(Kevlar섬유 pulp섬

57

유 등)에 테프론을 코팅하고 코팅된 유기섬유에 결합

재 충전재 윤활재 마찰안정재 마찰조정재 등을 소정

의 배합비로 배합하여 성형하고 열처리하여 브레이크

패드 또는 라이닝을 제조한다

ㅇ 초소형 정밀기계(MEMS Micro-Electromechanical

System)분야에서는 점착방지를 위해 불화 유기박막을

사용한다 Park 등37)은 단층 두께의 불화 유기박막의

특성을 접촉각 측정을 통해 분석하였다

⑻ DLC 코팅3839)

ㅇ DLC(diamond-like carbon)는 몇 가지 다이아몬드의 전

형적인 특성을 나타내는 비정질 탄소물질로 극도의 내마

모 특성을 필요로 하는 재료의 코팅에 이용되고 있다

DLC코팅은 연마 마모를 감소시키기 위한 재료에 유용하

여 엔드밀 드릴비트 금형 같은 공구는 물론 자동차 기

계부품 및 전자산업 등 산업전반에 걸쳐 적용된다40)

ㅇ 환경오염 문제로 인해 PRTR(Pollutant Release and

Transfer Register 유해물질 배출 및 이동량 보고 제

도) 이 시행되어 습동 부품이나 절삭 시에 사용되는 오

일이나 그리스에 포함되는 첨가제(MoS2 Zn 등)와 이들

58

부품을 세정할 때 사용되는 용매 기계부품의 수명을 연

장시키기 위해 활용되었던 Cr도금 폐액에서 발생하는 6

가 크롬 등의 오염물질들에 대한 규제가 더욱 강화되어

DLC에 의한 무윤활 습동과 무윤활 절삭을 지향한 공구

와 기계 부품의 개발이 관심을 끌고 있다4142)

- 일본 내에서는 PRTR이 시행되고 이것에 저촉되는 재

료에 관해서는 MSDS(Material Safety Data Sheet)를

첨부해야할 의무가 있고 부품가공 습동 용도에서는

대상 리스트에 올라 있는 오일 오일 중의 중금속 도

금폐액을 어떻게 경제성 있는 환경 친화적 공정과 재

료로 전환할 것인가를 고려하면서 무윤활 습동 무윤

활 절삭 탈크롬 도금의 3가지 키워드가 대두되고

DLC코팅이 대안으로 모색되고 있다

- DLC코팅 적용기술과 과제에 관한 자료로는 자동차

관련부품 적용사례 엔진부위 마찰 작동 밸브계의 마

찰저감 DLC와 윤활제에 의한 마찰저감 기술을 중심

으로 살펴본 보고가 있다43)

ㅇ DLC는 7가지 형태가 존재하며 모두 상당한 양의 sp3혼

성궤도 탄소원자를 함유한다 다양한 형태의 DLC가 진

공 환경으로 적합한 재료들에 적용가능하며 유럽에서의

59

2006년 위탁 DLC코팅 시장은 3천만euro로 추정되었고 국

내도 활발한 상용화가 시도되고 있다

ㅇ 사반면상(tetahedral) 비정질 탄소 ta-C를 2두께로 코

팅하면 연마마모에 대한 스테인레스 강(304 type)의 내구

성을 증가시켜 수명을 1주일에서 85년으로 늘이며 이러

한 DLC의 형태는 sp3결합 탄소 원자로만 이루어지기 때

문에 순수한 DLC로 간주되며 수소 sp2흑연 탄소 금속

같은 충전제가 생산경비를 낮추거나 원하는 특성을 부여

하기 위하여 사용되고 있다

ㅇ DLC를 만드는 방법에는 sp3탄소 보다 낮은 밀도의 sp

2

에 의존하는 몇 가지 방법들이 있으며 압력 충격 촉매

또는 이들의 조합으로 sp2결합탄소 원자들을 sp3결합탄소

로 근접시킨다 최근 초고압 하에서 탄소의 경량 특성을

갖는 초경도 무정형 다이아몬드가 만들어졌다 탄소로 만

들어지는 다이아몬드 그래파이트는 결정구조를 가지나

DLC는 비정질이라는 점에서 크게 다르고 200 정도의

저온에서 형성시킬 수 있다는 점이 통상의 PVD막에 비

해 훨씬 우위에 있다

ㅇ DLC코팅은 제조공정이 복잡하고 생산 단가가 비싸 적용

이 어려우며 적용되는 소재가 제한되는 단점을 갖는다

60

주요제법으로는 고주파 플라즈마 법 이온화 증착법 스

페터링법 등을 들수 있다 고주파 플라즈마 법은 메탄가

스가 원료로 사용되고 막 중의 수소가 약 30(원자)로

평활성이 우수하고 마찰계수가 작으나 경도가 낮다 이

온화 증착법은 벤젠을 사용하며 막은 단단하나 면의 조

도가 거칠고 후막화 하기 위해 스패터링 방법이 검토되

고 있다

⑼ 불소수지의 안전성

ㅇ 테플론 PTFE의 열분해는 200(392)에서 감지되며 이

것은 몇 가지 플루오르화 탄소 기체들과 승화물질을 방

출한다4445)1955년 동물실험에 관한 한 연구에서는 이들

물질이 250(482) 이하에서는 의미 있는 양이 아니라

고 결론지었으나 최근 비-점착 주방기구인 프라이팬이

나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가열할 때 조류를

죽일 수 있는 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수

도 있다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있다45)

ㅇ 표 3-6은 EWG가 보고한 3-5분 내에 370까지 불소수

지를 가열할 때 발생되는 15종의 불소화합물에 관한 것

이다 테플론과 같은 코팅물질들이 장기적으로 인체에 미

61

치는 영향에 관한 연구는 이루어지지 않고 있으나 독감

과 유사한 질병을 유발할 수 있으며 이를 중합체 증기열

(polymer fume fever)이라 한다

표 3-6 15종의 유해물질 및 유독성 기체44)

ㅇ 최근 표 3-6의 화합물들 중 특히 TFA와 과불화된

(perfluorinated) PFOA(perfluorooctanoic acid)에 관심이

증가되고 있다 PFOA는 새로운 환경오염물질로 미국 환

경보호청(EPA)에 의하면 보통 때는 문제가 없으나 조리

과정에서 프라이팬에 열을 가하고 강하게 긁을 경우 용

62

출되어 나오며 이것이 음식물과 함께 인체에 흡수되는

것으로 추정하였다 한편 DuPont의 테플론 PTFE 연구

결과에 의하면 검출한계인 9ppb 이상 검출되지 않으며

테플론 주방기구에서는 PFOA가 존재하지 않는다고 발

표하고 있다

- 물이나 공기를 통해 환경에 노출된 PFOA는 고 콜레

스테롤 궤양성 대장염 갑상선 질환 고환암 신장암

및 임신성 고혈압과 관련된다고 보고되었다

- PFOA는 불소수지 생산과정에서 사용되는 첨가물로써

암모늄 형태로 PTFE 유화중합에 계면활성제로 사용

되며 불소수지의 품질과 균일성을 유지하기 위해 필

수적인 첨가물이기 때문에 전 세계 모든 불소수지 제

조업체가 사용 중에 있다 한편 국내 주력 산업인 반

도체 생산 과정에서도 PFOA를 대량으로 사용하고 있

어 체계적인 실태조사와 대책수립이 필요하다는 의견

들이 대두되고 있다

⑽ 불소화합물의 안전성과 환경대책

ㅇ 표 3-6에서 살펴본 바와 같이 테플론을 급격히 고온으로

가열하면 2종의 발암물질을 포함한 유독성 가스가 발생

63

하고 특히 불소화합물 중 MFA(monofluoroacetic acid)는

적은 양으로도 치명적 해를 끼치고 PEIF(perfluoro-

isobutene)는 신경가스제로 여러 가지 질환을 발생시킨다

한다44)

따라서 테플론으로 코팅된 장치를 재 코팅하기

위해 테프론을 고온으로 급격히 가열하거나 소각 등을

통해 제거할 때는 발생 가능성이 있는 유독가스를 제거

하기 위한 별도의 설비를 이용하여야 하고 유 등44)의 보

고서에서와 같이 중조(NaHCO3)를 포화시킨 충분한 물로

유독 산성 물질을 중화시키는 것도 고려할 만하다 한편

부식대전 방지 코팅도 테플론 코팅 일변도에서 세라믹

코팅 CNTs이나 DLC 코팅기술로 대응하는 것을 추천하

고 싶으며 이것은 유해물질 배출 및 이동량 보고제도

(PRTR Pollutant Release and Transfer Register)에 대

비하는 등 기업의 장래를 고려하는 것도 될 것이다

ㅇ PTFE를 사용한 취사도구는 1960년대 이래 사용되어 오

고 있으나 최근 들어 이것의 안전성이 논쟁의 주제가 되

고 있으며 논의 주체는 PFOA(perfluorooctanoic acid)이

다 PFOA는 PTFE를 비롯한 많은 불소수지의 생산에

사용되며 DuPont의 테플론 PTFE 연구 결과에 의하면

프라이팬을 260 이상 고온에서 가열하거나 코팅이 벗

겨져도 PFOA가 존재하지 않는다고 한다 그러나 물이나

64

공기 토양 식품포장재 등 여러 곳에서 PFOA 오염사실

이 보고되고 있다 한다44)

- 미국 EPA는 인체와 환경에 대한 PFOA 연구를 계속

하고 있으며 2015년까지 PFOA 및 이와 관련된 화합

물 방출을 배제할 프로그램을 갖고 있으나 PTFE-기

초 비점착 취사기구를 중지시킬 타당성을 갖고 있지

는 않다 최종제품은 PFOA가 아닌 PTFE이기 때문이

다

- 수십 년 동안 불소수지 비점착 코팅이 시장을 지배하

였으나 최근 몇 가지 신기술들이 출현되고 있으며 이

들 대부분은 실리콘 세라믹과 실리콘 기술로 이들 코

팅은 PTFE와 PFOA를 함유하지 않는다

- 오늘날 출시된 비점착 취사용구는 수많은 상표로 팔

리고 있으며 DuPont에 의하면 대부분의 취사용구 코

팅은 정상적으로 사용할 때 3-5년 견딜 수 있을 것으

로 예측한다 너무 문질러서는 안 되고 따뜻한 비눗

물로 씻어주는 것이 좋으며 닳거나 흠이 생기지 않도

록 나무 플라스틱이나 코팅된 재료로 만든 도구를 선

택하고 보관도 흠이 생기지 않을 장소나 캐비닛을 권

장하고 있다

65

ㅇ 국내의 불소수지 안전성에 관한 것으로는 재질규격(납과

카드뮴)과 용출규격(납 과망간산칼륨소비량 증발잔류물)

이 식품용 기구 및 용기 포장 공전46)에 기재되어 있으며

최근 국내에서도 PFOA를 비롯한 유해 불소화합물에 관

한 관심이 커져 가고 있다

ㅇ PFOA 문제가 표면화 되면서 환경 보전형 불소계 발수

유제의 개발과 공업화도 새로이 부각되고 있다 이에 관

한 보고서를 모니터링한 KISTI자료47)를 중심으로 간단히

요약하면 발수제의 주요성분 퍼플루오로알킬기(Rf기)함

유 폴리머의 기능은 Rf기의 고리길이에 크게 의존하므로

PFOA문제 해법으로 탄소수 8 이상인 종래의 불소화학

에서 탈피 짧은 고리 Rf기(탄소수 6)를 가진 새로운 단

량체를 선택하여 발수제를 제조함으로써 환경 보전형 불

소계 발수유제를 개발하고 공업화하였다 한다

66

제 4 장

지원결과

1 지원결과 종합

테프론 코팅 기술의 문제점과 부식대전방지용 테플

론 코팅에 관한 정보 외에 신청기업의 요청에 따

라 C-나노튜브 코팅 및 DLC증착에 관련된 기술 정

보도 제공하였다

테플론은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat resistant)

비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coefficient of

friction) 내약품성(chemical resistance)과 특이한 전기적

특성(unique electrical properties) 및 온내구력(cryogenic

stability)으로 그 응용범위가 광범하며 용도에 따른 엄격

한 품질관리가 요구될 것으로 생각되어 중소기업에 적합

한 기초능력 배양과 신제품을 구상하기 위한 최신기술에

관한 정보를 제공하고자 하였다

67

불소수지의 코팅은 두께와 첨가제가 관건으로 이에 관한

자료를 제공하고자 하였으며 불소수지의 전기특성 폭발

성 환경과 반도체 제조공정에서의 대전 방지 처리를 위

한 정전기 관리 지표 등을 특허를 중심으로 조사하여 제

공하고자 하였다

C-나노튜브를 이용한 대전방지 코팅 기술 및 C-나노튜

브의 제법 등 이것에 관한 기초정보를 제공하고자 하였

으며 내마모성 테플론 코팅에 관해서는 테플론을 이용한

세라믹 코팅 기술에 관한 정보도 제공하고자 하였다

테플론의 기계적 전기적 특성을 강화하기 위해 사용되는

충전제를 종합하고 기초이론을 정립함으로써 금후 원부

자재의 선정에 도움을 주었다

테플론은 석면 대체재로도 주목받고 있어 이에 관한 특

허 정보들을 제공하였으며 다이아몬드의 전형적인 특성

을 나타내는 DLC의 코팅관련 기술 정보를 환경오염 문

제와 연관하여 자료를 제공하였고 최근 비-점착 주방기

구인 프라이팬이나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가

열할 때 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수도 있

다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있어 이에

관한 정보도 제공하였다

68

2 지원의 한계

중소기업이 당면한 문제는 전문기술의 확보다 관련 기술

이 비약적으로 발전하는 추세에 비추어 한정된 인원으로

신기술을 소화하고 개발하기는 어려울 것이므로 출연연

구기관이나 대학과 공동연구를 모색할 수 있으나 이것도

중소기업으로서는 경제적 부담이 될 수밖에 없을 것으로

생각된다 가능하다면 앞으로도 KISTI의 정보지원이 계

속되기를 바라고 있었다

3 기대효과

부식대전 방지 테플론 코팅에 관한 기본 기술이 배양되

어 합리적인 원부 원료의 수입검사 공정관리 및 제품관

리를 통해 원가절감은 물론 신제품 신기술에 관한 정보

수집 및 분석능력이 배양되고 개발력이 확충되어 기업

경쟁력 향상에 도움이 될 것이다

69

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이치옹 모니터링분석 KISTI

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저자소개

김학주(金鶴柱) 서울대학교 문리과대학 화학과 졸업 이학사

전북대학교 대학원 화학과 이학박사

(주)삼양사 의약연구소장 신성대학교 교수

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 폴리에스테르 섬유의 연중직방기술 외 다수

저서 기기분석 공업물리화학 일반화학

성용길(成墉吉)

동국대학교 이과대학 화학과 졸업 이학사 이학석사

부산대학교 대학원 화학과 이학박사(Dr Sci)

University of Utah USA Ph D(공학박사) Post Dr

유타대학교 연구교수 부산대학교 교수 동국대학교 교수

동국대학교 명예교수 한국원자력문화진흥원 이사

과학문화연구원전문연구위원 한국도량형과학문화연구원 원장

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 의료용 기능성 고분자재료에 관한 연구 외 330편

저서 고분자 물성론 (서울대학교 출판부 공저) 외 10권

머 리 말

최근 반도체 관련 기업체공장과 공정 중에서 부식방지와

대전방지의 문제점들을 해결하기 위하여 테프론 코팅들이

채택되어 왔습니다 그 중에서도 테프론 코팅은 전기가 통

하지 않는 성질을 갖고 있는 불소수지 고분자재료를 활용하

여 부식 대전방지 코팅을 목적으로 하고 있지만 실제 정

전기를 유발하는 제반 문제들이 발생되고 있어 이를 극복해

야할 필요성이 크게 대두되고 있습니다 이러한 문제점들을

해결하기 위해서 ReSEAT 프로그램의 전문연구위원으로부

터 최신의 기술정보들에 관한 멘토링과 지원을 받고자 지원

요청하고 있어 이 문제점들을 해결하는데 상응하는 최신 학

술문헌과 특허정보들을 KISTI를 통하여 조사 연구하여 적

극적으로 지원하고자 합니다

이 보고서는 「ReSEAT 프로그램 사업」의 일환으로 저희

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램에 참여하신 김학

주와 성용길 전문연구위원이 작성한 것으로 필자의 노고에

감사드립니다 아울러 본고의 내용은 필자의 사견일 뿐 저희

연구원의 공식견해가 아님을 밝혀둡니다

2013년 9월

한국과학기술정보연구원

원 장 박 영 서

목 차

제1장 개 요 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 1

1 정보지원의 필요성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 1

2 정보지원의 목적 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 2

3 참여연구원 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 3

제2장 지원 내용 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 4

1 정보지원 업체의 요구사항 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 4

2 정보지원의 범위 및 내용 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 5

제3장 지원 프로세스 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 7

1 1차 지원 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 7

2 2차 지원 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 10

3 3차 지원 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 12

4 4차 지원 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 16

5 5차 지원 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 18

세부 지원내용 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 19

(1)플루오르화 탄소의 특성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 19

⑵플루오르화 탄소 수지 코팅 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 22

⑶대전방지 플루오르화탄소 수지 코팅 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 30

⑷탄소나노 튜브 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 39

⑸내마모성 테플론 코팅 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 42

⑹충전 또는 강화 플루오르화탄소 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 51

⑺시트 테이프 및 박층(laminates) middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 55

⑻DLC코팅 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 57

⑼불소수지의 안정성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 60

(10)불소화합물의 안정성과 환경대책 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 62

제4장 지원결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 66

1 지원 결과 종합 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 66

2 지원의 한계 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 68

3 기대효과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 68

참고문헌 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 69

표 목차

lt표 1-1gt 참여연구원 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 3

lt표 3-1gt 플루오르화탄소 플라스틱의 유형 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 20

lt표 3-2gt 테플론 코팅 두께 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 25

lt표 3-3gt 테플론 코팅을 위한 화학첨가제 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 28

lt표 3-4gt 불소수지의 전기 특성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 30

lt표 3-5gt 불소수지용 충전제 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 53

lt표 3-6gt 15종 유해물질 및 유독성 기체 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 61

그림 목차

lt그림 3-1gt 테플론 거품코팅 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 29

lt그림 3-2gt 피렌카르복시산을 이용한 μD 표면처리 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 48

lt그림 3-3gt 테플론 PTFE에 미치는 충전제의 종류와 농도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 54

1

제 1 장

개 요

1 정보지원의 필요성

최근 반도체관련 기업체공장과 공정 중에서 부식방지

와 대전방지의 문제점을 해결하기 위해서 불소수지 고

분자재료의 전기가 통하지 않는 성질을 이용하여 부식

대전방지 테프론 코팅을 채택하고 있으나 테프론 코팅

은 실제 정전기를 유발하는 제반 문제들이 발생되고

있어 이를 극복하여야 한다

금속 혹은 세라믹 기재 등에 내마모성과 비점착성 및

윤활성을 부여하기 위하여 불소수지 고분자와 다양한

충전제를 배합한 조성물과 유기 또는 무기질 바인더를

이용하여 기재인 알루미늄 혹은 철 재료의 표면에 코

팅하여 저마찰성 비점착성 내마모성 등의 물성을 부

여하는 기술개발은 계속되고 있다 그리고 합성수지인

테프론 등 불소수지가 고온에서 화학분해 과정을 통해

2

유독성분이 발산되므로 최근에는 조리용 프라이팬 등

에 PTFE계 수지의 사용을 제한하는 조치가 시도되고

있는 등 환경관련 문제에 관한 정보가 필요하게 되었

다

위의 문제점들을 해결하기 위해서 ReSEAT 프로그램

의 전문연구위원으로부터 최신의 기술정보들에 관한

지원과 멘토링을 받고자 요청하고 있다 이 문제점들

을 해결하는데 상응하는 최신 학술문헌과 특허정보들

을 KISTI를 통하여 연구 조사하여 지원하고자 한다

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구

위원 김학주와 전문연구위원 성용길은 기술정보지원

신청업체에 부식대전 방지용 테프론 코팅의 제반 문제

들을 해결하기 위한 필요한 기술을 전수하고자 한다

2 정보지원의 목적

ㅇ 본 정보지원의 목적은 LCD와 PDP OLED 등 테프론

코팅이 필수적 요소인 대형 디스프레이 공정에서 정전

기 유발을 방지할 수 있는 기술에 관한 최신정보 및 특

허조사 등에 관한 자문과 현재진행 중에 있는 각종 부

3

식과 대전 방지기술에 관한 객관적 멘토링을 통하여 부

식대전 방지용 테프론 코팅에 관한 제반 문제들을 해결

하고 안전하게 본 중소기업체의 제품생산과 기술을 향

상시키고 고급화 하는데 있다

ㅇ 또한 화학반응용 용기 및 원자로 건설에 필요한 각종 제

작품 등에 필요한 부식방지 및 대전방지를 위한 테프론

코팅의 최신 기술정보를 제공 지원하고 그 특수코팅에

필요한 맞춤형 기술정보를 제공하는 것이 본 연구의 목

적이다

3 참여연구원

lt표 1-1gt 참여연구원

구분 성명 직위 전공 업무

ReSEAT

프로그램

김학주 전문연구위원 고분자 과제 책임자 기업현황 분석

성용길 전문연구위원 고분자 정보지원 기술전수 멘토링

4

제 2 장

지원 내용

1 정보지원 업체의 요구사항

테프론 코팅 기술의 문제점과 부식대전 방지용 테

프론 코팅에 관한 최신 기술정보

정전기 대전방지용 테프론 코팅과 부식대전방지 테

프론 코팅기술의 특허문헌과 학술문헌

불소수지 코팅에 관한 기술 동향과 부식대전 방지용 테

프론 코팅의 응용기술에 관한 기술정보

유리의 정전방지 박리대전 가공 C-나노튜브 코팅 수

분산성 도료(binder) 등을 사용한 내열성 세라믹코팅

및 대규모 DLC증착 관련 기술정보

5

2 정보지원의 범위 및 내용

가 정보지원 범위

정보지원은 LCD공정용 스테이지(Stage) 박리 대전방지

코팅 반도체 공정용 석영 관련제품 코팅 추출용 반응기

튀김틀 코팅 광학필름 및 기능성 필름 생산롤러 코팅

전기재료 석유화학 정밀화학 반응기 코팅 및 필터드라

이어 등 테프론 코팅에 관한 전반적인 기술 자료와 불소

수지의 특성과 용도 및 환경과 관련한 안전문제에 관한

지식과 기술정보를 제공하였다

나 정보지원 내용

KISTI에서 체계적적으로 NDSL 검색 유럽특허청 검

색 Web of Science 검색 Google 검색 Sci Dir를 통

한 원문입수 등의 작업을 수행하였다

- Keywords에 의한 문헌 및 특허조사 TEFLON +

Coating Anti-corrosion Coating Anti-static

Coating Fluoropolymers Fluorinated polymers

Fluorocarbon polymers

6

- Keywords=TI (TEFLON or Fluoropolymers or

(Fluorinated polymers)) Coating) 또는 AB

((TEFLON or Fluoropolymers or (Fluorinated poly

mers)) Coating) 활용하여 학술문헌과 특허를 검색

하였다

신청업체 공장현장에서 현재까지 수행되고 있는 부식

방지 및 대전방지 테프론 코팅기술들을 종합하여 분석

하고 조사된 기술정보 자료들과 비교 분석하여 장차

개선할 수 있는 코팅 신기술을 조사 분석하여 자문하

고 멘토링 하였다

7

제 3 장

지원 프로세스

1 1차 지원

일시 및 장소 2013년 4월 22일(월요일) 1000-1400시 신청

업체 2층 회의실

참석자 히토시 사토(부사장) 성용선(연구소장) 장용석

이사

주제 및 토의사항

- 지원업체의 현황 LCD공정용 스테이지(Stage) 박리

대전방지 코팅 반도체 공정용 석영 관련제품 코팅

추출용 반응기 튀김틀 코팅 광학필름 및 기능성필름

생산 롤러 코팅 전기재료 석유화학 정밀화학 반응기

코팅 및 필터드라이어 등의 테프론 코팅에 관한 작업

8

- 지원내용과 향후지원계획 공장 현장을 방문하고 브리

핑을 통해 필요한 정보를 파악함 조사된 자료(문헌

특허 등)를 전달하고 희망 사항을 파악한 결과 특히

유리의 코팅을 중심으로 한 박리대전 방지 가공 세라

믹 코팅(수분산성 도료-바인더-)을 사용한 내열성 코

팅 대형 DLC 증착기술 및 경쟁사가 개발하고 있는

C-나노튜브 코팅에 관한 정보에도 관심이 많았음

ReSEAT NDSL 및 구글 야후 네이버 등을 통한 자

료조사 방법의 활용 방법을 설명해 주었음

- 지원효과 ReSEAT NDSL 구글 야후 네이버 등을

통한 주제 또는 키워드 검색에 의한 자료 검색 분석

능력 향상 제공 자료와 문헌의 활용 효과 등

- 자료제공

① Klaus Lunkwitz Uwe Lappan Ulrich Scheler

Modification of perfluorinated polymers by

high-energy irradiation Journal of Fluorine

Chemistry Vol 125 2004 pp863sim873

② LBorucki et al Diamond Conditioner Wear

Characterization for Copper CMP Process

Transaction on Electronic Materials Vol 8

9

2007 pp1520sim20

③ Polytetrafluoroethylene Aluminum magnesium

boride Diamond-like carbon Carbon nano-tube

-Wikipedia the free encyclopedia (2013)

④ 野坂正隆 低溫環境下におけるドライボロジドラ

イボロジスト(日本) Vol 52(11) 2007 pp759sim

764

⑤ 식품의약안전청 연구보고서(연구책임자 유승석)

불소수지코팅 주방기구의 안전성 평가C 2004 12

⑥ 이장호 등 테프론 코팅 전열관 표면으로의 열 및

물질 전달 특성에 관한 실험적 연구 대한기계학

회논문집 B권 Vol 27(8) 2003 pp1051sim1060

⑦ Eun-Joo Kim et al Teflon coating of fabric

filters for enhancement of high temperature

durability J of the Korean Oil Chemists Vol

28(2) 2011 pp232sim239

⑧ Jin-Goo Park et al Characterization of

Fluorocarbon Thin Films by Contact Angles

Measurements Journal of Microelectronics amp

Packaging Society Vol 6(1) 1999 pp39sim49

⑨ WO 200054614(Solex Robotics Systems Inc

Anti-static Non-sparkling Coatings for

10

Explosive Environments)

⑩ WO 2012123103(WLGore amp Associates GMBH

Use of an Ionic Fluoropolymers as Antistatic

Coating)

⑪ WO 2006 017259 (Thomae Kurt J Multilayer

Corrosion-resistant Finish and Method)

2 2차 지원

일시 및 장소 2013년 5월 16일(월요일) 1000-1400시 신청

업체 2층 회의실

참석자 성용선(연구소장) 장용석 이사

주제 및 토의사항

- 지원내용과 향후지원계획 지참 자료를 제공하고 연구

원들의 기초지식 배양을 목적으로 불소수지의 특성에

관해 각 유형을 중심으로 제공 자료를 통해 종합 설

명함 불소 수지 코팅 방법 개발 목적 기질의 전처리

방법 두께 제어의 중요성 코팅시스템 등을 토의하고

이에 관한 자료를 제공하여 기초지식을 배양함은 물

11

론 최근 기술 동향을 파악함 다음 방문 시(6월 20일)

에는 대전 방지 불소 수지 코팅을 중심으로 그 중요

성과 이론 등 기초지식과 최근의 개발동향을 검토하

기로 함

- 지원효과 불소수지의 유형과 특성을 통한 원료의 선

정 시 고려할 사항 코팅 방법 기질의 전처리 방법

용도에 따른 두께 제어의 중요성 파악 공정 및 제품

관리에 관한 기초지식 배양과 최근 기술 동향 파악

- 자료제공

① JP-2005-237860(三洋電氣株式會社 電氣掃除機)

② JP-2010-261035(Xerox Corpor- ation フツ素ナノ

ダイヤモンドを含むテフロン定着器部材)

③ JP-2010-78036(株式會社ルネサステクノロジ 配管

チュ-ブおよびこれを備えた機械裝置)

④ WO 2008154391(Alcoa Inc Heat Exchanger)

⑤ 등록번호10-0365003 (주식회사 엘지아이 열처리를

이용한 테프론 코팅 방법)

⑥ 공개특허10-2008-0061943(주식회사 하이닉스반도체

이온 주입장비의 웨이퍼 지지 장치)

⑦ 등록번호 10-0449561(주식회사 봉성비에스 완충기

12

용 피스톤의 테플론 코팅장치)

⑧ 등록번호 10-0522254(백원두 브레이크 라이닝(또

는 패드) 제조방법)

⑨ 등록번호 10-0811228(조철환 내열 세라믹 주방용

기의 불소수지코팅방법 및 그 방법에 의해 불소수

지 코팅된 내열 세라믹 주방용기) 등

3 3차 지원

일시 및 장소 2013년 6월 20일(목요일) 1000-1400시 신청

업체 2층 회의실

참석자 김학주 성용길 성용선(연구소장) 이채영 차장

및 연구원

주제 및 토의사항

- 지원내용과 향후지원계획 불소수지의 전기적 특성과

대전 방지용 불소수지의 충전제에 관한 장단점 토의

대전 방지의 중요성 폭발 환경에서의 정전기 안전지

침 반도체 제조 장치에서의 작업스테이지의 대전방지

에 관한 기술 동향 토의 최근 관심의 대상이 되고 있

13

는 탄소나노튜브(CNTs)의 제조 방법 용도 등에 관한

설명과 의견교환 내마모성 테플론 코팅 방법 용도

등에 관한 자료제공 및 의견교환 충전 또는 강화 불

소수지에 관해 자료조사를 통해 얻은 충전제의 종류

기계적 및 물리적 특성 향상 방법에 관한 기초지식을

제공함 다음 방문 시(7월 25일)에는 시트 테이프 및

박층 테플론과 최근 내마모성 코팅기술로 주목받고

있는 DLC코팅과 테플론의 안정성 문제에 관해 의견

을 교환하고 그간의 정보지원에 관한 내용들을 종합

정리하기로 함

- 지원효과 대전방지 불소수지 코팅의 작업표준 및 관

리지침에 반영할 자료 제공 최근 관심의 대상이 되는

CNTs에 관한 기초지식 배양 및 정보수집과 분석 불

소수지에 사용되는 각종 충전제의 선정 시 참고 자료

확보

- 자료제공

① Francis J Clauss Chapter 9 Fluorocarbons

Solid Lubricants and Self-lubricating Solids 1972

pp195sim238

② Eunsoo Kang Seongcheol Choi Changhoon Choi

14

Sang Eun Shim Aqueous dispersion of

submicron-sized diamond particles for thermally

conductive polyurethane coating Colloids and

Surfaces A Physiochem Eng Aspects415(2012)

pp255-261

③ Masaaki Yamane Tadeusz A Stolarski Shogo

Tobe Influence of counter material on friction

and wear performance of PTFEndashmetal binary

coatings Tribology International Vol 41 (2008)

pp269ndash281

④ M Pazderova M Bradac M Vales

Tribological Behaviour of Composite Coatings

Procedia Engineering Vol 10 (2011) pp472-477

⑤ S Rossi F Deflorian F Venturini

Improvement of Surface finishing and Corrosion

Resistance of Prototypes by Direct Metal Laser

Sintering Journal of Materials Processing

Technology Vol 148 (2004) pp301-309

⑥ S Rossi F Chini etal Corrosion Protection

Properties of Electroless NickelPTFE Phosph-

ateMoS2 and BronzePTFE Coatings Applied to

Wear Resistance of Carbon Steel Surface and

15

Coatings Technology Vol 173 (2003) pp235-242

⑦ VC Malshe Nivedita S Sangaji Fluorinated

Acrylic Copolymers Part I Study of Clear

Coatings Progress in Organic Coatings Vol 53

(2005) pp207-211

⑧ Xing-Dong Yuan Xiao-Jie Yang A Study on

Friction and Wear Properties of PTFE Coatings

under Vacuum Conditions Wear Vol 269 (2010)

pp291-297

⑨ Amel Delimi Elisabeth Galopin etal

Investigation of the Corrosion Behaviour of

Carbon Steel Coated with Fluoropolymer Thin

Films Surface amp Coatings Technology Vol 205

(2011) pp4011-4017

⑩ 이계영 김태균 김종구 ldquo내마모성 및 윤활성 코팅

조성물rdquo 대한민국특허 등록번호 10-1151909 (2012)

⑪ Thomae Kart J Multilayer Corrosion Resist

ant Finish and Method WO 2006017259(2006)

⑫ (주)바론에스엘 ldquo불소수지와 세라믹의 유무기

하이브리드 코팅 조성물 및 그를 이용한 도막 형성

방법rdquo 대한민국 공개특허 10-2013-0028553 (2013)

16

4 4차 지원

일시 및 장소 2013년 7월 25일(목요일) 1000-1400시 신청

업체 2층 회의실

참석자 성용선(연구소장) 이채영 차장 및 연구원

주제 및 토의사항

- 지원내용과 향후지원계획 발암물질인 석면대체재로써

테플론의 개발 동향을 나선 권형 가스켓과 자동차브

레이크 제동장치를 중심으로 토의하고 내마모 특성을

필요로 하는 DLC 코팅에 관한 정보제공과 DLC 특성

에 관해 집중 토의함 환경문제와 관련하여 대두되고

있는 테플론 분해가스 등 안정성 문제에 관한 자료를

제공하고 이에 관한 의견을 교환함 그간의 제공 정보

를 종합하고 8월 말 작성예정인 최종보고서 내용을

협의하였음

-지원효과 신기술 개발을 위한 내마모 코팅 DLC코팅

환경문제를 고려한 친환경 제품 등 신기술과 신공정

개발을 위한 개념을 확립하였음

17

- 자료제공

① WO 2006047500(Henkelkommanditgesellschaft auf

Aktien Article of Manufacture and Process for

Anodically Coating an Aluminum Substrate with

Ceramic Oxides Prior to Organic or Inorganic

Coating)

② 이치옹 분석자료 ldquo나선형 개스킷의 비석면화rdquo

Takashi Miyoshi 배관기술(일) Vol 46(10) 2004

pp43-47

③ 유호천 ldquoDLC 코팅 표면처리rdquo KISTI 중소기업 정

보지원 2011 10 11

④ 유호천 ldquoPVD DLC TRD 코팅설비를 활용한 복

합충 개발및 제품적용rdquo KISTI 중소기업 정보지원

2010 10 21

⑤ 국립환경과학원 ldquo화학물질 배출량 조사 OECD와 협

력강화rdquo 보도자료 (2010 11 18)

⑥ ldquo새로운 코팅기술과 공구에 대한 적용rdquo 월간기계기술

기자 2005년 3월호

⑦ Teflon off-gas studies Environmental Working

Group Ewg Org Retrieved on 2013-01-01

⑧식품의약품안전청 ldquo식품용 기구 및 용기 포장 공전rdquo

18

2012

⑨ 廣野高生 ldquo環境保全型フッ素系 撥水撥油剤の 開發

と 工業化rdquo ファインケミカル(日本) 37(11) 2008

pp39-44 이치옹 모니터링분석 KISTI

5 5차 지원

일시 및 장소 2013년 8월 21일(수요일) 1000-1400시 신청

업체 2층 회의실

참석자 성용선(연구소장) 이채영 차장 및 연구원

김학주(전문연구위원) 성용길(전문연구위원)

김종헌(KISTI 연구책임자)

주제 및 토의사항

1 불소화합물의 안전성과 환경대책 정보지원 결과 종합

등 최종보고서(안) 내용에 관한 의견교환

2 지원의 한계와 기대효과에 관한 의견 교환

3 건의 사항 등

19

세부 지원 내용

⑴플루오르화탄소 플라스틱의 특성

Teflon TFE(폴리테트라플루오로에틸렌)은 1940년대부

터 사용되어 왔으며 Teflon FEP(플루오르화에틸렌프

로필렌 공중합체)는 1958년에 소개되었고 압출 및 사

출성형이 용이하며 TFE 유형은 딱딱하고 낮은 마찰계

수를 가지며 마모에 강하고 보다 높은 온도에서 사용

가능하다 이 외에도 플루오르화탄소 플라스틱에는 폴

리염화플루오르화에틸렌(CFE 또는 CTFE)와 폴리비닐

리덴플루오라이드(PVF) 등이 있다 플루오르화탄소 플

라스틱은 그 코팅방법에 따라서도 응용범위가 광범위

하게 발전되어 왔으며 그 용도는 주방용기로부터 기

계 자동차 반도체는 물론 우주항공 산업 부품에 이르

기까지 무한하며 상업 생산되고 있는 플루오르화탄소

플라스틱은 표 3-11)과 같다

PTFE는 열가소성 플라스틱으로 상온에서 밀도 약 2200

인 백색고체로 융점은 327이며 마찰 및 마모 특

성을 나타내는 마찰계수는 고체재료 중 BAM(alumi-

20

nium magnesium boride 마찰계수 002)과 DLC

(diamond-like carbon 마찰계수005)에 이어 3번째로

낮은 005-010로 반데르발스 힘에 대한 저항력으로 도

마뱀이 붙을 수 없는 유일한 표면으로 알려져 있다2)

표 3-1 플루오르화탄소 플라스틱의 유형1)

21

Teflon의 유용한 기계적 특성은 -450sim500(-267sim

260)에서 유지되며 여러 가지 특성들은 가공기술을

바꾸어 변경시킬 수 있다 마찰 및 마모 특성을 나타

내는 마찰계수들은 시험조건에 따라 다르며 Teflon은

증기압이 극히 낮아 진공에서도 우수한 안정성을 가

지며 방사선 안정도는 부족하나 방사선 내용성은 극

히 높다

테프론의 특징은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat-

resistant) 비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coeffi-

cient of friction) 내약품성(chemical resistance) 특이한

전기적특성(unique electrical properties) 저온내구력

(cryogenic stability)으로 대표된다3)

- 테프론 코팅된 표면에는 거의 모든 물질이 달라붙지

않으며 내열성(heat-resistant)이 우수하여 -260sim+26

0까지 사용할 수 있고 단시간 사용의 경우에는 30

0까지 견디며 Teflon FEP는 232에서 연속사용이

가능하다 비유성(non-wetting)이 우수하여 표면에 물

이나 기름이 잘 묻지 않아 표면이 오염되지 않아 쉽

게 청소가 가능하고 기계설비의 보수시간이 단축되어

생산성을 향상시킬 수 있다 테프론은 비-절연성은 물

22

론 비-유전정접과 우수한 표면 저항률을 보인다

⑵ 플루오르화탄소 수지 코팅

얇고 강인한 플루오르화탄소 수지 필름을 금속 등에

소결이나 수지-접착에 의해 바르면 기질에 침착된 필

름은 저온흐름으로 고체 플루오르화탄소 수지보다 낮

은 마찰계수를 띠고 금속은 양호한 열전도도를 갖고

열을 분산할 수 있어 고속으로 운전할 수 있고 양호한

내구성을 갖게 된다

1950년대 미국 해군연구소에서 소결 Teflon TFE필름을

수성 분산액(현탁질)으로부터 무기 탄약통 비행기부

품 잠수함부품의 건조-필름 윤활제 및 보호 코팅용으

로 개발한 후 이것들은 기어 정첩(hinges) 샤프트 베

어링 밸브 플러그 콕 피스톤 링이나 그 외의 산업분

야에 응용되고 있다

- 실제로 적절한 테플론 현탁질을 고체 표면에 침적한

후 수분 증발이 너무 빠르지 않게 공기에서 필름이

건조되게 한 후 테플론 입자들이 연화 및 소결되도록

건조된 표면을 약 385(725)로 가열하고 냉각하면

23

얇은 연속 필름이 표면에 남지만 필름 중의 많은 작

은 세공들은 테플론의 높은 용융점도 때문에 제거할

수 없다 세공들은 윤활 작용에는 제한을 받지 않으나

녹슬거나 부식의 공격점이 되어 부식방지를 위해서는

1회 이상의 박막 추가 코팅이 반복되고 보통 2회 코

팅으로 충분하나 각 침적 테플론 층은 두께가 00003

인치(762)를 초과하지 않아야 하며 그렇지 않으면

말린 진흙 같이 균열이 발생한다 필름이 윤활제로 사

용될 때는 필름두께가 00006-00007인치(152-178)

를 초과하지 않아야 한다1)

- 테플론코팅은 통상으로 존재하는 표면 산화물이 제거

되지 않은 깨끗하고 탈지된 강철 황동 및 알루미늄금

속표면일 때 가장 잘 접착한다 만일 산세척에 의해

과잉 두께의 산화물이 제거되었다면 필수적으로 얇은

산화층이 형성될 때까지 공기 중에서 가열한다 접착

은 실표면적이 증가하면 증가하므로 경면가공(mirror

finish)보다 모래분사가공이나 무광택가공이 양호하다

- 테플론 코팅된 표면의 마찰계수는 금속기질 표면을

거칠게 함으로써 낮출 수 있으나 미끄럼마찰 조건 아

래 내구성은 금속의 거칠기가 32마이크로인치(rms)를

초과하면 감소한다

24

철강 기질의 인산처리는 소결 Teflon TFE필름의 마모

수명을 향상시킨다고 보고되었으며 양극처리 된 코팅

의 경도 및 내마모성과 불소수지의 윤활성을 결합하기

위해 다공성 경화 양극처리 알루미늄 위에 불소수지를

침윤하여 왔다 Teflon S 마감재는 Du Pont이 도입한

최초의 수성-기초 분산 TFE FEP로 이들은 ldquo계층화

된rdquo 마감재이다 Francis J Clauss1)는 다양한 용도에

서의 Du Pont사 제품들의 선정 가이드를 표로 종합하

였으며 이것을 요약하면 표 3-2와 같다

- 테플론 코팅은 프라이머 단층 프라이머 코팅 후 에나

멜이나 클리어 마감 또는 프라이머 에나멜과 클리어

마감 등 3-코팅 시스템으로 구성된다 프라이머들은

금속이나 세라믹 기질에 접착을 향상시키기 위해 개

질제를 함유한다 프라이머들은 가끔 1회 코팅 마감재

로 사용되나 음식물과 접촉하는 용도로는 반드시 에

나멜이나 클리어 마감재로 마무리 칠을 하여야 한다

프라이머는 층간 접착력이 부족하기 때문에 다중 코

팅에 적용될 수 없고 만일 06mil 이상의 코팅이 필요

하면 프라이머는 에나멜이나 클리어 마감재로 마무리

칠을 하여야 한다

25

표 3-2 테플론 코팅 두께1)

최종

용도대표적 용도

전체두

께(mils)

프라이머에나멜클리어

가공(mils)

비점착

산업

직물 슬래셔 통

열 봉합 봉 고무경화 롤러

우레탄과 에폭시 경화 주형

제빙기

목재 고무 주석도금 아연

10-25

07

20-50

08-13

07

03 07-22 07-10

07 마무리칠 불가

03 07-37 10min

03 05-10 05-10

07 마무리칠 불가

식품

프라이팬 내열접시

반죽롤러

캔디 장치

08-12

10-30

20-30

03 05-09

03 07-27

03 07-17 10

One-coat

system

금지

드라이

윤활

플러그 밸브

유리병 제조 전달 장치

베어링

03-07

15-25

05-07

03-07

03 03-05 03-05

02

전기

전자

저항기 코팅

아이들 롤러(제지 섬유 공업)

세라믹 절연체

40-50

10-15

20-25

03 37-47

03 07-12

03 17-22

부식

방지용기 라이닝 gt50 03 47 또는 5-10 이상

Non-

wetting콘덴서 튜브 02-04 02-04

- 유색 프라이머는 통상 안료가 필름의 범위와 두께를

시각적으로 체크할 수 있게 하므로 그렇지 않은 것에

비해 더 선호된다 에나멜과 클리어 마감재는 충분한

접착을 위해 프라이머 위에 발라야 한다 ldquo진흙 갈라

짐 현상(mud-cracking)은 코팅 당 최대 두께를

10mil로 한정하나 다중 코팅에 의해 극단적이 조건

하에 전체 두께를 10mils까지 바를 수 있으며 각각의

26

코팅은 분리하여 구워진다

불소화 고분자들은 낮은 표면장력 물과 기름에 젖지 않

고 비점착성이며 방오 특성(antifouling properties) 등을

갖기 때문에 다양한 특수 코팅에 적용되나 합성과 조성

이 몇몇 제조업자들에 독점되어 있고 값비싼 중간체를

필요로 한다 VC Malshe 등4)은 플루오르 함량이

4-10인 불소화된 아크릴 공중합체를 간단한 방법으로

합성하고 클리어 코팅하여 광학적 기계적 및 보호 특성

을 연구하였다

최근 에너지 절감과 CO2규제와 같은 환경규제에 대한 대

응 필요성이 증가하면서 발전소나 각종 보일러 시스템에

서 배가스로 배출되는 응축잠열 에너지의 회수 및 활용

에 관심이 증가되고 있다 Lee 등5)은 스테인레스 관 표

면에 400정도의 두께로 테플론을 코팅한 전열관에서

관의 열 및 응축 열전달 특성을 연구하여 테플론 코팅관

의 총괄 열전달 계수는 스테인레스 관보다 약 20 작은

것으로 나타나고 응축열전달 계수는 유사하였음을 보고

하였다

알루미늄 용광로의 비-여과 배출가스에 장기간 사용하기

적합한 역류 열교환기에 관한 것으로 원통형 쉘의 표면

27

은 알루미늄 용광로 배출가스 입자 및또는 먼지 및 부

식 흄과 접촉될 수 있어 테프론 계로 코팅 처리하는 특

허6)가 있다 이 특허에서는 원통형 쉘을 만들도록 복재

(web member 웨브재)와 함께 연결된 유체 운반튜브로

이루어진다 각 원통형 쉘에 위치한 헤더는 열교환기의

튜브에서 튜브로 유체를 공급하며 뜨거운 난류가스에 작

용하여 스케일링을 최소화하기 위해 헤더의 보호덮개를

설치한다

저온에서 고온에 이르는 환경에서 유체에 사용되는 배관

튜브는 열에 의한 경시적 열화가 진행되어 균열 발생이

쉽다 가동부에 사용되는 배관 튜브는 움직임이 수반되어

그 경향이 현저하며 반도체 제조장치에 일반으로 사용되

는 실리콘튜브는 저온에서 열화되어 파손되기 쉽다 이러

한 문제점을 해결하기 위해 실리콘 튜브 외측 표면을 테

플론으로 코팅하여 균열발생을 억제함으로써 장시간 사

용 가능하도록 고안한 특허7)가 있다

섬유상 부직포로 제작하는 다공성 여과필터는 다양한 산

업공정의 배출가스를 정화시키는 데 사용되며 특히 중고

온 환경에서 사용이 가능한 다양한 종류의 기능성 필터

의 개발이 요망된다 일반으로 소각장 및 발전소 등의 중

고온 조건에서 사용되는 Nomex를 비롯한 섬유상 필터는

28

200 이상에서는 열변형으로 사용이 제한적이고 세라믹

필터와 같이 고온에서 적용이 가능한 소재는 매우 고가

일 뿐 아니라 초기 작업으로 인해 에너지 사용량이 매우

높아지는 문제점이 있다 Kim 등8)은 250-300 영역의

중고온의 배출가스를 처리하기 위한 필터에 표면 소수성

과 고온 안정성을 부여하기 위하여 표 3-3과 같은 조성

으로 그림 3-1과 같은 장치를 이용하여 테플론 수지를

거품 형태의 코팅액으로 조제하여 유리섬유 원단에 공급

하여 표면코팅하고 열처리 및 압착과정을 거친 후 표면

분석하였다

표 3-3 테플론 코팅을 위한 화학첨가제8)

테플론 코팅이 전기 집진장치에 활용되는 특허도 있다

종전 사이클론 방식의 전기집진기에서는 집진부의 먼지

를 떨어뜨리는 것이 용이하지 않았다 발명자들은 먼지

압축 기능을 갖는 집진실 내측에 테플론 가공을 하여 정

전기에 의한 미세먼지의 부착을 억제함으로써 집진실의

먼지를 원 터치로 처리할 수 있도록 하였다9)

29

그림 3-1 테플론 거품코팅8)

일반으로 테프론을 조리용기에 코팅하는 방법은 금속소

재를 사용 제품형태로 제작한 후 세척하고 에이징(소둔)

처리한 후 샌딩하여 표면조도를 유지하도록 하고 표면에

프리머 처리하여 베이킹 처리한 후 분사방법으로 테프론

코팅을 하고 다시 베이킹 처리하므로 공정이 복잡하고

제조원가가 상승하며 부착력에 한계가 있다한다 (주) 엘

지아이 특허10)에서는 피처리물을 세척한 후 산질화처리

하여 표면에 열처리 층이 형성되게 한 후 테프론을 코팅

하고 베이킹 처리하는 것을 특징으로 한다 그 외에 내열

세라믹 주방용기의 불소수지 코팅방법에 관한 특허가 있

다11)

(주) 봉성비에스는 차량의 주행 충격을 흡수하는 완충기

30

내부에 삽입하는 피스톤 외주면의 마찰과 소음을 최소화

하기 위한 목적으로 테프론 코팅을 하기 위한 코팅장치

를 등록하였다12)

⑶ 대전 방지 플루오르화탄소 수지 코팅

ㅇ 본래 불소수지 자체는 높은 절연성과 큰 대전성을 갖고

있기 때문에 도전 효과를 얻기 위해서는 분상 필러를 다

량으로 충전할 필요가 있으나 이렇게 하면 비점착성이

떨어진다 여러 회사들의 제품 안내서들을 종합한 불소수

지의 전기적 특성은 표 3-4와 같다

표 3-4 불소수지의 전기 특성

특성측정법

(ASTM)단위

PTFE

(비충전)

PTFE

(25

유리충전)

PTFE

(25

탄소충전)

표면 내아크성 D495 sec 75-110

체적저항

(비저항)D257

ohm-

cmgt1018 gt1016 104

표면저항 D257ohm

sq-1 gt10

14

유전율(유전상

수) at 1MHzD150-81 e 25 24

절연내력 short

time 18thickD149

kv

mm285

유전정접(유전

정합) at 1MHzD150-81 lt00002 005

31

ㅇ 불소수지는 내열성 내한성이 높고 내약품성 내연소성

난연성이 우수하고 절연성 및 비점착성과 저 마찰계수를

갖고 있으나 절연성이 높아 정전재해의 원인이 될 수 있

어 재해 방지를 위해 대전 방지 또는 저저항을 특징으로

하는 불소수지 가공품이 개발되어 사용범위가 넓어지고

있다

불소수지에 충전하여 저저항으로 하는 필러에는 일반적

으로 도전성이 높은 카본 금속 또는 산화알루미늄 등의

금속산화물이 사용된다 재료의 형상으로는 미분 탄소

스테인레스 스틸 니켈 금속분과 같은 입상물 단섬유 탄

소섬유 위스커(whisker) 등이 사용된다

- 미분은 비표면적이 크기 때문에 소량의 충전으로 저

항치를 내릴 수 있으나 약품의 침투가 있는 경우 비

표면적이 크기 때문에 약품의 영향을 받기 쉬워 내부

식성 떨어질 가능성이 크다

- 입자상물질들은 미분에 비해 비표면적이 작기 때문에

약품의 영향을 비교적 적게 받지만 저항치를 내리기

위해 충전량이 많게 되어 불소수지의 특징인 비점착

성과 저마찰계수 특성을 저해한다 섬유 위스커 형상

은 단방향에 대한 장방향의 비가 클수록 적은 충전량

32

으로 저항치를 낮출 수 있지만 분산이 나쁘면 요철이

발생한다 부식 방지 코팅에서는 충전제의 내약품성이

관건이다 즉 부식 환경에서 불소수지 자체는 충분히

견디어도 충전제가 내약품성이 없으면 충전제가 서서

히 에칭되어 기기가 부식될 가능성이 크다

화학 석유 및 정제 산업에서는 시험 검사 세척 및 다양

한 공정의 용기 저장 탱크 반응기와 같은 많은 구성요

소들이 사용되며 플루오르화 고분자는 고온에서 높은 열

안정성을 갖고 다양한 유기용매에 전혀 용해되지 않으므

로 부식방지 등을 위해 플루오르화 고분자와 같은 내화

학성 고분자로 코팅된다 그러나 이들 고분자는 코팅된

구성요소의 표면에 정전하 축적을 조장하기 때문에 폭발

성 환경에서는 사용할 수 없다

특히 이들 구성요소들의 금속 구조물은 용기나 탱크에

보관된 가스 증기 분진의 이동에 의해 생성된 정전하

(electrostatic charge)를 흐르게 하는 전도경로가 되나 금

속표면을 강산 강알칼리나 유기용제에 의해 침투되는 방

지하기 위한 목적으로 부식방지 테플론으로 코팅될 경우

얇은 필름의 비-전도체로 작용하므로 폭발성 환경에서

사용을 규제하고 있다

33

- 예로 유럽 표준 EN 50014 section 732에서는 정전

하로 인한 발화 위험을 피하기 위해 사용 보수 및 세

척 조건 하에 설계된 울(enclosure)이 필요하고 울의

절연저항은 1GΩ을 초과할 수 없도록 규제하고 있고

일본은 후생노동성 관할 산업안전연구소의 정전기 안

전지침의 누설 저항치는 108Ω 이하로 되어 있다

- 따라서 부식 및 폭발성 환경에서 안전하고 다양한 구

성 요소에 적용할 수 있는 정전방지 비-발화 테플론

코팅기술을 요하며 정전방지 코팅은 표면저항을 낮추

기 위해 카본블랙이나 개질 전도성 탄소 금속이나 전

도성 고분자를 테플론에 충전하여 코팅한다

폭발성 환경용 내화학약품 특성과 대전방지 비발화

코팅 조성물로는 높은 비저항을 갖는 플루오르 고분자

50-90wt 10-50wt의 전도성물질인 탄소분(carbon

powder)으로 이루어진 Solex Robotics Systems Inc

특허가 있다13)

- 폭발환경에서 사용되는 이상적인 코팅은 정전하를 피

하기 위해 낮은 비저항을 가져야 한다 완벽한 전도체

는 비저항이 영(0)이고 완벽한 절연체는 무한 비저항

34

을 갖는다 금속(구리 금 같은) 합금(망가닌 Mn-Ni-

Cu 니크롬 Ni-Cr-Fe) 반도체(카본이나 게르마늄)는

낮은 비저항을 갖고 있어 좋은 도체이다

- 수많은 고분자 기초 코팅들이 부식화학 환경에 사용

되었으나 85GΩ 이상의 비저항으로 대전방지 시험에

서 실패하였다 정전기 도체로 인증기준 아래 적합하

기 위해서는 100cm2이상의 노출 표면이 1GΩ 이하의

비저항이어야 한다 코팅에 첨가된 탄소분은 전도도를

증가시키며 10-50의 함량은 1GΩ 이하의 비저항을

만족시킨다

비전도성 표면의 표면저항을 감소시키도록 카본이나 금

속을 사용하여 대전방지를 부여하는 공정의 단점으로는

카본이나 금속의 접착력이 낮아 입자의 마모가 일어나

장기간 사용 시 대전방지 수준이 감소하는 것이다 더욱

클린룸에서 입자의 방출은 심각한 문제가 된다 대부분의

비전도성 기질은 통상 23 상대습도 50에서 표면 비

저항이 109ohmsquare 이상으로 높고 PTFE 경우는 10

12

ohmsquare이상이다14)

반도체 제조 장치에서는 웨이퍼 기판을 안착하기 위해

작업 스테이지를 사용하며 작업스테이지는 통상 금속과

35

세라믹으로 제작되나 웨이퍼기판을 작업스테이지에 올려

놓을 때 작업스테이지와 웨이퍼기판 사이에 마찰 정전기

가 발생한다 FPD(flat panel diplay 평판표시)용 디스펜

서(dispenser)에 사용되는 작업스테이지는 진공방식으로

디스플레이 기판을 흡착 고정하며 흡착 고정되었던 디스

플레이 기판이 작업스테이지에서 박리될 때 작업스테이

지에 정전기가 발생하여 디스플레이 기판에 대전된다 최

근 디스플레이 기판이 대형화됨에 따라 대전량이 증가되

고 정전기 대전문제가 더욱 심각해지고 있다 웨이퍼기판

이나 디스플레이기판에는 반도체소자 등 다수의 전자부

품들이 배치되어 있기 때문에 정전기가 발생되면 전자부

품의 신뢰성에 치명적 손상을 주고 기판에 분진이 부착

되거나 정전기의 대전으로 기판 리프트 업(lift up)시 기

판이 깨어지는 문제가 발생한다 정전기 대전을 방지하기

위해서는 작업스테이지에 이오나이저를 설치하여 중화하

기도하나 리프트 업이 불가능하거나 이온풍이 도달하기

전 방전하는 등 작업 스테이지와 기판 사이에서 발생한

정전기가 순간적으로 일으키는 박리대전 문제를 해결하

기 어려워 작업 스테이지의 정전기 방지를 위해 불소수

지로 코팅한다

- 불소수지는 다른 물질과의 흡착에너지가 작고 비점착

성이 우수하며 마찰계수가 작아 유리기판과의 상관관

36

계가 작아져 박리에 의한 정전기의 발생량이 적어지

나 불소수지는 절연성을 가지므로 테프론 코팅에서는

카본 블랙이나 전도성 고분자 등을 필러로 사용한다

대전방지가 필요한 반도체 제조장비 디스플레이 장치 및

테스트 장치 등의 작업 스테이지를 테프론 코팅함으로써

작업 스테이지의 정전기 발생을 방지하는 방법의 단점의

하나는 제작비용이 상대적으로 많이 드는 것으로 디스펜

서의 경우 디스플레이 기판이 대형화됨에 따라 작업 스

테이지의 크기가 커져 제작비용이 증가한다 또한 불소수

지의 경도가 낮아 코팅 막에 스크래치가 발생하고 이 부

분은 평탄도 유지가 어려우며 입자들이 발생하는 요인으

로 작용하며 불소수지가 절연성이므로 카본블랙이나 전

도성 고분자 등의 도전성 필러를 충전하여 대전방지에

적합한 면-저항을 갖도록 할 경우 카본블랙은 구형으로

분진이 발생하는 문제점이 있고 전도성 고분자를 사용할

경우는 내용제성이 약하고 과량의 바인더를 사용하여야

하며 박막 형성이 어렵고 불소수지의 경도를 보완하기

위해 아노다이징 처리를 하는 경우는 이후 별도의 코팅

과정을 거쳐야 하므로 제작비용과 제작시간이 증가하는

등 여러 가지 단점들이 있다 이러한 문제점들을 해결하

기 위한 방법으로는 작업 스테이지와 기판이 만나는 면

에 정전기 발생을 최소화시킴과 동시에 그 제조비용이

37

절감되고 적절한 면-저항을 조절할 수 있으며 마찰계수

가 낮고 내마모성이 향상된 작업스테이지 표면의 대전방

지 처리 방법에 관한 국내의 탑나노시스 사의 특허15)가

있다

- 탑나노시스 사의 특허 목적은 작업스테이지의 기판과

만나는 면에 정전기의 발생을 최소화시킴과 동시에

그 제조비용이 저감되고 적절히 면-저항을 조절할 수

있으며 마찰계수가 낮고 내마모성이 향상된 스테이지

표면의 대전방지 처리 방법에 관한 것으로 이 특허에

서는 금속소재의 작업 스테이지 표면을 아노다이징

처리하여 복수의 산화표면 홀들을 형성시키고 여기에

탄소나노튜브를 삽입하고 경화하며 탄소나노튜브 경

화 후에 표면을 봉공 처리한다

- 작업스테이지 표면은 106-10

9Ωsq의 면-저항을 갖는

것이 바람직하며 산화표면 홀들은 직경 30-900nm 깊

이 100-900nm가 바람직하다 아노다이징 처리를 하는

금속소재는 Al Mg Zn Ti Ta(탄탈륨) Hf(하프늄)

Nb(니오븀) 등일 수 있고 이 발명에서는 가벼우며 일

정 강도를 갖고 가공성이 우수한 Al합금을 예로 들어

설명하고 있다

38

- 알루미늄소재 작업스테이지 표면에 산화피막(Al2O3)처

리를 하는 아노다이징(anodizing 양극산화)에서 전해

액은 수산화나트륨이나 수산과 황산 등이 사용될 수

있고 수산화나트륨의 농도(20-50) 공급전압 전류

및 시간 등을 조절하여 산화표면 홀의 크기(D)와 깊

이(L)를 조절하며 D와 L에 따라 대전방지 효과나 내

구성 및 표면경도를 조절한다

- 탄소나노튜브를 산화표면 홀 내에 삽입시키는 단계는

전해 흡착 하여 이루어질 수 있고 정전도장을 통해서

도 이루어질 수 있다 탄소나노튜브는 분산제를 포함

하는 용액으로 코팅되며 분산제로는 소듐 도데실설페

이트(SDS) 트리톤X Tween20(폴리옥시에틸렌 소르

비탄모노올레이트) CTAB(cetyl trimethyl ammonium

bromide)를 예로 들고 있으며 탄소나노튜브 용액은

아크릴계 우레탄계 등 또는 전도성 고분자계 유무기

하이브리드계 바인더가 포함될 수 있다

- 봉공처리는 산화표면 홀과 산화피막을 봉공하여 내식

성 등이 향상되도록 보호 층을 형성시키는 것으로 비

등수 가압증기에 의한 수화봉공 금속염을 포함한 열

수에 의한 금속염 봉공 오일로 도포나 침적하는 유기

물 봉공 양극산화 피막 층에 도장하는 도장에 의한

39

봉공 등이 있다

반도체 소자를 제조하는 과정에는 불순물 이온을

주입하는 장비가 이용되고 있다 (주)하이닉스 반도

체의 특허에서는 이온주입 장비의 웨이퍼 지지 장

치 리프트 핀의 끝단을 라운드 처리하고 리프트 핀

에 테플론을 코팅하여 리프트 핀과 웨이퍼 후면의

접촉 시 웨이퍼 후면에 스크래치와 같은 손상이 유

발되는 것을 억제할 수 있게 한다16)

⑷ 탄소나노튜브(CNTs Carbon Nano Tubes)17)

탄소나노튜브는 탄소의 동소체로 1991년 일본 NEC 연구

소의 Ijima박사에 의해 전자 현미경을 통해 처음으로 확

인되었다 1985년에 Kroto와 Smalley가 탄소의 동소체인

풀러렌(탄소 원자 60개가 모인 것C60)을 처음으로 발

견한 이후 전기방전 시 흑연 음극 상에 형성된 탄소덩어

리를 투과전자현미경으로 분석하는 과정에서 발견하여

Nature학술지에 처음으로 발표되었다18) 탄소나노튜브에

서 탄소원자 하나는 주위의 다른 탄소원자 3개와 sp2결

합을 하여 육각형 벌집무늬를 형성하며 이 튜브의 직경

이 대략 수 나노미터(nm nanometer) 정도로 극히 작기

40

때문에 나노튜브라고 부르게 되었다 이 탄소나노튜브는

전기 세기가 클수록 더 수축하는 성질을 가지고 있는 등

튜브의 직경이 nm수준으로 극히 작아서 특유의 전기화

학적 특성을 나타낸다

Ku 등19)에 의하면 CNTs는 전기방사법(arc-discharge)

레이저증발 법(laser vaporization) 플라즈마 화학기상증

착 법(plasma enhanced chemical vapor deposition) 열

화학 기상증착 법(thermal chemical vapor deposition) 등

의 다양한 합성법이 개발되어 대량생산이 가능하다

CNTs의 종류는 벽의 수에 따라 단일 벽 탄소나노튜브

(SWNTs) 이중 벽 탄소나노튜브(DWNTs) 다중벽 탄소

나노튜브(MWNTs)가 있으며 물성에 관한 많은 연구결

과 기계적 전기적 열적으로 우수한 성능을 갖고 있음이

입증되었다

CNTs는 인장강도와 탄성률 면에서 지금까지 발견된 재

료 중 가장 강하고 질기며 다중벽 CNT는 63GPa에 이른

다 표준 단일 벽 CNT는 25GPa의 압력까지 변형 없이

지탱된다 그래핀의 대칭성과 특이한 전기적 구조 때문에

CNTs의 구조는 그것의 전기적 특성에 영향을 미쳐 금속

성이나 반도체의 특성을 나타내고 이론적으로 금속성

41

CNTs는 구리와 같은 금속의 1000배가 큰 4times109Acm

2

전류 밀도를 운반할 수 있으며 나노크기의 단면으로 전

자가 튜브의 축 방향으로만 전파되고 전자의 이동은 양

자효과를 수반하여 1차원 전도체로 간주된다

CNTs는 우수한 물성과 상대적으로 큰 표면적으로 갖고

있어 충전제(filler)로써 에폭시 폴리스틸렌 폴리우레탄

등 고분자와 혼합하여 폴리머의 기계적 전기적 특성을

향상시키려는 연구가 활발하다 CNTs가 폴리머 중에서

충전제 역할을 하기 위해서는 고른 분산이 필요하나 반

데르발스 힘에 의한 CNTs 응집현상(agglomeration)으로

인해 효과적인 분산이 어려워 오히려 폴리머의 물성을

저해하므로 이것을 개선하기 위한 다양한 기계적 화학적

분산 방법이 연구되고 있다

- CNTs를 분산시키기 위한 가장 일반적인 방법은 용매

나 폴리머에 CNTs를 투입하고 초음파처리를 하는 것

으로 초음파처리를 하면 SWNTs의 길이가 짧아지고

다발(bundle)이 얇아져 분산력이 증가한다

- CNTs 표면을 산이나 아민으로 기능화하여 분산을 높

이는 방법도 연구되고 있으며 MWNTs를 HNO3

H2O2NH4OH 용액에 침지시켜 MWNTs에폭시 복합

42

재료는 전기적 특성을 향상시키려는 연구와 산과 아

민 등의 기능기를 도입하여 SWNTs의 열전도도를 향

상시키려는 연구들이 수행되고 있다

- 기계적 분산방법인 전단혼합방법은 좁은 관이나 상대

적으로 높은 속도의 유동을 이용하여 발생한 전단력

으로 CNTs를 분산시키는 방법이다 Ku 등19)은 전단

혼합과 초음파처리를 이용하여 MWNTs로 강화된

에폭시 복합재료를 만들어 기계적 및 열적 특성을 연

구하였다

⑸ 내마모성 테프론 코팅

ㅇ 재료의 부식은 구조재에 원하지 않은 변화 원인으로 작

용하여 경제적인 문제로 귀결되는 심각한 문제이다 이들

원치 않는 변화는 때로 적절한 코팅에 의한 표면처리로

예방할 수 있다 가장 일반적이고 자주 사용되는 전착 코

팅은 아연에 기초한 아연 코팅 및 합금 코팅으로 이들

코팅은 간단한 기술로써 내부식성이 양호하여 전 표면처

리의 약 14에 해당하나 최근 낮은 마찰계수 등 다른 특

성들이 매우 중요하게 되었다 이들 특성은 다층 코팅으

로 대응할 수 있으나 두께가 증가하고 기술이 복잡하여

가능한 해결방법으로는 복합체 코팅이 있다 복합체 코팅

43

은 일반기계와 자동차 전자부품 및 컴퓨터 등 다양한 분

야에 적용된다 금속 기질에 미세한 PTFE 입자의 전착

에 의한 증착은 새로운 세대의 복합체 코팅으로써 가장

바람직한 특성은 양호한 내마모성 자기윤활 내부식성이

다 M Paderovaacute 등20)에 의하면 이들 특성은 주로 사용

한 입자(흑연 다이아몬드 MoS2 또는 PTFE)와 용액의

유형(pH 온도 bath 등) 뿐 아니라 입자의 크기 농도

분산 및 형태학에 의존한다

ㅇ 충전되지 않은 PTFE의 마모율은 736-741times10-4mm3Nm

로 내마모성이 낮아 다양한 충전제들이 첨가되고 있다

Xing-Dong Yuan 등21)은 진공 조건에서 PTFE 코팅

의 마모특성을 연구하여 초기에는 하중이 증가함에 따

라 마찰계수가 감소하나 하중이 6N 이상으로 커지면

마찰계수도 증가하며 압력이 PTFE 코팅의 마찰계수

에 미치는 영향이 거의 없고 마모는 압력이 증가하면

초기에는 감소하나 10Pa 보다 높으면 급격히 증가한

다고 보고하였다

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위해서는 윤활제로 PTFE

계 수지 접착제로는 폴리아미드이미드수지 산화철 분말

44

및 브론즈 분말 등을 혼합한 조성물을 사용하거나 미국

특허에서는 스와시플레이트 형 압축기의 플레이트 표면

에 MoS2 흑연 PTFE계 윤활제와 열경화성 수지인 폴리

아미드이미드(PAI) 조성물을 코팅하여 내마모 및 윤활성

을 부여하고 있다22) 내열성 향상을 위해서는 고체윤활

제 접착제수지 및 저융점 금속인 Sn Pb In Bi 등을 함

유하는 합금이나 화합물을 사용하여 금속의 잠열을 이용

내열성 향상을 시도하기도 한다

ㅇ 그간 철강(스테인리스강 탄소강 아연도금강판 등)의 내

부식성 향상을 위한 많은 연구들이 수행되어 왔다 4플루

오르에틸렌(C2H4) 4플루오르에탄(CF4) 6플루오르에탄

(C2F6) 3플루오르화에탄(CHF3) 8플루오르화에탄(C4F8)

같은 불소화된 단량체의 플라즈마 중합에 의한 테플론

류 코팅은 그들의 소수성으로 인해 금속의 내부식성 향

상을 위한 대안으로 주목을 받고 있다 A Delimi 등23)

은 유도결합 고주파플라즈마(inductively coupled radio

fre- quency plasma)를 사용하여 소수성 박막 불소수지

필름을 탄소강에 증착하고 3염수에서 내부식성을 평가

한 결과 1개월 동안 9nm의 필름이 유지되는 것을 관찰

하여 불소고분자 박막이 금속과 금속산화물의 보호층이

될 수 있음을 보고하였다

45

ㅇ PTFE를 이용한 세라믹코팅 기술로는 알루미늄 및 알루

미늄 합금 공작물을 양극처리에 의해서 티타늄 및또는

지르코늄 산화물을 포함하는 내식성 내열성 및 내마모

성 세라믹 코팅을 하고 이어서 양극처리된 공작물을

PTFE 또는 실리콘 함유 코팅과 같은 제 2 코팅으로 코

팅한다 이 발명은 가소성을 가지는 경질의 필름 내에서

내식성 내열성 및 내마모성을 제공하는 티타늄 및또는

지르코늄 산화물의 양극처리 층으로 기판을 예비-코팅함

으로써 알루미늄 기판에 보다 긴 수명의 코팅을 형성하

는데 특히 유용하다24)

ㅇ Nosaka 등25)은 PTFE로 대표되는 불소수지는 마모-링이

나 극저온 밸브의 실링부에 많이 사용되며 진공치환법에

의해 탄소재료에 PTFE나 MoS2 분말을 1-2wt 함침시

키면 무함침한 것에 비해 마모가 약 13로 감소한다고

보고하였다 한편 저자들은 터보펌프의 실링재료가 극저

온 환경에서 보이는 특이한 현상을 극복하기 위해 베어

링의 표면에 노출된 유리섬유를 불소산으로 처리하여 용

해 제거하고 윤활성을 높인 유리섬유강화 테프론 리테이

너를 개발하여 내구성과 윤활성을 향상시킬 수 있었다고

보고하고 있다

46

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위한 또 다른 특허로는

폴리실록산계 접착제를 단독 혹은 폴리에스테르계 접착

제와 병용하고 고체 윤활제로 MoS2(이황화몰리브덴

WS2(이황화텅스텐) h-BN(육방정 질화붕소) 팽창흑연

및 PTFE를 사용하고 충전제로 탄화규소 알루미나 산화

지르콘 산화티탄 등의 미분말을 사용하여 내마모 내열

및 윤활성을 부여하고자 하는 내마모성 및 윤활성 코팅

조성물에 관한 특허가 있다26)

ㅇ 내열성 내후성 내오염성 내약품성 내구성 등의 물성

은 유지하면서 비점착성을 높이기 위해 무기계 세라믹

코팅 조성물에 PTFE를 첨가하기도 한다 이러한 하이

브리드 코팅 조성물에 관한 특허로는 불소수지(01sim25

중량) 콜로이달 실리카나 콜로이달 알루미나 등 무

기계고분자 바인더(20sim80중량) 알콕시실란 화합물

(1sim50중량) 수용성 유기용제(1sim10중량) 충전제

또는 안료(5sim50중량) 및 물(100중량 까지 보충)로

이루어진 코팅 조성물에 관한 것으로 무기질 도료 및

무기계 세라믹 코팅에 의해 내열성 내오염성 내약품

성과 내구성을 유지하고 접착력을 높이기 위해 소량의

PTFE를 사용하는 것이 있다27)

47

ㅇ 정전 복사기에 사용되는 정착기재부의 최외층에 코팅하

여 기계적 성질 및 내마모성을 향상시키려는 목적으로

불소수지 기질 중에 분산된 불소화 다이아몬드를 함유하

는 입자로 구성된 조성물에 관한 일본 특허28)가 있다

ㅇ 부식 특성을 개선한 흑색 무크롬(chrome-free) 다층 내

부식 마무리 칠과 방법에 관한 특허29)로는 ASTM B 117

표준으로 시험할 때 백색 부식에는 최소 500시간 염수분

무시간 및 적색 부식에는 1500시간 염수분무시간에 적합

하게 설계된 마무리 칠에 관한 것이 있다 이 다층 시스

템은 광택(gloss) 4 이상을 만족하는 자동차 차체 강판

자동차 하부와 내장에 사용되기 위해 설계된 것으로 이

다층 마무리 칠은 3층 부식 방지 시스템을 형성하도록

아연-철 전기도금 기질 오르토인산을 사용한 무전해 인

산염 결정 전환 층과 XylanTeflon 실러 코팅의 조합이

다

ㅇ 전통적으로 철 강판(steel sheet)은 크롬산 염 전환 코팅

으로 개질되어 왔으나 6가 크롬이 배출되어 환경을 오염

시키는 문제점이 있어 강판의 내-부식성을 개선하기 위

해 고분자 수지 코팅들이 수행되고 있으나 이 방법은 고

48

분자 코팅 층이 열전도도를 감소시키는 단점을 가지고

있다 Kang 등30)은 강판 위의 고분자 코팅 층의 열전도

도를 향상시키기 위해 초미세-크기 다이몬드(μD)입자를

열전도 물질로 사용하였다 다양한 음이온 및 비-이온

계면활성제들을 사용하여 수용액 중에서 무거운 μD입자

의 안정화를 시험들을 한 결과 1-피렌카르복시산(PCA)

이 가장 양호하였다 그림 3-2는 이 시험 결과를 요약한

것이다

- 강판 위에 PCA로 안정화 된 μD 입자를 함유한 폴리

우레탄-기초 코팅 층은 열전도도가 0351W(mK)에서

0434 W(mK)(10 wtμD)로 향상되었으며 더욱 144

시간 동안 염수 분무 시험결과 부식거동은 관찰되지

않았다

그림 3-2 피렌카르복시산을 이용한 μD 표면처리

ㅇ 자동차공업에서는 기본적인 특성으로 내마모성이 요구되

49

는 강철 기계부품들의 마찰특성을 향상시키기 위해 다양

한 금속 및 고분자 코팅들이 광범하게 이용된다 내-마

모 코팅은 두 가지 주요 특성인 높은 표면경도와 자기-

윤활 특성이 필요하다 후자의 범주에 속하는 것이

PTFE와 MoS2 기초 코팅이다 무전해 니켈 코팅은 높은

경도로 인해 양호한 마찰 특성을 보이며 한편 열처리를

통해 경도를 향상시킬 수 있다 PTFE입자의 첨가는 코

팅경도를 감소시키나 자기-윤활특성을 부여한다 S

Rossi 등3132)은 마찰특성을 향상시키기 위해 이용되는 탄

소강에 이용되는 몇 가지 공업적인 코팅에 관한 부식거

동에 관해 평가 PTFE입자를 함유한 무전해 니켈-인

(Electroless Nickel-Phophorus)코팅은 PTFE 입자(자기-

윤활 특성)를 갖는 외층과 장벽-효과를 갖는 내층으로

인한 이중 특성으로 가장 양호한 특성을 보였다고 보고

하고 있다

ㅇ 모든 기계적 시스템은 동적 요소를 필요로 하며 마찰과

마모를 줄이기 위한 다양한 수단들이 가능하나 그 선택

은 환경이나 조작 조건에 제한을 받는다 PTFE는 자기

윤활 낮은 마찰계수 높은 열안정성과 화학약품 안정성

으로 산업분야에 널리 사용되는 엔지니어링 고분자이지

만 내마모성이 매우 부족하다 이러한 이유로 금속

-PTFE충전 복합체들이 PTFE의 마찰특성과 금속충전제

50

의 내마모성을 결합하여 특정 분야의 용도로 소개되어

왔으나 금속-고분자 물질에서의 충전제의 역할은 완전히

설명되지 않고 있다 복합체 표면의 과잉의 충전제 농도

는 미끄러지는 동안 부하를 지지하여 내마모성을 증가시

키는 것으로 생각되며 PTFE의 마모율은 Mo Zn Ni

Y2O3 및 SiO2 같은 무기 충전제에 의해 1000배가량 감소

되었다는 보고도 있다 유리섬유 구리 세라믹 탄소섬유

절단 탄소섬유 나노입자를 포함한 경질의 충전제 입자들

이 PTFE의 내마모성을 높이기 사용되어 왔다

ㅇ 비교적 두꺼운 코팅에는 열분사(thermal spray) 용사기

술이 정립되어 있고 용사 코팅은 내마모 내마찰 내프레

팅(fretting) 및 내부식을 요하는 산업에 많이 이용되고

있다

- 용사 몰리브덴(Mo)코팅은 실질적 내마모성 코팅으로

가장 광범하게 이용되며 프레임용사(flame spray)거나

와이어용사(wire spray)기술로 생산된 몰리브덴(Mo)

코팅은 흠이나 마모에 대한 고도의 저항을 얻기 위한

가장 좋은 코팅재료 중의 하나이다

- 알루미늄 청동(aluminium bronze)은 높은 내-부식성

과 내마모성을 갖는 것이 특징이다 저압 플라즈마 용

51

사 기술은 자기-아닐링(self-anealing)과 부서지기 쉽

도록 유도하는 γ-상의 형성을 피할 수 있도록 높은

냉각 속도를 얻는 데 사용되며 알루미늄 청동 저압

플라즈마 용사 코팅은 낮은 마찰과 마모를 보였고 비

교적 최근 플라즈마 용사 기술을 이용하여 알루미늄

기질에 고분자-세라믹 복합체를 코팅하는 기술이 개

발되었다33)복합체 코팅으로 행한 마찰 시험에서 낮

은 마찰계수를 얻을 수 있었다

- 낮은 마찰계수와 고 내마모성을 갖는 이성분 금속

-PTFE 코팅이 개발되었고 이들의 마찰 공학적 성능

이 보고되었다 PTFE-기초 복합체 설계에서 일반적

인 접근방법은 경질의 충전 입자들을 도입하는 것으

로 M Yamane 등34)은 PTFE-금속 이성분 코팅의 마

찰 마모성능에 관한 연구 결과 알루미늄 청동 코팅이

Mo코팅에 비해 PTFE 저장소(reservoir)에 유용했음

을 보고하였다

⑹ 충전 또는 강화 플루오르화 탄소1)

ㅇ 분말이나 강화섬유 등 전형적인 충전재들이 충전 또는

강화 플루오르화 탄소에 사용된다 충전재는 저온흐름

52

을 향상시키는 데 사용되며 수축과 균열을 줄이고 열

팽창을 낮추며 열전도율을 향상시킨다

ㅇ 분말이나 단섬유로 된 전형적인 충전제를 표 3-5에 종합

하였다 유리섬유는 가장 보편적인 PTFE 충전제로 화

학 및 전기적 특성에 최소로 영향을 미치며 기계적 특

성을 크게 향상시킨다 분말에 비해 섬유는 압축강도

강성도 및 지지용량을 더욱 향상시키나 분말은 충전

테플론의 내구성에 거의 영향을 미치지 않는다 금속분

말은 특히 열전도도를 향상시키며 고속에서 발생하는 마

찰열을 소멸하는데 도움이 되며 전기저항을 상당히 감소

시켜 금속-충전 조성물은 양호한 절연체는 아니다

ㅇ 흑연(graphite) MoS2는 초기 내구성과 마찰을 개선하고

기계적 특성을 향상시킨다 석면은 많은 유용한 특성을

갖지만 가공 처리 중 가스가 방출할 뿐 아니라 사용금지

물질이다 표 3-5 외에도 금속 망 장섬유 다공성 금속

등 다양한 충전제들이 있으며 다양한 종류의 제품들이

상업 생산되고 있어 최종 선정을 하기 전에 플라스틱 가

공업자로부터 보다 완전한 정보와 추천을 받는 것이 바

람직하다

53

표 3-5 불소수지용 충전제

ㅇ 압축강력 인장과 압축 시의 탄성률 및 항복강력은 첨가

제의 첨가에 의해 모두 증가하나 일반으로 인장강력과

신도 및 충격강도는 손실된다 통상 충전 테플론은 압축

상태에서 사용되므로 인장강력의 감소는 중요하지 않다

인장강력의 손실은 설치(연속적인 링-실링)할 때 인장되

는 재료에서 중요하다 열팽창 계수는 비-충전 테플론에

비해 감소되어 통상 금속 부품의 팽창계수와 잘 맞는다

ㅇ 마찰과 마모를 수반하는 분야에서 가장 중요한 것은 충

전제로 얻어지는 PV한계치의 증가와 마모의 감소다 비-

54

충전 테플론에 비해 PV한계치 크기는 개략적으로 1차원

적으로 증가하나 마모인자는 3차원적으로 감소한다 충전

테플론의 평균치들은 동적 마찰계수는 01-02 PV한계치

는 10000-20000 psi-fpm 마모상수는 10times10-10in3-min

lb-ft-hr이다 그림 3-3은 충전 테플론 PTFE의 마찰계

수에 미치는 충전제 종류와 농도의 효과에 관한 것이다

그림 3-3 테플론 PTFE에 미치는 충전제 종류와 농도1)

ㅇ 내마모성을 향상시키는 충전제는 실제로 연마저항성을

감소시키는 것으로 날카로운 입자는 보다 쉽게 침투하고

충전제 입자와 수지 사이의 경계를 따라 충전 플라스틱

을 찢는다 따라서 라이닝 슈트 같은 분야의 적용 시는

55

비-충전테플론이 보다 바람직하다

⑺ 시트 테이프 및 박층(laminates)

ㅇ 대부분의 플루오르화탄소는 충전 여부에 관계없이 두

께 1mil(0001 in)까지 시트나 테이프로 만들 수 있고

시트나 테이프를 찍어서 원하는 형상의 립-씰(lip seal)

펌프 컵(pump cup) 피스톤 링(piston rings) 가스켓

(gaskets) 등을 만들 수 있다

ㅇ 유체의 누설을 정지시키는 밀봉기능 부품 중 각종기기의

접합부나 배관 플랜지 등의 밀봉에 사용되는 가스켓

(gaskets)은 석면이 널리 사용되어 왔으나 유해물질 배

출 및 이동량 보고제도(PRTR Pollutant Release and

Transfer Register)에서 발암성을 가진 제1종 지정 화학

물질로 지정되어 사용이 금지되어 PTFE가 가스켓으로

개발되었다 PTFE는 용융 알칼리 금속 및 그 용액과 불

소 및 3불화염소에 의해 약간 침식되나 모든 화학약품에

안정하고 우수한 내부식 재료로 C-F결합력이 크고 F원

자가 C-C결합의 주위를 간격 없이 들러 싸고 있기 때문

에 다른 물질의 공격을 방어하고 있고 내열성은 260로

높다35)

56

- PTFE 필러를 사용한 PTFE 나선 권형 가스켓은 석

면에 대한 사용규제와 상관없이 사용되어 왔으며 유

연한 필러를 사용하므로 석면 가스켓 보다 낮은 체결

압력에서도 실 특성이 우수하고 내식 면에서도 광범

하고 다양한 유체에 사용이 가능하다 다만 단열성 면

에서는 석면 나선 권형 가스켓 보다 사용온도 범위가

제한된다

ㅇ 산업 기계나 자동차의 브레이크 제동장치에 부착하여 마

찰력을 부가하는 브레이크 라이닝에서는 마찰계수와 내

마모력 및 충격계수 등 마찰특성이 우수한 석면을 주로

사용하여 왔으나 제동 시 발생하는 미세 석면분진으로

인해 대기오염에 의한 환경을 파괴 뿐 아니라 인체에 흡

입될 경우 암을 유발하여 PRTR로 사용이 금지되었다

석면을 대체할 유기질 또는 무기질 된 다양한 비석면 마

찰 섬유 등이 사용되고 있으며 마찰 섬유에 테프론을 코

팅하여 브레이크라이닝의 수명향상 제동 시 발생하는 소

음 떨림 및 제동력 향상을 위한 제품개발이 시도되고

있다

- 예로 국내 특허36)에서는 브레이크 라이닝(또는 패드)

의 마찰재 배합재료 중 유기섬유(Kevlar섬유 pulp섬

57

유 등)에 테프론을 코팅하고 코팅된 유기섬유에 결합

재 충전재 윤활재 마찰안정재 마찰조정재 등을 소정

의 배합비로 배합하여 성형하고 열처리하여 브레이크

패드 또는 라이닝을 제조한다

ㅇ 초소형 정밀기계(MEMS Micro-Electromechanical

System)분야에서는 점착방지를 위해 불화 유기박막을

사용한다 Park 등37)은 단층 두께의 불화 유기박막의

특성을 접촉각 측정을 통해 분석하였다

⑻ DLC 코팅3839)

ㅇ DLC(diamond-like carbon)는 몇 가지 다이아몬드의 전

형적인 특성을 나타내는 비정질 탄소물질로 극도의 내마

모 특성을 필요로 하는 재료의 코팅에 이용되고 있다

DLC코팅은 연마 마모를 감소시키기 위한 재료에 유용하

여 엔드밀 드릴비트 금형 같은 공구는 물론 자동차 기

계부품 및 전자산업 등 산업전반에 걸쳐 적용된다40)

ㅇ 환경오염 문제로 인해 PRTR(Pollutant Release and

Transfer Register 유해물질 배출 및 이동량 보고 제

도) 이 시행되어 습동 부품이나 절삭 시에 사용되는 오

일이나 그리스에 포함되는 첨가제(MoS2 Zn 등)와 이들

58

부품을 세정할 때 사용되는 용매 기계부품의 수명을 연

장시키기 위해 활용되었던 Cr도금 폐액에서 발생하는 6

가 크롬 등의 오염물질들에 대한 규제가 더욱 강화되어

DLC에 의한 무윤활 습동과 무윤활 절삭을 지향한 공구

와 기계 부품의 개발이 관심을 끌고 있다4142)

- 일본 내에서는 PRTR이 시행되고 이것에 저촉되는 재

료에 관해서는 MSDS(Material Safety Data Sheet)를

첨부해야할 의무가 있고 부품가공 습동 용도에서는

대상 리스트에 올라 있는 오일 오일 중의 중금속 도

금폐액을 어떻게 경제성 있는 환경 친화적 공정과 재

료로 전환할 것인가를 고려하면서 무윤활 습동 무윤

활 절삭 탈크롬 도금의 3가지 키워드가 대두되고

DLC코팅이 대안으로 모색되고 있다

- DLC코팅 적용기술과 과제에 관한 자료로는 자동차

관련부품 적용사례 엔진부위 마찰 작동 밸브계의 마

찰저감 DLC와 윤활제에 의한 마찰저감 기술을 중심

으로 살펴본 보고가 있다43)

ㅇ DLC는 7가지 형태가 존재하며 모두 상당한 양의 sp3혼

성궤도 탄소원자를 함유한다 다양한 형태의 DLC가 진

공 환경으로 적합한 재료들에 적용가능하며 유럽에서의

59

2006년 위탁 DLC코팅 시장은 3천만euro로 추정되었고 국

내도 활발한 상용화가 시도되고 있다

ㅇ 사반면상(tetahedral) 비정질 탄소 ta-C를 2두께로 코

팅하면 연마마모에 대한 스테인레스 강(304 type)의 내구

성을 증가시켜 수명을 1주일에서 85년으로 늘이며 이러

한 DLC의 형태는 sp3결합 탄소 원자로만 이루어지기 때

문에 순수한 DLC로 간주되며 수소 sp2흑연 탄소 금속

같은 충전제가 생산경비를 낮추거나 원하는 특성을 부여

하기 위하여 사용되고 있다

ㅇ DLC를 만드는 방법에는 sp3탄소 보다 낮은 밀도의 sp

2

에 의존하는 몇 가지 방법들이 있으며 압력 충격 촉매

또는 이들의 조합으로 sp2결합탄소 원자들을 sp3결합탄소

로 근접시킨다 최근 초고압 하에서 탄소의 경량 특성을

갖는 초경도 무정형 다이아몬드가 만들어졌다 탄소로 만

들어지는 다이아몬드 그래파이트는 결정구조를 가지나

DLC는 비정질이라는 점에서 크게 다르고 200 정도의

저온에서 형성시킬 수 있다는 점이 통상의 PVD막에 비

해 훨씬 우위에 있다

ㅇ DLC코팅은 제조공정이 복잡하고 생산 단가가 비싸 적용

이 어려우며 적용되는 소재가 제한되는 단점을 갖는다

60

주요제법으로는 고주파 플라즈마 법 이온화 증착법 스

페터링법 등을 들수 있다 고주파 플라즈마 법은 메탄가

스가 원료로 사용되고 막 중의 수소가 약 30(원자)로

평활성이 우수하고 마찰계수가 작으나 경도가 낮다 이

온화 증착법은 벤젠을 사용하며 막은 단단하나 면의 조

도가 거칠고 후막화 하기 위해 스패터링 방법이 검토되

고 있다

⑼ 불소수지의 안전성

ㅇ 테플론 PTFE의 열분해는 200(392)에서 감지되며 이

것은 몇 가지 플루오르화 탄소 기체들과 승화물질을 방

출한다4445)1955년 동물실험에 관한 한 연구에서는 이들

물질이 250(482) 이하에서는 의미 있는 양이 아니라

고 결론지었으나 최근 비-점착 주방기구인 프라이팬이

나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가열할 때 조류를

죽일 수 있는 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수

도 있다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있다45)

ㅇ 표 3-6은 EWG가 보고한 3-5분 내에 370까지 불소수

지를 가열할 때 발생되는 15종의 불소화합물에 관한 것

이다 테플론과 같은 코팅물질들이 장기적으로 인체에 미

61

치는 영향에 관한 연구는 이루어지지 않고 있으나 독감

과 유사한 질병을 유발할 수 있으며 이를 중합체 증기열

(polymer fume fever)이라 한다

표 3-6 15종의 유해물질 및 유독성 기체44)

ㅇ 최근 표 3-6의 화합물들 중 특히 TFA와 과불화된

(perfluorinated) PFOA(perfluorooctanoic acid)에 관심이

증가되고 있다 PFOA는 새로운 환경오염물질로 미국 환

경보호청(EPA)에 의하면 보통 때는 문제가 없으나 조리

과정에서 프라이팬에 열을 가하고 강하게 긁을 경우 용

62

출되어 나오며 이것이 음식물과 함께 인체에 흡수되는

것으로 추정하였다 한편 DuPont의 테플론 PTFE 연구

결과에 의하면 검출한계인 9ppb 이상 검출되지 않으며

테플론 주방기구에서는 PFOA가 존재하지 않는다고 발

표하고 있다

- 물이나 공기를 통해 환경에 노출된 PFOA는 고 콜레

스테롤 궤양성 대장염 갑상선 질환 고환암 신장암

및 임신성 고혈압과 관련된다고 보고되었다

- PFOA는 불소수지 생산과정에서 사용되는 첨가물로써

암모늄 형태로 PTFE 유화중합에 계면활성제로 사용

되며 불소수지의 품질과 균일성을 유지하기 위해 필

수적인 첨가물이기 때문에 전 세계 모든 불소수지 제

조업체가 사용 중에 있다 한편 국내 주력 산업인 반

도체 생산 과정에서도 PFOA를 대량으로 사용하고 있

어 체계적인 실태조사와 대책수립이 필요하다는 의견

들이 대두되고 있다

⑽ 불소화합물의 안전성과 환경대책

ㅇ 표 3-6에서 살펴본 바와 같이 테플론을 급격히 고온으로

가열하면 2종의 발암물질을 포함한 유독성 가스가 발생

63

하고 특히 불소화합물 중 MFA(monofluoroacetic acid)는

적은 양으로도 치명적 해를 끼치고 PEIF(perfluoro-

isobutene)는 신경가스제로 여러 가지 질환을 발생시킨다

한다44)

따라서 테플론으로 코팅된 장치를 재 코팅하기

위해 테프론을 고온으로 급격히 가열하거나 소각 등을

통해 제거할 때는 발생 가능성이 있는 유독가스를 제거

하기 위한 별도의 설비를 이용하여야 하고 유 등44)의 보

고서에서와 같이 중조(NaHCO3)를 포화시킨 충분한 물로

유독 산성 물질을 중화시키는 것도 고려할 만하다 한편

부식대전 방지 코팅도 테플론 코팅 일변도에서 세라믹

코팅 CNTs이나 DLC 코팅기술로 대응하는 것을 추천하

고 싶으며 이것은 유해물질 배출 및 이동량 보고제도

(PRTR Pollutant Release and Transfer Register)에 대

비하는 등 기업의 장래를 고려하는 것도 될 것이다

ㅇ PTFE를 사용한 취사도구는 1960년대 이래 사용되어 오

고 있으나 최근 들어 이것의 안전성이 논쟁의 주제가 되

고 있으며 논의 주체는 PFOA(perfluorooctanoic acid)이

다 PFOA는 PTFE를 비롯한 많은 불소수지의 생산에

사용되며 DuPont의 테플론 PTFE 연구 결과에 의하면

프라이팬을 260 이상 고온에서 가열하거나 코팅이 벗

겨져도 PFOA가 존재하지 않는다고 한다 그러나 물이나

64

공기 토양 식품포장재 등 여러 곳에서 PFOA 오염사실

이 보고되고 있다 한다44)

- 미국 EPA는 인체와 환경에 대한 PFOA 연구를 계속

하고 있으며 2015년까지 PFOA 및 이와 관련된 화합

물 방출을 배제할 프로그램을 갖고 있으나 PTFE-기

초 비점착 취사기구를 중지시킬 타당성을 갖고 있지

는 않다 최종제품은 PFOA가 아닌 PTFE이기 때문이

다

- 수십 년 동안 불소수지 비점착 코팅이 시장을 지배하

였으나 최근 몇 가지 신기술들이 출현되고 있으며 이

들 대부분은 실리콘 세라믹과 실리콘 기술로 이들 코

팅은 PTFE와 PFOA를 함유하지 않는다

- 오늘날 출시된 비점착 취사용구는 수많은 상표로 팔

리고 있으며 DuPont에 의하면 대부분의 취사용구 코

팅은 정상적으로 사용할 때 3-5년 견딜 수 있을 것으

로 예측한다 너무 문질러서는 안 되고 따뜻한 비눗

물로 씻어주는 것이 좋으며 닳거나 흠이 생기지 않도

록 나무 플라스틱이나 코팅된 재료로 만든 도구를 선

택하고 보관도 흠이 생기지 않을 장소나 캐비닛을 권

장하고 있다

65

ㅇ 국내의 불소수지 안전성에 관한 것으로는 재질규격(납과

카드뮴)과 용출규격(납 과망간산칼륨소비량 증발잔류물)

이 식품용 기구 및 용기 포장 공전46)에 기재되어 있으며

최근 국내에서도 PFOA를 비롯한 유해 불소화합물에 관

한 관심이 커져 가고 있다

ㅇ PFOA 문제가 표면화 되면서 환경 보전형 불소계 발수

유제의 개발과 공업화도 새로이 부각되고 있다 이에 관

한 보고서를 모니터링한 KISTI자료47)를 중심으로 간단히

요약하면 발수제의 주요성분 퍼플루오로알킬기(Rf기)함

유 폴리머의 기능은 Rf기의 고리길이에 크게 의존하므로

PFOA문제 해법으로 탄소수 8 이상인 종래의 불소화학

에서 탈피 짧은 고리 Rf기(탄소수 6)를 가진 새로운 단

량체를 선택하여 발수제를 제조함으로써 환경 보전형 불

소계 발수유제를 개발하고 공업화하였다 한다

66

제 4 장

지원결과

1 지원결과 종합

테프론 코팅 기술의 문제점과 부식대전방지용 테플

론 코팅에 관한 정보 외에 신청기업의 요청에 따

라 C-나노튜브 코팅 및 DLC증착에 관련된 기술 정

보도 제공하였다

테플론은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat resistant)

비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coefficient of

friction) 내약품성(chemical resistance)과 특이한 전기적

특성(unique electrical properties) 및 온내구력(cryogenic

stability)으로 그 응용범위가 광범하며 용도에 따른 엄격

한 품질관리가 요구될 것으로 생각되어 중소기업에 적합

한 기초능력 배양과 신제품을 구상하기 위한 최신기술에

관한 정보를 제공하고자 하였다

67

불소수지의 코팅은 두께와 첨가제가 관건으로 이에 관한

자료를 제공하고자 하였으며 불소수지의 전기특성 폭발

성 환경과 반도체 제조공정에서의 대전 방지 처리를 위

한 정전기 관리 지표 등을 특허를 중심으로 조사하여 제

공하고자 하였다

C-나노튜브를 이용한 대전방지 코팅 기술 및 C-나노튜

브의 제법 등 이것에 관한 기초정보를 제공하고자 하였

으며 내마모성 테플론 코팅에 관해서는 테플론을 이용한

세라믹 코팅 기술에 관한 정보도 제공하고자 하였다

테플론의 기계적 전기적 특성을 강화하기 위해 사용되는

충전제를 종합하고 기초이론을 정립함으로써 금후 원부

자재의 선정에 도움을 주었다

테플론은 석면 대체재로도 주목받고 있어 이에 관한 특

허 정보들을 제공하였으며 다이아몬드의 전형적인 특성

을 나타내는 DLC의 코팅관련 기술 정보를 환경오염 문

제와 연관하여 자료를 제공하였고 최근 비-점착 주방기

구인 프라이팬이나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가

열할 때 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수도 있

다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있어 이에

관한 정보도 제공하였다

68

2 지원의 한계

중소기업이 당면한 문제는 전문기술의 확보다 관련 기술

이 비약적으로 발전하는 추세에 비추어 한정된 인원으로

신기술을 소화하고 개발하기는 어려울 것이므로 출연연

구기관이나 대학과 공동연구를 모색할 수 있으나 이것도

중소기업으로서는 경제적 부담이 될 수밖에 없을 것으로

생각된다 가능하다면 앞으로도 KISTI의 정보지원이 계

속되기를 바라고 있었다

3 기대효과

부식대전 방지 테플론 코팅에 관한 기본 기술이 배양되

어 합리적인 원부 원료의 수입검사 공정관리 및 제품관

리를 통해 원가절감은 물론 신제품 신기술에 관한 정보

수집 및 분석능력이 배양되고 개발력이 확충되어 기업

경쟁력 향상에 도움이 될 것이다

69

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저자소개

김학주(金鶴柱) 서울대학교 문리과대학 화학과 졸업 이학사

전북대학교 대학원 화학과 이학박사

(주)삼양사 의약연구소장 신성대학교 교수

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 폴리에스테르 섬유의 연중직방기술 외 다수

저서 기기분석 공업물리화학 일반화학

성용길(成墉吉)

동국대학교 이과대학 화학과 졸업 이학사 이학석사

부산대학교 대학원 화학과 이학박사(Dr Sci)

University of Utah USA Ph D(공학박사) Post Dr

유타대학교 연구교수 부산대학교 교수 동국대학교 교수

동국대학교 명예교수 한국원자력문화진흥원 이사

과학문화연구원전문연구위원 한국도량형과학문화연구원 원장

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 의료용 기능성 고분자재료에 관한 연구 외 330편

저서 고분자 물성론 (서울대학교 출판부 공저) 외 10권

목 차

제1장 개 요 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 1

1 정보지원의 필요성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 1

2 정보지원의 목적 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 2

3 참여연구원 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 3

제2장 지원 내용 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 4

1 정보지원 업체의 요구사항 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 4

2 정보지원의 범위 및 내용 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 5

제3장 지원 프로세스 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 7

1 1차 지원 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 7

2 2차 지원 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 10

3 3차 지원 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 12

4 4차 지원 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 16

5 5차 지원 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 18

세부 지원내용 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 19

(1)플루오르화 탄소의 특성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 19

⑵플루오르화 탄소 수지 코팅 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 22

⑶대전방지 플루오르화탄소 수지 코팅 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 30

⑷탄소나노 튜브 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 39

⑸내마모성 테플론 코팅 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 42

⑹충전 또는 강화 플루오르화탄소 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 51

⑺시트 테이프 및 박층(laminates) middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 55

⑻DLC코팅 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 57

⑼불소수지의 안정성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 60

(10)불소화합물의 안정성과 환경대책 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 62

제4장 지원결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 66

1 지원 결과 종합 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 66

2 지원의 한계 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 68

3 기대효과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 68

참고문헌 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 69

표 목차

lt표 1-1gt 참여연구원 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 3

lt표 3-1gt 플루오르화탄소 플라스틱의 유형 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 20

lt표 3-2gt 테플론 코팅 두께 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 25

lt표 3-3gt 테플론 코팅을 위한 화학첨가제 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 28

lt표 3-4gt 불소수지의 전기 특성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 30

lt표 3-5gt 불소수지용 충전제 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 53

lt표 3-6gt 15종 유해물질 및 유독성 기체 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 61

그림 목차

lt그림 3-1gt 테플론 거품코팅 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 29

lt그림 3-2gt 피렌카르복시산을 이용한 μD 표면처리 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 48

lt그림 3-3gt 테플론 PTFE에 미치는 충전제의 종류와 농도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 54

1

제 1 장

개 요

1 정보지원의 필요성

최근 반도체관련 기업체공장과 공정 중에서 부식방지

와 대전방지의 문제점을 해결하기 위해서 불소수지 고

분자재료의 전기가 통하지 않는 성질을 이용하여 부식

대전방지 테프론 코팅을 채택하고 있으나 테프론 코팅

은 실제 정전기를 유발하는 제반 문제들이 발생되고

있어 이를 극복하여야 한다

금속 혹은 세라믹 기재 등에 내마모성과 비점착성 및

윤활성을 부여하기 위하여 불소수지 고분자와 다양한

충전제를 배합한 조성물과 유기 또는 무기질 바인더를

이용하여 기재인 알루미늄 혹은 철 재료의 표면에 코

팅하여 저마찰성 비점착성 내마모성 등의 물성을 부

여하는 기술개발은 계속되고 있다 그리고 합성수지인

테프론 등 불소수지가 고온에서 화학분해 과정을 통해

2

유독성분이 발산되므로 최근에는 조리용 프라이팬 등

에 PTFE계 수지의 사용을 제한하는 조치가 시도되고

있는 등 환경관련 문제에 관한 정보가 필요하게 되었

다

위의 문제점들을 해결하기 위해서 ReSEAT 프로그램

의 전문연구위원으로부터 최신의 기술정보들에 관한

지원과 멘토링을 받고자 요청하고 있다 이 문제점들

을 해결하는데 상응하는 최신 학술문헌과 특허정보들

을 KISTI를 통하여 연구 조사하여 지원하고자 한다

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구

위원 김학주와 전문연구위원 성용길은 기술정보지원

신청업체에 부식대전 방지용 테프론 코팅의 제반 문제

들을 해결하기 위한 필요한 기술을 전수하고자 한다

2 정보지원의 목적

ㅇ 본 정보지원의 목적은 LCD와 PDP OLED 등 테프론

코팅이 필수적 요소인 대형 디스프레이 공정에서 정전

기 유발을 방지할 수 있는 기술에 관한 최신정보 및 특

허조사 등에 관한 자문과 현재진행 중에 있는 각종 부

3

식과 대전 방지기술에 관한 객관적 멘토링을 통하여 부

식대전 방지용 테프론 코팅에 관한 제반 문제들을 해결

하고 안전하게 본 중소기업체의 제품생산과 기술을 향

상시키고 고급화 하는데 있다

ㅇ 또한 화학반응용 용기 및 원자로 건설에 필요한 각종 제

작품 등에 필요한 부식방지 및 대전방지를 위한 테프론

코팅의 최신 기술정보를 제공 지원하고 그 특수코팅에

필요한 맞춤형 기술정보를 제공하는 것이 본 연구의 목

적이다

3 참여연구원

lt표 1-1gt 참여연구원

구분 성명 직위 전공 업무

ReSEAT

프로그램

김학주 전문연구위원 고분자 과제 책임자 기업현황 분석

성용길 전문연구위원 고분자 정보지원 기술전수 멘토링

4

제 2 장

지원 내용

1 정보지원 업체의 요구사항

테프론 코팅 기술의 문제점과 부식대전 방지용 테

프론 코팅에 관한 최신 기술정보

정전기 대전방지용 테프론 코팅과 부식대전방지 테

프론 코팅기술의 특허문헌과 학술문헌

불소수지 코팅에 관한 기술 동향과 부식대전 방지용 테

프론 코팅의 응용기술에 관한 기술정보

유리의 정전방지 박리대전 가공 C-나노튜브 코팅 수

분산성 도료(binder) 등을 사용한 내열성 세라믹코팅

및 대규모 DLC증착 관련 기술정보

5

2 정보지원의 범위 및 내용

가 정보지원 범위

정보지원은 LCD공정용 스테이지(Stage) 박리 대전방지

코팅 반도체 공정용 석영 관련제품 코팅 추출용 반응기

튀김틀 코팅 광학필름 및 기능성 필름 생산롤러 코팅

전기재료 석유화학 정밀화학 반응기 코팅 및 필터드라

이어 등 테프론 코팅에 관한 전반적인 기술 자료와 불소

수지의 특성과 용도 및 환경과 관련한 안전문제에 관한

지식과 기술정보를 제공하였다

나 정보지원 내용

KISTI에서 체계적적으로 NDSL 검색 유럽특허청 검

색 Web of Science 검색 Google 검색 Sci Dir를 통

한 원문입수 등의 작업을 수행하였다

- Keywords에 의한 문헌 및 특허조사 TEFLON +

Coating Anti-corrosion Coating Anti-static

Coating Fluoropolymers Fluorinated polymers

Fluorocarbon polymers

6

- Keywords=TI (TEFLON or Fluoropolymers or

(Fluorinated polymers)) Coating) 또는 AB

((TEFLON or Fluoropolymers or (Fluorinated poly

mers)) Coating) 활용하여 학술문헌과 특허를 검색

하였다

신청업체 공장현장에서 현재까지 수행되고 있는 부식

방지 및 대전방지 테프론 코팅기술들을 종합하여 분석

하고 조사된 기술정보 자료들과 비교 분석하여 장차

개선할 수 있는 코팅 신기술을 조사 분석하여 자문하

고 멘토링 하였다

7

제 3 장

지원 프로세스

1 1차 지원

일시 및 장소 2013년 4월 22일(월요일) 1000-1400시 신청

업체 2층 회의실

참석자 히토시 사토(부사장) 성용선(연구소장) 장용석

이사

주제 및 토의사항

- 지원업체의 현황 LCD공정용 스테이지(Stage) 박리

대전방지 코팅 반도체 공정용 석영 관련제품 코팅

추출용 반응기 튀김틀 코팅 광학필름 및 기능성필름

생산 롤러 코팅 전기재료 석유화학 정밀화학 반응기

코팅 및 필터드라이어 등의 테프론 코팅에 관한 작업

8

- 지원내용과 향후지원계획 공장 현장을 방문하고 브리

핑을 통해 필요한 정보를 파악함 조사된 자료(문헌

특허 등)를 전달하고 희망 사항을 파악한 결과 특히

유리의 코팅을 중심으로 한 박리대전 방지 가공 세라

믹 코팅(수분산성 도료-바인더-)을 사용한 내열성 코

팅 대형 DLC 증착기술 및 경쟁사가 개발하고 있는

C-나노튜브 코팅에 관한 정보에도 관심이 많았음

ReSEAT NDSL 및 구글 야후 네이버 등을 통한 자

료조사 방법의 활용 방법을 설명해 주었음

- 지원효과 ReSEAT NDSL 구글 야후 네이버 등을

통한 주제 또는 키워드 검색에 의한 자료 검색 분석

능력 향상 제공 자료와 문헌의 활용 효과 등

- 자료제공

① Klaus Lunkwitz Uwe Lappan Ulrich Scheler

Modification of perfluorinated polymers by

high-energy irradiation Journal of Fluorine

Chemistry Vol 125 2004 pp863sim873

② LBorucki et al Diamond Conditioner Wear

Characterization for Copper CMP Process

Transaction on Electronic Materials Vol 8

9

2007 pp1520sim20

③ Polytetrafluoroethylene Aluminum magnesium

boride Diamond-like carbon Carbon nano-tube

-Wikipedia the free encyclopedia (2013)

④ 野坂正隆 低溫環境下におけるドライボロジドラ

イボロジスト(日本) Vol 52(11) 2007 pp759sim

764

⑤ 식품의약안전청 연구보고서(연구책임자 유승석)

불소수지코팅 주방기구의 안전성 평가C 2004 12

⑥ 이장호 등 테프론 코팅 전열관 표면으로의 열 및

물질 전달 특성에 관한 실험적 연구 대한기계학

회논문집 B권 Vol 27(8) 2003 pp1051sim1060

⑦ Eun-Joo Kim et al Teflon coating of fabric

filters for enhancement of high temperature

durability J of the Korean Oil Chemists Vol

28(2) 2011 pp232sim239

⑧ Jin-Goo Park et al Characterization of

Fluorocarbon Thin Films by Contact Angles

Measurements Journal of Microelectronics amp

Packaging Society Vol 6(1) 1999 pp39sim49

⑨ WO 200054614(Solex Robotics Systems Inc

Anti-static Non-sparkling Coatings for

10

Explosive Environments)

⑩ WO 2012123103(WLGore amp Associates GMBH

Use of an Ionic Fluoropolymers as Antistatic

Coating)

⑪ WO 2006 017259 (Thomae Kurt J Multilayer

Corrosion-resistant Finish and Method)

2 2차 지원

일시 및 장소 2013년 5월 16일(월요일) 1000-1400시 신청

업체 2층 회의실

참석자 성용선(연구소장) 장용석 이사

주제 및 토의사항

- 지원내용과 향후지원계획 지참 자료를 제공하고 연구

원들의 기초지식 배양을 목적으로 불소수지의 특성에

관해 각 유형을 중심으로 제공 자료를 통해 종합 설

명함 불소 수지 코팅 방법 개발 목적 기질의 전처리

방법 두께 제어의 중요성 코팅시스템 등을 토의하고

이에 관한 자료를 제공하여 기초지식을 배양함은 물

11

론 최근 기술 동향을 파악함 다음 방문 시(6월 20일)

에는 대전 방지 불소 수지 코팅을 중심으로 그 중요

성과 이론 등 기초지식과 최근의 개발동향을 검토하

기로 함

- 지원효과 불소수지의 유형과 특성을 통한 원료의 선

정 시 고려할 사항 코팅 방법 기질의 전처리 방법

용도에 따른 두께 제어의 중요성 파악 공정 및 제품

관리에 관한 기초지식 배양과 최근 기술 동향 파악

- 자료제공

① JP-2005-237860(三洋電氣株式會社 電氣掃除機)

② JP-2010-261035(Xerox Corpor- ation フツ素ナノ

ダイヤモンドを含むテフロン定着器部材)

③ JP-2010-78036(株式會社ルネサステクノロジ 配管

チュ-ブおよびこれを備えた機械裝置)

④ WO 2008154391(Alcoa Inc Heat Exchanger)

⑤ 등록번호10-0365003 (주식회사 엘지아이 열처리를

이용한 테프론 코팅 방법)

⑥ 공개특허10-2008-0061943(주식회사 하이닉스반도체

이온 주입장비의 웨이퍼 지지 장치)

⑦ 등록번호 10-0449561(주식회사 봉성비에스 완충기

12

용 피스톤의 테플론 코팅장치)

⑧ 등록번호 10-0522254(백원두 브레이크 라이닝(또

는 패드) 제조방법)

⑨ 등록번호 10-0811228(조철환 내열 세라믹 주방용

기의 불소수지코팅방법 및 그 방법에 의해 불소수

지 코팅된 내열 세라믹 주방용기) 등

3 3차 지원

일시 및 장소 2013년 6월 20일(목요일) 1000-1400시 신청

업체 2층 회의실

참석자 김학주 성용길 성용선(연구소장) 이채영 차장

및 연구원

주제 및 토의사항

- 지원내용과 향후지원계획 불소수지의 전기적 특성과

대전 방지용 불소수지의 충전제에 관한 장단점 토의

대전 방지의 중요성 폭발 환경에서의 정전기 안전지

침 반도체 제조 장치에서의 작업스테이지의 대전방지

에 관한 기술 동향 토의 최근 관심의 대상이 되고 있

13

는 탄소나노튜브(CNTs)의 제조 방법 용도 등에 관한

설명과 의견교환 내마모성 테플론 코팅 방법 용도

등에 관한 자료제공 및 의견교환 충전 또는 강화 불

소수지에 관해 자료조사를 통해 얻은 충전제의 종류

기계적 및 물리적 특성 향상 방법에 관한 기초지식을

제공함 다음 방문 시(7월 25일)에는 시트 테이프 및

박층 테플론과 최근 내마모성 코팅기술로 주목받고

있는 DLC코팅과 테플론의 안정성 문제에 관해 의견

을 교환하고 그간의 정보지원에 관한 내용들을 종합

정리하기로 함

- 지원효과 대전방지 불소수지 코팅의 작업표준 및 관

리지침에 반영할 자료 제공 최근 관심의 대상이 되는

CNTs에 관한 기초지식 배양 및 정보수집과 분석 불

소수지에 사용되는 각종 충전제의 선정 시 참고 자료

확보

- 자료제공

① Francis J Clauss Chapter 9 Fluorocarbons

Solid Lubricants and Self-lubricating Solids 1972

pp195sim238

② Eunsoo Kang Seongcheol Choi Changhoon Choi

14

Sang Eun Shim Aqueous dispersion of

submicron-sized diamond particles for thermally

conductive polyurethane coating Colloids and

Surfaces A Physiochem Eng Aspects415(2012)

pp255-261

③ Masaaki Yamane Tadeusz A Stolarski Shogo

Tobe Influence of counter material on friction

and wear performance of PTFEndashmetal binary

coatings Tribology International Vol 41 (2008)

pp269ndash281

④ M Pazderova M Bradac M Vales

Tribological Behaviour of Composite Coatings

Procedia Engineering Vol 10 (2011) pp472-477

⑤ S Rossi F Deflorian F Venturini

Improvement of Surface finishing and Corrosion

Resistance of Prototypes by Direct Metal Laser

Sintering Journal of Materials Processing

Technology Vol 148 (2004) pp301-309

⑥ S Rossi F Chini etal Corrosion Protection

Properties of Electroless NickelPTFE Phosph-

ateMoS2 and BronzePTFE Coatings Applied to

Wear Resistance of Carbon Steel Surface and

15

Coatings Technology Vol 173 (2003) pp235-242

⑦ VC Malshe Nivedita S Sangaji Fluorinated

Acrylic Copolymers Part I Study of Clear

Coatings Progress in Organic Coatings Vol 53

(2005) pp207-211

⑧ Xing-Dong Yuan Xiao-Jie Yang A Study on

Friction and Wear Properties of PTFE Coatings

under Vacuum Conditions Wear Vol 269 (2010)

pp291-297

⑨ Amel Delimi Elisabeth Galopin etal

Investigation of the Corrosion Behaviour of

Carbon Steel Coated with Fluoropolymer Thin

Films Surface amp Coatings Technology Vol 205

(2011) pp4011-4017

⑩ 이계영 김태균 김종구 ldquo내마모성 및 윤활성 코팅

조성물rdquo 대한민국특허 등록번호 10-1151909 (2012)

⑪ Thomae Kart J Multilayer Corrosion Resist

ant Finish and Method WO 2006017259(2006)

⑫ (주)바론에스엘 ldquo불소수지와 세라믹의 유무기

하이브리드 코팅 조성물 및 그를 이용한 도막 형성

방법rdquo 대한민국 공개특허 10-2013-0028553 (2013)

16

4 4차 지원

일시 및 장소 2013년 7월 25일(목요일) 1000-1400시 신청

업체 2층 회의실

참석자 성용선(연구소장) 이채영 차장 및 연구원

주제 및 토의사항

- 지원내용과 향후지원계획 발암물질인 석면대체재로써

테플론의 개발 동향을 나선 권형 가스켓과 자동차브

레이크 제동장치를 중심으로 토의하고 내마모 특성을

필요로 하는 DLC 코팅에 관한 정보제공과 DLC 특성

에 관해 집중 토의함 환경문제와 관련하여 대두되고

있는 테플론 분해가스 등 안정성 문제에 관한 자료를

제공하고 이에 관한 의견을 교환함 그간의 제공 정보

를 종합하고 8월 말 작성예정인 최종보고서 내용을

협의하였음

-지원효과 신기술 개발을 위한 내마모 코팅 DLC코팅

환경문제를 고려한 친환경 제품 등 신기술과 신공정

개발을 위한 개념을 확립하였음

17

- 자료제공

① WO 2006047500(Henkelkommanditgesellschaft auf

Aktien Article of Manufacture and Process for

Anodically Coating an Aluminum Substrate with

Ceramic Oxides Prior to Organic or Inorganic

Coating)

② 이치옹 분석자료 ldquo나선형 개스킷의 비석면화rdquo

Takashi Miyoshi 배관기술(일) Vol 46(10) 2004

pp43-47

③ 유호천 ldquoDLC 코팅 표면처리rdquo KISTI 중소기업 정

보지원 2011 10 11

④ 유호천 ldquoPVD DLC TRD 코팅설비를 활용한 복

합충 개발및 제품적용rdquo KISTI 중소기업 정보지원

2010 10 21

⑤ 국립환경과학원 ldquo화학물질 배출량 조사 OECD와 협

력강화rdquo 보도자료 (2010 11 18)

⑥ ldquo새로운 코팅기술과 공구에 대한 적용rdquo 월간기계기술

기자 2005년 3월호

⑦ Teflon off-gas studies Environmental Working

Group Ewg Org Retrieved on 2013-01-01

⑧식품의약품안전청 ldquo식품용 기구 및 용기 포장 공전rdquo

18

2012

⑨ 廣野高生 ldquo環境保全型フッ素系 撥水撥油剤の 開發

と 工業化rdquo ファインケミカル(日本) 37(11) 2008

pp39-44 이치옹 모니터링분석 KISTI

5 5차 지원

일시 및 장소 2013년 8월 21일(수요일) 1000-1400시 신청

업체 2층 회의실

참석자 성용선(연구소장) 이채영 차장 및 연구원

김학주(전문연구위원) 성용길(전문연구위원)

김종헌(KISTI 연구책임자)

주제 및 토의사항

1 불소화합물의 안전성과 환경대책 정보지원 결과 종합

등 최종보고서(안) 내용에 관한 의견교환

2 지원의 한계와 기대효과에 관한 의견 교환

3 건의 사항 등

19

세부 지원 내용

⑴플루오르화탄소 플라스틱의 특성

Teflon TFE(폴리테트라플루오로에틸렌)은 1940년대부

터 사용되어 왔으며 Teflon FEP(플루오르화에틸렌프

로필렌 공중합체)는 1958년에 소개되었고 압출 및 사

출성형이 용이하며 TFE 유형은 딱딱하고 낮은 마찰계

수를 가지며 마모에 강하고 보다 높은 온도에서 사용

가능하다 이 외에도 플루오르화탄소 플라스틱에는 폴

리염화플루오르화에틸렌(CFE 또는 CTFE)와 폴리비닐

리덴플루오라이드(PVF) 등이 있다 플루오르화탄소 플

라스틱은 그 코팅방법에 따라서도 응용범위가 광범위

하게 발전되어 왔으며 그 용도는 주방용기로부터 기

계 자동차 반도체는 물론 우주항공 산업 부품에 이르

기까지 무한하며 상업 생산되고 있는 플루오르화탄소

플라스틱은 표 3-11)과 같다

PTFE는 열가소성 플라스틱으로 상온에서 밀도 약 2200

인 백색고체로 융점은 327이며 마찰 및 마모 특

성을 나타내는 마찰계수는 고체재료 중 BAM(alumi-

20

nium magnesium boride 마찰계수 002)과 DLC

(diamond-like carbon 마찰계수005)에 이어 3번째로

낮은 005-010로 반데르발스 힘에 대한 저항력으로 도

마뱀이 붙을 수 없는 유일한 표면으로 알려져 있다2)

표 3-1 플루오르화탄소 플라스틱의 유형1)

21

Teflon의 유용한 기계적 특성은 -450sim500(-267sim

260)에서 유지되며 여러 가지 특성들은 가공기술을

바꾸어 변경시킬 수 있다 마찰 및 마모 특성을 나타

내는 마찰계수들은 시험조건에 따라 다르며 Teflon은

증기압이 극히 낮아 진공에서도 우수한 안정성을 가

지며 방사선 안정도는 부족하나 방사선 내용성은 극

히 높다

테프론의 특징은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat-

resistant) 비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coeffi-

cient of friction) 내약품성(chemical resistance) 특이한

전기적특성(unique electrical properties) 저온내구력

(cryogenic stability)으로 대표된다3)

- 테프론 코팅된 표면에는 거의 모든 물질이 달라붙지

않으며 내열성(heat-resistant)이 우수하여 -260sim+26

0까지 사용할 수 있고 단시간 사용의 경우에는 30

0까지 견디며 Teflon FEP는 232에서 연속사용이

가능하다 비유성(non-wetting)이 우수하여 표면에 물

이나 기름이 잘 묻지 않아 표면이 오염되지 않아 쉽

게 청소가 가능하고 기계설비의 보수시간이 단축되어

생산성을 향상시킬 수 있다 테프론은 비-절연성은 물

22

론 비-유전정접과 우수한 표면 저항률을 보인다

⑵ 플루오르화탄소 수지 코팅

얇고 강인한 플루오르화탄소 수지 필름을 금속 등에

소결이나 수지-접착에 의해 바르면 기질에 침착된 필

름은 저온흐름으로 고체 플루오르화탄소 수지보다 낮

은 마찰계수를 띠고 금속은 양호한 열전도도를 갖고

열을 분산할 수 있어 고속으로 운전할 수 있고 양호한

내구성을 갖게 된다

1950년대 미국 해군연구소에서 소결 Teflon TFE필름을

수성 분산액(현탁질)으로부터 무기 탄약통 비행기부

품 잠수함부품의 건조-필름 윤활제 및 보호 코팅용으

로 개발한 후 이것들은 기어 정첩(hinges) 샤프트 베

어링 밸브 플러그 콕 피스톤 링이나 그 외의 산업분

야에 응용되고 있다

- 실제로 적절한 테플론 현탁질을 고체 표면에 침적한

후 수분 증발이 너무 빠르지 않게 공기에서 필름이

건조되게 한 후 테플론 입자들이 연화 및 소결되도록

건조된 표면을 약 385(725)로 가열하고 냉각하면

23

얇은 연속 필름이 표면에 남지만 필름 중의 많은 작

은 세공들은 테플론의 높은 용융점도 때문에 제거할

수 없다 세공들은 윤활 작용에는 제한을 받지 않으나

녹슬거나 부식의 공격점이 되어 부식방지를 위해서는

1회 이상의 박막 추가 코팅이 반복되고 보통 2회 코

팅으로 충분하나 각 침적 테플론 층은 두께가 00003

인치(762)를 초과하지 않아야 하며 그렇지 않으면

말린 진흙 같이 균열이 발생한다 필름이 윤활제로 사

용될 때는 필름두께가 00006-00007인치(152-178)

를 초과하지 않아야 한다1)

- 테플론코팅은 통상으로 존재하는 표면 산화물이 제거

되지 않은 깨끗하고 탈지된 강철 황동 및 알루미늄금

속표면일 때 가장 잘 접착한다 만일 산세척에 의해

과잉 두께의 산화물이 제거되었다면 필수적으로 얇은

산화층이 형성될 때까지 공기 중에서 가열한다 접착

은 실표면적이 증가하면 증가하므로 경면가공(mirror

finish)보다 모래분사가공이나 무광택가공이 양호하다

- 테플론 코팅된 표면의 마찰계수는 금속기질 표면을

거칠게 함으로써 낮출 수 있으나 미끄럼마찰 조건 아

래 내구성은 금속의 거칠기가 32마이크로인치(rms)를

초과하면 감소한다

24

철강 기질의 인산처리는 소결 Teflon TFE필름의 마모

수명을 향상시킨다고 보고되었으며 양극처리 된 코팅

의 경도 및 내마모성과 불소수지의 윤활성을 결합하기

위해 다공성 경화 양극처리 알루미늄 위에 불소수지를

침윤하여 왔다 Teflon S 마감재는 Du Pont이 도입한

최초의 수성-기초 분산 TFE FEP로 이들은 ldquo계층화

된rdquo 마감재이다 Francis J Clauss1)는 다양한 용도에

서의 Du Pont사 제품들의 선정 가이드를 표로 종합하

였으며 이것을 요약하면 표 3-2와 같다

- 테플론 코팅은 프라이머 단층 프라이머 코팅 후 에나

멜이나 클리어 마감 또는 프라이머 에나멜과 클리어

마감 등 3-코팅 시스템으로 구성된다 프라이머들은

금속이나 세라믹 기질에 접착을 향상시키기 위해 개

질제를 함유한다 프라이머들은 가끔 1회 코팅 마감재

로 사용되나 음식물과 접촉하는 용도로는 반드시 에

나멜이나 클리어 마감재로 마무리 칠을 하여야 한다

프라이머는 층간 접착력이 부족하기 때문에 다중 코

팅에 적용될 수 없고 만일 06mil 이상의 코팅이 필요

하면 프라이머는 에나멜이나 클리어 마감재로 마무리

칠을 하여야 한다

25

표 3-2 테플론 코팅 두께1)

최종

용도대표적 용도

전체두

께(mils)

프라이머에나멜클리어

가공(mils)

비점착

산업

직물 슬래셔 통

열 봉합 봉 고무경화 롤러

우레탄과 에폭시 경화 주형

제빙기

목재 고무 주석도금 아연

10-25

07

20-50

08-13

07

03 07-22 07-10

07 마무리칠 불가

03 07-37 10min

03 05-10 05-10

07 마무리칠 불가

식품

프라이팬 내열접시

반죽롤러

캔디 장치

08-12

10-30

20-30

03 05-09

03 07-27

03 07-17 10

One-coat

system

금지

드라이

윤활

플러그 밸브

유리병 제조 전달 장치

베어링

03-07

15-25

05-07

03-07

03 03-05 03-05

02

전기

전자

저항기 코팅

아이들 롤러(제지 섬유 공업)

세라믹 절연체

40-50

10-15

20-25

03 37-47

03 07-12

03 17-22

부식

방지용기 라이닝 gt50 03 47 또는 5-10 이상

Non-

wetting콘덴서 튜브 02-04 02-04

- 유색 프라이머는 통상 안료가 필름의 범위와 두께를

시각적으로 체크할 수 있게 하므로 그렇지 않은 것에

비해 더 선호된다 에나멜과 클리어 마감재는 충분한

접착을 위해 프라이머 위에 발라야 한다 ldquo진흙 갈라

짐 현상(mud-cracking)은 코팅 당 최대 두께를

10mil로 한정하나 다중 코팅에 의해 극단적이 조건

하에 전체 두께를 10mils까지 바를 수 있으며 각각의

26

코팅은 분리하여 구워진다

불소화 고분자들은 낮은 표면장력 물과 기름에 젖지 않

고 비점착성이며 방오 특성(antifouling properties) 등을

갖기 때문에 다양한 특수 코팅에 적용되나 합성과 조성

이 몇몇 제조업자들에 독점되어 있고 값비싼 중간체를

필요로 한다 VC Malshe 등4)은 플루오르 함량이

4-10인 불소화된 아크릴 공중합체를 간단한 방법으로

합성하고 클리어 코팅하여 광학적 기계적 및 보호 특성

을 연구하였다

최근 에너지 절감과 CO2규제와 같은 환경규제에 대한 대

응 필요성이 증가하면서 발전소나 각종 보일러 시스템에

서 배가스로 배출되는 응축잠열 에너지의 회수 및 활용

에 관심이 증가되고 있다 Lee 등5)은 스테인레스 관 표

면에 400정도의 두께로 테플론을 코팅한 전열관에서

관의 열 및 응축 열전달 특성을 연구하여 테플론 코팅관

의 총괄 열전달 계수는 스테인레스 관보다 약 20 작은

것으로 나타나고 응축열전달 계수는 유사하였음을 보고

하였다

알루미늄 용광로의 비-여과 배출가스에 장기간 사용하기

적합한 역류 열교환기에 관한 것으로 원통형 쉘의 표면

27

은 알루미늄 용광로 배출가스 입자 및또는 먼지 및 부

식 흄과 접촉될 수 있어 테프론 계로 코팅 처리하는 특

허6)가 있다 이 특허에서는 원통형 쉘을 만들도록 복재

(web member 웨브재)와 함께 연결된 유체 운반튜브로

이루어진다 각 원통형 쉘에 위치한 헤더는 열교환기의

튜브에서 튜브로 유체를 공급하며 뜨거운 난류가스에 작

용하여 스케일링을 최소화하기 위해 헤더의 보호덮개를

설치한다

저온에서 고온에 이르는 환경에서 유체에 사용되는 배관

튜브는 열에 의한 경시적 열화가 진행되어 균열 발생이

쉽다 가동부에 사용되는 배관 튜브는 움직임이 수반되어

그 경향이 현저하며 반도체 제조장치에 일반으로 사용되

는 실리콘튜브는 저온에서 열화되어 파손되기 쉽다 이러

한 문제점을 해결하기 위해 실리콘 튜브 외측 표면을 테

플론으로 코팅하여 균열발생을 억제함으로써 장시간 사

용 가능하도록 고안한 특허7)가 있다

섬유상 부직포로 제작하는 다공성 여과필터는 다양한 산

업공정의 배출가스를 정화시키는 데 사용되며 특히 중고

온 환경에서 사용이 가능한 다양한 종류의 기능성 필터

의 개발이 요망된다 일반으로 소각장 및 발전소 등의 중

고온 조건에서 사용되는 Nomex를 비롯한 섬유상 필터는

28

200 이상에서는 열변형으로 사용이 제한적이고 세라믹

필터와 같이 고온에서 적용이 가능한 소재는 매우 고가

일 뿐 아니라 초기 작업으로 인해 에너지 사용량이 매우

높아지는 문제점이 있다 Kim 등8)은 250-300 영역의

중고온의 배출가스를 처리하기 위한 필터에 표면 소수성

과 고온 안정성을 부여하기 위하여 표 3-3과 같은 조성

으로 그림 3-1과 같은 장치를 이용하여 테플론 수지를

거품 형태의 코팅액으로 조제하여 유리섬유 원단에 공급

하여 표면코팅하고 열처리 및 압착과정을 거친 후 표면

분석하였다

표 3-3 테플론 코팅을 위한 화학첨가제8)

테플론 코팅이 전기 집진장치에 활용되는 특허도 있다

종전 사이클론 방식의 전기집진기에서는 집진부의 먼지

를 떨어뜨리는 것이 용이하지 않았다 발명자들은 먼지

압축 기능을 갖는 집진실 내측에 테플론 가공을 하여 정

전기에 의한 미세먼지의 부착을 억제함으로써 집진실의

먼지를 원 터치로 처리할 수 있도록 하였다9)

29

그림 3-1 테플론 거품코팅8)

일반으로 테프론을 조리용기에 코팅하는 방법은 금속소

재를 사용 제품형태로 제작한 후 세척하고 에이징(소둔)

처리한 후 샌딩하여 표면조도를 유지하도록 하고 표면에

프리머 처리하여 베이킹 처리한 후 분사방법으로 테프론

코팅을 하고 다시 베이킹 처리하므로 공정이 복잡하고

제조원가가 상승하며 부착력에 한계가 있다한다 (주) 엘

지아이 특허10)에서는 피처리물을 세척한 후 산질화처리

하여 표면에 열처리 층이 형성되게 한 후 테프론을 코팅

하고 베이킹 처리하는 것을 특징으로 한다 그 외에 내열

세라믹 주방용기의 불소수지 코팅방법에 관한 특허가 있

다11)

(주) 봉성비에스는 차량의 주행 충격을 흡수하는 완충기

30

내부에 삽입하는 피스톤 외주면의 마찰과 소음을 최소화

하기 위한 목적으로 테프론 코팅을 하기 위한 코팅장치

를 등록하였다12)

⑶ 대전 방지 플루오르화탄소 수지 코팅

ㅇ 본래 불소수지 자체는 높은 절연성과 큰 대전성을 갖고

있기 때문에 도전 효과를 얻기 위해서는 분상 필러를 다

량으로 충전할 필요가 있으나 이렇게 하면 비점착성이

떨어진다 여러 회사들의 제품 안내서들을 종합한 불소수

지의 전기적 특성은 표 3-4와 같다

표 3-4 불소수지의 전기 특성

특성측정법

(ASTM)단위

PTFE

(비충전)

PTFE

(25

유리충전)

PTFE

(25

탄소충전)

표면 내아크성 D495 sec 75-110

체적저항

(비저항)D257

ohm-

cmgt1018 gt1016 104

표면저항 D257ohm

sq-1 gt10

14

유전율(유전상

수) at 1MHzD150-81 e 25 24

절연내력 short

time 18thickD149

kv

mm285

유전정접(유전

정합) at 1MHzD150-81 lt00002 005

31

ㅇ 불소수지는 내열성 내한성이 높고 내약품성 내연소성

난연성이 우수하고 절연성 및 비점착성과 저 마찰계수를

갖고 있으나 절연성이 높아 정전재해의 원인이 될 수 있

어 재해 방지를 위해 대전 방지 또는 저저항을 특징으로

하는 불소수지 가공품이 개발되어 사용범위가 넓어지고

있다

불소수지에 충전하여 저저항으로 하는 필러에는 일반적

으로 도전성이 높은 카본 금속 또는 산화알루미늄 등의

금속산화물이 사용된다 재료의 형상으로는 미분 탄소

스테인레스 스틸 니켈 금속분과 같은 입상물 단섬유 탄

소섬유 위스커(whisker) 등이 사용된다

- 미분은 비표면적이 크기 때문에 소량의 충전으로 저

항치를 내릴 수 있으나 약품의 침투가 있는 경우 비

표면적이 크기 때문에 약품의 영향을 받기 쉬워 내부

식성 떨어질 가능성이 크다

- 입자상물질들은 미분에 비해 비표면적이 작기 때문에

약품의 영향을 비교적 적게 받지만 저항치를 내리기

위해 충전량이 많게 되어 불소수지의 특징인 비점착

성과 저마찰계수 특성을 저해한다 섬유 위스커 형상

은 단방향에 대한 장방향의 비가 클수록 적은 충전량

32

으로 저항치를 낮출 수 있지만 분산이 나쁘면 요철이

발생한다 부식 방지 코팅에서는 충전제의 내약품성이

관건이다 즉 부식 환경에서 불소수지 자체는 충분히

견디어도 충전제가 내약품성이 없으면 충전제가 서서

히 에칭되어 기기가 부식될 가능성이 크다

화학 석유 및 정제 산업에서는 시험 검사 세척 및 다양

한 공정의 용기 저장 탱크 반응기와 같은 많은 구성요

소들이 사용되며 플루오르화 고분자는 고온에서 높은 열

안정성을 갖고 다양한 유기용매에 전혀 용해되지 않으므

로 부식방지 등을 위해 플루오르화 고분자와 같은 내화

학성 고분자로 코팅된다 그러나 이들 고분자는 코팅된

구성요소의 표면에 정전하 축적을 조장하기 때문에 폭발

성 환경에서는 사용할 수 없다

특히 이들 구성요소들의 금속 구조물은 용기나 탱크에

보관된 가스 증기 분진의 이동에 의해 생성된 정전하

(electrostatic charge)를 흐르게 하는 전도경로가 되나 금

속표면을 강산 강알칼리나 유기용제에 의해 침투되는 방

지하기 위한 목적으로 부식방지 테플론으로 코팅될 경우

얇은 필름의 비-전도체로 작용하므로 폭발성 환경에서

사용을 규제하고 있다

33

- 예로 유럽 표준 EN 50014 section 732에서는 정전

하로 인한 발화 위험을 피하기 위해 사용 보수 및 세

척 조건 하에 설계된 울(enclosure)이 필요하고 울의

절연저항은 1GΩ을 초과할 수 없도록 규제하고 있고

일본은 후생노동성 관할 산업안전연구소의 정전기 안

전지침의 누설 저항치는 108Ω 이하로 되어 있다

- 따라서 부식 및 폭발성 환경에서 안전하고 다양한 구

성 요소에 적용할 수 있는 정전방지 비-발화 테플론

코팅기술을 요하며 정전방지 코팅은 표면저항을 낮추

기 위해 카본블랙이나 개질 전도성 탄소 금속이나 전

도성 고분자를 테플론에 충전하여 코팅한다

폭발성 환경용 내화학약품 특성과 대전방지 비발화

코팅 조성물로는 높은 비저항을 갖는 플루오르 고분자

50-90wt 10-50wt의 전도성물질인 탄소분(carbon

powder)으로 이루어진 Solex Robotics Systems Inc

특허가 있다13)

- 폭발환경에서 사용되는 이상적인 코팅은 정전하를 피

하기 위해 낮은 비저항을 가져야 한다 완벽한 전도체

는 비저항이 영(0)이고 완벽한 절연체는 무한 비저항

34

을 갖는다 금속(구리 금 같은) 합금(망가닌 Mn-Ni-

Cu 니크롬 Ni-Cr-Fe) 반도체(카본이나 게르마늄)는

낮은 비저항을 갖고 있어 좋은 도체이다

- 수많은 고분자 기초 코팅들이 부식화학 환경에 사용

되었으나 85GΩ 이상의 비저항으로 대전방지 시험에

서 실패하였다 정전기 도체로 인증기준 아래 적합하

기 위해서는 100cm2이상의 노출 표면이 1GΩ 이하의

비저항이어야 한다 코팅에 첨가된 탄소분은 전도도를

증가시키며 10-50의 함량은 1GΩ 이하의 비저항을

만족시킨다

비전도성 표면의 표면저항을 감소시키도록 카본이나 금

속을 사용하여 대전방지를 부여하는 공정의 단점으로는

카본이나 금속의 접착력이 낮아 입자의 마모가 일어나

장기간 사용 시 대전방지 수준이 감소하는 것이다 더욱

클린룸에서 입자의 방출은 심각한 문제가 된다 대부분의

비전도성 기질은 통상 23 상대습도 50에서 표면 비

저항이 109ohmsquare 이상으로 높고 PTFE 경우는 10

12

ohmsquare이상이다14)

반도체 제조 장치에서는 웨이퍼 기판을 안착하기 위해

작업 스테이지를 사용하며 작업스테이지는 통상 금속과

35

세라믹으로 제작되나 웨이퍼기판을 작업스테이지에 올려

놓을 때 작업스테이지와 웨이퍼기판 사이에 마찰 정전기

가 발생한다 FPD(flat panel diplay 평판표시)용 디스펜

서(dispenser)에 사용되는 작업스테이지는 진공방식으로

디스플레이 기판을 흡착 고정하며 흡착 고정되었던 디스

플레이 기판이 작업스테이지에서 박리될 때 작업스테이

지에 정전기가 발생하여 디스플레이 기판에 대전된다 최

근 디스플레이 기판이 대형화됨에 따라 대전량이 증가되

고 정전기 대전문제가 더욱 심각해지고 있다 웨이퍼기판

이나 디스플레이기판에는 반도체소자 등 다수의 전자부

품들이 배치되어 있기 때문에 정전기가 발생되면 전자부

품의 신뢰성에 치명적 손상을 주고 기판에 분진이 부착

되거나 정전기의 대전으로 기판 리프트 업(lift up)시 기

판이 깨어지는 문제가 발생한다 정전기 대전을 방지하기

위해서는 작업스테이지에 이오나이저를 설치하여 중화하

기도하나 리프트 업이 불가능하거나 이온풍이 도달하기

전 방전하는 등 작업 스테이지와 기판 사이에서 발생한

정전기가 순간적으로 일으키는 박리대전 문제를 해결하

기 어려워 작업 스테이지의 정전기 방지를 위해 불소수

지로 코팅한다

- 불소수지는 다른 물질과의 흡착에너지가 작고 비점착

성이 우수하며 마찰계수가 작아 유리기판과의 상관관

36

계가 작아져 박리에 의한 정전기의 발생량이 적어지

나 불소수지는 절연성을 가지므로 테프론 코팅에서는

카본 블랙이나 전도성 고분자 등을 필러로 사용한다

대전방지가 필요한 반도체 제조장비 디스플레이 장치 및

테스트 장치 등의 작업 스테이지를 테프론 코팅함으로써

작업 스테이지의 정전기 발생을 방지하는 방법의 단점의

하나는 제작비용이 상대적으로 많이 드는 것으로 디스펜

서의 경우 디스플레이 기판이 대형화됨에 따라 작업 스

테이지의 크기가 커져 제작비용이 증가한다 또한 불소수

지의 경도가 낮아 코팅 막에 스크래치가 발생하고 이 부

분은 평탄도 유지가 어려우며 입자들이 발생하는 요인으

로 작용하며 불소수지가 절연성이므로 카본블랙이나 전

도성 고분자 등의 도전성 필러를 충전하여 대전방지에

적합한 면-저항을 갖도록 할 경우 카본블랙은 구형으로

분진이 발생하는 문제점이 있고 전도성 고분자를 사용할

경우는 내용제성이 약하고 과량의 바인더를 사용하여야

하며 박막 형성이 어렵고 불소수지의 경도를 보완하기

위해 아노다이징 처리를 하는 경우는 이후 별도의 코팅

과정을 거쳐야 하므로 제작비용과 제작시간이 증가하는

등 여러 가지 단점들이 있다 이러한 문제점들을 해결하

기 위한 방법으로는 작업 스테이지와 기판이 만나는 면

에 정전기 발생을 최소화시킴과 동시에 그 제조비용이

37

절감되고 적절한 면-저항을 조절할 수 있으며 마찰계수

가 낮고 내마모성이 향상된 작업스테이지 표면의 대전방

지 처리 방법에 관한 국내의 탑나노시스 사의 특허15)가

있다

- 탑나노시스 사의 특허 목적은 작업스테이지의 기판과

만나는 면에 정전기의 발생을 최소화시킴과 동시에

그 제조비용이 저감되고 적절히 면-저항을 조절할 수

있으며 마찰계수가 낮고 내마모성이 향상된 스테이지

표면의 대전방지 처리 방법에 관한 것으로 이 특허에

서는 금속소재의 작업 스테이지 표면을 아노다이징

처리하여 복수의 산화표면 홀들을 형성시키고 여기에

탄소나노튜브를 삽입하고 경화하며 탄소나노튜브 경

화 후에 표면을 봉공 처리한다

- 작업스테이지 표면은 106-10

9Ωsq의 면-저항을 갖는

것이 바람직하며 산화표면 홀들은 직경 30-900nm 깊

이 100-900nm가 바람직하다 아노다이징 처리를 하는

금속소재는 Al Mg Zn Ti Ta(탄탈륨) Hf(하프늄)

Nb(니오븀) 등일 수 있고 이 발명에서는 가벼우며 일

정 강도를 갖고 가공성이 우수한 Al합금을 예로 들어

설명하고 있다

38

- 알루미늄소재 작업스테이지 표면에 산화피막(Al2O3)처

리를 하는 아노다이징(anodizing 양극산화)에서 전해

액은 수산화나트륨이나 수산과 황산 등이 사용될 수

있고 수산화나트륨의 농도(20-50) 공급전압 전류

및 시간 등을 조절하여 산화표면 홀의 크기(D)와 깊

이(L)를 조절하며 D와 L에 따라 대전방지 효과나 내

구성 및 표면경도를 조절한다

- 탄소나노튜브를 산화표면 홀 내에 삽입시키는 단계는

전해 흡착 하여 이루어질 수 있고 정전도장을 통해서

도 이루어질 수 있다 탄소나노튜브는 분산제를 포함

하는 용액으로 코팅되며 분산제로는 소듐 도데실설페

이트(SDS) 트리톤X Tween20(폴리옥시에틸렌 소르

비탄모노올레이트) CTAB(cetyl trimethyl ammonium

bromide)를 예로 들고 있으며 탄소나노튜브 용액은

아크릴계 우레탄계 등 또는 전도성 고분자계 유무기

하이브리드계 바인더가 포함될 수 있다

- 봉공처리는 산화표면 홀과 산화피막을 봉공하여 내식

성 등이 향상되도록 보호 층을 형성시키는 것으로 비

등수 가압증기에 의한 수화봉공 금속염을 포함한 열

수에 의한 금속염 봉공 오일로 도포나 침적하는 유기

물 봉공 양극산화 피막 층에 도장하는 도장에 의한

39

봉공 등이 있다

반도체 소자를 제조하는 과정에는 불순물 이온을

주입하는 장비가 이용되고 있다 (주)하이닉스 반도

체의 특허에서는 이온주입 장비의 웨이퍼 지지 장

치 리프트 핀의 끝단을 라운드 처리하고 리프트 핀

에 테플론을 코팅하여 리프트 핀과 웨이퍼 후면의

접촉 시 웨이퍼 후면에 스크래치와 같은 손상이 유

발되는 것을 억제할 수 있게 한다16)

⑷ 탄소나노튜브(CNTs Carbon Nano Tubes)17)

탄소나노튜브는 탄소의 동소체로 1991년 일본 NEC 연구

소의 Ijima박사에 의해 전자 현미경을 통해 처음으로 확

인되었다 1985년에 Kroto와 Smalley가 탄소의 동소체인

풀러렌(탄소 원자 60개가 모인 것C60)을 처음으로 발

견한 이후 전기방전 시 흑연 음극 상에 형성된 탄소덩어

리를 투과전자현미경으로 분석하는 과정에서 발견하여

Nature학술지에 처음으로 발표되었다18) 탄소나노튜브에

서 탄소원자 하나는 주위의 다른 탄소원자 3개와 sp2결

합을 하여 육각형 벌집무늬를 형성하며 이 튜브의 직경

이 대략 수 나노미터(nm nanometer) 정도로 극히 작기

40

때문에 나노튜브라고 부르게 되었다 이 탄소나노튜브는

전기 세기가 클수록 더 수축하는 성질을 가지고 있는 등

튜브의 직경이 nm수준으로 극히 작아서 특유의 전기화

학적 특성을 나타낸다

Ku 등19)에 의하면 CNTs는 전기방사법(arc-discharge)

레이저증발 법(laser vaporization) 플라즈마 화학기상증

착 법(plasma enhanced chemical vapor deposition) 열

화학 기상증착 법(thermal chemical vapor deposition) 등

의 다양한 합성법이 개발되어 대량생산이 가능하다

CNTs의 종류는 벽의 수에 따라 단일 벽 탄소나노튜브

(SWNTs) 이중 벽 탄소나노튜브(DWNTs) 다중벽 탄소

나노튜브(MWNTs)가 있으며 물성에 관한 많은 연구결

과 기계적 전기적 열적으로 우수한 성능을 갖고 있음이

입증되었다

CNTs는 인장강도와 탄성률 면에서 지금까지 발견된 재

료 중 가장 강하고 질기며 다중벽 CNT는 63GPa에 이른

다 표준 단일 벽 CNT는 25GPa의 압력까지 변형 없이

지탱된다 그래핀의 대칭성과 특이한 전기적 구조 때문에

CNTs의 구조는 그것의 전기적 특성에 영향을 미쳐 금속

성이나 반도체의 특성을 나타내고 이론적으로 금속성

41

CNTs는 구리와 같은 금속의 1000배가 큰 4times109Acm

2

전류 밀도를 운반할 수 있으며 나노크기의 단면으로 전

자가 튜브의 축 방향으로만 전파되고 전자의 이동은 양

자효과를 수반하여 1차원 전도체로 간주된다

CNTs는 우수한 물성과 상대적으로 큰 표면적으로 갖고

있어 충전제(filler)로써 에폭시 폴리스틸렌 폴리우레탄

등 고분자와 혼합하여 폴리머의 기계적 전기적 특성을

향상시키려는 연구가 활발하다 CNTs가 폴리머 중에서

충전제 역할을 하기 위해서는 고른 분산이 필요하나 반

데르발스 힘에 의한 CNTs 응집현상(agglomeration)으로

인해 효과적인 분산이 어려워 오히려 폴리머의 물성을

저해하므로 이것을 개선하기 위한 다양한 기계적 화학적

분산 방법이 연구되고 있다

- CNTs를 분산시키기 위한 가장 일반적인 방법은 용매

나 폴리머에 CNTs를 투입하고 초음파처리를 하는 것

으로 초음파처리를 하면 SWNTs의 길이가 짧아지고

다발(bundle)이 얇아져 분산력이 증가한다

- CNTs 표면을 산이나 아민으로 기능화하여 분산을 높

이는 방법도 연구되고 있으며 MWNTs를 HNO3

H2O2NH4OH 용액에 침지시켜 MWNTs에폭시 복합

42

재료는 전기적 특성을 향상시키려는 연구와 산과 아

민 등의 기능기를 도입하여 SWNTs의 열전도도를 향

상시키려는 연구들이 수행되고 있다

- 기계적 분산방법인 전단혼합방법은 좁은 관이나 상대

적으로 높은 속도의 유동을 이용하여 발생한 전단력

으로 CNTs를 분산시키는 방법이다 Ku 등19)은 전단

혼합과 초음파처리를 이용하여 MWNTs로 강화된

에폭시 복합재료를 만들어 기계적 및 열적 특성을 연

구하였다

⑸ 내마모성 테프론 코팅

ㅇ 재료의 부식은 구조재에 원하지 않은 변화 원인으로 작

용하여 경제적인 문제로 귀결되는 심각한 문제이다 이들

원치 않는 변화는 때로 적절한 코팅에 의한 표면처리로

예방할 수 있다 가장 일반적이고 자주 사용되는 전착 코

팅은 아연에 기초한 아연 코팅 및 합금 코팅으로 이들

코팅은 간단한 기술로써 내부식성이 양호하여 전 표면처

리의 약 14에 해당하나 최근 낮은 마찰계수 등 다른 특

성들이 매우 중요하게 되었다 이들 특성은 다층 코팅으

로 대응할 수 있으나 두께가 증가하고 기술이 복잡하여

가능한 해결방법으로는 복합체 코팅이 있다 복합체 코팅

43

은 일반기계와 자동차 전자부품 및 컴퓨터 등 다양한 분

야에 적용된다 금속 기질에 미세한 PTFE 입자의 전착

에 의한 증착은 새로운 세대의 복합체 코팅으로써 가장

바람직한 특성은 양호한 내마모성 자기윤활 내부식성이

다 M Paderovaacute 등20)에 의하면 이들 특성은 주로 사용

한 입자(흑연 다이아몬드 MoS2 또는 PTFE)와 용액의

유형(pH 온도 bath 등) 뿐 아니라 입자의 크기 농도

분산 및 형태학에 의존한다

ㅇ 충전되지 않은 PTFE의 마모율은 736-741times10-4mm3Nm

로 내마모성이 낮아 다양한 충전제들이 첨가되고 있다

Xing-Dong Yuan 등21)은 진공 조건에서 PTFE 코팅

의 마모특성을 연구하여 초기에는 하중이 증가함에 따

라 마찰계수가 감소하나 하중이 6N 이상으로 커지면

마찰계수도 증가하며 압력이 PTFE 코팅의 마찰계수

에 미치는 영향이 거의 없고 마모는 압력이 증가하면

초기에는 감소하나 10Pa 보다 높으면 급격히 증가한

다고 보고하였다

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위해서는 윤활제로 PTFE

계 수지 접착제로는 폴리아미드이미드수지 산화철 분말

44

및 브론즈 분말 등을 혼합한 조성물을 사용하거나 미국

특허에서는 스와시플레이트 형 압축기의 플레이트 표면

에 MoS2 흑연 PTFE계 윤활제와 열경화성 수지인 폴리

아미드이미드(PAI) 조성물을 코팅하여 내마모 및 윤활성

을 부여하고 있다22) 내열성 향상을 위해서는 고체윤활

제 접착제수지 및 저융점 금속인 Sn Pb In Bi 등을 함

유하는 합금이나 화합물을 사용하여 금속의 잠열을 이용

내열성 향상을 시도하기도 한다

ㅇ 그간 철강(스테인리스강 탄소강 아연도금강판 등)의 내

부식성 향상을 위한 많은 연구들이 수행되어 왔다 4플루

오르에틸렌(C2H4) 4플루오르에탄(CF4) 6플루오르에탄

(C2F6) 3플루오르화에탄(CHF3) 8플루오르화에탄(C4F8)

같은 불소화된 단량체의 플라즈마 중합에 의한 테플론

류 코팅은 그들의 소수성으로 인해 금속의 내부식성 향

상을 위한 대안으로 주목을 받고 있다 A Delimi 등23)

은 유도결합 고주파플라즈마(inductively coupled radio

fre- quency plasma)를 사용하여 소수성 박막 불소수지

필름을 탄소강에 증착하고 3염수에서 내부식성을 평가

한 결과 1개월 동안 9nm의 필름이 유지되는 것을 관찰

하여 불소고분자 박막이 금속과 금속산화물의 보호층이

될 수 있음을 보고하였다

45

ㅇ PTFE를 이용한 세라믹코팅 기술로는 알루미늄 및 알루

미늄 합금 공작물을 양극처리에 의해서 티타늄 및또는

지르코늄 산화물을 포함하는 내식성 내열성 및 내마모

성 세라믹 코팅을 하고 이어서 양극처리된 공작물을

PTFE 또는 실리콘 함유 코팅과 같은 제 2 코팅으로 코

팅한다 이 발명은 가소성을 가지는 경질의 필름 내에서

내식성 내열성 및 내마모성을 제공하는 티타늄 및또는

지르코늄 산화물의 양극처리 층으로 기판을 예비-코팅함

으로써 알루미늄 기판에 보다 긴 수명의 코팅을 형성하

는데 특히 유용하다24)

ㅇ Nosaka 등25)은 PTFE로 대표되는 불소수지는 마모-링이

나 극저온 밸브의 실링부에 많이 사용되며 진공치환법에

의해 탄소재료에 PTFE나 MoS2 분말을 1-2wt 함침시

키면 무함침한 것에 비해 마모가 약 13로 감소한다고

보고하였다 한편 저자들은 터보펌프의 실링재료가 극저

온 환경에서 보이는 특이한 현상을 극복하기 위해 베어

링의 표면에 노출된 유리섬유를 불소산으로 처리하여 용

해 제거하고 윤활성을 높인 유리섬유강화 테프론 리테이

너를 개발하여 내구성과 윤활성을 향상시킬 수 있었다고

보고하고 있다

46

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위한 또 다른 특허로는

폴리실록산계 접착제를 단독 혹은 폴리에스테르계 접착

제와 병용하고 고체 윤활제로 MoS2(이황화몰리브덴

WS2(이황화텅스텐) h-BN(육방정 질화붕소) 팽창흑연

및 PTFE를 사용하고 충전제로 탄화규소 알루미나 산화

지르콘 산화티탄 등의 미분말을 사용하여 내마모 내열

및 윤활성을 부여하고자 하는 내마모성 및 윤활성 코팅

조성물에 관한 특허가 있다26)

ㅇ 내열성 내후성 내오염성 내약품성 내구성 등의 물성

은 유지하면서 비점착성을 높이기 위해 무기계 세라믹

코팅 조성물에 PTFE를 첨가하기도 한다 이러한 하이

브리드 코팅 조성물에 관한 특허로는 불소수지(01sim25

중량) 콜로이달 실리카나 콜로이달 알루미나 등 무

기계고분자 바인더(20sim80중량) 알콕시실란 화합물

(1sim50중량) 수용성 유기용제(1sim10중량) 충전제

또는 안료(5sim50중량) 및 물(100중량 까지 보충)로

이루어진 코팅 조성물에 관한 것으로 무기질 도료 및

무기계 세라믹 코팅에 의해 내열성 내오염성 내약품

성과 내구성을 유지하고 접착력을 높이기 위해 소량의

PTFE를 사용하는 것이 있다27)

47

ㅇ 정전 복사기에 사용되는 정착기재부의 최외층에 코팅하

여 기계적 성질 및 내마모성을 향상시키려는 목적으로

불소수지 기질 중에 분산된 불소화 다이아몬드를 함유하

는 입자로 구성된 조성물에 관한 일본 특허28)가 있다

ㅇ 부식 특성을 개선한 흑색 무크롬(chrome-free) 다층 내

부식 마무리 칠과 방법에 관한 특허29)로는 ASTM B 117

표준으로 시험할 때 백색 부식에는 최소 500시간 염수분

무시간 및 적색 부식에는 1500시간 염수분무시간에 적합

하게 설계된 마무리 칠에 관한 것이 있다 이 다층 시스

템은 광택(gloss) 4 이상을 만족하는 자동차 차체 강판

자동차 하부와 내장에 사용되기 위해 설계된 것으로 이

다층 마무리 칠은 3층 부식 방지 시스템을 형성하도록

아연-철 전기도금 기질 오르토인산을 사용한 무전해 인

산염 결정 전환 층과 XylanTeflon 실러 코팅의 조합이

다

ㅇ 전통적으로 철 강판(steel sheet)은 크롬산 염 전환 코팅

으로 개질되어 왔으나 6가 크롬이 배출되어 환경을 오염

시키는 문제점이 있어 강판의 내-부식성을 개선하기 위

해 고분자 수지 코팅들이 수행되고 있으나 이 방법은 고

48

분자 코팅 층이 열전도도를 감소시키는 단점을 가지고

있다 Kang 등30)은 강판 위의 고분자 코팅 층의 열전도

도를 향상시키기 위해 초미세-크기 다이몬드(μD)입자를

열전도 물질로 사용하였다 다양한 음이온 및 비-이온

계면활성제들을 사용하여 수용액 중에서 무거운 μD입자

의 안정화를 시험들을 한 결과 1-피렌카르복시산(PCA)

이 가장 양호하였다 그림 3-2는 이 시험 결과를 요약한

것이다

- 강판 위에 PCA로 안정화 된 μD 입자를 함유한 폴리

우레탄-기초 코팅 층은 열전도도가 0351W(mK)에서

0434 W(mK)(10 wtμD)로 향상되었으며 더욱 144

시간 동안 염수 분무 시험결과 부식거동은 관찰되지

않았다

그림 3-2 피렌카르복시산을 이용한 μD 표면처리

ㅇ 자동차공업에서는 기본적인 특성으로 내마모성이 요구되

49

는 강철 기계부품들의 마찰특성을 향상시키기 위해 다양

한 금속 및 고분자 코팅들이 광범하게 이용된다 내-마

모 코팅은 두 가지 주요 특성인 높은 표면경도와 자기-

윤활 특성이 필요하다 후자의 범주에 속하는 것이

PTFE와 MoS2 기초 코팅이다 무전해 니켈 코팅은 높은

경도로 인해 양호한 마찰 특성을 보이며 한편 열처리를

통해 경도를 향상시킬 수 있다 PTFE입자의 첨가는 코

팅경도를 감소시키나 자기-윤활특성을 부여한다 S

Rossi 등3132)은 마찰특성을 향상시키기 위해 이용되는 탄

소강에 이용되는 몇 가지 공업적인 코팅에 관한 부식거

동에 관해 평가 PTFE입자를 함유한 무전해 니켈-인

(Electroless Nickel-Phophorus)코팅은 PTFE 입자(자기-

윤활 특성)를 갖는 외층과 장벽-효과를 갖는 내층으로

인한 이중 특성으로 가장 양호한 특성을 보였다고 보고

하고 있다

ㅇ 모든 기계적 시스템은 동적 요소를 필요로 하며 마찰과

마모를 줄이기 위한 다양한 수단들이 가능하나 그 선택

은 환경이나 조작 조건에 제한을 받는다 PTFE는 자기

윤활 낮은 마찰계수 높은 열안정성과 화학약품 안정성

으로 산업분야에 널리 사용되는 엔지니어링 고분자이지

만 내마모성이 매우 부족하다 이러한 이유로 금속

-PTFE충전 복합체들이 PTFE의 마찰특성과 금속충전제

50

의 내마모성을 결합하여 특정 분야의 용도로 소개되어

왔으나 금속-고분자 물질에서의 충전제의 역할은 완전히

설명되지 않고 있다 복합체 표면의 과잉의 충전제 농도

는 미끄러지는 동안 부하를 지지하여 내마모성을 증가시

키는 것으로 생각되며 PTFE의 마모율은 Mo Zn Ni

Y2O3 및 SiO2 같은 무기 충전제에 의해 1000배가량 감소

되었다는 보고도 있다 유리섬유 구리 세라믹 탄소섬유

절단 탄소섬유 나노입자를 포함한 경질의 충전제 입자들

이 PTFE의 내마모성을 높이기 사용되어 왔다

ㅇ 비교적 두꺼운 코팅에는 열분사(thermal spray) 용사기

술이 정립되어 있고 용사 코팅은 내마모 내마찰 내프레

팅(fretting) 및 내부식을 요하는 산업에 많이 이용되고

있다

- 용사 몰리브덴(Mo)코팅은 실질적 내마모성 코팅으로

가장 광범하게 이용되며 프레임용사(flame spray)거나

와이어용사(wire spray)기술로 생산된 몰리브덴(Mo)

코팅은 흠이나 마모에 대한 고도의 저항을 얻기 위한

가장 좋은 코팅재료 중의 하나이다

- 알루미늄 청동(aluminium bronze)은 높은 내-부식성

과 내마모성을 갖는 것이 특징이다 저압 플라즈마 용

51

사 기술은 자기-아닐링(self-anealing)과 부서지기 쉽

도록 유도하는 γ-상의 형성을 피할 수 있도록 높은

냉각 속도를 얻는 데 사용되며 알루미늄 청동 저압

플라즈마 용사 코팅은 낮은 마찰과 마모를 보였고 비

교적 최근 플라즈마 용사 기술을 이용하여 알루미늄

기질에 고분자-세라믹 복합체를 코팅하는 기술이 개

발되었다33)복합체 코팅으로 행한 마찰 시험에서 낮

은 마찰계수를 얻을 수 있었다

- 낮은 마찰계수와 고 내마모성을 갖는 이성분 금속

-PTFE 코팅이 개발되었고 이들의 마찰 공학적 성능

이 보고되었다 PTFE-기초 복합체 설계에서 일반적

인 접근방법은 경질의 충전 입자들을 도입하는 것으

로 M Yamane 등34)은 PTFE-금속 이성분 코팅의 마

찰 마모성능에 관한 연구 결과 알루미늄 청동 코팅이

Mo코팅에 비해 PTFE 저장소(reservoir)에 유용했음

을 보고하였다

⑹ 충전 또는 강화 플루오르화 탄소1)

ㅇ 분말이나 강화섬유 등 전형적인 충전재들이 충전 또는

강화 플루오르화 탄소에 사용된다 충전재는 저온흐름

52

을 향상시키는 데 사용되며 수축과 균열을 줄이고 열

팽창을 낮추며 열전도율을 향상시킨다

ㅇ 분말이나 단섬유로 된 전형적인 충전제를 표 3-5에 종합

하였다 유리섬유는 가장 보편적인 PTFE 충전제로 화

학 및 전기적 특성에 최소로 영향을 미치며 기계적 특

성을 크게 향상시킨다 분말에 비해 섬유는 압축강도

강성도 및 지지용량을 더욱 향상시키나 분말은 충전

테플론의 내구성에 거의 영향을 미치지 않는다 금속분

말은 특히 열전도도를 향상시키며 고속에서 발생하는 마

찰열을 소멸하는데 도움이 되며 전기저항을 상당히 감소

시켜 금속-충전 조성물은 양호한 절연체는 아니다

ㅇ 흑연(graphite) MoS2는 초기 내구성과 마찰을 개선하고

기계적 특성을 향상시킨다 석면은 많은 유용한 특성을

갖지만 가공 처리 중 가스가 방출할 뿐 아니라 사용금지

물질이다 표 3-5 외에도 금속 망 장섬유 다공성 금속

등 다양한 충전제들이 있으며 다양한 종류의 제품들이

상업 생산되고 있어 최종 선정을 하기 전에 플라스틱 가

공업자로부터 보다 완전한 정보와 추천을 받는 것이 바

람직하다

53

표 3-5 불소수지용 충전제

ㅇ 압축강력 인장과 압축 시의 탄성률 및 항복강력은 첨가

제의 첨가에 의해 모두 증가하나 일반으로 인장강력과

신도 및 충격강도는 손실된다 통상 충전 테플론은 압축

상태에서 사용되므로 인장강력의 감소는 중요하지 않다

인장강력의 손실은 설치(연속적인 링-실링)할 때 인장되

는 재료에서 중요하다 열팽창 계수는 비-충전 테플론에

비해 감소되어 통상 금속 부품의 팽창계수와 잘 맞는다

ㅇ 마찰과 마모를 수반하는 분야에서 가장 중요한 것은 충

전제로 얻어지는 PV한계치의 증가와 마모의 감소다 비-

54

충전 테플론에 비해 PV한계치 크기는 개략적으로 1차원

적으로 증가하나 마모인자는 3차원적으로 감소한다 충전

테플론의 평균치들은 동적 마찰계수는 01-02 PV한계치

는 10000-20000 psi-fpm 마모상수는 10times10-10in3-min

lb-ft-hr이다 그림 3-3은 충전 테플론 PTFE의 마찰계

수에 미치는 충전제 종류와 농도의 효과에 관한 것이다

그림 3-3 테플론 PTFE에 미치는 충전제 종류와 농도1)

ㅇ 내마모성을 향상시키는 충전제는 실제로 연마저항성을

감소시키는 것으로 날카로운 입자는 보다 쉽게 침투하고

충전제 입자와 수지 사이의 경계를 따라 충전 플라스틱

을 찢는다 따라서 라이닝 슈트 같은 분야의 적용 시는

55

비-충전테플론이 보다 바람직하다

⑺ 시트 테이프 및 박층(laminates)

ㅇ 대부분의 플루오르화탄소는 충전 여부에 관계없이 두

께 1mil(0001 in)까지 시트나 테이프로 만들 수 있고

시트나 테이프를 찍어서 원하는 형상의 립-씰(lip seal)

펌프 컵(pump cup) 피스톤 링(piston rings) 가스켓

(gaskets) 등을 만들 수 있다

ㅇ 유체의 누설을 정지시키는 밀봉기능 부품 중 각종기기의

접합부나 배관 플랜지 등의 밀봉에 사용되는 가스켓

(gaskets)은 석면이 널리 사용되어 왔으나 유해물질 배

출 및 이동량 보고제도(PRTR Pollutant Release and

Transfer Register)에서 발암성을 가진 제1종 지정 화학

물질로 지정되어 사용이 금지되어 PTFE가 가스켓으로

개발되었다 PTFE는 용융 알칼리 금속 및 그 용액과 불

소 및 3불화염소에 의해 약간 침식되나 모든 화학약품에

안정하고 우수한 내부식 재료로 C-F결합력이 크고 F원

자가 C-C결합의 주위를 간격 없이 들러 싸고 있기 때문

에 다른 물질의 공격을 방어하고 있고 내열성은 260로

높다35)

56

- PTFE 필러를 사용한 PTFE 나선 권형 가스켓은 석

면에 대한 사용규제와 상관없이 사용되어 왔으며 유

연한 필러를 사용하므로 석면 가스켓 보다 낮은 체결

압력에서도 실 특성이 우수하고 내식 면에서도 광범

하고 다양한 유체에 사용이 가능하다 다만 단열성 면

에서는 석면 나선 권형 가스켓 보다 사용온도 범위가

제한된다

ㅇ 산업 기계나 자동차의 브레이크 제동장치에 부착하여 마

찰력을 부가하는 브레이크 라이닝에서는 마찰계수와 내

마모력 및 충격계수 등 마찰특성이 우수한 석면을 주로

사용하여 왔으나 제동 시 발생하는 미세 석면분진으로

인해 대기오염에 의한 환경을 파괴 뿐 아니라 인체에 흡

입될 경우 암을 유발하여 PRTR로 사용이 금지되었다

석면을 대체할 유기질 또는 무기질 된 다양한 비석면 마

찰 섬유 등이 사용되고 있으며 마찰 섬유에 테프론을 코

팅하여 브레이크라이닝의 수명향상 제동 시 발생하는 소

음 떨림 및 제동력 향상을 위한 제품개발이 시도되고

있다

- 예로 국내 특허36)에서는 브레이크 라이닝(또는 패드)

의 마찰재 배합재료 중 유기섬유(Kevlar섬유 pulp섬

57

유 등)에 테프론을 코팅하고 코팅된 유기섬유에 결합

재 충전재 윤활재 마찰안정재 마찰조정재 등을 소정

의 배합비로 배합하여 성형하고 열처리하여 브레이크

패드 또는 라이닝을 제조한다

ㅇ 초소형 정밀기계(MEMS Micro-Electromechanical

System)분야에서는 점착방지를 위해 불화 유기박막을

사용한다 Park 등37)은 단층 두께의 불화 유기박막의

특성을 접촉각 측정을 통해 분석하였다

⑻ DLC 코팅3839)

ㅇ DLC(diamond-like carbon)는 몇 가지 다이아몬드의 전

형적인 특성을 나타내는 비정질 탄소물질로 극도의 내마

모 특성을 필요로 하는 재료의 코팅에 이용되고 있다

DLC코팅은 연마 마모를 감소시키기 위한 재료에 유용하

여 엔드밀 드릴비트 금형 같은 공구는 물론 자동차 기

계부품 및 전자산업 등 산업전반에 걸쳐 적용된다40)

ㅇ 환경오염 문제로 인해 PRTR(Pollutant Release and

Transfer Register 유해물질 배출 및 이동량 보고 제

도) 이 시행되어 습동 부품이나 절삭 시에 사용되는 오

일이나 그리스에 포함되는 첨가제(MoS2 Zn 등)와 이들

58

부품을 세정할 때 사용되는 용매 기계부품의 수명을 연

장시키기 위해 활용되었던 Cr도금 폐액에서 발생하는 6

가 크롬 등의 오염물질들에 대한 규제가 더욱 강화되어

DLC에 의한 무윤활 습동과 무윤활 절삭을 지향한 공구

와 기계 부품의 개발이 관심을 끌고 있다4142)

- 일본 내에서는 PRTR이 시행되고 이것에 저촉되는 재

료에 관해서는 MSDS(Material Safety Data Sheet)를

첨부해야할 의무가 있고 부품가공 습동 용도에서는

대상 리스트에 올라 있는 오일 오일 중의 중금속 도

금폐액을 어떻게 경제성 있는 환경 친화적 공정과 재

료로 전환할 것인가를 고려하면서 무윤활 습동 무윤

활 절삭 탈크롬 도금의 3가지 키워드가 대두되고

DLC코팅이 대안으로 모색되고 있다

- DLC코팅 적용기술과 과제에 관한 자료로는 자동차

관련부품 적용사례 엔진부위 마찰 작동 밸브계의 마

찰저감 DLC와 윤활제에 의한 마찰저감 기술을 중심

으로 살펴본 보고가 있다43)

ㅇ DLC는 7가지 형태가 존재하며 모두 상당한 양의 sp3혼

성궤도 탄소원자를 함유한다 다양한 형태의 DLC가 진

공 환경으로 적합한 재료들에 적용가능하며 유럽에서의

59

2006년 위탁 DLC코팅 시장은 3천만euro로 추정되었고 국

내도 활발한 상용화가 시도되고 있다

ㅇ 사반면상(tetahedral) 비정질 탄소 ta-C를 2두께로 코

팅하면 연마마모에 대한 스테인레스 강(304 type)의 내구

성을 증가시켜 수명을 1주일에서 85년으로 늘이며 이러

한 DLC의 형태는 sp3결합 탄소 원자로만 이루어지기 때

문에 순수한 DLC로 간주되며 수소 sp2흑연 탄소 금속

같은 충전제가 생산경비를 낮추거나 원하는 특성을 부여

하기 위하여 사용되고 있다

ㅇ DLC를 만드는 방법에는 sp3탄소 보다 낮은 밀도의 sp

2

에 의존하는 몇 가지 방법들이 있으며 압력 충격 촉매

또는 이들의 조합으로 sp2결합탄소 원자들을 sp3결합탄소

로 근접시킨다 최근 초고압 하에서 탄소의 경량 특성을

갖는 초경도 무정형 다이아몬드가 만들어졌다 탄소로 만

들어지는 다이아몬드 그래파이트는 결정구조를 가지나

DLC는 비정질이라는 점에서 크게 다르고 200 정도의

저온에서 형성시킬 수 있다는 점이 통상의 PVD막에 비

해 훨씬 우위에 있다

ㅇ DLC코팅은 제조공정이 복잡하고 생산 단가가 비싸 적용

이 어려우며 적용되는 소재가 제한되는 단점을 갖는다

60

주요제법으로는 고주파 플라즈마 법 이온화 증착법 스

페터링법 등을 들수 있다 고주파 플라즈마 법은 메탄가

스가 원료로 사용되고 막 중의 수소가 약 30(원자)로

평활성이 우수하고 마찰계수가 작으나 경도가 낮다 이

온화 증착법은 벤젠을 사용하며 막은 단단하나 면의 조

도가 거칠고 후막화 하기 위해 스패터링 방법이 검토되

고 있다

⑼ 불소수지의 안전성

ㅇ 테플론 PTFE의 열분해는 200(392)에서 감지되며 이

것은 몇 가지 플루오르화 탄소 기체들과 승화물질을 방

출한다4445)1955년 동물실험에 관한 한 연구에서는 이들

물질이 250(482) 이하에서는 의미 있는 양이 아니라

고 결론지었으나 최근 비-점착 주방기구인 프라이팬이

나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가열할 때 조류를

죽일 수 있는 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수

도 있다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있다45)

ㅇ 표 3-6은 EWG가 보고한 3-5분 내에 370까지 불소수

지를 가열할 때 발생되는 15종의 불소화합물에 관한 것

이다 테플론과 같은 코팅물질들이 장기적으로 인체에 미

61

치는 영향에 관한 연구는 이루어지지 않고 있으나 독감

과 유사한 질병을 유발할 수 있으며 이를 중합체 증기열

(polymer fume fever)이라 한다

표 3-6 15종의 유해물질 및 유독성 기체44)

ㅇ 최근 표 3-6의 화합물들 중 특히 TFA와 과불화된

(perfluorinated) PFOA(perfluorooctanoic acid)에 관심이

증가되고 있다 PFOA는 새로운 환경오염물질로 미국 환

경보호청(EPA)에 의하면 보통 때는 문제가 없으나 조리

과정에서 프라이팬에 열을 가하고 강하게 긁을 경우 용

62

출되어 나오며 이것이 음식물과 함께 인체에 흡수되는

것으로 추정하였다 한편 DuPont의 테플론 PTFE 연구

결과에 의하면 검출한계인 9ppb 이상 검출되지 않으며

테플론 주방기구에서는 PFOA가 존재하지 않는다고 발

표하고 있다

- 물이나 공기를 통해 환경에 노출된 PFOA는 고 콜레

스테롤 궤양성 대장염 갑상선 질환 고환암 신장암

및 임신성 고혈압과 관련된다고 보고되었다

- PFOA는 불소수지 생산과정에서 사용되는 첨가물로써

암모늄 형태로 PTFE 유화중합에 계면활성제로 사용

되며 불소수지의 품질과 균일성을 유지하기 위해 필

수적인 첨가물이기 때문에 전 세계 모든 불소수지 제

조업체가 사용 중에 있다 한편 국내 주력 산업인 반

도체 생산 과정에서도 PFOA를 대량으로 사용하고 있

어 체계적인 실태조사와 대책수립이 필요하다는 의견

들이 대두되고 있다

⑽ 불소화합물의 안전성과 환경대책

ㅇ 표 3-6에서 살펴본 바와 같이 테플론을 급격히 고온으로

가열하면 2종의 발암물질을 포함한 유독성 가스가 발생

63

하고 특히 불소화합물 중 MFA(monofluoroacetic acid)는

적은 양으로도 치명적 해를 끼치고 PEIF(perfluoro-

isobutene)는 신경가스제로 여러 가지 질환을 발생시킨다

한다44)

따라서 테플론으로 코팅된 장치를 재 코팅하기

위해 테프론을 고온으로 급격히 가열하거나 소각 등을

통해 제거할 때는 발생 가능성이 있는 유독가스를 제거

하기 위한 별도의 설비를 이용하여야 하고 유 등44)의 보

고서에서와 같이 중조(NaHCO3)를 포화시킨 충분한 물로

유독 산성 물질을 중화시키는 것도 고려할 만하다 한편

부식대전 방지 코팅도 테플론 코팅 일변도에서 세라믹

코팅 CNTs이나 DLC 코팅기술로 대응하는 것을 추천하

고 싶으며 이것은 유해물질 배출 및 이동량 보고제도

(PRTR Pollutant Release and Transfer Register)에 대

비하는 등 기업의 장래를 고려하는 것도 될 것이다

ㅇ PTFE를 사용한 취사도구는 1960년대 이래 사용되어 오

고 있으나 최근 들어 이것의 안전성이 논쟁의 주제가 되

고 있으며 논의 주체는 PFOA(perfluorooctanoic acid)이

다 PFOA는 PTFE를 비롯한 많은 불소수지의 생산에

사용되며 DuPont의 테플론 PTFE 연구 결과에 의하면

프라이팬을 260 이상 고온에서 가열하거나 코팅이 벗

겨져도 PFOA가 존재하지 않는다고 한다 그러나 물이나

64

공기 토양 식품포장재 등 여러 곳에서 PFOA 오염사실

이 보고되고 있다 한다44)

- 미국 EPA는 인체와 환경에 대한 PFOA 연구를 계속

하고 있으며 2015년까지 PFOA 및 이와 관련된 화합

물 방출을 배제할 프로그램을 갖고 있으나 PTFE-기

초 비점착 취사기구를 중지시킬 타당성을 갖고 있지

는 않다 최종제품은 PFOA가 아닌 PTFE이기 때문이

다

- 수십 년 동안 불소수지 비점착 코팅이 시장을 지배하

였으나 최근 몇 가지 신기술들이 출현되고 있으며 이

들 대부분은 실리콘 세라믹과 실리콘 기술로 이들 코

팅은 PTFE와 PFOA를 함유하지 않는다

- 오늘날 출시된 비점착 취사용구는 수많은 상표로 팔

리고 있으며 DuPont에 의하면 대부분의 취사용구 코

팅은 정상적으로 사용할 때 3-5년 견딜 수 있을 것으

로 예측한다 너무 문질러서는 안 되고 따뜻한 비눗

물로 씻어주는 것이 좋으며 닳거나 흠이 생기지 않도

록 나무 플라스틱이나 코팅된 재료로 만든 도구를 선

택하고 보관도 흠이 생기지 않을 장소나 캐비닛을 권

장하고 있다

65

ㅇ 국내의 불소수지 안전성에 관한 것으로는 재질규격(납과

카드뮴)과 용출규격(납 과망간산칼륨소비량 증발잔류물)

이 식품용 기구 및 용기 포장 공전46)에 기재되어 있으며

최근 국내에서도 PFOA를 비롯한 유해 불소화합물에 관

한 관심이 커져 가고 있다

ㅇ PFOA 문제가 표면화 되면서 환경 보전형 불소계 발수

유제의 개발과 공업화도 새로이 부각되고 있다 이에 관

한 보고서를 모니터링한 KISTI자료47)를 중심으로 간단히

요약하면 발수제의 주요성분 퍼플루오로알킬기(Rf기)함

유 폴리머의 기능은 Rf기의 고리길이에 크게 의존하므로

PFOA문제 해법으로 탄소수 8 이상인 종래의 불소화학

에서 탈피 짧은 고리 Rf기(탄소수 6)를 가진 새로운 단

량체를 선택하여 발수제를 제조함으로써 환경 보전형 불

소계 발수유제를 개발하고 공업화하였다 한다

66

제 4 장

지원결과

1 지원결과 종합

테프론 코팅 기술의 문제점과 부식대전방지용 테플

론 코팅에 관한 정보 외에 신청기업의 요청에 따

라 C-나노튜브 코팅 및 DLC증착에 관련된 기술 정

보도 제공하였다

테플론은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat resistant)

비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coefficient of

friction) 내약품성(chemical resistance)과 특이한 전기적

특성(unique electrical properties) 및 온내구력(cryogenic

stability)으로 그 응용범위가 광범하며 용도에 따른 엄격

한 품질관리가 요구될 것으로 생각되어 중소기업에 적합

한 기초능력 배양과 신제품을 구상하기 위한 최신기술에

관한 정보를 제공하고자 하였다

67

불소수지의 코팅은 두께와 첨가제가 관건으로 이에 관한

자료를 제공하고자 하였으며 불소수지의 전기특성 폭발

성 환경과 반도체 제조공정에서의 대전 방지 처리를 위

한 정전기 관리 지표 등을 특허를 중심으로 조사하여 제

공하고자 하였다

C-나노튜브를 이용한 대전방지 코팅 기술 및 C-나노튜

브의 제법 등 이것에 관한 기초정보를 제공하고자 하였

으며 내마모성 테플론 코팅에 관해서는 테플론을 이용한

세라믹 코팅 기술에 관한 정보도 제공하고자 하였다

테플론의 기계적 전기적 특성을 강화하기 위해 사용되는

충전제를 종합하고 기초이론을 정립함으로써 금후 원부

자재의 선정에 도움을 주었다

테플론은 석면 대체재로도 주목받고 있어 이에 관한 특

허 정보들을 제공하였으며 다이아몬드의 전형적인 특성

을 나타내는 DLC의 코팅관련 기술 정보를 환경오염 문

제와 연관하여 자료를 제공하였고 최근 비-점착 주방기

구인 프라이팬이나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가

열할 때 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수도 있

다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있어 이에

관한 정보도 제공하였다

68

2 지원의 한계

중소기업이 당면한 문제는 전문기술의 확보다 관련 기술

이 비약적으로 발전하는 추세에 비추어 한정된 인원으로

신기술을 소화하고 개발하기는 어려울 것이므로 출연연

구기관이나 대학과 공동연구를 모색할 수 있으나 이것도

중소기업으로서는 경제적 부담이 될 수밖에 없을 것으로

생각된다 가능하다면 앞으로도 KISTI의 정보지원이 계

속되기를 바라고 있었다

3 기대효과

부식대전 방지 테플론 코팅에 관한 기본 기술이 배양되

어 합리적인 원부 원료의 수입검사 공정관리 및 제품관

리를 통해 원가절감은 물론 신제품 신기술에 관한 정보

수집 및 분석능력이 배양되고 개발력이 확충되어 기업

경쟁력 향상에 도움이 될 것이다

69

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불소수지코팅방법 및 그 방법에 의해 불소수지 코팅된

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75

저자소개

김학주(金鶴柱) 서울대학교 문리과대학 화학과 졸업 이학사

전북대학교 대학원 화학과 이학박사

(주)삼양사 의약연구소장 신성대학교 교수

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 폴리에스테르 섬유의 연중직방기술 외 다수

저서 기기분석 공업물리화학 일반화학

성용길(成墉吉)

동국대학교 이과대학 화학과 졸업 이학사 이학석사

부산대학교 대학원 화학과 이학박사(Dr Sci)

University of Utah USA Ph D(공학박사) Post Dr

유타대학교 연구교수 부산대학교 교수 동국대학교 교수

동국대학교 명예교수 한국원자력문화진흥원 이사

과학문화연구원전문연구위원 한국도량형과학문화연구원 원장

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 의료용 기능성 고분자재료에 관한 연구 외 330편

저서 고분자 물성론 (서울대학교 출판부 공저) 외 10권

3 3차 지원 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 12

4 4차 지원 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 16

5 5차 지원 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 18

세부 지원내용 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 19

(1)플루오르화 탄소의 특성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 19

⑵플루오르화 탄소 수지 코팅 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 22

⑶대전방지 플루오르화탄소 수지 코팅 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 30

⑷탄소나노 튜브 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 39

⑸내마모성 테플론 코팅 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 42

⑹충전 또는 강화 플루오르화탄소 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 51

⑺시트 테이프 및 박층(laminates) middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 55

⑻DLC코팅 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 57

⑼불소수지의 안정성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 60

(10)불소화합물의 안정성과 환경대책 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 62

제4장 지원결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 66

1 지원 결과 종합 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 66

2 지원의 한계 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 68

3 기대효과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 68

참고문헌 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 69

표 목차

lt표 1-1gt 참여연구원 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 3

lt표 3-1gt 플루오르화탄소 플라스틱의 유형 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 20

lt표 3-2gt 테플론 코팅 두께 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 25

lt표 3-3gt 테플론 코팅을 위한 화학첨가제 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 28

lt표 3-4gt 불소수지의 전기 특성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 30

lt표 3-5gt 불소수지용 충전제 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 53

lt표 3-6gt 15종 유해물질 및 유독성 기체 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 61

그림 목차

lt그림 3-1gt 테플론 거품코팅 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 29

lt그림 3-2gt 피렌카르복시산을 이용한 μD 표면처리 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 48

lt그림 3-3gt 테플론 PTFE에 미치는 충전제의 종류와 농도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 54

1

제 1 장

개 요

1 정보지원의 필요성

최근 반도체관련 기업체공장과 공정 중에서 부식방지

와 대전방지의 문제점을 해결하기 위해서 불소수지 고

분자재료의 전기가 통하지 않는 성질을 이용하여 부식

대전방지 테프론 코팅을 채택하고 있으나 테프론 코팅

은 실제 정전기를 유발하는 제반 문제들이 발생되고

있어 이를 극복하여야 한다

금속 혹은 세라믹 기재 등에 내마모성과 비점착성 및

윤활성을 부여하기 위하여 불소수지 고분자와 다양한

충전제를 배합한 조성물과 유기 또는 무기질 바인더를

이용하여 기재인 알루미늄 혹은 철 재료의 표면에 코

팅하여 저마찰성 비점착성 내마모성 등의 물성을 부

여하는 기술개발은 계속되고 있다 그리고 합성수지인

테프론 등 불소수지가 고온에서 화학분해 과정을 통해

2

유독성분이 발산되므로 최근에는 조리용 프라이팬 등

에 PTFE계 수지의 사용을 제한하는 조치가 시도되고

있는 등 환경관련 문제에 관한 정보가 필요하게 되었

다

위의 문제점들을 해결하기 위해서 ReSEAT 프로그램

의 전문연구위원으로부터 최신의 기술정보들에 관한

지원과 멘토링을 받고자 요청하고 있다 이 문제점들

을 해결하는데 상응하는 최신 학술문헌과 특허정보들

을 KISTI를 통하여 연구 조사하여 지원하고자 한다

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구

위원 김학주와 전문연구위원 성용길은 기술정보지원

신청업체에 부식대전 방지용 테프론 코팅의 제반 문제

들을 해결하기 위한 필요한 기술을 전수하고자 한다

2 정보지원의 목적

ㅇ 본 정보지원의 목적은 LCD와 PDP OLED 등 테프론

코팅이 필수적 요소인 대형 디스프레이 공정에서 정전

기 유발을 방지할 수 있는 기술에 관한 최신정보 및 특

허조사 등에 관한 자문과 현재진행 중에 있는 각종 부

3

식과 대전 방지기술에 관한 객관적 멘토링을 통하여 부

식대전 방지용 테프론 코팅에 관한 제반 문제들을 해결

하고 안전하게 본 중소기업체의 제품생산과 기술을 향

상시키고 고급화 하는데 있다

ㅇ 또한 화학반응용 용기 및 원자로 건설에 필요한 각종 제

작품 등에 필요한 부식방지 및 대전방지를 위한 테프론

코팅의 최신 기술정보를 제공 지원하고 그 특수코팅에

필요한 맞춤형 기술정보를 제공하는 것이 본 연구의 목

적이다

3 참여연구원

lt표 1-1gt 참여연구원

구분 성명 직위 전공 업무

ReSEAT

프로그램

김학주 전문연구위원 고분자 과제 책임자 기업현황 분석

성용길 전문연구위원 고분자 정보지원 기술전수 멘토링

4

제 2 장

지원 내용

1 정보지원 업체의 요구사항

테프론 코팅 기술의 문제점과 부식대전 방지용 테

프론 코팅에 관한 최신 기술정보

정전기 대전방지용 테프론 코팅과 부식대전방지 테

프론 코팅기술의 특허문헌과 학술문헌

불소수지 코팅에 관한 기술 동향과 부식대전 방지용 테

프론 코팅의 응용기술에 관한 기술정보

유리의 정전방지 박리대전 가공 C-나노튜브 코팅 수

분산성 도료(binder) 등을 사용한 내열성 세라믹코팅

및 대규모 DLC증착 관련 기술정보

5

2 정보지원의 범위 및 내용

가 정보지원 범위

정보지원은 LCD공정용 스테이지(Stage) 박리 대전방지

코팅 반도체 공정용 석영 관련제품 코팅 추출용 반응기

튀김틀 코팅 광학필름 및 기능성 필름 생산롤러 코팅

전기재료 석유화학 정밀화학 반응기 코팅 및 필터드라

이어 등 테프론 코팅에 관한 전반적인 기술 자료와 불소

수지의 특성과 용도 및 환경과 관련한 안전문제에 관한

지식과 기술정보를 제공하였다

나 정보지원 내용

KISTI에서 체계적적으로 NDSL 검색 유럽특허청 검

색 Web of Science 검색 Google 검색 Sci Dir를 통

한 원문입수 등의 작업을 수행하였다

- Keywords에 의한 문헌 및 특허조사 TEFLON +

Coating Anti-corrosion Coating Anti-static

Coating Fluoropolymers Fluorinated polymers

Fluorocarbon polymers

6

- Keywords=TI (TEFLON or Fluoropolymers or

(Fluorinated polymers)) Coating) 또는 AB

((TEFLON or Fluoropolymers or (Fluorinated poly

mers)) Coating) 활용하여 학술문헌과 특허를 검색

하였다

신청업체 공장현장에서 현재까지 수행되고 있는 부식

방지 및 대전방지 테프론 코팅기술들을 종합하여 분석

하고 조사된 기술정보 자료들과 비교 분석하여 장차

개선할 수 있는 코팅 신기술을 조사 분석하여 자문하

고 멘토링 하였다

7

제 3 장

지원 프로세스

1 1차 지원

일시 및 장소 2013년 4월 22일(월요일) 1000-1400시 신청

업체 2층 회의실

참석자 히토시 사토(부사장) 성용선(연구소장) 장용석

이사

주제 및 토의사항

- 지원업체의 현황 LCD공정용 스테이지(Stage) 박리

대전방지 코팅 반도체 공정용 석영 관련제품 코팅

추출용 반응기 튀김틀 코팅 광학필름 및 기능성필름

생산 롤러 코팅 전기재료 석유화학 정밀화학 반응기

코팅 및 필터드라이어 등의 테프론 코팅에 관한 작업

8

- 지원내용과 향후지원계획 공장 현장을 방문하고 브리

핑을 통해 필요한 정보를 파악함 조사된 자료(문헌

특허 등)를 전달하고 희망 사항을 파악한 결과 특히

유리의 코팅을 중심으로 한 박리대전 방지 가공 세라

믹 코팅(수분산성 도료-바인더-)을 사용한 내열성 코

팅 대형 DLC 증착기술 및 경쟁사가 개발하고 있는

C-나노튜브 코팅에 관한 정보에도 관심이 많았음

ReSEAT NDSL 및 구글 야후 네이버 등을 통한 자

료조사 방법의 활용 방법을 설명해 주었음

- 지원효과 ReSEAT NDSL 구글 야후 네이버 등을

통한 주제 또는 키워드 검색에 의한 자료 검색 분석

능력 향상 제공 자료와 문헌의 활용 효과 등

- 자료제공

① Klaus Lunkwitz Uwe Lappan Ulrich Scheler

Modification of perfluorinated polymers by

high-energy irradiation Journal of Fluorine

Chemistry Vol 125 2004 pp863sim873

② LBorucki et al Diamond Conditioner Wear

Characterization for Copper CMP Process

Transaction on Electronic Materials Vol 8

9

2007 pp1520sim20

③ Polytetrafluoroethylene Aluminum magnesium

boride Diamond-like carbon Carbon nano-tube

-Wikipedia the free encyclopedia (2013)

④ 野坂正隆 低溫環境下におけるドライボロジドラ

イボロジスト(日本) Vol 52(11) 2007 pp759sim

764

⑤ 식품의약안전청 연구보고서(연구책임자 유승석)

불소수지코팅 주방기구의 안전성 평가C 2004 12

⑥ 이장호 등 테프론 코팅 전열관 표면으로의 열 및

물질 전달 특성에 관한 실험적 연구 대한기계학

회논문집 B권 Vol 27(8) 2003 pp1051sim1060

⑦ Eun-Joo Kim et al Teflon coating of fabric

filters for enhancement of high temperature

durability J of the Korean Oil Chemists Vol

28(2) 2011 pp232sim239

⑧ Jin-Goo Park et al Characterization of

Fluorocarbon Thin Films by Contact Angles

Measurements Journal of Microelectronics amp

Packaging Society Vol 6(1) 1999 pp39sim49

⑨ WO 200054614(Solex Robotics Systems Inc

Anti-static Non-sparkling Coatings for

10

Explosive Environments)

⑩ WO 2012123103(WLGore amp Associates GMBH

Use of an Ionic Fluoropolymers as Antistatic

Coating)

⑪ WO 2006 017259 (Thomae Kurt J Multilayer

Corrosion-resistant Finish and Method)

2 2차 지원

일시 및 장소 2013년 5월 16일(월요일) 1000-1400시 신청

업체 2층 회의실

참석자 성용선(연구소장) 장용석 이사

주제 및 토의사항

- 지원내용과 향후지원계획 지참 자료를 제공하고 연구

원들의 기초지식 배양을 목적으로 불소수지의 특성에

관해 각 유형을 중심으로 제공 자료를 통해 종합 설

명함 불소 수지 코팅 방법 개발 목적 기질의 전처리

방법 두께 제어의 중요성 코팅시스템 등을 토의하고

이에 관한 자료를 제공하여 기초지식을 배양함은 물

11

론 최근 기술 동향을 파악함 다음 방문 시(6월 20일)

에는 대전 방지 불소 수지 코팅을 중심으로 그 중요

성과 이론 등 기초지식과 최근의 개발동향을 검토하

기로 함

- 지원효과 불소수지의 유형과 특성을 통한 원료의 선

정 시 고려할 사항 코팅 방법 기질의 전처리 방법

용도에 따른 두께 제어의 중요성 파악 공정 및 제품

관리에 관한 기초지식 배양과 최근 기술 동향 파악

- 자료제공

① JP-2005-237860(三洋電氣株式會社 電氣掃除機)

② JP-2010-261035(Xerox Corpor- ation フツ素ナノ

ダイヤモンドを含むテフロン定着器部材)

③ JP-2010-78036(株式會社ルネサステクノロジ 配管

チュ-ブおよびこれを備えた機械裝置)

④ WO 2008154391(Alcoa Inc Heat Exchanger)

⑤ 등록번호10-0365003 (주식회사 엘지아이 열처리를

이용한 테프론 코팅 방법)

⑥ 공개특허10-2008-0061943(주식회사 하이닉스반도체

이온 주입장비의 웨이퍼 지지 장치)

⑦ 등록번호 10-0449561(주식회사 봉성비에스 완충기

12

용 피스톤의 테플론 코팅장치)

⑧ 등록번호 10-0522254(백원두 브레이크 라이닝(또

는 패드) 제조방법)

⑨ 등록번호 10-0811228(조철환 내열 세라믹 주방용

기의 불소수지코팅방법 및 그 방법에 의해 불소수

지 코팅된 내열 세라믹 주방용기) 등

3 3차 지원

일시 및 장소 2013년 6월 20일(목요일) 1000-1400시 신청

업체 2층 회의실

참석자 김학주 성용길 성용선(연구소장) 이채영 차장

및 연구원

주제 및 토의사항

- 지원내용과 향후지원계획 불소수지의 전기적 특성과

대전 방지용 불소수지의 충전제에 관한 장단점 토의

대전 방지의 중요성 폭발 환경에서의 정전기 안전지

침 반도체 제조 장치에서의 작업스테이지의 대전방지

에 관한 기술 동향 토의 최근 관심의 대상이 되고 있

13

는 탄소나노튜브(CNTs)의 제조 방법 용도 등에 관한

설명과 의견교환 내마모성 테플론 코팅 방법 용도

등에 관한 자료제공 및 의견교환 충전 또는 강화 불

소수지에 관해 자료조사를 통해 얻은 충전제의 종류

기계적 및 물리적 특성 향상 방법에 관한 기초지식을

제공함 다음 방문 시(7월 25일)에는 시트 테이프 및

박층 테플론과 최근 내마모성 코팅기술로 주목받고

있는 DLC코팅과 테플론의 안정성 문제에 관해 의견

을 교환하고 그간의 정보지원에 관한 내용들을 종합

정리하기로 함

- 지원효과 대전방지 불소수지 코팅의 작업표준 및 관

리지침에 반영할 자료 제공 최근 관심의 대상이 되는

CNTs에 관한 기초지식 배양 및 정보수집과 분석 불

소수지에 사용되는 각종 충전제의 선정 시 참고 자료

확보

- 자료제공

① Francis J Clauss Chapter 9 Fluorocarbons

Solid Lubricants and Self-lubricating Solids 1972

pp195sim238

② Eunsoo Kang Seongcheol Choi Changhoon Choi

14

Sang Eun Shim Aqueous dispersion of

submicron-sized diamond particles for thermally

conductive polyurethane coating Colloids and

Surfaces A Physiochem Eng Aspects415(2012)

pp255-261

③ Masaaki Yamane Tadeusz A Stolarski Shogo

Tobe Influence of counter material on friction

and wear performance of PTFEndashmetal binary

coatings Tribology International Vol 41 (2008)

pp269ndash281

④ M Pazderova M Bradac M Vales

Tribological Behaviour of Composite Coatings

Procedia Engineering Vol 10 (2011) pp472-477

⑤ S Rossi F Deflorian F Venturini

Improvement of Surface finishing and Corrosion

Resistance of Prototypes by Direct Metal Laser

Sintering Journal of Materials Processing

Technology Vol 148 (2004) pp301-309

⑥ S Rossi F Chini etal Corrosion Protection

Properties of Electroless NickelPTFE Phosph-

ateMoS2 and BronzePTFE Coatings Applied to

Wear Resistance of Carbon Steel Surface and

15

Coatings Technology Vol 173 (2003) pp235-242

⑦ VC Malshe Nivedita S Sangaji Fluorinated

Acrylic Copolymers Part I Study of Clear

Coatings Progress in Organic Coatings Vol 53

(2005) pp207-211

⑧ Xing-Dong Yuan Xiao-Jie Yang A Study on

Friction and Wear Properties of PTFE Coatings

under Vacuum Conditions Wear Vol 269 (2010)

pp291-297

⑨ Amel Delimi Elisabeth Galopin etal

Investigation of the Corrosion Behaviour of

Carbon Steel Coated with Fluoropolymer Thin

Films Surface amp Coatings Technology Vol 205

(2011) pp4011-4017

⑩ 이계영 김태균 김종구 ldquo내마모성 및 윤활성 코팅

조성물rdquo 대한민국특허 등록번호 10-1151909 (2012)

⑪ Thomae Kart J Multilayer Corrosion Resist

ant Finish and Method WO 2006017259(2006)

⑫ (주)바론에스엘 ldquo불소수지와 세라믹의 유무기

하이브리드 코팅 조성물 및 그를 이용한 도막 형성

방법rdquo 대한민국 공개특허 10-2013-0028553 (2013)

16

4 4차 지원

일시 및 장소 2013년 7월 25일(목요일) 1000-1400시 신청

업체 2층 회의실

참석자 성용선(연구소장) 이채영 차장 및 연구원

주제 및 토의사항

- 지원내용과 향후지원계획 발암물질인 석면대체재로써

테플론의 개발 동향을 나선 권형 가스켓과 자동차브

레이크 제동장치를 중심으로 토의하고 내마모 특성을

필요로 하는 DLC 코팅에 관한 정보제공과 DLC 특성

에 관해 집중 토의함 환경문제와 관련하여 대두되고

있는 테플론 분해가스 등 안정성 문제에 관한 자료를

제공하고 이에 관한 의견을 교환함 그간의 제공 정보

를 종합하고 8월 말 작성예정인 최종보고서 내용을

협의하였음

-지원효과 신기술 개발을 위한 내마모 코팅 DLC코팅

환경문제를 고려한 친환경 제품 등 신기술과 신공정

개발을 위한 개념을 확립하였음

17

- 자료제공

① WO 2006047500(Henkelkommanditgesellschaft auf

Aktien Article of Manufacture and Process for

Anodically Coating an Aluminum Substrate with

Ceramic Oxides Prior to Organic or Inorganic

Coating)

② 이치옹 분석자료 ldquo나선형 개스킷의 비석면화rdquo

Takashi Miyoshi 배관기술(일) Vol 46(10) 2004

pp43-47

③ 유호천 ldquoDLC 코팅 표면처리rdquo KISTI 중소기업 정

보지원 2011 10 11

④ 유호천 ldquoPVD DLC TRD 코팅설비를 활용한 복

합충 개발및 제품적용rdquo KISTI 중소기업 정보지원

2010 10 21

⑤ 국립환경과학원 ldquo화학물질 배출량 조사 OECD와 협

력강화rdquo 보도자료 (2010 11 18)

⑥ ldquo새로운 코팅기술과 공구에 대한 적용rdquo 월간기계기술

기자 2005년 3월호

⑦ Teflon off-gas studies Environmental Working

Group Ewg Org Retrieved on 2013-01-01

⑧식품의약품안전청 ldquo식품용 기구 및 용기 포장 공전rdquo

18

2012

⑨ 廣野高生 ldquo環境保全型フッ素系 撥水撥油剤の 開發

と 工業化rdquo ファインケミカル(日本) 37(11) 2008

pp39-44 이치옹 모니터링분석 KISTI

5 5차 지원

일시 및 장소 2013년 8월 21일(수요일) 1000-1400시 신청

업체 2층 회의실

참석자 성용선(연구소장) 이채영 차장 및 연구원

김학주(전문연구위원) 성용길(전문연구위원)

김종헌(KISTI 연구책임자)

주제 및 토의사항

1 불소화합물의 안전성과 환경대책 정보지원 결과 종합

등 최종보고서(안) 내용에 관한 의견교환

2 지원의 한계와 기대효과에 관한 의견 교환

3 건의 사항 등

19

세부 지원 내용

⑴플루오르화탄소 플라스틱의 특성

Teflon TFE(폴리테트라플루오로에틸렌)은 1940년대부

터 사용되어 왔으며 Teflon FEP(플루오르화에틸렌프

로필렌 공중합체)는 1958년에 소개되었고 압출 및 사

출성형이 용이하며 TFE 유형은 딱딱하고 낮은 마찰계

수를 가지며 마모에 강하고 보다 높은 온도에서 사용

가능하다 이 외에도 플루오르화탄소 플라스틱에는 폴

리염화플루오르화에틸렌(CFE 또는 CTFE)와 폴리비닐

리덴플루오라이드(PVF) 등이 있다 플루오르화탄소 플

라스틱은 그 코팅방법에 따라서도 응용범위가 광범위

하게 발전되어 왔으며 그 용도는 주방용기로부터 기

계 자동차 반도체는 물론 우주항공 산업 부품에 이르

기까지 무한하며 상업 생산되고 있는 플루오르화탄소

플라스틱은 표 3-11)과 같다

PTFE는 열가소성 플라스틱으로 상온에서 밀도 약 2200

인 백색고체로 융점은 327이며 마찰 및 마모 특

성을 나타내는 마찰계수는 고체재료 중 BAM(alumi-

20

nium magnesium boride 마찰계수 002)과 DLC

(diamond-like carbon 마찰계수005)에 이어 3번째로

낮은 005-010로 반데르발스 힘에 대한 저항력으로 도

마뱀이 붙을 수 없는 유일한 표면으로 알려져 있다2)

표 3-1 플루오르화탄소 플라스틱의 유형1)

21

Teflon의 유용한 기계적 특성은 -450sim500(-267sim

260)에서 유지되며 여러 가지 특성들은 가공기술을

바꾸어 변경시킬 수 있다 마찰 및 마모 특성을 나타

내는 마찰계수들은 시험조건에 따라 다르며 Teflon은

증기압이 극히 낮아 진공에서도 우수한 안정성을 가

지며 방사선 안정도는 부족하나 방사선 내용성은 극

히 높다

테프론의 특징은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat-

resistant) 비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coeffi-

cient of friction) 내약품성(chemical resistance) 특이한

전기적특성(unique electrical properties) 저온내구력

(cryogenic stability)으로 대표된다3)

- 테프론 코팅된 표면에는 거의 모든 물질이 달라붙지

않으며 내열성(heat-resistant)이 우수하여 -260sim+26

0까지 사용할 수 있고 단시간 사용의 경우에는 30

0까지 견디며 Teflon FEP는 232에서 연속사용이

가능하다 비유성(non-wetting)이 우수하여 표면에 물

이나 기름이 잘 묻지 않아 표면이 오염되지 않아 쉽

게 청소가 가능하고 기계설비의 보수시간이 단축되어

생산성을 향상시킬 수 있다 테프론은 비-절연성은 물

22

론 비-유전정접과 우수한 표면 저항률을 보인다

⑵ 플루오르화탄소 수지 코팅

얇고 강인한 플루오르화탄소 수지 필름을 금속 등에

소결이나 수지-접착에 의해 바르면 기질에 침착된 필

름은 저온흐름으로 고체 플루오르화탄소 수지보다 낮

은 마찰계수를 띠고 금속은 양호한 열전도도를 갖고

열을 분산할 수 있어 고속으로 운전할 수 있고 양호한

내구성을 갖게 된다

1950년대 미국 해군연구소에서 소결 Teflon TFE필름을

수성 분산액(현탁질)으로부터 무기 탄약통 비행기부

품 잠수함부품의 건조-필름 윤활제 및 보호 코팅용으

로 개발한 후 이것들은 기어 정첩(hinges) 샤프트 베

어링 밸브 플러그 콕 피스톤 링이나 그 외의 산업분

야에 응용되고 있다

- 실제로 적절한 테플론 현탁질을 고체 표면에 침적한

후 수분 증발이 너무 빠르지 않게 공기에서 필름이

건조되게 한 후 테플론 입자들이 연화 및 소결되도록

건조된 표면을 약 385(725)로 가열하고 냉각하면

23

얇은 연속 필름이 표면에 남지만 필름 중의 많은 작

은 세공들은 테플론의 높은 용융점도 때문에 제거할

수 없다 세공들은 윤활 작용에는 제한을 받지 않으나

녹슬거나 부식의 공격점이 되어 부식방지를 위해서는

1회 이상의 박막 추가 코팅이 반복되고 보통 2회 코

팅으로 충분하나 각 침적 테플론 층은 두께가 00003

인치(762)를 초과하지 않아야 하며 그렇지 않으면

말린 진흙 같이 균열이 발생한다 필름이 윤활제로 사

용될 때는 필름두께가 00006-00007인치(152-178)

를 초과하지 않아야 한다1)

- 테플론코팅은 통상으로 존재하는 표면 산화물이 제거

되지 않은 깨끗하고 탈지된 강철 황동 및 알루미늄금

속표면일 때 가장 잘 접착한다 만일 산세척에 의해

과잉 두께의 산화물이 제거되었다면 필수적으로 얇은

산화층이 형성될 때까지 공기 중에서 가열한다 접착

은 실표면적이 증가하면 증가하므로 경면가공(mirror

finish)보다 모래분사가공이나 무광택가공이 양호하다

- 테플론 코팅된 표면의 마찰계수는 금속기질 표면을

거칠게 함으로써 낮출 수 있으나 미끄럼마찰 조건 아

래 내구성은 금속의 거칠기가 32마이크로인치(rms)를

초과하면 감소한다

24

철강 기질의 인산처리는 소결 Teflon TFE필름의 마모

수명을 향상시킨다고 보고되었으며 양극처리 된 코팅

의 경도 및 내마모성과 불소수지의 윤활성을 결합하기

위해 다공성 경화 양극처리 알루미늄 위에 불소수지를

침윤하여 왔다 Teflon S 마감재는 Du Pont이 도입한

최초의 수성-기초 분산 TFE FEP로 이들은 ldquo계층화

된rdquo 마감재이다 Francis J Clauss1)는 다양한 용도에

서의 Du Pont사 제품들의 선정 가이드를 표로 종합하

였으며 이것을 요약하면 표 3-2와 같다

- 테플론 코팅은 프라이머 단층 프라이머 코팅 후 에나

멜이나 클리어 마감 또는 프라이머 에나멜과 클리어

마감 등 3-코팅 시스템으로 구성된다 프라이머들은

금속이나 세라믹 기질에 접착을 향상시키기 위해 개

질제를 함유한다 프라이머들은 가끔 1회 코팅 마감재

로 사용되나 음식물과 접촉하는 용도로는 반드시 에

나멜이나 클리어 마감재로 마무리 칠을 하여야 한다

프라이머는 층간 접착력이 부족하기 때문에 다중 코

팅에 적용될 수 없고 만일 06mil 이상의 코팅이 필요

하면 프라이머는 에나멜이나 클리어 마감재로 마무리

칠을 하여야 한다

25

표 3-2 테플론 코팅 두께1)

최종

용도대표적 용도

전체두

께(mils)

프라이머에나멜클리어

가공(mils)

비점착

산업

직물 슬래셔 통

열 봉합 봉 고무경화 롤러

우레탄과 에폭시 경화 주형

제빙기

목재 고무 주석도금 아연

10-25

07

20-50

08-13

07

03 07-22 07-10

07 마무리칠 불가

03 07-37 10min

03 05-10 05-10

07 마무리칠 불가

식품

프라이팬 내열접시

반죽롤러

캔디 장치

08-12

10-30

20-30

03 05-09

03 07-27

03 07-17 10

One-coat

system

금지

드라이

윤활

플러그 밸브

유리병 제조 전달 장치

베어링

03-07

15-25

05-07

03-07

03 03-05 03-05

02

전기

전자

저항기 코팅

아이들 롤러(제지 섬유 공업)

세라믹 절연체

40-50

10-15

20-25

03 37-47

03 07-12

03 17-22

부식

방지용기 라이닝 gt50 03 47 또는 5-10 이상

Non-

wetting콘덴서 튜브 02-04 02-04

- 유색 프라이머는 통상 안료가 필름의 범위와 두께를

시각적으로 체크할 수 있게 하므로 그렇지 않은 것에

비해 더 선호된다 에나멜과 클리어 마감재는 충분한

접착을 위해 프라이머 위에 발라야 한다 ldquo진흙 갈라

짐 현상(mud-cracking)은 코팅 당 최대 두께를

10mil로 한정하나 다중 코팅에 의해 극단적이 조건

하에 전체 두께를 10mils까지 바를 수 있으며 각각의

26

코팅은 분리하여 구워진다

불소화 고분자들은 낮은 표면장력 물과 기름에 젖지 않

고 비점착성이며 방오 특성(antifouling properties) 등을

갖기 때문에 다양한 특수 코팅에 적용되나 합성과 조성

이 몇몇 제조업자들에 독점되어 있고 값비싼 중간체를

필요로 한다 VC Malshe 등4)은 플루오르 함량이

4-10인 불소화된 아크릴 공중합체를 간단한 방법으로

합성하고 클리어 코팅하여 광학적 기계적 및 보호 특성

을 연구하였다

최근 에너지 절감과 CO2규제와 같은 환경규제에 대한 대

응 필요성이 증가하면서 발전소나 각종 보일러 시스템에

서 배가스로 배출되는 응축잠열 에너지의 회수 및 활용

에 관심이 증가되고 있다 Lee 등5)은 스테인레스 관 표

면에 400정도의 두께로 테플론을 코팅한 전열관에서

관의 열 및 응축 열전달 특성을 연구하여 테플론 코팅관

의 총괄 열전달 계수는 스테인레스 관보다 약 20 작은

것으로 나타나고 응축열전달 계수는 유사하였음을 보고

하였다

알루미늄 용광로의 비-여과 배출가스에 장기간 사용하기

적합한 역류 열교환기에 관한 것으로 원통형 쉘의 표면

27

은 알루미늄 용광로 배출가스 입자 및또는 먼지 및 부

식 흄과 접촉될 수 있어 테프론 계로 코팅 처리하는 특

허6)가 있다 이 특허에서는 원통형 쉘을 만들도록 복재

(web member 웨브재)와 함께 연결된 유체 운반튜브로

이루어진다 각 원통형 쉘에 위치한 헤더는 열교환기의

튜브에서 튜브로 유체를 공급하며 뜨거운 난류가스에 작

용하여 스케일링을 최소화하기 위해 헤더의 보호덮개를

설치한다

저온에서 고온에 이르는 환경에서 유체에 사용되는 배관

튜브는 열에 의한 경시적 열화가 진행되어 균열 발생이

쉽다 가동부에 사용되는 배관 튜브는 움직임이 수반되어

그 경향이 현저하며 반도체 제조장치에 일반으로 사용되

는 실리콘튜브는 저온에서 열화되어 파손되기 쉽다 이러

한 문제점을 해결하기 위해 실리콘 튜브 외측 표면을 테

플론으로 코팅하여 균열발생을 억제함으로써 장시간 사

용 가능하도록 고안한 특허7)가 있다

섬유상 부직포로 제작하는 다공성 여과필터는 다양한 산

업공정의 배출가스를 정화시키는 데 사용되며 특히 중고

온 환경에서 사용이 가능한 다양한 종류의 기능성 필터

의 개발이 요망된다 일반으로 소각장 및 발전소 등의 중

고온 조건에서 사용되는 Nomex를 비롯한 섬유상 필터는

28

200 이상에서는 열변형으로 사용이 제한적이고 세라믹

필터와 같이 고온에서 적용이 가능한 소재는 매우 고가

일 뿐 아니라 초기 작업으로 인해 에너지 사용량이 매우

높아지는 문제점이 있다 Kim 등8)은 250-300 영역의

중고온의 배출가스를 처리하기 위한 필터에 표면 소수성

과 고온 안정성을 부여하기 위하여 표 3-3과 같은 조성

으로 그림 3-1과 같은 장치를 이용하여 테플론 수지를

거품 형태의 코팅액으로 조제하여 유리섬유 원단에 공급

하여 표면코팅하고 열처리 및 압착과정을 거친 후 표면

분석하였다

표 3-3 테플론 코팅을 위한 화학첨가제8)

테플론 코팅이 전기 집진장치에 활용되는 특허도 있다

종전 사이클론 방식의 전기집진기에서는 집진부의 먼지

를 떨어뜨리는 것이 용이하지 않았다 발명자들은 먼지

압축 기능을 갖는 집진실 내측에 테플론 가공을 하여 정

전기에 의한 미세먼지의 부착을 억제함으로써 집진실의

먼지를 원 터치로 처리할 수 있도록 하였다9)

29

그림 3-1 테플론 거품코팅8)

일반으로 테프론을 조리용기에 코팅하는 방법은 금속소

재를 사용 제품형태로 제작한 후 세척하고 에이징(소둔)

처리한 후 샌딩하여 표면조도를 유지하도록 하고 표면에

프리머 처리하여 베이킹 처리한 후 분사방법으로 테프론

코팅을 하고 다시 베이킹 처리하므로 공정이 복잡하고

제조원가가 상승하며 부착력에 한계가 있다한다 (주) 엘

지아이 특허10)에서는 피처리물을 세척한 후 산질화처리

하여 표면에 열처리 층이 형성되게 한 후 테프론을 코팅

하고 베이킹 처리하는 것을 특징으로 한다 그 외에 내열

세라믹 주방용기의 불소수지 코팅방법에 관한 특허가 있

다11)

(주) 봉성비에스는 차량의 주행 충격을 흡수하는 완충기

30

내부에 삽입하는 피스톤 외주면의 마찰과 소음을 최소화

하기 위한 목적으로 테프론 코팅을 하기 위한 코팅장치

를 등록하였다12)

⑶ 대전 방지 플루오르화탄소 수지 코팅

ㅇ 본래 불소수지 자체는 높은 절연성과 큰 대전성을 갖고

있기 때문에 도전 효과를 얻기 위해서는 분상 필러를 다

량으로 충전할 필요가 있으나 이렇게 하면 비점착성이

떨어진다 여러 회사들의 제품 안내서들을 종합한 불소수

지의 전기적 특성은 표 3-4와 같다

표 3-4 불소수지의 전기 특성

특성측정법

(ASTM)단위

PTFE

(비충전)

PTFE

(25

유리충전)

PTFE

(25

탄소충전)

표면 내아크성 D495 sec 75-110

체적저항

(비저항)D257

ohm-

cmgt1018 gt1016 104

표면저항 D257ohm

sq-1 gt10

14

유전율(유전상

수) at 1MHzD150-81 e 25 24

절연내력 short

time 18thickD149

kv

mm285

유전정접(유전

정합) at 1MHzD150-81 lt00002 005

31

ㅇ 불소수지는 내열성 내한성이 높고 내약품성 내연소성

난연성이 우수하고 절연성 및 비점착성과 저 마찰계수를

갖고 있으나 절연성이 높아 정전재해의 원인이 될 수 있

어 재해 방지를 위해 대전 방지 또는 저저항을 특징으로

하는 불소수지 가공품이 개발되어 사용범위가 넓어지고

있다

불소수지에 충전하여 저저항으로 하는 필러에는 일반적

으로 도전성이 높은 카본 금속 또는 산화알루미늄 등의

금속산화물이 사용된다 재료의 형상으로는 미분 탄소

스테인레스 스틸 니켈 금속분과 같은 입상물 단섬유 탄

소섬유 위스커(whisker) 등이 사용된다

- 미분은 비표면적이 크기 때문에 소량의 충전으로 저

항치를 내릴 수 있으나 약품의 침투가 있는 경우 비

표면적이 크기 때문에 약품의 영향을 받기 쉬워 내부

식성 떨어질 가능성이 크다

- 입자상물질들은 미분에 비해 비표면적이 작기 때문에

약품의 영향을 비교적 적게 받지만 저항치를 내리기

위해 충전량이 많게 되어 불소수지의 특징인 비점착

성과 저마찰계수 특성을 저해한다 섬유 위스커 형상

은 단방향에 대한 장방향의 비가 클수록 적은 충전량

32

으로 저항치를 낮출 수 있지만 분산이 나쁘면 요철이

발생한다 부식 방지 코팅에서는 충전제의 내약품성이

관건이다 즉 부식 환경에서 불소수지 자체는 충분히

견디어도 충전제가 내약품성이 없으면 충전제가 서서

히 에칭되어 기기가 부식될 가능성이 크다

화학 석유 및 정제 산업에서는 시험 검사 세척 및 다양

한 공정의 용기 저장 탱크 반응기와 같은 많은 구성요

소들이 사용되며 플루오르화 고분자는 고온에서 높은 열

안정성을 갖고 다양한 유기용매에 전혀 용해되지 않으므

로 부식방지 등을 위해 플루오르화 고분자와 같은 내화

학성 고분자로 코팅된다 그러나 이들 고분자는 코팅된

구성요소의 표면에 정전하 축적을 조장하기 때문에 폭발

성 환경에서는 사용할 수 없다

특히 이들 구성요소들의 금속 구조물은 용기나 탱크에

보관된 가스 증기 분진의 이동에 의해 생성된 정전하

(electrostatic charge)를 흐르게 하는 전도경로가 되나 금

속표면을 강산 강알칼리나 유기용제에 의해 침투되는 방

지하기 위한 목적으로 부식방지 테플론으로 코팅될 경우

얇은 필름의 비-전도체로 작용하므로 폭발성 환경에서

사용을 규제하고 있다

33

- 예로 유럽 표준 EN 50014 section 732에서는 정전

하로 인한 발화 위험을 피하기 위해 사용 보수 및 세

척 조건 하에 설계된 울(enclosure)이 필요하고 울의

절연저항은 1GΩ을 초과할 수 없도록 규제하고 있고

일본은 후생노동성 관할 산업안전연구소의 정전기 안

전지침의 누설 저항치는 108Ω 이하로 되어 있다

- 따라서 부식 및 폭발성 환경에서 안전하고 다양한 구

성 요소에 적용할 수 있는 정전방지 비-발화 테플론

코팅기술을 요하며 정전방지 코팅은 표면저항을 낮추

기 위해 카본블랙이나 개질 전도성 탄소 금속이나 전

도성 고분자를 테플론에 충전하여 코팅한다

폭발성 환경용 내화학약품 특성과 대전방지 비발화

코팅 조성물로는 높은 비저항을 갖는 플루오르 고분자

50-90wt 10-50wt의 전도성물질인 탄소분(carbon

powder)으로 이루어진 Solex Robotics Systems Inc

특허가 있다13)

- 폭발환경에서 사용되는 이상적인 코팅은 정전하를 피

하기 위해 낮은 비저항을 가져야 한다 완벽한 전도체

는 비저항이 영(0)이고 완벽한 절연체는 무한 비저항

34

을 갖는다 금속(구리 금 같은) 합금(망가닌 Mn-Ni-

Cu 니크롬 Ni-Cr-Fe) 반도체(카본이나 게르마늄)는

낮은 비저항을 갖고 있어 좋은 도체이다

- 수많은 고분자 기초 코팅들이 부식화학 환경에 사용

되었으나 85GΩ 이상의 비저항으로 대전방지 시험에

서 실패하였다 정전기 도체로 인증기준 아래 적합하

기 위해서는 100cm2이상의 노출 표면이 1GΩ 이하의

비저항이어야 한다 코팅에 첨가된 탄소분은 전도도를

증가시키며 10-50의 함량은 1GΩ 이하의 비저항을

만족시킨다

비전도성 표면의 표면저항을 감소시키도록 카본이나 금

속을 사용하여 대전방지를 부여하는 공정의 단점으로는

카본이나 금속의 접착력이 낮아 입자의 마모가 일어나

장기간 사용 시 대전방지 수준이 감소하는 것이다 더욱

클린룸에서 입자의 방출은 심각한 문제가 된다 대부분의

비전도성 기질은 통상 23 상대습도 50에서 표면 비

저항이 109ohmsquare 이상으로 높고 PTFE 경우는 10

12

ohmsquare이상이다14)

반도체 제조 장치에서는 웨이퍼 기판을 안착하기 위해

작업 스테이지를 사용하며 작업스테이지는 통상 금속과

35

세라믹으로 제작되나 웨이퍼기판을 작업스테이지에 올려

놓을 때 작업스테이지와 웨이퍼기판 사이에 마찰 정전기

가 발생한다 FPD(flat panel diplay 평판표시)용 디스펜

서(dispenser)에 사용되는 작업스테이지는 진공방식으로

디스플레이 기판을 흡착 고정하며 흡착 고정되었던 디스

플레이 기판이 작업스테이지에서 박리될 때 작업스테이

지에 정전기가 발생하여 디스플레이 기판에 대전된다 최

근 디스플레이 기판이 대형화됨에 따라 대전량이 증가되

고 정전기 대전문제가 더욱 심각해지고 있다 웨이퍼기판

이나 디스플레이기판에는 반도체소자 등 다수의 전자부

품들이 배치되어 있기 때문에 정전기가 발생되면 전자부

품의 신뢰성에 치명적 손상을 주고 기판에 분진이 부착

되거나 정전기의 대전으로 기판 리프트 업(lift up)시 기

판이 깨어지는 문제가 발생한다 정전기 대전을 방지하기

위해서는 작업스테이지에 이오나이저를 설치하여 중화하

기도하나 리프트 업이 불가능하거나 이온풍이 도달하기

전 방전하는 등 작업 스테이지와 기판 사이에서 발생한

정전기가 순간적으로 일으키는 박리대전 문제를 해결하

기 어려워 작업 스테이지의 정전기 방지를 위해 불소수

지로 코팅한다

- 불소수지는 다른 물질과의 흡착에너지가 작고 비점착

성이 우수하며 마찰계수가 작아 유리기판과의 상관관

36

계가 작아져 박리에 의한 정전기의 발생량이 적어지

나 불소수지는 절연성을 가지므로 테프론 코팅에서는

카본 블랙이나 전도성 고분자 등을 필러로 사용한다

대전방지가 필요한 반도체 제조장비 디스플레이 장치 및

테스트 장치 등의 작업 스테이지를 테프론 코팅함으로써

작업 스테이지의 정전기 발생을 방지하는 방법의 단점의

하나는 제작비용이 상대적으로 많이 드는 것으로 디스펜

서의 경우 디스플레이 기판이 대형화됨에 따라 작업 스

테이지의 크기가 커져 제작비용이 증가한다 또한 불소수

지의 경도가 낮아 코팅 막에 스크래치가 발생하고 이 부

분은 평탄도 유지가 어려우며 입자들이 발생하는 요인으

로 작용하며 불소수지가 절연성이므로 카본블랙이나 전

도성 고분자 등의 도전성 필러를 충전하여 대전방지에

적합한 면-저항을 갖도록 할 경우 카본블랙은 구형으로

분진이 발생하는 문제점이 있고 전도성 고분자를 사용할

경우는 내용제성이 약하고 과량의 바인더를 사용하여야

하며 박막 형성이 어렵고 불소수지의 경도를 보완하기

위해 아노다이징 처리를 하는 경우는 이후 별도의 코팅

과정을 거쳐야 하므로 제작비용과 제작시간이 증가하는

등 여러 가지 단점들이 있다 이러한 문제점들을 해결하

기 위한 방법으로는 작업 스테이지와 기판이 만나는 면

에 정전기 발생을 최소화시킴과 동시에 그 제조비용이

37

절감되고 적절한 면-저항을 조절할 수 있으며 마찰계수

가 낮고 내마모성이 향상된 작업스테이지 표면의 대전방

지 처리 방법에 관한 국내의 탑나노시스 사의 특허15)가

있다

- 탑나노시스 사의 특허 목적은 작업스테이지의 기판과

만나는 면에 정전기의 발생을 최소화시킴과 동시에

그 제조비용이 저감되고 적절히 면-저항을 조절할 수

있으며 마찰계수가 낮고 내마모성이 향상된 스테이지

표면의 대전방지 처리 방법에 관한 것으로 이 특허에

서는 금속소재의 작업 스테이지 표면을 아노다이징

처리하여 복수의 산화표면 홀들을 형성시키고 여기에

탄소나노튜브를 삽입하고 경화하며 탄소나노튜브 경

화 후에 표면을 봉공 처리한다

- 작업스테이지 표면은 106-10

9Ωsq의 면-저항을 갖는

것이 바람직하며 산화표면 홀들은 직경 30-900nm 깊

이 100-900nm가 바람직하다 아노다이징 처리를 하는

금속소재는 Al Mg Zn Ti Ta(탄탈륨) Hf(하프늄)

Nb(니오븀) 등일 수 있고 이 발명에서는 가벼우며 일

정 강도를 갖고 가공성이 우수한 Al합금을 예로 들어

설명하고 있다

38

- 알루미늄소재 작업스테이지 표면에 산화피막(Al2O3)처

리를 하는 아노다이징(anodizing 양극산화)에서 전해

액은 수산화나트륨이나 수산과 황산 등이 사용될 수

있고 수산화나트륨의 농도(20-50) 공급전압 전류

및 시간 등을 조절하여 산화표면 홀의 크기(D)와 깊

이(L)를 조절하며 D와 L에 따라 대전방지 효과나 내

구성 및 표면경도를 조절한다

- 탄소나노튜브를 산화표면 홀 내에 삽입시키는 단계는

전해 흡착 하여 이루어질 수 있고 정전도장을 통해서

도 이루어질 수 있다 탄소나노튜브는 분산제를 포함

하는 용액으로 코팅되며 분산제로는 소듐 도데실설페

이트(SDS) 트리톤X Tween20(폴리옥시에틸렌 소르

비탄모노올레이트) CTAB(cetyl trimethyl ammonium

bromide)를 예로 들고 있으며 탄소나노튜브 용액은

아크릴계 우레탄계 등 또는 전도성 고분자계 유무기

하이브리드계 바인더가 포함될 수 있다

- 봉공처리는 산화표면 홀과 산화피막을 봉공하여 내식

성 등이 향상되도록 보호 층을 형성시키는 것으로 비

등수 가압증기에 의한 수화봉공 금속염을 포함한 열

수에 의한 금속염 봉공 오일로 도포나 침적하는 유기

물 봉공 양극산화 피막 층에 도장하는 도장에 의한

39

봉공 등이 있다

반도체 소자를 제조하는 과정에는 불순물 이온을

주입하는 장비가 이용되고 있다 (주)하이닉스 반도

체의 특허에서는 이온주입 장비의 웨이퍼 지지 장

치 리프트 핀의 끝단을 라운드 처리하고 리프트 핀

에 테플론을 코팅하여 리프트 핀과 웨이퍼 후면의

접촉 시 웨이퍼 후면에 스크래치와 같은 손상이 유

발되는 것을 억제할 수 있게 한다16)

⑷ 탄소나노튜브(CNTs Carbon Nano Tubes)17)

탄소나노튜브는 탄소의 동소체로 1991년 일본 NEC 연구

소의 Ijima박사에 의해 전자 현미경을 통해 처음으로 확

인되었다 1985년에 Kroto와 Smalley가 탄소의 동소체인

풀러렌(탄소 원자 60개가 모인 것C60)을 처음으로 발

견한 이후 전기방전 시 흑연 음극 상에 형성된 탄소덩어

리를 투과전자현미경으로 분석하는 과정에서 발견하여

Nature학술지에 처음으로 발표되었다18) 탄소나노튜브에

서 탄소원자 하나는 주위의 다른 탄소원자 3개와 sp2결

합을 하여 육각형 벌집무늬를 형성하며 이 튜브의 직경

이 대략 수 나노미터(nm nanometer) 정도로 극히 작기

40

때문에 나노튜브라고 부르게 되었다 이 탄소나노튜브는

전기 세기가 클수록 더 수축하는 성질을 가지고 있는 등

튜브의 직경이 nm수준으로 극히 작아서 특유의 전기화

학적 특성을 나타낸다

Ku 등19)에 의하면 CNTs는 전기방사법(arc-discharge)

레이저증발 법(laser vaporization) 플라즈마 화학기상증

착 법(plasma enhanced chemical vapor deposition) 열

화학 기상증착 법(thermal chemical vapor deposition) 등

의 다양한 합성법이 개발되어 대량생산이 가능하다

CNTs의 종류는 벽의 수에 따라 단일 벽 탄소나노튜브

(SWNTs) 이중 벽 탄소나노튜브(DWNTs) 다중벽 탄소

나노튜브(MWNTs)가 있으며 물성에 관한 많은 연구결

과 기계적 전기적 열적으로 우수한 성능을 갖고 있음이

입증되었다

CNTs는 인장강도와 탄성률 면에서 지금까지 발견된 재

료 중 가장 강하고 질기며 다중벽 CNT는 63GPa에 이른

다 표준 단일 벽 CNT는 25GPa의 압력까지 변형 없이

지탱된다 그래핀의 대칭성과 특이한 전기적 구조 때문에

CNTs의 구조는 그것의 전기적 특성에 영향을 미쳐 금속

성이나 반도체의 특성을 나타내고 이론적으로 금속성

41

CNTs는 구리와 같은 금속의 1000배가 큰 4times109Acm

2

전류 밀도를 운반할 수 있으며 나노크기의 단면으로 전

자가 튜브의 축 방향으로만 전파되고 전자의 이동은 양

자효과를 수반하여 1차원 전도체로 간주된다

CNTs는 우수한 물성과 상대적으로 큰 표면적으로 갖고

있어 충전제(filler)로써 에폭시 폴리스틸렌 폴리우레탄

등 고분자와 혼합하여 폴리머의 기계적 전기적 특성을

향상시키려는 연구가 활발하다 CNTs가 폴리머 중에서

충전제 역할을 하기 위해서는 고른 분산이 필요하나 반

데르발스 힘에 의한 CNTs 응집현상(agglomeration)으로

인해 효과적인 분산이 어려워 오히려 폴리머의 물성을

저해하므로 이것을 개선하기 위한 다양한 기계적 화학적

분산 방법이 연구되고 있다

- CNTs를 분산시키기 위한 가장 일반적인 방법은 용매

나 폴리머에 CNTs를 투입하고 초음파처리를 하는 것

으로 초음파처리를 하면 SWNTs의 길이가 짧아지고

다발(bundle)이 얇아져 분산력이 증가한다

- CNTs 표면을 산이나 아민으로 기능화하여 분산을 높

이는 방법도 연구되고 있으며 MWNTs를 HNO3

H2O2NH4OH 용액에 침지시켜 MWNTs에폭시 복합

42

재료는 전기적 특성을 향상시키려는 연구와 산과 아

민 등의 기능기를 도입하여 SWNTs의 열전도도를 향

상시키려는 연구들이 수행되고 있다

- 기계적 분산방법인 전단혼합방법은 좁은 관이나 상대

적으로 높은 속도의 유동을 이용하여 발생한 전단력

으로 CNTs를 분산시키는 방법이다 Ku 등19)은 전단

혼합과 초음파처리를 이용하여 MWNTs로 강화된

에폭시 복합재료를 만들어 기계적 및 열적 특성을 연

구하였다

⑸ 내마모성 테프론 코팅

ㅇ 재료의 부식은 구조재에 원하지 않은 변화 원인으로 작

용하여 경제적인 문제로 귀결되는 심각한 문제이다 이들

원치 않는 변화는 때로 적절한 코팅에 의한 표면처리로

예방할 수 있다 가장 일반적이고 자주 사용되는 전착 코

팅은 아연에 기초한 아연 코팅 및 합금 코팅으로 이들

코팅은 간단한 기술로써 내부식성이 양호하여 전 표면처

리의 약 14에 해당하나 최근 낮은 마찰계수 등 다른 특

성들이 매우 중요하게 되었다 이들 특성은 다층 코팅으

로 대응할 수 있으나 두께가 증가하고 기술이 복잡하여

가능한 해결방법으로는 복합체 코팅이 있다 복합체 코팅

43

은 일반기계와 자동차 전자부품 및 컴퓨터 등 다양한 분

야에 적용된다 금속 기질에 미세한 PTFE 입자의 전착

에 의한 증착은 새로운 세대의 복합체 코팅으로써 가장

바람직한 특성은 양호한 내마모성 자기윤활 내부식성이

다 M Paderovaacute 등20)에 의하면 이들 특성은 주로 사용

한 입자(흑연 다이아몬드 MoS2 또는 PTFE)와 용액의

유형(pH 온도 bath 등) 뿐 아니라 입자의 크기 농도

분산 및 형태학에 의존한다

ㅇ 충전되지 않은 PTFE의 마모율은 736-741times10-4mm3Nm

로 내마모성이 낮아 다양한 충전제들이 첨가되고 있다

Xing-Dong Yuan 등21)은 진공 조건에서 PTFE 코팅

의 마모특성을 연구하여 초기에는 하중이 증가함에 따

라 마찰계수가 감소하나 하중이 6N 이상으로 커지면

마찰계수도 증가하며 압력이 PTFE 코팅의 마찰계수

에 미치는 영향이 거의 없고 마모는 압력이 증가하면

초기에는 감소하나 10Pa 보다 높으면 급격히 증가한

다고 보고하였다

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위해서는 윤활제로 PTFE

계 수지 접착제로는 폴리아미드이미드수지 산화철 분말

44

및 브론즈 분말 등을 혼합한 조성물을 사용하거나 미국

특허에서는 스와시플레이트 형 압축기의 플레이트 표면

에 MoS2 흑연 PTFE계 윤활제와 열경화성 수지인 폴리

아미드이미드(PAI) 조성물을 코팅하여 내마모 및 윤활성

을 부여하고 있다22) 내열성 향상을 위해서는 고체윤활

제 접착제수지 및 저융점 금속인 Sn Pb In Bi 등을 함

유하는 합금이나 화합물을 사용하여 금속의 잠열을 이용

내열성 향상을 시도하기도 한다

ㅇ 그간 철강(스테인리스강 탄소강 아연도금강판 등)의 내

부식성 향상을 위한 많은 연구들이 수행되어 왔다 4플루

오르에틸렌(C2H4) 4플루오르에탄(CF4) 6플루오르에탄

(C2F6) 3플루오르화에탄(CHF3) 8플루오르화에탄(C4F8)

같은 불소화된 단량체의 플라즈마 중합에 의한 테플론

류 코팅은 그들의 소수성으로 인해 금속의 내부식성 향

상을 위한 대안으로 주목을 받고 있다 A Delimi 등23)

은 유도결합 고주파플라즈마(inductively coupled radio

fre- quency plasma)를 사용하여 소수성 박막 불소수지

필름을 탄소강에 증착하고 3염수에서 내부식성을 평가

한 결과 1개월 동안 9nm의 필름이 유지되는 것을 관찰

하여 불소고분자 박막이 금속과 금속산화물의 보호층이

될 수 있음을 보고하였다

45

ㅇ PTFE를 이용한 세라믹코팅 기술로는 알루미늄 및 알루

미늄 합금 공작물을 양극처리에 의해서 티타늄 및또는

지르코늄 산화물을 포함하는 내식성 내열성 및 내마모

성 세라믹 코팅을 하고 이어서 양극처리된 공작물을

PTFE 또는 실리콘 함유 코팅과 같은 제 2 코팅으로 코

팅한다 이 발명은 가소성을 가지는 경질의 필름 내에서

내식성 내열성 및 내마모성을 제공하는 티타늄 및또는

지르코늄 산화물의 양극처리 층으로 기판을 예비-코팅함

으로써 알루미늄 기판에 보다 긴 수명의 코팅을 형성하

는데 특히 유용하다24)

ㅇ Nosaka 등25)은 PTFE로 대표되는 불소수지는 마모-링이

나 극저온 밸브의 실링부에 많이 사용되며 진공치환법에

의해 탄소재료에 PTFE나 MoS2 분말을 1-2wt 함침시

키면 무함침한 것에 비해 마모가 약 13로 감소한다고

보고하였다 한편 저자들은 터보펌프의 실링재료가 극저

온 환경에서 보이는 특이한 현상을 극복하기 위해 베어

링의 표면에 노출된 유리섬유를 불소산으로 처리하여 용

해 제거하고 윤활성을 높인 유리섬유강화 테프론 리테이

너를 개발하여 내구성과 윤활성을 향상시킬 수 있었다고

보고하고 있다

46

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위한 또 다른 특허로는

폴리실록산계 접착제를 단독 혹은 폴리에스테르계 접착

제와 병용하고 고체 윤활제로 MoS2(이황화몰리브덴

WS2(이황화텅스텐) h-BN(육방정 질화붕소) 팽창흑연

및 PTFE를 사용하고 충전제로 탄화규소 알루미나 산화

지르콘 산화티탄 등의 미분말을 사용하여 내마모 내열

및 윤활성을 부여하고자 하는 내마모성 및 윤활성 코팅

조성물에 관한 특허가 있다26)

ㅇ 내열성 내후성 내오염성 내약품성 내구성 등의 물성

은 유지하면서 비점착성을 높이기 위해 무기계 세라믹

코팅 조성물에 PTFE를 첨가하기도 한다 이러한 하이

브리드 코팅 조성물에 관한 특허로는 불소수지(01sim25

중량) 콜로이달 실리카나 콜로이달 알루미나 등 무

기계고분자 바인더(20sim80중량) 알콕시실란 화합물

(1sim50중량) 수용성 유기용제(1sim10중량) 충전제

또는 안료(5sim50중량) 및 물(100중량 까지 보충)로

이루어진 코팅 조성물에 관한 것으로 무기질 도료 및

무기계 세라믹 코팅에 의해 내열성 내오염성 내약품

성과 내구성을 유지하고 접착력을 높이기 위해 소량의

PTFE를 사용하는 것이 있다27)

47

ㅇ 정전 복사기에 사용되는 정착기재부의 최외층에 코팅하

여 기계적 성질 및 내마모성을 향상시키려는 목적으로

불소수지 기질 중에 분산된 불소화 다이아몬드를 함유하

는 입자로 구성된 조성물에 관한 일본 특허28)가 있다

ㅇ 부식 특성을 개선한 흑색 무크롬(chrome-free) 다층 내

부식 마무리 칠과 방법에 관한 특허29)로는 ASTM B 117

표준으로 시험할 때 백색 부식에는 최소 500시간 염수분

무시간 및 적색 부식에는 1500시간 염수분무시간에 적합

하게 설계된 마무리 칠에 관한 것이 있다 이 다층 시스

템은 광택(gloss) 4 이상을 만족하는 자동차 차체 강판

자동차 하부와 내장에 사용되기 위해 설계된 것으로 이

다층 마무리 칠은 3층 부식 방지 시스템을 형성하도록

아연-철 전기도금 기질 오르토인산을 사용한 무전해 인

산염 결정 전환 층과 XylanTeflon 실러 코팅의 조합이

다

ㅇ 전통적으로 철 강판(steel sheet)은 크롬산 염 전환 코팅

으로 개질되어 왔으나 6가 크롬이 배출되어 환경을 오염

시키는 문제점이 있어 강판의 내-부식성을 개선하기 위

해 고분자 수지 코팅들이 수행되고 있으나 이 방법은 고

48

분자 코팅 층이 열전도도를 감소시키는 단점을 가지고

있다 Kang 등30)은 강판 위의 고분자 코팅 층의 열전도

도를 향상시키기 위해 초미세-크기 다이몬드(μD)입자를

열전도 물질로 사용하였다 다양한 음이온 및 비-이온

계면활성제들을 사용하여 수용액 중에서 무거운 μD입자

의 안정화를 시험들을 한 결과 1-피렌카르복시산(PCA)

이 가장 양호하였다 그림 3-2는 이 시험 결과를 요약한

것이다

- 강판 위에 PCA로 안정화 된 μD 입자를 함유한 폴리

우레탄-기초 코팅 층은 열전도도가 0351W(mK)에서

0434 W(mK)(10 wtμD)로 향상되었으며 더욱 144

시간 동안 염수 분무 시험결과 부식거동은 관찰되지

않았다

그림 3-2 피렌카르복시산을 이용한 μD 표면처리

ㅇ 자동차공업에서는 기본적인 특성으로 내마모성이 요구되

49

는 강철 기계부품들의 마찰특성을 향상시키기 위해 다양

한 금속 및 고분자 코팅들이 광범하게 이용된다 내-마

모 코팅은 두 가지 주요 특성인 높은 표면경도와 자기-

윤활 특성이 필요하다 후자의 범주에 속하는 것이

PTFE와 MoS2 기초 코팅이다 무전해 니켈 코팅은 높은

경도로 인해 양호한 마찰 특성을 보이며 한편 열처리를

통해 경도를 향상시킬 수 있다 PTFE입자의 첨가는 코

팅경도를 감소시키나 자기-윤활특성을 부여한다 S

Rossi 등3132)은 마찰특성을 향상시키기 위해 이용되는 탄

소강에 이용되는 몇 가지 공업적인 코팅에 관한 부식거

동에 관해 평가 PTFE입자를 함유한 무전해 니켈-인

(Electroless Nickel-Phophorus)코팅은 PTFE 입자(자기-

윤활 특성)를 갖는 외층과 장벽-효과를 갖는 내층으로

인한 이중 특성으로 가장 양호한 특성을 보였다고 보고

하고 있다

ㅇ 모든 기계적 시스템은 동적 요소를 필요로 하며 마찰과

마모를 줄이기 위한 다양한 수단들이 가능하나 그 선택

은 환경이나 조작 조건에 제한을 받는다 PTFE는 자기

윤활 낮은 마찰계수 높은 열안정성과 화학약품 안정성

으로 산업분야에 널리 사용되는 엔지니어링 고분자이지

만 내마모성이 매우 부족하다 이러한 이유로 금속

-PTFE충전 복합체들이 PTFE의 마찰특성과 금속충전제

50

의 내마모성을 결합하여 특정 분야의 용도로 소개되어

왔으나 금속-고분자 물질에서의 충전제의 역할은 완전히

설명되지 않고 있다 복합체 표면의 과잉의 충전제 농도

는 미끄러지는 동안 부하를 지지하여 내마모성을 증가시

키는 것으로 생각되며 PTFE의 마모율은 Mo Zn Ni

Y2O3 및 SiO2 같은 무기 충전제에 의해 1000배가량 감소

되었다는 보고도 있다 유리섬유 구리 세라믹 탄소섬유

절단 탄소섬유 나노입자를 포함한 경질의 충전제 입자들

이 PTFE의 내마모성을 높이기 사용되어 왔다

ㅇ 비교적 두꺼운 코팅에는 열분사(thermal spray) 용사기

술이 정립되어 있고 용사 코팅은 내마모 내마찰 내프레

팅(fretting) 및 내부식을 요하는 산업에 많이 이용되고

있다

- 용사 몰리브덴(Mo)코팅은 실질적 내마모성 코팅으로

가장 광범하게 이용되며 프레임용사(flame spray)거나

와이어용사(wire spray)기술로 생산된 몰리브덴(Mo)

코팅은 흠이나 마모에 대한 고도의 저항을 얻기 위한

가장 좋은 코팅재료 중의 하나이다

- 알루미늄 청동(aluminium bronze)은 높은 내-부식성

과 내마모성을 갖는 것이 특징이다 저압 플라즈마 용

51

사 기술은 자기-아닐링(self-anealing)과 부서지기 쉽

도록 유도하는 γ-상의 형성을 피할 수 있도록 높은

냉각 속도를 얻는 데 사용되며 알루미늄 청동 저압

플라즈마 용사 코팅은 낮은 마찰과 마모를 보였고 비

교적 최근 플라즈마 용사 기술을 이용하여 알루미늄

기질에 고분자-세라믹 복합체를 코팅하는 기술이 개

발되었다33)복합체 코팅으로 행한 마찰 시험에서 낮

은 마찰계수를 얻을 수 있었다

- 낮은 마찰계수와 고 내마모성을 갖는 이성분 금속

-PTFE 코팅이 개발되었고 이들의 마찰 공학적 성능

이 보고되었다 PTFE-기초 복합체 설계에서 일반적

인 접근방법은 경질의 충전 입자들을 도입하는 것으

로 M Yamane 등34)은 PTFE-금속 이성분 코팅의 마

찰 마모성능에 관한 연구 결과 알루미늄 청동 코팅이

Mo코팅에 비해 PTFE 저장소(reservoir)에 유용했음

을 보고하였다

⑹ 충전 또는 강화 플루오르화 탄소1)

ㅇ 분말이나 강화섬유 등 전형적인 충전재들이 충전 또는

강화 플루오르화 탄소에 사용된다 충전재는 저온흐름

52

을 향상시키는 데 사용되며 수축과 균열을 줄이고 열

팽창을 낮추며 열전도율을 향상시킨다

ㅇ 분말이나 단섬유로 된 전형적인 충전제를 표 3-5에 종합

하였다 유리섬유는 가장 보편적인 PTFE 충전제로 화

학 및 전기적 특성에 최소로 영향을 미치며 기계적 특

성을 크게 향상시킨다 분말에 비해 섬유는 압축강도

강성도 및 지지용량을 더욱 향상시키나 분말은 충전

테플론의 내구성에 거의 영향을 미치지 않는다 금속분

말은 특히 열전도도를 향상시키며 고속에서 발생하는 마

찰열을 소멸하는데 도움이 되며 전기저항을 상당히 감소

시켜 금속-충전 조성물은 양호한 절연체는 아니다

ㅇ 흑연(graphite) MoS2는 초기 내구성과 마찰을 개선하고

기계적 특성을 향상시킨다 석면은 많은 유용한 특성을

갖지만 가공 처리 중 가스가 방출할 뿐 아니라 사용금지

물질이다 표 3-5 외에도 금속 망 장섬유 다공성 금속

등 다양한 충전제들이 있으며 다양한 종류의 제품들이

상업 생산되고 있어 최종 선정을 하기 전에 플라스틱 가

공업자로부터 보다 완전한 정보와 추천을 받는 것이 바

람직하다

53

표 3-5 불소수지용 충전제

ㅇ 압축강력 인장과 압축 시의 탄성률 및 항복강력은 첨가

제의 첨가에 의해 모두 증가하나 일반으로 인장강력과

신도 및 충격강도는 손실된다 통상 충전 테플론은 압축

상태에서 사용되므로 인장강력의 감소는 중요하지 않다

인장강력의 손실은 설치(연속적인 링-실링)할 때 인장되

는 재료에서 중요하다 열팽창 계수는 비-충전 테플론에

비해 감소되어 통상 금속 부품의 팽창계수와 잘 맞는다

ㅇ 마찰과 마모를 수반하는 분야에서 가장 중요한 것은 충

전제로 얻어지는 PV한계치의 증가와 마모의 감소다 비-

54

충전 테플론에 비해 PV한계치 크기는 개략적으로 1차원

적으로 증가하나 마모인자는 3차원적으로 감소한다 충전

테플론의 평균치들은 동적 마찰계수는 01-02 PV한계치

는 10000-20000 psi-fpm 마모상수는 10times10-10in3-min

lb-ft-hr이다 그림 3-3은 충전 테플론 PTFE의 마찰계

수에 미치는 충전제 종류와 농도의 효과에 관한 것이다

그림 3-3 테플론 PTFE에 미치는 충전제 종류와 농도1)

ㅇ 내마모성을 향상시키는 충전제는 실제로 연마저항성을

감소시키는 것으로 날카로운 입자는 보다 쉽게 침투하고

충전제 입자와 수지 사이의 경계를 따라 충전 플라스틱

을 찢는다 따라서 라이닝 슈트 같은 분야의 적용 시는

55

비-충전테플론이 보다 바람직하다

⑺ 시트 테이프 및 박층(laminates)

ㅇ 대부분의 플루오르화탄소는 충전 여부에 관계없이 두

께 1mil(0001 in)까지 시트나 테이프로 만들 수 있고

시트나 테이프를 찍어서 원하는 형상의 립-씰(lip seal)

펌프 컵(pump cup) 피스톤 링(piston rings) 가스켓

(gaskets) 등을 만들 수 있다

ㅇ 유체의 누설을 정지시키는 밀봉기능 부품 중 각종기기의

접합부나 배관 플랜지 등의 밀봉에 사용되는 가스켓

(gaskets)은 석면이 널리 사용되어 왔으나 유해물질 배

출 및 이동량 보고제도(PRTR Pollutant Release and

Transfer Register)에서 발암성을 가진 제1종 지정 화학

물질로 지정되어 사용이 금지되어 PTFE가 가스켓으로

개발되었다 PTFE는 용융 알칼리 금속 및 그 용액과 불

소 및 3불화염소에 의해 약간 침식되나 모든 화학약품에

안정하고 우수한 내부식 재료로 C-F결합력이 크고 F원

자가 C-C결합의 주위를 간격 없이 들러 싸고 있기 때문

에 다른 물질의 공격을 방어하고 있고 내열성은 260로

높다35)

56

- PTFE 필러를 사용한 PTFE 나선 권형 가스켓은 석

면에 대한 사용규제와 상관없이 사용되어 왔으며 유

연한 필러를 사용하므로 석면 가스켓 보다 낮은 체결

압력에서도 실 특성이 우수하고 내식 면에서도 광범

하고 다양한 유체에 사용이 가능하다 다만 단열성 면

에서는 석면 나선 권형 가스켓 보다 사용온도 범위가

제한된다

ㅇ 산업 기계나 자동차의 브레이크 제동장치에 부착하여 마

찰력을 부가하는 브레이크 라이닝에서는 마찰계수와 내

마모력 및 충격계수 등 마찰특성이 우수한 석면을 주로

사용하여 왔으나 제동 시 발생하는 미세 석면분진으로

인해 대기오염에 의한 환경을 파괴 뿐 아니라 인체에 흡

입될 경우 암을 유발하여 PRTR로 사용이 금지되었다

석면을 대체할 유기질 또는 무기질 된 다양한 비석면 마

찰 섬유 등이 사용되고 있으며 마찰 섬유에 테프론을 코

팅하여 브레이크라이닝의 수명향상 제동 시 발생하는 소

음 떨림 및 제동력 향상을 위한 제품개발이 시도되고

있다

- 예로 국내 특허36)에서는 브레이크 라이닝(또는 패드)

의 마찰재 배합재료 중 유기섬유(Kevlar섬유 pulp섬

57

유 등)에 테프론을 코팅하고 코팅된 유기섬유에 결합

재 충전재 윤활재 마찰안정재 마찰조정재 등을 소정

의 배합비로 배합하여 성형하고 열처리하여 브레이크

패드 또는 라이닝을 제조한다

ㅇ 초소형 정밀기계(MEMS Micro-Electromechanical

System)분야에서는 점착방지를 위해 불화 유기박막을

사용한다 Park 등37)은 단층 두께의 불화 유기박막의

특성을 접촉각 측정을 통해 분석하였다

⑻ DLC 코팅3839)

ㅇ DLC(diamond-like carbon)는 몇 가지 다이아몬드의 전

형적인 특성을 나타내는 비정질 탄소물질로 극도의 내마

모 특성을 필요로 하는 재료의 코팅에 이용되고 있다

DLC코팅은 연마 마모를 감소시키기 위한 재료에 유용하

여 엔드밀 드릴비트 금형 같은 공구는 물론 자동차 기

계부품 및 전자산업 등 산업전반에 걸쳐 적용된다40)

ㅇ 환경오염 문제로 인해 PRTR(Pollutant Release and

Transfer Register 유해물질 배출 및 이동량 보고 제

도) 이 시행되어 습동 부품이나 절삭 시에 사용되는 오

일이나 그리스에 포함되는 첨가제(MoS2 Zn 등)와 이들

58

부품을 세정할 때 사용되는 용매 기계부품의 수명을 연

장시키기 위해 활용되었던 Cr도금 폐액에서 발생하는 6

가 크롬 등의 오염물질들에 대한 규제가 더욱 강화되어

DLC에 의한 무윤활 습동과 무윤활 절삭을 지향한 공구

와 기계 부품의 개발이 관심을 끌고 있다4142)

- 일본 내에서는 PRTR이 시행되고 이것에 저촉되는 재

료에 관해서는 MSDS(Material Safety Data Sheet)를

첨부해야할 의무가 있고 부품가공 습동 용도에서는

대상 리스트에 올라 있는 오일 오일 중의 중금속 도

금폐액을 어떻게 경제성 있는 환경 친화적 공정과 재

료로 전환할 것인가를 고려하면서 무윤활 습동 무윤

활 절삭 탈크롬 도금의 3가지 키워드가 대두되고

DLC코팅이 대안으로 모색되고 있다

- DLC코팅 적용기술과 과제에 관한 자료로는 자동차

관련부품 적용사례 엔진부위 마찰 작동 밸브계의 마

찰저감 DLC와 윤활제에 의한 마찰저감 기술을 중심

으로 살펴본 보고가 있다43)

ㅇ DLC는 7가지 형태가 존재하며 모두 상당한 양의 sp3혼

성궤도 탄소원자를 함유한다 다양한 형태의 DLC가 진

공 환경으로 적합한 재료들에 적용가능하며 유럽에서의

59

2006년 위탁 DLC코팅 시장은 3천만euro로 추정되었고 국

내도 활발한 상용화가 시도되고 있다

ㅇ 사반면상(tetahedral) 비정질 탄소 ta-C를 2두께로 코

팅하면 연마마모에 대한 스테인레스 강(304 type)의 내구

성을 증가시켜 수명을 1주일에서 85년으로 늘이며 이러

한 DLC의 형태는 sp3결합 탄소 원자로만 이루어지기 때

문에 순수한 DLC로 간주되며 수소 sp2흑연 탄소 금속

같은 충전제가 생산경비를 낮추거나 원하는 특성을 부여

하기 위하여 사용되고 있다

ㅇ DLC를 만드는 방법에는 sp3탄소 보다 낮은 밀도의 sp

2

에 의존하는 몇 가지 방법들이 있으며 압력 충격 촉매

또는 이들의 조합으로 sp2결합탄소 원자들을 sp3결합탄소

로 근접시킨다 최근 초고압 하에서 탄소의 경량 특성을

갖는 초경도 무정형 다이아몬드가 만들어졌다 탄소로 만

들어지는 다이아몬드 그래파이트는 결정구조를 가지나

DLC는 비정질이라는 점에서 크게 다르고 200 정도의

저온에서 형성시킬 수 있다는 점이 통상의 PVD막에 비

해 훨씬 우위에 있다

ㅇ DLC코팅은 제조공정이 복잡하고 생산 단가가 비싸 적용

이 어려우며 적용되는 소재가 제한되는 단점을 갖는다

60

주요제법으로는 고주파 플라즈마 법 이온화 증착법 스

페터링법 등을 들수 있다 고주파 플라즈마 법은 메탄가

스가 원료로 사용되고 막 중의 수소가 약 30(원자)로

평활성이 우수하고 마찰계수가 작으나 경도가 낮다 이

온화 증착법은 벤젠을 사용하며 막은 단단하나 면의 조

도가 거칠고 후막화 하기 위해 스패터링 방법이 검토되

고 있다

⑼ 불소수지의 안전성

ㅇ 테플론 PTFE의 열분해는 200(392)에서 감지되며 이

것은 몇 가지 플루오르화 탄소 기체들과 승화물질을 방

출한다4445)1955년 동물실험에 관한 한 연구에서는 이들

물질이 250(482) 이하에서는 의미 있는 양이 아니라

고 결론지었으나 최근 비-점착 주방기구인 프라이팬이

나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가열할 때 조류를

죽일 수 있는 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수

도 있다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있다45)

ㅇ 표 3-6은 EWG가 보고한 3-5분 내에 370까지 불소수

지를 가열할 때 발생되는 15종의 불소화합물에 관한 것

이다 테플론과 같은 코팅물질들이 장기적으로 인체에 미

61

치는 영향에 관한 연구는 이루어지지 않고 있으나 독감

과 유사한 질병을 유발할 수 있으며 이를 중합체 증기열

(polymer fume fever)이라 한다

표 3-6 15종의 유해물질 및 유독성 기체44)

ㅇ 최근 표 3-6의 화합물들 중 특히 TFA와 과불화된

(perfluorinated) PFOA(perfluorooctanoic acid)에 관심이

증가되고 있다 PFOA는 새로운 환경오염물질로 미국 환

경보호청(EPA)에 의하면 보통 때는 문제가 없으나 조리

과정에서 프라이팬에 열을 가하고 강하게 긁을 경우 용

62

출되어 나오며 이것이 음식물과 함께 인체에 흡수되는

것으로 추정하였다 한편 DuPont의 테플론 PTFE 연구

결과에 의하면 검출한계인 9ppb 이상 검출되지 않으며

테플론 주방기구에서는 PFOA가 존재하지 않는다고 발

표하고 있다

- 물이나 공기를 통해 환경에 노출된 PFOA는 고 콜레

스테롤 궤양성 대장염 갑상선 질환 고환암 신장암

및 임신성 고혈압과 관련된다고 보고되었다

- PFOA는 불소수지 생산과정에서 사용되는 첨가물로써

암모늄 형태로 PTFE 유화중합에 계면활성제로 사용

되며 불소수지의 품질과 균일성을 유지하기 위해 필

수적인 첨가물이기 때문에 전 세계 모든 불소수지 제

조업체가 사용 중에 있다 한편 국내 주력 산업인 반

도체 생산 과정에서도 PFOA를 대량으로 사용하고 있

어 체계적인 실태조사와 대책수립이 필요하다는 의견

들이 대두되고 있다

⑽ 불소화합물의 안전성과 환경대책

ㅇ 표 3-6에서 살펴본 바와 같이 테플론을 급격히 고온으로

가열하면 2종의 발암물질을 포함한 유독성 가스가 발생

63

하고 특히 불소화합물 중 MFA(monofluoroacetic acid)는

적은 양으로도 치명적 해를 끼치고 PEIF(perfluoro-

isobutene)는 신경가스제로 여러 가지 질환을 발생시킨다

한다44)

따라서 테플론으로 코팅된 장치를 재 코팅하기

위해 테프론을 고온으로 급격히 가열하거나 소각 등을

통해 제거할 때는 발생 가능성이 있는 유독가스를 제거

하기 위한 별도의 설비를 이용하여야 하고 유 등44)의 보

고서에서와 같이 중조(NaHCO3)를 포화시킨 충분한 물로

유독 산성 물질을 중화시키는 것도 고려할 만하다 한편

부식대전 방지 코팅도 테플론 코팅 일변도에서 세라믹

코팅 CNTs이나 DLC 코팅기술로 대응하는 것을 추천하

고 싶으며 이것은 유해물질 배출 및 이동량 보고제도

(PRTR Pollutant Release and Transfer Register)에 대

비하는 등 기업의 장래를 고려하는 것도 될 것이다

ㅇ PTFE를 사용한 취사도구는 1960년대 이래 사용되어 오

고 있으나 최근 들어 이것의 안전성이 논쟁의 주제가 되

고 있으며 논의 주체는 PFOA(perfluorooctanoic acid)이

다 PFOA는 PTFE를 비롯한 많은 불소수지의 생산에

사용되며 DuPont의 테플론 PTFE 연구 결과에 의하면

프라이팬을 260 이상 고온에서 가열하거나 코팅이 벗

겨져도 PFOA가 존재하지 않는다고 한다 그러나 물이나

64

공기 토양 식품포장재 등 여러 곳에서 PFOA 오염사실

이 보고되고 있다 한다44)

- 미국 EPA는 인체와 환경에 대한 PFOA 연구를 계속

하고 있으며 2015년까지 PFOA 및 이와 관련된 화합

물 방출을 배제할 프로그램을 갖고 있으나 PTFE-기

초 비점착 취사기구를 중지시킬 타당성을 갖고 있지

는 않다 최종제품은 PFOA가 아닌 PTFE이기 때문이

다

- 수십 년 동안 불소수지 비점착 코팅이 시장을 지배하

였으나 최근 몇 가지 신기술들이 출현되고 있으며 이

들 대부분은 실리콘 세라믹과 실리콘 기술로 이들 코

팅은 PTFE와 PFOA를 함유하지 않는다

- 오늘날 출시된 비점착 취사용구는 수많은 상표로 팔

리고 있으며 DuPont에 의하면 대부분의 취사용구 코

팅은 정상적으로 사용할 때 3-5년 견딜 수 있을 것으

로 예측한다 너무 문질러서는 안 되고 따뜻한 비눗

물로 씻어주는 것이 좋으며 닳거나 흠이 생기지 않도

록 나무 플라스틱이나 코팅된 재료로 만든 도구를 선

택하고 보관도 흠이 생기지 않을 장소나 캐비닛을 권

장하고 있다

65

ㅇ 국내의 불소수지 안전성에 관한 것으로는 재질규격(납과

카드뮴)과 용출규격(납 과망간산칼륨소비량 증발잔류물)

이 식품용 기구 및 용기 포장 공전46)에 기재되어 있으며

최근 국내에서도 PFOA를 비롯한 유해 불소화합물에 관

한 관심이 커져 가고 있다

ㅇ PFOA 문제가 표면화 되면서 환경 보전형 불소계 발수

유제의 개발과 공업화도 새로이 부각되고 있다 이에 관

한 보고서를 모니터링한 KISTI자료47)를 중심으로 간단히

요약하면 발수제의 주요성분 퍼플루오로알킬기(Rf기)함

유 폴리머의 기능은 Rf기의 고리길이에 크게 의존하므로

PFOA문제 해법으로 탄소수 8 이상인 종래의 불소화학

에서 탈피 짧은 고리 Rf기(탄소수 6)를 가진 새로운 단

량체를 선택하여 발수제를 제조함으로써 환경 보전형 불

소계 발수유제를 개발하고 공업화하였다 한다

66

제 4 장

지원결과

1 지원결과 종합

테프론 코팅 기술의 문제점과 부식대전방지용 테플

론 코팅에 관한 정보 외에 신청기업의 요청에 따

라 C-나노튜브 코팅 및 DLC증착에 관련된 기술 정

보도 제공하였다

테플론은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat resistant)

비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coefficient of

friction) 내약품성(chemical resistance)과 특이한 전기적

특성(unique electrical properties) 및 온내구력(cryogenic

stability)으로 그 응용범위가 광범하며 용도에 따른 엄격

한 품질관리가 요구될 것으로 생각되어 중소기업에 적합

한 기초능력 배양과 신제품을 구상하기 위한 최신기술에

관한 정보를 제공하고자 하였다

67

불소수지의 코팅은 두께와 첨가제가 관건으로 이에 관한

자료를 제공하고자 하였으며 불소수지의 전기특성 폭발

성 환경과 반도체 제조공정에서의 대전 방지 처리를 위

한 정전기 관리 지표 등을 특허를 중심으로 조사하여 제

공하고자 하였다

C-나노튜브를 이용한 대전방지 코팅 기술 및 C-나노튜

브의 제법 등 이것에 관한 기초정보를 제공하고자 하였

으며 내마모성 테플론 코팅에 관해서는 테플론을 이용한

세라믹 코팅 기술에 관한 정보도 제공하고자 하였다

테플론의 기계적 전기적 특성을 강화하기 위해 사용되는

충전제를 종합하고 기초이론을 정립함으로써 금후 원부

자재의 선정에 도움을 주었다

테플론은 석면 대체재로도 주목받고 있어 이에 관한 특

허 정보들을 제공하였으며 다이아몬드의 전형적인 특성

을 나타내는 DLC의 코팅관련 기술 정보를 환경오염 문

제와 연관하여 자료를 제공하였고 최근 비-점착 주방기

구인 프라이팬이나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가

열할 때 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수도 있

다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있어 이에

관한 정보도 제공하였다

68

2 지원의 한계

중소기업이 당면한 문제는 전문기술의 확보다 관련 기술

이 비약적으로 발전하는 추세에 비추어 한정된 인원으로

신기술을 소화하고 개발하기는 어려울 것이므로 출연연

구기관이나 대학과 공동연구를 모색할 수 있으나 이것도

중소기업으로서는 경제적 부담이 될 수밖에 없을 것으로

생각된다 가능하다면 앞으로도 KISTI의 정보지원이 계

속되기를 바라고 있었다

3 기대효과

부식대전 방지 테플론 코팅에 관한 기본 기술이 배양되

어 합리적인 원부 원료의 수입검사 공정관리 및 제품관

리를 통해 원가절감은 물론 신제품 신기술에 관한 정보

수집 및 분석능력이 배양되고 개발력이 확충되어 기업

경쟁력 향상에 도움이 될 것이다

69

참고문헌

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전달 특성에 관한 실험적 연구 대한기계학회논문집 B

권 27(8) 2003 pp1051sim1060

6 WO 2008154391(Alcoa Inc Heat Exchager)

7 JP-2010-78036(株式會社ルネサステクノロジ 配管チユブ

およびこれを備えた機械裝置)

8 Eun-Joo Kim et al Teflon coating of fabric filters

for enhancement of high temperature durability J of

the Korean Oil Chemists 28(2) 2011 pp232sim239

7 JP-2005-237860(三洋電氣株式會社 電氣掃除機)

70

10 등록번호10-0365003 (주식회사 엘지아이 열처리를 이

용한 테프론 코팅 방법)

11 등록번호 10-0811228(조철환 내열 세라믹 주방용기의

불소수지코팅방법 및 그 방법에 의해 불소수지 코팅된

내열 세라믹 주방용기)

12 등록번호 10-0449561(주식회사 봉성비에스 완충기용

피스톤의 테플론 코팅장치)

13 WO 2000054614(Solex Robotics Systems Inc Anti-

staticNon-sparkling Coatings for Explosive Environ-

ments)

14 WO 2012123103(WLGore amp Associates GMBH Use

of an Ionic Fluoropolymers as Antistatic Coaating)

15 WO 2012053774(탑나노시스 ldquo작업 스테이지 표면의 대

전방지 처리 방법 및 상기 방법에 의하여 표면이 대전

방지된 작업 스테이지rdquo)

16 공개특허10-2008-0061943(주식회사 하이닉스반도체 이

온 주입장비의 웨이퍼 지지 장치)

17 Polytetrafluoroethylene Aluminum magnesium boride

Diamond-like carbon Carbon nanotube -Wikipedia

the free encyclopedia

18 Ijima S Helical Microtubes of Graphitic Carbon

Nature vol 354 1991 pp56-58

71

19 Min Ye Ku etal Measurement of Mechanical

Property and Thermal Expansion Coefficient of

Carbonnanotube-Reinforced Epoxy Composites

Trans Korean Soc Mech Eng A vol 37 No

5(2013) pp 657-664

20 M Pazderovaacute M Bradaacuteč M Valeš Tribological

Behaviour of Composite Coatings Procedia

Engineering 10(2011) pp472-477

21 Xing-Dong Yuan Xiao-Jie Yang A Study on

Friction and Wear Properties of PTFE Coatings

under Vacuum Conditions Wear269(2010) pp291-297

22 USP 6752O65(Kabuski Kaisha Toyota Jidoshokki

Sliding Film Sliding Member Composition for

Sliding Film and Sliding Device Swash-plate Type

Compressor Process for Forming Sliding Film and

Process for Producing Sliding Film)

23 Amel Delimi Elisabeth Galopin etal Ivestigation of

the Corrosion Behaviour of Carbon Steel Coated with

Fluoropolymer Thin Films Surface amp Coatings

Technology205(2011) pp4011-4017

24 WO 2006047500(Henkelkommanditgesellschaft auf

Aktien Article of Manufacture and Process for

Anodically Coating an Aluminum Substrate with

72

Ceramic Oxides Prior to Organic or Inorganic

Coating)

25 野坂正隆 低溫環境下におけるドライボロジドライボロ

ジスト(日本) 52(11) 2007 pp759sim764

26 이계영 김태균 김종구 ldquo내마모성 및 윤활성 코팅 조성

물rdquo 대한민국 특허 등록번호 10-1151909(2012)

27 (주)바론에스엘 ldquo불소수지와 세라믹의 유무기 하이브

리드 코팅 조성물 및 그를 이용한 도막 형성 방법rdquo 대

한민국 공개특허 10-2013-0028553 (2013)

28 JP-2010-261035(Xerox Corporation フツ素ナノダイヤ

モンドを含むテフロン定着器部材)

29 WO 2006 017259(Thomae Kurt J Multilayer

Corrosion- resistant Finish and Method)

30 Eunsoo Kang Seongcheol Choi Changhoon Choi

Sang Eun Shim Aqueous dispersion of submicron-

sized diamond particles for thermally conductive

polyurethane coating Colloids and Surfaces A

Physiochem Eng Aspects415(2012) pp255-261

31 S Rossi F Chini etal Corrosion Protection

Properties of Electoless NickelPTFE Phosphate

MoS2 and BronzePTFE Coatings Applied to Wear

Resistance of Carbon Steel Surface and Coatings

73

Technology173(2003) pp235-242

32 S Rossi F Deflorian F Venturini Improvement of

Surface finishing and Corrosion Resistance of

Prototypes by Direct Metal Laser Sintering Journal

of Materials Processing Technology 148(2004)

pp301-309

33 Mateus C Costil S Bolot R Coddet CCeramicfluo-

ropolymer Composite Coatings by Thermal Spraying-

a Modification of Surface Properties Surf Coat

Technol 2005 191 pp108-118

34 Masaaki Yamane Tadeusz A Stolarski Shogo Tobe

Influence of counter material on friction and wear

performance of PTFEndashmetal binary coatings

Tribology International 41 (2008) pp269ndash281

35 이치옹 분석자료 ldquo나선형 개스킷의 비석면화rdquo Takashi

Miyoshi 배관기술(일) 46(10) 2004 pp43-47

36 등록번호 10-0522254(백원두 브레이크 라이닝(또는 패

드) 제조방법)

37 Jin-Goo Park et al Characterization of Fluorocarbon

Thin Films by Contact Angles Measurements Journal

of Microelectronics amp Packaging Society6(1) 1999

pp39sim49

74

38 유호천 ldquoDLC 코팅 표면처리rdquo KiSTi 중소기업 정보지

원 2011 10 11

39 유호천 ldquoPVD DLC TRD 코팅설비를 활용한 복합충

개발및 제품적용rdquo KiSTi 중소기업 정보지원 2010 10

21

40 김유상 ldquo알루미늄합금에의 DLC코팅기술rdquo KiSTi 첨단

기술정보분석 2013 02-01

41 국립환경과학원 ldquo화학물질 배출량 조사 OECD와 협력

강화rdquo 보도자료 (2010 11 18)

42 월간기계기술 기자 ldquo새로운 코팅기술과 공구에 대한 적

용rdquo 2005년 3월호

43 加納 眞 ldquoDLC コ-ティングの適用技術と課題rdquo トライ

ボロジスト(日本) 52(3) 2007 pp186-191 송희국 모티

터링분석 KiSTi

44 식품의약안전청 연구보고서(연구책임자 유승석) 불소

지코팅 주방기구의 안전성 평가 2004 12

45 Teflon offgas studies Environmental Working Group Ewg

org Retrieved on 2013-01-01

46 식품의약품안전청 ldquo식품용 기구 및 용기 포장 공전rdquo 2012

47 廣野高生 ldquo環境保全型フッ素系 撥水撥油剤の 開發と 工

業化rdquo ファインケミカル(日本) 37(11) 2008 pp39-44

이치옹 모니터링분석 KISTI

75

저자소개

김학주(金鶴柱) 서울대학교 문리과대학 화학과 졸업 이학사

전북대학교 대학원 화학과 이학박사

(주)삼양사 의약연구소장 신성대학교 교수

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 폴리에스테르 섬유의 연중직방기술 외 다수

저서 기기분석 공업물리화학 일반화학

성용길(成墉吉)

동국대학교 이과대학 화학과 졸업 이학사 이학석사

부산대학교 대학원 화학과 이학박사(Dr Sci)

University of Utah USA Ph D(공학박사) Post Dr

유타대학교 연구교수 부산대학교 교수 동국대학교 교수

동국대학교 명예교수 한국원자력문화진흥원 이사

과학문화연구원전문연구위원 한국도량형과학문화연구원 원장

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 의료용 기능성 고분자재료에 관한 연구 외 330편

저서 고분자 물성론 (서울대학교 출판부 공저) 외 10권

(10)불소화합물의 안정성과 환경대책 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 62

제4장 지원결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 66

1 지원 결과 종합 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 66

2 지원의 한계 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 68

3 기대효과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 68

참고문헌 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 69

표 목차

lt표 1-1gt 참여연구원 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 3

lt표 3-1gt 플루오르화탄소 플라스틱의 유형 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 20

lt표 3-2gt 테플론 코팅 두께 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 25

lt표 3-3gt 테플론 코팅을 위한 화학첨가제 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 28

lt표 3-4gt 불소수지의 전기 특성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 30

lt표 3-5gt 불소수지용 충전제 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 53

lt표 3-6gt 15종 유해물질 및 유독성 기체 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 61

그림 목차

lt그림 3-1gt 테플론 거품코팅 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 29

lt그림 3-2gt 피렌카르복시산을 이용한 μD 표면처리 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 48

lt그림 3-3gt 테플론 PTFE에 미치는 충전제의 종류와 농도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 54

1

제 1 장

개 요

1 정보지원의 필요성

최근 반도체관련 기업체공장과 공정 중에서 부식방지

와 대전방지의 문제점을 해결하기 위해서 불소수지 고

분자재료의 전기가 통하지 않는 성질을 이용하여 부식

대전방지 테프론 코팅을 채택하고 있으나 테프론 코팅

은 실제 정전기를 유발하는 제반 문제들이 발생되고

있어 이를 극복하여야 한다

금속 혹은 세라믹 기재 등에 내마모성과 비점착성 및

윤활성을 부여하기 위하여 불소수지 고분자와 다양한

충전제를 배합한 조성물과 유기 또는 무기질 바인더를

이용하여 기재인 알루미늄 혹은 철 재료의 표면에 코

팅하여 저마찰성 비점착성 내마모성 등의 물성을 부

여하는 기술개발은 계속되고 있다 그리고 합성수지인

테프론 등 불소수지가 고온에서 화학분해 과정을 통해

2

유독성분이 발산되므로 최근에는 조리용 프라이팬 등

에 PTFE계 수지의 사용을 제한하는 조치가 시도되고

있는 등 환경관련 문제에 관한 정보가 필요하게 되었

다

위의 문제점들을 해결하기 위해서 ReSEAT 프로그램

의 전문연구위원으로부터 최신의 기술정보들에 관한

지원과 멘토링을 받고자 요청하고 있다 이 문제점들

을 해결하는데 상응하는 최신 학술문헌과 특허정보들

을 KISTI를 통하여 연구 조사하여 지원하고자 한다

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구

위원 김학주와 전문연구위원 성용길은 기술정보지원

신청업체에 부식대전 방지용 테프론 코팅의 제반 문제

들을 해결하기 위한 필요한 기술을 전수하고자 한다

2 정보지원의 목적

ㅇ 본 정보지원의 목적은 LCD와 PDP OLED 등 테프론

코팅이 필수적 요소인 대형 디스프레이 공정에서 정전

기 유발을 방지할 수 있는 기술에 관한 최신정보 및 특

허조사 등에 관한 자문과 현재진행 중에 있는 각종 부

3

식과 대전 방지기술에 관한 객관적 멘토링을 통하여 부

식대전 방지용 테프론 코팅에 관한 제반 문제들을 해결

하고 안전하게 본 중소기업체의 제품생산과 기술을 향

상시키고 고급화 하는데 있다

ㅇ 또한 화학반응용 용기 및 원자로 건설에 필요한 각종 제

작품 등에 필요한 부식방지 및 대전방지를 위한 테프론

코팅의 최신 기술정보를 제공 지원하고 그 특수코팅에

필요한 맞춤형 기술정보를 제공하는 것이 본 연구의 목

적이다

3 참여연구원

lt표 1-1gt 참여연구원

구분 성명 직위 전공 업무

ReSEAT

프로그램

김학주 전문연구위원 고분자 과제 책임자 기업현황 분석

성용길 전문연구위원 고분자 정보지원 기술전수 멘토링

4

제 2 장

지원 내용

1 정보지원 업체의 요구사항

테프론 코팅 기술의 문제점과 부식대전 방지용 테

프론 코팅에 관한 최신 기술정보

정전기 대전방지용 테프론 코팅과 부식대전방지 테

프론 코팅기술의 특허문헌과 학술문헌

불소수지 코팅에 관한 기술 동향과 부식대전 방지용 테

프론 코팅의 응용기술에 관한 기술정보

유리의 정전방지 박리대전 가공 C-나노튜브 코팅 수

분산성 도료(binder) 등을 사용한 내열성 세라믹코팅

및 대규모 DLC증착 관련 기술정보

5

2 정보지원의 범위 및 내용

가 정보지원 범위

정보지원은 LCD공정용 스테이지(Stage) 박리 대전방지

코팅 반도체 공정용 석영 관련제품 코팅 추출용 반응기

튀김틀 코팅 광학필름 및 기능성 필름 생산롤러 코팅

전기재료 석유화학 정밀화학 반응기 코팅 및 필터드라

이어 등 테프론 코팅에 관한 전반적인 기술 자료와 불소

수지의 특성과 용도 및 환경과 관련한 안전문제에 관한

지식과 기술정보를 제공하였다

나 정보지원 내용

KISTI에서 체계적적으로 NDSL 검색 유럽특허청 검

색 Web of Science 검색 Google 검색 Sci Dir를 통

한 원문입수 등의 작업을 수행하였다

- Keywords에 의한 문헌 및 특허조사 TEFLON +

Coating Anti-corrosion Coating Anti-static

Coating Fluoropolymers Fluorinated polymers

Fluorocarbon polymers

6

- Keywords=TI (TEFLON or Fluoropolymers or

(Fluorinated polymers)) Coating) 또는 AB

((TEFLON or Fluoropolymers or (Fluorinated poly

mers)) Coating) 활용하여 학술문헌과 특허를 검색

하였다

신청업체 공장현장에서 현재까지 수행되고 있는 부식

방지 및 대전방지 테프론 코팅기술들을 종합하여 분석

하고 조사된 기술정보 자료들과 비교 분석하여 장차

개선할 수 있는 코팅 신기술을 조사 분석하여 자문하

고 멘토링 하였다

7

제 3 장

지원 프로세스

1 1차 지원

일시 및 장소 2013년 4월 22일(월요일) 1000-1400시 신청

업체 2층 회의실

참석자 히토시 사토(부사장) 성용선(연구소장) 장용석

이사

주제 및 토의사항

- 지원업체의 현황 LCD공정용 스테이지(Stage) 박리

대전방지 코팅 반도체 공정용 석영 관련제품 코팅

추출용 반응기 튀김틀 코팅 광학필름 및 기능성필름

생산 롤러 코팅 전기재료 석유화학 정밀화학 반응기

코팅 및 필터드라이어 등의 테프론 코팅에 관한 작업

8

- 지원내용과 향후지원계획 공장 현장을 방문하고 브리

핑을 통해 필요한 정보를 파악함 조사된 자료(문헌

특허 등)를 전달하고 희망 사항을 파악한 결과 특히

유리의 코팅을 중심으로 한 박리대전 방지 가공 세라

믹 코팅(수분산성 도료-바인더-)을 사용한 내열성 코

팅 대형 DLC 증착기술 및 경쟁사가 개발하고 있는

C-나노튜브 코팅에 관한 정보에도 관심이 많았음

ReSEAT NDSL 및 구글 야후 네이버 등을 통한 자

료조사 방법의 활용 방법을 설명해 주었음

- 지원효과 ReSEAT NDSL 구글 야후 네이버 등을

통한 주제 또는 키워드 검색에 의한 자료 검색 분석

능력 향상 제공 자료와 문헌의 활용 효과 등

- 자료제공

① Klaus Lunkwitz Uwe Lappan Ulrich Scheler

Modification of perfluorinated polymers by

high-energy irradiation Journal of Fluorine

Chemistry Vol 125 2004 pp863sim873

② LBorucki et al Diamond Conditioner Wear

Characterization for Copper CMP Process

Transaction on Electronic Materials Vol 8

9

2007 pp1520sim20

③ Polytetrafluoroethylene Aluminum magnesium

boride Diamond-like carbon Carbon nano-tube

-Wikipedia the free encyclopedia (2013)

④ 野坂正隆 低溫環境下におけるドライボロジドラ

イボロジスト(日本) Vol 52(11) 2007 pp759sim

764

⑤ 식품의약안전청 연구보고서(연구책임자 유승석)

불소수지코팅 주방기구의 안전성 평가C 2004 12

⑥ 이장호 등 테프론 코팅 전열관 표면으로의 열 및

물질 전달 특성에 관한 실험적 연구 대한기계학

회논문집 B권 Vol 27(8) 2003 pp1051sim1060

⑦ Eun-Joo Kim et al Teflon coating of fabric

filters for enhancement of high temperature

durability J of the Korean Oil Chemists Vol

28(2) 2011 pp232sim239

⑧ Jin-Goo Park et al Characterization of

Fluorocarbon Thin Films by Contact Angles

Measurements Journal of Microelectronics amp

Packaging Society Vol 6(1) 1999 pp39sim49

⑨ WO 200054614(Solex Robotics Systems Inc

Anti-static Non-sparkling Coatings for

10

Explosive Environments)

⑩ WO 2012123103(WLGore amp Associates GMBH

Use of an Ionic Fluoropolymers as Antistatic

Coating)

⑪ WO 2006 017259 (Thomae Kurt J Multilayer

Corrosion-resistant Finish and Method)

2 2차 지원

일시 및 장소 2013년 5월 16일(월요일) 1000-1400시 신청

업체 2층 회의실

참석자 성용선(연구소장) 장용석 이사

주제 및 토의사항

- 지원내용과 향후지원계획 지참 자료를 제공하고 연구

원들의 기초지식 배양을 목적으로 불소수지의 특성에

관해 각 유형을 중심으로 제공 자료를 통해 종합 설

명함 불소 수지 코팅 방법 개발 목적 기질의 전처리

방법 두께 제어의 중요성 코팅시스템 등을 토의하고

이에 관한 자료를 제공하여 기초지식을 배양함은 물

11

론 최근 기술 동향을 파악함 다음 방문 시(6월 20일)

에는 대전 방지 불소 수지 코팅을 중심으로 그 중요

성과 이론 등 기초지식과 최근의 개발동향을 검토하

기로 함

- 지원효과 불소수지의 유형과 특성을 통한 원료의 선

정 시 고려할 사항 코팅 방법 기질의 전처리 방법

용도에 따른 두께 제어의 중요성 파악 공정 및 제품

관리에 관한 기초지식 배양과 최근 기술 동향 파악

- 자료제공

① JP-2005-237860(三洋電氣株式會社 電氣掃除機)

② JP-2010-261035(Xerox Corpor- ation フツ素ナノ

ダイヤモンドを含むテフロン定着器部材)

③ JP-2010-78036(株式會社ルネサステクノロジ 配管

チュ-ブおよびこれを備えた機械裝置)

④ WO 2008154391(Alcoa Inc Heat Exchanger)

⑤ 등록번호10-0365003 (주식회사 엘지아이 열처리를

이용한 테프론 코팅 방법)

⑥ 공개특허10-2008-0061943(주식회사 하이닉스반도체

이온 주입장비의 웨이퍼 지지 장치)

⑦ 등록번호 10-0449561(주식회사 봉성비에스 완충기

12

용 피스톤의 테플론 코팅장치)

⑧ 등록번호 10-0522254(백원두 브레이크 라이닝(또

는 패드) 제조방법)

⑨ 등록번호 10-0811228(조철환 내열 세라믹 주방용

기의 불소수지코팅방법 및 그 방법에 의해 불소수

지 코팅된 내열 세라믹 주방용기) 등

3 3차 지원

일시 및 장소 2013년 6월 20일(목요일) 1000-1400시 신청

업체 2층 회의실

참석자 김학주 성용길 성용선(연구소장) 이채영 차장

및 연구원

주제 및 토의사항

- 지원내용과 향후지원계획 불소수지의 전기적 특성과

대전 방지용 불소수지의 충전제에 관한 장단점 토의

대전 방지의 중요성 폭발 환경에서의 정전기 안전지

침 반도체 제조 장치에서의 작업스테이지의 대전방지

에 관한 기술 동향 토의 최근 관심의 대상이 되고 있

13

는 탄소나노튜브(CNTs)의 제조 방법 용도 등에 관한

설명과 의견교환 내마모성 테플론 코팅 방법 용도

등에 관한 자료제공 및 의견교환 충전 또는 강화 불

소수지에 관해 자료조사를 통해 얻은 충전제의 종류

기계적 및 물리적 특성 향상 방법에 관한 기초지식을

제공함 다음 방문 시(7월 25일)에는 시트 테이프 및

박층 테플론과 최근 내마모성 코팅기술로 주목받고

있는 DLC코팅과 테플론의 안정성 문제에 관해 의견

을 교환하고 그간의 정보지원에 관한 내용들을 종합

정리하기로 함

- 지원효과 대전방지 불소수지 코팅의 작업표준 및 관

리지침에 반영할 자료 제공 최근 관심의 대상이 되는

CNTs에 관한 기초지식 배양 및 정보수집과 분석 불

소수지에 사용되는 각종 충전제의 선정 시 참고 자료

확보

- 자료제공

① Francis J Clauss Chapter 9 Fluorocarbons

Solid Lubricants and Self-lubricating Solids 1972

pp195sim238

② Eunsoo Kang Seongcheol Choi Changhoon Choi

14

Sang Eun Shim Aqueous dispersion of

submicron-sized diamond particles for thermally

conductive polyurethane coating Colloids and

Surfaces A Physiochem Eng Aspects415(2012)

pp255-261

③ Masaaki Yamane Tadeusz A Stolarski Shogo

Tobe Influence of counter material on friction

and wear performance of PTFEndashmetal binary

coatings Tribology International Vol 41 (2008)

pp269ndash281

④ M Pazderova M Bradac M Vales

Tribological Behaviour of Composite Coatings

Procedia Engineering Vol 10 (2011) pp472-477

⑤ S Rossi F Deflorian F Venturini

Improvement of Surface finishing and Corrosion

Resistance of Prototypes by Direct Metal Laser

Sintering Journal of Materials Processing

Technology Vol 148 (2004) pp301-309

⑥ S Rossi F Chini etal Corrosion Protection

Properties of Electroless NickelPTFE Phosph-

ateMoS2 and BronzePTFE Coatings Applied to

Wear Resistance of Carbon Steel Surface and

15

Coatings Technology Vol 173 (2003) pp235-242

⑦ VC Malshe Nivedita S Sangaji Fluorinated

Acrylic Copolymers Part I Study of Clear

Coatings Progress in Organic Coatings Vol 53

(2005) pp207-211

⑧ Xing-Dong Yuan Xiao-Jie Yang A Study on

Friction and Wear Properties of PTFE Coatings

under Vacuum Conditions Wear Vol 269 (2010)

pp291-297

⑨ Amel Delimi Elisabeth Galopin etal

Investigation of the Corrosion Behaviour of

Carbon Steel Coated with Fluoropolymer Thin

Films Surface amp Coatings Technology Vol 205

(2011) pp4011-4017

⑩ 이계영 김태균 김종구 ldquo내마모성 및 윤활성 코팅

조성물rdquo 대한민국특허 등록번호 10-1151909 (2012)

⑪ Thomae Kart J Multilayer Corrosion Resist

ant Finish and Method WO 2006017259(2006)

⑫ (주)바론에스엘 ldquo불소수지와 세라믹의 유무기

하이브리드 코팅 조성물 및 그를 이용한 도막 형성

방법rdquo 대한민국 공개특허 10-2013-0028553 (2013)

16

4 4차 지원

일시 및 장소 2013년 7월 25일(목요일) 1000-1400시 신청

업체 2층 회의실

참석자 성용선(연구소장) 이채영 차장 및 연구원

주제 및 토의사항

- 지원내용과 향후지원계획 발암물질인 석면대체재로써

테플론의 개발 동향을 나선 권형 가스켓과 자동차브

레이크 제동장치를 중심으로 토의하고 내마모 특성을

필요로 하는 DLC 코팅에 관한 정보제공과 DLC 특성

에 관해 집중 토의함 환경문제와 관련하여 대두되고

있는 테플론 분해가스 등 안정성 문제에 관한 자료를

제공하고 이에 관한 의견을 교환함 그간의 제공 정보

를 종합하고 8월 말 작성예정인 최종보고서 내용을

협의하였음

-지원효과 신기술 개발을 위한 내마모 코팅 DLC코팅

환경문제를 고려한 친환경 제품 등 신기술과 신공정

개발을 위한 개념을 확립하였음

17

- 자료제공

① WO 2006047500(Henkelkommanditgesellschaft auf

Aktien Article of Manufacture and Process for

Anodically Coating an Aluminum Substrate with

Ceramic Oxides Prior to Organic or Inorganic

Coating)

② 이치옹 분석자료 ldquo나선형 개스킷의 비석면화rdquo

Takashi Miyoshi 배관기술(일) Vol 46(10) 2004

pp43-47

③ 유호천 ldquoDLC 코팅 표면처리rdquo KISTI 중소기업 정

보지원 2011 10 11

④ 유호천 ldquoPVD DLC TRD 코팅설비를 활용한 복

합충 개발및 제품적용rdquo KISTI 중소기업 정보지원

2010 10 21

⑤ 국립환경과학원 ldquo화학물질 배출량 조사 OECD와 협

력강화rdquo 보도자료 (2010 11 18)

⑥ ldquo새로운 코팅기술과 공구에 대한 적용rdquo 월간기계기술

기자 2005년 3월호

⑦ Teflon off-gas studies Environmental Working

Group Ewg Org Retrieved on 2013-01-01

⑧식품의약품안전청 ldquo식품용 기구 및 용기 포장 공전rdquo

18

2012

⑨ 廣野高生 ldquo環境保全型フッ素系 撥水撥油剤の 開發

と 工業化rdquo ファインケミカル(日本) 37(11) 2008

pp39-44 이치옹 모니터링분석 KISTI

5 5차 지원

일시 및 장소 2013년 8월 21일(수요일) 1000-1400시 신청

업체 2층 회의실

참석자 성용선(연구소장) 이채영 차장 및 연구원

김학주(전문연구위원) 성용길(전문연구위원)

김종헌(KISTI 연구책임자)

주제 및 토의사항

1 불소화합물의 안전성과 환경대책 정보지원 결과 종합

등 최종보고서(안) 내용에 관한 의견교환

2 지원의 한계와 기대효과에 관한 의견 교환

3 건의 사항 등

19

세부 지원 내용

⑴플루오르화탄소 플라스틱의 특성

Teflon TFE(폴리테트라플루오로에틸렌)은 1940년대부

터 사용되어 왔으며 Teflon FEP(플루오르화에틸렌프

로필렌 공중합체)는 1958년에 소개되었고 압출 및 사

출성형이 용이하며 TFE 유형은 딱딱하고 낮은 마찰계

수를 가지며 마모에 강하고 보다 높은 온도에서 사용

가능하다 이 외에도 플루오르화탄소 플라스틱에는 폴

리염화플루오르화에틸렌(CFE 또는 CTFE)와 폴리비닐

리덴플루오라이드(PVF) 등이 있다 플루오르화탄소 플

라스틱은 그 코팅방법에 따라서도 응용범위가 광범위

하게 발전되어 왔으며 그 용도는 주방용기로부터 기

계 자동차 반도체는 물론 우주항공 산업 부품에 이르

기까지 무한하며 상업 생산되고 있는 플루오르화탄소

플라스틱은 표 3-11)과 같다

PTFE는 열가소성 플라스틱으로 상온에서 밀도 약 2200

인 백색고체로 융점은 327이며 마찰 및 마모 특

성을 나타내는 마찰계수는 고체재료 중 BAM(alumi-

20

nium magnesium boride 마찰계수 002)과 DLC

(diamond-like carbon 마찰계수005)에 이어 3번째로

낮은 005-010로 반데르발스 힘에 대한 저항력으로 도

마뱀이 붙을 수 없는 유일한 표면으로 알려져 있다2)

표 3-1 플루오르화탄소 플라스틱의 유형1)

21

Teflon의 유용한 기계적 특성은 -450sim500(-267sim

260)에서 유지되며 여러 가지 특성들은 가공기술을

바꾸어 변경시킬 수 있다 마찰 및 마모 특성을 나타

내는 마찰계수들은 시험조건에 따라 다르며 Teflon은

증기압이 극히 낮아 진공에서도 우수한 안정성을 가

지며 방사선 안정도는 부족하나 방사선 내용성은 극

히 높다

테프론의 특징은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat-

resistant) 비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coeffi-

cient of friction) 내약품성(chemical resistance) 특이한

전기적특성(unique electrical properties) 저온내구력

(cryogenic stability)으로 대표된다3)

- 테프론 코팅된 표면에는 거의 모든 물질이 달라붙지

않으며 내열성(heat-resistant)이 우수하여 -260sim+26

0까지 사용할 수 있고 단시간 사용의 경우에는 30

0까지 견디며 Teflon FEP는 232에서 연속사용이

가능하다 비유성(non-wetting)이 우수하여 표면에 물

이나 기름이 잘 묻지 않아 표면이 오염되지 않아 쉽

게 청소가 가능하고 기계설비의 보수시간이 단축되어

생산성을 향상시킬 수 있다 테프론은 비-절연성은 물

22

론 비-유전정접과 우수한 표면 저항률을 보인다

⑵ 플루오르화탄소 수지 코팅

얇고 강인한 플루오르화탄소 수지 필름을 금속 등에

소결이나 수지-접착에 의해 바르면 기질에 침착된 필

름은 저온흐름으로 고체 플루오르화탄소 수지보다 낮

은 마찰계수를 띠고 금속은 양호한 열전도도를 갖고

열을 분산할 수 있어 고속으로 운전할 수 있고 양호한

내구성을 갖게 된다

1950년대 미국 해군연구소에서 소결 Teflon TFE필름을

수성 분산액(현탁질)으로부터 무기 탄약통 비행기부

품 잠수함부품의 건조-필름 윤활제 및 보호 코팅용으

로 개발한 후 이것들은 기어 정첩(hinges) 샤프트 베

어링 밸브 플러그 콕 피스톤 링이나 그 외의 산업분

야에 응용되고 있다

- 실제로 적절한 테플론 현탁질을 고체 표면에 침적한

후 수분 증발이 너무 빠르지 않게 공기에서 필름이

건조되게 한 후 테플론 입자들이 연화 및 소결되도록

건조된 표면을 약 385(725)로 가열하고 냉각하면

23

얇은 연속 필름이 표면에 남지만 필름 중의 많은 작

은 세공들은 테플론의 높은 용융점도 때문에 제거할

수 없다 세공들은 윤활 작용에는 제한을 받지 않으나

녹슬거나 부식의 공격점이 되어 부식방지를 위해서는

1회 이상의 박막 추가 코팅이 반복되고 보통 2회 코

팅으로 충분하나 각 침적 테플론 층은 두께가 00003

인치(762)를 초과하지 않아야 하며 그렇지 않으면

말린 진흙 같이 균열이 발생한다 필름이 윤활제로 사

용될 때는 필름두께가 00006-00007인치(152-178)

를 초과하지 않아야 한다1)

- 테플론코팅은 통상으로 존재하는 표면 산화물이 제거

되지 않은 깨끗하고 탈지된 강철 황동 및 알루미늄금

속표면일 때 가장 잘 접착한다 만일 산세척에 의해

과잉 두께의 산화물이 제거되었다면 필수적으로 얇은

산화층이 형성될 때까지 공기 중에서 가열한다 접착

은 실표면적이 증가하면 증가하므로 경면가공(mirror

finish)보다 모래분사가공이나 무광택가공이 양호하다

- 테플론 코팅된 표면의 마찰계수는 금속기질 표면을

거칠게 함으로써 낮출 수 있으나 미끄럼마찰 조건 아

래 내구성은 금속의 거칠기가 32마이크로인치(rms)를

초과하면 감소한다

24

철강 기질의 인산처리는 소결 Teflon TFE필름의 마모

수명을 향상시킨다고 보고되었으며 양극처리 된 코팅

의 경도 및 내마모성과 불소수지의 윤활성을 결합하기

위해 다공성 경화 양극처리 알루미늄 위에 불소수지를

침윤하여 왔다 Teflon S 마감재는 Du Pont이 도입한

최초의 수성-기초 분산 TFE FEP로 이들은 ldquo계층화

된rdquo 마감재이다 Francis J Clauss1)는 다양한 용도에

서의 Du Pont사 제품들의 선정 가이드를 표로 종합하

였으며 이것을 요약하면 표 3-2와 같다

- 테플론 코팅은 프라이머 단층 프라이머 코팅 후 에나

멜이나 클리어 마감 또는 프라이머 에나멜과 클리어

마감 등 3-코팅 시스템으로 구성된다 프라이머들은

금속이나 세라믹 기질에 접착을 향상시키기 위해 개

질제를 함유한다 프라이머들은 가끔 1회 코팅 마감재

로 사용되나 음식물과 접촉하는 용도로는 반드시 에

나멜이나 클리어 마감재로 마무리 칠을 하여야 한다

프라이머는 층간 접착력이 부족하기 때문에 다중 코

팅에 적용될 수 없고 만일 06mil 이상의 코팅이 필요

하면 프라이머는 에나멜이나 클리어 마감재로 마무리

칠을 하여야 한다

25

표 3-2 테플론 코팅 두께1)

최종

용도대표적 용도

전체두

께(mils)

프라이머에나멜클리어

가공(mils)

비점착

산업

직물 슬래셔 통

열 봉합 봉 고무경화 롤러

우레탄과 에폭시 경화 주형

제빙기

목재 고무 주석도금 아연

10-25

07

20-50

08-13

07

03 07-22 07-10

07 마무리칠 불가

03 07-37 10min

03 05-10 05-10

07 마무리칠 불가

식품

프라이팬 내열접시

반죽롤러

캔디 장치

08-12

10-30

20-30

03 05-09

03 07-27

03 07-17 10

One-coat

system

금지

드라이

윤활

플러그 밸브

유리병 제조 전달 장치

베어링

03-07

15-25

05-07

03-07

03 03-05 03-05

02

전기

전자

저항기 코팅

아이들 롤러(제지 섬유 공업)

세라믹 절연체

40-50

10-15

20-25

03 37-47

03 07-12

03 17-22

부식

방지용기 라이닝 gt50 03 47 또는 5-10 이상

Non-

wetting콘덴서 튜브 02-04 02-04

- 유색 프라이머는 통상 안료가 필름의 범위와 두께를

시각적으로 체크할 수 있게 하므로 그렇지 않은 것에

비해 더 선호된다 에나멜과 클리어 마감재는 충분한

접착을 위해 프라이머 위에 발라야 한다 ldquo진흙 갈라

짐 현상(mud-cracking)은 코팅 당 최대 두께를

10mil로 한정하나 다중 코팅에 의해 극단적이 조건

하에 전체 두께를 10mils까지 바를 수 있으며 각각의

26

코팅은 분리하여 구워진다

불소화 고분자들은 낮은 표면장력 물과 기름에 젖지 않

고 비점착성이며 방오 특성(antifouling properties) 등을

갖기 때문에 다양한 특수 코팅에 적용되나 합성과 조성

이 몇몇 제조업자들에 독점되어 있고 값비싼 중간체를

필요로 한다 VC Malshe 등4)은 플루오르 함량이

4-10인 불소화된 아크릴 공중합체를 간단한 방법으로

합성하고 클리어 코팅하여 광학적 기계적 및 보호 특성

을 연구하였다

최근 에너지 절감과 CO2규제와 같은 환경규제에 대한 대

응 필요성이 증가하면서 발전소나 각종 보일러 시스템에

서 배가스로 배출되는 응축잠열 에너지의 회수 및 활용

에 관심이 증가되고 있다 Lee 등5)은 스테인레스 관 표

면에 400정도의 두께로 테플론을 코팅한 전열관에서

관의 열 및 응축 열전달 특성을 연구하여 테플론 코팅관

의 총괄 열전달 계수는 스테인레스 관보다 약 20 작은

것으로 나타나고 응축열전달 계수는 유사하였음을 보고

하였다

알루미늄 용광로의 비-여과 배출가스에 장기간 사용하기

적합한 역류 열교환기에 관한 것으로 원통형 쉘의 표면

27

은 알루미늄 용광로 배출가스 입자 및또는 먼지 및 부

식 흄과 접촉될 수 있어 테프론 계로 코팅 처리하는 특

허6)가 있다 이 특허에서는 원통형 쉘을 만들도록 복재

(web member 웨브재)와 함께 연결된 유체 운반튜브로

이루어진다 각 원통형 쉘에 위치한 헤더는 열교환기의

튜브에서 튜브로 유체를 공급하며 뜨거운 난류가스에 작

용하여 스케일링을 최소화하기 위해 헤더의 보호덮개를

설치한다

저온에서 고온에 이르는 환경에서 유체에 사용되는 배관

튜브는 열에 의한 경시적 열화가 진행되어 균열 발생이

쉽다 가동부에 사용되는 배관 튜브는 움직임이 수반되어

그 경향이 현저하며 반도체 제조장치에 일반으로 사용되

는 실리콘튜브는 저온에서 열화되어 파손되기 쉽다 이러

한 문제점을 해결하기 위해 실리콘 튜브 외측 표면을 테

플론으로 코팅하여 균열발생을 억제함으로써 장시간 사

용 가능하도록 고안한 특허7)가 있다

섬유상 부직포로 제작하는 다공성 여과필터는 다양한 산

업공정의 배출가스를 정화시키는 데 사용되며 특히 중고

온 환경에서 사용이 가능한 다양한 종류의 기능성 필터

의 개발이 요망된다 일반으로 소각장 및 발전소 등의 중

고온 조건에서 사용되는 Nomex를 비롯한 섬유상 필터는

28

200 이상에서는 열변형으로 사용이 제한적이고 세라믹

필터와 같이 고온에서 적용이 가능한 소재는 매우 고가

일 뿐 아니라 초기 작업으로 인해 에너지 사용량이 매우

높아지는 문제점이 있다 Kim 등8)은 250-300 영역의

중고온의 배출가스를 처리하기 위한 필터에 표면 소수성

과 고온 안정성을 부여하기 위하여 표 3-3과 같은 조성

으로 그림 3-1과 같은 장치를 이용하여 테플론 수지를

거품 형태의 코팅액으로 조제하여 유리섬유 원단에 공급

하여 표면코팅하고 열처리 및 압착과정을 거친 후 표면

분석하였다

표 3-3 테플론 코팅을 위한 화학첨가제8)

테플론 코팅이 전기 집진장치에 활용되는 특허도 있다

종전 사이클론 방식의 전기집진기에서는 집진부의 먼지

를 떨어뜨리는 것이 용이하지 않았다 발명자들은 먼지

압축 기능을 갖는 집진실 내측에 테플론 가공을 하여 정

전기에 의한 미세먼지의 부착을 억제함으로써 집진실의

먼지를 원 터치로 처리할 수 있도록 하였다9)

29

그림 3-1 테플론 거품코팅8)

일반으로 테프론을 조리용기에 코팅하는 방법은 금속소

재를 사용 제품형태로 제작한 후 세척하고 에이징(소둔)

처리한 후 샌딩하여 표면조도를 유지하도록 하고 표면에

프리머 처리하여 베이킹 처리한 후 분사방법으로 테프론

코팅을 하고 다시 베이킹 처리하므로 공정이 복잡하고

제조원가가 상승하며 부착력에 한계가 있다한다 (주) 엘

지아이 특허10)에서는 피처리물을 세척한 후 산질화처리

하여 표면에 열처리 층이 형성되게 한 후 테프론을 코팅

하고 베이킹 처리하는 것을 특징으로 한다 그 외에 내열

세라믹 주방용기의 불소수지 코팅방법에 관한 특허가 있

다11)

(주) 봉성비에스는 차량의 주행 충격을 흡수하는 완충기

30

내부에 삽입하는 피스톤 외주면의 마찰과 소음을 최소화

하기 위한 목적으로 테프론 코팅을 하기 위한 코팅장치

를 등록하였다12)

⑶ 대전 방지 플루오르화탄소 수지 코팅

ㅇ 본래 불소수지 자체는 높은 절연성과 큰 대전성을 갖고

있기 때문에 도전 효과를 얻기 위해서는 분상 필러를 다

량으로 충전할 필요가 있으나 이렇게 하면 비점착성이

떨어진다 여러 회사들의 제품 안내서들을 종합한 불소수

지의 전기적 특성은 표 3-4와 같다

표 3-4 불소수지의 전기 특성

특성측정법

(ASTM)단위

PTFE

(비충전)

PTFE

(25

유리충전)

PTFE

(25

탄소충전)

표면 내아크성 D495 sec 75-110

체적저항

(비저항)D257

ohm-

cmgt1018 gt1016 104

표면저항 D257ohm

sq-1 gt10

14

유전율(유전상

수) at 1MHzD150-81 e 25 24

절연내력 short

time 18thickD149

kv

mm285

유전정접(유전

정합) at 1MHzD150-81 lt00002 005

31

ㅇ 불소수지는 내열성 내한성이 높고 내약품성 내연소성

난연성이 우수하고 절연성 및 비점착성과 저 마찰계수를

갖고 있으나 절연성이 높아 정전재해의 원인이 될 수 있

어 재해 방지를 위해 대전 방지 또는 저저항을 특징으로

하는 불소수지 가공품이 개발되어 사용범위가 넓어지고

있다

불소수지에 충전하여 저저항으로 하는 필러에는 일반적

으로 도전성이 높은 카본 금속 또는 산화알루미늄 등의

금속산화물이 사용된다 재료의 형상으로는 미분 탄소

스테인레스 스틸 니켈 금속분과 같은 입상물 단섬유 탄

소섬유 위스커(whisker) 등이 사용된다

- 미분은 비표면적이 크기 때문에 소량의 충전으로 저

항치를 내릴 수 있으나 약품의 침투가 있는 경우 비

표면적이 크기 때문에 약품의 영향을 받기 쉬워 내부

식성 떨어질 가능성이 크다

- 입자상물질들은 미분에 비해 비표면적이 작기 때문에

약품의 영향을 비교적 적게 받지만 저항치를 내리기

위해 충전량이 많게 되어 불소수지의 특징인 비점착

성과 저마찰계수 특성을 저해한다 섬유 위스커 형상

은 단방향에 대한 장방향의 비가 클수록 적은 충전량

32

으로 저항치를 낮출 수 있지만 분산이 나쁘면 요철이

발생한다 부식 방지 코팅에서는 충전제의 내약품성이

관건이다 즉 부식 환경에서 불소수지 자체는 충분히

견디어도 충전제가 내약품성이 없으면 충전제가 서서

히 에칭되어 기기가 부식될 가능성이 크다

화학 석유 및 정제 산업에서는 시험 검사 세척 및 다양

한 공정의 용기 저장 탱크 반응기와 같은 많은 구성요

소들이 사용되며 플루오르화 고분자는 고온에서 높은 열

안정성을 갖고 다양한 유기용매에 전혀 용해되지 않으므

로 부식방지 등을 위해 플루오르화 고분자와 같은 내화

학성 고분자로 코팅된다 그러나 이들 고분자는 코팅된

구성요소의 표면에 정전하 축적을 조장하기 때문에 폭발

성 환경에서는 사용할 수 없다

특히 이들 구성요소들의 금속 구조물은 용기나 탱크에

보관된 가스 증기 분진의 이동에 의해 생성된 정전하

(electrostatic charge)를 흐르게 하는 전도경로가 되나 금

속표면을 강산 강알칼리나 유기용제에 의해 침투되는 방

지하기 위한 목적으로 부식방지 테플론으로 코팅될 경우

얇은 필름의 비-전도체로 작용하므로 폭발성 환경에서

사용을 규제하고 있다

33

- 예로 유럽 표준 EN 50014 section 732에서는 정전

하로 인한 발화 위험을 피하기 위해 사용 보수 및 세

척 조건 하에 설계된 울(enclosure)이 필요하고 울의

절연저항은 1GΩ을 초과할 수 없도록 규제하고 있고

일본은 후생노동성 관할 산업안전연구소의 정전기 안

전지침의 누설 저항치는 108Ω 이하로 되어 있다

- 따라서 부식 및 폭발성 환경에서 안전하고 다양한 구

성 요소에 적용할 수 있는 정전방지 비-발화 테플론

코팅기술을 요하며 정전방지 코팅은 표면저항을 낮추

기 위해 카본블랙이나 개질 전도성 탄소 금속이나 전

도성 고분자를 테플론에 충전하여 코팅한다

폭발성 환경용 내화학약품 특성과 대전방지 비발화

코팅 조성물로는 높은 비저항을 갖는 플루오르 고분자

50-90wt 10-50wt의 전도성물질인 탄소분(carbon

powder)으로 이루어진 Solex Robotics Systems Inc

특허가 있다13)

- 폭발환경에서 사용되는 이상적인 코팅은 정전하를 피

하기 위해 낮은 비저항을 가져야 한다 완벽한 전도체

는 비저항이 영(0)이고 완벽한 절연체는 무한 비저항

34

을 갖는다 금속(구리 금 같은) 합금(망가닌 Mn-Ni-

Cu 니크롬 Ni-Cr-Fe) 반도체(카본이나 게르마늄)는

낮은 비저항을 갖고 있어 좋은 도체이다

- 수많은 고분자 기초 코팅들이 부식화학 환경에 사용

되었으나 85GΩ 이상의 비저항으로 대전방지 시험에

서 실패하였다 정전기 도체로 인증기준 아래 적합하

기 위해서는 100cm2이상의 노출 표면이 1GΩ 이하의

비저항이어야 한다 코팅에 첨가된 탄소분은 전도도를

증가시키며 10-50의 함량은 1GΩ 이하의 비저항을

만족시킨다

비전도성 표면의 표면저항을 감소시키도록 카본이나 금

속을 사용하여 대전방지를 부여하는 공정의 단점으로는

카본이나 금속의 접착력이 낮아 입자의 마모가 일어나

장기간 사용 시 대전방지 수준이 감소하는 것이다 더욱

클린룸에서 입자의 방출은 심각한 문제가 된다 대부분의

비전도성 기질은 통상 23 상대습도 50에서 표면 비

저항이 109ohmsquare 이상으로 높고 PTFE 경우는 10

12

ohmsquare이상이다14)

반도체 제조 장치에서는 웨이퍼 기판을 안착하기 위해

작업 스테이지를 사용하며 작업스테이지는 통상 금속과

35

세라믹으로 제작되나 웨이퍼기판을 작업스테이지에 올려

놓을 때 작업스테이지와 웨이퍼기판 사이에 마찰 정전기

가 발생한다 FPD(flat panel diplay 평판표시)용 디스펜

서(dispenser)에 사용되는 작업스테이지는 진공방식으로

디스플레이 기판을 흡착 고정하며 흡착 고정되었던 디스

플레이 기판이 작업스테이지에서 박리될 때 작업스테이

지에 정전기가 발생하여 디스플레이 기판에 대전된다 최

근 디스플레이 기판이 대형화됨에 따라 대전량이 증가되

고 정전기 대전문제가 더욱 심각해지고 있다 웨이퍼기판

이나 디스플레이기판에는 반도체소자 등 다수의 전자부

품들이 배치되어 있기 때문에 정전기가 발생되면 전자부

품의 신뢰성에 치명적 손상을 주고 기판에 분진이 부착

되거나 정전기의 대전으로 기판 리프트 업(lift up)시 기

판이 깨어지는 문제가 발생한다 정전기 대전을 방지하기

위해서는 작업스테이지에 이오나이저를 설치하여 중화하

기도하나 리프트 업이 불가능하거나 이온풍이 도달하기

전 방전하는 등 작업 스테이지와 기판 사이에서 발생한

정전기가 순간적으로 일으키는 박리대전 문제를 해결하

기 어려워 작업 스테이지의 정전기 방지를 위해 불소수

지로 코팅한다

- 불소수지는 다른 물질과의 흡착에너지가 작고 비점착

성이 우수하며 마찰계수가 작아 유리기판과의 상관관

36

계가 작아져 박리에 의한 정전기의 발생량이 적어지

나 불소수지는 절연성을 가지므로 테프론 코팅에서는

카본 블랙이나 전도성 고분자 등을 필러로 사용한다

대전방지가 필요한 반도체 제조장비 디스플레이 장치 및

테스트 장치 등의 작업 스테이지를 테프론 코팅함으로써

작업 스테이지의 정전기 발생을 방지하는 방법의 단점의

하나는 제작비용이 상대적으로 많이 드는 것으로 디스펜

서의 경우 디스플레이 기판이 대형화됨에 따라 작업 스

테이지의 크기가 커져 제작비용이 증가한다 또한 불소수

지의 경도가 낮아 코팅 막에 스크래치가 발생하고 이 부

분은 평탄도 유지가 어려우며 입자들이 발생하는 요인으

로 작용하며 불소수지가 절연성이므로 카본블랙이나 전

도성 고분자 등의 도전성 필러를 충전하여 대전방지에

적합한 면-저항을 갖도록 할 경우 카본블랙은 구형으로

분진이 발생하는 문제점이 있고 전도성 고분자를 사용할

경우는 내용제성이 약하고 과량의 바인더를 사용하여야

하며 박막 형성이 어렵고 불소수지의 경도를 보완하기

위해 아노다이징 처리를 하는 경우는 이후 별도의 코팅

과정을 거쳐야 하므로 제작비용과 제작시간이 증가하는

등 여러 가지 단점들이 있다 이러한 문제점들을 해결하

기 위한 방법으로는 작업 스테이지와 기판이 만나는 면

에 정전기 발생을 최소화시킴과 동시에 그 제조비용이

37

절감되고 적절한 면-저항을 조절할 수 있으며 마찰계수

가 낮고 내마모성이 향상된 작업스테이지 표면의 대전방

지 처리 방법에 관한 국내의 탑나노시스 사의 특허15)가

있다

- 탑나노시스 사의 특허 목적은 작업스테이지의 기판과

만나는 면에 정전기의 발생을 최소화시킴과 동시에

그 제조비용이 저감되고 적절히 면-저항을 조절할 수

있으며 마찰계수가 낮고 내마모성이 향상된 스테이지

표면의 대전방지 처리 방법에 관한 것으로 이 특허에

서는 금속소재의 작업 스테이지 표면을 아노다이징

처리하여 복수의 산화표면 홀들을 형성시키고 여기에

탄소나노튜브를 삽입하고 경화하며 탄소나노튜브 경

화 후에 표면을 봉공 처리한다

- 작업스테이지 표면은 106-10

9Ωsq의 면-저항을 갖는

것이 바람직하며 산화표면 홀들은 직경 30-900nm 깊

이 100-900nm가 바람직하다 아노다이징 처리를 하는

금속소재는 Al Mg Zn Ti Ta(탄탈륨) Hf(하프늄)

Nb(니오븀) 등일 수 있고 이 발명에서는 가벼우며 일

정 강도를 갖고 가공성이 우수한 Al합금을 예로 들어

설명하고 있다

38

- 알루미늄소재 작업스테이지 표면에 산화피막(Al2O3)처

리를 하는 아노다이징(anodizing 양극산화)에서 전해

액은 수산화나트륨이나 수산과 황산 등이 사용될 수

있고 수산화나트륨의 농도(20-50) 공급전압 전류

및 시간 등을 조절하여 산화표면 홀의 크기(D)와 깊

이(L)를 조절하며 D와 L에 따라 대전방지 효과나 내

구성 및 표면경도를 조절한다

- 탄소나노튜브를 산화표면 홀 내에 삽입시키는 단계는

전해 흡착 하여 이루어질 수 있고 정전도장을 통해서

도 이루어질 수 있다 탄소나노튜브는 분산제를 포함

하는 용액으로 코팅되며 분산제로는 소듐 도데실설페

이트(SDS) 트리톤X Tween20(폴리옥시에틸렌 소르

비탄모노올레이트) CTAB(cetyl trimethyl ammonium

bromide)를 예로 들고 있으며 탄소나노튜브 용액은

아크릴계 우레탄계 등 또는 전도성 고분자계 유무기

하이브리드계 바인더가 포함될 수 있다

- 봉공처리는 산화표면 홀과 산화피막을 봉공하여 내식

성 등이 향상되도록 보호 층을 형성시키는 것으로 비

등수 가압증기에 의한 수화봉공 금속염을 포함한 열

수에 의한 금속염 봉공 오일로 도포나 침적하는 유기

물 봉공 양극산화 피막 층에 도장하는 도장에 의한

39

봉공 등이 있다

반도체 소자를 제조하는 과정에는 불순물 이온을

주입하는 장비가 이용되고 있다 (주)하이닉스 반도

체의 특허에서는 이온주입 장비의 웨이퍼 지지 장

치 리프트 핀의 끝단을 라운드 처리하고 리프트 핀

에 테플론을 코팅하여 리프트 핀과 웨이퍼 후면의

접촉 시 웨이퍼 후면에 스크래치와 같은 손상이 유

발되는 것을 억제할 수 있게 한다16)

⑷ 탄소나노튜브(CNTs Carbon Nano Tubes)17)

탄소나노튜브는 탄소의 동소체로 1991년 일본 NEC 연구

소의 Ijima박사에 의해 전자 현미경을 통해 처음으로 확

인되었다 1985년에 Kroto와 Smalley가 탄소의 동소체인

풀러렌(탄소 원자 60개가 모인 것C60)을 처음으로 발

견한 이후 전기방전 시 흑연 음극 상에 형성된 탄소덩어

리를 투과전자현미경으로 분석하는 과정에서 발견하여

Nature학술지에 처음으로 발표되었다18) 탄소나노튜브에

서 탄소원자 하나는 주위의 다른 탄소원자 3개와 sp2결

합을 하여 육각형 벌집무늬를 형성하며 이 튜브의 직경

이 대략 수 나노미터(nm nanometer) 정도로 극히 작기

40

때문에 나노튜브라고 부르게 되었다 이 탄소나노튜브는

전기 세기가 클수록 더 수축하는 성질을 가지고 있는 등

튜브의 직경이 nm수준으로 극히 작아서 특유의 전기화

학적 특성을 나타낸다

Ku 등19)에 의하면 CNTs는 전기방사법(arc-discharge)

레이저증발 법(laser vaporization) 플라즈마 화학기상증

착 법(plasma enhanced chemical vapor deposition) 열

화학 기상증착 법(thermal chemical vapor deposition) 등

의 다양한 합성법이 개발되어 대량생산이 가능하다

CNTs의 종류는 벽의 수에 따라 단일 벽 탄소나노튜브

(SWNTs) 이중 벽 탄소나노튜브(DWNTs) 다중벽 탄소

나노튜브(MWNTs)가 있으며 물성에 관한 많은 연구결

과 기계적 전기적 열적으로 우수한 성능을 갖고 있음이

입증되었다

CNTs는 인장강도와 탄성률 면에서 지금까지 발견된 재

료 중 가장 강하고 질기며 다중벽 CNT는 63GPa에 이른

다 표준 단일 벽 CNT는 25GPa의 압력까지 변형 없이

지탱된다 그래핀의 대칭성과 특이한 전기적 구조 때문에

CNTs의 구조는 그것의 전기적 특성에 영향을 미쳐 금속

성이나 반도체의 특성을 나타내고 이론적으로 금속성

41

CNTs는 구리와 같은 금속의 1000배가 큰 4times109Acm

2

전류 밀도를 운반할 수 있으며 나노크기의 단면으로 전

자가 튜브의 축 방향으로만 전파되고 전자의 이동은 양

자효과를 수반하여 1차원 전도체로 간주된다

CNTs는 우수한 물성과 상대적으로 큰 표면적으로 갖고

있어 충전제(filler)로써 에폭시 폴리스틸렌 폴리우레탄

등 고분자와 혼합하여 폴리머의 기계적 전기적 특성을

향상시키려는 연구가 활발하다 CNTs가 폴리머 중에서

충전제 역할을 하기 위해서는 고른 분산이 필요하나 반

데르발스 힘에 의한 CNTs 응집현상(agglomeration)으로

인해 효과적인 분산이 어려워 오히려 폴리머의 물성을

저해하므로 이것을 개선하기 위한 다양한 기계적 화학적

분산 방법이 연구되고 있다

- CNTs를 분산시키기 위한 가장 일반적인 방법은 용매

나 폴리머에 CNTs를 투입하고 초음파처리를 하는 것

으로 초음파처리를 하면 SWNTs의 길이가 짧아지고

다발(bundle)이 얇아져 분산력이 증가한다

- CNTs 표면을 산이나 아민으로 기능화하여 분산을 높

이는 방법도 연구되고 있으며 MWNTs를 HNO3

H2O2NH4OH 용액에 침지시켜 MWNTs에폭시 복합

42

재료는 전기적 특성을 향상시키려는 연구와 산과 아

민 등의 기능기를 도입하여 SWNTs의 열전도도를 향

상시키려는 연구들이 수행되고 있다

- 기계적 분산방법인 전단혼합방법은 좁은 관이나 상대

적으로 높은 속도의 유동을 이용하여 발생한 전단력

으로 CNTs를 분산시키는 방법이다 Ku 등19)은 전단

혼합과 초음파처리를 이용하여 MWNTs로 강화된

에폭시 복합재료를 만들어 기계적 및 열적 특성을 연

구하였다

⑸ 내마모성 테프론 코팅

ㅇ 재료의 부식은 구조재에 원하지 않은 변화 원인으로 작

용하여 경제적인 문제로 귀결되는 심각한 문제이다 이들

원치 않는 변화는 때로 적절한 코팅에 의한 표면처리로

예방할 수 있다 가장 일반적이고 자주 사용되는 전착 코

팅은 아연에 기초한 아연 코팅 및 합금 코팅으로 이들

코팅은 간단한 기술로써 내부식성이 양호하여 전 표면처

리의 약 14에 해당하나 최근 낮은 마찰계수 등 다른 특

성들이 매우 중요하게 되었다 이들 특성은 다층 코팅으

로 대응할 수 있으나 두께가 증가하고 기술이 복잡하여

가능한 해결방법으로는 복합체 코팅이 있다 복합체 코팅

43

은 일반기계와 자동차 전자부품 및 컴퓨터 등 다양한 분

야에 적용된다 금속 기질에 미세한 PTFE 입자의 전착

에 의한 증착은 새로운 세대의 복합체 코팅으로써 가장

바람직한 특성은 양호한 내마모성 자기윤활 내부식성이

다 M Paderovaacute 등20)에 의하면 이들 특성은 주로 사용

한 입자(흑연 다이아몬드 MoS2 또는 PTFE)와 용액의

유형(pH 온도 bath 등) 뿐 아니라 입자의 크기 농도

분산 및 형태학에 의존한다

ㅇ 충전되지 않은 PTFE의 마모율은 736-741times10-4mm3Nm

로 내마모성이 낮아 다양한 충전제들이 첨가되고 있다

Xing-Dong Yuan 등21)은 진공 조건에서 PTFE 코팅

의 마모특성을 연구하여 초기에는 하중이 증가함에 따

라 마찰계수가 감소하나 하중이 6N 이상으로 커지면

마찰계수도 증가하며 압력이 PTFE 코팅의 마찰계수

에 미치는 영향이 거의 없고 마모는 압력이 증가하면

초기에는 감소하나 10Pa 보다 높으면 급격히 증가한

다고 보고하였다

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위해서는 윤활제로 PTFE

계 수지 접착제로는 폴리아미드이미드수지 산화철 분말

44

및 브론즈 분말 등을 혼합한 조성물을 사용하거나 미국

특허에서는 스와시플레이트 형 압축기의 플레이트 표면

에 MoS2 흑연 PTFE계 윤활제와 열경화성 수지인 폴리

아미드이미드(PAI) 조성물을 코팅하여 내마모 및 윤활성

을 부여하고 있다22) 내열성 향상을 위해서는 고체윤활

제 접착제수지 및 저융점 금속인 Sn Pb In Bi 등을 함

유하는 합금이나 화합물을 사용하여 금속의 잠열을 이용

내열성 향상을 시도하기도 한다

ㅇ 그간 철강(스테인리스강 탄소강 아연도금강판 등)의 내

부식성 향상을 위한 많은 연구들이 수행되어 왔다 4플루

오르에틸렌(C2H4) 4플루오르에탄(CF4) 6플루오르에탄

(C2F6) 3플루오르화에탄(CHF3) 8플루오르화에탄(C4F8)

같은 불소화된 단량체의 플라즈마 중합에 의한 테플론

류 코팅은 그들의 소수성으로 인해 금속의 내부식성 향

상을 위한 대안으로 주목을 받고 있다 A Delimi 등23)

은 유도결합 고주파플라즈마(inductively coupled radio

fre- quency plasma)를 사용하여 소수성 박막 불소수지

필름을 탄소강에 증착하고 3염수에서 내부식성을 평가

한 결과 1개월 동안 9nm의 필름이 유지되는 것을 관찰

하여 불소고분자 박막이 금속과 금속산화물의 보호층이

될 수 있음을 보고하였다

45

ㅇ PTFE를 이용한 세라믹코팅 기술로는 알루미늄 및 알루

미늄 합금 공작물을 양극처리에 의해서 티타늄 및또는

지르코늄 산화물을 포함하는 내식성 내열성 및 내마모

성 세라믹 코팅을 하고 이어서 양극처리된 공작물을

PTFE 또는 실리콘 함유 코팅과 같은 제 2 코팅으로 코

팅한다 이 발명은 가소성을 가지는 경질의 필름 내에서

내식성 내열성 및 내마모성을 제공하는 티타늄 및또는

지르코늄 산화물의 양극처리 층으로 기판을 예비-코팅함

으로써 알루미늄 기판에 보다 긴 수명의 코팅을 형성하

는데 특히 유용하다24)

ㅇ Nosaka 등25)은 PTFE로 대표되는 불소수지는 마모-링이

나 극저온 밸브의 실링부에 많이 사용되며 진공치환법에

의해 탄소재료에 PTFE나 MoS2 분말을 1-2wt 함침시

키면 무함침한 것에 비해 마모가 약 13로 감소한다고

보고하였다 한편 저자들은 터보펌프의 실링재료가 극저

온 환경에서 보이는 특이한 현상을 극복하기 위해 베어

링의 표면에 노출된 유리섬유를 불소산으로 처리하여 용

해 제거하고 윤활성을 높인 유리섬유강화 테프론 리테이

너를 개발하여 내구성과 윤활성을 향상시킬 수 있었다고

보고하고 있다

46

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위한 또 다른 특허로는

폴리실록산계 접착제를 단독 혹은 폴리에스테르계 접착

제와 병용하고 고체 윤활제로 MoS2(이황화몰리브덴

WS2(이황화텅스텐) h-BN(육방정 질화붕소) 팽창흑연

및 PTFE를 사용하고 충전제로 탄화규소 알루미나 산화

지르콘 산화티탄 등의 미분말을 사용하여 내마모 내열

및 윤활성을 부여하고자 하는 내마모성 및 윤활성 코팅

조성물에 관한 특허가 있다26)

ㅇ 내열성 내후성 내오염성 내약품성 내구성 등의 물성

은 유지하면서 비점착성을 높이기 위해 무기계 세라믹

코팅 조성물에 PTFE를 첨가하기도 한다 이러한 하이

브리드 코팅 조성물에 관한 특허로는 불소수지(01sim25

중량) 콜로이달 실리카나 콜로이달 알루미나 등 무

기계고분자 바인더(20sim80중량) 알콕시실란 화합물

(1sim50중량) 수용성 유기용제(1sim10중량) 충전제

또는 안료(5sim50중량) 및 물(100중량 까지 보충)로

이루어진 코팅 조성물에 관한 것으로 무기질 도료 및

무기계 세라믹 코팅에 의해 내열성 내오염성 내약품

성과 내구성을 유지하고 접착력을 높이기 위해 소량의

PTFE를 사용하는 것이 있다27)

47

ㅇ 정전 복사기에 사용되는 정착기재부의 최외층에 코팅하

여 기계적 성질 및 내마모성을 향상시키려는 목적으로

불소수지 기질 중에 분산된 불소화 다이아몬드를 함유하

는 입자로 구성된 조성물에 관한 일본 특허28)가 있다

ㅇ 부식 특성을 개선한 흑색 무크롬(chrome-free) 다층 내

부식 마무리 칠과 방법에 관한 특허29)로는 ASTM B 117

표준으로 시험할 때 백색 부식에는 최소 500시간 염수분

무시간 및 적색 부식에는 1500시간 염수분무시간에 적합

하게 설계된 마무리 칠에 관한 것이 있다 이 다층 시스

템은 광택(gloss) 4 이상을 만족하는 자동차 차체 강판

자동차 하부와 내장에 사용되기 위해 설계된 것으로 이

다층 마무리 칠은 3층 부식 방지 시스템을 형성하도록

아연-철 전기도금 기질 오르토인산을 사용한 무전해 인

산염 결정 전환 층과 XylanTeflon 실러 코팅의 조합이

다

ㅇ 전통적으로 철 강판(steel sheet)은 크롬산 염 전환 코팅

으로 개질되어 왔으나 6가 크롬이 배출되어 환경을 오염

시키는 문제점이 있어 강판의 내-부식성을 개선하기 위

해 고분자 수지 코팅들이 수행되고 있으나 이 방법은 고

48

분자 코팅 층이 열전도도를 감소시키는 단점을 가지고

있다 Kang 등30)은 강판 위의 고분자 코팅 층의 열전도

도를 향상시키기 위해 초미세-크기 다이몬드(μD)입자를

열전도 물질로 사용하였다 다양한 음이온 및 비-이온

계면활성제들을 사용하여 수용액 중에서 무거운 μD입자

의 안정화를 시험들을 한 결과 1-피렌카르복시산(PCA)

이 가장 양호하였다 그림 3-2는 이 시험 결과를 요약한

것이다

- 강판 위에 PCA로 안정화 된 μD 입자를 함유한 폴리

우레탄-기초 코팅 층은 열전도도가 0351W(mK)에서

0434 W(mK)(10 wtμD)로 향상되었으며 더욱 144

시간 동안 염수 분무 시험결과 부식거동은 관찰되지

않았다

그림 3-2 피렌카르복시산을 이용한 μD 표면처리

ㅇ 자동차공업에서는 기본적인 특성으로 내마모성이 요구되

49

는 강철 기계부품들의 마찰특성을 향상시키기 위해 다양

한 금속 및 고분자 코팅들이 광범하게 이용된다 내-마

모 코팅은 두 가지 주요 특성인 높은 표면경도와 자기-

윤활 특성이 필요하다 후자의 범주에 속하는 것이

PTFE와 MoS2 기초 코팅이다 무전해 니켈 코팅은 높은

경도로 인해 양호한 마찰 특성을 보이며 한편 열처리를

통해 경도를 향상시킬 수 있다 PTFE입자의 첨가는 코

팅경도를 감소시키나 자기-윤활특성을 부여한다 S

Rossi 등3132)은 마찰특성을 향상시키기 위해 이용되는 탄

소강에 이용되는 몇 가지 공업적인 코팅에 관한 부식거

동에 관해 평가 PTFE입자를 함유한 무전해 니켈-인

(Electroless Nickel-Phophorus)코팅은 PTFE 입자(자기-

윤활 특성)를 갖는 외층과 장벽-효과를 갖는 내층으로

인한 이중 특성으로 가장 양호한 특성을 보였다고 보고

하고 있다

ㅇ 모든 기계적 시스템은 동적 요소를 필요로 하며 마찰과

마모를 줄이기 위한 다양한 수단들이 가능하나 그 선택

은 환경이나 조작 조건에 제한을 받는다 PTFE는 자기

윤활 낮은 마찰계수 높은 열안정성과 화학약품 안정성

으로 산업분야에 널리 사용되는 엔지니어링 고분자이지

만 내마모성이 매우 부족하다 이러한 이유로 금속

-PTFE충전 복합체들이 PTFE의 마찰특성과 금속충전제

50

의 내마모성을 결합하여 특정 분야의 용도로 소개되어

왔으나 금속-고분자 물질에서의 충전제의 역할은 완전히

설명되지 않고 있다 복합체 표면의 과잉의 충전제 농도

는 미끄러지는 동안 부하를 지지하여 내마모성을 증가시

키는 것으로 생각되며 PTFE의 마모율은 Mo Zn Ni

Y2O3 및 SiO2 같은 무기 충전제에 의해 1000배가량 감소

되었다는 보고도 있다 유리섬유 구리 세라믹 탄소섬유

절단 탄소섬유 나노입자를 포함한 경질의 충전제 입자들

이 PTFE의 내마모성을 높이기 사용되어 왔다

ㅇ 비교적 두꺼운 코팅에는 열분사(thermal spray) 용사기

술이 정립되어 있고 용사 코팅은 내마모 내마찰 내프레

팅(fretting) 및 내부식을 요하는 산업에 많이 이용되고

있다

- 용사 몰리브덴(Mo)코팅은 실질적 내마모성 코팅으로

가장 광범하게 이용되며 프레임용사(flame spray)거나

와이어용사(wire spray)기술로 생산된 몰리브덴(Mo)

코팅은 흠이나 마모에 대한 고도의 저항을 얻기 위한

가장 좋은 코팅재료 중의 하나이다

- 알루미늄 청동(aluminium bronze)은 높은 내-부식성

과 내마모성을 갖는 것이 특징이다 저압 플라즈마 용

51

사 기술은 자기-아닐링(self-anealing)과 부서지기 쉽

도록 유도하는 γ-상의 형성을 피할 수 있도록 높은

냉각 속도를 얻는 데 사용되며 알루미늄 청동 저압

플라즈마 용사 코팅은 낮은 마찰과 마모를 보였고 비

교적 최근 플라즈마 용사 기술을 이용하여 알루미늄

기질에 고분자-세라믹 복합체를 코팅하는 기술이 개

발되었다33)복합체 코팅으로 행한 마찰 시험에서 낮

은 마찰계수를 얻을 수 있었다

- 낮은 마찰계수와 고 내마모성을 갖는 이성분 금속

-PTFE 코팅이 개발되었고 이들의 마찰 공학적 성능

이 보고되었다 PTFE-기초 복합체 설계에서 일반적

인 접근방법은 경질의 충전 입자들을 도입하는 것으

로 M Yamane 등34)은 PTFE-금속 이성분 코팅의 마

찰 마모성능에 관한 연구 결과 알루미늄 청동 코팅이

Mo코팅에 비해 PTFE 저장소(reservoir)에 유용했음

을 보고하였다

⑹ 충전 또는 강화 플루오르화 탄소1)

ㅇ 분말이나 강화섬유 등 전형적인 충전재들이 충전 또는

강화 플루오르화 탄소에 사용된다 충전재는 저온흐름

52

을 향상시키는 데 사용되며 수축과 균열을 줄이고 열

팽창을 낮추며 열전도율을 향상시킨다

ㅇ 분말이나 단섬유로 된 전형적인 충전제를 표 3-5에 종합

하였다 유리섬유는 가장 보편적인 PTFE 충전제로 화

학 및 전기적 특성에 최소로 영향을 미치며 기계적 특

성을 크게 향상시킨다 분말에 비해 섬유는 압축강도

강성도 및 지지용량을 더욱 향상시키나 분말은 충전

테플론의 내구성에 거의 영향을 미치지 않는다 금속분

말은 특히 열전도도를 향상시키며 고속에서 발생하는 마

찰열을 소멸하는데 도움이 되며 전기저항을 상당히 감소

시켜 금속-충전 조성물은 양호한 절연체는 아니다

ㅇ 흑연(graphite) MoS2는 초기 내구성과 마찰을 개선하고

기계적 특성을 향상시킨다 석면은 많은 유용한 특성을

갖지만 가공 처리 중 가스가 방출할 뿐 아니라 사용금지

물질이다 표 3-5 외에도 금속 망 장섬유 다공성 금속

등 다양한 충전제들이 있으며 다양한 종류의 제품들이

상업 생산되고 있어 최종 선정을 하기 전에 플라스틱 가

공업자로부터 보다 완전한 정보와 추천을 받는 것이 바

람직하다

53

표 3-5 불소수지용 충전제

ㅇ 압축강력 인장과 압축 시의 탄성률 및 항복강력은 첨가

제의 첨가에 의해 모두 증가하나 일반으로 인장강력과

신도 및 충격강도는 손실된다 통상 충전 테플론은 압축

상태에서 사용되므로 인장강력의 감소는 중요하지 않다

인장강력의 손실은 설치(연속적인 링-실링)할 때 인장되

는 재료에서 중요하다 열팽창 계수는 비-충전 테플론에

비해 감소되어 통상 금속 부품의 팽창계수와 잘 맞는다

ㅇ 마찰과 마모를 수반하는 분야에서 가장 중요한 것은 충

전제로 얻어지는 PV한계치의 증가와 마모의 감소다 비-

54

충전 테플론에 비해 PV한계치 크기는 개략적으로 1차원

적으로 증가하나 마모인자는 3차원적으로 감소한다 충전

테플론의 평균치들은 동적 마찰계수는 01-02 PV한계치

는 10000-20000 psi-fpm 마모상수는 10times10-10in3-min

lb-ft-hr이다 그림 3-3은 충전 테플론 PTFE의 마찰계

수에 미치는 충전제 종류와 농도의 효과에 관한 것이다

그림 3-3 테플론 PTFE에 미치는 충전제 종류와 농도1)

ㅇ 내마모성을 향상시키는 충전제는 실제로 연마저항성을

감소시키는 것으로 날카로운 입자는 보다 쉽게 침투하고

충전제 입자와 수지 사이의 경계를 따라 충전 플라스틱

을 찢는다 따라서 라이닝 슈트 같은 분야의 적용 시는

55

비-충전테플론이 보다 바람직하다

⑺ 시트 테이프 및 박층(laminates)

ㅇ 대부분의 플루오르화탄소는 충전 여부에 관계없이 두

께 1mil(0001 in)까지 시트나 테이프로 만들 수 있고

시트나 테이프를 찍어서 원하는 형상의 립-씰(lip seal)

펌프 컵(pump cup) 피스톤 링(piston rings) 가스켓

(gaskets) 등을 만들 수 있다

ㅇ 유체의 누설을 정지시키는 밀봉기능 부품 중 각종기기의

접합부나 배관 플랜지 등의 밀봉에 사용되는 가스켓

(gaskets)은 석면이 널리 사용되어 왔으나 유해물질 배

출 및 이동량 보고제도(PRTR Pollutant Release and

Transfer Register)에서 발암성을 가진 제1종 지정 화학

물질로 지정되어 사용이 금지되어 PTFE가 가스켓으로

개발되었다 PTFE는 용융 알칼리 금속 및 그 용액과 불

소 및 3불화염소에 의해 약간 침식되나 모든 화학약품에

안정하고 우수한 내부식 재료로 C-F결합력이 크고 F원

자가 C-C결합의 주위를 간격 없이 들러 싸고 있기 때문

에 다른 물질의 공격을 방어하고 있고 내열성은 260로

높다35)

56

- PTFE 필러를 사용한 PTFE 나선 권형 가스켓은 석

면에 대한 사용규제와 상관없이 사용되어 왔으며 유

연한 필러를 사용하므로 석면 가스켓 보다 낮은 체결

압력에서도 실 특성이 우수하고 내식 면에서도 광범

하고 다양한 유체에 사용이 가능하다 다만 단열성 면

에서는 석면 나선 권형 가스켓 보다 사용온도 범위가

제한된다

ㅇ 산업 기계나 자동차의 브레이크 제동장치에 부착하여 마

찰력을 부가하는 브레이크 라이닝에서는 마찰계수와 내

마모력 및 충격계수 등 마찰특성이 우수한 석면을 주로

사용하여 왔으나 제동 시 발생하는 미세 석면분진으로

인해 대기오염에 의한 환경을 파괴 뿐 아니라 인체에 흡

입될 경우 암을 유발하여 PRTR로 사용이 금지되었다

석면을 대체할 유기질 또는 무기질 된 다양한 비석면 마

찰 섬유 등이 사용되고 있으며 마찰 섬유에 테프론을 코

팅하여 브레이크라이닝의 수명향상 제동 시 발생하는 소

음 떨림 및 제동력 향상을 위한 제품개발이 시도되고

있다

- 예로 국내 특허36)에서는 브레이크 라이닝(또는 패드)

의 마찰재 배합재료 중 유기섬유(Kevlar섬유 pulp섬

57

유 등)에 테프론을 코팅하고 코팅된 유기섬유에 결합

재 충전재 윤활재 마찰안정재 마찰조정재 등을 소정

의 배합비로 배합하여 성형하고 열처리하여 브레이크

패드 또는 라이닝을 제조한다

ㅇ 초소형 정밀기계(MEMS Micro-Electromechanical

System)분야에서는 점착방지를 위해 불화 유기박막을

사용한다 Park 등37)은 단층 두께의 불화 유기박막의

특성을 접촉각 측정을 통해 분석하였다

⑻ DLC 코팅3839)

ㅇ DLC(diamond-like carbon)는 몇 가지 다이아몬드의 전

형적인 특성을 나타내는 비정질 탄소물질로 극도의 내마

모 특성을 필요로 하는 재료의 코팅에 이용되고 있다

DLC코팅은 연마 마모를 감소시키기 위한 재료에 유용하

여 엔드밀 드릴비트 금형 같은 공구는 물론 자동차 기

계부품 및 전자산업 등 산업전반에 걸쳐 적용된다40)

ㅇ 환경오염 문제로 인해 PRTR(Pollutant Release and

Transfer Register 유해물질 배출 및 이동량 보고 제

도) 이 시행되어 습동 부품이나 절삭 시에 사용되는 오

일이나 그리스에 포함되는 첨가제(MoS2 Zn 등)와 이들

58

부품을 세정할 때 사용되는 용매 기계부품의 수명을 연

장시키기 위해 활용되었던 Cr도금 폐액에서 발생하는 6

가 크롬 등의 오염물질들에 대한 규제가 더욱 강화되어

DLC에 의한 무윤활 습동과 무윤활 절삭을 지향한 공구

와 기계 부품의 개발이 관심을 끌고 있다4142)

- 일본 내에서는 PRTR이 시행되고 이것에 저촉되는 재

료에 관해서는 MSDS(Material Safety Data Sheet)를

첨부해야할 의무가 있고 부품가공 습동 용도에서는

대상 리스트에 올라 있는 오일 오일 중의 중금속 도

금폐액을 어떻게 경제성 있는 환경 친화적 공정과 재

료로 전환할 것인가를 고려하면서 무윤활 습동 무윤

활 절삭 탈크롬 도금의 3가지 키워드가 대두되고

DLC코팅이 대안으로 모색되고 있다

- DLC코팅 적용기술과 과제에 관한 자료로는 자동차

관련부품 적용사례 엔진부위 마찰 작동 밸브계의 마

찰저감 DLC와 윤활제에 의한 마찰저감 기술을 중심

으로 살펴본 보고가 있다43)

ㅇ DLC는 7가지 형태가 존재하며 모두 상당한 양의 sp3혼

성궤도 탄소원자를 함유한다 다양한 형태의 DLC가 진

공 환경으로 적합한 재료들에 적용가능하며 유럽에서의

59

2006년 위탁 DLC코팅 시장은 3천만euro로 추정되었고 국

내도 활발한 상용화가 시도되고 있다

ㅇ 사반면상(tetahedral) 비정질 탄소 ta-C를 2두께로 코

팅하면 연마마모에 대한 스테인레스 강(304 type)의 내구

성을 증가시켜 수명을 1주일에서 85년으로 늘이며 이러

한 DLC의 형태는 sp3결합 탄소 원자로만 이루어지기 때

문에 순수한 DLC로 간주되며 수소 sp2흑연 탄소 금속

같은 충전제가 생산경비를 낮추거나 원하는 특성을 부여

하기 위하여 사용되고 있다

ㅇ DLC를 만드는 방법에는 sp3탄소 보다 낮은 밀도의 sp

2

에 의존하는 몇 가지 방법들이 있으며 압력 충격 촉매

또는 이들의 조합으로 sp2결합탄소 원자들을 sp3결합탄소

로 근접시킨다 최근 초고압 하에서 탄소의 경량 특성을

갖는 초경도 무정형 다이아몬드가 만들어졌다 탄소로 만

들어지는 다이아몬드 그래파이트는 결정구조를 가지나

DLC는 비정질이라는 점에서 크게 다르고 200 정도의

저온에서 형성시킬 수 있다는 점이 통상의 PVD막에 비

해 훨씬 우위에 있다

ㅇ DLC코팅은 제조공정이 복잡하고 생산 단가가 비싸 적용

이 어려우며 적용되는 소재가 제한되는 단점을 갖는다

60

주요제법으로는 고주파 플라즈마 법 이온화 증착법 스

페터링법 등을 들수 있다 고주파 플라즈마 법은 메탄가

스가 원료로 사용되고 막 중의 수소가 약 30(원자)로

평활성이 우수하고 마찰계수가 작으나 경도가 낮다 이

온화 증착법은 벤젠을 사용하며 막은 단단하나 면의 조

도가 거칠고 후막화 하기 위해 스패터링 방법이 검토되

고 있다

⑼ 불소수지의 안전성

ㅇ 테플론 PTFE의 열분해는 200(392)에서 감지되며 이

것은 몇 가지 플루오르화 탄소 기체들과 승화물질을 방

출한다4445)1955년 동물실험에 관한 한 연구에서는 이들

물질이 250(482) 이하에서는 의미 있는 양이 아니라

고 결론지었으나 최근 비-점착 주방기구인 프라이팬이

나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가열할 때 조류를

죽일 수 있는 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수

도 있다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있다45)

ㅇ 표 3-6은 EWG가 보고한 3-5분 내에 370까지 불소수

지를 가열할 때 발생되는 15종의 불소화합물에 관한 것

이다 테플론과 같은 코팅물질들이 장기적으로 인체에 미

61

치는 영향에 관한 연구는 이루어지지 않고 있으나 독감

과 유사한 질병을 유발할 수 있으며 이를 중합체 증기열

(polymer fume fever)이라 한다

표 3-6 15종의 유해물질 및 유독성 기체44)

ㅇ 최근 표 3-6의 화합물들 중 특히 TFA와 과불화된

(perfluorinated) PFOA(perfluorooctanoic acid)에 관심이

증가되고 있다 PFOA는 새로운 환경오염물질로 미국 환

경보호청(EPA)에 의하면 보통 때는 문제가 없으나 조리

과정에서 프라이팬에 열을 가하고 강하게 긁을 경우 용

62

출되어 나오며 이것이 음식물과 함께 인체에 흡수되는

것으로 추정하였다 한편 DuPont의 테플론 PTFE 연구

결과에 의하면 검출한계인 9ppb 이상 검출되지 않으며

테플론 주방기구에서는 PFOA가 존재하지 않는다고 발

표하고 있다

- 물이나 공기를 통해 환경에 노출된 PFOA는 고 콜레

스테롤 궤양성 대장염 갑상선 질환 고환암 신장암

및 임신성 고혈압과 관련된다고 보고되었다

- PFOA는 불소수지 생산과정에서 사용되는 첨가물로써

암모늄 형태로 PTFE 유화중합에 계면활성제로 사용

되며 불소수지의 품질과 균일성을 유지하기 위해 필

수적인 첨가물이기 때문에 전 세계 모든 불소수지 제

조업체가 사용 중에 있다 한편 국내 주력 산업인 반

도체 생산 과정에서도 PFOA를 대량으로 사용하고 있

어 체계적인 실태조사와 대책수립이 필요하다는 의견

들이 대두되고 있다

⑽ 불소화합물의 안전성과 환경대책

ㅇ 표 3-6에서 살펴본 바와 같이 테플론을 급격히 고온으로

가열하면 2종의 발암물질을 포함한 유독성 가스가 발생

63

하고 특히 불소화합물 중 MFA(monofluoroacetic acid)는

적은 양으로도 치명적 해를 끼치고 PEIF(perfluoro-

isobutene)는 신경가스제로 여러 가지 질환을 발생시킨다

한다44)

따라서 테플론으로 코팅된 장치를 재 코팅하기

위해 테프론을 고온으로 급격히 가열하거나 소각 등을

통해 제거할 때는 발생 가능성이 있는 유독가스를 제거

하기 위한 별도의 설비를 이용하여야 하고 유 등44)의 보

고서에서와 같이 중조(NaHCO3)를 포화시킨 충분한 물로

유독 산성 물질을 중화시키는 것도 고려할 만하다 한편

부식대전 방지 코팅도 테플론 코팅 일변도에서 세라믹

코팅 CNTs이나 DLC 코팅기술로 대응하는 것을 추천하

고 싶으며 이것은 유해물질 배출 및 이동량 보고제도

(PRTR Pollutant Release and Transfer Register)에 대

비하는 등 기업의 장래를 고려하는 것도 될 것이다

ㅇ PTFE를 사용한 취사도구는 1960년대 이래 사용되어 오

고 있으나 최근 들어 이것의 안전성이 논쟁의 주제가 되

고 있으며 논의 주체는 PFOA(perfluorooctanoic acid)이

다 PFOA는 PTFE를 비롯한 많은 불소수지의 생산에

사용되며 DuPont의 테플론 PTFE 연구 결과에 의하면

프라이팬을 260 이상 고온에서 가열하거나 코팅이 벗

겨져도 PFOA가 존재하지 않는다고 한다 그러나 물이나

64

공기 토양 식품포장재 등 여러 곳에서 PFOA 오염사실

이 보고되고 있다 한다44)

- 미국 EPA는 인체와 환경에 대한 PFOA 연구를 계속

하고 있으며 2015년까지 PFOA 및 이와 관련된 화합

물 방출을 배제할 프로그램을 갖고 있으나 PTFE-기

초 비점착 취사기구를 중지시킬 타당성을 갖고 있지

는 않다 최종제품은 PFOA가 아닌 PTFE이기 때문이

다

- 수십 년 동안 불소수지 비점착 코팅이 시장을 지배하

였으나 최근 몇 가지 신기술들이 출현되고 있으며 이

들 대부분은 실리콘 세라믹과 실리콘 기술로 이들 코

팅은 PTFE와 PFOA를 함유하지 않는다

- 오늘날 출시된 비점착 취사용구는 수많은 상표로 팔

리고 있으며 DuPont에 의하면 대부분의 취사용구 코

팅은 정상적으로 사용할 때 3-5년 견딜 수 있을 것으

로 예측한다 너무 문질러서는 안 되고 따뜻한 비눗

물로 씻어주는 것이 좋으며 닳거나 흠이 생기지 않도

록 나무 플라스틱이나 코팅된 재료로 만든 도구를 선

택하고 보관도 흠이 생기지 않을 장소나 캐비닛을 권

장하고 있다

65

ㅇ 국내의 불소수지 안전성에 관한 것으로는 재질규격(납과

카드뮴)과 용출규격(납 과망간산칼륨소비량 증발잔류물)

이 식품용 기구 및 용기 포장 공전46)에 기재되어 있으며

최근 국내에서도 PFOA를 비롯한 유해 불소화합물에 관

한 관심이 커져 가고 있다

ㅇ PFOA 문제가 표면화 되면서 환경 보전형 불소계 발수

유제의 개발과 공업화도 새로이 부각되고 있다 이에 관

한 보고서를 모니터링한 KISTI자료47)를 중심으로 간단히

요약하면 발수제의 주요성분 퍼플루오로알킬기(Rf기)함

유 폴리머의 기능은 Rf기의 고리길이에 크게 의존하므로

PFOA문제 해법으로 탄소수 8 이상인 종래의 불소화학

에서 탈피 짧은 고리 Rf기(탄소수 6)를 가진 새로운 단

량체를 선택하여 발수제를 제조함으로써 환경 보전형 불

소계 발수유제를 개발하고 공업화하였다 한다

66

제 4 장

지원결과

1 지원결과 종합

테프론 코팅 기술의 문제점과 부식대전방지용 테플

론 코팅에 관한 정보 외에 신청기업의 요청에 따

라 C-나노튜브 코팅 및 DLC증착에 관련된 기술 정

보도 제공하였다

테플론은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat resistant)

비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coefficient of

friction) 내약품성(chemical resistance)과 특이한 전기적

특성(unique electrical properties) 및 온내구력(cryogenic

stability)으로 그 응용범위가 광범하며 용도에 따른 엄격

한 품질관리가 요구될 것으로 생각되어 중소기업에 적합

한 기초능력 배양과 신제품을 구상하기 위한 최신기술에

관한 정보를 제공하고자 하였다

67

불소수지의 코팅은 두께와 첨가제가 관건으로 이에 관한

자료를 제공하고자 하였으며 불소수지의 전기특성 폭발

성 환경과 반도체 제조공정에서의 대전 방지 처리를 위

한 정전기 관리 지표 등을 특허를 중심으로 조사하여 제

공하고자 하였다

C-나노튜브를 이용한 대전방지 코팅 기술 및 C-나노튜

브의 제법 등 이것에 관한 기초정보를 제공하고자 하였

으며 내마모성 테플론 코팅에 관해서는 테플론을 이용한

세라믹 코팅 기술에 관한 정보도 제공하고자 하였다

테플론의 기계적 전기적 특성을 강화하기 위해 사용되는

충전제를 종합하고 기초이론을 정립함으로써 금후 원부

자재의 선정에 도움을 주었다

테플론은 석면 대체재로도 주목받고 있어 이에 관한 특

허 정보들을 제공하였으며 다이아몬드의 전형적인 특성

을 나타내는 DLC의 코팅관련 기술 정보를 환경오염 문

제와 연관하여 자료를 제공하였고 최근 비-점착 주방기

구인 프라이팬이나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가

열할 때 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수도 있

다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있어 이에

관한 정보도 제공하였다

68

2 지원의 한계

중소기업이 당면한 문제는 전문기술의 확보다 관련 기술

이 비약적으로 발전하는 추세에 비추어 한정된 인원으로

신기술을 소화하고 개발하기는 어려울 것이므로 출연연

구기관이나 대학과 공동연구를 모색할 수 있으나 이것도

중소기업으로서는 경제적 부담이 될 수밖에 없을 것으로

생각된다 가능하다면 앞으로도 KISTI의 정보지원이 계

속되기를 바라고 있었다

3 기대효과

부식대전 방지 테플론 코팅에 관한 기본 기술이 배양되

어 합리적인 원부 원료의 수입검사 공정관리 및 제품관

리를 통해 원가절감은 물론 신제품 신기술에 관한 정보

수집 및 분석능력이 배양되고 개발력이 확충되어 기업

경쟁력 향상에 도움이 될 것이다

69

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이치옹 모니터링분석 KISTI

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저자소개

김학주(金鶴柱) 서울대학교 문리과대학 화학과 졸업 이학사

전북대학교 대학원 화학과 이학박사

(주)삼양사 의약연구소장 신성대학교 교수

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 폴리에스테르 섬유의 연중직방기술 외 다수

저서 기기분석 공업물리화학 일반화학

성용길(成墉吉)

동국대학교 이과대학 화학과 졸업 이학사 이학석사

부산대학교 대학원 화학과 이학박사(Dr Sci)

University of Utah USA Ph D(공학박사) Post Dr

유타대학교 연구교수 부산대학교 교수 동국대학교 교수

동국대학교 명예교수 한국원자력문화진흥원 이사

과학문화연구원전문연구위원 한국도량형과학문화연구원 원장

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 의료용 기능성 고분자재료에 관한 연구 외 330편

저서 고분자 물성론 (서울대학교 출판부 공저) 외 10권

표 목차

lt표 1-1gt 참여연구원 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 3

lt표 3-1gt 플루오르화탄소 플라스틱의 유형 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 20

lt표 3-2gt 테플론 코팅 두께 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 25

lt표 3-3gt 테플론 코팅을 위한 화학첨가제 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 28

lt표 3-4gt 불소수지의 전기 특성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 30

lt표 3-5gt 불소수지용 충전제 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 53

lt표 3-6gt 15종 유해물질 및 유독성 기체 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 61

그림 목차

lt그림 3-1gt 테플론 거품코팅 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 29

lt그림 3-2gt 피렌카르복시산을 이용한 μD 표면처리 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 48

lt그림 3-3gt 테플론 PTFE에 미치는 충전제의 종류와 농도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 54

1

제 1 장

개 요

1 정보지원의 필요성

최근 반도체관련 기업체공장과 공정 중에서 부식방지

와 대전방지의 문제점을 해결하기 위해서 불소수지 고

분자재료의 전기가 통하지 않는 성질을 이용하여 부식

대전방지 테프론 코팅을 채택하고 있으나 테프론 코팅

은 실제 정전기를 유발하는 제반 문제들이 발생되고

있어 이를 극복하여야 한다

금속 혹은 세라믹 기재 등에 내마모성과 비점착성 및

윤활성을 부여하기 위하여 불소수지 고분자와 다양한

충전제를 배합한 조성물과 유기 또는 무기질 바인더를

이용하여 기재인 알루미늄 혹은 철 재료의 표면에 코

팅하여 저마찰성 비점착성 내마모성 등의 물성을 부

여하는 기술개발은 계속되고 있다 그리고 합성수지인

테프론 등 불소수지가 고온에서 화학분해 과정을 통해

2

유독성분이 발산되므로 최근에는 조리용 프라이팬 등

에 PTFE계 수지의 사용을 제한하는 조치가 시도되고

있는 등 환경관련 문제에 관한 정보가 필요하게 되었

다

위의 문제점들을 해결하기 위해서 ReSEAT 프로그램

의 전문연구위원으로부터 최신의 기술정보들에 관한

지원과 멘토링을 받고자 요청하고 있다 이 문제점들

을 해결하는데 상응하는 최신 학술문헌과 특허정보들

을 KISTI를 통하여 연구 조사하여 지원하고자 한다

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구

위원 김학주와 전문연구위원 성용길은 기술정보지원

신청업체에 부식대전 방지용 테프론 코팅의 제반 문제

들을 해결하기 위한 필요한 기술을 전수하고자 한다

2 정보지원의 목적

ㅇ 본 정보지원의 목적은 LCD와 PDP OLED 등 테프론

코팅이 필수적 요소인 대형 디스프레이 공정에서 정전

기 유발을 방지할 수 있는 기술에 관한 최신정보 및 특

허조사 등에 관한 자문과 현재진행 중에 있는 각종 부

3

식과 대전 방지기술에 관한 객관적 멘토링을 통하여 부

식대전 방지용 테프론 코팅에 관한 제반 문제들을 해결

하고 안전하게 본 중소기업체의 제품생산과 기술을 향

상시키고 고급화 하는데 있다

ㅇ 또한 화학반응용 용기 및 원자로 건설에 필요한 각종 제

작품 등에 필요한 부식방지 및 대전방지를 위한 테프론

코팅의 최신 기술정보를 제공 지원하고 그 특수코팅에

필요한 맞춤형 기술정보를 제공하는 것이 본 연구의 목

적이다

3 참여연구원

lt표 1-1gt 참여연구원

구분 성명 직위 전공 업무

ReSEAT

프로그램

김학주 전문연구위원 고분자 과제 책임자 기업현황 분석

성용길 전문연구위원 고분자 정보지원 기술전수 멘토링

4

제 2 장

지원 내용

1 정보지원 업체의 요구사항

테프론 코팅 기술의 문제점과 부식대전 방지용 테

프론 코팅에 관한 최신 기술정보

정전기 대전방지용 테프론 코팅과 부식대전방지 테

프론 코팅기술의 특허문헌과 학술문헌

불소수지 코팅에 관한 기술 동향과 부식대전 방지용 테

프론 코팅의 응용기술에 관한 기술정보

유리의 정전방지 박리대전 가공 C-나노튜브 코팅 수

분산성 도료(binder) 등을 사용한 내열성 세라믹코팅

및 대규모 DLC증착 관련 기술정보

5

2 정보지원의 범위 및 내용

가 정보지원 범위

정보지원은 LCD공정용 스테이지(Stage) 박리 대전방지

코팅 반도체 공정용 석영 관련제품 코팅 추출용 반응기

튀김틀 코팅 광학필름 및 기능성 필름 생산롤러 코팅

전기재료 석유화학 정밀화학 반응기 코팅 및 필터드라

이어 등 테프론 코팅에 관한 전반적인 기술 자료와 불소

수지의 특성과 용도 및 환경과 관련한 안전문제에 관한

지식과 기술정보를 제공하였다

나 정보지원 내용

KISTI에서 체계적적으로 NDSL 검색 유럽특허청 검

색 Web of Science 검색 Google 검색 Sci Dir를 통

한 원문입수 등의 작업을 수행하였다

- Keywords에 의한 문헌 및 특허조사 TEFLON +

Coating Anti-corrosion Coating Anti-static

Coating Fluoropolymers Fluorinated polymers

Fluorocarbon polymers

6

- Keywords=TI (TEFLON or Fluoropolymers or

(Fluorinated polymers)) Coating) 또는 AB

((TEFLON or Fluoropolymers or (Fluorinated poly

mers)) Coating) 활용하여 학술문헌과 특허를 검색

하였다

신청업체 공장현장에서 현재까지 수행되고 있는 부식

방지 및 대전방지 테프론 코팅기술들을 종합하여 분석

하고 조사된 기술정보 자료들과 비교 분석하여 장차

개선할 수 있는 코팅 신기술을 조사 분석하여 자문하

고 멘토링 하였다

7

제 3 장

지원 프로세스

1 1차 지원

일시 및 장소 2013년 4월 22일(월요일) 1000-1400시 신청

업체 2층 회의실

참석자 히토시 사토(부사장) 성용선(연구소장) 장용석

이사

주제 및 토의사항

- 지원업체의 현황 LCD공정용 스테이지(Stage) 박리

대전방지 코팅 반도체 공정용 석영 관련제품 코팅

추출용 반응기 튀김틀 코팅 광학필름 및 기능성필름

생산 롤러 코팅 전기재료 석유화학 정밀화학 반응기

코팅 및 필터드라이어 등의 테프론 코팅에 관한 작업

8

- 지원내용과 향후지원계획 공장 현장을 방문하고 브리

핑을 통해 필요한 정보를 파악함 조사된 자료(문헌

특허 등)를 전달하고 희망 사항을 파악한 결과 특히

유리의 코팅을 중심으로 한 박리대전 방지 가공 세라

믹 코팅(수분산성 도료-바인더-)을 사용한 내열성 코

팅 대형 DLC 증착기술 및 경쟁사가 개발하고 있는

C-나노튜브 코팅에 관한 정보에도 관심이 많았음

ReSEAT NDSL 및 구글 야후 네이버 등을 통한 자

료조사 방법의 활용 방법을 설명해 주었음

- 지원효과 ReSEAT NDSL 구글 야후 네이버 등을

통한 주제 또는 키워드 검색에 의한 자료 검색 분석

능력 향상 제공 자료와 문헌의 활용 효과 등

- 자료제공

① Klaus Lunkwitz Uwe Lappan Ulrich Scheler

Modification of perfluorinated polymers by

high-energy irradiation Journal of Fluorine

Chemistry Vol 125 2004 pp863sim873

② LBorucki et al Diamond Conditioner Wear

Characterization for Copper CMP Process

Transaction on Electronic Materials Vol 8

9

2007 pp1520sim20

③ Polytetrafluoroethylene Aluminum magnesium

boride Diamond-like carbon Carbon nano-tube

-Wikipedia the free encyclopedia (2013)

④ 野坂正隆 低溫環境下におけるドライボロジドラ

イボロジスト(日本) Vol 52(11) 2007 pp759sim

764

⑤ 식품의약안전청 연구보고서(연구책임자 유승석)

불소수지코팅 주방기구의 안전성 평가C 2004 12

⑥ 이장호 등 테프론 코팅 전열관 표면으로의 열 및

물질 전달 특성에 관한 실험적 연구 대한기계학

회논문집 B권 Vol 27(8) 2003 pp1051sim1060

⑦ Eun-Joo Kim et al Teflon coating of fabric

filters for enhancement of high temperature

durability J of the Korean Oil Chemists Vol

28(2) 2011 pp232sim239

⑧ Jin-Goo Park et al Characterization of

Fluorocarbon Thin Films by Contact Angles

Measurements Journal of Microelectronics amp

Packaging Society Vol 6(1) 1999 pp39sim49

⑨ WO 200054614(Solex Robotics Systems Inc

Anti-static Non-sparkling Coatings for

10

Explosive Environments)

⑩ WO 2012123103(WLGore amp Associates GMBH

Use of an Ionic Fluoropolymers as Antistatic

Coating)

⑪ WO 2006 017259 (Thomae Kurt J Multilayer

Corrosion-resistant Finish and Method)

2 2차 지원

일시 및 장소 2013년 5월 16일(월요일) 1000-1400시 신청

업체 2층 회의실

참석자 성용선(연구소장) 장용석 이사

주제 및 토의사항

- 지원내용과 향후지원계획 지참 자료를 제공하고 연구

원들의 기초지식 배양을 목적으로 불소수지의 특성에

관해 각 유형을 중심으로 제공 자료를 통해 종합 설

명함 불소 수지 코팅 방법 개발 목적 기질의 전처리

방법 두께 제어의 중요성 코팅시스템 등을 토의하고

이에 관한 자료를 제공하여 기초지식을 배양함은 물

11

론 최근 기술 동향을 파악함 다음 방문 시(6월 20일)

에는 대전 방지 불소 수지 코팅을 중심으로 그 중요

성과 이론 등 기초지식과 최근의 개발동향을 검토하

기로 함

- 지원효과 불소수지의 유형과 특성을 통한 원료의 선

정 시 고려할 사항 코팅 방법 기질의 전처리 방법

용도에 따른 두께 제어의 중요성 파악 공정 및 제품

관리에 관한 기초지식 배양과 최근 기술 동향 파악

- 자료제공

① JP-2005-237860(三洋電氣株式會社 電氣掃除機)

② JP-2010-261035(Xerox Corpor- ation フツ素ナノ

ダイヤモンドを含むテフロン定着器部材)

③ JP-2010-78036(株式會社ルネサステクノロジ 配管

チュ-ブおよびこれを備えた機械裝置)

④ WO 2008154391(Alcoa Inc Heat Exchanger)

⑤ 등록번호10-0365003 (주식회사 엘지아이 열처리를

이용한 테프론 코팅 방법)

⑥ 공개특허10-2008-0061943(주식회사 하이닉스반도체

이온 주입장비의 웨이퍼 지지 장치)

⑦ 등록번호 10-0449561(주식회사 봉성비에스 완충기

12

용 피스톤의 테플론 코팅장치)

⑧ 등록번호 10-0522254(백원두 브레이크 라이닝(또

는 패드) 제조방법)

⑨ 등록번호 10-0811228(조철환 내열 세라믹 주방용

기의 불소수지코팅방법 및 그 방법에 의해 불소수

지 코팅된 내열 세라믹 주방용기) 등

3 3차 지원

일시 및 장소 2013년 6월 20일(목요일) 1000-1400시 신청

업체 2층 회의실

참석자 김학주 성용길 성용선(연구소장) 이채영 차장

및 연구원

주제 및 토의사항

- 지원내용과 향후지원계획 불소수지의 전기적 특성과

대전 방지용 불소수지의 충전제에 관한 장단점 토의

대전 방지의 중요성 폭발 환경에서의 정전기 안전지

침 반도체 제조 장치에서의 작업스테이지의 대전방지

에 관한 기술 동향 토의 최근 관심의 대상이 되고 있

13

는 탄소나노튜브(CNTs)의 제조 방법 용도 등에 관한

설명과 의견교환 내마모성 테플론 코팅 방법 용도

등에 관한 자료제공 및 의견교환 충전 또는 강화 불

소수지에 관해 자료조사를 통해 얻은 충전제의 종류

기계적 및 물리적 특성 향상 방법에 관한 기초지식을

제공함 다음 방문 시(7월 25일)에는 시트 테이프 및

박층 테플론과 최근 내마모성 코팅기술로 주목받고

있는 DLC코팅과 테플론의 안정성 문제에 관해 의견

을 교환하고 그간의 정보지원에 관한 내용들을 종합

정리하기로 함

- 지원효과 대전방지 불소수지 코팅의 작업표준 및 관

리지침에 반영할 자료 제공 최근 관심의 대상이 되는

CNTs에 관한 기초지식 배양 및 정보수집과 분석 불

소수지에 사용되는 각종 충전제의 선정 시 참고 자료

확보

- 자료제공

① Francis J Clauss Chapter 9 Fluorocarbons

Solid Lubricants and Self-lubricating Solids 1972

pp195sim238

② Eunsoo Kang Seongcheol Choi Changhoon Choi

14

Sang Eun Shim Aqueous dispersion of

submicron-sized diamond particles for thermally

conductive polyurethane coating Colloids and

Surfaces A Physiochem Eng Aspects415(2012)

pp255-261

③ Masaaki Yamane Tadeusz A Stolarski Shogo

Tobe Influence of counter material on friction

and wear performance of PTFEndashmetal binary

coatings Tribology International Vol 41 (2008)

pp269ndash281

④ M Pazderova M Bradac M Vales

Tribological Behaviour of Composite Coatings

Procedia Engineering Vol 10 (2011) pp472-477

⑤ S Rossi F Deflorian F Venturini

Improvement of Surface finishing and Corrosion

Resistance of Prototypes by Direct Metal Laser

Sintering Journal of Materials Processing

Technology Vol 148 (2004) pp301-309

⑥ S Rossi F Chini etal Corrosion Protection

Properties of Electroless NickelPTFE Phosph-

ateMoS2 and BronzePTFE Coatings Applied to

Wear Resistance of Carbon Steel Surface and

15

Coatings Technology Vol 173 (2003) pp235-242

⑦ VC Malshe Nivedita S Sangaji Fluorinated

Acrylic Copolymers Part I Study of Clear

Coatings Progress in Organic Coatings Vol 53

(2005) pp207-211

⑧ Xing-Dong Yuan Xiao-Jie Yang A Study on

Friction and Wear Properties of PTFE Coatings

under Vacuum Conditions Wear Vol 269 (2010)

pp291-297

⑨ Amel Delimi Elisabeth Galopin etal

Investigation of the Corrosion Behaviour of

Carbon Steel Coated with Fluoropolymer Thin

Films Surface amp Coatings Technology Vol 205

(2011) pp4011-4017

⑩ 이계영 김태균 김종구 ldquo내마모성 및 윤활성 코팅

조성물rdquo 대한민국특허 등록번호 10-1151909 (2012)

⑪ Thomae Kart J Multilayer Corrosion Resist

ant Finish and Method WO 2006017259(2006)

⑫ (주)바론에스엘 ldquo불소수지와 세라믹의 유무기

하이브리드 코팅 조성물 및 그를 이용한 도막 형성

방법rdquo 대한민국 공개특허 10-2013-0028553 (2013)

16

4 4차 지원

일시 및 장소 2013년 7월 25일(목요일) 1000-1400시 신청

업체 2층 회의실

참석자 성용선(연구소장) 이채영 차장 및 연구원

주제 및 토의사항

- 지원내용과 향후지원계획 발암물질인 석면대체재로써

테플론의 개발 동향을 나선 권형 가스켓과 자동차브

레이크 제동장치를 중심으로 토의하고 내마모 특성을

필요로 하는 DLC 코팅에 관한 정보제공과 DLC 특성

에 관해 집중 토의함 환경문제와 관련하여 대두되고

있는 테플론 분해가스 등 안정성 문제에 관한 자료를

제공하고 이에 관한 의견을 교환함 그간의 제공 정보

를 종합하고 8월 말 작성예정인 최종보고서 내용을

협의하였음

-지원효과 신기술 개발을 위한 내마모 코팅 DLC코팅

환경문제를 고려한 친환경 제품 등 신기술과 신공정

개발을 위한 개념을 확립하였음

17

- 자료제공

① WO 2006047500(Henkelkommanditgesellschaft auf

Aktien Article of Manufacture and Process for

Anodically Coating an Aluminum Substrate with

Ceramic Oxides Prior to Organic or Inorganic

Coating)

② 이치옹 분석자료 ldquo나선형 개스킷의 비석면화rdquo

Takashi Miyoshi 배관기술(일) Vol 46(10) 2004

pp43-47

③ 유호천 ldquoDLC 코팅 표면처리rdquo KISTI 중소기업 정

보지원 2011 10 11

④ 유호천 ldquoPVD DLC TRD 코팅설비를 활용한 복

합충 개발및 제품적용rdquo KISTI 중소기업 정보지원

2010 10 21

⑤ 국립환경과학원 ldquo화학물질 배출량 조사 OECD와 협

력강화rdquo 보도자료 (2010 11 18)

⑥ ldquo새로운 코팅기술과 공구에 대한 적용rdquo 월간기계기술

기자 2005년 3월호

⑦ Teflon off-gas studies Environmental Working

Group Ewg Org Retrieved on 2013-01-01

⑧식품의약품안전청 ldquo식품용 기구 및 용기 포장 공전rdquo

18

2012

⑨ 廣野高生 ldquo環境保全型フッ素系 撥水撥油剤の 開發

と 工業化rdquo ファインケミカル(日本) 37(11) 2008

pp39-44 이치옹 모니터링분석 KISTI

5 5차 지원

일시 및 장소 2013년 8월 21일(수요일) 1000-1400시 신청

업체 2층 회의실

참석자 성용선(연구소장) 이채영 차장 및 연구원

김학주(전문연구위원) 성용길(전문연구위원)

김종헌(KISTI 연구책임자)

주제 및 토의사항

1 불소화합물의 안전성과 환경대책 정보지원 결과 종합

등 최종보고서(안) 내용에 관한 의견교환

2 지원의 한계와 기대효과에 관한 의견 교환

3 건의 사항 등

19

세부 지원 내용

⑴플루오르화탄소 플라스틱의 특성

Teflon TFE(폴리테트라플루오로에틸렌)은 1940년대부

터 사용되어 왔으며 Teflon FEP(플루오르화에틸렌프

로필렌 공중합체)는 1958년에 소개되었고 압출 및 사

출성형이 용이하며 TFE 유형은 딱딱하고 낮은 마찰계

수를 가지며 마모에 강하고 보다 높은 온도에서 사용

가능하다 이 외에도 플루오르화탄소 플라스틱에는 폴

리염화플루오르화에틸렌(CFE 또는 CTFE)와 폴리비닐

리덴플루오라이드(PVF) 등이 있다 플루오르화탄소 플

라스틱은 그 코팅방법에 따라서도 응용범위가 광범위

하게 발전되어 왔으며 그 용도는 주방용기로부터 기

계 자동차 반도체는 물론 우주항공 산업 부품에 이르

기까지 무한하며 상업 생산되고 있는 플루오르화탄소

플라스틱은 표 3-11)과 같다

PTFE는 열가소성 플라스틱으로 상온에서 밀도 약 2200

인 백색고체로 융점은 327이며 마찰 및 마모 특

성을 나타내는 마찰계수는 고체재료 중 BAM(alumi-

20

nium magnesium boride 마찰계수 002)과 DLC

(diamond-like carbon 마찰계수005)에 이어 3번째로

낮은 005-010로 반데르발스 힘에 대한 저항력으로 도

마뱀이 붙을 수 없는 유일한 표면으로 알려져 있다2)

표 3-1 플루오르화탄소 플라스틱의 유형1)

21

Teflon의 유용한 기계적 특성은 -450sim500(-267sim

260)에서 유지되며 여러 가지 특성들은 가공기술을

바꾸어 변경시킬 수 있다 마찰 및 마모 특성을 나타

내는 마찰계수들은 시험조건에 따라 다르며 Teflon은

증기압이 극히 낮아 진공에서도 우수한 안정성을 가

지며 방사선 안정도는 부족하나 방사선 내용성은 극

히 높다

테프론의 특징은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat-

resistant) 비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coeffi-

cient of friction) 내약품성(chemical resistance) 특이한

전기적특성(unique electrical properties) 저온내구력

(cryogenic stability)으로 대표된다3)

- 테프론 코팅된 표면에는 거의 모든 물질이 달라붙지

않으며 내열성(heat-resistant)이 우수하여 -260sim+26

0까지 사용할 수 있고 단시간 사용의 경우에는 30

0까지 견디며 Teflon FEP는 232에서 연속사용이

가능하다 비유성(non-wetting)이 우수하여 표면에 물

이나 기름이 잘 묻지 않아 표면이 오염되지 않아 쉽

게 청소가 가능하고 기계설비의 보수시간이 단축되어

생산성을 향상시킬 수 있다 테프론은 비-절연성은 물

22

론 비-유전정접과 우수한 표면 저항률을 보인다

⑵ 플루오르화탄소 수지 코팅

얇고 강인한 플루오르화탄소 수지 필름을 금속 등에

소결이나 수지-접착에 의해 바르면 기질에 침착된 필

름은 저온흐름으로 고체 플루오르화탄소 수지보다 낮

은 마찰계수를 띠고 금속은 양호한 열전도도를 갖고

열을 분산할 수 있어 고속으로 운전할 수 있고 양호한

내구성을 갖게 된다

1950년대 미국 해군연구소에서 소결 Teflon TFE필름을

수성 분산액(현탁질)으로부터 무기 탄약통 비행기부

품 잠수함부품의 건조-필름 윤활제 및 보호 코팅용으

로 개발한 후 이것들은 기어 정첩(hinges) 샤프트 베

어링 밸브 플러그 콕 피스톤 링이나 그 외의 산업분

야에 응용되고 있다

- 실제로 적절한 테플론 현탁질을 고체 표면에 침적한

후 수분 증발이 너무 빠르지 않게 공기에서 필름이

건조되게 한 후 테플론 입자들이 연화 및 소결되도록

건조된 표면을 약 385(725)로 가열하고 냉각하면

23

얇은 연속 필름이 표면에 남지만 필름 중의 많은 작

은 세공들은 테플론의 높은 용융점도 때문에 제거할

수 없다 세공들은 윤활 작용에는 제한을 받지 않으나

녹슬거나 부식의 공격점이 되어 부식방지를 위해서는

1회 이상의 박막 추가 코팅이 반복되고 보통 2회 코

팅으로 충분하나 각 침적 테플론 층은 두께가 00003

인치(762)를 초과하지 않아야 하며 그렇지 않으면

말린 진흙 같이 균열이 발생한다 필름이 윤활제로 사

용될 때는 필름두께가 00006-00007인치(152-178)

를 초과하지 않아야 한다1)

- 테플론코팅은 통상으로 존재하는 표면 산화물이 제거

되지 않은 깨끗하고 탈지된 강철 황동 및 알루미늄금

속표면일 때 가장 잘 접착한다 만일 산세척에 의해

과잉 두께의 산화물이 제거되었다면 필수적으로 얇은

산화층이 형성될 때까지 공기 중에서 가열한다 접착

은 실표면적이 증가하면 증가하므로 경면가공(mirror

finish)보다 모래분사가공이나 무광택가공이 양호하다

- 테플론 코팅된 표면의 마찰계수는 금속기질 표면을

거칠게 함으로써 낮출 수 있으나 미끄럼마찰 조건 아

래 내구성은 금속의 거칠기가 32마이크로인치(rms)를

초과하면 감소한다

24

철강 기질의 인산처리는 소결 Teflon TFE필름의 마모

수명을 향상시킨다고 보고되었으며 양극처리 된 코팅

의 경도 및 내마모성과 불소수지의 윤활성을 결합하기

위해 다공성 경화 양극처리 알루미늄 위에 불소수지를

침윤하여 왔다 Teflon S 마감재는 Du Pont이 도입한

최초의 수성-기초 분산 TFE FEP로 이들은 ldquo계층화

된rdquo 마감재이다 Francis J Clauss1)는 다양한 용도에

서의 Du Pont사 제품들의 선정 가이드를 표로 종합하

였으며 이것을 요약하면 표 3-2와 같다

- 테플론 코팅은 프라이머 단층 프라이머 코팅 후 에나

멜이나 클리어 마감 또는 프라이머 에나멜과 클리어

마감 등 3-코팅 시스템으로 구성된다 프라이머들은

금속이나 세라믹 기질에 접착을 향상시키기 위해 개

질제를 함유한다 프라이머들은 가끔 1회 코팅 마감재

로 사용되나 음식물과 접촉하는 용도로는 반드시 에

나멜이나 클리어 마감재로 마무리 칠을 하여야 한다

프라이머는 층간 접착력이 부족하기 때문에 다중 코

팅에 적용될 수 없고 만일 06mil 이상의 코팅이 필요

하면 프라이머는 에나멜이나 클리어 마감재로 마무리

칠을 하여야 한다

25

표 3-2 테플론 코팅 두께1)

최종

용도대표적 용도

전체두

께(mils)

프라이머에나멜클리어

가공(mils)

비점착

산업

직물 슬래셔 통

열 봉합 봉 고무경화 롤러

우레탄과 에폭시 경화 주형

제빙기

목재 고무 주석도금 아연

10-25

07

20-50

08-13

07

03 07-22 07-10

07 마무리칠 불가

03 07-37 10min

03 05-10 05-10

07 마무리칠 불가

식품

프라이팬 내열접시

반죽롤러

캔디 장치

08-12

10-30

20-30

03 05-09

03 07-27

03 07-17 10

One-coat

system

금지

드라이

윤활

플러그 밸브

유리병 제조 전달 장치

베어링

03-07

15-25

05-07

03-07

03 03-05 03-05

02

전기

전자

저항기 코팅

아이들 롤러(제지 섬유 공업)

세라믹 절연체

40-50

10-15

20-25

03 37-47

03 07-12

03 17-22

부식

방지용기 라이닝 gt50 03 47 또는 5-10 이상

Non-

wetting콘덴서 튜브 02-04 02-04

- 유색 프라이머는 통상 안료가 필름의 범위와 두께를

시각적으로 체크할 수 있게 하므로 그렇지 않은 것에

비해 더 선호된다 에나멜과 클리어 마감재는 충분한

접착을 위해 프라이머 위에 발라야 한다 ldquo진흙 갈라

짐 현상(mud-cracking)은 코팅 당 최대 두께를

10mil로 한정하나 다중 코팅에 의해 극단적이 조건

하에 전체 두께를 10mils까지 바를 수 있으며 각각의

26

코팅은 분리하여 구워진다

불소화 고분자들은 낮은 표면장력 물과 기름에 젖지 않

고 비점착성이며 방오 특성(antifouling properties) 등을

갖기 때문에 다양한 특수 코팅에 적용되나 합성과 조성

이 몇몇 제조업자들에 독점되어 있고 값비싼 중간체를

필요로 한다 VC Malshe 등4)은 플루오르 함량이

4-10인 불소화된 아크릴 공중합체를 간단한 방법으로

합성하고 클리어 코팅하여 광학적 기계적 및 보호 특성

을 연구하였다

최근 에너지 절감과 CO2규제와 같은 환경규제에 대한 대

응 필요성이 증가하면서 발전소나 각종 보일러 시스템에

서 배가스로 배출되는 응축잠열 에너지의 회수 및 활용

에 관심이 증가되고 있다 Lee 등5)은 스테인레스 관 표

면에 400정도의 두께로 테플론을 코팅한 전열관에서

관의 열 및 응축 열전달 특성을 연구하여 테플론 코팅관

의 총괄 열전달 계수는 스테인레스 관보다 약 20 작은

것으로 나타나고 응축열전달 계수는 유사하였음을 보고

하였다

알루미늄 용광로의 비-여과 배출가스에 장기간 사용하기

적합한 역류 열교환기에 관한 것으로 원통형 쉘의 표면

27

은 알루미늄 용광로 배출가스 입자 및또는 먼지 및 부

식 흄과 접촉될 수 있어 테프론 계로 코팅 처리하는 특

허6)가 있다 이 특허에서는 원통형 쉘을 만들도록 복재

(web member 웨브재)와 함께 연결된 유체 운반튜브로

이루어진다 각 원통형 쉘에 위치한 헤더는 열교환기의

튜브에서 튜브로 유체를 공급하며 뜨거운 난류가스에 작

용하여 스케일링을 최소화하기 위해 헤더의 보호덮개를

설치한다

저온에서 고온에 이르는 환경에서 유체에 사용되는 배관

튜브는 열에 의한 경시적 열화가 진행되어 균열 발생이

쉽다 가동부에 사용되는 배관 튜브는 움직임이 수반되어

그 경향이 현저하며 반도체 제조장치에 일반으로 사용되

는 실리콘튜브는 저온에서 열화되어 파손되기 쉽다 이러

한 문제점을 해결하기 위해 실리콘 튜브 외측 표면을 테

플론으로 코팅하여 균열발생을 억제함으로써 장시간 사

용 가능하도록 고안한 특허7)가 있다

섬유상 부직포로 제작하는 다공성 여과필터는 다양한 산

업공정의 배출가스를 정화시키는 데 사용되며 특히 중고

온 환경에서 사용이 가능한 다양한 종류의 기능성 필터

의 개발이 요망된다 일반으로 소각장 및 발전소 등의 중

고온 조건에서 사용되는 Nomex를 비롯한 섬유상 필터는

28

200 이상에서는 열변형으로 사용이 제한적이고 세라믹

필터와 같이 고온에서 적용이 가능한 소재는 매우 고가

일 뿐 아니라 초기 작업으로 인해 에너지 사용량이 매우

높아지는 문제점이 있다 Kim 등8)은 250-300 영역의

중고온의 배출가스를 처리하기 위한 필터에 표면 소수성

과 고온 안정성을 부여하기 위하여 표 3-3과 같은 조성

으로 그림 3-1과 같은 장치를 이용하여 테플론 수지를

거품 형태의 코팅액으로 조제하여 유리섬유 원단에 공급

하여 표면코팅하고 열처리 및 압착과정을 거친 후 표면

분석하였다

표 3-3 테플론 코팅을 위한 화학첨가제8)

테플론 코팅이 전기 집진장치에 활용되는 특허도 있다

종전 사이클론 방식의 전기집진기에서는 집진부의 먼지

를 떨어뜨리는 것이 용이하지 않았다 발명자들은 먼지

압축 기능을 갖는 집진실 내측에 테플론 가공을 하여 정

전기에 의한 미세먼지의 부착을 억제함으로써 집진실의

먼지를 원 터치로 처리할 수 있도록 하였다9)

29

그림 3-1 테플론 거품코팅8)

일반으로 테프론을 조리용기에 코팅하는 방법은 금속소

재를 사용 제품형태로 제작한 후 세척하고 에이징(소둔)

처리한 후 샌딩하여 표면조도를 유지하도록 하고 표면에

프리머 처리하여 베이킹 처리한 후 분사방법으로 테프론

코팅을 하고 다시 베이킹 처리하므로 공정이 복잡하고

제조원가가 상승하며 부착력에 한계가 있다한다 (주) 엘

지아이 특허10)에서는 피처리물을 세척한 후 산질화처리

하여 표면에 열처리 층이 형성되게 한 후 테프론을 코팅

하고 베이킹 처리하는 것을 특징으로 한다 그 외에 내열

세라믹 주방용기의 불소수지 코팅방법에 관한 특허가 있

다11)

(주) 봉성비에스는 차량의 주행 충격을 흡수하는 완충기

30

내부에 삽입하는 피스톤 외주면의 마찰과 소음을 최소화

하기 위한 목적으로 테프론 코팅을 하기 위한 코팅장치

를 등록하였다12)

⑶ 대전 방지 플루오르화탄소 수지 코팅

ㅇ 본래 불소수지 자체는 높은 절연성과 큰 대전성을 갖고

있기 때문에 도전 효과를 얻기 위해서는 분상 필러를 다

량으로 충전할 필요가 있으나 이렇게 하면 비점착성이

떨어진다 여러 회사들의 제품 안내서들을 종합한 불소수

지의 전기적 특성은 표 3-4와 같다

표 3-4 불소수지의 전기 특성

특성측정법

(ASTM)단위

PTFE

(비충전)

PTFE

(25

유리충전)

PTFE

(25

탄소충전)

표면 내아크성 D495 sec 75-110

체적저항

(비저항)D257

ohm-

cmgt1018 gt1016 104

표면저항 D257ohm

sq-1 gt10

14

유전율(유전상

수) at 1MHzD150-81 e 25 24

절연내력 short

time 18thickD149

kv

mm285

유전정접(유전

정합) at 1MHzD150-81 lt00002 005

31

ㅇ 불소수지는 내열성 내한성이 높고 내약품성 내연소성

난연성이 우수하고 절연성 및 비점착성과 저 마찰계수를

갖고 있으나 절연성이 높아 정전재해의 원인이 될 수 있

어 재해 방지를 위해 대전 방지 또는 저저항을 특징으로

하는 불소수지 가공품이 개발되어 사용범위가 넓어지고

있다

불소수지에 충전하여 저저항으로 하는 필러에는 일반적

으로 도전성이 높은 카본 금속 또는 산화알루미늄 등의

금속산화물이 사용된다 재료의 형상으로는 미분 탄소

스테인레스 스틸 니켈 금속분과 같은 입상물 단섬유 탄

소섬유 위스커(whisker) 등이 사용된다

- 미분은 비표면적이 크기 때문에 소량의 충전으로 저

항치를 내릴 수 있으나 약품의 침투가 있는 경우 비

표면적이 크기 때문에 약품의 영향을 받기 쉬워 내부

식성 떨어질 가능성이 크다

- 입자상물질들은 미분에 비해 비표면적이 작기 때문에

약품의 영향을 비교적 적게 받지만 저항치를 내리기

위해 충전량이 많게 되어 불소수지의 특징인 비점착

성과 저마찰계수 특성을 저해한다 섬유 위스커 형상

은 단방향에 대한 장방향의 비가 클수록 적은 충전량

32

으로 저항치를 낮출 수 있지만 분산이 나쁘면 요철이

발생한다 부식 방지 코팅에서는 충전제의 내약품성이

관건이다 즉 부식 환경에서 불소수지 자체는 충분히

견디어도 충전제가 내약품성이 없으면 충전제가 서서

히 에칭되어 기기가 부식될 가능성이 크다

화학 석유 및 정제 산업에서는 시험 검사 세척 및 다양

한 공정의 용기 저장 탱크 반응기와 같은 많은 구성요

소들이 사용되며 플루오르화 고분자는 고온에서 높은 열

안정성을 갖고 다양한 유기용매에 전혀 용해되지 않으므

로 부식방지 등을 위해 플루오르화 고분자와 같은 내화

학성 고분자로 코팅된다 그러나 이들 고분자는 코팅된

구성요소의 표면에 정전하 축적을 조장하기 때문에 폭발

성 환경에서는 사용할 수 없다

특히 이들 구성요소들의 금속 구조물은 용기나 탱크에

보관된 가스 증기 분진의 이동에 의해 생성된 정전하

(electrostatic charge)를 흐르게 하는 전도경로가 되나 금

속표면을 강산 강알칼리나 유기용제에 의해 침투되는 방

지하기 위한 목적으로 부식방지 테플론으로 코팅될 경우

얇은 필름의 비-전도체로 작용하므로 폭발성 환경에서

사용을 규제하고 있다

33

- 예로 유럽 표준 EN 50014 section 732에서는 정전

하로 인한 발화 위험을 피하기 위해 사용 보수 및 세

척 조건 하에 설계된 울(enclosure)이 필요하고 울의

절연저항은 1GΩ을 초과할 수 없도록 규제하고 있고

일본은 후생노동성 관할 산업안전연구소의 정전기 안

전지침의 누설 저항치는 108Ω 이하로 되어 있다

- 따라서 부식 및 폭발성 환경에서 안전하고 다양한 구

성 요소에 적용할 수 있는 정전방지 비-발화 테플론

코팅기술을 요하며 정전방지 코팅은 표면저항을 낮추

기 위해 카본블랙이나 개질 전도성 탄소 금속이나 전

도성 고분자를 테플론에 충전하여 코팅한다

폭발성 환경용 내화학약품 특성과 대전방지 비발화

코팅 조성물로는 높은 비저항을 갖는 플루오르 고분자

50-90wt 10-50wt의 전도성물질인 탄소분(carbon

powder)으로 이루어진 Solex Robotics Systems Inc

특허가 있다13)

- 폭발환경에서 사용되는 이상적인 코팅은 정전하를 피

하기 위해 낮은 비저항을 가져야 한다 완벽한 전도체

는 비저항이 영(0)이고 완벽한 절연체는 무한 비저항

34

을 갖는다 금속(구리 금 같은) 합금(망가닌 Mn-Ni-

Cu 니크롬 Ni-Cr-Fe) 반도체(카본이나 게르마늄)는

낮은 비저항을 갖고 있어 좋은 도체이다

- 수많은 고분자 기초 코팅들이 부식화학 환경에 사용

되었으나 85GΩ 이상의 비저항으로 대전방지 시험에

서 실패하였다 정전기 도체로 인증기준 아래 적합하

기 위해서는 100cm2이상의 노출 표면이 1GΩ 이하의

비저항이어야 한다 코팅에 첨가된 탄소분은 전도도를

증가시키며 10-50의 함량은 1GΩ 이하의 비저항을

만족시킨다

비전도성 표면의 표면저항을 감소시키도록 카본이나 금

속을 사용하여 대전방지를 부여하는 공정의 단점으로는

카본이나 금속의 접착력이 낮아 입자의 마모가 일어나

장기간 사용 시 대전방지 수준이 감소하는 것이다 더욱

클린룸에서 입자의 방출은 심각한 문제가 된다 대부분의

비전도성 기질은 통상 23 상대습도 50에서 표면 비

저항이 109ohmsquare 이상으로 높고 PTFE 경우는 10

12

ohmsquare이상이다14)

반도체 제조 장치에서는 웨이퍼 기판을 안착하기 위해

작업 스테이지를 사용하며 작업스테이지는 통상 금속과

35

세라믹으로 제작되나 웨이퍼기판을 작업스테이지에 올려

놓을 때 작업스테이지와 웨이퍼기판 사이에 마찰 정전기

가 발생한다 FPD(flat panel diplay 평판표시)용 디스펜

서(dispenser)에 사용되는 작업스테이지는 진공방식으로

디스플레이 기판을 흡착 고정하며 흡착 고정되었던 디스

플레이 기판이 작업스테이지에서 박리될 때 작업스테이

지에 정전기가 발생하여 디스플레이 기판에 대전된다 최

근 디스플레이 기판이 대형화됨에 따라 대전량이 증가되

고 정전기 대전문제가 더욱 심각해지고 있다 웨이퍼기판

이나 디스플레이기판에는 반도체소자 등 다수의 전자부

품들이 배치되어 있기 때문에 정전기가 발생되면 전자부

품의 신뢰성에 치명적 손상을 주고 기판에 분진이 부착

되거나 정전기의 대전으로 기판 리프트 업(lift up)시 기

판이 깨어지는 문제가 발생한다 정전기 대전을 방지하기

위해서는 작업스테이지에 이오나이저를 설치하여 중화하

기도하나 리프트 업이 불가능하거나 이온풍이 도달하기

전 방전하는 등 작업 스테이지와 기판 사이에서 발생한

정전기가 순간적으로 일으키는 박리대전 문제를 해결하

기 어려워 작업 스테이지의 정전기 방지를 위해 불소수

지로 코팅한다

- 불소수지는 다른 물질과의 흡착에너지가 작고 비점착

성이 우수하며 마찰계수가 작아 유리기판과의 상관관

36

계가 작아져 박리에 의한 정전기의 발생량이 적어지

나 불소수지는 절연성을 가지므로 테프론 코팅에서는

카본 블랙이나 전도성 고분자 등을 필러로 사용한다

대전방지가 필요한 반도체 제조장비 디스플레이 장치 및

테스트 장치 등의 작업 스테이지를 테프론 코팅함으로써

작업 스테이지의 정전기 발생을 방지하는 방법의 단점의

하나는 제작비용이 상대적으로 많이 드는 것으로 디스펜

서의 경우 디스플레이 기판이 대형화됨에 따라 작업 스

테이지의 크기가 커져 제작비용이 증가한다 또한 불소수

지의 경도가 낮아 코팅 막에 스크래치가 발생하고 이 부

분은 평탄도 유지가 어려우며 입자들이 발생하는 요인으

로 작용하며 불소수지가 절연성이므로 카본블랙이나 전

도성 고분자 등의 도전성 필러를 충전하여 대전방지에

적합한 면-저항을 갖도록 할 경우 카본블랙은 구형으로

분진이 발생하는 문제점이 있고 전도성 고분자를 사용할

경우는 내용제성이 약하고 과량의 바인더를 사용하여야

하며 박막 형성이 어렵고 불소수지의 경도를 보완하기

위해 아노다이징 처리를 하는 경우는 이후 별도의 코팅

과정을 거쳐야 하므로 제작비용과 제작시간이 증가하는

등 여러 가지 단점들이 있다 이러한 문제점들을 해결하

기 위한 방법으로는 작업 스테이지와 기판이 만나는 면

에 정전기 발생을 최소화시킴과 동시에 그 제조비용이

37

절감되고 적절한 면-저항을 조절할 수 있으며 마찰계수

가 낮고 내마모성이 향상된 작업스테이지 표면의 대전방

지 처리 방법에 관한 국내의 탑나노시스 사의 특허15)가

있다

- 탑나노시스 사의 특허 목적은 작업스테이지의 기판과

만나는 면에 정전기의 발생을 최소화시킴과 동시에

그 제조비용이 저감되고 적절히 면-저항을 조절할 수

있으며 마찰계수가 낮고 내마모성이 향상된 스테이지

표면의 대전방지 처리 방법에 관한 것으로 이 특허에

서는 금속소재의 작업 스테이지 표면을 아노다이징

처리하여 복수의 산화표면 홀들을 형성시키고 여기에

탄소나노튜브를 삽입하고 경화하며 탄소나노튜브 경

화 후에 표면을 봉공 처리한다

- 작업스테이지 표면은 106-10

9Ωsq의 면-저항을 갖는

것이 바람직하며 산화표면 홀들은 직경 30-900nm 깊

이 100-900nm가 바람직하다 아노다이징 처리를 하는

금속소재는 Al Mg Zn Ti Ta(탄탈륨) Hf(하프늄)

Nb(니오븀) 등일 수 있고 이 발명에서는 가벼우며 일

정 강도를 갖고 가공성이 우수한 Al합금을 예로 들어

설명하고 있다

38

- 알루미늄소재 작업스테이지 표면에 산화피막(Al2O3)처

리를 하는 아노다이징(anodizing 양극산화)에서 전해

액은 수산화나트륨이나 수산과 황산 등이 사용될 수

있고 수산화나트륨의 농도(20-50) 공급전압 전류

및 시간 등을 조절하여 산화표면 홀의 크기(D)와 깊

이(L)를 조절하며 D와 L에 따라 대전방지 효과나 내

구성 및 표면경도를 조절한다

- 탄소나노튜브를 산화표면 홀 내에 삽입시키는 단계는

전해 흡착 하여 이루어질 수 있고 정전도장을 통해서

도 이루어질 수 있다 탄소나노튜브는 분산제를 포함

하는 용액으로 코팅되며 분산제로는 소듐 도데실설페

이트(SDS) 트리톤X Tween20(폴리옥시에틸렌 소르

비탄모노올레이트) CTAB(cetyl trimethyl ammonium

bromide)를 예로 들고 있으며 탄소나노튜브 용액은

아크릴계 우레탄계 등 또는 전도성 고분자계 유무기

하이브리드계 바인더가 포함될 수 있다

- 봉공처리는 산화표면 홀과 산화피막을 봉공하여 내식

성 등이 향상되도록 보호 층을 형성시키는 것으로 비

등수 가압증기에 의한 수화봉공 금속염을 포함한 열

수에 의한 금속염 봉공 오일로 도포나 침적하는 유기

물 봉공 양극산화 피막 층에 도장하는 도장에 의한

39

봉공 등이 있다

반도체 소자를 제조하는 과정에는 불순물 이온을

주입하는 장비가 이용되고 있다 (주)하이닉스 반도

체의 특허에서는 이온주입 장비의 웨이퍼 지지 장

치 리프트 핀의 끝단을 라운드 처리하고 리프트 핀

에 테플론을 코팅하여 리프트 핀과 웨이퍼 후면의

접촉 시 웨이퍼 후면에 스크래치와 같은 손상이 유

발되는 것을 억제할 수 있게 한다16)

⑷ 탄소나노튜브(CNTs Carbon Nano Tubes)17)

탄소나노튜브는 탄소의 동소체로 1991년 일본 NEC 연구

소의 Ijima박사에 의해 전자 현미경을 통해 처음으로 확

인되었다 1985년에 Kroto와 Smalley가 탄소의 동소체인

풀러렌(탄소 원자 60개가 모인 것C60)을 처음으로 발

견한 이후 전기방전 시 흑연 음극 상에 형성된 탄소덩어

리를 투과전자현미경으로 분석하는 과정에서 발견하여

Nature학술지에 처음으로 발표되었다18) 탄소나노튜브에

서 탄소원자 하나는 주위의 다른 탄소원자 3개와 sp2결

합을 하여 육각형 벌집무늬를 형성하며 이 튜브의 직경

이 대략 수 나노미터(nm nanometer) 정도로 극히 작기

40

때문에 나노튜브라고 부르게 되었다 이 탄소나노튜브는

전기 세기가 클수록 더 수축하는 성질을 가지고 있는 등

튜브의 직경이 nm수준으로 극히 작아서 특유의 전기화

학적 특성을 나타낸다

Ku 등19)에 의하면 CNTs는 전기방사법(arc-discharge)

레이저증발 법(laser vaporization) 플라즈마 화학기상증

착 법(plasma enhanced chemical vapor deposition) 열

화학 기상증착 법(thermal chemical vapor deposition) 등

의 다양한 합성법이 개발되어 대량생산이 가능하다

CNTs의 종류는 벽의 수에 따라 단일 벽 탄소나노튜브

(SWNTs) 이중 벽 탄소나노튜브(DWNTs) 다중벽 탄소

나노튜브(MWNTs)가 있으며 물성에 관한 많은 연구결

과 기계적 전기적 열적으로 우수한 성능을 갖고 있음이

입증되었다

CNTs는 인장강도와 탄성률 면에서 지금까지 발견된 재

료 중 가장 강하고 질기며 다중벽 CNT는 63GPa에 이른

다 표준 단일 벽 CNT는 25GPa의 압력까지 변형 없이

지탱된다 그래핀의 대칭성과 특이한 전기적 구조 때문에

CNTs의 구조는 그것의 전기적 특성에 영향을 미쳐 금속

성이나 반도체의 특성을 나타내고 이론적으로 금속성

41

CNTs는 구리와 같은 금속의 1000배가 큰 4times109Acm

2

전류 밀도를 운반할 수 있으며 나노크기의 단면으로 전

자가 튜브의 축 방향으로만 전파되고 전자의 이동은 양

자효과를 수반하여 1차원 전도체로 간주된다

CNTs는 우수한 물성과 상대적으로 큰 표면적으로 갖고

있어 충전제(filler)로써 에폭시 폴리스틸렌 폴리우레탄

등 고분자와 혼합하여 폴리머의 기계적 전기적 특성을

향상시키려는 연구가 활발하다 CNTs가 폴리머 중에서

충전제 역할을 하기 위해서는 고른 분산이 필요하나 반

데르발스 힘에 의한 CNTs 응집현상(agglomeration)으로

인해 효과적인 분산이 어려워 오히려 폴리머의 물성을

저해하므로 이것을 개선하기 위한 다양한 기계적 화학적

분산 방법이 연구되고 있다

- CNTs를 분산시키기 위한 가장 일반적인 방법은 용매

나 폴리머에 CNTs를 투입하고 초음파처리를 하는 것

으로 초음파처리를 하면 SWNTs의 길이가 짧아지고

다발(bundle)이 얇아져 분산력이 증가한다

- CNTs 표면을 산이나 아민으로 기능화하여 분산을 높

이는 방법도 연구되고 있으며 MWNTs를 HNO3

H2O2NH4OH 용액에 침지시켜 MWNTs에폭시 복합

42

재료는 전기적 특성을 향상시키려는 연구와 산과 아

민 등의 기능기를 도입하여 SWNTs의 열전도도를 향

상시키려는 연구들이 수행되고 있다

- 기계적 분산방법인 전단혼합방법은 좁은 관이나 상대

적으로 높은 속도의 유동을 이용하여 발생한 전단력

으로 CNTs를 분산시키는 방법이다 Ku 등19)은 전단

혼합과 초음파처리를 이용하여 MWNTs로 강화된

에폭시 복합재료를 만들어 기계적 및 열적 특성을 연

구하였다

⑸ 내마모성 테프론 코팅

ㅇ 재료의 부식은 구조재에 원하지 않은 변화 원인으로 작

용하여 경제적인 문제로 귀결되는 심각한 문제이다 이들

원치 않는 변화는 때로 적절한 코팅에 의한 표면처리로

예방할 수 있다 가장 일반적이고 자주 사용되는 전착 코

팅은 아연에 기초한 아연 코팅 및 합금 코팅으로 이들

코팅은 간단한 기술로써 내부식성이 양호하여 전 표면처

리의 약 14에 해당하나 최근 낮은 마찰계수 등 다른 특

성들이 매우 중요하게 되었다 이들 특성은 다층 코팅으

로 대응할 수 있으나 두께가 증가하고 기술이 복잡하여

가능한 해결방법으로는 복합체 코팅이 있다 복합체 코팅

43

은 일반기계와 자동차 전자부품 및 컴퓨터 등 다양한 분

야에 적용된다 금속 기질에 미세한 PTFE 입자의 전착

에 의한 증착은 새로운 세대의 복합체 코팅으로써 가장

바람직한 특성은 양호한 내마모성 자기윤활 내부식성이

다 M Paderovaacute 등20)에 의하면 이들 특성은 주로 사용

한 입자(흑연 다이아몬드 MoS2 또는 PTFE)와 용액의

유형(pH 온도 bath 등) 뿐 아니라 입자의 크기 농도

분산 및 형태학에 의존한다

ㅇ 충전되지 않은 PTFE의 마모율은 736-741times10-4mm3Nm

로 내마모성이 낮아 다양한 충전제들이 첨가되고 있다

Xing-Dong Yuan 등21)은 진공 조건에서 PTFE 코팅

의 마모특성을 연구하여 초기에는 하중이 증가함에 따

라 마찰계수가 감소하나 하중이 6N 이상으로 커지면

마찰계수도 증가하며 압력이 PTFE 코팅의 마찰계수

에 미치는 영향이 거의 없고 마모는 압력이 증가하면

초기에는 감소하나 10Pa 보다 높으면 급격히 증가한

다고 보고하였다

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위해서는 윤활제로 PTFE

계 수지 접착제로는 폴리아미드이미드수지 산화철 분말

44

및 브론즈 분말 등을 혼합한 조성물을 사용하거나 미국

특허에서는 스와시플레이트 형 압축기의 플레이트 표면

에 MoS2 흑연 PTFE계 윤활제와 열경화성 수지인 폴리

아미드이미드(PAI) 조성물을 코팅하여 내마모 및 윤활성

을 부여하고 있다22) 내열성 향상을 위해서는 고체윤활

제 접착제수지 및 저융점 금속인 Sn Pb In Bi 등을 함

유하는 합금이나 화합물을 사용하여 금속의 잠열을 이용

내열성 향상을 시도하기도 한다

ㅇ 그간 철강(스테인리스강 탄소강 아연도금강판 등)의 내

부식성 향상을 위한 많은 연구들이 수행되어 왔다 4플루

오르에틸렌(C2H4) 4플루오르에탄(CF4) 6플루오르에탄

(C2F6) 3플루오르화에탄(CHF3) 8플루오르화에탄(C4F8)

같은 불소화된 단량체의 플라즈마 중합에 의한 테플론

류 코팅은 그들의 소수성으로 인해 금속의 내부식성 향

상을 위한 대안으로 주목을 받고 있다 A Delimi 등23)

은 유도결합 고주파플라즈마(inductively coupled radio

fre- quency plasma)를 사용하여 소수성 박막 불소수지

필름을 탄소강에 증착하고 3염수에서 내부식성을 평가

한 결과 1개월 동안 9nm의 필름이 유지되는 것을 관찰

하여 불소고분자 박막이 금속과 금속산화물의 보호층이

될 수 있음을 보고하였다

45

ㅇ PTFE를 이용한 세라믹코팅 기술로는 알루미늄 및 알루

미늄 합금 공작물을 양극처리에 의해서 티타늄 및또는

지르코늄 산화물을 포함하는 내식성 내열성 및 내마모

성 세라믹 코팅을 하고 이어서 양극처리된 공작물을

PTFE 또는 실리콘 함유 코팅과 같은 제 2 코팅으로 코

팅한다 이 발명은 가소성을 가지는 경질의 필름 내에서

내식성 내열성 및 내마모성을 제공하는 티타늄 및또는

지르코늄 산화물의 양극처리 층으로 기판을 예비-코팅함

으로써 알루미늄 기판에 보다 긴 수명의 코팅을 형성하

는데 특히 유용하다24)

ㅇ Nosaka 등25)은 PTFE로 대표되는 불소수지는 마모-링이

나 극저온 밸브의 실링부에 많이 사용되며 진공치환법에

의해 탄소재료에 PTFE나 MoS2 분말을 1-2wt 함침시

키면 무함침한 것에 비해 마모가 약 13로 감소한다고

보고하였다 한편 저자들은 터보펌프의 실링재료가 극저

온 환경에서 보이는 특이한 현상을 극복하기 위해 베어

링의 표면에 노출된 유리섬유를 불소산으로 처리하여 용

해 제거하고 윤활성을 높인 유리섬유강화 테프론 리테이

너를 개발하여 내구성과 윤활성을 향상시킬 수 있었다고

보고하고 있다

46

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위한 또 다른 특허로는

폴리실록산계 접착제를 단독 혹은 폴리에스테르계 접착

제와 병용하고 고체 윤활제로 MoS2(이황화몰리브덴

WS2(이황화텅스텐) h-BN(육방정 질화붕소) 팽창흑연

및 PTFE를 사용하고 충전제로 탄화규소 알루미나 산화

지르콘 산화티탄 등의 미분말을 사용하여 내마모 내열

및 윤활성을 부여하고자 하는 내마모성 및 윤활성 코팅

조성물에 관한 특허가 있다26)

ㅇ 내열성 내후성 내오염성 내약품성 내구성 등의 물성

은 유지하면서 비점착성을 높이기 위해 무기계 세라믹

코팅 조성물에 PTFE를 첨가하기도 한다 이러한 하이

브리드 코팅 조성물에 관한 특허로는 불소수지(01sim25

중량) 콜로이달 실리카나 콜로이달 알루미나 등 무

기계고분자 바인더(20sim80중량) 알콕시실란 화합물

(1sim50중량) 수용성 유기용제(1sim10중량) 충전제

또는 안료(5sim50중량) 및 물(100중량 까지 보충)로

이루어진 코팅 조성물에 관한 것으로 무기질 도료 및

무기계 세라믹 코팅에 의해 내열성 내오염성 내약품

성과 내구성을 유지하고 접착력을 높이기 위해 소량의

PTFE를 사용하는 것이 있다27)

47

ㅇ 정전 복사기에 사용되는 정착기재부의 최외층에 코팅하

여 기계적 성질 및 내마모성을 향상시키려는 목적으로

불소수지 기질 중에 분산된 불소화 다이아몬드를 함유하

는 입자로 구성된 조성물에 관한 일본 특허28)가 있다

ㅇ 부식 특성을 개선한 흑색 무크롬(chrome-free) 다층 내

부식 마무리 칠과 방법에 관한 특허29)로는 ASTM B 117

표준으로 시험할 때 백색 부식에는 최소 500시간 염수분

무시간 및 적색 부식에는 1500시간 염수분무시간에 적합

하게 설계된 마무리 칠에 관한 것이 있다 이 다층 시스

템은 광택(gloss) 4 이상을 만족하는 자동차 차체 강판

자동차 하부와 내장에 사용되기 위해 설계된 것으로 이

다층 마무리 칠은 3층 부식 방지 시스템을 형성하도록

아연-철 전기도금 기질 오르토인산을 사용한 무전해 인

산염 결정 전환 층과 XylanTeflon 실러 코팅의 조합이

다

ㅇ 전통적으로 철 강판(steel sheet)은 크롬산 염 전환 코팅

으로 개질되어 왔으나 6가 크롬이 배출되어 환경을 오염

시키는 문제점이 있어 강판의 내-부식성을 개선하기 위

해 고분자 수지 코팅들이 수행되고 있으나 이 방법은 고

48

분자 코팅 층이 열전도도를 감소시키는 단점을 가지고

있다 Kang 등30)은 강판 위의 고분자 코팅 층의 열전도

도를 향상시키기 위해 초미세-크기 다이몬드(μD)입자를

열전도 물질로 사용하였다 다양한 음이온 및 비-이온

계면활성제들을 사용하여 수용액 중에서 무거운 μD입자

의 안정화를 시험들을 한 결과 1-피렌카르복시산(PCA)

이 가장 양호하였다 그림 3-2는 이 시험 결과를 요약한

것이다

- 강판 위에 PCA로 안정화 된 μD 입자를 함유한 폴리

우레탄-기초 코팅 층은 열전도도가 0351W(mK)에서

0434 W(mK)(10 wtμD)로 향상되었으며 더욱 144

시간 동안 염수 분무 시험결과 부식거동은 관찰되지

않았다

그림 3-2 피렌카르복시산을 이용한 μD 표면처리

ㅇ 자동차공업에서는 기본적인 특성으로 내마모성이 요구되

49

는 강철 기계부품들의 마찰특성을 향상시키기 위해 다양

한 금속 및 고분자 코팅들이 광범하게 이용된다 내-마

모 코팅은 두 가지 주요 특성인 높은 표면경도와 자기-

윤활 특성이 필요하다 후자의 범주에 속하는 것이

PTFE와 MoS2 기초 코팅이다 무전해 니켈 코팅은 높은

경도로 인해 양호한 마찰 특성을 보이며 한편 열처리를

통해 경도를 향상시킬 수 있다 PTFE입자의 첨가는 코

팅경도를 감소시키나 자기-윤활특성을 부여한다 S

Rossi 등3132)은 마찰특성을 향상시키기 위해 이용되는 탄

소강에 이용되는 몇 가지 공업적인 코팅에 관한 부식거

동에 관해 평가 PTFE입자를 함유한 무전해 니켈-인

(Electroless Nickel-Phophorus)코팅은 PTFE 입자(자기-

윤활 특성)를 갖는 외층과 장벽-효과를 갖는 내층으로

인한 이중 특성으로 가장 양호한 특성을 보였다고 보고

하고 있다

ㅇ 모든 기계적 시스템은 동적 요소를 필요로 하며 마찰과

마모를 줄이기 위한 다양한 수단들이 가능하나 그 선택

은 환경이나 조작 조건에 제한을 받는다 PTFE는 자기

윤활 낮은 마찰계수 높은 열안정성과 화학약품 안정성

으로 산업분야에 널리 사용되는 엔지니어링 고분자이지

만 내마모성이 매우 부족하다 이러한 이유로 금속

-PTFE충전 복합체들이 PTFE의 마찰특성과 금속충전제

50

의 내마모성을 결합하여 특정 분야의 용도로 소개되어

왔으나 금속-고분자 물질에서의 충전제의 역할은 완전히

설명되지 않고 있다 복합체 표면의 과잉의 충전제 농도

는 미끄러지는 동안 부하를 지지하여 내마모성을 증가시

키는 것으로 생각되며 PTFE의 마모율은 Mo Zn Ni

Y2O3 및 SiO2 같은 무기 충전제에 의해 1000배가량 감소

되었다는 보고도 있다 유리섬유 구리 세라믹 탄소섬유

절단 탄소섬유 나노입자를 포함한 경질의 충전제 입자들

이 PTFE의 내마모성을 높이기 사용되어 왔다

ㅇ 비교적 두꺼운 코팅에는 열분사(thermal spray) 용사기

술이 정립되어 있고 용사 코팅은 내마모 내마찰 내프레

팅(fretting) 및 내부식을 요하는 산업에 많이 이용되고

있다

- 용사 몰리브덴(Mo)코팅은 실질적 내마모성 코팅으로

가장 광범하게 이용되며 프레임용사(flame spray)거나

와이어용사(wire spray)기술로 생산된 몰리브덴(Mo)

코팅은 흠이나 마모에 대한 고도의 저항을 얻기 위한

가장 좋은 코팅재료 중의 하나이다

- 알루미늄 청동(aluminium bronze)은 높은 내-부식성

과 내마모성을 갖는 것이 특징이다 저압 플라즈마 용

51

사 기술은 자기-아닐링(self-anealing)과 부서지기 쉽

도록 유도하는 γ-상의 형성을 피할 수 있도록 높은

냉각 속도를 얻는 데 사용되며 알루미늄 청동 저압

플라즈마 용사 코팅은 낮은 마찰과 마모를 보였고 비

교적 최근 플라즈마 용사 기술을 이용하여 알루미늄

기질에 고분자-세라믹 복합체를 코팅하는 기술이 개

발되었다33)복합체 코팅으로 행한 마찰 시험에서 낮

은 마찰계수를 얻을 수 있었다

- 낮은 마찰계수와 고 내마모성을 갖는 이성분 금속

-PTFE 코팅이 개발되었고 이들의 마찰 공학적 성능

이 보고되었다 PTFE-기초 복합체 설계에서 일반적

인 접근방법은 경질의 충전 입자들을 도입하는 것으

로 M Yamane 등34)은 PTFE-금속 이성분 코팅의 마

찰 마모성능에 관한 연구 결과 알루미늄 청동 코팅이

Mo코팅에 비해 PTFE 저장소(reservoir)에 유용했음

을 보고하였다

⑹ 충전 또는 강화 플루오르화 탄소1)

ㅇ 분말이나 강화섬유 등 전형적인 충전재들이 충전 또는

강화 플루오르화 탄소에 사용된다 충전재는 저온흐름

52

을 향상시키는 데 사용되며 수축과 균열을 줄이고 열

팽창을 낮추며 열전도율을 향상시킨다

ㅇ 분말이나 단섬유로 된 전형적인 충전제를 표 3-5에 종합

하였다 유리섬유는 가장 보편적인 PTFE 충전제로 화

학 및 전기적 특성에 최소로 영향을 미치며 기계적 특

성을 크게 향상시킨다 분말에 비해 섬유는 압축강도

강성도 및 지지용량을 더욱 향상시키나 분말은 충전

테플론의 내구성에 거의 영향을 미치지 않는다 금속분

말은 특히 열전도도를 향상시키며 고속에서 발생하는 마

찰열을 소멸하는데 도움이 되며 전기저항을 상당히 감소

시켜 금속-충전 조성물은 양호한 절연체는 아니다

ㅇ 흑연(graphite) MoS2는 초기 내구성과 마찰을 개선하고

기계적 특성을 향상시킨다 석면은 많은 유용한 특성을

갖지만 가공 처리 중 가스가 방출할 뿐 아니라 사용금지

물질이다 표 3-5 외에도 금속 망 장섬유 다공성 금속

등 다양한 충전제들이 있으며 다양한 종류의 제품들이

상업 생산되고 있어 최종 선정을 하기 전에 플라스틱 가

공업자로부터 보다 완전한 정보와 추천을 받는 것이 바

람직하다

53

표 3-5 불소수지용 충전제

ㅇ 압축강력 인장과 압축 시의 탄성률 및 항복강력은 첨가

제의 첨가에 의해 모두 증가하나 일반으로 인장강력과

신도 및 충격강도는 손실된다 통상 충전 테플론은 압축

상태에서 사용되므로 인장강력의 감소는 중요하지 않다

인장강력의 손실은 설치(연속적인 링-실링)할 때 인장되

는 재료에서 중요하다 열팽창 계수는 비-충전 테플론에

비해 감소되어 통상 금속 부품의 팽창계수와 잘 맞는다

ㅇ 마찰과 마모를 수반하는 분야에서 가장 중요한 것은 충

전제로 얻어지는 PV한계치의 증가와 마모의 감소다 비-

54

충전 테플론에 비해 PV한계치 크기는 개략적으로 1차원

적으로 증가하나 마모인자는 3차원적으로 감소한다 충전

테플론의 평균치들은 동적 마찰계수는 01-02 PV한계치

는 10000-20000 psi-fpm 마모상수는 10times10-10in3-min

lb-ft-hr이다 그림 3-3은 충전 테플론 PTFE의 마찰계

수에 미치는 충전제 종류와 농도의 효과에 관한 것이다

그림 3-3 테플론 PTFE에 미치는 충전제 종류와 농도1)

ㅇ 내마모성을 향상시키는 충전제는 실제로 연마저항성을

감소시키는 것으로 날카로운 입자는 보다 쉽게 침투하고

충전제 입자와 수지 사이의 경계를 따라 충전 플라스틱

을 찢는다 따라서 라이닝 슈트 같은 분야의 적용 시는

55

비-충전테플론이 보다 바람직하다

⑺ 시트 테이프 및 박층(laminates)

ㅇ 대부분의 플루오르화탄소는 충전 여부에 관계없이 두

께 1mil(0001 in)까지 시트나 테이프로 만들 수 있고

시트나 테이프를 찍어서 원하는 형상의 립-씰(lip seal)

펌프 컵(pump cup) 피스톤 링(piston rings) 가스켓

(gaskets) 등을 만들 수 있다

ㅇ 유체의 누설을 정지시키는 밀봉기능 부품 중 각종기기의

접합부나 배관 플랜지 등의 밀봉에 사용되는 가스켓

(gaskets)은 석면이 널리 사용되어 왔으나 유해물질 배

출 및 이동량 보고제도(PRTR Pollutant Release and

Transfer Register)에서 발암성을 가진 제1종 지정 화학

물질로 지정되어 사용이 금지되어 PTFE가 가스켓으로

개발되었다 PTFE는 용융 알칼리 금속 및 그 용액과 불

소 및 3불화염소에 의해 약간 침식되나 모든 화학약품에

안정하고 우수한 내부식 재료로 C-F결합력이 크고 F원

자가 C-C결합의 주위를 간격 없이 들러 싸고 있기 때문

에 다른 물질의 공격을 방어하고 있고 내열성은 260로

높다35)

56

- PTFE 필러를 사용한 PTFE 나선 권형 가스켓은 석

면에 대한 사용규제와 상관없이 사용되어 왔으며 유

연한 필러를 사용하므로 석면 가스켓 보다 낮은 체결

압력에서도 실 특성이 우수하고 내식 면에서도 광범

하고 다양한 유체에 사용이 가능하다 다만 단열성 면

에서는 석면 나선 권형 가스켓 보다 사용온도 범위가

제한된다

ㅇ 산업 기계나 자동차의 브레이크 제동장치에 부착하여 마

찰력을 부가하는 브레이크 라이닝에서는 마찰계수와 내

마모력 및 충격계수 등 마찰특성이 우수한 석면을 주로

사용하여 왔으나 제동 시 발생하는 미세 석면분진으로

인해 대기오염에 의한 환경을 파괴 뿐 아니라 인체에 흡

입될 경우 암을 유발하여 PRTR로 사용이 금지되었다

석면을 대체할 유기질 또는 무기질 된 다양한 비석면 마

찰 섬유 등이 사용되고 있으며 마찰 섬유에 테프론을 코

팅하여 브레이크라이닝의 수명향상 제동 시 발생하는 소

음 떨림 및 제동력 향상을 위한 제품개발이 시도되고

있다

- 예로 국내 특허36)에서는 브레이크 라이닝(또는 패드)

의 마찰재 배합재료 중 유기섬유(Kevlar섬유 pulp섬

57

유 등)에 테프론을 코팅하고 코팅된 유기섬유에 결합

재 충전재 윤활재 마찰안정재 마찰조정재 등을 소정

의 배합비로 배합하여 성형하고 열처리하여 브레이크

패드 또는 라이닝을 제조한다

ㅇ 초소형 정밀기계(MEMS Micro-Electromechanical

System)분야에서는 점착방지를 위해 불화 유기박막을

사용한다 Park 등37)은 단층 두께의 불화 유기박막의

특성을 접촉각 측정을 통해 분석하였다

⑻ DLC 코팅3839)

ㅇ DLC(diamond-like carbon)는 몇 가지 다이아몬드의 전

형적인 특성을 나타내는 비정질 탄소물질로 극도의 내마

모 특성을 필요로 하는 재료의 코팅에 이용되고 있다

DLC코팅은 연마 마모를 감소시키기 위한 재료에 유용하

여 엔드밀 드릴비트 금형 같은 공구는 물론 자동차 기

계부품 및 전자산업 등 산업전반에 걸쳐 적용된다40)

ㅇ 환경오염 문제로 인해 PRTR(Pollutant Release and

Transfer Register 유해물질 배출 및 이동량 보고 제

도) 이 시행되어 습동 부품이나 절삭 시에 사용되는 오

일이나 그리스에 포함되는 첨가제(MoS2 Zn 등)와 이들

58

부품을 세정할 때 사용되는 용매 기계부품의 수명을 연

장시키기 위해 활용되었던 Cr도금 폐액에서 발생하는 6

가 크롬 등의 오염물질들에 대한 규제가 더욱 강화되어

DLC에 의한 무윤활 습동과 무윤활 절삭을 지향한 공구

와 기계 부품의 개발이 관심을 끌고 있다4142)

- 일본 내에서는 PRTR이 시행되고 이것에 저촉되는 재

료에 관해서는 MSDS(Material Safety Data Sheet)를

첨부해야할 의무가 있고 부품가공 습동 용도에서는

대상 리스트에 올라 있는 오일 오일 중의 중금속 도

금폐액을 어떻게 경제성 있는 환경 친화적 공정과 재

료로 전환할 것인가를 고려하면서 무윤활 습동 무윤

활 절삭 탈크롬 도금의 3가지 키워드가 대두되고

DLC코팅이 대안으로 모색되고 있다

- DLC코팅 적용기술과 과제에 관한 자료로는 자동차

관련부품 적용사례 엔진부위 마찰 작동 밸브계의 마

찰저감 DLC와 윤활제에 의한 마찰저감 기술을 중심

으로 살펴본 보고가 있다43)

ㅇ DLC는 7가지 형태가 존재하며 모두 상당한 양의 sp3혼

성궤도 탄소원자를 함유한다 다양한 형태의 DLC가 진

공 환경으로 적합한 재료들에 적용가능하며 유럽에서의

59

2006년 위탁 DLC코팅 시장은 3천만euro로 추정되었고 국

내도 활발한 상용화가 시도되고 있다

ㅇ 사반면상(tetahedral) 비정질 탄소 ta-C를 2두께로 코

팅하면 연마마모에 대한 스테인레스 강(304 type)의 내구

성을 증가시켜 수명을 1주일에서 85년으로 늘이며 이러

한 DLC의 형태는 sp3결합 탄소 원자로만 이루어지기 때

문에 순수한 DLC로 간주되며 수소 sp2흑연 탄소 금속

같은 충전제가 생산경비를 낮추거나 원하는 특성을 부여

하기 위하여 사용되고 있다

ㅇ DLC를 만드는 방법에는 sp3탄소 보다 낮은 밀도의 sp

2

에 의존하는 몇 가지 방법들이 있으며 압력 충격 촉매

또는 이들의 조합으로 sp2결합탄소 원자들을 sp3결합탄소

로 근접시킨다 최근 초고압 하에서 탄소의 경량 특성을

갖는 초경도 무정형 다이아몬드가 만들어졌다 탄소로 만

들어지는 다이아몬드 그래파이트는 결정구조를 가지나

DLC는 비정질이라는 점에서 크게 다르고 200 정도의

저온에서 형성시킬 수 있다는 점이 통상의 PVD막에 비

해 훨씬 우위에 있다

ㅇ DLC코팅은 제조공정이 복잡하고 생산 단가가 비싸 적용

이 어려우며 적용되는 소재가 제한되는 단점을 갖는다

60

주요제법으로는 고주파 플라즈마 법 이온화 증착법 스

페터링법 등을 들수 있다 고주파 플라즈마 법은 메탄가

스가 원료로 사용되고 막 중의 수소가 약 30(원자)로

평활성이 우수하고 마찰계수가 작으나 경도가 낮다 이

온화 증착법은 벤젠을 사용하며 막은 단단하나 면의 조

도가 거칠고 후막화 하기 위해 스패터링 방법이 검토되

고 있다

⑼ 불소수지의 안전성

ㅇ 테플론 PTFE의 열분해는 200(392)에서 감지되며 이

것은 몇 가지 플루오르화 탄소 기체들과 승화물질을 방

출한다4445)1955년 동물실험에 관한 한 연구에서는 이들

물질이 250(482) 이하에서는 의미 있는 양이 아니라

고 결론지었으나 최근 비-점착 주방기구인 프라이팬이

나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가열할 때 조류를

죽일 수 있는 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수

도 있다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있다45)

ㅇ 표 3-6은 EWG가 보고한 3-5분 내에 370까지 불소수

지를 가열할 때 발생되는 15종의 불소화합물에 관한 것

이다 테플론과 같은 코팅물질들이 장기적으로 인체에 미

61

치는 영향에 관한 연구는 이루어지지 않고 있으나 독감

과 유사한 질병을 유발할 수 있으며 이를 중합체 증기열

(polymer fume fever)이라 한다

표 3-6 15종의 유해물질 및 유독성 기체44)

ㅇ 최근 표 3-6의 화합물들 중 특히 TFA와 과불화된

(perfluorinated) PFOA(perfluorooctanoic acid)에 관심이

증가되고 있다 PFOA는 새로운 환경오염물질로 미국 환

경보호청(EPA)에 의하면 보통 때는 문제가 없으나 조리

과정에서 프라이팬에 열을 가하고 강하게 긁을 경우 용

62

출되어 나오며 이것이 음식물과 함께 인체에 흡수되는

것으로 추정하였다 한편 DuPont의 테플론 PTFE 연구

결과에 의하면 검출한계인 9ppb 이상 검출되지 않으며

테플론 주방기구에서는 PFOA가 존재하지 않는다고 발

표하고 있다

- 물이나 공기를 통해 환경에 노출된 PFOA는 고 콜레

스테롤 궤양성 대장염 갑상선 질환 고환암 신장암

및 임신성 고혈압과 관련된다고 보고되었다

- PFOA는 불소수지 생산과정에서 사용되는 첨가물로써

암모늄 형태로 PTFE 유화중합에 계면활성제로 사용

되며 불소수지의 품질과 균일성을 유지하기 위해 필

수적인 첨가물이기 때문에 전 세계 모든 불소수지 제

조업체가 사용 중에 있다 한편 국내 주력 산업인 반

도체 생산 과정에서도 PFOA를 대량으로 사용하고 있

어 체계적인 실태조사와 대책수립이 필요하다는 의견

들이 대두되고 있다

⑽ 불소화합물의 안전성과 환경대책

ㅇ 표 3-6에서 살펴본 바와 같이 테플론을 급격히 고온으로

가열하면 2종의 발암물질을 포함한 유독성 가스가 발생

63

하고 특히 불소화합물 중 MFA(monofluoroacetic acid)는

적은 양으로도 치명적 해를 끼치고 PEIF(perfluoro-

isobutene)는 신경가스제로 여러 가지 질환을 발생시킨다

한다44)

따라서 테플론으로 코팅된 장치를 재 코팅하기

위해 테프론을 고온으로 급격히 가열하거나 소각 등을

통해 제거할 때는 발생 가능성이 있는 유독가스를 제거

하기 위한 별도의 설비를 이용하여야 하고 유 등44)의 보

고서에서와 같이 중조(NaHCO3)를 포화시킨 충분한 물로

유독 산성 물질을 중화시키는 것도 고려할 만하다 한편

부식대전 방지 코팅도 테플론 코팅 일변도에서 세라믹

코팅 CNTs이나 DLC 코팅기술로 대응하는 것을 추천하

고 싶으며 이것은 유해물질 배출 및 이동량 보고제도

(PRTR Pollutant Release and Transfer Register)에 대

비하는 등 기업의 장래를 고려하는 것도 될 것이다

ㅇ PTFE를 사용한 취사도구는 1960년대 이래 사용되어 오

고 있으나 최근 들어 이것의 안전성이 논쟁의 주제가 되

고 있으며 논의 주체는 PFOA(perfluorooctanoic acid)이

다 PFOA는 PTFE를 비롯한 많은 불소수지의 생산에

사용되며 DuPont의 테플론 PTFE 연구 결과에 의하면

프라이팬을 260 이상 고온에서 가열하거나 코팅이 벗

겨져도 PFOA가 존재하지 않는다고 한다 그러나 물이나

64

공기 토양 식품포장재 등 여러 곳에서 PFOA 오염사실

이 보고되고 있다 한다44)

- 미국 EPA는 인체와 환경에 대한 PFOA 연구를 계속

하고 있으며 2015년까지 PFOA 및 이와 관련된 화합

물 방출을 배제할 프로그램을 갖고 있으나 PTFE-기

초 비점착 취사기구를 중지시킬 타당성을 갖고 있지

는 않다 최종제품은 PFOA가 아닌 PTFE이기 때문이

다

- 수십 년 동안 불소수지 비점착 코팅이 시장을 지배하

였으나 최근 몇 가지 신기술들이 출현되고 있으며 이

들 대부분은 실리콘 세라믹과 실리콘 기술로 이들 코

팅은 PTFE와 PFOA를 함유하지 않는다

- 오늘날 출시된 비점착 취사용구는 수많은 상표로 팔

리고 있으며 DuPont에 의하면 대부분의 취사용구 코

팅은 정상적으로 사용할 때 3-5년 견딜 수 있을 것으

로 예측한다 너무 문질러서는 안 되고 따뜻한 비눗

물로 씻어주는 것이 좋으며 닳거나 흠이 생기지 않도

록 나무 플라스틱이나 코팅된 재료로 만든 도구를 선

택하고 보관도 흠이 생기지 않을 장소나 캐비닛을 권

장하고 있다

65

ㅇ 국내의 불소수지 안전성에 관한 것으로는 재질규격(납과

카드뮴)과 용출규격(납 과망간산칼륨소비량 증발잔류물)

이 식품용 기구 및 용기 포장 공전46)에 기재되어 있으며

최근 국내에서도 PFOA를 비롯한 유해 불소화합물에 관

한 관심이 커져 가고 있다

ㅇ PFOA 문제가 표면화 되면서 환경 보전형 불소계 발수

유제의 개발과 공업화도 새로이 부각되고 있다 이에 관

한 보고서를 모니터링한 KISTI자료47)를 중심으로 간단히

요약하면 발수제의 주요성분 퍼플루오로알킬기(Rf기)함

유 폴리머의 기능은 Rf기의 고리길이에 크게 의존하므로

PFOA문제 해법으로 탄소수 8 이상인 종래의 불소화학

에서 탈피 짧은 고리 Rf기(탄소수 6)를 가진 새로운 단

량체를 선택하여 발수제를 제조함으로써 환경 보전형 불

소계 발수유제를 개발하고 공업화하였다 한다

66

제 4 장

지원결과

1 지원결과 종합

테프론 코팅 기술의 문제점과 부식대전방지용 테플

론 코팅에 관한 정보 외에 신청기업의 요청에 따

라 C-나노튜브 코팅 및 DLC증착에 관련된 기술 정

보도 제공하였다

테플론은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat resistant)

비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coefficient of

friction) 내약품성(chemical resistance)과 특이한 전기적

특성(unique electrical properties) 및 온내구력(cryogenic

stability)으로 그 응용범위가 광범하며 용도에 따른 엄격

한 품질관리가 요구될 것으로 생각되어 중소기업에 적합

한 기초능력 배양과 신제품을 구상하기 위한 최신기술에

관한 정보를 제공하고자 하였다

67

불소수지의 코팅은 두께와 첨가제가 관건으로 이에 관한

자료를 제공하고자 하였으며 불소수지의 전기특성 폭발

성 환경과 반도체 제조공정에서의 대전 방지 처리를 위

한 정전기 관리 지표 등을 특허를 중심으로 조사하여 제

공하고자 하였다

C-나노튜브를 이용한 대전방지 코팅 기술 및 C-나노튜

브의 제법 등 이것에 관한 기초정보를 제공하고자 하였

으며 내마모성 테플론 코팅에 관해서는 테플론을 이용한

세라믹 코팅 기술에 관한 정보도 제공하고자 하였다

테플론의 기계적 전기적 특성을 강화하기 위해 사용되는

충전제를 종합하고 기초이론을 정립함으로써 금후 원부

자재의 선정에 도움을 주었다

테플론은 석면 대체재로도 주목받고 있어 이에 관한 특

허 정보들을 제공하였으며 다이아몬드의 전형적인 특성

을 나타내는 DLC의 코팅관련 기술 정보를 환경오염 문

제와 연관하여 자료를 제공하였고 최근 비-점착 주방기

구인 프라이팬이나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가

열할 때 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수도 있

다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있어 이에

관한 정보도 제공하였다

68

2 지원의 한계

중소기업이 당면한 문제는 전문기술의 확보다 관련 기술

이 비약적으로 발전하는 추세에 비추어 한정된 인원으로

신기술을 소화하고 개발하기는 어려울 것이므로 출연연

구기관이나 대학과 공동연구를 모색할 수 있으나 이것도

중소기업으로서는 경제적 부담이 될 수밖에 없을 것으로

생각된다 가능하다면 앞으로도 KISTI의 정보지원이 계

속되기를 바라고 있었다

3 기대효과

부식대전 방지 테플론 코팅에 관한 기본 기술이 배양되

어 합리적인 원부 원료의 수입검사 공정관리 및 제품관

리를 통해 원가절감은 물론 신제품 신기술에 관한 정보

수집 및 분석능력이 배양되고 개발력이 확충되어 기업

경쟁력 향상에 도움이 될 것이다

69

참고문헌

1 Francis J Clauss Chapter 9 Fluorocarbons Solid

Lubricants and Self-lubricating Solids Academic

Press 1972 pp195sim238

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7 JP-2010-78036(株式會社ルネサステクノロジ 配管チユブ

およびこれを備えた機械裝置)

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70

10 등록번호10-0365003 (주식회사 엘지아이 열처리를 이

용한 테프론 코팅 방법)

11 등록번호 10-0811228(조철환 내열 세라믹 주방용기의

불소수지코팅방법 및 그 방법에 의해 불소수지 코팅된

내열 세라믹 주방용기)

12 등록번호 10-0449561(주식회사 봉성비에스 완충기용

피스톤의 테플론 코팅장치)

13 WO 2000054614(Solex Robotics Systems Inc Anti-

staticNon-sparkling Coatings for Explosive Environ-

ments)

14 WO 2012123103(WLGore amp Associates GMBH Use

of an Ionic Fluoropolymers as Antistatic Coaating)

15 WO 2012053774(탑나노시스 ldquo작업 스테이지 표면의 대

전방지 처리 방법 및 상기 방법에 의하여 표면이 대전

방지된 작업 스테이지rdquo)

16 공개특허10-2008-0061943(주식회사 하이닉스반도체 이

온 주입장비의 웨이퍼 지지 장치)

17 Polytetrafluoroethylene Aluminum magnesium boride

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23 Amel Delimi Elisabeth Galopin etal Ivestigation of

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24 WO 2006047500(Henkelkommanditgesellschaft auf

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72

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Coating)

25 野坂正隆 低溫環境下におけるドライボロジドライボロ

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26 이계영 김태균 김종구 ldquo내마모성 및 윤활성 코팅 조성

물rdquo 대한민국 특허 등록번호 10-1151909(2012)

27 (주)바론에스엘 ldquo불소수지와 세라믹의 유무기 하이브

리드 코팅 조성물 및 그를 이용한 도막 형성 방법rdquo 대

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28 JP-2010-261035(Xerox Corporation フツ素ナノダイヤ

モンドを含むテフロン定着器部材)

29 WO 2006 017259(Thomae Kurt J Multilayer

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30 Eunsoo Kang Seongcheol Choi Changhoon Choi

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31 S Rossi F Chini etal Corrosion Protection

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73

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32 S Rossi F Deflorian F Venturini Improvement of

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33 Mateus C Costil S Bolot R Coddet CCeramicfluo-

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34 Masaaki Yamane Tadeusz A Stolarski Shogo Tobe

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35 이치옹 분석자료 ldquo나선형 개스킷의 비석면화rdquo Takashi

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36 등록번호 10-0522254(백원두 브레이크 라이닝(또는 패

드) 제조방법)

37 Jin-Goo Park et al Characterization of Fluorocarbon

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38 유호천 ldquoDLC 코팅 표면처리rdquo KiSTi 중소기업 정보지

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39 유호천 ldquoPVD DLC TRD 코팅설비를 활용한 복합충

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21

40 김유상 ldquo알루미늄합금에의 DLC코팅기술rdquo KiSTi 첨단

기술정보분석 2013 02-01

41 국립환경과학원 ldquo화학물질 배출량 조사 OECD와 협력

강화rdquo 보도자료 (2010 11 18)

42 월간기계기술 기자 ldquo새로운 코팅기술과 공구에 대한 적

용rdquo 2005년 3월호

43 加納 眞 ldquoDLC コ-ティングの適用技術と課題rdquo トライ

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44 식품의약안전청 연구보고서(연구책임자 유승석) 불소

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46 식품의약품안전청 ldquo식품용 기구 및 용기 포장 공전rdquo 2012

47 廣野高生 ldquo環境保全型フッ素系 撥水撥油剤の 開發と 工

業化rdquo ファインケミカル(日本) 37(11) 2008 pp39-44

이치옹 모니터링분석 KISTI

75

저자소개

김학주(金鶴柱) 서울대학교 문리과대학 화학과 졸업 이학사

전북대학교 대학원 화학과 이학박사

(주)삼양사 의약연구소장 신성대학교 교수

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 폴리에스테르 섬유의 연중직방기술 외 다수

저서 기기분석 공업물리화학 일반화학

성용길(成墉吉)

동국대학교 이과대학 화학과 졸업 이학사 이학석사

부산대학교 대학원 화학과 이학박사(Dr Sci)

University of Utah USA Ph D(공학박사) Post Dr

유타대학교 연구교수 부산대학교 교수 동국대학교 교수

동국대학교 명예교수 한국원자력문화진흥원 이사

과학문화연구원전문연구위원 한국도량형과학문화연구원 원장

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 의료용 기능성 고분자재료에 관한 연구 외 330편

저서 고분자 물성론 (서울대학교 출판부 공저) 외 10권

1

제 1 장

개 요

1 정보지원의 필요성

최근 반도체관련 기업체공장과 공정 중에서 부식방지

와 대전방지의 문제점을 해결하기 위해서 불소수지 고

분자재료의 전기가 통하지 않는 성질을 이용하여 부식

대전방지 테프론 코팅을 채택하고 있으나 테프론 코팅

은 실제 정전기를 유발하는 제반 문제들이 발생되고

있어 이를 극복하여야 한다

금속 혹은 세라믹 기재 등에 내마모성과 비점착성 및

윤활성을 부여하기 위하여 불소수지 고분자와 다양한

충전제를 배합한 조성물과 유기 또는 무기질 바인더를

이용하여 기재인 알루미늄 혹은 철 재료의 표면에 코

팅하여 저마찰성 비점착성 내마모성 등의 물성을 부

여하는 기술개발은 계속되고 있다 그리고 합성수지인

테프론 등 불소수지가 고온에서 화학분해 과정을 통해

2

유독성분이 발산되므로 최근에는 조리용 프라이팬 등

에 PTFE계 수지의 사용을 제한하는 조치가 시도되고

있는 등 환경관련 문제에 관한 정보가 필요하게 되었

다

위의 문제점들을 해결하기 위해서 ReSEAT 프로그램

의 전문연구위원으로부터 최신의 기술정보들에 관한

지원과 멘토링을 받고자 요청하고 있다 이 문제점들

을 해결하는데 상응하는 최신 학술문헌과 특허정보들

을 KISTI를 통하여 연구 조사하여 지원하고자 한다

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구

위원 김학주와 전문연구위원 성용길은 기술정보지원

신청업체에 부식대전 방지용 테프론 코팅의 제반 문제

들을 해결하기 위한 필요한 기술을 전수하고자 한다

2 정보지원의 목적

ㅇ 본 정보지원의 목적은 LCD와 PDP OLED 등 테프론

코팅이 필수적 요소인 대형 디스프레이 공정에서 정전

기 유발을 방지할 수 있는 기술에 관한 최신정보 및 특

허조사 등에 관한 자문과 현재진행 중에 있는 각종 부

3

식과 대전 방지기술에 관한 객관적 멘토링을 통하여 부

식대전 방지용 테프론 코팅에 관한 제반 문제들을 해결

하고 안전하게 본 중소기업체의 제품생산과 기술을 향

상시키고 고급화 하는데 있다

ㅇ 또한 화학반응용 용기 및 원자로 건설에 필요한 각종 제

작품 등에 필요한 부식방지 및 대전방지를 위한 테프론

코팅의 최신 기술정보를 제공 지원하고 그 특수코팅에

필요한 맞춤형 기술정보를 제공하는 것이 본 연구의 목

적이다

3 참여연구원

lt표 1-1gt 참여연구원

구분 성명 직위 전공 업무

ReSEAT

프로그램

김학주 전문연구위원 고분자 과제 책임자 기업현황 분석

성용길 전문연구위원 고분자 정보지원 기술전수 멘토링

4

제 2 장

지원 내용

1 정보지원 업체의 요구사항

테프론 코팅 기술의 문제점과 부식대전 방지용 테

프론 코팅에 관한 최신 기술정보

정전기 대전방지용 테프론 코팅과 부식대전방지 테

프론 코팅기술의 특허문헌과 학술문헌

불소수지 코팅에 관한 기술 동향과 부식대전 방지용 테

프론 코팅의 응용기술에 관한 기술정보

유리의 정전방지 박리대전 가공 C-나노튜브 코팅 수

분산성 도료(binder) 등을 사용한 내열성 세라믹코팅

및 대규모 DLC증착 관련 기술정보

5

2 정보지원의 범위 및 내용

가 정보지원 범위

정보지원은 LCD공정용 스테이지(Stage) 박리 대전방지

코팅 반도체 공정용 석영 관련제품 코팅 추출용 반응기

튀김틀 코팅 광학필름 및 기능성 필름 생산롤러 코팅

전기재료 석유화학 정밀화학 반응기 코팅 및 필터드라

이어 등 테프론 코팅에 관한 전반적인 기술 자료와 불소

수지의 특성과 용도 및 환경과 관련한 안전문제에 관한

지식과 기술정보를 제공하였다

나 정보지원 내용

KISTI에서 체계적적으로 NDSL 검색 유럽특허청 검

색 Web of Science 검색 Google 검색 Sci Dir를 통

한 원문입수 등의 작업을 수행하였다

- Keywords에 의한 문헌 및 특허조사 TEFLON +

Coating Anti-corrosion Coating Anti-static

Coating Fluoropolymers Fluorinated polymers

Fluorocarbon polymers

6

- Keywords=TI (TEFLON or Fluoropolymers or

(Fluorinated polymers)) Coating) 또는 AB

((TEFLON or Fluoropolymers or (Fluorinated poly

mers)) Coating) 활용하여 학술문헌과 특허를 검색

하였다

신청업체 공장현장에서 현재까지 수행되고 있는 부식

방지 및 대전방지 테프론 코팅기술들을 종합하여 분석

하고 조사된 기술정보 자료들과 비교 분석하여 장차

개선할 수 있는 코팅 신기술을 조사 분석하여 자문하

고 멘토링 하였다

7

제 3 장

지원 프로세스

1 1차 지원

일시 및 장소 2013년 4월 22일(월요일) 1000-1400시 신청

업체 2층 회의실

참석자 히토시 사토(부사장) 성용선(연구소장) 장용석

이사

주제 및 토의사항

- 지원업체의 현황 LCD공정용 스테이지(Stage) 박리

대전방지 코팅 반도체 공정용 석영 관련제품 코팅

추출용 반응기 튀김틀 코팅 광학필름 및 기능성필름

생산 롤러 코팅 전기재료 석유화학 정밀화학 반응기

코팅 및 필터드라이어 등의 테프론 코팅에 관한 작업

8

- 지원내용과 향후지원계획 공장 현장을 방문하고 브리

핑을 통해 필요한 정보를 파악함 조사된 자료(문헌

특허 등)를 전달하고 희망 사항을 파악한 결과 특히

유리의 코팅을 중심으로 한 박리대전 방지 가공 세라

믹 코팅(수분산성 도료-바인더-)을 사용한 내열성 코

팅 대형 DLC 증착기술 및 경쟁사가 개발하고 있는

C-나노튜브 코팅에 관한 정보에도 관심이 많았음

ReSEAT NDSL 및 구글 야후 네이버 등을 통한 자

료조사 방법의 활용 방법을 설명해 주었음

- 지원효과 ReSEAT NDSL 구글 야후 네이버 등을

통한 주제 또는 키워드 검색에 의한 자료 검색 분석

능력 향상 제공 자료와 문헌의 활용 효과 등

- 자료제공

① Klaus Lunkwitz Uwe Lappan Ulrich Scheler

Modification of perfluorinated polymers by

high-energy irradiation Journal of Fluorine

Chemistry Vol 125 2004 pp863sim873

② LBorucki et al Diamond Conditioner Wear

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Transaction on Electronic Materials Vol 8

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③ Polytetrafluoroethylene Aluminum magnesium

boride Diamond-like carbon Carbon nano-tube

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④ 野坂正隆 低溫環境下におけるドライボロジドラ

イボロジスト(日本) Vol 52(11) 2007 pp759sim

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⑤ 식품의약안전청 연구보고서(연구책임자 유승석)

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⑥ 이장호 등 테프론 코팅 전열관 표면으로의 열 및

물질 전달 특성에 관한 실험적 연구 대한기계학

회논문집 B권 Vol 27(8) 2003 pp1051sim1060

⑦ Eun-Joo Kim et al Teflon coating of fabric

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28(2) 2011 pp232sim239

⑧ Jin-Goo Park et al Characterization of

Fluorocarbon Thin Films by Contact Angles

Measurements Journal of Microelectronics amp

Packaging Society Vol 6(1) 1999 pp39sim49

⑨ WO 200054614(Solex Robotics Systems Inc

Anti-static Non-sparkling Coatings for

10

Explosive Environments)

⑩ WO 2012123103(WLGore amp Associates GMBH

Use of an Ionic Fluoropolymers as Antistatic

Coating)

⑪ WO 2006 017259 (Thomae Kurt J Multilayer

Corrosion-resistant Finish and Method)

2 2차 지원

일시 및 장소 2013년 5월 16일(월요일) 1000-1400시 신청

업체 2층 회의실

참석자 성용선(연구소장) 장용석 이사

주제 및 토의사항

- 지원내용과 향후지원계획 지참 자료를 제공하고 연구

원들의 기초지식 배양을 목적으로 불소수지의 특성에

관해 각 유형을 중심으로 제공 자료를 통해 종합 설

명함 불소 수지 코팅 방법 개발 목적 기질의 전처리

방법 두께 제어의 중요성 코팅시스템 등을 토의하고

이에 관한 자료를 제공하여 기초지식을 배양함은 물

11

론 최근 기술 동향을 파악함 다음 방문 시(6월 20일)

에는 대전 방지 불소 수지 코팅을 중심으로 그 중요

성과 이론 등 기초지식과 최근의 개발동향을 검토하

기로 함

- 지원효과 불소수지의 유형과 특성을 통한 원료의 선

정 시 고려할 사항 코팅 방법 기질의 전처리 방법

용도에 따른 두께 제어의 중요성 파악 공정 및 제품

관리에 관한 기초지식 배양과 최근 기술 동향 파악

- 자료제공

① JP-2005-237860(三洋電氣株式會社 電氣掃除機)

② JP-2010-261035(Xerox Corpor- ation フツ素ナノ

ダイヤモンドを含むテフロン定着器部材)

③ JP-2010-78036(株式會社ルネサステクノロジ 配管

チュ-ブおよびこれを備えた機械裝置)

④ WO 2008154391(Alcoa Inc Heat Exchanger)

⑤ 등록번호10-0365003 (주식회사 엘지아이 열처리를

이용한 테프론 코팅 방법)

⑥ 공개특허10-2008-0061943(주식회사 하이닉스반도체

이온 주입장비의 웨이퍼 지지 장치)

⑦ 등록번호 10-0449561(주식회사 봉성비에스 완충기

12

용 피스톤의 테플론 코팅장치)

⑧ 등록번호 10-0522254(백원두 브레이크 라이닝(또

는 패드) 제조방법)

⑨ 등록번호 10-0811228(조철환 내열 세라믹 주방용

기의 불소수지코팅방법 및 그 방법에 의해 불소수

지 코팅된 내열 세라믹 주방용기) 등

3 3차 지원

일시 및 장소 2013년 6월 20일(목요일) 1000-1400시 신청

업체 2층 회의실

참석자 김학주 성용길 성용선(연구소장) 이채영 차장

및 연구원

주제 및 토의사항

- 지원내용과 향후지원계획 불소수지의 전기적 특성과

대전 방지용 불소수지의 충전제에 관한 장단점 토의

대전 방지의 중요성 폭발 환경에서의 정전기 안전지

침 반도체 제조 장치에서의 작업스테이지의 대전방지

에 관한 기술 동향 토의 최근 관심의 대상이 되고 있

13

는 탄소나노튜브(CNTs)의 제조 방법 용도 등에 관한

설명과 의견교환 내마모성 테플론 코팅 방법 용도

등에 관한 자료제공 및 의견교환 충전 또는 강화 불

소수지에 관해 자료조사를 통해 얻은 충전제의 종류

기계적 및 물리적 특성 향상 방법에 관한 기초지식을

제공함 다음 방문 시(7월 25일)에는 시트 테이프 및

박층 테플론과 최근 내마모성 코팅기술로 주목받고

있는 DLC코팅과 테플론의 안정성 문제에 관해 의견

을 교환하고 그간의 정보지원에 관한 내용들을 종합

정리하기로 함

- 지원효과 대전방지 불소수지 코팅의 작업표준 및 관

리지침에 반영할 자료 제공 최근 관심의 대상이 되는

CNTs에 관한 기초지식 배양 및 정보수집과 분석 불

소수지에 사용되는 각종 충전제의 선정 시 참고 자료

확보

- 자료제공

① Francis J Clauss Chapter 9 Fluorocarbons

Solid Lubricants and Self-lubricating Solids 1972

pp195sim238

② Eunsoo Kang Seongcheol Choi Changhoon Choi

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Sang Eun Shim Aqueous dispersion of

submicron-sized diamond particles for thermally

conductive polyurethane coating Colloids and

Surfaces A Physiochem Eng Aspects415(2012)

pp255-261

③ Masaaki Yamane Tadeusz A Stolarski Shogo

Tobe Influence of counter material on friction

and wear performance of PTFEndashmetal binary

coatings Tribology International Vol 41 (2008)

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④ M Pazderova M Bradac M Vales

Tribological Behaviour of Composite Coatings

Procedia Engineering Vol 10 (2011) pp472-477

⑤ S Rossi F Deflorian F Venturini

Improvement of Surface finishing and Corrosion

Resistance of Prototypes by Direct Metal Laser

Sintering Journal of Materials Processing

Technology Vol 148 (2004) pp301-309

⑥ S Rossi F Chini etal Corrosion Protection

Properties of Electroless NickelPTFE Phosph-

ateMoS2 and BronzePTFE Coatings Applied to

Wear Resistance of Carbon Steel Surface and

15

Coatings Technology Vol 173 (2003) pp235-242

⑦ VC Malshe Nivedita S Sangaji Fluorinated

Acrylic Copolymers Part I Study of Clear

Coatings Progress in Organic Coatings Vol 53

(2005) pp207-211

⑧ Xing-Dong Yuan Xiao-Jie Yang A Study on

Friction and Wear Properties of PTFE Coatings

under Vacuum Conditions Wear Vol 269 (2010)

pp291-297

⑨ Amel Delimi Elisabeth Galopin etal

Investigation of the Corrosion Behaviour of

Carbon Steel Coated with Fluoropolymer Thin

Films Surface amp Coatings Technology Vol 205

(2011) pp4011-4017

⑩ 이계영 김태균 김종구 ldquo내마모성 및 윤활성 코팅

조성물rdquo 대한민국특허 등록번호 10-1151909 (2012)

⑪ Thomae Kart J Multilayer Corrosion Resist

ant Finish and Method WO 2006017259(2006)

⑫ (주)바론에스엘 ldquo불소수지와 세라믹의 유무기

하이브리드 코팅 조성물 및 그를 이용한 도막 형성

방법rdquo 대한민국 공개특허 10-2013-0028553 (2013)

16

4 4차 지원

일시 및 장소 2013년 7월 25일(목요일) 1000-1400시 신청

업체 2층 회의실

참석자 성용선(연구소장) 이채영 차장 및 연구원

주제 및 토의사항

- 지원내용과 향후지원계획 발암물질인 석면대체재로써

테플론의 개발 동향을 나선 권형 가스켓과 자동차브

레이크 제동장치를 중심으로 토의하고 내마모 특성을

필요로 하는 DLC 코팅에 관한 정보제공과 DLC 특성

에 관해 집중 토의함 환경문제와 관련하여 대두되고

있는 테플론 분해가스 등 안정성 문제에 관한 자료를

제공하고 이에 관한 의견을 교환함 그간의 제공 정보

를 종합하고 8월 말 작성예정인 최종보고서 내용을

협의하였음

-지원효과 신기술 개발을 위한 내마모 코팅 DLC코팅

환경문제를 고려한 친환경 제품 등 신기술과 신공정

개발을 위한 개념을 확립하였음

17

- 자료제공

① WO 2006047500(Henkelkommanditgesellschaft auf

Aktien Article of Manufacture and Process for

Anodically Coating an Aluminum Substrate with

Ceramic Oxides Prior to Organic or Inorganic

Coating)

② 이치옹 분석자료 ldquo나선형 개스킷의 비석면화rdquo

Takashi Miyoshi 배관기술(일) Vol 46(10) 2004

pp43-47

③ 유호천 ldquoDLC 코팅 표면처리rdquo KISTI 중소기업 정

보지원 2011 10 11

④ 유호천 ldquoPVD DLC TRD 코팅설비를 활용한 복

합충 개발및 제품적용rdquo KISTI 중소기업 정보지원

2010 10 21

⑤ 국립환경과학원 ldquo화학물질 배출량 조사 OECD와 협

력강화rdquo 보도자료 (2010 11 18)

⑥ ldquo새로운 코팅기술과 공구에 대한 적용rdquo 월간기계기술

기자 2005년 3월호

⑦ Teflon off-gas studies Environmental Working

Group Ewg Org Retrieved on 2013-01-01

⑧식품의약품안전청 ldquo식품용 기구 및 용기 포장 공전rdquo

18

2012

⑨ 廣野高生 ldquo環境保全型フッ素系 撥水撥油剤の 開發

と 工業化rdquo ファインケミカル(日本) 37(11) 2008

pp39-44 이치옹 모니터링분석 KISTI

5 5차 지원

일시 및 장소 2013년 8월 21일(수요일) 1000-1400시 신청

업체 2층 회의실

참석자 성용선(연구소장) 이채영 차장 및 연구원

김학주(전문연구위원) 성용길(전문연구위원)

김종헌(KISTI 연구책임자)

주제 및 토의사항

1 불소화합물의 안전성과 환경대책 정보지원 결과 종합

등 최종보고서(안) 내용에 관한 의견교환

2 지원의 한계와 기대효과에 관한 의견 교환

3 건의 사항 등

19

세부 지원 내용

⑴플루오르화탄소 플라스틱의 특성

Teflon TFE(폴리테트라플루오로에틸렌)은 1940년대부

터 사용되어 왔으며 Teflon FEP(플루오르화에틸렌프

로필렌 공중합체)는 1958년에 소개되었고 압출 및 사

출성형이 용이하며 TFE 유형은 딱딱하고 낮은 마찰계

수를 가지며 마모에 강하고 보다 높은 온도에서 사용

가능하다 이 외에도 플루오르화탄소 플라스틱에는 폴

리염화플루오르화에틸렌(CFE 또는 CTFE)와 폴리비닐

리덴플루오라이드(PVF) 등이 있다 플루오르화탄소 플

라스틱은 그 코팅방법에 따라서도 응용범위가 광범위

하게 발전되어 왔으며 그 용도는 주방용기로부터 기

계 자동차 반도체는 물론 우주항공 산업 부품에 이르

기까지 무한하며 상업 생산되고 있는 플루오르화탄소

플라스틱은 표 3-11)과 같다

PTFE는 열가소성 플라스틱으로 상온에서 밀도 약 2200

인 백색고체로 융점은 327이며 마찰 및 마모 특

성을 나타내는 마찰계수는 고체재료 중 BAM(alumi-

20

nium magnesium boride 마찰계수 002)과 DLC

(diamond-like carbon 마찰계수005)에 이어 3번째로

낮은 005-010로 반데르발스 힘에 대한 저항력으로 도

마뱀이 붙을 수 없는 유일한 표면으로 알려져 있다2)

표 3-1 플루오르화탄소 플라스틱의 유형1)

21

Teflon의 유용한 기계적 특성은 -450sim500(-267sim

260)에서 유지되며 여러 가지 특성들은 가공기술을

바꾸어 변경시킬 수 있다 마찰 및 마모 특성을 나타

내는 마찰계수들은 시험조건에 따라 다르며 Teflon은

증기압이 극히 낮아 진공에서도 우수한 안정성을 가

지며 방사선 안정도는 부족하나 방사선 내용성은 극

히 높다

테프론의 특징은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat-

resistant) 비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coeffi-

cient of friction) 내약품성(chemical resistance) 특이한

전기적특성(unique electrical properties) 저온내구력

(cryogenic stability)으로 대표된다3)

- 테프론 코팅된 표면에는 거의 모든 물질이 달라붙지

않으며 내열성(heat-resistant)이 우수하여 -260sim+26

0까지 사용할 수 있고 단시간 사용의 경우에는 30

0까지 견디며 Teflon FEP는 232에서 연속사용이

가능하다 비유성(non-wetting)이 우수하여 표면에 물

이나 기름이 잘 묻지 않아 표면이 오염되지 않아 쉽

게 청소가 가능하고 기계설비의 보수시간이 단축되어

생산성을 향상시킬 수 있다 테프론은 비-절연성은 물

22

론 비-유전정접과 우수한 표면 저항률을 보인다

⑵ 플루오르화탄소 수지 코팅

얇고 강인한 플루오르화탄소 수지 필름을 금속 등에

소결이나 수지-접착에 의해 바르면 기질에 침착된 필

름은 저온흐름으로 고체 플루오르화탄소 수지보다 낮

은 마찰계수를 띠고 금속은 양호한 열전도도를 갖고

열을 분산할 수 있어 고속으로 운전할 수 있고 양호한

내구성을 갖게 된다

1950년대 미국 해군연구소에서 소결 Teflon TFE필름을

수성 분산액(현탁질)으로부터 무기 탄약통 비행기부

품 잠수함부품의 건조-필름 윤활제 및 보호 코팅용으

로 개발한 후 이것들은 기어 정첩(hinges) 샤프트 베

어링 밸브 플러그 콕 피스톤 링이나 그 외의 산업분

야에 응용되고 있다

- 실제로 적절한 테플론 현탁질을 고체 표면에 침적한

후 수분 증발이 너무 빠르지 않게 공기에서 필름이

건조되게 한 후 테플론 입자들이 연화 및 소결되도록

건조된 표면을 약 385(725)로 가열하고 냉각하면

23

얇은 연속 필름이 표면에 남지만 필름 중의 많은 작

은 세공들은 테플론의 높은 용융점도 때문에 제거할

수 없다 세공들은 윤활 작용에는 제한을 받지 않으나

녹슬거나 부식의 공격점이 되어 부식방지를 위해서는

1회 이상의 박막 추가 코팅이 반복되고 보통 2회 코

팅으로 충분하나 각 침적 테플론 층은 두께가 00003

인치(762)를 초과하지 않아야 하며 그렇지 않으면

말린 진흙 같이 균열이 발생한다 필름이 윤활제로 사

용될 때는 필름두께가 00006-00007인치(152-178)

를 초과하지 않아야 한다1)

- 테플론코팅은 통상으로 존재하는 표면 산화물이 제거

되지 않은 깨끗하고 탈지된 강철 황동 및 알루미늄금

속표면일 때 가장 잘 접착한다 만일 산세척에 의해

과잉 두께의 산화물이 제거되었다면 필수적으로 얇은

산화층이 형성될 때까지 공기 중에서 가열한다 접착

은 실표면적이 증가하면 증가하므로 경면가공(mirror

finish)보다 모래분사가공이나 무광택가공이 양호하다

- 테플론 코팅된 표면의 마찰계수는 금속기질 표면을

거칠게 함으로써 낮출 수 있으나 미끄럼마찰 조건 아

래 내구성은 금속의 거칠기가 32마이크로인치(rms)를

초과하면 감소한다

24

철강 기질의 인산처리는 소결 Teflon TFE필름의 마모

수명을 향상시킨다고 보고되었으며 양극처리 된 코팅

의 경도 및 내마모성과 불소수지의 윤활성을 결합하기

위해 다공성 경화 양극처리 알루미늄 위에 불소수지를

침윤하여 왔다 Teflon S 마감재는 Du Pont이 도입한

최초의 수성-기초 분산 TFE FEP로 이들은 ldquo계층화

된rdquo 마감재이다 Francis J Clauss1)는 다양한 용도에

서의 Du Pont사 제품들의 선정 가이드를 표로 종합하

였으며 이것을 요약하면 표 3-2와 같다

- 테플론 코팅은 프라이머 단층 프라이머 코팅 후 에나

멜이나 클리어 마감 또는 프라이머 에나멜과 클리어

마감 등 3-코팅 시스템으로 구성된다 프라이머들은

금속이나 세라믹 기질에 접착을 향상시키기 위해 개

질제를 함유한다 프라이머들은 가끔 1회 코팅 마감재

로 사용되나 음식물과 접촉하는 용도로는 반드시 에

나멜이나 클리어 마감재로 마무리 칠을 하여야 한다

프라이머는 층간 접착력이 부족하기 때문에 다중 코

팅에 적용될 수 없고 만일 06mil 이상의 코팅이 필요

하면 프라이머는 에나멜이나 클리어 마감재로 마무리

칠을 하여야 한다

25

표 3-2 테플론 코팅 두께1)

최종

용도대표적 용도

전체두

께(mils)

프라이머에나멜클리어

가공(mils)

비점착

산업

직물 슬래셔 통

열 봉합 봉 고무경화 롤러

우레탄과 에폭시 경화 주형

제빙기

목재 고무 주석도금 아연

10-25

07

20-50

08-13

07

03 07-22 07-10

07 마무리칠 불가

03 07-37 10min

03 05-10 05-10

07 마무리칠 불가

식품

프라이팬 내열접시

반죽롤러

캔디 장치

08-12

10-30

20-30

03 05-09

03 07-27

03 07-17 10

One-coat

system

금지

드라이

윤활

플러그 밸브

유리병 제조 전달 장치

베어링

03-07

15-25

05-07

03-07

03 03-05 03-05

02

전기

전자

저항기 코팅

아이들 롤러(제지 섬유 공업)

세라믹 절연체

40-50

10-15

20-25

03 37-47

03 07-12

03 17-22

부식

방지용기 라이닝 gt50 03 47 또는 5-10 이상

Non-

wetting콘덴서 튜브 02-04 02-04

- 유색 프라이머는 통상 안료가 필름의 범위와 두께를

시각적으로 체크할 수 있게 하므로 그렇지 않은 것에

비해 더 선호된다 에나멜과 클리어 마감재는 충분한

접착을 위해 프라이머 위에 발라야 한다 ldquo진흙 갈라

짐 현상(mud-cracking)은 코팅 당 최대 두께를

10mil로 한정하나 다중 코팅에 의해 극단적이 조건

하에 전체 두께를 10mils까지 바를 수 있으며 각각의

26

코팅은 분리하여 구워진다

불소화 고분자들은 낮은 표면장력 물과 기름에 젖지 않

고 비점착성이며 방오 특성(antifouling properties) 등을

갖기 때문에 다양한 특수 코팅에 적용되나 합성과 조성

이 몇몇 제조업자들에 독점되어 있고 값비싼 중간체를

필요로 한다 VC Malshe 등4)은 플루오르 함량이

4-10인 불소화된 아크릴 공중합체를 간단한 방법으로

합성하고 클리어 코팅하여 광학적 기계적 및 보호 특성

을 연구하였다

최근 에너지 절감과 CO2규제와 같은 환경규제에 대한 대

응 필요성이 증가하면서 발전소나 각종 보일러 시스템에

서 배가스로 배출되는 응축잠열 에너지의 회수 및 활용

에 관심이 증가되고 있다 Lee 등5)은 스테인레스 관 표

면에 400정도의 두께로 테플론을 코팅한 전열관에서

관의 열 및 응축 열전달 특성을 연구하여 테플론 코팅관

의 총괄 열전달 계수는 스테인레스 관보다 약 20 작은

것으로 나타나고 응축열전달 계수는 유사하였음을 보고

하였다

알루미늄 용광로의 비-여과 배출가스에 장기간 사용하기

적합한 역류 열교환기에 관한 것으로 원통형 쉘의 표면

27

은 알루미늄 용광로 배출가스 입자 및또는 먼지 및 부

식 흄과 접촉될 수 있어 테프론 계로 코팅 처리하는 특

허6)가 있다 이 특허에서는 원통형 쉘을 만들도록 복재

(web member 웨브재)와 함께 연결된 유체 운반튜브로

이루어진다 각 원통형 쉘에 위치한 헤더는 열교환기의

튜브에서 튜브로 유체를 공급하며 뜨거운 난류가스에 작

용하여 스케일링을 최소화하기 위해 헤더의 보호덮개를

설치한다

저온에서 고온에 이르는 환경에서 유체에 사용되는 배관

튜브는 열에 의한 경시적 열화가 진행되어 균열 발생이

쉽다 가동부에 사용되는 배관 튜브는 움직임이 수반되어

그 경향이 현저하며 반도체 제조장치에 일반으로 사용되

는 실리콘튜브는 저온에서 열화되어 파손되기 쉽다 이러

한 문제점을 해결하기 위해 실리콘 튜브 외측 표면을 테

플론으로 코팅하여 균열발생을 억제함으로써 장시간 사

용 가능하도록 고안한 특허7)가 있다

섬유상 부직포로 제작하는 다공성 여과필터는 다양한 산

업공정의 배출가스를 정화시키는 데 사용되며 특히 중고

온 환경에서 사용이 가능한 다양한 종류의 기능성 필터

의 개발이 요망된다 일반으로 소각장 및 발전소 등의 중

고온 조건에서 사용되는 Nomex를 비롯한 섬유상 필터는

28

200 이상에서는 열변형으로 사용이 제한적이고 세라믹

필터와 같이 고온에서 적용이 가능한 소재는 매우 고가

일 뿐 아니라 초기 작업으로 인해 에너지 사용량이 매우

높아지는 문제점이 있다 Kim 등8)은 250-300 영역의

중고온의 배출가스를 처리하기 위한 필터에 표면 소수성

과 고온 안정성을 부여하기 위하여 표 3-3과 같은 조성

으로 그림 3-1과 같은 장치를 이용하여 테플론 수지를

거품 형태의 코팅액으로 조제하여 유리섬유 원단에 공급

하여 표면코팅하고 열처리 및 압착과정을 거친 후 표면

분석하였다

표 3-3 테플론 코팅을 위한 화학첨가제8)

테플론 코팅이 전기 집진장치에 활용되는 특허도 있다

종전 사이클론 방식의 전기집진기에서는 집진부의 먼지

를 떨어뜨리는 것이 용이하지 않았다 발명자들은 먼지

압축 기능을 갖는 집진실 내측에 테플론 가공을 하여 정

전기에 의한 미세먼지의 부착을 억제함으로써 집진실의

먼지를 원 터치로 처리할 수 있도록 하였다9)

29

그림 3-1 테플론 거품코팅8)

일반으로 테프론을 조리용기에 코팅하는 방법은 금속소

재를 사용 제품형태로 제작한 후 세척하고 에이징(소둔)

처리한 후 샌딩하여 표면조도를 유지하도록 하고 표면에

프리머 처리하여 베이킹 처리한 후 분사방법으로 테프론

코팅을 하고 다시 베이킹 처리하므로 공정이 복잡하고

제조원가가 상승하며 부착력에 한계가 있다한다 (주) 엘

지아이 특허10)에서는 피처리물을 세척한 후 산질화처리

하여 표면에 열처리 층이 형성되게 한 후 테프론을 코팅

하고 베이킹 처리하는 것을 특징으로 한다 그 외에 내열

세라믹 주방용기의 불소수지 코팅방법에 관한 특허가 있

다11)

(주) 봉성비에스는 차량의 주행 충격을 흡수하는 완충기

30

내부에 삽입하는 피스톤 외주면의 마찰과 소음을 최소화

하기 위한 목적으로 테프론 코팅을 하기 위한 코팅장치

를 등록하였다12)

⑶ 대전 방지 플루오르화탄소 수지 코팅

ㅇ 본래 불소수지 자체는 높은 절연성과 큰 대전성을 갖고

있기 때문에 도전 효과를 얻기 위해서는 분상 필러를 다

량으로 충전할 필요가 있으나 이렇게 하면 비점착성이

떨어진다 여러 회사들의 제품 안내서들을 종합한 불소수

지의 전기적 특성은 표 3-4와 같다

표 3-4 불소수지의 전기 특성

특성측정법

(ASTM)단위

PTFE

(비충전)

PTFE

(25

유리충전)

PTFE

(25

탄소충전)

표면 내아크성 D495 sec 75-110

체적저항

(비저항)D257

ohm-

cmgt1018 gt1016 104

표면저항 D257ohm

sq-1 gt10

14

유전율(유전상

수) at 1MHzD150-81 e 25 24

절연내력 short

time 18thickD149

kv

mm285

유전정접(유전

정합) at 1MHzD150-81 lt00002 005

31

ㅇ 불소수지는 내열성 내한성이 높고 내약품성 내연소성

난연성이 우수하고 절연성 및 비점착성과 저 마찰계수를

갖고 있으나 절연성이 높아 정전재해의 원인이 될 수 있

어 재해 방지를 위해 대전 방지 또는 저저항을 특징으로

하는 불소수지 가공품이 개발되어 사용범위가 넓어지고

있다

불소수지에 충전하여 저저항으로 하는 필러에는 일반적

으로 도전성이 높은 카본 금속 또는 산화알루미늄 등의

금속산화물이 사용된다 재료의 형상으로는 미분 탄소

스테인레스 스틸 니켈 금속분과 같은 입상물 단섬유 탄

소섬유 위스커(whisker) 등이 사용된다

- 미분은 비표면적이 크기 때문에 소량의 충전으로 저

항치를 내릴 수 있으나 약품의 침투가 있는 경우 비

표면적이 크기 때문에 약품의 영향을 받기 쉬워 내부

식성 떨어질 가능성이 크다

- 입자상물질들은 미분에 비해 비표면적이 작기 때문에

약품의 영향을 비교적 적게 받지만 저항치를 내리기

위해 충전량이 많게 되어 불소수지의 특징인 비점착

성과 저마찰계수 특성을 저해한다 섬유 위스커 형상

은 단방향에 대한 장방향의 비가 클수록 적은 충전량

32

으로 저항치를 낮출 수 있지만 분산이 나쁘면 요철이

발생한다 부식 방지 코팅에서는 충전제의 내약품성이

관건이다 즉 부식 환경에서 불소수지 자체는 충분히

견디어도 충전제가 내약품성이 없으면 충전제가 서서

히 에칭되어 기기가 부식될 가능성이 크다

화학 석유 및 정제 산업에서는 시험 검사 세척 및 다양

한 공정의 용기 저장 탱크 반응기와 같은 많은 구성요

소들이 사용되며 플루오르화 고분자는 고온에서 높은 열

안정성을 갖고 다양한 유기용매에 전혀 용해되지 않으므

로 부식방지 등을 위해 플루오르화 고분자와 같은 내화

학성 고분자로 코팅된다 그러나 이들 고분자는 코팅된

구성요소의 표면에 정전하 축적을 조장하기 때문에 폭발

성 환경에서는 사용할 수 없다

특히 이들 구성요소들의 금속 구조물은 용기나 탱크에

보관된 가스 증기 분진의 이동에 의해 생성된 정전하

(electrostatic charge)를 흐르게 하는 전도경로가 되나 금

속표면을 강산 강알칼리나 유기용제에 의해 침투되는 방

지하기 위한 목적으로 부식방지 테플론으로 코팅될 경우

얇은 필름의 비-전도체로 작용하므로 폭발성 환경에서

사용을 규제하고 있다

33

- 예로 유럽 표준 EN 50014 section 732에서는 정전

하로 인한 발화 위험을 피하기 위해 사용 보수 및 세

척 조건 하에 설계된 울(enclosure)이 필요하고 울의

절연저항은 1GΩ을 초과할 수 없도록 규제하고 있고

일본은 후생노동성 관할 산업안전연구소의 정전기 안

전지침의 누설 저항치는 108Ω 이하로 되어 있다

- 따라서 부식 및 폭발성 환경에서 안전하고 다양한 구

성 요소에 적용할 수 있는 정전방지 비-발화 테플론

코팅기술을 요하며 정전방지 코팅은 표면저항을 낮추

기 위해 카본블랙이나 개질 전도성 탄소 금속이나 전

도성 고분자를 테플론에 충전하여 코팅한다

폭발성 환경용 내화학약품 특성과 대전방지 비발화

코팅 조성물로는 높은 비저항을 갖는 플루오르 고분자

50-90wt 10-50wt의 전도성물질인 탄소분(carbon

powder)으로 이루어진 Solex Robotics Systems Inc

특허가 있다13)

- 폭발환경에서 사용되는 이상적인 코팅은 정전하를 피

하기 위해 낮은 비저항을 가져야 한다 완벽한 전도체

는 비저항이 영(0)이고 완벽한 절연체는 무한 비저항

34

을 갖는다 금속(구리 금 같은) 합금(망가닌 Mn-Ni-

Cu 니크롬 Ni-Cr-Fe) 반도체(카본이나 게르마늄)는

낮은 비저항을 갖고 있어 좋은 도체이다

- 수많은 고분자 기초 코팅들이 부식화학 환경에 사용

되었으나 85GΩ 이상의 비저항으로 대전방지 시험에

서 실패하였다 정전기 도체로 인증기준 아래 적합하

기 위해서는 100cm2이상의 노출 표면이 1GΩ 이하의

비저항이어야 한다 코팅에 첨가된 탄소분은 전도도를

증가시키며 10-50의 함량은 1GΩ 이하의 비저항을

만족시킨다

비전도성 표면의 표면저항을 감소시키도록 카본이나 금

속을 사용하여 대전방지를 부여하는 공정의 단점으로는

카본이나 금속의 접착력이 낮아 입자의 마모가 일어나

장기간 사용 시 대전방지 수준이 감소하는 것이다 더욱

클린룸에서 입자의 방출은 심각한 문제가 된다 대부분의

비전도성 기질은 통상 23 상대습도 50에서 표면 비

저항이 109ohmsquare 이상으로 높고 PTFE 경우는 10

12

ohmsquare이상이다14)

반도체 제조 장치에서는 웨이퍼 기판을 안착하기 위해

작업 스테이지를 사용하며 작업스테이지는 통상 금속과

35

세라믹으로 제작되나 웨이퍼기판을 작업스테이지에 올려

놓을 때 작업스테이지와 웨이퍼기판 사이에 마찰 정전기

가 발생한다 FPD(flat panel diplay 평판표시)용 디스펜

서(dispenser)에 사용되는 작업스테이지는 진공방식으로

디스플레이 기판을 흡착 고정하며 흡착 고정되었던 디스

플레이 기판이 작업스테이지에서 박리될 때 작업스테이

지에 정전기가 발생하여 디스플레이 기판에 대전된다 최

근 디스플레이 기판이 대형화됨에 따라 대전량이 증가되

고 정전기 대전문제가 더욱 심각해지고 있다 웨이퍼기판

이나 디스플레이기판에는 반도체소자 등 다수의 전자부

품들이 배치되어 있기 때문에 정전기가 발생되면 전자부

품의 신뢰성에 치명적 손상을 주고 기판에 분진이 부착

되거나 정전기의 대전으로 기판 리프트 업(lift up)시 기

판이 깨어지는 문제가 발생한다 정전기 대전을 방지하기

위해서는 작업스테이지에 이오나이저를 설치하여 중화하

기도하나 리프트 업이 불가능하거나 이온풍이 도달하기

전 방전하는 등 작업 스테이지와 기판 사이에서 발생한

정전기가 순간적으로 일으키는 박리대전 문제를 해결하

기 어려워 작업 스테이지의 정전기 방지를 위해 불소수

지로 코팅한다

- 불소수지는 다른 물질과의 흡착에너지가 작고 비점착

성이 우수하며 마찰계수가 작아 유리기판과의 상관관

36

계가 작아져 박리에 의한 정전기의 발생량이 적어지

나 불소수지는 절연성을 가지므로 테프론 코팅에서는

카본 블랙이나 전도성 고분자 등을 필러로 사용한다

대전방지가 필요한 반도체 제조장비 디스플레이 장치 및

테스트 장치 등의 작업 스테이지를 테프론 코팅함으로써

작업 스테이지의 정전기 발생을 방지하는 방법의 단점의

하나는 제작비용이 상대적으로 많이 드는 것으로 디스펜

서의 경우 디스플레이 기판이 대형화됨에 따라 작업 스

테이지의 크기가 커져 제작비용이 증가한다 또한 불소수

지의 경도가 낮아 코팅 막에 스크래치가 발생하고 이 부

분은 평탄도 유지가 어려우며 입자들이 발생하는 요인으

로 작용하며 불소수지가 절연성이므로 카본블랙이나 전

도성 고분자 등의 도전성 필러를 충전하여 대전방지에

적합한 면-저항을 갖도록 할 경우 카본블랙은 구형으로

분진이 발생하는 문제점이 있고 전도성 고분자를 사용할

경우는 내용제성이 약하고 과량의 바인더를 사용하여야

하며 박막 형성이 어렵고 불소수지의 경도를 보완하기

위해 아노다이징 처리를 하는 경우는 이후 별도의 코팅

과정을 거쳐야 하므로 제작비용과 제작시간이 증가하는

등 여러 가지 단점들이 있다 이러한 문제점들을 해결하

기 위한 방법으로는 작업 스테이지와 기판이 만나는 면

에 정전기 발생을 최소화시킴과 동시에 그 제조비용이

37

절감되고 적절한 면-저항을 조절할 수 있으며 마찰계수

가 낮고 내마모성이 향상된 작업스테이지 표면의 대전방

지 처리 방법에 관한 국내의 탑나노시스 사의 특허15)가

있다

- 탑나노시스 사의 특허 목적은 작업스테이지의 기판과

만나는 면에 정전기의 발생을 최소화시킴과 동시에

그 제조비용이 저감되고 적절히 면-저항을 조절할 수

있으며 마찰계수가 낮고 내마모성이 향상된 스테이지

표면의 대전방지 처리 방법에 관한 것으로 이 특허에

서는 금속소재의 작업 스테이지 표면을 아노다이징

처리하여 복수의 산화표면 홀들을 형성시키고 여기에

탄소나노튜브를 삽입하고 경화하며 탄소나노튜브 경

화 후에 표면을 봉공 처리한다

- 작업스테이지 표면은 106-10

9Ωsq의 면-저항을 갖는

것이 바람직하며 산화표면 홀들은 직경 30-900nm 깊

이 100-900nm가 바람직하다 아노다이징 처리를 하는

금속소재는 Al Mg Zn Ti Ta(탄탈륨) Hf(하프늄)

Nb(니오븀) 등일 수 있고 이 발명에서는 가벼우며 일

정 강도를 갖고 가공성이 우수한 Al합금을 예로 들어

설명하고 있다

38

- 알루미늄소재 작업스테이지 표면에 산화피막(Al2O3)처

리를 하는 아노다이징(anodizing 양극산화)에서 전해

액은 수산화나트륨이나 수산과 황산 등이 사용될 수

있고 수산화나트륨의 농도(20-50) 공급전압 전류

및 시간 등을 조절하여 산화표면 홀의 크기(D)와 깊

이(L)를 조절하며 D와 L에 따라 대전방지 효과나 내

구성 및 표면경도를 조절한다

- 탄소나노튜브를 산화표면 홀 내에 삽입시키는 단계는

전해 흡착 하여 이루어질 수 있고 정전도장을 통해서

도 이루어질 수 있다 탄소나노튜브는 분산제를 포함

하는 용액으로 코팅되며 분산제로는 소듐 도데실설페

이트(SDS) 트리톤X Tween20(폴리옥시에틸렌 소르

비탄모노올레이트) CTAB(cetyl trimethyl ammonium

bromide)를 예로 들고 있으며 탄소나노튜브 용액은

아크릴계 우레탄계 등 또는 전도성 고분자계 유무기

하이브리드계 바인더가 포함될 수 있다

- 봉공처리는 산화표면 홀과 산화피막을 봉공하여 내식

성 등이 향상되도록 보호 층을 형성시키는 것으로 비

등수 가압증기에 의한 수화봉공 금속염을 포함한 열

수에 의한 금속염 봉공 오일로 도포나 침적하는 유기

물 봉공 양극산화 피막 층에 도장하는 도장에 의한

39

봉공 등이 있다

반도체 소자를 제조하는 과정에는 불순물 이온을

주입하는 장비가 이용되고 있다 (주)하이닉스 반도

체의 특허에서는 이온주입 장비의 웨이퍼 지지 장

치 리프트 핀의 끝단을 라운드 처리하고 리프트 핀

에 테플론을 코팅하여 리프트 핀과 웨이퍼 후면의

접촉 시 웨이퍼 후면에 스크래치와 같은 손상이 유

발되는 것을 억제할 수 있게 한다16)

⑷ 탄소나노튜브(CNTs Carbon Nano Tubes)17)

탄소나노튜브는 탄소의 동소체로 1991년 일본 NEC 연구

소의 Ijima박사에 의해 전자 현미경을 통해 처음으로 확

인되었다 1985년에 Kroto와 Smalley가 탄소의 동소체인

풀러렌(탄소 원자 60개가 모인 것C60)을 처음으로 발

견한 이후 전기방전 시 흑연 음극 상에 형성된 탄소덩어

리를 투과전자현미경으로 분석하는 과정에서 발견하여

Nature학술지에 처음으로 발표되었다18) 탄소나노튜브에

서 탄소원자 하나는 주위의 다른 탄소원자 3개와 sp2결

합을 하여 육각형 벌집무늬를 형성하며 이 튜브의 직경

이 대략 수 나노미터(nm nanometer) 정도로 극히 작기

40

때문에 나노튜브라고 부르게 되었다 이 탄소나노튜브는

전기 세기가 클수록 더 수축하는 성질을 가지고 있는 등

튜브의 직경이 nm수준으로 극히 작아서 특유의 전기화

학적 특성을 나타낸다

Ku 등19)에 의하면 CNTs는 전기방사법(arc-discharge)

레이저증발 법(laser vaporization) 플라즈마 화학기상증

착 법(plasma enhanced chemical vapor deposition) 열

화학 기상증착 법(thermal chemical vapor deposition) 등

의 다양한 합성법이 개발되어 대량생산이 가능하다

CNTs의 종류는 벽의 수에 따라 단일 벽 탄소나노튜브

(SWNTs) 이중 벽 탄소나노튜브(DWNTs) 다중벽 탄소

나노튜브(MWNTs)가 있으며 물성에 관한 많은 연구결

과 기계적 전기적 열적으로 우수한 성능을 갖고 있음이

입증되었다

CNTs는 인장강도와 탄성률 면에서 지금까지 발견된 재

료 중 가장 강하고 질기며 다중벽 CNT는 63GPa에 이른

다 표준 단일 벽 CNT는 25GPa의 압력까지 변형 없이

지탱된다 그래핀의 대칭성과 특이한 전기적 구조 때문에

CNTs의 구조는 그것의 전기적 특성에 영향을 미쳐 금속

성이나 반도체의 특성을 나타내고 이론적으로 금속성

41

CNTs는 구리와 같은 금속의 1000배가 큰 4times109Acm

2

전류 밀도를 운반할 수 있으며 나노크기의 단면으로 전

자가 튜브의 축 방향으로만 전파되고 전자의 이동은 양

자효과를 수반하여 1차원 전도체로 간주된다

CNTs는 우수한 물성과 상대적으로 큰 표면적으로 갖고

있어 충전제(filler)로써 에폭시 폴리스틸렌 폴리우레탄

등 고분자와 혼합하여 폴리머의 기계적 전기적 특성을

향상시키려는 연구가 활발하다 CNTs가 폴리머 중에서

충전제 역할을 하기 위해서는 고른 분산이 필요하나 반

데르발스 힘에 의한 CNTs 응집현상(agglomeration)으로

인해 효과적인 분산이 어려워 오히려 폴리머의 물성을

저해하므로 이것을 개선하기 위한 다양한 기계적 화학적

분산 방법이 연구되고 있다

- CNTs를 분산시키기 위한 가장 일반적인 방법은 용매

나 폴리머에 CNTs를 투입하고 초음파처리를 하는 것

으로 초음파처리를 하면 SWNTs의 길이가 짧아지고

다발(bundle)이 얇아져 분산력이 증가한다

- CNTs 표면을 산이나 아민으로 기능화하여 분산을 높

이는 방법도 연구되고 있으며 MWNTs를 HNO3

H2O2NH4OH 용액에 침지시켜 MWNTs에폭시 복합

42

재료는 전기적 특성을 향상시키려는 연구와 산과 아

민 등의 기능기를 도입하여 SWNTs의 열전도도를 향

상시키려는 연구들이 수행되고 있다

- 기계적 분산방법인 전단혼합방법은 좁은 관이나 상대

적으로 높은 속도의 유동을 이용하여 발생한 전단력

으로 CNTs를 분산시키는 방법이다 Ku 등19)은 전단

혼합과 초음파처리를 이용하여 MWNTs로 강화된

에폭시 복합재료를 만들어 기계적 및 열적 특성을 연

구하였다

⑸ 내마모성 테프론 코팅

ㅇ 재료의 부식은 구조재에 원하지 않은 변화 원인으로 작

용하여 경제적인 문제로 귀결되는 심각한 문제이다 이들

원치 않는 변화는 때로 적절한 코팅에 의한 표면처리로

예방할 수 있다 가장 일반적이고 자주 사용되는 전착 코

팅은 아연에 기초한 아연 코팅 및 합금 코팅으로 이들

코팅은 간단한 기술로써 내부식성이 양호하여 전 표면처

리의 약 14에 해당하나 최근 낮은 마찰계수 등 다른 특

성들이 매우 중요하게 되었다 이들 특성은 다층 코팅으

로 대응할 수 있으나 두께가 증가하고 기술이 복잡하여

가능한 해결방법으로는 복합체 코팅이 있다 복합체 코팅

43

은 일반기계와 자동차 전자부품 및 컴퓨터 등 다양한 분

야에 적용된다 금속 기질에 미세한 PTFE 입자의 전착

에 의한 증착은 새로운 세대의 복합체 코팅으로써 가장

바람직한 특성은 양호한 내마모성 자기윤활 내부식성이

다 M Paderovaacute 등20)에 의하면 이들 특성은 주로 사용

한 입자(흑연 다이아몬드 MoS2 또는 PTFE)와 용액의

유형(pH 온도 bath 등) 뿐 아니라 입자의 크기 농도

분산 및 형태학에 의존한다

ㅇ 충전되지 않은 PTFE의 마모율은 736-741times10-4mm3Nm

로 내마모성이 낮아 다양한 충전제들이 첨가되고 있다

Xing-Dong Yuan 등21)은 진공 조건에서 PTFE 코팅

의 마모특성을 연구하여 초기에는 하중이 증가함에 따

라 마찰계수가 감소하나 하중이 6N 이상으로 커지면

마찰계수도 증가하며 압력이 PTFE 코팅의 마찰계수

에 미치는 영향이 거의 없고 마모는 압력이 증가하면

초기에는 감소하나 10Pa 보다 높으면 급격히 증가한

다고 보고하였다

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위해서는 윤활제로 PTFE

계 수지 접착제로는 폴리아미드이미드수지 산화철 분말

44

및 브론즈 분말 등을 혼합한 조성물을 사용하거나 미국

특허에서는 스와시플레이트 형 압축기의 플레이트 표면

에 MoS2 흑연 PTFE계 윤활제와 열경화성 수지인 폴리

아미드이미드(PAI) 조성물을 코팅하여 내마모 및 윤활성

을 부여하고 있다22) 내열성 향상을 위해서는 고체윤활

제 접착제수지 및 저융점 금속인 Sn Pb In Bi 등을 함

유하는 합금이나 화합물을 사용하여 금속의 잠열을 이용

내열성 향상을 시도하기도 한다

ㅇ 그간 철강(스테인리스강 탄소강 아연도금강판 등)의 내

부식성 향상을 위한 많은 연구들이 수행되어 왔다 4플루

오르에틸렌(C2H4) 4플루오르에탄(CF4) 6플루오르에탄

(C2F6) 3플루오르화에탄(CHF3) 8플루오르화에탄(C4F8)

같은 불소화된 단량체의 플라즈마 중합에 의한 테플론

류 코팅은 그들의 소수성으로 인해 금속의 내부식성 향

상을 위한 대안으로 주목을 받고 있다 A Delimi 등23)

은 유도결합 고주파플라즈마(inductively coupled radio

fre- quency plasma)를 사용하여 소수성 박막 불소수지

필름을 탄소강에 증착하고 3염수에서 내부식성을 평가

한 결과 1개월 동안 9nm의 필름이 유지되는 것을 관찰

하여 불소고분자 박막이 금속과 금속산화물의 보호층이

될 수 있음을 보고하였다

45

ㅇ PTFE를 이용한 세라믹코팅 기술로는 알루미늄 및 알루

미늄 합금 공작물을 양극처리에 의해서 티타늄 및또는

지르코늄 산화물을 포함하는 내식성 내열성 및 내마모

성 세라믹 코팅을 하고 이어서 양극처리된 공작물을

PTFE 또는 실리콘 함유 코팅과 같은 제 2 코팅으로 코

팅한다 이 발명은 가소성을 가지는 경질의 필름 내에서

내식성 내열성 및 내마모성을 제공하는 티타늄 및또는

지르코늄 산화물의 양극처리 층으로 기판을 예비-코팅함

으로써 알루미늄 기판에 보다 긴 수명의 코팅을 형성하

는데 특히 유용하다24)

ㅇ Nosaka 등25)은 PTFE로 대표되는 불소수지는 마모-링이

나 극저온 밸브의 실링부에 많이 사용되며 진공치환법에

의해 탄소재료에 PTFE나 MoS2 분말을 1-2wt 함침시

키면 무함침한 것에 비해 마모가 약 13로 감소한다고

보고하였다 한편 저자들은 터보펌프의 실링재료가 극저

온 환경에서 보이는 특이한 현상을 극복하기 위해 베어

링의 표면에 노출된 유리섬유를 불소산으로 처리하여 용

해 제거하고 윤활성을 높인 유리섬유강화 테프론 리테이

너를 개발하여 내구성과 윤활성을 향상시킬 수 있었다고

보고하고 있다

46

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위한 또 다른 특허로는

폴리실록산계 접착제를 단독 혹은 폴리에스테르계 접착

제와 병용하고 고체 윤활제로 MoS2(이황화몰리브덴

WS2(이황화텅스텐) h-BN(육방정 질화붕소) 팽창흑연

및 PTFE를 사용하고 충전제로 탄화규소 알루미나 산화

지르콘 산화티탄 등의 미분말을 사용하여 내마모 내열

및 윤활성을 부여하고자 하는 내마모성 및 윤활성 코팅

조성물에 관한 특허가 있다26)

ㅇ 내열성 내후성 내오염성 내약품성 내구성 등의 물성

은 유지하면서 비점착성을 높이기 위해 무기계 세라믹

코팅 조성물에 PTFE를 첨가하기도 한다 이러한 하이

브리드 코팅 조성물에 관한 특허로는 불소수지(01sim25

중량) 콜로이달 실리카나 콜로이달 알루미나 등 무

기계고분자 바인더(20sim80중량) 알콕시실란 화합물

(1sim50중량) 수용성 유기용제(1sim10중량) 충전제

또는 안료(5sim50중량) 및 물(100중량 까지 보충)로

이루어진 코팅 조성물에 관한 것으로 무기질 도료 및

무기계 세라믹 코팅에 의해 내열성 내오염성 내약품

성과 내구성을 유지하고 접착력을 높이기 위해 소량의

PTFE를 사용하는 것이 있다27)

47

ㅇ 정전 복사기에 사용되는 정착기재부의 최외층에 코팅하

여 기계적 성질 및 내마모성을 향상시키려는 목적으로

불소수지 기질 중에 분산된 불소화 다이아몬드를 함유하

는 입자로 구성된 조성물에 관한 일본 특허28)가 있다

ㅇ 부식 특성을 개선한 흑색 무크롬(chrome-free) 다층 내

부식 마무리 칠과 방법에 관한 특허29)로는 ASTM B 117

표준으로 시험할 때 백색 부식에는 최소 500시간 염수분

무시간 및 적색 부식에는 1500시간 염수분무시간에 적합

하게 설계된 마무리 칠에 관한 것이 있다 이 다층 시스

템은 광택(gloss) 4 이상을 만족하는 자동차 차체 강판

자동차 하부와 내장에 사용되기 위해 설계된 것으로 이

다층 마무리 칠은 3층 부식 방지 시스템을 형성하도록

아연-철 전기도금 기질 오르토인산을 사용한 무전해 인

산염 결정 전환 층과 XylanTeflon 실러 코팅의 조합이

다

ㅇ 전통적으로 철 강판(steel sheet)은 크롬산 염 전환 코팅

으로 개질되어 왔으나 6가 크롬이 배출되어 환경을 오염

시키는 문제점이 있어 강판의 내-부식성을 개선하기 위

해 고분자 수지 코팅들이 수행되고 있으나 이 방법은 고

48

분자 코팅 층이 열전도도를 감소시키는 단점을 가지고

있다 Kang 등30)은 강판 위의 고분자 코팅 층의 열전도

도를 향상시키기 위해 초미세-크기 다이몬드(μD)입자를

열전도 물질로 사용하였다 다양한 음이온 및 비-이온

계면활성제들을 사용하여 수용액 중에서 무거운 μD입자

의 안정화를 시험들을 한 결과 1-피렌카르복시산(PCA)

이 가장 양호하였다 그림 3-2는 이 시험 결과를 요약한

것이다

- 강판 위에 PCA로 안정화 된 μD 입자를 함유한 폴리

우레탄-기초 코팅 층은 열전도도가 0351W(mK)에서

0434 W(mK)(10 wtμD)로 향상되었으며 더욱 144

시간 동안 염수 분무 시험결과 부식거동은 관찰되지

않았다

그림 3-2 피렌카르복시산을 이용한 μD 표면처리

ㅇ 자동차공업에서는 기본적인 특성으로 내마모성이 요구되

49

는 강철 기계부품들의 마찰특성을 향상시키기 위해 다양

한 금속 및 고분자 코팅들이 광범하게 이용된다 내-마

모 코팅은 두 가지 주요 특성인 높은 표면경도와 자기-

윤활 특성이 필요하다 후자의 범주에 속하는 것이

PTFE와 MoS2 기초 코팅이다 무전해 니켈 코팅은 높은

경도로 인해 양호한 마찰 특성을 보이며 한편 열처리를

통해 경도를 향상시킬 수 있다 PTFE입자의 첨가는 코

팅경도를 감소시키나 자기-윤활특성을 부여한다 S

Rossi 등3132)은 마찰특성을 향상시키기 위해 이용되는 탄

소강에 이용되는 몇 가지 공업적인 코팅에 관한 부식거

동에 관해 평가 PTFE입자를 함유한 무전해 니켈-인

(Electroless Nickel-Phophorus)코팅은 PTFE 입자(자기-

윤활 특성)를 갖는 외층과 장벽-효과를 갖는 내층으로

인한 이중 특성으로 가장 양호한 특성을 보였다고 보고

하고 있다

ㅇ 모든 기계적 시스템은 동적 요소를 필요로 하며 마찰과

마모를 줄이기 위한 다양한 수단들이 가능하나 그 선택

은 환경이나 조작 조건에 제한을 받는다 PTFE는 자기

윤활 낮은 마찰계수 높은 열안정성과 화학약품 안정성

으로 산업분야에 널리 사용되는 엔지니어링 고분자이지

만 내마모성이 매우 부족하다 이러한 이유로 금속

-PTFE충전 복합체들이 PTFE의 마찰특성과 금속충전제

50

의 내마모성을 결합하여 특정 분야의 용도로 소개되어

왔으나 금속-고분자 물질에서의 충전제의 역할은 완전히

설명되지 않고 있다 복합체 표면의 과잉의 충전제 농도

는 미끄러지는 동안 부하를 지지하여 내마모성을 증가시

키는 것으로 생각되며 PTFE의 마모율은 Mo Zn Ni

Y2O3 및 SiO2 같은 무기 충전제에 의해 1000배가량 감소

되었다는 보고도 있다 유리섬유 구리 세라믹 탄소섬유

절단 탄소섬유 나노입자를 포함한 경질의 충전제 입자들

이 PTFE의 내마모성을 높이기 사용되어 왔다

ㅇ 비교적 두꺼운 코팅에는 열분사(thermal spray) 용사기

술이 정립되어 있고 용사 코팅은 내마모 내마찰 내프레

팅(fretting) 및 내부식을 요하는 산업에 많이 이용되고

있다

- 용사 몰리브덴(Mo)코팅은 실질적 내마모성 코팅으로

가장 광범하게 이용되며 프레임용사(flame spray)거나

와이어용사(wire spray)기술로 생산된 몰리브덴(Mo)

코팅은 흠이나 마모에 대한 고도의 저항을 얻기 위한

가장 좋은 코팅재료 중의 하나이다

- 알루미늄 청동(aluminium bronze)은 높은 내-부식성

과 내마모성을 갖는 것이 특징이다 저압 플라즈마 용

51

사 기술은 자기-아닐링(self-anealing)과 부서지기 쉽

도록 유도하는 γ-상의 형성을 피할 수 있도록 높은

냉각 속도를 얻는 데 사용되며 알루미늄 청동 저압

플라즈마 용사 코팅은 낮은 마찰과 마모를 보였고 비

교적 최근 플라즈마 용사 기술을 이용하여 알루미늄

기질에 고분자-세라믹 복합체를 코팅하는 기술이 개

발되었다33)복합체 코팅으로 행한 마찰 시험에서 낮

은 마찰계수를 얻을 수 있었다

- 낮은 마찰계수와 고 내마모성을 갖는 이성분 금속

-PTFE 코팅이 개발되었고 이들의 마찰 공학적 성능

이 보고되었다 PTFE-기초 복합체 설계에서 일반적

인 접근방법은 경질의 충전 입자들을 도입하는 것으

로 M Yamane 등34)은 PTFE-금속 이성분 코팅의 마

찰 마모성능에 관한 연구 결과 알루미늄 청동 코팅이

Mo코팅에 비해 PTFE 저장소(reservoir)에 유용했음

을 보고하였다

⑹ 충전 또는 강화 플루오르화 탄소1)

ㅇ 분말이나 강화섬유 등 전형적인 충전재들이 충전 또는

강화 플루오르화 탄소에 사용된다 충전재는 저온흐름

52

을 향상시키는 데 사용되며 수축과 균열을 줄이고 열

팽창을 낮추며 열전도율을 향상시킨다

ㅇ 분말이나 단섬유로 된 전형적인 충전제를 표 3-5에 종합

하였다 유리섬유는 가장 보편적인 PTFE 충전제로 화

학 및 전기적 특성에 최소로 영향을 미치며 기계적 특

성을 크게 향상시킨다 분말에 비해 섬유는 압축강도

강성도 및 지지용량을 더욱 향상시키나 분말은 충전

테플론의 내구성에 거의 영향을 미치지 않는다 금속분

말은 특히 열전도도를 향상시키며 고속에서 발생하는 마

찰열을 소멸하는데 도움이 되며 전기저항을 상당히 감소

시켜 금속-충전 조성물은 양호한 절연체는 아니다

ㅇ 흑연(graphite) MoS2는 초기 내구성과 마찰을 개선하고

기계적 특성을 향상시킨다 석면은 많은 유용한 특성을

갖지만 가공 처리 중 가스가 방출할 뿐 아니라 사용금지

물질이다 표 3-5 외에도 금속 망 장섬유 다공성 금속

등 다양한 충전제들이 있으며 다양한 종류의 제품들이

상업 생산되고 있어 최종 선정을 하기 전에 플라스틱 가

공업자로부터 보다 완전한 정보와 추천을 받는 것이 바

람직하다

53

표 3-5 불소수지용 충전제

ㅇ 압축강력 인장과 압축 시의 탄성률 및 항복강력은 첨가

제의 첨가에 의해 모두 증가하나 일반으로 인장강력과

신도 및 충격강도는 손실된다 통상 충전 테플론은 압축

상태에서 사용되므로 인장강력의 감소는 중요하지 않다

인장강력의 손실은 설치(연속적인 링-실링)할 때 인장되

는 재료에서 중요하다 열팽창 계수는 비-충전 테플론에

비해 감소되어 통상 금속 부품의 팽창계수와 잘 맞는다

ㅇ 마찰과 마모를 수반하는 분야에서 가장 중요한 것은 충

전제로 얻어지는 PV한계치의 증가와 마모의 감소다 비-

54

충전 테플론에 비해 PV한계치 크기는 개략적으로 1차원

적으로 증가하나 마모인자는 3차원적으로 감소한다 충전

테플론의 평균치들은 동적 마찰계수는 01-02 PV한계치

는 10000-20000 psi-fpm 마모상수는 10times10-10in3-min

lb-ft-hr이다 그림 3-3은 충전 테플론 PTFE의 마찰계

수에 미치는 충전제 종류와 농도의 효과에 관한 것이다

그림 3-3 테플론 PTFE에 미치는 충전제 종류와 농도1)

ㅇ 내마모성을 향상시키는 충전제는 실제로 연마저항성을

감소시키는 것으로 날카로운 입자는 보다 쉽게 침투하고

충전제 입자와 수지 사이의 경계를 따라 충전 플라스틱

을 찢는다 따라서 라이닝 슈트 같은 분야의 적용 시는

55

비-충전테플론이 보다 바람직하다

⑺ 시트 테이프 및 박층(laminates)

ㅇ 대부분의 플루오르화탄소는 충전 여부에 관계없이 두

께 1mil(0001 in)까지 시트나 테이프로 만들 수 있고

시트나 테이프를 찍어서 원하는 형상의 립-씰(lip seal)

펌프 컵(pump cup) 피스톤 링(piston rings) 가스켓

(gaskets) 등을 만들 수 있다

ㅇ 유체의 누설을 정지시키는 밀봉기능 부품 중 각종기기의

접합부나 배관 플랜지 등의 밀봉에 사용되는 가스켓

(gaskets)은 석면이 널리 사용되어 왔으나 유해물질 배

출 및 이동량 보고제도(PRTR Pollutant Release and

Transfer Register)에서 발암성을 가진 제1종 지정 화학

물질로 지정되어 사용이 금지되어 PTFE가 가스켓으로

개발되었다 PTFE는 용융 알칼리 금속 및 그 용액과 불

소 및 3불화염소에 의해 약간 침식되나 모든 화학약품에

안정하고 우수한 내부식 재료로 C-F결합력이 크고 F원

자가 C-C결합의 주위를 간격 없이 들러 싸고 있기 때문

에 다른 물질의 공격을 방어하고 있고 내열성은 260로

높다35)

56

- PTFE 필러를 사용한 PTFE 나선 권형 가스켓은 석

면에 대한 사용규제와 상관없이 사용되어 왔으며 유

연한 필러를 사용하므로 석면 가스켓 보다 낮은 체결

압력에서도 실 특성이 우수하고 내식 면에서도 광범

하고 다양한 유체에 사용이 가능하다 다만 단열성 면

에서는 석면 나선 권형 가스켓 보다 사용온도 범위가

제한된다

ㅇ 산업 기계나 자동차의 브레이크 제동장치에 부착하여 마

찰력을 부가하는 브레이크 라이닝에서는 마찰계수와 내

마모력 및 충격계수 등 마찰특성이 우수한 석면을 주로

사용하여 왔으나 제동 시 발생하는 미세 석면분진으로

인해 대기오염에 의한 환경을 파괴 뿐 아니라 인체에 흡

입될 경우 암을 유발하여 PRTR로 사용이 금지되었다

석면을 대체할 유기질 또는 무기질 된 다양한 비석면 마

찰 섬유 등이 사용되고 있으며 마찰 섬유에 테프론을 코

팅하여 브레이크라이닝의 수명향상 제동 시 발생하는 소

음 떨림 및 제동력 향상을 위한 제품개발이 시도되고

있다

- 예로 국내 특허36)에서는 브레이크 라이닝(또는 패드)

의 마찰재 배합재료 중 유기섬유(Kevlar섬유 pulp섬

57

유 등)에 테프론을 코팅하고 코팅된 유기섬유에 결합

재 충전재 윤활재 마찰안정재 마찰조정재 등을 소정

의 배합비로 배합하여 성형하고 열처리하여 브레이크

패드 또는 라이닝을 제조한다

ㅇ 초소형 정밀기계(MEMS Micro-Electromechanical

System)분야에서는 점착방지를 위해 불화 유기박막을

사용한다 Park 등37)은 단층 두께의 불화 유기박막의

특성을 접촉각 측정을 통해 분석하였다

⑻ DLC 코팅3839)

ㅇ DLC(diamond-like carbon)는 몇 가지 다이아몬드의 전

형적인 특성을 나타내는 비정질 탄소물질로 극도의 내마

모 특성을 필요로 하는 재료의 코팅에 이용되고 있다

DLC코팅은 연마 마모를 감소시키기 위한 재료에 유용하

여 엔드밀 드릴비트 금형 같은 공구는 물론 자동차 기

계부품 및 전자산업 등 산업전반에 걸쳐 적용된다40)

ㅇ 환경오염 문제로 인해 PRTR(Pollutant Release and

Transfer Register 유해물질 배출 및 이동량 보고 제

도) 이 시행되어 습동 부품이나 절삭 시에 사용되는 오

일이나 그리스에 포함되는 첨가제(MoS2 Zn 등)와 이들

58

부품을 세정할 때 사용되는 용매 기계부품의 수명을 연

장시키기 위해 활용되었던 Cr도금 폐액에서 발생하는 6

가 크롬 등의 오염물질들에 대한 규제가 더욱 강화되어

DLC에 의한 무윤활 습동과 무윤활 절삭을 지향한 공구

와 기계 부품의 개발이 관심을 끌고 있다4142)

- 일본 내에서는 PRTR이 시행되고 이것에 저촉되는 재

료에 관해서는 MSDS(Material Safety Data Sheet)를

첨부해야할 의무가 있고 부품가공 습동 용도에서는

대상 리스트에 올라 있는 오일 오일 중의 중금속 도

금폐액을 어떻게 경제성 있는 환경 친화적 공정과 재

료로 전환할 것인가를 고려하면서 무윤활 습동 무윤

활 절삭 탈크롬 도금의 3가지 키워드가 대두되고

DLC코팅이 대안으로 모색되고 있다

- DLC코팅 적용기술과 과제에 관한 자료로는 자동차

관련부품 적용사례 엔진부위 마찰 작동 밸브계의 마

찰저감 DLC와 윤활제에 의한 마찰저감 기술을 중심

으로 살펴본 보고가 있다43)

ㅇ DLC는 7가지 형태가 존재하며 모두 상당한 양의 sp3혼

성궤도 탄소원자를 함유한다 다양한 형태의 DLC가 진

공 환경으로 적합한 재료들에 적용가능하며 유럽에서의

59

2006년 위탁 DLC코팅 시장은 3천만euro로 추정되었고 국

내도 활발한 상용화가 시도되고 있다

ㅇ 사반면상(tetahedral) 비정질 탄소 ta-C를 2두께로 코

팅하면 연마마모에 대한 스테인레스 강(304 type)의 내구

성을 증가시켜 수명을 1주일에서 85년으로 늘이며 이러

한 DLC의 형태는 sp3결합 탄소 원자로만 이루어지기 때

문에 순수한 DLC로 간주되며 수소 sp2흑연 탄소 금속

같은 충전제가 생산경비를 낮추거나 원하는 특성을 부여

하기 위하여 사용되고 있다

ㅇ DLC를 만드는 방법에는 sp3탄소 보다 낮은 밀도의 sp

2

에 의존하는 몇 가지 방법들이 있으며 압력 충격 촉매

또는 이들의 조합으로 sp2결합탄소 원자들을 sp3결합탄소

로 근접시킨다 최근 초고압 하에서 탄소의 경량 특성을

갖는 초경도 무정형 다이아몬드가 만들어졌다 탄소로 만

들어지는 다이아몬드 그래파이트는 결정구조를 가지나

DLC는 비정질이라는 점에서 크게 다르고 200 정도의

저온에서 형성시킬 수 있다는 점이 통상의 PVD막에 비

해 훨씬 우위에 있다

ㅇ DLC코팅은 제조공정이 복잡하고 생산 단가가 비싸 적용

이 어려우며 적용되는 소재가 제한되는 단점을 갖는다

60

주요제법으로는 고주파 플라즈마 법 이온화 증착법 스

페터링법 등을 들수 있다 고주파 플라즈마 법은 메탄가

스가 원료로 사용되고 막 중의 수소가 약 30(원자)로

평활성이 우수하고 마찰계수가 작으나 경도가 낮다 이

온화 증착법은 벤젠을 사용하며 막은 단단하나 면의 조

도가 거칠고 후막화 하기 위해 스패터링 방법이 검토되

고 있다

⑼ 불소수지의 안전성

ㅇ 테플론 PTFE의 열분해는 200(392)에서 감지되며 이

것은 몇 가지 플루오르화 탄소 기체들과 승화물질을 방

출한다4445)1955년 동물실험에 관한 한 연구에서는 이들

물질이 250(482) 이하에서는 의미 있는 양이 아니라

고 결론지었으나 최근 비-점착 주방기구인 프라이팬이

나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가열할 때 조류를

죽일 수 있는 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수

도 있다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있다45)

ㅇ 표 3-6은 EWG가 보고한 3-5분 내에 370까지 불소수

지를 가열할 때 발생되는 15종의 불소화합물에 관한 것

이다 테플론과 같은 코팅물질들이 장기적으로 인체에 미

61

치는 영향에 관한 연구는 이루어지지 않고 있으나 독감

과 유사한 질병을 유발할 수 있으며 이를 중합체 증기열

(polymer fume fever)이라 한다

표 3-6 15종의 유해물질 및 유독성 기체44)

ㅇ 최근 표 3-6의 화합물들 중 특히 TFA와 과불화된

(perfluorinated) PFOA(perfluorooctanoic acid)에 관심이

증가되고 있다 PFOA는 새로운 환경오염물질로 미국 환

경보호청(EPA)에 의하면 보통 때는 문제가 없으나 조리

과정에서 프라이팬에 열을 가하고 강하게 긁을 경우 용

62

출되어 나오며 이것이 음식물과 함께 인체에 흡수되는

것으로 추정하였다 한편 DuPont의 테플론 PTFE 연구

결과에 의하면 검출한계인 9ppb 이상 검출되지 않으며

테플론 주방기구에서는 PFOA가 존재하지 않는다고 발

표하고 있다

- 물이나 공기를 통해 환경에 노출된 PFOA는 고 콜레

스테롤 궤양성 대장염 갑상선 질환 고환암 신장암

및 임신성 고혈압과 관련된다고 보고되었다

- PFOA는 불소수지 생산과정에서 사용되는 첨가물로써

암모늄 형태로 PTFE 유화중합에 계면활성제로 사용

되며 불소수지의 품질과 균일성을 유지하기 위해 필

수적인 첨가물이기 때문에 전 세계 모든 불소수지 제

조업체가 사용 중에 있다 한편 국내 주력 산업인 반

도체 생산 과정에서도 PFOA를 대량으로 사용하고 있

어 체계적인 실태조사와 대책수립이 필요하다는 의견

들이 대두되고 있다

⑽ 불소화합물의 안전성과 환경대책

ㅇ 표 3-6에서 살펴본 바와 같이 테플론을 급격히 고온으로

가열하면 2종의 발암물질을 포함한 유독성 가스가 발생

63

하고 특히 불소화합물 중 MFA(monofluoroacetic acid)는

적은 양으로도 치명적 해를 끼치고 PEIF(perfluoro-

isobutene)는 신경가스제로 여러 가지 질환을 발생시킨다

한다44)

따라서 테플론으로 코팅된 장치를 재 코팅하기

위해 테프론을 고온으로 급격히 가열하거나 소각 등을

통해 제거할 때는 발생 가능성이 있는 유독가스를 제거

하기 위한 별도의 설비를 이용하여야 하고 유 등44)의 보

고서에서와 같이 중조(NaHCO3)를 포화시킨 충분한 물로

유독 산성 물질을 중화시키는 것도 고려할 만하다 한편

부식대전 방지 코팅도 테플론 코팅 일변도에서 세라믹

코팅 CNTs이나 DLC 코팅기술로 대응하는 것을 추천하

고 싶으며 이것은 유해물질 배출 및 이동량 보고제도

(PRTR Pollutant Release and Transfer Register)에 대

비하는 등 기업의 장래를 고려하는 것도 될 것이다

ㅇ PTFE를 사용한 취사도구는 1960년대 이래 사용되어 오

고 있으나 최근 들어 이것의 안전성이 논쟁의 주제가 되

고 있으며 논의 주체는 PFOA(perfluorooctanoic acid)이

다 PFOA는 PTFE를 비롯한 많은 불소수지의 생산에

사용되며 DuPont의 테플론 PTFE 연구 결과에 의하면

프라이팬을 260 이상 고온에서 가열하거나 코팅이 벗

겨져도 PFOA가 존재하지 않는다고 한다 그러나 물이나

64

공기 토양 식품포장재 등 여러 곳에서 PFOA 오염사실

이 보고되고 있다 한다44)

- 미국 EPA는 인체와 환경에 대한 PFOA 연구를 계속

하고 있으며 2015년까지 PFOA 및 이와 관련된 화합

물 방출을 배제할 프로그램을 갖고 있으나 PTFE-기

초 비점착 취사기구를 중지시킬 타당성을 갖고 있지

는 않다 최종제품은 PFOA가 아닌 PTFE이기 때문이

다

- 수십 년 동안 불소수지 비점착 코팅이 시장을 지배하

였으나 최근 몇 가지 신기술들이 출현되고 있으며 이

들 대부분은 실리콘 세라믹과 실리콘 기술로 이들 코

팅은 PTFE와 PFOA를 함유하지 않는다

- 오늘날 출시된 비점착 취사용구는 수많은 상표로 팔

리고 있으며 DuPont에 의하면 대부분의 취사용구 코

팅은 정상적으로 사용할 때 3-5년 견딜 수 있을 것으

로 예측한다 너무 문질러서는 안 되고 따뜻한 비눗

물로 씻어주는 것이 좋으며 닳거나 흠이 생기지 않도

록 나무 플라스틱이나 코팅된 재료로 만든 도구를 선

택하고 보관도 흠이 생기지 않을 장소나 캐비닛을 권

장하고 있다

65

ㅇ 국내의 불소수지 안전성에 관한 것으로는 재질규격(납과

카드뮴)과 용출규격(납 과망간산칼륨소비량 증발잔류물)

이 식품용 기구 및 용기 포장 공전46)에 기재되어 있으며

최근 국내에서도 PFOA를 비롯한 유해 불소화합물에 관

한 관심이 커져 가고 있다

ㅇ PFOA 문제가 표면화 되면서 환경 보전형 불소계 발수

유제의 개발과 공업화도 새로이 부각되고 있다 이에 관

한 보고서를 모니터링한 KISTI자료47)를 중심으로 간단히

요약하면 발수제의 주요성분 퍼플루오로알킬기(Rf기)함

유 폴리머의 기능은 Rf기의 고리길이에 크게 의존하므로

PFOA문제 해법으로 탄소수 8 이상인 종래의 불소화학

에서 탈피 짧은 고리 Rf기(탄소수 6)를 가진 새로운 단

량체를 선택하여 발수제를 제조함으로써 환경 보전형 불

소계 발수유제를 개발하고 공업화하였다 한다

66

제 4 장

지원결과

1 지원결과 종합

테프론 코팅 기술의 문제점과 부식대전방지용 테플

론 코팅에 관한 정보 외에 신청기업의 요청에 따

라 C-나노튜브 코팅 및 DLC증착에 관련된 기술 정

보도 제공하였다

테플론은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat resistant)

비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coefficient of

friction) 내약품성(chemical resistance)과 특이한 전기적

특성(unique electrical properties) 및 온내구력(cryogenic

stability)으로 그 응용범위가 광범하며 용도에 따른 엄격

한 품질관리가 요구될 것으로 생각되어 중소기업에 적합

한 기초능력 배양과 신제품을 구상하기 위한 최신기술에

관한 정보를 제공하고자 하였다

67

불소수지의 코팅은 두께와 첨가제가 관건으로 이에 관한

자료를 제공하고자 하였으며 불소수지의 전기특성 폭발

성 환경과 반도체 제조공정에서의 대전 방지 처리를 위

한 정전기 관리 지표 등을 특허를 중심으로 조사하여 제

공하고자 하였다

C-나노튜브를 이용한 대전방지 코팅 기술 및 C-나노튜

브의 제법 등 이것에 관한 기초정보를 제공하고자 하였

으며 내마모성 테플론 코팅에 관해서는 테플론을 이용한

세라믹 코팅 기술에 관한 정보도 제공하고자 하였다

테플론의 기계적 전기적 특성을 강화하기 위해 사용되는

충전제를 종합하고 기초이론을 정립함으로써 금후 원부

자재의 선정에 도움을 주었다

테플론은 석면 대체재로도 주목받고 있어 이에 관한 특

허 정보들을 제공하였으며 다이아몬드의 전형적인 특성

을 나타내는 DLC의 코팅관련 기술 정보를 환경오염 문

제와 연관하여 자료를 제공하였고 최근 비-점착 주방기

구인 프라이팬이나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가

열할 때 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수도 있

다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있어 이에

관한 정보도 제공하였다

68

2 지원의 한계

중소기업이 당면한 문제는 전문기술의 확보다 관련 기술

이 비약적으로 발전하는 추세에 비추어 한정된 인원으로

신기술을 소화하고 개발하기는 어려울 것이므로 출연연

구기관이나 대학과 공동연구를 모색할 수 있으나 이것도

중소기업으로서는 경제적 부담이 될 수밖에 없을 것으로

생각된다 가능하다면 앞으로도 KISTI의 정보지원이 계

속되기를 바라고 있었다

3 기대효과

부식대전 방지 테플론 코팅에 관한 기본 기술이 배양되

어 합리적인 원부 원료의 수입검사 공정관리 및 제품관

리를 통해 원가절감은 물론 신제품 신기술에 관한 정보

수집 및 분석능력이 배양되고 개발력이 확충되어 기업

경쟁력 향상에 도움이 될 것이다

69

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저자소개

김학주(金鶴柱) 서울대학교 문리과대학 화학과 졸업 이학사

전북대학교 대학원 화학과 이학박사

(주)삼양사 의약연구소장 신성대학교 교수

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 폴리에스테르 섬유의 연중직방기술 외 다수

저서 기기분석 공업물리화학 일반화학

성용길(成墉吉)

동국대학교 이과대학 화학과 졸업 이학사 이학석사

부산대학교 대학원 화학과 이학박사(Dr Sci)

University of Utah USA Ph D(공학박사) Post Dr

유타대학교 연구교수 부산대학교 교수 동국대학교 교수

동국대학교 명예교수 한국원자력문화진흥원 이사

과학문화연구원전문연구위원 한국도량형과학문화연구원 원장

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 의료용 기능성 고분자재료에 관한 연구 외 330편

저서 고분자 물성론 (서울대학교 출판부 공저) 외 10권

2

유독성분이 발산되므로 최근에는 조리용 프라이팬 등

에 PTFE계 수지의 사용을 제한하는 조치가 시도되고

있는 등 환경관련 문제에 관한 정보가 필요하게 되었

다

위의 문제점들을 해결하기 위해서 ReSEAT 프로그램

의 전문연구위원으로부터 최신의 기술정보들에 관한

지원과 멘토링을 받고자 요청하고 있다 이 문제점들

을 해결하는데 상응하는 최신 학술문헌과 특허정보들

을 KISTI를 통하여 연구 조사하여 지원하고자 한다

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구

위원 김학주와 전문연구위원 성용길은 기술정보지원

신청업체에 부식대전 방지용 테프론 코팅의 제반 문제

들을 해결하기 위한 필요한 기술을 전수하고자 한다

2 정보지원의 목적

ㅇ 본 정보지원의 목적은 LCD와 PDP OLED 등 테프론

코팅이 필수적 요소인 대형 디스프레이 공정에서 정전

기 유발을 방지할 수 있는 기술에 관한 최신정보 및 특

허조사 등에 관한 자문과 현재진행 중에 있는 각종 부

3

식과 대전 방지기술에 관한 객관적 멘토링을 통하여 부

식대전 방지용 테프론 코팅에 관한 제반 문제들을 해결

하고 안전하게 본 중소기업체의 제품생산과 기술을 향

상시키고 고급화 하는데 있다

ㅇ 또한 화학반응용 용기 및 원자로 건설에 필요한 각종 제

작품 등에 필요한 부식방지 및 대전방지를 위한 테프론

코팅의 최신 기술정보를 제공 지원하고 그 특수코팅에

필요한 맞춤형 기술정보를 제공하는 것이 본 연구의 목

적이다

3 참여연구원

lt표 1-1gt 참여연구원

구분 성명 직위 전공 업무

ReSEAT

프로그램

김학주 전문연구위원 고분자 과제 책임자 기업현황 분석

성용길 전문연구위원 고분자 정보지원 기술전수 멘토링

4

제 2 장

지원 내용

1 정보지원 업체의 요구사항

테프론 코팅 기술의 문제점과 부식대전 방지용 테

프론 코팅에 관한 최신 기술정보

정전기 대전방지용 테프론 코팅과 부식대전방지 테

프론 코팅기술의 특허문헌과 학술문헌

불소수지 코팅에 관한 기술 동향과 부식대전 방지용 테

프론 코팅의 응용기술에 관한 기술정보

유리의 정전방지 박리대전 가공 C-나노튜브 코팅 수

분산성 도료(binder) 등을 사용한 내열성 세라믹코팅

및 대규모 DLC증착 관련 기술정보

5

2 정보지원의 범위 및 내용

가 정보지원 범위

정보지원은 LCD공정용 스테이지(Stage) 박리 대전방지

코팅 반도체 공정용 석영 관련제품 코팅 추출용 반응기

튀김틀 코팅 광학필름 및 기능성 필름 생산롤러 코팅

전기재료 석유화학 정밀화학 반응기 코팅 및 필터드라

이어 등 테프론 코팅에 관한 전반적인 기술 자료와 불소

수지의 특성과 용도 및 환경과 관련한 안전문제에 관한

지식과 기술정보를 제공하였다

나 정보지원 내용

KISTI에서 체계적적으로 NDSL 검색 유럽특허청 검

색 Web of Science 검색 Google 검색 Sci Dir를 통

한 원문입수 등의 작업을 수행하였다

- Keywords에 의한 문헌 및 특허조사 TEFLON +

Coating Anti-corrosion Coating Anti-static

Coating Fluoropolymers Fluorinated polymers

Fluorocarbon polymers

6

- Keywords=TI (TEFLON or Fluoropolymers or

(Fluorinated polymers)) Coating) 또는 AB

((TEFLON or Fluoropolymers or (Fluorinated poly

mers)) Coating) 활용하여 학술문헌과 특허를 검색

하였다

신청업체 공장현장에서 현재까지 수행되고 있는 부식

방지 및 대전방지 테프론 코팅기술들을 종합하여 분석

하고 조사된 기술정보 자료들과 비교 분석하여 장차

개선할 수 있는 코팅 신기술을 조사 분석하여 자문하

고 멘토링 하였다

7

제 3 장

지원 프로세스

1 1차 지원

일시 및 장소 2013년 4월 22일(월요일) 1000-1400시 신청

업체 2층 회의실

참석자 히토시 사토(부사장) 성용선(연구소장) 장용석

이사

주제 및 토의사항

- 지원업체의 현황 LCD공정용 스테이지(Stage) 박리

대전방지 코팅 반도체 공정용 석영 관련제품 코팅

추출용 반응기 튀김틀 코팅 광학필름 및 기능성필름

생산 롤러 코팅 전기재료 석유화학 정밀화학 반응기

코팅 및 필터드라이어 등의 테프론 코팅에 관한 작업

8

- 지원내용과 향후지원계획 공장 현장을 방문하고 브리

핑을 통해 필요한 정보를 파악함 조사된 자료(문헌

특허 등)를 전달하고 희망 사항을 파악한 결과 특히

유리의 코팅을 중심으로 한 박리대전 방지 가공 세라

믹 코팅(수분산성 도료-바인더-)을 사용한 내열성 코

팅 대형 DLC 증착기술 및 경쟁사가 개발하고 있는

C-나노튜브 코팅에 관한 정보에도 관심이 많았음

ReSEAT NDSL 및 구글 야후 네이버 등을 통한 자

료조사 방법의 활용 방법을 설명해 주었음

- 지원효과 ReSEAT NDSL 구글 야후 네이버 등을

통한 주제 또는 키워드 검색에 의한 자료 검색 분석

능력 향상 제공 자료와 문헌의 활용 효과 등

- 자료제공

① Klaus Lunkwitz Uwe Lappan Ulrich Scheler

Modification of perfluorinated polymers by

high-energy irradiation Journal of Fluorine

Chemistry Vol 125 2004 pp863sim873

② LBorucki et al Diamond Conditioner Wear

Characterization for Copper CMP Process

Transaction on Electronic Materials Vol 8

9

2007 pp1520sim20

③ Polytetrafluoroethylene Aluminum magnesium

boride Diamond-like carbon Carbon nano-tube

-Wikipedia the free encyclopedia (2013)

④ 野坂正隆 低溫環境下におけるドライボロジドラ

イボロジスト(日本) Vol 52(11) 2007 pp759sim

764

⑤ 식품의약안전청 연구보고서(연구책임자 유승석)

불소수지코팅 주방기구의 안전성 평가C 2004 12

⑥ 이장호 등 테프론 코팅 전열관 표면으로의 열 및

물질 전달 특성에 관한 실험적 연구 대한기계학

회논문집 B권 Vol 27(8) 2003 pp1051sim1060

⑦ Eun-Joo Kim et al Teflon coating of fabric

filters for enhancement of high temperature

durability J of the Korean Oil Chemists Vol

28(2) 2011 pp232sim239

⑧ Jin-Goo Park et al Characterization of

Fluorocarbon Thin Films by Contact Angles

Measurements Journal of Microelectronics amp

Packaging Society Vol 6(1) 1999 pp39sim49

⑨ WO 200054614(Solex Robotics Systems Inc

Anti-static Non-sparkling Coatings for

10

Explosive Environments)

⑩ WO 2012123103(WLGore amp Associates GMBH

Use of an Ionic Fluoropolymers as Antistatic

Coating)

⑪ WO 2006 017259 (Thomae Kurt J Multilayer

Corrosion-resistant Finish and Method)

2 2차 지원

일시 및 장소 2013년 5월 16일(월요일) 1000-1400시 신청

업체 2층 회의실

참석자 성용선(연구소장) 장용석 이사

주제 및 토의사항

- 지원내용과 향후지원계획 지참 자료를 제공하고 연구

원들의 기초지식 배양을 목적으로 불소수지의 특성에

관해 각 유형을 중심으로 제공 자료를 통해 종합 설

명함 불소 수지 코팅 방법 개발 목적 기질의 전처리

방법 두께 제어의 중요성 코팅시스템 등을 토의하고

이에 관한 자료를 제공하여 기초지식을 배양함은 물

11

론 최근 기술 동향을 파악함 다음 방문 시(6월 20일)

에는 대전 방지 불소 수지 코팅을 중심으로 그 중요

성과 이론 등 기초지식과 최근의 개발동향을 검토하

기로 함

- 지원효과 불소수지의 유형과 특성을 통한 원료의 선

정 시 고려할 사항 코팅 방법 기질의 전처리 방법

용도에 따른 두께 제어의 중요성 파악 공정 및 제품

관리에 관한 기초지식 배양과 최근 기술 동향 파악

- 자료제공

① JP-2005-237860(三洋電氣株式會社 電氣掃除機)

② JP-2010-261035(Xerox Corpor- ation フツ素ナノ

ダイヤモンドを含むテフロン定着器部材)

③ JP-2010-78036(株式會社ルネサステクノロジ 配管

チュ-ブおよびこれを備えた機械裝置)

④ WO 2008154391(Alcoa Inc Heat Exchanger)

⑤ 등록번호10-0365003 (주식회사 엘지아이 열처리를

이용한 테프론 코팅 방법)

⑥ 공개특허10-2008-0061943(주식회사 하이닉스반도체

이온 주입장비의 웨이퍼 지지 장치)

⑦ 등록번호 10-0449561(주식회사 봉성비에스 완충기

12

용 피스톤의 테플론 코팅장치)

⑧ 등록번호 10-0522254(백원두 브레이크 라이닝(또

는 패드) 제조방법)

⑨ 등록번호 10-0811228(조철환 내열 세라믹 주방용

기의 불소수지코팅방법 및 그 방법에 의해 불소수

지 코팅된 내열 세라믹 주방용기) 등

3 3차 지원

일시 및 장소 2013년 6월 20일(목요일) 1000-1400시 신청

업체 2층 회의실

참석자 김학주 성용길 성용선(연구소장) 이채영 차장

및 연구원

주제 및 토의사항

- 지원내용과 향후지원계획 불소수지의 전기적 특성과

대전 방지용 불소수지의 충전제에 관한 장단점 토의

대전 방지의 중요성 폭발 환경에서의 정전기 안전지

침 반도체 제조 장치에서의 작업스테이지의 대전방지

에 관한 기술 동향 토의 최근 관심의 대상이 되고 있

13

는 탄소나노튜브(CNTs)의 제조 방법 용도 등에 관한

설명과 의견교환 내마모성 테플론 코팅 방법 용도

등에 관한 자료제공 및 의견교환 충전 또는 강화 불

소수지에 관해 자료조사를 통해 얻은 충전제의 종류

기계적 및 물리적 특성 향상 방법에 관한 기초지식을

제공함 다음 방문 시(7월 25일)에는 시트 테이프 및

박층 테플론과 최근 내마모성 코팅기술로 주목받고

있는 DLC코팅과 테플론의 안정성 문제에 관해 의견

을 교환하고 그간의 정보지원에 관한 내용들을 종합

정리하기로 함

- 지원효과 대전방지 불소수지 코팅의 작업표준 및 관

리지침에 반영할 자료 제공 최근 관심의 대상이 되는

CNTs에 관한 기초지식 배양 및 정보수집과 분석 불

소수지에 사용되는 각종 충전제의 선정 시 참고 자료

확보

- 자료제공

① Francis J Clauss Chapter 9 Fluorocarbons

Solid Lubricants and Self-lubricating Solids 1972

pp195sim238

② Eunsoo Kang Seongcheol Choi Changhoon Choi

14

Sang Eun Shim Aqueous dispersion of

submicron-sized diamond particles for thermally

conductive polyurethane coating Colloids and

Surfaces A Physiochem Eng Aspects415(2012)

pp255-261

③ Masaaki Yamane Tadeusz A Stolarski Shogo

Tobe Influence of counter material on friction

and wear performance of PTFEndashmetal binary

coatings Tribology International Vol 41 (2008)

pp269ndash281

④ M Pazderova M Bradac M Vales

Tribological Behaviour of Composite Coatings

Procedia Engineering Vol 10 (2011) pp472-477

⑤ S Rossi F Deflorian F Venturini

Improvement of Surface finishing and Corrosion

Resistance of Prototypes by Direct Metal Laser

Sintering Journal of Materials Processing

Technology Vol 148 (2004) pp301-309

⑥ S Rossi F Chini etal Corrosion Protection

Properties of Electroless NickelPTFE Phosph-

ateMoS2 and BronzePTFE Coatings Applied to

Wear Resistance of Carbon Steel Surface and

15

Coatings Technology Vol 173 (2003) pp235-242

⑦ VC Malshe Nivedita S Sangaji Fluorinated

Acrylic Copolymers Part I Study of Clear

Coatings Progress in Organic Coatings Vol 53

(2005) pp207-211

⑧ Xing-Dong Yuan Xiao-Jie Yang A Study on

Friction and Wear Properties of PTFE Coatings

under Vacuum Conditions Wear Vol 269 (2010)

pp291-297

⑨ Amel Delimi Elisabeth Galopin etal

Investigation of the Corrosion Behaviour of

Carbon Steel Coated with Fluoropolymer Thin

Films Surface amp Coatings Technology Vol 205

(2011) pp4011-4017

⑩ 이계영 김태균 김종구 ldquo내마모성 및 윤활성 코팅

조성물rdquo 대한민국특허 등록번호 10-1151909 (2012)

⑪ Thomae Kart J Multilayer Corrosion Resist

ant Finish and Method WO 2006017259(2006)

⑫ (주)바론에스엘 ldquo불소수지와 세라믹의 유무기

하이브리드 코팅 조성물 및 그를 이용한 도막 형성

방법rdquo 대한민국 공개특허 10-2013-0028553 (2013)

16

4 4차 지원

일시 및 장소 2013년 7월 25일(목요일) 1000-1400시 신청

업체 2층 회의실

참석자 성용선(연구소장) 이채영 차장 및 연구원

주제 및 토의사항

- 지원내용과 향후지원계획 발암물질인 석면대체재로써

테플론의 개발 동향을 나선 권형 가스켓과 자동차브

레이크 제동장치를 중심으로 토의하고 내마모 특성을

필요로 하는 DLC 코팅에 관한 정보제공과 DLC 특성

에 관해 집중 토의함 환경문제와 관련하여 대두되고

있는 테플론 분해가스 등 안정성 문제에 관한 자료를

제공하고 이에 관한 의견을 교환함 그간의 제공 정보

를 종합하고 8월 말 작성예정인 최종보고서 내용을

협의하였음

-지원효과 신기술 개발을 위한 내마모 코팅 DLC코팅

환경문제를 고려한 친환경 제품 등 신기술과 신공정

개발을 위한 개념을 확립하였음

17

- 자료제공

① WO 2006047500(Henkelkommanditgesellschaft auf

Aktien Article of Manufacture and Process for

Anodically Coating an Aluminum Substrate with

Ceramic Oxides Prior to Organic or Inorganic

Coating)

② 이치옹 분석자료 ldquo나선형 개스킷의 비석면화rdquo

Takashi Miyoshi 배관기술(일) Vol 46(10) 2004

pp43-47

③ 유호천 ldquoDLC 코팅 표면처리rdquo KISTI 중소기업 정

보지원 2011 10 11

④ 유호천 ldquoPVD DLC TRD 코팅설비를 활용한 복

합충 개발및 제품적용rdquo KISTI 중소기업 정보지원

2010 10 21

⑤ 국립환경과학원 ldquo화학물질 배출량 조사 OECD와 협

력강화rdquo 보도자료 (2010 11 18)

⑥ ldquo새로운 코팅기술과 공구에 대한 적용rdquo 월간기계기술

기자 2005년 3월호

⑦ Teflon off-gas studies Environmental Working

Group Ewg Org Retrieved on 2013-01-01

⑧식품의약품안전청 ldquo식품용 기구 및 용기 포장 공전rdquo

18

2012

⑨ 廣野高生 ldquo環境保全型フッ素系 撥水撥油剤の 開發

と 工業化rdquo ファインケミカル(日本) 37(11) 2008

pp39-44 이치옹 모니터링분석 KISTI

5 5차 지원

일시 및 장소 2013년 8월 21일(수요일) 1000-1400시 신청

업체 2층 회의실

참석자 성용선(연구소장) 이채영 차장 및 연구원

김학주(전문연구위원) 성용길(전문연구위원)

김종헌(KISTI 연구책임자)

주제 및 토의사항

1 불소화합물의 안전성과 환경대책 정보지원 결과 종합

등 최종보고서(안) 내용에 관한 의견교환

2 지원의 한계와 기대효과에 관한 의견 교환

3 건의 사항 등

19

세부 지원 내용

⑴플루오르화탄소 플라스틱의 특성

Teflon TFE(폴리테트라플루오로에틸렌)은 1940년대부

터 사용되어 왔으며 Teflon FEP(플루오르화에틸렌프

로필렌 공중합체)는 1958년에 소개되었고 압출 및 사

출성형이 용이하며 TFE 유형은 딱딱하고 낮은 마찰계

수를 가지며 마모에 강하고 보다 높은 온도에서 사용

가능하다 이 외에도 플루오르화탄소 플라스틱에는 폴

리염화플루오르화에틸렌(CFE 또는 CTFE)와 폴리비닐

리덴플루오라이드(PVF) 등이 있다 플루오르화탄소 플

라스틱은 그 코팅방법에 따라서도 응용범위가 광범위

하게 발전되어 왔으며 그 용도는 주방용기로부터 기

계 자동차 반도체는 물론 우주항공 산업 부품에 이르

기까지 무한하며 상업 생산되고 있는 플루오르화탄소

플라스틱은 표 3-11)과 같다

PTFE는 열가소성 플라스틱으로 상온에서 밀도 약 2200

인 백색고체로 융점은 327이며 마찰 및 마모 특

성을 나타내는 마찰계수는 고체재료 중 BAM(alumi-

20

nium magnesium boride 마찰계수 002)과 DLC

(diamond-like carbon 마찰계수005)에 이어 3번째로

낮은 005-010로 반데르발스 힘에 대한 저항력으로 도

마뱀이 붙을 수 없는 유일한 표면으로 알려져 있다2)

표 3-1 플루오르화탄소 플라스틱의 유형1)

21

Teflon의 유용한 기계적 특성은 -450sim500(-267sim

260)에서 유지되며 여러 가지 특성들은 가공기술을

바꾸어 변경시킬 수 있다 마찰 및 마모 특성을 나타

내는 마찰계수들은 시험조건에 따라 다르며 Teflon은

증기압이 극히 낮아 진공에서도 우수한 안정성을 가

지며 방사선 안정도는 부족하나 방사선 내용성은 극

히 높다

테프론의 특징은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat-

resistant) 비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coeffi-

cient of friction) 내약품성(chemical resistance) 특이한

전기적특성(unique electrical properties) 저온내구력

(cryogenic stability)으로 대표된다3)

- 테프론 코팅된 표면에는 거의 모든 물질이 달라붙지

않으며 내열성(heat-resistant)이 우수하여 -260sim+26

0까지 사용할 수 있고 단시간 사용의 경우에는 30

0까지 견디며 Teflon FEP는 232에서 연속사용이

가능하다 비유성(non-wetting)이 우수하여 표면에 물

이나 기름이 잘 묻지 않아 표면이 오염되지 않아 쉽

게 청소가 가능하고 기계설비의 보수시간이 단축되어

생산성을 향상시킬 수 있다 테프론은 비-절연성은 물

22

론 비-유전정접과 우수한 표면 저항률을 보인다

⑵ 플루오르화탄소 수지 코팅

얇고 강인한 플루오르화탄소 수지 필름을 금속 등에

소결이나 수지-접착에 의해 바르면 기질에 침착된 필

름은 저온흐름으로 고체 플루오르화탄소 수지보다 낮

은 마찰계수를 띠고 금속은 양호한 열전도도를 갖고

열을 분산할 수 있어 고속으로 운전할 수 있고 양호한

내구성을 갖게 된다

1950년대 미국 해군연구소에서 소결 Teflon TFE필름을

수성 분산액(현탁질)으로부터 무기 탄약통 비행기부

품 잠수함부품의 건조-필름 윤활제 및 보호 코팅용으

로 개발한 후 이것들은 기어 정첩(hinges) 샤프트 베

어링 밸브 플러그 콕 피스톤 링이나 그 외의 산업분

야에 응용되고 있다

- 실제로 적절한 테플론 현탁질을 고체 표면에 침적한

후 수분 증발이 너무 빠르지 않게 공기에서 필름이

건조되게 한 후 테플론 입자들이 연화 및 소결되도록

건조된 표면을 약 385(725)로 가열하고 냉각하면

23

얇은 연속 필름이 표면에 남지만 필름 중의 많은 작

은 세공들은 테플론의 높은 용융점도 때문에 제거할

수 없다 세공들은 윤활 작용에는 제한을 받지 않으나

녹슬거나 부식의 공격점이 되어 부식방지를 위해서는

1회 이상의 박막 추가 코팅이 반복되고 보통 2회 코

팅으로 충분하나 각 침적 테플론 층은 두께가 00003

인치(762)를 초과하지 않아야 하며 그렇지 않으면

말린 진흙 같이 균열이 발생한다 필름이 윤활제로 사

용될 때는 필름두께가 00006-00007인치(152-178)

를 초과하지 않아야 한다1)

- 테플론코팅은 통상으로 존재하는 표면 산화물이 제거

되지 않은 깨끗하고 탈지된 강철 황동 및 알루미늄금

속표면일 때 가장 잘 접착한다 만일 산세척에 의해

과잉 두께의 산화물이 제거되었다면 필수적으로 얇은

산화층이 형성될 때까지 공기 중에서 가열한다 접착

은 실표면적이 증가하면 증가하므로 경면가공(mirror

finish)보다 모래분사가공이나 무광택가공이 양호하다

- 테플론 코팅된 표면의 마찰계수는 금속기질 표면을

거칠게 함으로써 낮출 수 있으나 미끄럼마찰 조건 아

래 내구성은 금속의 거칠기가 32마이크로인치(rms)를

초과하면 감소한다

24

철강 기질의 인산처리는 소결 Teflon TFE필름의 마모

수명을 향상시킨다고 보고되었으며 양극처리 된 코팅

의 경도 및 내마모성과 불소수지의 윤활성을 결합하기

위해 다공성 경화 양극처리 알루미늄 위에 불소수지를

침윤하여 왔다 Teflon S 마감재는 Du Pont이 도입한

최초의 수성-기초 분산 TFE FEP로 이들은 ldquo계층화

된rdquo 마감재이다 Francis J Clauss1)는 다양한 용도에

서의 Du Pont사 제품들의 선정 가이드를 표로 종합하

였으며 이것을 요약하면 표 3-2와 같다

- 테플론 코팅은 프라이머 단층 프라이머 코팅 후 에나

멜이나 클리어 마감 또는 프라이머 에나멜과 클리어

마감 등 3-코팅 시스템으로 구성된다 프라이머들은

금속이나 세라믹 기질에 접착을 향상시키기 위해 개

질제를 함유한다 프라이머들은 가끔 1회 코팅 마감재

로 사용되나 음식물과 접촉하는 용도로는 반드시 에

나멜이나 클리어 마감재로 마무리 칠을 하여야 한다

프라이머는 층간 접착력이 부족하기 때문에 다중 코

팅에 적용될 수 없고 만일 06mil 이상의 코팅이 필요

하면 프라이머는 에나멜이나 클리어 마감재로 마무리

칠을 하여야 한다

25

표 3-2 테플론 코팅 두께1)

최종

용도대표적 용도

전체두

께(mils)

프라이머에나멜클리어

가공(mils)

비점착

산업

직물 슬래셔 통

열 봉합 봉 고무경화 롤러

우레탄과 에폭시 경화 주형

제빙기

목재 고무 주석도금 아연

10-25

07

20-50

08-13

07

03 07-22 07-10

07 마무리칠 불가

03 07-37 10min

03 05-10 05-10

07 마무리칠 불가

식품

프라이팬 내열접시

반죽롤러

캔디 장치

08-12

10-30

20-30

03 05-09

03 07-27

03 07-17 10

One-coat

system

금지

드라이

윤활

플러그 밸브

유리병 제조 전달 장치

베어링

03-07

15-25

05-07

03-07

03 03-05 03-05

02

전기

전자

저항기 코팅

아이들 롤러(제지 섬유 공업)

세라믹 절연체

40-50

10-15

20-25

03 37-47

03 07-12

03 17-22

부식

방지용기 라이닝 gt50 03 47 또는 5-10 이상

Non-

wetting콘덴서 튜브 02-04 02-04

- 유색 프라이머는 통상 안료가 필름의 범위와 두께를

시각적으로 체크할 수 있게 하므로 그렇지 않은 것에

비해 더 선호된다 에나멜과 클리어 마감재는 충분한

접착을 위해 프라이머 위에 발라야 한다 ldquo진흙 갈라

짐 현상(mud-cracking)은 코팅 당 최대 두께를

10mil로 한정하나 다중 코팅에 의해 극단적이 조건

하에 전체 두께를 10mils까지 바를 수 있으며 각각의

26

코팅은 분리하여 구워진다

불소화 고분자들은 낮은 표면장력 물과 기름에 젖지 않

고 비점착성이며 방오 특성(antifouling properties) 등을

갖기 때문에 다양한 특수 코팅에 적용되나 합성과 조성

이 몇몇 제조업자들에 독점되어 있고 값비싼 중간체를

필요로 한다 VC Malshe 등4)은 플루오르 함량이

4-10인 불소화된 아크릴 공중합체를 간단한 방법으로

합성하고 클리어 코팅하여 광학적 기계적 및 보호 특성

을 연구하였다

최근 에너지 절감과 CO2규제와 같은 환경규제에 대한 대

응 필요성이 증가하면서 발전소나 각종 보일러 시스템에

서 배가스로 배출되는 응축잠열 에너지의 회수 및 활용

에 관심이 증가되고 있다 Lee 등5)은 스테인레스 관 표

면에 400정도의 두께로 테플론을 코팅한 전열관에서

관의 열 및 응축 열전달 특성을 연구하여 테플론 코팅관

의 총괄 열전달 계수는 스테인레스 관보다 약 20 작은

것으로 나타나고 응축열전달 계수는 유사하였음을 보고

하였다

알루미늄 용광로의 비-여과 배출가스에 장기간 사용하기

적합한 역류 열교환기에 관한 것으로 원통형 쉘의 표면

27

은 알루미늄 용광로 배출가스 입자 및또는 먼지 및 부

식 흄과 접촉될 수 있어 테프론 계로 코팅 처리하는 특

허6)가 있다 이 특허에서는 원통형 쉘을 만들도록 복재

(web member 웨브재)와 함께 연결된 유체 운반튜브로

이루어진다 각 원통형 쉘에 위치한 헤더는 열교환기의

튜브에서 튜브로 유체를 공급하며 뜨거운 난류가스에 작

용하여 스케일링을 최소화하기 위해 헤더의 보호덮개를

설치한다

저온에서 고온에 이르는 환경에서 유체에 사용되는 배관

튜브는 열에 의한 경시적 열화가 진행되어 균열 발생이

쉽다 가동부에 사용되는 배관 튜브는 움직임이 수반되어

그 경향이 현저하며 반도체 제조장치에 일반으로 사용되

는 실리콘튜브는 저온에서 열화되어 파손되기 쉽다 이러

한 문제점을 해결하기 위해 실리콘 튜브 외측 표면을 테

플론으로 코팅하여 균열발생을 억제함으로써 장시간 사

용 가능하도록 고안한 특허7)가 있다

섬유상 부직포로 제작하는 다공성 여과필터는 다양한 산

업공정의 배출가스를 정화시키는 데 사용되며 특히 중고

온 환경에서 사용이 가능한 다양한 종류의 기능성 필터

의 개발이 요망된다 일반으로 소각장 및 발전소 등의 중

고온 조건에서 사용되는 Nomex를 비롯한 섬유상 필터는

28

200 이상에서는 열변형으로 사용이 제한적이고 세라믹

필터와 같이 고온에서 적용이 가능한 소재는 매우 고가

일 뿐 아니라 초기 작업으로 인해 에너지 사용량이 매우

높아지는 문제점이 있다 Kim 등8)은 250-300 영역의

중고온의 배출가스를 처리하기 위한 필터에 표면 소수성

과 고온 안정성을 부여하기 위하여 표 3-3과 같은 조성

으로 그림 3-1과 같은 장치를 이용하여 테플론 수지를

거품 형태의 코팅액으로 조제하여 유리섬유 원단에 공급

하여 표면코팅하고 열처리 및 압착과정을 거친 후 표면

분석하였다

표 3-3 테플론 코팅을 위한 화학첨가제8)

테플론 코팅이 전기 집진장치에 활용되는 특허도 있다

종전 사이클론 방식의 전기집진기에서는 집진부의 먼지

를 떨어뜨리는 것이 용이하지 않았다 발명자들은 먼지

압축 기능을 갖는 집진실 내측에 테플론 가공을 하여 정

전기에 의한 미세먼지의 부착을 억제함으로써 집진실의

먼지를 원 터치로 처리할 수 있도록 하였다9)

29

그림 3-1 테플론 거품코팅8)

일반으로 테프론을 조리용기에 코팅하는 방법은 금속소

재를 사용 제품형태로 제작한 후 세척하고 에이징(소둔)

처리한 후 샌딩하여 표면조도를 유지하도록 하고 표면에

프리머 처리하여 베이킹 처리한 후 분사방법으로 테프론

코팅을 하고 다시 베이킹 처리하므로 공정이 복잡하고

제조원가가 상승하며 부착력에 한계가 있다한다 (주) 엘

지아이 특허10)에서는 피처리물을 세척한 후 산질화처리

하여 표면에 열처리 층이 형성되게 한 후 테프론을 코팅

하고 베이킹 처리하는 것을 특징으로 한다 그 외에 내열

세라믹 주방용기의 불소수지 코팅방법에 관한 특허가 있

다11)

(주) 봉성비에스는 차량의 주행 충격을 흡수하는 완충기

30

내부에 삽입하는 피스톤 외주면의 마찰과 소음을 최소화

하기 위한 목적으로 테프론 코팅을 하기 위한 코팅장치

를 등록하였다12)

⑶ 대전 방지 플루오르화탄소 수지 코팅

ㅇ 본래 불소수지 자체는 높은 절연성과 큰 대전성을 갖고

있기 때문에 도전 효과를 얻기 위해서는 분상 필러를 다

량으로 충전할 필요가 있으나 이렇게 하면 비점착성이

떨어진다 여러 회사들의 제품 안내서들을 종합한 불소수

지의 전기적 특성은 표 3-4와 같다

표 3-4 불소수지의 전기 특성

특성측정법

(ASTM)단위

PTFE

(비충전)

PTFE

(25

유리충전)

PTFE

(25

탄소충전)

표면 내아크성 D495 sec 75-110

체적저항

(비저항)D257

ohm-

cmgt1018 gt1016 104

표면저항 D257ohm

sq-1 gt10

14

유전율(유전상

수) at 1MHzD150-81 e 25 24

절연내력 short

time 18thickD149

kv

mm285

유전정접(유전

정합) at 1MHzD150-81 lt00002 005

31

ㅇ 불소수지는 내열성 내한성이 높고 내약품성 내연소성

난연성이 우수하고 절연성 및 비점착성과 저 마찰계수를

갖고 있으나 절연성이 높아 정전재해의 원인이 될 수 있

어 재해 방지를 위해 대전 방지 또는 저저항을 특징으로

하는 불소수지 가공품이 개발되어 사용범위가 넓어지고

있다

불소수지에 충전하여 저저항으로 하는 필러에는 일반적

으로 도전성이 높은 카본 금속 또는 산화알루미늄 등의

금속산화물이 사용된다 재료의 형상으로는 미분 탄소

스테인레스 스틸 니켈 금속분과 같은 입상물 단섬유 탄

소섬유 위스커(whisker) 등이 사용된다

- 미분은 비표면적이 크기 때문에 소량의 충전으로 저

항치를 내릴 수 있으나 약품의 침투가 있는 경우 비

표면적이 크기 때문에 약품의 영향을 받기 쉬워 내부

식성 떨어질 가능성이 크다

- 입자상물질들은 미분에 비해 비표면적이 작기 때문에

약품의 영향을 비교적 적게 받지만 저항치를 내리기

위해 충전량이 많게 되어 불소수지의 특징인 비점착

성과 저마찰계수 특성을 저해한다 섬유 위스커 형상

은 단방향에 대한 장방향의 비가 클수록 적은 충전량

32

으로 저항치를 낮출 수 있지만 분산이 나쁘면 요철이

발생한다 부식 방지 코팅에서는 충전제의 내약품성이

관건이다 즉 부식 환경에서 불소수지 자체는 충분히

견디어도 충전제가 내약품성이 없으면 충전제가 서서

히 에칭되어 기기가 부식될 가능성이 크다

화학 석유 및 정제 산업에서는 시험 검사 세척 및 다양

한 공정의 용기 저장 탱크 반응기와 같은 많은 구성요

소들이 사용되며 플루오르화 고분자는 고온에서 높은 열

안정성을 갖고 다양한 유기용매에 전혀 용해되지 않으므

로 부식방지 등을 위해 플루오르화 고분자와 같은 내화

학성 고분자로 코팅된다 그러나 이들 고분자는 코팅된

구성요소의 표면에 정전하 축적을 조장하기 때문에 폭발

성 환경에서는 사용할 수 없다

특히 이들 구성요소들의 금속 구조물은 용기나 탱크에

보관된 가스 증기 분진의 이동에 의해 생성된 정전하

(electrostatic charge)를 흐르게 하는 전도경로가 되나 금

속표면을 강산 강알칼리나 유기용제에 의해 침투되는 방

지하기 위한 목적으로 부식방지 테플론으로 코팅될 경우

얇은 필름의 비-전도체로 작용하므로 폭발성 환경에서

사용을 규제하고 있다

33

- 예로 유럽 표준 EN 50014 section 732에서는 정전

하로 인한 발화 위험을 피하기 위해 사용 보수 및 세

척 조건 하에 설계된 울(enclosure)이 필요하고 울의

절연저항은 1GΩ을 초과할 수 없도록 규제하고 있고

일본은 후생노동성 관할 산업안전연구소의 정전기 안

전지침의 누설 저항치는 108Ω 이하로 되어 있다

- 따라서 부식 및 폭발성 환경에서 안전하고 다양한 구

성 요소에 적용할 수 있는 정전방지 비-발화 테플론

코팅기술을 요하며 정전방지 코팅은 표면저항을 낮추

기 위해 카본블랙이나 개질 전도성 탄소 금속이나 전

도성 고분자를 테플론에 충전하여 코팅한다

폭발성 환경용 내화학약품 특성과 대전방지 비발화

코팅 조성물로는 높은 비저항을 갖는 플루오르 고분자

50-90wt 10-50wt의 전도성물질인 탄소분(carbon

powder)으로 이루어진 Solex Robotics Systems Inc

특허가 있다13)

- 폭발환경에서 사용되는 이상적인 코팅은 정전하를 피

하기 위해 낮은 비저항을 가져야 한다 완벽한 전도체

는 비저항이 영(0)이고 완벽한 절연체는 무한 비저항

34

을 갖는다 금속(구리 금 같은) 합금(망가닌 Mn-Ni-

Cu 니크롬 Ni-Cr-Fe) 반도체(카본이나 게르마늄)는

낮은 비저항을 갖고 있어 좋은 도체이다

- 수많은 고분자 기초 코팅들이 부식화학 환경에 사용

되었으나 85GΩ 이상의 비저항으로 대전방지 시험에

서 실패하였다 정전기 도체로 인증기준 아래 적합하

기 위해서는 100cm2이상의 노출 표면이 1GΩ 이하의

비저항이어야 한다 코팅에 첨가된 탄소분은 전도도를

증가시키며 10-50의 함량은 1GΩ 이하의 비저항을

만족시킨다

비전도성 표면의 표면저항을 감소시키도록 카본이나 금

속을 사용하여 대전방지를 부여하는 공정의 단점으로는

카본이나 금속의 접착력이 낮아 입자의 마모가 일어나

장기간 사용 시 대전방지 수준이 감소하는 것이다 더욱

클린룸에서 입자의 방출은 심각한 문제가 된다 대부분의

비전도성 기질은 통상 23 상대습도 50에서 표면 비

저항이 109ohmsquare 이상으로 높고 PTFE 경우는 10

12

ohmsquare이상이다14)

반도체 제조 장치에서는 웨이퍼 기판을 안착하기 위해

작업 스테이지를 사용하며 작업스테이지는 통상 금속과

35

세라믹으로 제작되나 웨이퍼기판을 작업스테이지에 올려

놓을 때 작업스테이지와 웨이퍼기판 사이에 마찰 정전기

가 발생한다 FPD(flat panel diplay 평판표시)용 디스펜

서(dispenser)에 사용되는 작업스테이지는 진공방식으로

디스플레이 기판을 흡착 고정하며 흡착 고정되었던 디스

플레이 기판이 작업스테이지에서 박리될 때 작업스테이

지에 정전기가 발생하여 디스플레이 기판에 대전된다 최

근 디스플레이 기판이 대형화됨에 따라 대전량이 증가되

고 정전기 대전문제가 더욱 심각해지고 있다 웨이퍼기판

이나 디스플레이기판에는 반도체소자 등 다수의 전자부

품들이 배치되어 있기 때문에 정전기가 발생되면 전자부

품의 신뢰성에 치명적 손상을 주고 기판에 분진이 부착

되거나 정전기의 대전으로 기판 리프트 업(lift up)시 기

판이 깨어지는 문제가 발생한다 정전기 대전을 방지하기

위해서는 작업스테이지에 이오나이저를 설치하여 중화하

기도하나 리프트 업이 불가능하거나 이온풍이 도달하기

전 방전하는 등 작업 스테이지와 기판 사이에서 발생한

정전기가 순간적으로 일으키는 박리대전 문제를 해결하

기 어려워 작업 스테이지의 정전기 방지를 위해 불소수

지로 코팅한다

- 불소수지는 다른 물질과의 흡착에너지가 작고 비점착

성이 우수하며 마찰계수가 작아 유리기판과의 상관관

36

계가 작아져 박리에 의한 정전기의 발생량이 적어지

나 불소수지는 절연성을 가지므로 테프론 코팅에서는

카본 블랙이나 전도성 고분자 등을 필러로 사용한다

대전방지가 필요한 반도체 제조장비 디스플레이 장치 및

테스트 장치 등의 작업 스테이지를 테프론 코팅함으로써

작업 스테이지의 정전기 발생을 방지하는 방법의 단점의

하나는 제작비용이 상대적으로 많이 드는 것으로 디스펜

서의 경우 디스플레이 기판이 대형화됨에 따라 작업 스

테이지의 크기가 커져 제작비용이 증가한다 또한 불소수

지의 경도가 낮아 코팅 막에 스크래치가 발생하고 이 부

분은 평탄도 유지가 어려우며 입자들이 발생하는 요인으

로 작용하며 불소수지가 절연성이므로 카본블랙이나 전

도성 고분자 등의 도전성 필러를 충전하여 대전방지에

적합한 면-저항을 갖도록 할 경우 카본블랙은 구형으로

분진이 발생하는 문제점이 있고 전도성 고분자를 사용할

경우는 내용제성이 약하고 과량의 바인더를 사용하여야

하며 박막 형성이 어렵고 불소수지의 경도를 보완하기

위해 아노다이징 처리를 하는 경우는 이후 별도의 코팅

과정을 거쳐야 하므로 제작비용과 제작시간이 증가하는

등 여러 가지 단점들이 있다 이러한 문제점들을 해결하

기 위한 방법으로는 작업 스테이지와 기판이 만나는 면

에 정전기 발생을 최소화시킴과 동시에 그 제조비용이

37

절감되고 적절한 면-저항을 조절할 수 있으며 마찰계수

가 낮고 내마모성이 향상된 작업스테이지 표면의 대전방

지 처리 방법에 관한 국내의 탑나노시스 사의 특허15)가

있다

- 탑나노시스 사의 특허 목적은 작업스테이지의 기판과

만나는 면에 정전기의 발생을 최소화시킴과 동시에

그 제조비용이 저감되고 적절히 면-저항을 조절할 수

있으며 마찰계수가 낮고 내마모성이 향상된 스테이지

표면의 대전방지 처리 방법에 관한 것으로 이 특허에

서는 금속소재의 작업 스테이지 표면을 아노다이징

처리하여 복수의 산화표면 홀들을 형성시키고 여기에

탄소나노튜브를 삽입하고 경화하며 탄소나노튜브 경

화 후에 표면을 봉공 처리한다

- 작업스테이지 표면은 106-10

9Ωsq의 면-저항을 갖는

것이 바람직하며 산화표면 홀들은 직경 30-900nm 깊

이 100-900nm가 바람직하다 아노다이징 처리를 하는

금속소재는 Al Mg Zn Ti Ta(탄탈륨) Hf(하프늄)

Nb(니오븀) 등일 수 있고 이 발명에서는 가벼우며 일

정 강도를 갖고 가공성이 우수한 Al합금을 예로 들어

설명하고 있다

38

- 알루미늄소재 작업스테이지 표면에 산화피막(Al2O3)처

리를 하는 아노다이징(anodizing 양극산화)에서 전해

액은 수산화나트륨이나 수산과 황산 등이 사용될 수

있고 수산화나트륨의 농도(20-50) 공급전압 전류

및 시간 등을 조절하여 산화표면 홀의 크기(D)와 깊

이(L)를 조절하며 D와 L에 따라 대전방지 효과나 내

구성 및 표면경도를 조절한다

- 탄소나노튜브를 산화표면 홀 내에 삽입시키는 단계는

전해 흡착 하여 이루어질 수 있고 정전도장을 통해서

도 이루어질 수 있다 탄소나노튜브는 분산제를 포함

하는 용액으로 코팅되며 분산제로는 소듐 도데실설페

이트(SDS) 트리톤X Tween20(폴리옥시에틸렌 소르

비탄모노올레이트) CTAB(cetyl trimethyl ammonium

bromide)를 예로 들고 있으며 탄소나노튜브 용액은

아크릴계 우레탄계 등 또는 전도성 고분자계 유무기

하이브리드계 바인더가 포함될 수 있다

- 봉공처리는 산화표면 홀과 산화피막을 봉공하여 내식

성 등이 향상되도록 보호 층을 형성시키는 것으로 비

등수 가압증기에 의한 수화봉공 금속염을 포함한 열

수에 의한 금속염 봉공 오일로 도포나 침적하는 유기

물 봉공 양극산화 피막 층에 도장하는 도장에 의한

39

봉공 등이 있다

반도체 소자를 제조하는 과정에는 불순물 이온을

주입하는 장비가 이용되고 있다 (주)하이닉스 반도

체의 특허에서는 이온주입 장비의 웨이퍼 지지 장

치 리프트 핀의 끝단을 라운드 처리하고 리프트 핀

에 테플론을 코팅하여 리프트 핀과 웨이퍼 후면의

접촉 시 웨이퍼 후면에 스크래치와 같은 손상이 유

발되는 것을 억제할 수 있게 한다16)

⑷ 탄소나노튜브(CNTs Carbon Nano Tubes)17)

탄소나노튜브는 탄소의 동소체로 1991년 일본 NEC 연구

소의 Ijima박사에 의해 전자 현미경을 통해 처음으로 확

인되었다 1985년에 Kroto와 Smalley가 탄소의 동소체인

풀러렌(탄소 원자 60개가 모인 것C60)을 처음으로 발

견한 이후 전기방전 시 흑연 음극 상에 형성된 탄소덩어

리를 투과전자현미경으로 분석하는 과정에서 발견하여

Nature학술지에 처음으로 발표되었다18) 탄소나노튜브에

서 탄소원자 하나는 주위의 다른 탄소원자 3개와 sp2결

합을 하여 육각형 벌집무늬를 형성하며 이 튜브의 직경

이 대략 수 나노미터(nm nanometer) 정도로 극히 작기

40

때문에 나노튜브라고 부르게 되었다 이 탄소나노튜브는

전기 세기가 클수록 더 수축하는 성질을 가지고 있는 등

튜브의 직경이 nm수준으로 극히 작아서 특유의 전기화

학적 특성을 나타낸다

Ku 등19)에 의하면 CNTs는 전기방사법(arc-discharge)

레이저증발 법(laser vaporization) 플라즈마 화학기상증

착 법(plasma enhanced chemical vapor deposition) 열

화학 기상증착 법(thermal chemical vapor deposition) 등

의 다양한 합성법이 개발되어 대량생산이 가능하다

CNTs의 종류는 벽의 수에 따라 단일 벽 탄소나노튜브

(SWNTs) 이중 벽 탄소나노튜브(DWNTs) 다중벽 탄소

나노튜브(MWNTs)가 있으며 물성에 관한 많은 연구결

과 기계적 전기적 열적으로 우수한 성능을 갖고 있음이

입증되었다

CNTs는 인장강도와 탄성률 면에서 지금까지 발견된 재

료 중 가장 강하고 질기며 다중벽 CNT는 63GPa에 이른

다 표준 단일 벽 CNT는 25GPa의 압력까지 변형 없이

지탱된다 그래핀의 대칭성과 특이한 전기적 구조 때문에

CNTs의 구조는 그것의 전기적 특성에 영향을 미쳐 금속

성이나 반도체의 특성을 나타내고 이론적으로 금속성

41

CNTs는 구리와 같은 금속의 1000배가 큰 4times109Acm

2

전류 밀도를 운반할 수 있으며 나노크기의 단면으로 전

자가 튜브의 축 방향으로만 전파되고 전자의 이동은 양

자효과를 수반하여 1차원 전도체로 간주된다

CNTs는 우수한 물성과 상대적으로 큰 표면적으로 갖고

있어 충전제(filler)로써 에폭시 폴리스틸렌 폴리우레탄

등 고분자와 혼합하여 폴리머의 기계적 전기적 특성을

향상시키려는 연구가 활발하다 CNTs가 폴리머 중에서

충전제 역할을 하기 위해서는 고른 분산이 필요하나 반

데르발스 힘에 의한 CNTs 응집현상(agglomeration)으로

인해 효과적인 분산이 어려워 오히려 폴리머의 물성을

저해하므로 이것을 개선하기 위한 다양한 기계적 화학적

분산 방법이 연구되고 있다

- CNTs를 분산시키기 위한 가장 일반적인 방법은 용매

나 폴리머에 CNTs를 투입하고 초음파처리를 하는 것

으로 초음파처리를 하면 SWNTs의 길이가 짧아지고

다발(bundle)이 얇아져 분산력이 증가한다

- CNTs 표면을 산이나 아민으로 기능화하여 분산을 높

이는 방법도 연구되고 있으며 MWNTs를 HNO3

H2O2NH4OH 용액에 침지시켜 MWNTs에폭시 복합

42

재료는 전기적 특성을 향상시키려는 연구와 산과 아

민 등의 기능기를 도입하여 SWNTs의 열전도도를 향

상시키려는 연구들이 수행되고 있다

- 기계적 분산방법인 전단혼합방법은 좁은 관이나 상대

적으로 높은 속도의 유동을 이용하여 발생한 전단력

으로 CNTs를 분산시키는 방법이다 Ku 등19)은 전단

혼합과 초음파처리를 이용하여 MWNTs로 강화된

에폭시 복합재료를 만들어 기계적 및 열적 특성을 연

구하였다

⑸ 내마모성 테프론 코팅

ㅇ 재료의 부식은 구조재에 원하지 않은 변화 원인으로 작

용하여 경제적인 문제로 귀결되는 심각한 문제이다 이들

원치 않는 변화는 때로 적절한 코팅에 의한 표면처리로

예방할 수 있다 가장 일반적이고 자주 사용되는 전착 코

팅은 아연에 기초한 아연 코팅 및 합금 코팅으로 이들

코팅은 간단한 기술로써 내부식성이 양호하여 전 표면처

리의 약 14에 해당하나 최근 낮은 마찰계수 등 다른 특

성들이 매우 중요하게 되었다 이들 특성은 다층 코팅으

로 대응할 수 있으나 두께가 증가하고 기술이 복잡하여

가능한 해결방법으로는 복합체 코팅이 있다 복합체 코팅

43

은 일반기계와 자동차 전자부품 및 컴퓨터 등 다양한 분

야에 적용된다 금속 기질에 미세한 PTFE 입자의 전착

에 의한 증착은 새로운 세대의 복합체 코팅으로써 가장

바람직한 특성은 양호한 내마모성 자기윤활 내부식성이

다 M Paderovaacute 등20)에 의하면 이들 특성은 주로 사용

한 입자(흑연 다이아몬드 MoS2 또는 PTFE)와 용액의

유형(pH 온도 bath 등) 뿐 아니라 입자의 크기 농도

분산 및 형태학에 의존한다

ㅇ 충전되지 않은 PTFE의 마모율은 736-741times10-4mm3Nm

로 내마모성이 낮아 다양한 충전제들이 첨가되고 있다

Xing-Dong Yuan 등21)은 진공 조건에서 PTFE 코팅

의 마모특성을 연구하여 초기에는 하중이 증가함에 따

라 마찰계수가 감소하나 하중이 6N 이상으로 커지면

마찰계수도 증가하며 압력이 PTFE 코팅의 마찰계수

에 미치는 영향이 거의 없고 마모는 압력이 증가하면

초기에는 감소하나 10Pa 보다 높으면 급격히 증가한

다고 보고하였다

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위해서는 윤활제로 PTFE

계 수지 접착제로는 폴리아미드이미드수지 산화철 분말

44

및 브론즈 분말 등을 혼합한 조성물을 사용하거나 미국

특허에서는 스와시플레이트 형 압축기의 플레이트 표면

에 MoS2 흑연 PTFE계 윤활제와 열경화성 수지인 폴리

아미드이미드(PAI) 조성물을 코팅하여 내마모 및 윤활성

을 부여하고 있다22) 내열성 향상을 위해서는 고체윤활

제 접착제수지 및 저융점 금속인 Sn Pb In Bi 등을 함

유하는 합금이나 화합물을 사용하여 금속의 잠열을 이용

내열성 향상을 시도하기도 한다

ㅇ 그간 철강(스테인리스강 탄소강 아연도금강판 등)의 내

부식성 향상을 위한 많은 연구들이 수행되어 왔다 4플루

오르에틸렌(C2H4) 4플루오르에탄(CF4) 6플루오르에탄

(C2F6) 3플루오르화에탄(CHF3) 8플루오르화에탄(C4F8)

같은 불소화된 단량체의 플라즈마 중합에 의한 테플론

류 코팅은 그들의 소수성으로 인해 금속의 내부식성 향

상을 위한 대안으로 주목을 받고 있다 A Delimi 등23)

은 유도결합 고주파플라즈마(inductively coupled radio

fre- quency plasma)를 사용하여 소수성 박막 불소수지

필름을 탄소강에 증착하고 3염수에서 내부식성을 평가

한 결과 1개월 동안 9nm의 필름이 유지되는 것을 관찰

하여 불소고분자 박막이 금속과 금속산화물의 보호층이

될 수 있음을 보고하였다

45

ㅇ PTFE를 이용한 세라믹코팅 기술로는 알루미늄 및 알루

미늄 합금 공작물을 양극처리에 의해서 티타늄 및또는

지르코늄 산화물을 포함하는 내식성 내열성 및 내마모

성 세라믹 코팅을 하고 이어서 양극처리된 공작물을

PTFE 또는 실리콘 함유 코팅과 같은 제 2 코팅으로 코

팅한다 이 발명은 가소성을 가지는 경질의 필름 내에서

내식성 내열성 및 내마모성을 제공하는 티타늄 및또는

지르코늄 산화물의 양극처리 층으로 기판을 예비-코팅함

으로써 알루미늄 기판에 보다 긴 수명의 코팅을 형성하

는데 특히 유용하다24)

ㅇ Nosaka 등25)은 PTFE로 대표되는 불소수지는 마모-링이

나 극저온 밸브의 실링부에 많이 사용되며 진공치환법에

의해 탄소재료에 PTFE나 MoS2 분말을 1-2wt 함침시

키면 무함침한 것에 비해 마모가 약 13로 감소한다고

보고하였다 한편 저자들은 터보펌프의 실링재료가 극저

온 환경에서 보이는 특이한 현상을 극복하기 위해 베어

링의 표면에 노출된 유리섬유를 불소산으로 처리하여 용

해 제거하고 윤활성을 높인 유리섬유강화 테프론 리테이

너를 개발하여 내구성과 윤활성을 향상시킬 수 있었다고

보고하고 있다

46

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위한 또 다른 특허로는

폴리실록산계 접착제를 단독 혹은 폴리에스테르계 접착

제와 병용하고 고체 윤활제로 MoS2(이황화몰리브덴

WS2(이황화텅스텐) h-BN(육방정 질화붕소) 팽창흑연

및 PTFE를 사용하고 충전제로 탄화규소 알루미나 산화

지르콘 산화티탄 등의 미분말을 사용하여 내마모 내열

및 윤활성을 부여하고자 하는 내마모성 및 윤활성 코팅

조성물에 관한 특허가 있다26)

ㅇ 내열성 내후성 내오염성 내약품성 내구성 등의 물성

은 유지하면서 비점착성을 높이기 위해 무기계 세라믹

코팅 조성물에 PTFE를 첨가하기도 한다 이러한 하이

브리드 코팅 조성물에 관한 특허로는 불소수지(01sim25

중량) 콜로이달 실리카나 콜로이달 알루미나 등 무

기계고분자 바인더(20sim80중량) 알콕시실란 화합물

(1sim50중량) 수용성 유기용제(1sim10중량) 충전제

또는 안료(5sim50중량) 및 물(100중량 까지 보충)로

이루어진 코팅 조성물에 관한 것으로 무기질 도료 및

무기계 세라믹 코팅에 의해 내열성 내오염성 내약품

성과 내구성을 유지하고 접착력을 높이기 위해 소량의

PTFE를 사용하는 것이 있다27)

47

ㅇ 정전 복사기에 사용되는 정착기재부의 최외층에 코팅하

여 기계적 성질 및 내마모성을 향상시키려는 목적으로

불소수지 기질 중에 분산된 불소화 다이아몬드를 함유하

는 입자로 구성된 조성물에 관한 일본 특허28)가 있다

ㅇ 부식 특성을 개선한 흑색 무크롬(chrome-free) 다층 내

부식 마무리 칠과 방법에 관한 특허29)로는 ASTM B 117

표준으로 시험할 때 백색 부식에는 최소 500시간 염수분

무시간 및 적색 부식에는 1500시간 염수분무시간에 적합

하게 설계된 마무리 칠에 관한 것이 있다 이 다층 시스

템은 광택(gloss) 4 이상을 만족하는 자동차 차체 강판

자동차 하부와 내장에 사용되기 위해 설계된 것으로 이

다층 마무리 칠은 3층 부식 방지 시스템을 형성하도록

아연-철 전기도금 기질 오르토인산을 사용한 무전해 인

산염 결정 전환 층과 XylanTeflon 실러 코팅의 조합이

다

ㅇ 전통적으로 철 강판(steel sheet)은 크롬산 염 전환 코팅

으로 개질되어 왔으나 6가 크롬이 배출되어 환경을 오염

시키는 문제점이 있어 강판의 내-부식성을 개선하기 위

해 고분자 수지 코팅들이 수행되고 있으나 이 방법은 고

48

분자 코팅 층이 열전도도를 감소시키는 단점을 가지고

있다 Kang 등30)은 강판 위의 고분자 코팅 층의 열전도

도를 향상시키기 위해 초미세-크기 다이몬드(μD)입자를

열전도 물질로 사용하였다 다양한 음이온 및 비-이온

계면활성제들을 사용하여 수용액 중에서 무거운 μD입자

의 안정화를 시험들을 한 결과 1-피렌카르복시산(PCA)

이 가장 양호하였다 그림 3-2는 이 시험 결과를 요약한

것이다

- 강판 위에 PCA로 안정화 된 μD 입자를 함유한 폴리

우레탄-기초 코팅 층은 열전도도가 0351W(mK)에서

0434 W(mK)(10 wtμD)로 향상되었으며 더욱 144

시간 동안 염수 분무 시험결과 부식거동은 관찰되지

않았다

그림 3-2 피렌카르복시산을 이용한 μD 표면처리

ㅇ 자동차공업에서는 기본적인 특성으로 내마모성이 요구되

49

는 강철 기계부품들의 마찰특성을 향상시키기 위해 다양

한 금속 및 고분자 코팅들이 광범하게 이용된다 내-마

모 코팅은 두 가지 주요 특성인 높은 표면경도와 자기-

윤활 특성이 필요하다 후자의 범주에 속하는 것이

PTFE와 MoS2 기초 코팅이다 무전해 니켈 코팅은 높은

경도로 인해 양호한 마찰 특성을 보이며 한편 열처리를

통해 경도를 향상시킬 수 있다 PTFE입자의 첨가는 코

팅경도를 감소시키나 자기-윤활특성을 부여한다 S

Rossi 등3132)은 마찰특성을 향상시키기 위해 이용되는 탄

소강에 이용되는 몇 가지 공업적인 코팅에 관한 부식거

동에 관해 평가 PTFE입자를 함유한 무전해 니켈-인

(Electroless Nickel-Phophorus)코팅은 PTFE 입자(자기-

윤활 특성)를 갖는 외층과 장벽-효과를 갖는 내층으로

인한 이중 특성으로 가장 양호한 특성을 보였다고 보고

하고 있다

ㅇ 모든 기계적 시스템은 동적 요소를 필요로 하며 마찰과

마모를 줄이기 위한 다양한 수단들이 가능하나 그 선택

은 환경이나 조작 조건에 제한을 받는다 PTFE는 자기

윤활 낮은 마찰계수 높은 열안정성과 화학약품 안정성

으로 산업분야에 널리 사용되는 엔지니어링 고분자이지

만 내마모성이 매우 부족하다 이러한 이유로 금속

-PTFE충전 복합체들이 PTFE의 마찰특성과 금속충전제

50

의 내마모성을 결합하여 특정 분야의 용도로 소개되어

왔으나 금속-고분자 물질에서의 충전제의 역할은 완전히

설명되지 않고 있다 복합체 표면의 과잉의 충전제 농도

는 미끄러지는 동안 부하를 지지하여 내마모성을 증가시

키는 것으로 생각되며 PTFE의 마모율은 Mo Zn Ni

Y2O3 및 SiO2 같은 무기 충전제에 의해 1000배가량 감소

되었다는 보고도 있다 유리섬유 구리 세라믹 탄소섬유

절단 탄소섬유 나노입자를 포함한 경질의 충전제 입자들

이 PTFE의 내마모성을 높이기 사용되어 왔다

ㅇ 비교적 두꺼운 코팅에는 열분사(thermal spray) 용사기

술이 정립되어 있고 용사 코팅은 내마모 내마찰 내프레

팅(fretting) 및 내부식을 요하는 산업에 많이 이용되고

있다

- 용사 몰리브덴(Mo)코팅은 실질적 내마모성 코팅으로

가장 광범하게 이용되며 프레임용사(flame spray)거나

와이어용사(wire spray)기술로 생산된 몰리브덴(Mo)

코팅은 흠이나 마모에 대한 고도의 저항을 얻기 위한

가장 좋은 코팅재료 중의 하나이다

- 알루미늄 청동(aluminium bronze)은 높은 내-부식성

과 내마모성을 갖는 것이 특징이다 저압 플라즈마 용

51

사 기술은 자기-아닐링(self-anealing)과 부서지기 쉽

도록 유도하는 γ-상의 형성을 피할 수 있도록 높은

냉각 속도를 얻는 데 사용되며 알루미늄 청동 저압

플라즈마 용사 코팅은 낮은 마찰과 마모를 보였고 비

교적 최근 플라즈마 용사 기술을 이용하여 알루미늄

기질에 고분자-세라믹 복합체를 코팅하는 기술이 개

발되었다33)복합체 코팅으로 행한 마찰 시험에서 낮

은 마찰계수를 얻을 수 있었다

- 낮은 마찰계수와 고 내마모성을 갖는 이성분 금속

-PTFE 코팅이 개발되었고 이들의 마찰 공학적 성능

이 보고되었다 PTFE-기초 복합체 설계에서 일반적

인 접근방법은 경질의 충전 입자들을 도입하는 것으

로 M Yamane 등34)은 PTFE-금속 이성분 코팅의 마

찰 마모성능에 관한 연구 결과 알루미늄 청동 코팅이

Mo코팅에 비해 PTFE 저장소(reservoir)에 유용했음

을 보고하였다

⑹ 충전 또는 강화 플루오르화 탄소1)

ㅇ 분말이나 강화섬유 등 전형적인 충전재들이 충전 또는

강화 플루오르화 탄소에 사용된다 충전재는 저온흐름

52

을 향상시키는 데 사용되며 수축과 균열을 줄이고 열

팽창을 낮추며 열전도율을 향상시킨다

ㅇ 분말이나 단섬유로 된 전형적인 충전제를 표 3-5에 종합

하였다 유리섬유는 가장 보편적인 PTFE 충전제로 화

학 및 전기적 특성에 최소로 영향을 미치며 기계적 특

성을 크게 향상시킨다 분말에 비해 섬유는 압축강도

강성도 및 지지용량을 더욱 향상시키나 분말은 충전

테플론의 내구성에 거의 영향을 미치지 않는다 금속분

말은 특히 열전도도를 향상시키며 고속에서 발생하는 마

찰열을 소멸하는데 도움이 되며 전기저항을 상당히 감소

시켜 금속-충전 조성물은 양호한 절연체는 아니다

ㅇ 흑연(graphite) MoS2는 초기 내구성과 마찰을 개선하고

기계적 특성을 향상시킨다 석면은 많은 유용한 특성을

갖지만 가공 처리 중 가스가 방출할 뿐 아니라 사용금지

물질이다 표 3-5 외에도 금속 망 장섬유 다공성 금속

등 다양한 충전제들이 있으며 다양한 종류의 제품들이

상업 생산되고 있어 최종 선정을 하기 전에 플라스틱 가

공업자로부터 보다 완전한 정보와 추천을 받는 것이 바

람직하다

53

표 3-5 불소수지용 충전제

ㅇ 압축강력 인장과 압축 시의 탄성률 및 항복강력은 첨가

제의 첨가에 의해 모두 증가하나 일반으로 인장강력과

신도 및 충격강도는 손실된다 통상 충전 테플론은 압축

상태에서 사용되므로 인장강력의 감소는 중요하지 않다

인장강력의 손실은 설치(연속적인 링-실링)할 때 인장되

는 재료에서 중요하다 열팽창 계수는 비-충전 테플론에

비해 감소되어 통상 금속 부품의 팽창계수와 잘 맞는다

ㅇ 마찰과 마모를 수반하는 분야에서 가장 중요한 것은 충

전제로 얻어지는 PV한계치의 증가와 마모의 감소다 비-

54

충전 테플론에 비해 PV한계치 크기는 개략적으로 1차원

적으로 증가하나 마모인자는 3차원적으로 감소한다 충전

테플론의 평균치들은 동적 마찰계수는 01-02 PV한계치

는 10000-20000 psi-fpm 마모상수는 10times10-10in3-min

lb-ft-hr이다 그림 3-3은 충전 테플론 PTFE의 마찰계

수에 미치는 충전제 종류와 농도의 효과에 관한 것이다

그림 3-3 테플론 PTFE에 미치는 충전제 종류와 농도1)

ㅇ 내마모성을 향상시키는 충전제는 실제로 연마저항성을

감소시키는 것으로 날카로운 입자는 보다 쉽게 침투하고

충전제 입자와 수지 사이의 경계를 따라 충전 플라스틱

을 찢는다 따라서 라이닝 슈트 같은 분야의 적용 시는

55

비-충전테플론이 보다 바람직하다

⑺ 시트 테이프 및 박층(laminates)

ㅇ 대부분의 플루오르화탄소는 충전 여부에 관계없이 두

께 1mil(0001 in)까지 시트나 테이프로 만들 수 있고

시트나 테이프를 찍어서 원하는 형상의 립-씰(lip seal)

펌프 컵(pump cup) 피스톤 링(piston rings) 가스켓

(gaskets) 등을 만들 수 있다

ㅇ 유체의 누설을 정지시키는 밀봉기능 부품 중 각종기기의

접합부나 배관 플랜지 등의 밀봉에 사용되는 가스켓

(gaskets)은 석면이 널리 사용되어 왔으나 유해물질 배

출 및 이동량 보고제도(PRTR Pollutant Release and

Transfer Register)에서 발암성을 가진 제1종 지정 화학

물질로 지정되어 사용이 금지되어 PTFE가 가스켓으로

개발되었다 PTFE는 용융 알칼리 금속 및 그 용액과 불

소 및 3불화염소에 의해 약간 침식되나 모든 화학약품에

안정하고 우수한 내부식 재료로 C-F결합력이 크고 F원

자가 C-C결합의 주위를 간격 없이 들러 싸고 있기 때문

에 다른 물질의 공격을 방어하고 있고 내열성은 260로

높다35)

56

- PTFE 필러를 사용한 PTFE 나선 권형 가스켓은 석

면에 대한 사용규제와 상관없이 사용되어 왔으며 유

연한 필러를 사용하므로 석면 가스켓 보다 낮은 체결

압력에서도 실 특성이 우수하고 내식 면에서도 광범

하고 다양한 유체에 사용이 가능하다 다만 단열성 면

에서는 석면 나선 권형 가스켓 보다 사용온도 범위가

제한된다

ㅇ 산업 기계나 자동차의 브레이크 제동장치에 부착하여 마

찰력을 부가하는 브레이크 라이닝에서는 마찰계수와 내

마모력 및 충격계수 등 마찰특성이 우수한 석면을 주로

사용하여 왔으나 제동 시 발생하는 미세 석면분진으로

인해 대기오염에 의한 환경을 파괴 뿐 아니라 인체에 흡

입될 경우 암을 유발하여 PRTR로 사용이 금지되었다

석면을 대체할 유기질 또는 무기질 된 다양한 비석면 마

찰 섬유 등이 사용되고 있으며 마찰 섬유에 테프론을 코

팅하여 브레이크라이닝의 수명향상 제동 시 발생하는 소

음 떨림 및 제동력 향상을 위한 제품개발이 시도되고

있다

- 예로 국내 특허36)에서는 브레이크 라이닝(또는 패드)

의 마찰재 배합재료 중 유기섬유(Kevlar섬유 pulp섬

57

유 등)에 테프론을 코팅하고 코팅된 유기섬유에 결합

재 충전재 윤활재 마찰안정재 마찰조정재 등을 소정

의 배합비로 배합하여 성형하고 열처리하여 브레이크

패드 또는 라이닝을 제조한다

ㅇ 초소형 정밀기계(MEMS Micro-Electromechanical

System)분야에서는 점착방지를 위해 불화 유기박막을

사용한다 Park 등37)은 단층 두께의 불화 유기박막의

특성을 접촉각 측정을 통해 분석하였다

⑻ DLC 코팅3839)

ㅇ DLC(diamond-like carbon)는 몇 가지 다이아몬드의 전

형적인 특성을 나타내는 비정질 탄소물질로 극도의 내마

모 특성을 필요로 하는 재료의 코팅에 이용되고 있다

DLC코팅은 연마 마모를 감소시키기 위한 재료에 유용하

여 엔드밀 드릴비트 금형 같은 공구는 물론 자동차 기

계부품 및 전자산업 등 산업전반에 걸쳐 적용된다40)

ㅇ 환경오염 문제로 인해 PRTR(Pollutant Release and

Transfer Register 유해물질 배출 및 이동량 보고 제

도) 이 시행되어 습동 부품이나 절삭 시에 사용되는 오

일이나 그리스에 포함되는 첨가제(MoS2 Zn 등)와 이들

58

부품을 세정할 때 사용되는 용매 기계부품의 수명을 연

장시키기 위해 활용되었던 Cr도금 폐액에서 발생하는 6

가 크롬 등의 오염물질들에 대한 규제가 더욱 강화되어

DLC에 의한 무윤활 습동과 무윤활 절삭을 지향한 공구

와 기계 부품의 개발이 관심을 끌고 있다4142)

- 일본 내에서는 PRTR이 시행되고 이것에 저촉되는 재

료에 관해서는 MSDS(Material Safety Data Sheet)를

첨부해야할 의무가 있고 부품가공 습동 용도에서는

대상 리스트에 올라 있는 오일 오일 중의 중금속 도

금폐액을 어떻게 경제성 있는 환경 친화적 공정과 재

료로 전환할 것인가를 고려하면서 무윤활 습동 무윤

활 절삭 탈크롬 도금의 3가지 키워드가 대두되고

DLC코팅이 대안으로 모색되고 있다

- DLC코팅 적용기술과 과제에 관한 자료로는 자동차

관련부품 적용사례 엔진부위 마찰 작동 밸브계의 마

찰저감 DLC와 윤활제에 의한 마찰저감 기술을 중심

으로 살펴본 보고가 있다43)

ㅇ DLC는 7가지 형태가 존재하며 모두 상당한 양의 sp3혼

성궤도 탄소원자를 함유한다 다양한 형태의 DLC가 진

공 환경으로 적합한 재료들에 적용가능하며 유럽에서의

59

2006년 위탁 DLC코팅 시장은 3천만euro로 추정되었고 국

내도 활발한 상용화가 시도되고 있다

ㅇ 사반면상(tetahedral) 비정질 탄소 ta-C를 2두께로 코

팅하면 연마마모에 대한 스테인레스 강(304 type)의 내구

성을 증가시켜 수명을 1주일에서 85년으로 늘이며 이러

한 DLC의 형태는 sp3결합 탄소 원자로만 이루어지기 때

문에 순수한 DLC로 간주되며 수소 sp2흑연 탄소 금속

같은 충전제가 생산경비를 낮추거나 원하는 특성을 부여

하기 위하여 사용되고 있다

ㅇ DLC를 만드는 방법에는 sp3탄소 보다 낮은 밀도의 sp

2

에 의존하는 몇 가지 방법들이 있으며 압력 충격 촉매

또는 이들의 조합으로 sp2결합탄소 원자들을 sp3결합탄소

로 근접시킨다 최근 초고압 하에서 탄소의 경량 특성을

갖는 초경도 무정형 다이아몬드가 만들어졌다 탄소로 만

들어지는 다이아몬드 그래파이트는 결정구조를 가지나

DLC는 비정질이라는 점에서 크게 다르고 200 정도의

저온에서 형성시킬 수 있다는 점이 통상의 PVD막에 비

해 훨씬 우위에 있다

ㅇ DLC코팅은 제조공정이 복잡하고 생산 단가가 비싸 적용

이 어려우며 적용되는 소재가 제한되는 단점을 갖는다

60

주요제법으로는 고주파 플라즈마 법 이온화 증착법 스

페터링법 등을 들수 있다 고주파 플라즈마 법은 메탄가

스가 원료로 사용되고 막 중의 수소가 약 30(원자)로

평활성이 우수하고 마찰계수가 작으나 경도가 낮다 이

온화 증착법은 벤젠을 사용하며 막은 단단하나 면의 조

도가 거칠고 후막화 하기 위해 스패터링 방법이 검토되

고 있다

⑼ 불소수지의 안전성

ㅇ 테플론 PTFE의 열분해는 200(392)에서 감지되며 이

것은 몇 가지 플루오르화 탄소 기체들과 승화물질을 방

출한다4445)1955년 동물실험에 관한 한 연구에서는 이들

물질이 250(482) 이하에서는 의미 있는 양이 아니라

고 결론지었으나 최근 비-점착 주방기구인 프라이팬이

나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가열할 때 조류를

죽일 수 있는 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수

도 있다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있다45)

ㅇ 표 3-6은 EWG가 보고한 3-5분 내에 370까지 불소수

지를 가열할 때 발생되는 15종의 불소화합물에 관한 것

이다 테플론과 같은 코팅물질들이 장기적으로 인체에 미

61

치는 영향에 관한 연구는 이루어지지 않고 있으나 독감

과 유사한 질병을 유발할 수 있으며 이를 중합체 증기열

(polymer fume fever)이라 한다

표 3-6 15종의 유해물질 및 유독성 기체44)

ㅇ 최근 표 3-6의 화합물들 중 특히 TFA와 과불화된

(perfluorinated) PFOA(perfluorooctanoic acid)에 관심이

증가되고 있다 PFOA는 새로운 환경오염물질로 미국 환

경보호청(EPA)에 의하면 보통 때는 문제가 없으나 조리

과정에서 프라이팬에 열을 가하고 강하게 긁을 경우 용

62

출되어 나오며 이것이 음식물과 함께 인체에 흡수되는

것으로 추정하였다 한편 DuPont의 테플론 PTFE 연구

결과에 의하면 검출한계인 9ppb 이상 검출되지 않으며

테플론 주방기구에서는 PFOA가 존재하지 않는다고 발

표하고 있다

- 물이나 공기를 통해 환경에 노출된 PFOA는 고 콜레

스테롤 궤양성 대장염 갑상선 질환 고환암 신장암

및 임신성 고혈압과 관련된다고 보고되었다

- PFOA는 불소수지 생산과정에서 사용되는 첨가물로써

암모늄 형태로 PTFE 유화중합에 계면활성제로 사용

되며 불소수지의 품질과 균일성을 유지하기 위해 필

수적인 첨가물이기 때문에 전 세계 모든 불소수지 제

조업체가 사용 중에 있다 한편 국내 주력 산업인 반

도체 생산 과정에서도 PFOA를 대량으로 사용하고 있

어 체계적인 실태조사와 대책수립이 필요하다는 의견

들이 대두되고 있다

⑽ 불소화합물의 안전성과 환경대책

ㅇ 표 3-6에서 살펴본 바와 같이 테플론을 급격히 고온으로

가열하면 2종의 발암물질을 포함한 유독성 가스가 발생

63

하고 특히 불소화합물 중 MFA(monofluoroacetic acid)는

적은 양으로도 치명적 해를 끼치고 PEIF(perfluoro-

isobutene)는 신경가스제로 여러 가지 질환을 발생시킨다

한다44)

따라서 테플론으로 코팅된 장치를 재 코팅하기

위해 테프론을 고온으로 급격히 가열하거나 소각 등을

통해 제거할 때는 발생 가능성이 있는 유독가스를 제거

하기 위한 별도의 설비를 이용하여야 하고 유 등44)의 보

고서에서와 같이 중조(NaHCO3)를 포화시킨 충분한 물로

유독 산성 물질을 중화시키는 것도 고려할 만하다 한편

부식대전 방지 코팅도 테플론 코팅 일변도에서 세라믹

코팅 CNTs이나 DLC 코팅기술로 대응하는 것을 추천하

고 싶으며 이것은 유해물질 배출 및 이동량 보고제도

(PRTR Pollutant Release and Transfer Register)에 대

비하는 등 기업의 장래를 고려하는 것도 될 것이다

ㅇ PTFE를 사용한 취사도구는 1960년대 이래 사용되어 오

고 있으나 최근 들어 이것의 안전성이 논쟁의 주제가 되

고 있으며 논의 주체는 PFOA(perfluorooctanoic acid)이

다 PFOA는 PTFE를 비롯한 많은 불소수지의 생산에

사용되며 DuPont의 테플론 PTFE 연구 결과에 의하면

프라이팬을 260 이상 고온에서 가열하거나 코팅이 벗

겨져도 PFOA가 존재하지 않는다고 한다 그러나 물이나

64

공기 토양 식품포장재 등 여러 곳에서 PFOA 오염사실

이 보고되고 있다 한다44)

- 미국 EPA는 인체와 환경에 대한 PFOA 연구를 계속

하고 있으며 2015년까지 PFOA 및 이와 관련된 화합

물 방출을 배제할 프로그램을 갖고 있으나 PTFE-기

초 비점착 취사기구를 중지시킬 타당성을 갖고 있지

는 않다 최종제품은 PFOA가 아닌 PTFE이기 때문이

다

- 수십 년 동안 불소수지 비점착 코팅이 시장을 지배하

였으나 최근 몇 가지 신기술들이 출현되고 있으며 이

들 대부분은 실리콘 세라믹과 실리콘 기술로 이들 코

팅은 PTFE와 PFOA를 함유하지 않는다

- 오늘날 출시된 비점착 취사용구는 수많은 상표로 팔

리고 있으며 DuPont에 의하면 대부분의 취사용구 코

팅은 정상적으로 사용할 때 3-5년 견딜 수 있을 것으

로 예측한다 너무 문질러서는 안 되고 따뜻한 비눗

물로 씻어주는 것이 좋으며 닳거나 흠이 생기지 않도

록 나무 플라스틱이나 코팅된 재료로 만든 도구를 선

택하고 보관도 흠이 생기지 않을 장소나 캐비닛을 권

장하고 있다

65

ㅇ 국내의 불소수지 안전성에 관한 것으로는 재질규격(납과

카드뮴)과 용출규격(납 과망간산칼륨소비량 증발잔류물)

이 식품용 기구 및 용기 포장 공전46)에 기재되어 있으며

최근 국내에서도 PFOA를 비롯한 유해 불소화합물에 관

한 관심이 커져 가고 있다

ㅇ PFOA 문제가 표면화 되면서 환경 보전형 불소계 발수

유제의 개발과 공업화도 새로이 부각되고 있다 이에 관

한 보고서를 모니터링한 KISTI자료47)를 중심으로 간단히

요약하면 발수제의 주요성분 퍼플루오로알킬기(Rf기)함

유 폴리머의 기능은 Rf기의 고리길이에 크게 의존하므로

PFOA문제 해법으로 탄소수 8 이상인 종래의 불소화학

에서 탈피 짧은 고리 Rf기(탄소수 6)를 가진 새로운 단

량체를 선택하여 발수제를 제조함으로써 환경 보전형 불

소계 발수유제를 개발하고 공업화하였다 한다

66

제 4 장

지원결과

1 지원결과 종합

테프론 코팅 기술의 문제점과 부식대전방지용 테플

론 코팅에 관한 정보 외에 신청기업의 요청에 따

라 C-나노튜브 코팅 및 DLC증착에 관련된 기술 정

보도 제공하였다

테플론은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat resistant)

비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coefficient of

friction) 내약품성(chemical resistance)과 특이한 전기적

특성(unique electrical properties) 및 온내구력(cryogenic

stability)으로 그 응용범위가 광범하며 용도에 따른 엄격

한 품질관리가 요구될 것으로 생각되어 중소기업에 적합

한 기초능력 배양과 신제품을 구상하기 위한 최신기술에

관한 정보를 제공하고자 하였다

67

불소수지의 코팅은 두께와 첨가제가 관건으로 이에 관한

자료를 제공하고자 하였으며 불소수지의 전기특성 폭발

성 환경과 반도체 제조공정에서의 대전 방지 처리를 위

한 정전기 관리 지표 등을 특허를 중심으로 조사하여 제

공하고자 하였다

C-나노튜브를 이용한 대전방지 코팅 기술 및 C-나노튜

브의 제법 등 이것에 관한 기초정보를 제공하고자 하였

으며 내마모성 테플론 코팅에 관해서는 테플론을 이용한

세라믹 코팅 기술에 관한 정보도 제공하고자 하였다

테플론의 기계적 전기적 특성을 강화하기 위해 사용되는

충전제를 종합하고 기초이론을 정립함으로써 금후 원부

자재의 선정에 도움을 주었다

테플론은 석면 대체재로도 주목받고 있어 이에 관한 특

허 정보들을 제공하였으며 다이아몬드의 전형적인 특성

을 나타내는 DLC의 코팅관련 기술 정보를 환경오염 문

제와 연관하여 자료를 제공하였고 최근 비-점착 주방기

구인 프라이팬이나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가

열할 때 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수도 있

다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있어 이에

관한 정보도 제공하였다

68

2 지원의 한계

중소기업이 당면한 문제는 전문기술의 확보다 관련 기술

이 비약적으로 발전하는 추세에 비추어 한정된 인원으로

신기술을 소화하고 개발하기는 어려울 것이므로 출연연

구기관이나 대학과 공동연구를 모색할 수 있으나 이것도

중소기업으로서는 경제적 부담이 될 수밖에 없을 것으로

생각된다 가능하다면 앞으로도 KISTI의 정보지원이 계

속되기를 바라고 있었다

3 기대효과

부식대전 방지 테플론 코팅에 관한 기본 기술이 배양되

어 합리적인 원부 원료의 수입검사 공정관리 및 제품관

리를 통해 원가절감은 물론 신제품 신기술에 관한 정보

수집 및 분석능력이 배양되고 개발력이 확충되어 기업

경쟁력 향상에 도움이 될 것이다

69

참고문헌

1 Francis J Clauss Chapter 9 Fluorocarbons Solid

Lubricants and Self-lubricating Solids Academic

Press 1972 pp195sim238

2 FW Billmeyer Textbook of Polymer Science 3rd

ed1984 pp398-403

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료

4 VC Malshe Nivedita S Sangaj Fluorinated acrylic

copolymers Part I Study of Clear Coatings Progress in

Organic Coatings 53(2005) pp 207-211

5 이장호 등 테프론 코팅 전열관 표면으로의 열 및 물질

전달 특성에 관한 실험적 연구 대한기계학회논문집 B

권 27(8) 2003 pp1051sim1060

6 WO 2008154391(Alcoa Inc Heat Exchager)

7 JP-2010-78036(株式會社ルネサステクノロジ 配管チユブ

およびこれを備えた機械裝置)

8 Eun-Joo Kim et al Teflon coating of fabric filters

for enhancement of high temperature durability J of

the Korean Oil Chemists 28(2) 2011 pp232sim239

7 JP-2005-237860(三洋電氣株式會社 電氣掃除機)

70

10 등록번호10-0365003 (주식회사 엘지아이 열처리를 이

용한 테프론 코팅 방법)

11 등록번호 10-0811228(조철환 내열 세라믹 주방용기의

불소수지코팅방법 및 그 방법에 의해 불소수지 코팅된

내열 세라믹 주방용기)

12 등록번호 10-0449561(주식회사 봉성비에스 완충기용

피스톤의 테플론 코팅장치)

13 WO 2000054614(Solex Robotics Systems Inc Anti-

staticNon-sparkling Coatings for Explosive Environ-

ments)

14 WO 2012123103(WLGore amp Associates GMBH Use

of an Ionic Fluoropolymers as Antistatic Coaating)

15 WO 2012053774(탑나노시스 ldquo작업 스테이지 표면의 대

전방지 처리 방법 및 상기 방법에 의하여 표면이 대전

방지된 작업 스테이지rdquo)

16 공개특허10-2008-0061943(주식회사 하이닉스반도체 이

온 주입장비의 웨이퍼 지지 장치)

17 Polytetrafluoroethylene Aluminum magnesium boride

Diamond-like carbon Carbon nanotube -Wikipedia

the free encyclopedia

18 Ijima S Helical Microtubes of Graphitic Carbon

Nature vol 354 1991 pp56-58

71

19 Min Ye Ku etal Measurement of Mechanical

Property and Thermal Expansion Coefficient of

Carbonnanotube-Reinforced Epoxy Composites

Trans Korean Soc Mech Eng A vol 37 No

5(2013) pp 657-664

20 M Pazderovaacute M Bradaacuteč M Valeš Tribological

Behaviour of Composite Coatings Procedia

Engineering 10(2011) pp472-477

21 Xing-Dong Yuan Xiao-Jie Yang A Study on

Friction and Wear Properties of PTFE Coatings

under Vacuum Conditions Wear269(2010) pp291-297

22 USP 6752O65(Kabuski Kaisha Toyota Jidoshokki

Sliding Film Sliding Member Composition for

Sliding Film and Sliding Device Swash-plate Type

Compressor Process for Forming Sliding Film and

Process for Producing Sliding Film)

23 Amel Delimi Elisabeth Galopin etal Ivestigation of

the Corrosion Behaviour of Carbon Steel Coated with

Fluoropolymer Thin Films Surface amp Coatings

Technology205(2011) pp4011-4017

24 WO 2006047500(Henkelkommanditgesellschaft auf

Aktien Article of Manufacture and Process for

Anodically Coating an Aluminum Substrate with

72

Ceramic Oxides Prior to Organic or Inorganic

Coating)

25 野坂正隆 低溫環境下におけるドライボロジドライボロ

ジスト(日本) 52(11) 2007 pp759sim764

26 이계영 김태균 김종구 ldquo내마모성 및 윤활성 코팅 조성

물rdquo 대한민국 특허 등록번호 10-1151909(2012)

27 (주)바론에스엘 ldquo불소수지와 세라믹의 유무기 하이브

리드 코팅 조성물 및 그를 이용한 도막 형성 방법rdquo 대

한민국 공개특허 10-2013-0028553 (2013)

28 JP-2010-261035(Xerox Corporation フツ素ナノダイヤ

モンドを含むテフロン定着器部材)

29 WO 2006 017259(Thomae Kurt J Multilayer

Corrosion- resistant Finish and Method)

30 Eunsoo Kang Seongcheol Choi Changhoon Choi

Sang Eun Shim Aqueous dispersion of submicron-

sized diamond particles for thermally conductive

polyurethane coating Colloids and Surfaces A

Physiochem Eng Aspects415(2012) pp255-261

31 S Rossi F Chini etal Corrosion Protection

Properties of Electoless NickelPTFE Phosphate

MoS2 and BronzePTFE Coatings Applied to Wear

Resistance of Carbon Steel Surface and Coatings

73

Technology173(2003) pp235-242

32 S Rossi F Deflorian F Venturini Improvement of

Surface finishing and Corrosion Resistance of

Prototypes by Direct Metal Laser Sintering Journal

of Materials Processing Technology 148(2004)

pp301-309

33 Mateus C Costil S Bolot R Coddet CCeramicfluo-

ropolymer Composite Coatings by Thermal Spraying-

a Modification of Surface Properties Surf Coat

Technol 2005 191 pp108-118

34 Masaaki Yamane Tadeusz A Stolarski Shogo Tobe

Influence of counter material on friction and wear

performance of PTFEndashmetal binary coatings

Tribology International 41 (2008) pp269ndash281

35 이치옹 분석자료 ldquo나선형 개스킷의 비석면화rdquo Takashi

Miyoshi 배관기술(일) 46(10) 2004 pp43-47

36 등록번호 10-0522254(백원두 브레이크 라이닝(또는 패

드) 제조방법)

37 Jin-Goo Park et al Characterization of Fluorocarbon

Thin Films by Contact Angles Measurements Journal

of Microelectronics amp Packaging Society6(1) 1999

pp39sim49

74

38 유호천 ldquoDLC 코팅 표면처리rdquo KiSTi 중소기업 정보지

원 2011 10 11

39 유호천 ldquoPVD DLC TRD 코팅설비를 활용한 복합충

개발및 제품적용rdquo KiSTi 중소기업 정보지원 2010 10

21

40 김유상 ldquo알루미늄합금에의 DLC코팅기술rdquo KiSTi 첨단

기술정보분석 2013 02-01

41 국립환경과학원 ldquo화학물질 배출량 조사 OECD와 협력

강화rdquo 보도자료 (2010 11 18)

42 월간기계기술 기자 ldquo새로운 코팅기술과 공구에 대한 적

용rdquo 2005년 3월호

43 加納 眞 ldquoDLC コ-ティングの適用技術と課題rdquo トライ

ボロジスト(日本) 52(3) 2007 pp186-191 송희국 모티

터링분석 KiSTi

44 식품의약안전청 연구보고서(연구책임자 유승석) 불소

지코팅 주방기구의 안전성 평가 2004 12

45 Teflon offgas studies Environmental Working Group Ewg

org Retrieved on 2013-01-01

46 식품의약품안전청 ldquo식품용 기구 및 용기 포장 공전rdquo 2012

47 廣野高生 ldquo環境保全型フッ素系 撥水撥油剤の 開發と 工

業化rdquo ファインケミカル(日本) 37(11) 2008 pp39-44

이치옹 모니터링분석 KISTI

75

저자소개

김학주(金鶴柱) 서울대학교 문리과대학 화학과 졸업 이학사

전북대학교 대학원 화학과 이학박사

(주)삼양사 의약연구소장 신성대학교 교수

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 폴리에스테르 섬유의 연중직방기술 외 다수

저서 기기분석 공업물리화학 일반화학

성용길(成墉吉)

동국대학교 이과대학 화학과 졸업 이학사 이학석사

부산대학교 대학원 화학과 이학박사(Dr Sci)

University of Utah USA Ph D(공학박사) Post Dr

유타대학교 연구교수 부산대학교 교수 동국대학교 교수

동국대학교 명예교수 한국원자력문화진흥원 이사

과학문화연구원전문연구위원 한국도량형과학문화연구원 원장

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 의료용 기능성 고분자재료에 관한 연구 외 330편

저서 고분자 물성론 (서울대학교 출판부 공저) 외 10권

3

식과 대전 방지기술에 관한 객관적 멘토링을 통하여 부

식대전 방지용 테프론 코팅에 관한 제반 문제들을 해결

하고 안전하게 본 중소기업체의 제품생산과 기술을 향

상시키고 고급화 하는데 있다

ㅇ 또한 화학반응용 용기 및 원자로 건설에 필요한 각종 제

작품 등에 필요한 부식방지 및 대전방지를 위한 테프론

코팅의 최신 기술정보를 제공 지원하고 그 특수코팅에

필요한 맞춤형 기술정보를 제공하는 것이 본 연구의 목

적이다

3 참여연구원

lt표 1-1gt 참여연구원

구분 성명 직위 전공 업무

ReSEAT

프로그램

김학주 전문연구위원 고분자 과제 책임자 기업현황 분석

성용길 전문연구위원 고분자 정보지원 기술전수 멘토링

4

제 2 장

지원 내용

1 정보지원 업체의 요구사항

테프론 코팅 기술의 문제점과 부식대전 방지용 테

프론 코팅에 관한 최신 기술정보

정전기 대전방지용 테프론 코팅과 부식대전방지 테

프론 코팅기술의 특허문헌과 학술문헌

불소수지 코팅에 관한 기술 동향과 부식대전 방지용 테

프론 코팅의 응용기술에 관한 기술정보

유리의 정전방지 박리대전 가공 C-나노튜브 코팅 수

분산성 도료(binder) 등을 사용한 내열성 세라믹코팅

및 대규모 DLC증착 관련 기술정보

5

2 정보지원의 범위 및 내용

가 정보지원 범위

정보지원은 LCD공정용 스테이지(Stage) 박리 대전방지

코팅 반도체 공정용 석영 관련제품 코팅 추출용 반응기

튀김틀 코팅 광학필름 및 기능성 필름 생산롤러 코팅

전기재료 석유화학 정밀화학 반응기 코팅 및 필터드라

이어 등 테프론 코팅에 관한 전반적인 기술 자료와 불소

수지의 특성과 용도 및 환경과 관련한 안전문제에 관한

지식과 기술정보를 제공하였다

나 정보지원 내용

KISTI에서 체계적적으로 NDSL 검색 유럽특허청 검

색 Web of Science 검색 Google 검색 Sci Dir를 통

한 원문입수 등의 작업을 수행하였다

- Keywords에 의한 문헌 및 특허조사 TEFLON +

Coating Anti-corrosion Coating Anti-static

Coating Fluoropolymers Fluorinated polymers

Fluorocarbon polymers

6

- Keywords=TI (TEFLON or Fluoropolymers or

(Fluorinated polymers)) Coating) 또는 AB

((TEFLON or Fluoropolymers or (Fluorinated poly

mers)) Coating) 활용하여 학술문헌과 특허를 검색

하였다

신청업체 공장현장에서 현재까지 수행되고 있는 부식

방지 및 대전방지 테프론 코팅기술들을 종합하여 분석

하고 조사된 기술정보 자료들과 비교 분석하여 장차

개선할 수 있는 코팅 신기술을 조사 분석하여 자문하

고 멘토링 하였다

7

제 3 장

지원 프로세스

1 1차 지원

일시 및 장소 2013년 4월 22일(월요일) 1000-1400시 신청

업체 2층 회의실

참석자 히토시 사토(부사장) 성용선(연구소장) 장용석

이사

주제 및 토의사항

- 지원업체의 현황 LCD공정용 스테이지(Stage) 박리

대전방지 코팅 반도체 공정용 석영 관련제품 코팅

추출용 반응기 튀김틀 코팅 광학필름 및 기능성필름

생산 롤러 코팅 전기재료 석유화학 정밀화학 반응기

코팅 및 필터드라이어 등의 테프론 코팅에 관한 작업

8

- 지원내용과 향후지원계획 공장 현장을 방문하고 브리

핑을 통해 필요한 정보를 파악함 조사된 자료(문헌

특허 등)를 전달하고 희망 사항을 파악한 결과 특히

유리의 코팅을 중심으로 한 박리대전 방지 가공 세라

믹 코팅(수분산성 도료-바인더-)을 사용한 내열성 코

팅 대형 DLC 증착기술 및 경쟁사가 개발하고 있는

C-나노튜브 코팅에 관한 정보에도 관심이 많았음

ReSEAT NDSL 및 구글 야후 네이버 등을 통한 자

료조사 방법의 활용 방법을 설명해 주었음

- 지원효과 ReSEAT NDSL 구글 야후 네이버 등을

통한 주제 또는 키워드 검색에 의한 자료 검색 분석

능력 향상 제공 자료와 문헌의 활용 효과 등

- 자료제공

① Klaus Lunkwitz Uwe Lappan Ulrich Scheler

Modification of perfluorinated polymers by

high-energy irradiation Journal of Fluorine

Chemistry Vol 125 2004 pp863sim873

② LBorucki et al Diamond Conditioner Wear

Characterization for Copper CMP Process

Transaction on Electronic Materials Vol 8

9

2007 pp1520sim20

③ Polytetrafluoroethylene Aluminum magnesium

boride Diamond-like carbon Carbon nano-tube

-Wikipedia the free encyclopedia (2013)

④ 野坂正隆 低溫環境下におけるドライボロジドラ

イボロジスト(日本) Vol 52(11) 2007 pp759sim

764

⑤ 식품의약안전청 연구보고서(연구책임자 유승석)

불소수지코팅 주방기구의 안전성 평가C 2004 12

⑥ 이장호 등 테프론 코팅 전열관 표면으로의 열 및

물질 전달 특성에 관한 실험적 연구 대한기계학

회논문집 B권 Vol 27(8) 2003 pp1051sim1060

⑦ Eun-Joo Kim et al Teflon coating of fabric

filters for enhancement of high temperature

durability J of the Korean Oil Chemists Vol

28(2) 2011 pp232sim239

⑧ Jin-Goo Park et al Characterization of

Fluorocarbon Thin Films by Contact Angles

Measurements Journal of Microelectronics amp

Packaging Society Vol 6(1) 1999 pp39sim49

⑨ WO 200054614(Solex Robotics Systems Inc

Anti-static Non-sparkling Coatings for

10

Explosive Environments)

⑩ WO 2012123103(WLGore amp Associates GMBH

Use of an Ionic Fluoropolymers as Antistatic

Coating)

⑪ WO 2006 017259 (Thomae Kurt J Multilayer

Corrosion-resistant Finish and Method)

2 2차 지원

일시 및 장소 2013년 5월 16일(월요일) 1000-1400시 신청

업체 2층 회의실

참석자 성용선(연구소장) 장용석 이사

주제 및 토의사항

- 지원내용과 향후지원계획 지참 자료를 제공하고 연구

원들의 기초지식 배양을 목적으로 불소수지의 특성에

관해 각 유형을 중심으로 제공 자료를 통해 종합 설

명함 불소 수지 코팅 방법 개발 목적 기질의 전처리

방법 두께 제어의 중요성 코팅시스템 등을 토의하고

이에 관한 자료를 제공하여 기초지식을 배양함은 물

11

론 최근 기술 동향을 파악함 다음 방문 시(6월 20일)

에는 대전 방지 불소 수지 코팅을 중심으로 그 중요

성과 이론 등 기초지식과 최근의 개발동향을 검토하

기로 함

- 지원효과 불소수지의 유형과 특성을 통한 원료의 선

정 시 고려할 사항 코팅 방법 기질의 전처리 방법

용도에 따른 두께 제어의 중요성 파악 공정 및 제품

관리에 관한 기초지식 배양과 최근 기술 동향 파악

- 자료제공

① JP-2005-237860(三洋電氣株式會社 電氣掃除機)

② JP-2010-261035(Xerox Corpor- ation フツ素ナノ

ダイヤモンドを含むテフロン定着器部材)

③ JP-2010-78036(株式會社ルネサステクノロジ 配管

チュ-ブおよびこれを備えた機械裝置)

④ WO 2008154391(Alcoa Inc Heat Exchanger)

⑤ 등록번호10-0365003 (주식회사 엘지아이 열처리를

이용한 테프론 코팅 방법)

⑥ 공개특허10-2008-0061943(주식회사 하이닉스반도체

이온 주입장비의 웨이퍼 지지 장치)

⑦ 등록번호 10-0449561(주식회사 봉성비에스 완충기

12

용 피스톤의 테플론 코팅장치)

⑧ 등록번호 10-0522254(백원두 브레이크 라이닝(또

는 패드) 제조방법)

⑨ 등록번호 10-0811228(조철환 내열 세라믹 주방용

기의 불소수지코팅방법 및 그 방법에 의해 불소수

지 코팅된 내열 세라믹 주방용기) 등

3 3차 지원

일시 및 장소 2013년 6월 20일(목요일) 1000-1400시 신청

업체 2층 회의실

참석자 김학주 성용길 성용선(연구소장) 이채영 차장

및 연구원

주제 및 토의사항

- 지원내용과 향후지원계획 불소수지의 전기적 특성과

대전 방지용 불소수지의 충전제에 관한 장단점 토의

대전 방지의 중요성 폭발 환경에서의 정전기 안전지

침 반도체 제조 장치에서의 작업스테이지의 대전방지

에 관한 기술 동향 토의 최근 관심의 대상이 되고 있

13

는 탄소나노튜브(CNTs)의 제조 방법 용도 등에 관한

설명과 의견교환 내마모성 테플론 코팅 방법 용도

등에 관한 자료제공 및 의견교환 충전 또는 강화 불

소수지에 관해 자료조사를 통해 얻은 충전제의 종류

기계적 및 물리적 특성 향상 방법에 관한 기초지식을

제공함 다음 방문 시(7월 25일)에는 시트 테이프 및

박층 테플론과 최근 내마모성 코팅기술로 주목받고

있는 DLC코팅과 테플론의 안정성 문제에 관해 의견

을 교환하고 그간의 정보지원에 관한 내용들을 종합

정리하기로 함

- 지원효과 대전방지 불소수지 코팅의 작업표준 및 관

리지침에 반영할 자료 제공 최근 관심의 대상이 되는

CNTs에 관한 기초지식 배양 및 정보수집과 분석 불

소수지에 사용되는 각종 충전제의 선정 시 참고 자료

확보

- 자료제공

① Francis J Clauss Chapter 9 Fluorocarbons

Solid Lubricants and Self-lubricating Solids 1972

pp195sim238

② Eunsoo Kang Seongcheol Choi Changhoon Choi

14

Sang Eun Shim Aqueous dispersion of

submicron-sized diamond particles for thermally

conductive polyurethane coating Colloids and

Surfaces A Physiochem Eng Aspects415(2012)

pp255-261

③ Masaaki Yamane Tadeusz A Stolarski Shogo

Tobe Influence of counter material on friction

and wear performance of PTFEndashmetal binary

coatings Tribology International Vol 41 (2008)

pp269ndash281

④ M Pazderova M Bradac M Vales

Tribological Behaviour of Composite Coatings

Procedia Engineering Vol 10 (2011) pp472-477

⑤ S Rossi F Deflorian F Venturini

Improvement of Surface finishing and Corrosion

Resistance of Prototypes by Direct Metal Laser

Sintering Journal of Materials Processing

Technology Vol 148 (2004) pp301-309

⑥ S Rossi F Chini etal Corrosion Protection

Properties of Electroless NickelPTFE Phosph-

ateMoS2 and BronzePTFE Coatings Applied to

Wear Resistance of Carbon Steel Surface and

15

Coatings Technology Vol 173 (2003) pp235-242

⑦ VC Malshe Nivedita S Sangaji Fluorinated

Acrylic Copolymers Part I Study of Clear

Coatings Progress in Organic Coatings Vol 53

(2005) pp207-211

⑧ Xing-Dong Yuan Xiao-Jie Yang A Study on

Friction and Wear Properties of PTFE Coatings

under Vacuum Conditions Wear Vol 269 (2010)

pp291-297

⑨ Amel Delimi Elisabeth Galopin etal

Investigation of the Corrosion Behaviour of

Carbon Steel Coated with Fluoropolymer Thin

Films Surface amp Coatings Technology Vol 205

(2011) pp4011-4017

⑩ 이계영 김태균 김종구 ldquo내마모성 및 윤활성 코팅

조성물rdquo 대한민국특허 등록번호 10-1151909 (2012)

⑪ Thomae Kart J Multilayer Corrosion Resist

ant Finish and Method WO 2006017259(2006)

⑫ (주)바론에스엘 ldquo불소수지와 세라믹의 유무기

하이브리드 코팅 조성물 및 그를 이용한 도막 형성

방법rdquo 대한민국 공개특허 10-2013-0028553 (2013)

16

4 4차 지원

일시 및 장소 2013년 7월 25일(목요일) 1000-1400시 신청

업체 2층 회의실

참석자 성용선(연구소장) 이채영 차장 및 연구원

주제 및 토의사항

- 지원내용과 향후지원계획 발암물질인 석면대체재로써

테플론의 개발 동향을 나선 권형 가스켓과 자동차브

레이크 제동장치를 중심으로 토의하고 내마모 특성을

필요로 하는 DLC 코팅에 관한 정보제공과 DLC 특성

에 관해 집중 토의함 환경문제와 관련하여 대두되고

있는 테플론 분해가스 등 안정성 문제에 관한 자료를

제공하고 이에 관한 의견을 교환함 그간의 제공 정보

를 종합하고 8월 말 작성예정인 최종보고서 내용을

협의하였음

-지원효과 신기술 개발을 위한 내마모 코팅 DLC코팅

환경문제를 고려한 친환경 제품 등 신기술과 신공정

개발을 위한 개념을 확립하였음

17

- 자료제공

① WO 2006047500(Henkelkommanditgesellschaft auf

Aktien Article of Manufacture and Process for

Anodically Coating an Aluminum Substrate with

Ceramic Oxides Prior to Organic or Inorganic

Coating)

② 이치옹 분석자료 ldquo나선형 개스킷의 비석면화rdquo

Takashi Miyoshi 배관기술(일) Vol 46(10) 2004

pp43-47

③ 유호천 ldquoDLC 코팅 표면처리rdquo KISTI 중소기업 정

보지원 2011 10 11

④ 유호천 ldquoPVD DLC TRD 코팅설비를 활용한 복

합충 개발및 제품적용rdquo KISTI 중소기업 정보지원

2010 10 21

⑤ 국립환경과학원 ldquo화학물질 배출량 조사 OECD와 협

력강화rdquo 보도자료 (2010 11 18)

⑥ ldquo새로운 코팅기술과 공구에 대한 적용rdquo 월간기계기술

기자 2005년 3월호

⑦ Teflon off-gas studies Environmental Working

Group Ewg Org Retrieved on 2013-01-01

⑧식품의약품안전청 ldquo식품용 기구 및 용기 포장 공전rdquo

18

2012

⑨ 廣野高生 ldquo環境保全型フッ素系 撥水撥油剤の 開發

と 工業化rdquo ファインケミカル(日本) 37(11) 2008

pp39-44 이치옹 모니터링분석 KISTI

5 5차 지원

일시 및 장소 2013년 8월 21일(수요일) 1000-1400시 신청

업체 2층 회의실

참석자 성용선(연구소장) 이채영 차장 및 연구원

김학주(전문연구위원) 성용길(전문연구위원)

김종헌(KISTI 연구책임자)

주제 및 토의사항

1 불소화합물의 안전성과 환경대책 정보지원 결과 종합

등 최종보고서(안) 내용에 관한 의견교환

2 지원의 한계와 기대효과에 관한 의견 교환

3 건의 사항 등

19

세부 지원 내용

⑴플루오르화탄소 플라스틱의 특성

Teflon TFE(폴리테트라플루오로에틸렌)은 1940년대부

터 사용되어 왔으며 Teflon FEP(플루오르화에틸렌프

로필렌 공중합체)는 1958년에 소개되었고 압출 및 사

출성형이 용이하며 TFE 유형은 딱딱하고 낮은 마찰계

수를 가지며 마모에 강하고 보다 높은 온도에서 사용

가능하다 이 외에도 플루오르화탄소 플라스틱에는 폴

리염화플루오르화에틸렌(CFE 또는 CTFE)와 폴리비닐

리덴플루오라이드(PVF) 등이 있다 플루오르화탄소 플

라스틱은 그 코팅방법에 따라서도 응용범위가 광범위

하게 발전되어 왔으며 그 용도는 주방용기로부터 기

계 자동차 반도체는 물론 우주항공 산업 부품에 이르

기까지 무한하며 상업 생산되고 있는 플루오르화탄소

플라스틱은 표 3-11)과 같다

PTFE는 열가소성 플라스틱으로 상온에서 밀도 약 2200

인 백색고체로 융점은 327이며 마찰 및 마모 특

성을 나타내는 마찰계수는 고체재료 중 BAM(alumi-

20

nium magnesium boride 마찰계수 002)과 DLC

(diamond-like carbon 마찰계수005)에 이어 3번째로

낮은 005-010로 반데르발스 힘에 대한 저항력으로 도

마뱀이 붙을 수 없는 유일한 표면으로 알려져 있다2)

표 3-1 플루오르화탄소 플라스틱의 유형1)

21

Teflon의 유용한 기계적 특성은 -450sim500(-267sim

260)에서 유지되며 여러 가지 특성들은 가공기술을

바꾸어 변경시킬 수 있다 마찰 및 마모 특성을 나타

내는 마찰계수들은 시험조건에 따라 다르며 Teflon은

증기압이 극히 낮아 진공에서도 우수한 안정성을 가

지며 방사선 안정도는 부족하나 방사선 내용성은 극

히 높다

테프론의 특징은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat-

resistant) 비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coeffi-

cient of friction) 내약품성(chemical resistance) 특이한

전기적특성(unique electrical properties) 저온내구력

(cryogenic stability)으로 대표된다3)

- 테프론 코팅된 표면에는 거의 모든 물질이 달라붙지

않으며 내열성(heat-resistant)이 우수하여 -260sim+26

0까지 사용할 수 있고 단시간 사용의 경우에는 30

0까지 견디며 Teflon FEP는 232에서 연속사용이

가능하다 비유성(non-wetting)이 우수하여 표면에 물

이나 기름이 잘 묻지 않아 표면이 오염되지 않아 쉽

게 청소가 가능하고 기계설비의 보수시간이 단축되어

생산성을 향상시킬 수 있다 테프론은 비-절연성은 물

22

론 비-유전정접과 우수한 표면 저항률을 보인다

⑵ 플루오르화탄소 수지 코팅

얇고 강인한 플루오르화탄소 수지 필름을 금속 등에

소결이나 수지-접착에 의해 바르면 기질에 침착된 필

름은 저온흐름으로 고체 플루오르화탄소 수지보다 낮

은 마찰계수를 띠고 금속은 양호한 열전도도를 갖고

열을 분산할 수 있어 고속으로 운전할 수 있고 양호한

내구성을 갖게 된다

1950년대 미국 해군연구소에서 소결 Teflon TFE필름을

수성 분산액(현탁질)으로부터 무기 탄약통 비행기부

품 잠수함부품의 건조-필름 윤활제 및 보호 코팅용으

로 개발한 후 이것들은 기어 정첩(hinges) 샤프트 베

어링 밸브 플러그 콕 피스톤 링이나 그 외의 산업분

야에 응용되고 있다

- 실제로 적절한 테플론 현탁질을 고체 표면에 침적한

후 수분 증발이 너무 빠르지 않게 공기에서 필름이

건조되게 한 후 테플론 입자들이 연화 및 소결되도록

건조된 표면을 약 385(725)로 가열하고 냉각하면

23

얇은 연속 필름이 표면에 남지만 필름 중의 많은 작

은 세공들은 테플론의 높은 용융점도 때문에 제거할

수 없다 세공들은 윤활 작용에는 제한을 받지 않으나

녹슬거나 부식의 공격점이 되어 부식방지를 위해서는

1회 이상의 박막 추가 코팅이 반복되고 보통 2회 코

팅으로 충분하나 각 침적 테플론 층은 두께가 00003

인치(762)를 초과하지 않아야 하며 그렇지 않으면

말린 진흙 같이 균열이 발생한다 필름이 윤활제로 사

용될 때는 필름두께가 00006-00007인치(152-178)

를 초과하지 않아야 한다1)

- 테플론코팅은 통상으로 존재하는 표면 산화물이 제거

되지 않은 깨끗하고 탈지된 강철 황동 및 알루미늄금

속표면일 때 가장 잘 접착한다 만일 산세척에 의해

과잉 두께의 산화물이 제거되었다면 필수적으로 얇은

산화층이 형성될 때까지 공기 중에서 가열한다 접착

은 실표면적이 증가하면 증가하므로 경면가공(mirror

finish)보다 모래분사가공이나 무광택가공이 양호하다

- 테플론 코팅된 표면의 마찰계수는 금속기질 표면을

거칠게 함으로써 낮출 수 있으나 미끄럼마찰 조건 아

래 내구성은 금속의 거칠기가 32마이크로인치(rms)를

초과하면 감소한다

24

철강 기질의 인산처리는 소결 Teflon TFE필름의 마모

수명을 향상시킨다고 보고되었으며 양극처리 된 코팅

의 경도 및 내마모성과 불소수지의 윤활성을 결합하기

위해 다공성 경화 양극처리 알루미늄 위에 불소수지를

침윤하여 왔다 Teflon S 마감재는 Du Pont이 도입한

최초의 수성-기초 분산 TFE FEP로 이들은 ldquo계층화

된rdquo 마감재이다 Francis J Clauss1)는 다양한 용도에

서의 Du Pont사 제품들의 선정 가이드를 표로 종합하

였으며 이것을 요약하면 표 3-2와 같다

- 테플론 코팅은 프라이머 단층 프라이머 코팅 후 에나

멜이나 클리어 마감 또는 프라이머 에나멜과 클리어

마감 등 3-코팅 시스템으로 구성된다 프라이머들은

금속이나 세라믹 기질에 접착을 향상시키기 위해 개

질제를 함유한다 프라이머들은 가끔 1회 코팅 마감재

로 사용되나 음식물과 접촉하는 용도로는 반드시 에

나멜이나 클리어 마감재로 마무리 칠을 하여야 한다

프라이머는 층간 접착력이 부족하기 때문에 다중 코

팅에 적용될 수 없고 만일 06mil 이상의 코팅이 필요

하면 프라이머는 에나멜이나 클리어 마감재로 마무리

칠을 하여야 한다

25

표 3-2 테플론 코팅 두께1)

최종

용도대표적 용도

전체두

께(mils)

프라이머에나멜클리어

가공(mils)

비점착

산업

직물 슬래셔 통

열 봉합 봉 고무경화 롤러

우레탄과 에폭시 경화 주형

제빙기

목재 고무 주석도금 아연

10-25

07

20-50

08-13

07

03 07-22 07-10

07 마무리칠 불가

03 07-37 10min

03 05-10 05-10

07 마무리칠 불가

식품

프라이팬 내열접시

반죽롤러

캔디 장치

08-12

10-30

20-30

03 05-09

03 07-27

03 07-17 10

One-coat

system

금지

드라이

윤활

플러그 밸브

유리병 제조 전달 장치

베어링

03-07

15-25

05-07

03-07

03 03-05 03-05

02

전기

전자

저항기 코팅

아이들 롤러(제지 섬유 공업)

세라믹 절연체

40-50

10-15

20-25

03 37-47

03 07-12

03 17-22

부식

방지용기 라이닝 gt50 03 47 또는 5-10 이상

Non-

wetting콘덴서 튜브 02-04 02-04

- 유색 프라이머는 통상 안료가 필름의 범위와 두께를

시각적으로 체크할 수 있게 하므로 그렇지 않은 것에

비해 더 선호된다 에나멜과 클리어 마감재는 충분한

접착을 위해 프라이머 위에 발라야 한다 ldquo진흙 갈라

짐 현상(mud-cracking)은 코팅 당 최대 두께를

10mil로 한정하나 다중 코팅에 의해 극단적이 조건

하에 전체 두께를 10mils까지 바를 수 있으며 각각의

26

코팅은 분리하여 구워진다

불소화 고분자들은 낮은 표면장력 물과 기름에 젖지 않

고 비점착성이며 방오 특성(antifouling properties) 등을

갖기 때문에 다양한 특수 코팅에 적용되나 합성과 조성

이 몇몇 제조업자들에 독점되어 있고 값비싼 중간체를

필요로 한다 VC Malshe 등4)은 플루오르 함량이

4-10인 불소화된 아크릴 공중합체를 간단한 방법으로

합성하고 클리어 코팅하여 광학적 기계적 및 보호 특성

을 연구하였다

최근 에너지 절감과 CO2규제와 같은 환경규제에 대한 대

응 필요성이 증가하면서 발전소나 각종 보일러 시스템에

서 배가스로 배출되는 응축잠열 에너지의 회수 및 활용

에 관심이 증가되고 있다 Lee 등5)은 스테인레스 관 표

면에 400정도의 두께로 테플론을 코팅한 전열관에서

관의 열 및 응축 열전달 특성을 연구하여 테플론 코팅관

의 총괄 열전달 계수는 스테인레스 관보다 약 20 작은

것으로 나타나고 응축열전달 계수는 유사하였음을 보고

하였다

알루미늄 용광로의 비-여과 배출가스에 장기간 사용하기

적합한 역류 열교환기에 관한 것으로 원통형 쉘의 표면

27

은 알루미늄 용광로 배출가스 입자 및또는 먼지 및 부

식 흄과 접촉될 수 있어 테프론 계로 코팅 처리하는 특

허6)가 있다 이 특허에서는 원통형 쉘을 만들도록 복재

(web member 웨브재)와 함께 연결된 유체 운반튜브로

이루어진다 각 원통형 쉘에 위치한 헤더는 열교환기의

튜브에서 튜브로 유체를 공급하며 뜨거운 난류가스에 작

용하여 스케일링을 최소화하기 위해 헤더의 보호덮개를

설치한다

저온에서 고온에 이르는 환경에서 유체에 사용되는 배관

튜브는 열에 의한 경시적 열화가 진행되어 균열 발생이

쉽다 가동부에 사용되는 배관 튜브는 움직임이 수반되어

그 경향이 현저하며 반도체 제조장치에 일반으로 사용되

는 실리콘튜브는 저온에서 열화되어 파손되기 쉽다 이러

한 문제점을 해결하기 위해 실리콘 튜브 외측 표면을 테

플론으로 코팅하여 균열발생을 억제함으로써 장시간 사

용 가능하도록 고안한 특허7)가 있다

섬유상 부직포로 제작하는 다공성 여과필터는 다양한 산

업공정의 배출가스를 정화시키는 데 사용되며 특히 중고

온 환경에서 사용이 가능한 다양한 종류의 기능성 필터

의 개발이 요망된다 일반으로 소각장 및 발전소 등의 중

고온 조건에서 사용되는 Nomex를 비롯한 섬유상 필터는

28

200 이상에서는 열변형으로 사용이 제한적이고 세라믹

필터와 같이 고온에서 적용이 가능한 소재는 매우 고가

일 뿐 아니라 초기 작업으로 인해 에너지 사용량이 매우

높아지는 문제점이 있다 Kim 등8)은 250-300 영역의

중고온의 배출가스를 처리하기 위한 필터에 표면 소수성

과 고온 안정성을 부여하기 위하여 표 3-3과 같은 조성

으로 그림 3-1과 같은 장치를 이용하여 테플론 수지를

거품 형태의 코팅액으로 조제하여 유리섬유 원단에 공급

하여 표면코팅하고 열처리 및 압착과정을 거친 후 표면

분석하였다

표 3-3 테플론 코팅을 위한 화학첨가제8)

테플론 코팅이 전기 집진장치에 활용되는 특허도 있다

종전 사이클론 방식의 전기집진기에서는 집진부의 먼지

를 떨어뜨리는 것이 용이하지 않았다 발명자들은 먼지

압축 기능을 갖는 집진실 내측에 테플론 가공을 하여 정

전기에 의한 미세먼지의 부착을 억제함으로써 집진실의

먼지를 원 터치로 처리할 수 있도록 하였다9)

29

그림 3-1 테플론 거품코팅8)

일반으로 테프론을 조리용기에 코팅하는 방법은 금속소

재를 사용 제품형태로 제작한 후 세척하고 에이징(소둔)

처리한 후 샌딩하여 표면조도를 유지하도록 하고 표면에

프리머 처리하여 베이킹 처리한 후 분사방법으로 테프론

코팅을 하고 다시 베이킹 처리하므로 공정이 복잡하고

제조원가가 상승하며 부착력에 한계가 있다한다 (주) 엘

지아이 특허10)에서는 피처리물을 세척한 후 산질화처리

하여 표면에 열처리 층이 형성되게 한 후 테프론을 코팅

하고 베이킹 처리하는 것을 특징으로 한다 그 외에 내열

세라믹 주방용기의 불소수지 코팅방법에 관한 특허가 있

다11)

(주) 봉성비에스는 차량의 주행 충격을 흡수하는 완충기

30

내부에 삽입하는 피스톤 외주면의 마찰과 소음을 최소화

하기 위한 목적으로 테프론 코팅을 하기 위한 코팅장치

를 등록하였다12)

⑶ 대전 방지 플루오르화탄소 수지 코팅

ㅇ 본래 불소수지 자체는 높은 절연성과 큰 대전성을 갖고

있기 때문에 도전 효과를 얻기 위해서는 분상 필러를 다

량으로 충전할 필요가 있으나 이렇게 하면 비점착성이

떨어진다 여러 회사들의 제품 안내서들을 종합한 불소수

지의 전기적 특성은 표 3-4와 같다

표 3-4 불소수지의 전기 특성

특성측정법

(ASTM)단위

PTFE

(비충전)

PTFE

(25

유리충전)

PTFE

(25

탄소충전)

표면 내아크성 D495 sec 75-110

체적저항

(비저항)D257

ohm-

cmgt1018 gt1016 104

표면저항 D257ohm

sq-1 gt10

14

유전율(유전상

수) at 1MHzD150-81 e 25 24

절연내력 short

time 18thickD149

kv

mm285

유전정접(유전

정합) at 1MHzD150-81 lt00002 005

31

ㅇ 불소수지는 내열성 내한성이 높고 내약품성 내연소성

난연성이 우수하고 절연성 및 비점착성과 저 마찰계수를

갖고 있으나 절연성이 높아 정전재해의 원인이 될 수 있

어 재해 방지를 위해 대전 방지 또는 저저항을 특징으로

하는 불소수지 가공품이 개발되어 사용범위가 넓어지고

있다

불소수지에 충전하여 저저항으로 하는 필러에는 일반적

으로 도전성이 높은 카본 금속 또는 산화알루미늄 등의

금속산화물이 사용된다 재료의 형상으로는 미분 탄소

스테인레스 스틸 니켈 금속분과 같은 입상물 단섬유 탄

소섬유 위스커(whisker) 등이 사용된다

- 미분은 비표면적이 크기 때문에 소량의 충전으로 저

항치를 내릴 수 있으나 약품의 침투가 있는 경우 비

표면적이 크기 때문에 약품의 영향을 받기 쉬워 내부

식성 떨어질 가능성이 크다

- 입자상물질들은 미분에 비해 비표면적이 작기 때문에

약품의 영향을 비교적 적게 받지만 저항치를 내리기

위해 충전량이 많게 되어 불소수지의 특징인 비점착

성과 저마찰계수 특성을 저해한다 섬유 위스커 형상

은 단방향에 대한 장방향의 비가 클수록 적은 충전량

32

으로 저항치를 낮출 수 있지만 분산이 나쁘면 요철이

발생한다 부식 방지 코팅에서는 충전제의 내약품성이

관건이다 즉 부식 환경에서 불소수지 자체는 충분히

견디어도 충전제가 내약품성이 없으면 충전제가 서서

히 에칭되어 기기가 부식될 가능성이 크다

화학 석유 및 정제 산업에서는 시험 검사 세척 및 다양

한 공정의 용기 저장 탱크 반응기와 같은 많은 구성요

소들이 사용되며 플루오르화 고분자는 고온에서 높은 열

안정성을 갖고 다양한 유기용매에 전혀 용해되지 않으므

로 부식방지 등을 위해 플루오르화 고분자와 같은 내화

학성 고분자로 코팅된다 그러나 이들 고분자는 코팅된

구성요소의 표면에 정전하 축적을 조장하기 때문에 폭발

성 환경에서는 사용할 수 없다

특히 이들 구성요소들의 금속 구조물은 용기나 탱크에

보관된 가스 증기 분진의 이동에 의해 생성된 정전하

(electrostatic charge)를 흐르게 하는 전도경로가 되나 금

속표면을 강산 강알칼리나 유기용제에 의해 침투되는 방

지하기 위한 목적으로 부식방지 테플론으로 코팅될 경우

얇은 필름의 비-전도체로 작용하므로 폭발성 환경에서

사용을 규제하고 있다

33

- 예로 유럽 표준 EN 50014 section 732에서는 정전

하로 인한 발화 위험을 피하기 위해 사용 보수 및 세

척 조건 하에 설계된 울(enclosure)이 필요하고 울의

절연저항은 1GΩ을 초과할 수 없도록 규제하고 있고

일본은 후생노동성 관할 산업안전연구소의 정전기 안

전지침의 누설 저항치는 108Ω 이하로 되어 있다

- 따라서 부식 및 폭발성 환경에서 안전하고 다양한 구

성 요소에 적용할 수 있는 정전방지 비-발화 테플론

코팅기술을 요하며 정전방지 코팅은 표면저항을 낮추

기 위해 카본블랙이나 개질 전도성 탄소 금속이나 전

도성 고분자를 테플론에 충전하여 코팅한다

폭발성 환경용 내화학약품 특성과 대전방지 비발화

코팅 조성물로는 높은 비저항을 갖는 플루오르 고분자

50-90wt 10-50wt의 전도성물질인 탄소분(carbon

powder)으로 이루어진 Solex Robotics Systems Inc

특허가 있다13)

- 폭발환경에서 사용되는 이상적인 코팅은 정전하를 피

하기 위해 낮은 비저항을 가져야 한다 완벽한 전도체

는 비저항이 영(0)이고 완벽한 절연체는 무한 비저항

34

을 갖는다 금속(구리 금 같은) 합금(망가닌 Mn-Ni-

Cu 니크롬 Ni-Cr-Fe) 반도체(카본이나 게르마늄)는

낮은 비저항을 갖고 있어 좋은 도체이다

- 수많은 고분자 기초 코팅들이 부식화학 환경에 사용

되었으나 85GΩ 이상의 비저항으로 대전방지 시험에

서 실패하였다 정전기 도체로 인증기준 아래 적합하

기 위해서는 100cm2이상의 노출 표면이 1GΩ 이하의

비저항이어야 한다 코팅에 첨가된 탄소분은 전도도를

증가시키며 10-50의 함량은 1GΩ 이하의 비저항을

만족시킨다

비전도성 표면의 표면저항을 감소시키도록 카본이나 금

속을 사용하여 대전방지를 부여하는 공정의 단점으로는

카본이나 금속의 접착력이 낮아 입자의 마모가 일어나

장기간 사용 시 대전방지 수준이 감소하는 것이다 더욱

클린룸에서 입자의 방출은 심각한 문제가 된다 대부분의

비전도성 기질은 통상 23 상대습도 50에서 표면 비

저항이 109ohmsquare 이상으로 높고 PTFE 경우는 10

12

ohmsquare이상이다14)

반도체 제조 장치에서는 웨이퍼 기판을 안착하기 위해

작업 스테이지를 사용하며 작업스테이지는 통상 금속과

35

세라믹으로 제작되나 웨이퍼기판을 작업스테이지에 올려

놓을 때 작업스테이지와 웨이퍼기판 사이에 마찰 정전기

가 발생한다 FPD(flat panel diplay 평판표시)용 디스펜

서(dispenser)에 사용되는 작업스테이지는 진공방식으로

디스플레이 기판을 흡착 고정하며 흡착 고정되었던 디스

플레이 기판이 작업스테이지에서 박리될 때 작업스테이

지에 정전기가 발생하여 디스플레이 기판에 대전된다 최

근 디스플레이 기판이 대형화됨에 따라 대전량이 증가되

고 정전기 대전문제가 더욱 심각해지고 있다 웨이퍼기판

이나 디스플레이기판에는 반도체소자 등 다수의 전자부

품들이 배치되어 있기 때문에 정전기가 발생되면 전자부

품의 신뢰성에 치명적 손상을 주고 기판에 분진이 부착

되거나 정전기의 대전으로 기판 리프트 업(lift up)시 기

판이 깨어지는 문제가 발생한다 정전기 대전을 방지하기

위해서는 작업스테이지에 이오나이저를 설치하여 중화하

기도하나 리프트 업이 불가능하거나 이온풍이 도달하기

전 방전하는 등 작업 스테이지와 기판 사이에서 발생한

정전기가 순간적으로 일으키는 박리대전 문제를 해결하

기 어려워 작업 스테이지의 정전기 방지를 위해 불소수

지로 코팅한다

- 불소수지는 다른 물질과의 흡착에너지가 작고 비점착

성이 우수하며 마찰계수가 작아 유리기판과의 상관관

36

계가 작아져 박리에 의한 정전기의 발생량이 적어지

나 불소수지는 절연성을 가지므로 테프론 코팅에서는

카본 블랙이나 전도성 고분자 등을 필러로 사용한다

대전방지가 필요한 반도체 제조장비 디스플레이 장치 및

테스트 장치 등의 작업 스테이지를 테프론 코팅함으로써

작업 스테이지의 정전기 발생을 방지하는 방법의 단점의

하나는 제작비용이 상대적으로 많이 드는 것으로 디스펜

서의 경우 디스플레이 기판이 대형화됨에 따라 작업 스

테이지의 크기가 커져 제작비용이 증가한다 또한 불소수

지의 경도가 낮아 코팅 막에 스크래치가 발생하고 이 부

분은 평탄도 유지가 어려우며 입자들이 발생하는 요인으

로 작용하며 불소수지가 절연성이므로 카본블랙이나 전

도성 고분자 등의 도전성 필러를 충전하여 대전방지에

적합한 면-저항을 갖도록 할 경우 카본블랙은 구형으로

분진이 발생하는 문제점이 있고 전도성 고분자를 사용할

경우는 내용제성이 약하고 과량의 바인더를 사용하여야

하며 박막 형성이 어렵고 불소수지의 경도를 보완하기

위해 아노다이징 처리를 하는 경우는 이후 별도의 코팅

과정을 거쳐야 하므로 제작비용과 제작시간이 증가하는

등 여러 가지 단점들이 있다 이러한 문제점들을 해결하

기 위한 방법으로는 작업 스테이지와 기판이 만나는 면

에 정전기 발생을 최소화시킴과 동시에 그 제조비용이

37

절감되고 적절한 면-저항을 조절할 수 있으며 마찰계수

가 낮고 내마모성이 향상된 작업스테이지 표면의 대전방

지 처리 방법에 관한 국내의 탑나노시스 사의 특허15)가

있다

- 탑나노시스 사의 특허 목적은 작업스테이지의 기판과

만나는 면에 정전기의 발생을 최소화시킴과 동시에

그 제조비용이 저감되고 적절히 면-저항을 조절할 수

있으며 마찰계수가 낮고 내마모성이 향상된 스테이지

표면의 대전방지 처리 방법에 관한 것으로 이 특허에

서는 금속소재의 작업 스테이지 표면을 아노다이징

처리하여 복수의 산화표면 홀들을 형성시키고 여기에

탄소나노튜브를 삽입하고 경화하며 탄소나노튜브 경

화 후에 표면을 봉공 처리한다

- 작업스테이지 표면은 106-10

9Ωsq의 면-저항을 갖는

것이 바람직하며 산화표면 홀들은 직경 30-900nm 깊

이 100-900nm가 바람직하다 아노다이징 처리를 하는

금속소재는 Al Mg Zn Ti Ta(탄탈륨) Hf(하프늄)

Nb(니오븀) 등일 수 있고 이 발명에서는 가벼우며 일

정 강도를 갖고 가공성이 우수한 Al합금을 예로 들어

설명하고 있다

38

- 알루미늄소재 작업스테이지 표면에 산화피막(Al2O3)처

리를 하는 아노다이징(anodizing 양극산화)에서 전해

액은 수산화나트륨이나 수산과 황산 등이 사용될 수

있고 수산화나트륨의 농도(20-50) 공급전압 전류

및 시간 등을 조절하여 산화표면 홀의 크기(D)와 깊

이(L)를 조절하며 D와 L에 따라 대전방지 효과나 내

구성 및 표면경도를 조절한다

- 탄소나노튜브를 산화표면 홀 내에 삽입시키는 단계는

전해 흡착 하여 이루어질 수 있고 정전도장을 통해서

도 이루어질 수 있다 탄소나노튜브는 분산제를 포함

하는 용액으로 코팅되며 분산제로는 소듐 도데실설페

이트(SDS) 트리톤X Tween20(폴리옥시에틸렌 소르

비탄모노올레이트) CTAB(cetyl trimethyl ammonium

bromide)를 예로 들고 있으며 탄소나노튜브 용액은

아크릴계 우레탄계 등 또는 전도성 고분자계 유무기

하이브리드계 바인더가 포함될 수 있다

- 봉공처리는 산화표면 홀과 산화피막을 봉공하여 내식

성 등이 향상되도록 보호 층을 형성시키는 것으로 비

등수 가압증기에 의한 수화봉공 금속염을 포함한 열

수에 의한 금속염 봉공 오일로 도포나 침적하는 유기

물 봉공 양극산화 피막 층에 도장하는 도장에 의한

39

봉공 등이 있다

반도체 소자를 제조하는 과정에는 불순물 이온을

주입하는 장비가 이용되고 있다 (주)하이닉스 반도

체의 특허에서는 이온주입 장비의 웨이퍼 지지 장

치 리프트 핀의 끝단을 라운드 처리하고 리프트 핀

에 테플론을 코팅하여 리프트 핀과 웨이퍼 후면의

접촉 시 웨이퍼 후면에 스크래치와 같은 손상이 유

발되는 것을 억제할 수 있게 한다16)

⑷ 탄소나노튜브(CNTs Carbon Nano Tubes)17)

탄소나노튜브는 탄소의 동소체로 1991년 일본 NEC 연구

소의 Ijima박사에 의해 전자 현미경을 통해 처음으로 확

인되었다 1985년에 Kroto와 Smalley가 탄소의 동소체인

풀러렌(탄소 원자 60개가 모인 것C60)을 처음으로 발

견한 이후 전기방전 시 흑연 음극 상에 형성된 탄소덩어

리를 투과전자현미경으로 분석하는 과정에서 발견하여

Nature학술지에 처음으로 발표되었다18) 탄소나노튜브에

서 탄소원자 하나는 주위의 다른 탄소원자 3개와 sp2결

합을 하여 육각형 벌집무늬를 형성하며 이 튜브의 직경

이 대략 수 나노미터(nm nanometer) 정도로 극히 작기

40

때문에 나노튜브라고 부르게 되었다 이 탄소나노튜브는

전기 세기가 클수록 더 수축하는 성질을 가지고 있는 등

튜브의 직경이 nm수준으로 극히 작아서 특유의 전기화

학적 특성을 나타낸다

Ku 등19)에 의하면 CNTs는 전기방사법(arc-discharge)

레이저증발 법(laser vaporization) 플라즈마 화학기상증

착 법(plasma enhanced chemical vapor deposition) 열

화학 기상증착 법(thermal chemical vapor deposition) 등

의 다양한 합성법이 개발되어 대량생산이 가능하다

CNTs의 종류는 벽의 수에 따라 단일 벽 탄소나노튜브

(SWNTs) 이중 벽 탄소나노튜브(DWNTs) 다중벽 탄소

나노튜브(MWNTs)가 있으며 물성에 관한 많은 연구결

과 기계적 전기적 열적으로 우수한 성능을 갖고 있음이

입증되었다

CNTs는 인장강도와 탄성률 면에서 지금까지 발견된 재

료 중 가장 강하고 질기며 다중벽 CNT는 63GPa에 이른

다 표준 단일 벽 CNT는 25GPa의 압력까지 변형 없이

지탱된다 그래핀의 대칭성과 특이한 전기적 구조 때문에

CNTs의 구조는 그것의 전기적 특성에 영향을 미쳐 금속

성이나 반도체의 특성을 나타내고 이론적으로 금속성

41

CNTs는 구리와 같은 금속의 1000배가 큰 4times109Acm

2

전류 밀도를 운반할 수 있으며 나노크기의 단면으로 전

자가 튜브의 축 방향으로만 전파되고 전자의 이동은 양

자효과를 수반하여 1차원 전도체로 간주된다

CNTs는 우수한 물성과 상대적으로 큰 표면적으로 갖고

있어 충전제(filler)로써 에폭시 폴리스틸렌 폴리우레탄

등 고분자와 혼합하여 폴리머의 기계적 전기적 특성을

향상시키려는 연구가 활발하다 CNTs가 폴리머 중에서

충전제 역할을 하기 위해서는 고른 분산이 필요하나 반

데르발스 힘에 의한 CNTs 응집현상(agglomeration)으로

인해 효과적인 분산이 어려워 오히려 폴리머의 물성을

저해하므로 이것을 개선하기 위한 다양한 기계적 화학적

분산 방법이 연구되고 있다

- CNTs를 분산시키기 위한 가장 일반적인 방법은 용매

나 폴리머에 CNTs를 투입하고 초음파처리를 하는 것

으로 초음파처리를 하면 SWNTs의 길이가 짧아지고

다발(bundle)이 얇아져 분산력이 증가한다

- CNTs 표면을 산이나 아민으로 기능화하여 분산을 높

이는 방법도 연구되고 있으며 MWNTs를 HNO3

H2O2NH4OH 용액에 침지시켜 MWNTs에폭시 복합

42

재료는 전기적 특성을 향상시키려는 연구와 산과 아

민 등의 기능기를 도입하여 SWNTs의 열전도도를 향

상시키려는 연구들이 수행되고 있다

- 기계적 분산방법인 전단혼합방법은 좁은 관이나 상대

적으로 높은 속도의 유동을 이용하여 발생한 전단력

으로 CNTs를 분산시키는 방법이다 Ku 등19)은 전단

혼합과 초음파처리를 이용하여 MWNTs로 강화된

에폭시 복합재료를 만들어 기계적 및 열적 특성을 연

구하였다

⑸ 내마모성 테프론 코팅

ㅇ 재료의 부식은 구조재에 원하지 않은 변화 원인으로 작

용하여 경제적인 문제로 귀결되는 심각한 문제이다 이들

원치 않는 변화는 때로 적절한 코팅에 의한 표면처리로

예방할 수 있다 가장 일반적이고 자주 사용되는 전착 코

팅은 아연에 기초한 아연 코팅 및 합금 코팅으로 이들

코팅은 간단한 기술로써 내부식성이 양호하여 전 표면처

리의 약 14에 해당하나 최근 낮은 마찰계수 등 다른 특

성들이 매우 중요하게 되었다 이들 특성은 다층 코팅으

로 대응할 수 있으나 두께가 증가하고 기술이 복잡하여

가능한 해결방법으로는 복합체 코팅이 있다 복합체 코팅

43

은 일반기계와 자동차 전자부품 및 컴퓨터 등 다양한 분

야에 적용된다 금속 기질에 미세한 PTFE 입자의 전착

에 의한 증착은 새로운 세대의 복합체 코팅으로써 가장

바람직한 특성은 양호한 내마모성 자기윤활 내부식성이

다 M Paderovaacute 등20)에 의하면 이들 특성은 주로 사용

한 입자(흑연 다이아몬드 MoS2 또는 PTFE)와 용액의

유형(pH 온도 bath 등) 뿐 아니라 입자의 크기 농도

분산 및 형태학에 의존한다

ㅇ 충전되지 않은 PTFE의 마모율은 736-741times10-4mm3Nm

로 내마모성이 낮아 다양한 충전제들이 첨가되고 있다

Xing-Dong Yuan 등21)은 진공 조건에서 PTFE 코팅

의 마모특성을 연구하여 초기에는 하중이 증가함에 따

라 마찰계수가 감소하나 하중이 6N 이상으로 커지면

마찰계수도 증가하며 압력이 PTFE 코팅의 마찰계수

에 미치는 영향이 거의 없고 마모는 압력이 증가하면

초기에는 감소하나 10Pa 보다 높으면 급격히 증가한

다고 보고하였다

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위해서는 윤활제로 PTFE

계 수지 접착제로는 폴리아미드이미드수지 산화철 분말

44

및 브론즈 분말 등을 혼합한 조성물을 사용하거나 미국

특허에서는 스와시플레이트 형 압축기의 플레이트 표면

에 MoS2 흑연 PTFE계 윤활제와 열경화성 수지인 폴리

아미드이미드(PAI) 조성물을 코팅하여 내마모 및 윤활성

을 부여하고 있다22) 내열성 향상을 위해서는 고체윤활

제 접착제수지 및 저융점 금속인 Sn Pb In Bi 등을 함

유하는 합금이나 화합물을 사용하여 금속의 잠열을 이용

내열성 향상을 시도하기도 한다

ㅇ 그간 철강(스테인리스강 탄소강 아연도금강판 등)의 내

부식성 향상을 위한 많은 연구들이 수행되어 왔다 4플루

오르에틸렌(C2H4) 4플루오르에탄(CF4) 6플루오르에탄

(C2F6) 3플루오르화에탄(CHF3) 8플루오르화에탄(C4F8)

같은 불소화된 단량체의 플라즈마 중합에 의한 테플론

류 코팅은 그들의 소수성으로 인해 금속의 내부식성 향

상을 위한 대안으로 주목을 받고 있다 A Delimi 등23)

은 유도결합 고주파플라즈마(inductively coupled radio

fre- quency plasma)를 사용하여 소수성 박막 불소수지

필름을 탄소강에 증착하고 3염수에서 내부식성을 평가

한 결과 1개월 동안 9nm의 필름이 유지되는 것을 관찰

하여 불소고분자 박막이 금속과 금속산화물의 보호층이

될 수 있음을 보고하였다

45

ㅇ PTFE를 이용한 세라믹코팅 기술로는 알루미늄 및 알루

미늄 합금 공작물을 양극처리에 의해서 티타늄 및또는

지르코늄 산화물을 포함하는 내식성 내열성 및 내마모

성 세라믹 코팅을 하고 이어서 양극처리된 공작물을

PTFE 또는 실리콘 함유 코팅과 같은 제 2 코팅으로 코

팅한다 이 발명은 가소성을 가지는 경질의 필름 내에서

내식성 내열성 및 내마모성을 제공하는 티타늄 및또는

지르코늄 산화물의 양극처리 층으로 기판을 예비-코팅함

으로써 알루미늄 기판에 보다 긴 수명의 코팅을 형성하

는데 특히 유용하다24)

ㅇ Nosaka 등25)은 PTFE로 대표되는 불소수지는 마모-링이

나 극저온 밸브의 실링부에 많이 사용되며 진공치환법에

의해 탄소재료에 PTFE나 MoS2 분말을 1-2wt 함침시

키면 무함침한 것에 비해 마모가 약 13로 감소한다고

보고하였다 한편 저자들은 터보펌프의 실링재료가 극저

온 환경에서 보이는 특이한 현상을 극복하기 위해 베어

링의 표면에 노출된 유리섬유를 불소산으로 처리하여 용

해 제거하고 윤활성을 높인 유리섬유강화 테프론 리테이

너를 개발하여 내구성과 윤활성을 향상시킬 수 있었다고

보고하고 있다

46

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위한 또 다른 특허로는

폴리실록산계 접착제를 단독 혹은 폴리에스테르계 접착

제와 병용하고 고체 윤활제로 MoS2(이황화몰리브덴

WS2(이황화텅스텐) h-BN(육방정 질화붕소) 팽창흑연

및 PTFE를 사용하고 충전제로 탄화규소 알루미나 산화

지르콘 산화티탄 등의 미분말을 사용하여 내마모 내열

및 윤활성을 부여하고자 하는 내마모성 및 윤활성 코팅

조성물에 관한 특허가 있다26)

ㅇ 내열성 내후성 내오염성 내약품성 내구성 등의 물성

은 유지하면서 비점착성을 높이기 위해 무기계 세라믹

코팅 조성물에 PTFE를 첨가하기도 한다 이러한 하이

브리드 코팅 조성물에 관한 특허로는 불소수지(01sim25

중량) 콜로이달 실리카나 콜로이달 알루미나 등 무

기계고분자 바인더(20sim80중량) 알콕시실란 화합물

(1sim50중량) 수용성 유기용제(1sim10중량) 충전제

또는 안료(5sim50중량) 및 물(100중량 까지 보충)로

이루어진 코팅 조성물에 관한 것으로 무기질 도료 및

무기계 세라믹 코팅에 의해 내열성 내오염성 내약품

성과 내구성을 유지하고 접착력을 높이기 위해 소량의

PTFE를 사용하는 것이 있다27)

47

ㅇ 정전 복사기에 사용되는 정착기재부의 최외층에 코팅하

여 기계적 성질 및 내마모성을 향상시키려는 목적으로

불소수지 기질 중에 분산된 불소화 다이아몬드를 함유하

는 입자로 구성된 조성물에 관한 일본 특허28)가 있다

ㅇ 부식 특성을 개선한 흑색 무크롬(chrome-free) 다층 내

부식 마무리 칠과 방법에 관한 특허29)로는 ASTM B 117

표준으로 시험할 때 백색 부식에는 최소 500시간 염수분

무시간 및 적색 부식에는 1500시간 염수분무시간에 적합

하게 설계된 마무리 칠에 관한 것이 있다 이 다층 시스

템은 광택(gloss) 4 이상을 만족하는 자동차 차체 강판

자동차 하부와 내장에 사용되기 위해 설계된 것으로 이

다층 마무리 칠은 3층 부식 방지 시스템을 형성하도록

아연-철 전기도금 기질 오르토인산을 사용한 무전해 인

산염 결정 전환 층과 XylanTeflon 실러 코팅의 조합이

다

ㅇ 전통적으로 철 강판(steel sheet)은 크롬산 염 전환 코팅

으로 개질되어 왔으나 6가 크롬이 배출되어 환경을 오염

시키는 문제점이 있어 강판의 내-부식성을 개선하기 위

해 고분자 수지 코팅들이 수행되고 있으나 이 방법은 고

48

분자 코팅 층이 열전도도를 감소시키는 단점을 가지고

있다 Kang 등30)은 강판 위의 고분자 코팅 층의 열전도

도를 향상시키기 위해 초미세-크기 다이몬드(μD)입자를

열전도 물질로 사용하였다 다양한 음이온 및 비-이온

계면활성제들을 사용하여 수용액 중에서 무거운 μD입자

의 안정화를 시험들을 한 결과 1-피렌카르복시산(PCA)

이 가장 양호하였다 그림 3-2는 이 시험 결과를 요약한

것이다

- 강판 위에 PCA로 안정화 된 μD 입자를 함유한 폴리

우레탄-기초 코팅 층은 열전도도가 0351W(mK)에서

0434 W(mK)(10 wtμD)로 향상되었으며 더욱 144

시간 동안 염수 분무 시험결과 부식거동은 관찰되지

않았다

그림 3-2 피렌카르복시산을 이용한 μD 표면처리

ㅇ 자동차공업에서는 기본적인 특성으로 내마모성이 요구되

49

는 강철 기계부품들의 마찰특성을 향상시키기 위해 다양

한 금속 및 고분자 코팅들이 광범하게 이용된다 내-마

모 코팅은 두 가지 주요 특성인 높은 표면경도와 자기-

윤활 특성이 필요하다 후자의 범주에 속하는 것이

PTFE와 MoS2 기초 코팅이다 무전해 니켈 코팅은 높은

경도로 인해 양호한 마찰 특성을 보이며 한편 열처리를

통해 경도를 향상시킬 수 있다 PTFE입자의 첨가는 코

팅경도를 감소시키나 자기-윤활특성을 부여한다 S

Rossi 등3132)은 마찰특성을 향상시키기 위해 이용되는 탄

소강에 이용되는 몇 가지 공업적인 코팅에 관한 부식거

동에 관해 평가 PTFE입자를 함유한 무전해 니켈-인

(Electroless Nickel-Phophorus)코팅은 PTFE 입자(자기-

윤활 특성)를 갖는 외층과 장벽-효과를 갖는 내층으로

인한 이중 특성으로 가장 양호한 특성을 보였다고 보고

하고 있다

ㅇ 모든 기계적 시스템은 동적 요소를 필요로 하며 마찰과

마모를 줄이기 위한 다양한 수단들이 가능하나 그 선택

은 환경이나 조작 조건에 제한을 받는다 PTFE는 자기

윤활 낮은 마찰계수 높은 열안정성과 화학약품 안정성

으로 산업분야에 널리 사용되는 엔지니어링 고분자이지

만 내마모성이 매우 부족하다 이러한 이유로 금속

-PTFE충전 복합체들이 PTFE의 마찰특성과 금속충전제

50

의 내마모성을 결합하여 특정 분야의 용도로 소개되어

왔으나 금속-고분자 물질에서의 충전제의 역할은 완전히

설명되지 않고 있다 복합체 표면의 과잉의 충전제 농도

는 미끄러지는 동안 부하를 지지하여 내마모성을 증가시

키는 것으로 생각되며 PTFE의 마모율은 Mo Zn Ni

Y2O3 및 SiO2 같은 무기 충전제에 의해 1000배가량 감소

되었다는 보고도 있다 유리섬유 구리 세라믹 탄소섬유

절단 탄소섬유 나노입자를 포함한 경질의 충전제 입자들

이 PTFE의 내마모성을 높이기 사용되어 왔다

ㅇ 비교적 두꺼운 코팅에는 열분사(thermal spray) 용사기

술이 정립되어 있고 용사 코팅은 내마모 내마찰 내프레

팅(fretting) 및 내부식을 요하는 산업에 많이 이용되고

있다

- 용사 몰리브덴(Mo)코팅은 실질적 내마모성 코팅으로

가장 광범하게 이용되며 프레임용사(flame spray)거나

와이어용사(wire spray)기술로 생산된 몰리브덴(Mo)

코팅은 흠이나 마모에 대한 고도의 저항을 얻기 위한

가장 좋은 코팅재료 중의 하나이다

- 알루미늄 청동(aluminium bronze)은 높은 내-부식성

과 내마모성을 갖는 것이 특징이다 저압 플라즈마 용

51

사 기술은 자기-아닐링(self-anealing)과 부서지기 쉽

도록 유도하는 γ-상의 형성을 피할 수 있도록 높은

냉각 속도를 얻는 데 사용되며 알루미늄 청동 저압

플라즈마 용사 코팅은 낮은 마찰과 마모를 보였고 비

교적 최근 플라즈마 용사 기술을 이용하여 알루미늄

기질에 고분자-세라믹 복합체를 코팅하는 기술이 개

발되었다33)복합체 코팅으로 행한 마찰 시험에서 낮

은 마찰계수를 얻을 수 있었다

- 낮은 마찰계수와 고 내마모성을 갖는 이성분 금속

-PTFE 코팅이 개발되었고 이들의 마찰 공학적 성능

이 보고되었다 PTFE-기초 복합체 설계에서 일반적

인 접근방법은 경질의 충전 입자들을 도입하는 것으

로 M Yamane 등34)은 PTFE-금속 이성분 코팅의 마

찰 마모성능에 관한 연구 결과 알루미늄 청동 코팅이

Mo코팅에 비해 PTFE 저장소(reservoir)에 유용했음

을 보고하였다

⑹ 충전 또는 강화 플루오르화 탄소1)

ㅇ 분말이나 강화섬유 등 전형적인 충전재들이 충전 또는

강화 플루오르화 탄소에 사용된다 충전재는 저온흐름

52

을 향상시키는 데 사용되며 수축과 균열을 줄이고 열

팽창을 낮추며 열전도율을 향상시킨다

ㅇ 분말이나 단섬유로 된 전형적인 충전제를 표 3-5에 종합

하였다 유리섬유는 가장 보편적인 PTFE 충전제로 화

학 및 전기적 특성에 최소로 영향을 미치며 기계적 특

성을 크게 향상시킨다 분말에 비해 섬유는 압축강도

강성도 및 지지용량을 더욱 향상시키나 분말은 충전

테플론의 내구성에 거의 영향을 미치지 않는다 금속분

말은 특히 열전도도를 향상시키며 고속에서 발생하는 마

찰열을 소멸하는데 도움이 되며 전기저항을 상당히 감소

시켜 금속-충전 조성물은 양호한 절연체는 아니다

ㅇ 흑연(graphite) MoS2는 초기 내구성과 마찰을 개선하고

기계적 특성을 향상시킨다 석면은 많은 유용한 특성을

갖지만 가공 처리 중 가스가 방출할 뿐 아니라 사용금지

물질이다 표 3-5 외에도 금속 망 장섬유 다공성 금속

등 다양한 충전제들이 있으며 다양한 종류의 제품들이

상업 생산되고 있어 최종 선정을 하기 전에 플라스틱 가

공업자로부터 보다 완전한 정보와 추천을 받는 것이 바

람직하다

53

표 3-5 불소수지용 충전제

ㅇ 압축강력 인장과 압축 시의 탄성률 및 항복강력은 첨가

제의 첨가에 의해 모두 증가하나 일반으로 인장강력과

신도 및 충격강도는 손실된다 통상 충전 테플론은 압축

상태에서 사용되므로 인장강력의 감소는 중요하지 않다

인장강력의 손실은 설치(연속적인 링-실링)할 때 인장되

는 재료에서 중요하다 열팽창 계수는 비-충전 테플론에

비해 감소되어 통상 금속 부품의 팽창계수와 잘 맞는다

ㅇ 마찰과 마모를 수반하는 분야에서 가장 중요한 것은 충

전제로 얻어지는 PV한계치의 증가와 마모의 감소다 비-

54

충전 테플론에 비해 PV한계치 크기는 개략적으로 1차원

적으로 증가하나 마모인자는 3차원적으로 감소한다 충전

테플론의 평균치들은 동적 마찰계수는 01-02 PV한계치

는 10000-20000 psi-fpm 마모상수는 10times10-10in3-min

lb-ft-hr이다 그림 3-3은 충전 테플론 PTFE의 마찰계

수에 미치는 충전제 종류와 농도의 효과에 관한 것이다

그림 3-3 테플론 PTFE에 미치는 충전제 종류와 농도1)

ㅇ 내마모성을 향상시키는 충전제는 실제로 연마저항성을

감소시키는 것으로 날카로운 입자는 보다 쉽게 침투하고

충전제 입자와 수지 사이의 경계를 따라 충전 플라스틱

을 찢는다 따라서 라이닝 슈트 같은 분야의 적용 시는

55

비-충전테플론이 보다 바람직하다

⑺ 시트 테이프 및 박층(laminates)

ㅇ 대부분의 플루오르화탄소는 충전 여부에 관계없이 두

께 1mil(0001 in)까지 시트나 테이프로 만들 수 있고

시트나 테이프를 찍어서 원하는 형상의 립-씰(lip seal)

펌프 컵(pump cup) 피스톤 링(piston rings) 가스켓

(gaskets) 등을 만들 수 있다

ㅇ 유체의 누설을 정지시키는 밀봉기능 부품 중 각종기기의

접합부나 배관 플랜지 등의 밀봉에 사용되는 가스켓

(gaskets)은 석면이 널리 사용되어 왔으나 유해물질 배

출 및 이동량 보고제도(PRTR Pollutant Release and

Transfer Register)에서 발암성을 가진 제1종 지정 화학

물질로 지정되어 사용이 금지되어 PTFE가 가스켓으로

개발되었다 PTFE는 용융 알칼리 금속 및 그 용액과 불

소 및 3불화염소에 의해 약간 침식되나 모든 화학약품에

안정하고 우수한 내부식 재료로 C-F결합력이 크고 F원

자가 C-C결합의 주위를 간격 없이 들러 싸고 있기 때문

에 다른 물질의 공격을 방어하고 있고 내열성은 260로

높다35)

56

- PTFE 필러를 사용한 PTFE 나선 권형 가스켓은 석

면에 대한 사용규제와 상관없이 사용되어 왔으며 유

연한 필러를 사용하므로 석면 가스켓 보다 낮은 체결

압력에서도 실 특성이 우수하고 내식 면에서도 광범

하고 다양한 유체에 사용이 가능하다 다만 단열성 면

에서는 석면 나선 권형 가스켓 보다 사용온도 범위가

제한된다

ㅇ 산업 기계나 자동차의 브레이크 제동장치에 부착하여 마

찰력을 부가하는 브레이크 라이닝에서는 마찰계수와 내

마모력 및 충격계수 등 마찰특성이 우수한 석면을 주로

사용하여 왔으나 제동 시 발생하는 미세 석면분진으로

인해 대기오염에 의한 환경을 파괴 뿐 아니라 인체에 흡

입될 경우 암을 유발하여 PRTR로 사용이 금지되었다

석면을 대체할 유기질 또는 무기질 된 다양한 비석면 마

찰 섬유 등이 사용되고 있으며 마찰 섬유에 테프론을 코

팅하여 브레이크라이닝의 수명향상 제동 시 발생하는 소

음 떨림 및 제동력 향상을 위한 제품개발이 시도되고

있다

- 예로 국내 특허36)에서는 브레이크 라이닝(또는 패드)

의 마찰재 배합재료 중 유기섬유(Kevlar섬유 pulp섬

57

유 등)에 테프론을 코팅하고 코팅된 유기섬유에 결합

재 충전재 윤활재 마찰안정재 마찰조정재 등을 소정

의 배합비로 배합하여 성형하고 열처리하여 브레이크

패드 또는 라이닝을 제조한다

ㅇ 초소형 정밀기계(MEMS Micro-Electromechanical

System)분야에서는 점착방지를 위해 불화 유기박막을

사용한다 Park 등37)은 단층 두께의 불화 유기박막의

특성을 접촉각 측정을 통해 분석하였다

⑻ DLC 코팅3839)

ㅇ DLC(diamond-like carbon)는 몇 가지 다이아몬드의 전

형적인 특성을 나타내는 비정질 탄소물질로 극도의 내마

모 특성을 필요로 하는 재료의 코팅에 이용되고 있다

DLC코팅은 연마 마모를 감소시키기 위한 재료에 유용하

여 엔드밀 드릴비트 금형 같은 공구는 물론 자동차 기

계부품 및 전자산업 등 산업전반에 걸쳐 적용된다40)

ㅇ 환경오염 문제로 인해 PRTR(Pollutant Release and

Transfer Register 유해물질 배출 및 이동량 보고 제

도) 이 시행되어 습동 부품이나 절삭 시에 사용되는 오

일이나 그리스에 포함되는 첨가제(MoS2 Zn 등)와 이들

58

부품을 세정할 때 사용되는 용매 기계부품의 수명을 연

장시키기 위해 활용되었던 Cr도금 폐액에서 발생하는 6

가 크롬 등의 오염물질들에 대한 규제가 더욱 강화되어

DLC에 의한 무윤활 습동과 무윤활 절삭을 지향한 공구

와 기계 부품의 개발이 관심을 끌고 있다4142)

- 일본 내에서는 PRTR이 시행되고 이것에 저촉되는 재

료에 관해서는 MSDS(Material Safety Data Sheet)를

첨부해야할 의무가 있고 부품가공 습동 용도에서는

대상 리스트에 올라 있는 오일 오일 중의 중금속 도

금폐액을 어떻게 경제성 있는 환경 친화적 공정과 재

료로 전환할 것인가를 고려하면서 무윤활 습동 무윤

활 절삭 탈크롬 도금의 3가지 키워드가 대두되고

DLC코팅이 대안으로 모색되고 있다

- DLC코팅 적용기술과 과제에 관한 자료로는 자동차

관련부품 적용사례 엔진부위 마찰 작동 밸브계의 마

찰저감 DLC와 윤활제에 의한 마찰저감 기술을 중심

으로 살펴본 보고가 있다43)

ㅇ DLC는 7가지 형태가 존재하며 모두 상당한 양의 sp3혼

성궤도 탄소원자를 함유한다 다양한 형태의 DLC가 진

공 환경으로 적합한 재료들에 적용가능하며 유럽에서의

59

2006년 위탁 DLC코팅 시장은 3천만euro로 추정되었고 국

내도 활발한 상용화가 시도되고 있다

ㅇ 사반면상(tetahedral) 비정질 탄소 ta-C를 2두께로 코

팅하면 연마마모에 대한 스테인레스 강(304 type)의 내구

성을 증가시켜 수명을 1주일에서 85년으로 늘이며 이러

한 DLC의 형태는 sp3결합 탄소 원자로만 이루어지기 때

문에 순수한 DLC로 간주되며 수소 sp2흑연 탄소 금속

같은 충전제가 생산경비를 낮추거나 원하는 특성을 부여

하기 위하여 사용되고 있다

ㅇ DLC를 만드는 방법에는 sp3탄소 보다 낮은 밀도의 sp

2

에 의존하는 몇 가지 방법들이 있으며 압력 충격 촉매

또는 이들의 조합으로 sp2결합탄소 원자들을 sp3결합탄소

로 근접시킨다 최근 초고압 하에서 탄소의 경량 특성을

갖는 초경도 무정형 다이아몬드가 만들어졌다 탄소로 만

들어지는 다이아몬드 그래파이트는 결정구조를 가지나

DLC는 비정질이라는 점에서 크게 다르고 200 정도의

저온에서 형성시킬 수 있다는 점이 통상의 PVD막에 비

해 훨씬 우위에 있다

ㅇ DLC코팅은 제조공정이 복잡하고 생산 단가가 비싸 적용

이 어려우며 적용되는 소재가 제한되는 단점을 갖는다

60

주요제법으로는 고주파 플라즈마 법 이온화 증착법 스

페터링법 등을 들수 있다 고주파 플라즈마 법은 메탄가

스가 원료로 사용되고 막 중의 수소가 약 30(원자)로

평활성이 우수하고 마찰계수가 작으나 경도가 낮다 이

온화 증착법은 벤젠을 사용하며 막은 단단하나 면의 조

도가 거칠고 후막화 하기 위해 스패터링 방법이 검토되

고 있다

⑼ 불소수지의 안전성

ㅇ 테플론 PTFE의 열분해는 200(392)에서 감지되며 이

것은 몇 가지 플루오르화 탄소 기체들과 승화물질을 방

출한다4445)1955년 동물실험에 관한 한 연구에서는 이들

물질이 250(482) 이하에서는 의미 있는 양이 아니라

고 결론지었으나 최근 비-점착 주방기구인 프라이팬이

나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가열할 때 조류를

죽일 수 있는 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수

도 있다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있다45)

ㅇ 표 3-6은 EWG가 보고한 3-5분 내에 370까지 불소수

지를 가열할 때 발생되는 15종의 불소화합물에 관한 것

이다 테플론과 같은 코팅물질들이 장기적으로 인체에 미

61

치는 영향에 관한 연구는 이루어지지 않고 있으나 독감

과 유사한 질병을 유발할 수 있으며 이를 중합체 증기열

(polymer fume fever)이라 한다

표 3-6 15종의 유해물질 및 유독성 기체44)

ㅇ 최근 표 3-6의 화합물들 중 특히 TFA와 과불화된

(perfluorinated) PFOA(perfluorooctanoic acid)에 관심이

증가되고 있다 PFOA는 새로운 환경오염물질로 미국 환

경보호청(EPA)에 의하면 보통 때는 문제가 없으나 조리

과정에서 프라이팬에 열을 가하고 강하게 긁을 경우 용

62

출되어 나오며 이것이 음식물과 함께 인체에 흡수되는

것으로 추정하였다 한편 DuPont의 테플론 PTFE 연구

결과에 의하면 검출한계인 9ppb 이상 검출되지 않으며

테플론 주방기구에서는 PFOA가 존재하지 않는다고 발

표하고 있다

- 물이나 공기를 통해 환경에 노출된 PFOA는 고 콜레

스테롤 궤양성 대장염 갑상선 질환 고환암 신장암

및 임신성 고혈압과 관련된다고 보고되었다

- PFOA는 불소수지 생산과정에서 사용되는 첨가물로써

암모늄 형태로 PTFE 유화중합에 계면활성제로 사용

되며 불소수지의 품질과 균일성을 유지하기 위해 필

수적인 첨가물이기 때문에 전 세계 모든 불소수지 제

조업체가 사용 중에 있다 한편 국내 주력 산업인 반

도체 생산 과정에서도 PFOA를 대량으로 사용하고 있

어 체계적인 실태조사와 대책수립이 필요하다는 의견

들이 대두되고 있다

⑽ 불소화합물의 안전성과 환경대책

ㅇ 표 3-6에서 살펴본 바와 같이 테플론을 급격히 고온으로

가열하면 2종의 발암물질을 포함한 유독성 가스가 발생

63

하고 특히 불소화합물 중 MFA(monofluoroacetic acid)는

적은 양으로도 치명적 해를 끼치고 PEIF(perfluoro-

isobutene)는 신경가스제로 여러 가지 질환을 발생시킨다

한다44)

따라서 테플론으로 코팅된 장치를 재 코팅하기

위해 테프론을 고온으로 급격히 가열하거나 소각 등을

통해 제거할 때는 발생 가능성이 있는 유독가스를 제거

하기 위한 별도의 설비를 이용하여야 하고 유 등44)의 보

고서에서와 같이 중조(NaHCO3)를 포화시킨 충분한 물로

유독 산성 물질을 중화시키는 것도 고려할 만하다 한편

부식대전 방지 코팅도 테플론 코팅 일변도에서 세라믹

코팅 CNTs이나 DLC 코팅기술로 대응하는 것을 추천하

고 싶으며 이것은 유해물질 배출 및 이동량 보고제도

(PRTR Pollutant Release and Transfer Register)에 대

비하는 등 기업의 장래를 고려하는 것도 될 것이다

ㅇ PTFE를 사용한 취사도구는 1960년대 이래 사용되어 오

고 있으나 최근 들어 이것의 안전성이 논쟁의 주제가 되

고 있으며 논의 주체는 PFOA(perfluorooctanoic acid)이

다 PFOA는 PTFE를 비롯한 많은 불소수지의 생산에

사용되며 DuPont의 테플론 PTFE 연구 결과에 의하면

프라이팬을 260 이상 고온에서 가열하거나 코팅이 벗

겨져도 PFOA가 존재하지 않는다고 한다 그러나 물이나

64

공기 토양 식품포장재 등 여러 곳에서 PFOA 오염사실

이 보고되고 있다 한다44)

- 미국 EPA는 인체와 환경에 대한 PFOA 연구를 계속

하고 있으며 2015년까지 PFOA 및 이와 관련된 화합

물 방출을 배제할 프로그램을 갖고 있으나 PTFE-기

초 비점착 취사기구를 중지시킬 타당성을 갖고 있지

는 않다 최종제품은 PFOA가 아닌 PTFE이기 때문이

다

- 수십 년 동안 불소수지 비점착 코팅이 시장을 지배하

였으나 최근 몇 가지 신기술들이 출현되고 있으며 이

들 대부분은 실리콘 세라믹과 실리콘 기술로 이들 코

팅은 PTFE와 PFOA를 함유하지 않는다

- 오늘날 출시된 비점착 취사용구는 수많은 상표로 팔

리고 있으며 DuPont에 의하면 대부분의 취사용구 코

팅은 정상적으로 사용할 때 3-5년 견딜 수 있을 것으

로 예측한다 너무 문질러서는 안 되고 따뜻한 비눗

물로 씻어주는 것이 좋으며 닳거나 흠이 생기지 않도

록 나무 플라스틱이나 코팅된 재료로 만든 도구를 선

택하고 보관도 흠이 생기지 않을 장소나 캐비닛을 권

장하고 있다

65

ㅇ 국내의 불소수지 안전성에 관한 것으로는 재질규격(납과

카드뮴)과 용출규격(납 과망간산칼륨소비량 증발잔류물)

이 식품용 기구 및 용기 포장 공전46)에 기재되어 있으며

최근 국내에서도 PFOA를 비롯한 유해 불소화합물에 관

한 관심이 커져 가고 있다

ㅇ PFOA 문제가 표면화 되면서 환경 보전형 불소계 발수

유제의 개발과 공업화도 새로이 부각되고 있다 이에 관

한 보고서를 모니터링한 KISTI자료47)를 중심으로 간단히

요약하면 발수제의 주요성분 퍼플루오로알킬기(Rf기)함

유 폴리머의 기능은 Rf기의 고리길이에 크게 의존하므로

PFOA문제 해법으로 탄소수 8 이상인 종래의 불소화학

에서 탈피 짧은 고리 Rf기(탄소수 6)를 가진 새로운 단

량체를 선택하여 발수제를 제조함으로써 환경 보전형 불

소계 발수유제를 개발하고 공업화하였다 한다

66

제 4 장

지원결과

1 지원결과 종합

테프론 코팅 기술의 문제점과 부식대전방지용 테플

론 코팅에 관한 정보 외에 신청기업의 요청에 따

라 C-나노튜브 코팅 및 DLC증착에 관련된 기술 정

보도 제공하였다

테플론은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat resistant)

비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coefficient of

friction) 내약품성(chemical resistance)과 특이한 전기적

특성(unique electrical properties) 및 온내구력(cryogenic

stability)으로 그 응용범위가 광범하며 용도에 따른 엄격

한 품질관리가 요구될 것으로 생각되어 중소기업에 적합

한 기초능력 배양과 신제품을 구상하기 위한 최신기술에

관한 정보를 제공하고자 하였다

67

불소수지의 코팅은 두께와 첨가제가 관건으로 이에 관한

자료를 제공하고자 하였으며 불소수지의 전기특성 폭발

성 환경과 반도체 제조공정에서의 대전 방지 처리를 위

한 정전기 관리 지표 등을 특허를 중심으로 조사하여 제

공하고자 하였다

C-나노튜브를 이용한 대전방지 코팅 기술 및 C-나노튜

브의 제법 등 이것에 관한 기초정보를 제공하고자 하였

으며 내마모성 테플론 코팅에 관해서는 테플론을 이용한

세라믹 코팅 기술에 관한 정보도 제공하고자 하였다

테플론의 기계적 전기적 특성을 강화하기 위해 사용되는

충전제를 종합하고 기초이론을 정립함으로써 금후 원부

자재의 선정에 도움을 주었다

테플론은 석면 대체재로도 주목받고 있어 이에 관한 특

허 정보들을 제공하였으며 다이아몬드의 전형적인 특성

을 나타내는 DLC의 코팅관련 기술 정보를 환경오염 문

제와 연관하여 자료를 제공하였고 최근 비-점착 주방기

구인 프라이팬이나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가

열할 때 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수도 있

다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있어 이에

관한 정보도 제공하였다

68

2 지원의 한계

중소기업이 당면한 문제는 전문기술의 확보다 관련 기술

이 비약적으로 발전하는 추세에 비추어 한정된 인원으로

신기술을 소화하고 개발하기는 어려울 것이므로 출연연

구기관이나 대학과 공동연구를 모색할 수 있으나 이것도

중소기업으로서는 경제적 부담이 될 수밖에 없을 것으로

생각된다 가능하다면 앞으로도 KISTI의 정보지원이 계

속되기를 바라고 있었다

3 기대효과

부식대전 방지 테플론 코팅에 관한 기본 기술이 배양되

어 합리적인 원부 원료의 수입검사 공정관리 및 제품관

리를 통해 원가절감은 물론 신제품 신기술에 관한 정보

수집 및 분석능력이 배양되고 개발력이 확충되어 기업

경쟁력 향상에 도움이 될 것이다

69

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75

저자소개

김학주(金鶴柱) 서울대학교 문리과대학 화학과 졸업 이학사

전북대학교 대학원 화학과 이학박사

(주)삼양사 의약연구소장 신성대학교 교수

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 폴리에스테르 섬유의 연중직방기술 외 다수

저서 기기분석 공업물리화학 일반화학

성용길(成墉吉)

동국대학교 이과대학 화학과 졸업 이학사 이학석사

부산대학교 대학원 화학과 이학박사(Dr Sci)

University of Utah USA Ph D(공학박사) Post Dr

유타대학교 연구교수 부산대학교 교수 동국대학교 교수

동국대학교 명예교수 한국원자력문화진흥원 이사

과학문화연구원전문연구위원 한국도량형과학문화연구원 원장

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 의료용 기능성 고분자재료에 관한 연구 외 330편

저서 고분자 물성론 (서울대학교 출판부 공저) 외 10권

4

제 2 장

지원 내용

1 정보지원 업체의 요구사항

테프론 코팅 기술의 문제점과 부식대전 방지용 테

프론 코팅에 관한 최신 기술정보

정전기 대전방지용 테프론 코팅과 부식대전방지 테

프론 코팅기술의 특허문헌과 학술문헌

불소수지 코팅에 관한 기술 동향과 부식대전 방지용 테

프론 코팅의 응용기술에 관한 기술정보

유리의 정전방지 박리대전 가공 C-나노튜브 코팅 수

분산성 도료(binder) 등을 사용한 내열성 세라믹코팅

및 대규모 DLC증착 관련 기술정보

5

2 정보지원의 범위 및 내용

가 정보지원 범위

정보지원은 LCD공정용 스테이지(Stage) 박리 대전방지

코팅 반도체 공정용 석영 관련제품 코팅 추출용 반응기

튀김틀 코팅 광학필름 및 기능성 필름 생산롤러 코팅

전기재료 석유화학 정밀화학 반응기 코팅 및 필터드라

이어 등 테프론 코팅에 관한 전반적인 기술 자료와 불소

수지의 특성과 용도 및 환경과 관련한 안전문제에 관한

지식과 기술정보를 제공하였다

나 정보지원 내용

KISTI에서 체계적적으로 NDSL 검색 유럽특허청 검

색 Web of Science 검색 Google 검색 Sci Dir를 통

한 원문입수 등의 작업을 수행하였다

- Keywords에 의한 문헌 및 특허조사 TEFLON +

Coating Anti-corrosion Coating Anti-static

Coating Fluoropolymers Fluorinated polymers

Fluorocarbon polymers

6

- Keywords=TI (TEFLON or Fluoropolymers or

(Fluorinated polymers)) Coating) 또는 AB

((TEFLON or Fluoropolymers or (Fluorinated poly

mers)) Coating) 활용하여 학술문헌과 특허를 검색

하였다

신청업체 공장현장에서 현재까지 수행되고 있는 부식

방지 및 대전방지 테프론 코팅기술들을 종합하여 분석

하고 조사된 기술정보 자료들과 비교 분석하여 장차

개선할 수 있는 코팅 신기술을 조사 분석하여 자문하

고 멘토링 하였다

7

제 3 장

지원 프로세스

1 1차 지원

일시 및 장소 2013년 4월 22일(월요일) 1000-1400시 신청

업체 2층 회의실

참석자 히토시 사토(부사장) 성용선(연구소장) 장용석

이사

주제 및 토의사항

- 지원업체의 현황 LCD공정용 스테이지(Stage) 박리

대전방지 코팅 반도체 공정용 석영 관련제품 코팅

추출용 반응기 튀김틀 코팅 광학필름 및 기능성필름

생산 롤러 코팅 전기재료 석유화학 정밀화학 반응기

코팅 및 필터드라이어 등의 테프론 코팅에 관한 작업

8

- 지원내용과 향후지원계획 공장 현장을 방문하고 브리

핑을 통해 필요한 정보를 파악함 조사된 자료(문헌

특허 등)를 전달하고 희망 사항을 파악한 결과 특히

유리의 코팅을 중심으로 한 박리대전 방지 가공 세라

믹 코팅(수분산성 도료-바인더-)을 사용한 내열성 코

팅 대형 DLC 증착기술 및 경쟁사가 개발하고 있는

C-나노튜브 코팅에 관한 정보에도 관심이 많았음

ReSEAT NDSL 및 구글 야후 네이버 등을 통한 자

료조사 방법의 활용 방법을 설명해 주었음

- 지원효과 ReSEAT NDSL 구글 야후 네이버 등을

통한 주제 또는 키워드 검색에 의한 자료 검색 분석

능력 향상 제공 자료와 문헌의 활용 효과 등

- 자료제공

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filters for enhancement of high temperature

durability J of the Korean Oil Chemists Vol

28(2) 2011 pp232sim239

⑧ Jin-Goo Park et al Characterization of

Fluorocarbon Thin Films by Contact Angles

Measurements Journal of Microelectronics amp

Packaging Society Vol 6(1) 1999 pp39sim49

⑨ WO 200054614(Solex Robotics Systems Inc

Anti-static Non-sparkling Coatings for

10

Explosive Environments)

⑩ WO 2012123103(WLGore amp Associates GMBH

Use of an Ionic Fluoropolymers as Antistatic

Coating)

⑪ WO 2006 017259 (Thomae Kurt J Multilayer

Corrosion-resistant Finish and Method)

2 2차 지원

일시 및 장소 2013년 5월 16일(월요일) 1000-1400시 신청

업체 2층 회의실

참석자 성용선(연구소장) 장용석 이사

주제 및 토의사항

- 지원내용과 향후지원계획 지참 자료를 제공하고 연구

원들의 기초지식 배양을 목적으로 불소수지의 특성에

관해 각 유형을 중심으로 제공 자료를 통해 종합 설

명함 불소 수지 코팅 방법 개발 목적 기질의 전처리

방법 두께 제어의 중요성 코팅시스템 등을 토의하고

이에 관한 자료를 제공하여 기초지식을 배양함은 물

11

론 최근 기술 동향을 파악함 다음 방문 시(6월 20일)

에는 대전 방지 불소 수지 코팅을 중심으로 그 중요

성과 이론 등 기초지식과 최근의 개발동향을 검토하

기로 함

- 지원효과 불소수지의 유형과 특성을 통한 원료의 선

정 시 고려할 사항 코팅 방법 기질의 전처리 방법

용도에 따른 두께 제어의 중요성 파악 공정 및 제품

관리에 관한 기초지식 배양과 최근 기술 동향 파악

- 자료제공

① JP-2005-237860(三洋電氣株式會社 電氣掃除機)

② JP-2010-261035(Xerox Corpor- ation フツ素ナノ

ダイヤモンドを含むテフロン定着器部材)

③ JP-2010-78036(株式會社ルネサステクノロジ 配管

チュ-ブおよびこれを備えた機械裝置)

④ WO 2008154391(Alcoa Inc Heat Exchanger)

⑤ 등록번호10-0365003 (주식회사 엘지아이 열처리를

이용한 테프론 코팅 방법)

⑥ 공개특허10-2008-0061943(주식회사 하이닉스반도체

이온 주입장비의 웨이퍼 지지 장치)

⑦ 등록번호 10-0449561(주식회사 봉성비에스 완충기

12

용 피스톤의 테플론 코팅장치)

⑧ 등록번호 10-0522254(백원두 브레이크 라이닝(또

는 패드) 제조방법)

⑨ 등록번호 10-0811228(조철환 내열 세라믹 주방용

기의 불소수지코팅방법 및 그 방법에 의해 불소수

지 코팅된 내열 세라믹 주방용기) 등

3 3차 지원

일시 및 장소 2013년 6월 20일(목요일) 1000-1400시 신청

업체 2층 회의실

참석자 김학주 성용길 성용선(연구소장) 이채영 차장

및 연구원

주제 및 토의사항

- 지원내용과 향후지원계획 불소수지의 전기적 특성과

대전 방지용 불소수지의 충전제에 관한 장단점 토의

대전 방지의 중요성 폭발 환경에서의 정전기 안전지

침 반도체 제조 장치에서의 작업스테이지의 대전방지

에 관한 기술 동향 토의 최근 관심의 대상이 되고 있

13

는 탄소나노튜브(CNTs)의 제조 방법 용도 등에 관한

설명과 의견교환 내마모성 테플론 코팅 방법 용도

등에 관한 자료제공 및 의견교환 충전 또는 강화 불

소수지에 관해 자료조사를 통해 얻은 충전제의 종류

기계적 및 물리적 특성 향상 방법에 관한 기초지식을

제공함 다음 방문 시(7월 25일)에는 시트 테이프 및

박층 테플론과 최근 내마모성 코팅기술로 주목받고

있는 DLC코팅과 테플론의 안정성 문제에 관해 의견

을 교환하고 그간의 정보지원에 관한 내용들을 종합

정리하기로 함

- 지원효과 대전방지 불소수지 코팅의 작업표준 및 관

리지침에 반영할 자료 제공 최근 관심의 대상이 되는

CNTs에 관한 기초지식 배양 및 정보수집과 분석 불

소수지에 사용되는 각종 충전제의 선정 시 참고 자료

확보

- 자료제공

① Francis J Clauss Chapter 9 Fluorocarbons

Solid Lubricants and Self-lubricating Solids 1972

pp195sim238

② Eunsoo Kang Seongcheol Choi Changhoon Choi

14

Sang Eun Shim Aqueous dispersion of

submicron-sized diamond particles for thermally

conductive polyurethane coating Colloids and

Surfaces A Physiochem Eng Aspects415(2012)

pp255-261

③ Masaaki Yamane Tadeusz A Stolarski Shogo

Tobe Influence of counter material on friction

and wear performance of PTFEndashmetal binary

coatings Tribology International Vol 41 (2008)

pp269ndash281

④ M Pazderova M Bradac M Vales

Tribological Behaviour of Composite Coatings

Procedia Engineering Vol 10 (2011) pp472-477

⑤ S Rossi F Deflorian F Venturini

Improvement of Surface finishing and Corrosion

Resistance of Prototypes by Direct Metal Laser

Sintering Journal of Materials Processing

Technology Vol 148 (2004) pp301-309

⑥ S Rossi F Chini etal Corrosion Protection

Properties of Electroless NickelPTFE Phosph-

ateMoS2 and BronzePTFE Coatings Applied to

Wear Resistance of Carbon Steel Surface and

15

Coatings Technology Vol 173 (2003) pp235-242

⑦ VC Malshe Nivedita S Sangaji Fluorinated

Acrylic Copolymers Part I Study of Clear

Coatings Progress in Organic Coatings Vol 53

(2005) pp207-211

⑧ Xing-Dong Yuan Xiao-Jie Yang A Study on

Friction and Wear Properties of PTFE Coatings

under Vacuum Conditions Wear Vol 269 (2010)

pp291-297

⑨ Amel Delimi Elisabeth Galopin etal

Investigation of the Corrosion Behaviour of

Carbon Steel Coated with Fluoropolymer Thin

Films Surface amp Coatings Technology Vol 205

(2011) pp4011-4017

⑩ 이계영 김태균 김종구 ldquo내마모성 및 윤활성 코팅

조성물rdquo 대한민국특허 등록번호 10-1151909 (2012)

⑪ Thomae Kart J Multilayer Corrosion Resist

ant Finish and Method WO 2006017259(2006)

⑫ (주)바론에스엘 ldquo불소수지와 세라믹의 유무기

하이브리드 코팅 조성물 및 그를 이용한 도막 형성

방법rdquo 대한민국 공개특허 10-2013-0028553 (2013)

16

4 4차 지원

일시 및 장소 2013년 7월 25일(목요일) 1000-1400시 신청

업체 2층 회의실

참석자 성용선(연구소장) 이채영 차장 및 연구원

주제 및 토의사항

- 지원내용과 향후지원계획 발암물질인 석면대체재로써

테플론의 개발 동향을 나선 권형 가스켓과 자동차브

레이크 제동장치를 중심으로 토의하고 내마모 특성을

필요로 하는 DLC 코팅에 관한 정보제공과 DLC 특성

에 관해 집중 토의함 환경문제와 관련하여 대두되고

있는 테플론 분해가스 등 안정성 문제에 관한 자료를

제공하고 이에 관한 의견을 교환함 그간의 제공 정보

를 종합하고 8월 말 작성예정인 최종보고서 내용을

협의하였음

-지원효과 신기술 개발을 위한 내마모 코팅 DLC코팅

환경문제를 고려한 친환경 제품 등 신기술과 신공정

개발을 위한 개념을 확립하였음

17

- 자료제공

① WO 2006047500(Henkelkommanditgesellschaft auf

Aktien Article of Manufacture and Process for

Anodically Coating an Aluminum Substrate with

Ceramic Oxides Prior to Organic or Inorganic

Coating)

② 이치옹 분석자료 ldquo나선형 개스킷의 비석면화rdquo

Takashi Miyoshi 배관기술(일) Vol 46(10) 2004

pp43-47

③ 유호천 ldquoDLC 코팅 표면처리rdquo KISTI 중소기업 정

보지원 2011 10 11

④ 유호천 ldquoPVD DLC TRD 코팅설비를 활용한 복

합충 개발및 제품적용rdquo KISTI 중소기업 정보지원

2010 10 21

⑤ 국립환경과학원 ldquo화학물질 배출량 조사 OECD와 협

력강화rdquo 보도자료 (2010 11 18)

⑥ ldquo새로운 코팅기술과 공구에 대한 적용rdquo 월간기계기술

기자 2005년 3월호

⑦ Teflon off-gas studies Environmental Working

Group Ewg Org Retrieved on 2013-01-01

⑧식품의약품안전청 ldquo식품용 기구 및 용기 포장 공전rdquo

18

2012

⑨ 廣野高生 ldquo環境保全型フッ素系 撥水撥油剤の 開發

と 工業化rdquo ファインケミカル(日本) 37(11) 2008

pp39-44 이치옹 모니터링분석 KISTI

5 5차 지원

일시 및 장소 2013년 8월 21일(수요일) 1000-1400시 신청

업체 2층 회의실

참석자 성용선(연구소장) 이채영 차장 및 연구원

김학주(전문연구위원) 성용길(전문연구위원)

김종헌(KISTI 연구책임자)

주제 및 토의사항

1 불소화합물의 안전성과 환경대책 정보지원 결과 종합

등 최종보고서(안) 내용에 관한 의견교환

2 지원의 한계와 기대효과에 관한 의견 교환

3 건의 사항 등

19

세부 지원 내용

⑴플루오르화탄소 플라스틱의 특성

Teflon TFE(폴리테트라플루오로에틸렌)은 1940년대부

터 사용되어 왔으며 Teflon FEP(플루오르화에틸렌프

로필렌 공중합체)는 1958년에 소개되었고 압출 및 사

출성형이 용이하며 TFE 유형은 딱딱하고 낮은 마찰계

수를 가지며 마모에 강하고 보다 높은 온도에서 사용

가능하다 이 외에도 플루오르화탄소 플라스틱에는 폴

리염화플루오르화에틸렌(CFE 또는 CTFE)와 폴리비닐

리덴플루오라이드(PVF) 등이 있다 플루오르화탄소 플

라스틱은 그 코팅방법에 따라서도 응용범위가 광범위

하게 발전되어 왔으며 그 용도는 주방용기로부터 기

계 자동차 반도체는 물론 우주항공 산업 부품에 이르

기까지 무한하며 상업 생산되고 있는 플루오르화탄소

플라스틱은 표 3-11)과 같다

PTFE는 열가소성 플라스틱으로 상온에서 밀도 약 2200

인 백색고체로 융점은 327이며 마찰 및 마모 특

성을 나타내는 마찰계수는 고체재료 중 BAM(alumi-

20

nium magnesium boride 마찰계수 002)과 DLC

(diamond-like carbon 마찰계수005)에 이어 3번째로

낮은 005-010로 반데르발스 힘에 대한 저항력으로 도

마뱀이 붙을 수 없는 유일한 표면으로 알려져 있다2)

표 3-1 플루오르화탄소 플라스틱의 유형1)

21

Teflon의 유용한 기계적 특성은 -450sim500(-267sim

260)에서 유지되며 여러 가지 특성들은 가공기술을

바꾸어 변경시킬 수 있다 마찰 및 마모 특성을 나타

내는 마찰계수들은 시험조건에 따라 다르며 Teflon은

증기압이 극히 낮아 진공에서도 우수한 안정성을 가

지며 방사선 안정도는 부족하나 방사선 내용성은 극

히 높다

테프론의 특징은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat-

resistant) 비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coeffi-

cient of friction) 내약품성(chemical resistance) 특이한

전기적특성(unique electrical properties) 저온내구력

(cryogenic stability)으로 대표된다3)

- 테프론 코팅된 표면에는 거의 모든 물질이 달라붙지

않으며 내열성(heat-resistant)이 우수하여 -260sim+26

0까지 사용할 수 있고 단시간 사용의 경우에는 30

0까지 견디며 Teflon FEP는 232에서 연속사용이

가능하다 비유성(non-wetting)이 우수하여 표면에 물

이나 기름이 잘 묻지 않아 표면이 오염되지 않아 쉽

게 청소가 가능하고 기계설비의 보수시간이 단축되어

생산성을 향상시킬 수 있다 테프론은 비-절연성은 물

22

론 비-유전정접과 우수한 표면 저항률을 보인다

⑵ 플루오르화탄소 수지 코팅

얇고 강인한 플루오르화탄소 수지 필름을 금속 등에

소결이나 수지-접착에 의해 바르면 기질에 침착된 필

름은 저온흐름으로 고체 플루오르화탄소 수지보다 낮

은 마찰계수를 띠고 금속은 양호한 열전도도를 갖고

열을 분산할 수 있어 고속으로 운전할 수 있고 양호한

내구성을 갖게 된다

1950년대 미국 해군연구소에서 소결 Teflon TFE필름을

수성 분산액(현탁질)으로부터 무기 탄약통 비행기부

품 잠수함부품의 건조-필름 윤활제 및 보호 코팅용으

로 개발한 후 이것들은 기어 정첩(hinges) 샤프트 베

어링 밸브 플러그 콕 피스톤 링이나 그 외의 산업분

야에 응용되고 있다

- 실제로 적절한 테플론 현탁질을 고체 표면에 침적한

후 수분 증발이 너무 빠르지 않게 공기에서 필름이

건조되게 한 후 테플론 입자들이 연화 및 소결되도록

건조된 표면을 약 385(725)로 가열하고 냉각하면

23

얇은 연속 필름이 표면에 남지만 필름 중의 많은 작

은 세공들은 테플론의 높은 용융점도 때문에 제거할

수 없다 세공들은 윤활 작용에는 제한을 받지 않으나

녹슬거나 부식의 공격점이 되어 부식방지를 위해서는

1회 이상의 박막 추가 코팅이 반복되고 보통 2회 코

팅으로 충분하나 각 침적 테플론 층은 두께가 00003

인치(762)를 초과하지 않아야 하며 그렇지 않으면

말린 진흙 같이 균열이 발생한다 필름이 윤활제로 사

용될 때는 필름두께가 00006-00007인치(152-178)

를 초과하지 않아야 한다1)

- 테플론코팅은 통상으로 존재하는 표면 산화물이 제거

되지 않은 깨끗하고 탈지된 강철 황동 및 알루미늄금

속표면일 때 가장 잘 접착한다 만일 산세척에 의해

과잉 두께의 산화물이 제거되었다면 필수적으로 얇은

산화층이 형성될 때까지 공기 중에서 가열한다 접착

은 실표면적이 증가하면 증가하므로 경면가공(mirror

finish)보다 모래분사가공이나 무광택가공이 양호하다

- 테플론 코팅된 표면의 마찰계수는 금속기질 표면을

거칠게 함으로써 낮출 수 있으나 미끄럼마찰 조건 아

래 내구성은 금속의 거칠기가 32마이크로인치(rms)를

초과하면 감소한다

24

철강 기질의 인산처리는 소결 Teflon TFE필름의 마모

수명을 향상시킨다고 보고되었으며 양극처리 된 코팅

의 경도 및 내마모성과 불소수지의 윤활성을 결합하기

위해 다공성 경화 양극처리 알루미늄 위에 불소수지를

침윤하여 왔다 Teflon S 마감재는 Du Pont이 도입한

최초의 수성-기초 분산 TFE FEP로 이들은 ldquo계층화

된rdquo 마감재이다 Francis J Clauss1)는 다양한 용도에

서의 Du Pont사 제품들의 선정 가이드를 표로 종합하

였으며 이것을 요약하면 표 3-2와 같다

- 테플론 코팅은 프라이머 단층 프라이머 코팅 후 에나

멜이나 클리어 마감 또는 프라이머 에나멜과 클리어

마감 등 3-코팅 시스템으로 구성된다 프라이머들은

금속이나 세라믹 기질에 접착을 향상시키기 위해 개

질제를 함유한다 프라이머들은 가끔 1회 코팅 마감재

로 사용되나 음식물과 접촉하는 용도로는 반드시 에

나멜이나 클리어 마감재로 마무리 칠을 하여야 한다

프라이머는 층간 접착력이 부족하기 때문에 다중 코

팅에 적용될 수 없고 만일 06mil 이상의 코팅이 필요

하면 프라이머는 에나멜이나 클리어 마감재로 마무리

칠을 하여야 한다

25

표 3-2 테플론 코팅 두께1)

최종

용도대표적 용도

전체두

께(mils)

프라이머에나멜클리어

가공(mils)

비점착

산업

직물 슬래셔 통

열 봉합 봉 고무경화 롤러

우레탄과 에폭시 경화 주형

제빙기

목재 고무 주석도금 아연

10-25

07

20-50

08-13

07

03 07-22 07-10

07 마무리칠 불가

03 07-37 10min

03 05-10 05-10

07 마무리칠 불가

식품

프라이팬 내열접시

반죽롤러

캔디 장치

08-12

10-30

20-30

03 05-09

03 07-27

03 07-17 10

One-coat

system

금지

드라이

윤활

플러그 밸브

유리병 제조 전달 장치

베어링

03-07

15-25

05-07

03-07

03 03-05 03-05

02

전기

전자

저항기 코팅

아이들 롤러(제지 섬유 공업)

세라믹 절연체

40-50

10-15

20-25

03 37-47

03 07-12

03 17-22

부식

방지용기 라이닝 gt50 03 47 또는 5-10 이상

Non-

wetting콘덴서 튜브 02-04 02-04

- 유색 프라이머는 통상 안료가 필름의 범위와 두께를

시각적으로 체크할 수 있게 하므로 그렇지 않은 것에

비해 더 선호된다 에나멜과 클리어 마감재는 충분한

접착을 위해 프라이머 위에 발라야 한다 ldquo진흙 갈라

짐 현상(mud-cracking)은 코팅 당 최대 두께를

10mil로 한정하나 다중 코팅에 의해 극단적이 조건

하에 전체 두께를 10mils까지 바를 수 있으며 각각의

26

코팅은 분리하여 구워진다

불소화 고분자들은 낮은 표면장력 물과 기름에 젖지 않

고 비점착성이며 방오 특성(antifouling properties) 등을

갖기 때문에 다양한 특수 코팅에 적용되나 합성과 조성

이 몇몇 제조업자들에 독점되어 있고 값비싼 중간체를

필요로 한다 VC Malshe 등4)은 플루오르 함량이

4-10인 불소화된 아크릴 공중합체를 간단한 방법으로

합성하고 클리어 코팅하여 광학적 기계적 및 보호 특성

을 연구하였다

최근 에너지 절감과 CO2규제와 같은 환경규제에 대한 대

응 필요성이 증가하면서 발전소나 각종 보일러 시스템에

서 배가스로 배출되는 응축잠열 에너지의 회수 및 활용

에 관심이 증가되고 있다 Lee 등5)은 스테인레스 관 표

면에 400정도의 두께로 테플론을 코팅한 전열관에서

관의 열 및 응축 열전달 특성을 연구하여 테플론 코팅관

의 총괄 열전달 계수는 스테인레스 관보다 약 20 작은

것으로 나타나고 응축열전달 계수는 유사하였음을 보고

하였다

알루미늄 용광로의 비-여과 배출가스에 장기간 사용하기

적합한 역류 열교환기에 관한 것으로 원통형 쉘의 표면

27

은 알루미늄 용광로 배출가스 입자 및또는 먼지 및 부

식 흄과 접촉될 수 있어 테프론 계로 코팅 처리하는 특

허6)가 있다 이 특허에서는 원통형 쉘을 만들도록 복재

(web member 웨브재)와 함께 연결된 유체 운반튜브로

이루어진다 각 원통형 쉘에 위치한 헤더는 열교환기의

튜브에서 튜브로 유체를 공급하며 뜨거운 난류가스에 작

용하여 스케일링을 최소화하기 위해 헤더의 보호덮개를

설치한다

저온에서 고온에 이르는 환경에서 유체에 사용되는 배관

튜브는 열에 의한 경시적 열화가 진행되어 균열 발생이

쉽다 가동부에 사용되는 배관 튜브는 움직임이 수반되어

그 경향이 현저하며 반도체 제조장치에 일반으로 사용되

는 실리콘튜브는 저온에서 열화되어 파손되기 쉽다 이러

한 문제점을 해결하기 위해 실리콘 튜브 외측 표면을 테

플론으로 코팅하여 균열발생을 억제함으로써 장시간 사

용 가능하도록 고안한 특허7)가 있다

섬유상 부직포로 제작하는 다공성 여과필터는 다양한 산

업공정의 배출가스를 정화시키는 데 사용되며 특히 중고

온 환경에서 사용이 가능한 다양한 종류의 기능성 필터

의 개발이 요망된다 일반으로 소각장 및 발전소 등의 중

고온 조건에서 사용되는 Nomex를 비롯한 섬유상 필터는

28

200 이상에서는 열변형으로 사용이 제한적이고 세라믹

필터와 같이 고온에서 적용이 가능한 소재는 매우 고가

일 뿐 아니라 초기 작업으로 인해 에너지 사용량이 매우

높아지는 문제점이 있다 Kim 등8)은 250-300 영역의

중고온의 배출가스를 처리하기 위한 필터에 표면 소수성

과 고온 안정성을 부여하기 위하여 표 3-3과 같은 조성

으로 그림 3-1과 같은 장치를 이용하여 테플론 수지를

거품 형태의 코팅액으로 조제하여 유리섬유 원단에 공급

하여 표면코팅하고 열처리 및 압착과정을 거친 후 표면

분석하였다

표 3-3 테플론 코팅을 위한 화학첨가제8)

테플론 코팅이 전기 집진장치에 활용되는 특허도 있다

종전 사이클론 방식의 전기집진기에서는 집진부의 먼지

를 떨어뜨리는 것이 용이하지 않았다 발명자들은 먼지

압축 기능을 갖는 집진실 내측에 테플론 가공을 하여 정

전기에 의한 미세먼지의 부착을 억제함으로써 집진실의

먼지를 원 터치로 처리할 수 있도록 하였다9)

29

그림 3-1 테플론 거품코팅8)

일반으로 테프론을 조리용기에 코팅하는 방법은 금속소

재를 사용 제품형태로 제작한 후 세척하고 에이징(소둔)

처리한 후 샌딩하여 표면조도를 유지하도록 하고 표면에

프리머 처리하여 베이킹 처리한 후 분사방법으로 테프론

코팅을 하고 다시 베이킹 처리하므로 공정이 복잡하고

제조원가가 상승하며 부착력에 한계가 있다한다 (주) 엘

지아이 특허10)에서는 피처리물을 세척한 후 산질화처리

하여 표면에 열처리 층이 형성되게 한 후 테프론을 코팅

하고 베이킹 처리하는 것을 특징으로 한다 그 외에 내열

세라믹 주방용기의 불소수지 코팅방법에 관한 특허가 있

다11)

(주) 봉성비에스는 차량의 주행 충격을 흡수하는 완충기

30

내부에 삽입하는 피스톤 외주면의 마찰과 소음을 최소화

하기 위한 목적으로 테프론 코팅을 하기 위한 코팅장치

를 등록하였다12)

⑶ 대전 방지 플루오르화탄소 수지 코팅

ㅇ 본래 불소수지 자체는 높은 절연성과 큰 대전성을 갖고

있기 때문에 도전 효과를 얻기 위해서는 분상 필러를 다

량으로 충전할 필요가 있으나 이렇게 하면 비점착성이

떨어진다 여러 회사들의 제품 안내서들을 종합한 불소수

지의 전기적 특성은 표 3-4와 같다

표 3-4 불소수지의 전기 특성

특성측정법

(ASTM)단위

PTFE

(비충전)

PTFE

(25

유리충전)

PTFE

(25

탄소충전)

표면 내아크성 D495 sec 75-110

체적저항

(비저항)D257

ohm-

cmgt1018 gt1016 104

표면저항 D257ohm

sq-1 gt10

14

유전율(유전상

수) at 1MHzD150-81 e 25 24

절연내력 short

time 18thickD149

kv

mm285

유전정접(유전

정합) at 1MHzD150-81 lt00002 005

31

ㅇ 불소수지는 내열성 내한성이 높고 내약품성 내연소성

난연성이 우수하고 절연성 및 비점착성과 저 마찰계수를

갖고 있으나 절연성이 높아 정전재해의 원인이 될 수 있

어 재해 방지를 위해 대전 방지 또는 저저항을 특징으로

하는 불소수지 가공품이 개발되어 사용범위가 넓어지고

있다

불소수지에 충전하여 저저항으로 하는 필러에는 일반적

으로 도전성이 높은 카본 금속 또는 산화알루미늄 등의

금속산화물이 사용된다 재료의 형상으로는 미분 탄소

스테인레스 스틸 니켈 금속분과 같은 입상물 단섬유 탄

소섬유 위스커(whisker) 등이 사용된다

- 미분은 비표면적이 크기 때문에 소량의 충전으로 저

항치를 내릴 수 있으나 약품의 침투가 있는 경우 비

표면적이 크기 때문에 약품의 영향을 받기 쉬워 내부

식성 떨어질 가능성이 크다

- 입자상물질들은 미분에 비해 비표면적이 작기 때문에

약품의 영향을 비교적 적게 받지만 저항치를 내리기

위해 충전량이 많게 되어 불소수지의 특징인 비점착

성과 저마찰계수 특성을 저해한다 섬유 위스커 형상

은 단방향에 대한 장방향의 비가 클수록 적은 충전량

32

으로 저항치를 낮출 수 있지만 분산이 나쁘면 요철이

발생한다 부식 방지 코팅에서는 충전제의 내약품성이

관건이다 즉 부식 환경에서 불소수지 자체는 충분히

견디어도 충전제가 내약품성이 없으면 충전제가 서서

히 에칭되어 기기가 부식될 가능성이 크다

화학 석유 및 정제 산업에서는 시험 검사 세척 및 다양

한 공정의 용기 저장 탱크 반응기와 같은 많은 구성요

소들이 사용되며 플루오르화 고분자는 고온에서 높은 열

안정성을 갖고 다양한 유기용매에 전혀 용해되지 않으므

로 부식방지 등을 위해 플루오르화 고분자와 같은 내화

학성 고분자로 코팅된다 그러나 이들 고분자는 코팅된

구성요소의 표면에 정전하 축적을 조장하기 때문에 폭발

성 환경에서는 사용할 수 없다

특히 이들 구성요소들의 금속 구조물은 용기나 탱크에

보관된 가스 증기 분진의 이동에 의해 생성된 정전하

(electrostatic charge)를 흐르게 하는 전도경로가 되나 금

속표면을 강산 강알칼리나 유기용제에 의해 침투되는 방

지하기 위한 목적으로 부식방지 테플론으로 코팅될 경우

얇은 필름의 비-전도체로 작용하므로 폭발성 환경에서

사용을 규제하고 있다

33

- 예로 유럽 표준 EN 50014 section 732에서는 정전

하로 인한 발화 위험을 피하기 위해 사용 보수 및 세

척 조건 하에 설계된 울(enclosure)이 필요하고 울의

절연저항은 1GΩ을 초과할 수 없도록 규제하고 있고

일본은 후생노동성 관할 산업안전연구소의 정전기 안

전지침의 누설 저항치는 108Ω 이하로 되어 있다

- 따라서 부식 및 폭발성 환경에서 안전하고 다양한 구

성 요소에 적용할 수 있는 정전방지 비-발화 테플론

코팅기술을 요하며 정전방지 코팅은 표면저항을 낮추

기 위해 카본블랙이나 개질 전도성 탄소 금속이나 전

도성 고분자를 테플론에 충전하여 코팅한다

폭발성 환경용 내화학약품 특성과 대전방지 비발화

코팅 조성물로는 높은 비저항을 갖는 플루오르 고분자

50-90wt 10-50wt의 전도성물질인 탄소분(carbon

powder)으로 이루어진 Solex Robotics Systems Inc

특허가 있다13)

- 폭발환경에서 사용되는 이상적인 코팅은 정전하를 피

하기 위해 낮은 비저항을 가져야 한다 완벽한 전도체

는 비저항이 영(0)이고 완벽한 절연체는 무한 비저항

34

을 갖는다 금속(구리 금 같은) 합금(망가닌 Mn-Ni-

Cu 니크롬 Ni-Cr-Fe) 반도체(카본이나 게르마늄)는

낮은 비저항을 갖고 있어 좋은 도체이다

- 수많은 고분자 기초 코팅들이 부식화학 환경에 사용

되었으나 85GΩ 이상의 비저항으로 대전방지 시험에

서 실패하였다 정전기 도체로 인증기준 아래 적합하

기 위해서는 100cm2이상의 노출 표면이 1GΩ 이하의

비저항이어야 한다 코팅에 첨가된 탄소분은 전도도를

증가시키며 10-50의 함량은 1GΩ 이하의 비저항을

만족시킨다

비전도성 표면의 표면저항을 감소시키도록 카본이나 금

속을 사용하여 대전방지를 부여하는 공정의 단점으로는

카본이나 금속의 접착력이 낮아 입자의 마모가 일어나

장기간 사용 시 대전방지 수준이 감소하는 것이다 더욱

클린룸에서 입자의 방출은 심각한 문제가 된다 대부분의

비전도성 기질은 통상 23 상대습도 50에서 표면 비

저항이 109ohmsquare 이상으로 높고 PTFE 경우는 10

12

ohmsquare이상이다14)

반도체 제조 장치에서는 웨이퍼 기판을 안착하기 위해

작업 스테이지를 사용하며 작업스테이지는 통상 금속과

35

세라믹으로 제작되나 웨이퍼기판을 작업스테이지에 올려

놓을 때 작업스테이지와 웨이퍼기판 사이에 마찰 정전기

가 발생한다 FPD(flat panel diplay 평판표시)용 디스펜

서(dispenser)에 사용되는 작업스테이지는 진공방식으로

디스플레이 기판을 흡착 고정하며 흡착 고정되었던 디스

플레이 기판이 작업스테이지에서 박리될 때 작업스테이

지에 정전기가 발생하여 디스플레이 기판에 대전된다 최

근 디스플레이 기판이 대형화됨에 따라 대전량이 증가되

고 정전기 대전문제가 더욱 심각해지고 있다 웨이퍼기판

이나 디스플레이기판에는 반도체소자 등 다수의 전자부

품들이 배치되어 있기 때문에 정전기가 발생되면 전자부

품의 신뢰성에 치명적 손상을 주고 기판에 분진이 부착

되거나 정전기의 대전으로 기판 리프트 업(lift up)시 기

판이 깨어지는 문제가 발생한다 정전기 대전을 방지하기

위해서는 작업스테이지에 이오나이저를 설치하여 중화하

기도하나 리프트 업이 불가능하거나 이온풍이 도달하기

전 방전하는 등 작업 스테이지와 기판 사이에서 발생한

정전기가 순간적으로 일으키는 박리대전 문제를 해결하

기 어려워 작업 스테이지의 정전기 방지를 위해 불소수

지로 코팅한다

- 불소수지는 다른 물질과의 흡착에너지가 작고 비점착

성이 우수하며 마찰계수가 작아 유리기판과의 상관관

36

계가 작아져 박리에 의한 정전기의 발생량이 적어지

나 불소수지는 절연성을 가지므로 테프론 코팅에서는

카본 블랙이나 전도성 고분자 등을 필러로 사용한다

대전방지가 필요한 반도체 제조장비 디스플레이 장치 및

테스트 장치 등의 작업 스테이지를 테프론 코팅함으로써

작업 스테이지의 정전기 발생을 방지하는 방법의 단점의

하나는 제작비용이 상대적으로 많이 드는 것으로 디스펜

서의 경우 디스플레이 기판이 대형화됨에 따라 작업 스

테이지의 크기가 커져 제작비용이 증가한다 또한 불소수

지의 경도가 낮아 코팅 막에 스크래치가 발생하고 이 부

분은 평탄도 유지가 어려우며 입자들이 발생하는 요인으

로 작용하며 불소수지가 절연성이므로 카본블랙이나 전

도성 고분자 등의 도전성 필러를 충전하여 대전방지에

적합한 면-저항을 갖도록 할 경우 카본블랙은 구형으로

분진이 발생하는 문제점이 있고 전도성 고분자를 사용할

경우는 내용제성이 약하고 과량의 바인더를 사용하여야

하며 박막 형성이 어렵고 불소수지의 경도를 보완하기

위해 아노다이징 처리를 하는 경우는 이후 별도의 코팅

과정을 거쳐야 하므로 제작비용과 제작시간이 증가하는

등 여러 가지 단점들이 있다 이러한 문제점들을 해결하

기 위한 방법으로는 작업 스테이지와 기판이 만나는 면

에 정전기 발생을 최소화시킴과 동시에 그 제조비용이

37

절감되고 적절한 면-저항을 조절할 수 있으며 마찰계수

가 낮고 내마모성이 향상된 작업스테이지 표면의 대전방

지 처리 방법에 관한 국내의 탑나노시스 사의 특허15)가

있다

- 탑나노시스 사의 특허 목적은 작업스테이지의 기판과

만나는 면에 정전기의 발생을 최소화시킴과 동시에

그 제조비용이 저감되고 적절히 면-저항을 조절할 수

있으며 마찰계수가 낮고 내마모성이 향상된 스테이지

표면의 대전방지 처리 방법에 관한 것으로 이 특허에

서는 금속소재의 작업 스테이지 표면을 아노다이징

처리하여 복수의 산화표면 홀들을 형성시키고 여기에

탄소나노튜브를 삽입하고 경화하며 탄소나노튜브 경

화 후에 표면을 봉공 처리한다

- 작업스테이지 표면은 106-10

9Ωsq의 면-저항을 갖는

것이 바람직하며 산화표면 홀들은 직경 30-900nm 깊

이 100-900nm가 바람직하다 아노다이징 처리를 하는

금속소재는 Al Mg Zn Ti Ta(탄탈륨) Hf(하프늄)

Nb(니오븀) 등일 수 있고 이 발명에서는 가벼우며 일

정 강도를 갖고 가공성이 우수한 Al합금을 예로 들어

설명하고 있다

38

- 알루미늄소재 작업스테이지 표면에 산화피막(Al2O3)처

리를 하는 아노다이징(anodizing 양극산화)에서 전해

액은 수산화나트륨이나 수산과 황산 등이 사용될 수

있고 수산화나트륨의 농도(20-50) 공급전압 전류

및 시간 등을 조절하여 산화표면 홀의 크기(D)와 깊

이(L)를 조절하며 D와 L에 따라 대전방지 효과나 내

구성 및 표면경도를 조절한다

- 탄소나노튜브를 산화표면 홀 내에 삽입시키는 단계는

전해 흡착 하여 이루어질 수 있고 정전도장을 통해서

도 이루어질 수 있다 탄소나노튜브는 분산제를 포함

하는 용액으로 코팅되며 분산제로는 소듐 도데실설페

이트(SDS) 트리톤X Tween20(폴리옥시에틸렌 소르

비탄모노올레이트) CTAB(cetyl trimethyl ammonium

bromide)를 예로 들고 있으며 탄소나노튜브 용액은

아크릴계 우레탄계 등 또는 전도성 고분자계 유무기

하이브리드계 바인더가 포함될 수 있다

- 봉공처리는 산화표면 홀과 산화피막을 봉공하여 내식

성 등이 향상되도록 보호 층을 형성시키는 것으로 비

등수 가압증기에 의한 수화봉공 금속염을 포함한 열

수에 의한 금속염 봉공 오일로 도포나 침적하는 유기

물 봉공 양극산화 피막 층에 도장하는 도장에 의한

39

봉공 등이 있다

반도체 소자를 제조하는 과정에는 불순물 이온을

주입하는 장비가 이용되고 있다 (주)하이닉스 반도

체의 특허에서는 이온주입 장비의 웨이퍼 지지 장

치 리프트 핀의 끝단을 라운드 처리하고 리프트 핀

에 테플론을 코팅하여 리프트 핀과 웨이퍼 후면의

접촉 시 웨이퍼 후면에 스크래치와 같은 손상이 유

발되는 것을 억제할 수 있게 한다16)

⑷ 탄소나노튜브(CNTs Carbon Nano Tubes)17)

탄소나노튜브는 탄소의 동소체로 1991년 일본 NEC 연구

소의 Ijima박사에 의해 전자 현미경을 통해 처음으로 확

인되었다 1985년에 Kroto와 Smalley가 탄소의 동소체인

풀러렌(탄소 원자 60개가 모인 것C60)을 처음으로 발

견한 이후 전기방전 시 흑연 음극 상에 형성된 탄소덩어

리를 투과전자현미경으로 분석하는 과정에서 발견하여

Nature학술지에 처음으로 발표되었다18) 탄소나노튜브에

서 탄소원자 하나는 주위의 다른 탄소원자 3개와 sp2결

합을 하여 육각형 벌집무늬를 형성하며 이 튜브의 직경

이 대략 수 나노미터(nm nanometer) 정도로 극히 작기

40

때문에 나노튜브라고 부르게 되었다 이 탄소나노튜브는

전기 세기가 클수록 더 수축하는 성질을 가지고 있는 등

튜브의 직경이 nm수준으로 극히 작아서 특유의 전기화

학적 특성을 나타낸다

Ku 등19)에 의하면 CNTs는 전기방사법(arc-discharge)

레이저증발 법(laser vaporization) 플라즈마 화학기상증

착 법(plasma enhanced chemical vapor deposition) 열

화학 기상증착 법(thermal chemical vapor deposition) 등

의 다양한 합성법이 개발되어 대량생산이 가능하다

CNTs의 종류는 벽의 수에 따라 단일 벽 탄소나노튜브

(SWNTs) 이중 벽 탄소나노튜브(DWNTs) 다중벽 탄소

나노튜브(MWNTs)가 있으며 물성에 관한 많은 연구결

과 기계적 전기적 열적으로 우수한 성능을 갖고 있음이

입증되었다

CNTs는 인장강도와 탄성률 면에서 지금까지 발견된 재

료 중 가장 강하고 질기며 다중벽 CNT는 63GPa에 이른

다 표준 단일 벽 CNT는 25GPa의 압력까지 변형 없이

지탱된다 그래핀의 대칭성과 특이한 전기적 구조 때문에

CNTs의 구조는 그것의 전기적 특성에 영향을 미쳐 금속

성이나 반도체의 특성을 나타내고 이론적으로 금속성

41

CNTs는 구리와 같은 금속의 1000배가 큰 4times109Acm

2

전류 밀도를 운반할 수 있으며 나노크기의 단면으로 전

자가 튜브의 축 방향으로만 전파되고 전자의 이동은 양

자효과를 수반하여 1차원 전도체로 간주된다

CNTs는 우수한 물성과 상대적으로 큰 표면적으로 갖고

있어 충전제(filler)로써 에폭시 폴리스틸렌 폴리우레탄

등 고분자와 혼합하여 폴리머의 기계적 전기적 특성을

향상시키려는 연구가 활발하다 CNTs가 폴리머 중에서

충전제 역할을 하기 위해서는 고른 분산이 필요하나 반

데르발스 힘에 의한 CNTs 응집현상(agglomeration)으로

인해 효과적인 분산이 어려워 오히려 폴리머의 물성을

저해하므로 이것을 개선하기 위한 다양한 기계적 화학적

분산 방법이 연구되고 있다

- CNTs를 분산시키기 위한 가장 일반적인 방법은 용매

나 폴리머에 CNTs를 투입하고 초음파처리를 하는 것

으로 초음파처리를 하면 SWNTs의 길이가 짧아지고

다발(bundle)이 얇아져 분산력이 증가한다

- CNTs 표면을 산이나 아민으로 기능화하여 분산을 높

이는 방법도 연구되고 있으며 MWNTs를 HNO3

H2O2NH4OH 용액에 침지시켜 MWNTs에폭시 복합

42

재료는 전기적 특성을 향상시키려는 연구와 산과 아

민 등의 기능기를 도입하여 SWNTs의 열전도도를 향

상시키려는 연구들이 수행되고 있다

- 기계적 분산방법인 전단혼합방법은 좁은 관이나 상대

적으로 높은 속도의 유동을 이용하여 발생한 전단력

으로 CNTs를 분산시키는 방법이다 Ku 등19)은 전단

혼합과 초음파처리를 이용하여 MWNTs로 강화된

에폭시 복합재료를 만들어 기계적 및 열적 특성을 연

구하였다

⑸ 내마모성 테프론 코팅

ㅇ 재료의 부식은 구조재에 원하지 않은 변화 원인으로 작

용하여 경제적인 문제로 귀결되는 심각한 문제이다 이들

원치 않는 변화는 때로 적절한 코팅에 의한 표면처리로

예방할 수 있다 가장 일반적이고 자주 사용되는 전착 코

팅은 아연에 기초한 아연 코팅 및 합금 코팅으로 이들

코팅은 간단한 기술로써 내부식성이 양호하여 전 표면처

리의 약 14에 해당하나 최근 낮은 마찰계수 등 다른 특

성들이 매우 중요하게 되었다 이들 특성은 다층 코팅으

로 대응할 수 있으나 두께가 증가하고 기술이 복잡하여

가능한 해결방법으로는 복합체 코팅이 있다 복합체 코팅

43

은 일반기계와 자동차 전자부품 및 컴퓨터 등 다양한 분

야에 적용된다 금속 기질에 미세한 PTFE 입자의 전착

에 의한 증착은 새로운 세대의 복합체 코팅으로써 가장

바람직한 특성은 양호한 내마모성 자기윤활 내부식성이

다 M Paderovaacute 등20)에 의하면 이들 특성은 주로 사용

한 입자(흑연 다이아몬드 MoS2 또는 PTFE)와 용액의

유형(pH 온도 bath 등) 뿐 아니라 입자의 크기 농도

분산 및 형태학에 의존한다

ㅇ 충전되지 않은 PTFE의 마모율은 736-741times10-4mm3Nm

로 내마모성이 낮아 다양한 충전제들이 첨가되고 있다

Xing-Dong Yuan 등21)은 진공 조건에서 PTFE 코팅

의 마모특성을 연구하여 초기에는 하중이 증가함에 따

라 마찰계수가 감소하나 하중이 6N 이상으로 커지면

마찰계수도 증가하며 압력이 PTFE 코팅의 마찰계수

에 미치는 영향이 거의 없고 마모는 압력이 증가하면

초기에는 감소하나 10Pa 보다 높으면 급격히 증가한

다고 보고하였다

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위해서는 윤활제로 PTFE

계 수지 접착제로는 폴리아미드이미드수지 산화철 분말

44

및 브론즈 분말 등을 혼합한 조성물을 사용하거나 미국

특허에서는 스와시플레이트 형 압축기의 플레이트 표면

에 MoS2 흑연 PTFE계 윤활제와 열경화성 수지인 폴리

아미드이미드(PAI) 조성물을 코팅하여 내마모 및 윤활성

을 부여하고 있다22) 내열성 향상을 위해서는 고체윤활

제 접착제수지 및 저융점 금속인 Sn Pb In Bi 등을 함

유하는 합금이나 화합물을 사용하여 금속의 잠열을 이용

내열성 향상을 시도하기도 한다

ㅇ 그간 철강(스테인리스강 탄소강 아연도금강판 등)의 내

부식성 향상을 위한 많은 연구들이 수행되어 왔다 4플루

오르에틸렌(C2H4) 4플루오르에탄(CF4) 6플루오르에탄

(C2F6) 3플루오르화에탄(CHF3) 8플루오르화에탄(C4F8)

같은 불소화된 단량체의 플라즈마 중합에 의한 테플론

류 코팅은 그들의 소수성으로 인해 금속의 내부식성 향

상을 위한 대안으로 주목을 받고 있다 A Delimi 등23)

은 유도결합 고주파플라즈마(inductively coupled radio

fre- quency plasma)를 사용하여 소수성 박막 불소수지

필름을 탄소강에 증착하고 3염수에서 내부식성을 평가

한 결과 1개월 동안 9nm의 필름이 유지되는 것을 관찰

하여 불소고분자 박막이 금속과 금속산화물의 보호층이

될 수 있음을 보고하였다

45

ㅇ PTFE를 이용한 세라믹코팅 기술로는 알루미늄 및 알루

미늄 합금 공작물을 양극처리에 의해서 티타늄 및또는

지르코늄 산화물을 포함하는 내식성 내열성 및 내마모

성 세라믹 코팅을 하고 이어서 양극처리된 공작물을

PTFE 또는 실리콘 함유 코팅과 같은 제 2 코팅으로 코

팅한다 이 발명은 가소성을 가지는 경질의 필름 내에서

내식성 내열성 및 내마모성을 제공하는 티타늄 및또는

지르코늄 산화물의 양극처리 층으로 기판을 예비-코팅함

으로써 알루미늄 기판에 보다 긴 수명의 코팅을 형성하

는데 특히 유용하다24)

ㅇ Nosaka 등25)은 PTFE로 대표되는 불소수지는 마모-링이

나 극저온 밸브의 실링부에 많이 사용되며 진공치환법에

의해 탄소재료에 PTFE나 MoS2 분말을 1-2wt 함침시

키면 무함침한 것에 비해 마모가 약 13로 감소한다고

보고하였다 한편 저자들은 터보펌프의 실링재료가 극저

온 환경에서 보이는 특이한 현상을 극복하기 위해 베어

링의 표면에 노출된 유리섬유를 불소산으로 처리하여 용

해 제거하고 윤활성을 높인 유리섬유강화 테프론 리테이

너를 개발하여 내구성과 윤활성을 향상시킬 수 있었다고

보고하고 있다

46

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위한 또 다른 특허로는

폴리실록산계 접착제를 단독 혹은 폴리에스테르계 접착

제와 병용하고 고체 윤활제로 MoS2(이황화몰리브덴

WS2(이황화텅스텐) h-BN(육방정 질화붕소) 팽창흑연

및 PTFE를 사용하고 충전제로 탄화규소 알루미나 산화

지르콘 산화티탄 등의 미분말을 사용하여 내마모 내열

및 윤활성을 부여하고자 하는 내마모성 및 윤활성 코팅

조성물에 관한 특허가 있다26)

ㅇ 내열성 내후성 내오염성 내약품성 내구성 등의 물성

은 유지하면서 비점착성을 높이기 위해 무기계 세라믹

코팅 조성물에 PTFE를 첨가하기도 한다 이러한 하이

브리드 코팅 조성물에 관한 특허로는 불소수지(01sim25

중량) 콜로이달 실리카나 콜로이달 알루미나 등 무

기계고분자 바인더(20sim80중량) 알콕시실란 화합물

(1sim50중량) 수용성 유기용제(1sim10중량) 충전제

또는 안료(5sim50중량) 및 물(100중량 까지 보충)로

이루어진 코팅 조성물에 관한 것으로 무기질 도료 및

무기계 세라믹 코팅에 의해 내열성 내오염성 내약품

성과 내구성을 유지하고 접착력을 높이기 위해 소량의

PTFE를 사용하는 것이 있다27)

47

ㅇ 정전 복사기에 사용되는 정착기재부의 최외층에 코팅하

여 기계적 성질 및 내마모성을 향상시키려는 목적으로

불소수지 기질 중에 분산된 불소화 다이아몬드를 함유하

는 입자로 구성된 조성물에 관한 일본 특허28)가 있다

ㅇ 부식 특성을 개선한 흑색 무크롬(chrome-free) 다층 내

부식 마무리 칠과 방법에 관한 특허29)로는 ASTM B 117

표준으로 시험할 때 백색 부식에는 최소 500시간 염수분

무시간 및 적색 부식에는 1500시간 염수분무시간에 적합

하게 설계된 마무리 칠에 관한 것이 있다 이 다층 시스

템은 광택(gloss) 4 이상을 만족하는 자동차 차체 강판

자동차 하부와 내장에 사용되기 위해 설계된 것으로 이

다층 마무리 칠은 3층 부식 방지 시스템을 형성하도록

아연-철 전기도금 기질 오르토인산을 사용한 무전해 인

산염 결정 전환 층과 XylanTeflon 실러 코팅의 조합이

다

ㅇ 전통적으로 철 강판(steel sheet)은 크롬산 염 전환 코팅

으로 개질되어 왔으나 6가 크롬이 배출되어 환경을 오염

시키는 문제점이 있어 강판의 내-부식성을 개선하기 위

해 고분자 수지 코팅들이 수행되고 있으나 이 방법은 고

48

분자 코팅 층이 열전도도를 감소시키는 단점을 가지고

있다 Kang 등30)은 강판 위의 고분자 코팅 층의 열전도

도를 향상시키기 위해 초미세-크기 다이몬드(μD)입자를

열전도 물질로 사용하였다 다양한 음이온 및 비-이온

계면활성제들을 사용하여 수용액 중에서 무거운 μD입자

의 안정화를 시험들을 한 결과 1-피렌카르복시산(PCA)

이 가장 양호하였다 그림 3-2는 이 시험 결과를 요약한

것이다

- 강판 위에 PCA로 안정화 된 μD 입자를 함유한 폴리

우레탄-기초 코팅 층은 열전도도가 0351W(mK)에서

0434 W(mK)(10 wtμD)로 향상되었으며 더욱 144

시간 동안 염수 분무 시험결과 부식거동은 관찰되지

않았다

그림 3-2 피렌카르복시산을 이용한 μD 표면처리

ㅇ 자동차공업에서는 기본적인 특성으로 내마모성이 요구되

49

는 강철 기계부품들의 마찰특성을 향상시키기 위해 다양

한 금속 및 고분자 코팅들이 광범하게 이용된다 내-마

모 코팅은 두 가지 주요 특성인 높은 표면경도와 자기-

윤활 특성이 필요하다 후자의 범주에 속하는 것이

PTFE와 MoS2 기초 코팅이다 무전해 니켈 코팅은 높은

경도로 인해 양호한 마찰 특성을 보이며 한편 열처리를

통해 경도를 향상시킬 수 있다 PTFE입자의 첨가는 코

팅경도를 감소시키나 자기-윤활특성을 부여한다 S

Rossi 등3132)은 마찰특성을 향상시키기 위해 이용되는 탄

소강에 이용되는 몇 가지 공업적인 코팅에 관한 부식거

동에 관해 평가 PTFE입자를 함유한 무전해 니켈-인

(Electroless Nickel-Phophorus)코팅은 PTFE 입자(자기-

윤활 특성)를 갖는 외층과 장벽-효과를 갖는 내층으로

인한 이중 특성으로 가장 양호한 특성을 보였다고 보고

하고 있다

ㅇ 모든 기계적 시스템은 동적 요소를 필요로 하며 마찰과

마모를 줄이기 위한 다양한 수단들이 가능하나 그 선택

은 환경이나 조작 조건에 제한을 받는다 PTFE는 자기

윤활 낮은 마찰계수 높은 열안정성과 화학약품 안정성

으로 산업분야에 널리 사용되는 엔지니어링 고분자이지

만 내마모성이 매우 부족하다 이러한 이유로 금속

-PTFE충전 복합체들이 PTFE의 마찰특성과 금속충전제

50

의 내마모성을 결합하여 특정 분야의 용도로 소개되어

왔으나 금속-고분자 물질에서의 충전제의 역할은 완전히

설명되지 않고 있다 복합체 표면의 과잉의 충전제 농도

는 미끄러지는 동안 부하를 지지하여 내마모성을 증가시

키는 것으로 생각되며 PTFE의 마모율은 Mo Zn Ni

Y2O3 및 SiO2 같은 무기 충전제에 의해 1000배가량 감소

되었다는 보고도 있다 유리섬유 구리 세라믹 탄소섬유

절단 탄소섬유 나노입자를 포함한 경질의 충전제 입자들

이 PTFE의 내마모성을 높이기 사용되어 왔다

ㅇ 비교적 두꺼운 코팅에는 열분사(thermal spray) 용사기

술이 정립되어 있고 용사 코팅은 내마모 내마찰 내프레

팅(fretting) 및 내부식을 요하는 산업에 많이 이용되고

있다

- 용사 몰리브덴(Mo)코팅은 실질적 내마모성 코팅으로

가장 광범하게 이용되며 프레임용사(flame spray)거나

와이어용사(wire spray)기술로 생산된 몰리브덴(Mo)

코팅은 흠이나 마모에 대한 고도의 저항을 얻기 위한

가장 좋은 코팅재료 중의 하나이다

- 알루미늄 청동(aluminium bronze)은 높은 내-부식성

과 내마모성을 갖는 것이 특징이다 저압 플라즈마 용

51

사 기술은 자기-아닐링(self-anealing)과 부서지기 쉽

도록 유도하는 γ-상의 형성을 피할 수 있도록 높은

냉각 속도를 얻는 데 사용되며 알루미늄 청동 저압

플라즈마 용사 코팅은 낮은 마찰과 마모를 보였고 비

교적 최근 플라즈마 용사 기술을 이용하여 알루미늄

기질에 고분자-세라믹 복합체를 코팅하는 기술이 개

발되었다33)복합체 코팅으로 행한 마찰 시험에서 낮

은 마찰계수를 얻을 수 있었다

- 낮은 마찰계수와 고 내마모성을 갖는 이성분 금속

-PTFE 코팅이 개발되었고 이들의 마찰 공학적 성능

이 보고되었다 PTFE-기초 복합체 설계에서 일반적

인 접근방법은 경질의 충전 입자들을 도입하는 것으

로 M Yamane 등34)은 PTFE-금속 이성분 코팅의 마

찰 마모성능에 관한 연구 결과 알루미늄 청동 코팅이

Mo코팅에 비해 PTFE 저장소(reservoir)에 유용했음

을 보고하였다

⑹ 충전 또는 강화 플루오르화 탄소1)

ㅇ 분말이나 강화섬유 등 전형적인 충전재들이 충전 또는

강화 플루오르화 탄소에 사용된다 충전재는 저온흐름

52

을 향상시키는 데 사용되며 수축과 균열을 줄이고 열

팽창을 낮추며 열전도율을 향상시킨다

ㅇ 분말이나 단섬유로 된 전형적인 충전제를 표 3-5에 종합

하였다 유리섬유는 가장 보편적인 PTFE 충전제로 화

학 및 전기적 특성에 최소로 영향을 미치며 기계적 특

성을 크게 향상시킨다 분말에 비해 섬유는 압축강도

강성도 및 지지용량을 더욱 향상시키나 분말은 충전

테플론의 내구성에 거의 영향을 미치지 않는다 금속분

말은 특히 열전도도를 향상시키며 고속에서 발생하는 마

찰열을 소멸하는데 도움이 되며 전기저항을 상당히 감소

시켜 금속-충전 조성물은 양호한 절연체는 아니다

ㅇ 흑연(graphite) MoS2는 초기 내구성과 마찰을 개선하고

기계적 특성을 향상시킨다 석면은 많은 유용한 특성을

갖지만 가공 처리 중 가스가 방출할 뿐 아니라 사용금지

물질이다 표 3-5 외에도 금속 망 장섬유 다공성 금속

등 다양한 충전제들이 있으며 다양한 종류의 제품들이

상업 생산되고 있어 최종 선정을 하기 전에 플라스틱 가

공업자로부터 보다 완전한 정보와 추천을 받는 것이 바

람직하다

53

표 3-5 불소수지용 충전제

ㅇ 압축강력 인장과 압축 시의 탄성률 및 항복강력은 첨가

제의 첨가에 의해 모두 증가하나 일반으로 인장강력과

신도 및 충격강도는 손실된다 통상 충전 테플론은 압축

상태에서 사용되므로 인장강력의 감소는 중요하지 않다

인장강력의 손실은 설치(연속적인 링-실링)할 때 인장되

는 재료에서 중요하다 열팽창 계수는 비-충전 테플론에

비해 감소되어 통상 금속 부품의 팽창계수와 잘 맞는다

ㅇ 마찰과 마모를 수반하는 분야에서 가장 중요한 것은 충

전제로 얻어지는 PV한계치의 증가와 마모의 감소다 비-

54

충전 테플론에 비해 PV한계치 크기는 개략적으로 1차원

적으로 증가하나 마모인자는 3차원적으로 감소한다 충전

테플론의 평균치들은 동적 마찰계수는 01-02 PV한계치

는 10000-20000 psi-fpm 마모상수는 10times10-10in3-min

lb-ft-hr이다 그림 3-3은 충전 테플론 PTFE의 마찰계

수에 미치는 충전제 종류와 농도의 효과에 관한 것이다

그림 3-3 테플론 PTFE에 미치는 충전제 종류와 농도1)

ㅇ 내마모성을 향상시키는 충전제는 실제로 연마저항성을

감소시키는 것으로 날카로운 입자는 보다 쉽게 침투하고

충전제 입자와 수지 사이의 경계를 따라 충전 플라스틱

을 찢는다 따라서 라이닝 슈트 같은 분야의 적용 시는

55

비-충전테플론이 보다 바람직하다

⑺ 시트 테이프 및 박층(laminates)

ㅇ 대부분의 플루오르화탄소는 충전 여부에 관계없이 두

께 1mil(0001 in)까지 시트나 테이프로 만들 수 있고

시트나 테이프를 찍어서 원하는 형상의 립-씰(lip seal)

펌프 컵(pump cup) 피스톤 링(piston rings) 가스켓

(gaskets) 등을 만들 수 있다

ㅇ 유체의 누설을 정지시키는 밀봉기능 부품 중 각종기기의

접합부나 배관 플랜지 등의 밀봉에 사용되는 가스켓

(gaskets)은 석면이 널리 사용되어 왔으나 유해물질 배

출 및 이동량 보고제도(PRTR Pollutant Release and

Transfer Register)에서 발암성을 가진 제1종 지정 화학

물질로 지정되어 사용이 금지되어 PTFE가 가스켓으로

개발되었다 PTFE는 용융 알칼리 금속 및 그 용액과 불

소 및 3불화염소에 의해 약간 침식되나 모든 화학약품에

안정하고 우수한 내부식 재료로 C-F결합력이 크고 F원

자가 C-C결합의 주위를 간격 없이 들러 싸고 있기 때문

에 다른 물질의 공격을 방어하고 있고 내열성은 260로

높다35)

56

- PTFE 필러를 사용한 PTFE 나선 권형 가스켓은 석

면에 대한 사용규제와 상관없이 사용되어 왔으며 유

연한 필러를 사용하므로 석면 가스켓 보다 낮은 체결

압력에서도 실 특성이 우수하고 내식 면에서도 광범

하고 다양한 유체에 사용이 가능하다 다만 단열성 면

에서는 석면 나선 권형 가스켓 보다 사용온도 범위가

제한된다

ㅇ 산업 기계나 자동차의 브레이크 제동장치에 부착하여 마

찰력을 부가하는 브레이크 라이닝에서는 마찰계수와 내

마모력 및 충격계수 등 마찰특성이 우수한 석면을 주로

사용하여 왔으나 제동 시 발생하는 미세 석면분진으로

인해 대기오염에 의한 환경을 파괴 뿐 아니라 인체에 흡

입될 경우 암을 유발하여 PRTR로 사용이 금지되었다

석면을 대체할 유기질 또는 무기질 된 다양한 비석면 마

찰 섬유 등이 사용되고 있으며 마찰 섬유에 테프론을 코

팅하여 브레이크라이닝의 수명향상 제동 시 발생하는 소

음 떨림 및 제동력 향상을 위한 제품개발이 시도되고

있다

- 예로 국내 특허36)에서는 브레이크 라이닝(또는 패드)

의 마찰재 배합재료 중 유기섬유(Kevlar섬유 pulp섬

57

유 등)에 테프론을 코팅하고 코팅된 유기섬유에 결합

재 충전재 윤활재 마찰안정재 마찰조정재 등을 소정

의 배합비로 배합하여 성형하고 열처리하여 브레이크

패드 또는 라이닝을 제조한다

ㅇ 초소형 정밀기계(MEMS Micro-Electromechanical

System)분야에서는 점착방지를 위해 불화 유기박막을

사용한다 Park 등37)은 단층 두께의 불화 유기박막의

특성을 접촉각 측정을 통해 분석하였다

⑻ DLC 코팅3839)

ㅇ DLC(diamond-like carbon)는 몇 가지 다이아몬드의 전

형적인 특성을 나타내는 비정질 탄소물질로 극도의 내마

모 특성을 필요로 하는 재료의 코팅에 이용되고 있다

DLC코팅은 연마 마모를 감소시키기 위한 재료에 유용하

여 엔드밀 드릴비트 금형 같은 공구는 물론 자동차 기

계부품 및 전자산업 등 산업전반에 걸쳐 적용된다40)

ㅇ 환경오염 문제로 인해 PRTR(Pollutant Release and

Transfer Register 유해물질 배출 및 이동량 보고 제

도) 이 시행되어 습동 부품이나 절삭 시에 사용되는 오

일이나 그리스에 포함되는 첨가제(MoS2 Zn 등)와 이들

58

부품을 세정할 때 사용되는 용매 기계부품의 수명을 연

장시키기 위해 활용되었던 Cr도금 폐액에서 발생하는 6

가 크롬 등의 오염물질들에 대한 규제가 더욱 강화되어

DLC에 의한 무윤활 습동과 무윤활 절삭을 지향한 공구

와 기계 부품의 개발이 관심을 끌고 있다4142)

- 일본 내에서는 PRTR이 시행되고 이것에 저촉되는 재

료에 관해서는 MSDS(Material Safety Data Sheet)를

첨부해야할 의무가 있고 부품가공 습동 용도에서는

대상 리스트에 올라 있는 오일 오일 중의 중금속 도

금폐액을 어떻게 경제성 있는 환경 친화적 공정과 재

료로 전환할 것인가를 고려하면서 무윤활 습동 무윤

활 절삭 탈크롬 도금의 3가지 키워드가 대두되고

DLC코팅이 대안으로 모색되고 있다

- DLC코팅 적용기술과 과제에 관한 자료로는 자동차

관련부품 적용사례 엔진부위 마찰 작동 밸브계의 마

찰저감 DLC와 윤활제에 의한 마찰저감 기술을 중심

으로 살펴본 보고가 있다43)

ㅇ DLC는 7가지 형태가 존재하며 모두 상당한 양의 sp3혼

성궤도 탄소원자를 함유한다 다양한 형태의 DLC가 진

공 환경으로 적합한 재료들에 적용가능하며 유럽에서의

59

2006년 위탁 DLC코팅 시장은 3천만euro로 추정되었고 국

내도 활발한 상용화가 시도되고 있다

ㅇ 사반면상(tetahedral) 비정질 탄소 ta-C를 2두께로 코

팅하면 연마마모에 대한 스테인레스 강(304 type)의 내구

성을 증가시켜 수명을 1주일에서 85년으로 늘이며 이러

한 DLC의 형태는 sp3결합 탄소 원자로만 이루어지기 때

문에 순수한 DLC로 간주되며 수소 sp2흑연 탄소 금속

같은 충전제가 생산경비를 낮추거나 원하는 특성을 부여

하기 위하여 사용되고 있다

ㅇ DLC를 만드는 방법에는 sp3탄소 보다 낮은 밀도의 sp

2

에 의존하는 몇 가지 방법들이 있으며 압력 충격 촉매

또는 이들의 조합으로 sp2결합탄소 원자들을 sp3결합탄소

로 근접시킨다 최근 초고압 하에서 탄소의 경량 특성을

갖는 초경도 무정형 다이아몬드가 만들어졌다 탄소로 만

들어지는 다이아몬드 그래파이트는 결정구조를 가지나

DLC는 비정질이라는 점에서 크게 다르고 200 정도의

저온에서 형성시킬 수 있다는 점이 통상의 PVD막에 비

해 훨씬 우위에 있다

ㅇ DLC코팅은 제조공정이 복잡하고 생산 단가가 비싸 적용

이 어려우며 적용되는 소재가 제한되는 단점을 갖는다

60

주요제법으로는 고주파 플라즈마 법 이온화 증착법 스

페터링법 등을 들수 있다 고주파 플라즈마 법은 메탄가

스가 원료로 사용되고 막 중의 수소가 약 30(원자)로

평활성이 우수하고 마찰계수가 작으나 경도가 낮다 이

온화 증착법은 벤젠을 사용하며 막은 단단하나 면의 조

도가 거칠고 후막화 하기 위해 스패터링 방법이 검토되

고 있다

⑼ 불소수지의 안전성

ㅇ 테플론 PTFE의 열분해는 200(392)에서 감지되며 이

것은 몇 가지 플루오르화 탄소 기체들과 승화물질을 방

출한다4445)1955년 동물실험에 관한 한 연구에서는 이들

물질이 250(482) 이하에서는 의미 있는 양이 아니라

고 결론지었으나 최근 비-점착 주방기구인 프라이팬이

나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가열할 때 조류를

죽일 수 있는 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수

도 있다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있다45)

ㅇ 표 3-6은 EWG가 보고한 3-5분 내에 370까지 불소수

지를 가열할 때 발생되는 15종의 불소화합물에 관한 것

이다 테플론과 같은 코팅물질들이 장기적으로 인체에 미

61

치는 영향에 관한 연구는 이루어지지 않고 있으나 독감

과 유사한 질병을 유발할 수 있으며 이를 중합체 증기열

(polymer fume fever)이라 한다

표 3-6 15종의 유해물질 및 유독성 기체44)

ㅇ 최근 표 3-6의 화합물들 중 특히 TFA와 과불화된

(perfluorinated) PFOA(perfluorooctanoic acid)에 관심이

증가되고 있다 PFOA는 새로운 환경오염물질로 미국 환

경보호청(EPA)에 의하면 보통 때는 문제가 없으나 조리

과정에서 프라이팬에 열을 가하고 강하게 긁을 경우 용

62

출되어 나오며 이것이 음식물과 함께 인체에 흡수되는

것으로 추정하였다 한편 DuPont의 테플론 PTFE 연구

결과에 의하면 검출한계인 9ppb 이상 검출되지 않으며

테플론 주방기구에서는 PFOA가 존재하지 않는다고 발

표하고 있다

- 물이나 공기를 통해 환경에 노출된 PFOA는 고 콜레

스테롤 궤양성 대장염 갑상선 질환 고환암 신장암

및 임신성 고혈압과 관련된다고 보고되었다

- PFOA는 불소수지 생산과정에서 사용되는 첨가물로써

암모늄 형태로 PTFE 유화중합에 계면활성제로 사용

되며 불소수지의 품질과 균일성을 유지하기 위해 필

수적인 첨가물이기 때문에 전 세계 모든 불소수지 제

조업체가 사용 중에 있다 한편 국내 주력 산업인 반

도체 생산 과정에서도 PFOA를 대량으로 사용하고 있

어 체계적인 실태조사와 대책수립이 필요하다는 의견

들이 대두되고 있다

⑽ 불소화합물의 안전성과 환경대책

ㅇ 표 3-6에서 살펴본 바와 같이 테플론을 급격히 고온으로

가열하면 2종의 발암물질을 포함한 유독성 가스가 발생

63

하고 특히 불소화합물 중 MFA(monofluoroacetic acid)는

적은 양으로도 치명적 해를 끼치고 PEIF(perfluoro-

isobutene)는 신경가스제로 여러 가지 질환을 발생시킨다

한다44)

따라서 테플론으로 코팅된 장치를 재 코팅하기

위해 테프론을 고온으로 급격히 가열하거나 소각 등을

통해 제거할 때는 발생 가능성이 있는 유독가스를 제거

하기 위한 별도의 설비를 이용하여야 하고 유 등44)의 보

고서에서와 같이 중조(NaHCO3)를 포화시킨 충분한 물로

유독 산성 물질을 중화시키는 것도 고려할 만하다 한편

부식대전 방지 코팅도 테플론 코팅 일변도에서 세라믹

코팅 CNTs이나 DLC 코팅기술로 대응하는 것을 추천하

고 싶으며 이것은 유해물질 배출 및 이동량 보고제도

(PRTR Pollutant Release and Transfer Register)에 대

비하는 등 기업의 장래를 고려하는 것도 될 것이다

ㅇ PTFE를 사용한 취사도구는 1960년대 이래 사용되어 오

고 있으나 최근 들어 이것의 안전성이 논쟁의 주제가 되

고 있으며 논의 주체는 PFOA(perfluorooctanoic acid)이

다 PFOA는 PTFE를 비롯한 많은 불소수지의 생산에

사용되며 DuPont의 테플론 PTFE 연구 결과에 의하면

프라이팬을 260 이상 고온에서 가열하거나 코팅이 벗

겨져도 PFOA가 존재하지 않는다고 한다 그러나 물이나

64

공기 토양 식품포장재 등 여러 곳에서 PFOA 오염사실

이 보고되고 있다 한다44)

- 미국 EPA는 인체와 환경에 대한 PFOA 연구를 계속

하고 있으며 2015년까지 PFOA 및 이와 관련된 화합

물 방출을 배제할 프로그램을 갖고 있으나 PTFE-기

초 비점착 취사기구를 중지시킬 타당성을 갖고 있지

는 않다 최종제품은 PFOA가 아닌 PTFE이기 때문이

다

- 수십 년 동안 불소수지 비점착 코팅이 시장을 지배하

였으나 최근 몇 가지 신기술들이 출현되고 있으며 이

들 대부분은 실리콘 세라믹과 실리콘 기술로 이들 코

팅은 PTFE와 PFOA를 함유하지 않는다

- 오늘날 출시된 비점착 취사용구는 수많은 상표로 팔

리고 있으며 DuPont에 의하면 대부분의 취사용구 코

팅은 정상적으로 사용할 때 3-5년 견딜 수 있을 것으

로 예측한다 너무 문질러서는 안 되고 따뜻한 비눗

물로 씻어주는 것이 좋으며 닳거나 흠이 생기지 않도

록 나무 플라스틱이나 코팅된 재료로 만든 도구를 선

택하고 보관도 흠이 생기지 않을 장소나 캐비닛을 권

장하고 있다

65

ㅇ 국내의 불소수지 안전성에 관한 것으로는 재질규격(납과

카드뮴)과 용출규격(납 과망간산칼륨소비량 증발잔류물)

이 식품용 기구 및 용기 포장 공전46)에 기재되어 있으며

최근 국내에서도 PFOA를 비롯한 유해 불소화합물에 관

한 관심이 커져 가고 있다

ㅇ PFOA 문제가 표면화 되면서 환경 보전형 불소계 발수

유제의 개발과 공업화도 새로이 부각되고 있다 이에 관

한 보고서를 모니터링한 KISTI자료47)를 중심으로 간단히

요약하면 발수제의 주요성분 퍼플루오로알킬기(Rf기)함

유 폴리머의 기능은 Rf기의 고리길이에 크게 의존하므로

PFOA문제 해법으로 탄소수 8 이상인 종래의 불소화학

에서 탈피 짧은 고리 Rf기(탄소수 6)를 가진 새로운 단

량체를 선택하여 발수제를 제조함으로써 환경 보전형 불

소계 발수유제를 개발하고 공업화하였다 한다

66

제 4 장

지원결과

1 지원결과 종합

테프론 코팅 기술의 문제점과 부식대전방지용 테플

론 코팅에 관한 정보 외에 신청기업의 요청에 따

라 C-나노튜브 코팅 및 DLC증착에 관련된 기술 정

보도 제공하였다

테플론은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat resistant)

비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coefficient of

friction) 내약품성(chemical resistance)과 특이한 전기적

특성(unique electrical properties) 및 온내구력(cryogenic

stability)으로 그 응용범위가 광범하며 용도에 따른 엄격

한 품질관리가 요구될 것으로 생각되어 중소기업에 적합

한 기초능력 배양과 신제품을 구상하기 위한 최신기술에

관한 정보를 제공하고자 하였다

67

불소수지의 코팅은 두께와 첨가제가 관건으로 이에 관한

자료를 제공하고자 하였으며 불소수지의 전기특성 폭발

성 환경과 반도체 제조공정에서의 대전 방지 처리를 위

한 정전기 관리 지표 등을 특허를 중심으로 조사하여 제

공하고자 하였다

C-나노튜브를 이용한 대전방지 코팅 기술 및 C-나노튜

브의 제법 등 이것에 관한 기초정보를 제공하고자 하였

으며 내마모성 테플론 코팅에 관해서는 테플론을 이용한

세라믹 코팅 기술에 관한 정보도 제공하고자 하였다

테플론의 기계적 전기적 특성을 강화하기 위해 사용되는

충전제를 종합하고 기초이론을 정립함으로써 금후 원부

자재의 선정에 도움을 주었다

테플론은 석면 대체재로도 주목받고 있어 이에 관한 특

허 정보들을 제공하였으며 다이아몬드의 전형적인 특성

을 나타내는 DLC의 코팅관련 기술 정보를 환경오염 문

제와 연관하여 자료를 제공하였고 최근 비-점착 주방기

구인 프라이팬이나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가

열할 때 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수도 있

다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있어 이에

관한 정보도 제공하였다

68

2 지원의 한계

중소기업이 당면한 문제는 전문기술의 확보다 관련 기술

이 비약적으로 발전하는 추세에 비추어 한정된 인원으로

신기술을 소화하고 개발하기는 어려울 것이므로 출연연

구기관이나 대학과 공동연구를 모색할 수 있으나 이것도

중소기업으로서는 경제적 부담이 될 수밖에 없을 것으로

생각된다 가능하다면 앞으로도 KISTI의 정보지원이 계

속되기를 바라고 있었다

3 기대효과

부식대전 방지 테플론 코팅에 관한 기본 기술이 배양되

어 합리적인 원부 원료의 수입검사 공정관리 및 제품관

리를 통해 원가절감은 물론 신제품 신기술에 관한 정보

수집 및 분석능력이 배양되고 개발력이 확충되어 기업

경쟁력 향상에 도움이 될 것이다

69

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25 野坂正隆 低溫環境下におけるドライボロジドライボロ

ジスト(日本) 52(11) 2007 pp759sim764

26 이계영 김태균 김종구 ldquo내마모성 및 윤활성 코팅 조성

물rdquo 대한민국 특허 등록번호 10-1151909(2012)

27 (주)바론에스엘 ldquo불소수지와 세라믹의 유무기 하이브

리드 코팅 조성물 및 그를 이용한 도막 형성 방법rdquo 대

한민국 공개특허 10-2013-0028553 (2013)

28 JP-2010-261035(Xerox Corporation フツ素ナノダイヤ

モンドを含むテフロン定着器部材)

29 WO 2006 017259(Thomae Kurt J Multilayer

Corrosion- resistant Finish and Method)

30 Eunsoo Kang Seongcheol Choi Changhoon Choi

Sang Eun Shim Aqueous dispersion of submicron-

sized diamond particles for thermally conductive

polyurethane coating Colloids and Surfaces A

Physiochem Eng Aspects415(2012) pp255-261

31 S Rossi F Chini etal Corrosion Protection

Properties of Electoless NickelPTFE Phosphate

MoS2 and BronzePTFE Coatings Applied to Wear

Resistance of Carbon Steel Surface and Coatings

73

Technology173(2003) pp235-242

32 S Rossi F Deflorian F Venturini Improvement of

Surface finishing and Corrosion Resistance of

Prototypes by Direct Metal Laser Sintering Journal

of Materials Processing Technology 148(2004)

pp301-309

33 Mateus C Costil S Bolot R Coddet CCeramicfluo-

ropolymer Composite Coatings by Thermal Spraying-

a Modification of Surface Properties Surf Coat

Technol 2005 191 pp108-118

34 Masaaki Yamane Tadeusz A Stolarski Shogo Tobe

Influence of counter material on friction and wear

performance of PTFEndashmetal binary coatings

Tribology International 41 (2008) pp269ndash281

35 이치옹 분석자료 ldquo나선형 개스킷의 비석면화rdquo Takashi

Miyoshi 배관기술(일) 46(10) 2004 pp43-47

36 등록번호 10-0522254(백원두 브레이크 라이닝(또는 패

드) 제조방법)

37 Jin-Goo Park et al Characterization of Fluorocarbon

Thin Films by Contact Angles Measurements Journal

of Microelectronics amp Packaging Society6(1) 1999

pp39sim49

74

38 유호천 ldquoDLC 코팅 표면처리rdquo KiSTi 중소기업 정보지

원 2011 10 11

39 유호천 ldquoPVD DLC TRD 코팅설비를 활용한 복합충

개발및 제품적용rdquo KiSTi 중소기업 정보지원 2010 10

21

40 김유상 ldquo알루미늄합금에의 DLC코팅기술rdquo KiSTi 첨단

기술정보분석 2013 02-01

41 국립환경과학원 ldquo화학물질 배출량 조사 OECD와 협력

강화rdquo 보도자료 (2010 11 18)

42 월간기계기술 기자 ldquo새로운 코팅기술과 공구에 대한 적

용rdquo 2005년 3월호

43 加納 眞 ldquoDLC コ-ティングの適用技術と課題rdquo トライ

ボロジスト(日本) 52(3) 2007 pp186-191 송희국 모티

터링분석 KiSTi

44 식품의약안전청 연구보고서(연구책임자 유승석) 불소

지코팅 주방기구의 안전성 평가 2004 12

45 Teflon offgas studies Environmental Working Group Ewg

org Retrieved on 2013-01-01

46 식품의약품안전청 ldquo식품용 기구 및 용기 포장 공전rdquo 2012

47 廣野高生 ldquo環境保全型フッ素系 撥水撥油剤の 開發と 工

業化rdquo ファインケミカル(日本) 37(11) 2008 pp39-44

이치옹 모니터링분석 KISTI

75

저자소개

김학주(金鶴柱) 서울대학교 문리과대학 화학과 졸업 이학사

전북대학교 대학원 화학과 이학박사

(주)삼양사 의약연구소장 신성대학교 교수

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 폴리에스테르 섬유의 연중직방기술 외 다수

저서 기기분석 공업물리화학 일반화학

성용길(成墉吉)

동국대학교 이과대학 화학과 졸업 이학사 이학석사

부산대학교 대학원 화학과 이학박사(Dr Sci)

University of Utah USA Ph D(공학박사) Post Dr

유타대학교 연구교수 부산대학교 교수 동국대학교 교수

동국대학교 명예교수 한국원자력문화진흥원 이사

과학문화연구원전문연구위원 한국도량형과학문화연구원 원장

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 의료용 기능성 고분자재료에 관한 연구 외 330편

저서 고분자 물성론 (서울대학교 출판부 공저) 외 10권

5

2 정보지원의 범위 및 내용

가 정보지원 범위

정보지원은 LCD공정용 스테이지(Stage) 박리 대전방지

코팅 반도체 공정용 석영 관련제품 코팅 추출용 반응기

튀김틀 코팅 광학필름 및 기능성 필름 생산롤러 코팅

전기재료 석유화학 정밀화학 반응기 코팅 및 필터드라

이어 등 테프론 코팅에 관한 전반적인 기술 자료와 불소

수지의 특성과 용도 및 환경과 관련한 안전문제에 관한

지식과 기술정보를 제공하였다

나 정보지원 내용

KISTI에서 체계적적으로 NDSL 검색 유럽특허청 검

색 Web of Science 검색 Google 검색 Sci Dir를 통

한 원문입수 등의 작업을 수행하였다

- Keywords에 의한 문헌 및 특허조사 TEFLON +

Coating Anti-corrosion Coating Anti-static

Coating Fluoropolymers Fluorinated polymers

Fluorocarbon polymers

6

- Keywords=TI (TEFLON or Fluoropolymers or

(Fluorinated polymers)) Coating) 또는 AB

((TEFLON or Fluoropolymers or (Fluorinated poly

mers)) Coating) 활용하여 학술문헌과 특허를 검색

하였다

신청업체 공장현장에서 현재까지 수행되고 있는 부식

방지 및 대전방지 테프론 코팅기술들을 종합하여 분석

하고 조사된 기술정보 자료들과 비교 분석하여 장차

개선할 수 있는 코팅 신기술을 조사 분석하여 자문하

고 멘토링 하였다

7

제 3 장

지원 프로세스

1 1차 지원

일시 및 장소 2013년 4월 22일(월요일) 1000-1400시 신청

업체 2층 회의실

참석자 히토시 사토(부사장) 성용선(연구소장) 장용석

이사

주제 및 토의사항

- 지원업체의 현황 LCD공정용 스테이지(Stage) 박리

대전방지 코팅 반도체 공정용 석영 관련제품 코팅

추출용 반응기 튀김틀 코팅 광학필름 및 기능성필름

생산 롤러 코팅 전기재료 석유화학 정밀화학 반응기

코팅 및 필터드라이어 등의 테프론 코팅에 관한 작업

8

- 지원내용과 향후지원계획 공장 현장을 방문하고 브리

핑을 통해 필요한 정보를 파악함 조사된 자료(문헌

특허 등)를 전달하고 희망 사항을 파악한 결과 특히

유리의 코팅을 중심으로 한 박리대전 방지 가공 세라

믹 코팅(수분산성 도료-바인더-)을 사용한 내열성 코

팅 대형 DLC 증착기술 및 경쟁사가 개발하고 있는

C-나노튜브 코팅에 관한 정보에도 관심이 많았음

ReSEAT NDSL 및 구글 야후 네이버 등을 통한 자

료조사 방법의 활용 방법을 설명해 주었음

- 지원효과 ReSEAT NDSL 구글 야후 네이버 등을

통한 주제 또는 키워드 검색에 의한 자료 검색 분석

능력 향상 제공 자료와 문헌의 활용 효과 등

- 자료제공

① Klaus Lunkwitz Uwe Lappan Ulrich Scheler

Modification of perfluorinated polymers by

high-energy irradiation Journal of Fluorine

Chemistry Vol 125 2004 pp863sim873

② LBorucki et al Diamond Conditioner Wear

Characterization for Copper CMP Process

Transaction on Electronic Materials Vol 8

9

2007 pp1520sim20

③ Polytetrafluoroethylene Aluminum magnesium

boride Diamond-like carbon Carbon nano-tube

-Wikipedia the free encyclopedia (2013)

④ 野坂正隆 低溫環境下におけるドライボロジドラ

イボロジスト(日本) Vol 52(11) 2007 pp759sim

764

⑤ 식품의약안전청 연구보고서(연구책임자 유승석)

불소수지코팅 주방기구의 안전성 평가C 2004 12

⑥ 이장호 등 테프론 코팅 전열관 표면으로의 열 및

물질 전달 특성에 관한 실험적 연구 대한기계학

회논문집 B권 Vol 27(8) 2003 pp1051sim1060

⑦ Eun-Joo Kim et al Teflon coating of fabric

filters for enhancement of high temperature

durability J of the Korean Oil Chemists Vol

28(2) 2011 pp232sim239

⑧ Jin-Goo Park et al Characterization of

Fluorocarbon Thin Films by Contact Angles

Measurements Journal of Microelectronics amp

Packaging Society Vol 6(1) 1999 pp39sim49

⑨ WO 200054614(Solex Robotics Systems Inc

Anti-static Non-sparkling Coatings for

10

Explosive Environments)

⑩ WO 2012123103(WLGore amp Associates GMBH

Use of an Ionic Fluoropolymers as Antistatic

Coating)

⑪ WO 2006 017259 (Thomae Kurt J Multilayer

Corrosion-resistant Finish and Method)

2 2차 지원

일시 및 장소 2013년 5월 16일(월요일) 1000-1400시 신청

업체 2층 회의실

참석자 성용선(연구소장) 장용석 이사

주제 및 토의사항

- 지원내용과 향후지원계획 지참 자료를 제공하고 연구

원들의 기초지식 배양을 목적으로 불소수지의 특성에

관해 각 유형을 중심으로 제공 자료를 통해 종합 설

명함 불소 수지 코팅 방법 개발 목적 기질의 전처리

방법 두께 제어의 중요성 코팅시스템 등을 토의하고

이에 관한 자료를 제공하여 기초지식을 배양함은 물

11

론 최근 기술 동향을 파악함 다음 방문 시(6월 20일)

에는 대전 방지 불소 수지 코팅을 중심으로 그 중요

성과 이론 등 기초지식과 최근의 개발동향을 검토하

기로 함

- 지원효과 불소수지의 유형과 특성을 통한 원료의 선

정 시 고려할 사항 코팅 방법 기질의 전처리 방법

용도에 따른 두께 제어의 중요성 파악 공정 및 제품

관리에 관한 기초지식 배양과 최근 기술 동향 파악

- 자료제공

① JP-2005-237860(三洋電氣株式會社 電氣掃除機)

② JP-2010-261035(Xerox Corpor- ation フツ素ナノ

ダイヤモンドを含むテフロン定着器部材)

③ JP-2010-78036(株式會社ルネサステクノロジ 配管

チュ-ブおよびこれを備えた機械裝置)

④ WO 2008154391(Alcoa Inc Heat Exchanger)

⑤ 등록번호10-0365003 (주식회사 엘지아이 열처리를

이용한 테프론 코팅 방법)

⑥ 공개특허10-2008-0061943(주식회사 하이닉스반도체

이온 주입장비의 웨이퍼 지지 장치)

⑦ 등록번호 10-0449561(주식회사 봉성비에스 완충기

12

용 피스톤의 테플론 코팅장치)

⑧ 등록번호 10-0522254(백원두 브레이크 라이닝(또

는 패드) 제조방법)

⑨ 등록번호 10-0811228(조철환 내열 세라믹 주방용

기의 불소수지코팅방법 및 그 방법에 의해 불소수

지 코팅된 내열 세라믹 주방용기) 등

3 3차 지원

일시 및 장소 2013년 6월 20일(목요일) 1000-1400시 신청

업체 2층 회의실

참석자 김학주 성용길 성용선(연구소장) 이채영 차장

및 연구원

주제 및 토의사항

- 지원내용과 향후지원계획 불소수지의 전기적 특성과

대전 방지용 불소수지의 충전제에 관한 장단점 토의

대전 방지의 중요성 폭발 환경에서의 정전기 안전지

침 반도체 제조 장치에서의 작업스테이지의 대전방지

에 관한 기술 동향 토의 최근 관심의 대상이 되고 있

13

는 탄소나노튜브(CNTs)의 제조 방법 용도 등에 관한

설명과 의견교환 내마모성 테플론 코팅 방법 용도

등에 관한 자료제공 및 의견교환 충전 또는 강화 불

소수지에 관해 자료조사를 통해 얻은 충전제의 종류

기계적 및 물리적 특성 향상 방법에 관한 기초지식을

제공함 다음 방문 시(7월 25일)에는 시트 테이프 및

박층 테플론과 최근 내마모성 코팅기술로 주목받고

있는 DLC코팅과 테플론의 안정성 문제에 관해 의견

을 교환하고 그간의 정보지원에 관한 내용들을 종합

정리하기로 함

- 지원효과 대전방지 불소수지 코팅의 작업표준 및 관

리지침에 반영할 자료 제공 최근 관심의 대상이 되는

CNTs에 관한 기초지식 배양 및 정보수집과 분석 불

소수지에 사용되는 각종 충전제의 선정 시 참고 자료

확보

- 자료제공

① Francis J Clauss Chapter 9 Fluorocarbons

Solid Lubricants and Self-lubricating Solids 1972

pp195sim238

② Eunsoo Kang Seongcheol Choi Changhoon Choi

14

Sang Eun Shim Aqueous dispersion of

submicron-sized diamond particles for thermally

conductive polyurethane coating Colloids and

Surfaces A Physiochem Eng Aspects415(2012)

pp255-261

③ Masaaki Yamane Tadeusz A Stolarski Shogo

Tobe Influence of counter material on friction

and wear performance of PTFEndashmetal binary

coatings Tribology International Vol 41 (2008)

pp269ndash281

④ M Pazderova M Bradac M Vales

Tribological Behaviour of Composite Coatings

Procedia Engineering Vol 10 (2011) pp472-477

⑤ S Rossi F Deflorian F Venturini

Improvement of Surface finishing and Corrosion

Resistance of Prototypes by Direct Metal Laser

Sintering Journal of Materials Processing

Technology Vol 148 (2004) pp301-309

⑥ S Rossi F Chini etal Corrosion Protection

Properties of Electroless NickelPTFE Phosph-

ateMoS2 and BronzePTFE Coatings Applied to

Wear Resistance of Carbon Steel Surface and

15

Coatings Technology Vol 173 (2003) pp235-242

⑦ VC Malshe Nivedita S Sangaji Fluorinated

Acrylic Copolymers Part I Study of Clear

Coatings Progress in Organic Coatings Vol 53

(2005) pp207-211

⑧ Xing-Dong Yuan Xiao-Jie Yang A Study on

Friction and Wear Properties of PTFE Coatings

under Vacuum Conditions Wear Vol 269 (2010)

pp291-297

⑨ Amel Delimi Elisabeth Galopin etal

Investigation of the Corrosion Behaviour of

Carbon Steel Coated with Fluoropolymer Thin

Films Surface amp Coatings Technology Vol 205

(2011) pp4011-4017

⑩ 이계영 김태균 김종구 ldquo내마모성 및 윤활성 코팅

조성물rdquo 대한민국특허 등록번호 10-1151909 (2012)

⑪ Thomae Kart J Multilayer Corrosion Resist

ant Finish and Method WO 2006017259(2006)

⑫ (주)바론에스엘 ldquo불소수지와 세라믹의 유무기

하이브리드 코팅 조성물 및 그를 이용한 도막 형성

방법rdquo 대한민국 공개특허 10-2013-0028553 (2013)

16

4 4차 지원

일시 및 장소 2013년 7월 25일(목요일) 1000-1400시 신청

업체 2층 회의실

참석자 성용선(연구소장) 이채영 차장 및 연구원

주제 및 토의사항

- 지원내용과 향후지원계획 발암물질인 석면대체재로써

테플론의 개발 동향을 나선 권형 가스켓과 자동차브

레이크 제동장치를 중심으로 토의하고 내마모 특성을

필요로 하는 DLC 코팅에 관한 정보제공과 DLC 특성

에 관해 집중 토의함 환경문제와 관련하여 대두되고

있는 테플론 분해가스 등 안정성 문제에 관한 자료를

제공하고 이에 관한 의견을 교환함 그간의 제공 정보

를 종합하고 8월 말 작성예정인 최종보고서 내용을

협의하였음

-지원효과 신기술 개발을 위한 내마모 코팅 DLC코팅

환경문제를 고려한 친환경 제품 등 신기술과 신공정

개발을 위한 개념을 확립하였음

17

- 자료제공

① WO 2006047500(Henkelkommanditgesellschaft auf

Aktien Article of Manufacture and Process for

Anodically Coating an Aluminum Substrate with

Ceramic Oxides Prior to Organic or Inorganic

Coating)

② 이치옹 분석자료 ldquo나선형 개스킷의 비석면화rdquo

Takashi Miyoshi 배관기술(일) Vol 46(10) 2004

pp43-47

③ 유호천 ldquoDLC 코팅 표면처리rdquo KISTI 중소기업 정

보지원 2011 10 11

④ 유호천 ldquoPVD DLC TRD 코팅설비를 활용한 복

합충 개발및 제품적용rdquo KISTI 중소기업 정보지원

2010 10 21

⑤ 국립환경과학원 ldquo화학물질 배출량 조사 OECD와 협

력강화rdquo 보도자료 (2010 11 18)

⑥ ldquo새로운 코팅기술과 공구에 대한 적용rdquo 월간기계기술

기자 2005년 3월호

⑦ Teflon off-gas studies Environmental Working

Group Ewg Org Retrieved on 2013-01-01

⑧식품의약품안전청 ldquo식품용 기구 및 용기 포장 공전rdquo

18

2012

⑨ 廣野高生 ldquo環境保全型フッ素系 撥水撥油剤の 開發

と 工業化rdquo ファインケミカル(日本) 37(11) 2008

pp39-44 이치옹 모니터링분석 KISTI

5 5차 지원

일시 및 장소 2013년 8월 21일(수요일) 1000-1400시 신청

업체 2층 회의실

참석자 성용선(연구소장) 이채영 차장 및 연구원

김학주(전문연구위원) 성용길(전문연구위원)

김종헌(KISTI 연구책임자)

주제 및 토의사항

1 불소화합물의 안전성과 환경대책 정보지원 결과 종합

등 최종보고서(안) 내용에 관한 의견교환

2 지원의 한계와 기대효과에 관한 의견 교환

3 건의 사항 등

19

세부 지원 내용

⑴플루오르화탄소 플라스틱의 특성

Teflon TFE(폴리테트라플루오로에틸렌)은 1940년대부

터 사용되어 왔으며 Teflon FEP(플루오르화에틸렌프

로필렌 공중합체)는 1958년에 소개되었고 압출 및 사

출성형이 용이하며 TFE 유형은 딱딱하고 낮은 마찰계

수를 가지며 마모에 강하고 보다 높은 온도에서 사용

가능하다 이 외에도 플루오르화탄소 플라스틱에는 폴

리염화플루오르화에틸렌(CFE 또는 CTFE)와 폴리비닐

리덴플루오라이드(PVF) 등이 있다 플루오르화탄소 플

라스틱은 그 코팅방법에 따라서도 응용범위가 광범위

하게 발전되어 왔으며 그 용도는 주방용기로부터 기

계 자동차 반도체는 물론 우주항공 산업 부품에 이르

기까지 무한하며 상업 생산되고 있는 플루오르화탄소

플라스틱은 표 3-11)과 같다

PTFE는 열가소성 플라스틱으로 상온에서 밀도 약 2200

인 백색고체로 융점은 327이며 마찰 및 마모 특

성을 나타내는 마찰계수는 고체재료 중 BAM(alumi-

20

nium magnesium boride 마찰계수 002)과 DLC

(diamond-like carbon 마찰계수005)에 이어 3번째로

낮은 005-010로 반데르발스 힘에 대한 저항력으로 도

마뱀이 붙을 수 없는 유일한 표면으로 알려져 있다2)

표 3-1 플루오르화탄소 플라스틱의 유형1)

21

Teflon의 유용한 기계적 특성은 -450sim500(-267sim

260)에서 유지되며 여러 가지 특성들은 가공기술을

바꾸어 변경시킬 수 있다 마찰 및 마모 특성을 나타

내는 마찰계수들은 시험조건에 따라 다르며 Teflon은

증기압이 극히 낮아 진공에서도 우수한 안정성을 가

지며 방사선 안정도는 부족하나 방사선 내용성은 극

히 높다

테프론의 특징은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat-

resistant) 비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coeffi-

cient of friction) 내약품성(chemical resistance) 특이한

전기적특성(unique electrical properties) 저온내구력

(cryogenic stability)으로 대표된다3)

- 테프론 코팅된 표면에는 거의 모든 물질이 달라붙지

않으며 내열성(heat-resistant)이 우수하여 -260sim+26

0까지 사용할 수 있고 단시간 사용의 경우에는 30

0까지 견디며 Teflon FEP는 232에서 연속사용이

가능하다 비유성(non-wetting)이 우수하여 표면에 물

이나 기름이 잘 묻지 않아 표면이 오염되지 않아 쉽

게 청소가 가능하고 기계설비의 보수시간이 단축되어

생산성을 향상시킬 수 있다 테프론은 비-절연성은 물

22

론 비-유전정접과 우수한 표면 저항률을 보인다

⑵ 플루오르화탄소 수지 코팅

얇고 강인한 플루오르화탄소 수지 필름을 금속 등에

소결이나 수지-접착에 의해 바르면 기질에 침착된 필

름은 저온흐름으로 고체 플루오르화탄소 수지보다 낮

은 마찰계수를 띠고 금속은 양호한 열전도도를 갖고

열을 분산할 수 있어 고속으로 운전할 수 있고 양호한

내구성을 갖게 된다

1950년대 미국 해군연구소에서 소결 Teflon TFE필름을

수성 분산액(현탁질)으로부터 무기 탄약통 비행기부

품 잠수함부품의 건조-필름 윤활제 및 보호 코팅용으

로 개발한 후 이것들은 기어 정첩(hinges) 샤프트 베

어링 밸브 플러그 콕 피스톤 링이나 그 외의 산업분

야에 응용되고 있다

- 실제로 적절한 테플론 현탁질을 고체 표면에 침적한

후 수분 증발이 너무 빠르지 않게 공기에서 필름이

건조되게 한 후 테플론 입자들이 연화 및 소결되도록

건조된 표면을 약 385(725)로 가열하고 냉각하면

23

얇은 연속 필름이 표면에 남지만 필름 중의 많은 작

은 세공들은 테플론의 높은 용융점도 때문에 제거할

수 없다 세공들은 윤활 작용에는 제한을 받지 않으나

녹슬거나 부식의 공격점이 되어 부식방지를 위해서는

1회 이상의 박막 추가 코팅이 반복되고 보통 2회 코

팅으로 충분하나 각 침적 테플론 층은 두께가 00003

인치(762)를 초과하지 않아야 하며 그렇지 않으면

말린 진흙 같이 균열이 발생한다 필름이 윤활제로 사

용될 때는 필름두께가 00006-00007인치(152-178)

를 초과하지 않아야 한다1)

- 테플론코팅은 통상으로 존재하는 표면 산화물이 제거

되지 않은 깨끗하고 탈지된 강철 황동 및 알루미늄금

속표면일 때 가장 잘 접착한다 만일 산세척에 의해

과잉 두께의 산화물이 제거되었다면 필수적으로 얇은

산화층이 형성될 때까지 공기 중에서 가열한다 접착

은 실표면적이 증가하면 증가하므로 경면가공(mirror

finish)보다 모래분사가공이나 무광택가공이 양호하다

- 테플론 코팅된 표면의 마찰계수는 금속기질 표면을

거칠게 함으로써 낮출 수 있으나 미끄럼마찰 조건 아

래 내구성은 금속의 거칠기가 32마이크로인치(rms)를

초과하면 감소한다

24

철강 기질의 인산처리는 소결 Teflon TFE필름의 마모

수명을 향상시킨다고 보고되었으며 양극처리 된 코팅

의 경도 및 내마모성과 불소수지의 윤활성을 결합하기

위해 다공성 경화 양극처리 알루미늄 위에 불소수지를

침윤하여 왔다 Teflon S 마감재는 Du Pont이 도입한

최초의 수성-기초 분산 TFE FEP로 이들은 ldquo계층화

된rdquo 마감재이다 Francis J Clauss1)는 다양한 용도에

서의 Du Pont사 제품들의 선정 가이드를 표로 종합하

였으며 이것을 요약하면 표 3-2와 같다

- 테플론 코팅은 프라이머 단층 프라이머 코팅 후 에나

멜이나 클리어 마감 또는 프라이머 에나멜과 클리어

마감 등 3-코팅 시스템으로 구성된다 프라이머들은

금속이나 세라믹 기질에 접착을 향상시키기 위해 개

질제를 함유한다 프라이머들은 가끔 1회 코팅 마감재

로 사용되나 음식물과 접촉하는 용도로는 반드시 에

나멜이나 클리어 마감재로 마무리 칠을 하여야 한다

프라이머는 층간 접착력이 부족하기 때문에 다중 코

팅에 적용될 수 없고 만일 06mil 이상의 코팅이 필요

하면 프라이머는 에나멜이나 클리어 마감재로 마무리

칠을 하여야 한다

25

표 3-2 테플론 코팅 두께1)

최종

용도대표적 용도

전체두

께(mils)

프라이머에나멜클리어

가공(mils)

비점착

산업

직물 슬래셔 통

열 봉합 봉 고무경화 롤러

우레탄과 에폭시 경화 주형

제빙기

목재 고무 주석도금 아연

10-25

07

20-50

08-13

07

03 07-22 07-10

07 마무리칠 불가

03 07-37 10min

03 05-10 05-10

07 마무리칠 불가

식품

프라이팬 내열접시

반죽롤러

캔디 장치

08-12

10-30

20-30

03 05-09

03 07-27

03 07-17 10

One-coat

system

금지

드라이

윤활

플러그 밸브

유리병 제조 전달 장치

베어링

03-07

15-25

05-07

03-07

03 03-05 03-05

02

전기

전자

저항기 코팅

아이들 롤러(제지 섬유 공업)

세라믹 절연체

40-50

10-15

20-25

03 37-47

03 07-12

03 17-22

부식

방지용기 라이닝 gt50 03 47 또는 5-10 이상

Non-

wetting콘덴서 튜브 02-04 02-04

- 유색 프라이머는 통상 안료가 필름의 범위와 두께를

시각적으로 체크할 수 있게 하므로 그렇지 않은 것에

비해 더 선호된다 에나멜과 클리어 마감재는 충분한

접착을 위해 프라이머 위에 발라야 한다 ldquo진흙 갈라

짐 현상(mud-cracking)은 코팅 당 최대 두께를

10mil로 한정하나 다중 코팅에 의해 극단적이 조건

하에 전체 두께를 10mils까지 바를 수 있으며 각각의

26

코팅은 분리하여 구워진다

불소화 고분자들은 낮은 표면장력 물과 기름에 젖지 않

고 비점착성이며 방오 특성(antifouling properties) 등을

갖기 때문에 다양한 특수 코팅에 적용되나 합성과 조성

이 몇몇 제조업자들에 독점되어 있고 값비싼 중간체를

필요로 한다 VC Malshe 등4)은 플루오르 함량이

4-10인 불소화된 아크릴 공중합체를 간단한 방법으로

합성하고 클리어 코팅하여 광학적 기계적 및 보호 특성

을 연구하였다

최근 에너지 절감과 CO2규제와 같은 환경규제에 대한 대

응 필요성이 증가하면서 발전소나 각종 보일러 시스템에

서 배가스로 배출되는 응축잠열 에너지의 회수 및 활용

에 관심이 증가되고 있다 Lee 등5)은 스테인레스 관 표

면에 400정도의 두께로 테플론을 코팅한 전열관에서

관의 열 및 응축 열전달 특성을 연구하여 테플론 코팅관

의 총괄 열전달 계수는 스테인레스 관보다 약 20 작은

것으로 나타나고 응축열전달 계수는 유사하였음을 보고

하였다

알루미늄 용광로의 비-여과 배출가스에 장기간 사용하기

적합한 역류 열교환기에 관한 것으로 원통형 쉘의 표면

27

은 알루미늄 용광로 배출가스 입자 및또는 먼지 및 부

식 흄과 접촉될 수 있어 테프론 계로 코팅 처리하는 특

허6)가 있다 이 특허에서는 원통형 쉘을 만들도록 복재

(web member 웨브재)와 함께 연결된 유체 운반튜브로

이루어진다 각 원통형 쉘에 위치한 헤더는 열교환기의

튜브에서 튜브로 유체를 공급하며 뜨거운 난류가스에 작

용하여 스케일링을 최소화하기 위해 헤더의 보호덮개를

설치한다

저온에서 고온에 이르는 환경에서 유체에 사용되는 배관

튜브는 열에 의한 경시적 열화가 진행되어 균열 발생이

쉽다 가동부에 사용되는 배관 튜브는 움직임이 수반되어

그 경향이 현저하며 반도체 제조장치에 일반으로 사용되

는 실리콘튜브는 저온에서 열화되어 파손되기 쉽다 이러

한 문제점을 해결하기 위해 실리콘 튜브 외측 표면을 테

플론으로 코팅하여 균열발생을 억제함으로써 장시간 사

용 가능하도록 고안한 특허7)가 있다

섬유상 부직포로 제작하는 다공성 여과필터는 다양한 산

업공정의 배출가스를 정화시키는 데 사용되며 특히 중고

온 환경에서 사용이 가능한 다양한 종류의 기능성 필터

의 개발이 요망된다 일반으로 소각장 및 발전소 등의 중

고온 조건에서 사용되는 Nomex를 비롯한 섬유상 필터는

28

200 이상에서는 열변형으로 사용이 제한적이고 세라믹

필터와 같이 고온에서 적용이 가능한 소재는 매우 고가

일 뿐 아니라 초기 작업으로 인해 에너지 사용량이 매우

높아지는 문제점이 있다 Kim 등8)은 250-300 영역의

중고온의 배출가스를 처리하기 위한 필터에 표면 소수성

과 고온 안정성을 부여하기 위하여 표 3-3과 같은 조성

으로 그림 3-1과 같은 장치를 이용하여 테플론 수지를

거품 형태의 코팅액으로 조제하여 유리섬유 원단에 공급

하여 표면코팅하고 열처리 및 압착과정을 거친 후 표면

분석하였다

표 3-3 테플론 코팅을 위한 화학첨가제8)

테플론 코팅이 전기 집진장치에 활용되는 특허도 있다

종전 사이클론 방식의 전기집진기에서는 집진부의 먼지

를 떨어뜨리는 것이 용이하지 않았다 발명자들은 먼지

압축 기능을 갖는 집진실 내측에 테플론 가공을 하여 정

전기에 의한 미세먼지의 부착을 억제함으로써 집진실의

먼지를 원 터치로 처리할 수 있도록 하였다9)

29

그림 3-1 테플론 거품코팅8)

일반으로 테프론을 조리용기에 코팅하는 방법은 금속소

재를 사용 제품형태로 제작한 후 세척하고 에이징(소둔)

처리한 후 샌딩하여 표면조도를 유지하도록 하고 표면에

프리머 처리하여 베이킹 처리한 후 분사방법으로 테프론

코팅을 하고 다시 베이킹 처리하므로 공정이 복잡하고

제조원가가 상승하며 부착력에 한계가 있다한다 (주) 엘

지아이 특허10)에서는 피처리물을 세척한 후 산질화처리

하여 표면에 열처리 층이 형성되게 한 후 테프론을 코팅

하고 베이킹 처리하는 것을 특징으로 한다 그 외에 내열

세라믹 주방용기의 불소수지 코팅방법에 관한 특허가 있

다11)

(주) 봉성비에스는 차량의 주행 충격을 흡수하는 완충기

30

내부에 삽입하는 피스톤 외주면의 마찰과 소음을 최소화

하기 위한 목적으로 테프론 코팅을 하기 위한 코팅장치

를 등록하였다12)

⑶ 대전 방지 플루오르화탄소 수지 코팅

ㅇ 본래 불소수지 자체는 높은 절연성과 큰 대전성을 갖고

있기 때문에 도전 효과를 얻기 위해서는 분상 필러를 다

량으로 충전할 필요가 있으나 이렇게 하면 비점착성이

떨어진다 여러 회사들의 제품 안내서들을 종합한 불소수

지의 전기적 특성은 표 3-4와 같다

표 3-4 불소수지의 전기 특성

특성측정법

(ASTM)단위

PTFE

(비충전)

PTFE

(25

유리충전)

PTFE

(25

탄소충전)

표면 내아크성 D495 sec 75-110

체적저항

(비저항)D257

ohm-

cmgt1018 gt1016 104

표면저항 D257ohm

sq-1 gt10

14

유전율(유전상

수) at 1MHzD150-81 e 25 24

절연내력 short

time 18thickD149

kv

mm285

유전정접(유전

정합) at 1MHzD150-81 lt00002 005

31

ㅇ 불소수지는 내열성 내한성이 높고 내약품성 내연소성

난연성이 우수하고 절연성 및 비점착성과 저 마찰계수를

갖고 있으나 절연성이 높아 정전재해의 원인이 될 수 있

어 재해 방지를 위해 대전 방지 또는 저저항을 특징으로

하는 불소수지 가공품이 개발되어 사용범위가 넓어지고

있다

불소수지에 충전하여 저저항으로 하는 필러에는 일반적

으로 도전성이 높은 카본 금속 또는 산화알루미늄 등의

금속산화물이 사용된다 재료의 형상으로는 미분 탄소

스테인레스 스틸 니켈 금속분과 같은 입상물 단섬유 탄

소섬유 위스커(whisker) 등이 사용된다

- 미분은 비표면적이 크기 때문에 소량의 충전으로 저

항치를 내릴 수 있으나 약품의 침투가 있는 경우 비

표면적이 크기 때문에 약품의 영향을 받기 쉬워 내부

식성 떨어질 가능성이 크다

- 입자상물질들은 미분에 비해 비표면적이 작기 때문에

약품의 영향을 비교적 적게 받지만 저항치를 내리기

위해 충전량이 많게 되어 불소수지의 특징인 비점착

성과 저마찰계수 특성을 저해한다 섬유 위스커 형상

은 단방향에 대한 장방향의 비가 클수록 적은 충전량

32

으로 저항치를 낮출 수 있지만 분산이 나쁘면 요철이

발생한다 부식 방지 코팅에서는 충전제의 내약품성이

관건이다 즉 부식 환경에서 불소수지 자체는 충분히

견디어도 충전제가 내약품성이 없으면 충전제가 서서

히 에칭되어 기기가 부식될 가능성이 크다

화학 석유 및 정제 산업에서는 시험 검사 세척 및 다양

한 공정의 용기 저장 탱크 반응기와 같은 많은 구성요

소들이 사용되며 플루오르화 고분자는 고온에서 높은 열

안정성을 갖고 다양한 유기용매에 전혀 용해되지 않으므

로 부식방지 등을 위해 플루오르화 고분자와 같은 내화

학성 고분자로 코팅된다 그러나 이들 고분자는 코팅된

구성요소의 표면에 정전하 축적을 조장하기 때문에 폭발

성 환경에서는 사용할 수 없다

특히 이들 구성요소들의 금속 구조물은 용기나 탱크에

보관된 가스 증기 분진의 이동에 의해 생성된 정전하

(electrostatic charge)를 흐르게 하는 전도경로가 되나 금

속표면을 강산 강알칼리나 유기용제에 의해 침투되는 방

지하기 위한 목적으로 부식방지 테플론으로 코팅될 경우

얇은 필름의 비-전도체로 작용하므로 폭발성 환경에서

사용을 규제하고 있다

33

- 예로 유럽 표준 EN 50014 section 732에서는 정전

하로 인한 발화 위험을 피하기 위해 사용 보수 및 세

척 조건 하에 설계된 울(enclosure)이 필요하고 울의

절연저항은 1GΩ을 초과할 수 없도록 규제하고 있고

일본은 후생노동성 관할 산업안전연구소의 정전기 안

전지침의 누설 저항치는 108Ω 이하로 되어 있다

- 따라서 부식 및 폭발성 환경에서 안전하고 다양한 구

성 요소에 적용할 수 있는 정전방지 비-발화 테플론

코팅기술을 요하며 정전방지 코팅은 표면저항을 낮추

기 위해 카본블랙이나 개질 전도성 탄소 금속이나 전

도성 고분자를 테플론에 충전하여 코팅한다

폭발성 환경용 내화학약품 특성과 대전방지 비발화

코팅 조성물로는 높은 비저항을 갖는 플루오르 고분자

50-90wt 10-50wt의 전도성물질인 탄소분(carbon

powder)으로 이루어진 Solex Robotics Systems Inc

특허가 있다13)

- 폭발환경에서 사용되는 이상적인 코팅은 정전하를 피

하기 위해 낮은 비저항을 가져야 한다 완벽한 전도체

는 비저항이 영(0)이고 완벽한 절연체는 무한 비저항

34

을 갖는다 금속(구리 금 같은) 합금(망가닌 Mn-Ni-

Cu 니크롬 Ni-Cr-Fe) 반도체(카본이나 게르마늄)는

낮은 비저항을 갖고 있어 좋은 도체이다

- 수많은 고분자 기초 코팅들이 부식화학 환경에 사용

되었으나 85GΩ 이상의 비저항으로 대전방지 시험에

서 실패하였다 정전기 도체로 인증기준 아래 적합하

기 위해서는 100cm2이상의 노출 표면이 1GΩ 이하의

비저항이어야 한다 코팅에 첨가된 탄소분은 전도도를

증가시키며 10-50의 함량은 1GΩ 이하의 비저항을

만족시킨다

비전도성 표면의 표면저항을 감소시키도록 카본이나 금

속을 사용하여 대전방지를 부여하는 공정의 단점으로는

카본이나 금속의 접착력이 낮아 입자의 마모가 일어나

장기간 사용 시 대전방지 수준이 감소하는 것이다 더욱

클린룸에서 입자의 방출은 심각한 문제가 된다 대부분의

비전도성 기질은 통상 23 상대습도 50에서 표면 비

저항이 109ohmsquare 이상으로 높고 PTFE 경우는 10

12

ohmsquare이상이다14)

반도체 제조 장치에서는 웨이퍼 기판을 안착하기 위해

작업 스테이지를 사용하며 작업스테이지는 통상 금속과

35

세라믹으로 제작되나 웨이퍼기판을 작업스테이지에 올려

놓을 때 작업스테이지와 웨이퍼기판 사이에 마찰 정전기

가 발생한다 FPD(flat panel diplay 평판표시)용 디스펜

서(dispenser)에 사용되는 작업스테이지는 진공방식으로

디스플레이 기판을 흡착 고정하며 흡착 고정되었던 디스

플레이 기판이 작업스테이지에서 박리될 때 작업스테이

지에 정전기가 발생하여 디스플레이 기판에 대전된다 최

근 디스플레이 기판이 대형화됨에 따라 대전량이 증가되

고 정전기 대전문제가 더욱 심각해지고 있다 웨이퍼기판

이나 디스플레이기판에는 반도체소자 등 다수의 전자부

품들이 배치되어 있기 때문에 정전기가 발생되면 전자부

품의 신뢰성에 치명적 손상을 주고 기판에 분진이 부착

되거나 정전기의 대전으로 기판 리프트 업(lift up)시 기

판이 깨어지는 문제가 발생한다 정전기 대전을 방지하기

위해서는 작업스테이지에 이오나이저를 설치하여 중화하

기도하나 리프트 업이 불가능하거나 이온풍이 도달하기

전 방전하는 등 작업 스테이지와 기판 사이에서 발생한

정전기가 순간적으로 일으키는 박리대전 문제를 해결하

기 어려워 작업 스테이지의 정전기 방지를 위해 불소수

지로 코팅한다

- 불소수지는 다른 물질과의 흡착에너지가 작고 비점착

성이 우수하며 마찰계수가 작아 유리기판과의 상관관

36

계가 작아져 박리에 의한 정전기의 발생량이 적어지

나 불소수지는 절연성을 가지므로 테프론 코팅에서는

카본 블랙이나 전도성 고분자 등을 필러로 사용한다

대전방지가 필요한 반도체 제조장비 디스플레이 장치 및

테스트 장치 등의 작업 스테이지를 테프론 코팅함으로써

작업 스테이지의 정전기 발생을 방지하는 방법의 단점의

하나는 제작비용이 상대적으로 많이 드는 것으로 디스펜

서의 경우 디스플레이 기판이 대형화됨에 따라 작업 스

테이지의 크기가 커져 제작비용이 증가한다 또한 불소수

지의 경도가 낮아 코팅 막에 스크래치가 발생하고 이 부

분은 평탄도 유지가 어려우며 입자들이 발생하는 요인으

로 작용하며 불소수지가 절연성이므로 카본블랙이나 전

도성 고분자 등의 도전성 필러를 충전하여 대전방지에

적합한 면-저항을 갖도록 할 경우 카본블랙은 구형으로

분진이 발생하는 문제점이 있고 전도성 고분자를 사용할

경우는 내용제성이 약하고 과량의 바인더를 사용하여야

하며 박막 형성이 어렵고 불소수지의 경도를 보완하기

위해 아노다이징 처리를 하는 경우는 이후 별도의 코팅

과정을 거쳐야 하므로 제작비용과 제작시간이 증가하는

등 여러 가지 단점들이 있다 이러한 문제점들을 해결하

기 위한 방법으로는 작업 스테이지와 기판이 만나는 면

에 정전기 발생을 최소화시킴과 동시에 그 제조비용이

37

절감되고 적절한 면-저항을 조절할 수 있으며 마찰계수

가 낮고 내마모성이 향상된 작업스테이지 표면의 대전방

지 처리 방법에 관한 국내의 탑나노시스 사의 특허15)가

있다

- 탑나노시스 사의 특허 목적은 작업스테이지의 기판과

만나는 면에 정전기의 발생을 최소화시킴과 동시에

그 제조비용이 저감되고 적절히 면-저항을 조절할 수

있으며 마찰계수가 낮고 내마모성이 향상된 스테이지

표면의 대전방지 처리 방법에 관한 것으로 이 특허에

서는 금속소재의 작업 스테이지 표면을 아노다이징

처리하여 복수의 산화표면 홀들을 형성시키고 여기에

탄소나노튜브를 삽입하고 경화하며 탄소나노튜브 경

화 후에 표면을 봉공 처리한다

- 작업스테이지 표면은 106-10

9Ωsq의 면-저항을 갖는

것이 바람직하며 산화표면 홀들은 직경 30-900nm 깊

이 100-900nm가 바람직하다 아노다이징 처리를 하는

금속소재는 Al Mg Zn Ti Ta(탄탈륨) Hf(하프늄)

Nb(니오븀) 등일 수 있고 이 발명에서는 가벼우며 일

정 강도를 갖고 가공성이 우수한 Al합금을 예로 들어

설명하고 있다

38

- 알루미늄소재 작업스테이지 표면에 산화피막(Al2O3)처

리를 하는 아노다이징(anodizing 양극산화)에서 전해

액은 수산화나트륨이나 수산과 황산 등이 사용될 수

있고 수산화나트륨의 농도(20-50) 공급전압 전류

및 시간 등을 조절하여 산화표면 홀의 크기(D)와 깊

이(L)를 조절하며 D와 L에 따라 대전방지 효과나 내

구성 및 표면경도를 조절한다

- 탄소나노튜브를 산화표면 홀 내에 삽입시키는 단계는

전해 흡착 하여 이루어질 수 있고 정전도장을 통해서

도 이루어질 수 있다 탄소나노튜브는 분산제를 포함

하는 용액으로 코팅되며 분산제로는 소듐 도데실설페

이트(SDS) 트리톤X Tween20(폴리옥시에틸렌 소르

비탄모노올레이트) CTAB(cetyl trimethyl ammonium

bromide)를 예로 들고 있으며 탄소나노튜브 용액은

아크릴계 우레탄계 등 또는 전도성 고분자계 유무기

하이브리드계 바인더가 포함될 수 있다

- 봉공처리는 산화표면 홀과 산화피막을 봉공하여 내식

성 등이 향상되도록 보호 층을 형성시키는 것으로 비

등수 가압증기에 의한 수화봉공 금속염을 포함한 열

수에 의한 금속염 봉공 오일로 도포나 침적하는 유기

물 봉공 양극산화 피막 층에 도장하는 도장에 의한

39

봉공 등이 있다

반도체 소자를 제조하는 과정에는 불순물 이온을

주입하는 장비가 이용되고 있다 (주)하이닉스 반도

체의 특허에서는 이온주입 장비의 웨이퍼 지지 장

치 리프트 핀의 끝단을 라운드 처리하고 리프트 핀

에 테플론을 코팅하여 리프트 핀과 웨이퍼 후면의

접촉 시 웨이퍼 후면에 스크래치와 같은 손상이 유

발되는 것을 억제할 수 있게 한다16)

⑷ 탄소나노튜브(CNTs Carbon Nano Tubes)17)

탄소나노튜브는 탄소의 동소체로 1991년 일본 NEC 연구

소의 Ijima박사에 의해 전자 현미경을 통해 처음으로 확

인되었다 1985년에 Kroto와 Smalley가 탄소의 동소체인

풀러렌(탄소 원자 60개가 모인 것C60)을 처음으로 발

견한 이후 전기방전 시 흑연 음극 상에 형성된 탄소덩어

리를 투과전자현미경으로 분석하는 과정에서 발견하여

Nature학술지에 처음으로 발표되었다18) 탄소나노튜브에

서 탄소원자 하나는 주위의 다른 탄소원자 3개와 sp2결

합을 하여 육각형 벌집무늬를 형성하며 이 튜브의 직경

이 대략 수 나노미터(nm nanometer) 정도로 극히 작기

40

때문에 나노튜브라고 부르게 되었다 이 탄소나노튜브는

전기 세기가 클수록 더 수축하는 성질을 가지고 있는 등

튜브의 직경이 nm수준으로 극히 작아서 특유의 전기화

학적 특성을 나타낸다

Ku 등19)에 의하면 CNTs는 전기방사법(arc-discharge)

레이저증발 법(laser vaporization) 플라즈마 화학기상증

착 법(plasma enhanced chemical vapor deposition) 열

화학 기상증착 법(thermal chemical vapor deposition) 등

의 다양한 합성법이 개발되어 대량생산이 가능하다

CNTs의 종류는 벽의 수에 따라 단일 벽 탄소나노튜브

(SWNTs) 이중 벽 탄소나노튜브(DWNTs) 다중벽 탄소

나노튜브(MWNTs)가 있으며 물성에 관한 많은 연구결

과 기계적 전기적 열적으로 우수한 성능을 갖고 있음이

입증되었다

CNTs는 인장강도와 탄성률 면에서 지금까지 발견된 재

료 중 가장 강하고 질기며 다중벽 CNT는 63GPa에 이른

다 표준 단일 벽 CNT는 25GPa의 압력까지 변형 없이

지탱된다 그래핀의 대칭성과 특이한 전기적 구조 때문에

CNTs의 구조는 그것의 전기적 특성에 영향을 미쳐 금속

성이나 반도체의 특성을 나타내고 이론적으로 금속성

41

CNTs는 구리와 같은 금속의 1000배가 큰 4times109Acm

2

전류 밀도를 운반할 수 있으며 나노크기의 단면으로 전

자가 튜브의 축 방향으로만 전파되고 전자의 이동은 양

자효과를 수반하여 1차원 전도체로 간주된다

CNTs는 우수한 물성과 상대적으로 큰 표면적으로 갖고

있어 충전제(filler)로써 에폭시 폴리스틸렌 폴리우레탄

등 고분자와 혼합하여 폴리머의 기계적 전기적 특성을

향상시키려는 연구가 활발하다 CNTs가 폴리머 중에서

충전제 역할을 하기 위해서는 고른 분산이 필요하나 반

데르발스 힘에 의한 CNTs 응집현상(agglomeration)으로

인해 효과적인 분산이 어려워 오히려 폴리머의 물성을

저해하므로 이것을 개선하기 위한 다양한 기계적 화학적

분산 방법이 연구되고 있다

- CNTs를 분산시키기 위한 가장 일반적인 방법은 용매

나 폴리머에 CNTs를 투입하고 초음파처리를 하는 것

으로 초음파처리를 하면 SWNTs의 길이가 짧아지고

다발(bundle)이 얇아져 분산력이 증가한다

- CNTs 표면을 산이나 아민으로 기능화하여 분산을 높

이는 방법도 연구되고 있으며 MWNTs를 HNO3

H2O2NH4OH 용액에 침지시켜 MWNTs에폭시 복합

42

재료는 전기적 특성을 향상시키려는 연구와 산과 아

민 등의 기능기를 도입하여 SWNTs의 열전도도를 향

상시키려는 연구들이 수행되고 있다

- 기계적 분산방법인 전단혼합방법은 좁은 관이나 상대

적으로 높은 속도의 유동을 이용하여 발생한 전단력

으로 CNTs를 분산시키는 방법이다 Ku 등19)은 전단

혼합과 초음파처리를 이용하여 MWNTs로 강화된

에폭시 복합재료를 만들어 기계적 및 열적 특성을 연

구하였다

⑸ 내마모성 테프론 코팅

ㅇ 재료의 부식은 구조재에 원하지 않은 변화 원인으로 작

용하여 경제적인 문제로 귀결되는 심각한 문제이다 이들

원치 않는 변화는 때로 적절한 코팅에 의한 표면처리로

예방할 수 있다 가장 일반적이고 자주 사용되는 전착 코

팅은 아연에 기초한 아연 코팅 및 합금 코팅으로 이들

코팅은 간단한 기술로써 내부식성이 양호하여 전 표면처

리의 약 14에 해당하나 최근 낮은 마찰계수 등 다른 특

성들이 매우 중요하게 되었다 이들 특성은 다층 코팅으

로 대응할 수 있으나 두께가 증가하고 기술이 복잡하여

가능한 해결방법으로는 복합체 코팅이 있다 복합체 코팅

43

은 일반기계와 자동차 전자부품 및 컴퓨터 등 다양한 분

야에 적용된다 금속 기질에 미세한 PTFE 입자의 전착

에 의한 증착은 새로운 세대의 복합체 코팅으로써 가장

바람직한 특성은 양호한 내마모성 자기윤활 내부식성이

다 M Paderovaacute 등20)에 의하면 이들 특성은 주로 사용

한 입자(흑연 다이아몬드 MoS2 또는 PTFE)와 용액의

유형(pH 온도 bath 등) 뿐 아니라 입자의 크기 농도

분산 및 형태학에 의존한다

ㅇ 충전되지 않은 PTFE의 마모율은 736-741times10-4mm3Nm

로 내마모성이 낮아 다양한 충전제들이 첨가되고 있다

Xing-Dong Yuan 등21)은 진공 조건에서 PTFE 코팅

의 마모특성을 연구하여 초기에는 하중이 증가함에 따

라 마찰계수가 감소하나 하중이 6N 이상으로 커지면

마찰계수도 증가하며 압력이 PTFE 코팅의 마찰계수

에 미치는 영향이 거의 없고 마모는 압력이 증가하면

초기에는 감소하나 10Pa 보다 높으면 급격히 증가한

다고 보고하였다

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위해서는 윤활제로 PTFE

계 수지 접착제로는 폴리아미드이미드수지 산화철 분말

44

및 브론즈 분말 등을 혼합한 조성물을 사용하거나 미국

특허에서는 스와시플레이트 형 압축기의 플레이트 표면

에 MoS2 흑연 PTFE계 윤활제와 열경화성 수지인 폴리

아미드이미드(PAI) 조성물을 코팅하여 내마모 및 윤활성

을 부여하고 있다22) 내열성 향상을 위해서는 고체윤활

제 접착제수지 및 저융점 금속인 Sn Pb In Bi 등을 함

유하는 합금이나 화합물을 사용하여 금속의 잠열을 이용

내열성 향상을 시도하기도 한다

ㅇ 그간 철강(스테인리스강 탄소강 아연도금강판 등)의 내

부식성 향상을 위한 많은 연구들이 수행되어 왔다 4플루

오르에틸렌(C2H4) 4플루오르에탄(CF4) 6플루오르에탄

(C2F6) 3플루오르화에탄(CHF3) 8플루오르화에탄(C4F8)

같은 불소화된 단량체의 플라즈마 중합에 의한 테플론

류 코팅은 그들의 소수성으로 인해 금속의 내부식성 향

상을 위한 대안으로 주목을 받고 있다 A Delimi 등23)

은 유도결합 고주파플라즈마(inductively coupled radio

fre- quency plasma)를 사용하여 소수성 박막 불소수지

필름을 탄소강에 증착하고 3염수에서 내부식성을 평가

한 결과 1개월 동안 9nm의 필름이 유지되는 것을 관찰

하여 불소고분자 박막이 금속과 금속산화물의 보호층이

될 수 있음을 보고하였다

45

ㅇ PTFE를 이용한 세라믹코팅 기술로는 알루미늄 및 알루

미늄 합금 공작물을 양극처리에 의해서 티타늄 및또는

지르코늄 산화물을 포함하는 내식성 내열성 및 내마모

성 세라믹 코팅을 하고 이어서 양극처리된 공작물을

PTFE 또는 실리콘 함유 코팅과 같은 제 2 코팅으로 코

팅한다 이 발명은 가소성을 가지는 경질의 필름 내에서

내식성 내열성 및 내마모성을 제공하는 티타늄 및또는

지르코늄 산화물의 양극처리 층으로 기판을 예비-코팅함

으로써 알루미늄 기판에 보다 긴 수명의 코팅을 형성하

는데 특히 유용하다24)

ㅇ Nosaka 등25)은 PTFE로 대표되는 불소수지는 마모-링이

나 극저온 밸브의 실링부에 많이 사용되며 진공치환법에

의해 탄소재료에 PTFE나 MoS2 분말을 1-2wt 함침시

키면 무함침한 것에 비해 마모가 약 13로 감소한다고

보고하였다 한편 저자들은 터보펌프의 실링재료가 극저

온 환경에서 보이는 특이한 현상을 극복하기 위해 베어

링의 표면에 노출된 유리섬유를 불소산으로 처리하여 용

해 제거하고 윤활성을 높인 유리섬유강화 테프론 리테이

너를 개발하여 내구성과 윤활성을 향상시킬 수 있었다고

보고하고 있다

46

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위한 또 다른 특허로는

폴리실록산계 접착제를 단독 혹은 폴리에스테르계 접착

제와 병용하고 고체 윤활제로 MoS2(이황화몰리브덴

WS2(이황화텅스텐) h-BN(육방정 질화붕소) 팽창흑연

및 PTFE를 사용하고 충전제로 탄화규소 알루미나 산화

지르콘 산화티탄 등의 미분말을 사용하여 내마모 내열

및 윤활성을 부여하고자 하는 내마모성 및 윤활성 코팅

조성물에 관한 특허가 있다26)

ㅇ 내열성 내후성 내오염성 내약품성 내구성 등의 물성

은 유지하면서 비점착성을 높이기 위해 무기계 세라믹

코팅 조성물에 PTFE를 첨가하기도 한다 이러한 하이

브리드 코팅 조성물에 관한 특허로는 불소수지(01sim25

중량) 콜로이달 실리카나 콜로이달 알루미나 등 무

기계고분자 바인더(20sim80중량) 알콕시실란 화합물

(1sim50중량) 수용성 유기용제(1sim10중량) 충전제

또는 안료(5sim50중량) 및 물(100중량 까지 보충)로

이루어진 코팅 조성물에 관한 것으로 무기질 도료 및

무기계 세라믹 코팅에 의해 내열성 내오염성 내약품

성과 내구성을 유지하고 접착력을 높이기 위해 소량의

PTFE를 사용하는 것이 있다27)

47

ㅇ 정전 복사기에 사용되는 정착기재부의 최외층에 코팅하

여 기계적 성질 및 내마모성을 향상시키려는 목적으로

불소수지 기질 중에 분산된 불소화 다이아몬드를 함유하

는 입자로 구성된 조성물에 관한 일본 특허28)가 있다

ㅇ 부식 특성을 개선한 흑색 무크롬(chrome-free) 다층 내

부식 마무리 칠과 방법에 관한 특허29)로는 ASTM B 117

표준으로 시험할 때 백색 부식에는 최소 500시간 염수분

무시간 및 적색 부식에는 1500시간 염수분무시간에 적합

하게 설계된 마무리 칠에 관한 것이 있다 이 다층 시스

템은 광택(gloss) 4 이상을 만족하는 자동차 차체 강판

자동차 하부와 내장에 사용되기 위해 설계된 것으로 이

다층 마무리 칠은 3층 부식 방지 시스템을 형성하도록

아연-철 전기도금 기질 오르토인산을 사용한 무전해 인

산염 결정 전환 층과 XylanTeflon 실러 코팅의 조합이

다

ㅇ 전통적으로 철 강판(steel sheet)은 크롬산 염 전환 코팅

으로 개질되어 왔으나 6가 크롬이 배출되어 환경을 오염

시키는 문제점이 있어 강판의 내-부식성을 개선하기 위

해 고분자 수지 코팅들이 수행되고 있으나 이 방법은 고

48

분자 코팅 층이 열전도도를 감소시키는 단점을 가지고

있다 Kang 등30)은 강판 위의 고분자 코팅 층의 열전도

도를 향상시키기 위해 초미세-크기 다이몬드(μD)입자를

열전도 물질로 사용하였다 다양한 음이온 및 비-이온

계면활성제들을 사용하여 수용액 중에서 무거운 μD입자

의 안정화를 시험들을 한 결과 1-피렌카르복시산(PCA)

이 가장 양호하였다 그림 3-2는 이 시험 결과를 요약한

것이다

- 강판 위에 PCA로 안정화 된 μD 입자를 함유한 폴리

우레탄-기초 코팅 층은 열전도도가 0351W(mK)에서

0434 W(mK)(10 wtμD)로 향상되었으며 더욱 144

시간 동안 염수 분무 시험결과 부식거동은 관찰되지

않았다

그림 3-2 피렌카르복시산을 이용한 μD 표면처리

ㅇ 자동차공업에서는 기본적인 특성으로 내마모성이 요구되

49

는 강철 기계부품들의 마찰특성을 향상시키기 위해 다양

한 금속 및 고분자 코팅들이 광범하게 이용된다 내-마

모 코팅은 두 가지 주요 특성인 높은 표면경도와 자기-

윤활 특성이 필요하다 후자의 범주에 속하는 것이

PTFE와 MoS2 기초 코팅이다 무전해 니켈 코팅은 높은

경도로 인해 양호한 마찰 특성을 보이며 한편 열처리를

통해 경도를 향상시킬 수 있다 PTFE입자의 첨가는 코

팅경도를 감소시키나 자기-윤활특성을 부여한다 S

Rossi 등3132)은 마찰특성을 향상시키기 위해 이용되는 탄

소강에 이용되는 몇 가지 공업적인 코팅에 관한 부식거

동에 관해 평가 PTFE입자를 함유한 무전해 니켈-인

(Electroless Nickel-Phophorus)코팅은 PTFE 입자(자기-

윤활 특성)를 갖는 외층과 장벽-효과를 갖는 내층으로

인한 이중 특성으로 가장 양호한 특성을 보였다고 보고

하고 있다

ㅇ 모든 기계적 시스템은 동적 요소를 필요로 하며 마찰과

마모를 줄이기 위한 다양한 수단들이 가능하나 그 선택

은 환경이나 조작 조건에 제한을 받는다 PTFE는 자기

윤활 낮은 마찰계수 높은 열안정성과 화학약품 안정성

으로 산업분야에 널리 사용되는 엔지니어링 고분자이지

만 내마모성이 매우 부족하다 이러한 이유로 금속

-PTFE충전 복합체들이 PTFE의 마찰특성과 금속충전제

50

의 내마모성을 결합하여 특정 분야의 용도로 소개되어

왔으나 금속-고분자 물질에서의 충전제의 역할은 완전히

설명되지 않고 있다 복합체 표면의 과잉의 충전제 농도

는 미끄러지는 동안 부하를 지지하여 내마모성을 증가시

키는 것으로 생각되며 PTFE의 마모율은 Mo Zn Ni

Y2O3 및 SiO2 같은 무기 충전제에 의해 1000배가량 감소

되었다는 보고도 있다 유리섬유 구리 세라믹 탄소섬유

절단 탄소섬유 나노입자를 포함한 경질의 충전제 입자들

이 PTFE의 내마모성을 높이기 사용되어 왔다

ㅇ 비교적 두꺼운 코팅에는 열분사(thermal spray) 용사기

술이 정립되어 있고 용사 코팅은 내마모 내마찰 내프레

팅(fretting) 및 내부식을 요하는 산업에 많이 이용되고

있다

- 용사 몰리브덴(Mo)코팅은 실질적 내마모성 코팅으로

가장 광범하게 이용되며 프레임용사(flame spray)거나

와이어용사(wire spray)기술로 생산된 몰리브덴(Mo)

코팅은 흠이나 마모에 대한 고도의 저항을 얻기 위한

가장 좋은 코팅재료 중의 하나이다

- 알루미늄 청동(aluminium bronze)은 높은 내-부식성

과 내마모성을 갖는 것이 특징이다 저압 플라즈마 용

51

사 기술은 자기-아닐링(self-anealing)과 부서지기 쉽

도록 유도하는 γ-상의 형성을 피할 수 있도록 높은

냉각 속도를 얻는 데 사용되며 알루미늄 청동 저압

플라즈마 용사 코팅은 낮은 마찰과 마모를 보였고 비

교적 최근 플라즈마 용사 기술을 이용하여 알루미늄

기질에 고분자-세라믹 복합체를 코팅하는 기술이 개

발되었다33)복합체 코팅으로 행한 마찰 시험에서 낮

은 마찰계수를 얻을 수 있었다

- 낮은 마찰계수와 고 내마모성을 갖는 이성분 금속

-PTFE 코팅이 개발되었고 이들의 마찰 공학적 성능

이 보고되었다 PTFE-기초 복합체 설계에서 일반적

인 접근방법은 경질의 충전 입자들을 도입하는 것으

로 M Yamane 등34)은 PTFE-금속 이성분 코팅의 마

찰 마모성능에 관한 연구 결과 알루미늄 청동 코팅이

Mo코팅에 비해 PTFE 저장소(reservoir)에 유용했음

을 보고하였다

⑹ 충전 또는 강화 플루오르화 탄소1)

ㅇ 분말이나 강화섬유 등 전형적인 충전재들이 충전 또는

강화 플루오르화 탄소에 사용된다 충전재는 저온흐름

52

을 향상시키는 데 사용되며 수축과 균열을 줄이고 열

팽창을 낮추며 열전도율을 향상시킨다

ㅇ 분말이나 단섬유로 된 전형적인 충전제를 표 3-5에 종합

하였다 유리섬유는 가장 보편적인 PTFE 충전제로 화

학 및 전기적 특성에 최소로 영향을 미치며 기계적 특

성을 크게 향상시킨다 분말에 비해 섬유는 압축강도

강성도 및 지지용량을 더욱 향상시키나 분말은 충전

테플론의 내구성에 거의 영향을 미치지 않는다 금속분

말은 특히 열전도도를 향상시키며 고속에서 발생하는 마

찰열을 소멸하는데 도움이 되며 전기저항을 상당히 감소

시켜 금속-충전 조성물은 양호한 절연체는 아니다

ㅇ 흑연(graphite) MoS2는 초기 내구성과 마찰을 개선하고

기계적 특성을 향상시킨다 석면은 많은 유용한 특성을

갖지만 가공 처리 중 가스가 방출할 뿐 아니라 사용금지

물질이다 표 3-5 외에도 금속 망 장섬유 다공성 금속

등 다양한 충전제들이 있으며 다양한 종류의 제품들이

상업 생산되고 있어 최종 선정을 하기 전에 플라스틱 가

공업자로부터 보다 완전한 정보와 추천을 받는 것이 바

람직하다

53

표 3-5 불소수지용 충전제

ㅇ 압축강력 인장과 압축 시의 탄성률 및 항복강력은 첨가

제의 첨가에 의해 모두 증가하나 일반으로 인장강력과

신도 및 충격강도는 손실된다 통상 충전 테플론은 압축

상태에서 사용되므로 인장강력의 감소는 중요하지 않다

인장강력의 손실은 설치(연속적인 링-실링)할 때 인장되

는 재료에서 중요하다 열팽창 계수는 비-충전 테플론에

비해 감소되어 통상 금속 부품의 팽창계수와 잘 맞는다

ㅇ 마찰과 마모를 수반하는 분야에서 가장 중요한 것은 충

전제로 얻어지는 PV한계치의 증가와 마모의 감소다 비-

54

충전 테플론에 비해 PV한계치 크기는 개략적으로 1차원

적으로 증가하나 마모인자는 3차원적으로 감소한다 충전

테플론의 평균치들은 동적 마찰계수는 01-02 PV한계치

는 10000-20000 psi-fpm 마모상수는 10times10-10in3-min

lb-ft-hr이다 그림 3-3은 충전 테플론 PTFE의 마찰계

수에 미치는 충전제 종류와 농도의 효과에 관한 것이다

그림 3-3 테플론 PTFE에 미치는 충전제 종류와 농도1)

ㅇ 내마모성을 향상시키는 충전제는 실제로 연마저항성을

감소시키는 것으로 날카로운 입자는 보다 쉽게 침투하고

충전제 입자와 수지 사이의 경계를 따라 충전 플라스틱

을 찢는다 따라서 라이닝 슈트 같은 분야의 적용 시는

55

비-충전테플론이 보다 바람직하다

⑺ 시트 테이프 및 박층(laminates)

ㅇ 대부분의 플루오르화탄소는 충전 여부에 관계없이 두

께 1mil(0001 in)까지 시트나 테이프로 만들 수 있고

시트나 테이프를 찍어서 원하는 형상의 립-씰(lip seal)

펌프 컵(pump cup) 피스톤 링(piston rings) 가스켓

(gaskets) 등을 만들 수 있다

ㅇ 유체의 누설을 정지시키는 밀봉기능 부품 중 각종기기의

접합부나 배관 플랜지 등의 밀봉에 사용되는 가스켓

(gaskets)은 석면이 널리 사용되어 왔으나 유해물질 배

출 및 이동량 보고제도(PRTR Pollutant Release and

Transfer Register)에서 발암성을 가진 제1종 지정 화학

물질로 지정되어 사용이 금지되어 PTFE가 가스켓으로

개발되었다 PTFE는 용융 알칼리 금속 및 그 용액과 불

소 및 3불화염소에 의해 약간 침식되나 모든 화학약품에

안정하고 우수한 내부식 재료로 C-F결합력이 크고 F원

자가 C-C결합의 주위를 간격 없이 들러 싸고 있기 때문

에 다른 물질의 공격을 방어하고 있고 내열성은 260로

높다35)

56

- PTFE 필러를 사용한 PTFE 나선 권형 가스켓은 석

면에 대한 사용규제와 상관없이 사용되어 왔으며 유

연한 필러를 사용하므로 석면 가스켓 보다 낮은 체결

압력에서도 실 특성이 우수하고 내식 면에서도 광범

하고 다양한 유체에 사용이 가능하다 다만 단열성 면

에서는 석면 나선 권형 가스켓 보다 사용온도 범위가

제한된다

ㅇ 산업 기계나 자동차의 브레이크 제동장치에 부착하여 마

찰력을 부가하는 브레이크 라이닝에서는 마찰계수와 내

마모력 및 충격계수 등 마찰특성이 우수한 석면을 주로

사용하여 왔으나 제동 시 발생하는 미세 석면분진으로

인해 대기오염에 의한 환경을 파괴 뿐 아니라 인체에 흡

입될 경우 암을 유발하여 PRTR로 사용이 금지되었다

석면을 대체할 유기질 또는 무기질 된 다양한 비석면 마

찰 섬유 등이 사용되고 있으며 마찰 섬유에 테프론을 코

팅하여 브레이크라이닝의 수명향상 제동 시 발생하는 소

음 떨림 및 제동력 향상을 위한 제품개발이 시도되고

있다

- 예로 국내 특허36)에서는 브레이크 라이닝(또는 패드)

의 마찰재 배합재료 중 유기섬유(Kevlar섬유 pulp섬

57

유 등)에 테프론을 코팅하고 코팅된 유기섬유에 결합

재 충전재 윤활재 마찰안정재 마찰조정재 등을 소정

의 배합비로 배합하여 성형하고 열처리하여 브레이크

패드 또는 라이닝을 제조한다

ㅇ 초소형 정밀기계(MEMS Micro-Electromechanical

System)분야에서는 점착방지를 위해 불화 유기박막을

사용한다 Park 등37)은 단층 두께의 불화 유기박막의

특성을 접촉각 측정을 통해 분석하였다

⑻ DLC 코팅3839)

ㅇ DLC(diamond-like carbon)는 몇 가지 다이아몬드의 전

형적인 특성을 나타내는 비정질 탄소물질로 극도의 내마

모 특성을 필요로 하는 재료의 코팅에 이용되고 있다

DLC코팅은 연마 마모를 감소시키기 위한 재료에 유용하

여 엔드밀 드릴비트 금형 같은 공구는 물론 자동차 기

계부품 및 전자산업 등 산업전반에 걸쳐 적용된다40)

ㅇ 환경오염 문제로 인해 PRTR(Pollutant Release and

Transfer Register 유해물질 배출 및 이동량 보고 제

도) 이 시행되어 습동 부품이나 절삭 시에 사용되는 오

일이나 그리스에 포함되는 첨가제(MoS2 Zn 등)와 이들

58

부품을 세정할 때 사용되는 용매 기계부품의 수명을 연

장시키기 위해 활용되었던 Cr도금 폐액에서 발생하는 6

가 크롬 등의 오염물질들에 대한 규제가 더욱 강화되어

DLC에 의한 무윤활 습동과 무윤활 절삭을 지향한 공구

와 기계 부품의 개발이 관심을 끌고 있다4142)

- 일본 내에서는 PRTR이 시행되고 이것에 저촉되는 재

료에 관해서는 MSDS(Material Safety Data Sheet)를

첨부해야할 의무가 있고 부품가공 습동 용도에서는

대상 리스트에 올라 있는 오일 오일 중의 중금속 도

금폐액을 어떻게 경제성 있는 환경 친화적 공정과 재

료로 전환할 것인가를 고려하면서 무윤활 습동 무윤

활 절삭 탈크롬 도금의 3가지 키워드가 대두되고

DLC코팅이 대안으로 모색되고 있다

- DLC코팅 적용기술과 과제에 관한 자료로는 자동차

관련부품 적용사례 엔진부위 마찰 작동 밸브계의 마

찰저감 DLC와 윤활제에 의한 마찰저감 기술을 중심

으로 살펴본 보고가 있다43)

ㅇ DLC는 7가지 형태가 존재하며 모두 상당한 양의 sp3혼

성궤도 탄소원자를 함유한다 다양한 형태의 DLC가 진

공 환경으로 적합한 재료들에 적용가능하며 유럽에서의

59

2006년 위탁 DLC코팅 시장은 3천만euro로 추정되었고 국

내도 활발한 상용화가 시도되고 있다

ㅇ 사반면상(tetahedral) 비정질 탄소 ta-C를 2두께로 코

팅하면 연마마모에 대한 스테인레스 강(304 type)의 내구

성을 증가시켜 수명을 1주일에서 85년으로 늘이며 이러

한 DLC의 형태는 sp3결합 탄소 원자로만 이루어지기 때

문에 순수한 DLC로 간주되며 수소 sp2흑연 탄소 금속

같은 충전제가 생산경비를 낮추거나 원하는 특성을 부여

하기 위하여 사용되고 있다

ㅇ DLC를 만드는 방법에는 sp3탄소 보다 낮은 밀도의 sp

2

에 의존하는 몇 가지 방법들이 있으며 압력 충격 촉매

또는 이들의 조합으로 sp2결합탄소 원자들을 sp3결합탄소

로 근접시킨다 최근 초고압 하에서 탄소의 경량 특성을

갖는 초경도 무정형 다이아몬드가 만들어졌다 탄소로 만

들어지는 다이아몬드 그래파이트는 결정구조를 가지나

DLC는 비정질이라는 점에서 크게 다르고 200 정도의

저온에서 형성시킬 수 있다는 점이 통상의 PVD막에 비

해 훨씬 우위에 있다

ㅇ DLC코팅은 제조공정이 복잡하고 생산 단가가 비싸 적용

이 어려우며 적용되는 소재가 제한되는 단점을 갖는다

60

주요제법으로는 고주파 플라즈마 법 이온화 증착법 스

페터링법 등을 들수 있다 고주파 플라즈마 법은 메탄가

스가 원료로 사용되고 막 중의 수소가 약 30(원자)로

평활성이 우수하고 마찰계수가 작으나 경도가 낮다 이

온화 증착법은 벤젠을 사용하며 막은 단단하나 면의 조

도가 거칠고 후막화 하기 위해 스패터링 방법이 검토되

고 있다

⑼ 불소수지의 안전성

ㅇ 테플론 PTFE의 열분해는 200(392)에서 감지되며 이

것은 몇 가지 플루오르화 탄소 기체들과 승화물질을 방

출한다4445)1955년 동물실험에 관한 한 연구에서는 이들

물질이 250(482) 이하에서는 의미 있는 양이 아니라

고 결론지었으나 최근 비-점착 주방기구인 프라이팬이

나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가열할 때 조류를

죽일 수 있는 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수

도 있다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있다45)

ㅇ 표 3-6은 EWG가 보고한 3-5분 내에 370까지 불소수

지를 가열할 때 발생되는 15종의 불소화합물에 관한 것

이다 테플론과 같은 코팅물질들이 장기적으로 인체에 미

61

치는 영향에 관한 연구는 이루어지지 않고 있으나 독감

과 유사한 질병을 유발할 수 있으며 이를 중합체 증기열

(polymer fume fever)이라 한다

표 3-6 15종의 유해물질 및 유독성 기체44)

ㅇ 최근 표 3-6의 화합물들 중 특히 TFA와 과불화된

(perfluorinated) PFOA(perfluorooctanoic acid)에 관심이

증가되고 있다 PFOA는 새로운 환경오염물질로 미국 환

경보호청(EPA)에 의하면 보통 때는 문제가 없으나 조리

과정에서 프라이팬에 열을 가하고 강하게 긁을 경우 용

62

출되어 나오며 이것이 음식물과 함께 인체에 흡수되는

것으로 추정하였다 한편 DuPont의 테플론 PTFE 연구

결과에 의하면 검출한계인 9ppb 이상 검출되지 않으며

테플론 주방기구에서는 PFOA가 존재하지 않는다고 발

표하고 있다

- 물이나 공기를 통해 환경에 노출된 PFOA는 고 콜레

스테롤 궤양성 대장염 갑상선 질환 고환암 신장암

및 임신성 고혈압과 관련된다고 보고되었다

- PFOA는 불소수지 생산과정에서 사용되는 첨가물로써

암모늄 형태로 PTFE 유화중합에 계면활성제로 사용

되며 불소수지의 품질과 균일성을 유지하기 위해 필

수적인 첨가물이기 때문에 전 세계 모든 불소수지 제

조업체가 사용 중에 있다 한편 국내 주력 산업인 반

도체 생산 과정에서도 PFOA를 대량으로 사용하고 있

어 체계적인 실태조사와 대책수립이 필요하다는 의견

들이 대두되고 있다

⑽ 불소화합물의 안전성과 환경대책

ㅇ 표 3-6에서 살펴본 바와 같이 테플론을 급격히 고온으로

가열하면 2종의 발암물질을 포함한 유독성 가스가 발생

63

하고 특히 불소화합물 중 MFA(monofluoroacetic acid)는

적은 양으로도 치명적 해를 끼치고 PEIF(perfluoro-

isobutene)는 신경가스제로 여러 가지 질환을 발생시킨다

한다44)

따라서 테플론으로 코팅된 장치를 재 코팅하기

위해 테프론을 고온으로 급격히 가열하거나 소각 등을

통해 제거할 때는 발생 가능성이 있는 유독가스를 제거

하기 위한 별도의 설비를 이용하여야 하고 유 등44)의 보

고서에서와 같이 중조(NaHCO3)를 포화시킨 충분한 물로

유독 산성 물질을 중화시키는 것도 고려할 만하다 한편

부식대전 방지 코팅도 테플론 코팅 일변도에서 세라믹

코팅 CNTs이나 DLC 코팅기술로 대응하는 것을 추천하

고 싶으며 이것은 유해물질 배출 및 이동량 보고제도

(PRTR Pollutant Release and Transfer Register)에 대

비하는 등 기업의 장래를 고려하는 것도 될 것이다

ㅇ PTFE를 사용한 취사도구는 1960년대 이래 사용되어 오

고 있으나 최근 들어 이것의 안전성이 논쟁의 주제가 되

고 있으며 논의 주체는 PFOA(perfluorooctanoic acid)이

다 PFOA는 PTFE를 비롯한 많은 불소수지의 생산에

사용되며 DuPont의 테플론 PTFE 연구 결과에 의하면

프라이팬을 260 이상 고온에서 가열하거나 코팅이 벗

겨져도 PFOA가 존재하지 않는다고 한다 그러나 물이나

64

공기 토양 식품포장재 등 여러 곳에서 PFOA 오염사실

이 보고되고 있다 한다44)

- 미국 EPA는 인체와 환경에 대한 PFOA 연구를 계속

하고 있으며 2015년까지 PFOA 및 이와 관련된 화합

물 방출을 배제할 프로그램을 갖고 있으나 PTFE-기

초 비점착 취사기구를 중지시킬 타당성을 갖고 있지

는 않다 최종제품은 PFOA가 아닌 PTFE이기 때문이

다

- 수십 년 동안 불소수지 비점착 코팅이 시장을 지배하

였으나 최근 몇 가지 신기술들이 출현되고 있으며 이

들 대부분은 실리콘 세라믹과 실리콘 기술로 이들 코

팅은 PTFE와 PFOA를 함유하지 않는다

- 오늘날 출시된 비점착 취사용구는 수많은 상표로 팔

리고 있으며 DuPont에 의하면 대부분의 취사용구 코

팅은 정상적으로 사용할 때 3-5년 견딜 수 있을 것으

로 예측한다 너무 문질러서는 안 되고 따뜻한 비눗

물로 씻어주는 것이 좋으며 닳거나 흠이 생기지 않도

록 나무 플라스틱이나 코팅된 재료로 만든 도구를 선

택하고 보관도 흠이 생기지 않을 장소나 캐비닛을 권

장하고 있다

65

ㅇ 국내의 불소수지 안전성에 관한 것으로는 재질규격(납과

카드뮴)과 용출규격(납 과망간산칼륨소비량 증발잔류물)

이 식품용 기구 및 용기 포장 공전46)에 기재되어 있으며

최근 국내에서도 PFOA를 비롯한 유해 불소화합물에 관

한 관심이 커져 가고 있다

ㅇ PFOA 문제가 표면화 되면서 환경 보전형 불소계 발수

유제의 개발과 공업화도 새로이 부각되고 있다 이에 관

한 보고서를 모니터링한 KISTI자료47)를 중심으로 간단히

요약하면 발수제의 주요성분 퍼플루오로알킬기(Rf기)함

유 폴리머의 기능은 Rf기의 고리길이에 크게 의존하므로

PFOA문제 해법으로 탄소수 8 이상인 종래의 불소화학

에서 탈피 짧은 고리 Rf기(탄소수 6)를 가진 새로운 단

량체를 선택하여 발수제를 제조함으로써 환경 보전형 불

소계 발수유제를 개발하고 공업화하였다 한다

66

제 4 장

지원결과

1 지원결과 종합

테프론 코팅 기술의 문제점과 부식대전방지용 테플

론 코팅에 관한 정보 외에 신청기업의 요청에 따

라 C-나노튜브 코팅 및 DLC증착에 관련된 기술 정

보도 제공하였다

테플론은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat resistant)

비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coefficient of

friction) 내약품성(chemical resistance)과 특이한 전기적

특성(unique electrical properties) 및 온내구력(cryogenic

stability)으로 그 응용범위가 광범하며 용도에 따른 엄격

한 품질관리가 요구될 것으로 생각되어 중소기업에 적합

한 기초능력 배양과 신제품을 구상하기 위한 최신기술에

관한 정보를 제공하고자 하였다

67

불소수지의 코팅은 두께와 첨가제가 관건으로 이에 관한

자료를 제공하고자 하였으며 불소수지의 전기특성 폭발

성 환경과 반도체 제조공정에서의 대전 방지 처리를 위

한 정전기 관리 지표 등을 특허를 중심으로 조사하여 제

공하고자 하였다

C-나노튜브를 이용한 대전방지 코팅 기술 및 C-나노튜

브의 제법 등 이것에 관한 기초정보를 제공하고자 하였

으며 내마모성 테플론 코팅에 관해서는 테플론을 이용한

세라믹 코팅 기술에 관한 정보도 제공하고자 하였다

테플론의 기계적 전기적 특성을 강화하기 위해 사용되는

충전제를 종합하고 기초이론을 정립함으로써 금후 원부

자재의 선정에 도움을 주었다

테플론은 석면 대체재로도 주목받고 있어 이에 관한 특

허 정보들을 제공하였으며 다이아몬드의 전형적인 특성

을 나타내는 DLC의 코팅관련 기술 정보를 환경오염 문

제와 연관하여 자료를 제공하였고 최근 비-점착 주방기

구인 프라이팬이나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가

열할 때 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수도 있

다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있어 이에

관한 정보도 제공하였다

68

2 지원의 한계

중소기업이 당면한 문제는 전문기술의 확보다 관련 기술

이 비약적으로 발전하는 추세에 비추어 한정된 인원으로

신기술을 소화하고 개발하기는 어려울 것이므로 출연연

구기관이나 대학과 공동연구를 모색할 수 있으나 이것도

중소기업으로서는 경제적 부담이 될 수밖에 없을 것으로

생각된다 가능하다면 앞으로도 KISTI의 정보지원이 계

속되기를 바라고 있었다

3 기대효과

부식대전 방지 테플론 코팅에 관한 기본 기술이 배양되

어 합리적인 원부 원료의 수입검사 공정관리 및 제품관

리를 통해 원가절감은 물론 신제품 신기술에 관한 정보

수집 및 분석능력이 배양되고 개발력이 확충되어 기업

경쟁력 향상에 도움이 될 것이다

69

참고문헌

1 Francis J Clauss Chapter 9 Fluorocarbons Solid

Lubricants and Self-lubricating Solids Academic

Press 1972 pp195sim238

2 FW Billmeyer Textbook of Polymer Science 3rd

ed1984 pp398-403

3 두루텍 Corrosion amp Erosion Protective System 기술자

료

4 VC Malshe Nivedita S Sangaj Fluorinated acrylic

copolymers Part I Study of Clear Coatings Progress in

Organic Coatings 53(2005) pp 207-211

5 이장호 등 테프론 코팅 전열관 표면으로의 열 및 물질

전달 특성에 관한 실험적 연구 대한기계학회논문집 B

권 27(8) 2003 pp1051sim1060

6 WO 2008154391(Alcoa Inc Heat Exchager)

7 JP-2010-78036(株式會社ルネサステクノロジ 配管チユブ

およびこれを備えた機械裝置)

8 Eun-Joo Kim et al Teflon coating of fabric filters

for enhancement of high temperature durability J of

the Korean Oil Chemists 28(2) 2011 pp232sim239

7 JP-2005-237860(三洋電氣株式會社 電氣掃除機)

70

10 등록번호10-0365003 (주식회사 엘지아이 열처리를 이

용한 테프론 코팅 방법)

11 등록번호 10-0811228(조철환 내열 세라믹 주방용기의

불소수지코팅방법 및 그 방법에 의해 불소수지 코팅된

내열 세라믹 주방용기)

12 등록번호 10-0449561(주식회사 봉성비에스 완충기용

피스톤의 테플론 코팅장치)

13 WO 2000054614(Solex Robotics Systems Inc Anti-

staticNon-sparkling Coatings for Explosive Environ-

ments)

14 WO 2012123103(WLGore amp Associates GMBH Use

of an Ionic Fluoropolymers as Antistatic Coaating)

15 WO 2012053774(탑나노시스 ldquo작업 스테이지 표면의 대

전방지 처리 방법 및 상기 방법에 의하여 표면이 대전

방지된 작업 스테이지rdquo)

16 공개특허10-2008-0061943(주식회사 하이닉스반도체 이

온 주입장비의 웨이퍼 지지 장치)

17 Polytetrafluoroethylene Aluminum magnesium boride

Diamond-like carbon Carbon nanotube -Wikipedia

the free encyclopedia

18 Ijima S Helical Microtubes of Graphitic Carbon

Nature vol 354 1991 pp56-58

71

19 Min Ye Ku etal Measurement of Mechanical

Property and Thermal Expansion Coefficient of

Carbonnanotube-Reinforced Epoxy Composites

Trans Korean Soc Mech Eng A vol 37 No

5(2013) pp 657-664

20 M Pazderovaacute M Bradaacuteč M Valeš Tribological

Behaviour of Composite Coatings Procedia

Engineering 10(2011) pp472-477

21 Xing-Dong Yuan Xiao-Jie Yang A Study on

Friction and Wear Properties of PTFE Coatings

under Vacuum Conditions Wear269(2010) pp291-297

22 USP 6752O65(Kabuski Kaisha Toyota Jidoshokki

Sliding Film Sliding Member Composition for

Sliding Film and Sliding Device Swash-plate Type

Compressor Process for Forming Sliding Film and

Process for Producing Sliding Film)

23 Amel Delimi Elisabeth Galopin etal Ivestigation of

the Corrosion Behaviour of Carbon Steel Coated with

Fluoropolymer Thin Films Surface amp Coatings

Technology205(2011) pp4011-4017

24 WO 2006047500(Henkelkommanditgesellschaft auf

Aktien Article of Manufacture and Process for

Anodically Coating an Aluminum Substrate with

72

Ceramic Oxides Prior to Organic or Inorganic

Coating)

25 野坂正隆 低溫環境下におけるドライボロジドライボロ

ジスト(日本) 52(11) 2007 pp759sim764

26 이계영 김태균 김종구 ldquo내마모성 및 윤활성 코팅 조성

물rdquo 대한민국 특허 등록번호 10-1151909(2012)

27 (주)바론에스엘 ldquo불소수지와 세라믹의 유무기 하이브

리드 코팅 조성물 및 그를 이용한 도막 형성 방법rdquo 대

한민국 공개특허 10-2013-0028553 (2013)

28 JP-2010-261035(Xerox Corporation フツ素ナノダイヤ

モンドを含むテフロン定着器部材)

29 WO 2006 017259(Thomae Kurt J Multilayer

Corrosion- resistant Finish and Method)

30 Eunsoo Kang Seongcheol Choi Changhoon Choi

Sang Eun Shim Aqueous dispersion of submicron-

sized diamond particles for thermally conductive

polyurethane coating Colloids and Surfaces A

Physiochem Eng Aspects415(2012) pp255-261

31 S Rossi F Chini etal Corrosion Protection

Properties of Electoless NickelPTFE Phosphate

MoS2 and BronzePTFE Coatings Applied to Wear

Resistance of Carbon Steel Surface and Coatings

73

Technology173(2003) pp235-242

32 S Rossi F Deflorian F Venturini Improvement of

Surface finishing and Corrosion Resistance of

Prototypes by Direct Metal Laser Sintering Journal

of Materials Processing Technology 148(2004)

pp301-309

33 Mateus C Costil S Bolot R Coddet CCeramicfluo-

ropolymer Composite Coatings by Thermal Spraying-

a Modification of Surface Properties Surf Coat

Technol 2005 191 pp108-118

34 Masaaki Yamane Tadeusz A Stolarski Shogo Tobe

Influence of counter material on friction and wear

performance of PTFEndashmetal binary coatings

Tribology International 41 (2008) pp269ndash281

35 이치옹 분석자료 ldquo나선형 개스킷의 비석면화rdquo Takashi

Miyoshi 배관기술(일) 46(10) 2004 pp43-47

36 등록번호 10-0522254(백원두 브레이크 라이닝(또는 패

드) 제조방법)

37 Jin-Goo Park et al Characterization of Fluorocarbon

Thin Films by Contact Angles Measurements Journal

of Microelectronics amp Packaging Society6(1) 1999

pp39sim49

74

38 유호천 ldquoDLC 코팅 표면처리rdquo KiSTi 중소기업 정보지

원 2011 10 11

39 유호천 ldquoPVD DLC TRD 코팅설비를 활용한 복합충

개발및 제품적용rdquo KiSTi 중소기업 정보지원 2010 10

21

40 김유상 ldquo알루미늄합금에의 DLC코팅기술rdquo KiSTi 첨단

기술정보분석 2013 02-01

41 국립환경과학원 ldquo화학물질 배출량 조사 OECD와 협력

강화rdquo 보도자료 (2010 11 18)

42 월간기계기술 기자 ldquo새로운 코팅기술과 공구에 대한 적

용rdquo 2005년 3월호

43 加納 眞 ldquoDLC コ-ティングの適用技術と課題rdquo トライ

ボロジスト(日本) 52(3) 2007 pp186-191 송희국 모티

터링분석 KiSTi

44 식품의약안전청 연구보고서(연구책임자 유승석) 불소

지코팅 주방기구의 안전성 평가 2004 12

45 Teflon offgas studies Environmental Working Group Ewg

org Retrieved on 2013-01-01

46 식품의약품안전청 ldquo식품용 기구 및 용기 포장 공전rdquo 2012

47 廣野高生 ldquo環境保全型フッ素系 撥水撥油剤の 開發と 工

業化rdquo ファインケミカル(日本) 37(11) 2008 pp39-44

이치옹 모니터링분석 KISTI

75

저자소개

김학주(金鶴柱) 서울대학교 문리과대학 화학과 졸업 이학사

전북대학교 대학원 화학과 이학박사

(주)삼양사 의약연구소장 신성대학교 교수

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 폴리에스테르 섬유의 연중직방기술 외 다수

저서 기기분석 공업물리화학 일반화학

성용길(成墉吉)

동국대학교 이과대학 화학과 졸업 이학사 이학석사

부산대학교 대학원 화학과 이학박사(Dr Sci)

University of Utah USA Ph D(공학박사) Post Dr

유타대학교 연구교수 부산대학교 교수 동국대학교 교수

동국대학교 명예교수 한국원자력문화진흥원 이사

과학문화연구원전문연구위원 한국도량형과학문화연구원 원장

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 의료용 기능성 고분자재료에 관한 연구 외 330편

저서 고분자 물성론 (서울대학교 출판부 공저) 외 10권

6

- Keywords=TI (TEFLON or Fluoropolymers or

(Fluorinated polymers)) Coating) 또는 AB

((TEFLON or Fluoropolymers or (Fluorinated poly

mers)) Coating) 활용하여 학술문헌과 특허를 검색

하였다

신청업체 공장현장에서 현재까지 수행되고 있는 부식

방지 및 대전방지 테프론 코팅기술들을 종합하여 분석

하고 조사된 기술정보 자료들과 비교 분석하여 장차

개선할 수 있는 코팅 신기술을 조사 분석하여 자문하

고 멘토링 하였다

7

제 3 장

지원 프로세스

1 1차 지원

일시 및 장소 2013년 4월 22일(월요일) 1000-1400시 신청

업체 2층 회의실

참석자 히토시 사토(부사장) 성용선(연구소장) 장용석

이사

주제 및 토의사항

- 지원업체의 현황 LCD공정용 스테이지(Stage) 박리

대전방지 코팅 반도체 공정용 석영 관련제품 코팅

추출용 반응기 튀김틀 코팅 광학필름 및 기능성필름

생산 롤러 코팅 전기재료 석유화학 정밀화학 반응기

코팅 및 필터드라이어 등의 테프론 코팅에 관한 작업

8

- 지원내용과 향후지원계획 공장 현장을 방문하고 브리

핑을 통해 필요한 정보를 파악함 조사된 자료(문헌

특허 등)를 전달하고 희망 사항을 파악한 결과 특히

유리의 코팅을 중심으로 한 박리대전 방지 가공 세라

믹 코팅(수분산성 도료-바인더-)을 사용한 내열성 코

팅 대형 DLC 증착기술 및 경쟁사가 개발하고 있는

C-나노튜브 코팅에 관한 정보에도 관심이 많았음

ReSEAT NDSL 및 구글 야후 네이버 등을 통한 자

료조사 방법의 활용 방법을 설명해 주었음

- 지원효과 ReSEAT NDSL 구글 야후 네이버 등을

통한 주제 또는 키워드 검색에 의한 자료 검색 분석

능력 향상 제공 자료와 문헌의 활용 효과 등

- 자료제공

① Klaus Lunkwitz Uwe Lappan Ulrich Scheler

Modification of perfluorinated polymers by

high-energy irradiation Journal of Fluorine

Chemistry Vol 125 2004 pp863sim873

② LBorucki et al Diamond Conditioner Wear

Characterization for Copper CMP Process

Transaction on Electronic Materials Vol 8

9

2007 pp1520sim20

③ Polytetrafluoroethylene Aluminum magnesium

boride Diamond-like carbon Carbon nano-tube

-Wikipedia the free encyclopedia (2013)

④ 野坂正隆 低溫環境下におけるドライボロジドラ

イボロジスト(日本) Vol 52(11) 2007 pp759sim

764

⑤ 식품의약안전청 연구보고서(연구책임자 유승석)

불소수지코팅 주방기구의 안전성 평가C 2004 12

⑥ 이장호 등 테프론 코팅 전열관 표면으로의 열 및

물질 전달 특성에 관한 실험적 연구 대한기계학

회논문집 B권 Vol 27(8) 2003 pp1051sim1060

⑦ Eun-Joo Kim et al Teflon coating of fabric

filters for enhancement of high temperature

durability J of the Korean Oil Chemists Vol

28(2) 2011 pp232sim239

⑧ Jin-Goo Park et al Characterization of

Fluorocarbon Thin Films by Contact Angles

Measurements Journal of Microelectronics amp

Packaging Society Vol 6(1) 1999 pp39sim49

⑨ WO 200054614(Solex Robotics Systems Inc

Anti-static Non-sparkling Coatings for

10

Explosive Environments)

⑩ WO 2012123103(WLGore amp Associates GMBH

Use of an Ionic Fluoropolymers as Antistatic

Coating)

⑪ WO 2006 017259 (Thomae Kurt J Multilayer

Corrosion-resistant Finish and Method)

2 2차 지원

일시 및 장소 2013년 5월 16일(월요일) 1000-1400시 신청

업체 2층 회의실

참석자 성용선(연구소장) 장용석 이사

주제 및 토의사항

- 지원내용과 향후지원계획 지참 자료를 제공하고 연구

원들의 기초지식 배양을 목적으로 불소수지의 특성에

관해 각 유형을 중심으로 제공 자료를 통해 종합 설

명함 불소 수지 코팅 방법 개발 목적 기질의 전처리

방법 두께 제어의 중요성 코팅시스템 등을 토의하고

이에 관한 자료를 제공하여 기초지식을 배양함은 물

11

론 최근 기술 동향을 파악함 다음 방문 시(6월 20일)

에는 대전 방지 불소 수지 코팅을 중심으로 그 중요

성과 이론 등 기초지식과 최근의 개발동향을 검토하

기로 함

- 지원효과 불소수지의 유형과 특성을 통한 원료의 선

정 시 고려할 사항 코팅 방법 기질의 전처리 방법

용도에 따른 두께 제어의 중요성 파악 공정 및 제품

관리에 관한 기초지식 배양과 최근 기술 동향 파악

- 자료제공

① JP-2005-237860(三洋電氣株式會社 電氣掃除機)

② JP-2010-261035(Xerox Corpor- ation フツ素ナノ

ダイヤモンドを含むテフロン定着器部材)

③ JP-2010-78036(株式會社ルネサステクノロジ 配管

チュ-ブおよびこれを備えた機械裝置)

④ WO 2008154391(Alcoa Inc Heat Exchanger)

⑤ 등록번호10-0365003 (주식회사 엘지아이 열처리를

이용한 테프론 코팅 방법)

⑥ 공개특허10-2008-0061943(주식회사 하이닉스반도체

이온 주입장비의 웨이퍼 지지 장치)

⑦ 등록번호 10-0449561(주식회사 봉성비에스 완충기

12

용 피스톤의 테플론 코팅장치)

⑧ 등록번호 10-0522254(백원두 브레이크 라이닝(또

는 패드) 제조방법)

⑨ 등록번호 10-0811228(조철환 내열 세라믹 주방용

기의 불소수지코팅방법 및 그 방법에 의해 불소수

지 코팅된 내열 세라믹 주방용기) 등

3 3차 지원

일시 및 장소 2013년 6월 20일(목요일) 1000-1400시 신청

업체 2층 회의실

참석자 김학주 성용길 성용선(연구소장) 이채영 차장

및 연구원

주제 및 토의사항

- 지원내용과 향후지원계획 불소수지의 전기적 특성과

대전 방지용 불소수지의 충전제에 관한 장단점 토의

대전 방지의 중요성 폭발 환경에서의 정전기 안전지

침 반도체 제조 장치에서의 작업스테이지의 대전방지

에 관한 기술 동향 토의 최근 관심의 대상이 되고 있

13

는 탄소나노튜브(CNTs)의 제조 방법 용도 등에 관한

설명과 의견교환 내마모성 테플론 코팅 방법 용도

등에 관한 자료제공 및 의견교환 충전 또는 강화 불

소수지에 관해 자료조사를 통해 얻은 충전제의 종류

기계적 및 물리적 특성 향상 방법에 관한 기초지식을

제공함 다음 방문 시(7월 25일)에는 시트 테이프 및

박층 테플론과 최근 내마모성 코팅기술로 주목받고

있는 DLC코팅과 테플론의 안정성 문제에 관해 의견

을 교환하고 그간의 정보지원에 관한 내용들을 종합

정리하기로 함

- 지원효과 대전방지 불소수지 코팅의 작업표준 및 관

리지침에 반영할 자료 제공 최근 관심의 대상이 되는

CNTs에 관한 기초지식 배양 및 정보수집과 분석 불

소수지에 사용되는 각종 충전제의 선정 시 참고 자료

확보

- 자료제공

① Francis J Clauss Chapter 9 Fluorocarbons

Solid Lubricants and Self-lubricating Solids 1972

pp195sim238

② Eunsoo Kang Seongcheol Choi Changhoon Choi

14

Sang Eun Shim Aqueous dispersion of

submicron-sized diamond particles for thermally

conductive polyurethane coating Colloids and

Surfaces A Physiochem Eng Aspects415(2012)

pp255-261

③ Masaaki Yamane Tadeusz A Stolarski Shogo

Tobe Influence of counter material on friction

and wear performance of PTFEndashmetal binary

coatings Tribology International Vol 41 (2008)

pp269ndash281

④ M Pazderova M Bradac M Vales

Tribological Behaviour of Composite Coatings

Procedia Engineering Vol 10 (2011) pp472-477

⑤ S Rossi F Deflorian F Venturini

Improvement of Surface finishing and Corrosion

Resistance of Prototypes by Direct Metal Laser

Sintering Journal of Materials Processing

Technology Vol 148 (2004) pp301-309

⑥ S Rossi F Chini etal Corrosion Protection

Properties of Electroless NickelPTFE Phosph-

ateMoS2 and BronzePTFE Coatings Applied to

Wear Resistance of Carbon Steel Surface and

15

Coatings Technology Vol 173 (2003) pp235-242

⑦ VC Malshe Nivedita S Sangaji Fluorinated

Acrylic Copolymers Part I Study of Clear

Coatings Progress in Organic Coatings Vol 53

(2005) pp207-211

⑧ Xing-Dong Yuan Xiao-Jie Yang A Study on

Friction and Wear Properties of PTFE Coatings

under Vacuum Conditions Wear Vol 269 (2010)

pp291-297

⑨ Amel Delimi Elisabeth Galopin etal

Investigation of the Corrosion Behaviour of

Carbon Steel Coated with Fluoropolymer Thin

Films Surface amp Coatings Technology Vol 205

(2011) pp4011-4017

⑩ 이계영 김태균 김종구 ldquo내마모성 및 윤활성 코팅

조성물rdquo 대한민국특허 등록번호 10-1151909 (2012)

⑪ Thomae Kart J Multilayer Corrosion Resist

ant Finish and Method WO 2006017259(2006)

⑫ (주)바론에스엘 ldquo불소수지와 세라믹의 유무기

하이브리드 코팅 조성물 및 그를 이용한 도막 형성

방법rdquo 대한민국 공개특허 10-2013-0028553 (2013)

16

4 4차 지원

일시 및 장소 2013년 7월 25일(목요일) 1000-1400시 신청

업체 2층 회의실

참석자 성용선(연구소장) 이채영 차장 및 연구원

주제 및 토의사항

- 지원내용과 향후지원계획 발암물질인 석면대체재로써

테플론의 개발 동향을 나선 권형 가스켓과 자동차브

레이크 제동장치를 중심으로 토의하고 내마모 특성을

필요로 하는 DLC 코팅에 관한 정보제공과 DLC 특성

에 관해 집중 토의함 환경문제와 관련하여 대두되고

있는 테플론 분해가스 등 안정성 문제에 관한 자료를

제공하고 이에 관한 의견을 교환함 그간의 제공 정보

를 종합하고 8월 말 작성예정인 최종보고서 내용을

협의하였음

-지원효과 신기술 개발을 위한 내마모 코팅 DLC코팅

환경문제를 고려한 친환경 제품 등 신기술과 신공정

개발을 위한 개념을 확립하였음

17

- 자료제공

① WO 2006047500(Henkelkommanditgesellschaft auf

Aktien Article of Manufacture and Process for

Anodically Coating an Aluminum Substrate with

Ceramic Oxides Prior to Organic or Inorganic

Coating)

② 이치옹 분석자료 ldquo나선형 개스킷의 비석면화rdquo

Takashi Miyoshi 배관기술(일) Vol 46(10) 2004

pp43-47

③ 유호천 ldquoDLC 코팅 표면처리rdquo KISTI 중소기업 정

보지원 2011 10 11

④ 유호천 ldquoPVD DLC TRD 코팅설비를 활용한 복

합충 개발및 제품적용rdquo KISTI 중소기업 정보지원

2010 10 21

⑤ 국립환경과학원 ldquo화학물질 배출량 조사 OECD와 협

력강화rdquo 보도자료 (2010 11 18)

⑥ ldquo새로운 코팅기술과 공구에 대한 적용rdquo 월간기계기술

기자 2005년 3월호

⑦ Teflon off-gas studies Environmental Working

Group Ewg Org Retrieved on 2013-01-01

⑧식품의약품안전청 ldquo식품용 기구 및 용기 포장 공전rdquo

18

2012

⑨ 廣野高生 ldquo環境保全型フッ素系 撥水撥油剤の 開發

と 工業化rdquo ファインケミカル(日本) 37(11) 2008

pp39-44 이치옹 모니터링분석 KISTI

5 5차 지원

일시 및 장소 2013년 8월 21일(수요일) 1000-1400시 신청

업체 2층 회의실

참석자 성용선(연구소장) 이채영 차장 및 연구원

김학주(전문연구위원) 성용길(전문연구위원)

김종헌(KISTI 연구책임자)

주제 및 토의사항

1 불소화합물의 안전성과 환경대책 정보지원 결과 종합

등 최종보고서(안) 내용에 관한 의견교환

2 지원의 한계와 기대효과에 관한 의견 교환

3 건의 사항 등

19

세부 지원 내용

⑴플루오르화탄소 플라스틱의 특성

Teflon TFE(폴리테트라플루오로에틸렌)은 1940년대부

터 사용되어 왔으며 Teflon FEP(플루오르화에틸렌프

로필렌 공중합체)는 1958년에 소개되었고 압출 및 사

출성형이 용이하며 TFE 유형은 딱딱하고 낮은 마찰계

수를 가지며 마모에 강하고 보다 높은 온도에서 사용

가능하다 이 외에도 플루오르화탄소 플라스틱에는 폴

리염화플루오르화에틸렌(CFE 또는 CTFE)와 폴리비닐

리덴플루오라이드(PVF) 등이 있다 플루오르화탄소 플

라스틱은 그 코팅방법에 따라서도 응용범위가 광범위

하게 발전되어 왔으며 그 용도는 주방용기로부터 기

계 자동차 반도체는 물론 우주항공 산업 부품에 이르

기까지 무한하며 상업 생산되고 있는 플루오르화탄소

플라스틱은 표 3-11)과 같다

PTFE는 열가소성 플라스틱으로 상온에서 밀도 약 2200

인 백색고체로 융점은 327이며 마찰 및 마모 특

성을 나타내는 마찰계수는 고체재료 중 BAM(alumi-

20

nium magnesium boride 마찰계수 002)과 DLC

(diamond-like carbon 마찰계수005)에 이어 3번째로

낮은 005-010로 반데르발스 힘에 대한 저항력으로 도

마뱀이 붙을 수 없는 유일한 표면으로 알려져 있다2)

표 3-1 플루오르화탄소 플라스틱의 유형1)

21

Teflon의 유용한 기계적 특성은 -450sim500(-267sim

260)에서 유지되며 여러 가지 특성들은 가공기술을

바꾸어 변경시킬 수 있다 마찰 및 마모 특성을 나타

내는 마찰계수들은 시험조건에 따라 다르며 Teflon은

증기압이 극히 낮아 진공에서도 우수한 안정성을 가

지며 방사선 안정도는 부족하나 방사선 내용성은 극

히 높다

테프론의 특징은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat-

resistant) 비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coeffi-

cient of friction) 내약품성(chemical resistance) 특이한

전기적특성(unique electrical properties) 저온내구력

(cryogenic stability)으로 대표된다3)

- 테프론 코팅된 표면에는 거의 모든 물질이 달라붙지

않으며 내열성(heat-resistant)이 우수하여 -260sim+26

0까지 사용할 수 있고 단시간 사용의 경우에는 30

0까지 견디며 Teflon FEP는 232에서 연속사용이

가능하다 비유성(non-wetting)이 우수하여 표면에 물

이나 기름이 잘 묻지 않아 표면이 오염되지 않아 쉽

게 청소가 가능하고 기계설비의 보수시간이 단축되어

생산성을 향상시킬 수 있다 테프론은 비-절연성은 물

22

론 비-유전정접과 우수한 표면 저항률을 보인다

⑵ 플루오르화탄소 수지 코팅

얇고 강인한 플루오르화탄소 수지 필름을 금속 등에

소결이나 수지-접착에 의해 바르면 기질에 침착된 필

름은 저온흐름으로 고체 플루오르화탄소 수지보다 낮

은 마찰계수를 띠고 금속은 양호한 열전도도를 갖고

열을 분산할 수 있어 고속으로 운전할 수 있고 양호한

내구성을 갖게 된다

1950년대 미국 해군연구소에서 소결 Teflon TFE필름을

수성 분산액(현탁질)으로부터 무기 탄약통 비행기부

품 잠수함부품의 건조-필름 윤활제 및 보호 코팅용으

로 개발한 후 이것들은 기어 정첩(hinges) 샤프트 베

어링 밸브 플러그 콕 피스톤 링이나 그 외의 산업분

야에 응용되고 있다

- 실제로 적절한 테플론 현탁질을 고체 표면에 침적한

후 수분 증발이 너무 빠르지 않게 공기에서 필름이

건조되게 한 후 테플론 입자들이 연화 및 소결되도록

건조된 표면을 약 385(725)로 가열하고 냉각하면

23

얇은 연속 필름이 표면에 남지만 필름 중의 많은 작

은 세공들은 테플론의 높은 용융점도 때문에 제거할

수 없다 세공들은 윤활 작용에는 제한을 받지 않으나

녹슬거나 부식의 공격점이 되어 부식방지를 위해서는

1회 이상의 박막 추가 코팅이 반복되고 보통 2회 코

팅으로 충분하나 각 침적 테플론 층은 두께가 00003

인치(762)를 초과하지 않아야 하며 그렇지 않으면

말린 진흙 같이 균열이 발생한다 필름이 윤활제로 사

용될 때는 필름두께가 00006-00007인치(152-178)

를 초과하지 않아야 한다1)

- 테플론코팅은 통상으로 존재하는 표면 산화물이 제거

되지 않은 깨끗하고 탈지된 강철 황동 및 알루미늄금

속표면일 때 가장 잘 접착한다 만일 산세척에 의해

과잉 두께의 산화물이 제거되었다면 필수적으로 얇은

산화층이 형성될 때까지 공기 중에서 가열한다 접착

은 실표면적이 증가하면 증가하므로 경면가공(mirror

finish)보다 모래분사가공이나 무광택가공이 양호하다

- 테플론 코팅된 표면의 마찰계수는 금속기질 표면을

거칠게 함으로써 낮출 수 있으나 미끄럼마찰 조건 아

래 내구성은 금속의 거칠기가 32마이크로인치(rms)를

초과하면 감소한다

24

철강 기질의 인산처리는 소결 Teflon TFE필름의 마모

수명을 향상시킨다고 보고되었으며 양극처리 된 코팅

의 경도 및 내마모성과 불소수지의 윤활성을 결합하기

위해 다공성 경화 양극처리 알루미늄 위에 불소수지를

침윤하여 왔다 Teflon S 마감재는 Du Pont이 도입한

최초의 수성-기초 분산 TFE FEP로 이들은 ldquo계층화

된rdquo 마감재이다 Francis J Clauss1)는 다양한 용도에

서의 Du Pont사 제품들의 선정 가이드를 표로 종합하

였으며 이것을 요약하면 표 3-2와 같다

- 테플론 코팅은 프라이머 단층 프라이머 코팅 후 에나

멜이나 클리어 마감 또는 프라이머 에나멜과 클리어

마감 등 3-코팅 시스템으로 구성된다 프라이머들은

금속이나 세라믹 기질에 접착을 향상시키기 위해 개

질제를 함유한다 프라이머들은 가끔 1회 코팅 마감재

로 사용되나 음식물과 접촉하는 용도로는 반드시 에

나멜이나 클리어 마감재로 마무리 칠을 하여야 한다

프라이머는 층간 접착력이 부족하기 때문에 다중 코

팅에 적용될 수 없고 만일 06mil 이상의 코팅이 필요

하면 프라이머는 에나멜이나 클리어 마감재로 마무리

칠을 하여야 한다

25

표 3-2 테플론 코팅 두께1)

최종

용도대표적 용도

전체두

께(mils)

프라이머에나멜클리어

가공(mils)

비점착

산업

직물 슬래셔 통

열 봉합 봉 고무경화 롤러

우레탄과 에폭시 경화 주형

제빙기

목재 고무 주석도금 아연

10-25

07

20-50

08-13

07

03 07-22 07-10

07 마무리칠 불가

03 07-37 10min

03 05-10 05-10

07 마무리칠 불가

식품

프라이팬 내열접시

반죽롤러

캔디 장치

08-12

10-30

20-30

03 05-09

03 07-27

03 07-17 10

One-coat

system

금지

드라이

윤활

플러그 밸브

유리병 제조 전달 장치

베어링

03-07

15-25

05-07

03-07

03 03-05 03-05

02

전기

전자

저항기 코팅

아이들 롤러(제지 섬유 공업)

세라믹 절연체

40-50

10-15

20-25

03 37-47

03 07-12

03 17-22

부식

방지용기 라이닝 gt50 03 47 또는 5-10 이상

Non-

wetting콘덴서 튜브 02-04 02-04

- 유색 프라이머는 통상 안료가 필름의 범위와 두께를

시각적으로 체크할 수 있게 하므로 그렇지 않은 것에

비해 더 선호된다 에나멜과 클리어 마감재는 충분한

접착을 위해 프라이머 위에 발라야 한다 ldquo진흙 갈라

짐 현상(mud-cracking)은 코팅 당 최대 두께를

10mil로 한정하나 다중 코팅에 의해 극단적이 조건

하에 전체 두께를 10mils까지 바를 수 있으며 각각의

26

코팅은 분리하여 구워진다

불소화 고분자들은 낮은 표면장력 물과 기름에 젖지 않

고 비점착성이며 방오 특성(antifouling properties) 등을

갖기 때문에 다양한 특수 코팅에 적용되나 합성과 조성

이 몇몇 제조업자들에 독점되어 있고 값비싼 중간체를

필요로 한다 VC Malshe 등4)은 플루오르 함량이

4-10인 불소화된 아크릴 공중합체를 간단한 방법으로

합성하고 클리어 코팅하여 광학적 기계적 및 보호 특성

을 연구하였다

최근 에너지 절감과 CO2규제와 같은 환경규제에 대한 대

응 필요성이 증가하면서 발전소나 각종 보일러 시스템에

서 배가스로 배출되는 응축잠열 에너지의 회수 및 활용

에 관심이 증가되고 있다 Lee 등5)은 스테인레스 관 표

면에 400정도의 두께로 테플론을 코팅한 전열관에서

관의 열 및 응축 열전달 특성을 연구하여 테플론 코팅관

의 총괄 열전달 계수는 스테인레스 관보다 약 20 작은

것으로 나타나고 응축열전달 계수는 유사하였음을 보고

하였다

알루미늄 용광로의 비-여과 배출가스에 장기간 사용하기

적합한 역류 열교환기에 관한 것으로 원통형 쉘의 표면

27

은 알루미늄 용광로 배출가스 입자 및또는 먼지 및 부

식 흄과 접촉될 수 있어 테프론 계로 코팅 처리하는 특

허6)가 있다 이 특허에서는 원통형 쉘을 만들도록 복재

(web member 웨브재)와 함께 연결된 유체 운반튜브로

이루어진다 각 원통형 쉘에 위치한 헤더는 열교환기의

튜브에서 튜브로 유체를 공급하며 뜨거운 난류가스에 작

용하여 스케일링을 최소화하기 위해 헤더의 보호덮개를

설치한다

저온에서 고온에 이르는 환경에서 유체에 사용되는 배관

튜브는 열에 의한 경시적 열화가 진행되어 균열 발생이

쉽다 가동부에 사용되는 배관 튜브는 움직임이 수반되어

그 경향이 현저하며 반도체 제조장치에 일반으로 사용되

는 실리콘튜브는 저온에서 열화되어 파손되기 쉽다 이러

한 문제점을 해결하기 위해 실리콘 튜브 외측 표면을 테

플론으로 코팅하여 균열발생을 억제함으로써 장시간 사

용 가능하도록 고안한 특허7)가 있다

섬유상 부직포로 제작하는 다공성 여과필터는 다양한 산

업공정의 배출가스를 정화시키는 데 사용되며 특히 중고

온 환경에서 사용이 가능한 다양한 종류의 기능성 필터

의 개발이 요망된다 일반으로 소각장 및 발전소 등의 중

고온 조건에서 사용되는 Nomex를 비롯한 섬유상 필터는

28

200 이상에서는 열변형으로 사용이 제한적이고 세라믹

필터와 같이 고온에서 적용이 가능한 소재는 매우 고가

일 뿐 아니라 초기 작업으로 인해 에너지 사용량이 매우

높아지는 문제점이 있다 Kim 등8)은 250-300 영역의

중고온의 배출가스를 처리하기 위한 필터에 표면 소수성

과 고온 안정성을 부여하기 위하여 표 3-3과 같은 조성

으로 그림 3-1과 같은 장치를 이용하여 테플론 수지를

거품 형태의 코팅액으로 조제하여 유리섬유 원단에 공급

하여 표면코팅하고 열처리 및 압착과정을 거친 후 표면

분석하였다

표 3-3 테플론 코팅을 위한 화학첨가제8)

테플론 코팅이 전기 집진장치에 활용되는 특허도 있다

종전 사이클론 방식의 전기집진기에서는 집진부의 먼지

를 떨어뜨리는 것이 용이하지 않았다 발명자들은 먼지

압축 기능을 갖는 집진실 내측에 테플론 가공을 하여 정

전기에 의한 미세먼지의 부착을 억제함으로써 집진실의

먼지를 원 터치로 처리할 수 있도록 하였다9)

29

그림 3-1 테플론 거품코팅8)

일반으로 테프론을 조리용기에 코팅하는 방법은 금속소

재를 사용 제품형태로 제작한 후 세척하고 에이징(소둔)

처리한 후 샌딩하여 표면조도를 유지하도록 하고 표면에

프리머 처리하여 베이킹 처리한 후 분사방법으로 테프론

코팅을 하고 다시 베이킹 처리하므로 공정이 복잡하고

제조원가가 상승하며 부착력에 한계가 있다한다 (주) 엘

지아이 특허10)에서는 피처리물을 세척한 후 산질화처리

하여 표면에 열처리 층이 형성되게 한 후 테프론을 코팅

하고 베이킹 처리하는 것을 특징으로 한다 그 외에 내열

세라믹 주방용기의 불소수지 코팅방법에 관한 특허가 있

다11)

(주) 봉성비에스는 차량의 주행 충격을 흡수하는 완충기

30

내부에 삽입하는 피스톤 외주면의 마찰과 소음을 최소화

하기 위한 목적으로 테프론 코팅을 하기 위한 코팅장치

를 등록하였다12)

⑶ 대전 방지 플루오르화탄소 수지 코팅

ㅇ 본래 불소수지 자체는 높은 절연성과 큰 대전성을 갖고

있기 때문에 도전 효과를 얻기 위해서는 분상 필러를 다

량으로 충전할 필요가 있으나 이렇게 하면 비점착성이

떨어진다 여러 회사들의 제품 안내서들을 종합한 불소수

지의 전기적 특성은 표 3-4와 같다

표 3-4 불소수지의 전기 특성

특성측정법

(ASTM)단위

PTFE

(비충전)

PTFE

(25

유리충전)

PTFE

(25

탄소충전)

표면 내아크성 D495 sec 75-110

체적저항

(비저항)D257

ohm-

cmgt1018 gt1016 104

표면저항 D257ohm

sq-1 gt10

14

유전율(유전상

수) at 1MHzD150-81 e 25 24

절연내력 short

time 18thickD149

kv

mm285

유전정접(유전

정합) at 1MHzD150-81 lt00002 005

31

ㅇ 불소수지는 내열성 내한성이 높고 내약품성 내연소성

난연성이 우수하고 절연성 및 비점착성과 저 마찰계수를

갖고 있으나 절연성이 높아 정전재해의 원인이 될 수 있

어 재해 방지를 위해 대전 방지 또는 저저항을 특징으로

하는 불소수지 가공품이 개발되어 사용범위가 넓어지고

있다

불소수지에 충전하여 저저항으로 하는 필러에는 일반적

으로 도전성이 높은 카본 금속 또는 산화알루미늄 등의

금속산화물이 사용된다 재료의 형상으로는 미분 탄소

스테인레스 스틸 니켈 금속분과 같은 입상물 단섬유 탄

소섬유 위스커(whisker) 등이 사용된다

- 미분은 비표면적이 크기 때문에 소량의 충전으로 저

항치를 내릴 수 있으나 약품의 침투가 있는 경우 비

표면적이 크기 때문에 약품의 영향을 받기 쉬워 내부

식성 떨어질 가능성이 크다

- 입자상물질들은 미분에 비해 비표면적이 작기 때문에

약품의 영향을 비교적 적게 받지만 저항치를 내리기

위해 충전량이 많게 되어 불소수지의 특징인 비점착

성과 저마찰계수 특성을 저해한다 섬유 위스커 형상

은 단방향에 대한 장방향의 비가 클수록 적은 충전량

32

으로 저항치를 낮출 수 있지만 분산이 나쁘면 요철이

발생한다 부식 방지 코팅에서는 충전제의 내약품성이

관건이다 즉 부식 환경에서 불소수지 자체는 충분히

견디어도 충전제가 내약품성이 없으면 충전제가 서서

히 에칭되어 기기가 부식될 가능성이 크다

화학 석유 및 정제 산업에서는 시험 검사 세척 및 다양

한 공정의 용기 저장 탱크 반응기와 같은 많은 구성요

소들이 사용되며 플루오르화 고분자는 고온에서 높은 열

안정성을 갖고 다양한 유기용매에 전혀 용해되지 않으므

로 부식방지 등을 위해 플루오르화 고분자와 같은 내화

학성 고분자로 코팅된다 그러나 이들 고분자는 코팅된

구성요소의 표면에 정전하 축적을 조장하기 때문에 폭발

성 환경에서는 사용할 수 없다

특히 이들 구성요소들의 금속 구조물은 용기나 탱크에

보관된 가스 증기 분진의 이동에 의해 생성된 정전하

(electrostatic charge)를 흐르게 하는 전도경로가 되나 금

속표면을 강산 강알칼리나 유기용제에 의해 침투되는 방

지하기 위한 목적으로 부식방지 테플론으로 코팅될 경우

얇은 필름의 비-전도체로 작용하므로 폭발성 환경에서

사용을 규제하고 있다

33

- 예로 유럽 표준 EN 50014 section 732에서는 정전

하로 인한 발화 위험을 피하기 위해 사용 보수 및 세

척 조건 하에 설계된 울(enclosure)이 필요하고 울의

절연저항은 1GΩ을 초과할 수 없도록 규제하고 있고

일본은 후생노동성 관할 산업안전연구소의 정전기 안

전지침의 누설 저항치는 108Ω 이하로 되어 있다

- 따라서 부식 및 폭발성 환경에서 안전하고 다양한 구

성 요소에 적용할 수 있는 정전방지 비-발화 테플론

코팅기술을 요하며 정전방지 코팅은 표면저항을 낮추

기 위해 카본블랙이나 개질 전도성 탄소 금속이나 전

도성 고분자를 테플론에 충전하여 코팅한다

폭발성 환경용 내화학약품 특성과 대전방지 비발화

코팅 조성물로는 높은 비저항을 갖는 플루오르 고분자

50-90wt 10-50wt의 전도성물질인 탄소분(carbon

powder)으로 이루어진 Solex Robotics Systems Inc

특허가 있다13)

- 폭발환경에서 사용되는 이상적인 코팅은 정전하를 피

하기 위해 낮은 비저항을 가져야 한다 완벽한 전도체

는 비저항이 영(0)이고 완벽한 절연체는 무한 비저항

34

을 갖는다 금속(구리 금 같은) 합금(망가닌 Mn-Ni-

Cu 니크롬 Ni-Cr-Fe) 반도체(카본이나 게르마늄)는

낮은 비저항을 갖고 있어 좋은 도체이다

- 수많은 고분자 기초 코팅들이 부식화학 환경에 사용

되었으나 85GΩ 이상의 비저항으로 대전방지 시험에

서 실패하였다 정전기 도체로 인증기준 아래 적합하

기 위해서는 100cm2이상의 노출 표면이 1GΩ 이하의

비저항이어야 한다 코팅에 첨가된 탄소분은 전도도를

증가시키며 10-50의 함량은 1GΩ 이하의 비저항을

만족시킨다

비전도성 표면의 표면저항을 감소시키도록 카본이나 금

속을 사용하여 대전방지를 부여하는 공정의 단점으로는

카본이나 금속의 접착력이 낮아 입자의 마모가 일어나

장기간 사용 시 대전방지 수준이 감소하는 것이다 더욱

클린룸에서 입자의 방출은 심각한 문제가 된다 대부분의

비전도성 기질은 통상 23 상대습도 50에서 표면 비

저항이 109ohmsquare 이상으로 높고 PTFE 경우는 10

12

ohmsquare이상이다14)

반도체 제조 장치에서는 웨이퍼 기판을 안착하기 위해

작업 스테이지를 사용하며 작업스테이지는 통상 금속과

35

세라믹으로 제작되나 웨이퍼기판을 작업스테이지에 올려

놓을 때 작업스테이지와 웨이퍼기판 사이에 마찰 정전기

가 발생한다 FPD(flat panel diplay 평판표시)용 디스펜

서(dispenser)에 사용되는 작업스테이지는 진공방식으로

디스플레이 기판을 흡착 고정하며 흡착 고정되었던 디스

플레이 기판이 작업스테이지에서 박리될 때 작업스테이

지에 정전기가 발생하여 디스플레이 기판에 대전된다 최

근 디스플레이 기판이 대형화됨에 따라 대전량이 증가되

고 정전기 대전문제가 더욱 심각해지고 있다 웨이퍼기판

이나 디스플레이기판에는 반도체소자 등 다수의 전자부

품들이 배치되어 있기 때문에 정전기가 발생되면 전자부

품의 신뢰성에 치명적 손상을 주고 기판에 분진이 부착

되거나 정전기의 대전으로 기판 리프트 업(lift up)시 기

판이 깨어지는 문제가 발생한다 정전기 대전을 방지하기

위해서는 작업스테이지에 이오나이저를 설치하여 중화하

기도하나 리프트 업이 불가능하거나 이온풍이 도달하기

전 방전하는 등 작업 스테이지와 기판 사이에서 발생한

정전기가 순간적으로 일으키는 박리대전 문제를 해결하

기 어려워 작업 스테이지의 정전기 방지를 위해 불소수

지로 코팅한다

- 불소수지는 다른 물질과의 흡착에너지가 작고 비점착

성이 우수하며 마찰계수가 작아 유리기판과의 상관관

36

계가 작아져 박리에 의한 정전기의 발생량이 적어지

나 불소수지는 절연성을 가지므로 테프론 코팅에서는

카본 블랙이나 전도성 고분자 등을 필러로 사용한다

대전방지가 필요한 반도체 제조장비 디스플레이 장치 및

테스트 장치 등의 작업 스테이지를 테프론 코팅함으로써

작업 스테이지의 정전기 발생을 방지하는 방법의 단점의

하나는 제작비용이 상대적으로 많이 드는 것으로 디스펜

서의 경우 디스플레이 기판이 대형화됨에 따라 작업 스

테이지의 크기가 커져 제작비용이 증가한다 또한 불소수

지의 경도가 낮아 코팅 막에 스크래치가 발생하고 이 부

분은 평탄도 유지가 어려우며 입자들이 발생하는 요인으

로 작용하며 불소수지가 절연성이므로 카본블랙이나 전

도성 고분자 등의 도전성 필러를 충전하여 대전방지에

적합한 면-저항을 갖도록 할 경우 카본블랙은 구형으로

분진이 발생하는 문제점이 있고 전도성 고분자를 사용할

경우는 내용제성이 약하고 과량의 바인더를 사용하여야

하며 박막 형성이 어렵고 불소수지의 경도를 보완하기

위해 아노다이징 처리를 하는 경우는 이후 별도의 코팅

과정을 거쳐야 하므로 제작비용과 제작시간이 증가하는

등 여러 가지 단점들이 있다 이러한 문제점들을 해결하

기 위한 방법으로는 작업 스테이지와 기판이 만나는 면

에 정전기 발생을 최소화시킴과 동시에 그 제조비용이

37

절감되고 적절한 면-저항을 조절할 수 있으며 마찰계수

가 낮고 내마모성이 향상된 작업스테이지 표면의 대전방

지 처리 방법에 관한 국내의 탑나노시스 사의 특허15)가

있다

- 탑나노시스 사의 특허 목적은 작업스테이지의 기판과

만나는 면에 정전기의 발생을 최소화시킴과 동시에

그 제조비용이 저감되고 적절히 면-저항을 조절할 수

있으며 마찰계수가 낮고 내마모성이 향상된 스테이지

표면의 대전방지 처리 방법에 관한 것으로 이 특허에

서는 금속소재의 작업 스테이지 표면을 아노다이징

처리하여 복수의 산화표면 홀들을 형성시키고 여기에

탄소나노튜브를 삽입하고 경화하며 탄소나노튜브 경

화 후에 표면을 봉공 처리한다

- 작업스테이지 표면은 106-10

9Ωsq의 면-저항을 갖는

것이 바람직하며 산화표면 홀들은 직경 30-900nm 깊

이 100-900nm가 바람직하다 아노다이징 처리를 하는

금속소재는 Al Mg Zn Ti Ta(탄탈륨) Hf(하프늄)

Nb(니오븀) 등일 수 있고 이 발명에서는 가벼우며 일

정 강도를 갖고 가공성이 우수한 Al합금을 예로 들어

설명하고 있다

38

- 알루미늄소재 작업스테이지 표면에 산화피막(Al2O3)처

리를 하는 아노다이징(anodizing 양극산화)에서 전해

액은 수산화나트륨이나 수산과 황산 등이 사용될 수

있고 수산화나트륨의 농도(20-50) 공급전압 전류

및 시간 등을 조절하여 산화표면 홀의 크기(D)와 깊

이(L)를 조절하며 D와 L에 따라 대전방지 효과나 내

구성 및 표면경도를 조절한다

- 탄소나노튜브를 산화표면 홀 내에 삽입시키는 단계는

전해 흡착 하여 이루어질 수 있고 정전도장을 통해서

도 이루어질 수 있다 탄소나노튜브는 분산제를 포함

하는 용액으로 코팅되며 분산제로는 소듐 도데실설페

이트(SDS) 트리톤X Tween20(폴리옥시에틸렌 소르

비탄모노올레이트) CTAB(cetyl trimethyl ammonium

bromide)를 예로 들고 있으며 탄소나노튜브 용액은

아크릴계 우레탄계 등 또는 전도성 고분자계 유무기

하이브리드계 바인더가 포함될 수 있다

- 봉공처리는 산화표면 홀과 산화피막을 봉공하여 내식

성 등이 향상되도록 보호 층을 형성시키는 것으로 비

등수 가압증기에 의한 수화봉공 금속염을 포함한 열

수에 의한 금속염 봉공 오일로 도포나 침적하는 유기

물 봉공 양극산화 피막 층에 도장하는 도장에 의한

39

봉공 등이 있다

반도체 소자를 제조하는 과정에는 불순물 이온을

주입하는 장비가 이용되고 있다 (주)하이닉스 반도

체의 특허에서는 이온주입 장비의 웨이퍼 지지 장

치 리프트 핀의 끝단을 라운드 처리하고 리프트 핀

에 테플론을 코팅하여 리프트 핀과 웨이퍼 후면의

접촉 시 웨이퍼 후면에 스크래치와 같은 손상이 유

발되는 것을 억제할 수 있게 한다16)

⑷ 탄소나노튜브(CNTs Carbon Nano Tubes)17)

탄소나노튜브는 탄소의 동소체로 1991년 일본 NEC 연구

소의 Ijima박사에 의해 전자 현미경을 통해 처음으로 확

인되었다 1985년에 Kroto와 Smalley가 탄소의 동소체인

풀러렌(탄소 원자 60개가 모인 것C60)을 처음으로 발

견한 이후 전기방전 시 흑연 음극 상에 형성된 탄소덩어

리를 투과전자현미경으로 분석하는 과정에서 발견하여

Nature학술지에 처음으로 발표되었다18) 탄소나노튜브에

서 탄소원자 하나는 주위의 다른 탄소원자 3개와 sp2결

합을 하여 육각형 벌집무늬를 형성하며 이 튜브의 직경

이 대략 수 나노미터(nm nanometer) 정도로 극히 작기

40

때문에 나노튜브라고 부르게 되었다 이 탄소나노튜브는

전기 세기가 클수록 더 수축하는 성질을 가지고 있는 등

튜브의 직경이 nm수준으로 극히 작아서 특유의 전기화

학적 특성을 나타낸다

Ku 등19)에 의하면 CNTs는 전기방사법(arc-discharge)

레이저증발 법(laser vaporization) 플라즈마 화학기상증

착 법(plasma enhanced chemical vapor deposition) 열

화학 기상증착 법(thermal chemical vapor deposition) 등

의 다양한 합성법이 개발되어 대량생산이 가능하다

CNTs의 종류는 벽의 수에 따라 단일 벽 탄소나노튜브

(SWNTs) 이중 벽 탄소나노튜브(DWNTs) 다중벽 탄소

나노튜브(MWNTs)가 있으며 물성에 관한 많은 연구결

과 기계적 전기적 열적으로 우수한 성능을 갖고 있음이

입증되었다

CNTs는 인장강도와 탄성률 면에서 지금까지 발견된 재

료 중 가장 강하고 질기며 다중벽 CNT는 63GPa에 이른

다 표준 단일 벽 CNT는 25GPa의 압력까지 변형 없이

지탱된다 그래핀의 대칭성과 특이한 전기적 구조 때문에

CNTs의 구조는 그것의 전기적 특성에 영향을 미쳐 금속

성이나 반도체의 특성을 나타내고 이론적으로 금속성

41

CNTs는 구리와 같은 금속의 1000배가 큰 4times109Acm

2

전류 밀도를 운반할 수 있으며 나노크기의 단면으로 전

자가 튜브의 축 방향으로만 전파되고 전자의 이동은 양

자효과를 수반하여 1차원 전도체로 간주된다

CNTs는 우수한 물성과 상대적으로 큰 표면적으로 갖고

있어 충전제(filler)로써 에폭시 폴리스틸렌 폴리우레탄

등 고분자와 혼합하여 폴리머의 기계적 전기적 특성을

향상시키려는 연구가 활발하다 CNTs가 폴리머 중에서

충전제 역할을 하기 위해서는 고른 분산이 필요하나 반

데르발스 힘에 의한 CNTs 응집현상(agglomeration)으로

인해 효과적인 분산이 어려워 오히려 폴리머의 물성을

저해하므로 이것을 개선하기 위한 다양한 기계적 화학적

분산 방법이 연구되고 있다

- CNTs를 분산시키기 위한 가장 일반적인 방법은 용매

나 폴리머에 CNTs를 투입하고 초음파처리를 하는 것

으로 초음파처리를 하면 SWNTs의 길이가 짧아지고

다발(bundle)이 얇아져 분산력이 증가한다

- CNTs 표면을 산이나 아민으로 기능화하여 분산을 높

이는 방법도 연구되고 있으며 MWNTs를 HNO3

H2O2NH4OH 용액에 침지시켜 MWNTs에폭시 복합

42

재료는 전기적 특성을 향상시키려는 연구와 산과 아

민 등의 기능기를 도입하여 SWNTs의 열전도도를 향

상시키려는 연구들이 수행되고 있다

- 기계적 분산방법인 전단혼합방법은 좁은 관이나 상대

적으로 높은 속도의 유동을 이용하여 발생한 전단력

으로 CNTs를 분산시키는 방법이다 Ku 등19)은 전단

혼합과 초음파처리를 이용하여 MWNTs로 강화된

에폭시 복합재료를 만들어 기계적 및 열적 특성을 연

구하였다

⑸ 내마모성 테프론 코팅

ㅇ 재료의 부식은 구조재에 원하지 않은 변화 원인으로 작

용하여 경제적인 문제로 귀결되는 심각한 문제이다 이들

원치 않는 변화는 때로 적절한 코팅에 의한 표면처리로

예방할 수 있다 가장 일반적이고 자주 사용되는 전착 코

팅은 아연에 기초한 아연 코팅 및 합금 코팅으로 이들

코팅은 간단한 기술로써 내부식성이 양호하여 전 표면처

리의 약 14에 해당하나 최근 낮은 마찰계수 등 다른 특

성들이 매우 중요하게 되었다 이들 특성은 다층 코팅으

로 대응할 수 있으나 두께가 증가하고 기술이 복잡하여

가능한 해결방법으로는 복합체 코팅이 있다 복합체 코팅

43

은 일반기계와 자동차 전자부품 및 컴퓨터 등 다양한 분

야에 적용된다 금속 기질에 미세한 PTFE 입자의 전착

에 의한 증착은 새로운 세대의 복합체 코팅으로써 가장

바람직한 특성은 양호한 내마모성 자기윤활 내부식성이

다 M Paderovaacute 등20)에 의하면 이들 특성은 주로 사용

한 입자(흑연 다이아몬드 MoS2 또는 PTFE)와 용액의

유형(pH 온도 bath 등) 뿐 아니라 입자의 크기 농도

분산 및 형태학에 의존한다

ㅇ 충전되지 않은 PTFE의 마모율은 736-741times10-4mm3Nm

로 내마모성이 낮아 다양한 충전제들이 첨가되고 있다

Xing-Dong Yuan 등21)은 진공 조건에서 PTFE 코팅

의 마모특성을 연구하여 초기에는 하중이 증가함에 따

라 마찰계수가 감소하나 하중이 6N 이상으로 커지면

마찰계수도 증가하며 압력이 PTFE 코팅의 마찰계수

에 미치는 영향이 거의 없고 마모는 압력이 증가하면

초기에는 감소하나 10Pa 보다 높으면 급격히 증가한

다고 보고하였다

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위해서는 윤활제로 PTFE

계 수지 접착제로는 폴리아미드이미드수지 산화철 분말

44

및 브론즈 분말 등을 혼합한 조성물을 사용하거나 미국

특허에서는 스와시플레이트 형 압축기의 플레이트 표면

에 MoS2 흑연 PTFE계 윤활제와 열경화성 수지인 폴리

아미드이미드(PAI) 조성물을 코팅하여 내마모 및 윤활성

을 부여하고 있다22) 내열성 향상을 위해서는 고체윤활

제 접착제수지 및 저융점 금속인 Sn Pb In Bi 등을 함

유하는 합금이나 화합물을 사용하여 금속의 잠열을 이용

내열성 향상을 시도하기도 한다

ㅇ 그간 철강(스테인리스강 탄소강 아연도금강판 등)의 내

부식성 향상을 위한 많은 연구들이 수행되어 왔다 4플루

오르에틸렌(C2H4) 4플루오르에탄(CF4) 6플루오르에탄

(C2F6) 3플루오르화에탄(CHF3) 8플루오르화에탄(C4F8)

같은 불소화된 단량체의 플라즈마 중합에 의한 테플론

류 코팅은 그들의 소수성으로 인해 금속의 내부식성 향

상을 위한 대안으로 주목을 받고 있다 A Delimi 등23)

은 유도결합 고주파플라즈마(inductively coupled radio

fre- quency plasma)를 사용하여 소수성 박막 불소수지

필름을 탄소강에 증착하고 3염수에서 내부식성을 평가

한 결과 1개월 동안 9nm의 필름이 유지되는 것을 관찰

하여 불소고분자 박막이 금속과 금속산화물의 보호층이

될 수 있음을 보고하였다

45

ㅇ PTFE를 이용한 세라믹코팅 기술로는 알루미늄 및 알루

미늄 합금 공작물을 양극처리에 의해서 티타늄 및또는

지르코늄 산화물을 포함하는 내식성 내열성 및 내마모

성 세라믹 코팅을 하고 이어서 양극처리된 공작물을

PTFE 또는 실리콘 함유 코팅과 같은 제 2 코팅으로 코

팅한다 이 발명은 가소성을 가지는 경질의 필름 내에서

내식성 내열성 및 내마모성을 제공하는 티타늄 및또는

지르코늄 산화물의 양극처리 층으로 기판을 예비-코팅함

으로써 알루미늄 기판에 보다 긴 수명의 코팅을 형성하

는데 특히 유용하다24)

ㅇ Nosaka 등25)은 PTFE로 대표되는 불소수지는 마모-링이

나 극저온 밸브의 실링부에 많이 사용되며 진공치환법에

의해 탄소재료에 PTFE나 MoS2 분말을 1-2wt 함침시

키면 무함침한 것에 비해 마모가 약 13로 감소한다고

보고하였다 한편 저자들은 터보펌프의 실링재료가 극저

온 환경에서 보이는 특이한 현상을 극복하기 위해 베어

링의 표면에 노출된 유리섬유를 불소산으로 처리하여 용

해 제거하고 윤활성을 높인 유리섬유강화 테프론 리테이

너를 개발하여 내구성과 윤활성을 향상시킬 수 있었다고

보고하고 있다

46

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위한 또 다른 특허로는

폴리실록산계 접착제를 단독 혹은 폴리에스테르계 접착

제와 병용하고 고체 윤활제로 MoS2(이황화몰리브덴

WS2(이황화텅스텐) h-BN(육방정 질화붕소) 팽창흑연

및 PTFE를 사용하고 충전제로 탄화규소 알루미나 산화

지르콘 산화티탄 등의 미분말을 사용하여 내마모 내열

및 윤활성을 부여하고자 하는 내마모성 및 윤활성 코팅

조성물에 관한 특허가 있다26)

ㅇ 내열성 내후성 내오염성 내약품성 내구성 등의 물성

은 유지하면서 비점착성을 높이기 위해 무기계 세라믹

코팅 조성물에 PTFE를 첨가하기도 한다 이러한 하이

브리드 코팅 조성물에 관한 특허로는 불소수지(01sim25

중량) 콜로이달 실리카나 콜로이달 알루미나 등 무

기계고분자 바인더(20sim80중량) 알콕시실란 화합물

(1sim50중량) 수용성 유기용제(1sim10중량) 충전제

또는 안료(5sim50중량) 및 물(100중량 까지 보충)로

이루어진 코팅 조성물에 관한 것으로 무기질 도료 및

무기계 세라믹 코팅에 의해 내열성 내오염성 내약품

성과 내구성을 유지하고 접착력을 높이기 위해 소량의

PTFE를 사용하는 것이 있다27)

47

ㅇ 정전 복사기에 사용되는 정착기재부의 최외층에 코팅하

여 기계적 성질 및 내마모성을 향상시키려는 목적으로

불소수지 기질 중에 분산된 불소화 다이아몬드를 함유하

는 입자로 구성된 조성물에 관한 일본 특허28)가 있다

ㅇ 부식 특성을 개선한 흑색 무크롬(chrome-free) 다층 내

부식 마무리 칠과 방법에 관한 특허29)로는 ASTM B 117

표준으로 시험할 때 백색 부식에는 최소 500시간 염수분

무시간 및 적색 부식에는 1500시간 염수분무시간에 적합

하게 설계된 마무리 칠에 관한 것이 있다 이 다층 시스

템은 광택(gloss) 4 이상을 만족하는 자동차 차체 강판

자동차 하부와 내장에 사용되기 위해 설계된 것으로 이

다층 마무리 칠은 3층 부식 방지 시스템을 형성하도록

아연-철 전기도금 기질 오르토인산을 사용한 무전해 인

산염 결정 전환 층과 XylanTeflon 실러 코팅의 조합이

다

ㅇ 전통적으로 철 강판(steel sheet)은 크롬산 염 전환 코팅

으로 개질되어 왔으나 6가 크롬이 배출되어 환경을 오염

시키는 문제점이 있어 강판의 내-부식성을 개선하기 위

해 고분자 수지 코팅들이 수행되고 있으나 이 방법은 고

48

분자 코팅 층이 열전도도를 감소시키는 단점을 가지고

있다 Kang 등30)은 강판 위의 고분자 코팅 층의 열전도

도를 향상시키기 위해 초미세-크기 다이몬드(μD)입자를

열전도 물질로 사용하였다 다양한 음이온 및 비-이온

계면활성제들을 사용하여 수용액 중에서 무거운 μD입자

의 안정화를 시험들을 한 결과 1-피렌카르복시산(PCA)

이 가장 양호하였다 그림 3-2는 이 시험 결과를 요약한

것이다

- 강판 위에 PCA로 안정화 된 μD 입자를 함유한 폴리

우레탄-기초 코팅 층은 열전도도가 0351W(mK)에서

0434 W(mK)(10 wtμD)로 향상되었으며 더욱 144

시간 동안 염수 분무 시험결과 부식거동은 관찰되지

않았다

그림 3-2 피렌카르복시산을 이용한 μD 표면처리

ㅇ 자동차공업에서는 기본적인 특성으로 내마모성이 요구되

49

는 강철 기계부품들의 마찰특성을 향상시키기 위해 다양

한 금속 및 고분자 코팅들이 광범하게 이용된다 내-마

모 코팅은 두 가지 주요 특성인 높은 표면경도와 자기-

윤활 특성이 필요하다 후자의 범주에 속하는 것이

PTFE와 MoS2 기초 코팅이다 무전해 니켈 코팅은 높은

경도로 인해 양호한 마찰 특성을 보이며 한편 열처리를

통해 경도를 향상시킬 수 있다 PTFE입자의 첨가는 코

팅경도를 감소시키나 자기-윤활특성을 부여한다 S

Rossi 등3132)은 마찰특성을 향상시키기 위해 이용되는 탄

소강에 이용되는 몇 가지 공업적인 코팅에 관한 부식거

동에 관해 평가 PTFE입자를 함유한 무전해 니켈-인

(Electroless Nickel-Phophorus)코팅은 PTFE 입자(자기-

윤활 특성)를 갖는 외층과 장벽-효과를 갖는 내층으로

인한 이중 특성으로 가장 양호한 특성을 보였다고 보고

하고 있다

ㅇ 모든 기계적 시스템은 동적 요소를 필요로 하며 마찰과

마모를 줄이기 위한 다양한 수단들이 가능하나 그 선택

은 환경이나 조작 조건에 제한을 받는다 PTFE는 자기

윤활 낮은 마찰계수 높은 열안정성과 화학약품 안정성

으로 산업분야에 널리 사용되는 엔지니어링 고분자이지

만 내마모성이 매우 부족하다 이러한 이유로 금속

-PTFE충전 복합체들이 PTFE의 마찰특성과 금속충전제

50

의 내마모성을 결합하여 특정 분야의 용도로 소개되어

왔으나 금속-고분자 물질에서의 충전제의 역할은 완전히

설명되지 않고 있다 복합체 표면의 과잉의 충전제 농도

는 미끄러지는 동안 부하를 지지하여 내마모성을 증가시

키는 것으로 생각되며 PTFE의 마모율은 Mo Zn Ni

Y2O3 및 SiO2 같은 무기 충전제에 의해 1000배가량 감소

되었다는 보고도 있다 유리섬유 구리 세라믹 탄소섬유

절단 탄소섬유 나노입자를 포함한 경질의 충전제 입자들

이 PTFE의 내마모성을 높이기 사용되어 왔다

ㅇ 비교적 두꺼운 코팅에는 열분사(thermal spray) 용사기

술이 정립되어 있고 용사 코팅은 내마모 내마찰 내프레

팅(fretting) 및 내부식을 요하는 산업에 많이 이용되고

있다

- 용사 몰리브덴(Mo)코팅은 실질적 내마모성 코팅으로

가장 광범하게 이용되며 프레임용사(flame spray)거나

와이어용사(wire spray)기술로 생산된 몰리브덴(Mo)

코팅은 흠이나 마모에 대한 고도의 저항을 얻기 위한

가장 좋은 코팅재료 중의 하나이다

- 알루미늄 청동(aluminium bronze)은 높은 내-부식성

과 내마모성을 갖는 것이 특징이다 저압 플라즈마 용

51

사 기술은 자기-아닐링(self-anealing)과 부서지기 쉽

도록 유도하는 γ-상의 형성을 피할 수 있도록 높은

냉각 속도를 얻는 데 사용되며 알루미늄 청동 저압

플라즈마 용사 코팅은 낮은 마찰과 마모를 보였고 비

교적 최근 플라즈마 용사 기술을 이용하여 알루미늄

기질에 고분자-세라믹 복합체를 코팅하는 기술이 개

발되었다33)복합체 코팅으로 행한 마찰 시험에서 낮

은 마찰계수를 얻을 수 있었다

- 낮은 마찰계수와 고 내마모성을 갖는 이성분 금속

-PTFE 코팅이 개발되었고 이들의 마찰 공학적 성능

이 보고되었다 PTFE-기초 복합체 설계에서 일반적

인 접근방법은 경질의 충전 입자들을 도입하는 것으

로 M Yamane 등34)은 PTFE-금속 이성분 코팅의 마

찰 마모성능에 관한 연구 결과 알루미늄 청동 코팅이

Mo코팅에 비해 PTFE 저장소(reservoir)에 유용했음

을 보고하였다

⑹ 충전 또는 강화 플루오르화 탄소1)

ㅇ 분말이나 강화섬유 등 전형적인 충전재들이 충전 또는

강화 플루오르화 탄소에 사용된다 충전재는 저온흐름

52

을 향상시키는 데 사용되며 수축과 균열을 줄이고 열

팽창을 낮추며 열전도율을 향상시킨다

ㅇ 분말이나 단섬유로 된 전형적인 충전제를 표 3-5에 종합

하였다 유리섬유는 가장 보편적인 PTFE 충전제로 화

학 및 전기적 특성에 최소로 영향을 미치며 기계적 특

성을 크게 향상시킨다 분말에 비해 섬유는 압축강도

강성도 및 지지용량을 더욱 향상시키나 분말은 충전

테플론의 내구성에 거의 영향을 미치지 않는다 금속분

말은 특히 열전도도를 향상시키며 고속에서 발생하는 마

찰열을 소멸하는데 도움이 되며 전기저항을 상당히 감소

시켜 금속-충전 조성물은 양호한 절연체는 아니다

ㅇ 흑연(graphite) MoS2는 초기 내구성과 마찰을 개선하고

기계적 특성을 향상시킨다 석면은 많은 유용한 특성을

갖지만 가공 처리 중 가스가 방출할 뿐 아니라 사용금지

물질이다 표 3-5 외에도 금속 망 장섬유 다공성 금속

등 다양한 충전제들이 있으며 다양한 종류의 제품들이

상업 생산되고 있어 최종 선정을 하기 전에 플라스틱 가

공업자로부터 보다 완전한 정보와 추천을 받는 것이 바

람직하다

53

표 3-5 불소수지용 충전제

ㅇ 압축강력 인장과 압축 시의 탄성률 및 항복강력은 첨가

제의 첨가에 의해 모두 증가하나 일반으로 인장강력과

신도 및 충격강도는 손실된다 통상 충전 테플론은 압축

상태에서 사용되므로 인장강력의 감소는 중요하지 않다

인장강력의 손실은 설치(연속적인 링-실링)할 때 인장되

는 재료에서 중요하다 열팽창 계수는 비-충전 테플론에

비해 감소되어 통상 금속 부품의 팽창계수와 잘 맞는다

ㅇ 마찰과 마모를 수반하는 분야에서 가장 중요한 것은 충

전제로 얻어지는 PV한계치의 증가와 마모의 감소다 비-

54

충전 테플론에 비해 PV한계치 크기는 개략적으로 1차원

적으로 증가하나 마모인자는 3차원적으로 감소한다 충전

테플론의 평균치들은 동적 마찰계수는 01-02 PV한계치

는 10000-20000 psi-fpm 마모상수는 10times10-10in3-min

lb-ft-hr이다 그림 3-3은 충전 테플론 PTFE의 마찰계

수에 미치는 충전제 종류와 농도의 효과에 관한 것이다

그림 3-3 테플론 PTFE에 미치는 충전제 종류와 농도1)

ㅇ 내마모성을 향상시키는 충전제는 실제로 연마저항성을

감소시키는 것으로 날카로운 입자는 보다 쉽게 침투하고

충전제 입자와 수지 사이의 경계를 따라 충전 플라스틱

을 찢는다 따라서 라이닝 슈트 같은 분야의 적용 시는

55

비-충전테플론이 보다 바람직하다

⑺ 시트 테이프 및 박층(laminates)

ㅇ 대부분의 플루오르화탄소는 충전 여부에 관계없이 두

께 1mil(0001 in)까지 시트나 테이프로 만들 수 있고

시트나 테이프를 찍어서 원하는 형상의 립-씰(lip seal)

펌프 컵(pump cup) 피스톤 링(piston rings) 가스켓

(gaskets) 등을 만들 수 있다

ㅇ 유체의 누설을 정지시키는 밀봉기능 부품 중 각종기기의

접합부나 배관 플랜지 등의 밀봉에 사용되는 가스켓

(gaskets)은 석면이 널리 사용되어 왔으나 유해물질 배

출 및 이동량 보고제도(PRTR Pollutant Release and

Transfer Register)에서 발암성을 가진 제1종 지정 화학

물질로 지정되어 사용이 금지되어 PTFE가 가스켓으로

개발되었다 PTFE는 용융 알칼리 금속 및 그 용액과 불

소 및 3불화염소에 의해 약간 침식되나 모든 화학약품에

안정하고 우수한 내부식 재료로 C-F결합력이 크고 F원

자가 C-C결합의 주위를 간격 없이 들러 싸고 있기 때문

에 다른 물질의 공격을 방어하고 있고 내열성은 260로

높다35)

56

- PTFE 필러를 사용한 PTFE 나선 권형 가스켓은 석

면에 대한 사용규제와 상관없이 사용되어 왔으며 유

연한 필러를 사용하므로 석면 가스켓 보다 낮은 체결

압력에서도 실 특성이 우수하고 내식 면에서도 광범

하고 다양한 유체에 사용이 가능하다 다만 단열성 면

에서는 석면 나선 권형 가스켓 보다 사용온도 범위가

제한된다

ㅇ 산업 기계나 자동차의 브레이크 제동장치에 부착하여 마

찰력을 부가하는 브레이크 라이닝에서는 마찰계수와 내

마모력 및 충격계수 등 마찰특성이 우수한 석면을 주로

사용하여 왔으나 제동 시 발생하는 미세 석면분진으로

인해 대기오염에 의한 환경을 파괴 뿐 아니라 인체에 흡

입될 경우 암을 유발하여 PRTR로 사용이 금지되었다

석면을 대체할 유기질 또는 무기질 된 다양한 비석면 마

찰 섬유 등이 사용되고 있으며 마찰 섬유에 테프론을 코

팅하여 브레이크라이닝의 수명향상 제동 시 발생하는 소

음 떨림 및 제동력 향상을 위한 제품개발이 시도되고

있다

- 예로 국내 특허36)에서는 브레이크 라이닝(또는 패드)

의 마찰재 배합재료 중 유기섬유(Kevlar섬유 pulp섬

57

유 등)에 테프론을 코팅하고 코팅된 유기섬유에 결합

재 충전재 윤활재 마찰안정재 마찰조정재 등을 소정

의 배합비로 배합하여 성형하고 열처리하여 브레이크

패드 또는 라이닝을 제조한다

ㅇ 초소형 정밀기계(MEMS Micro-Electromechanical

System)분야에서는 점착방지를 위해 불화 유기박막을

사용한다 Park 등37)은 단층 두께의 불화 유기박막의

특성을 접촉각 측정을 통해 분석하였다

⑻ DLC 코팅3839)

ㅇ DLC(diamond-like carbon)는 몇 가지 다이아몬드의 전

형적인 특성을 나타내는 비정질 탄소물질로 극도의 내마

모 특성을 필요로 하는 재료의 코팅에 이용되고 있다

DLC코팅은 연마 마모를 감소시키기 위한 재료에 유용하

여 엔드밀 드릴비트 금형 같은 공구는 물론 자동차 기

계부품 및 전자산업 등 산업전반에 걸쳐 적용된다40)

ㅇ 환경오염 문제로 인해 PRTR(Pollutant Release and

Transfer Register 유해물질 배출 및 이동량 보고 제

도) 이 시행되어 습동 부품이나 절삭 시에 사용되는 오

일이나 그리스에 포함되는 첨가제(MoS2 Zn 등)와 이들

58

부품을 세정할 때 사용되는 용매 기계부품의 수명을 연

장시키기 위해 활용되었던 Cr도금 폐액에서 발생하는 6

가 크롬 등의 오염물질들에 대한 규제가 더욱 강화되어

DLC에 의한 무윤활 습동과 무윤활 절삭을 지향한 공구

와 기계 부품의 개발이 관심을 끌고 있다4142)

- 일본 내에서는 PRTR이 시행되고 이것에 저촉되는 재

료에 관해서는 MSDS(Material Safety Data Sheet)를

첨부해야할 의무가 있고 부품가공 습동 용도에서는

대상 리스트에 올라 있는 오일 오일 중의 중금속 도

금폐액을 어떻게 경제성 있는 환경 친화적 공정과 재

료로 전환할 것인가를 고려하면서 무윤활 습동 무윤

활 절삭 탈크롬 도금의 3가지 키워드가 대두되고

DLC코팅이 대안으로 모색되고 있다

- DLC코팅 적용기술과 과제에 관한 자료로는 자동차

관련부품 적용사례 엔진부위 마찰 작동 밸브계의 마

찰저감 DLC와 윤활제에 의한 마찰저감 기술을 중심

으로 살펴본 보고가 있다43)

ㅇ DLC는 7가지 형태가 존재하며 모두 상당한 양의 sp3혼

성궤도 탄소원자를 함유한다 다양한 형태의 DLC가 진

공 환경으로 적합한 재료들에 적용가능하며 유럽에서의

59

2006년 위탁 DLC코팅 시장은 3천만euro로 추정되었고 국

내도 활발한 상용화가 시도되고 있다

ㅇ 사반면상(tetahedral) 비정질 탄소 ta-C를 2두께로 코

팅하면 연마마모에 대한 스테인레스 강(304 type)의 내구

성을 증가시켜 수명을 1주일에서 85년으로 늘이며 이러

한 DLC의 형태는 sp3결합 탄소 원자로만 이루어지기 때

문에 순수한 DLC로 간주되며 수소 sp2흑연 탄소 금속

같은 충전제가 생산경비를 낮추거나 원하는 특성을 부여

하기 위하여 사용되고 있다

ㅇ DLC를 만드는 방법에는 sp3탄소 보다 낮은 밀도의 sp

2

에 의존하는 몇 가지 방법들이 있으며 압력 충격 촉매

또는 이들의 조합으로 sp2결합탄소 원자들을 sp3결합탄소

로 근접시킨다 최근 초고압 하에서 탄소의 경량 특성을

갖는 초경도 무정형 다이아몬드가 만들어졌다 탄소로 만

들어지는 다이아몬드 그래파이트는 결정구조를 가지나

DLC는 비정질이라는 점에서 크게 다르고 200 정도의

저온에서 형성시킬 수 있다는 점이 통상의 PVD막에 비

해 훨씬 우위에 있다

ㅇ DLC코팅은 제조공정이 복잡하고 생산 단가가 비싸 적용

이 어려우며 적용되는 소재가 제한되는 단점을 갖는다

60

주요제법으로는 고주파 플라즈마 법 이온화 증착법 스

페터링법 등을 들수 있다 고주파 플라즈마 법은 메탄가

스가 원료로 사용되고 막 중의 수소가 약 30(원자)로

평활성이 우수하고 마찰계수가 작으나 경도가 낮다 이

온화 증착법은 벤젠을 사용하며 막은 단단하나 면의 조

도가 거칠고 후막화 하기 위해 스패터링 방법이 검토되

고 있다

⑼ 불소수지의 안전성

ㅇ 테플론 PTFE의 열분해는 200(392)에서 감지되며 이

것은 몇 가지 플루오르화 탄소 기체들과 승화물질을 방

출한다4445)1955년 동물실험에 관한 한 연구에서는 이들

물질이 250(482) 이하에서는 의미 있는 양이 아니라

고 결론지었으나 최근 비-점착 주방기구인 프라이팬이

나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가열할 때 조류를

죽일 수 있는 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수

도 있다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있다45)

ㅇ 표 3-6은 EWG가 보고한 3-5분 내에 370까지 불소수

지를 가열할 때 발생되는 15종의 불소화합물에 관한 것

이다 테플론과 같은 코팅물질들이 장기적으로 인체에 미

61

치는 영향에 관한 연구는 이루어지지 않고 있으나 독감

과 유사한 질병을 유발할 수 있으며 이를 중합체 증기열

(polymer fume fever)이라 한다

표 3-6 15종의 유해물질 및 유독성 기체44)

ㅇ 최근 표 3-6의 화합물들 중 특히 TFA와 과불화된

(perfluorinated) PFOA(perfluorooctanoic acid)에 관심이

증가되고 있다 PFOA는 새로운 환경오염물질로 미국 환

경보호청(EPA)에 의하면 보통 때는 문제가 없으나 조리

과정에서 프라이팬에 열을 가하고 강하게 긁을 경우 용

62

출되어 나오며 이것이 음식물과 함께 인체에 흡수되는

것으로 추정하였다 한편 DuPont의 테플론 PTFE 연구

결과에 의하면 검출한계인 9ppb 이상 검출되지 않으며

테플론 주방기구에서는 PFOA가 존재하지 않는다고 발

표하고 있다

- 물이나 공기를 통해 환경에 노출된 PFOA는 고 콜레

스테롤 궤양성 대장염 갑상선 질환 고환암 신장암

및 임신성 고혈압과 관련된다고 보고되었다

- PFOA는 불소수지 생산과정에서 사용되는 첨가물로써

암모늄 형태로 PTFE 유화중합에 계면활성제로 사용

되며 불소수지의 품질과 균일성을 유지하기 위해 필

수적인 첨가물이기 때문에 전 세계 모든 불소수지 제

조업체가 사용 중에 있다 한편 국내 주력 산업인 반

도체 생산 과정에서도 PFOA를 대량으로 사용하고 있

어 체계적인 실태조사와 대책수립이 필요하다는 의견

들이 대두되고 있다

⑽ 불소화합물의 안전성과 환경대책

ㅇ 표 3-6에서 살펴본 바와 같이 테플론을 급격히 고온으로

가열하면 2종의 발암물질을 포함한 유독성 가스가 발생

63

하고 특히 불소화합물 중 MFA(monofluoroacetic acid)는

적은 양으로도 치명적 해를 끼치고 PEIF(perfluoro-

isobutene)는 신경가스제로 여러 가지 질환을 발생시킨다

한다44)

따라서 테플론으로 코팅된 장치를 재 코팅하기

위해 테프론을 고온으로 급격히 가열하거나 소각 등을

통해 제거할 때는 발생 가능성이 있는 유독가스를 제거

하기 위한 별도의 설비를 이용하여야 하고 유 등44)의 보

고서에서와 같이 중조(NaHCO3)를 포화시킨 충분한 물로

유독 산성 물질을 중화시키는 것도 고려할 만하다 한편

부식대전 방지 코팅도 테플론 코팅 일변도에서 세라믹

코팅 CNTs이나 DLC 코팅기술로 대응하는 것을 추천하

고 싶으며 이것은 유해물질 배출 및 이동량 보고제도

(PRTR Pollutant Release and Transfer Register)에 대

비하는 등 기업의 장래를 고려하는 것도 될 것이다

ㅇ PTFE를 사용한 취사도구는 1960년대 이래 사용되어 오

고 있으나 최근 들어 이것의 안전성이 논쟁의 주제가 되

고 있으며 논의 주체는 PFOA(perfluorooctanoic acid)이

다 PFOA는 PTFE를 비롯한 많은 불소수지의 생산에

사용되며 DuPont의 테플론 PTFE 연구 결과에 의하면

프라이팬을 260 이상 고온에서 가열하거나 코팅이 벗

겨져도 PFOA가 존재하지 않는다고 한다 그러나 물이나

64

공기 토양 식품포장재 등 여러 곳에서 PFOA 오염사실

이 보고되고 있다 한다44)

- 미국 EPA는 인체와 환경에 대한 PFOA 연구를 계속

하고 있으며 2015년까지 PFOA 및 이와 관련된 화합

물 방출을 배제할 프로그램을 갖고 있으나 PTFE-기

초 비점착 취사기구를 중지시킬 타당성을 갖고 있지

는 않다 최종제품은 PFOA가 아닌 PTFE이기 때문이

다

- 수십 년 동안 불소수지 비점착 코팅이 시장을 지배하

였으나 최근 몇 가지 신기술들이 출현되고 있으며 이

들 대부분은 실리콘 세라믹과 실리콘 기술로 이들 코

팅은 PTFE와 PFOA를 함유하지 않는다

- 오늘날 출시된 비점착 취사용구는 수많은 상표로 팔

리고 있으며 DuPont에 의하면 대부분의 취사용구 코

팅은 정상적으로 사용할 때 3-5년 견딜 수 있을 것으

로 예측한다 너무 문질러서는 안 되고 따뜻한 비눗

물로 씻어주는 것이 좋으며 닳거나 흠이 생기지 않도

록 나무 플라스틱이나 코팅된 재료로 만든 도구를 선

택하고 보관도 흠이 생기지 않을 장소나 캐비닛을 권

장하고 있다

65

ㅇ 국내의 불소수지 안전성에 관한 것으로는 재질규격(납과

카드뮴)과 용출규격(납 과망간산칼륨소비량 증발잔류물)

이 식품용 기구 및 용기 포장 공전46)에 기재되어 있으며

최근 국내에서도 PFOA를 비롯한 유해 불소화합물에 관

한 관심이 커져 가고 있다

ㅇ PFOA 문제가 표면화 되면서 환경 보전형 불소계 발수

유제의 개발과 공업화도 새로이 부각되고 있다 이에 관

한 보고서를 모니터링한 KISTI자료47)를 중심으로 간단히

요약하면 발수제의 주요성분 퍼플루오로알킬기(Rf기)함

유 폴리머의 기능은 Rf기의 고리길이에 크게 의존하므로

PFOA문제 해법으로 탄소수 8 이상인 종래의 불소화학

에서 탈피 짧은 고리 Rf기(탄소수 6)를 가진 새로운 단

량체를 선택하여 발수제를 제조함으로써 환경 보전형 불

소계 발수유제를 개발하고 공업화하였다 한다

66

제 4 장

지원결과

1 지원결과 종합

테프론 코팅 기술의 문제점과 부식대전방지용 테플

론 코팅에 관한 정보 외에 신청기업의 요청에 따

라 C-나노튜브 코팅 및 DLC증착에 관련된 기술 정

보도 제공하였다

테플론은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat resistant)

비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coefficient of

friction) 내약품성(chemical resistance)과 특이한 전기적

특성(unique electrical properties) 및 온내구력(cryogenic

stability)으로 그 응용범위가 광범하며 용도에 따른 엄격

한 품질관리가 요구될 것으로 생각되어 중소기업에 적합

한 기초능력 배양과 신제품을 구상하기 위한 최신기술에

관한 정보를 제공하고자 하였다

67

불소수지의 코팅은 두께와 첨가제가 관건으로 이에 관한

자료를 제공하고자 하였으며 불소수지의 전기특성 폭발

성 환경과 반도체 제조공정에서의 대전 방지 처리를 위

한 정전기 관리 지표 등을 특허를 중심으로 조사하여 제

공하고자 하였다

C-나노튜브를 이용한 대전방지 코팅 기술 및 C-나노튜

브의 제법 등 이것에 관한 기초정보를 제공하고자 하였

으며 내마모성 테플론 코팅에 관해서는 테플론을 이용한

세라믹 코팅 기술에 관한 정보도 제공하고자 하였다

테플론의 기계적 전기적 특성을 강화하기 위해 사용되는

충전제를 종합하고 기초이론을 정립함으로써 금후 원부

자재의 선정에 도움을 주었다

테플론은 석면 대체재로도 주목받고 있어 이에 관한 특

허 정보들을 제공하였으며 다이아몬드의 전형적인 특성

을 나타내는 DLC의 코팅관련 기술 정보를 환경오염 문

제와 연관하여 자료를 제공하였고 최근 비-점착 주방기

구인 프라이팬이나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가

열할 때 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수도 있

다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있어 이에

관한 정보도 제공하였다

68

2 지원의 한계

중소기업이 당면한 문제는 전문기술의 확보다 관련 기술

이 비약적으로 발전하는 추세에 비추어 한정된 인원으로

신기술을 소화하고 개발하기는 어려울 것이므로 출연연

구기관이나 대학과 공동연구를 모색할 수 있으나 이것도

중소기업으로서는 경제적 부담이 될 수밖에 없을 것으로

생각된다 가능하다면 앞으로도 KISTI의 정보지원이 계

속되기를 바라고 있었다

3 기대효과

부식대전 방지 테플론 코팅에 관한 기본 기술이 배양되

어 합리적인 원부 원료의 수입검사 공정관리 및 제품관

리를 통해 원가절감은 물론 신제품 신기술에 관한 정보

수집 및 분석능력이 배양되고 개발력이 확충되어 기업

경쟁력 향상에 도움이 될 것이다

69

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75

저자소개

김학주(金鶴柱) 서울대학교 문리과대학 화학과 졸업 이학사

전북대학교 대학원 화학과 이학박사

(주)삼양사 의약연구소장 신성대학교 교수

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 폴리에스테르 섬유의 연중직방기술 외 다수

저서 기기분석 공업물리화학 일반화학

성용길(成墉吉)

동국대학교 이과대학 화학과 졸업 이학사 이학석사

부산대학교 대학원 화학과 이학박사(Dr Sci)

University of Utah USA Ph D(공학박사) Post Dr

유타대학교 연구교수 부산대학교 교수 동국대학교 교수

동국대학교 명예교수 한국원자력문화진흥원 이사

과학문화연구원전문연구위원 한국도량형과학문화연구원 원장

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 의료용 기능성 고분자재료에 관한 연구 외 330편

저서 고분자 물성론 (서울대학교 출판부 공저) 외 10권

7

제 3 장

지원 프로세스

1 1차 지원

일시 및 장소 2013년 4월 22일(월요일) 1000-1400시 신청

업체 2층 회의실

참석자 히토시 사토(부사장) 성용선(연구소장) 장용석

이사

주제 및 토의사항

- 지원업체의 현황 LCD공정용 스테이지(Stage) 박리

대전방지 코팅 반도체 공정용 석영 관련제품 코팅

추출용 반응기 튀김틀 코팅 광학필름 및 기능성필름

생산 롤러 코팅 전기재료 석유화학 정밀화학 반응기

코팅 및 필터드라이어 등의 테프론 코팅에 관한 작업

8

- 지원내용과 향후지원계획 공장 현장을 방문하고 브리

핑을 통해 필요한 정보를 파악함 조사된 자료(문헌

특허 등)를 전달하고 희망 사항을 파악한 결과 특히

유리의 코팅을 중심으로 한 박리대전 방지 가공 세라

믹 코팅(수분산성 도료-바인더-)을 사용한 내열성 코

팅 대형 DLC 증착기술 및 경쟁사가 개발하고 있는

C-나노튜브 코팅에 관한 정보에도 관심이 많았음

ReSEAT NDSL 및 구글 야후 네이버 등을 통한 자

료조사 방법의 활용 방법을 설명해 주었음

- 지원효과 ReSEAT NDSL 구글 야후 네이버 등을

통한 주제 또는 키워드 검색에 의한 자료 검색 분석

능력 향상 제공 자료와 문헌의 활용 효과 등

- 자료제공

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③ Polytetrafluoroethylene Aluminum magnesium

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④ 野坂正隆 低溫環境下におけるドライボロジドラ

イボロジスト(日本) Vol 52(11) 2007 pp759sim

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⑤ 식품의약안전청 연구보고서(연구책임자 유승석)

불소수지코팅 주방기구의 안전성 평가C 2004 12

⑥ 이장호 등 테프론 코팅 전열관 표면으로의 열 및

물질 전달 특성에 관한 실험적 연구 대한기계학

회논문집 B권 Vol 27(8) 2003 pp1051sim1060

⑦ Eun-Joo Kim et al Teflon coating of fabric

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⑧ Jin-Goo Park et al Characterization of

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⑨ WO 200054614(Solex Robotics Systems Inc

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⑩ WO 2012123103(WLGore amp Associates GMBH

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Coating)

⑪ WO 2006 017259 (Thomae Kurt J Multilayer

Corrosion-resistant Finish and Method)

2 2차 지원

일시 및 장소 2013년 5월 16일(월요일) 1000-1400시 신청

업체 2층 회의실

참석자 성용선(연구소장) 장용석 이사

주제 및 토의사항

- 지원내용과 향후지원계획 지참 자료를 제공하고 연구

원들의 기초지식 배양을 목적으로 불소수지의 특성에

관해 각 유형을 중심으로 제공 자료를 통해 종합 설

명함 불소 수지 코팅 방법 개발 목적 기질의 전처리

방법 두께 제어의 중요성 코팅시스템 등을 토의하고

이에 관한 자료를 제공하여 기초지식을 배양함은 물

11

론 최근 기술 동향을 파악함 다음 방문 시(6월 20일)

에는 대전 방지 불소 수지 코팅을 중심으로 그 중요

성과 이론 등 기초지식과 최근의 개발동향을 검토하

기로 함

- 지원효과 불소수지의 유형과 특성을 통한 원료의 선

정 시 고려할 사항 코팅 방법 기질의 전처리 방법

용도에 따른 두께 제어의 중요성 파악 공정 및 제품

관리에 관한 기초지식 배양과 최근 기술 동향 파악

- 자료제공

① JP-2005-237860(三洋電氣株式會社 電氣掃除機)

② JP-2010-261035(Xerox Corpor- ation フツ素ナノ

ダイヤモンドを含むテフロン定着器部材)

③ JP-2010-78036(株式會社ルネサステクノロジ 配管

チュ-ブおよびこれを備えた機械裝置)

④ WO 2008154391(Alcoa Inc Heat Exchanger)

⑤ 등록번호10-0365003 (주식회사 엘지아이 열처리를

이용한 테프론 코팅 방법)

⑥ 공개특허10-2008-0061943(주식회사 하이닉스반도체

이온 주입장비의 웨이퍼 지지 장치)

⑦ 등록번호 10-0449561(주식회사 봉성비에스 완충기

12

용 피스톤의 테플론 코팅장치)

⑧ 등록번호 10-0522254(백원두 브레이크 라이닝(또

는 패드) 제조방법)

⑨ 등록번호 10-0811228(조철환 내열 세라믹 주방용

기의 불소수지코팅방법 및 그 방법에 의해 불소수

지 코팅된 내열 세라믹 주방용기) 등

3 3차 지원

일시 및 장소 2013년 6월 20일(목요일) 1000-1400시 신청

업체 2층 회의실

참석자 김학주 성용길 성용선(연구소장) 이채영 차장

및 연구원

주제 및 토의사항

- 지원내용과 향후지원계획 불소수지의 전기적 특성과

대전 방지용 불소수지의 충전제에 관한 장단점 토의

대전 방지의 중요성 폭발 환경에서의 정전기 안전지

침 반도체 제조 장치에서의 작업스테이지의 대전방지

에 관한 기술 동향 토의 최근 관심의 대상이 되고 있

13

는 탄소나노튜브(CNTs)의 제조 방법 용도 등에 관한

설명과 의견교환 내마모성 테플론 코팅 방법 용도

등에 관한 자료제공 및 의견교환 충전 또는 강화 불

소수지에 관해 자료조사를 통해 얻은 충전제의 종류

기계적 및 물리적 특성 향상 방법에 관한 기초지식을

제공함 다음 방문 시(7월 25일)에는 시트 테이프 및

박층 테플론과 최근 내마모성 코팅기술로 주목받고

있는 DLC코팅과 테플론의 안정성 문제에 관해 의견

을 교환하고 그간의 정보지원에 관한 내용들을 종합

정리하기로 함

- 지원효과 대전방지 불소수지 코팅의 작업표준 및 관

리지침에 반영할 자료 제공 최근 관심의 대상이 되는

CNTs에 관한 기초지식 배양 및 정보수집과 분석 불

소수지에 사용되는 각종 충전제의 선정 시 참고 자료

확보

- 자료제공

① Francis J Clauss Chapter 9 Fluorocarbons

Solid Lubricants and Self-lubricating Solids 1972

pp195sim238

② Eunsoo Kang Seongcheol Choi Changhoon Choi

14

Sang Eun Shim Aqueous dispersion of

submicron-sized diamond particles for thermally

conductive polyurethane coating Colloids and

Surfaces A Physiochem Eng Aspects415(2012)

pp255-261

③ Masaaki Yamane Tadeusz A Stolarski Shogo

Tobe Influence of counter material on friction

and wear performance of PTFEndashmetal binary

coatings Tribology International Vol 41 (2008)

pp269ndash281

④ M Pazderova M Bradac M Vales

Tribological Behaviour of Composite Coatings

Procedia Engineering Vol 10 (2011) pp472-477

⑤ S Rossi F Deflorian F Venturini

Improvement of Surface finishing and Corrosion

Resistance of Prototypes by Direct Metal Laser

Sintering Journal of Materials Processing

Technology Vol 148 (2004) pp301-309

⑥ S Rossi F Chini etal Corrosion Protection

Properties of Electroless NickelPTFE Phosph-

ateMoS2 and BronzePTFE Coatings Applied to

Wear Resistance of Carbon Steel Surface and

15

Coatings Technology Vol 173 (2003) pp235-242

⑦ VC Malshe Nivedita S Sangaji Fluorinated

Acrylic Copolymers Part I Study of Clear

Coatings Progress in Organic Coatings Vol 53

(2005) pp207-211

⑧ Xing-Dong Yuan Xiao-Jie Yang A Study on

Friction and Wear Properties of PTFE Coatings

under Vacuum Conditions Wear Vol 269 (2010)

pp291-297

⑨ Amel Delimi Elisabeth Galopin etal

Investigation of the Corrosion Behaviour of

Carbon Steel Coated with Fluoropolymer Thin

Films Surface amp Coatings Technology Vol 205

(2011) pp4011-4017

⑩ 이계영 김태균 김종구 ldquo내마모성 및 윤활성 코팅

조성물rdquo 대한민국특허 등록번호 10-1151909 (2012)

⑪ Thomae Kart J Multilayer Corrosion Resist

ant Finish and Method WO 2006017259(2006)

⑫ (주)바론에스엘 ldquo불소수지와 세라믹의 유무기

하이브리드 코팅 조성물 및 그를 이용한 도막 형성

방법rdquo 대한민국 공개특허 10-2013-0028553 (2013)

16

4 4차 지원

일시 및 장소 2013년 7월 25일(목요일) 1000-1400시 신청

업체 2층 회의실

참석자 성용선(연구소장) 이채영 차장 및 연구원

주제 및 토의사항

- 지원내용과 향후지원계획 발암물질인 석면대체재로써

테플론의 개발 동향을 나선 권형 가스켓과 자동차브

레이크 제동장치를 중심으로 토의하고 내마모 특성을

필요로 하는 DLC 코팅에 관한 정보제공과 DLC 특성

에 관해 집중 토의함 환경문제와 관련하여 대두되고

있는 테플론 분해가스 등 안정성 문제에 관한 자료를

제공하고 이에 관한 의견을 교환함 그간의 제공 정보

를 종합하고 8월 말 작성예정인 최종보고서 내용을

협의하였음

-지원효과 신기술 개발을 위한 내마모 코팅 DLC코팅

환경문제를 고려한 친환경 제품 등 신기술과 신공정

개발을 위한 개념을 확립하였음

17

- 자료제공

① WO 2006047500(Henkelkommanditgesellschaft auf

Aktien Article of Manufacture and Process for

Anodically Coating an Aluminum Substrate with

Ceramic Oxides Prior to Organic or Inorganic

Coating)

② 이치옹 분석자료 ldquo나선형 개스킷의 비석면화rdquo

Takashi Miyoshi 배관기술(일) Vol 46(10) 2004

pp43-47

③ 유호천 ldquoDLC 코팅 표면처리rdquo KISTI 중소기업 정

보지원 2011 10 11

④ 유호천 ldquoPVD DLC TRD 코팅설비를 활용한 복

합충 개발및 제품적용rdquo KISTI 중소기업 정보지원

2010 10 21

⑤ 국립환경과학원 ldquo화학물질 배출량 조사 OECD와 협

력강화rdquo 보도자료 (2010 11 18)

⑥ ldquo새로운 코팅기술과 공구에 대한 적용rdquo 월간기계기술

기자 2005년 3월호

⑦ Teflon off-gas studies Environmental Working

Group Ewg Org Retrieved on 2013-01-01

⑧식품의약품안전청 ldquo식품용 기구 및 용기 포장 공전rdquo

18

2012

⑨ 廣野高生 ldquo環境保全型フッ素系 撥水撥油剤の 開發

と 工業化rdquo ファインケミカル(日本) 37(11) 2008

pp39-44 이치옹 모니터링분석 KISTI

5 5차 지원

일시 및 장소 2013년 8월 21일(수요일) 1000-1400시 신청

업체 2층 회의실

참석자 성용선(연구소장) 이채영 차장 및 연구원

김학주(전문연구위원) 성용길(전문연구위원)

김종헌(KISTI 연구책임자)

주제 및 토의사항

1 불소화합물의 안전성과 환경대책 정보지원 결과 종합

등 최종보고서(안) 내용에 관한 의견교환

2 지원의 한계와 기대효과에 관한 의견 교환

3 건의 사항 등

19

세부 지원 내용

⑴플루오르화탄소 플라스틱의 특성

Teflon TFE(폴리테트라플루오로에틸렌)은 1940년대부

터 사용되어 왔으며 Teflon FEP(플루오르화에틸렌프

로필렌 공중합체)는 1958년에 소개되었고 압출 및 사

출성형이 용이하며 TFE 유형은 딱딱하고 낮은 마찰계

수를 가지며 마모에 강하고 보다 높은 온도에서 사용

가능하다 이 외에도 플루오르화탄소 플라스틱에는 폴

리염화플루오르화에틸렌(CFE 또는 CTFE)와 폴리비닐

리덴플루오라이드(PVF) 등이 있다 플루오르화탄소 플

라스틱은 그 코팅방법에 따라서도 응용범위가 광범위

하게 발전되어 왔으며 그 용도는 주방용기로부터 기

계 자동차 반도체는 물론 우주항공 산업 부품에 이르

기까지 무한하며 상업 생산되고 있는 플루오르화탄소

플라스틱은 표 3-11)과 같다

PTFE는 열가소성 플라스틱으로 상온에서 밀도 약 2200

인 백색고체로 융점은 327이며 마찰 및 마모 특

성을 나타내는 마찰계수는 고체재료 중 BAM(alumi-

20

nium magnesium boride 마찰계수 002)과 DLC

(diamond-like carbon 마찰계수005)에 이어 3번째로

낮은 005-010로 반데르발스 힘에 대한 저항력으로 도

마뱀이 붙을 수 없는 유일한 표면으로 알려져 있다2)

표 3-1 플루오르화탄소 플라스틱의 유형1)

21

Teflon의 유용한 기계적 특성은 -450sim500(-267sim

260)에서 유지되며 여러 가지 특성들은 가공기술을

바꾸어 변경시킬 수 있다 마찰 및 마모 특성을 나타

내는 마찰계수들은 시험조건에 따라 다르며 Teflon은

증기압이 극히 낮아 진공에서도 우수한 안정성을 가

지며 방사선 안정도는 부족하나 방사선 내용성은 극

히 높다

테프론의 특징은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat-

resistant) 비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coeffi-

cient of friction) 내약품성(chemical resistance) 특이한

전기적특성(unique electrical properties) 저온내구력

(cryogenic stability)으로 대표된다3)

- 테프론 코팅된 표면에는 거의 모든 물질이 달라붙지

않으며 내열성(heat-resistant)이 우수하여 -260sim+26

0까지 사용할 수 있고 단시간 사용의 경우에는 30

0까지 견디며 Teflon FEP는 232에서 연속사용이

가능하다 비유성(non-wetting)이 우수하여 표면에 물

이나 기름이 잘 묻지 않아 표면이 오염되지 않아 쉽

게 청소가 가능하고 기계설비의 보수시간이 단축되어

생산성을 향상시킬 수 있다 테프론은 비-절연성은 물

22

론 비-유전정접과 우수한 표면 저항률을 보인다

⑵ 플루오르화탄소 수지 코팅

얇고 강인한 플루오르화탄소 수지 필름을 금속 등에

소결이나 수지-접착에 의해 바르면 기질에 침착된 필

름은 저온흐름으로 고체 플루오르화탄소 수지보다 낮

은 마찰계수를 띠고 금속은 양호한 열전도도를 갖고

열을 분산할 수 있어 고속으로 운전할 수 있고 양호한

내구성을 갖게 된다

1950년대 미국 해군연구소에서 소결 Teflon TFE필름을

수성 분산액(현탁질)으로부터 무기 탄약통 비행기부

품 잠수함부품의 건조-필름 윤활제 및 보호 코팅용으

로 개발한 후 이것들은 기어 정첩(hinges) 샤프트 베

어링 밸브 플러그 콕 피스톤 링이나 그 외의 산업분

야에 응용되고 있다

- 실제로 적절한 테플론 현탁질을 고체 표면에 침적한

후 수분 증발이 너무 빠르지 않게 공기에서 필름이

건조되게 한 후 테플론 입자들이 연화 및 소결되도록

건조된 표면을 약 385(725)로 가열하고 냉각하면

23

얇은 연속 필름이 표면에 남지만 필름 중의 많은 작

은 세공들은 테플론의 높은 용융점도 때문에 제거할

수 없다 세공들은 윤활 작용에는 제한을 받지 않으나

녹슬거나 부식의 공격점이 되어 부식방지를 위해서는

1회 이상의 박막 추가 코팅이 반복되고 보통 2회 코

팅으로 충분하나 각 침적 테플론 층은 두께가 00003

인치(762)를 초과하지 않아야 하며 그렇지 않으면

말린 진흙 같이 균열이 발생한다 필름이 윤활제로 사

용될 때는 필름두께가 00006-00007인치(152-178)

를 초과하지 않아야 한다1)

- 테플론코팅은 통상으로 존재하는 표면 산화물이 제거

되지 않은 깨끗하고 탈지된 강철 황동 및 알루미늄금

속표면일 때 가장 잘 접착한다 만일 산세척에 의해

과잉 두께의 산화물이 제거되었다면 필수적으로 얇은

산화층이 형성될 때까지 공기 중에서 가열한다 접착

은 실표면적이 증가하면 증가하므로 경면가공(mirror

finish)보다 모래분사가공이나 무광택가공이 양호하다

- 테플론 코팅된 표면의 마찰계수는 금속기질 표면을

거칠게 함으로써 낮출 수 있으나 미끄럼마찰 조건 아

래 내구성은 금속의 거칠기가 32마이크로인치(rms)를

초과하면 감소한다

24

철강 기질의 인산처리는 소결 Teflon TFE필름의 마모

수명을 향상시킨다고 보고되었으며 양극처리 된 코팅

의 경도 및 내마모성과 불소수지의 윤활성을 결합하기

위해 다공성 경화 양극처리 알루미늄 위에 불소수지를

침윤하여 왔다 Teflon S 마감재는 Du Pont이 도입한

최초의 수성-기초 분산 TFE FEP로 이들은 ldquo계층화

된rdquo 마감재이다 Francis J Clauss1)는 다양한 용도에

서의 Du Pont사 제품들의 선정 가이드를 표로 종합하

였으며 이것을 요약하면 표 3-2와 같다

- 테플론 코팅은 프라이머 단층 프라이머 코팅 후 에나

멜이나 클리어 마감 또는 프라이머 에나멜과 클리어

마감 등 3-코팅 시스템으로 구성된다 프라이머들은

금속이나 세라믹 기질에 접착을 향상시키기 위해 개

질제를 함유한다 프라이머들은 가끔 1회 코팅 마감재

로 사용되나 음식물과 접촉하는 용도로는 반드시 에

나멜이나 클리어 마감재로 마무리 칠을 하여야 한다

프라이머는 층간 접착력이 부족하기 때문에 다중 코

팅에 적용될 수 없고 만일 06mil 이상의 코팅이 필요

하면 프라이머는 에나멜이나 클리어 마감재로 마무리

칠을 하여야 한다

25

표 3-2 테플론 코팅 두께1)

최종

용도대표적 용도

전체두

께(mils)

프라이머에나멜클리어

가공(mils)

비점착

산업

직물 슬래셔 통

열 봉합 봉 고무경화 롤러

우레탄과 에폭시 경화 주형

제빙기

목재 고무 주석도금 아연

10-25

07

20-50

08-13

07

03 07-22 07-10

07 마무리칠 불가

03 07-37 10min

03 05-10 05-10

07 마무리칠 불가

식품

프라이팬 내열접시

반죽롤러

캔디 장치

08-12

10-30

20-30

03 05-09

03 07-27

03 07-17 10

One-coat

system

금지

드라이

윤활

플러그 밸브

유리병 제조 전달 장치

베어링

03-07

15-25

05-07

03-07

03 03-05 03-05

02

전기

전자

저항기 코팅

아이들 롤러(제지 섬유 공업)

세라믹 절연체

40-50

10-15

20-25

03 37-47

03 07-12

03 17-22

부식

방지용기 라이닝 gt50 03 47 또는 5-10 이상

Non-

wetting콘덴서 튜브 02-04 02-04

- 유색 프라이머는 통상 안료가 필름의 범위와 두께를

시각적으로 체크할 수 있게 하므로 그렇지 않은 것에

비해 더 선호된다 에나멜과 클리어 마감재는 충분한

접착을 위해 프라이머 위에 발라야 한다 ldquo진흙 갈라

짐 현상(mud-cracking)은 코팅 당 최대 두께를

10mil로 한정하나 다중 코팅에 의해 극단적이 조건

하에 전체 두께를 10mils까지 바를 수 있으며 각각의

26

코팅은 분리하여 구워진다

불소화 고분자들은 낮은 표면장력 물과 기름에 젖지 않

고 비점착성이며 방오 특성(antifouling properties) 등을

갖기 때문에 다양한 특수 코팅에 적용되나 합성과 조성

이 몇몇 제조업자들에 독점되어 있고 값비싼 중간체를

필요로 한다 VC Malshe 등4)은 플루오르 함량이

4-10인 불소화된 아크릴 공중합체를 간단한 방법으로

합성하고 클리어 코팅하여 광학적 기계적 및 보호 특성

을 연구하였다

최근 에너지 절감과 CO2규제와 같은 환경규제에 대한 대

응 필요성이 증가하면서 발전소나 각종 보일러 시스템에

서 배가스로 배출되는 응축잠열 에너지의 회수 및 활용

에 관심이 증가되고 있다 Lee 등5)은 스테인레스 관 표

면에 400정도의 두께로 테플론을 코팅한 전열관에서

관의 열 및 응축 열전달 특성을 연구하여 테플론 코팅관

의 총괄 열전달 계수는 스테인레스 관보다 약 20 작은

것으로 나타나고 응축열전달 계수는 유사하였음을 보고

하였다

알루미늄 용광로의 비-여과 배출가스에 장기간 사용하기

적합한 역류 열교환기에 관한 것으로 원통형 쉘의 표면

27

은 알루미늄 용광로 배출가스 입자 및또는 먼지 및 부

식 흄과 접촉될 수 있어 테프론 계로 코팅 처리하는 특

허6)가 있다 이 특허에서는 원통형 쉘을 만들도록 복재

(web member 웨브재)와 함께 연결된 유체 운반튜브로

이루어진다 각 원통형 쉘에 위치한 헤더는 열교환기의

튜브에서 튜브로 유체를 공급하며 뜨거운 난류가스에 작

용하여 스케일링을 최소화하기 위해 헤더의 보호덮개를

설치한다

저온에서 고온에 이르는 환경에서 유체에 사용되는 배관

튜브는 열에 의한 경시적 열화가 진행되어 균열 발생이

쉽다 가동부에 사용되는 배관 튜브는 움직임이 수반되어

그 경향이 현저하며 반도체 제조장치에 일반으로 사용되

는 실리콘튜브는 저온에서 열화되어 파손되기 쉽다 이러

한 문제점을 해결하기 위해 실리콘 튜브 외측 표면을 테

플론으로 코팅하여 균열발생을 억제함으로써 장시간 사

용 가능하도록 고안한 특허7)가 있다

섬유상 부직포로 제작하는 다공성 여과필터는 다양한 산

업공정의 배출가스를 정화시키는 데 사용되며 특히 중고

온 환경에서 사용이 가능한 다양한 종류의 기능성 필터

의 개발이 요망된다 일반으로 소각장 및 발전소 등의 중

고온 조건에서 사용되는 Nomex를 비롯한 섬유상 필터는

28

200 이상에서는 열변형으로 사용이 제한적이고 세라믹

필터와 같이 고온에서 적용이 가능한 소재는 매우 고가

일 뿐 아니라 초기 작업으로 인해 에너지 사용량이 매우

높아지는 문제점이 있다 Kim 등8)은 250-300 영역의

중고온의 배출가스를 처리하기 위한 필터에 표면 소수성

과 고온 안정성을 부여하기 위하여 표 3-3과 같은 조성

으로 그림 3-1과 같은 장치를 이용하여 테플론 수지를

거품 형태의 코팅액으로 조제하여 유리섬유 원단에 공급

하여 표면코팅하고 열처리 및 압착과정을 거친 후 표면

분석하였다

표 3-3 테플론 코팅을 위한 화학첨가제8)

테플론 코팅이 전기 집진장치에 활용되는 특허도 있다

종전 사이클론 방식의 전기집진기에서는 집진부의 먼지

를 떨어뜨리는 것이 용이하지 않았다 발명자들은 먼지

압축 기능을 갖는 집진실 내측에 테플론 가공을 하여 정

전기에 의한 미세먼지의 부착을 억제함으로써 집진실의

먼지를 원 터치로 처리할 수 있도록 하였다9)

29

그림 3-1 테플론 거품코팅8)

일반으로 테프론을 조리용기에 코팅하는 방법은 금속소

재를 사용 제품형태로 제작한 후 세척하고 에이징(소둔)

처리한 후 샌딩하여 표면조도를 유지하도록 하고 표면에

프리머 처리하여 베이킹 처리한 후 분사방법으로 테프론

코팅을 하고 다시 베이킹 처리하므로 공정이 복잡하고

제조원가가 상승하며 부착력에 한계가 있다한다 (주) 엘

지아이 특허10)에서는 피처리물을 세척한 후 산질화처리

하여 표면에 열처리 층이 형성되게 한 후 테프론을 코팅

하고 베이킹 처리하는 것을 특징으로 한다 그 외에 내열

세라믹 주방용기의 불소수지 코팅방법에 관한 특허가 있

다11)

(주) 봉성비에스는 차량의 주행 충격을 흡수하는 완충기

30

내부에 삽입하는 피스톤 외주면의 마찰과 소음을 최소화

하기 위한 목적으로 테프론 코팅을 하기 위한 코팅장치

를 등록하였다12)

⑶ 대전 방지 플루오르화탄소 수지 코팅

ㅇ 본래 불소수지 자체는 높은 절연성과 큰 대전성을 갖고

있기 때문에 도전 효과를 얻기 위해서는 분상 필러를 다

량으로 충전할 필요가 있으나 이렇게 하면 비점착성이

떨어진다 여러 회사들의 제품 안내서들을 종합한 불소수

지의 전기적 특성은 표 3-4와 같다

표 3-4 불소수지의 전기 특성

특성측정법

(ASTM)단위

PTFE

(비충전)

PTFE

(25

유리충전)

PTFE

(25

탄소충전)

표면 내아크성 D495 sec 75-110

체적저항

(비저항)D257

ohm-

cmgt1018 gt1016 104

표면저항 D257ohm

sq-1 gt10

14

유전율(유전상

수) at 1MHzD150-81 e 25 24

절연내력 short

time 18thickD149

kv

mm285

유전정접(유전

정합) at 1MHzD150-81 lt00002 005

31

ㅇ 불소수지는 내열성 내한성이 높고 내약품성 내연소성

난연성이 우수하고 절연성 및 비점착성과 저 마찰계수를

갖고 있으나 절연성이 높아 정전재해의 원인이 될 수 있

어 재해 방지를 위해 대전 방지 또는 저저항을 특징으로

하는 불소수지 가공품이 개발되어 사용범위가 넓어지고

있다

불소수지에 충전하여 저저항으로 하는 필러에는 일반적

으로 도전성이 높은 카본 금속 또는 산화알루미늄 등의

금속산화물이 사용된다 재료의 형상으로는 미분 탄소

스테인레스 스틸 니켈 금속분과 같은 입상물 단섬유 탄

소섬유 위스커(whisker) 등이 사용된다

- 미분은 비표면적이 크기 때문에 소량의 충전으로 저

항치를 내릴 수 있으나 약품의 침투가 있는 경우 비

표면적이 크기 때문에 약품의 영향을 받기 쉬워 내부

식성 떨어질 가능성이 크다

- 입자상물질들은 미분에 비해 비표면적이 작기 때문에

약품의 영향을 비교적 적게 받지만 저항치를 내리기

위해 충전량이 많게 되어 불소수지의 특징인 비점착

성과 저마찰계수 특성을 저해한다 섬유 위스커 형상

은 단방향에 대한 장방향의 비가 클수록 적은 충전량

32

으로 저항치를 낮출 수 있지만 분산이 나쁘면 요철이

발생한다 부식 방지 코팅에서는 충전제의 내약품성이

관건이다 즉 부식 환경에서 불소수지 자체는 충분히

견디어도 충전제가 내약품성이 없으면 충전제가 서서

히 에칭되어 기기가 부식될 가능성이 크다

화학 석유 및 정제 산업에서는 시험 검사 세척 및 다양

한 공정의 용기 저장 탱크 반응기와 같은 많은 구성요

소들이 사용되며 플루오르화 고분자는 고온에서 높은 열

안정성을 갖고 다양한 유기용매에 전혀 용해되지 않으므

로 부식방지 등을 위해 플루오르화 고분자와 같은 내화

학성 고분자로 코팅된다 그러나 이들 고분자는 코팅된

구성요소의 표면에 정전하 축적을 조장하기 때문에 폭발

성 환경에서는 사용할 수 없다

특히 이들 구성요소들의 금속 구조물은 용기나 탱크에

보관된 가스 증기 분진의 이동에 의해 생성된 정전하

(electrostatic charge)를 흐르게 하는 전도경로가 되나 금

속표면을 강산 강알칼리나 유기용제에 의해 침투되는 방

지하기 위한 목적으로 부식방지 테플론으로 코팅될 경우

얇은 필름의 비-전도체로 작용하므로 폭발성 환경에서

사용을 규제하고 있다

33

- 예로 유럽 표준 EN 50014 section 732에서는 정전

하로 인한 발화 위험을 피하기 위해 사용 보수 및 세

척 조건 하에 설계된 울(enclosure)이 필요하고 울의

절연저항은 1GΩ을 초과할 수 없도록 규제하고 있고

일본은 후생노동성 관할 산업안전연구소의 정전기 안

전지침의 누설 저항치는 108Ω 이하로 되어 있다

- 따라서 부식 및 폭발성 환경에서 안전하고 다양한 구

성 요소에 적용할 수 있는 정전방지 비-발화 테플론

코팅기술을 요하며 정전방지 코팅은 표면저항을 낮추

기 위해 카본블랙이나 개질 전도성 탄소 금속이나 전

도성 고분자를 테플론에 충전하여 코팅한다

폭발성 환경용 내화학약품 특성과 대전방지 비발화

코팅 조성물로는 높은 비저항을 갖는 플루오르 고분자

50-90wt 10-50wt의 전도성물질인 탄소분(carbon

powder)으로 이루어진 Solex Robotics Systems Inc

특허가 있다13)

- 폭발환경에서 사용되는 이상적인 코팅은 정전하를 피

하기 위해 낮은 비저항을 가져야 한다 완벽한 전도체

는 비저항이 영(0)이고 완벽한 절연체는 무한 비저항

34

을 갖는다 금속(구리 금 같은) 합금(망가닌 Mn-Ni-

Cu 니크롬 Ni-Cr-Fe) 반도체(카본이나 게르마늄)는

낮은 비저항을 갖고 있어 좋은 도체이다

- 수많은 고분자 기초 코팅들이 부식화학 환경에 사용

되었으나 85GΩ 이상의 비저항으로 대전방지 시험에

서 실패하였다 정전기 도체로 인증기준 아래 적합하

기 위해서는 100cm2이상의 노출 표면이 1GΩ 이하의

비저항이어야 한다 코팅에 첨가된 탄소분은 전도도를

증가시키며 10-50의 함량은 1GΩ 이하의 비저항을

만족시킨다

비전도성 표면의 표면저항을 감소시키도록 카본이나 금

속을 사용하여 대전방지를 부여하는 공정의 단점으로는

카본이나 금속의 접착력이 낮아 입자의 마모가 일어나

장기간 사용 시 대전방지 수준이 감소하는 것이다 더욱

클린룸에서 입자의 방출은 심각한 문제가 된다 대부분의

비전도성 기질은 통상 23 상대습도 50에서 표면 비

저항이 109ohmsquare 이상으로 높고 PTFE 경우는 10

12

ohmsquare이상이다14)

반도체 제조 장치에서는 웨이퍼 기판을 안착하기 위해

작업 스테이지를 사용하며 작업스테이지는 통상 금속과

35

세라믹으로 제작되나 웨이퍼기판을 작업스테이지에 올려

놓을 때 작업스테이지와 웨이퍼기판 사이에 마찰 정전기

가 발생한다 FPD(flat panel diplay 평판표시)용 디스펜

서(dispenser)에 사용되는 작업스테이지는 진공방식으로

디스플레이 기판을 흡착 고정하며 흡착 고정되었던 디스

플레이 기판이 작업스테이지에서 박리될 때 작업스테이

지에 정전기가 발생하여 디스플레이 기판에 대전된다 최

근 디스플레이 기판이 대형화됨에 따라 대전량이 증가되

고 정전기 대전문제가 더욱 심각해지고 있다 웨이퍼기판

이나 디스플레이기판에는 반도체소자 등 다수의 전자부

품들이 배치되어 있기 때문에 정전기가 발생되면 전자부

품의 신뢰성에 치명적 손상을 주고 기판에 분진이 부착

되거나 정전기의 대전으로 기판 리프트 업(lift up)시 기

판이 깨어지는 문제가 발생한다 정전기 대전을 방지하기

위해서는 작업스테이지에 이오나이저를 설치하여 중화하

기도하나 리프트 업이 불가능하거나 이온풍이 도달하기

전 방전하는 등 작업 스테이지와 기판 사이에서 발생한

정전기가 순간적으로 일으키는 박리대전 문제를 해결하

기 어려워 작업 스테이지의 정전기 방지를 위해 불소수

지로 코팅한다

- 불소수지는 다른 물질과의 흡착에너지가 작고 비점착

성이 우수하며 마찰계수가 작아 유리기판과의 상관관

36

계가 작아져 박리에 의한 정전기의 발생량이 적어지

나 불소수지는 절연성을 가지므로 테프론 코팅에서는

카본 블랙이나 전도성 고분자 등을 필러로 사용한다

대전방지가 필요한 반도체 제조장비 디스플레이 장치 및

테스트 장치 등의 작업 스테이지를 테프론 코팅함으로써

작업 스테이지의 정전기 발생을 방지하는 방법의 단점의

하나는 제작비용이 상대적으로 많이 드는 것으로 디스펜

서의 경우 디스플레이 기판이 대형화됨에 따라 작업 스

테이지의 크기가 커져 제작비용이 증가한다 또한 불소수

지의 경도가 낮아 코팅 막에 스크래치가 발생하고 이 부

분은 평탄도 유지가 어려우며 입자들이 발생하는 요인으

로 작용하며 불소수지가 절연성이므로 카본블랙이나 전

도성 고분자 등의 도전성 필러를 충전하여 대전방지에

적합한 면-저항을 갖도록 할 경우 카본블랙은 구형으로

분진이 발생하는 문제점이 있고 전도성 고분자를 사용할

경우는 내용제성이 약하고 과량의 바인더를 사용하여야

하며 박막 형성이 어렵고 불소수지의 경도를 보완하기

위해 아노다이징 처리를 하는 경우는 이후 별도의 코팅

과정을 거쳐야 하므로 제작비용과 제작시간이 증가하는

등 여러 가지 단점들이 있다 이러한 문제점들을 해결하

기 위한 방법으로는 작업 스테이지와 기판이 만나는 면

에 정전기 발생을 최소화시킴과 동시에 그 제조비용이

37

절감되고 적절한 면-저항을 조절할 수 있으며 마찰계수

가 낮고 내마모성이 향상된 작업스테이지 표면의 대전방

지 처리 방법에 관한 국내의 탑나노시스 사의 특허15)가

있다

- 탑나노시스 사의 특허 목적은 작업스테이지의 기판과

만나는 면에 정전기의 발생을 최소화시킴과 동시에

그 제조비용이 저감되고 적절히 면-저항을 조절할 수

있으며 마찰계수가 낮고 내마모성이 향상된 스테이지

표면의 대전방지 처리 방법에 관한 것으로 이 특허에

서는 금속소재의 작업 스테이지 표면을 아노다이징

처리하여 복수의 산화표면 홀들을 형성시키고 여기에

탄소나노튜브를 삽입하고 경화하며 탄소나노튜브 경

화 후에 표면을 봉공 처리한다

- 작업스테이지 표면은 106-10

9Ωsq의 면-저항을 갖는

것이 바람직하며 산화표면 홀들은 직경 30-900nm 깊

이 100-900nm가 바람직하다 아노다이징 처리를 하는

금속소재는 Al Mg Zn Ti Ta(탄탈륨) Hf(하프늄)

Nb(니오븀) 등일 수 있고 이 발명에서는 가벼우며 일

정 강도를 갖고 가공성이 우수한 Al합금을 예로 들어

설명하고 있다

38

- 알루미늄소재 작업스테이지 표면에 산화피막(Al2O3)처

리를 하는 아노다이징(anodizing 양극산화)에서 전해

액은 수산화나트륨이나 수산과 황산 등이 사용될 수

있고 수산화나트륨의 농도(20-50) 공급전압 전류

및 시간 등을 조절하여 산화표면 홀의 크기(D)와 깊

이(L)를 조절하며 D와 L에 따라 대전방지 효과나 내

구성 및 표면경도를 조절한다

- 탄소나노튜브를 산화표면 홀 내에 삽입시키는 단계는

전해 흡착 하여 이루어질 수 있고 정전도장을 통해서

도 이루어질 수 있다 탄소나노튜브는 분산제를 포함

하는 용액으로 코팅되며 분산제로는 소듐 도데실설페

이트(SDS) 트리톤X Tween20(폴리옥시에틸렌 소르

비탄모노올레이트) CTAB(cetyl trimethyl ammonium

bromide)를 예로 들고 있으며 탄소나노튜브 용액은

아크릴계 우레탄계 등 또는 전도성 고분자계 유무기

하이브리드계 바인더가 포함될 수 있다

- 봉공처리는 산화표면 홀과 산화피막을 봉공하여 내식

성 등이 향상되도록 보호 층을 형성시키는 것으로 비

등수 가압증기에 의한 수화봉공 금속염을 포함한 열

수에 의한 금속염 봉공 오일로 도포나 침적하는 유기

물 봉공 양극산화 피막 층에 도장하는 도장에 의한

39

봉공 등이 있다

반도체 소자를 제조하는 과정에는 불순물 이온을

주입하는 장비가 이용되고 있다 (주)하이닉스 반도

체의 특허에서는 이온주입 장비의 웨이퍼 지지 장

치 리프트 핀의 끝단을 라운드 처리하고 리프트 핀

에 테플론을 코팅하여 리프트 핀과 웨이퍼 후면의

접촉 시 웨이퍼 후면에 스크래치와 같은 손상이 유

발되는 것을 억제할 수 있게 한다16)

⑷ 탄소나노튜브(CNTs Carbon Nano Tubes)17)

탄소나노튜브는 탄소의 동소체로 1991년 일본 NEC 연구

소의 Ijima박사에 의해 전자 현미경을 통해 처음으로 확

인되었다 1985년에 Kroto와 Smalley가 탄소의 동소체인

풀러렌(탄소 원자 60개가 모인 것C60)을 처음으로 발

견한 이후 전기방전 시 흑연 음극 상에 형성된 탄소덩어

리를 투과전자현미경으로 분석하는 과정에서 발견하여

Nature학술지에 처음으로 발표되었다18) 탄소나노튜브에

서 탄소원자 하나는 주위의 다른 탄소원자 3개와 sp2결

합을 하여 육각형 벌집무늬를 형성하며 이 튜브의 직경

이 대략 수 나노미터(nm nanometer) 정도로 극히 작기

40

때문에 나노튜브라고 부르게 되었다 이 탄소나노튜브는

전기 세기가 클수록 더 수축하는 성질을 가지고 있는 등

튜브의 직경이 nm수준으로 극히 작아서 특유의 전기화

학적 특성을 나타낸다

Ku 등19)에 의하면 CNTs는 전기방사법(arc-discharge)

레이저증발 법(laser vaporization) 플라즈마 화학기상증

착 법(plasma enhanced chemical vapor deposition) 열

화학 기상증착 법(thermal chemical vapor deposition) 등

의 다양한 합성법이 개발되어 대량생산이 가능하다

CNTs의 종류는 벽의 수에 따라 단일 벽 탄소나노튜브

(SWNTs) 이중 벽 탄소나노튜브(DWNTs) 다중벽 탄소

나노튜브(MWNTs)가 있으며 물성에 관한 많은 연구결

과 기계적 전기적 열적으로 우수한 성능을 갖고 있음이

입증되었다

CNTs는 인장강도와 탄성률 면에서 지금까지 발견된 재

료 중 가장 강하고 질기며 다중벽 CNT는 63GPa에 이른

다 표준 단일 벽 CNT는 25GPa의 압력까지 변형 없이

지탱된다 그래핀의 대칭성과 특이한 전기적 구조 때문에

CNTs의 구조는 그것의 전기적 특성에 영향을 미쳐 금속

성이나 반도체의 특성을 나타내고 이론적으로 금속성

41

CNTs는 구리와 같은 금속의 1000배가 큰 4times109Acm

2

전류 밀도를 운반할 수 있으며 나노크기의 단면으로 전

자가 튜브의 축 방향으로만 전파되고 전자의 이동은 양

자효과를 수반하여 1차원 전도체로 간주된다

CNTs는 우수한 물성과 상대적으로 큰 표면적으로 갖고

있어 충전제(filler)로써 에폭시 폴리스틸렌 폴리우레탄

등 고분자와 혼합하여 폴리머의 기계적 전기적 특성을

향상시키려는 연구가 활발하다 CNTs가 폴리머 중에서

충전제 역할을 하기 위해서는 고른 분산이 필요하나 반

데르발스 힘에 의한 CNTs 응집현상(agglomeration)으로

인해 효과적인 분산이 어려워 오히려 폴리머의 물성을

저해하므로 이것을 개선하기 위한 다양한 기계적 화학적

분산 방법이 연구되고 있다

- CNTs를 분산시키기 위한 가장 일반적인 방법은 용매

나 폴리머에 CNTs를 투입하고 초음파처리를 하는 것

으로 초음파처리를 하면 SWNTs의 길이가 짧아지고

다발(bundle)이 얇아져 분산력이 증가한다

- CNTs 표면을 산이나 아민으로 기능화하여 분산을 높

이는 방법도 연구되고 있으며 MWNTs를 HNO3

H2O2NH4OH 용액에 침지시켜 MWNTs에폭시 복합

42

재료는 전기적 특성을 향상시키려는 연구와 산과 아

민 등의 기능기를 도입하여 SWNTs의 열전도도를 향

상시키려는 연구들이 수행되고 있다

- 기계적 분산방법인 전단혼합방법은 좁은 관이나 상대

적으로 높은 속도의 유동을 이용하여 발생한 전단력

으로 CNTs를 분산시키는 방법이다 Ku 등19)은 전단

혼합과 초음파처리를 이용하여 MWNTs로 강화된

에폭시 복합재료를 만들어 기계적 및 열적 특성을 연

구하였다

⑸ 내마모성 테프론 코팅

ㅇ 재료의 부식은 구조재에 원하지 않은 변화 원인으로 작

용하여 경제적인 문제로 귀결되는 심각한 문제이다 이들

원치 않는 변화는 때로 적절한 코팅에 의한 표면처리로

예방할 수 있다 가장 일반적이고 자주 사용되는 전착 코

팅은 아연에 기초한 아연 코팅 및 합금 코팅으로 이들

코팅은 간단한 기술로써 내부식성이 양호하여 전 표면처

리의 약 14에 해당하나 최근 낮은 마찰계수 등 다른 특

성들이 매우 중요하게 되었다 이들 특성은 다층 코팅으

로 대응할 수 있으나 두께가 증가하고 기술이 복잡하여

가능한 해결방법으로는 복합체 코팅이 있다 복합체 코팅

43

은 일반기계와 자동차 전자부품 및 컴퓨터 등 다양한 분

야에 적용된다 금속 기질에 미세한 PTFE 입자의 전착

에 의한 증착은 새로운 세대의 복합체 코팅으로써 가장

바람직한 특성은 양호한 내마모성 자기윤활 내부식성이

다 M Paderovaacute 등20)에 의하면 이들 특성은 주로 사용

한 입자(흑연 다이아몬드 MoS2 또는 PTFE)와 용액의

유형(pH 온도 bath 등) 뿐 아니라 입자의 크기 농도

분산 및 형태학에 의존한다

ㅇ 충전되지 않은 PTFE의 마모율은 736-741times10-4mm3Nm

로 내마모성이 낮아 다양한 충전제들이 첨가되고 있다

Xing-Dong Yuan 등21)은 진공 조건에서 PTFE 코팅

의 마모특성을 연구하여 초기에는 하중이 증가함에 따

라 마찰계수가 감소하나 하중이 6N 이상으로 커지면

마찰계수도 증가하며 압력이 PTFE 코팅의 마찰계수

에 미치는 영향이 거의 없고 마모는 압력이 증가하면

초기에는 감소하나 10Pa 보다 높으면 급격히 증가한

다고 보고하였다

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위해서는 윤활제로 PTFE

계 수지 접착제로는 폴리아미드이미드수지 산화철 분말

44

및 브론즈 분말 등을 혼합한 조성물을 사용하거나 미국

특허에서는 스와시플레이트 형 압축기의 플레이트 표면

에 MoS2 흑연 PTFE계 윤활제와 열경화성 수지인 폴리

아미드이미드(PAI) 조성물을 코팅하여 내마모 및 윤활성

을 부여하고 있다22) 내열성 향상을 위해서는 고체윤활

제 접착제수지 및 저융점 금속인 Sn Pb In Bi 등을 함

유하는 합금이나 화합물을 사용하여 금속의 잠열을 이용

내열성 향상을 시도하기도 한다

ㅇ 그간 철강(스테인리스강 탄소강 아연도금강판 등)의 내

부식성 향상을 위한 많은 연구들이 수행되어 왔다 4플루

오르에틸렌(C2H4) 4플루오르에탄(CF4) 6플루오르에탄

(C2F6) 3플루오르화에탄(CHF3) 8플루오르화에탄(C4F8)

같은 불소화된 단량체의 플라즈마 중합에 의한 테플론

류 코팅은 그들의 소수성으로 인해 금속의 내부식성 향

상을 위한 대안으로 주목을 받고 있다 A Delimi 등23)

은 유도결합 고주파플라즈마(inductively coupled radio

fre- quency plasma)를 사용하여 소수성 박막 불소수지

필름을 탄소강에 증착하고 3염수에서 내부식성을 평가

한 결과 1개월 동안 9nm의 필름이 유지되는 것을 관찰

하여 불소고분자 박막이 금속과 금속산화물의 보호층이

될 수 있음을 보고하였다

45

ㅇ PTFE를 이용한 세라믹코팅 기술로는 알루미늄 및 알루

미늄 합금 공작물을 양극처리에 의해서 티타늄 및또는

지르코늄 산화물을 포함하는 내식성 내열성 및 내마모

성 세라믹 코팅을 하고 이어서 양극처리된 공작물을

PTFE 또는 실리콘 함유 코팅과 같은 제 2 코팅으로 코

팅한다 이 발명은 가소성을 가지는 경질의 필름 내에서

내식성 내열성 및 내마모성을 제공하는 티타늄 및또는

지르코늄 산화물의 양극처리 층으로 기판을 예비-코팅함

으로써 알루미늄 기판에 보다 긴 수명의 코팅을 형성하

는데 특히 유용하다24)

ㅇ Nosaka 등25)은 PTFE로 대표되는 불소수지는 마모-링이

나 극저온 밸브의 실링부에 많이 사용되며 진공치환법에

의해 탄소재료에 PTFE나 MoS2 분말을 1-2wt 함침시

키면 무함침한 것에 비해 마모가 약 13로 감소한다고

보고하였다 한편 저자들은 터보펌프의 실링재료가 극저

온 환경에서 보이는 특이한 현상을 극복하기 위해 베어

링의 표면에 노출된 유리섬유를 불소산으로 처리하여 용

해 제거하고 윤활성을 높인 유리섬유강화 테프론 리테이

너를 개발하여 내구성과 윤활성을 향상시킬 수 있었다고

보고하고 있다

46

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위한 또 다른 특허로는

폴리실록산계 접착제를 단독 혹은 폴리에스테르계 접착

제와 병용하고 고체 윤활제로 MoS2(이황화몰리브덴

WS2(이황화텅스텐) h-BN(육방정 질화붕소) 팽창흑연

및 PTFE를 사용하고 충전제로 탄화규소 알루미나 산화

지르콘 산화티탄 등의 미분말을 사용하여 내마모 내열

및 윤활성을 부여하고자 하는 내마모성 및 윤활성 코팅

조성물에 관한 특허가 있다26)

ㅇ 내열성 내후성 내오염성 내약품성 내구성 등의 물성

은 유지하면서 비점착성을 높이기 위해 무기계 세라믹

코팅 조성물에 PTFE를 첨가하기도 한다 이러한 하이

브리드 코팅 조성물에 관한 특허로는 불소수지(01sim25

중량) 콜로이달 실리카나 콜로이달 알루미나 등 무

기계고분자 바인더(20sim80중량) 알콕시실란 화합물

(1sim50중량) 수용성 유기용제(1sim10중량) 충전제

또는 안료(5sim50중량) 및 물(100중량 까지 보충)로

이루어진 코팅 조성물에 관한 것으로 무기질 도료 및

무기계 세라믹 코팅에 의해 내열성 내오염성 내약품

성과 내구성을 유지하고 접착력을 높이기 위해 소량의

PTFE를 사용하는 것이 있다27)

47

ㅇ 정전 복사기에 사용되는 정착기재부의 최외층에 코팅하

여 기계적 성질 및 내마모성을 향상시키려는 목적으로

불소수지 기질 중에 분산된 불소화 다이아몬드를 함유하

는 입자로 구성된 조성물에 관한 일본 특허28)가 있다

ㅇ 부식 특성을 개선한 흑색 무크롬(chrome-free) 다층 내

부식 마무리 칠과 방법에 관한 특허29)로는 ASTM B 117

표준으로 시험할 때 백색 부식에는 최소 500시간 염수분

무시간 및 적색 부식에는 1500시간 염수분무시간에 적합

하게 설계된 마무리 칠에 관한 것이 있다 이 다층 시스

템은 광택(gloss) 4 이상을 만족하는 자동차 차체 강판

자동차 하부와 내장에 사용되기 위해 설계된 것으로 이

다층 마무리 칠은 3층 부식 방지 시스템을 형성하도록

아연-철 전기도금 기질 오르토인산을 사용한 무전해 인

산염 결정 전환 층과 XylanTeflon 실러 코팅의 조합이

다

ㅇ 전통적으로 철 강판(steel sheet)은 크롬산 염 전환 코팅

으로 개질되어 왔으나 6가 크롬이 배출되어 환경을 오염

시키는 문제점이 있어 강판의 내-부식성을 개선하기 위

해 고분자 수지 코팅들이 수행되고 있으나 이 방법은 고

48

분자 코팅 층이 열전도도를 감소시키는 단점을 가지고

있다 Kang 등30)은 강판 위의 고분자 코팅 층의 열전도

도를 향상시키기 위해 초미세-크기 다이몬드(μD)입자를

열전도 물질로 사용하였다 다양한 음이온 및 비-이온

계면활성제들을 사용하여 수용액 중에서 무거운 μD입자

의 안정화를 시험들을 한 결과 1-피렌카르복시산(PCA)

이 가장 양호하였다 그림 3-2는 이 시험 결과를 요약한

것이다

- 강판 위에 PCA로 안정화 된 μD 입자를 함유한 폴리

우레탄-기초 코팅 층은 열전도도가 0351W(mK)에서

0434 W(mK)(10 wtμD)로 향상되었으며 더욱 144

시간 동안 염수 분무 시험결과 부식거동은 관찰되지

않았다

그림 3-2 피렌카르복시산을 이용한 μD 표면처리

ㅇ 자동차공업에서는 기본적인 특성으로 내마모성이 요구되

49

는 강철 기계부품들의 마찰특성을 향상시키기 위해 다양

한 금속 및 고분자 코팅들이 광범하게 이용된다 내-마

모 코팅은 두 가지 주요 특성인 높은 표면경도와 자기-

윤활 특성이 필요하다 후자의 범주에 속하는 것이

PTFE와 MoS2 기초 코팅이다 무전해 니켈 코팅은 높은

경도로 인해 양호한 마찰 특성을 보이며 한편 열처리를

통해 경도를 향상시킬 수 있다 PTFE입자의 첨가는 코

팅경도를 감소시키나 자기-윤활특성을 부여한다 S

Rossi 등3132)은 마찰특성을 향상시키기 위해 이용되는 탄

소강에 이용되는 몇 가지 공업적인 코팅에 관한 부식거

동에 관해 평가 PTFE입자를 함유한 무전해 니켈-인

(Electroless Nickel-Phophorus)코팅은 PTFE 입자(자기-

윤활 특성)를 갖는 외층과 장벽-효과를 갖는 내층으로

인한 이중 특성으로 가장 양호한 특성을 보였다고 보고

하고 있다

ㅇ 모든 기계적 시스템은 동적 요소를 필요로 하며 마찰과

마모를 줄이기 위한 다양한 수단들이 가능하나 그 선택

은 환경이나 조작 조건에 제한을 받는다 PTFE는 자기

윤활 낮은 마찰계수 높은 열안정성과 화학약품 안정성

으로 산업분야에 널리 사용되는 엔지니어링 고분자이지

만 내마모성이 매우 부족하다 이러한 이유로 금속

-PTFE충전 복합체들이 PTFE의 마찰특성과 금속충전제

50

의 내마모성을 결합하여 특정 분야의 용도로 소개되어

왔으나 금속-고분자 물질에서의 충전제의 역할은 완전히

설명되지 않고 있다 복합체 표면의 과잉의 충전제 농도

는 미끄러지는 동안 부하를 지지하여 내마모성을 증가시

키는 것으로 생각되며 PTFE의 마모율은 Mo Zn Ni

Y2O3 및 SiO2 같은 무기 충전제에 의해 1000배가량 감소

되었다는 보고도 있다 유리섬유 구리 세라믹 탄소섬유

절단 탄소섬유 나노입자를 포함한 경질의 충전제 입자들

이 PTFE의 내마모성을 높이기 사용되어 왔다

ㅇ 비교적 두꺼운 코팅에는 열분사(thermal spray) 용사기

술이 정립되어 있고 용사 코팅은 내마모 내마찰 내프레

팅(fretting) 및 내부식을 요하는 산업에 많이 이용되고

있다

- 용사 몰리브덴(Mo)코팅은 실질적 내마모성 코팅으로

가장 광범하게 이용되며 프레임용사(flame spray)거나

와이어용사(wire spray)기술로 생산된 몰리브덴(Mo)

코팅은 흠이나 마모에 대한 고도의 저항을 얻기 위한

가장 좋은 코팅재료 중의 하나이다

- 알루미늄 청동(aluminium bronze)은 높은 내-부식성

과 내마모성을 갖는 것이 특징이다 저압 플라즈마 용

51

사 기술은 자기-아닐링(self-anealing)과 부서지기 쉽

도록 유도하는 γ-상의 형성을 피할 수 있도록 높은

냉각 속도를 얻는 데 사용되며 알루미늄 청동 저압

플라즈마 용사 코팅은 낮은 마찰과 마모를 보였고 비

교적 최근 플라즈마 용사 기술을 이용하여 알루미늄

기질에 고분자-세라믹 복합체를 코팅하는 기술이 개

발되었다33)복합체 코팅으로 행한 마찰 시험에서 낮

은 마찰계수를 얻을 수 있었다

- 낮은 마찰계수와 고 내마모성을 갖는 이성분 금속

-PTFE 코팅이 개발되었고 이들의 마찰 공학적 성능

이 보고되었다 PTFE-기초 복합체 설계에서 일반적

인 접근방법은 경질의 충전 입자들을 도입하는 것으

로 M Yamane 등34)은 PTFE-금속 이성분 코팅의 마

찰 마모성능에 관한 연구 결과 알루미늄 청동 코팅이

Mo코팅에 비해 PTFE 저장소(reservoir)에 유용했음

을 보고하였다

⑹ 충전 또는 강화 플루오르화 탄소1)

ㅇ 분말이나 강화섬유 등 전형적인 충전재들이 충전 또는

강화 플루오르화 탄소에 사용된다 충전재는 저온흐름

52

을 향상시키는 데 사용되며 수축과 균열을 줄이고 열

팽창을 낮추며 열전도율을 향상시킨다

ㅇ 분말이나 단섬유로 된 전형적인 충전제를 표 3-5에 종합

하였다 유리섬유는 가장 보편적인 PTFE 충전제로 화

학 및 전기적 특성에 최소로 영향을 미치며 기계적 특

성을 크게 향상시킨다 분말에 비해 섬유는 압축강도

강성도 및 지지용량을 더욱 향상시키나 분말은 충전

테플론의 내구성에 거의 영향을 미치지 않는다 금속분

말은 특히 열전도도를 향상시키며 고속에서 발생하는 마

찰열을 소멸하는데 도움이 되며 전기저항을 상당히 감소

시켜 금속-충전 조성물은 양호한 절연체는 아니다

ㅇ 흑연(graphite) MoS2는 초기 내구성과 마찰을 개선하고

기계적 특성을 향상시킨다 석면은 많은 유용한 특성을

갖지만 가공 처리 중 가스가 방출할 뿐 아니라 사용금지

물질이다 표 3-5 외에도 금속 망 장섬유 다공성 금속

등 다양한 충전제들이 있으며 다양한 종류의 제품들이

상업 생산되고 있어 최종 선정을 하기 전에 플라스틱 가

공업자로부터 보다 완전한 정보와 추천을 받는 것이 바

람직하다

53

표 3-5 불소수지용 충전제

ㅇ 압축강력 인장과 압축 시의 탄성률 및 항복강력은 첨가

제의 첨가에 의해 모두 증가하나 일반으로 인장강력과

신도 및 충격강도는 손실된다 통상 충전 테플론은 압축

상태에서 사용되므로 인장강력의 감소는 중요하지 않다

인장강력의 손실은 설치(연속적인 링-실링)할 때 인장되

는 재료에서 중요하다 열팽창 계수는 비-충전 테플론에

비해 감소되어 통상 금속 부품의 팽창계수와 잘 맞는다

ㅇ 마찰과 마모를 수반하는 분야에서 가장 중요한 것은 충

전제로 얻어지는 PV한계치의 증가와 마모의 감소다 비-

54

충전 테플론에 비해 PV한계치 크기는 개략적으로 1차원

적으로 증가하나 마모인자는 3차원적으로 감소한다 충전

테플론의 평균치들은 동적 마찰계수는 01-02 PV한계치

는 10000-20000 psi-fpm 마모상수는 10times10-10in3-min

lb-ft-hr이다 그림 3-3은 충전 테플론 PTFE의 마찰계

수에 미치는 충전제 종류와 농도의 효과에 관한 것이다

그림 3-3 테플론 PTFE에 미치는 충전제 종류와 농도1)

ㅇ 내마모성을 향상시키는 충전제는 실제로 연마저항성을

감소시키는 것으로 날카로운 입자는 보다 쉽게 침투하고

충전제 입자와 수지 사이의 경계를 따라 충전 플라스틱

을 찢는다 따라서 라이닝 슈트 같은 분야의 적용 시는

55

비-충전테플론이 보다 바람직하다

⑺ 시트 테이프 및 박층(laminates)

ㅇ 대부분의 플루오르화탄소는 충전 여부에 관계없이 두

께 1mil(0001 in)까지 시트나 테이프로 만들 수 있고

시트나 테이프를 찍어서 원하는 형상의 립-씰(lip seal)

펌프 컵(pump cup) 피스톤 링(piston rings) 가스켓

(gaskets) 등을 만들 수 있다

ㅇ 유체의 누설을 정지시키는 밀봉기능 부품 중 각종기기의

접합부나 배관 플랜지 등의 밀봉에 사용되는 가스켓

(gaskets)은 석면이 널리 사용되어 왔으나 유해물질 배

출 및 이동량 보고제도(PRTR Pollutant Release and

Transfer Register)에서 발암성을 가진 제1종 지정 화학

물질로 지정되어 사용이 금지되어 PTFE가 가스켓으로

개발되었다 PTFE는 용융 알칼리 금속 및 그 용액과 불

소 및 3불화염소에 의해 약간 침식되나 모든 화학약품에

안정하고 우수한 내부식 재료로 C-F결합력이 크고 F원

자가 C-C결합의 주위를 간격 없이 들러 싸고 있기 때문

에 다른 물질의 공격을 방어하고 있고 내열성은 260로

높다35)

56

- PTFE 필러를 사용한 PTFE 나선 권형 가스켓은 석

면에 대한 사용규제와 상관없이 사용되어 왔으며 유

연한 필러를 사용하므로 석면 가스켓 보다 낮은 체결

압력에서도 실 특성이 우수하고 내식 면에서도 광범

하고 다양한 유체에 사용이 가능하다 다만 단열성 면

에서는 석면 나선 권형 가스켓 보다 사용온도 범위가

제한된다

ㅇ 산업 기계나 자동차의 브레이크 제동장치에 부착하여 마

찰력을 부가하는 브레이크 라이닝에서는 마찰계수와 내

마모력 및 충격계수 등 마찰특성이 우수한 석면을 주로

사용하여 왔으나 제동 시 발생하는 미세 석면분진으로

인해 대기오염에 의한 환경을 파괴 뿐 아니라 인체에 흡

입될 경우 암을 유발하여 PRTR로 사용이 금지되었다

석면을 대체할 유기질 또는 무기질 된 다양한 비석면 마

찰 섬유 등이 사용되고 있으며 마찰 섬유에 테프론을 코

팅하여 브레이크라이닝의 수명향상 제동 시 발생하는 소

음 떨림 및 제동력 향상을 위한 제품개발이 시도되고

있다

- 예로 국내 특허36)에서는 브레이크 라이닝(또는 패드)

의 마찰재 배합재료 중 유기섬유(Kevlar섬유 pulp섬

57

유 등)에 테프론을 코팅하고 코팅된 유기섬유에 결합

재 충전재 윤활재 마찰안정재 마찰조정재 등을 소정

의 배합비로 배합하여 성형하고 열처리하여 브레이크

패드 또는 라이닝을 제조한다

ㅇ 초소형 정밀기계(MEMS Micro-Electromechanical

System)분야에서는 점착방지를 위해 불화 유기박막을

사용한다 Park 등37)은 단층 두께의 불화 유기박막의

특성을 접촉각 측정을 통해 분석하였다

⑻ DLC 코팅3839)

ㅇ DLC(diamond-like carbon)는 몇 가지 다이아몬드의 전

형적인 특성을 나타내는 비정질 탄소물질로 극도의 내마

모 특성을 필요로 하는 재료의 코팅에 이용되고 있다

DLC코팅은 연마 마모를 감소시키기 위한 재료에 유용하

여 엔드밀 드릴비트 금형 같은 공구는 물론 자동차 기

계부품 및 전자산업 등 산업전반에 걸쳐 적용된다40)

ㅇ 환경오염 문제로 인해 PRTR(Pollutant Release and

Transfer Register 유해물질 배출 및 이동량 보고 제

도) 이 시행되어 습동 부품이나 절삭 시에 사용되는 오

일이나 그리스에 포함되는 첨가제(MoS2 Zn 등)와 이들

58

부품을 세정할 때 사용되는 용매 기계부품의 수명을 연

장시키기 위해 활용되었던 Cr도금 폐액에서 발생하는 6

가 크롬 등의 오염물질들에 대한 규제가 더욱 강화되어

DLC에 의한 무윤활 습동과 무윤활 절삭을 지향한 공구

와 기계 부품의 개발이 관심을 끌고 있다4142)

- 일본 내에서는 PRTR이 시행되고 이것에 저촉되는 재

료에 관해서는 MSDS(Material Safety Data Sheet)를

첨부해야할 의무가 있고 부품가공 습동 용도에서는

대상 리스트에 올라 있는 오일 오일 중의 중금속 도

금폐액을 어떻게 경제성 있는 환경 친화적 공정과 재

료로 전환할 것인가를 고려하면서 무윤활 습동 무윤

활 절삭 탈크롬 도금의 3가지 키워드가 대두되고

DLC코팅이 대안으로 모색되고 있다

- DLC코팅 적용기술과 과제에 관한 자료로는 자동차

관련부품 적용사례 엔진부위 마찰 작동 밸브계의 마

찰저감 DLC와 윤활제에 의한 마찰저감 기술을 중심

으로 살펴본 보고가 있다43)

ㅇ DLC는 7가지 형태가 존재하며 모두 상당한 양의 sp3혼

성궤도 탄소원자를 함유한다 다양한 형태의 DLC가 진

공 환경으로 적합한 재료들에 적용가능하며 유럽에서의

59

2006년 위탁 DLC코팅 시장은 3천만euro로 추정되었고 국

내도 활발한 상용화가 시도되고 있다

ㅇ 사반면상(tetahedral) 비정질 탄소 ta-C를 2두께로 코

팅하면 연마마모에 대한 스테인레스 강(304 type)의 내구

성을 증가시켜 수명을 1주일에서 85년으로 늘이며 이러

한 DLC의 형태는 sp3결합 탄소 원자로만 이루어지기 때

문에 순수한 DLC로 간주되며 수소 sp2흑연 탄소 금속

같은 충전제가 생산경비를 낮추거나 원하는 특성을 부여

하기 위하여 사용되고 있다

ㅇ DLC를 만드는 방법에는 sp3탄소 보다 낮은 밀도의 sp

2

에 의존하는 몇 가지 방법들이 있으며 압력 충격 촉매

또는 이들의 조합으로 sp2결합탄소 원자들을 sp3결합탄소

로 근접시킨다 최근 초고압 하에서 탄소의 경량 특성을

갖는 초경도 무정형 다이아몬드가 만들어졌다 탄소로 만

들어지는 다이아몬드 그래파이트는 결정구조를 가지나

DLC는 비정질이라는 점에서 크게 다르고 200 정도의

저온에서 형성시킬 수 있다는 점이 통상의 PVD막에 비

해 훨씬 우위에 있다

ㅇ DLC코팅은 제조공정이 복잡하고 생산 단가가 비싸 적용

이 어려우며 적용되는 소재가 제한되는 단점을 갖는다

60

주요제법으로는 고주파 플라즈마 법 이온화 증착법 스

페터링법 등을 들수 있다 고주파 플라즈마 법은 메탄가

스가 원료로 사용되고 막 중의 수소가 약 30(원자)로

평활성이 우수하고 마찰계수가 작으나 경도가 낮다 이

온화 증착법은 벤젠을 사용하며 막은 단단하나 면의 조

도가 거칠고 후막화 하기 위해 스패터링 방법이 검토되

고 있다

⑼ 불소수지의 안전성

ㅇ 테플론 PTFE의 열분해는 200(392)에서 감지되며 이

것은 몇 가지 플루오르화 탄소 기체들과 승화물질을 방

출한다4445)1955년 동물실험에 관한 한 연구에서는 이들

물질이 250(482) 이하에서는 의미 있는 양이 아니라

고 결론지었으나 최근 비-점착 주방기구인 프라이팬이

나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가열할 때 조류를

죽일 수 있는 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수

도 있다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있다45)

ㅇ 표 3-6은 EWG가 보고한 3-5분 내에 370까지 불소수

지를 가열할 때 발생되는 15종의 불소화합물에 관한 것

이다 테플론과 같은 코팅물질들이 장기적으로 인체에 미

61

치는 영향에 관한 연구는 이루어지지 않고 있으나 독감

과 유사한 질병을 유발할 수 있으며 이를 중합체 증기열

(polymer fume fever)이라 한다

표 3-6 15종의 유해물질 및 유독성 기체44)

ㅇ 최근 표 3-6의 화합물들 중 특히 TFA와 과불화된

(perfluorinated) PFOA(perfluorooctanoic acid)에 관심이

증가되고 있다 PFOA는 새로운 환경오염물질로 미국 환

경보호청(EPA)에 의하면 보통 때는 문제가 없으나 조리

과정에서 프라이팬에 열을 가하고 강하게 긁을 경우 용

62

출되어 나오며 이것이 음식물과 함께 인체에 흡수되는

것으로 추정하였다 한편 DuPont의 테플론 PTFE 연구

결과에 의하면 검출한계인 9ppb 이상 검출되지 않으며

테플론 주방기구에서는 PFOA가 존재하지 않는다고 발

표하고 있다

- 물이나 공기를 통해 환경에 노출된 PFOA는 고 콜레

스테롤 궤양성 대장염 갑상선 질환 고환암 신장암

및 임신성 고혈압과 관련된다고 보고되었다

- PFOA는 불소수지 생산과정에서 사용되는 첨가물로써

암모늄 형태로 PTFE 유화중합에 계면활성제로 사용

되며 불소수지의 품질과 균일성을 유지하기 위해 필

수적인 첨가물이기 때문에 전 세계 모든 불소수지 제

조업체가 사용 중에 있다 한편 국내 주력 산업인 반

도체 생산 과정에서도 PFOA를 대량으로 사용하고 있

어 체계적인 실태조사와 대책수립이 필요하다는 의견

들이 대두되고 있다

⑽ 불소화합물의 안전성과 환경대책

ㅇ 표 3-6에서 살펴본 바와 같이 테플론을 급격히 고온으로

가열하면 2종의 발암물질을 포함한 유독성 가스가 발생

63

하고 특히 불소화합물 중 MFA(monofluoroacetic acid)는

적은 양으로도 치명적 해를 끼치고 PEIF(perfluoro-

isobutene)는 신경가스제로 여러 가지 질환을 발생시킨다

한다44)

따라서 테플론으로 코팅된 장치를 재 코팅하기

위해 테프론을 고온으로 급격히 가열하거나 소각 등을

통해 제거할 때는 발생 가능성이 있는 유독가스를 제거

하기 위한 별도의 설비를 이용하여야 하고 유 등44)의 보

고서에서와 같이 중조(NaHCO3)를 포화시킨 충분한 물로

유독 산성 물질을 중화시키는 것도 고려할 만하다 한편

부식대전 방지 코팅도 테플론 코팅 일변도에서 세라믹

코팅 CNTs이나 DLC 코팅기술로 대응하는 것을 추천하

고 싶으며 이것은 유해물질 배출 및 이동량 보고제도

(PRTR Pollutant Release and Transfer Register)에 대

비하는 등 기업의 장래를 고려하는 것도 될 것이다

ㅇ PTFE를 사용한 취사도구는 1960년대 이래 사용되어 오

고 있으나 최근 들어 이것의 안전성이 논쟁의 주제가 되

고 있으며 논의 주체는 PFOA(perfluorooctanoic acid)이

다 PFOA는 PTFE를 비롯한 많은 불소수지의 생산에

사용되며 DuPont의 테플론 PTFE 연구 결과에 의하면

프라이팬을 260 이상 고온에서 가열하거나 코팅이 벗

겨져도 PFOA가 존재하지 않는다고 한다 그러나 물이나

64

공기 토양 식품포장재 등 여러 곳에서 PFOA 오염사실

이 보고되고 있다 한다44)

- 미국 EPA는 인체와 환경에 대한 PFOA 연구를 계속

하고 있으며 2015년까지 PFOA 및 이와 관련된 화합

물 방출을 배제할 프로그램을 갖고 있으나 PTFE-기

초 비점착 취사기구를 중지시킬 타당성을 갖고 있지

는 않다 최종제품은 PFOA가 아닌 PTFE이기 때문이

다

- 수십 년 동안 불소수지 비점착 코팅이 시장을 지배하

였으나 최근 몇 가지 신기술들이 출현되고 있으며 이

들 대부분은 실리콘 세라믹과 실리콘 기술로 이들 코

팅은 PTFE와 PFOA를 함유하지 않는다

- 오늘날 출시된 비점착 취사용구는 수많은 상표로 팔

리고 있으며 DuPont에 의하면 대부분의 취사용구 코

팅은 정상적으로 사용할 때 3-5년 견딜 수 있을 것으

로 예측한다 너무 문질러서는 안 되고 따뜻한 비눗

물로 씻어주는 것이 좋으며 닳거나 흠이 생기지 않도

록 나무 플라스틱이나 코팅된 재료로 만든 도구를 선

택하고 보관도 흠이 생기지 않을 장소나 캐비닛을 권

장하고 있다

65

ㅇ 국내의 불소수지 안전성에 관한 것으로는 재질규격(납과

카드뮴)과 용출규격(납 과망간산칼륨소비량 증발잔류물)

이 식품용 기구 및 용기 포장 공전46)에 기재되어 있으며

최근 국내에서도 PFOA를 비롯한 유해 불소화합물에 관

한 관심이 커져 가고 있다

ㅇ PFOA 문제가 표면화 되면서 환경 보전형 불소계 발수

유제의 개발과 공업화도 새로이 부각되고 있다 이에 관

한 보고서를 모니터링한 KISTI자료47)를 중심으로 간단히

요약하면 발수제의 주요성분 퍼플루오로알킬기(Rf기)함

유 폴리머의 기능은 Rf기의 고리길이에 크게 의존하므로

PFOA문제 해법으로 탄소수 8 이상인 종래의 불소화학

에서 탈피 짧은 고리 Rf기(탄소수 6)를 가진 새로운 단

량체를 선택하여 발수제를 제조함으로써 환경 보전형 불

소계 발수유제를 개발하고 공업화하였다 한다

66

제 4 장

지원결과

1 지원결과 종합

테프론 코팅 기술의 문제점과 부식대전방지용 테플

론 코팅에 관한 정보 외에 신청기업의 요청에 따

라 C-나노튜브 코팅 및 DLC증착에 관련된 기술 정

보도 제공하였다

테플론은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat resistant)

비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coefficient of

friction) 내약품성(chemical resistance)과 특이한 전기적

특성(unique electrical properties) 및 온내구력(cryogenic

stability)으로 그 응용범위가 광범하며 용도에 따른 엄격

한 품질관리가 요구될 것으로 생각되어 중소기업에 적합

한 기초능력 배양과 신제품을 구상하기 위한 최신기술에

관한 정보를 제공하고자 하였다

67

불소수지의 코팅은 두께와 첨가제가 관건으로 이에 관한

자료를 제공하고자 하였으며 불소수지의 전기특성 폭발

성 환경과 반도체 제조공정에서의 대전 방지 처리를 위

한 정전기 관리 지표 등을 특허를 중심으로 조사하여 제

공하고자 하였다

C-나노튜브를 이용한 대전방지 코팅 기술 및 C-나노튜

브의 제법 등 이것에 관한 기초정보를 제공하고자 하였

으며 내마모성 테플론 코팅에 관해서는 테플론을 이용한

세라믹 코팅 기술에 관한 정보도 제공하고자 하였다

테플론의 기계적 전기적 특성을 강화하기 위해 사용되는

충전제를 종합하고 기초이론을 정립함으로써 금후 원부

자재의 선정에 도움을 주었다

테플론은 석면 대체재로도 주목받고 있어 이에 관한 특

허 정보들을 제공하였으며 다이아몬드의 전형적인 특성

을 나타내는 DLC의 코팅관련 기술 정보를 환경오염 문

제와 연관하여 자료를 제공하였고 최근 비-점착 주방기

구인 프라이팬이나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가

열할 때 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수도 있

다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있어 이에

관한 정보도 제공하였다

68

2 지원의 한계

중소기업이 당면한 문제는 전문기술의 확보다 관련 기술

이 비약적으로 발전하는 추세에 비추어 한정된 인원으로

신기술을 소화하고 개발하기는 어려울 것이므로 출연연

구기관이나 대학과 공동연구를 모색할 수 있으나 이것도

중소기업으로서는 경제적 부담이 될 수밖에 없을 것으로

생각된다 가능하다면 앞으로도 KISTI의 정보지원이 계

속되기를 바라고 있었다

3 기대효과

부식대전 방지 테플론 코팅에 관한 기본 기술이 배양되

어 합리적인 원부 원료의 수입검사 공정관리 및 제품관

리를 통해 원가절감은 물론 신제품 신기술에 관한 정보

수집 및 분석능력이 배양되고 개발력이 확충되어 기업

경쟁력 향상에 도움이 될 것이다

69

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a Modification of Surface Properties Surf Coat

Technol 2005 191 pp108-118

34 Masaaki Yamane Tadeusz A Stolarski Shogo Tobe

Influence of counter material on friction and wear

performance of PTFEndashmetal binary coatings

Tribology International 41 (2008) pp269ndash281

35 이치옹 분석자료 ldquo나선형 개스킷의 비석면화rdquo Takashi

Miyoshi 배관기술(일) 46(10) 2004 pp43-47

36 등록번호 10-0522254(백원두 브레이크 라이닝(또는 패

드) 제조방법)

37 Jin-Goo Park et al Characterization of Fluorocarbon

Thin Films by Contact Angles Measurements Journal

of Microelectronics amp Packaging Society6(1) 1999

pp39sim49

74

38 유호천 ldquoDLC 코팅 표면처리rdquo KiSTi 중소기업 정보지

원 2011 10 11

39 유호천 ldquoPVD DLC TRD 코팅설비를 활용한 복합충

개발및 제품적용rdquo KiSTi 중소기업 정보지원 2010 10

21

40 김유상 ldquo알루미늄합금에의 DLC코팅기술rdquo KiSTi 첨단

기술정보분석 2013 02-01

41 국립환경과학원 ldquo화학물질 배출량 조사 OECD와 협력

강화rdquo 보도자료 (2010 11 18)

42 월간기계기술 기자 ldquo새로운 코팅기술과 공구에 대한 적

용rdquo 2005년 3월호

43 加納 眞 ldquoDLC コ-ティングの適用技術と課題rdquo トライ

ボロジスト(日本) 52(3) 2007 pp186-191 송희국 모티

터링분석 KiSTi

44 식품의약안전청 연구보고서(연구책임자 유승석) 불소

지코팅 주방기구의 안전성 평가 2004 12

45 Teflon offgas studies Environmental Working Group Ewg

org Retrieved on 2013-01-01

46 식품의약품안전청 ldquo식품용 기구 및 용기 포장 공전rdquo 2012

47 廣野高生 ldquo環境保全型フッ素系 撥水撥油剤の 開發と 工

業化rdquo ファインケミカル(日本) 37(11) 2008 pp39-44

이치옹 모니터링분석 KISTI

75

저자소개

김학주(金鶴柱) 서울대학교 문리과대학 화학과 졸업 이학사

전북대학교 대학원 화학과 이학박사

(주)삼양사 의약연구소장 신성대학교 교수

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 폴리에스테르 섬유의 연중직방기술 외 다수

저서 기기분석 공업물리화학 일반화학

성용길(成墉吉)

동국대학교 이과대학 화학과 졸업 이학사 이학석사

부산대학교 대학원 화학과 이학박사(Dr Sci)

University of Utah USA Ph D(공학박사) Post Dr

유타대학교 연구교수 부산대학교 교수 동국대학교 교수

동국대학교 명예교수 한국원자력문화진흥원 이사

과학문화연구원전문연구위원 한국도량형과학문화연구원 원장

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 의료용 기능성 고분자재료에 관한 연구 외 330편

저서 고분자 물성론 (서울대학교 출판부 공저) 외 10권

8

- 지원내용과 향후지원계획 공장 현장을 방문하고 브리

핑을 통해 필요한 정보를 파악함 조사된 자료(문헌

특허 등)를 전달하고 희망 사항을 파악한 결과 특히

유리의 코팅을 중심으로 한 박리대전 방지 가공 세라

믹 코팅(수분산성 도료-바인더-)을 사용한 내열성 코

팅 대형 DLC 증착기술 및 경쟁사가 개발하고 있는

C-나노튜브 코팅에 관한 정보에도 관심이 많았음

ReSEAT NDSL 및 구글 야후 네이버 등을 통한 자

료조사 방법의 활용 방법을 설명해 주었음

- 지원효과 ReSEAT NDSL 구글 야후 네이버 등을

통한 주제 또는 키워드 검색에 의한 자료 검색 분석

능력 향상 제공 자료와 문헌의 활용 효과 등

- 자료제공

① Klaus Lunkwitz Uwe Lappan Ulrich Scheler

Modification of perfluorinated polymers by

high-energy irradiation Journal of Fluorine

Chemistry Vol 125 2004 pp863sim873

② LBorucki et al Diamond Conditioner Wear

Characterization for Copper CMP Process

Transaction on Electronic Materials Vol 8

9

2007 pp1520sim20

③ Polytetrafluoroethylene Aluminum magnesium

boride Diamond-like carbon Carbon nano-tube

-Wikipedia the free encyclopedia (2013)

④ 野坂正隆 低溫環境下におけるドライボロジドラ

イボロジスト(日本) Vol 52(11) 2007 pp759sim

764

⑤ 식품의약안전청 연구보고서(연구책임자 유승석)

불소수지코팅 주방기구의 안전성 평가C 2004 12

⑥ 이장호 등 테프론 코팅 전열관 표면으로의 열 및

물질 전달 특성에 관한 실험적 연구 대한기계학

회논문집 B권 Vol 27(8) 2003 pp1051sim1060

⑦ Eun-Joo Kim et al Teflon coating of fabric

filters for enhancement of high temperature

durability J of the Korean Oil Chemists Vol

28(2) 2011 pp232sim239

⑧ Jin-Goo Park et al Characterization of

Fluorocarbon Thin Films by Contact Angles

Measurements Journal of Microelectronics amp

Packaging Society Vol 6(1) 1999 pp39sim49

⑨ WO 200054614(Solex Robotics Systems Inc

Anti-static Non-sparkling Coatings for

10

Explosive Environments)

⑩ WO 2012123103(WLGore amp Associates GMBH

Use of an Ionic Fluoropolymers as Antistatic

Coating)

⑪ WO 2006 017259 (Thomae Kurt J Multilayer

Corrosion-resistant Finish and Method)

2 2차 지원

일시 및 장소 2013년 5월 16일(월요일) 1000-1400시 신청

업체 2층 회의실

참석자 성용선(연구소장) 장용석 이사

주제 및 토의사항

- 지원내용과 향후지원계획 지참 자료를 제공하고 연구

원들의 기초지식 배양을 목적으로 불소수지의 특성에

관해 각 유형을 중심으로 제공 자료를 통해 종합 설

명함 불소 수지 코팅 방법 개발 목적 기질의 전처리

방법 두께 제어의 중요성 코팅시스템 등을 토의하고

이에 관한 자료를 제공하여 기초지식을 배양함은 물

11

론 최근 기술 동향을 파악함 다음 방문 시(6월 20일)

에는 대전 방지 불소 수지 코팅을 중심으로 그 중요

성과 이론 등 기초지식과 최근의 개발동향을 검토하

기로 함

- 지원효과 불소수지의 유형과 특성을 통한 원료의 선

정 시 고려할 사항 코팅 방법 기질의 전처리 방법

용도에 따른 두께 제어의 중요성 파악 공정 및 제품

관리에 관한 기초지식 배양과 최근 기술 동향 파악

- 자료제공

① JP-2005-237860(三洋電氣株式會社 電氣掃除機)

② JP-2010-261035(Xerox Corpor- ation フツ素ナノ

ダイヤモンドを含むテフロン定着器部材)

③ JP-2010-78036(株式會社ルネサステクノロジ 配管

チュ-ブおよびこれを備えた機械裝置)

④ WO 2008154391(Alcoa Inc Heat Exchanger)

⑤ 등록번호10-0365003 (주식회사 엘지아이 열처리를

이용한 테프론 코팅 방법)

⑥ 공개특허10-2008-0061943(주식회사 하이닉스반도체

이온 주입장비의 웨이퍼 지지 장치)

⑦ 등록번호 10-0449561(주식회사 봉성비에스 완충기

12

용 피스톤의 테플론 코팅장치)

⑧ 등록번호 10-0522254(백원두 브레이크 라이닝(또

는 패드) 제조방법)

⑨ 등록번호 10-0811228(조철환 내열 세라믹 주방용

기의 불소수지코팅방법 및 그 방법에 의해 불소수

지 코팅된 내열 세라믹 주방용기) 등

3 3차 지원

일시 및 장소 2013년 6월 20일(목요일) 1000-1400시 신청

업체 2층 회의실

참석자 김학주 성용길 성용선(연구소장) 이채영 차장

및 연구원

주제 및 토의사항

- 지원내용과 향후지원계획 불소수지의 전기적 특성과

대전 방지용 불소수지의 충전제에 관한 장단점 토의

대전 방지의 중요성 폭발 환경에서의 정전기 안전지

침 반도체 제조 장치에서의 작업스테이지의 대전방지

에 관한 기술 동향 토의 최근 관심의 대상이 되고 있

13

는 탄소나노튜브(CNTs)의 제조 방법 용도 등에 관한

설명과 의견교환 내마모성 테플론 코팅 방법 용도

등에 관한 자료제공 및 의견교환 충전 또는 강화 불

소수지에 관해 자료조사를 통해 얻은 충전제의 종류

기계적 및 물리적 특성 향상 방법에 관한 기초지식을

제공함 다음 방문 시(7월 25일)에는 시트 테이프 및

박층 테플론과 최근 내마모성 코팅기술로 주목받고

있는 DLC코팅과 테플론의 안정성 문제에 관해 의견

을 교환하고 그간의 정보지원에 관한 내용들을 종합

정리하기로 함

- 지원효과 대전방지 불소수지 코팅의 작업표준 및 관

리지침에 반영할 자료 제공 최근 관심의 대상이 되는

CNTs에 관한 기초지식 배양 및 정보수집과 분석 불

소수지에 사용되는 각종 충전제의 선정 시 참고 자료

확보

- 자료제공

① Francis J Clauss Chapter 9 Fluorocarbons

Solid Lubricants and Self-lubricating Solids 1972

pp195sim238

② Eunsoo Kang Seongcheol Choi Changhoon Choi

14

Sang Eun Shim Aqueous dispersion of

submicron-sized diamond particles for thermally

conductive polyurethane coating Colloids and

Surfaces A Physiochem Eng Aspects415(2012)

pp255-261

③ Masaaki Yamane Tadeusz A Stolarski Shogo

Tobe Influence of counter material on friction

and wear performance of PTFEndashmetal binary

coatings Tribology International Vol 41 (2008)

pp269ndash281

④ M Pazderova M Bradac M Vales

Tribological Behaviour of Composite Coatings

Procedia Engineering Vol 10 (2011) pp472-477

⑤ S Rossi F Deflorian F Venturini

Improvement of Surface finishing and Corrosion

Resistance of Prototypes by Direct Metal Laser

Sintering Journal of Materials Processing

Technology Vol 148 (2004) pp301-309

⑥ S Rossi F Chini etal Corrosion Protection

Properties of Electroless NickelPTFE Phosph-

ateMoS2 and BronzePTFE Coatings Applied to

Wear Resistance of Carbon Steel Surface and

15

Coatings Technology Vol 173 (2003) pp235-242

⑦ VC Malshe Nivedita S Sangaji Fluorinated

Acrylic Copolymers Part I Study of Clear

Coatings Progress in Organic Coatings Vol 53

(2005) pp207-211

⑧ Xing-Dong Yuan Xiao-Jie Yang A Study on

Friction and Wear Properties of PTFE Coatings

under Vacuum Conditions Wear Vol 269 (2010)

pp291-297

⑨ Amel Delimi Elisabeth Galopin etal

Investigation of the Corrosion Behaviour of

Carbon Steel Coated with Fluoropolymer Thin

Films Surface amp Coatings Technology Vol 205

(2011) pp4011-4017

⑩ 이계영 김태균 김종구 ldquo내마모성 및 윤활성 코팅

조성물rdquo 대한민국특허 등록번호 10-1151909 (2012)

⑪ Thomae Kart J Multilayer Corrosion Resist

ant Finish and Method WO 2006017259(2006)

⑫ (주)바론에스엘 ldquo불소수지와 세라믹의 유무기

하이브리드 코팅 조성물 및 그를 이용한 도막 형성

방법rdquo 대한민국 공개특허 10-2013-0028553 (2013)

16

4 4차 지원

일시 및 장소 2013년 7월 25일(목요일) 1000-1400시 신청

업체 2층 회의실

참석자 성용선(연구소장) 이채영 차장 및 연구원

주제 및 토의사항

- 지원내용과 향후지원계획 발암물질인 석면대체재로써

테플론의 개발 동향을 나선 권형 가스켓과 자동차브

레이크 제동장치를 중심으로 토의하고 내마모 특성을

필요로 하는 DLC 코팅에 관한 정보제공과 DLC 특성

에 관해 집중 토의함 환경문제와 관련하여 대두되고

있는 테플론 분해가스 등 안정성 문제에 관한 자료를

제공하고 이에 관한 의견을 교환함 그간의 제공 정보

를 종합하고 8월 말 작성예정인 최종보고서 내용을

협의하였음

-지원효과 신기술 개발을 위한 내마모 코팅 DLC코팅

환경문제를 고려한 친환경 제품 등 신기술과 신공정

개발을 위한 개념을 확립하였음

17

- 자료제공

① WO 2006047500(Henkelkommanditgesellschaft auf

Aktien Article of Manufacture and Process for

Anodically Coating an Aluminum Substrate with

Ceramic Oxides Prior to Organic or Inorganic

Coating)

② 이치옹 분석자료 ldquo나선형 개스킷의 비석면화rdquo

Takashi Miyoshi 배관기술(일) Vol 46(10) 2004

pp43-47

③ 유호천 ldquoDLC 코팅 표면처리rdquo KISTI 중소기업 정

보지원 2011 10 11

④ 유호천 ldquoPVD DLC TRD 코팅설비를 활용한 복

합충 개발및 제품적용rdquo KISTI 중소기업 정보지원

2010 10 21

⑤ 국립환경과학원 ldquo화학물질 배출량 조사 OECD와 협

력강화rdquo 보도자료 (2010 11 18)

⑥ ldquo새로운 코팅기술과 공구에 대한 적용rdquo 월간기계기술

기자 2005년 3월호

⑦ Teflon off-gas studies Environmental Working

Group Ewg Org Retrieved on 2013-01-01

⑧식품의약품안전청 ldquo식품용 기구 및 용기 포장 공전rdquo

18

2012

⑨ 廣野高生 ldquo環境保全型フッ素系 撥水撥油剤の 開發

と 工業化rdquo ファインケミカル(日本) 37(11) 2008

pp39-44 이치옹 모니터링분석 KISTI

5 5차 지원

일시 및 장소 2013년 8월 21일(수요일) 1000-1400시 신청

업체 2층 회의실

참석자 성용선(연구소장) 이채영 차장 및 연구원

김학주(전문연구위원) 성용길(전문연구위원)

김종헌(KISTI 연구책임자)

주제 및 토의사항

1 불소화합물의 안전성과 환경대책 정보지원 결과 종합

등 최종보고서(안) 내용에 관한 의견교환

2 지원의 한계와 기대효과에 관한 의견 교환

3 건의 사항 등

19

세부 지원 내용

⑴플루오르화탄소 플라스틱의 특성

Teflon TFE(폴리테트라플루오로에틸렌)은 1940년대부

터 사용되어 왔으며 Teflon FEP(플루오르화에틸렌프

로필렌 공중합체)는 1958년에 소개되었고 압출 및 사

출성형이 용이하며 TFE 유형은 딱딱하고 낮은 마찰계

수를 가지며 마모에 강하고 보다 높은 온도에서 사용

가능하다 이 외에도 플루오르화탄소 플라스틱에는 폴

리염화플루오르화에틸렌(CFE 또는 CTFE)와 폴리비닐

리덴플루오라이드(PVF) 등이 있다 플루오르화탄소 플

라스틱은 그 코팅방법에 따라서도 응용범위가 광범위

하게 발전되어 왔으며 그 용도는 주방용기로부터 기

계 자동차 반도체는 물론 우주항공 산업 부품에 이르

기까지 무한하며 상업 생산되고 있는 플루오르화탄소

플라스틱은 표 3-11)과 같다

PTFE는 열가소성 플라스틱으로 상온에서 밀도 약 2200

인 백색고체로 융점은 327이며 마찰 및 마모 특

성을 나타내는 마찰계수는 고체재료 중 BAM(alumi-

20

nium magnesium boride 마찰계수 002)과 DLC

(diamond-like carbon 마찰계수005)에 이어 3번째로

낮은 005-010로 반데르발스 힘에 대한 저항력으로 도

마뱀이 붙을 수 없는 유일한 표면으로 알려져 있다2)

표 3-1 플루오르화탄소 플라스틱의 유형1)

21

Teflon의 유용한 기계적 특성은 -450sim500(-267sim

260)에서 유지되며 여러 가지 특성들은 가공기술을

바꾸어 변경시킬 수 있다 마찰 및 마모 특성을 나타

내는 마찰계수들은 시험조건에 따라 다르며 Teflon은

증기압이 극히 낮아 진공에서도 우수한 안정성을 가

지며 방사선 안정도는 부족하나 방사선 내용성은 극

히 높다

테프론의 특징은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat-

resistant) 비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coeffi-

cient of friction) 내약품성(chemical resistance) 특이한

전기적특성(unique electrical properties) 저온내구력

(cryogenic stability)으로 대표된다3)

- 테프론 코팅된 표면에는 거의 모든 물질이 달라붙지

않으며 내열성(heat-resistant)이 우수하여 -260sim+26

0까지 사용할 수 있고 단시간 사용의 경우에는 30

0까지 견디며 Teflon FEP는 232에서 연속사용이

가능하다 비유성(non-wetting)이 우수하여 표면에 물

이나 기름이 잘 묻지 않아 표면이 오염되지 않아 쉽

게 청소가 가능하고 기계설비의 보수시간이 단축되어

생산성을 향상시킬 수 있다 테프론은 비-절연성은 물

22

론 비-유전정접과 우수한 표면 저항률을 보인다

⑵ 플루오르화탄소 수지 코팅

얇고 강인한 플루오르화탄소 수지 필름을 금속 등에

소결이나 수지-접착에 의해 바르면 기질에 침착된 필

름은 저온흐름으로 고체 플루오르화탄소 수지보다 낮

은 마찰계수를 띠고 금속은 양호한 열전도도를 갖고

열을 분산할 수 있어 고속으로 운전할 수 있고 양호한

내구성을 갖게 된다

1950년대 미국 해군연구소에서 소결 Teflon TFE필름을

수성 분산액(현탁질)으로부터 무기 탄약통 비행기부

품 잠수함부품의 건조-필름 윤활제 및 보호 코팅용으

로 개발한 후 이것들은 기어 정첩(hinges) 샤프트 베

어링 밸브 플러그 콕 피스톤 링이나 그 외의 산업분

야에 응용되고 있다

- 실제로 적절한 테플론 현탁질을 고체 표면에 침적한

후 수분 증발이 너무 빠르지 않게 공기에서 필름이

건조되게 한 후 테플론 입자들이 연화 및 소결되도록

건조된 표면을 약 385(725)로 가열하고 냉각하면

23

얇은 연속 필름이 표면에 남지만 필름 중의 많은 작

은 세공들은 테플론의 높은 용융점도 때문에 제거할

수 없다 세공들은 윤활 작용에는 제한을 받지 않으나

녹슬거나 부식의 공격점이 되어 부식방지를 위해서는

1회 이상의 박막 추가 코팅이 반복되고 보통 2회 코

팅으로 충분하나 각 침적 테플론 층은 두께가 00003

인치(762)를 초과하지 않아야 하며 그렇지 않으면

말린 진흙 같이 균열이 발생한다 필름이 윤활제로 사

용될 때는 필름두께가 00006-00007인치(152-178)

를 초과하지 않아야 한다1)

- 테플론코팅은 통상으로 존재하는 표면 산화물이 제거

되지 않은 깨끗하고 탈지된 강철 황동 및 알루미늄금

속표면일 때 가장 잘 접착한다 만일 산세척에 의해

과잉 두께의 산화물이 제거되었다면 필수적으로 얇은

산화층이 형성될 때까지 공기 중에서 가열한다 접착

은 실표면적이 증가하면 증가하므로 경면가공(mirror

finish)보다 모래분사가공이나 무광택가공이 양호하다

- 테플론 코팅된 표면의 마찰계수는 금속기질 표면을

거칠게 함으로써 낮출 수 있으나 미끄럼마찰 조건 아

래 내구성은 금속의 거칠기가 32마이크로인치(rms)를

초과하면 감소한다

24

철강 기질의 인산처리는 소결 Teflon TFE필름의 마모

수명을 향상시킨다고 보고되었으며 양극처리 된 코팅

의 경도 및 내마모성과 불소수지의 윤활성을 결합하기

위해 다공성 경화 양극처리 알루미늄 위에 불소수지를

침윤하여 왔다 Teflon S 마감재는 Du Pont이 도입한

최초의 수성-기초 분산 TFE FEP로 이들은 ldquo계층화

된rdquo 마감재이다 Francis J Clauss1)는 다양한 용도에

서의 Du Pont사 제품들의 선정 가이드를 표로 종합하

였으며 이것을 요약하면 표 3-2와 같다

- 테플론 코팅은 프라이머 단층 프라이머 코팅 후 에나

멜이나 클리어 마감 또는 프라이머 에나멜과 클리어

마감 등 3-코팅 시스템으로 구성된다 프라이머들은

금속이나 세라믹 기질에 접착을 향상시키기 위해 개

질제를 함유한다 프라이머들은 가끔 1회 코팅 마감재

로 사용되나 음식물과 접촉하는 용도로는 반드시 에

나멜이나 클리어 마감재로 마무리 칠을 하여야 한다

프라이머는 층간 접착력이 부족하기 때문에 다중 코

팅에 적용될 수 없고 만일 06mil 이상의 코팅이 필요

하면 프라이머는 에나멜이나 클리어 마감재로 마무리

칠을 하여야 한다

25

표 3-2 테플론 코팅 두께1)

최종

용도대표적 용도

전체두

께(mils)

프라이머에나멜클리어

가공(mils)

비점착

산업

직물 슬래셔 통

열 봉합 봉 고무경화 롤러

우레탄과 에폭시 경화 주형

제빙기

목재 고무 주석도금 아연

10-25

07

20-50

08-13

07

03 07-22 07-10

07 마무리칠 불가

03 07-37 10min

03 05-10 05-10

07 마무리칠 불가

식품

프라이팬 내열접시

반죽롤러

캔디 장치

08-12

10-30

20-30

03 05-09

03 07-27

03 07-17 10

One-coat

system

금지

드라이

윤활

플러그 밸브

유리병 제조 전달 장치

베어링

03-07

15-25

05-07

03-07

03 03-05 03-05

02

전기

전자

저항기 코팅

아이들 롤러(제지 섬유 공업)

세라믹 절연체

40-50

10-15

20-25

03 37-47

03 07-12

03 17-22

부식

방지용기 라이닝 gt50 03 47 또는 5-10 이상

Non-

wetting콘덴서 튜브 02-04 02-04

- 유색 프라이머는 통상 안료가 필름의 범위와 두께를

시각적으로 체크할 수 있게 하므로 그렇지 않은 것에

비해 더 선호된다 에나멜과 클리어 마감재는 충분한

접착을 위해 프라이머 위에 발라야 한다 ldquo진흙 갈라

짐 현상(mud-cracking)은 코팅 당 최대 두께를

10mil로 한정하나 다중 코팅에 의해 극단적이 조건

하에 전체 두께를 10mils까지 바를 수 있으며 각각의

26

코팅은 분리하여 구워진다

불소화 고분자들은 낮은 표면장력 물과 기름에 젖지 않

고 비점착성이며 방오 특성(antifouling properties) 등을

갖기 때문에 다양한 특수 코팅에 적용되나 합성과 조성

이 몇몇 제조업자들에 독점되어 있고 값비싼 중간체를

필요로 한다 VC Malshe 등4)은 플루오르 함량이

4-10인 불소화된 아크릴 공중합체를 간단한 방법으로

합성하고 클리어 코팅하여 광학적 기계적 및 보호 특성

을 연구하였다

최근 에너지 절감과 CO2규제와 같은 환경규제에 대한 대

응 필요성이 증가하면서 발전소나 각종 보일러 시스템에

서 배가스로 배출되는 응축잠열 에너지의 회수 및 활용

에 관심이 증가되고 있다 Lee 등5)은 스테인레스 관 표

면에 400정도의 두께로 테플론을 코팅한 전열관에서

관의 열 및 응축 열전달 특성을 연구하여 테플론 코팅관

의 총괄 열전달 계수는 스테인레스 관보다 약 20 작은

것으로 나타나고 응축열전달 계수는 유사하였음을 보고

하였다

알루미늄 용광로의 비-여과 배출가스에 장기간 사용하기

적합한 역류 열교환기에 관한 것으로 원통형 쉘의 표면

27

은 알루미늄 용광로 배출가스 입자 및또는 먼지 및 부

식 흄과 접촉될 수 있어 테프론 계로 코팅 처리하는 특

허6)가 있다 이 특허에서는 원통형 쉘을 만들도록 복재

(web member 웨브재)와 함께 연결된 유체 운반튜브로

이루어진다 각 원통형 쉘에 위치한 헤더는 열교환기의

튜브에서 튜브로 유체를 공급하며 뜨거운 난류가스에 작

용하여 스케일링을 최소화하기 위해 헤더의 보호덮개를

설치한다

저온에서 고온에 이르는 환경에서 유체에 사용되는 배관

튜브는 열에 의한 경시적 열화가 진행되어 균열 발생이

쉽다 가동부에 사용되는 배관 튜브는 움직임이 수반되어

그 경향이 현저하며 반도체 제조장치에 일반으로 사용되

는 실리콘튜브는 저온에서 열화되어 파손되기 쉽다 이러

한 문제점을 해결하기 위해 실리콘 튜브 외측 표면을 테

플론으로 코팅하여 균열발생을 억제함으로써 장시간 사

용 가능하도록 고안한 특허7)가 있다

섬유상 부직포로 제작하는 다공성 여과필터는 다양한 산

업공정의 배출가스를 정화시키는 데 사용되며 특히 중고

온 환경에서 사용이 가능한 다양한 종류의 기능성 필터

의 개발이 요망된다 일반으로 소각장 및 발전소 등의 중

고온 조건에서 사용되는 Nomex를 비롯한 섬유상 필터는

28

200 이상에서는 열변형으로 사용이 제한적이고 세라믹

필터와 같이 고온에서 적용이 가능한 소재는 매우 고가

일 뿐 아니라 초기 작업으로 인해 에너지 사용량이 매우

높아지는 문제점이 있다 Kim 등8)은 250-300 영역의

중고온의 배출가스를 처리하기 위한 필터에 표면 소수성

과 고온 안정성을 부여하기 위하여 표 3-3과 같은 조성

으로 그림 3-1과 같은 장치를 이용하여 테플론 수지를

거품 형태의 코팅액으로 조제하여 유리섬유 원단에 공급

하여 표면코팅하고 열처리 및 압착과정을 거친 후 표면

분석하였다

표 3-3 테플론 코팅을 위한 화학첨가제8)

테플론 코팅이 전기 집진장치에 활용되는 특허도 있다

종전 사이클론 방식의 전기집진기에서는 집진부의 먼지

를 떨어뜨리는 것이 용이하지 않았다 발명자들은 먼지

압축 기능을 갖는 집진실 내측에 테플론 가공을 하여 정

전기에 의한 미세먼지의 부착을 억제함으로써 집진실의

먼지를 원 터치로 처리할 수 있도록 하였다9)

29

그림 3-1 테플론 거품코팅8)

일반으로 테프론을 조리용기에 코팅하는 방법은 금속소

재를 사용 제품형태로 제작한 후 세척하고 에이징(소둔)

처리한 후 샌딩하여 표면조도를 유지하도록 하고 표면에

프리머 처리하여 베이킹 처리한 후 분사방법으로 테프론

코팅을 하고 다시 베이킹 처리하므로 공정이 복잡하고

제조원가가 상승하며 부착력에 한계가 있다한다 (주) 엘

지아이 특허10)에서는 피처리물을 세척한 후 산질화처리

하여 표면에 열처리 층이 형성되게 한 후 테프론을 코팅

하고 베이킹 처리하는 것을 특징으로 한다 그 외에 내열

세라믹 주방용기의 불소수지 코팅방법에 관한 특허가 있

다11)

(주) 봉성비에스는 차량의 주행 충격을 흡수하는 완충기

30

내부에 삽입하는 피스톤 외주면의 마찰과 소음을 최소화

하기 위한 목적으로 테프론 코팅을 하기 위한 코팅장치

를 등록하였다12)

⑶ 대전 방지 플루오르화탄소 수지 코팅

ㅇ 본래 불소수지 자체는 높은 절연성과 큰 대전성을 갖고

있기 때문에 도전 효과를 얻기 위해서는 분상 필러를 다

량으로 충전할 필요가 있으나 이렇게 하면 비점착성이

떨어진다 여러 회사들의 제품 안내서들을 종합한 불소수

지의 전기적 특성은 표 3-4와 같다

표 3-4 불소수지의 전기 특성

특성측정법

(ASTM)단위

PTFE

(비충전)

PTFE

(25

유리충전)

PTFE

(25

탄소충전)

표면 내아크성 D495 sec 75-110

체적저항

(비저항)D257

ohm-

cmgt1018 gt1016 104

표면저항 D257ohm

sq-1 gt10

14

유전율(유전상

수) at 1MHzD150-81 e 25 24

절연내력 short

time 18thickD149

kv

mm285

유전정접(유전

정합) at 1MHzD150-81 lt00002 005

31

ㅇ 불소수지는 내열성 내한성이 높고 내약품성 내연소성

난연성이 우수하고 절연성 및 비점착성과 저 마찰계수를

갖고 있으나 절연성이 높아 정전재해의 원인이 될 수 있

어 재해 방지를 위해 대전 방지 또는 저저항을 특징으로

하는 불소수지 가공품이 개발되어 사용범위가 넓어지고

있다

불소수지에 충전하여 저저항으로 하는 필러에는 일반적

으로 도전성이 높은 카본 금속 또는 산화알루미늄 등의

금속산화물이 사용된다 재료의 형상으로는 미분 탄소

스테인레스 스틸 니켈 금속분과 같은 입상물 단섬유 탄

소섬유 위스커(whisker) 등이 사용된다

- 미분은 비표면적이 크기 때문에 소량의 충전으로 저

항치를 내릴 수 있으나 약품의 침투가 있는 경우 비

표면적이 크기 때문에 약품의 영향을 받기 쉬워 내부

식성 떨어질 가능성이 크다

- 입자상물질들은 미분에 비해 비표면적이 작기 때문에

약품의 영향을 비교적 적게 받지만 저항치를 내리기

위해 충전량이 많게 되어 불소수지의 특징인 비점착

성과 저마찰계수 특성을 저해한다 섬유 위스커 형상

은 단방향에 대한 장방향의 비가 클수록 적은 충전량

32

으로 저항치를 낮출 수 있지만 분산이 나쁘면 요철이

발생한다 부식 방지 코팅에서는 충전제의 내약품성이

관건이다 즉 부식 환경에서 불소수지 자체는 충분히

견디어도 충전제가 내약품성이 없으면 충전제가 서서

히 에칭되어 기기가 부식될 가능성이 크다

화학 석유 및 정제 산업에서는 시험 검사 세척 및 다양

한 공정의 용기 저장 탱크 반응기와 같은 많은 구성요

소들이 사용되며 플루오르화 고분자는 고온에서 높은 열

안정성을 갖고 다양한 유기용매에 전혀 용해되지 않으므

로 부식방지 등을 위해 플루오르화 고분자와 같은 내화

학성 고분자로 코팅된다 그러나 이들 고분자는 코팅된

구성요소의 표면에 정전하 축적을 조장하기 때문에 폭발

성 환경에서는 사용할 수 없다

특히 이들 구성요소들의 금속 구조물은 용기나 탱크에

보관된 가스 증기 분진의 이동에 의해 생성된 정전하

(electrostatic charge)를 흐르게 하는 전도경로가 되나 금

속표면을 강산 강알칼리나 유기용제에 의해 침투되는 방

지하기 위한 목적으로 부식방지 테플론으로 코팅될 경우

얇은 필름의 비-전도체로 작용하므로 폭발성 환경에서

사용을 규제하고 있다

33

- 예로 유럽 표준 EN 50014 section 732에서는 정전

하로 인한 발화 위험을 피하기 위해 사용 보수 및 세

척 조건 하에 설계된 울(enclosure)이 필요하고 울의

절연저항은 1GΩ을 초과할 수 없도록 규제하고 있고

일본은 후생노동성 관할 산업안전연구소의 정전기 안

전지침의 누설 저항치는 108Ω 이하로 되어 있다

- 따라서 부식 및 폭발성 환경에서 안전하고 다양한 구

성 요소에 적용할 수 있는 정전방지 비-발화 테플론

코팅기술을 요하며 정전방지 코팅은 표면저항을 낮추

기 위해 카본블랙이나 개질 전도성 탄소 금속이나 전

도성 고분자를 테플론에 충전하여 코팅한다

폭발성 환경용 내화학약품 특성과 대전방지 비발화

코팅 조성물로는 높은 비저항을 갖는 플루오르 고분자

50-90wt 10-50wt의 전도성물질인 탄소분(carbon

powder)으로 이루어진 Solex Robotics Systems Inc

특허가 있다13)

- 폭발환경에서 사용되는 이상적인 코팅은 정전하를 피

하기 위해 낮은 비저항을 가져야 한다 완벽한 전도체

는 비저항이 영(0)이고 완벽한 절연체는 무한 비저항

34

을 갖는다 금속(구리 금 같은) 합금(망가닌 Mn-Ni-

Cu 니크롬 Ni-Cr-Fe) 반도체(카본이나 게르마늄)는

낮은 비저항을 갖고 있어 좋은 도체이다

- 수많은 고분자 기초 코팅들이 부식화학 환경에 사용

되었으나 85GΩ 이상의 비저항으로 대전방지 시험에

서 실패하였다 정전기 도체로 인증기준 아래 적합하

기 위해서는 100cm2이상의 노출 표면이 1GΩ 이하의

비저항이어야 한다 코팅에 첨가된 탄소분은 전도도를

증가시키며 10-50의 함량은 1GΩ 이하의 비저항을

만족시킨다

비전도성 표면의 표면저항을 감소시키도록 카본이나 금

속을 사용하여 대전방지를 부여하는 공정의 단점으로는

카본이나 금속의 접착력이 낮아 입자의 마모가 일어나

장기간 사용 시 대전방지 수준이 감소하는 것이다 더욱

클린룸에서 입자의 방출은 심각한 문제가 된다 대부분의

비전도성 기질은 통상 23 상대습도 50에서 표면 비

저항이 109ohmsquare 이상으로 높고 PTFE 경우는 10

12

ohmsquare이상이다14)

반도체 제조 장치에서는 웨이퍼 기판을 안착하기 위해

작업 스테이지를 사용하며 작업스테이지는 통상 금속과

35

세라믹으로 제작되나 웨이퍼기판을 작업스테이지에 올려

놓을 때 작업스테이지와 웨이퍼기판 사이에 마찰 정전기

가 발생한다 FPD(flat panel diplay 평판표시)용 디스펜

서(dispenser)에 사용되는 작업스테이지는 진공방식으로

디스플레이 기판을 흡착 고정하며 흡착 고정되었던 디스

플레이 기판이 작업스테이지에서 박리될 때 작업스테이

지에 정전기가 발생하여 디스플레이 기판에 대전된다 최

근 디스플레이 기판이 대형화됨에 따라 대전량이 증가되

고 정전기 대전문제가 더욱 심각해지고 있다 웨이퍼기판

이나 디스플레이기판에는 반도체소자 등 다수의 전자부

품들이 배치되어 있기 때문에 정전기가 발생되면 전자부

품의 신뢰성에 치명적 손상을 주고 기판에 분진이 부착

되거나 정전기의 대전으로 기판 리프트 업(lift up)시 기

판이 깨어지는 문제가 발생한다 정전기 대전을 방지하기

위해서는 작업스테이지에 이오나이저를 설치하여 중화하

기도하나 리프트 업이 불가능하거나 이온풍이 도달하기

전 방전하는 등 작업 스테이지와 기판 사이에서 발생한

정전기가 순간적으로 일으키는 박리대전 문제를 해결하

기 어려워 작업 스테이지의 정전기 방지를 위해 불소수

지로 코팅한다

- 불소수지는 다른 물질과의 흡착에너지가 작고 비점착

성이 우수하며 마찰계수가 작아 유리기판과의 상관관

36

계가 작아져 박리에 의한 정전기의 발생량이 적어지

나 불소수지는 절연성을 가지므로 테프론 코팅에서는

카본 블랙이나 전도성 고분자 등을 필러로 사용한다

대전방지가 필요한 반도체 제조장비 디스플레이 장치 및

테스트 장치 등의 작업 스테이지를 테프론 코팅함으로써

작업 스테이지의 정전기 발생을 방지하는 방법의 단점의

하나는 제작비용이 상대적으로 많이 드는 것으로 디스펜

서의 경우 디스플레이 기판이 대형화됨에 따라 작업 스

테이지의 크기가 커져 제작비용이 증가한다 또한 불소수

지의 경도가 낮아 코팅 막에 스크래치가 발생하고 이 부

분은 평탄도 유지가 어려우며 입자들이 발생하는 요인으

로 작용하며 불소수지가 절연성이므로 카본블랙이나 전

도성 고분자 등의 도전성 필러를 충전하여 대전방지에

적합한 면-저항을 갖도록 할 경우 카본블랙은 구형으로

분진이 발생하는 문제점이 있고 전도성 고분자를 사용할

경우는 내용제성이 약하고 과량의 바인더를 사용하여야

하며 박막 형성이 어렵고 불소수지의 경도를 보완하기

위해 아노다이징 처리를 하는 경우는 이후 별도의 코팅

과정을 거쳐야 하므로 제작비용과 제작시간이 증가하는

등 여러 가지 단점들이 있다 이러한 문제점들을 해결하

기 위한 방법으로는 작업 스테이지와 기판이 만나는 면

에 정전기 발생을 최소화시킴과 동시에 그 제조비용이

37

절감되고 적절한 면-저항을 조절할 수 있으며 마찰계수

가 낮고 내마모성이 향상된 작업스테이지 표면의 대전방

지 처리 방법에 관한 국내의 탑나노시스 사의 특허15)가

있다

- 탑나노시스 사의 특허 목적은 작업스테이지의 기판과

만나는 면에 정전기의 발생을 최소화시킴과 동시에

그 제조비용이 저감되고 적절히 면-저항을 조절할 수

있으며 마찰계수가 낮고 내마모성이 향상된 스테이지

표면의 대전방지 처리 방법에 관한 것으로 이 특허에

서는 금속소재의 작업 스테이지 표면을 아노다이징

처리하여 복수의 산화표면 홀들을 형성시키고 여기에

탄소나노튜브를 삽입하고 경화하며 탄소나노튜브 경

화 후에 표면을 봉공 처리한다

- 작업스테이지 표면은 106-10

9Ωsq의 면-저항을 갖는

것이 바람직하며 산화표면 홀들은 직경 30-900nm 깊

이 100-900nm가 바람직하다 아노다이징 처리를 하는

금속소재는 Al Mg Zn Ti Ta(탄탈륨) Hf(하프늄)

Nb(니오븀) 등일 수 있고 이 발명에서는 가벼우며 일

정 강도를 갖고 가공성이 우수한 Al합금을 예로 들어

설명하고 있다

38

- 알루미늄소재 작업스테이지 표면에 산화피막(Al2O3)처

리를 하는 아노다이징(anodizing 양극산화)에서 전해

액은 수산화나트륨이나 수산과 황산 등이 사용될 수

있고 수산화나트륨의 농도(20-50) 공급전압 전류

및 시간 등을 조절하여 산화표면 홀의 크기(D)와 깊

이(L)를 조절하며 D와 L에 따라 대전방지 효과나 내

구성 및 표면경도를 조절한다

- 탄소나노튜브를 산화표면 홀 내에 삽입시키는 단계는

전해 흡착 하여 이루어질 수 있고 정전도장을 통해서

도 이루어질 수 있다 탄소나노튜브는 분산제를 포함

하는 용액으로 코팅되며 분산제로는 소듐 도데실설페

이트(SDS) 트리톤X Tween20(폴리옥시에틸렌 소르

비탄모노올레이트) CTAB(cetyl trimethyl ammonium

bromide)를 예로 들고 있으며 탄소나노튜브 용액은

아크릴계 우레탄계 등 또는 전도성 고분자계 유무기

하이브리드계 바인더가 포함될 수 있다

- 봉공처리는 산화표면 홀과 산화피막을 봉공하여 내식

성 등이 향상되도록 보호 층을 형성시키는 것으로 비

등수 가압증기에 의한 수화봉공 금속염을 포함한 열

수에 의한 금속염 봉공 오일로 도포나 침적하는 유기

물 봉공 양극산화 피막 층에 도장하는 도장에 의한

39

봉공 등이 있다

반도체 소자를 제조하는 과정에는 불순물 이온을

주입하는 장비가 이용되고 있다 (주)하이닉스 반도

체의 특허에서는 이온주입 장비의 웨이퍼 지지 장

치 리프트 핀의 끝단을 라운드 처리하고 리프트 핀

에 테플론을 코팅하여 리프트 핀과 웨이퍼 후면의

접촉 시 웨이퍼 후면에 스크래치와 같은 손상이 유

발되는 것을 억제할 수 있게 한다16)

⑷ 탄소나노튜브(CNTs Carbon Nano Tubes)17)

탄소나노튜브는 탄소의 동소체로 1991년 일본 NEC 연구

소의 Ijima박사에 의해 전자 현미경을 통해 처음으로 확

인되었다 1985년에 Kroto와 Smalley가 탄소의 동소체인

풀러렌(탄소 원자 60개가 모인 것C60)을 처음으로 발

견한 이후 전기방전 시 흑연 음극 상에 형성된 탄소덩어

리를 투과전자현미경으로 분석하는 과정에서 발견하여

Nature학술지에 처음으로 발표되었다18) 탄소나노튜브에

서 탄소원자 하나는 주위의 다른 탄소원자 3개와 sp2결

합을 하여 육각형 벌집무늬를 형성하며 이 튜브의 직경

이 대략 수 나노미터(nm nanometer) 정도로 극히 작기

40

때문에 나노튜브라고 부르게 되었다 이 탄소나노튜브는

전기 세기가 클수록 더 수축하는 성질을 가지고 있는 등

튜브의 직경이 nm수준으로 극히 작아서 특유의 전기화

학적 특성을 나타낸다

Ku 등19)에 의하면 CNTs는 전기방사법(arc-discharge)

레이저증발 법(laser vaporization) 플라즈마 화학기상증

착 법(plasma enhanced chemical vapor deposition) 열

화학 기상증착 법(thermal chemical vapor deposition) 등

의 다양한 합성법이 개발되어 대량생산이 가능하다

CNTs의 종류는 벽의 수에 따라 단일 벽 탄소나노튜브

(SWNTs) 이중 벽 탄소나노튜브(DWNTs) 다중벽 탄소

나노튜브(MWNTs)가 있으며 물성에 관한 많은 연구결

과 기계적 전기적 열적으로 우수한 성능을 갖고 있음이

입증되었다

CNTs는 인장강도와 탄성률 면에서 지금까지 발견된 재

료 중 가장 강하고 질기며 다중벽 CNT는 63GPa에 이른

다 표준 단일 벽 CNT는 25GPa의 압력까지 변형 없이

지탱된다 그래핀의 대칭성과 특이한 전기적 구조 때문에

CNTs의 구조는 그것의 전기적 특성에 영향을 미쳐 금속

성이나 반도체의 특성을 나타내고 이론적으로 금속성

41

CNTs는 구리와 같은 금속의 1000배가 큰 4times109Acm

2

전류 밀도를 운반할 수 있으며 나노크기의 단면으로 전

자가 튜브의 축 방향으로만 전파되고 전자의 이동은 양

자효과를 수반하여 1차원 전도체로 간주된다

CNTs는 우수한 물성과 상대적으로 큰 표면적으로 갖고

있어 충전제(filler)로써 에폭시 폴리스틸렌 폴리우레탄

등 고분자와 혼합하여 폴리머의 기계적 전기적 특성을

향상시키려는 연구가 활발하다 CNTs가 폴리머 중에서

충전제 역할을 하기 위해서는 고른 분산이 필요하나 반

데르발스 힘에 의한 CNTs 응집현상(agglomeration)으로

인해 효과적인 분산이 어려워 오히려 폴리머의 물성을

저해하므로 이것을 개선하기 위한 다양한 기계적 화학적

분산 방법이 연구되고 있다

- CNTs를 분산시키기 위한 가장 일반적인 방법은 용매

나 폴리머에 CNTs를 투입하고 초음파처리를 하는 것

으로 초음파처리를 하면 SWNTs의 길이가 짧아지고

다발(bundle)이 얇아져 분산력이 증가한다

- CNTs 표면을 산이나 아민으로 기능화하여 분산을 높

이는 방법도 연구되고 있으며 MWNTs를 HNO3

H2O2NH4OH 용액에 침지시켜 MWNTs에폭시 복합

42

재료는 전기적 특성을 향상시키려는 연구와 산과 아

민 등의 기능기를 도입하여 SWNTs의 열전도도를 향

상시키려는 연구들이 수행되고 있다

- 기계적 분산방법인 전단혼합방법은 좁은 관이나 상대

적으로 높은 속도의 유동을 이용하여 발생한 전단력

으로 CNTs를 분산시키는 방법이다 Ku 등19)은 전단

혼합과 초음파처리를 이용하여 MWNTs로 강화된

에폭시 복합재료를 만들어 기계적 및 열적 특성을 연

구하였다

⑸ 내마모성 테프론 코팅

ㅇ 재료의 부식은 구조재에 원하지 않은 변화 원인으로 작

용하여 경제적인 문제로 귀결되는 심각한 문제이다 이들

원치 않는 변화는 때로 적절한 코팅에 의한 표면처리로

예방할 수 있다 가장 일반적이고 자주 사용되는 전착 코

팅은 아연에 기초한 아연 코팅 및 합금 코팅으로 이들

코팅은 간단한 기술로써 내부식성이 양호하여 전 표면처

리의 약 14에 해당하나 최근 낮은 마찰계수 등 다른 특

성들이 매우 중요하게 되었다 이들 특성은 다층 코팅으

로 대응할 수 있으나 두께가 증가하고 기술이 복잡하여

가능한 해결방법으로는 복합체 코팅이 있다 복합체 코팅

43

은 일반기계와 자동차 전자부품 및 컴퓨터 등 다양한 분

야에 적용된다 금속 기질에 미세한 PTFE 입자의 전착

에 의한 증착은 새로운 세대의 복합체 코팅으로써 가장

바람직한 특성은 양호한 내마모성 자기윤활 내부식성이

다 M Paderovaacute 등20)에 의하면 이들 특성은 주로 사용

한 입자(흑연 다이아몬드 MoS2 또는 PTFE)와 용액의

유형(pH 온도 bath 등) 뿐 아니라 입자의 크기 농도

분산 및 형태학에 의존한다

ㅇ 충전되지 않은 PTFE의 마모율은 736-741times10-4mm3Nm

로 내마모성이 낮아 다양한 충전제들이 첨가되고 있다

Xing-Dong Yuan 등21)은 진공 조건에서 PTFE 코팅

의 마모특성을 연구하여 초기에는 하중이 증가함에 따

라 마찰계수가 감소하나 하중이 6N 이상으로 커지면

마찰계수도 증가하며 압력이 PTFE 코팅의 마찰계수

에 미치는 영향이 거의 없고 마모는 압력이 증가하면

초기에는 감소하나 10Pa 보다 높으면 급격히 증가한

다고 보고하였다

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위해서는 윤활제로 PTFE

계 수지 접착제로는 폴리아미드이미드수지 산화철 분말

44

및 브론즈 분말 등을 혼합한 조성물을 사용하거나 미국

특허에서는 스와시플레이트 형 압축기의 플레이트 표면

에 MoS2 흑연 PTFE계 윤활제와 열경화성 수지인 폴리

아미드이미드(PAI) 조성물을 코팅하여 내마모 및 윤활성

을 부여하고 있다22) 내열성 향상을 위해서는 고체윤활

제 접착제수지 및 저융점 금속인 Sn Pb In Bi 등을 함

유하는 합금이나 화합물을 사용하여 금속의 잠열을 이용

내열성 향상을 시도하기도 한다

ㅇ 그간 철강(스테인리스강 탄소강 아연도금강판 등)의 내

부식성 향상을 위한 많은 연구들이 수행되어 왔다 4플루

오르에틸렌(C2H4) 4플루오르에탄(CF4) 6플루오르에탄

(C2F6) 3플루오르화에탄(CHF3) 8플루오르화에탄(C4F8)

같은 불소화된 단량체의 플라즈마 중합에 의한 테플론

류 코팅은 그들의 소수성으로 인해 금속의 내부식성 향

상을 위한 대안으로 주목을 받고 있다 A Delimi 등23)

은 유도결합 고주파플라즈마(inductively coupled radio

fre- quency plasma)를 사용하여 소수성 박막 불소수지

필름을 탄소강에 증착하고 3염수에서 내부식성을 평가

한 결과 1개월 동안 9nm의 필름이 유지되는 것을 관찰

하여 불소고분자 박막이 금속과 금속산화물의 보호층이

될 수 있음을 보고하였다

45

ㅇ PTFE를 이용한 세라믹코팅 기술로는 알루미늄 및 알루

미늄 합금 공작물을 양극처리에 의해서 티타늄 및또는

지르코늄 산화물을 포함하는 내식성 내열성 및 내마모

성 세라믹 코팅을 하고 이어서 양극처리된 공작물을

PTFE 또는 실리콘 함유 코팅과 같은 제 2 코팅으로 코

팅한다 이 발명은 가소성을 가지는 경질의 필름 내에서

내식성 내열성 및 내마모성을 제공하는 티타늄 및또는

지르코늄 산화물의 양극처리 층으로 기판을 예비-코팅함

으로써 알루미늄 기판에 보다 긴 수명의 코팅을 형성하

는데 특히 유용하다24)

ㅇ Nosaka 등25)은 PTFE로 대표되는 불소수지는 마모-링이

나 극저온 밸브의 실링부에 많이 사용되며 진공치환법에

의해 탄소재료에 PTFE나 MoS2 분말을 1-2wt 함침시

키면 무함침한 것에 비해 마모가 약 13로 감소한다고

보고하였다 한편 저자들은 터보펌프의 실링재료가 극저

온 환경에서 보이는 특이한 현상을 극복하기 위해 베어

링의 표면에 노출된 유리섬유를 불소산으로 처리하여 용

해 제거하고 윤활성을 높인 유리섬유강화 테프론 리테이

너를 개발하여 내구성과 윤활성을 향상시킬 수 있었다고

보고하고 있다

46

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위한 또 다른 특허로는

폴리실록산계 접착제를 단독 혹은 폴리에스테르계 접착

제와 병용하고 고체 윤활제로 MoS2(이황화몰리브덴

WS2(이황화텅스텐) h-BN(육방정 질화붕소) 팽창흑연

및 PTFE를 사용하고 충전제로 탄화규소 알루미나 산화

지르콘 산화티탄 등의 미분말을 사용하여 내마모 내열

및 윤활성을 부여하고자 하는 내마모성 및 윤활성 코팅

조성물에 관한 특허가 있다26)

ㅇ 내열성 내후성 내오염성 내약품성 내구성 등의 물성

은 유지하면서 비점착성을 높이기 위해 무기계 세라믹

코팅 조성물에 PTFE를 첨가하기도 한다 이러한 하이

브리드 코팅 조성물에 관한 특허로는 불소수지(01sim25

중량) 콜로이달 실리카나 콜로이달 알루미나 등 무

기계고분자 바인더(20sim80중량) 알콕시실란 화합물

(1sim50중량) 수용성 유기용제(1sim10중량) 충전제

또는 안료(5sim50중량) 및 물(100중량 까지 보충)로

이루어진 코팅 조성물에 관한 것으로 무기질 도료 및

무기계 세라믹 코팅에 의해 내열성 내오염성 내약품

성과 내구성을 유지하고 접착력을 높이기 위해 소량의

PTFE를 사용하는 것이 있다27)

47

ㅇ 정전 복사기에 사용되는 정착기재부의 최외층에 코팅하

여 기계적 성질 및 내마모성을 향상시키려는 목적으로

불소수지 기질 중에 분산된 불소화 다이아몬드를 함유하

는 입자로 구성된 조성물에 관한 일본 특허28)가 있다

ㅇ 부식 특성을 개선한 흑색 무크롬(chrome-free) 다층 내

부식 마무리 칠과 방법에 관한 특허29)로는 ASTM B 117

표준으로 시험할 때 백색 부식에는 최소 500시간 염수분

무시간 및 적색 부식에는 1500시간 염수분무시간에 적합

하게 설계된 마무리 칠에 관한 것이 있다 이 다층 시스

템은 광택(gloss) 4 이상을 만족하는 자동차 차체 강판

자동차 하부와 내장에 사용되기 위해 설계된 것으로 이

다층 마무리 칠은 3층 부식 방지 시스템을 형성하도록

아연-철 전기도금 기질 오르토인산을 사용한 무전해 인

산염 결정 전환 층과 XylanTeflon 실러 코팅의 조합이

다

ㅇ 전통적으로 철 강판(steel sheet)은 크롬산 염 전환 코팅

으로 개질되어 왔으나 6가 크롬이 배출되어 환경을 오염

시키는 문제점이 있어 강판의 내-부식성을 개선하기 위

해 고분자 수지 코팅들이 수행되고 있으나 이 방법은 고

48

분자 코팅 층이 열전도도를 감소시키는 단점을 가지고

있다 Kang 등30)은 강판 위의 고분자 코팅 층의 열전도

도를 향상시키기 위해 초미세-크기 다이몬드(μD)입자를

열전도 물질로 사용하였다 다양한 음이온 및 비-이온

계면활성제들을 사용하여 수용액 중에서 무거운 μD입자

의 안정화를 시험들을 한 결과 1-피렌카르복시산(PCA)

이 가장 양호하였다 그림 3-2는 이 시험 결과를 요약한

것이다

- 강판 위에 PCA로 안정화 된 μD 입자를 함유한 폴리

우레탄-기초 코팅 층은 열전도도가 0351W(mK)에서

0434 W(mK)(10 wtμD)로 향상되었으며 더욱 144

시간 동안 염수 분무 시험결과 부식거동은 관찰되지

않았다

그림 3-2 피렌카르복시산을 이용한 μD 표면처리

ㅇ 자동차공업에서는 기본적인 특성으로 내마모성이 요구되

49

는 강철 기계부품들의 마찰특성을 향상시키기 위해 다양

한 금속 및 고분자 코팅들이 광범하게 이용된다 내-마

모 코팅은 두 가지 주요 특성인 높은 표면경도와 자기-

윤활 특성이 필요하다 후자의 범주에 속하는 것이

PTFE와 MoS2 기초 코팅이다 무전해 니켈 코팅은 높은

경도로 인해 양호한 마찰 특성을 보이며 한편 열처리를

통해 경도를 향상시킬 수 있다 PTFE입자의 첨가는 코

팅경도를 감소시키나 자기-윤활특성을 부여한다 S

Rossi 등3132)은 마찰특성을 향상시키기 위해 이용되는 탄

소강에 이용되는 몇 가지 공업적인 코팅에 관한 부식거

동에 관해 평가 PTFE입자를 함유한 무전해 니켈-인

(Electroless Nickel-Phophorus)코팅은 PTFE 입자(자기-

윤활 특성)를 갖는 외층과 장벽-효과를 갖는 내층으로

인한 이중 특성으로 가장 양호한 특성을 보였다고 보고

하고 있다

ㅇ 모든 기계적 시스템은 동적 요소를 필요로 하며 마찰과

마모를 줄이기 위한 다양한 수단들이 가능하나 그 선택

은 환경이나 조작 조건에 제한을 받는다 PTFE는 자기

윤활 낮은 마찰계수 높은 열안정성과 화학약품 안정성

으로 산업분야에 널리 사용되는 엔지니어링 고분자이지

만 내마모성이 매우 부족하다 이러한 이유로 금속

-PTFE충전 복합체들이 PTFE의 마찰특성과 금속충전제

50

의 내마모성을 결합하여 특정 분야의 용도로 소개되어

왔으나 금속-고분자 물질에서의 충전제의 역할은 완전히

설명되지 않고 있다 복합체 표면의 과잉의 충전제 농도

는 미끄러지는 동안 부하를 지지하여 내마모성을 증가시

키는 것으로 생각되며 PTFE의 마모율은 Mo Zn Ni

Y2O3 및 SiO2 같은 무기 충전제에 의해 1000배가량 감소

되었다는 보고도 있다 유리섬유 구리 세라믹 탄소섬유

절단 탄소섬유 나노입자를 포함한 경질의 충전제 입자들

이 PTFE의 내마모성을 높이기 사용되어 왔다

ㅇ 비교적 두꺼운 코팅에는 열분사(thermal spray) 용사기

술이 정립되어 있고 용사 코팅은 내마모 내마찰 내프레

팅(fretting) 및 내부식을 요하는 산업에 많이 이용되고

있다

- 용사 몰리브덴(Mo)코팅은 실질적 내마모성 코팅으로

가장 광범하게 이용되며 프레임용사(flame spray)거나

와이어용사(wire spray)기술로 생산된 몰리브덴(Mo)

코팅은 흠이나 마모에 대한 고도의 저항을 얻기 위한

가장 좋은 코팅재료 중의 하나이다

- 알루미늄 청동(aluminium bronze)은 높은 내-부식성

과 내마모성을 갖는 것이 특징이다 저압 플라즈마 용

51

사 기술은 자기-아닐링(self-anealing)과 부서지기 쉽

도록 유도하는 γ-상의 형성을 피할 수 있도록 높은

냉각 속도를 얻는 데 사용되며 알루미늄 청동 저압

플라즈마 용사 코팅은 낮은 마찰과 마모를 보였고 비

교적 최근 플라즈마 용사 기술을 이용하여 알루미늄

기질에 고분자-세라믹 복합체를 코팅하는 기술이 개

발되었다33)복합체 코팅으로 행한 마찰 시험에서 낮

은 마찰계수를 얻을 수 있었다

- 낮은 마찰계수와 고 내마모성을 갖는 이성분 금속

-PTFE 코팅이 개발되었고 이들의 마찰 공학적 성능

이 보고되었다 PTFE-기초 복합체 설계에서 일반적

인 접근방법은 경질의 충전 입자들을 도입하는 것으

로 M Yamane 등34)은 PTFE-금속 이성분 코팅의 마

찰 마모성능에 관한 연구 결과 알루미늄 청동 코팅이

Mo코팅에 비해 PTFE 저장소(reservoir)에 유용했음

을 보고하였다

⑹ 충전 또는 강화 플루오르화 탄소1)

ㅇ 분말이나 강화섬유 등 전형적인 충전재들이 충전 또는

강화 플루오르화 탄소에 사용된다 충전재는 저온흐름

52

을 향상시키는 데 사용되며 수축과 균열을 줄이고 열

팽창을 낮추며 열전도율을 향상시킨다

ㅇ 분말이나 단섬유로 된 전형적인 충전제를 표 3-5에 종합

하였다 유리섬유는 가장 보편적인 PTFE 충전제로 화

학 및 전기적 특성에 최소로 영향을 미치며 기계적 특

성을 크게 향상시킨다 분말에 비해 섬유는 압축강도

강성도 및 지지용량을 더욱 향상시키나 분말은 충전

테플론의 내구성에 거의 영향을 미치지 않는다 금속분

말은 특히 열전도도를 향상시키며 고속에서 발생하는 마

찰열을 소멸하는데 도움이 되며 전기저항을 상당히 감소

시켜 금속-충전 조성물은 양호한 절연체는 아니다

ㅇ 흑연(graphite) MoS2는 초기 내구성과 마찰을 개선하고

기계적 특성을 향상시킨다 석면은 많은 유용한 특성을

갖지만 가공 처리 중 가스가 방출할 뿐 아니라 사용금지

물질이다 표 3-5 외에도 금속 망 장섬유 다공성 금속

등 다양한 충전제들이 있으며 다양한 종류의 제품들이

상업 생산되고 있어 최종 선정을 하기 전에 플라스틱 가

공업자로부터 보다 완전한 정보와 추천을 받는 것이 바

람직하다

53

표 3-5 불소수지용 충전제

ㅇ 압축강력 인장과 압축 시의 탄성률 및 항복강력은 첨가

제의 첨가에 의해 모두 증가하나 일반으로 인장강력과

신도 및 충격강도는 손실된다 통상 충전 테플론은 압축

상태에서 사용되므로 인장강력의 감소는 중요하지 않다

인장강력의 손실은 설치(연속적인 링-실링)할 때 인장되

는 재료에서 중요하다 열팽창 계수는 비-충전 테플론에

비해 감소되어 통상 금속 부품의 팽창계수와 잘 맞는다

ㅇ 마찰과 마모를 수반하는 분야에서 가장 중요한 것은 충

전제로 얻어지는 PV한계치의 증가와 마모의 감소다 비-

54

충전 테플론에 비해 PV한계치 크기는 개략적으로 1차원

적으로 증가하나 마모인자는 3차원적으로 감소한다 충전

테플론의 평균치들은 동적 마찰계수는 01-02 PV한계치

는 10000-20000 psi-fpm 마모상수는 10times10-10in3-min

lb-ft-hr이다 그림 3-3은 충전 테플론 PTFE의 마찰계

수에 미치는 충전제 종류와 농도의 효과에 관한 것이다

그림 3-3 테플론 PTFE에 미치는 충전제 종류와 농도1)

ㅇ 내마모성을 향상시키는 충전제는 실제로 연마저항성을

감소시키는 것으로 날카로운 입자는 보다 쉽게 침투하고

충전제 입자와 수지 사이의 경계를 따라 충전 플라스틱

을 찢는다 따라서 라이닝 슈트 같은 분야의 적용 시는

55

비-충전테플론이 보다 바람직하다

⑺ 시트 테이프 및 박층(laminates)

ㅇ 대부분의 플루오르화탄소는 충전 여부에 관계없이 두

께 1mil(0001 in)까지 시트나 테이프로 만들 수 있고

시트나 테이프를 찍어서 원하는 형상의 립-씰(lip seal)

펌프 컵(pump cup) 피스톤 링(piston rings) 가스켓

(gaskets) 등을 만들 수 있다

ㅇ 유체의 누설을 정지시키는 밀봉기능 부품 중 각종기기의

접합부나 배관 플랜지 등의 밀봉에 사용되는 가스켓

(gaskets)은 석면이 널리 사용되어 왔으나 유해물질 배

출 및 이동량 보고제도(PRTR Pollutant Release and

Transfer Register)에서 발암성을 가진 제1종 지정 화학

물질로 지정되어 사용이 금지되어 PTFE가 가스켓으로

개발되었다 PTFE는 용융 알칼리 금속 및 그 용액과 불

소 및 3불화염소에 의해 약간 침식되나 모든 화학약품에

안정하고 우수한 내부식 재료로 C-F결합력이 크고 F원

자가 C-C결합의 주위를 간격 없이 들러 싸고 있기 때문

에 다른 물질의 공격을 방어하고 있고 내열성은 260로

높다35)

56

- PTFE 필러를 사용한 PTFE 나선 권형 가스켓은 석

면에 대한 사용규제와 상관없이 사용되어 왔으며 유

연한 필러를 사용하므로 석면 가스켓 보다 낮은 체결

압력에서도 실 특성이 우수하고 내식 면에서도 광범

하고 다양한 유체에 사용이 가능하다 다만 단열성 면

에서는 석면 나선 권형 가스켓 보다 사용온도 범위가

제한된다

ㅇ 산업 기계나 자동차의 브레이크 제동장치에 부착하여 마

찰력을 부가하는 브레이크 라이닝에서는 마찰계수와 내

마모력 및 충격계수 등 마찰특성이 우수한 석면을 주로

사용하여 왔으나 제동 시 발생하는 미세 석면분진으로

인해 대기오염에 의한 환경을 파괴 뿐 아니라 인체에 흡

입될 경우 암을 유발하여 PRTR로 사용이 금지되었다

석면을 대체할 유기질 또는 무기질 된 다양한 비석면 마

찰 섬유 등이 사용되고 있으며 마찰 섬유에 테프론을 코

팅하여 브레이크라이닝의 수명향상 제동 시 발생하는 소

음 떨림 및 제동력 향상을 위한 제품개발이 시도되고

있다

- 예로 국내 특허36)에서는 브레이크 라이닝(또는 패드)

의 마찰재 배합재료 중 유기섬유(Kevlar섬유 pulp섬

57

유 등)에 테프론을 코팅하고 코팅된 유기섬유에 결합

재 충전재 윤활재 마찰안정재 마찰조정재 등을 소정

의 배합비로 배합하여 성형하고 열처리하여 브레이크

패드 또는 라이닝을 제조한다

ㅇ 초소형 정밀기계(MEMS Micro-Electromechanical

System)분야에서는 점착방지를 위해 불화 유기박막을

사용한다 Park 등37)은 단층 두께의 불화 유기박막의

특성을 접촉각 측정을 통해 분석하였다

⑻ DLC 코팅3839)

ㅇ DLC(diamond-like carbon)는 몇 가지 다이아몬드의 전

형적인 특성을 나타내는 비정질 탄소물질로 극도의 내마

모 특성을 필요로 하는 재료의 코팅에 이용되고 있다

DLC코팅은 연마 마모를 감소시키기 위한 재료에 유용하

여 엔드밀 드릴비트 금형 같은 공구는 물론 자동차 기

계부품 및 전자산업 등 산업전반에 걸쳐 적용된다40)

ㅇ 환경오염 문제로 인해 PRTR(Pollutant Release and

Transfer Register 유해물질 배출 및 이동량 보고 제

도) 이 시행되어 습동 부품이나 절삭 시에 사용되는 오

일이나 그리스에 포함되는 첨가제(MoS2 Zn 등)와 이들

58

부품을 세정할 때 사용되는 용매 기계부품의 수명을 연

장시키기 위해 활용되었던 Cr도금 폐액에서 발생하는 6

가 크롬 등의 오염물질들에 대한 규제가 더욱 강화되어

DLC에 의한 무윤활 습동과 무윤활 절삭을 지향한 공구

와 기계 부품의 개발이 관심을 끌고 있다4142)

- 일본 내에서는 PRTR이 시행되고 이것에 저촉되는 재

료에 관해서는 MSDS(Material Safety Data Sheet)를

첨부해야할 의무가 있고 부품가공 습동 용도에서는

대상 리스트에 올라 있는 오일 오일 중의 중금속 도

금폐액을 어떻게 경제성 있는 환경 친화적 공정과 재

료로 전환할 것인가를 고려하면서 무윤활 습동 무윤

활 절삭 탈크롬 도금의 3가지 키워드가 대두되고

DLC코팅이 대안으로 모색되고 있다

- DLC코팅 적용기술과 과제에 관한 자료로는 자동차

관련부품 적용사례 엔진부위 마찰 작동 밸브계의 마

찰저감 DLC와 윤활제에 의한 마찰저감 기술을 중심

으로 살펴본 보고가 있다43)

ㅇ DLC는 7가지 형태가 존재하며 모두 상당한 양의 sp3혼

성궤도 탄소원자를 함유한다 다양한 형태의 DLC가 진

공 환경으로 적합한 재료들에 적용가능하며 유럽에서의

59

2006년 위탁 DLC코팅 시장은 3천만euro로 추정되었고 국

내도 활발한 상용화가 시도되고 있다

ㅇ 사반면상(tetahedral) 비정질 탄소 ta-C를 2두께로 코

팅하면 연마마모에 대한 스테인레스 강(304 type)의 내구

성을 증가시켜 수명을 1주일에서 85년으로 늘이며 이러

한 DLC의 형태는 sp3결합 탄소 원자로만 이루어지기 때

문에 순수한 DLC로 간주되며 수소 sp2흑연 탄소 금속

같은 충전제가 생산경비를 낮추거나 원하는 특성을 부여

하기 위하여 사용되고 있다

ㅇ DLC를 만드는 방법에는 sp3탄소 보다 낮은 밀도의 sp

2

에 의존하는 몇 가지 방법들이 있으며 압력 충격 촉매

또는 이들의 조합으로 sp2결합탄소 원자들을 sp3결합탄소

로 근접시킨다 최근 초고압 하에서 탄소의 경량 특성을

갖는 초경도 무정형 다이아몬드가 만들어졌다 탄소로 만

들어지는 다이아몬드 그래파이트는 결정구조를 가지나

DLC는 비정질이라는 점에서 크게 다르고 200 정도의

저온에서 형성시킬 수 있다는 점이 통상의 PVD막에 비

해 훨씬 우위에 있다

ㅇ DLC코팅은 제조공정이 복잡하고 생산 단가가 비싸 적용

이 어려우며 적용되는 소재가 제한되는 단점을 갖는다

60

주요제법으로는 고주파 플라즈마 법 이온화 증착법 스

페터링법 등을 들수 있다 고주파 플라즈마 법은 메탄가

스가 원료로 사용되고 막 중의 수소가 약 30(원자)로

평활성이 우수하고 마찰계수가 작으나 경도가 낮다 이

온화 증착법은 벤젠을 사용하며 막은 단단하나 면의 조

도가 거칠고 후막화 하기 위해 스패터링 방법이 검토되

고 있다

⑼ 불소수지의 안전성

ㅇ 테플론 PTFE의 열분해는 200(392)에서 감지되며 이

것은 몇 가지 플루오르화 탄소 기체들과 승화물질을 방

출한다4445)1955년 동물실험에 관한 한 연구에서는 이들

물질이 250(482) 이하에서는 의미 있는 양이 아니라

고 결론지었으나 최근 비-점착 주방기구인 프라이팬이

나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가열할 때 조류를

죽일 수 있는 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수

도 있다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있다45)

ㅇ 표 3-6은 EWG가 보고한 3-5분 내에 370까지 불소수

지를 가열할 때 발생되는 15종의 불소화합물에 관한 것

이다 테플론과 같은 코팅물질들이 장기적으로 인체에 미

61

치는 영향에 관한 연구는 이루어지지 않고 있으나 독감

과 유사한 질병을 유발할 수 있으며 이를 중합체 증기열

(polymer fume fever)이라 한다

표 3-6 15종의 유해물질 및 유독성 기체44)

ㅇ 최근 표 3-6의 화합물들 중 특히 TFA와 과불화된

(perfluorinated) PFOA(perfluorooctanoic acid)에 관심이

증가되고 있다 PFOA는 새로운 환경오염물질로 미국 환

경보호청(EPA)에 의하면 보통 때는 문제가 없으나 조리

과정에서 프라이팬에 열을 가하고 강하게 긁을 경우 용

62

출되어 나오며 이것이 음식물과 함께 인체에 흡수되는

것으로 추정하였다 한편 DuPont의 테플론 PTFE 연구

결과에 의하면 검출한계인 9ppb 이상 검출되지 않으며

테플론 주방기구에서는 PFOA가 존재하지 않는다고 발

표하고 있다

- 물이나 공기를 통해 환경에 노출된 PFOA는 고 콜레

스테롤 궤양성 대장염 갑상선 질환 고환암 신장암

및 임신성 고혈압과 관련된다고 보고되었다

- PFOA는 불소수지 생산과정에서 사용되는 첨가물로써

암모늄 형태로 PTFE 유화중합에 계면활성제로 사용

되며 불소수지의 품질과 균일성을 유지하기 위해 필

수적인 첨가물이기 때문에 전 세계 모든 불소수지 제

조업체가 사용 중에 있다 한편 국내 주력 산업인 반

도체 생산 과정에서도 PFOA를 대량으로 사용하고 있

어 체계적인 실태조사와 대책수립이 필요하다는 의견

들이 대두되고 있다

⑽ 불소화합물의 안전성과 환경대책

ㅇ 표 3-6에서 살펴본 바와 같이 테플론을 급격히 고온으로

가열하면 2종의 발암물질을 포함한 유독성 가스가 발생

63

하고 특히 불소화합물 중 MFA(monofluoroacetic acid)는

적은 양으로도 치명적 해를 끼치고 PEIF(perfluoro-

isobutene)는 신경가스제로 여러 가지 질환을 발생시킨다

한다44)

따라서 테플론으로 코팅된 장치를 재 코팅하기

위해 테프론을 고온으로 급격히 가열하거나 소각 등을

통해 제거할 때는 발생 가능성이 있는 유독가스를 제거

하기 위한 별도의 설비를 이용하여야 하고 유 등44)의 보

고서에서와 같이 중조(NaHCO3)를 포화시킨 충분한 물로

유독 산성 물질을 중화시키는 것도 고려할 만하다 한편

부식대전 방지 코팅도 테플론 코팅 일변도에서 세라믹

코팅 CNTs이나 DLC 코팅기술로 대응하는 것을 추천하

고 싶으며 이것은 유해물질 배출 및 이동량 보고제도

(PRTR Pollutant Release and Transfer Register)에 대

비하는 등 기업의 장래를 고려하는 것도 될 것이다

ㅇ PTFE를 사용한 취사도구는 1960년대 이래 사용되어 오

고 있으나 최근 들어 이것의 안전성이 논쟁의 주제가 되

고 있으며 논의 주체는 PFOA(perfluorooctanoic acid)이

다 PFOA는 PTFE를 비롯한 많은 불소수지의 생산에

사용되며 DuPont의 테플론 PTFE 연구 결과에 의하면

프라이팬을 260 이상 고온에서 가열하거나 코팅이 벗

겨져도 PFOA가 존재하지 않는다고 한다 그러나 물이나

64

공기 토양 식품포장재 등 여러 곳에서 PFOA 오염사실

이 보고되고 있다 한다44)

- 미국 EPA는 인체와 환경에 대한 PFOA 연구를 계속

하고 있으며 2015년까지 PFOA 및 이와 관련된 화합

물 방출을 배제할 프로그램을 갖고 있으나 PTFE-기

초 비점착 취사기구를 중지시킬 타당성을 갖고 있지

는 않다 최종제품은 PFOA가 아닌 PTFE이기 때문이

다

- 수십 년 동안 불소수지 비점착 코팅이 시장을 지배하

였으나 최근 몇 가지 신기술들이 출현되고 있으며 이

들 대부분은 실리콘 세라믹과 실리콘 기술로 이들 코

팅은 PTFE와 PFOA를 함유하지 않는다

- 오늘날 출시된 비점착 취사용구는 수많은 상표로 팔

리고 있으며 DuPont에 의하면 대부분의 취사용구 코

팅은 정상적으로 사용할 때 3-5년 견딜 수 있을 것으

로 예측한다 너무 문질러서는 안 되고 따뜻한 비눗

물로 씻어주는 것이 좋으며 닳거나 흠이 생기지 않도

록 나무 플라스틱이나 코팅된 재료로 만든 도구를 선

택하고 보관도 흠이 생기지 않을 장소나 캐비닛을 권

장하고 있다

65

ㅇ 국내의 불소수지 안전성에 관한 것으로는 재질규격(납과

카드뮴)과 용출규격(납 과망간산칼륨소비량 증발잔류물)

이 식품용 기구 및 용기 포장 공전46)에 기재되어 있으며

최근 국내에서도 PFOA를 비롯한 유해 불소화합물에 관

한 관심이 커져 가고 있다

ㅇ PFOA 문제가 표면화 되면서 환경 보전형 불소계 발수

유제의 개발과 공업화도 새로이 부각되고 있다 이에 관

한 보고서를 모니터링한 KISTI자료47)를 중심으로 간단히

요약하면 발수제의 주요성분 퍼플루오로알킬기(Rf기)함

유 폴리머의 기능은 Rf기의 고리길이에 크게 의존하므로

PFOA문제 해법으로 탄소수 8 이상인 종래의 불소화학

에서 탈피 짧은 고리 Rf기(탄소수 6)를 가진 새로운 단

량체를 선택하여 발수제를 제조함으로써 환경 보전형 불

소계 발수유제를 개발하고 공업화하였다 한다

66

제 4 장

지원결과

1 지원결과 종합

테프론 코팅 기술의 문제점과 부식대전방지용 테플

론 코팅에 관한 정보 외에 신청기업의 요청에 따

라 C-나노튜브 코팅 및 DLC증착에 관련된 기술 정

보도 제공하였다

테플론은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat resistant)

비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coefficient of

friction) 내약품성(chemical resistance)과 특이한 전기적

특성(unique electrical properties) 및 온내구력(cryogenic

stability)으로 그 응용범위가 광범하며 용도에 따른 엄격

한 품질관리가 요구될 것으로 생각되어 중소기업에 적합

한 기초능력 배양과 신제품을 구상하기 위한 최신기술에

관한 정보를 제공하고자 하였다

67

불소수지의 코팅은 두께와 첨가제가 관건으로 이에 관한

자료를 제공하고자 하였으며 불소수지의 전기특성 폭발

성 환경과 반도체 제조공정에서의 대전 방지 처리를 위

한 정전기 관리 지표 등을 특허를 중심으로 조사하여 제

공하고자 하였다

C-나노튜브를 이용한 대전방지 코팅 기술 및 C-나노튜

브의 제법 등 이것에 관한 기초정보를 제공하고자 하였

으며 내마모성 테플론 코팅에 관해서는 테플론을 이용한

세라믹 코팅 기술에 관한 정보도 제공하고자 하였다

테플론의 기계적 전기적 특성을 강화하기 위해 사용되는

충전제를 종합하고 기초이론을 정립함으로써 금후 원부

자재의 선정에 도움을 주었다

테플론은 석면 대체재로도 주목받고 있어 이에 관한 특

허 정보들을 제공하였으며 다이아몬드의 전형적인 특성

을 나타내는 DLC의 코팅관련 기술 정보를 환경오염 문

제와 연관하여 자료를 제공하였고 최근 비-점착 주방기

구인 프라이팬이나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가

열할 때 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수도 있

다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있어 이에

관한 정보도 제공하였다

68

2 지원의 한계

중소기업이 당면한 문제는 전문기술의 확보다 관련 기술

이 비약적으로 발전하는 추세에 비추어 한정된 인원으로

신기술을 소화하고 개발하기는 어려울 것이므로 출연연

구기관이나 대학과 공동연구를 모색할 수 있으나 이것도

중소기업으로서는 경제적 부담이 될 수밖에 없을 것으로

생각된다 가능하다면 앞으로도 KISTI의 정보지원이 계

속되기를 바라고 있었다

3 기대효과

부식대전 방지 테플론 코팅에 관한 기본 기술이 배양되

어 합리적인 원부 원료의 수입검사 공정관리 및 제품관

리를 통해 원가절감은 물론 신제품 신기술에 관한 정보

수집 및 분석능력이 배양되고 개발력이 확충되어 기업

경쟁력 향상에 도움이 될 것이다

69

참고문헌

1 Francis J Clauss Chapter 9 Fluorocarbons Solid

Lubricants and Self-lubricating Solids Academic

Press 1972 pp195sim238

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전달 특성에 관한 실험적 연구 대한기계학회논문집 B

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7 JP-2010-78036(株式會社ルネサステクノロジ 配管チユブ

およびこれを備えた機械裝置)

8 Eun-Joo Kim et al Teflon coating of fabric filters

for enhancement of high temperature durability J of

the Korean Oil Chemists 28(2) 2011 pp232sim239

7 JP-2005-237860(三洋電氣株式會社 電氣掃除機)

70

10 등록번호10-0365003 (주식회사 엘지아이 열처리를 이

용한 테프론 코팅 방법)

11 등록번호 10-0811228(조철환 내열 세라믹 주방용기의

불소수지코팅방법 및 그 방법에 의해 불소수지 코팅된

내열 세라믹 주방용기)

12 등록번호 10-0449561(주식회사 봉성비에스 완충기용

피스톤의 테플론 코팅장치)

13 WO 2000054614(Solex Robotics Systems Inc Anti-

staticNon-sparkling Coatings for Explosive Environ-

ments)

14 WO 2012123103(WLGore amp Associates GMBH Use

of an Ionic Fluoropolymers as Antistatic Coaating)

15 WO 2012053774(탑나노시스 ldquo작업 스테이지 표면의 대

전방지 처리 방법 및 상기 방법에 의하여 표면이 대전

방지된 작업 스테이지rdquo)

16 공개특허10-2008-0061943(주식회사 하이닉스반도체 이

온 주입장비의 웨이퍼 지지 장치)

17 Polytetrafluoroethylene Aluminum magnesium boride

Diamond-like carbon Carbon nanotube -Wikipedia

the free encyclopedia

18 Ijima S Helical Microtubes of Graphitic Carbon

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71

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5(2013) pp 657-664

20 M Pazderovaacute M Bradaacuteč M Valeš Tribological

Behaviour of Composite Coatings Procedia

Engineering 10(2011) pp472-477

21 Xing-Dong Yuan Xiao-Jie Yang A Study on

Friction and Wear Properties of PTFE Coatings

under Vacuum Conditions Wear269(2010) pp291-297

22 USP 6752O65(Kabuski Kaisha Toyota Jidoshokki

Sliding Film Sliding Member Composition for

Sliding Film and Sliding Device Swash-plate Type

Compressor Process for Forming Sliding Film and

Process for Producing Sliding Film)

23 Amel Delimi Elisabeth Galopin etal Ivestigation of

the Corrosion Behaviour of Carbon Steel Coated with

Fluoropolymer Thin Films Surface amp Coatings

Technology205(2011) pp4011-4017

24 WO 2006047500(Henkelkommanditgesellschaft auf

Aktien Article of Manufacture and Process for

Anodically Coating an Aluminum Substrate with

72

Ceramic Oxides Prior to Organic or Inorganic

Coating)

25 野坂正隆 低溫環境下におけるドライボロジドライボロ

ジスト(日本) 52(11) 2007 pp759sim764

26 이계영 김태균 김종구 ldquo내마모성 및 윤활성 코팅 조성

물rdquo 대한민국 특허 등록번호 10-1151909(2012)

27 (주)바론에스엘 ldquo불소수지와 세라믹의 유무기 하이브

리드 코팅 조성물 및 그를 이용한 도막 형성 방법rdquo 대

한민국 공개특허 10-2013-0028553 (2013)

28 JP-2010-261035(Xerox Corporation フツ素ナノダイヤ

モンドを含むテフロン定着器部材)

29 WO 2006 017259(Thomae Kurt J Multilayer

Corrosion- resistant Finish and Method)

30 Eunsoo Kang Seongcheol Choi Changhoon Choi

Sang Eun Shim Aqueous dispersion of submicron-

sized diamond particles for thermally conductive

polyurethane coating Colloids and Surfaces A

Physiochem Eng Aspects415(2012) pp255-261

31 S Rossi F Chini etal Corrosion Protection

Properties of Electoless NickelPTFE Phosphate

MoS2 and BronzePTFE Coatings Applied to Wear

Resistance of Carbon Steel Surface and Coatings

73

Technology173(2003) pp235-242

32 S Rossi F Deflorian F Venturini Improvement of

Surface finishing and Corrosion Resistance of

Prototypes by Direct Metal Laser Sintering Journal

of Materials Processing Technology 148(2004)

pp301-309

33 Mateus C Costil S Bolot R Coddet CCeramicfluo-

ropolymer Composite Coatings by Thermal Spraying-

a Modification of Surface Properties Surf Coat

Technol 2005 191 pp108-118

34 Masaaki Yamane Tadeusz A Stolarski Shogo Tobe

Influence of counter material on friction and wear

performance of PTFEndashmetal binary coatings

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35 이치옹 분석자료 ldquo나선형 개스킷의 비석면화rdquo Takashi

Miyoshi 배관기술(일) 46(10) 2004 pp43-47

36 등록번호 10-0522254(백원두 브레이크 라이닝(또는 패

드) 제조방법)

37 Jin-Goo Park et al Characterization of Fluorocarbon

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of Microelectronics amp Packaging Society6(1) 1999

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74

38 유호천 ldquoDLC 코팅 표면처리rdquo KiSTi 중소기업 정보지

원 2011 10 11

39 유호천 ldquoPVD DLC TRD 코팅설비를 활용한 복합충

개발및 제품적용rdquo KiSTi 중소기업 정보지원 2010 10

21

40 김유상 ldquo알루미늄합금에의 DLC코팅기술rdquo KiSTi 첨단

기술정보분석 2013 02-01

41 국립환경과학원 ldquo화학물질 배출량 조사 OECD와 협력

강화rdquo 보도자료 (2010 11 18)

42 월간기계기술 기자 ldquo새로운 코팅기술과 공구에 대한 적

용rdquo 2005년 3월호

43 加納 眞 ldquoDLC コ-ティングの適用技術と課題rdquo トライ

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터링분석 KiSTi

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47 廣野高生 ldquo環境保全型フッ素系 撥水撥油剤の 開發と 工

業化rdquo ファインケミカル(日本) 37(11) 2008 pp39-44

이치옹 모니터링분석 KISTI

75

저자소개

김학주(金鶴柱) 서울대학교 문리과대학 화학과 졸업 이학사

전북대학교 대학원 화학과 이학박사

(주)삼양사 의약연구소장 신성대학교 교수

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 폴리에스테르 섬유의 연중직방기술 외 다수

저서 기기분석 공업물리화학 일반화학

성용길(成墉吉)

동국대학교 이과대학 화학과 졸업 이학사 이학석사

부산대학교 대학원 화학과 이학박사(Dr Sci)

University of Utah USA Ph D(공학박사) Post Dr

유타대학교 연구교수 부산대학교 교수 동국대학교 교수

동국대학교 명예교수 한국원자력문화진흥원 이사

과학문화연구원전문연구위원 한국도량형과학문화연구원 원장

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 의료용 기능성 고분자재료에 관한 연구 외 330편

저서 고분자 물성론 (서울대학교 출판부 공저) 외 10권

9

2007 pp1520sim20

③ Polytetrafluoroethylene Aluminum magnesium

boride Diamond-like carbon Carbon nano-tube

-Wikipedia the free encyclopedia (2013)

④ 野坂正隆 低溫環境下におけるドライボロジドラ

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⑤ 식품의약안전청 연구보고서(연구책임자 유승석)

불소수지코팅 주방기구의 안전성 평가C 2004 12

⑥ 이장호 등 테프론 코팅 전열관 표면으로의 열 및

물질 전달 특성에 관한 실험적 연구 대한기계학

회논문집 B권 Vol 27(8) 2003 pp1051sim1060

⑦ Eun-Joo Kim et al Teflon coating of fabric

filters for enhancement of high temperature

durability J of the Korean Oil Chemists Vol

28(2) 2011 pp232sim239

⑧ Jin-Goo Park et al Characterization of

Fluorocarbon Thin Films by Contact Angles

Measurements Journal of Microelectronics amp

Packaging Society Vol 6(1) 1999 pp39sim49

⑨ WO 200054614(Solex Robotics Systems Inc

Anti-static Non-sparkling Coatings for

10

Explosive Environments)

⑩ WO 2012123103(WLGore amp Associates GMBH

Use of an Ionic Fluoropolymers as Antistatic

Coating)

⑪ WO 2006 017259 (Thomae Kurt J Multilayer

Corrosion-resistant Finish and Method)

2 2차 지원

일시 및 장소 2013년 5월 16일(월요일) 1000-1400시 신청

업체 2층 회의실

참석자 성용선(연구소장) 장용석 이사

주제 및 토의사항

- 지원내용과 향후지원계획 지참 자료를 제공하고 연구

원들의 기초지식 배양을 목적으로 불소수지의 특성에

관해 각 유형을 중심으로 제공 자료를 통해 종합 설

명함 불소 수지 코팅 방법 개발 목적 기질의 전처리

방법 두께 제어의 중요성 코팅시스템 등을 토의하고

이에 관한 자료를 제공하여 기초지식을 배양함은 물

11

론 최근 기술 동향을 파악함 다음 방문 시(6월 20일)

에는 대전 방지 불소 수지 코팅을 중심으로 그 중요

성과 이론 등 기초지식과 최근의 개발동향을 검토하

기로 함

- 지원효과 불소수지의 유형과 특성을 통한 원료의 선

정 시 고려할 사항 코팅 방법 기질의 전처리 방법

용도에 따른 두께 제어의 중요성 파악 공정 및 제품

관리에 관한 기초지식 배양과 최근 기술 동향 파악

- 자료제공

① JP-2005-237860(三洋電氣株式會社 電氣掃除機)

② JP-2010-261035(Xerox Corpor- ation フツ素ナノ

ダイヤモンドを含むテフロン定着器部材)

③ JP-2010-78036(株式會社ルネサステクノロジ 配管

チュ-ブおよびこれを備えた機械裝置)

④ WO 2008154391(Alcoa Inc Heat Exchanger)

⑤ 등록번호10-0365003 (주식회사 엘지아이 열처리를

이용한 테프론 코팅 방법)

⑥ 공개특허10-2008-0061943(주식회사 하이닉스반도체

이온 주입장비의 웨이퍼 지지 장치)

⑦ 등록번호 10-0449561(주식회사 봉성비에스 완충기

12

용 피스톤의 테플론 코팅장치)

⑧ 등록번호 10-0522254(백원두 브레이크 라이닝(또

는 패드) 제조방법)

⑨ 등록번호 10-0811228(조철환 내열 세라믹 주방용

기의 불소수지코팅방법 및 그 방법에 의해 불소수

지 코팅된 내열 세라믹 주방용기) 등

3 3차 지원

일시 및 장소 2013년 6월 20일(목요일) 1000-1400시 신청

업체 2층 회의실

참석자 김학주 성용길 성용선(연구소장) 이채영 차장

및 연구원

주제 및 토의사항

- 지원내용과 향후지원계획 불소수지의 전기적 특성과

대전 방지용 불소수지의 충전제에 관한 장단점 토의

대전 방지의 중요성 폭발 환경에서의 정전기 안전지

침 반도체 제조 장치에서의 작업스테이지의 대전방지

에 관한 기술 동향 토의 최근 관심의 대상이 되고 있

13

는 탄소나노튜브(CNTs)의 제조 방법 용도 등에 관한

설명과 의견교환 내마모성 테플론 코팅 방법 용도

등에 관한 자료제공 및 의견교환 충전 또는 강화 불

소수지에 관해 자료조사를 통해 얻은 충전제의 종류

기계적 및 물리적 특성 향상 방법에 관한 기초지식을

제공함 다음 방문 시(7월 25일)에는 시트 테이프 및

박층 테플론과 최근 내마모성 코팅기술로 주목받고

있는 DLC코팅과 테플론의 안정성 문제에 관해 의견

을 교환하고 그간의 정보지원에 관한 내용들을 종합

정리하기로 함

- 지원효과 대전방지 불소수지 코팅의 작업표준 및 관

리지침에 반영할 자료 제공 최근 관심의 대상이 되는

CNTs에 관한 기초지식 배양 및 정보수집과 분석 불

소수지에 사용되는 각종 충전제의 선정 시 참고 자료

확보

- 자료제공

① Francis J Clauss Chapter 9 Fluorocarbons

Solid Lubricants and Self-lubricating Solids 1972

pp195sim238

② Eunsoo Kang Seongcheol Choi Changhoon Choi

14

Sang Eun Shim Aqueous dispersion of

submicron-sized diamond particles for thermally

conductive polyurethane coating Colloids and

Surfaces A Physiochem Eng Aspects415(2012)

pp255-261

③ Masaaki Yamane Tadeusz A Stolarski Shogo

Tobe Influence of counter material on friction

and wear performance of PTFEndashmetal binary

coatings Tribology International Vol 41 (2008)

pp269ndash281

④ M Pazderova M Bradac M Vales

Tribological Behaviour of Composite Coatings

Procedia Engineering Vol 10 (2011) pp472-477

⑤ S Rossi F Deflorian F Venturini

Improvement of Surface finishing and Corrosion

Resistance of Prototypes by Direct Metal Laser

Sintering Journal of Materials Processing

Technology Vol 148 (2004) pp301-309

⑥ S Rossi F Chini etal Corrosion Protection

Properties of Electroless NickelPTFE Phosph-

ateMoS2 and BronzePTFE Coatings Applied to

Wear Resistance of Carbon Steel Surface and

15

Coatings Technology Vol 173 (2003) pp235-242

⑦ VC Malshe Nivedita S Sangaji Fluorinated

Acrylic Copolymers Part I Study of Clear

Coatings Progress in Organic Coatings Vol 53

(2005) pp207-211

⑧ Xing-Dong Yuan Xiao-Jie Yang A Study on

Friction and Wear Properties of PTFE Coatings

under Vacuum Conditions Wear Vol 269 (2010)

pp291-297

⑨ Amel Delimi Elisabeth Galopin etal

Investigation of the Corrosion Behaviour of

Carbon Steel Coated with Fluoropolymer Thin

Films Surface amp Coatings Technology Vol 205

(2011) pp4011-4017

⑩ 이계영 김태균 김종구 ldquo내마모성 및 윤활성 코팅

조성물rdquo 대한민국특허 등록번호 10-1151909 (2012)

⑪ Thomae Kart J Multilayer Corrosion Resist

ant Finish and Method WO 2006017259(2006)

⑫ (주)바론에스엘 ldquo불소수지와 세라믹의 유무기

하이브리드 코팅 조성물 및 그를 이용한 도막 형성

방법rdquo 대한민국 공개특허 10-2013-0028553 (2013)

16

4 4차 지원

일시 및 장소 2013년 7월 25일(목요일) 1000-1400시 신청

업체 2층 회의실

참석자 성용선(연구소장) 이채영 차장 및 연구원

주제 및 토의사항

- 지원내용과 향후지원계획 발암물질인 석면대체재로써

테플론의 개발 동향을 나선 권형 가스켓과 자동차브

레이크 제동장치를 중심으로 토의하고 내마모 특성을

필요로 하는 DLC 코팅에 관한 정보제공과 DLC 특성

에 관해 집중 토의함 환경문제와 관련하여 대두되고

있는 테플론 분해가스 등 안정성 문제에 관한 자료를

제공하고 이에 관한 의견을 교환함 그간의 제공 정보

를 종합하고 8월 말 작성예정인 최종보고서 내용을

협의하였음

-지원효과 신기술 개발을 위한 내마모 코팅 DLC코팅

환경문제를 고려한 친환경 제품 등 신기술과 신공정

개발을 위한 개념을 확립하였음

17

- 자료제공

① WO 2006047500(Henkelkommanditgesellschaft auf

Aktien Article of Manufacture and Process for

Anodically Coating an Aluminum Substrate with

Ceramic Oxides Prior to Organic or Inorganic

Coating)

② 이치옹 분석자료 ldquo나선형 개스킷의 비석면화rdquo

Takashi Miyoshi 배관기술(일) Vol 46(10) 2004

pp43-47

③ 유호천 ldquoDLC 코팅 표면처리rdquo KISTI 중소기업 정

보지원 2011 10 11

④ 유호천 ldquoPVD DLC TRD 코팅설비를 활용한 복

합충 개발및 제품적용rdquo KISTI 중소기업 정보지원

2010 10 21

⑤ 국립환경과학원 ldquo화학물질 배출량 조사 OECD와 협

력강화rdquo 보도자료 (2010 11 18)

⑥ ldquo새로운 코팅기술과 공구에 대한 적용rdquo 월간기계기술

기자 2005년 3월호

⑦ Teflon off-gas studies Environmental Working

Group Ewg Org Retrieved on 2013-01-01

⑧식품의약품안전청 ldquo식품용 기구 및 용기 포장 공전rdquo

18

2012

⑨ 廣野高生 ldquo環境保全型フッ素系 撥水撥油剤の 開發

と 工業化rdquo ファインケミカル(日本) 37(11) 2008

pp39-44 이치옹 모니터링분석 KISTI

5 5차 지원

일시 및 장소 2013년 8월 21일(수요일) 1000-1400시 신청

업체 2층 회의실

참석자 성용선(연구소장) 이채영 차장 및 연구원

김학주(전문연구위원) 성용길(전문연구위원)

김종헌(KISTI 연구책임자)

주제 및 토의사항

1 불소화합물의 안전성과 환경대책 정보지원 결과 종합

등 최종보고서(안) 내용에 관한 의견교환

2 지원의 한계와 기대효과에 관한 의견 교환

3 건의 사항 등

19

세부 지원 내용

⑴플루오르화탄소 플라스틱의 특성

Teflon TFE(폴리테트라플루오로에틸렌)은 1940년대부

터 사용되어 왔으며 Teflon FEP(플루오르화에틸렌프

로필렌 공중합체)는 1958년에 소개되었고 압출 및 사

출성형이 용이하며 TFE 유형은 딱딱하고 낮은 마찰계

수를 가지며 마모에 강하고 보다 높은 온도에서 사용

가능하다 이 외에도 플루오르화탄소 플라스틱에는 폴

리염화플루오르화에틸렌(CFE 또는 CTFE)와 폴리비닐

리덴플루오라이드(PVF) 등이 있다 플루오르화탄소 플

라스틱은 그 코팅방법에 따라서도 응용범위가 광범위

하게 발전되어 왔으며 그 용도는 주방용기로부터 기

계 자동차 반도체는 물론 우주항공 산업 부품에 이르

기까지 무한하며 상업 생산되고 있는 플루오르화탄소

플라스틱은 표 3-11)과 같다

PTFE는 열가소성 플라스틱으로 상온에서 밀도 약 2200

인 백색고체로 융점은 327이며 마찰 및 마모 특

성을 나타내는 마찰계수는 고체재료 중 BAM(alumi-

20

nium magnesium boride 마찰계수 002)과 DLC

(diamond-like carbon 마찰계수005)에 이어 3번째로

낮은 005-010로 반데르발스 힘에 대한 저항력으로 도

마뱀이 붙을 수 없는 유일한 표면으로 알려져 있다2)

표 3-1 플루오르화탄소 플라스틱의 유형1)

21

Teflon의 유용한 기계적 특성은 -450sim500(-267sim

260)에서 유지되며 여러 가지 특성들은 가공기술을

바꾸어 변경시킬 수 있다 마찰 및 마모 특성을 나타

내는 마찰계수들은 시험조건에 따라 다르며 Teflon은

증기압이 극히 낮아 진공에서도 우수한 안정성을 가

지며 방사선 안정도는 부족하나 방사선 내용성은 극

히 높다

테프론의 특징은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat-

resistant) 비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coeffi-

cient of friction) 내약품성(chemical resistance) 특이한

전기적특성(unique electrical properties) 저온내구력

(cryogenic stability)으로 대표된다3)

- 테프론 코팅된 표면에는 거의 모든 물질이 달라붙지

않으며 내열성(heat-resistant)이 우수하여 -260sim+26

0까지 사용할 수 있고 단시간 사용의 경우에는 30

0까지 견디며 Teflon FEP는 232에서 연속사용이

가능하다 비유성(non-wetting)이 우수하여 표면에 물

이나 기름이 잘 묻지 않아 표면이 오염되지 않아 쉽

게 청소가 가능하고 기계설비의 보수시간이 단축되어

생산성을 향상시킬 수 있다 테프론은 비-절연성은 물

22

론 비-유전정접과 우수한 표면 저항률을 보인다

⑵ 플루오르화탄소 수지 코팅

얇고 강인한 플루오르화탄소 수지 필름을 금속 등에

소결이나 수지-접착에 의해 바르면 기질에 침착된 필

름은 저온흐름으로 고체 플루오르화탄소 수지보다 낮

은 마찰계수를 띠고 금속은 양호한 열전도도를 갖고

열을 분산할 수 있어 고속으로 운전할 수 있고 양호한

내구성을 갖게 된다

1950년대 미국 해군연구소에서 소결 Teflon TFE필름을

수성 분산액(현탁질)으로부터 무기 탄약통 비행기부

품 잠수함부품의 건조-필름 윤활제 및 보호 코팅용으

로 개발한 후 이것들은 기어 정첩(hinges) 샤프트 베

어링 밸브 플러그 콕 피스톤 링이나 그 외의 산업분

야에 응용되고 있다

- 실제로 적절한 테플론 현탁질을 고체 표면에 침적한

후 수분 증발이 너무 빠르지 않게 공기에서 필름이

건조되게 한 후 테플론 입자들이 연화 및 소결되도록

건조된 표면을 약 385(725)로 가열하고 냉각하면

23

얇은 연속 필름이 표면에 남지만 필름 중의 많은 작

은 세공들은 테플론의 높은 용융점도 때문에 제거할

수 없다 세공들은 윤활 작용에는 제한을 받지 않으나

녹슬거나 부식의 공격점이 되어 부식방지를 위해서는

1회 이상의 박막 추가 코팅이 반복되고 보통 2회 코

팅으로 충분하나 각 침적 테플론 층은 두께가 00003

인치(762)를 초과하지 않아야 하며 그렇지 않으면

말린 진흙 같이 균열이 발생한다 필름이 윤활제로 사

용될 때는 필름두께가 00006-00007인치(152-178)

를 초과하지 않아야 한다1)

- 테플론코팅은 통상으로 존재하는 표면 산화물이 제거

되지 않은 깨끗하고 탈지된 강철 황동 및 알루미늄금

속표면일 때 가장 잘 접착한다 만일 산세척에 의해

과잉 두께의 산화물이 제거되었다면 필수적으로 얇은

산화층이 형성될 때까지 공기 중에서 가열한다 접착

은 실표면적이 증가하면 증가하므로 경면가공(mirror

finish)보다 모래분사가공이나 무광택가공이 양호하다

- 테플론 코팅된 표면의 마찰계수는 금속기질 표면을

거칠게 함으로써 낮출 수 있으나 미끄럼마찰 조건 아

래 내구성은 금속의 거칠기가 32마이크로인치(rms)를

초과하면 감소한다

24

철강 기질의 인산처리는 소결 Teflon TFE필름의 마모

수명을 향상시킨다고 보고되었으며 양극처리 된 코팅

의 경도 및 내마모성과 불소수지의 윤활성을 결합하기

위해 다공성 경화 양극처리 알루미늄 위에 불소수지를

침윤하여 왔다 Teflon S 마감재는 Du Pont이 도입한

최초의 수성-기초 분산 TFE FEP로 이들은 ldquo계층화

된rdquo 마감재이다 Francis J Clauss1)는 다양한 용도에

서의 Du Pont사 제품들의 선정 가이드를 표로 종합하

였으며 이것을 요약하면 표 3-2와 같다

- 테플론 코팅은 프라이머 단층 프라이머 코팅 후 에나

멜이나 클리어 마감 또는 프라이머 에나멜과 클리어

마감 등 3-코팅 시스템으로 구성된다 프라이머들은

금속이나 세라믹 기질에 접착을 향상시키기 위해 개

질제를 함유한다 프라이머들은 가끔 1회 코팅 마감재

로 사용되나 음식물과 접촉하는 용도로는 반드시 에

나멜이나 클리어 마감재로 마무리 칠을 하여야 한다

프라이머는 층간 접착력이 부족하기 때문에 다중 코

팅에 적용될 수 없고 만일 06mil 이상의 코팅이 필요

하면 프라이머는 에나멜이나 클리어 마감재로 마무리

칠을 하여야 한다

25

표 3-2 테플론 코팅 두께1)

최종

용도대표적 용도

전체두

께(mils)

프라이머에나멜클리어

가공(mils)

비점착

산업

직물 슬래셔 통

열 봉합 봉 고무경화 롤러

우레탄과 에폭시 경화 주형

제빙기

목재 고무 주석도금 아연

10-25

07

20-50

08-13

07

03 07-22 07-10

07 마무리칠 불가

03 07-37 10min

03 05-10 05-10

07 마무리칠 불가

식품

프라이팬 내열접시

반죽롤러

캔디 장치

08-12

10-30

20-30

03 05-09

03 07-27

03 07-17 10

One-coat

system

금지

드라이

윤활

플러그 밸브

유리병 제조 전달 장치

베어링

03-07

15-25

05-07

03-07

03 03-05 03-05

02

전기

전자

저항기 코팅

아이들 롤러(제지 섬유 공업)

세라믹 절연체

40-50

10-15

20-25

03 37-47

03 07-12

03 17-22

부식

방지용기 라이닝 gt50 03 47 또는 5-10 이상

Non-

wetting콘덴서 튜브 02-04 02-04

- 유색 프라이머는 통상 안료가 필름의 범위와 두께를

시각적으로 체크할 수 있게 하므로 그렇지 않은 것에

비해 더 선호된다 에나멜과 클리어 마감재는 충분한

접착을 위해 프라이머 위에 발라야 한다 ldquo진흙 갈라

짐 현상(mud-cracking)은 코팅 당 최대 두께를

10mil로 한정하나 다중 코팅에 의해 극단적이 조건

하에 전체 두께를 10mils까지 바를 수 있으며 각각의

26

코팅은 분리하여 구워진다

불소화 고분자들은 낮은 표면장력 물과 기름에 젖지 않

고 비점착성이며 방오 특성(antifouling properties) 등을

갖기 때문에 다양한 특수 코팅에 적용되나 합성과 조성

이 몇몇 제조업자들에 독점되어 있고 값비싼 중간체를

필요로 한다 VC Malshe 등4)은 플루오르 함량이

4-10인 불소화된 아크릴 공중합체를 간단한 방법으로

합성하고 클리어 코팅하여 광학적 기계적 및 보호 특성

을 연구하였다

최근 에너지 절감과 CO2규제와 같은 환경규제에 대한 대

응 필요성이 증가하면서 발전소나 각종 보일러 시스템에

서 배가스로 배출되는 응축잠열 에너지의 회수 및 활용

에 관심이 증가되고 있다 Lee 등5)은 스테인레스 관 표

면에 400정도의 두께로 테플론을 코팅한 전열관에서

관의 열 및 응축 열전달 특성을 연구하여 테플론 코팅관

의 총괄 열전달 계수는 스테인레스 관보다 약 20 작은

것으로 나타나고 응축열전달 계수는 유사하였음을 보고

하였다

알루미늄 용광로의 비-여과 배출가스에 장기간 사용하기

적합한 역류 열교환기에 관한 것으로 원통형 쉘의 표면

27

은 알루미늄 용광로 배출가스 입자 및또는 먼지 및 부

식 흄과 접촉될 수 있어 테프론 계로 코팅 처리하는 특

허6)가 있다 이 특허에서는 원통형 쉘을 만들도록 복재

(web member 웨브재)와 함께 연결된 유체 운반튜브로

이루어진다 각 원통형 쉘에 위치한 헤더는 열교환기의

튜브에서 튜브로 유체를 공급하며 뜨거운 난류가스에 작

용하여 스케일링을 최소화하기 위해 헤더의 보호덮개를

설치한다

저온에서 고온에 이르는 환경에서 유체에 사용되는 배관

튜브는 열에 의한 경시적 열화가 진행되어 균열 발생이

쉽다 가동부에 사용되는 배관 튜브는 움직임이 수반되어

그 경향이 현저하며 반도체 제조장치에 일반으로 사용되

는 실리콘튜브는 저온에서 열화되어 파손되기 쉽다 이러

한 문제점을 해결하기 위해 실리콘 튜브 외측 표면을 테

플론으로 코팅하여 균열발생을 억제함으로써 장시간 사

용 가능하도록 고안한 특허7)가 있다

섬유상 부직포로 제작하는 다공성 여과필터는 다양한 산

업공정의 배출가스를 정화시키는 데 사용되며 특히 중고

온 환경에서 사용이 가능한 다양한 종류의 기능성 필터

의 개발이 요망된다 일반으로 소각장 및 발전소 등의 중

고온 조건에서 사용되는 Nomex를 비롯한 섬유상 필터는

28

200 이상에서는 열변형으로 사용이 제한적이고 세라믹

필터와 같이 고온에서 적용이 가능한 소재는 매우 고가

일 뿐 아니라 초기 작업으로 인해 에너지 사용량이 매우

높아지는 문제점이 있다 Kim 등8)은 250-300 영역의

중고온의 배출가스를 처리하기 위한 필터에 표면 소수성

과 고온 안정성을 부여하기 위하여 표 3-3과 같은 조성

으로 그림 3-1과 같은 장치를 이용하여 테플론 수지를

거품 형태의 코팅액으로 조제하여 유리섬유 원단에 공급

하여 표면코팅하고 열처리 및 압착과정을 거친 후 표면

분석하였다

표 3-3 테플론 코팅을 위한 화학첨가제8)

테플론 코팅이 전기 집진장치에 활용되는 특허도 있다

종전 사이클론 방식의 전기집진기에서는 집진부의 먼지

를 떨어뜨리는 것이 용이하지 않았다 발명자들은 먼지

압축 기능을 갖는 집진실 내측에 테플론 가공을 하여 정

전기에 의한 미세먼지의 부착을 억제함으로써 집진실의

먼지를 원 터치로 처리할 수 있도록 하였다9)

29

그림 3-1 테플론 거품코팅8)

일반으로 테프론을 조리용기에 코팅하는 방법은 금속소

재를 사용 제품형태로 제작한 후 세척하고 에이징(소둔)

처리한 후 샌딩하여 표면조도를 유지하도록 하고 표면에

프리머 처리하여 베이킹 처리한 후 분사방법으로 테프론

코팅을 하고 다시 베이킹 처리하므로 공정이 복잡하고

제조원가가 상승하며 부착력에 한계가 있다한다 (주) 엘

지아이 특허10)에서는 피처리물을 세척한 후 산질화처리

하여 표면에 열처리 층이 형성되게 한 후 테프론을 코팅

하고 베이킹 처리하는 것을 특징으로 한다 그 외에 내열

세라믹 주방용기의 불소수지 코팅방법에 관한 특허가 있

다11)

(주) 봉성비에스는 차량의 주행 충격을 흡수하는 완충기

30

내부에 삽입하는 피스톤 외주면의 마찰과 소음을 최소화

하기 위한 목적으로 테프론 코팅을 하기 위한 코팅장치

를 등록하였다12)

⑶ 대전 방지 플루오르화탄소 수지 코팅

ㅇ 본래 불소수지 자체는 높은 절연성과 큰 대전성을 갖고

있기 때문에 도전 효과를 얻기 위해서는 분상 필러를 다

량으로 충전할 필요가 있으나 이렇게 하면 비점착성이

떨어진다 여러 회사들의 제품 안내서들을 종합한 불소수

지의 전기적 특성은 표 3-4와 같다

표 3-4 불소수지의 전기 특성

특성측정법

(ASTM)단위

PTFE

(비충전)

PTFE

(25

유리충전)

PTFE

(25

탄소충전)

표면 내아크성 D495 sec 75-110

체적저항

(비저항)D257

ohm-

cmgt1018 gt1016 104

표면저항 D257ohm

sq-1 gt10

14

유전율(유전상

수) at 1MHzD150-81 e 25 24

절연내력 short

time 18thickD149

kv

mm285

유전정접(유전

정합) at 1MHzD150-81 lt00002 005

31

ㅇ 불소수지는 내열성 내한성이 높고 내약품성 내연소성

난연성이 우수하고 절연성 및 비점착성과 저 마찰계수를

갖고 있으나 절연성이 높아 정전재해의 원인이 될 수 있

어 재해 방지를 위해 대전 방지 또는 저저항을 특징으로

하는 불소수지 가공품이 개발되어 사용범위가 넓어지고

있다

불소수지에 충전하여 저저항으로 하는 필러에는 일반적

으로 도전성이 높은 카본 금속 또는 산화알루미늄 등의

금속산화물이 사용된다 재료의 형상으로는 미분 탄소

스테인레스 스틸 니켈 금속분과 같은 입상물 단섬유 탄

소섬유 위스커(whisker) 등이 사용된다

- 미분은 비표면적이 크기 때문에 소량의 충전으로 저

항치를 내릴 수 있으나 약품의 침투가 있는 경우 비

표면적이 크기 때문에 약품의 영향을 받기 쉬워 내부

식성 떨어질 가능성이 크다

- 입자상물질들은 미분에 비해 비표면적이 작기 때문에

약품의 영향을 비교적 적게 받지만 저항치를 내리기

위해 충전량이 많게 되어 불소수지의 특징인 비점착

성과 저마찰계수 특성을 저해한다 섬유 위스커 형상

은 단방향에 대한 장방향의 비가 클수록 적은 충전량

32

으로 저항치를 낮출 수 있지만 분산이 나쁘면 요철이

발생한다 부식 방지 코팅에서는 충전제의 내약품성이

관건이다 즉 부식 환경에서 불소수지 자체는 충분히

견디어도 충전제가 내약품성이 없으면 충전제가 서서

히 에칭되어 기기가 부식될 가능성이 크다

화학 석유 및 정제 산업에서는 시험 검사 세척 및 다양

한 공정의 용기 저장 탱크 반응기와 같은 많은 구성요

소들이 사용되며 플루오르화 고분자는 고온에서 높은 열

안정성을 갖고 다양한 유기용매에 전혀 용해되지 않으므

로 부식방지 등을 위해 플루오르화 고분자와 같은 내화

학성 고분자로 코팅된다 그러나 이들 고분자는 코팅된

구성요소의 표면에 정전하 축적을 조장하기 때문에 폭발

성 환경에서는 사용할 수 없다

특히 이들 구성요소들의 금속 구조물은 용기나 탱크에

보관된 가스 증기 분진의 이동에 의해 생성된 정전하

(electrostatic charge)를 흐르게 하는 전도경로가 되나 금

속표면을 강산 강알칼리나 유기용제에 의해 침투되는 방

지하기 위한 목적으로 부식방지 테플론으로 코팅될 경우

얇은 필름의 비-전도체로 작용하므로 폭발성 환경에서

사용을 규제하고 있다

33

- 예로 유럽 표준 EN 50014 section 732에서는 정전

하로 인한 발화 위험을 피하기 위해 사용 보수 및 세

척 조건 하에 설계된 울(enclosure)이 필요하고 울의

절연저항은 1GΩ을 초과할 수 없도록 규제하고 있고

일본은 후생노동성 관할 산업안전연구소의 정전기 안

전지침의 누설 저항치는 108Ω 이하로 되어 있다

- 따라서 부식 및 폭발성 환경에서 안전하고 다양한 구

성 요소에 적용할 수 있는 정전방지 비-발화 테플론

코팅기술을 요하며 정전방지 코팅은 표면저항을 낮추

기 위해 카본블랙이나 개질 전도성 탄소 금속이나 전

도성 고분자를 테플론에 충전하여 코팅한다

폭발성 환경용 내화학약품 특성과 대전방지 비발화

코팅 조성물로는 높은 비저항을 갖는 플루오르 고분자

50-90wt 10-50wt의 전도성물질인 탄소분(carbon

powder)으로 이루어진 Solex Robotics Systems Inc

특허가 있다13)

- 폭발환경에서 사용되는 이상적인 코팅은 정전하를 피

하기 위해 낮은 비저항을 가져야 한다 완벽한 전도체

는 비저항이 영(0)이고 완벽한 절연체는 무한 비저항

34

을 갖는다 금속(구리 금 같은) 합금(망가닌 Mn-Ni-

Cu 니크롬 Ni-Cr-Fe) 반도체(카본이나 게르마늄)는

낮은 비저항을 갖고 있어 좋은 도체이다

- 수많은 고분자 기초 코팅들이 부식화학 환경에 사용

되었으나 85GΩ 이상의 비저항으로 대전방지 시험에

서 실패하였다 정전기 도체로 인증기준 아래 적합하

기 위해서는 100cm2이상의 노출 표면이 1GΩ 이하의

비저항이어야 한다 코팅에 첨가된 탄소분은 전도도를

증가시키며 10-50의 함량은 1GΩ 이하의 비저항을

만족시킨다

비전도성 표면의 표면저항을 감소시키도록 카본이나 금

속을 사용하여 대전방지를 부여하는 공정의 단점으로는

카본이나 금속의 접착력이 낮아 입자의 마모가 일어나

장기간 사용 시 대전방지 수준이 감소하는 것이다 더욱

클린룸에서 입자의 방출은 심각한 문제가 된다 대부분의

비전도성 기질은 통상 23 상대습도 50에서 표면 비

저항이 109ohmsquare 이상으로 높고 PTFE 경우는 10

12

ohmsquare이상이다14)

반도체 제조 장치에서는 웨이퍼 기판을 안착하기 위해

작업 스테이지를 사용하며 작업스테이지는 통상 금속과

35

세라믹으로 제작되나 웨이퍼기판을 작업스테이지에 올려

놓을 때 작업스테이지와 웨이퍼기판 사이에 마찰 정전기

가 발생한다 FPD(flat panel diplay 평판표시)용 디스펜

서(dispenser)에 사용되는 작업스테이지는 진공방식으로

디스플레이 기판을 흡착 고정하며 흡착 고정되었던 디스

플레이 기판이 작업스테이지에서 박리될 때 작업스테이

지에 정전기가 발생하여 디스플레이 기판에 대전된다 최

근 디스플레이 기판이 대형화됨에 따라 대전량이 증가되

고 정전기 대전문제가 더욱 심각해지고 있다 웨이퍼기판

이나 디스플레이기판에는 반도체소자 등 다수의 전자부

품들이 배치되어 있기 때문에 정전기가 발생되면 전자부

품의 신뢰성에 치명적 손상을 주고 기판에 분진이 부착

되거나 정전기의 대전으로 기판 리프트 업(lift up)시 기

판이 깨어지는 문제가 발생한다 정전기 대전을 방지하기

위해서는 작업스테이지에 이오나이저를 설치하여 중화하

기도하나 리프트 업이 불가능하거나 이온풍이 도달하기

전 방전하는 등 작업 스테이지와 기판 사이에서 발생한

정전기가 순간적으로 일으키는 박리대전 문제를 해결하

기 어려워 작업 스테이지의 정전기 방지를 위해 불소수

지로 코팅한다

- 불소수지는 다른 물질과의 흡착에너지가 작고 비점착

성이 우수하며 마찰계수가 작아 유리기판과의 상관관

36

계가 작아져 박리에 의한 정전기의 발생량이 적어지

나 불소수지는 절연성을 가지므로 테프론 코팅에서는

카본 블랙이나 전도성 고분자 등을 필러로 사용한다

대전방지가 필요한 반도체 제조장비 디스플레이 장치 및

테스트 장치 등의 작업 스테이지를 테프론 코팅함으로써

작업 스테이지의 정전기 발생을 방지하는 방법의 단점의

하나는 제작비용이 상대적으로 많이 드는 것으로 디스펜

서의 경우 디스플레이 기판이 대형화됨에 따라 작업 스

테이지의 크기가 커져 제작비용이 증가한다 또한 불소수

지의 경도가 낮아 코팅 막에 스크래치가 발생하고 이 부

분은 평탄도 유지가 어려우며 입자들이 발생하는 요인으

로 작용하며 불소수지가 절연성이므로 카본블랙이나 전

도성 고분자 등의 도전성 필러를 충전하여 대전방지에

적합한 면-저항을 갖도록 할 경우 카본블랙은 구형으로

분진이 발생하는 문제점이 있고 전도성 고분자를 사용할

경우는 내용제성이 약하고 과량의 바인더를 사용하여야

하며 박막 형성이 어렵고 불소수지의 경도를 보완하기

위해 아노다이징 처리를 하는 경우는 이후 별도의 코팅

과정을 거쳐야 하므로 제작비용과 제작시간이 증가하는

등 여러 가지 단점들이 있다 이러한 문제점들을 해결하

기 위한 방법으로는 작업 스테이지와 기판이 만나는 면

에 정전기 발생을 최소화시킴과 동시에 그 제조비용이

37

절감되고 적절한 면-저항을 조절할 수 있으며 마찰계수

가 낮고 내마모성이 향상된 작업스테이지 표면의 대전방

지 처리 방법에 관한 국내의 탑나노시스 사의 특허15)가

있다

- 탑나노시스 사의 특허 목적은 작업스테이지의 기판과

만나는 면에 정전기의 발생을 최소화시킴과 동시에

그 제조비용이 저감되고 적절히 면-저항을 조절할 수

있으며 마찰계수가 낮고 내마모성이 향상된 스테이지

표면의 대전방지 처리 방법에 관한 것으로 이 특허에

서는 금속소재의 작업 스테이지 표면을 아노다이징

처리하여 복수의 산화표면 홀들을 형성시키고 여기에

탄소나노튜브를 삽입하고 경화하며 탄소나노튜브 경

화 후에 표면을 봉공 처리한다

- 작업스테이지 표면은 106-10

9Ωsq의 면-저항을 갖는

것이 바람직하며 산화표면 홀들은 직경 30-900nm 깊

이 100-900nm가 바람직하다 아노다이징 처리를 하는

금속소재는 Al Mg Zn Ti Ta(탄탈륨) Hf(하프늄)

Nb(니오븀) 등일 수 있고 이 발명에서는 가벼우며 일

정 강도를 갖고 가공성이 우수한 Al합금을 예로 들어

설명하고 있다

38

- 알루미늄소재 작업스테이지 표면에 산화피막(Al2O3)처

리를 하는 아노다이징(anodizing 양극산화)에서 전해

액은 수산화나트륨이나 수산과 황산 등이 사용될 수

있고 수산화나트륨의 농도(20-50) 공급전압 전류

및 시간 등을 조절하여 산화표면 홀의 크기(D)와 깊

이(L)를 조절하며 D와 L에 따라 대전방지 효과나 내

구성 및 표면경도를 조절한다

- 탄소나노튜브를 산화표면 홀 내에 삽입시키는 단계는

전해 흡착 하여 이루어질 수 있고 정전도장을 통해서

도 이루어질 수 있다 탄소나노튜브는 분산제를 포함

하는 용액으로 코팅되며 분산제로는 소듐 도데실설페

이트(SDS) 트리톤X Tween20(폴리옥시에틸렌 소르

비탄모노올레이트) CTAB(cetyl trimethyl ammonium

bromide)를 예로 들고 있으며 탄소나노튜브 용액은

아크릴계 우레탄계 등 또는 전도성 고분자계 유무기

하이브리드계 바인더가 포함될 수 있다

- 봉공처리는 산화표면 홀과 산화피막을 봉공하여 내식

성 등이 향상되도록 보호 층을 형성시키는 것으로 비

등수 가압증기에 의한 수화봉공 금속염을 포함한 열

수에 의한 금속염 봉공 오일로 도포나 침적하는 유기

물 봉공 양극산화 피막 층에 도장하는 도장에 의한

39

봉공 등이 있다

반도체 소자를 제조하는 과정에는 불순물 이온을

주입하는 장비가 이용되고 있다 (주)하이닉스 반도

체의 특허에서는 이온주입 장비의 웨이퍼 지지 장

치 리프트 핀의 끝단을 라운드 처리하고 리프트 핀

에 테플론을 코팅하여 리프트 핀과 웨이퍼 후면의

접촉 시 웨이퍼 후면에 스크래치와 같은 손상이 유

발되는 것을 억제할 수 있게 한다16)

⑷ 탄소나노튜브(CNTs Carbon Nano Tubes)17)

탄소나노튜브는 탄소의 동소체로 1991년 일본 NEC 연구

소의 Ijima박사에 의해 전자 현미경을 통해 처음으로 확

인되었다 1985년에 Kroto와 Smalley가 탄소의 동소체인

풀러렌(탄소 원자 60개가 모인 것C60)을 처음으로 발

견한 이후 전기방전 시 흑연 음극 상에 형성된 탄소덩어

리를 투과전자현미경으로 분석하는 과정에서 발견하여

Nature학술지에 처음으로 발표되었다18) 탄소나노튜브에

서 탄소원자 하나는 주위의 다른 탄소원자 3개와 sp2결

합을 하여 육각형 벌집무늬를 형성하며 이 튜브의 직경

이 대략 수 나노미터(nm nanometer) 정도로 극히 작기

40

때문에 나노튜브라고 부르게 되었다 이 탄소나노튜브는

전기 세기가 클수록 더 수축하는 성질을 가지고 있는 등

튜브의 직경이 nm수준으로 극히 작아서 특유의 전기화

학적 특성을 나타낸다

Ku 등19)에 의하면 CNTs는 전기방사법(arc-discharge)

레이저증발 법(laser vaporization) 플라즈마 화학기상증

착 법(plasma enhanced chemical vapor deposition) 열

화학 기상증착 법(thermal chemical vapor deposition) 등

의 다양한 합성법이 개발되어 대량생산이 가능하다

CNTs의 종류는 벽의 수에 따라 단일 벽 탄소나노튜브

(SWNTs) 이중 벽 탄소나노튜브(DWNTs) 다중벽 탄소

나노튜브(MWNTs)가 있으며 물성에 관한 많은 연구결

과 기계적 전기적 열적으로 우수한 성능을 갖고 있음이

입증되었다

CNTs는 인장강도와 탄성률 면에서 지금까지 발견된 재

료 중 가장 강하고 질기며 다중벽 CNT는 63GPa에 이른

다 표준 단일 벽 CNT는 25GPa의 압력까지 변형 없이

지탱된다 그래핀의 대칭성과 특이한 전기적 구조 때문에

CNTs의 구조는 그것의 전기적 특성에 영향을 미쳐 금속

성이나 반도체의 특성을 나타내고 이론적으로 금속성

41

CNTs는 구리와 같은 금속의 1000배가 큰 4times109Acm

2

전류 밀도를 운반할 수 있으며 나노크기의 단면으로 전

자가 튜브의 축 방향으로만 전파되고 전자의 이동은 양

자효과를 수반하여 1차원 전도체로 간주된다

CNTs는 우수한 물성과 상대적으로 큰 표면적으로 갖고

있어 충전제(filler)로써 에폭시 폴리스틸렌 폴리우레탄

등 고분자와 혼합하여 폴리머의 기계적 전기적 특성을

향상시키려는 연구가 활발하다 CNTs가 폴리머 중에서

충전제 역할을 하기 위해서는 고른 분산이 필요하나 반

데르발스 힘에 의한 CNTs 응집현상(agglomeration)으로

인해 효과적인 분산이 어려워 오히려 폴리머의 물성을

저해하므로 이것을 개선하기 위한 다양한 기계적 화학적

분산 방법이 연구되고 있다

- CNTs를 분산시키기 위한 가장 일반적인 방법은 용매

나 폴리머에 CNTs를 투입하고 초음파처리를 하는 것

으로 초음파처리를 하면 SWNTs의 길이가 짧아지고

다발(bundle)이 얇아져 분산력이 증가한다

- CNTs 표면을 산이나 아민으로 기능화하여 분산을 높

이는 방법도 연구되고 있으며 MWNTs를 HNO3

H2O2NH4OH 용액에 침지시켜 MWNTs에폭시 복합

42

재료는 전기적 특성을 향상시키려는 연구와 산과 아

민 등의 기능기를 도입하여 SWNTs의 열전도도를 향

상시키려는 연구들이 수행되고 있다

- 기계적 분산방법인 전단혼합방법은 좁은 관이나 상대

적으로 높은 속도의 유동을 이용하여 발생한 전단력

으로 CNTs를 분산시키는 방법이다 Ku 등19)은 전단

혼합과 초음파처리를 이용하여 MWNTs로 강화된

에폭시 복합재료를 만들어 기계적 및 열적 특성을 연

구하였다

⑸ 내마모성 테프론 코팅

ㅇ 재료의 부식은 구조재에 원하지 않은 변화 원인으로 작

용하여 경제적인 문제로 귀결되는 심각한 문제이다 이들

원치 않는 변화는 때로 적절한 코팅에 의한 표면처리로

예방할 수 있다 가장 일반적이고 자주 사용되는 전착 코

팅은 아연에 기초한 아연 코팅 및 합금 코팅으로 이들

코팅은 간단한 기술로써 내부식성이 양호하여 전 표면처

리의 약 14에 해당하나 최근 낮은 마찰계수 등 다른 특

성들이 매우 중요하게 되었다 이들 특성은 다층 코팅으

로 대응할 수 있으나 두께가 증가하고 기술이 복잡하여

가능한 해결방법으로는 복합체 코팅이 있다 복합체 코팅

43

은 일반기계와 자동차 전자부품 및 컴퓨터 등 다양한 분

야에 적용된다 금속 기질에 미세한 PTFE 입자의 전착

에 의한 증착은 새로운 세대의 복합체 코팅으로써 가장

바람직한 특성은 양호한 내마모성 자기윤활 내부식성이

다 M Paderovaacute 등20)에 의하면 이들 특성은 주로 사용

한 입자(흑연 다이아몬드 MoS2 또는 PTFE)와 용액의

유형(pH 온도 bath 등) 뿐 아니라 입자의 크기 농도

분산 및 형태학에 의존한다

ㅇ 충전되지 않은 PTFE의 마모율은 736-741times10-4mm3Nm

로 내마모성이 낮아 다양한 충전제들이 첨가되고 있다

Xing-Dong Yuan 등21)은 진공 조건에서 PTFE 코팅

의 마모특성을 연구하여 초기에는 하중이 증가함에 따

라 마찰계수가 감소하나 하중이 6N 이상으로 커지면

마찰계수도 증가하며 압력이 PTFE 코팅의 마찰계수

에 미치는 영향이 거의 없고 마모는 압력이 증가하면

초기에는 감소하나 10Pa 보다 높으면 급격히 증가한

다고 보고하였다

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위해서는 윤활제로 PTFE

계 수지 접착제로는 폴리아미드이미드수지 산화철 분말

44

및 브론즈 분말 등을 혼합한 조성물을 사용하거나 미국

특허에서는 스와시플레이트 형 압축기의 플레이트 표면

에 MoS2 흑연 PTFE계 윤활제와 열경화성 수지인 폴리

아미드이미드(PAI) 조성물을 코팅하여 내마모 및 윤활성

을 부여하고 있다22) 내열성 향상을 위해서는 고체윤활

제 접착제수지 및 저융점 금속인 Sn Pb In Bi 등을 함

유하는 합금이나 화합물을 사용하여 금속의 잠열을 이용

내열성 향상을 시도하기도 한다

ㅇ 그간 철강(스테인리스강 탄소강 아연도금강판 등)의 내

부식성 향상을 위한 많은 연구들이 수행되어 왔다 4플루

오르에틸렌(C2H4) 4플루오르에탄(CF4) 6플루오르에탄

(C2F6) 3플루오르화에탄(CHF3) 8플루오르화에탄(C4F8)

같은 불소화된 단량체의 플라즈마 중합에 의한 테플론

류 코팅은 그들의 소수성으로 인해 금속의 내부식성 향

상을 위한 대안으로 주목을 받고 있다 A Delimi 등23)

은 유도결합 고주파플라즈마(inductively coupled radio

fre- quency plasma)를 사용하여 소수성 박막 불소수지

필름을 탄소강에 증착하고 3염수에서 내부식성을 평가

한 결과 1개월 동안 9nm의 필름이 유지되는 것을 관찰

하여 불소고분자 박막이 금속과 금속산화물의 보호층이

될 수 있음을 보고하였다

45

ㅇ PTFE를 이용한 세라믹코팅 기술로는 알루미늄 및 알루

미늄 합금 공작물을 양극처리에 의해서 티타늄 및또는

지르코늄 산화물을 포함하는 내식성 내열성 및 내마모

성 세라믹 코팅을 하고 이어서 양극처리된 공작물을

PTFE 또는 실리콘 함유 코팅과 같은 제 2 코팅으로 코

팅한다 이 발명은 가소성을 가지는 경질의 필름 내에서

내식성 내열성 및 내마모성을 제공하는 티타늄 및또는

지르코늄 산화물의 양극처리 층으로 기판을 예비-코팅함

으로써 알루미늄 기판에 보다 긴 수명의 코팅을 형성하

는데 특히 유용하다24)

ㅇ Nosaka 등25)은 PTFE로 대표되는 불소수지는 마모-링이

나 극저온 밸브의 실링부에 많이 사용되며 진공치환법에

의해 탄소재료에 PTFE나 MoS2 분말을 1-2wt 함침시

키면 무함침한 것에 비해 마모가 약 13로 감소한다고

보고하였다 한편 저자들은 터보펌프의 실링재료가 극저

온 환경에서 보이는 특이한 현상을 극복하기 위해 베어

링의 표면에 노출된 유리섬유를 불소산으로 처리하여 용

해 제거하고 윤활성을 높인 유리섬유강화 테프론 리테이

너를 개발하여 내구성과 윤활성을 향상시킬 수 있었다고

보고하고 있다

46

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위한 또 다른 특허로는

폴리실록산계 접착제를 단독 혹은 폴리에스테르계 접착

제와 병용하고 고체 윤활제로 MoS2(이황화몰리브덴

WS2(이황화텅스텐) h-BN(육방정 질화붕소) 팽창흑연

및 PTFE를 사용하고 충전제로 탄화규소 알루미나 산화

지르콘 산화티탄 등의 미분말을 사용하여 내마모 내열

및 윤활성을 부여하고자 하는 내마모성 및 윤활성 코팅

조성물에 관한 특허가 있다26)

ㅇ 내열성 내후성 내오염성 내약품성 내구성 등의 물성

은 유지하면서 비점착성을 높이기 위해 무기계 세라믹

코팅 조성물에 PTFE를 첨가하기도 한다 이러한 하이

브리드 코팅 조성물에 관한 특허로는 불소수지(01sim25

중량) 콜로이달 실리카나 콜로이달 알루미나 등 무

기계고분자 바인더(20sim80중량) 알콕시실란 화합물

(1sim50중량) 수용성 유기용제(1sim10중량) 충전제

또는 안료(5sim50중량) 및 물(100중량 까지 보충)로

이루어진 코팅 조성물에 관한 것으로 무기질 도료 및

무기계 세라믹 코팅에 의해 내열성 내오염성 내약품

성과 내구성을 유지하고 접착력을 높이기 위해 소량의

PTFE를 사용하는 것이 있다27)

47

ㅇ 정전 복사기에 사용되는 정착기재부의 최외층에 코팅하

여 기계적 성질 및 내마모성을 향상시키려는 목적으로

불소수지 기질 중에 분산된 불소화 다이아몬드를 함유하

는 입자로 구성된 조성물에 관한 일본 특허28)가 있다

ㅇ 부식 특성을 개선한 흑색 무크롬(chrome-free) 다층 내

부식 마무리 칠과 방법에 관한 특허29)로는 ASTM B 117

표준으로 시험할 때 백색 부식에는 최소 500시간 염수분

무시간 및 적색 부식에는 1500시간 염수분무시간에 적합

하게 설계된 마무리 칠에 관한 것이 있다 이 다층 시스

템은 광택(gloss) 4 이상을 만족하는 자동차 차체 강판

자동차 하부와 내장에 사용되기 위해 설계된 것으로 이

다층 마무리 칠은 3층 부식 방지 시스템을 형성하도록

아연-철 전기도금 기질 오르토인산을 사용한 무전해 인

산염 결정 전환 층과 XylanTeflon 실러 코팅의 조합이

다

ㅇ 전통적으로 철 강판(steel sheet)은 크롬산 염 전환 코팅

으로 개질되어 왔으나 6가 크롬이 배출되어 환경을 오염

시키는 문제점이 있어 강판의 내-부식성을 개선하기 위

해 고분자 수지 코팅들이 수행되고 있으나 이 방법은 고

48

분자 코팅 층이 열전도도를 감소시키는 단점을 가지고

있다 Kang 등30)은 강판 위의 고분자 코팅 층의 열전도

도를 향상시키기 위해 초미세-크기 다이몬드(μD)입자를

열전도 물질로 사용하였다 다양한 음이온 및 비-이온

계면활성제들을 사용하여 수용액 중에서 무거운 μD입자

의 안정화를 시험들을 한 결과 1-피렌카르복시산(PCA)

이 가장 양호하였다 그림 3-2는 이 시험 결과를 요약한

것이다

- 강판 위에 PCA로 안정화 된 μD 입자를 함유한 폴리

우레탄-기초 코팅 층은 열전도도가 0351W(mK)에서

0434 W(mK)(10 wtμD)로 향상되었으며 더욱 144

시간 동안 염수 분무 시험결과 부식거동은 관찰되지

않았다

그림 3-2 피렌카르복시산을 이용한 μD 표면처리

ㅇ 자동차공업에서는 기본적인 특성으로 내마모성이 요구되

49

는 강철 기계부품들의 마찰특성을 향상시키기 위해 다양

한 금속 및 고분자 코팅들이 광범하게 이용된다 내-마

모 코팅은 두 가지 주요 특성인 높은 표면경도와 자기-

윤활 특성이 필요하다 후자의 범주에 속하는 것이

PTFE와 MoS2 기초 코팅이다 무전해 니켈 코팅은 높은

경도로 인해 양호한 마찰 특성을 보이며 한편 열처리를

통해 경도를 향상시킬 수 있다 PTFE입자의 첨가는 코

팅경도를 감소시키나 자기-윤활특성을 부여한다 S

Rossi 등3132)은 마찰특성을 향상시키기 위해 이용되는 탄

소강에 이용되는 몇 가지 공업적인 코팅에 관한 부식거

동에 관해 평가 PTFE입자를 함유한 무전해 니켈-인

(Electroless Nickel-Phophorus)코팅은 PTFE 입자(자기-

윤활 특성)를 갖는 외층과 장벽-효과를 갖는 내층으로

인한 이중 특성으로 가장 양호한 특성을 보였다고 보고

하고 있다

ㅇ 모든 기계적 시스템은 동적 요소를 필요로 하며 마찰과

마모를 줄이기 위한 다양한 수단들이 가능하나 그 선택

은 환경이나 조작 조건에 제한을 받는다 PTFE는 자기

윤활 낮은 마찰계수 높은 열안정성과 화학약품 안정성

으로 산업분야에 널리 사용되는 엔지니어링 고분자이지

만 내마모성이 매우 부족하다 이러한 이유로 금속

-PTFE충전 복합체들이 PTFE의 마찰특성과 금속충전제

50

의 내마모성을 결합하여 특정 분야의 용도로 소개되어

왔으나 금속-고분자 물질에서의 충전제의 역할은 완전히

설명되지 않고 있다 복합체 표면의 과잉의 충전제 농도

는 미끄러지는 동안 부하를 지지하여 내마모성을 증가시

키는 것으로 생각되며 PTFE의 마모율은 Mo Zn Ni

Y2O3 및 SiO2 같은 무기 충전제에 의해 1000배가량 감소

되었다는 보고도 있다 유리섬유 구리 세라믹 탄소섬유

절단 탄소섬유 나노입자를 포함한 경질의 충전제 입자들

이 PTFE의 내마모성을 높이기 사용되어 왔다

ㅇ 비교적 두꺼운 코팅에는 열분사(thermal spray) 용사기

술이 정립되어 있고 용사 코팅은 내마모 내마찰 내프레

팅(fretting) 및 내부식을 요하는 산업에 많이 이용되고

있다

- 용사 몰리브덴(Mo)코팅은 실질적 내마모성 코팅으로

가장 광범하게 이용되며 프레임용사(flame spray)거나

와이어용사(wire spray)기술로 생산된 몰리브덴(Mo)

코팅은 흠이나 마모에 대한 고도의 저항을 얻기 위한

가장 좋은 코팅재료 중의 하나이다

- 알루미늄 청동(aluminium bronze)은 높은 내-부식성

과 내마모성을 갖는 것이 특징이다 저압 플라즈마 용

51

사 기술은 자기-아닐링(self-anealing)과 부서지기 쉽

도록 유도하는 γ-상의 형성을 피할 수 있도록 높은

냉각 속도를 얻는 데 사용되며 알루미늄 청동 저압

플라즈마 용사 코팅은 낮은 마찰과 마모를 보였고 비

교적 최근 플라즈마 용사 기술을 이용하여 알루미늄

기질에 고분자-세라믹 복합체를 코팅하는 기술이 개

발되었다33)복합체 코팅으로 행한 마찰 시험에서 낮

은 마찰계수를 얻을 수 있었다

- 낮은 마찰계수와 고 내마모성을 갖는 이성분 금속

-PTFE 코팅이 개발되었고 이들의 마찰 공학적 성능

이 보고되었다 PTFE-기초 복합체 설계에서 일반적

인 접근방법은 경질의 충전 입자들을 도입하는 것으

로 M Yamane 등34)은 PTFE-금속 이성분 코팅의 마

찰 마모성능에 관한 연구 결과 알루미늄 청동 코팅이

Mo코팅에 비해 PTFE 저장소(reservoir)에 유용했음

을 보고하였다

⑹ 충전 또는 강화 플루오르화 탄소1)

ㅇ 분말이나 강화섬유 등 전형적인 충전재들이 충전 또는

강화 플루오르화 탄소에 사용된다 충전재는 저온흐름

52

을 향상시키는 데 사용되며 수축과 균열을 줄이고 열

팽창을 낮추며 열전도율을 향상시킨다

ㅇ 분말이나 단섬유로 된 전형적인 충전제를 표 3-5에 종합

하였다 유리섬유는 가장 보편적인 PTFE 충전제로 화

학 및 전기적 특성에 최소로 영향을 미치며 기계적 특

성을 크게 향상시킨다 분말에 비해 섬유는 압축강도

강성도 및 지지용량을 더욱 향상시키나 분말은 충전

테플론의 내구성에 거의 영향을 미치지 않는다 금속분

말은 특히 열전도도를 향상시키며 고속에서 발생하는 마

찰열을 소멸하는데 도움이 되며 전기저항을 상당히 감소

시켜 금속-충전 조성물은 양호한 절연체는 아니다

ㅇ 흑연(graphite) MoS2는 초기 내구성과 마찰을 개선하고

기계적 특성을 향상시킨다 석면은 많은 유용한 특성을

갖지만 가공 처리 중 가스가 방출할 뿐 아니라 사용금지

물질이다 표 3-5 외에도 금속 망 장섬유 다공성 금속

등 다양한 충전제들이 있으며 다양한 종류의 제품들이

상업 생산되고 있어 최종 선정을 하기 전에 플라스틱 가

공업자로부터 보다 완전한 정보와 추천을 받는 것이 바

람직하다

53

표 3-5 불소수지용 충전제

ㅇ 압축강력 인장과 압축 시의 탄성률 및 항복강력은 첨가

제의 첨가에 의해 모두 증가하나 일반으로 인장강력과

신도 및 충격강도는 손실된다 통상 충전 테플론은 압축

상태에서 사용되므로 인장강력의 감소는 중요하지 않다

인장강력의 손실은 설치(연속적인 링-실링)할 때 인장되

는 재료에서 중요하다 열팽창 계수는 비-충전 테플론에

비해 감소되어 통상 금속 부품의 팽창계수와 잘 맞는다

ㅇ 마찰과 마모를 수반하는 분야에서 가장 중요한 것은 충

전제로 얻어지는 PV한계치의 증가와 마모의 감소다 비-

54

충전 테플론에 비해 PV한계치 크기는 개략적으로 1차원

적으로 증가하나 마모인자는 3차원적으로 감소한다 충전

테플론의 평균치들은 동적 마찰계수는 01-02 PV한계치

는 10000-20000 psi-fpm 마모상수는 10times10-10in3-min

lb-ft-hr이다 그림 3-3은 충전 테플론 PTFE의 마찰계

수에 미치는 충전제 종류와 농도의 효과에 관한 것이다

그림 3-3 테플론 PTFE에 미치는 충전제 종류와 농도1)

ㅇ 내마모성을 향상시키는 충전제는 실제로 연마저항성을

감소시키는 것으로 날카로운 입자는 보다 쉽게 침투하고

충전제 입자와 수지 사이의 경계를 따라 충전 플라스틱

을 찢는다 따라서 라이닝 슈트 같은 분야의 적용 시는

55

비-충전테플론이 보다 바람직하다

⑺ 시트 테이프 및 박층(laminates)

ㅇ 대부분의 플루오르화탄소는 충전 여부에 관계없이 두

께 1mil(0001 in)까지 시트나 테이프로 만들 수 있고

시트나 테이프를 찍어서 원하는 형상의 립-씰(lip seal)

펌프 컵(pump cup) 피스톤 링(piston rings) 가스켓

(gaskets) 등을 만들 수 있다

ㅇ 유체의 누설을 정지시키는 밀봉기능 부품 중 각종기기의

접합부나 배관 플랜지 등의 밀봉에 사용되는 가스켓

(gaskets)은 석면이 널리 사용되어 왔으나 유해물질 배

출 및 이동량 보고제도(PRTR Pollutant Release and

Transfer Register)에서 발암성을 가진 제1종 지정 화학

물질로 지정되어 사용이 금지되어 PTFE가 가스켓으로

개발되었다 PTFE는 용융 알칼리 금속 및 그 용액과 불

소 및 3불화염소에 의해 약간 침식되나 모든 화학약품에

안정하고 우수한 내부식 재료로 C-F결합력이 크고 F원

자가 C-C결합의 주위를 간격 없이 들러 싸고 있기 때문

에 다른 물질의 공격을 방어하고 있고 내열성은 260로

높다35)

56

- PTFE 필러를 사용한 PTFE 나선 권형 가스켓은 석

면에 대한 사용규제와 상관없이 사용되어 왔으며 유

연한 필러를 사용하므로 석면 가스켓 보다 낮은 체결

압력에서도 실 특성이 우수하고 내식 면에서도 광범

하고 다양한 유체에 사용이 가능하다 다만 단열성 면

에서는 석면 나선 권형 가스켓 보다 사용온도 범위가

제한된다

ㅇ 산업 기계나 자동차의 브레이크 제동장치에 부착하여 마

찰력을 부가하는 브레이크 라이닝에서는 마찰계수와 내

마모력 및 충격계수 등 마찰특성이 우수한 석면을 주로

사용하여 왔으나 제동 시 발생하는 미세 석면분진으로

인해 대기오염에 의한 환경을 파괴 뿐 아니라 인체에 흡

입될 경우 암을 유발하여 PRTR로 사용이 금지되었다

석면을 대체할 유기질 또는 무기질 된 다양한 비석면 마

찰 섬유 등이 사용되고 있으며 마찰 섬유에 테프론을 코

팅하여 브레이크라이닝의 수명향상 제동 시 발생하는 소

음 떨림 및 제동력 향상을 위한 제품개발이 시도되고

있다

- 예로 국내 특허36)에서는 브레이크 라이닝(또는 패드)

의 마찰재 배합재료 중 유기섬유(Kevlar섬유 pulp섬

57

유 등)에 테프론을 코팅하고 코팅된 유기섬유에 결합

재 충전재 윤활재 마찰안정재 마찰조정재 등을 소정

의 배합비로 배합하여 성형하고 열처리하여 브레이크

패드 또는 라이닝을 제조한다

ㅇ 초소형 정밀기계(MEMS Micro-Electromechanical

System)분야에서는 점착방지를 위해 불화 유기박막을

사용한다 Park 등37)은 단층 두께의 불화 유기박막의

특성을 접촉각 측정을 통해 분석하였다

⑻ DLC 코팅3839)

ㅇ DLC(diamond-like carbon)는 몇 가지 다이아몬드의 전

형적인 특성을 나타내는 비정질 탄소물질로 극도의 내마

모 특성을 필요로 하는 재료의 코팅에 이용되고 있다

DLC코팅은 연마 마모를 감소시키기 위한 재료에 유용하

여 엔드밀 드릴비트 금형 같은 공구는 물론 자동차 기

계부품 및 전자산업 등 산업전반에 걸쳐 적용된다40)

ㅇ 환경오염 문제로 인해 PRTR(Pollutant Release and

Transfer Register 유해물질 배출 및 이동량 보고 제

도) 이 시행되어 습동 부품이나 절삭 시에 사용되는 오

일이나 그리스에 포함되는 첨가제(MoS2 Zn 등)와 이들

58

부품을 세정할 때 사용되는 용매 기계부품의 수명을 연

장시키기 위해 활용되었던 Cr도금 폐액에서 발생하는 6

가 크롬 등의 오염물질들에 대한 규제가 더욱 강화되어

DLC에 의한 무윤활 습동과 무윤활 절삭을 지향한 공구

와 기계 부품의 개발이 관심을 끌고 있다4142)

- 일본 내에서는 PRTR이 시행되고 이것에 저촉되는 재

료에 관해서는 MSDS(Material Safety Data Sheet)를

첨부해야할 의무가 있고 부품가공 습동 용도에서는

대상 리스트에 올라 있는 오일 오일 중의 중금속 도

금폐액을 어떻게 경제성 있는 환경 친화적 공정과 재

료로 전환할 것인가를 고려하면서 무윤활 습동 무윤

활 절삭 탈크롬 도금의 3가지 키워드가 대두되고

DLC코팅이 대안으로 모색되고 있다

- DLC코팅 적용기술과 과제에 관한 자료로는 자동차

관련부품 적용사례 엔진부위 마찰 작동 밸브계의 마

찰저감 DLC와 윤활제에 의한 마찰저감 기술을 중심

으로 살펴본 보고가 있다43)

ㅇ DLC는 7가지 형태가 존재하며 모두 상당한 양의 sp3혼

성궤도 탄소원자를 함유한다 다양한 형태의 DLC가 진

공 환경으로 적합한 재료들에 적용가능하며 유럽에서의

59

2006년 위탁 DLC코팅 시장은 3천만euro로 추정되었고 국

내도 활발한 상용화가 시도되고 있다

ㅇ 사반면상(tetahedral) 비정질 탄소 ta-C를 2두께로 코

팅하면 연마마모에 대한 스테인레스 강(304 type)의 내구

성을 증가시켜 수명을 1주일에서 85년으로 늘이며 이러

한 DLC의 형태는 sp3결합 탄소 원자로만 이루어지기 때

문에 순수한 DLC로 간주되며 수소 sp2흑연 탄소 금속

같은 충전제가 생산경비를 낮추거나 원하는 특성을 부여

하기 위하여 사용되고 있다

ㅇ DLC를 만드는 방법에는 sp3탄소 보다 낮은 밀도의 sp

2

에 의존하는 몇 가지 방법들이 있으며 압력 충격 촉매

또는 이들의 조합으로 sp2결합탄소 원자들을 sp3결합탄소

로 근접시킨다 최근 초고압 하에서 탄소의 경량 특성을

갖는 초경도 무정형 다이아몬드가 만들어졌다 탄소로 만

들어지는 다이아몬드 그래파이트는 결정구조를 가지나

DLC는 비정질이라는 점에서 크게 다르고 200 정도의

저온에서 형성시킬 수 있다는 점이 통상의 PVD막에 비

해 훨씬 우위에 있다

ㅇ DLC코팅은 제조공정이 복잡하고 생산 단가가 비싸 적용

이 어려우며 적용되는 소재가 제한되는 단점을 갖는다

60

주요제법으로는 고주파 플라즈마 법 이온화 증착법 스

페터링법 등을 들수 있다 고주파 플라즈마 법은 메탄가

스가 원료로 사용되고 막 중의 수소가 약 30(원자)로

평활성이 우수하고 마찰계수가 작으나 경도가 낮다 이

온화 증착법은 벤젠을 사용하며 막은 단단하나 면의 조

도가 거칠고 후막화 하기 위해 스패터링 방법이 검토되

고 있다

⑼ 불소수지의 안전성

ㅇ 테플론 PTFE의 열분해는 200(392)에서 감지되며 이

것은 몇 가지 플루오르화 탄소 기체들과 승화물질을 방

출한다4445)1955년 동물실험에 관한 한 연구에서는 이들

물질이 250(482) 이하에서는 의미 있는 양이 아니라

고 결론지었으나 최근 비-점착 주방기구인 프라이팬이

나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가열할 때 조류를

죽일 수 있는 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수

도 있다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있다45)

ㅇ 표 3-6은 EWG가 보고한 3-5분 내에 370까지 불소수

지를 가열할 때 발생되는 15종의 불소화합물에 관한 것

이다 테플론과 같은 코팅물질들이 장기적으로 인체에 미

61

치는 영향에 관한 연구는 이루어지지 않고 있으나 독감

과 유사한 질병을 유발할 수 있으며 이를 중합체 증기열

(polymer fume fever)이라 한다

표 3-6 15종의 유해물질 및 유독성 기체44)

ㅇ 최근 표 3-6의 화합물들 중 특히 TFA와 과불화된

(perfluorinated) PFOA(perfluorooctanoic acid)에 관심이

증가되고 있다 PFOA는 새로운 환경오염물질로 미국 환

경보호청(EPA)에 의하면 보통 때는 문제가 없으나 조리

과정에서 프라이팬에 열을 가하고 강하게 긁을 경우 용

62

출되어 나오며 이것이 음식물과 함께 인체에 흡수되는

것으로 추정하였다 한편 DuPont의 테플론 PTFE 연구

결과에 의하면 검출한계인 9ppb 이상 검출되지 않으며

테플론 주방기구에서는 PFOA가 존재하지 않는다고 발

표하고 있다

- 물이나 공기를 통해 환경에 노출된 PFOA는 고 콜레

스테롤 궤양성 대장염 갑상선 질환 고환암 신장암

및 임신성 고혈압과 관련된다고 보고되었다

- PFOA는 불소수지 생산과정에서 사용되는 첨가물로써

암모늄 형태로 PTFE 유화중합에 계면활성제로 사용

되며 불소수지의 품질과 균일성을 유지하기 위해 필

수적인 첨가물이기 때문에 전 세계 모든 불소수지 제

조업체가 사용 중에 있다 한편 국내 주력 산업인 반

도체 생산 과정에서도 PFOA를 대량으로 사용하고 있

어 체계적인 실태조사와 대책수립이 필요하다는 의견

들이 대두되고 있다

⑽ 불소화합물의 안전성과 환경대책

ㅇ 표 3-6에서 살펴본 바와 같이 테플론을 급격히 고온으로

가열하면 2종의 발암물질을 포함한 유독성 가스가 발생

63

하고 특히 불소화합물 중 MFA(monofluoroacetic acid)는

적은 양으로도 치명적 해를 끼치고 PEIF(perfluoro-

isobutene)는 신경가스제로 여러 가지 질환을 발생시킨다

한다44)

따라서 테플론으로 코팅된 장치를 재 코팅하기

위해 테프론을 고온으로 급격히 가열하거나 소각 등을

통해 제거할 때는 발생 가능성이 있는 유독가스를 제거

하기 위한 별도의 설비를 이용하여야 하고 유 등44)의 보

고서에서와 같이 중조(NaHCO3)를 포화시킨 충분한 물로

유독 산성 물질을 중화시키는 것도 고려할 만하다 한편

부식대전 방지 코팅도 테플론 코팅 일변도에서 세라믹

코팅 CNTs이나 DLC 코팅기술로 대응하는 것을 추천하

고 싶으며 이것은 유해물질 배출 및 이동량 보고제도

(PRTR Pollutant Release and Transfer Register)에 대

비하는 등 기업의 장래를 고려하는 것도 될 것이다

ㅇ PTFE를 사용한 취사도구는 1960년대 이래 사용되어 오

고 있으나 최근 들어 이것의 안전성이 논쟁의 주제가 되

고 있으며 논의 주체는 PFOA(perfluorooctanoic acid)이

다 PFOA는 PTFE를 비롯한 많은 불소수지의 생산에

사용되며 DuPont의 테플론 PTFE 연구 결과에 의하면

프라이팬을 260 이상 고온에서 가열하거나 코팅이 벗

겨져도 PFOA가 존재하지 않는다고 한다 그러나 물이나

64

공기 토양 식품포장재 등 여러 곳에서 PFOA 오염사실

이 보고되고 있다 한다44)

- 미국 EPA는 인체와 환경에 대한 PFOA 연구를 계속

하고 있으며 2015년까지 PFOA 및 이와 관련된 화합

물 방출을 배제할 프로그램을 갖고 있으나 PTFE-기

초 비점착 취사기구를 중지시킬 타당성을 갖고 있지

는 않다 최종제품은 PFOA가 아닌 PTFE이기 때문이

다

- 수십 년 동안 불소수지 비점착 코팅이 시장을 지배하

였으나 최근 몇 가지 신기술들이 출현되고 있으며 이

들 대부분은 실리콘 세라믹과 실리콘 기술로 이들 코

팅은 PTFE와 PFOA를 함유하지 않는다

- 오늘날 출시된 비점착 취사용구는 수많은 상표로 팔

리고 있으며 DuPont에 의하면 대부분의 취사용구 코

팅은 정상적으로 사용할 때 3-5년 견딜 수 있을 것으

로 예측한다 너무 문질러서는 안 되고 따뜻한 비눗

물로 씻어주는 것이 좋으며 닳거나 흠이 생기지 않도

록 나무 플라스틱이나 코팅된 재료로 만든 도구를 선

택하고 보관도 흠이 생기지 않을 장소나 캐비닛을 권

장하고 있다

65

ㅇ 국내의 불소수지 안전성에 관한 것으로는 재질규격(납과

카드뮴)과 용출규격(납 과망간산칼륨소비량 증발잔류물)

이 식품용 기구 및 용기 포장 공전46)에 기재되어 있으며

최근 국내에서도 PFOA를 비롯한 유해 불소화합물에 관

한 관심이 커져 가고 있다

ㅇ PFOA 문제가 표면화 되면서 환경 보전형 불소계 발수

유제의 개발과 공업화도 새로이 부각되고 있다 이에 관

한 보고서를 모니터링한 KISTI자료47)를 중심으로 간단히

요약하면 발수제의 주요성분 퍼플루오로알킬기(Rf기)함

유 폴리머의 기능은 Rf기의 고리길이에 크게 의존하므로

PFOA문제 해법으로 탄소수 8 이상인 종래의 불소화학

에서 탈피 짧은 고리 Rf기(탄소수 6)를 가진 새로운 단

량체를 선택하여 발수제를 제조함으로써 환경 보전형 불

소계 발수유제를 개발하고 공업화하였다 한다

66

제 4 장

지원결과

1 지원결과 종합

테프론 코팅 기술의 문제점과 부식대전방지용 테플

론 코팅에 관한 정보 외에 신청기업의 요청에 따

라 C-나노튜브 코팅 및 DLC증착에 관련된 기술 정

보도 제공하였다

테플론은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat resistant)

비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coefficient of

friction) 내약품성(chemical resistance)과 특이한 전기적

특성(unique electrical properties) 및 온내구력(cryogenic

stability)으로 그 응용범위가 광범하며 용도에 따른 엄격

한 품질관리가 요구될 것으로 생각되어 중소기업에 적합

한 기초능력 배양과 신제품을 구상하기 위한 최신기술에

관한 정보를 제공하고자 하였다

67

불소수지의 코팅은 두께와 첨가제가 관건으로 이에 관한

자료를 제공하고자 하였으며 불소수지의 전기특성 폭발

성 환경과 반도체 제조공정에서의 대전 방지 처리를 위

한 정전기 관리 지표 등을 특허를 중심으로 조사하여 제

공하고자 하였다

C-나노튜브를 이용한 대전방지 코팅 기술 및 C-나노튜

브의 제법 등 이것에 관한 기초정보를 제공하고자 하였

으며 내마모성 테플론 코팅에 관해서는 테플론을 이용한

세라믹 코팅 기술에 관한 정보도 제공하고자 하였다

테플론의 기계적 전기적 특성을 강화하기 위해 사용되는

충전제를 종합하고 기초이론을 정립함으로써 금후 원부

자재의 선정에 도움을 주었다

테플론은 석면 대체재로도 주목받고 있어 이에 관한 특

허 정보들을 제공하였으며 다이아몬드의 전형적인 특성

을 나타내는 DLC의 코팅관련 기술 정보를 환경오염 문

제와 연관하여 자료를 제공하였고 최근 비-점착 주방기

구인 프라이팬이나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가

열할 때 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수도 있

다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있어 이에

관한 정보도 제공하였다

68

2 지원의 한계

중소기업이 당면한 문제는 전문기술의 확보다 관련 기술

이 비약적으로 발전하는 추세에 비추어 한정된 인원으로

신기술을 소화하고 개발하기는 어려울 것이므로 출연연

구기관이나 대학과 공동연구를 모색할 수 있으나 이것도

중소기업으로서는 경제적 부담이 될 수밖에 없을 것으로

생각된다 가능하다면 앞으로도 KISTI의 정보지원이 계

속되기를 바라고 있었다

3 기대효과

부식대전 방지 테플론 코팅에 관한 기본 기술이 배양되

어 합리적인 원부 원료의 수입검사 공정관리 및 제품관

리를 통해 원가절감은 물론 신제품 신기술에 관한 정보

수집 및 분석능력이 배양되고 개발력이 확충되어 기업

경쟁력 향상에 도움이 될 것이다

69

참고문헌

1 Francis J Clauss Chapter 9 Fluorocarbons Solid

Lubricants and Self-lubricating Solids Academic

Press 1972 pp195sim238

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10 등록번호10-0365003 (주식회사 엘지아이 열처리를 이

용한 테프론 코팅 방법)

11 등록번호 10-0811228(조철환 내열 세라믹 주방용기의

불소수지코팅방법 및 그 방법에 의해 불소수지 코팅된

내열 세라믹 주방용기)

12 등록번호 10-0449561(주식회사 봉성비에스 완충기용

피스톤의 테플론 코팅장치)

13 WO 2000054614(Solex Robotics Systems Inc Anti-

staticNon-sparkling Coatings for Explosive Environ-

ments)

14 WO 2012123103(WLGore amp Associates GMBH Use

of an Ionic Fluoropolymers as Antistatic Coaating)

15 WO 2012053774(탑나노시스 ldquo작업 스테이지 표면의 대

전방지 처리 방법 및 상기 방법에 의하여 표면이 대전

방지된 작업 스테이지rdquo)

16 공개특허10-2008-0061943(주식회사 하이닉스반도체 이

온 주입장비의 웨이퍼 지지 장치)

17 Polytetrafluoroethylene Aluminum magnesium boride

Diamond-like carbon Carbon nanotube -Wikipedia

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18 Ijima S Helical Microtubes of Graphitic Carbon

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21 Xing-Dong Yuan Xiao-Jie Yang A Study on

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Sliding Film Sliding Member Composition for

Sliding Film and Sliding Device Swash-plate Type

Compressor Process for Forming Sliding Film and

Process for Producing Sliding Film)

23 Amel Delimi Elisabeth Galopin etal Ivestigation of

the Corrosion Behaviour of Carbon Steel Coated with

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24 WO 2006047500(Henkelkommanditgesellschaft auf

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25 野坂正隆 低溫環境下におけるドライボロジドライボロ

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26 이계영 김태균 김종구 ldquo내마모성 및 윤활성 코팅 조성

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27 (주)바론에스엘 ldquo불소수지와 세라믹의 유무기 하이브

리드 코팅 조성물 및 그를 이용한 도막 형성 방법rdquo 대

한민국 공개특허 10-2013-0028553 (2013)

28 JP-2010-261035(Xerox Corporation フツ素ナノダイヤ

モンドを含むテフロン定着器部材)

29 WO 2006 017259(Thomae Kurt J Multilayer

Corrosion- resistant Finish and Method)

30 Eunsoo Kang Seongcheol Choi Changhoon Choi

Sang Eun Shim Aqueous dispersion of submicron-

sized diamond particles for thermally conductive

polyurethane coating Colloids and Surfaces A

Physiochem Eng Aspects415(2012) pp255-261

31 S Rossi F Chini etal Corrosion Protection

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73

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32 S Rossi F Deflorian F Venturini Improvement of

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33 Mateus C Costil S Bolot R Coddet CCeramicfluo-

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34 Masaaki Yamane Tadeusz A Stolarski Shogo Tobe

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38 유호천 ldquoDLC 코팅 표면처리rdquo KiSTi 중소기업 정보지

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39 유호천 ldquoPVD DLC TRD 코팅설비를 활용한 복합충

개발및 제품적용rdquo KiSTi 중소기업 정보지원 2010 10

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40 김유상 ldquo알루미늄합금에의 DLC코팅기술rdquo KiSTi 첨단

기술정보분석 2013 02-01

41 국립환경과학원 ldquo화학물질 배출량 조사 OECD와 협력

강화rdquo 보도자료 (2010 11 18)

42 월간기계기술 기자 ldquo새로운 코팅기술과 공구에 대한 적

용rdquo 2005년 3월호

43 加納 眞 ldquoDLC コ-ティングの適用技術と課題rdquo トライ

ボロジスト(日本) 52(3) 2007 pp186-191 송희국 모티

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46 식품의약품안전청 ldquo식품용 기구 및 용기 포장 공전rdquo 2012

47 廣野高生 ldquo環境保全型フッ素系 撥水撥油剤の 開發と 工

業化rdquo ファインケミカル(日本) 37(11) 2008 pp39-44

이치옹 모니터링분석 KISTI

75

저자소개

김학주(金鶴柱) 서울대학교 문리과대학 화학과 졸업 이학사

전북대학교 대학원 화학과 이학박사

(주)삼양사 의약연구소장 신성대학교 교수

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 폴리에스테르 섬유의 연중직방기술 외 다수

저서 기기분석 공업물리화학 일반화학

성용길(成墉吉)

동국대학교 이과대학 화학과 졸업 이학사 이학석사

부산대학교 대학원 화학과 이학박사(Dr Sci)

University of Utah USA Ph D(공학박사) Post Dr

유타대학교 연구교수 부산대학교 교수 동국대학교 교수

동국대학교 명예교수 한국원자력문화진흥원 이사

과학문화연구원전문연구위원 한국도량형과학문화연구원 원장

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 의료용 기능성 고분자재료에 관한 연구 외 330편

저서 고분자 물성론 (서울대학교 출판부 공저) 외 10권

10

Explosive Environments)

⑩ WO 2012123103(WLGore amp Associates GMBH

Use of an Ionic Fluoropolymers as Antistatic

Coating)

⑪ WO 2006 017259 (Thomae Kurt J Multilayer

Corrosion-resistant Finish and Method)

2 2차 지원

일시 및 장소 2013년 5월 16일(월요일) 1000-1400시 신청

업체 2층 회의실

참석자 성용선(연구소장) 장용석 이사

주제 및 토의사항

- 지원내용과 향후지원계획 지참 자료를 제공하고 연구

원들의 기초지식 배양을 목적으로 불소수지의 특성에

관해 각 유형을 중심으로 제공 자료를 통해 종합 설

명함 불소 수지 코팅 방법 개발 목적 기질의 전처리

방법 두께 제어의 중요성 코팅시스템 등을 토의하고

이에 관한 자료를 제공하여 기초지식을 배양함은 물

11

론 최근 기술 동향을 파악함 다음 방문 시(6월 20일)

에는 대전 방지 불소 수지 코팅을 중심으로 그 중요

성과 이론 등 기초지식과 최근의 개발동향을 검토하

기로 함

- 지원효과 불소수지의 유형과 특성을 통한 원료의 선

정 시 고려할 사항 코팅 방법 기질의 전처리 방법

용도에 따른 두께 제어의 중요성 파악 공정 및 제품

관리에 관한 기초지식 배양과 최근 기술 동향 파악

- 자료제공

① JP-2005-237860(三洋電氣株式會社 電氣掃除機)

② JP-2010-261035(Xerox Corpor- ation フツ素ナノ

ダイヤモンドを含むテフロン定着器部材)

③ JP-2010-78036(株式會社ルネサステクノロジ 配管

チュ-ブおよびこれを備えた機械裝置)

④ WO 2008154391(Alcoa Inc Heat Exchanger)

⑤ 등록번호10-0365003 (주식회사 엘지아이 열처리를

이용한 테프론 코팅 방법)

⑥ 공개특허10-2008-0061943(주식회사 하이닉스반도체

이온 주입장비의 웨이퍼 지지 장치)

⑦ 등록번호 10-0449561(주식회사 봉성비에스 완충기

12

용 피스톤의 테플론 코팅장치)

⑧ 등록번호 10-0522254(백원두 브레이크 라이닝(또

는 패드) 제조방법)

⑨ 등록번호 10-0811228(조철환 내열 세라믹 주방용

기의 불소수지코팅방법 및 그 방법에 의해 불소수

지 코팅된 내열 세라믹 주방용기) 등

3 3차 지원

일시 및 장소 2013년 6월 20일(목요일) 1000-1400시 신청

업체 2층 회의실

참석자 김학주 성용길 성용선(연구소장) 이채영 차장

및 연구원

주제 및 토의사항

- 지원내용과 향후지원계획 불소수지의 전기적 특성과

대전 방지용 불소수지의 충전제에 관한 장단점 토의

대전 방지의 중요성 폭발 환경에서의 정전기 안전지

침 반도체 제조 장치에서의 작업스테이지의 대전방지

에 관한 기술 동향 토의 최근 관심의 대상이 되고 있

13

는 탄소나노튜브(CNTs)의 제조 방법 용도 등에 관한

설명과 의견교환 내마모성 테플론 코팅 방법 용도

등에 관한 자료제공 및 의견교환 충전 또는 강화 불

소수지에 관해 자료조사를 통해 얻은 충전제의 종류

기계적 및 물리적 특성 향상 방법에 관한 기초지식을

제공함 다음 방문 시(7월 25일)에는 시트 테이프 및

박층 테플론과 최근 내마모성 코팅기술로 주목받고

있는 DLC코팅과 테플론의 안정성 문제에 관해 의견

을 교환하고 그간의 정보지원에 관한 내용들을 종합

정리하기로 함

- 지원효과 대전방지 불소수지 코팅의 작업표준 및 관

리지침에 반영할 자료 제공 최근 관심의 대상이 되는

CNTs에 관한 기초지식 배양 및 정보수집과 분석 불

소수지에 사용되는 각종 충전제의 선정 시 참고 자료

확보

- 자료제공

① Francis J Clauss Chapter 9 Fluorocarbons

Solid Lubricants and Self-lubricating Solids 1972

pp195sim238

② Eunsoo Kang Seongcheol Choi Changhoon Choi

14

Sang Eun Shim Aqueous dispersion of

submicron-sized diamond particles for thermally

conductive polyurethane coating Colloids and

Surfaces A Physiochem Eng Aspects415(2012)

pp255-261

③ Masaaki Yamane Tadeusz A Stolarski Shogo

Tobe Influence of counter material on friction

and wear performance of PTFEndashmetal binary

coatings Tribology International Vol 41 (2008)

pp269ndash281

④ M Pazderova M Bradac M Vales

Tribological Behaviour of Composite Coatings

Procedia Engineering Vol 10 (2011) pp472-477

⑤ S Rossi F Deflorian F Venturini

Improvement of Surface finishing and Corrosion

Resistance of Prototypes by Direct Metal Laser

Sintering Journal of Materials Processing

Technology Vol 148 (2004) pp301-309

⑥ S Rossi F Chini etal Corrosion Protection

Properties of Electroless NickelPTFE Phosph-

ateMoS2 and BronzePTFE Coatings Applied to

Wear Resistance of Carbon Steel Surface and

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Coatings Technology Vol 173 (2003) pp235-242

⑦ VC Malshe Nivedita S Sangaji Fluorinated

Acrylic Copolymers Part I Study of Clear

Coatings Progress in Organic Coatings Vol 53

(2005) pp207-211

⑧ Xing-Dong Yuan Xiao-Jie Yang A Study on

Friction and Wear Properties of PTFE Coatings

under Vacuum Conditions Wear Vol 269 (2010)

pp291-297

⑨ Amel Delimi Elisabeth Galopin etal

Investigation of the Corrosion Behaviour of

Carbon Steel Coated with Fluoropolymer Thin

Films Surface amp Coatings Technology Vol 205

(2011) pp4011-4017

⑩ 이계영 김태균 김종구 ldquo내마모성 및 윤활성 코팅

조성물rdquo 대한민국특허 등록번호 10-1151909 (2012)

⑪ Thomae Kart J Multilayer Corrosion Resist

ant Finish and Method WO 2006017259(2006)

⑫ (주)바론에스엘 ldquo불소수지와 세라믹의 유무기

하이브리드 코팅 조성물 및 그를 이용한 도막 형성

방법rdquo 대한민국 공개특허 10-2013-0028553 (2013)

16

4 4차 지원

일시 및 장소 2013년 7월 25일(목요일) 1000-1400시 신청

업체 2층 회의실

참석자 성용선(연구소장) 이채영 차장 및 연구원

주제 및 토의사항

- 지원내용과 향후지원계획 발암물질인 석면대체재로써

테플론의 개발 동향을 나선 권형 가스켓과 자동차브

레이크 제동장치를 중심으로 토의하고 내마모 특성을

필요로 하는 DLC 코팅에 관한 정보제공과 DLC 특성

에 관해 집중 토의함 환경문제와 관련하여 대두되고

있는 테플론 분해가스 등 안정성 문제에 관한 자료를

제공하고 이에 관한 의견을 교환함 그간의 제공 정보

를 종합하고 8월 말 작성예정인 최종보고서 내용을

협의하였음

-지원효과 신기술 개발을 위한 내마모 코팅 DLC코팅

환경문제를 고려한 친환경 제품 등 신기술과 신공정

개발을 위한 개념을 확립하였음

17

- 자료제공

① WO 2006047500(Henkelkommanditgesellschaft auf

Aktien Article of Manufacture and Process for

Anodically Coating an Aluminum Substrate with

Ceramic Oxides Prior to Organic or Inorganic

Coating)

② 이치옹 분석자료 ldquo나선형 개스킷의 비석면화rdquo

Takashi Miyoshi 배관기술(일) Vol 46(10) 2004

pp43-47

③ 유호천 ldquoDLC 코팅 표면처리rdquo KISTI 중소기업 정

보지원 2011 10 11

④ 유호천 ldquoPVD DLC TRD 코팅설비를 활용한 복

합충 개발및 제품적용rdquo KISTI 중소기업 정보지원

2010 10 21

⑤ 국립환경과학원 ldquo화학물질 배출량 조사 OECD와 협

력강화rdquo 보도자료 (2010 11 18)

⑥ ldquo새로운 코팅기술과 공구에 대한 적용rdquo 월간기계기술

기자 2005년 3월호

⑦ Teflon off-gas studies Environmental Working

Group Ewg Org Retrieved on 2013-01-01

⑧식품의약품안전청 ldquo식품용 기구 및 용기 포장 공전rdquo

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2012

⑨ 廣野高生 ldquo環境保全型フッ素系 撥水撥油剤の 開發

と 工業化rdquo ファインケミカル(日本) 37(11) 2008

pp39-44 이치옹 모니터링분석 KISTI

5 5차 지원

일시 및 장소 2013년 8월 21일(수요일) 1000-1400시 신청

업체 2층 회의실

참석자 성용선(연구소장) 이채영 차장 및 연구원

김학주(전문연구위원) 성용길(전문연구위원)

김종헌(KISTI 연구책임자)

주제 및 토의사항

1 불소화합물의 안전성과 환경대책 정보지원 결과 종합

등 최종보고서(안) 내용에 관한 의견교환

2 지원의 한계와 기대효과에 관한 의견 교환

3 건의 사항 등

19

세부 지원 내용

⑴플루오르화탄소 플라스틱의 특성

Teflon TFE(폴리테트라플루오로에틸렌)은 1940년대부

터 사용되어 왔으며 Teflon FEP(플루오르화에틸렌프

로필렌 공중합체)는 1958년에 소개되었고 압출 및 사

출성형이 용이하며 TFE 유형은 딱딱하고 낮은 마찰계

수를 가지며 마모에 강하고 보다 높은 온도에서 사용

가능하다 이 외에도 플루오르화탄소 플라스틱에는 폴

리염화플루오르화에틸렌(CFE 또는 CTFE)와 폴리비닐

리덴플루오라이드(PVF) 등이 있다 플루오르화탄소 플

라스틱은 그 코팅방법에 따라서도 응용범위가 광범위

하게 발전되어 왔으며 그 용도는 주방용기로부터 기

계 자동차 반도체는 물론 우주항공 산업 부품에 이르

기까지 무한하며 상업 생산되고 있는 플루오르화탄소

플라스틱은 표 3-11)과 같다

PTFE는 열가소성 플라스틱으로 상온에서 밀도 약 2200

인 백색고체로 융점은 327이며 마찰 및 마모 특

성을 나타내는 마찰계수는 고체재료 중 BAM(alumi-

20

nium magnesium boride 마찰계수 002)과 DLC

(diamond-like carbon 마찰계수005)에 이어 3번째로

낮은 005-010로 반데르발스 힘에 대한 저항력으로 도

마뱀이 붙을 수 없는 유일한 표면으로 알려져 있다2)

표 3-1 플루오르화탄소 플라스틱의 유형1)

21

Teflon의 유용한 기계적 특성은 -450sim500(-267sim

260)에서 유지되며 여러 가지 특성들은 가공기술을

바꾸어 변경시킬 수 있다 마찰 및 마모 특성을 나타

내는 마찰계수들은 시험조건에 따라 다르며 Teflon은

증기압이 극히 낮아 진공에서도 우수한 안정성을 가

지며 방사선 안정도는 부족하나 방사선 내용성은 극

히 높다

테프론의 특징은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat-

resistant) 비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coeffi-

cient of friction) 내약품성(chemical resistance) 특이한

전기적특성(unique electrical properties) 저온내구력

(cryogenic stability)으로 대표된다3)

- 테프론 코팅된 표면에는 거의 모든 물질이 달라붙지

않으며 내열성(heat-resistant)이 우수하여 -260sim+26

0까지 사용할 수 있고 단시간 사용의 경우에는 30

0까지 견디며 Teflon FEP는 232에서 연속사용이

가능하다 비유성(non-wetting)이 우수하여 표면에 물

이나 기름이 잘 묻지 않아 표면이 오염되지 않아 쉽

게 청소가 가능하고 기계설비의 보수시간이 단축되어

생산성을 향상시킬 수 있다 테프론은 비-절연성은 물

22

론 비-유전정접과 우수한 표면 저항률을 보인다

⑵ 플루오르화탄소 수지 코팅

얇고 강인한 플루오르화탄소 수지 필름을 금속 등에

소결이나 수지-접착에 의해 바르면 기질에 침착된 필

름은 저온흐름으로 고체 플루오르화탄소 수지보다 낮

은 마찰계수를 띠고 금속은 양호한 열전도도를 갖고

열을 분산할 수 있어 고속으로 운전할 수 있고 양호한

내구성을 갖게 된다

1950년대 미국 해군연구소에서 소결 Teflon TFE필름을

수성 분산액(현탁질)으로부터 무기 탄약통 비행기부

품 잠수함부품의 건조-필름 윤활제 및 보호 코팅용으

로 개발한 후 이것들은 기어 정첩(hinges) 샤프트 베

어링 밸브 플러그 콕 피스톤 링이나 그 외의 산업분

야에 응용되고 있다

- 실제로 적절한 테플론 현탁질을 고체 표면에 침적한

후 수분 증발이 너무 빠르지 않게 공기에서 필름이

건조되게 한 후 테플론 입자들이 연화 및 소결되도록

건조된 표면을 약 385(725)로 가열하고 냉각하면

23

얇은 연속 필름이 표면에 남지만 필름 중의 많은 작

은 세공들은 테플론의 높은 용융점도 때문에 제거할

수 없다 세공들은 윤활 작용에는 제한을 받지 않으나

녹슬거나 부식의 공격점이 되어 부식방지를 위해서는

1회 이상의 박막 추가 코팅이 반복되고 보통 2회 코

팅으로 충분하나 각 침적 테플론 층은 두께가 00003

인치(762)를 초과하지 않아야 하며 그렇지 않으면

말린 진흙 같이 균열이 발생한다 필름이 윤활제로 사

용될 때는 필름두께가 00006-00007인치(152-178)

를 초과하지 않아야 한다1)

- 테플론코팅은 통상으로 존재하는 표면 산화물이 제거

되지 않은 깨끗하고 탈지된 강철 황동 및 알루미늄금

속표면일 때 가장 잘 접착한다 만일 산세척에 의해

과잉 두께의 산화물이 제거되었다면 필수적으로 얇은

산화층이 형성될 때까지 공기 중에서 가열한다 접착

은 실표면적이 증가하면 증가하므로 경면가공(mirror

finish)보다 모래분사가공이나 무광택가공이 양호하다

- 테플론 코팅된 표면의 마찰계수는 금속기질 표면을

거칠게 함으로써 낮출 수 있으나 미끄럼마찰 조건 아

래 내구성은 금속의 거칠기가 32마이크로인치(rms)를

초과하면 감소한다

24

철강 기질의 인산처리는 소결 Teflon TFE필름의 마모

수명을 향상시킨다고 보고되었으며 양극처리 된 코팅

의 경도 및 내마모성과 불소수지의 윤활성을 결합하기

위해 다공성 경화 양극처리 알루미늄 위에 불소수지를

침윤하여 왔다 Teflon S 마감재는 Du Pont이 도입한

최초의 수성-기초 분산 TFE FEP로 이들은 ldquo계층화

된rdquo 마감재이다 Francis J Clauss1)는 다양한 용도에

서의 Du Pont사 제품들의 선정 가이드를 표로 종합하

였으며 이것을 요약하면 표 3-2와 같다

- 테플론 코팅은 프라이머 단층 프라이머 코팅 후 에나

멜이나 클리어 마감 또는 프라이머 에나멜과 클리어

마감 등 3-코팅 시스템으로 구성된다 프라이머들은

금속이나 세라믹 기질에 접착을 향상시키기 위해 개

질제를 함유한다 프라이머들은 가끔 1회 코팅 마감재

로 사용되나 음식물과 접촉하는 용도로는 반드시 에

나멜이나 클리어 마감재로 마무리 칠을 하여야 한다

프라이머는 층간 접착력이 부족하기 때문에 다중 코

팅에 적용될 수 없고 만일 06mil 이상의 코팅이 필요

하면 프라이머는 에나멜이나 클리어 마감재로 마무리

칠을 하여야 한다

25

표 3-2 테플론 코팅 두께1)

최종

용도대표적 용도

전체두

께(mils)

프라이머에나멜클리어

가공(mils)

비점착

산업

직물 슬래셔 통

열 봉합 봉 고무경화 롤러

우레탄과 에폭시 경화 주형

제빙기

목재 고무 주석도금 아연

10-25

07

20-50

08-13

07

03 07-22 07-10

07 마무리칠 불가

03 07-37 10min

03 05-10 05-10

07 마무리칠 불가

식품

프라이팬 내열접시

반죽롤러

캔디 장치

08-12

10-30

20-30

03 05-09

03 07-27

03 07-17 10

One-coat

system

금지

드라이

윤활

플러그 밸브

유리병 제조 전달 장치

베어링

03-07

15-25

05-07

03-07

03 03-05 03-05

02

전기

전자

저항기 코팅

아이들 롤러(제지 섬유 공업)

세라믹 절연체

40-50

10-15

20-25

03 37-47

03 07-12

03 17-22

부식

방지용기 라이닝 gt50 03 47 또는 5-10 이상

Non-

wetting콘덴서 튜브 02-04 02-04

- 유색 프라이머는 통상 안료가 필름의 범위와 두께를

시각적으로 체크할 수 있게 하므로 그렇지 않은 것에

비해 더 선호된다 에나멜과 클리어 마감재는 충분한

접착을 위해 프라이머 위에 발라야 한다 ldquo진흙 갈라

짐 현상(mud-cracking)은 코팅 당 최대 두께를

10mil로 한정하나 다중 코팅에 의해 극단적이 조건

하에 전체 두께를 10mils까지 바를 수 있으며 각각의

26

코팅은 분리하여 구워진다

불소화 고분자들은 낮은 표면장력 물과 기름에 젖지 않

고 비점착성이며 방오 특성(antifouling properties) 등을

갖기 때문에 다양한 특수 코팅에 적용되나 합성과 조성

이 몇몇 제조업자들에 독점되어 있고 값비싼 중간체를

필요로 한다 VC Malshe 등4)은 플루오르 함량이

4-10인 불소화된 아크릴 공중합체를 간단한 방법으로

합성하고 클리어 코팅하여 광학적 기계적 및 보호 특성

을 연구하였다

최근 에너지 절감과 CO2규제와 같은 환경규제에 대한 대

응 필요성이 증가하면서 발전소나 각종 보일러 시스템에

서 배가스로 배출되는 응축잠열 에너지의 회수 및 활용

에 관심이 증가되고 있다 Lee 등5)은 스테인레스 관 표

면에 400정도의 두께로 테플론을 코팅한 전열관에서

관의 열 및 응축 열전달 특성을 연구하여 테플론 코팅관

의 총괄 열전달 계수는 스테인레스 관보다 약 20 작은

것으로 나타나고 응축열전달 계수는 유사하였음을 보고

하였다

알루미늄 용광로의 비-여과 배출가스에 장기간 사용하기

적합한 역류 열교환기에 관한 것으로 원통형 쉘의 표면

27

은 알루미늄 용광로 배출가스 입자 및또는 먼지 및 부

식 흄과 접촉될 수 있어 테프론 계로 코팅 처리하는 특

허6)가 있다 이 특허에서는 원통형 쉘을 만들도록 복재

(web member 웨브재)와 함께 연결된 유체 운반튜브로

이루어진다 각 원통형 쉘에 위치한 헤더는 열교환기의

튜브에서 튜브로 유체를 공급하며 뜨거운 난류가스에 작

용하여 스케일링을 최소화하기 위해 헤더의 보호덮개를

설치한다

저온에서 고온에 이르는 환경에서 유체에 사용되는 배관

튜브는 열에 의한 경시적 열화가 진행되어 균열 발생이

쉽다 가동부에 사용되는 배관 튜브는 움직임이 수반되어

그 경향이 현저하며 반도체 제조장치에 일반으로 사용되

는 실리콘튜브는 저온에서 열화되어 파손되기 쉽다 이러

한 문제점을 해결하기 위해 실리콘 튜브 외측 표면을 테

플론으로 코팅하여 균열발생을 억제함으로써 장시간 사

용 가능하도록 고안한 특허7)가 있다

섬유상 부직포로 제작하는 다공성 여과필터는 다양한 산

업공정의 배출가스를 정화시키는 데 사용되며 특히 중고

온 환경에서 사용이 가능한 다양한 종류의 기능성 필터

의 개발이 요망된다 일반으로 소각장 및 발전소 등의 중

고온 조건에서 사용되는 Nomex를 비롯한 섬유상 필터는

28

200 이상에서는 열변형으로 사용이 제한적이고 세라믹

필터와 같이 고온에서 적용이 가능한 소재는 매우 고가

일 뿐 아니라 초기 작업으로 인해 에너지 사용량이 매우

높아지는 문제점이 있다 Kim 등8)은 250-300 영역의

중고온의 배출가스를 처리하기 위한 필터에 표면 소수성

과 고온 안정성을 부여하기 위하여 표 3-3과 같은 조성

으로 그림 3-1과 같은 장치를 이용하여 테플론 수지를

거품 형태의 코팅액으로 조제하여 유리섬유 원단에 공급

하여 표면코팅하고 열처리 및 압착과정을 거친 후 표면

분석하였다

표 3-3 테플론 코팅을 위한 화학첨가제8)

테플론 코팅이 전기 집진장치에 활용되는 특허도 있다

종전 사이클론 방식의 전기집진기에서는 집진부의 먼지

를 떨어뜨리는 것이 용이하지 않았다 발명자들은 먼지

압축 기능을 갖는 집진실 내측에 테플론 가공을 하여 정

전기에 의한 미세먼지의 부착을 억제함으로써 집진실의

먼지를 원 터치로 처리할 수 있도록 하였다9)

29

그림 3-1 테플론 거품코팅8)

일반으로 테프론을 조리용기에 코팅하는 방법은 금속소

재를 사용 제품형태로 제작한 후 세척하고 에이징(소둔)

처리한 후 샌딩하여 표면조도를 유지하도록 하고 표면에

프리머 처리하여 베이킹 처리한 후 분사방법으로 테프론

코팅을 하고 다시 베이킹 처리하므로 공정이 복잡하고

제조원가가 상승하며 부착력에 한계가 있다한다 (주) 엘

지아이 특허10)에서는 피처리물을 세척한 후 산질화처리

하여 표면에 열처리 층이 형성되게 한 후 테프론을 코팅

하고 베이킹 처리하는 것을 특징으로 한다 그 외에 내열

세라믹 주방용기의 불소수지 코팅방법에 관한 특허가 있

다11)

(주) 봉성비에스는 차량의 주행 충격을 흡수하는 완충기

30

내부에 삽입하는 피스톤 외주면의 마찰과 소음을 최소화

하기 위한 목적으로 테프론 코팅을 하기 위한 코팅장치

를 등록하였다12)

⑶ 대전 방지 플루오르화탄소 수지 코팅

ㅇ 본래 불소수지 자체는 높은 절연성과 큰 대전성을 갖고

있기 때문에 도전 효과를 얻기 위해서는 분상 필러를 다

량으로 충전할 필요가 있으나 이렇게 하면 비점착성이

떨어진다 여러 회사들의 제품 안내서들을 종합한 불소수

지의 전기적 특성은 표 3-4와 같다

표 3-4 불소수지의 전기 특성

특성측정법

(ASTM)단위

PTFE

(비충전)

PTFE

(25

유리충전)

PTFE

(25

탄소충전)

표면 내아크성 D495 sec 75-110

체적저항

(비저항)D257

ohm-

cmgt1018 gt1016 104

표면저항 D257ohm

sq-1 gt10

14

유전율(유전상

수) at 1MHzD150-81 e 25 24

절연내력 short

time 18thickD149

kv

mm285

유전정접(유전

정합) at 1MHzD150-81 lt00002 005

31

ㅇ 불소수지는 내열성 내한성이 높고 내약품성 내연소성

난연성이 우수하고 절연성 및 비점착성과 저 마찰계수를

갖고 있으나 절연성이 높아 정전재해의 원인이 될 수 있

어 재해 방지를 위해 대전 방지 또는 저저항을 특징으로

하는 불소수지 가공품이 개발되어 사용범위가 넓어지고

있다

불소수지에 충전하여 저저항으로 하는 필러에는 일반적

으로 도전성이 높은 카본 금속 또는 산화알루미늄 등의

금속산화물이 사용된다 재료의 형상으로는 미분 탄소

스테인레스 스틸 니켈 금속분과 같은 입상물 단섬유 탄

소섬유 위스커(whisker) 등이 사용된다

- 미분은 비표면적이 크기 때문에 소량의 충전으로 저

항치를 내릴 수 있으나 약품의 침투가 있는 경우 비

표면적이 크기 때문에 약품의 영향을 받기 쉬워 내부

식성 떨어질 가능성이 크다

- 입자상물질들은 미분에 비해 비표면적이 작기 때문에

약품의 영향을 비교적 적게 받지만 저항치를 내리기

위해 충전량이 많게 되어 불소수지의 특징인 비점착

성과 저마찰계수 특성을 저해한다 섬유 위스커 형상

은 단방향에 대한 장방향의 비가 클수록 적은 충전량

32

으로 저항치를 낮출 수 있지만 분산이 나쁘면 요철이

발생한다 부식 방지 코팅에서는 충전제의 내약품성이

관건이다 즉 부식 환경에서 불소수지 자체는 충분히

견디어도 충전제가 내약품성이 없으면 충전제가 서서

히 에칭되어 기기가 부식될 가능성이 크다

화학 석유 및 정제 산업에서는 시험 검사 세척 및 다양

한 공정의 용기 저장 탱크 반응기와 같은 많은 구성요

소들이 사용되며 플루오르화 고분자는 고온에서 높은 열

안정성을 갖고 다양한 유기용매에 전혀 용해되지 않으므

로 부식방지 등을 위해 플루오르화 고분자와 같은 내화

학성 고분자로 코팅된다 그러나 이들 고분자는 코팅된

구성요소의 표면에 정전하 축적을 조장하기 때문에 폭발

성 환경에서는 사용할 수 없다

특히 이들 구성요소들의 금속 구조물은 용기나 탱크에

보관된 가스 증기 분진의 이동에 의해 생성된 정전하

(electrostatic charge)를 흐르게 하는 전도경로가 되나 금

속표면을 강산 강알칼리나 유기용제에 의해 침투되는 방

지하기 위한 목적으로 부식방지 테플론으로 코팅될 경우

얇은 필름의 비-전도체로 작용하므로 폭발성 환경에서

사용을 규제하고 있다

33

- 예로 유럽 표준 EN 50014 section 732에서는 정전

하로 인한 발화 위험을 피하기 위해 사용 보수 및 세

척 조건 하에 설계된 울(enclosure)이 필요하고 울의

절연저항은 1GΩ을 초과할 수 없도록 규제하고 있고

일본은 후생노동성 관할 산업안전연구소의 정전기 안

전지침의 누설 저항치는 108Ω 이하로 되어 있다

- 따라서 부식 및 폭발성 환경에서 안전하고 다양한 구

성 요소에 적용할 수 있는 정전방지 비-발화 테플론

코팅기술을 요하며 정전방지 코팅은 표면저항을 낮추

기 위해 카본블랙이나 개질 전도성 탄소 금속이나 전

도성 고분자를 테플론에 충전하여 코팅한다

폭발성 환경용 내화학약품 특성과 대전방지 비발화

코팅 조성물로는 높은 비저항을 갖는 플루오르 고분자

50-90wt 10-50wt의 전도성물질인 탄소분(carbon

powder)으로 이루어진 Solex Robotics Systems Inc

특허가 있다13)

- 폭발환경에서 사용되는 이상적인 코팅은 정전하를 피

하기 위해 낮은 비저항을 가져야 한다 완벽한 전도체

는 비저항이 영(0)이고 완벽한 절연체는 무한 비저항

34

을 갖는다 금속(구리 금 같은) 합금(망가닌 Mn-Ni-

Cu 니크롬 Ni-Cr-Fe) 반도체(카본이나 게르마늄)는

낮은 비저항을 갖고 있어 좋은 도체이다

- 수많은 고분자 기초 코팅들이 부식화학 환경에 사용

되었으나 85GΩ 이상의 비저항으로 대전방지 시험에

서 실패하였다 정전기 도체로 인증기준 아래 적합하

기 위해서는 100cm2이상의 노출 표면이 1GΩ 이하의

비저항이어야 한다 코팅에 첨가된 탄소분은 전도도를

증가시키며 10-50의 함량은 1GΩ 이하의 비저항을

만족시킨다

비전도성 표면의 표면저항을 감소시키도록 카본이나 금

속을 사용하여 대전방지를 부여하는 공정의 단점으로는

카본이나 금속의 접착력이 낮아 입자의 마모가 일어나

장기간 사용 시 대전방지 수준이 감소하는 것이다 더욱

클린룸에서 입자의 방출은 심각한 문제가 된다 대부분의

비전도성 기질은 통상 23 상대습도 50에서 표면 비

저항이 109ohmsquare 이상으로 높고 PTFE 경우는 10

12

ohmsquare이상이다14)

반도체 제조 장치에서는 웨이퍼 기판을 안착하기 위해

작업 스테이지를 사용하며 작업스테이지는 통상 금속과

35

세라믹으로 제작되나 웨이퍼기판을 작업스테이지에 올려

놓을 때 작업스테이지와 웨이퍼기판 사이에 마찰 정전기

가 발생한다 FPD(flat panel diplay 평판표시)용 디스펜

서(dispenser)에 사용되는 작업스테이지는 진공방식으로

디스플레이 기판을 흡착 고정하며 흡착 고정되었던 디스

플레이 기판이 작업스테이지에서 박리될 때 작업스테이

지에 정전기가 발생하여 디스플레이 기판에 대전된다 최

근 디스플레이 기판이 대형화됨에 따라 대전량이 증가되

고 정전기 대전문제가 더욱 심각해지고 있다 웨이퍼기판

이나 디스플레이기판에는 반도체소자 등 다수의 전자부

품들이 배치되어 있기 때문에 정전기가 발생되면 전자부

품의 신뢰성에 치명적 손상을 주고 기판에 분진이 부착

되거나 정전기의 대전으로 기판 리프트 업(lift up)시 기

판이 깨어지는 문제가 발생한다 정전기 대전을 방지하기

위해서는 작업스테이지에 이오나이저를 설치하여 중화하

기도하나 리프트 업이 불가능하거나 이온풍이 도달하기

전 방전하는 등 작업 스테이지와 기판 사이에서 발생한

정전기가 순간적으로 일으키는 박리대전 문제를 해결하

기 어려워 작업 스테이지의 정전기 방지를 위해 불소수

지로 코팅한다

- 불소수지는 다른 물질과의 흡착에너지가 작고 비점착

성이 우수하며 마찰계수가 작아 유리기판과의 상관관

36

계가 작아져 박리에 의한 정전기의 발생량이 적어지

나 불소수지는 절연성을 가지므로 테프론 코팅에서는

카본 블랙이나 전도성 고분자 등을 필러로 사용한다

대전방지가 필요한 반도체 제조장비 디스플레이 장치 및

테스트 장치 등의 작업 스테이지를 테프론 코팅함으로써

작업 스테이지의 정전기 발생을 방지하는 방법의 단점의

하나는 제작비용이 상대적으로 많이 드는 것으로 디스펜

서의 경우 디스플레이 기판이 대형화됨에 따라 작업 스

테이지의 크기가 커져 제작비용이 증가한다 또한 불소수

지의 경도가 낮아 코팅 막에 스크래치가 발생하고 이 부

분은 평탄도 유지가 어려우며 입자들이 발생하는 요인으

로 작용하며 불소수지가 절연성이므로 카본블랙이나 전

도성 고분자 등의 도전성 필러를 충전하여 대전방지에

적합한 면-저항을 갖도록 할 경우 카본블랙은 구형으로

분진이 발생하는 문제점이 있고 전도성 고분자를 사용할

경우는 내용제성이 약하고 과량의 바인더를 사용하여야

하며 박막 형성이 어렵고 불소수지의 경도를 보완하기

위해 아노다이징 처리를 하는 경우는 이후 별도의 코팅

과정을 거쳐야 하므로 제작비용과 제작시간이 증가하는

등 여러 가지 단점들이 있다 이러한 문제점들을 해결하

기 위한 방법으로는 작업 스테이지와 기판이 만나는 면

에 정전기 발생을 최소화시킴과 동시에 그 제조비용이

37

절감되고 적절한 면-저항을 조절할 수 있으며 마찰계수

가 낮고 내마모성이 향상된 작업스테이지 표면의 대전방

지 처리 방법에 관한 국내의 탑나노시스 사의 특허15)가

있다

- 탑나노시스 사의 특허 목적은 작업스테이지의 기판과

만나는 면에 정전기의 발생을 최소화시킴과 동시에

그 제조비용이 저감되고 적절히 면-저항을 조절할 수

있으며 마찰계수가 낮고 내마모성이 향상된 스테이지

표면의 대전방지 처리 방법에 관한 것으로 이 특허에

서는 금속소재의 작업 스테이지 표면을 아노다이징

처리하여 복수의 산화표면 홀들을 형성시키고 여기에

탄소나노튜브를 삽입하고 경화하며 탄소나노튜브 경

화 후에 표면을 봉공 처리한다

- 작업스테이지 표면은 106-10

9Ωsq의 면-저항을 갖는

것이 바람직하며 산화표면 홀들은 직경 30-900nm 깊

이 100-900nm가 바람직하다 아노다이징 처리를 하는

금속소재는 Al Mg Zn Ti Ta(탄탈륨) Hf(하프늄)

Nb(니오븀) 등일 수 있고 이 발명에서는 가벼우며 일

정 강도를 갖고 가공성이 우수한 Al합금을 예로 들어

설명하고 있다

38

- 알루미늄소재 작업스테이지 표면에 산화피막(Al2O3)처

리를 하는 아노다이징(anodizing 양극산화)에서 전해

액은 수산화나트륨이나 수산과 황산 등이 사용될 수

있고 수산화나트륨의 농도(20-50) 공급전압 전류

및 시간 등을 조절하여 산화표면 홀의 크기(D)와 깊

이(L)를 조절하며 D와 L에 따라 대전방지 효과나 내

구성 및 표면경도를 조절한다

- 탄소나노튜브를 산화표면 홀 내에 삽입시키는 단계는

전해 흡착 하여 이루어질 수 있고 정전도장을 통해서

도 이루어질 수 있다 탄소나노튜브는 분산제를 포함

하는 용액으로 코팅되며 분산제로는 소듐 도데실설페

이트(SDS) 트리톤X Tween20(폴리옥시에틸렌 소르

비탄모노올레이트) CTAB(cetyl trimethyl ammonium

bromide)를 예로 들고 있으며 탄소나노튜브 용액은

아크릴계 우레탄계 등 또는 전도성 고분자계 유무기

하이브리드계 바인더가 포함될 수 있다

- 봉공처리는 산화표면 홀과 산화피막을 봉공하여 내식

성 등이 향상되도록 보호 층을 형성시키는 것으로 비

등수 가압증기에 의한 수화봉공 금속염을 포함한 열

수에 의한 금속염 봉공 오일로 도포나 침적하는 유기

물 봉공 양극산화 피막 층에 도장하는 도장에 의한

39

봉공 등이 있다

반도체 소자를 제조하는 과정에는 불순물 이온을

주입하는 장비가 이용되고 있다 (주)하이닉스 반도

체의 특허에서는 이온주입 장비의 웨이퍼 지지 장

치 리프트 핀의 끝단을 라운드 처리하고 리프트 핀

에 테플론을 코팅하여 리프트 핀과 웨이퍼 후면의

접촉 시 웨이퍼 후면에 스크래치와 같은 손상이 유

발되는 것을 억제할 수 있게 한다16)

⑷ 탄소나노튜브(CNTs Carbon Nano Tubes)17)

탄소나노튜브는 탄소의 동소체로 1991년 일본 NEC 연구

소의 Ijima박사에 의해 전자 현미경을 통해 처음으로 확

인되었다 1985년에 Kroto와 Smalley가 탄소의 동소체인

풀러렌(탄소 원자 60개가 모인 것C60)을 처음으로 발

견한 이후 전기방전 시 흑연 음극 상에 형성된 탄소덩어

리를 투과전자현미경으로 분석하는 과정에서 발견하여

Nature학술지에 처음으로 발표되었다18) 탄소나노튜브에

서 탄소원자 하나는 주위의 다른 탄소원자 3개와 sp2결

합을 하여 육각형 벌집무늬를 형성하며 이 튜브의 직경

이 대략 수 나노미터(nm nanometer) 정도로 극히 작기

40

때문에 나노튜브라고 부르게 되었다 이 탄소나노튜브는

전기 세기가 클수록 더 수축하는 성질을 가지고 있는 등

튜브의 직경이 nm수준으로 극히 작아서 특유의 전기화

학적 특성을 나타낸다

Ku 등19)에 의하면 CNTs는 전기방사법(arc-discharge)

레이저증발 법(laser vaporization) 플라즈마 화학기상증

착 법(plasma enhanced chemical vapor deposition) 열

화학 기상증착 법(thermal chemical vapor deposition) 등

의 다양한 합성법이 개발되어 대량생산이 가능하다

CNTs의 종류는 벽의 수에 따라 단일 벽 탄소나노튜브

(SWNTs) 이중 벽 탄소나노튜브(DWNTs) 다중벽 탄소

나노튜브(MWNTs)가 있으며 물성에 관한 많은 연구결

과 기계적 전기적 열적으로 우수한 성능을 갖고 있음이

입증되었다

CNTs는 인장강도와 탄성률 면에서 지금까지 발견된 재

료 중 가장 강하고 질기며 다중벽 CNT는 63GPa에 이른

다 표준 단일 벽 CNT는 25GPa의 압력까지 변형 없이

지탱된다 그래핀의 대칭성과 특이한 전기적 구조 때문에

CNTs의 구조는 그것의 전기적 특성에 영향을 미쳐 금속

성이나 반도체의 특성을 나타내고 이론적으로 금속성

41

CNTs는 구리와 같은 금속의 1000배가 큰 4times109Acm

2

전류 밀도를 운반할 수 있으며 나노크기의 단면으로 전

자가 튜브의 축 방향으로만 전파되고 전자의 이동은 양

자효과를 수반하여 1차원 전도체로 간주된다

CNTs는 우수한 물성과 상대적으로 큰 표면적으로 갖고

있어 충전제(filler)로써 에폭시 폴리스틸렌 폴리우레탄

등 고분자와 혼합하여 폴리머의 기계적 전기적 특성을

향상시키려는 연구가 활발하다 CNTs가 폴리머 중에서

충전제 역할을 하기 위해서는 고른 분산이 필요하나 반

데르발스 힘에 의한 CNTs 응집현상(agglomeration)으로

인해 효과적인 분산이 어려워 오히려 폴리머의 물성을

저해하므로 이것을 개선하기 위한 다양한 기계적 화학적

분산 방법이 연구되고 있다

- CNTs를 분산시키기 위한 가장 일반적인 방법은 용매

나 폴리머에 CNTs를 투입하고 초음파처리를 하는 것

으로 초음파처리를 하면 SWNTs의 길이가 짧아지고

다발(bundle)이 얇아져 분산력이 증가한다

- CNTs 표면을 산이나 아민으로 기능화하여 분산을 높

이는 방법도 연구되고 있으며 MWNTs를 HNO3

H2O2NH4OH 용액에 침지시켜 MWNTs에폭시 복합

42

재료는 전기적 특성을 향상시키려는 연구와 산과 아

민 등의 기능기를 도입하여 SWNTs의 열전도도를 향

상시키려는 연구들이 수행되고 있다

- 기계적 분산방법인 전단혼합방법은 좁은 관이나 상대

적으로 높은 속도의 유동을 이용하여 발생한 전단력

으로 CNTs를 분산시키는 방법이다 Ku 등19)은 전단

혼합과 초음파처리를 이용하여 MWNTs로 강화된

에폭시 복합재료를 만들어 기계적 및 열적 특성을 연

구하였다

⑸ 내마모성 테프론 코팅

ㅇ 재료의 부식은 구조재에 원하지 않은 변화 원인으로 작

용하여 경제적인 문제로 귀결되는 심각한 문제이다 이들

원치 않는 변화는 때로 적절한 코팅에 의한 표면처리로

예방할 수 있다 가장 일반적이고 자주 사용되는 전착 코

팅은 아연에 기초한 아연 코팅 및 합금 코팅으로 이들

코팅은 간단한 기술로써 내부식성이 양호하여 전 표면처

리의 약 14에 해당하나 최근 낮은 마찰계수 등 다른 특

성들이 매우 중요하게 되었다 이들 특성은 다층 코팅으

로 대응할 수 있으나 두께가 증가하고 기술이 복잡하여

가능한 해결방법으로는 복합체 코팅이 있다 복합체 코팅

43

은 일반기계와 자동차 전자부품 및 컴퓨터 등 다양한 분

야에 적용된다 금속 기질에 미세한 PTFE 입자의 전착

에 의한 증착은 새로운 세대의 복합체 코팅으로써 가장

바람직한 특성은 양호한 내마모성 자기윤활 내부식성이

다 M Paderovaacute 등20)에 의하면 이들 특성은 주로 사용

한 입자(흑연 다이아몬드 MoS2 또는 PTFE)와 용액의

유형(pH 온도 bath 등) 뿐 아니라 입자의 크기 농도

분산 및 형태학에 의존한다

ㅇ 충전되지 않은 PTFE의 마모율은 736-741times10-4mm3Nm

로 내마모성이 낮아 다양한 충전제들이 첨가되고 있다

Xing-Dong Yuan 등21)은 진공 조건에서 PTFE 코팅

의 마모특성을 연구하여 초기에는 하중이 증가함에 따

라 마찰계수가 감소하나 하중이 6N 이상으로 커지면

마찰계수도 증가하며 압력이 PTFE 코팅의 마찰계수

에 미치는 영향이 거의 없고 마모는 압력이 증가하면

초기에는 감소하나 10Pa 보다 높으면 급격히 증가한

다고 보고하였다

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위해서는 윤활제로 PTFE

계 수지 접착제로는 폴리아미드이미드수지 산화철 분말

44

및 브론즈 분말 등을 혼합한 조성물을 사용하거나 미국

특허에서는 스와시플레이트 형 압축기의 플레이트 표면

에 MoS2 흑연 PTFE계 윤활제와 열경화성 수지인 폴리

아미드이미드(PAI) 조성물을 코팅하여 내마모 및 윤활성

을 부여하고 있다22) 내열성 향상을 위해서는 고체윤활

제 접착제수지 및 저융점 금속인 Sn Pb In Bi 등을 함

유하는 합금이나 화합물을 사용하여 금속의 잠열을 이용

내열성 향상을 시도하기도 한다

ㅇ 그간 철강(스테인리스강 탄소강 아연도금강판 등)의 내

부식성 향상을 위한 많은 연구들이 수행되어 왔다 4플루

오르에틸렌(C2H4) 4플루오르에탄(CF4) 6플루오르에탄

(C2F6) 3플루오르화에탄(CHF3) 8플루오르화에탄(C4F8)

같은 불소화된 단량체의 플라즈마 중합에 의한 테플론

류 코팅은 그들의 소수성으로 인해 금속의 내부식성 향

상을 위한 대안으로 주목을 받고 있다 A Delimi 등23)

은 유도결합 고주파플라즈마(inductively coupled radio

fre- quency plasma)를 사용하여 소수성 박막 불소수지

필름을 탄소강에 증착하고 3염수에서 내부식성을 평가

한 결과 1개월 동안 9nm의 필름이 유지되는 것을 관찰

하여 불소고분자 박막이 금속과 금속산화물의 보호층이

될 수 있음을 보고하였다

45

ㅇ PTFE를 이용한 세라믹코팅 기술로는 알루미늄 및 알루

미늄 합금 공작물을 양극처리에 의해서 티타늄 및또는

지르코늄 산화물을 포함하는 내식성 내열성 및 내마모

성 세라믹 코팅을 하고 이어서 양극처리된 공작물을

PTFE 또는 실리콘 함유 코팅과 같은 제 2 코팅으로 코

팅한다 이 발명은 가소성을 가지는 경질의 필름 내에서

내식성 내열성 및 내마모성을 제공하는 티타늄 및또는

지르코늄 산화물의 양극처리 층으로 기판을 예비-코팅함

으로써 알루미늄 기판에 보다 긴 수명의 코팅을 형성하

는데 특히 유용하다24)

ㅇ Nosaka 등25)은 PTFE로 대표되는 불소수지는 마모-링이

나 극저온 밸브의 실링부에 많이 사용되며 진공치환법에

의해 탄소재료에 PTFE나 MoS2 분말을 1-2wt 함침시

키면 무함침한 것에 비해 마모가 약 13로 감소한다고

보고하였다 한편 저자들은 터보펌프의 실링재료가 극저

온 환경에서 보이는 특이한 현상을 극복하기 위해 베어

링의 표면에 노출된 유리섬유를 불소산으로 처리하여 용

해 제거하고 윤활성을 높인 유리섬유강화 테프론 리테이

너를 개발하여 내구성과 윤활성을 향상시킬 수 있었다고

보고하고 있다

46

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위한 또 다른 특허로는

폴리실록산계 접착제를 단독 혹은 폴리에스테르계 접착

제와 병용하고 고체 윤활제로 MoS2(이황화몰리브덴

WS2(이황화텅스텐) h-BN(육방정 질화붕소) 팽창흑연

및 PTFE를 사용하고 충전제로 탄화규소 알루미나 산화

지르콘 산화티탄 등의 미분말을 사용하여 내마모 내열

및 윤활성을 부여하고자 하는 내마모성 및 윤활성 코팅

조성물에 관한 특허가 있다26)

ㅇ 내열성 내후성 내오염성 내약품성 내구성 등의 물성

은 유지하면서 비점착성을 높이기 위해 무기계 세라믹

코팅 조성물에 PTFE를 첨가하기도 한다 이러한 하이

브리드 코팅 조성물에 관한 특허로는 불소수지(01sim25

중량) 콜로이달 실리카나 콜로이달 알루미나 등 무

기계고분자 바인더(20sim80중량) 알콕시실란 화합물

(1sim50중량) 수용성 유기용제(1sim10중량) 충전제

또는 안료(5sim50중량) 및 물(100중량 까지 보충)로

이루어진 코팅 조성물에 관한 것으로 무기질 도료 및

무기계 세라믹 코팅에 의해 내열성 내오염성 내약품

성과 내구성을 유지하고 접착력을 높이기 위해 소량의

PTFE를 사용하는 것이 있다27)

47

ㅇ 정전 복사기에 사용되는 정착기재부의 최외층에 코팅하

여 기계적 성질 및 내마모성을 향상시키려는 목적으로

불소수지 기질 중에 분산된 불소화 다이아몬드를 함유하

는 입자로 구성된 조성물에 관한 일본 특허28)가 있다

ㅇ 부식 특성을 개선한 흑색 무크롬(chrome-free) 다층 내

부식 마무리 칠과 방법에 관한 특허29)로는 ASTM B 117

표준으로 시험할 때 백색 부식에는 최소 500시간 염수분

무시간 및 적색 부식에는 1500시간 염수분무시간에 적합

하게 설계된 마무리 칠에 관한 것이 있다 이 다층 시스

템은 광택(gloss) 4 이상을 만족하는 자동차 차체 강판

자동차 하부와 내장에 사용되기 위해 설계된 것으로 이

다층 마무리 칠은 3층 부식 방지 시스템을 형성하도록

아연-철 전기도금 기질 오르토인산을 사용한 무전해 인

산염 결정 전환 층과 XylanTeflon 실러 코팅의 조합이

다

ㅇ 전통적으로 철 강판(steel sheet)은 크롬산 염 전환 코팅

으로 개질되어 왔으나 6가 크롬이 배출되어 환경을 오염

시키는 문제점이 있어 강판의 내-부식성을 개선하기 위

해 고분자 수지 코팅들이 수행되고 있으나 이 방법은 고

48

분자 코팅 층이 열전도도를 감소시키는 단점을 가지고

있다 Kang 등30)은 강판 위의 고분자 코팅 층의 열전도

도를 향상시키기 위해 초미세-크기 다이몬드(μD)입자를

열전도 물질로 사용하였다 다양한 음이온 및 비-이온

계면활성제들을 사용하여 수용액 중에서 무거운 μD입자

의 안정화를 시험들을 한 결과 1-피렌카르복시산(PCA)

이 가장 양호하였다 그림 3-2는 이 시험 결과를 요약한

것이다

- 강판 위에 PCA로 안정화 된 μD 입자를 함유한 폴리

우레탄-기초 코팅 층은 열전도도가 0351W(mK)에서

0434 W(mK)(10 wtμD)로 향상되었으며 더욱 144

시간 동안 염수 분무 시험결과 부식거동은 관찰되지

않았다

그림 3-2 피렌카르복시산을 이용한 μD 표면처리

ㅇ 자동차공업에서는 기본적인 특성으로 내마모성이 요구되

49

는 강철 기계부품들의 마찰특성을 향상시키기 위해 다양

한 금속 및 고분자 코팅들이 광범하게 이용된다 내-마

모 코팅은 두 가지 주요 특성인 높은 표면경도와 자기-

윤활 특성이 필요하다 후자의 범주에 속하는 것이

PTFE와 MoS2 기초 코팅이다 무전해 니켈 코팅은 높은

경도로 인해 양호한 마찰 특성을 보이며 한편 열처리를

통해 경도를 향상시킬 수 있다 PTFE입자의 첨가는 코

팅경도를 감소시키나 자기-윤활특성을 부여한다 S

Rossi 등3132)은 마찰특성을 향상시키기 위해 이용되는 탄

소강에 이용되는 몇 가지 공업적인 코팅에 관한 부식거

동에 관해 평가 PTFE입자를 함유한 무전해 니켈-인

(Electroless Nickel-Phophorus)코팅은 PTFE 입자(자기-

윤활 특성)를 갖는 외층과 장벽-효과를 갖는 내층으로

인한 이중 특성으로 가장 양호한 특성을 보였다고 보고

하고 있다

ㅇ 모든 기계적 시스템은 동적 요소를 필요로 하며 마찰과

마모를 줄이기 위한 다양한 수단들이 가능하나 그 선택

은 환경이나 조작 조건에 제한을 받는다 PTFE는 자기

윤활 낮은 마찰계수 높은 열안정성과 화학약품 안정성

으로 산업분야에 널리 사용되는 엔지니어링 고분자이지

만 내마모성이 매우 부족하다 이러한 이유로 금속

-PTFE충전 복합체들이 PTFE의 마찰특성과 금속충전제

50

의 내마모성을 결합하여 특정 분야의 용도로 소개되어

왔으나 금속-고분자 물질에서의 충전제의 역할은 완전히

설명되지 않고 있다 복합체 표면의 과잉의 충전제 농도

는 미끄러지는 동안 부하를 지지하여 내마모성을 증가시

키는 것으로 생각되며 PTFE의 마모율은 Mo Zn Ni

Y2O3 및 SiO2 같은 무기 충전제에 의해 1000배가량 감소

되었다는 보고도 있다 유리섬유 구리 세라믹 탄소섬유

절단 탄소섬유 나노입자를 포함한 경질의 충전제 입자들

이 PTFE의 내마모성을 높이기 사용되어 왔다

ㅇ 비교적 두꺼운 코팅에는 열분사(thermal spray) 용사기

술이 정립되어 있고 용사 코팅은 내마모 내마찰 내프레

팅(fretting) 및 내부식을 요하는 산업에 많이 이용되고

있다

- 용사 몰리브덴(Mo)코팅은 실질적 내마모성 코팅으로

가장 광범하게 이용되며 프레임용사(flame spray)거나

와이어용사(wire spray)기술로 생산된 몰리브덴(Mo)

코팅은 흠이나 마모에 대한 고도의 저항을 얻기 위한

가장 좋은 코팅재료 중의 하나이다

- 알루미늄 청동(aluminium bronze)은 높은 내-부식성

과 내마모성을 갖는 것이 특징이다 저압 플라즈마 용

51

사 기술은 자기-아닐링(self-anealing)과 부서지기 쉽

도록 유도하는 γ-상의 형성을 피할 수 있도록 높은

냉각 속도를 얻는 데 사용되며 알루미늄 청동 저압

플라즈마 용사 코팅은 낮은 마찰과 마모를 보였고 비

교적 최근 플라즈마 용사 기술을 이용하여 알루미늄

기질에 고분자-세라믹 복합체를 코팅하는 기술이 개

발되었다33)복합체 코팅으로 행한 마찰 시험에서 낮

은 마찰계수를 얻을 수 있었다

- 낮은 마찰계수와 고 내마모성을 갖는 이성분 금속

-PTFE 코팅이 개발되었고 이들의 마찰 공학적 성능

이 보고되었다 PTFE-기초 복합체 설계에서 일반적

인 접근방법은 경질의 충전 입자들을 도입하는 것으

로 M Yamane 등34)은 PTFE-금속 이성분 코팅의 마

찰 마모성능에 관한 연구 결과 알루미늄 청동 코팅이

Mo코팅에 비해 PTFE 저장소(reservoir)에 유용했음

을 보고하였다

⑹ 충전 또는 강화 플루오르화 탄소1)

ㅇ 분말이나 강화섬유 등 전형적인 충전재들이 충전 또는

강화 플루오르화 탄소에 사용된다 충전재는 저온흐름

52

을 향상시키는 데 사용되며 수축과 균열을 줄이고 열

팽창을 낮추며 열전도율을 향상시킨다

ㅇ 분말이나 단섬유로 된 전형적인 충전제를 표 3-5에 종합

하였다 유리섬유는 가장 보편적인 PTFE 충전제로 화

학 및 전기적 특성에 최소로 영향을 미치며 기계적 특

성을 크게 향상시킨다 분말에 비해 섬유는 압축강도

강성도 및 지지용량을 더욱 향상시키나 분말은 충전

테플론의 내구성에 거의 영향을 미치지 않는다 금속분

말은 특히 열전도도를 향상시키며 고속에서 발생하는 마

찰열을 소멸하는데 도움이 되며 전기저항을 상당히 감소

시켜 금속-충전 조성물은 양호한 절연체는 아니다

ㅇ 흑연(graphite) MoS2는 초기 내구성과 마찰을 개선하고

기계적 특성을 향상시킨다 석면은 많은 유용한 특성을

갖지만 가공 처리 중 가스가 방출할 뿐 아니라 사용금지

물질이다 표 3-5 외에도 금속 망 장섬유 다공성 금속

등 다양한 충전제들이 있으며 다양한 종류의 제품들이

상업 생산되고 있어 최종 선정을 하기 전에 플라스틱 가

공업자로부터 보다 완전한 정보와 추천을 받는 것이 바

람직하다

53

표 3-5 불소수지용 충전제

ㅇ 압축강력 인장과 압축 시의 탄성률 및 항복강력은 첨가

제의 첨가에 의해 모두 증가하나 일반으로 인장강력과

신도 및 충격강도는 손실된다 통상 충전 테플론은 압축

상태에서 사용되므로 인장강력의 감소는 중요하지 않다

인장강력의 손실은 설치(연속적인 링-실링)할 때 인장되

는 재료에서 중요하다 열팽창 계수는 비-충전 테플론에

비해 감소되어 통상 금속 부품의 팽창계수와 잘 맞는다

ㅇ 마찰과 마모를 수반하는 분야에서 가장 중요한 것은 충

전제로 얻어지는 PV한계치의 증가와 마모의 감소다 비-

54

충전 테플론에 비해 PV한계치 크기는 개략적으로 1차원

적으로 증가하나 마모인자는 3차원적으로 감소한다 충전

테플론의 평균치들은 동적 마찰계수는 01-02 PV한계치

는 10000-20000 psi-fpm 마모상수는 10times10-10in3-min

lb-ft-hr이다 그림 3-3은 충전 테플론 PTFE의 마찰계

수에 미치는 충전제 종류와 농도의 효과에 관한 것이다

그림 3-3 테플론 PTFE에 미치는 충전제 종류와 농도1)

ㅇ 내마모성을 향상시키는 충전제는 실제로 연마저항성을

감소시키는 것으로 날카로운 입자는 보다 쉽게 침투하고

충전제 입자와 수지 사이의 경계를 따라 충전 플라스틱

을 찢는다 따라서 라이닝 슈트 같은 분야의 적용 시는

55

비-충전테플론이 보다 바람직하다

⑺ 시트 테이프 및 박층(laminates)

ㅇ 대부분의 플루오르화탄소는 충전 여부에 관계없이 두

께 1mil(0001 in)까지 시트나 테이프로 만들 수 있고

시트나 테이프를 찍어서 원하는 형상의 립-씰(lip seal)

펌프 컵(pump cup) 피스톤 링(piston rings) 가스켓

(gaskets) 등을 만들 수 있다

ㅇ 유체의 누설을 정지시키는 밀봉기능 부품 중 각종기기의

접합부나 배관 플랜지 등의 밀봉에 사용되는 가스켓

(gaskets)은 석면이 널리 사용되어 왔으나 유해물질 배

출 및 이동량 보고제도(PRTR Pollutant Release and

Transfer Register)에서 발암성을 가진 제1종 지정 화학

물질로 지정되어 사용이 금지되어 PTFE가 가스켓으로

개발되었다 PTFE는 용융 알칼리 금속 및 그 용액과 불

소 및 3불화염소에 의해 약간 침식되나 모든 화학약품에

안정하고 우수한 내부식 재료로 C-F결합력이 크고 F원

자가 C-C결합의 주위를 간격 없이 들러 싸고 있기 때문

에 다른 물질의 공격을 방어하고 있고 내열성은 260로

높다35)

56

- PTFE 필러를 사용한 PTFE 나선 권형 가스켓은 석

면에 대한 사용규제와 상관없이 사용되어 왔으며 유

연한 필러를 사용하므로 석면 가스켓 보다 낮은 체결

압력에서도 실 특성이 우수하고 내식 면에서도 광범

하고 다양한 유체에 사용이 가능하다 다만 단열성 면

에서는 석면 나선 권형 가스켓 보다 사용온도 범위가

제한된다

ㅇ 산업 기계나 자동차의 브레이크 제동장치에 부착하여 마

찰력을 부가하는 브레이크 라이닝에서는 마찰계수와 내

마모력 및 충격계수 등 마찰특성이 우수한 석면을 주로

사용하여 왔으나 제동 시 발생하는 미세 석면분진으로

인해 대기오염에 의한 환경을 파괴 뿐 아니라 인체에 흡

입될 경우 암을 유발하여 PRTR로 사용이 금지되었다

석면을 대체할 유기질 또는 무기질 된 다양한 비석면 마

찰 섬유 등이 사용되고 있으며 마찰 섬유에 테프론을 코

팅하여 브레이크라이닝의 수명향상 제동 시 발생하는 소

음 떨림 및 제동력 향상을 위한 제품개발이 시도되고

있다

- 예로 국내 특허36)에서는 브레이크 라이닝(또는 패드)

의 마찰재 배합재료 중 유기섬유(Kevlar섬유 pulp섬

57

유 등)에 테프론을 코팅하고 코팅된 유기섬유에 결합

재 충전재 윤활재 마찰안정재 마찰조정재 등을 소정

의 배합비로 배합하여 성형하고 열처리하여 브레이크

패드 또는 라이닝을 제조한다

ㅇ 초소형 정밀기계(MEMS Micro-Electromechanical

System)분야에서는 점착방지를 위해 불화 유기박막을

사용한다 Park 등37)은 단층 두께의 불화 유기박막의

특성을 접촉각 측정을 통해 분석하였다

⑻ DLC 코팅3839)

ㅇ DLC(diamond-like carbon)는 몇 가지 다이아몬드의 전

형적인 특성을 나타내는 비정질 탄소물질로 극도의 내마

모 특성을 필요로 하는 재료의 코팅에 이용되고 있다

DLC코팅은 연마 마모를 감소시키기 위한 재료에 유용하

여 엔드밀 드릴비트 금형 같은 공구는 물론 자동차 기

계부품 및 전자산업 등 산업전반에 걸쳐 적용된다40)

ㅇ 환경오염 문제로 인해 PRTR(Pollutant Release and

Transfer Register 유해물질 배출 및 이동량 보고 제

도) 이 시행되어 습동 부품이나 절삭 시에 사용되는 오

일이나 그리스에 포함되는 첨가제(MoS2 Zn 등)와 이들

58

부품을 세정할 때 사용되는 용매 기계부품의 수명을 연

장시키기 위해 활용되었던 Cr도금 폐액에서 발생하는 6

가 크롬 등의 오염물질들에 대한 규제가 더욱 강화되어

DLC에 의한 무윤활 습동과 무윤활 절삭을 지향한 공구

와 기계 부품의 개발이 관심을 끌고 있다4142)

- 일본 내에서는 PRTR이 시행되고 이것에 저촉되는 재

료에 관해서는 MSDS(Material Safety Data Sheet)를

첨부해야할 의무가 있고 부품가공 습동 용도에서는

대상 리스트에 올라 있는 오일 오일 중의 중금속 도

금폐액을 어떻게 경제성 있는 환경 친화적 공정과 재

료로 전환할 것인가를 고려하면서 무윤활 습동 무윤

활 절삭 탈크롬 도금의 3가지 키워드가 대두되고

DLC코팅이 대안으로 모색되고 있다

- DLC코팅 적용기술과 과제에 관한 자료로는 자동차

관련부품 적용사례 엔진부위 마찰 작동 밸브계의 마

찰저감 DLC와 윤활제에 의한 마찰저감 기술을 중심

으로 살펴본 보고가 있다43)

ㅇ DLC는 7가지 형태가 존재하며 모두 상당한 양의 sp3혼

성궤도 탄소원자를 함유한다 다양한 형태의 DLC가 진

공 환경으로 적합한 재료들에 적용가능하며 유럽에서의

59

2006년 위탁 DLC코팅 시장은 3천만euro로 추정되었고 국

내도 활발한 상용화가 시도되고 있다

ㅇ 사반면상(tetahedral) 비정질 탄소 ta-C를 2두께로 코

팅하면 연마마모에 대한 스테인레스 강(304 type)의 내구

성을 증가시켜 수명을 1주일에서 85년으로 늘이며 이러

한 DLC의 형태는 sp3결합 탄소 원자로만 이루어지기 때

문에 순수한 DLC로 간주되며 수소 sp2흑연 탄소 금속

같은 충전제가 생산경비를 낮추거나 원하는 특성을 부여

하기 위하여 사용되고 있다

ㅇ DLC를 만드는 방법에는 sp3탄소 보다 낮은 밀도의 sp

2

에 의존하는 몇 가지 방법들이 있으며 압력 충격 촉매

또는 이들의 조합으로 sp2결합탄소 원자들을 sp3결합탄소

로 근접시킨다 최근 초고압 하에서 탄소의 경량 특성을

갖는 초경도 무정형 다이아몬드가 만들어졌다 탄소로 만

들어지는 다이아몬드 그래파이트는 결정구조를 가지나

DLC는 비정질이라는 점에서 크게 다르고 200 정도의

저온에서 형성시킬 수 있다는 점이 통상의 PVD막에 비

해 훨씬 우위에 있다

ㅇ DLC코팅은 제조공정이 복잡하고 생산 단가가 비싸 적용

이 어려우며 적용되는 소재가 제한되는 단점을 갖는다

60

주요제법으로는 고주파 플라즈마 법 이온화 증착법 스

페터링법 등을 들수 있다 고주파 플라즈마 법은 메탄가

스가 원료로 사용되고 막 중의 수소가 약 30(원자)로

평활성이 우수하고 마찰계수가 작으나 경도가 낮다 이

온화 증착법은 벤젠을 사용하며 막은 단단하나 면의 조

도가 거칠고 후막화 하기 위해 스패터링 방법이 검토되

고 있다

⑼ 불소수지의 안전성

ㅇ 테플론 PTFE의 열분해는 200(392)에서 감지되며 이

것은 몇 가지 플루오르화 탄소 기체들과 승화물질을 방

출한다4445)1955년 동물실험에 관한 한 연구에서는 이들

물질이 250(482) 이하에서는 의미 있는 양이 아니라

고 결론지었으나 최근 비-점착 주방기구인 프라이팬이

나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가열할 때 조류를

죽일 수 있는 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수

도 있다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있다45)

ㅇ 표 3-6은 EWG가 보고한 3-5분 내에 370까지 불소수

지를 가열할 때 발생되는 15종의 불소화합물에 관한 것

이다 테플론과 같은 코팅물질들이 장기적으로 인체에 미

61

치는 영향에 관한 연구는 이루어지지 않고 있으나 독감

과 유사한 질병을 유발할 수 있으며 이를 중합체 증기열

(polymer fume fever)이라 한다

표 3-6 15종의 유해물질 및 유독성 기체44)

ㅇ 최근 표 3-6의 화합물들 중 특히 TFA와 과불화된

(perfluorinated) PFOA(perfluorooctanoic acid)에 관심이

증가되고 있다 PFOA는 새로운 환경오염물질로 미국 환

경보호청(EPA)에 의하면 보통 때는 문제가 없으나 조리

과정에서 프라이팬에 열을 가하고 강하게 긁을 경우 용

62

출되어 나오며 이것이 음식물과 함께 인체에 흡수되는

것으로 추정하였다 한편 DuPont의 테플론 PTFE 연구

결과에 의하면 검출한계인 9ppb 이상 검출되지 않으며

테플론 주방기구에서는 PFOA가 존재하지 않는다고 발

표하고 있다

- 물이나 공기를 통해 환경에 노출된 PFOA는 고 콜레

스테롤 궤양성 대장염 갑상선 질환 고환암 신장암

및 임신성 고혈압과 관련된다고 보고되었다

- PFOA는 불소수지 생산과정에서 사용되는 첨가물로써

암모늄 형태로 PTFE 유화중합에 계면활성제로 사용

되며 불소수지의 품질과 균일성을 유지하기 위해 필

수적인 첨가물이기 때문에 전 세계 모든 불소수지 제

조업체가 사용 중에 있다 한편 국내 주력 산업인 반

도체 생산 과정에서도 PFOA를 대량으로 사용하고 있

어 체계적인 실태조사와 대책수립이 필요하다는 의견

들이 대두되고 있다

⑽ 불소화합물의 안전성과 환경대책

ㅇ 표 3-6에서 살펴본 바와 같이 테플론을 급격히 고온으로

가열하면 2종의 발암물질을 포함한 유독성 가스가 발생

63

하고 특히 불소화합물 중 MFA(monofluoroacetic acid)는

적은 양으로도 치명적 해를 끼치고 PEIF(perfluoro-

isobutene)는 신경가스제로 여러 가지 질환을 발생시킨다

한다44)

따라서 테플론으로 코팅된 장치를 재 코팅하기

위해 테프론을 고온으로 급격히 가열하거나 소각 등을

통해 제거할 때는 발생 가능성이 있는 유독가스를 제거

하기 위한 별도의 설비를 이용하여야 하고 유 등44)의 보

고서에서와 같이 중조(NaHCO3)를 포화시킨 충분한 물로

유독 산성 물질을 중화시키는 것도 고려할 만하다 한편

부식대전 방지 코팅도 테플론 코팅 일변도에서 세라믹

코팅 CNTs이나 DLC 코팅기술로 대응하는 것을 추천하

고 싶으며 이것은 유해물질 배출 및 이동량 보고제도

(PRTR Pollutant Release and Transfer Register)에 대

비하는 등 기업의 장래를 고려하는 것도 될 것이다

ㅇ PTFE를 사용한 취사도구는 1960년대 이래 사용되어 오

고 있으나 최근 들어 이것의 안전성이 논쟁의 주제가 되

고 있으며 논의 주체는 PFOA(perfluorooctanoic acid)이

다 PFOA는 PTFE를 비롯한 많은 불소수지의 생산에

사용되며 DuPont의 테플론 PTFE 연구 결과에 의하면

프라이팬을 260 이상 고온에서 가열하거나 코팅이 벗

겨져도 PFOA가 존재하지 않는다고 한다 그러나 물이나

64

공기 토양 식품포장재 등 여러 곳에서 PFOA 오염사실

이 보고되고 있다 한다44)

- 미국 EPA는 인체와 환경에 대한 PFOA 연구를 계속

하고 있으며 2015년까지 PFOA 및 이와 관련된 화합

물 방출을 배제할 프로그램을 갖고 있으나 PTFE-기

초 비점착 취사기구를 중지시킬 타당성을 갖고 있지

는 않다 최종제품은 PFOA가 아닌 PTFE이기 때문이

다

- 수십 년 동안 불소수지 비점착 코팅이 시장을 지배하

였으나 최근 몇 가지 신기술들이 출현되고 있으며 이

들 대부분은 실리콘 세라믹과 실리콘 기술로 이들 코

팅은 PTFE와 PFOA를 함유하지 않는다

- 오늘날 출시된 비점착 취사용구는 수많은 상표로 팔

리고 있으며 DuPont에 의하면 대부분의 취사용구 코

팅은 정상적으로 사용할 때 3-5년 견딜 수 있을 것으

로 예측한다 너무 문질러서는 안 되고 따뜻한 비눗

물로 씻어주는 것이 좋으며 닳거나 흠이 생기지 않도

록 나무 플라스틱이나 코팅된 재료로 만든 도구를 선

택하고 보관도 흠이 생기지 않을 장소나 캐비닛을 권

장하고 있다

65

ㅇ 국내의 불소수지 안전성에 관한 것으로는 재질규격(납과

카드뮴)과 용출규격(납 과망간산칼륨소비량 증발잔류물)

이 식품용 기구 및 용기 포장 공전46)에 기재되어 있으며

최근 국내에서도 PFOA를 비롯한 유해 불소화합물에 관

한 관심이 커져 가고 있다

ㅇ PFOA 문제가 표면화 되면서 환경 보전형 불소계 발수

유제의 개발과 공업화도 새로이 부각되고 있다 이에 관

한 보고서를 모니터링한 KISTI자료47)를 중심으로 간단히

요약하면 발수제의 주요성분 퍼플루오로알킬기(Rf기)함

유 폴리머의 기능은 Rf기의 고리길이에 크게 의존하므로

PFOA문제 해법으로 탄소수 8 이상인 종래의 불소화학

에서 탈피 짧은 고리 Rf기(탄소수 6)를 가진 새로운 단

량체를 선택하여 발수제를 제조함으로써 환경 보전형 불

소계 발수유제를 개발하고 공업화하였다 한다

66

제 4 장

지원결과

1 지원결과 종합

테프론 코팅 기술의 문제점과 부식대전방지용 테플

론 코팅에 관한 정보 외에 신청기업의 요청에 따

라 C-나노튜브 코팅 및 DLC증착에 관련된 기술 정

보도 제공하였다

테플론은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat resistant)

비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coefficient of

friction) 내약품성(chemical resistance)과 특이한 전기적

특성(unique electrical properties) 및 온내구력(cryogenic

stability)으로 그 응용범위가 광범하며 용도에 따른 엄격

한 품질관리가 요구될 것으로 생각되어 중소기업에 적합

한 기초능력 배양과 신제품을 구상하기 위한 최신기술에

관한 정보를 제공하고자 하였다

67

불소수지의 코팅은 두께와 첨가제가 관건으로 이에 관한

자료를 제공하고자 하였으며 불소수지의 전기특성 폭발

성 환경과 반도체 제조공정에서의 대전 방지 처리를 위

한 정전기 관리 지표 등을 특허를 중심으로 조사하여 제

공하고자 하였다

C-나노튜브를 이용한 대전방지 코팅 기술 및 C-나노튜

브의 제법 등 이것에 관한 기초정보를 제공하고자 하였

으며 내마모성 테플론 코팅에 관해서는 테플론을 이용한

세라믹 코팅 기술에 관한 정보도 제공하고자 하였다

테플론의 기계적 전기적 특성을 강화하기 위해 사용되는

충전제를 종합하고 기초이론을 정립함으로써 금후 원부

자재의 선정에 도움을 주었다

테플론은 석면 대체재로도 주목받고 있어 이에 관한 특

허 정보들을 제공하였으며 다이아몬드의 전형적인 특성

을 나타내는 DLC의 코팅관련 기술 정보를 환경오염 문

제와 연관하여 자료를 제공하였고 최근 비-점착 주방기

구인 프라이팬이나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가

열할 때 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수도 있

다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있어 이에

관한 정보도 제공하였다

68

2 지원의 한계

중소기업이 당면한 문제는 전문기술의 확보다 관련 기술

이 비약적으로 발전하는 추세에 비추어 한정된 인원으로

신기술을 소화하고 개발하기는 어려울 것이므로 출연연

구기관이나 대학과 공동연구를 모색할 수 있으나 이것도

중소기업으로서는 경제적 부담이 될 수밖에 없을 것으로

생각된다 가능하다면 앞으로도 KISTI의 정보지원이 계

속되기를 바라고 있었다

3 기대효과

부식대전 방지 테플론 코팅에 관한 기본 기술이 배양되

어 합리적인 원부 원료의 수입검사 공정관리 및 제품관

리를 통해 원가절감은 물론 신제품 신기술에 관한 정보

수집 및 분석능력이 배양되고 개발력이 확충되어 기업

경쟁력 향상에 도움이 될 것이다

69

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75

저자소개

김학주(金鶴柱) 서울대학교 문리과대학 화학과 졸업 이학사

전북대학교 대학원 화학과 이학박사

(주)삼양사 의약연구소장 신성대학교 교수

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 폴리에스테르 섬유의 연중직방기술 외 다수

저서 기기분석 공업물리화학 일반화학

성용길(成墉吉)

동국대학교 이과대학 화학과 졸업 이학사 이학석사

부산대학교 대학원 화학과 이학박사(Dr Sci)

University of Utah USA Ph D(공학박사) Post Dr

유타대학교 연구교수 부산대학교 교수 동국대학교 교수

동국대학교 명예교수 한국원자력문화진흥원 이사

과학문화연구원전문연구위원 한국도량형과학문화연구원 원장

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 의료용 기능성 고분자재료에 관한 연구 외 330편

저서 고분자 물성론 (서울대학교 출판부 공저) 외 10권

11

론 최근 기술 동향을 파악함 다음 방문 시(6월 20일)

에는 대전 방지 불소 수지 코팅을 중심으로 그 중요

성과 이론 등 기초지식과 최근의 개발동향을 검토하

기로 함

- 지원효과 불소수지의 유형과 특성을 통한 원료의 선

정 시 고려할 사항 코팅 방법 기질의 전처리 방법

용도에 따른 두께 제어의 중요성 파악 공정 및 제품

관리에 관한 기초지식 배양과 최근 기술 동향 파악

- 자료제공

① JP-2005-237860(三洋電氣株式會社 電氣掃除機)

② JP-2010-261035(Xerox Corpor- ation フツ素ナノ

ダイヤモンドを含むテフロン定着器部材)

③ JP-2010-78036(株式會社ルネサステクノロジ 配管

チュ-ブおよびこれを備えた機械裝置)

④ WO 2008154391(Alcoa Inc Heat Exchanger)

⑤ 등록번호10-0365003 (주식회사 엘지아이 열처리를

이용한 테프론 코팅 방법)

⑥ 공개특허10-2008-0061943(주식회사 하이닉스반도체

이온 주입장비의 웨이퍼 지지 장치)

⑦ 등록번호 10-0449561(주식회사 봉성비에스 완충기

12

용 피스톤의 테플론 코팅장치)

⑧ 등록번호 10-0522254(백원두 브레이크 라이닝(또

는 패드) 제조방법)

⑨ 등록번호 10-0811228(조철환 내열 세라믹 주방용

기의 불소수지코팅방법 및 그 방법에 의해 불소수

지 코팅된 내열 세라믹 주방용기) 등

3 3차 지원

일시 및 장소 2013년 6월 20일(목요일) 1000-1400시 신청

업체 2층 회의실

참석자 김학주 성용길 성용선(연구소장) 이채영 차장

및 연구원

주제 및 토의사항

- 지원내용과 향후지원계획 불소수지의 전기적 특성과

대전 방지용 불소수지의 충전제에 관한 장단점 토의

대전 방지의 중요성 폭발 환경에서의 정전기 안전지

침 반도체 제조 장치에서의 작업스테이지의 대전방지

에 관한 기술 동향 토의 최근 관심의 대상이 되고 있

13

는 탄소나노튜브(CNTs)의 제조 방법 용도 등에 관한

설명과 의견교환 내마모성 테플론 코팅 방법 용도

등에 관한 자료제공 및 의견교환 충전 또는 강화 불

소수지에 관해 자료조사를 통해 얻은 충전제의 종류

기계적 및 물리적 특성 향상 방법에 관한 기초지식을

제공함 다음 방문 시(7월 25일)에는 시트 테이프 및

박층 테플론과 최근 내마모성 코팅기술로 주목받고

있는 DLC코팅과 테플론의 안정성 문제에 관해 의견

을 교환하고 그간의 정보지원에 관한 내용들을 종합

정리하기로 함

- 지원효과 대전방지 불소수지 코팅의 작업표준 및 관

리지침에 반영할 자료 제공 최근 관심의 대상이 되는

CNTs에 관한 기초지식 배양 및 정보수집과 분석 불

소수지에 사용되는 각종 충전제의 선정 시 참고 자료

확보

- 자료제공

① Francis J Clauss Chapter 9 Fluorocarbons

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⑩ 이계영 김태균 김종구 ldquo내마모성 및 윤활성 코팅

조성물rdquo 대한민국특허 등록번호 10-1151909 (2012)

⑪ Thomae Kart J Multilayer Corrosion Resist

ant Finish and Method WO 2006017259(2006)

⑫ (주)바론에스엘 ldquo불소수지와 세라믹의 유무기

하이브리드 코팅 조성물 및 그를 이용한 도막 형성

방법rdquo 대한민국 공개특허 10-2013-0028553 (2013)

16

4 4차 지원

일시 및 장소 2013년 7월 25일(목요일) 1000-1400시 신청

업체 2층 회의실

참석자 성용선(연구소장) 이채영 차장 및 연구원

주제 및 토의사항

- 지원내용과 향후지원계획 발암물질인 석면대체재로써

테플론의 개발 동향을 나선 권형 가스켓과 자동차브

레이크 제동장치를 중심으로 토의하고 내마모 특성을

필요로 하는 DLC 코팅에 관한 정보제공과 DLC 특성

에 관해 집중 토의함 환경문제와 관련하여 대두되고

있는 테플론 분해가스 등 안정성 문제에 관한 자료를

제공하고 이에 관한 의견을 교환함 그간의 제공 정보

를 종합하고 8월 말 작성예정인 최종보고서 내용을

협의하였음

-지원효과 신기술 개발을 위한 내마모 코팅 DLC코팅

환경문제를 고려한 친환경 제품 등 신기술과 신공정

개발을 위한 개념을 확립하였음

17

- 자료제공

① WO 2006047500(Henkelkommanditgesellschaft auf

Aktien Article of Manufacture and Process for

Anodically Coating an Aluminum Substrate with

Ceramic Oxides Prior to Organic or Inorganic

Coating)

② 이치옹 분석자료 ldquo나선형 개스킷의 비석면화rdquo

Takashi Miyoshi 배관기술(일) Vol 46(10) 2004

pp43-47

③ 유호천 ldquoDLC 코팅 표면처리rdquo KISTI 중소기업 정

보지원 2011 10 11

④ 유호천 ldquoPVD DLC TRD 코팅설비를 활용한 복

합충 개발및 제품적용rdquo KISTI 중소기업 정보지원

2010 10 21

⑤ 국립환경과학원 ldquo화학물질 배출량 조사 OECD와 협

력강화rdquo 보도자료 (2010 11 18)

⑥ ldquo새로운 코팅기술과 공구에 대한 적용rdquo 월간기계기술

기자 2005년 3월호

⑦ Teflon off-gas studies Environmental Working

Group Ewg Org Retrieved on 2013-01-01

⑧식품의약품안전청 ldquo식품용 기구 및 용기 포장 공전rdquo

18

2012

⑨ 廣野高生 ldquo環境保全型フッ素系 撥水撥油剤の 開發

と 工業化rdquo ファインケミカル(日本) 37(11) 2008

pp39-44 이치옹 모니터링분석 KISTI

5 5차 지원

일시 및 장소 2013년 8월 21일(수요일) 1000-1400시 신청

업체 2층 회의실

참석자 성용선(연구소장) 이채영 차장 및 연구원

김학주(전문연구위원) 성용길(전문연구위원)

김종헌(KISTI 연구책임자)

주제 및 토의사항

1 불소화합물의 안전성과 환경대책 정보지원 결과 종합

등 최종보고서(안) 내용에 관한 의견교환

2 지원의 한계와 기대효과에 관한 의견 교환

3 건의 사항 등

19

세부 지원 내용

⑴플루오르화탄소 플라스틱의 특성

Teflon TFE(폴리테트라플루오로에틸렌)은 1940년대부

터 사용되어 왔으며 Teflon FEP(플루오르화에틸렌프

로필렌 공중합체)는 1958년에 소개되었고 압출 및 사

출성형이 용이하며 TFE 유형은 딱딱하고 낮은 마찰계

수를 가지며 마모에 강하고 보다 높은 온도에서 사용

가능하다 이 외에도 플루오르화탄소 플라스틱에는 폴

리염화플루오르화에틸렌(CFE 또는 CTFE)와 폴리비닐

리덴플루오라이드(PVF) 등이 있다 플루오르화탄소 플

라스틱은 그 코팅방법에 따라서도 응용범위가 광범위

하게 발전되어 왔으며 그 용도는 주방용기로부터 기

계 자동차 반도체는 물론 우주항공 산업 부품에 이르

기까지 무한하며 상업 생산되고 있는 플루오르화탄소

플라스틱은 표 3-11)과 같다

PTFE는 열가소성 플라스틱으로 상온에서 밀도 약 2200

인 백색고체로 융점은 327이며 마찰 및 마모 특

성을 나타내는 마찰계수는 고체재료 중 BAM(alumi-

20

nium magnesium boride 마찰계수 002)과 DLC

(diamond-like carbon 마찰계수005)에 이어 3번째로

낮은 005-010로 반데르발스 힘에 대한 저항력으로 도

마뱀이 붙을 수 없는 유일한 표면으로 알려져 있다2)

표 3-1 플루오르화탄소 플라스틱의 유형1)

21

Teflon의 유용한 기계적 특성은 -450sim500(-267sim

260)에서 유지되며 여러 가지 특성들은 가공기술을

바꾸어 변경시킬 수 있다 마찰 및 마모 특성을 나타

내는 마찰계수들은 시험조건에 따라 다르며 Teflon은

증기압이 극히 낮아 진공에서도 우수한 안정성을 가

지며 방사선 안정도는 부족하나 방사선 내용성은 극

히 높다

테프론의 특징은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat-

resistant) 비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coeffi-

cient of friction) 내약품성(chemical resistance) 특이한

전기적특성(unique electrical properties) 저온내구력

(cryogenic stability)으로 대표된다3)

- 테프론 코팅된 표면에는 거의 모든 물질이 달라붙지

않으며 내열성(heat-resistant)이 우수하여 -260sim+26

0까지 사용할 수 있고 단시간 사용의 경우에는 30

0까지 견디며 Teflon FEP는 232에서 연속사용이

가능하다 비유성(non-wetting)이 우수하여 표면에 물

이나 기름이 잘 묻지 않아 표면이 오염되지 않아 쉽

게 청소가 가능하고 기계설비의 보수시간이 단축되어

생산성을 향상시킬 수 있다 테프론은 비-절연성은 물

22

론 비-유전정접과 우수한 표면 저항률을 보인다

⑵ 플루오르화탄소 수지 코팅

얇고 강인한 플루오르화탄소 수지 필름을 금속 등에

소결이나 수지-접착에 의해 바르면 기질에 침착된 필

름은 저온흐름으로 고체 플루오르화탄소 수지보다 낮

은 마찰계수를 띠고 금속은 양호한 열전도도를 갖고

열을 분산할 수 있어 고속으로 운전할 수 있고 양호한

내구성을 갖게 된다

1950년대 미국 해군연구소에서 소결 Teflon TFE필름을

수성 분산액(현탁질)으로부터 무기 탄약통 비행기부

품 잠수함부품의 건조-필름 윤활제 및 보호 코팅용으

로 개발한 후 이것들은 기어 정첩(hinges) 샤프트 베

어링 밸브 플러그 콕 피스톤 링이나 그 외의 산업분

야에 응용되고 있다

- 실제로 적절한 테플론 현탁질을 고체 표면에 침적한

후 수분 증발이 너무 빠르지 않게 공기에서 필름이

건조되게 한 후 테플론 입자들이 연화 및 소결되도록

건조된 표면을 약 385(725)로 가열하고 냉각하면

23

얇은 연속 필름이 표면에 남지만 필름 중의 많은 작

은 세공들은 테플론의 높은 용융점도 때문에 제거할

수 없다 세공들은 윤활 작용에는 제한을 받지 않으나

녹슬거나 부식의 공격점이 되어 부식방지를 위해서는

1회 이상의 박막 추가 코팅이 반복되고 보통 2회 코

팅으로 충분하나 각 침적 테플론 층은 두께가 00003

인치(762)를 초과하지 않아야 하며 그렇지 않으면

말린 진흙 같이 균열이 발생한다 필름이 윤활제로 사

용될 때는 필름두께가 00006-00007인치(152-178)

를 초과하지 않아야 한다1)

- 테플론코팅은 통상으로 존재하는 표면 산화물이 제거

되지 않은 깨끗하고 탈지된 강철 황동 및 알루미늄금

속표면일 때 가장 잘 접착한다 만일 산세척에 의해

과잉 두께의 산화물이 제거되었다면 필수적으로 얇은

산화층이 형성될 때까지 공기 중에서 가열한다 접착

은 실표면적이 증가하면 증가하므로 경면가공(mirror

finish)보다 모래분사가공이나 무광택가공이 양호하다

- 테플론 코팅된 표면의 마찰계수는 금속기질 표면을

거칠게 함으로써 낮출 수 있으나 미끄럼마찰 조건 아

래 내구성은 금속의 거칠기가 32마이크로인치(rms)를

초과하면 감소한다

24

철강 기질의 인산처리는 소결 Teflon TFE필름의 마모

수명을 향상시킨다고 보고되었으며 양극처리 된 코팅

의 경도 및 내마모성과 불소수지의 윤활성을 결합하기

위해 다공성 경화 양극처리 알루미늄 위에 불소수지를

침윤하여 왔다 Teflon S 마감재는 Du Pont이 도입한

최초의 수성-기초 분산 TFE FEP로 이들은 ldquo계층화

된rdquo 마감재이다 Francis J Clauss1)는 다양한 용도에

서의 Du Pont사 제품들의 선정 가이드를 표로 종합하

였으며 이것을 요약하면 표 3-2와 같다

- 테플론 코팅은 프라이머 단층 프라이머 코팅 후 에나

멜이나 클리어 마감 또는 프라이머 에나멜과 클리어

마감 등 3-코팅 시스템으로 구성된다 프라이머들은

금속이나 세라믹 기질에 접착을 향상시키기 위해 개

질제를 함유한다 프라이머들은 가끔 1회 코팅 마감재

로 사용되나 음식물과 접촉하는 용도로는 반드시 에

나멜이나 클리어 마감재로 마무리 칠을 하여야 한다

프라이머는 층간 접착력이 부족하기 때문에 다중 코

팅에 적용될 수 없고 만일 06mil 이상의 코팅이 필요

하면 프라이머는 에나멜이나 클리어 마감재로 마무리

칠을 하여야 한다

25

표 3-2 테플론 코팅 두께1)

최종

용도대표적 용도

전체두

께(mils)

프라이머에나멜클리어

가공(mils)

비점착

산업

직물 슬래셔 통

열 봉합 봉 고무경화 롤러

우레탄과 에폭시 경화 주형

제빙기

목재 고무 주석도금 아연

10-25

07

20-50

08-13

07

03 07-22 07-10

07 마무리칠 불가

03 07-37 10min

03 05-10 05-10

07 마무리칠 불가

식품

프라이팬 내열접시

반죽롤러

캔디 장치

08-12

10-30

20-30

03 05-09

03 07-27

03 07-17 10

One-coat

system

금지

드라이

윤활

플러그 밸브

유리병 제조 전달 장치

베어링

03-07

15-25

05-07

03-07

03 03-05 03-05

02

전기

전자

저항기 코팅

아이들 롤러(제지 섬유 공업)

세라믹 절연체

40-50

10-15

20-25

03 37-47

03 07-12

03 17-22

부식

방지용기 라이닝 gt50 03 47 또는 5-10 이상

Non-

wetting콘덴서 튜브 02-04 02-04

- 유색 프라이머는 통상 안료가 필름의 범위와 두께를

시각적으로 체크할 수 있게 하므로 그렇지 않은 것에

비해 더 선호된다 에나멜과 클리어 마감재는 충분한

접착을 위해 프라이머 위에 발라야 한다 ldquo진흙 갈라

짐 현상(mud-cracking)은 코팅 당 최대 두께를

10mil로 한정하나 다중 코팅에 의해 극단적이 조건

하에 전체 두께를 10mils까지 바를 수 있으며 각각의

26

코팅은 분리하여 구워진다

불소화 고분자들은 낮은 표면장력 물과 기름에 젖지 않

고 비점착성이며 방오 특성(antifouling properties) 등을

갖기 때문에 다양한 특수 코팅에 적용되나 합성과 조성

이 몇몇 제조업자들에 독점되어 있고 값비싼 중간체를

필요로 한다 VC Malshe 등4)은 플루오르 함량이

4-10인 불소화된 아크릴 공중합체를 간단한 방법으로

합성하고 클리어 코팅하여 광학적 기계적 및 보호 특성

을 연구하였다

최근 에너지 절감과 CO2규제와 같은 환경규제에 대한 대

응 필요성이 증가하면서 발전소나 각종 보일러 시스템에

서 배가스로 배출되는 응축잠열 에너지의 회수 및 활용

에 관심이 증가되고 있다 Lee 등5)은 스테인레스 관 표

면에 400정도의 두께로 테플론을 코팅한 전열관에서

관의 열 및 응축 열전달 특성을 연구하여 테플론 코팅관

의 총괄 열전달 계수는 스테인레스 관보다 약 20 작은

것으로 나타나고 응축열전달 계수는 유사하였음을 보고

하였다

알루미늄 용광로의 비-여과 배출가스에 장기간 사용하기

적합한 역류 열교환기에 관한 것으로 원통형 쉘의 표면

27

은 알루미늄 용광로 배출가스 입자 및또는 먼지 및 부

식 흄과 접촉될 수 있어 테프론 계로 코팅 처리하는 특

허6)가 있다 이 특허에서는 원통형 쉘을 만들도록 복재

(web member 웨브재)와 함께 연결된 유체 운반튜브로

이루어진다 각 원통형 쉘에 위치한 헤더는 열교환기의

튜브에서 튜브로 유체를 공급하며 뜨거운 난류가스에 작

용하여 스케일링을 최소화하기 위해 헤더의 보호덮개를

설치한다

저온에서 고온에 이르는 환경에서 유체에 사용되는 배관

튜브는 열에 의한 경시적 열화가 진행되어 균열 발생이

쉽다 가동부에 사용되는 배관 튜브는 움직임이 수반되어

그 경향이 현저하며 반도체 제조장치에 일반으로 사용되

는 실리콘튜브는 저온에서 열화되어 파손되기 쉽다 이러

한 문제점을 해결하기 위해 실리콘 튜브 외측 표면을 테

플론으로 코팅하여 균열발생을 억제함으로써 장시간 사

용 가능하도록 고안한 특허7)가 있다

섬유상 부직포로 제작하는 다공성 여과필터는 다양한 산

업공정의 배출가스를 정화시키는 데 사용되며 특히 중고

온 환경에서 사용이 가능한 다양한 종류의 기능성 필터

의 개발이 요망된다 일반으로 소각장 및 발전소 등의 중

고온 조건에서 사용되는 Nomex를 비롯한 섬유상 필터는

28

200 이상에서는 열변형으로 사용이 제한적이고 세라믹

필터와 같이 고온에서 적용이 가능한 소재는 매우 고가

일 뿐 아니라 초기 작업으로 인해 에너지 사용량이 매우

높아지는 문제점이 있다 Kim 등8)은 250-300 영역의

중고온의 배출가스를 처리하기 위한 필터에 표면 소수성

과 고온 안정성을 부여하기 위하여 표 3-3과 같은 조성

으로 그림 3-1과 같은 장치를 이용하여 테플론 수지를

거품 형태의 코팅액으로 조제하여 유리섬유 원단에 공급

하여 표면코팅하고 열처리 및 압착과정을 거친 후 표면

분석하였다

표 3-3 테플론 코팅을 위한 화학첨가제8)

테플론 코팅이 전기 집진장치에 활용되는 특허도 있다

종전 사이클론 방식의 전기집진기에서는 집진부의 먼지

를 떨어뜨리는 것이 용이하지 않았다 발명자들은 먼지

압축 기능을 갖는 집진실 내측에 테플론 가공을 하여 정

전기에 의한 미세먼지의 부착을 억제함으로써 집진실의

먼지를 원 터치로 처리할 수 있도록 하였다9)

29

그림 3-1 테플론 거품코팅8)

일반으로 테프론을 조리용기에 코팅하는 방법은 금속소

재를 사용 제품형태로 제작한 후 세척하고 에이징(소둔)

처리한 후 샌딩하여 표면조도를 유지하도록 하고 표면에

프리머 처리하여 베이킹 처리한 후 분사방법으로 테프론

코팅을 하고 다시 베이킹 처리하므로 공정이 복잡하고

제조원가가 상승하며 부착력에 한계가 있다한다 (주) 엘

지아이 특허10)에서는 피처리물을 세척한 후 산질화처리

하여 표면에 열처리 층이 형성되게 한 후 테프론을 코팅

하고 베이킹 처리하는 것을 특징으로 한다 그 외에 내열

세라믹 주방용기의 불소수지 코팅방법에 관한 특허가 있

다11)

(주) 봉성비에스는 차량의 주행 충격을 흡수하는 완충기

30

내부에 삽입하는 피스톤 외주면의 마찰과 소음을 최소화

하기 위한 목적으로 테프론 코팅을 하기 위한 코팅장치

를 등록하였다12)

⑶ 대전 방지 플루오르화탄소 수지 코팅

ㅇ 본래 불소수지 자체는 높은 절연성과 큰 대전성을 갖고

있기 때문에 도전 효과를 얻기 위해서는 분상 필러를 다

량으로 충전할 필요가 있으나 이렇게 하면 비점착성이

떨어진다 여러 회사들의 제품 안내서들을 종합한 불소수

지의 전기적 특성은 표 3-4와 같다

표 3-4 불소수지의 전기 특성

특성측정법

(ASTM)단위

PTFE

(비충전)

PTFE

(25

유리충전)

PTFE

(25

탄소충전)

표면 내아크성 D495 sec 75-110

체적저항

(비저항)D257

ohm-

cmgt1018 gt1016 104

표면저항 D257ohm

sq-1 gt10

14

유전율(유전상

수) at 1MHzD150-81 e 25 24

절연내력 short

time 18thickD149

kv

mm285

유전정접(유전

정합) at 1MHzD150-81 lt00002 005

31

ㅇ 불소수지는 내열성 내한성이 높고 내약품성 내연소성

난연성이 우수하고 절연성 및 비점착성과 저 마찰계수를

갖고 있으나 절연성이 높아 정전재해의 원인이 될 수 있

어 재해 방지를 위해 대전 방지 또는 저저항을 특징으로

하는 불소수지 가공품이 개발되어 사용범위가 넓어지고

있다

불소수지에 충전하여 저저항으로 하는 필러에는 일반적

으로 도전성이 높은 카본 금속 또는 산화알루미늄 등의

금속산화물이 사용된다 재료의 형상으로는 미분 탄소

스테인레스 스틸 니켈 금속분과 같은 입상물 단섬유 탄

소섬유 위스커(whisker) 등이 사용된다

- 미분은 비표면적이 크기 때문에 소량의 충전으로 저

항치를 내릴 수 있으나 약품의 침투가 있는 경우 비

표면적이 크기 때문에 약품의 영향을 받기 쉬워 내부

식성 떨어질 가능성이 크다

- 입자상물질들은 미분에 비해 비표면적이 작기 때문에

약품의 영향을 비교적 적게 받지만 저항치를 내리기

위해 충전량이 많게 되어 불소수지의 특징인 비점착

성과 저마찰계수 특성을 저해한다 섬유 위스커 형상

은 단방향에 대한 장방향의 비가 클수록 적은 충전량

32

으로 저항치를 낮출 수 있지만 분산이 나쁘면 요철이

발생한다 부식 방지 코팅에서는 충전제의 내약품성이

관건이다 즉 부식 환경에서 불소수지 자체는 충분히

견디어도 충전제가 내약품성이 없으면 충전제가 서서

히 에칭되어 기기가 부식될 가능성이 크다

화학 석유 및 정제 산업에서는 시험 검사 세척 및 다양

한 공정의 용기 저장 탱크 반응기와 같은 많은 구성요

소들이 사용되며 플루오르화 고분자는 고온에서 높은 열

안정성을 갖고 다양한 유기용매에 전혀 용해되지 않으므

로 부식방지 등을 위해 플루오르화 고분자와 같은 내화

학성 고분자로 코팅된다 그러나 이들 고분자는 코팅된

구성요소의 표면에 정전하 축적을 조장하기 때문에 폭발

성 환경에서는 사용할 수 없다

특히 이들 구성요소들의 금속 구조물은 용기나 탱크에

보관된 가스 증기 분진의 이동에 의해 생성된 정전하

(electrostatic charge)를 흐르게 하는 전도경로가 되나 금

속표면을 강산 강알칼리나 유기용제에 의해 침투되는 방

지하기 위한 목적으로 부식방지 테플론으로 코팅될 경우

얇은 필름의 비-전도체로 작용하므로 폭발성 환경에서

사용을 규제하고 있다

33

- 예로 유럽 표준 EN 50014 section 732에서는 정전

하로 인한 발화 위험을 피하기 위해 사용 보수 및 세

척 조건 하에 설계된 울(enclosure)이 필요하고 울의

절연저항은 1GΩ을 초과할 수 없도록 규제하고 있고

일본은 후생노동성 관할 산업안전연구소의 정전기 안

전지침의 누설 저항치는 108Ω 이하로 되어 있다

- 따라서 부식 및 폭발성 환경에서 안전하고 다양한 구

성 요소에 적용할 수 있는 정전방지 비-발화 테플론

코팅기술을 요하며 정전방지 코팅은 표면저항을 낮추

기 위해 카본블랙이나 개질 전도성 탄소 금속이나 전

도성 고분자를 테플론에 충전하여 코팅한다

폭발성 환경용 내화학약품 특성과 대전방지 비발화

코팅 조성물로는 높은 비저항을 갖는 플루오르 고분자

50-90wt 10-50wt의 전도성물질인 탄소분(carbon

powder)으로 이루어진 Solex Robotics Systems Inc

특허가 있다13)

- 폭발환경에서 사용되는 이상적인 코팅은 정전하를 피

하기 위해 낮은 비저항을 가져야 한다 완벽한 전도체

는 비저항이 영(0)이고 완벽한 절연체는 무한 비저항

34

을 갖는다 금속(구리 금 같은) 합금(망가닌 Mn-Ni-

Cu 니크롬 Ni-Cr-Fe) 반도체(카본이나 게르마늄)는

낮은 비저항을 갖고 있어 좋은 도체이다

- 수많은 고분자 기초 코팅들이 부식화학 환경에 사용

되었으나 85GΩ 이상의 비저항으로 대전방지 시험에

서 실패하였다 정전기 도체로 인증기준 아래 적합하

기 위해서는 100cm2이상의 노출 표면이 1GΩ 이하의

비저항이어야 한다 코팅에 첨가된 탄소분은 전도도를

증가시키며 10-50의 함량은 1GΩ 이하의 비저항을

만족시킨다

비전도성 표면의 표면저항을 감소시키도록 카본이나 금

속을 사용하여 대전방지를 부여하는 공정의 단점으로는

카본이나 금속의 접착력이 낮아 입자의 마모가 일어나

장기간 사용 시 대전방지 수준이 감소하는 것이다 더욱

클린룸에서 입자의 방출은 심각한 문제가 된다 대부분의

비전도성 기질은 통상 23 상대습도 50에서 표면 비

저항이 109ohmsquare 이상으로 높고 PTFE 경우는 10

12

ohmsquare이상이다14)

반도체 제조 장치에서는 웨이퍼 기판을 안착하기 위해

작업 스테이지를 사용하며 작업스테이지는 통상 금속과

35

세라믹으로 제작되나 웨이퍼기판을 작업스테이지에 올려

놓을 때 작업스테이지와 웨이퍼기판 사이에 마찰 정전기

가 발생한다 FPD(flat panel diplay 평판표시)용 디스펜

서(dispenser)에 사용되는 작업스테이지는 진공방식으로

디스플레이 기판을 흡착 고정하며 흡착 고정되었던 디스

플레이 기판이 작업스테이지에서 박리될 때 작업스테이

지에 정전기가 발생하여 디스플레이 기판에 대전된다 최

근 디스플레이 기판이 대형화됨에 따라 대전량이 증가되

고 정전기 대전문제가 더욱 심각해지고 있다 웨이퍼기판

이나 디스플레이기판에는 반도체소자 등 다수의 전자부

품들이 배치되어 있기 때문에 정전기가 발생되면 전자부

품의 신뢰성에 치명적 손상을 주고 기판에 분진이 부착

되거나 정전기의 대전으로 기판 리프트 업(lift up)시 기

판이 깨어지는 문제가 발생한다 정전기 대전을 방지하기

위해서는 작업스테이지에 이오나이저를 설치하여 중화하

기도하나 리프트 업이 불가능하거나 이온풍이 도달하기

전 방전하는 등 작업 스테이지와 기판 사이에서 발생한

정전기가 순간적으로 일으키는 박리대전 문제를 해결하

기 어려워 작업 스테이지의 정전기 방지를 위해 불소수

지로 코팅한다

- 불소수지는 다른 물질과의 흡착에너지가 작고 비점착

성이 우수하며 마찰계수가 작아 유리기판과의 상관관

36

계가 작아져 박리에 의한 정전기의 발생량이 적어지

나 불소수지는 절연성을 가지므로 테프론 코팅에서는

카본 블랙이나 전도성 고분자 등을 필러로 사용한다

대전방지가 필요한 반도체 제조장비 디스플레이 장치 및

테스트 장치 등의 작업 스테이지를 테프론 코팅함으로써

작업 스테이지의 정전기 발생을 방지하는 방법의 단점의

하나는 제작비용이 상대적으로 많이 드는 것으로 디스펜

서의 경우 디스플레이 기판이 대형화됨에 따라 작업 스

테이지의 크기가 커져 제작비용이 증가한다 또한 불소수

지의 경도가 낮아 코팅 막에 스크래치가 발생하고 이 부

분은 평탄도 유지가 어려우며 입자들이 발생하는 요인으

로 작용하며 불소수지가 절연성이므로 카본블랙이나 전

도성 고분자 등의 도전성 필러를 충전하여 대전방지에

적합한 면-저항을 갖도록 할 경우 카본블랙은 구형으로

분진이 발생하는 문제점이 있고 전도성 고분자를 사용할

경우는 내용제성이 약하고 과량의 바인더를 사용하여야

하며 박막 형성이 어렵고 불소수지의 경도를 보완하기

위해 아노다이징 처리를 하는 경우는 이후 별도의 코팅

과정을 거쳐야 하므로 제작비용과 제작시간이 증가하는

등 여러 가지 단점들이 있다 이러한 문제점들을 해결하

기 위한 방법으로는 작업 스테이지와 기판이 만나는 면

에 정전기 발생을 최소화시킴과 동시에 그 제조비용이

37

절감되고 적절한 면-저항을 조절할 수 있으며 마찰계수

가 낮고 내마모성이 향상된 작업스테이지 표면의 대전방

지 처리 방법에 관한 국내의 탑나노시스 사의 특허15)가

있다

- 탑나노시스 사의 특허 목적은 작업스테이지의 기판과

만나는 면에 정전기의 발생을 최소화시킴과 동시에

그 제조비용이 저감되고 적절히 면-저항을 조절할 수

있으며 마찰계수가 낮고 내마모성이 향상된 스테이지

표면의 대전방지 처리 방법에 관한 것으로 이 특허에

서는 금속소재의 작업 스테이지 표면을 아노다이징

처리하여 복수의 산화표면 홀들을 형성시키고 여기에

탄소나노튜브를 삽입하고 경화하며 탄소나노튜브 경

화 후에 표면을 봉공 처리한다

- 작업스테이지 표면은 106-10

9Ωsq의 면-저항을 갖는

것이 바람직하며 산화표면 홀들은 직경 30-900nm 깊

이 100-900nm가 바람직하다 아노다이징 처리를 하는

금속소재는 Al Mg Zn Ti Ta(탄탈륨) Hf(하프늄)

Nb(니오븀) 등일 수 있고 이 발명에서는 가벼우며 일

정 강도를 갖고 가공성이 우수한 Al합금을 예로 들어

설명하고 있다

38

- 알루미늄소재 작업스테이지 표면에 산화피막(Al2O3)처

리를 하는 아노다이징(anodizing 양극산화)에서 전해

액은 수산화나트륨이나 수산과 황산 등이 사용될 수

있고 수산화나트륨의 농도(20-50) 공급전압 전류

및 시간 등을 조절하여 산화표면 홀의 크기(D)와 깊

이(L)를 조절하며 D와 L에 따라 대전방지 효과나 내

구성 및 표면경도를 조절한다

- 탄소나노튜브를 산화표면 홀 내에 삽입시키는 단계는

전해 흡착 하여 이루어질 수 있고 정전도장을 통해서

도 이루어질 수 있다 탄소나노튜브는 분산제를 포함

하는 용액으로 코팅되며 분산제로는 소듐 도데실설페

이트(SDS) 트리톤X Tween20(폴리옥시에틸렌 소르

비탄모노올레이트) CTAB(cetyl trimethyl ammonium

bromide)를 예로 들고 있으며 탄소나노튜브 용액은

아크릴계 우레탄계 등 또는 전도성 고분자계 유무기

하이브리드계 바인더가 포함될 수 있다

- 봉공처리는 산화표면 홀과 산화피막을 봉공하여 내식

성 등이 향상되도록 보호 층을 형성시키는 것으로 비

등수 가압증기에 의한 수화봉공 금속염을 포함한 열

수에 의한 금속염 봉공 오일로 도포나 침적하는 유기

물 봉공 양극산화 피막 층에 도장하는 도장에 의한

39

봉공 등이 있다

반도체 소자를 제조하는 과정에는 불순물 이온을

주입하는 장비가 이용되고 있다 (주)하이닉스 반도

체의 특허에서는 이온주입 장비의 웨이퍼 지지 장

치 리프트 핀의 끝단을 라운드 처리하고 리프트 핀

에 테플론을 코팅하여 리프트 핀과 웨이퍼 후면의

접촉 시 웨이퍼 후면에 스크래치와 같은 손상이 유

발되는 것을 억제할 수 있게 한다16)

⑷ 탄소나노튜브(CNTs Carbon Nano Tubes)17)

탄소나노튜브는 탄소의 동소체로 1991년 일본 NEC 연구

소의 Ijima박사에 의해 전자 현미경을 통해 처음으로 확

인되었다 1985년에 Kroto와 Smalley가 탄소의 동소체인

풀러렌(탄소 원자 60개가 모인 것C60)을 처음으로 발

견한 이후 전기방전 시 흑연 음극 상에 형성된 탄소덩어

리를 투과전자현미경으로 분석하는 과정에서 발견하여

Nature학술지에 처음으로 발표되었다18) 탄소나노튜브에

서 탄소원자 하나는 주위의 다른 탄소원자 3개와 sp2결

합을 하여 육각형 벌집무늬를 형성하며 이 튜브의 직경

이 대략 수 나노미터(nm nanometer) 정도로 극히 작기

40

때문에 나노튜브라고 부르게 되었다 이 탄소나노튜브는

전기 세기가 클수록 더 수축하는 성질을 가지고 있는 등

튜브의 직경이 nm수준으로 극히 작아서 특유의 전기화

학적 특성을 나타낸다

Ku 등19)에 의하면 CNTs는 전기방사법(arc-discharge)

레이저증발 법(laser vaporization) 플라즈마 화학기상증

착 법(plasma enhanced chemical vapor deposition) 열

화학 기상증착 법(thermal chemical vapor deposition) 등

의 다양한 합성법이 개발되어 대량생산이 가능하다

CNTs의 종류는 벽의 수에 따라 단일 벽 탄소나노튜브

(SWNTs) 이중 벽 탄소나노튜브(DWNTs) 다중벽 탄소

나노튜브(MWNTs)가 있으며 물성에 관한 많은 연구결

과 기계적 전기적 열적으로 우수한 성능을 갖고 있음이

입증되었다

CNTs는 인장강도와 탄성률 면에서 지금까지 발견된 재

료 중 가장 강하고 질기며 다중벽 CNT는 63GPa에 이른

다 표준 단일 벽 CNT는 25GPa의 압력까지 변형 없이

지탱된다 그래핀의 대칭성과 특이한 전기적 구조 때문에

CNTs의 구조는 그것의 전기적 특성에 영향을 미쳐 금속

성이나 반도체의 특성을 나타내고 이론적으로 금속성

41

CNTs는 구리와 같은 금속의 1000배가 큰 4times109Acm

2

전류 밀도를 운반할 수 있으며 나노크기의 단면으로 전

자가 튜브의 축 방향으로만 전파되고 전자의 이동은 양

자효과를 수반하여 1차원 전도체로 간주된다

CNTs는 우수한 물성과 상대적으로 큰 표면적으로 갖고

있어 충전제(filler)로써 에폭시 폴리스틸렌 폴리우레탄

등 고분자와 혼합하여 폴리머의 기계적 전기적 특성을

향상시키려는 연구가 활발하다 CNTs가 폴리머 중에서

충전제 역할을 하기 위해서는 고른 분산이 필요하나 반

데르발스 힘에 의한 CNTs 응집현상(agglomeration)으로

인해 효과적인 분산이 어려워 오히려 폴리머의 물성을

저해하므로 이것을 개선하기 위한 다양한 기계적 화학적

분산 방법이 연구되고 있다

- CNTs를 분산시키기 위한 가장 일반적인 방법은 용매

나 폴리머에 CNTs를 투입하고 초음파처리를 하는 것

으로 초음파처리를 하면 SWNTs의 길이가 짧아지고

다발(bundle)이 얇아져 분산력이 증가한다

- CNTs 표면을 산이나 아민으로 기능화하여 분산을 높

이는 방법도 연구되고 있으며 MWNTs를 HNO3

H2O2NH4OH 용액에 침지시켜 MWNTs에폭시 복합

42

재료는 전기적 특성을 향상시키려는 연구와 산과 아

민 등의 기능기를 도입하여 SWNTs의 열전도도를 향

상시키려는 연구들이 수행되고 있다

- 기계적 분산방법인 전단혼합방법은 좁은 관이나 상대

적으로 높은 속도의 유동을 이용하여 발생한 전단력

으로 CNTs를 분산시키는 방법이다 Ku 등19)은 전단

혼합과 초음파처리를 이용하여 MWNTs로 강화된

에폭시 복합재료를 만들어 기계적 및 열적 특성을 연

구하였다

⑸ 내마모성 테프론 코팅

ㅇ 재료의 부식은 구조재에 원하지 않은 변화 원인으로 작

용하여 경제적인 문제로 귀결되는 심각한 문제이다 이들

원치 않는 변화는 때로 적절한 코팅에 의한 표면처리로

예방할 수 있다 가장 일반적이고 자주 사용되는 전착 코

팅은 아연에 기초한 아연 코팅 및 합금 코팅으로 이들

코팅은 간단한 기술로써 내부식성이 양호하여 전 표면처

리의 약 14에 해당하나 최근 낮은 마찰계수 등 다른 특

성들이 매우 중요하게 되었다 이들 특성은 다층 코팅으

로 대응할 수 있으나 두께가 증가하고 기술이 복잡하여

가능한 해결방법으로는 복합체 코팅이 있다 복합체 코팅

43

은 일반기계와 자동차 전자부품 및 컴퓨터 등 다양한 분

야에 적용된다 금속 기질에 미세한 PTFE 입자의 전착

에 의한 증착은 새로운 세대의 복합체 코팅으로써 가장

바람직한 특성은 양호한 내마모성 자기윤활 내부식성이

다 M Paderovaacute 등20)에 의하면 이들 특성은 주로 사용

한 입자(흑연 다이아몬드 MoS2 또는 PTFE)와 용액의

유형(pH 온도 bath 등) 뿐 아니라 입자의 크기 농도

분산 및 형태학에 의존한다

ㅇ 충전되지 않은 PTFE의 마모율은 736-741times10-4mm3Nm

로 내마모성이 낮아 다양한 충전제들이 첨가되고 있다

Xing-Dong Yuan 등21)은 진공 조건에서 PTFE 코팅

의 마모특성을 연구하여 초기에는 하중이 증가함에 따

라 마찰계수가 감소하나 하중이 6N 이상으로 커지면

마찰계수도 증가하며 압력이 PTFE 코팅의 마찰계수

에 미치는 영향이 거의 없고 마모는 압력이 증가하면

초기에는 감소하나 10Pa 보다 높으면 급격히 증가한

다고 보고하였다

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위해서는 윤활제로 PTFE

계 수지 접착제로는 폴리아미드이미드수지 산화철 분말

44

및 브론즈 분말 등을 혼합한 조성물을 사용하거나 미국

특허에서는 스와시플레이트 형 압축기의 플레이트 표면

에 MoS2 흑연 PTFE계 윤활제와 열경화성 수지인 폴리

아미드이미드(PAI) 조성물을 코팅하여 내마모 및 윤활성

을 부여하고 있다22) 내열성 향상을 위해서는 고체윤활

제 접착제수지 및 저융점 금속인 Sn Pb In Bi 등을 함

유하는 합금이나 화합물을 사용하여 금속의 잠열을 이용

내열성 향상을 시도하기도 한다

ㅇ 그간 철강(스테인리스강 탄소강 아연도금강판 등)의 내

부식성 향상을 위한 많은 연구들이 수행되어 왔다 4플루

오르에틸렌(C2H4) 4플루오르에탄(CF4) 6플루오르에탄

(C2F6) 3플루오르화에탄(CHF3) 8플루오르화에탄(C4F8)

같은 불소화된 단량체의 플라즈마 중합에 의한 테플론

류 코팅은 그들의 소수성으로 인해 금속의 내부식성 향

상을 위한 대안으로 주목을 받고 있다 A Delimi 등23)

은 유도결합 고주파플라즈마(inductively coupled radio

fre- quency plasma)를 사용하여 소수성 박막 불소수지

필름을 탄소강에 증착하고 3염수에서 내부식성을 평가

한 결과 1개월 동안 9nm의 필름이 유지되는 것을 관찰

하여 불소고분자 박막이 금속과 금속산화물의 보호층이

될 수 있음을 보고하였다

45

ㅇ PTFE를 이용한 세라믹코팅 기술로는 알루미늄 및 알루

미늄 합금 공작물을 양극처리에 의해서 티타늄 및또는

지르코늄 산화물을 포함하는 내식성 내열성 및 내마모

성 세라믹 코팅을 하고 이어서 양극처리된 공작물을

PTFE 또는 실리콘 함유 코팅과 같은 제 2 코팅으로 코

팅한다 이 발명은 가소성을 가지는 경질의 필름 내에서

내식성 내열성 및 내마모성을 제공하는 티타늄 및또는

지르코늄 산화물의 양극처리 층으로 기판을 예비-코팅함

으로써 알루미늄 기판에 보다 긴 수명의 코팅을 형성하

는데 특히 유용하다24)

ㅇ Nosaka 등25)은 PTFE로 대표되는 불소수지는 마모-링이

나 극저온 밸브의 실링부에 많이 사용되며 진공치환법에

의해 탄소재료에 PTFE나 MoS2 분말을 1-2wt 함침시

키면 무함침한 것에 비해 마모가 약 13로 감소한다고

보고하였다 한편 저자들은 터보펌프의 실링재료가 극저

온 환경에서 보이는 특이한 현상을 극복하기 위해 베어

링의 표면에 노출된 유리섬유를 불소산으로 처리하여 용

해 제거하고 윤활성을 높인 유리섬유강화 테프론 리테이

너를 개발하여 내구성과 윤활성을 향상시킬 수 있었다고

보고하고 있다

46

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위한 또 다른 특허로는

폴리실록산계 접착제를 단독 혹은 폴리에스테르계 접착

제와 병용하고 고체 윤활제로 MoS2(이황화몰리브덴

WS2(이황화텅스텐) h-BN(육방정 질화붕소) 팽창흑연

및 PTFE를 사용하고 충전제로 탄화규소 알루미나 산화

지르콘 산화티탄 등의 미분말을 사용하여 내마모 내열

및 윤활성을 부여하고자 하는 내마모성 및 윤활성 코팅

조성물에 관한 특허가 있다26)

ㅇ 내열성 내후성 내오염성 내약품성 내구성 등의 물성

은 유지하면서 비점착성을 높이기 위해 무기계 세라믹

코팅 조성물에 PTFE를 첨가하기도 한다 이러한 하이

브리드 코팅 조성물에 관한 특허로는 불소수지(01sim25

중량) 콜로이달 실리카나 콜로이달 알루미나 등 무

기계고분자 바인더(20sim80중량) 알콕시실란 화합물

(1sim50중량) 수용성 유기용제(1sim10중량) 충전제

또는 안료(5sim50중량) 및 물(100중량 까지 보충)로

이루어진 코팅 조성물에 관한 것으로 무기질 도료 및

무기계 세라믹 코팅에 의해 내열성 내오염성 내약품

성과 내구성을 유지하고 접착력을 높이기 위해 소량의

PTFE를 사용하는 것이 있다27)

47

ㅇ 정전 복사기에 사용되는 정착기재부의 최외층에 코팅하

여 기계적 성질 및 내마모성을 향상시키려는 목적으로

불소수지 기질 중에 분산된 불소화 다이아몬드를 함유하

는 입자로 구성된 조성물에 관한 일본 특허28)가 있다

ㅇ 부식 특성을 개선한 흑색 무크롬(chrome-free) 다층 내

부식 마무리 칠과 방법에 관한 특허29)로는 ASTM B 117

표준으로 시험할 때 백색 부식에는 최소 500시간 염수분

무시간 및 적색 부식에는 1500시간 염수분무시간에 적합

하게 설계된 마무리 칠에 관한 것이 있다 이 다층 시스

템은 광택(gloss) 4 이상을 만족하는 자동차 차체 강판

자동차 하부와 내장에 사용되기 위해 설계된 것으로 이

다층 마무리 칠은 3층 부식 방지 시스템을 형성하도록

아연-철 전기도금 기질 오르토인산을 사용한 무전해 인

산염 결정 전환 층과 XylanTeflon 실러 코팅의 조합이

다

ㅇ 전통적으로 철 강판(steel sheet)은 크롬산 염 전환 코팅

으로 개질되어 왔으나 6가 크롬이 배출되어 환경을 오염

시키는 문제점이 있어 강판의 내-부식성을 개선하기 위

해 고분자 수지 코팅들이 수행되고 있으나 이 방법은 고

48

분자 코팅 층이 열전도도를 감소시키는 단점을 가지고

있다 Kang 등30)은 강판 위의 고분자 코팅 층의 열전도

도를 향상시키기 위해 초미세-크기 다이몬드(μD)입자를

열전도 물질로 사용하였다 다양한 음이온 및 비-이온

계면활성제들을 사용하여 수용액 중에서 무거운 μD입자

의 안정화를 시험들을 한 결과 1-피렌카르복시산(PCA)

이 가장 양호하였다 그림 3-2는 이 시험 결과를 요약한

것이다

- 강판 위에 PCA로 안정화 된 μD 입자를 함유한 폴리

우레탄-기초 코팅 층은 열전도도가 0351W(mK)에서

0434 W(mK)(10 wtμD)로 향상되었으며 더욱 144

시간 동안 염수 분무 시험결과 부식거동은 관찰되지

않았다

그림 3-2 피렌카르복시산을 이용한 μD 표면처리

ㅇ 자동차공업에서는 기본적인 특성으로 내마모성이 요구되

49

는 강철 기계부품들의 마찰특성을 향상시키기 위해 다양

한 금속 및 고분자 코팅들이 광범하게 이용된다 내-마

모 코팅은 두 가지 주요 특성인 높은 표면경도와 자기-

윤활 특성이 필요하다 후자의 범주에 속하는 것이

PTFE와 MoS2 기초 코팅이다 무전해 니켈 코팅은 높은

경도로 인해 양호한 마찰 특성을 보이며 한편 열처리를

통해 경도를 향상시킬 수 있다 PTFE입자의 첨가는 코

팅경도를 감소시키나 자기-윤활특성을 부여한다 S

Rossi 등3132)은 마찰특성을 향상시키기 위해 이용되는 탄

소강에 이용되는 몇 가지 공업적인 코팅에 관한 부식거

동에 관해 평가 PTFE입자를 함유한 무전해 니켈-인

(Electroless Nickel-Phophorus)코팅은 PTFE 입자(자기-

윤활 특성)를 갖는 외층과 장벽-효과를 갖는 내층으로

인한 이중 특성으로 가장 양호한 특성을 보였다고 보고

하고 있다

ㅇ 모든 기계적 시스템은 동적 요소를 필요로 하며 마찰과

마모를 줄이기 위한 다양한 수단들이 가능하나 그 선택

은 환경이나 조작 조건에 제한을 받는다 PTFE는 자기

윤활 낮은 마찰계수 높은 열안정성과 화학약품 안정성

으로 산업분야에 널리 사용되는 엔지니어링 고분자이지

만 내마모성이 매우 부족하다 이러한 이유로 금속

-PTFE충전 복합체들이 PTFE의 마찰특성과 금속충전제

50

의 내마모성을 결합하여 특정 분야의 용도로 소개되어

왔으나 금속-고분자 물질에서의 충전제의 역할은 완전히

설명되지 않고 있다 복합체 표면의 과잉의 충전제 농도

는 미끄러지는 동안 부하를 지지하여 내마모성을 증가시

키는 것으로 생각되며 PTFE의 마모율은 Mo Zn Ni

Y2O3 및 SiO2 같은 무기 충전제에 의해 1000배가량 감소

되었다는 보고도 있다 유리섬유 구리 세라믹 탄소섬유

절단 탄소섬유 나노입자를 포함한 경질의 충전제 입자들

이 PTFE의 내마모성을 높이기 사용되어 왔다

ㅇ 비교적 두꺼운 코팅에는 열분사(thermal spray) 용사기

술이 정립되어 있고 용사 코팅은 내마모 내마찰 내프레

팅(fretting) 및 내부식을 요하는 산업에 많이 이용되고

있다

- 용사 몰리브덴(Mo)코팅은 실질적 내마모성 코팅으로

가장 광범하게 이용되며 프레임용사(flame spray)거나

와이어용사(wire spray)기술로 생산된 몰리브덴(Mo)

코팅은 흠이나 마모에 대한 고도의 저항을 얻기 위한

가장 좋은 코팅재료 중의 하나이다

- 알루미늄 청동(aluminium bronze)은 높은 내-부식성

과 내마모성을 갖는 것이 특징이다 저압 플라즈마 용

51

사 기술은 자기-아닐링(self-anealing)과 부서지기 쉽

도록 유도하는 γ-상의 형성을 피할 수 있도록 높은

냉각 속도를 얻는 데 사용되며 알루미늄 청동 저압

플라즈마 용사 코팅은 낮은 마찰과 마모를 보였고 비

교적 최근 플라즈마 용사 기술을 이용하여 알루미늄

기질에 고분자-세라믹 복합체를 코팅하는 기술이 개

발되었다33)복합체 코팅으로 행한 마찰 시험에서 낮

은 마찰계수를 얻을 수 있었다

- 낮은 마찰계수와 고 내마모성을 갖는 이성분 금속

-PTFE 코팅이 개발되었고 이들의 마찰 공학적 성능

이 보고되었다 PTFE-기초 복합체 설계에서 일반적

인 접근방법은 경질의 충전 입자들을 도입하는 것으

로 M Yamane 등34)은 PTFE-금속 이성분 코팅의 마

찰 마모성능에 관한 연구 결과 알루미늄 청동 코팅이

Mo코팅에 비해 PTFE 저장소(reservoir)에 유용했음

을 보고하였다

⑹ 충전 또는 강화 플루오르화 탄소1)

ㅇ 분말이나 강화섬유 등 전형적인 충전재들이 충전 또는

강화 플루오르화 탄소에 사용된다 충전재는 저온흐름

52

을 향상시키는 데 사용되며 수축과 균열을 줄이고 열

팽창을 낮추며 열전도율을 향상시킨다

ㅇ 분말이나 단섬유로 된 전형적인 충전제를 표 3-5에 종합

하였다 유리섬유는 가장 보편적인 PTFE 충전제로 화

학 및 전기적 특성에 최소로 영향을 미치며 기계적 특

성을 크게 향상시킨다 분말에 비해 섬유는 압축강도

강성도 및 지지용량을 더욱 향상시키나 분말은 충전

테플론의 내구성에 거의 영향을 미치지 않는다 금속분

말은 특히 열전도도를 향상시키며 고속에서 발생하는 마

찰열을 소멸하는데 도움이 되며 전기저항을 상당히 감소

시켜 금속-충전 조성물은 양호한 절연체는 아니다

ㅇ 흑연(graphite) MoS2는 초기 내구성과 마찰을 개선하고

기계적 특성을 향상시킨다 석면은 많은 유용한 특성을

갖지만 가공 처리 중 가스가 방출할 뿐 아니라 사용금지

물질이다 표 3-5 외에도 금속 망 장섬유 다공성 금속

등 다양한 충전제들이 있으며 다양한 종류의 제품들이

상업 생산되고 있어 최종 선정을 하기 전에 플라스틱 가

공업자로부터 보다 완전한 정보와 추천을 받는 것이 바

람직하다

53

표 3-5 불소수지용 충전제

ㅇ 압축강력 인장과 압축 시의 탄성률 및 항복강력은 첨가

제의 첨가에 의해 모두 증가하나 일반으로 인장강력과

신도 및 충격강도는 손실된다 통상 충전 테플론은 압축

상태에서 사용되므로 인장강력의 감소는 중요하지 않다

인장강력의 손실은 설치(연속적인 링-실링)할 때 인장되

는 재료에서 중요하다 열팽창 계수는 비-충전 테플론에

비해 감소되어 통상 금속 부품의 팽창계수와 잘 맞는다

ㅇ 마찰과 마모를 수반하는 분야에서 가장 중요한 것은 충

전제로 얻어지는 PV한계치의 증가와 마모의 감소다 비-

54

충전 테플론에 비해 PV한계치 크기는 개략적으로 1차원

적으로 증가하나 마모인자는 3차원적으로 감소한다 충전

테플론의 평균치들은 동적 마찰계수는 01-02 PV한계치

는 10000-20000 psi-fpm 마모상수는 10times10-10in3-min

lb-ft-hr이다 그림 3-3은 충전 테플론 PTFE의 마찰계

수에 미치는 충전제 종류와 농도의 효과에 관한 것이다

그림 3-3 테플론 PTFE에 미치는 충전제 종류와 농도1)

ㅇ 내마모성을 향상시키는 충전제는 실제로 연마저항성을

감소시키는 것으로 날카로운 입자는 보다 쉽게 침투하고

충전제 입자와 수지 사이의 경계를 따라 충전 플라스틱

을 찢는다 따라서 라이닝 슈트 같은 분야의 적용 시는

55

비-충전테플론이 보다 바람직하다

⑺ 시트 테이프 및 박층(laminates)

ㅇ 대부분의 플루오르화탄소는 충전 여부에 관계없이 두

께 1mil(0001 in)까지 시트나 테이프로 만들 수 있고

시트나 테이프를 찍어서 원하는 형상의 립-씰(lip seal)

펌프 컵(pump cup) 피스톤 링(piston rings) 가스켓

(gaskets) 등을 만들 수 있다

ㅇ 유체의 누설을 정지시키는 밀봉기능 부품 중 각종기기의

접합부나 배관 플랜지 등의 밀봉에 사용되는 가스켓

(gaskets)은 석면이 널리 사용되어 왔으나 유해물질 배

출 및 이동량 보고제도(PRTR Pollutant Release and

Transfer Register)에서 발암성을 가진 제1종 지정 화학

물질로 지정되어 사용이 금지되어 PTFE가 가스켓으로

개발되었다 PTFE는 용융 알칼리 금속 및 그 용액과 불

소 및 3불화염소에 의해 약간 침식되나 모든 화학약품에

안정하고 우수한 내부식 재료로 C-F결합력이 크고 F원

자가 C-C결합의 주위를 간격 없이 들러 싸고 있기 때문

에 다른 물질의 공격을 방어하고 있고 내열성은 260로

높다35)

56

- PTFE 필러를 사용한 PTFE 나선 권형 가스켓은 석

면에 대한 사용규제와 상관없이 사용되어 왔으며 유

연한 필러를 사용하므로 석면 가스켓 보다 낮은 체결

압력에서도 실 특성이 우수하고 내식 면에서도 광범

하고 다양한 유체에 사용이 가능하다 다만 단열성 면

에서는 석면 나선 권형 가스켓 보다 사용온도 범위가

제한된다

ㅇ 산업 기계나 자동차의 브레이크 제동장치에 부착하여 마

찰력을 부가하는 브레이크 라이닝에서는 마찰계수와 내

마모력 및 충격계수 등 마찰특성이 우수한 석면을 주로

사용하여 왔으나 제동 시 발생하는 미세 석면분진으로

인해 대기오염에 의한 환경을 파괴 뿐 아니라 인체에 흡

입될 경우 암을 유발하여 PRTR로 사용이 금지되었다

석면을 대체할 유기질 또는 무기질 된 다양한 비석면 마

찰 섬유 등이 사용되고 있으며 마찰 섬유에 테프론을 코

팅하여 브레이크라이닝의 수명향상 제동 시 발생하는 소

음 떨림 및 제동력 향상을 위한 제품개발이 시도되고

있다

- 예로 국내 특허36)에서는 브레이크 라이닝(또는 패드)

의 마찰재 배합재료 중 유기섬유(Kevlar섬유 pulp섬

57

유 등)에 테프론을 코팅하고 코팅된 유기섬유에 결합

재 충전재 윤활재 마찰안정재 마찰조정재 등을 소정

의 배합비로 배합하여 성형하고 열처리하여 브레이크

패드 또는 라이닝을 제조한다

ㅇ 초소형 정밀기계(MEMS Micro-Electromechanical

System)분야에서는 점착방지를 위해 불화 유기박막을

사용한다 Park 등37)은 단층 두께의 불화 유기박막의

특성을 접촉각 측정을 통해 분석하였다

⑻ DLC 코팅3839)

ㅇ DLC(diamond-like carbon)는 몇 가지 다이아몬드의 전

형적인 특성을 나타내는 비정질 탄소물질로 극도의 내마

모 특성을 필요로 하는 재료의 코팅에 이용되고 있다

DLC코팅은 연마 마모를 감소시키기 위한 재료에 유용하

여 엔드밀 드릴비트 금형 같은 공구는 물론 자동차 기

계부품 및 전자산업 등 산업전반에 걸쳐 적용된다40)

ㅇ 환경오염 문제로 인해 PRTR(Pollutant Release and

Transfer Register 유해물질 배출 및 이동량 보고 제

도) 이 시행되어 습동 부품이나 절삭 시에 사용되는 오

일이나 그리스에 포함되는 첨가제(MoS2 Zn 등)와 이들

58

부품을 세정할 때 사용되는 용매 기계부품의 수명을 연

장시키기 위해 활용되었던 Cr도금 폐액에서 발생하는 6

가 크롬 등의 오염물질들에 대한 규제가 더욱 강화되어

DLC에 의한 무윤활 습동과 무윤활 절삭을 지향한 공구

와 기계 부품의 개발이 관심을 끌고 있다4142)

- 일본 내에서는 PRTR이 시행되고 이것에 저촉되는 재

료에 관해서는 MSDS(Material Safety Data Sheet)를

첨부해야할 의무가 있고 부품가공 습동 용도에서는

대상 리스트에 올라 있는 오일 오일 중의 중금속 도

금폐액을 어떻게 경제성 있는 환경 친화적 공정과 재

료로 전환할 것인가를 고려하면서 무윤활 습동 무윤

활 절삭 탈크롬 도금의 3가지 키워드가 대두되고

DLC코팅이 대안으로 모색되고 있다

- DLC코팅 적용기술과 과제에 관한 자료로는 자동차

관련부품 적용사례 엔진부위 마찰 작동 밸브계의 마

찰저감 DLC와 윤활제에 의한 마찰저감 기술을 중심

으로 살펴본 보고가 있다43)

ㅇ DLC는 7가지 형태가 존재하며 모두 상당한 양의 sp3혼

성궤도 탄소원자를 함유한다 다양한 형태의 DLC가 진

공 환경으로 적합한 재료들에 적용가능하며 유럽에서의

59

2006년 위탁 DLC코팅 시장은 3천만euro로 추정되었고 국

내도 활발한 상용화가 시도되고 있다

ㅇ 사반면상(tetahedral) 비정질 탄소 ta-C를 2두께로 코

팅하면 연마마모에 대한 스테인레스 강(304 type)의 내구

성을 증가시켜 수명을 1주일에서 85년으로 늘이며 이러

한 DLC의 형태는 sp3결합 탄소 원자로만 이루어지기 때

문에 순수한 DLC로 간주되며 수소 sp2흑연 탄소 금속

같은 충전제가 생산경비를 낮추거나 원하는 특성을 부여

하기 위하여 사용되고 있다

ㅇ DLC를 만드는 방법에는 sp3탄소 보다 낮은 밀도의 sp

2

에 의존하는 몇 가지 방법들이 있으며 압력 충격 촉매

또는 이들의 조합으로 sp2결합탄소 원자들을 sp3결합탄소

로 근접시킨다 최근 초고압 하에서 탄소의 경량 특성을

갖는 초경도 무정형 다이아몬드가 만들어졌다 탄소로 만

들어지는 다이아몬드 그래파이트는 결정구조를 가지나

DLC는 비정질이라는 점에서 크게 다르고 200 정도의

저온에서 형성시킬 수 있다는 점이 통상의 PVD막에 비

해 훨씬 우위에 있다

ㅇ DLC코팅은 제조공정이 복잡하고 생산 단가가 비싸 적용

이 어려우며 적용되는 소재가 제한되는 단점을 갖는다

60

주요제법으로는 고주파 플라즈마 법 이온화 증착법 스

페터링법 등을 들수 있다 고주파 플라즈마 법은 메탄가

스가 원료로 사용되고 막 중의 수소가 약 30(원자)로

평활성이 우수하고 마찰계수가 작으나 경도가 낮다 이

온화 증착법은 벤젠을 사용하며 막은 단단하나 면의 조

도가 거칠고 후막화 하기 위해 스패터링 방법이 검토되

고 있다

⑼ 불소수지의 안전성

ㅇ 테플론 PTFE의 열분해는 200(392)에서 감지되며 이

것은 몇 가지 플루오르화 탄소 기체들과 승화물질을 방

출한다4445)1955년 동물실험에 관한 한 연구에서는 이들

물질이 250(482) 이하에서는 의미 있는 양이 아니라

고 결론지었으나 최근 비-점착 주방기구인 프라이팬이

나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가열할 때 조류를

죽일 수 있는 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수

도 있다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있다45)

ㅇ 표 3-6은 EWG가 보고한 3-5분 내에 370까지 불소수

지를 가열할 때 발생되는 15종의 불소화합물에 관한 것

이다 테플론과 같은 코팅물질들이 장기적으로 인체에 미

61

치는 영향에 관한 연구는 이루어지지 않고 있으나 독감

과 유사한 질병을 유발할 수 있으며 이를 중합체 증기열

(polymer fume fever)이라 한다

표 3-6 15종의 유해물질 및 유독성 기체44)

ㅇ 최근 표 3-6의 화합물들 중 특히 TFA와 과불화된

(perfluorinated) PFOA(perfluorooctanoic acid)에 관심이

증가되고 있다 PFOA는 새로운 환경오염물질로 미국 환

경보호청(EPA)에 의하면 보통 때는 문제가 없으나 조리

과정에서 프라이팬에 열을 가하고 강하게 긁을 경우 용

62

출되어 나오며 이것이 음식물과 함께 인체에 흡수되는

것으로 추정하였다 한편 DuPont의 테플론 PTFE 연구

결과에 의하면 검출한계인 9ppb 이상 검출되지 않으며

테플론 주방기구에서는 PFOA가 존재하지 않는다고 발

표하고 있다

- 물이나 공기를 통해 환경에 노출된 PFOA는 고 콜레

스테롤 궤양성 대장염 갑상선 질환 고환암 신장암

및 임신성 고혈압과 관련된다고 보고되었다

- PFOA는 불소수지 생산과정에서 사용되는 첨가물로써

암모늄 형태로 PTFE 유화중합에 계면활성제로 사용

되며 불소수지의 품질과 균일성을 유지하기 위해 필

수적인 첨가물이기 때문에 전 세계 모든 불소수지 제

조업체가 사용 중에 있다 한편 국내 주력 산업인 반

도체 생산 과정에서도 PFOA를 대량으로 사용하고 있

어 체계적인 실태조사와 대책수립이 필요하다는 의견

들이 대두되고 있다

⑽ 불소화합물의 안전성과 환경대책

ㅇ 표 3-6에서 살펴본 바와 같이 테플론을 급격히 고온으로

가열하면 2종의 발암물질을 포함한 유독성 가스가 발생

63

하고 특히 불소화합물 중 MFA(monofluoroacetic acid)는

적은 양으로도 치명적 해를 끼치고 PEIF(perfluoro-

isobutene)는 신경가스제로 여러 가지 질환을 발생시킨다

한다44)

따라서 테플론으로 코팅된 장치를 재 코팅하기

위해 테프론을 고온으로 급격히 가열하거나 소각 등을

통해 제거할 때는 발생 가능성이 있는 유독가스를 제거

하기 위한 별도의 설비를 이용하여야 하고 유 등44)의 보

고서에서와 같이 중조(NaHCO3)를 포화시킨 충분한 물로

유독 산성 물질을 중화시키는 것도 고려할 만하다 한편

부식대전 방지 코팅도 테플론 코팅 일변도에서 세라믹

코팅 CNTs이나 DLC 코팅기술로 대응하는 것을 추천하

고 싶으며 이것은 유해물질 배출 및 이동량 보고제도

(PRTR Pollutant Release and Transfer Register)에 대

비하는 등 기업의 장래를 고려하는 것도 될 것이다

ㅇ PTFE를 사용한 취사도구는 1960년대 이래 사용되어 오

고 있으나 최근 들어 이것의 안전성이 논쟁의 주제가 되

고 있으며 논의 주체는 PFOA(perfluorooctanoic acid)이

다 PFOA는 PTFE를 비롯한 많은 불소수지의 생산에

사용되며 DuPont의 테플론 PTFE 연구 결과에 의하면

프라이팬을 260 이상 고온에서 가열하거나 코팅이 벗

겨져도 PFOA가 존재하지 않는다고 한다 그러나 물이나

64

공기 토양 식품포장재 등 여러 곳에서 PFOA 오염사실

이 보고되고 있다 한다44)

- 미국 EPA는 인체와 환경에 대한 PFOA 연구를 계속

하고 있으며 2015년까지 PFOA 및 이와 관련된 화합

물 방출을 배제할 프로그램을 갖고 있으나 PTFE-기

초 비점착 취사기구를 중지시킬 타당성을 갖고 있지

는 않다 최종제품은 PFOA가 아닌 PTFE이기 때문이

다

- 수십 년 동안 불소수지 비점착 코팅이 시장을 지배하

였으나 최근 몇 가지 신기술들이 출현되고 있으며 이

들 대부분은 실리콘 세라믹과 실리콘 기술로 이들 코

팅은 PTFE와 PFOA를 함유하지 않는다

- 오늘날 출시된 비점착 취사용구는 수많은 상표로 팔

리고 있으며 DuPont에 의하면 대부분의 취사용구 코

팅은 정상적으로 사용할 때 3-5년 견딜 수 있을 것으

로 예측한다 너무 문질러서는 안 되고 따뜻한 비눗

물로 씻어주는 것이 좋으며 닳거나 흠이 생기지 않도

록 나무 플라스틱이나 코팅된 재료로 만든 도구를 선

택하고 보관도 흠이 생기지 않을 장소나 캐비닛을 권

장하고 있다

65

ㅇ 국내의 불소수지 안전성에 관한 것으로는 재질규격(납과

카드뮴)과 용출규격(납 과망간산칼륨소비량 증발잔류물)

이 식품용 기구 및 용기 포장 공전46)에 기재되어 있으며

최근 국내에서도 PFOA를 비롯한 유해 불소화합물에 관

한 관심이 커져 가고 있다

ㅇ PFOA 문제가 표면화 되면서 환경 보전형 불소계 발수

유제의 개발과 공업화도 새로이 부각되고 있다 이에 관

한 보고서를 모니터링한 KISTI자료47)를 중심으로 간단히

요약하면 발수제의 주요성분 퍼플루오로알킬기(Rf기)함

유 폴리머의 기능은 Rf기의 고리길이에 크게 의존하므로

PFOA문제 해법으로 탄소수 8 이상인 종래의 불소화학

에서 탈피 짧은 고리 Rf기(탄소수 6)를 가진 새로운 단

량체를 선택하여 발수제를 제조함으로써 환경 보전형 불

소계 발수유제를 개발하고 공업화하였다 한다

66

제 4 장

지원결과

1 지원결과 종합

테프론 코팅 기술의 문제점과 부식대전방지용 테플

론 코팅에 관한 정보 외에 신청기업의 요청에 따

라 C-나노튜브 코팅 및 DLC증착에 관련된 기술 정

보도 제공하였다

테플론은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat resistant)

비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coefficient of

friction) 내약품성(chemical resistance)과 특이한 전기적

특성(unique electrical properties) 및 온내구력(cryogenic

stability)으로 그 응용범위가 광범하며 용도에 따른 엄격

한 품질관리가 요구될 것으로 생각되어 중소기업에 적합

한 기초능력 배양과 신제품을 구상하기 위한 최신기술에

관한 정보를 제공하고자 하였다

67

불소수지의 코팅은 두께와 첨가제가 관건으로 이에 관한

자료를 제공하고자 하였으며 불소수지의 전기특성 폭발

성 환경과 반도체 제조공정에서의 대전 방지 처리를 위

한 정전기 관리 지표 등을 특허를 중심으로 조사하여 제

공하고자 하였다

C-나노튜브를 이용한 대전방지 코팅 기술 및 C-나노튜

브의 제법 등 이것에 관한 기초정보를 제공하고자 하였

으며 내마모성 테플론 코팅에 관해서는 테플론을 이용한

세라믹 코팅 기술에 관한 정보도 제공하고자 하였다

테플론의 기계적 전기적 특성을 강화하기 위해 사용되는

충전제를 종합하고 기초이론을 정립함으로써 금후 원부

자재의 선정에 도움을 주었다

테플론은 석면 대체재로도 주목받고 있어 이에 관한 특

허 정보들을 제공하였으며 다이아몬드의 전형적인 특성

을 나타내는 DLC의 코팅관련 기술 정보를 환경오염 문

제와 연관하여 자료를 제공하였고 최근 비-점착 주방기

구인 프라이팬이나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가

열할 때 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수도 있

다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있어 이에

관한 정보도 제공하였다

68

2 지원의 한계

중소기업이 당면한 문제는 전문기술의 확보다 관련 기술

이 비약적으로 발전하는 추세에 비추어 한정된 인원으로

신기술을 소화하고 개발하기는 어려울 것이므로 출연연

구기관이나 대학과 공동연구를 모색할 수 있으나 이것도

중소기업으로서는 경제적 부담이 될 수밖에 없을 것으로

생각된다 가능하다면 앞으로도 KISTI의 정보지원이 계

속되기를 바라고 있었다

3 기대효과

부식대전 방지 테플론 코팅에 관한 기본 기술이 배양되

어 합리적인 원부 원료의 수입검사 공정관리 및 제품관

리를 통해 원가절감은 물론 신제품 신기술에 관한 정보

수집 및 분석능력이 배양되고 개발력이 확충되어 기업

경쟁력 향상에 도움이 될 것이다

69

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저자소개

김학주(金鶴柱) 서울대학교 문리과대학 화학과 졸업 이학사

전북대학교 대학원 화학과 이학박사

(주)삼양사 의약연구소장 신성대학교 교수

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 폴리에스테르 섬유의 연중직방기술 외 다수

저서 기기분석 공업물리화학 일반화학

성용길(成墉吉)

동국대학교 이과대학 화학과 졸업 이학사 이학석사

부산대학교 대학원 화학과 이학박사(Dr Sci)

University of Utah USA Ph D(공학박사) Post Dr

유타대학교 연구교수 부산대학교 교수 동국대학교 교수

동국대학교 명예교수 한국원자력문화진흥원 이사

과학문화연구원전문연구위원 한국도량형과학문화연구원 원장

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 의료용 기능성 고분자재료에 관한 연구 외 330편

저서 고분자 물성론 (서울대학교 출판부 공저) 외 10권

12

용 피스톤의 테플론 코팅장치)

⑧ 등록번호 10-0522254(백원두 브레이크 라이닝(또

는 패드) 제조방법)

⑨ 등록번호 10-0811228(조철환 내열 세라믹 주방용

기의 불소수지코팅방법 및 그 방법에 의해 불소수

지 코팅된 내열 세라믹 주방용기) 등

3 3차 지원

일시 및 장소 2013년 6월 20일(목요일) 1000-1400시 신청

업체 2층 회의실

참석자 김학주 성용길 성용선(연구소장) 이채영 차장

및 연구원

주제 및 토의사항

- 지원내용과 향후지원계획 불소수지의 전기적 특성과

대전 방지용 불소수지의 충전제에 관한 장단점 토의

대전 방지의 중요성 폭발 환경에서의 정전기 안전지

침 반도체 제조 장치에서의 작업스테이지의 대전방지

에 관한 기술 동향 토의 최근 관심의 대상이 되고 있

13

는 탄소나노튜브(CNTs)의 제조 방법 용도 등에 관한

설명과 의견교환 내마모성 테플론 코팅 방법 용도

등에 관한 자료제공 및 의견교환 충전 또는 강화 불

소수지에 관해 자료조사를 통해 얻은 충전제의 종류

기계적 및 물리적 특성 향상 방법에 관한 기초지식을

제공함 다음 방문 시(7월 25일)에는 시트 테이프 및

박층 테플론과 최근 내마모성 코팅기술로 주목받고

있는 DLC코팅과 테플론의 안정성 문제에 관해 의견

을 교환하고 그간의 정보지원에 관한 내용들을 종합

정리하기로 함

- 지원효과 대전방지 불소수지 코팅의 작업표준 및 관

리지침에 반영할 자료 제공 최근 관심의 대상이 되는

CNTs에 관한 기초지식 배양 및 정보수집과 분석 불

소수지에 사용되는 각종 충전제의 선정 시 참고 자료

확보

- 자료제공

① Francis J Clauss Chapter 9 Fluorocarbons

Solid Lubricants and Self-lubricating Solids 1972

pp195sim238

② Eunsoo Kang Seongcheol Choi Changhoon Choi

14

Sang Eun Shim Aqueous dispersion of

submicron-sized diamond particles for thermally

conductive polyurethane coating Colloids and

Surfaces A Physiochem Eng Aspects415(2012)

pp255-261

③ Masaaki Yamane Tadeusz A Stolarski Shogo

Tobe Influence of counter material on friction

and wear performance of PTFEndashmetal binary

coatings Tribology International Vol 41 (2008)

pp269ndash281

④ M Pazderova M Bradac M Vales

Tribological Behaviour of Composite Coatings

Procedia Engineering Vol 10 (2011) pp472-477

⑤ S Rossi F Deflorian F Venturini

Improvement of Surface finishing and Corrosion

Resistance of Prototypes by Direct Metal Laser

Sintering Journal of Materials Processing

Technology Vol 148 (2004) pp301-309

⑥ S Rossi F Chini etal Corrosion Protection

Properties of Electroless NickelPTFE Phosph-

ateMoS2 and BronzePTFE Coatings Applied to

Wear Resistance of Carbon Steel Surface and

15

Coatings Technology Vol 173 (2003) pp235-242

⑦ VC Malshe Nivedita S Sangaji Fluorinated

Acrylic Copolymers Part I Study of Clear

Coatings Progress in Organic Coatings Vol 53

(2005) pp207-211

⑧ Xing-Dong Yuan Xiao-Jie Yang A Study on

Friction and Wear Properties of PTFE Coatings

under Vacuum Conditions Wear Vol 269 (2010)

pp291-297

⑨ Amel Delimi Elisabeth Galopin etal

Investigation of the Corrosion Behaviour of

Carbon Steel Coated with Fluoropolymer Thin

Films Surface amp Coatings Technology Vol 205

(2011) pp4011-4017

⑩ 이계영 김태균 김종구 ldquo내마모성 및 윤활성 코팅

조성물rdquo 대한민국특허 등록번호 10-1151909 (2012)

⑪ Thomae Kart J Multilayer Corrosion Resist

ant Finish and Method WO 2006017259(2006)

⑫ (주)바론에스엘 ldquo불소수지와 세라믹의 유무기

하이브리드 코팅 조성물 및 그를 이용한 도막 형성

방법rdquo 대한민국 공개특허 10-2013-0028553 (2013)

16

4 4차 지원

일시 및 장소 2013년 7월 25일(목요일) 1000-1400시 신청

업체 2층 회의실

참석자 성용선(연구소장) 이채영 차장 및 연구원

주제 및 토의사항

- 지원내용과 향후지원계획 발암물질인 석면대체재로써

테플론의 개발 동향을 나선 권형 가스켓과 자동차브

레이크 제동장치를 중심으로 토의하고 내마모 특성을

필요로 하는 DLC 코팅에 관한 정보제공과 DLC 특성

에 관해 집중 토의함 환경문제와 관련하여 대두되고

있는 테플론 분해가스 등 안정성 문제에 관한 자료를

제공하고 이에 관한 의견을 교환함 그간의 제공 정보

를 종합하고 8월 말 작성예정인 최종보고서 내용을

협의하였음

-지원효과 신기술 개발을 위한 내마모 코팅 DLC코팅

환경문제를 고려한 친환경 제품 등 신기술과 신공정

개발을 위한 개념을 확립하였음

17

- 자료제공

① WO 2006047500(Henkelkommanditgesellschaft auf

Aktien Article of Manufacture and Process for

Anodically Coating an Aluminum Substrate with

Ceramic Oxides Prior to Organic or Inorganic

Coating)

② 이치옹 분석자료 ldquo나선형 개스킷의 비석면화rdquo

Takashi Miyoshi 배관기술(일) Vol 46(10) 2004

pp43-47

③ 유호천 ldquoDLC 코팅 표면처리rdquo KISTI 중소기업 정

보지원 2011 10 11

④ 유호천 ldquoPVD DLC TRD 코팅설비를 활용한 복

합충 개발및 제품적용rdquo KISTI 중소기업 정보지원

2010 10 21

⑤ 국립환경과학원 ldquo화학물질 배출량 조사 OECD와 협

력강화rdquo 보도자료 (2010 11 18)

⑥ ldquo새로운 코팅기술과 공구에 대한 적용rdquo 월간기계기술

기자 2005년 3월호

⑦ Teflon off-gas studies Environmental Working

Group Ewg Org Retrieved on 2013-01-01

⑧식품의약품안전청 ldquo식품용 기구 및 용기 포장 공전rdquo

18

2012

⑨ 廣野高生 ldquo環境保全型フッ素系 撥水撥油剤の 開發

と 工業化rdquo ファインケミカル(日本) 37(11) 2008

pp39-44 이치옹 모니터링분석 KISTI

5 5차 지원

일시 및 장소 2013년 8월 21일(수요일) 1000-1400시 신청

업체 2층 회의실

참석자 성용선(연구소장) 이채영 차장 및 연구원

김학주(전문연구위원) 성용길(전문연구위원)

김종헌(KISTI 연구책임자)

주제 및 토의사항

1 불소화합물의 안전성과 환경대책 정보지원 결과 종합

등 최종보고서(안) 내용에 관한 의견교환

2 지원의 한계와 기대효과에 관한 의견 교환

3 건의 사항 등

19

세부 지원 내용

⑴플루오르화탄소 플라스틱의 특성

Teflon TFE(폴리테트라플루오로에틸렌)은 1940년대부

터 사용되어 왔으며 Teflon FEP(플루오르화에틸렌프

로필렌 공중합체)는 1958년에 소개되었고 압출 및 사

출성형이 용이하며 TFE 유형은 딱딱하고 낮은 마찰계

수를 가지며 마모에 강하고 보다 높은 온도에서 사용

가능하다 이 외에도 플루오르화탄소 플라스틱에는 폴

리염화플루오르화에틸렌(CFE 또는 CTFE)와 폴리비닐

리덴플루오라이드(PVF) 등이 있다 플루오르화탄소 플

라스틱은 그 코팅방법에 따라서도 응용범위가 광범위

하게 발전되어 왔으며 그 용도는 주방용기로부터 기

계 자동차 반도체는 물론 우주항공 산업 부품에 이르

기까지 무한하며 상업 생산되고 있는 플루오르화탄소

플라스틱은 표 3-11)과 같다

PTFE는 열가소성 플라스틱으로 상온에서 밀도 약 2200

인 백색고체로 융점은 327이며 마찰 및 마모 특

성을 나타내는 마찰계수는 고체재료 중 BAM(alumi-

20

nium magnesium boride 마찰계수 002)과 DLC

(diamond-like carbon 마찰계수005)에 이어 3번째로

낮은 005-010로 반데르발스 힘에 대한 저항력으로 도

마뱀이 붙을 수 없는 유일한 표면으로 알려져 있다2)

표 3-1 플루오르화탄소 플라스틱의 유형1)

21

Teflon의 유용한 기계적 특성은 -450sim500(-267sim

260)에서 유지되며 여러 가지 특성들은 가공기술을

바꾸어 변경시킬 수 있다 마찰 및 마모 특성을 나타

내는 마찰계수들은 시험조건에 따라 다르며 Teflon은

증기압이 극히 낮아 진공에서도 우수한 안정성을 가

지며 방사선 안정도는 부족하나 방사선 내용성은 극

히 높다

테프론의 특징은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat-

resistant) 비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coeffi-

cient of friction) 내약품성(chemical resistance) 특이한

전기적특성(unique electrical properties) 저온내구력

(cryogenic stability)으로 대표된다3)

- 테프론 코팅된 표면에는 거의 모든 물질이 달라붙지

않으며 내열성(heat-resistant)이 우수하여 -260sim+26

0까지 사용할 수 있고 단시간 사용의 경우에는 30

0까지 견디며 Teflon FEP는 232에서 연속사용이

가능하다 비유성(non-wetting)이 우수하여 표면에 물

이나 기름이 잘 묻지 않아 표면이 오염되지 않아 쉽

게 청소가 가능하고 기계설비의 보수시간이 단축되어

생산성을 향상시킬 수 있다 테프론은 비-절연성은 물

22

론 비-유전정접과 우수한 표면 저항률을 보인다

⑵ 플루오르화탄소 수지 코팅

얇고 강인한 플루오르화탄소 수지 필름을 금속 등에

소결이나 수지-접착에 의해 바르면 기질에 침착된 필

름은 저온흐름으로 고체 플루오르화탄소 수지보다 낮

은 마찰계수를 띠고 금속은 양호한 열전도도를 갖고

열을 분산할 수 있어 고속으로 운전할 수 있고 양호한

내구성을 갖게 된다

1950년대 미국 해군연구소에서 소결 Teflon TFE필름을

수성 분산액(현탁질)으로부터 무기 탄약통 비행기부

품 잠수함부품의 건조-필름 윤활제 및 보호 코팅용으

로 개발한 후 이것들은 기어 정첩(hinges) 샤프트 베

어링 밸브 플러그 콕 피스톤 링이나 그 외의 산업분

야에 응용되고 있다

- 실제로 적절한 테플론 현탁질을 고체 표면에 침적한

후 수분 증발이 너무 빠르지 않게 공기에서 필름이

건조되게 한 후 테플론 입자들이 연화 및 소결되도록

건조된 표면을 약 385(725)로 가열하고 냉각하면

23

얇은 연속 필름이 표면에 남지만 필름 중의 많은 작

은 세공들은 테플론의 높은 용융점도 때문에 제거할

수 없다 세공들은 윤활 작용에는 제한을 받지 않으나

녹슬거나 부식의 공격점이 되어 부식방지를 위해서는

1회 이상의 박막 추가 코팅이 반복되고 보통 2회 코

팅으로 충분하나 각 침적 테플론 층은 두께가 00003

인치(762)를 초과하지 않아야 하며 그렇지 않으면

말린 진흙 같이 균열이 발생한다 필름이 윤활제로 사

용될 때는 필름두께가 00006-00007인치(152-178)

를 초과하지 않아야 한다1)

- 테플론코팅은 통상으로 존재하는 표면 산화물이 제거

되지 않은 깨끗하고 탈지된 강철 황동 및 알루미늄금

속표면일 때 가장 잘 접착한다 만일 산세척에 의해

과잉 두께의 산화물이 제거되었다면 필수적으로 얇은

산화층이 형성될 때까지 공기 중에서 가열한다 접착

은 실표면적이 증가하면 증가하므로 경면가공(mirror

finish)보다 모래분사가공이나 무광택가공이 양호하다

- 테플론 코팅된 표면의 마찰계수는 금속기질 표면을

거칠게 함으로써 낮출 수 있으나 미끄럼마찰 조건 아

래 내구성은 금속의 거칠기가 32마이크로인치(rms)를

초과하면 감소한다

24

철강 기질의 인산처리는 소결 Teflon TFE필름의 마모

수명을 향상시킨다고 보고되었으며 양극처리 된 코팅

의 경도 및 내마모성과 불소수지의 윤활성을 결합하기

위해 다공성 경화 양극처리 알루미늄 위에 불소수지를

침윤하여 왔다 Teflon S 마감재는 Du Pont이 도입한

최초의 수성-기초 분산 TFE FEP로 이들은 ldquo계층화

된rdquo 마감재이다 Francis J Clauss1)는 다양한 용도에

서의 Du Pont사 제품들의 선정 가이드를 표로 종합하

였으며 이것을 요약하면 표 3-2와 같다

- 테플론 코팅은 프라이머 단층 프라이머 코팅 후 에나

멜이나 클리어 마감 또는 프라이머 에나멜과 클리어

마감 등 3-코팅 시스템으로 구성된다 프라이머들은

금속이나 세라믹 기질에 접착을 향상시키기 위해 개

질제를 함유한다 프라이머들은 가끔 1회 코팅 마감재

로 사용되나 음식물과 접촉하는 용도로는 반드시 에

나멜이나 클리어 마감재로 마무리 칠을 하여야 한다

프라이머는 층간 접착력이 부족하기 때문에 다중 코

팅에 적용될 수 없고 만일 06mil 이상의 코팅이 필요

하면 프라이머는 에나멜이나 클리어 마감재로 마무리

칠을 하여야 한다

25

표 3-2 테플론 코팅 두께1)

최종

용도대표적 용도

전체두

께(mils)

프라이머에나멜클리어

가공(mils)

비점착

산업

직물 슬래셔 통

열 봉합 봉 고무경화 롤러

우레탄과 에폭시 경화 주형

제빙기

목재 고무 주석도금 아연

10-25

07

20-50

08-13

07

03 07-22 07-10

07 마무리칠 불가

03 07-37 10min

03 05-10 05-10

07 마무리칠 불가

식품

프라이팬 내열접시

반죽롤러

캔디 장치

08-12

10-30

20-30

03 05-09

03 07-27

03 07-17 10

One-coat

system

금지

드라이

윤활

플러그 밸브

유리병 제조 전달 장치

베어링

03-07

15-25

05-07

03-07

03 03-05 03-05

02

전기

전자

저항기 코팅

아이들 롤러(제지 섬유 공업)

세라믹 절연체

40-50

10-15

20-25

03 37-47

03 07-12

03 17-22

부식

방지용기 라이닝 gt50 03 47 또는 5-10 이상

Non-

wetting콘덴서 튜브 02-04 02-04

- 유색 프라이머는 통상 안료가 필름의 범위와 두께를

시각적으로 체크할 수 있게 하므로 그렇지 않은 것에

비해 더 선호된다 에나멜과 클리어 마감재는 충분한

접착을 위해 프라이머 위에 발라야 한다 ldquo진흙 갈라

짐 현상(mud-cracking)은 코팅 당 최대 두께를

10mil로 한정하나 다중 코팅에 의해 극단적이 조건

하에 전체 두께를 10mils까지 바를 수 있으며 각각의

26

코팅은 분리하여 구워진다

불소화 고분자들은 낮은 표면장력 물과 기름에 젖지 않

고 비점착성이며 방오 특성(antifouling properties) 등을

갖기 때문에 다양한 특수 코팅에 적용되나 합성과 조성

이 몇몇 제조업자들에 독점되어 있고 값비싼 중간체를

필요로 한다 VC Malshe 등4)은 플루오르 함량이

4-10인 불소화된 아크릴 공중합체를 간단한 방법으로

합성하고 클리어 코팅하여 광학적 기계적 및 보호 특성

을 연구하였다

최근 에너지 절감과 CO2규제와 같은 환경규제에 대한 대

응 필요성이 증가하면서 발전소나 각종 보일러 시스템에

서 배가스로 배출되는 응축잠열 에너지의 회수 및 활용

에 관심이 증가되고 있다 Lee 등5)은 스테인레스 관 표

면에 400정도의 두께로 테플론을 코팅한 전열관에서

관의 열 및 응축 열전달 특성을 연구하여 테플론 코팅관

의 총괄 열전달 계수는 스테인레스 관보다 약 20 작은

것으로 나타나고 응축열전달 계수는 유사하였음을 보고

하였다

알루미늄 용광로의 비-여과 배출가스에 장기간 사용하기

적합한 역류 열교환기에 관한 것으로 원통형 쉘의 표면

27

은 알루미늄 용광로 배출가스 입자 및또는 먼지 및 부

식 흄과 접촉될 수 있어 테프론 계로 코팅 처리하는 특

허6)가 있다 이 특허에서는 원통형 쉘을 만들도록 복재

(web member 웨브재)와 함께 연결된 유체 운반튜브로

이루어진다 각 원통형 쉘에 위치한 헤더는 열교환기의

튜브에서 튜브로 유체를 공급하며 뜨거운 난류가스에 작

용하여 스케일링을 최소화하기 위해 헤더의 보호덮개를

설치한다

저온에서 고온에 이르는 환경에서 유체에 사용되는 배관

튜브는 열에 의한 경시적 열화가 진행되어 균열 발생이

쉽다 가동부에 사용되는 배관 튜브는 움직임이 수반되어

그 경향이 현저하며 반도체 제조장치에 일반으로 사용되

는 실리콘튜브는 저온에서 열화되어 파손되기 쉽다 이러

한 문제점을 해결하기 위해 실리콘 튜브 외측 표면을 테

플론으로 코팅하여 균열발생을 억제함으로써 장시간 사

용 가능하도록 고안한 특허7)가 있다

섬유상 부직포로 제작하는 다공성 여과필터는 다양한 산

업공정의 배출가스를 정화시키는 데 사용되며 특히 중고

온 환경에서 사용이 가능한 다양한 종류의 기능성 필터

의 개발이 요망된다 일반으로 소각장 및 발전소 등의 중

고온 조건에서 사용되는 Nomex를 비롯한 섬유상 필터는

28

200 이상에서는 열변형으로 사용이 제한적이고 세라믹

필터와 같이 고온에서 적용이 가능한 소재는 매우 고가

일 뿐 아니라 초기 작업으로 인해 에너지 사용량이 매우

높아지는 문제점이 있다 Kim 등8)은 250-300 영역의

중고온의 배출가스를 처리하기 위한 필터에 표면 소수성

과 고온 안정성을 부여하기 위하여 표 3-3과 같은 조성

으로 그림 3-1과 같은 장치를 이용하여 테플론 수지를

거품 형태의 코팅액으로 조제하여 유리섬유 원단에 공급

하여 표면코팅하고 열처리 및 압착과정을 거친 후 표면

분석하였다

표 3-3 테플론 코팅을 위한 화학첨가제8)

테플론 코팅이 전기 집진장치에 활용되는 특허도 있다

종전 사이클론 방식의 전기집진기에서는 집진부의 먼지

를 떨어뜨리는 것이 용이하지 않았다 발명자들은 먼지

압축 기능을 갖는 집진실 내측에 테플론 가공을 하여 정

전기에 의한 미세먼지의 부착을 억제함으로써 집진실의

먼지를 원 터치로 처리할 수 있도록 하였다9)

29

그림 3-1 테플론 거품코팅8)

일반으로 테프론을 조리용기에 코팅하는 방법은 금속소

재를 사용 제품형태로 제작한 후 세척하고 에이징(소둔)

처리한 후 샌딩하여 표면조도를 유지하도록 하고 표면에

프리머 처리하여 베이킹 처리한 후 분사방법으로 테프론

코팅을 하고 다시 베이킹 처리하므로 공정이 복잡하고

제조원가가 상승하며 부착력에 한계가 있다한다 (주) 엘

지아이 특허10)에서는 피처리물을 세척한 후 산질화처리

하여 표면에 열처리 층이 형성되게 한 후 테프론을 코팅

하고 베이킹 처리하는 것을 특징으로 한다 그 외에 내열

세라믹 주방용기의 불소수지 코팅방법에 관한 특허가 있

다11)

(주) 봉성비에스는 차량의 주행 충격을 흡수하는 완충기

30

내부에 삽입하는 피스톤 외주면의 마찰과 소음을 최소화

하기 위한 목적으로 테프론 코팅을 하기 위한 코팅장치

를 등록하였다12)

⑶ 대전 방지 플루오르화탄소 수지 코팅

ㅇ 본래 불소수지 자체는 높은 절연성과 큰 대전성을 갖고

있기 때문에 도전 효과를 얻기 위해서는 분상 필러를 다

량으로 충전할 필요가 있으나 이렇게 하면 비점착성이

떨어진다 여러 회사들의 제품 안내서들을 종합한 불소수

지의 전기적 특성은 표 3-4와 같다

표 3-4 불소수지의 전기 특성

특성측정법

(ASTM)단위

PTFE

(비충전)

PTFE

(25

유리충전)

PTFE

(25

탄소충전)

표면 내아크성 D495 sec 75-110

체적저항

(비저항)D257

ohm-

cmgt1018 gt1016 104

표면저항 D257ohm

sq-1 gt10

14

유전율(유전상

수) at 1MHzD150-81 e 25 24

절연내력 short

time 18thickD149

kv

mm285

유전정접(유전

정합) at 1MHzD150-81 lt00002 005

31

ㅇ 불소수지는 내열성 내한성이 높고 내약품성 내연소성

난연성이 우수하고 절연성 및 비점착성과 저 마찰계수를

갖고 있으나 절연성이 높아 정전재해의 원인이 될 수 있

어 재해 방지를 위해 대전 방지 또는 저저항을 특징으로

하는 불소수지 가공품이 개발되어 사용범위가 넓어지고

있다

불소수지에 충전하여 저저항으로 하는 필러에는 일반적

으로 도전성이 높은 카본 금속 또는 산화알루미늄 등의

금속산화물이 사용된다 재료의 형상으로는 미분 탄소

스테인레스 스틸 니켈 금속분과 같은 입상물 단섬유 탄

소섬유 위스커(whisker) 등이 사용된다

- 미분은 비표면적이 크기 때문에 소량의 충전으로 저

항치를 내릴 수 있으나 약품의 침투가 있는 경우 비

표면적이 크기 때문에 약품의 영향을 받기 쉬워 내부

식성 떨어질 가능성이 크다

- 입자상물질들은 미분에 비해 비표면적이 작기 때문에

약품의 영향을 비교적 적게 받지만 저항치를 내리기

위해 충전량이 많게 되어 불소수지의 특징인 비점착

성과 저마찰계수 특성을 저해한다 섬유 위스커 형상

은 단방향에 대한 장방향의 비가 클수록 적은 충전량

32

으로 저항치를 낮출 수 있지만 분산이 나쁘면 요철이

발생한다 부식 방지 코팅에서는 충전제의 내약품성이

관건이다 즉 부식 환경에서 불소수지 자체는 충분히

견디어도 충전제가 내약품성이 없으면 충전제가 서서

히 에칭되어 기기가 부식될 가능성이 크다

화학 석유 및 정제 산업에서는 시험 검사 세척 및 다양

한 공정의 용기 저장 탱크 반응기와 같은 많은 구성요

소들이 사용되며 플루오르화 고분자는 고온에서 높은 열

안정성을 갖고 다양한 유기용매에 전혀 용해되지 않으므

로 부식방지 등을 위해 플루오르화 고분자와 같은 내화

학성 고분자로 코팅된다 그러나 이들 고분자는 코팅된

구성요소의 표면에 정전하 축적을 조장하기 때문에 폭발

성 환경에서는 사용할 수 없다

특히 이들 구성요소들의 금속 구조물은 용기나 탱크에

보관된 가스 증기 분진의 이동에 의해 생성된 정전하

(electrostatic charge)를 흐르게 하는 전도경로가 되나 금

속표면을 강산 강알칼리나 유기용제에 의해 침투되는 방

지하기 위한 목적으로 부식방지 테플론으로 코팅될 경우

얇은 필름의 비-전도체로 작용하므로 폭발성 환경에서

사용을 규제하고 있다

33

- 예로 유럽 표준 EN 50014 section 732에서는 정전

하로 인한 발화 위험을 피하기 위해 사용 보수 및 세

척 조건 하에 설계된 울(enclosure)이 필요하고 울의

절연저항은 1GΩ을 초과할 수 없도록 규제하고 있고

일본은 후생노동성 관할 산업안전연구소의 정전기 안

전지침의 누설 저항치는 108Ω 이하로 되어 있다

- 따라서 부식 및 폭발성 환경에서 안전하고 다양한 구

성 요소에 적용할 수 있는 정전방지 비-발화 테플론

코팅기술을 요하며 정전방지 코팅은 표면저항을 낮추

기 위해 카본블랙이나 개질 전도성 탄소 금속이나 전

도성 고분자를 테플론에 충전하여 코팅한다

폭발성 환경용 내화학약품 특성과 대전방지 비발화

코팅 조성물로는 높은 비저항을 갖는 플루오르 고분자

50-90wt 10-50wt의 전도성물질인 탄소분(carbon

powder)으로 이루어진 Solex Robotics Systems Inc

특허가 있다13)

- 폭발환경에서 사용되는 이상적인 코팅은 정전하를 피

하기 위해 낮은 비저항을 가져야 한다 완벽한 전도체

는 비저항이 영(0)이고 완벽한 절연체는 무한 비저항

34

을 갖는다 금속(구리 금 같은) 합금(망가닌 Mn-Ni-

Cu 니크롬 Ni-Cr-Fe) 반도체(카본이나 게르마늄)는

낮은 비저항을 갖고 있어 좋은 도체이다

- 수많은 고분자 기초 코팅들이 부식화학 환경에 사용

되었으나 85GΩ 이상의 비저항으로 대전방지 시험에

서 실패하였다 정전기 도체로 인증기준 아래 적합하

기 위해서는 100cm2이상의 노출 표면이 1GΩ 이하의

비저항이어야 한다 코팅에 첨가된 탄소분은 전도도를

증가시키며 10-50의 함량은 1GΩ 이하의 비저항을

만족시킨다

비전도성 표면의 표면저항을 감소시키도록 카본이나 금

속을 사용하여 대전방지를 부여하는 공정의 단점으로는

카본이나 금속의 접착력이 낮아 입자의 마모가 일어나

장기간 사용 시 대전방지 수준이 감소하는 것이다 더욱

클린룸에서 입자의 방출은 심각한 문제가 된다 대부분의

비전도성 기질은 통상 23 상대습도 50에서 표면 비

저항이 109ohmsquare 이상으로 높고 PTFE 경우는 10

12

ohmsquare이상이다14)

반도체 제조 장치에서는 웨이퍼 기판을 안착하기 위해

작업 스테이지를 사용하며 작업스테이지는 통상 금속과

35

세라믹으로 제작되나 웨이퍼기판을 작업스테이지에 올려

놓을 때 작업스테이지와 웨이퍼기판 사이에 마찰 정전기

가 발생한다 FPD(flat panel diplay 평판표시)용 디스펜

서(dispenser)에 사용되는 작업스테이지는 진공방식으로

디스플레이 기판을 흡착 고정하며 흡착 고정되었던 디스

플레이 기판이 작업스테이지에서 박리될 때 작업스테이

지에 정전기가 발생하여 디스플레이 기판에 대전된다 최

근 디스플레이 기판이 대형화됨에 따라 대전량이 증가되

고 정전기 대전문제가 더욱 심각해지고 있다 웨이퍼기판

이나 디스플레이기판에는 반도체소자 등 다수의 전자부

품들이 배치되어 있기 때문에 정전기가 발생되면 전자부

품의 신뢰성에 치명적 손상을 주고 기판에 분진이 부착

되거나 정전기의 대전으로 기판 리프트 업(lift up)시 기

판이 깨어지는 문제가 발생한다 정전기 대전을 방지하기

위해서는 작업스테이지에 이오나이저를 설치하여 중화하

기도하나 리프트 업이 불가능하거나 이온풍이 도달하기

전 방전하는 등 작업 스테이지와 기판 사이에서 발생한

정전기가 순간적으로 일으키는 박리대전 문제를 해결하

기 어려워 작업 스테이지의 정전기 방지를 위해 불소수

지로 코팅한다

- 불소수지는 다른 물질과의 흡착에너지가 작고 비점착

성이 우수하며 마찰계수가 작아 유리기판과의 상관관

36

계가 작아져 박리에 의한 정전기의 발생량이 적어지

나 불소수지는 절연성을 가지므로 테프론 코팅에서는

카본 블랙이나 전도성 고분자 등을 필러로 사용한다

대전방지가 필요한 반도체 제조장비 디스플레이 장치 및

테스트 장치 등의 작업 스테이지를 테프론 코팅함으로써

작업 스테이지의 정전기 발생을 방지하는 방법의 단점의

하나는 제작비용이 상대적으로 많이 드는 것으로 디스펜

서의 경우 디스플레이 기판이 대형화됨에 따라 작업 스

테이지의 크기가 커져 제작비용이 증가한다 또한 불소수

지의 경도가 낮아 코팅 막에 스크래치가 발생하고 이 부

분은 평탄도 유지가 어려우며 입자들이 발생하는 요인으

로 작용하며 불소수지가 절연성이므로 카본블랙이나 전

도성 고분자 등의 도전성 필러를 충전하여 대전방지에

적합한 면-저항을 갖도록 할 경우 카본블랙은 구형으로

분진이 발생하는 문제점이 있고 전도성 고분자를 사용할

경우는 내용제성이 약하고 과량의 바인더를 사용하여야

하며 박막 형성이 어렵고 불소수지의 경도를 보완하기

위해 아노다이징 처리를 하는 경우는 이후 별도의 코팅

과정을 거쳐야 하므로 제작비용과 제작시간이 증가하는

등 여러 가지 단점들이 있다 이러한 문제점들을 해결하

기 위한 방법으로는 작업 스테이지와 기판이 만나는 면

에 정전기 발생을 최소화시킴과 동시에 그 제조비용이

37

절감되고 적절한 면-저항을 조절할 수 있으며 마찰계수

가 낮고 내마모성이 향상된 작업스테이지 표면의 대전방

지 처리 방법에 관한 국내의 탑나노시스 사의 특허15)가

있다

- 탑나노시스 사의 특허 목적은 작업스테이지의 기판과

만나는 면에 정전기의 발생을 최소화시킴과 동시에

그 제조비용이 저감되고 적절히 면-저항을 조절할 수

있으며 마찰계수가 낮고 내마모성이 향상된 스테이지

표면의 대전방지 처리 방법에 관한 것으로 이 특허에

서는 금속소재의 작업 스테이지 표면을 아노다이징

처리하여 복수의 산화표면 홀들을 형성시키고 여기에

탄소나노튜브를 삽입하고 경화하며 탄소나노튜브 경

화 후에 표면을 봉공 처리한다

- 작업스테이지 표면은 106-10

9Ωsq의 면-저항을 갖는

것이 바람직하며 산화표면 홀들은 직경 30-900nm 깊

이 100-900nm가 바람직하다 아노다이징 처리를 하는

금속소재는 Al Mg Zn Ti Ta(탄탈륨) Hf(하프늄)

Nb(니오븀) 등일 수 있고 이 발명에서는 가벼우며 일

정 강도를 갖고 가공성이 우수한 Al합금을 예로 들어

설명하고 있다

38

- 알루미늄소재 작업스테이지 표면에 산화피막(Al2O3)처

리를 하는 아노다이징(anodizing 양극산화)에서 전해

액은 수산화나트륨이나 수산과 황산 등이 사용될 수

있고 수산화나트륨의 농도(20-50) 공급전압 전류

및 시간 등을 조절하여 산화표면 홀의 크기(D)와 깊

이(L)를 조절하며 D와 L에 따라 대전방지 효과나 내

구성 및 표면경도를 조절한다

- 탄소나노튜브를 산화표면 홀 내에 삽입시키는 단계는

전해 흡착 하여 이루어질 수 있고 정전도장을 통해서

도 이루어질 수 있다 탄소나노튜브는 분산제를 포함

하는 용액으로 코팅되며 분산제로는 소듐 도데실설페

이트(SDS) 트리톤X Tween20(폴리옥시에틸렌 소르

비탄모노올레이트) CTAB(cetyl trimethyl ammonium

bromide)를 예로 들고 있으며 탄소나노튜브 용액은

아크릴계 우레탄계 등 또는 전도성 고분자계 유무기

하이브리드계 바인더가 포함될 수 있다

- 봉공처리는 산화표면 홀과 산화피막을 봉공하여 내식

성 등이 향상되도록 보호 층을 형성시키는 것으로 비

등수 가압증기에 의한 수화봉공 금속염을 포함한 열

수에 의한 금속염 봉공 오일로 도포나 침적하는 유기

물 봉공 양극산화 피막 층에 도장하는 도장에 의한

39

봉공 등이 있다

반도체 소자를 제조하는 과정에는 불순물 이온을

주입하는 장비가 이용되고 있다 (주)하이닉스 반도

체의 특허에서는 이온주입 장비의 웨이퍼 지지 장

치 리프트 핀의 끝단을 라운드 처리하고 리프트 핀

에 테플론을 코팅하여 리프트 핀과 웨이퍼 후면의

접촉 시 웨이퍼 후면에 스크래치와 같은 손상이 유

발되는 것을 억제할 수 있게 한다16)

⑷ 탄소나노튜브(CNTs Carbon Nano Tubes)17)

탄소나노튜브는 탄소의 동소체로 1991년 일본 NEC 연구

소의 Ijima박사에 의해 전자 현미경을 통해 처음으로 확

인되었다 1985년에 Kroto와 Smalley가 탄소의 동소체인

풀러렌(탄소 원자 60개가 모인 것C60)을 처음으로 발

견한 이후 전기방전 시 흑연 음극 상에 형성된 탄소덩어

리를 투과전자현미경으로 분석하는 과정에서 발견하여

Nature학술지에 처음으로 발표되었다18) 탄소나노튜브에

서 탄소원자 하나는 주위의 다른 탄소원자 3개와 sp2결

합을 하여 육각형 벌집무늬를 형성하며 이 튜브의 직경

이 대략 수 나노미터(nm nanometer) 정도로 극히 작기

40

때문에 나노튜브라고 부르게 되었다 이 탄소나노튜브는

전기 세기가 클수록 더 수축하는 성질을 가지고 있는 등

튜브의 직경이 nm수준으로 극히 작아서 특유의 전기화

학적 특성을 나타낸다

Ku 등19)에 의하면 CNTs는 전기방사법(arc-discharge)

레이저증발 법(laser vaporization) 플라즈마 화학기상증

착 법(plasma enhanced chemical vapor deposition) 열

화학 기상증착 법(thermal chemical vapor deposition) 등

의 다양한 합성법이 개발되어 대량생산이 가능하다

CNTs의 종류는 벽의 수에 따라 단일 벽 탄소나노튜브

(SWNTs) 이중 벽 탄소나노튜브(DWNTs) 다중벽 탄소

나노튜브(MWNTs)가 있으며 물성에 관한 많은 연구결

과 기계적 전기적 열적으로 우수한 성능을 갖고 있음이

입증되었다

CNTs는 인장강도와 탄성률 면에서 지금까지 발견된 재

료 중 가장 강하고 질기며 다중벽 CNT는 63GPa에 이른

다 표준 단일 벽 CNT는 25GPa의 압력까지 변형 없이

지탱된다 그래핀의 대칭성과 특이한 전기적 구조 때문에

CNTs의 구조는 그것의 전기적 특성에 영향을 미쳐 금속

성이나 반도체의 특성을 나타내고 이론적으로 금속성

41

CNTs는 구리와 같은 금속의 1000배가 큰 4times109Acm

2

전류 밀도를 운반할 수 있으며 나노크기의 단면으로 전

자가 튜브의 축 방향으로만 전파되고 전자의 이동은 양

자효과를 수반하여 1차원 전도체로 간주된다

CNTs는 우수한 물성과 상대적으로 큰 표면적으로 갖고

있어 충전제(filler)로써 에폭시 폴리스틸렌 폴리우레탄

등 고분자와 혼합하여 폴리머의 기계적 전기적 특성을

향상시키려는 연구가 활발하다 CNTs가 폴리머 중에서

충전제 역할을 하기 위해서는 고른 분산이 필요하나 반

데르발스 힘에 의한 CNTs 응집현상(agglomeration)으로

인해 효과적인 분산이 어려워 오히려 폴리머의 물성을

저해하므로 이것을 개선하기 위한 다양한 기계적 화학적

분산 방법이 연구되고 있다

- CNTs를 분산시키기 위한 가장 일반적인 방법은 용매

나 폴리머에 CNTs를 투입하고 초음파처리를 하는 것

으로 초음파처리를 하면 SWNTs의 길이가 짧아지고

다발(bundle)이 얇아져 분산력이 증가한다

- CNTs 표면을 산이나 아민으로 기능화하여 분산을 높

이는 방법도 연구되고 있으며 MWNTs를 HNO3

H2O2NH4OH 용액에 침지시켜 MWNTs에폭시 복합

42

재료는 전기적 특성을 향상시키려는 연구와 산과 아

민 등의 기능기를 도입하여 SWNTs의 열전도도를 향

상시키려는 연구들이 수행되고 있다

- 기계적 분산방법인 전단혼합방법은 좁은 관이나 상대

적으로 높은 속도의 유동을 이용하여 발생한 전단력

으로 CNTs를 분산시키는 방법이다 Ku 등19)은 전단

혼합과 초음파처리를 이용하여 MWNTs로 강화된

에폭시 복합재료를 만들어 기계적 및 열적 특성을 연

구하였다

⑸ 내마모성 테프론 코팅

ㅇ 재료의 부식은 구조재에 원하지 않은 변화 원인으로 작

용하여 경제적인 문제로 귀결되는 심각한 문제이다 이들

원치 않는 변화는 때로 적절한 코팅에 의한 표면처리로

예방할 수 있다 가장 일반적이고 자주 사용되는 전착 코

팅은 아연에 기초한 아연 코팅 및 합금 코팅으로 이들

코팅은 간단한 기술로써 내부식성이 양호하여 전 표면처

리의 약 14에 해당하나 최근 낮은 마찰계수 등 다른 특

성들이 매우 중요하게 되었다 이들 특성은 다층 코팅으

로 대응할 수 있으나 두께가 증가하고 기술이 복잡하여

가능한 해결방법으로는 복합체 코팅이 있다 복합체 코팅

43

은 일반기계와 자동차 전자부품 및 컴퓨터 등 다양한 분

야에 적용된다 금속 기질에 미세한 PTFE 입자의 전착

에 의한 증착은 새로운 세대의 복합체 코팅으로써 가장

바람직한 특성은 양호한 내마모성 자기윤활 내부식성이

다 M Paderovaacute 등20)에 의하면 이들 특성은 주로 사용

한 입자(흑연 다이아몬드 MoS2 또는 PTFE)와 용액의

유형(pH 온도 bath 등) 뿐 아니라 입자의 크기 농도

분산 및 형태학에 의존한다

ㅇ 충전되지 않은 PTFE의 마모율은 736-741times10-4mm3Nm

로 내마모성이 낮아 다양한 충전제들이 첨가되고 있다

Xing-Dong Yuan 등21)은 진공 조건에서 PTFE 코팅

의 마모특성을 연구하여 초기에는 하중이 증가함에 따

라 마찰계수가 감소하나 하중이 6N 이상으로 커지면

마찰계수도 증가하며 압력이 PTFE 코팅의 마찰계수

에 미치는 영향이 거의 없고 마모는 압력이 증가하면

초기에는 감소하나 10Pa 보다 높으면 급격히 증가한

다고 보고하였다

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위해서는 윤활제로 PTFE

계 수지 접착제로는 폴리아미드이미드수지 산화철 분말

44

및 브론즈 분말 등을 혼합한 조성물을 사용하거나 미국

특허에서는 스와시플레이트 형 압축기의 플레이트 표면

에 MoS2 흑연 PTFE계 윤활제와 열경화성 수지인 폴리

아미드이미드(PAI) 조성물을 코팅하여 내마모 및 윤활성

을 부여하고 있다22) 내열성 향상을 위해서는 고체윤활

제 접착제수지 및 저융점 금속인 Sn Pb In Bi 등을 함

유하는 합금이나 화합물을 사용하여 금속의 잠열을 이용

내열성 향상을 시도하기도 한다

ㅇ 그간 철강(스테인리스강 탄소강 아연도금강판 등)의 내

부식성 향상을 위한 많은 연구들이 수행되어 왔다 4플루

오르에틸렌(C2H4) 4플루오르에탄(CF4) 6플루오르에탄

(C2F6) 3플루오르화에탄(CHF3) 8플루오르화에탄(C4F8)

같은 불소화된 단량체의 플라즈마 중합에 의한 테플론

류 코팅은 그들의 소수성으로 인해 금속의 내부식성 향

상을 위한 대안으로 주목을 받고 있다 A Delimi 등23)

은 유도결합 고주파플라즈마(inductively coupled radio

fre- quency plasma)를 사용하여 소수성 박막 불소수지

필름을 탄소강에 증착하고 3염수에서 내부식성을 평가

한 결과 1개월 동안 9nm의 필름이 유지되는 것을 관찰

하여 불소고분자 박막이 금속과 금속산화물의 보호층이

될 수 있음을 보고하였다

45

ㅇ PTFE를 이용한 세라믹코팅 기술로는 알루미늄 및 알루

미늄 합금 공작물을 양극처리에 의해서 티타늄 및또는

지르코늄 산화물을 포함하는 내식성 내열성 및 내마모

성 세라믹 코팅을 하고 이어서 양극처리된 공작물을

PTFE 또는 실리콘 함유 코팅과 같은 제 2 코팅으로 코

팅한다 이 발명은 가소성을 가지는 경질의 필름 내에서

내식성 내열성 및 내마모성을 제공하는 티타늄 및또는

지르코늄 산화물의 양극처리 층으로 기판을 예비-코팅함

으로써 알루미늄 기판에 보다 긴 수명의 코팅을 형성하

는데 특히 유용하다24)

ㅇ Nosaka 등25)은 PTFE로 대표되는 불소수지는 마모-링이

나 극저온 밸브의 실링부에 많이 사용되며 진공치환법에

의해 탄소재료에 PTFE나 MoS2 분말을 1-2wt 함침시

키면 무함침한 것에 비해 마모가 약 13로 감소한다고

보고하였다 한편 저자들은 터보펌프의 실링재료가 극저

온 환경에서 보이는 특이한 현상을 극복하기 위해 베어

링의 표면에 노출된 유리섬유를 불소산으로 처리하여 용

해 제거하고 윤활성을 높인 유리섬유강화 테프론 리테이

너를 개발하여 내구성과 윤활성을 향상시킬 수 있었다고

보고하고 있다

46

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위한 또 다른 특허로는

폴리실록산계 접착제를 단독 혹은 폴리에스테르계 접착

제와 병용하고 고체 윤활제로 MoS2(이황화몰리브덴

WS2(이황화텅스텐) h-BN(육방정 질화붕소) 팽창흑연

및 PTFE를 사용하고 충전제로 탄화규소 알루미나 산화

지르콘 산화티탄 등의 미분말을 사용하여 내마모 내열

및 윤활성을 부여하고자 하는 내마모성 및 윤활성 코팅

조성물에 관한 특허가 있다26)

ㅇ 내열성 내후성 내오염성 내약품성 내구성 등의 물성

은 유지하면서 비점착성을 높이기 위해 무기계 세라믹

코팅 조성물에 PTFE를 첨가하기도 한다 이러한 하이

브리드 코팅 조성물에 관한 특허로는 불소수지(01sim25

중량) 콜로이달 실리카나 콜로이달 알루미나 등 무

기계고분자 바인더(20sim80중량) 알콕시실란 화합물

(1sim50중량) 수용성 유기용제(1sim10중량) 충전제

또는 안료(5sim50중량) 및 물(100중량 까지 보충)로

이루어진 코팅 조성물에 관한 것으로 무기질 도료 및

무기계 세라믹 코팅에 의해 내열성 내오염성 내약품

성과 내구성을 유지하고 접착력을 높이기 위해 소량의

PTFE를 사용하는 것이 있다27)

47

ㅇ 정전 복사기에 사용되는 정착기재부의 최외층에 코팅하

여 기계적 성질 및 내마모성을 향상시키려는 목적으로

불소수지 기질 중에 분산된 불소화 다이아몬드를 함유하

는 입자로 구성된 조성물에 관한 일본 특허28)가 있다

ㅇ 부식 특성을 개선한 흑색 무크롬(chrome-free) 다층 내

부식 마무리 칠과 방법에 관한 특허29)로는 ASTM B 117

표준으로 시험할 때 백색 부식에는 최소 500시간 염수분

무시간 및 적색 부식에는 1500시간 염수분무시간에 적합

하게 설계된 마무리 칠에 관한 것이 있다 이 다층 시스

템은 광택(gloss) 4 이상을 만족하는 자동차 차체 강판

자동차 하부와 내장에 사용되기 위해 설계된 것으로 이

다층 마무리 칠은 3층 부식 방지 시스템을 형성하도록

아연-철 전기도금 기질 오르토인산을 사용한 무전해 인

산염 결정 전환 층과 XylanTeflon 실러 코팅의 조합이

다

ㅇ 전통적으로 철 강판(steel sheet)은 크롬산 염 전환 코팅

으로 개질되어 왔으나 6가 크롬이 배출되어 환경을 오염

시키는 문제점이 있어 강판의 내-부식성을 개선하기 위

해 고분자 수지 코팅들이 수행되고 있으나 이 방법은 고

48

분자 코팅 층이 열전도도를 감소시키는 단점을 가지고

있다 Kang 등30)은 강판 위의 고분자 코팅 층의 열전도

도를 향상시키기 위해 초미세-크기 다이몬드(μD)입자를

열전도 물질로 사용하였다 다양한 음이온 및 비-이온

계면활성제들을 사용하여 수용액 중에서 무거운 μD입자

의 안정화를 시험들을 한 결과 1-피렌카르복시산(PCA)

이 가장 양호하였다 그림 3-2는 이 시험 결과를 요약한

것이다

- 강판 위에 PCA로 안정화 된 μD 입자를 함유한 폴리

우레탄-기초 코팅 층은 열전도도가 0351W(mK)에서

0434 W(mK)(10 wtμD)로 향상되었으며 더욱 144

시간 동안 염수 분무 시험결과 부식거동은 관찰되지

않았다

그림 3-2 피렌카르복시산을 이용한 μD 표면처리

ㅇ 자동차공업에서는 기본적인 특성으로 내마모성이 요구되

49

는 강철 기계부품들의 마찰특성을 향상시키기 위해 다양

한 금속 및 고분자 코팅들이 광범하게 이용된다 내-마

모 코팅은 두 가지 주요 특성인 높은 표면경도와 자기-

윤활 특성이 필요하다 후자의 범주에 속하는 것이

PTFE와 MoS2 기초 코팅이다 무전해 니켈 코팅은 높은

경도로 인해 양호한 마찰 특성을 보이며 한편 열처리를

통해 경도를 향상시킬 수 있다 PTFE입자의 첨가는 코

팅경도를 감소시키나 자기-윤활특성을 부여한다 S

Rossi 등3132)은 마찰특성을 향상시키기 위해 이용되는 탄

소강에 이용되는 몇 가지 공업적인 코팅에 관한 부식거

동에 관해 평가 PTFE입자를 함유한 무전해 니켈-인

(Electroless Nickel-Phophorus)코팅은 PTFE 입자(자기-

윤활 특성)를 갖는 외층과 장벽-효과를 갖는 내층으로

인한 이중 특성으로 가장 양호한 특성을 보였다고 보고

하고 있다

ㅇ 모든 기계적 시스템은 동적 요소를 필요로 하며 마찰과

마모를 줄이기 위한 다양한 수단들이 가능하나 그 선택

은 환경이나 조작 조건에 제한을 받는다 PTFE는 자기

윤활 낮은 마찰계수 높은 열안정성과 화학약품 안정성

으로 산업분야에 널리 사용되는 엔지니어링 고분자이지

만 내마모성이 매우 부족하다 이러한 이유로 금속

-PTFE충전 복합체들이 PTFE의 마찰특성과 금속충전제

50

의 내마모성을 결합하여 특정 분야의 용도로 소개되어

왔으나 금속-고분자 물질에서의 충전제의 역할은 완전히

설명되지 않고 있다 복합체 표면의 과잉의 충전제 농도

는 미끄러지는 동안 부하를 지지하여 내마모성을 증가시

키는 것으로 생각되며 PTFE의 마모율은 Mo Zn Ni

Y2O3 및 SiO2 같은 무기 충전제에 의해 1000배가량 감소

되었다는 보고도 있다 유리섬유 구리 세라믹 탄소섬유

절단 탄소섬유 나노입자를 포함한 경질의 충전제 입자들

이 PTFE의 내마모성을 높이기 사용되어 왔다

ㅇ 비교적 두꺼운 코팅에는 열분사(thermal spray) 용사기

술이 정립되어 있고 용사 코팅은 내마모 내마찰 내프레

팅(fretting) 및 내부식을 요하는 산업에 많이 이용되고

있다

- 용사 몰리브덴(Mo)코팅은 실질적 내마모성 코팅으로

가장 광범하게 이용되며 프레임용사(flame spray)거나

와이어용사(wire spray)기술로 생산된 몰리브덴(Mo)

코팅은 흠이나 마모에 대한 고도의 저항을 얻기 위한

가장 좋은 코팅재료 중의 하나이다

- 알루미늄 청동(aluminium bronze)은 높은 내-부식성

과 내마모성을 갖는 것이 특징이다 저압 플라즈마 용

51

사 기술은 자기-아닐링(self-anealing)과 부서지기 쉽

도록 유도하는 γ-상의 형성을 피할 수 있도록 높은

냉각 속도를 얻는 데 사용되며 알루미늄 청동 저압

플라즈마 용사 코팅은 낮은 마찰과 마모를 보였고 비

교적 최근 플라즈마 용사 기술을 이용하여 알루미늄

기질에 고분자-세라믹 복합체를 코팅하는 기술이 개

발되었다33)복합체 코팅으로 행한 마찰 시험에서 낮

은 마찰계수를 얻을 수 있었다

- 낮은 마찰계수와 고 내마모성을 갖는 이성분 금속

-PTFE 코팅이 개발되었고 이들의 마찰 공학적 성능

이 보고되었다 PTFE-기초 복합체 설계에서 일반적

인 접근방법은 경질의 충전 입자들을 도입하는 것으

로 M Yamane 등34)은 PTFE-금속 이성분 코팅의 마

찰 마모성능에 관한 연구 결과 알루미늄 청동 코팅이

Mo코팅에 비해 PTFE 저장소(reservoir)에 유용했음

을 보고하였다

⑹ 충전 또는 강화 플루오르화 탄소1)

ㅇ 분말이나 강화섬유 등 전형적인 충전재들이 충전 또는

강화 플루오르화 탄소에 사용된다 충전재는 저온흐름

52

을 향상시키는 데 사용되며 수축과 균열을 줄이고 열

팽창을 낮추며 열전도율을 향상시킨다

ㅇ 분말이나 단섬유로 된 전형적인 충전제를 표 3-5에 종합

하였다 유리섬유는 가장 보편적인 PTFE 충전제로 화

학 및 전기적 특성에 최소로 영향을 미치며 기계적 특

성을 크게 향상시킨다 분말에 비해 섬유는 압축강도

강성도 및 지지용량을 더욱 향상시키나 분말은 충전

테플론의 내구성에 거의 영향을 미치지 않는다 금속분

말은 특히 열전도도를 향상시키며 고속에서 발생하는 마

찰열을 소멸하는데 도움이 되며 전기저항을 상당히 감소

시켜 금속-충전 조성물은 양호한 절연체는 아니다

ㅇ 흑연(graphite) MoS2는 초기 내구성과 마찰을 개선하고

기계적 특성을 향상시킨다 석면은 많은 유용한 특성을

갖지만 가공 처리 중 가스가 방출할 뿐 아니라 사용금지

물질이다 표 3-5 외에도 금속 망 장섬유 다공성 금속

등 다양한 충전제들이 있으며 다양한 종류의 제품들이

상업 생산되고 있어 최종 선정을 하기 전에 플라스틱 가

공업자로부터 보다 완전한 정보와 추천을 받는 것이 바

람직하다

53

표 3-5 불소수지용 충전제

ㅇ 압축강력 인장과 압축 시의 탄성률 및 항복강력은 첨가

제의 첨가에 의해 모두 증가하나 일반으로 인장강력과

신도 및 충격강도는 손실된다 통상 충전 테플론은 압축

상태에서 사용되므로 인장강력의 감소는 중요하지 않다

인장강력의 손실은 설치(연속적인 링-실링)할 때 인장되

는 재료에서 중요하다 열팽창 계수는 비-충전 테플론에

비해 감소되어 통상 금속 부품의 팽창계수와 잘 맞는다

ㅇ 마찰과 마모를 수반하는 분야에서 가장 중요한 것은 충

전제로 얻어지는 PV한계치의 증가와 마모의 감소다 비-

54

충전 테플론에 비해 PV한계치 크기는 개략적으로 1차원

적으로 증가하나 마모인자는 3차원적으로 감소한다 충전

테플론의 평균치들은 동적 마찰계수는 01-02 PV한계치

는 10000-20000 psi-fpm 마모상수는 10times10-10in3-min

lb-ft-hr이다 그림 3-3은 충전 테플론 PTFE의 마찰계

수에 미치는 충전제 종류와 농도의 효과에 관한 것이다

그림 3-3 테플론 PTFE에 미치는 충전제 종류와 농도1)

ㅇ 내마모성을 향상시키는 충전제는 실제로 연마저항성을

감소시키는 것으로 날카로운 입자는 보다 쉽게 침투하고

충전제 입자와 수지 사이의 경계를 따라 충전 플라스틱

을 찢는다 따라서 라이닝 슈트 같은 분야의 적용 시는

55

비-충전테플론이 보다 바람직하다

⑺ 시트 테이프 및 박층(laminates)

ㅇ 대부분의 플루오르화탄소는 충전 여부에 관계없이 두

께 1mil(0001 in)까지 시트나 테이프로 만들 수 있고

시트나 테이프를 찍어서 원하는 형상의 립-씰(lip seal)

펌프 컵(pump cup) 피스톤 링(piston rings) 가스켓

(gaskets) 등을 만들 수 있다

ㅇ 유체의 누설을 정지시키는 밀봉기능 부품 중 각종기기의

접합부나 배관 플랜지 등의 밀봉에 사용되는 가스켓

(gaskets)은 석면이 널리 사용되어 왔으나 유해물질 배

출 및 이동량 보고제도(PRTR Pollutant Release and

Transfer Register)에서 발암성을 가진 제1종 지정 화학

물질로 지정되어 사용이 금지되어 PTFE가 가스켓으로

개발되었다 PTFE는 용융 알칼리 금속 및 그 용액과 불

소 및 3불화염소에 의해 약간 침식되나 모든 화학약품에

안정하고 우수한 내부식 재료로 C-F결합력이 크고 F원

자가 C-C결합의 주위를 간격 없이 들러 싸고 있기 때문

에 다른 물질의 공격을 방어하고 있고 내열성은 260로

높다35)

56

- PTFE 필러를 사용한 PTFE 나선 권형 가스켓은 석

면에 대한 사용규제와 상관없이 사용되어 왔으며 유

연한 필러를 사용하므로 석면 가스켓 보다 낮은 체결

압력에서도 실 특성이 우수하고 내식 면에서도 광범

하고 다양한 유체에 사용이 가능하다 다만 단열성 면

에서는 석면 나선 권형 가스켓 보다 사용온도 범위가

제한된다

ㅇ 산업 기계나 자동차의 브레이크 제동장치에 부착하여 마

찰력을 부가하는 브레이크 라이닝에서는 마찰계수와 내

마모력 및 충격계수 등 마찰특성이 우수한 석면을 주로

사용하여 왔으나 제동 시 발생하는 미세 석면분진으로

인해 대기오염에 의한 환경을 파괴 뿐 아니라 인체에 흡

입될 경우 암을 유발하여 PRTR로 사용이 금지되었다

석면을 대체할 유기질 또는 무기질 된 다양한 비석면 마

찰 섬유 등이 사용되고 있으며 마찰 섬유에 테프론을 코

팅하여 브레이크라이닝의 수명향상 제동 시 발생하는 소

음 떨림 및 제동력 향상을 위한 제품개발이 시도되고

있다

- 예로 국내 특허36)에서는 브레이크 라이닝(또는 패드)

의 마찰재 배합재료 중 유기섬유(Kevlar섬유 pulp섬

57

유 등)에 테프론을 코팅하고 코팅된 유기섬유에 결합

재 충전재 윤활재 마찰안정재 마찰조정재 등을 소정

의 배합비로 배합하여 성형하고 열처리하여 브레이크

패드 또는 라이닝을 제조한다

ㅇ 초소형 정밀기계(MEMS Micro-Electromechanical

System)분야에서는 점착방지를 위해 불화 유기박막을

사용한다 Park 등37)은 단층 두께의 불화 유기박막의

특성을 접촉각 측정을 통해 분석하였다

⑻ DLC 코팅3839)

ㅇ DLC(diamond-like carbon)는 몇 가지 다이아몬드의 전

형적인 특성을 나타내는 비정질 탄소물질로 극도의 내마

모 특성을 필요로 하는 재료의 코팅에 이용되고 있다

DLC코팅은 연마 마모를 감소시키기 위한 재료에 유용하

여 엔드밀 드릴비트 금형 같은 공구는 물론 자동차 기

계부품 및 전자산업 등 산업전반에 걸쳐 적용된다40)

ㅇ 환경오염 문제로 인해 PRTR(Pollutant Release and

Transfer Register 유해물질 배출 및 이동량 보고 제

도) 이 시행되어 습동 부품이나 절삭 시에 사용되는 오

일이나 그리스에 포함되는 첨가제(MoS2 Zn 등)와 이들

58

부품을 세정할 때 사용되는 용매 기계부품의 수명을 연

장시키기 위해 활용되었던 Cr도금 폐액에서 발생하는 6

가 크롬 등의 오염물질들에 대한 규제가 더욱 강화되어

DLC에 의한 무윤활 습동과 무윤활 절삭을 지향한 공구

와 기계 부품의 개발이 관심을 끌고 있다4142)

- 일본 내에서는 PRTR이 시행되고 이것에 저촉되는 재

료에 관해서는 MSDS(Material Safety Data Sheet)를

첨부해야할 의무가 있고 부품가공 습동 용도에서는

대상 리스트에 올라 있는 오일 오일 중의 중금속 도

금폐액을 어떻게 경제성 있는 환경 친화적 공정과 재

료로 전환할 것인가를 고려하면서 무윤활 습동 무윤

활 절삭 탈크롬 도금의 3가지 키워드가 대두되고

DLC코팅이 대안으로 모색되고 있다

- DLC코팅 적용기술과 과제에 관한 자료로는 자동차

관련부품 적용사례 엔진부위 마찰 작동 밸브계의 마

찰저감 DLC와 윤활제에 의한 마찰저감 기술을 중심

으로 살펴본 보고가 있다43)

ㅇ DLC는 7가지 형태가 존재하며 모두 상당한 양의 sp3혼

성궤도 탄소원자를 함유한다 다양한 형태의 DLC가 진

공 환경으로 적합한 재료들에 적용가능하며 유럽에서의

59

2006년 위탁 DLC코팅 시장은 3천만euro로 추정되었고 국

내도 활발한 상용화가 시도되고 있다

ㅇ 사반면상(tetahedral) 비정질 탄소 ta-C를 2두께로 코

팅하면 연마마모에 대한 스테인레스 강(304 type)의 내구

성을 증가시켜 수명을 1주일에서 85년으로 늘이며 이러

한 DLC의 형태는 sp3결합 탄소 원자로만 이루어지기 때

문에 순수한 DLC로 간주되며 수소 sp2흑연 탄소 금속

같은 충전제가 생산경비를 낮추거나 원하는 특성을 부여

하기 위하여 사용되고 있다

ㅇ DLC를 만드는 방법에는 sp3탄소 보다 낮은 밀도의 sp

2

에 의존하는 몇 가지 방법들이 있으며 압력 충격 촉매

또는 이들의 조합으로 sp2결합탄소 원자들을 sp3결합탄소

로 근접시킨다 최근 초고압 하에서 탄소의 경량 특성을

갖는 초경도 무정형 다이아몬드가 만들어졌다 탄소로 만

들어지는 다이아몬드 그래파이트는 결정구조를 가지나

DLC는 비정질이라는 점에서 크게 다르고 200 정도의

저온에서 형성시킬 수 있다는 점이 통상의 PVD막에 비

해 훨씬 우위에 있다

ㅇ DLC코팅은 제조공정이 복잡하고 생산 단가가 비싸 적용

이 어려우며 적용되는 소재가 제한되는 단점을 갖는다

60

주요제법으로는 고주파 플라즈마 법 이온화 증착법 스

페터링법 등을 들수 있다 고주파 플라즈마 법은 메탄가

스가 원료로 사용되고 막 중의 수소가 약 30(원자)로

평활성이 우수하고 마찰계수가 작으나 경도가 낮다 이

온화 증착법은 벤젠을 사용하며 막은 단단하나 면의 조

도가 거칠고 후막화 하기 위해 스패터링 방법이 검토되

고 있다

⑼ 불소수지의 안전성

ㅇ 테플론 PTFE의 열분해는 200(392)에서 감지되며 이

것은 몇 가지 플루오르화 탄소 기체들과 승화물질을 방

출한다4445)1955년 동물실험에 관한 한 연구에서는 이들

물질이 250(482) 이하에서는 의미 있는 양이 아니라

고 결론지었으나 최근 비-점착 주방기구인 프라이팬이

나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가열할 때 조류를

죽일 수 있는 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수

도 있다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있다45)

ㅇ 표 3-6은 EWG가 보고한 3-5분 내에 370까지 불소수

지를 가열할 때 발생되는 15종의 불소화합물에 관한 것

이다 테플론과 같은 코팅물질들이 장기적으로 인체에 미

61

치는 영향에 관한 연구는 이루어지지 않고 있으나 독감

과 유사한 질병을 유발할 수 있으며 이를 중합체 증기열

(polymer fume fever)이라 한다

표 3-6 15종의 유해물질 및 유독성 기체44)

ㅇ 최근 표 3-6의 화합물들 중 특히 TFA와 과불화된

(perfluorinated) PFOA(perfluorooctanoic acid)에 관심이

증가되고 있다 PFOA는 새로운 환경오염물질로 미국 환

경보호청(EPA)에 의하면 보통 때는 문제가 없으나 조리

과정에서 프라이팬에 열을 가하고 강하게 긁을 경우 용

62

출되어 나오며 이것이 음식물과 함께 인체에 흡수되는

것으로 추정하였다 한편 DuPont의 테플론 PTFE 연구

결과에 의하면 검출한계인 9ppb 이상 검출되지 않으며

테플론 주방기구에서는 PFOA가 존재하지 않는다고 발

표하고 있다

- 물이나 공기를 통해 환경에 노출된 PFOA는 고 콜레

스테롤 궤양성 대장염 갑상선 질환 고환암 신장암

및 임신성 고혈압과 관련된다고 보고되었다

- PFOA는 불소수지 생산과정에서 사용되는 첨가물로써

암모늄 형태로 PTFE 유화중합에 계면활성제로 사용

되며 불소수지의 품질과 균일성을 유지하기 위해 필

수적인 첨가물이기 때문에 전 세계 모든 불소수지 제

조업체가 사용 중에 있다 한편 국내 주력 산업인 반

도체 생산 과정에서도 PFOA를 대량으로 사용하고 있

어 체계적인 실태조사와 대책수립이 필요하다는 의견

들이 대두되고 있다

⑽ 불소화합물의 안전성과 환경대책

ㅇ 표 3-6에서 살펴본 바와 같이 테플론을 급격히 고온으로

가열하면 2종의 발암물질을 포함한 유독성 가스가 발생

63

하고 특히 불소화합물 중 MFA(monofluoroacetic acid)는

적은 양으로도 치명적 해를 끼치고 PEIF(perfluoro-

isobutene)는 신경가스제로 여러 가지 질환을 발생시킨다

한다44)

따라서 테플론으로 코팅된 장치를 재 코팅하기

위해 테프론을 고온으로 급격히 가열하거나 소각 등을

통해 제거할 때는 발생 가능성이 있는 유독가스를 제거

하기 위한 별도의 설비를 이용하여야 하고 유 등44)의 보

고서에서와 같이 중조(NaHCO3)를 포화시킨 충분한 물로

유독 산성 물질을 중화시키는 것도 고려할 만하다 한편

부식대전 방지 코팅도 테플론 코팅 일변도에서 세라믹

코팅 CNTs이나 DLC 코팅기술로 대응하는 것을 추천하

고 싶으며 이것은 유해물질 배출 및 이동량 보고제도

(PRTR Pollutant Release and Transfer Register)에 대

비하는 등 기업의 장래를 고려하는 것도 될 것이다

ㅇ PTFE를 사용한 취사도구는 1960년대 이래 사용되어 오

고 있으나 최근 들어 이것의 안전성이 논쟁의 주제가 되

고 있으며 논의 주체는 PFOA(perfluorooctanoic acid)이

다 PFOA는 PTFE를 비롯한 많은 불소수지의 생산에

사용되며 DuPont의 테플론 PTFE 연구 결과에 의하면

프라이팬을 260 이상 고온에서 가열하거나 코팅이 벗

겨져도 PFOA가 존재하지 않는다고 한다 그러나 물이나

64

공기 토양 식품포장재 등 여러 곳에서 PFOA 오염사실

이 보고되고 있다 한다44)

- 미국 EPA는 인체와 환경에 대한 PFOA 연구를 계속

하고 있으며 2015년까지 PFOA 및 이와 관련된 화합

물 방출을 배제할 프로그램을 갖고 있으나 PTFE-기

초 비점착 취사기구를 중지시킬 타당성을 갖고 있지

는 않다 최종제품은 PFOA가 아닌 PTFE이기 때문이

다

- 수십 년 동안 불소수지 비점착 코팅이 시장을 지배하

였으나 최근 몇 가지 신기술들이 출현되고 있으며 이

들 대부분은 실리콘 세라믹과 실리콘 기술로 이들 코

팅은 PTFE와 PFOA를 함유하지 않는다

- 오늘날 출시된 비점착 취사용구는 수많은 상표로 팔

리고 있으며 DuPont에 의하면 대부분의 취사용구 코

팅은 정상적으로 사용할 때 3-5년 견딜 수 있을 것으

로 예측한다 너무 문질러서는 안 되고 따뜻한 비눗

물로 씻어주는 것이 좋으며 닳거나 흠이 생기지 않도

록 나무 플라스틱이나 코팅된 재료로 만든 도구를 선

택하고 보관도 흠이 생기지 않을 장소나 캐비닛을 권

장하고 있다

65

ㅇ 국내의 불소수지 안전성에 관한 것으로는 재질규격(납과

카드뮴)과 용출규격(납 과망간산칼륨소비량 증발잔류물)

이 식품용 기구 및 용기 포장 공전46)에 기재되어 있으며

최근 국내에서도 PFOA를 비롯한 유해 불소화합물에 관

한 관심이 커져 가고 있다

ㅇ PFOA 문제가 표면화 되면서 환경 보전형 불소계 발수

유제의 개발과 공업화도 새로이 부각되고 있다 이에 관

한 보고서를 모니터링한 KISTI자료47)를 중심으로 간단히

요약하면 발수제의 주요성분 퍼플루오로알킬기(Rf기)함

유 폴리머의 기능은 Rf기의 고리길이에 크게 의존하므로

PFOA문제 해법으로 탄소수 8 이상인 종래의 불소화학

에서 탈피 짧은 고리 Rf기(탄소수 6)를 가진 새로운 단

량체를 선택하여 발수제를 제조함으로써 환경 보전형 불

소계 발수유제를 개발하고 공업화하였다 한다

66

제 4 장

지원결과

1 지원결과 종합

테프론 코팅 기술의 문제점과 부식대전방지용 테플

론 코팅에 관한 정보 외에 신청기업의 요청에 따

라 C-나노튜브 코팅 및 DLC증착에 관련된 기술 정

보도 제공하였다

테플론은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat resistant)

비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coefficient of

friction) 내약품성(chemical resistance)과 특이한 전기적

특성(unique electrical properties) 및 온내구력(cryogenic

stability)으로 그 응용범위가 광범하며 용도에 따른 엄격

한 품질관리가 요구될 것으로 생각되어 중소기업에 적합

한 기초능력 배양과 신제품을 구상하기 위한 최신기술에

관한 정보를 제공하고자 하였다

67

불소수지의 코팅은 두께와 첨가제가 관건으로 이에 관한

자료를 제공하고자 하였으며 불소수지의 전기특성 폭발

성 환경과 반도체 제조공정에서의 대전 방지 처리를 위

한 정전기 관리 지표 등을 특허를 중심으로 조사하여 제

공하고자 하였다

C-나노튜브를 이용한 대전방지 코팅 기술 및 C-나노튜

브의 제법 등 이것에 관한 기초정보를 제공하고자 하였

으며 내마모성 테플론 코팅에 관해서는 테플론을 이용한

세라믹 코팅 기술에 관한 정보도 제공하고자 하였다

테플론의 기계적 전기적 특성을 강화하기 위해 사용되는

충전제를 종합하고 기초이론을 정립함으로써 금후 원부

자재의 선정에 도움을 주었다

테플론은 석면 대체재로도 주목받고 있어 이에 관한 특

허 정보들을 제공하였으며 다이아몬드의 전형적인 특성

을 나타내는 DLC의 코팅관련 기술 정보를 환경오염 문

제와 연관하여 자료를 제공하였고 최근 비-점착 주방기

구인 프라이팬이나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가

열할 때 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수도 있

다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있어 이에

관한 정보도 제공하였다

68

2 지원의 한계

중소기업이 당면한 문제는 전문기술의 확보다 관련 기술

이 비약적으로 발전하는 추세에 비추어 한정된 인원으로

신기술을 소화하고 개발하기는 어려울 것이므로 출연연

구기관이나 대학과 공동연구를 모색할 수 있으나 이것도

중소기업으로서는 경제적 부담이 될 수밖에 없을 것으로

생각된다 가능하다면 앞으로도 KISTI의 정보지원이 계

속되기를 바라고 있었다

3 기대효과

부식대전 방지 테플론 코팅에 관한 기본 기술이 배양되

어 합리적인 원부 원료의 수입검사 공정관리 및 제품관

리를 통해 원가절감은 물론 신제품 신기술에 관한 정보

수집 및 분석능력이 배양되고 개발력이 확충되어 기업

경쟁력 향상에 도움이 될 것이다

69

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저자소개

김학주(金鶴柱) 서울대학교 문리과대학 화학과 졸업 이학사

전북대학교 대학원 화학과 이학박사

(주)삼양사 의약연구소장 신성대학교 교수

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 폴리에스테르 섬유의 연중직방기술 외 다수

저서 기기분석 공업물리화학 일반화학

성용길(成墉吉)

동국대학교 이과대학 화학과 졸업 이학사 이학석사

부산대학교 대학원 화학과 이학박사(Dr Sci)

University of Utah USA Ph D(공학박사) Post Dr

유타대학교 연구교수 부산대학교 교수 동국대학교 교수

동국대학교 명예교수 한국원자력문화진흥원 이사

과학문화연구원전문연구위원 한국도량형과학문화연구원 원장

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 의료용 기능성 고분자재료에 관한 연구 외 330편

저서 고분자 물성론 (서울대학교 출판부 공저) 외 10권

13

는 탄소나노튜브(CNTs)의 제조 방법 용도 등에 관한

설명과 의견교환 내마모성 테플론 코팅 방법 용도

등에 관한 자료제공 및 의견교환 충전 또는 강화 불

소수지에 관해 자료조사를 통해 얻은 충전제의 종류

기계적 및 물리적 특성 향상 방법에 관한 기초지식을

제공함 다음 방문 시(7월 25일)에는 시트 테이프 및

박층 테플론과 최근 내마모성 코팅기술로 주목받고

있는 DLC코팅과 테플론의 안정성 문제에 관해 의견

을 교환하고 그간의 정보지원에 관한 내용들을 종합

정리하기로 함

- 지원효과 대전방지 불소수지 코팅의 작업표준 및 관

리지침에 반영할 자료 제공 최근 관심의 대상이 되는

CNTs에 관한 기초지식 배양 및 정보수집과 분석 불

소수지에 사용되는 각종 충전제의 선정 시 참고 자료

확보

- 자료제공

① Francis J Clauss Chapter 9 Fluorocarbons

Solid Lubricants and Self-lubricating Solids 1972

pp195sim238

② Eunsoo Kang Seongcheol Choi Changhoon Choi

14

Sang Eun Shim Aqueous dispersion of

submicron-sized diamond particles for thermally

conductive polyurethane coating Colloids and

Surfaces A Physiochem Eng Aspects415(2012)

pp255-261

③ Masaaki Yamane Tadeusz A Stolarski Shogo

Tobe Influence of counter material on friction

and wear performance of PTFEndashmetal binary

coatings Tribology International Vol 41 (2008)

pp269ndash281

④ M Pazderova M Bradac M Vales

Tribological Behaviour of Composite Coatings

Procedia Engineering Vol 10 (2011) pp472-477

⑤ S Rossi F Deflorian F Venturini

Improvement of Surface finishing and Corrosion

Resistance of Prototypes by Direct Metal Laser

Sintering Journal of Materials Processing

Technology Vol 148 (2004) pp301-309

⑥ S Rossi F Chini etal Corrosion Protection

Properties of Electroless NickelPTFE Phosph-

ateMoS2 and BronzePTFE Coatings Applied to

Wear Resistance of Carbon Steel Surface and

15

Coatings Technology Vol 173 (2003) pp235-242

⑦ VC Malshe Nivedita S Sangaji Fluorinated

Acrylic Copolymers Part I Study of Clear

Coatings Progress in Organic Coatings Vol 53

(2005) pp207-211

⑧ Xing-Dong Yuan Xiao-Jie Yang A Study on

Friction and Wear Properties of PTFE Coatings

under Vacuum Conditions Wear Vol 269 (2010)

pp291-297

⑨ Amel Delimi Elisabeth Galopin etal

Investigation of the Corrosion Behaviour of

Carbon Steel Coated with Fluoropolymer Thin

Films Surface amp Coatings Technology Vol 205

(2011) pp4011-4017

⑩ 이계영 김태균 김종구 ldquo내마모성 및 윤활성 코팅

조성물rdquo 대한민국특허 등록번호 10-1151909 (2012)

⑪ Thomae Kart J Multilayer Corrosion Resist

ant Finish and Method WO 2006017259(2006)

⑫ (주)바론에스엘 ldquo불소수지와 세라믹의 유무기

하이브리드 코팅 조성물 및 그를 이용한 도막 형성

방법rdquo 대한민국 공개특허 10-2013-0028553 (2013)

16

4 4차 지원

일시 및 장소 2013년 7월 25일(목요일) 1000-1400시 신청

업체 2층 회의실

참석자 성용선(연구소장) 이채영 차장 및 연구원

주제 및 토의사항

- 지원내용과 향후지원계획 발암물질인 석면대체재로써

테플론의 개발 동향을 나선 권형 가스켓과 자동차브

레이크 제동장치를 중심으로 토의하고 내마모 특성을

필요로 하는 DLC 코팅에 관한 정보제공과 DLC 특성

에 관해 집중 토의함 환경문제와 관련하여 대두되고

있는 테플론 분해가스 등 안정성 문제에 관한 자료를

제공하고 이에 관한 의견을 교환함 그간의 제공 정보

를 종합하고 8월 말 작성예정인 최종보고서 내용을

협의하였음

-지원효과 신기술 개발을 위한 내마모 코팅 DLC코팅

환경문제를 고려한 친환경 제품 등 신기술과 신공정

개발을 위한 개념을 확립하였음

17

- 자료제공

① WO 2006047500(Henkelkommanditgesellschaft auf

Aktien Article of Manufacture and Process for

Anodically Coating an Aluminum Substrate with

Ceramic Oxides Prior to Organic or Inorganic

Coating)

② 이치옹 분석자료 ldquo나선형 개스킷의 비석면화rdquo

Takashi Miyoshi 배관기술(일) Vol 46(10) 2004

pp43-47

③ 유호천 ldquoDLC 코팅 표면처리rdquo KISTI 중소기업 정

보지원 2011 10 11

④ 유호천 ldquoPVD DLC TRD 코팅설비를 활용한 복

합충 개발및 제품적용rdquo KISTI 중소기업 정보지원

2010 10 21

⑤ 국립환경과학원 ldquo화학물질 배출량 조사 OECD와 협

력강화rdquo 보도자료 (2010 11 18)

⑥ ldquo새로운 코팅기술과 공구에 대한 적용rdquo 월간기계기술

기자 2005년 3월호

⑦ Teflon off-gas studies Environmental Working

Group Ewg Org Retrieved on 2013-01-01

⑧식품의약품안전청 ldquo식품용 기구 및 용기 포장 공전rdquo

18

2012

⑨ 廣野高生 ldquo環境保全型フッ素系 撥水撥油剤の 開發

と 工業化rdquo ファインケミカル(日本) 37(11) 2008

pp39-44 이치옹 모니터링분석 KISTI

5 5차 지원

일시 및 장소 2013년 8월 21일(수요일) 1000-1400시 신청

업체 2층 회의실

참석자 성용선(연구소장) 이채영 차장 및 연구원

김학주(전문연구위원) 성용길(전문연구위원)

김종헌(KISTI 연구책임자)

주제 및 토의사항

1 불소화합물의 안전성과 환경대책 정보지원 결과 종합

등 최종보고서(안) 내용에 관한 의견교환

2 지원의 한계와 기대효과에 관한 의견 교환

3 건의 사항 등

19

세부 지원 내용

⑴플루오르화탄소 플라스틱의 특성

Teflon TFE(폴리테트라플루오로에틸렌)은 1940년대부

터 사용되어 왔으며 Teflon FEP(플루오르화에틸렌프

로필렌 공중합체)는 1958년에 소개되었고 압출 및 사

출성형이 용이하며 TFE 유형은 딱딱하고 낮은 마찰계

수를 가지며 마모에 강하고 보다 높은 온도에서 사용

가능하다 이 외에도 플루오르화탄소 플라스틱에는 폴

리염화플루오르화에틸렌(CFE 또는 CTFE)와 폴리비닐

리덴플루오라이드(PVF) 등이 있다 플루오르화탄소 플

라스틱은 그 코팅방법에 따라서도 응용범위가 광범위

하게 발전되어 왔으며 그 용도는 주방용기로부터 기

계 자동차 반도체는 물론 우주항공 산업 부품에 이르

기까지 무한하며 상업 생산되고 있는 플루오르화탄소

플라스틱은 표 3-11)과 같다

PTFE는 열가소성 플라스틱으로 상온에서 밀도 약 2200

인 백색고체로 융점은 327이며 마찰 및 마모 특

성을 나타내는 마찰계수는 고체재료 중 BAM(alumi-

20

nium magnesium boride 마찰계수 002)과 DLC

(diamond-like carbon 마찰계수005)에 이어 3번째로

낮은 005-010로 반데르발스 힘에 대한 저항력으로 도

마뱀이 붙을 수 없는 유일한 표면으로 알려져 있다2)

표 3-1 플루오르화탄소 플라스틱의 유형1)

21

Teflon의 유용한 기계적 특성은 -450sim500(-267sim

260)에서 유지되며 여러 가지 특성들은 가공기술을

바꾸어 변경시킬 수 있다 마찰 및 마모 특성을 나타

내는 마찰계수들은 시험조건에 따라 다르며 Teflon은

증기압이 극히 낮아 진공에서도 우수한 안정성을 가

지며 방사선 안정도는 부족하나 방사선 내용성은 극

히 높다

테프론의 특징은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat-

resistant) 비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coeffi-

cient of friction) 내약품성(chemical resistance) 특이한

전기적특성(unique electrical properties) 저온내구력

(cryogenic stability)으로 대표된다3)

- 테프론 코팅된 표면에는 거의 모든 물질이 달라붙지

않으며 내열성(heat-resistant)이 우수하여 -260sim+26

0까지 사용할 수 있고 단시간 사용의 경우에는 30

0까지 견디며 Teflon FEP는 232에서 연속사용이

가능하다 비유성(non-wetting)이 우수하여 표면에 물

이나 기름이 잘 묻지 않아 표면이 오염되지 않아 쉽

게 청소가 가능하고 기계설비의 보수시간이 단축되어

생산성을 향상시킬 수 있다 테프론은 비-절연성은 물

22

론 비-유전정접과 우수한 표면 저항률을 보인다

⑵ 플루오르화탄소 수지 코팅

얇고 강인한 플루오르화탄소 수지 필름을 금속 등에

소결이나 수지-접착에 의해 바르면 기질에 침착된 필

름은 저온흐름으로 고체 플루오르화탄소 수지보다 낮

은 마찰계수를 띠고 금속은 양호한 열전도도를 갖고

열을 분산할 수 있어 고속으로 운전할 수 있고 양호한

내구성을 갖게 된다

1950년대 미국 해군연구소에서 소결 Teflon TFE필름을

수성 분산액(현탁질)으로부터 무기 탄약통 비행기부

품 잠수함부품의 건조-필름 윤활제 및 보호 코팅용으

로 개발한 후 이것들은 기어 정첩(hinges) 샤프트 베

어링 밸브 플러그 콕 피스톤 링이나 그 외의 산업분

야에 응용되고 있다

- 실제로 적절한 테플론 현탁질을 고체 표면에 침적한

후 수분 증발이 너무 빠르지 않게 공기에서 필름이

건조되게 한 후 테플론 입자들이 연화 및 소결되도록

건조된 표면을 약 385(725)로 가열하고 냉각하면

23

얇은 연속 필름이 표면에 남지만 필름 중의 많은 작

은 세공들은 테플론의 높은 용융점도 때문에 제거할

수 없다 세공들은 윤활 작용에는 제한을 받지 않으나

녹슬거나 부식의 공격점이 되어 부식방지를 위해서는

1회 이상의 박막 추가 코팅이 반복되고 보통 2회 코

팅으로 충분하나 각 침적 테플론 층은 두께가 00003

인치(762)를 초과하지 않아야 하며 그렇지 않으면

말린 진흙 같이 균열이 발생한다 필름이 윤활제로 사

용될 때는 필름두께가 00006-00007인치(152-178)

를 초과하지 않아야 한다1)

- 테플론코팅은 통상으로 존재하는 표면 산화물이 제거

되지 않은 깨끗하고 탈지된 강철 황동 및 알루미늄금

속표면일 때 가장 잘 접착한다 만일 산세척에 의해

과잉 두께의 산화물이 제거되었다면 필수적으로 얇은

산화층이 형성될 때까지 공기 중에서 가열한다 접착

은 실표면적이 증가하면 증가하므로 경면가공(mirror

finish)보다 모래분사가공이나 무광택가공이 양호하다

- 테플론 코팅된 표면의 마찰계수는 금속기질 표면을

거칠게 함으로써 낮출 수 있으나 미끄럼마찰 조건 아

래 내구성은 금속의 거칠기가 32마이크로인치(rms)를

초과하면 감소한다

24

철강 기질의 인산처리는 소결 Teflon TFE필름의 마모

수명을 향상시킨다고 보고되었으며 양극처리 된 코팅

의 경도 및 내마모성과 불소수지의 윤활성을 결합하기

위해 다공성 경화 양극처리 알루미늄 위에 불소수지를

침윤하여 왔다 Teflon S 마감재는 Du Pont이 도입한

최초의 수성-기초 분산 TFE FEP로 이들은 ldquo계층화

된rdquo 마감재이다 Francis J Clauss1)는 다양한 용도에

서의 Du Pont사 제품들의 선정 가이드를 표로 종합하

였으며 이것을 요약하면 표 3-2와 같다

- 테플론 코팅은 프라이머 단층 프라이머 코팅 후 에나

멜이나 클리어 마감 또는 프라이머 에나멜과 클리어

마감 등 3-코팅 시스템으로 구성된다 프라이머들은

금속이나 세라믹 기질에 접착을 향상시키기 위해 개

질제를 함유한다 프라이머들은 가끔 1회 코팅 마감재

로 사용되나 음식물과 접촉하는 용도로는 반드시 에

나멜이나 클리어 마감재로 마무리 칠을 하여야 한다

프라이머는 층간 접착력이 부족하기 때문에 다중 코

팅에 적용될 수 없고 만일 06mil 이상의 코팅이 필요

하면 프라이머는 에나멜이나 클리어 마감재로 마무리

칠을 하여야 한다

25

표 3-2 테플론 코팅 두께1)

최종

용도대표적 용도

전체두

께(mils)

프라이머에나멜클리어

가공(mils)

비점착

산업

직물 슬래셔 통

열 봉합 봉 고무경화 롤러

우레탄과 에폭시 경화 주형

제빙기

목재 고무 주석도금 아연

10-25

07

20-50

08-13

07

03 07-22 07-10

07 마무리칠 불가

03 07-37 10min

03 05-10 05-10

07 마무리칠 불가

식품

프라이팬 내열접시

반죽롤러

캔디 장치

08-12

10-30

20-30

03 05-09

03 07-27

03 07-17 10

One-coat

system

금지

드라이

윤활

플러그 밸브

유리병 제조 전달 장치

베어링

03-07

15-25

05-07

03-07

03 03-05 03-05

02

전기

전자

저항기 코팅

아이들 롤러(제지 섬유 공업)

세라믹 절연체

40-50

10-15

20-25

03 37-47

03 07-12

03 17-22

부식

방지용기 라이닝 gt50 03 47 또는 5-10 이상

Non-

wetting콘덴서 튜브 02-04 02-04

- 유색 프라이머는 통상 안료가 필름의 범위와 두께를

시각적으로 체크할 수 있게 하므로 그렇지 않은 것에

비해 더 선호된다 에나멜과 클리어 마감재는 충분한

접착을 위해 프라이머 위에 발라야 한다 ldquo진흙 갈라

짐 현상(mud-cracking)은 코팅 당 최대 두께를

10mil로 한정하나 다중 코팅에 의해 극단적이 조건

하에 전체 두께를 10mils까지 바를 수 있으며 각각의

26

코팅은 분리하여 구워진다

불소화 고분자들은 낮은 표면장력 물과 기름에 젖지 않

고 비점착성이며 방오 특성(antifouling properties) 등을

갖기 때문에 다양한 특수 코팅에 적용되나 합성과 조성

이 몇몇 제조업자들에 독점되어 있고 값비싼 중간체를

필요로 한다 VC Malshe 등4)은 플루오르 함량이

4-10인 불소화된 아크릴 공중합체를 간단한 방법으로

합성하고 클리어 코팅하여 광학적 기계적 및 보호 특성

을 연구하였다

최근 에너지 절감과 CO2규제와 같은 환경규제에 대한 대

응 필요성이 증가하면서 발전소나 각종 보일러 시스템에

서 배가스로 배출되는 응축잠열 에너지의 회수 및 활용

에 관심이 증가되고 있다 Lee 등5)은 스테인레스 관 표

면에 400정도의 두께로 테플론을 코팅한 전열관에서

관의 열 및 응축 열전달 특성을 연구하여 테플론 코팅관

의 총괄 열전달 계수는 스테인레스 관보다 약 20 작은

것으로 나타나고 응축열전달 계수는 유사하였음을 보고

하였다

알루미늄 용광로의 비-여과 배출가스에 장기간 사용하기

적합한 역류 열교환기에 관한 것으로 원통형 쉘의 표면

27

은 알루미늄 용광로 배출가스 입자 및또는 먼지 및 부

식 흄과 접촉될 수 있어 테프론 계로 코팅 처리하는 특

허6)가 있다 이 특허에서는 원통형 쉘을 만들도록 복재

(web member 웨브재)와 함께 연결된 유체 운반튜브로

이루어진다 각 원통형 쉘에 위치한 헤더는 열교환기의

튜브에서 튜브로 유체를 공급하며 뜨거운 난류가스에 작

용하여 스케일링을 최소화하기 위해 헤더의 보호덮개를

설치한다

저온에서 고온에 이르는 환경에서 유체에 사용되는 배관

튜브는 열에 의한 경시적 열화가 진행되어 균열 발생이

쉽다 가동부에 사용되는 배관 튜브는 움직임이 수반되어

그 경향이 현저하며 반도체 제조장치에 일반으로 사용되

는 실리콘튜브는 저온에서 열화되어 파손되기 쉽다 이러

한 문제점을 해결하기 위해 실리콘 튜브 외측 표면을 테

플론으로 코팅하여 균열발생을 억제함으로써 장시간 사

용 가능하도록 고안한 특허7)가 있다

섬유상 부직포로 제작하는 다공성 여과필터는 다양한 산

업공정의 배출가스를 정화시키는 데 사용되며 특히 중고

온 환경에서 사용이 가능한 다양한 종류의 기능성 필터

의 개발이 요망된다 일반으로 소각장 및 발전소 등의 중

고온 조건에서 사용되는 Nomex를 비롯한 섬유상 필터는

28

200 이상에서는 열변형으로 사용이 제한적이고 세라믹

필터와 같이 고온에서 적용이 가능한 소재는 매우 고가

일 뿐 아니라 초기 작업으로 인해 에너지 사용량이 매우

높아지는 문제점이 있다 Kim 등8)은 250-300 영역의

중고온의 배출가스를 처리하기 위한 필터에 표면 소수성

과 고온 안정성을 부여하기 위하여 표 3-3과 같은 조성

으로 그림 3-1과 같은 장치를 이용하여 테플론 수지를

거품 형태의 코팅액으로 조제하여 유리섬유 원단에 공급

하여 표면코팅하고 열처리 및 압착과정을 거친 후 표면

분석하였다

표 3-3 테플론 코팅을 위한 화학첨가제8)

테플론 코팅이 전기 집진장치에 활용되는 특허도 있다

종전 사이클론 방식의 전기집진기에서는 집진부의 먼지

를 떨어뜨리는 것이 용이하지 않았다 발명자들은 먼지

압축 기능을 갖는 집진실 내측에 테플론 가공을 하여 정

전기에 의한 미세먼지의 부착을 억제함으로써 집진실의

먼지를 원 터치로 처리할 수 있도록 하였다9)

29

그림 3-1 테플론 거품코팅8)

일반으로 테프론을 조리용기에 코팅하는 방법은 금속소

재를 사용 제품형태로 제작한 후 세척하고 에이징(소둔)

처리한 후 샌딩하여 표면조도를 유지하도록 하고 표면에

프리머 처리하여 베이킹 처리한 후 분사방법으로 테프론

코팅을 하고 다시 베이킹 처리하므로 공정이 복잡하고

제조원가가 상승하며 부착력에 한계가 있다한다 (주) 엘

지아이 특허10)에서는 피처리물을 세척한 후 산질화처리

하여 표면에 열처리 층이 형성되게 한 후 테프론을 코팅

하고 베이킹 처리하는 것을 특징으로 한다 그 외에 내열

세라믹 주방용기의 불소수지 코팅방법에 관한 특허가 있

다11)

(주) 봉성비에스는 차량의 주행 충격을 흡수하는 완충기

30

내부에 삽입하는 피스톤 외주면의 마찰과 소음을 최소화

하기 위한 목적으로 테프론 코팅을 하기 위한 코팅장치

를 등록하였다12)

⑶ 대전 방지 플루오르화탄소 수지 코팅

ㅇ 본래 불소수지 자체는 높은 절연성과 큰 대전성을 갖고

있기 때문에 도전 효과를 얻기 위해서는 분상 필러를 다

량으로 충전할 필요가 있으나 이렇게 하면 비점착성이

떨어진다 여러 회사들의 제품 안내서들을 종합한 불소수

지의 전기적 특성은 표 3-4와 같다

표 3-4 불소수지의 전기 특성

특성측정법

(ASTM)단위

PTFE

(비충전)

PTFE

(25

유리충전)

PTFE

(25

탄소충전)

표면 내아크성 D495 sec 75-110

체적저항

(비저항)D257

ohm-

cmgt1018 gt1016 104

표면저항 D257ohm

sq-1 gt10

14

유전율(유전상

수) at 1MHzD150-81 e 25 24

절연내력 short

time 18thickD149

kv

mm285

유전정접(유전

정합) at 1MHzD150-81 lt00002 005

31

ㅇ 불소수지는 내열성 내한성이 높고 내약품성 내연소성

난연성이 우수하고 절연성 및 비점착성과 저 마찰계수를

갖고 있으나 절연성이 높아 정전재해의 원인이 될 수 있

어 재해 방지를 위해 대전 방지 또는 저저항을 특징으로

하는 불소수지 가공품이 개발되어 사용범위가 넓어지고

있다

불소수지에 충전하여 저저항으로 하는 필러에는 일반적

으로 도전성이 높은 카본 금속 또는 산화알루미늄 등의

금속산화물이 사용된다 재료의 형상으로는 미분 탄소

스테인레스 스틸 니켈 금속분과 같은 입상물 단섬유 탄

소섬유 위스커(whisker) 등이 사용된다

- 미분은 비표면적이 크기 때문에 소량의 충전으로 저

항치를 내릴 수 있으나 약품의 침투가 있는 경우 비

표면적이 크기 때문에 약품의 영향을 받기 쉬워 내부

식성 떨어질 가능성이 크다

- 입자상물질들은 미분에 비해 비표면적이 작기 때문에

약품의 영향을 비교적 적게 받지만 저항치를 내리기

위해 충전량이 많게 되어 불소수지의 특징인 비점착

성과 저마찰계수 특성을 저해한다 섬유 위스커 형상

은 단방향에 대한 장방향의 비가 클수록 적은 충전량

32

으로 저항치를 낮출 수 있지만 분산이 나쁘면 요철이

발생한다 부식 방지 코팅에서는 충전제의 내약품성이

관건이다 즉 부식 환경에서 불소수지 자체는 충분히

견디어도 충전제가 내약품성이 없으면 충전제가 서서

히 에칭되어 기기가 부식될 가능성이 크다

화학 석유 및 정제 산업에서는 시험 검사 세척 및 다양

한 공정의 용기 저장 탱크 반응기와 같은 많은 구성요

소들이 사용되며 플루오르화 고분자는 고온에서 높은 열

안정성을 갖고 다양한 유기용매에 전혀 용해되지 않으므

로 부식방지 등을 위해 플루오르화 고분자와 같은 내화

학성 고분자로 코팅된다 그러나 이들 고분자는 코팅된

구성요소의 표면에 정전하 축적을 조장하기 때문에 폭발

성 환경에서는 사용할 수 없다

특히 이들 구성요소들의 금속 구조물은 용기나 탱크에

보관된 가스 증기 분진의 이동에 의해 생성된 정전하

(electrostatic charge)를 흐르게 하는 전도경로가 되나 금

속표면을 강산 강알칼리나 유기용제에 의해 침투되는 방

지하기 위한 목적으로 부식방지 테플론으로 코팅될 경우

얇은 필름의 비-전도체로 작용하므로 폭발성 환경에서

사용을 규제하고 있다

33

- 예로 유럽 표준 EN 50014 section 732에서는 정전

하로 인한 발화 위험을 피하기 위해 사용 보수 및 세

척 조건 하에 설계된 울(enclosure)이 필요하고 울의

절연저항은 1GΩ을 초과할 수 없도록 규제하고 있고

일본은 후생노동성 관할 산업안전연구소의 정전기 안

전지침의 누설 저항치는 108Ω 이하로 되어 있다

- 따라서 부식 및 폭발성 환경에서 안전하고 다양한 구

성 요소에 적용할 수 있는 정전방지 비-발화 테플론

코팅기술을 요하며 정전방지 코팅은 표면저항을 낮추

기 위해 카본블랙이나 개질 전도성 탄소 금속이나 전

도성 고분자를 테플론에 충전하여 코팅한다

폭발성 환경용 내화학약품 특성과 대전방지 비발화

코팅 조성물로는 높은 비저항을 갖는 플루오르 고분자

50-90wt 10-50wt의 전도성물질인 탄소분(carbon

powder)으로 이루어진 Solex Robotics Systems Inc

특허가 있다13)

- 폭발환경에서 사용되는 이상적인 코팅은 정전하를 피

하기 위해 낮은 비저항을 가져야 한다 완벽한 전도체

는 비저항이 영(0)이고 완벽한 절연체는 무한 비저항

34

을 갖는다 금속(구리 금 같은) 합금(망가닌 Mn-Ni-

Cu 니크롬 Ni-Cr-Fe) 반도체(카본이나 게르마늄)는

낮은 비저항을 갖고 있어 좋은 도체이다

- 수많은 고분자 기초 코팅들이 부식화학 환경에 사용

되었으나 85GΩ 이상의 비저항으로 대전방지 시험에

서 실패하였다 정전기 도체로 인증기준 아래 적합하

기 위해서는 100cm2이상의 노출 표면이 1GΩ 이하의

비저항이어야 한다 코팅에 첨가된 탄소분은 전도도를

증가시키며 10-50의 함량은 1GΩ 이하의 비저항을

만족시킨다

비전도성 표면의 표면저항을 감소시키도록 카본이나 금

속을 사용하여 대전방지를 부여하는 공정의 단점으로는

카본이나 금속의 접착력이 낮아 입자의 마모가 일어나

장기간 사용 시 대전방지 수준이 감소하는 것이다 더욱

클린룸에서 입자의 방출은 심각한 문제가 된다 대부분의

비전도성 기질은 통상 23 상대습도 50에서 표면 비

저항이 109ohmsquare 이상으로 높고 PTFE 경우는 10

12

ohmsquare이상이다14)

반도체 제조 장치에서는 웨이퍼 기판을 안착하기 위해

작업 스테이지를 사용하며 작업스테이지는 통상 금속과

35

세라믹으로 제작되나 웨이퍼기판을 작업스테이지에 올려

놓을 때 작업스테이지와 웨이퍼기판 사이에 마찰 정전기

가 발생한다 FPD(flat panel diplay 평판표시)용 디스펜

서(dispenser)에 사용되는 작업스테이지는 진공방식으로

디스플레이 기판을 흡착 고정하며 흡착 고정되었던 디스

플레이 기판이 작업스테이지에서 박리될 때 작업스테이

지에 정전기가 발생하여 디스플레이 기판에 대전된다 최

근 디스플레이 기판이 대형화됨에 따라 대전량이 증가되

고 정전기 대전문제가 더욱 심각해지고 있다 웨이퍼기판

이나 디스플레이기판에는 반도체소자 등 다수의 전자부

품들이 배치되어 있기 때문에 정전기가 발생되면 전자부

품의 신뢰성에 치명적 손상을 주고 기판에 분진이 부착

되거나 정전기의 대전으로 기판 리프트 업(lift up)시 기

판이 깨어지는 문제가 발생한다 정전기 대전을 방지하기

위해서는 작업스테이지에 이오나이저를 설치하여 중화하

기도하나 리프트 업이 불가능하거나 이온풍이 도달하기

전 방전하는 등 작업 스테이지와 기판 사이에서 발생한

정전기가 순간적으로 일으키는 박리대전 문제를 해결하

기 어려워 작업 스테이지의 정전기 방지를 위해 불소수

지로 코팅한다

- 불소수지는 다른 물질과의 흡착에너지가 작고 비점착

성이 우수하며 마찰계수가 작아 유리기판과의 상관관

36

계가 작아져 박리에 의한 정전기의 발생량이 적어지

나 불소수지는 절연성을 가지므로 테프론 코팅에서는

카본 블랙이나 전도성 고분자 등을 필러로 사용한다

대전방지가 필요한 반도체 제조장비 디스플레이 장치 및

테스트 장치 등의 작업 스테이지를 테프론 코팅함으로써

작업 스테이지의 정전기 발생을 방지하는 방법의 단점의

하나는 제작비용이 상대적으로 많이 드는 것으로 디스펜

서의 경우 디스플레이 기판이 대형화됨에 따라 작업 스

테이지의 크기가 커져 제작비용이 증가한다 또한 불소수

지의 경도가 낮아 코팅 막에 스크래치가 발생하고 이 부

분은 평탄도 유지가 어려우며 입자들이 발생하는 요인으

로 작용하며 불소수지가 절연성이므로 카본블랙이나 전

도성 고분자 등의 도전성 필러를 충전하여 대전방지에

적합한 면-저항을 갖도록 할 경우 카본블랙은 구형으로

분진이 발생하는 문제점이 있고 전도성 고분자를 사용할

경우는 내용제성이 약하고 과량의 바인더를 사용하여야

하며 박막 형성이 어렵고 불소수지의 경도를 보완하기

위해 아노다이징 처리를 하는 경우는 이후 별도의 코팅

과정을 거쳐야 하므로 제작비용과 제작시간이 증가하는

등 여러 가지 단점들이 있다 이러한 문제점들을 해결하

기 위한 방법으로는 작업 스테이지와 기판이 만나는 면

에 정전기 발생을 최소화시킴과 동시에 그 제조비용이

37

절감되고 적절한 면-저항을 조절할 수 있으며 마찰계수

가 낮고 내마모성이 향상된 작업스테이지 표면의 대전방

지 처리 방법에 관한 국내의 탑나노시스 사의 특허15)가

있다

- 탑나노시스 사의 특허 목적은 작업스테이지의 기판과

만나는 면에 정전기의 발생을 최소화시킴과 동시에

그 제조비용이 저감되고 적절히 면-저항을 조절할 수

있으며 마찰계수가 낮고 내마모성이 향상된 스테이지

표면의 대전방지 처리 방법에 관한 것으로 이 특허에

서는 금속소재의 작업 스테이지 표면을 아노다이징

처리하여 복수의 산화표면 홀들을 형성시키고 여기에

탄소나노튜브를 삽입하고 경화하며 탄소나노튜브 경

화 후에 표면을 봉공 처리한다

- 작업스테이지 표면은 106-10

9Ωsq의 면-저항을 갖는

것이 바람직하며 산화표면 홀들은 직경 30-900nm 깊

이 100-900nm가 바람직하다 아노다이징 처리를 하는

금속소재는 Al Mg Zn Ti Ta(탄탈륨) Hf(하프늄)

Nb(니오븀) 등일 수 있고 이 발명에서는 가벼우며 일

정 강도를 갖고 가공성이 우수한 Al합금을 예로 들어

설명하고 있다

38

- 알루미늄소재 작업스테이지 표면에 산화피막(Al2O3)처

리를 하는 아노다이징(anodizing 양극산화)에서 전해

액은 수산화나트륨이나 수산과 황산 등이 사용될 수

있고 수산화나트륨의 농도(20-50) 공급전압 전류

및 시간 등을 조절하여 산화표면 홀의 크기(D)와 깊

이(L)를 조절하며 D와 L에 따라 대전방지 효과나 내

구성 및 표면경도를 조절한다

- 탄소나노튜브를 산화표면 홀 내에 삽입시키는 단계는

전해 흡착 하여 이루어질 수 있고 정전도장을 통해서

도 이루어질 수 있다 탄소나노튜브는 분산제를 포함

하는 용액으로 코팅되며 분산제로는 소듐 도데실설페

이트(SDS) 트리톤X Tween20(폴리옥시에틸렌 소르

비탄모노올레이트) CTAB(cetyl trimethyl ammonium

bromide)를 예로 들고 있으며 탄소나노튜브 용액은

아크릴계 우레탄계 등 또는 전도성 고분자계 유무기

하이브리드계 바인더가 포함될 수 있다

- 봉공처리는 산화표면 홀과 산화피막을 봉공하여 내식

성 등이 향상되도록 보호 층을 형성시키는 것으로 비

등수 가압증기에 의한 수화봉공 금속염을 포함한 열

수에 의한 금속염 봉공 오일로 도포나 침적하는 유기

물 봉공 양극산화 피막 층에 도장하는 도장에 의한

39

봉공 등이 있다

반도체 소자를 제조하는 과정에는 불순물 이온을

주입하는 장비가 이용되고 있다 (주)하이닉스 반도

체의 특허에서는 이온주입 장비의 웨이퍼 지지 장

치 리프트 핀의 끝단을 라운드 처리하고 리프트 핀

에 테플론을 코팅하여 리프트 핀과 웨이퍼 후면의

접촉 시 웨이퍼 후면에 스크래치와 같은 손상이 유

발되는 것을 억제할 수 있게 한다16)

⑷ 탄소나노튜브(CNTs Carbon Nano Tubes)17)

탄소나노튜브는 탄소의 동소체로 1991년 일본 NEC 연구

소의 Ijima박사에 의해 전자 현미경을 통해 처음으로 확

인되었다 1985년에 Kroto와 Smalley가 탄소의 동소체인

풀러렌(탄소 원자 60개가 모인 것C60)을 처음으로 발

견한 이후 전기방전 시 흑연 음극 상에 형성된 탄소덩어

리를 투과전자현미경으로 분석하는 과정에서 발견하여

Nature학술지에 처음으로 발표되었다18) 탄소나노튜브에

서 탄소원자 하나는 주위의 다른 탄소원자 3개와 sp2결

합을 하여 육각형 벌집무늬를 형성하며 이 튜브의 직경

이 대략 수 나노미터(nm nanometer) 정도로 극히 작기

40

때문에 나노튜브라고 부르게 되었다 이 탄소나노튜브는

전기 세기가 클수록 더 수축하는 성질을 가지고 있는 등

튜브의 직경이 nm수준으로 극히 작아서 특유의 전기화

학적 특성을 나타낸다

Ku 등19)에 의하면 CNTs는 전기방사법(arc-discharge)

레이저증발 법(laser vaporization) 플라즈마 화학기상증

착 법(plasma enhanced chemical vapor deposition) 열

화학 기상증착 법(thermal chemical vapor deposition) 등

의 다양한 합성법이 개발되어 대량생산이 가능하다

CNTs의 종류는 벽의 수에 따라 단일 벽 탄소나노튜브

(SWNTs) 이중 벽 탄소나노튜브(DWNTs) 다중벽 탄소

나노튜브(MWNTs)가 있으며 물성에 관한 많은 연구결

과 기계적 전기적 열적으로 우수한 성능을 갖고 있음이

입증되었다

CNTs는 인장강도와 탄성률 면에서 지금까지 발견된 재

료 중 가장 강하고 질기며 다중벽 CNT는 63GPa에 이른

다 표준 단일 벽 CNT는 25GPa의 압력까지 변형 없이

지탱된다 그래핀의 대칭성과 특이한 전기적 구조 때문에

CNTs의 구조는 그것의 전기적 특성에 영향을 미쳐 금속

성이나 반도체의 특성을 나타내고 이론적으로 금속성

41

CNTs는 구리와 같은 금속의 1000배가 큰 4times109Acm

2

전류 밀도를 운반할 수 있으며 나노크기의 단면으로 전

자가 튜브의 축 방향으로만 전파되고 전자의 이동은 양

자효과를 수반하여 1차원 전도체로 간주된다

CNTs는 우수한 물성과 상대적으로 큰 표면적으로 갖고

있어 충전제(filler)로써 에폭시 폴리스틸렌 폴리우레탄

등 고분자와 혼합하여 폴리머의 기계적 전기적 특성을

향상시키려는 연구가 활발하다 CNTs가 폴리머 중에서

충전제 역할을 하기 위해서는 고른 분산이 필요하나 반

데르발스 힘에 의한 CNTs 응집현상(agglomeration)으로

인해 효과적인 분산이 어려워 오히려 폴리머의 물성을

저해하므로 이것을 개선하기 위한 다양한 기계적 화학적

분산 방법이 연구되고 있다

- CNTs를 분산시키기 위한 가장 일반적인 방법은 용매

나 폴리머에 CNTs를 투입하고 초음파처리를 하는 것

으로 초음파처리를 하면 SWNTs의 길이가 짧아지고

다발(bundle)이 얇아져 분산력이 증가한다

- CNTs 표면을 산이나 아민으로 기능화하여 분산을 높

이는 방법도 연구되고 있으며 MWNTs를 HNO3

H2O2NH4OH 용액에 침지시켜 MWNTs에폭시 복합

42

재료는 전기적 특성을 향상시키려는 연구와 산과 아

민 등의 기능기를 도입하여 SWNTs의 열전도도를 향

상시키려는 연구들이 수행되고 있다

- 기계적 분산방법인 전단혼합방법은 좁은 관이나 상대

적으로 높은 속도의 유동을 이용하여 발생한 전단력

으로 CNTs를 분산시키는 방법이다 Ku 등19)은 전단

혼합과 초음파처리를 이용하여 MWNTs로 강화된

에폭시 복합재료를 만들어 기계적 및 열적 특성을 연

구하였다

⑸ 내마모성 테프론 코팅

ㅇ 재료의 부식은 구조재에 원하지 않은 변화 원인으로 작

용하여 경제적인 문제로 귀결되는 심각한 문제이다 이들

원치 않는 변화는 때로 적절한 코팅에 의한 표면처리로

예방할 수 있다 가장 일반적이고 자주 사용되는 전착 코

팅은 아연에 기초한 아연 코팅 및 합금 코팅으로 이들

코팅은 간단한 기술로써 내부식성이 양호하여 전 표면처

리의 약 14에 해당하나 최근 낮은 마찰계수 등 다른 특

성들이 매우 중요하게 되었다 이들 특성은 다층 코팅으

로 대응할 수 있으나 두께가 증가하고 기술이 복잡하여

가능한 해결방법으로는 복합체 코팅이 있다 복합체 코팅

43

은 일반기계와 자동차 전자부품 및 컴퓨터 등 다양한 분

야에 적용된다 금속 기질에 미세한 PTFE 입자의 전착

에 의한 증착은 새로운 세대의 복합체 코팅으로써 가장

바람직한 특성은 양호한 내마모성 자기윤활 내부식성이

다 M Paderovaacute 등20)에 의하면 이들 특성은 주로 사용

한 입자(흑연 다이아몬드 MoS2 또는 PTFE)와 용액의

유형(pH 온도 bath 등) 뿐 아니라 입자의 크기 농도

분산 및 형태학에 의존한다

ㅇ 충전되지 않은 PTFE의 마모율은 736-741times10-4mm3Nm

로 내마모성이 낮아 다양한 충전제들이 첨가되고 있다

Xing-Dong Yuan 등21)은 진공 조건에서 PTFE 코팅

의 마모특성을 연구하여 초기에는 하중이 증가함에 따

라 마찰계수가 감소하나 하중이 6N 이상으로 커지면

마찰계수도 증가하며 압력이 PTFE 코팅의 마찰계수

에 미치는 영향이 거의 없고 마모는 압력이 증가하면

초기에는 감소하나 10Pa 보다 높으면 급격히 증가한

다고 보고하였다

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위해서는 윤활제로 PTFE

계 수지 접착제로는 폴리아미드이미드수지 산화철 분말

44

및 브론즈 분말 등을 혼합한 조성물을 사용하거나 미국

특허에서는 스와시플레이트 형 압축기의 플레이트 표면

에 MoS2 흑연 PTFE계 윤활제와 열경화성 수지인 폴리

아미드이미드(PAI) 조성물을 코팅하여 내마모 및 윤활성

을 부여하고 있다22) 내열성 향상을 위해서는 고체윤활

제 접착제수지 및 저융점 금속인 Sn Pb In Bi 등을 함

유하는 합금이나 화합물을 사용하여 금속의 잠열을 이용

내열성 향상을 시도하기도 한다

ㅇ 그간 철강(스테인리스강 탄소강 아연도금강판 등)의 내

부식성 향상을 위한 많은 연구들이 수행되어 왔다 4플루

오르에틸렌(C2H4) 4플루오르에탄(CF4) 6플루오르에탄

(C2F6) 3플루오르화에탄(CHF3) 8플루오르화에탄(C4F8)

같은 불소화된 단량체의 플라즈마 중합에 의한 테플론

류 코팅은 그들의 소수성으로 인해 금속의 내부식성 향

상을 위한 대안으로 주목을 받고 있다 A Delimi 등23)

은 유도결합 고주파플라즈마(inductively coupled radio

fre- quency plasma)를 사용하여 소수성 박막 불소수지

필름을 탄소강에 증착하고 3염수에서 내부식성을 평가

한 결과 1개월 동안 9nm의 필름이 유지되는 것을 관찰

하여 불소고분자 박막이 금속과 금속산화물의 보호층이

될 수 있음을 보고하였다

45

ㅇ PTFE를 이용한 세라믹코팅 기술로는 알루미늄 및 알루

미늄 합금 공작물을 양극처리에 의해서 티타늄 및또는

지르코늄 산화물을 포함하는 내식성 내열성 및 내마모

성 세라믹 코팅을 하고 이어서 양극처리된 공작물을

PTFE 또는 실리콘 함유 코팅과 같은 제 2 코팅으로 코

팅한다 이 발명은 가소성을 가지는 경질의 필름 내에서

내식성 내열성 및 내마모성을 제공하는 티타늄 및또는

지르코늄 산화물의 양극처리 층으로 기판을 예비-코팅함

으로써 알루미늄 기판에 보다 긴 수명의 코팅을 형성하

는데 특히 유용하다24)

ㅇ Nosaka 등25)은 PTFE로 대표되는 불소수지는 마모-링이

나 극저온 밸브의 실링부에 많이 사용되며 진공치환법에

의해 탄소재료에 PTFE나 MoS2 분말을 1-2wt 함침시

키면 무함침한 것에 비해 마모가 약 13로 감소한다고

보고하였다 한편 저자들은 터보펌프의 실링재료가 극저

온 환경에서 보이는 특이한 현상을 극복하기 위해 베어

링의 표면에 노출된 유리섬유를 불소산으로 처리하여 용

해 제거하고 윤활성을 높인 유리섬유강화 테프론 리테이

너를 개발하여 내구성과 윤활성을 향상시킬 수 있었다고

보고하고 있다

46

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위한 또 다른 특허로는

폴리실록산계 접착제를 단독 혹은 폴리에스테르계 접착

제와 병용하고 고체 윤활제로 MoS2(이황화몰리브덴

WS2(이황화텅스텐) h-BN(육방정 질화붕소) 팽창흑연

및 PTFE를 사용하고 충전제로 탄화규소 알루미나 산화

지르콘 산화티탄 등의 미분말을 사용하여 내마모 내열

및 윤활성을 부여하고자 하는 내마모성 및 윤활성 코팅

조성물에 관한 특허가 있다26)

ㅇ 내열성 내후성 내오염성 내약품성 내구성 등의 물성

은 유지하면서 비점착성을 높이기 위해 무기계 세라믹

코팅 조성물에 PTFE를 첨가하기도 한다 이러한 하이

브리드 코팅 조성물에 관한 특허로는 불소수지(01sim25

중량) 콜로이달 실리카나 콜로이달 알루미나 등 무

기계고분자 바인더(20sim80중량) 알콕시실란 화합물

(1sim50중량) 수용성 유기용제(1sim10중량) 충전제

또는 안료(5sim50중량) 및 물(100중량 까지 보충)로

이루어진 코팅 조성물에 관한 것으로 무기질 도료 및

무기계 세라믹 코팅에 의해 내열성 내오염성 내약품

성과 내구성을 유지하고 접착력을 높이기 위해 소량의

PTFE를 사용하는 것이 있다27)

47

ㅇ 정전 복사기에 사용되는 정착기재부의 최외층에 코팅하

여 기계적 성질 및 내마모성을 향상시키려는 목적으로

불소수지 기질 중에 분산된 불소화 다이아몬드를 함유하

는 입자로 구성된 조성물에 관한 일본 특허28)가 있다

ㅇ 부식 특성을 개선한 흑색 무크롬(chrome-free) 다층 내

부식 마무리 칠과 방법에 관한 특허29)로는 ASTM B 117

표준으로 시험할 때 백색 부식에는 최소 500시간 염수분

무시간 및 적색 부식에는 1500시간 염수분무시간에 적합

하게 설계된 마무리 칠에 관한 것이 있다 이 다층 시스

템은 광택(gloss) 4 이상을 만족하는 자동차 차체 강판

자동차 하부와 내장에 사용되기 위해 설계된 것으로 이

다층 마무리 칠은 3층 부식 방지 시스템을 형성하도록

아연-철 전기도금 기질 오르토인산을 사용한 무전해 인

산염 결정 전환 층과 XylanTeflon 실러 코팅의 조합이

다

ㅇ 전통적으로 철 강판(steel sheet)은 크롬산 염 전환 코팅

으로 개질되어 왔으나 6가 크롬이 배출되어 환경을 오염

시키는 문제점이 있어 강판의 내-부식성을 개선하기 위

해 고분자 수지 코팅들이 수행되고 있으나 이 방법은 고

48

분자 코팅 층이 열전도도를 감소시키는 단점을 가지고

있다 Kang 등30)은 강판 위의 고분자 코팅 층의 열전도

도를 향상시키기 위해 초미세-크기 다이몬드(μD)입자를

열전도 물질로 사용하였다 다양한 음이온 및 비-이온

계면활성제들을 사용하여 수용액 중에서 무거운 μD입자

의 안정화를 시험들을 한 결과 1-피렌카르복시산(PCA)

이 가장 양호하였다 그림 3-2는 이 시험 결과를 요약한

것이다

- 강판 위에 PCA로 안정화 된 μD 입자를 함유한 폴리

우레탄-기초 코팅 층은 열전도도가 0351W(mK)에서

0434 W(mK)(10 wtμD)로 향상되었으며 더욱 144

시간 동안 염수 분무 시험결과 부식거동은 관찰되지

않았다

그림 3-2 피렌카르복시산을 이용한 μD 표면처리

ㅇ 자동차공업에서는 기본적인 특성으로 내마모성이 요구되

49

는 강철 기계부품들의 마찰특성을 향상시키기 위해 다양

한 금속 및 고분자 코팅들이 광범하게 이용된다 내-마

모 코팅은 두 가지 주요 특성인 높은 표면경도와 자기-

윤활 특성이 필요하다 후자의 범주에 속하는 것이

PTFE와 MoS2 기초 코팅이다 무전해 니켈 코팅은 높은

경도로 인해 양호한 마찰 특성을 보이며 한편 열처리를

통해 경도를 향상시킬 수 있다 PTFE입자의 첨가는 코

팅경도를 감소시키나 자기-윤활특성을 부여한다 S

Rossi 등3132)은 마찰특성을 향상시키기 위해 이용되는 탄

소강에 이용되는 몇 가지 공업적인 코팅에 관한 부식거

동에 관해 평가 PTFE입자를 함유한 무전해 니켈-인

(Electroless Nickel-Phophorus)코팅은 PTFE 입자(자기-

윤활 특성)를 갖는 외층과 장벽-효과를 갖는 내층으로

인한 이중 특성으로 가장 양호한 특성을 보였다고 보고

하고 있다

ㅇ 모든 기계적 시스템은 동적 요소를 필요로 하며 마찰과

마모를 줄이기 위한 다양한 수단들이 가능하나 그 선택

은 환경이나 조작 조건에 제한을 받는다 PTFE는 자기

윤활 낮은 마찰계수 높은 열안정성과 화학약품 안정성

으로 산업분야에 널리 사용되는 엔지니어링 고분자이지

만 내마모성이 매우 부족하다 이러한 이유로 금속

-PTFE충전 복합체들이 PTFE의 마찰특성과 금속충전제

50

의 내마모성을 결합하여 특정 분야의 용도로 소개되어

왔으나 금속-고분자 물질에서의 충전제의 역할은 완전히

설명되지 않고 있다 복합체 표면의 과잉의 충전제 농도

는 미끄러지는 동안 부하를 지지하여 내마모성을 증가시

키는 것으로 생각되며 PTFE의 마모율은 Mo Zn Ni

Y2O3 및 SiO2 같은 무기 충전제에 의해 1000배가량 감소

되었다는 보고도 있다 유리섬유 구리 세라믹 탄소섬유

절단 탄소섬유 나노입자를 포함한 경질의 충전제 입자들

이 PTFE의 내마모성을 높이기 사용되어 왔다

ㅇ 비교적 두꺼운 코팅에는 열분사(thermal spray) 용사기

술이 정립되어 있고 용사 코팅은 내마모 내마찰 내프레

팅(fretting) 및 내부식을 요하는 산업에 많이 이용되고

있다

- 용사 몰리브덴(Mo)코팅은 실질적 내마모성 코팅으로

가장 광범하게 이용되며 프레임용사(flame spray)거나

와이어용사(wire spray)기술로 생산된 몰리브덴(Mo)

코팅은 흠이나 마모에 대한 고도의 저항을 얻기 위한

가장 좋은 코팅재료 중의 하나이다

- 알루미늄 청동(aluminium bronze)은 높은 내-부식성

과 내마모성을 갖는 것이 특징이다 저압 플라즈마 용

51

사 기술은 자기-아닐링(self-anealing)과 부서지기 쉽

도록 유도하는 γ-상의 형성을 피할 수 있도록 높은

냉각 속도를 얻는 데 사용되며 알루미늄 청동 저압

플라즈마 용사 코팅은 낮은 마찰과 마모를 보였고 비

교적 최근 플라즈마 용사 기술을 이용하여 알루미늄

기질에 고분자-세라믹 복합체를 코팅하는 기술이 개

발되었다33)복합체 코팅으로 행한 마찰 시험에서 낮

은 마찰계수를 얻을 수 있었다

- 낮은 마찰계수와 고 내마모성을 갖는 이성분 금속

-PTFE 코팅이 개발되었고 이들의 마찰 공학적 성능

이 보고되었다 PTFE-기초 복합체 설계에서 일반적

인 접근방법은 경질의 충전 입자들을 도입하는 것으

로 M Yamane 등34)은 PTFE-금속 이성분 코팅의 마

찰 마모성능에 관한 연구 결과 알루미늄 청동 코팅이

Mo코팅에 비해 PTFE 저장소(reservoir)에 유용했음

을 보고하였다

⑹ 충전 또는 강화 플루오르화 탄소1)

ㅇ 분말이나 강화섬유 등 전형적인 충전재들이 충전 또는

강화 플루오르화 탄소에 사용된다 충전재는 저온흐름

52

을 향상시키는 데 사용되며 수축과 균열을 줄이고 열

팽창을 낮추며 열전도율을 향상시킨다

ㅇ 분말이나 단섬유로 된 전형적인 충전제를 표 3-5에 종합

하였다 유리섬유는 가장 보편적인 PTFE 충전제로 화

학 및 전기적 특성에 최소로 영향을 미치며 기계적 특

성을 크게 향상시킨다 분말에 비해 섬유는 압축강도

강성도 및 지지용량을 더욱 향상시키나 분말은 충전

테플론의 내구성에 거의 영향을 미치지 않는다 금속분

말은 특히 열전도도를 향상시키며 고속에서 발생하는 마

찰열을 소멸하는데 도움이 되며 전기저항을 상당히 감소

시켜 금속-충전 조성물은 양호한 절연체는 아니다

ㅇ 흑연(graphite) MoS2는 초기 내구성과 마찰을 개선하고

기계적 특성을 향상시킨다 석면은 많은 유용한 특성을

갖지만 가공 처리 중 가스가 방출할 뿐 아니라 사용금지

물질이다 표 3-5 외에도 금속 망 장섬유 다공성 금속

등 다양한 충전제들이 있으며 다양한 종류의 제품들이

상업 생산되고 있어 최종 선정을 하기 전에 플라스틱 가

공업자로부터 보다 완전한 정보와 추천을 받는 것이 바

람직하다

53

표 3-5 불소수지용 충전제

ㅇ 압축강력 인장과 압축 시의 탄성률 및 항복강력은 첨가

제의 첨가에 의해 모두 증가하나 일반으로 인장강력과

신도 및 충격강도는 손실된다 통상 충전 테플론은 압축

상태에서 사용되므로 인장강력의 감소는 중요하지 않다

인장강력의 손실은 설치(연속적인 링-실링)할 때 인장되

는 재료에서 중요하다 열팽창 계수는 비-충전 테플론에

비해 감소되어 통상 금속 부품의 팽창계수와 잘 맞는다

ㅇ 마찰과 마모를 수반하는 분야에서 가장 중요한 것은 충

전제로 얻어지는 PV한계치의 증가와 마모의 감소다 비-

54

충전 테플론에 비해 PV한계치 크기는 개략적으로 1차원

적으로 증가하나 마모인자는 3차원적으로 감소한다 충전

테플론의 평균치들은 동적 마찰계수는 01-02 PV한계치

는 10000-20000 psi-fpm 마모상수는 10times10-10in3-min

lb-ft-hr이다 그림 3-3은 충전 테플론 PTFE의 마찰계

수에 미치는 충전제 종류와 농도의 효과에 관한 것이다

그림 3-3 테플론 PTFE에 미치는 충전제 종류와 농도1)

ㅇ 내마모성을 향상시키는 충전제는 실제로 연마저항성을

감소시키는 것으로 날카로운 입자는 보다 쉽게 침투하고

충전제 입자와 수지 사이의 경계를 따라 충전 플라스틱

을 찢는다 따라서 라이닝 슈트 같은 분야의 적용 시는

55

비-충전테플론이 보다 바람직하다

⑺ 시트 테이프 및 박층(laminates)

ㅇ 대부분의 플루오르화탄소는 충전 여부에 관계없이 두

께 1mil(0001 in)까지 시트나 테이프로 만들 수 있고

시트나 테이프를 찍어서 원하는 형상의 립-씰(lip seal)

펌프 컵(pump cup) 피스톤 링(piston rings) 가스켓

(gaskets) 등을 만들 수 있다

ㅇ 유체의 누설을 정지시키는 밀봉기능 부품 중 각종기기의

접합부나 배관 플랜지 등의 밀봉에 사용되는 가스켓

(gaskets)은 석면이 널리 사용되어 왔으나 유해물질 배

출 및 이동량 보고제도(PRTR Pollutant Release and

Transfer Register)에서 발암성을 가진 제1종 지정 화학

물질로 지정되어 사용이 금지되어 PTFE가 가스켓으로

개발되었다 PTFE는 용융 알칼리 금속 및 그 용액과 불

소 및 3불화염소에 의해 약간 침식되나 모든 화학약품에

안정하고 우수한 내부식 재료로 C-F결합력이 크고 F원

자가 C-C결합의 주위를 간격 없이 들러 싸고 있기 때문

에 다른 물질의 공격을 방어하고 있고 내열성은 260로

높다35)

56

- PTFE 필러를 사용한 PTFE 나선 권형 가스켓은 석

면에 대한 사용규제와 상관없이 사용되어 왔으며 유

연한 필러를 사용하므로 석면 가스켓 보다 낮은 체결

압력에서도 실 특성이 우수하고 내식 면에서도 광범

하고 다양한 유체에 사용이 가능하다 다만 단열성 면

에서는 석면 나선 권형 가스켓 보다 사용온도 범위가

제한된다

ㅇ 산업 기계나 자동차의 브레이크 제동장치에 부착하여 마

찰력을 부가하는 브레이크 라이닝에서는 마찰계수와 내

마모력 및 충격계수 등 마찰특성이 우수한 석면을 주로

사용하여 왔으나 제동 시 발생하는 미세 석면분진으로

인해 대기오염에 의한 환경을 파괴 뿐 아니라 인체에 흡

입될 경우 암을 유발하여 PRTR로 사용이 금지되었다

석면을 대체할 유기질 또는 무기질 된 다양한 비석면 마

찰 섬유 등이 사용되고 있으며 마찰 섬유에 테프론을 코

팅하여 브레이크라이닝의 수명향상 제동 시 발생하는 소

음 떨림 및 제동력 향상을 위한 제품개발이 시도되고

있다

- 예로 국내 특허36)에서는 브레이크 라이닝(또는 패드)

의 마찰재 배합재료 중 유기섬유(Kevlar섬유 pulp섬

57

유 등)에 테프론을 코팅하고 코팅된 유기섬유에 결합

재 충전재 윤활재 마찰안정재 마찰조정재 등을 소정

의 배합비로 배합하여 성형하고 열처리하여 브레이크

패드 또는 라이닝을 제조한다

ㅇ 초소형 정밀기계(MEMS Micro-Electromechanical

System)분야에서는 점착방지를 위해 불화 유기박막을

사용한다 Park 등37)은 단층 두께의 불화 유기박막의

특성을 접촉각 측정을 통해 분석하였다

⑻ DLC 코팅3839)

ㅇ DLC(diamond-like carbon)는 몇 가지 다이아몬드의 전

형적인 특성을 나타내는 비정질 탄소물질로 극도의 내마

모 특성을 필요로 하는 재료의 코팅에 이용되고 있다

DLC코팅은 연마 마모를 감소시키기 위한 재료에 유용하

여 엔드밀 드릴비트 금형 같은 공구는 물론 자동차 기

계부품 및 전자산업 등 산업전반에 걸쳐 적용된다40)

ㅇ 환경오염 문제로 인해 PRTR(Pollutant Release and

Transfer Register 유해물질 배출 및 이동량 보고 제

도) 이 시행되어 습동 부품이나 절삭 시에 사용되는 오

일이나 그리스에 포함되는 첨가제(MoS2 Zn 등)와 이들

58

부품을 세정할 때 사용되는 용매 기계부품의 수명을 연

장시키기 위해 활용되었던 Cr도금 폐액에서 발생하는 6

가 크롬 등의 오염물질들에 대한 규제가 더욱 강화되어

DLC에 의한 무윤활 습동과 무윤활 절삭을 지향한 공구

와 기계 부품의 개발이 관심을 끌고 있다4142)

- 일본 내에서는 PRTR이 시행되고 이것에 저촉되는 재

료에 관해서는 MSDS(Material Safety Data Sheet)를

첨부해야할 의무가 있고 부품가공 습동 용도에서는

대상 리스트에 올라 있는 오일 오일 중의 중금속 도

금폐액을 어떻게 경제성 있는 환경 친화적 공정과 재

료로 전환할 것인가를 고려하면서 무윤활 습동 무윤

활 절삭 탈크롬 도금의 3가지 키워드가 대두되고

DLC코팅이 대안으로 모색되고 있다

- DLC코팅 적용기술과 과제에 관한 자료로는 자동차

관련부품 적용사례 엔진부위 마찰 작동 밸브계의 마

찰저감 DLC와 윤활제에 의한 마찰저감 기술을 중심

으로 살펴본 보고가 있다43)

ㅇ DLC는 7가지 형태가 존재하며 모두 상당한 양의 sp3혼

성궤도 탄소원자를 함유한다 다양한 형태의 DLC가 진

공 환경으로 적합한 재료들에 적용가능하며 유럽에서의

59

2006년 위탁 DLC코팅 시장은 3천만euro로 추정되었고 국

내도 활발한 상용화가 시도되고 있다

ㅇ 사반면상(tetahedral) 비정질 탄소 ta-C를 2두께로 코

팅하면 연마마모에 대한 스테인레스 강(304 type)의 내구

성을 증가시켜 수명을 1주일에서 85년으로 늘이며 이러

한 DLC의 형태는 sp3결합 탄소 원자로만 이루어지기 때

문에 순수한 DLC로 간주되며 수소 sp2흑연 탄소 금속

같은 충전제가 생산경비를 낮추거나 원하는 특성을 부여

하기 위하여 사용되고 있다

ㅇ DLC를 만드는 방법에는 sp3탄소 보다 낮은 밀도의 sp

2

에 의존하는 몇 가지 방법들이 있으며 압력 충격 촉매

또는 이들의 조합으로 sp2결합탄소 원자들을 sp3결합탄소

로 근접시킨다 최근 초고압 하에서 탄소의 경량 특성을

갖는 초경도 무정형 다이아몬드가 만들어졌다 탄소로 만

들어지는 다이아몬드 그래파이트는 결정구조를 가지나

DLC는 비정질이라는 점에서 크게 다르고 200 정도의

저온에서 형성시킬 수 있다는 점이 통상의 PVD막에 비

해 훨씬 우위에 있다

ㅇ DLC코팅은 제조공정이 복잡하고 생산 단가가 비싸 적용

이 어려우며 적용되는 소재가 제한되는 단점을 갖는다

60

주요제법으로는 고주파 플라즈마 법 이온화 증착법 스

페터링법 등을 들수 있다 고주파 플라즈마 법은 메탄가

스가 원료로 사용되고 막 중의 수소가 약 30(원자)로

평활성이 우수하고 마찰계수가 작으나 경도가 낮다 이

온화 증착법은 벤젠을 사용하며 막은 단단하나 면의 조

도가 거칠고 후막화 하기 위해 스패터링 방법이 검토되

고 있다

⑼ 불소수지의 안전성

ㅇ 테플론 PTFE의 열분해는 200(392)에서 감지되며 이

것은 몇 가지 플루오르화 탄소 기체들과 승화물질을 방

출한다4445)1955년 동물실험에 관한 한 연구에서는 이들

물질이 250(482) 이하에서는 의미 있는 양이 아니라

고 결론지었으나 최근 비-점착 주방기구인 프라이팬이

나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가열할 때 조류를

죽일 수 있는 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수

도 있다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있다45)

ㅇ 표 3-6은 EWG가 보고한 3-5분 내에 370까지 불소수

지를 가열할 때 발생되는 15종의 불소화합물에 관한 것

이다 테플론과 같은 코팅물질들이 장기적으로 인체에 미

61

치는 영향에 관한 연구는 이루어지지 않고 있으나 독감

과 유사한 질병을 유발할 수 있으며 이를 중합체 증기열

(polymer fume fever)이라 한다

표 3-6 15종의 유해물질 및 유독성 기체44)

ㅇ 최근 표 3-6의 화합물들 중 특히 TFA와 과불화된

(perfluorinated) PFOA(perfluorooctanoic acid)에 관심이

증가되고 있다 PFOA는 새로운 환경오염물질로 미국 환

경보호청(EPA)에 의하면 보통 때는 문제가 없으나 조리

과정에서 프라이팬에 열을 가하고 강하게 긁을 경우 용

62

출되어 나오며 이것이 음식물과 함께 인체에 흡수되는

것으로 추정하였다 한편 DuPont의 테플론 PTFE 연구

결과에 의하면 검출한계인 9ppb 이상 검출되지 않으며

테플론 주방기구에서는 PFOA가 존재하지 않는다고 발

표하고 있다

- 물이나 공기를 통해 환경에 노출된 PFOA는 고 콜레

스테롤 궤양성 대장염 갑상선 질환 고환암 신장암

및 임신성 고혈압과 관련된다고 보고되었다

- PFOA는 불소수지 생산과정에서 사용되는 첨가물로써

암모늄 형태로 PTFE 유화중합에 계면활성제로 사용

되며 불소수지의 품질과 균일성을 유지하기 위해 필

수적인 첨가물이기 때문에 전 세계 모든 불소수지 제

조업체가 사용 중에 있다 한편 국내 주력 산업인 반

도체 생산 과정에서도 PFOA를 대량으로 사용하고 있

어 체계적인 실태조사와 대책수립이 필요하다는 의견

들이 대두되고 있다

⑽ 불소화합물의 안전성과 환경대책

ㅇ 표 3-6에서 살펴본 바와 같이 테플론을 급격히 고온으로

가열하면 2종의 발암물질을 포함한 유독성 가스가 발생

63

하고 특히 불소화합물 중 MFA(monofluoroacetic acid)는

적은 양으로도 치명적 해를 끼치고 PEIF(perfluoro-

isobutene)는 신경가스제로 여러 가지 질환을 발생시킨다

한다44)

따라서 테플론으로 코팅된 장치를 재 코팅하기

위해 테프론을 고온으로 급격히 가열하거나 소각 등을

통해 제거할 때는 발생 가능성이 있는 유독가스를 제거

하기 위한 별도의 설비를 이용하여야 하고 유 등44)의 보

고서에서와 같이 중조(NaHCO3)를 포화시킨 충분한 물로

유독 산성 물질을 중화시키는 것도 고려할 만하다 한편

부식대전 방지 코팅도 테플론 코팅 일변도에서 세라믹

코팅 CNTs이나 DLC 코팅기술로 대응하는 것을 추천하

고 싶으며 이것은 유해물질 배출 및 이동량 보고제도

(PRTR Pollutant Release and Transfer Register)에 대

비하는 등 기업의 장래를 고려하는 것도 될 것이다

ㅇ PTFE를 사용한 취사도구는 1960년대 이래 사용되어 오

고 있으나 최근 들어 이것의 안전성이 논쟁의 주제가 되

고 있으며 논의 주체는 PFOA(perfluorooctanoic acid)이

다 PFOA는 PTFE를 비롯한 많은 불소수지의 생산에

사용되며 DuPont의 테플론 PTFE 연구 결과에 의하면

프라이팬을 260 이상 고온에서 가열하거나 코팅이 벗

겨져도 PFOA가 존재하지 않는다고 한다 그러나 물이나

64

공기 토양 식품포장재 등 여러 곳에서 PFOA 오염사실

이 보고되고 있다 한다44)

- 미국 EPA는 인체와 환경에 대한 PFOA 연구를 계속

하고 있으며 2015년까지 PFOA 및 이와 관련된 화합

물 방출을 배제할 프로그램을 갖고 있으나 PTFE-기

초 비점착 취사기구를 중지시킬 타당성을 갖고 있지

는 않다 최종제품은 PFOA가 아닌 PTFE이기 때문이

다

- 수십 년 동안 불소수지 비점착 코팅이 시장을 지배하

였으나 최근 몇 가지 신기술들이 출현되고 있으며 이

들 대부분은 실리콘 세라믹과 실리콘 기술로 이들 코

팅은 PTFE와 PFOA를 함유하지 않는다

- 오늘날 출시된 비점착 취사용구는 수많은 상표로 팔

리고 있으며 DuPont에 의하면 대부분의 취사용구 코

팅은 정상적으로 사용할 때 3-5년 견딜 수 있을 것으

로 예측한다 너무 문질러서는 안 되고 따뜻한 비눗

물로 씻어주는 것이 좋으며 닳거나 흠이 생기지 않도

록 나무 플라스틱이나 코팅된 재료로 만든 도구를 선

택하고 보관도 흠이 생기지 않을 장소나 캐비닛을 권

장하고 있다

65

ㅇ 국내의 불소수지 안전성에 관한 것으로는 재질규격(납과

카드뮴)과 용출규격(납 과망간산칼륨소비량 증발잔류물)

이 식품용 기구 및 용기 포장 공전46)에 기재되어 있으며

최근 국내에서도 PFOA를 비롯한 유해 불소화합물에 관

한 관심이 커져 가고 있다

ㅇ PFOA 문제가 표면화 되면서 환경 보전형 불소계 발수

유제의 개발과 공업화도 새로이 부각되고 있다 이에 관

한 보고서를 모니터링한 KISTI자료47)를 중심으로 간단히

요약하면 발수제의 주요성분 퍼플루오로알킬기(Rf기)함

유 폴리머의 기능은 Rf기의 고리길이에 크게 의존하므로

PFOA문제 해법으로 탄소수 8 이상인 종래의 불소화학

에서 탈피 짧은 고리 Rf기(탄소수 6)를 가진 새로운 단

량체를 선택하여 발수제를 제조함으로써 환경 보전형 불

소계 발수유제를 개발하고 공업화하였다 한다

66

제 4 장

지원결과

1 지원결과 종합

테프론 코팅 기술의 문제점과 부식대전방지용 테플

론 코팅에 관한 정보 외에 신청기업의 요청에 따

라 C-나노튜브 코팅 및 DLC증착에 관련된 기술 정

보도 제공하였다

테플론은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat resistant)

비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coefficient of

friction) 내약품성(chemical resistance)과 특이한 전기적

특성(unique electrical properties) 및 온내구력(cryogenic

stability)으로 그 응용범위가 광범하며 용도에 따른 엄격

한 품질관리가 요구될 것으로 생각되어 중소기업에 적합

한 기초능력 배양과 신제품을 구상하기 위한 최신기술에

관한 정보를 제공하고자 하였다

67

불소수지의 코팅은 두께와 첨가제가 관건으로 이에 관한

자료를 제공하고자 하였으며 불소수지의 전기특성 폭발

성 환경과 반도체 제조공정에서의 대전 방지 처리를 위

한 정전기 관리 지표 등을 특허를 중심으로 조사하여 제

공하고자 하였다

C-나노튜브를 이용한 대전방지 코팅 기술 및 C-나노튜

브의 제법 등 이것에 관한 기초정보를 제공하고자 하였

으며 내마모성 테플론 코팅에 관해서는 테플론을 이용한

세라믹 코팅 기술에 관한 정보도 제공하고자 하였다

테플론의 기계적 전기적 특성을 강화하기 위해 사용되는

충전제를 종합하고 기초이론을 정립함으로써 금후 원부

자재의 선정에 도움을 주었다

테플론은 석면 대체재로도 주목받고 있어 이에 관한 특

허 정보들을 제공하였으며 다이아몬드의 전형적인 특성

을 나타내는 DLC의 코팅관련 기술 정보를 환경오염 문

제와 연관하여 자료를 제공하였고 최근 비-점착 주방기

구인 프라이팬이나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가

열할 때 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수도 있

다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있어 이에

관한 정보도 제공하였다

68

2 지원의 한계

중소기업이 당면한 문제는 전문기술의 확보다 관련 기술

이 비약적으로 발전하는 추세에 비추어 한정된 인원으로

신기술을 소화하고 개발하기는 어려울 것이므로 출연연

구기관이나 대학과 공동연구를 모색할 수 있으나 이것도

중소기업으로서는 경제적 부담이 될 수밖에 없을 것으로

생각된다 가능하다면 앞으로도 KISTI의 정보지원이 계

속되기를 바라고 있었다

3 기대효과

부식대전 방지 테플론 코팅에 관한 기본 기술이 배양되

어 합리적인 원부 원료의 수입검사 공정관리 및 제품관

리를 통해 원가절감은 물론 신제품 신기술에 관한 정보

수집 및 분석능력이 배양되고 개발력이 확충되어 기업

경쟁력 향상에 도움이 될 것이다

69

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41 국립환경과학원 ldquo화학물질 배출량 조사 OECD와 협력

강화rdquo 보도자료 (2010 11 18)

42 월간기계기술 기자 ldquo새로운 코팅기술과 공구에 대한 적

용rdquo 2005년 3월호

43 加納 眞 ldquoDLC コ-ティングの適用技術と課題rdquo トライ

ボロジスト(日本) 52(3) 2007 pp186-191 송희국 모티

터링분석 KiSTi

44 식품의약안전청 연구보고서(연구책임자 유승석) 불소

지코팅 주방기구의 안전성 평가 2004 12

45 Teflon offgas studies Environmental Working Group Ewg

org Retrieved on 2013-01-01

46 식품의약품안전청 ldquo식품용 기구 및 용기 포장 공전rdquo 2012

47 廣野高生 ldquo環境保全型フッ素系 撥水撥油剤の 開發と 工

業化rdquo ファインケミカル(日本) 37(11) 2008 pp39-44

이치옹 모니터링분석 KISTI

75

저자소개

김학주(金鶴柱) 서울대학교 문리과대학 화학과 졸업 이학사

전북대학교 대학원 화학과 이학박사

(주)삼양사 의약연구소장 신성대학교 교수

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 폴리에스테르 섬유의 연중직방기술 외 다수

저서 기기분석 공업물리화학 일반화학

성용길(成墉吉)

동국대학교 이과대학 화학과 졸업 이학사 이학석사

부산대학교 대학원 화학과 이학박사(Dr Sci)

University of Utah USA Ph D(공학박사) Post Dr

유타대학교 연구교수 부산대학교 교수 동국대학교 교수

동국대학교 명예교수 한국원자력문화진흥원 이사

과학문화연구원전문연구위원 한국도량형과학문화연구원 원장

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 의료용 기능성 고분자재료에 관한 연구 외 330편

저서 고분자 물성론 (서울대학교 출판부 공저) 외 10권

14

Sang Eun Shim Aqueous dispersion of

submicron-sized diamond particles for thermally

conductive polyurethane coating Colloids and

Surfaces A Physiochem Eng Aspects415(2012)

pp255-261

③ Masaaki Yamane Tadeusz A Stolarski Shogo

Tobe Influence of counter material on friction

and wear performance of PTFEndashmetal binary

coatings Tribology International Vol 41 (2008)

pp269ndash281

④ M Pazderova M Bradac M Vales

Tribological Behaviour of Composite Coatings

Procedia Engineering Vol 10 (2011) pp472-477

⑤ S Rossi F Deflorian F Venturini

Improvement of Surface finishing and Corrosion

Resistance of Prototypes by Direct Metal Laser

Sintering Journal of Materials Processing

Technology Vol 148 (2004) pp301-309

⑥ S Rossi F Chini etal Corrosion Protection

Properties of Electroless NickelPTFE Phosph-

ateMoS2 and BronzePTFE Coatings Applied to

Wear Resistance of Carbon Steel Surface and

15

Coatings Technology Vol 173 (2003) pp235-242

⑦ VC Malshe Nivedita S Sangaji Fluorinated

Acrylic Copolymers Part I Study of Clear

Coatings Progress in Organic Coatings Vol 53

(2005) pp207-211

⑧ Xing-Dong Yuan Xiao-Jie Yang A Study on

Friction and Wear Properties of PTFE Coatings

under Vacuum Conditions Wear Vol 269 (2010)

pp291-297

⑨ Amel Delimi Elisabeth Galopin etal

Investigation of the Corrosion Behaviour of

Carbon Steel Coated with Fluoropolymer Thin

Films Surface amp Coatings Technology Vol 205

(2011) pp4011-4017

⑩ 이계영 김태균 김종구 ldquo내마모성 및 윤활성 코팅

조성물rdquo 대한민국특허 등록번호 10-1151909 (2012)

⑪ Thomae Kart J Multilayer Corrosion Resist

ant Finish and Method WO 2006017259(2006)

⑫ (주)바론에스엘 ldquo불소수지와 세라믹의 유무기

하이브리드 코팅 조성물 및 그를 이용한 도막 형성

방법rdquo 대한민국 공개특허 10-2013-0028553 (2013)

16

4 4차 지원

일시 및 장소 2013년 7월 25일(목요일) 1000-1400시 신청

업체 2층 회의실

참석자 성용선(연구소장) 이채영 차장 및 연구원

주제 및 토의사항

- 지원내용과 향후지원계획 발암물질인 석면대체재로써

테플론의 개발 동향을 나선 권형 가스켓과 자동차브

레이크 제동장치를 중심으로 토의하고 내마모 특성을

필요로 하는 DLC 코팅에 관한 정보제공과 DLC 특성

에 관해 집중 토의함 환경문제와 관련하여 대두되고

있는 테플론 분해가스 등 안정성 문제에 관한 자료를

제공하고 이에 관한 의견을 교환함 그간의 제공 정보

를 종합하고 8월 말 작성예정인 최종보고서 내용을

협의하였음

-지원효과 신기술 개발을 위한 내마모 코팅 DLC코팅

환경문제를 고려한 친환경 제품 등 신기술과 신공정

개발을 위한 개념을 확립하였음

17

- 자료제공

① WO 2006047500(Henkelkommanditgesellschaft auf

Aktien Article of Manufacture and Process for

Anodically Coating an Aluminum Substrate with

Ceramic Oxides Prior to Organic or Inorganic

Coating)

② 이치옹 분석자료 ldquo나선형 개스킷의 비석면화rdquo

Takashi Miyoshi 배관기술(일) Vol 46(10) 2004

pp43-47

③ 유호천 ldquoDLC 코팅 표면처리rdquo KISTI 중소기업 정

보지원 2011 10 11

④ 유호천 ldquoPVD DLC TRD 코팅설비를 활용한 복

합충 개발및 제품적용rdquo KISTI 중소기업 정보지원

2010 10 21

⑤ 국립환경과학원 ldquo화학물질 배출량 조사 OECD와 협

력강화rdquo 보도자료 (2010 11 18)

⑥ ldquo새로운 코팅기술과 공구에 대한 적용rdquo 월간기계기술

기자 2005년 3월호

⑦ Teflon off-gas studies Environmental Working

Group Ewg Org Retrieved on 2013-01-01

⑧식품의약품안전청 ldquo식품용 기구 및 용기 포장 공전rdquo

18

2012

⑨ 廣野高生 ldquo環境保全型フッ素系 撥水撥油剤の 開發

と 工業化rdquo ファインケミカル(日本) 37(11) 2008

pp39-44 이치옹 모니터링분석 KISTI

5 5차 지원

일시 및 장소 2013년 8월 21일(수요일) 1000-1400시 신청

업체 2층 회의실

참석자 성용선(연구소장) 이채영 차장 및 연구원

김학주(전문연구위원) 성용길(전문연구위원)

김종헌(KISTI 연구책임자)

주제 및 토의사항

1 불소화합물의 안전성과 환경대책 정보지원 결과 종합

등 최종보고서(안) 내용에 관한 의견교환

2 지원의 한계와 기대효과에 관한 의견 교환

3 건의 사항 등

19

세부 지원 내용

⑴플루오르화탄소 플라스틱의 특성

Teflon TFE(폴리테트라플루오로에틸렌)은 1940년대부

터 사용되어 왔으며 Teflon FEP(플루오르화에틸렌프

로필렌 공중합체)는 1958년에 소개되었고 압출 및 사

출성형이 용이하며 TFE 유형은 딱딱하고 낮은 마찰계

수를 가지며 마모에 강하고 보다 높은 온도에서 사용

가능하다 이 외에도 플루오르화탄소 플라스틱에는 폴

리염화플루오르화에틸렌(CFE 또는 CTFE)와 폴리비닐

리덴플루오라이드(PVF) 등이 있다 플루오르화탄소 플

라스틱은 그 코팅방법에 따라서도 응용범위가 광범위

하게 발전되어 왔으며 그 용도는 주방용기로부터 기

계 자동차 반도체는 물론 우주항공 산업 부품에 이르

기까지 무한하며 상업 생산되고 있는 플루오르화탄소

플라스틱은 표 3-11)과 같다

PTFE는 열가소성 플라스틱으로 상온에서 밀도 약 2200

인 백색고체로 융점은 327이며 마찰 및 마모 특

성을 나타내는 마찰계수는 고체재료 중 BAM(alumi-

20

nium magnesium boride 마찰계수 002)과 DLC

(diamond-like carbon 마찰계수005)에 이어 3번째로

낮은 005-010로 반데르발스 힘에 대한 저항력으로 도

마뱀이 붙을 수 없는 유일한 표면으로 알려져 있다2)

표 3-1 플루오르화탄소 플라스틱의 유형1)

21

Teflon의 유용한 기계적 특성은 -450sim500(-267sim

260)에서 유지되며 여러 가지 특성들은 가공기술을

바꾸어 변경시킬 수 있다 마찰 및 마모 특성을 나타

내는 마찰계수들은 시험조건에 따라 다르며 Teflon은

증기압이 극히 낮아 진공에서도 우수한 안정성을 가

지며 방사선 안정도는 부족하나 방사선 내용성은 극

히 높다

테프론의 특징은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat-

resistant) 비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coeffi-

cient of friction) 내약품성(chemical resistance) 특이한

전기적특성(unique electrical properties) 저온내구력

(cryogenic stability)으로 대표된다3)

- 테프론 코팅된 표면에는 거의 모든 물질이 달라붙지

않으며 내열성(heat-resistant)이 우수하여 -260sim+26

0까지 사용할 수 있고 단시간 사용의 경우에는 30

0까지 견디며 Teflon FEP는 232에서 연속사용이

가능하다 비유성(non-wetting)이 우수하여 표면에 물

이나 기름이 잘 묻지 않아 표면이 오염되지 않아 쉽

게 청소가 가능하고 기계설비의 보수시간이 단축되어

생산성을 향상시킬 수 있다 테프론은 비-절연성은 물

22

론 비-유전정접과 우수한 표면 저항률을 보인다

⑵ 플루오르화탄소 수지 코팅

얇고 강인한 플루오르화탄소 수지 필름을 금속 등에

소결이나 수지-접착에 의해 바르면 기질에 침착된 필

름은 저온흐름으로 고체 플루오르화탄소 수지보다 낮

은 마찰계수를 띠고 금속은 양호한 열전도도를 갖고

열을 분산할 수 있어 고속으로 운전할 수 있고 양호한

내구성을 갖게 된다

1950년대 미국 해군연구소에서 소결 Teflon TFE필름을

수성 분산액(현탁질)으로부터 무기 탄약통 비행기부

품 잠수함부품의 건조-필름 윤활제 및 보호 코팅용으

로 개발한 후 이것들은 기어 정첩(hinges) 샤프트 베

어링 밸브 플러그 콕 피스톤 링이나 그 외의 산업분

야에 응용되고 있다

- 실제로 적절한 테플론 현탁질을 고체 표면에 침적한

후 수분 증발이 너무 빠르지 않게 공기에서 필름이

건조되게 한 후 테플론 입자들이 연화 및 소결되도록

건조된 표면을 약 385(725)로 가열하고 냉각하면

23

얇은 연속 필름이 표면에 남지만 필름 중의 많은 작

은 세공들은 테플론의 높은 용융점도 때문에 제거할

수 없다 세공들은 윤활 작용에는 제한을 받지 않으나

녹슬거나 부식의 공격점이 되어 부식방지를 위해서는

1회 이상의 박막 추가 코팅이 반복되고 보통 2회 코

팅으로 충분하나 각 침적 테플론 층은 두께가 00003

인치(762)를 초과하지 않아야 하며 그렇지 않으면

말린 진흙 같이 균열이 발생한다 필름이 윤활제로 사

용될 때는 필름두께가 00006-00007인치(152-178)

를 초과하지 않아야 한다1)

- 테플론코팅은 통상으로 존재하는 표면 산화물이 제거

되지 않은 깨끗하고 탈지된 강철 황동 및 알루미늄금

속표면일 때 가장 잘 접착한다 만일 산세척에 의해

과잉 두께의 산화물이 제거되었다면 필수적으로 얇은

산화층이 형성될 때까지 공기 중에서 가열한다 접착

은 실표면적이 증가하면 증가하므로 경면가공(mirror

finish)보다 모래분사가공이나 무광택가공이 양호하다

- 테플론 코팅된 표면의 마찰계수는 금속기질 표면을

거칠게 함으로써 낮출 수 있으나 미끄럼마찰 조건 아

래 내구성은 금속의 거칠기가 32마이크로인치(rms)를

초과하면 감소한다

24

철강 기질의 인산처리는 소결 Teflon TFE필름의 마모

수명을 향상시킨다고 보고되었으며 양극처리 된 코팅

의 경도 및 내마모성과 불소수지의 윤활성을 결합하기

위해 다공성 경화 양극처리 알루미늄 위에 불소수지를

침윤하여 왔다 Teflon S 마감재는 Du Pont이 도입한

최초의 수성-기초 분산 TFE FEP로 이들은 ldquo계층화

된rdquo 마감재이다 Francis J Clauss1)는 다양한 용도에

서의 Du Pont사 제품들의 선정 가이드를 표로 종합하

였으며 이것을 요약하면 표 3-2와 같다

- 테플론 코팅은 프라이머 단층 프라이머 코팅 후 에나

멜이나 클리어 마감 또는 프라이머 에나멜과 클리어

마감 등 3-코팅 시스템으로 구성된다 프라이머들은

금속이나 세라믹 기질에 접착을 향상시키기 위해 개

질제를 함유한다 프라이머들은 가끔 1회 코팅 마감재

로 사용되나 음식물과 접촉하는 용도로는 반드시 에

나멜이나 클리어 마감재로 마무리 칠을 하여야 한다

프라이머는 층간 접착력이 부족하기 때문에 다중 코

팅에 적용될 수 없고 만일 06mil 이상의 코팅이 필요

하면 프라이머는 에나멜이나 클리어 마감재로 마무리

칠을 하여야 한다

25

표 3-2 테플론 코팅 두께1)

최종

용도대표적 용도

전체두

께(mils)

프라이머에나멜클리어

가공(mils)

비점착

산업

직물 슬래셔 통

열 봉합 봉 고무경화 롤러

우레탄과 에폭시 경화 주형

제빙기

목재 고무 주석도금 아연

10-25

07

20-50

08-13

07

03 07-22 07-10

07 마무리칠 불가

03 07-37 10min

03 05-10 05-10

07 마무리칠 불가

식품

프라이팬 내열접시

반죽롤러

캔디 장치

08-12

10-30

20-30

03 05-09

03 07-27

03 07-17 10

One-coat

system

금지

드라이

윤활

플러그 밸브

유리병 제조 전달 장치

베어링

03-07

15-25

05-07

03-07

03 03-05 03-05

02

전기

전자

저항기 코팅

아이들 롤러(제지 섬유 공업)

세라믹 절연체

40-50

10-15

20-25

03 37-47

03 07-12

03 17-22

부식

방지용기 라이닝 gt50 03 47 또는 5-10 이상

Non-

wetting콘덴서 튜브 02-04 02-04

- 유색 프라이머는 통상 안료가 필름의 범위와 두께를

시각적으로 체크할 수 있게 하므로 그렇지 않은 것에

비해 더 선호된다 에나멜과 클리어 마감재는 충분한

접착을 위해 프라이머 위에 발라야 한다 ldquo진흙 갈라

짐 현상(mud-cracking)은 코팅 당 최대 두께를

10mil로 한정하나 다중 코팅에 의해 극단적이 조건

하에 전체 두께를 10mils까지 바를 수 있으며 각각의

26

코팅은 분리하여 구워진다

불소화 고분자들은 낮은 표면장력 물과 기름에 젖지 않

고 비점착성이며 방오 특성(antifouling properties) 등을

갖기 때문에 다양한 특수 코팅에 적용되나 합성과 조성

이 몇몇 제조업자들에 독점되어 있고 값비싼 중간체를

필요로 한다 VC Malshe 등4)은 플루오르 함량이

4-10인 불소화된 아크릴 공중합체를 간단한 방법으로

합성하고 클리어 코팅하여 광학적 기계적 및 보호 특성

을 연구하였다

최근 에너지 절감과 CO2규제와 같은 환경규제에 대한 대

응 필요성이 증가하면서 발전소나 각종 보일러 시스템에

서 배가스로 배출되는 응축잠열 에너지의 회수 및 활용

에 관심이 증가되고 있다 Lee 등5)은 스테인레스 관 표

면에 400정도의 두께로 테플론을 코팅한 전열관에서

관의 열 및 응축 열전달 특성을 연구하여 테플론 코팅관

의 총괄 열전달 계수는 스테인레스 관보다 약 20 작은

것으로 나타나고 응축열전달 계수는 유사하였음을 보고

하였다

알루미늄 용광로의 비-여과 배출가스에 장기간 사용하기

적합한 역류 열교환기에 관한 것으로 원통형 쉘의 표면

27

은 알루미늄 용광로 배출가스 입자 및또는 먼지 및 부

식 흄과 접촉될 수 있어 테프론 계로 코팅 처리하는 특

허6)가 있다 이 특허에서는 원통형 쉘을 만들도록 복재

(web member 웨브재)와 함께 연결된 유체 운반튜브로

이루어진다 각 원통형 쉘에 위치한 헤더는 열교환기의

튜브에서 튜브로 유체를 공급하며 뜨거운 난류가스에 작

용하여 스케일링을 최소화하기 위해 헤더의 보호덮개를

설치한다

저온에서 고온에 이르는 환경에서 유체에 사용되는 배관

튜브는 열에 의한 경시적 열화가 진행되어 균열 발생이

쉽다 가동부에 사용되는 배관 튜브는 움직임이 수반되어

그 경향이 현저하며 반도체 제조장치에 일반으로 사용되

는 실리콘튜브는 저온에서 열화되어 파손되기 쉽다 이러

한 문제점을 해결하기 위해 실리콘 튜브 외측 표면을 테

플론으로 코팅하여 균열발생을 억제함으로써 장시간 사

용 가능하도록 고안한 특허7)가 있다

섬유상 부직포로 제작하는 다공성 여과필터는 다양한 산

업공정의 배출가스를 정화시키는 데 사용되며 특히 중고

온 환경에서 사용이 가능한 다양한 종류의 기능성 필터

의 개발이 요망된다 일반으로 소각장 및 발전소 등의 중

고온 조건에서 사용되는 Nomex를 비롯한 섬유상 필터는

28

200 이상에서는 열변형으로 사용이 제한적이고 세라믹

필터와 같이 고온에서 적용이 가능한 소재는 매우 고가

일 뿐 아니라 초기 작업으로 인해 에너지 사용량이 매우

높아지는 문제점이 있다 Kim 등8)은 250-300 영역의

중고온의 배출가스를 처리하기 위한 필터에 표면 소수성

과 고온 안정성을 부여하기 위하여 표 3-3과 같은 조성

으로 그림 3-1과 같은 장치를 이용하여 테플론 수지를

거품 형태의 코팅액으로 조제하여 유리섬유 원단에 공급

하여 표면코팅하고 열처리 및 압착과정을 거친 후 표면

분석하였다

표 3-3 테플론 코팅을 위한 화학첨가제8)

테플론 코팅이 전기 집진장치에 활용되는 특허도 있다

종전 사이클론 방식의 전기집진기에서는 집진부의 먼지

를 떨어뜨리는 것이 용이하지 않았다 발명자들은 먼지

압축 기능을 갖는 집진실 내측에 테플론 가공을 하여 정

전기에 의한 미세먼지의 부착을 억제함으로써 집진실의

먼지를 원 터치로 처리할 수 있도록 하였다9)

29

그림 3-1 테플론 거품코팅8)

일반으로 테프론을 조리용기에 코팅하는 방법은 금속소

재를 사용 제품형태로 제작한 후 세척하고 에이징(소둔)

처리한 후 샌딩하여 표면조도를 유지하도록 하고 표면에

프리머 처리하여 베이킹 처리한 후 분사방법으로 테프론

코팅을 하고 다시 베이킹 처리하므로 공정이 복잡하고

제조원가가 상승하며 부착력에 한계가 있다한다 (주) 엘

지아이 특허10)에서는 피처리물을 세척한 후 산질화처리

하여 표면에 열처리 층이 형성되게 한 후 테프론을 코팅

하고 베이킹 처리하는 것을 특징으로 한다 그 외에 내열

세라믹 주방용기의 불소수지 코팅방법에 관한 특허가 있

다11)

(주) 봉성비에스는 차량의 주행 충격을 흡수하는 완충기

30

내부에 삽입하는 피스톤 외주면의 마찰과 소음을 최소화

하기 위한 목적으로 테프론 코팅을 하기 위한 코팅장치

를 등록하였다12)

⑶ 대전 방지 플루오르화탄소 수지 코팅

ㅇ 본래 불소수지 자체는 높은 절연성과 큰 대전성을 갖고

있기 때문에 도전 효과를 얻기 위해서는 분상 필러를 다

량으로 충전할 필요가 있으나 이렇게 하면 비점착성이

떨어진다 여러 회사들의 제품 안내서들을 종합한 불소수

지의 전기적 특성은 표 3-4와 같다

표 3-4 불소수지의 전기 특성

특성측정법

(ASTM)단위

PTFE

(비충전)

PTFE

(25

유리충전)

PTFE

(25

탄소충전)

표면 내아크성 D495 sec 75-110

체적저항

(비저항)D257

ohm-

cmgt1018 gt1016 104

표면저항 D257ohm

sq-1 gt10

14

유전율(유전상

수) at 1MHzD150-81 e 25 24

절연내력 short

time 18thickD149

kv

mm285

유전정접(유전

정합) at 1MHzD150-81 lt00002 005

31

ㅇ 불소수지는 내열성 내한성이 높고 내약품성 내연소성

난연성이 우수하고 절연성 및 비점착성과 저 마찰계수를

갖고 있으나 절연성이 높아 정전재해의 원인이 될 수 있

어 재해 방지를 위해 대전 방지 또는 저저항을 특징으로

하는 불소수지 가공품이 개발되어 사용범위가 넓어지고

있다

불소수지에 충전하여 저저항으로 하는 필러에는 일반적

으로 도전성이 높은 카본 금속 또는 산화알루미늄 등의

금속산화물이 사용된다 재료의 형상으로는 미분 탄소

스테인레스 스틸 니켈 금속분과 같은 입상물 단섬유 탄

소섬유 위스커(whisker) 등이 사용된다

- 미분은 비표면적이 크기 때문에 소량의 충전으로 저

항치를 내릴 수 있으나 약품의 침투가 있는 경우 비

표면적이 크기 때문에 약품의 영향을 받기 쉬워 내부

식성 떨어질 가능성이 크다

- 입자상물질들은 미분에 비해 비표면적이 작기 때문에

약품의 영향을 비교적 적게 받지만 저항치를 내리기

위해 충전량이 많게 되어 불소수지의 특징인 비점착

성과 저마찰계수 특성을 저해한다 섬유 위스커 형상

은 단방향에 대한 장방향의 비가 클수록 적은 충전량

32

으로 저항치를 낮출 수 있지만 분산이 나쁘면 요철이

발생한다 부식 방지 코팅에서는 충전제의 내약품성이

관건이다 즉 부식 환경에서 불소수지 자체는 충분히

견디어도 충전제가 내약품성이 없으면 충전제가 서서

히 에칭되어 기기가 부식될 가능성이 크다

화학 석유 및 정제 산업에서는 시험 검사 세척 및 다양

한 공정의 용기 저장 탱크 반응기와 같은 많은 구성요

소들이 사용되며 플루오르화 고분자는 고온에서 높은 열

안정성을 갖고 다양한 유기용매에 전혀 용해되지 않으므

로 부식방지 등을 위해 플루오르화 고분자와 같은 내화

학성 고분자로 코팅된다 그러나 이들 고분자는 코팅된

구성요소의 표면에 정전하 축적을 조장하기 때문에 폭발

성 환경에서는 사용할 수 없다

특히 이들 구성요소들의 금속 구조물은 용기나 탱크에

보관된 가스 증기 분진의 이동에 의해 생성된 정전하

(electrostatic charge)를 흐르게 하는 전도경로가 되나 금

속표면을 강산 강알칼리나 유기용제에 의해 침투되는 방

지하기 위한 목적으로 부식방지 테플론으로 코팅될 경우

얇은 필름의 비-전도체로 작용하므로 폭발성 환경에서

사용을 규제하고 있다

33

- 예로 유럽 표준 EN 50014 section 732에서는 정전

하로 인한 발화 위험을 피하기 위해 사용 보수 및 세

척 조건 하에 설계된 울(enclosure)이 필요하고 울의

절연저항은 1GΩ을 초과할 수 없도록 규제하고 있고

일본은 후생노동성 관할 산업안전연구소의 정전기 안

전지침의 누설 저항치는 108Ω 이하로 되어 있다

- 따라서 부식 및 폭발성 환경에서 안전하고 다양한 구

성 요소에 적용할 수 있는 정전방지 비-발화 테플론

코팅기술을 요하며 정전방지 코팅은 표면저항을 낮추

기 위해 카본블랙이나 개질 전도성 탄소 금속이나 전

도성 고분자를 테플론에 충전하여 코팅한다

폭발성 환경용 내화학약품 특성과 대전방지 비발화

코팅 조성물로는 높은 비저항을 갖는 플루오르 고분자

50-90wt 10-50wt의 전도성물질인 탄소분(carbon

powder)으로 이루어진 Solex Robotics Systems Inc

특허가 있다13)

- 폭발환경에서 사용되는 이상적인 코팅은 정전하를 피

하기 위해 낮은 비저항을 가져야 한다 완벽한 전도체

는 비저항이 영(0)이고 완벽한 절연체는 무한 비저항

34

을 갖는다 금속(구리 금 같은) 합금(망가닌 Mn-Ni-

Cu 니크롬 Ni-Cr-Fe) 반도체(카본이나 게르마늄)는

낮은 비저항을 갖고 있어 좋은 도체이다

- 수많은 고분자 기초 코팅들이 부식화학 환경에 사용

되었으나 85GΩ 이상의 비저항으로 대전방지 시험에

서 실패하였다 정전기 도체로 인증기준 아래 적합하

기 위해서는 100cm2이상의 노출 표면이 1GΩ 이하의

비저항이어야 한다 코팅에 첨가된 탄소분은 전도도를

증가시키며 10-50의 함량은 1GΩ 이하의 비저항을

만족시킨다

비전도성 표면의 표면저항을 감소시키도록 카본이나 금

속을 사용하여 대전방지를 부여하는 공정의 단점으로는

카본이나 금속의 접착력이 낮아 입자의 마모가 일어나

장기간 사용 시 대전방지 수준이 감소하는 것이다 더욱

클린룸에서 입자의 방출은 심각한 문제가 된다 대부분의

비전도성 기질은 통상 23 상대습도 50에서 표면 비

저항이 109ohmsquare 이상으로 높고 PTFE 경우는 10

12

ohmsquare이상이다14)

반도체 제조 장치에서는 웨이퍼 기판을 안착하기 위해

작업 스테이지를 사용하며 작업스테이지는 통상 금속과

35

세라믹으로 제작되나 웨이퍼기판을 작업스테이지에 올려

놓을 때 작업스테이지와 웨이퍼기판 사이에 마찰 정전기

가 발생한다 FPD(flat panel diplay 평판표시)용 디스펜

서(dispenser)에 사용되는 작업스테이지는 진공방식으로

디스플레이 기판을 흡착 고정하며 흡착 고정되었던 디스

플레이 기판이 작업스테이지에서 박리될 때 작업스테이

지에 정전기가 발생하여 디스플레이 기판에 대전된다 최

근 디스플레이 기판이 대형화됨에 따라 대전량이 증가되

고 정전기 대전문제가 더욱 심각해지고 있다 웨이퍼기판

이나 디스플레이기판에는 반도체소자 등 다수의 전자부

품들이 배치되어 있기 때문에 정전기가 발생되면 전자부

품의 신뢰성에 치명적 손상을 주고 기판에 분진이 부착

되거나 정전기의 대전으로 기판 리프트 업(lift up)시 기

판이 깨어지는 문제가 발생한다 정전기 대전을 방지하기

위해서는 작업스테이지에 이오나이저를 설치하여 중화하

기도하나 리프트 업이 불가능하거나 이온풍이 도달하기

전 방전하는 등 작업 스테이지와 기판 사이에서 발생한

정전기가 순간적으로 일으키는 박리대전 문제를 해결하

기 어려워 작업 스테이지의 정전기 방지를 위해 불소수

지로 코팅한다

- 불소수지는 다른 물질과의 흡착에너지가 작고 비점착

성이 우수하며 마찰계수가 작아 유리기판과의 상관관

36

계가 작아져 박리에 의한 정전기의 발생량이 적어지

나 불소수지는 절연성을 가지므로 테프론 코팅에서는

카본 블랙이나 전도성 고분자 등을 필러로 사용한다

대전방지가 필요한 반도체 제조장비 디스플레이 장치 및

테스트 장치 등의 작업 스테이지를 테프론 코팅함으로써

작업 스테이지의 정전기 발생을 방지하는 방법의 단점의

하나는 제작비용이 상대적으로 많이 드는 것으로 디스펜

서의 경우 디스플레이 기판이 대형화됨에 따라 작업 스

테이지의 크기가 커져 제작비용이 증가한다 또한 불소수

지의 경도가 낮아 코팅 막에 스크래치가 발생하고 이 부

분은 평탄도 유지가 어려우며 입자들이 발생하는 요인으

로 작용하며 불소수지가 절연성이므로 카본블랙이나 전

도성 고분자 등의 도전성 필러를 충전하여 대전방지에

적합한 면-저항을 갖도록 할 경우 카본블랙은 구형으로

분진이 발생하는 문제점이 있고 전도성 고분자를 사용할

경우는 내용제성이 약하고 과량의 바인더를 사용하여야

하며 박막 형성이 어렵고 불소수지의 경도를 보완하기

위해 아노다이징 처리를 하는 경우는 이후 별도의 코팅

과정을 거쳐야 하므로 제작비용과 제작시간이 증가하는

등 여러 가지 단점들이 있다 이러한 문제점들을 해결하

기 위한 방법으로는 작업 스테이지와 기판이 만나는 면

에 정전기 발생을 최소화시킴과 동시에 그 제조비용이

37

절감되고 적절한 면-저항을 조절할 수 있으며 마찰계수

가 낮고 내마모성이 향상된 작업스테이지 표면의 대전방

지 처리 방법에 관한 국내의 탑나노시스 사의 특허15)가

있다

- 탑나노시스 사의 특허 목적은 작업스테이지의 기판과

만나는 면에 정전기의 발생을 최소화시킴과 동시에

그 제조비용이 저감되고 적절히 면-저항을 조절할 수

있으며 마찰계수가 낮고 내마모성이 향상된 스테이지

표면의 대전방지 처리 방법에 관한 것으로 이 특허에

서는 금속소재의 작업 스테이지 표면을 아노다이징

처리하여 복수의 산화표면 홀들을 형성시키고 여기에

탄소나노튜브를 삽입하고 경화하며 탄소나노튜브 경

화 후에 표면을 봉공 처리한다

- 작업스테이지 표면은 106-10

9Ωsq의 면-저항을 갖는

것이 바람직하며 산화표면 홀들은 직경 30-900nm 깊

이 100-900nm가 바람직하다 아노다이징 처리를 하는

금속소재는 Al Mg Zn Ti Ta(탄탈륨) Hf(하프늄)

Nb(니오븀) 등일 수 있고 이 발명에서는 가벼우며 일

정 강도를 갖고 가공성이 우수한 Al합금을 예로 들어

설명하고 있다

38

- 알루미늄소재 작업스테이지 표면에 산화피막(Al2O3)처

리를 하는 아노다이징(anodizing 양극산화)에서 전해

액은 수산화나트륨이나 수산과 황산 등이 사용될 수

있고 수산화나트륨의 농도(20-50) 공급전압 전류

및 시간 등을 조절하여 산화표면 홀의 크기(D)와 깊

이(L)를 조절하며 D와 L에 따라 대전방지 효과나 내

구성 및 표면경도를 조절한다

- 탄소나노튜브를 산화표면 홀 내에 삽입시키는 단계는

전해 흡착 하여 이루어질 수 있고 정전도장을 통해서

도 이루어질 수 있다 탄소나노튜브는 분산제를 포함

하는 용액으로 코팅되며 분산제로는 소듐 도데실설페

이트(SDS) 트리톤X Tween20(폴리옥시에틸렌 소르

비탄모노올레이트) CTAB(cetyl trimethyl ammonium

bromide)를 예로 들고 있으며 탄소나노튜브 용액은

아크릴계 우레탄계 등 또는 전도성 고분자계 유무기

하이브리드계 바인더가 포함될 수 있다

- 봉공처리는 산화표면 홀과 산화피막을 봉공하여 내식

성 등이 향상되도록 보호 층을 형성시키는 것으로 비

등수 가압증기에 의한 수화봉공 금속염을 포함한 열

수에 의한 금속염 봉공 오일로 도포나 침적하는 유기

물 봉공 양극산화 피막 층에 도장하는 도장에 의한

39

봉공 등이 있다

반도체 소자를 제조하는 과정에는 불순물 이온을

주입하는 장비가 이용되고 있다 (주)하이닉스 반도

체의 특허에서는 이온주입 장비의 웨이퍼 지지 장

치 리프트 핀의 끝단을 라운드 처리하고 리프트 핀

에 테플론을 코팅하여 리프트 핀과 웨이퍼 후면의

접촉 시 웨이퍼 후면에 스크래치와 같은 손상이 유

발되는 것을 억제할 수 있게 한다16)

⑷ 탄소나노튜브(CNTs Carbon Nano Tubes)17)

탄소나노튜브는 탄소의 동소체로 1991년 일본 NEC 연구

소의 Ijima박사에 의해 전자 현미경을 통해 처음으로 확

인되었다 1985년에 Kroto와 Smalley가 탄소의 동소체인

풀러렌(탄소 원자 60개가 모인 것C60)을 처음으로 발

견한 이후 전기방전 시 흑연 음극 상에 형성된 탄소덩어

리를 투과전자현미경으로 분석하는 과정에서 발견하여

Nature학술지에 처음으로 발표되었다18) 탄소나노튜브에

서 탄소원자 하나는 주위의 다른 탄소원자 3개와 sp2결

합을 하여 육각형 벌집무늬를 형성하며 이 튜브의 직경

이 대략 수 나노미터(nm nanometer) 정도로 극히 작기

40

때문에 나노튜브라고 부르게 되었다 이 탄소나노튜브는

전기 세기가 클수록 더 수축하는 성질을 가지고 있는 등

튜브의 직경이 nm수준으로 극히 작아서 특유의 전기화

학적 특성을 나타낸다

Ku 등19)에 의하면 CNTs는 전기방사법(arc-discharge)

레이저증발 법(laser vaporization) 플라즈마 화학기상증

착 법(plasma enhanced chemical vapor deposition) 열

화학 기상증착 법(thermal chemical vapor deposition) 등

의 다양한 합성법이 개발되어 대량생산이 가능하다

CNTs의 종류는 벽의 수에 따라 단일 벽 탄소나노튜브

(SWNTs) 이중 벽 탄소나노튜브(DWNTs) 다중벽 탄소

나노튜브(MWNTs)가 있으며 물성에 관한 많은 연구결

과 기계적 전기적 열적으로 우수한 성능을 갖고 있음이

입증되었다

CNTs는 인장강도와 탄성률 면에서 지금까지 발견된 재

료 중 가장 강하고 질기며 다중벽 CNT는 63GPa에 이른

다 표준 단일 벽 CNT는 25GPa의 압력까지 변형 없이

지탱된다 그래핀의 대칭성과 특이한 전기적 구조 때문에

CNTs의 구조는 그것의 전기적 특성에 영향을 미쳐 금속

성이나 반도체의 특성을 나타내고 이론적으로 금속성

41

CNTs는 구리와 같은 금속의 1000배가 큰 4times109Acm

2

전류 밀도를 운반할 수 있으며 나노크기의 단면으로 전

자가 튜브의 축 방향으로만 전파되고 전자의 이동은 양

자효과를 수반하여 1차원 전도체로 간주된다

CNTs는 우수한 물성과 상대적으로 큰 표면적으로 갖고

있어 충전제(filler)로써 에폭시 폴리스틸렌 폴리우레탄

등 고분자와 혼합하여 폴리머의 기계적 전기적 특성을

향상시키려는 연구가 활발하다 CNTs가 폴리머 중에서

충전제 역할을 하기 위해서는 고른 분산이 필요하나 반

데르발스 힘에 의한 CNTs 응집현상(agglomeration)으로

인해 효과적인 분산이 어려워 오히려 폴리머의 물성을

저해하므로 이것을 개선하기 위한 다양한 기계적 화학적

분산 방법이 연구되고 있다

- CNTs를 분산시키기 위한 가장 일반적인 방법은 용매

나 폴리머에 CNTs를 투입하고 초음파처리를 하는 것

으로 초음파처리를 하면 SWNTs의 길이가 짧아지고

다발(bundle)이 얇아져 분산력이 증가한다

- CNTs 표면을 산이나 아민으로 기능화하여 분산을 높

이는 방법도 연구되고 있으며 MWNTs를 HNO3

H2O2NH4OH 용액에 침지시켜 MWNTs에폭시 복합

42

재료는 전기적 특성을 향상시키려는 연구와 산과 아

민 등의 기능기를 도입하여 SWNTs의 열전도도를 향

상시키려는 연구들이 수행되고 있다

- 기계적 분산방법인 전단혼합방법은 좁은 관이나 상대

적으로 높은 속도의 유동을 이용하여 발생한 전단력

으로 CNTs를 분산시키는 방법이다 Ku 등19)은 전단

혼합과 초음파처리를 이용하여 MWNTs로 강화된

에폭시 복합재료를 만들어 기계적 및 열적 특성을 연

구하였다

⑸ 내마모성 테프론 코팅

ㅇ 재료의 부식은 구조재에 원하지 않은 변화 원인으로 작

용하여 경제적인 문제로 귀결되는 심각한 문제이다 이들

원치 않는 변화는 때로 적절한 코팅에 의한 표면처리로

예방할 수 있다 가장 일반적이고 자주 사용되는 전착 코

팅은 아연에 기초한 아연 코팅 및 합금 코팅으로 이들

코팅은 간단한 기술로써 내부식성이 양호하여 전 표면처

리의 약 14에 해당하나 최근 낮은 마찰계수 등 다른 특

성들이 매우 중요하게 되었다 이들 특성은 다층 코팅으

로 대응할 수 있으나 두께가 증가하고 기술이 복잡하여

가능한 해결방법으로는 복합체 코팅이 있다 복합체 코팅

43

은 일반기계와 자동차 전자부품 및 컴퓨터 등 다양한 분

야에 적용된다 금속 기질에 미세한 PTFE 입자의 전착

에 의한 증착은 새로운 세대의 복합체 코팅으로써 가장

바람직한 특성은 양호한 내마모성 자기윤활 내부식성이

다 M Paderovaacute 등20)에 의하면 이들 특성은 주로 사용

한 입자(흑연 다이아몬드 MoS2 또는 PTFE)와 용액의

유형(pH 온도 bath 등) 뿐 아니라 입자의 크기 농도

분산 및 형태학에 의존한다

ㅇ 충전되지 않은 PTFE의 마모율은 736-741times10-4mm3Nm

로 내마모성이 낮아 다양한 충전제들이 첨가되고 있다

Xing-Dong Yuan 등21)은 진공 조건에서 PTFE 코팅

의 마모특성을 연구하여 초기에는 하중이 증가함에 따

라 마찰계수가 감소하나 하중이 6N 이상으로 커지면

마찰계수도 증가하며 압력이 PTFE 코팅의 마찰계수

에 미치는 영향이 거의 없고 마모는 압력이 증가하면

초기에는 감소하나 10Pa 보다 높으면 급격히 증가한

다고 보고하였다

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위해서는 윤활제로 PTFE

계 수지 접착제로는 폴리아미드이미드수지 산화철 분말

44

및 브론즈 분말 등을 혼합한 조성물을 사용하거나 미국

특허에서는 스와시플레이트 형 압축기의 플레이트 표면

에 MoS2 흑연 PTFE계 윤활제와 열경화성 수지인 폴리

아미드이미드(PAI) 조성물을 코팅하여 내마모 및 윤활성

을 부여하고 있다22) 내열성 향상을 위해서는 고체윤활

제 접착제수지 및 저융점 금속인 Sn Pb In Bi 등을 함

유하는 합금이나 화합물을 사용하여 금속의 잠열을 이용

내열성 향상을 시도하기도 한다

ㅇ 그간 철강(스테인리스강 탄소강 아연도금강판 등)의 내

부식성 향상을 위한 많은 연구들이 수행되어 왔다 4플루

오르에틸렌(C2H4) 4플루오르에탄(CF4) 6플루오르에탄

(C2F6) 3플루오르화에탄(CHF3) 8플루오르화에탄(C4F8)

같은 불소화된 단량체의 플라즈마 중합에 의한 테플론

류 코팅은 그들의 소수성으로 인해 금속의 내부식성 향

상을 위한 대안으로 주목을 받고 있다 A Delimi 등23)

은 유도결합 고주파플라즈마(inductively coupled radio

fre- quency plasma)를 사용하여 소수성 박막 불소수지

필름을 탄소강에 증착하고 3염수에서 내부식성을 평가

한 결과 1개월 동안 9nm의 필름이 유지되는 것을 관찰

하여 불소고분자 박막이 금속과 금속산화물의 보호층이

될 수 있음을 보고하였다

45

ㅇ PTFE를 이용한 세라믹코팅 기술로는 알루미늄 및 알루

미늄 합금 공작물을 양극처리에 의해서 티타늄 및또는

지르코늄 산화물을 포함하는 내식성 내열성 및 내마모

성 세라믹 코팅을 하고 이어서 양극처리된 공작물을

PTFE 또는 실리콘 함유 코팅과 같은 제 2 코팅으로 코

팅한다 이 발명은 가소성을 가지는 경질의 필름 내에서

내식성 내열성 및 내마모성을 제공하는 티타늄 및또는

지르코늄 산화물의 양극처리 층으로 기판을 예비-코팅함

으로써 알루미늄 기판에 보다 긴 수명의 코팅을 형성하

는데 특히 유용하다24)

ㅇ Nosaka 등25)은 PTFE로 대표되는 불소수지는 마모-링이

나 극저온 밸브의 실링부에 많이 사용되며 진공치환법에

의해 탄소재료에 PTFE나 MoS2 분말을 1-2wt 함침시

키면 무함침한 것에 비해 마모가 약 13로 감소한다고

보고하였다 한편 저자들은 터보펌프의 실링재료가 극저

온 환경에서 보이는 특이한 현상을 극복하기 위해 베어

링의 표면에 노출된 유리섬유를 불소산으로 처리하여 용

해 제거하고 윤활성을 높인 유리섬유강화 테프론 리테이

너를 개발하여 내구성과 윤활성을 향상시킬 수 있었다고

보고하고 있다

46

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위한 또 다른 특허로는

폴리실록산계 접착제를 단독 혹은 폴리에스테르계 접착

제와 병용하고 고체 윤활제로 MoS2(이황화몰리브덴

WS2(이황화텅스텐) h-BN(육방정 질화붕소) 팽창흑연

및 PTFE를 사용하고 충전제로 탄화규소 알루미나 산화

지르콘 산화티탄 등의 미분말을 사용하여 내마모 내열

및 윤활성을 부여하고자 하는 내마모성 및 윤활성 코팅

조성물에 관한 특허가 있다26)

ㅇ 내열성 내후성 내오염성 내약품성 내구성 등의 물성

은 유지하면서 비점착성을 높이기 위해 무기계 세라믹

코팅 조성물에 PTFE를 첨가하기도 한다 이러한 하이

브리드 코팅 조성물에 관한 특허로는 불소수지(01sim25

중량) 콜로이달 실리카나 콜로이달 알루미나 등 무

기계고분자 바인더(20sim80중량) 알콕시실란 화합물

(1sim50중량) 수용성 유기용제(1sim10중량) 충전제

또는 안료(5sim50중량) 및 물(100중량 까지 보충)로

이루어진 코팅 조성물에 관한 것으로 무기질 도료 및

무기계 세라믹 코팅에 의해 내열성 내오염성 내약품

성과 내구성을 유지하고 접착력을 높이기 위해 소량의

PTFE를 사용하는 것이 있다27)

47

ㅇ 정전 복사기에 사용되는 정착기재부의 최외층에 코팅하

여 기계적 성질 및 내마모성을 향상시키려는 목적으로

불소수지 기질 중에 분산된 불소화 다이아몬드를 함유하

는 입자로 구성된 조성물에 관한 일본 특허28)가 있다

ㅇ 부식 특성을 개선한 흑색 무크롬(chrome-free) 다층 내

부식 마무리 칠과 방법에 관한 특허29)로는 ASTM B 117

표준으로 시험할 때 백색 부식에는 최소 500시간 염수분

무시간 및 적색 부식에는 1500시간 염수분무시간에 적합

하게 설계된 마무리 칠에 관한 것이 있다 이 다층 시스

템은 광택(gloss) 4 이상을 만족하는 자동차 차체 강판

자동차 하부와 내장에 사용되기 위해 설계된 것으로 이

다층 마무리 칠은 3층 부식 방지 시스템을 형성하도록

아연-철 전기도금 기질 오르토인산을 사용한 무전해 인

산염 결정 전환 층과 XylanTeflon 실러 코팅의 조합이

다

ㅇ 전통적으로 철 강판(steel sheet)은 크롬산 염 전환 코팅

으로 개질되어 왔으나 6가 크롬이 배출되어 환경을 오염

시키는 문제점이 있어 강판의 내-부식성을 개선하기 위

해 고분자 수지 코팅들이 수행되고 있으나 이 방법은 고

48

분자 코팅 층이 열전도도를 감소시키는 단점을 가지고

있다 Kang 등30)은 강판 위의 고분자 코팅 층의 열전도

도를 향상시키기 위해 초미세-크기 다이몬드(μD)입자를

열전도 물질로 사용하였다 다양한 음이온 및 비-이온

계면활성제들을 사용하여 수용액 중에서 무거운 μD입자

의 안정화를 시험들을 한 결과 1-피렌카르복시산(PCA)

이 가장 양호하였다 그림 3-2는 이 시험 결과를 요약한

것이다

- 강판 위에 PCA로 안정화 된 μD 입자를 함유한 폴리

우레탄-기초 코팅 층은 열전도도가 0351W(mK)에서

0434 W(mK)(10 wtμD)로 향상되었으며 더욱 144

시간 동안 염수 분무 시험결과 부식거동은 관찰되지

않았다

그림 3-2 피렌카르복시산을 이용한 μD 표면처리

ㅇ 자동차공업에서는 기본적인 특성으로 내마모성이 요구되

49

는 강철 기계부품들의 마찰특성을 향상시키기 위해 다양

한 금속 및 고분자 코팅들이 광범하게 이용된다 내-마

모 코팅은 두 가지 주요 특성인 높은 표면경도와 자기-

윤활 특성이 필요하다 후자의 범주에 속하는 것이

PTFE와 MoS2 기초 코팅이다 무전해 니켈 코팅은 높은

경도로 인해 양호한 마찰 특성을 보이며 한편 열처리를

통해 경도를 향상시킬 수 있다 PTFE입자의 첨가는 코

팅경도를 감소시키나 자기-윤활특성을 부여한다 S

Rossi 등3132)은 마찰특성을 향상시키기 위해 이용되는 탄

소강에 이용되는 몇 가지 공업적인 코팅에 관한 부식거

동에 관해 평가 PTFE입자를 함유한 무전해 니켈-인

(Electroless Nickel-Phophorus)코팅은 PTFE 입자(자기-

윤활 특성)를 갖는 외층과 장벽-효과를 갖는 내층으로

인한 이중 특성으로 가장 양호한 특성을 보였다고 보고

하고 있다

ㅇ 모든 기계적 시스템은 동적 요소를 필요로 하며 마찰과

마모를 줄이기 위한 다양한 수단들이 가능하나 그 선택

은 환경이나 조작 조건에 제한을 받는다 PTFE는 자기

윤활 낮은 마찰계수 높은 열안정성과 화학약품 안정성

으로 산업분야에 널리 사용되는 엔지니어링 고분자이지

만 내마모성이 매우 부족하다 이러한 이유로 금속

-PTFE충전 복합체들이 PTFE의 마찰특성과 금속충전제

50

의 내마모성을 결합하여 특정 분야의 용도로 소개되어

왔으나 금속-고분자 물질에서의 충전제의 역할은 완전히

설명되지 않고 있다 복합체 표면의 과잉의 충전제 농도

는 미끄러지는 동안 부하를 지지하여 내마모성을 증가시

키는 것으로 생각되며 PTFE의 마모율은 Mo Zn Ni

Y2O3 및 SiO2 같은 무기 충전제에 의해 1000배가량 감소

되었다는 보고도 있다 유리섬유 구리 세라믹 탄소섬유

절단 탄소섬유 나노입자를 포함한 경질의 충전제 입자들

이 PTFE의 내마모성을 높이기 사용되어 왔다

ㅇ 비교적 두꺼운 코팅에는 열분사(thermal spray) 용사기

술이 정립되어 있고 용사 코팅은 내마모 내마찰 내프레

팅(fretting) 및 내부식을 요하는 산업에 많이 이용되고

있다

- 용사 몰리브덴(Mo)코팅은 실질적 내마모성 코팅으로

가장 광범하게 이용되며 프레임용사(flame spray)거나

와이어용사(wire spray)기술로 생산된 몰리브덴(Mo)

코팅은 흠이나 마모에 대한 고도의 저항을 얻기 위한

가장 좋은 코팅재료 중의 하나이다

- 알루미늄 청동(aluminium bronze)은 높은 내-부식성

과 내마모성을 갖는 것이 특징이다 저압 플라즈마 용

51

사 기술은 자기-아닐링(self-anealing)과 부서지기 쉽

도록 유도하는 γ-상의 형성을 피할 수 있도록 높은

냉각 속도를 얻는 데 사용되며 알루미늄 청동 저압

플라즈마 용사 코팅은 낮은 마찰과 마모를 보였고 비

교적 최근 플라즈마 용사 기술을 이용하여 알루미늄

기질에 고분자-세라믹 복합체를 코팅하는 기술이 개

발되었다33)복합체 코팅으로 행한 마찰 시험에서 낮

은 마찰계수를 얻을 수 있었다

- 낮은 마찰계수와 고 내마모성을 갖는 이성분 금속

-PTFE 코팅이 개발되었고 이들의 마찰 공학적 성능

이 보고되었다 PTFE-기초 복합체 설계에서 일반적

인 접근방법은 경질의 충전 입자들을 도입하는 것으

로 M Yamane 등34)은 PTFE-금속 이성분 코팅의 마

찰 마모성능에 관한 연구 결과 알루미늄 청동 코팅이

Mo코팅에 비해 PTFE 저장소(reservoir)에 유용했음

을 보고하였다

⑹ 충전 또는 강화 플루오르화 탄소1)

ㅇ 분말이나 강화섬유 등 전형적인 충전재들이 충전 또는

강화 플루오르화 탄소에 사용된다 충전재는 저온흐름

52

을 향상시키는 데 사용되며 수축과 균열을 줄이고 열

팽창을 낮추며 열전도율을 향상시킨다

ㅇ 분말이나 단섬유로 된 전형적인 충전제를 표 3-5에 종합

하였다 유리섬유는 가장 보편적인 PTFE 충전제로 화

학 및 전기적 특성에 최소로 영향을 미치며 기계적 특

성을 크게 향상시킨다 분말에 비해 섬유는 압축강도

강성도 및 지지용량을 더욱 향상시키나 분말은 충전

테플론의 내구성에 거의 영향을 미치지 않는다 금속분

말은 특히 열전도도를 향상시키며 고속에서 발생하는 마

찰열을 소멸하는데 도움이 되며 전기저항을 상당히 감소

시켜 금속-충전 조성물은 양호한 절연체는 아니다

ㅇ 흑연(graphite) MoS2는 초기 내구성과 마찰을 개선하고

기계적 특성을 향상시킨다 석면은 많은 유용한 특성을

갖지만 가공 처리 중 가스가 방출할 뿐 아니라 사용금지

물질이다 표 3-5 외에도 금속 망 장섬유 다공성 금속

등 다양한 충전제들이 있으며 다양한 종류의 제품들이

상업 생산되고 있어 최종 선정을 하기 전에 플라스틱 가

공업자로부터 보다 완전한 정보와 추천을 받는 것이 바

람직하다

53

표 3-5 불소수지용 충전제

ㅇ 압축강력 인장과 압축 시의 탄성률 및 항복강력은 첨가

제의 첨가에 의해 모두 증가하나 일반으로 인장강력과

신도 및 충격강도는 손실된다 통상 충전 테플론은 압축

상태에서 사용되므로 인장강력의 감소는 중요하지 않다

인장강력의 손실은 설치(연속적인 링-실링)할 때 인장되

는 재료에서 중요하다 열팽창 계수는 비-충전 테플론에

비해 감소되어 통상 금속 부품의 팽창계수와 잘 맞는다

ㅇ 마찰과 마모를 수반하는 분야에서 가장 중요한 것은 충

전제로 얻어지는 PV한계치의 증가와 마모의 감소다 비-

54

충전 테플론에 비해 PV한계치 크기는 개략적으로 1차원

적으로 증가하나 마모인자는 3차원적으로 감소한다 충전

테플론의 평균치들은 동적 마찰계수는 01-02 PV한계치

는 10000-20000 psi-fpm 마모상수는 10times10-10in3-min

lb-ft-hr이다 그림 3-3은 충전 테플론 PTFE의 마찰계

수에 미치는 충전제 종류와 농도의 효과에 관한 것이다

그림 3-3 테플론 PTFE에 미치는 충전제 종류와 농도1)

ㅇ 내마모성을 향상시키는 충전제는 실제로 연마저항성을

감소시키는 것으로 날카로운 입자는 보다 쉽게 침투하고

충전제 입자와 수지 사이의 경계를 따라 충전 플라스틱

을 찢는다 따라서 라이닝 슈트 같은 분야의 적용 시는

55

비-충전테플론이 보다 바람직하다

⑺ 시트 테이프 및 박층(laminates)

ㅇ 대부분의 플루오르화탄소는 충전 여부에 관계없이 두

께 1mil(0001 in)까지 시트나 테이프로 만들 수 있고

시트나 테이프를 찍어서 원하는 형상의 립-씰(lip seal)

펌프 컵(pump cup) 피스톤 링(piston rings) 가스켓

(gaskets) 등을 만들 수 있다

ㅇ 유체의 누설을 정지시키는 밀봉기능 부품 중 각종기기의

접합부나 배관 플랜지 등의 밀봉에 사용되는 가스켓

(gaskets)은 석면이 널리 사용되어 왔으나 유해물질 배

출 및 이동량 보고제도(PRTR Pollutant Release and

Transfer Register)에서 발암성을 가진 제1종 지정 화학

물질로 지정되어 사용이 금지되어 PTFE가 가스켓으로

개발되었다 PTFE는 용융 알칼리 금속 및 그 용액과 불

소 및 3불화염소에 의해 약간 침식되나 모든 화학약품에

안정하고 우수한 내부식 재료로 C-F결합력이 크고 F원

자가 C-C결합의 주위를 간격 없이 들러 싸고 있기 때문

에 다른 물질의 공격을 방어하고 있고 내열성은 260로

높다35)

56

- PTFE 필러를 사용한 PTFE 나선 권형 가스켓은 석

면에 대한 사용규제와 상관없이 사용되어 왔으며 유

연한 필러를 사용하므로 석면 가스켓 보다 낮은 체결

압력에서도 실 특성이 우수하고 내식 면에서도 광범

하고 다양한 유체에 사용이 가능하다 다만 단열성 면

에서는 석면 나선 권형 가스켓 보다 사용온도 범위가

제한된다

ㅇ 산업 기계나 자동차의 브레이크 제동장치에 부착하여 마

찰력을 부가하는 브레이크 라이닝에서는 마찰계수와 내

마모력 및 충격계수 등 마찰특성이 우수한 석면을 주로

사용하여 왔으나 제동 시 발생하는 미세 석면분진으로

인해 대기오염에 의한 환경을 파괴 뿐 아니라 인체에 흡

입될 경우 암을 유발하여 PRTR로 사용이 금지되었다

석면을 대체할 유기질 또는 무기질 된 다양한 비석면 마

찰 섬유 등이 사용되고 있으며 마찰 섬유에 테프론을 코

팅하여 브레이크라이닝의 수명향상 제동 시 발생하는 소

음 떨림 및 제동력 향상을 위한 제품개발이 시도되고

있다

- 예로 국내 특허36)에서는 브레이크 라이닝(또는 패드)

의 마찰재 배합재료 중 유기섬유(Kevlar섬유 pulp섬

57

유 등)에 테프론을 코팅하고 코팅된 유기섬유에 결합

재 충전재 윤활재 마찰안정재 마찰조정재 등을 소정

의 배합비로 배합하여 성형하고 열처리하여 브레이크

패드 또는 라이닝을 제조한다

ㅇ 초소형 정밀기계(MEMS Micro-Electromechanical

System)분야에서는 점착방지를 위해 불화 유기박막을

사용한다 Park 등37)은 단층 두께의 불화 유기박막의

특성을 접촉각 측정을 통해 분석하였다

⑻ DLC 코팅3839)

ㅇ DLC(diamond-like carbon)는 몇 가지 다이아몬드의 전

형적인 특성을 나타내는 비정질 탄소물질로 극도의 내마

모 특성을 필요로 하는 재료의 코팅에 이용되고 있다

DLC코팅은 연마 마모를 감소시키기 위한 재료에 유용하

여 엔드밀 드릴비트 금형 같은 공구는 물론 자동차 기

계부품 및 전자산업 등 산업전반에 걸쳐 적용된다40)

ㅇ 환경오염 문제로 인해 PRTR(Pollutant Release and

Transfer Register 유해물질 배출 및 이동량 보고 제

도) 이 시행되어 습동 부품이나 절삭 시에 사용되는 오

일이나 그리스에 포함되는 첨가제(MoS2 Zn 등)와 이들

58

부품을 세정할 때 사용되는 용매 기계부품의 수명을 연

장시키기 위해 활용되었던 Cr도금 폐액에서 발생하는 6

가 크롬 등의 오염물질들에 대한 규제가 더욱 강화되어

DLC에 의한 무윤활 습동과 무윤활 절삭을 지향한 공구

와 기계 부품의 개발이 관심을 끌고 있다4142)

- 일본 내에서는 PRTR이 시행되고 이것에 저촉되는 재

료에 관해서는 MSDS(Material Safety Data Sheet)를

첨부해야할 의무가 있고 부품가공 습동 용도에서는

대상 리스트에 올라 있는 오일 오일 중의 중금속 도

금폐액을 어떻게 경제성 있는 환경 친화적 공정과 재

료로 전환할 것인가를 고려하면서 무윤활 습동 무윤

활 절삭 탈크롬 도금의 3가지 키워드가 대두되고

DLC코팅이 대안으로 모색되고 있다

- DLC코팅 적용기술과 과제에 관한 자료로는 자동차

관련부품 적용사례 엔진부위 마찰 작동 밸브계의 마

찰저감 DLC와 윤활제에 의한 마찰저감 기술을 중심

으로 살펴본 보고가 있다43)

ㅇ DLC는 7가지 형태가 존재하며 모두 상당한 양의 sp3혼

성궤도 탄소원자를 함유한다 다양한 형태의 DLC가 진

공 환경으로 적합한 재료들에 적용가능하며 유럽에서의

59

2006년 위탁 DLC코팅 시장은 3천만euro로 추정되었고 국

내도 활발한 상용화가 시도되고 있다

ㅇ 사반면상(tetahedral) 비정질 탄소 ta-C를 2두께로 코

팅하면 연마마모에 대한 스테인레스 강(304 type)의 내구

성을 증가시켜 수명을 1주일에서 85년으로 늘이며 이러

한 DLC의 형태는 sp3결합 탄소 원자로만 이루어지기 때

문에 순수한 DLC로 간주되며 수소 sp2흑연 탄소 금속

같은 충전제가 생산경비를 낮추거나 원하는 특성을 부여

하기 위하여 사용되고 있다

ㅇ DLC를 만드는 방법에는 sp3탄소 보다 낮은 밀도의 sp

2

에 의존하는 몇 가지 방법들이 있으며 압력 충격 촉매

또는 이들의 조합으로 sp2결합탄소 원자들을 sp3결합탄소

로 근접시킨다 최근 초고압 하에서 탄소의 경량 특성을

갖는 초경도 무정형 다이아몬드가 만들어졌다 탄소로 만

들어지는 다이아몬드 그래파이트는 결정구조를 가지나

DLC는 비정질이라는 점에서 크게 다르고 200 정도의

저온에서 형성시킬 수 있다는 점이 통상의 PVD막에 비

해 훨씬 우위에 있다

ㅇ DLC코팅은 제조공정이 복잡하고 생산 단가가 비싸 적용

이 어려우며 적용되는 소재가 제한되는 단점을 갖는다

60

주요제법으로는 고주파 플라즈마 법 이온화 증착법 스

페터링법 등을 들수 있다 고주파 플라즈마 법은 메탄가

스가 원료로 사용되고 막 중의 수소가 약 30(원자)로

평활성이 우수하고 마찰계수가 작으나 경도가 낮다 이

온화 증착법은 벤젠을 사용하며 막은 단단하나 면의 조

도가 거칠고 후막화 하기 위해 스패터링 방법이 검토되

고 있다

⑼ 불소수지의 안전성

ㅇ 테플론 PTFE의 열분해는 200(392)에서 감지되며 이

것은 몇 가지 플루오르화 탄소 기체들과 승화물질을 방

출한다4445)1955년 동물실험에 관한 한 연구에서는 이들

물질이 250(482) 이하에서는 의미 있는 양이 아니라

고 결론지었으나 최근 비-점착 주방기구인 프라이팬이

나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가열할 때 조류를

죽일 수 있는 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수

도 있다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있다45)

ㅇ 표 3-6은 EWG가 보고한 3-5분 내에 370까지 불소수

지를 가열할 때 발생되는 15종의 불소화합물에 관한 것

이다 테플론과 같은 코팅물질들이 장기적으로 인체에 미

61

치는 영향에 관한 연구는 이루어지지 않고 있으나 독감

과 유사한 질병을 유발할 수 있으며 이를 중합체 증기열

(polymer fume fever)이라 한다

표 3-6 15종의 유해물질 및 유독성 기체44)

ㅇ 최근 표 3-6의 화합물들 중 특히 TFA와 과불화된

(perfluorinated) PFOA(perfluorooctanoic acid)에 관심이

증가되고 있다 PFOA는 새로운 환경오염물질로 미국 환

경보호청(EPA)에 의하면 보통 때는 문제가 없으나 조리

과정에서 프라이팬에 열을 가하고 강하게 긁을 경우 용

62

출되어 나오며 이것이 음식물과 함께 인체에 흡수되는

것으로 추정하였다 한편 DuPont의 테플론 PTFE 연구

결과에 의하면 검출한계인 9ppb 이상 검출되지 않으며

테플론 주방기구에서는 PFOA가 존재하지 않는다고 발

표하고 있다

- 물이나 공기를 통해 환경에 노출된 PFOA는 고 콜레

스테롤 궤양성 대장염 갑상선 질환 고환암 신장암

및 임신성 고혈압과 관련된다고 보고되었다

- PFOA는 불소수지 생산과정에서 사용되는 첨가물로써

암모늄 형태로 PTFE 유화중합에 계면활성제로 사용

되며 불소수지의 품질과 균일성을 유지하기 위해 필

수적인 첨가물이기 때문에 전 세계 모든 불소수지 제

조업체가 사용 중에 있다 한편 국내 주력 산업인 반

도체 생산 과정에서도 PFOA를 대량으로 사용하고 있

어 체계적인 실태조사와 대책수립이 필요하다는 의견

들이 대두되고 있다

⑽ 불소화합물의 안전성과 환경대책

ㅇ 표 3-6에서 살펴본 바와 같이 테플론을 급격히 고온으로

가열하면 2종의 발암물질을 포함한 유독성 가스가 발생

63

하고 특히 불소화합물 중 MFA(monofluoroacetic acid)는

적은 양으로도 치명적 해를 끼치고 PEIF(perfluoro-

isobutene)는 신경가스제로 여러 가지 질환을 발생시킨다

한다44)

따라서 테플론으로 코팅된 장치를 재 코팅하기

위해 테프론을 고온으로 급격히 가열하거나 소각 등을

통해 제거할 때는 발생 가능성이 있는 유독가스를 제거

하기 위한 별도의 설비를 이용하여야 하고 유 등44)의 보

고서에서와 같이 중조(NaHCO3)를 포화시킨 충분한 물로

유독 산성 물질을 중화시키는 것도 고려할 만하다 한편

부식대전 방지 코팅도 테플론 코팅 일변도에서 세라믹

코팅 CNTs이나 DLC 코팅기술로 대응하는 것을 추천하

고 싶으며 이것은 유해물질 배출 및 이동량 보고제도

(PRTR Pollutant Release and Transfer Register)에 대

비하는 등 기업의 장래를 고려하는 것도 될 것이다

ㅇ PTFE를 사용한 취사도구는 1960년대 이래 사용되어 오

고 있으나 최근 들어 이것의 안전성이 논쟁의 주제가 되

고 있으며 논의 주체는 PFOA(perfluorooctanoic acid)이

다 PFOA는 PTFE를 비롯한 많은 불소수지의 생산에

사용되며 DuPont의 테플론 PTFE 연구 결과에 의하면

프라이팬을 260 이상 고온에서 가열하거나 코팅이 벗

겨져도 PFOA가 존재하지 않는다고 한다 그러나 물이나

64

공기 토양 식품포장재 등 여러 곳에서 PFOA 오염사실

이 보고되고 있다 한다44)

- 미국 EPA는 인체와 환경에 대한 PFOA 연구를 계속

하고 있으며 2015년까지 PFOA 및 이와 관련된 화합

물 방출을 배제할 프로그램을 갖고 있으나 PTFE-기

초 비점착 취사기구를 중지시킬 타당성을 갖고 있지

는 않다 최종제품은 PFOA가 아닌 PTFE이기 때문이

다

- 수십 년 동안 불소수지 비점착 코팅이 시장을 지배하

였으나 최근 몇 가지 신기술들이 출현되고 있으며 이

들 대부분은 실리콘 세라믹과 실리콘 기술로 이들 코

팅은 PTFE와 PFOA를 함유하지 않는다

- 오늘날 출시된 비점착 취사용구는 수많은 상표로 팔

리고 있으며 DuPont에 의하면 대부분의 취사용구 코

팅은 정상적으로 사용할 때 3-5년 견딜 수 있을 것으

로 예측한다 너무 문질러서는 안 되고 따뜻한 비눗

물로 씻어주는 것이 좋으며 닳거나 흠이 생기지 않도

록 나무 플라스틱이나 코팅된 재료로 만든 도구를 선

택하고 보관도 흠이 생기지 않을 장소나 캐비닛을 권

장하고 있다

65

ㅇ 국내의 불소수지 안전성에 관한 것으로는 재질규격(납과

카드뮴)과 용출규격(납 과망간산칼륨소비량 증발잔류물)

이 식품용 기구 및 용기 포장 공전46)에 기재되어 있으며

최근 국내에서도 PFOA를 비롯한 유해 불소화합물에 관

한 관심이 커져 가고 있다

ㅇ PFOA 문제가 표면화 되면서 환경 보전형 불소계 발수

유제의 개발과 공업화도 새로이 부각되고 있다 이에 관

한 보고서를 모니터링한 KISTI자료47)를 중심으로 간단히

요약하면 발수제의 주요성분 퍼플루오로알킬기(Rf기)함

유 폴리머의 기능은 Rf기의 고리길이에 크게 의존하므로

PFOA문제 해법으로 탄소수 8 이상인 종래의 불소화학

에서 탈피 짧은 고리 Rf기(탄소수 6)를 가진 새로운 단

량체를 선택하여 발수제를 제조함으로써 환경 보전형 불

소계 발수유제를 개발하고 공업화하였다 한다

66

제 4 장

지원결과

1 지원결과 종합

테프론 코팅 기술의 문제점과 부식대전방지용 테플

론 코팅에 관한 정보 외에 신청기업의 요청에 따

라 C-나노튜브 코팅 및 DLC증착에 관련된 기술 정

보도 제공하였다

테플론은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat resistant)

비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coefficient of

friction) 내약품성(chemical resistance)과 특이한 전기적

특성(unique electrical properties) 및 온내구력(cryogenic

stability)으로 그 응용범위가 광범하며 용도에 따른 엄격

한 품질관리가 요구될 것으로 생각되어 중소기업에 적합

한 기초능력 배양과 신제품을 구상하기 위한 최신기술에

관한 정보를 제공하고자 하였다

67

불소수지의 코팅은 두께와 첨가제가 관건으로 이에 관한

자료를 제공하고자 하였으며 불소수지의 전기특성 폭발

성 환경과 반도체 제조공정에서의 대전 방지 처리를 위

한 정전기 관리 지표 등을 특허를 중심으로 조사하여 제

공하고자 하였다

C-나노튜브를 이용한 대전방지 코팅 기술 및 C-나노튜

브의 제법 등 이것에 관한 기초정보를 제공하고자 하였

으며 내마모성 테플론 코팅에 관해서는 테플론을 이용한

세라믹 코팅 기술에 관한 정보도 제공하고자 하였다

테플론의 기계적 전기적 특성을 강화하기 위해 사용되는

충전제를 종합하고 기초이론을 정립함으로써 금후 원부

자재의 선정에 도움을 주었다

테플론은 석면 대체재로도 주목받고 있어 이에 관한 특

허 정보들을 제공하였으며 다이아몬드의 전형적인 특성

을 나타내는 DLC의 코팅관련 기술 정보를 환경오염 문

제와 연관하여 자료를 제공하였고 최근 비-점착 주방기

구인 프라이팬이나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가

열할 때 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수도 있

다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있어 이에

관한 정보도 제공하였다

68

2 지원의 한계

중소기업이 당면한 문제는 전문기술의 확보다 관련 기술

이 비약적으로 발전하는 추세에 비추어 한정된 인원으로

신기술을 소화하고 개발하기는 어려울 것이므로 출연연

구기관이나 대학과 공동연구를 모색할 수 있으나 이것도

중소기업으로서는 경제적 부담이 될 수밖에 없을 것으로

생각된다 가능하다면 앞으로도 KISTI의 정보지원이 계

속되기를 바라고 있었다

3 기대효과

부식대전 방지 테플론 코팅에 관한 기본 기술이 배양되

어 합리적인 원부 원료의 수입검사 공정관리 및 제품관

리를 통해 원가절감은 물론 신제품 신기술에 관한 정보

수집 및 분석능력이 배양되고 개발력이 확충되어 기업

경쟁력 향상에 도움이 될 것이다

69

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개발및 제품적용rdquo KiSTi 중소기업 정보지원 2010 10

21

40 김유상 ldquo알루미늄합금에의 DLC코팅기술rdquo KiSTi 첨단

기술정보분석 2013 02-01

41 국립환경과학원 ldquo화학물질 배출량 조사 OECD와 협력

강화rdquo 보도자료 (2010 11 18)

42 월간기계기술 기자 ldquo새로운 코팅기술과 공구에 대한 적

용rdquo 2005년 3월호

43 加納 眞 ldquoDLC コ-ティングの適用技術と課題rdquo トライ

ボロジスト(日本) 52(3) 2007 pp186-191 송희국 모티

터링분석 KiSTi

44 식품의약안전청 연구보고서(연구책임자 유승석) 불소

지코팅 주방기구의 안전성 평가 2004 12

45 Teflon offgas studies Environmental Working Group Ewg

org Retrieved on 2013-01-01

46 식품의약품안전청 ldquo식품용 기구 및 용기 포장 공전rdquo 2012

47 廣野高生 ldquo環境保全型フッ素系 撥水撥油剤の 開發と 工

業化rdquo ファインケミカル(日本) 37(11) 2008 pp39-44

이치옹 모니터링분석 KISTI

75

저자소개

김학주(金鶴柱) 서울대학교 문리과대학 화학과 졸업 이학사

전북대학교 대학원 화학과 이학박사

(주)삼양사 의약연구소장 신성대학교 교수

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 폴리에스테르 섬유의 연중직방기술 외 다수

저서 기기분석 공업물리화학 일반화학

성용길(成墉吉)

동국대학교 이과대학 화학과 졸업 이학사 이학석사

부산대학교 대학원 화학과 이학박사(Dr Sci)

University of Utah USA Ph D(공학박사) Post Dr

유타대학교 연구교수 부산대학교 교수 동국대학교 교수

동국대학교 명예교수 한국원자력문화진흥원 이사

과학문화연구원전문연구위원 한국도량형과학문화연구원 원장

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 의료용 기능성 고분자재료에 관한 연구 외 330편

저서 고분자 물성론 (서울대학교 출판부 공저) 외 10권

15

Coatings Technology Vol 173 (2003) pp235-242

⑦ VC Malshe Nivedita S Sangaji Fluorinated

Acrylic Copolymers Part I Study of Clear

Coatings Progress in Organic Coatings Vol 53

(2005) pp207-211

⑧ Xing-Dong Yuan Xiao-Jie Yang A Study on

Friction and Wear Properties of PTFE Coatings

under Vacuum Conditions Wear Vol 269 (2010)

pp291-297

⑨ Amel Delimi Elisabeth Galopin etal

Investigation of the Corrosion Behaviour of

Carbon Steel Coated with Fluoropolymer Thin

Films Surface amp Coatings Technology Vol 205

(2011) pp4011-4017

⑩ 이계영 김태균 김종구 ldquo내마모성 및 윤활성 코팅

조성물rdquo 대한민국특허 등록번호 10-1151909 (2012)

⑪ Thomae Kart J Multilayer Corrosion Resist

ant Finish and Method WO 2006017259(2006)

⑫ (주)바론에스엘 ldquo불소수지와 세라믹의 유무기

하이브리드 코팅 조성물 및 그를 이용한 도막 형성

방법rdquo 대한민국 공개특허 10-2013-0028553 (2013)

16

4 4차 지원

일시 및 장소 2013년 7월 25일(목요일) 1000-1400시 신청

업체 2층 회의실

참석자 성용선(연구소장) 이채영 차장 및 연구원

주제 및 토의사항

- 지원내용과 향후지원계획 발암물질인 석면대체재로써

테플론의 개발 동향을 나선 권형 가스켓과 자동차브

레이크 제동장치를 중심으로 토의하고 내마모 특성을

필요로 하는 DLC 코팅에 관한 정보제공과 DLC 특성

에 관해 집중 토의함 환경문제와 관련하여 대두되고

있는 테플론 분해가스 등 안정성 문제에 관한 자료를

제공하고 이에 관한 의견을 교환함 그간의 제공 정보

를 종합하고 8월 말 작성예정인 최종보고서 내용을

협의하였음

-지원효과 신기술 개발을 위한 내마모 코팅 DLC코팅

환경문제를 고려한 친환경 제품 등 신기술과 신공정

개발을 위한 개념을 확립하였음

17

- 자료제공

① WO 2006047500(Henkelkommanditgesellschaft auf

Aktien Article of Manufacture and Process for

Anodically Coating an Aluminum Substrate with

Ceramic Oxides Prior to Organic or Inorganic

Coating)

② 이치옹 분석자료 ldquo나선형 개스킷의 비석면화rdquo

Takashi Miyoshi 배관기술(일) Vol 46(10) 2004

pp43-47

③ 유호천 ldquoDLC 코팅 표면처리rdquo KISTI 중소기업 정

보지원 2011 10 11

④ 유호천 ldquoPVD DLC TRD 코팅설비를 활용한 복

합충 개발및 제품적용rdquo KISTI 중소기업 정보지원

2010 10 21

⑤ 국립환경과학원 ldquo화학물질 배출량 조사 OECD와 협

력강화rdquo 보도자료 (2010 11 18)

⑥ ldquo새로운 코팅기술과 공구에 대한 적용rdquo 월간기계기술

기자 2005년 3월호

⑦ Teflon off-gas studies Environmental Working

Group Ewg Org Retrieved on 2013-01-01

⑧식품의약품안전청 ldquo식품용 기구 및 용기 포장 공전rdquo

18

2012

⑨ 廣野高生 ldquo環境保全型フッ素系 撥水撥油剤の 開發

と 工業化rdquo ファインケミカル(日本) 37(11) 2008

pp39-44 이치옹 모니터링분석 KISTI

5 5차 지원

일시 및 장소 2013년 8월 21일(수요일) 1000-1400시 신청

업체 2층 회의실

참석자 성용선(연구소장) 이채영 차장 및 연구원

김학주(전문연구위원) 성용길(전문연구위원)

김종헌(KISTI 연구책임자)

주제 및 토의사항

1 불소화합물의 안전성과 환경대책 정보지원 결과 종합

등 최종보고서(안) 내용에 관한 의견교환

2 지원의 한계와 기대효과에 관한 의견 교환

3 건의 사항 등

19

세부 지원 내용

⑴플루오르화탄소 플라스틱의 특성

Teflon TFE(폴리테트라플루오로에틸렌)은 1940년대부

터 사용되어 왔으며 Teflon FEP(플루오르화에틸렌프

로필렌 공중합체)는 1958년에 소개되었고 압출 및 사

출성형이 용이하며 TFE 유형은 딱딱하고 낮은 마찰계

수를 가지며 마모에 강하고 보다 높은 온도에서 사용

가능하다 이 외에도 플루오르화탄소 플라스틱에는 폴

리염화플루오르화에틸렌(CFE 또는 CTFE)와 폴리비닐

리덴플루오라이드(PVF) 등이 있다 플루오르화탄소 플

라스틱은 그 코팅방법에 따라서도 응용범위가 광범위

하게 발전되어 왔으며 그 용도는 주방용기로부터 기

계 자동차 반도체는 물론 우주항공 산업 부품에 이르

기까지 무한하며 상업 생산되고 있는 플루오르화탄소

플라스틱은 표 3-11)과 같다

PTFE는 열가소성 플라스틱으로 상온에서 밀도 약 2200

인 백색고체로 융점은 327이며 마찰 및 마모 특

성을 나타내는 마찰계수는 고체재료 중 BAM(alumi-

20

nium magnesium boride 마찰계수 002)과 DLC

(diamond-like carbon 마찰계수005)에 이어 3번째로

낮은 005-010로 반데르발스 힘에 대한 저항력으로 도

마뱀이 붙을 수 없는 유일한 표면으로 알려져 있다2)

표 3-1 플루오르화탄소 플라스틱의 유형1)

21

Teflon의 유용한 기계적 특성은 -450sim500(-267sim

260)에서 유지되며 여러 가지 특성들은 가공기술을

바꾸어 변경시킬 수 있다 마찰 및 마모 특성을 나타

내는 마찰계수들은 시험조건에 따라 다르며 Teflon은

증기압이 극히 낮아 진공에서도 우수한 안정성을 가

지며 방사선 안정도는 부족하나 방사선 내용성은 극

히 높다

테프론의 특징은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat-

resistant) 비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coeffi-

cient of friction) 내약품성(chemical resistance) 특이한

전기적특성(unique electrical properties) 저온내구력

(cryogenic stability)으로 대표된다3)

- 테프론 코팅된 표면에는 거의 모든 물질이 달라붙지

않으며 내열성(heat-resistant)이 우수하여 -260sim+26

0까지 사용할 수 있고 단시간 사용의 경우에는 30

0까지 견디며 Teflon FEP는 232에서 연속사용이

가능하다 비유성(non-wetting)이 우수하여 표면에 물

이나 기름이 잘 묻지 않아 표면이 오염되지 않아 쉽

게 청소가 가능하고 기계설비의 보수시간이 단축되어

생산성을 향상시킬 수 있다 테프론은 비-절연성은 물

22

론 비-유전정접과 우수한 표면 저항률을 보인다

⑵ 플루오르화탄소 수지 코팅

얇고 강인한 플루오르화탄소 수지 필름을 금속 등에

소결이나 수지-접착에 의해 바르면 기질에 침착된 필

름은 저온흐름으로 고체 플루오르화탄소 수지보다 낮

은 마찰계수를 띠고 금속은 양호한 열전도도를 갖고

열을 분산할 수 있어 고속으로 운전할 수 있고 양호한

내구성을 갖게 된다

1950년대 미국 해군연구소에서 소결 Teflon TFE필름을

수성 분산액(현탁질)으로부터 무기 탄약통 비행기부

품 잠수함부품의 건조-필름 윤활제 및 보호 코팅용으

로 개발한 후 이것들은 기어 정첩(hinges) 샤프트 베

어링 밸브 플러그 콕 피스톤 링이나 그 외의 산업분

야에 응용되고 있다

- 실제로 적절한 테플론 현탁질을 고체 표면에 침적한

후 수분 증발이 너무 빠르지 않게 공기에서 필름이

건조되게 한 후 테플론 입자들이 연화 및 소결되도록

건조된 표면을 약 385(725)로 가열하고 냉각하면

23

얇은 연속 필름이 표면에 남지만 필름 중의 많은 작

은 세공들은 테플론의 높은 용융점도 때문에 제거할

수 없다 세공들은 윤활 작용에는 제한을 받지 않으나

녹슬거나 부식의 공격점이 되어 부식방지를 위해서는

1회 이상의 박막 추가 코팅이 반복되고 보통 2회 코

팅으로 충분하나 각 침적 테플론 층은 두께가 00003

인치(762)를 초과하지 않아야 하며 그렇지 않으면

말린 진흙 같이 균열이 발생한다 필름이 윤활제로 사

용될 때는 필름두께가 00006-00007인치(152-178)

를 초과하지 않아야 한다1)

- 테플론코팅은 통상으로 존재하는 표면 산화물이 제거

되지 않은 깨끗하고 탈지된 강철 황동 및 알루미늄금

속표면일 때 가장 잘 접착한다 만일 산세척에 의해

과잉 두께의 산화물이 제거되었다면 필수적으로 얇은

산화층이 형성될 때까지 공기 중에서 가열한다 접착

은 실표면적이 증가하면 증가하므로 경면가공(mirror

finish)보다 모래분사가공이나 무광택가공이 양호하다

- 테플론 코팅된 표면의 마찰계수는 금속기질 표면을

거칠게 함으로써 낮출 수 있으나 미끄럼마찰 조건 아

래 내구성은 금속의 거칠기가 32마이크로인치(rms)를

초과하면 감소한다

24

철강 기질의 인산처리는 소결 Teflon TFE필름의 마모

수명을 향상시킨다고 보고되었으며 양극처리 된 코팅

의 경도 및 내마모성과 불소수지의 윤활성을 결합하기

위해 다공성 경화 양극처리 알루미늄 위에 불소수지를

침윤하여 왔다 Teflon S 마감재는 Du Pont이 도입한

최초의 수성-기초 분산 TFE FEP로 이들은 ldquo계층화

된rdquo 마감재이다 Francis J Clauss1)는 다양한 용도에

서의 Du Pont사 제품들의 선정 가이드를 표로 종합하

였으며 이것을 요약하면 표 3-2와 같다

- 테플론 코팅은 프라이머 단층 프라이머 코팅 후 에나

멜이나 클리어 마감 또는 프라이머 에나멜과 클리어

마감 등 3-코팅 시스템으로 구성된다 프라이머들은

금속이나 세라믹 기질에 접착을 향상시키기 위해 개

질제를 함유한다 프라이머들은 가끔 1회 코팅 마감재

로 사용되나 음식물과 접촉하는 용도로는 반드시 에

나멜이나 클리어 마감재로 마무리 칠을 하여야 한다

프라이머는 층간 접착력이 부족하기 때문에 다중 코

팅에 적용될 수 없고 만일 06mil 이상의 코팅이 필요

하면 프라이머는 에나멜이나 클리어 마감재로 마무리

칠을 하여야 한다

25

표 3-2 테플론 코팅 두께1)

최종

용도대표적 용도

전체두

께(mils)

프라이머에나멜클리어

가공(mils)

비점착

산업

직물 슬래셔 통

열 봉합 봉 고무경화 롤러

우레탄과 에폭시 경화 주형

제빙기

목재 고무 주석도금 아연

10-25

07

20-50

08-13

07

03 07-22 07-10

07 마무리칠 불가

03 07-37 10min

03 05-10 05-10

07 마무리칠 불가

식품

프라이팬 내열접시

반죽롤러

캔디 장치

08-12

10-30

20-30

03 05-09

03 07-27

03 07-17 10

One-coat

system

금지

드라이

윤활

플러그 밸브

유리병 제조 전달 장치

베어링

03-07

15-25

05-07

03-07

03 03-05 03-05

02

전기

전자

저항기 코팅

아이들 롤러(제지 섬유 공업)

세라믹 절연체

40-50

10-15

20-25

03 37-47

03 07-12

03 17-22

부식

방지용기 라이닝 gt50 03 47 또는 5-10 이상

Non-

wetting콘덴서 튜브 02-04 02-04

- 유색 프라이머는 통상 안료가 필름의 범위와 두께를

시각적으로 체크할 수 있게 하므로 그렇지 않은 것에

비해 더 선호된다 에나멜과 클리어 마감재는 충분한

접착을 위해 프라이머 위에 발라야 한다 ldquo진흙 갈라

짐 현상(mud-cracking)은 코팅 당 최대 두께를

10mil로 한정하나 다중 코팅에 의해 극단적이 조건

하에 전체 두께를 10mils까지 바를 수 있으며 각각의

26

코팅은 분리하여 구워진다

불소화 고분자들은 낮은 표면장력 물과 기름에 젖지 않

고 비점착성이며 방오 특성(antifouling properties) 등을

갖기 때문에 다양한 특수 코팅에 적용되나 합성과 조성

이 몇몇 제조업자들에 독점되어 있고 값비싼 중간체를

필요로 한다 VC Malshe 등4)은 플루오르 함량이

4-10인 불소화된 아크릴 공중합체를 간단한 방법으로

합성하고 클리어 코팅하여 광학적 기계적 및 보호 특성

을 연구하였다

최근 에너지 절감과 CO2규제와 같은 환경규제에 대한 대

응 필요성이 증가하면서 발전소나 각종 보일러 시스템에

서 배가스로 배출되는 응축잠열 에너지의 회수 및 활용

에 관심이 증가되고 있다 Lee 등5)은 스테인레스 관 표

면에 400정도의 두께로 테플론을 코팅한 전열관에서

관의 열 및 응축 열전달 특성을 연구하여 테플론 코팅관

의 총괄 열전달 계수는 스테인레스 관보다 약 20 작은

것으로 나타나고 응축열전달 계수는 유사하였음을 보고

하였다

알루미늄 용광로의 비-여과 배출가스에 장기간 사용하기

적합한 역류 열교환기에 관한 것으로 원통형 쉘의 표면

27

은 알루미늄 용광로 배출가스 입자 및또는 먼지 및 부

식 흄과 접촉될 수 있어 테프론 계로 코팅 처리하는 특

허6)가 있다 이 특허에서는 원통형 쉘을 만들도록 복재

(web member 웨브재)와 함께 연결된 유체 운반튜브로

이루어진다 각 원통형 쉘에 위치한 헤더는 열교환기의

튜브에서 튜브로 유체를 공급하며 뜨거운 난류가스에 작

용하여 스케일링을 최소화하기 위해 헤더의 보호덮개를

설치한다

저온에서 고온에 이르는 환경에서 유체에 사용되는 배관

튜브는 열에 의한 경시적 열화가 진행되어 균열 발생이

쉽다 가동부에 사용되는 배관 튜브는 움직임이 수반되어

그 경향이 현저하며 반도체 제조장치에 일반으로 사용되

는 실리콘튜브는 저온에서 열화되어 파손되기 쉽다 이러

한 문제점을 해결하기 위해 실리콘 튜브 외측 표면을 테

플론으로 코팅하여 균열발생을 억제함으로써 장시간 사

용 가능하도록 고안한 특허7)가 있다

섬유상 부직포로 제작하는 다공성 여과필터는 다양한 산

업공정의 배출가스를 정화시키는 데 사용되며 특히 중고

온 환경에서 사용이 가능한 다양한 종류의 기능성 필터

의 개발이 요망된다 일반으로 소각장 및 발전소 등의 중

고온 조건에서 사용되는 Nomex를 비롯한 섬유상 필터는

28

200 이상에서는 열변형으로 사용이 제한적이고 세라믹

필터와 같이 고온에서 적용이 가능한 소재는 매우 고가

일 뿐 아니라 초기 작업으로 인해 에너지 사용량이 매우

높아지는 문제점이 있다 Kim 등8)은 250-300 영역의

중고온의 배출가스를 처리하기 위한 필터에 표면 소수성

과 고온 안정성을 부여하기 위하여 표 3-3과 같은 조성

으로 그림 3-1과 같은 장치를 이용하여 테플론 수지를

거품 형태의 코팅액으로 조제하여 유리섬유 원단에 공급

하여 표면코팅하고 열처리 및 압착과정을 거친 후 표면

분석하였다

표 3-3 테플론 코팅을 위한 화학첨가제8)

테플론 코팅이 전기 집진장치에 활용되는 특허도 있다

종전 사이클론 방식의 전기집진기에서는 집진부의 먼지

를 떨어뜨리는 것이 용이하지 않았다 발명자들은 먼지

압축 기능을 갖는 집진실 내측에 테플론 가공을 하여 정

전기에 의한 미세먼지의 부착을 억제함으로써 집진실의

먼지를 원 터치로 처리할 수 있도록 하였다9)

29

그림 3-1 테플론 거품코팅8)

일반으로 테프론을 조리용기에 코팅하는 방법은 금속소

재를 사용 제품형태로 제작한 후 세척하고 에이징(소둔)

처리한 후 샌딩하여 표면조도를 유지하도록 하고 표면에

프리머 처리하여 베이킹 처리한 후 분사방법으로 테프론

코팅을 하고 다시 베이킹 처리하므로 공정이 복잡하고

제조원가가 상승하며 부착력에 한계가 있다한다 (주) 엘

지아이 특허10)에서는 피처리물을 세척한 후 산질화처리

하여 표면에 열처리 층이 형성되게 한 후 테프론을 코팅

하고 베이킹 처리하는 것을 특징으로 한다 그 외에 내열

세라믹 주방용기의 불소수지 코팅방법에 관한 특허가 있

다11)

(주) 봉성비에스는 차량의 주행 충격을 흡수하는 완충기

30

내부에 삽입하는 피스톤 외주면의 마찰과 소음을 최소화

하기 위한 목적으로 테프론 코팅을 하기 위한 코팅장치

를 등록하였다12)

⑶ 대전 방지 플루오르화탄소 수지 코팅

ㅇ 본래 불소수지 자체는 높은 절연성과 큰 대전성을 갖고

있기 때문에 도전 효과를 얻기 위해서는 분상 필러를 다

량으로 충전할 필요가 있으나 이렇게 하면 비점착성이

떨어진다 여러 회사들의 제품 안내서들을 종합한 불소수

지의 전기적 특성은 표 3-4와 같다

표 3-4 불소수지의 전기 특성

특성측정법

(ASTM)단위

PTFE

(비충전)

PTFE

(25

유리충전)

PTFE

(25

탄소충전)

표면 내아크성 D495 sec 75-110

체적저항

(비저항)D257

ohm-

cmgt1018 gt1016 104

표면저항 D257ohm

sq-1 gt10

14

유전율(유전상

수) at 1MHzD150-81 e 25 24

절연내력 short

time 18thickD149

kv

mm285

유전정접(유전

정합) at 1MHzD150-81 lt00002 005

31

ㅇ 불소수지는 내열성 내한성이 높고 내약품성 내연소성

난연성이 우수하고 절연성 및 비점착성과 저 마찰계수를

갖고 있으나 절연성이 높아 정전재해의 원인이 될 수 있

어 재해 방지를 위해 대전 방지 또는 저저항을 특징으로

하는 불소수지 가공품이 개발되어 사용범위가 넓어지고

있다

불소수지에 충전하여 저저항으로 하는 필러에는 일반적

으로 도전성이 높은 카본 금속 또는 산화알루미늄 등의

금속산화물이 사용된다 재료의 형상으로는 미분 탄소

스테인레스 스틸 니켈 금속분과 같은 입상물 단섬유 탄

소섬유 위스커(whisker) 등이 사용된다

- 미분은 비표면적이 크기 때문에 소량의 충전으로 저

항치를 내릴 수 있으나 약품의 침투가 있는 경우 비

표면적이 크기 때문에 약품의 영향을 받기 쉬워 내부

식성 떨어질 가능성이 크다

- 입자상물질들은 미분에 비해 비표면적이 작기 때문에

약품의 영향을 비교적 적게 받지만 저항치를 내리기

위해 충전량이 많게 되어 불소수지의 특징인 비점착

성과 저마찰계수 특성을 저해한다 섬유 위스커 형상

은 단방향에 대한 장방향의 비가 클수록 적은 충전량

32

으로 저항치를 낮출 수 있지만 분산이 나쁘면 요철이

발생한다 부식 방지 코팅에서는 충전제의 내약품성이

관건이다 즉 부식 환경에서 불소수지 자체는 충분히

견디어도 충전제가 내약품성이 없으면 충전제가 서서

히 에칭되어 기기가 부식될 가능성이 크다

화학 석유 및 정제 산업에서는 시험 검사 세척 및 다양

한 공정의 용기 저장 탱크 반응기와 같은 많은 구성요

소들이 사용되며 플루오르화 고분자는 고온에서 높은 열

안정성을 갖고 다양한 유기용매에 전혀 용해되지 않으므

로 부식방지 등을 위해 플루오르화 고분자와 같은 내화

학성 고분자로 코팅된다 그러나 이들 고분자는 코팅된

구성요소의 표면에 정전하 축적을 조장하기 때문에 폭발

성 환경에서는 사용할 수 없다

특히 이들 구성요소들의 금속 구조물은 용기나 탱크에

보관된 가스 증기 분진의 이동에 의해 생성된 정전하

(electrostatic charge)를 흐르게 하는 전도경로가 되나 금

속표면을 강산 강알칼리나 유기용제에 의해 침투되는 방

지하기 위한 목적으로 부식방지 테플론으로 코팅될 경우

얇은 필름의 비-전도체로 작용하므로 폭발성 환경에서

사용을 규제하고 있다

33

- 예로 유럽 표준 EN 50014 section 732에서는 정전

하로 인한 발화 위험을 피하기 위해 사용 보수 및 세

척 조건 하에 설계된 울(enclosure)이 필요하고 울의

절연저항은 1GΩ을 초과할 수 없도록 규제하고 있고

일본은 후생노동성 관할 산업안전연구소의 정전기 안

전지침의 누설 저항치는 108Ω 이하로 되어 있다

- 따라서 부식 및 폭발성 환경에서 안전하고 다양한 구

성 요소에 적용할 수 있는 정전방지 비-발화 테플론

코팅기술을 요하며 정전방지 코팅은 표면저항을 낮추

기 위해 카본블랙이나 개질 전도성 탄소 금속이나 전

도성 고분자를 테플론에 충전하여 코팅한다

폭발성 환경용 내화학약품 특성과 대전방지 비발화

코팅 조성물로는 높은 비저항을 갖는 플루오르 고분자

50-90wt 10-50wt의 전도성물질인 탄소분(carbon

powder)으로 이루어진 Solex Robotics Systems Inc

특허가 있다13)

- 폭발환경에서 사용되는 이상적인 코팅은 정전하를 피

하기 위해 낮은 비저항을 가져야 한다 완벽한 전도체

는 비저항이 영(0)이고 완벽한 절연체는 무한 비저항

34

을 갖는다 금속(구리 금 같은) 합금(망가닌 Mn-Ni-

Cu 니크롬 Ni-Cr-Fe) 반도체(카본이나 게르마늄)는

낮은 비저항을 갖고 있어 좋은 도체이다

- 수많은 고분자 기초 코팅들이 부식화학 환경에 사용

되었으나 85GΩ 이상의 비저항으로 대전방지 시험에

서 실패하였다 정전기 도체로 인증기준 아래 적합하

기 위해서는 100cm2이상의 노출 표면이 1GΩ 이하의

비저항이어야 한다 코팅에 첨가된 탄소분은 전도도를

증가시키며 10-50의 함량은 1GΩ 이하의 비저항을

만족시킨다

비전도성 표면의 표면저항을 감소시키도록 카본이나 금

속을 사용하여 대전방지를 부여하는 공정의 단점으로는

카본이나 금속의 접착력이 낮아 입자의 마모가 일어나

장기간 사용 시 대전방지 수준이 감소하는 것이다 더욱

클린룸에서 입자의 방출은 심각한 문제가 된다 대부분의

비전도성 기질은 통상 23 상대습도 50에서 표면 비

저항이 109ohmsquare 이상으로 높고 PTFE 경우는 10

12

ohmsquare이상이다14)

반도체 제조 장치에서는 웨이퍼 기판을 안착하기 위해

작업 스테이지를 사용하며 작업스테이지는 통상 금속과

35

세라믹으로 제작되나 웨이퍼기판을 작업스테이지에 올려

놓을 때 작업스테이지와 웨이퍼기판 사이에 마찰 정전기

가 발생한다 FPD(flat panel diplay 평판표시)용 디스펜

서(dispenser)에 사용되는 작업스테이지는 진공방식으로

디스플레이 기판을 흡착 고정하며 흡착 고정되었던 디스

플레이 기판이 작업스테이지에서 박리될 때 작업스테이

지에 정전기가 발생하여 디스플레이 기판에 대전된다 최

근 디스플레이 기판이 대형화됨에 따라 대전량이 증가되

고 정전기 대전문제가 더욱 심각해지고 있다 웨이퍼기판

이나 디스플레이기판에는 반도체소자 등 다수의 전자부

품들이 배치되어 있기 때문에 정전기가 발생되면 전자부

품의 신뢰성에 치명적 손상을 주고 기판에 분진이 부착

되거나 정전기의 대전으로 기판 리프트 업(lift up)시 기

판이 깨어지는 문제가 발생한다 정전기 대전을 방지하기

위해서는 작업스테이지에 이오나이저를 설치하여 중화하

기도하나 리프트 업이 불가능하거나 이온풍이 도달하기

전 방전하는 등 작업 스테이지와 기판 사이에서 발생한

정전기가 순간적으로 일으키는 박리대전 문제를 해결하

기 어려워 작업 스테이지의 정전기 방지를 위해 불소수

지로 코팅한다

- 불소수지는 다른 물질과의 흡착에너지가 작고 비점착

성이 우수하며 마찰계수가 작아 유리기판과의 상관관

36

계가 작아져 박리에 의한 정전기의 발생량이 적어지

나 불소수지는 절연성을 가지므로 테프론 코팅에서는

카본 블랙이나 전도성 고분자 등을 필러로 사용한다

대전방지가 필요한 반도체 제조장비 디스플레이 장치 및

테스트 장치 등의 작업 스테이지를 테프론 코팅함으로써

작업 스테이지의 정전기 발생을 방지하는 방법의 단점의

하나는 제작비용이 상대적으로 많이 드는 것으로 디스펜

서의 경우 디스플레이 기판이 대형화됨에 따라 작업 스

테이지의 크기가 커져 제작비용이 증가한다 또한 불소수

지의 경도가 낮아 코팅 막에 스크래치가 발생하고 이 부

분은 평탄도 유지가 어려우며 입자들이 발생하는 요인으

로 작용하며 불소수지가 절연성이므로 카본블랙이나 전

도성 고분자 등의 도전성 필러를 충전하여 대전방지에

적합한 면-저항을 갖도록 할 경우 카본블랙은 구형으로

분진이 발생하는 문제점이 있고 전도성 고분자를 사용할

경우는 내용제성이 약하고 과량의 바인더를 사용하여야

하며 박막 형성이 어렵고 불소수지의 경도를 보완하기

위해 아노다이징 처리를 하는 경우는 이후 별도의 코팅

과정을 거쳐야 하므로 제작비용과 제작시간이 증가하는

등 여러 가지 단점들이 있다 이러한 문제점들을 해결하

기 위한 방법으로는 작업 스테이지와 기판이 만나는 면

에 정전기 발생을 최소화시킴과 동시에 그 제조비용이

37

절감되고 적절한 면-저항을 조절할 수 있으며 마찰계수

가 낮고 내마모성이 향상된 작업스테이지 표면의 대전방

지 처리 방법에 관한 국내의 탑나노시스 사의 특허15)가

있다

- 탑나노시스 사의 특허 목적은 작업스테이지의 기판과

만나는 면에 정전기의 발생을 최소화시킴과 동시에

그 제조비용이 저감되고 적절히 면-저항을 조절할 수

있으며 마찰계수가 낮고 내마모성이 향상된 스테이지

표면의 대전방지 처리 방법에 관한 것으로 이 특허에

서는 금속소재의 작업 스테이지 표면을 아노다이징

처리하여 복수의 산화표면 홀들을 형성시키고 여기에

탄소나노튜브를 삽입하고 경화하며 탄소나노튜브 경

화 후에 표면을 봉공 처리한다

- 작업스테이지 표면은 106-10

9Ωsq의 면-저항을 갖는

것이 바람직하며 산화표면 홀들은 직경 30-900nm 깊

이 100-900nm가 바람직하다 아노다이징 처리를 하는

금속소재는 Al Mg Zn Ti Ta(탄탈륨) Hf(하프늄)

Nb(니오븀) 등일 수 있고 이 발명에서는 가벼우며 일

정 강도를 갖고 가공성이 우수한 Al합금을 예로 들어

설명하고 있다

38

- 알루미늄소재 작업스테이지 표면에 산화피막(Al2O3)처

리를 하는 아노다이징(anodizing 양극산화)에서 전해

액은 수산화나트륨이나 수산과 황산 등이 사용될 수

있고 수산화나트륨의 농도(20-50) 공급전압 전류

및 시간 등을 조절하여 산화표면 홀의 크기(D)와 깊

이(L)를 조절하며 D와 L에 따라 대전방지 효과나 내

구성 및 표면경도를 조절한다

- 탄소나노튜브를 산화표면 홀 내에 삽입시키는 단계는

전해 흡착 하여 이루어질 수 있고 정전도장을 통해서

도 이루어질 수 있다 탄소나노튜브는 분산제를 포함

하는 용액으로 코팅되며 분산제로는 소듐 도데실설페

이트(SDS) 트리톤X Tween20(폴리옥시에틸렌 소르

비탄모노올레이트) CTAB(cetyl trimethyl ammonium

bromide)를 예로 들고 있으며 탄소나노튜브 용액은

아크릴계 우레탄계 등 또는 전도성 고분자계 유무기

하이브리드계 바인더가 포함될 수 있다

- 봉공처리는 산화표면 홀과 산화피막을 봉공하여 내식

성 등이 향상되도록 보호 층을 형성시키는 것으로 비

등수 가압증기에 의한 수화봉공 금속염을 포함한 열

수에 의한 금속염 봉공 오일로 도포나 침적하는 유기

물 봉공 양극산화 피막 층에 도장하는 도장에 의한

39

봉공 등이 있다

반도체 소자를 제조하는 과정에는 불순물 이온을

주입하는 장비가 이용되고 있다 (주)하이닉스 반도

체의 특허에서는 이온주입 장비의 웨이퍼 지지 장

치 리프트 핀의 끝단을 라운드 처리하고 리프트 핀

에 테플론을 코팅하여 리프트 핀과 웨이퍼 후면의

접촉 시 웨이퍼 후면에 스크래치와 같은 손상이 유

발되는 것을 억제할 수 있게 한다16)

⑷ 탄소나노튜브(CNTs Carbon Nano Tubes)17)

탄소나노튜브는 탄소의 동소체로 1991년 일본 NEC 연구

소의 Ijima박사에 의해 전자 현미경을 통해 처음으로 확

인되었다 1985년에 Kroto와 Smalley가 탄소의 동소체인

풀러렌(탄소 원자 60개가 모인 것C60)을 처음으로 발

견한 이후 전기방전 시 흑연 음극 상에 형성된 탄소덩어

리를 투과전자현미경으로 분석하는 과정에서 발견하여

Nature학술지에 처음으로 발표되었다18) 탄소나노튜브에

서 탄소원자 하나는 주위의 다른 탄소원자 3개와 sp2결

합을 하여 육각형 벌집무늬를 형성하며 이 튜브의 직경

이 대략 수 나노미터(nm nanometer) 정도로 극히 작기

40

때문에 나노튜브라고 부르게 되었다 이 탄소나노튜브는

전기 세기가 클수록 더 수축하는 성질을 가지고 있는 등

튜브의 직경이 nm수준으로 극히 작아서 특유의 전기화

학적 특성을 나타낸다

Ku 등19)에 의하면 CNTs는 전기방사법(arc-discharge)

레이저증발 법(laser vaporization) 플라즈마 화학기상증

착 법(plasma enhanced chemical vapor deposition) 열

화학 기상증착 법(thermal chemical vapor deposition) 등

의 다양한 합성법이 개발되어 대량생산이 가능하다

CNTs의 종류는 벽의 수에 따라 단일 벽 탄소나노튜브

(SWNTs) 이중 벽 탄소나노튜브(DWNTs) 다중벽 탄소

나노튜브(MWNTs)가 있으며 물성에 관한 많은 연구결

과 기계적 전기적 열적으로 우수한 성능을 갖고 있음이

입증되었다

CNTs는 인장강도와 탄성률 면에서 지금까지 발견된 재

료 중 가장 강하고 질기며 다중벽 CNT는 63GPa에 이른

다 표준 단일 벽 CNT는 25GPa의 압력까지 변형 없이

지탱된다 그래핀의 대칭성과 특이한 전기적 구조 때문에

CNTs의 구조는 그것의 전기적 특성에 영향을 미쳐 금속

성이나 반도체의 특성을 나타내고 이론적으로 금속성

41

CNTs는 구리와 같은 금속의 1000배가 큰 4times109Acm

2

전류 밀도를 운반할 수 있으며 나노크기의 단면으로 전

자가 튜브의 축 방향으로만 전파되고 전자의 이동은 양

자효과를 수반하여 1차원 전도체로 간주된다

CNTs는 우수한 물성과 상대적으로 큰 표면적으로 갖고

있어 충전제(filler)로써 에폭시 폴리스틸렌 폴리우레탄

등 고분자와 혼합하여 폴리머의 기계적 전기적 특성을

향상시키려는 연구가 활발하다 CNTs가 폴리머 중에서

충전제 역할을 하기 위해서는 고른 분산이 필요하나 반

데르발스 힘에 의한 CNTs 응집현상(agglomeration)으로

인해 효과적인 분산이 어려워 오히려 폴리머의 물성을

저해하므로 이것을 개선하기 위한 다양한 기계적 화학적

분산 방법이 연구되고 있다

- CNTs를 분산시키기 위한 가장 일반적인 방법은 용매

나 폴리머에 CNTs를 투입하고 초음파처리를 하는 것

으로 초음파처리를 하면 SWNTs의 길이가 짧아지고

다발(bundle)이 얇아져 분산력이 증가한다

- CNTs 표면을 산이나 아민으로 기능화하여 분산을 높

이는 방법도 연구되고 있으며 MWNTs를 HNO3

H2O2NH4OH 용액에 침지시켜 MWNTs에폭시 복합

42

재료는 전기적 특성을 향상시키려는 연구와 산과 아

민 등의 기능기를 도입하여 SWNTs의 열전도도를 향

상시키려는 연구들이 수행되고 있다

- 기계적 분산방법인 전단혼합방법은 좁은 관이나 상대

적으로 높은 속도의 유동을 이용하여 발생한 전단력

으로 CNTs를 분산시키는 방법이다 Ku 등19)은 전단

혼합과 초음파처리를 이용하여 MWNTs로 강화된

에폭시 복합재료를 만들어 기계적 및 열적 특성을 연

구하였다

⑸ 내마모성 테프론 코팅

ㅇ 재료의 부식은 구조재에 원하지 않은 변화 원인으로 작

용하여 경제적인 문제로 귀결되는 심각한 문제이다 이들

원치 않는 변화는 때로 적절한 코팅에 의한 표면처리로

예방할 수 있다 가장 일반적이고 자주 사용되는 전착 코

팅은 아연에 기초한 아연 코팅 및 합금 코팅으로 이들

코팅은 간단한 기술로써 내부식성이 양호하여 전 표면처

리의 약 14에 해당하나 최근 낮은 마찰계수 등 다른 특

성들이 매우 중요하게 되었다 이들 특성은 다층 코팅으

로 대응할 수 있으나 두께가 증가하고 기술이 복잡하여

가능한 해결방법으로는 복합체 코팅이 있다 복합체 코팅

43

은 일반기계와 자동차 전자부품 및 컴퓨터 등 다양한 분

야에 적용된다 금속 기질에 미세한 PTFE 입자의 전착

에 의한 증착은 새로운 세대의 복합체 코팅으로써 가장

바람직한 특성은 양호한 내마모성 자기윤활 내부식성이

다 M Paderovaacute 등20)에 의하면 이들 특성은 주로 사용

한 입자(흑연 다이아몬드 MoS2 또는 PTFE)와 용액의

유형(pH 온도 bath 등) 뿐 아니라 입자의 크기 농도

분산 및 형태학에 의존한다

ㅇ 충전되지 않은 PTFE의 마모율은 736-741times10-4mm3Nm

로 내마모성이 낮아 다양한 충전제들이 첨가되고 있다

Xing-Dong Yuan 등21)은 진공 조건에서 PTFE 코팅

의 마모특성을 연구하여 초기에는 하중이 증가함에 따

라 마찰계수가 감소하나 하중이 6N 이상으로 커지면

마찰계수도 증가하며 압력이 PTFE 코팅의 마찰계수

에 미치는 영향이 거의 없고 마모는 압력이 증가하면

초기에는 감소하나 10Pa 보다 높으면 급격히 증가한

다고 보고하였다

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위해서는 윤활제로 PTFE

계 수지 접착제로는 폴리아미드이미드수지 산화철 분말

44

및 브론즈 분말 등을 혼합한 조성물을 사용하거나 미국

특허에서는 스와시플레이트 형 압축기의 플레이트 표면

에 MoS2 흑연 PTFE계 윤활제와 열경화성 수지인 폴리

아미드이미드(PAI) 조성물을 코팅하여 내마모 및 윤활성

을 부여하고 있다22) 내열성 향상을 위해서는 고체윤활

제 접착제수지 및 저융점 금속인 Sn Pb In Bi 등을 함

유하는 합금이나 화합물을 사용하여 금속의 잠열을 이용

내열성 향상을 시도하기도 한다

ㅇ 그간 철강(스테인리스강 탄소강 아연도금강판 등)의 내

부식성 향상을 위한 많은 연구들이 수행되어 왔다 4플루

오르에틸렌(C2H4) 4플루오르에탄(CF4) 6플루오르에탄

(C2F6) 3플루오르화에탄(CHF3) 8플루오르화에탄(C4F8)

같은 불소화된 단량체의 플라즈마 중합에 의한 테플론

류 코팅은 그들의 소수성으로 인해 금속의 내부식성 향

상을 위한 대안으로 주목을 받고 있다 A Delimi 등23)

은 유도결합 고주파플라즈마(inductively coupled radio

fre- quency plasma)를 사용하여 소수성 박막 불소수지

필름을 탄소강에 증착하고 3염수에서 내부식성을 평가

한 결과 1개월 동안 9nm의 필름이 유지되는 것을 관찰

하여 불소고분자 박막이 금속과 금속산화물의 보호층이

될 수 있음을 보고하였다

45

ㅇ PTFE를 이용한 세라믹코팅 기술로는 알루미늄 및 알루

미늄 합금 공작물을 양극처리에 의해서 티타늄 및또는

지르코늄 산화물을 포함하는 내식성 내열성 및 내마모

성 세라믹 코팅을 하고 이어서 양극처리된 공작물을

PTFE 또는 실리콘 함유 코팅과 같은 제 2 코팅으로 코

팅한다 이 발명은 가소성을 가지는 경질의 필름 내에서

내식성 내열성 및 내마모성을 제공하는 티타늄 및또는

지르코늄 산화물의 양극처리 층으로 기판을 예비-코팅함

으로써 알루미늄 기판에 보다 긴 수명의 코팅을 형성하

는데 특히 유용하다24)

ㅇ Nosaka 등25)은 PTFE로 대표되는 불소수지는 마모-링이

나 극저온 밸브의 실링부에 많이 사용되며 진공치환법에

의해 탄소재료에 PTFE나 MoS2 분말을 1-2wt 함침시

키면 무함침한 것에 비해 마모가 약 13로 감소한다고

보고하였다 한편 저자들은 터보펌프의 실링재료가 극저

온 환경에서 보이는 특이한 현상을 극복하기 위해 베어

링의 표면에 노출된 유리섬유를 불소산으로 처리하여 용

해 제거하고 윤활성을 높인 유리섬유강화 테프론 리테이

너를 개발하여 내구성과 윤활성을 향상시킬 수 있었다고

보고하고 있다

46

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위한 또 다른 특허로는

폴리실록산계 접착제를 단독 혹은 폴리에스테르계 접착

제와 병용하고 고체 윤활제로 MoS2(이황화몰리브덴

WS2(이황화텅스텐) h-BN(육방정 질화붕소) 팽창흑연

및 PTFE를 사용하고 충전제로 탄화규소 알루미나 산화

지르콘 산화티탄 등의 미분말을 사용하여 내마모 내열

및 윤활성을 부여하고자 하는 내마모성 및 윤활성 코팅

조성물에 관한 특허가 있다26)

ㅇ 내열성 내후성 내오염성 내약품성 내구성 등의 물성

은 유지하면서 비점착성을 높이기 위해 무기계 세라믹

코팅 조성물에 PTFE를 첨가하기도 한다 이러한 하이

브리드 코팅 조성물에 관한 특허로는 불소수지(01sim25

중량) 콜로이달 실리카나 콜로이달 알루미나 등 무

기계고분자 바인더(20sim80중량) 알콕시실란 화합물

(1sim50중량) 수용성 유기용제(1sim10중량) 충전제

또는 안료(5sim50중량) 및 물(100중량 까지 보충)로

이루어진 코팅 조성물에 관한 것으로 무기질 도료 및

무기계 세라믹 코팅에 의해 내열성 내오염성 내약품

성과 내구성을 유지하고 접착력을 높이기 위해 소량의

PTFE를 사용하는 것이 있다27)

47

ㅇ 정전 복사기에 사용되는 정착기재부의 최외층에 코팅하

여 기계적 성질 및 내마모성을 향상시키려는 목적으로

불소수지 기질 중에 분산된 불소화 다이아몬드를 함유하

는 입자로 구성된 조성물에 관한 일본 특허28)가 있다

ㅇ 부식 특성을 개선한 흑색 무크롬(chrome-free) 다층 내

부식 마무리 칠과 방법에 관한 특허29)로는 ASTM B 117

표준으로 시험할 때 백색 부식에는 최소 500시간 염수분

무시간 및 적색 부식에는 1500시간 염수분무시간에 적합

하게 설계된 마무리 칠에 관한 것이 있다 이 다층 시스

템은 광택(gloss) 4 이상을 만족하는 자동차 차체 강판

자동차 하부와 내장에 사용되기 위해 설계된 것으로 이

다층 마무리 칠은 3층 부식 방지 시스템을 형성하도록

아연-철 전기도금 기질 오르토인산을 사용한 무전해 인

산염 결정 전환 층과 XylanTeflon 실러 코팅의 조합이

다

ㅇ 전통적으로 철 강판(steel sheet)은 크롬산 염 전환 코팅

으로 개질되어 왔으나 6가 크롬이 배출되어 환경을 오염

시키는 문제점이 있어 강판의 내-부식성을 개선하기 위

해 고분자 수지 코팅들이 수행되고 있으나 이 방법은 고

48

분자 코팅 층이 열전도도를 감소시키는 단점을 가지고

있다 Kang 등30)은 강판 위의 고분자 코팅 층의 열전도

도를 향상시키기 위해 초미세-크기 다이몬드(μD)입자를

열전도 물질로 사용하였다 다양한 음이온 및 비-이온

계면활성제들을 사용하여 수용액 중에서 무거운 μD입자

의 안정화를 시험들을 한 결과 1-피렌카르복시산(PCA)

이 가장 양호하였다 그림 3-2는 이 시험 결과를 요약한

것이다

- 강판 위에 PCA로 안정화 된 μD 입자를 함유한 폴리

우레탄-기초 코팅 층은 열전도도가 0351W(mK)에서

0434 W(mK)(10 wtμD)로 향상되었으며 더욱 144

시간 동안 염수 분무 시험결과 부식거동은 관찰되지

않았다

그림 3-2 피렌카르복시산을 이용한 μD 표면처리

ㅇ 자동차공업에서는 기본적인 특성으로 내마모성이 요구되

49

는 강철 기계부품들의 마찰특성을 향상시키기 위해 다양

한 금속 및 고분자 코팅들이 광범하게 이용된다 내-마

모 코팅은 두 가지 주요 특성인 높은 표면경도와 자기-

윤활 특성이 필요하다 후자의 범주에 속하는 것이

PTFE와 MoS2 기초 코팅이다 무전해 니켈 코팅은 높은

경도로 인해 양호한 마찰 특성을 보이며 한편 열처리를

통해 경도를 향상시킬 수 있다 PTFE입자의 첨가는 코

팅경도를 감소시키나 자기-윤활특성을 부여한다 S

Rossi 등3132)은 마찰특성을 향상시키기 위해 이용되는 탄

소강에 이용되는 몇 가지 공업적인 코팅에 관한 부식거

동에 관해 평가 PTFE입자를 함유한 무전해 니켈-인

(Electroless Nickel-Phophorus)코팅은 PTFE 입자(자기-

윤활 특성)를 갖는 외층과 장벽-효과를 갖는 내층으로

인한 이중 특성으로 가장 양호한 특성을 보였다고 보고

하고 있다

ㅇ 모든 기계적 시스템은 동적 요소를 필요로 하며 마찰과

마모를 줄이기 위한 다양한 수단들이 가능하나 그 선택

은 환경이나 조작 조건에 제한을 받는다 PTFE는 자기

윤활 낮은 마찰계수 높은 열안정성과 화학약품 안정성

으로 산업분야에 널리 사용되는 엔지니어링 고분자이지

만 내마모성이 매우 부족하다 이러한 이유로 금속

-PTFE충전 복합체들이 PTFE의 마찰특성과 금속충전제

50

의 내마모성을 결합하여 특정 분야의 용도로 소개되어

왔으나 금속-고분자 물질에서의 충전제의 역할은 완전히

설명되지 않고 있다 복합체 표면의 과잉의 충전제 농도

는 미끄러지는 동안 부하를 지지하여 내마모성을 증가시

키는 것으로 생각되며 PTFE의 마모율은 Mo Zn Ni

Y2O3 및 SiO2 같은 무기 충전제에 의해 1000배가량 감소

되었다는 보고도 있다 유리섬유 구리 세라믹 탄소섬유

절단 탄소섬유 나노입자를 포함한 경질의 충전제 입자들

이 PTFE의 내마모성을 높이기 사용되어 왔다

ㅇ 비교적 두꺼운 코팅에는 열분사(thermal spray) 용사기

술이 정립되어 있고 용사 코팅은 내마모 내마찰 내프레

팅(fretting) 및 내부식을 요하는 산업에 많이 이용되고

있다

- 용사 몰리브덴(Mo)코팅은 실질적 내마모성 코팅으로

가장 광범하게 이용되며 프레임용사(flame spray)거나

와이어용사(wire spray)기술로 생산된 몰리브덴(Mo)

코팅은 흠이나 마모에 대한 고도의 저항을 얻기 위한

가장 좋은 코팅재료 중의 하나이다

- 알루미늄 청동(aluminium bronze)은 높은 내-부식성

과 내마모성을 갖는 것이 특징이다 저압 플라즈마 용

51

사 기술은 자기-아닐링(self-anealing)과 부서지기 쉽

도록 유도하는 γ-상의 형성을 피할 수 있도록 높은

냉각 속도를 얻는 데 사용되며 알루미늄 청동 저압

플라즈마 용사 코팅은 낮은 마찰과 마모를 보였고 비

교적 최근 플라즈마 용사 기술을 이용하여 알루미늄

기질에 고분자-세라믹 복합체를 코팅하는 기술이 개

발되었다33)복합체 코팅으로 행한 마찰 시험에서 낮

은 마찰계수를 얻을 수 있었다

- 낮은 마찰계수와 고 내마모성을 갖는 이성분 금속

-PTFE 코팅이 개발되었고 이들의 마찰 공학적 성능

이 보고되었다 PTFE-기초 복합체 설계에서 일반적

인 접근방법은 경질의 충전 입자들을 도입하는 것으

로 M Yamane 등34)은 PTFE-금속 이성분 코팅의 마

찰 마모성능에 관한 연구 결과 알루미늄 청동 코팅이

Mo코팅에 비해 PTFE 저장소(reservoir)에 유용했음

을 보고하였다

⑹ 충전 또는 강화 플루오르화 탄소1)

ㅇ 분말이나 강화섬유 등 전형적인 충전재들이 충전 또는

강화 플루오르화 탄소에 사용된다 충전재는 저온흐름

52

을 향상시키는 데 사용되며 수축과 균열을 줄이고 열

팽창을 낮추며 열전도율을 향상시킨다

ㅇ 분말이나 단섬유로 된 전형적인 충전제를 표 3-5에 종합

하였다 유리섬유는 가장 보편적인 PTFE 충전제로 화

학 및 전기적 특성에 최소로 영향을 미치며 기계적 특

성을 크게 향상시킨다 분말에 비해 섬유는 압축강도

강성도 및 지지용량을 더욱 향상시키나 분말은 충전

테플론의 내구성에 거의 영향을 미치지 않는다 금속분

말은 특히 열전도도를 향상시키며 고속에서 발생하는 마

찰열을 소멸하는데 도움이 되며 전기저항을 상당히 감소

시켜 금속-충전 조성물은 양호한 절연체는 아니다

ㅇ 흑연(graphite) MoS2는 초기 내구성과 마찰을 개선하고

기계적 특성을 향상시킨다 석면은 많은 유용한 특성을

갖지만 가공 처리 중 가스가 방출할 뿐 아니라 사용금지

물질이다 표 3-5 외에도 금속 망 장섬유 다공성 금속

등 다양한 충전제들이 있으며 다양한 종류의 제품들이

상업 생산되고 있어 최종 선정을 하기 전에 플라스틱 가

공업자로부터 보다 완전한 정보와 추천을 받는 것이 바

람직하다

53

표 3-5 불소수지용 충전제

ㅇ 압축강력 인장과 압축 시의 탄성률 및 항복강력은 첨가

제의 첨가에 의해 모두 증가하나 일반으로 인장강력과

신도 및 충격강도는 손실된다 통상 충전 테플론은 압축

상태에서 사용되므로 인장강력의 감소는 중요하지 않다

인장강력의 손실은 설치(연속적인 링-실링)할 때 인장되

는 재료에서 중요하다 열팽창 계수는 비-충전 테플론에

비해 감소되어 통상 금속 부품의 팽창계수와 잘 맞는다

ㅇ 마찰과 마모를 수반하는 분야에서 가장 중요한 것은 충

전제로 얻어지는 PV한계치의 증가와 마모의 감소다 비-

54

충전 테플론에 비해 PV한계치 크기는 개략적으로 1차원

적으로 증가하나 마모인자는 3차원적으로 감소한다 충전

테플론의 평균치들은 동적 마찰계수는 01-02 PV한계치

는 10000-20000 psi-fpm 마모상수는 10times10-10in3-min

lb-ft-hr이다 그림 3-3은 충전 테플론 PTFE의 마찰계

수에 미치는 충전제 종류와 농도의 효과에 관한 것이다

그림 3-3 테플론 PTFE에 미치는 충전제 종류와 농도1)

ㅇ 내마모성을 향상시키는 충전제는 실제로 연마저항성을

감소시키는 것으로 날카로운 입자는 보다 쉽게 침투하고

충전제 입자와 수지 사이의 경계를 따라 충전 플라스틱

을 찢는다 따라서 라이닝 슈트 같은 분야의 적용 시는

55

비-충전테플론이 보다 바람직하다

⑺ 시트 테이프 및 박층(laminates)

ㅇ 대부분의 플루오르화탄소는 충전 여부에 관계없이 두

께 1mil(0001 in)까지 시트나 테이프로 만들 수 있고

시트나 테이프를 찍어서 원하는 형상의 립-씰(lip seal)

펌프 컵(pump cup) 피스톤 링(piston rings) 가스켓

(gaskets) 등을 만들 수 있다

ㅇ 유체의 누설을 정지시키는 밀봉기능 부품 중 각종기기의

접합부나 배관 플랜지 등의 밀봉에 사용되는 가스켓

(gaskets)은 석면이 널리 사용되어 왔으나 유해물질 배

출 및 이동량 보고제도(PRTR Pollutant Release and

Transfer Register)에서 발암성을 가진 제1종 지정 화학

물질로 지정되어 사용이 금지되어 PTFE가 가스켓으로

개발되었다 PTFE는 용융 알칼리 금속 및 그 용액과 불

소 및 3불화염소에 의해 약간 침식되나 모든 화학약품에

안정하고 우수한 내부식 재료로 C-F결합력이 크고 F원

자가 C-C결합의 주위를 간격 없이 들러 싸고 있기 때문

에 다른 물질의 공격을 방어하고 있고 내열성은 260로

높다35)

56

- PTFE 필러를 사용한 PTFE 나선 권형 가스켓은 석

면에 대한 사용규제와 상관없이 사용되어 왔으며 유

연한 필러를 사용하므로 석면 가스켓 보다 낮은 체결

압력에서도 실 특성이 우수하고 내식 면에서도 광범

하고 다양한 유체에 사용이 가능하다 다만 단열성 면

에서는 석면 나선 권형 가스켓 보다 사용온도 범위가

제한된다

ㅇ 산업 기계나 자동차의 브레이크 제동장치에 부착하여 마

찰력을 부가하는 브레이크 라이닝에서는 마찰계수와 내

마모력 및 충격계수 등 마찰특성이 우수한 석면을 주로

사용하여 왔으나 제동 시 발생하는 미세 석면분진으로

인해 대기오염에 의한 환경을 파괴 뿐 아니라 인체에 흡

입될 경우 암을 유발하여 PRTR로 사용이 금지되었다

석면을 대체할 유기질 또는 무기질 된 다양한 비석면 마

찰 섬유 등이 사용되고 있으며 마찰 섬유에 테프론을 코

팅하여 브레이크라이닝의 수명향상 제동 시 발생하는 소

음 떨림 및 제동력 향상을 위한 제품개발이 시도되고

있다

- 예로 국내 특허36)에서는 브레이크 라이닝(또는 패드)

의 마찰재 배합재료 중 유기섬유(Kevlar섬유 pulp섬

57

유 등)에 테프론을 코팅하고 코팅된 유기섬유에 결합

재 충전재 윤활재 마찰안정재 마찰조정재 등을 소정

의 배합비로 배합하여 성형하고 열처리하여 브레이크

패드 또는 라이닝을 제조한다

ㅇ 초소형 정밀기계(MEMS Micro-Electromechanical

System)분야에서는 점착방지를 위해 불화 유기박막을

사용한다 Park 등37)은 단층 두께의 불화 유기박막의

특성을 접촉각 측정을 통해 분석하였다

⑻ DLC 코팅3839)

ㅇ DLC(diamond-like carbon)는 몇 가지 다이아몬드의 전

형적인 특성을 나타내는 비정질 탄소물질로 극도의 내마

모 특성을 필요로 하는 재료의 코팅에 이용되고 있다

DLC코팅은 연마 마모를 감소시키기 위한 재료에 유용하

여 엔드밀 드릴비트 금형 같은 공구는 물론 자동차 기

계부품 및 전자산업 등 산업전반에 걸쳐 적용된다40)

ㅇ 환경오염 문제로 인해 PRTR(Pollutant Release and

Transfer Register 유해물질 배출 및 이동량 보고 제

도) 이 시행되어 습동 부품이나 절삭 시에 사용되는 오

일이나 그리스에 포함되는 첨가제(MoS2 Zn 등)와 이들

58

부품을 세정할 때 사용되는 용매 기계부품의 수명을 연

장시키기 위해 활용되었던 Cr도금 폐액에서 발생하는 6

가 크롬 등의 오염물질들에 대한 규제가 더욱 강화되어

DLC에 의한 무윤활 습동과 무윤활 절삭을 지향한 공구

와 기계 부품의 개발이 관심을 끌고 있다4142)

- 일본 내에서는 PRTR이 시행되고 이것에 저촉되는 재

료에 관해서는 MSDS(Material Safety Data Sheet)를

첨부해야할 의무가 있고 부품가공 습동 용도에서는

대상 리스트에 올라 있는 오일 오일 중의 중금속 도

금폐액을 어떻게 경제성 있는 환경 친화적 공정과 재

료로 전환할 것인가를 고려하면서 무윤활 습동 무윤

활 절삭 탈크롬 도금의 3가지 키워드가 대두되고

DLC코팅이 대안으로 모색되고 있다

- DLC코팅 적용기술과 과제에 관한 자료로는 자동차

관련부품 적용사례 엔진부위 마찰 작동 밸브계의 마

찰저감 DLC와 윤활제에 의한 마찰저감 기술을 중심

으로 살펴본 보고가 있다43)

ㅇ DLC는 7가지 형태가 존재하며 모두 상당한 양의 sp3혼

성궤도 탄소원자를 함유한다 다양한 형태의 DLC가 진

공 환경으로 적합한 재료들에 적용가능하며 유럽에서의

59

2006년 위탁 DLC코팅 시장은 3천만euro로 추정되었고 국

내도 활발한 상용화가 시도되고 있다

ㅇ 사반면상(tetahedral) 비정질 탄소 ta-C를 2두께로 코

팅하면 연마마모에 대한 스테인레스 강(304 type)의 내구

성을 증가시켜 수명을 1주일에서 85년으로 늘이며 이러

한 DLC의 형태는 sp3결합 탄소 원자로만 이루어지기 때

문에 순수한 DLC로 간주되며 수소 sp2흑연 탄소 금속

같은 충전제가 생산경비를 낮추거나 원하는 특성을 부여

하기 위하여 사용되고 있다

ㅇ DLC를 만드는 방법에는 sp3탄소 보다 낮은 밀도의 sp

2

에 의존하는 몇 가지 방법들이 있으며 압력 충격 촉매

또는 이들의 조합으로 sp2결합탄소 원자들을 sp3결합탄소

로 근접시킨다 최근 초고압 하에서 탄소의 경량 특성을

갖는 초경도 무정형 다이아몬드가 만들어졌다 탄소로 만

들어지는 다이아몬드 그래파이트는 결정구조를 가지나

DLC는 비정질이라는 점에서 크게 다르고 200 정도의

저온에서 형성시킬 수 있다는 점이 통상의 PVD막에 비

해 훨씬 우위에 있다

ㅇ DLC코팅은 제조공정이 복잡하고 생산 단가가 비싸 적용

이 어려우며 적용되는 소재가 제한되는 단점을 갖는다

60

주요제법으로는 고주파 플라즈마 법 이온화 증착법 스

페터링법 등을 들수 있다 고주파 플라즈마 법은 메탄가

스가 원료로 사용되고 막 중의 수소가 약 30(원자)로

평활성이 우수하고 마찰계수가 작으나 경도가 낮다 이

온화 증착법은 벤젠을 사용하며 막은 단단하나 면의 조

도가 거칠고 후막화 하기 위해 스패터링 방법이 검토되

고 있다

⑼ 불소수지의 안전성

ㅇ 테플론 PTFE의 열분해는 200(392)에서 감지되며 이

것은 몇 가지 플루오르화 탄소 기체들과 승화물질을 방

출한다4445)1955년 동물실험에 관한 한 연구에서는 이들

물질이 250(482) 이하에서는 의미 있는 양이 아니라

고 결론지었으나 최근 비-점착 주방기구인 프라이팬이

나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가열할 때 조류를

죽일 수 있는 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수

도 있다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있다45)

ㅇ 표 3-6은 EWG가 보고한 3-5분 내에 370까지 불소수

지를 가열할 때 발생되는 15종의 불소화합물에 관한 것

이다 테플론과 같은 코팅물질들이 장기적으로 인체에 미

61

치는 영향에 관한 연구는 이루어지지 않고 있으나 독감

과 유사한 질병을 유발할 수 있으며 이를 중합체 증기열

(polymer fume fever)이라 한다

표 3-6 15종의 유해물질 및 유독성 기체44)

ㅇ 최근 표 3-6의 화합물들 중 특히 TFA와 과불화된

(perfluorinated) PFOA(perfluorooctanoic acid)에 관심이

증가되고 있다 PFOA는 새로운 환경오염물질로 미국 환

경보호청(EPA)에 의하면 보통 때는 문제가 없으나 조리

과정에서 프라이팬에 열을 가하고 강하게 긁을 경우 용

62

출되어 나오며 이것이 음식물과 함께 인체에 흡수되는

것으로 추정하였다 한편 DuPont의 테플론 PTFE 연구

결과에 의하면 검출한계인 9ppb 이상 검출되지 않으며

테플론 주방기구에서는 PFOA가 존재하지 않는다고 발

표하고 있다

- 물이나 공기를 통해 환경에 노출된 PFOA는 고 콜레

스테롤 궤양성 대장염 갑상선 질환 고환암 신장암

및 임신성 고혈압과 관련된다고 보고되었다

- PFOA는 불소수지 생산과정에서 사용되는 첨가물로써

암모늄 형태로 PTFE 유화중합에 계면활성제로 사용

되며 불소수지의 품질과 균일성을 유지하기 위해 필

수적인 첨가물이기 때문에 전 세계 모든 불소수지 제

조업체가 사용 중에 있다 한편 국내 주력 산업인 반

도체 생산 과정에서도 PFOA를 대량으로 사용하고 있

어 체계적인 실태조사와 대책수립이 필요하다는 의견

들이 대두되고 있다

⑽ 불소화합물의 안전성과 환경대책

ㅇ 표 3-6에서 살펴본 바와 같이 테플론을 급격히 고온으로

가열하면 2종의 발암물질을 포함한 유독성 가스가 발생

63

하고 특히 불소화합물 중 MFA(monofluoroacetic acid)는

적은 양으로도 치명적 해를 끼치고 PEIF(perfluoro-

isobutene)는 신경가스제로 여러 가지 질환을 발생시킨다

한다44)

따라서 테플론으로 코팅된 장치를 재 코팅하기

위해 테프론을 고온으로 급격히 가열하거나 소각 등을

통해 제거할 때는 발생 가능성이 있는 유독가스를 제거

하기 위한 별도의 설비를 이용하여야 하고 유 등44)의 보

고서에서와 같이 중조(NaHCO3)를 포화시킨 충분한 물로

유독 산성 물질을 중화시키는 것도 고려할 만하다 한편

부식대전 방지 코팅도 테플론 코팅 일변도에서 세라믹

코팅 CNTs이나 DLC 코팅기술로 대응하는 것을 추천하

고 싶으며 이것은 유해물질 배출 및 이동량 보고제도

(PRTR Pollutant Release and Transfer Register)에 대

비하는 등 기업의 장래를 고려하는 것도 될 것이다

ㅇ PTFE를 사용한 취사도구는 1960년대 이래 사용되어 오

고 있으나 최근 들어 이것의 안전성이 논쟁의 주제가 되

고 있으며 논의 주체는 PFOA(perfluorooctanoic acid)이

다 PFOA는 PTFE를 비롯한 많은 불소수지의 생산에

사용되며 DuPont의 테플론 PTFE 연구 결과에 의하면

프라이팬을 260 이상 고온에서 가열하거나 코팅이 벗

겨져도 PFOA가 존재하지 않는다고 한다 그러나 물이나

64

공기 토양 식품포장재 등 여러 곳에서 PFOA 오염사실

이 보고되고 있다 한다44)

- 미국 EPA는 인체와 환경에 대한 PFOA 연구를 계속

하고 있으며 2015년까지 PFOA 및 이와 관련된 화합

물 방출을 배제할 프로그램을 갖고 있으나 PTFE-기

초 비점착 취사기구를 중지시킬 타당성을 갖고 있지

는 않다 최종제품은 PFOA가 아닌 PTFE이기 때문이

다

- 수십 년 동안 불소수지 비점착 코팅이 시장을 지배하

였으나 최근 몇 가지 신기술들이 출현되고 있으며 이

들 대부분은 실리콘 세라믹과 실리콘 기술로 이들 코

팅은 PTFE와 PFOA를 함유하지 않는다

- 오늘날 출시된 비점착 취사용구는 수많은 상표로 팔

리고 있으며 DuPont에 의하면 대부분의 취사용구 코

팅은 정상적으로 사용할 때 3-5년 견딜 수 있을 것으

로 예측한다 너무 문질러서는 안 되고 따뜻한 비눗

물로 씻어주는 것이 좋으며 닳거나 흠이 생기지 않도

록 나무 플라스틱이나 코팅된 재료로 만든 도구를 선

택하고 보관도 흠이 생기지 않을 장소나 캐비닛을 권

장하고 있다

65

ㅇ 국내의 불소수지 안전성에 관한 것으로는 재질규격(납과

카드뮴)과 용출규격(납 과망간산칼륨소비량 증발잔류물)

이 식품용 기구 및 용기 포장 공전46)에 기재되어 있으며

최근 국내에서도 PFOA를 비롯한 유해 불소화합물에 관

한 관심이 커져 가고 있다

ㅇ PFOA 문제가 표면화 되면서 환경 보전형 불소계 발수

유제의 개발과 공업화도 새로이 부각되고 있다 이에 관

한 보고서를 모니터링한 KISTI자료47)를 중심으로 간단히

요약하면 발수제의 주요성분 퍼플루오로알킬기(Rf기)함

유 폴리머의 기능은 Rf기의 고리길이에 크게 의존하므로

PFOA문제 해법으로 탄소수 8 이상인 종래의 불소화학

에서 탈피 짧은 고리 Rf기(탄소수 6)를 가진 새로운 단

량체를 선택하여 발수제를 제조함으로써 환경 보전형 불

소계 발수유제를 개발하고 공업화하였다 한다

66

제 4 장

지원결과

1 지원결과 종합

테프론 코팅 기술의 문제점과 부식대전방지용 테플

론 코팅에 관한 정보 외에 신청기업의 요청에 따

라 C-나노튜브 코팅 및 DLC증착에 관련된 기술 정

보도 제공하였다

테플론은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat resistant)

비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coefficient of

friction) 내약품성(chemical resistance)과 특이한 전기적

특성(unique electrical properties) 및 온내구력(cryogenic

stability)으로 그 응용범위가 광범하며 용도에 따른 엄격

한 품질관리가 요구될 것으로 생각되어 중소기업에 적합

한 기초능력 배양과 신제품을 구상하기 위한 최신기술에

관한 정보를 제공하고자 하였다

67

불소수지의 코팅은 두께와 첨가제가 관건으로 이에 관한

자료를 제공하고자 하였으며 불소수지의 전기특성 폭발

성 환경과 반도체 제조공정에서의 대전 방지 처리를 위

한 정전기 관리 지표 등을 특허를 중심으로 조사하여 제

공하고자 하였다

C-나노튜브를 이용한 대전방지 코팅 기술 및 C-나노튜

브의 제법 등 이것에 관한 기초정보를 제공하고자 하였

으며 내마모성 테플론 코팅에 관해서는 테플론을 이용한

세라믹 코팅 기술에 관한 정보도 제공하고자 하였다

테플론의 기계적 전기적 특성을 강화하기 위해 사용되는

충전제를 종합하고 기초이론을 정립함으로써 금후 원부

자재의 선정에 도움을 주었다

테플론은 석면 대체재로도 주목받고 있어 이에 관한 특

허 정보들을 제공하였으며 다이아몬드의 전형적인 특성

을 나타내는 DLC의 코팅관련 기술 정보를 환경오염 문

제와 연관하여 자료를 제공하였고 최근 비-점착 주방기

구인 프라이팬이나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가

열할 때 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수도 있

다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있어 이에

관한 정보도 제공하였다

68

2 지원의 한계

중소기업이 당면한 문제는 전문기술의 확보다 관련 기술

이 비약적으로 발전하는 추세에 비추어 한정된 인원으로

신기술을 소화하고 개발하기는 어려울 것이므로 출연연

구기관이나 대학과 공동연구를 모색할 수 있으나 이것도

중소기업으로서는 경제적 부담이 될 수밖에 없을 것으로

생각된다 가능하다면 앞으로도 KISTI의 정보지원이 계

속되기를 바라고 있었다

3 기대효과

부식대전 방지 테플론 코팅에 관한 기본 기술이 배양되

어 합리적인 원부 원료의 수입검사 공정관리 및 제품관

리를 통해 원가절감은 물론 신제품 신기술에 관한 정보

수집 및 분석능력이 배양되고 개발력이 확충되어 기업

경쟁력 향상에 도움이 될 것이다

69

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44 식품의약안전청 연구보고서(연구책임자 유승석) 불소

지코팅 주방기구의 안전성 평가 2004 12

45 Teflon offgas studies Environmental Working Group Ewg

org Retrieved on 2013-01-01

46 식품의약품안전청 ldquo식품용 기구 및 용기 포장 공전rdquo 2012

47 廣野高生 ldquo環境保全型フッ素系 撥水撥油剤の 開發と 工

業化rdquo ファインケミカル(日本) 37(11) 2008 pp39-44

이치옹 모니터링분석 KISTI

75

저자소개

김학주(金鶴柱) 서울대학교 문리과대학 화학과 졸업 이학사

전북대학교 대학원 화학과 이학박사

(주)삼양사 의약연구소장 신성대학교 교수

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 폴리에스테르 섬유의 연중직방기술 외 다수

저서 기기분석 공업물리화학 일반화학

성용길(成墉吉)

동국대학교 이과대학 화학과 졸업 이학사 이학석사

부산대학교 대학원 화학과 이학박사(Dr Sci)

University of Utah USA Ph D(공학박사) Post Dr

유타대학교 연구교수 부산대학교 교수 동국대학교 교수

동국대학교 명예교수 한국원자력문화진흥원 이사

과학문화연구원전문연구위원 한국도량형과학문화연구원 원장

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 의료용 기능성 고분자재료에 관한 연구 외 330편

저서 고분자 물성론 (서울대학교 출판부 공저) 외 10권

16

4 4차 지원

일시 및 장소 2013년 7월 25일(목요일) 1000-1400시 신청

업체 2층 회의실

참석자 성용선(연구소장) 이채영 차장 및 연구원

주제 및 토의사항

- 지원내용과 향후지원계획 발암물질인 석면대체재로써

테플론의 개발 동향을 나선 권형 가스켓과 자동차브

레이크 제동장치를 중심으로 토의하고 내마모 특성을

필요로 하는 DLC 코팅에 관한 정보제공과 DLC 특성

에 관해 집중 토의함 환경문제와 관련하여 대두되고

있는 테플론 분해가스 등 안정성 문제에 관한 자료를

제공하고 이에 관한 의견을 교환함 그간의 제공 정보

를 종합하고 8월 말 작성예정인 최종보고서 내용을

협의하였음

-지원효과 신기술 개발을 위한 내마모 코팅 DLC코팅

환경문제를 고려한 친환경 제품 등 신기술과 신공정

개발을 위한 개념을 확립하였음

17

- 자료제공

① WO 2006047500(Henkelkommanditgesellschaft auf

Aktien Article of Manufacture and Process for

Anodically Coating an Aluminum Substrate with

Ceramic Oxides Prior to Organic or Inorganic

Coating)

② 이치옹 분석자료 ldquo나선형 개스킷의 비석면화rdquo

Takashi Miyoshi 배관기술(일) Vol 46(10) 2004

pp43-47

③ 유호천 ldquoDLC 코팅 표면처리rdquo KISTI 중소기업 정

보지원 2011 10 11

④ 유호천 ldquoPVD DLC TRD 코팅설비를 활용한 복

합충 개발및 제품적용rdquo KISTI 중소기업 정보지원

2010 10 21

⑤ 국립환경과학원 ldquo화학물질 배출량 조사 OECD와 협

력강화rdquo 보도자료 (2010 11 18)

⑥ ldquo새로운 코팅기술과 공구에 대한 적용rdquo 월간기계기술

기자 2005년 3월호

⑦ Teflon off-gas studies Environmental Working

Group Ewg Org Retrieved on 2013-01-01

⑧식품의약품안전청 ldquo식품용 기구 및 용기 포장 공전rdquo

18

2012

⑨ 廣野高生 ldquo環境保全型フッ素系 撥水撥油剤の 開發

と 工業化rdquo ファインケミカル(日本) 37(11) 2008

pp39-44 이치옹 모니터링분석 KISTI

5 5차 지원

일시 및 장소 2013년 8월 21일(수요일) 1000-1400시 신청

업체 2층 회의실

참석자 성용선(연구소장) 이채영 차장 및 연구원

김학주(전문연구위원) 성용길(전문연구위원)

김종헌(KISTI 연구책임자)

주제 및 토의사항

1 불소화합물의 안전성과 환경대책 정보지원 결과 종합

등 최종보고서(안) 내용에 관한 의견교환

2 지원의 한계와 기대효과에 관한 의견 교환

3 건의 사항 등

19

세부 지원 내용

⑴플루오르화탄소 플라스틱의 특성

Teflon TFE(폴리테트라플루오로에틸렌)은 1940년대부

터 사용되어 왔으며 Teflon FEP(플루오르화에틸렌프

로필렌 공중합체)는 1958년에 소개되었고 압출 및 사

출성형이 용이하며 TFE 유형은 딱딱하고 낮은 마찰계

수를 가지며 마모에 강하고 보다 높은 온도에서 사용

가능하다 이 외에도 플루오르화탄소 플라스틱에는 폴

리염화플루오르화에틸렌(CFE 또는 CTFE)와 폴리비닐

리덴플루오라이드(PVF) 등이 있다 플루오르화탄소 플

라스틱은 그 코팅방법에 따라서도 응용범위가 광범위

하게 발전되어 왔으며 그 용도는 주방용기로부터 기

계 자동차 반도체는 물론 우주항공 산업 부품에 이르

기까지 무한하며 상업 생산되고 있는 플루오르화탄소

플라스틱은 표 3-11)과 같다

PTFE는 열가소성 플라스틱으로 상온에서 밀도 약 2200

인 백색고체로 융점은 327이며 마찰 및 마모 특

성을 나타내는 마찰계수는 고체재료 중 BAM(alumi-

20

nium magnesium boride 마찰계수 002)과 DLC

(diamond-like carbon 마찰계수005)에 이어 3번째로

낮은 005-010로 반데르발스 힘에 대한 저항력으로 도

마뱀이 붙을 수 없는 유일한 표면으로 알려져 있다2)

표 3-1 플루오르화탄소 플라스틱의 유형1)

21

Teflon의 유용한 기계적 특성은 -450sim500(-267sim

260)에서 유지되며 여러 가지 특성들은 가공기술을

바꾸어 변경시킬 수 있다 마찰 및 마모 특성을 나타

내는 마찰계수들은 시험조건에 따라 다르며 Teflon은

증기압이 극히 낮아 진공에서도 우수한 안정성을 가

지며 방사선 안정도는 부족하나 방사선 내용성은 극

히 높다

테프론의 특징은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat-

resistant) 비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coeffi-

cient of friction) 내약품성(chemical resistance) 특이한

전기적특성(unique electrical properties) 저온내구력

(cryogenic stability)으로 대표된다3)

- 테프론 코팅된 표면에는 거의 모든 물질이 달라붙지

않으며 내열성(heat-resistant)이 우수하여 -260sim+26

0까지 사용할 수 있고 단시간 사용의 경우에는 30

0까지 견디며 Teflon FEP는 232에서 연속사용이

가능하다 비유성(non-wetting)이 우수하여 표면에 물

이나 기름이 잘 묻지 않아 표면이 오염되지 않아 쉽

게 청소가 가능하고 기계설비의 보수시간이 단축되어

생산성을 향상시킬 수 있다 테프론은 비-절연성은 물

22

론 비-유전정접과 우수한 표면 저항률을 보인다

⑵ 플루오르화탄소 수지 코팅

얇고 강인한 플루오르화탄소 수지 필름을 금속 등에

소결이나 수지-접착에 의해 바르면 기질에 침착된 필

름은 저온흐름으로 고체 플루오르화탄소 수지보다 낮

은 마찰계수를 띠고 금속은 양호한 열전도도를 갖고

열을 분산할 수 있어 고속으로 운전할 수 있고 양호한

내구성을 갖게 된다

1950년대 미국 해군연구소에서 소결 Teflon TFE필름을

수성 분산액(현탁질)으로부터 무기 탄약통 비행기부

품 잠수함부품의 건조-필름 윤활제 및 보호 코팅용으

로 개발한 후 이것들은 기어 정첩(hinges) 샤프트 베

어링 밸브 플러그 콕 피스톤 링이나 그 외의 산업분

야에 응용되고 있다

- 실제로 적절한 테플론 현탁질을 고체 표면에 침적한

후 수분 증발이 너무 빠르지 않게 공기에서 필름이

건조되게 한 후 테플론 입자들이 연화 및 소결되도록

건조된 표면을 약 385(725)로 가열하고 냉각하면

23

얇은 연속 필름이 표면에 남지만 필름 중의 많은 작

은 세공들은 테플론의 높은 용융점도 때문에 제거할

수 없다 세공들은 윤활 작용에는 제한을 받지 않으나

녹슬거나 부식의 공격점이 되어 부식방지를 위해서는

1회 이상의 박막 추가 코팅이 반복되고 보통 2회 코

팅으로 충분하나 각 침적 테플론 층은 두께가 00003

인치(762)를 초과하지 않아야 하며 그렇지 않으면

말린 진흙 같이 균열이 발생한다 필름이 윤활제로 사

용될 때는 필름두께가 00006-00007인치(152-178)

를 초과하지 않아야 한다1)

- 테플론코팅은 통상으로 존재하는 표면 산화물이 제거

되지 않은 깨끗하고 탈지된 강철 황동 및 알루미늄금

속표면일 때 가장 잘 접착한다 만일 산세척에 의해

과잉 두께의 산화물이 제거되었다면 필수적으로 얇은

산화층이 형성될 때까지 공기 중에서 가열한다 접착

은 실표면적이 증가하면 증가하므로 경면가공(mirror

finish)보다 모래분사가공이나 무광택가공이 양호하다

- 테플론 코팅된 표면의 마찰계수는 금속기질 표면을

거칠게 함으로써 낮출 수 있으나 미끄럼마찰 조건 아

래 내구성은 금속의 거칠기가 32마이크로인치(rms)를

초과하면 감소한다

24

철강 기질의 인산처리는 소결 Teflon TFE필름의 마모

수명을 향상시킨다고 보고되었으며 양극처리 된 코팅

의 경도 및 내마모성과 불소수지의 윤활성을 결합하기

위해 다공성 경화 양극처리 알루미늄 위에 불소수지를

침윤하여 왔다 Teflon S 마감재는 Du Pont이 도입한

최초의 수성-기초 분산 TFE FEP로 이들은 ldquo계층화

된rdquo 마감재이다 Francis J Clauss1)는 다양한 용도에

서의 Du Pont사 제품들의 선정 가이드를 표로 종합하

였으며 이것을 요약하면 표 3-2와 같다

- 테플론 코팅은 프라이머 단층 프라이머 코팅 후 에나

멜이나 클리어 마감 또는 프라이머 에나멜과 클리어

마감 등 3-코팅 시스템으로 구성된다 프라이머들은

금속이나 세라믹 기질에 접착을 향상시키기 위해 개

질제를 함유한다 프라이머들은 가끔 1회 코팅 마감재

로 사용되나 음식물과 접촉하는 용도로는 반드시 에

나멜이나 클리어 마감재로 마무리 칠을 하여야 한다

프라이머는 층간 접착력이 부족하기 때문에 다중 코

팅에 적용될 수 없고 만일 06mil 이상의 코팅이 필요

하면 프라이머는 에나멜이나 클리어 마감재로 마무리

칠을 하여야 한다

25

표 3-2 테플론 코팅 두께1)

최종

용도대표적 용도

전체두

께(mils)

프라이머에나멜클리어

가공(mils)

비점착

산업

직물 슬래셔 통

열 봉합 봉 고무경화 롤러

우레탄과 에폭시 경화 주형

제빙기

목재 고무 주석도금 아연

10-25

07

20-50

08-13

07

03 07-22 07-10

07 마무리칠 불가

03 07-37 10min

03 05-10 05-10

07 마무리칠 불가

식품

프라이팬 내열접시

반죽롤러

캔디 장치

08-12

10-30

20-30

03 05-09

03 07-27

03 07-17 10

One-coat

system

금지

드라이

윤활

플러그 밸브

유리병 제조 전달 장치

베어링

03-07

15-25

05-07

03-07

03 03-05 03-05

02

전기

전자

저항기 코팅

아이들 롤러(제지 섬유 공업)

세라믹 절연체

40-50

10-15

20-25

03 37-47

03 07-12

03 17-22

부식

방지용기 라이닝 gt50 03 47 또는 5-10 이상

Non-

wetting콘덴서 튜브 02-04 02-04

- 유색 프라이머는 통상 안료가 필름의 범위와 두께를

시각적으로 체크할 수 있게 하므로 그렇지 않은 것에

비해 더 선호된다 에나멜과 클리어 마감재는 충분한

접착을 위해 프라이머 위에 발라야 한다 ldquo진흙 갈라

짐 현상(mud-cracking)은 코팅 당 최대 두께를

10mil로 한정하나 다중 코팅에 의해 극단적이 조건

하에 전체 두께를 10mils까지 바를 수 있으며 각각의

26

코팅은 분리하여 구워진다

불소화 고분자들은 낮은 표면장력 물과 기름에 젖지 않

고 비점착성이며 방오 특성(antifouling properties) 등을

갖기 때문에 다양한 특수 코팅에 적용되나 합성과 조성

이 몇몇 제조업자들에 독점되어 있고 값비싼 중간체를

필요로 한다 VC Malshe 등4)은 플루오르 함량이

4-10인 불소화된 아크릴 공중합체를 간단한 방법으로

합성하고 클리어 코팅하여 광학적 기계적 및 보호 특성

을 연구하였다

최근 에너지 절감과 CO2규제와 같은 환경규제에 대한 대

응 필요성이 증가하면서 발전소나 각종 보일러 시스템에

서 배가스로 배출되는 응축잠열 에너지의 회수 및 활용

에 관심이 증가되고 있다 Lee 등5)은 스테인레스 관 표

면에 400정도의 두께로 테플론을 코팅한 전열관에서

관의 열 및 응축 열전달 특성을 연구하여 테플론 코팅관

의 총괄 열전달 계수는 스테인레스 관보다 약 20 작은

것으로 나타나고 응축열전달 계수는 유사하였음을 보고

하였다

알루미늄 용광로의 비-여과 배출가스에 장기간 사용하기

적합한 역류 열교환기에 관한 것으로 원통형 쉘의 표면

27

은 알루미늄 용광로 배출가스 입자 및또는 먼지 및 부

식 흄과 접촉될 수 있어 테프론 계로 코팅 처리하는 특

허6)가 있다 이 특허에서는 원통형 쉘을 만들도록 복재

(web member 웨브재)와 함께 연결된 유체 운반튜브로

이루어진다 각 원통형 쉘에 위치한 헤더는 열교환기의

튜브에서 튜브로 유체를 공급하며 뜨거운 난류가스에 작

용하여 스케일링을 최소화하기 위해 헤더의 보호덮개를

설치한다

저온에서 고온에 이르는 환경에서 유체에 사용되는 배관

튜브는 열에 의한 경시적 열화가 진행되어 균열 발생이

쉽다 가동부에 사용되는 배관 튜브는 움직임이 수반되어

그 경향이 현저하며 반도체 제조장치에 일반으로 사용되

는 실리콘튜브는 저온에서 열화되어 파손되기 쉽다 이러

한 문제점을 해결하기 위해 실리콘 튜브 외측 표면을 테

플론으로 코팅하여 균열발생을 억제함으로써 장시간 사

용 가능하도록 고안한 특허7)가 있다

섬유상 부직포로 제작하는 다공성 여과필터는 다양한 산

업공정의 배출가스를 정화시키는 데 사용되며 특히 중고

온 환경에서 사용이 가능한 다양한 종류의 기능성 필터

의 개발이 요망된다 일반으로 소각장 및 발전소 등의 중

고온 조건에서 사용되는 Nomex를 비롯한 섬유상 필터는

28

200 이상에서는 열변형으로 사용이 제한적이고 세라믹

필터와 같이 고온에서 적용이 가능한 소재는 매우 고가

일 뿐 아니라 초기 작업으로 인해 에너지 사용량이 매우

높아지는 문제점이 있다 Kim 등8)은 250-300 영역의

중고온의 배출가스를 처리하기 위한 필터에 표면 소수성

과 고온 안정성을 부여하기 위하여 표 3-3과 같은 조성

으로 그림 3-1과 같은 장치를 이용하여 테플론 수지를

거품 형태의 코팅액으로 조제하여 유리섬유 원단에 공급

하여 표면코팅하고 열처리 및 압착과정을 거친 후 표면

분석하였다

표 3-3 테플론 코팅을 위한 화학첨가제8)

테플론 코팅이 전기 집진장치에 활용되는 특허도 있다

종전 사이클론 방식의 전기집진기에서는 집진부의 먼지

를 떨어뜨리는 것이 용이하지 않았다 발명자들은 먼지

압축 기능을 갖는 집진실 내측에 테플론 가공을 하여 정

전기에 의한 미세먼지의 부착을 억제함으로써 집진실의

먼지를 원 터치로 처리할 수 있도록 하였다9)

29

그림 3-1 테플론 거품코팅8)

일반으로 테프론을 조리용기에 코팅하는 방법은 금속소

재를 사용 제품형태로 제작한 후 세척하고 에이징(소둔)

처리한 후 샌딩하여 표면조도를 유지하도록 하고 표면에

프리머 처리하여 베이킹 처리한 후 분사방법으로 테프론

코팅을 하고 다시 베이킹 처리하므로 공정이 복잡하고

제조원가가 상승하며 부착력에 한계가 있다한다 (주) 엘

지아이 특허10)에서는 피처리물을 세척한 후 산질화처리

하여 표면에 열처리 층이 형성되게 한 후 테프론을 코팅

하고 베이킹 처리하는 것을 특징으로 한다 그 외에 내열

세라믹 주방용기의 불소수지 코팅방법에 관한 특허가 있

다11)

(주) 봉성비에스는 차량의 주행 충격을 흡수하는 완충기

30

내부에 삽입하는 피스톤 외주면의 마찰과 소음을 최소화

하기 위한 목적으로 테프론 코팅을 하기 위한 코팅장치

를 등록하였다12)

⑶ 대전 방지 플루오르화탄소 수지 코팅

ㅇ 본래 불소수지 자체는 높은 절연성과 큰 대전성을 갖고

있기 때문에 도전 효과를 얻기 위해서는 분상 필러를 다

량으로 충전할 필요가 있으나 이렇게 하면 비점착성이

떨어진다 여러 회사들의 제품 안내서들을 종합한 불소수

지의 전기적 특성은 표 3-4와 같다

표 3-4 불소수지의 전기 특성

특성측정법

(ASTM)단위

PTFE

(비충전)

PTFE

(25

유리충전)

PTFE

(25

탄소충전)

표면 내아크성 D495 sec 75-110

체적저항

(비저항)D257

ohm-

cmgt1018 gt1016 104

표면저항 D257ohm

sq-1 gt10

14

유전율(유전상

수) at 1MHzD150-81 e 25 24

절연내력 short

time 18thickD149

kv

mm285

유전정접(유전

정합) at 1MHzD150-81 lt00002 005

31

ㅇ 불소수지는 내열성 내한성이 높고 내약품성 내연소성

난연성이 우수하고 절연성 및 비점착성과 저 마찰계수를

갖고 있으나 절연성이 높아 정전재해의 원인이 될 수 있

어 재해 방지를 위해 대전 방지 또는 저저항을 특징으로

하는 불소수지 가공품이 개발되어 사용범위가 넓어지고

있다

불소수지에 충전하여 저저항으로 하는 필러에는 일반적

으로 도전성이 높은 카본 금속 또는 산화알루미늄 등의

금속산화물이 사용된다 재료의 형상으로는 미분 탄소

스테인레스 스틸 니켈 금속분과 같은 입상물 단섬유 탄

소섬유 위스커(whisker) 등이 사용된다

- 미분은 비표면적이 크기 때문에 소량의 충전으로 저

항치를 내릴 수 있으나 약품의 침투가 있는 경우 비

표면적이 크기 때문에 약품의 영향을 받기 쉬워 내부

식성 떨어질 가능성이 크다

- 입자상물질들은 미분에 비해 비표면적이 작기 때문에

약품의 영향을 비교적 적게 받지만 저항치를 내리기

위해 충전량이 많게 되어 불소수지의 특징인 비점착

성과 저마찰계수 특성을 저해한다 섬유 위스커 형상

은 단방향에 대한 장방향의 비가 클수록 적은 충전량

32

으로 저항치를 낮출 수 있지만 분산이 나쁘면 요철이

발생한다 부식 방지 코팅에서는 충전제의 내약품성이

관건이다 즉 부식 환경에서 불소수지 자체는 충분히

견디어도 충전제가 내약품성이 없으면 충전제가 서서

히 에칭되어 기기가 부식될 가능성이 크다

화학 석유 및 정제 산업에서는 시험 검사 세척 및 다양

한 공정의 용기 저장 탱크 반응기와 같은 많은 구성요

소들이 사용되며 플루오르화 고분자는 고온에서 높은 열

안정성을 갖고 다양한 유기용매에 전혀 용해되지 않으므

로 부식방지 등을 위해 플루오르화 고분자와 같은 내화

학성 고분자로 코팅된다 그러나 이들 고분자는 코팅된

구성요소의 표면에 정전하 축적을 조장하기 때문에 폭발

성 환경에서는 사용할 수 없다

특히 이들 구성요소들의 금속 구조물은 용기나 탱크에

보관된 가스 증기 분진의 이동에 의해 생성된 정전하

(electrostatic charge)를 흐르게 하는 전도경로가 되나 금

속표면을 강산 강알칼리나 유기용제에 의해 침투되는 방

지하기 위한 목적으로 부식방지 테플론으로 코팅될 경우

얇은 필름의 비-전도체로 작용하므로 폭발성 환경에서

사용을 규제하고 있다

33

- 예로 유럽 표준 EN 50014 section 732에서는 정전

하로 인한 발화 위험을 피하기 위해 사용 보수 및 세

척 조건 하에 설계된 울(enclosure)이 필요하고 울의

절연저항은 1GΩ을 초과할 수 없도록 규제하고 있고

일본은 후생노동성 관할 산업안전연구소의 정전기 안

전지침의 누설 저항치는 108Ω 이하로 되어 있다

- 따라서 부식 및 폭발성 환경에서 안전하고 다양한 구

성 요소에 적용할 수 있는 정전방지 비-발화 테플론

코팅기술을 요하며 정전방지 코팅은 표면저항을 낮추

기 위해 카본블랙이나 개질 전도성 탄소 금속이나 전

도성 고분자를 테플론에 충전하여 코팅한다

폭발성 환경용 내화학약품 특성과 대전방지 비발화

코팅 조성물로는 높은 비저항을 갖는 플루오르 고분자

50-90wt 10-50wt의 전도성물질인 탄소분(carbon

powder)으로 이루어진 Solex Robotics Systems Inc

특허가 있다13)

- 폭발환경에서 사용되는 이상적인 코팅은 정전하를 피

하기 위해 낮은 비저항을 가져야 한다 완벽한 전도체

는 비저항이 영(0)이고 완벽한 절연체는 무한 비저항

34

을 갖는다 금속(구리 금 같은) 합금(망가닌 Mn-Ni-

Cu 니크롬 Ni-Cr-Fe) 반도체(카본이나 게르마늄)는

낮은 비저항을 갖고 있어 좋은 도체이다

- 수많은 고분자 기초 코팅들이 부식화학 환경에 사용

되었으나 85GΩ 이상의 비저항으로 대전방지 시험에

서 실패하였다 정전기 도체로 인증기준 아래 적합하

기 위해서는 100cm2이상의 노출 표면이 1GΩ 이하의

비저항이어야 한다 코팅에 첨가된 탄소분은 전도도를

증가시키며 10-50의 함량은 1GΩ 이하의 비저항을

만족시킨다

비전도성 표면의 표면저항을 감소시키도록 카본이나 금

속을 사용하여 대전방지를 부여하는 공정의 단점으로는

카본이나 금속의 접착력이 낮아 입자의 마모가 일어나

장기간 사용 시 대전방지 수준이 감소하는 것이다 더욱

클린룸에서 입자의 방출은 심각한 문제가 된다 대부분의

비전도성 기질은 통상 23 상대습도 50에서 표면 비

저항이 109ohmsquare 이상으로 높고 PTFE 경우는 10

12

ohmsquare이상이다14)

반도체 제조 장치에서는 웨이퍼 기판을 안착하기 위해

작업 스테이지를 사용하며 작업스테이지는 통상 금속과

35

세라믹으로 제작되나 웨이퍼기판을 작업스테이지에 올려

놓을 때 작업스테이지와 웨이퍼기판 사이에 마찰 정전기

가 발생한다 FPD(flat panel diplay 평판표시)용 디스펜

서(dispenser)에 사용되는 작업스테이지는 진공방식으로

디스플레이 기판을 흡착 고정하며 흡착 고정되었던 디스

플레이 기판이 작업스테이지에서 박리될 때 작업스테이

지에 정전기가 발생하여 디스플레이 기판에 대전된다 최

근 디스플레이 기판이 대형화됨에 따라 대전량이 증가되

고 정전기 대전문제가 더욱 심각해지고 있다 웨이퍼기판

이나 디스플레이기판에는 반도체소자 등 다수의 전자부

품들이 배치되어 있기 때문에 정전기가 발생되면 전자부

품의 신뢰성에 치명적 손상을 주고 기판에 분진이 부착

되거나 정전기의 대전으로 기판 리프트 업(lift up)시 기

판이 깨어지는 문제가 발생한다 정전기 대전을 방지하기

위해서는 작업스테이지에 이오나이저를 설치하여 중화하

기도하나 리프트 업이 불가능하거나 이온풍이 도달하기

전 방전하는 등 작업 스테이지와 기판 사이에서 발생한

정전기가 순간적으로 일으키는 박리대전 문제를 해결하

기 어려워 작업 스테이지의 정전기 방지를 위해 불소수

지로 코팅한다

- 불소수지는 다른 물질과의 흡착에너지가 작고 비점착

성이 우수하며 마찰계수가 작아 유리기판과의 상관관

36

계가 작아져 박리에 의한 정전기의 발생량이 적어지

나 불소수지는 절연성을 가지므로 테프론 코팅에서는

카본 블랙이나 전도성 고분자 등을 필러로 사용한다

대전방지가 필요한 반도체 제조장비 디스플레이 장치 및

테스트 장치 등의 작업 스테이지를 테프론 코팅함으로써

작업 스테이지의 정전기 발생을 방지하는 방법의 단점의

하나는 제작비용이 상대적으로 많이 드는 것으로 디스펜

서의 경우 디스플레이 기판이 대형화됨에 따라 작업 스

테이지의 크기가 커져 제작비용이 증가한다 또한 불소수

지의 경도가 낮아 코팅 막에 스크래치가 발생하고 이 부

분은 평탄도 유지가 어려우며 입자들이 발생하는 요인으

로 작용하며 불소수지가 절연성이므로 카본블랙이나 전

도성 고분자 등의 도전성 필러를 충전하여 대전방지에

적합한 면-저항을 갖도록 할 경우 카본블랙은 구형으로

분진이 발생하는 문제점이 있고 전도성 고분자를 사용할

경우는 내용제성이 약하고 과량의 바인더를 사용하여야

하며 박막 형성이 어렵고 불소수지의 경도를 보완하기

위해 아노다이징 처리를 하는 경우는 이후 별도의 코팅

과정을 거쳐야 하므로 제작비용과 제작시간이 증가하는

등 여러 가지 단점들이 있다 이러한 문제점들을 해결하

기 위한 방법으로는 작업 스테이지와 기판이 만나는 면

에 정전기 발생을 최소화시킴과 동시에 그 제조비용이

37

절감되고 적절한 면-저항을 조절할 수 있으며 마찰계수

가 낮고 내마모성이 향상된 작업스테이지 표면의 대전방

지 처리 방법에 관한 국내의 탑나노시스 사의 특허15)가

있다

- 탑나노시스 사의 특허 목적은 작업스테이지의 기판과

만나는 면에 정전기의 발생을 최소화시킴과 동시에

그 제조비용이 저감되고 적절히 면-저항을 조절할 수

있으며 마찰계수가 낮고 내마모성이 향상된 스테이지

표면의 대전방지 처리 방법에 관한 것으로 이 특허에

서는 금속소재의 작업 스테이지 표면을 아노다이징

처리하여 복수의 산화표면 홀들을 형성시키고 여기에

탄소나노튜브를 삽입하고 경화하며 탄소나노튜브 경

화 후에 표면을 봉공 처리한다

- 작업스테이지 표면은 106-10

9Ωsq의 면-저항을 갖는

것이 바람직하며 산화표면 홀들은 직경 30-900nm 깊

이 100-900nm가 바람직하다 아노다이징 처리를 하는

금속소재는 Al Mg Zn Ti Ta(탄탈륨) Hf(하프늄)

Nb(니오븀) 등일 수 있고 이 발명에서는 가벼우며 일

정 강도를 갖고 가공성이 우수한 Al합금을 예로 들어

설명하고 있다

38

- 알루미늄소재 작업스테이지 표면에 산화피막(Al2O3)처

리를 하는 아노다이징(anodizing 양극산화)에서 전해

액은 수산화나트륨이나 수산과 황산 등이 사용될 수

있고 수산화나트륨의 농도(20-50) 공급전압 전류

및 시간 등을 조절하여 산화표면 홀의 크기(D)와 깊

이(L)를 조절하며 D와 L에 따라 대전방지 효과나 내

구성 및 표면경도를 조절한다

- 탄소나노튜브를 산화표면 홀 내에 삽입시키는 단계는

전해 흡착 하여 이루어질 수 있고 정전도장을 통해서

도 이루어질 수 있다 탄소나노튜브는 분산제를 포함

하는 용액으로 코팅되며 분산제로는 소듐 도데실설페

이트(SDS) 트리톤X Tween20(폴리옥시에틸렌 소르

비탄모노올레이트) CTAB(cetyl trimethyl ammonium

bromide)를 예로 들고 있으며 탄소나노튜브 용액은

아크릴계 우레탄계 등 또는 전도성 고분자계 유무기

하이브리드계 바인더가 포함될 수 있다

- 봉공처리는 산화표면 홀과 산화피막을 봉공하여 내식

성 등이 향상되도록 보호 층을 형성시키는 것으로 비

등수 가압증기에 의한 수화봉공 금속염을 포함한 열

수에 의한 금속염 봉공 오일로 도포나 침적하는 유기

물 봉공 양극산화 피막 층에 도장하는 도장에 의한

39

봉공 등이 있다

반도체 소자를 제조하는 과정에는 불순물 이온을

주입하는 장비가 이용되고 있다 (주)하이닉스 반도

체의 특허에서는 이온주입 장비의 웨이퍼 지지 장

치 리프트 핀의 끝단을 라운드 처리하고 리프트 핀

에 테플론을 코팅하여 리프트 핀과 웨이퍼 후면의

접촉 시 웨이퍼 후면에 스크래치와 같은 손상이 유

발되는 것을 억제할 수 있게 한다16)

⑷ 탄소나노튜브(CNTs Carbon Nano Tubes)17)

탄소나노튜브는 탄소의 동소체로 1991년 일본 NEC 연구

소의 Ijima박사에 의해 전자 현미경을 통해 처음으로 확

인되었다 1985년에 Kroto와 Smalley가 탄소의 동소체인

풀러렌(탄소 원자 60개가 모인 것C60)을 처음으로 발

견한 이후 전기방전 시 흑연 음극 상에 형성된 탄소덩어

리를 투과전자현미경으로 분석하는 과정에서 발견하여

Nature학술지에 처음으로 발표되었다18) 탄소나노튜브에

서 탄소원자 하나는 주위의 다른 탄소원자 3개와 sp2결

합을 하여 육각형 벌집무늬를 형성하며 이 튜브의 직경

이 대략 수 나노미터(nm nanometer) 정도로 극히 작기

40

때문에 나노튜브라고 부르게 되었다 이 탄소나노튜브는

전기 세기가 클수록 더 수축하는 성질을 가지고 있는 등

튜브의 직경이 nm수준으로 극히 작아서 특유의 전기화

학적 특성을 나타낸다

Ku 등19)에 의하면 CNTs는 전기방사법(arc-discharge)

레이저증발 법(laser vaporization) 플라즈마 화학기상증

착 법(plasma enhanced chemical vapor deposition) 열

화학 기상증착 법(thermal chemical vapor deposition) 등

의 다양한 합성법이 개발되어 대량생산이 가능하다

CNTs의 종류는 벽의 수에 따라 단일 벽 탄소나노튜브

(SWNTs) 이중 벽 탄소나노튜브(DWNTs) 다중벽 탄소

나노튜브(MWNTs)가 있으며 물성에 관한 많은 연구결

과 기계적 전기적 열적으로 우수한 성능을 갖고 있음이

입증되었다

CNTs는 인장강도와 탄성률 면에서 지금까지 발견된 재

료 중 가장 강하고 질기며 다중벽 CNT는 63GPa에 이른

다 표준 단일 벽 CNT는 25GPa의 압력까지 변형 없이

지탱된다 그래핀의 대칭성과 특이한 전기적 구조 때문에

CNTs의 구조는 그것의 전기적 특성에 영향을 미쳐 금속

성이나 반도체의 특성을 나타내고 이론적으로 금속성

41

CNTs는 구리와 같은 금속의 1000배가 큰 4times109Acm

2

전류 밀도를 운반할 수 있으며 나노크기의 단면으로 전

자가 튜브의 축 방향으로만 전파되고 전자의 이동은 양

자효과를 수반하여 1차원 전도체로 간주된다

CNTs는 우수한 물성과 상대적으로 큰 표면적으로 갖고

있어 충전제(filler)로써 에폭시 폴리스틸렌 폴리우레탄

등 고분자와 혼합하여 폴리머의 기계적 전기적 특성을

향상시키려는 연구가 활발하다 CNTs가 폴리머 중에서

충전제 역할을 하기 위해서는 고른 분산이 필요하나 반

데르발스 힘에 의한 CNTs 응집현상(agglomeration)으로

인해 효과적인 분산이 어려워 오히려 폴리머의 물성을

저해하므로 이것을 개선하기 위한 다양한 기계적 화학적

분산 방법이 연구되고 있다

- CNTs를 분산시키기 위한 가장 일반적인 방법은 용매

나 폴리머에 CNTs를 투입하고 초음파처리를 하는 것

으로 초음파처리를 하면 SWNTs의 길이가 짧아지고

다발(bundle)이 얇아져 분산력이 증가한다

- CNTs 표면을 산이나 아민으로 기능화하여 분산을 높

이는 방법도 연구되고 있으며 MWNTs를 HNO3

H2O2NH4OH 용액에 침지시켜 MWNTs에폭시 복합

42

재료는 전기적 특성을 향상시키려는 연구와 산과 아

민 등의 기능기를 도입하여 SWNTs의 열전도도를 향

상시키려는 연구들이 수행되고 있다

- 기계적 분산방법인 전단혼합방법은 좁은 관이나 상대

적으로 높은 속도의 유동을 이용하여 발생한 전단력

으로 CNTs를 분산시키는 방법이다 Ku 등19)은 전단

혼합과 초음파처리를 이용하여 MWNTs로 강화된

에폭시 복합재료를 만들어 기계적 및 열적 특성을 연

구하였다

⑸ 내마모성 테프론 코팅

ㅇ 재료의 부식은 구조재에 원하지 않은 변화 원인으로 작

용하여 경제적인 문제로 귀결되는 심각한 문제이다 이들

원치 않는 변화는 때로 적절한 코팅에 의한 표면처리로

예방할 수 있다 가장 일반적이고 자주 사용되는 전착 코

팅은 아연에 기초한 아연 코팅 및 합금 코팅으로 이들

코팅은 간단한 기술로써 내부식성이 양호하여 전 표면처

리의 약 14에 해당하나 최근 낮은 마찰계수 등 다른 특

성들이 매우 중요하게 되었다 이들 특성은 다층 코팅으

로 대응할 수 있으나 두께가 증가하고 기술이 복잡하여

가능한 해결방법으로는 복합체 코팅이 있다 복합체 코팅

43

은 일반기계와 자동차 전자부품 및 컴퓨터 등 다양한 분

야에 적용된다 금속 기질에 미세한 PTFE 입자의 전착

에 의한 증착은 새로운 세대의 복합체 코팅으로써 가장

바람직한 특성은 양호한 내마모성 자기윤활 내부식성이

다 M Paderovaacute 등20)에 의하면 이들 특성은 주로 사용

한 입자(흑연 다이아몬드 MoS2 또는 PTFE)와 용액의

유형(pH 온도 bath 등) 뿐 아니라 입자의 크기 농도

분산 및 형태학에 의존한다

ㅇ 충전되지 않은 PTFE의 마모율은 736-741times10-4mm3Nm

로 내마모성이 낮아 다양한 충전제들이 첨가되고 있다

Xing-Dong Yuan 등21)은 진공 조건에서 PTFE 코팅

의 마모특성을 연구하여 초기에는 하중이 증가함에 따

라 마찰계수가 감소하나 하중이 6N 이상으로 커지면

마찰계수도 증가하며 압력이 PTFE 코팅의 마찰계수

에 미치는 영향이 거의 없고 마모는 압력이 증가하면

초기에는 감소하나 10Pa 보다 높으면 급격히 증가한

다고 보고하였다

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위해서는 윤활제로 PTFE

계 수지 접착제로는 폴리아미드이미드수지 산화철 분말

44

및 브론즈 분말 등을 혼합한 조성물을 사용하거나 미국

특허에서는 스와시플레이트 형 압축기의 플레이트 표면

에 MoS2 흑연 PTFE계 윤활제와 열경화성 수지인 폴리

아미드이미드(PAI) 조성물을 코팅하여 내마모 및 윤활성

을 부여하고 있다22) 내열성 향상을 위해서는 고체윤활

제 접착제수지 및 저융점 금속인 Sn Pb In Bi 등을 함

유하는 합금이나 화합물을 사용하여 금속의 잠열을 이용

내열성 향상을 시도하기도 한다

ㅇ 그간 철강(스테인리스강 탄소강 아연도금강판 등)의 내

부식성 향상을 위한 많은 연구들이 수행되어 왔다 4플루

오르에틸렌(C2H4) 4플루오르에탄(CF4) 6플루오르에탄

(C2F6) 3플루오르화에탄(CHF3) 8플루오르화에탄(C4F8)

같은 불소화된 단량체의 플라즈마 중합에 의한 테플론

류 코팅은 그들의 소수성으로 인해 금속의 내부식성 향

상을 위한 대안으로 주목을 받고 있다 A Delimi 등23)

은 유도결합 고주파플라즈마(inductively coupled radio

fre- quency plasma)를 사용하여 소수성 박막 불소수지

필름을 탄소강에 증착하고 3염수에서 내부식성을 평가

한 결과 1개월 동안 9nm의 필름이 유지되는 것을 관찰

하여 불소고분자 박막이 금속과 금속산화물의 보호층이

될 수 있음을 보고하였다

45

ㅇ PTFE를 이용한 세라믹코팅 기술로는 알루미늄 및 알루

미늄 합금 공작물을 양극처리에 의해서 티타늄 및또는

지르코늄 산화물을 포함하는 내식성 내열성 및 내마모

성 세라믹 코팅을 하고 이어서 양극처리된 공작물을

PTFE 또는 실리콘 함유 코팅과 같은 제 2 코팅으로 코

팅한다 이 발명은 가소성을 가지는 경질의 필름 내에서

내식성 내열성 및 내마모성을 제공하는 티타늄 및또는

지르코늄 산화물의 양극처리 층으로 기판을 예비-코팅함

으로써 알루미늄 기판에 보다 긴 수명의 코팅을 형성하

는데 특히 유용하다24)

ㅇ Nosaka 등25)은 PTFE로 대표되는 불소수지는 마모-링이

나 극저온 밸브의 실링부에 많이 사용되며 진공치환법에

의해 탄소재료에 PTFE나 MoS2 분말을 1-2wt 함침시

키면 무함침한 것에 비해 마모가 약 13로 감소한다고

보고하였다 한편 저자들은 터보펌프의 실링재료가 극저

온 환경에서 보이는 특이한 현상을 극복하기 위해 베어

링의 표면에 노출된 유리섬유를 불소산으로 처리하여 용

해 제거하고 윤활성을 높인 유리섬유강화 테프론 리테이

너를 개발하여 내구성과 윤활성을 향상시킬 수 있었다고

보고하고 있다

46

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위한 또 다른 특허로는

폴리실록산계 접착제를 단독 혹은 폴리에스테르계 접착

제와 병용하고 고체 윤활제로 MoS2(이황화몰리브덴

WS2(이황화텅스텐) h-BN(육방정 질화붕소) 팽창흑연

및 PTFE를 사용하고 충전제로 탄화규소 알루미나 산화

지르콘 산화티탄 등의 미분말을 사용하여 내마모 내열

및 윤활성을 부여하고자 하는 내마모성 및 윤활성 코팅

조성물에 관한 특허가 있다26)

ㅇ 내열성 내후성 내오염성 내약품성 내구성 등의 물성

은 유지하면서 비점착성을 높이기 위해 무기계 세라믹

코팅 조성물에 PTFE를 첨가하기도 한다 이러한 하이

브리드 코팅 조성물에 관한 특허로는 불소수지(01sim25

중량) 콜로이달 실리카나 콜로이달 알루미나 등 무

기계고분자 바인더(20sim80중량) 알콕시실란 화합물

(1sim50중량) 수용성 유기용제(1sim10중량) 충전제

또는 안료(5sim50중량) 및 물(100중량 까지 보충)로

이루어진 코팅 조성물에 관한 것으로 무기질 도료 및

무기계 세라믹 코팅에 의해 내열성 내오염성 내약품

성과 내구성을 유지하고 접착력을 높이기 위해 소량의

PTFE를 사용하는 것이 있다27)

47

ㅇ 정전 복사기에 사용되는 정착기재부의 최외층에 코팅하

여 기계적 성질 및 내마모성을 향상시키려는 목적으로

불소수지 기질 중에 분산된 불소화 다이아몬드를 함유하

는 입자로 구성된 조성물에 관한 일본 특허28)가 있다

ㅇ 부식 특성을 개선한 흑색 무크롬(chrome-free) 다층 내

부식 마무리 칠과 방법에 관한 특허29)로는 ASTM B 117

표준으로 시험할 때 백색 부식에는 최소 500시간 염수분

무시간 및 적색 부식에는 1500시간 염수분무시간에 적합

하게 설계된 마무리 칠에 관한 것이 있다 이 다층 시스

템은 광택(gloss) 4 이상을 만족하는 자동차 차체 강판

자동차 하부와 내장에 사용되기 위해 설계된 것으로 이

다층 마무리 칠은 3층 부식 방지 시스템을 형성하도록

아연-철 전기도금 기질 오르토인산을 사용한 무전해 인

산염 결정 전환 층과 XylanTeflon 실러 코팅의 조합이

다

ㅇ 전통적으로 철 강판(steel sheet)은 크롬산 염 전환 코팅

으로 개질되어 왔으나 6가 크롬이 배출되어 환경을 오염

시키는 문제점이 있어 강판의 내-부식성을 개선하기 위

해 고분자 수지 코팅들이 수행되고 있으나 이 방법은 고

48

분자 코팅 층이 열전도도를 감소시키는 단점을 가지고

있다 Kang 등30)은 강판 위의 고분자 코팅 층의 열전도

도를 향상시키기 위해 초미세-크기 다이몬드(μD)입자를

열전도 물질로 사용하였다 다양한 음이온 및 비-이온

계면활성제들을 사용하여 수용액 중에서 무거운 μD입자

의 안정화를 시험들을 한 결과 1-피렌카르복시산(PCA)

이 가장 양호하였다 그림 3-2는 이 시험 결과를 요약한

것이다

- 강판 위에 PCA로 안정화 된 μD 입자를 함유한 폴리

우레탄-기초 코팅 층은 열전도도가 0351W(mK)에서

0434 W(mK)(10 wtμD)로 향상되었으며 더욱 144

시간 동안 염수 분무 시험결과 부식거동은 관찰되지

않았다

그림 3-2 피렌카르복시산을 이용한 μD 표면처리

ㅇ 자동차공업에서는 기본적인 특성으로 내마모성이 요구되

49

는 강철 기계부품들의 마찰특성을 향상시키기 위해 다양

한 금속 및 고분자 코팅들이 광범하게 이용된다 내-마

모 코팅은 두 가지 주요 특성인 높은 표면경도와 자기-

윤활 특성이 필요하다 후자의 범주에 속하는 것이

PTFE와 MoS2 기초 코팅이다 무전해 니켈 코팅은 높은

경도로 인해 양호한 마찰 특성을 보이며 한편 열처리를

통해 경도를 향상시킬 수 있다 PTFE입자의 첨가는 코

팅경도를 감소시키나 자기-윤활특성을 부여한다 S

Rossi 등3132)은 마찰특성을 향상시키기 위해 이용되는 탄

소강에 이용되는 몇 가지 공업적인 코팅에 관한 부식거

동에 관해 평가 PTFE입자를 함유한 무전해 니켈-인

(Electroless Nickel-Phophorus)코팅은 PTFE 입자(자기-

윤활 특성)를 갖는 외층과 장벽-효과를 갖는 내층으로

인한 이중 특성으로 가장 양호한 특성을 보였다고 보고

하고 있다

ㅇ 모든 기계적 시스템은 동적 요소를 필요로 하며 마찰과

마모를 줄이기 위한 다양한 수단들이 가능하나 그 선택

은 환경이나 조작 조건에 제한을 받는다 PTFE는 자기

윤활 낮은 마찰계수 높은 열안정성과 화학약품 안정성

으로 산업분야에 널리 사용되는 엔지니어링 고분자이지

만 내마모성이 매우 부족하다 이러한 이유로 금속

-PTFE충전 복합체들이 PTFE의 마찰특성과 금속충전제

50

의 내마모성을 결합하여 특정 분야의 용도로 소개되어

왔으나 금속-고분자 물질에서의 충전제의 역할은 완전히

설명되지 않고 있다 복합체 표면의 과잉의 충전제 농도

는 미끄러지는 동안 부하를 지지하여 내마모성을 증가시

키는 것으로 생각되며 PTFE의 마모율은 Mo Zn Ni

Y2O3 및 SiO2 같은 무기 충전제에 의해 1000배가량 감소

되었다는 보고도 있다 유리섬유 구리 세라믹 탄소섬유

절단 탄소섬유 나노입자를 포함한 경질의 충전제 입자들

이 PTFE의 내마모성을 높이기 사용되어 왔다

ㅇ 비교적 두꺼운 코팅에는 열분사(thermal spray) 용사기

술이 정립되어 있고 용사 코팅은 내마모 내마찰 내프레

팅(fretting) 및 내부식을 요하는 산업에 많이 이용되고

있다

- 용사 몰리브덴(Mo)코팅은 실질적 내마모성 코팅으로

가장 광범하게 이용되며 프레임용사(flame spray)거나

와이어용사(wire spray)기술로 생산된 몰리브덴(Mo)

코팅은 흠이나 마모에 대한 고도의 저항을 얻기 위한

가장 좋은 코팅재료 중의 하나이다

- 알루미늄 청동(aluminium bronze)은 높은 내-부식성

과 내마모성을 갖는 것이 특징이다 저압 플라즈마 용

51

사 기술은 자기-아닐링(self-anealing)과 부서지기 쉽

도록 유도하는 γ-상의 형성을 피할 수 있도록 높은

냉각 속도를 얻는 데 사용되며 알루미늄 청동 저압

플라즈마 용사 코팅은 낮은 마찰과 마모를 보였고 비

교적 최근 플라즈마 용사 기술을 이용하여 알루미늄

기질에 고분자-세라믹 복합체를 코팅하는 기술이 개

발되었다33)복합체 코팅으로 행한 마찰 시험에서 낮

은 마찰계수를 얻을 수 있었다

- 낮은 마찰계수와 고 내마모성을 갖는 이성분 금속

-PTFE 코팅이 개발되었고 이들의 마찰 공학적 성능

이 보고되었다 PTFE-기초 복합체 설계에서 일반적

인 접근방법은 경질의 충전 입자들을 도입하는 것으

로 M Yamane 등34)은 PTFE-금속 이성분 코팅의 마

찰 마모성능에 관한 연구 결과 알루미늄 청동 코팅이

Mo코팅에 비해 PTFE 저장소(reservoir)에 유용했음

을 보고하였다

⑹ 충전 또는 강화 플루오르화 탄소1)

ㅇ 분말이나 강화섬유 등 전형적인 충전재들이 충전 또는

강화 플루오르화 탄소에 사용된다 충전재는 저온흐름

52

을 향상시키는 데 사용되며 수축과 균열을 줄이고 열

팽창을 낮추며 열전도율을 향상시킨다

ㅇ 분말이나 단섬유로 된 전형적인 충전제를 표 3-5에 종합

하였다 유리섬유는 가장 보편적인 PTFE 충전제로 화

학 및 전기적 특성에 최소로 영향을 미치며 기계적 특

성을 크게 향상시킨다 분말에 비해 섬유는 압축강도

강성도 및 지지용량을 더욱 향상시키나 분말은 충전

테플론의 내구성에 거의 영향을 미치지 않는다 금속분

말은 특히 열전도도를 향상시키며 고속에서 발생하는 마

찰열을 소멸하는데 도움이 되며 전기저항을 상당히 감소

시켜 금속-충전 조성물은 양호한 절연체는 아니다

ㅇ 흑연(graphite) MoS2는 초기 내구성과 마찰을 개선하고

기계적 특성을 향상시킨다 석면은 많은 유용한 특성을

갖지만 가공 처리 중 가스가 방출할 뿐 아니라 사용금지

물질이다 표 3-5 외에도 금속 망 장섬유 다공성 금속

등 다양한 충전제들이 있으며 다양한 종류의 제품들이

상업 생산되고 있어 최종 선정을 하기 전에 플라스틱 가

공업자로부터 보다 완전한 정보와 추천을 받는 것이 바

람직하다

53

표 3-5 불소수지용 충전제

ㅇ 압축강력 인장과 압축 시의 탄성률 및 항복강력은 첨가

제의 첨가에 의해 모두 증가하나 일반으로 인장강력과

신도 및 충격강도는 손실된다 통상 충전 테플론은 압축

상태에서 사용되므로 인장강력의 감소는 중요하지 않다

인장강력의 손실은 설치(연속적인 링-실링)할 때 인장되

는 재료에서 중요하다 열팽창 계수는 비-충전 테플론에

비해 감소되어 통상 금속 부품의 팽창계수와 잘 맞는다

ㅇ 마찰과 마모를 수반하는 분야에서 가장 중요한 것은 충

전제로 얻어지는 PV한계치의 증가와 마모의 감소다 비-

54

충전 테플론에 비해 PV한계치 크기는 개략적으로 1차원

적으로 증가하나 마모인자는 3차원적으로 감소한다 충전

테플론의 평균치들은 동적 마찰계수는 01-02 PV한계치

는 10000-20000 psi-fpm 마모상수는 10times10-10in3-min

lb-ft-hr이다 그림 3-3은 충전 테플론 PTFE의 마찰계

수에 미치는 충전제 종류와 농도의 효과에 관한 것이다

그림 3-3 테플론 PTFE에 미치는 충전제 종류와 농도1)

ㅇ 내마모성을 향상시키는 충전제는 실제로 연마저항성을

감소시키는 것으로 날카로운 입자는 보다 쉽게 침투하고

충전제 입자와 수지 사이의 경계를 따라 충전 플라스틱

을 찢는다 따라서 라이닝 슈트 같은 분야의 적용 시는

55

비-충전테플론이 보다 바람직하다

⑺ 시트 테이프 및 박층(laminates)

ㅇ 대부분의 플루오르화탄소는 충전 여부에 관계없이 두

께 1mil(0001 in)까지 시트나 테이프로 만들 수 있고

시트나 테이프를 찍어서 원하는 형상의 립-씰(lip seal)

펌프 컵(pump cup) 피스톤 링(piston rings) 가스켓

(gaskets) 등을 만들 수 있다

ㅇ 유체의 누설을 정지시키는 밀봉기능 부품 중 각종기기의

접합부나 배관 플랜지 등의 밀봉에 사용되는 가스켓

(gaskets)은 석면이 널리 사용되어 왔으나 유해물질 배

출 및 이동량 보고제도(PRTR Pollutant Release and

Transfer Register)에서 발암성을 가진 제1종 지정 화학

물질로 지정되어 사용이 금지되어 PTFE가 가스켓으로

개발되었다 PTFE는 용융 알칼리 금속 및 그 용액과 불

소 및 3불화염소에 의해 약간 침식되나 모든 화학약품에

안정하고 우수한 내부식 재료로 C-F결합력이 크고 F원

자가 C-C결합의 주위를 간격 없이 들러 싸고 있기 때문

에 다른 물질의 공격을 방어하고 있고 내열성은 260로

높다35)

56

- PTFE 필러를 사용한 PTFE 나선 권형 가스켓은 석

면에 대한 사용규제와 상관없이 사용되어 왔으며 유

연한 필러를 사용하므로 석면 가스켓 보다 낮은 체결

압력에서도 실 특성이 우수하고 내식 면에서도 광범

하고 다양한 유체에 사용이 가능하다 다만 단열성 면

에서는 석면 나선 권형 가스켓 보다 사용온도 범위가

제한된다

ㅇ 산업 기계나 자동차의 브레이크 제동장치에 부착하여 마

찰력을 부가하는 브레이크 라이닝에서는 마찰계수와 내

마모력 및 충격계수 등 마찰특성이 우수한 석면을 주로

사용하여 왔으나 제동 시 발생하는 미세 석면분진으로

인해 대기오염에 의한 환경을 파괴 뿐 아니라 인체에 흡

입될 경우 암을 유발하여 PRTR로 사용이 금지되었다

석면을 대체할 유기질 또는 무기질 된 다양한 비석면 마

찰 섬유 등이 사용되고 있으며 마찰 섬유에 테프론을 코

팅하여 브레이크라이닝의 수명향상 제동 시 발생하는 소

음 떨림 및 제동력 향상을 위한 제품개발이 시도되고

있다

- 예로 국내 특허36)에서는 브레이크 라이닝(또는 패드)

의 마찰재 배합재료 중 유기섬유(Kevlar섬유 pulp섬

57

유 등)에 테프론을 코팅하고 코팅된 유기섬유에 결합

재 충전재 윤활재 마찰안정재 마찰조정재 등을 소정

의 배합비로 배합하여 성형하고 열처리하여 브레이크

패드 또는 라이닝을 제조한다

ㅇ 초소형 정밀기계(MEMS Micro-Electromechanical

System)분야에서는 점착방지를 위해 불화 유기박막을

사용한다 Park 등37)은 단층 두께의 불화 유기박막의

특성을 접촉각 측정을 통해 분석하였다

⑻ DLC 코팅3839)

ㅇ DLC(diamond-like carbon)는 몇 가지 다이아몬드의 전

형적인 특성을 나타내는 비정질 탄소물질로 극도의 내마

모 특성을 필요로 하는 재료의 코팅에 이용되고 있다

DLC코팅은 연마 마모를 감소시키기 위한 재료에 유용하

여 엔드밀 드릴비트 금형 같은 공구는 물론 자동차 기

계부품 및 전자산업 등 산업전반에 걸쳐 적용된다40)

ㅇ 환경오염 문제로 인해 PRTR(Pollutant Release and

Transfer Register 유해물질 배출 및 이동량 보고 제

도) 이 시행되어 습동 부품이나 절삭 시에 사용되는 오

일이나 그리스에 포함되는 첨가제(MoS2 Zn 등)와 이들

58

부품을 세정할 때 사용되는 용매 기계부품의 수명을 연

장시키기 위해 활용되었던 Cr도금 폐액에서 발생하는 6

가 크롬 등의 오염물질들에 대한 규제가 더욱 강화되어

DLC에 의한 무윤활 습동과 무윤활 절삭을 지향한 공구

와 기계 부품의 개발이 관심을 끌고 있다4142)

- 일본 내에서는 PRTR이 시행되고 이것에 저촉되는 재

료에 관해서는 MSDS(Material Safety Data Sheet)를

첨부해야할 의무가 있고 부품가공 습동 용도에서는

대상 리스트에 올라 있는 오일 오일 중의 중금속 도

금폐액을 어떻게 경제성 있는 환경 친화적 공정과 재

료로 전환할 것인가를 고려하면서 무윤활 습동 무윤

활 절삭 탈크롬 도금의 3가지 키워드가 대두되고

DLC코팅이 대안으로 모색되고 있다

- DLC코팅 적용기술과 과제에 관한 자료로는 자동차

관련부품 적용사례 엔진부위 마찰 작동 밸브계의 마

찰저감 DLC와 윤활제에 의한 마찰저감 기술을 중심

으로 살펴본 보고가 있다43)

ㅇ DLC는 7가지 형태가 존재하며 모두 상당한 양의 sp3혼

성궤도 탄소원자를 함유한다 다양한 형태의 DLC가 진

공 환경으로 적합한 재료들에 적용가능하며 유럽에서의

59

2006년 위탁 DLC코팅 시장은 3천만euro로 추정되었고 국

내도 활발한 상용화가 시도되고 있다

ㅇ 사반면상(tetahedral) 비정질 탄소 ta-C를 2두께로 코

팅하면 연마마모에 대한 스테인레스 강(304 type)의 내구

성을 증가시켜 수명을 1주일에서 85년으로 늘이며 이러

한 DLC의 형태는 sp3결합 탄소 원자로만 이루어지기 때

문에 순수한 DLC로 간주되며 수소 sp2흑연 탄소 금속

같은 충전제가 생산경비를 낮추거나 원하는 특성을 부여

하기 위하여 사용되고 있다

ㅇ DLC를 만드는 방법에는 sp3탄소 보다 낮은 밀도의 sp

2

에 의존하는 몇 가지 방법들이 있으며 압력 충격 촉매

또는 이들의 조합으로 sp2결합탄소 원자들을 sp3결합탄소

로 근접시킨다 최근 초고압 하에서 탄소의 경량 특성을

갖는 초경도 무정형 다이아몬드가 만들어졌다 탄소로 만

들어지는 다이아몬드 그래파이트는 결정구조를 가지나

DLC는 비정질이라는 점에서 크게 다르고 200 정도의

저온에서 형성시킬 수 있다는 점이 통상의 PVD막에 비

해 훨씬 우위에 있다

ㅇ DLC코팅은 제조공정이 복잡하고 생산 단가가 비싸 적용

이 어려우며 적용되는 소재가 제한되는 단점을 갖는다

60

주요제법으로는 고주파 플라즈마 법 이온화 증착법 스

페터링법 등을 들수 있다 고주파 플라즈마 법은 메탄가

스가 원료로 사용되고 막 중의 수소가 약 30(원자)로

평활성이 우수하고 마찰계수가 작으나 경도가 낮다 이

온화 증착법은 벤젠을 사용하며 막은 단단하나 면의 조

도가 거칠고 후막화 하기 위해 스패터링 방법이 검토되

고 있다

⑼ 불소수지의 안전성

ㅇ 테플론 PTFE의 열분해는 200(392)에서 감지되며 이

것은 몇 가지 플루오르화 탄소 기체들과 승화물질을 방

출한다4445)1955년 동물실험에 관한 한 연구에서는 이들

물질이 250(482) 이하에서는 의미 있는 양이 아니라

고 결론지었으나 최근 비-점착 주방기구인 프라이팬이

나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가열할 때 조류를

죽일 수 있는 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수

도 있다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있다45)

ㅇ 표 3-6은 EWG가 보고한 3-5분 내에 370까지 불소수

지를 가열할 때 발생되는 15종의 불소화합물에 관한 것

이다 테플론과 같은 코팅물질들이 장기적으로 인체에 미

61

치는 영향에 관한 연구는 이루어지지 않고 있으나 독감

과 유사한 질병을 유발할 수 있으며 이를 중합체 증기열

(polymer fume fever)이라 한다

표 3-6 15종의 유해물질 및 유독성 기체44)

ㅇ 최근 표 3-6의 화합물들 중 특히 TFA와 과불화된

(perfluorinated) PFOA(perfluorooctanoic acid)에 관심이

증가되고 있다 PFOA는 새로운 환경오염물질로 미국 환

경보호청(EPA)에 의하면 보통 때는 문제가 없으나 조리

과정에서 프라이팬에 열을 가하고 강하게 긁을 경우 용

62

출되어 나오며 이것이 음식물과 함께 인체에 흡수되는

것으로 추정하였다 한편 DuPont의 테플론 PTFE 연구

결과에 의하면 검출한계인 9ppb 이상 검출되지 않으며

테플론 주방기구에서는 PFOA가 존재하지 않는다고 발

표하고 있다

- 물이나 공기를 통해 환경에 노출된 PFOA는 고 콜레

스테롤 궤양성 대장염 갑상선 질환 고환암 신장암

및 임신성 고혈압과 관련된다고 보고되었다

- PFOA는 불소수지 생산과정에서 사용되는 첨가물로써

암모늄 형태로 PTFE 유화중합에 계면활성제로 사용

되며 불소수지의 품질과 균일성을 유지하기 위해 필

수적인 첨가물이기 때문에 전 세계 모든 불소수지 제

조업체가 사용 중에 있다 한편 국내 주력 산업인 반

도체 생산 과정에서도 PFOA를 대량으로 사용하고 있

어 체계적인 실태조사와 대책수립이 필요하다는 의견

들이 대두되고 있다

⑽ 불소화합물의 안전성과 환경대책

ㅇ 표 3-6에서 살펴본 바와 같이 테플론을 급격히 고온으로

가열하면 2종의 발암물질을 포함한 유독성 가스가 발생

63

하고 특히 불소화합물 중 MFA(monofluoroacetic acid)는

적은 양으로도 치명적 해를 끼치고 PEIF(perfluoro-

isobutene)는 신경가스제로 여러 가지 질환을 발생시킨다

한다44)

따라서 테플론으로 코팅된 장치를 재 코팅하기

위해 테프론을 고온으로 급격히 가열하거나 소각 등을

통해 제거할 때는 발생 가능성이 있는 유독가스를 제거

하기 위한 별도의 설비를 이용하여야 하고 유 등44)의 보

고서에서와 같이 중조(NaHCO3)를 포화시킨 충분한 물로

유독 산성 물질을 중화시키는 것도 고려할 만하다 한편

부식대전 방지 코팅도 테플론 코팅 일변도에서 세라믹

코팅 CNTs이나 DLC 코팅기술로 대응하는 것을 추천하

고 싶으며 이것은 유해물질 배출 및 이동량 보고제도

(PRTR Pollutant Release and Transfer Register)에 대

비하는 등 기업의 장래를 고려하는 것도 될 것이다

ㅇ PTFE를 사용한 취사도구는 1960년대 이래 사용되어 오

고 있으나 최근 들어 이것의 안전성이 논쟁의 주제가 되

고 있으며 논의 주체는 PFOA(perfluorooctanoic acid)이

다 PFOA는 PTFE를 비롯한 많은 불소수지의 생산에

사용되며 DuPont의 테플론 PTFE 연구 결과에 의하면

프라이팬을 260 이상 고온에서 가열하거나 코팅이 벗

겨져도 PFOA가 존재하지 않는다고 한다 그러나 물이나

64

공기 토양 식품포장재 등 여러 곳에서 PFOA 오염사실

이 보고되고 있다 한다44)

- 미국 EPA는 인체와 환경에 대한 PFOA 연구를 계속

하고 있으며 2015년까지 PFOA 및 이와 관련된 화합

물 방출을 배제할 프로그램을 갖고 있으나 PTFE-기

초 비점착 취사기구를 중지시킬 타당성을 갖고 있지

는 않다 최종제품은 PFOA가 아닌 PTFE이기 때문이

다

- 수십 년 동안 불소수지 비점착 코팅이 시장을 지배하

였으나 최근 몇 가지 신기술들이 출현되고 있으며 이

들 대부분은 실리콘 세라믹과 실리콘 기술로 이들 코

팅은 PTFE와 PFOA를 함유하지 않는다

- 오늘날 출시된 비점착 취사용구는 수많은 상표로 팔

리고 있으며 DuPont에 의하면 대부분의 취사용구 코

팅은 정상적으로 사용할 때 3-5년 견딜 수 있을 것으

로 예측한다 너무 문질러서는 안 되고 따뜻한 비눗

물로 씻어주는 것이 좋으며 닳거나 흠이 생기지 않도

록 나무 플라스틱이나 코팅된 재료로 만든 도구를 선

택하고 보관도 흠이 생기지 않을 장소나 캐비닛을 권

장하고 있다

65

ㅇ 국내의 불소수지 안전성에 관한 것으로는 재질규격(납과

카드뮴)과 용출규격(납 과망간산칼륨소비량 증발잔류물)

이 식품용 기구 및 용기 포장 공전46)에 기재되어 있으며

최근 국내에서도 PFOA를 비롯한 유해 불소화합물에 관

한 관심이 커져 가고 있다

ㅇ PFOA 문제가 표면화 되면서 환경 보전형 불소계 발수

유제의 개발과 공업화도 새로이 부각되고 있다 이에 관

한 보고서를 모니터링한 KISTI자료47)를 중심으로 간단히

요약하면 발수제의 주요성분 퍼플루오로알킬기(Rf기)함

유 폴리머의 기능은 Rf기의 고리길이에 크게 의존하므로

PFOA문제 해법으로 탄소수 8 이상인 종래의 불소화학

에서 탈피 짧은 고리 Rf기(탄소수 6)를 가진 새로운 단

량체를 선택하여 발수제를 제조함으로써 환경 보전형 불

소계 발수유제를 개발하고 공업화하였다 한다

66

제 4 장

지원결과

1 지원결과 종합

테프론 코팅 기술의 문제점과 부식대전방지용 테플

론 코팅에 관한 정보 외에 신청기업의 요청에 따

라 C-나노튜브 코팅 및 DLC증착에 관련된 기술 정

보도 제공하였다

테플론은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat resistant)

비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coefficient of

friction) 내약품성(chemical resistance)과 특이한 전기적

특성(unique electrical properties) 및 온내구력(cryogenic

stability)으로 그 응용범위가 광범하며 용도에 따른 엄격

한 품질관리가 요구될 것으로 생각되어 중소기업에 적합

한 기초능력 배양과 신제품을 구상하기 위한 최신기술에

관한 정보를 제공하고자 하였다

67

불소수지의 코팅은 두께와 첨가제가 관건으로 이에 관한

자료를 제공하고자 하였으며 불소수지의 전기특성 폭발

성 환경과 반도체 제조공정에서의 대전 방지 처리를 위

한 정전기 관리 지표 등을 특허를 중심으로 조사하여 제

공하고자 하였다

C-나노튜브를 이용한 대전방지 코팅 기술 및 C-나노튜

브의 제법 등 이것에 관한 기초정보를 제공하고자 하였

으며 내마모성 테플론 코팅에 관해서는 테플론을 이용한

세라믹 코팅 기술에 관한 정보도 제공하고자 하였다

테플론의 기계적 전기적 특성을 강화하기 위해 사용되는

충전제를 종합하고 기초이론을 정립함으로써 금후 원부

자재의 선정에 도움을 주었다

테플론은 석면 대체재로도 주목받고 있어 이에 관한 특

허 정보들을 제공하였으며 다이아몬드의 전형적인 특성

을 나타내는 DLC의 코팅관련 기술 정보를 환경오염 문

제와 연관하여 자료를 제공하였고 최근 비-점착 주방기

구인 프라이팬이나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가

열할 때 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수도 있

다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있어 이에

관한 정보도 제공하였다

68

2 지원의 한계

중소기업이 당면한 문제는 전문기술의 확보다 관련 기술

이 비약적으로 발전하는 추세에 비추어 한정된 인원으로

신기술을 소화하고 개발하기는 어려울 것이므로 출연연

구기관이나 대학과 공동연구를 모색할 수 있으나 이것도

중소기업으로서는 경제적 부담이 될 수밖에 없을 것으로

생각된다 가능하다면 앞으로도 KISTI의 정보지원이 계

속되기를 바라고 있었다

3 기대효과

부식대전 방지 테플론 코팅에 관한 기본 기술이 배양되

어 합리적인 원부 원료의 수입검사 공정관리 및 제품관

리를 통해 원가절감은 물론 신제품 신기술에 관한 정보

수집 및 분석능력이 배양되고 개발력이 확충되어 기업

경쟁력 향상에 도움이 될 것이다

69

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저자소개

김학주(金鶴柱) 서울대학교 문리과대학 화학과 졸업 이학사

전북대학교 대학원 화학과 이학박사

(주)삼양사 의약연구소장 신성대학교 교수

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 폴리에스테르 섬유의 연중직방기술 외 다수

저서 기기분석 공업물리화학 일반화학

성용길(成墉吉)

동국대학교 이과대학 화학과 졸업 이학사 이학석사

부산대학교 대학원 화학과 이학박사(Dr Sci)

University of Utah USA Ph D(공학박사) Post Dr

유타대학교 연구교수 부산대학교 교수 동국대학교 교수

동국대학교 명예교수 한국원자력문화진흥원 이사

과학문화연구원전문연구위원 한국도량형과학문화연구원 원장

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 의료용 기능성 고분자재료에 관한 연구 외 330편

저서 고분자 물성론 (서울대학교 출판부 공저) 외 10권

17

- 자료제공

① WO 2006047500(Henkelkommanditgesellschaft auf

Aktien Article of Manufacture and Process for

Anodically Coating an Aluminum Substrate with

Ceramic Oxides Prior to Organic or Inorganic

Coating)

② 이치옹 분석자료 ldquo나선형 개스킷의 비석면화rdquo

Takashi Miyoshi 배관기술(일) Vol 46(10) 2004

pp43-47

③ 유호천 ldquoDLC 코팅 표면처리rdquo KISTI 중소기업 정

보지원 2011 10 11

④ 유호천 ldquoPVD DLC TRD 코팅설비를 활용한 복

합충 개발및 제품적용rdquo KISTI 중소기업 정보지원

2010 10 21

⑤ 국립환경과학원 ldquo화학물질 배출량 조사 OECD와 협

력강화rdquo 보도자료 (2010 11 18)

⑥ ldquo새로운 코팅기술과 공구에 대한 적용rdquo 월간기계기술

기자 2005년 3월호

⑦ Teflon off-gas studies Environmental Working

Group Ewg Org Retrieved on 2013-01-01

⑧식품의약품안전청 ldquo식품용 기구 및 용기 포장 공전rdquo

18

2012

⑨ 廣野高生 ldquo環境保全型フッ素系 撥水撥油剤の 開發

と 工業化rdquo ファインケミカル(日本) 37(11) 2008

pp39-44 이치옹 모니터링분석 KISTI

5 5차 지원

일시 및 장소 2013년 8월 21일(수요일) 1000-1400시 신청

업체 2층 회의실

참석자 성용선(연구소장) 이채영 차장 및 연구원

김학주(전문연구위원) 성용길(전문연구위원)

김종헌(KISTI 연구책임자)

주제 및 토의사항

1 불소화합물의 안전성과 환경대책 정보지원 결과 종합

등 최종보고서(안) 내용에 관한 의견교환

2 지원의 한계와 기대효과에 관한 의견 교환

3 건의 사항 등

19

세부 지원 내용

⑴플루오르화탄소 플라스틱의 특성

Teflon TFE(폴리테트라플루오로에틸렌)은 1940년대부

터 사용되어 왔으며 Teflon FEP(플루오르화에틸렌프

로필렌 공중합체)는 1958년에 소개되었고 압출 및 사

출성형이 용이하며 TFE 유형은 딱딱하고 낮은 마찰계

수를 가지며 마모에 강하고 보다 높은 온도에서 사용

가능하다 이 외에도 플루오르화탄소 플라스틱에는 폴

리염화플루오르화에틸렌(CFE 또는 CTFE)와 폴리비닐

리덴플루오라이드(PVF) 등이 있다 플루오르화탄소 플

라스틱은 그 코팅방법에 따라서도 응용범위가 광범위

하게 발전되어 왔으며 그 용도는 주방용기로부터 기

계 자동차 반도체는 물론 우주항공 산업 부품에 이르

기까지 무한하며 상업 생산되고 있는 플루오르화탄소

플라스틱은 표 3-11)과 같다

PTFE는 열가소성 플라스틱으로 상온에서 밀도 약 2200

인 백색고체로 융점은 327이며 마찰 및 마모 특

성을 나타내는 마찰계수는 고체재료 중 BAM(alumi-

20

nium magnesium boride 마찰계수 002)과 DLC

(diamond-like carbon 마찰계수005)에 이어 3번째로

낮은 005-010로 반데르발스 힘에 대한 저항력으로 도

마뱀이 붙을 수 없는 유일한 표면으로 알려져 있다2)

표 3-1 플루오르화탄소 플라스틱의 유형1)

21

Teflon의 유용한 기계적 특성은 -450sim500(-267sim

260)에서 유지되며 여러 가지 특성들은 가공기술을

바꾸어 변경시킬 수 있다 마찰 및 마모 특성을 나타

내는 마찰계수들은 시험조건에 따라 다르며 Teflon은

증기압이 극히 낮아 진공에서도 우수한 안정성을 가

지며 방사선 안정도는 부족하나 방사선 내용성은 극

히 높다

테프론의 특징은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat-

resistant) 비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coeffi-

cient of friction) 내약품성(chemical resistance) 특이한

전기적특성(unique electrical properties) 저온내구력

(cryogenic stability)으로 대표된다3)

- 테프론 코팅된 표면에는 거의 모든 물질이 달라붙지

않으며 내열성(heat-resistant)이 우수하여 -260sim+26

0까지 사용할 수 있고 단시간 사용의 경우에는 30

0까지 견디며 Teflon FEP는 232에서 연속사용이

가능하다 비유성(non-wetting)이 우수하여 표면에 물

이나 기름이 잘 묻지 않아 표면이 오염되지 않아 쉽

게 청소가 가능하고 기계설비의 보수시간이 단축되어

생산성을 향상시킬 수 있다 테프론은 비-절연성은 물

22

론 비-유전정접과 우수한 표면 저항률을 보인다

⑵ 플루오르화탄소 수지 코팅

얇고 강인한 플루오르화탄소 수지 필름을 금속 등에

소결이나 수지-접착에 의해 바르면 기질에 침착된 필

름은 저온흐름으로 고체 플루오르화탄소 수지보다 낮

은 마찰계수를 띠고 금속은 양호한 열전도도를 갖고

열을 분산할 수 있어 고속으로 운전할 수 있고 양호한

내구성을 갖게 된다

1950년대 미국 해군연구소에서 소결 Teflon TFE필름을

수성 분산액(현탁질)으로부터 무기 탄약통 비행기부

품 잠수함부품의 건조-필름 윤활제 및 보호 코팅용으

로 개발한 후 이것들은 기어 정첩(hinges) 샤프트 베

어링 밸브 플러그 콕 피스톤 링이나 그 외의 산업분

야에 응용되고 있다

- 실제로 적절한 테플론 현탁질을 고체 표면에 침적한

후 수분 증발이 너무 빠르지 않게 공기에서 필름이

건조되게 한 후 테플론 입자들이 연화 및 소결되도록

건조된 표면을 약 385(725)로 가열하고 냉각하면

23

얇은 연속 필름이 표면에 남지만 필름 중의 많은 작

은 세공들은 테플론의 높은 용융점도 때문에 제거할

수 없다 세공들은 윤활 작용에는 제한을 받지 않으나

녹슬거나 부식의 공격점이 되어 부식방지를 위해서는

1회 이상의 박막 추가 코팅이 반복되고 보통 2회 코

팅으로 충분하나 각 침적 테플론 층은 두께가 00003

인치(762)를 초과하지 않아야 하며 그렇지 않으면

말린 진흙 같이 균열이 발생한다 필름이 윤활제로 사

용될 때는 필름두께가 00006-00007인치(152-178)

를 초과하지 않아야 한다1)

- 테플론코팅은 통상으로 존재하는 표면 산화물이 제거

되지 않은 깨끗하고 탈지된 강철 황동 및 알루미늄금

속표면일 때 가장 잘 접착한다 만일 산세척에 의해

과잉 두께의 산화물이 제거되었다면 필수적으로 얇은

산화층이 형성될 때까지 공기 중에서 가열한다 접착

은 실표면적이 증가하면 증가하므로 경면가공(mirror

finish)보다 모래분사가공이나 무광택가공이 양호하다

- 테플론 코팅된 표면의 마찰계수는 금속기질 표면을

거칠게 함으로써 낮출 수 있으나 미끄럼마찰 조건 아

래 내구성은 금속의 거칠기가 32마이크로인치(rms)를

초과하면 감소한다

24

철강 기질의 인산처리는 소결 Teflon TFE필름의 마모

수명을 향상시킨다고 보고되었으며 양극처리 된 코팅

의 경도 및 내마모성과 불소수지의 윤활성을 결합하기

위해 다공성 경화 양극처리 알루미늄 위에 불소수지를

침윤하여 왔다 Teflon S 마감재는 Du Pont이 도입한

최초의 수성-기초 분산 TFE FEP로 이들은 ldquo계층화

된rdquo 마감재이다 Francis J Clauss1)는 다양한 용도에

서의 Du Pont사 제품들의 선정 가이드를 표로 종합하

였으며 이것을 요약하면 표 3-2와 같다

- 테플론 코팅은 프라이머 단층 프라이머 코팅 후 에나

멜이나 클리어 마감 또는 프라이머 에나멜과 클리어

마감 등 3-코팅 시스템으로 구성된다 프라이머들은

금속이나 세라믹 기질에 접착을 향상시키기 위해 개

질제를 함유한다 프라이머들은 가끔 1회 코팅 마감재

로 사용되나 음식물과 접촉하는 용도로는 반드시 에

나멜이나 클리어 마감재로 마무리 칠을 하여야 한다

프라이머는 층간 접착력이 부족하기 때문에 다중 코

팅에 적용될 수 없고 만일 06mil 이상의 코팅이 필요

하면 프라이머는 에나멜이나 클리어 마감재로 마무리

칠을 하여야 한다

25

표 3-2 테플론 코팅 두께1)

최종

용도대표적 용도

전체두

께(mils)

프라이머에나멜클리어

가공(mils)

비점착

산업

직물 슬래셔 통

열 봉합 봉 고무경화 롤러

우레탄과 에폭시 경화 주형

제빙기

목재 고무 주석도금 아연

10-25

07

20-50

08-13

07

03 07-22 07-10

07 마무리칠 불가

03 07-37 10min

03 05-10 05-10

07 마무리칠 불가

식품

프라이팬 내열접시

반죽롤러

캔디 장치

08-12

10-30

20-30

03 05-09

03 07-27

03 07-17 10

One-coat

system

금지

드라이

윤활

플러그 밸브

유리병 제조 전달 장치

베어링

03-07

15-25

05-07

03-07

03 03-05 03-05

02

전기

전자

저항기 코팅

아이들 롤러(제지 섬유 공업)

세라믹 절연체

40-50

10-15

20-25

03 37-47

03 07-12

03 17-22

부식

방지용기 라이닝 gt50 03 47 또는 5-10 이상

Non-

wetting콘덴서 튜브 02-04 02-04

- 유색 프라이머는 통상 안료가 필름의 범위와 두께를

시각적으로 체크할 수 있게 하므로 그렇지 않은 것에

비해 더 선호된다 에나멜과 클리어 마감재는 충분한

접착을 위해 프라이머 위에 발라야 한다 ldquo진흙 갈라

짐 현상(mud-cracking)은 코팅 당 최대 두께를

10mil로 한정하나 다중 코팅에 의해 극단적이 조건

하에 전체 두께를 10mils까지 바를 수 있으며 각각의

26

코팅은 분리하여 구워진다

불소화 고분자들은 낮은 표면장력 물과 기름에 젖지 않

고 비점착성이며 방오 특성(antifouling properties) 등을

갖기 때문에 다양한 특수 코팅에 적용되나 합성과 조성

이 몇몇 제조업자들에 독점되어 있고 값비싼 중간체를

필요로 한다 VC Malshe 등4)은 플루오르 함량이

4-10인 불소화된 아크릴 공중합체를 간단한 방법으로

합성하고 클리어 코팅하여 광학적 기계적 및 보호 특성

을 연구하였다

최근 에너지 절감과 CO2규제와 같은 환경규제에 대한 대

응 필요성이 증가하면서 발전소나 각종 보일러 시스템에

서 배가스로 배출되는 응축잠열 에너지의 회수 및 활용

에 관심이 증가되고 있다 Lee 등5)은 스테인레스 관 표

면에 400정도의 두께로 테플론을 코팅한 전열관에서

관의 열 및 응축 열전달 특성을 연구하여 테플론 코팅관

의 총괄 열전달 계수는 스테인레스 관보다 약 20 작은

것으로 나타나고 응축열전달 계수는 유사하였음을 보고

하였다

알루미늄 용광로의 비-여과 배출가스에 장기간 사용하기

적합한 역류 열교환기에 관한 것으로 원통형 쉘의 표면

27

은 알루미늄 용광로 배출가스 입자 및또는 먼지 및 부

식 흄과 접촉될 수 있어 테프론 계로 코팅 처리하는 특

허6)가 있다 이 특허에서는 원통형 쉘을 만들도록 복재

(web member 웨브재)와 함께 연결된 유체 운반튜브로

이루어진다 각 원통형 쉘에 위치한 헤더는 열교환기의

튜브에서 튜브로 유체를 공급하며 뜨거운 난류가스에 작

용하여 스케일링을 최소화하기 위해 헤더의 보호덮개를

설치한다

저온에서 고온에 이르는 환경에서 유체에 사용되는 배관

튜브는 열에 의한 경시적 열화가 진행되어 균열 발생이

쉽다 가동부에 사용되는 배관 튜브는 움직임이 수반되어

그 경향이 현저하며 반도체 제조장치에 일반으로 사용되

는 실리콘튜브는 저온에서 열화되어 파손되기 쉽다 이러

한 문제점을 해결하기 위해 실리콘 튜브 외측 표면을 테

플론으로 코팅하여 균열발생을 억제함으로써 장시간 사

용 가능하도록 고안한 특허7)가 있다

섬유상 부직포로 제작하는 다공성 여과필터는 다양한 산

업공정의 배출가스를 정화시키는 데 사용되며 특히 중고

온 환경에서 사용이 가능한 다양한 종류의 기능성 필터

의 개발이 요망된다 일반으로 소각장 및 발전소 등의 중

고온 조건에서 사용되는 Nomex를 비롯한 섬유상 필터는

28

200 이상에서는 열변형으로 사용이 제한적이고 세라믹

필터와 같이 고온에서 적용이 가능한 소재는 매우 고가

일 뿐 아니라 초기 작업으로 인해 에너지 사용량이 매우

높아지는 문제점이 있다 Kim 등8)은 250-300 영역의

중고온의 배출가스를 처리하기 위한 필터에 표면 소수성

과 고온 안정성을 부여하기 위하여 표 3-3과 같은 조성

으로 그림 3-1과 같은 장치를 이용하여 테플론 수지를

거품 형태의 코팅액으로 조제하여 유리섬유 원단에 공급

하여 표면코팅하고 열처리 및 압착과정을 거친 후 표면

분석하였다

표 3-3 테플론 코팅을 위한 화학첨가제8)

테플론 코팅이 전기 집진장치에 활용되는 특허도 있다

종전 사이클론 방식의 전기집진기에서는 집진부의 먼지

를 떨어뜨리는 것이 용이하지 않았다 발명자들은 먼지

압축 기능을 갖는 집진실 내측에 테플론 가공을 하여 정

전기에 의한 미세먼지의 부착을 억제함으로써 집진실의

먼지를 원 터치로 처리할 수 있도록 하였다9)

29

그림 3-1 테플론 거품코팅8)

일반으로 테프론을 조리용기에 코팅하는 방법은 금속소

재를 사용 제품형태로 제작한 후 세척하고 에이징(소둔)

처리한 후 샌딩하여 표면조도를 유지하도록 하고 표면에

프리머 처리하여 베이킹 처리한 후 분사방법으로 테프론

코팅을 하고 다시 베이킹 처리하므로 공정이 복잡하고

제조원가가 상승하며 부착력에 한계가 있다한다 (주) 엘

지아이 특허10)에서는 피처리물을 세척한 후 산질화처리

하여 표면에 열처리 층이 형성되게 한 후 테프론을 코팅

하고 베이킹 처리하는 것을 특징으로 한다 그 외에 내열

세라믹 주방용기의 불소수지 코팅방법에 관한 특허가 있

다11)

(주) 봉성비에스는 차량의 주행 충격을 흡수하는 완충기

30

내부에 삽입하는 피스톤 외주면의 마찰과 소음을 최소화

하기 위한 목적으로 테프론 코팅을 하기 위한 코팅장치

를 등록하였다12)

⑶ 대전 방지 플루오르화탄소 수지 코팅

ㅇ 본래 불소수지 자체는 높은 절연성과 큰 대전성을 갖고

있기 때문에 도전 효과를 얻기 위해서는 분상 필러를 다

량으로 충전할 필요가 있으나 이렇게 하면 비점착성이

떨어진다 여러 회사들의 제품 안내서들을 종합한 불소수

지의 전기적 특성은 표 3-4와 같다

표 3-4 불소수지의 전기 특성

특성측정법

(ASTM)단위

PTFE

(비충전)

PTFE

(25

유리충전)

PTFE

(25

탄소충전)

표면 내아크성 D495 sec 75-110

체적저항

(비저항)D257

ohm-

cmgt1018 gt1016 104

표면저항 D257ohm

sq-1 gt10

14

유전율(유전상

수) at 1MHzD150-81 e 25 24

절연내력 short

time 18thickD149

kv

mm285

유전정접(유전

정합) at 1MHzD150-81 lt00002 005

31

ㅇ 불소수지는 내열성 내한성이 높고 내약품성 내연소성

난연성이 우수하고 절연성 및 비점착성과 저 마찰계수를

갖고 있으나 절연성이 높아 정전재해의 원인이 될 수 있

어 재해 방지를 위해 대전 방지 또는 저저항을 특징으로

하는 불소수지 가공품이 개발되어 사용범위가 넓어지고

있다

불소수지에 충전하여 저저항으로 하는 필러에는 일반적

으로 도전성이 높은 카본 금속 또는 산화알루미늄 등의

금속산화물이 사용된다 재료의 형상으로는 미분 탄소

스테인레스 스틸 니켈 금속분과 같은 입상물 단섬유 탄

소섬유 위스커(whisker) 등이 사용된다

- 미분은 비표면적이 크기 때문에 소량의 충전으로 저

항치를 내릴 수 있으나 약품의 침투가 있는 경우 비

표면적이 크기 때문에 약품의 영향을 받기 쉬워 내부

식성 떨어질 가능성이 크다

- 입자상물질들은 미분에 비해 비표면적이 작기 때문에

약품의 영향을 비교적 적게 받지만 저항치를 내리기

위해 충전량이 많게 되어 불소수지의 특징인 비점착

성과 저마찰계수 특성을 저해한다 섬유 위스커 형상

은 단방향에 대한 장방향의 비가 클수록 적은 충전량

32

으로 저항치를 낮출 수 있지만 분산이 나쁘면 요철이

발생한다 부식 방지 코팅에서는 충전제의 내약품성이

관건이다 즉 부식 환경에서 불소수지 자체는 충분히

견디어도 충전제가 내약품성이 없으면 충전제가 서서

히 에칭되어 기기가 부식될 가능성이 크다

화학 석유 및 정제 산업에서는 시험 검사 세척 및 다양

한 공정의 용기 저장 탱크 반응기와 같은 많은 구성요

소들이 사용되며 플루오르화 고분자는 고온에서 높은 열

안정성을 갖고 다양한 유기용매에 전혀 용해되지 않으므

로 부식방지 등을 위해 플루오르화 고분자와 같은 내화

학성 고분자로 코팅된다 그러나 이들 고분자는 코팅된

구성요소의 표면에 정전하 축적을 조장하기 때문에 폭발

성 환경에서는 사용할 수 없다

특히 이들 구성요소들의 금속 구조물은 용기나 탱크에

보관된 가스 증기 분진의 이동에 의해 생성된 정전하

(electrostatic charge)를 흐르게 하는 전도경로가 되나 금

속표면을 강산 강알칼리나 유기용제에 의해 침투되는 방

지하기 위한 목적으로 부식방지 테플론으로 코팅될 경우

얇은 필름의 비-전도체로 작용하므로 폭발성 환경에서

사용을 규제하고 있다

33

- 예로 유럽 표준 EN 50014 section 732에서는 정전

하로 인한 발화 위험을 피하기 위해 사용 보수 및 세

척 조건 하에 설계된 울(enclosure)이 필요하고 울의

절연저항은 1GΩ을 초과할 수 없도록 규제하고 있고

일본은 후생노동성 관할 산업안전연구소의 정전기 안

전지침의 누설 저항치는 108Ω 이하로 되어 있다

- 따라서 부식 및 폭발성 환경에서 안전하고 다양한 구

성 요소에 적용할 수 있는 정전방지 비-발화 테플론

코팅기술을 요하며 정전방지 코팅은 표면저항을 낮추

기 위해 카본블랙이나 개질 전도성 탄소 금속이나 전

도성 고분자를 테플론에 충전하여 코팅한다

폭발성 환경용 내화학약품 특성과 대전방지 비발화

코팅 조성물로는 높은 비저항을 갖는 플루오르 고분자

50-90wt 10-50wt의 전도성물질인 탄소분(carbon

powder)으로 이루어진 Solex Robotics Systems Inc

특허가 있다13)

- 폭발환경에서 사용되는 이상적인 코팅은 정전하를 피

하기 위해 낮은 비저항을 가져야 한다 완벽한 전도체

는 비저항이 영(0)이고 완벽한 절연체는 무한 비저항

34

을 갖는다 금속(구리 금 같은) 합금(망가닌 Mn-Ni-

Cu 니크롬 Ni-Cr-Fe) 반도체(카본이나 게르마늄)는

낮은 비저항을 갖고 있어 좋은 도체이다

- 수많은 고분자 기초 코팅들이 부식화학 환경에 사용

되었으나 85GΩ 이상의 비저항으로 대전방지 시험에

서 실패하였다 정전기 도체로 인증기준 아래 적합하

기 위해서는 100cm2이상의 노출 표면이 1GΩ 이하의

비저항이어야 한다 코팅에 첨가된 탄소분은 전도도를

증가시키며 10-50의 함량은 1GΩ 이하의 비저항을

만족시킨다

비전도성 표면의 표면저항을 감소시키도록 카본이나 금

속을 사용하여 대전방지를 부여하는 공정의 단점으로는

카본이나 금속의 접착력이 낮아 입자의 마모가 일어나

장기간 사용 시 대전방지 수준이 감소하는 것이다 더욱

클린룸에서 입자의 방출은 심각한 문제가 된다 대부분의

비전도성 기질은 통상 23 상대습도 50에서 표면 비

저항이 109ohmsquare 이상으로 높고 PTFE 경우는 10

12

ohmsquare이상이다14)

반도체 제조 장치에서는 웨이퍼 기판을 안착하기 위해

작업 스테이지를 사용하며 작업스테이지는 통상 금속과

35

세라믹으로 제작되나 웨이퍼기판을 작업스테이지에 올려

놓을 때 작업스테이지와 웨이퍼기판 사이에 마찰 정전기

가 발생한다 FPD(flat panel diplay 평판표시)용 디스펜

서(dispenser)에 사용되는 작업스테이지는 진공방식으로

디스플레이 기판을 흡착 고정하며 흡착 고정되었던 디스

플레이 기판이 작업스테이지에서 박리될 때 작업스테이

지에 정전기가 발생하여 디스플레이 기판에 대전된다 최

근 디스플레이 기판이 대형화됨에 따라 대전량이 증가되

고 정전기 대전문제가 더욱 심각해지고 있다 웨이퍼기판

이나 디스플레이기판에는 반도체소자 등 다수의 전자부

품들이 배치되어 있기 때문에 정전기가 발생되면 전자부

품의 신뢰성에 치명적 손상을 주고 기판에 분진이 부착

되거나 정전기의 대전으로 기판 리프트 업(lift up)시 기

판이 깨어지는 문제가 발생한다 정전기 대전을 방지하기

위해서는 작업스테이지에 이오나이저를 설치하여 중화하

기도하나 리프트 업이 불가능하거나 이온풍이 도달하기

전 방전하는 등 작업 스테이지와 기판 사이에서 발생한

정전기가 순간적으로 일으키는 박리대전 문제를 해결하

기 어려워 작업 스테이지의 정전기 방지를 위해 불소수

지로 코팅한다

- 불소수지는 다른 물질과의 흡착에너지가 작고 비점착

성이 우수하며 마찰계수가 작아 유리기판과의 상관관

36

계가 작아져 박리에 의한 정전기의 발생량이 적어지

나 불소수지는 절연성을 가지므로 테프론 코팅에서는

카본 블랙이나 전도성 고분자 등을 필러로 사용한다

대전방지가 필요한 반도체 제조장비 디스플레이 장치 및

테스트 장치 등의 작업 스테이지를 테프론 코팅함으로써

작업 스테이지의 정전기 발생을 방지하는 방법의 단점의

하나는 제작비용이 상대적으로 많이 드는 것으로 디스펜

서의 경우 디스플레이 기판이 대형화됨에 따라 작업 스

테이지의 크기가 커져 제작비용이 증가한다 또한 불소수

지의 경도가 낮아 코팅 막에 스크래치가 발생하고 이 부

분은 평탄도 유지가 어려우며 입자들이 발생하는 요인으

로 작용하며 불소수지가 절연성이므로 카본블랙이나 전

도성 고분자 등의 도전성 필러를 충전하여 대전방지에

적합한 면-저항을 갖도록 할 경우 카본블랙은 구형으로

분진이 발생하는 문제점이 있고 전도성 고분자를 사용할

경우는 내용제성이 약하고 과량의 바인더를 사용하여야

하며 박막 형성이 어렵고 불소수지의 경도를 보완하기

위해 아노다이징 처리를 하는 경우는 이후 별도의 코팅

과정을 거쳐야 하므로 제작비용과 제작시간이 증가하는

등 여러 가지 단점들이 있다 이러한 문제점들을 해결하

기 위한 방법으로는 작업 스테이지와 기판이 만나는 면

에 정전기 발생을 최소화시킴과 동시에 그 제조비용이

37

절감되고 적절한 면-저항을 조절할 수 있으며 마찰계수

가 낮고 내마모성이 향상된 작업스테이지 표면의 대전방

지 처리 방법에 관한 국내의 탑나노시스 사의 특허15)가

있다

- 탑나노시스 사의 특허 목적은 작업스테이지의 기판과

만나는 면에 정전기의 발생을 최소화시킴과 동시에

그 제조비용이 저감되고 적절히 면-저항을 조절할 수

있으며 마찰계수가 낮고 내마모성이 향상된 스테이지

표면의 대전방지 처리 방법에 관한 것으로 이 특허에

서는 금속소재의 작업 스테이지 표면을 아노다이징

처리하여 복수의 산화표면 홀들을 형성시키고 여기에

탄소나노튜브를 삽입하고 경화하며 탄소나노튜브 경

화 후에 표면을 봉공 처리한다

- 작업스테이지 표면은 106-10

9Ωsq의 면-저항을 갖는

것이 바람직하며 산화표면 홀들은 직경 30-900nm 깊

이 100-900nm가 바람직하다 아노다이징 처리를 하는

금속소재는 Al Mg Zn Ti Ta(탄탈륨) Hf(하프늄)

Nb(니오븀) 등일 수 있고 이 발명에서는 가벼우며 일

정 강도를 갖고 가공성이 우수한 Al합금을 예로 들어

설명하고 있다

38

- 알루미늄소재 작업스테이지 표면에 산화피막(Al2O3)처

리를 하는 아노다이징(anodizing 양극산화)에서 전해

액은 수산화나트륨이나 수산과 황산 등이 사용될 수

있고 수산화나트륨의 농도(20-50) 공급전압 전류

및 시간 등을 조절하여 산화표면 홀의 크기(D)와 깊

이(L)를 조절하며 D와 L에 따라 대전방지 효과나 내

구성 및 표면경도를 조절한다

- 탄소나노튜브를 산화표면 홀 내에 삽입시키는 단계는

전해 흡착 하여 이루어질 수 있고 정전도장을 통해서

도 이루어질 수 있다 탄소나노튜브는 분산제를 포함

하는 용액으로 코팅되며 분산제로는 소듐 도데실설페

이트(SDS) 트리톤X Tween20(폴리옥시에틸렌 소르

비탄모노올레이트) CTAB(cetyl trimethyl ammonium

bromide)를 예로 들고 있으며 탄소나노튜브 용액은

아크릴계 우레탄계 등 또는 전도성 고분자계 유무기

하이브리드계 바인더가 포함될 수 있다

- 봉공처리는 산화표면 홀과 산화피막을 봉공하여 내식

성 등이 향상되도록 보호 층을 형성시키는 것으로 비

등수 가압증기에 의한 수화봉공 금속염을 포함한 열

수에 의한 금속염 봉공 오일로 도포나 침적하는 유기

물 봉공 양극산화 피막 층에 도장하는 도장에 의한

39

봉공 등이 있다

반도체 소자를 제조하는 과정에는 불순물 이온을

주입하는 장비가 이용되고 있다 (주)하이닉스 반도

체의 특허에서는 이온주입 장비의 웨이퍼 지지 장

치 리프트 핀의 끝단을 라운드 처리하고 리프트 핀

에 테플론을 코팅하여 리프트 핀과 웨이퍼 후면의

접촉 시 웨이퍼 후면에 스크래치와 같은 손상이 유

발되는 것을 억제할 수 있게 한다16)

⑷ 탄소나노튜브(CNTs Carbon Nano Tubes)17)

탄소나노튜브는 탄소의 동소체로 1991년 일본 NEC 연구

소의 Ijima박사에 의해 전자 현미경을 통해 처음으로 확

인되었다 1985년에 Kroto와 Smalley가 탄소의 동소체인

풀러렌(탄소 원자 60개가 모인 것C60)을 처음으로 발

견한 이후 전기방전 시 흑연 음극 상에 형성된 탄소덩어

리를 투과전자현미경으로 분석하는 과정에서 발견하여

Nature학술지에 처음으로 발표되었다18) 탄소나노튜브에

서 탄소원자 하나는 주위의 다른 탄소원자 3개와 sp2결

합을 하여 육각형 벌집무늬를 형성하며 이 튜브의 직경

이 대략 수 나노미터(nm nanometer) 정도로 극히 작기

40

때문에 나노튜브라고 부르게 되었다 이 탄소나노튜브는

전기 세기가 클수록 더 수축하는 성질을 가지고 있는 등

튜브의 직경이 nm수준으로 극히 작아서 특유의 전기화

학적 특성을 나타낸다

Ku 등19)에 의하면 CNTs는 전기방사법(arc-discharge)

레이저증발 법(laser vaporization) 플라즈마 화학기상증

착 법(plasma enhanced chemical vapor deposition) 열

화학 기상증착 법(thermal chemical vapor deposition) 등

의 다양한 합성법이 개발되어 대량생산이 가능하다

CNTs의 종류는 벽의 수에 따라 단일 벽 탄소나노튜브

(SWNTs) 이중 벽 탄소나노튜브(DWNTs) 다중벽 탄소

나노튜브(MWNTs)가 있으며 물성에 관한 많은 연구결

과 기계적 전기적 열적으로 우수한 성능을 갖고 있음이

입증되었다

CNTs는 인장강도와 탄성률 면에서 지금까지 발견된 재

료 중 가장 강하고 질기며 다중벽 CNT는 63GPa에 이른

다 표준 단일 벽 CNT는 25GPa의 압력까지 변형 없이

지탱된다 그래핀의 대칭성과 특이한 전기적 구조 때문에

CNTs의 구조는 그것의 전기적 특성에 영향을 미쳐 금속

성이나 반도체의 특성을 나타내고 이론적으로 금속성

41

CNTs는 구리와 같은 금속의 1000배가 큰 4times109Acm

2

전류 밀도를 운반할 수 있으며 나노크기의 단면으로 전

자가 튜브의 축 방향으로만 전파되고 전자의 이동은 양

자효과를 수반하여 1차원 전도체로 간주된다

CNTs는 우수한 물성과 상대적으로 큰 표면적으로 갖고

있어 충전제(filler)로써 에폭시 폴리스틸렌 폴리우레탄

등 고분자와 혼합하여 폴리머의 기계적 전기적 특성을

향상시키려는 연구가 활발하다 CNTs가 폴리머 중에서

충전제 역할을 하기 위해서는 고른 분산이 필요하나 반

데르발스 힘에 의한 CNTs 응집현상(agglomeration)으로

인해 효과적인 분산이 어려워 오히려 폴리머의 물성을

저해하므로 이것을 개선하기 위한 다양한 기계적 화학적

분산 방법이 연구되고 있다

- CNTs를 분산시키기 위한 가장 일반적인 방법은 용매

나 폴리머에 CNTs를 투입하고 초음파처리를 하는 것

으로 초음파처리를 하면 SWNTs의 길이가 짧아지고

다발(bundle)이 얇아져 분산력이 증가한다

- CNTs 표면을 산이나 아민으로 기능화하여 분산을 높

이는 방법도 연구되고 있으며 MWNTs를 HNO3

H2O2NH4OH 용액에 침지시켜 MWNTs에폭시 복합

42

재료는 전기적 특성을 향상시키려는 연구와 산과 아

민 등의 기능기를 도입하여 SWNTs의 열전도도를 향

상시키려는 연구들이 수행되고 있다

- 기계적 분산방법인 전단혼합방법은 좁은 관이나 상대

적으로 높은 속도의 유동을 이용하여 발생한 전단력

으로 CNTs를 분산시키는 방법이다 Ku 등19)은 전단

혼합과 초음파처리를 이용하여 MWNTs로 강화된

에폭시 복합재료를 만들어 기계적 및 열적 특성을 연

구하였다

⑸ 내마모성 테프론 코팅

ㅇ 재료의 부식은 구조재에 원하지 않은 변화 원인으로 작

용하여 경제적인 문제로 귀결되는 심각한 문제이다 이들

원치 않는 변화는 때로 적절한 코팅에 의한 표면처리로

예방할 수 있다 가장 일반적이고 자주 사용되는 전착 코

팅은 아연에 기초한 아연 코팅 및 합금 코팅으로 이들

코팅은 간단한 기술로써 내부식성이 양호하여 전 표면처

리의 약 14에 해당하나 최근 낮은 마찰계수 등 다른 특

성들이 매우 중요하게 되었다 이들 특성은 다층 코팅으

로 대응할 수 있으나 두께가 증가하고 기술이 복잡하여

가능한 해결방법으로는 복합체 코팅이 있다 복합체 코팅

43

은 일반기계와 자동차 전자부품 및 컴퓨터 등 다양한 분

야에 적용된다 금속 기질에 미세한 PTFE 입자의 전착

에 의한 증착은 새로운 세대의 복합체 코팅으로써 가장

바람직한 특성은 양호한 내마모성 자기윤활 내부식성이

다 M Paderovaacute 등20)에 의하면 이들 특성은 주로 사용

한 입자(흑연 다이아몬드 MoS2 또는 PTFE)와 용액의

유형(pH 온도 bath 등) 뿐 아니라 입자의 크기 농도

분산 및 형태학에 의존한다

ㅇ 충전되지 않은 PTFE의 마모율은 736-741times10-4mm3Nm

로 내마모성이 낮아 다양한 충전제들이 첨가되고 있다

Xing-Dong Yuan 등21)은 진공 조건에서 PTFE 코팅

의 마모특성을 연구하여 초기에는 하중이 증가함에 따

라 마찰계수가 감소하나 하중이 6N 이상으로 커지면

마찰계수도 증가하며 압력이 PTFE 코팅의 마찰계수

에 미치는 영향이 거의 없고 마모는 압력이 증가하면

초기에는 감소하나 10Pa 보다 높으면 급격히 증가한

다고 보고하였다

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위해서는 윤활제로 PTFE

계 수지 접착제로는 폴리아미드이미드수지 산화철 분말

44

및 브론즈 분말 등을 혼합한 조성물을 사용하거나 미국

특허에서는 스와시플레이트 형 압축기의 플레이트 표면

에 MoS2 흑연 PTFE계 윤활제와 열경화성 수지인 폴리

아미드이미드(PAI) 조성물을 코팅하여 내마모 및 윤활성

을 부여하고 있다22) 내열성 향상을 위해서는 고체윤활

제 접착제수지 및 저융점 금속인 Sn Pb In Bi 등을 함

유하는 합금이나 화합물을 사용하여 금속의 잠열을 이용

내열성 향상을 시도하기도 한다

ㅇ 그간 철강(스테인리스강 탄소강 아연도금강판 등)의 내

부식성 향상을 위한 많은 연구들이 수행되어 왔다 4플루

오르에틸렌(C2H4) 4플루오르에탄(CF4) 6플루오르에탄

(C2F6) 3플루오르화에탄(CHF3) 8플루오르화에탄(C4F8)

같은 불소화된 단량체의 플라즈마 중합에 의한 테플론

류 코팅은 그들의 소수성으로 인해 금속의 내부식성 향

상을 위한 대안으로 주목을 받고 있다 A Delimi 등23)

은 유도결합 고주파플라즈마(inductively coupled radio

fre- quency plasma)를 사용하여 소수성 박막 불소수지

필름을 탄소강에 증착하고 3염수에서 내부식성을 평가

한 결과 1개월 동안 9nm의 필름이 유지되는 것을 관찰

하여 불소고분자 박막이 금속과 금속산화물의 보호층이

될 수 있음을 보고하였다

45

ㅇ PTFE를 이용한 세라믹코팅 기술로는 알루미늄 및 알루

미늄 합금 공작물을 양극처리에 의해서 티타늄 및또는

지르코늄 산화물을 포함하는 내식성 내열성 및 내마모

성 세라믹 코팅을 하고 이어서 양극처리된 공작물을

PTFE 또는 실리콘 함유 코팅과 같은 제 2 코팅으로 코

팅한다 이 발명은 가소성을 가지는 경질의 필름 내에서

내식성 내열성 및 내마모성을 제공하는 티타늄 및또는

지르코늄 산화물의 양극처리 층으로 기판을 예비-코팅함

으로써 알루미늄 기판에 보다 긴 수명의 코팅을 형성하

는데 특히 유용하다24)

ㅇ Nosaka 등25)은 PTFE로 대표되는 불소수지는 마모-링이

나 극저온 밸브의 실링부에 많이 사용되며 진공치환법에

의해 탄소재료에 PTFE나 MoS2 분말을 1-2wt 함침시

키면 무함침한 것에 비해 마모가 약 13로 감소한다고

보고하였다 한편 저자들은 터보펌프의 실링재료가 극저

온 환경에서 보이는 특이한 현상을 극복하기 위해 베어

링의 표면에 노출된 유리섬유를 불소산으로 처리하여 용

해 제거하고 윤활성을 높인 유리섬유강화 테프론 리테이

너를 개발하여 내구성과 윤활성을 향상시킬 수 있었다고

보고하고 있다

46

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위한 또 다른 특허로는

폴리실록산계 접착제를 단독 혹은 폴리에스테르계 접착

제와 병용하고 고체 윤활제로 MoS2(이황화몰리브덴

WS2(이황화텅스텐) h-BN(육방정 질화붕소) 팽창흑연

및 PTFE를 사용하고 충전제로 탄화규소 알루미나 산화

지르콘 산화티탄 등의 미분말을 사용하여 내마모 내열

및 윤활성을 부여하고자 하는 내마모성 및 윤활성 코팅

조성물에 관한 특허가 있다26)

ㅇ 내열성 내후성 내오염성 내약품성 내구성 등의 물성

은 유지하면서 비점착성을 높이기 위해 무기계 세라믹

코팅 조성물에 PTFE를 첨가하기도 한다 이러한 하이

브리드 코팅 조성물에 관한 특허로는 불소수지(01sim25

중량) 콜로이달 실리카나 콜로이달 알루미나 등 무

기계고분자 바인더(20sim80중량) 알콕시실란 화합물

(1sim50중량) 수용성 유기용제(1sim10중량) 충전제

또는 안료(5sim50중량) 및 물(100중량 까지 보충)로

이루어진 코팅 조성물에 관한 것으로 무기질 도료 및

무기계 세라믹 코팅에 의해 내열성 내오염성 내약품

성과 내구성을 유지하고 접착력을 높이기 위해 소량의

PTFE를 사용하는 것이 있다27)

47

ㅇ 정전 복사기에 사용되는 정착기재부의 최외층에 코팅하

여 기계적 성질 및 내마모성을 향상시키려는 목적으로

불소수지 기질 중에 분산된 불소화 다이아몬드를 함유하

는 입자로 구성된 조성물에 관한 일본 특허28)가 있다

ㅇ 부식 특성을 개선한 흑색 무크롬(chrome-free) 다층 내

부식 마무리 칠과 방법에 관한 특허29)로는 ASTM B 117

표준으로 시험할 때 백색 부식에는 최소 500시간 염수분

무시간 및 적색 부식에는 1500시간 염수분무시간에 적합

하게 설계된 마무리 칠에 관한 것이 있다 이 다층 시스

템은 광택(gloss) 4 이상을 만족하는 자동차 차체 강판

자동차 하부와 내장에 사용되기 위해 설계된 것으로 이

다층 마무리 칠은 3층 부식 방지 시스템을 형성하도록

아연-철 전기도금 기질 오르토인산을 사용한 무전해 인

산염 결정 전환 층과 XylanTeflon 실러 코팅의 조합이

다

ㅇ 전통적으로 철 강판(steel sheet)은 크롬산 염 전환 코팅

으로 개질되어 왔으나 6가 크롬이 배출되어 환경을 오염

시키는 문제점이 있어 강판의 내-부식성을 개선하기 위

해 고분자 수지 코팅들이 수행되고 있으나 이 방법은 고

48

분자 코팅 층이 열전도도를 감소시키는 단점을 가지고

있다 Kang 등30)은 강판 위의 고분자 코팅 층의 열전도

도를 향상시키기 위해 초미세-크기 다이몬드(μD)입자를

열전도 물질로 사용하였다 다양한 음이온 및 비-이온

계면활성제들을 사용하여 수용액 중에서 무거운 μD입자

의 안정화를 시험들을 한 결과 1-피렌카르복시산(PCA)

이 가장 양호하였다 그림 3-2는 이 시험 결과를 요약한

것이다

- 강판 위에 PCA로 안정화 된 μD 입자를 함유한 폴리

우레탄-기초 코팅 층은 열전도도가 0351W(mK)에서

0434 W(mK)(10 wtμD)로 향상되었으며 더욱 144

시간 동안 염수 분무 시험결과 부식거동은 관찰되지

않았다

그림 3-2 피렌카르복시산을 이용한 μD 표면처리

ㅇ 자동차공업에서는 기본적인 특성으로 내마모성이 요구되

49

는 강철 기계부품들의 마찰특성을 향상시키기 위해 다양

한 금속 및 고분자 코팅들이 광범하게 이용된다 내-마

모 코팅은 두 가지 주요 특성인 높은 표면경도와 자기-

윤활 특성이 필요하다 후자의 범주에 속하는 것이

PTFE와 MoS2 기초 코팅이다 무전해 니켈 코팅은 높은

경도로 인해 양호한 마찰 특성을 보이며 한편 열처리를

통해 경도를 향상시킬 수 있다 PTFE입자의 첨가는 코

팅경도를 감소시키나 자기-윤활특성을 부여한다 S

Rossi 등3132)은 마찰특성을 향상시키기 위해 이용되는 탄

소강에 이용되는 몇 가지 공업적인 코팅에 관한 부식거

동에 관해 평가 PTFE입자를 함유한 무전해 니켈-인

(Electroless Nickel-Phophorus)코팅은 PTFE 입자(자기-

윤활 특성)를 갖는 외층과 장벽-효과를 갖는 내층으로

인한 이중 특성으로 가장 양호한 특성을 보였다고 보고

하고 있다

ㅇ 모든 기계적 시스템은 동적 요소를 필요로 하며 마찰과

마모를 줄이기 위한 다양한 수단들이 가능하나 그 선택

은 환경이나 조작 조건에 제한을 받는다 PTFE는 자기

윤활 낮은 마찰계수 높은 열안정성과 화학약품 안정성

으로 산업분야에 널리 사용되는 엔지니어링 고분자이지

만 내마모성이 매우 부족하다 이러한 이유로 금속

-PTFE충전 복합체들이 PTFE의 마찰특성과 금속충전제

50

의 내마모성을 결합하여 특정 분야의 용도로 소개되어

왔으나 금속-고분자 물질에서의 충전제의 역할은 완전히

설명되지 않고 있다 복합체 표면의 과잉의 충전제 농도

는 미끄러지는 동안 부하를 지지하여 내마모성을 증가시

키는 것으로 생각되며 PTFE의 마모율은 Mo Zn Ni

Y2O3 및 SiO2 같은 무기 충전제에 의해 1000배가량 감소

되었다는 보고도 있다 유리섬유 구리 세라믹 탄소섬유

절단 탄소섬유 나노입자를 포함한 경질의 충전제 입자들

이 PTFE의 내마모성을 높이기 사용되어 왔다

ㅇ 비교적 두꺼운 코팅에는 열분사(thermal spray) 용사기

술이 정립되어 있고 용사 코팅은 내마모 내마찰 내프레

팅(fretting) 및 내부식을 요하는 산업에 많이 이용되고

있다

- 용사 몰리브덴(Mo)코팅은 실질적 내마모성 코팅으로

가장 광범하게 이용되며 프레임용사(flame spray)거나

와이어용사(wire spray)기술로 생산된 몰리브덴(Mo)

코팅은 흠이나 마모에 대한 고도의 저항을 얻기 위한

가장 좋은 코팅재료 중의 하나이다

- 알루미늄 청동(aluminium bronze)은 높은 내-부식성

과 내마모성을 갖는 것이 특징이다 저압 플라즈마 용

51

사 기술은 자기-아닐링(self-anealing)과 부서지기 쉽

도록 유도하는 γ-상의 형성을 피할 수 있도록 높은

냉각 속도를 얻는 데 사용되며 알루미늄 청동 저압

플라즈마 용사 코팅은 낮은 마찰과 마모를 보였고 비

교적 최근 플라즈마 용사 기술을 이용하여 알루미늄

기질에 고분자-세라믹 복합체를 코팅하는 기술이 개

발되었다33)복합체 코팅으로 행한 마찰 시험에서 낮

은 마찰계수를 얻을 수 있었다

- 낮은 마찰계수와 고 내마모성을 갖는 이성분 금속

-PTFE 코팅이 개발되었고 이들의 마찰 공학적 성능

이 보고되었다 PTFE-기초 복합체 설계에서 일반적

인 접근방법은 경질의 충전 입자들을 도입하는 것으

로 M Yamane 등34)은 PTFE-금속 이성분 코팅의 마

찰 마모성능에 관한 연구 결과 알루미늄 청동 코팅이

Mo코팅에 비해 PTFE 저장소(reservoir)에 유용했음

을 보고하였다

⑹ 충전 또는 강화 플루오르화 탄소1)

ㅇ 분말이나 강화섬유 등 전형적인 충전재들이 충전 또는

강화 플루오르화 탄소에 사용된다 충전재는 저온흐름

52

을 향상시키는 데 사용되며 수축과 균열을 줄이고 열

팽창을 낮추며 열전도율을 향상시킨다

ㅇ 분말이나 단섬유로 된 전형적인 충전제를 표 3-5에 종합

하였다 유리섬유는 가장 보편적인 PTFE 충전제로 화

학 및 전기적 특성에 최소로 영향을 미치며 기계적 특

성을 크게 향상시킨다 분말에 비해 섬유는 압축강도

강성도 및 지지용량을 더욱 향상시키나 분말은 충전

테플론의 내구성에 거의 영향을 미치지 않는다 금속분

말은 특히 열전도도를 향상시키며 고속에서 발생하는 마

찰열을 소멸하는데 도움이 되며 전기저항을 상당히 감소

시켜 금속-충전 조성물은 양호한 절연체는 아니다

ㅇ 흑연(graphite) MoS2는 초기 내구성과 마찰을 개선하고

기계적 특성을 향상시킨다 석면은 많은 유용한 특성을

갖지만 가공 처리 중 가스가 방출할 뿐 아니라 사용금지

물질이다 표 3-5 외에도 금속 망 장섬유 다공성 금속

등 다양한 충전제들이 있으며 다양한 종류의 제품들이

상업 생산되고 있어 최종 선정을 하기 전에 플라스틱 가

공업자로부터 보다 완전한 정보와 추천을 받는 것이 바

람직하다

53

표 3-5 불소수지용 충전제

ㅇ 압축강력 인장과 압축 시의 탄성률 및 항복강력은 첨가

제의 첨가에 의해 모두 증가하나 일반으로 인장강력과

신도 및 충격강도는 손실된다 통상 충전 테플론은 압축

상태에서 사용되므로 인장강력의 감소는 중요하지 않다

인장강력의 손실은 설치(연속적인 링-실링)할 때 인장되

는 재료에서 중요하다 열팽창 계수는 비-충전 테플론에

비해 감소되어 통상 금속 부품의 팽창계수와 잘 맞는다

ㅇ 마찰과 마모를 수반하는 분야에서 가장 중요한 것은 충

전제로 얻어지는 PV한계치의 증가와 마모의 감소다 비-

54

충전 테플론에 비해 PV한계치 크기는 개략적으로 1차원

적으로 증가하나 마모인자는 3차원적으로 감소한다 충전

테플론의 평균치들은 동적 마찰계수는 01-02 PV한계치

는 10000-20000 psi-fpm 마모상수는 10times10-10in3-min

lb-ft-hr이다 그림 3-3은 충전 테플론 PTFE의 마찰계

수에 미치는 충전제 종류와 농도의 효과에 관한 것이다

그림 3-3 테플론 PTFE에 미치는 충전제 종류와 농도1)

ㅇ 내마모성을 향상시키는 충전제는 실제로 연마저항성을

감소시키는 것으로 날카로운 입자는 보다 쉽게 침투하고

충전제 입자와 수지 사이의 경계를 따라 충전 플라스틱

을 찢는다 따라서 라이닝 슈트 같은 분야의 적용 시는

55

비-충전테플론이 보다 바람직하다

⑺ 시트 테이프 및 박층(laminates)

ㅇ 대부분의 플루오르화탄소는 충전 여부에 관계없이 두

께 1mil(0001 in)까지 시트나 테이프로 만들 수 있고

시트나 테이프를 찍어서 원하는 형상의 립-씰(lip seal)

펌프 컵(pump cup) 피스톤 링(piston rings) 가스켓

(gaskets) 등을 만들 수 있다

ㅇ 유체의 누설을 정지시키는 밀봉기능 부품 중 각종기기의

접합부나 배관 플랜지 등의 밀봉에 사용되는 가스켓

(gaskets)은 석면이 널리 사용되어 왔으나 유해물질 배

출 및 이동량 보고제도(PRTR Pollutant Release and

Transfer Register)에서 발암성을 가진 제1종 지정 화학

물질로 지정되어 사용이 금지되어 PTFE가 가스켓으로

개발되었다 PTFE는 용융 알칼리 금속 및 그 용액과 불

소 및 3불화염소에 의해 약간 침식되나 모든 화학약품에

안정하고 우수한 내부식 재료로 C-F결합력이 크고 F원

자가 C-C결합의 주위를 간격 없이 들러 싸고 있기 때문

에 다른 물질의 공격을 방어하고 있고 내열성은 260로

높다35)

56

- PTFE 필러를 사용한 PTFE 나선 권형 가스켓은 석

면에 대한 사용규제와 상관없이 사용되어 왔으며 유

연한 필러를 사용하므로 석면 가스켓 보다 낮은 체결

압력에서도 실 특성이 우수하고 내식 면에서도 광범

하고 다양한 유체에 사용이 가능하다 다만 단열성 면

에서는 석면 나선 권형 가스켓 보다 사용온도 범위가

제한된다

ㅇ 산업 기계나 자동차의 브레이크 제동장치에 부착하여 마

찰력을 부가하는 브레이크 라이닝에서는 마찰계수와 내

마모력 및 충격계수 등 마찰특성이 우수한 석면을 주로

사용하여 왔으나 제동 시 발생하는 미세 석면분진으로

인해 대기오염에 의한 환경을 파괴 뿐 아니라 인체에 흡

입될 경우 암을 유발하여 PRTR로 사용이 금지되었다

석면을 대체할 유기질 또는 무기질 된 다양한 비석면 마

찰 섬유 등이 사용되고 있으며 마찰 섬유에 테프론을 코

팅하여 브레이크라이닝의 수명향상 제동 시 발생하는 소

음 떨림 및 제동력 향상을 위한 제품개발이 시도되고

있다

- 예로 국내 특허36)에서는 브레이크 라이닝(또는 패드)

의 마찰재 배합재료 중 유기섬유(Kevlar섬유 pulp섬

57

유 등)에 테프론을 코팅하고 코팅된 유기섬유에 결합

재 충전재 윤활재 마찰안정재 마찰조정재 등을 소정

의 배합비로 배합하여 성형하고 열처리하여 브레이크

패드 또는 라이닝을 제조한다

ㅇ 초소형 정밀기계(MEMS Micro-Electromechanical

System)분야에서는 점착방지를 위해 불화 유기박막을

사용한다 Park 등37)은 단층 두께의 불화 유기박막의

특성을 접촉각 측정을 통해 분석하였다

⑻ DLC 코팅3839)

ㅇ DLC(diamond-like carbon)는 몇 가지 다이아몬드의 전

형적인 특성을 나타내는 비정질 탄소물질로 극도의 내마

모 특성을 필요로 하는 재료의 코팅에 이용되고 있다

DLC코팅은 연마 마모를 감소시키기 위한 재료에 유용하

여 엔드밀 드릴비트 금형 같은 공구는 물론 자동차 기

계부품 및 전자산업 등 산업전반에 걸쳐 적용된다40)

ㅇ 환경오염 문제로 인해 PRTR(Pollutant Release and

Transfer Register 유해물질 배출 및 이동량 보고 제

도) 이 시행되어 습동 부품이나 절삭 시에 사용되는 오

일이나 그리스에 포함되는 첨가제(MoS2 Zn 등)와 이들

58

부품을 세정할 때 사용되는 용매 기계부품의 수명을 연

장시키기 위해 활용되었던 Cr도금 폐액에서 발생하는 6

가 크롬 등의 오염물질들에 대한 규제가 더욱 강화되어

DLC에 의한 무윤활 습동과 무윤활 절삭을 지향한 공구

와 기계 부품의 개발이 관심을 끌고 있다4142)

- 일본 내에서는 PRTR이 시행되고 이것에 저촉되는 재

료에 관해서는 MSDS(Material Safety Data Sheet)를

첨부해야할 의무가 있고 부품가공 습동 용도에서는

대상 리스트에 올라 있는 오일 오일 중의 중금속 도

금폐액을 어떻게 경제성 있는 환경 친화적 공정과 재

료로 전환할 것인가를 고려하면서 무윤활 습동 무윤

활 절삭 탈크롬 도금의 3가지 키워드가 대두되고

DLC코팅이 대안으로 모색되고 있다

- DLC코팅 적용기술과 과제에 관한 자료로는 자동차

관련부품 적용사례 엔진부위 마찰 작동 밸브계의 마

찰저감 DLC와 윤활제에 의한 마찰저감 기술을 중심

으로 살펴본 보고가 있다43)

ㅇ DLC는 7가지 형태가 존재하며 모두 상당한 양의 sp3혼

성궤도 탄소원자를 함유한다 다양한 형태의 DLC가 진

공 환경으로 적합한 재료들에 적용가능하며 유럽에서의

59

2006년 위탁 DLC코팅 시장은 3천만euro로 추정되었고 국

내도 활발한 상용화가 시도되고 있다

ㅇ 사반면상(tetahedral) 비정질 탄소 ta-C를 2두께로 코

팅하면 연마마모에 대한 스테인레스 강(304 type)의 내구

성을 증가시켜 수명을 1주일에서 85년으로 늘이며 이러

한 DLC의 형태는 sp3결합 탄소 원자로만 이루어지기 때

문에 순수한 DLC로 간주되며 수소 sp2흑연 탄소 금속

같은 충전제가 생산경비를 낮추거나 원하는 특성을 부여

하기 위하여 사용되고 있다

ㅇ DLC를 만드는 방법에는 sp3탄소 보다 낮은 밀도의 sp

2

에 의존하는 몇 가지 방법들이 있으며 압력 충격 촉매

또는 이들의 조합으로 sp2결합탄소 원자들을 sp3결합탄소

로 근접시킨다 최근 초고압 하에서 탄소의 경량 특성을

갖는 초경도 무정형 다이아몬드가 만들어졌다 탄소로 만

들어지는 다이아몬드 그래파이트는 결정구조를 가지나

DLC는 비정질이라는 점에서 크게 다르고 200 정도의

저온에서 형성시킬 수 있다는 점이 통상의 PVD막에 비

해 훨씬 우위에 있다

ㅇ DLC코팅은 제조공정이 복잡하고 생산 단가가 비싸 적용

이 어려우며 적용되는 소재가 제한되는 단점을 갖는다

60

주요제법으로는 고주파 플라즈마 법 이온화 증착법 스

페터링법 등을 들수 있다 고주파 플라즈마 법은 메탄가

스가 원료로 사용되고 막 중의 수소가 약 30(원자)로

평활성이 우수하고 마찰계수가 작으나 경도가 낮다 이

온화 증착법은 벤젠을 사용하며 막은 단단하나 면의 조

도가 거칠고 후막화 하기 위해 스패터링 방법이 검토되

고 있다

⑼ 불소수지의 안전성

ㅇ 테플론 PTFE의 열분해는 200(392)에서 감지되며 이

것은 몇 가지 플루오르화 탄소 기체들과 승화물질을 방

출한다4445)1955년 동물실험에 관한 한 연구에서는 이들

물질이 250(482) 이하에서는 의미 있는 양이 아니라

고 결론지었으나 최근 비-점착 주방기구인 프라이팬이

나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가열할 때 조류를

죽일 수 있는 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수

도 있다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있다45)

ㅇ 표 3-6은 EWG가 보고한 3-5분 내에 370까지 불소수

지를 가열할 때 발생되는 15종의 불소화합물에 관한 것

이다 테플론과 같은 코팅물질들이 장기적으로 인체에 미

61

치는 영향에 관한 연구는 이루어지지 않고 있으나 독감

과 유사한 질병을 유발할 수 있으며 이를 중합체 증기열

(polymer fume fever)이라 한다

표 3-6 15종의 유해물질 및 유독성 기체44)

ㅇ 최근 표 3-6의 화합물들 중 특히 TFA와 과불화된

(perfluorinated) PFOA(perfluorooctanoic acid)에 관심이

증가되고 있다 PFOA는 새로운 환경오염물질로 미국 환

경보호청(EPA)에 의하면 보통 때는 문제가 없으나 조리

과정에서 프라이팬에 열을 가하고 강하게 긁을 경우 용

62

출되어 나오며 이것이 음식물과 함께 인체에 흡수되는

것으로 추정하였다 한편 DuPont의 테플론 PTFE 연구

결과에 의하면 검출한계인 9ppb 이상 검출되지 않으며

테플론 주방기구에서는 PFOA가 존재하지 않는다고 발

표하고 있다

- 물이나 공기를 통해 환경에 노출된 PFOA는 고 콜레

스테롤 궤양성 대장염 갑상선 질환 고환암 신장암

및 임신성 고혈압과 관련된다고 보고되었다

- PFOA는 불소수지 생산과정에서 사용되는 첨가물로써

암모늄 형태로 PTFE 유화중합에 계면활성제로 사용

되며 불소수지의 품질과 균일성을 유지하기 위해 필

수적인 첨가물이기 때문에 전 세계 모든 불소수지 제

조업체가 사용 중에 있다 한편 국내 주력 산업인 반

도체 생산 과정에서도 PFOA를 대량으로 사용하고 있

어 체계적인 실태조사와 대책수립이 필요하다는 의견

들이 대두되고 있다

⑽ 불소화합물의 안전성과 환경대책

ㅇ 표 3-6에서 살펴본 바와 같이 테플론을 급격히 고온으로

가열하면 2종의 발암물질을 포함한 유독성 가스가 발생

63

하고 특히 불소화합물 중 MFA(monofluoroacetic acid)는

적은 양으로도 치명적 해를 끼치고 PEIF(perfluoro-

isobutene)는 신경가스제로 여러 가지 질환을 발생시킨다

한다44)

따라서 테플론으로 코팅된 장치를 재 코팅하기

위해 테프론을 고온으로 급격히 가열하거나 소각 등을

통해 제거할 때는 발생 가능성이 있는 유독가스를 제거

하기 위한 별도의 설비를 이용하여야 하고 유 등44)의 보

고서에서와 같이 중조(NaHCO3)를 포화시킨 충분한 물로

유독 산성 물질을 중화시키는 것도 고려할 만하다 한편

부식대전 방지 코팅도 테플론 코팅 일변도에서 세라믹

코팅 CNTs이나 DLC 코팅기술로 대응하는 것을 추천하

고 싶으며 이것은 유해물질 배출 및 이동량 보고제도

(PRTR Pollutant Release and Transfer Register)에 대

비하는 등 기업의 장래를 고려하는 것도 될 것이다

ㅇ PTFE를 사용한 취사도구는 1960년대 이래 사용되어 오

고 있으나 최근 들어 이것의 안전성이 논쟁의 주제가 되

고 있으며 논의 주체는 PFOA(perfluorooctanoic acid)이

다 PFOA는 PTFE를 비롯한 많은 불소수지의 생산에

사용되며 DuPont의 테플론 PTFE 연구 결과에 의하면

프라이팬을 260 이상 고온에서 가열하거나 코팅이 벗

겨져도 PFOA가 존재하지 않는다고 한다 그러나 물이나

64

공기 토양 식품포장재 등 여러 곳에서 PFOA 오염사실

이 보고되고 있다 한다44)

- 미국 EPA는 인체와 환경에 대한 PFOA 연구를 계속

하고 있으며 2015년까지 PFOA 및 이와 관련된 화합

물 방출을 배제할 프로그램을 갖고 있으나 PTFE-기

초 비점착 취사기구를 중지시킬 타당성을 갖고 있지

는 않다 최종제품은 PFOA가 아닌 PTFE이기 때문이

다

- 수십 년 동안 불소수지 비점착 코팅이 시장을 지배하

였으나 최근 몇 가지 신기술들이 출현되고 있으며 이

들 대부분은 실리콘 세라믹과 실리콘 기술로 이들 코

팅은 PTFE와 PFOA를 함유하지 않는다

- 오늘날 출시된 비점착 취사용구는 수많은 상표로 팔

리고 있으며 DuPont에 의하면 대부분의 취사용구 코

팅은 정상적으로 사용할 때 3-5년 견딜 수 있을 것으

로 예측한다 너무 문질러서는 안 되고 따뜻한 비눗

물로 씻어주는 것이 좋으며 닳거나 흠이 생기지 않도

록 나무 플라스틱이나 코팅된 재료로 만든 도구를 선

택하고 보관도 흠이 생기지 않을 장소나 캐비닛을 권

장하고 있다

65

ㅇ 국내의 불소수지 안전성에 관한 것으로는 재질규격(납과

카드뮴)과 용출규격(납 과망간산칼륨소비량 증발잔류물)

이 식품용 기구 및 용기 포장 공전46)에 기재되어 있으며

최근 국내에서도 PFOA를 비롯한 유해 불소화합물에 관

한 관심이 커져 가고 있다

ㅇ PFOA 문제가 표면화 되면서 환경 보전형 불소계 발수

유제의 개발과 공업화도 새로이 부각되고 있다 이에 관

한 보고서를 모니터링한 KISTI자료47)를 중심으로 간단히

요약하면 발수제의 주요성분 퍼플루오로알킬기(Rf기)함

유 폴리머의 기능은 Rf기의 고리길이에 크게 의존하므로

PFOA문제 해법으로 탄소수 8 이상인 종래의 불소화학

에서 탈피 짧은 고리 Rf기(탄소수 6)를 가진 새로운 단

량체를 선택하여 발수제를 제조함으로써 환경 보전형 불

소계 발수유제를 개발하고 공업화하였다 한다

66

제 4 장

지원결과

1 지원결과 종합

테프론 코팅 기술의 문제점과 부식대전방지용 테플

론 코팅에 관한 정보 외에 신청기업의 요청에 따

라 C-나노튜브 코팅 및 DLC증착에 관련된 기술 정

보도 제공하였다

테플론은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat resistant)

비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coefficient of

friction) 내약품성(chemical resistance)과 특이한 전기적

특성(unique electrical properties) 및 온내구력(cryogenic

stability)으로 그 응용범위가 광범하며 용도에 따른 엄격

한 품질관리가 요구될 것으로 생각되어 중소기업에 적합

한 기초능력 배양과 신제품을 구상하기 위한 최신기술에

관한 정보를 제공하고자 하였다

67

불소수지의 코팅은 두께와 첨가제가 관건으로 이에 관한

자료를 제공하고자 하였으며 불소수지의 전기특성 폭발

성 환경과 반도체 제조공정에서의 대전 방지 처리를 위

한 정전기 관리 지표 등을 특허를 중심으로 조사하여 제

공하고자 하였다

C-나노튜브를 이용한 대전방지 코팅 기술 및 C-나노튜

브의 제법 등 이것에 관한 기초정보를 제공하고자 하였

으며 내마모성 테플론 코팅에 관해서는 테플론을 이용한

세라믹 코팅 기술에 관한 정보도 제공하고자 하였다

테플론의 기계적 전기적 특성을 강화하기 위해 사용되는

충전제를 종합하고 기초이론을 정립함으로써 금후 원부

자재의 선정에 도움을 주었다

테플론은 석면 대체재로도 주목받고 있어 이에 관한 특

허 정보들을 제공하였으며 다이아몬드의 전형적인 특성

을 나타내는 DLC의 코팅관련 기술 정보를 환경오염 문

제와 연관하여 자료를 제공하였고 최근 비-점착 주방기

구인 프라이팬이나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가

열할 때 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수도 있

다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있어 이에

관한 정보도 제공하였다

68

2 지원의 한계

중소기업이 당면한 문제는 전문기술의 확보다 관련 기술

이 비약적으로 발전하는 추세에 비추어 한정된 인원으로

신기술을 소화하고 개발하기는 어려울 것이므로 출연연

구기관이나 대학과 공동연구를 모색할 수 있으나 이것도

중소기업으로서는 경제적 부담이 될 수밖에 없을 것으로

생각된다 가능하다면 앞으로도 KISTI의 정보지원이 계

속되기를 바라고 있었다

3 기대효과

부식대전 방지 테플론 코팅에 관한 기본 기술이 배양되

어 합리적인 원부 원료의 수입검사 공정관리 및 제품관

리를 통해 원가절감은 물론 신제품 신기술에 관한 정보

수집 및 분석능력이 배양되고 개발력이 확충되어 기업

경쟁력 향상에 도움이 될 것이다

69

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이치옹 모니터링분석 KISTI

75

저자소개

김학주(金鶴柱) 서울대학교 문리과대학 화학과 졸업 이학사

전북대학교 대학원 화학과 이학박사

(주)삼양사 의약연구소장 신성대학교 교수

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 폴리에스테르 섬유의 연중직방기술 외 다수

저서 기기분석 공업물리화학 일반화학

성용길(成墉吉)

동국대학교 이과대학 화학과 졸업 이학사 이학석사

부산대학교 대학원 화학과 이학박사(Dr Sci)

University of Utah USA Ph D(공학박사) Post Dr

유타대학교 연구교수 부산대학교 교수 동국대학교 교수

동국대학교 명예교수 한국원자력문화진흥원 이사

과학문화연구원전문연구위원 한국도량형과학문화연구원 원장

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 의료용 기능성 고분자재료에 관한 연구 외 330편

저서 고분자 물성론 (서울대학교 출판부 공저) 외 10권

18

2012

⑨ 廣野高生 ldquo環境保全型フッ素系 撥水撥油剤の 開發

と 工業化rdquo ファインケミカル(日本) 37(11) 2008

pp39-44 이치옹 모니터링분석 KISTI

5 5차 지원

일시 및 장소 2013년 8월 21일(수요일) 1000-1400시 신청

업체 2층 회의실

참석자 성용선(연구소장) 이채영 차장 및 연구원

김학주(전문연구위원) 성용길(전문연구위원)

김종헌(KISTI 연구책임자)

주제 및 토의사항

1 불소화합물의 안전성과 환경대책 정보지원 결과 종합

등 최종보고서(안) 내용에 관한 의견교환

2 지원의 한계와 기대효과에 관한 의견 교환

3 건의 사항 등

19

세부 지원 내용

⑴플루오르화탄소 플라스틱의 특성

Teflon TFE(폴리테트라플루오로에틸렌)은 1940년대부

터 사용되어 왔으며 Teflon FEP(플루오르화에틸렌프

로필렌 공중합체)는 1958년에 소개되었고 압출 및 사

출성형이 용이하며 TFE 유형은 딱딱하고 낮은 마찰계

수를 가지며 마모에 강하고 보다 높은 온도에서 사용

가능하다 이 외에도 플루오르화탄소 플라스틱에는 폴

리염화플루오르화에틸렌(CFE 또는 CTFE)와 폴리비닐

리덴플루오라이드(PVF) 등이 있다 플루오르화탄소 플

라스틱은 그 코팅방법에 따라서도 응용범위가 광범위

하게 발전되어 왔으며 그 용도는 주방용기로부터 기

계 자동차 반도체는 물론 우주항공 산업 부품에 이르

기까지 무한하며 상업 생산되고 있는 플루오르화탄소

플라스틱은 표 3-11)과 같다

PTFE는 열가소성 플라스틱으로 상온에서 밀도 약 2200

인 백색고체로 융점은 327이며 마찰 및 마모 특

성을 나타내는 마찰계수는 고체재료 중 BAM(alumi-

20

nium magnesium boride 마찰계수 002)과 DLC

(diamond-like carbon 마찰계수005)에 이어 3번째로

낮은 005-010로 반데르발스 힘에 대한 저항력으로 도

마뱀이 붙을 수 없는 유일한 표면으로 알려져 있다2)

표 3-1 플루오르화탄소 플라스틱의 유형1)

21

Teflon의 유용한 기계적 특성은 -450sim500(-267sim

260)에서 유지되며 여러 가지 특성들은 가공기술을

바꾸어 변경시킬 수 있다 마찰 및 마모 특성을 나타

내는 마찰계수들은 시험조건에 따라 다르며 Teflon은

증기압이 극히 낮아 진공에서도 우수한 안정성을 가

지며 방사선 안정도는 부족하나 방사선 내용성은 극

히 높다

테프론의 특징은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat-

resistant) 비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coeffi-

cient of friction) 내약품성(chemical resistance) 특이한

전기적특성(unique electrical properties) 저온내구력

(cryogenic stability)으로 대표된다3)

- 테프론 코팅된 표면에는 거의 모든 물질이 달라붙지

않으며 내열성(heat-resistant)이 우수하여 -260sim+26

0까지 사용할 수 있고 단시간 사용의 경우에는 30

0까지 견디며 Teflon FEP는 232에서 연속사용이

가능하다 비유성(non-wetting)이 우수하여 표면에 물

이나 기름이 잘 묻지 않아 표면이 오염되지 않아 쉽

게 청소가 가능하고 기계설비의 보수시간이 단축되어

생산성을 향상시킬 수 있다 테프론은 비-절연성은 물

22

론 비-유전정접과 우수한 표면 저항률을 보인다

⑵ 플루오르화탄소 수지 코팅

얇고 강인한 플루오르화탄소 수지 필름을 금속 등에

소결이나 수지-접착에 의해 바르면 기질에 침착된 필

름은 저온흐름으로 고체 플루오르화탄소 수지보다 낮

은 마찰계수를 띠고 금속은 양호한 열전도도를 갖고

열을 분산할 수 있어 고속으로 운전할 수 있고 양호한

내구성을 갖게 된다

1950년대 미국 해군연구소에서 소결 Teflon TFE필름을

수성 분산액(현탁질)으로부터 무기 탄약통 비행기부

품 잠수함부품의 건조-필름 윤활제 및 보호 코팅용으

로 개발한 후 이것들은 기어 정첩(hinges) 샤프트 베

어링 밸브 플러그 콕 피스톤 링이나 그 외의 산업분

야에 응용되고 있다

- 실제로 적절한 테플론 현탁질을 고체 표면에 침적한

후 수분 증발이 너무 빠르지 않게 공기에서 필름이

건조되게 한 후 테플론 입자들이 연화 및 소결되도록

건조된 표면을 약 385(725)로 가열하고 냉각하면

23

얇은 연속 필름이 표면에 남지만 필름 중의 많은 작

은 세공들은 테플론의 높은 용융점도 때문에 제거할

수 없다 세공들은 윤활 작용에는 제한을 받지 않으나

녹슬거나 부식의 공격점이 되어 부식방지를 위해서는

1회 이상의 박막 추가 코팅이 반복되고 보통 2회 코

팅으로 충분하나 각 침적 테플론 층은 두께가 00003

인치(762)를 초과하지 않아야 하며 그렇지 않으면

말린 진흙 같이 균열이 발생한다 필름이 윤활제로 사

용될 때는 필름두께가 00006-00007인치(152-178)

를 초과하지 않아야 한다1)

- 테플론코팅은 통상으로 존재하는 표면 산화물이 제거

되지 않은 깨끗하고 탈지된 강철 황동 및 알루미늄금

속표면일 때 가장 잘 접착한다 만일 산세척에 의해

과잉 두께의 산화물이 제거되었다면 필수적으로 얇은

산화층이 형성될 때까지 공기 중에서 가열한다 접착

은 실표면적이 증가하면 증가하므로 경면가공(mirror

finish)보다 모래분사가공이나 무광택가공이 양호하다

- 테플론 코팅된 표면의 마찰계수는 금속기질 표면을

거칠게 함으로써 낮출 수 있으나 미끄럼마찰 조건 아

래 내구성은 금속의 거칠기가 32마이크로인치(rms)를

초과하면 감소한다

24

철강 기질의 인산처리는 소결 Teflon TFE필름의 마모

수명을 향상시킨다고 보고되었으며 양극처리 된 코팅

의 경도 및 내마모성과 불소수지의 윤활성을 결합하기

위해 다공성 경화 양극처리 알루미늄 위에 불소수지를

침윤하여 왔다 Teflon S 마감재는 Du Pont이 도입한

최초의 수성-기초 분산 TFE FEP로 이들은 ldquo계층화

된rdquo 마감재이다 Francis J Clauss1)는 다양한 용도에

서의 Du Pont사 제품들의 선정 가이드를 표로 종합하

였으며 이것을 요약하면 표 3-2와 같다

- 테플론 코팅은 프라이머 단층 프라이머 코팅 후 에나

멜이나 클리어 마감 또는 프라이머 에나멜과 클리어

마감 등 3-코팅 시스템으로 구성된다 프라이머들은

금속이나 세라믹 기질에 접착을 향상시키기 위해 개

질제를 함유한다 프라이머들은 가끔 1회 코팅 마감재

로 사용되나 음식물과 접촉하는 용도로는 반드시 에

나멜이나 클리어 마감재로 마무리 칠을 하여야 한다

프라이머는 층간 접착력이 부족하기 때문에 다중 코

팅에 적용될 수 없고 만일 06mil 이상의 코팅이 필요

하면 프라이머는 에나멜이나 클리어 마감재로 마무리

칠을 하여야 한다

25

표 3-2 테플론 코팅 두께1)

최종

용도대표적 용도

전체두

께(mils)

프라이머에나멜클리어

가공(mils)

비점착

산업

직물 슬래셔 통

열 봉합 봉 고무경화 롤러

우레탄과 에폭시 경화 주형

제빙기

목재 고무 주석도금 아연

10-25

07

20-50

08-13

07

03 07-22 07-10

07 마무리칠 불가

03 07-37 10min

03 05-10 05-10

07 마무리칠 불가

식품

프라이팬 내열접시

반죽롤러

캔디 장치

08-12

10-30

20-30

03 05-09

03 07-27

03 07-17 10

One-coat

system

금지

드라이

윤활

플러그 밸브

유리병 제조 전달 장치

베어링

03-07

15-25

05-07

03-07

03 03-05 03-05

02

전기

전자

저항기 코팅

아이들 롤러(제지 섬유 공업)

세라믹 절연체

40-50

10-15

20-25

03 37-47

03 07-12

03 17-22

부식

방지용기 라이닝 gt50 03 47 또는 5-10 이상

Non-

wetting콘덴서 튜브 02-04 02-04

- 유색 프라이머는 통상 안료가 필름의 범위와 두께를

시각적으로 체크할 수 있게 하므로 그렇지 않은 것에

비해 더 선호된다 에나멜과 클리어 마감재는 충분한

접착을 위해 프라이머 위에 발라야 한다 ldquo진흙 갈라

짐 현상(mud-cracking)은 코팅 당 최대 두께를

10mil로 한정하나 다중 코팅에 의해 극단적이 조건

하에 전체 두께를 10mils까지 바를 수 있으며 각각의

26

코팅은 분리하여 구워진다

불소화 고분자들은 낮은 표면장력 물과 기름에 젖지 않

고 비점착성이며 방오 특성(antifouling properties) 등을

갖기 때문에 다양한 특수 코팅에 적용되나 합성과 조성

이 몇몇 제조업자들에 독점되어 있고 값비싼 중간체를

필요로 한다 VC Malshe 등4)은 플루오르 함량이

4-10인 불소화된 아크릴 공중합체를 간단한 방법으로

합성하고 클리어 코팅하여 광학적 기계적 및 보호 특성

을 연구하였다

최근 에너지 절감과 CO2규제와 같은 환경규제에 대한 대

응 필요성이 증가하면서 발전소나 각종 보일러 시스템에

서 배가스로 배출되는 응축잠열 에너지의 회수 및 활용

에 관심이 증가되고 있다 Lee 등5)은 스테인레스 관 표

면에 400정도의 두께로 테플론을 코팅한 전열관에서

관의 열 및 응축 열전달 특성을 연구하여 테플론 코팅관

의 총괄 열전달 계수는 스테인레스 관보다 약 20 작은

것으로 나타나고 응축열전달 계수는 유사하였음을 보고

하였다

알루미늄 용광로의 비-여과 배출가스에 장기간 사용하기

적합한 역류 열교환기에 관한 것으로 원통형 쉘의 표면

27

은 알루미늄 용광로 배출가스 입자 및또는 먼지 및 부

식 흄과 접촉될 수 있어 테프론 계로 코팅 처리하는 특

허6)가 있다 이 특허에서는 원통형 쉘을 만들도록 복재

(web member 웨브재)와 함께 연결된 유체 운반튜브로

이루어진다 각 원통형 쉘에 위치한 헤더는 열교환기의

튜브에서 튜브로 유체를 공급하며 뜨거운 난류가스에 작

용하여 스케일링을 최소화하기 위해 헤더의 보호덮개를

설치한다

저온에서 고온에 이르는 환경에서 유체에 사용되는 배관

튜브는 열에 의한 경시적 열화가 진행되어 균열 발생이

쉽다 가동부에 사용되는 배관 튜브는 움직임이 수반되어

그 경향이 현저하며 반도체 제조장치에 일반으로 사용되

는 실리콘튜브는 저온에서 열화되어 파손되기 쉽다 이러

한 문제점을 해결하기 위해 실리콘 튜브 외측 표면을 테

플론으로 코팅하여 균열발생을 억제함으로써 장시간 사

용 가능하도록 고안한 특허7)가 있다

섬유상 부직포로 제작하는 다공성 여과필터는 다양한 산

업공정의 배출가스를 정화시키는 데 사용되며 특히 중고

온 환경에서 사용이 가능한 다양한 종류의 기능성 필터

의 개발이 요망된다 일반으로 소각장 및 발전소 등의 중

고온 조건에서 사용되는 Nomex를 비롯한 섬유상 필터는

28

200 이상에서는 열변형으로 사용이 제한적이고 세라믹

필터와 같이 고온에서 적용이 가능한 소재는 매우 고가

일 뿐 아니라 초기 작업으로 인해 에너지 사용량이 매우

높아지는 문제점이 있다 Kim 등8)은 250-300 영역의

중고온의 배출가스를 처리하기 위한 필터에 표면 소수성

과 고온 안정성을 부여하기 위하여 표 3-3과 같은 조성

으로 그림 3-1과 같은 장치를 이용하여 테플론 수지를

거품 형태의 코팅액으로 조제하여 유리섬유 원단에 공급

하여 표면코팅하고 열처리 및 압착과정을 거친 후 표면

분석하였다

표 3-3 테플론 코팅을 위한 화학첨가제8)

테플론 코팅이 전기 집진장치에 활용되는 특허도 있다

종전 사이클론 방식의 전기집진기에서는 집진부의 먼지

를 떨어뜨리는 것이 용이하지 않았다 발명자들은 먼지

압축 기능을 갖는 집진실 내측에 테플론 가공을 하여 정

전기에 의한 미세먼지의 부착을 억제함으로써 집진실의

먼지를 원 터치로 처리할 수 있도록 하였다9)

29

그림 3-1 테플론 거품코팅8)

일반으로 테프론을 조리용기에 코팅하는 방법은 금속소

재를 사용 제품형태로 제작한 후 세척하고 에이징(소둔)

처리한 후 샌딩하여 표면조도를 유지하도록 하고 표면에

프리머 처리하여 베이킹 처리한 후 분사방법으로 테프론

코팅을 하고 다시 베이킹 처리하므로 공정이 복잡하고

제조원가가 상승하며 부착력에 한계가 있다한다 (주) 엘

지아이 특허10)에서는 피처리물을 세척한 후 산질화처리

하여 표면에 열처리 층이 형성되게 한 후 테프론을 코팅

하고 베이킹 처리하는 것을 특징으로 한다 그 외에 내열

세라믹 주방용기의 불소수지 코팅방법에 관한 특허가 있

다11)

(주) 봉성비에스는 차량의 주행 충격을 흡수하는 완충기

30

내부에 삽입하는 피스톤 외주면의 마찰과 소음을 최소화

하기 위한 목적으로 테프론 코팅을 하기 위한 코팅장치

를 등록하였다12)

⑶ 대전 방지 플루오르화탄소 수지 코팅

ㅇ 본래 불소수지 자체는 높은 절연성과 큰 대전성을 갖고

있기 때문에 도전 효과를 얻기 위해서는 분상 필러를 다

량으로 충전할 필요가 있으나 이렇게 하면 비점착성이

떨어진다 여러 회사들의 제품 안내서들을 종합한 불소수

지의 전기적 특성은 표 3-4와 같다

표 3-4 불소수지의 전기 특성

특성측정법

(ASTM)단위

PTFE

(비충전)

PTFE

(25

유리충전)

PTFE

(25

탄소충전)

표면 내아크성 D495 sec 75-110

체적저항

(비저항)D257

ohm-

cmgt1018 gt1016 104

표면저항 D257ohm

sq-1 gt10

14

유전율(유전상

수) at 1MHzD150-81 e 25 24

절연내력 short

time 18thickD149

kv

mm285

유전정접(유전

정합) at 1MHzD150-81 lt00002 005

31

ㅇ 불소수지는 내열성 내한성이 높고 내약품성 내연소성

난연성이 우수하고 절연성 및 비점착성과 저 마찰계수를

갖고 있으나 절연성이 높아 정전재해의 원인이 될 수 있

어 재해 방지를 위해 대전 방지 또는 저저항을 특징으로

하는 불소수지 가공품이 개발되어 사용범위가 넓어지고

있다

불소수지에 충전하여 저저항으로 하는 필러에는 일반적

으로 도전성이 높은 카본 금속 또는 산화알루미늄 등의

금속산화물이 사용된다 재료의 형상으로는 미분 탄소

스테인레스 스틸 니켈 금속분과 같은 입상물 단섬유 탄

소섬유 위스커(whisker) 등이 사용된다

- 미분은 비표면적이 크기 때문에 소량의 충전으로 저

항치를 내릴 수 있으나 약품의 침투가 있는 경우 비

표면적이 크기 때문에 약품의 영향을 받기 쉬워 내부

식성 떨어질 가능성이 크다

- 입자상물질들은 미분에 비해 비표면적이 작기 때문에

약품의 영향을 비교적 적게 받지만 저항치를 내리기

위해 충전량이 많게 되어 불소수지의 특징인 비점착

성과 저마찰계수 특성을 저해한다 섬유 위스커 형상

은 단방향에 대한 장방향의 비가 클수록 적은 충전량

32

으로 저항치를 낮출 수 있지만 분산이 나쁘면 요철이

발생한다 부식 방지 코팅에서는 충전제의 내약품성이

관건이다 즉 부식 환경에서 불소수지 자체는 충분히

견디어도 충전제가 내약품성이 없으면 충전제가 서서

히 에칭되어 기기가 부식될 가능성이 크다

화학 석유 및 정제 산업에서는 시험 검사 세척 및 다양

한 공정의 용기 저장 탱크 반응기와 같은 많은 구성요

소들이 사용되며 플루오르화 고분자는 고온에서 높은 열

안정성을 갖고 다양한 유기용매에 전혀 용해되지 않으므

로 부식방지 등을 위해 플루오르화 고분자와 같은 내화

학성 고분자로 코팅된다 그러나 이들 고분자는 코팅된

구성요소의 표면에 정전하 축적을 조장하기 때문에 폭발

성 환경에서는 사용할 수 없다

특히 이들 구성요소들의 금속 구조물은 용기나 탱크에

보관된 가스 증기 분진의 이동에 의해 생성된 정전하

(electrostatic charge)를 흐르게 하는 전도경로가 되나 금

속표면을 강산 강알칼리나 유기용제에 의해 침투되는 방

지하기 위한 목적으로 부식방지 테플론으로 코팅될 경우

얇은 필름의 비-전도체로 작용하므로 폭발성 환경에서

사용을 규제하고 있다

33

- 예로 유럽 표준 EN 50014 section 732에서는 정전

하로 인한 발화 위험을 피하기 위해 사용 보수 및 세

척 조건 하에 설계된 울(enclosure)이 필요하고 울의

절연저항은 1GΩ을 초과할 수 없도록 규제하고 있고

일본은 후생노동성 관할 산업안전연구소의 정전기 안

전지침의 누설 저항치는 108Ω 이하로 되어 있다

- 따라서 부식 및 폭발성 환경에서 안전하고 다양한 구

성 요소에 적용할 수 있는 정전방지 비-발화 테플론

코팅기술을 요하며 정전방지 코팅은 표면저항을 낮추

기 위해 카본블랙이나 개질 전도성 탄소 금속이나 전

도성 고분자를 테플론에 충전하여 코팅한다

폭발성 환경용 내화학약품 특성과 대전방지 비발화

코팅 조성물로는 높은 비저항을 갖는 플루오르 고분자

50-90wt 10-50wt의 전도성물질인 탄소분(carbon

powder)으로 이루어진 Solex Robotics Systems Inc

특허가 있다13)

- 폭발환경에서 사용되는 이상적인 코팅은 정전하를 피

하기 위해 낮은 비저항을 가져야 한다 완벽한 전도체

는 비저항이 영(0)이고 완벽한 절연체는 무한 비저항

34

을 갖는다 금속(구리 금 같은) 합금(망가닌 Mn-Ni-

Cu 니크롬 Ni-Cr-Fe) 반도체(카본이나 게르마늄)는

낮은 비저항을 갖고 있어 좋은 도체이다

- 수많은 고분자 기초 코팅들이 부식화학 환경에 사용

되었으나 85GΩ 이상의 비저항으로 대전방지 시험에

서 실패하였다 정전기 도체로 인증기준 아래 적합하

기 위해서는 100cm2이상의 노출 표면이 1GΩ 이하의

비저항이어야 한다 코팅에 첨가된 탄소분은 전도도를

증가시키며 10-50의 함량은 1GΩ 이하의 비저항을

만족시킨다

비전도성 표면의 표면저항을 감소시키도록 카본이나 금

속을 사용하여 대전방지를 부여하는 공정의 단점으로는

카본이나 금속의 접착력이 낮아 입자의 마모가 일어나

장기간 사용 시 대전방지 수준이 감소하는 것이다 더욱

클린룸에서 입자의 방출은 심각한 문제가 된다 대부분의

비전도성 기질은 통상 23 상대습도 50에서 표면 비

저항이 109ohmsquare 이상으로 높고 PTFE 경우는 10

12

ohmsquare이상이다14)

반도체 제조 장치에서는 웨이퍼 기판을 안착하기 위해

작업 스테이지를 사용하며 작업스테이지는 통상 금속과

35

세라믹으로 제작되나 웨이퍼기판을 작업스테이지에 올려

놓을 때 작업스테이지와 웨이퍼기판 사이에 마찰 정전기

가 발생한다 FPD(flat panel diplay 평판표시)용 디스펜

서(dispenser)에 사용되는 작업스테이지는 진공방식으로

디스플레이 기판을 흡착 고정하며 흡착 고정되었던 디스

플레이 기판이 작업스테이지에서 박리될 때 작업스테이

지에 정전기가 발생하여 디스플레이 기판에 대전된다 최

근 디스플레이 기판이 대형화됨에 따라 대전량이 증가되

고 정전기 대전문제가 더욱 심각해지고 있다 웨이퍼기판

이나 디스플레이기판에는 반도체소자 등 다수의 전자부

품들이 배치되어 있기 때문에 정전기가 발생되면 전자부

품의 신뢰성에 치명적 손상을 주고 기판에 분진이 부착

되거나 정전기의 대전으로 기판 리프트 업(lift up)시 기

판이 깨어지는 문제가 발생한다 정전기 대전을 방지하기

위해서는 작업스테이지에 이오나이저를 설치하여 중화하

기도하나 리프트 업이 불가능하거나 이온풍이 도달하기

전 방전하는 등 작업 스테이지와 기판 사이에서 발생한

정전기가 순간적으로 일으키는 박리대전 문제를 해결하

기 어려워 작업 스테이지의 정전기 방지를 위해 불소수

지로 코팅한다

- 불소수지는 다른 물질과의 흡착에너지가 작고 비점착

성이 우수하며 마찰계수가 작아 유리기판과의 상관관

36

계가 작아져 박리에 의한 정전기의 발생량이 적어지

나 불소수지는 절연성을 가지므로 테프론 코팅에서는

카본 블랙이나 전도성 고분자 등을 필러로 사용한다

대전방지가 필요한 반도체 제조장비 디스플레이 장치 및

테스트 장치 등의 작업 스테이지를 테프론 코팅함으로써

작업 스테이지의 정전기 발생을 방지하는 방법의 단점의

하나는 제작비용이 상대적으로 많이 드는 것으로 디스펜

서의 경우 디스플레이 기판이 대형화됨에 따라 작업 스

테이지의 크기가 커져 제작비용이 증가한다 또한 불소수

지의 경도가 낮아 코팅 막에 스크래치가 발생하고 이 부

분은 평탄도 유지가 어려우며 입자들이 발생하는 요인으

로 작용하며 불소수지가 절연성이므로 카본블랙이나 전

도성 고분자 등의 도전성 필러를 충전하여 대전방지에

적합한 면-저항을 갖도록 할 경우 카본블랙은 구형으로

분진이 발생하는 문제점이 있고 전도성 고분자를 사용할

경우는 내용제성이 약하고 과량의 바인더를 사용하여야

하며 박막 형성이 어렵고 불소수지의 경도를 보완하기

위해 아노다이징 처리를 하는 경우는 이후 별도의 코팅

과정을 거쳐야 하므로 제작비용과 제작시간이 증가하는

등 여러 가지 단점들이 있다 이러한 문제점들을 해결하

기 위한 방법으로는 작업 스테이지와 기판이 만나는 면

에 정전기 발생을 최소화시킴과 동시에 그 제조비용이

37

절감되고 적절한 면-저항을 조절할 수 있으며 마찰계수

가 낮고 내마모성이 향상된 작업스테이지 표면의 대전방

지 처리 방법에 관한 국내의 탑나노시스 사의 특허15)가

있다

- 탑나노시스 사의 특허 목적은 작업스테이지의 기판과

만나는 면에 정전기의 발생을 최소화시킴과 동시에

그 제조비용이 저감되고 적절히 면-저항을 조절할 수

있으며 마찰계수가 낮고 내마모성이 향상된 스테이지

표면의 대전방지 처리 방법에 관한 것으로 이 특허에

서는 금속소재의 작업 스테이지 표면을 아노다이징

처리하여 복수의 산화표면 홀들을 형성시키고 여기에

탄소나노튜브를 삽입하고 경화하며 탄소나노튜브 경

화 후에 표면을 봉공 처리한다

- 작업스테이지 표면은 106-10

9Ωsq의 면-저항을 갖는

것이 바람직하며 산화표면 홀들은 직경 30-900nm 깊

이 100-900nm가 바람직하다 아노다이징 처리를 하는

금속소재는 Al Mg Zn Ti Ta(탄탈륨) Hf(하프늄)

Nb(니오븀) 등일 수 있고 이 발명에서는 가벼우며 일

정 강도를 갖고 가공성이 우수한 Al합금을 예로 들어

설명하고 있다

38

- 알루미늄소재 작업스테이지 표면에 산화피막(Al2O3)처

리를 하는 아노다이징(anodizing 양극산화)에서 전해

액은 수산화나트륨이나 수산과 황산 등이 사용될 수

있고 수산화나트륨의 농도(20-50) 공급전압 전류

및 시간 등을 조절하여 산화표면 홀의 크기(D)와 깊

이(L)를 조절하며 D와 L에 따라 대전방지 효과나 내

구성 및 표면경도를 조절한다

- 탄소나노튜브를 산화표면 홀 내에 삽입시키는 단계는

전해 흡착 하여 이루어질 수 있고 정전도장을 통해서

도 이루어질 수 있다 탄소나노튜브는 분산제를 포함

하는 용액으로 코팅되며 분산제로는 소듐 도데실설페

이트(SDS) 트리톤X Tween20(폴리옥시에틸렌 소르

비탄모노올레이트) CTAB(cetyl trimethyl ammonium

bromide)를 예로 들고 있으며 탄소나노튜브 용액은

아크릴계 우레탄계 등 또는 전도성 고분자계 유무기

하이브리드계 바인더가 포함될 수 있다

- 봉공처리는 산화표면 홀과 산화피막을 봉공하여 내식

성 등이 향상되도록 보호 층을 형성시키는 것으로 비

등수 가압증기에 의한 수화봉공 금속염을 포함한 열

수에 의한 금속염 봉공 오일로 도포나 침적하는 유기

물 봉공 양극산화 피막 층에 도장하는 도장에 의한

39

봉공 등이 있다

반도체 소자를 제조하는 과정에는 불순물 이온을

주입하는 장비가 이용되고 있다 (주)하이닉스 반도

체의 특허에서는 이온주입 장비의 웨이퍼 지지 장

치 리프트 핀의 끝단을 라운드 처리하고 리프트 핀

에 테플론을 코팅하여 리프트 핀과 웨이퍼 후면의

접촉 시 웨이퍼 후면에 스크래치와 같은 손상이 유

발되는 것을 억제할 수 있게 한다16)

⑷ 탄소나노튜브(CNTs Carbon Nano Tubes)17)

탄소나노튜브는 탄소의 동소체로 1991년 일본 NEC 연구

소의 Ijima박사에 의해 전자 현미경을 통해 처음으로 확

인되었다 1985년에 Kroto와 Smalley가 탄소의 동소체인

풀러렌(탄소 원자 60개가 모인 것C60)을 처음으로 발

견한 이후 전기방전 시 흑연 음극 상에 형성된 탄소덩어

리를 투과전자현미경으로 분석하는 과정에서 발견하여

Nature학술지에 처음으로 발표되었다18) 탄소나노튜브에

서 탄소원자 하나는 주위의 다른 탄소원자 3개와 sp2결

합을 하여 육각형 벌집무늬를 형성하며 이 튜브의 직경

이 대략 수 나노미터(nm nanometer) 정도로 극히 작기

40

때문에 나노튜브라고 부르게 되었다 이 탄소나노튜브는

전기 세기가 클수록 더 수축하는 성질을 가지고 있는 등

튜브의 직경이 nm수준으로 극히 작아서 특유의 전기화

학적 특성을 나타낸다

Ku 등19)에 의하면 CNTs는 전기방사법(arc-discharge)

레이저증발 법(laser vaporization) 플라즈마 화학기상증

착 법(plasma enhanced chemical vapor deposition) 열

화학 기상증착 법(thermal chemical vapor deposition) 등

의 다양한 합성법이 개발되어 대량생산이 가능하다

CNTs의 종류는 벽의 수에 따라 단일 벽 탄소나노튜브

(SWNTs) 이중 벽 탄소나노튜브(DWNTs) 다중벽 탄소

나노튜브(MWNTs)가 있으며 물성에 관한 많은 연구결

과 기계적 전기적 열적으로 우수한 성능을 갖고 있음이

입증되었다

CNTs는 인장강도와 탄성률 면에서 지금까지 발견된 재

료 중 가장 강하고 질기며 다중벽 CNT는 63GPa에 이른

다 표준 단일 벽 CNT는 25GPa의 압력까지 변형 없이

지탱된다 그래핀의 대칭성과 특이한 전기적 구조 때문에

CNTs의 구조는 그것의 전기적 특성에 영향을 미쳐 금속

성이나 반도체의 특성을 나타내고 이론적으로 금속성

41

CNTs는 구리와 같은 금속의 1000배가 큰 4times109Acm

2

전류 밀도를 운반할 수 있으며 나노크기의 단면으로 전

자가 튜브의 축 방향으로만 전파되고 전자의 이동은 양

자효과를 수반하여 1차원 전도체로 간주된다

CNTs는 우수한 물성과 상대적으로 큰 표면적으로 갖고

있어 충전제(filler)로써 에폭시 폴리스틸렌 폴리우레탄

등 고분자와 혼합하여 폴리머의 기계적 전기적 특성을

향상시키려는 연구가 활발하다 CNTs가 폴리머 중에서

충전제 역할을 하기 위해서는 고른 분산이 필요하나 반

데르발스 힘에 의한 CNTs 응집현상(agglomeration)으로

인해 효과적인 분산이 어려워 오히려 폴리머의 물성을

저해하므로 이것을 개선하기 위한 다양한 기계적 화학적

분산 방법이 연구되고 있다

- CNTs를 분산시키기 위한 가장 일반적인 방법은 용매

나 폴리머에 CNTs를 투입하고 초음파처리를 하는 것

으로 초음파처리를 하면 SWNTs의 길이가 짧아지고

다발(bundle)이 얇아져 분산력이 증가한다

- CNTs 표면을 산이나 아민으로 기능화하여 분산을 높

이는 방법도 연구되고 있으며 MWNTs를 HNO3

H2O2NH4OH 용액에 침지시켜 MWNTs에폭시 복합

42

재료는 전기적 특성을 향상시키려는 연구와 산과 아

민 등의 기능기를 도입하여 SWNTs의 열전도도를 향

상시키려는 연구들이 수행되고 있다

- 기계적 분산방법인 전단혼합방법은 좁은 관이나 상대

적으로 높은 속도의 유동을 이용하여 발생한 전단력

으로 CNTs를 분산시키는 방법이다 Ku 등19)은 전단

혼합과 초음파처리를 이용하여 MWNTs로 강화된

에폭시 복합재료를 만들어 기계적 및 열적 특성을 연

구하였다

⑸ 내마모성 테프론 코팅

ㅇ 재료의 부식은 구조재에 원하지 않은 변화 원인으로 작

용하여 경제적인 문제로 귀결되는 심각한 문제이다 이들

원치 않는 변화는 때로 적절한 코팅에 의한 표면처리로

예방할 수 있다 가장 일반적이고 자주 사용되는 전착 코

팅은 아연에 기초한 아연 코팅 및 합금 코팅으로 이들

코팅은 간단한 기술로써 내부식성이 양호하여 전 표면처

리의 약 14에 해당하나 최근 낮은 마찰계수 등 다른 특

성들이 매우 중요하게 되었다 이들 특성은 다층 코팅으

로 대응할 수 있으나 두께가 증가하고 기술이 복잡하여

가능한 해결방법으로는 복합체 코팅이 있다 복합체 코팅

43

은 일반기계와 자동차 전자부품 및 컴퓨터 등 다양한 분

야에 적용된다 금속 기질에 미세한 PTFE 입자의 전착

에 의한 증착은 새로운 세대의 복합체 코팅으로써 가장

바람직한 특성은 양호한 내마모성 자기윤활 내부식성이

다 M Paderovaacute 등20)에 의하면 이들 특성은 주로 사용

한 입자(흑연 다이아몬드 MoS2 또는 PTFE)와 용액의

유형(pH 온도 bath 등) 뿐 아니라 입자의 크기 농도

분산 및 형태학에 의존한다

ㅇ 충전되지 않은 PTFE의 마모율은 736-741times10-4mm3Nm

로 내마모성이 낮아 다양한 충전제들이 첨가되고 있다

Xing-Dong Yuan 등21)은 진공 조건에서 PTFE 코팅

의 마모특성을 연구하여 초기에는 하중이 증가함에 따

라 마찰계수가 감소하나 하중이 6N 이상으로 커지면

마찰계수도 증가하며 압력이 PTFE 코팅의 마찰계수

에 미치는 영향이 거의 없고 마모는 압력이 증가하면

초기에는 감소하나 10Pa 보다 높으면 급격히 증가한

다고 보고하였다

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위해서는 윤활제로 PTFE

계 수지 접착제로는 폴리아미드이미드수지 산화철 분말

44

및 브론즈 분말 등을 혼합한 조성물을 사용하거나 미국

특허에서는 스와시플레이트 형 압축기의 플레이트 표면

에 MoS2 흑연 PTFE계 윤활제와 열경화성 수지인 폴리

아미드이미드(PAI) 조성물을 코팅하여 내마모 및 윤활성

을 부여하고 있다22) 내열성 향상을 위해서는 고체윤활

제 접착제수지 및 저융점 금속인 Sn Pb In Bi 등을 함

유하는 합금이나 화합물을 사용하여 금속의 잠열을 이용

내열성 향상을 시도하기도 한다

ㅇ 그간 철강(스테인리스강 탄소강 아연도금강판 등)의 내

부식성 향상을 위한 많은 연구들이 수행되어 왔다 4플루

오르에틸렌(C2H4) 4플루오르에탄(CF4) 6플루오르에탄

(C2F6) 3플루오르화에탄(CHF3) 8플루오르화에탄(C4F8)

같은 불소화된 단량체의 플라즈마 중합에 의한 테플론

류 코팅은 그들의 소수성으로 인해 금속의 내부식성 향

상을 위한 대안으로 주목을 받고 있다 A Delimi 등23)

은 유도결합 고주파플라즈마(inductively coupled radio

fre- quency plasma)를 사용하여 소수성 박막 불소수지

필름을 탄소강에 증착하고 3염수에서 내부식성을 평가

한 결과 1개월 동안 9nm의 필름이 유지되는 것을 관찰

하여 불소고분자 박막이 금속과 금속산화물의 보호층이

될 수 있음을 보고하였다

45

ㅇ PTFE를 이용한 세라믹코팅 기술로는 알루미늄 및 알루

미늄 합금 공작물을 양극처리에 의해서 티타늄 및또는

지르코늄 산화물을 포함하는 내식성 내열성 및 내마모

성 세라믹 코팅을 하고 이어서 양극처리된 공작물을

PTFE 또는 실리콘 함유 코팅과 같은 제 2 코팅으로 코

팅한다 이 발명은 가소성을 가지는 경질의 필름 내에서

내식성 내열성 및 내마모성을 제공하는 티타늄 및또는

지르코늄 산화물의 양극처리 층으로 기판을 예비-코팅함

으로써 알루미늄 기판에 보다 긴 수명의 코팅을 형성하

는데 특히 유용하다24)

ㅇ Nosaka 등25)은 PTFE로 대표되는 불소수지는 마모-링이

나 극저온 밸브의 실링부에 많이 사용되며 진공치환법에

의해 탄소재료에 PTFE나 MoS2 분말을 1-2wt 함침시

키면 무함침한 것에 비해 마모가 약 13로 감소한다고

보고하였다 한편 저자들은 터보펌프의 실링재료가 극저

온 환경에서 보이는 특이한 현상을 극복하기 위해 베어

링의 표면에 노출된 유리섬유를 불소산으로 처리하여 용

해 제거하고 윤활성을 높인 유리섬유강화 테프론 리테이

너를 개발하여 내구성과 윤활성을 향상시킬 수 있었다고

보고하고 있다

46

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위한 또 다른 특허로는

폴리실록산계 접착제를 단독 혹은 폴리에스테르계 접착

제와 병용하고 고체 윤활제로 MoS2(이황화몰리브덴

WS2(이황화텅스텐) h-BN(육방정 질화붕소) 팽창흑연

및 PTFE를 사용하고 충전제로 탄화규소 알루미나 산화

지르콘 산화티탄 등의 미분말을 사용하여 내마모 내열

및 윤활성을 부여하고자 하는 내마모성 및 윤활성 코팅

조성물에 관한 특허가 있다26)

ㅇ 내열성 내후성 내오염성 내약품성 내구성 등의 물성

은 유지하면서 비점착성을 높이기 위해 무기계 세라믹

코팅 조성물에 PTFE를 첨가하기도 한다 이러한 하이

브리드 코팅 조성물에 관한 특허로는 불소수지(01sim25

중량) 콜로이달 실리카나 콜로이달 알루미나 등 무

기계고분자 바인더(20sim80중량) 알콕시실란 화합물

(1sim50중량) 수용성 유기용제(1sim10중량) 충전제

또는 안료(5sim50중량) 및 물(100중량 까지 보충)로

이루어진 코팅 조성물에 관한 것으로 무기질 도료 및

무기계 세라믹 코팅에 의해 내열성 내오염성 내약품

성과 내구성을 유지하고 접착력을 높이기 위해 소량의

PTFE를 사용하는 것이 있다27)

47

ㅇ 정전 복사기에 사용되는 정착기재부의 최외층에 코팅하

여 기계적 성질 및 내마모성을 향상시키려는 목적으로

불소수지 기질 중에 분산된 불소화 다이아몬드를 함유하

는 입자로 구성된 조성물에 관한 일본 특허28)가 있다

ㅇ 부식 특성을 개선한 흑색 무크롬(chrome-free) 다층 내

부식 마무리 칠과 방법에 관한 특허29)로는 ASTM B 117

표준으로 시험할 때 백색 부식에는 최소 500시간 염수분

무시간 및 적색 부식에는 1500시간 염수분무시간에 적합

하게 설계된 마무리 칠에 관한 것이 있다 이 다층 시스

템은 광택(gloss) 4 이상을 만족하는 자동차 차체 강판

자동차 하부와 내장에 사용되기 위해 설계된 것으로 이

다층 마무리 칠은 3층 부식 방지 시스템을 형성하도록

아연-철 전기도금 기질 오르토인산을 사용한 무전해 인

산염 결정 전환 층과 XylanTeflon 실러 코팅의 조합이

다

ㅇ 전통적으로 철 강판(steel sheet)은 크롬산 염 전환 코팅

으로 개질되어 왔으나 6가 크롬이 배출되어 환경을 오염

시키는 문제점이 있어 강판의 내-부식성을 개선하기 위

해 고분자 수지 코팅들이 수행되고 있으나 이 방법은 고

48

분자 코팅 층이 열전도도를 감소시키는 단점을 가지고

있다 Kang 등30)은 강판 위의 고분자 코팅 층의 열전도

도를 향상시키기 위해 초미세-크기 다이몬드(μD)입자를

열전도 물질로 사용하였다 다양한 음이온 및 비-이온

계면활성제들을 사용하여 수용액 중에서 무거운 μD입자

의 안정화를 시험들을 한 결과 1-피렌카르복시산(PCA)

이 가장 양호하였다 그림 3-2는 이 시험 결과를 요약한

것이다

- 강판 위에 PCA로 안정화 된 μD 입자를 함유한 폴리

우레탄-기초 코팅 층은 열전도도가 0351W(mK)에서

0434 W(mK)(10 wtμD)로 향상되었으며 더욱 144

시간 동안 염수 분무 시험결과 부식거동은 관찰되지

않았다

그림 3-2 피렌카르복시산을 이용한 μD 표면처리

ㅇ 자동차공업에서는 기본적인 특성으로 내마모성이 요구되

49

는 강철 기계부품들의 마찰특성을 향상시키기 위해 다양

한 금속 및 고분자 코팅들이 광범하게 이용된다 내-마

모 코팅은 두 가지 주요 특성인 높은 표면경도와 자기-

윤활 특성이 필요하다 후자의 범주에 속하는 것이

PTFE와 MoS2 기초 코팅이다 무전해 니켈 코팅은 높은

경도로 인해 양호한 마찰 특성을 보이며 한편 열처리를

통해 경도를 향상시킬 수 있다 PTFE입자의 첨가는 코

팅경도를 감소시키나 자기-윤활특성을 부여한다 S

Rossi 등3132)은 마찰특성을 향상시키기 위해 이용되는 탄

소강에 이용되는 몇 가지 공업적인 코팅에 관한 부식거

동에 관해 평가 PTFE입자를 함유한 무전해 니켈-인

(Electroless Nickel-Phophorus)코팅은 PTFE 입자(자기-

윤활 특성)를 갖는 외층과 장벽-효과를 갖는 내층으로

인한 이중 특성으로 가장 양호한 특성을 보였다고 보고

하고 있다

ㅇ 모든 기계적 시스템은 동적 요소를 필요로 하며 마찰과

마모를 줄이기 위한 다양한 수단들이 가능하나 그 선택

은 환경이나 조작 조건에 제한을 받는다 PTFE는 자기

윤활 낮은 마찰계수 높은 열안정성과 화학약품 안정성

으로 산업분야에 널리 사용되는 엔지니어링 고분자이지

만 내마모성이 매우 부족하다 이러한 이유로 금속

-PTFE충전 복합체들이 PTFE의 마찰특성과 금속충전제

50

의 내마모성을 결합하여 특정 분야의 용도로 소개되어

왔으나 금속-고분자 물질에서의 충전제의 역할은 완전히

설명되지 않고 있다 복합체 표면의 과잉의 충전제 농도

는 미끄러지는 동안 부하를 지지하여 내마모성을 증가시

키는 것으로 생각되며 PTFE의 마모율은 Mo Zn Ni

Y2O3 및 SiO2 같은 무기 충전제에 의해 1000배가량 감소

되었다는 보고도 있다 유리섬유 구리 세라믹 탄소섬유

절단 탄소섬유 나노입자를 포함한 경질의 충전제 입자들

이 PTFE의 내마모성을 높이기 사용되어 왔다

ㅇ 비교적 두꺼운 코팅에는 열분사(thermal spray) 용사기

술이 정립되어 있고 용사 코팅은 내마모 내마찰 내프레

팅(fretting) 및 내부식을 요하는 산업에 많이 이용되고

있다

- 용사 몰리브덴(Mo)코팅은 실질적 내마모성 코팅으로

가장 광범하게 이용되며 프레임용사(flame spray)거나

와이어용사(wire spray)기술로 생산된 몰리브덴(Mo)

코팅은 흠이나 마모에 대한 고도의 저항을 얻기 위한

가장 좋은 코팅재료 중의 하나이다

- 알루미늄 청동(aluminium bronze)은 높은 내-부식성

과 내마모성을 갖는 것이 특징이다 저압 플라즈마 용

51

사 기술은 자기-아닐링(self-anealing)과 부서지기 쉽

도록 유도하는 γ-상의 형성을 피할 수 있도록 높은

냉각 속도를 얻는 데 사용되며 알루미늄 청동 저압

플라즈마 용사 코팅은 낮은 마찰과 마모를 보였고 비

교적 최근 플라즈마 용사 기술을 이용하여 알루미늄

기질에 고분자-세라믹 복합체를 코팅하는 기술이 개

발되었다33)복합체 코팅으로 행한 마찰 시험에서 낮

은 마찰계수를 얻을 수 있었다

- 낮은 마찰계수와 고 내마모성을 갖는 이성분 금속

-PTFE 코팅이 개발되었고 이들의 마찰 공학적 성능

이 보고되었다 PTFE-기초 복합체 설계에서 일반적

인 접근방법은 경질의 충전 입자들을 도입하는 것으

로 M Yamane 등34)은 PTFE-금속 이성분 코팅의 마

찰 마모성능에 관한 연구 결과 알루미늄 청동 코팅이

Mo코팅에 비해 PTFE 저장소(reservoir)에 유용했음

을 보고하였다

⑹ 충전 또는 강화 플루오르화 탄소1)

ㅇ 분말이나 강화섬유 등 전형적인 충전재들이 충전 또는

강화 플루오르화 탄소에 사용된다 충전재는 저온흐름

52

을 향상시키는 데 사용되며 수축과 균열을 줄이고 열

팽창을 낮추며 열전도율을 향상시킨다

ㅇ 분말이나 단섬유로 된 전형적인 충전제를 표 3-5에 종합

하였다 유리섬유는 가장 보편적인 PTFE 충전제로 화

학 및 전기적 특성에 최소로 영향을 미치며 기계적 특

성을 크게 향상시킨다 분말에 비해 섬유는 압축강도

강성도 및 지지용량을 더욱 향상시키나 분말은 충전

테플론의 내구성에 거의 영향을 미치지 않는다 금속분

말은 특히 열전도도를 향상시키며 고속에서 발생하는 마

찰열을 소멸하는데 도움이 되며 전기저항을 상당히 감소

시켜 금속-충전 조성물은 양호한 절연체는 아니다

ㅇ 흑연(graphite) MoS2는 초기 내구성과 마찰을 개선하고

기계적 특성을 향상시킨다 석면은 많은 유용한 특성을

갖지만 가공 처리 중 가스가 방출할 뿐 아니라 사용금지

물질이다 표 3-5 외에도 금속 망 장섬유 다공성 금속

등 다양한 충전제들이 있으며 다양한 종류의 제품들이

상업 생산되고 있어 최종 선정을 하기 전에 플라스틱 가

공업자로부터 보다 완전한 정보와 추천을 받는 것이 바

람직하다

53

표 3-5 불소수지용 충전제

ㅇ 압축강력 인장과 압축 시의 탄성률 및 항복강력은 첨가

제의 첨가에 의해 모두 증가하나 일반으로 인장강력과

신도 및 충격강도는 손실된다 통상 충전 테플론은 압축

상태에서 사용되므로 인장강력의 감소는 중요하지 않다

인장강력의 손실은 설치(연속적인 링-실링)할 때 인장되

는 재료에서 중요하다 열팽창 계수는 비-충전 테플론에

비해 감소되어 통상 금속 부품의 팽창계수와 잘 맞는다

ㅇ 마찰과 마모를 수반하는 분야에서 가장 중요한 것은 충

전제로 얻어지는 PV한계치의 증가와 마모의 감소다 비-

54

충전 테플론에 비해 PV한계치 크기는 개략적으로 1차원

적으로 증가하나 마모인자는 3차원적으로 감소한다 충전

테플론의 평균치들은 동적 마찰계수는 01-02 PV한계치

는 10000-20000 psi-fpm 마모상수는 10times10-10in3-min

lb-ft-hr이다 그림 3-3은 충전 테플론 PTFE의 마찰계

수에 미치는 충전제 종류와 농도의 효과에 관한 것이다

그림 3-3 테플론 PTFE에 미치는 충전제 종류와 농도1)

ㅇ 내마모성을 향상시키는 충전제는 실제로 연마저항성을

감소시키는 것으로 날카로운 입자는 보다 쉽게 침투하고

충전제 입자와 수지 사이의 경계를 따라 충전 플라스틱

을 찢는다 따라서 라이닝 슈트 같은 분야의 적용 시는

55

비-충전테플론이 보다 바람직하다

⑺ 시트 테이프 및 박층(laminates)

ㅇ 대부분의 플루오르화탄소는 충전 여부에 관계없이 두

께 1mil(0001 in)까지 시트나 테이프로 만들 수 있고

시트나 테이프를 찍어서 원하는 형상의 립-씰(lip seal)

펌프 컵(pump cup) 피스톤 링(piston rings) 가스켓

(gaskets) 등을 만들 수 있다

ㅇ 유체의 누설을 정지시키는 밀봉기능 부품 중 각종기기의

접합부나 배관 플랜지 등의 밀봉에 사용되는 가스켓

(gaskets)은 석면이 널리 사용되어 왔으나 유해물질 배

출 및 이동량 보고제도(PRTR Pollutant Release and

Transfer Register)에서 발암성을 가진 제1종 지정 화학

물질로 지정되어 사용이 금지되어 PTFE가 가스켓으로

개발되었다 PTFE는 용융 알칼리 금속 및 그 용액과 불

소 및 3불화염소에 의해 약간 침식되나 모든 화학약품에

안정하고 우수한 내부식 재료로 C-F결합력이 크고 F원

자가 C-C결합의 주위를 간격 없이 들러 싸고 있기 때문

에 다른 물질의 공격을 방어하고 있고 내열성은 260로

높다35)

56

- PTFE 필러를 사용한 PTFE 나선 권형 가스켓은 석

면에 대한 사용규제와 상관없이 사용되어 왔으며 유

연한 필러를 사용하므로 석면 가스켓 보다 낮은 체결

압력에서도 실 특성이 우수하고 내식 면에서도 광범

하고 다양한 유체에 사용이 가능하다 다만 단열성 면

에서는 석면 나선 권형 가스켓 보다 사용온도 범위가

제한된다

ㅇ 산업 기계나 자동차의 브레이크 제동장치에 부착하여 마

찰력을 부가하는 브레이크 라이닝에서는 마찰계수와 내

마모력 및 충격계수 등 마찰특성이 우수한 석면을 주로

사용하여 왔으나 제동 시 발생하는 미세 석면분진으로

인해 대기오염에 의한 환경을 파괴 뿐 아니라 인체에 흡

입될 경우 암을 유발하여 PRTR로 사용이 금지되었다

석면을 대체할 유기질 또는 무기질 된 다양한 비석면 마

찰 섬유 등이 사용되고 있으며 마찰 섬유에 테프론을 코

팅하여 브레이크라이닝의 수명향상 제동 시 발생하는 소

음 떨림 및 제동력 향상을 위한 제품개발이 시도되고

있다

- 예로 국내 특허36)에서는 브레이크 라이닝(또는 패드)

의 마찰재 배합재료 중 유기섬유(Kevlar섬유 pulp섬

57

유 등)에 테프론을 코팅하고 코팅된 유기섬유에 결합

재 충전재 윤활재 마찰안정재 마찰조정재 등을 소정

의 배합비로 배합하여 성형하고 열처리하여 브레이크

패드 또는 라이닝을 제조한다

ㅇ 초소형 정밀기계(MEMS Micro-Electromechanical

System)분야에서는 점착방지를 위해 불화 유기박막을

사용한다 Park 등37)은 단층 두께의 불화 유기박막의

특성을 접촉각 측정을 통해 분석하였다

⑻ DLC 코팅3839)

ㅇ DLC(diamond-like carbon)는 몇 가지 다이아몬드의 전

형적인 특성을 나타내는 비정질 탄소물질로 극도의 내마

모 특성을 필요로 하는 재료의 코팅에 이용되고 있다

DLC코팅은 연마 마모를 감소시키기 위한 재료에 유용하

여 엔드밀 드릴비트 금형 같은 공구는 물론 자동차 기

계부품 및 전자산업 등 산업전반에 걸쳐 적용된다40)

ㅇ 환경오염 문제로 인해 PRTR(Pollutant Release and

Transfer Register 유해물질 배출 및 이동량 보고 제

도) 이 시행되어 습동 부품이나 절삭 시에 사용되는 오

일이나 그리스에 포함되는 첨가제(MoS2 Zn 등)와 이들

58

부품을 세정할 때 사용되는 용매 기계부품의 수명을 연

장시키기 위해 활용되었던 Cr도금 폐액에서 발생하는 6

가 크롬 등의 오염물질들에 대한 규제가 더욱 강화되어

DLC에 의한 무윤활 습동과 무윤활 절삭을 지향한 공구

와 기계 부품의 개발이 관심을 끌고 있다4142)

- 일본 내에서는 PRTR이 시행되고 이것에 저촉되는 재

료에 관해서는 MSDS(Material Safety Data Sheet)를

첨부해야할 의무가 있고 부품가공 습동 용도에서는

대상 리스트에 올라 있는 오일 오일 중의 중금속 도

금폐액을 어떻게 경제성 있는 환경 친화적 공정과 재

료로 전환할 것인가를 고려하면서 무윤활 습동 무윤

활 절삭 탈크롬 도금의 3가지 키워드가 대두되고

DLC코팅이 대안으로 모색되고 있다

- DLC코팅 적용기술과 과제에 관한 자료로는 자동차

관련부품 적용사례 엔진부위 마찰 작동 밸브계의 마

찰저감 DLC와 윤활제에 의한 마찰저감 기술을 중심

으로 살펴본 보고가 있다43)

ㅇ DLC는 7가지 형태가 존재하며 모두 상당한 양의 sp3혼

성궤도 탄소원자를 함유한다 다양한 형태의 DLC가 진

공 환경으로 적합한 재료들에 적용가능하며 유럽에서의

59

2006년 위탁 DLC코팅 시장은 3천만euro로 추정되었고 국

내도 활발한 상용화가 시도되고 있다

ㅇ 사반면상(tetahedral) 비정질 탄소 ta-C를 2두께로 코

팅하면 연마마모에 대한 스테인레스 강(304 type)의 내구

성을 증가시켜 수명을 1주일에서 85년으로 늘이며 이러

한 DLC의 형태는 sp3결합 탄소 원자로만 이루어지기 때

문에 순수한 DLC로 간주되며 수소 sp2흑연 탄소 금속

같은 충전제가 생산경비를 낮추거나 원하는 특성을 부여

하기 위하여 사용되고 있다

ㅇ DLC를 만드는 방법에는 sp3탄소 보다 낮은 밀도의 sp

2

에 의존하는 몇 가지 방법들이 있으며 압력 충격 촉매

또는 이들의 조합으로 sp2결합탄소 원자들을 sp3결합탄소

로 근접시킨다 최근 초고압 하에서 탄소의 경량 특성을

갖는 초경도 무정형 다이아몬드가 만들어졌다 탄소로 만

들어지는 다이아몬드 그래파이트는 결정구조를 가지나

DLC는 비정질이라는 점에서 크게 다르고 200 정도의

저온에서 형성시킬 수 있다는 점이 통상의 PVD막에 비

해 훨씬 우위에 있다

ㅇ DLC코팅은 제조공정이 복잡하고 생산 단가가 비싸 적용

이 어려우며 적용되는 소재가 제한되는 단점을 갖는다

60

주요제법으로는 고주파 플라즈마 법 이온화 증착법 스

페터링법 등을 들수 있다 고주파 플라즈마 법은 메탄가

스가 원료로 사용되고 막 중의 수소가 약 30(원자)로

평활성이 우수하고 마찰계수가 작으나 경도가 낮다 이

온화 증착법은 벤젠을 사용하며 막은 단단하나 면의 조

도가 거칠고 후막화 하기 위해 스패터링 방법이 검토되

고 있다

⑼ 불소수지의 안전성

ㅇ 테플론 PTFE의 열분해는 200(392)에서 감지되며 이

것은 몇 가지 플루오르화 탄소 기체들과 승화물질을 방

출한다4445)1955년 동물실험에 관한 한 연구에서는 이들

물질이 250(482) 이하에서는 의미 있는 양이 아니라

고 결론지었으나 최근 비-점착 주방기구인 프라이팬이

나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가열할 때 조류를

죽일 수 있는 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수

도 있다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있다45)

ㅇ 표 3-6은 EWG가 보고한 3-5분 내에 370까지 불소수

지를 가열할 때 발생되는 15종의 불소화합물에 관한 것

이다 테플론과 같은 코팅물질들이 장기적으로 인체에 미

61

치는 영향에 관한 연구는 이루어지지 않고 있으나 독감

과 유사한 질병을 유발할 수 있으며 이를 중합체 증기열

(polymer fume fever)이라 한다

표 3-6 15종의 유해물질 및 유독성 기체44)

ㅇ 최근 표 3-6의 화합물들 중 특히 TFA와 과불화된

(perfluorinated) PFOA(perfluorooctanoic acid)에 관심이

증가되고 있다 PFOA는 새로운 환경오염물질로 미국 환

경보호청(EPA)에 의하면 보통 때는 문제가 없으나 조리

과정에서 프라이팬에 열을 가하고 강하게 긁을 경우 용

62

출되어 나오며 이것이 음식물과 함께 인체에 흡수되는

것으로 추정하였다 한편 DuPont의 테플론 PTFE 연구

결과에 의하면 검출한계인 9ppb 이상 검출되지 않으며

테플론 주방기구에서는 PFOA가 존재하지 않는다고 발

표하고 있다

- 물이나 공기를 통해 환경에 노출된 PFOA는 고 콜레

스테롤 궤양성 대장염 갑상선 질환 고환암 신장암

및 임신성 고혈압과 관련된다고 보고되었다

- PFOA는 불소수지 생산과정에서 사용되는 첨가물로써

암모늄 형태로 PTFE 유화중합에 계면활성제로 사용

되며 불소수지의 품질과 균일성을 유지하기 위해 필

수적인 첨가물이기 때문에 전 세계 모든 불소수지 제

조업체가 사용 중에 있다 한편 국내 주력 산업인 반

도체 생산 과정에서도 PFOA를 대량으로 사용하고 있

어 체계적인 실태조사와 대책수립이 필요하다는 의견

들이 대두되고 있다

⑽ 불소화합물의 안전성과 환경대책

ㅇ 표 3-6에서 살펴본 바와 같이 테플론을 급격히 고온으로

가열하면 2종의 발암물질을 포함한 유독성 가스가 발생

63

하고 특히 불소화합물 중 MFA(monofluoroacetic acid)는

적은 양으로도 치명적 해를 끼치고 PEIF(perfluoro-

isobutene)는 신경가스제로 여러 가지 질환을 발생시킨다

한다44)

따라서 테플론으로 코팅된 장치를 재 코팅하기

위해 테프론을 고온으로 급격히 가열하거나 소각 등을

통해 제거할 때는 발생 가능성이 있는 유독가스를 제거

하기 위한 별도의 설비를 이용하여야 하고 유 등44)의 보

고서에서와 같이 중조(NaHCO3)를 포화시킨 충분한 물로

유독 산성 물질을 중화시키는 것도 고려할 만하다 한편

부식대전 방지 코팅도 테플론 코팅 일변도에서 세라믹

코팅 CNTs이나 DLC 코팅기술로 대응하는 것을 추천하

고 싶으며 이것은 유해물질 배출 및 이동량 보고제도

(PRTR Pollutant Release and Transfer Register)에 대

비하는 등 기업의 장래를 고려하는 것도 될 것이다

ㅇ PTFE를 사용한 취사도구는 1960년대 이래 사용되어 오

고 있으나 최근 들어 이것의 안전성이 논쟁의 주제가 되

고 있으며 논의 주체는 PFOA(perfluorooctanoic acid)이

다 PFOA는 PTFE를 비롯한 많은 불소수지의 생산에

사용되며 DuPont의 테플론 PTFE 연구 결과에 의하면

프라이팬을 260 이상 고온에서 가열하거나 코팅이 벗

겨져도 PFOA가 존재하지 않는다고 한다 그러나 물이나

64

공기 토양 식품포장재 등 여러 곳에서 PFOA 오염사실

이 보고되고 있다 한다44)

- 미국 EPA는 인체와 환경에 대한 PFOA 연구를 계속

하고 있으며 2015년까지 PFOA 및 이와 관련된 화합

물 방출을 배제할 프로그램을 갖고 있으나 PTFE-기

초 비점착 취사기구를 중지시킬 타당성을 갖고 있지

는 않다 최종제품은 PFOA가 아닌 PTFE이기 때문이

다

- 수십 년 동안 불소수지 비점착 코팅이 시장을 지배하

였으나 최근 몇 가지 신기술들이 출현되고 있으며 이

들 대부분은 실리콘 세라믹과 실리콘 기술로 이들 코

팅은 PTFE와 PFOA를 함유하지 않는다

- 오늘날 출시된 비점착 취사용구는 수많은 상표로 팔

리고 있으며 DuPont에 의하면 대부분의 취사용구 코

팅은 정상적으로 사용할 때 3-5년 견딜 수 있을 것으

로 예측한다 너무 문질러서는 안 되고 따뜻한 비눗

물로 씻어주는 것이 좋으며 닳거나 흠이 생기지 않도

록 나무 플라스틱이나 코팅된 재료로 만든 도구를 선

택하고 보관도 흠이 생기지 않을 장소나 캐비닛을 권

장하고 있다

65

ㅇ 국내의 불소수지 안전성에 관한 것으로는 재질규격(납과

카드뮴)과 용출규격(납 과망간산칼륨소비량 증발잔류물)

이 식품용 기구 및 용기 포장 공전46)에 기재되어 있으며

최근 국내에서도 PFOA를 비롯한 유해 불소화합물에 관

한 관심이 커져 가고 있다

ㅇ PFOA 문제가 표면화 되면서 환경 보전형 불소계 발수

유제의 개발과 공업화도 새로이 부각되고 있다 이에 관

한 보고서를 모니터링한 KISTI자료47)를 중심으로 간단히

요약하면 발수제의 주요성분 퍼플루오로알킬기(Rf기)함

유 폴리머의 기능은 Rf기의 고리길이에 크게 의존하므로

PFOA문제 해법으로 탄소수 8 이상인 종래의 불소화학

에서 탈피 짧은 고리 Rf기(탄소수 6)를 가진 새로운 단

량체를 선택하여 발수제를 제조함으로써 환경 보전형 불

소계 발수유제를 개발하고 공업화하였다 한다

66

제 4 장

지원결과

1 지원결과 종합

테프론 코팅 기술의 문제점과 부식대전방지용 테플

론 코팅에 관한 정보 외에 신청기업의 요청에 따

라 C-나노튜브 코팅 및 DLC증착에 관련된 기술 정

보도 제공하였다

테플론은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat resistant)

비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coefficient of

friction) 내약품성(chemical resistance)과 특이한 전기적

특성(unique electrical properties) 및 온내구력(cryogenic

stability)으로 그 응용범위가 광범하며 용도에 따른 엄격

한 품질관리가 요구될 것으로 생각되어 중소기업에 적합

한 기초능력 배양과 신제품을 구상하기 위한 최신기술에

관한 정보를 제공하고자 하였다

67

불소수지의 코팅은 두께와 첨가제가 관건으로 이에 관한

자료를 제공하고자 하였으며 불소수지의 전기특성 폭발

성 환경과 반도체 제조공정에서의 대전 방지 처리를 위

한 정전기 관리 지표 등을 특허를 중심으로 조사하여 제

공하고자 하였다

C-나노튜브를 이용한 대전방지 코팅 기술 및 C-나노튜

브의 제법 등 이것에 관한 기초정보를 제공하고자 하였

으며 내마모성 테플론 코팅에 관해서는 테플론을 이용한

세라믹 코팅 기술에 관한 정보도 제공하고자 하였다

테플론의 기계적 전기적 특성을 강화하기 위해 사용되는

충전제를 종합하고 기초이론을 정립함으로써 금후 원부

자재의 선정에 도움을 주었다

테플론은 석면 대체재로도 주목받고 있어 이에 관한 특

허 정보들을 제공하였으며 다이아몬드의 전형적인 특성

을 나타내는 DLC의 코팅관련 기술 정보를 환경오염 문

제와 연관하여 자료를 제공하였고 최근 비-점착 주방기

구인 프라이팬이나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가

열할 때 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수도 있

다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있어 이에

관한 정보도 제공하였다

68

2 지원의 한계

중소기업이 당면한 문제는 전문기술의 확보다 관련 기술

이 비약적으로 발전하는 추세에 비추어 한정된 인원으로

신기술을 소화하고 개발하기는 어려울 것이므로 출연연

구기관이나 대학과 공동연구를 모색할 수 있으나 이것도

중소기업으로서는 경제적 부담이 될 수밖에 없을 것으로

생각된다 가능하다면 앞으로도 KISTI의 정보지원이 계

속되기를 바라고 있었다

3 기대효과

부식대전 방지 테플론 코팅에 관한 기본 기술이 배양되

어 합리적인 원부 원료의 수입검사 공정관리 및 제품관

리를 통해 원가절감은 물론 신제품 신기술에 관한 정보

수집 및 분석능력이 배양되고 개발력이 확충되어 기업

경쟁력 향상에 도움이 될 것이다

69

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75

저자소개

김학주(金鶴柱) 서울대학교 문리과대학 화학과 졸업 이학사

전북대학교 대학원 화학과 이학박사

(주)삼양사 의약연구소장 신성대학교 교수

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 폴리에스테르 섬유의 연중직방기술 외 다수

저서 기기분석 공업물리화학 일반화학

성용길(成墉吉)

동국대학교 이과대학 화학과 졸업 이학사 이학석사

부산대학교 대학원 화학과 이학박사(Dr Sci)

University of Utah USA Ph D(공학박사) Post Dr

유타대학교 연구교수 부산대학교 교수 동국대학교 교수

동국대학교 명예교수 한국원자력문화진흥원 이사

과학문화연구원전문연구위원 한국도량형과학문화연구원 원장

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 의료용 기능성 고분자재료에 관한 연구 외 330편

저서 고분자 물성론 (서울대학교 출판부 공저) 외 10권

19

세부 지원 내용

⑴플루오르화탄소 플라스틱의 특성

Teflon TFE(폴리테트라플루오로에틸렌)은 1940년대부

터 사용되어 왔으며 Teflon FEP(플루오르화에틸렌프

로필렌 공중합체)는 1958년에 소개되었고 압출 및 사

출성형이 용이하며 TFE 유형은 딱딱하고 낮은 마찰계

수를 가지며 마모에 강하고 보다 높은 온도에서 사용

가능하다 이 외에도 플루오르화탄소 플라스틱에는 폴

리염화플루오르화에틸렌(CFE 또는 CTFE)와 폴리비닐

리덴플루오라이드(PVF) 등이 있다 플루오르화탄소 플

라스틱은 그 코팅방법에 따라서도 응용범위가 광범위

하게 발전되어 왔으며 그 용도는 주방용기로부터 기

계 자동차 반도체는 물론 우주항공 산업 부품에 이르

기까지 무한하며 상업 생산되고 있는 플루오르화탄소

플라스틱은 표 3-11)과 같다

PTFE는 열가소성 플라스틱으로 상온에서 밀도 약 2200

인 백색고체로 융점은 327이며 마찰 및 마모 특

성을 나타내는 마찰계수는 고체재료 중 BAM(alumi-

20

nium magnesium boride 마찰계수 002)과 DLC

(diamond-like carbon 마찰계수005)에 이어 3번째로

낮은 005-010로 반데르발스 힘에 대한 저항력으로 도

마뱀이 붙을 수 없는 유일한 표면으로 알려져 있다2)

표 3-1 플루오르화탄소 플라스틱의 유형1)

21

Teflon의 유용한 기계적 특성은 -450sim500(-267sim

260)에서 유지되며 여러 가지 특성들은 가공기술을

바꾸어 변경시킬 수 있다 마찰 및 마모 특성을 나타

내는 마찰계수들은 시험조건에 따라 다르며 Teflon은

증기압이 극히 낮아 진공에서도 우수한 안정성을 가

지며 방사선 안정도는 부족하나 방사선 내용성은 극

히 높다

테프론의 특징은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat-

resistant) 비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coeffi-

cient of friction) 내약품성(chemical resistance) 특이한

전기적특성(unique electrical properties) 저온내구력

(cryogenic stability)으로 대표된다3)

- 테프론 코팅된 표면에는 거의 모든 물질이 달라붙지

않으며 내열성(heat-resistant)이 우수하여 -260sim+26

0까지 사용할 수 있고 단시간 사용의 경우에는 30

0까지 견디며 Teflon FEP는 232에서 연속사용이

가능하다 비유성(non-wetting)이 우수하여 표면에 물

이나 기름이 잘 묻지 않아 표면이 오염되지 않아 쉽

게 청소가 가능하고 기계설비의 보수시간이 단축되어

생산성을 향상시킬 수 있다 테프론은 비-절연성은 물

22

론 비-유전정접과 우수한 표면 저항률을 보인다

⑵ 플루오르화탄소 수지 코팅

얇고 강인한 플루오르화탄소 수지 필름을 금속 등에

소결이나 수지-접착에 의해 바르면 기질에 침착된 필

름은 저온흐름으로 고체 플루오르화탄소 수지보다 낮

은 마찰계수를 띠고 금속은 양호한 열전도도를 갖고

열을 분산할 수 있어 고속으로 운전할 수 있고 양호한

내구성을 갖게 된다

1950년대 미국 해군연구소에서 소결 Teflon TFE필름을

수성 분산액(현탁질)으로부터 무기 탄약통 비행기부

품 잠수함부품의 건조-필름 윤활제 및 보호 코팅용으

로 개발한 후 이것들은 기어 정첩(hinges) 샤프트 베

어링 밸브 플러그 콕 피스톤 링이나 그 외의 산업분

야에 응용되고 있다

- 실제로 적절한 테플론 현탁질을 고체 표면에 침적한

후 수분 증발이 너무 빠르지 않게 공기에서 필름이

건조되게 한 후 테플론 입자들이 연화 및 소결되도록

건조된 표면을 약 385(725)로 가열하고 냉각하면

23

얇은 연속 필름이 표면에 남지만 필름 중의 많은 작

은 세공들은 테플론의 높은 용융점도 때문에 제거할

수 없다 세공들은 윤활 작용에는 제한을 받지 않으나

녹슬거나 부식의 공격점이 되어 부식방지를 위해서는

1회 이상의 박막 추가 코팅이 반복되고 보통 2회 코

팅으로 충분하나 각 침적 테플론 층은 두께가 00003

인치(762)를 초과하지 않아야 하며 그렇지 않으면

말린 진흙 같이 균열이 발생한다 필름이 윤활제로 사

용될 때는 필름두께가 00006-00007인치(152-178)

를 초과하지 않아야 한다1)

- 테플론코팅은 통상으로 존재하는 표면 산화물이 제거

되지 않은 깨끗하고 탈지된 강철 황동 및 알루미늄금

속표면일 때 가장 잘 접착한다 만일 산세척에 의해

과잉 두께의 산화물이 제거되었다면 필수적으로 얇은

산화층이 형성될 때까지 공기 중에서 가열한다 접착

은 실표면적이 증가하면 증가하므로 경면가공(mirror

finish)보다 모래분사가공이나 무광택가공이 양호하다

- 테플론 코팅된 표면의 마찰계수는 금속기질 표면을

거칠게 함으로써 낮출 수 있으나 미끄럼마찰 조건 아

래 내구성은 금속의 거칠기가 32마이크로인치(rms)를

초과하면 감소한다

24

철강 기질의 인산처리는 소결 Teflon TFE필름의 마모

수명을 향상시킨다고 보고되었으며 양극처리 된 코팅

의 경도 및 내마모성과 불소수지의 윤활성을 결합하기

위해 다공성 경화 양극처리 알루미늄 위에 불소수지를

침윤하여 왔다 Teflon S 마감재는 Du Pont이 도입한

최초의 수성-기초 분산 TFE FEP로 이들은 ldquo계층화

된rdquo 마감재이다 Francis J Clauss1)는 다양한 용도에

서의 Du Pont사 제품들의 선정 가이드를 표로 종합하

였으며 이것을 요약하면 표 3-2와 같다

- 테플론 코팅은 프라이머 단층 프라이머 코팅 후 에나

멜이나 클리어 마감 또는 프라이머 에나멜과 클리어

마감 등 3-코팅 시스템으로 구성된다 프라이머들은

금속이나 세라믹 기질에 접착을 향상시키기 위해 개

질제를 함유한다 프라이머들은 가끔 1회 코팅 마감재

로 사용되나 음식물과 접촉하는 용도로는 반드시 에

나멜이나 클리어 마감재로 마무리 칠을 하여야 한다

프라이머는 층간 접착력이 부족하기 때문에 다중 코

팅에 적용될 수 없고 만일 06mil 이상의 코팅이 필요

하면 프라이머는 에나멜이나 클리어 마감재로 마무리

칠을 하여야 한다

25

표 3-2 테플론 코팅 두께1)

최종

용도대표적 용도

전체두

께(mils)

프라이머에나멜클리어

가공(mils)

비점착

산업

직물 슬래셔 통

열 봉합 봉 고무경화 롤러

우레탄과 에폭시 경화 주형

제빙기

목재 고무 주석도금 아연

10-25

07

20-50

08-13

07

03 07-22 07-10

07 마무리칠 불가

03 07-37 10min

03 05-10 05-10

07 마무리칠 불가

식품

프라이팬 내열접시

반죽롤러

캔디 장치

08-12

10-30

20-30

03 05-09

03 07-27

03 07-17 10

One-coat

system

금지

드라이

윤활

플러그 밸브

유리병 제조 전달 장치

베어링

03-07

15-25

05-07

03-07

03 03-05 03-05

02

전기

전자

저항기 코팅

아이들 롤러(제지 섬유 공업)

세라믹 절연체

40-50

10-15

20-25

03 37-47

03 07-12

03 17-22

부식

방지용기 라이닝 gt50 03 47 또는 5-10 이상

Non-

wetting콘덴서 튜브 02-04 02-04

- 유색 프라이머는 통상 안료가 필름의 범위와 두께를

시각적으로 체크할 수 있게 하므로 그렇지 않은 것에

비해 더 선호된다 에나멜과 클리어 마감재는 충분한

접착을 위해 프라이머 위에 발라야 한다 ldquo진흙 갈라

짐 현상(mud-cracking)은 코팅 당 최대 두께를

10mil로 한정하나 다중 코팅에 의해 극단적이 조건

하에 전체 두께를 10mils까지 바를 수 있으며 각각의

26

코팅은 분리하여 구워진다

불소화 고분자들은 낮은 표면장력 물과 기름에 젖지 않

고 비점착성이며 방오 특성(antifouling properties) 등을

갖기 때문에 다양한 특수 코팅에 적용되나 합성과 조성

이 몇몇 제조업자들에 독점되어 있고 값비싼 중간체를

필요로 한다 VC Malshe 등4)은 플루오르 함량이

4-10인 불소화된 아크릴 공중합체를 간단한 방법으로

합성하고 클리어 코팅하여 광학적 기계적 및 보호 특성

을 연구하였다

최근 에너지 절감과 CO2규제와 같은 환경규제에 대한 대

응 필요성이 증가하면서 발전소나 각종 보일러 시스템에

서 배가스로 배출되는 응축잠열 에너지의 회수 및 활용

에 관심이 증가되고 있다 Lee 등5)은 스테인레스 관 표

면에 400정도의 두께로 테플론을 코팅한 전열관에서

관의 열 및 응축 열전달 특성을 연구하여 테플론 코팅관

의 총괄 열전달 계수는 스테인레스 관보다 약 20 작은

것으로 나타나고 응축열전달 계수는 유사하였음을 보고

하였다

알루미늄 용광로의 비-여과 배출가스에 장기간 사용하기

적합한 역류 열교환기에 관한 것으로 원통형 쉘의 표면

27

은 알루미늄 용광로 배출가스 입자 및또는 먼지 및 부

식 흄과 접촉될 수 있어 테프론 계로 코팅 처리하는 특

허6)가 있다 이 특허에서는 원통형 쉘을 만들도록 복재

(web member 웨브재)와 함께 연결된 유체 운반튜브로

이루어진다 각 원통형 쉘에 위치한 헤더는 열교환기의

튜브에서 튜브로 유체를 공급하며 뜨거운 난류가스에 작

용하여 스케일링을 최소화하기 위해 헤더의 보호덮개를

설치한다

저온에서 고온에 이르는 환경에서 유체에 사용되는 배관

튜브는 열에 의한 경시적 열화가 진행되어 균열 발생이

쉽다 가동부에 사용되는 배관 튜브는 움직임이 수반되어

그 경향이 현저하며 반도체 제조장치에 일반으로 사용되

는 실리콘튜브는 저온에서 열화되어 파손되기 쉽다 이러

한 문제점을 해결하기 위해 실리콘 튜브 외측 표면을 테

플론으로 코팅하여 균열발생을 억제함으로써 장시간 사

용 가능하도록 고안한 특허7)가 있다

섬유상 부직포로 제작하는 다공성 여과필터는 다양한 산

업공정의 배출가스를 정화시키는 데 사용되며 특히 중고

온 환경에서 사용이 가능한 다양한 종류의 기능성 필터

의 개발이 요망된다 일반으로 소각장 및 발전소 등의 중

고온 조건에서 사용되는 Nomex를 비롯한 섬유상 필터는

28

200 이상에서는 열변형으로 사용이 제한적이고 세라믹

필터와 같이 고온에서 적용이 가능한 소재는 매우 고가

일 뿐 아니라 초기 작업으로 인해 에너지 사용량이 매우

높아지는 문제점이 있다 Kim 등8)은 250-300 영역의

중고온의 배출가스를 처리하기 위한 필터에 표면 소수성

과 고온 안정성을 부여하기 위하여 표 3-3과 같은 조성

으로 그림 3-1과 같은 장치를 이용하여 테플론 수지를

거품 형태의 코팅액으로 조제하여 유리섬유 원단에 공급

하여 표면코팅하고 열처리 및 압착과정을 거친 후 표면

분석하였다

표 3-3 테플론 코팅을 위한 화학첨가제8)

테플론 코팅이 전기 집진장치에 활용되는 특허도 있다

종전 사이클론 방식의 전기집진기에서는 집진부의 먼지

를 떨어뜨리는 것이 용이하지 않았다 발명자들은 먼지

압축 기능을 갖는 집진실 내측에 테플론 가공을 하여 정

전기에 의한 미세먼지의 부착을 억제함으로써 집진실의

먼지를 원 터치로 처리할 수 있도록 하였다9)

29

그림 3-1 테플론 거품코팅8)

일반으로 테프론을 조리용기에 코팅하는 방법은 금속소

재를 사용 제품형태로 제작한 후 세척하고 에이징(소둔)

처리한 후 샌딩하여 표면조도를 유지하도록 하고 표면에

프리머 처리하여 베이킹 처리한 후 분사방법으로 테프론

코팅을 하고 다시 베이킹 처리하므로 공정이 복잡하고

제조원가가 상승하며 부착력에 한계가 있다한다 (주) 엘

지아이 특허10)에서는 피처리물을 세척한 후 산질화처리

하여 표면에 열처리 층이 형성되게 한 후 테프론을 코팅

하고 베이킹 처리하는 것을 특징으로 한다 그 외에 내열

세라믹 주방용기의 불소수지 코팅방법에 관한 특허가 있

다11)

(주) 봉성비에스는 차량의 주행 충격을 흡수하는 완충기

30

내부에 삽입하는 피스톤 외주면의 마찰과 소음을 최소화

하기 위한 목적으로 테프론 코팅을 하기 위한 코팅장치

를 등록하였다12)

⑶ 대전 방지 플루오르화탄소 수지 코팅

ㅇ 본래 불소수지 자체는 높은 절연성과 큰 대전성을 갖고

있기 때문에 도전 효과를 얻기 위해서는 분상 필러를 다

량으로 충전할 필요가 있으나 이렇게 하면 비점착성이

떨어진다 여러 회사들의 제품 안내서들을 종합한 불소수

지의 전기적 특성은 표 3-4와 같다

표 3-4 불소수지의 전기 특성

특성측정법

(ASTM)단위

PTFE

(비충전)

PTFE

(25

유리충전)

PTFE

(25

탄소충전)

표면 내아크성 D495 sec 75-110

체적저항

(비저항)D257

ohm-

cmgt1018 gt1016 104

표면저항 D257ohm

sq-1 gt10

14

유전율(유전상

수) at 1MHzD150-81 e 25 24

절연내력 short

time 18thickD149

kv

mm285

유전정접(유전

정합) at 1MHzD150-81 lt00002 005

31

ㅇ 불소수지는 내열성 내한성이 높고 내약품성 내연소성

난연성이 우수하고 절연성 및 비점착성과 저 마찰계수를

갖고 있으나 절연성이 높아 정전재해의 원인이 될 수 있

어 재해 방지를 위해 대전 방지 또는 저저항을 특징으로

하는 불소수지 가공품이 개발되어 사용범위가 넓어지고

있다

불소수지에 충전하여 저저항으로 하는 필러에는 일반적

으로 도전성이 높은 카본 금속 또는 산화알루미늄 등의

금속산화물이 사용된다 재료의 형상으로는 미분 탄소

스테인레스 스틸 니켈 금속분과 같은 입상물 단섬유 탄

소섬유 위스커(whisker) 등이 사용된다

- 미분은 비표면적이 크기 때문에 소량의 충전으로 저

항치를 내릴 수 있으나 약품의 침투가 있는 경우 비

표면적이 크기 때문에 약품의 영향을 받기 쉬워 내부

식성 떨어질 가능성이 크다

- 입자상물질들은 미분에 비해 비표면적이 작기 때문에

약품의 영향을 비교적 적게 받지만 저항치를 내리기

위해 충전량이 많게 되어 불소수지의 특징인 비점착

성과 저마찰계수 특성을 저해한다 섬유 위스커 형상

은 단방향에 대한 장방향의 비가 클수록 적은 충전량

32

으로 저항치를 낮출 수 있지만 분산이 나쁘면 요철이

발생한다 부식 방지 코팅에서는 충전제의 내약품성이

관건이다 즉 부식 환경에서 불소수지 자체는 충분히

견디어도 충전제가 내약품성이 없으면 충전제가 서서

히 에칭되어 기기가 부식될 가능성이 크다

화학 석유 및 정제 산업에서는 시험 검사 세척 및 다양

한 공정의 용기 저장 탱크 반응기와 같은 많은 구성요

소들이 사용되며 플루오르화 고분자는 고온에서 높은 열

안정성을 갖고 다양한 유기용매에 전혀 용해되지 않으므

로 부식방지 등을 위해 플루오르화 고분자와 같은 내화

학성 고분자로 코팅된다 그러나 이들 고분자는 코팅된

구성요소의 표면에 정전하 축적을 조장하기 때문에 폭발

성 환경에서는 사용할 수 없다

특히 이들 구성요소들의 금속 구조물은 용기나 탱크에

보관된 가스 증기 분진의 이동에 의해 생성된 정전하

(electrostatic charge)를 흐르게 하는 전도경로가 되나 금

속표면을 강산 강알칼리나 유기용제에 의해 침투되는 방

지하기 위한 목적으로 부식방지 테플론으로 코팅될 경우

얇은 필름의 비-전도체로 작용하므로 폭발성 환경에서

사용을 규제하고 있다

33

- 예로 유럽 표준 EN 50014 section 732에서는 정전

하로 인한 발화 위험을 피하기 위해 사용 보수 및 세

척 조건 하에 설계된 울(enclosure)이 필요하고 울의

절연저항은 1GΩ을 초과할 수 없도록 규제하고 있고

일본은 후생노동성 관할 산업안전연구소의 정전기 안

전지침의 누설 저항치는 108Ω 이하로 되어 있다

- 따라서 부식 및 폭발성 환경에서 안전하고 다양한 구

성 요소에 적용할 수 있는 정전방지 비-발화 테플론

코팅기술을 요하며 정전방지 코팅은 표면저항을 낮추

기 위해 카본블랙이나 개질 전도성 탄소 금속이나 전

도성 고분자를 테플론에 충전하여 코팅한다

폭발성 환경용 내화학약품 특성과 대전방지 비발화

코팅 조성물로는 높은 비저항을 갖는 플루오르 고분자

50-90wt 10-50wt의 전도성물질인 탄소분(carbon

powder)으로 이루어진 Solex Robotics Systems Inc

특허가 있다13)

- 폭발환경에서 사용되는 이상적인 코팅은 정전하를 피

하기 위해 낮은 비저항을 가져야 한다 완벽한 전도체

는 비저항이 영(0)이고 완벽한 절연체는 무한 비저항

34

을 갖는다 금속(구리 금 같은) 합금(망가닌 Mn-Ni-

Cu 니크롬 Ni-Cr-Fe) 반도체(카본이나 게르마늄)는

낮은 비저항을 갖고 있어 좋은 도체이다

- 수많은 고분자 기초 코팅들이 부식화학 환경에 사용

되었으나 85GΩ 이상의 비저항으로 대전방지 시험에

서 실패하였다 정전기 도체로 인증기준 아래 적합하

기 위해서는 100cm2이상의 노출 표면이 1GΩ 이하의

비저항이어야 한다 코팅에 첨가된 탄소분은 전도도를

증가시키며 10-50의 함량은 1GΩ 이하의 비저항을

만족시킨다

비전도성 표면의 표면저항을 감소시키도록 카본이나 금

속을 사용하여 대전방지를 부여하는 공정의 단점으로는

카본이나 금속의 접착력이 낮아 입자의 마모가 일어나

장기간 사용 시 대전방지 수준이 감소하는 것이다 더욱

클린룸에서 입자의 방출은 심각한 문제가 된다 대부분의

비전도성 기질은 통상 23 상대습도 50에서 표면 비

저항이 109ohmsquare 이상으로 높고 PTFE 경우는 10

12

ohmsquare이상이다14)

반도체 제조 장치에서는 웨이퍼 기판을 안착하기 위해

작업 스테이지를 사용하며 작업스테이지는 통상 금속과

35

세라믹으로 제작되나 웨이퍼기판을 작업스테이지에 올려

놓을 때 작업스테이지와 웨이퍼기판 사이에 마찰 정전기

가 발생한다 FPD(flat panel diplay 평판표시)용 디스펜

서(dispenser)에 사용되는 작업스테이지는 진공방식으로

디스플레이 기판을 흡착 고정하며 흡착 고정되었던 디스

플레이 기판이 작업스테이지에서 박리될 때 작업스테이

지에 정전기가 발생하여 디스플레이 기판에 대전된다 최

근 디스플레이 기판이 대형화됨에 따라 대전량이 증가되

고 정전기 대전문제가 더욱 심각해지고 있다 웨이퍼기판

이나 디스플레이기판에는 반도체소자 등 다수의 전자부

품들이 배치되어 있기 때문에 정전기가 발생되면 전자부

품의 신뢰성에 치명적 손상을 주고 기판에 분진이 부착

되거나 정전기의 대전으로 기판 리프트 업(lift up)시 기

판이 깨어지는 문제가 발생한다 정전기 대전을 방지하기

위해서는 작업스테이지에 이오나이저를 설치하여 중화하

기도하나 리프트 업이 불가능하거나 이온풍이 도달하기

전 방전하는 등 작업 스테이지와 기판 사이에서 발생한

정전기가 순간적으로 일으키는 박리대전 문제를 해결하

기 어려워 작업 스테이지의 정전기 방지를 위해 불소수

지로 코팅한다

- 불소수지는 다른 물질과의 흡착에너지가 작고 비점착

성이 우수하며 마찰계수가 작아 유리기판과의 상관관

36

계가 작아져 박리에 의한 정전기의 발생량이 적어지

나 불소수지는 절연성을 가지므로 테프론 코팅에서는

카본 블랙이나 전도성 고분자 등을 필러로 사용한다

대전방지가 필요한 반도체 제조장비 디스플레이 장치 및

테스트 장치 등의 작업 스테이지를 테프론 코팅함으로써

작업 스테이지의 정전기 발생을 방지하는 방법의 단점의

하나는 제작비용이 상대적으로 많이 드는 것으로 디스펜

서의 경우 디스플레이 기판이 대형화됨에 따라 작업 스

테이지의 크기가 커져 제작비용이 증가한다 또한 불소수

지의 경도가 낮아 코팅 막에 스크래치가 발생하고 이 부

분은 평탄도 유지가 어려우며 입자들이 발생하는 요인으

로 작용하며 불소수지가 절연성이므로 카본블랙이나 전

도성 고분자 등의 도전성 필러를 충전하여 대전방지에

적합한 면-저항을 갖도록 할 경우 카본블랙은 구형으로

분진이 발생하는 문제점이 있고 전도성 고분자를 사용할

경우는 내용제성이 약하고 과량의 바인더를 사용하여야

하며 박막 형성이 어렵고 불소수지의 경도를 보완하기

위해 아노다이징 처리를 하는 경우는 이후 별도의 코팅

과정을 거쳐야 하므로 제작비용과 제작시간이 증가하는

등 여러 가지 단점들이 있다 이러한 문제점들을 해결하

기 위한 방법으로는 작업 스테이지와 기판이 만나는 면

에 정전기 발생을 최소화시킴과 동시에 그 제조비용이

37

절감되고 적절한 면-저항을 조절할 수 있으며 마찰계수

가 낮고 내마모성이 향상된 작업스테이지 표면의 대전방

지 처리 방법에 관한 국내의 탑나노시스 사의 특허15)가

있다

- 탑나노시스 사의 특허 목적은 작업스테이지의 기판과

만나는 면에 정전기의 발생을 최소화시킴과 동시에

그 제조비용이 저감되고 적절히 면-저항을 조절할 수

있으며 마찰계수가 낮고 내마모성이 향상된 스테이지

표면의 대전방지 처리 방법에 관한 것으로 이 특허에

서는 금속소재의 작업 스테이지 표면을 아노다이징

처리하여 복수의 산화표면 홀들을 형성시키고 여기에

탄소나노튜브를 삽입하고 경화하며 탄소나노튜브 경

화 후에 표면을 봉공 처리한다

- 작업스테이지 표면은 106-10

9Ωsq의 면-저항을 갖는

것이 바람직하며 산화표면 홀들은 직경 30-900nm 깊

이 100-900nm가 바람직하다 아노다이징 처리를 하는

금속소재는 Al Mg Zn Ti Ta(탄탈륨) Hf(하프늄)

Nb(니오븀) 등일 수 있고 이 발명에서는 가벼우며 일

정 강도를 갖고 가공성이 우수한 Al합금을 예로 들어

설명하고 있다

38

- 알루미늄소재 작업스테이지 표면에 산화피막(Al2O3)처

리를 하는 아노다이징(anodizing 양극산화)에서 전해

액은 수산화나트륨이나 수산과 황산 등이 사용될 수

있고 수산화나트륨의 농도(20-50) 공급전압 전류

및 시간 등을 조절하여 산화표면 홀의 크기(D)와 깊

이(L)를 조절하며 D와 L에 따라 대전방지 효과나 내

구성 및 표면경도를 조절한다

- 탄소나노튜브를 산화표면 홀 내에 삽입시키는 단계는

전해 흡착 하여 이루어질 수 있고 정전도장을 통해서

도 이루어질 수 있다 탄소나노튜브는 분산제를 포함

하는 용액으로 코팅되며 분산제로는 소듐 도데실설페

이트(SDS) 트리톤X Tween20(폴리옥시에틸렌 소르

비탄모노올레이트) CTAB(cetyl trimethyl ammonium

bromide)를 예로 들고 있으며 탄소나노튜브 용액은

아크릴계 우레탄계 등 또는 전도성 고분자계 유무기

하이브리드계 바인더가 포함될 수 있다

- 봉공처리는 산화표면 홀과 산화피막을 봉공하여 내식

성 등이 향상되도록 보호 층을 형성시키는 것으로 비

등수 가압증기에 의한 수화봉공 금속염을 포함한 열

수에 의한 금속염 봉공 오일로 도포나 침적하는 유기

물 봉공 양극산화 피막 층에 도장하는 도장에 의한

39

봉공 등이 있다

반도체 소자를 제조하는 과정에는 불순물 이온을

주입하는 장비가 이용되고 있다 (주)하이닉스 반도

체의 특허에서는 이온주입 장비의 웨이퍼 지지 장

치 리프트 핀의 끝단을 라운드 처리하고 리프트 핀

에 테플론을 코팅하여 리프트 핀과 웨이퍼 후면의

접촉 시 웨이퍼 후면에 스크래치와 같은 손상이 유

발되는 것을 억제할 수 있게 한다16)

⑷ 탄소나노튜브(CNTs Carbon Nano Tubes)17)

탄소나노튜브는 탄소의 동소체로 1991년 일본 NEC 연구

소의 Ijima박사에 의해 전자 현미경을 통해 처음으로 확

인되었다 1985년에 Kroto와 Smalley가 탄소의 동소체인

풀러렌(탄소 원자 60개가 모인 것C60)을 처음으로 발

견한 이후 전기방전 시 흑연 음극 상에 형성된 탄소덩어

리를 투과전자현미경으로 분석하는 과정에서 발견하여

Nature학술지에 처음으로 발표되었다18) 탄소나노튜브에

서 탄소원자 하나는 주위의 다른 탄소원자 3개와 sp2결

합을 하여 육각형 벌집무늬를 형성하며 이 튜브의 직경

이 대략 수 나노미터(nm nanometer) 정도로 극히 작기

40

때문에 나노튜브라고 부르게 되었다 이 탄소나노튜브는

전기 세기가 클수록 더 수축하는 성질을 가지고 있는 등

튜브의 직경이 nm수준으로 극히 작아서 특유의 전기화

학적 특성을 나타낸다

Ku 등19)에 의하면 CNTs는 전기방사법(arc-discharge)

레이저증발 법(laser vaporization) 플라즈마 화학기상증

착 법(plasma enhanced chemical vapor deposition) 열

화학 기상증착 법(thermal chemical vapor deposition) 등

의 다양한 합성법이 개발되어 대량생산이 가능하다

CNTs의 종류는 벽의 수에 따라 단일 벽 탄소나노튜브

(SWNTs) 이중 벽 탄소나노튜브(DWNTs) 다중벽 탄소

나노튜브(MWNTs)가 있으며 물성에 관한 많은 연구결

과 기계적 전기적 열적으로 우수한 성능을 갖고 있음이

입증되었다

CNTs는 인장강도와 탄성률 면에서 지금까지 발견된 재

료 중 가장 강하고 질기며 다중벽 CNT는 63GPa에 이른

다 표준 단일 벽 CNT는 25GPa의 압력까지 변형 없이

지탱된다 그래핀의 대칭성과 특이한 전기적 구조 때문에

CNTs의 구조는 그것의 전기적 특성에 영향을 미쳐 금속

성이나 반도체의 특성을 나타내고 이론적으로 금속성

41

CNTs는 구리와 같은 금속의 1000배가 큰 4times109Acm

2

전류 밀도를 운반할 수 있으며 나노크기의 단면으로 전

자가 튜브의 축 방향으로만 전파되고 전자의 이동은 양

자효과를 수반하여 1차원 전도체로 간주된다

CNTs는 우수한 물성과 상대적으로 큰 표면적으로 갖고

있어 충전제(filler)로써 에폭시 폴리스틸렌 폴리우레탄

등 고분자와 혼합하여 폴리머의 기계적 전기적 특성을

향상시키려는 연구가 활발하다 CNTs가 폴리머 중에서

충전제 역할을 하기 위해서는 고른 분산이 필요하나 반

데르발스 힘에 의한 CNTs 응집현상(agglomeration)으로

인해 효과적인 분산이 어려워 오히려 폴리머의 물성을

저해하므로 이것을 개선하기 위한 다양한 기계적 화학적

분산 방법이 연구되고 있다

- CNTs를 분산시키기 위한 가장 일반적인 방법은 용매

나 폴리머에 CNTs를 투입하고 초음파처리를 하는 것

으로 초음파처리를 하면 SWNTs의 길이가 짧아지고

다발(bundle)이 얇아져 분산력이 증가한다

- CNTs 표면을 산이나 아민으로 기능화하여 분산을 높

이는 방법도 연구되고 있으며 MWNTs를 HNO3

H2O2NH4OH 용액에 침지시켜 MWNTs에폭시 복합

42

재료는 전기적 특성을 향상시키려는 연구와 산과 아

민 등의 기능기를 도입하여 SWNTs의 열전도도를 향

상시키려는 연구들이 수행되고 있다

- 기계적 분산방법인 전단혼합방법은 좁은 관이나 상대

적으로 높은 속도의 유동을 이용하여 발생한 전단력

으로 CNTs를 분산시키는 방법이다 Ku 등19)은 전단

혼합과 초음파처리를 이용하여 MWNTs로 강화된

에폭시 복합재료를 만들어 기계적 및 열적 특성을 연

구하였다

⑸ 내마모성 테프론 코팅

ㅇ 재료의 부식은 구조재에 원하지 않은 변화 원인으로 작

용하여 경제적인 문제로 귀결되는 심각한 문제이다 이들

원치 않는 변화는 때로 적절한 코팅에 의한 표면처리로

예방할 수 있다 가장 일반적이고 자주 사용되는 전착 코

팅은 아연에 기초한 아연 코팅 및 합금 코팅으로 이들

코팅은 간단한 기술로써 내부식성이 양호하여 전 표면처

리의 약 14에 해당하나 최근 낮은 마찰계수 등 다른 특

성들이 매우 중요하게 되었다 이들 특성은 다층 코팅으

로 대응할 수 있으나 두께가 증가하고 기술이 복잡하여

가능한 해결방법으로는 복합체 코팅이 있다 복합체 코팅

43

은 일반기계와 자동차 전자부품 및 컴퓨터 등 다양한 분

야에 적용된다 금속 기질에 미세한 PTFE 입자의 전착

에 의한 증착은 새로운 세대의 복합체 코팅으로써 가장

바람직한 특성은 양호한 내마모성 자기윤활 내부식성이

다 M Paderovaacute 등20)에 의하면 이들 특성은 주로 사용

한 입자(흑연 다이아몬드 MoS2 또는 PTFE)와 용액의

유형(pH 온도 bath 등) 뿐 아니라 입자의 크기 농도

분산 및 형태학에 의존한다

ㅇ 충전되지 않은 PTFE의 마모율은 736-741times10-4mm3Nm

로 내마모성이 낮아 다양한 충전제들이 첨가되고 있다

Xing-Dong Yuan 등21)은 진공 조건에서 PTFE 코팅

의 마모특성을 연구하여 초기에는 하중이 증가함에 따

라 마찰계수가 감소하나 하중이 6N 이상으로 커지면

마찰계수도 증가하며 압력이 PTFE 코팅의 마찰계수

에 미치는 영향이 거의 없고 마모는 압력이 증가하면

초기에는 감소하나 10Pa 보다 높으면 급격히 증가한

다고 보고하였다

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위해서는 윤활제로 PTFE

계 수지 접착제로는 폴리아미드이미드수지 산화철 분말

44

및 브론즈 분말 등을 혼합한 조성물을 사용하거나 미국

특허에서는 스와시플레이트 형 압축기의 플레이트 표면

에 MoS2 흑연 PTFE계 윤활제와 열경화성 수지인 폴리

아미드이미드(PAI) 조성물을 코팅하여 내마모 및 윤활성

을 부여하고 있다22) 내열성 향상을 위해서는 고체윤활

제 접착제수지 및 저융점 금속인 Sn Pb In Bi 등을 함

유하는 합금이나 화합물을 사용하여 금속의 잠열을 이용

내열성 향상을 시도하기도 한다

ㅇ 그간 철강(스테인리스강 탄소강 아연도금강판 등)의 내

부식성 향상을 위한 많은 연구들이 수행되어 왔다 4플루

오르에틸렌(C2H4) 4플루오르에탄(CF4) 6플루오르에탄

(C2F6) 3플루오르화에탄(CHF3) 8플루오르화에탄(C4F8)

같은 불소화된 단량체의 플라즈마 중합에 의한 테플론

류 코팅은 그들의 소수성으로 인해 금속의 내부식성 향

상을 위한 대안으로 주목을 받고 있다 A Delimi 등23)

은 유도결합 고주파플라즈마(inductively coupled radio

fre- quency plasma)를 사용하여 소수성 박막 불소수지

필름을 탄소강에 증착하고 3염수에서 내부식성을 평가

한 결과 1개월 동안 9nm의 필름이 유지되는 것을 관찰

하여 불소고분자 박막이 금속과 금속산화물의 보호층이

될 수 있음을 보고하였다

45

ㅇ PTFE를 이용한 세라믹코팅 기술로는 알루미늄 및 알루

미늄 합금 공작물을 양극처리에 의해서 티타늄 및또는

지르코늄 산화물을 포함하는 내식성 내열성 및 내마모

성 세라믹 코팅을 하고 이어서 양극처리된 공작물을

PTFE 또는 실리콘 함유 코팅과 같은 제 2 코팅으로 코

팅한다 이 발명은 가소성을 가지는 경질의 필름 내에서

내식성 내열성 및 내마모성을 제공하는 티타늄 및또는

지르코늄 산화물의 양극처리 층으로 기판을 예비-코팅함

으로써 알루미늄 기판에 보다 긴 수명의 코팅을 형성하

는데 특히 유용하다24)

ㅇ Nosaka 등25)은 PTFE로 대표되는 불소수지는 마모-링이

나 극저온 밸브의 실링부에 많이 사용되며 진공치환법에

의해 탄소재료에 PTFE나 MoS2 분말을 1-2wt 함침시

키면 무함침한 것에 비해 마모가 약 13로 감소한다고

보고하였다 한편 저자들은 터보펌프의 실링재료가 극저

온 환경에서 보이는 특이한 현상을 극복하기 위해 베어

링의 표면에 노출된 유리섬유를 불소산으로 처리하여 용

해 제거하고 윤활성을 높인 유리섬유강화 테프론 리테이

너를 개발하여 내구성과 윤활성을 향상시킬 수 있었다고

보고하고 있다

46

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위한 또 다른 특허로는

폴리실록산계 접착제를 단독 혹은 폴리에스테르계 접착

제와 병용하고 고체 윤활제로 MoS2(이황화몰리브덴

WS2(이황화텅스텐) h-BN(육방정 질화붕소) 팽창흑연

및 PTFE를 사용하고 충전제로 탄화규소 알루미나 산화

지르콘 산화티탄 등의 미분말을 사용하여 내마모 내열

및 윤활성을 부여하고자 하는 내마모성 및 윤활성 코팅

조성물에 관한 특허가 있다26)

ㅇ 내열성 내후성 내오염성 내약품성 내구성 등의 물성

은 유지하면서 비점착성을 높이기 위해 무기계 세라믹

코팅 조성물에 PTFE를 첨가하기도 한다 이러한 하이

브리드 코팅 조성물에 관한 특허로는 불소수지(01sim25

중량) 콜로이달 실리카나 콜로이달 알루미나 등 무

기계고분자 바인더(20sim80중량) 알콕시실란 화합물

(1sim50중량) 수용성 유기용제(1sim10중량) 충전제

또는 안료(5sim50중량) 및 물(100중량 까지 보충)로

이루어진 코팅 조성물에 관한 것으로 무기질 도료 및

무기계 세라믹 코팅에 의해 내열성 내오염성 내약품

성과 내구성을 유지하고 접착력을 높이기 위해 소량의

PTFE를 사용하는 것이 있다27)

47

ㅇ 정전 복사기에 사용되는 정착기재부의 최외층에 코팅하

여 기계적 성질 및 내마모성을 향상시키려는 목적으로

불소수지 기질 중에 분산된 불소화 다이아몬드를 함유하

는 입자로 구성된 조성물에 관한 일본 특허28)가 있다

ㅇ 부식 특성을 개선한 흑색 무크롬(chrome-free) 다층 내

부식 마무리 칠과 방법에 관한 특허29)로는 ASTM B 117

표준으로 시험할 때 백색 부식에는 최소 500시간 염수분

무시간 및 적색 부식에는 1500시간 염수분무시간에 적합

하게 설계된 마무리 칠에 관한 것이 있다 이 다층 시스

템은 광택(gloss) 4 이상을 만족하는 자동차 차체 강판

자동차 하부와 내장에 사용되기 위해 설계된 것으로 이

다층 마무리 칠은 3층 부식 방지 시스템을 형성하도록

아연-철 전기도금 기질 오르토인산을 사용한 무전해 인

산염 결정 전환 층과 XylanTeflon 실러 코팅의 조합이

다

ㅇ 전통적으로 철 강판(steel sheet)은 크롬산 염 전환 코팅

으로 개질되어 왔으나 6가 크롬이 배출되어 환경을 오염

시키는 문제점이 있어 강판의 내-부식성을 개선하기 위

해 고분자 수지 코팅들이 수행되고 있으나 이 방법은 고

48

분자 코팅 층이 열전도도를 감소시키는 단점을 가지고

있다 Kang 등30)은 강판 위의 고분자 코팅 층의 열전도

도를 향상시키기 위해 초미세-크기 다이몬드(μD)입자를

열전도 물질로 사용하였다 다양한 음이온 및 비-이온

계면활성제들을 사용하여 수용액 중에서 무거운 μD입자

의 안정화를 시험들을 한 결과 1-피렌카르복시산(PCA)

이 가장 양호하였다 그림 3-2는 이 시험 결과를 요약한

것이다

- 강판 위에 PCA로 안정화 된 μD 입자를 함유한 폴리

우레탄-기초 코팅 층은 열전도도가 0351W(mK)에서

0434 W(mK)(10 wtμD)로 향상되었으며 더욱 144

시간 동안 염수 분무 시험결과 부식거동은 관찰되지

않았다

그림 3-2 피렌카르복시산을 이용한 μD 표면처리

ㅇ 자동차공업에서는 기본적인 특성으로 내마모성이 요구되

49

는 강철 기계부품들의 마찰특성을 향상시키기 위해 다양

한 금속 및 고분자 코팅들이 광범하게 이용된다 내-마

모 코팅은 두 가지 주요 특성인 높은 표면경도와 자기-

윤활 특성이 필요하다 후자의 범주에 속하는 것이

PTFE와 MoS2 기초 코팅이다 무전해 니켈 코팅은 높은

경도로 인해 양호한 마찰 특성을 보이며 한편 열처리를

통해 경도를 향상시킬 수 있다 PTFE입자의 첨가는 코

팅경도를 감소시키나 자기-윤활특성을 부여한다 S

Rossi 등3132)은 마찰특성을 향상시키기 위해 이용되는 탄

소강에 이용되는 몇 가지 공업적인 코팅에 관한 부식거

동에 관해 평가 PTFE입자를 함유한 무전해 니켈-인

(Electroless Nickel-Phophorus)코팅은 PTFE 입자(자기-

윤활 특성)를 갖는 외층과 장벽-효과를 갖는 내층으로

인한 이중 특성으로 가장 양호한 특성을 보였다고 보고

하고 있다

ㅇ 모든 기계적 시스템은 동적 요소를 필요로 하며 마찰과

마모를 줄이기 위한 다양한 수단들이 가능하나 그 선택

은 환경이나 조작 조건에 제한을 받는다 PTFE는 자기

윤활 낮은 마찰계수 높은 열안정성과 화학약품 안정성

으로 산업분야에 널리 사용되는 엔지니어링 고분자이지

만 내마모성이 매우 부족하다 이러한 이유로 금속

-PTFE충전 복합체들이 PTFE의 마찰특성과 금속충전제

50

의 내마모성을 결합하여 특정 분야의 용도로 소개되어

왔으나 금속-고분자 물질에서의 충전제의 역할은 완전히

설명되지 않고 있다 복합체 표면의 과잉의 충전제 농도

는 미끄러지는 동안 부하를 지지하여 내마모성을 증가시

키는 것으로 생각되며 PTFE의 마모율은 Mo Zn Ni

Y2O3 및 SiO2 같은 무기 충전제에 의해 1000배가량 감소

되었다는 보고도 있다 유리섬유 구리 세라믹 탄소섬유

절단 탄소섬유 나노입자를 포함한 경질의 충전제 입자들

이 PTFE의 내마모성을 높이기 사용되어 왔다

ㅇ 비교적 두꺼운 코팅에는 열분사(thermal spray) 용사기

술이 정립되어 있고 용사 코팅은 내마모 내마찰 내프레

팅(fretting) 및 내부식을 요하는 산업에 많이 이용되고

있다

- 용사 몰리브덴(Mo)코팅은 실질적 내마모성 코팅으로

가장 광범하게 이용되며 프레임용사(flame spray)거나

와이어용사(wire spray)기술로 생산된 몰리브덴(Mo)

코팅은 흠이나 마모에 대한 고도의 저항을 얻기 위한

가장 좋은 코팅재료 중의 하나이다

- 알루미늄 청동(aluminium bronze)은 높은 내-부식성

과 내마모성을 갖는 것이 특징이다 저압 플라즈마 용

51

사 기술은 자기-아닐링(self-anealing)과 부서지기 쉽

도록 유도하는 γ-상의 형성을 피할 수 있도록 높은

냉각 속도를 얻는 데 사용되며 알루미늄 청동 저압

플라즈마 용사 코팅은 낮은 마찰과 마모를 보였고 비

교적 최근 플라즈마 용사 기술을 이용하여 알루미늄

기질에 고분자-세라믹 복합체를 코팅하는 기술이 개

발되었다33)복합체 코팅으로 행한 마찰 시험에서 낮

은 마찰계수를 얻을 수 있었다

- 낮은 마찰계수와 고 내마모성을 갖는 이성분 금속

-PTFE 코팅이 개발되었고 이들의 마찰 공학적 성능

이 보고되었다 PTFE-기초 복합체 설계에서 일반적

인 접근방법은 경질의 충전 입자들을 도입하는 것으

로 M Yamane 등34)은 PTFE-금속 이성분 코팅의 마

찰 마모성능에 관한 연구 결과 알루미늄 청동 코팅이

Mo코팅에 비해 PTFE 저장소(reservoir)에 유용했음

을 보고하였다

⑹ 충전 또는 강화 플루오르화 탄소1)

ㅇ 분말이나 강화섬유 등 전형적인 충전재들이 충전 또는

강화 플루오르화 탄소에 사용된다 충전재는 저온흐름

52

을 향상시키는 데 사용되며 수축과 균열을 줄이고 열

팽창을 낮추며 열전도율을 향상시킨다

ㅇ 분말이나 단섬유로 된 전형적인 충전제를 표 3-5에 종합

하였다 유리섬유는 가장 보편적인 PTFE 충전제로 화

학 및 전기적 특성에 최소로 영향을 미치며 기계적 특

성을 크게 향상시킨다 분말에 비해 섬유는 압축강도

강성도 및 지지용량을 더욱 향상시키나 분말은 충전

테플론의 내구성에 거의 영향을 미치지 않는다 금속분

말은 특히 열전도도를 향상시키며 고속에서 발생하는 마

찰열을 소멸하는데 도움이 되며 전기저항을 상당히 감소

시켜 금속-충전 조성물은 양호한 절연체는 아니다

ㅇ 흑연(graphite) MoS2는 초기 내구성과 마찰을 개선하고

기계적 특성을 향상시킨다 석면은 많은 유용한 특성을

갖지만 가공 처리 중 가스가 방출할 뿐 아니라 사용금지

물질이다 표 3-5 외에도 금속 망 장섬유 다공성 금속

등 다양한 충전제들이 있으며 다양한 종류의 제품들이

상업 생산되고 있어 최종 선정을 하기 전에 플라스틱 가

공업자로부터 보다 완전한 정보와 추천을 받는 것이 바

람직하다

53

표 3-5 불소수지용 충전제

ㅇ 압축강력 인장과 압축 시의 탄성률 및 항복강력은 첨가

제의 첨가에 의해 모두 증가하나 일반으로 인장강력과

신도 및 충격강도는 손실된다 통상 충전 테플론은 압축

상태에서 사용되므로 인장강력의 감소는 중요하지 않다

인장강력의 손실은 설치(연속적인 링-실링)할 때 인장되

는 재료에서 중요하다 열팽창 계수는 비-충전 테플론에

비해 감소되어 통상 금속 부품의 팽창계수와 잘 맞는다

ㅇ 마찰과 마모를 수반하는 분야에서 가장 중요한 것은 충

전제로 얻어지는 PV한계치의 증가와 마모의 감소다 비-

54

충전 테플론에 비해 PV한계치 크기는 개략적으로 1차원

적으로 증가하나 마모인자는 3차원적으로 감소한다 충전

테플론의 평균치들은 동적 마찰계수는 01-02 PV한계치

는 10000-20000 psi-fpm 마모상수는 10times10-10in3-min

lb-ft-hr이다 그림 3-3은 충전 테플론 PTFE의 마찰계

수에 미치는 충전제 종류와 농도의 효과에 관한 것이다

그림 3-3 테플론 PTFE에 미치는 충전제 종류와 농도1)

ㅇ 내마모성을 향상시키는 충전제는 실제로 연마저항성을

감소시키는 것으로 날카로운 입자는 보다 쉽게 침투하고

충전제 입자와 수지 사이의 경계를 따라 충전 플라스틱

을 찢는다 따라서 라이닝 슈트 같은 분야의 적용 시는

55

비-충전테플론이 보다 바람직하다

⑺ 시트 테이프 및 박층(laminates)

ㅇ 대부분의 플루오르화탄소는 충전 여부에 관계없이 두

께 1mil(0001 in)까지 시트나 테이프로 만들 수 있고

시트나 테이프를 찍어서 원하는 형상의 립-씰(lip seal)

펌프 컵(pump cup) 피스톤 링(piston rings) 가스켓

(gaskets) 등을 만들 수 있다

ㅇ 유체의 누설을 정지시키는 밀봉기능 부품 중 각종기기의

접합부나 배관 플랜지 등의 밀봉에 사용되는 가스켓

(gaskets)은 석면이 널리 사용되어 왔으나 유해물질 배

출 및 이동량 보고제도(PRTR Pollutant Release and

Transfer Register)에서 발암성을 가진 제1종 지정 화학

물질로 지정되어 사용이 금지되어 PTFE가 가스켓으로

개발되었다 PTFE는 용융 알칼리 금속 및 그 용액과 불

소 및 3불화염소에 의해 약간 침식되나 모든 화학약품에

안정하고 우수한 내부식 재료로 C-F결합력이 크고 F원

자가 C-C결합의 주위를 간격 없이 들러 싸고 있기 때문

에 다른 물질의 공격을 방어하고 있고 내열성은 260로

높다35)

56

- PTFE 필러를 사용한 PTFE 나선 권형 가스켓은 석

면에 대한 사용규제와 상관없이 사용되어 왔으며 유

연한 필러를 사용하므로 석면 가스켓 보다 낮은 체결

압력에서도 실 특성이 우수하고 내식 면에서도 광범

하고 다양한 유체에 사용이 가능하다 다만 단열성 면

에서는 석면 나선 권형 가스켓 보다 사용온도 범위가

제한된다

ㅇ 산업 기계나 자동차의 브레이크 제동장치에 부착하여 마

찰력을 부가하는 브레이크 라이닝에서는 마찰계수와 내

마모력 및 충격계수 등 마찰특성이 우수한 석면을 주로

사용하여 왔으나 제동 시 발생하는 미세 석면분진으로

인해 대기오염에 의한 환경을 파괴 뿐 아니라 인체에 흡

입될 경우 암을 유발하여 PRTR로 사용이 금지되었다

석면을 대체할 유기질 또는 무기질 된 다양한 비석면 마

찰 섬유 등이 사용되고 있으며 마찰 섬유에 테프론을 코

팅하여 브레이크라이닝의 수명향상 제동 시 발생하는 소

음 떨림 및 제동력 향상을 위한 제품개발이 시도되고

있다

- 예로 국내 특허36)에서는 브레이크 라이닝(또는 패드)

의 마찰재 배합재료 중 유기섬유(Kevlar섬유 pulp섬

57

유 등)에 테프론을 코팅하고 코팅된 유기섬유에 결합

재 충전재 윤활재 마찰안정재 마찰조정재 등을 소정

의 배합비로 배합하여 성형하고 열처리하여 브레이크

패드 또는 라이닝을 제조한다

ㅇ 초소형 정밀기계(MEMS Micro-Electromechanical

System)분야에서는 점착방지를 위해 불화 유기박막을

사용한다 Park 등37)은 단층 두께의 불화 유기박막의

특성을 접촉각 측정을 통해 분석하였다

⑻ DLC 코팅3839)

ㅇ DLC(diamond-like carbon)는 몇 가지 다이아몬드의 전

형적인 특성을 나타내는 비정질 탄소물질로 극도의 내마

모 특성을 필요로 하는 재료의 코팅에 이용되고 있다

DLC코팅은 연마 마모를 감소시키기 위한 재료에 유용하

여 엔드밀 드릴비트 금형 같은 공구는 물론 자동차 기

계부품 및 전자산업 등 산업전반에 걸쳐 적용된다40)

ㅇ 환경오염 문제로 인해 PRTR(Pollutant Release and

Transfer Register 유해물질 배출 및 이동량 보고 제

도) 이 시행되어 습동 부품이나 절삭 시에 사용되는 오

일이나 그리스에 포함되는 첨가제(MoS2 Zn 등)와 이들

58

부품을 세정할 때 사용되는 용매 기계부품의 수명을 연

장시키기 위해 활용되었던 Cr도금 폐액에서 발생하는 6

가 크롬 등의 오염물질들에 대한 규제가 더욱 강화되어

DLC에 의한 무윤활 습동과 무윤활 절삭을 지향한 공구

와 기계 부품의 개발이 관심을 끌고 있다4142)

- 일본 내에서는 PRTR이 시행되고 이것에 저촉되는 재

료에 관해서는 MSDS(Material Safety Data Sheet)를

첨부해야할 의무가 있고 부품가공 습동 용도에서는

대상 리스트에 올라 있는 오일 오일 중의 중금속 도

금폐액을 어떻게 경제성 있는 환경 친화적 공정과 재

료로 전환할 것인가를 고려하면서 무윤활 습동 무윤

활 절삭 탈크롬 도금의 3가지 키워드가 대두되고

DLC코팅이 대안으로 모색되고 있다

- DLC코팅 적용기술과 과제에 관한 자료로는 자동차

관련부품 적용사례 엔진부위 마찰 작동 밸브계의 마

찰저감 DLC와 윤활제에 의한 마찰저감 기술을 중심

으로 살펴본 보고가 있다43)

ㅇ DLC는 7가지 형태가 존재하며 모두 상당한 양의 sp3혼

성궤도 탄소원자를 함유한다 다양한 형태의 DLC가 진

공 환경으로 적합한 재료들에 적용가능하며 유럽에서의

59

2006년 위탁 DLC코팅 시장은 3천만euro로 추정되었고 국

내도 활발한 상용화가 시도되고 있다

ㅇ 사반면상(tetahedral) 비정질 탄소 ta-C를 2두께로 코

팅하면 연마마모에 대한 스테인레스 강(304 type)의 내구

성을 증가시켜 수명을 1주일에서 85년으로 늘이며 이러

한 DLC의 형태는 sp3결합 탄소 원자로만 이루어지기 때

문에 순수한 DLC로 간주되며 수소 sp2흑연 탄소 금속

같은 충전제가 생산경비를 낮추거나 원하는 특성을 부여

하기 위하여 사용되고 있다

ㅇ DLC를 만드는 방법에는 sp3탄소 보다 낮은 밀도의 sp

2

에 의존하는 몇 가지 방법들이 있으며 압력 충격 촉매

또는 이들의 조합으로 sp2결합탄소 원자들을 sp3결합탄소

로 근접시킨다 최근 초고압 하에서 탄소의 경량 특성을

갖는 초경도 무정형 다이아몬드가 만들어졌다 탄소로 만

들어지는 다이아몬드 그래파이트는 결정구조를 가지나

DLC는 비정질이라는 점에서 크게 다르고 200 정도의

저온에서 형성시킬 수 있다는 점이 통상의 PVD막에 비

해 훨씬 우위에 있다

ㅇ DLC코팅은 제조공정이 복잡하고 생산 단가가 비싸 적용

이 어려우며 적용되는 소재가 제한되는 단점을 갖는다

60

주요제법으로는 고주파 플라즈마 법 이온화 증착법 스

페터링법 등을 들수 있다 고주파 플라즈마 법은 메탄가

스가 원료로 사용되고 막 중의 수소가 약 30(원자)로

평활성이 우수하고 마찰계수가 작으나 경도가 낮다 이

온화 증착법은 벤젠을 사용하며 막은 단단하나 면의 조

도가 거칠고 후막화 하기 위해 스패터링 방법이 검토되

고 있다

⑼ 불소수지의 안전성

ㅇ 테플론 PTFE의 열분해는 200(392)에서 감지되며 이

것은 몇 가지 플루오르화 탄소 기체들과 승화물질을 방

출한다4445)1955년 동물실험에 관한 한 연구에서는 이들

물질이 250(482) 이하에서는 의미 있는 양이 아니라

고 결론지었으나 최근 비-점착 주방기구인 프라이팬이

나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가열할 때 조류를

죽일 수 있는 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수

도 있다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있다45)

ㅇ 표 3-6은 EWG가 보고한 3-5분 내에 370까지 불소수

지를 가열할 때 발생되는 15종의 불소화합물에 관한 것

이다 테플론과 같은 코팅물질들이 장기적으로 인체에 미

61

치는 영향에 관한 연구는 이루어지지 않고 있으나 독감

과 유사한 질병을 유발할 수 있으며 이를 중합체 증기열

(polymer fume fever)이라 한다

표 3-6 15종의 유해물질 및 유독성 기체44)

ㅇ 최근 표 3-6의 화합물들 중 특히 TFA와 과불화된

(perfluorinated) PFOA(perfluorooctanoic acid)에 관심이

증가되고 있다 PFOA는 새로운 환경오염물질로 미국 환

경보호청(EPA)에 의하면 보통 때는 문제가 없으나 조리

과정에서 프라이팬에 열을 가하고 강하게 긁을 경우 용

62

출되어 나오며 이것이 음식물과 함께 인체에 흡수되는

것으로 추정하였다 한편 DuPont의 테플론 PTFE 연구

결과에 의하면 검출한계인 9ppb 이상 검출되지 않으며

테플론 주방기구에서는 PFOA가 존재하지 않는다고 발

표하고 있다

- 물이나 공기를 통해 환경에 노출된 PFOA는 고 콜레

스테롤 궤양성 대장염 갑상선 질환 고환암 신장암

및 임신성 고혈압과 관련된다고 보고되었다

- PFOA는 불소수지 생산과정에서 사용되는 첨가물로써

암모늄 형태로 PTFE 유화중합에 계면활성제로 사용

되며 불소수지의 품질과 균일성을 유지하기 위해 필

수적인 첨가물이기 때문에 전 세계 모든 불소수지 제

조업체가 사용 중에 있다 한편 국내 주력 산업인 반

도체 생산 과정에서도 PFOA를 대량으로 사용하고 있

어 체계적인 실태조사와 대책수립이 필요하다는 의견

들이 대두되고 있다

⑽ 불소화합물의 안전성과 환경대책

ㅇ 표 3-6에서 살펴본 바와 같이 테플론을 급격히 고온으로

가열하면 2종의 발암물질을 포함한 유독성 가스가 발생

63

하고 특히 불소화합물 중 MFA(monofluoroacetic acid)는

적은 양으로도 치명적 해를 끼치고 PEIF(perfluoro-

isobutene)는 신경가스제로 여러 가지 질환을 발생시킨다

한다44)

따라서 테플론으로 코팅된 장치를 재 코팅하기

위해 테프론을 고온으로 급격히 가열하거나 소각 등을

통해 제거할 때는 발생 가능성이 있는 유독가스를 제거

하기 위한 별도의 설비를 이용하여야 하고 유 등44)의 보

고서에서와 같이 중조(NaHCO3)를 포화시킨 충분한 물로

유독 산성 물질을 중화시키는 것도 고려할 만하다 한편

부식대전 방지 코팅도 테플론 코팅 일변도에서 세라믹

코팅 CNTs이나 DLC 코팅기술로 대응하는 것을 추천하

고 싶으며 이것은 유해물질 배출 및 이동량 보고제도

(PRTR Pollutant Release and Transfer Register)에 대

비하는 등 기업의 장래를 고려하는 것도 될 것이다

ㅇ PTFE를 사용한 취사도구는 1960년대 이래 사용되어 오

고 있으나 최근 들어 이것의 안전성이 논쟁의 주제가 되

고 있으며 논의 주체는 PFOA(perfluorooctanoic acid)이

다 PFOA는 PTFE를 비롯한 많은 불소수지의 생산에

사용되며 DuPont의 테플론 PTFE 연구 결과에 의하면

프라이팬을 260 이상 고온에서 가열하거나 코팅이 벗

겨져도 PFOA가 존재하지 않는다고 한다 그러나 물이나

64

공기 토양 식품포장재 등 여러 곳에서 PFOA 오염사실

이 보고되고 있다 한다44)

- 미국 EPA는 인체와 환경에 대한 PFOA 연구를 계속

하고 있으며 2015년까지 PFOA 및 이와 관련된 화합

물 방출을 배제할 프로그램을 갖고 있으나 PTFE-기

초 비점착 취사기구를 중지시킬 타당성을 갖고 있지

는 않다 최종제품은 PFOA가 아닌 PTFE이기 때문이

다

- 수십 년 동안 불소수지 비점착 코팅이 시장을 지배하

였으나 최근 몇 가지 신기술들이 출현되고 있으며 이

들 대부분은 실리콘 세라믹과 실리콘 기술로 이들 코

팅은 PTFE와 PFOA를 함유하지 않는다

- 오늘날 출시된 비점착 취사용구는 수많은 상표로 팔

리고 있으며 DuPont에 의하면 대부분의 취사용구 코

팅은 정상적으로 사용할 때 3-5년 견딜 수 있을 것으

로 예측한다 너무 문질러서는 안 되고 따뜻한 비눗

물로 씻어주는 것이 좋으며 닳거나 흠이 생기지 않도

록 나무 플라스틱이나 코팅된 재료로 만든 도구를 선

택하고 보관도 흠이 생기지 않을 장소나 캐비닛을 권

장하고 있다

65

ㅇ 국내의 불소수지 안전성에 관한 것으로는 재질규격(납과

카드뮴)과 용출규격(납 과망간산칼륨소비량 증발잔류물)

이 식품용 기구 및 용기 포장 공전46)에 기재되어 있으며

최근 국내에서도 PFOA를 비롯한 유해 불소화합물에 관

한 관심이 커져 가고 있다

ㅇ PFOA 문제가 표면화 되면서 환경 보전형 불소계 발수

유제의 개발과 공업화도 새로이 부각되고 있다 이에 관

한 보고서를 모니터링한 KISTI자료47)를 중심으로 간단히

요약하면 발수제의 주요성분 퍼플루오로알킬기(Rf기)함

유 폴리머의 기능은 Rf기의 고리길이에 크게 의존하므로

PFOA문제 해법으로 탄소수 8 이상인 종래의 불소화학

에서 탈피 짧은 고리 Rf기(탄소수 6)를 가진 새로운 단

량체를 선택하여 발수제를 제조함으로써 환경 보전형 불

소계 발수유제를 개발하고 공업화하였다 한다

66

제 4 장

지원결과

1 지원결과 종합

테프론 코팅 기술의 문제점과 부식대전방지용 테플

론 코팅에 관한 정보 외에 신청기업의 요청에 따

라 C-나노튜브 코팅 및 DLC증착에 관련된 기술 정

보도 제공하였다

테플론은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat resistant)

비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coefficient of

friction) 내약품성(chemical resistance)과 특이한 전기적

특성(unique electrical properties) 및 온내구력(cryogenic

stability)으로 그 응용범위가 광범하며 용도에 따른 엄격

한 품질관리가 요구될 것으로 생각되어 중소기업에 적합

한 기초능력 배양과 신제품을 구상하기 위한 최신기술에

관한 정보를 제공하고자 하였다

67

불소수지의 코팅은 두께와 첨가제가 관건으로 이에 관한

자료를 제공하고자 하였으며 불소수지의 전기특성 폭발

성 환경과 반도체 제조공정에서의 대전 방지 처리를 위

한 정전기 관리 지표 등을 특허를 중심으로 조사하여 제

공하고자 하였다

C-나노튜브를 이용한 대전방지 코팅 기술 및 C-나노튜

브의 제법 등 이것에 관한 기초정보를 제공하고자 하였

으며 내마모성 테플론 코팅에 관해서는 테플론을 이용한

세라믹 코팅 기술에 관한 정보도 제공하고자 하였다

테플론의 기계적 전기적 특성을 강화하기 위해 사용되는

충전제를 종합하고 기초이론을 정립함으로써 금후 원부

자재의 선정에 도움을 주었다

테플론은 석면 대체재로도 주목받고 있어 이에 관한 특

허 정보들을 제공하였으며 다이아몬드의 전형적인 특성

을 나타내는 DLC의 코팅관련 기술 정보를 환경오염 문

제와 연관하여 자료를 제공하였고 최근 비-점착 주방기

구인 프라이팬이나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가

열할 때 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수도 있

다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있어 이에

관한 정보도 제공하였다

68

2 지원의 한계

중소기업이 당면한 문제는 전문기술의 확보다 관련 기술

이 비약적으로 발전하는 추세에 비추어 한정된 인원으로

신기술을 소화하고 개발하기는 어려울 것이므로 출연연

구기관이나 대학과 공동연구를 모색할 수 있으나 이것도

중소기업으로서는 경제적 부담이 될 수밖에 없을 것으로

생각된다 가능하다면 앞으로도 KISTI의 정보지원이 계

속되기를 바라고 있었다

3 기대효과

부식대전 방지 테플론 코팅에 관한 기본 기술이 배양되

어 합리적인 원부 원료의 수입검사 공정관리 및 제품관

리를 통해 원가절감은 물론 신제품 신기술에 관한 정보

수집 및 분석능력이 배양되고 개발력이 확충되어 기업

경쟁력 향상에 도움이 될 것이다

69

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저자소개

김학주(金鶴柱) 서울대학교 문리과대학 화학과 졸업 이학사

전북대학교 대학원 화학과 이학박사

(주)삼양사 의약연구소장 신성대학교 교수

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 폴리에스테르 섬유의 연중직방기술 외 다수

저서 기기분석 공업물리화학 일반화학

성용길(成墉吉)

동국대학교 이과대학 화학과 졸업 이학사 이학석사

부산대학교 대학원 화학과 이학박사(Dr Sci)

University of Utah USA Ph D(공학박사) Post Dr

유타대학교 연구교수 부산대학교 교수 동국대학교 교수

동국대학교 명예교수 한국원자력문화진흥원 이사

과학문화연구원전문연구위원 한국도량형과학문화연구원 원장

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 의료용 기능성 고분자재료에 관한 연구 외 330편

저서 고분자 물성론 (서울대학교 출판부 공저) 외 10권

20

nium magnesium boride 마찰계수 002)과 DLC

(diamond-like carbon 마찰계수005)에 이어 3번째로

낮은 005-010로 반데르발스 힘에 대한 저항력으로 도

마뱀이 붙을 수 없는 유일한 표면으로 알려져 있다2)

표 3-1 플루오르화탄소 플라스틱의 유형1)

21

Teflon의 유용한 기계적 특성은 -450sim500(-267sim

260)에서 유지되며 여러 가지 특성들은 가공기술을

바꾸어 변경시킬 수 있다 마찰 및 마모 특성을 나타

내는 마찰계수들은 시험조건에 따라 다르며 Teflon은

증기압이 극히 낮아 진공에서도 우수한 안정성을 가

지며 방사선 안정도는 부족하나 방사선 내용성은 극

히 높다

테프론의 특징은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat-

resistant) 비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coeffi-

cient of friction) 내약품성(chemical resistance) 특이한

전기적특성(unique electrical properties) 저온내구력

(cryogenic stability)으로 대표된다3)

- 테프론 코팅된 표면에는 거의 모든 물질이 달라붙지

않으며 내열성(heat-resistant)이 우수하여 -260sim+26

0까지 사용할 수 있고 단시간 사용의 경우에는 30

0까지 견디며 Teflon FEP는 232에서 연속사용이

가능하다 비유성(non-wetting)이 우수하여 표면에 물

이나 기름이 잘 묻지 않아 표면이 오염되지 않아 쉽

게 청소가 가능하고 기계설비의 보수시간이 단축되어

생산성을 향상시킬 수 있다 테프론은 비-절연성은 물

22

론 비-유전정접과 우수한 표면 저항률을 보인다

⑵ 플루오르화탄소 수지 코팅

얇고 강인한 플루오르화탄소 수지 필름을 금속 등에

소결이나 수지-접착에 의해 바르면 기질에 침착된 필

름은 저온흐름으로 고체 플루오르화탄소 수지보다 낮

은 마찰계수를 띠고 금속은 양호한 열전도도를 갖고

열을 분산할 수 있어 고속으로 운전할 수 있고 양호한

내구성을 갖게 된다

1950년대 미국 해군연구소에서 소결 Teflon TFE필름을

수성 분산액(현탁질)으로부터 무기 탄약통 비행기부

품 잠수함부품의 건조-필름 윤활제 및 보호 코팅용으

로 개발한 후 이것들은 기어 정첩(hinges) 샤프트 베

어링 밸브 플러그 콕 피스톤 링이나 그 외의 산업분

야에 응용되고 있다

- 실제로 적절한 테플론 현탁질을 고체 표면에 침적한

후 수분 증발이 너무 빠르지 않게 공기에서 필름이

건조되게 한 후 테플론 입자들이 연화 및 소결되도록

건조된 표면을 약 385(725)로 가열하고 냉각하면

23

얇은 연속 필름이 표면에 남지만 필름 중의 많은 작

은 세공들은 테플론의 높은 용융점도 때문에 제거할

수 없다 세공들은 윤활 작용에는 제한을 받지 않으나

녹슬거나 부식의 공격점이 되어 부식방지를 위해서는

1회 이상의 박막 추가 코팅이 반복되고 보통 2회 코

팅으로 충분하나 각 침적 테플론 층은 두께가 00003

인치(762)를 초과하지 않아야 하며 그렇지 않으면

말린 진흙 같이 균열이 발생한다 필름이 윤활제로 사

용될 때는 필름두께가 00006-00007인치(152-178)

를 초과하지 않아야 한다1)

- 테플론코팅은 통상으로 존재하는 표면 산화물이 제거

되지 않은 깨끗하고 탈지된 강철 황동 및 알루미늄금

속표면일 때 가장 잘 접착한다 만일 산세척에 의해

과잉 두께의 산화물이 제거되었다면 필수적으로 얇은

산화층이 형성될 때까지 공기 중에서 가열한다 접착

은 실표면적이 증가하면 증가하므로 경면가공(mirror

finish)보다 모래분사가공이나 무광택가공이 양호하다

- 테플론 코팅된 표면의 마찰계수는 금속기질 표면을

거칠게 함으로써 낮출 수 있으나 미끄럼마찰 조건 아

래 내구성은 금속의 거칠기가 32마이크로인치(rms)를

초과하면 감소한다

24

철강 기질의 인산처리는 소결 Teflon TFE필름의 마모

수명을 향상시킨다고 보고되었으며 양극처리 된 코팅

의 경도 및 내마모성과 불소수지의 윤활성을 결합하기

위해 다공성 경화 양극처리 알루미늄 위에 불소수지를

침윤하여 왔다 Teflon S 마감재는 Du Pont이 도입한

최초의 수성-기초 분산 TFE FEP로 이들은 ldquo계층화

된rdquo 마감재이다 Francis J Clauss1)는 다양한 용도에

서의 Du Pont사 제품들의 선정 가이드를 표로 종합하

였으며 이것을 요약하면 표 3-2와 같다

- 테플론 코팅은 프라이머 단층 프라이머 코팅 후 에나

멜이나 클리어 마감 또는 프라이머 에나멜과 클리어

마감 등 3-코팅 시스템으로 구성된다 프라이머들은

금속이나 세라믹 기질에 접착을 향상시키기 위해 개

질제를 함유한다 프라이머들은 가끔 1회 코팅 마감재

로 사용되나 음식물과 접촉하는 용도로는 반드시 에

나멜이나 클리어 마감재로 마무리 칠을 하여야 한다

프라이머는 층간 접착력이 부족하기 때문에 다중 코

팅에 적용될 수 없고 만일 06mil 이상의 코팅이 필요

하면 프라이머는 에나멜이나 클리어 마감재로 마무리

칠을 하여야 한다

25

표 3-2 테플론 코팅 두께1)

최종

용도대표적 용도

전체두

께(mils)

프라이머에나멜클리어

가공(mils)

비점착

산업

직물 슬래셔 통

열 봉합 봉 고무경화 롤러

우레탄과 에폭시 경화 주형

제빙기

목재 고무 주석도금 아연

10-25

07

20-50

08-13

07

03 07-22 07-10

07 마무리칠 불가

03 07-37 10min

03 05-10 05-10

07 마무리칠 불가

식품

프라이팬 내열접시

반죽롤러

캔디 장치

08-12

10-30

20-30

03 05-09

03 07-27

03 07-17 10

One-coat

system

금지

드라이

윤활

플러그 밸브

유리병 제조 전달 장치

베어링

03-07

15-25

05-07

03-07

03 03-05 03-05

02

전기

전자

저항기 코팅

아이들 롤러(제지 섬유 공업)

세라믹 절연체

40-50

10-15

20-25

03 37-47

03 07-12

03 17-22

부식

방지용기 라이닝 gt50 03 47 또는 5-10 이상

Non-

wetting콘덴서 튜브 02-04 02-04

- 유색 프라이머는 통상 안료가 필름의 범위와 두께를

시각적으로 체크할 수 있게 하므로 그렇지 않은 것에

비해 더 선호된다 에나멜과 클리어 마감재는 충분한

접착을 위해 프라이머 위에 발라야 한다 ldquo진흙 갈라

짐 현상(mud-cracking)은 코팅 당 최대 두께를

10mil로 한정하나 다중 코팅에 의해 극단적이 조건

하에 전체 두께를 10mils까지 바를 수 있으며 각각의

26

코팅은 분리하여 구워진다

불소화 고분자들은 낮은 표면장력 물과 기름에 젖지 않

고 비점착성이며 방오 특성(antifouling properties) 등을

갖기 때문에 다양한 특수 코팅에 적용되나 합성과 조성

이 몇몇 제조업자들에 독점되어 있고 값비싼 중간체를

필요로 한다 VC Malshe 등4)은 플루오르 함량이

4-10인 불소화된 아크릴 공중합체를 간단한 방법으로

합성하고 클리어 코팅하여 광학적 기계적 및 보호 특성

을 연구하였다

최근 에너지 절감과 CO2규제와 같은 환경규제에 대한 대

응 필요성이 증가하면서 발전소나 각종 보일러 시스템에

서 배가스로 배출되는 응축잠열 에너지의 회수 및 활용

에 관심이 증가되고 있다 Lee 등5)은 스테인레스 관 표

면에 400정도의 두께로 테플론을 코팅한 전열관에서

관의 열 및 응축 열전달 특성을 연구하여 테플론 코팅관

의 총괄 열전달 계수는 스테인레스 관보다 약 20 작은

것으로 나타나고 응축열전달 계수는 유사하였음을 보고

하였다

알루미늄 용광로의 비-여과 배출가스에 장기간 사용하기

적합한 역류 열교환기에 관한 것으로 원통형 쉘의 표면

27

은 알루미늄 용광로 배출가스 입자 및또는 먼지 및 부

식 흄과 접촉될 수 있어 테프론 계로 코팅 처리하는 특

허6)가 있다 이 특허에서는 원통형 쉘을 만들도록 복재

(web member 웨브재)와 함께 연결된 유체 운반튜브로

이루어진다 각 원통형 쉘에 위치한 헤더는 열교환기의

튜브에서 튜브로 유체를 공급하며 뜨거운 난류가스에 작

용하여 스케일링을 최소화하기 위해 헤더의 보호덮개를

설치한다

저온에서 고온에 이르는 환경에서 유체에 사용되는 배관

튜브는 열에 의한 경시적 열화가 진행되어 균열 발생이

쉽다 가동부에 사용되는 배관 튜브는 움직임이 수반되어

그 경향이 현저하며 반도체 제조장치에 일반으로 사용되

는 실리콘튜브는 저온에서 열화되어 파손되기 쉽다 이러

한 문제점을 해결하기 위해 실리콘 튜브 외측 표면을 테

플론으로 코팅하여 균열발생을 억제함으로써 장시간 사

용 가능하도록 고안한 특허7)가 있다

섬유상 부직포로 제작하는 다공성 여과필터는 다양한 산

업공정의 배출가스를 정화시키는 데 사용되며 특히 중고

온 환경에서 사용이 가능한 다양한 종류의 기능성 필터

의 개발이 요망된다 일반으로 소각장 및 발전소 등의 중

고온 조건에서 사용되는 Nomex를 비롯한 섬유상 필터는

28

200 이상에서는 열변형으로 사용이 제한적이고 세라믹

필터와 같이 고온에서 적용이 가능한 소재는 매우 고가

일 뿐 아니라 초기 작업으로 인해 에너지 사용량이 매우

높아지는 문제점이 있다 Kim 등8)은 250-300 영역의

중고온의 배출가스를 처리하기 위한 필터에 표면 소수성

과 고온 안정성을 부여하기 위하여 표 3-3과 같은 조성

으로 그림 3-1과 같은 장치를 이용하여 테플론 수지를

거품 형태의 코팅액으로 조제하여 유리섬유 원단에 공급

하여 표면코팅하고 열처리 및 압착과정을 거친 후 표면

분석하였다

표 3-3 테플론 코팅을 위한 화학첨가제8)

테플론 코팅이 전기 집진장치에 활용되는 특허도 있다

종전 사이클론 방식의 전기집진기에서는 집진부의 먼지

를 떨어뜨리는 것이 용이하지 않았다 발명자들은 먼지

압축 기능을 갖는 집진실 내측에 테플론 가공을 하여 정

전기에 의한 미세먼지의 부착을 억제함으로써 집진실의

먼지를 원 터치로 처리할 수 있도록 하였다9)

29

그림 3-1 테플론 거품코팅8)

일반으로 테프론을 조리용기에 코팅하는 방법은 금속소

재를 사용 제품형태로 제작한 후 세척하고 에이징(소둔)

처리한 후 샌딩하여 표면조도를 유지하도록 하고 표면에

프리머 처리하여 베이킹 처리한 후 분사방법으로 테프론

코팅을 하고 다시 베이킹 처리하므로 공정이 복잡하고

제조원가가 상승하며 부착력에 한계가 있다한다 (주) 엘

지아이 특허10)에서는 피처리물을 세척한 후 산질화처리

하여 표면에 열처리 층이 형성되게 한 후 테프론을 코팅

하고 베이킹 처리하는 것을 특징으로 한다 그 외에 내열

세라믹 주방용기의 불소수지 코팅방법에 관한 특허가 있

다11)

(주) 봉성비에스는 차량의 주행 충격을 흡수하는 완충기

30

내부에 삽입하는 피스톤 외주면의 마찰과 소음을 최소화

하기 위한 목적으로 테프론 코팅을 하기 위한 코팅장치

를 등록하였다12)

⑶ 대전 방지 플루오르화탄소 수지 코팅

ㅇ 본래 불소수지 자체는 높은 절연성과 큰 대전성을 갖고

있기 때문에 도전 효과를 얻기 위해서는 분상 필러를 다

량으로 충전할 필요가 있으나 이렇게 하면 비점착성이

떨어진다 여러 회사들의 제품 안내서들을 종합한 불소수

지의 전기적 특성은 표 3-4와 같다

표 3-4 불소수지의 전기 특성

특성측정법

(ASTM)단위

PTFE

(비충전)

PTFE

(25

유리충전)

PTFE

(25

탄소충전)

표면 내아크성 D495 sec 75-110

체적저항

(비저항)D257

ohm-

cmgt1018 gt1016 104

표면저항 D257ohm

sq-1 gt10

14

유전율(유전상

수) at 1MHzD150-81 e 25 24

절연내력 short

time 18thickD149

kv

mm285

유전정접(유전

정합) at 1MHzD150-81 lt00002 005

31

ㅇ 불소수지는 내열성 내한성이 높고 내약품성 내연소성

난연성이 우수하고 절연성 및 비점착성과 저 마찰계수를

갖고 있으나 절연성이 높아 정전재해의 원인이 될 수 있

어 재해 방지를 위해 대전 방지 또는 저저항을 특징으로

하는 불소수지 가공품이 개발되어 사용범위가 넓어지고

있다

불소수지에 충전하여 저저항으로 하는 필러에는 일반적

으로 도전성이 높은 카본 금속 또는 산화알루미늄 등의

금속산화물이 사용된다 재료의 형상으로는 미분 탄소

스테인레스 스틸 니켈 금속분과 같은 입상물 단섬유 탄

소섬유 위스커(whisker) 등이 사용된다

- 미분은 비표면적이 크기 때문에 소량의 충전으로 저

항치를 내릴 수 있으나 약품의 침투가 있는 경우 비

표면적이 크기 때문에 약품의 영향을 받기 쉬워 내부

식성 떨어질 가능성이 크다

- 입자상물질들은 미분에 비해 비표면적이 작기 때문에

약품의 영향을 비교적 적게 받지만 저항치를 내리기

위해 충전량이 많게 되어 불소수지의 특징인 비점착

성과 저마찰계수 특성을 저해한다 섬유 위스커 형상

은 단방향에 대한 장방향의 비가 클수록 적은 충전량

32

으로 저항치를 낮출 수 있지만 분산이 나쁘면 요철이

발생한다 부식 방지 코팅에서는 충전제의 내약품성이

관건이다 즉 부식 환경에서 불소수지 자체는 충분히

견디어도 충전제가 내약품성이 없으면 충전제가 서서

히 에칭되어 기기가 부식될 가능성이 크다

화학 석유 및 정제 산업에서는 시험 검사 세척 및 다양

한 공정의 용기 저장 탱크 반응기와 같은 많은 구성요

소들이 사용되며 플루오르화 고분자는 고온에서 높은 열

안정성을 갖고 다양한 유기용매에 전혀 용해되지 않으므

로 부식방지 등을 위해 플루오르화 고분자와 같은 내화

학성 고분자로 코팅된다 그러나 이들 고분자는 코팅된

구성요소의 표면에 정전하 축적을 조장하기 때문에 폭발

성 환경에서는 사용할 수 없다

특히 이들 구성요소들의 금속 구조물은 용기나 탱크에

보관된 가스 증기 분진의 이동에 의해 생성된 정전하

(electrostatic charge)를 흐르게 하는 전도경로가 되나 금

속표면을 강산 강알칼리나 유기용제에 의해 침투되는 방

지하기 위한 목적으로 부식방지 테플론으로 코팅될 경우

얇은 필름의 비-전도체로 작용하므로 폭발성 환경에서

사용을 규제하고 있다

33

- 예로 유럽 표준 EN 50014 section 732에서는 정전

하로 인한 발화 위험을 피하기 위해 사용 보수 및 세

척 조건 하에 설계된 울(enclosure)이 필요하고 울의

절연저항은 1GΩ을 초과할 수 없도록 규제하고 있고

일본은 후생노동성 관할 산업안전연구소의 정전기 안

전지침의 누설 저항치는 108Ω 이하로 되어 있다

- 따라서 부식 및 폭발성 환경에서 안전하고 다양한 구

성 요소에 적용할 수 있는 정전방지 비-발화 테플론

코팅기술을 요하며 정전방지 코팅은 표면저항을 낮추

기 위해 카본블랙이나 개질 전도성 탄소 금속이나 전

도성 고분자를 테플론에 충전하여 코팅한다

폭발성 환경용 내화학약품 특성과 대전방지 비발화

코팅 조성물로는 높은 비저항을 갖는 플루오르 고분자

50-90wt 10-50wt의 전도성물질인 탄소분(carbon

powder)으로 이루어진 Solex Robotics Systems Inc

특허가 있다13)

- 폭발환경에서 사용되는 이상적인 코팅은 정전하를 피

하기 위해 낮은 비저항을 가져야 한다 완벽한 전도체

는 비저항이 영(0)이고 완벽한 절연체는 무한 비저항

34

을 갖는다 금속(구리 금 같은) 합금(망가닌 Mn-Ni-

Cu 니크롬 Ni-Cr-Fe) 반도체(카본이나 게르마늄)는

낮은 비저항을 갖고 있어 좋은 도체이다

- 수많은 고분자 기초 코팅들이 부식화학 환경에 사용

되었으나 85GΩ 이상의 비저항으로 대전방지 시험에

서 실패하였다 정전기 도체로 인증기준 아래 적합하

기 위해서는 100cm2이상의 노출 표면이 1GΩ 이하의

비저항이어야 한다 코팅에 첨가된 탄소분은 전도도를

증가시키며 10-50의 함량은 1GΩ 이하의 비저항을

만족시킨다

비전도성 표면의 표면저항을 감소시키도록 카본이나 금

속을 사용하여 대전방지를 부여하는 공정의 단점으로는

카본이나 금속의 접착력이 낮아 입자의 마모가 일어나

장기간 사용 시 대전방지 수준이 감소하는 것이다 더욱

클린룸에서 입자의 방출은 심각한 문제가 된다 대부분의

비전도성 기질은 통상 23 상대습도 50에서 표면 비

저항이 109ohmsquare 이상으로 높고 PTFE 경우는 10

12

ohmsquare이상이다14)

반도체 제조 장치에서는 웨이퍼 기판을 안착하기 위해

작업 스테이지를 사용하며 작업스테이지는 통상 금속과

35

세라믹으로 제작되나 웨이퍼기판을 작업스테이지에 올려

놓을 때 작업스테이지와 웨이퍼기판 사이에 마찰 정전기

가 발생한다 FPD(flat panel diplay 평판표시)용 디스펜

서(dispenser)에 사용되는 작업스테이지는 진공방식으로

디스플레이 기판을 흡착 고정하며 흡착 고정되었던 디스

플레이 기판이 작업스테이지에서 박리될 때 작업스테이

지에 정전기가 발생하여 디스플레이 기판에 대전된다 최

근 디스플레이 기판이 대형화됨에 따라 대전량이 증가되

고 정전기 대전문제가 더욱 심각해지고 있다 웨이퍼기판

이나 디스플레이기판에는 반도체소자 등 다수의 전자부

품들이 배치되어 있기 때문에 정전기가 발생되면 전자부

품의 신뢰성에 치명적 손상을 주고 기판에 분진이 부착

되거나 정전기의 대전으로 기판 리프트 업(lift up)시 기

판이 깨어지는 문제가 발생한다 정전기 대전을 방지하기

위해서는 작업스테이지에 이오나이저를 설치하여 중화하

기도하나 리프트 업이 불가능하거나 이온풍이 도달하기

전 방전하는 등 작업 스테이지와 기판 사이에서 발생한

정전기가 순간적으로 일으키는 박리대전 문제를 해결하

기 어려워 작업 스테이지의 정전기 방지를 위해 불소수

지로 코팅한다

- 불소수지는 다른 물질과의 흡착에너지가 작고 비점착

성이 우수하며 마찰계수가 작아 유리기판과의 상관관

36

계가 작아져 박리에 의한 정전기의 발생량이 적어지

나 불소수지는 절연성을 가지므로 테프론 코팅에서는

카본 블랙이나 전도성 고분자 등을 필러로 사용한다

대전방지가 필요한 반도체 제조장비 디스플레이 장치 및

테스트 장치 등의 작업 스테이지를 테프론 코팅함으로써

작업 스테이지의 정전기 발생을 방지하는 방법의 단점의

하나는 제작비용이 상대적으로 많이 드는 것으로 디스펜

서의 경우 디스플레이 기판이 대형화됨에 따라 작업 스

테이지의 크기가 커져 제작비용이 증가한다 또한 불소수

지의 경도가 낮아 코팅 막에 스크래치가 발생하고 이 부

분은 평탄도 유지가 어려우며 입자들이 발생하는 요인으

로 작용하며 불소수지가 절연성이므로 카본블랙이나 전

도성 고분자 등의 도전성 필러를 충전하여 대전방지에

적합한 면-저항을 갖도록 할 경우 카본블랙은 구형으로

분진이 발생하는 문제점이 있고 전도성 고분자를 사용할

경우는 내용제성이 약하고 과량의 바인더를 사용하여야

하며 박막 형성이 어렵고 불소수지의 경도를 보완하기

위해 아노다이징 처리를 하는 경우는 이후 별도의 코팅

과정을 거쳐야 하므로 제작비용과 제작시간이 증가하는

등 여러 가지 단점들이 있다 이러한 문제점들을 해결하

기 위한 방법으로는 작업 스테이지와 기판이 만나는 면

에 정전기 발생을 최소화시킴과 동시에 그 제조비용이

37

절감되고 적절한 면-저항을 조절할 수 있으며 마찰계수

가 낮고 내마모성이 향상된 작업스테이지 표면의 대전방

지 처리 방법에 관한 국내의 탑나노시스 사의 특허15)가

있다

- 탑나노시스 사의 특허 목적은 작업스테이지의 기판과

만나는 면에 정전기의 발생을 최소화시킴과 동시에

그 제조비용이 저감되고 적절히 면-저항을 조절할 수

있으며 마찰계수가 낮고 내마모성이 향상된 스테이지

표면의 대전방지 처리 방법에 관한 것으로 이 특허에

서는 금속소재의 작업 스테이지 표면을 아노다이징

처리하여 복수의 산화표면 홀들을 형성시키고 여기에

탄소나노튜브를 삽입하고 경화하며 탄소나노튜브 경

화 후에 표면을 봉공 처리한다

- 작업스테이지 표면은 106-10

9Ωsq의 면-저항을 갖는

것이 바람직하며 산화표면 홀들은 직경 30-900nm 깊

이 100-900nm가 바람직하다 아노다이징 처리를 하는

금속소재는 Al Mg Zn Ti Ta(탄탈륨) Hf(하프늄)

Nb(니오븀) 등일 수 있고 이 발명에서는 가벼우며 일

정 강도를 갖고 가공성이 우수한 Al합금을 예로 들어

설명하고 있다

38

- 알루미늄소재 작업스테이지 표면에 산화피막(Al2O3)처

리를 하는 아노다이징(anodizing 양극산화)에서 전해

액은 수산화나트륨이나 수산과 황산 등이 사용될 수

있고 수산화나트륨의 농도(20-50) 공급전압 전류

및 시간 등을 조절하여 산화표면 홀의 크기(D)와 깊

이(L)를 조절하며 D와 L에 따라 대전방지 효과나 내

구성 및 표면경도를 조절한다

- 탄소나노튜브를 산화표면 홀 내에 삽입시키는 단계는

전해 흡착 하여 이루어질 수 있고 정전도장을 통해서

도 이루어질 수 있다 탄소나노튜브는 분산제를 포함

하는 용액으로 코팅되며 분산제로는 소듐 도데실설페

이트(SDS) 트리톤X Tween20(폴리옥시에틸렌 소르

비탄모노올레이트) CTAB(cetyl trimethyl ammonium

bromide)를 예로 들고 있으며 탄소나노튜브 용액은

아크릴계 우레탄계 등 또는 전도성 고분자계 유무기

하이브리드계 바인더가 포함될 수 있다

- 봉공처리는 산화표면 홀과 산화피막을 봉공하여 내식

성 등이 향상되도록 보호 층을 형성시키는 것으로 비

등수 가압증기에 의한 수화봉공 금속염을 포함한 열

수에 의한 금속염 봉공 오일로 도포나 침적하는 유기

물 봉공 양극산화 피막 층에 도장하는 도장에 의한

39

봉공 등이 있다

반도체 소자를 제조하는 과정에는 불순물 이온을

주입하는 장비가 이용되고 있다 (주)하이닉스 반도

체의 특허에서는 이온주입 장비의 웨이퍼 지지 장

치 리프트 핀의 끝단을 라운드 처리하고 리프트 핀

에 테플론을 코팅하여 리프트 핀과 웨이퍼 후면의

접촉 시 웨이퍼 후면에 스크래치와 같은 손상이 유

발되는 것을 억제할 수 있게 한다16)

⑷ 탄소나노튜브(CNTs Carbon Nano Tubes)17)

탄소나노튜브는 탄소의 동소체로 1991년 일본 NEC 연구

소의 Ijima박사에 의해 전자 현미경을 통해 처음으로 확

인되었다 1985년에 Kroto와 Smalley가 탄소의 동소체인

풀러렌(탄소 원자 60개가 모인 것C60)을 처음으로 발

견한 이후 전기방전 시 흑연 음극 상에 형성된 탄소덩어

리를 투과전자현미경으로 분석하는 과정에서 발견하여

Nature학술지에 처음으로 발표되었다18) 탄소나노튜브에

서 탄소원자 하나는 주위의 다른 탄소원자 3개와 sp2결

합을 하여 육각형 벌집무늬를 형성하며 이 튜브의 직경

이 대략 수 나노미터(nm nanometer) 정도로 극히 작기

40

때문에 나노튜브라고 부르게 되었다 이 탄소나노튜브는

전기 세기가 클수록 더 수축하는 성질을 가지고 있는 등

튜브의 직경이 nm수준으로 극히 작아서 특유의 전기화

학적 특성을 나타낸다

Ku 등19)에 의하면 CNTs는 전기방사법(arc-discharge)

레이저증발 법(laser vaporization) 플라즈마 화학기상증

착 법(plasma enhanced chemical vapor deposition) 열

화학 기상증착 법(thermal chemical vapor deposition) 등

의 다양한 합성법이 개발되어 대량생산이 가능하다

CNTs의 종류는 벽의 수에 따라 단일 벽 탄소나노튜브

(SWNTs) 이중 벽 탄소나노튜브(DWNTs) 다중벽 탄소

나노튜브(MWNTs)가 있으며 물성에 관한 많은 연구결

과 기계적 전기적 열적으로 우수한 성능을 갖고 있음이

입증되었다

CNTs는 인장강도와 탄성률 면에서 지금까지 발견된 재

료 중 가장 강하고 질기며 다중벽 CNT는 63GPa에 이른

다 표준 단일 벽 CNT는 25GPa의 압력까지 변형 없이

지탱된다 그래핀의 대칭성과 특이한 전기적 구조 때문에

CNTs의 구조는 그것의 전기적 특성에 영향을 미쳐 금속

성이나 반도체의 특성을 나타내고 이론적으로 금속성

41

CNTs는 구리와 같은 금속의 1000배가 큰 4times109Acm

2

전류 밀도를 운반할 수 있으며 나노크기의 단면으로 전

자가 튜브의 축 방향으로만 전파되고 전자의 이동은 양

자효과를 수반하여 1차원 전도체로 간주된다

CNTs는 우수한 물성과 상대적으로 큰 표면적으로 갖고

있어 충전제(filler)로써 에폭시 폴리스틸렌 폴리우레탄

등 고분자와 혼합하여 폴리머의 기계적 전기적 특성을

향상시키려는 연구가 활발하다 CNTs가 폴리머 중에서

충전제 역할을 하기 위해서는 고른 분산이 필요하나 반

데르발스 힘에 의한 CNTs 응집현상(agglomeration)으로

인해 효과적인 분산이 어려워 오히려 폴리머의 물성을

저해하므로 이것을 개선하기 위한 다양한 기계적 화학적

분산 방법이 연구되고 있다

- CNTs를 분산시키기 위한 가장 일반적인 방법은 용매

나 폴리머에 CNTs를 투입하고 초음파처리를 하는 것

으로 초음파처리를 하면 SWNTs의 길이가 짧아지고

다발(bundle)이 얇아져 분산력이 증가한다

- CNTs 표면을 산이나 아민으로 기능화하여 분산을 높

이는 방법도 연구되고 있으며 MWNTs를 HNO3

H2O2NH4OH 용액에 침지시켜 MWNTs에폭시 복합

42

재료는 전기적 특성을 향상시키려는 연구와 산과 아

민 등의 기능기를 도입하여 SWNTs의 열전도도를 향

상시키려는 연구들이 수행되고 있다

- 기계적 분산방법인 전단혼합방법은 좁은 관이나 상대

적으로 높은 속도의 유동을 이용하여 발생한 전단력

으로 CNTs를 분산시키는 방법이다 Ku 등19)은 전단

혼합과 초음파처리를 이용하여 MWNTs로 강화된

에폭시 복합재료를 만들어 기계적 및 열적 특성을 연

구하였다

⑸ 내마모성 테프론 코팅

ㅇ 재료의 부식은 구조재에 원하지 않은 변화 원인으로 작

용하여 경제적인 문제로 귀결되는 심각한 문제이다 이들

원치 않는 변화는 때로 적절한 코팅에 의한 표면처리로

예방할 수 있다 가장 일반적이고 자주 사용되는 전착 코

팅은 아연에 기초한 아연 코팅 및 합금 코팅으로 이들

코팅은 간단한 기술로써 내부식성이 양호하여 전 표면처

리의 약 14에 해당하나 최근 낮은 마찰계수 등 다른 특

성들이 매우 중요하게 되었다 이들 특성은 다층 코팅으

로 대응할 수 있으나 두께가 증가하고 기술이 복잡하여

가능한 해결방법으로는 복합체 코팅이 있다 복합체 코팅

43

은 일반기계와 자동차 전자부품 및 컴퓨터 등 다양한 분

야에 적용된다 금속 기질에 미세한 PTFE 입자의 전착

에 의한 증착은 새로운 세대의 복합체 코팅으로써 가장

바람직한 특성은 양호한 내마모성 자기윤활 내부식성이

다 M Paderovaacute 등20)에 의하면 이들 특성은 주로 사용

한 입자(흑연 다이아몬드 MoS2 또는 PTFE)와 용액의

유형(pH 온도 bath 등) 뿐 아니라 입자의 크기 농도

분산 및 형태학에 의존한다

ㅇ 충전되지 않은 PTFE의 마모율은 736-741times10-4mm3Nm

로 내마모성이 낮아 다양한 충전제들이 첨가되고 있다

Xing-Dong Yuan 등21)은 진공 조건에서 PTFE 코팅

의 마모특성을 연구하여 초기에는 하중이 증가함에 따

라 마찰계수가 감소하나 하중이 6N 이상으로 커지면

마찰계수도 증가하며 압력이 PTFE 코팅의 마찰계수

에 미치는 영향이 거의 없고 마모는 압력이 증가하면

초기에는 감소하나 10Pa 보다 높으면 급격히 증가한

다고 보고하였다

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위해서는 윤활제로 PTFE

계 수지 접착제로는 폴리아미드이미드수지 산화철 분말

44

및 브론즈 분말 등을 혼합한 조성물을 사용하거나 미국

특허에서는 스와시플레이트 형 압축기의 플레이트 표면

에 MoS2 흑연 PTFE계 윤활제와 열경화성 수지인 폴리

아미드이미드(PAI) 조성물을 코팅하여 내마모 및 윤활성

을 부여하고 있다22) 내열성 향상을 위해서는 고체윤활

제 접착제수지 및 저융점 금속인 Sn Pb In Bi 등을 함

유하는 합금이나 화합물을 사용하여 금속의 잠열을 이용

내열성 향상을 시도하기도 한다

ㅇ 그간 철강(스테인리스강 탄소강 아연도금강판 등)의 내

부식성 향상을 위한 많은 연구들이 수행되어 왔다 4플루

오르에틸렌(C2H4) 4플루오르에탄(CF4) 6플루오르에탄

(C2F6) 3플루오르화에탄(CHF3) 8플루오르화에탄(C4F8)

같은 불소화된 단량체의 플라즈마 중합에 의한 테플론

류 코팅은 그들의 소수성으로 인해 금속의 내부식성 향

상을 위한 대안으로 주목을 받고 있다 A Delimi 등23)

은 유도결합 고주파플라즈마(inductively coupled radio

fre- quency plasma)를 사용하여 소수성 박막 불소수지

필름을 탄소강에 증착하고 3염수에서 내부식성을 평가

한 결과 1개월 동안 9nm의 필름이 유지되는 것을 관찰

하여 불소고분자 박막이 금속과 금속산화물의 보호층이

될 수 있음을 보고하였다

45

ㅇ PTFE를 이용한 세라믹코팅 기술로는 알루미늄 및 알루

미늄 합금 공작물을 양극처리에 의해서 티타늄 및또는

지르코늄 산화물을 포함하는 내식성 내열성 및 내마모

성 세라믹 코팅을 하고 이어서 양극처리된 공작물을

PTFE 또는 실리콘 함유 코팅과 같은 제 2 코팅으로 코

팅한다 이 발명은 가소성을 가지는 경질의 필름 내에서

내식성 내열성 및 내마모성을 제공하는 티타늄 및또는

지르코늄 산화물의 양극처리 층으로 기판을 예비-코팅함

으로써 알루미늄 기판에 보다 긴 수명의 코팅을 형성하

는데 특히 유용하다24)

ㅇ Nosaka 등25)은 PTFE로 대표되는 불소수지는 마모-링이

나 극저온 밸브의 실링부에 많이 사용되며 진공치환법에

의해 탄소재료에 PTFE나 MoS2 분말을 1-2wt 함침시

키면 무함침한 것에 비해 마모가 약 13로 감소한다고

보고하였다 한편 저자들은 터보펌프의 실링재료가 극저

온 환경에서 보이는 특이한 현상을 극복하기 위해 베어

링의 표면에 노출된 유리섬유를 불소산으로 처리하여 용

해 제거하고 윤활성을 높인 유리섬유강화 테프론 리테이

너를 개발하여 내구성과 윤활성을 향상시킬 수 있었다고

보고하고 있다

46

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위한 또 다른 특허로는

폴리실록산계 접착제를 단독 혹은 폴리에스테르계 접착

제와 병용하고 고체 윤활제로 MoS2(이황화몰리브덴

WS2(이황화텅스텐) h-BN(육방정 질화붕소) 팽창흑연

및 PTFE를 사용하고 충전제로 탄화규소 알루미나 산화

지르콘 산화티탄 등의 미분말을 사용하여 내마모 내열

및 윤활성을 부여하고자 하는 내마모성 및 윤활성 코팅

조성물에 관한 특허가 있다26)

ㅇ 내열성 내후성 내오염성 내약품성 내구성 등의 물성

은 유지하면서 비점착성을 높이기 위해 무기계 세라믹

코팅 조성물에 PTFE를 첨가하기도 한다 이러한 하이

브리드 코팅 조성물에 관한 특허로는 불소수지(01sim25

중량) 콜로이달 실리카나 콜로이달 알루미나 등 무

기계고분자 바인더(20sim80중량) 알콕시실란 화합물

(1sim50중량) 수용성 유기용제(1sim10중량) 충전제

또는 안료(5sim50중량) 및 물(100중량 까지 보충)로

이루어진 코팅 조성물에 관한 것으로 무기질 도료 및

무기계 세라믹 코팅에 의해 내열성 내오염성 내약품

성과 내구성을 유지하고 접착력을 높이기 위해 소량의

PTFE를 사용하는 것이 있다27)

47

ㅇ 정전 복사기에 사용되는 정착기재부의 최외층에 코팅하

여 기계적 성질 및 내마모성을 향상시키려는 목적으로

불소수지 기질 중에 분산된 불소화 다이아몬드를 함유하

는 입자로 구성된 조성물에 관한 일본 특허28)가 있다

ㅇ 부식 특성을 개선한 흑색 무크롬(chrome-free) 다층 내

부식 마무리 칠과 방법에 관한 특허29)로는 ASTM B 117

표준으로 시험할 때 백색 부식에는 최소 500시간 염수분

무시간 및 적색 부식에는 1500시간 염수분무시간에 적합

하게 설계된 마무리 칠에 관한 것이 있다 이 다층 시스

템은 광택(gloss) 4 이상을 만족하는 자동차 차체 강판

자동차 하부와 내장에 사용되기 위해 설계된 것으로 이

다층 마무리 칠은 3층 부식 방지 시스템을 형성하도록

아연-철 전기도금 기질 오르토인산을 사용한 무전해 인

산염 결정 전환 층과 XylanTeflon 실러 코팅의 조합이

다

ㅇ 전통적으로 철 강판(steel sheet)은 크롬산 염 전환 코팅

으로 개질되어 왔으나 6가 크롬이 배출되어 환경을 오염

시키는 문제점이 있어 강판의 내-부식성을 개선하기 위

해 고분자 수지 코팅들이 수행되고 있으나 이 방법은 고

48

분자 코팅 층이 열전도도를 감소시키는 단점을 가지고

있다 Kang 등30)은 강판 위의 고분자 코팅 층의 열전도

도를 향상시키기 위해 초미세-크기 다이몬드(μD)입자를

열전도 물질로 사용하였다 다양한 음이온 및 비-이온

계면활성제들을 사용하여 수용액 중에서 무거운 μD입자

의 안정화를 시험들을 한 결과 1-피렌카르복시산(PCA)

이 가장 양호하였다 그림 3-2는 이 시험 결과를 요약한

것이다

- 강판 위에 PCA로 안정화 된 μD 입자를 함유한 폴리

우레탄-기초 코팅 층은 열전도도가 0351W(mK)에서

0434 W(mK)(10 wtμD)로 향상되었으며 더욱 144

시간 동안 염수 분무 시험결과 부식거동은 관찰되지

않았다

그림 3-2 피렌카르복시산을 이용한 μD 표면처리

ㅇ 자동차공업에서는 기본적인 특성으로 내마모성이 요구되

49

는 강철 기계부품들의 마찰특성을 향상시키기 위해 다양

한 금속 및 고분자 코팅들이 광범하게 이용된다 내-마

모 코팅은 두 가지 주요 특성인 높은 표면경도와 자기-

윤활 특성이 필요하다 후자의 범주에 속하는 것이

PTFE와 MoS2 기초 코팅이다 무전해 니켈 코팅은 높은

경도로 인해 양호한 마찰 특성을 보이며 한편 열처리를

통해 경도를 향상시킬 수 있다 PTFE입자의 첨가는 코

팅경도를 감소시키나 자기-윤활특성을 부여한다 S

Rossi 등3132)은 마찰특성을 향상시키기 위해 이용되는 탄

소강에 이용되는 몇 가지 공업적인 코팅에 관한 부식거

동에 관해 평가 PTFE입자를 함유한 무전해 니켈-인

(Electroless Nickel-Phophorus)코팅은 PTFE 입자(자기-

윤활 특성)를 갖는 외층과 장벽-효과를 갖는 내층으로

인한 이중 특성으로 가장 양호한 특성을 보였다고 보고

하고 있다

ㅇ 모든 기계적 시스템은 동적 요소를 필요로 하며 마찰과

마모를 줄이기 위한 다양한 수단들이 가능하나 그 선택

은 환경이나 조작 조건에 제한을 받는다 PTFE는 자기

윤활 낮은 마찰계수 높은 열안정성과 화학약품 안정성

으로 산업분야에 널리 사용되는 엔지니어링 고분자이지

만 내마모성이 매우 부족하다 이러한 이유로 금속

-PTFE충전 복합체들이 PTFE의 마찰특성과 금속충전제

50

의 내마모성을 결합하여 특정 분야의 용도로 소개되어

왔으나 금속-고분자 물질에서의 충전제의 역할은 완전히

설명되지 않고 있다 복합체 표면의 과잉의 충전제 농도

는 미끄러지는 동안 부하를 지지하여 내마모성을 증가시

키는 것으로 생각되며 PTFE의 마모율은 Mo Zn Ni

Y2O3 및 SiO2 같은 무기 충전제에 의해 1000배가량 감소

되었다는 보고도 있다 유리섬유 구리 세라믹 탄소섬유

절단 탄소섬유 나노입자를 포함한 경질의 충전제 입자들

이 PTFE의 내마모성을 높이기 사용되어 왔다

ㅇ 비교적 두꺼운 코팅에는 열분사(thermal spray) 용사기

술이 정립되어 있고 용사 코팅은 내마모 내마찰 내프레

팅(fretting) 및 내부식을 요하는 산업에 많이 이용되고

있다

- 용사 몰리브덴(Mo)코팅은 실질적 내마모성 코팅으로

가장 광범하게 이용되며 프레임용사(flame spray)거나

와이어용사(wire spray)기술로 생산된 몰리브덴(Mo)

코팅은 흠이나 마모에 대한 고도의 저항을 얻기 위한

가장 좋은 코팅재료 중의 하나이다

- 알루미늄 청동(aluminium bronze)은 높은 내-부식성

과 내마모성을 갖는 것이 특징이다 저압 플라즈마 용

51

사 기술은 자기-아닐링(self-anealing)과 부서지기 쉽

도록 유도하는 γ-상의 형성을 피할 수 있도록 높은

냉각 속도를 얻는 데 사용되며 알루미늄 청동 저압

플라즈마 용사 코팅은 낮은 마찰과 마모를 보였고 비

교적 최근 플라즈마 용사 기술을 이용하여 알루미늄

기질에 고분자-세라믹 복합체를 코팅하는 기술이 개

발되었다33)복합체 코팅으로 행한 마찰 시험에서 낮

은 마찰계수를 얻을 수 있었다

- 낮은 마찰계수와 고 내마모성을 갖는 이성분 금속

-PTFE 코팅이 개발되었고 이들의 마찰 공학적 성능

이 보고되었다 PTFE-기초 복합체 설계에서 일반적

인 접근방법은 경질의 충전 입자들을 도입하는 것으

로 M Yamane 등34)은 PTFE-금속 이성분 코팅의 마

찰 마모성능에 관한 연구 결과 알루미늄 청동 코팅이

Mo코팅에 비해 PTFE 저장소(reservoir)에 유용했음

을 보고하였다

⑹ 충전 또는 강화 플루오르화 탄소1)

ㅇ 분말이나 강화섬유 등 전형적인 충전재들이 충전 또는

강화 플루오르화 탄소에 사용된다 충전재는 저온흐름

52

을 향상시키는 데 사용되며 수축과 균열을 줄이고 열

팽창을 낮추며 열전도율을 향상시킨다

ㅇ 분말이나 단섬유로 된 전형적인 충전제를 표 3-5에 종합

하였다 유리섬유는 가장 보편적인 PTFE 충전제로 화

학 및 전기적 특성에 최소로 영향을 미치며 기계적 특

성을 크게 향상시킨다 분말에 비해 섬유는 압축강도

강성도 및 지지용량을 더욱 향상시키나 분말은 충전

테플론의 내구성에 거의 영향을 미치지 않는다 금속분

말은 특히 열전도도를 향상시키며 고속에서 발생하는 마

찰열을 소멸하는데 도움이 되며 전기저항을 상당히 감소

시켜 금속-충전 조성물은 양호한 절연체는 아니다

ㅇ 흑연(graphite) MoS2는 초기 내구성과 마찰을 개선하고

기계적 특성을 향상시킨다 석면은 많은 유용한 특성을

갖지만 가공 처리 중 가스가 방출할 뿐 아니라 사용금지

물질이다 표 3-5 외에도 금속 망 장섬유 다공성 금속

등 다양한 충전제들이 있으며 다양한 종류의 제품들이

상업 생산되고 있어 최종 선정을 하기 전에 플라스틱 가

공업자로부터 보다 완전한 정보와 추천을 받는 것이 바

람직하다

53

표 3-5 불소수지용 충전제

ㅇ 압축강력 인장과 압축 시의 탄성률 및 항복강력은 첨가

제의 첨가에 의해 모두 증가하나 일반으로 인장강력과

신도 및 충격강도는 손실된다 통상 충전 테플론은 압축

상태에서 사용되므로 인장강력의 감소는 중요하지 않다

인장강력의 손실은 설치(연속적인 링-실링)할 때 인장되

는 재료에서 중요하다 열팽창 계수는 비-충전 테플론에

비해 감소되어 통상 금속 부품의 팽창계수와 잘 맞는다

ㅇ 마찰과 마모를 수반하는 분야에서 가장 중요한 것은 충

전제로 얻어지는 PV한계치의 증가와 마모의 감소다 비-

54

충전 테플론에 비해 PV한계치 크기는 개략적으로 1차원

적으로 증가하나 마모인자는 3차원적으로 감소한다 충전

테플론의 평균치들은 동적 마찰계수는 01-02 PV한계치

는 10000-20000 psi-fpm 마모상수는 10times10-10in3-min

lb-ft-hr이다 그림 3-3은 충전 테플론 PTFE의 마찰계

수에 미치는 충전제 종류와 농도의 효과에 관한 것이다

그림 3-3 테플론 PTFE에 미치는 충전제 종류와 농도1)

ㅇ 내마모성을 향상시키는 충전제는 실제로 연마저항성을

감소시키는 것으로 날카로운 입자는 보다 쉽게 침투하고

충전제 입자와 수지 사이의 경계를 따라 충전 플라스틱

을 찢는다 따라서 라이닝 슈트 같은 분야의 적용 시는

55

비-충전테플론이 보다 바람직하다

⑺ 시트 테이프 및 박층(laminates)

ㅇ 대부분의 플루오르화탄소는 충전 여부에 관계없이 두

께 1mil(0001 in)까지 시트나 테이프로 만들 수 있고

시트나 테이프를 찍어서 원하는 형상의 립-씰(lip seal)

펌프 컵(pump cup) 피스톤 링(piston rings) 가스켓

(gaskets) 등을 만들 수 있다

ㅇ 유체의 누설을 정지시키는 밀봉기능 부품 중 각종기기의

접합부나 배관 플랜지 등의 밀봉에 사용되는 가스켓

(gaskets)은 석면이 널리 사용되어 왔으나 유해물질 배

출 및 이동량 보고제도(PRTR Pollutant Release and

Transfer Register)에서 발암성을 가진 제1종 지정 화학

물질로 지정되어 사용이 금지되어 PTFE가 가스켓으로

개발되었다 PTFE는 용융 알칼리 금속 및 그 용액과 불

소 및 3불화염소에 의해 약간 침식되나 모든 화학약품에

안정하고 우수한 내부식 재료로 C-F결합력이 크고 F원

자가 C-C결합의 주위를 간격 없이 들러 싸고 있기 때문

에 다른 물질의 공격을 방어하고 있고 내열성은 260로

높다35)

56

- PTFE 필러를 사용한 PTFE 나선 권형 가스켓은 석

면에 대한 사용규제와 상관없이 사용되어 왔으며 유

연한 필러를 사용하므로 석면 가스켓 보다 낮은 체결

압력에서도 실 특성이 우수하고 내식 면에서도 광범

하고 다양한 유체에 사용이 가능하다 다만 단열성 면

에서는 석면 나선 권형 가스켓 보다 사용온도 범위가

제한된다

ㅇ 산업 기계나 자동차의 브레이크 제동장치에 부착하여 마

찰력을 부가하는 브레이크 라이닝에서는 마찰계수와 내

마모력 및 충격계수 등 마찰특성이 우수한 석면을 주로

사용하여 왔으나 제동 시 발생하는 미세 석면분진으로

인해 대기오염에 의한 환경을 파괴 뿐 아니라 인체에 흡

입될 경우 암을 유발하여 PRTR로 사용이 금지되었다

석면을 대체할 유기질 또는 무기질 된 다양한 비석면 마

찰 섬유 등이 사용되고 있으며 마찰 섬유에 테프론을 코

팅하여 브레이크라이닝의 수명향상 제동 시 발생하는 소

음 떨림 및 제동력 향상을 위한 제품개발이 시도되고

있다

- 예로 국내 특허36)에서는 브레이크 라이닝(또는 패드)

의 마찰재 배합재료 중 유기섬유(Kevlar섬유 pulp섬

57

유 등)에 테프론을 코팅하고 코팅된 유기섬유에 결합

재 충전재 윤활재 마찰안정재 마찰조정재 등을 소정

의 배합비로 배합하여 성형하고 열처리하여 브레이크

패드 또는 라이닝을 제조한다

ㅇ 초소형 정밀기계(MEMS Micro-Electromechanical

System)분야에서는 점착방지를 위해 불화 유기박막을

사용한다 Park 등37)은 단층 두께의 불화 유기박막의

특성을 접촉각 측정을 통해 분석하였다

⑻ DLC 코팅3839)

ㅇ DLC(diamond-like carbon)는 몇 가지 다이아몬드의 전

형적인 특성을 나타내는 비정질 탄소물질로 극도의 내마

모 특성을 필요로 하는 재료의 코팅에 이용되고 있다

DLC코팅은 연마 마모를 감소시키기 위한 재료에 유용하

여 엔드밀 드릴비트 금형 같은 공구는 물론 자동차 기

계부품 및 전자산업 등 산업전반에 걸쳐 적용된다40)

ㅇ 환경오염 문제로 인해 PRTR(Pollutant Release and

Transfer Register 유해물질 배출 및 이동량 보고 제

도) 이 시행되어 습동 부품이나 절삭 시에 사용되는 오

일이나 그리스에 포함되는 첨가제(MoS2 Zn 등)와 이들

58

부품을 세정할 때 사용되는 용매 기계부품의 수명을 연

장시키기 위해 활용되었던 Cr도금 폐액에서 발생하는 6

가 크롬 등의 오염물질들에 대한 규제가 더욱 강화되어

DLC에 의한 무윤활 습동과 무윤활 절삭을 지향한 공구

와 기계 부품의 개발이 관심을 끌고 있다4142)

- 일본 내에서는 PRTR이 시행되고 이것에 저촉되는 재

료에 관해서는 MSDS(Material Safety Data Sheet)를

첨부해야할 의무가 있고 부품가공 습동 용도에서는

대상 리스트에 올라 있는 오일 오일 중의 중금속 도

금폐액을 어떻게 경제성 있는 환경 친화적 공정과 재

료로 전환할 것인가를 고려하면서 무윤활 습동 무윤

활 절삭 탈크롬 도금의 3가지 키워드가 대두되고

DLC코팅이 대안으로 모색되고 있다

- DLC코팅 적용기술과 과제에 관한 자료로는 자동차

관련부품 적용사례 엔진부위 마찰 작동 밸브계의 마

찰저감 DLC와 윤활제에 의한 마찰저감 기술을 중심

으로 살펴본 보고가 있다43)

ㅇ DLC는 7가지 형태가 존재하며 모두 상당한 양의 sp3혼

성궤도 탄소원자를 함유한다 다양한 형태의 DLC가 진

공 환경으로 적합한 재료들에 적용가능하며 유럽에서의

59

2006년 위탁 DLC코팅 시장은 3천만euro로 추정되었고 국

내도 활발한 상용화가 시도되고 있다

ㅇ 사반면상(tetahedral) 비정질 탄소 ta-C를 2두께로 코

팅하면 연마마모에 대한 스테인레스 강(304 type)의 내구

성을 증가시켜 수명을 1주일에서 85년으로 늘이며 이러

한 DLC의 형태는 sp3결합 탄소 원자로만 이루어지기 때

문에 순수한 DLC로 간주되며 수소 sp2흑연 탄소 금속

같은 충전제가 생산경비를 낮추거나 원하는 특성을 부여

하기 위하여 사용되고 있다

ㅇ DLC를 만드는 방법에는 sp3탄소 보다 낮은 밀도의 sp

2

에 의존하는 몇 가지 방법들이 있으며 압력 충격 촉매

또는 이들의 조합으로 sp2결합탄소 원자들을 sp3결합탄소

로 근접시킨다 최근 초고압 하에서 탄소의 경량 특성을

갖는 초경도 무정형 다이아몬드가 만들어졌다 탄소로 만

들어지는 다이아몬드 그래파이트는 결정구조를 가지나

DLC는 비정질이라는 점에서 크게 다르고 200 정도의

저온에서 형성시킬 수 있다는 점이 통상의 PVD막에 비

해 훨씬 우위에 있다

ㅇ DLC코팅은 제조공정이 복잡하고 생산 단가가 비싸 적용

이 어려우며 적용되는 소재가 제한되는 단점을 갖는다

60

주요제법으로는 고주파 플라즈마 법 이온화 증착법 스

페터링법 등을 들수 있다 고주파 플라즈마 법은 메탄가

스가 원료로 사용되고 막 중의 수소가 약 30(원자)로

평활성이 우수하고 마찰계수가 작으나 경도가 낮다 이

온화 증착법은 벤젠을 사용하며 막은 단단하나 면의 조

도가 거칠고 후막화 하기 위해 스패터링 방법이 검토되

고 있다

⑼ 불소수지의 안전성

ㅇ 테플론 PTFE의 열분해는 200(392)에서 감지되며 이

것은 몇 가지 플루오르화 탄소 기체들과 승화물질을 방

출한다4445)1955년 동물실험에 관한 한 연구에서는 이들

물질이 250(482) 이하에서는 의미 있는 양이 아니라

고 결론지었으나 최근 비-점착 주방기구인 프라이팬이

나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가열할 때 조류를

죽일 수 있는 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수

도 있다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있다45)

ㅇ 표 3-6은 EWG가 보고한 3-5분 내에 370까지 불소수

지를 가열할 때 발생되는 15종의 불소화합물에 관한 것

이다 테플론과 같은 코팅물질들이 장기적으로 인체에 미

61

치는 영향에 관한 연구는 이루어지지 않고 있으나 독감

과 유사한 질병을 유발할 수 있으며 이를 중합체 증기열

(polymer fume fever)이라 한다

표 3-6 15종의 유해물질 및 유독성 기체44)

ㅇ 최근 표 3-6의 화합물들 중 특히 TFA와 과불화된

(perfluorinated) PFOA(perfluorooctanoic acid)에 관심이

증가되고 있다 PFOA는 새로운 환경오염물질로 미국 환

경보호청(EPA)에 의하면 보통 때는 문제가 없으나 조리

과정에서 프라이팬에 열을 가하고 강하게 긁을 경우 용

62

출되어 나오며 이것이 음식물과 함께 인체에 흡수되는

것으로 추정하였다 한편 DuPont의 테플론 PTFE 연구

결과에 의하면 검출한계인 9ppb 이상 검출되지 않으며

테플론 주방기구에서는 PFOA가 존재하지 않는다고 발

표하고 있다

- 물이나 공기를 통해 환경에 노출된 PFOA는 고 콜레

스테롤 궤양성 대장염 갑상선 질환 고환암 신장암

및 임신성 고혈압과 관련된다고 보고되었다

- PFOA는 불소수지 생산과정에서 사용되는 첨가물로써

암모늄 형태로 PTFE 유화중합에 계면활성제로 사용

되며 불소수지의 품질과 균일성을 유지하기 위해 필

수적인 첨가물이기 때문에 전 세계 모든 불소수지 제

조업체가 사용 중에 있다 한편 국내 주력 산업인 반

도체 생산 과정에서도 PFOA를 대량으로 사용하고 있

어 체계적인 실태조사와 대책수립이 필요하다는 의견

들이 대두되고 있다

⑽ 불소화합물의 안전성과 환경대책

ㅇ 표 3-6에서 살펴본 바와 같이 테플론을 급격히 고온으로

가열하면 2종의 발암물질을 포함한 유독성 가스가 발생

63

하고 특히 불소화합물 중 MFA(monofluoroacetic acid)는

적은 양으로도 치명적 해를 끼치고 PEIF(perfluoro-

isobutene)는 신경가스제로 여러 가지 질환을 발생시킨다

한다44)

따라서 테플론으로 코팅된 장치를 재 코팅하기

위해 테프론을 고온으로 급격히 가열하거나 소각 등을

통해 제거할 때는 발생 가능성이 있는 유독가스를 제거

하기 위한 별도의 설비를 이용하여야 하고 유 등44)의 보

고서에서와 같이 중조(NaHCO3)를 포화시킨 충분한 물로

유독 산성 물질을 중화시키는 것도 고려할 만하다 한편

부식대전 방지 코팅도 테플론 코팅 일변도에서 세라믹

코팅 CNTs이나 DLC 코팅기술로 대응하는 것을 추천하

고 싶으며 이것은 유해물질 배출 및 이동량 보고제도

(PRTR Pollutant Release and Transfer Register)에 대

비하는 등 기업의 장래를 고려하는 것도 될 것이다

ㅇ PTFE를 사용한 취사도구는 1960년대 이래 사용되어 오

고 있으나 최근 들어 이것의 안전성이 논쟁의 주제가 되

고 있으며 논의 주체는 PFOA(perfluorooctanoic acid)이

다 PFOA는 PTFE를 비롯한 많은 불소수지의 생산에

사용되며 DuPont의 테플론 PTFE 연구 결과에 의하면

프라이팬을 260 이상 고온에서 가열하거나 코팅이 벗

겨져도 PFOA가 존재하지 않는다고 한다 그러나 물이나

64

공기 토양 식품포장재 등 여러 곳에서 PFOA 오염사실

이 보고되고 있다 한다44)

- 미국 EPA는 인체와 환경에 대한 PFOA 연구를 계속

하고 있으며 2015년까지 PFOA 및 이와 관련된 화합

물 방출을 배제할 프로그램을 갖고 있으나 PTFE-기

초 비점착 취사기구를 중지시킬 타당성을 갖고 있지

는 않다 최종제품은 PFOA가 아닌 PTFE이기 때문이

다

- 수십 년 동안 불소수지 비점착 코팅이 시장을 지배하

였으나 최근 몇 가지 신기술들이 출현되고 있으며 이

들 대부분은 실리콘 세라믹과 실리콘 기술로 이들 코

팅은 PTFE와 PFOA를 함유하지 않는다

- 오늘날 출시된 비점착 취사용구는 수많은 상표로 팔

리고 있으며 DuPont에 의하면 대부분의 취사용구 코

팅은 정상적으로 사용할 때 3-5년 견딜 수 있을 것으

로 예측한다 너무 문질러서는 안 되고 따뜻한 비눗

물로 씻어주는 것이 좋으며 닳거나 흠이 생기지 않도

록 나무 플라스틱이나 코팅된 재료로 만든 도구를 선

택하고 보관도 흠이 생기지 않을 장소나 캐비닛을 권

장하고 있다

65

ㅇ 국내의 불소수지 안전성에 관한 것으로는 재질규격(납과

카드뮴)과 용출규격(납 과망간산칼륨소비량 증발잔류물)

이 식품용 기구 및 용기 포장 공전46)에 기재되어 있으며

최근 국내에서도 PFOA를 비롯한 유해 불소화합물에 관

한 관심이 커져 가고 있다

ㅇ PFOA 문제가 표면화 되면서 환경 보전형 불소계 발수

유제의 개발과 공업화도 새로이 부각되고 있다 이에 관

한 보고서를 모니터링한 KISTI자료47)를 중심으로 간단히

요약하면 발수제의 주요성분 퍼플루오로알킬기(Rf기)함

유 폴리머의 기능은 Rf기의 고리길이에 크게 의존하므로

PFOA문제 해법으로 탄소수 8 이상인 종래의 불소화학

에서 탈피 짧은 고리 Rf기(탄소수 6)를 가진 새로운 단

량체를 선택하여 발수제를 제조함으로써 환경 보전형 불

소계 발수유제를 개발하고 공업화하였다 한다

66

제 4 장

지원결과

1 지원결과 종합

테프론 코팅 기술의 문제점과 부식대전방지용 테플

론 코팅에 관한 정보 외에 신청기업의 요청에 따

라 C-나노튜브 코팅 및 DLC증착에 관련된 기술 정

보도 제공하였다

테플론은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat resistant)

비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coefficient of

friction) 내약품성(chemical resistance)과 특이한 전기적

특성(unique electrical properties) 및 온내구력(cryogenic

stability)으로 그 응용범위가 광범하며 용도에 따른 엄격

한 품질관리가 요구될 것으로 생각되어 중소기업에 적합

한 기초능력 배양과 신제품을 구상하기 위한 최신기술에

관한 정보를 제공하고자 하였다

67

불소수지의 코팅은 두께와 첨가제가 관건으로 이에 관한

자료를 제공하고자 하였으며 불소수지의 전기특성 폭발

성 환경과 반도체 제조공정에서의 대전 방지 처리를 위

한 정전기 관리 지표 등을 특허를 중심으로 조사하여 제

공하고자 하였다

C-나노튜브를 이용한 대전방지 코팅 기술 및 C-나노튜

브의 제법 등 이것에 관한 기초정보를 제공하고자 하였

으며 내마모성 테플론 코팅에 관해서는 테플론을 이용한

세라믹 코팅 기술에 관한 정보도 제공하고자 하였다

테플론의 기계적 전기적 특성을 강화하기 위해 사용되는

충전제를 종합하고 기초이론을 정립함으로써 금후 원부

자재의 선정에 도움을 주었다

테플론은 석면 대체재로도 주목받고 있어 이에 관한 특

허 정보들을 제공하였으며 다이아몬드의 전형적인 특성

을 나타내는 DLC의 코팅관련 기술 정보를 환경오염 문

제와 연관하여 자료를 제공하였고 최근 비-점착 주방기

구인 프라이팬이나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가

열할 때 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수도 있

다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있어 이에

관한 정보도 제공하였다

68

2 지원의 한계

중소기업이 당면한 문제는 전문기술의 확보다 관련 기술

이 비약적으로 발전하는 추세에 비추어 한정된 인원으로

신기술을 소화하고 개발하기는 어려울 것이므로 출연연

구기관이나 대학과 공동연구를 모색할 수 있으나 이것도

중소기업으로서는 경제적 부담이 될 수밖에 없을 것으로

생각된다 가능하다면 앞으로도 KISTI의 정보지원이 계

속되기를 바라고 있었다

3 기대효과

부식대전 방지 테플론 코팅에 관한 기본 기술이 배양되

어 합리적인 원부 원료의 수입검사 공정관리 및 제품관

리를 통해 원가절감은 물론 신제품 신기술에 관한 정보

수집 및 분석능력이 배양되고 개발력이 확충되어 기업

경쟁력 향상에 도움이 될 것이다

69

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이치옹 모니터링분석 KISTI

75

저자소개

김학주(金鶴柱) 서울대학교 문리과대학 화학과 졸업 이학사

전북대학교 대학원 화학과 이학박사

(주)삼양사 의약연구소장 신성대학교 교수

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 폴리에스테르 섬유의 연중직방기술 외 다수

저서 기기분석 공업물리화학 일반화학

성용길(成墉吉)

동국대학교 이과대학 화학과 졸업 이학사 이학석사

부산대학교 대학원 화학과 이학박사(Dr Sci)

University of Utah USA Ph D(공학박사) Post Dr

유타대학교 연구교수 부산대학교 교수 동국대학교 교수

동국대학교 명예교수 한국원자력문화진흥원 이사

과학문화연구원전문연구위원 한국도량형과학문화연구원 원장

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 의료용 기능성 고분자재료에 관한 연구 외 330편

저서 고분자 물성론 (서울대학교 출판부 공저) 외 10권

21

Teflon의 유용한 기계적 특성은 -450sim500(-267sim

260)에서 유지되며 여러 가지 특성들은 가공기술을

바꾸어 변경시킬 수 있다 마찰 및 마모 특성을 나타

내는 마찰계수들은 시험조건에 따라 다르며 Teflon은

증기압이 극히 낮아 진공에서도 우수한 안정성을 가

지며 방사선 안정도는 부족하나 방사선 내용성은 극

히 높다

테프론의 특징은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat-

resistant) 비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coeffi-

cient of friction) 내약품성(chemical resistance) 특이한

전기적특성(unique electrical properties) 저온내구력

(cryogenic stability)으로 대표된다3)

- 테프론 코팅된 표면에는 거의 모든 물질이 달라붙지

않으며 내열성(heat-resistant)이 우수하여 -260sim+26

0까지 사용할 수 있고 단시간 사용의 경우에는 30

0까지 견디며 Teflon FEP는 232에서 연속사용이

가능하다 비유성(non-wetting)이 우수하여 표면에 물

이나 기름이 잘 묻지 않아 표면이 오염되지 않아 쉽

게 청소가 가능하고 기계설비의 보수시간이 단축되어

생산성을 향상시킬 수 있다 테프론은 비-절연성은 물

22

론 비-유전정접과 우수한 표면 저항률을 보인다

⑵ 플루오르화탄소 수지 코팅

얇고 강인한 플루오르화탄소 수지 필름을 금속 등에

소결이나 수지-접착에 의해 바르면 기질에 침착된 필

름은 저온흐름으로 고체 플루오르화탄소 수지보다 낮

은 마찰계수를 띠고 금속은 양호한 열전도도를 갖고

열을 분산할 수 있어 고속으로 운전할 수 있고 양호한

내구성을 갖게 된다

1950년대 미국 해군연구소에서 소결 Teflon TFE필름을

수성 분산액(현탁질)으로부터 무기 탄약통 비행기부

품 잠수함부품의 건조-필름 윤활제 및 보호 코팅용으

로 개발한 후 이것들은 기어 정첩(hinges) 샤프트 베

어링 밸브 플러그 콕 피스톤 링이나 그 외의 산업분

야에 응용되고 있다

- 실제로 적절한 테플론 현탁질을 고체 표면에 침적한

후 수분 증발이 너무 빠르지 않게 공기에서 필름이

건조되게 한 후 테플론 입자들이 연화 및 소결되도록

건조된 표면을 약 385(725)로 가열하고 냉각하면

23

얇은 연속 필름이 표면에 남지만 필름 중의 많은 작

은 세공들은 테플론의 높은 용융점도 때문에 제거할

수 없다 세공들은 윤활 작용에는 제한을 받지 않으나

녹슬거나 부식의 공격점이 되어 부식방지를 위해서는

1회 이상의 박막 추가 코팅이 반복되고 보통 2회 코

팅으로 충분하나 각 침적 테플론 층은 두께가 00003

인치(762)를 초과하지 않아야 하며 그렇지 않으면

말린 진흙 같이 균열이 발생한다 필름이 윤활제로 사

용될 때는 필름두께가 00006-00007인치(152-178)

를 초과하지 않아야 한다1)

- 테플론코팅은 통상으로 존재하는 표면 산화물이 제거

되지 않은 깨끗하고 탈지된 강철 황동 및 알루미늄금

속표면일 때 가장 잘 접착한다 만일 산세척에 의해

과잉 두께의 산화물이 제거되었다면 필수적으로 얇은

산화층이 형성될 때까지 공기 중에서 가열한다 접착

은 실표면적이 증가하면 증가하므로 경면가공(mirror

finish)보다 모래분사가공이나 무광택가공이 양호하다

- 테플론 코팅된 표면의 마찰계수는 금속기질 표면을

거칠게 함으로써 낮출 수 있으나 미끄럼마찰 조건 아

래 내구성은 금속의 거칠기가 32마이크로인치(rms)를

초과하면 감소한다

24

철강 기질의 인산처리는 소결 Teflon TFE필름의 마모

수명을 향상시킨다고 보고되었으며 양극처리 된 코팅

의 경도 및 내마모성과 불소수지의 윤활성을 결합하기

위해 다공성 경화 양극처리 알루미늄 위에 불소수지를

침윤하여 왔다 Teflon S 마감재는 Du Pont이 도입한

최초의 수성-기초 분산 TFE FEP로 이들은 ldquo계층화

된rdquo 마감재이다 Francis J Clauss1)는 다양한 용도에

서의 Du Pont사 제품들의 선정 가이드를 표로 종합하

였으며 이것을 요약하면 표 3-2와 같다

- 테플론 코팅은 프라이머 단층 프라이머 코팅 후 에나

멜이나 클리어 마감 또는 프라이머 에나멜과 클리어

마감 등 3-코팅 시스템으로 구성된다 프라이머들은

금속이나 세라믹 기질에 접착을 향상시키기 위해 개

질제를 함유한다 프라이머들은 가끔 1회 코팅 마감재

로 사용되나 음식물과 접촉하는 용도로는 반드시 에

나멜이나 클리어 마감재로 마무리 칠을 하여야 한다

프라이머는 층간 접착력이 부족하기 때문에 다중 코

팅에 적용될 수 없고 만일 06mil 이상의 코팅이 필요

하면 프라이머는 에나멜이나 클리어 마감재로 마무리

칠을 하여야 한다

25

표 3-2 테플론 코팅 두께1)

최종

용도대표적 용도

전체두

께(mils)

프라이머에나멜클리어

가공(mils)

비점착

산업

직물 슬래셔 통

열 봉합 봉 고무경화 롤러

우레탄과 에폭시 경화 주형

제빙기

목재 고무 주석도금 아연

10-25

07

20-50

08-13

07

03 07-22 07-10

07 마무리칠 불가

03 07-37 10min

03 05-10 05-10

07 마무리칠 불가

식품

프라이팬 내열접시

반죽롤러

캔디 장치

08-12

10-30

20-30

03 05-09

03 07-27

03 07-17 10

One-coat

system

금지

드라이

윤활

플러그 밸브

유리병 제조 전달 장치

베어링

03-07

15-25

05-07

03-07

03 03-05 03-05

02

전기

전자

저항기 코팅

아이들 롤러(제지 섬유 공업)

세라믹 절연체

40-50

10-15

20-25

03 37-47

03 07-12

03 17-22

부식

방지용기 라이닝 gt50 03 47 또는 5-10 이상

Non-

wetting콘덴서 튜브 02-04 02-04

- 유색 프라이머는 통상 안료가 필름의 범위와 두께를

시각적으로 체크할 수 있게 하므로 그렇지 않은 것에

비해 더 선호된다 에나멜과 클리어 마감재는 충분한

접착을 위해 프라이머 위에 발라야 한다 ldquo진흙 갈라

짐 현상(mud-cracking)은 코팅 당 최대 두께를

10mil로 한정하나 다중 코팅에 의해 극단적이 조건

하에 전체 두께를 10mils까지 바를 수 있으며 각각의

26

코팅은 분리하여 구워진다

불소화 고분자들은 낮은 표면장력 물과 기름에 젖지 않

고 비점착성이며 방오 특성(antifouling properties) 등을

갖기 때문에 다양한 특수 코팅에 적용되나 합성과 조성

이 몇몇 제조업자들에 독점되어 있고 값비싼 중간체를

필요로 한다 VC Malshe 등4)은 플루오르 함량이

4-10인 불소화된 아크릴 공중합체를 간단한 방법으로

합성하고 클리어 코팅하여 광학적 기계적 및 보호 특성

을 연구하였다

최근 에너지 절감과 CO2규제와 같은 환경규제에 대한 대

응 필요성이 증가하면서 발전소나 각종 보일러 시스템에

서 배가스로 배출되는 응축잠열 에너지의 회수 및 활용

에 관심이 증가되고 있다 Lee 등5)은 스테인레스 관 표

면에 400정도의 두께로 테플론을 코팅한 전열관에서

관의 열 및 응축 열전달 특성을 연구하여 테플론 코팅관

의 총괄 열전달 계수는 스테인레스 관보다 약 20 작은

것으로 나타나고 응축열전달 계수는 유사하였음을 보고

하였다

알루미늄 용광로의 비-여과 배출가스에 장기간 사용하기

적합한 역류 열교환기에 관한 것으로 원통형 쉘의 표면

27

은 알루미늄 용광로 배출가스 입자 및또는 먼지 및 부

식 흄과 접촉될 수 있어 테프론 계로 코팅 처리하는 특

허6)가 있다 이 특허에서는 원통형 쉘을 만들도록 복재

(web member 웨브재)와 함께 연결된 유체 운반튜브로

이루어진다 각 원통형 쉘에 위치한 헤더는 열교환기의

튜브에서 튜브로 유체를 공급하며 뜨거운 난류가스에 작

용하여 스케일링을 최소화하기 위해 헤더의 보호덮개를

설치한다

저온에서 고온에 이르는 환경에서 유체에 사용되는 배관

튜브는 열에 의한 경시적 열화가 진행되어 균열 발생이

쉽다 가동부에 사용되는 배관 튜브는 움직임이 수반되어

그 경향이 현저하며 반도체 제조장치에 일반으로 사용되

는 실리콘튜브는 저온에서 열화되어 파손되기 쉽다 이러

한 문제점을 해결하기 위해 실리콘 튜브 외측 표면을 테

플론으로 코팅하여 균열발생을 억제함으로써 장시간 사

용 가능하도록 고안한 특허7)가 있다

섬유상 부직포로 제작하는 다공성 여과필터는 다양한 산

업공정의 배출가스를 정화시키는 데 사용되며 특히 중고

온 환경에서 사용이 가능한 다양한 종류의 기능성 필터

의 개발이 요망된다 일반으로 소각장 및 발전소 등의 중

고온 조건에서 사용되는 Nomex를 비롯한 섬유상 필터는

28

200 이상에서는 열변형으로 사용이 제한적이고 세라믹

필터와 같이 고온에서 적용이 가능한 소재는 매우 고가

일 뿐 아니라 초기 작업으로 인해 에너지 사용량이 매우

높아지는 문제점이 있다 Kim 등8)은 250-300 영역의

중고온의 배출가스를 처리하기 위한 필터에 표면 소수성

과 고온 안정성을 부여하기 위하여 표 3-3과 같은 조성

으로 그림 3-1과 같은 장치를 이용하여 테플론 수지를

거품 형태의 코팅액으로 조제하여 유리섬유 원단에 공급

하여 표면코팅하고 열처리 및 압착과정을 거친 후 표면

분석하였다

표 3-3 테플론 코팅을 위한 화학첨가제8)

테플론 코팅이 전기 집진장치에 활용되는 특허도 있다

종전 사이클론 방식의 전기집진기에서는 집진부의 먼지

를 떨어뜨리는 것이 용이하지 않았다 발명자들은 먼지

압축 기능을 갖는 집진실 내측에 테플론 가공을 하여 정

전기에 의한 미세먼지의 부착을 억제함으로써 집진실의

먼지를 원 터치로 처리할 수 있도록 하였다9)

29

그림 3-1 테플론 거품코팅8)

일반으로 테프론을 조리용기에 코팅하는 방법은 금속소

재를 사용 제품형태로 제작한 후 세척하고 에이징(소둔)

처리한 후 샌딩하여 표면조도를 유지하도록 하고 표면에

프리머 처리하여 베이킹 처리한 후 분사방법으로 테프론

코팅을 하고 다시 베이킹 처리하므로 공정이 복잡하고

제조원가가 상승하며 부착력에 한계가 있다한다 (주) 엘

지아이 특허10)에서는 피처리물을 세척한 후 산질화처리

하여 표면에 열처리 층이 형성되게 한 후 테프론을 코팅

하고 베이킹 처리하는 것을 특징으로 한다 그 외에 내열

세라믹 주방용기의 불소수지 코팅방법에 관한 특허가 있

다11)

(주) 봉성비에스는 차량의 주행 충격을 흡수하는 완충기

30

내부에 삽입하는 피스톤 외주면의 마찰과 소음을 최소화

하기 위한 목적으로 테프론 코팅을 하기 위한 코팅장치

를 등록하였다12)

⑶ 대전 방지 플루오르화탄소 수지 코팅

ㅇ 본래 불소수지 자체는 높은 절연성과 큰 대전성을 갖고

있기 때문에 도전 효과를 얻기 위해서는 분상 필러를 다

량으로 충전할 필요가 있으나 이렇게 하면 비점착성이

떨어진다 여러 회사들의 제품 안내서들을 종합한 불소수

지의 전기적 특성은 표 3-4와 같다

표 3-4 불소수지의 전기 특성

특성측정법

(ASTM)단위

PTFE

(비충전)

PTFE

(25

유리충전)

PTFE

(25

탄소충전)

표면 내아크성 D495 sec 75-110

체적저항

(비저항)D257

ohm-

cmgt1018 gt1016 104

표면저항 D257ohm

sq-1 gt10

14

유전율(유전상

수) at 1MHzD150-81 e 25 24

절연내력 short

time 18thickD149

kv

mm285

유전정접(유전

정합) at 1MHzD150-81 lt00002 005

31

ㅇ 불소수지는 내열성 내한성이 높고 내약품성 내연소성

난연성이 우수하고 절연성 및 비점착성과 저 마찰계수를

갖고 있으나 절연성이 높아 정전재해의 원인이 될 수 있

어 재해 방지를 위해 대전 방지 또는 저저항을 특징으로

하는 불소수지 가공품이 개발되어 사용범위가 넓어지고

있다

불소수지에 충전하여 저저항으로 하는 필러에는 일반적

으로 도전성이 높은 카본 금속 또는 산화알루미늄 등의

금속산화물이 사용된다 재료의 형상으로는 미분 탄소

스테인레스 스틸 니켈 금속분과 같은 입상물 단섬유 탄

소섬유 위스커(whisker) 등이 사용된다

- 미분은 비표면적이 크기 때문에 소량의 충전으로 저

항치를 내릴 수 있으나 약품의 침투가 있는 경우 비

표면적이 크기 때문에 약품의 영향을 받기 쉬워 내부

식성 떨어질 가능성이 크다

- 입자상물질들은 미분에 비해 비표면적이 작기 때문에

약품의 영향을 비교적 적게 받지만 저항치를 내리기

위해 충전량이 많게 되어 불소수지의 특징인 비점착

성과 저마찰계수 특성을 저해한다 섬유 위스커 형상

은 단방향에 대한 장방향의 비가 클수록 적은 충전량

32

으로 저항치를 낮출 수 있지만 분산이 나쁘면 요철이

발생한다 부식 방지 코팅에서는 충전제의 내약품성이

관건이다 즉 부식 환경에서 불소수지 자체는 충분히

견디어도 충전제가 내약품성이 없으면 충전제가 서서

히 에칭되어 기기가 부식될 가능성이 크다

화학 석유 및 정제 산업에서는 시험 검사 세척 및 다양

한 공정의 용기 저장 탱크 반응기와 같은 많은 구성요

소들이 사용되며 플루오르화 고분자는 고온에서 높은 열

안정성을 갖고 다양한 유기용매에 전혀 용해되지 않으므

로 부식방지 등을 위해 플루오르화 고분자와 같은 내화

학성 고분자로 코팅된다 그러나 이들 고분자는 코팅된

구성요소의 표면에 정전하 축적을 조장하기 때문에 폭발

성 환경에서는 사용할 수 없다

특히 이들 구성요소들의 금속 구조물은 용기나 탱크에

보관된 가스 증기 분진의 이동에 의해 생성된 정전하

(electrostatic charge)를 흐르게 하는 전도경로가 되나 금

속표면을 강산 강알칼리나 유기용제에 의해 침투되는 방

지하기 위한 목적으로 부식방지 테플론으로 코팅될 경우

얇은 필름의 비-전도체로 작용하므로 폭발성 환경에서

사용을 규제하고 있다

33

- 예로 유럽 표준 EN 50014 section 732에서는 정전

하로 인한 발화 위험을 피하기 위해 사용 보수 및 세

척 조건 하에 설계된 울(enclosure)이 필요하고 울의

절연저항은 1GΩ을 초과할 수 없도록 규제하고 있고

일본은 후생노동성 관할 산업안전연구소의 정전기 안

전지침의 누설 저항치는 108Ω 이하로 되어 있다

- 따라서 부식 및 폭발성 환경에서 안전하고 다양한 구

성 요소에 적용할 수 있는 정전방지 비-발화 테플론

코팅기술을 요하며 정전방지 코팅은 표면저항을 낮추

기 위해 카본블랙이나 개질 전도성 탄소 금속이나 전

도성 고분자를 테플론에 충전하여 코팅한다

폭발성 환경용 내화학약품 특성과 대전방지 비발화

코팅 조성물로는 높은 비저항을 갖는 플루오르 고분자

50-90wt 10-50wt의 전도성물질인 탄소분(carbon

powder)으로 이루어진 Solex Robotics Systems Inc

특허가 있다13)

- 폭발환경에서 사용되는 이상적인 코팅은 정전하를 피

하기 위해 낮은 비저항을 가져야 한다 완벽한 전도체

는 비저항이 영(0)이고 완벽한 절연체는 무한 비저항

34

을 갖는다 금속(구리 금 같은) 합금(망가닌 Mn-Ni-

Cu 니크롬 Ni-Cr-Fe) 반도체(카본이나 게르마늄)는

낮은 비저항을 갖고 있어 좋은 도체이다

- 수많은 고분자 기초 코팅들이 부식화학 환경에 사용

되었으나 85GΩ 이상의 비저항으로 대전방지 시험에

서 실패하였다 정전기 도체로 인증기준 아래 적합하

기 위해서는 100cm2이상의 노출 표면이 1GΩ 이하의

비저항이어야 한다 코팅에 첨가된 탄소분은 전도도를

증가시키며 10-50의 함량은 1GΩ 이하의 비저항을

만족시킨다

비전도성 표면의 표면저항을 감소시키도록 카본이나 금

속을 사용하여 대전방지를 부여하는 공정의 단점으로는

카본이나 금속의 접착력이 낮아 입자의 마모가 일어나

장기간 사용 시 대전방지 수준이 감소하는 것이다 더욱

클린룸에서 입자의 방출은 심각한 문제가 된다 대부분의

비전도성 기질은 통상 23 상대습도 50에서 표면 비

저항이 109ohmsquare 이상으로 높고 PTFE 경우는 10

12

ohmsquare이상이다14)

반도체 제조 장치에서는 웨이퍼 기판을 안착하기 위해

작업 스테이지를 사용하며 작업스테이지는 통상 금속과

35

세라믹으로 제작되나 웨이퍼기판을 작업스테이지에 올려

놓을 때 작업스테이지와 웨이퍼기판 사이에 마찰 정전기

가 발생한다 FPD(flat panel diplay 평판표시)용 디스펜

서(dispenser)에 사용되는 작업스테이지는 진공방식으로

디스플레이 기판을 흡착 고정하며 흡착 고정되었던 디스

플레이 기판이 작업스테이지에서 박리될 때 작업스테이

지에 정전기가 발생하여 디스플레이 기판에 대전된다 최

근 디스플레이 기판이 대형화됨에 따라 대전량이 증가되

고 정전기 대전문제가 더욱 심각해지고 있다 웨이퍼기판

이나 디스플레이기판에는 반도체소자 등 다수의 전자부

품들이 배치되어 있기 때문에 정전기가 발생되면 전자부

품의 신뢰성에 치명적 손상을 주고 기판에 분진이 부착

되거나 정전기의 대전으로 기판 리프트 업(lift up)시 기

판이 깨어지는 문제가 발생한다 정전기 대전을 방지하기

위해서는 작업스테이지에 이오나이저를 설치하여 중화하

기도하나 리프트 업이 불가능하거나 이온풍이 도달하기

전 방전하는 등 작업 스테이지와 기판 사이에서 발생한

정전기가 순간적으로 일으키는 박리대전 문제를 해결하

기 어려워 작업 스테이지의 정전기 방지를 위해 불소수

지로 코팅한다

- 불소수지는 다른 물질과의 흡착에너지가 작고 비점착

성이 우수하며 마찰계수가 작아 유리기판과의 상관관

36

계가 작아져 박리에 의한 정전기의 발생량이 적어지

나 불소수지는 절연성을 가지므로 테프론 코팅에서는

카본 블랙이나 전도성 고분자 등을 필러로 사용한다

대전방지가 필요한 반도체 제조장비 디스플레이 장치 및

테스트 장치 등의 작업 스테이지를 테프론 코팅함으로써

작업 스테이지의 정전기 발생을 방지하는 방법의 단점의

하나는 제작비용이 상대적으로 많이 드는 것으로 디스펜

서의 경우 디스플레이 기판이 대형화됨에 따라 작업 스

테이지의 크기가 커져 제작비용이 증가한다 또한 불소수

지의 경도가 낮아 코팅 막에 스크래치가 발생하고 이 부

분은 평탄도 유지가 어려우며 입자들이 발생하는 요인으

로 작용하며 불소수지가 절연성이므로 카본블랙이나 전

도성 고분자 등의 도전성 필러를 충전하여 대전방지에

적합한 면-저항을 갖도록 할 경우 카본블랙은 구형으로

분진이 발생하는 문제점이 있고 전도성 고분자를 사용할

경우는 내용제성이 약하고 과량의 바인더를 사용하여야

하며 박막 형성이 어렵고 불소수지의 경도를 보완하기

위해 아노다이징 처리를 하는 경우는 이후 별도의 코팅

과정을 거쳐야 하므로 제작비용과 제작시간이 증가하는

등 여러 가지 단점들이 있다 이러한 문제점들을 해결하

기 위한 방법으로는 작업 스테이지와 기판이 만나는 면

에 정전기 발생을 최소화시킴과 동시에 그 제조비용이

37

절감되고 적절한 면-저항을 조절할 수 있으며 마찰계수

가 낮고 내마모성이 향상된 작업스테이지 표면의 대전방

지 처리 방법에 관한 국내의 탑나노시스 사의 특허15)가

있다

- 탑나노시스 사의 특허 목적은 작업스테이지의 기판과

만나는 면에 정전기의 발생을 최소화시킴과 동시에

그 제조비용이 저감되고 적절히 면-저항을 조절할 수

있으며 마찰계수가 낮고 내마모성이 향상된 스테이지

표면의 대전방지 처리 방법에 관한 것으로 이 특허에

서는 금속소재의 작업 스테이지 표면을 아노다이징

처리하여 복수의 산화표면 홀들을 형성시키고 여기에

탄소나노튜브를 삽입하고 경화하며 탄소나노튜브 경

화 후에 표면을 봉공 처리한다

- 작업스테이지 표면은 106-10

9Ωsq의 면-저항을 갖는

것이 바람직하며 산화표면 홀들은 직경 30-900nm 깊

이 100-900nm가 바람직하다 아노다이징 처리를 하는

금속소재는 Al Mg Zn Ti Ta(탄탈륨) Hf(하프늄)

Nb(니오븀) 등일 수 있고 이 발명에서는 가벼우며 일

정 강도를 갖고 가공성이 우수한 Al합금을 예로 들어

설명하고 있다

38

- 알루미늄소재 작업스테이지 표면에 산화피막(Al2O3)처

리를 하는 아노다이징(anodizing 양극산화)에서 전해

액은 수산화나트륨이나 수산과 황산 등이 사용될 수

있고 수산화나트륨의 농도(20-50) 공급전압 전류

및 시간 등을 조절하여 산화표면 홀의 크기(D)와 깊

이(L)를 조절하며 D와 L에 따라 대전방지 효과나 내

구성 및 표면경도를 조절한다

- 탄소나노튜브를 산화표면 홀 내에 삽입시키는 단계는

전해 흡착 하여 이루어질 수 있고 정전도장을 통해서

도 이루어질 수 있다 탄소나노튜브는 분산제를 포함

하는 용액으로 코팅되며 분산제로는 소듐 도데실설페

이트(SDS) 트리톤X Tween20(폴리옥시에틸렌 소르

비탄모노올레이트) CTAB(cetyl trimethyl ammonium

bromide)를 예로 들고 있으며 탄소나노튜브 용액은

아크릴계 우레탄계 등 또는 전도성 고분자계 유무기

하이브리드계 바인더가 포함될 수 있다

- 봉공처리는 산화표면 홀과 산화피막을 봉공하여 내식

성 등이 향상되도록 보호 층을 형성시키는 것으로 비

등수 가압증기에 의한 수화봉공 금속염을 포함한 열

수에 의한 금속염 봉공 오일로 도포나 침적하는 유기

물 봉공 양극산화 피막 층에 도장하는 도장에 의한

39

봉공 등이 있다

반도체 소자를 제조하는 과정에는 불순물 이온을

주입하는 장비가 이용되고 있다 (주)하이닉스 반도

체의 특허에서는 이온주입 장비의 웨이퍼 지지 장

치 리프트 핀의 끝단을 라운드 처리하고 리프트 핀

에 테플론을 코팅하여 리프트 핀과 웨이퍼 후면의

접촉 시 웨이퍼 후면에 스크래치와 같은 손상이 유

발되는 것을 억제할 수 있게 한다16)

⑷ 탄소나노튜브(CNTs Carbon Nano Tubes)17)

탄소나노튜브는 탄소의 동소체로 1991년 일본 NEC 연구

소의 Ijima박사에 의해 전자 현미경을 통해 처음으로 확

인되었다 1985년에 Kroto와 Smalley가 탄소의 동소체인

풀러렌(탄소 원자 60개가 모인 것C60)을 처음으로 발

견한 이후 전기방전 시 흑연 음극 상에 형성된 탄소덩어

리를 투과전자현미경으로 분석하는 과정에서 발견하여

Nature학술지에 처음으로 발표되었다18) 탄소나노튜브에

서 탄소원자 하나는 주위의 다른 탄소원자 3개와 sp2결

합을 하여 육각형 벌집무늬를 형성하며 이 튜브의 직경

이 대략 수 나노미터(nm nanometer) 정도로 극히 작기

40

때문에 나노튜브라고 부르게 되었다 이 탄소나노튜브는

전기 세기가 클수록 더 수축하는 성질을 가지고 있는 등

튜브의 직경이 nm수준으로 극히 작아서 특유의 전기화

학적 특성을 나타낸다

Ku 등19)에 의하면 CNTs는 전기방사법(arc-discharge)

레이저증발 법(laser vaporization) 플라즈마 화학기상증

착 법(plasma enhanced chemical vapor deposition) 열

화학 기상증착 법(thermal chemical vapor deposition) 등

의 다양한 합성법이 개발되어 대량생산이 가능하다

CNTs의 종류는 벽의 수에 따라 단일 벽 탄소나노튜브

(SWNTs) 이중 벽 탄소나노튜브(DWNTs) 다중벽 탄소

나노튜브(MWNTs)가 있으며 물성에 관한 많은 연구결

과 기계적 전기적 열적으로 우수한 성능을 갖고 있음이

입증되었다

CNTs는 인장강도와 탄성률 면에서 지금까지 발견된 재

료 중 가장 강하고 질기며 다중벽 CNT는 63GPa에 이른

다 표준 단일 벽 CNT는 25GPa의 압력까지 변형 없이

지탱된다 그래핀의 대칭성과 특이한 전기적 구조 때문에

CNTs의 구조는 그것의 전기적 특성에 영향을 미쳐 금속

성이나 반도체의 특성을 나타내고 이론적으로 금속성

41

CNTs는 구리와 같은 금속의 1000배가 큰 4times109Acm

2

전류 밀도를 운반할 수 있으며 나노크기의 단면으로 전

자가 튜브의 축 방향으로만 전파되고 전자의 이동은 양

자효과를 수반하여 1차원 전도체로 간주된다

CNTs는 우수한 물성과 상대적으로 큰 표면적으로 갖고

있어 충전제(filler)로써 에폭시 폴리스틸렌 폴리우레탄

등 고분자와 혼합하여 폴리머의 기계적 전기적 특성을

향상시키려는 연구가 활발하다 CNTs가 폴리머 중에서

충전제 역할을 하기 위해서는 고른 분산이 필요하나 반

데르발스 힘에 의한 CNTs 응집현상(agglomeration)으로

인해 효과적인 분산이 어려워 오히려 폴리머의 물성을

저해하므로 이것을 개선하기 위한 다양한 기계적 화학적

분산 방법이 연구되고 있다

- CNTs를 분산시키기 위한 가장 일반적인 방법은 용매

나 폴리머에 CNTs를 투입하고 초음파처리를 하는 것

으로 초음파처리를 하면 SWNTs의 길이가 짧아지고

다발(bundle)이 얇아져 분산력이 증가한다

- CNTs 표면을 산이나 아민으로 기능화하여 분산을 높

이는 방법도 연구되고 있으며 MWNTs를 HNO3

H2O2NH4OH 용액에 침지시켜 MWNTs에폭시 복합

42

재료는 전기적 특성을 향상시키려는 연구와 산과 아

민 등의 기능기를 도입하여 SWNTs의 열전도도를 향

상시키려는 연구들이 수행되고 있다

- 기계적 분산방법인 전단혼합방법은 좁은 관이나 상대

적으로 높은 속도의 유동을 이용하여 발생한 전단력

으로 CNTs를 분산시키는 방법이다 Ku 등19)은 전단

혼합과 초음파처리를 이용하여 MWNTs로 강화된

에폭시 복합재료를 만들어 기계적 및 열적 특성을 연

구하였다

⑸ 내마모성 테프론 코팅

ㅇ 재료의 부식은 구조재에 원하지 않은 변화 원인으로 작

용하여 경제적인 문제로 귀결되는 심각한 문제이다 이들

원치 않는 변화는 때로 적절한 코팅에 의한 표면처리로

예방할 수 있다 가장 일반적이고 자주 사용되는 전착 코

팅은 아연에 기초한 아연 코팅 및 합금 코팅으로 이들

코팅은 간단한 기술로써 내부식성이 양호하여 전 표면처

리의 약 14에 해당하나 최근 낮은 마찰계수 등 다른 특

성들이 매우 중요하게 되었다 이들 특성은 다층 코팅으

로 대응할 수 있으나 두께가 증가하고 기술이 복잡하여

가능한 해결방법으로는 복합체 코팅이 있다 복합체 코팅

43

은 일반기계와 자동차 전자부품 및 컴퓨터 등 다양한 분

야에 적용된다 금속 기질에 미세한 PTFE 입자의 전착

에 의한 증착은 새로운 세대의 복합체 코팅으로써 가장

바람직한 특성은 양호한 내마모성 자기윤활 내부식성이

다 M Paderovaacute 등20)에 의하면 이들 특성은 주로 사용

한 입자(흑연 다이아몬드 MoS2 또는 PTFE)와 용액의

유형(pH 온도 bath 등) 뿐 아니라 입자의 크기 농도

분산 및 형태학에 의존한다

ㅇ 충전되지 않은 PTFE의 마모율은 736-741times10-4mm3Nm

로 내마모성이 낮아 다양한 충전제들이 첨가되고 있다

Xing-Dong Yuan 등21)은 진공 조건에서 PTFE 코팅

의 마모특성을 연구하여 초기에는 하중이 증가함에 따

라 마찰계수가 감소하나 하중이 6N 이상으로 커지면

마찰계수도 증가하며 압력이 PTFE 코팅의 마찰계수

에 미치는 영향이 거의 없고 마모는 압력이 증가하면

초기에는 감소하나 10Pa 보다 높으면 급격히 증가한

다고 보고하였다

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위해서는 윤활제로 PTFE

계 수지 접착제로는 폴리아미드이미드수지 산화철 분말

44

및 브론즈 분말 등을 혼합한 조성물을 사용하거나 미국

특허에서는 스와시플레이트 형 압축기의 플레이트 표면

에 MoS2 흑연 PTFE계 윤활제와 열경화성 수지인 폴리

아미드이미드(PAI) 조성물을 코팅하여 내마모 및 윤활성

을 부여하고 있다22) 내열성 향상을 위해서는 고체윤활

제 접착제수지 및 저융점 금속인 Sn Pb In Bi 등을 함

유하는 합금이나 화합물을 사용하여 금속의 잠열을 이용

내열성 향상을 시도하기도 한다

ㅇ 그간 철강(스테인리스강 탄소강 아연도금강판 등)의 내

부식성 향상을 위한 많은 연구들이 수행되어 왔다 4플루

오르에틸렌(C2H4) 4플루오르에탄(CF4) 6플루오르에탄

(C2F6) 3플루오르화에탄(CHF3) 8플루오르화에탄(C4F8)

같은 불소화된 단량체의 플라즈마 중합에 의한 테플론

류 코팅은 그들의 소수성으로 인해 금속의 내부식성 향

상을 위한 대안으로 주목을 받고 있다 A Delimi 등23)

은 유도결합 고주파플라즈마(inductively coupled radio

fre- quency plasma)를 사용하여 소수성 박막 불소수지

필름을 탄소강에 증착하고 3염수에서 내부식성을 평가

한 결과 1개월 동안 9nm의 필름이 유지되는 것을 관찰

하여 불소고분자 박막이 금속과 금속산화물의 보호층이

될 수 있음을 보고하였다

45

ㅇ PTFE를 이용한 세라믹코팅 기술로는 알루미늄 및 알루

미늄 합금 공작물을 양극처리에 의해서 티타늄 및또는

지르코늄 산화물을 포함하는 내식성 내열성 및 내마모

성 세라믹 코팅을 하고 이어서 양극처리된 공작물을

PTFE 또는 실리콘 함유 코팅과 같은 제 2 코팅으로 코

팅한다 이 발명은 가소성을 가지는 경질의 필름 내에서

내식성 내열성 및 내마모성을 제공하는 티타늄 및또는

지르코늄 산화물의 양극처리 층으로 기판을 예비-코팅함

으로써 알루미늄 기판에 보다 긴 수명의 코팅을 형성하

는데 특히 유용하다24)

ㅇ Nosaka 등25)은 PTFE로 대표되는 불소수지는 마모-링이

나 극저온 밸브의 실링부에 많이 사용되며 진공치환법에

의해 탄소재료에 PTFE나 MoS2 분말을 1-2wt 함침시

키면 무함침한 것에 비해 마모가 약 13로 감소한다고

보고하였다 한편 저자들은 터보펌프의 실링재료가 극저

온 환경에서 보이는 특이한 현상을 극복하기 위해 베어

링의 표면에 노출된 유리섬유를 불소산으로 처리하여 용

해 제거하고 윤활성을 높인 유리섬유강화 테프론 리테이

너를 개발하여 내구성과 윤활성을 향상시킬 수 있었다고

보고하고 있다

46

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위한 또 다른 특허로는

폴리실록산계 접착제를 단독 혹은 폴리에스테르계 접착

제와 병용하고 고체 윤활제로 MoS2(이황화몰리브덴

WS2(이황화텅스텐) h-BN(육방정 질화붕소) 팽창흑연

및 PTFE를 사용하고 충전제로 탄화규소 알루미나 산화

지르콘 산화티탄 등의 미분말을 사용하여 내마모 내열

및 윤활성을 부여하고자 하는 내마모성 및 윤활성 코팅

조성물에 관한 특허가 있다26)

ㅇ 내열성 내후성 내오염성 내약품성 내구성 등의 물성

은 유지하면서 비점착성을 높이기 위해 무기계 세라믹

코팅 조성물에 PTFE를 첨가하기도 한다 이러한 하이

브리드 코팅 조성물에 관한 특허로는 불소수지(01sim25

중량) 콜로이달 실리카나 콜로이달 알루미나 등 무

기계고분자 바인더(20sim80중량) 알콕시실란 화합물

(1sim50중량) 수용성 유기용제(1sim10중량) 충전제

또는 안료(5sim50중량) 및 물(100중량 까지 보충)로

이루어진 코팅 조성물에 관한 것으로 무기질 도료 및

무기계 세라믹 코팅에 의해 내열성 내오염성 내약품

성과 내구성을 유지하고 접착력을 높이기 위해 소량의

PTFE를 사용하는 것이 있다27)

47

ㅇ 정전 복사기에 사용되는 정착기재부의 최외층에 코팅하

여 기계적 성질 및 내마모성을 향상시키려는 목적으로

불소수지 기질 중에 분산된 불소화 다이아몬드를 함유하

는 입자로 구성된 조성물에 관한 일본 특허28)가 있다

ㅇ 부식 특성을 개선한 흑색 무크롬(chrome-free) 다층 내

부식 마무리 칠과 방법에 관한 특허29)로는 ASTM B 117

표준으로 시험할 때 백색 부식에는 최소 500시간 염수분

무시간 및 적색 부식에는 1500시간 염수분무시간에 적합

하게 설계된 마무리 칠에 관한 것이 있다 이 다층 시스

템은 광택(gloss) 4 이상을 만족하는 자동차 차체 강판

자동차 하부와 내장에 사용되기 위해 설계된 것으로 이

다층 마무리 칠은 3층 부식 방지 시스템을 형성하도록

아연-철 전기도금 기질 오르토인산을 사용한 무전해 인

산염 결정 전환 층과 XylanTeflon 실러 코팅의 조합이

다

ㅇ 전통적으로 철 강판(steel sheet)은 크롬산 염 전환 코팅

으로 개질되어 왔으나 6가 크롬이 배출되어 환경을 오염

시키는 문제점이 있어 강판의 내-부식성을 개선하기 위

해 고분자 수지 코팅들이 수행되고 있으나 이 방법은 고

48

분자 코팅 층이 열전도도를 감소시키는 단점을 가지고

있다 Kang 등30)은 강판 위의 고분자 코팅 층의 열전도

도를 향상시키기 위해 초미세-크기 다이몬드(μD)입자를

열전도 물질로 사용하였다 다양한 음이온 및 비-이온

계면활성제들을 사용하여 수용액 중에서 무거운 μD입자

의 안정화를 시험들을 한 결과 1-피렌카르복시산(PCA)

이 가장 양호하였다 그림 3-2는 이 시험 결과를 요약한

것이다

- 강판 위에 PCA로 안정화 된 μD 입자를 함유한 폴리

우레탄-기초 코팅 층은 열전도도가 0351W(mK)에서

0434 W(mK)(10 wtμD)로 향상되었으며 더욱 144

시간 동안 염수 분무 시험결과 부식거동은 관찰되지

않았다

그림 3-2 피렌카르복시산을 이용한 μD 표면처리

ㅇ 자동차공업에서는 기본적인 특성으로 내마모성이 요구되

49

는 강철 기계부품들의 마찰특성을 향상시키기 위해 다양

한 금속 및 고분자 코팅들이 광범하게 이용된다 내-마

모 코팅은 두 가지 주요 특성인 높은 표면경도와 자기-

윤활 특성이 필요하다 후자의 범주에 속하는 것이

PTFE와 MoS2 기초 코팅이다 무전해 니켈 코팅은 높은

경도로 인해 양호한 마찰 특성을 보이며 한편 열처리를

통해 경도를 향상시킬 수 있다 PTFE입자의 첨가는 코

팅경도를 감소시키나 자기-윤활특성을 부여한다 S

Rossi 등3132)은 마찰특성을 향상시키기 위해 이용되는 탄

소강에 이용되는 몇 가지 공업적인 코팅에 관한 부식거

동에 관해 평가 PTFE입자를 함유한 무전해 니켈-인

(Electroless Nickel-Phophorus)코팅은 PTFE 입자(자기-

윤활 특성)를 갖는 외층과 장벽-효과를 갖는 내층으로

인한 이중 특성으로 가장 양호한 특성을 보였다고 보고

하고 있다

ㅇ 모든 기계적 시스템은 동적 요소를 필요로 하며 마찰과

마모를 줄이기 위한 다양한 수단들이 가능하나 그 선택

은 환경이나 조작 조건에 제한을 받는다 PTFE는 자기

윤활 낮은 마찰계수 높은 열안정성과 화학약품 안정성

으로 산업분야에 널리 사용되는 엔지니어링 고분자이지

만 내마모성이 매우 부족하다 이러한 이유로 금속

-PTFE충전 복합체들이 PTFE의 마찰특성과 금속충전제

50

의 내마모성을 결합하여 특정 분야의 용도로 소개되어

왔으나 금속-고분자 물질에서의 충전제의 역할은 완전히

설명되지 않고 있다 복합체 표면의 과잉의 충전제 농도

는 미끄러지는 동안 부하를 지지하여 내마모성을 증가시

키는 것으로 생각되며 PTFE의 마모율은 Mo Zn Ni

Y2O3 및 SiO2 같은 무기 충전제에 의해 1000배가량 감소

되었다는 보고도 있다 유리섬유 구리 세라믹 탄소섬유

절단 탄소섬유 나노입자를 포함한 경질의 충전제 입자들

이 PTFE의 내마모성을 높이기 사용되어 왔다

ㅇ 비교적 두꺼운 코팅에는 열분사(thermal spray) 용사기

술이 정립되어 있고 용사 코팅은 내마모 내마찰 내프레

팅(fretting) 및 내부식을 요하는 산업에 많이 이용되고

있다

- 용사 몰리브덴(Mo)코팅은 실질적 내마모성 코팅으로

가장 광범하게 이용되며 프레임용사(flame spray)거나

와이어용사(wire spray)기술로 생산된 몰리브덴(Mo)

코팅은 흠이나 마모에 대한 고도의 저항을 얻기 위한

가장 좋은 코팅재료 중의 하나이다

- 알루미늄 청동(aluminium bronze)은 높은 내-부식성

과 내마모성을 갖는 것이 특징이다 저압 플라즈마 용

51

사 기술은 자기-아닐링(self-anealing)과 부서지기 쉽

도록 유도하는 γ-상의 형성을 피할 수 있도록 높은

냉각 속도를 얻는 데 사용되며 알루미늄 청동 저압

플라즈마 용사 코팅은 낮은 마찰과 마모를 보였고 비

교적 최근 플라즈마 용사 기술을 이용하여 알루미늄

기질에 고분자-세라믹 복합체를 코팅하는 기술이 개

발되었다33)복합체 코팅으로 행한 마찰 시험에서 낮

은 마찰계수를 얻을 수 있었다

- 낮은 마찰계수와 고 내마모성을 갖는 이성분 금속

-PTFE 코팅이 개발되었고 이들의 마찰 공학적 성능

이 보고되었다 PTFE-기초 복합체 설계에서 일반적

인 접근방법은 경질의 충전 입자들을 도입하는 것으

로 M Yamane 등34)은 PTFE-금속 이성분 코팅의 마

찰 마모성능에 관한 연구 결과 알루미늄 청동 코팅이

Mo코팅에 비해 PTFE 저장소(reservoir)에 유용했음

을 보고하였다

⑹ 충전 또는 강화 플루오르화 탄소1)

ㅇ 분말이나 강화섬유 등 전형적인 충전재들이 충전 또는

강화 플루오르화 탄소에 사용된다 충전재는 저온흐름

52

을 향상시키는 데 사용되며 수축과 균열을 줄이고 열

팽창을 낮추며 열전도율을 향상시킨다

ㅇ 분말이나 단섬유로 된 전형적인 충전제를 표 3-5에 종합

하였다 유리섬유는 가장 보편적인 PTFE 충전제로 화

학 및 전기적 특성에 최소로 영향을 미치며 기계적 특

성을 크게 향상시킨다 분말에 비해 섬유는 압축강도

강성도 및 지지용량을 더욱 향상시키나 분말은 충전

테플론의 내구성에 거의 영향을 미치지 않는다 금속분

말은 특히 열전도도를 향상시키며 고속에서 발생하는 마

찰열을 소멸하는데 도움이 되며 전기저항을 상당히 감소

시켜 금속-충전 조성물은 양호한 절연체는 아니다

ㅇ 흑연(graphite) MoS2는 초기 내구성과 마찰을 개선하고

기계적 특성을 향상시킨다 석면은 많은 유용한 특성을

갖지만 가공 처리 중 가스가 방출할 뿐 아니라 사용금지

물질이다 표 3-5 외에도 금속 망 장섬유 다공성 금속

등 다양한 충전제들이 있으며 다양한 종류의 제품들이

상업 생산되고 있어 최종 선정을 하기 전에 플라스틱 가

공업자로부터 보다 완전한 정보와 추천을 받는 것이 바

람직하다

53

표 3-5 불소수지용 충전제

ㅇ 압축강력 인장과 압축 시의 탄성률 및 항복강력은 첨가

제의 첨가에 의해 모두 증가하나 일반으로 인장강력과

신도 및 충격강도는 손실된다 통상 충전 테플론은 압축

상태에서 사용되므로 인장강력의 감소는 중요하지 않다

인장강력의 손실은 설치(연속적인 링-실링)할 때 인장되

는 재료에서 중요하다 열팽창 계수는 비-충전 테플론에

비해 감소되어 통상 금속 부품의 팽창계수와 잘 맞는다

ㅇ 마찰과 마모를 수반하는 분야에서 가장 중요한 것은 충

전제로 얻어지는 PV한계치의 증가와 마모의 감소다 비-

54

충전 테플론에 비해 PV한계치 크기는 개략적으로 1차원

적으로 증가하나 마모인자는 3차원적으로 감소한다 충전

테플론의 평균치들은 동적 마찰계수는 01-02 PV한계치

는 10000-20000 psi-fpm 마모상수는 10times10-10in3-min

lb-ft-hr이다 그림 3-3은 충전 테플론 PTFE의 마찰계

수에 미치는 충전제 종류와 농도의 효과에 관한 것이다

그림 3-3 테플론 PTFE에 미치는 충전제 종류와 농도1)

ㅇ 내마모성을 향상시키는 충전제는 실제로 연마저항성을

감소시키는 것으로 날카로운 입자는 보다 쉽게 침투하고

충전제 입자와 수지 사이의 경계를 따라 충전 플라스틱

을 찢는다 따라서 라이닝 슈트 같은 분야의 적용 시는

55

비-충전테플론이 보다 바람직하다

⑺ 시트 테이프 및 박층(laminates)

ㅇ 대부분의 플루오르화탄소는 충전 여부에 관계없이 두

께 1mil(0001 in)까지 시트나 테이프로 만들 수 있고

시트나 테이프를 찍어서 원하는 형상의 립-씰(lip seal)

펌프 컵(pump cup) 피스톤 링(piston rings) 가스켓

(gaskets) 등을 만들 수 있다

ㅇ 유체의 누설을 정지시키는 밀봉기능 부품 중 각종기기의

접합부나 배관 플랜지 등의 밀봉에 사용되는 가스켓

(gaskets)은 석면이 널리 사용되어 왔으나 유해물질 배

출 및 이동량 보고제도(PRTR Pollutant Release and

Transfer Register)에서 발암성을 가진 제1종 지정 화학

물질로 지정되어 사용이 금지되어 PTFE가 가스켓으로

개발되었다 PTFE는 용융 알칼리 금속 및 그 용액과 불

소 및 3불화염소에 의해 약간 침식되나 모든 화학약품에

안정하고 우수한 내부식 재료로 C-F결합력이 크고 F원

자가 C-C결합의 주위를 간격 없이 들러 싸고 있기 때문

에 다른 물질의 공격을 방어하고 있고 내열성은 260로

높다35)

56

- PTFE 필러를 사용한 PTFE 나선 권형 가스켓은 석

면에 대한 사용규제와 상관없이 사용되어 왔으며 유

연한 필러를 사용하므로 석면 가스켓 보다 낮은 체결

압력에서도 실 특성이 우수하고 내식 면에서도 광범

하고 다양한 유체에 사용이 가능하다 다만 단열성 면

에서는 석면 나선 권형 가스켓 보다 사용온도 범위가

제한된다

ㅇ 산업 기계나 자동차의 브레이크 제동장치에 부착하여 마

찰력을 부가하는 브레이크 라이닝에서는 마찰계수와 내

마모력 및 충격계수 등 마찰특성이 우수한 석면을 주로

사용하여 왔으나 제동 시 발생하는 미세 석면분진으로

인해 대기오염에 의한 환경을 파괴 뿐 아니라 인체에 흡

입될 경우 암을 유발하여 PRTR로 사용이 금지되었다

석면을 대체할 유기질 또는 무기질 된 다양한 비석면 마

찰 섬유 등이 사용되고 있으며 마찰 섬유에 테프론을 코

팅하여 브레이크라이닝의 수명향상 제동 시 발생하는 소

음 떨림 및 제동력 향상을 위한 제품개발이 시도되고

있다

- 예로 국내 특허36)에서는 브레이크 라이닝(또는 패드)

의 마찰재 배합재료 중 유기섬유(Kevlar섬유 pulp섬

57

유 등)에 테프론을 코팅하고 코팅된 유기섬유에 결합

재 충전재 윤활재 마찰안정재 마찰조정재 등을 소정

의 배합비로 배합하여 성형하고 열처리하여 브레이크

패드 또는 라이닝을 제조한다

ㅇ 초소형 정밀기계(MEMS Micro-Electromechanical

System)분야에서는 점착방지를 위해 불화 유기박막을

사용한다 Park 등37)은 단층 두께의 불화 유기박막의

특성을 접촉각 측정을 통해 분석하였다

⑻ DLC 코팅3839)

ㅇ DLC(diamond-like carbon)는 몇 가지 다이아몬드의 전

형적인 특성을 나타내는 비정질 탄소물질로 극도의 내마

모 특성을 필요로 하는 재료의 코팅에 이용되고 있다

DLC코팅은 연마 마모를 감소시키기 위한 재료에 유용하

여 엔드밀 드릴비트 금형 같은 공구는 물론 자동차 기

계부품 및 전자산업 등 산업전반에 걸쳐 적용된다40)

ㅇ 환경오염 문제로 인해 PRTR(Pollutant Release and

Transfer Register 유해물질 배출 및 이동량 보고 제

도) 이 시행되어 습동 부품이나 절삭 시에 사용되는 오

일이나 그리스에 포함되는 첨가제(MoS2 Zn 등)와 이들

58

부품을 세정할 때 사용되는 용매 기계부품의 수명을 연

장시키기 위해 활용되었던 Cr도금 폐액에서 발생하는 6

가 크롬 등의 오염물질들에 대한 규제가 더욱 강화되어

DLC에 의한 무윤활 습동과 무윤활 절삭을 지향한 공구

와 기계 부품의 개발이 관심을 끌고 있다4142)

- 일본 내에서는 PRTR이 시행되고 이것에 저촉되는 재

료에 관해서는 MSDS(Material Safety Data Sheet)를

첨부해야할 의무가 있고 부품가공 습동 용도에서는

대상 리스트에 올라 있는 오일 오일 중의 중금속 도

금폐액을 어떻게 경제성 있는 환경 친화적 공정과 재

료로 전환할 것인가를 고려하면서 무윤활 습동 무윤

활 절삭 탈크롬 도금의 3가지 키워드가 대두되고

DLC코팅이 대안으로 모색되고 있다

- DLC코팅 적용기술과 과제에 관한 자료로는 자동차

관련부품 적용사례 엔진부위 마찰 작동 밸브계의 마

찰저감 DLC와 윤활제에 의한 마찰저감 기술을 중심

으로 살펴본 보고가 있다43)

ㅇ DLC는 7가지 형태가 존재하며 모두 상당한 양의 sp3혼

성궤도 탄소원자를 함유한다 다양한 형태의 DLC가 진

공 환경으로 적합한 재료들에 적용가능하며 유럽에서의

59

2006년 위탁 DLC코팅 시장은 3천만euro로 추정되었고 국

내도 활발한 상용화가 시도되고 있다

ㅇ 사반면상(tetahedral) 비정질 탄소 ta-C를 2두께로 코

팅하면 연마마모에 대한 스테인레스 강(304 type)의 내구

성을 증가시켜 수명을 1주일에서 85년으로 늘이며 이러

한 DLC의 형태는 sp3결합 탄소 원자로만 이루어지기 때

문에 순수한 DLC로 간주되며 수소 sp2흑연 탄소 금속

같은 충전제가 생산경비를 낮추거나 원하는 특성을 부여

하기 위하여 사용되고 있다

ㅇ DLC를 만드는 방법에는 sp3탄소 보다 낮은 밀도의 sp

2

에 의존하는 몇 가지 방법들이 있으며 압력 충격 촉매

또는 이들의 조합으로 sp2결합탄소 원자들을 sp3결합탄소

로 근접시킨다 최근 초고압 하에서 탄소의 경량 특성을

갖는 초경도 무정형 다이아몬드가 만들어졌다 탄소로 만

들어지는 다이아몬드 그래파이트는 결정구조를 가지나

DLC는 비정질이라는 점에서 크게 다르고 200 정도의

저온에서 형성시킬 수 있다는 점이 통상의 PVD막에 비

해 훨씬 우위에 있다

ㅇ DLC코팅은 제조공정이 복잡하고 생산 단가가 비싸 적용

이 어려우며 적용되는 소재가 제한되는 단점을 갖는다

60

주요제법으로는 고주파 플라즈마 법 이온화 증착법 스

페터링법 등을 들수 있다 고주파 플라즈마 법은 메탄가

스가 원료로 사용되고 막 중의 수소가 약 30(원자)로

평활성이 우수하고 마찰계수가 작으나 경도가 낮다 이

온화 증착법은 벤젠을 사용하며 막은 단단하나 면의 조

도가 거칠고 후막화 하기 위해 스패터링 방법이 검토되

고 있다

⑼ 불소수지의 안전성

ㅇ 테플론 PTFE의 열분해는 200(392)에서 감지되며 이

것은 몇 가지 플루오르화 탄소 기체들과 승화물질을 방

출한다4445)1955년 동물실험에 관한 한 연구에서는 이들

물질이 250(482) 이하에서는 의미 있는 양이 아니라

고 결론지었으나 최근 비-점착 주방기구인 프라이팬이

나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가열할 때 조류를

죽일 수 있는 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수

도 있다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있다45)

ㅇ 표 3-6은 EWG가 보고한 3-5분 내에 370까지 불소수

지를 가열할 때 발생되는 15종의 불소화합물에 관한 것

이다 테플론과 같은 코팅물질들이 장기적으로 인체에 미

61

치는 영향에 관한 연구는 이루어지지 않고 있으나 독감

과 유사한 질병을 유발할 수 있으며 이를 중합체 증기열

(polymer fume fever)이라 한다

표 3-6 15종의 유해물질 및 유독성 기체44)

ㅇ 최근 표 3-6의 화합물들 중 특히 TFA와 과불화된

(perfluorinated) PFOA(perfluorooctanoic acid)에 관심이

증가되고 있다 PFOA는 새로운 환경오염물질로 미국 환

경보호청(EPA)에 의하면 보통 때는 문제가 없으나 조리

과정에서 프라이팬에 열을 가하고 강하게 긁을 경우 용

62

출되어 나오며 이것이 음식물과 함께 인체에 흡수되는

것으로 추정하였다 한편 DuPont의 테플론 PTFE 연구

결과에 의하면 검출한계인 9ppb 이상 검출되지 않으며

테플론 주방기구에서는 PFOA가 존재하지 않는다고 발

표하고 있다

- 물이나 공기를 통해 환경에 노출된 PFOA는 고 콜레

스테롤 궤양성 대장염 갑상선 질환 고환암 신장암

및 임신성 고혈압과 관련된다고 보고되었다

- PFOA는 불소수지 생산과정에서 사용되는 첨가물로써

암모늄 형태로 PTFE 유화중합에 계면활성제로 사용

되며 불소수지의 품질과 균일성을 유지하기 위해 필

수적인 첨가물이기 때문에 전 세계 모든 불소수지 제

조업체가 사용 중에 있다 한편 국내 주력 산업인 반

도체 생산 과정에서도 PFOA를 대량으로 사용하고 있

어 체계적인 실태조사와 대책수립이 필요하다는 의견

들이 대두되고 있다

⑽ 불소화합물의 안전성과 환경대책

ㅇ 표 3-6에서 살펴본 바와 같이 테플론을 급격히 고온으로

가열하면 2종의 발암물질을 포함한 유독성 가스가 발생

63

하고 특히 불소화합물 중 MFA(monofluoroacetic acid)는

적은 양으로도 치명적 해를 끼치고 PEIF(perfluoro-

isobutene)는 신경가스제로 여러 가지 질환을 발생시킨다

한다44)

따라서 테플론으로 코팅된 장치를 재 코팅하기

위해 테프론을 고온으로 급격히 가열하거나 소각 등을

통해 제거할 때는 발생 가능성이 있는 유독가스를 제거

하기 위한 별도의 설비를 이용하여야 하고 유 등44)의 보

고서에서와 같이 중조(NaHCO3)를 포화시킨 충분한 물로

유독 산성 물질을 중화시키는 것도 고려할 만하다 한편

부식대전 방지 코팅도 테플론 코팅 일변도에서 세라믹

코팅 CNTs이나 DLC 코팅기술로 대응하는 것을 추천하

고 싶으며 이것은 유해물질 배출 및 이동량 보고제도

(PRTR Pollutant Release and Transfer Register)에 대

비하는 등 기업의 장래를 고려하는 것도 될 것이다

ㅇ PTFE를 사용한 취사도구는 1960년대 이래 사용되어 오

고 있으나 최근 들어 이것의 안전성이 논쟁의 주제가 되

고 있으며 논의 주체는 PFOA(perfluorooctanoic acid)이

다 PFOA는 PTFE를 비롯한 많은 불소수지의 생산에

사용되며 DuPont의 테플론 PTFE 연구 결과에 의하면

프라이팬을 260 이상 고온에서 가열하거나 코팅이 벗

겨져도 PFOA가 존재하지 않는다고 한다 그러나 물이나

64

공기 토양 식품포장재 등 여러 곳에서 PFOA 오염사실

이 보고되고 있다 한다44)

- 미국 EPA는 인체와 환경에 대한 PFOA 연구를 계속

하고 있으며 2015년까지 PFOA 및 이와 관련된 화합

물 방출을 배제할 프로그램을 갖고 있으나 PTFE-기

초 비점착 취사기구를 중지시킬 타당성을 갖고 있지

는 않다 최종제품은 PFOA가 아닌 PTFE이기 때문이

다

- 수십 년 동안 불소수지 비점착 코팅이 시장을 지배하

였으나 최근 몇 가지 신기술들이 출현되고 있으며 이

들 대부분은 실리콘 세라믹과 실리콘 기술로 이들 코

팅은 PTFE와 PFOA를 함유하지 않는다

- 오늘날 출시된 비점착 취사용구는 수많은 상표로 팔

리고 있으며 DuPont에 의하면 대부분의 취사용구 코

팅은 정상적으로 사용할 때 3-5년 견딜 수 있을 것으

로 예측한다 너무 문질러서는 안 되고 따뜻한 비눗

물로 씻어주는 것이 좋으며 닳거나 흠이 생기지 않도

록 나무 플라스틱이나 코팅된 재료로 만든 도구를 선

택하고 보관도 흠이 생기지 않을 장소나 캐비닛을 권

장하고 있다

65

ㅇ 국내의 불소수지 안전성에 관한 것으로는 재질규격(납과

카드뮴)과 용출규격(납 과망간산칼륨소비량 증발잔류물)

이 식품용 기구 및 용기 포장 공전46)에 기재되어 있으며

최근 국내에서도 PFOA를 비롯한 유해 불소화합물에 관

한 관심이 커져 가고 있다

ㅇ PFOA 문제가 표면화 되면서 환경 보전형 불소계 발수

유제의 개발과 공업화도 새로이 부각되고 있다 이에 관

한 보고서를 모니터링한 KISTI자료47)를 중심으로 간단히

요약하면 발수제의 주요성분 퍼플루오로알킬기(Rf기)함

유 폴리머의 기능은 Rf기의 고리길이에 크게 의존하므로

PFOA문제 해법으로 탄소수 8 이상인 종래의 불소화학

에서 탈피 짧은 고리 Rf기(탄소수 6)를 가진 새로운 단

량체를 선택하여 발수제를 제조함으로써 환경 보전형 불

소계 발수유제를 개발하고 공업화하였다 한다

66

제 4 장

지원결과

1 지원결과 종합

테프론 코팅 기술의 문제점과 부식대전방지용 테플

론 코팅에 관한 정보 외에 신청기업의 요청에 따

라 C-나노튜브 코팅 및 DLC증착에 관련된 기술 정

보도 제공하였다

테플론은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat resistant)

비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coefficient of

friction) 내약품성(chemical resistance)과 특이한 전기적

특성(unique electrical properties) 및 온내구력(cryogenic

stability)으로 그 응용범위가 광범하며 용도에 따른 엄격

한 품질관리가 요구될 것으로 생각되어 중소기업에 적합

한 기초능력 배양과 신제품을 구상하기 위한 최신기술에

관한 정보를 제공하고자 하였다

67

불소수지의 코팅은 두께와 첨가제가 관건으로 이에 관한

자료를 제공하고자 하였으며 불소수지의 전기특성 폭발

성 환경과 반도체 제조공정에서의 대전 방지 처리를 위

한 정전기 관리 지표 등을 특허를 중심으로 조사하여 제

공하고자 하였다

C-나노튜브를 이용한 대전방지 코팅 기술 및 C-나노튜

브의 제법 등 이것에 관한 기초정보를 제공하고자 하였

으며 내마모성 테플론 코팅에 관해서는 테플론을 이용한

세라믹 코팅 기술에 관한 정보도 제공하고자 하였다

테플론의 기계적 전기적 특성을 강화하기 위해 사용되는

충전제를 종합하고 기초이론을 정립함으로써 금후 원부

자재의 선정에 도움을 주었다

테플론은 석면 대체재로도 주목받고 있어 이에 관한 특

허 정보들을 제공하였으며 다이아몬드의 전형적인 특성

을 나타내는 DLC의 코팅관련 기술 정보를 환경오염 문

제와 연관하여 자료를 제공하였고 최근 비-점착 주방기

구인 프라이팬이나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가

열할 때 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수도 있

다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있어 이에

관한 정보도 제공하였다

68

2 지원의 한계

중소기업이 당면한 문제는 전문기술의 확보다 관련 기술

이 비약적으로 발전하는 추세에 비추어 한정된 인원으로

신기술을 소화하고 개발하기는 어려울 것이므로 출연연

구기관이나 대학과 공동연구를 모색할 수 있으나 이것도

중소기업으로서는 경제적 부담이 될 수밖에 없을 것으로

생각된다 가능하다면 앞으로도 KISTI의 정보지원이 계

속되기를 바라고 있었다

3 기대효과

부식대전 방지 테플론 코팅에 관한 기본 기술이 배양되

어 합리적인 원부 원료의 수입검사 공정관리 및 제품관

리를 통해 원가절감은 물론 신제품 신기술에 관한 정보

수집 및 분석능력이 배양되고 개발력이 확충되어 기업

경쟁력 향상에 도움이 될 것이다

69

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46 식품의약품안전청 ldquo식품용 기구 및 용기 포장 공전rdquo 2012

47 廣野高生 ldquo環境保全型フッ素系 撥水撥油剤の 開發と 工

業化rdquo ファインケミカル(日本) 37(11) 2008 pp39-44

이치옹 모니터링분석 KISTI

75

저자소개

김학주(金鶴柱) 서울대학교 문리과대학 화학과 졸업 이학사

전북대학교 대학원 화학과 이학박사

(주)삼양사 의약연구소장 신성대학교 교수

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 폴리에스테르 섬유의 연중직방기술 외 다수

저서 기기분석 공업물리화학 일반화학

성용길(成墉吉)

동국대학교 이과대학 화학과 졸업 이학사 이학석사

부산대학교 대학원 화학과 이학박사(Dr Sci)

University of Utah USA Ph D(공학박사) Post Dr

유타대학교 연구교수 부산대학교 교수 동국대학교 교수

동국대학교 명예교수 한국원자력문화진흥원 이사

과학문화연구원전문연구위원 한국도량형과학문화연구원 원장

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 의료용 기능성 고분자재료에 관한 연구 외 330편

저서 고분자 물성론 (서울대학교 출판부 공저) 외 10권

22

론 비-유전정접과 우수한 표면 저항률을 보인다

⑵ 플루오르화탄소 수지 코팅

얇고 강인한 플루오르화탄소 수지 필름을 금속 등에

소결이나 수지-접착에 의해 바르면 기질에 침착된 필

름은 저온흐름으로 고체 플루오르화탄소 수지보다 낮

은 마찰계수를 띠고 금속은 양호한 열전도도를 갖고

열을 분산할 수 있어 고속으로 운전할 수 있고 양호한

내구성을 갖게 된다

1950년대 미국 해군연구소에서 소결 Teflon TFE필름을

수성 분산액(현탁질)으로부터 무기 탄약통 비행기부

품 잠수함부품의 건조-필름 윤활제 및 보호 코팅용으

로 개발한 후 이것들은 기어 정첩(hinges) 샤프트 베

어링 밸브 플러그 콕 피스톤 링이나 그 외의 산업분

야에 응용되고 있다

- 실제로 적절한 테플론 현탁질을 고체 표면에 침적한

후 수분 증발이 너무 빠르지 않게 공기에서 필름이

건조되게 한 후 테플론 입자들이 연화 및 소결되도록

건조된 표면을 약 385(725)로 가열하고 냉각하면

23

얇은 연속 필름이 표면에 남지만 필름 중의 많은 작

은 세공들은 테플론의 높은 용융점도 때문에 제거할

수 없다 세공들은 윤활 작용에는 제한을 받지 않으나

녹슬거나 부식의 공격점이 되어 부식방지를 위해서는

1회 이상의 박막 추가 코팅이 반복되고 보통 2회 코

팅으로 충분하나 각 침적 테플론 층은 두께가 00003

인치(762)를 초과하지 않아야 하며 그렇지 않으면

말린 진흙 같이 균열이 발생한다 필름이 윤활제로 사

용될 때는 필름두께가 00006-00007인치(152-178)

를 초과하지 않아야 한다1)

- 테플론코팅은 통상으로 존재하는 표면 산화물이 제거

되지 않은 깨끗하고 탈지된 강철 황동 및 알루미늄금

속표면일 때 가장 잘 접착한다 만일 산세척에 의해

과잉 두께의 산화물이 제거되었다면 필수적으로 얇은

산화층이 형성될 때까지 공기 중에서 가열한다 접착

은 실표면적이 증가하면 증가하므로 경면가공(mirror

finish)보다 모래분사가공이나 무광택가공이 양호하다

- 테플론 코팅된 표면의 마찰계수는 금속기질 표면을

거칠게 함으로써 낮출 수 있으나 미끄럼마찰 조건 아

래 내구성은 금속의 거칠기가 32마이크로인치(rms)를

초과하면 감소한다

24

철강 기질의 인산처리는 소결 Teflon TFE필름의 마모

수명을 향상시킨다고 보고되었으며 양극처리 된 코팅

의 경도 및 내마모성과 불소수지의 윤활성을 결합하기

위해 다공성 경화 양극처리 알루미늄 위에 불소수지를

침윤하여 왔다 Teflon S 마감재는 Du Pont이 도입한

최초의 수성-기초 분산 TFE FEP로 이들은 ldquo계층화

된rdquo 마감재이다 Francis J Clauss1)는 다양한 용도에

서의 Du Pont사 제품들의 선정 가이드를 표로 종합하

였으며 이것을 요약하면 표 3-2와 같다

- 테플론 코팅은 프라이머 단층 프라이머 코팅 후 에나

멜이나 클리어 마감 또는 프라이머 에나멜과 클리어

마감 등 3-코팅 시스템으로 구성된다 프라이머들은

금속이나 세라믹 기질에 접착을 향상시키기 위해 개

질제를 함유한다 프라이머들은 가끔 1회 코팅 마감재

로 사용되나 음식물과 접촉하는 용도로는 반드시 에

나멜이나 클리어 마감재로 마무리 칠을 하여야 한다

프라이머는 층간 접착력이 부족하기 때문에 다중 코

팅에 적용될 수 없고 만일 06mil 이상의 코팅이 필요

하면 프라이머는 에나멜이나 클리어 마감재로 마무리

칠을 하여야 한다

25

표 3-2 테플론 코팅 두께1)

최종

용도대표적 용도

전체두

께(mils)

프라이머에나멜클리어

가공(mils)

비점착

산업

직물 슬래셔 통

열 봉합 봉 고무경화 롤러

우레탄과 에폭시 경화 주형

제빙기

목재 고무 주석도금 아연

10-25

07

20-50

08-13

07

03 07-22 07-10

07 마무리칠 불가

03 07-37 10min

03 05-10 05-10

07 마무리칠 불가

식품

프라이팬 내열접시

반죽롤러

캔디 장치

08-12

10-30

20-30

03 05-09

03 07-27

03 07-17 10

One-coat

system

금지

드라이

윤활

플러그 밸브

유리병 제조 전달 장치

베어링

03-07

15-25

05-07

03-07

03 03-05 03-05

02

전기

전자

저항기 코팅

아이들 롤러(제지 섬유 공업)

세라믹 절연체

40-50

10-15

20-25

03 37-47

03 07-12

03 17-22

부식

방지용기 라이닝 gt50 03 47 또는 5-10 이상

Non-

wetting콘덴서 튜브 02-04 02-04

- 유색 프라이머는 통상 안료가 필름의 범위와 두께를

시각적으로 체크할 수 있게 하므로 그렇지 않은 것에

비해 더 선호된다 에나멜과 클리어 마감재는 충분한

접착을 위해 프라이머 위에 발라야 한다 ldquo진흙 갈라

짐 현상(mud-cracking)은 코팅 당 최대 두께를

10mil로 한정하나 다중 코팅에 의해 극단적이 조건

하에 전체 두께를 10mils까지 바를 수 있으며 각각의

26

코팅은 분리하여 구워진다

불소화 고분자들은 낮은 표면장력 물과 기름에 젖지 않

고 비점착성이며 방오 특성(antifouling properties) 등을

갖기 때문에 다양한 특수 코팅에 적용되나 합성과 조성

이 몇몇 제조업자들에 독점되어 있고 값비싼 중간체를

필요로 한다 VC Malshe 등4)은 플루오르 함량이

4-10인 불소화된 아크릴 공중합체를 간단한 방법으로

합성하고 클리어 코팅하여 광학적 기계적 및 보호 특성

을 연구하였다

최근 에너지 절감과 CO2규제와 같은 환경규제에 대한 대

응 필요성이 증가하면서 발전소나 각종 보일러 시스템에

서 배가스로 배출되는 응축잠열 에너지의 회수 및 활용

에 관심이 증가되고 있다 Lee 등5)은 스테인레스 관 표

면에 400정도의 두께로 테플론을 코팅한 전열관에서

관의 열 및 응축 열전달 특성을 연구하여 테플론 코팅관

의 총괄 열전달 계수는 스테인레스 관보다 약 20 작은

것으로 나타나고 응축열전달 계수는 유사하였음을 보고

하였다

알루미늄 용광로의 비-여과 배출가스에 장기간 사용하기

적합한 역류 열교환기에 관한 것으로 원통형 쉘의 표면

27

은 알루미늄 용광로 배출가스 입자 및또는 먼지 및 부

식 흄과 접촉될 수 있어 테프론 계로 코팅 처리하는 특

허6)가 있다 이 특허에서는 원통형 쉘을 만들도록 복재

(web member 웨브재)와 함께 연결된 유체 운반튜브로

이루어진다 각 원통형 쉘에 위치한 헤더는 열교환기의

튜브에서 튜브로 유체를 공급하며 뜨거운 난류가스에 작

용하여 스케일링을 최소화하기 위해 헤더의 보호덮개를

설치한다

저온에서 고온에 이르는 환경에서 유체에 사용되는 배관

튜브는 열에 의한 경시적 열화가 진행되어 균열 발생이

쉽다 가동부에 사용되는 배관 튜브는 움직임이 수반되어

그 경향이 현저하며 반도체 제조장치에 일반으로 사용되

는 실리콘튜브는 저온에서 열화되어 파손되기 쉽다 이러

한 문제점을 해결하기 위해 실리콘 튜브 외측 표면을 테

플론으로 코팅하여 균열발생을 억제함으로써 장시간 사

용 가능하도록 고안한 특허7)가 있다

섬유상 부직포로 제작하는 다공성 여과필터는 다양한 산

업공정의 배출가스를 정화시키는 데 사용되며 특히 중고

온 환경에서 사용이 가능한 다양한 종류의 기능성 필터

의 개발이 요망된다 일반으로 소각장 및 발전소 등의 중

고온 조건에서 사용되는 Nomex를 비롯한 섬유상 필터는

28

200 이상에서는 열변형으로 사용이 제한적이고 세라믹

필터와 같이 고온에서 적용이 가능한 소재는 매우 고가

일 뿐 아니라 초기 작업으로 인해 에너지 사용량이 매우

높아지는 문제점이 있다 Kim 등8)은 250-300 영역의

중고온의 배출가스를 처리하기 위한 필터에 표면 소수성

과 고온 안정성을 부여하기 위하여 표 3-3과 같은 조성

으로 그림 3-1과 같은 장치를 이용하여 테플론 수지를

거품 형태의 코팅액으로 조제하여 유리섬유 원단에 공급

하여 표면코팅하고 열처리 및 압착과정을 거친 후 표면

분석하였다

표 3-3 테플론 코팅을 위한 화학첨가제8)

테플론 코팅이 전기 집진장치에 활용되는 특허도 있다

종전 사이클론 방식의 전기집진기에서는 집진부의 먼지

를 떨어뜨리는 것이 용이하지 않았다 발명자들은 먼지

압축 기능을 갖는 집진실 내측에 테플론 가공을 하여 정

전기에 의한 미세먼지의 부착을 억제함으로써 집진실의

먼지를 원 터치로 처리할 수 있도록 하였다9)

29

그림 3-1 테플론 거품코팅8)

일반으로 테프론을 조리용기에 코팅하는 방법은 금속소

재를 사용 제품형태로 제작한 후 세척하고 에이징(소둔)

처리한 후 샌딩하여 표면조도를 유지하도록 하고 표면에

프리머 처리하여 베이킹 처리한 후 분사방법으로 테프론

코팅을 하고 다시 베이킹 처리하므로 공정이 복잡하고

제조원가가 상승하며 부착력에 한계가 있다한다 (주) 엘

지아이 특허10)에서는 피처리물을 세척한 후 산질화처리

하여 표면에 열처리 층이 형성되게 한 후 테프론을 코팅

하고 베이킹 처리하는 것을 특징으로 한다 그 외에 내열

세라믹 주방용기의 불소수지 코팅방법에 관한 특허가 있

다11)

(주) 봉성비에스는 차량의 주행 충격을 흡수하는 완충기

30

내부에 삽입하는 피스톤 외주면의 마찰과 소음을 최소화

하기 위한 목적으로 테프론 코팅을 하기 위한 코팅장치

를 등록하였다12)

⑶ 대전 방지 플루오르화탄소 수지 코팅

ㅇ 본래 불소수지 자체는 높은 절연성과 큰 대전성을 갖고

있기 때문에 도전 효과를 얻기 위해서는 분상 필러를 다

량으로 충전할 필요가 있으나 이렇게 하면 비점착성이

떨어진다 여러 회사들의 제품 안내서들을 종합한 불소수

지의 전기적 특성은 표 3-4와 같다

표 3-4 불소수지의 전기 특성

특성측정법

(ASTM)단위

PTFE

(비충전)

PTFE

(25

유리충전)

PTFE

(25

탄소충전)

표면 내아크성 D495 sec 75-110

체적저항

(비저항)D257

ohm-

cmgt1018 gt1016 104

표면저항 D257ohm

sq-1 gt10

14

유전율(유전상

수) at 1MHzD150-81 e 25 24

절연내력 short

time 18thickD149

kv

mm285

유전정접(유전

정합) at 1MHzD150-81 lt00002 005

31

ㅇ 불소수지는 내열성 내한성이 높고 내약품성 내연소성

난연성이 우수하고 절연성 및 비점착성과 저 마찰계수를

갖고 있으나 절연성이 높아 정전재해의 원인이 될 수 있

어 재해 방지를 위해 대전 방지 또는 저저항을 특징으로

하는 불소수지 가공품이 개발되어 사용범위가 넓어지고

있다

불소수지에 충전하여 저저항으로 하는 필러에는 일반적

으로 도전성이 높은 카본 금속 또는 산화알루미늄 등의

금속산화물이 사용된다 재료의 형상으로는 미분 탄소

스테인레스 스틸 니켈 금속분과 같은 입상물 단섬유 탄

소섬유 위스커(whisker) 등이 사용된다

- 미분은 비표면적이 크기 때문에 소량의 충전으로 저

항치를 내릴 수 있으나 약품의 침투가 있는 경우 비

표면적이 크기 때문에 약품의 영향을 받기 쉬워 내부

식성 떨어질 가능성이 크다

- 입자상물질들은 미분에 비해 비표면적이 작기 때문에

약품의 영향을 비교적 적게 받지만 저항치를 내리기

위해 충전량이 많게 되어 불소수지의 특징인 비점착

성과 저마찰계수 특성을 저해한다 섬유 위스커 형상

은 단방향에 대한 장방향의 비가 클수록 적은 충전량

32

으로 저항치를 낮출 수 있지만 분산이 나쁘면 요철이

발생한다 부식 방지 코팅에서는 충전제의 내약품성이

관건이다 즉 부식 환경에서 불소수지 자체는 충분히

견디어도 충전제가 내약품성이 없으면 충전제가 서서

히 에칭되어 기기가 부식될 가능성이 크다

화학 석유 및 정제 산업에서는 시험 검사 세척 및 다양

한 공정의 용기 저장 탱크 반응기와 같은 많은 구성요

소들이 사용되며 플루오르화 고분자는 고온에서 높은 열

안정성을 갖고 다양한 유기용매에 전혀 용해되지 않으므

로 부식방지 등을 위해 플루오르화 고분자와 같은 내화

학성 고분자로 코팅된다 그러나 이들 고분자는 코팅된

구성요소의 표면에 정전하 축적을 조장하기 때문에 폭발

성 환경에서는 사용할 수 없다

특히 이들 구성요소들의 금속 구조물은 용기나 탱크에

보관된 가스 증기 분진의 이동에 의해 생성된 정전하

(electrostatic charge)를 흐르게 하는 전도경로가 되나 금

속표면을 강산 강알칼리나 유기용제에 의해 침투되는 방

지하기 위한 목적으로 부식방지 테플론으로 코팅될 경우

얇은 필름의 비-전도체로 작용하므로 폭발성 환경에서

사용을 규제하고 있다

33

- 예로 유럽 표준 EN 50014 section 732에서는 정전

하로 인한 발화 위험을 피하기 위해 사용 보수 및 세

척 조건 하에 설계된 울(enclosure)이 필요하고 울의

절연저항은 1GΩ을 초과할 수 없도록 규제하고 있고

일본은 후생노동성 관할 산업안전연구소의 정전기 안

전지침의 누설 저항치는 108Ω 이하로 되어 있다

- 따라서 부식 및 폭발성 환경에서 안전하고 다양한 구

성 요소에 적용할 수 있는 정전방지 비-발화 테플론

코팅기술을 요하며 정전방지 코팅은 표면저항을 낮추

기 위해 카본블랙이나 개질 전도성 탄소 금속이나 전

도성 고분자를 테플론에 충전하여 코팅한다

폭발성 환경용 내화학약품 특성과 대전방지 비발화

코팅 조성물로는 높은 비저항을 갖는 플루오르 고분자

50-90wt 10-50wt의 전도성물질인 탄소분(carbon

powder)으로 이루어진 Solex Robotics Systems Inc

특허가 있다13)

- 폭발환경에서 사용되는 이상적인 코팅은 정전하를 피

하기 위해 낮은 비저항을 가져야 한다 완벽한 전도체

는 비저항이 영(0)이고 완벽한 절연체는 무한 비저항

34

을 갖는다 금속(구리 금 같은) 합금(망가닌 Mn-Ni-

Cu 니크롬 Ni-Cr-Fe) 반도체(카본이나 게르마늄)는

낮은 비저항을 갖고 있어 좋은 도체이다

- 수많은 고분자 기초 코팅들이 부식화학 환경에 사용

되었으나 85GΩ 이상의 비저항으로 대전방지 시험에

서 실패하였다 정전기 도체로 인증기준 아래 적합하

기 위해서는 100cm2이상의 노출 표면이 1GΩ 이하의

비저항이어야 한다 코팅에 첨가된 탄소분은 전도도를

증가시키며 10-50의 함량은 1GΩ 이하의 비저항을

만족시킨다

비전도성 표면의 표면저항을 감소시키도록 카본이나 금

속을 사용하여 대전방지를 부여하는 공정의 단점으로는

카본이나 금속의 접착력이 낮아 입자의 마모가 일어나

장기간 사용 시 대전방지 수준이 감소하는 것이다 더욱

클린룸에서 입자의 방출은 심각한 문제가 된다 대부분의

비전도성 기질은 통상 23 상대습도 50에서 표면 비

저항이 109ohmsquare 이상으로 높고 PTFE 경우는 10

12

ohmsquare이상이다14)

반도체 제조 장치에서는 웨이퍼 기판을 안착하기 위해

작업 스테이지를 사용하며 작업스테이지는 통상 금속과

35

세라믹으로 제작되나 웨이퍼기판을 작업스테이지에 올려

놓을 때 작업스테이지와 웨이퍼기판 사이에 마찰 정전기

가 발생한다 FPD(flat panel diplay 평판표시)용 디스펜

서(dispenser)에 사용되는 작업스테이지는 진공방식으로

디스플레이 기판을 흡착 고정하며 흡착 고정되었던 디스

플레이 기판이 작업스테이지에서 박리될 때 작업스테이

지에 정전기가 발생하여 디스플레이 기판에 대전된다 최

근 디스플레이 기판이 대형화됨에 따라 대전량이 증가되

고 정전기 대전문제가 더욱 심각해지고 있다 웨이퍼기판

이나 디스플레이기판에는 반도체소자 등 다수의 전자부

품들이 배치되어 있기 때문에 정전기가 발생되면 전자부

품의 신뢰성에 치명적 손상을 주고 기판에 분진이 부착

되거나 정전기의 대전으로 기판 리프트 업(lift up)시 기

판이 깨어지는 문제가 발생한다 정전기 대전을 방지하기

위해서는 작업스테이지에 이오나이저를 설치하여 중화하

기도하나 리프트 업이 불가능하거나 이온풍이 도달하기

전 방전하는 등 작업 스테이지와 기판 사이에서 발생한

정전기가 순간적으로 일으키는 박리대전 문제를 해결하

기 어려워 작업 스테이지의 정전기 방지를 위해 불소수

지로 코팅한다

- 불소수지는 다른 물질과의 흡착에너지가 작고 비점착

성이 우수하며 마찰계수가 작아 유리기판과의 상관관

36

계가 작아져 박리에 의한 정전기의 발생량이 적어지

나 불소수지는 절연성을 가지므로 테프론 코팅에서는

카본 블랙이나 전도성 고분자 등을 필러로 사용한다

대전방지가 필요한 반도체 제조장비 디스플레이 장치 및

테스트 장치 등의 작업 스테이지를 테프론 코팅함으로써

작업 스테이지의 정전기 발생을 방지하는 방법의 단점의

하나는 제작비용이 상대적으로 많이 드는 것으로 디스펜

서의 경우 디스플레이 기판이 대형화됨에 따라 작업 스

테이지의 크기가 커져 제작비용이 증가한다 또한 불소수

지의 경도가 낮아 코팅 막에 스크래치가 발생하고 이 부

분은 평탄도 유지가 어려우며 입자들이 발생하는 요인으

로 작용하며 불소수지가 절연성이므로 카본블랙이나 전

도성 고분자 등의 도전성 필러를 충전하여 대전방지에

적합한 면-저항을 갖도록 할 경우 카본블랙은 구형으로

분진이 발생하는 문제점이 있고 전도성 고분자를 사용할

경우는 내용제성이 약하고 과량의 바인더를 사용하여야

하며 박막 형성이 어렵고 불소수지의 경도를 보완하기

위해 아노다이징 처리를 하는 경우는 이후 별도의 코팅

과정을 거쳐야 하므로 제작비용과 제작시간이 증가하는

등 여러 가지 단점들이 있다 이러한 문제점들을 해결하

기 위한 방법으로는 작업 스테이지와 기판이 만나는 면

에 정전기 발생을 최소화시킴과 동시에 그 제조비용이

37

절감되고 적절한 면-저항을 조절할 수 있으며 마찰계수

가 낮고 내마모성이 향상된 작업스테이지 표면의 대전방

지 처리 방법에 관한 국내의 탑나노시스 사의 특허15)가

있다

- 탑나노시스 사의 특허 목적은 작업스테이지의 기판과

만나는 면에 정전기의 발생을 최소화시킴과 동시에

그 제조비용이 저감되고 적절히 면-저항을 조절할 수

있으며 마찰계수가 낮고 내마모성이 향상된 스테이지

표면의 대전방지 처리 방법에 관한 것으로 이 특허에

서는 금속소재의 작업 스테이지 표면을 아노다이징

처리하여 복수의 산화표면 홀들을 형성시키고 여기에

탄소나노튜브를 삽입하고 경화하며 탄소나노튜브 경

화 후에 표면을 봉공 처리한다

- 작업스테이지 표면은 106-10

9Ωsq의 면-저항을 갖는

것이 바람직하며 산화표면 홀들은 직경 30-900nm 깊

이 100-900nm가 바람직하다 아노다이징 처리를 하는

금속소재는 Al Mg Zn Ti Ta(탄탈륨) Hf(하프늄)

Nb(니오븀) 등일 수 있고 이 발명에서는 가벼우며 일

정 강도를 갖고 가공성이 우수한 Al합금을 예로 들어

설명하고 있다

38

- 알루미늄소재 작업스테이지 표면에 산화피막(Al2O3)처

리를 하는 아노다이징(anodizing 양극산화)에서 전해

액은 수산화나트륨이나 수산과 황산 등이 사용될 수

있고 수산화나트륨의 농도(20-50) 공급전압 전류

및 시간 등을 조절하여 산화표면 홀의 크기(D)와 깊

이(L)를 조절하며 D와 L에 따라 대전방지 효과나 내

구성 및 표면경도를 조절한다

- 탄소나노튜브를 산화표면 홀 내에 삽입시키는 단계는

전해 흡착 하여 이루어질 수 있고 정전도장을 통해서

도 이루어질 수 있다 탄소나노튜브는 분산제를 포함

하는 용액으로 코팅되며 분산제로는 소듐 도데실설페

이트(SDS) 트리톤X Tween20(폴리옥시에틸렌 소르

비탄모노올레이트) CTAB(cetyl trimethyl ammonium

bromide)를 예로 들고 있으며 탄소나노튜브 용액은

아크릴계 우레탄계 등 또는 전도성 고분자계 유무기

하이브리드계 바인더가 포함될 수 있다

- 봉공처리는 산화표면 홀과 산화피막을 봉공하여 내식

성 등이 향상되도록 보호 층을 형성시키는 것으로 비

등수 가압증기에 의한 수화봉공 금속염을 포함한 열

수에 의한 금속염 봉공 오일로 도포나 침적하는 유기

물 봉공 양극산화 피막 층에 도장하는 도장에 의한

39

봉공 등이 있다

반도체 소자를 제조하는 과정에는 불순물 이온을

주입하는 장비가 이용되고 있다 (주)하이닉스 반도

체의 특허에서는 이온주입 장비의 웨이퍼 지지 장

치 리프트 핀의 끝단을 라운드 처리하고 리프트 핀

에 테플론을 코팅하여 리프트 핀과 웨이퍼 후면의

접촉 시 웨이퍼 후면에 스크래치와 같은 손상이 유

발되는 것을 억제할 수 있게 한다16)

⑷ 탄소나노튜브(CNTs Carbon Nano Tubes)17)

탄소나노튜브는 탄소의 동소체로 1991년 일본 NEC 연구

소의 Ijima박사에 의해 전자 현미경을 통해 처음으로 확

인되었다 1985년에 Kroto와 Smalley가 탄소의 동소체인

풀러렌(탄소 원자 60개가 모인 것C60)을 처음으로 발

견한 이후 전기방전 시 흑연 음극 상에 형성된 탄소덩어

리를 투과전자현미경으로 분석하는 과정에서 발견하여

Nature학술지에 처음으로 발표되었다18) 탄소나노튜브에

서 탄소원자 하나는 주위의 다른 탄소원자 3개와 sp2결

합을 하여 육각형 벌집무늬를 형성하며 이 튜브의 직경

이 대략 수 나노미터(nm nanometer) 정도로 극히 작기

40

때문에 나노튜브라고 부르게 되었다 이 탄소나노튜브는

전기 세기가 클수록 더 수축하는 성질을 가지고 있는 등

튜브의 직경이 nm수준으로 극히 작아서 특유의 전기화

학적 특성을 나타낸다

Ku 등19)에 의하면 CNTs는 전기방사법(arc-discharge)

레이저증발 법(laser vaporization) 플라즈마 화학기상증

착 법(plasma enhanced chemical vapor deposition) 열

화학 기상증착 법(thermal chemical vapor deposition) 등

의 다양한 합성법이 개발되어 대량생산이 가능하다

CNTs의 종류는 벽의 수에 따라 단일 벽 탄소나노튜브

(SWNTs) 이중 벽 탄소나노튜브(DWNTs) 다중벽 탄소

나노튜브(MWNTs)가 있으며 물성에 관한 많은 연구결

과 기계적 전기적 열적으로 우수한 성능을 갖고 있음이

입증되었다

CNTs는 인장강도와 탄성률 면에서 지금까지 발견된 재

료 중 가장 강하고 질기며 다중벽 CNT는 63GPa에 이른

다 표준 단일 벽 CNT는 25GPa의 압력까지 변형 없이

지탱된다 그래핀의 대칭성과 특이한 전기적 구조 때문에

CNTs의 구조는 그것의 전기적 특성에 영향을 미쳐 금속

성이나 반도체의 특성을 나타내고 이론적으로 금속성

41

CNTs는 구리와 같은 금속의 1000배가 큰 4times109Acm

2

전류 밀도를 운반할 수 있으며 나노크기의 단면으로 전

자가 튜브의 축 방향으로만 전파되고 전자의 이동은 양

자효과를 수반하여 1차원 전도체로 간주된다

CNTs는 우수한 물성과 상대적으로 큰 표면적으로 갖고

있어 충전제(filler)로써 에폭시 폴리스틸렌 폴리우레탄

등 고분자와 혼합하여 폴리머의 기계적 전기적 특성을

향상시키려는 연구가 활발하다 CNTs가 폴리머 중에서

충전제 역할을 하기 위해서는 고른 분산이 필요하나 반

데르발스 힘에 의한 CNTs 응집현상(agglomeration)으로

인해 효과적인 분산이 어려워 오히려 폴리머의 물성을

저해하므로 이것을 개선하기 위한 다양한 기계적 화학적

분산 방법이 연구되고 있다

- CNTs를 분산시키기 위한 가장 일반적인 방법은 용매

나 폴리머에 CNTs를 투입하고 초음파처리를 하는 것

으로 초음파처리를 하면 SWNTs의 길이가 짧아지고

다발(bundle)이 얇아져 분산력이 증가한다

- CNTs 표면을 산이나 아민으로 기능화하여 분산을 높

이는 방법도 연구되고 있으며 MWNTs를 HNO3

H2O2NH4OH 용액에 침지시켜 MWNTs에폭시 복합

42

재료는 전기적 특성을 향상시키려는 연구와 산과 아

민 등의 기능기를 도입하여 SWNTs의 열전도도를 향

상시키려는 연구들이 수행되고 있다

- 기계적 분산방법인 전단혼합방법은 좁은 관이나 상대

적으로 높은 속도의 유동을 이용하여 발생한 전단력

으로 CNTs를 분산시키는 방법이다 Ku 등19)은 전단

혼합과 초음파처리를 이용하여 MWNTs로 강화된

에폭시 복합재료를 만들어 기계적 및 열적 특성을 연

구하였다

⑸ 내마모성 테프론 코팅

ㅇ 재료의 부식은 구조재에 원하지 않은 변화 원인으로 작

용하여 경제적인 문제로 귀결되는 심각한 문제이다 이들

원치 않는 변화는 때로 적절한 코팅에 의한 표면처리로

예방할 수 있다 가장 일반적이고 자주 사용되는 전착 코

팅은 아연에 기초한 아연 코팅 및 합금 코팅으로 이들

코팅은 간단한 기술로써 내부식성이 양호하여 전 표면처

리의 약 14에 해당하나 최근 낮은 마찰계수 등 다른 특

성들이 매우 중요하게 되었다 이들 특성은 다층 코팅으

로 대응할 수 있으나 두께가 증가하고 기술이 복잡하여

가능한 해결방법으로는 복합체 코팅이 있다 복합체 코팅

43

은 일반기계와 자동차 전자부품 및 컴퓨터 등 다양한 분

야에 적용된다 금속 기질에 미세한 PTFE 입자의 전착

에 의한 증착은 새로운 세대의 복합체 코팅으로써 가장

바람직한 특성은 양호한 내마모성 자기윤활 내부식성이

다 M Paderovaacute 등20)에 의하면 이들 특성은 주로 사용

한 입자(흑연 다이아몬드 MoS2 또는 PTFE)와 용액의

유형(pH 온도 bath 등) 뿐 아니라 입자의 크기 농도

분산 및 형태학에 의존한다

ㅇ 충전되지 않은 PTFE의 마모율은 736-741times10-4mm3Nm

로 내마모성이 낮아 다양한 충전제들이 첨가되고 있다

Xing-Dong Yuan 등21)은 진공 조건에서 PTFE 코팅

의 마모특성을 연구하여 초기에는 하중이 증가함에 따

라 마찰계수가 감소하나 하중이 6N 이상으로 커지면

마찰계수도 증가하며 압력이 PTFE 코팅의 마찰계수

에 미치는 영향이 거의 없고 마모는 압력이 증가하면

초기에는 감소하나 10Pa 보다 높으면 급격히 증가한

다고 보고하였다

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위해서는 윤활제로 PTFE

계 수지 접착제로는 폴리아미드이미드수지 산화철 분말

44

및 브론즈 분말 등을 혼합한 조성물을 사용하거나 미국

특허에서는 스와시플레이트 형 압축기의 플레이트 표면

에 MoS2 흑연 PTFE계 윤활제와 열경화성 수지인 폴리

아미드이미드(PAI) 조성물을 코팅하여 내마모 및 윤활성

을 부여하고 있다22) 내열성 향상을 위해서는 고체윤활

제 접착제수지 및 저융점 금속인 Sn Pb In Bi 등을 함

유하는 합금이나 화합물을 사용하여 금속의 잠열을 이용

내열성 향상을 시도하기도 한다

ㅇ 그간 철강(스테인리스강 탄소강 아연도금강판 등)의 내

부식성 향상을 위한 많은 연구들이 수행되어 왔다 4플루

오르에틸렌(C2H4) 4플루오르에탄(CF4) 6플루오르에탄

(C2F6) 3플루오르화에탄(CHF3) 8플루오르화에탄(C4F8)

같은 불소화된 단량체의 플라즈마 중합에 의한 테플론

류 코팅은 그들의 소수성으로 인해 금속의 내부식성 향

상을 위한 대안으로 주목을 받고 있다 A Delimi 등23)

은 유도결합 고주파플라즈마(inductively coupled radio

fre- quency plasma)를 사용하여 소수성 박막 불소수지

필름을 탄소강에 증착하고 3염수에서 내부식성을 평가

한 결과 1개월 동안 9nm의 필름이 유지되는 것을 관찰

하여 불소고분자 박막이 금속과 금속산화물의 보호층이

될 수 있음을 보고하였다

45

ㅇ PTFE를 이용한 세라믹코팅 기술로는 알루미늄 및 알루

미늄 합금 공작물을 양극처리에 의해서 티타늄 및또는

지르코늄 산화물을 포함하는 내식성 내열성 및 내마모

성 세라믹 코팅을 하고 이어서 양극처리된 공작물을

PTFE 또는 실리콘 함유 코팅과 같은 제 2 코팅으로 코

팅한다 이 발명은 가소성을 가지는 경질의 필름 내에서

내식성 내열성 및 내마모성을 제공하는 티타늄 및또는

지르코늄 산화물의 양극처리 층으로 기판을 예비-코팅함

으로써 알루미늄 기판에 보다 긴 수명의 코팅을 형성하

는데 특히 유용하다24)

ㅇ Nosaka 등25)은 PTFE로 대표되는 불소수지는 마모-링이

나 극저온 밸브의 실링부에 많이 사용되며 진공치환법에

의해 탄소재료에 PTFE나 MoS2 분말을 1-2wt 함침시

키면 무함침한 것에 비해 마모가 약 13로 감소한다고

보고하였다 한편 저자들은 터보펌프의 실링재료가 극저

온 환경에서 보이는 특이한 현상을 극복하기 위해 베어

링의 표면에 노출된 유리섬유를 불소산으로 처리하여 용

해 제거하고 윤활성을 높인 유리섬유강화 테프론 리테이

너를 개발하여 내구성과 윤활성을 향상시킬 수 있었다고

보고하고 있다

46

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위한 또 다른 특허로는

폴리실록산계 접착제를 단독 혹은 폴리에스테르계 접착

제와 병용하고 고체 윤활제로 MoS2(이황화몰리브덴

WS2(이황화텅스텐) h-BN(육방정 질화붕소) 팽창흑연

및 PTFE를 사용하고 충전제로 탄화규소 알루미나 산화

지르콘 산화티탄 등의 미분말을 사용하여 내마모 내열

및 윤활성을 부여하고자 하는 내마모성 및 윤활성 코팅

조성물에 관한 특허가 있다26)

ㅇ 내열성 내후성 내오염성 내약품성 내구성 등의 물성

은 유지하면서 비점착성을 높이기 위해 무기계 세라믹

코팅 조성물에 PTFE를 첨가하기도 한다 이러한 하이

브리드 코팅 조성물에 관한 특허로는 불소수지(01sim25

중량) 콜로이달 실리카나 콜로이달 알루미나 등 무

기계고분자 바인더(20sim80중량) 알콕시실란 화합물

(1sim50중량) 수용성 유기용제(1sim10중량) 충전제

또는 안료(5sim50중량) 및 물(100중량 까지 보충)로

이루어진 코팅 조성물에 관한 것으로 무기질 도료 및

무기계 세라믹 코팅에 의해 내열성 내오염성 내약품

성과 내구성을 유지하고 접착력을 높이기 위해 소량의

PTFE를 사용하는 것이 있다27)

47

ㅇ 정전 복사기에 사용되는 정착기재부의 최외층에 코팅하

여 기계적 성질 및 내마모성을 향상시키려는 목적으로

불소수지 기질 중에 분산된 불소화 다이아몬드를 함유하

는 입자로 구성된 조성물에 관한 일본 특허28)가 있다

ㅇ 부식 특성을 개선한 흑색 무크롬(chrome-free) 다층 내

부식 마무리 칠과 방법에 관한 특허29)로는 ASTM B 117

표준으로 시험할 때 백색 부식에는 최소 500시간 염수분

무시간 및 적색 부식에는 1500시간 염수분무시간에 적합

하게 설계된 마무리 칠에 관한 것이 있다 이 다층 시스

템은 광택(gloss) 4 이상을 만족하는 자동차 차체 강판

자동차 하부와 내장에 사용되기 위해 설계된 것으로 이

다층 마무리 칠은 3층 부식 방지 시스템을 형성하도록

아연-철 전기도금 기질 오르토인산을 사용한 무전해 인

산염 결정 전환 층과 XylanTeflon 실러 코팅의 조합이

다

ㅇ 전통적으로 철 강판(steel sheet)은 크롬산 염 전환 코팅

으로 개질되어 왔으나 6가 크롬이 배출되어 환경을 오염

시키는 문제점이 있어 강판의 내-부식성을 개선하기 위

해 고분자 수지 코팅들이 수행되고 있으나 이 방법은 고

48

분자 코팅 층이 열전도도를 감소시키는 단점을 가지고

있다 Kang 등30)은 강판 위의 고분자 코팅 층의 열전도

도를 향상시키기 위해 초미세-크기 다이몬드(μD)입자를

열전도 물질로 사용하였다 다양한 음이온 및 비-이온

계면활성제들을 사용하여 수용액 중에서 무거운 μD입자

의 안정화를 시험들을 한 결과 1-피렌카르복시산(PCA)

이 가장 양호하였다 그림 3-2는 이 시험 결과를 요약한

것이다

- 강판 위에 PCA로 안정화 된 μD 입자를 함유한 폴리

우레탄-기초 코팅 층은 열전도도가 0351W(mK)에서

0434 W(mK)(10 wtμD)로 향상되었으며 더욱 144

시간 동안 염수 분무 시험결과 부식거동은 관찰되지

않았다

그림 3-2 피렌카르복시산을 이용한 μD 표면처리

ㅇ 자동차공업에서는 기본적인 특성으로 내마모성이 요구되

49

는 강철 기계부품들의 마찰특성을 향상시키기 위해 다양

한 금속 및 고분자 코팅들이 광범하게 이용된다 내-마

모 코팅은 두 가지 주요 특성인 높은 표면경도와 자기-

윤활 특성이 필요하다 후자의 범주에 속하는 것이

PTFE와 MoS2 기초 코팅이다 무전해 니켈 코팅은 높은

경도로 인해 양호한 마찰 특성을 보이며 한편 열처리를

통해 경도를 향상시킬 수 있다 PTFE입자의 첨가는 코

팅경도를 감소시키나 자기-윤활특성을 부여한다 S

Rossi 등3132)은 마찰특성을 향상시키기 위해 이용되는 탄

소강에 이용되는 몇 가지 공업적인 코팅에 관한 부식거

동에 관해 평가 PTFE입자를 함유한 무전해 니켈-인

(Electroless Nickel-Phophorus)코팅은 PTFE 입자(자기-

윤활 특성)를 갖는 외층과 장벽-효과를 갖는 내층으로

인한 이중 특성으로 가장 양호한 특성을 보였다고 보고

하고 있다

ㅇ 모든 기계적 시스템은 동적 요소를 필요로 하며 마찰과

마모를 줄이기 위한 다양한 수단들이 가능하나 그 선택

은 환경이나 조작 조건에 제한을 받는다 PTFE는 자기

윤활 낮은 마찰계수 높은 열안정성과 화학약품 안정성

으로 산업분야에 널리 사용되는 엔지니어링 고분자이지

만 내마모성이 매우 부족하다 이러한 이유로 금속

-PTFE충전 복합체들이 PTFE의 마찰특성과 금속충전제

50

의 내마모성을 결합하여 특정 분야의 용도로 소개되어

왔으나 금속-고분자 물질에서의 충전제의 역할은 완전히

설명되지 않고 있다 복합체 표면의 과잉의 충전제 농도

는 미끄러지는 동안 부하를 지지하여 내마모성을 증가시

키는 것으로 생각되며 PTFE의 마모율은 Mo Zn Ni

Y2O3 및 SiO2 같은 무기 충전제에 의해 1000배가량 감소

되었다는 보고도 있다 유리섬유 구리 세라믹 탄소섬유

절단 탄소섬유 나노입자를 포함한 경질의 충전제 입자들

이 PTFE의 내마모성을 높이기 사용되어 왔다

ㅇ 비교적 두꺼운 코팅에는 열분사(thermal spray) 용사기

술이 정립되어 있고 용사 코팅은 내마모 내마찰 내프레

팅(fretting) 및 내부식을 요하는 산업에 많이 이용되고

있다

- 용사 몰리브덴(Mo)코팅은 실질적 내마모성 코팅으로

가장 광범하게 이용되며 프레임용사(flame spray)거나

와이어용사(wire spray)기술로 생산된 몰리브덴(Mo)

코팅은 흠이나 마모에 대한 고도의 저항을 얻기 위한

가장 좋은 코팅재료 중의 하나이다

- 알루미늄 청동(aluminium bronze)은 높은 내-부식성

과 내마모성을 갖는 것이 특징이다 저압 플라즈마 용

51

사 기술은 자기-아닐링(self-anealing)과 부서지기 쉽

도록 유도하는 γ-상의 형성을 피할 수 있도록 높은

냉각 속도를 얻는 데 사용되며 알루미늄 청동 저압

플라즈마 용사 코팅은 낮은 마찰과 마모를 보였고 비

교적 최근 플라즈마 용사 기술을 이용하여 알루미늄

기질에 고분자-세라믹 복합체를 코팅하는 기술이 개

발되었다33)복합체 코팅으로 행한 마찰 시험에서 낮

은 마찰계수를 얻을 수 있었다

- 낮은 마찰계수와 고 내마모성을 갖는 이성분 금속

-PTFE 코팅이 개발되었고 이들의 마찰 공학적 성능

이 보고되었다 PTFE-기초 복합체 설계에서 일반적

인 접근방법은 경질의 충전 입자들을 도입하는 것으

로 M Yamane 등34)은 PTFE-금속 이성분 코팅의 마

찰 마모성능에 관한 연구 결과 알루미늄 청동 코팅이

Mo코팅에 비해 PTFE 저장소(reservoir)에 유용했음

을 보고하였다

⑹ 충전 또는 강화 플루오르화 탄소1)

ㅇ 분말이나 강화섬유 등 전형적인 충전재들이 충전 또는

강화 플루오르화 탄소에 사용된다 충전재는 저온흐름

52

을 향상시키는 데 사용되며 수축과 균열을 줄이고 열

팽창을 낮추며 열전도율을 향상시킨다

ㅇ 분말이나 단섬유로 된 전형적인 충전제를 표 3-5에 종합

하였다 유리섬유는 가장 보편적인 PTFE 충전제로 화

학 및 전기적 특성에 최소로 영향을 미치며 기계적 특

성을 크게 향상시킨다 분말에 비해 섬유는 압축강도

강성도 및 지지용량을 더욱 향상시키나 분말은 충전

테플론의 내구성에 거의 영향을 미치지 않는다 금속분

말은 특히 열전도도를 향상시키며 고속에서 발생하는 마

찰열을 소멸하는데 도움이 되며 전기저항을 상당히 감소

시켜 금속-충전 조성물은 양호한 절연체는 아니다

ㅇ 흑연(graphite) MoS2는 초기 내구성과 마찰을 개선하고

기계적 특성을 향상시킨다 석면은 많은 유용한 특성을

갖지만 가공 처리 중 가스가 방출할 뿐 아니라 사용금지

물질이다 표 3-5 외에도 금속 망 장섬유 다공성 금속

등 다양한 충전제들이 있으며 다양한 종류의 제품들이

상업 생산되고 있어 최종 선정을 하기 전에 플라스틱 가

공업자로부터 보다 완전한 정보와 추천을 받는 것이 바

람직하다

53

표 3-5 불소수지용 충전제

ㅇ 압축강력 인장과 압축 시의 탄성률 및 항복강력은 첨가

제의 첨가에 의해 모두 증가하나 일반으로 인장강력과

신도 및 충격강도는 손실된다 통상 충전 테플론은 압축

상태에서 사용되므로 인장강력의 감소는 중요하지 않다

인장강력의 손실은 설치(연속적인 링-실링)할 때 인장되

는 재료에서 중요하다 열팽창 계수는 비-충전 테플론에

비해 감소되어 통상 금속 부품의 팽창계수와 잘 맞는다

ㅇ 마찰과 마모를 수반하는 분야에서 가장 중요한 것은 충

전제로 얻어지는 PV한계치의 증가와 마모의 감소다 비-

54

충전 테플론에 비해 PV한계치 크기는 개략적으로 1차원

적으로 증가하나 마모인자는 3차원적으로 감소한다 충전

테플론의 평균치들은 동적 마찰계수는 01-02 PV한계치

는 10000-20000 psi-fpm 마모상수는 10times10-10in3-min

lb-ft-hr이다 그림 3-3은 충전 테플론 PTFE의 마찰계

수에 미치는 충전제 종류와 농도의 효과에 관한 것이다

그림 3-3 테플론 PTFE에 미치는 충전제 종류와 농도1)

ㅇ 내마모성을 향상시키는 충전제는 실제로 연마저항성을

감소시키는 것으로 날카로운 입자는 보다 쉽게 침투하고

충전제 입자와 수지 사이의 경계를 따라 충전 플라스틱

을 찢는다 따라서 라이닝 슈트 같은 분야의 적용 시는

55

비-충전테플론이 보다 바람직하다

⑺ 시트 테이프 및 박층(laminates)

ㅇ 대부분의 플루오르화탄소는 충전 여부에 관계없이 두

께 1mil(0001 in)까지 시트나 테이프로 만들 수 있고

시트나 테이프를 찍어서 원하는 형상의 립-씰(lip seal)

펌프 컵(pump cup) 피스톤 링(piston rings) 가스켓

(gaskets) 등을 만들 수 있다

ㅇ 유체의 누설을 정지시키는 밀봉기능 부품 중 각종기기의

접합부나 배관 플랜지 등의 밀봉에 사용되는 가스켓

(gaskets)은 석면이 널리 사용되어 왔으나 유해물질 배

출 및 이동량 보고제도(PRTR Pollutant Release and

Transfer Register)에서 발암성을 가진 제1종 지정 화학

물질로 지정되어 사용이 금지되어 PTFE가 가스켓으로

개발되었다 PTFE는 용융 알칼리 금속 및 그 용액과 불

소 및 3불화염소에 의해 약간 침식되나 모든 화학약품에

안정하고 우수한 내부식 재료로 C-F결합력이 크고 F원

자가 C-C결합의 주위를 간격 없이 들러 싸고 있기 때문

에 다른 물질의 공격을 방어하고 있고 내열성은 260로

높다35)

56

- PTFE 필러를 사용한 PTFE 나선 권형 가스켓은 석

면에 대한 사용규제와 상관없이 사용되어 왔으며 유

연한 필러를 사용하므로 석면 가스켓 보다 낮은 체결

압력에서도 실 특성이 우수하고 내식 면에서도 광범

하고 다양한 유체에 사용이 가능하다 다만 단열성 면

에서는 석면 나선 권형 가스켓 보다 사용온도 범위가

제한된다

ㅇ 산업 기계나 자동차의 브레이크 제동장치에 부착하여 마

찰력을 부가하는 브레이크 라이닝에서는 마찰계수와 내

마모력 및 충격계수 등 마찰특성이 우수한 석면을 주로

사용하여 왔으나 제동 시 발생하는 미세 석면분진으로

인해 대기오염에 의한 환경을 파괴 뿐 아니라 인체에 흡

입될 경우 암을 유발하여 PRTR로 사용이 금지되었다

석면을 대체할 유기질 또는 무기질 된 다양한 비석면 마

찰 섬유 등이 사용되고 있으며 마찰 섬유에 테프론을 코

팅하여 브레이크라이닝의 수명향상 제동 시 발생하는 소

음 떨림 및 제동력 향상을 위한 제품개발이 시도되고

있다

- 예로 국내 특허36)에서는 브레이크 라이닝(또는 패드)

의 마찰재 배합재료 중 유기섬유(Kevlar섬유 pulp섬

57

유 등)에 테프론을 코팅하고 코팅된 유기섬유에 결합

재 충전재 윤활재 마찰안정재 마찰조정재 등을 소정

의 배합비로 배합하여 성형하고 열처리하여 브레이크

패드 또는 라이닝을 제조한다

ㅇ 초소형 정밀기계(MEMS Micro-Electromechanical

System)분야에서는 점착방지를 위해 불화 유기박막을

사용한다 Park 등37)은 단층 두께의 불화 유기박막의

특성을 접촉각 측정을 통해 분석하였다

⑻ DLC 코팅3839)

ㅇ DLC(diamond-like carbon)는 몇 가지 다이아몬드의 전

형적인 특성을 나타내는 비정질 탄소물질로 극도의 내마

모 특성을 필요로 하는 재료의 코팅에 이용되고 있다

DLC코팅은 연마 마모를 감소시키기 위한 재료에 유용하

여 엔드밀 드릴비트 금형 같은 공구는 물론 자동차 기

계부품 및 전자산업 등 산업전반에 걸쳐 적용된다40)

ㅇ 환경오염 문제로 인해 PRTR(Pollutant Release and

Transfer Register 유해물질 배출 및 이동량 보고 제

도) 이 시행되어 습동 부품이나 절삭 시에 사용되는 오

일이나 그리스에 포함되는 첨가제(MoS2 Zn 등)와 이들

58

부품을 세정할 때 사용되는 용매 기계부품의 수명을 연

장시키기 위해 활용되었던 Cr도금 폐액에서 발생하는 6

가 크롬 등의 오염물질들에 대한 규제가 더욱 강화되어

DLC에 의한 무윤활 습동과 무윤활 절삭을 지향한 공구

와 기계 부품의 개발이 관심을 끌고 있다4142)

- 일본 내에서는 PRTR이 시행되고 이것에 저촉되는 재

료에 관해서는 MSDS(Material Safety Data Sheet)를

첨부해야할 의무가 있고 부품가공 습동 용도에서는

대상 리스트에 올라 있는 오일 오일 중의 중금속 도

금폐액을 어떻게 경제성 있는 환경 친화적 공정과 재

료로 전환할 것인가를 고려하면서 무윤활 습동 무윤

활 절삭 탈크롬 도금의 3가지 키워드가 대두되고

DLC코팅이 대안으로 모색되고 있다

- DLC코팅 적용기술과 과제에 관한 자료로는 자동차

관련부품 적용사례 엔진부위 마찰 작동 밸브계의 마

찰저감 DLC와 윤활제에 의한 마찰저감 기술을 중심

으로 살펴본 보고가 있다43)

ㅇ DLC는 7가지 형태가 존재하며 모두 상당한 양의 sp3혼

성궤도 탄소원자를 함유한다 다양한 형태의 DLC가 진

공 환경으로 적합한 재료들에 적용가능하며 유럽에서의

59

2006년 위탁 DLC코팅 시장은 3천만euro로 추정되었고 국

내도 활발한 상용화가 시도되고 있다

ㅇ 사반면상(tetahedral) 비정질 탄소 ta-C를 2두께로 코

팅하면 연마마모에 대한 스테인레스 강(304 type)의 내구

성을 증가시켜 수명을 1주일에서 85년으로 늘이며 이러

한 DLC의 형태는 sp3결합 탄소 원자로만 이루어지기 때

문에 순수한 DLC로 간주되며 수소 sp2흑연 탄소 금속

같은 충전제가 생산경비를 낮추거나 원하는 특성을 부여

하기 위하여 사용되고 있다

ㅇ DLC를 만드는 방법에는 sp3탄소 보다 낮은 밀도의 sp

2

에 의존하는 몇 가지 방법들이 있으며 압력 충격 촉매

또는 이들의 조합으로 sp2결합탄소 원자들을 sp3결합탄소

로 근접시킨다 최근 초고압 하에서 탄소의 경량 특성을

갖는 초경도 무정형 다이아몬드가 만들어졌다 탄소로 만

들어지는 다이아몬드 그래파이트는 결정구조를 가지나

DLC는 비정질이라는 점에서 크게 다르고 200 정도의

저온에서 형성시킬 수 있다는 점이 통상의 PVD막에 비

해 훨씬 우위에 있다

ㅇ DLC코팅은 제조공정이 복잡하고 생산 단가가 비싸 적용

이 어려우며 적용되는 소재가 제한되는 단점을 갖는다

60

주요제법으로는 고주파 플라즈마 법 이온화 증착법 스

페터링법 등을 들수 있다 고주파 플라즈마 법은 메탄가

스가 원료로 사용되고 막 중의 수소가 약 30(원자)로

평활성이 우수하고 마찰계수가 작으나 경도가 낮다 이

온화 증착법은 벤젠을 사용하며 막은 단단하나 면의 조

도가 거칠고 후막화 하기 위해 스패터링 방법이 검토되

고 있다

⑼ 불소수지의 안전성

ㅇ 테플론 PTFE의 열분해는 200(392)에서 감지되며 이

것은 몇 가지 플루오르화 탄소 기체들과 승화물질을 방

출한다4445)1955년 동물실험에 관한 한 연구에서는 이들

물질이 250(482) 이하에서는 의미 있는 양이 아니라

고 결론지었으나 최근 비-점착 주방기구인 프라이팬이

나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가열할 때 조류를

죽일 수 있는 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수

도 있다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있다45)

ㅇ 표 3-6은 EWG가 보고한 3-5분 내에 370까지 불소수

지를 가열할 때 발생되는 15종의 불소화합물에 관한 것

이다 테플론과 같은 코팅물질들이 장기적으로 인체에 미

61

치는 영향에 관한 연구는 이루어지지 않고 있으나 독감

과 유사한 질병을 유발할 수 있으며 이를 중합체 증기열

(polymer fume fever)이라 한다

표 3-6 15종의 유해물질 및 유독성 기체44)

ㅇ 최근 표 3-6의 화합물들 중 특히 TFA와 과불화된

(perfluorinated) PFOA(perfluorooctanoic acid)에 관심이

증가되고 있다 PFOA는 새로운 환경오염물질로 미국 환

경보호청(EPA)에 의하면 보통 때는 문제가 없으나 조리

과정에서 프라이팬에 열을 가하고 강하게 긁을 경우 용

62

출되어 나오며 이것이 음식물과 함께 인체에 흡수되는

것으로 추정하였다 한편 DuPont의 테플론 PTFE 연구

결과에 의하면 검출한계인 9ppb 이상 검출되지 않으며

테플론 주방기구에서는 PFOA가 존재하지 않는다고 발

표하고 있다

- 물이나 공기를 통해 환경에 노출된 PFOA는 고 콜레

스테롤 궤양성 대장염 갑상선 질환 고환암 신장암

및 임신성 고혈압과 관련된다고 보고되었다

- PFOA는 불소수지 생산과정에서 사용되는 첨가물로써

암모늄 형태로 PTFE 유화중합에 계면활성제로 사용

되며 불소수지의 품질과 균일성을 유지하기 위해 필

수적인 첨가물이기 때문에 전 세계 모든 불소수지 제

조업체가 사용 중에 있다 한편 국내 주력 산업인 반

도체 생산 과정에서도 PFOA를 대량으로 사용하고 있

어 체계적인 실태조사와 대책수립이 필요하다는 의견

들이 대두되고 있다

⑽ 불소화합물의 안전성과 환경대책

ㅇ 표 3-6에서 살펴본 바와 같이 테플론을 급격히 고온으로

가열하면 2종의 발암물질을 포함한 유독성 가스가 발생

63

하고 특히 불소화합물 중 MFA(monofluoroacetic acid)는

적은 양으로도 치명적 해를 끼치고 PEIF(perfluoro-

isobutene)는 신경가스제로 여러 가지 질환을 발생시킨다

한다44)

따라서 테플론으로 코팅된 장치를 재 코팅하기

위해 테프론을 고온으로 급격히 가열하거나 소각 등을

통해 제거할 때는 발생 가능성이 있는 유독가스를 제거

하기 위한 별도의 설비를 이용하여야 하고 유 등44)의 보

고서에서와 같이 중조(NaHCO3)를 포화시킨 충분한 물로

유독 산성 물질을 중화시키는 것도 고려할 만하다 한편

부식대전 방지 코팅도 테플론 코팅 일변도에서 세라믹

코팅 CNTs이나 DLC 코팅기술로 대응하는 것을 추천하

고 싶으며 이것은 유해물질 배출 및 이동량 보고제도

(PRTR Pollutant Release and Transfer Register)에 대

비하는 등 기업의 장래를 고려하는 것도 될 것이다

ㅇ PTFE를 사용한 취사도구는 1960년대 이래 사용되어 오

고 있으나 최근 들어 이것의 안전성이 논쟁의 주제가 되

고 있으며 논의 주체는 PFOA(perfluorooctanoic acid)이

다 PFOA는 PTFE를 비롯한 많은 불소수지의 생산에

사용되며 DuPont의 테플론 PTFE 연구 결과에 의하면

프라이팬을 260 이상 고온에서 가열하거나 코팅이 벗

겨져도 PFOA가 존재하지 않는다고 한다 그러나 물이나

64

공기 토양 식품포장재 등 여러 곳에서 PFOA 오염사실

이 보고되고 있다 한다44)

- 미국 EPA는 인체와 환경에 대한 PFOA 연구를 계속

하고 있으며 2015년까지 PFOA 및 이와 관련된 화합

물 방출을 배제할 프로그램을 갖고 있으나 PTFE-기

초 비점착 취사기구를 중지시킬 타당성을 갖고 있지

는 않다 최종제품은 PFOA가 아닌 PTFE이기 때문이

다

- 수십 년 동안 불소수지 비점착 코팅이 시장을 지배하

였으나 최근 몇 가지 신기술들이 출현되고 있으며 이

들 대부분은 실리콘 세라믹과 실리콘 기술로 이들 코

팅은 PTFE와 PFOA를 함유하지 않는다

- 오늘날 출시된 비점착 취사용구는 수많은 상표로 팔

리고 있으며 DuPont에 의하면 대부분의 취사용구 코

팅은 정상적으로 사용할 때 3-5년 견딜 수 있을 것으

로 예측한다 너무 문질러서는 안 되고 따뜻한 비눗

물로 씻어주는 것이 좋으며 닳거나 흠이 생기지 않도

록 나무 플라스틱이나 코팅된 재료로 만든 도구를 선

택하고 보관도 흠이 생기지 않을 장소나 캐비닛을 권

장하고 있다

65

ㅇ 국내의 불소수지 안전성에 관한 것으로는 재질규격(납과

카드뮴)과 용출규격(납 과망간산칼륨소비량 증발잔류물)

이 식품용 기구 및 용기 포장 공전46)에 기재되어 있으며

최근 국내에서도 PFOA를 비롯한 유해 불소화합물에 관

한 관심이 커져 가고 있다

ㅇ PFOA 문제가 표면화 되면서 환경 보전형 불소계 발수

유제의 개발과 공업화도 새로이 부각되고 있다 이에 관

한 보고서를 모니터링한 KISTI자료47)를 중심으로 간단히

요약하면 발수제의 주요성분 퍼플루오로알킬기(Rf기)함

유 폴리머의 기능은 Rf기의 고리길이에 크게 의존하므로

PFOA문제 해법으로 탄소수 8 이상인 종래의 불소화학

에서 탈피 짧은 고리 Rf기(탄소수 6)를 가진 새로운 단

량체를 선택하여 발수제를 제조함으로써 환경 보전형 불

소계 발수유제를 개발하고 공업화하였다 한다

66

제 4 장

지원결과

1 지원결과 종합

테프론 코팅 기술의 문제점과 부식대전방지용 테플

론 코팅에 관한 정보 외에 신청기업의 요청에 따

라 C-나노튜브 코팅 및 DLC증착에 관련된 기술 정

보도 제공하였다

테플론은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat resistant)

비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coefficient of

friction) 내약품성(chemical resistance)과 특이한 전기적

특성(unique electrical properties) 및 온내구력(cryogenic

stability)으로 그 응용범위가 광범하며 용도에 따른 엄격

한 품질관리가 요구될 것으로 생각되어 중소기업에 적합

한 기초능력 배양과 신제품을 구상하기 위한 최신기술에

관한 정보를 제공하고자 하였다

67

불소수지의 코팅은 두께와 첨가제가 관건으로 이에 관한

자료를 제공하고자 하였으며 불소수지의 전기특성 폭발

성 환경과 반도체 제조공정에서의 대전 방지 처리를 위

한 정전기 관리 지표 등을 특허를 중심으로 조사하여 제

공하고자 하였다

C-나노튜브를 이용한 대전방지 코팅 기술 및 C-나노튜

브의 제법 등 이것에 관한 기초정보를 제공하고자 하였

으며 내마모성 테플론 코팅에 관해서는 테플론을 이용한

세라믹 코팅 기술에 관한 정보도 제공하고자 하였다

테플론의 기계적 전기적 특성을 강화하기 위해 사용되는

충전제를 종합하고 기초이론을 정립함으로써 금후 원부

자재의 선정에 도움을 주었다

테플론은 석면 대체재로도 주목받고 있어 이에 관한 특

허 정보들을 제공하였으며 다이아몬드의 전형적인 특성

을 나타내는 DLC의 코팅관련 기술 정보를 환경오염 문

제와 연관하여 자료를 제공하였고 최근 비-점착 주방기

구인 프라이팬이나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가

열할 때 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수도 있

다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있어 이에

관한 정보도 제공하였다

68

2 지원의 한계

중소기업이 당면한 문제는 전문기술의 확보다 관련 기술

이 비약적으로 발전하는 추세에 비추어 한정된 인원으로

신기술을 소화하고 개발하기는 어려울 것이므로 출연연

구기관이나 대학과 공동연구를 모색할 수 있으나 이것도

중소기업으로서는 경제적 부담이 될 수밖에 없을 것으로

생각된다 가능하다면 앞으로도 KISTI의 정보지원이 계

속되기를 바라고 있었다

3 기대효과

부식대전 방지 테플론 코팅에 관한 기본 기술이 배양되

어 합리적인 원부 원료의 수입검사 공정관리 및 제품관

리를 통해 원가절감은 물론 신제품 신기술에 관한 정보

수집 및 분석능력이 배양되고 개발력이 확충되어 기업

경쟁력 향상에 도움이 될 것이다

69

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저자소개

김학주(金鶴柱) 서울대학교 문리과대학 화학과 졸업 이학사

전북대학교 대학원 화학과 이학박사

(주)삼양사 의약연구소장 신성대학교 교수

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 폴리에스테르 섬유의 연중직방기술 외 다수

저서 기기분석 공업물리화학 일반화학

성용길(成墉吉)

동국대학교 이과대학 화학과 졸업 이학사 이학석사

부산대학교 대학원 화학과 이학박사(Dr Sci)

University of Utah USA Ph D(공학박사) Post Dr

유타대학교 연구교수 부산대학교 교수 동국대학교 교수

동국대학교 명예교수 한국원자력문화진흥원 이사

과학문화연구원전문연구위원 한국도량형과학문화연구원 원장

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 의료용 기능성 고분자재료에 관한 연구 외 330편

저서 고분자 물성론 (서울대학교 출판부 공저) 외 10권

23

얇은 연속 필름이 표면에 남지만 필름 중의 많은 작

은 세공들은 테플론의 높은 용융점도 때문에 제거할

수 없다 세공들은 윤활 작용에는 제한을 받지 않으나

녹슬거나 부식의 공격점이 되어 부식방지를 위해서는

1회 이상의 박막 추가 코팅이 반복되고 보통 2회 코

팅으로 충분하나 각 침적 테플론 층은 두께가 00003

인치(762)를 초과하지 않아야 하며 그렇지 않으면

말린 진흙 같이 균열이 발생한다 필름이 윤활제로 사

용될 때는 필름두께가 00006-00007인치(152-178)

를 초과하지 않아야 한다1)

- 테플론코팅은 통상으로 존재하는 표면 산화물이 제거

되지 않은 깨끗하고 탈지된 강철 황동 및 알루미늄금

속표면일 때 가장 잘 접착한다 만일 산세척에 의해

과잉 두께의 산화물이 제거되었다면 필수적으로 얇은

산화층이 형성될 때까지 공기 중에서 가열한다 접착

은 실표면적이 증가하면 증가하므로 경면가공(mirror

finish)보다 모래분사가공이나 무광택가공이 양호하다

- 테플론 코팅된 표면의 마찰계수는 금속기질 표면을

거칠게 함으로써 낮출 수 있으나 미끄럼마찰 조건 아

래 내구성은 금속의 거칠기가 32마이크로인치(rms)를

초과하면 감소한다

24

철강 기질의 인산처리는 소결 Teflon TFE필름의 마모

수명을 향상시킨다고 보고되었으며 양극처리 된 코팅

의 경도 및 내마모성과 불소수지의 윤활성을 결합하기

위해 다공성 경화 양극처리 알루미늄 위에 불소수지를

침윤하여 왔다 Teflon S 마감재는 Du Pont이 도입한

최초의 수성-기초 분산 TFE FEP로 이들은 ldquo계층화

된rdquo 마감재이다 Francis J Clauss1)는 다양한 용도에

서의 Du Pont사 제품들의 선정 가이드를 표로 종합하

였으며 이것을 요약하면 표 3-2와 같다

- 테플론 코팅은 프라이머 단층 프라이머 코팅 후 에나

멜이나 클리어 마감 또는 프라이머 에나멜과 클리어

마감 등 3-코팅 시스템으로 구성된다 프라이머들은

금속이나 세라믹 기질에 접착을 향상시키기 위해 개

질제를 함유한다 프라이머들은 가끔 1회 코팅 마감재

로 사용되나 음식물과 접촉하는 용도로는 반드시 에

나멜이나 클리어 마감재로 마무리 칠을 하여야 한다

프라이머는 층간 접착력이 부족하기 때문에 다중 코

팅에 적용될 수 없고 만일 06mil 이상의 코팅이 필요

하면 프라이머는 에나멜이나 클리어 마감재로 마무리

칠을 하여야 한다

25

표 3-2 테플론 코팅 두께1)

최종

용도대표적 용도

전체두

께(mils)

프라이머에나멜클리어

가공(mils)

비점착

산업

직물 슬래셔 통

열 봉합 봉 고무경화 롤러

우레탄과 에폭시 경화 주형

제빙기

목재 고무 주석도금 아연

10-25

07

20-50

08-13

07

03 07-22 07-10

07 마무리칠 불가

03 07-37 10min

03 05-10 05-10

07 마무리칠 불가

식품

프라이팬 내열접시

반죽롤러

캔디 장치

08-12

10-30

20-30

03 05-09

03 07-27

03 07-17 10

One-coat

system

금지

드라이

윤활

플러그 밸브

유리병 제조 전달 장치

베어링

03-07

15-25

05-07

03-07

03 03-05 03-05

02

전기

전자

저항기 코팅

아이들 롤러(제지 섬유 공업)

세라믹 절연체

40-50

10-15

20-25

03 37-47

03 07-12

03 17-22

부식

방지용기 라이닝 gt50 03 47 또는 5-10 이상

Non-

wetting콘덴서 튜브 02-04 02-04

- 유색 프라이머는 통상 안료가 필름의 범위와 두께를

시각적으로 체크할 수 있게 하므로 그렇지 않은 것에

비해 더 선호된다 에나멜과 클리어 마감재는 충분한

접착을 위해 프라이머 위에 발라야 한다 ldquo진흙 갈라

짐 현상(mud-cracking)은 코팅 당 최대 두께를

10mil로 한정하나 다중 코팅에 의해 극단적이 조건

하에 전체 두께를 10mils까지 바를 수 있으며 각각의

26

코팅은 분리하여 구워진다

불소화 고분자들은 낮은 표면장력 물과 기름에 젖지 않

고 비점착성이며 방오 특성(antifouling properties) 등을

갖기 때문에 다양한 특수 코팅에 적용되나 합성과 조성

이 몇몇 제조업자들에 독점되어 있고 값비싼 중간체를

필요로 한다 VC Malshe 등4)은 플루오르 함량이

4-10인 불소화된 아크릴 공중합체를 간단한 방법으로

합성하고 클리어 코팅하여 광학적 기계적 및 보호 특성

을 연구하였다

최근 에너지 절감과 CO2규제와 같은 환경규제에 대한 대

응 필요성이 증가하면서 발전소나 각종 보일러 시스템에

서 배가스로 배출되는 응축잠열 에너지의 회수 및 활용

에 관심이 증가되고 있다 Lee 등5)은 스테인레스 관 표

면에 400정도의 두께로 테플론을 코팅한 전열관에서

관의 열 및 응축 열전달 특성을 연구하여 테플론 코팅관

의 총괄 열전달 계수는 스테인레스 관보다 약 20 작은

것으로 나타나고 응축열전달 계수는 유사하였음을 보고

하였다

알루미늄 용광로의 비-여과 배출가스에 장기간 사용하기

적합한 역류 열교환기에 관한 것으로 원통형 쉘의 표면

27

은 알루미늄 용광로 배출가스 입자 및또는 먼지 및 부

식 흄과 접촉될 수 있어 테프론 계로 코팅 처리하는 특

허6)가 있다 이 특허에서는 원통형 쉘을 만들도록 복재

(web member 웨브재)와 함께 연결된 유체 운반튜브로

이루어진다 각 원통형 쉘에 위치한 헤더는 열교환기의

튜브에서 튜브로 유체를 공급하며 뜨거운 난류가스에 작

용하여 스케일링을 최소화하기 위해 헤더의 보호덮개를

설치한다

저온에서 고온에 이르는 환경에서 유체에 사용되는 배관

튜브는 열에 의한 경시적 열화가 진행되어 균열 발생이

쉽다 가동부에 사용되는 배관 튜브는 움직임이 수반되어

그 경향이 현저하며 반도체 제조장치에 일반으로 사용되

는 실리콘튜브는 저온에서 열화되어 파손되기 쉽다 이러

한 문제점을 해결하기 위해 실리콘 튜브 외측 표면을 테

플론으로 코팅하여 균열발생을 억제함으로써 장시간 사

용 가능하도록 고안한 특허7)가 있다

섬유상 부직포로 제작하는 다공성 여과필터는 다양한 산

업공정의 배출가스를 정화시키는 데 사용되며 특히 중고

온 환경에서 사용이 가능한 다양한 종류의 기능성 필터

의 개발이 요망된다 일반으로 소각장 및 발전소 등의 중

고온 조건에서 사용되는 Nomex를 비롯한 섬유상 필터는

28

200 이상에서는 열변형으로 사용이 제한적이고 세라믹

필터와 같이 고온에서 적용이 가능한 소재는 매우 고가

일 뿐 아니라 초기 작업으로 인해 에너지 사용량이 매우

높아지는 문제점이 있다 Kim 등8)은 250-300 영역의

중고온의 배출가스를 처리하기 위한 필터에 표면 소수성

과 고온 안정성을 부여하기 위하여 표 3-3과 같은 조성

으로 그림 3-1과 같은 장치를 이용하여 테플론 수지를

거품 형태의 코팅액으로 조제하여 유리섬유 원단에 공급

하여 표면코팅하고 열처리 및 압착과정을 거친 후 표면

분석하였다

표 3-3 테플론 코팅을 위한 화학첨가제8)

테플론 코팅이 전기 집진장치에 활용되는 특허도 있다

종전 사이클론 방식의 전기집진기에서는 집진부의 먼지

를 떨어뜨리는 것이 용이하지 않았다 발명자들은 먼지

압축 기능을 갖는 집진실 내측에 테플론 가공을 하여 정

전기에 의한 미세먼지의 부착을 억제함으로써 집진실의

먼지를 원 터치로 처리할 수 있도록 하였다9)

29

그림 3-1 테플론 거품코팅8)

일반으로 테프론을 조리용기에 코팅하는 방법은 금속소

재를 사용 제품형태로 제작한 후 세척하고 에이징(소둔)

처리한 후 샌딩하여 표면조도를 유지하도록 하고 표면에

프리머 처리하여 베이킹 처리한 후 분사방법으로 테프론

코팅을 하고 다시 베이킹 처리하므로 공정이 복잡하고

제조원가가 상승하며 부착력에 한계가 있다한다 (주) 엘

지아이 특허10)에서는 피처리물을 세척한 후 산질화처리

하여 표면에 열처리 층이 형성되게 한 후 테프론을 코팅

하고 베이킹 처리하는 것을 특징으로 한다 그 외에 내열

세라믹 주방용기의 불소수지 코팅방법에 관한 특허가 있

다11)

(주) 봉성비에스는 차량의 주행 충격을 흡수하는 완충기

30

내부에 삽입하는 피스톤 외주면의 마찰과 소음을 최소화

하기 위한 목적으로 테프론 코팅을 하기 위한 코팅장치

를 등록하였다12)

⑶ 대전 방지 플루오르화탄소 수지 코팅

ㅇ 본래 불소수지 자체는 높은 절연성과 큰 대전성을 갖고

있기 때문에 도전 효과를 얻기 위해서는 분상 필러를 다

량으로 충전할 필요가 있으나 이렇게 하면 비점착성이

떨어진다 여러 회사들의 제품 안내서들을 종합한 불소수

지의 전기적 특성은 표 3-4와 같다

표 3-4 불소수지의 전기 특성

특성측정법

(ASTM)단위

PTFE

(비충전)

PTFE

(25

유리충전)

PTFE

(25

탄소충전)

표면 내아크성 D495 sec 75-110

체적저항

(비저항)D257

ohm-

cmgt1018 gt1016 104

표면저항 D257ohm

sq-1 gt10

14

유전율(유전상

수) at 1MHzD150-81 e 25 24

절연내력 short

time 18thickD149

kv

mm285

유전정접(유전

정합) at 1MHzD150-81 lt00002 005

31

ㅇ 불소수지는 내열성 내한성이 높고 내약품성 내연소성

난연성이 우수하고 절연성 및 비점착성과 저 마찰계수를

갖고 있으나 절연성이 높아 정전재해의 원인이 될 수 있

어 재해 방지를 위해 대전 방지 또는 저저항을 특징으로

하는 불소수지 가공품이 개발되어 사용범위가 넓어지고

있다

불소수지에 충전하여 저저항으로 하는 필러에는 일반적

으로 도전성이 높은 카본 금속 또는 산화알루미늄 등의

금속산화물이 사용된다 재료의 형상으로는 미분 탄소

스테인레스 스틸 니켈 금속분과 같은 입상물 단섬유 탄

소섬유 위스커(whisker) 등이 사용된다

- 미분은 비표면적이 크기 때문에 소량의 충전으로 저

항치를 내릴 수 있으나 약품의 침투가 있는 경우 비

표면적이 크기 때문에 약품의 영향을 받기 쉬워 내부

식성 떨어질 가능성이 크다

- 입자상물질들은 미분에 비해 비표면적이 작기 때문에

약품의 영향을 비교적 적게 받지만 저항치를 내리기

위해 충전량이 많게 되어 불소수지의 특징인 비점착

성과 저마찰계수 특성을 저해한다 섬유 위스커 형상

은 단방향에 대한 장방향의 비가 클수록 적은 충전량

32

으로 저항치를 낮출 수 있지만 분산이 나쁘면 요철이

발생한다 부식 방지 코팅에서는 충전제의 내약품성이

관건이다 즉 부식 환경에서 불소수지 자체는 충분히

견디어도 충전제가 내약품성이 없으면 충전제가 서서

히 에칭되어 기기가 부식될 가능성이 크다

화학 석유 및 정제 산업에서는 시험 검사 세척 및 다양

한 공정의 용기 저장 탱크 반응기와 같은 많은 구성요

소들이 사용되며 플루오르화 고분자는 고온에서 높은 열

안정성을 갖고 다양한 유기용매에 전혀 용해되지 않으므

로 부식방지 등을 위해 플루오르화 고분자와 같은 내화

학성 고분자로 코팅된다 그러나 이들 고분자는 코팅된

구성요소의 표면에 정전하 축적을 조장하기 때문에 폭발

성 환경에서는 사용할 수 없다

특히 이들 구성요소들의 금속 구조물은 용기나 탱크에

보관된 가스 증기 분진의 이동에 의해 생성된 정전하

(electrostatic charge)를 흐르게 하는 전도경로가 되나 금

속표면을 강산 강알칼리나 유기용제에 의해 침투되는 방

지하기 위한 목적으로 부식방지 테플론으로 코팅될 경우

얇은 필름의 비-전도체로 작용하므로 폭발성 환경에서

사용을 규제하고 있다

33

- 예로 유럽 표준 EN 50014 section 732에서는 정전

하로 인한 발화 위험을 피하기 위해 사용 보수 및 세

척 조건 하에 설계된 울(enclosure)이 필요하고 울의

절연저항은 1GΩ을 초과할 수 없도록 규제하고 있고

일본은 후생노동성 관할 산업안전연구소의 정전기 안

전지침의 누설 저항치는 108Ω 이하로 되어 있다

- 따라서 부식 및 폭발성 환경에서 안전하고 다양한 구

성 요소에 적용할 수 있는 정전방지 비-발화 테플론

코팅기술을 요하며 정전방지 코팅은 표면저항을 낮추

기 위해 카본블랙이나 개질 전도성 탄소 금속이나 전

도성 고분자를 테플론에 충전하여 코팅한다

폭발성 환경용 내화학약품 특성과 대전방지 비발화

코팅 조성물로는 높은 비저항을 갖는 플루오르 고분자

50-90wt 10-50wt의 전도성물질인 탄소분(carbon

powder)으로 이루어진 Solex Robotics Systems Inc

특허가 있다13)

- 폭발환경에서 사용되는 이상적인 코팅은 정전하를 피

하기 위해 낮은 비저항을 가져야 한다 완벽한 전도체

는 비저항이 영(0)이고 완벽한 절연체는 무한 비저항

34

을 갖는다 금속(구리 금 같은) 합금(망가닌 Mn-Ni-

Cu 니크롬 Ni-Cr-Fe) 반도체(카본이나 게르마늄)는

낮은 비저항을 갖고 있어 좋은 도체이다

- 수많은 고분자 기초 코팅들이 부식화학 환경에 사용

되었으나 85GΩ 이상의 비저항으로 대전방지 시험에

서 실패하였다 정전기 도체로 인증기준 아래 적합하

기 위해서는 100cm2이상의 노출 표면이 1GΩ 이하의

비저항이어야 한다 코팅에 첨가된 탄소분은 전도도를

증가시키며 10-50의 함량은 1GΩ 이하의 비저항을

만족시킨다

비전도성 표면의 표면저항을 감소시키도록 카본이나 금

속을 사용하여 대전방지를 부여하는 공정의 단점으로는

카본이나 금속의 접착력이 낮아 입자의 마모가 일어나

장기간 사용 시 대전방지 수준이 감소하는 것이다 더욱

클린룸에서 입자의 방출은 심각한 문제가 된다 대부분의

비전도성 기질은 통상 23 상대습도 50에서 표면 비

저항이 109ohmsquare 이상으로 높고 PTFE 경우는 10

12

ohmsquare이상이다14)

반도체 제조 장치에서는 웨이퍼 기판을 안착하기 위해

작업 스테이지를 사용하며 작업스테이지는 통상 금속과

35

세라믹으로 제작되나 웨이퍼기판을 작업스테이지에 올려

놓을 때 작업스테이지와 웨이퍼기판 사이에 마찰 정전기

가 발생한다 FPD(flat panel diplay 평판표시)용 디스펜

서(dispenser)에 사용되는 작업스테이지는 진공방식으로

디스플레이 기판을 흡착 고정하며 흡착 고정되었던 디스

플레이 기판이 작업스테이지에서 박리될 때 작업스테이

지에 정전기가 발생하여 디스플레이 기판에 대전된다 최

근 디스플레이 기판이 대형화됨에 따라 대전량이 증가되

고 정전기 대전문제가 더욱 심각해지고 있다 웨이퍼기판

이나 디스플레이기판에는 반도체소자 등 다수의 전자부

품들이 배치되어 있기 때문에 정전기가 발생되면 전자부

품의 신뢰성에 치명적 손상을 주고 기판에 분진이 부착

되거나 정전기의 대전으로 기판 리프트 업(lift up)시 기

판이 깨어지는 문제가 발생한다 정전기 대전을 방지하기

위해서는 작업스테이지에 이오나이저를 설치하여 중화하

기도하나 리프트 업이 불가능하거나 이온풍이 도달하기

전 방전하는 등 작업 스테이지와 기판 사이에서 발생한

정전기가 순간적으로 일으키는 박리대전 문제를 해결하

기 어려워 작업 스테이지의 정전기 방지를 위해 불소수

지로 코팅한다

- 불소수지는 다른 물질과의 흡착에너지가 작고 비점착

성이 우수하며 마찰계수가 작아 유리기판과의 상관관

36

계가 작아져 박리에 의한 정전기의 발생량이 적어지

나 불소수지는 절연성을 가지므로 테프론 코팅에서는

카본 블랙이나 전도성 고분자 등을 필러로 사용한다

대전방지가 필요한 반도체 제조장비 디스플레이 장치 및

테스트 장치 등의 작업 스테이지를 테프론 코팅함으로써

작업 스테이지의 정전기 발생을 방지하는 방법의 단점의

하나는 제작비용이 상대적으로 많이 드는 것으로 디스펜

서의 경우 디스플레이 기판이 대형화됨에 따라 작업 스

테이지의 크기가 커져 제작비용이 증가한다 또한 불소수

지의 경도가 낮아 코팅 막에 스크래치가 발생하고 이 부

분은 평탄도 유지가 어려우며 입자들이 발생하는 요인으

로 작용하며 불소수지가 절연성이므로 카본블랙이나 전

도성 고분자 등의 도전성 필러를 충전하여 대전방지에

적합한 면-저항을 갖도록 할 경우 카본블랙은 구형으로

분진이 발생하는 문제점이 있고 전도성 고분자를 사용할

경우는 내용제성이 약하고 과량의 바인더를 사용하여야

하며 박막 형성이 어렵고 불소수지의 경도를 보완하기

위해 아노다이징 처리를 하는 경우는 이후 별도의 코팅

과정을 거쳐야 하므로 제작비용과 제작시간이 증가하는

등 여러 가지 단점들이 있다 이러한 문제점들을 해결하

기 위한 방법으로는 작업 스테이지와 기판이 만나는 면

에 정전기 발생을 최소화시킴과 동시에 그 제조비용이

37

절감되고 적절한 면-저항을 조절할 수 있으며 마찰계수

가 낮고 내마모성이 향상된 작업스테이지 표면의 대전방

지 처리 방법에 관한 국내의 탑나노시스 사의 특허15)가

있다

- 탑나노시스 사의 특허 목적은 작업스테이지의 기판과

만나는 면에 정전기의 발생을 최소화시킴과 동시에

그 제조비용이 저감되고 적절히 면-저항을 조절할 수

있으며 마찰계수가 낮고 내마모성이 향상된 스테이지

표면의 대전방지 처리 방법에 관한 것으로 이 특허에

서는 금속소재의 작업 스테이지 표면을 아노다이징

처리하여 복수의 산화표면 홀들을 형성시키고 여기에

탄소나노튜브를 삽입하고 경화하며 탄소나노튜브 경

화 후에 표면을 봉공 처리한다

- 작업스테이지 표면은 106-10

9Ωsq의 면-저항을 갖는

것이 바람직하며 산화표면 홀들은 직경 30-900nm 깊

이 100-900nm가 바람직하다 아노다이징 처리를 하는

금속소재는 Al Mg Zn Ti Ta(탄탈륨) Hf(하프늄)

Nb(니오븀) 등일 수 있고 이 발명에서는 가벼우며 일

정 강도를 갖고 가공성이 우수한 Al합금을 예로 들어

설명하고 있다

38

- 알루미늄소재 작업스테이지 표면에 산화피막(Al2O3)처

리를 하는 아노다이징(anodizing 양극산화)에서 전해

액은 수산화나트륨이나 수산과 황산 등이 사용될 수

있고 수산화나트륨의 농도(20-50) 공급전압 전류

및 시간 등을 조절하여 산화표면 홀의 크기(D)와 깊

이(L)를 조절하며 D와 L에 따라 대전방지 효과나 내

구성 및 표면경도를 조절한다

- 탄소나노튜브를 산화표면 홀 내에 삽입시키는 단계는

전해 흡착 하여 이루어질 수 있고 정전도장을 통해서

도 이루어질 수 있다 탄소나노튜브는 분산제를 포함

하는 용액으로 코팅되며 분산제로는 소듐 도데실설페

이트(SDS) 트리톤X Tween20(폴리옥시에틸렌 소르

비탄모노올레이트) CTAB(cetyl trimethyl ammonium

bromide)를 예로 들고 있으며 탄소나노튜브 용액은

아크릴계 우레탄계 등 또는 전도성 고분자계 유무기

하이브리드계 바인더가 포함될 수 있다

- 봉공처리는 산화표면 홀과 산화피막을 봉공하여 내식

성 등이 향상되도록 보호 층을 형성시키는 것으로 비

등수 가압증기에 의한 수화봉공 금속염을 포함한 열

수에 의한 금속염 봉공 오일로 도포나 침적하는 유기

물 봉공 양극산화 피막 층에 도장하는 도장에 의한

39

봉공 등이 있다

반도체 소자를 제조하는 과정에는 불순물 이온을

주입하는 장비가 이용되고 있다 (주)하이닉스 반도

체의 특허에서는 이온주입 장비의 웨이퍼 지지 장

치 리프트 핀의 끝단을 라운드 처리하고 리프트 핀

에 테플론을 코팅하여 리프트 핀과 웨이퍼 후면의

접촉 시 웨이퍼 후면에 스크래치와 같은 손상이 유

발되는 것을 억제할 수 있게 한다16)

⑷ 탄소나노튜브(CNTs Carbon Nano Tubes)17)

탄소나노튜브는 탄소의 동소체로 1991년 일본 NEC 연구

소의 Ijima박사에 의해 전자 현미경을 통해 처음으로 확

인되었다 1985년에 Kroto와 Smalley가 탄소의 동소체인

풀러렌(탄소 원자 60개가 모인 것C60)을 처음으로 발

견한 이후 전기방전 시 흑연 음극 상에 형성된 탄소덩어

리를 투과전자현미경으로 분석하는 과정에서 발견하여

Nature학술지에 처음으로 발표되었다18) 탄소나노튜브에

서 탄소원자 하나는 주위의 다른 탄소원자 3개와 sp2결

합을 하여 육각형 벌집무늬를 형성하며 이 튜브의 직경

이 대략 수 나노미터(nm nanometer) 정도로 극히 작기

40

때문에 나노튜브라고 부르게 되었다 이 탄소나노튜브는

전기 세기가 클수록 더 수축하는 성질을 가지고 있는 등

튜브의 직경이 nm수준으로 극히 작아서 특유의 전기화

학적 특성을 나타낸다

Ku 등19)에 의하면 CNTs는 전기방사법(arc-discharge)

레이저증발 법(laser vaporization) 플라즈마 화학기상증

착 법(plasma enhanced chemical vapor deposition) 열

화학 기상증착 법(thermal chemical vapor deposition) 등

의 다양한 합성법이 개발되어 대량생산이 가능하다

CNTs의 종류는 벽의 수에 따라 단일 벽 탄소나노튜브

(SWNTs) 이중 벽 탄소나노튜브(DWNTs) 다중벽 탄소

나노튜브(MWNTs)가 있으며 물성에 관한 많은 연구결

과 기계적 전기적 열적으로 우수한 성능을 갖고 있음이

입증되었다

CNTs는 인장강도와 탄성률 면에서 지금까지 발견된 재

료 중 가장 강하고 질기며 다중벽 CNT는 63GPa에 이른

다 표준 단일 벽 CNT는 25GPa의 압력까지 변형 없이

지탱된다 그래핀의 대칭성과 특이한 전기적 구조 때문에

CNTs의 구조는 그것의 전기적 특성에 영향을 미쳐 금속

성이나 반도체의 특성을 나타내고 이론적으로 금속성

41

CNTs는 구리와 같은 금속의 1000배가 큰 4times109Acm

2

전류 밀도를 운반할 수 있으며 나노크기의 단면으로 전

자가 튜브의 축 방향으로만 전파되고 전자의 이동은 양

자효과를 수반하여 1차원 전도체로 간주된다

CNTs는 우수한 물성과 상대적으로 큰 표면적으로 갖고

있어 충전제(filler)로써 에폭시 폴리스틸렌 폴리우레탄

등 고분자와 혼합하여 폴리머의 기계적 전기적 특성을

향상시키려는 연구가 활발하다 CNTs가 폴리머 중에서

충전제 역할을 하기 위해서는 고른 분산이 필요하나 반

데르발스 힘에 의한 CNTs 응집현상(agglomeration)으로

인해 효과적인 분산이 어려워 오히려 폴리머의 물성을

저해하므로 이것을 개선하기 위한 다양한 기계적 화학적

분산 방법이 연구되고 있다

- CNTs를 분산시키기 위한 가장 일반적인 방법은 용매

나 폴리머에 CNTs를 투입하고 초음파처리를 하는 것

으로 초음파처리를 하면 SWNTs의 길이가 짧아지고

다발(bundle)이 얇아져 분산력이 증가한다

- CNTs 표면을 산이나 아민으로 기능화하여 분산을 높

이는 방법도 연구되고 있으며 MWNTs를 HNO3

H2O2NH4OH 용액에 침지시켜 MWNTs에폭시 복합

42

재료는 전기적 특성을 향상시키려는 연구와 산과 아

민 등의 기능기를 도입하여 SWNTs의 열전도도를 향

상시키려는 연구들이 수행되고 있다

- 기계적 분산방법인 전단혼합방법은 좁은 관이나 상대

적으로 높은 속도의 유동을 이용하여 발생한 전단력

으로 CNTs를 분산시키는 방법이다 Ku 등19)은 전단

혼합과 초음파처리를 이용하여 MWNTs로 강화된

에폭시 복합재료를 만들어 기계적 및 열적 특성을 연

구하였다

⑸ 내마모성 테프론 코팅

ㅇ 재료의 부식은 구조재에 원하지 않은 변화 원인으로 작

용하여 경제적인 문제로 귀결되는 심각한 문제이다 이들

원치 않는 변화는 때로 적절한 코팅에 의한 표면처리로

예방할 수 있다 가장 일반적이고 자주 사용되는 전착 코

팅은 아연에 기초한 아연 코팅 및 합금 코팅으로 이들

코팅은 간단한 기술로써 내부식성이 양호하여 전 표면처

리의 약 14에 해당하나 최근 낮은 마찰계수 등 다른 특

성들이 매우 중요하게 되었다 이들 특성은 다층 코팅으

로 대응할 수 있으나 두께가 증가하고 기술이 복잡하여

가능한 해결방법으로는 복합체 코팅이 있다 복합체 코팅

43

은 일반기계와 자동차 전자부품 및 컴퓨터 등 다양한 분

야에 적용된다 금속 기질에 미세한 PTFE 입자의 전착

에 의한 증착은 새로운 세대의 복합체 코팅으로써 가장

바람직한 특성은 양호한 내마모성 자기윤활 내부식성이

다 M Paderovaacute 등20)에 의하면 이들 특성은 주로 사용

한 입자(흑연 다이아몬드 MoS2 또는 PTFE)와 용액의

유형(pH 온도 bath 등) 뿐 아니라 입자의 크기 농도

분산 및 형태학에 의존한다

ㅇ 충전되지 않은 PTFE의 마모율은 736-741times10-4mm3Nm

로 내마모성이 낮아 다양한 충전제들이 첨가되고 있다

Xing-Dong Yuan 등21)은 진공 조건에서 PTFE 코팅

의 마모특성을 연구하여 초기에는 하중이 증가함에 따

라 마찰계수가 감소하나 하중이 6N 이상으로 커지면

마찰계수도 증가하며 압력이 PTFE 코팅의 마찰계수

에 미치는 영향이 거의 없고 마모는 압력이 증가하면

초기에는 감소하나 10Pa 보다 높으면 급격히 증가한

다고 보고하였다

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위해서는 윤활제로 PTFE

계 수지 접착제로는 폴리아미드이미드수지 산화철 분말

44

및 브론즈 분말 등을 혼합한 조성물을 사용하거나 미국

특허에서는 스와시플레이트 형 압축기의 플레이트 표면

에 MoS2 흑연 PTFE계 윤활제와 열경화성 수지인 폴리

아미드이미드(PAI) 조성물을 코팅하여 내마모 및 윤활성

을 부여하고 있다22) 내열성 향상을 위해서는 고체윤활

제 접착제수지 및 저융점 금속인 Sn Pb In Bi 등을 함

유하는 합금이나 화합물을 사용하여 금속의 잠열을 이용

내열성 향상을 시도하기도 한다

ㅇ 그간 철강(스테인리스강 탄소강 아연도금강판 등)의 내

부식성 향상을 위한 많은 연구들이 수행되어 왔다 4플루

오르에틸렌(C2H4) 4플루오르에탄(CF4) 6플루오르에탄

(C2F6) 3플루오르화에탄(CHF3) 8플루오르화에탄(C4F8)

같은 불소화된 단량체의 플라즈마 중합에 의한 테플론

류 코팅은 그들의 소수성으로 인해 금속의 내부식성 향

상을 위한 대안으로 주목을 받고 있다 A Delimi 등23)

은 유도결합 고주파플라즈마(inductively coupled radio

fre- quency plasma)를 사용하여 소수성 박막 불소수지

필름을 탄소강에 증착하고 3염수에서 내부식성을 평가

한 결과 1개월 동안 9nm의 필름이 유지되는 것을 관찰

하여 불소고분자 박막이 금속과 금속산화물의 보호층이

될 수 있음을 보고하였다

45

ㅇ PTFE를 이용한 세라믹코팅 기술로는 알루미늄 및 알루

미늄 합금 공작물을 양극처리에 의해서 티타늄 및또는

지르코늄 산화물을 포함하는 내식성 내열성 및 내마모

성 세라믹 코팅을 하고 이어서 양극처리된 공작물을

PTFE 또는 실리콘 함유 코팅과 같은 제 2 코팅으로 코

팅한다 이 발명은 가소성을 가지는 경질의 필름 내에서

내식성 내열성 및 내마모성을 제공하는 티타늄 및또는

지르코늄 산화물의 양극처리 층으로 기판을 예비-코팅함

으로써 알루미늄 기판에 보다 긴 수명의 코팅을 형성하

는데 특히 유용하다24)

ㅇ Nosaka 등25)은 PTFE로 대표되는 불소수지는 마모-링이

나 극저온 밸브의 실링부에 많이 사용되며 진공치환법에

의해 탄소재료에 PTFE나 MoS2 분말을 1-2wt 함침시

키면 무함침한 것에 비해 마모가 약 13로 감소한다고

보고하였다 한편 저자들은 터보펌프의 실링재료가 극저

온 환경에서 보이는 특이한 현상을 극복하기 위해 베어

링의 표면에 노출된 유리섬유를 불소산으로 처리하여 용

해 제거하고 윤활성을 높인 유리섬유강화 테프론 리테이

너를 개발하여 내구성과 윤활성을 향상시킬 수 있었다고

보고하고 있다

46

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위한 또 다른 특허로는

폴리실록산계 접착제를 단독 혹은 폴리에스테르계 접착

제와 병용하고 고체 윤활제로 MoS2(이황화몰리브덴

WS2(이황화텅스텐) h-BN(육방정 질화붕소) 팽창흑연

및 PTFE를 사용하고 충전제로 탄화규소 알루미나 산화

지르콘 산화티탄 등의 미분말을 사용하여 내마모 내열

및 윤활성을 부여하고자 하는 내마모성 및 윤활성 코팅

조성물에 관한 특허가 있다26)

ㅇ 내열성 내후성 내오염성 내약품성 내구성 등의 물성

은 유지하면서 비점착성을 높이기 위해 무기계 세라믹

코팅 조성물에 PTFE를 첨가하기도 한다 이러한 하이

브리드 코팅 조성물에 관한 특허로는 불소수지(01sim25

중량) 콜로이달 실리카나 콜로이달 알루미나 등 무

기계고분자 바인더(20sim80중량) 알콕시실란 화합물

(1sim50중량) 수용성 유기용제(1sim10중량) 충전제

또는 안료(5sim50중량) 및 물(100중량 까지 보충)로

이루어진 코팅 조성물에 관한 것으로 무기질 도료 및

무기계 세라믹 코팅에 의해 내열성 내오염성 내약품

성과 내구성을 유지하고 접착력을 높이기 위해 소량의

PTFE를 사용하는 것이 있다27)

47

ㅇ 정전 복사기에 사용되는 정착기재부의 최외층에 코팅하

여 기계적 성질 및 내마모성을 향상시키려는 목적으로

불소수지 기질 중에 분산된 불소화 다이아몬드를 함유하

는 입자로 구성된 조성물에 관한 일본 특허28)가 있다

ㅇ 부식 특성을 개선한 흑색 무크롬(chrome-free) 다층 내

부식 마무리 칠과 방법에 관한 특허29)로는 ASTM B 117

표준으로 시험할 때 백색 부식에는 최소 500시간 염수분

무시간 및 적색 부식에는 1500시간 염수분무시간에 적합

하게 설계된 마무리 칠에 관한 것이 있다 이 다층 시스

템은 광택(gloss) 4 이상을 만족하는 자동차 차체 강판

자동차 하부와 내장에 사용되기 위해 설계된 것으로 이

다층 마무리 칠은 3층 부식 방지 시스템을 형성하도록

아연-철 전기도금 기질 오르토인산을 사용한 무전해 인

산염 결정 전환 층과 XylanTeflon 실러 코팅의 조합이

다

ㅇ 전통적으로 철 강판(steel sheet)은 크롬산 염 전환 코팅

으로 개질되어 왔으나 6가 크롬이 배출되어 환경을 오염

시키는 문제점이 있어 강판의 내-부식성을 개선하기 위

해 고분자 수지 코팅들이 수행되고 있으나 이 방법은 고

48

분자 코팅 층이 열전도도를 감소시키는 단점을 가지고

있다 Kang 등30)은 강판 위의 고분자 코팅 층의 열전도

도를 향상시키기 위해 초미세-크기 다이몬드(μD)입자를

열전도 물질로 사용하였다 다양한 음이온 및 비-이온

계면활성제들을 사용하여 수용액 중에서 무거운 μD입자

의 안정화를 시험들을 한 결과 1-피렌카르복시산(PCA)

이 가장 양호하였다 그림 3-2는 이 시험 결과를 요약한

것이다

- 강판 위에 PCA로 안정화 된 μD 입자를 함유한 폴리

우레탄-기초 코팅 층은 열전도도가 0351W(mK)에서

0434 W(mK)(10 wtμD)로 향상되었으며 더욱 144

시간 동안 염수 분무 시험결과 부식거동은 관찰되지

않았다

그림 3-2 피렌카르복시산을 이용한 μD 표면처리

ㅇ 자동차공업에서는 기본적인 특성으로 내마모성이 요구되

49

는 강철 기계부품들의 마찰특성을 향상시키기 위해 다양

한 금속 및 고분자 코팅들이 광범하게 이용된다 내-마

모 코팅은 두 가지 주요 특성인 높은 표면경도와 자기-

윤활 특성이 필요하다 후자의 범주에 속하는 것이

PTFE와 MoS2 기초 코팅이다 무전해 니켈 코팅은 높은

경도로 인해 양호한 마찰 특성을 보이며 한편 열처리를

통해 경도를 향상시킬 수 있다 PTFE입자의 첨가는 코

팅경도를 감소시키나 자기-윤활특성을 부여한다 S

Rossi 등3132)은 마찰특성을 향상시키기 위해 이용되는 탄

소강에 이용되는 몇 가지 공업적인 코팅에 관한 부식거

동에 관해 평가 PTFE입자를 함유한 무전해 니켈-인

(Electroless Nickel-Phophorus)코팅은 PTFE 입자(자기-

윤활 특성)를 갖는 외층과 장벽-효과를 갖는 내층으로

인한 이중 특성으로 가장 양호한 특성을 보였다고 보고

하고 있다

ㅇ 모든 기계적 시스템은 동적 요소를 필요로 하며 마찰과

마모를 줄이기 위한 다양한 수단들이 가능하나 그 선택

은 환경이나 조작 조건에 제한을 받는다 PTFE는 자기

윤활 낮은 마찰계수 높은 열안정성과 화학약품 안정성

으로 산업분야에 널리 사용되는 엔지니어링 고분자이지

만 내마모성이 매우 부족하다 이러한 이유로 금속

-PTFE충전 복합체들이 PTFE의 마찰특성과 금속충전제

50

의 내마모성을 결합하여 특정 분야의 용도로 소개되어

왔으나 금속-고분자 물질에서의 충전제의 역할은 완전히

설명되지 않고 있다 복합체 표면의 과잉의 충전제 농도

는 미끄러지는 동안 부하를 지지하여 내마모성을 증가시

키는 것으로 생각되며 PTFE의 마모율은 Mo Zn Ni

Y2O3 및 SiO2 같은 무기 충전제에 의해 1000배가량 감소

되었다는 보고도 있다 유리섬유 구리 세라믹 탄소섬유

절단 탄소섬유 나노입자를 포함한 경질의 충전제 입자들

이 PTFE의 내마모성을 높이기 사용되어 왔다

ㅇ 비교적 두꺼운 코팅에는 열분사(thermal spray) 용사기

술이 정립되어 있고 용사 코팅은 내마모 내마찰 내프레

팅(fretting) 및 내부식을 요하는 산업에 많이 이용되고

있다

- 용사 몰리브덴(Mo)코팅은 실질적 내마모성 코팅으로

가장 광범하게 이용되며 프레임용사(flame spray)거나

와이어용사(wire spray)기술로 생산된 몰리브덴(Mo)

코팅은 흠이나 마모에 대한 고도의 저항을 얻기 위한

가장 좋은 코팅재료 중의 하나이다

- 알루미늄 청동(aluminium bronze)은 높은 내-부식성

과 내마모성을 갖는 것이 특징이다 저압 플라즈마 용

51

사 기술은 자기-아닐링(self-anealing)과 부서지기 쉽

도록 유도하는 γ-상의 형성을 피할 수 있도록 높은

냉각 속도를 얻는 데 사용되며 알루미늄 청동 저압

플라즈마 용사 코팅은 낮은 마찰과 마모를 보였고 비

교적 최근 플라즈마 용사 기술을 이용하여 알루미늄

기질에 고분자-세라믹 복합체를 코팅하는 기술이 개

발되었다33)복합체 코팅으로 행한 마찰 시험에서 낮

은 마찰계수를 얻을 수 있었다

- 낮은 마찰계수와 고 내마모성을 갖는 이성분 금속

-PTFE 코팅이 개발되었고 이들의 마찰 공학적 성능

이 보고되었다 PTFE-기초 복합체 설계에서 일반적

인 접근방법은 경질의 충전 입자들을 도입하는 것으

로 M Yamane 등34)은 PTFE-금속 이성분 코팅의 마

찰 마모성능에 관한 연구 결과 알루미늄 청동 코팅이

Mo코팅에 비해 PTFE 저장소(reservoir)에 유용했음

을 보고하였다

⑹ 충전 또는 강화 플루오르화 탄소1)

ㅇ 분말이나 강화섬유 등 전형적인 충전재들이 충전 또는

강화 플루오르화 탄소에 사용된다 충전재는 저온흐름

52

을 향상시키는 데 사용되며 수축과 균열을 줄이고 열

팽창을 낮추며 열전도율을 향상시킨다

ㅇ 분말이나 단섬유로 된 전형적인 충전제를 표 3-5에 종합

하였다 유리섬유는 가장 보편적인 PTFE 충전제로 화

학 및 전기적 특성에 최소로 영향을 미치며 기계적 특

성을 크게 향상시킨다 분말에 비해 섬유는 압축강도

강성도 및 지지용량을 더욱 향상시키나 분말은 충전

테플론의 내구성에 거의 영향을 미치지 않는다 금속분

말은 특히 열전도도를 향상시키며 고속에서 발생하는 마

찰열을 소멸하는데 도움이 되며 전기저항을 상당히 감소

시켜 금속-충전 조성물은 양호한 절연체는 아니다

ㅇ 흑연(graphite) MoS2는 초기 내구성과 마찰을 개선하고

기계적 특성을 향상시킨다 석면은 많은 유용한 특성을

갖지만 가공 처리 중 가스가 방출할 뿐 아니라 사용금지

물질이다 표 3-5 외에도 금속 망 장섬유 다공성 금속

등 다양한 충전제들이 있으며 다양한 종류의 제품들이

상업 생산되고 있어 최종 선정을 하기 전에 플라스틱 가

공업자로부터 보다 완전한 정보와 추천을 받는 것이 바

람직하다

53

표 3-5 불소수지용 충전제

ㅇ 압축강력 인장과 압축 시의 탄성률 및 항복강력은 첨가

제의 첨가에 의해 모두 증가하나 일반으로 인장강력과

신도 및 충격강도는 손실된다 통상 충전 테플론은 압축

상태에서 사용되므로 인장강력의 감소는 중요하지 않다

인장강력의 손실은 설치(연속적인 링-실링)할 때 인장되

는 재료에서 중요하다 열팽창 계수는 비-충전 테플론에

비해 감소되어 통상 금속 부품의 팽창계수와 잘 맞는다

ㅇ 마찰과 마모를 수반하는 분야에서 가장 중요한 것은 충

전제로 얻어지는 PV한계치의 증가와 마모의 감소다 비-

54

충전 테플론에 비해 PV한계치 크기는 개략적으로 1차원

적으로 증가하나 마모인자는 3차원적으로 감소한다 충전

테플론의 평균치들은 동적 마찰계수는 01-02 PV한계치

는 10000-20000 psi-fpm 마모상수는 10times10-10in3-min

lb-ft-hr이다 그림 3-3은 충전 테플론 PTFE의 마찰계

수에 미치는 충전제 종류와 농도의 효과에 관한 것이다

그림 3-3 테플론 PTFE에 미치는 충전제 종류와 농도1)

ㅇ 내마모성을 향상시키는 충전제는 실제로 연마저항성을

감소시키는 것으로 날카로운 입자는 보다 쉽게 침투하고

충전제 입자와 수지 사이의 경계를 따라 충전 플라스틱

을 찢는다 따라서 라이닝 슈트 같은 분야의 적용 시는

55

비-충전테플론이 보다 바람직하다

⑺ 시트 테이프 및 박층(laminates)

ㅇ 대부분의 플루오르화탄소는 충전 여부에 관계없이 두

께 1mil(0001 in)까지 시트나 테이프로 만들 수 있고

시트나 테이프를 찍어서 원하는 형상의 립-씰(lip seal)

펌프 컵(pump cup) 피스톤 링(piston rings) 가스켓

(gaskets) 등을 만들 수 있다

ㅇ 유체의 누설을 정지시키는 밀봉기능 부품 중 각종기기의

접합부나 배관 플랜지 등의 밀봉에 사용되는 가스켓

(gaskets)은 석면이 널리 사용되어 왔으나 유해물질 배

출 및 이동량 보고제도(PRTR Pollutant Release and

Transfer Register)에서 발암성을 가진 제1종 지정 화학

물질로 지정되어 사용이 금지되어 PTFE가 가스켓으로

개발되었다 PTFE는 용융 알칼리 금속 및 그 용액과 불

소 및 3불화염소에 의해 약간 침식되나 모든 화학약품에

안정하고 우수한 내부식 재료로 C-F결합력이 크고 F원

자가 C-C결합의 주위를 간격 없이 들러 싸고 있기 때문

에 다른 물질의 공격을 방어하고 있고 내열성은 260로

높다35)

56

- PTFE 필러를 사용한 PTFE 나선 권형 가스켓은 석

면에 대한 사용규제와 상관없이 사용되어 왔으며 유

연한 필러를 사용하므로 석면 가스켓 보다 낮은 체결

압력에서도 실 특성이 우수하고 내식 면에서도 광범

하고 다양한 유체에 사용이 가능하다 다만 단열성 면

에서는 석면 나선 권형 가스켓 보다 사용온도 범위가

제한된다

ㅇ 산업 기계나 자동차의 브레이크 제동장치에 부착하여 마

찰력을 부가하는 브레이크 라이닝에서는 마찰계수와 내

마모력 및 충격계수 등 마찰특성이 우수한 석면을 주로

사용하여 왔으나 제동 시 발생하는 미세 석면분진으로

인해 대기오염에 의한 환경을 파괴 뿐 아니라 인체에 흡

입될 경우 암을 유발하여 PRTR로 사용이 금지되었다

석면을 대체할 유기질 또는 무기질 된 다양한 비석면 마

찰 섬유 등이 사용되고 있으며 마찰 섬유에 테프론을 코

팅하여 브레이크라이닝의 수명향상 제동 시 발생하는 소

음 떨림 및 제동력 향상을 위한 제품개발이 시도되고

있다

- 예로 국내 특허36)에서는 브레이크 라이닝(또는 패드)

의 마찰재 배합재료 중 유기섬유(Kevlar섬유 pulp섬

57

유 등)에 테프론을 코팅하고 코팅된 유기섬유에 결합

재 충전재 윤활재 마찰안정재 마찰조정재 등을 소정

의 배합비로 배합하여 성형하고 열처리하여 브레이크

패드 또는 라이닝을 제조한다

ㅇ 초소형 정밀기계(MEMS Micro-Electromechanical

System)분야에서는 점착방지를 위해 불화 유기박막을

사용한다 Park 등37)은 단층 두께의 불화 유기박막의

특성을 접촉각 측정을 통해 분석하였다

⑻ DLC 코팅3839)

ㅇ DLC(diamond-like carbon)는 몇 가지 다이아몬드의 전

형적인 특성을 나타내는 비정질 탄소물질로 극도의 내마

모 특성을 필요로 하는 재료의 코팅에 이용되고 있다

DLC코팅은 연마 마모를 감소시키기 위한 재료에 유용하

여 엔드밀 드릴비트 금형 같은 공구는 물론 자동차 기

계부품 및 전자산업 등 산업전반에 걸쳐 적용된다40)

ㅇ 환경오염 문제로 인해 PRTR(Pollutant Release and

Transfer Register 유해물질 배출 및 이동량 보고 제

도) 이 시행되어 습동 부품이나 절삭 시에 사용되는 오

일이나 그리스에 포함되는 첨가제(MoS2 Zn 등)와 이들

58

부품을 세정할 때 사용되는 용매 기계부품의 수명을 연

장시키기 위해 활용되었던 Cr도금 폐액에서 발생하는 6

가 크롬 등의 오염물질들에 대한 규제가 더욱 강화되어

DLC에 의한 무윤활 습동과 무윤활 절삭을 지향한 공구

와 기계 부품의 개발이 관심을 끌고 있다4142)

- 일본 내에서는 PRTR이 시행되고 이것에 저촉되는 재

료에 관해서는 MSDS(Material Safety Data Sheet)를

첨부해야할 의무가 있고 부품가공 습동 용도에서는

대상 리스트에 올라 있는 오일 오일 중의 중금속 도

금폐액을 어떻게 경제성 있는 환경 친화적 공정과 재

료로 전환할 것인가를 고려하면서 무윤활 습동 무윤

활 절삭 탈크롬 도금의 3가지 키워드가 대두되고

DLC코팅이 대안으로 모색되고 있다

- DLC코팅 적용기술과 과제에 관한 자료로는 자동차

관련부품 적용사례 엔진부위 마찰 작동 밸브계의 마

찰저감 DLC와 윤활제에 의한 마찰저감 기술을 중심

으로 살펴본 보고가 있다43)

ㅇ DLC는 7가지 형태가 존재하며 모두 상당한 양의 sp3혼

성궤도 탄소원자를 함유한다 다양한 형태의 DLC가 진

공 환경으로 적합한 재료들에 적용가능하며 유럽에서의

59

2006년 위탁 DLC코팅 시장은 3천만euro로 추정되었고 국

내도 활발한 상용화가 시도되고 있다

ㅇ 사반면상(tetahedral) 비정질 탄소 ta-C를 2두께로 코

팅하면 연마마모에 대한 스테인레스 강(304 type)의 내구

성을 증가시켜 수명을 1주일에서 85년으로 늘이며 이러

한 DLC의 형태는 sp3결합 탄소 원자로만 이루어지기 때

문에 순수한 DLC로 간주되며 수소 sp2흑연 탄소 금속

같은 충전제가 생산경비를 낮추거나 원하는 특성을 부여

하기 위하여 사용되고 있다

ㅇ DLC를 만드는 방법에는 sp3탄소 보다 낮은 밀도의 sp

2

에 의존하는 몇 가지 방법들이 있으며 압력 충격 촉매

또는 이들의 조합으로 sp2결합탄소 원자들을 sp3결합탄소

로 근접시킨다 최근 초고압 하에서 탄소의 경량 특성을

갖는 초경도 무정형 다이아몬드가 만들어졌다 탄소로 만

들어지는 다이아몬드 그래파이트는 결정구조를 가지나

DLC는 비정질이라는 점에서 크게 다르고 200 정도의

저온에서 형성시킬 수 있다는 점이 통상의 PVD막에 비

해 훨씬 우위에 있다

ㅇ DLC코팅은 제조공정이 복잡하고 생산 단가가 비싸 적용

이 어려우며 적용되는 소재가 제한되는 단점을 갖는다

60

주요제법으로는 고주파 플라즈마 법 이온화 증착법 스

페터링법 등을 들수 있다 고주파 플라즈마 법은 메탄가

스가 원료로 사용되고 막 중의 수소가 약 30(원자)로

평활성이 우수하고 마찰계수가 작으나 경도가 낮다 이

온화 증착법은 벤젠을 사용하며 막은 단단하나 면의 조

도가 거칠고 후막화 하기 위해 스패터링 방법이 검토되

고 있다

⑼ 불소수지의 안전성

ㅇ 테플론 PTFE의 열분해는 200(392)에서 감지되며 이

것은 몇 가지 플루오르화 탄소 기체들과 승화물질을 방

출한다4445)1955년 동물실험에 관한 한 연구에서는 이들

물질이 250(482) 이하에서는 의미 있는 양이 아니라

고 결론지었으나 최근 비-점착 주방기구인 프라이팬이

나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가열할 때 조류를

죽일 수 있는 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수

도 있다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있다45)

ㅇ 표 3-6은 EWG가 보고한 3-5분 내에 370까지 불소수

지를 가열할 때 발생되는 15종의 불소화합물에 관한 것

이다 테플론과 같은 코팅물질들이 장기적으로 인체에 미

61

치는 영향에 관한 연구는 이루어지지 않고 있으나 독감

과 유사한 질병을 유발할 수 있으며 이를 중합체 증기열

(polymer fume fever)이라 한다

표 3-6 15종의 유해물질 및 유독성 기체44)

ㅇ 최근 표 3-6의 화합물들 중 특히 TFA와 과불화된

(perfluorinated) PFOA(perfluorooctanoic acid)에 관심이

증가되고 있다 PFOA는 새로운 환경오염물질로 미국 환

경보호청(EPA)에 의하면 보통 때는 문제가 없으나 조리

과정에서 프라이팬에 열을 가하고 강하게 긁을 경우 용

62

출되어 나오며 이것이 음식물과 함께 인체에 흡수되는

것으로 추정하였다 한편 DuPont의 테플론 PTFE 연구

결과에 의하면 검출한계인 9ppb 이상 검출되지 않으며

테플론 주방기구에서는 PFOA가 존재하지 않는다고 발

표하고 있다

- 물이나 공기를 통해 환경에 노출된 PFOA는 고 콜레

스테롤 궤양성 대장염 갑상선 질환 고환암 신장암

및 임신성 고혈압과 관련된다고 보고되었다

- PFOA는 불소수지 생산과정에서 사용되는 첨가물로써

암모늄 형태로 PTFE 유화중합에 계면활성제로 사용

되며 불소수지의 품질과 균일성을 유지하기 위해 필

수적인 첨가물이기 때문에 전 세계 모든 불소수지 제

조업체가 사용 중에 있다 한편 국내 주력 산업인 반

도체 생산 과정에서도 PFOA를 대량으로 사용하고 있

어 체계적인 실태조사와 대책수립이 필요하다는 의견

들이 대두되고 있다

⑽ 불소화합물의 안전성과 환경대책

ㅇ 표 3-6에서 살펴본 바와 같이 테플론을 급격히 고온으로

가열하면 2종의 발암물질을 포함한 유독성 가스가 발생

63

하고 특히 불소화합물 중 MFA(monofluoroacetic acid)는

적은 양으로도 치명적 해를 끼치고 PEIF(perfluoro-

isobutene)는 신경가스제로 여러 가지 질환을 발생시킨다

한다44)

따라서 테플론으로 코팅된 장치를 재 코팅하기

위해 테프론을 고온으로 급격히 가열하거나 소각 등을

통해 제거할 때는 발생 가능성이 있는 유독가스를 제거

하기 위한 별도의 설비를 이용하여야 하고 유 등44)의 보

고서에서와 같이 중조(NaHCO3)를 포화시킨 충분한 물로

유독 산성 물질을 중화시키는 것도 고려할 만하다 한편

부식대전 방지 코팅도 테플론 코팅 일변도에서 세라믹

코팅 CNTs이나 DLC 코팅기술로 대응하는 것을 추천하

고 싶으며 이것은 유해물질 배출 및 이동량 보고제도

(PRTR Pollutant Release and Transfer Register)에 대

비하는 등 기업의 장래를 고려하는 것도 될 것이다

ㅇ PTFE를 사용한 취사도구는 1960년대 이래 사용되어 오

고 있으나 최근 들어 이것의 안전성이 논쟁의 주제가 되

고 있으며 논의 주체는 PFOA(perfluorooctanoic acid)이

다 PFOA는 PTFE를 비롯한 많은 불소수지의 생산에

사용되며 DuPont의 테플론 PTFE 연구 결과에 의하면

프라이팬을 260 이상 고온에서 가열하거나 코팅이 벗

겨져도 PFOA가 존재하지 않는다고 한다 그러나 물이나

64

공기 토양 식품포장재 등 여러 곳에서 PFOA 오염사실

이 보고되고 있다 한다44)

- 미국 EPA는 인체와 환경에 대한 PFOA 연구를 계속

하고 있으며 2015년까지 PFOA 및 이와 관련된 화합

물 방출을 배제할 프로그램을 갖고 있으나 PTFE-기

초 비점착 취사기구를 중지시킬 타당성을 갖고 있지

는 않다 최종제품은 PFOA가 아닌 PTFE이기 때문이

다

- 수십 년 동안 불소수지 비점착 코팅이 시장을 지배하

였으나 최근 몇 가지 신기술들이 출현되고 있으며 이

들 대부분은 실리콘 세라믹과 실리콘 기술로 이들 코

팅은 PTFE와 PFOA를 함유하지 않는다

- 오늘날 출시된 비점착 취사용구는 수많은 상표로 팔

리고 있으며 DuPont에 의하면 대부분의 취사용구 코

팅은 정상적으로 사용할 때 3-5년 견딜 수 있을 것으

로 예측한다 너무 문질러서는 안 되고 따뜻한 비눗

물로 씻어주는 것이 좋으며 닳거나 흠이 생기지 않도

록 나무 플라스틱이나 코팅된 재료로 만든 도구를 선

택하고 보관도 흠이 생기지 않을 장소나 캐비닛을 권

장하고 있다

65

ㅇ 국내의 불소수지 안전성에 관한 것으로는 재질규격(납과

카드뮴)과 용출규격(납 과망간산칼륨소비량 증발잔류물)

이 식품용 기구 및 용기 포장 공전46)에 기재되어 있으며

최근 국내에서도 PFOA를 비롯한 유해 불소화합물에 관

한 관심이 커져 가고 있다

ㅇ PFOA 문제가 표면화 되면서 환경 보전형 불소계 발수

유제의 개발과 공업화도 새로이 부각되고 있다 이에 관

한 보고서를 모니터링한 KISTI자료47)를 중심으로 간단히

요약하면 발수제의 주요성분 퍼플루오로알킬기(Rf기)함

유 폴리머의 기능은 Rf기의 고리길이에 크게 의존하므로

PFOA문제 해법으로 탄소수 8 이상인 종래의 불소화학

에서 탈피 짧은 고리 Rf기(탄소수 6)를 가진 새로운 단

량체를 선택하여 발수제를 제조함으로써 환경 보전형 불

소계 발수유제를 개발하고 공업화하였다 한다

66

제 4 장

지원결과

1 지원결과 종합

테프론 코팅 기술의 문제점과 부식대전방지용 테플

론 코팅에 관한 정보 외에 신청기업의 요청에 따

라 C-나노튜브 코팅 및 DLC증착에 관련된 기술 정

보도 제공하였다

테플론은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat resistant)

비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coefficient of

friction) 내약품성(chemical resistance)과 특이한 전기적

특성(unique electrical properties) 및 온내구력(cryogenic

stability)으로 그 응용범위가 광범하며 용도에 따른 엄격

한 품질관리가 요구될 것으로 생각되어 중소기업에 적합

한 기초능력 배양과 신제품을 구상하기 위한 최신기술에

관한 정보를 제공하고자 하였다

67

불소수지의 코팅은 두께와 첨가제가 관건으로 이에 관한

자료를 제공하고자 하였으며 불소수지의 전기특성 폭발

성 환경과 반도체 제조공정에서의 대전 방지 처리를 위

한 정전기 관리 지표 등을 특허를 중심으로 조사하여 제

공하고자 하였다

C-나노튜브를 이용한 대전방지 코팅 기술 및 C-나노튜

브의 제법 등 이것에 관한 기초정보를 제공하고자 하였

으며 내마모성 테플론 코팅에 관해서는 테플론을 이용한

세라믹 코팅 기술에 관한 정보도 제공하고자 하였다

테플론의 기계적 전기적 특성을 강화하기 위해 사용되는

충전제를 종합하고 기초이론을 정립함으로써 금후 원부

자재의 선정에 도움을 주었다

테플론은 석면 대체재로도 주목받고 있어 이에 관한 특

허 정보들을 제공하였으며 다이아몬드의 전형적인 특성

을 나타내는 DLC의 코팅관련 기술 정보를 환경오염 문

제와 연관하여 자료를 제공하였고 최근 비-점착 주방기

구인 프라이팬이나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가

열할 때 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수도 있

다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있어 이에

관한 정보도 제공하였다

68

2 지원의 한계

중소기업이 당면한 문제는 전문기술의 확보다 관련 기술

이 비약적으로 발전하는 추세에 비추어 한정된 인원으로

신기술을 소화하고 개발하기는 어려울 것이므로 출연연

구기관이나 대학과 공동연구를 모색할 수 있으나 이것도

중소기업으로서는 경제적 부담이 될 수밖에 없을 것으로

생각된다 가능하다면 앞으로도 KISTI의 정보지원이 계

속되기를 바라고 있었다

3 기대효과

부식대전 방지 테플론 코팅에 관한 기본 기술이 배양되

어 합리적인 원부 원료의 수입검사 공정관리 및 제품관

리를 통해 원가절감은 물론 신제품 신기술에 관한 정보

수집 및 분석능력이 배양되고 개발력이 확충되어 기업

경쟁력 향상에 도움이 될 것이다

69

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75

저자소개

김학주(金鶴柱) 서울대학교 문리과대학 화학과 졸업 이학사

전북대학교 대학원 화학과 이학박사

(주)삼양사 의약연구소장 신성대학교 교수

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 폴리에스테르 섬유의 연중직방기술 외 다수

저서 기기분석 공업물리화학 일반화학

성용길(成墉吉)

동국대학교 이과대학 화학과 졸업 이학사 이학석사

부산대학교 대학원 화학과 이학박사(Dr Sci)

University of Utah USA Ph D(공학박사) Post Dr

유타대학교 연구교수 부산대학교 교수 동국대학교 교수

동국대학교 명예교수 한국원자력문화진흥원 이사

과학문화연구원전문연구위원 한국도량형과학문화연구원 원장

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 의료용 기능성 고분자재료에 관한 연구 외 330편

저서 고분자 물성론 (서울대학교 출판부 공저) 외 10권

24

철강 기질의 인산처리는 소결 Teflon TFE필름의 마모

수명을 향상시킨다고 보고되었으며 양극처리 된 코팅

의 경도 및 내마모성과 불소수지의 윤활성을 결합하기

위해 다공성 경화 양극처리 알루미늄 위에 불소수지를

침윤하여 왔다 Teflon S 마감재는 Du Pont이 도입한

최초의 수성-기초 분산 TFE FEP로 이들은 ldquo계층화

된rdquo 마감재이다 Francis J Clauss1)는 다양한 용도에

서의 Du Pont사 제품들의 선정 가이드를 표로 종합하

였으며 이것을 요약하면 표 3-2와 같다

- 테플론 코팅은 프라이머 단층 프라이머 코팅 후 에나

멜이나 클리어 마감 또는 프라이머 에나멜과 클리어

마감 등 3-코팅 시스템으로 구성된다 프라이머들은

금속이나 세라믹 기질에 접착을 향상시키기 위해 개

질제를 함유한다 프라이머들은 가끔 1회 코팅 마감재

로 사용되나 음식물과 접촉하는 용도로는 반드시 에

나멜이나 클리어 마감재로 마무리 칠을 하여야 한다

프라이머는 층간 접착력이 부족하기 때문에 다중 코

팅에 적용될 수 없고 만일 06mil 이상의 코팅이 필요

하면 프라이머는 에나멜이나 클리어 마감재로 마무리

칠을 하여야 한다

25

표 3-2 테플론 코팅 두께1)

최종

용도대표적 용도

전체두

께(mils)

프라이머에나멜클리어

가공(mils)

비점착

산업

직물 슬래셔 통

열 봉합 봉 고무경화 롤러

우레탄과 에폭시 경화 주형

제빙기

목재 고무 주석도금 아연

10-25

07

20-50

08-13

07

03 07-22 07-10

07 마무리칠 불가

03 07-37 10min

03 05-10 05-10

07 마무리칠 불가

식품

프라이팬 내열접시

반죽롤러

캔디 장치

08-12

10-30

20-30

03 05-09

03 07-27

03 07-17 10

One-coat

system

금지

드라이

윤활

플러그 밸브

유리병 제조 전달 장치

베어링

03-07

15-25

05-07

03-07

03 03-05 03-05

02

전기

전자

저항기 코팅

아이들 롤러(제지 섬유 공업)

세라믹 절연체

40-50

10-15

20-25

03 37-47

03 07-12

03 17-22

부식

방지용기 라이닝 gt50 03 47 또는 5-10 이상

Non-

wetting콘덴서 튜브 02-04 02-04

- 유색 프라이머는 통상 안료가 필름의 범위와 두께를

시각적으로 체크할 수 있게 하므로 그렇지 않은 것에

비해 더 선호된다 에나멜과 클리어 마감재는 충분한

접착을 위해 프라이머 위에 발라야 한다 ldquo진흙 갈라

짐 현상(mud-cracking)은 코팅 당 최대 두께를

10mil로 한정하나 다중 코팅에 의해 극단적이 조건

하에 전체 두께를 10mils까지 바를 수 있으며 각각의

26

코팅은 분리하여 구워진다

불소화 고분자들은 낮은 표면장력 물과 기름에 젖지 않

고 비점착성이며 방오 특성(antifouling properties) 등을

갖기 때문에 다양한 특수 코팅에 적용되나 합성과 조성

이 몇몇 제조업자들에 독점되어 있고 값비싼 중간체를

필요로 한다 VC Malshe 등4)은 플루오르 함량이

4-10인 불소화된 아크릴 공중합체를 간단한 방법으로

합성하고 클리어 코팅하여 광학적 기계적 및 보호 특성

을 연구하였다

최근 에너지 절감과 CO2규제와 같은 환경규제에 대한 대

응 필요성이 증가하면서 발전소나 각종 보일러 시스템에

서 배가스로 배출되는 응축잠열 에너지의 회수 및 활용

에 관심이 증가되고 있다 Lee 등5)은 스테인레스 관 표

면에 400정도의 두께로 테플론을 코팅한 전열관에서

관의 열 및 응축 열전달 특성을 연구하여 테플론 코팅관

의 총괄 열전달 계수는 스테인레스 관보다 약 20 작은

것으로 나타나고 응축열전달 계수는 유사하였음을 보고

하였다

알루미늄 용광로의 비-여과 배출가스에 장기간 사용하기

적합한 역류 열교환기에 관한 것으로 원통형 쉘의 표면

27

은 알루미늄 용광로 배출가스 입자 및또는 먼지 및 부

식 흄과 접촉될 수 있어 테프론 계로 코팅 처리하는 특

허6)가 있다 이 특허에서는 원통형 쉘을 만들도록 복재

(web member 웨브재)와 함께 연결된 유체 운반튜브로

이루어진다 각 원통형 쉘에 위치한 헤더는 열교환기의

튜브에서 튜브로 유체를 공급하며 뜨거운 난류가스에 작

용하여 스케일링을 최소화하기 위해 헤더의 보호덮개를

설치한다

저온에서 고온에 이르는 환경에서 유체에 사용되는 배관

튜브는 열에 의한 경시적 열화가 진행되어 균열 발생이

쉽다 가동부에 사용되는 배관 튜브는 움직임이 수반되어

그 경향이 현저하며 반도체 제조장치에 일반으로 사용되

는 실리콘튜브는 저온에서 열화되어 파손되기 쉽다 이러

한 문제점을 해결하기 위해 실리콘 튜브 외측 표면을 테

플론으로 코팅하여 균열발생을 억제함으로써 장시간 사

용 가능하도록 고안한 특허7)가 있다

섬유상 부직포로 제작하는 다공성 여과필터는 다양한 산

업공정의 배출가스를 정화시키는 데 사용되며 특히 중고

온 환경에서 사용이 가능한 다양한 종류의 기능성 필터

의 개발이 요망된다 일반으로 소각장 및 발전소 등의 중

고온 조건에서 사용되는 Nomex를 비롯한 섬유상 필터는

28

200 이상에서는 열변형으로 사용이 제한적이고 세라믹

필터와 같이 고온에서 적용이 가능한 소재는 매우 고가

일 뿐 아니라 초기 작업으로 인해 에너지 사용량이 매우

높아지는 문제점이 있다 Kim 등8)은 250-300 영역의

중고온의 배출가스를 처리하기 위한 필터에 표면 소수성

과 고온 안정성을 부여하기 위하여 표 3-3과 같은 조성

으로 그림 3-1과 같은 장치를 이용하여 테플론 수지를

거품 형태의 코팅액으로 조제하여 유리섬유 원단에 공급

하여 표면코팅하고 열처리 및 압착과정을 거친 후 표면

분석하였다

표 3-3 테플론 코팅을 위한 화학첨가제8)

테플론 코팅이 전기 집진장치에 활용되는 특허도 있다

종전 사이클론 방식의 전기집진기에서는 집진부의 먼지

를 떨어뜨리는 것이 용이하지 않았다 발명자들은 먼지

압축 기능을 갖는 집진실 내측에 테플론 가공을 하여 정

전기에 의한 미세먼지의 부착을 억제함으로써 집진실의

먼지를 원 터치로 처리할 수 있도록 하였다9)

29

그림 3-1 테플론 거품코팅8)

일반으로 테프론을 조리용기에 코팅하는 방법은 금속소

재를 사용 제품형태로 제작한 후 세척하고 에이징(소둔)

처리한 후 샌딩하여 표면조도를 유지하도록 하고 표면에

프리머 처리하여 베이킹 처리한 후 분사방법으로 테프론

코팅을 하고 다시 베이킹 처리하므로 공정이 복잡하고

제조원가가 상승하며 부착력에 한계가 있다한다 (주) 엘

지아이 특허10)에서는 피처리물을 세척한 후 산질화처리

하여 표면에 열처리 층이 형성되게 한 후 테프론을 코팅

하고 베이킹 처리하는 것을 특징으로 한다 그 외에 내열

세라믹 주방용기의 불소수지 코팅방법에 관한 특허가 있

다11)

(주) 봉성비에스는 차량의 주행 충격을 흡수하는 완충기

30

내부에 삽입하는 피스톤 외주면의 마찰과 소음을 최소화

하기 위한 목적으로 테프론 코팅을 하기 위한 코팅장치

를 등록하였다12)

⑶ 대전 방지 플루오르화탄소 수지 코팅

ㅇ 본래 불소수지 자체는 높은 절연성과 큰 대전성을 갖고

있기 때문에 도전 효과를 얻기 위해서는 분상 필러를 다

량으로 충전할 필요가 있으나 이렇게 하면 비점착성이

떨어진다 여러 회사들의 제품 안내서들을 종합한 불소수

지의 전기적 특성은 표 3-4와 같다

표 3-4 불소수지의 전기 특성

특성측정법

(ASTM)단위

PTFE

(비충전)

PTFE

(25

유리충전)

PTFE

(25

탄소충전)

표면 내아크성 D495 sec 75-110

체적저항

(비저항)D257

ohm-

cmgt1018 gt1016 104

표면저항 D257ohm

sq-1 gt10

14

유전율(유전상

수) at 1MHzD150-81 e 25 24

절연내력 short

time 18thickD149

kv

mm285

유전정접(유전

정합) at 1MHzD150-81 lt00002 005

31

ㅇ 불소수지는 내열성 내한성이 높고 내약품성 내연소성

난연성이 우수하고 절연성 및 비점착성과 저 마찰계수를

갖고 있으나 절연성이 높아 정전재해의 원인이 될 수 있

어 재해 방지를 위해 대전 방지 또는 저저항을 특징으로

하는 불소수지 가공품이 개발되어 사용범위가 넓어지고

있다

불소수지에 충전하여 저저항으로 하는 필러에는 일반적

으로 도전성이 높은 카본 금속 또는 산화알루미늄 등의

금속산화물이 사용된다 재료의 형상으로는 미분 탄소

스테인레스 스틸 니켈 금속분과 같은 입상물 단섬유 탄

소섬유 위스커(whisker) 등이 사용된다

- 미분은 비표면적이 크기 때문에 소량의 충전으로 저

항치를 내릴 수 있으나 약품의 침투가 있는 경우 비

표면적이 크기 때문에 약품의 영향을 받기 쉬워 내부

식성 떨어질 가능성이 크다

- 입자상물질들은 미분에 비해 비표면적이 작기 때문에

약품의 영향을 비교적 적게 받지만 저항치를 내리기

위해 충전량이 많게 되어 불소수지의 특징인 비점착

성과 저마찰계수 특성을 저해한다 섬유 위스커 형상

은 단방향에 대한 장방향의 비가 클수록 적은 충전량

32

으로 저항치를 낮출 수 있지만 분산이 나쁘면 요철이

발생한다 부식 방지 코팅에서는 충전제의 내약품성이

관건이다 즉 부식 환경에서 불소수지 자체는 충분히

견디어도 충전제가 내약품성이 없으면 충전제가 서서

히 에칭되어 기기가 부식될 가능성이 크다

화학 석유 및 정제 산업에서는 시험 검사 세척 및 다양

한 공정의 용기 저장 탱크 반응기와 같은 많은 구성요

소들이 사용되며 플루오르화 고분자는 고온에서 높은 열

안정성을 갖고 다양한 유기용매에 전혀 용해되지 않으므

로 부식방지 등을 위해 플루오르화 고분자와 같은 내화

학성 고분자로 코팅된다 그러나 이들 고분자는 코팅된

구성요소의 표면에 정전하 축적을 조장하기 때문에 폭발

성 환경에서는 사용할 수 없다

특히 이들 구성요소들의 금속 구조물은 용기나 탱크에

보관된 가스 증기 분진의 이동에 의해 생성된 정전하

(electrostatic charge)를 흐르게 하는 전도경로가 되나 금

속표면을 강산 강알칼리나 유기용제에 의해 침투되는 방

지하기 위한 목적으로 부식방지 테플론으로 코팅될 경우

얇은 필름의 비-전도체로 작용하므로 폭발성 환경에서

사용을 규제하고 있다

33

- 예로 유럽 표준 EN 50014 section 732에서는 정전

하로 인한 발화 위험을 피하기 위해 사용 보수 및 세

척 조건 하에 설계된 울(enclosure)이 필요하고 울의

절연저항은 1GΩ을 초과할 수 없도록 규제하고 있고

일본은 후생노동성 관할 산업안전연구소의 정전기 안

전지침의 누설 저항치는 108Ω 이하로 되어 있다

- 따라서 부식 및 폭발성 환경에서 안전하고 다양한 구

성 요소에 적용할 수 있는 정전방지 비-발화 테플론

코팅기술을 요하며 정전방지 코팅은 표면저항을 낮추

기 위해 카본블랙이나 개질 전도성 탄소 금속이나 전

도성 고분자를 테플론에 충전하여 코팅한다

폭발성 환경용 내화학약품 특성과 대전방지 비발화

코팅 조성물로는 높은 비저항을 갖는 플루오르 고분자

50-90wt 10-50wt의 전도성물질인 탄소분(carbon

powder)으로 이루어진 Solex Robotics Systems Inc

특허가 있다13)

- 폭발환경에서 사용되는 이상적인 코팅은 정전하를 피

하기 위해 낮은 비저항을 가져야 한다 완벽한 전도체

는 비저항이 영(0)이고 완벽한 절연체는 무한 비저항

34

을 갖는다 금속(구리 금 같은) 합금(망가닌 Mn-Ni-

Cu 니크롬 Ni-Cr-Fe) 반도체(카본이나 게르마늄)는

낮은 비저항을 갖고 있어 좋은 도체이다

- 수많은 고분자 기초 코팅들이 부식화학 환경에 사용

되었으나 85GΩ 이상의 비저항으로 대전방지 시험에

서 실패하였다 정전기 도체로 인증기준 아래 적합하

기 위해서는 100cm2이상의 노출 표면이 1GΩ 이하의

비저항이어야 한다 코팅에 첨가된 탄소분은 전도도를

증가시키며 10-50의 함량은 1GΩ 이하의 비저항을

만족시킨다

비전도성 표면의 표면저항을 감소시키도록 카본이나 금

속을 사용하여 대전방지를 부여하는 공정의 단점으로는

카본이나 금속의 접착력이 낮아 입자의 마모가 일어나

장기간 사용 시 대전방지 수준이 감소하는 것이다 더욱

클린룸에서 입자의 방출은 심각한 문제가 된다 대부분의

비전도성 기질은 통상 23 상대습도 50에서 표면 비

저항이 109ohmsquare 이상으로 높고 PTFE 경우는 10

12

ohmsquare이상이다14)

반도체 제조 장치에서는 웨이퍼 기판을 안착하기 위해

작업 스테이지를 사용하며 작업스테이지는 통상 금속과

35

세라믹으로 제작되나 웨이퍼기판을 작업스테이지에 올려

놓을 때 작업스테이지와 웨이퍼기판 사이에 마찰 정전기

가 발생한다 FPD(flat panel diplay 평판표시)용 디스펜

서(dispenser)에 사용되는 작업스테이지는 진공방식으로

디스플레이 기판을 흡착 고정하며 흡착 고정되었던 디스

플레이 기판이 작업스테이지에서 박리될 때 작업스테이

지에 정전기가 발생하여 디스플레이 기판에 대전된다 최

근 디스플레이 기판이 대형화됨에 따라 대전량이 증가되

고 정전기 대전문제가 더욱 심각해지고 있다 웨이퍼기판

이나 디스플레이기판에는 반도체소자 등 다수의 전자부

품들이 배치되어 있기 때문에 정전기가 발생되면 전자부

품의 신뢰성에 치명적 손상을 주고 기판에 분진이 부착

되거나 정전기의 대전으로 기판 리프트 업(lift up)시 기

판이 깨어지는 문제가 발생한다 정전기 대전을 방지하기

위해서는 작업스테이지에 이오나이저를 설치하여 중화하

기도하나 리프트 업이 불가능하거나 이온풍이 도달하기

전 방전하는 등 작업 스테이지와 기판 사이에서 발생한

정전기가 순간적으로 일으키는 박리대전 문제를 해결하

기 어려워 작업 스테이지의 정전기 방지를 위해 불소수

지로 코팅한다

- 불소수지는 다른 물질과의 흡착에너지가 작고 비점착

성이 우수하며 마찰계수가 작아 유리기판과의 상관관

36

계가 작아져 박리에 의한 정전기의 발생량이 적어지

나 불소수지는 절연성을 가지므로 테프론 코팅에서는

카본 블랙이나 전도성 고분자 등을 필러로 사용한다

대전방지가 필요한 반도체 제조장비 디스플레이 장치 및

테스트 장치 등의 작업 스테이지를 테프론 코팅함으로써

작업 스테이지의 정전기 발생을 방지하는 방법의 단점의

하나는 제작비용이 상대적으로 많이 드는 것으로 디스펜

서의 경우 디스플레이 기판이 대형화됨에 따라 작업 스

테이지의 크기가 커져 제작비용이 증가한다 또한 불소수

지의 경도가 낮아 코팅 막에 스크래치가 발생하고 이 부

분은 평탄도 유지가 어려우며 입자들이 발생하는 요인으

로 작용하며 불소수지가 절연성이므로 카본블랙이나 전

도성 고분자 등의 도전성 필러를 충전하여 대전방지에

적합한 면-저항을 갖도록 할 경우 카본블랙은 구형으로

분진이 발생하는 문제점이 있고 전도성 고분자를 사용할

경우는 내용제성이 약하고 과량의 바인더를 사용하여야

하며 박막 형성이 어렵고 불소수지의 경도를 보완하기

위해 아노다이징 처리를 하는 경우는 이후 별도의 코팅

과정을 거쳐야 하므로 제작비용과 제작시간이 증가하는

등 여러 가지 단점들이 있다 이러한 문제점들을 해결하

기 위한 방법으로는 작업 스테이지와 기판이 만나는 면

에 정전기 발생을 최소화시킴과 동시에 그 제조비용이

37

절감되고 적절한 면-저항을 조절할 수 있으며 마찰계수

가 낮고 내마모성이 향상된 작업스테이지 표면의 대전방

지 처리 방법에 관한 국내의 탑나노시스 사의 특허15)가

있다

- 탑나노시스 사의 특허 목적은 작업스테이지의 기판과

만나는 면에 정전기의 발생을 최소화시킴과 동시에

그 제조비용이 저감되고 적절히 면-저항을 조절할 수

있으며 마찰계수가 낮고 내마모성이 향상된 스테이지

표면의 대전방지 처리 방법에 관한 것으로 이 특허에

서는 금속소재의 작업 스테이지 표면을 아노다이징

처리하여 복수의 산화표면 홀들을 형성시키고 여기에

탄소나노튜브를 삽입하고 경화하며 탄소나노튜브 경

화 후에 표면을 봉공 처리한다

- 작업스테이지 표면은 106-10

9Ωsq의 면-저항을 갖는

것이 바람직하며 산화표면 홀들은 직경 30-900nm 깊

이 100-900nm가 바람직하다 아노다이징 처리를 하는

금속소재는 Al Mg Zn Ti Ta(탄탈륨) Hf(하프늄)

Nb(니오븀) 등일 수 있고 이 발명에서는 가벼우며 일

정 강도를 갖고 가공성이 우수한 Al합금을 예로 들어

설명하고 있다

38

- 알루미늄소재 작업스테이지 표면에 산화피막(Al2O3)처

리를 하는 아노다이징(anodizing 양극산화)에서 전해

액은 수산화나트륨이나 수산과 황산 등이 사용될 수

있고 수산화나트륨의 농도(20-50) 공급전압 전류

및 시간 등을 조절하여 산화표면 홀의 크기(D)와 깊

이(L)를 조절하며 D와 L에 따라 대전방지 효과나 내

구성 및 표면경도를 조절한다

- 탄소나노튜브를 산화표면 홀 내에 삽입시키는 단계는

전해 흡착 하여 이루어질 수 있고 정전도장을 통해서

도 이루어질 수 있다 탄소나노튜브는 분산제를 포함

하는 용액으로 코팅되며 분산제로는 소듐 도데실설페

이트(SDS) 트리톤X Tween20(폴리옥시에틸렌 소르

비탄모노올레이트) CTAB(cetyl trimethyl ammonium

bromide)를 예로 들고 있으며 탄소나노튜브 용액은

아크릴계 우레탄계 등 또는 전도성 고분자계 유무기

하이브리드계 바인더가 포함될 수 있다

- 봉공처리는 산화표면 홀과 산화피막을 봉공하여 내식

성 등이 향상되도록 보호 층을 형성시키는 것으로 비

등수 가압증기에 의한 수화봉공 금속염을 포함한 열

수에 의한 금속염 봉공 오일로 도포나 침적하는 유기

물 봉공 양극산화 피막 층에 도장하는 도장에 의한

39

봉공 등이 있다

반도체 소자를 제조하는 과정에는 불순물 이온을

주입하는 장비가 이용되고 있다 (주)하이닉스 반도

체의 특허에서는 이온주입 장비의 웨이퍼 지지 장

치 리프트 핀의 끝단을 라운드 처리하고 리프트 핀

에 테플론을 코팅하여 리프트 핀과 웨이퍼 후면의

접촉 시 웨이퍼 후면에 스크래치와 같은 손상이 유

발되는 것을 억제할 수 있게 한다16)

⑷ 탄소나노튜브(CNTs Carbon Nano Tubes)17)

탄소나노튜브는 탄소의 동소체로 1991년 일본 NEC 연구

소의 Ijima박사에 의해 전자 현미경을 통해 처음으로 확

인되었다 1985년에 Kroto와 Smalley가 탄소의 동소체인

풀러렌(탄소 원자 60개가 모인 것C60)을 처음으로 발

견한 이후 전기방전 시 흑연 음극 상에 형성된 탄소덩어

리를 투과전자현미경으로 분석하는 과정에서 발견하여

Nature학술지에 처음으로 발표되었다18) 탄소나노튜브에

서 탄소원자 하나는 주위의 다른 탄소원자 3개와 sp2결

합을 하여 육각형 벌집무늬를 형성하며 이 튜브의 직경

이 대략 수 나노미터(nm nanometer) 정도로 극히 작기

40

때문에 나노튜브라고 부르게 되었다 이 탄소나노튜브는

전기 세기가 클수록 더 수축하는 성질을 가지고 있는 등

튜브의 직경이 nm수준으로 극히 작아서 특유의 전기화

학적 특성을 나타낸다

Ku 등19)에 의하면 CNTs는 전기방사법(arc-discharge)

레이저증발 법(laser vaporization) 플라즈마 화학기상증

착 법(plasma enhanced chemical vapor deposition) 열

화학 기상증착 법(thermal chemical vapor deposition) 등

의 다양한 합성법이 개발되어 대량생산이 가능하다

CNTs의 종류는 벽의 수에 따라 단일 벽 탄소나노튜브

(SWNTs) 이중 벽 탄소나노튜브(DWNTs) 다중벽 탄소

나노튜브(MWNTs)가 있으며 물성에 관한 많은 연구결

과 기계적 전기적 열적으로 우수한 성능을 갖고 있음이

입증되었다

CNTs는 인장강도와 탄성률 면에서 지금까지 발견된 재

료 중 가장 강하고 질기며 다중벽 CNT는 63GPa에 이른

다 표준 단일 벽 CNT는 25GPa의 압력까지 변형 없이

지탱된다 그래핀의 대칭성과 특이한 전기적 구조 때문에

CNTs의 구조는 그것의 전기적 특성에 영향을 미쳐 금속

성이나 반도체의 특성을 나타내고 이론적으로 금속성

41

CNTs는 구리와 같은 금속의 1000배가 큰 4times109Acm

2

전류 밀도를 운반할 수 있으며 나노크기의 단면으로 전

자가 튜브의 축 방향으로만 전파되고 전자의 이동은 양

자효과를 수반하여 1차원 전도체로 간주된다

CNTs는 우수한 물성과 상대적으로 큰 표면적으로 갖고

있어 충전제(filler)로써 에폭시 폴리스틸렌 폴리우레탄

등 고분자와 혼합하여 폴리머의 기계적 전기적 특성을

향상시키려는 연구가 활발하다 CNTs가 폴리머 중에서

충전제 역할을 하기 위해서는 고른 분산이 필요하나 반

데르발스 힘에 의한 CNTs 응집현상(agglomeration)으로

인해 효과적인 분산이 어려워 오히려 폴리머의 물성을

저해하므로 이것을 개선하기 위한 다양한 기계적 화학적

분산 방법이 연구되고 있다

- CNTs를 분산시키기 위한 가장 일반적인 방법은 용매

나 폴리머에 CNTs를 투입하고 초음파처리를 하는 것

으로 초음파처리를 하면 SWNTs의 길이가 짧아지고

다발(bundle)이 얇아져 분산력이 증가한다

- CNTs 표면을 산이나 아민으로 기능화하여 분산을 높

이는 방법도 연구되고 있으며 MWNTs를 HNO3

H2O2NH4OH 용액에 침지시켜 MWNTs에폭시 복합

42

재료는 전기적 특성을 향상시키려는 연구와 산과 아

민 등의 기능기를 도입하여 SWNTs의 열전도도를 향

상시키려는 연구들이 수행되고 있다

- 기계적 분산방법인 전단혼합방법은 좁은 관이나 상대

적으로 높은 속도의 유동을 이용하여 발생한 전단력

으로 CNTs를 분산시키는 방법이다 Ku 등19)은 전단

혼합과 초음파처리를 이용하여 MWNTs로 강화된

에폭시 복합재료를 만들어 기계적 및 열적 특성을 연

구하였다

⑸ 내마모성 테프론 코팅

ㅇ 재료의 부식은 구조재에 원하지 않은 변화 원인으로 작

용하여 경제적인 문제로 귀결되는 심각한 문제이다 이들

원치 않는 변화는 때로 적절한 코팅에 의한 표면처리로

예방할 수 있다 가장 일반적이고 자주 사용되는 전착 코

팅은 아연에 기초한 아연 코팅 및 합금 코팅으로 이들

코팅은 간단한 기술로써 내부식성이 양호하여 전 표면처

리의 약 14에 해당하나 최근 낮은 마찰계수 등 다른 특

성들이 매우 중요하게 되었다 이들 특성은 다층 코팅으

로 대응할 수 있으나 두께가 증가하고 기술이 복잡하여

가능한 해결방법으로는 복합체 코팅이 있다 복합체 코팅

43

은 일반기계와 자동차 전자부품 및 컴퓨터 등 다양한 분

야에 적용된다 금속 기질에 미세한 PTFE 입자의 전착

에 의한 증착은 새로운 세대의 복합체 코팅으로써 가장

바람직한 특성은 양호한 내마모성 자기윤활 내부식성이

다 M Paderovaacute 등20)에 의하면 이들 특성은 주로 사용

한 입자(흑연 다이아몬드 MoS2 또는 PTFE)와 용액의

유형(pH 온도 bath 등) 뿐 아니라 입자의 크기 농도

분산 및 형태학에 의존한다

ㅇ 충전되지 않은 PTFE의 마모율은 736-741times10-4mm3Nm

로 내마모성이 낮아 다양한 충전제들이 첨가되고 있다

Xing-Dong Yuan 등21)은 진공 조건에서 PTFE 코팅

의 마모특성을 연구하여 초기에는 하중이 증가함에 따

라 마찰계수가 감소하나 하중이 6N 이상으로 커지면

마찰계수도 증가하며 압력이 PTFE 코팅의 마찰계수

에 미치는 영향이 거의 없고 마모는 압력이 증가하면

초기에는 감소하나 10Pa 보다 높으면 급격히 증가한

다고 보고하였다

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위해서는 윤활제로 PTFE

계 수지 접착제로는 폴리아미드이미드수지 산화철 분말

44

및 브론즈 분말 등을 혼합한 조성물을 사용하거나 미국

특허에서는 스와시플레이트 형 압축기의 플레이트 표면

에 MoS2 흑연 PTFE계 윤활제와 열경화성 수지인 폴리

아미드이미드(PAI) 조성물을 코팅하여 내마모 및 윤활성

을 부여하고 있다22) 내열성 향상을 위해서는 고체윤활

제 접착제수지 및 저융점 금속인 Sn Pb In Bi 등을 함

유하는 합금이나 화합물을 사용하여 금속의 잠열을 이용

내열성 향상을 시도하기도 한다

ㅇ 그간 철강(스테인리스강 탄소강 아연도금강판 등)의 내

부식성 향상을 위한 많은 연구들이 수행되어 왔다 4플루

오르에틸렌(C2H4) 4플루오르에탄(CF4) 6플루오르에탄

(C2F6) 3플루오르화에탄(CHF3) 8플루오르화에탄(C4F8)

같은 불소화된 단량체의 플라즈마 중합에 의한 테플론

류 코팅은 그들의 소수성으로 인해 금속의 내부식성 향

상을 위한 대안으로 주목을 받고 있다 A Delimi 등23)

은 유도결합 고주파플라즈마(inductively coupled radio

fre- quency plasma)를 사용하여 소수성 박막 불소수지

필름을 탄소강에 증착하고 3염수에서 내부식성을 평가

한 결과 1개월 동안 9nm의 필름이 유지되는 것을 관찰

하여 불소고분자 박막이 금속과 금속산화물의 보호층이

될 수 있음을 보고하였다

45

ㅇ PTFE를 이용한 세라믹코팅 기술로는 알루미늄 및 알루

미늄 합금 공작물을 양극처리에 의해서 티타늄 및또는

지르코늄 산화물을 포함하는 내식성 내열성 및 내마모

성 세라믹 코팅을 하고 이어서 양극처리된 공작물을

PTFE 또는 실리콘 함유 코팅과 같은 제 2 코팅으로 코

팅한다 이 발명은 가소성을 가지는 경질의 필름 내에서

내식성 내열성 및 내마모성을 제공하는 티타늄 및또는

지르코늄 산화물의 양극처리 층으로 기판을 예비-코팅함

으로써 알루미늄 기판에 보다 긴 수명의 코팅을 형성하

는데 특히 유용하다24)

ㅇ Nosaka 등25)은 PTFE로 대표되는 불소수지는 마모-링이

나 극저온 밸브의 실링부에 많이 사용되며 진공치환법에

의해 탄소재료에 PTFE나 MoS2 분말을 1-2wt 함침시

키면 무함침한 것에 비해 마모가 약 13로 감소한다고

보고하였다 한편 저자들은 터보펌프의 실링재료가 극저

온 환경에서 보이는 특이한 현상을 극복하기 위해 베어

링의 표면에 노출된 유리섬유를 불소산으로 처리하여 용

해 제거하고 윤활성을 높인 유리섬유강화 테프론 리테이

너를 개발하여 내구성과 윤활성을 향상시킬 수 있었다고

보고하고 있다

46

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위한 또 다른 특허로는

폴리실록산계 접착제를 단독 혹은 폴리에스테르계 접착

제와 병용하고 고체 윤활제로 MoS2(이황화몰리브덴

WS2(이황화텅스텐) h-BN(육방정 질화붕소) 팽창흑연

및 PTFE를 사용하고 충전제로 탄화규소 알루미나 산화

지르콘 산화티탄 등의 미분말을 사용하여 내마모 내열

및 윤활성을 부여하고자 하는 내마모성 및 윤활성 코팅

조성물에 관한 특허가 있다26)

ㅇ 내열성 내후성 내오염성 내약품성 내구성 등의 물성

은 유지하면서 비점착성을 높이기 위해 무기계 세라믹

코팅 조성물에 PTFE를 첨가하기도 한다 이러한 하이

브리드 코팅 조성물에 관한 특허로는 불소수지(01sim25

중량) 콜로이달 실리카나 콜로이달 알루미나 등 무

기계고분자 바인더(20sim80중량) 알콕시실란 화합물

(1sim50중량) 수용성 유기용제(1sim10중량) 충전제

또는 안료(5sim50중량) 및 물(100중량 까지 보충)로

이루어진 코팅 조성물에 관한 것으로 무기질 도료 및

무기계 세라믹 코팅에 의해 내열성 내오염성 내약품

성과 내구성을 유지하고 접착력을 높이기 위해 소량의

PTFE를 사용하는 것이 있다27)

47

ㅇ 정전 복사기에 사용되는 정착기재부의 최외층에 코팅하

여 기계적 성질 및 내마모성을 향상시키려는 목적으로

불소수지 기질 중에 분산된 불소화 다이아몬드를 함유하

는 입자로 구성된 조성물에 관한 일본 특허28)가 있다

ㅇ 부식 특성을 개선한 흑색 무크롬(chrome-free) 다층 내

부식 마무리 칠과 방법에 관한 특허29)로는 ASTM B 117

표준으로 시험할 때 백색 부식에는 최소 500시간 염수분

무시간 및 적색 부식에는 1500시간 염수분무시간에 적합

하게 설계된 마무리 칠에 관한 것이 있다 이 다층 시스

템은 광택(gloss) 4 이상을 만족하는 자동차 차체 강판

자동차 하부와 내장에 사용되기 위해 설계된 것으로 이

다층 마무리 칠은 3층 부식 방지 시스템을 형성하도록

아연-철 전기도금 기질 오르토인산을 사용한 무전해 인

산염 결정 전환 층과 XylanTeflon 실러 코팅의 조합이

다

ㅇ 전통적으로 철 강판(steel sheet)은 크롬산 염 전환 코팅

으로 개질되어 왔으나 6가 크롬이 배출되어 환경을 오염

시키는 문제점이 있어 강판의 내-부식성을 개선하기 위

해 고분자 수지 코팅들이 수행되고 있으나 이 방법은 고

48

분자 코팅 층이 열전도도를 감소시키는 단점을 가지고

있다 Kang 등30)은 강판 위의 고분자 코팅 층의 열전도

도를 향상시키기 위해 초미세-크기 다이몬드(μD)입자를

열전도 물질로 사용하였다 다양한 음이온 및 비-이온

계면활성제들을 사용하여 수용액 중에서 무거운 μD입자

의 안정화를 시험들을 한 결과 1-피렌카르복시산(PCA)

이 가장 양호하였다 그림 3-2는 이 시험 결과를 요약한

것이다

- 강판 위에 PCA로 안정화 된 μD 입자를 함유한 폴리

우레탄-기초 코팅 층은 열전도도가 0351W(mK)에서

0434 W(mK)(10 wtμD)로 향상되었으며 더욱 144

시간 동안 염수 분무 시험결과 부식거동은 관찰되지

않았다

그림 3-2 피렌카르복시산을 이용한 μD 표면처리

ㅇ 자동차공업에서는 기본적인 특성으로 내마모성이 요구되

49

는 강철 기계부품들의 마찰특성을 향상시키기 위해 다양

한 금속 및 고분자 코팅들이 광범하게 이용된다 내-마

모 코팅은 두 가지 주요 특성인 높은 표면경도와 자기-

윤활 특성이 필요하다 후자의 범주에 속하는 것이

PTFE와 MoS2 기초 코팅이다 무전해 니켈 코팅은 높은

경도로 인해 양호한 마찰 특성을 보이며 한편 열처리를

통해 경도를 향상시킬 수 있다 PTFE입자의 첨가는 코

팅경도를 감소시키나 자기-윤활특성을 부여한다 S

Rossi 등3132)은 마찰특성을 향상시키기 위해 이용되는 탄

소강에 이용되는 몇 가지 공업적인 코팅에 관한 부식거

동에 관해 평가 PTFE입자를 함유한 무전해 니켈-인

(Electroless Nickel-Phophorus)코팅은 PTFE 입자(자기-

윤활 특성)를 갖는 외층과 장벽-효과를 갖는 내층으로

인한 이중 특성으로 가장 양호한 특성을 보였다고 보고

하고 있다

ㅇ 모든 기계적 시스템은 동적 요소를 필요로 하며 마찰과

마모를 줄이기 위한 다양한 수단들이 가능하나 그 선택

은 환경이나 조작 조건에 제한을 받는다 PTFE는 자기

윤활 낮은 마찰계수 높은 열안정성과 화학약품 안정성

으로 산업분야에 널리 사용되는 엔지니어링 고분자이지

만 내마모성이 매우 부족하다 이러한 이유로 금속

-PTFE충전 복합체들이 PTFE의 마찰특성과 금속충전제

50

의 내마모성을 결합하여 특정 분야의 용도로 소개되어

왔으나 금속-고분자 물질에서의 충전제의 역할은 완전히

설명되지 않고 있다 복합체 표면의 과잉의 충전제 농도

는 미끄러지는 동안 부하를 지지하여 내마모성을 증가시

키는 것으로 생각되며 PTFE의 마모율은 Mo Zn Ni

Y2O3 및 SiO2 같은 무기 충전제에 의해 1000배가량 감소

되었다는 보고도 있다 유리섬유 구리 세라믹 탄소섬유

절단 탄소섬유 나노입자를 포함한 경질의 충전제 입자들

이 PTFE의 내마모성을 높이기 사용되어 왔다

ㅇ 비교적 두꺼운 코팅에는 열분사(thermal spray) 용사기

술이 정립되어 있고 용사 코팅은 내마모 내마찰 내프레

팅(fretting) 및 내부식을 요하는 산업에 많이 이용되고

있다

- 용사 몰리브덴(Mo)코팅은 실질적 내마모성 코팅으로

가장 광범하게 이용되며 프레임용사(flame spray)거나

와이어용사(wire spray)기술로 생산된 몰리브덴(Mo)

코팅은 흠이나 마모에 대한 고도의 저항을 얻기 위한

가장 좋은 코팅재료 중의 하나이다

- 알루미늄 청동(aluminium bronze)은 높은 내-부식성

과 내마모성을 갖는 것이 특징이다 저압 플라즈마 용

51

사 기술은 자기-아닐링(self-anealing)과 부서지기 쉽

도록 유도하는 γ-상의 형성을 피할 수 있도록 높은

냉각 속도를 얻는 데 사용되며 알루미늄 청동 저압

플라즈마 용사 코팅은 낮은 마찰과 마모를 보였고 비

교적 최근 플라즈마 용사 기술을 이용하여 알루미늄

기질에 고분자-세라믹 복합체를 코팅하는 기술이 개

발되었다33)복합체 코팅으로 행한 마찰 시험에서 낮

은 마찰계수를 얻을 수 있었다

- 낮은 마찰계수와 고 내마모성을 갖는 이성분 금속

-PTFE 코팅이 개발되었고 이들의 마찰 공학적 성능

이 보고되었다 PTFE-기초 복합체 설계에서 일반적

인 접근방법은 경질의 충전 입자들을 도입하는 것으

로 M Yamane 등34)은 PTFE-금속 이성분 코팅의 마

찰 마모성능에 관한 연구 결과 알루미늄 청동 코팅이

Mo코팅에 비해 PTFE 저장소(reservoir)에 유용했음

을 보고하였다

⑹ 충전 또는 강화 플루오르화 탄소1)

ㅇ 분말이나 강화섬유 등 전형적인 충전재들이 충전 또는

강화 플루오르화 탄소에 사용된다 충전재는 저온흐름

52

을 향상시키는 데 사용되며 수축과 균열을 줄이고 열

팽창을 낮추며 열전도율을 향상시킨다

ㅇ 분말이나 단섬유로 된 전형적인 충전제를 표 3-5에 종합

하였다 유리섬유는 가장 보편적인 PTFE 충전제로 화

학 및 전기적 특성에 최소로 영향을 미치며 기계적 특

성을 크게 향상시킨다 분말에 비해 섬유는 압축강도

강성도 및 지지용량을 더욱 향상시키나 분말은 충전

테플론의 내구성에 거의 영향을 미치지 않는다 금속분

말은 특히 열전도도를 향상시키며 고속에서 발생하는 마

찰열을 소멸하는데 도움이 되며 전기저항을 상당히 감소

시켜 금속-충전 조성물은 양호한 절연체는 아니다

ㅇ 흑연(graphite) MoS2는 초기 내구성과 마찰을 개선하고

기계적 특성을 향상시킨다 석면은 많은 유용한 특성을

갖지만 가공 처리 중 가스가 방출할 뿐 아니라 사용금지

물질이다 표 3-5 외에도 금속 망 장섬유 다공성 금속

등 다양한 충전제들이 있으며 다양한 종류의 제품들이

상업 생산되고 있어 최종 선정을 하기 전에 플라스틱 가

공업자로부터 보다 완전한 정보와 추천을 받는 것이 바

람직하다

53

표 3-5 불소수지용 충전제

ㅇ 압축강력 인장과 압축 시의 탄성률 및 항복강력은 첨가

제의 첨가에 의해 모두 증가하나 일반으로 인장강력과

신도 및 충격강도는 손실된다 통상 충전 테플론은 압축

상태에서 사용되므로 인장강력의 감소는 중요하지 않다

인장강력의 손실은 설치(연속적인 링-실링)할 때 인장되

는 재료에서 중요하다 열팽창 계수는 비-충전 테플론에

비해 감소되어 통상 금속 부품의 팽창계수와 잘 맞는다

ㅇ 마찰과 마모를 수반하는 분야에서 가장 중요한 것은 충

전제로 얻어지는 PV한계치의 증가와 마모의 감소다 비-

54

충전 테플론에 비해 PV한계치 크기는 개략적으로 1차원

적으로 증가하나 마모인자는 3차원적으로 감소한다 충전

테플론의 평균치들은 동적 마찰계수는 01-02 PV한계치

는 10000-20000 psi-fpm 마모상수는 10times10-10in3-min

lb-ft-hr이다 그림 3-3은 충전 테플론 PTFE의 마찰계

수에 미치는 충전제 종류와 농도의 효과에 관한 것이다

그림 3-3 테플론 PTFE에 미치는 충전제 종류와 농도1)

ㅇ 내마모성을 향상시키는 충전제는 실제로 연마저항성을

감소시키는 것으로 날카로운 입자는 보다 쉽게 침투하고

충전제 입자와 수지 사이의 경계를 따라 충전 플라스틱

을 찢는다 따라서 라이닝 슈트 같은 분야의 적용 시는

55

비-충전테플론이 보다 바람직하다

⑺ 시트 테이프 및 박층(laminates)

ㅇ 대부분의 플루오르화탄소는 충전 여부에 관계없이 두

께 1mil(0001 in)까지 시트나 테이프로 만들 수 있고

시트나 테이프를 찍어서 원하는 형상의 립-씰(lip seal)

펌프 컵(pump cup) 피스톤 링(piston rings) 가스켓

(gaskets) 등을 만들 수 있다

ㅇ 유체의 누설을 정지시키는 밀봉기능 부품 중 각종기기의

접합부나 배관 플랜지 등의 밀봉에 사용되는 가스켓

(gaskets)은 석면이 널리 사용되어 왔으나 유해물질 배

출 및 이동량 보고제도(PRTR Pollutant Release and

Transfer Register)에서 발암성을 가진 제1종 지정 화학

물질로 지정되어 사용이 금지되어 PTFE가 가스켓으로

개발되었다 PTFE는 용융 알칼리 금속 및 그 용액과 불

소 및 3불화염소에 의해 약간 침식되나 모든 화학약품에

안정하고 우수한 내부식 재료로 C-F결합력이 크고 F원

자가 C-C결합의 주위를 간격 없이 들러 싸고 있기 때문

에 다른 물질의 공격을 방어하고 있고 내열성은 260로

높다35)

56

- PTFE 필러를 사용한 PTFE 나선 권형 가스켓은 석

면에 대한 사용규제와 상관없이 사용되어 왔으며 유

연한 필러를 사용하므로 석면 가스켓 보다 낮은 체결

압력에서도 실 특성이 우수하고 내식 면에서도 광범

하고 다양한 유체에 사용이 가능하다 다만 단열성 면

에서는 석면 나선 권형 가스켓 보다 사용온도 범위가

제한된다

ㅇ 산업 기계나 자동차의 브레이크 제동장치에 부착하여 마

찰력을 부가하는 브레이크 라이닝에서는 마찰계수와 내

마모력 및 충격계수 등 마찰특성이 우수한 석면을 주로

사용하여 왔으나 제동 시 발생하는 미세 석면분진으로

인해 대기오염에 의한 환경을 파괴 뿐 아니라 인체에 흡

입될 경우 암을 유발하여 PRTR로 사용이 금지되었다

석면을 대체할 유기질 또는 무기질 된 다양한 비석면 마

찰 섬유 등이 사용되고 있으며 마찰 섬유에 테프론을 코

팅하여 브레이크라이닝의 수명향상 제동 시 발생하는 소

음 떨림 및 제동력 향상을 위한 제품개발이 시도되고

있다

- 예로 국내 특허36)에서는 브레이크 라이닝(또는 패드)

의 마찰재 배합재료 중 유기섬유(Kevlar섬유 pulp섬

57

유 등)에 테프론을 코팅하고 코팅된 유기섬유에 결합

재 충전재 윤활재 마찰안정재 마찰조정재 등을 소정

의 배합비로 배합하여 성형하고 열처리하여 브레이크

패드 또는 라이닝을 제조한다

ㅇ 초소형 정밀기계(MEMS Micro-Electromechanical

System)분야에서는 점착방지를 위해 불화 유기박막을

사용한다 Park 등37)은 단층 두께의 불화 유기박막의

특성을 접촉각 측정을 통해 분석하였다

⑻ DLC 코팅3839)

ㅇ DLC(diamond-like carbon)는 몇 가지 다이아몬드의 전

형적인 특성을 나타내는 비정질 탄소물질로 극도의 내마

모 특성을 필요로 하는 재료의 코팅에 이용되고 있다

DLC코팅은 연마 마모를 감소시키기 위한 재료에 유용하

여 엔드밀 드릴비트 금형 같은 공구는 물론 자동차 기

계부품 및 전자산업 등 산업전반에 걸쳐 적용된다40)

ㅇ 환경오염 문제로 인해 PRTR(Pollutant Release and

Transfer Register 유해물질 배출 및 이동량 보고 제

도) 이 시행되어 습동 부품이나 절삭 시에 사용되는 오

일이나 그리스에 포함되는 첨가제(MoS2 Zn 등)와 이들

58

부품을 세정할 때 사용되는 용매 기계부품의 수명을 연

장시키기 위해 활용되었던 Cr도금 폐액에서 발생하는 6

가 크롬 등의 오염물질들에 대한 규제가 더욱 강화되어

DLC에 의한 무윤활 습동과 무윤활 절삭을 지향한 공구

와 기계 부품의 개발이 관심을 끌고 있다4142)

- 일본 내에서는 PRTR이 시행되고 이것에 저촉되는 재

료에 관해서는 MSDS(Material Safety Data Sheet)를

첨부해야할 의무가 있고 부품가공 습동 용도에서는

대상 리스트에 올라 있는 오일 오일 중의 중금속 도

금폐액을 어떻게 경제성 있는 환경 친화적 공정과 재

료로 전환할 것인가를 고려하면서 무윤활 습동 무윤

활 절삭 탈크롬 도금의 3가지 키워드가 대두되고

DLC코팅이 대안으로 모색되고 있다

- DLC코팅 적용기술과 과제에 관한 자료로는 자동차

관련부품 적용사례 엔진부위 마찰 작동 밸브계의 마

찰저감 DLC와 윤활제에 의한 마찰저감 기술을 중심

으로 살펴본 보고가 있다43)

ㅇ DLC는 7가지 형태가 존재하며 모두 상당한 양의 sp3혼

성궤도 탄소원자를 함유한다 다양한 형태의 DLC가 진

공 환경으로 적합한 재료들에 적용가능하며 유럽에서의

59

2006년 위탁 DLC코팅 시장은 3천만euro로 추정되었고 국

내도 활발한 상용화가 시도되고 있다

ㅇ 사반면상(tetahedral) 비정질 탄소 ta-C를 2두께로 코

팅하면 연마마모에 대한 스테인레스 강(304 type)의 내구

성을 증가시켜 수명을 1주일에서 85년으로 늘이며 이러

한 DLC의 형태는 sp3결합 탄소 원자로만 이루어지기 때

문에 순수한 DLC로 간주되며 수소 sp2흑연 탄소 금속

같은 충전제가 생산경비를 낮추거나 원하는 특성을 부여

하기 위하여 사용되고 있다

ㅇ DLC를 만드는 방법에는 sp3탄소 보다 낮은 밀도의 sp

2

에 의존하는 몇 가지 방법들이 있으며 압력 충격 촉매

또는 이들의 조합으로 sp2결합탄소 원자들을 sp3결합탄소

로 근접시킨다 최근 초고압 하에서 탄소의 경량 특성을

갖는 초경도 무정형 다이아몬드가 만들어졌다 탄소로 만

들어지는 다이아몬드 그래파이트는 결정구조를 가지나

DLC는 비정질이라는 점에서 크게 다르고 200 정도의

저온에서 형성시킬 수 있다는 점이 통상의 PVD막에 비

해 훨씬 우위에 있다

ㅇ DLC코팅은 제조공정이 복잡하고 생산 단가가 비싸 적용

이 어려우며 적용되는 소재가 제한되는 단점을 갖는다

60

주요제법으로는 고주파 플라즈마 법 이온화 증착법 스

페터링법 등을 들수 있다 고주파 플라즈마 법은 메탄가

스가 원료로 사용되고 막 중의 수소가 약 30(원자)로

평활성이 우수하고 마찰계수가 작으나 경도가 낮다 이

온화 증착법은 벤젠을 사용하며 막은 단단하나 면의 조

도가 거칠고 후막화 하기 위해 스패터링 방법이 검토되

고 있다

⑼ 불소수지의 안전성

ㅇ 테플론 PTFE의 열분해는 200(392)에서 감지되며 이

것은 몇 가지 플루오르화 탄소 기체들과 승화물질을 방

출한다4445)1955년 동물실험에 관한 한 연구에서는 이들

물질이 250(482) 이하에서는 의미 있는 양이 아니라

고 결론지었으나 최근 비-점착 주방기구인 프라이팬이

나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가열할 때 조류를

죽일 수 있는 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수

도 있다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있다45)

ㅇ 표 3-6은 EWG가 보고한 3-5분 내에 370까지 불소수

지를 가열할 때 발생되는 15종의 불소화합물에 관한 것

이다 테플론과 같은 코팅물질들이 장기적으로 인체에 미

61

치는 영향에 관한 연구는 이루어지지 않고 있으나 독감

과 유사한 질병을 유발할 수 있으며 이를 중합체 증기열

(polymer fume fever)이라 한다

표 3-6 15종의 유해물질 및 유독성 기체44)

ㅇ 최근 표 3-6의 화합물들 중 특히 TFA와 과불화된

(perfluorinated) PFOA(perfluorooctanoic acid)에 관심이

증가되고 있다 PFOA는 새로운 환경오염물질로 미국 환

경보호청(EPA)에 의하면 보통 때는 문제가 없으나 조리

과정에서 프라이팬에 열을 가하고 강하게 긁을 경우 용

62

출되어 나오며 이것이 음식물과 함께 인체에 흡수되는

것으로 추정하였다 한편 DuPont의 테플론 PTFE 연구

결과에 의하면 검출한계인 9ppb 이상 검출되지 않으며

테플론 주방기구에서는 PFOA가 존재하지 않는다고 발

표하고 있다

- 물이나 공기를 통해 환경에 노출된 PFOA는 고 콜레

스테롤 궤양성 대장염 갑상선 질환 고환암 신장암

및 임신성 고혈압과 관련된다고 보고되었다

- PFOA는 불소수지 생산과정에서 사용되는 첨가물로써

암모늄 형태로 PTFE 유화중합에 계면활성제로 사용

되며 불소수지의 품질과 균일성을 유지하기 위해 필

수적인 첨가물이기 때문에 전 세계 모든 불소수지 제

조업체가 사용 중에 있다 한편 국내 주력 산업인 반

도체 생산 과정에서도 PFOA를 대량으로 사용하고 있

어 체계적인 실태조사와 대책수립이 필요하다는 의견

들이 대두되고 있다

⑽ 불소화합물의 안전성과 환경대책

ㅇ 표 3-6에서 살펴본 바와 같이 테플론을 급격히 고온으로

가열하면 2종의 발암물질을 포함한 유독성 가스가 발생

63

하고 특히 불소화합물 중 MFA(monofluoroacetic acid)는

적은 양으로도 치명적 해를 끼치고 PEIF(perfluoro-

isobutene)는 신경가스제로 여러 가지 질환을 발생시킨다

한다44)

따라서 테플론으로 코팅된 장치를 재 코팅하기

위해 테프론을 고온으로 급격히 가열하거나 소각 등을

통해 제거할 때는 발생 가능성이 있는 유독가스를 제거

하기 위한 별도의 설비를 이용하여야 하고 유 등44)의 보

고서에서와 같이 중조(NaHCO3)를 포화시킨 충분한 물로

유독 산성 물질을 중화시키는 것도 고려할 만하다 한편

부식대전 방지 코팅도 테플론 코팅 일변도에서 세라믹

코팅 CNTs이나 DLC 코팅기술로 대응하는 것을 추천하

고 싶으며 이것은 유해물질 배출 및 이동량 보고제도

(PRTR Pollutant Release and Transfer Register)에 대

비하는 등 기업의 장래를 고려하는 것도 될 것이다

ㅇ PTFE를 사용한 취사도구는 1960년대 이래 사용되어 오

고 있으나 최근 들어 이것의 안전성이 논쟁의 주제가 되

고 있으며 논의 주체는 PFOA(perfluorooctanoic acid)이

다 PFOA는 PTFE를 비롯한 많은 불소수지의 생산에

사용되며 DuPont의 테플론 PTFE 연구 결과에 의하면

프라이팬을 260 이상 고온에서 가열하거나 코팅이 벗

겨져도 PFOA가 존재하지 않는다고 한다 그러나 물이나

64

공기 토양 식품포장재 등 여러 곳에서 PFOA 오염사실

이 보고되고 있다 한다44)

- 미국 EPA는 인체와 환경에 대한 PFOA 연구를 계속

하고 있으며 2015년까지 PFOA 및 이와 관련된 화합

물 방출을 배제할 프로그램을 갖고 있으나 PTFE-기

초 비점착 취사기구를 중지시킬 타당성을 갖고 있지

는 않다 최종제품은 PFOA가 아닌 PTFE이기 때문이

다

- 수십 년 동안 불소수지 비점착 코팅이 시장을 지배하

였으나 최근 몇 가지 신기술들이 출현되고 있으며 이

들 대부분은 실리콘 세라믹과 실리콘 기술로 이들 코

팅은 PTFE와 PFOA를 함유하지 않는다

- 오늘날 출시된 비점착 취사용구는 수많은 상표로 팔

리고 있으며 DuPont에 의하면 대부분의 취사용구 코

팅은 정상적으로 사용할 때 3-5년 견딜 수 있을 것으

로 예측한다 너무 문질러서는 안 되고 따뜻한 비눗

물로 씻어주는 것이 좋으며 닳거나 흠이 생기지 않도

록 나무 플라스틱이나 코팅된 재료로 만든 도구를 선

택하고 보관도 흠이 생기지 않을 장소나 캐비닛을 권

장하고 있다

65

ㅇ 국내의 불소수지 안전성에 관한 것으로는 재질규격(납과

카드뮴)과 용출규격(납 과망간산칼륨소비량 증발잔류물)

이 식품용 기구 및 용기 포장 공전46)에 기재되어 있으며

최근 국내에서도 PFOA를 비롯한 유해 불소화합물에 관

한 관심이 커져 가고 있다

ㅇ PFOA 문제가 표면화 되면서 환경 보전형 불소계 발수

유제의 개발과 공업화도 새로이 부각되고 있다 이에 관

한 보고서를 모니터링한 KISTI자료47)를 중심으로 간단히

요약하면 발수제의 주요성분 퍼플루오로알킬기(Rf기)함

유 폴리머의 기능은 Rf기의 고리길이에 크게 의존하므로

PFOA문제 해법으로 탄소수 8 이상인 종래의 불소화학

에서 탈피 짧은 고리 Rf기(탄소수 6)를 가진 새로운 단

량체를 선택하여 발수제를 제조함으로써 환경 보전형 불

소계 발수유제를 개발하고 공업화하였다 한다

66

제 4 장

지원결과

1 지원결과 종합

테프론 코팅 기술의 문제점과 부식대전방지용 테플

론 코팅에 관한 정보 외에 신청기업의 요청에 따

라 C-나노튜브 코팅 및 DLC증착에 관련된 기술 정

보도 제공하였다

테플론은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat resistant)

비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coefficient of

friction) 내약품성(chemical resistance)과 특이한 전기적

특성(unique electrical properties) 및 온내구력(cryogenic

stability)으로 그 응용범위가 광범하며 용도에 따른 엄격

한 품질관리가 요구될 것으로 생각되어 중소기업에 적합

한 기초능력 배양과 신제품을 구상하기 위한 최신기술에

관한 정보를 제공하고자 하였다

67

불소수지의 코팅은 두께와 첨가제가 관건으로 이에 관한

자료를 제공하고자 하였으며 불소수지의 전기특성 폭발

성 환경과 반도체 제조공정에서의 대전 방지 처리를 위

한 정전기 관리 지표 등을 특허를 중심으로 조사하여 제

공하고자 하였다

C-나노튜브를 이용한 대전방지 코팅 기술 및 C-나노튜

브의 제법 등 이것에 관한 기초정보를 제공하고자 하였

으며 내마모성 테플론 코팅에 관해서는 테플론을 이용한

세라믹 코팅 기술에 관한 정보도 제공하고자 하였다

테플론의 기계적 전기적 특성을 강화하기 위해 사용되는

충전제를 종합하고 기초이론을 정립함으로써 금후 원부

자재의 선정에 도움을 주었다

테플론은 석면 대체재로도 주목받고 있어 이에 관한 특

허 정보들을 제공하였으며 다이아몬드의 전형적인 특성

을 나타내는 DLC의 코팅관련 기술 정보를 환경오염 문

제와 연관하여 자료를 제공하였고 최근 비-점착 주방기

구인 프라이팬이나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가

열할 때 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수도 있

다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있어 이에

관한 정보도 제공하였다

68

2 지원의 한계

중소기업이 당면한 문제는 전문기술의 확보다 관련 기술

이 비약적으로 발전하는 추세에 비추어 한정된 인원으로

신기술을 소화하고 개발하기는 어려울 것이므로 출연연

구기관이나 대학과 공동연구를 모색할 수 있으나 이것도

중소기업으로서는 경제적 부담이 될 수밖에 없을 것으로

생각된다 가능하다면 앞으로도 KISTI의 정보지원이 계

속되기를 바라고 있었다

3 기대효과

부식대전 방지 테플론 코팅에 관한 기본 기술이 배양되

어 합리적인 원부 원료의 수입검사 공정관리 및 제품관

리를 통해 원가절감은 물론 신제품 신기술에 관한 정보

수집 및 분석능력이 배양되고 개발력이 확충되어 기업

경쟁력 향상에 도움이 될 것이다

69

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저자소개

김학주(金鶴柱) 서울대학교 문리과대학 화학과 졸업 이학사

전북대학교 대학원 화학과 이학박사

(주)삼양사 의약연구소장 신성대학교 교수

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 폴리에스테르 섬유의 연중직방기술 외 다수

저서 기기분석 공업물리화학 일반화학

성용길(成墉吉)

동국대학교 이과대학 화학과 졸업 이학사 이학석사

부산대학교 대학원 화학과 이학박사(Dr Sci)

University of Utah USA Ph D(공학박사) Post Dr

유타대학교 연구교수 부산대학교 교수 동국대학교 교수

동국대학교 명예교수 한국원자력문화진흥원 이사

과학문화연구원전문연구위원 한국도량형과학문화연구원 원장

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 의료용 기능성 고분자재료에 관한 연구 외 330편

저서 고분자 물성론 (서울대학교 출판부 공저) 외 10권

25

표 3-2 테플론 코팅 두께1)

최종

용도대표적 용도

전체두

께(mils)

프라이머에나멜클리어

가공(mils)

비점착

산업

직물 슬래셔 통

열 봉합 봉 고무경화 롤러

우레탄과 에폭시 경화 주형

제빙기

목재 고무 주석도금 아연

10-25

07

20-50

08-13

07

03 07-22 07-10

07 마무리칠 불가

03 07-37 10min

03 05-10 05-10

07 마무리칠 불가

식품

프라이팬 내열접시

반죽롤러

캔디 장치

08-12

10-30

20-30

03 05-09

03 07-27

03 07-17 10

One-coat

system

금지

드라이

윤활

플러그 밸브

유리병 제조 전달 장치

베어링

03-07

15-25

05-07

03-07

03 03-05 03-05

02

전기

전자

저항기 코팅

아이들 롤러(제지 섬유 공업)

세라믹 절연체

40-50

10-15

20-25

03 37-47

03 07-12

03 17-22

부식

방지용기 라이닝 gt50 03 47 또는 5-10 이상

Non-

wetting콘덴서 튜브 02-04 02-04

- 유색 프라이머는 통상 안료가 필름의 범위와 두께를

시각적으로 체크할 수 있게 하므로 그렇지 않은 것에

비해 더 선호된다 에나멜과 클리어 마감재는 충분한

접착을 위해 프라이머 위에 발라야 한다 ldquo진흙 갈라

짐 현상(mud-cracking)은 코팅 당 최대 두께를

10mil로 한정하나 다중 코팅에 의해 극단적이 조건

하에 전체 두께를 10mils까지 바를 수 있으며 각각의

26

코팅은 분리하여 구워진다

불소화 고분자들은 낮은 표면장력 물과 기름에 젖지 않

고 비점착성이며 방오 특성(antifouling properties) 등을

갖기 때문에 다양한 특수 코팅에 적용되나 합성과 조성

이 몇몇 제조업자들에 독점되어 있고 값비싼 중간체를

필요로 한다 VC Malshe 등4)은 플루오르 함량이

4-10인 불소화된 아크릴 공중합체를 간단한 방법으로

합성하고 클리어 코팅하여 광학적 기계적 및 보호 특성

을 연구하였다

최근 에너지 절감과 CO2규제와 같은 환경규제에 대한 대

응 필요성이 증가하면서 발전소나 각종 보일러 시스템에

서 배가스로 배출되는 응축잠열 에너지의 회수 및 활용

에 관심이 증가되고 있다 Lee 등5)은 스테인레스 관 표

면에 400정도의 두께로 테플론을 코팅한 전열관에서

관의 열 및 응축 열전달 특성을 연구하여 테플론 코팅관

의 총괄 열전달 계수는 스테인레스 관보다 약 20 작은

것으로 나타나고 응축열전달 계수는 유사하였음을 보고

하였다

알루미늄 용광로의 비-여과 배출가스에 장기간 사용하기

적합한 역류 열교환기에 관한 것으로 원통형 쉘의 표면

27

은 알루미늄 용광로 배출가스 입자 및또는 먼지 및 부

식 흄과 접촉될 수 있어 테프론 계로 코팅 처리하는 특

허6)가 있다 이 특허에서는 원통형 쉘을 만들도록 복재

(web member 웨브재)와 함께 연결된 유체 운반튜브로

이루어진다 각 원통형 쉘에 위치한 헤더는 열교환기의

튜브에서 튜브로 유체를 공급하며 뜨거운 난류가스에 작

용하여 스케일링을 최소화하기 위해 헤더의 보호덮개를

설치한다

저온에서 고온에 이르는 환경에서 유체에 사용되는 배관

튜브는 열에 의한 경시적 열화가 진행되어 균열 발생이

쉽다 가동부에 사용되는 배관 튜브는 움직임이 수반되어

그 경향이 현저하며 반도체 제조장치에 일반으로 사용되

는 실리콘튜브는 저온에서 열화되어 파손되기 쉽다 이러

한 문제점을 해결하기 위해 실리콘 튜브 외측 표면을 테

플론으로 코팅하여 균열발생을 억제함으로써 장시간 사

용 가능하도록 고안한 특허7)가 있다

섬유상 부직포로 제작하는 다공성 여과필터는 다양한 산

업공정의 배출가스를 정화시키는 데 사용되며 특히 중고

온 환경에서 사용이 가능한 다양한 종류의 기능성 필터

의 개발이 요망된다 일반으로 소각장 및 발전소 등의 중

고온 조건에서 사용되는 Nomex를 비롯한 섬유상 필터는

28

200 이상에서는 열변형으로 사용이 제한적이고 세라믹

필터와 같이 고온에서 적용이 가능한 소재는 매우 고가

일 뿐 아니라 초기 작업으로 인해 에너지 사용량이 매우

높아지는 문제점이 있다 Kim 등8)은 250-300 영역의

중고온의 배출가스를 처리하기 위한 필터에 표면 소수성

과 고온 안정성을 부여하기 위하여 표 3-3과 같은 조성

으로 그림 3-1과 같은 장치를 이용하여 테플론 수지를

거품 형태의 코팅액으로 조제하여 유리섬유 원단에 공급

하여 표면코팅하고 열처리 및 압착과정을 거친 후 표면

분석하였다

표 3-3 테플론 코팅을 위한 화학첨가제8)

테플론 코팅이 전기 집진장치에 활용되는 특허도 있다

종전 사이클론 방식의 전기집진기에서는 집진부의 먼지

를 떨어뜨리는 것이 용이하지 않았다 발명자들은 먼지

압축 기능을 갖는 집진실 내측에 테플론 가공을 하여 정

전기에 의한 미세먼지의 부착을 억제함으로써 집진실의

먼지를 원 터치로 처리할 수 있도록 하였다9)

29

그림 3-1 테플론 거품코팅8)

일반으로 테프론을 조리용기에 코팅하는 방법은 금속소

재를 사용 제품형태로 제작한 후 세척하고 에이징(소둔)

처리한 후 샌딩하여 표면조도를 유지하도록 하고 표면에

프리머 처리하여 베이킹 처리한 후 분사방법으로 테프론

코팅을 하고 다시 베이킹 처리하므로 공정이 복잡하고

제조원가가 상승하며 부착력에 한계가 있다한다 (주) 엘

지아이 특허10)에서는 피처리물을 세척한 후 산질화처리

하여 표면에 열처리 층이 형성되게 한 후 테프론을 코팅

하고 베이킹 처리하는 것을 특징으로 한다 그 외에 내열

세라믹 주방용기의 불소수지 코팅방법에 관한 특허가 있

다11)

(주) 봉성비에스는 차량의 주행 충격을 흡수하는 완충기

30

내부에 삽입하는 피스톤 외주면의 마찰과 소음을 최소화

하기 위한 목적으로 테프론 코팅을 하기 위한 코팅장치

를 등록하였다12)

⑶ 대전 방지 플루오르화탄소 수지 코팅

ㅇ 본래 불소수지 자체는 높은 절연성과 큰 대전성을 갖고

있기 때문에 도전 효과를 얻기 위해서는 분상 필러를 다

량으로 충전할 필요가 있으나 이렇게 하면 비점착성이

떨어진다 여러 회사들의 제품 안내서들을 종합한 불소수

지의 전기적 특성은 표 3-4와 같다

표 3-4 불소수지의 전기 특성

특성측정법

(ASTM)단위

PTFE

(비충전)

PTFE

(25

유리충전)

PTFE

(25

탄소충전)

표면 내아크성 D495 sec 75-110

체적저항

(비저항)D257

ohm-

cmgt1018 gt1016 104

표면저항 D257ohm

sq-1 gt10

14

유전율(유전상

수) at 1MHzD150-81 e 25 24

절연내력 short

time 18thickD149

kv

mm285

유전정접(유전

정합) at 1MHzD150-81 lt00002 005

31

ㅇ 불소수지는 내열성 내한성이 높고 내약품성 내연소성

난연성이 우수하고 절연성 및 비점착성과 저 마찰계수를

갖고 있으나 절연성이 높아 정전재해의 원인이 될 수 있

어 재해 방지를 위해 대전 방지 또는 저저항을 특징으로

하는 불소수지 가공품이 개발되어 사용범위가 넓어지고

있다

불소수지에 충전하여 저저항으로 하는 필러에는 일반적

으로 도전성이 높은 카본 금속 또는 산화알루미늄 등의

금속산화물이 사용된다 재료의 형상으로는 미분 탄소

스테인레스 스틸 니켈 금속분과 같은 입상물 단섬유 탄

소섬유 위스커(whisker) 등이 사용된다

- 미분은 비표면적이 크기 때문에 소량의 충전으로 저

항치를 내릴 수 있으나 약품의 침투가 있는 경우 비

표면적이 크기 때문에 약품의 영향을 받기 쉬워 내부

식성 떨어질 가능성이 크다

- 입자상물질들은 미분에 비해 비표면적이 작기 때문에

약품의 영향을 비교적 적게 받지만 저항치를 내리기

위해 충전량이 많게 되어 불소수지의 특징인 비점착

성과 저마찰계수 특성을 저해한다 섬유 위스커 형상

은 단방향에 대한 장방향의 비가 클수록 적은 충전량

32

으로 저항치를 낮출 수 있지만 분산이 나쁘면 요철이

발생한다 부식 방지 코팅에서는 충전제의 내약품성이

관건이다 즉 부식 환경에서 불소수지 자체는 충분히

견디어도 충전제가 내약품성이 없으면 충전제가 서서

히 에칭되어 기기가 부식될 가능성이 크다

화학 석유 및 정제 산업에서는 시험 검사 세척 및 다양

한 공정의 용기 저장 탱크 반응기와 같은 많은 구성요

소들이 사용되며 플루오르화 고분자는 고온에서 높은 열

안정성을 갖고 다양한 유기용매에 전혀 용해되지 않으므

로 부식방지 등을 위해 플루오르화 고분자와 같은 내화

학성 고분자로 코팅된다 그러나 이들 고분자는 코팅된

구성요소의 표면에 정전하 축적을 조장하기 때문에 폭발

성 환경에서는 사용할 수 없다

특히 이들 구성요소들의 금속 구조물은 용기나 탱크에

보관된 가스 증기 분진의 이동에 의해 생성된 정전하

(electrostatic charge)를 흐르게 하는 전도경로가 되나 금

속표면을 강산 강알칼리나 유기용제에 의해 침투되는 방

지하기 위한 목적으로 부식방지 테플론으로 코팅될 경우

얇은 필름의 비-전도체로 작용하므로 폭발성 환경에서

사용을 규제하고 있다

33

- 예로 유럽 표준 EN 50014 section 732에서는 정전

하로 인한 발화 위험을 피하기 위해 사용 보수 및 세

척 조건 하에 설계된 울(enclosure)이 필요하고 울의

절연저항은 1GΩ을 초과할 수 없도록 규제하고 있고

일본은 후생노동성 관할 산업안전연구소의 정전기 안

전지침의 누설 저항치는 108Ω 이하로 되어 있다

- 따라서 부식 및 폭발성 환경에서 안전하고 다양한 구

성 요소에 적용할 수 있는 정전방지 비-발화 테플론

코팅기술을 요하며 정전방지 코팅은 표면저항을 낮추

기 위해 카본블랙이나 개질 전도성 탄소 금속이나 전

도성 고분자를 테플론에 충전하여 코팅한다

폭발성 환경용 내화학약품 특성과 대전방지 비발화

코팅 조성물로는 높은 비저항을 갖는 플루오르 고분자

50-90wt 10-50wt의 전도성물질인 탄소분(carbon

powder)으로 이루어진 Solex Robotics Systems Inc

특허가 있다13)

- 폭발환경에서 사용되는 이상적인 코팅은 정전하를 피

하기 위해 낮은 비저항을 가져야 한다 완벽한 전도체

는 비저항이 영(0)이고 완벽한 절연체는 무한 비저항

34

을 갖는다 금속(구리 금 같은) 합금(망가닌 Mn-Ni-

Cu 니크롬 Ni-Cr-Fe) 반도체(카본이나 게르마늄)는

낮은 비저항을 갖고 있어 좋은 도체이다

- 수많은 고분자 기초 코팅들이 부식화학 환경에 사용

되었으나 85GΩ 이상의 비저항으로 대전방지 시험에

서 실패하였다 정전기 도체로 인증기준 아래 적합하

기 위해서는 100cm2이상의 노출 표면이 1GΩ 이하의

비저항이어야 한다 코팅에 첨가된 탄소분은 전도도를

증가시키며 10-50의 함량은 1GΩ 이하의 비저항을

만족시킨다

비전도성 표면의 표면저항을 감소시키도록 카본이나 금

속을 사용하여 대전방지를 부여하는 공정의 단점으로는

카본이나 금속의 접착력이 낮아 입자의 마모가 일어나

장기간 사용 시 대전방지 수준이 감소하는 것이다 더욱

클린룸에서 입자의 방출은 심각한 문제가 된다 대부분의

비전도성 기질은 통상 23 상대습도 50에서 표면 비

저항이 109ohmsquare 이상으로 높고 PTFE 경우는 10

12

ohmsquare이상이다14)

반도체 제조 장치에서는 웨이퍼 기판을 안착하기 위해

작업 스테이지를 사용하며 작업스테이지는 통상 금속과

35

세라믹으로 제작되나 웨이퍼기판을 작업스테이지에 올려

놓을 때 작업스테이지와 웨이퍼기판 사이에 마찰 정전기

가 발생한다 FPD(flat panel diplay 평판표시)용 디스펜

서(dispenser)에 사용되는 작업스테이지는 진공방식으로

디스플레이 기판을 흡착 고정하며 흡착 고정되었던 디스

플레이 기판이 작업스테이지에서 박리될 때 작업스테이

지에 정전기가 발생하여 디스플레이 기판에 대전된다 최

근 디스플레이 기판이 대형화됨에 따라 대전량이 증가되

고 정전기 대전문제가 더욱 심각해지고 있다 웨이퍼기판

이나 디스플레이기판에는 반도체소자 등 다수의 전자부

품들이 배치되어 있기 때문에 정전기가 발생되면 전자부

품의 신뢰성에 치명적 손상을 주고 기판에 분진이 부착

되거나 정전기의 대전으로 기판 리프트 업(lift up)시 기

판이 깨어지는 문제가 발생한다 정전기 대전을 방지하기

위해서는 작업스테이지에 이오나이저를 설치하여 중화하

기도하나 리프트 업이 불가능하거나 이온풍이 도달하기

전 방전하는 등 작업 스테이지와 기판 사이에서 발생한

정전기가 순간적으로 일으키는 박리대전 문제를 해결하

기 어려워 작업 스테이지의 정전기 방지를 위해 불소수

지로 코팅한다

- 불소수지는 다른 물질과의 흡착에너지가 작고 비점착

성이 우수하며 마찰계수가 작아 유리기판과의 상관관

36

계가 작아져 박리에 의한 정전기의 발생량이 적어지

나 불소수지는 절연성을 가지므로 테프론 코팅에서는

카본 블랙이나 전도성 고분자 등을 필러로 사용한다

대전방지가 필요한 반도체 제조장비 디스플레이 장치 및

테스트 장치 등의 작업 스테이지를 테프론 코팅함으로써

작업 스테이지의 정전기 발생을 방지하는 방법의 단점의

하나는 제작비용이 상대적으로 많이 드는 것으로 디스펜

서의 경우 디스플레이 기판이 대형화됨에 따라 작업 스

테이지의 크기가 커져 제작비용이 증가한다 또한 불소수

지의 경도가 낮아 코팅 막에 스크래치가 발생하고 이 부

분은 평탄도 유지가 어려우며 입자들이 발생하는 요인으

로 작용하며 불소수지가 절연성이므로 카본블랙이나 전

도성 고분자 등의 도전성 필러를 충전하여 대전방지에

적합한 면-저항을 갖도록 할 경우 카본블랙은 구형으로

분진이 발생하는 문제점이 있고 전도성 고분자를 사용할

경우는 내용제성이 약하고 과량의 바인더를 사용하여야

하며 박막 형성이 어렵고 불소수지의 경도를 보완하기

위해 아노다이징 처리를 하는 경우는 이후 별도의 코팅

과정을 거쳐야 하므로 제작비용과 제작시간이 증가하는

등 여러 가지 단점들이 있다 이러한 문제점들을 해결하

기 위한 방법으로는 작업 스테이지와 기판이 만나는 면

에 정전기 발생을 최소화시킴과 동시에 그 제조비용이

37

절감되고 적절한 면-저항을 조절할 수 있으며 마찰계수

가 낮고 내마모성이 향상된 작업스테이지 표면의 대전방

지 처리 방법에 관한 국내의 탑나노시스 사의 특허15)가

있다

- 탑나노시스 사의 특허 목적은 작업스테이지의 기판과

만나는 면에 정전기의 발생을 최소화시킴과 동시에

그 제조비용이 저감되고 적절히 면-저항을 조절할 수

있으며 마찰계수가 낮고 내마모성이 향상된 스테이지

표면의 대전방지 처리 방법에 관한 것으로 이 특허에

서는 금속소재의 작업 스테이지 표면을 아노다이징

처리하여 복수의 산화표면 홀들을 형성시키고 여기에

탄소나노튜브를 삽입하고 경화하며 탄소나노튜브 경

화 후에 표면을 봉공 처리한다

- 작업스테이지 표면은 106-10

9Ωsq의 면-저항을 갖는

것이 바람직하며 산화표면 홀들은 직경 30-900nm 깊

이 100-900nm가 바람직하다 아노다이징 처리를 하는

금속소재는 Al Mg Zn Ti Ta(탄탈륨) Hf(하프늄)

Nb(니오븀) 등일 수 있고 이 발명에서는 가벼우며 일

정 강도를 갖고 가공성이 우수한 Al합금을 예로 들어

설명하고 있다

38

- 알루미늄소재 작업스테이지 표면에 산화피막(Al2O3)처

리를 하는 아노다이징(anodizing 양극산화)에서 전해

액은 수산화나트륨이나 수산과 황산 등이 사용될 수

있고 수산화나트륨의 농도(20-50) 공급전압 전류

및 시간 등을 조절하여 산화표면 홀의 크기(D)와 깊

이(L)를 조절하며 D와 L에 따라 대전방지 효과나 내

구성 및 표면경도를 조절한다

- 탄소나노튜브를 산화표면 홀 내에 삽입시키는 단계는

전해 흡착 하여 이루어질 수 있고 정전도장을 통해서

도 이루어질 수 있다 탄소나노튜브는 분산제를 포함

하는 용액으로 코팅되며 분산제로는 소듐 도데실설페

이트(SDS) 트리톤X Tween20(폴리옥시에틸렌 소르

비탄모노올레이트) CTAB(cetyl trimethyl ammonium

bromide)를 예로 들고 있으며 탄소나노튜브 용액은

아크릴계 우레탄계 등 또는 전도성 고분자계 유무기

하이브리드계 바인더가 포함될 수 있다

- 봉공처리는 산화표면 홀과 산화피막을 봉공하여 내식

성 등이 향상되도록 보호 층을 형성시키는 것으로 비

등수 가압증기에 의한 수화봉공 금속염을 포함한 열

수에 의한 금속염 봉공 오일로 도포나 침적하는 유기

물 봉공 양극산화 피막 층에 도장하는 도장에 의한

39

봉공 등이 있다

반도체 소자를 제조하는 과정에는 불순물 이온을

주입하는 장비가 이용되고 있다 (주)하이닉스 반도

체의 특허에서는 이온주입 장비의 웨이퍼 지지 장

치 리프트 핀의 끝단을 라운드 처리하고 리프트 핀

에 테플론을 코팅하여 리프트 핀과 웨이퍼 후면의

접촉 시 웨이퍼 후면에 스크래치와 같은 손상이 유

발되는 것을 억제할 수 있게 한다16)

⑷ 탄소나노튜브(CNTs Carbon Nano Tubes)17)

탄소나노튜브는 탄소의 동소체로 1991년 일본 NEC 연구

소의 Ijima박사에 의해 전자 현미경을 통해 처음으로 확

인되었다 1985년에 Kroto와 Smalley가 탄소의 동소체인

풀러렌(탄소 원자 60개가 모인 것C60)을 처음으로 발

견한 이후 전기방전 시 흑연 음극 상에 형성된 탄소덩어

리를 투과전자현미경으로 분석하는 과정에서 발견하여

Nature학술지에 처음으로 발표되었다18) 탄소나노튜브에

서 탄소원자 하나는 주위의 다른 탄소원자 3개와 sp2결

합을 하여 육각형 벌집무늬를 형성하며 이 튜브의 직경

이 대략 수 나노미터(nm nanometer) 정도로 극히 작기

40

때문에 나노튜브라고 부르게 되었다 이 탄소나노튜브는

전기 세기가 클수록 더 수축하는 성질을 가지고 있는 등

튜브의 직경이 nm수준으로 극히 작아서 특유의 전기화

학적 특성을 나타낸다

Ku 등19)에 의하면 CNTs는 전기방사법(arc-discharge)

레이저증발 법(laser vaporization) 플라즈마 화학기상증

착 법(plasma enhanced chemical vapor deposition) 열

화학 기상증착 법(thermal chemical vapor deposition) 등

의 다양한 합성법이 개발되어 대량생산이 가능하다

CNTs의 종류는 벽의 수에 따라 단일 벽 탄소나노튜브

(SWNTs) 이중 벽 탄소나노튜브(DWNTs) 다중벽 탄소

나노튜브(MWNTs)가 있으며 물성에 관한 많은 연구결

과 기계적 전기적 열적으로 우수한 성능을 갖고 있음이

입증되었다

CNTs는 인장강도와 탄성률 면에서 지금까지 발견된 재

료 중 가장 강하고 질기며 다중벽 CNT는 63GPa에 이른

다 표준 단일 벽 CNT는 25GPa의 압력까지 변형 없이

지탱된다 그래핀의 대칭성과 특이한 전기적 구조 때문에

CNTs의 구조는 그것의 전기적 특성에 영향을 미쳐 금속

성이나 반도체의 특성을 나타내고 이론적으로 금속성

41

CNTs는 구리와 같은 금속의 1000배가 큰 4times109Acm

2

전류 밀도를 운반할 수 있으며 나노크기의 단면으로 전

자가 튜브의 축 방향으로만 전파되고 전자의 이동은 양

자효과를 수반하여 1차원 전도체로 간주된다

CNTs는 우수한 물성과 상대적으로 큰 표면적으로 갖고

있어 충전제(filler)로써 에폭시 폴리스틸렌 폴리우레탄

등 고분자와 혼합하여 폴리머의 기계적 전기적 특성을

향상시키려는 연구가 활발하다 CNTs가 폴리머 중에서

충전제 역할을 하기 위해서는 고른 분산이 필요하나 반

데르발스 힘에 의한 CNTs 응집현상(agglomeration)으로

인해 효과적인 분산이 어려워 오히려 폴리머의 물성을

저해하므로 이것을 개선하기 위한 다양한 기계적 화학적

분산 방법이 연구되고 있다

- CNTs를 분산시키기 위한 가장 일반적인 방법은 용매

나 폴리머에 CNTs를 투입하고 초음파처리를 하는 것

으로 초음파처리를 하면 SWNTs의 길이가 짧아지고

다발(bundle)이 얇아져 분산력이 증가한다

- CNTs 표면을 산이나 아민으로 기능화하여 분산을 높

이는 방법도 연구되고 있으며 MWNTs를 HNO3

H2O2NH4OH 용액에 침지시켜 MWNTs에폭시 복합

42

재료는 전기적 특성을 향상시키려는 연구와 산과 아

민 등의 기능기를 도입하여 SWNTs의 열전도도를 향

상시키려는 연구들이 수행되고 있다

- 기계적 분산방법인 전단혼합방법은 좁은 관이나 상대

적으로 높은 속도의 유동을 이용하여 발생한 전단력

으로 CNTs를 분산시키는 방법이다 Ku 등19)은 전단

혼합과 초음파처리를 이용하여 MWNTs로 강화된

에폭시 복합재료를 만들어 기계적 및 열적 특성을 연

구하였다

⑸ 내마모성 테프론 코팅

ㅇ 재료의 부식은 구조재에 원하지 않은 변화 원인으로 작

용하여 경제적인 문제로 귀결되는 심각한 문제이다 이들

원치 않는 변화는 때로 적절한 코팅에 의한 표면처리로

예방할 수 있다 가장 일반적이고 자주 사용되는 전착 코

팅은 아연에 기초한 아연 코팅 및 합금 코팅으로 이들

코팅은 간단한 기술로써 내부식성이 양호하여 전 표면처

리의 약 14에 해당하나 최근 낮은 마찰계수 등 다른 특

성들이 매우 중요하게 되었다 이들 특성은 다층 코팅으

로 대응할 수 있으나 두께가 증가하고 기술이 복잡하여

가능한 해결방법으로는 복합체 코팅이 있다 복합체 코팅

43

은 일반기계와 자동차 전자부품 및 컴퓨터 등 다양한 분

야에 적용된다 금속 기질에 미세한 PTFE 입자의 전착

에 의한 증착은 새로운 세대의 복합체 코팅으로써 가장

바람직한 특성은 양호한 내마모성 자기윤활 내부식성이

다 M Paderovaacute 등20)에 의하면 이들 특성은 주로 사용

한 입자(흑연 다이아몬드 MoS2 또는 PTFE)와 용액의

유형(pH 온도 bath 등) 뿐 아니라 입자의 크기 농도

분산 및 형태학에 의존한다

ㅇ 충전되지 않은 PTFE의 마모율은 736-741times10-4mm3Nm

로 내마모성이 낮아 다양한 충전제들이 첨가되고 있다

Xing-Dong Yuan 등21)은 진공 조건에서 PTFE 코팅

의 마모특성을 연구하여 초기에는 하중이 증가함에 따

라 마찰계수가 감소하나 하중이 6N 이상으로 커지면

마찰계수도 증가하며 압력이 PTFE 코팅의 마찰계수

에 미치는 영향이 거의 없고 마모는 압력이 증가하면

초기에는 감소하나 10Pa 보다 높으면 급격히 증가한

다고 보고하였다

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위해서는 윤활제로 PTFE

계 수지 접착제로는 폴리아미드이미드수지 산화철 분말

44

및 브론즈 분말 등을 혼합한 조성물을 사용하거나 미국

특허에서는 스와시플레이트 형 압축기의 플레이트 표면

에 MoS2 흑연 PTFE계 윤활제와 열경화성 수지인 폴리

아미드이미드(PAI) 조성물을 코팅하여 내마모 및 윤활성

을 부여하고 있다22) 내열성 향상을 위해서는 고체윤활

제 접착제수지 및 저융점 금속인 Sn Pb In Bi 등을 함

유하는 합금이나 화합물을 사용하여 금속의 잠열을 이용

내열성 향상을 시도하기도 한다

ㅇ 그간 철강(스테인리스강 탄소강 아연도금강판 등)의 내

부식성 향상을 위한 많은 연구들이 수행되어 왔다 4플루

오르에틸렌(C2H4) 4플루오르에탄(CF4) 6플루오르에탄

(C2F6) 3플루오르화에탄(CHF3) 8플루오르화에탄(C4F8)

같은 불소화된 단량체의 플라즈마 중합에 의한 테플론

류 코팅은 그들의 소수성으로 인해 금속의 내부식성 향

상을 위한 대안으로 주목을 받고 있다 A Delimi 등23)

은 유도결합 고주파플라즈마(inductively coupled radio

fre- quency plasma)를 사용하여 소수성 박막 불소수지

필름을 탄소강에 증착하고 3염수에서 내부식성을 평가

한 결과 1개월 동안 9nm의 필름이 유지되는 것을 관찰

하여 불소고분자 박막이 금속과 금속산화물의 보호층이

될 수 있음을 보고하였다

45

ㅇ PTFE를 이용한 세라믹코팅 기술로는 알루미늄 및 알루

미늄 합금 공작물을 양극처리에 의해서 티타늄 및또는

지르코늄 산화물을 포함하는 내식성 내열성 및 내마모

성 세라믹 코팅을 하고 이어서 양극처리된 공작물을

PTFE 또는 실리콘 함유 코팅과 같은 제 2 코팅으로 코

팅한다 이 발명은 가소성을 가지는 경질의 필름 내에서

내식성 내열성 및 내마모성을 제공하는 티타늄 및또는

지르코늄 산화물의 양극처리 층으로 기판을 예비-코팅함

으로써 알루미늄 기판에 보다 긴 수명의 코팅을 형성하

는데 특히 유용하다24)

ㅇ Nosaka 등25)은 PTFE로 대표되는 불소수지는 마모-링이

나 극저온 밸브의 실링부에 많이 사용되며 진공치환법에

의해 탄소재료에 PTFE나 MoS2 분말을 1-2wt 함침시

키면 무함침한 것에 비해 마모가 약 13로 감소한다고

보고하였다 한편 저자들은 터보펌프의 실링재료가 극저

온 환경에서 보이는 특이한 현상을 극복하기 위해 베어

링의 표면에 노출된 유리섬유를 불소산으로 처리하여 용

해 제거하고 윤활성을 높인 유리섬유강화 테프론 리테이

너를 개발하여 내구성과 윤활성을 향상시킬 수 있었다고

보고하고 있다

46

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위한 또 다른 특허로는

폴리실록산계 접착제를 단독 혹은 폴리에스테르계 접착

제와 병용하고 고체 윤활제로 MoS2(이황화몰리브덴

WS2(이황화텅스텐) h-BN(육방정 질화붕소) 팽창흑연

및 PTFE를 사용하고 충전제로 탄화규소 알루미나 산화

지르콘 산화티탄 등의 미분말을 사용하여 내마모 내열

및 윤활성을 부여하고자 하는 내마모성 및 윤활성 코팅

조성물에 관한 특허가 있다26)

ㅇ 내열성 내후성 내오염성 내약품성 내구성 등의 물성

은 유지하면서 비점착성을 높이기 위해 무기계 세라믹

코팅 조성물에 PTFE를 첨가하기도 한다 이러한 하이

브리드 코팅 조성물에 관한 특허로는 불소수지(01sim25

중량) 콜로이달 실리카나 콜로이달 알루미나 등 무

기계고분자 바인더(20sim80중량) 알콕시실란 화합물

(1sim50중량) 수용성 유기용제(1sim10중량) 충전제

또는 안료(5sim50중량) 및 물(100중량 까지 보충)로

이루어진 코팅 조성물에 관한 것으로 무기질 도료 및

무기계 세라믹 코팅에 의해 내열성 내오염성 내약품

성과 내구성을 유지하고 접착력을 높이기 위해 소량의

PTFE를 사용하는 것이 있다27)

47

ㅇ 정전 복사기에 사용되는 정착기재부의 최외층에 코팅하

여 기계적 성질 및 내마모성을 향상시키려는 목적으로

불소수지 기질 중에 분산된 불소화 다이아몬드를 함유하

는 입자로 구성된 조성물에 관한 일본 특허28)가 있다

ㅇ 부식 특성을 개선한 흑색 무크롬(chrome-free) 다층 내

부식 마무리 칠과 방법에 관한 특허29)로는 ASTM B 117

표준으로 시험할 때 백색 부식에는 최소 500시간 염수분

무시간 및 적색 부식에는 1500시간 염수분무시간에 적합

하게 설계된 마무리 칠에 관한 것이 있다 이 다층 시스

템은 광택(gloss) 4 이상을 만족하는 자동차 차체 강판

자동차 하부와 내장에 사용되기 위해 설계된 것으로 이

다층 마무리 칠은 3층 부식 방지 시스템을 형성하도록

아연-철 전기도금 기질 오르토인산을 사용한 무전해 인

산염 결정 전환 층과 XylanTeflon 실러 코팅의 조합이

다

ㅇ 전통적으로 철 강판(steel sheet)은 크롬산 염 전환 코팅

으로 개질되어 왔으나 6가 크롬이 배출되어 환경을 오염

시키는 문제점이 있어 강판의 내-부식성을 개선하기 위

해 고분자 수지 코팅들이 수행되고 있으나 이 방법은 고

48

분자 코팅 층이 열전도도를 감소시키는 단점을 가지고

있다 Kang 등30)은 강판 위의 고분자 코팅 층의 열전도

도를 향상시키기 위해 초미세-크기 다이몬드(μD)입자를

열전도 물질로 사용하였다 다양한 음이온 및 비-이온

계면활성제들을 사용하여 수용액 중에서 무거운 μD입자

의 안정화를 시험들을 한 결과 1-피렌카르복시산(PCA)

이 가장 양호하였다 그림 3-2는 이 시험 결과를 요약한

것이다

- 강판 위에 PCA로 안정화 된 μD 입자를 함유한 폴리

우레탄-기초 코팅 층은 열전도도가 0351W(mK)에서

0434 W(mK)(10 wtμD)로 향상되었으며 더욱 144

시간 동안 염수 분무 시험결과 부식거동은 관찰되지

않았다

그림 3-2 피렌카르복시산을 이용한 μD 표면처리

ㅇ 자동차공업에서는 기본적인 특성으로 내마모성이 요구되

49

는 강철 기계부품들의 마찰특성을 향상시키기 위해 다양

한 금속 및 고분자 코팅들이 광범하게 이용된다 내-마

모 코팅은 두 가지 주요 특성인 높은 표면경도와 자기-

윤활 특성이 필요하다 후자의 범주에 속하는 것이

PTFE와 MoS2 기초 코팅이다 무전해 니켈 코팅은 높은

경도로 인해 양호한 마찰 특성을 보이며 한편 열처리를

통해 경도를 향상시킬 수 있다 PTFE입자의 첨가는 코

팅경도를 감소시키나 자기-윤활특성을 부여한다 S

Rossi 등3132)은 마찰특성을 향상시키기 위해 이용되는 탄

소강에 이용되는 몇 가지 공업적인 코팅에 관한 부식거

동에 관해 평가 PTFE입자를 함유한 무전해 니켈-인

(Electroless Nickel-Phophorus)코팅은 PTFE 입자(자기-

윤활 특성)를 갖는 외층과 장벽-효과를 갖는 내층으로

인한 이중 특성으로 가장 양호한 특성을 보였다고 보고

하고 있다

ㅇ 모든 기계적 시스템은 동적 요소를 필요로 하며 마찰과

마모를 줄이기 위한 다양한 수단들이 가능하나 그 선택

은 환경이나 조작 조건에 제한을 받는다 PTFE는 자기

윤활 낮은 마찰계수 높은 열안정성과 화학약품 안정성

으로 산업분야에 널리 사용되는 엔지니어링 고분자이지

만 내마모성이 매우 부족하다 이러한 이유로 금속

-PTFE충전 복합체들이 PTFE의 마찰특성과 금속충전제

50

의 내마모성을 결합하여 특정 분야의 용도로 소개되어

왔으나 금속-고분자 물질에서의 충전제의 역할은 완전히

설명되지 않고 있다 복합체 표면의 과잉의 충전제 농도

는 미끄러지는 동안 부하를 지지하여 내마모성을 증가시

키는 것으로 생각되며 PTFE의 마모율은 Mo Zn Ni

Y2O3 및 SiO2 같은 무기 충전제에 의해 1000배가량 감소

되었다는 보고도 있다 유리섬유 구리 세라믹 탄소섬유

절단 탄소섬유 나노입자를 포함한 경질의 충전제 입자들

이 PTFE의 내마모성을 높이기 사용되어 왔다

ㅇ 비교적 두꺼운 코팅에는 열분사(thermal spray) 용사기

술이 정립되어 있고 용사 코팅은 내마모 내마찰 내프레

팅(fretting) 및 내부식을 요하는 산업에 많이 이용되고

있다

- 용사 몰리브덴(Mo)코팅은 실질적 내마모성 코팅으로

가장 광범하게 이용되며 프레임용사(flame spray)거나

와이어용사(wire spray)기술로 생산된 몰리브덴(Mo)

코팅은 흠이나 마모에 대한 고도의 저항을 얻기 위한

가장 좋은 코팅재료 중의 하나이다

- 알루미늄 청동(aluminium bronze)은 높은 내-부식성

과 내마모성을 갖는 것이 특징이다 저압 플라즈마 용

51

사 기술은 자기-아닐링(self-anealing)과 부서지기 쉽

도록 유도하는 γ-상의 형성을 피할 수 있도록 높은

냉각 속도를 얻는 데 사용되며 알루미늄 청동 저압

플라즈마 용사 코팅은 낮은 마찰과 마모를 보였고 비

교적 최근 플라즈마 용사 기술을 이용하여 알루미늄

기질에 고분자-세라믹 복합체를 코팅하는 기술이 개

발되었다33)복합체 코팅으로 행한 마찰 시험에서 낮

은 마찰계수를 얻을 수 있었다

- 낮은 마찰계수와 고 내마모성을 갖는 이성분 금속

-PTFE 코팅이 개발되었고 이들의 마찰 공학적 성능

이 보고되었다 PTFE-기초 복합체 설계에서 일반적

인 접근방법은 경질의 충전 입자들을 도입하는 것으

로 M Yamane 등34)은 PTFE-금속 이성분 코팅의 마

찰 마모성능에 관한 연구 결과 알루미늄 청동 코팅이

Mo코팅에 비해 PTFE 저장소(reservoir)에 유용했음

을 보고하였다

⑹ 충전 또는 강화 플루오르화 탄소1)

ㅇ 분말이나 강화섬유 등 전형적인 충전재들이 충전 또는

강화 플루오르화 탄소에 사용된다 충전재는 저온흐름

52

을 향상시키는 데 사용되며 수축과 균열을 줄이고 열

팽창을 낮추며 열전도율을 향상시킨다

ㅇ 분말이나 단섬유로 된 전형적인 충전제를 표 3-5에 종합

하였다 유리섬유는 가장 보편적인 PTFE 충전제로 화

학 및 전기적 특성에 최소로 영향을 미치며 기계적 특

성을 크게 향상시킨다 분말에 비해 섬유는 압축강도

강성도 및 지지용량을 더욱 향상시키나 분말은 충전

테플론의 내구성에 거의 영향을 미치지 않는다 금속분

말은 특히 열전도도를 향상시키며 고속에서 발생하는 마

찰열을 소멸하는데 도움이 되며 전기저항을 상당히 감소

시켜 금속-충전 조성물은 양호한 절연체는 아니다

ㅇ 흑연(graphite) MoS2는 초기 내구성과 마찰을 개선하고

기계적 특성을 향상시킨다 석면은 많은 유용한 특성을

갖지만 가공 처리 중 가스가 방출할 뿐 아니라 사용금지

물질이다 표 3-5 외에도 금속 망 장섬유 다공성 금속

등 다양한 충전제들이 있으며 다양한 종류의 제품들이

상업 생산되고 있어 최종 선정을 하기 전에 플라스틱 가

공업자로부터 보다 완전한 정보와 추천을 받는 것이 바

람직하다

53

표 3-5 불소수지용 충전제

ㅇ 압축강력 인장과 압축 시의 탄성률 및 항복강력은 첨가

제의 첨가에 의해 모두 증가하나 일반으로 인장강력과

신도 및 충격강도는 손실된다 통상 충전 테플론은 압축

상태에서 사용되므로 인장강력의 감소는 중요하지 않다

인장강력의 손실은 설치(연속적인 링-실링)할 때 인장되

는 재료에서 중요하다 열팽창 계수는 비-충전 테플론에

비해 감소되어 통상 금속 부품의 팽창계수와 잘 맞는다

ㅇ 마찰과 마모를 수반하는 분야에서 가장 중요한 것은 충

전제로 얻어지는 PV한계치의 증가와 마모의 감소다 비-

54

충전 테플론에 비해 PV한계치 크기는 개략적으로 1차원

적으로 증가하나 마모인자는 3차원적으로 감소한다 충전

테플론의 평균치들은 동적 마찰계수는 01-02 PV한계치

는 10000-20000 psi-fpm 마모상수는 10times10-10in3-min

lb-ft-hr이다 그림 3-3은 충전 테플론 PTFE의 마찰계

수에 미치는 충전제 종류와 농도의 효과에 관한 것이다

그림 3-3 테플론 PTFE에 미치는 충전제 종류와 농도1)

ㅇ 내마모성을 향상시키는 충전제는 실제로 연마저항성을

감소시키는 것으로 날카로운 입자는 보다 쉽게 침투하고

충전제 입자와 수지 사이의 경계를 따라 충전 플라스틱

을 찢는다 따라서 라이닝 슈트 같은 분야의 적용 시는

55

비-충전테플론이 보다 바람직하다

⑺ 시트 테이프 및 박층(laminates)

ㅇ 대부분의 플루오르화탄소는 충전 여부에 관계없이 두

께 1mil(0001 in)까지 시트나 테이프로 만들 수 있고

시트나 테이프를 찍어서 원하는 형상의 립-씰(lip seal)

펌프 컵(pump cup) 피스톤 링(piston rings) 가스켓

(gaskets) 등을 만들 수 있다

ㅇ 유체의 누설을 정지시키는 밀봉기능 부품 중 각종기기의

접합부나 배관 플랜지 등의 밀봉에 사용되는 가스켓

(gaskets)은 석면이 널리 사용되어 왔으나 유해물질 배

출 및 이동량 보고제도(PRTR Pollutant Release and

Transfer Register)에서 발암성을 가진 제1종 지정 화학

물질로 지정되어 사용이 금지되어 PTFE가 가스켓으로

개발되었다 PTFE는 용융 알칼리 금속 및 그 용액과 불

소 및 3불화염소에 의해 약간 침식되나 모든 화학약품에

안정하고 우수한 내부식 재료로 C-F결합력이 크고 F원

자가 C-C결합의 주위를 간격 없이 들러 싸고 있기 때문

에 다른 물질의 공격을 방어하고 있고 내열성은 260로

높다35)

56

- PTFE 필러를 사용한 PTFE 나선 권형 가스켓은 석

면에 대한 사용규제와 상관없이 사용되어 왔으며 유

연한 필러를 사용하므로 석면 가스켓 보다 낮은 체결

압력에서도 실 특성이 우수하고 내식 면에서도 광범

하고 다양한 유체에 사용이 가능하다 다만 단열성 면

에서는 석면 나선 권형 가스켓 보다 사용온도 범위가

제한된다

ㅇ 산업 기계나 자동차의 브레이크 제동장치에 부착하여 마

찰력을 부가하는 브레이크 라이닝에서는 마찰계수와 내

마모력 및 충격계수 등 마찰특성이 우수한 석면을 주로

사용하여 왔으나 제동 시 발생하는 미세 석면분진으로

인해 대기오염에 의한 환경을 파괴 뿐 아니라 인체에 흡

입될 경우 암을 유발하여 PRTR로 사용이 금지되었다

석면을 대체할 유기질 또는 무기질 된 다양한 비석면 마

찰 섬유 등이 사용되고 있으며 마찰 섬유에 테프론을 코

팅하여 브레이크라이닝의 수명향상 제동 시 발생하는 소

음 떨림 및 제동력 향상을 위한 제품개발이 시도되고

있다

- 예로 국내 특허36)에서는 브레이크 라이닝(또는 패드)

의 마찰재 배합재료 중 유기섬유(Kevlar섬유 pulp섬

57

유 등)에 테프론을 코팅하고 코팅된 유기섬유에 결합

재 충전재 윤활재 마찰안정재 마찰조정재 등을 소정

의 배합비로 배합하여 성형하고 열처리하여 브레이크

패드 또는 라이닝을 제조한다

ㅇ 초소형 정밀기계(MEMS Micro-Electromechanical

System)분야에서는 점착방지를 위해 불화 유기박막을

사용한다 Park 등37)은 단층 두께의 불화 유기박막의

특성을 접촉각 측정을 통해 분석하였다

⑻ DLC 코팅3839)

ㅇ DLC(diamond-like carbon)는 몇 가지 다이아몬드의 전

형적인 특성을 나타내는 비정질 탄소물질로 극도의 내마

모 특성을 필요로 하는 재료의 코팅에 이용되고 있다

DLC코팅은 연마 마모를 감소시키기 위한 재료에 유용하

여 엔드밀 드릴비트 금형 같은 공구는 물론 자동차 기

계부품 및 전자산업 등 산업전반에 걸쳐 적용된다40)

ㅇ 환경오염 문제로 인해 PRTR(Pollutant Release and

Transfer Register 유해물질 배출 및 이동량 보고 제

도) 이 시행되어 습동 부품이나 절삭 시에 사용되는 오

일이나 그리스에 포함되는 첨가제(MoS2 Zn 등)와 이들

58

부품을 세정할 때 사용되는 용매 기계부품의 수명을 연

장시키기 위해 활용되었던 Cr도금 폐액에서 발생하는 6

가 크롬 등의 오염물질들에 대한 규제가 더욱 강화되어

DLC에 의한 무윤활 습동과 무윤활 절삭을 지향한 공구

와 기계 부품의 개발이 관심을 끌고 있다4142)

- 일본 내에서는 PRTR이 시행되고 이것에 저촉되는 재

료에 관해서는 MSDS(Material Safety Data Sheet)를

첨부해야할 의무가 있고 부품가공 습동 용도에서는

대상 리스트에 올라 있는 오일 오일 중의 중금속 도

금폐액을 어떻게 경제성 있는 환경 친화적 공정과 재

료로 전환할 것인가를 고려하면서 무윤활 습동 무윤

활 절삭 탈크롬 도금의 3가지 키워드가 대두되고

DLC코팅이 대안으로 모색되고 있다

- DLC코팅 적용기술과 과제에 관한 자료로는 자동차

관련부품 적용사례 엔진부위 마찰 작동 밸브계의 마

찰저감 DLC와 윤활제에 의한 마찰저감 기술을 중심

으로 살펴본 보고가 있다43)

ㅇ DLC는 7가지 형태가 존재하며 모두 상당한 양의 sp3혼

성궤도 탄소원자를 함유한다 다양한 형태의 DLC가 진

공 환경으로 적합한 재료들에 적용가능하며 유럽에서의

59

2006년 위탁 DLC코팅 시장은 3천만euro로 추정되었고 국

내도 활발한 상용화가 시도되고 있다

ㅇ 사반면상(tetahedral) 비정질 탄소 ta-C를 2두께로 코

팅하면 연마마모에 대한 스테인레스 강(304 type)의 내구

성을 증가시켜 수명을 1주일에서 85년으로 늘이며 이러

한 DLC의 형태는 sp3결합 탄소 원자로만 이루어지기 때

문에 순수한 DLC로 간주되며 수소 sp2흑연 탄소 금속

같은 충전제가 생산경비를 낮추거나 원하는 특성을 부여

하기 위하여 사용되고 있다

ㅇ DLC를 만드는 방법에는 sp3탄소 보다 낮은 밀도의 sp

2

에 의존하는 몇 가지 방법들이 있으며 압력 충격 촉매

또는 이들의 조합으로 sp2결합탄소 원자들을 sp3결합탄소

로 근접시킨다 최근 초고압 하에서 탄소의 경량 특성을

갖는 초경도 무정형 다이아몬드가 만들어졌다 탄소로 만

들어지는 다이아몬드 그래파이트는 결정구조를 가지나

DLC는 비정질이라는 점에서 크게 다르고 200 정도의

저온에서 형성시킬 수 있다는 점이 통상의 PVD막에 비

해 훨씬 우위에 있다

ㅇ DLC코팅은 제조공정이 복잡하고 생산 단가가 비싸 적용

이 어려우며 적용되는 소재가 제한되는 단점을 갖는다

60

주요제법으로는 고주파 플라즈마 법 이온화 증착법 스

페터링법 등을 들수 있다 고주파 플라즈마 법은 메탄가

스가 원료로 사용되고 막 중의 수소가 약 30(원자)로

평활성이 우수하고 마찰계수가 작으나 경도가 낮다 이

온화 증착법은 벤젠을 사용하며 막은 단단하나 면의 조

도가 거칠고 후막화 하기 위해 스패터링 방법이 검토되

고 있다

⑼ 불소수지의 안전성

ㅇ 테플론 PTFE의 열분해는 200(392)에서 감지되며 이

것은 몇 가지 플루오르화 탄소 기체들과 승화물질을 방

출한다4445)1955년 동물실험에 관한 한 연구에서는 이들

물질이 250(482) 이하에서는 의미 있는 양이 아니라

고 결론지었으나 최근 비-점착 주방기구인 프라이팬이

나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가열할 때 조류를

죽일 수 있는 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수

도 있다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있다45)

ㅇ 표 3-6은 EWG가 보고한 3-5분 내에 370까지 불소수

지를 가열할 때 발생되는 15종의 불소화합물에 관한 것

이다 테플론과 같은 코팅물질들이 장기적으로 인체에 미

61

치는 영향에 관한 연구는 이루어지지 않고 있으나 독감

과 유사한 질병을 유발할 수 있으며 이를 중합체 증기열

(polymer fume fever)이라 한다

표 3-6 15종의 유해물질 및 유독성 기체44)

ㅇ 최근 표 3-6의 화합물들 중 특히 TFA와 과불화된

(perfluorinated) PFOA(perfluorooctanoic acid)에 관심이

증가되고 있다 PFOA는 새로운 환경오염물질로 미국 환

경보호청(EPA)에 의하면 보통 때는 문제가 없으나 조리

과정에서 프라이팬에 열을 가하고 강하게 긁을 경우 용

62

출되어 나오며 이것이 음식물과 함께 인체에 흡수되는

것으로 추정하였다 한편 DuPont의 테플론 PTFE 연구

결과에 의하면 검출한계인 9ppb 이상 검출되지 않으며

테플론 주방기구에서는 PFOA가 존재하지 않는다고 발

표하고 있다

- 물이나 공기를 통해 환경에 노출된 PFOA는 고 콜레

스테롤 궤양성 대장염 갑상선 질환 고환암 신장암

및 임신성 고혈압과 관련된다고 보고되었다

- PFOA는 불소수지 생산과정에서 사용되는 첨가물로써

암모늄 형태로 PTFE 유화중합에 계면활성제로 사용

되며 불소수지의 품질과 균일성을 유지하기 위해 필

수적인 첨가물이기 때문에 전 세계 모든 불소수지 제

조업체가 사용 중에 있다 한편 국내 주력 산업인 반

도체 생산 과정에서도 PFOA를 대량으로 사용하고 있

어 체계적인 실태조사와 대책수립이 필요하다는 의견

들이 대두되고 있다

⑽ 불소화합물의 안전성과 환경대책

ㅇ 표 3-6에서 살펴본 바와 같이 테플론을 급격히 고온으로

가열하면 2종의 발암물질을 포함한 유독성 가스가 발생

63

하고 특히 불소화합물 중 MFA(monofluoroacetic acid)는

적은 양으로도 치명적 해를 끼치고 PEIF(perfluoro-

isobutene)는 신경가스제로 여러 가지 질환을 발생시킨다

한다44)

따라서 테플론으로 코팅된 장치를 재 코팅하기

위해 테프론을 고온으로 급격히 가열하거나 소각 등을

통해 제거할 때는 발생 가능성이 있는 유독가스를 제거

하기 위한 별도의 설비를 이용하여야 하고 유 등44)의 보

고서에서와 같이 중조(NaHCO3)를 포화시킨 충분한 물로

유독 산성 물질을 중화시키는 것도 고려할 만하다 한편

부식대전 방지 코팅도 테플론 코팅 일변도에서 세라믹

코팅 CNTs이나 DLC 코팅기술로 대응하는 것을 추천하

고 싶으며 이것은 유해물질 배출 및 이동량 보고제도

(PRTR Pollutant Release and Transfer Register)에 대

비하는 등 기업의 장래를 고려하는 것도 될 것이다

ㅇ PTFE를 사용한 취사도구는 1960년대 이래 사용되어 오

고 있으나 최근 들어 이것의 안전성이 논쟁의 주제가 되

고 있으며 논의 주체는 PFOA(perfluorooctanoic acid)이

다 PFOA는 PTFE를 비롯한 많은 불소수지의 생산에

사용되며 DuPont의 테플론 PTFE 연구 결과에 의하면

프라이팬을 260 이상 고온에서 가열하거나 코팅이 벗

겨져도 PFOA가 존재하지 않는다고 한다 그러나 물이나

64

공기 토양 식품포장재 등 여러 곳에서 PFOA 오염사실

이 보고되고 있다 한다44)

- 미국 EPA는 인체와 환경에 대한 PFOA 연구를 계속

하고 있으며 2015년까지 PFOA 및 이와 관련된 화합

물 방출을 배제할 프로그램을 갖고 있으나 PTFE-기

초 비점착 취사기구를 중지시킬 타당성을 갖고 있지

는 않다 최종제품은 PFOA가 아닌 PTFE이기 때문이

다

- 수십 년 동안 불소수지 비점착 코팅이 시장을 지배하

였으나 최근 몇 가지 신기술들이 출현되고 있으며 이

들 대부분은 실리콘 세라믹과 실리콘 기술로 이들 코

팅은 PTFE와 PFOA를 함유하지 않는다

- 오늘날 출시된 비점착 취사용구는 수많은 상표로 팔

리고 있으며 DuPont에 의하면 대부분의 취사용구 코

팅은 정상적으로 사용할 때 3-5년 견딜 수 있을 것으

로 예측한다 너무 문질러서는 안 되고 따뜻한 비눗

물로 씻어주는 것이 좋으며 닳거나 흠이 생기지 않도

록 나무 플라스틱이나 코팅된 재료로 만든 도구를 선

택하고 보관도 흠이 생기지 않을 장소나 캐비닛을 권

장하고 있다

65

ㅇ 국내의 불소수지 안전성에 관한 것으로는 재질규격(납과

카드뮴)과 용출규격(납 과망간산칼륨소비량 증발잔류물)

이 식품용 기구 및 용기 포장 공전46)에 기재되어 있으며

최근 국내에서도 PFOA를 비롯한 유해 불소화합물에 관

한 관심이 커져 가고 있다

ㅇ PFOA 문제가 표면화 되면서 환경 보전형 불소계 발수

유제의 개발과 공업화도 새로이 부각되고 있다 이에 관

한 보고서를 모니터링한 KISTI자료47)를 중심으로 간단히

요약하면 발수제의 주요성분 퍼플루오로알킬기(Rf기)함

유 폴리머의 기능은 Rf기의 고리길이에 크게 의존하므로

PFOA문제 해법으로 탄소수 8 이상인 종래의 불소화학

에서 탈피 짧은 고리 Rf기(탄소수 6)를 가진 새로운 단

량체를 선택하여 발수제를 제조함으로써 환경 보전형 불

소계 발수유제를 개발하고 공업화하였다 한다

66

제 4 장

지원결과

1 지원결과 종합

테프론 코팅 기술의 문제점과 부식대전방지용 테플

론 코팅에 관한 정보 외에 신청기업의 요청에 따

라 C-나노튜브 코팅 및 DLC증착에 관련된 기술 정

보도 제공하였다

테플론은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat resistant)

비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coefficient of

friction) 내약품성(chemical resistance)과 특이한 전기적

특성(unique electrical properties) 및 온내구력(cryogenic

stability)으로 그 응용범위가 광범하며 용도에 따른 엄격

한 품질관리가 요구될 것으로 생각되어 중소기업에 적합

한 기초능력 배양과 신제품을 구상하기 위한 최신기술에

관한 정보를 제공하고자 하였다

67

불소수지의 코팅은 두께와 첨가제가 관건으로 이에 관한

자료를 제공하고자 하였으며 불소수지의 전기특성 폭발

성 환경과 반도체 제조공정에서의 대전 방지 처리를 위

한 정전기 관리 지표 등을 특허를 중심으로 조사하여 제

공하고자 하였다

C-나노튜브를 이용한 대전방지 코팅 기술 및 C-나노튜

브의 제법 등 이것에 관한 기초정보를 제공하고자 하였

으며 내마모성 테플론 코팅에 관해서는 테플론을 이용한

세라믹 코팅 기술에 관한 정보도 제공하고자 하였다

테플론의 기계적 전기적 특성을 강화하기 위해 사용되는

충전제를 종합하고 기초이론을 정립함으로써 금후 원부

자재의 선정에 도움을 주었다

테플론은 석면 대체재로도 주목받고 있어 이에 관한 특

허 정보들을 제공하였으며 다이아몬드의 전형적인 특성

을 나타내는 DLC의 코팅관련 기술 정보를 환경오염 문

제와 연관하여 자료를 제공하였고 최근 비-점착 주방기

구인 프라이팬이나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가

열할 때 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수도 있

다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있어 이에

관한 정보도 제공하였다

68

2 지원의 한계

중소기업이 당면한 문제는 전문기술의 확보다 관련 기술

이 비약적으로 발전하는 추세에 비추어 한정된 인원으로

신기술을 소화하고 개발하기는 어려울 것이므로 출연연

구기관이나 대학과 공동연구를 모색할 수 있으나 이것도

중소기업으로서는 경제적 부담이 될 수밖에 없을 것으로

생각된다 가능하다면 앞으로도 KISTI의 정보지원이 계

속되기를 바라고 있었다

3 기대효과

부식대전 방지 테플론 코팅에 관한 기본 기술이 배양되

어 합리적인 원부 원료의 수입검사 공정관리 및 제품관

리를 통해 원가절감은 물론 신제품 신기술에 관한 정보

수집 및 분석능력이 배양되고 개발력이 확충되어 기업

경쟁력 향상에 도움이 될 것이다

69

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75

저자소개

김학주(金鶴柱) 서울대학교 문리과대학 화학과 졸업 이학사

전북대학교 대학원 화학과 이학박사

(주)삼양사 의약연구소장 신성대학교 교수

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 폴리에스테르 섬유의 연중직방기술 외 다수

저서 기기분석 공업물리화학 일반화학

성용길(成墉吉)

동국대학교 이과대학 화학과 졸업 이학사 이학석사

부산대학교 대학원 화학과 이학박사(Dr Sci)

University of Utah USA Ph D(공학박사) Post Dr

유타대학교 연구교수 부산대학교 교수 동국대학교 교수

동국대학교 명예교수 한국원자력문화진흥원 이사

과학문화연구원전문연구위원 한국도량형과학문화연구원 원장

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 의료용 기능성 고분자재료에 관한 연구 외 330편

저서 고분자 물성론 (서울대학교 출판부 공저) 외 10권

26

코팅은 분리하여 구워진다

불소화 고분자들은 낮은 표면장력 물과 기름에 젖지 않

고 비점착성이며 방오 특성(antifouling properties) 등을

갖기 때문에 다양한 특수 코팅에 적용되나 합성과 조성

이 몇몇 제조업자들에 독점되어 있고 값비싼 중간체를

필요로 한다 VC Malshe 등4)은 플루오르 함량이

4-10인 불소화된 아크릴 공중합체를 간단한 방법으로

합성하고 클리어 코팅하여 광학적 기계적 및 보호 특성

을 연구하였다

최근 에너지 절감과 CO2규제와 같은 환경규제에 대한 대

응 필요성이 증가하면서 발전소나 각종 보일러 시스템에

서 배가스로 배출되는 응축잠열 에너지의 회수 및 활용

에 관심이 증가되고 있다 Lee 등5)은 스테인레스 관 표

면에 400정도의 두께로 테플론을 코팅한 전열관에서

관의 열 및 응축 열전달 특성을 연구하여 테플론 코팅관

의 총괄 열전달 계수는 스테인레스 관보다 약 20 작은

것으로 나타나고 응축열전달 계수는 유사하였음을 보고

하였다

알루미늄 용광로의 비-여과 배출가스에 장기간 사용하기

적합한 역류 열교환기에 관한 것으로 원통형 쉘의 표면

27

은 알루미늄 용광로 배출가스 입자 및또는 먼지 및 부

식 흄과 접촉될 수 있어 테프론 계로 코팅 처리하는 특

허6)가 있다 이 특허에서는 원통형 쉘을 만들도록 복재

(web member 웨브재)와 함께 연결된 유체 운반튜브로

이루어진다 각 원통형 쉘에 위치한 헤더는 열교환기의

튜브에서 튜브로 유체를 공급하며 뜨거운 난류가스에 작

용하여 스케일링을 최소화하기 위해 헤더의 보호덮개를

설치한다

저온에서 고온에 이르는 환경에서 유체에 사용되는 배관

튜브는 열에 의한 경시적 열화가 진행되어 균열 발생이

쉽다 가동부에 사용되는 배관 튜브는 움직임이 수반되어

그 경향이 현저하며 반도체 제조장치에 일반으로 사용되

는 실리콘튜브는 저온에서 열화되어 파손되기 쉽다 이러

한 문제점을 해결하기 위해 실리콘 튜브 외측 표면을 테

플론으로 코팅하여 균열발생을 억제함으로써 장시간 사

용 가능하도록 고안한 특허7)가 있다

섬유상 부직포로 제작하는 다공성 여과필터는 다양한 산

업공정의 배출가스를 정화시키는 데 사용되며 특히 중고

온 환경에서 사용이 가능한 다양한 종류의 기능성 필터

의 개발이 요망된다 일반으로 소각장 및 발전소 등의 중

고온 조건에서 사용되는 Nomex를 비롯한 섬유상 필터는

28

200 이상에서는 열변형으로 사용이 제한적이고 세라믹

필터와 같이 고온에서 적용이 가능한 소재는 매우 고가

일 뿐 아니라 초기 작업으로 인해 에너지 사용량이 매우

높아지는 문제점이 있다 Kim 등8)은 250-300 영역의

중고온의 배출가스를 처리하기 위한 필터에 표면 소수성

과 고온 안정성을 부여하기 위하여 표 3-3과 같은 조성

으로 그림 3-1과 같은 장치를 이용하여 테플론 수지를

거품 형태의 코팅액으로 조제하여 유리섬유 원단에 공급

하여 표면코팅하고 열처리 및 압착과정을 거친 후 표면

분석하였다

표 3-3 테플론 코팅을 위한 화학첨가제8)

테플론 코팅이 전기 집진장치에 활용되는 특허도 있다

종전 사이클론 방식의 전기집진기에서는 집진부의 먼지

를 떨어뜨리는 것이 용이하지 않았다 발명자들은 먼지

압축 기능을 갖는 집진실 내측에 테플론 가공을 하여 정

전기에 의한 미세먼지의 부착을 억제함으로써 집진실의

먼지를 원 터치로 처리할 수 있도록 하였다9)

29

그림 3-1 테플론 거품코팅8)

일반으로 테프론을 조리용기에 코팅하는 방법은 금속소

재를 사용 제품형태로 제작한 후 세척하고 에이징(소둔)

처리한 후 샌딩하여 표면조도를 유지하도록 하고 표면에

프리머 처리하여 베이킹 처리한 후 분사방법으로 테프론

코팅을 하고 다시 베이킹 처리하므로 공정이 복잡하고

제조원가가 상승하며 부착력에 한계가 있다한다 (주) 엘

지아이 특허10)에서는 피처리물을 세척한 후 산질화처리

하여 표면에 열처리 층이 형성되게 한 후 테프론을 코팅

하고 베이킹 처리하는 것을 특징으로 한다 그 외에 내열

세라믹 주방용기의 불소수지 코팅방법에 관한 특허가 있

다11)

(주) 봉성비에스는 차량의 주행 충격을 흡수하는 완충기

30

내부에 삽입하는 피스톤 외주면의 마찰과 소음을 최소화

하기 위한 목적으로 테프론 코팅을 하기 위한 코팅장치

를 등록하였다12)

⑶ 대전 방지 플루오르화탄소 수지 코팅

ㅇ 본래 불소수지 자체는 높은 절연성과 큰 대전성을 갖고

있기 때문에 도전 효과를 얻기 위해서는 분상 필러를 다

량으로 충전할 필요가 있으나 이렇게 하면 비점착성이

떨어진다 여러 회사들의 제품 안내서들을 종합한 불소수

지의 전기적 특성은 표 3-4와 같다

표 3-4 불소수지의 전기 특성

특성측정법

(ASTM)단위

PTFE

(비충전)

PTFE

(25

유리충전)

PTFE

(25

탄소충전)

표면 내아크성 D495 sec 75-110

체적저항

(비저항)D257

ohm-

cmgt1018 gt1016 104

표면저항 D257ohm

sq-1 gt10

14

유전율(유전상

수) at 1MHzD150-81 e 25 24

절연내력 short

time 18thickD149

kv

mm285

유전정접(유전

정합) at 1MHzD150-81 lt00002 005

31

ㅇ 불소수지는 내열성 내한성이 높고 내약품성 내연소성

난연성이 우수하고 절연성 및 비점착성과 저 마찰계수를

갖고 있으나 절연성이 높아 정전재해의 원인이 될 수 있

어 재해 방지를 위해 대전 방지 또는 저저항을 특징으로

하는 불소수지 가공품이 개발되어 사용범위가 넓어지고

있다

불소수지에 충전하여 저저항으로 하는 필러에는 일반적

으로 도전성이 높은 카본 금속 또는 산화알루미늄 등의

금속산화물이 사용된다 재료의 형상으로는 미분 탄소

스테인레스 스틸 니켈 금속분과 같은 입상물 단섬유 탄

소섬유 위스커(whisker) 등이 사용된다

- 미분은 비표면적이 크기 때문에 소량의 충전으로 저

항치를 내릴 수 있으나 약품의 침투가 있는 경우 비

표면적이 크기 때문에 약품의 영향을 받기 쉬워 내부

식성 떨어질 가능성이 크다

- 입자상물질들은 미분에 비해 비표면적이 작기 때문에

약품의 영향을 비교적 적게 받지만 저항치를 내리기

위해 충전량이 많게 되어 불소수지의 특징인 비점착

성과 저마찰계수 특성을 저해한다 섬유 위스커 형상

은 단방향에 대한 장방향의 비가 클수록 적은 충전량

32

으로 저항치를 낮출 수 있지만 분산이 나쁘면 요철이

발생한다 부식 방지 코팅에서는 충전제의 내약품성이

관건이다 즉 부식 환경에서 불소수지 자체는 충분히

견디어도 충전제가 내약품성이 없으면 충전제가 서서

히 에칭되어 기기가 부식될 가능성이 크다

화학 석유 및 정제 산업에서는 시험 검사 세척 및 다양

한 공정의 용기 저장 탱크 반응기와 같은 많은 구성요

소들이 사용되며 플루오르화 고분자는 고온에서 높은 열

안정성을 갖고 다양한 유기용매에 전혀 용해되지 않으므

로 부식방지 등을 위해 플루오르화 고분자와 같은 내화

학성 고분자로 코팅된다 그러나 이들 고분자는 코팅된

구성요소의 표면에 정전하 축적을 조장하기 때문에 폭발

성 환경에서는 사용할 수 없다

특히 이들 구성요소들의 금속 구조물은 용기나 탱크에

보관된 가스 증기 분진의 이동에 의해 생성된 정전하

(electrostatic charge)를 흐르게 하는 전도경로가 되나 금

속표면을 강산 강알칼리나 유기용제에 의해 침투되는 방

지하기 위한 목적으로 부식방지 테플론으로 코팅될 경우

얇은 필름의 비-전도체로 작용하므로 폭발성 환경에서

사용을 규제하고 있다

33

- 예로 유럽 표준 EN 50014 section 732에서는 정전

하로 인한 발화 위험을 피하기 위해 사용 보수 및 세

척 조건 하에 설계된 울(enclosure)이 필요하고 울의

절연저항은 1GΩ을 초과할 수 없도록 규제하고 있고

일본은 후생노동성 관할 산업안전연구소의 정전기 안

전지침의 누설 저항치는 108Ω 이하로 되어 있다

- 따라서 부식 및 폭발성 환경에서 안전하고 다양한 구

성 요소에 적용할 수 있는 정전방지 비-발화 테플론

코팅기술을 요하며 정전방지 코팅은 표면저항을 낮추

기 위해 카본블랙이나 개질 전도성 탄소 금속이나 전

도성 고분자를 테플론에 충전하여 코팅한다

폭발성 환경용 내화학약품 특성과 대전방지 비발화

코팅 조성물로는 높은 비저항을 갖는 플루오르 고분자

50-90wt 10-50wt의 전도성물질인 탄소분(carbon

powder)으로 이루어진 Solex Robotics Systems Inc

특허가 있다13)

- 폭발환경에서 사용되는 이상적인 코팅은 정전하를 피

하기 위해 낮은 비저항을 가져야 한다 완벽한 전도체

는 비저항이 영(0)이고 완벽한 절연체는 무한 비저항

34

을 갖는다 금속(구리 금 같은) 합금(망가닌 Mn-Ni-

Cu 니크롬 Ni-Cr-Fe) 반도체(카본이나 게르마늄)는

낮은 비저항을 갖고 있어 좋은 도체이다

- 수많은 고분자 기초 코팅들이 부식화학 환경에 사용

되었으나 85GΩ 이상의 비저항으로 대전방지 시험에

서 실패하였다 정전기 도체로 인증기준 아래 적합하

기 위해서는 100cm2이상의 노출 표면이 1GΩ 이하의

비저항이어야 한다 코팅에 첨가된 탄소분은 전도도를

증가시키며 10-50의 함량은 1GΩ 이하의 비저항을

만족시킨다

비전도성 표면의 표면저항을 감소시키도록 카본이나 금

속을 사용하여 대전방지를 부여하는 공정의 단점으로는

카본이나 금속의 접착력이 낮아 입자의 마모가 일어나

장기간 사용 시 대전방지 수준이 감소하는 것이다 더욱

클린룸에서 입자의 방출은 심각한 문제가 된다 대부분의

비전도성 기질은 통상 23 상대습도 50에서 표면 비

저항이 109ohmsquare 이상으로 높고 PTFE 경우는 10

12

ohmsquare이상이다14)

반도체 제조 장치에서는 웨이퍼 기판을 안착하기 위해

작업 스테이지를 사용하며 작업스테이지는 통상 금속과

35

세라믹으로 제작되나 웨이퍼기판을 작업스테이지에 올려

놓을 때 작업스테이지와 웨이퍼기판 사이에 마찰 정전기

가 발생한다 FPD(flat panel diplay 평판표시)용 디스펜

서(dispenser)에 사용되는 작업스테이지는 진공방식으로

디스플레이 기판을 흡착 고정하며 흡착 고정되었던 디스

플레이 기판이 작업스테이지에서 박리될 때 작업스테이

지에 정전기가 발생하여 디스플레이 기판에 대전된다 최

근 디스플레이 기판이 대형화됨에 따라 대전량이 증가되

고 정전기 대전문제가 더욱 심각해지고 있다 웨이퍼기판

이나 디스플레이기판에는 반도체소자 등 다수의 전자부

품들이 배치되어 있기 때문에 정전기가 발생되면 전자부

품의 신뢰성에 치명적 손상을 주고 기판에 분진이 부착

되거나 정전기의 대전으로 기판 리프트 업(lift up)시 기

판이 깨어지는 문제가 발생한다 정전기 대전을 방지하기

위해서는 작업스테이지에 이오나이저를 설치하여 중화하

기도하나 리프트 업이 불가능하거나 이온풍이 도달하기

전 방전하는 등 작업 스테이지와 기판 사이에서 발생한

정전기가 순간적으로 일으키는 박리대전 문제를 해결하

기 어려워 작업 스테이지의 정전기 방지를 위해 불소수

지로 코팅한다

- 불소수지는 다른 물질과의 흡착에너지가 작고 비점착

성이 우수하며 마찰계수가 작아 유리기판과의 상관관

36

계가 작아져 박리에 의한 정전기의 발생량이 적어지

나 불소수지는 절연성을 가지므로 테프론 코팅에서는

카본 블랙이나 전도성 고분자 등을 필러로 사용한다

대전방지가 필요한 반도체 제조장비 디스플레이 장치 및

테스트 장치 등의 작업 스테이지를 테프론 코팅함으로써

작업 스테이지의 정전기 발생을 방지하는 방법의 단점의

하나는 제작비용이 상대적으로 많이 드는 것으로 디스펜

서의 경우 디스플레이 기판이 대형화됨에 따라 작업 스

테이지의 크기가 커져 제작비용이 증가한다 또한 불소수

지의 경도가 낮아 코팅 막에 스크래치가 발생하고 이 부

분은 평탄도 유지가 어려우며 입자들이 발생하는 요인으

로 작용하며 불소수지가 절연성이므로 카본블랙이나 전

도성 고분자 등의 도전성 필러를 충전하여 대전방지에

적합한 면-저항을 갖도록 할 경우 카본블랙은 구형으로

분진이 발생하는 문제점이 있고 전도성 고분자를 사용할

경우는 내용제성이 약하고 과량의 바인더를 사용하여야

하며 박막 형성이 어렵고 불소수지의 경도를 보완하기

위해 아노다이징 처리를 하는 경우는 이후 별도의 코팅

과정을 거쳐야 하므로 제작비용과 제작시간이 증가하는

등 여러 가지 단점들이 있다 이러한 문제점들을 해결하

기 위한 방법으로는 작업 스테이지와 기판이 만나는 면

에 정전기 발생을 최소화시킴과 동시에 그 제조비용이

37

절감되고 적절한 면-저항을 조절할 수 있으며 마찰계수

가 낮고 내마모성이 향상된 작업스테이지 표면의 대전방

지 처리 방법에 관한 국내의 탑나노시스 사의 특허15)가

있다

- 탑나노시스 사의 특허 목적은 작업스테이지의 기판과

만나는 면에 정전기의 발생을 최소화시킴과 동시에

그 제조비용이 저감되고 적절히 면-저항을 조절할 수

있으며 마찰계수가 낮고 내마모성이 향상된 스테이지

표면의 대전방지 처리 방법에 관한 것으로 이 특허에

서는 금속소재의 작업 스테이지 표면을 아노다이징

처리하여 복수의 산화표면 홀들을 형성시키고 여기에

탄소나노튜브를 삽입하고 경화하며 탄소나노튜브 경

화 후에 표면을 봉공 처리한다

- 작업스테이지 표면은 106-10

9Ωsq의 면-저항을 갖는

것이 바람직하며 산화표면 홀들은 직경 30-900nm 깊

이 100-900nm가 바람직하다 아노다이징 처리를 하는

금속소재는 Al Mg Zn Ti Ta(탄탈륨) Hf(하프늄)

Nb(니오븀) 등일 수 있고 이 발명에서는 가벼우며 일

정 강도를 갖고 가공성이 우수한 Al합금을 예로 들어

설명하고 있다

38

- 알루미늄소재 작업스테이지 표면에 산화피막(Al2O3)처

리를 하는 아노다이징(anodizing 양극산화)에서 전해

액은 수산화나트륨이나 수산과 황산 등이 사용될 수

있고 수산화나트륨의 농도(20-50) 공급전압 전류

및 시간 등을 조절하여 산화표면 홀의 크기(D)와 깊

이(L)를 조절하며 D와 L에 따라 대전방지 효과나 내

구성 및 표면경도를 조절한다

- 탄소나노튜브를 산화표면 홀 내에 삽입시키는 단계는

전해 흡착 하여 이루어질 수 있고 정전도장을 통해서

도 이루어질 수 있다 탄소나노튜브는 분산제를 포함

하는 용액으로 코팅되며 분산제로는 소듐 도데실설페

이트(SDS) 트리톤X Tween20(폴리옥시에틸렌 소르

비탄모노올레이트) CTAB(cetyl trimethyl ammonium

bromide)를 예로 들고 있으며 탄소나노튜브 용액은

아크릴계 우레탄계 등 또는 전도성 고분자계 유무기

하이브리드계 바인더가 포함될 수 있다

- 봉공처리는 산화표면 홀과 산화피막을 봉공하여 내식

성 등이 향상되도록 보호 층을 형성시키는 것으로 비

등수 가압증기에 의한 수화봉공 금속염을 포함한 열

수에 의한 금속염 봉공 오일로 도포나 침적하는 유기

물 봉공 양극산화 피막 층에 도장하는 도장에 의한

39

봉공 등이 있다

반도체 소자를 제조하는 과정에는 불순물 이온을

주입하는 장비가 이용되고 있다 (주)하이닉스 반도

체의 특허에서는 이온주입 장비의 웨이퍼 지지 장

치 리프트 핀의 끝단을 라운드 처리하고 리프트 핀

에 테플론을 코팅하여 리프트 핀과 웨이퍼 후면의

접촉 시 웨이퍼 후면에 스크래치와 같은 손상이 유

발되는 것을 억제할 수 있게 한다16)

⑷ 탄소나노튜브(CNTs Carbon Nano Tubes)17)

탄소나노튜브는 탄소의 동소체로 1991년 일본 NEC 연구

소의 Ijima박사에 의해 전자 현미경을 통해 처음으로 확

인되었다 1985년에 Kroto와 Smalley가 탄소의 동소체인

풀러렌(탄소 원자 60개가 모인 것C60)을 처음으로 발

견한 이후 전기방전 시 흑연 음극 상에 형성된 탄소덩어

리를 투과전자현미경으로 분석하는 과정에서 발견하여

Nature학술지에 처음으로 발표되었다18) 탄소나노튜브에

서 탄소원자 하나는 주위의 다른 탄소원자 3개와 sp2결

합을 하여 육각형 벌집무늬를 형성하며 이 튜브의 직경

이 대략 수 나노미터(nm nanometer) 정도로 극히 작기

40

때문에 나노튜브라고 부르게 되었다 이 탄소나노튜브는

전기 세기가 클수록 더 수축하는 성질을 가지고 있는 등

튜브의 직경이 nm수준으로 극히 작아서 특유의 전기화

학적 특성을 나타낸다

Ku 등19)에 의하면 CNTs는 전기방사법(arc-discharge)

레이저증발 법(laser vaporization) 플라즈마 화학기상증

착 법(plasma enhanced chemical vapor deposition) 열

화학 기상증착 법(thermal chemical vapor deposition) 등

의 다양한 합성법이 개발되어 대량생산이 가능하다

CNTs의 종류는 벽의 수에 따라 단일 벽 탄소나노튜브

(SWNTs) 이중 벽 탄소나노튜브(DWNTs) 다중벽 탄소

나노튜브(MWNTs)가 있으며 물성에 관한 많은 연구결

과 기계적 전기적 열적으로 우수한 성능을 갖고 있음이

입증되었다

CNTs는 인장강도와 탄성률 면에서 지금까지 발견된 재

료 중 가장 강하고 질기며 다중벽 CNT는 63GPa에 이른

다 표준 단일 벽 CNT는 25GPa의 압력까지 변형 없이

지탱된다 그래핀의 대칭성과 특이한 전기적 구조 때문에

CNTs의 구조는 그것의 전기적 특성에 영향을 미쳐 금속

성이나 반도체의 특성을 나타내고 이론적으로 금속성

41

CNTs는 구리와 같은 금속의 1000배가 큰 4times109Acm

2

전류 밀도를 운반할 수 있으며 나노크기의 단면으로 전

자가 튜브의 축 방향으로만 전파되고 전자의 이동은 양

자효과를 수반하여 1차원 전도체로 간주된다

CNTs는 우수한 물성과 상대적으로 큰 표면적으로 갖고

있어 충전제(filler)로써 에폭시 폴리스틸렌 폴리우레탄

등 고분자와 혼합하여 폴리머의 기계적 전기적 특성을

향상시키려는 연구가 활발하다 CNTs가 폴리머 중에서

충전제 역할을 하기 위해서는 고른 분산이 필요하나 반

데르발스 힘에 의한 CNTs 응집현상(agglomeration)으로

인해 효과적인 분산이 어려워 오히려 폴리머의 물성을

저해하므로 이것을 개선하기 위한 다양한 기계적 화학적

분산 방법이 연구되고 있다

- CNTs를 분산시키기 위한 가장 일반적인 방법은 용매

나 폴리머에 CNTs를 투입하고 초음파처리를 하는 것

으로 초음파처리를 하면 SWNTs의 길이가 짧아지고

다발(bundle)이 얇아져 분산력이 증가한다

- CNTs 표면을 산이나 아민으로 기능화하여 분산을 높

이는 방법도 연구되고 있으며 MWNTs를 HNO3

H2O2NH4OH 용액에 침지시켜 MWNTs에폭시 복합

42

재료는 전기적 특성을 향상시키려는 연구와 산과 아

민 등의 기능기를 도입하여 SWNTs의 열전도도를 향

상시키려는 연구들이 수행되고 있다

- 기계적 분산방법인 전단혼합방법은 좁은 관이나 상대

적으로 높은 속도의 유동을 이용하여 발생한 전단력

으로 CNTs를 분산시키는 방법이다 Ku 등19)은 전단

혼합과 초음파처리를 이용하여 MWNTs로 강화된

에폭시 복합재료를 만들어 기계적 및 열적 특성을 연

구하였다

⑸ 내마모성 테프론 코팅

ㅇ 재료의 부식은 구조재에 원하지 않은 변화 원인으로 작

용하여 경제적인 문제로 귀결되는 심각한 문제이다 이들

원치 않는 변화는 때로 적절한 코팅에 의한 표면처리로

예방할 수 있다 가장 일반적이고 자주 사용되는 전착 코

팅은 아연에 기초한 아연 코팅 및 합금 코팅으로 이들

코팅은 간단한 기술로써 내부식성이 양호하여 전 표면처

리의 약 14에 해당하나 최근 낮은 마찰계수 등 다른 특

성들이 매우 중요하게 되었다 이들 특성은 다층 코팅으

로 대응할 수 있으나 두께가 증가하고 기술이 복잡하여

가능한 해결방법으로는 복합체 코팅이 있다 복합체 코팅

43

은 일반기계와 자동차 전자부품 및 컴퓨터 등 다양한 분

야에 적용된다 금속 기질에 미세한 PTFE 입자의 전착

에 의한 증착은 새로운 세대의 복합체 코팅으로써 가장

바람직한 특성은 양호한 내마모성 자기윤활 내부식성이

다 M Paderovaacute 등20)에 의하면 이들 특성은 주로 사용

한 입자(흑연 다이아몬드 MoS2 또는 PTFE)와 용액의

유형(pH 온도 bath 등) 뿐 아니라 입자의 크기 농도

분산 및 형태학에 의존한다

ㅇ 충전되지 않은 PTFE의 마모율은 736-741times10-4mm3Nm

로 내마모성이 낮아 다양한 충전제들이 첨가되고 있다

Xing-Dong Yuan 등21)은 진공 조건에서 PTFE 코팅

의 마모특성을 연구하여 초기에는 하중이 증가함에 따

라 마찰계수가 감소하나 하중이 6N 이상으로 커지면

마찰계수도 증가하며 압력이 PTFE 코팅의 마찰계수

에 미치는 영향이 거의 없고 마모는 압력이 증가하면

초기에는 감소하나 10Pa 보다 높으면 급격히 증가한

다고 보고하였다

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위해서는 윤활제로 PTFE

계 수지 접착제로는 폴리아미드이미드수지 산화철 분말

44

및 브론즈 분말 등을 혼합한 조성물을 사용하거나 미국

특허에서는 스와시플레이트 형 압축기의 플레이트 표면

에 MoS2 흑연 PTFE계 윤활제와 열경화성 수지인 폴리

아미드이미드(PAI) 조성물을 코팅하여 내마모 및 윤활성

을 부여하고 있다22) 내열성 향상을 위해서는 고체윤활

제 접착제수지 및 저융점 금속인 Sn Pb In Bi 등을 함

유하는 합금이나 화합물을 사용하여 금속의 잠열을 이용

내열성 향상을 시도하기도 한다

ㅇ 그간 철강(스테인리스강 탄소강 아연도금강판 등)의 내

부식성 향상을 위한 많은 연구들이 수행되어 왔다 4플루

오르에틸렌(C2H4) 4플루오르에탄(CF4) 6플루오르에탄

(C2F6) 3플루오르화에탄(CHF3) 8플루오르화에탄(C4F8)

같은 불소화된 단량체의 플라즈마 중합에 의한 테플론

류 코팅은 그들의 소수성으로 인해 금속의 내부식성 향

상을 위한 대안으로 주목을 받고 있다 A Delimi 등23)

은 유도결합 고주파플라즈마(inductively coupled radio

fre- quency plasma)를 사용하여 소수성 박막 불소수지

필름을 탄소강에 증착하고 3염수에서 내부식성을 평가

한 결과 1개월 동안 9nm의 필름이 유지되는 것을 관찰

하여 불소고분자 박막이 금속과 금속산화물의 보호층이

될 수 있음을 보고하였다

45

ㅇ PTFE를 이용한 세라믹코팅 기술로는 알루미늄 및 알루

미늄 합금 공작물을 양극처리에 의해서 티타늄 및또는

지르코늄 산화물을 포함하는 내식성 내열성 및 내마모

성 세라믹 코팅을 하고 이어서 양극처리된 공작물을

PTFE 또는 실리콘 함유 코팅과 같은 제 2 코팅으로 코

팅한다 이 발명은 가소성을 가지는 경질의 필름 내에서

내식성 내열성 및 내마모성을 제공하는 티타늄 및또는

지르코늄 산화물의 양극처리 층으로 기판을 예비-코팅함

으로써 알루미늄 기판에 보다 긴 수명의 코팅을 형성하

는데 특히 유용하다24)

ㅇ Nosaka 등25)은 PTFE로 대표되는 불소수지는 마모-링이

나 극저온 밸브의 실링부에 많이 사용되며 진공치환법에

의해 탄소재료에 PTFE나 MoS2 분말을 1-2wt 함침시

키면 무함침한 것에 비해 마모가 약 13로 감소한다고

보고하였다 한편 저자들은 터보펌프의 실링재료가 극저

온 환경에서 보이는 특이한 현상을 극복하기 위해 베어

링의 표면에 노출된 유리섬유를 불소산으로 처리하여 용

해 제거하고 윤활성을 높인 유리섬유강화 테프론 리테이

너를 개발하여 내구성과 윤활성을 향상시킬 수 있었다고

보고하고 있다

46

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위한 또 다른 특허로는

폴리실록산계 접착제를 단독 혹은 폴리에스테르계 접착

제와 병용하고 고체 윤활제로 MoS2(이황화몰리브덴

WS2(이황화텅스텐) h-BN(육방정 질화붕소) 팽창흑연

및 PTFE를 사용하고 충전제로 탄화규소 알루미나 산화

지르콘 산화티탄 등의 미분말을 사용하여 내마모 내열

및 윤활성을 부여하고자 하는 내마모성 및 윤활성 코팅

조성물에 관한 특허가 있다26)

ㅇ 내열성 내후성 내오염성 내약품성 내구성 등의 물성

은 유지하면서 비점착성을 높이기 위해 무기계 세라믹

코팅 조성물에 PTFE를 첨가하기도 한다 이러한 하이

브리드 코팅 조성물에 관한 특허로는 불소수지(01sim25

중량) 콜로이달 실리카나 콜로이달 알루미나 등 무

기계고분자 바인더(20sim80중량) 알콕시실란 화합물

(1sim50중량) 수용성 유기용제(1sim10중량) 충전제

또는 안료(5sim50중량) 및 물(100중량 까지 보충)로

이루어진 코팅 조성물에 관한 것으로 무기질 도료 및

무기계 세라믹 코팅에 의해 내열성 내오염성 내약품

성과 내구성을 유지하고 접착력을 높이기 위해 소량의

PTFE를 사용하는 것이 있다27)

47

ㅇ 정전 복사기에 사용되는 정착기재부의 최외층에 코팅하

여 기계적 성질 및 내마모성을 향상시키려는 목적으로

불소수지 기질 중에 분산된 불소화 다이아몬드를 함유하

는 입자로 구성된 조성물에 관한 일본 특허28)가 있다

ㅇ 부식 특성을 개선한 흑색 무크롬(chrome-free) 다층 내

부식 마무리 칠과 방법에 관한 특허29)로는 ASTM B 117

표준으로 시험할 때 백색 부식에는 최소 500시간 염수분

무시간 및 적색 부식에는 1500시간 염수분무시간에 적합

하게 설계된 마무리 칠에 관한 것이 있다 이 다층 시스

템은 광택(gloss) 4 이상을 만족하는 자동차 차체 강판

자동차 하부와 내장에 사용되기 위해 설계된 것으로 이

다층 마무리 칠은 3층 부식 방지 시스템을 형성하도록

아연-철 전기도금 기질 오르토인산을 사용한 무전해 인

산염 결정 전환 층과 XylanTeflon 실러 코팅의 조합이

다

ㅇ 전통적으로 철 강판(steel sheet)은 크롬산 염 전환 코팅

으로 개질되어 왔으나 6가 크롬이 배출되어 환경을 오염

시키는 문제점이 있어 강판의 내-부식성을 개선하기 위

해 고분자 수지 코팅들이 수행되고 있으나 이 방법은 고

48

분자 코팅 층이 열전도도를 감소시키는 단점을 가지고

있다 Kang 등30)은 강판 위의 고분자 코팅 층의 열전도

도를 향상시키기 위해 초미세-크기 다이몬드(μD)입자를

열전도 물질로 사용하였다 다양한 음이온 및 비-이온

계면활성제들을 사용하여 수용액 중에서 무거운 μD입자

의 안정화를 시험들을 한 결과 1-피렌카르복시산(PCA)

이 가장 양호하였다 그림 3-2는 이 시험 결과를 요약한

것이다

- 강판 위에 PCA로 안정화 된 μD 입자를 함유한 폴리

우레탄-기초 코팅 층은 열전도도가 0351W(mK)에서

0434 W(mK)(10 wtμD)로 향상되었으며 더욱 144

시간 동안 염수 분무 시험결과 부식거동은 관찰되지

않았다

그림 3-2 피렌카르복시산을 이용한 μD 표면처리

ㅇ 자동차공업에서는 기본적인 특성으로 내마모성이 요구되

49

는 강철 기계부품들의 마찰특성을 향상시키기 위해 다양

한 금속 및 고분자 코팅들이 광범하게 이용된다 내-마

모 코팅은 두 가지 주요 특성인 높은 표면경도와 자기-

윤활 특성이 필요하다 후자의 범주에 속하는 것이

PTFE와 MoS2 기초 코팅이다 무전해 니켈 코팅은 높은

경도로 인해 양호한 마찰 특성을 보이며 한편 열처리를

통해 경도를 향상시킬 수 있다 PTFE입자의 첨가는 코

팅경도를 감소시키나 자기-윤활특성을 부여한다 S

Rossi 등3132)은 마찰특성을 향상시키기 위해 이용되는 탄

소강에 이용되는 몇 가지 공업적인 코팅에 관한 부식거

동에 관해 평가 PTFE입자를 함유한 무전해 니켈-인

(Electroless Nickel-Phophorus)코팅은 PTFE 입자(자기-

윤활 특성)를 갖는 외층과 장벽-효과를 갖는 내층으로

인한 이중 특성으로 가장 양호한 특성을 보였다고 보고

하고 있다

ㅇ 모든 기계적 시스템은 동적 요소를 필요로 하며 마찰과

마모를 줄이기 위한 다양한 수단들이 가능하나 그 선택

은 환경이나 조작 조건에 제한을 받는다 PTFE는 자기

윤활 낮은 마찰계수 높은 열안정성과 화학약품 안정성

으로 산업분야에 널리 사용되는 엔지니어링 고분자이지

만 내마모성이 매우 부족하다 이러한 이유로 금속

-PTFE충전 복합체들이 PTFE의 마찰특성과 금속충전제

50

의 내마모성을 결합하여 특정 분야의 용도로 소개되어

왔으나 금속-고분자 물질에서의 충전제의 역할은 완전히

설명되지 않고 있다 복합체 표면의 과잉의 충전제 농도

는 미끄러지는 동안 부하를 지지하여 내마모성을 증가시

키는 것으로 생각되며 PTFE의 마모율은 Mo Zn Ni

Y2O3 및 SiO2 같은 무기 충전제에 의해 1000배가량 감소

되었다는 보고도 있다 유리섬유 구리 세라믹 탄소섬유

절단 탄소섬유 나노입자를 포함한 경질의 충전제 입자들

이 PTFE의 내마모성을 높이기 사용되어 왔다

ㅇ 비교적 두꺼운 코팅에는 열분사(thermal spray) 용사기

술이 정립되어 있고 용사 코팅은 내마모 내마찰 내프레

팅(fretting) 및 내부식을 요하는 산업에 많이 이용되고

있다

- 용사 몰리브덴(Mo)코팅은 실질적 내마모성 코팅으로

가장 광범하게 이용되며 프레임용사(flame spray)거나

와이어용사(wire spray)기술로 생산된 몰리브덴(Mo)

코팅은 흠이나 마모에 대한 고도의 저항을 얻기 위한

가장 좋은 코팅재료 중의 하나이다

- 알루미늄 청동(aluminium bronze)은 높은 내-부식성

과 내마모성을 갖는 것이 특징이다 저압 플라즈마 용

51

사 기술은 자기-아닐링(self-anealing)과 부서지기 쉽

도록 유도하는 γ-상의 형성을 피할 수 있도록 높은

냉각 속도를 얻는 데 사용되며 알루미늄 청동 저압

플라즈마 용사 코팅은 낮은 마찰과 마모를 보였고 비

교적 최근 플라즈마 용사 기술을 이용하여 알루미늄

기질에 고분자-세라믹 복합체를 코팅하는 기술이 개

발되었다33)복합체 코팅으로 행한 마찰 시험에서 낮

은 마찰계수를 얻을 수 있었다

- 낮은 마찰계수와 고 내마모성을 갖는 이성분 금속

-PTFE 코팅이 개발되었고 이들의 마찰 공학적 성능

이 보고되었다 PTFE-기초 복합체 설계에서 일반적

인 접근방법은 경질의 충전 입자들을 도입하는 것으

로 M Yamane 등34)은 PTFE-금속 이성분 코팅의 마

찰 마모성능에 관한 연구 결과 알루미늄 청동 코팅이

Mo코팅에 비해 PTFE 저장소(reservoir)에 유용했음

을 보고하였다

⑹ 충전 또는 강화 플루오르화 탄소1)

ㅇ 분말이나 강화섬유 등 전형적인 충전재들이 충전 또는

강화 플루오르화 탄소에 사용된다 충전재는 저온흐름

52

을 향상시키는 데 사용되며 수축과 균열을 줄이고 열

팽창을 낮추며 열전도율을 향상시킨다

ㅇ 분말이나 단섬유로 된 전형적인 충전제를 표 3-5에 종합

하였다 유리섬유는 가장 보편적인 PTFE 충전제로 화

학 및 전기적 특성에 최소로 영향을 미치며 기계적 특

성을 크게 향상시킨다 분말에 비해 섬유는 압축강도

강성도 및 지지용량을 더욱 향상시키나 분말은 충전

테플론의 내구성에 거의 영향을 미치지 않는다 금속분

말은 특히 열전도도를 향상시키며 고속에서 발생하는 마

찰열을 소멸하는데 도움이 되며 전기저항을 상당히 감소

시켜 금속-충전 조성물은 양호한 절연체는 아니다

ㅇ 흑연(graphite) MoS2는 초기 내구성과 마찰을 개선하고

기계적 특성을 향상시킨다 석면은 많은 유용한 특성을

갖지만 가공 처리 중 가스가 방출할 뿐 아니라 사용금지

물질이다 표 3-5 외에도 금속 망 장섬유 다공성 금속

등 다양한 충전제들이 있으며 다양한 종류의 제품들이

상업 생산되고 있어 최종 선정을 하기 전에 플라스틱 가

공업자로부터 보다 완전한 정보와 추천을 받는 것이 바

람직하다

53

표 3-5 불소수지용 충전제

ㅇ 압축강력 인장과 압축 시의 탄성률 및 항복강력은 첨가

제의 첨가에 의해 모두 증가하나 일반으로 인장강력과

신도 및 충격강도는 손실된다 통상 충전 테플론은 압축

상태에서 사용되므로 인장강력의 감소는 중요하지 않다

인장강력의 손실은 설치(연속적인 링-실링)할 때 인장되

는 재료에서 중요하다 열팽창 계수는 비-충전 테플론에

비해 감소되어 통상 금속 부품의 팽창계수와 잘 맞는다

ㅇ 마찰과 마모를 수반하는 분야에서 가장 중요한 것은 충

전제로 얻어지는 PV한계치의 증가와 마모의 감소다 비-

54

충전 테플론에 비해 PV한계치 크기는 개략적으로 1차원

적으로 증가하나 마모인자는 3차원적으로 감소한다 충전

테플론의 평균치들은 동적 마찰계수는 01-02 PV한계치

는 10000-20000 psi-fpm 마모상수는 10times10-10in3-min

lb-ft-hr이다 그림 3-3은 충전 테플론 PTFE의 마찰계

수에 미치는 충전제 종류와 농도의 효과에 관한 것이다

그림 3-3 테플론 PTFE에 미치는 충전제 종류와 농도1)

ㅇ 내마모성을 향상시키는 충전제는 실제로 연마저항성을

감소시키는 것으로 날카로운 입자는 보다 쉽게 침투하고

충전제 입자와 수지 사이의 경계를 따라 충전 플라스틱

을 찢는다 따라서 라이닝 슈트 같은 분야의 적용 시는

55

비-충전테플론이 보다 바람직하다

⑺ 시트 테이프 및 박층(laminates)

ㅇ 대부분의 플루오르화탄소는 충전 여부에 관계없이 두

께 1mil(0001 in)까지 시트나 테이프로 만들 수 있고

시트나 테이프를 찍어서 원하는 형상의 립-씰(lip seal)

펌프 컵(pump cup) 피스톤 링(piston rings) 가스켓

(gaskets) 등을 만들 수 있다

ㅇ 유체의 누설을 정지시키는 밀봉기능 부품 중 각종기기의

접합부나 배관 플랜지 등의 밀봉에 사용되는 가스켓

(gaskets)은 석면이 널리 사용되어 왔으나 유해물질 배

출 및 이동량 보고제도(PRTR Pollutant Release and

Transfer Register)에서 발암성을 가진 제1종 지정 화학

물질로 지정되어 사용이 금지되어 PTFE가 가스켓으로

개발되었다 PTFE는 용융 알칼리 금속 및 그 용액과 불

소 및 3불화염소에 의해 약간 침식되나 모든 화학약품에

안정하고 우수한 내부식 재료로 C-F결합력이 크고 F원

자가 C-C결합의 주위를 간격 없이 들러 싸고 있기 때문

에 다른 물질의 공격을 방어하고 있고 내열성은 260로

높다35)

56

- PTFE 필러를 사용한 PTFE 나선 권형 가스켓은 석

면에 대한 사용규제와 상관없이 사용되어 왔으며 유

연한 필러를 사용하므로 석면 가스켓 보다 낮은 체결

압력에서도 실 특성이 우수하고 내식 면에서도 광범

하고 다양한 유체에 사용이 가능하다 다만 단열성 면

에서는 석면 나선 권형 가스켓 보다 사용온도 범위가

제한된다

ㅇ 산업 기계나 자동차의 브레이크 제동장치에 부착하여 마

찰력을 부가하는 브레이크 라이닝에서는 마찰계수와 내

마모력 및 충격계수 등 마찰특성이 우수한 석면을 주로

사용하여 왔으나 제동 시 발생하는 미세 석면분진으로

인해 대기오염에 의한 환경을 파괴 뿐 아니라 인체에 흡

입될 경우 암을 유발하여 PRTR로 사용이 금지되었다

석면을 대체할 유기질 또는 무기질 된 다양한 비석면 마

찰 섬유 등이 사용되고 있으며 마찰 섬유에 테프론을 코

팅하여 브레이크라이닝의 수명향상 제동 시 발생하는 소

음 떨림 및 제동력 향상을 위한 제품개발이 시도되고

있다

- 예로 국내 특허36)에서는 브레이크 라이닝(또는 패드)

의 마찰재 배합재료 중 유기섬유(Kevlar섬유 pulp섬

57

유 등)에 테프론을 코팅하고 코팅된 유기섬유에 결합

재 충전재 윤활재 마찰안정재 마찰조정재 등을 소정

의 배합비로 배합하여 성형하고 열처리하여 브레이크

패드 또는 라이닝을 제조한다

ㅇ 초소형 정밀기계(MEMS Micro-Electromechanical

System)분야에서는 점착방지를 위해 불화 유기박막을

사용한다 Park 등37)은 단층 두께의 불화 유기박막의

특성을 접촉각 측정을 통해 분석하였다

⑻ DLC 코팅3839)

ㅇ DLC(diamond-like carbon)는 몇 가지 다이아몬드의 전

형적인 특성을 나타내는 비정질 탄소물질로 극도의 내마

모 특성을 필요로 하는 재료의 코팅에 이용되고 있다

DLC코팅은 연마 마모를 감소시키기 위한 재료에 유용하

여 엔드밀 드릴비트 금형 같은 공구는 물론 자동차 기

계부품 및 전자산업 등 산업전반에 걸쳐 적용된다40)

ㅇ 환경오염 문제로 인해 PRTR(Pollutant Release and

Transfer Register 유해물질 배출 및 이동량 보고 제

도) 이 시행되어 습동 부품이나 절삭 시에 사용되는 오

일이나 그리스에 포함되는 첨가제(MoS2 Zn 등)와 이들

58

부품을 세정할 때 사용되는 용매 기계부품의 수명을 연

장시키기 위해 활용되었던 Cr도금 폐액에서 발생하는 6

가 크롬 등의 오염물질들에 대한 규제가 더욱 강화되어

DLC에 의한 무윤활 습동과 무윤활 절삭을 지향한 공구

와 기계 부품의 개발이 관심을 끌고 있다4142)

- 일본 내에서는 PRTR이 시행되고 이것에 저촉되는 재

료에 관해서는 MSDS(Material Safety Data Sheet)를

첨부해야할 의무가 있고 부품가공 습동 용도에서는

대상 리스트에 올라 있는 오일 오일 중의 중금속 도

금폐액을 어떻게 경제성 있는 환경 친화적 공정과 재

료로 전환할 것인가를 고려하면서 무윤활 습동 무윤

활 절삭 탈크롬 도금의 3가지 키워드가 대두되고

DLC코팅이 대안으로 모색되고 있다

- DLC코팅 적용기술과 과제에 관한 자료로는 자동차

관련부품 적용사례 엔진부위 마찰 작동 밸브계의 마

찰저감 DLC와 윤활제에 의한 마찰저감 기술을 중심

으로 살펴본 보고가 있다43)

ㅇ DLC는 7가지 형태가 존재하며 모두 상당한 양의 sp3혼

성궤도 탄소원자를 함유한다 다양한 형태의 DLC가 진

공 환경으로 적합한 재료들에 적용가능하며 유럽에서의

59

2006년 위탁 DLC코팅 시장은 3천만euro로 추정되었고 국

내도 활발한 상용화가 시도되고 있다

ㅇ 사반면상(tetahedral) 비정질 탄소 ta-C를 2두께로 코

팅하면 연마마모에 대한 스테인레스 강(304 type)의 내구

성을 증가시켜 수명을 1주일에서 85년으로 늘이며 이러

한 DLC의 형태는 sp3결합 탄소 원자로만 이루어지기 때

문에 순수한 DLC로 간주되며 수소 sp2흑연 탄소 금속

같은 충전제가 생산경비를 낮추거나 원하는 특성을 부여

하기 위하여 사용되고 있다

ㅇ DLC를 만드는 방법에는 sp3탄소 보다 낮은 밀도의 sp

2

에 의존하는 몇 가지 방법들이 있으며 압력 충격 촉매

또는 이들의 조합으로 sp2결합탄소 원자들을 sp3결합탄소

로 근접시킨다 최근 초고압 하에서 탄소의 경량 특성을

갖는 초경도 무정형 다이아몬드가 만들어졌다 탄소로 만

들어지는 다이아몬드 그래파이트는 결정구조를 가지나

DLC는 비정질이라는 점에서 크게 다르고 200 정도의

저온에서 형성시킬 수 있다는 점이 통상의 PVD막에 비

해 훨씬 우위에 있다

ㅇ DLC코팅은 제조공정이 복잡하고 생산 단가가 비싸 적용

이 어려우며 적용되는 소재가 제한되는 단점을 갖는다

60

주요제법으로는 고주파 플라즈마 법 이온화 증착법 스

페터링법 등을 들수 있다 고주파 플라즈마 법은 메탄가

스가 원료로 사용되고 막 중의 수소가 약 30(원자)로

평활성이 우수하고 마찰계수가 작으나 경도가 낮다 이

온화 증착법은 벤젠을 사용하며 막은 단단하나 면의 조

도가 거칠고 후막화 하기 위해 스패터링 방법이 검토되

고 있다

⑼ 불소수지의 안전성

ㅇ 테플론 PTFE의 열분해는 200(392)에서 감지되며 이

것은 몇 가지 플루오르화 탄소 기체들과 승화물질을 방

출한다4445)1955년 동물실험에 관한 한 연구에서는 이들

물질이 250(482) 이하에서는 의미 있는 양이 아니라

고 결론지었으나 최근 비-점착 주방기구인 프라이팬이

나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가열할 때 조류를

죽일 수 있는 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수

도 있다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있다45)

ㅇ 표 3-6은 EWG가 보고한 3-5분 내에 370까지 불소수

지를 가열할 때 발생되는 15종의 불소화합물에 관한 것

이다 테플론과 같은 코팅물질들이 장기적으로 인체에 미

61

치는 영향에 관한 연구는 이루어지지 않고 있으나 독감

과 유사한 질병을 유발할 수 있으며 이를 중합체 증기열

(polymer fume fever)이라 한다

표 3-6 15종의 유해물질 및 유독성 기체44)

ㅇ 최근 표 3-6의 화합물들 중 특히 TFA와 과불화된

(perfluorinated) PFOA(perfluorooctanoic acid)에 관심이

증가되고 있다 PFOA는 새로운 환경오염물질로 미국 환

경보호청(EPA)에 의하면 보통 때는 문제가 없으나 조리

과정에서 프라이팬에 열을 가하고 강하게 긁을 경우 용

62

출되어 나오며 이것이 음식물과 함께 인체에 흡수되는

것으로 추정하였다 한편 DuPont의 테플론 PTFE 연구

결과에 의하면 검출한계인 9ppb 이상 검출되지 않으며

테플론 주방기구에서는 PFOA가 존재하지 않는다고 발

표하고 있다

- 물이나 공기를 통해 환경에 노출된 PFOA는 고 콜레

스테롤 궤양성 대장염 갑상선 질환 고환암 신장암

및 임신성 고혈압과 관련된다고 보고되었다

- PFOA는 불소수지 생산과정에서 사용되는 첨가물로써

암모늄 형태로 PTFE 유화중합에 계면활성제로 사용

되며 불소수지의 품질과 균일성을 유지하기 위해 필

수적인 첨가물이기 때문에 전 세계 모든 불소수지 제

조업체가 사용 중에 있다 한편 국내 주력 산업인 반

도체 생산 과정에서도 PFOA를 대량으로 사용하고 있

어 체계적인 실태조사와 대책수립이 필요하다는 의견

들이 대두되고 있다

⑽ 불소화합물의 안전성과 환경대책

ㅇ 표 3-6에서 살펴본 바와 같이 테플론을 급격히 고온으로

가열하면 2종의 발암물질을 포함한 유독성 가스가 발생

63

하고 특히 불소화합물 중 MFA(monofluoroacetic acid)는

적은 양으로도 치명적 해를 끼치고 PEIF(perfluoro-

isobutene)는 신경가스제로 여러 가지 질환을 발생시킨다

한다44)

따라서 테플론으로 코팅된 장치를 재 코팅하기

위해 테프론을 고온으로 급격히 가열하거나 소각 등을

통해 제거할 때는 발생 가능성이 있는 유독가스를 제거

하기 위한 별도의 설비를 이용하여야 하고 유 등44)의 보

고서에서와 같이 중조(NaHCO3)를 포화시킨 충분한 물로

유독 산성 물질을 중화시키는 것도 고려할 만하다 한편

부식대전 방지 코팅도 테플론 코팅 일변도에서 세라믹

코팅 CNTs이나 DLC 코팅기술로 대응하는 것을 추천하

고 싶으며 이것은 유해물질 배출 및 이동량 보고제도

(PRTR Pollutant Release and Transfer Register)에 대

비하는 등 기업의 장래를 고려하는 것도 될 것이다

ㅇ PTFE를 사용한 취사도구는 1960년대 이래 사용되어 오

고 있으나 최근 들어 이것의 안전성이 논쟁의 주제가 되

고 있으며 논의 주체는 PFOA(perfluorooctanoic acid)이

다 PFOA는 PTFE를 비롯한 많은 불소수지의 생산에

사용되며 DuPont의 테플론 PTFE 연구 결과에 의하면

프라이팬을 260 이상 고온에서 가열하거나 코팅이 벗

겨져도 PFOA가 존재하지 않는다고 한다 그러나 물이나

64

공기 토양 식품포장재 등 여러 곳에서 PFOA 오염사실

이 보고되고 있다 한다44)

- 미국 EPA는 인체와 환경에 대한 PFOA 연구를 계속

하고 있으며 2015년까지 PFOA 및 이와 관련된 화합

물 방출을 배제할 프로그램을 갖고 있으나 PTFE-기

초 비점착 취사기구를 중지시킬 타당성을 갖고 있지

는 않다 최종제품은 PFOA가 아닌 PTFE이기 때문이

다

- 수십 년 동안 불소수지 비점착 코팅이 시장을 지배하

였으나 최근 몇 가지 신기술들이 출현되고 있으며 이

들 대부분은 실리콘 세라믹과 실리콘 기술로 이들 코

팅은 PTFE와 PFOA를 함유하지 않는다

- 오늘날 출시된 비점착 취사용구는 수많은 상표로 팔

리고 있으며 DuPont에 의하면 대부분의 취사용구 코

팅은 정상적으로 사용할 때 3-5년 견딜 수 있을 것으

로 예측한다 너무 문질러서는 안 되고 따뜻한 비눗

물로 씻어주는 것이 좋으며 닳거나 흠이 생기지 않도

록 나무 플라스틱이나 코팅된 재료로 만든 도구를 선

택하고 보관도 흠이 생기지 않을 장소나 캐비닛을 권

장하고 있다

65

ㅇ 국내의 불소수지 안전성에 관한 것으로는 재질규격(납과

카드뮴)과 용출규격(납 과망간산칼륨소비량 증발잔류물)

이 식품용 기구 및 용기 포장 공전46)에 기재되어 있으며

최근 국내에서도 PFOA를 비롯한 유해 불소화합물에 관

한 관심이 커져 가고 있다

ㅇ PFOA 문제가 표면화 되면서 환경 보전형 불소계 발수

유제의 개발과 공업화도 새로이 부각되고 있다 이에 관

한 보고서를 모니터링한 KISTI자료47)를 중심으로 간단히

요약하면 발수제의 주요성분 퍼플루오로알킬기(Rf기)함

유 폴리머의 기능은 Rf기의 고리길이에 크게 의존하므로

PFOA문제 해법으로 탄소수 8 이상인 종래의 불소화학

에서 탈피 짧은 고리 Rf기(탄소수 6)를 가진 새로운 단

량체를 선택하여 발수제를 제조함으로써 환경 보전형 불

소계 발수유제를 개발하고 공업화하였다 한다

66

제 4 장

지원결과

1 지원결과 종합

테프론 코팅 기술의 문제점과 부식대전방지용 테플

론 코팅에 관한 정보 외에 신청기업의 요청에 따

라 C-나노튜브 코팅 및 DLC증착에 관련된 기술 정

보도 제공하였다

테플론은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat resistant)

비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coefficient of

friction) 내약품성(chemical resistance)과 특이한 전기적

특성(unique electrical properties) 및 온내구력(cryogenic

stability)으로 그 응용범위가 광범하며 용도에 따른 엄격

한 품질관리가 요구될 것으로 생각되어 중소기업에 적합

한 기초능력 배양과 신제품을 구상하기 위한 최신기술에

관한 정보를 제공하고자 하였다

67

불소수지의 코팅은 두께와 첨가제가 관건으로 이에 관한

자료를 제공하고자 하였으며 불소수지의 전기특성 폭발

성 환경과 반도체 제조공정에서의 대전 방지 처리를 위

한 정전기 관리 지표 등을 특허를 중심으로 조사하여 제

공하고자 하였다

C-나노튜브를 이용한 대전방지 코팅 기술 및 C-나노튜

브의 제법 등 이것에 관한 기초정보를 제공하고자 하였

으며 내마모성 테플론 코팅에 관해서는 테플론을 이용한

세라믹 코팅 기술에 관한 정보도 제공하고자 하였다

테플론의 기계적 전기적 특성을 강화하기 위해 사용되는

충전제를 종합하고 기초이론을 정립함으로써 금후 원부

자재의 선정에 도움을 주었다

테플론은 석면 대체재로도 주목받고 있어 이에 관한 특

허 정보들을 제공하였으며 다이아몬드의 전형적인 특성

을 나타내는 DLC의 코팅관련 기술 정보를 환경오염 문

제와 연관하여 자료를 제공하였고 최근 비-점착 주방기

구인 프라이팬이나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가

열할 때 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수도 있

다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있어 이에

관한 정보도 제공하였다

68

2 지원의 한계

중소기업이 당면한 문제는 전문기술의 확보다 관련 기술

이 비약적으로 발전하는 추세에 비추어 한정된 인원으로

신기술을 소화하고 개발하기는 어려울 것이므로 출연연

구기관이나 대학과 공동연구를 모색할 수 있으나 이것도

중소기업으로서는 경제적 부담이 될 수밖에 없을 것으로

생각된다 가능하다면 앞으로도 KISTI의 정보지원이 계

속되기를 바라고 있었다

3 기대효과

부식대전 방지 테플론 코팅에 관한 기본 기술이 배양되

어 합리적인 원부 원료의 수입검사 공정관리 및 제품관

리를 통해 원가절감은 물론 신제품 신기술에 관한 정보

수집 및 분석능력이 배양되고 개발력이 확충되어 기업

경쟁력 향상에 도움이 될 것이다

69

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저자소개

김학주(金鶴柱) 서울대학교 문리과대학 화학과 졸업 이학사

전북대학교 대학원 화학과 이학박사

(주)삼양사 의약연구소장 신성대학교 교수

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 폴리에스테르 섬유의 연중직방기술 외 다수

저서 기기분석 공업물리화학 일반화학

성용길(成墉吉)

동국대학교 이과대학 화학과 졸업 이학사 이학석사

부산대학교 대학원 화학과 이학박사(Dr Sci)

University of Utah USA Ph D(공학박사) Post Dr

유타대학교 연구교수 부산대학교 교수 동국대학교 교수

동국대학교 명예교수 한국원자력문화진흥원 이사

과학문화연구원전문연구위원 한국도량형과학문화연구원 원장

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 의료용 기능성 고분자재료에 관한 연구 외 330편

저서 고분자 물성론 (서울대학교 출판부 공저) 외 10권

27

은 알루미늄 용광로 배출가스 입자 및또는 먼지 및 부

식 흄과 접촉될 수 있어 테프론 계로 코팅 처리하는 특

허6)가 있다 이 특허에서는 원통형 쉘을 만들도록 복재

(web member 웨브재)와 함께 연결된 유체 운반튜브로

이루어진다 각 원통형 쉘에 위치한 헤더는 열교환기의

튜브에서 튜브로 유체를 공급하며 뜨거운 난류가스에 작

용하여 스케일링을 최소화하기 위해 헤더의 보호덮개를

설치한다

저온에서 고온에 이르는 환경에서 유체에 사용되는 배관

튜브는 열에 의한 경시적 열화가 진행되어 균열 발생이

쉽다 가동부에 사용되는 배관 튜브는 움직임이 수반되어

그 경향이 현저하며 반도체 제조장치에 일반으로 사용되

는 실리콘튜브는 저온에서 열화되어 파손되기 쉽다 이러

한 문제점을 해결하기 위해 실리콘 튜브 외측 표면을 테

플론으로 코팅하여 균열발생을 억제함으로써 장시간 사

용 가능하도록 고안한 특허7)가 있다

섬유상 부직포로 제작하는 다공성 여과필터는 다양한 산

업공정의 배출가스를 정화시키는 데 사용되며 특히 중고

온 환경에서 사용이 가능한 다양한 종류의 기능성 필터

의 개발이 요망된다 일반으로 소각장 및 발전소 등의 중

고온 조건에서 사용되는 Nomex를 비롯한 섬유상 필터는

28

200 이상에서는 열변형으로 사용이 제한적이고 세라믹

필터와 같이 고온에서 적용이 가능한 소재는 매우 고가

일 뿐 아니라 초기 작업으로 인해 에너지 사용량이 매우

높아지는 문제점이 있다 Kim 등8)은 250-300 영역의

중고온의 배출가스를 처리하기 위한 필터에 표면 소수성

과 고온 안정성을 부여하기 위하여 표 3-3과 같은 조성

으로 그림 3-1과 같은 장치를 이용하여 테플론 수지를

거품 형태의 코팅액으로 조제하여 유리섬유 원단에 공급

하여 표면코팅하고 열처리 및 압착과정을 거친 후 표면

분석하였다

표 3-3 테플론 코팅을 위한 화학첨가제8)

테플론 코팅이 전기 집진장치에 활용되는 특허도 있다

종전 사이클론 방식의 전기집진기에서는 집진부의 먼지

를 떨어뜨리는 것이 용이하지 않았다 발명자들은 먼지

압축 기능을 갖는 집진실 내측에 테플론 가공을 하여 정

전기에 의한 미세먼지의 부착을 억제함으로써 집진실의

먼지를 원 터치로 처리할 수 있도록 하였다9)

29

그림 3-1 테플론 거품코팅8)

일반으로 테프론을 조리용기에 코팅하는 방법은 금속소

재를 사용 제품형태로 제작한 후 세척하고 에이징(소둔)

처리한 후 샌딩하여 표면조도를 유지하도록 하고 표면에

프리머 처리하여 베이킹 처리한 후 분사방법으로 테프론

코팅을 하고 다시 베이킹 처리하므로 공정이 복잡하고

제조원가가 상승하며 부착력에 한계가 있다한다 (주) 엘

지아이 특허10)에서는 피처리물을 세척한 후 산질화처리

하여 표면에 열처리 층이 형성되게 한 후 테프론을 코팅

하고 베이킹 처리하는 것을 특징으로 한다 그 외에 내열

세라믹 주방용기의 불소수지 코팅방법에 관한 특허가 있

다11)

(주) 봉성비에스는 차량의 주행 충격을 흡수하는 완충기

30

내부에 삽입하는 피스톤 외주면의 마찰과 소음을 최소화

하기 위한 목적으로 테프론 코팅을 하기 위한 코팅장치

를 등록하였다12)

⑶ 대전 방지 플루오르화탄소 수지 코팅

ㅇ 본래 불소수지 자체는 높은 절연성과 큰 대전성을 갖고

있기 때문에 도전 효과를 얻기 위해서는 분상 필러를 다

량으로 충전할 필요가 있으나 이렇게 하면 비점착성이

떨어진다 여러 회사들의 제품 안내서들을 종합한 불소수

지의 전기적 특성은 표 3-4와 같다

표 3-4 불소수지의 전기 특성

특성측정법

(ASTM)단위

PTFE

(비충전)

PTFE

(25

유리충전)

PTFE

(25

탄소충전)

표면 내아크성 D495 sec 75-110

체적저항

(비저항)D257

ohm-

cmgt1018 gt1016 104

표면저항 D257ohm

sq-1 gt10

14

유전율(유전상

수) at 1MHzD150-81 e 25 24

절연내력 short

time 18thickD149

kv

mm285

유전정접(유전

정합) at 1MHzD150-81 lt00002 005

31

ㅇ 불소수지는 내열성 내한성이 높고 내약품성 내연소성

난연성이 우수하고 절연성 및 비점착성과 저 마찰계수를

갖고 있으나 절연성이 높아 정전재해의 원인이 될 수 있

어 재해 방지를 위해 대전 방지 또는 저저항을 특징으로

하는 불소수지 가공품이 개발되어 사용범위가 넓어지고

있다

불소수지에 충전하여 저저항으로 하는 필러에는 일반적

으로 도전성이 높은 카본 금속 또는 산화알루미늄 등의

금속산화물이 사용된다 재료의 형상으로는 미분 탄소

스테인레스 스틸 니켈 금속분과 같은 입상물 단섬유 탄

소섬유 위스커(whisker) 등이 사용된다

- 미분은 비표면적이 크기 때문에 소량의 충전으로 저

항치를 내릴 수 있으나 약품의 침투가 있는 경우 비

표면적이 크기 때문에 약품의 영향을 받기 쉬워 내부

식성 떨어질 가능성이 크다

- 입자상물질들은 미분에 비해 비표면적이 작기 때문에

약품의 영향을 비교적 적게 받지만 저항치를 내리기

위해 충전량이 많게 되어 불소수지의 특징인 비점착

성과 저마찰계수 특성을 저해한다 섬유 위스커 형상

은 단방향에 대한 장방향의 비가 클수록 적은 충전량

32

으로 저항치를 낮출 수 있지만 분산이 나쁘면 요철이

발생한다 부식 방지 코팅에서는 충전제의 내약품성이

관건이다 즉 부식 환경에서 불소수지 자체는 충분히

견디어도 충전제가 내약품성이 없으면 충전제가 서서

히 에칭되어 기기가 부식될 가능성이 크다

화학 석유 및 정제 산업에서는 시험 검사 세척 및 다양

한 공정의 용기 저장 탱크 반응기와 같은 많은 구성요

소들이 사용되며 플루오르화 고분자는 고온에서 높은 열

안정성을 갖고 다양한 유기용매에 전혀 용해되지 않으므

로 부식방지 등을 위해 플루오르화 고분자와 같은 내화

학성 고분자로 코팅된다 그러나 이들 고분자는 코팅된

구성요소의 표면에 정전하 축적을 조장하기 때문에 폭발

성 환경에서는 사용할 수 없다

특히 이들 구성요소들의 금속 구조물은 용기나 탱크에

보관된 가스 증기 분진의 이동에 의해 생성된 정전하

(electrostatic charge)를 흐르게 하는 전도경로가 되나 금

속표면을 강산 강알칼리나 유기용제에 의해 침투되는 방

지하기 위한 목적으로 부식방지 테플론으로 코팅될 경우

얇은 필름의 비-전도체로 작용하므로 폭발성 환경에서

사용을 규제하고 있다

33

- 예로 유럽 표준 EN 50014 section 732에서는 정전

하로 인한 발화 위험을 피하기 위해 사용 보수 및 세

척 조건 하에 설계된 울(enclosure)이 필요하고 울의

절연저항은 1GΩ을 초과할 수 없도록 규제하고 있고

일본은 후생노동성 관할 산업안전연구소의 정전기 안

전지침의 누설 저항치는 108Ω 이하로 되어 있다

- 따라서 부식 및 폭발성 환경에서 안전하고 다양한 구

성 요소에 적용할 수 있는 정전방지 비-발화 테플론

코팅기술을 요하며 정전방지 코팅은 표면저항을 낮추

기 위해 카본블랙이나 개질 전도성 탄소 금속이나 전

도성 고분자를 테플론에 충전하여 코팅한다

폭발성 환경용 내화학약품 특성과 대전방지 비발화

코팅 조성물로는 높은 비저항을 갖는 플루오르 고분자

50-90wt 10-50wt의 전도성물질인 탄소분(carbon

powder)으로 이루어진 Solex Robotics Systems Inc

특허가 있다13)

- 폭발환경에서 사용되는 이상적인 코팅은 정전하를 피

하기 위해 낮은 비저항을 가져야 한다 완벽한 전도체

는 비저항이 영(0)이고 완벽한 절연체는 무한 비저항

34

을 갖는다 금속(구리 금 같은) 합금(망가닌 Mn-Ni-

Cu 니크롬 Ni-Cr-Fe) 반도체(카본이나 게르마늄)는

낮은 비저항을 갖고 있어 좋은 도체이다

- 수많은 고분자 기초 코팅들이 부식화학 환경에 사용

되었으나 85GΩ 이상의 비저항으로 대전방지 시험에

서 실패하였다 정전기 도체로 인증기준 아래 적합하

기 위해서는 100cm2이상의 노출 표면이 1GΩ 이하의

비저항이어야 한다 코팅에 첨가된 탄소분은 전도도를

증가시키며 10-50의 함량은 1GΩ 이하의 비저항을

만족시킨다

비전도성 표면의 표면저항을 감소시키도록 카본이나 금

속을 사용하여 대전방지를 부여하는 공정의 단점으로는

카본이나 금속의 접착력이 낮아 입자의 마모가 일어나

장기간 사용 시 대전방지 수준이 감소하는 것이다 더욱

클린룸에서 입자의 방출은 심각한 문제가 된다 대부분의

비전도성 기질은 통상 23 상대습도 50에서 표면 비

저항이 109ohmsquare 이상으로 높고 PTFE 경우는 10

12

ohmsquare이상이다14)

반도체 제조 장치에서는 웨이퍼 기판을 안착하기 위해

작업 스테이지를 사용하며 작업스테이지는 통상 금속과

35

세라믹으로 제작되나 웨이퍼기판을 작업스테이지에 올려

놓을 때 작업스테이지와 웨이퍼기판 사이에 마찰 정전기

가 발생한다 FPD(flat panel diplay 평판표시)용 디스펜

서(dispenser)에 사용되는 작업스테이지는 진공방식으로

디스플레이 기판을 흡착 고정하며 흡착 고정되었던 디스

플레이 기판이 작업스테이지에서 박리될 때 작업스테이

지에 정전기가 발생하여 디스플레이 기판에 대전된다 최

근 디스플레이 기판이 대형화됨에 따라 대전량이 증가되

고 정전기 대전문제가 더욱 심각해지고 있다 웨이퍼기판

이나 디스플레이기판에는 반도체소자 등 다수의 전자부

품들이 배치되어 있기 때문에 정전기가 발생되면 전자부

품의 신뢰성에 치명적 손상을 주고 기판에 분진이 부착

되거나 정전기의 대전으로 기판 리프트 업(lift up)시 기

판이 깨어지는 문제가 발생한다 정전기 대전을 방지하기

위해서는 작업스테이지에 이오나이저를 설치하여 중화하

기도하나 리프트 업이 불가능하거나 이온풍이 도달하기

전 방전하는 등 작업 스테이지와 기판 사이에서 발생한

정전기가 순간적으로 일으키는 박리대전 문제를 해결하

기 어려워 작업 스테이지의 정전기 방지를 위해 불소수

지로 코팅한다

- 불소수지는 다른 물질과의 흡착에너지가 작고 비점착

성이 우수하며 마찰계수가 작아 유리기판과의 상관관

36

계가 작아져 박리에 의한 정전기의 발생량이 적어지

나 불소수지는 절연성을 가지므로 테프론 코팅에서는

카본 블랙이나 전도성 고분자 등을 필러로 사용한다

대전방지가 필요한 반도체 제조장비 디스플레이 장치 및

테스트 장치 등의 작업 스테이지를 테프론 코팅함으로써

작업 스테이지의 정전기 발생을 방지하는 방법의 단점의

하나는 제작비용이 상대적으로 많이 드는 것으로 디스펜

서의 경우 디스플레이 기판이 대형화됨에 따라 작업 스

테이지의 크기가 커져 제작비용이 증가한다 또한 불소수

지의 경도가 낮아 코팅 막에 스크래치가 발생하고 이 부

분은 평탄도 유지가 어려우며 입자들이 발생하는 요인으

로 작용하며 불소수지가 절연성이므로 카본블랙이나 전

도성 고분자 등의 도전성 필러를 충전하여 대전방지에

적합한 면-저항을 갖도록 할 경우 카본블랙은 구형으로

분진이 발생하는 문제점이 있고 전도성 고분자를 사용할

경우는 내용제성이 약하고 과량의 바인더를 사용하여야

하며 박막 형성이 어렵고 불소수지의 경도를 보완하기

위해 아노다이징 처리를 하는 경우는 이후 별도의 코팅

과정을 거쳐야 하므로 제작비용과 제작시간이 증가하는

등 여러 가지 단점들이 있다 이러한 문제점들을 해결하

기 위한 방법으로는 작업 스테이지와 기판이 만나는 면

에 정전기 발생을 최소화시킴과 동시에 그 제조비용이

37

절감되고 적절한 면-저항을 조절할 수 있으며 마찰계수

가 낮고 내마모성이 향상된 작업스테이지 표면의 대전방

지 처리 방법에 관한 국내의 탑나노시스 사의 특허15)가

있다

- 탑나노시스 사의 특허 목적은 작업스테이지의 기판과

만나는 면에 정전기의 발생을 최소화시킴과 동시에

그 제조비용이 저감되고 적절히 면-저항을 조절할 수

있으며 마찰계수가 낮고 내마모성이 향상된 스테이지

표면의 대전방지 처리 방법에 관한 것으로 이 특허에

서는 금속소재의 작업 스테이지 표면을 아노다이징

처리하여 복수의 산화표면 홀들을 형성시키고 여기에

탄소나노튜브를 삽입하고 경화하며 탄소나노튜브 경

화 후에 표면을 봉공 처리한다

- 작업스테이지 표면은 106-10

9Ωsq의 면-저항을 갖는

것이 바람직하며 산화표면 홀들은 직경 30-900nm 깊

이 100-900nm가 바람직하다 아노다이징 처리를 하는

금속소재는 Al Mg Zn Ti Ta(탄탈륨) Hf(하프늄)

Nb(니오븀) 등일 수 있고 이 발명에서는 가벼우며 일

정 강도를 갖고 가공성이 우수한 Al합금을 예로 들어

설명하고 있다

38

- 알루미늄소재 작업스테이지 표면에 산화피막(Al2O3)처

리를 하는 아노다이징(anodizing 양극산화)에서 전해

액은 수산화나트륨이나 수산과 황산 등이 사용될 수

있고 수산화나트륨의 농도(20-50) 공급전압 전류

및 시간 등을 조절하여 산화표면 홀의 크기(D)와 깊

이(L)를 조절하며 D와 L에 따라 대전방지 효과나 내

구성 및 표면경도를 조절한다

- 탄소나노튜브를 산화표면 홀 내에 삽입시키는 단계는

전해 흡착 하여 이루어질 수 있고 정전도장을 통해서

도 이루어질 수 있다 탄소나노튜브는 분산제를 포함

하는 용액으로 코팅되며 분산제로는 소듐 도데실설페

이트(SDS) 트리톤X Tween20(폴리옥시에틸렌 소르

비탄모노올레이트) CTAB(cetyl trimethyl ammonium

bromide)를 예로 들고 있으며 탄소나노튜브 용액은

아크릴계 우레탄계 등 또는 전도성 고분자계 유무기

하이브리드계 바인더가 포함될 수 있다

- 봉공처리는 산화표면 홀과 산화피막을 봉공하여 내식

성 등이 향상되도록 보호 층을 형성시키는 것으로 비

등수 가압증기에 의한 수화봉공 금속염을 포함한 열

수에 의한 금속염 봉공 오일로 도포나 침적하는 유기

물 봉공 양극산화 피막 층에 도장하는 도장에 의한

39

봉공 등이 있다

반도체 소자를 제조하는 과정에는 불순물 이온을

주입하는 장비가 이용되고 있다 (주)하이닉스 반도

체의 특허에서는 이온주입 장비의 웨이퍼 지지 장

치 리프트 핀의 끝단을 라운드 처리하고 리프트 핀

에 테플론을 코팅하여 리프트 핀과 웨이퍼 후면의

접촉 시 웨이퍼 후면에 스크래치와 같은 손상이 유

발되는 것을 억제할 수 있게 한다16)

⑷ 탄소나노튜브(CNTs Carbon Nano Tubes)17)

탄소나노튜브는 탄소의 동소체로 1991년 일본 NEC 연구

소의 Ijima박사에 의해 전자 현미경을 통해 처음으로 확

인되었다 1985년에 Kroto와 Smalley가 탄소의 동소체인

풀러렌(탄소 원자 60개가 모인 것C60)을 처음으로 발

견한 이후 전기방전 시 흑연 음극 상에 형성된 탄소덩어

리를 투과전자현미경으로 분석하는 과정에서 발견하여

Nature학술지에 처음으로 발표되었다18) 탄소나노튜브에

서 탄소원자 하나는 주위의 다른 탄소원자 3개와 sp2결

합을 하여 육각형 벌집무늬를 형성하며 이 튜브의 직경

이 대략 수 나노미터(nm nanometer) 정도로 극히 작기

40

때문에 나노튜브라고 부르게 되었다 이 탄소나노튜브는

전기 세기가 클수록 더 수축하는 성질을 가지고 있는 등

튜브의 직경이 nm수준으로 극히 작아서 특유의 전기화

학적 특성을 나타낸다

Ku 등19)에 의하면 CNTs는 전기방사법(arc-discharge)

레이저증발 법(laser vaporization) 플라즈마 화학기상증

착 법(plasma enhanced chemical vapor deposition) 열

화학 기상증착 법(thermal chemical vapor deposition) 등

의 다양한 합성법이 개발되어 대량생산이 가능하다

CNTs의 종류는 벽의 수에 따라 단일 벽 탄소나노튜브

(SWNTs) 이중 벽 탄소나노튜브(DWNTs) 다중벽 탄소

나노튜브(MWNTs)가 있으며 물성에 관한 많은 연구결

과 기계적 전기적 열적으로 우수한 성능을 갖고 있음이

입증되었다

CNTs는 인장강도와 탄성률 면에서 지금까지 발견된 재

료 중 가장 강하고 질기며 다중벽 CNT는 63GPa에 이른

다 표준 단일 벽 CNT는 25GPa의 압력까지 변형 없이

지탱된다 그래핀의 대칭성과 특이한 전기적 구조 때문에

CNTs의 구조는 그것의 전기적 특성에 영향을 미쳐 금속

성이나 반도체의 특성을 나타내고 이론적으로 금속성

41

CNTs는 구리와 같은 금속의 1000배가 큰 4times109Acm

2

전류 밀도를 운반할 수 있으며 나노크기의 단면으로 전

자가 튜브의 축 방향으로만 전파되고 전자의 이동은 양

자효과를 수반하여 1차원 전도체로 간주된다

CNTs는 우수한 물성과 상대적으로 큰 표면적으로 갖고

있어 충전제(filler)로써 에폭시 폴리스틸렌 폴리우레탄

등 고분자와 혼합하여 폴리머의 기계적 전기적 특성을

향상시키려는 연구가 활발하다 CNTs가 폴리머 중에서

충전제 역할을 하기 위해서는 고른 분산이 필요하나 반

데르발스 힘에 의한 CNTs 응집현상(agglomeration)으로

인해 효과적인 분산이 어려워 오히려 폴리머의 물성을

저해하므로 이것을 개선하기 위한 다양한 기계적 화학적

분산 방법이 연구되고 있다

- CNTs를 분산시키기 위한 가장 일반적인 방법은 용매

나 폴리머에 CNTs를 투입하고 초음파처리를 하는 것

으로 초음파처리를 하면 SWNTs의 길이가 짧아지고

다발(bundle)이 얇아져 분산력이 증가한다

- CNTs 표면을 산이나 아민으로 기능화하여 분산을 높

이는 방법도 연구되고 있으며 MWNTs를 HNO3

H2O2NH4OH 용액에 침지시켜 MWNTs에폭시 복합

42

재료는 전기적 특성을 향상시키려는 연구와 산과 아

민 등의 기능기를 도입하여 SWNTs의 열전도도를 향

상시키려는 연구들이 수행되고 있다

- 기계적 분산방법인 전단혼합방법은 좁은 관이나 상대

적으로 높은 속도의 유동을 이용하여 발생한 전단력

으로 CNTs를 분산시키는 방법이다 Ku 등19)은 전단

혼합과 초음파처리를 이용하여 MWNTs로 강화된

에폭시 복합재료를 만들어 기계적 및 열적 특성을 연

구하였다

⑸ 내마모성 테프론 코팅

ㅇ 재료의 부식은 구조재에 원하지 않은 변화 원인으로 작

용하여 경제적인 문제로 귀결되는 심각한 문제이다 이들

원치 않는 변화는 때로 적절한 코팅에 의한 표면처리로

예방할 수 있다 가장 일반적이고 자주 사용되는 전착 코

팅은 아연에 기초한 아연 코팅 및 합금 코팅으로 이들

코팅은 간단한 기술로써 내부식성이 양호하여 전 표면처

리의 약 14에 해당하나 최근 낮은 마찰계수 등 다른 특

성들이 매우 중요하게 되었다 이들 특성은 다층 코팅으

로 대응할 수 있으나 두께가 증가하고 기술이 복잡하여

가능한 해결방법으로는 복합체 코팅이 있다 복합체 코팅

43

은 일반기계와 자동차 전자부품 및 컴퓨터 등 다양한 분

야에 적용된다 금속 기질에 미세한 PTFE 입자의 전착

에 의한 증착은 새로운 세대의 복합체 코팅으로써 가장

바람직한 특성은 양호한 내마모성 자기윤활 내부식성이

다 M Paderovaacute 등20)에 의하면 이들 특성은 주로 사용

한 입자(흑연 다이아몬드 MoS2 또는 PTFE)와 용액의

유형(pH 온도 bath 등) 뿐 아니라 입자의 크기 농도

분산 및 형태학에 의존한다

ㅇ 충전되지 않은 PTFE의 마모율은 736-741times10-4mm3Nm

로 내마모성이 낮아 다양한 충전제들이 첨가되고 있다

Xing-Dong Yuan 등21)은 진공 조건에서 PTFE 코팅

의 마모특성을 연구하여 초기에는 하중이 증가함에 따

라 마찰계수가 감소하나 하중이 6N 이상으로 커지면

마찰계수도 증가하며 압력이 PTFE 코팅의 마찰계수

에 미치는 영향이 거의 없고 마모는 압력이 증가하면

초기에는 감소하나 10Pa 보다 높으면 급격히 증가한

다고 보고하였다

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위해서는 윤활제로 PTFE

계 수지 접착제로는 폴리아미드이미드수지 산화철 분말

44

및 브론즈 분말 등을 혼합한 조성물을 사용하거나 미국

특허에서는 스와시플레이트 형 압축기의 플레이트 표면

에 MoS2 흑연 PTFE계 윤활제와 열경화성 수지인 폴리

아미드이미드(PAI) 조성물을 코팅하여 내마모 및 윤활성

을 부여하고 있다22) 내열성 향상을 위해서는 고체윤활

제 접착제수지 및 저융점 금속인 Sn Pb In Bi 등을 함

유하는 합금이나 화합물을 사용하여 금속의 잠열을 이용

내열성 향상을 시도하기도 한다

ㅇ 그간 철강(스테인리스강 탄소강 아연도금강판 등)의 내

부식성 향상을 위한 많은 연구들이 수행되어 왔다 4플루

오르에틸렌(C2H4) 4플루오르에탄(CF4) 6플루오르에탄

(C2F6) 3플루오르화에탄(CHF3) 8플루오르화에탄(C4F8)

같은 불소화된 단량체의 플라즈마 중합에 의한 테플론

류 코팅은 그들의 소수성으로 인해 금속의 내부식성 향

상을 위한 대안으로 주목을 받고 있다 A Delimi 등23)

은 유도결합 고주파플라즈마(inductively coupled radio

fre- quency plasma)를 사용하여 소수성 박막 불소수지

필름을 탄소강에 증착하고 3염수에서 내부식성을 평가

한 결과 1개월 동안 9nm의 필름이 유지되는 것을 관찰

하여 불소고분자 박막이 금속과 금속산화물의 보호층이

될 수 있음을 보고하였다

45

ㅇ PTFE를 이용한 세라믹코팅 기술로는 알루미늄 및 알루

미늄 합금 공작물을 양극처리에 의해서 티타늄 및또는

지르코늄 산화물을 포함하는 내식성 내열성 및 내마모

성 세라믹 코팅을 하고 이어서 양극처리된 공작물을

PTFE 또는 실리콘 함유 코팅과 같은 제 2 코팅으로 코

팅한다 이 발명은 가소성을 가지는 경질의 필름 내에서

내식성 내열성 및 내마모성을 제공하는 티타늄 및또는

지르코늄 산화물의 양극처리 층으로 기판을 예비-코팅함

으로써 알루미늄 기판에 보다 긴 수명의 코팅을 형성하

는데 특히 유용하다24)

ㅇ Nosaka 등25)은 PTFE로 대표되는 불소수지는 마모-링이

나 극저온 밸브의 실링부에 많이 사용되며 진공치환법에

의해 탄소재료에 PTFE나 MoS2 분말을 1-2wt 함침시

키면 무함침한 것에 비해 마모가 약 13로 감소한다고

보고하였다 한편 저자들은 터보펌프의 실링재료가 극저

온 환경에서 보이는 특이한 현상을 극복하기 위해 베어

링의 표면에 노출된 유리섬유를 불소산으로 처리하여 용

해 제거하고 윤활성을 높인 유리섬유강화 테프론 리테이

너를 개발하여 내구성과 윤활성을 향상시킬 수 있었다고

보고하고 있다

46

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위한 또 다른 특허로는

폴리실록산계 접착제를 단독 혹은 폴리에스테르계 접착

제와 병용하고 고체 윤활제로 MoS2(이황화몰리브덴

WS2(이황화텅스텐) h-BN(육방정 질화붕소) 팽창흑연

및 PTFE를 사용하고 충전제로 탄화규소 알루미나 산화

지르콘 산화티탄 등의 미분말을 사용하여 내마모 내열

및 윤활성을 부여하고자 하는 내마모성 및 윤활성 코팅

조성물에 관한 특허가 있다26)

ㅇ 내열성 내후성 내오염성 내약품성 내구성 등의 물성

은 유지하면서 비점착성을 높이기 위해 무기계 세라믹

코팅 조성물에 PTFE를 첨가하기도 한다 이러한 하이

브리드 코팅 조성물에 관한 특허로는 불소수지(01sim25

중량) 콜로이달 실리카나 콜로이달 알루미나 등 무

기계고분자 바인더(20sim80중량) 알콕시실란 화합물

(1sim50중량) 수용성 유기용제(1sim10중량) 충전제

또는 안료(5sim50중량) 및 물(100중량 까지 보충)로

이루어진 코팅 조성물에 관한 것으로 무기질 도료 및

무기계 세라믹 코팅에 의해 내열성 내오염성 내약품

성과 내구성을 유지하고 접착력을 높이기 위해 소량의

PTFE를 사용하는 것이 있다27)

47

ㅇ 정전 복사기에 사용되는 정착기재부의 최외층에 코팅하

여 기계적 성질 및 내마모성을 향상시키려는 목적으로

불소수지 기질 중에 분산된 불소화 다이아몬드를 함유하

는 입자로 구성된 조성물에 관한 일본 특허28)가 있다

ㅇ 부식 특성을 개선한 흑색 무크롬(chrome-free) 다층 내

부식 마무리 칠과 방법에 관한 특허29)로는 ASTM B 117

표준으로 시험할 때 백색 부식에는 최소 500시간 염수분

무시간 및 적색 부식에는 1500시간 염수분무시간에 적합

하게 설계된 마무리 칠에 관한 것이 있다 이 다층 시스

템은 광택(gloss) 4 이상을 만족하는 자동차 차체 강판

자동차 하부와 내장에 사용되기 위해 설계된 것으로 이

다층 마무리 칠은 3층 부식 방지 시스템을 형성하도록

아연-철 전기도금 기질 오르토인산을 사용한 무전해 인

산염 결정 전환 층과 XylanTeflon 실러 코팅의 조합이

다

ㅇ 전통적으로 철 강판(steel sheet)은 크롬산 염 전환 코팅

으로 개질되어 왔으나 6가 크롬이 배출되어 환경을 오염

시키는 문제점이 있어 강판의 내-부식성을 개선하기 위

해 고분자 수지 코팅들이 수행되고 있으나 이 방법은 고

48

분자 코팅 층이 열전도도를 감소시키는 단점을 가지고

있다 Kang 등30)은 강판 위의 고분자 코팅 층의 열전도

도를 향상시키기 위해 초미세-크기 다이몬드(μD)입자를

열전도 물질로 사용하였다 다양한 음이온 및 비-이온

계면활성제들을 사용하여 수용액 중에서 무거운 μD입자

의 안정화를 시험들을 한 결과 1-피렌카르복시산(PCA)

이 가장 양호하였다 그림 3-2는 이 시험 결과를 요약한

것이다

- 강판 위에 PCA로 안정화 된 μD 입자를 함유한 폴리

우레탄-기초 코팅 층은 열전도도가 0351W(mK)에서

0434 W(mK)(10 wtμD)로 향상되었으며 더욱 144

시간 동안 염수 분무 시험결과 부식거동은 관찰되지

않았다

그림 3-2 피렌카르복시산을 이용한 μD 표면처리

ㅇ 자동차공업에서는 기본적인 특성으로 내마모성이 요구되

49

는 강철 기계부품들의 마찰특성을 향상시키기 위해 다양

한 금속 및 고분자 코팅들이 광범하게 이용된다 내-마

모 코팅은 두 가지 주요 특성인 높은 표면경도와 자기-

윤활 특성이 필요하다 후자의 범주에 속하는 것이

PTFE와 MoS2 기초 코팅이다 무전해 니켈 코팅은 높은

경도로 인해 양호한 마찰 특성을 보이며 한편 열처리를

통해 경도를 향상시킬 수 있다 PTFE입자의 첨가는 코

팅경도를 감소시키나 자기-윤활특성을 부여한다 S

Rossi 등3132)은 마찰특성을 향상시키기 위해 이용되는 탄

소강에 이용되는 몇 가지 공업적인 코팅에 관한 부식거

동에 관해 평가 PTFE입자를 함유한 무전해 니켈-인

(Electroless Nickel-Phophorus)코팅은 PTFE 입자(자기-

윤활 특성)를 갖는 외층과 장벽-효과를 갖는 내층으로

인한 이중 특성으로 가장 양호한 특성을 보였다고 보고

하고 있다

ㅇ 모든 기계적 시스템은 동적 요소를 필요로 하며 마찰과

마모를 줄이기 위한 다양한 수단들이 가능하나 그 선택

은 환경이나 조작 조건에 제한을 받는다 PTFE는 자기

윤활 낮은 마찰계수 높은 열안정성과 화학약품 안정성

으로 산업분야에 널리 사용되는 엔지니어링 고분자이지

만 내마모성이 매우 부족하다 이러한 이유로 금속

-PTFE충전 복합체들이 PTFE의 마찰특성과 금속충전제

50

의 내마모성을 결합하여 특정 분야의 용도로 소개되어

왔으나 금속-고분자 물질에서의 충전제의 역할은 완전히

설명되지 않고 있다 복합체 표면의 과잉의 충전제 농도

는 미끄러지는 동안 부하를 지지하여 내마모성을 증가시

키는 것으로 생각되며 PTFE의 마모율은 Mo Zn Ni

Y2O3 및 SiO2 같은 무기 충전제에 의해 1000배가량 감소

되었다는 보고도 있다 유리섬유 구리 세라믹 탄소섬유

절단 탄소섬유 나노입자를 포함한 경질의 충전제 입자들

이 PTFE의 내마모성을 높이기 사용되어 왔다

ㅇ 비교적 두꺼운 코팅에는 열분사(thermal spray) 용사기

술이 정립되어 있고 용사 코팅은 내마모 내마찰 내프레

팅(fretting) 및 내부식을 요하는 산업에 많이 이용되고

있다

- 용사 몰리브덴(Mo)코팅은 실질적 내마모성 코팅으로

가장 광범하게 이용되며 프레임용사(flame spray)거나

와이어용사(wire spray)기술로 생산된 몰리브덴(Mo)

코팅은 흠이나 마모에 대한 고도의 저항을 얻기 위한

가장 좋은 코팅재료 중의 하나이다

- 알루미늄 청동(aluminium bronze)은 높은 내-부식성

과 내마모성을 갖는 것이 특징이다 저압 플라즈마 용

51

사 기술은 자기-아닐링(self-anealing)과 부서지기 쉽

도록 유도하는 γ-상의 형성을 피할 수 있도록 높은

냉각 속도를 얻는 데 사용되며 알루미늄 청동 저압

플라즈마 용사 코팅은 낮은 마찰과 마모를 보였고 비

교적 최근 플라즈마 용사 기술을 이용하여 알루미늄

기질에 고분자-세라믹 복합체를 코팅하는 기술이 개

발되었다33)복합체 코팅으로 행한 마찰 시험에서 낮

은 마찰계수를 얻을 수 있었다

- 낮은 마찰계수와 고 내마모성을 갖는 이성분 금속

-PTFE 코팅이 개발되었고 이들의 마찰 공학적 성능

이 보고되었다 PTFE-기초 복합체 설계에서 일반적

인 접근방법은 경질의 충전 입자들을 도입하는 것으

로 M Yamane 등34)은 PTFE-금속 이성분 코팅의 마

찰 마모성능에 관한 연구 결과 알루미늄 청동 코팅이

Mo코팅에 비해 PTFE 저장소(reservoir)에 유용했음

을 보고하였다

⑹ 충전 또는 강화 플루오르화 탄소1)

ㅇ 분말이나 강화섬유 등 전형적인 충전재들이 충전 또는

강화 플루오르화 탄소에 사용된다 충전재는 저온흐름

52

을 향상시키는 데 사용되며 수축과 균열을 줄이고 열

팽창을 낮추며 열전도율을 향상시킨다

ㅇ 분말이나 단섬유로 된 전형적인 충전제를 표 3-5에 종합

하였다 유리섬유는 가장 보편적인 PTFE 충전제로 화

학 및 전기적 특성에 최소로 영향을 미치며 기계적 특

성을 크게 향상시킨다 분말에 비해 섬유는 압축강도

강성도 및 지지용량을 더욱 향상시키나 분말은 충전

테플론의 내구성에 거의 영향을 미치지 않는다 금속분

말은 특히 열전도도를 향상시키며 고속에서 발생하는 마

찰열을 소멸하는데 도움이 되며 전기저항을 상당히 감소

시켜 금속-충전 조성물은 양호한 절연체는 아니다

ㅇ 흑연(graphite) MoS2는 초기 내구성과 마찰을 개선하고

기계적 특성을 향상시킨다 석면은 많은 유용한 특성을

갖지만 가공 처리 중 가스가 방출할 뿐 아니라 사용금지

물질이다 표 3-5 외에도 금속 망 장섬유 다공성 금속

등 다양한 충전제들이 있으며 다양한 종류의 제품들이

상업 생산되고 있어 최종 선정을 하기 전에 플라스틱 가

공업자로부터 보다 완전한 정보와 추천을 받는 것이 바

람직하다

53

표 3-5 불소수지용 충전제

ㅇ 압축강력 인장과 압축 시의 탄성률 및 항복강력은 첨가

제의 첨가에 의해 모두 증가하나 일반으로 인장강력과

신도 및 충격강도는 손실된다 통상 충전 테플론은 압축

상태에서 사용되므로 인장강력의 감소는 중요하지 않다

인장강력의 손실은 설치(연속적인 링-실링)할 때 인장되

는 재료에서 중요하다 열팽창 계수는 비-충전 테플론에

비해 감소되어 통상 금속 부품의 팽창계수와 잘 맞는다

ㅇ 마찰과 마모를 수반하는 분야에서 가장 중요한 것은 충

전제로 얻어지는 PV한계치의 증가와 마모의 감소다 비-

54

충전 테플론에 비해 PV한계치 크기는 개략적으로 1차원

적으로 증가하나 마모인자는 3차원적으로 감소한다 충전

테플론의 평균치들은 동적 마찰계수는 01-02 PV한계치

는 10000-20000 psi-fpm 마모상수는 10times10-10in3-min

lb-ft-hr이다 그림 3-3은 충전 테플론 PTFE의 마찰계

수에 미치는 충전제 종류와 농도의 효과에 관한 것이다

그림 3-3 테플론 PTFE에 미치는 충전제 종류와 농도1)

ㅇ 내마모성을 향상시키는 충전제는 실제로 연마저항성을

감소시키는 것으로 날카로운 입자는 보다 쉽게 침투하고

충전제 입자와 수지 사이의 경계를 따라 충전 플라스틱

을 찢는다 따라서 라이닝 슈트 같은 분야의 적용 시는

55

비-충전테플론이 보다 바람직하다

⑺ 시트 테이프 및 박층(laminates)

ㅇ 대부분의 플루오르화탄소는 충전 여부에 관계없이 두

께 1mil(0001 in)까지 시트나 테이프로 만들 수 있고

시트나 테이프를 찍어서 원하는 형상의 립-씰(lip seal)

펌프 컵(pump cup) 피스톤 링(piston rings) 가스켓

(gaskets) 등을 만들 수 있다

ㅇ 유체의 누설을 정지시키는 밀봉기능 부품 중 각종기기의

접합부나 배관 플랜지 등의 밀봉에 사용되는 가스켓

(gaskets)은 석면이 널리 사용되어 왔으나 유해물질 배

출 및 이동량 보고제도(PRTR Pollutant Release and

Transfer Register)에서 발암성을 가진 제1종 지정 화학

물질로 지정되어 사용이 금지되어 PTFE가 가스켓으로

개발되었다 PTFE는 용융 알칼리 금속 및 그 용액과 불

소 및 3불화염소에 의해 약간 침식되나 모든 화학약품에

안정하고 우수한 내부식 재료로 C-F결합력이 크고 F원

자가 C-C결합의 주위를 간격 없이 들러 싸고 있기 때문

에 다른 물질의 공격을 방어하고 있고 내열성은 260로

높다35)

56

- PTFE 필러를 사용한 PTFE 나선 권형 가스켓은 석

면에 대한 사용규제와 상관없이 사용되어 왔으며 유

연한 필러를 사용하므로 석면 가스켓 보다 낮은 체결

압력에서도 실 특성이 우수하고 내식 면에서도 광범

하고 다양한 유체에 사용이 가능하다 다만 단열성 면

에서는 석면 나선 권형 가스켓 보다 사용온도 범위가

제한된다

ㅇ 산업 기계나 자동차의 브레이크 제동장치에 부착하여 마

찰력을 부가하는 브레이크 라이닝에서는 마찰계수와 내

마모력 및 충격계수 등 마찰특성이 우수한 석면을 주로

사용하여 왔으나 제동 시 발생하는 미세 석면분진으로

인해 대기오염에 의한 환경을 파괴 뿐 아니라 인체에 흡

입될 경우 암을 유발하여 PRTR로 사용이 금지되었다

석면을 대체할 유기질 또는 무기질 된 다양한 비석면 마

찰 섬유 등이 사용되고 있으며 마찰 섬유에 테프론을 코

팅하여 브레이크라이닝의 수명향상 제동 시 발생하는 소

음 떨림 및 제동력 향상을 위한 제품개발이 시도되고

있다

- 예로 국내 특허36)에서는 브레이크 라이닝(또는 패드)

의 마찰재 배합재료 중 유기섬유(Kevlar섬유 pulp섬

57

유 등)에 테프론을 코팅하고 코팅된 유기섬유에 결합

재 충전재 윤활재 마찰안정재 마찰조정재 등을 소정

의 배합비로 배합하여 성형하고 열처리하여 브레이크

패드 또는 라이닝을 제조한다

ㅇ 초소형 정밀기계(MEMS Micro-Electromechanical

System)분야에서는 점착방지를 위해 불화 유기박막을

사용한다 Park 등37)은 단층 두께의 불화 유기박막의

특성을 접촉각 측정을 통해 분석하였다

⑻ DLC 코팅3839)

ㅇ DLC(diamond-like carbon)는 몇 가지 다이아몬드의 전

형적인 특성을 나타내는 비정질 탄소물질로 극도의 내마

모 특성을 필요로 하는 재료의 코팅에 이용되고 있다

DLC코팅은 연마 마모를 감소시키기 위한 재료에 유용하

여 엔드밀 드릴비트 금형 같은 공구는 물론 자동차 기

계부품 및 전자산업 등 산업전반에 걸쳐 적용된다40)

ㅇ 환경오염 문제로 인해 PRTR(Pollutant Release and

Transfer Register 유해물질 배출 및 이동량 보고 제

도) 이 시행되어 습동 부품이나 절삭 시에 사용되는 오

일이나 그리스에 포함되는 첨가제(MoS2 Zn 등)와 이들

58

부품을 세정할 때 사용되는 용매 기계부품의 수명을 연

장시키기 위해 활용되었던 Cr도금 폐액에서 발생하는 6

가 크롬 등의 오염물질들에 대한 규제가 더욱 강화되어

DLC에 의한 무윤활 습동과 무윤활 절삭을 지향한 공구

와 기계 부품의 개발이 관심을 끌고 있다4142)

- 일본 내에서는 PRTR이 시행되고 이것에 저촉되는 재

료에 관해서는 MSDS(Material Safety Data Sheet)를

첨부해야할 의무가 있고 부품가공 습동 용도에서는

대상 리스트에 올라 있는 오일 오일 중의 중금속 도

금폐액을 어떻게 경제성 있는 환경 친화적 공정과 재

료로 전환할 것인가를 고려하면서 무윤활 습동 무윤

활 절삭 탈크롬 도금의 3가지 키워드가 대두되고

DLC코팅이 대안으로 모색되고 있다

- DLC코팅 적용기술과 과제에 관한 자료로는 자동차

관련부품 적용사례 엔진부위 마찰 작동 밸브계의 마

찰저감 DLC와 윤활제에 의한 마찰저감 기술을 중심

으로 살펴본 보고가 있다43)

ㅇ DLC는 7가지 형태가 존재하며 모두 상당한 양의 sp3혼

성궤도 탄소원자를 함유한다 다양한 형태의 DLC가 진

공 환경으로 적합한 재료들에 적용가능하며 유럽에서의

59

2006년 위탁 DLC코팅 시장은 3천만euro로 추정되었고 국

내도 활발한 상용화가 시도되고 있다

ㅇ 사반면상(tetahedral) 비정질 탄소 ta-C를 2두께로 코

팅하면 연마마모에 대한 스테인레스 강(304 type)의 내구

성을 증가시켜 수명을 1주일에서 85년으로 늘이며 이러

한 DLC의 형태는 sp3결합 탄소 원자로만 이루어지기 때

문에 순수한 DLC로 간주되며 수소 sp2흑연 탄소 금속

같은 충전제가 생산경비를 낮추거나 원하는 특성을 부여

하기 위하여 사용되고 있다

ㅇ DLC를 만드는 방법에는 sp3탄소 보다 낮은 밀도의 sp

2

에 의존하는 몇 가지 방법들이 있으며 압력 충격 촉매

또는 이들의 조합으로 sp2결합탄소 원자들을 sp3결합탄소

로 근접시킨다 최근 초고압 하에서 탄소의 경량 특성을

갖는 초경도 무정형 다이아몬드가 만들어졌다 탄소로 만

들어지는 다이아몬드 그래파이트는 결정구조를 가지나

DLC는 비정질이라는 점에서 크게 다르고 200 정도의

저온에서 형성시킬 수 있다는 점이 통상의 PVD막에 비

해 훨씬 우위에 있다

ㅇ DLC코팅은 제조공정이 복잡하고 생산 단가가 비싸 적용

이 어려우며 적용되는 소재가 제한되는 단점을 갖는다

60

주요제법으로는 고주파 플라즈마 법 이온화 증착법 스

페터링법 등을 들수 있다 고주파 플라즈마 법은 메탄가

스가 원료로 사용되고 막 중의 수소가 약 30(원자)로

평활성이 우수하고 마찰계수가 작으나 경도가 낮다 이

온화 증착법은 벤젠을 사용하며 막은 단단하나 면의 조

도가 거칠고 후막화 하기 위해 스패터링 방법이 검토되

고 있다

⑼ 불소수지의 안전성

ㅇ 테플론 PTFE의 열분해는 200(392)에서 감지되며 이

것은 몇 가지 플루오르화 탄소 기체들과 승화물질을 방

출한다4445)1955년 동물실험에 관한 한 연구에서는 이들

물질이 250(482) 이하에서는 의미 있는 양이 아니라

고 결론지었으나 최근 비-점착 주방기구인 프라이팬이

나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가열할 때 조류를

죽일 수 있는 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수

도 있다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있다45)

ㅇ 표 3-6은 EWG가 보고한 3-5분 내에 370까지 불소수

지를 가열할 때 발생되는 15종의 불소화합물에 관한 것

이다 테플론과 같은 코팅물질들이 장기적으로 인체에 미

61

치는 영향에 관한 연구는 이루어지지 않고 있으나 독감

과 유사한 질병을 유발할 수 있으며 이를 중합체 증기열

(polymer fume fever)이라 한다

표 3-6 15종의 유해물질 및 유독성 기체44)

ㅇ 최근 표 3-6의 화합물들 중 특히 TFA와 과불화된

(perfluorinated) PFOA(perfluorooctanoic acid)에 관심이

증가되고 있다 PFOA는 새로운 환경오염물질로 미국 환

경보호청(EPA)에 의하면 보통 때는 문제가 없으나 조리

과정에서 프라이팬에 열을 가하고 강하게 긁을 경우 용

62

출되어 나오며 이것이 음식물과 함께 인체에 흡수되는

것으로 추정하였다 한편 DuPont의 테플론 PTFE 연구

결과에 의하면 검출한계인 9ppb 이상 검출되지 않으며

테플론 주방기구에서는 PFOA가 존재하지 않는다고 발

표하고 있다

- 물이나 공기를 통해 환경에 노출된 PFOA는 고 콜레

스테롤 궤양성 대장염 갑상선 질환 고환암 신장암

및 임신성 고혈압과 관련된다고 보고되었다

- PFOA는 불소수지 생산과정에서 사용되는 첨가물로써

암모늄 형태로 PTFE 유화중합에 계면활성제로 사용

되며 불소수지의 품질과 균일성을 유지하기 위해 필

수적인 첨가물이기 때문에 전 세계 모든 불소수지 제

조업체가 사용 중에 있다 한편 국내 주력 산업인 반

도체 생산 과정에서도 PFOA를 대량으로 사용하고 있

어 체계적인 실태조사와 대책수립이 필요하다는 의견

들이 대두되고 있다

⑽ 불소화합물의 안전성과 환경대책

ㅇ 표 3-6에서 살펴본 바와 같이 테플론을 급격히 고온으로

가열하면 2종의 발암물질을 포함한 유독성 가스가 발생

63

하고 특히 불소화합물 중 MFA(monofluoroacetic acid)는

적은 양으로도 치명적 해를 끼치고 PEIF(perfluoro-

isobutene)는 신경가스제로 여러 가지 질환을 발생시킨다

한다44)

따라서 테플론으로 코팅된 장치를 재 코팅하기

위해 테프론을 고온으로 급격히 가열하거나 소각 등을

통해 제거할 때는 발생 가능성이 있는 유독가스를 제거

하기 위한 별도의 설비를 이용하여야 하고 유 등44)의 보

고서에서와 같이 중조(NaHCO3)를 포화시킨 충분한 물로

유독 산성 물질을 중화시키는 것도 고려할 만하다 한편

부식대전 방지 코팅도 테플론 코팅 일변도에서 세라믹

코팅 CNTs이나 DLC 코팅기술로 대응하는 것을 추천하

고 싶으며 이것은 유해물질 배출 및 이동량 보고제도

(PRTR Pollutant Release and Transfer Register)에 대

비하는 등 기업의 장래를 고려하는 것도 될 것이다

ㅇ PTFE를 사용한 취사도구는 1960년대 이래 사용되어 오

고 있으나 최근 들어 이것의 안전성이 논쟁의 주제가 되

고 있으며 논의 주체는 PFOA(perfluorooctanoic acid)이

다 PFOA는 PTFE를 비롯한 많은 불소수지의 생산에

사용되며 DuPont의 테플론 PTFE 연구 결과에 의하면

프라이팬을 260 이상 고온에서 가열하거나 코팅이 벗

겨져도 PFOA가 존재하지 않는다고 한다 그러나 물이나

64

공기 토양 식품포장재 등 여러 곳에서 PFOA 오염사실

이 보고되고 있다 한다44)

- 미국 EPA는 인체와 환경에 대한 PFOA 연구를 계속

하고 있으며 2015년까지 PFOA 및 이와 관련된 화합

물 방출을 배제할 프로그램을 갖고 있으나 PTFE-기

초 비점착 취사기구를 중지시킬 타당성을 갖고 있지

는 않다 최종제품은 PFOA가 아닌 PTFE이기 때문이

다

- 수십 년 동안 불소수지 비점착 코팅이 시장을 지배하

였으나 최근 몇 가지 신기술들이 출현되고 있으며 이

들 대부분은 실리콘 세라믹과 실리콘 기술로 이들 코

팅은 PTFE와 PFOA를 함유하지 않는다

- 오늘날 출시된 비점착 취사용구는 수많은 상표로 팔

리고 있으며 DuPont에 의하면 대부분의 취사용구 코

팅은 정상적으로 사용할 때 3-5년 견딜 수 있을 것으

로 예측한다 너무 문질러서는 안 되고 따뜻한 비눗

물로 씻어주는 것이 좋으며 닳거나 흠이 생기지 않도

록 나무 플라스틱이나 코팅된 재료로 만든 도구를 선

택하고 보관도 흠이 생기지 않을 장소나 캐비닛을 권

장하고 있다

65

ㅇ 국내의 불소수지 안전성에 관한 것으로는 재질규격(납과

카드뮴)과 용출규격(납 과망간산칼륨소비량 증발잔류물)

이 식품용 기구 및 용기 포장 공전46)에 기재되어 있으며

최근 국내에서도 PFOA를 비롯한 유해 불소화합물에 관

한 관심이 커져 가고 있다

ㅇ PFOA 문제가 표면화 되면서 환경 보전형 불소계 발수

유제의 개발과 공업화도 새로이 부각되고 있다 이에 관

한 보고서를 모니터링한 KISTI자료47)를 중심으로 간단히

요약하면 발수제의 주요성분 퍼플루오로알킬기(Rf기)함

유 폴리머의 기능은 Rf기의 고리길이에 크게 의존하므로

PFOA문제 해법으로 탄소수 8 이상인 종래의 불소화학

에서 탈피 짧은 고리 Rf기(탄소수 6)를 가진 새로운 단

량체를 선택하여 발수제를 제조함으로써 환경 보전형 불

소계 발수유제를 개발하고 공업화하였다 한다

66

제 4 장

지원결과

1 지원결과 종합

테프론 코팅 기술의 문제점과 부식대전방지용 테플

론 코팅에 관한 정보 외에 신청기업의 요청에 따

라 C-나노튜브 코팅 및 DLC증착에 관련된 기술 정

보도 제공하였다

테플론은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat resistant)

비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coefficient of

friction) 내약품성(chemical resistance)과 특이한 전기적

특성(unique electrical properties) 및 온내구력(cryogenic

stability)으로 그 응용범위가 광범하며 용도에 따른 엄격

한 품질관리가 요구될 것으로 생각되어 중소기업에 적합

한 기초능력 배양과 신제품을 구상하기 위한 최신기술에

관한 정보를 제공하고자 하였다

67

불소수지의 코팅은 두께와 첨가제가 관건으로 이에 관한

자료를 제공하고자 하였으며 불소수지의 전기특성 폭발

성 환경과 반도체 제조공정에서의 대전 방지 처리를 위

한 정전기 관리 지표 등을 특허를 중심으로 조사하여 제

공하고자 하였다

C-나노튜브를 이용한 대전방지 코팅 기술 및 C-나노튜

브의 제법 등 이것에 관한 기초정보를 제공하고자 하였

으며 내마모성 테플론 코팅에 관해서는 테플론을 이용한

세라믹 코팅 기술에 관한 정보도 제공하고자 하였다

테플론의 기계적 전기적 특성을 강화하기 위해 사용되는

충전제를 종합하고 기초이론을 정립함으로써 금후 원부

자재의 선정에 도움을 주었다

테플론은 석면 대체재로도 주목받고 있어 이에 관한 특

허 정보들을 제공하였으며 다이아몬드의 전형적인 특성

을 나타내는 DLC의 코팅관련 기술 정보를 환경오염 문

제와 연관하여 자료를 제공하였고 최근 비-점착 주방기

구인 프라이팬이나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가

열할 때 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수도 있

다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있어 이에

관한 정보도 제공하였다

68

2 지원의 한계

중소기업이 당면한 문제는 전문기술의 확보다 관련 기술

이 비약적으로 발전하는 추세에 비추어 한정된 인원으로

신기술을 소화하고 개발하기는 어려울 것이므로 출연연

구기관이나 대학과 공동연구를 모색할 수 있으나 이것도

중소기업으로서는 경제적 부담이 될 수밖에 없을 것으로

생각된다 가능하다면 앞으로도 KISTI의 정보지원이 계

속되기를 바라고 있었다

3 기대효과

부식대전 방지 테플론 코팅에 관한 기본 기술이 배양되

어 합리적인 원부 원료의 수입검사 공정관리 및 제품관

리를 통해 원가절감은 물론 신제품 신기술에 관한 정보

수집 및 분석능력이 배양되고 개발력이 확충되어 기업

경쟁력 향상에 도움이 될 것이다

69

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75

저자소개

김학주(金鶴柱) 서울대학교 문리과대학 화학과 졸업 이학사

전북대학교 대학원 화학과 이학박사

(주)삼양사 의약연구소장 신성대학교 교수

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 폴리에스테르 섬유의 연중직방기술 외 다수

저서 기기분석 공업물리화학 일반화학

성용길(成墉吉)

동국대학교 이과대학 화학과 졸업 이학사 이학석사

부산대학교 대학원 화학과 이학박사(Dr Sci)

University of Utah USA Ph D(공학박사) Post Dr

유타대학교 연구교수 부산대학교 교수 동국대학교 교수

동국대학교 명예교수 한국원자력문화진흥원 이사

과학문화연구원전문연구위원 한국도량형과학문화연구원 원장

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 의료용 기능성 고분자재료에 관한 연구 외 330편

저서 고분자 물성론 (서울대학교 출판부 공저) 외 10권

28

200 이상에서는 열변형으로 사용이 제한적이고 세라믹

필터와 같이 고온에서 적용이 가능한 소재는 매우 고가

일 뿐 아니라 초기 작업으로 인해 에너지 사용량이 매우

높아지는 문제점이 있다 Kim 등8)은 250-300 영역의

중고온의 배출가스를 처리하기 위한 필터에 표면 소수성

과 고온 안정성을 부여하기 위하여 표 3-3과 같은 조성

으로 그림 3-1과 같은 장치를 이용하여 테플론 수지를

거품 형태의 코팅액으로 조제하여 유리섬유 원단에 공급

하여 표면코팅하고 열처리 및 압착과정을 거친 후 표면

분석하였다

표 3-3 테플론 코팅을 위한 화학첨가제8)

테플론 코팅이 전기 집진장치에 활용되는 특허도 있다

종전 사이클론 방식의 전기집진기에서는 집진부의 먼지

를 떨어뜨리는 것이 용이하지 않았다 발명자들은 먼지

압축 기능을 갖는 집진실 내측에 테플론 가공을 하여 정

전기에 의한 미세먼지의 부착을 억제함으로써 집진실의

먼지를 원 터치로 처리할 수 있도록 하였다9)

29

그림 3-1 테플론 거품코팅8)

일반으로 테프론을 조리용기에 코팅하는 방법은 금속소

재를 사용 제품형태로 제작한 후 세척하고 에이징(소둔)

처리한 후 샌딩하여 표면조도를 유지하도록 하고 표면에

프리머 처리하여 베이킹 처리한 후 분사방법으로 테프론

코팅을 하고 다시 베이킹 처리하므로 공정이 복잡하고

제조원가가 상승하며 부착력에 한계가 있다한다 (주) 엘

지아이 특허10)에서는 피처리물을 세척한 후 산질화처리

하여 표면에 열처리 층이 형성되게 한 후 테프론을 코팅

하고 베이킹 처리하는 것을 특징으로 한다 그 외에 내열

세라믹 주방용기의 불소수지 코팅방법에 관한 특허가 있

다11)

(주) 봉성비에스는 차량의 주행 충격을 흡수하는 완충기

30

내부에 삽입하는 피스톤 외주면의 마찰과 소음을 최소화

하기 위한 목적으로 테프론 코팅을 하기 위한 코팅장치

를 등록하였다12)

⑶ 대전 방지 플루오르화탄소 수지 코팅

ㅇ 본래 불소수지 자체는 높은 절연성과 큰 대전성을 갖고

있기 때문에 도전 효과를 얻기 위해서는 분상 필러를 다

량으로 충전할 필요가 있으나 이렇게 하면 비점착성이

떨어진다 여러 회사들의 제품 안내서들을 종합한 불소수

지의 전기적 특성은 표 3-4와 같다

표 3-4 불소수지의 전기 특성

특성측정법

(ASTM)단위

PTFE

(비충전)

PTFE

(25

유리충전)

PTFE

(25

탄소충전)

표면 내아크성 D495 sec 75-110

체적저항

(비저항)D257

ohm-

cmgt1018 gt1016 104

표면저항 D257ohm

sq-1 gt10

14

유전율(유전상

수) at 1MHzD150-81 e 25 24

절연내력 short

time 18thickD149

kv

mm285

유전정접(유전

정합) at 1MHzD150-81 lt00002 005

31

ㅇ 불소수지는 내열성 내한성이 높고 내약품성 내연소성

난연성이 우수하고 절연성 및 비점착성과 저 마찰계수를

갖고 있으나 절연성이 높아 정전재해의 원인이 될 수 있

어 재해 방지를 위해 대전 방지 또는 저저항을 특징으로

하는 불소수지 가공품이 개발되어 사용범위가 넓어지고

있다

불소수지에 충전하여 저저항으로 하는 필러에는 일반적

으로 도전성이 높은 카본 금속 또는 산화알루미늄 등의

금속산화물이 사용된다 재료의 형상으로는 미분 탄소

스테인레스 스틸 니켈 금속분과 같은 입상물 단섬유 탄

소섬유 위스커(whisker) 등이 사용된다

- 미분은 비표면적이 크기 때문에 소량의 충전으로 저

항치를 내릴 수 있으나 약품의 침투가 있는 경우 비

표면적이 크기 때문에 약품의 영향을 받기 쉬워 내부

식성 떨어질 가능성이 크다

- 입자상물질들은 미분에 비해 비표면적이 작기 때문에

약품의 영향을 비교적 적게 받지만 저항치를 내리기

위해 충전량이 많게 되어 불소수지의 특징인 비점착

성과 저마찰계수 특성을 저해한다 섬유 위스커 형상

은 단방향에 대한 장방향의 비가 클수록 적은 충전량

32

으로 저항치를 낮출 수 있지만 분산이 나쁘면 요철이

발생한다 부식 방지 코팅에서는 충전제의 내약품성이

관건이다 즉 부식 환경에서 불소수지 자체는 충분히

견디어도 충전제가 내약품성이 없으면 충전제가 서서

히 에칭되어 기기가 부식될 가능성이 크다

화학 석유 및 정제 산업에서는 시험 검사 세척 및 다양

한 공정의 용기 저장 탱크 반응기와 같은 많은 구성요

소들이 사용되며 플루오르화 고분자는 고온에서 높은 열

안정성을 갖고 다양한 유기용매에 전혀 용해되지 않으므

로 부식방지 등을 위해 플루오르화 고분자와 같은 내화

학성 고분자로 코팅된다 그러나 이들 고분자는 코팅된

구성요소의 표면에 정전하 축적을 조장하기 때문에 폭발

성 환경에서는 사용할 수 없다

특히 이들 구성요소들의 금속 구조물은 용기나 탱크에

보관된 가스 증기 분진의 이동에 의해 생성된 정전하

(electrostatic charge)를 흐르게 하는 전도경로가 되나 금

속표면을 강산 강알칼리나 유기용제에 의해 침투되는 방

지하기 위한 목적으로 부식방지 테플론으로 코팅될 경우

얇은 필름의 비-전도체로 작용하므로 폭발성 환경에서

사용을 규제하고 있다

33

- 예로 유럽 표준 EN 50014 section 732에서는 정전

하로 인한 발화 위험을 피하기 위해 사용 보수 및 세

척 조건 하에 설계된 울(enclosure)이 필요하고 울의

절연저항은 1GΩ을 초과할 수 없도록 규제하고 있고

일본은 후생노동성 관할 산업안전연구소의 정전기 안

전지침의 누설 저항치는 108Ω 이하로 되어 있다

- 따라서 부식 및 폭발성 환경에서 안전하고 다양한 구

성 요소에 적용할 수 있는 정전방지 비-발화 테플론

코팅기술을 요하며 정전방지 코팅은 표면저항을 낮추

기 위해 카본블랙이나 개질 전도성 탄소 금속이나 전

도성 고분자를 테플론에 충전하여 코팅한다

폭발성 환경용 내화학약품 특성과 대전방지 비발화

코팅 조성물로는 높은 비저항을 갖는 플루오르 고분자

50-90wt 10-50wt의 전도성물질인 탄소분(carbon

powder)으로 이루어진 Solex Robotics Systems Inc

특허가 있다13)

- 폭발환경에서 사용되는 이상적인 코팅은 정전하를 피

하기 위해 낮은 비저항을 가져야 한다 완벽한 전도체

는 비저항이 영(0)이고 완벽한 절연체는 무한 비저항

34

을 갖는다 금속(구리 금 같은) 합금(망가닌 Mn-Ni-

Cu 니크롬 Ni-Cr-Fe) 반도체(카본이나 게르마늄)는

낮은 비저항을 갖고 있어 좋은 도체이다

- 수많은 고분자 기초 코팅들이 부식화학 환경에 사용

되었으나 85GΩ 이상의 비저항으로 대전방지 시험에

서 실패하였다 정전기 도체로 인증기준 아래 적합하

기 위해서는 100cm2이상의 노출 표면이 1GΩ 이하의

비저항이어야 한다 코팅에 첨가된 탄소분은 전도도를

증가시키며 10-50의 함량은 1GΩ 이하의 비저항을

만족시킨다

비전도성 표면의 표면저항을 감소시키도록 카본이나 금

속을 사용하여 대전방지를 부여하는 공정의 단점으로는

카본이나 금속의 접착력이 낮아 입자의 마모가 일어나

장기간 사용 시 대전방지 수준이 감소하는 것이다 더욱

클린룸에서 입자의 방출은 심각한 문제가 된다 대부분의

비전도성 기질은 통상 23 상대습도 50에서 표면 비

저항이 109ohmsquare 이상으로 높고 PTFE 경우는 10

12

ohmsquare이상이다14)

반도체 제조 장치에서는 웨이퍼 기판을 안착하기 위해

작업 스테이지를 사용하며 작업스테이지는 통상 금속과

35

세라믹으로 제작되나 웨이퍼기판을 작업스테이지에 올려

놓을 때 작업스테이지와 웨이퍼기판 사이에 마찰 정전기

가 발생한다 FPD(flat panel diplay 평판표시)용 디스펜

서(dispenser)에 사용되는 작업스테이지는 진공방식으로

디스플레이 기판을 흡착 고정하며 흡착 고정되었던 디스

플레이 기판이 작업스테이지에서 박리될 때 작업스테이

지에 정전기가 발생하여 디스플레이 기판에 대전된다 최

근 디스플레이 기판이 대형화됨에 따라 대전량이 증가되

고 정전기 대전문제가 더욱 심각해지고 있다 웨이퍼기판

이나 디스플레이기판에는 반도체소자 등 다수의 전자부

품들이 배치되어 있기 때문에 정전기가 발생되면 전자부

품의 신뢰성에 치명적 손상을 주고 기판에 분진이 부착

되거나 정전기의 대전으로 기판 리프트 업(lift up)시 기

판이 깨어지는 문제가 발생한다 정전기 대전을 방지하기

위해서는 작업스테이지에 이오나이저를 설치하여 중화하

기도하나 리프트 업이 불가능하거나 이온풍이 도달하기

전 방전하는 등 작업 스테이지와 기판 사이에서 발생한

정전기가 순간적으로 일으키는 박리대전 문제를 해결하

기 어려워 작업 스테이지의 정전기 방지를 위해 불소수

지로 코팅한다

- 불소수지는 다른 물질과의 흡착에너지가 작고 비점착

성이 우수하며 마찰계수가 작아 유리기판과의 상관관

36

계가 작아져 박리에 의한 정전기의 발생량이 적어지

나 불소수지는 절연성을 가지므로 테프론 코팅에서는

카본 블랙이나 전도성 고분자 등을 필러로 사용한다

대전방지가 필요한 반도체 제조장비 디스플레이 장치 및

테스트 장치 등의 작업 스테이지를 테프론 코팅함으로써

작업 스테이지의 정전기 발생을 방지하는 방법의 단점의

하나는 제작비용이 상대적으로 많이 드는 것으로 디스펜

서의 경우 디스플레이 기판이 대형화됨에 따라 작업 스

테이지의 크기가 커져 제작비용이 증가한다 또한 불소수

지의 경도가 낮아 코팅 막에 스크래치가 발생하고 이 부

분은 평탄도 유지가 어려우며 입자들이 발생하는 요인으

로 작용하며 불소수지가 절연성이므로 카본블랙이나 전

도성 고분자 등의 도전성 필러를 충전하여 대전방지에

적합한 면-저항을 갖도록 할 경우 카본블랙은 구형으로

분진이 발생하는 문제점이 있고 전도성 고분자를 사용할

경우는 내용제성이 약하고 과량의 바인더를 사용하여야

하며 박막 형성이 어렵고 불소수지의 경도를 보완하기

위해 아노다이징 처리를 하는 경우는 이후 별도의 코팅

과정을 거쳐야 하므로 제작비용과 제작시간이 증가하는

등 여러 가지 단점들이 있다 이러한 문제점들을 해결하

기 위한 방법으로는 작업 스테이지와 기판이 만나는 면

에 정전기 발생을 최소화시킴과 동시에 그 제조비용이

37

절감되고 적절한 면-저항을 조절할 수 있으며 마찰계수

가 낮고 내마모성이 향상된 작업스테이지 표면의 대전방

지 처리 방법에 관한 국내의 탑나노시스 사의 특허15)가

있다

- 탑나노시스 사의 특허 목적은 작업스테이지의 기판과

만나는 면에 정전기의 발생을 최소화시킴과 동시에

그 제조비용이 저감되고 적절히 면-저항을 조절할 수

있으며 마찰계수가 낮고 내마모성이 향상된 스테이지

표면의 대전방지 처리 방법에 관한 것으로 이 특허에

서는 금속소재의 작업 스테이지 표면을 아노다이징

처리하여 복수의 산화표면 홀들을 형성시키고 여기에

탄소나노튜브를 삽입하고 경화하며 탄소나노튜브 경

화 후에 표면을 봉공 처리한다

- 작업스테이지 표면은 106-10

9Ωsq의 면-저항을 갖는

것이 바람직하며 산화표면 홀들은 직경 30-900nm 깊

이 100-900nm가 바람직하다 아노다이징 처리를 하는

금속소재는 Al Mg Zn Ti Ta(탄탈륨) Hf(하프늄)

Nb(니오븀) 등일 수 있고 이 발명에서는 가벼우며 일

정 강도를 갖고 가공성이 우수한 Al합금을 예로 들어

설명하고 있다

38

- 알루미늄소재 작업스테이지 표면에 산화피막(Al2O3)처

리를 하는 아노다이징(anodizing 양극산화)에서 전해

액은 수산화나트륨이나 수산과 황산 등이 사용될 수

있고 수산화나트륨의 농도(20-50) 공급전압 전류

및 시간 등을 조절하여 산화표면 홀의 크기(D)와 깊

이(L)를 조절하며 D와 L에 따라 대전방지 효과나 내

구성 및 표면경도를 조절한다

- 탄소나노튜브를 산화표면 홀 내에 삽입시키는 단계는

전해 흡착 하여 이루어질 수 있고 정전도장을 통해서

도 이루어질 수 있다 탄소나노튜브는 분산제를 포함

하는 용액으로 코팅되며 분산제로는 소듐 도데실설페

이트(SDS) 트리톤X Tween20(폴리옥시에틸렌 소르

비탄모노올레이트) CTAB(cetyl trimethyl ammonium

bromide)를 예로 들고 있으며 탄소나노튜브 용액은

아크릴계 우레탄계 등 또는 전도성 고분자계 유무기

하이브리드계 바인더가 포함될 수 있다

- 봉공처리는 산화표면 홀과 산화피막을 봉공하여 내식

성 등이 향상되도록 보호 층을 형성시키는 것으로 비

등수 가압증기에 의한 수화봉공 금속염을 포함한 열

수에 의한 금속염 봉공 오일로 도포나 침적하는 유기

물 봉공 양극산화 피막 층에 도장하는 도장에 의한

39

봉공 등이 있다

반도체 소자를 제조하는 과정에는 불순물 이온을

주입하는 장비가 이용되고 있다 (주)하이닉스 반도

체의 특허에서는 이온주입 장비의 웨이퍼 지지 장

치 리프트 핀의 끝단을 라운드 처리하고 리프트 핀

에 테플론을 코팅하여 리프트 핀과 웨이퍼 후면의

접촉 시 웨이퍼 후면에 스크래치와 같은 손상이 유

발되는 것을 억제할 수 있게 한다16)

⑷ 탄소나노튜브(CNTs Carbon Nano Tubes)17)

탄소나노튜브는 탄소의 동소체로 1991년 일본 NEC 연구

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풀러렌(탄소 원자 60개가 모인 것C60)을 처음으로 발

견한 이후 전기방전 시 흑연 음극 상에 형성된 탄소덩어

리를 투과전자현미경으로 분석하는 과정에서 발견하여

Nature학술지에 처음으로 발표되었다18) 탄소나노튜브에

서 탄소원자 하나는 주위의 다른 탄소원자 3개와 sp2결

합을 하여 육각형 벌집무늬를 형성하며 이 튜브의 직경

이 대략 수 나노미터(nm nanometer) 정도로 극히 작기

40

때문에 나노튜브라고 부르게 되었다 이 탄소나노튜브는

전기 세기가 클수록 더 수축하는 성질을 가지고 있는 등

튜브의 직경이 nm수준으로 극히 작아서 특유의 전기화

학적 특성을 나타낸다

Ku 등19)에 의하면 CNTs는 전기방사법(arc-discharge)

레이저증발 법(laser vaporization) 플라즈마 화학기상증

착 법(plasma enhanced chemical vapor deposition) 열

화학 기상증착 법(thermal chemical vapor deposition) 등

의 다양한 합성법이 개발되어 대량생산이 가능하다

CNTs의 종류는 벽의 수에 따라 단일 벽 탄소나노튜브

(SWNTs) 이중 벽 탄소나노튜브(DWNTs) 다중벽 탄소

나노튜브(MWNTs)가 있으며 물성에 관한 많은 연구결

과 기계적 전기적 열적으로 우수한 성능을 갖고 있음이

입증되었다

CNTs는 인장강도와 탄성률 면에서 지금까지 발견된 재

료 중 가장 강하고 질기며 다중벽 CNT는 63GPa에 이른

다 표준 단일 벽 CNT는 25GPa의 압력까지 변형 없이

지탱된다 그래핀의 대칭성과 특이한 전기적 구조 때문에

CNTs의 구조는 그것의 전기적 특성에 영향을 미쳐 금속

성이나 반도체의 특성을 나타내고 이론적으로 금속성

41

CNTs는 구리와 같은 금속의 1000배가 큰 4times109Acm

2

전류 밀도를 운반할 수 있으며 나노크기의 단면으로 전

자가 튜브의 축 방향으로만 전파되고 전자의 이동은 양

자효과를 수반하여 1차원 전도체로 간주된다

CNTs는 우수한 물성과 상대적으로 큰 표면적으로 갖고

있어 충전제(filler)로써 에폭시 폴리스틸렌 폴리우레탄

등 고분자와 혼합하여 폴리머의 기계적 전기적 특성을

향상시키려는 연구가 활발하다 CNTs가 폴리머 중에서

충전제 역할을 하기 위해서는 고른 분산이 필요하나 반

데르발스 힘에 의한 CNTs 응집현상(agglomeration)으로

인해 효과적인 분산이 어려워 오히려 폴리머의 물성을

저해하므로 이것을 개선하기 위한 다양한 기계적 화학적

분산 방법이 연구되고 있다

- CNTs를 분산시키기 위한 가장 일반적인 방법은 용매

나 폴리머에 CNTs를 투입하고 초음파처리를 하는 것

으로 초음파처리를 하면 SWNTs의 길이가 짧아지고

다발(bundle)이 얇아져 분산력이 증가한다

- CNTs 표면을 산이나 아민으로 기능화하여 분산을 높

이는 방법도 연구되고 있으며 MWNTs를 HNO3

H2O2NH4OH 용액에 침지시켜 MWNTs에폭시 복합

42

재료는 전기적 특성을 향상시키려는 연구와 산과 아

민 등의 기능기를 도입하여 SWNTs의 열전도도를 향

상시키려는 연구들이 수행되고 있다

- 기계적 분산방법인 전단혼합방법은 좁은 관이나 상대

적으로 높은 속도의 유동을 이용하여 발생한 전단력

으로 CNTs를 분산시키는 방법이다 Ku 등19)은 전단

혼합과 초음파처리를 이용하여 MWNTs로 강화된

에폭시 복합재료를 만들어 기계적 및 열적 특성을 연

구하였다

⑸ 내마모성 테프론 코팅

ㅇ 재료의 부식은 구조재에 원하지 않은 변화 원인으로 작

용하여 경제적인 문제로 귀결되는 심각한 문제이다 이들

원치 않는 변화는 때로 적절한 코팅에 의한 표면처리로

예방할 수 있다 가장 일반적이고 자주 사용되는 전착 코

팅은 아연에 기초한 아연 코팅 및 합금 코팅으로 이들

코팅은 간단한 기술로써 내부식성이 양호하여 전 표면처

리의 약 14에 해당하나 최근 낮은 마찰계수 등 다른 특

성들이 매우 중요하게 되었다 이들 특성은 다층 코팅으

로 대응할 수 있으나 두께가 증가하고 기술이 복잡하여

가능한 해결방법으로는 복합체 코팅이 있다 복합체 코팅

43

은 일반기계와 자동차 전자부품 및 컴퓨터 등 다양한 분

야에 적용된다 금속 기질에 미세한 PTFE 입자의 전착

에 의한 증착은 새로운 세대의 복합체 코팅으로써 가장

바람직한 특성은 양호한 내마모성 자기윤활 내부식성이

다 M Paderovaacute 등20)에 의하면 이들 특성은 주로 사용

한 입자(흑연 다이아몬드 MoS2 또는 PTFE)와 용액의

유형(pH 온도 bath 등) 뿐 아니라 입자의 크기 농도

분산 및 형태학에 의존한다

ㅇ 충전되지 않은 PTFE의 마모율은 736-741times10-4mm3Nm

로 내마모성이 낮아 다양한 충전제들이 첨가되고 있다

Xing-Dong Yuan 등21)은 진공 조건에서 PTFE 코팅

의 마모특성을 연구하여 초기에는 하중이 증가함에 따

라 마찰계수가 감소하나 하중이 6N 이상으로 커지면

마찰계수도 증가하며 압력이 PTFE 코팅의 마찰계수

에 미치는 영향이 거의 없고 마모는 압력이 증가하면

초기에는 감소하나 10Pa 보다 높으면 급격히 증가한

다고 보고하였다

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위해서는 윤활제로 PTFE

계 수지 접착제로는 폴리아미드이미드수지 산화철 분말

44

및 브론즈 분말 등을 혼합한 조성물을 사용하거나 미국

특허에서는 스와시플레이트 형 압축기의 플레이트 표면

에 MoS2 흑연 PTFE계 윤활제와 열경화성 수지인 폴리

아미드이미드(PAI) 조성물을 코팅하여 내마모 및 윤활성

을 부여하고 있다22) 내열성 향상을 위해서는 고체윤활

제 접착제수지 및 저융점 금속인 Sn Pb In Bi 등을 함

유하는 합금이나 화합물을 사용하여 금속의 잠열을 이용

내열성 향상을 시도하기도 한다

ㅇ 그간 철강(스테인리스강 탄소강 아연도금강판 등)의 내

부식성 향상을 위한 많은 연구들이 수행되어 왔다 4플루

오르에틸렌(C2H4) 4플루오르에탄(CF4) 6플루오르에탄

(C2F6) 3플루오르화에탄(CHF3) 8플루오르화에탄(C4F8)

같은 불소화된 단량체의 플라즈마 중합에 의한 테플론

류 코팅은 그들의 소수성으로 인해 금속의 내부식성 향

상을 위한 대안으로 주목을 받고 있다 A Delimi 등23)

은 유도결합 고주파플라즈마(inductively coupled radio

fre- quency plasma)를 사용하여 소수성 박막 불소수지

필름을 탄소강에 증착하고 3염수에서 내부식성을 평가

한 결과 1개월 동안 9nm의 필름이 유지되는 것을 관찰

하여 불소고분자 박막이 금속과 금속산화물의 보호층이

될 수 있음을 보고하였다

45

ㅇ PTFE를 이용한 세라믹코팅 기술로는 알루미늄 및 알루

미늄 합금 공작물을 양극처리에 의해서 티타늄 및또는

지르코늄 산화물을 포함하는 내식성 내열성 및 내마모

성 세라믹 코팅을 하고 이어서 양극처리된 공작물을

PTFE 또는 실리콘 함유 코팅과 같은 제 2 코팅으로 코

팅한다 이 발명은 가소성을 가지는 경질의 필름 내에서

내식성 내열성 및 내마모성을 제공하는 티타늄 및또는

지르코늄 산화물의 양극처리 층으로 기판을 예비-코팅함

으로써 알루미늄 기판에 보다 긴 수명의 코팅을 형성하

는데 특히 유용하다24)

ㅇ Nosaka 등25)은 PTFE로 대표되는 불소수지는 마모-링이

나 극저온 밸브의 실링부에 많이 사용되며 진공치환법에

의해 탄소재료에 PTFE나 MoS2 분말을 1-2wt 함침시

키면 무함침한 것에 비해 마모가 약 13로 감소한다고

보고하였다 한편 저자들은 터보펌프의 실링재료가 극저

온 환경에서 보이는 특이한 현상을 극복하기 위해 베어

링의 표면에 노출된 유리섬유를 불소산으로 처리하여 용

해 제거하고 윤활성을 높인 유리섬유강화 테프론 리테이

너를 개발하여 내구성과 윤활성을 향상시킬 수 있었다고

보고하고 있다

46

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위한 또 다른 특허로는

폴리실록산계 접착제를 단독 혹은 폴리에스테르계 접착

제와 병용하고 고체 윤활제로 MoS2(이황화몰리브덴

WS2(이황화텅스텐) h-BN(육방정 질화붕소) 팽창흑연

및 PTFE를 사용하고 충전제로 탄화규소 알루미나 산화

지르콘 산화티탄 등의 미분말을 사용하여 내마모 내열

및 윤활성을 부여하고자 하는 내마모성 및 윤활성 코팅

조성물에 관한 특허가 있다26)

ㅇ 내열성 내후성 내오염성 내약품성 내구성 등의 물성

은 유지하면서 비점착성을 높이기 위해 무기계 세라믹

코팅 조성물에 PTFE를 첨가하기도 한다 이러한 하이

브리드 코팅 조성물에 관한 특허로는 불소수지(01sim25

중량) 콜로이달 실리카나 콜로이달 알루미나 등 무

기계고분자 바인더(20sim80중량) 알콕시실란 화합물

(1sim50중량) 수용성 유기용제(1sim10중량) 충전제

또는 안료(5sim50중량) 및 물(100중량 까지 보충)로

이루어진 코팅 조성물에 관한 것으로 무기질 도료 및

무기계 세라믹 코팅에 의해 내열성 내오염성 내약품

성과 내구성을 유지하고 접착력을 높이기 위해 소량의

PTFE를 사용하는 것이 있다27)

47

ㅇ 정전 복사기에 사용되는 정착기재부의 최외층에 코팅하

여 기계적 성질 및 내마모성을 향상시키려는 목적으로

불소수지 기질 중에 분산된 불소화 다이아몬드를 함유하

는 입자로 구성된 조성물에 관한 일본 특허28)가 있다

ㅇ 부식 특성을 개선한 흑색 무크롬(chrome-free) 다층 내

부식 마무리 칠과 방법에 관한 특허29)로는 ASTM B 117

표준으로 시험할 때 백색 부식에는 최소 500시간 염수분

무시간 및 적색 부식에는 1500시간 염수분무시간에 적합

하게 설계된 마무리 칠에 관한 것이 있다 이 다층 시스

템은 광택(gloss) 4 이상을 만족하는 자동차 차체 강판

자동차 하부와 내장에 사용되기 위해 설계된 것으로 이

다층 마무리 칠은 3층 부식 방지 시스템을 형성하도록

아연-철 전기도금 기질 오르토인산을 사용한 무전해 인

산염 결정 전환 층과 XylanTeflon 실러 코팅의 조합이

다

ㅇ 전통적으로 철 강판(steel sheet)은 크롬산 염 전환 코팅

으로 개질되어 왔으나 6가 크롬이 배출되어 환경을 오염

시키는 문제점이 있어 강판의 내-부식성을 개선하기 위

해 고분자 수지 코팅들이 수행되고 있으나 이 방법은 고

48

분자 코팅 층이 열전도도를 감소시키는 단점을 가지고

있다 Kang 등30)은 강판 위의 고분자 코팅 층의 열전도

도를 향상시키기 위해 초미세-크기 다이몬드(μD)입자를

열전도 물질로 사용하였다 다양한 음이온 및 비-이온

계면활성제들을 사용하여 수용액 중에서 무거운 μD입자

의 안정화를 시험들을 한 결과 1-피렌카르복시산(PCA)

이 가장 양호하였다 그림 3-2는 이 시험 결과를 요약한

것이다

- 강판 위에 PCA로 안정화 된 μD 입자를 함유한 폴리

우레탄-기초 코팅 층은 열전도도가 0351W(mK)에서

0434 W(mK)(10 wtμD)로 향상되었으며 더욱 144

시간 동안 염수 분무 시험결과 부식거동은 관찰되지

않았다

그림 3-2 피렌카르복시산을 이용한 μD 표면처리

ㅇ 자동차공업에서는 기본적인 특성으로 내마모성이 요구되

49

는 강철 기계부품들의 마찰특성을 향상시키기 위해 다양

한 금속 및 고분자 코팅들이 광범하게 이용된다 내-마

모 코팅은 두 가지 주요 특성인 높은 표면경도와 자기-

윤활 특성이 필요하다 후자의 범주에 속하는 것이

PTFE와 MoS2 기초 코팅이다 무전해 니켈 코팅은 높은

경도로 인해 양호한 마찰 특성을 보이며 한편 열처리를

통해 경도를 향상시킬 수 있다 PTFE입자의 첨가는 코

팅경도를 감소시키나 자기-윤활특성을 부여한다 S

Rossi 등3132)은 마찰특성을 향상시키기 위해 이용되는 탄

소강에 이용되는 몇 가지 공업적인 코팅에 관한 부식거

동에 관해 평가 PTFE입자를 함유한 무전해 니켈-인

(Electroless Nickel-Phophorus)코팅은 PTFE 입자(자기-

윤활 특성)를 갖는 외층과 장벽-효과를 갖는 내층으로

인한 이중 특성으로 가장 양호한 특성을 보였다고 보고

하고 있다

ㅇ 모든 기계적 시스템은 동적 요소를 필요로 하며 마찰과

마모를 줄이기 위한 다양한 수단들이 가능하나 그 선택

은 환경이나 조작 조건에 제한을 받는다 PTFE는 자기

윤활 낮은 마찰계수 높은 열안정성과 화학약품 안정성

으로 산업분야에 널리 사용되는 엔지니어링 고분자이지

만 내마모성이 매우 부족하다 이러한 이유로 금속

-PTFE충전 복합체들이 PTFE의 마찰특성과 금속충전제

50

의 내마모성을 결합하여 특정 분야의 용도로 소개되어

왔으나 금속-고분자 물질에서의 충전제의 역할은 완전히

설명되지 않고 있다 복합체 표면의 과잉의 충전제 농도

는 미끄러지는 동안 부하를 지지하여 내마모성을 증가시

키는 것으로 생각되며 PTFE의 마모율은 Mo Zn Ni

Y2O3 및 SiO2 같은 무기 충전제에 의해 1000배가량 감소

되었다는 보고도 있다 유리섬유 구리 세라믹 탄소섬유

절단 탄소섬유 나노입자를 포함한 경질의 충전제 입자들

이 PTFE의 내마모성을 높이기 사용되어 왔다

ㅇ 비교적 두꺼운 코팅에는 열분사(thermal spray) 용사기

술이 정립되어 있고 용사 코팅은 내마모 내마찰 내프레

팅(fretting) 및 내부식을 요하는 산업에 많이 이용되고

있다

- 용사 몰리브덴(Mo)코팅은 실질적 내마모성 코팅으로

가장 광범하게 이용되며 프레임용사(flame spray)거나

와이어용사(wire spray)기술로 생산된 몰리브덴(Mo)

코팅은 흠이나 마모에 대한 고도의 저항을 얻기 위한

가장 좋은 코팅재료 중의 하나이다

- 알루미늄 청동(aluminium bronze)은 높은 내-부식성

과 내마모성을 갖는 것이 특징이다 저압 플라즈마 용

51

사 기술은 자기-아닐링(self-anealing)과 부서지기 쉽

도록 유도하는 γ-상의 형성을 피할 수 있도록 높은

냉각 속도를 얻는 데 사용되며 알루미늄 청동 저압

플라즈마 용사 코팅은 낮은 마찰과 마모를 보였고 비

교적 최근 플라즈마 용사 기술을 이용하여 알루미늄

기질에 고분자-세라믹 복합체를 코팅하는 기술이 개

발되었다33)복합체 코팅으로 행한 마찰 시험에서 낮

은 마찰계수를 얻을 수 있었다

- 낮은 마찰계수와 고 내마모성을 갖는 이성분 금속

-PTFE 코팅이 개발되었고 이들의 마찰 공학적 성능

이 보고되었다 PTFE-기초 복합체 설계에서 일반적

인 접근방법은 경질의 충전 입자들을 도입하는 것으

로 M Yamane 등34)은 PTFE-금속 이성분 코팅의 마

찰 마모성능에 관한 연구 결과 알루미늄 청동 코팅이

Mo코팅에 비해 PTFE 저장소(reservoir)에 유용했음

을 보고하였다

⑹ 충전 또는 강화 플루오르화 탄소1)

ㅇ 분말이나 강화섬유 등 전형적인 충전재들이 충전 또는

강화 플루오르화 탄소에 사용된다 충전재는 저온흐름

52

을 향상시키는 데 사용되며 수축과 균열을 줄이고 열

팽창을 낮추며 열전도율을 향상시킨다

ㅇ 분말이나 단섬유로 된 전형적인 충전제를 표 3-5에 종합

하였다 유리섬유는 가장 보편적인 PTFE 충전제로 화

학 및 전기적 특성에 최소로 영향을 미치며 기계적 특

성을 크게 향상시킨다 분말에 비해 섬유는 압축강도

강성도 및 지지용량을 더욱 향상시키나 분말은 충전

테플론의 내구성에 거의 영향을 미치지 않는다 금속분

말은 특히 열전도도를 향상시키며 고속에서 발생하는 마

찰열을 소멸하는데 도움이 되며 전기저항을 상당히 감소

시켜 금속-충전 조성물은 양호한 절연체는 아니다

ㅇ 흑연(graphite) MoS2는 초기 내구성과 마찰을 개선하고

기계적 특성을 향상시킨다 석면은 많은 유용한 특성을

갖지만 가공 처리 중 가스가 방출할 뿐 아니라 사용금지

물질이다 표 3-5 외에도 금속 망 장섬유 다공성 금속

등 다양한 충전제들이 있으며 다양한 종류의 제품들이

상업 생산되고 있어 최종 선정을 하기 전에 플라스틱 가

공업자로부터 보다 완전한 정보와 추천을 받는 것이 바

람직하다

53

표 3-5 불소수지용 충전제

ㅇ 압축강력 인장과 압축 시의 탄성률 및 항복강력은 첨가

제의 첨가에 의해 모두 증가하나 일반으로 인장강력과

신도 및 충격강도는 손실된다 통상 충전 테플론은 압축

상태에서 사용되므로 인장강력의 감소는 중요하지 않다

인장강력의 손실은 설치(연속적인 링-실링)할 때 인장되

는 재료에서 중요하다 열팽창 계수는 비-충전 테플론에

비해 감소되어 통상 금속 부품의 팽창계수와 잘 맞는다

ㅇ 마찰과 마모를 수반하는 분야에서 가장 중요한 것은 충

전제로 얻어지는 PV한계치의 증가와 마모의 감소다 비-

54

충전 테플론에 비해 PV한계치 크기는 개략적으로 1차원

적으로 증가하나 마모인자는 3차원적으로 감소한다 충전

테플론의 평균치들은 동적 마찰계수는 01-02 PV한계치

는 10000-20000 psi-fpm 마모상수는 10times10-10in3-min

lb-ft-hr이다 그림 3-3은 충전 테플론 PTFE의 마찰계

수에 미치는 충전제 종류와 농도의 효과에 관한 것이다

그림 3-3 테플론 PTFE에 미치는 충전제 종류와 농도1)

ㅇ 내마모성을 향상시키는 충전제는 실제로 연마저항성을

감소시키는 것으로 날카로운 입자는 보다 쉽게 침투하고

충전제 입자와 수지 사이의 경계를 따라 충전 플라스틱

을 찢는다 따라서 라이닝 슈트 같은 분야의 적용 시는

55

비-충전테플론이 보다 바람직하다

⑺ 시트 테이프 및 박층(laminates)

ㅇ 대부분의 플루오르화탄소는 충전 여부에 관계없이 두

께 1mil(0001 in)까지 시트나 테이프로 만들 수 있고

시트나 테이프를 찍어서 원하는 형상의 립-씰(lip seal)

펌프 컵(pump cup) 피스톤 링(piston rings) 가스켓

(gaskets) 등을 만들 수 있다

ㅇ 유체의 누설을 정지시키는 밀봉기능 부품 중 각종기기의

접합부나 배관 플랜지 등의 밀봉에 사용되는 가스켓

(gaskets)은 석면이 널리 사용되어 왔으나 유해물질 배

출 및 이동량 보고제도(PRTR Pollutant Release and

Transfer Register)에서 발암성을 가진 제1종 지정 화학

물질로 지정되어 사용이 금지되어 PTFE가 가스켓으로

개발되었다 PTFE는 용융 알칼리 금속 및 그 용액과 불

소 및 3불화염소에 의해 약간 침식되나 모든 화학약품에

안정하고 우수한 내부식 재료로 C-F결합력이 크고 F원

자가 C-C결합의 주위를 간격 없이 들러 싸고 있기 때문

에 다른 물질의 공격을 방어하고 있고 내열성은 260로

높다35)

56

- PTFE 필러를 사용한 PTFE 나선 권형 가스켓은 석

면에 대한 사용규제와 상관없이 사용되어 왔으며 유

연한 필러를 사용하므로 석면 가스켓 보다 낮은 체결

압력에서도 실 특성이 우수하고 내식 면에서도 광범

하고 다양한 유체에 사용이 가능하다 다만 단열성 면

에서는 석면 나선 권형 가스켓 보다 사용온도 범위가

제한된다

ㅇ 산업 기계나 자동차의 브레이크 제동장치에 부착하여 마

찰력을 부가하는 브레이크 라이닝에서는 마찰계수와 내

마모력 및 충격계수 등 마찰특성이 우수한 석면을 주로

사용하여 왔으나 제동 시 발생하는 미세 석면분진으로

인해 대기오염에 의한 환경을 파괴 뿐 아니라 인체에 흡

입될 경우 암을 유발하여 PRTR로 사용이 금지되었다

석면을 대체할 유기질 또는 무기질 된 다양한 비석면 마

찰 섬유 등이 사용되고 있으며 마찰 섬유에 테프론을 코

팅하여 브레이크라이닝의 수명향상 제동 시 발생하는 소

음 떨림 및 제동력 향상을 위한 제품개발이 시도되고

있다

- 예로 국내 특허36)에서는 브레이크 라이닝(또는 패드)

의 마찰재 배합재료 중 유기섬유(Kevlar섬유 pulp섬

57

유 등)에 테프론을 코팅하고 코팅된 유기섬유에 결합

재 충전재 윤활재 마찰안정재 마찰조정재 등을 소정

의 배합비로 배합하여 성형하고 열처리하여 브레이크

패드 또는 라이닝을 제조한다

ㅇ 초소형 정밀기계(MEMS Micro-Electromechanical

System)분야에서는 점착방지를 위해 불화 유기박막을

사용한다 Park 등37)은 단층 두께의 불화 유기박막의

특성을 접촉각 측정을 통해 분석하였다

⑻ DLC 코팅3839)

ㅇ DLC(diamond-like carbon)는 몇 가지 다이아몬드의 전

형적인 특성을 나타내는 비정질 탄소물질로 극도의 내마

모 특성을 필요로 하는 재료의 코팅에 이용되고 있다

DLC코팅은 연마 마모를 감소시키기 위한 재료에 유용하

여 엔드밀 드릴비트 금형 같은 공구는 물론 자동차 기

계부품 및 전자산업 등 산업전반에 걸쳐 적용된다40)

ㅇ 환경오염 문제로 인해 PRTR(Pollutant Release and

Transfer Register 유해물질 배출 및 이동량 보고 제

도) 이 시행되어 습동 부품이나 절삭 시에 사용되는 오

일이나 그리스에 포함되는 첨가제(MoS2 Zn 등)와 이들

58

부품을 세정할 때 사용되는 용매 기계부품의 수명을 연

장시키기 위해 활용되었던 Cr도금 폐액에서 발생하는 6

가 크롬 등의 오염물질들에 대한 규제가 더욱 강화되어

DLC에 의한 무윤활 습동과 무윤활 절삭을 지향한 공구

와 기계 부품의 개발이 관심을 끌고 있다4142)

- 일본 내에서는 PRTR이 시행되고 이것에 저촉되는 재

료에 관해서는 MSDS(Material Safety Data Sheet)를

첨부해야할 의무가 있고 부품가공 습동 용도에서는

대상 리스트에 올라 있는 오일 오일 중의 중금속 도

금폐액을 어떻게 경제성 있는 환경 친화적 공정과 재

료로 전환할 것인가를 고려하면서 무윤활 습동 무윤

활 절삭 탈크롬 도금의 3가지 키워드가 대두되고

DLC코팅이 대안으로 모색되고 있다

- DLC코팅 적용기술과 과제에 관한 자료로는 자동차

관련부품 적용사례 엔진부위 마찰 작동 밸브계의 마

찰저감 DLC와 윤활제에 의한 마찰저감 기술을 중심

으로 살펴본 보고가 있다43)

ㅇ DLC는 7가지 형태가 존재하며 모두 상당한 양의 sp3혼

성궤도 탄소원자를 함유한다 다양한 형태의 DLC가 진

공 환경으로 적합한 재료들에 적용가능하며 유럽에서의

59

2006년 위탁 DLC코팅 시장은 3천만euro로 추정되었고 국

내도 활발한 상용화가 시도되고 있다

ㅇ 사반면상(tetahedral) 비정질 탄소 ta-C를 2두께로 코

팅하면 연마마모에 대한 스테인레스 강(304 type)의 내구

성을 증가시켜 수명을 1주일에서 85년으로 늘이며 이러

한 DLC의 형태는 sp3결합 탄소 원자로만 이루어지기 때

문에 순수한 DLC로 간주되며 수소 sp2흑연 탄소 금속

같은 충전제가 생산경비를 낮추거나 원하는 특성을 부여

하기 위하여 사용되고 있다

ㅇ DLC를 만드는 방법에는 sp3탄소 보다 낮은 밀도의 sp

2

에 의존하는 몇 가지 방법들이 있으며 압력 충격 촉매

또는 이들의 조합으로 sp2결합탄소 원자들을 sp3결합탄소

로 근접시킨다 최근 초고압 하에서 탄소의 경량 특성을

갖는 초경도 무정형 다이아몬드가 만들어졌다 탄소로 만

들어지는 다이아몬드 그래파이트는 결정구조를 가지나

DLC는 비정질이라는 점에서 크게 다르고 200 정도의

저온에서 형성시킬 수 있다는 점이 통상의 PVD막에 비

해 훨씬 우위에 있다

ㅇ DLC코팅은 제조공정이 복잡하고 생산 단가가 비싸 적용

이 어려우며 적용되는 소재가 제한되는 단점을 갖는다

60

주요제법으로는 고주파 플라즈마 법 이온화 증착법 스

페터링법 등을 들수 있다 고주파 플라즈마 법은 메탄가

스가 원료로 사용되고 막 중의 수소가 약 30(원자)로

평활성이 우수하고 마찰계수가 작으나 경도가 낮다 이

온화 증착법은 벤젠을 사용하며 막은 단단하나 면의 조

도가 거칠고 후막화 하기 위해 스패터링 방법이 검토되

고 있다

⑼ 불소수지의 안전성

ㅇ 테플론 PTFE의 열분해는 200(392)에서 감지되며 이

것은 몇 가지 플루오르화 탄소 기체들과 승화물질을 방

출한다4445)1955년 동물실험에 관한 한 연구에서는 이들

물질이 250(482) 이하에서는 의미 있는 양이 아니라

고 결론지었으나 최근 비-점착 주방기구인 프라이팬이

나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가열할 때 조류를

죽일 수 있는 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수

도 있다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있다45)

ㅇ 표 3-6은 EWG가 보고한 3-5분 내에 370까지 불소수

지를 가열할 때 발생되는 15종의 불소화합물에 관한 것

이다 테플론과 같은 코팅물질들이 장기적으로 인체에 미

61

치는 영향에 관한 연구는 이루어지지 않고 있으나 독감

과 유사한 질병을 유발할 수 있으며 이를 중합체 증기열

(polymer fume fever)이라 한다

표 3-6 15종의 유해물질 및 유독성 기체44)

ㅇ 최근 표 3-6의 화합물들 중 특히 TFA와 과불화된

(perfluorinated) PFOA(perfluorooctanoic acid)에 관심이

증가되고 있다 PFOA는 새로운 환경오염물질로 미국 환

경보호청(EPA)에 의하면 보통 때는 문제가 없으나 조리

과정에서 프라이팬에 열을 가하고 강하게 긁을 경우 용

62

출되어 나오며 이것이 음식물과 함께 인체에 흡수되는

것으로 추정하였다 한편 DuPont의 테플론 PTFE 연구

결과에 의하면 검출한계인 9ppb 이상 검출되지 않으며

테플론 주방기구에서는 PFOA가 존재하지 않는다고 발

표하고 있다

- 물이나 공기를 통해 환경에 노출된 PFOA는 고 콜레

스테롤 궤양성 대장염 갑상선 질환 고환암 신장암

및 임신성 고혈압과 관련된다고 보고되었다

- PFOA는 불소수지 생산과정에서 사용되는 첨가물로써

암모늄 형태로 PTFE 유화중합에 계면활성제로 사용

되며 불소수지의 품질과 균일성을 유지하기 위해 필

수적인 첨가물이기 때문에 전 세계 모든 불소수지 제

조업체가 사용 중에 있다 한편 국내 주력 산업인 반

도체 생산 과정에서도 PFOA를 대량으로 사용하고 있

어 체계적인 실태조사와 대책수립이 필요하다는 의견

들이 대두되고 있다

⑽ 불소화합물의 안전성과 환경대책

ㅇ 표 3-6에서 살펴본 바와 같이 테플론을 급격히 고온으로

가열하면 2종의 발암물질을 포함한 유독성 가스가 발생

63

하고 특히 불소화합물 중 MFA(monofluoroacetic acid)는

적은 양으로도 치명적 해를 끼치고 PEIF(perfluoro-

isobutene)는 신경가스제로 여러 가지 질환을 발생시킨다

한다44)

따라서 테플론으로 코팅된 장치를 재 코팅하기

위해 테프론을 고온으로 급격히 가열하거나 소각 등을

통해 제거할 때는 발생 가능성이 있는 유독가스를 제거

하기 위한 별도의 설비를 이용하여야 하고 유 등44)의 보

고서에서와 같이 중조(NaHCO3)를 포화시킨 충분한 물로

유독 산성 물질을 중화시키는 것도 고려할 만하다 한편

부식대전 방지 코팅도 테플론 코팅 일변도에서 세라믹

코팅 CNTs이나 DLC 코팅기술로 대응하는 것을 추천하

고 싶으며 이것은 유해물질 배출 및 이동량 보고제도

(PRTR Pollutant Release and Transfer Register)에 대

비하는 등 기업의 장래를 고려하는 것도 될 것이다

ㅇ PTFE를 사용한 취사도구는 1960년대 이래 사용되어 오

고 있으나 최근 들어 이것의 안전성이 논쟁의 주제가 되

고 있으며 논의 주체는 PFOA(perfluorooctanoic acid)이

다 PFOA는 PTFE를 비롯한 많은 불소수지의 생산에

사용되며 DuPont의 테플론 PTFE 연구 결과에 의하면

프라이팬을 260 이상 고온에서 가열하거나 코팅이 벗

겨져도 PFOA가 존재하지 않는다고 한다 그러나 물이나

64

공기 토양 식품포장재 등 여러 곳에서 PFOA 오염사실

이 보고되고 있다 한다44)

- 미국 EPA는 인체와 환경에 대한 PFOA 연구를 계속

하고 있으며 2015년까지 PFOA 및 이와 관련된 화합

물 방출을 배제할 프로그램을 갖고 있으나 PTFE-기

초 비점착 취사기구를 중지시킬 타당성을 갖고 있지

는 않다 최종제품은 PFOA가 아닌 PTFE이기 때문이

다

- 수십 년 동안 불소수지 비점착 코팅이 시장을 지배하

였으나 최근 몇 가지 신기술들이 출현되고 있으며 이

들 대부분은 실리콘 세라믹과 실리콘 기술로 이들 코

팅은 PTFE와 PFOA를 함유하지 않는다

- 오늘날 출시된 비점착 취사용구는 수많은 상표로 팔

리고 있으며 DuPont에 의하면 대부분의 취사용구 코

팅은 정상적으로 사용할 때 3-5년 견딜 수 있을 것으

로 예측한다 너무 문질러서는 안 되고 따뜻한 비눗

물로 씻어주는 것이 좋으며 닳거나 흠이 생기지 않도

록 나무 플라스틱이나 코팅된 재료로 만든 도구를 선

택하고 보관도 흠이 생기지 않을 장소나 캐비닛을 권

장하고 있다

65

ㅇ 국내의 불소수지 안전성에 관한 것으로는 재질규격(납과

카드뮴)과 용출규격(납 과망간산칼륨소비량 증발잔류물)

이 식품용 기구 및 용기 포장 공전46)에 기재되어 있으며

최근 국내에서도 PFOA를 비롯한 유해 불소화합물에 관

한 관심이 커져 가고 있다

ㅇ PFOA 문제가 표면화 되면서 환경 보전형 불소계 발수

유제의 개발과 공업화도 새로이 부각되고 있다 이에 관

한 보고서를 모니터링한 KISTI자료47)를 중심으로 간단히

요약하면 발수제의 주요성분 퍼플루오로알킬기(Rf기)함

유 폴리머의 기능은 Rf기의 고리길이에 크게 의존하므로

PFOA문제 해법으로 탄소수 8 이상인 종래의 불소화학

에서 탈피 짧은 고리 Rf기(탄소수 6)를 가진 새로운 단

량체를 선택하여 발수제를 제조함으로써 환경 보전형 불

소계 발수유제를 개발하고 공업화하였다 한다

66

제 4 장

지원결과

1 지원결과 종합

테프론 코팅 기술의 문제점과 부식대전방지용 테플

론 코팅에 관한 정보 외에 신청기업의 요청에 따

라 C-나노튜브 코팅 및 DLC증착에 관련된 기술 정

보도 제공하였다

테플론은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat resistant)

비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coefficient of

friction) 내약품성(chemical resistance)과 특이한 전기적

특성(unique electrical properties) 및 온내구력(cryogenic

stability)으로 그 응용범위가 광범하며 용도에 따른 엄격

한 품질관리가 요구될 것으로 생각되어 중소기업에 적합

한 기초능력 배양과 신제품을 구상하기 위한 최신기술에

관한 정보를 제공하고자 하였다

67

불소수지의 코팅은 두께와 첨가제가 관건으로 이에 관한

자료를 제공하고자 하였으며 불소수지의 전기특성 폭발

성 환경과 반도체 제조공정에서의 대전 방지 처리를 위

한 정전기 관리 지표 등을 특허를 중심으로 조사하여 제

공하고자 하였다

C-나노튜브를 이용한 대전방지 코팅 기술 및 C-나노튜

브의 제법 등 이것에 관한 기초정보를 제공하고자 하였

으며 내마모성 테플론 코팅에 관해서는 테플론을 이용한

세라믹 코팅 기술에 관한 정보도 제공하고자 하였다

테플론의 기계적 전기적 특성을 강화하기 위해 사용되는

충전제를 종합하고 기초이론을 정립함으로써 금후 원부

자재의 선정에 도움을 주었다

테플론은 석면 대체재로도 주목받고 있어 이에 관한 특

허 정보들을 제공하였으며 다이아몬드의 전형적인 특성

을 나타내는 DLC의 코팅관련 기술 정보를 환경오염 문

제와 연관하여 자료를 제공하였고 최근 비-점착 주방기

구인 프라이팬이나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가

열할 때 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수도 있

다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있어 이에

관한 정보도 제공하였다

68

2 지원의 한계

중소기업이 당면한 문제는 전문기술의 확보다 관련 기술

이 비약적으로 발전하는 추세에 비추어 한정된 인원으로

신기술을 소화하고 개발하기는 어려울 것이므로 출연연

구기관이나 대학과 공동연구를 모색할 수 있으나 이것도

중소기업으로서는 경제적 부담이 될 수밖에 없을 것으로

생각된다 가능하다면 앞으로도 KISTI의 정보지원이 계

속되기를 바라고 있었다

3 기대효과

부식대전 방지 테플론 코팅에 관한 기본 기술이 배양되

어 합리적인 원부 원료의 수입검사 공정관리 및 제품관

리를 통해 원가절감은 물론 신제품 신기술에 관한 정보

수집 및 분석능력이 배양되고 개발력이 확충되어 기업

경쟁력 향상에 도움이 될 것이다

69

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저자소개

김학주(金鶴柱) 서울대학교 문리과대학 화학과 졸업 이학사

전북대학교 대학원 화학과 이학박사

(주)삼양사 의약연구소장 신성대학교 교수

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 폴리에스테르 섬유의 연중직방기술 외 다수

저서 기기분석 공업물리화학 일반화학

성용길(成墉吉)

동국대학교 이과대학 화학과 졸업 이학사 이학석사

부산대학교 대학원 화학과 이학박사(Dr Sci)

University of Utah USA Ph D(공학박사) Post Dr

유타대학교 연구교수 부산대학교 교수 동국대학교 교수

동국대학교 명예교수 한국원자력문화진흥원 이사

과학문화연구원전문연구위원 한국도량형과학문화연구원 원장

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 의료용 기능성 고분자재료에 관한 연구 외 330편

저서 고분자 물성론 (서울대학교 출판부 공저) 외 10권

29

그림 3-1 테플론 거품코팅8)

일반으로 테프론을 조리용기에 코팅하는 방법은 금속소

재를 사용 제품형태로 제작한 후 세척하고 에이징(소둔)

처리한 후 샌딩하여 표면조도를 유지하도록 하고 표면에

프리머 처리하여 베이킹 처리한 후 분사방법으로 테프론

코팅을 하고 다시 베이킹 처리하므로 공정이 복잡하고

제조원가가 상승하며 부착력에 한계가 있다한다 (주) 엘

지아이 특허10)에서는 피처리물을 세척한 후 산질화처리

하여 표면에 열처리 층이 형성되게 한 후 테프론을 코팅

하고 베이킹 처리하는 것을 특징으로 한다 그 외에 내열

세라믹 주방용기의 불소수지 코팅방법에 관한 특허가 있

다11)

(주) 봉성비에스는 차량의 주행 충격을 흡수하는 완충기

30

내부에 삽입하는 피스톤 외주면의 마찰과 소음을 최소화

하기 위한 목적으로 테프론 코팅을 하기 위한 코팅장치

를 등록하였다12)

⑶ 대전 방지 플루오르화탄소 수지 코팅

ㅇ 본래 불소수지 자체는 높은 절연성과 큰 대전성을 갖고

있기 때문에 도전 효과를 얻기 위해서는 분상 필러를 다

량으로 충전할 필요가 있으나 이렇게 하면 비점착성이

떨어진다 여러 회사들의 제품 안내서들을 종합한 불소수

지의 전기적 특성은 표 3-4와 같다

표 3-4 불소수지의 전기 특성

특성측정법

(ASTM)단위

PTFE

(비충전)

PTFE

(25

유리충전)

PTFE

(25

탄소충전)

표면 내아크성 D495 sec 75-110

체적저항

(비저항)D257

ohm-

cmgt1018 gt1016 104

표면저항 D257ohm

sq-1 gt10

14

유전율(유전상

수) at 1MHzD150-81 e 25 24

절연내력 short

time 18thickD149

kv

mm285

유전정접(유전

정합) at 1MHzD150-81 lt00002 005

31

ㅇ 불소수지는 내열성 내한성이 높고 내약품성 내연소성

난연성이 우수하고 절연성 및 비점착성과 저 마찰계수를

갖고 있으나 절연성이 높아 정전재해의 원인이 될 수 있

어 재해 방지를 위해 대전 방지 또는 저저항을 특징으로

하는 불소수지 가공품이 개발되어 사용범위가 넓어지고

있다

불소수지에 충전하여 저저항으로 하는 필러에는 일반적

으로 도전성이 높은 카본 금속 또는 산화알루미늄 등의

금속산화물이 사용된다 재료의 형상으로는 미분 탄소

스테인레스 스틸 니켈 금속분과 같은 입상물 단섬유 탄

소섬유 위스커(whisker) 등이 사용된다

- 미분은 비표면적이 크기 때문에 소량의 충전으로 저

항치를 내릴 수 있으나 약품의 침투가 있는 경우 비

표면적이 크기 때문에 약품의 영향을 받기 쉬워 내부

식성 떨어질 가능성이 크다

- 입자상물질들은 미분에 비해 비표면적이 작기 때문에

약품의 영향을 비교적 적게 받지만 저항치를 내리기

위해 충전량이 많게 되어 불소수지의 특징인 비점착

성과 저마찰계수 특성을 저해한다 섬유 위스커 형상

은 단방향에 대한 장방향의 비가 클수록 적은 충전량

32

으로 저항치를 낮출 수 있지만 분산이 나쁘면 요철이

발생한다 부식 방지 코팅에서는 충전제의 내약품성이

관건이다 즉 부식 환경에서 불소수지 자체는 충분히

견디어도 충전제가 내약품성이 없으면 충전제가 서서

히 에칭되어 기기가 부식될 가능성이 크다

화학 석유 및 정제 산업에서는 시험 검사 세척 및 다양

한 공정의 용기 저장 탱크 반응기와 같은 많은 구성요

소들이 사용되며 플루오르화 고분자는 고온에서 높은 열

안정성을 갖고 다양한 유기용매에 전혀 용해되지 않으므

로 부식방지 등을 위해 플루오르화 고분자와 같은 내화

학성 고분자로 코팅된다 그러나 이들 고분자는 코팅된

구성요소의 표면에 정전하 축적을 조장하기 때문에 폭발

성 환경에서는 사용할 수 없다

특히 이들 구성요소들의 금속 구조물은 용기나 탱크에

보관된 가스 증기 분진의 이동에 의해 생성된 정전하

(electrostatic charge)를 흐르게 하는 전도경로가 되나 금

속표면을 강산 강알칼리나 유기용제에 의해 침투되는 방

지하기 위한 목적으로 부식방지 테플론으로 코팅될 경우

얇은 필름의 비-전도체로 작용하므로 폭발성 환경에서

사용을 규제하고 있다

33

- 예로 유럽 표준 EN 50014 section 732에서는 정전

하로 인한 발화 위험을 피하기 위해 사용 보수 및 세

척 조건 하에 설계된 울(enclosure)이 필요하고 울의

절연저항은 1GΩ을 초과할 수 없도록 규제하고 있고

일본은 후생노동성 관할 산업안전연구소의 정전기 안

전지침의 누설 저항치는 108Ω 이하로 되어 있다

- 따라서 부식 및 폭발성 환경에서 안전하고 다양한 구

성 요소에 적용할 수 있는 정전방지 비-발화 테플론

코팅기술을 요하며 정전방지 코팅은 표면저항을 낮추

기 위해 카본블랙이나 개질 전도성 탄소 금속이나 전

도성 고분자를 테플론에 충전하여 코팅한다

폭발성 환경용 내화학약품 특성과 대전방지 비발화

코팅 조성물로는 높은 비저항을 갖는 플루오르 고분자

50-90wt 10-50wt의 전도성물질인 탄소분(carbon

powder)으로 이루어진 Solex Robotics Systems Inc

특허가 있다13)

- 폭발환경에서 사용되는 이상적인 코팅은 정전하를 피

하기 위해 낮은 비저항을 가져야 한다 완벽한 전도체

는 비저항이 영(0)이고 완벽한 절연체는 무한 비저항

34

을 갖는다 금속(구리 금 같은) 합금(망가닌 Mn-Ni-

Cu 니크롬 Ni-Cr-Fe) 반도체(카본이나 게르마늄)는

낮은 비저항을 갖고 있어 좋은 도체이다

- 수많은 고분자 기초 코팅들이 부식화학 환경에 사용

되었으나 85GΩ 이상의 비저항으로 대전방지 시험에

서 실패하였다 정전기 도체로 인증기준 아래 적합하

기 위해서는 100cm2이상의 노출 표면이 1GΩ 이하의

비저항이어야 한다 코팅에 첨가된 탄소분은 전도도를

증가시키며 10-50의 함량은 1GΩ 이하의 비저항을

만족시킨다

비전도성 표면의 표면저항을 감소시키도록 카본이나 금

속을 사용하여 대전방지를 부여하는 공정의 단점으로는

카본이나 금속의 접착력이 낮아 입자의 마모가 일어나

장기간 사용 시 대전방지 수준이 감소하는 것이다 더욱

클린룸에서 입자의 방출은 심각한 문제가 된다 대부분의

비전도성 기질은 통상 23 상대습도 50에서 표면 비

저항이 109ohmsquare 이상으로 높고 PTFE 경우는 10

12

ohmsquare이상이다14)

반도체 제조 장치에서는 웨이퍼 기판을 안착하기 위해

작업 스테이지를 사용하며 작업스테이지는 통상 금속과

35

세라믹으로 제작되나 웨이퍼기판을 작업스테이지에 올려

놓을 때 작업스테이지와 웨이퍼기판 사이에 마찰 정전기

가 발생한다 FPD(flat panel diplay 평판표시)용 디스펜

서(dispenser)에 사용되는 작업스테이지는 진공방식으로

디스플레이 기판을 흡착 고정하며 흡착 고정되었던 디스

플레이 기판이 작업스테이지에서 박리될 때 작업스테이

지에 정전기가 발생하여 디스플레이 기판에 대전된다 최

근 디스플레이 기판이 대형화됨에 따라 대전량이 증가되

고 정전기 대전문제가 더욱 심각해지고 있다 웨이퍼기판

이나 디스플레이기판에는 반도체소자 등 다수의 전자부

품들이 배치되어 있기 때문에 정전기가 발생되면 전자부

품의 신뢰성에 치명적 손상을 주고 기판에 분진이 부착

되거나 정전기의 대전으로 기판 리프트 업(lift up)시 기

판이 깨어지는 문제가 발생한다 정전기 대전을 방지하기

위해서는 작업스테이지에 이오나이저를 설치하여 중화하

기도하나 리프트 업이 불가능하거나 이온풍이 도달하기

전 방전하는 등 작업 스테이지와 기판 사이에서 발생한

정전기가 순간적으로 일으키는 박리대전 문제를 해결하

기 어려워 작업 스테이지의 정전기 방지를 위해 불소수

지로 코팅한다

- 불소수지는 다른 물질과의 흡착에너지가 작고 비점착

성이 우수하며 마찰계수가 작아 유리기판과의 상관관

36

계가 작아져 박리에 의한 정전기의 발생량이 적어지

나 불소수지는 절연성을 가지므로 테프론 코팅에서는

카본 블랙이나 전도성 고분자 등을 필러로 사용한다

대전방지가 필요한 반도체 제조장비 디스플레이 장치 및

테스트 장치 등의 작업 스테이지를 테프론 코팅함으로써

작업 스테이지의 정전기 발생을 방지하는 방법의 단점의

하나는 제작비용이 상대적으로 많이 드는 것으로 디스펜

서의 경우 디스플레이 기판이 대형화됨에 따라 작업 스

테이지의 크기가 커져 제작비용이 증가한다 또한 불소수

지의 경도가 낮아 코팅 막에 스크래치가 발생하고 이 부

분은 평탄도 유지가 어려우며 입자들이 발생하는 요인으

로 작용하며 불소수지가 절연성이므로 카본블랙이나 전

도성 고분자 등의 도전성 필러를 충전하여 대전방지에

적합한 면-저항을 갖도록 할 경우 카본블랙은 구형으로

분진이 발생하는 문제점이 있고 전도성 고분자를 사용할

경우는 내용제성이 약하고 과량의 바인더를 사용하여야

하며 박막 형성이 어렵고 불소수지의 경도를 보완하기

위해 아노다이징 처리를 하는 경우는 이후 별도의 코팅

과정을 거쳐야 하므로 제작비용과 제작시간이 증가하는

등 여러 가지 단점들이 있다 이러한 문제점들을 해결하

기 위한 방법으로는 작업 스테이지와 기판이 만나는 면

에 정전기 발생을 최소화시킴과 동시에 그 제조비용이

37

절감되고 적절한 면-저항을 조절할 수 있으며 마찰계수

가 낮고 내마모성이 향상된 작업스테이지 표면의 대전방

지 처리 방법에 관한 국내의 탑나노시스 사의 특허15)가

있다

- 탑나노시스 사의 특허 목적은 작업스테이지의 기판과

만나는 면에 정전기의 발생을 최소화시킴과 동시에

그 제조비용이 저감되고 적절히 면-저항을 조절할 수

있으며 마찰계수가 낮고 내마모성이 향상된 스테이지

표면의 대전방지 처리 방법에 관한 것으로 이 특허에

서는 금속소재의 작업 스테이지 표면을 아노다이징

처리하여 복수의 산화표면 홀들을 형성시키고 여기에

탄소나노튜브를 삽입하고 경화하며 탄소나노튜브 경

화 후에 표면을 봉공 처리한다

- 작업스테이지 표면은 106-10

9Ωsq의 면-저항을 갖는

것이 바람직하며 산화표면 홀들은 직경 30-900nm 깊

이 100-900nm가 바람직하다 아노다이징 처리를 하는

금속소재는 Al Mg Zn Ti Ta(탄탈륨) Hf(하프늄)

Nb(니오븀) 등일 수 있고 이 발명에서는 가벼우며 일

정 강도를 갖고 가공성이 우수한 Al합금을 예로 들어

설명하고 있다

38

- 알루미늄소재 작업스테이지 표면에 산화피막(Al2O3)처

리를 하는 아노다이징(anodizing 양극산화)에서 전해

액은 수산화나트륨이나 수산과 황산 등이 사용될 수

있고 수산화나트륨의 농도(20-50) 공급전압 전류

및 시간 등을 조절하여 산화표면 홀의 크기(D)와 깊

이(L)를 조절하며 D와 L에 따라 대전방지 효과나 내

구성 및 표면경도를 조절한다

- 탄소나노튜브를 산화표면 홀 내에 삽입시키는 단계는

전해 흡착 하여 이루어질 수 있고 정전도장을 통해서

도 이루어질 수 있다 탄소나노튜브는 분산제를 포함

하는 용액으로 코팅되며 분산제로는 소듐 도데실설페

이트(SDS) 트리톤X Tween20(폴리옥시에틸렌 소르

비탄모노올레이트) CTAB(cetyl trimethyl ammonium

bromide)를 예로 들고 있으며 탄소나노튜브 용액은

아크릴계 우레탄계 등 또는 전도성 고분자계 유무기

하이브리드계 바인더가 포함될 수 있다

- 봉공처리는 산화표면 홀과 산화피막을 봉공하여 내식

성 등이 향상되도록 보호 층을 형성시키는 것으로 비

등수 가압증기에 의한 수화봉공 금속염을 포함한 열

수에 의한 금속염 봉공 오일로 도포나 침적하는 유기

물 봉공 양극산화 피막 층에 도장하는 도장에 의한

39

봉공 등이 있다

반도체 소자를 제조하는 과정에는 불순물 이온을

주입하는 장비가 이용되고 있다 (주)하이닉스 반도

체의 특허에서는 이온주입 장비의 웨이퍼 지지 장

치 리프트 핀의 끝단을 라운드 처리하고 리프트 핀

에 테플론을 코팅하여 리프트 핀과 웨이퍼 후면의

접촉 시 웨이퍼 후면에 스크래치와 같은 손상이 유

발되는 것을 억제할 수 있게 한다16)

⑷ 탄소나노튜브(CNTs Carbon Nano Tubes)17)

탄소나노튜브는 탄소의 동소체로 1991년 일본 NEC 연구

소의 Ijima박사에 의해 전자 현미경을 통해 처음으로 확

인되었다 1985년에 Kroto와 Smalley가 탄소의 동소체인

풀러렌(탄소 원자 60개가 모인 것C60)을 처음으로 발

견한 이후 전기방전 시 흑연 음극 상에 형성된 탄소덩어

리를 투과전자현미경으로 분석하는 과정에서 발견하여

Nature학술지에 처음으로 발표되었다18) 탄소나노튜브에

서 탄소원자 하나는 주위의 다른 탄소원자 3개와 sp2결

합을 하여 육각형 벌집무늬를 형성하며 이 튜브의 직경

이 대략 수 나노미터(nm nanometer) 정도로 극히 작기

40

때문에 나노튜브라고 부르게 되었다 이 탄소나노튜브는

전기 세기가 클수록 더 수축하는 성질을 가지고 있는 등

튜브의 직경이 nm수준으로 극히 작아서 특유의 전기화

학적 특성을 나타낸다

Ku 등19)에 의하면 CNTs는 전기방사법(arc-discharge)

레이저증발 법(laser vaporization) 플라즈마 화학기상증

착 법(plasma enhanced chemical vapor deposition) 열

화학 기상증착 법(thermal chemical vapor deposition) 등

의 다양한 합성법이 개발되어 대량생산이 가능하다

CNTs의 종류는 벽의 수에 따라 단일 벽 탄소나노튜브

(SWNTs) 이중 벽 탄소나노튜브(DWNTs) 다중벽 탄소

나노튜브(MWNTs)가 있으며 물성에 관한 많은 연구결

과 기계적 전기적 열적으로 우수한 성능을 갖고 있음이

입증되었다

CNTs는 인장강도와 탄성률 면에서 지금까지 발견된 재

료 중 가장 강하고 질기며 다중벽 CNT는 63GPa에 이른

다 표준 단일 벽 CNT는 25GPa의 압력까지 변형 없이

지탱된다 그래핀의 대칭성과 특이한 전기적 구조 때문에

CNTs의 구조는 그것의 전기적 특성에 영향을 미쳐 금속

성이나 반도체의 특성을 나타내고 이론적으로 금속성

41

CNTs는 구리와 같은 금속의 1000배가 큰 4times109Acm

2

전류 밀도를 운반할 수 있으며 나노크기의 단면으로 전

자가 튜브의 축 방향으로만 전파되고 전자의 이동은 양

자효과를 수반하여 1차원 전도체로 간주된다

CNTs는 우수한 물성과 상대적으로 큰 표면적으로 갖고

있어 충전제(filler)로써 에폭시 폴리스틸렌 폴리우레탄

등 고분자와 혼합하여 폴리머의 기계적 전기적 특성을

향상시키려는 연구가 활발하다 CNTs가 폴리머 중에서

충전제 역할을 하기 위해서는 고른 분산이 필요하나 반

데르발스 힘에 의한 CNTs 응집현상(agglomeration)으로

인해 효과적인 분산이 어려워 오히려 폴리머의 물성을

저해하므로 이것을 개선하기 위한 다양한 기계적 화학적

분산 방법이 연구되고 있다

- CNTs를 분산시키기 위한 가장 일반적인 방법은 용매

나 폴리머에 CNTs를 투입하고 초음파처리를 하는 것

으로 초음파처리를 하면 SWNTs의 길이가 짧아지고

다발(bundle)이 얇아져 분산력이 증가한다

- CNTs 표면을 산이나 아민으로 기능화하여 분산을 높

이는 방법도 연구되고 있으며 MWNTs를 HNO3

H2O2NH4OH 용액에 침지시켜 MWNTs에폭시 복합

42

재료는 전기적 특성을 향상시키려는 연구와 산과 아

민 등의 기능기를 도입하여 SWNTs의 열전도도를 향

상시키려는 연구들이 수행되고 있다

- 기계적 분산방법인 전단혼합방법은 좁은 관이나 상대

적으로 높은 속도의 유동을 이용하여 발생한 전단력

으로 CNTs를 분산시키는 방법이다 Ku 등19)은 전단

혼합과 초음파처리를 이용하여 MWNTs로 강화된

에폭시 복합재료를 만들어 기계적 및 열적 특성을 연

구하였다

⑸ 내마모성 테프론 코팅

ㅇ 재료의 부식은 구조재에 원하지 않은 변화 원인으로 작

용하여 경제적인 문제로 귀결되는 심각한 문제이다 이들

원치 않는 변화는 때로 적절한 코팅에 의한 표면처리로

예방할 수 있다 가장 일반적이고 자주 사용되는 전착 코

팅은 아연에 기초한 아연 코팅 및 합금 코팅으로 이들

코팅은 간단한 기술로써 내부식성이 양호하여 전 표면처

리의 약 14에 해당하나 최근 낮은 마찰계수 등 다른 특

성들이 매우 중요하게 되었다 이들 특성은 다층 코팅으

로 대응할 수 있으나 두께가 증가하고 기술이 복잡하여

가능한 해결방법으로는 복합체 코팅이 있다 복합체 코팅

43

은 일반기계와 자동차 전자부품 및 컴퓨터 등 다양한 분

야에 적용된다 금속 기질에 미세한 PTFE 입자의 전착

에 의한 증착은 새로운 세대의 복합체 코팅으로써 가장

바람직한 특성은 양호한 내마모성 자기윤활 내부식성이

다 M Paderovaacute 등20)에 의하면 이들 특성은 주로 사용

한 입자(흑연 다이아몬드 MoS2 또는 PTFE)와 용액의

유형(pH 온도 bath 등) 뿐 아니라 입자의 크기 농도

분산 및 형태학에 의존한다

ㅇ 충전되지 않은 PTFE의 마모율은 736-741times10-4mm3Nm

로 내마모성이 낮아 다양한 충전제들이 첨가되고 있다

Xing-Dong Yuan 등21)은 진공 조건에서 PTFE 코팅

의 마모특성을 연구하여 초기에는 하중이 증가함에 따

라 마찰계수가 감소하나 하중이 6N 이상으로 커지면

마찰계수도 증가하며 압력이 PTFE 코팅의 마찰계수

에 미치는 영향이 거의 없고 마모는 압력이 증가하면

초기에는 감소하나 10Pa 보다 높으면 급격히 증가한

다고 보고하였다

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위해서는 윤활제로 PTFE

계 수지 접착제로는 폴리아미드이미드수지 산화철 분말

44

및 브론즈 분말 등을 혼합한 조성물을 사용하거나 미국

특허에서는 스와시플레이트 형 압축기의 플레이트 표면

에 MoS2 흑연 PTFE계 윤활제와 열경화성 수지인 폴리

아미드이미드(PAI) 조성물을 코팅하여 내마모 및 윤활성

을 부여하고 있다22) 내열성 향상을 위해서는 고체윤활

제 접착제수지 및 저융점 금속인 Sn Pb In Bi 등을 함

유하는 합금이나 화합물을 사용하여 금속의 잠열을 이용

내열성 향상을 시도하기도 한다

ㅇ 그간 철강(스테인리스강 탄소강 아연도금강판 등)의 내

부식성 향상을 위한 많은 연구들이 수행되어 왔다 4플루

오르에틸렌(C2H4) 4플루오르에탄(CF4) 6플루오르에탄

(C2F6) 3플루오르화에탄(CHF3) 8플루오르화에탄(C4F8)

같은 불소화된 단량체의 플라즈마 중합에 의한 테플론

류 코팅은 그들의 소수성으로 인해 금속의 내부식성 향

상을 위한 대안으로 주목을 받고 있다 A Delimi 등23)

은 유도결합 고주파플라즈마(inductively coupled radio

fre- quency plasma)를 사용하여 소수성 박막 불소수지

필름을 탄소강에 증착하고 3염수에서 내부식성을 평가

한 결과 1개월 동안 9nm의 필름이 유지되는 것을 관찰

하여 불소고분자 박막이 금속과 금속산화물의 보호층이

될 수 있음을 보고하였다

45

ㅇ PTFE를 이용한 세라믹코팅 기술로는 알루미늄 및 알루

미늄 합금 공작물을 양극처리에 의해서 티타늄 및또는

지르코늄 산화물을 포함하는 내식성 내열성 및 내마모

성 세라믹 코팅을 하고 이어서 양극처리된 공작물을

PTFE 또는 실리콘 함유 코팅과 같은 제 2 코팅으로 코

팅한다 이 발명은 가소성을 가지는 경질의 필름 내에서

내식성 내열성 및 내마모성을 제공하는 티타늄 및또는

지르코늄 산화물의 양극처리 층으로 기판을 예비-코팅함

으로써 알루미늄 기판에 보다 긴 수명의 코팅을 형성하

는데 특히 유용하다24)

ㅇ Nosaka 등25)은 PTFE로 대표되는 불소수지는 마모-링이

나 극저온 밸브의 실링부에 많이 사용되며 진공치환법에

의해 탄소재료에 PTFE나 MoS2 분말을 1-2wt 함침시

키면 무함침한 것에 비해 마모가 약 13로 감소한다고

보고하였다 한편 저자들은 터보펌프의 실링재료가 극저

온 환경에서 보이는 특이한 현상을 극복하기 위해 베어

링의 표면에 노출된 유리섬유를 불소산으로 처리하여 용

해 제거하고 윤활성을 높인 유리섬유강화 테프론 리테이

너를 개발하여 내구성과 윤활성을 향상시킬 수 있었다고

보고하고 있다

46

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위한 또 다른 특허로는

폴리실록산계 접착제를 단독 혹은 폴리에스테르계 접착

제와 병용하고 고체 윤활제로 MoS2(이황화몰리브덴

WS2(이황화텅스텐) h-BN(육방정 질화붕소) 팽창흑연

및 PTFE를 사용하고 충전제로 탄화규소 알루미나 산화

지르콘 산화티탄 등의 미분말을 사용하여 내마모 내열

및 윤활성을 부여하고자 하는 내마모성 및 윤활성 코팅

조성물에 관한 특허가 있다26)

ㅇ 내열성 내후성 내오염성 내약품성 내구성 등의 물성

은 유지하면서 비점착성을 높이기 위해 무기계 세라믹

코팅 조성물에 PTFE를 첨가하기도 한다 이러한 하이

브리드 코팅 조성물에 관한 특허로는 불소수지(01sim25

중량) 콜로이달 실리카나 콜로이달 알루미나 등 무

기계고분자 바인더(20sim80중량) 알콕시실란 화합물

(1sim50중량) 수용성 유기용제(1sim10중량) 충전제

또는 안료(5sim50중량) 및 물(100중량 까지 보충)로

이루어진 코팅 조성물에 관한 것으로 무기질 도료 및

무기계 세라믹 코팅에 의해 내열성 내오염성 내약품

성과 내구성을 유지하고 접착력을 높이기 위해 소량의

PTFE를 사용하는 것이 있다27)

47

ㅇ 정전 복사기에 사용되는 정착기재부의 최외층에 코팅하

여 기계적 성질 및 내마모성을 향상시키려는 목적으로

불소수지 기질 중에 분산된 불소화 다이아몬드를 함유하

는 입자로 구성된 조성물에 관한 일본 특허28)가 있다

ㅇ 부식 특성을 개선한 흑색 무크롬(chrome-free) 다층 내

부식 마무리 칠과 방법에 관한 특허29)로는 ASTM B 117

표준으로 시험할 때 백색 부식에는 최소 500시간 염수분

무시간 및 적색 부식에는 1500시간 염수분무시간에 적합

하게 설계된 마무리 칠에 관한 것이 있다 이 다층 시스

템은 광택(gloss) 4 이상을 만족하는 자동차 차체 강판

자동차 하부와 내장에 사용되기 위해 설계된 것으로 이

다층 마무리 칠은 3층 부식 방지 시스템을 형성하도록

아연-철 전기도금 기질 오르토인산을 사용한 무전해 인

산염 결정 전환 층과 XylanTeflon 실러 코팅의 조합이

다

ㅇ 전통적으로 철 강판(steel sheet)은 크롬산 염 전환 코팅

으로 개질되어 왔으나 6가 크롬이 배출되어 환경을 오염

시키는 문제점이 있어 강판의 내-부식성을 개선하기 위

해 고분자 수지 코팅들이 수행되고 있으나 이 방법은 고

48

분자 코팅 층이 열전도도를 감소시키는 단점을 가지고

있다 Kang 등30)은 강판 위의 고분자 코팅 층의 열전도

도를 향상시키기 위해 초미세-크기 다이몬드(μD)입자를

열전도 물질로 사용하였다 다양한 음이온 및 비-이온

계면활성제들을 사용하여 수용액 중에서 무거운 μD입자

의 안정화를 시험들을 한 결과 1-피렌카르복시산(PCA)

이 가장 양호하였다 그림 3-2는 이 시험 결과를 요약한

것이다

- 강판 위에 PCA로 안정화 된 μD 입자를 함유한 폴리

우레탄-기초 코팅 층은 열전도도가 0351W(mK)에서

0434 W(mK)(10 wtμD)로 향상되었으며 더욱 144

시간 동안 염수 분무 시험결과 부식거동은 관찰되지

않았다

그림 3-2 피렌카르복시산을 이용한 μD 표면처리

ㅇ 자동차공업에서는 기본적인 특성으로 내마모성이 요구되

49

는 강철 기계부품들의 마찰특성을 향상시키기 위해 다양

한 금속 및 고분자 코팅들이 광범하게 이용된다 내-마

모 코팅은 두 가지 주요 특성인 높은 표면경도와 자기-

윤활 특성이 필요하다 후자의 범주에 속하는 것이

PTFE와 MoS2 기초 코팅이다 무전해 니켈 코팅은 높은

경도로 인해 양호한 마찰 특성을 보이며 한편 열처리를

통해 경도를 향상시킬 수 있다 PTFE입자의 첨가는 코

팅경도를 감소시키나 자기-윤활특성을 부여한다 S

Rossi 등3132)은 마찰특성을 향상시키기 위해 이용되는 탄

소강에 이용되는 몇 가지 공업적인 코팅에 관한 부식거

동에 관해 평가 PTFE입자를 함유한 무전해 니켈-인

(Electroless Nickel-Phophorus)코팅은 PTFE 입자(자기-

윤활 특성)를 갖는 외층과 장벽-효과를 갖는 내층으로

인한 이중 특성으로 가장 양호한 특성을 보였다고 보고

하고 있다

ㅇ 모든 기계적 시스템은 동적 요소를 필요로 하며 마찰과

마모를 줄이기 위한 다양한 수단들이 가능하나 그 선택

은 환경이나 조작 조건에 제한을 받는다 PTFE는 자기

윤활 낮은 마찰계수 높은 열안정성과 화학약품 안정성

으로 산업분야에 널리 사용되는 엔지니어링 고분자이지

만 내마모성이 매우 부족하다 이러한 이유로 금속

-PTFE충전 복합체들이 PTFE의 마찰특성과 금속충전제

50

의 내마모성을 결합하여 특정 분야의 용도로 소개되어

왔으나 금속-고분자 물질에서의 충전제의 역할은 완전히

설명되지 않고 있다 복합체 표면의 과잉의 충전제 농도

는 미끄러지는 동안 부하를 지지하여 내마모성을 증가시

키는 것으로 생각되며 PTFE의 마모율은 Mo Zn Ni

Y2O3 및 SiO2 같은 무기 충전제에 의해 1000배가량 감소

되었다는 보고도 있다 유리섬유 구리 세라믹 탄소섬유

절단 탄소섬유 나노입자를 포함한 경질의 충전제 입자들

이 PTFE의 내마모성을 높이기 사용되어 왔다

ㅇ 비교적 두꺼운 코팅에는 열분사(thermal spray) 용사기

술이 정립되어 있고 용사 코팅은 내마모 내마찰 내프레

팅(fretting) 및 내부식을 요하는 산업에 많이 이용되고

있다

- 용사 몰리브덴(Mo)코팅은 실질적 내마모성 코팅으로

가장 광범하게 이용되며 프레임용사(flame spray)거나

와이어용사(wire spray)기술로 생산된 몰리브덴(Mo)

코팅은 흠이나 마모에 대한 고도의 저항을 얻기 위한

가장 좋은 코팅재료 중의 하나이다

- 알루미늄 청동(aluminium bronze)은 높은 내-부식성

과 내마모성을 갖는 것이 특징이다 저압 플라즈마 용

51

사 기술은 자기-아닐링(self-anealing)과 부서지기 쉽

도록 유도하는 γ-상의 형성을 피할 수 있도록 높은

냉각 속도를 얻는 데 사용되며 알루미늄 청동 저압

플라즈마 용사 코팅은 낮은 마찰과 마모를 보였고 비

교적 최근 플라즈마 용사 기술을 이용하여 알루미늄

기질에 고분자-세라믹 복합체를 코팅하는 기술이 개

발되었다33)복합체 코팅으로 행한 마찰 시험에서 낮

은 마찰계수를 얻을 수 있었다

- 낮은 마찰계수와 고 내마모성을 갖는 이성분 금속

-PTFE 코팅이 개발되었고 이들의 마찰 공학적 성능

이 보고되었다 PTFE-기초 복합체 설계에서 일반적

인 접근방법은 경질의 충전 입자들을 도입하는 것으

로 M Yamane 등34)은 PTFE-금속 이성분 코팅의 마

찰 마모성능에 관한 연구 결과 알루미늄 청동 코팅이

Mo코팅에 비해 PTFE 저장소(reservoir)에 유용했음

을 보고하였다

⑹ 충전 또는 강화 플루오르화 탄소1)

ㅇ 분말이나 강화섬유 등 전형적인 충전재들이 충전 또는

강화 플루오르화 탄소에 사용된다 충전재는 저온흐름

52

을 향상시키는 데 사용되며 수축과 균열을 줄이고 열

팽창을 낮추며 열전도율을 향상시킨다

ㅇ 분말이나 단섬유로 된 전형적인 충전제를 표 3-5에 종합

하였다 유리섬유는 가장 보편적인 PTFE 충전제로 화

학 및 전기적 특성에 최소로 영향을 미치며 기계적 특

성을 크게 향상시킨다 분말에 비해 섬유는 압축강도

강성도 및 지지용량을 더욱 향상시키나 분말은 충전

테플론의 내구성에 거의 영향을 미치지 않는다 금속분

말은 특히 열전도도를 향상시키며 고속에서 발생하는 마

찰열을 소멸하는데 도움이 되며 전기저항을 상당히 감소

시켜 금속-충전 조성물은 양호한 절연체는 아니다

ㅇ 흑연(graphite) MoS2는 초기 내구성과 마찰을 개선하고

기계적 특성을 향상시킨다 석면은 많은 유용한 특성을

갖지만 가공 처리 중 가스가 방출할 뿐 아니라 사용금지

물질이다 표 3-5 외에도 금속 망 장섬유 다공성 금속

등 다양한 충전제들이 있으며 다양한 종류의 제품들이

상업 생산되고 있어 최종 선정을 하기 전에 플라스틱 가

공업자로부터 보다 완전한 정보와 추천을 받는 것이 바

람직하다

53

표 3-5 불소수지용 충전제

ㅇ 압축강력 인장과 압축 시의 탄성률 및 항복강력은 첨가

제의 첨가에 의해 모두 증가하나 일반으로 인장강력과

신도 및 충격강도는 손실된다 통상 충전 테플론은 압축

상태에서 사용되므로 인장강력의 감소는 중요하지 않다

인장강력의 손실은 설치(연속적인 링-실링)할 때 인장되

는 재료에서 중요하다 열팽창 계수는 비-충전 테플론에

비해 감소되어 통상 금속 부품의 팽창계수와 잘 맞는다

ㅇ 마찰과 마모를 수반하는 분야에서 가장 중요한 것은 충

전제로 얻어지는 PV한계치의 증가와 마모의 감소다 비-

54

충전 테플론에 비해 PV한계치 크기는 개략적으로 1차원

적으로 증가하나 마모인자는 3차원적으로 감소한다 충전

테플론의 평균치들은 동적 마찰계수는 01-02 PV한계치

는 10000-20000 psi-fpm 마모상수는 10times10-10in3-min

lb-ft-hr이다 그림 3-3은 충전 테플론 PTFE의 마찰계

수에 미치는 충전제 종류와 농도의 효과에 관한 것이다

그림 3-3 테플론 PTFE에 미치는 충전제 종류와 농도1)

ㅇ 내마모성을 향상시키는 충전제는 실제로 연마저항성을

감소시키는 것으로 날카로운 입자는 보다 쉽게 침투하고

충전제 입자와 수지 사이의 경계를 따라 충전 플라스틱

을 찢는다 따라서 라이닝 슈트 같은 분야의 적용 시는

55

비-충전테플론이 보다 바람직하다

⑺ 시트 테이프 및 박층(laminates)

ㅇ 대부분의 플루오르화탄소는 충전 여부에 관계없이 두

께 1mil(0001 in)까지 시트나 테이프로 만들 수 있고

시트나 테이프를 찍어서 원하는 형상의 립-씰(lip seal)

펌프 컵(pump cup) 피스톤 링(piston rings) 가스켓

(gaskets) 등을 만들 수 있다

ㅇ 유체의 누설을 정지시키는 밀봉기능 부품 중 각종기기의

접합부나 배관 플랜지 등의 밀봉에 사용되는 가스켓

(gaskets)은 석면이 널리 사용되어 왔으나 유해물질 배

출 및 이동량 보고제도(PRTR Pollutant Release and

Transfer Register)에서 발암성을 가진 제1종 지정 화학

물질로 지정되어 사용이 금지되어 PTFE가 가스켓으로

개발되었다 PTFE는 용융 알칼리 금속 및 그 용액과 불

소 및 3불화염소에 의해 약간 침식되나 모든 화학약품에

안정하고 우수한 내부식 재료로 C-F결합력이 크고 F원

자가 C-C결합의 주위를 간격 없이 들러 싸고 있기 때문

에 다른 물질의 공격을 방어하고 있고 내열성은 260로

높다35)

56

- PTFE 필러를 사용한 PTFE 나선 권형 가스켓은 석

면에 대한 사용규제와 상관없이 사용되어 왔으며 유

연한 필러를 사용하므로 석면 가스켓 보다 낮은 체결

압력에서도 실 특성이 우수하고 내식 면에서도 광범

하고 다양한 유체에 사용이 가능하다 다만 단열성 면

에서는 석면 나선 권형 가스켓 보다 사용온도 범위가

제한된다

ㅇ 산업 기계나 자동차의 브레이크 제동장치에 부착하여 마

찰력을 부가하는 브레이크 라이닝에서는 마찰계수와 내

마모력 및 충격계수 등 마찰특성이 우수한 석면을 주로

사용하여 왔으나 제동 시 발생하는 미세 석면분진으로

인해 대기오염에 의한 환경을 파괴 뿐 아니라 인체에 흡

입될 경우 암을 유발하여 PRTR로 사용이 금지되었다

석면을 대체할 유기질 또는 무기질 된 다양한 비석면 마

찰 섬유 등이 사용되고 있으며 마찰 섬유에 테프론을 코

팅하여 브레이크라이닝의 수명향상 제동 시 발생하는 소

음 떨림 및 제동력 향상을 위한 제품개발이 시도되고

있다

- 예로 국내 특허36)에서는 브레이크 라이닝(또는 패드)

의 마찰재 배합재료 중 유기섬유(Kevlar섬유 pulp섬

57

유 등)에 테프론을 코팅하고 코팅된 유기섬유에 결합

재 충전재 윤활재 마찰안정재 마찰조정재 등을 소정

의 배합비로 배합하여 성형하고 열처리하여 브레이크

패드 또는 라이닝을 제조한다

ㅇ 초소형 정밀기계(MEMS Micro-Electromechanical

System)분야에서는 점착방지를 위해 불화 유기박막을

사용한다 Park 등37)은 단층 두께의 불화 유기박막의

특성을 접촉각 측정을 통해 분석하였다

⑻ DLC 코팅3839)

ㅇ DLC(diamond-like carbon)는 몇 가지 다이아몬드의 전

형적인 특성을 나타내는 비정질 탄소물질로 극도의 내마

모 특성을 필요로 하는 재료의 코팅에 이용되고 있다

DLC코팅은 연마 마모를 감소시키기 위한 재료에 유용하

여 엔드밀 드릴비트 금형 같은 공구는 물론 자동차 기

계부품 및 전자산업 등 산업전반에 걸쳐 적용된다40)

ㅇ 환경오염 문제로 인해 PRTR(Pollutant Release and

Transfer Register 유해물질 배출 및 이동량 보고 제

도) 이 시행되어 습동 부품이나 절삭 시에 사용되는 오

일이나 그리스에 포함되는 첨가제(MoS2 Zn 등)와 이들

58

부품을 세정할 때 사용되는 용매 기계부품의 수명을 연

장시키기 위해 활용되었던 Cr도금 폐액에서 발생하는 6

가 크롬 등의 오염물질들에 대한 규제가 더욱 강화되어

DLC에 의한 무윤활 습동과 무윤활 절삭을 지향한 공구

와 기계 부품의 개발이 관심을 끌고 있다4142)

- 일본 내에서는 PRTR이 시행되고 이것에 저촉되는 재

료에 관해서는 MSDS(Material Safety Data Sheet)를

첨부해야할 의무가 있고 부품가공 습동 용도에서는

대상 리스트에 올라 있는 오일 오일 중의 중금속 도

금폐액을 어떻게 경제성 있는 환경 친화적 공정과 재

료로 전환할 것인가를 고려하면서 무윤활 습동 무윤

활 절삭 탈크롬 도금의 3가지 키워드가 대두되고

DLC코팅이 대안으로 모색되고 있다

- DLC코팅 적용기술과 과제에 관한 자료로는 자동차

관련부품 적용사례 엔진부위 마찰 작동 밸브계의 마

찰저감 DLC와 윤활제에 의한 마찰저감 기술을 중심

으로 살펴본 보고가 있다43)

ㅇ DLC는 7가지 형태가 존재하며 모두 상당한 양의 sp3혼

성궤도 탄소원자를 함유한다 다양한 형태의 DLC가 진

공 환경으로 적합한 재료들에 적용가능하며 유럽에서의

59

2006년 위탁 DLC코팅 시장은 3천만euro로 추정되었고 국

내도 활발한 상용화가 시도되고 있다

ㅇ 사반면상(tetahedral) 비정질 탄소 ta-C를 2두께로 코

팅하면 연마마모에 대한 스테인레스 강(304 type)의 내구

성을 증가시켜 수명을 1주일에서 85년으로 늘이며 이러

한 DLC의 형태는 sp3결합 탄소 원자로만 이루어지기 때

문에 순수한 DLC로 간주되며 수소 sp2흑연 탄소 금속

같은 충전제가 생산경비를 낮추거나 원하는 특성을 부여

하기 위하여 사용되고 있다

ㅇ DLC를 만드는 방법에는 sp3탄소 보다 낮은 밀도의 sp

2

에 의존하는 몇 가지 방법들이 있으며 압력 충격 촉매

또는 이들의 조합으로 sp2결합탄소 원자들을 sp3결합탄소

로 근접시킨다 최근 초고압 하에서 탄소의 경량 특성을

갖는 초경도 무정형 다이아몬드가 만들어졌다 탄소로 만

들어지는 다이아몬드 그래파이트는 결정구조를 가지나

DLC는 비정질이라는 점에서 크게 다르고 200 정도의

저온에서 형성시킬 수 있다는 점이 통상의 PVD막에 비

해 훨씬 우위에 있다

ㅇ DLC코팅은 제조공정이 복잡하고 생산 단가가 비싸 적용

이 어려우며 적용되는 소재가 제한되는 단점을 갖는다

60

주요제법으로는 고주파 플라즈마 법 이온화 증착법 스

페터링법 등을 들수 있다 고주파 플라즈마 법은 메탄가

스가 원료로 사용되고 막 중의 수소가 약 30(원자)로

평활성이 우수하고 마찰계수가 작으나 경도가 낮다 이

온화 증착법은 벤젠을 사용하며 막은 단단하나 면의 조

도가 거칠고 후막화 하기 위해 스패터링 방법이 검토되

고 있다

⑼ 불소수지의 안전성

ㅇ 테플론 PTFE의 열분해는 200(392)에서 감지되며 이

것은 몇 가지 플루오르화 탄소 기체들과 승화물질을 방

출한다4445)1955년 동물실험에 관한 한 연구에서는 이들

물질이 250(482) 이하에서는 의미 있는 양이 아니라

고 결론지었으나 최근 비-점착 주방기구인 프라이팬이

나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가열할 때 조류를

죽일 수 있는 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수

도 있다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있다45)

ㅇ 표 3-6은 EWG가 보고한 3-5분 내에 370까지 불소수

지를 가열할 때 발생되는 15종의 불소화합물에 관한 것

이다 테플론과 같은 코팅물질들이 장기적으로 인체에 미

61

치는 영향에 관한 연구는 이루어지지 않고 있으나 독감

과 유사한 질병을 유발할 수 있으며 이를 중합체 증기열

(polymer fume fever)이라 한다

표 3-6 15종의 유해물질 및 유독성 기체44)

ㅇ 최근 표 3-6의 화합물들 중 특히 TFA와 과불화된

(perfluorinated) PFOA(perfluorooctanoic acid)에 관심이

증가되고 있다 PFOA는 새로운 환경오염물질로 미국 환

경보호청(EPA)에 의하면 보통 때는 문제가 없으나 조리

과정에서 프라이팬에 열을 가하고 강하게 긁을 경우 용

62

출되어 나오며 이것이 음식물과 함께 인체에 흡수되는

것으로 추정하였다 한편 DuPont의 테플론 PTFE 연구

결과에 의하면 검출한계인 9ppb 이상 검출되지 않으며

테플론 주방기구에서는 PFOA가 존재하지 않는다고 발

표하고 있다

- 물이나 공기를 통해 환경에 노출된 PFOA는 고 콜레

스테롤 궤양성 대장염 갑상선 질환 고환암 신장암

및 임신성 고혈압과 관련된다고 보고되었다

- PFOA는 불소수지 생산과정에서 사용되는 첨가물로써

암모늄 형태로 PTFE 유화중합에 계면활성제로 사용

되며 불소수지의 품질과 균일성을 유지하기 위해 필

수적인 첨가물이기 때문에 전 세계 모든 불소수지 제

조업체가 사용 중에 있다 한편 국내 주력 산업인 반

도체 생산 과정에서도 PFOA를 대량으로 사용하고 있

어 체계적인 실태조사와 대책수립이 필요하다는 의견

들이 대두되고 있다

⑽ 불소화합물의 안전성과 환경대책

ㅇ 표 3-6에서 살펴본 바와 같이 테플론을 급격히 고온으로

가열하면 2종의 발암물질을 포함한 유독성 가스가 발생

63

하고 특히 불소화합물 중 MFA(monofluoroacetic acid)는

적은 양으로도 치명적 해를 끼치고 PEIF(perfluoro-

isobutene)는 신경가스제로 여러 가지 질환을 발생시킨다

한다44)

따라서 테플론으로 코팅된 장치를 재 코팅하기

위해 테프론을 고온으로 급격히 가열하거나 소각 등을

통해 제거할 때는 발생 가능성이 있는 유독가스를 제거

하기 위한 별도의 설비를 이용하여야 하고 유 등44)의 보

고서에서와 같이 중조(NaHCO3)를 포화시킨 충분한 물로

유독 산성 물질을 중화시키는 것도 고려할 만하다 한편

부식대전 방지 코팅도 테플론 코팅 일변도에서 세라믹

코팅 CNTs이나 DLC 코팅기술로 대응하는 것을 추천하

고 싶으며 이것은 유해물질 배출 및 이동량 보고제도

(PRTR Pollutant Release and Transfer Register)에 대

비하는 등 기업의 장래를 고려하는 것도 될 것이다

ㅇ PTFE를 사용한 취사도구는 1960년대 이래 사용되어 오

고 있으나 최근 들어 이것의 안전성이 논쟁의 주제가 되

고 있으며 논의 주체는 PFOA(perfluorooctanoic acid)이

다 PFOA는 PTFE를 비롯한 많은 불소수지의 생산에

사용되며 DuPont의 테플론 PTFE 연구 결과에 의하면

프라이팬을 260 이상 고온에서 가열하거나 코팅이 벗

겨져도 PFOA가 존재하지 않는다고 한다 그러나 물이나

64

공기 토양 식품포장재 등 여러 곳에서 PFOA 오염사실

이 보고되고 있다 한다44)

- 미국 EPA는 인체와 환경에 대한 PFOA 연구를 계속

하고 있으며 2015년까지 PFOA 및 이와 관련된 화합

물 방출을 배제할 프로그램을 갖고 있으나 PTFE-기

초 비점착 취사기구를 중지시킬 타당성을 갖고 있지

는 않다 최종제품은 PFOA가 아닌 PTFE이기 때문이

다

- 수십 년 동안 불소수지 비점착 코팅이 시장을 지배하

였으나 최근 몇 가지 신기술들이 출현되고 있으며 이

들 대부분은 실리콘 세라믹과 실리콘 기술로 이들 코

팅은 PTFE와 PFOA를 함유하지 않는다

- 오늘날 출시된 비점착 취사용구는 수많은 상표로 팔

리고 있으며 DuPont에 의하면 대부분의 취사용구 코

팅은 정상적으로 사용할 때 3-5년 견딜 수 있을 것으

로 예측한다 너무 문질러서는 안 되고 따뜻한 비눗

물로 씻어주는 것이 좋으며 닳거나 흠이 생기지 않도

록 나무 플라스틱이나 코팅된 재료로 만든 도구를 선

택하고 보관도 흠이 생기지 않을 장소나 캐비닛을 권

장하고 있다

65

ㅇ 국내의 불소수지 안전성에 관한 것으로는 재질규격(납과

카드뮴)과 용출규격(납 과망간산칼륨소비량 증발잔류물)

이 식품용 기구 및 용기 포장 공전46)에 기재되어 있으며

최근 국내에서도 PFOA를 비롯한 유해 불소화합물에 관

한 관심이 커져 가고 있다

ㅇ PFOA 문제가 표면화 되면서 환경 보전형 불소계 발수

유제의 개발과 공업화도 새로이 부각되고 있다 이에 관

한 보고서를 모니터링한 KISTI자료47)를 중심으로 간단히

요약하면 발수제의 주요성분 퍼플루오로알킬기(Rf기)함

유 폴리머의 기능은 Rf기의 고리길이에 크게 의존하므로

PFOA문제 해법으로 탄소수 8 이상인 종래의 불소화학

에서 탈피 짧은 고리 Rf기(탄소수 6)를 가진 새로운 단

량체를 선택하여 발수제를 제조함으로써 환경 보전형 불

소계 발수유제를 개발하고 공업화하였다 한다

66

제 4 장

지원결과

1 지원결과 종합

테프론 코팅 기술의 문제점과 부식대전방지용 테플

론 코팅에 관한 정보 외에 신청기업의 요청에 따

라 C-나노튜브 코팅 및 DLC증착에 관련된 기술 정

보도 제공하였다

테플론은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat resistant)

비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coefficient of

friction) 내약품성(chemical resistance)과 특이한 전기적

특성(unique electrical properties) 및 온내구력(cryogenic

stability)으로 그 응용범위가 광범하며 용도에 따른 엄격

한 품질관리가 요구될 것으로 생각되어 중소기업에 적합

한 기초능력 배양과 신제품을 구상하기 위한 최신기술에

관한 정보를 제공하고자 하였다

67

불소수지의 코팅은 두께와 첨가제가 관건으로 이에 관한

자료를 제공하고자 하였으며 불소수지의 전기특성 폭발

성 환경과 반도체 제조공정에서의 대전 방지 처리를 위

한 정전기 관리 지표 등을 특허를 중심으로 조사하여 제

공하고자 하였다

C-나노튜브를 이용한 대전방지 코팅 기술 및 C-나노튜

브의 제법 등 이것에 관한 기초정보를 제공하고자 하였

으며 내마모성 테플론 코팅에 관해서는 테플론을 이용한

세라믹 코팅 기술에 관한 정보도 제공하고자 하였다

테플론의 기계적 전기적 특성을 강화하기 위해 사용되는

충전제를 종합하고 기초이론을 정립함으로써 금후 원부

자재의 선정에 도움을 주었다

테플론은 석면 대체재로도 주목받고 있어 이에 관한 특

허 정보들을 제공하였으며 다이아몬드의 전형적인 특성

을 나타내는 DLC의 코팅관련 기술 정보를 환경오염 문

제와 연관하여 자료를 제공하였고 최근 비-점착 주방기

구인 프라이팬이나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가

열할 때 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수도 있

다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있어 이에

관한 정보도 제공하였다

68

2 지원의 한계

중소기업이 당면한 문제는 전문기술의 확보다 관련 기술

이 비약적으로 발전하는 추세에 비추어 한정된 인원으로

신기술을 소화하고 개발하기는 어려울 것이므로 출연연

구기관이나 대학과 공동연구를 모색할 수 있으나 이것도

중소기업으로서는 경제적 부담이 될 수밖에 없을 것으로

생각된다 가능하다면 앞으로도 KISTI의 정보지원이 계

속되기를 바라고 있었다

3 기대효과

부식대전 방지 테플론 코팅에 관한 기본 기술이 배양되

어 합리적인 원부 원료의 수입검사 공정관리 및 제품관

리를 통해 원가절감은 물론 신제품 신기술에 관한 정보

수집 및 분석능력이 배양되고 개발력이 확충되어 기업

경쟁력 향상에 도움이 될 것이다

69

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저자소개

김학주(金鶴柱) 서울대학교 문리과대학 화학과 졸업 이학사

전북대학교 대학원 화학과 이학박사

(주)삼양사 의약연구소장 신성대학교 교수

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 폴리에스테르 섬유의 연중직방기술 외 다수

저서 기기분석 공업물리화학 일반화학

성용길(成墉吉)

동국대학교 이과대학 화학과 졸업 이학사 이학석사

부산대학교 대학원 화학과 이학박사(Dr Sci)

University of Utah USA Ph D(공학박사) Post Dr

유타대학교 연구교수 부산대학교 교수 동국대학교 교수

동국대학교 명예교수 한국원자력문화진흥원 이사

과학문화연구원전문연구위원 한국도량형과학문화연구원 원장

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 의료용 기능성 고분자재료에 관한 연구 외 330편

저서 고분자 물성론 (서울대학교 출판부 공저) 외 10권

30

내부에 삽입하는 피스톤 외주면의 마찰과 소음을 최소화

하기 위한 목적으로 테프론 코팅을 하기 위한 코팅장치

를 등록하였다12)

⑶ 대전 방지 플루오르화탄소 수지 코팅

ㅇ 본래 불소수지 자체는 높은 절연성과 큰 대전성을 갖고

있기 때문에 도전 효과를 얻기 위해서는 분상 필러를 다

량으로 충전할 필요가 있으나 이렇게 하면 비점착성이

떨어진다 여러 회사들의 제품 안내서들을 종합한 불소수

지의 전기적 특성은 표 3-4와 같다

표 3-4 불소수지의 전기 특성

특성측정법

(ASTM)단위

PTFE

(비충전)

PTFE

(25

유리충전)

PTFE

(25

탄소충전)

표면 내아크성 D495 sec 75-110

체적저항

(비저항)D257

ohm-

cmgt1018 gt1016 104

표면저항 D257ohm

sq-1 gt10

14

유전율(유전상

수) at 1MHzD150-81 e 25 24

절연내력 short

time 18thickD149

kv

mm285

유전정접(유전

정합) at 1MHzD150-81 lt00002 005

31

ㅇ 불소수지는 내열성 내한성이 높고 내약품성 내연소성

난연성이 우수하고 절연성 및 비점착성과 저 마찰계수를

갖고 있으나 절연성이 높아 정전재해의 원인이 될 수 있

어 재해 방지를 위해 대전 방지 또는 저저항을 특징으로

하는 불소수지 가공품이 개발되어 사용범위가 넓어지고

있다

불소수지에 충전하여 저저항으로 하는 필러에는 일반적

으로 도전성이 높은 카본 금속 또는 산화알루미늄 등의

금속산화물이 사용된다 재료의 형상으로는 미분 탄소

스테인레스 스틸 니켈 금속분과 같은 입상물 단섬유 탄

소섬유 위스커(whisker) 등이 사용된다

- 미분은 비표면적이 크기 때문에 소량의 충전으로 저

항치를 내릴 수 있으나 약품의 침투가 있는 경우 비

표면적이 크기 때문에 약품의 영향을 받기 쉬워 내부

식성 떨어질 가능성이 크다

- 입자상물질들은 미분에 비해 비표면적이 작기 때문에

약품의 영향을 비교적 적게 받지만 저항치를 내리기

위해 충전량이 많게 되어 불소수지의 특징인 비점착

성과 저마찰계수 특성을 저해한다 섬유 위스커 형상

은 단방향에 대한 장방향의 비가 클수록 적은 충전량

32

으로 저항치를 낮출 수 있지만 분산이 나쁘면 요철이

발생한다 부식 방지 코팅에서는 충전제의 내약품성이

관건이다 즉 부식 환경에서 불소수지 자체는 충분히

견디어도 충전제가 내약품성이 없으면 충전제가 서서

히 에칭되어 기기가 부식될 가능성이 크다

화학 석유 및 정제 산업에서는 시험 검사 세척 및 다양

한 공정의 용기 저장 탱크 반응기와 같은 많은 구성요

소들이 사용되며 플루오르화 고분자는 고온에서 높은 열

안정성을 갖고 다양한 유기용매에 전혀 용해되지 않으므

로 부식방지 등을 위해 플루오르화 고분자와 같은 내화

학성 고분자로 코팅된다 그러나 이들 고분자는 코팅된

구성요소의 표면에 정전하 축적을 조장하기 때문에 폭발

성 환경에서는 사용할 수 없다

특히 이들 구성요소들의 금속 구조물은 용기나 탱크에

보관된 가스 증기 분진의 이동에 의해 생성된 정전하

(electrostatic charge)를 흐르게 하는 전도경로가 되나 금

속표면을 강산 강알칼리나 유기용제에 의해 침투되는 방

지하기 위한 목적으로 부식방지 테플론으로 코팅될 경우

얇은 필름의 비-전도체로 작용하므로 폭발성 환경에서

사용을 규제하고 있다

33

- 예로 유럽 표준 EN 50014 section 732에서는 정전

하로 인한 발화 위험을 피하기 위해 사용 보수 및 세

척 조건 하에 설계된 울(enclosure)이 필요하고 울의

절연저항은 1GΩ을 초과할 수 없도록 규제하고 있고

일본은 후생노동성 관할 산업안전연구소의 정전기 안

전지침의 누설 저항치는 108Ω 이하로 되어 있다

- 따라서 부식 및 폭발성 환경에서 안전하고 다양한 구

성 요소에 적용할 수 있는 정전방지 비-발화 테플론

코팅기술을 요하며 정전방지 코팅은 표면저항을 낮추

기 위해 카본블랙이나 개질 전도성 탄소 금속이나 전

도성 고분자를 테플론에 충전하여 코팅한다

폭발성 환경용 내화학약품 특성과 대전방지 비발화

코팅 조성물로는 높은 비저항을 갖는 플루오르 고분자

50-90wt 10-50wt의 전도성물질인 탄소분(carbon

powder)으로 이루어진 Solex Robotics Systems Inc

특허가 있다13)

- 폭발환경에서 사용되는 이상적인 코팅은 정전하를 피

하기 위해 낮은 비저항을 가져야 한다 완벽한 전도체

는 비저항이 영(0)이고 완벽한 절연체는 무한 비저항

34

을 갖는다 금속(구리 금 같은) 합금(망가닌 Mn-Ni-

Cu 니크롬 Ni-Cr-Fe) 반도체(카본이나 게르마늄)는

낮은 비저항을 갖고 있어 좋은 도체이다

- 수많은 고분자 기초 코팅들이 부식화학 환경에 사용

되었으나 85GΩ 이상의 비저항으로 대전방지 시험에

서 실패하였다 정전기 도체로 인증기준 아래 적합하

기 위해서는 100cm2이상의 노출 표면이 1GΩ 이하의

비저항이어야 한다 코팅에 첨가된 탄소분은 전도도를

증가시키며 10-50의 함량은 1GΩ 이하의 비저항을

만족시킨다

비전도성 표면의 표면저항을 감소시키도록 카본이나 금

속을 사용하여 대전방지를 부여하는 공정의 단점으로는

카본이나 금속의 접착력이 낮아 입자의 마모가 일어나

장기간 사용 시 대전방지 수준이 감소하는 것이다 더욱

클린룸에서 입자의 방출은 심각한 문제가 된다 대부분의

비전도성 기질은 통상 23 상대습도 50에서 표면 비

저항이 109ohmsquare 이상으로 높고 PTFE 경우는 10

12

ohmsquare이상이다14)

반도체 제조 장치에서는 웨이퍼 기판을 안착하기 위해

작업 스테이지를 사용하며 작업스테이지는 통상 금속과

35

세라믹으로 제작되나 웨이퍼기판을 작업스테이지에 올려

놓을 때 작업스테이지와 웨이퍼기판 사이에 마찰 정전기

가 발생한다 FPD(flat panel diplay 평판표시)용 디스펜

서(dispenser)에 사용되는 작업스테이지는 진공방식으로

디스플레이 기판을 흡착 고정하며 흡착 고정되었던 디스

플레이 기판이 작업스테이지에서 박리될 때 작업스테이

지에 정전기가 발생하여 디스플레이 기판에 대전된다 최

근 디스플레이 기판이 대형화됨에 따라 대전량이 증가되

고 정전기 대전문제가 더욱 심각해지고 있다 웨이퍼기판

이나 디스플레이기판에는 반도체소자 등 다수의 전자부

품들이 배치되어 있기 때문에 정전기가 발생되면 전자부

품의 신뢰성에 치명적 손상을 주고 기판에 분진이 부착

되거나 정전기의 대전으로 기판 리프트 업(lift up)시 기

판이 깨어지는 문제가 발생한다 정전기 대전을 방지하기

위해서는 작업스테이지에 이오나이저를 설치하여 중화하

기도하나 리프트 업이 불가능하거나 이온풍이 도달하기

전 방전하는 등 작업 스테이지와 기판 사이에서 발생한

정전기가 순간적으로 일으키는 박리대전 문제를 해결하

기 어려워 작업 스테이지의 정전기 방지를 위해 불소수

지로 코팅한다

- 불소수지는 다른 물질과의 흡착에너지가 작고 비점착

성이 우수하며 마찰계수가 작아 유리기판과의 상관관

36

계가 작아져 박리에 의한 정전기의 발생량이 적어지

나 불소수지는 절연성을 가지므로 테프론 코팅에서는

카본 블랙이나 전도성 고분자 등을 필러로 사용한다

대전방지가 필요한 반도체 제조장비 디스플레이 장치 및

테스트 장치 등의 작업 스테이지를 테프론 코팅함으로써

작업 스테이지의 정전기 발생을 방지하는 방법의 단점의

하나는 제작비용이 상대적으로 많이 드는 것으로 디스펜

서의 경우 디스플레이 기판이 대형화됨에 따라 작업 스

테이지의 크기가 커져 제작비용이 증가한다 또한 불소수

지의 경도가 낮아 코팅 막에 스크래치가 발생하고 이 부

분은 평탄도 유지가 어려우며 입자들이 발생하는 요인으

로 작용하며 불소수지가 절연성이므로 카본블랙이나 전

도성 고분자 등의 도전성 필러를 충전하여 대전방지에

적합한 면-저항을 갖도록 할 경우 카본블랙은 구형으로

분진이 발생하는 문제점이 있고 전도성 고분자를 사용할

경우는 내용제성이 약하고 과량의 바인더를 사용하여야

하며 박막 형성이 어렵고 불소수지의 경도를 보완하기

위해 아노다이징 처리를 하는 경우는 이후 별도의 코팅

과정을 거쳐야 하므로 제작비용과 제작시간이 증가하는

등 여러 가지 단점들이 있다 이러한 문제점들을 해결하

기 위한 방법으로는 작업 스테이지와 기판이 만나는 면

에 정전기 발생을 최소화시킴과 동시에 그 제조비용이

37

절감되고 적절한 면-저항을 조절할 수 있으며 마찰계수

가 낮고 내마모성이 향상된 작업스테이지 표면의 대전방

지 처리 방법에 관한 국내의 탑나노시스 사의 특허15)가

있다

- 탑나노시스 사의 특허 목적은 작업스테이지의 기판과

만나는 면에 정전기의 발생을 최소화시킴과 동시에

그 제조비용이 저감되고 적절히 면-저항을 조절할 수

있으며 마찰계수가 낮고 내마모성이 향상된 스테이지

표면의 대전방지 처리 방법에 관한 것으로 이 특허에

서는 금속소재의 작업 스테이지 표면을 아노다이징

처리하여 복수의 산화표면 홀들을 형성시키고 여기에

탄소나노튜브를 삽입하고 경화하며 탄소나노튜브 경

화 후에 표면을 봉공 처리한다

- 작업스테이지 표면은 106-10

9Ωsq의 면-저항을 갖는

것이 바람직하며 산화표면 홀들은 직경 30-900nm 깊

이 100-900nm가 바람직하다 아노다이징 처리를 하는

금속소재는 Al Mg Zn Ti Ta(탄탈륨) Hf(하프늄)

Nb(니오븀) 등일 수 있고 이 발명에서는 가벼우며 일

정 강도를 갖고 가공성이 우수한 Al합금을 예로 들어

설명하고 있다

38

- 알루미늄소재 작업스테이지 표면에 산화피막(Al2O3)처

리를 하는 아노다이징(anodizing 양극산화)에서 전해

액은 수산화나트륨이나 수산과 황산 등이 사용될 수

있고 수산화나트륨의 농도(20-50) 공급전압 전류

및 시간 등을 조절하여 산화표면 홀의 크기(D)와 깊

이(L)를 조절하며 D와 L에 따라 대전방지 효과나 내

구성 및 표면경도를 조절한다

- 탄소나노튜브를 산화표면 홀 내에 삽입시키는 단계는

전해 흡착 하여 이루어질 수 있고 정전도장을 통해서

도 이루어질 수 있다 탄소나노튜브는 분산제를 포함

하는 용액으로 코팅되며 분산제로는 소듐 도데실설페

이트(SDS) 트리톤X Tween20(폴리옥시에틸렌 소르

비탄모노올레이트) CTAB(cetyl trimethyl ammonium

bromide)를 예로 들고 있으며 탄소나노튜브 용액은

아크릴계 우레탄계 등 또는 전도성 고분자계 유무기

하이브리드계 바인더가 포함될 수 있다

- 봉공처리는 산화표면 홀과 산화피막을 봉공하여 내식

성 등이 향상되도록 보호 층을 형성시키는 것으로 비

등수 가압증기에 의한 수화봉공 금속염을 포함한 열

수에 의한 금속염 봉공 오일로 도포나 침적하는 유기

물 봉공 양극산화 피막 층에 도장하는 도장에 의한

39

봉공 등이 있다

반도체 소자를 제조하는 과정에는 불순물 이온을

주입하는 장비가 이용되고 있다 (주)하이닉스 반도

체의 특허에서는 이온주입 장비의 웨이퍼 지지 장

치 리프트 핀의 끝단을 라운드 처리하고 리프트 핀

에 테플론을 코팅하여 리프트 핀과 웨이퍼 후면의

접촉 시 웨이퍼 후면에 스크래치와 같은 손상이 유

발되는 것을 억제할 수 있게 한다16)

⑷ 탄소나노튜브(CNTs Carbon Nano Tubes)17)

탄소나노튜브는 탄소의 동소체로 1991년 일본 NEC 연구

소의 Ijima박사에 의해 전자 현미경을 통해 처음으로 확

인되었다 1985년에 Kroto와 Smalley가 탄소의 동소체인

풀러렌(탄소 원자 60개가 모인 것C60)을 처음으로 발

견한 이후 전기방전 시 흑연 음극 상에 형성된 탄소덩어

리를 투과전자현미경으로 분석하는 과정에서 발견하여

Nature학술지에 처음으로 발표되었다18) 탄소나노튜브에

서 탄소원자 하나는 주위의 다른 탄소원자 3개와 sp2결

합을 하여 육각형 벌집무늬를 형성하며 이 튜브의 직경

이 대략 수 나노미터(nm nanometer) 정도로 극히 작기

40

때문에 나노튜브라고 부르게 되었다 이 탄소나노튜브는

전기 세기가 클수록 더 수축하는 성질을 가지고 있는 등

튜브의 직경이 nm수준으로 극히 작아서 특유의 전기화

학적 특성을 나타낸다

Ku 등19)에 의하면 CNTs는 전기방사법(arc-discharge)

레이저증발 법(laser vaporization) 플라즈마 화학기상증

착 법(plasma enhanced chemical vapor deposition) 열

화학 기상증착 법(thermal chemical vapor deposition) 등

의 다양한 합성법이 개발되어 대량생산이 가능하다

CNTs의 종류는 벽의 수에 따라 단일 벽 탄소나노튜브

(SWNTs) 이중 벽 탄소나노튜브(DWNTs) 다중벽 탄소

나노튜브(MWNTs)가 있으며 물성에 관한 많은 연구결

과 기계적 전기적 열적으로 우수한 성능을 갖고 있음이

입증되었다

CNTs는 인장강도와 탄성률 면에서 지금까지 발견된 재

료 중 가장 강하고 질기며 다중벽 CNT는 63GPa에 이른

다 표준 단일 벽 CNT는 25GPa의 압력까지 변형 없이

지탱된다 그래핀의 대칭성과 특이한 전기적 구조 때문에

CNTs의 구조는 그것의 전기적 특성에 영향을 미쳐 금속

성이나 반도체의 특성을 나타내고 이론적으로 금속성

41

CNTs는 구리와 같은 금속의 1000배가 큰 4times109Acm

2

전류 밀도를 운반할 수 있으며 나노크기의 단면으로 전

자가 튜브의 축 방향으로만 전파되고 전자의 이동은 양

자효과를 수반하여 1차원 전도체로 간주된다

CNTs는 우수한 물성과 상대적으로 큰 표면적으로 갖고

있어 충전제(filler)로써 에폭시 폴리스틸렌 폴리우레탄

등 고분자와 혼합하여 폴리머의 기계적 전기적 특성을

향상시키려는 연구가 활발하다 CNTs가 폴리머 중에서

충전제 역할을 하기 위해서는 고른 분산이 필요하나 반

데르발스 힘에 의한 CNTs 응집현상(agglomeration)으로

인해 효과적인 분산이 어려워 오히려 폴리머의 물성을

저해하므로 이것을 개선하기 위한 다양한 기계적 화학적

분산 방법이 연구되고 있다

- CNTs를 분산시키기 위한 가장 일반적인 방법은 용매

나 폴리머에 CNTs를 투입하고 초음파처리를 하는 것

으로 초음파처리를 하면 SWNTs의 길이가 짧아지고

다발(bundle)이 얇아져 분산력이 증가한다

- CNTs 표면을 산이나 아민으로 기능화하여 분산을 높

이는 방법도 연구되고 있으며 MWNTs를 HNO3

H2O2NH4OH 용액에 침지시켜 MWNTs에폭시 복합

42

재료는 전기적 특성을 향상시키려는 연구와 산과 아

민 등의 기능기를 도입하여 SWNTs의 열전도도를 향

상시키려는 연구들이 수행되고 있다

- 기계적 분산방법인 전단혼합방법은 좁은 관이나 상대

적으로 높은 속도의 유동을 이용하여 발생한 전단력

으로 CNTs를 분산시키는 방법이다 Ku 등19)은 전단

혼합과 초음파처리를 이용하여 MWNTs로 강화된

에폭시 복합재료를 만들어 기계적 및 열적 특성을 연

구하였다

⑸ 내마모성 테프론 코팅

ㅇ 재료의 부식은 구조재에 원하지 않은 변화 원인으로 작

용하여 경제적인 문제로 귀결되는 심각한 문제이다 이들

원치 않는 변화는 때로 적절한 코팅에 의한 표면처리로

예방할 수 있다 가장 일반적이고 자주 사용되는 전착 코

팅은 아연에 기초한 아연 코팅 및 합금 코팅으로 이들

코팅은 간단한 기술로써 내부식성이 양호하여 전 표면처

리의 약 14에 해당하나 최근 낮은 마찰계수 등 다른 특

성들이 매우 중요하게 되었다 이들 특성은 다층 코팅으

로 대응할 수 있으나 두께가 증가하고 기술이 복잡하여

가능한 해결방법으로는 복합체 코팅이 있다 복합체 코팅

43

은 일반기계와 자동차 전자부품 및 컴퓨터 등 다양한 분

야에 적용된다 금속 기질에 미세한 PTFE 입자의 전착

에 의한 증착은 새로운 세대의 복합체 코팅으로써 가장

바람직한 특성은 양호한 내마모성 자기윤활 내부식성이

다 M Paderovaacute 등20)에 의하면 이들 특성은 주로 사용

한 입자(흑연 다이아몬드 MoS2 또는 PTFE)와 용액의

유형(pH 온도 bath 등) 뿐 아니라 입자의 크기 농도

분산 및 형태학에 의존한다

ㅇ 충전되지 않은 PTFE의 마모율은 736-741times10-4mm3Nm

로 내마모성이 낮아 다양한 충전제들이 첨가되고 있다

Xing-Dong Yuan 등21)은 진공 조건에서 PTFE 코팅

의 마모특성을 연구하여 초기에는 하중이 증가함에 따

라 마찰계수가 감소하나 하중이 6N 이상으로 커지면

마찰계수도 증가하며 압력이 PTFE 코팅의 마찰계수

에 미치는 영향이 거의 없고 마모는 압력이 증가하면

초기에는 감소하나 10Pa 보다 높으면 급격히 증가한

다고 보고하였다

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위해서는 윤활제로 PTFE

계 수지 접착제로는 폴리아미드이미드수지 산화철 분말

44

및 브론즈 분말 등을 혼합한 조성물을 사용하거나 미국

특허에서는 스와시플레이트 형 압축기의 플레이트 표면

에 MoS2 흑연 PTFE계 윤활제와 열경화성 수지인 폴리

아미드이미드(PAI) 조성물을 코팅하여 내마모 및 윤활성

을 부여하고 있다22) 내열성 향상을 위해서는 고체윤활

제 접착제수지 및 저융점 금속인 Sn Pb In Bi 등을 함

유하는 합금이나 화합물을 사용하여 금속의 잠열을 이용

내열성 향상을 시도하기도 한다

ㅇ 그간 철강(스테인리스강 탄소강 아연도금강판 등)의 내

부식성 향상을 위한 많은 연구들이 수행되어 왔다 4플루

오르에틸렌(C2H4) 4플루오르에탄(CF4) 6플루오르에탄

(C2F6) 3플루오르화에탄(CHF3) 8플루오르화에탄(C4F8)

같은 불소화된 단량체의 플라즈마 중합에 의한 테플론

류 코팅은 그들의 소수성으로 인해 금속의 내부식성 향

상을 위한 대안으로 주목을 받고 있다 A Delimi 등23)

은 유도결합 고주파플라즈마(inductively coupled radio

fre- quency plasma)를 사용하여 소수성 박막 불소수지

필름을 탄소강에 증착하고 3염수에서 내부식성을 평가

한 결과 1개월 동안 9nm의 필름이 유지되는 것을 관찰

하여 불소고분자 박막이 금속과 금속산화물의 보호층이

될 수 있음을 보고하였다

45

ㅇ PTFE를 이용한 세라믹코팅 기술로는 알루미늄 및 알루

미늄 합금 공작물을 양극처리에 의해서 티타늄 및또는

지르코늄 산화물을 포함하는 내식성 내열성 및 내마모

성 세라믹 코팅을 하고 이어서 양극처리된 공작물을

PTFE 또는 실리콘 함유 코팅과 같은 제 2 코팅으로 코

팅한다 이 발명은 가소성을 가지는 경질의 필름 내에서

내식성 내열성 및 내마모성을 제공하는 티타늄 및또는

지르코늄 산화물의 양극처리 층으로 기판을 예비-코팅함

으로써 알루미늄 기판에 보다 긴 수명의 코팅을 형성하

는데 특히 유용하다24)

ㅇ Nosaka 등25)은 PTFE로 대표되는 불소수지는 마모-링이

나 극저온 밸브의 실링부에 많이 사용되며 진공치환법에

의해 탄소재료에 PTFE나 MoS2 분말을 1-2wt 함침시

키면 무함침한 것에 비해 마모가 약 13로 감소한다고

보고하였다 한편 저자들은 터보펌프의 실링재료가 극저

온 환경에서 보이는 특이한 현상을 극복하기 위해 베어

링의 표면에 노출된 유리섬유를 불소산으로 처리하여 용

해 제거하고 윤활성을 높인 유리섬유강화 테프론 리테이

너를 개발하여 내구성과 윤활성을 향상시킬 수 있었다고

보고하고 있다

46

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위한 또 다른 특허로는

폴리실록산계 접착제를 단독 혹은 폴리에스테르계 접착

제와 병용하고 고체 윤활제로 MoS2(이황화몰리브덴

WS2(이황화텅스텐) h-BN(육방정 질화붕소) 팽창흑연

및 PTFE를 사용하고 충전제로 탄화규소 알루미나 산화

지르콘 산화티탄 등의 미분말을 사용하여 내마모 내열

및 윤활성을 부여하고자 하는 내마모성 및 윤활성 코팅

조성물에 관한 특허가 있다26)

ㅇ 내열성 내후성 내오염성 내약품성 내구성 등의 물성

은 유지하면서 비점착성을 높이기 위해 무기계 세라믹

코팅 조성물에 PTFE를 첨가하기도 한다 이러한 하이

브리드 코팅 조성물에 관한 특허로는 불소수지(01sim25

중량) 콜로이달 실리카나 콜로이달 알루미나 등 무

기계고분자 바인더(20sim80중량) 알콕시실란 화합물

(1sim50중량) 수용성 유기용제(1sim10중량) 충전제

또는 안료(5sim50중량) 및 물(100중량 까지 보충)로

이루어진 코팅 조성물에 관한 것으로 무기질 도료 및

무기계 세라믹 코팅에 의해 내열성 내오염성 내약품

성과 내구성을 유지하고 접착력을 높이기 위해 소량의

PTFE를 사용하는 것이 있다27)

47

ㅇ 정전 복사기에 사용되는 정착기재부의 최외층에 코팅하

여 기계적 성질 및 내마모성을 향상시키려는 목적으로

불소수지 기질 중에 분산된 불소화 다이아몬드를 함유하

는 입자로 구성된 조성물에 관한 일본 특허28)가 있다

ㅇ 부식 특성을 개선한 흑색 무크롬(chrome-free) 다층 내

부식 마무리 칠과 방법에 관한 특허29)로는 ASTM B 117

표준으로 시험할 때 백색 부식에는 최소 500시간 염수분

무시간 및 적색 부식에는 1500시간 염수분무시간에 적합

하게 설계된 마무리 칠에 관한 것이 있다 이 다층 시스

템은 광택(gloss) 4 이상을 만족하는 자동차 차체 강판

자동차 하부와 내장에 사용되기 위해 설계된 것으로 이

다층 마무리 칠은 3층 부식 방지 시스템을 형성하도록

아연-철 전기도금 기질 오르토인산을 사용한 무전해 인

산염 결정 전환 층과 XylanTeflon 실러 코팅의 조합이

다

ㅇ 전통적으로 철 강판(steel sheet)은 크롬산 염 전환 코팅

으로 개질되어 왔으나 6가 크롬이 배출되어 환경을 오염

시키는 문제점이 있어 강판의 내-부식성을 개선하기 위

해 고분자 수지 코팅들이 수행되고 있으나 이 방법은 고

48

분자 코팅 층이 열전도도를 감소시키는 단점을 가지고

있다 Kang 등30)은 강판 위의 고분자 코팅 층의 열전도

도를 향상시키기 위해 초미세-크기 다이몬드(μD)입자를

열전도 물질로 사용하였다 다양한 음이온 및 비-이온

계면활성제들을 사용하여 수용액 중에서 무거운 μD입자

의 안정화를 시험들을 한 결과 1-피렌카르복시산(PCA)

이 가장 양호하였다 그림 3-2는 이 시험 결과를 요약한

것이다

- 강판 위에 PCA로 안정화 된 μD 입자를 함유한 폴리

우레탄-기초 코팅 층은 열전도도가 0351W(mK)에서

0434 W(mK)(10 wtμD)로 향상되었으며 더욱 144

시간 동안 염수 분무 시험결과 부식거동은 관찰되지

않았다

그림 3-2 피렌카르복시산을 이용한 μD 표면처리

ㅇ 자동차공업에서는 기본적인 특성으로 내마모성이 요구되

49

는 강철 기계부품들의 마찰특성을 향상시키기 위해 다양

한 금속 및 고분자 코팅들이 광범하게 이용된다 내-마

모 코팅은 두 가지 주요 특성인 높은 표면경도와 자기-

윤활 특성이 필요하다 후자의 범주에 속하는 것이

PTFE와 MoS2 기초 코팅이다 무전해 니켈 코팅은 높은

경도로 인해 양호한 마찰 특성을 보이며 한편 열처리를

통해 경도를 향상시킬 수 있다 PTFE입자의 첨가는 코

팅경도를 감소시키나 자기-윤활특성을 부여한다 S

Rossi 등3132)은 마찰특성을 향상시키기 위해 이용되는 탄

소강에 이용되는 몇 가지 공업적인 코팅에 관한 부식거

동에 관해 평가 PTFE입자를 함유한 무전해 니켈-인

(Electroless Nickel-Phophorus)코팅은 PTFE 입자(자기-

윤활 특성)를 갖는 외층과 장벽-효과를 갖는 내층으로

인한 이중 특성으로 가장 양호한 특성을 보였다고 보고

하고 있다

ㅇ 모든 기계적 시스템은 동적 요소를 필요로 하며 마찰과

마모를 줄이기 위한 다양한 수단들이 가능하나 그 선택

은 환경이나 조작 조건에 제한을 받는다 PTFE는 자기

윤활 낮은 마찰계수 높은 열안정성과 화학약품 안정성

으로 산업분야에 널리 사용되는 엔지니어링 고분자이지

만 내마모성이 매우 부족하다 이러한 이유로 금속

-PTFE충전 복합체들이 PTFE의 마찰특성과 금속충전제

50

의 내마모성을 결합하여 특정 분야의 용도로 소개되어

왔으나 금속-고분자 물질에서의 충전제의 역할은 완전히

설명되지 않고 있다 복합체 표면의 과잉의 충전제 농도

는 미끄러지는 동안 부하를 지지하여 내마모성을 증가시

키는 것으로 생각되며 PTFE의 마모율은 Mo Zn Ni

Y2O3 및 SiO2 같은 무기 충전제에 의해 1000배가량 감소

되었다는 보고도 있다 유리섬유 구리 세라믹 탄소섬유

절단 탄소섬유 나노입자를 포함한 경질의 충전제 입자들

이 PTFE의 내마모성을 높이기 사용되어 왔다

ㅇ 비교적 두꺼운 코팅에는 열분사(thermal spray) 용사기

술이 정립되어 있고 용사 코팅은 내마모 내마찰 내프레

팅(fretting) 및 내부식을 요하는 산업에 많이 이용되고

있다

- 용사 몰리브덴(Mo)코팅은 실질적 내마모성 코팅으로

가장 광범하게 이용되며 프레임용사(flame spray)거나

와이어용사(wire spray)기술로 생산된 몰리브덴(Mo)

코팅은 흠이나 마모에 대한 고도의 저항을 얻기 위한

가장 좋은 코팅재료 중의 하나이다

- 알루미늄 청동(aluminium bronze)은 높은 내-부식성

과 내마모성을 갖는 것이 특징이다 저압 플라즈마 용

51

사 기술은 자기-아닐링(self-anealing)과 부서지기 쉽

도록 유도하는 γ-상의 형성을 피할 수 있도록 높은

냉각 속도를 얻는 데 사용되며 알루미늄 청동 저압

플라즈마 용사 코팅은 낮은 마찰과 마모를 보였고 비

교적 최근 플라즈마 용사 기술을 이용하여 알루미늄

기질에 고분자-세라믹 복합체를 코팅하는 기술이 개

발되었다33)복합체 코팅으로 행한 마찰 시험에서 낮

은 마찰계수를 얻을 수 있었다

- 낮은 마찰계수와 고 내마모성을 갖는 이성분 금속

-PTFE 코팅이 개발되었고 이들의 마찰 공학적 성능

이 보고되었다 PTFE-기초 복합체 설계에서 일반적

인 접근방법은 경질의 충전 입자들을 도입하는 것으

로 M Yamane 등34)은 PTFE-금속 이성분 코팅의 마

찰 마모성능에 관한 연구 결과 알루미늄 청동 코팅이

Mo코팅에 비해 PTFE 저장소(reservoir)에 유용했음

을 보고하였다

⑹ 충전 또는 강화 플루오르화 탄소1)

ㅇ 분말이나 강화섬유 등 전형적인 충전재들이 충전 또는

강화 플루오르화 탄소에 사용된다 충전재는 저온흐름

52

을 향상시키는 데 사용되며 수축과 균열을 줄이고 열

팽창을 낮추며 열전도율을 향상시킨다

ㅇ 분말이나 단섬유로 된 전형적인 충전제를 표 3-5에 종합

하였다 유리섬유는 가장 보편적인 PTFE 충전제로 화

학 및 전기적 특성에 최소로 영향을 미치며 기계적 특

성을 크게 향상시킨다 분말에 비해 섬유는 압축강도

강성도 및 지지용량을 더욱 향상시키나 분말은 충전

테플론의 내구성에 거의 영향을 미치지 않는다 금속분

말은 특히 열전도도를 향상시키며 고속에서 발생하는 마

찰열을 소멸하는데 도움이 되며 전기저항을 상당히 감소

시켜 금속-충전 조성물은 양호한 절연체는 아니다

ㅇ 흑연(graphite) MoS2는 초기 내구성과 마찰을 개선하고

기계적 특성을 향상시킨다 석면은 많은 유용한 특성을

갖지만 가공 처리 중 가스가 방출할 뿐 아니라 사용금지

물질이다 표 3-5 외에도 금속 망 장섬유 다공성 금속

등 다양한 충전제들이 있으며 다양한 종류의 제품들이

상업 생산되고 있어 최종 선정을 하기 전에 플라스틱 가

공업자로부터 보다 완전한 정보와 추천을 받는 것이 바

람직하다

53

표 3-5 불소수지용 충전제

ㅇ 압축강력 인장과 압축 시의 탄성률 및 항복강력은 첨가

제의 첨가에 의해 모두 증가하나 일반으로 인장강력과

신도 및 충격강도는 손실된다 통상 충전 테플론은 압축

상태에서 사용되므로 인장강력의 감소는 중요하지 않다

인장강력의 손실은 설치(연속적인 링-실링)할 때 인장되

는 재료에서 중요하다 열팽창 계수는 비-충전 테플론에

비해 감소되어 통상 금속 부품의 팽창계수와 잘 맞는다

ㅇ 마찰과 마모를 수반하는 분야에서 가장 중요한 것은 충

전제로 얻어지는 PV한계치의 증가와 마모의 감소다 비-

54

충전 테플론에 비해 PV한계치 크기는 개략적으로 1차원

적으로 증가하나 마모인자는 3차원적으로 감소한다 충전

테플론의 평균치들은 동적 마찰계수는 01-02 PV한계치

는 10000-20000 psi-fpm 마모상수는 10times10-10in3-min

lb-ft-hr이다 그림 3-3은 충전 테플론 PTFE의 마찰계

수에 미치는 충전제 종류와 농도의 효과에 관한 것이다

그림 3-3 테플론 PTFE에 미치는 충전제 종류와 농도1)

ㅇ 내마모성을 향상시키는 충전제는 실제로 연마저항성을

감소시키는 것으로 날카로운 입자는 보다 쉽게 침투하고

충전제 입자와 수지 사이의 경계를 따라 충전 플라스틱

을 찢는다 따라서 라이닝 슈트 같은 분야의 적용 시는

55

비-충전테플론이 보다 바람직하다

⑺ 시트 테이프 및 박층(laminates)

ㅇ 대부분의 플루오르화탄소는 충전 여부에 관계없이 두

께 1mil(0001 in)까지 시트나 테이프로 만들 수 있고

시트나 테이프를 찍어서 원하는 형상의 립-씰(lip seal)

펌프 컵(pump cup) 피스톤 링(piston rings) 가스켓

(gaskets) 등을 만들 수 있다

ㅇ 유체의 누설을 정지시키는 밀봉기능 부품 중 각종기기의

접합부나 배관 플랜지 등의 밀봉에 사용되는 가스켓

(gaskets)은 석면이 널리 사용되어 왔으나 유해물질 배

출 및 이동량 보고제도(PRTR Pollutant Release and

Transfer Register)에서 발암성을 가진 제1종 지정 화학

물질로 지정되어 사용이 금지되어 PTFE가 가스켓으로

개발되었다 PTFE는 용융 알칼리 금속 및 그 용액과 불

소 및 3불화염소에 의해 약간 침식되나 모든 화학약품에

안정하고 우수한 내부식 재료로 C-F결합력이 크고 F원

자가 C-C결합의 주위를 간격 없이 들러 싸고 있기 때문

에 다른 물질의 공격을 방어하고 있고 내열성은 260로

높다35)

56

- PTFE 필러를 사용한 PTFE 나선 권형 가스켓은 석

면에 대한 사용규제와 상관없이 사용되어 왔으며 유

연한 필러를 사용하므로 석면 가스켓 보다 낮은 체결

압력에서도 실 특성이 우수하고 내식 면에서도 광범

하고 다양한 유체에 사용이 가능하다 다만 단열성 면

에서는 석면 나선 권형 가스켓 보다 사용온도 범위가

제한된다

ㅇ 산업 기계나 자동차의 브레이크 제동장치에 부착하여 마

찰력을 부가하는 브레이크 라이닝에서는 마찰계수와 내

마모력 및 충격계수 등 마찰특성이 우수한 석면을 주로

사용하여 왔으나 제동 시 발생하는 미세 석면분진으로

인해 대기오염에 의한 환경을 파괴 뿐 아니라 인체에 흡

입될 경우 암을 유발하여 PRTR로 사용이 금지되었다

석면을 대체할 유기질 또는 무기질 된 다양한 비석면 마

찰 섬유 등이 사용되고 있으며 마찰 섬유에 테프론을 코

팅하여 브레이크라이닝의 수명향상 제동 시 발생하는 소

음 떨림 및 제동력 향상을 위한 제품개발이 시도되고

있다

- 예로 국내 특허36)에서는 브레이크 라이닝(또는 패드)

의 마찰재 배합재료 중 유기섬유(Kevlar섬유 pulp섬

57

유 등)에 테프론을 코팅하고 코팅된 유기섬유에 결합

재 충전재 윤활재 마찰안정재 마찰조정재 등을 소정

의 배합비로 배합하여 성형하고 열처리하여 브레이크

패드 또는 라이닝을 제조한다

ㅇ 초소형 정밀기계(MEMS Micro-Electromechanical

System)분야에서는 점착방지를 위해 불화 유기박막을

사용한다 Park 등37)은 단층 두께의 불화 유기박막의

특성을 접촉각 측정을 통해 분석하였다

⑻ DLC 코팅3839)

ㅇ DLC(diamond-like carbon)는 몇 가지 다이아몬드의 전

형적인 특성을 나타내는 비정질 탄소물질로 극도의 내마

모 특성을 필요로 하는 재료의 코팅에 이용되고 있다

DLC코팅은 연마 마모를 감소시키기 위한 재료에 유용하

여 엔드밀 드릴비트 금형 같은 공구는 물론 자동차 기

계부품 및 전자산업 등 산업전반에 걸쳐 적용된다40)

ㅇ 환경오염 문제로 인해 PRTR(Pollutant Release and

Transfer Register 유해물질 배출 및 이동량 보고 제

도) 이 시행되어 습동 부품이나 절삭 시에 사용되는 오

일이나 그리스에 포함되는 첨가제(MoS2 Zn 등)와 이들

58

부품을 세정할 때 사용되는 용매 기계부품의 수명을 연

장시키기 위해 활용되었던 Cr도금 폐액에서 발생하는 6

가 크롬 등의 오염물질들에 대한 규제가 더욱 강화되어

DLC에 의한 무윤활 습동과 무윤활 절삭을 지향한 공구

와 기계 부품의 개발이 관심을 끌고 있다4142)

- 일본 내에서는 PRTR이 시행되고 이것에 저촉되는 재

료에 관해서는 MSDS(Material Safety Data Sheet)를

첨부해야할 의무가 있고 부품가공 습동 용도에서는

대상 리스트에 올라 있는 오일 오일 중의 중금속 도

금폐액을 어떻게 경제성 있는 환경 친화적 공정과 재

료로 전환할 것인가를 고려하면서 무윤활 습동 무윤

활 절삭 탈크롬 도금의 3가지 키워드가 대두되고

DLC코팅이 대안으로 모색되고 있다

- DLC코팅 적용기술과 과제에 관한 자료로는 자동차

관련부품 적용사례 엔진부위 마찰 작동 밸브계의 마

찰저감 DLC와 윤활제에 의한 마찰저감 기술을 중심

으로 살펴본 보고가 있다43)

ㅇ DLC는 7가지 형태가 존재하며 모두 상당한 양의 sp3혼

성궤도 탄소원자를 함유한다 다양한 형태의 DLC가 진

공 환경으로 적합한 재료들에 적용가능하며 유럽에서의

59

2006년 위탁 DLC코팅 시장은 3천만euro로 추정되었고 국

내도 활발한 상용화가 시도되고 있다

ㅇ 사반면상(tetahedral) 비정질 탄소 ta-C를 2두께로 코

팅하면 연마마모에 대한 스테인레스 강(304 type)의 내구

성을 증가시켜 수명을 1주일에서 85년으로 늘이며 이러

한 DLC의 형태는 sp3결합 탄소 원자로만 이루어지기 때

문에 순수한 DLC로 간주되며 수소 sp2흑연 탄소 금속

같은 충전제가 생산경비를 낮추거나 원하는 특성을 부여

하기 위하여 사용되고 있다

ㅇ DLC를 만드는 방법에는 sp3탄소 보다 낮은 밀도의 sp

2

에 의존하는 몇 가지 방법들이 있으며 압력 충격 촉매

또는 이들의 조합으로 sp2결합탄소 원자들을 sp3결합탄소

로 근접시킨다 최근 초고압 하에서 탄소의 경량 특성을

갖는 초경도 무정형 다이아몬드가 만들어졌다 탄소로 만

들어지는 다이아몬드 그래파이트는 결정구조를 가지나

DLC는 비정질이라는 점에서 크게 다르고 200 정도의

저온에서 형성시킬 수 있다는 점이 통상의 PVD막에 비

해 훨씬 우위에 있다

ㅇ DLC코팅은 제조공정이 복잡하고 생산 단가가 비싸 적용

이 어려우며 적용되는 소재가 제한되는 단점을 갖는다

60

주요제법으로는 고주파 플라즈마 법 이온화 증착법 스

페터링법 등을 들수 있다 고주파 플라즈마 법은 메탄가

스가 원료로 사용되고 막 중의 수소가 약 30(원자)로

평활성이 우수하고 마찰계수가 작으나 경도가 낮다 이

온화 증착법은 벤젠을 사용하며 막은 단단하나 면의 조

도가 거칠고 후막화 하기 위해 스패터링 방법이 검토되

고 있다

⑼ 불소수지의 안전성

ㅇ 테플론 PTFE의 열분해는 200(392)에서 감지되며 이

것은 몇 가지 플루오르화 탄소 기체들과 승화물질을 방

출한다4445)1955년 동물실험에 관한 한 연구에서는 이들

물질이 250(482) 이하에서는 의미 있는 양이 아니라

고 결론지었으나 최근 비-점착 주방기구인 프라이팬이

나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가열할 때 조류를

죽일 수 있는 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수

도 있다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있다45)

ㅇ 표 3-6은 EWG가 보고한 3-5분 내에 370까지 불소수

지를 가열할 때 발생되는 15종의 불소화합물에 관한 것

이다 테플론과 같은 코팅물질들이 장기적으로 인체에 미

61

치는 영향에 관한 연구는 이루어지지 않고 있으나 독감

과 유사한 질병을 유발할 수 있으며 이를 중합체 증기열

(polymer fume fever)이라 한다

표 3-6 15종의 유해물질 및 유독성 기체44)

ㅇ 최근 표 3-6의 화합물들 중 특히 TFA와 과불화된

(perfluorinated) PFOA(perfluorooctanoic acid)에 관심이

증가되고 있다 PFOA는 새로운 환경오염물질로 미국 환

경보호청(EPA)에 의하면 보통 때는 문제가 없으나 조리

과정에서 프라이팬에 열을 가하고 강하게 긁을 경우 용

62

출되어 나오며 이것이 음식물과 함께 인체에 흡수되는

것으로 추정하였다 한편 DuPont의 테플론 PTFE 연구

결과에 의하면 검출한계인 9ppb 이상 검출되지 않으며

테플론 주방기구에서는 PFOA가 존재하지 않는다고 발

표하고 있다

- 물이나 공기를 통해 환경에 노출된 PFOA는 고 콜레

스테롤 궤양성 대장염 갑상선 질환 고환암 신장암

및 임신성 고혈압과 관련된다고 보고되었다

- PFOA는 불소수지 생산과정에서 사용되는 첨가물로써

암모늄 형태로 PTFE 유화중합에 계면활성제로 사용

되며 불소수지의 품질과 균일성을 유지하기 위해 필

수적인 첨가물이기 때문에 전 세계 모든 불소수지 제

조업체가 사용 중에 있다 한편 국내 주력 산업인 반

도체 생산 과정에서도 PFOA를 대량으로 사용하고 있

어 체계적인 실태조사와 대책수립이 필요하다는 의견

들이 대두되고 있다

⑽ 불소화합물의 안전성과 환경대책

ㅇ 표 3-6에서 살펴본 바와 같이 테플론을 급격히 고온으로

가열하면 2종의 발암물질을 포함한 유독성 가스가 발생

63

하고 특히 불소화합물 중 MFA(monofluoroacetic acid)는

적은 양으로도 치명적 해를 끼치고 PEIF(perfluoro-

isobutene)는 신경가스제로 여러 가지 질환을 발생시킨다

한다44)

따라서 테플론으로 코팅된 장치를 재 코팅하기

위해 테프론을 고온으로 급격히 가열하거나 소각 등을

통해 제거할 때는 발생 가능성이 있는 유독가스를 제거

하기 위한 별도의 설비를 이용하여야 하고 유 등44)의 보

고서에서와 같이 중조(NaHCO3)를 포화시킨 충분한 물로

유독 산성 물질을 중화시키는 것도 고려할 만하다 한편

부식대전 방지 코팅도 테플론 코팅 일변도에서 세라믹

코팅 CNTs이나 DLC 코팅기술로 대응하는 것을 추천하

고 싶으며 이것은 유해물질 배출 및 이동량 보고제도

(PRTR Pollutant Release and Transfer Register)에 대

비하는 등 기업의 장래를 고려하는 것도 될 것이다

ㅇ PTFE를 사용한 취사도구는 1960년대 이래 사용되어 오

고 있으나 최근 들어 이것의 안전성이 논쟁의 주제가 되

고 있으며 논의 주체는 PFOA(perfluorooctanoic acid)이

다 PFOA는 PTFE를 비롯한 많은 불소수지의 생산에

사용되며 DuPont의 테플론 PTFE 연구 결과에 의하면

프라이팬을 260 이상 고온에서 가열하거나 코팅이 벗

겨져도 PFOA가 존재하지 않는다고 한다 그러나 물이나

64

공기 토양 식품포장재 등 여러 곳에서 PFOA 오염사실

이 보고되고 있다 한다44)

- 미국 EPA는 인체와 환경에 대한 PFOA 연구를 계속

하고 있으며 2015년까지 PFOA 및 이와 관련된 화합

물 방출을 배제할 프로그램을 갖고 있으나 PTFE-기

초 비점착 취사기구를 중지시킬 타당성을 갖고 있지

는 않다 최종제품은 PFOA가 아닌 PTFE이기 때문이

다

- 수십 년 동안 불소수지 비점착 코팅이 시장을 지배하

였으나 최근 몇 가지 신기술들이 출현되고 있으며 이

들 대부분은 실리콘 세라믹과 실리콘 기술로 이들 코

팅은 PTFE와 PFOA를 함유하지 않는다

- 오늘날 출시된 비점착 취사용구는 수많은 상표로 팔

리고 있으며 DuPont에 의하면 대부분의 취사용구 코

팅은 정상적으로 사용할 때 3-5년 견딜 수 있을 것으

로 예측한다 너무 문질러서는 안 되고 따뜻한 비눗

물로 씻어주는 것이 좋으며 닳거나 흠이 생기지 않도

록 나무 플라스틱이나 코팅된 재료로 만든 도구를 선

택하고 보관도 흠이 생기지 않을 장소나 캐비닛을 권

장하고 있다

65

ㅇ 국내의 불소수지 안전성에 관한 것으로는 재질규격(납과

카드뮴)과 용출규격(납 과망간산칼륨소비량 증발잔류물)

이 식품용 기구 및 용기 포장 공전46)에 기재되어 있으며

최근 국내에서도 PFOA를 비롯한 유해 불소화합물에 관

한 관심이 커져 가고 있다

ㅇ PFOA 문제가 표면화 되면서 환경 보전형 불소계 발수

유제의 개발과 공업화도 새로이 부각되고 있다 이에 관

한 보고서를 모니터링한 KISTI자료47)를 중심으로 간단히

요약하면 발수제의 주요성분 퍼플루오로알킬기(Rf기)함

유 폴리머의 기능은 Rf기의 고리길이에 크게 의존하므로

PFOA문제 해법으로 탄소수 8 이상인 종래의 불소화학

에서 탈피 짧은 고리 Rf기(탄소수 6)를 가진 새로운 단

량체를 선택하여 발수제를 제조함으로써 환경 보전형 불

소계 발수유제를 개발하고 공업화하였다 한다

66

제 4 장

지원결과

1 지원결과 종합

테프론 코팅 기술의 문제점과 부식대전방지용 테플

론 코팅에 관한 정보 외에 신청기업의 요청에 따

라 C-나노튜브 코팅 및 DLC증착에 관련된 기술 정

보도 제공하였다

테플론은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat resistant)

비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coefficient of

friction) 내약품성(chemical resistance)과 특이한 전기적

특성(unique electrical properties) 및 온내구력(cryogenic

stability)으로 그 응용범위가 광범하며 용도에 따른 엄격

한 품질관리가 요구될 것으로 생각되어 중소기업에 적합

한 기초능력 배양과 신제품을 구상하기 위한 최신기술에

관한 정보를 제공하고자 하였다

67

불소수지의 코팅은 두께와 첨가제가 관건으로 이에 관한

자료를 제공하고자 하였으며 불소수지의 전기특성 폭발

성 환경과 반도체 제조공정에서의 대전 방지 처리를 위

한 정전기 관리 지표 등을 특허를 중심으로 조사하여 제

공하고자 하였다

C-나노튜브를 이용한 대전방지 코팅 기술 및 C-나노튜

브의 제법 등 이것에 관한 기초정보를 제공하고자 하였

으며 내마모성 테플론 코팅에 관해서는 테플론을 이용한

세라믹 코팅 기술에 관한 정보도 제공하고자 하였다

테플론의 기계적 전기적 특성을 강화하기 위해 사용되는

충전제를 종합하고 기초이론을 정립함으로써 금후 원부

자재의 선정에 도움을 주었다

테플론은 석면 대체재로도 주목받고 있어 이에 관한 특

허 정보들을 제공하였으며 다이아몬드의 전형적인 특성

을 나타내는 DLC의 코팅관련 기술 정보를 환경오염 문

제와 연관하여 자료를 제공하였고 최근 비-점착 주방기

구인 프라이팬이나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가

열할 때 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수도 있

다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있어 이에

관한 정보도 제공하였다

68

2 지원의 한계

중소기업이 당면한 문제는 전문기술의 확보다 관련 기술

이 비약적으로 발전하는 추세에 비추어 한정된 인원으로

신기술을 소화하고 개발하기는 어려울 것이므로 출연연

구기관이나 대학과 공동연구를 모색할 수 있으나 이것도

중소기업으로서는 경제적 부담이 될 수밖에 없을 것으로

생각된다 가능하다면 앞으로도 KISTI의 정보지원이 계

속되기를 바라고 있었다

3 기대효과

부식대전 방지 테플론 코팅에 관한 기본 기술이 배양되

어 합리적인 원부 원료의 수입검사 공정관리 및 제품관

리를 통해 원가절감은 물론 신제품 신기술에 관한 정보

수집 및 분석능력이 배양되고 개발력이 확충되어 기업

경쟁력 향상에 도움이 될 것이다

69

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이치옹 모니터링분석 KISTI

75

저자소개

김학주(金鶴柱) 서울대학교 문리과대학 화학과 졸업 이학사

전북대학교 대학원 화학과 이학박사

(주)삼양사 의약연구소장 신성대학교 교수

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 폴리에스테르 섬유의 연중직방기술 외 다수

저서 기기분석 공업물리화학 일반화학

성용길(成墉吉)

동국대학교 이과대학 화학과 졸업 이학사 이학석사

부산대학교 대학원 화학과 이학박사(Dr Sci)

University of Utah USA Ph D(공학박사) Post Dr

유타대학교 연구교수 부산대학교 교수 동국대학교 교수

동국대학교 명예교수 한국원자력문화진흥원 이사

과학문화연구원전문연구위원 한국도량형과학문화연구원 원장

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 의료용 기능성 고분자재료에 관한 연구 외 330편

저서 고분자 물성론 (서울대학교 출판부 공저) 외 10권

31

ㅇ 불소수지는 내열성 내한성이 높고 내약품성 내연소성

난연성이 우수하고 절연성 및 비점착성과 저 마찰계수를

갖고 있으나 절연성이 높아 정전재해의 원인이 될 수 있

어 재해 방지를 위해 대전 방지 또는 저저항을 특징으로

하는 불소수지 가공품이 개발되어 사용범위가 넓어지고

있다

불소수지에 충전하여 저저항으로 하는 필러에는 일반적

으로 도전성이 높은 카본 금속 또는 산화알루미늄 등의

금속산화물이 사용된다 재료의 형상으로는 미분 탄소

스테인레스 스틸 니켈 금속분과 같은 입상물 단섬유 탄

소섬유 위스커(whisker) 등이 사용된다

- 미분은 비표면적이 크기 때문에 소량의 충전으로 저

항치를 내릴 수 있으나 약품의 침투가 있는 경우 비

표면적이 크기 때문에 약품의 영향을 받기 쉬워 내부

식성 떨어질 가능성이 크다

- 입자상물질들은 미분에 비해 비표면적이 작기 때문에

약품의 영향을 비교적 적게 받지만 저항치를 내리기

위해 충전량이 많게 되어 불소수지의 특징인 비점착

성과 저마찰계수 특성을 저해한다 섬유 위스커 형상

은 단방향에 대한 장방향의 비가 클수록 적은 충전량

32

으로 저항치를 낮출 수 있지만 분산이 나쁘면 요철이

발생한다 부식 방지 코팅에서는 충전제의 내약품성이

관건이다 즉 부식 환경에서 불소수지 자체는 충분히

견디어도 충전제가 내약품성이 없으면 충전제가 서서

히 에칭되어 기기가 부식될 가능성이 크다

화학 석유 및 정제 산업에서는 시험 검사 세척 및 다양

한 공정의 용기 저장 탱크 반응기와 같은 많은 구성요

소들이 사용되며 플루오르화 고분자는 고온에서 높은 열

안정성을 갖고 다양한 유기용매에 전혀 용해되지 않으므

로 부식방지 등을 위해 플루오르화 고분자와 같은 내화

학성 고분자로 코팅된다 그러나 이들 고분자는 코팅된

구성요소의 표면에 정전하 축적을 조장하기 때문에 폭발

성 환경에서는 사용할 수 없다

특히 이들 구성요소들의 금속 구조물은 용기나 탱크에

보관된 가스 증기 분진의 이동에 의해 생성된 정전하

(electrostatic charge)를 흐르게 하는 전도경로가 되나 금

속표면을 강산 강알칼리나 유기용제에 의해 침투되는 방

지하기 위한 목적으로 부식방지 테플론으로 코팅될 경우

얇은 필름의 비-전도체로 작용하므로 폭발성 환경에서

사용을 규제하고 있다

33

- 예로 유럽 표준 EN 50014 section 732에서는 정전

하로 인한 발화 위험을 피하기 위해 사용 보수 및 세

척 조건 하에 설계된 울(enclosure)이 필요하고 울의

절연저항은 1GΩ을 초과할 수 없도록 규제하고 있고

일본은 후생노동성 관할 산업안전연구소의 정전기 안

전지침의 누설 저항치는 108Ω 이하로 되어 있다

- 따라서 부식 및 폭발성 환경에서 안전하고 다양한 구

성 요소에 적용할 수 있는 정전방지 비-발화 테플론

코팅기술을 요하며 정전방지 코팅은 표면저항을 낮추

기 위해 카본블랙이나 개질 전도성 탄소 금속이나 전

도성 고분자를 테플론에 충전하여 코팅한다

폭발성 환경용 내화학약품 특성과 대전방지 비발화

코팅 조성물로는 높은 비저항을 갖는 플루오르 고분자

50-90wt 10-50wt의 전도성물질인 탄소분(carbon

powder)으로 이루어진 Solex Robotics Systems Inc

특허가 있다13)

- 폭발환경에서 사용되는 이상적인 코팅은 정전하를 피

하기 위해 낮은 비저항을 가져야 한다 완벽한 전도체

는 비저항이 영(0)이고 완벽한 절연체는 무한 비저항

34

을 갖는다 금속(구리 금 같은) 합금(망가닌 Mn-Ni-

Cu 니크롬 Ni-Cr-Fe) 반도체(카본이나 게르마늄)는

낮은 비저항을 갖고 있어 좋은 도체이다

- 수많은 고분자 기초 코팅들이 부식화학 환경에 사용

되었으나 85GΩ 이상의 비저항으로 대전방지 시험에

서 실패하였다 정전기 도체로 인증기준 아래 적합하

기 위해서는 100cm2이상의 노출 표면이 1GΩ 이하의

비저항이어야 한다 코팅에 첨가된 탄소분은 전도도를

증가시키며 10-50의 함량은 1GΩ 이하의 비저항을

만족시킨다

비전도성 표면의 표면저항을 감소시키도록 카본이나 금

속을 사용하여 대전방지를 부여하는 공정의 단점으로는

카본이나 금속의 접착력이 낮아 입자의 마모가 일어나

장기간 사용 시 대전방지 수준이 감소하는 것이다 더욱

클린룸에서 입자의 방출은 심각한 문제가 된다 대부분의

비전도성 기질은 통상 23 상대습도 50에서 표면 비

저항이 109ohmsquare 이상으로 높고 PTFE 경우는 10

12

ohmsquare이상이다14)

반도체 제조 장치에서는 웨이퍼 기판을 안착하기 위해

작업 스테이지를 사용하며 작업스테이지는 통상 금속과

35

세라믹으로 제작되나 웨이퍼기판을 작업스테이지에 올려

놓을 때 작업스테이지와 웨이퍼기판 사이에 마찰 정전기

가 발생한다 FPD(flat panel diplay 평판표시)용 디스펜

서(dispenser)에 사용되는 작업스테이지는 진공방식으로

디스플레이 기판을 흡착 고정하며 흡착 고정되었던 디스

플레이 기판이 작업스테이지에서 박리될 때 작업스테이

지에 정전기가 발생하여 디스플레이 기판에 대전된다 최

근 디스플레이 기판이 대형화됨에 따라 대전량이 증가되

고 정전기 대전문제가 더욱 심각해지고 있다 웨이퍼기판

이나 디스플레이기판에는 반도체소자 등 다수의 전자부

품들이 배치되어 있기 때문에 정전기가 발생되면 전자부

품의 신뢰성에 치명적 손상을 주고 기판에 분진이 부착

되거나 정전기의 대전으로 기판 리프트 업(lift up)시 기

판이 깨어지는 문제가 발생한다 정전기 대전을 방지하기

위해서는 작업스테이지에 이오나이저를 설치하여 중화하

기도하나 리프트 업이 불가능하거나 이온풍이 도달하기

전 방전하는 등 작업 스테이지와 기판 사이에서 발생한

정전기가 순간적으로 일으키는 박리대전 문제를 해결하

기 어려워 작업 스테이지의 정전기 방지를 위해 불소수

지로 코팅한다

- 불소수지는 다른 물질과의 흡착에너지가 작고 비점착

성이 우수하며 마찰계수가 작아 유리기판과의 상관관

36

계가 작아져 박리에 의한 정전기의 발생량이 적어지

나 불소수지는 절연성을 가지므로 테프론 코팅에서는

카본 블랙이나 전도성 고분자 등을 필러로 사용한다

대전방지가 필요한 반도체 제조장비 디스플레이 장치 및

테스트 장치 등의 작업 스테이지를 테프론 코팅함으로써

작업 스테이지의 정전기 발생을 방지하는 방법의 단점의

하나는 제작비용이 상대적으로 많이 드는 것으로 디스펜

서의 경우 디스플레이 기판이 대형화됨에 따라 작업 스

테이지의 크기가 커져 제작비용이 증가한다 또한 불소수

지의 경도가 낮아 코팅 막에 스크래치가 발생하고 이 부

분은 평탄도 유지가 어려우며 입자들이 발생하는 요인으

로 작용하며 불소수지가 절연성이므로 카본블랙이나 전

도성 고분자 등의 도전성 필러를 충전하여 대전방지에

적합한 면-저항을 갖도록 할 경우 카본블랙은 구형으로

분진이 발생하는 문제점이 있고 전도성 고분자를 사용할

경우는 내용제성이 약하고 과량의 바인더를 사용하여야

하며 박막 형성이 어렵고 불소수지의 경도를 보완하기

위해 아노다이징 처리를 하는 경우는 이후 별도의 코팅

과정을 거쳐야 하므로 제작비용과 제작시간이 증가하는

등 여러 가지 단점들이 있다 이러한 문제점들을 해결하

기 위한 방법으로는 작업 스테이지와 기판이 만나는 면

에 정전기 발생을 최소화시킴과 동시에 그 제조비용이

37

절감되고 적절한 면-저항을 조절할 수 있으며 마찰계수

가 낮고 내마모성이 향상된 작업스테이지 표면의 대전방

지 처리 방법에 관한 국내의 탑나노시스 사의 특허15)가

있다

- 탑나노시스 사의 특허 목적은 작업스테이지의 기판과

만나는 면에 정전기의 발생을 최소화시킴과 동시에

그 제조비용이 저감되고 적절히 면-저항을 조절할 수

있으며 마찰계수가 낮고 내마모성이 향상된 스테이지

표면의 대전방지 처리 방법에 관한 것으로 이 특허에

서는 금속소재의 작업 스테이지 표면을 아노다이징

처리하여 복수의 산화표면 홀들을 형성시키고 여기에

탄소나노튜브를 삽입하고 경화하며 탄소나노튜브 경

화 후에 표면을 봉공 처리한다

- 작업스테이지 표면은 106-10

9Ωsq의 면-저항을 갖는

것이 바람직하며 산화표면 홀들은 직경 30-900nm 깊

이 100-900nm가 바람직하다 아노다이징 처리를 하는

금속소재는 Al Mg Zn Ti Ta(탄탈륨) Hf(하프늄)

Nb(니오븀) 등일 수 있고 이 발명에서는 가벼우며 일

정 강도를 갖고 가공성이 우수한 Al합금을 예로 들어

설명하고 있다

38

- 알루미늄소재 작업스테이지 표면에 산화피막(Al2O3)처

리를 하는 아노다이징(anodizing 양극산화)에서 전해

액은 수산화나트륨이나 수산과 황산 등이 사용될 수

있고 수산화나트륨의 농도(20-50) 공급전압 전류

및 시간 등을 조절하여 산화표면 홀의 크기(D)와 깊

이(L)를 조절하며 D와 L에 따라 대전방지 효과나 내

구성 및 표면경도를 조절한다

- 탄소나노튜브를 산화표면 홀 내에 삽입시키는 단계는

전해 흡착 하여 이루어질 수 있고 정전도장을 통해서

도 이루어질 수 있다 탄소나노튜브는 분산제를 포함

하는 용액으로 코팅되며 분산제로는 소듐 도데실설페

이트(SDS) 트리톤X Tween20(폴리옥시에틸렌 소르

비탄모노올레이트) CTAB(cetyl trimethyl ammonium

bromide)를 예로 들고 있으며 탄소나노튜브 용액은

아크릴계 우레탄계 등 또는 전도성 고분자계 유무기

하이브리드계 바인더가 포함될 수 있다

- 봉공처리는 산화표면 홀과 산화피막을 봉공하여 내식

성 등이 향상되도록 보호 층을 형성시키는 것으로 비

등수 가압증기에 의한 수화봉공 금속염을 포함한 열

수에 의한 금속염 봉공 오일로 도포나 침적하는 유기

물 봉공 양극산화 피막 층에 도장하는 도장에 의한

39

봉공 등이 있다

반도체 소자를 제조하는 과정에는 불순물 이온을

주입하는 장비가 이용되고 있다 (주)하이닉스 반도

체의 특허에서는 이온주입 장비의 웨이퍼 지지 장

치 리프트 핀의 끝단을 라운드 처리하고 리프트 핀

에 테플론을 코팅하여 리프트 핀과 웨이퍼 후면의

접촉 시 웨이퍼 후면에 스크래치와 같은 손상이 유

발되는 것을 억제할 수 있게 한다16)

⑷ 탄소나노튜브(CNTs Carbon Nano Tubes)17)

탄소나노튜브는 탄소의 동소체로 1991년 일본 NEC 연구

소의 Ijima박사에 의해 전자 현미경을 통해 처음으로 확

인되었다 1985년에 Kroto와 Smalley가 탄소의 동소체인

풀러렌(탄소 원자 60개가 모인 것C60)을 처음으로 발

견한 이후 전기방전 시 흑연 음극 상에 형성된 탄소덩어

리를 투과전자현미경으로 분석하는 과정에서 발견하여

Nature학술지에 처음으로 발표되었다18) 탄소나노튜브에

서 탄소원자 하나는 주위의 다른 탄소원자 3개와 sp2결

합을 하여 육각형 벌집무늬를 형성하며 이 튜브의 직경

이 대략 수 나노미터(nm nanometer) 정도로 극히 작기

40

때문에 나노튜브라고 부르게 되었다 이 탄소나노튜브는

전기 세기가 클수록 더 수축하는 성질을 가지고 있는 등

튜브의 직경이 nm수준으로 극히 작아서 특유의 전기화

학적 특성을 나타낸다

Ku 등19)에 의하면 CNTs는 전기방사법(arc-discharge)

레이저증발 법(laser vaporization) 플라즈마 화학기상증

착 법(plasma enhanced chemical vapor deposition) 열

화학 기상증착 법(thermal chemical vapor deposition) 등

의 다양한 합성법이 개발되어 대량생산이 가능하다

CNTs의 종류는 벽의 수에 따라 단일 벽 탄소나노튜브

(SWNTs) 이중 벽 탄소나노튜브(DWNTs) 다중벽 탄소

나노튜브(MWNTs)가 있으며 물성에 관한 많은 연구결

과 기계적 전기적 열적으로 우수한 성능을 갖고 있음이

입증되었다

CNTs는 인장강도와 탄성률 면에서 지금까지 발견된 재

료 중 가장 강하고 질기며 다중벽 CNT는 63GPa에 이른

다 표준 단일 벽 CNT는 25GPa의 압력까지 변형 없이

지탱된다 그래핀의 대칭성과 특이한 전기적 구조 때문에

CNTs의 구조는 그것의 전기적 특성에 영향을 미쳐 금속

성이나 반도체의 특성을 나타내고 이론적으로 금속성

41

CNTs는 구리와 같은 금속의 1000배가 큰 4times109Acm

2

전류 밀도를 운반할 수 있으며 나노크기의 단면으로 전

자가 튜브의 축 방향으로만 전파되고 전자의 이동은 양

자효과를 수반하여 1차원 전도체로 간주된다

CNTs는 우수한 물성과 상대적으로 큰 표면적으로 갖고

있어 충전제(filler)로써 에폭시 폴리스틸렌 폴리우레탄

등 고분자와 혼합하여 폴리머의 기계적 전기적 특성을

향상시키려는 연구가 활발하다 CNTs가 폴리머 중에서

충전제 역할을 하기 위해서는 고른 분산이 필요하나 반

데르발스 힘에 의한 CNTs 응집현상(agglomeration)으로

인해 효과적인 분산이 어려워 오히려 폴리머의 물성을

저해하므로 이것을 개선하기 위한 다양한 기계적 화학적

분산 방법이 연구되고 있다

- CNTs를 분산시키기 위한 가장 일반적인 방법은 용매

나 폴리머에 CNTs를 투입하고 초음파처리를 하는 것

으로 초음파처리를 하면 SWNTs의 길이가 짧아지고

다발(bundle)이 얇아져 분산력이 증가한다

- CNTs 표면을 산이나 아민으로 기능화하여 분산을 높

이는 방법도 연구되고 있으며 MWNTs를 HNO3

H2O2NH4OH 용액에 침지시켜 MWNTs에폭시 복합

42

재료는 전기적 특성을 향상시키려는 연구와 산과 아

민 등의 기능기를 도입하여 SWNTs의 열전도도를 향

상시키려는 연구들이 수행되고 있다

- 기계적 분산방법인 전단혼합방법은 좁은 관이나 상대

적으로 높은 속도의 유동을 이용하여 발생한 전단력

으로 CNTs를 분산시키는 방법이다 Ku 등19)은 전단

혼합과 초음파처리를 이용하여 MWNTs로 강화된

에폭시 복합재료를 만들어 기계적 및 열적 특성을 연

구하였다

⑸ 내마모성 테프론 코팅

ㅇ 재료의 부식은 구조재에 원하지 않은 변화 원인으로 작

용하여 경제적인 문제로 귀결되는 심각한 문제이다 이들

원치 않는 변화는 때로 적절한 코팅에 의한 표면처리로

예방할 수 있다 가장 일반적이고 자주 사용되는 전착 코

팅은 아연에 기초한 아연 코팅 및 합금 코팅으로 이들

코팅은 간단한 기술로써 내부식성이 양호하여 전 표면처

리의 약 14에 해당하나 최근 낮은 마찰계수 등 다른 특

성들이 매우 중요하게 되었다 이들 특성은 다층 코팅으

로 대응할 수 있으나 두께가 증가하고 기술이 복잡하여

가능한 해결방법으로는 복합체 코팅이 있다 복합체 코팅

43

은 일반기계와 자동차 전자부품 및 컴퓨터 등 다양한 분

야에 적용된다 금속 기질에 미세한 PTFE 입자의 전착

에 의한 증착은 새로운 세대의 복합체 코팅으로써 가장

바람직한 특성은 양호한 내마모성 자기윤활 내부식성이

다 M Paderovaacute 등20)에 의하면 이들 특성은 주로 사용

한 입자(흑연 다이아몬드 MoS2 또는 PTFE)와 용액의

유형(pH 온도 bath 등) 뿐 아니라 입자의 크기 농도

분산 및 형태학에 의존한다

ㅇ 충전되지 않은 PTFE의 마모율은 736-741times10-4mm3Nm

로 내마모성이 낮아 다양한 충전제들이 첨가되고 있다

Xing-Dong Yuan 등21)은 진공 조건에서 PTFE 코팅

의 마모특성을 연구하여 초기에는 하중이 증가함에 따

라 마찰계수가 감소하나 하중이 6N 이상으로 커지면

마찰계수도 증가하며 압력이 PTFE 코팅의 마찰계수

에 미치는 영향이 거의 없고 마모는 압력이 증가하면

초기에는 감소하나 10Pa 보다 높으면 급격히 증가한

다고 보고하였다

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위해서는 윤활제로 PTFE

계 수지 접착제로는 폴리아미드이미드수지 산화철 분말

44

및 브론즈 분말 등을 혼합한 조성물을 사용하거나 미국

특허에서는 스와시플레이트 형 압축기의 플레이트 표면

에 MoS2 흑연 PTFE계 윤활제와 열경화성 수지인 폴리

아미드이미드(PAI) 조성물을 코팅하여 내마모 및 윤활성

을 부여하고 있다22) 내열성 향상을 위해서는 고체윤활

제 접착제수지 및 저융점 금속인 Sn Pb In Bi 등을 함

유하는 합금이나 화합물을 사용하여 금속의 잠열을 이용

내열성 향상을 시도하기도 한다

ㅇ 그간 철강(스테인리스강 탄소강 아연도금강판 등)의 내

부식성 향상을 위한 많은 연구들이 수행되어 왔다 4플루

오르에틸렌(C2H4) 4플루오르에탄(CF4) 6플루오르에탄

(C2F6) 3플루오르화에탄(CHF3) 8플루오르화에탄(C4F8)

같은 불소화된 단량체의 플라즈마 중합에 의한 테플론

류 코팅은 그들의 소수성으로 인해 금속의 내부식성 향

상을 위한 대안으로 주목을 받고 있다 A Delimi 등23)

은 유도결합 고주파플라즈마(inductively coupled radio

fre- quency plasma)를 사용하여 소수성 박막 불소수지

필름을 탄소강에 증착하고 3염수에서 내부식성을 평가

한 결과 1개월 동안 9nm의 필름이 유지되는 것을 관찰

하여 불소고분자 박막이 금속과 금속산화물의 보호층이

될 수 있음을 보고하였다

45

ㅇ PTFE를 이용한 세라믹코팅 기술로는 알루미늄 및 알루

미늄 합금 공작물을 양극처리에 의해서 티타늄 및또는

지르코늄 산화물을 포함하는 내식성 내열성 및 내마모

성 세라믹 코팅을 하고 이어서 양극처리된 공작물을

PTFE 또는 실리콘 함유 코팅과 같은 제 2 코팅으로 코

팅한다 이 발명은 가소성을 가지는 경질의 필름 내에서

내식성 내열성 및 내마모성을 제공하는 티타늄 및또는

지르코늄 산화물의 양극처리 층으로 기판을 예비-코팅함

으로써 알루미늄 기판에 보다 긴 수명의 코팅을 형성하

는데 특히 유용하다24)

ㅇ Nosaka 등25)은 PTFE로 대표되는 불소수지는 마모-링이

나 극저온 밸브의 실링부에 많이 사용되며 진공치환법에

의해 탄소재료에 PTFE나 MoS2 분말을 1-2wt 함침시

키면 무함침한 것에 비해 마모가 약 13로 감소한다고

보고하였다 한편 저자들은 터보펌프의 실링재료가 극저

온 환경에서 보이는 특이한 현상을 극복하기 위해 베어

링의 표면에 노출된 유리섬유를 불소산으로 처리하여 용

해 제거하고 윤활성을 높인 유리섬유강화 테프론 리테이

너를 개발하여 내구성과 윤활성을 향상시킬 수 있었다고

보고하고 있다

46

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위한 또 다른 특허로는

폴리실록산계 접착제를 단독 혹은 폴리에스테르계 접착

제와 병용하고 고체 윤활제로 MoS2(이황화몰리브덴

WS2(이황화텅스텐) h-BN(육방정 질화붕소) 팽창흑연

및 PTFE를 사용하고 충전제로 탄화규소 알루미나 산화

지르콘 산화티탄 등의 미분말을 사용하여 내마모 내열

및 윤활성을 부여하고자 하는 내마모성 및 윤활성 코팅

조성물에 관한 특허가 있다26)

ㅇ 내열성 내후성 내오염성 내약품성 내구성 등의 물성

은 유지하면서 비점착성을 높이기 위해 무기계 세라믹

코팅 조성물에 PTFE를 첨가하기도 한다 이러한 하이

브리드 코팅 조성물에 관한 특허로는 불소수지(01sim25

중량) 콜로이달 실리카나 콜로이달 알루미나 등 무

기계고분자 바인더(20sim80중량) 알콕시실란 화합물

(1sim50중량) 수용성 유기용제(1sim10중량) 충전제

또는 안료(5sim50중량) 및 물(100중량 까지 보충)로

이루어진 코팅 조성물에 관한 것으로 무기질 도료 및

무기계 세라믹 코팅에 의해 내열성 내오염성 내약품

성과 내구성을 유지하고 접착력을 높이기 위해 소량의

PTFE를 사용하는 것이 있다27)

47

ㅇ 정전 복사기에 사용되는 정착기재부의 최외층에 코팅하

여 기계적 성질 및 내마모성을 향상시키려는 목적으로

불소수지 기질 중에 분산된 불소화 다이아몬드를 함유하

는 입자로 구성된 조성물에 관한 일본 특허28)가 있다

ㅇ 부식 특성을 개선한 흑색 무크롬(chrome-free) 다층 내

부식 마무리 칠과 방법에 관한 특허29)로는 ASTM B 117

표준으로 시험할 때 백색 부식에는 최소 500시간 염수분

무시간 및 적색 부식에는 1500시간 염수분무시간에 적합

하게 설계된 마무리 칠에 관한 것이 있다 이 다층 시스

템은 광택(gloss) 4 이상을 만족하는 자동차 차체 강판

자동차 하부와 내장에 사용되기 위해 설계된 것으로 이

다층 마무리 칠은 3층 부식 방지 시스템을 형성하도록

아연-철 전기도금 기질 오르토인산을 사용한 무전해 인

산염 결정 전환 층과 XylanTeflon 실러 코팅의 조합이

다

ㅇ 전통적으로 철 강판(steel sheet)은 크롬산 염 전환 코팅

으로 개질되어 왔으나 6가 크롬이 배출되어 환경을 오염

시키는 문제점이 있어 강판의 내-부식성을 개선하기 위

해 고분자 수지 코팅들이 수행되고 있으나 이 방법은 고

48

분자 코팅 층이 열전도도를 감소시키는 단점을 가지고

있다 Kang 등30)은 강판 위의 고분자 코팅 층의 열전도

도를 향상시키기 위해 초미세-크기 다이몬드(μD)입자를

열전도 물질로 사용하였다 다양한 음이온 및 비-이온

계면활성제들을 사용하여 수용액 중에서 무거운 μD입자

의 안정화를 시험들을 한 결과 1-피렌카르복시산(PCA)

이 가장 양호하였다 그림 3-2는 이 시험 결과를 요약한

것이다

- 강판 위에 PCA로 안정화 된 μD 입자를 함유한 폴리

우레탄-기초 코팅 층은 열전도도가 0351W(mK)에서

0434 W(mK)(10 wtμD)로 향상되었으며 더욱 144

시간 동안 염수 분무 시험결과 부식거동은 관찰되지

않았다

그림 3-2 피렌카르복시산을 이용한 μD 표면처리

ㅇ 자동차공업에서는 기본적인 특성으로 내마모성이 요구되

49

는 강철 기계부품들의 마찰특성을 향상시키기 위해 다양

한 금속 및 고분자 코팅들이 광범하게 이용된다 내-마

모 코팅은 두 가지 주요 특성인 높은 표면경도와 자기-

윤활 특성이 필요하다 후자의 범주에 속하는 것이

PTFE와 MoS2 기초 코팅이다 무전해 니켈 코팅은 높은

경도로 인해 양호한 마찰 특성을 보이며 한편 열처리를

통해 경도를 향상시킬 수 있다 PTFE입자의 첨가는 코

팅경도를 감소시키나 자기-윤활특성을 부여한다 S

Rossi 등3132)은 마찰특성을 향상시키기 위해 이용되는 탄

소강에 이용되는 몇 가지 공업적인 코팅에 관한 부식거

동에 관해 평가 PTFE입자를 함유한 무전해 니켈-인

(Electroless Nickel-Phophorus)코팅은 PTFE 입자(자기-

윤활 특성)를 갖는 외층과 장벽-효과를 갖는 내층으로

인한 이중 특성으로 가장 양호한 특성을 보였다고 보고

하고 있다

ㅇ 모든 기계적 시스템은 동적 요소를 필요로 하며 마찰과

마모를 줄이기 위한 다양한 수단들이 가능하나 그 선택

은 환경이나 조작 조건에 제한을 받는다 PTFE는 자기

윤활 낮은 마찰계수 높은 열안정성과 화학약품 안정성

으로 산업분야에 널리 사용되는 엔지니어링 고분자이지

만 내마모성이 매우 부족하다 이러한 이유로 금속

-PTFE충전 복합체들이 PTFE의 마찰특성과 금속충전제

50

의 내마모성을 결합하여 특정 분야의 용도로 소개되어

왔으나 금속-고분자 물질에서의 충전제의 역할은 완전히

설명되지 않고 있다 복합체 표면의 과잉의 충전제 농도

는 미끄러지는 동안 부하를 지지하여 내마모성을 증가시

키는 것으로 생각되며 PTFE의 마모율은 Mo Zn Ni

Y2O3 및 SiO2 같은 무기 충전제에 의해 1000배가량 감소

되었다는 보고도 있다 유리섬유 구리 세라믹 탄소섬유

절단 탄소섬유 나노입자를 포함한 경질의 충전제 입자들

이 PTFE의 내마모성을 높이기 사용되어 왔다

ㅇ 비교적 두꺼운 코팅에는 열분사(thermal spray) 용사기

술이 정립되어 있고 용사 코팅은 내마모 내마찰 내프레

팅(fretting) 및 내부식을 요하는 산업에 많이 이용되고

있다

- 용사 몰리브덴(Mo)코팅은 실질적 내마모성 코팅으로

가장 광범하게 이용되며 프레임용사(flame spray)거나

와이어용사(wire spray)기술로 생산된 몰리브덴(Mo)

코팅은 흠이나 마모에 대한 고도의 저항을 얻기 위한

가장 좋은 코팅재료 중의 하나이다

- 알루미늄 청동(aluminium bronze)은 높은 내-부식성

과 내마모성을 갖는 것이 특징이다 저압 플라즈마 용

51

사 기술은 자기-아닐링(self-anealing)과 부서지기 쉽

도록 유도하는 γ-상의 형성을 피할 수 있도록 높은

냉각 속도를 얻는 데 사용되며 알루미늄 청동 저압

플라즈마 용사 코팅은 낮은 마찰과 마모를 보였고 비

교적 최근 플라즈마 용사 기술을 이용하여 알루미늄

기질에 고분자-세라믹 복합체를 코팅하는 기술이 개

발되었다33)복합체 코팅으로 행한 마찰 시험에서 낮

은 마찰계수를 얻을 수 있었다

- 낮은 마찰계수와 고 내마모성을 갖는 이성분 금속

-PTFE 코팅이 개발되었고 이들의 마찰 공학적 성능

이 보고되었다 PTFE-기초 복합체 설계에서 일반적

인 접근방법은 경질의 충전 입자들을 도입하는 것으

로 M Yamane 등34)은 PTFE-금속 이성분 코팅의 마

찰 마모성능에 관한 연구 결과 알루미늄 청동 코팅이

Mo코팅에 비해 PTFE 저장소(reservoir)에 유용했음

을 보고하였다

⑹ 충전 또는 강화 플루오르화 탄소1)

ㅇ 분말이나 강화섬유 등 전형적인 충전재들이 충전 또는

강화 플루오르화 탄소에 사용된다 충전재는 저온흐름

52

을 향상시키는 데 사용되며 수축과 균열을 줄이고 열

팽창을 낮추며 열전도율을 향상시킨다

ㅇ 분말이나 단섬유로 된 전형적인 충전제를 표 3-5에 종합

하였다 유리섬유는 가장 보편적인 PTFE 충전제로 화

학 및 전기적 특성에 최소로 영향을 미치며 기계적 특

성을 크게 향상시킨다 분말에 비해 섬유는 압축강도

강성도 및 지지용량을 더욱 향상시키나 분말은 충전

테플론의 내구성에 거의 영향을 미치지 않는다 금속분

말은 특히 열전도도를 향상시키며 고속에서 발생하는 마

찰열을 소멸하는데 도움이 되며 전기저항을 상당히 감소

시켜 금속-충전 조성물은 양호한 절연체는 아니다

ㅇ 흑연(graphite) MoS2는 초기 내구성과 마찰을 개선하고

기계적 특성을 향상시킨다 석면은 많은 유용한 특성을

갖지만 가공 처리 중 가스가 방출할 뿐 아니라 사용금지

물질이다 표 3-5 외에도 금속 망 장섬유 다공성 금속

등 다양한 충전제들이 있으며 다양한 종류의 제품들이

상업 생산되고 있어 최종 선정을 하기 전에 플라스틱 가

공업자로부터 보다 완전한 정보와 추천을 받는 것이 바

람직하다

53

표 3-5 불소수지용 충전제

ㅇ 압축강력 인장과 압축 시의 탄성률 및 항복강력은 첨가

제의 첨가에 의해 모두 증가하나 일반으로 인장강력과

신도 및 충격강도는 손실된다 통상 충전 테플론은 압축

상태에서 사용되므로 인장강력의 감소는 중요하지 않다

인장강력의 손실은 설치(연속적인 링-실링)할 때 인장되

는 재료에서 중요하다 열팽창 계수는 비-충전 테플론에

비해 감소되어 통상 금속 부품의 팽창계수와 잘 맞는다

ㅇ 마찰과 마모를 수반하는 분야에서 가장 중요한 것은 충

전제로 얻어지는 PV한계치의 증가와 마모의 감소다 비-

54

충전 테플론에 비해 PV한계치 크기는 개략적으로 1차원

적으로 증가하나 마모인자는 3차원적으로 감소한다 충전

테플론의 평균치들은 동적 마찰계수는 01-02 PV한계치

는 10000-20000 psi-fpm 마모상수는 10times10-10in3-min

lb-ft-hr이다 그림 3-3은 충전 테플론 PTFE의 마찰계

수에 미치는 충전제 종류와 농도의 효과에 관한 것이다

그림 3-3 테플론 PTFE에 미치는 충전제 종류와 농도1)

ㅇ 내마모성을 향상시키는 충전제는 실제로 연마저항성을

감소시키는 것으로 날카로운 입자는 보다 쉽게 침투하고

충전제 입자와 수지 사이의 경계를 따라 충전 플라스틱

을 찢는다 따라서 라이닝 슈트 같은 분야의 적용 시는

55

비-충전테플론이 보다 바람직하다

⑺ 시트 테이프 및 박층(laminates)

ㅇ 대부분의 플루오르화탄소는 충전 여부에 관계없이 두

께 1mil(0001 in)까지 시트나 테이프로 만들 수 있고

시트나 테이프를 찍어서 원하는 형상의 립-씰(lip seal)

펌프 컵(pump cup) 피스톤 링(piston rings) 가스켓

(gaskets) 등을 만들 수 있다

ㅇ 유체의 누설을 정지시키는 밀봉기능 부품 중 각종기기의

접합부나 배관 플랜지 등의 밀봉에 사용되는 가스켓

(gaskets)은 석면이 널리 사용되어 왔으나 유해물질 배

출 및 이동량 보고제도(PRTR Pollutant Release and

Transfer Register)에서 발암성을 가진 제1종 지정 화학

물질로 지정되어 사용이 금지되어 PTFE가 가스켓으로

개발되었다 PTFE는 용융 알칼리 금속 및 그 용액과 불

소 및 3불화염소에 의해 약간 침식되나 모든 화학약품에

안정하고 우수한 내부식 재료로 C-F결합력이 크고 F원

자가 C-C결합의 주위를 간격 없이 들러 싸고 있기 때문

에 다른 물질의 공격을 방어하고 있고 내열성은 260로

높다35)

56

- PTFE 필러를 사용한 PTFE 나선 권형 가스켓은 석

면에 대한 사용규제와 상관없이 사용되어 왔으며 유

연한 필러를 사용하므로 석면 가스켓 보다 낮은 체결

압력에서도 실 특성이 우수하고 내식 면에서도 광범

하고 다양한 유체에 사용이 가능하다 다만 단열성 면

에서는 석면 나선 권형 가스켓 보다 사용온도 범위가

제한된다

ㅇ 산업 기계나 자동차의 브레이크 제동장치에 부착하여 마

찰력을 부가하는 브레이크 라이닝에서는 마찰계수와 내

마모력 및 충격계수 등 마찰특성이 우수한 석면을 주로

사용하여 왔으나 제동 시 발생하는 미세 석면분진으로

인해 대기오염에 의한 환경을 파괴 뿐 아니라 인체에 흡

입될 경우 암을 유발하여 PRTR로 사용이 금지되었다

석면을 대체할 유기질 또는 무기질 된 다양한 비석면 마

찰 섬유 등이 사용되고 있으며 마찰 섬유에 테프론을 코

팅하여 브레이크라이닝의 수명향상 제동 시 발생하는 소

음 떨림 및 제동력 향상을 위한 제품개발이 시도되고

있다

- 예로 국내 특허36)에서는 브레이크 라이닝(또는 패드)

의 마찰재 배합재료 중 유기섬유(Kevlar섬유 pulp섬

57

유 등)에 테프론을 코팅하고 코팅된 유기섬유에 결합

재 충전재 윤활재 마찰안정재 마찰조정재 등을 소정

의 배합비로 배합하여 성형하고 열처리하여 브레이크

패드 또는 라이닝을 제조한다

ㅇ 초소형 정밀기계(MEMS Micro-Electromechanical

System)분야에서는 점착방지를 위해 불화 유기박막을

사용한다 Park 등37)은 단층 두께의 불화 유기박막의

특성을 접촉각 측정을 통해 분석하였다

⑻ DLC 코팅3839)

ㅇ DLC(diamond-like carbon)는 몇 가지 다이아몬드의 전

형적인 특성을 나타내는 비정질 탄소물질로 극도의 내마

모 특성을 필요로 하는 재료의 코팅에 이용되고 있다

DLC코팅은 연마 마모를 감소시키기 위한 재료에 유용하

여 엔드밀 드릴비트 금형 같은 공구는 물론 자동차 기

계부품 및 전자산업 등 산업전반에 걸쳐 적용된다40)

ㅇ 환경오염 문제로 인해 PRTR(Pollutant Release and

Transfer Register 유해물질 배출 및 이동량 보고 제

도) 이 시행되어 습동 부품이나 절삭 시에 사용되는 오

일이나 그리스에 포함되는 첨가제(MoS2 Zn 등)와 이들

58

부품을 세정할 때 사용되는 용매 기계부품의 수명을 연

장시키기 위해 활용되었던 Cr도금 폐액에서 발생하는 6

가 크롬 등의 오염물질들에 대한 규제가 더욱 강화되어

DLC에 의한 무윤활 습동과 무윤활 절삭을 지향한 공구

와 기계 부품의 개발이 관심을 끌고 있다4142)

- 일본 내에서는 PRTR이 시행되고 이것에 저촉되는 재

료에 관해서는 MSDS(Material Safety Data Sheet)를

첨부해야할 의무가 있고 부품가공 습동 용도에서는

대상 리스트에 올라 있는 오일 오일 중의 중금속 도

금폐액을 어떻게 경제성 있는 환경 친화적 공정과 재

료로 전환할 것인가를 고려하면서 무윤활 습동 무윤

활 절삭 탈크롬 도금의 3가지 키워드가 대두되고

DLC코팅이 대안으로 모색되고 있다

- DLC코팅 적용기술과 과제에 관한 자료로는 자동차

관련부품 적용사례 엔진부위 마찰 작동 밸브계의 마

찰저감 DLC와 윤활제에 의한 마찰저감 기술을 중심

으로 살펴본 보고가 있다43)

ㅇ DLC는 7가지 형태가 존재하며 모두 상당한 양의 sp3혼

성궤도 탄소원자를 함유한다 다양한 형태의 DLC가 진

공 환경으로 적합한 재료들에 적용가능하며 유럽에서의

59

2006년 위탁 DLC코팅 시장은 3천만euro로 추정되었고 국

내도 활발한 상용화가 시도되고 있다

ㅇ 사반면상(tetahedral) 비정질 탄소 ta-C를 2두께로 코

팅하면 연마마모에 대한 스테인레스 강(304 type)의 내구

성을 증가시켜 수명을 1주일에서 85년으로 늘이며 이러

한 DLC의 형태는 sp3결합 탄소 원자로만 이루어지기 때

문에 순수한 DLC로 간주되며 수소 sp2흑연 탄소 금속

같은 충전제가 생산경비를 낮추거나 원하는 특성을 부여

하기 위하여 사용되고 있다

ㅇ DLC를 만드는 방법에는 sp3탄소 보다 낮은 밀도의 sp

2

에 의존하는 몇 가지 방법들이 있으며 압력 충격 촉매

또는 이들의 조합으로 sp2결합탄소 원자들을 sp3결합탄소

로 근접시킨다 최근 초고압 하에서 탄소의 경량 특성을

갖는 초경도 무정형 다이아몬드가 만들어졌다 탄소로 만

들어지는 다이아몬드 그래파이트는 결정구조를 가지나

DLC는 비정질이라는 점에서 크게 다르고 200 정도의

저온에서 형성시킬 수 있다는 점이 통상의 PVD막에 비

해 훨씬 우위에 있다

ㅇ DLC코팅은 제조공정이 복잡하고 생산 단가가 비싸 적용

이 어려우며 적용되는 소재가 제한되는 단점을 갖는다

60

주요제법으로는 고주파 플라즈마 법 이온화 증착법 스

페터링법 등을 들수 있다 고주파 플라즈마 법은 메탄가

스가 원료로 사용되고 막 중의 수소가 약 30(원자)로

평활성이 우수하고 마찰계수가 작으나 경도가 낮다 이

온화 증착법은 벤젠을 사용하며 막은 단단하나 면의 조

도가 거칠고 후막화 하기 위해 스패터링 방법이 검토되

고 있다

⑼ 불소수지의 안전성

ㅇ 테플론 PTFE의 열분해는 200(392)에서 감지되며 이

것은 몇 가지 플루오르화 탄소 기체들과 승화물질을 방

출한다4445)1955년 동물실험에 관한 한 연구에서는 이들

물질이 250(482) 이하에서는 의미 있는 양이 아니라

고 결론지었으나 최근 비-점착 주방기구인 프라이팬이

나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가열할 때 조류를

죽일 수 있는 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수

도 있다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있다45)

ㅇ 표 3-6은 EWG가 보고한 3-5분 내에 370까지 불소수

지를 가열할 때 발생되는 15종의 불소화합물에 관한 것

이다 테플론과 같은 코팅물질들이 장기적으로 인체에 미

61

치는 영향에 관한 연구는 이루어지지 않고 있으나 독감

과 유사한 질병을 유발할 수 있으며 이를 중합체 증기열

(polymer fume fever)이라 한다

표 3-6 15종의 유해물질 및 유독성 기체44)

ㅇ 최근 표 3-6의 화합물들 중 특히 TFA와 과불화된

(perfluorinated) PFOA(perfluorooctanoic acid)에 관심이

증가되고 있다 PFOA는 새로운 환경오염물질로 미국 환

경보호청(EPA)에 의하면 보통 때는 문제가 없으나 조리

과정에서 프라이팬에 열을 가하고 강하게 긁을 경우 용

62

출되어 나오며 이것이 음식물과 함께 인체에 흡수되는

것으로 추정하였다 한편 DuPont의 테플론 PTFE 연구

결과에 의하면 검출한계인 9ppb 이상 검출되지 않으며

테플론 주방기구에서는 PFOA가 존재하지 않는다고 발

표하고 있다

- 물이나 공기를 통해 환경에 노출된 PFOA는 고 콜레

스테롤 궤양성 대장염 갑상선 질환 고환암 신장암

및 임신성 고혈압과 관련된다고 보고되었다

- PFOA는 불소수지 생산과정에서 사용되는 첨가물로써

암모늄 형태로 PTFE 유화중합에 계면활성제로 사용

되며 불소수지의 품질과 균일성을 유지하기 위해 필

수적인 첨가물이기 때문에 전 세계 모든 불소수지 제

조업체가 사용 중에 있다 한편 국내 주력 산업인 반

도체 생산 과정에서도 PFOA를 대량으로 사용하고 있

어 체계적인 실태조사와 대책수립이 필요하다는 의견

들이 대두되고 있다

⑽ 불소화합물의 안전성과 환경대책

ㅇ 표 3-6에서 살펴본 바와 같이 테플론을 급격히 고온으로

가열하면 2종의 발암물질을 포함한 유독성 가스가 발생

63

하고 특히 불소화합물 중 MFA(monofluoroacetic acid)는

적은 양으로도 치명적 해를 끼치고 PEIF(perfluoro-

isobutene)는 신경가스제로 여러 가지 질환을 발생시킨다

한다44)

따라서 테플론으로 코팅된 장치를 재 코팅하기

위해 테프론을 고온으로 급격히 가열하거나 소각 등을

통해 제거할 때는 발생 가능성이 있는 유독가스를 제거

하기 위한 별도의 설비를 이용하여야 하고 유 등44)의 보

고서에서와 같이 중조(NaHCO3)를 포화시킨 충분한 물로

유독 산성 물질을 중화시키는 것도 고려할 만하다 한편

부식대전 방지 코팅도 테플론 코팅 일변도에서 세라믹

코팅 CNTs이나 DLC 코팅기술로 대응하는 것을 추천하

고 싶으며 이것은 유해물질 배출 및 이동량 보고제도

(PRTR Pollutant Release and Transfer Register)에 대

비하는 등 기업의 장래를 고려하는 것도 될 것이다

ㅇ PTFE를 사용한 취사도구는 1960년대 이래 사용되어 오

고 있으나 최근 들어 이것의 안전성이 논쟁의 주제가 되

고 있으며 논의 주체는 PFOA(perfluorooctanoic acid)이

다 PFOA는 PTFE를 비롯한 많은 불소수지의 생산에

사용되며 DuPont의 테플론 PTFE 연구 결과에 의하면

프라이팬을 260 이상 고온에서 가열하거나 코팅이 벗

겨져도 PFOA가 존재하지 않는다고 한다 그러나 물이나

64

공기 토양 식품포장재 등 여러 곳에서 PFOA 오염사실

이 보고되고 있다 한다44)

- 미국 EPA는 인체와 환경에 대한 PFOA 연구를 계속

하고 있으며 2015년까지 PFOA 및 이와 관련된 화합

물 방출을 배제할 프로그램을 갖고 있으나 PTFE-기

초 비점착 취사기구를 중지시킬 타당성을 갖고 있지

는 않다 최종제품은 PFOA가 아닌 PTFE이기 때문이

다

- 수십 년 동안 불소수지 비점착 코팅이 시장을 지배하

였으나 최근 몇 가지 신기술들이 출현되고 있으며 이

들 대부분은 실리콘 세라믹과 실리콘 기술로 이들 코

팅은 PTFE와 PFOA를 함유하지 않는다

- 오늘날 출시된 비점착 취사용구는 수많은 상표로 팔

리고 있으며 DuPont에 의하면 대부분의 취사용구 코

팅은 정상적으로 사용할 때 3-5년 견딜 수 있을 것으

로 예측한다 너무 문질러서는 안 되고 따뜻한 비눗

물로 씻어주는 것이 좋으며 닳거나 흠이 생기지 않도

록 나무 플라스틱이나 코팅된 재료로 만든 도구를 선

택하고 보관도 흠이 생기지 않을 장소나 캐비닛을 권

장하고 있다

65

ㅇ 국내의 불소수지 안전성에 관한 것으로는 재질규격(납과

카드뮴)과 용출규격(납 과망간산칼륨소비량 증발잔류물)

이 식품용 기구 및 용기 포장 공전46)에 기재되어 있으며

최근 국내에서도 PFOA를 비롯한 유해 불소화합물에 관

한 관심이 커져 가고 있다

ㅇ PFOA 문제가 표면화 되면서 환경 보전형 불소계 발수

유제의 개발과 공업화도 새로이 부각되고 있다 이에 관

한 보고서를 모니터링한 KISTI자료47)를 중심으로 간단히

요약하면 발수제의 주요성분 퍼플루오로알킬기(Rf기)함

유 폴리머의 기능은 Rf기의 고리길이에 크게 의존하므로

PFOA문제 해법으로 탄소수 8 이상인 종래의 불소화학

에서 탈피 짧은 고리 Rf기(탄소수 6)를 가진 새로운 단

량체를 선택하여 발수제를 제조함으로써 환경 보전형 불

소계 발수유제를 개발하고 공업화하였다 한다

66

제 4 장

지원결과

1 지원결과 종합

테프론 코팅 기술의 문제점과 부식대전방지용 테플

론 코팅에 관한 정보 외에 신청기업의 요청에 따

라 C-나노튜브 코팅 및 DLC증착에 관련된 기술 정

보도 제공하였다

테플론은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat resistant)

비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coefficient of

friction) 내약품성(chemical resistance)과 특이한 전기적

특성(unique electrical properties) 및 온내구력(cryogenic

stability)으로 그 응용범위가 광범하며 용도에 따른 엄격

한 품질관리가 요구될 것으로 생각되어 중소기업에 적합

한 기초능력 배양과 신제품을 구상하기 위한 최신기술에

관한 정보를 제공하고자 하였다

67

불소수지의 코팅은 두께와 첨가제가 관건으로 이에 관한

자료를 제공하고자 하였으며 불소수지의 전기특성 폭발

성 환경과 반도체 제조공정에서의 대전 방지 처리를 위

한 정전기 관리 지표 등을 특허를 중심으로 조사하여 제

공하고자 하였다

C-나노튜브를 이용한 대전방지 코팅 기술 및 C-나노튜

브의 제법 등 이것에 관한 기초정보를 제공하고자 하였

으며 내마모성 테플론 코팅에 관해서는 테플론을 이용한

세라믹 코팅 기술에 관한 정보도 제공하고자 하였다

테플론의 기계적 전기적 특성을 강화하기 위해 사용되는

충전제를 종합하고 기초이론을 정립함으로써 금후 원부

자재의 선정에 도움을 주었다

테플론은 석면 대체재로도 주목받고 있어 이에 관한 특

허 정보들을 제공하였으며 다이아몬드의 전형적인 특성

을 나타내는 DLC의 코팅관련 기술 정보를 환경오염 문

제와 연관하여 자료를 제공하였고 최근 비-점착 주방기

구인 프라이팬이나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가

열할 때 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수도 있

다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있어 이에

관한 정보도 제공하였다

68

2 지원의 한계

중소기업이 당면한 문제는 전문기술의 확보다 관련 기술

이 비약적으로 발전하는 추세에 비추어 한정된 인원으로

신기술을 소화하고 개발하기는 어려울 것이므로 출연연

구기관이나 대학과 공동연구를 모색할 수 있으나 이것도

중소기업으로서는 경제적 부담이 될 수밖에 없을 것으로

생각된다 가능하다면 앞으로도 KISTI의 정보지원이 계

속되기를 바라고 있었다

3 기대효과

부식대전 방지 테플론 코팅에 관한 기본 기술이 배양되

어 합리적인 원부 원료의 수입검사 공정관리 및 제품관

리를 통해 원가절감은 물론 신제품 신기술에 관한 정보

수집 및 분석능력이 배양되고 개발력이 확충되어 기업

경쟁력 향상에 도움이 될 것이다

69

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저자소개

김학주(金鶴柱) 서울대학교 문리과대학 화학과 졸업 이학사

전북대학교 대학원 화학과 이학박사

(주)삼양사 의약연구소장 신성대학교 교수

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 폴리에스테르 섬유의 연중직방기술 외 다수

저서 기기분석 공업물리화학 일반화학

성용길(成墉吉)

동국대학교 이과대학 화학과 졸업 이학사 이학석사

부산대학교 대학원 화학과 이학박사(Dr Sci)

University of Utah USA Ph D(공학박사) Post Dr

유타대학교 연구교수 부산대학교 교수 동국대학교 교수

동국대학교 명예교수 한국원자력문화진흥원 이사

과학문화연구원전문연구위원 한국도량형과학문화연구원 원장

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 의료용 기능성 고분자재료에 관한 연구 외 330편

저서 고분자 물성론 (서울대학교 출판부 공저) 외 10권

32

으로 저항치를 낮출 수 있지만 분산이 나쁘면 요철이

발생한다 부식 방지 코팅에서는 충전제의 내약품성이

관건이다 즉 부식 환경에서 불소수지 자체는 충분히

견디어도 충전제가 내약품성이 없으면 충전제가 서서

히 에칭되어 기기가 부식될 가능성이 크다

화학 석유 및 정제 산업에서는 시험 검사 세척 및 다양

한 공정의 용기 저장 탱크 반응기와 같은 많은 구성요

소들이 사용되며 플루오르화 고분자는 고온에서 높은 열

안정성을 갖고 다양한 유기용매에 전혀 용해되지 않으므

로 부식방지 등을 위해 플루오르화 고분자와 같은 내화

학성 고분자로 코팅된다 그러나 이들 고분자는 코팅된

구성요소의 표면에 정전하 축적을 조장하기 때문에 폭발

성 환경에서는 사용할 수 없다

특히 이들 구성요소들의 금속 구조물은 용기나 탱크에

보관된 가스 증기 분진의 이동에 의해 생성된 정전하

(electrostatic charge)를 흐르게 하는 전도경로가 되나 금

속표면을 강산 강알칼리나 유기용제에 의해 침투되는 방

지하기 위한 목적으로 부식방지 테플론으로 코팅될 경우

얇은 필름의 비-전도체로 작용하므로 폭발성 환경에서

사용을 규제하고 있다

33

- 예로 유럽 표준 EN 50014 section 732에서는 정전

하로 인한 발화 위험을 피하기 위해 사용 보수 및 세

척 조건 하에 설계된 울(enclosure)이 필요하고 울의

절연저항은 1GΩ을 초과할 수 없도록 규제하고 있고

일본은 후생노동성 관할 산업안전연구소의 정전기 안

전지침의 누설 저항치는 108Ω 이하로 되어 있다

- 따라서 부식 및 폭발성 환경에서 안전하고 다양한 구

성 요소에 적용할 수 있는 정전방지 비-발화 테플론

코팅기술을 요하며 정전방지 코팅은 표면저항을 낮추

기 위해 카본블랙이나 개질 전도성 탄소 금속이나 전

도성 고분자를 테플론에 충전하여 코팅한다

폭발성 환경용 내화학약품 특성과 대전방지 비발화

코팅 조성물로는 높은 비저항을 갖는 플루오르 고분자

50-90wt 10-50wt의 전도성물질인 탄소분(carbon

powder)으로 이루어진 Solex Robotics Systems Inc

특허가 있다13)

- 폭발환경에서 사용되는 이상적인 코팅은 정전하를 피

하기 위해 낮은 비저항을 가져야 한다 완벽한 전도체

는 비저항이 영(0)이고 완벽한 절연체는 무한 비저항

34

을 갖는다 금속(구리 금 같은) 합금(망가닌 Mn-Ni-

Cu 니크롬 Ni-Cr-Fe) 반도체(카본이나 게르마늄)는

낮은 비저항을 갖고 있어 좋은 도체이다

- 수많은 고분자 기초 코팅들이 부식화학 환경에 사용

되었으나 85GΩ 이상의 비저항으로 대전방지 시험에

서 실패하였다 정전기 도체로 인증기준 아래 적합하

기 위해서는 100cm2이상의 노출 표면이 1GΩ 이하의

비저항이어야 한다 코팅에 첨가된 탄소분은 전도도를

증가시키며 10-50의 함량은 1GΩ 이하의 비저항을

만족시킨다

비전도성 표면의 표면저항을 감소시키도록 카본이나 금

속을 사용하여 대전방지를 부여하는 공정의 단점으로는

카본이나 금속의 접착력이 낮아 입자의 마모가 일어나

장기간 사용 시 대전방지 수준이 감소하는 것이다 더욱

클린룸에서 입자의 방출은 심각한 문제가 된다 대부분의

비전도성 기질은 통상 23 상대습도 50에서 표면 비

저항이 109ohmsquare 이상으로 높고 PTFE 경우는 10

12

ohmsquare이상이다14)

반도체 제조 장치에서는 웨이퍼 기판을 안착하기 위해

작업 스테이지를 사용하며 작업스테이지는 통상 금속과

35

세라믹으로 제작되나 웨이퍼기판을 작업스테이지에 올려

놓을 때 작업스테이지와 웨이퍼기판 사이에 마찰 정전기

가 발생한다 FPD(flat panel diplay 평판표시)용 디스펜

서(dispenser)에 사용되는 작업스테이지는 진공방식으로

디스플레이 기판을 흡착 고정하며 흡착 고정되었던 디스

플레이 기판이 작업스테이지에서 박리될 때 작업스테이

지에 정전기가 발생하여 디스플레이 기판에 대전된다 최

근 디스플레이 기판이 대형화됨에 따라 대전량이 증가되

고 정전기 대전문제가 더욱 심각해지고 있다 웨이퍼기판

이나 디스플레이기판에는 반도체소자 등 다수의 전자부

품들이 배치되어 있기 때문에 정전기가 발생되면 전자부

품의 신뢰성에 치명적 손상을 주고 기판에 분진이 부착

되거나 정전기의 대전으로 기판 리프트 업(lift up)시 기

판이 깨어지는 문제가 발생한다 정전기 대전을 방지하기

위해서는 작업스테이지에 이오나이저를 설치하여 중화하

기도하나 리프트 업이 불가능하거나 이온풍이 도달하기

전 방전하는 등 작업 스테이지와 기판 사이에서 발생한

정전기가 순간적으로 일으키는 박리대전 문제를 해결하

기 어려워 작업 스테이지의 정전기 방지를 위해 불소수

지로 코팅한다

- 불소수지는 다른 물질과의 흡착에너지가 작고 비점착

성이 우수하며 마찰계수가 작아 유리기판과의 상관관

36

계가 작아져 박리에 의한 정전기의 발생량이 적어지

나 불소수지는 절연성을 가지므로 테프론 코팅에서는

카본 블랙이나 전도성 고분자 등을 필러로 사용한다

대전방지가 필요한 반도체 제조장비 디스플레이 장치 및

테스트 장치 등의 작업 스테이지를 테프론 코팅함으로써

작업 스테이지의 정전기 발생을 방지하는 방법의 단점의

하나는 제작비용이 상대적으로 많이 드는 것으로 디스펜

서의 경우 디스플레이 기판이 대형화됨에 따라 작업 스

테이지의 크기가 커져 제작비용이 증가한다 또한 불소수

지의 경도가 낮아 코팅 막에 스크래치가 발생하고 이 부

분은 평탄도 유지가 어려우며 입자들이 발생하는 요인으

로 작용하며 불소수지가 절연성이므로 카본블랙이나 전

도성 고분자 등의 도전성 필러를 충전하여 대전방지에

적합한 면-저항을 갖도록 할 경우 카본블랙은 구형으로

분진이 발생하는 문제점이 있고 전도성 고분자를 사용할

경우는 내용제성이 약하고 과량의 바인더를 사용하여야

하며 박막 형성이 어렵고 불소수지의 경도를 보완하기

위해 아노다이징 처리를 하는 경우는 이후 별도의 코팅

과정을 거쳐야 하므로 제작비용과 제작시간이 증가하는

등 여러 가지 단점들이 있다 이러한 문제점들을 해결하

기 위한 방법으로는 작업 스테이지와 기판이 만나는 면

에 정전기 발생을 최소화시킴과 동시에 그 제조비용이

37

절감되고 적절한 면-저항을 조절할 수 있으며 마찰계수

가 낮고 내마모성이 향상된 작업스테이지 표면의 대전방

지 처리 방법에 관한 국내의 탑나노시스 사의 특허15)가

있다

- 탑나노시스 사의 특허 목적은 작업스테이지의 기판과

만나는 면에 정전기의 발생을 최소화시킴과 동시에

그 제조비용이 저감되고 적절히 면-저항을 조절할 수

있으며 마찰계수가 낮고 내마모성이 향상된 스테이지

표면의 대전방지 처리 방법에 관한 것으로 이 특허에

서는 금속소재의 작업 스테이지 표면을 아노다이징

처리하여 복수의 산화표면 홀들을 형성시키고 여기에

탄소나노튜브를 삽입하고 경화하며 탄소나노튜브 경

화 후에 표면을 봉공 처리한다

- 작업스테이지 표면은 106-10

9Ωsq의 면-저항을 갖는

것이 바람직하며 산화표면 홀들은 직경 30-900nm 깊

이 100-900nm가 바람직하다 아노다이징 처리를 하는

금속소재는 Al Mg Zn Ti Ta(탄탈륨) Hf(하프늄)

Nb(니오븀) 등일 수 있고 이 발명에서는 가벼우며 일

정 강도를 갖고 가공성이 우수한 Al합금을 예로 들어

설명하고 있다

38

- 알루미늄소재 작업스테이지 표면에 산화피막(Al2O3)처

리를 하는 아노다이징(anodizing 양극산화)에서 전해

액은 수산화나트륨이나 수산과 황산 등이 사용될 수

있고 수산화나트륨의 농도(20-50) 공급전압 전류

및 시간 등을 조절하여 산화표면 홀의 크기(D)와 깊

이(L)를 조절하며 D와 L에 따라 대전방지 효과나 내

구성 및 표면경도를 조절한다

- 탄소나노튜브를 산화표면 홀 내에 삽입시키는 단계는

전해 흡착 하여 이루어질 수 있고 정전도장을 통해서

도 이루어질 수 있다 탄소나노튜브는 분산제를 포함

하는 용액으로 코팅되며 분산제로는 소듐 도데실설페

이트(SDS) 트리톤X Tween20(폴리옥시에틸렌 소르

비탄모노올레이트) CTAB(cetyl trimethyl ammonium

bromide)를 예로 들고 있으며 탄소나노튜브 용액은

아크릴계 우레탄계 등 또는 전도성 고분자계 유무기

하이브리드계 바인더가 포함될 수 있다

- 봉공처리는 산화표면 홀과 산화피막을 봉공하여 내식

성 등이 향상되도록 보호 층을 형성시키는 것으로 비

등수 가압증기에 의한 수화봉공 금속염을 포함한 열

수에 의한 금속염 봉공 오일로 도포나 침적하는 유기

물 봉공 양극산화 피막 층에 도장하는 도장에 의한

39

봉공 등이 있다

반도체 소자를 제조하는 과정에는 불순물 이온을

주입하는 장비가 이용되고 있다 (주)하이닉스 반도

체의 특허에서는 이온주입 장비의 웨이퍼 지지 장

치 리프트 핀의 끝단을 라운드 처리하고 리프트 핀

에 테플론을 코팅하여 리프트 핀과 웨이퍼 후면의

접촉 시 웨이퍼 후면에 스크래치와 같은 손상이 유

발되는 것을 억제할 수 있게 한다16)

⑷ 탄소나노튜브(CNTs Carbon Nano Tubes)17)

탄소나노튜브는 탄소의 동소체로 1991년 일본 NEC 연구

소의 Ijima박사에 의해 전자 현미경을 통해 처음으로 확

인되었다 1985년에 Kroto와 Smalley가 탄소의 동소체인

풀러렌(탄소 원자 60개가 모인 것C60)을 처음으로 발

견한 이후 전기방전 시 흑연 음극 상에 형성된 탄소덩어

리를 투과전자현미경으로 분석하는 과정에서 발견하여

Nature학술지에 처음으로 발표되었다18) 탄소나노튜브에

서 탄소원자 하나는 주위의 다른 탄소원자 3개와 sp2결

합을 하여 육각형 벌집무늬를 형성하며 이 튜브의 직경

이 대략 수 나노미터(nm nanometer) 정도로 극히 작기

40

때문에 나노튜브라고 부르게 되었다 이 탄소나노튜브는

전기 세기가 클수록 더 수축하는 성질을 가지고 있는 등

튜브의 직경이 nm수준으로 극히 작아서 특유의 전기화

학적 특성을 나타낸다

Ku 등19)에 의하면 CNTs는 전기방사법(arc-discharge)

레이저증발 법(laser vaporization) 플라즈마 화학기상증

착 법(plasma enhanced chemical vapor deposition) 열

화학 기상증착 법(thermal chemical vapor deposition) 등

의 다양한 합성법이 개발되어 대량생산이 가능하다

CNTs의 종류는 벽의 수에 따라 단일 벽 탄소나노튜브

(SWNTs) 이중 벽 탄소나노튜브(DWNTs) 다중벽 탄소

나노튜브(MWNTs)가 있으며 물성에 관한 많은 연구결

과 기계적 전기적 열적으로 우수한 성능을 갖고 있음이

입증되었다

CNTs는 인장강도와 탄성률 면에서 지금까지 발견된 재

료 중 가장 강하고 질기며 다중벽 CNT는 63GPa에 이른

다 표준 단일 벽 CNT는 25GPa의 압력까지 변형 없이

지탱된다 그래핀의 대칭성과 특이한 전기적 구조 때문에

CNTs의 구조는 그것의 전기적 특성에 영향을 미쳐 금속

성이나 반도체의 특성을 나타내고 이론적으로 금속성

41

CNTs는 구리와 같은 금속의 1000배가 큰 4times109Acm

2

전류 밀도를 운반할 수 있으며 나노크기의 단면으로 전

자가 튜브의 축 방향으로만 전파되고 전자의 이동은 양

자효과를 수반하여 1차원 전도체로 간주된다

CNTs는 우수한 물성과 상대적으로 큰 표면적으로 갖고

있어 충전제(filler)로써 에폭시 폴리스틸렌 폴리우레탄

등 고분자와 혼합하여 폴리머의 기계적 전기적 특성을

향상시키려는 연구가 활발하다 CNTs가 폴리머 중에서

충전제 역할을 하기 위해서는 고른 분산이 필요하나 반

데르발스 힘에 의한 CNTs 응집현상(agglomeration)으로

인해 효과적인 분산이 어려워 오히려 폴리머의 물성을

저해하므로 이것을 개선하기 위한 다양한 기계적 화학적

분산 방법이 연구되고 있다

- CNTs를 분산시키기 위한 가장 일반적인 방법은 용매

나 폴리머에 CNTs를 투입하고 초음파처리를 하는 것

으로 초음파처리를 하면 SWNTs의 길이가 짧아지고

다발(bundle)이 얇아져 분산력이 증가한다

- CNTs 표면을 산이나 아민으로 기능화하여 분산을 높

이는 방법도 연구되고 있으며 MWNTs를 HNO3

H2O2NH4OH 용액에 침지시켜 MWNTs에폭시 복합

42

재료는 전기적 특성을 향상시키려는 연구와 산과 아

민 등의 기능기를 도입하여 SWNTs의 열전도도를 향

상시키려는 연구들이 수행되고 있다

- 기계적 분산방법인 전단혼합방법은 좁은 관이나 상대

적으로 높은 속도의 유동을 이용하여 발생한 전단력

으로 CNTs를 분산시키는 방법이다 Ku 등19)은 전단

혼합과 초음파처리를 이용하여 MWNTs로 강화된

에폭시 복합재료를 만들어 기계적 및 열적 특성을 연

구하였다

⑸ 내마모성 테프론 코팅

ㅇ 재료의 부식은 구조재에 원하지 않은 변화 원인으로 작

용하여 경제적인 문제로 귀결되는 심각한 문제이다 이들

원치 않는 변화는 때로 적절한 코팅에 의한 표면처리로

예방할 수 있다 가장 일반적이고 자주 사용되는 전착 코

팅은 아연에 기초한 아연 코팅 및 합금 코팅으로 이들

코팅은 간단한 기술로써 내부식성이 양호하여 전 표면처

리의 약 14에 해당하나 최근 낮은 마찰계수 등 다른 특

성들이 매우 중요하게 되었다 이들 특성은 다층 코팅으

로 대응할 수 있으나 두께가 증가하고 기술이 복잡하여

가능한 해결방법으로는 복합체 코팅이 있다 복합체 코팅

43

은 일반기계와 자동차 전자부품 및 컴퓨터 등 다양한 분

야에 적용된다 금속 기질에 미세한 PTFE 입자의 전착

에 의한 증착은 새로운 세대의 복합체 코팅으로써 가장

바람직한 특성은 양호한 내마모성 자기윤활 내부식성이

다 M Paderovaacute 등20)에 의하면 이들 특성은 주로 사용

한 입자(흑연 다이아몬드 MoS2 또는 PTFE)와 용액의

유형(pH 온도 bath 등) 뿐 아니라 입자의 크기 농도

분산 및 형태학에 의존한다

ㅇ 충전되지 않은 PTFE의 마모율은 736-741times10-4mm3Nm

로 내마모성이 낮아 다양한 충전제들이 첨가되고 있다

Xing-Dong Yuan 등21)은 진공 조건에서 PTFE 코팅

의 마모특성을 연구하여 초기에는 하중이 증가함에 따

라 마찰계수가 감소하나 하중이 6N 이상으로 커지면

마찰계수도 증가하며 압력이 PTFE 코팅의 마찰계수

에 미치는 영향이 거의 없고 마모는 압력이 증가하면

초기에는 감소하나 10Pa 보다 높으면 급격히 증가한

다고 보고하였다

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위해서는 윤활제로 PTFE

계 수지 접착제로는 폴리아미드이미드수지 산화철 분말

44

및 브론즈 분말 등을 혼합한 조성물을 사용하거나 미국

특허에서는 스와시플레이트 형 압축기의 플레이트 표면

에 MoS2 흑연 PTFE계 윤활제와 열경화성 수지인 폴리

아미드이미드(PAI) 조성물을 코팅하여 내마모 및 윤활성

을 부여하고 있다22) 내열성 향상을 위해서는 고체윤활

제 접착제수지 및 저융점 금속인 Sn Pb In Bi 등을 함

유하는 합금이나 화합물을 사용하여 금속의 잠열을 이용

내열성 향상을 시도하기도 한다

ㅇ 그간 철강(스테인리스강 탄소강 아연도금강판 등)의 내

부식성 향상을 위한 많은 연구들이 수행되어 왔다 4플루

오르에틸렌(C2H4) 4플루오르에탄(CF4) 6플루오르에탄

(C2F6) 3플루오르화에탄(CHF3) 8플루오르화에탄(C4F8)

같은 불소화된 단량체의 플라즈마 중합에 의한 테플론

류 코팅은 그들의 소수성으로 인해 금속의 내부식성 향

상을 위한 대안으로 주목을 받고 있다 A Delimi 등23)

은 유도결합 고주파플라즈마(inductively coupled radio

fre- quency plasma)를 사용하여 소수성 박막 불소수지

필름을 탄소강에 증착하고 3염수에서 내부식성을 평가

한 결과 1개월 동안 9nm의 필름이 유지되는 것을 관찰

하여 불소고분자 박막이 금속과 금속산화물의 보호층이

될 수 있음을 보고하였다

45

ㅇ PTFE를 이용한 세라믹코팅 기술로는 알루미늄 및 알루

미늄 합금 공작물을 양극처리에 의해서 티타늄 및또는

지르코늄 산화물을 포함하는 내식성 내열성 및 내마모

성 세라믹 코팅을 하고 이어서 양극처리된 공작물을

PTFE 또는 실리콘 함유 코팅과 같은 제 2 코팅으로 코

팅한다 이 발명은 가소성을 가지는 경질의 필름 내에서

내식성 내열성 및 내마모성을 제공하는 티타늄 및또는

지르코늄 산화물의 양극처리 층으로 기판을 예비-코팅함

으로써 알루미늄 기판에 보다 긴 수명의 코팅을 형성하

는데 특히 유용하다24)

ㅇ Nosaka 등25)은 PTFE로 대표되는 불소수지는 마모-링이

나 극저온 밸브의 실링부에 많이 사용되며 진공치환법에

의해 탄소재료에 PTFE나 MoS2 분말을 1-2wt 함침시

키면 무함침한 것에 비해 마모가 약 13로 감소한다고

보고하였다 한편 저자들은 터보펌프의 실링재료가 극저

온 환경에서 보이는 특이한 현상을 극복하기 위해 베어

링의 표면에 노출된 유리섬유를 불소산으로 처리하여 용

해 제거하고 윤활성을 높인 유리섬유강화 테프론 리테이

너를 개발하여 내구성과 윤활성을 향상시킬 수 있었다고

보고하고 있다

46

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위한 또 다른 특허로는

폴리실록산계 접착제를 단독 혹은 폴리에스테르계 접착

제와 병용하고 고체 윤활제로 MoS2(이황화몰리브덴

WS2(이황화텅스텐) h-BN(육방정 질화붕소) 팽창흑연

및 PTFE를 사용하고 충전제로 탄화규소 알루미나 산화

지르콘 산화티탄 등의 미분말을 사용하여 내마모 내열

및 윤활성을 부여하고자 하는 내마모성 및 윤활성 코팅

조성물에 관한 특허가 있다26)

ㅇ 내열성 내후성 내오염성 내약품성 내구성 등의 물성

은 유지하면서 비점착성을 높이기 위해 무기계 세라믹

코팅 조성물에 PTFE를 첨가하기도 한다 이러한 하이

브리드 코팅 조성물에 관한 특허로는 불소수지(01sim25

중량) 콜로이달 실리카나 콜로이달 알루미나 등 무

기계고분자 바인더(20sim80중량) 알콕시실란 화합물

(1sim50중량) 수용성 유기용제(1sim10중량) 충전제

또는 안료(5sim50중량) 및 물(100중량 까지 보충)로

이루어진 코팅 조성물에 관한 것으로 무기질 도료 및

무기계 세라믹 코팅에 의해 내열성 내오염성 내약품

성과 내구성을 유지하고 접착력을 높이기 위해 소량의

PTFE를 사용하는 것이 있다27)

47

ㅇ 정전 복사기에 사용되는 정착기재부의 최외층에 코팅하

여 기계적 성질 및 내마모성을 향상시키려는 목적으로

불소수지 기질 중에 분산된 불소화 다이아몬드를 함유하

는 입자로 구성된 조성물에 관한 일본 특허28)가 있다

ㅇ 부식 특성을 개선한 흑색 무크롬(chrome-free) 다층 내

부식 마무리 칠과 방법에 관한 특허29)로는 ASTM B 117

표준으로 시험할 때 백색 부식에는 최소 500시간 염수분

무시간 및 적색 부식에는 1500시간 염수분무시간에 적합

하게 설계된 마무리 칠에 관한 것이 있다 이 다층 시스

템은 광택(gloss) 4 이상을 만족하는 자동차 차체 강판

자동차 하부와 내장에 사용되기 위해 설계된 것으로 이

다층 마무리 칠은 3층 부식 방지 시스템을 형성하도록

아연-철 전기도금 기질 오르토인산을 사용한 무전해 인

산염 결정 전환 층과 XylanTeflon 실러 코팅의 조합이

다

ㅇ 전통적으로 철 강판(steel sheet)은 크롬산 염 전환 코팅

으로 개질되어 왔으나 6가 크롬이 배출되어 환경을 오염

시키는 문제점이 있어 강판의 내-부식성을 개선하기 위

해 고분자 수지 코팅들이 수행되고 있으나 이 방법은 고

48

분자 코팅 층이 열전도도를 감소시키는 단점을 가지고

있다 Kang 등30)은 강판 위의 고분자 코팅 층의 열전도

도를 향상시키기 위해 초미세-크기 다이몬드(μD)입자를

열전도 물질로 사용하였다 다양한 음이온 및 비-이온

계면활성제들을 사용하여 수용액 중에서 무거운 μD입자

의 안정화를 시험들을 한 결과 1-피렌카르복시산(PCA)

이 가장 양호하였다 그림 3-2는 이 시험 결과를 요약한

것이다

- 강판 위에 PCA로 안정화 된 μD 입자를 함유한 폴리

우레탄-기초 코팅 층은 열전도도가 0351W(mK)에서

0434 W(mK)(10 wtμD)로 향상되었으며 더욱 144

시간 동안 염수 분무 시험결과 부식거동은 관찰되지

않았다

그림 3-2 피렌카르복시산을 이용한 μD 표면처리

ㅇ 자동차공업에서는 기본적인 특성으로 내마모성이 요구되

49

는 강철 기계부품들의 마찰특성을 향상시키기 위해 다양

한 금속 및 고분자 코팅들이 광범하게 이용된다 내-마

모 코팅은 두 가지 주요 특성인 높은 표면경도와 자기-

윤활 특성이 필요하다 후자의 범주에 속하는 것이

PTFE와 MoS2 기초 코팅이다 무전해 니켈 코팅은 높은

경도로 인해 양호한 마찰 특성을 보이며 한편 열처리를

통해 경도를 향상시킬 수 있다 PTFE입자의 첨가는 코

팅경도를 감소시키나 자기-윤활특성을 부여한다 S

Rossi 등3132)은 마찰특성을 향상시키기 위해 이용되는 탄

소강에 이용되는 몇 가지 공업적인 코팅에 관한 부식거

동에 관해 평가 PTFE입자를 함유한 무전해 니켈-인

(Electroless Nickel-Phophorus)코팅은 PTFE 입자(자기-

윤활 특성)를 갖는 외층과 장벽-효과를 갖는 내층으로

인한 이중 특성으로 가장 양호한 특성을 보였다고 보고

하고 있다

ㅇ 모든 기계적 시스템은 동적 요소를 필요로 하며 마찰과

마모를 줄이기 위한 다양한 수단들이 가능하나 그 선택

은 환경이나 조작 조건에 제한을 받는다 PTFE는 자기

윤활 낮은 마찰계수 높은 열안정성과 화학약품 안정성

으로 산업분야에 널리 사용되는 엔지니어링 고분자이지

만 내마모성이 매우 부족하다 이러한 이유로 금속

-PTFE충전 복합체들이 PTFE의 마찰특성과 금속충전제

50

의 내마모성을 결합하여 특정 분야의 용도로 소개되어

왔으나 금속-고분자 물질에서의 충전제의 역할은 완전히

설명되지 않고 있다 복합체 표면의 과잉의 충전제 농도

는 미끄러지는 동안 부하를 지지하여 내마모성을 증가시

키는 것으로 생각되며 PTFE의 마모율은 Mo Zn Ni

Y2O3 및 SiO2 같은 무기 충전제에 의해 1000배가량 감소

되었다는 보고도 있다 유리섬유 구리 세라믹 탄소섬유

절단 탄소섬유 나노입자를 포함한 경질의 충전제 입자들

이 PTFE의 내마모성을 높이기 사용되어 왔다

ㅇ 비교적 두꺼운 코팅에는 열분사(thermal spray) 용사기

술이 정립되어 있고 용사 코팅은 내마모 내마찰 내프레

팅(fretting) 및 내부식을 요하는 산업에 많이 이용되고

있다

- 용사 몰리브덴(Mo)코팅은 실질적 내마모성 코팅으로

가장 광범하게 이용되며 프레임용사(flame spray)거나

와이어용사(wire spray)기술로 생산된 몰리브덴(Mo)

코팅은 흠이나 마모에 대한 고도의 저항을 얻기 위한

가장 좋은 코팅재료 중의 하나이다

- 알루미늄 청동(aluminium bronze)은 높은 내-부식성

과 내마모성을 갖는 것이 특징이다 저압 플라즈마 용

51

사 기술은 자기-아닐링(self-anealing)과 부서지기 쉽

도록 유도하는 γ-상의 형성을 피할 수 있도록 높은

냉각 속도를 얻는 데 사용되며 알루미늄 청동 저압

플라즈마 용사 코팅은 낮은 마찰과 마모를 보였고 비

교적 최근 플라즈마 용사 기술을 이용하여 알루미늄

기질에 고분자-세라믹 복합체를 코팅하는 기술이 개

발되었다33)복합체 코팅으로 행한 마찰 시험에서 낮

은 마찰계수를 얻을 수 있었다

- 낮은 마찰계수와 고 내마모성을 갖는 이성분 금속

-PTFE 코팅이 개발되었고 이들의 마찰 공학적 성능

이 보고되었다 PTFE-기초 복합체 설계에서 일반적

인 접근방법은 경질의 충전 입자들을 도입하는 것으

로 M Yamane 등34)은 PTFE-금속 이성분 코팅의 마

찰 마모성능에 관한 연구 결과 알루미늄 청동 코팅이

Mo코팅에 비해 PTFE 저장소(reservoir)에 유용했음

을 보고하였다

⑹ 충전 또는 강화 플루오르화 탄소1)

ㅇ 분말이나 강화섬유 등 전형적인 충전재들이 충전 또는

강화 플루오르화 탄소에 사용된다 충전재는 저온흐름

52

을 향상시키는 데 사용되며 수축과 균열을 줄이고 열

팽창을 낮추며 열전도율을 향상시킨다

ㅇ 분말이나 단섬유로 된 전형적인 충전제를 표 3-5에 종합

하였다 유리섬유는 가장 보편적인 PTFE 충전제로 화

학 및 전기적 특성에 최소로 영향을 미치며 기계적 특

성을 크게 향상시킨다 분말에 비해 섬유는 압축강도

강성도 및 지지용량을 더욱 향상시키나 분말은 충전

테플론의 내구성에 거의 영향을 미치지 않는다 금속분

말은 특히 열전도도를 향상시키며 고속에서 발생하는 마

찰열을 소멸하는데 도움이 되며 전기저항을 상당히 감소

시켜 금속-충전 조성물은 양호한 절연체는 아니다

ㅇ 흑연(graphite) MoS2는 초기 내구성과 마찰을 개선하고

기계적 특성을 향상시킨다 석면은 많은 유용한 특성을

갖지만 가공 처리 중 가스가 방출할 뿐 아니라 사용금지

물질이다 표 3-5 외에도 금속 망 장섬유 다공성 금속

등 다양한 충전제들이 있으며 다양한 종류의 제품들이

상업 생산되고 있어 최종 선정을 하기 전에 플라스틱 가

공업자로부터 보다 완전한 정보와 추천을 받는 것이 바

람직하다

53

표 3-5 불소수지용 충전제

ㅇ 압축강력 인장과 압축 시의 탄성률 및 항복강력은 첨가

제의 첨가에 의해 모두 증가하나 일반으로 인장강력과

신도 및 충격강도는 손실된다 통상 충전 테플론은 압축

상태에서 사용되므로 인장강력의 감소는 중요하지 않다

인장강력의 손실은 설치(연속적인 링-실링)할 때 인장되

는 재료에서 중요하다 열팽창 계수는 비-충전 테플론에

비해 감소되어 통상 금속 부품의 팽창계수와 잘 맞는다

ㅇ 마찰과 마모를 수반하는 분야에서 가장 중요한 것은 충

전제로 얻어지는 PV한계치의 증가와 마모의 감소다 비-

54

충전 테플론에 비해 PV한계치 크기는 개략적으로 1차원

적으로 증가하나 마모인자는 3차원적으로 감소한다 충전

테플론의 평균치들은 동적 마찰계수는 01-02 PV한계치

는 10000-20000 psi-fpm 마모상수는 10times10-10in3-min

lb-ft-hr이다 그림 3-3은 충전 테플론 PTFE의 마찰계

수에 미치는 충전제 종류와 농도의 효과에 관한 것이다

그림 3-3 테플론 PTFE에 미치는 충전제 종류와 농도1)

ㅇ 내마모성을 향상시키는 충전제는 실제로 연마저항성을

감소시키는 것으로 날카로운 입자는 보다 쉽게 침투하고

충전제 입자와 수지 사이의 경계를 따라 충전 플라스틱

을 찢는다 따라서 라이닝 슈트 같은 분야의 적용 시는

55

비-충전테플론이 보다 바람직하다

⑺ 시트 테이프 및 박층(laminates)

ㅇ 대부분의 플루오르화탄소는 충전 여부에 관계없이 두

께 1mil(0001 in)까지 시트나 테이프로 만들 수 있고

시트나 테이프를 찍어서 원하는 형상의 립-씰(lip seal)

펌프 컵(pump cup) 피스톤 링(piston rings) 가스켓

(gaskets) 등을 만들 수 있다

ㅇ 유체의 누설을 정지시키는 밀봉기능 부품 중 각종기기의

접합부나 배관 플랜지 등의 밀봉에 사용되는 가스켓

(gaskets)은 석면이 널리 사용되어 왔으나 유해물질 배

출 및 이동량 보고제도(PRTR Pollutant Release and

Transfer Register)에서 발암성을 가진 제1종 지정 화학

물질로 지정되어 사용이 금지되어 PTFE가 가스켓으로

개발되었다 PTFE는 용융 알칼리 금속 및 그 용액과 불

소 및 3불화염소에 의해 약간 침식되나 모든 화학약품에

안정하고 우수한 내부식 재료로 C-F결합력이 크고 F원

자가 C-C결합의 주위를 간격 없이 들러 싸고 있기 때문

에 다른 물질의 공격을 방어하고 있고 내열성은 260로

높다35)

56

- PTFE 필러를 사용한 PTFE 나선 권형 가스켓은 석

면에 대한 사용규제와 상관없이 사용되어 왔으며 유

연한 필러를 사용하므로 석면 가스켓 보다 낮은 체결

압력에서도 실 특성이 우수하고 내식 면에서도 광범

하고 다양한 유체에 사용이 가능하다 다만 단열성 면

에서는 석면 나선 권형 가스켓 보다 사용온도 범위가

제한된다

ㅇ 산업 기계나 자동차의 브레이크 제동장치에 부착하여 마

찰력을 부가하는 브레이크 라이닝에서는 마찰계수와 내

마모력 및 충격계수 등 마찰특성이 우수한 석면을 주로

사용하여 왔으나 제동 시 발생하는 미세 석면분진으로

인해 대기오염에 의한 환경을 파괴 뿐 아니라 인체에 흡

입될 경우 암을 유발하여 PRTR로 사용이 금지되었다

석면을 대체할 유기질 또는 무기질 된 다양한 비석면 마

찰 섬유 등이 사용되고 있으며 마찰 섬유에 테프론을 코

팅하여 브레이크라이닝의 수명향상 제동 시 발생하는 소

음 떨림 및 제동력 향상을 위한 제품개발이 시도되고

있다

- 예로 국내 특허36)에서는 브레이크 라이닝(또는 패드)

의 마찰재 배합재료 중 유기섬유(Kevlar섬유 pulp섬

57

유 등)에 테프론을 코팅하고 코팅된 유기섬유에 결합

재 충전재 윤활재 마찰안정재 마찰조정재 등을 소정

의 배합비로 배합하여 성형하고 열처리하여 브레이크

패드 또는 라이닝을 제조한다

ㅇ 초소형 정밀기계(MEMS Micro-Electromechanical

System)분야에서는 점착방지를 위해 불화 유기박막을

사용한다 Park 등37)은 단층 두께의 불화 유기박막의

특성을 접촉각 측정을 통해 분석하였다

⑻ DLC 코팅3839)

ㅇ DLC(diamond-like carbon)는 몇 가지 다이아몬드의 전

형적인 특성을 나타내는 비정질 탄소물질로 극도의 내마

모 특성을 필요로 하는 재료의 코팅에 이용되고 있다

DLC코팅은 연마 마모를 감소시키기 위한 재료에 유용하

여 엔드밀 드릴비트 금형 같은 공구는 물론 자동차 기

계부품 및 전자산업 등 산업전반에 걸쳐 적용된다40)

ㅇ 환경오염 문제로 인해 PRTR(Pollutant Release and

Transfer Register 유해물질 배출 및 이동량 보고 제

도) 이 시행되어 습동 부품이나 절삭 시에 사용되는 오

일이나 그리스에 포함되는 첨가제(MoS2 Zn 등)와 이들

58

부품을 세정할 때 사용되는 용매 기계부품의 수명을 연

장시키기 위해 활용되었던 Cr도금 폐액에서 발생하는 6

가 크롬 등의 오염물질들에 대한 규제가 더욱 강화되어

DLC에 의한 무윤활 습동과 무윤활 절삭을 지향한 공구

와 기계 부품의 개발이 관심을 끌고 있다4142)

- 일본 내에서는 PRTR이 시행되고 이것에 저촉되는 재

료에 관해서는 MSDS(Material Safety Data Sheet)를

첨부해야할 의무가 있고 부품가공 습동 용도에서는

대상 리스트에 올라 있는 오일 오일 중의 중금속 도

금폐액을 어떻게 경제성 있는 환경 친화적 공정과 재

료로 전환할 것인가를 고려하면서 무윤활 습동 무윤

활 절삭 탈크롬 도금의 3가지 키워드가 대두되고

DLC코팅이 대안으로 모색되고 있다

- DLC코팅 적용기술과 과제에 관한 자료로는 자동차

관련부품 적용사례 엔진부위 마찰 작동 밸브계의 마

찰저감 DLC와 윤활제에 의한 마찰저감 기술을 중심

으로 살펴본 보고가 있다43)

ㅇ DLC는 7가지 형태가 존재하며 모두 상당한 양의 sp3혼

성궤도 탄소원자를 함유한다 다양한 형태의 DLC가 진

공 환경으로 적합한 재료들에 적용가능하며 유럽에서의

59

2006년 위탁 DLC코팅 시장은 3천만euro로 추정되었고 국

내도 활발한 상용화가 시도되고 있다

ㅇ 사반면상(tetahedral) 비정질 탄소 ta-C를 2두께로 코

팅하면 연마마모에 대한 스테인레스 강(304 type)의 내구

성을 증가시켜 수명을 1주일에서 85년으로 늘이며 이러

한 DLC의 형태는 sp3결합 탄소 원자로만 이루어지기 때

문에 순수한 DLC로 간주되며 수소 sp2흑연 탄소 금속

같은 충전제가 생산경비를 낮추거나 원하는 특성을 부여

하기 위하여 사용되고 있다

ㅇ DLC를 만드는 방법에는 sp3탄소 보다 낮은 밀도의 sp

2

에 의존하는 몇 가지 방법들이 있으며 압력 충격 촉매

또는 이들의 조합으로 sp2결합탄소 원자들을 sp3결합탄소

로 근접시킨다 최근 초고압 하에서 탄소의 경량 특성을

갖는 초경도 무정형 다이아몬드가 만들어졌다 탄소로 만

들어지는 다이아몬드 그래파이트는 결정구조를 가지나

DLC는 비정질이라는 점에서 크게 다르고 200 정도의

저온에서 형성시킬 수 있다는 점이 통상의 PVD막에 비

해 훨씬 우위에 있다

ㅇ DLC코팅은 제조공정이 복잡하고 생산 단가가 비싸 적용

이 어려우며 적용되는 소재가 제한되는 단점을 갖는다

60

주요제법으로는 고주파 플라즈마 법 이온화 증착법 스

페터링법 등을 들수 있다 고주파 플라즈마 법은 메탄가

스가 원료로 사용되고 막 중의 수소가 약 30(원자)로

평활성이 우수하고 마찰계수가 작으나 경도가 낮다 이

온화 증착법은 벤젠을 사용하며 막은 단단하나 면의 조

도가 거칠고 후막화 하기 위해 스패터링 방법이 검토되

고 있다

⑼ 불소수지의 안전성

ㅇ 테플론 PTFE의 열분해는 200(392)에서 감지되며 이

것은 몇 가지 플루오르화 탄소 기체들과 승화물질을 방

출한다4445)1955년 동물실험에 관한 한 연구에서는 이들

물질이 250(482) 이하에서는 의미 있는 양이 아니라

고 결론지었으나 최근 비-점착 주방기구인 프라이팬이

나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가열할 때 조류를

죽일 수 있는 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수

도 있다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있다45)

ㅇ 표 3-6은 EWG가 보고한 3-5분 내에 370까지 불소수

지를 가열할 때 발생되는 15종의 불소화합물에 관한 것

이다 테플론과 같은 코팅물질들이 장기적으로 인체에 미

61

치는 영향에 관한 연구는 이루어지지 않고 있으나 독감

과 유사한 질병을 유발할 수 있으며 이를 중합체 증기열

(polymer fume fever)이라 한다

표 3-6 15종의 유해물질 및 유독성 기체44)

ㅇ 최근 표 3-6의 화합물들 중 특히 TFA와 과불화된

(perfluorinated) PFOA(perfluorooctanoic acid)에 관심이

증가되고 있다 PFOA는 새로운 환경오염물질로 미국 환

경보호청(EPA)에 의하면 보통 때는 문제가 없으나 조리

과정에서 프라이팬에 열을 가하고 강하게 긁을 경우 용

62

출되어 나오며 이것이 음식물과 함께 인체에 흡수되는

것으로 추정하였다 한편 DuPont의 테플론 PTFE 연구

결과에 의하면 검출한계인 9ppb 이상 검출되지 않으며

테플론 주방기구에서는 PFOA가 존재하지 않는다고 발

표하고 있다

- 물이나 공기를 통해 환경에 노출된 PFOA는 고 콜레

스테롤 궤양성 대장염 갑상선 질환 고환암 신장암

및 임신성 고혈압과 관련된다고 보고되었다

- PFOA는 불소수지 생산과정에서 사용되는 첨가물로써

암모늄 형태로 PTFE 유화중합에 계면활성제로 사용

되며 불소수지의 품질과 균일성을 유지하기 위해 필

수적인 첨가물이기 때문에 전 세계 모든 불소수지 제

조업체가 사용 중에 있다 한편 국내 주력 산업인 반

도체 생산 과정에서도 PFOA를 대량으로 사용하고 있

어 체계적인 실태조사와 대책수립이 필요하다는 의견

들이 대두되고 있다

⑽ 불소화합물의 안전성과 환경대책

ㅇ 표 3-6에서 살펴본 바와 같이 테플론을 급격히 고온으로

가열하면 2종의 발암물질을 포함한 유독성 가스가 발생

63

하고 특히 불소화합물 중 MFA(monofluoroacetic acid)는

적은 양으로도 치명적 해를 끼치고 PEIF(perfluoro-

isobutene)는 신경가스제로 여러 가지 질환을 발생시킨다

한다44)

따라서 테플론으로 코팅된 장치를 재 코팅하기

위해 테프론을 고온으로 급격히 가열하거나 소각 등을

통해 제거할 때는 발생 가능성이 있는 유독가스를 제거

하기 위한 별도의 설비를 이용하여야 하고 유 등44)의 보

고서에서와 같이 중조(NaHCO3)를 포화시킨 충분한 물로

유독 산성 물질을 중화시키는 것도 고려할 만하다 한편

부식대전 방지 코팅도 테플론 코팅 일변도에서 세라믹

코팅 CNTs이나 DLC 코팅기술로 대응하는 것을 추천하

고 싶으며 이것은 유해물질 배출 및 이동량 보고제도

(PRTR Pollutant Release and Transfer Register)에 대

비하는 등 기업의 장래를 고려하는 것도 될 것이다

ㅇ PTFE를 사용한 취사도구는 1960년대 이래 사용되어 오

고 있으나 최근 들어 이것의 안전성이 논쟁의 주제가 되

고 있으며 논의 주체는 PFOA(perfluorooctanoic acid)이

다 PFOA는 PTFE를 비롯한 많은 불소수지의 생산에

사용되며 DuPont의 테플론 PTFE 연구 결과에 의하면

프라이팬을 260 이상 고온에서 가열하거나 코팅이 벗

겨져도 PFOA가 존재하지 않는다고 한다 그러나 물이나

64

공기 토양 식품포장재 등 여러 곳에서 PFOA 오염사실

이 보고되고 있다 한다44)

- 미국 EPA는 인체와 환경에 대한 PFOA 연구를 계속

하고 있으며 2015년까지 PFOA 및 이와 관련된 화합

물 방출을 배제할 프로그램을 갖고 있으나 PTFE-기

초 비점착 취사기구를 중지시킬 타당성을 갖고 있지

는 않다 최종제품은 PFOA가 아닌 PTFE이기 때문이

다

- 수십 년 동안 불소수지 비점착 코팅이 시장을 지배하

였으나 최근 몇 가지 신기술들이 출현되고 있으며 이

들 대부분은 실리콘 세라믹과 실리콘 기술로 이들 코

팅은 PTFE와 PFOA를 함유하지 않는다

- 오늘날 출시된 비점착 취사용구는 수많은 상표로 팔

리고 있으며 DuPont에 의하면 대부분의 취사용구 코

팅은 정상적으로 사용할 때 3-5년 견딜 수 있을 것으

로 예측한다 너무 문질러서는 안 되고 따뜻한 비눗

물로 씻어주는 것이 좋으며 닳거나 흠이 생기지 않도

록 나무 플라스틱이나 코팅된 재료로 만든 도구를 선

택하고 보관도 흠이 생기지 않을 장소나 캐비닛을 권

장하고 있다

65

ㅇ 국내의 불소수지 안전성에 관한 것으로는 재질규격(납과

카드뮴)과 용출규격(납 과망간산칼륨소비량 증발잔류물)

이 식품용 기구 및 용기 포장 공전46)에 기재되어 있으며

최근 국내에서도 PFOA를 비롯한 유해 불소화합물에 관

한 관심이 커져 가고 있다

ㅇ PFOA 문제가 표면화 되면서 환경 보전형 불소계 발수

유제의 개발과 공업화도 새로이 부각되고 있다 이에 관

한 보고서를 모니터링한 KISTI자료47)를 중심으로 간단히

요약하면 발수제의 주요성분 퍼플루오로알킬기(Rf기)함

유 폴리머의 기능은 Rf기의 고리길이에 크게 의존하므로

PFOA문제 해법으로 탄소수 8 이상인 종래의 불소화학

에서 탈피 짧은 고리 Rf기(탄소수 6)를 가진 새로운 단

량체를 선택하여 발수제를 제조함으로써 환경 보전형 불

소계 발수유제를 개발하고 공업화하였다 한다

66

제 4 장

지원결과

1 지원결과 종합

테프론 코팅 기술의 문제점과 부식대전방지용 테플

론 코팅에 관한 정보 외에 신청기업의 요청에 따

라 C-나노튜브 코팅 및 DLC증착에 관련된 기술 정

보도 제공하였다

테플론은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat resistant)

비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coefficient of

friction) 내약품성(chemical resistance)과 특이한 전기적

특성(unique electrical properties) 및 온내구력(cryogenic

stability)으로 그 응용범위가 광범하며 용도에 따른 엄격

한 품질관리가 요구될 것으로 생각되어 중소기업에 적합

한 기초능력 배양과 신제품을 구상하기 위한 최신기술에

관한 정보를 제공하고자 하였다

67

불소수지의 코팅은 두께와 첨가제가 관건으로 이에 관한

자료를 제공하고자 하였으며 불소수지의 전기특성 폭발

성 환경과 반도체 제조공정에서의 대전 방지 처리를 위

한 정전기 관리 지표 등을 특허를 중심으로 조사하여 제

공하고자 하였다

C-나노튜브를 이용한 대전방지 코팅 기술 및 C-나노튜

브의 제법 등 이것에 관한 기초정보를 제공하고자 하였

으며 내마모성 테플론 코팅에 관해서는 테플론을 이용한

세라믹 코팅 기술에 관한 정보도 제공하고자 하였다

테플론의 기계적 전기적 특성을 강화하기 위해 사용되는

충전제를 종합하고 기초이론을 정립함으로써 금후 원부

자재의 선정에 도움을 주었다

테플론은 석면 대체재로도 주목받고 있어 이에 관한 특

허 정보들을 제공하였으며 다이아몬드의 전형적인 특성

을 나타내는 DLC의 코팅관련 기술 정보를 환경오염 문

제와 연관하여 자료를 제공하였고 최근 비-점착 주방기

구인 프라이팬이나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가

열할 때 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수도 있

다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있어 이에

관한 정보도 제공하였다

68

2 지원의 한계

중소기업이 당면한 문제는 전문기술의 확보다 관련 기술

이 비약적으로 발전하는 추세에 비추어 한정된 인원으로

신기술을 소화하고 개발하기는 어려울 것이므로 출연연

구기관이나 대학과 공동연구를 모색할 수 있으나 이것도

중소기업으로서는 경제적 부담이 될 수밖에 없을 것으로

생각된다 가능하다면 앞으로도 KISTI의 정보지원이 계

속되기를 바라고 있었다

3 기대효과

부식대전 방지 테플론 코팅에 관한 기본 기술이 배양되

어 합리적인 원부 원료의 수입검사 공정관리 및 제품관

리를 통해 원가절감은 물론 신제품 신기술에 관한 정보

수집 및 분석능력이 배양되고 개발력이 확충되어 기업

경쟁력 향상에 도움이 될 것이다

69

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저자소개

김학주(金鶴柱) 서울대학교 문리과대학 화학과 졸업 이학사

전북대학교 대학원 화학과 이학박사

(주)삼양사 의약연구소장 신성대학교 교수

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 폴리에스테르 섬유의 연중직방기술 외 다수

저서 기기분석 공업물리화학 일반화학

성용길(成墉吉)

동국대학교 이과대학 화학과 졸업 이학사 이학석사

부산대학교 대학원 화학과 이학박사(Dr Sci)

University of Utah USA Ph D(공학박사) Post Dr

유타대학교 연구교수 부산대학교 교수 동국대학교 교수

동국대학교 명예교수 한국원자력문화진흥원 이사

과학문화연구원전문연구위원 한국도량형과학문화연구원 원장

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 의료용 기능성 고분자재료에 관한 연구 외 330편

저서 고분자 물성론 (서울대학교 출판부 공저) 외 10권

33

- 예로 유럽 표준 EN 50014 section 732에서는 정전

하로 인한 발화 위험을 피하기 위해 사용 보수 및 세

척 조건 하에 설계된 울(enclosure)이 필요하고 울의

절연저항은 1GΩ을 초과할 수 없도록 규제하고 있고

일본은 후생노동성 관할 산업안전연구소의 정전기 안

전지침의 누설 저항치는 108Ω 이하로 되어 있다

- 따라서 부식 및 폭발성 환경에서 안전하고 다양한 구

성 요소에 적용할 수 있는 정전방지 비-발화 테플론

코팅기술을 요하며 정전방지 코팅은 표면저항을 낮추

기 위해 카본블랙이나 개질 전도성 탄소 금속이나 전

도성 고분자를 테플론에 충전하여 코팅한다

폭발성 환경용 내화학약품 특성과 대전방지 비발화

코팅 조성물로는 높은 비저항을 갖는 플루오르 고분자

50-90wt 10-50wt의 전도성물질인 탄소분(carbon

powder)으로 이루어진 Solex Robotics Systems Inc

특허가 있다13)

- 폭발환경에서 사용되는 이상적인 코팅은 정전하를 피

하기 위해 낮은 비저항을 가져야 한다 완벽한 전도체

는 비저항이 영(0)이고 완벽한 절연체는 무한 비저항

34

을 갖는다 금속(구리 금 같은) 합금(망가닌 Mn-Ni-

Cu 니크롬 Ni-Cr-Fe) 반도체(카본이나 게르마늄)는

낮은 비저항을 갖고 있어 좋은 도체이다

- 수많은 고분자 기초 코팅들이 부식화학 환경에 사용

되었으나 85GΩ 이상의 비저항으로 대전방지 시험에

서 실패하였다 정전기 도체로 인증기준 아래 적합하

기 위해서는 100cm2이상의 노출 표면이 1GΩ 이하의

비저항이어야 한다 코팅에 첨가된 탄소분은 전도도를

증가시키며 10-50의 함량은 1GΩ 이하의 비저항을

만족시킨다

비전도성 표면의 표면저항을 감소시키도록 카본이나 금

속을 사용하여 대전방지를 부여하는 공정의 단점으로는

카본이나 금속의 접착력이 낮아 입자의 마모가 일어나

장기간 사용 시 대전방지 수준이 감소하는 것이다 더욱

클린룸에서 입자의 방출은 심각한 문제가 된다 대부분의

비전도성 기질은 통상 23 상대습도 50에서 표면 비

저항이 109ohmsquare 이상으로 높고 PTFE 경우는 10

12

ohmsquare이상이다14)

반도체 제조 장치에서는 웨이퍼 기판을 안착하기 위해

작업 스테이지를 사용하며 작업스테이지는 통상 금속과

35

세라믹으로 제작되나 웨이퍼기판을 작업스테이지에 올려

놓을 때 작업스테이지와 웨이퍼기판 사이에 마찰 정전기

가 발생한다 FPD(flat panel diplay 평판표시)용 디스펜

서(dispenser)에 사용되는 작업스테이지는 진공방식으로

디스플레이 기판을 흡착 고정하며 흡착 고정되었던 디스

플레이 기판이 작업스테이지에서 박리될 때 작업스테이

지에 정전기가 발생하여 디스플레이 기판에 대전된다 최

근 디스플레이 기판이 대형화됨에 따라 대전량이 증가되

고 정전기 대전문제가 더욱 심각해지고 있다 웨이퍼기판

이나 디스플레이기판에는 반도체소자 등 다수의 전자부

품들이 배치되어 있기 때문에 정전기가 발생되면 전자부

품의 신뢰성에 치명적 손상을 주고 기판에 분진이 부착

되거나 정전기의 대전으로 기판 리프트 업(lift up)시 기

판이 깨어지는 문제가 발생한다 정전기 대전을 방지하기

위해서는 작업스테이지에 이오나이저를 설치하여 중화하

기도하나 리프트 업이 불가능하거나 이온풍이 도달하기

전 방전하는 등 작업 스테이지와 기판 사이에서 발생한

정전기가 순간적으로 일으키는 박리대전 문제를 해결하

기 어려워 작업 스테이지의 정전기 방지를 위해 불소수

지로 코팅한다

- 불소수지는 다른 물질과의 흡착에너지가 작고 비점착

성이 우수하며 마찰계수가 작아 유리기판과의 상관관

36

계가 작아져 박리에 의한 정전기의 발생량이 적어지

나 불소수지는 절연성을 가지므로 테프론 코팅에서는

카본 블랙이나 전도성 고분자 등을 필러로 사용한다

대전방지가 필요한 반도체 제조장비 디스플레이 장치 및

테스트 장치 등의 작업 스테이지를 테프론 코팅함으로써

작업 스테이지의 정전기 발생을 방지하는 방법의 단점의

하나는 제작비용이 상대적으로 많이 드는 것으로 디스펜

서의 경우 디스플레이 기판이 대형화됨에 따라 작업 스

테이지의 크기가 커져 제작비용이 증가한다 또한 불소수

지의 경도가 낮아 코팅 막에 스크래치가 발생하고 이 부

분은 평탄도 유지가 어려우며 입자들이 발생하는 요인으

로 작용하며 불소수지가 절연성이므로 카본블랙이나 전

도성 고분자 등의 도전성 필러를 충전하여 대전방지에

적합한 면-저항을 갖도록 할 경우 카본블랙은 구형으로

분진이 발생하는 문제점이 있고 전도성 고분자를 사용할

경우는 내용제성이 약하고 과량의 바인더를 사용하여야

하며 박막 형성이 어렵고 불소수지의 경도를 보완하기

위해 아노다이징 처리를 하는 경우는 이후 별도의 코팅

과정을 거쳐야 하므로 제작비용과 제작시간이 증가하는

등 여러 가지 단점들이 있다 이러한 문제점들을 해결하

기 위한 방법으로는 작업 스테이지와 기판이 만나는 면

에 정전기 발생을 최소화시킴과 동시에 그 제조비용이

37

절감되고 적절한 면-저항을 조절할 수 있으며 마찰계수

가 낮고 내마모성이 향상된 작업스테이지 표면의 대전방

지 처리 방법에 관한 국내의 탑나노시스 사의 특허15)가

있다

- 탑나노시스 사의 특허 목적은 작업스테이지의 기판과

만나는 면에 정전기의 발생을 최소화시킴과 동시에

그 제조비용이 저감되고 적절히 면-저항을 조절할 수

있으며 마찰계수가 낮고 내마모성이 향상된 스테이지

표면의 대전방지 처리 방법에 관한 것으로 이 특허에

서는 금속소재의 작업 스테이지 표면을 아노다이징

처리하여 복수의 산화표면 홀들을 형성시키고 여기에

탄소나노튜브를 삽입하고 경화하며 탄소나노튜브 경

화 후에 표면을 봉공 처리한다

- 작업스테이지 표면은 106-10

9Ωsq의 면-저항을 갖는

것이 바람직하며 산화표면 홀들은 직경 30-900nm 깊

이 100-900nm가 바람직하다 아노다이징 처리를 하는

금속소재는 Al Mg Zn Ti Ta(탄탈륨) Hf(하프늄)

Nb(니오븀) 등일 수 있고 이 발명에서는 가벼우며 일

정 강도를 갖고 가공성이 우수한 Al합금을 예로 들어

설명하고 있다

38

- 알루미늄소재 작업스테이지 표면에 산화피막(Al2O3)처

리를 하는 아노다이징(anodizing 양극산화)에서 전해

액은 수산화나트륨이나 수산과 황산 등이 사용될 수

있고 수산화나트륨의 농도(20-50) 공급전압 전류

및 시간 등을 조절하여 산화표면 홀의 크기(D)와 깊

이(L)를 조절하며 D와 L에 따라 대전방지 효과나 내

구성 및 표면경도를 조절한다

- 탄소나노튜브를 산화표면 홀 내에 삽입시키는 단계는

전해 흡착 하여 이루어질 수 있고 정전도장을 통해서

도 이루어질 수 있다 탄소나노튜브는 분산제를 포함

하는 용액으로 코팅되며 분산제로는 소듐 도데실설페

이트(SDS) 트리톤X Tween20(폴리옥시에틸렌 소르

비탄모노올레이트) CTAB(cetyl trimethyl ammonium

bromide)를 예로 들고 있으며 탄소나노튜브 용액은

아크릴계 우레탄계 등 또는 전도성 고분자계 유무기

하이브리드계 바인더가 포함될 수 있다

- 봉공처리는 산화표면 홀과 산화피막을 봉공하여 내식

성 등이 향상되도록 보호 층을 형성시키는 것으로 비

등수 가압증기에 의한 수화봉공 금속염을 포함한 열

수에 의한 금속염 봉공 오일로 도포나 침적하는 유기

물 봉공 양극산화 피막 층에 도장하는 도장에 의한

39

봉공 등이 있다

반도체 소자를 제조하는 과정에는 불순물 이온을

주입하는 장비가 이용되고 있다 (주)하이닉스 반도

체의 특허에서는 이온주입 장비의 웨이퍼 지지 장

치 리프트 핀의 끝단을 라운드 처리하고 리프트 핀

에 테플론을 코팅하여 리프트 핀과 웨이퍼 후면의

접촉 시 웨이퍼 후면에 스크래치와 같은 손상이 유

발되는 것을 억제할 수 있게 한다16)

⑷ 탄소나노튜브(CNTs Carbon Nano Tubes)17)

탄소나노튜브는 탄소의 동소체로 1991년 일본 NEC 연구

소의 Ijima박사에 의해 전자 현미경을 통해 처음으로 확

인되었다 1985년에 Kroto와 Smalley가 탄소의 동소체인

풀러렌(탄소 원자 60개가 모인 것C60)을 처음으로 발

견한 이후 전기방전 시 흑연 음극 상에 형성된 탄소덩어

리를 투과전자현미경으로 분석하는 과정에서 발견하여

Nature학술지에 처음으로 발표되었다18) 탄소나노튜브에

서 탄소원자 하나는 주위의 다른 탄소원자 3개와 sp2결

합을 하여 육각형 벌집무늬를 형성하며 이 튜브의 직경

이 대략 수 나노미터(nm nanometer) 정도로 극히 작기

40

때문에 나노튜브라고 부르게 되었다 이 탄소나노튜브는

전기 세기가 클수록 더 수축하는 성질을 가지고 있는 등

튜브의 직경이 nm수준으로 극히 작아서 특유의 전기화

학적 특성을 나타낸다

Ku 등19)에 의하면 CNTs는 전기방사법(arc-discharge)

레이저증발 법(laser vaporization) 플라즈마 화학기상증

착 법(plasma enhanced chemical vapor deposition) 열

화학 기상증착 법(thermal chemical vapor deposition) 등

의 다양한 합성법이 개발되어 대량생산이 가능하다

CNTs의 종류는 벽의 수에 따라 단일 벽 탄소나노튜브

(SWNTs) 이중 벽 탄소나노튜브(DWNTs) 다중벽 탄소

나노튜브(MWNTs)가 있으며 물성에 관한 많은 연구결

과 기계적 전기적 열적으로 우수한 성능을 갖고 있음이

입증되었다

CNTs는 인장강도와 탄성률 면에서 지금까지 발견된 재

료 중 가장 강하고 질기며 다중벽 CNT는 63GPa에 이른

다 표준 단일 벽 CNT는 25GPa의 압력까지 변형 없이

지탱된다 그래핀의 대칭성과 특이한 전기적 구조 때문에

CNTs의 구조는 그것의 전기적 특성에 영향을 미쳐 금속

성이나 반도체의 특성을 나타내고 이론적으로 금속성

41

CNTs는 구리와 같은 금속의 1000배가 큰 4times109Acm

2

전류 밀도를 운반할 수 있으며 나노크기의 단면으로 전

자가 튜브의 축 방향으로만 전파되고 전자의 이동은 양

자효과를 수반하여 1차원 전도체로 간주된다

CNTs는 우수한 물성과 상대적으로 큰 표면적으로 갖고

있어 충전제(filler)로써 에폭시 폴리스틸렌 폴리우레탄

등 고분자와 혼합하여 폴리머의 기계적 전기적 특성을

향상시키려는 연구가 활발하다 CNTs가 폴리머 중에서

충전제 역할을 하기 위해서는 고른 분산이 필요하나 반

데르발스 힘에 의한 CNTs 응집현상(agglomeration)으로

인해 효과적인 분산이 어려워 오히려 폴리머의 물성을

저해하므로 이것을 개선하기 위한 다양한 기계적 화학적

분산 방법이 연구되고 있다

- CNTs를 분산시키기 위한 가장 일반적인 방법은 용매

나 폴리머에 CNTs를 투입하고 초음파처리를 하는 것

으로 초음파처리를 하면 SWNTs의 길이가 짧아지고

다발(bundle)이 얇아져 분산력이 증가한다

- CNTs 표면을 산이나 아민으로 기능화하여 분산을 높

이는 방법도 연구되고 있으며 MWNTs를 HNO3

H2O2NH4OH 용액에 침지시켜 MWNTs에폭시 복합

42

재료는 전기적 특성을 향상시키려는 연구와 산과 아

민 등의 기능기를 도입하여 SWNTs의 열전도도를 향

상시키려는 연구들이 수행되고 있다

- 기계적 분산방법인 전단혼합방법은 좁은 관이나 상대

적으로 높은 속도의 유동을 이용하여 발생한 전단력

으로 CNTs를 분산시키는 방법이다 Ku 등19)은 전단

혼합과 초음파처리를 이용하여 MWNTs로 강화된

에폭시 복합재료를 만들어 기계적 및 열적 특성을 연

구하였다

⑸ 내마모성 테프론 코팅

ㅇ 재료의 부식은 구조재에 원하지 않은 변화 원인으로 작

용하여 경제적인 문제로 귀결되는 심각한 문제이다 이들

원치 않는 변화는 때로 적절한 코팅에 의한 표면처리로

예방할 수 있다 가장 일반적이고 자주 사용되는 전착 코

팅은 아연에 기초한 아연 코팅 및 합금 코팅으로 이들

코팅은 간단한 기술로써 내부식성이 양호하여 전 표면처

리의 약 14에 해당하나 최근 낮은 마찰계수 등 다른 특

성들이 매우 중요하게 되었다 이들 특성은 다층 코팅으

로 대응할 수 있으나 두께가 증가하고 기술이 복잡하여

가능한 해결방법으로는 복합체 코팅이 있다 복합체 코팅

43

은 일반기계와 자동차 전자부품 및 컴퓨터 등 다양한 분

야에 적용된다 금속 기질에 미세한 PTFE 입자의 전착

에 의한 증착은 새로운 세대의 복합체 코팅으로써 가장

바람직한 특성은 양호한 내마모성 자기윤활 내부식성이

다 M Paderovaacute 등20)에 의하면 이들 특성은 주로 사용

한 입자(흑연 다이아몬드 MoS2 또는 PTFE)와 용액의

유형(pH 온도 bath 등) 뿐 아니라 입자의 크기 농도

분산 및 형태학에 의존한다

ㅇ 충전되지 않은 PTFE의 마모율은 736-741times10-4mm3Nm

로 내마모성이 낮아 다양한 충전제들이 첨가되고 있다

Xing-Dong Yuan 등21)은 진공 조건에서 PTFE 코팅

의 마모특성을 연구하여 초기에는 하중이 증가함에 따

라 마찰계수가 감소하나 하중이 6N 이상으로 커지면

마찰계수도 증가하며 압력이 PTFE 코팅의 마찰계수

에 미치는 영향이 거의 없고 마모는 압력이 증가하면

초기에는 감소하나 10Pa 보다 높으면 급격히 증가한

다고 보고하였다

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위해서는 윤활제로 PTFE

계 수지 접착제로는 폴리아미드이미드수지 산화철 분말

44

및 브론즈 분말 등을 혼합한 조성물을 사용하거나 미국

특허에서는 스와시플레이트 형 압축기의 플레이트 표면

에 MoS2 흑연 PTFE계 윤활제와 열경화성 수지인 폴리

아미드이미드(PAI) 조성물을 코팅하여 내마모 및 윤활성

을 부여하고 있다22) 내열성 향상을 위해서는 고체윤활

제 접착제수지 및 저융점 금속인 Sn Pb In Bi 등을 함

유하는 합금이나 화합물을 사용하여 금속의 잠열을 이용

내열성 향상을 시도하기도 한다

ㅇ 그간 철강(스테인리스강 탄소강 아연도금강판 등)의 내

부식성 향상을 위한 많은 연구들이 수행되어 왔다 4플루

오르에틸렌(C2H4) 4플루오르에탄(CF4) 6플루오르에탄

(C2F6) 3플루오르화에탄(CHF3) 8플루오르화에탄(C4F8)

같은 불소화된 단량체의 플라즈마 중합에 의한 테플론

류 코팅은 그들의 소수성으로 인해 금속의 내부식성 향

상을 위한 대안으로 주목을 받고 있다 A Delimi 등23)

은 유도결합 고주파플라즈마(inductively coupled radio

fre- quency plasma)를 사용하여 소수성 박막 불소수지

필름을 탄소강에 증착하고 3염수에서 내부식성을 평가

한 결과 1개월 동안 9nm의 필름이 유지되는 것을 관찰

하여 불소고분자 박막이 금속과 금속산화물의 보호층이

될 수 있음을 보고하였다

45

ㅇ PTFE를 이용한 세라믹코팅 기술로는 알루미늄 및 알루

미늄 합금 공작물을 양극처리에 의해서 티타늄 및또는

지르코늄 산화물을 포함하는 내식성 내열성 및 내마모

성 세라믹 코팅을 하고 이어서 양극처리된 공작물을

PTFE 또는 실리콘 함유 코팅과 같은 제 2 코팅으로 코

팅한다 이 발명은 가소성을 가지는 경질의 필름 내에서

내식성 내열성 및 내마모성을 제공하는 티타늄 및또는

지르코늄 산화물의 양극처리 층으로 기판을 예비-코팅함

으로써 알루미늄 기판에 보다 긴 수명의 코팅을 형성하

는데 특히 유용하다24)

ㅇ Nosaka 등25)은 PTFE로 대표되는 불소수지는 마모-링이

나 극저온 밸브의 실링부에 많이 사용되며 진공치환법에

의해 탄소재료에 PTFE나 MoS2 분말을 1-2wt 함침시

키면 무함침한 것에 비해 마모가 약 13로 감소한다고

보고하였다 한편 저자들은 터보펌프의 실링재료가 극저

온 환경에서 보이는 특이한 현상을 극복하기 위해 베어

링의 표면에 노출된 유리섬유를 불소산으로 처리하여 용

해 제거하고 윤활성을 높인 유리섬유강화 테프론 리테이

너를 개발하여 내구성과 윤활성을 향상시킬 수 있었다고

보고하고 있다

46

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위한 또 다른 특허로는

폴리실록산계 접착제를 단독 혹은 폴리에스테르계 접착

제와 병용하고 고체 윤활제로 MoS2(이황화몰리브덴

WS2(이황화텅스텐) h-BN(육방정 질화붕소) 팽창흑연

및 PTFE를 사용하고 충전제로 탄화규소 알루미나 산화

지르콘 산화티탄 등의 미분말을 사용하여 내마모 내열

및 윤활성을 부여하고자 하는 내마모성 및 윤활성 코팅

조성물에 관한 특허가 있다26)

ㅇ 내열성 내후성 내오염성 내약품성 내구성 등의 물성

은 유지하면서 비점착성을 높이기 위해 무기계 세라믹

코팅 조성물에 PTFE를 첨가하기도 한다 이러한 하이

브리드 코팅 조성물에 관한 특허로는 불소수지(01sim25

중량) 콜로이달 실리카나 콜로이달 알루미나 등 무

기계고분자 바인더(20sim80중량) 알콕시실란 화합물

(1sim50중량) 수용성 유기용제(1sim10중량) 충전제

또는 안료(5sim50중량) 및 물(100중량 까지 보충)로

이루어진 코팅 조성물에 관한 것으로 무기질 도료 및

무기계 세라믹 코팅에 의해 내열성 내오염성 내약품

성과 내구성을 유지하고 접착력을 높이기 위해 소량의

PTFE를 사용하는 것이 있다27)

47

ㅇ 정전 복사기에 사용되는 정착기재부의 최외층에 코팅하

여 기계적 성질 및 내마모성을 향상시키려는 목적으로

불소수지 기질 중에 분산된 불소화 다이아몬드를 함유하

는 입자로 구성된 조성물에 관한 일본 특허28)가 있다

ㅇ 부식 특성을 개선한 흑색 무크롬(chrome-free) 다층 내

부식 마무리 칠과 방법에 관한 특허29)로는 ASTM B 117

표준으로 시험할 때 백색 부식에는 최소 500시간 염수분

무시간 및 적색 부식에는 1500시간 염수분무시간에 적합

하게 설계된 마무리 칠에 관한 것이 있다 이 다층 시스

템은 광택(gloss) 4 이상을 만족하는 자동차 차체 강판

자동차 하부와 내장에 사용되기 위해 설계된 것으로 이

다층 마무리 칠은 3층 부식 방지 시스템을 형성하도록

아연-철 전기도금 기질 오르토인산을 사용한 무전해 인

산염 결정 전환 층과 XylanTeflon 실러 코팅의 조합이

다

ㅇ 전통적으로 철 강판(steel sheet)은 크롬산 염 전환 코팅

으로 개질되어 왔으나 6가 크롬이 배출되어 환경을 오염

시키는 문제점이 있어 강판의 내-부식성을 개선하기 위

해 고분자 수지 코팅들이 수행되고 있으나 이 방법은 고

48

분자 코팅 층이 열전도도를 감소시키는 단점을 가지고

있다 Kang 등30)은 강판 위의 고분자 코팅 층의 열전도

도를 향상시키기 위해 초미세-크기 다이몬드(μD)입자를

열전도 물질로 사용하였다 다양한 음이온 및 비-이온

계면활성제들을 사용하여 수용액 중에서 무거운 μD입자

의 안정화를 시험들을 한 결과 1-피렌카르복시산(PCA)

이 가장 양호하였다 그림 3-2는 이 시험 결과를 요약한

것이다

- 강판 위에 PCA로 안정화 된 μD 입자를 함유한 폴리

우레탄-기초 코팅 층은 열전도도가 0351W(mK)에서

0434 W(mK)(10 wtμD)로 향상되었으며 더욱 144

시간 동안 염수 분무 시험결과 부식거동은 관찰되지

않았다

그림 3-2 피렌카르복시산을 이용한 μD 표면처리

ㅇ 자동차공업에서는 기본적인 특성으로 내마모성이 요구되

49

는 강철 기계부품들의 마찰특성을 향상시키기 위해 다양

한 금속 및 고분자 코팅들이 광범하게 이용된다 내-마

모 코팅은 두 가지 주요 특성인 높은 표면경도와 자기-

윤활 특성이 필요하다 후자의 범주에 속하는 것이

PTFE와 MoS2 기초 코팅이다 무전해 니켈 코팅은 높은

경도로 인해 양호한 마찰 특성을 보이며 한편 열처리를

통해 경도를 향상시킬 수 있다 PTFE입자의 첨가는 코

팅경도를 감소시키나 자기-윤활특성을 부여한다 S

Rossi 등3132)은 마찰특성을 향상시키기 위해 이용되는 탄

소강에 이용되는 몇 가지 공업적인 코팅에 관한 부식거

동에 관해 평가 PTFE입자를 함유한 무전해 니켈-인

(Electroless Nickel-Phophorus)코팅은 PTFE 입자(자기-

윤활 특성)를 갖는 외층과 장벽-효과를 갖는 내층으로

인한 이중 특성으로 가장 양호한 특성을 보였다고 보고

하고 있다

ㅇ 모든 기계적 시스템은 동적 요소를 필요로 하며 마찰과

마모를 줄이기 위한 다양한 수단들이 가능하나 그 선택

은 환경이나 조작 조건에 제한을 받는다 PTFE는 자기

윤활 낮은 마찰계수 높은 열안정성과 화학약품 안정성

으로 산업분야에 널리 사용되는 엔지니어링 고분자이지

만 내마모성이 매우 부족하다 이러한 이유로 금속

-PTFE충전 복합체들이 PTFE의 마찰특성과 금속충전제

50

의 내마모성을 결합하여 특정 분야의 용도로 소개되어

왔으나 금속-고분자 물질에서의 충전제의 역할은 완전히

설명되지 않고 있다 복합체 표면의 과잉의 충전제 농도

는 미끄러지는 동안 부하를 지지하여 내마모성을 증가시

키는 것으로 생각되며 PTFE의 마모율은 Mo Zn Ni

Y2O3 및 SiO2 같은 무기 충전제에 의해 1000배가량 감소

되었다는 보고도 있다 유리섬유 구리 세라믹 탄소섬유

절단 탄소섬유 나노입자를 포함한 경질의 충전제 입자들

이 PTFE의 내마모성을 높이기 사용되어 왔다

ㅇ 비교적 두꺼운 코팅에는 열분사(thermal spray) 용사기

술이 정립되어 있고 용사 코팅은 내마모 내마찰 내프레

팅(fretting) 및 내부식을 요하는 산업에 많이 이용되고

있다

- 용사 몰리브덴(Mo)코팅은 실질적 내마모성 코팅으로

가장 광범하게 이용되며 프레임용사(flame spray)거나

와이어용사(wire spray)기술로 생산된 몰리브덴(Mo)

코팅은 흠이나 마모에 대한 고도의 저항을 얻기 위한

가장 좋은 코팅재료 중의 하나이다

- 알루미늄 청동(aluminium bronze)은 높은 내-부식성

과 내마모성을 갖는 것이 특징이다 저압 플라즈마 용

51

사 기술은 자기-아닐링(self-anealing)과 부서지기 쉽

도록 유도하는 γ-상의 형성을 피할 수 있도록 높은

냉각 속도를 얻는 데 사용되며 알루미늄 청동 저압

플라즈마 용사 코팅은 낮은 마찰과 마모를 보였고 비

교적 최근 플라즈마 용사 기술을 이용하여 알루미늄

기질에 고분자-세라믹 복합체를 코팅하는 기술이 개

발되었다33)복합체 코팅으로 행한 마찰 시험에서 낮

은 마찰계수를 얻을 수 있었다

- 낮은 마찰계수와 고 내마모성을 갖는 이성분 금속

-PTFE 코팅이 개발되었고 이들의 마찰 공학적 성능

이 보고되었다 PTFE-기초 복합체 설계에서 일반적

인 접근방법은 경질의 충전 입자들을 도입하는 것으

로 M Yamane 등34)은 PTFE-금속 이성분 코팅의 마

찰 마모성능에 관한 연구 결과 알루미늄 청동 코팅이

Mo코팅에 비해 PTFE 저장소(reservoir)에 유용했음

을 보고하였다

⑹ 충전 또는 강화 플루오르화 탄소1)

ㅇ 분말이나 강화섬유 등 전형적인 충전재들이 충전 또는

강화 플루오르화 탄소에 사용된다 충전재는 저온흐름

52

을 향상시키는 데 사용되며 수축과 균열을 줄이고 열

팽창을 낮추며 열전도율을 향상시킨다

ㅇ 분말이나 단섬유로 된 전형적인 충전제를 표 3-5에 종합

하였다 유리섬유는 가장 보편적인 PTFE 충전제로 화

학 및 전기적 특성에 최소로 영향을 미치며 기계적 특

성을 크게 향상시킨다 분말에 비해 섬유는 압축강도

강성도 및 지지용량을 더욱 향상시키나 분말은 충전

테플론의 내구성에 거의 영향을 미치지 않는다 금속분

말은 특히 열전도도를 향상시키며 고속에서 발생하는 마

찰열을 소멸하는데 도움이 되며 전기저항을 상당히 감소

시켜 금속-충전 조성물은 양호한 절연체는 아니다

ㅇ 흑연(graphite) MoS2는 초기 내구성과 마찰을 개선하고

기계적 특성을 향상시킨다 석면은 많은 유용한 특성을

갖지만 가공 처리 중 가스가 방출할 뿐 아니라 사용금지

물질이다 표 3-5 외에도 금속 망 장섬유 다공성 금속

등 다양한 충전제들이 있으며 다양한 종류의 제품들이

상업 생산되고 있어 최종 선정을 하기 전에 플라스틱 가

공업자로부터 보다 완전한 정보와 추천을 받는 것이 바

람직하다

53

표 3-5 불소수지용 충전제

ㅇ 압축강력 인장과 압축 시의 탄성률 및 항복강력은 첨가

제의 첨가에 의해 모두 증가하나 일반으로 인장강력과

신도 및 충격강도는 손실된다 통상 충전 테플론은 압축

상태에서 사용되므로 인장강력의 감소는 중요하지 않다

인장강력의 손실은 설치(연속적인 링-실링)할 때 인장되

는 재료에서 중요하다 열팽창 계수는 비-충전 테플론에

비해 감소되어 통상 금속 부품의 팽창계수와 잘 맞는다

ㅇ 마찰과 마모를 수반하는 분야에서 가장 중요한 것은 충

전제로 얻어지는 PV한계치의 증가와 마모의 감소다 비-

54

충전 테플론에 비해 PV한계치 크기는 개략적으로 1차원

적으로 증가하나 마모인자는 3차원적으로 감소한다 충전

테플론의 평균치들은 동적 마찰계수는 01-02 PV한계치

는 10000-20000 psi-fpm 마모상수는 10times10-10in3-min

lb-ft-hr이다 그림 3-3은 충전 테플론 PTFE의 마찰계

수에 미치는 충전제 종류와 농도의 효과에 관한 것이다

그림 3-3 테플론 PTFE에 미치는 충전제 종류와 농도1)

ㅇ 내마모성을 향상시키는 충전제는 실제로 연마저항성을

감소시키는 것으로 날카로운 입자는 보다 쉽게 침투하고

충전제 입자와 수지 사이의 경계를 따라 충전 플라스틱

을 찢는다 따라서 라이닝 슈트 같은 분야의 적용 시는

55

비-충전테플론이 보다 바람직하다

⑺ 시트 테이프 및 박층(laminates)

ㅇ 대부분의 플루오르화탄소는 충전 여부에 관계없이 두

께 1mil(0001 in)까지 시트나 테이프로 만들 수 있고

시트나 테이프를 찍어서 원하는 형상의 립-씰(lip seal)

펌프 컵(pump cup) 피스톤 링(piston rings) 가스켓

(gaskets) 등을 만들 수 있다

ㅇ 유체의 누설을 정지시키는 밀봉기능 부품 중 각종기기의

접합부나 배관 플랜지 등의 밀봉에 사용되는 가스켓

(gaskets)은 석면이 널리 사용되어 왔으나 유해물질 배

출 및 이동량 보고제도(PRTR Pollutant Release and

Transfer Register)에서 발암성을 가진 제1종 지정 화학

물질로 지정되어 사용이 금지되어 PTFE가 가스켓으로

개발되었다 PTFE는 용융 알칼리 금속 및 그 용액과 불

소 및 3불화염소에 의해 약간 침식되나 모든 화학약품에

안정하고 우수한 내부식 재료로 C-F결합력이 크고 F원

자가 C-C결합의 주위를 간격 없이 들러 싸고 있기 때문

에 다른 물질의 공격을 방어하고 있고 내열성은 260로

높다35)

56

- PTFE 필러를 사용한 PTFE 나선 권형 가스켓은 석

면에 대한 사용규제와 상관없이 사용되어 왔으며 유

연한 필러를 사용하므로 석면 가스켓 보다 낮은 체결

압력에서도 실 특성이 우수하고 내식 면에서도 광범

하고 다양한 유체에 사용이 가능하다 다만 단열성 면

에서는 석면 나선 권형 가스켓 보다 사용온도 범위가

제한된다

ㅇ 산업 기계나 자동차의 브레이크 제동장치에 부착하여 마

찰력을 부가하는 브레이크 라이닝에서는 마찰계수와 내

마모력 및 충격계수 등 마찰특성이 우수한 석면을 주로

사용하여 왔으나 제동 시 발생하는 미세 석면분진으로

인해 대기오염에 의한 환경을 파괴 뿐 아니라 인체에 흡

입될 경우 암을 유발하여 PRTR로 사용이 금지되었다

석면을 대체할 유기질 또는 무기질 된 다양한 비석면 마

찰 섬유 등이 사용되고 있으며 마찰 섬유에 테프론을 코

팅하여 브레이크라이닝의 수명향상 제동 시 발생하는 소

음 떨림 및 제동력 향상을 위한 제품개발이 시도되고

있다

- 예로 국내 특허36)에서는 브레이크 라이닝(또는 패드)

의 마찰재 배합재료 중 유기섬유(Kevlar섬유 pulp섬

57

유 등)에 테프론을 코팅하고 코팅된 유기섬유에 결합

재 충전재 윤활재 마찰안정재 마찰조정재 등을 소정

의 배합비로 배합하여 성형하고 열처리하여 브레이크

패드 또는 라이닝을 제조한다

ㅇ 초소형 정밀기계(MEMS Micro-Electromechanical

System)분야에서는 점착방지를 위해 불화 유기박막을

사용한다 Park 등37)은 단층 두께의 불화 유기박막의

특성을 접촉각 측정을 통해 분석하였다

⑻ DLC 코팅3839)

ㅇ DLC(diamond-like carbon)는 몇 가지 다이아몬드의 전

형적인 특성을 나타내는 비정질 탄소물질로 극도의 내마

모 특성을 필요로 하는 재료의 코팅에 이용되고 있다

DLC코팅은 연마 마모를 감소시키기 위한 재료에 유용하

여 엔드밀 드릴비트 금형 같은 공구는 물론 자동차 기

계부품 및 전자산업 등 산업전반에 걸쳐 적용된다40)

ㅇ 환경오염 문제로 인해 PRTR(Pollutant Release and

Transfer Register 유해물질 배출 및 이동량 보고 제

도) 이 시행되어 습동 부품이나 절삭 시에 사용되는 오

일이나 그리스에 포함되는 첨가제(MoS2 Zn 등)와 이들

58

부품을 세정할 때 사용되는 용매 기계부품의 수명을 연

장시키기 위해 활용되었던 Cr도금 폐액에서 발생하는 6

가 크롬 등의 오염물질들에 대한 규제가 더욱 강화되어

DLC에 의한 무윤활 습동과 무윤활 절삭을 지향한 공구

와 기계 부품의 개발이 관심을 끌고 있다4142)

- 일본 내에서는 PRTR이 시행되고 이것에 저촉되는 재

료에 관해서는 MSDS(Material Safety Data Sheet)를

첨부해야할 의무가 있고 부품가공 습동 용도에서는

대상 리스트에 올라 있는 오일 오일 중의 중금속 도

금폐액을 어떻게 경제성 있는 환경 친화적 공정과 재

료로 전환할 것인가를 고려하면서 무윤활 습동 무윤

활 절삭 탈크롬 도금의 3가지 키워드가 대두되고

DLC코팅이 대안으로 모색되고 있다

- DLC코팅 적용기술과 과제에 관한 자료로는 자동차

관련부품 적용사례 엔진부위 마찰 작동 밸브계의 마

찰저감 DLC와 윤활제에 의한 마찰저감 기술을 중심

으로 살펴본 보고가 있다43)

ㅇ DLC는 7가지 형태가 존재하며 모두 상당한 양의 sp3혼

성궤도 탄소원자를 함유한다 다양한 형태의 DLC가 진

공 환경으로 적합한 재료들에 적용가능하며 유럽에서의

59

2006년 위탁 DLC코팅 시장은 3천만euro로 추정되었고 국

내도 활발한 상용화가 시도되고 있다

ㅇ 사반면상(tetahedral) 비정질 탄소 ta-C를 2두께로 코

팅하면 연마마모에 대한 스테인레스 강(304 type)의 내구

성을 증가시켜 수명을 1주일에서 85년으로 늘이며 이러

한 DLC의 형태는 sp3결합 탄소 원자로만 이루어지기 때

문에 순수한 DLC로 간주되며 수소 sp2흑연 탄소 금속

같은 충전제가 생산경비를 낮추거나 원하는 특성을 부여

하기 위하여 사용되고 있다

ㅇ DLC를 만드는 방법에는 sp3탄소 보다 낮은 밀도의 sp

2

에 의존하는 몇 가지 방법들이 있으며 압력 충격 촉매

또는 이들의 조합으로 sp2결합탄소 원자들을 sp3결합탄소

로 근접시킨다 최근 초고압 하에서 탄소의 경량 특성을

갖는 초경도 무정형 다이아몬드가 만들어졌다 탄소로 만

들어지는 다이아몬드 그래파이트는 결정구조를 가지나

DLC는 비정질이라는 점에서 크게 다르고 200 정도의

저온에서 형성시킬 수 있다는 점이 통상의 PVD막에 비

해 훨씬 우위에 있다

ㅇ DLC코팅은 제조공정이 복잡하고 생산 단가가 비싸 적용

이 어려우며 적용되는 소재가 제한되는 단점을 갖는다

60

주요제법으로는 고주파 플라즈마 법 이온화 증착법 스

페터링법 등을 들수 있다 고주파 플라즈마 법은 메탄가

스가 원료로 사용되고 막 중의 수소가 약 30(원자)로

평활성이 우수하고 마찰계수가 작으나 경도가 낮다 이

온화 증착법은 벤젠을 사용하며 막은 단단하나 면의 조

도가 거칠고 후막화 하기 위해 스패터링 방법이 검토되

고 있다

⑼ 불소수지의 안전성

ㅇ 테플론 PTFE의 열분해는 200(392)에서 감지되며 이

것은 몇 가지 플루오르화 탄소 기체들과 승화물질을 방

출한다4445)1955년 동물실험에 관한 한 연구에서는 이들

물질이 250(482) 이하에서는 의미 있는 양이 아니라

고 결론지었으나 최근 비-점착 주방기구인 프라이팬이

나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가열할 때 조류를

죽일 수 있는 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수

도 있다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있다45)

ㅇ 표 3-6은 EWG가 보고한 3-5분 내에 370까지 불소수

지를 가열할 때 발생되는 15종의 불소화합물에 관한 것

이다 테플론과 같은 코팅물질들이 장기적으로 인체에 미

61

치는 영향에 관한 연구는 이루어지지 않고 있으나 독감

과 유사한 질병을 유발할 수 있으며 이를 중합체 증기열

(polymer fume fever)이라 한다

표 3-6 15종의 유해물질 및 유독성 기체44)

ㅇ 최근 표 3-6의 화합물들 중 특히 TFA와 과불화된

(perfluorinated) PFOA(perfluorooctanoic acid)에 관심이

증가되고 있다 PFOA는 새로운 환경오염물질로 미국 환

경보호청(EPA)에 의하면 보통 때는 문제가 없으나 조리

과정에서 프라이팬에 열을 가하고 강하게 긁을 경우 용

62

출되어 나오며 이것이 음식물과 함께 인체에 흡수되는

것으로 추정하였다 한편 DuPont의 테플론 PTFE 연구

결과에 의하면 검출한계인 9ppb 이상 검출되지 않으며

테플론 주방기구에서는 PFOA가 존재하지 않는다고 발

표하고 있다

- 물이나 공기를 통해 환경에 노출된 PFOA는 고 콜레

스테롤 궤양성 대장염 갑상선 질환 고환암 신장암

및 임신성 고혈압과 관련된다고 보고되었다

- PFOA는 불소수지 생산과정에서 사용되는 첨가물로써

암모늄 형태로 PTFE 유화중합에 계면활성제로 사용

되며 불소수지의 품질과 균일성을 유지하기 위해 필

수적인 첨가물이기 때문에 전 세계 모든 불소수지 제

조업체가 사용 중에 있다 한편 국내 주력 산업인 반

도체 생산 과정에서도 PFOA를 대량으로 사용하고 있

어 체계적인 실태조사와 대책수립이 필요하다는 의견

들이 대두되고 있다

⑽ 불소화합물의 안전성과 환경대책

ㅇ 표 3-6에서 살펴본 바와 같이 테플론을 급격히 고온으로

가열하면 2종의 발암물질을 포함한 유독성 가스가 발생

63

하고 특히 불소화합물 중 MFA(monofluoroacetic acid)는

적은 양으로도 치명적 해를 끼치고 PEIF(perfluoro-

isobutene)는 신경가스제로 여러 가지 질환을 발생시킨다

한다44)

따라서 테플론으로 코팅된 장치를 재 코팅하기

위해 테프론을 고온으로 급격히 가열하거나 소각 등을

통해 제거할 때는 발생 가능성이 있는 유독가스를 제거

하기 위한 별도의 설비를 이용하여야 하고 유 등44)의 보

고서에서와 같이 중조(NaHCO3)를 포화시킨 충분한 물로

유독 산성 물질을 중화시키는 것도 고려할 만하다 한편

부식대전 방지 코팅도 테플론 코팅 일변도에서 세라믹

코팅 CNTs이나 DLC 코팅기술로 대응하는 것을 추천하

고 싶으며 이것은 유해물질 배출 및 이동량 보고제도

(PRTR Pollutant Release and Transfer Register)에 대

비하는 등 기업의 장래를 고려하는 것도 될 것이다

ㅇ PTFE를 사용한 취사도구는 1960년대 이래 사용되어 오

고 있으나 최근 들어 이것의 안전성이 논쟁의 주제가 되

고 있으며 논의 주체는 PFOA(perfluorooctanoic acid)이

다 PFOA는 PTFE를 비롯한 많은 불소수지의 생산에

사용되며 DuPont의 테플론 PTFE 연구 결과에 의하면

프라이팬을 260 이상 고온에서 가열하거나 코팅이 벗

겨져도 PFOA가 존재하지 않는다고 한다 그러나 물이나

64

공기 토양 식품포장재 등 여러 곳에서 PFOA 오염사실

이 보고되고 있다 한다44)

- 미국 EPA는 인체와 환경에 대한 PFOA 연구를 계속

하고 있으며 2015년까지 PFOA 및 이와 관련된 화합

물 방출을 배제할 프로그램을 갖고 있으나 PTFE-기

초 비점착 취사기구를 중지시킬 타당성을 갖고 있지

는 않다 최종제품은 PFOA가 아닌 PTFE이기 때문이

다

- 수십 년 동안 불소수지 비점착 코팅이 시장을 지배하

였으나 최근 몇 가지 신기술들이 출현되고 있으며 이

들 대부분은 실리콘 세라믹과 실리콘 기술로 이들 코

팅은 PTFE와 PFOA를 함유하지 않는다

- 오늘날 출시된 비점착 취사용구는 수많은 상표로 팔

리고 있으며 DuPont에 의하면 대부분의 취사용구 코

팅은 정상적으로 사용할 때 3-5년 견딜 수 있을 것으

로 예측한다 너무 문질러서는 안 되고 따뜻한 비눗

물로 씻어주는 것이 좋으며 닳거나 흠이 생기지 않도

록 나무 플라스틱이나 코팅된 재료로 만든 도구를 선

택하고 보관도 흠이 생기지 않을 장소나 캐비닛을 권

장하고 있다

65

ㅇ 국내의 불소수지 안전성에 관한 것으로는 재질규격(납과

카드뮴)과 용출규격(납 과망간산칼륨소비량 증발잔류물)

이 식품용 기구 및 용기 포장 공전46)에 기재되어 있으며

최근 국내에서도 PFOA를 비롯한 유해 불소화합물에 관

한 관심이 커져 가고 있다

ㅇ PFOA 문제가 표면화 되면서 환경 보전형 불소계 발수

유제의 개발과 공업화도 새로이 부각되고 있다 이에 관

한 보고서를 모니터링한 KISTI자료47)를 중심으로 간단히

요약하면 발수제의 주요성분 퍼플루오로알킬기(Rf기)함

유 폴리머의 기능은 Rf기의 고리길이에 크게 의존하므로

PFOA문제 해법으로 탄소수 8 이상인 종래의 불소화학

에서 탈피 짧은 고리 Rf기(탄소수 6)를 가진 새로운 단

량체를 선택하여 발수제를 제조함으로써 환경 보전형 불

소계 발수유제를 개발하고 공업화하였다 한다

66

제 4 장

지원결과

1 지원결과 종합

테프론 코팅 기술의 문제점과 부식대전방지용 테플

론 코팅에 관한 정보 외에 신청기업의 요청에 따

라 C-나노튜브 코팅 및 DLC증착에 관련된 기술 정

보도 제공하였다

테플론은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat resistant)

비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coefficient of

friction) 내약품성(chemical resistance)과 특이한 전기적

특성(unique electrical properties) 및 온내구력(cryogenic

stability)으로 그 응용범위가 광범하며 용도에 따른 엄격

한 품질관리가 요구될 것으로 생각되어 중소기업에 적합

한 기초능력 배양과 신제품을 구상하기 위한 최신기술에

관한 정보를 제공하고자 하였다

67

불소수지의 코팅은 두께와 첨가제가 관건으로 이에 관한

자료를 제공하고자 하였으며 불소수지의 전기특성 폭발

성 환경과 반도체 제조공정에서의 대전 방지 처리를 위

한 정전기 관리 지표 등을 특허를 중심으로 조사하여 제

공하고자 하였다

C-나노튜브를 이용한 대전방지 코팅 기술 및 C-나노튜

브의 제법 등 이것에 관한 기초정보를 제공하고자 하였

으며 내마모성 테플론 코팅에 관해서는 테플론을 이용한

세라믹 코팅 기술에 관한 정보도 제공하고자 하였다

테플론의 기계적 전기적 특성을 강화하기 위해 사용되는

충전제를 종합하고 기초이론을 정립함으로써 금후 원부

자재의 선정에 도움을 주었다

테플론은 석면 대체재로도 주목받고 있어 이에 관한 특

허 정보들을 제공하였으며 다이아몬드의 전형적인 특성

을 나타내는 DLC의 코팅관련 기술 정보를 환경오염 문

제와 연관하여 자료를 제공하였고 최근 비-점착 주방기

구인 프라이팬이나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가

열할 때 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수도 있

다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있어 이에

관한 정보도 제공하였다

68

2 지원의 한계

중소기업이 당면한 문제는 전문기술의 확보다 관련 기술

이 비약적으로 발전하는 추세에 비추어 한정된 인원으로

신기술을 소화하고 개발하기는 어려울 것이므로 출연연

구기관이나 대학과 공동연구를 모색할 수 있으나 이것도

중소기업으로서는 경제적 부담이 될 수밖에 없을 것으로

생각된다 가능하다면 앞으로도 KISTI의 정보지원이 계

속되기를 바라고 있었다

3 기대효과

부식대전 방지 테플론 코팅에 관한 기본 기술이 배양되

어 합리적인 원부 원료의 수입검사 공정관리 및 제품관

리를 통해 원가절감은 물론 신제품 신기술에 관한 정보

수집 및 분석능력이 배양되고 개발력이 확충되어 기업

경쟁력 향상에 도움이 될 것이다

69

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저자소개

김학주(金鶴柱) 서울대학교 문리과대학 화학과 졸업 이학사

전북대학교 대학원 화학과 이학박사

(주)삼양사 의약연구소장 신성대학교 교수

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 폴리에스테르 섬유의 연중직방기술 외 다수

저서 기기분석 공업물리화학 일반화학

성용길(成墉吉)

동국대학교 이과대학 화학과 졸업 이학사 이학석사

부산대학교 대학원 화학과 이학박사(Dr Sci)

University of Utah USA Ph D(공학박사) Post Dr

유타대학교 연구교수 부산대학교 교수 동국대학교 교수

동국대학교 명예교수 한국원자력문화진흥원 이사

과학문화연구원전문연구위원 한국도량형과학문화연구원 원장

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 의료용 기능성 고분자재료에 관한 연구 외 330편

저서 고분자 물성론 (서울대학교 출판부 공저) 외 10권

34

을 갖는다 금속(구리 금 같은) 합금(망가닌 Mn-Ni-

Cu 니크롬 Ni-Cr-Fe) 반도체(카본이나 게르마늄)는

낮은 비저항을 갖고 있어 좋은 도체이다

- 수많은 고분자 기초 코팅들이 부식화학 환경에 사용

되었으나 85GΩ 이상의 비저항으로 대전방지 시험에

서 실패하였다 정전기 도체로 인증기준 아래 적합하

기 위해서는 100cm2이상의 노출 표면이 1GΩ 이하의

비저항이어야 한다 코팅에 첨가된 탄소분은 전도도를

증가시키며 10-50의 함량은 1GΩ 이하의 비저항을

만족시킨다

비전도성 표면의 표면저항을 감소시키도록 카본이나 금

속을 사용하여 대전방지를 부여하는 공정의 단점으로는

카본이나 금속의 접착력이 낮아 입자의 마모가 일어나

장기간 사용 시 대전방지 수준이 감소하는 것이다 더욱

클린룸에서 입자의 방출은 심각한 문제가 된다 대부분의

비전도성 기질은 통상 23 상대습도 50에서 표면 비

저항이 109ohmsquare 이상으로 높고 PTFE 경우는 10

12

ohmsquare이상이다14)

반도체 제조 장치에서는 웨이퍼 기판을 안착하기 위해

작업 스테이지를 사용하며 작업스테이지는 통상 금속과

35

세라믹으로 제작되나 웨이퍼기판을 작업스테이지에 올려

놓을 때 작업스테이지와 웨이퍼기판 사이에 마찰 정전기

가 발생한다 FPD(flat panel diplay 평판표시)용 디스펜

서(dispenser)에 사용되는 작업스테이지는 진공방식으로

디스플레이 기판을 흡착 고정하며 흡착 고정되었던 디스

플레이 기판이 작업스테이지에서 박리될 때 작업스테이

지에 정전기가 발생하여 디스플레이 기판에 대전된다 최

근 디스플레이 기판이 대형화됨에 따라 대전량이 증가되

고 정전기 대전문제가 더욱 심각해지고 있다 웨이퍼기판

이나 디스플레이기판에는 반도체소자 등 다수의 전자부

품들이 배치되어 있기 때문에 정전기가 발생되면 전자부

품의 신뢰성에 치명적 손상을 주고 기판에 분진이 부착

되거나 정전기의 대전으로 기판 리프트 업(lift up)시 기

판이 깨어지는 문제가 발생한다 정전기 대전을 방지하기

위해서는 작업스테이지에 이오나이저를 설치하여 중화하

기도하나 리프트 업이 불가능하거나 이온풍이 도달하기

전 방전하는 등 작업 스테이지와 기판 사이에서 발생한

정전기가 순간적으로 일으키는 박리대전 문제를 해결하

기 어려워 작업 스테이지의 정전기 방지를 위해 불소수

지로 코팅한다

- 불소수지는 다른 물질과의 흡착에너지가 작고 비점착

성이 우수하며 마찰계수가 작아 유리기판과의 상관관

36

계가 작아져 박리에 의한 정전기의 발생량이 적어지

나 불소수지는 절연성을 가지므로 테프론 코팅에서는

카본 블랙이나 전도성 고분자 등을 필러로 사용한다

대전방지가 필요한 반도체 제조장비 디스플레이 장치 및

테스트 장치 등의 작업 스테이지를 테프론 코팅함으로써

작업 스테이지의 정전기 발생을 방지하는 방법의 단점의

하나는 제작비용이 상대적으로 많이 드는 것으로 디스펜

서의 경우 디스플레이 기판이 대형화됨에 따라 작업 스

테이지의 크기가 커져 제작비용이 증가한다 또한 불소수

지의 경도가 낮아 코팅 막에 스크래치가 발생하고 이 부

분은 평탄도 유지가 어려우며 입자들이 발생하는 요인으

로 작용하며 불소수지가 절연성이므로 카본블랙이나 전

도성 고분자 등의 도전성 필러를 충전하여 대전방지에

적합한 면-저항을 갖도록 할 경우 카본블랙은 구형으로

분진이 발생하는 문제점이 있고 전도성 고분자를 사용할

경우는 내용제성이 약하고 과량의 바인더를 사용하여야

하며 박막 형성이 어렵고 불소수지의 경도를 보완하기

위해 아노다이징 처리를 하는 경우는 이후 별도의 코팅

과정을 거쳐야 하므로 제작비용과 제작시간이 증가하는

등 여러 가지 단점들이 있다 이러한 문제점들을 해결하

기 위한 방법으로는 작업 스테이지와 기판이 만나는 면

에 정전기 발생을 최소화시킴과 동시에 그 제조비용이

37

절감되고 적절한 면-저항을 조절할 수 있으며 마찰계수

가 낮고 내마모성이 향상된 작업스테이지 표면의 대전방

지 처리 방법에 관한 국내의 탑나노시스 사의 특허15)가

있다

- 탑나노시스 사의 특허 목적은 작업스테이지의 기판과

만나는 면에 정전기의 발생을 최소화시킴과 동시에

그 제조비용이 저감되고 적절히 면-저항을 조절할 수

있으며 마찰계수가 낮고 내마모성이 향상된 스테이지

표면의 대전방지 처리 방법에 관한 것으로 이 특허에

서는 금속소재의 작업 스테이지 표면을 아노다이징

처리하여 복수의 산화표면 홀들을 형성시키고 여기에

탄소나노튜브를 삽입하고 경화하며 탄소나노튜브 경

화 후에 표면을 봉공 처리한다

- 작업스테이지 표면은 106-10

9Ωsq의 면-저항을 갖는

것이 바람직하며 산화표면 홀들은 직경 30-900nm 깊

이 100-900nm가 바람직하다 아노다이징 처리를 하는

금속소재는 Al Mg Zn Ti Ta(탄탈륨) Hf(하프늄)

Nb(니오븀) 등일 수 있고 이 발명에서는 가벼우며 일

정 강도를 갖고 가공성이 우수한 Al합금을 예로 들어

설명하고 있다

38

- 알루미늄소재 작업스테이지 표면에 산화피막(Al2O3)처

리를 하는 아노다이징(anodizing 양극산화)에서 전해

액은 수산화나트륨이나 수산과 황산 등이 사용될 수

있고 수산화나트륨의 농도(20-50) 공급전압 전류

및 시간 등을 조절하여 산화표면 홀의 크기(D)와 깊

이(L)를 조절하며 D와 L에 따라 대전방지 효과나 내

구성 및 표면경도를 조절한다

- 탄소나노튜브를 산화표면 홀 내에 삽입시키는 단계는

전해 흡착 하여 이루어질 수 있고 정전도장을 통해서

도 이루어질 수 있다 탄소나노튜브는 분산제를 포함

하는 용액으로 코팅되며 분산제로는 소듐 도데실설페

이트(SDS) 트리톤X Tween20(폴리옥시에틸렌 소르

비탄모노올레이트) CTAB(cetyl trimethyl ammonium

bromide)를 예로 들고 있으며 탄소나노튜브 용액은

아크릴계 우레탄계 등 또는 전도성 고분자계 유무기

하이브리드계 바인더가 포함될 수 있다

- 봉공처리는 산화표면 홀과 산화피막을 봉공하여 내식

성 등이 향상되도록 보호 층을 형성시키는 것으로 비

등수 가압증기에 의한 수화봉공 금속염을 포함한 열

수에 의한 금속염 봉공 오일로 도포나 침적하는 유기

물 봉공 양극산화 피막 층에 도장하는 도장에 의한

39

봉공 등이 있다

반도체 소자를 제조하는 과정에는 불순물 이온을

주입하는 장비가 이용되고 있다 (주)하이닉스 반도

체의 특허에서는 이온주입 장비의 웨이퍼 지지 장

치 리프트 핀의 끝단을 라운드 처리하고 리프트 핀

에 테플론을 코팅하여 리프트 핀과 웨이퍼 후면의

접촉 시 웨이퍼 후면에 스크래치와 같은 손상이 유

발되는 것을 억제할 수 있게 한다16)

⑷ 탄소나노튜브(CNTs Carbon Nano Tubes)17)

탄소나노튜브는 탄소의 동소체로 1991년 일본 NEC 연구

소의 Ijima박사에 의해 전자 현미경을 통해 처음으로 확

인되었다 1985년에 Kroto와 Smalley가 탄소의 동소체인

풀러렌(탄소 원자 60개가 모인 것C60)을 처음으로 발

견한 이후 전기방전 시 흑연 음극 상에 형성된 탄소덩어

리를 투과전자현미경으로 분석하는 과정에서 발견하여

Nature학술지에 처음으로 발표되었다18) 탄소나노튜브에

서 탄소원자 하나는 주위의 다른 탄소원자 3개와 sp2결

합을 하여 육각형 벌집무늬를 형성하며 이 튜브의 직경

이 대략 수 나노미터(nm nanometer) 정도로 극히 작기

40

때문에 나노튜브라고 부르게 되었다 이 탄소나노튜브는

전기 세기가 클수록 더 수축하는 성질을 가지고 있는 등

튜브의 직경이 nm수준으로 극히 작아서 특유의 전기화

학적 특성을 나타낸다

Ku 등19)에 의하면 CNTs는 전기방사법(arc-discharge)

레이저증발 법(laser vaporization) 플라즈마 화학기상증

착 법(plasma enhanced chemical vapor deposition) 열

화학 기상증착 법(thermal chemical vapor deposition) 등

의 다양한 합성법이 개발되어 대량생산이 가능하다

CNTs의 종류는 벽의 수에 따라 단일 벽 탄소나노튜브

(SWNTs) 이중 벽 탄소나노튜브(DWNTs) 다중벽 탄소

나노튜브(MWNTs)가 있으며 물성에 관한 많은 연구결

과 기계적 전기적 열적으로 우수한 성능을 갖고 있음이

입증되었다

CNTs는 인장강도와 탄성률 면에서 지금까지 발견된 재

료 중 가장 강하고 질기며 다중벽 CNT는 63GPa에 이른

다 표준 단일 벽 CNT는 25GPa의 압력까지 변형 없이

지탱된다 그래핀의 대칭성과 특이한 전기적 구조 때문에

CNTs의 구조는 그것의 전기적 특성에 영향을 미쳐 금속

성이나 반도체의 특성을 나타내고 이론적으로 금속성

41

CNTs는 구리와 같은 금속의 1000배가 큰 4times109Acm

2

전류 밀도를 운반할 수 있으며 나노크기의 단면으로 전

자가 튜브의 축 방향으로만 전파되고 전자의 이동은 양

자효과를 수반하여 1차원 전도체로 간주된다

CNTs는 우수한 물성과 상대적으로 큰 표면적으로 갖고

있어 충전제(filler)로써 에폭시 폴리스틸렌 폴리우레탄

등 고분자와 혼합하여 폴리머의 기계적 전기적 특성을

향상시키려는 연구가 활발하다 CNTs가 폴리머 중에서

충전제 역할을 하기 위해서는 고른 분산이 필요하나 반

데르발스 힘에 의한 CNTs 응집현상(agglomeration)으로

인해 효과적인 분산이 어려워 오히려 폴리머의 물성을

저해하므로 이것을 개선하기 위한 다양한 기계적 화학적

분산 방법이 연구되고 있다

- CNTs를 분산시키기 위한 가장 일반적인 방법은 용매

나 폴리머에 CNTs를 투입하고 초음파처리를 하는 것

으로 초음파처리를 하면 SWNTs의 길이가 짧아지고

다발(bundle)이 얇아져 분산력이 증가한다

- CNTs 표면을 산이나 아민으로 기능화하여 분산을 높

이는 방법도 연구되고 있으며 MWNTs를 HNO3

H2O2NH4OH 용액에 침지시켜 MWNTs에폭시 복합

42

재료는 전기적 특성을 향상시키려는 연구와 산과 아

민 등의 기능기를 도입하여 SWNTs의 열전도도를 향

상시키려는 연구들이 수행되고 있다

- 기계적 분산방법인 전단혼합방법은 좁은 관이나 상대

적으로 높은 속도의 유동을 이용하여 발생한 전단력

으로 CNTs를 분산시키는 방법이다 Ku 등19)은 전단

혼합과 초음파처리를 이용하여 MWNTs로 강화된

에폭시 복합재료를 만들어 기계적 및 열적 특성을 연

구하였다

⑸ 내마모성 테프론 코팅

ㅇ 재료의 부식은 구조재에 원하지 않은 변화 원인으로 작

용하여 경제적인 문제로 귀결되는 심각한 문제이다 이들

원치 않는 변화는 때로 적절한 코팅에 의한 표면처리로

예방할 수 있다 가장 일반적이고 자주 사용되는 전착 코

팅은 아연에 기초한 아연 코팅 및 합금 코팅으로 이들

코팅은 간단한 기술로써 내부식성이 양호하여 전 표면처

리의 약 14에 해당하나 최근 낮은 마찰계수 등 다른 특

성들이 매우 중요하게 되었다 이들 특성은 다층 코팅으

로 대응할 수 있으나 두께가 증가하고 기술이 복잡하여

가능한 해결방법으로는 복합체 코팅이 있다 복합체 코팅

43

은 일반기계와 자동차 전자부품 및 컴퓨터 등 다양한 분

야에 적용된다 금속 기질에 미세한 PTFE 입자의 전착

에 의한 증착은 새로운 세대의 복합체 코팅으로써 가장

바람직한 특성은 양호한 내마모성 자기윤활 내부식성이

다 M Paderovaacute 등20)에 의하면 이들 특성은 주로 사용

한 입자(흑연 다이아몬드 MoS2 또는 PTFE)와 용액의

유형(pH 온도 bath 등) 뿐 아니라 입자의 크기 농도

분산 및 형태학에 의존한다

ㅇ 충전되지 않은 PTFE의 마모율은 736-741times10-4mm3Nm

로 내마모성이 낮아 다양한 충전제들이 첨가되고 있다

Xing-Dong Yuan 등21)은 진공 조건에서 PTFE 코팅

의 마모특성을 연구하여 초기에는 하중이 증가함에 따

라 마찰계수가 감소하나 하중이 6N 이상으로 커지면

마찰계수도 증가하며 압력이 PTFE 코팅의 마찰계수

에 미치는 영향이 거의 없고 마모는 압력이 증가하면

초기에는 감소하나 10Pa 보다 높으면 급격히 증가한

다고 보고하였다

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위해서는 윤활제로 PTFE

계 수지 접착제로는 폴리아미드이미드수지 산화철 분말

44

및 브론즈 분말 등을 혼합한 조성물을 사용하거나 미국

특허에서는 스와시플레이트 형 압축기의 플레이트 표면

에 MoS2 흑연 PTFE계 윤활제와 열경화성 수지인 폴리

아미드이미드(PAI) 조성물을 코팅하여 내마모 및 윤활성

을 부여하고 있다22) 내열성 향상을 위해서는 고체윤활

제 접착제수지 및 저융점 금속인 Sn Pb In Bi 등을 함

유하는 합금이나 화합물을 사용하여 금속의 잠열을 이용

내열성 향상을 시도하기도 한다

ㅇ 그간 철강(스테인리스강 탄소강 아연도금강판 등)의 내

부식성 향상을 위한 많은 연구들이 수행되어 왔다 4플루

오르에틸렌(C2H4) 4플루오르에탄(CF4) 6플루오르에탄

(C2F6) 3플루오르화에탄(CHF3) 8플루오르화에탄(C4F8)

같은 불소화된 단량체의 플라즈마 중합에 의한 테플론

류 코팅은 그들의 소수성으로 인해 금속의 내부식성 향

상을 위한 대안으로 주목을 받고 있다 A Delimi 등23)

은 유도결합 고주파플라즈마(inductively coupled radio

fre- quency plasma)를 사용하여 소수성 박막 불소수지

필름을 탄소강에 증착하고 3염수에서 내부식성을 평가

한 결과 1개월 동안 9nm의 필름이 유지되는 것을 관찰

하여 불소고분자 박막이 금속과 금속산화물의 보호층이

될 수 있음을 보고하였다

45

ㅇ PTFE를 이용한 세라믹코팅 기술로는 알루미늄 및 알루

미늄 합금 공작물을 양극처리에 의해서 티타늄 및또는

지르코늄 산화물을 포함하는 내식성 내열성 및 내마모

성 세라믹 코팅을 하고 이어서 양극처리된 공작물을

PTFE 또는 실리콘 함유 코팅과 같은 제 2 코팅으로 코

팅한다 이 발명은 가소성을 가지는 경질의 필름 내에서

내식성 내열성 및 내마모성을 제공하는 티타늄 및또는

지르코늄 산화물의 양극처리 층으로 기판을 예비-코팅함

으로써 알루미늄 기판에 보다 긴 수명의 코팅을 형성하

는데 특히 유용하다24)

ㅇ Nosaka 등25)은 PTFE로 대표되는 불소수지는 마모-링이

나 극저온 밸브의 실링부에 많이 사용되며 진공치환법에

의해 탄소재료에 PTFE나 MoS2 분말을 1-2wt 함침시

키면 무함침한 것에 비해 마모가 약 13로 감소한다고

보고하였다 한편 저자들은 터보펌프의 실링재료가 극저

온 환경에서 보이는 특이한 현상을 극복하기 위해 베어

링의 표면에 노출된 유리섬유를 불소산으로 처리하여 용

해 제거하고 윤활성을 높인 유리섬유강화 테프론 리테이

너를 개발하여 내구성과 윤활성을 향상시킬 수 있었다고

보고하고 있다

46

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위한 또 다른 특허로는

폴리실록산계 접착제를 단독 혹은 폴리에스테르계 접착

제와 병용하고 고체 윤활제로 MoS2(이황화몰리브덴

WS2(이황화텅스텐) h-BN(육방정 질화붕소) 팽창흑연

및 PTFE를 사용하고 충전제로 탄화규소 알루미나 산화

지르콘 산화티탄 등의 미분말을 사용하여 내마모 내열

및 윤활성을 부여하고자 하는 내마모성 및 윤활성 코팅

조성물에 관한 특허가 있다26)

ㅇ 내열성 내후성 내오염성 내약품성 내구성 등의 물성

은 유지하면서 비점착성을 높이기 위해 무기계 세라믹

코팅 조성물에 PTFE를 첨가하기도 한다 이러한 하이

브리드 코팅 조성물에 관한 특허로는 불소수지(01sim25

중량) 콜로이달 실리카나 콜로이달 알루미나 등 무

기계고분자 바인더(20sim80중량) 알콕시실란 화합물

(1sim50중량) 수용성 유기용제(1sim10중량) 충전제

또는 안료(5sim50중량) 및 물(100중량 까지 보충)로

이루어진 코팅 조성물에 관한 것으로 무기질 도료 및

무기계 세라믹 코팅에 의해 내열성 내오염성 내약품

성과 내구성을 유지하고 접착력을 높이기 위해 소량의

PTFE를 사용하는 것이 있다27)

47

ㅇ 정전 복사기에 사용되는 정착기재부의 최외층에 코팅하

여 기계적 성질 및 내마모성을 향상시키려는 목적으로

불소수지 기질 중에 분산된 불소화 다이아몬드를 함유하

는 입자로 구성된 조성물에 관한 일본 특허28)가 있다

ㅇ 부식 특성을 개선한 흑색 무크롬(chrome-free) 다층 내

부식 마무리 칠과 방법에 관한 특허29)로는 ASTM B 117

표준으로 시험할 때 백색 부식에는 최소 500시간 염수분

무시간 및 적색 부식에는 1500시간 염수분무시간에 적합

하게 설계된 마무리 칠에 관한 것이 있다 이 다층 시스

템은 광택(gloss) 4 이상을 만족하는 자동차 차체 강판

자동차 하부와 내장에 사용되기 위해 설계된 것으로 이

다층 마무리 칠은 3층 부식 방지 시스템을 형성하도록

아연-철 전기도금 기질 오르토인산을 사용한 무전해 인

산염 결정 전환 층과 XylanTeflon 실러 코팅의 조합이

다

ㅇ 전통적으로 철 강판(steel sheet)은 크롬산 염 전환 코팅

으로 개질되어 왔으나 6가 크롬이 배출되어 환경을 오염

시키는 문제점이 있어 강판의 내-부식성을 개선하기 위

해 고분자 수지 코팅들이 수행되고 있으나 이 방법은 고

48

분자 코팅 층이 열전도도를 감소시키는 단점을 가지고

있다 Kang 등30)은 강판 위의 고분자 코팅 층의 열전도

도를 향상시키기 위해 초미세-크기 다이몬드(μD)입자를

열전도 물질로 사용하였다 다양한 음이온 및 비-이온

계면활성제들을 사용하여 수용액 중에서 무거운 μD입자

의 안정화를 시험들을 한 결과 1-피렌카르복시산(PCA)

이 가장 양호하였다 그림 3-2는 이 시험 결과를 요약한

것이다

- 강판 위에 PCA로 안정화 된 μD 입자를 함유한 폴리

우레탄-기초 코팅 층은 열전도도가 0351W(mK)에서

0434 W(mK)(10 wtμD)로 향상되었으며 더욱 144

시간 동안 염수 분무 시험결과 부식거동은 관찰되지

않았다

그림 3-2 피렌카르복시산을 이용한 μD 표면처리

ㅇ 자동차공업에서는 기본적인 특성으로 내마모성이 요구되

49

는 강철 기계부품들의 마찰특성을 향상시키기 위해 다양

한 금속 및 고분자 코팅들이 광범하게 이용된다 내-마

모 코팅은 두 가지 주요 특성인 높은 표면경도와 자기-

윤활 특성이 필요하다 후자의 범주에 속하는 것이

PTFE와 MoS2 기초 코팅이다 무전해 니켈 코팅은 높은

경도로 인해 양호한 마찰 특성을 보이며 한편 열처리를

통해 경도를 향상시킬 수 있다 PTFE입자의 첨가는 코

팅경도를 감소시키나 자기-윤활특성을 부여한다 S

Rossi 등3132)은 마찰특성을 향상시키기 위해 이용되는 탄

소강에 이용되는 몇 가지 공업적인 코팅에 관한 부식거

동에 관해 평가 PTFE입자를 함유한 무전해 니켈-인

(Electroless Nickel-Phophorus)코팅은 PTFE 입자(자기-

윤활 특성)를 갖는 외층과 장벽-효과를 갖는 내층으로

인한 이중 특성으로 가장 양호한 특성을 보였다고 보고

하고 있다

ㅇ 모든 기계적 시스템은 동적 요소를 필요로 하며 마찰과

마모를 줄이기 위한 다양한 수단들이 가능하나 그 선택

은 환경이나 조작 조건에 제한을 받는다 PTFE는 자기

윤활 낮은 마찰계수 높은 열안정성과 화학약품 안정성

으로 산업분야에 널리 사용되는 엔지니어링 고분자이지

만 내마모성이 매우 부족하다 이러한 이유로 금속

-PTFE충전 복합체들이 PTFE의 마찰특성과 금속충전제

50

의 내마모성을 결합하여 특정 분야의 용도로 소개되어

왔으나 금속-고분자 물질에서의 충전제의 역할은 완전히

설명되지 않고 있다 복합체 표면의 과잉의 충전제 농도

는 미끄러지는 동안 부하를 지지하여 내마모성을 증가시

키는 것으로 생각되며 PTFE의 마모율은 Mo Zn Ni

Y2O3 및 SiO2 같은 무기 충전제에 의해 1000배가량 감소

되었다는 보고도 있다 유리섬유 구리 세라믹 탄소섬유

절단 탄소섬유 나노입자를 포함한 경질의 충전제 입자들

이 PTFE의 내마모성을 높이기 사용되어 왔다

ㅇ 비교적 두꺼운 코팅에는 열분사(thermal spray) 용사기

술이 정립되어 있고 용사 코팅은 내마모 내마찰 내프레

팅(fretting) 및 내부식을 요하는 산업에 많이 이용되고

있다

- 용사 몰리브덴(Mo)코팅은 실질적 내마모성 코팅으로

가장 광범하게 이용되며 프레임용사(flame spray)거나

와이어용사(wire spray)기술로 생산된 몰리브덴(Mo)

코팅은 흠이나 마모에 대한 고도의 저항을 얻기 위한

가장 좋은 코팅재료 중의 하나이다

- 알루미늄 청동(aluminium bronze)은 높은 내-부식성

과 내마모성을 갖는 것이 특징이다 저압 플라즈마 용

51

사 기술은 자기-아닐링(self-anealing)과 부서지기 쉽

도록 유도하는 γ-상의 형성을 피할 수 있도록 높은

냉각 속도를 얻는 데 사용되며 알루미늄 청동 저압

플라즈마 용사 코팅은 낮은 마찰과 마모를 보였고 비

교적 최근 플라즈마 용사 기술을 이용하여 알루미늄

기질에 고분자-세라믹 복합체를 코팅하는 기술이 개

발되었다33)복합체 코팅으로 행한 마찰 시험에서 낮

은 마찰계수를 얻을 수 있었다

- 낮은 마찰계수와 고 내마모성을 갖는 이성분 금속

-PTFE 코팅이 개발되었고 이들의 마찰 공학적 성능

이 보고되었다 PTFE-기초 복합체 설계에서 일반적

인 접근방법은 경질의 충전 입자들을 도입하는 것으

로 M Yamane 등34)은 PTFE-금속 이성분 코팅의 마

찰 마모성능에 관한 연구 결과 알루미늄 청동 코팅이

Mo코팅에 비해 PTFE 저장소(reservoir)에 유용했음

을 보고하였다

⑹ 충전 또는 강화 플루오르화 탄소1)

ㅇ 분말이나 강화섬유 등 전형적인 충전재들이 충전 또는

강화 플루오르화 탄소에 사용된다 충전재는 저온흐름

52

을 향상시키는 데 사용되며 수축과 균열을 줄이고 열

팽창을 낮추며 열전도율을 향상시킨다

ㅇ 분말이나 단섬유로 된 전형적인 충전제를 표 3-5에 종합

하였다 유리섬유는 가장 보편적인 PTFE 충전제로 화

학 및 전기적 특성에 최소로 영향을 미치며 기계적 특

성을 크게 향상시킨다 분말에 비해 섬유는 압축강도

강성도 및 지지용량을 더욱 향상시키나 분말은 충전

테플론의 내구성에 거의 영향을 미치지 않는다 금속분

말은 특히 열전도도를 향상시키며 고속에서 발생하는 마

찰열을 소멸하는데 도움이 되며 전기저항을 상당히 감소

시켜 금속-충전 조성물은 양호한 절연체는 아니다

ㅇ 흑연(graphite) MoS2는 초기 내구성과 마찰을 개선하고

기계적 특성을 향상시킨다 석면은 많은 유용한 특성을

갖지만 가공 처리 중 가스가 방출할 뿐 아니라 사용금지

물질이다 표 3-5 외에도 금속 망 장섬유 다공성 금속

등 다양한 충전제들이 있으며 다양한 종류의 제품들이

상업 생산되고 있어 최종 선정을 하기 전에 플라스틱 가

공업자로부터 보다 완전한 정보와 추천을 받는 것이 바

람직하다

53

표 3-5 불소수지용 충전제

ㅇ 압축강력 인장과 압축 시의 탄성률 및 항복강력은 첨가

제의 첨가에 의해 모두 증가하나 일반으로 인장강력과

신도 및 충격강도는 손실된다 통상 충전 테플론은 압축

상태에서 사용되므로 인장강력의 감소는 중요하지 않다

인장강력의 손실은 설치(연속적인 링-실링)할 때 인장되

는 재료에서 중요하다 열팽창 계수는 비-충전 테플론에

비해 감소되어 통상 금속 부품의 팽창계수와 잘 맞는다

ㅇ 마찰과 마모를 수반하는 분야에서 가장 중요한 것은 충

전제로 얻어지는 PV한계치의 증가와 마모의 감소다 비-

54

충전 테플론에 비해 PV한계치 크기는 개략적으로 1차원

적으로 증가하나 마모인자는 3차원적으로 감소한다 충전

테플론의 평균치들은 동적 마찰계수는 01-02 PV한계치

는 10000-20000 psi-fpm 마모상수는 10times10-10in3-min

lb-ft-hr이다 그림 3-3은 충전 테플론 PTFE의 마찰계

수에 미치는 충전제 종류와 농도의 효과에 관한 것이다

그림 3-3 테플론 PTFE에 미치는 충전제 종류와 농도1)

ㅇ 내마모성을 향상시키는 충전제는 실제로 연마저항성을

감소시키는 것으로 날카로운 입자는 보다 쉽게 침투하고

충전제 입자와 수지 사이의 경계를 따라 충전 플라스틱

을 찢는다 따라서 라이닝 슈트 같은 분야의 적용 시는

55

비-충전테플론이 보다 바람직하다

⑺ 시트 테이프 및 박층(laminates)

ㅇ 대부분의 플루오르화탄소는 충전 여부에 관계없이 두

께 1mil(0001 in)까지 시트나 테이프로 만들 수 있고

시트나 테이프를 찍어서 원하는 형상의 립-씰(lip seal)

펌프 컵(pump cup) 피스톤 링(piston rings) 가스켓

(gaskets) 등을 만들 수 있다

ㅇ 유체의 누설을 정지시키는 밀봉기능 부품 중 각종기기의

접합부나 배관 플랜지 등의 밀봉에 사용되는 가스켓

(gaskets)은 석면이 널리 사용되어 왔으나 유해물질 배

출 및 이동량 보고제도(PRTR Pollutant Release and

Transfer Register)에서 발암성을 가진 제1종 지정 화학

물질로 지정되어 사용이 금지되어 PTFE가 가스켓으로

개발되었다 PTFE는 용융 알칼리 금속 및 그 용액과 불

소 및 3불화염소에 의해 약간 침식되나 모든 화학약품에

안정하고 우수한 내부식 재료로 C-F결합력이 크고 F원

자가 C-C결합의 주위를 간격 없이 들러 싸고 있기 때문

에 다른 물질의 공격을 방어하고 있고 내열성은 260로

높다35)

56

- PTFE 필러를 사용한 PTFE 나선 권형 가스켓은 석

면에 대한 사용규제와 상관없이 사용되어 왔으며 유

연한 필러를 사용하므로 석면 가스켓 보다 낮은 체결

압력에서도 실 특성이 우수하고 내식 면에서도 광범

하고 다양한 유체에 사용이 가능하다 다만 단열성 면

에서는 석면 나선 권형 가스켓 보다 사용온도 범위가

제한된다

ㅇ 산업 기계나 자동차의 브레이크 제동장치에 부착하여 마

찰력을 부가하는 브레이크 라이닝에서는 마찰계수와 내

마모력 및 충격계수 등 마찰특성이 우수한 석면을 주로

사용하여 왔으나 제동 시 발생하는 미세 석면분진으로

인해 대기오염에 의한 환경을 파괴 뿐 아니라 인체에 흡

입될 경우 암을 유발하여 PRTR로 사용이 금지되었다

석면을 대체할 유기질 또는 무기질 된 다양한 비석면 마

찰 섬유 등이 사용되고 있으며 마찰 섬유에 테프론을 코

팅하여 브레이크라이닝의 수명향상 제동 시 발생하는 소

음 떨림 및 제동력 향상을 위한 제품개발이 시도되고

있다

- 예로 국내 특허36)에서는 브레이크 라이닝(또는 패드)

의 마찰재 배합재료 중 유기섬유(Kevlar섬유 pulp섬

57

유 등)에 테프론을 코팅하고 코팅된 유기섬유에 결합

재 충전재 윤활재 마찰안정재 마찰조정재 등을 소정

의 배합비로 배합하여 성형하고 열처리하여 브레이크

패드 또는 라이닝을 제조한다

ㅇ 초소형 정밀기계(MEMS Micro-Electromechanical

System)분야에서는 점착방지를 위해 불화 유기박막을

사용한다 Park 등37)은 단층 두께의 불화 유기박막의

특성을 접촉각 측정을 통해 분석하였다

⑻ DLC 코팅3839)

ㅇ DLC(diamond-like carbon)는 몇 가지 다이아몬드의 전

형적인 특성을 나타내는 비정질 탄소물질로 극도의 내마

모 특성을 필요로 하는 재료의 코팅에 이용되고 있다

DLC코팅은 연마 마모를 감소시키기 위한 재료에 유용하

여 엔드밀 드릴비트 금형 같은 공구는 물론 자동차 기

계부품 및 전자산업 등 산업전반에 걸쳐 적용된다40)

ㅇ 환경오염 문제로 인해 PRTR(Pollutant Release and

Transfer Register 유해물질 배출 및 이동량 보고 제

도) 이 시행되어 습동 부품이나 절삭 시에 사용되는 오

일이나 그리스에 포함되는 첨가제(MoS2 Zn 등)와 이들

58

부품을 세정할 때 사용되는 용매 기계부품의 수명을 연

장시키기 위해 활용되었던 Cr도금 폐액에서 발생하는 6

가 크롬 등의 오염물질들에 대한 규제가 더욱 강화되어

DLC에 의한 무윤활 습동과 무윤활 절삭을 지향한 공구

와 기계 부품의 개발이 관심을 끌고 있다4142)

- 일본 내에서는 PRTR이 시행되고 이것에 저촉되는 재

료에 관해서는 MSDS(Material Safety Data Sheet)를

첨부해야할 의무가 있고 부품가공 습동 용도에서는

대상 리스트에 올라 있는 오일 오일 중의 중금속 도

금폐액을 어떻게 경제성 있는 환경 친화적 공정과 재

료로 전환할 것인가를 고려하면서 무윤활 습동 무윤

활 절삭 탈크롬 도금의 3가지 키워드가 대두되고

DLC코팅이 대안으로 모색되고 있다

- DLC코팅 적용기술과 과제에 관한 자료로는 자동차

관련부품 적용사례 엔진부위 마찰 작동 밸브계의 마

찰저감 DLC와 윤활제에 의한 마찰저감 기술을 중심

으로 살펴본 보고가 있다43)

ㅇ DLC는 7가지 형태가 존재하며 모두 상당한 양의 sp3혼

성궤도 탄소원자를 함유한다 다양한 형태의 DLC가 진

공 환경으로 적합한 재료들에 적용가능하며 유럽에서의

59

2006년 위탁 DLC코팅 시장은 3천만euro로 추정되었고 국

내도 활발한 상용화가 시도되고 있다

ㅇ 사반면상(tetahedral) 비정질 탄소 ta-C를 2두께로 코

팅하면 연마마모에 대한 스테인레스 강(304 type)의 내구

성을 증가시켜 수명을 1주일에서 85년으로 늘이며 이러

한 DLC의 형태는 sp3결합 탄소 원자로만 이루어지기 때

문에 순수한 DLC로 간주되며 수소 sp2흑연 탄소 금속

같은 충전제가 생산경비를 낮추거나 원하는 특성을 부여

하기 위하여 사용되고 있다

ㅇ DLC를 만드는 방법에는 sp3탄소 보다 낮은 밀도의 sp

2

에 의존하는 몇 가지 방법들이 있으며 압력 충격 촉매

또는 이들의 조합으로 sp2결합탄소 원자들을 sp3결합탄소

로 근접시킨다 최근 초고압 하에서 탄소의 경량 특성을

갖는 초경도 무정형 다이아몬드가 만들어졌다 탄소로 만

들어지는 다이아몬드 그래파이트는 결정구조를 가지나

DLC는 비정질이라는 점에서 크게 다르고 200 정도의

저온에서 형성시킬 수 있다는 점이 통상의 PVD막에 비

해 훨씬 우위에 있다

ㅇ DLC코팅은 제조공정이 복잡하고 생산 단가가 비싸 적용

이 어려우며 적용되는 소재가 제한되는 단점을 갖는다

60

주요제법으로는 고주파 플라즈마 법 이온화 증착법 스

페터링법 등을 들수 있다 고주파 플라즈마 법은 메탄가

스가 원료로 사용되고 막 중의 수소가 약 30(원자)로

평활성이 우수하고 마찰계수가 작으나 경도가 낮다 이

온화 증착법은 벤젠을 사용하며 막은 단단하나 면의 조

도가 거칠고 후막화 하기 위해 스패터링 방법이 검토되

고 있다

⑼ 불소수지의 안전성

ㅇ 테플론 PTFE의 열분해는 200(392)에서 감지되며 이

것은 몇 가지 플루오르화 탄소 기체들과 승화물질을 방

출한다4445)1955년 동물실험에 관한 한 연구에서는 이들

물질이 250(482) 이하에서는 의미 있는 양이 아니라

고 결론지었으나 최근 비-점착 주방기구인 프라이팬이

나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가열할 때 조류를

죽일 수 있는 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수

도 있다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있다45)

ㅇ 표 3-6은 EWG가 보고한 3-5분 내에 370까지 불소수

지를 가열할 때 발생되는 15종의 불소화합물에 관한 것

이다 테플론과 같은 코팅물질들이 장기적으로 인체에 미

61

치는 영향에 관한 연구는 이루어지지 않고 있으나 독감

과 유사한 질병을 유발할 수 있으며 이를 중합체 증기열

(polymer fume fever)이라 한다

표 3-6 15종의 유해물질 및 유독성 기체44)

ㅇ 최근 표 3-6의 화합물들 중 특히 TFA와 과불화된

(perfluorinated) PFOA(perfluorooctanoic acid)에 관심이

증가되고 있다 PFOA는 새로운 환경오염물질로 미국 환

경보호청(EPA)에 의하면 보통 때는 문제가 없으나 조리

과정에서 프라이팬에 열을 가하고 강하게 긁을 경우 용

62

출되어 나오며 이것이 음식물과 함께 인체에 흡수되는

것으로 추정하였다 한편 DuPont의 테플론 PTFE 연구

결과에 의하면 검출한계인 9ppb 이상 검출되지 않으며

테플론 주방기구에서는 PFOA가 존재하지 않는다고 발

표하고 있다

- 물이나 공기를 통해 환경에 노출된 PFOA는 고 콜레

스테롤 궤양성 대장염 갑상선 질환 고환암 신장암

및 임신성 고혈압과 관련된다고 보고되었다

- PFOA는 불소수지 생산과정에서 사용되는 첨가물로써

암모늄 형태로 PTFE 유화중합에 계면활성제로 사용

되며 불소수지의 품질과 균일성을 유지하기 위해 필

수적인 첨가물이기 때문에 전 세계 모든 불소수지 제

조업체가 사용 중에 있다 한편 국내 주력 산업인 반

도체 생산 과정에서도 PFOA를 대량으로 사용하고 있

어 체계적인 실태조사와 대책수립이 필요하다는 의견

들이 대두되고 있다

⑽ 불소화합물의 안전성과 환경대책

ㅇ 표 3-6에서 살펴본 바와 같이 테플론을 급격히 고온으로

가열하면 2종의 발암물질을 포함한 유독성 가스가 발생

63

하고 특히 불소화합물 중 MFA(monofluoroacetic acid)는

적은 양으로도 치명적 해를 끼치고 PEIF(perfluoro-

isobutene)는 신경가스제로 여러 가지 질환을 발생시킨다

한다44)

따라서 테플론으로 코팅된 장치를 재 코팅하기

위해 테프론을 고온으로 급격히 가열하거나 소각 등을

통해 제거할 때는 발생 가능성이 있는 유독가스를 제거

하기 위한 별도의 설비를 이용하여야 하고 유 등44)의 보

고서에서와 같이 중조(NaHCO3)를 포화시킨 충분한 물로

유독 산성 물질을 중화시키는 것도 고려할 만하다 한편

부식대전 방지 코팅도 테플론 코팅 일변도에서 세라믹

코팅 CNTs이나 DLC 코팅기술로 대응하는 것을 추천하

고 싶으며 이것은 유해물질 배출 및 이동량 보고제도

(PRTR Pollutant Release and Transfer Register)에 대

비하는 등 기업의 장래를 고려하는 것도 될 것이다

ㅇ PTFE를 사용한 취사도구는 1960년대 이래 사용되어 오

고 있으나 최근 들어 이것의 안전성이 논쟁의 주제가 되

고 있으며 논의 주체는 PFOA(perfluorooctanoic acid)이

다 PFOA는 PTFE를 비롯한 많은 불소수지의 생산에

사용되며 DuPont의 테플론 PTFE 연구 결과에 의하면

프라이팬을 260 이상 고온에서 가열하거나 코팅이 벗

겨져도 PFOA가 존재하지 않는다고 한다 그러나 물이나

64

공기 토양 식품포장재 등 여러 곳에서 PFOA 오염사실

이 보고되고 있다 한다44)

- 미국 EPA는 인체와 환경에 대한 PFOA 연구를 계속

하고 있으며 2015년까지 PFOA 및 이와 관련된 화합

물 방출을 배제할 프로그램을 갖고 있으나 PTFE-기

초 비점착 취사기구를 중지시킬 타당성을 갖고 있지

는 않다 최종제품은 PFOA가 아닌 PTFE이기 때문이

다

- 수십 년 동안 불소수지 비점착 코팅이 시장을 지배하

였으나 최근 몇 가지 신기술들이 출현되고 있으며 이

들 대부분은 실리콘 세라믹과 실리콘 기술로 이들 코

팅은 PTFE와 PFOA를 함유하지 않는다

- 오늘날 출시된 비점착 취사용구는 수많은 상표로 팔

리고 있으며 DuPont에 의하면 대부분의 취사용구 코

팅은 정상적으로 사용할 때 3-5년 견딜 수 있을 것으

로 예측한다 너무 문질러서는 안 되고 따뜻한 비눗

물로 씻어주는 것이 좋으며 닳거나 흠이 생기지 않도

록 나무 플라스틱이나 코팅된 재료로 만든 도구를 선

택하고 보관도 흠이 생기지 않을 장소나 캐비닛을 권

장하고 있다

65

ㅇ 국내의 불소수지 안전성에 관한 것으로는 재질규격(납과

카드뮴)과 용출규격(납 과망간산칼륨소비량 증발잔류물)

이 식품용 기구 및 용기 포장 공전46)에 기재되어 있으며

최근 국내에서도 PFOA를 비롯한 유해 불소화합물에 관

한 관심이 커져 가고 있다

ㅇ PFOA 문제가 표면화 되면서 환경 보전형 불소계 발수

유제의 개발과 공업화도 새로이 부각되고 있다 이에 관

한 보고서를 모니터링한 KISTI자료47)를 중심으로 간단히

요약하면 발수제의 주요성분 퍼플루오로알킬기(Rf기)함

유 폴리머의 기능은 Rf기의 고리길이에 크게 의존하므로

PFOA문제 해법으로 탄소수 8 이상인 종래의 불소화학

에서 탈피 짧은 고리 Rf기(탄소수 6)를 가진 새로운 단

량체를 선택하여 발수제를 제조함으로써 환경 보전형 불

소계 발수유제를 개발하고 공업화하였다 한다

66

제 4 장

지원결과

1 지원결과 종합

테프론 코팅 기술의 문제점과 부식대전방지용 테플

론 코팅에 관한 정보 외에 신청기업의 요청에 따

라 C-나노튜브 코팅 및 DLC증착에 관련된 기술 정

보도 제공하였다

테플론은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat resistant)

비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coefficient of

friction) 내약품성(chemical resistance)과 특이한 전기적

특성(unique electrical properties) 및 온내구력(cryogenic

stability)으로 그 응용범위가 광범하며 용도에 따른 엄격

한 품질관리가 요구될 것으로 생각되어 중소기업에 적합

한 기초능력 배양과 신제품을 구상하기 위한 최신기술에

관한 정보를 제공하고자 하였다

67

불소수지의 코팅은 두께와 첨가제가 관건으로 이에 관한

자료를 제공하고자 하였으며 불소수지의 전기특성 폭발

성 환경과 반도체 제조공정에서의 대전 방지 처리를 위

한 정전기 관리 지표 등을 특허를 중심으로 조사하여 제

공하고자 하였다

C-나노튜브를 이용한 대전방지 코팅 기술 및 C-나노튜

브의 제법 등 이것에 관한 기초정보를 제공하고자 하였

으며 내마모성 테플론 코팅에 관해서는 테플론을 이용한

세라믹 코팅 기술에 관한 정보도 제공하고자 하였다

테플론의 기계적 전기적 특성을 강화하기 위해 사용되는

충전제를 종합하고 기초이론을 정립함으로써 금후 원부

자재의 선정에 도움을 주었다

테플론은 석면 대체재로도 주목받고 있어 이에 관한 특

허 정보들을 제공하였으며 다이아몬드의 전형적인 특성

을 나타내는 DLC의 코팅관련 기술 정보를 환경오염 문

제와 연관하여 자료를 제공하였고 최근 비-점착 주방기

구인 프라이팬이나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가

열할 때 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수도 있

다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있어 이에

관한 정보도 제공하였다

68

2 지원의 한계

중소기업이 당면한 문제는 전문기술의 확보다 관련 기술

이 비약적으로 발전하는 추세에 비추어 한정된 인원으로

신기술을 소화하고 개발하기는 어려울 것이므로 출연연

구기관이나 대학과 공동연구를 모색할 수 있으나 이것도

중소기업으로서는 경제적 부담이 될 수밖에 없을 것으로

생각된다 가능하다면 앞으로도 KISTI의 정보지원이 계

속되기를 바라고 있었다

3 기대효과

부식대전 방지 테플론 코팅에 관한 기본 기술이 배양되

어 합리적인 원부 원료의 수입검사 공정관리 및 제품관

리를 통해 원가절감은 물론 신제품 신기술에 관한 정보

수집 및 분석능력이 배양되고 개발력이 확충되어 기업

경쟁력 향상에 도움이 될 것이다

69

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저자소개

김학주(金鶴柱) 서울대학교 문리과대학 화학과 졸업 이학사

전북대학교 대학원 화학과 이학박사

(주)삼양사 의약연구소장 신성대학교 교수

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 폴리에스테르 섬유의 연중직방기술 외 다수

저서 기기분석 공업물리화학 일반화학

성용길(成墉吉)

동국대학교 이과대학 화학과 졸업 이학사 이학석사

부산대학교 대학원 화학과 이학박사(Dr Sci)

University of Utah USA Ph D(공학박사) Post Dr

유타대학교 연구교수 부산대학교 교수 동국대학교 교수

동국대학교 명예교수 한국원자력문화진흥원 이사

과학문화연구원전문연구위원 한국도량형과학문화연구원 원장

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 의료용 기능성 고분자재료에 관한 연구 외 330편

저서 고분자 물성론 (서울대학교 출판부 공저) 외 10권

35

세라믹으로 제작되나 웨이퍼기판을 작업스테이지에 올려

놓을 때 작업스테이지와 웨이퍼기판 사이에 마찰 정전기

가 발생한다 FPD(flat panel diplay 평판표시)용 디스펜

서(dispenser)에 사용되는 작업스테이지는 진공방식으로

디스플레이 기판을 흡착 고정하며 흡착 고정되었던 디스

플레이 기판이 작업스테이지에서 박리될 때 작업스테이

지에 정전기가 발생하여 디스플레이 기판에 대전된다 최

근 디스플레이 기판이 대형화됨에 따라 대전량이 증가되

고 정전기 대전문제가 더욱 심각해지고 있다 웨이퍼기판

이나 디스플레이기판에는 반도체소자 등 다수의 전자부

품들이 배치되어 있기 때문에 정전기가 발생되면 전자부

품의 신뢰성에 치명적 손상을 주고 기판에 분진이 부착

되거나 정전기의 대전으로 기판 리프트 업(lift up)시 기

판이 깨어지는 문제가 발생한다 정전기 대전을 방지하기

위해서는 작업스테이지에 이오나이저를 설치하여 중화하

기도하나 리프트 업이 불가능하거나 이온풍이 도달하기

전 방전하는 등 작업 스테이지와 기판 사이에서 발생한

정전기가 순간적으로 일으키는 박리대전 문제를 해결하

기 어려워 작업 스테이지의 정전기 방지를 위해 불소수

지로 코팅한다

- 불소수지는 다른 물질과의 흡착에너지가 작고 비점착

성이 우수하며 마찰계수가 작아 유리기판과의 상관관

36

계가 작아져 박리에 의한 정전기의 발생량이 적어지

나 불소수지는 절연성을 가지므로 테프론 코팅에서는

카본 블랙이나 전도성 고분자 등을 필러로 사용한다

대전방지가 필요한 반도체 제조장비 디스플레이 장치 및

테스트 장치 등의 작업 스테이지를 테프론 코팅함으로써

작업 스테이지의 정전기 발생을 방지하는 방법의 단점의

하나는 제작비용이 상대적으로 많이 드는 것으로 디스펜

서의 경우 디스플레이 기판이 대형화됨에 따라 작업 스

테이지의 크기가 커져 제작비용이 증가한다 또한 불소수

지의 경도가 낮아 코팅 막에 스크래치가 발생하고 이 부

분은 평탄도 유지가 어려우며 입자들이 발생하는 요인으

로 작용하며 불소수지가 절연성이므로 카본블랙이나 전

도성 고분자 등의 도전성 필러를 충전하여 대전방지에

적합한 면-저항을 갖도록 할 경우 카본블랙은 구형으로

분진이 발생하는 문제점이 있고 전도성 고분자를 사용할

경우는 내용제성이 약하고 과량의 바인더를 사용하여야

하며 박막 형성이 어렵고 불소수지의 경도를 보완하기

위해 아노다이징 처리를 하는 경우는 이후 별도의 코팅

과정을 거쳐야 하므로 제작비용과 제작시간이 증가하는

등 여러 가지 단점들이 있다 이러한 문제점들을 해결하

기 위한 방법으로는 작업 스테이지와 기판이 만나는 면

에 정전기 발생을 최소화시킴과 동시에 그 제조비용이

37

절감되고 적절한 면-저항을 조절할 수 있으며 마찰계수

가 낮고 내마모성이 향상된 작업스테이지 표면의 대전방

지 처리 방법에 관한 국내의 탑나노시스 사의 특허15)가

있다

- 탑나노시스 사의 특허 목적은 작업스테이지의 기판과

만나는 면에 정전기의 발생을 최소화시킴과 동시에

그 제조비용이 저감되고 적절히 면-저항을 조절할 수

있으며 마찰계수가 낮고 내마모성이 향상된 스테이지

표면의 대전방지 처리 방법에 관한 것으로 이 특허에

서는 금속소재의 작업 스테이지 표면을 아노다이징

처리하여 복수의 산화표면 홀들을 형성시키고 여기에

탄소나노튜브를 삽입하고 경화하며 탄소나노튜브 경

화 후에 표면을 봉공 처리한다

- 작업스테이지 표면은 106-10

9Ωsq의 면-저항을 갖는

것이 바람직하며 산화표면 홀들은 직경 30-900nm 깊

이 100-900nm가 바람직하다 아노다이징 처리를 하는

금속소재는 Al Mg Zn Ti Ta(탄탈륨) Hf(하프늄)

Nb(니오븀) 등일 수 있고 이 발명에서는 가벼우며 일

정 강도를 갖고 가공성이 우수한 Al합금을 예로 들어

설명하고 있다

38

- 알루미늄소재 작업스테이지 표면에 산화피막(Al2O3)처

리를 하는 아노다이징(anodizing 양극산화)에서 전해

액은 수산화나트륨이나 수산과 황산 등이 사용될 수

있고 수산화나트륨의 농도(20-50) 공급전압 전류

및 시간 등을 조절하여 산화표면 홀의 크기(D)와 깊

이(L)를 조절하며 D와 L에 따라 대전방지 효과나 내

구성 및 표면경도를 조절한다

- 탄소나노튜브를 산화표면 홀 내에 삽입시키는 단계는

전해 흡착 하여 이루어질 수 있고 정전도장을 통해서

도 이루어질 수 있다 탄소나노튜브는 분산제를 포함

하는 용액으로 코팅되며 분산제로는 소듐 도데실설페

이트(SDS) 트리톤X Tween20(폴리옥시에틸렌 소르

비탄모노올레이트) CTAB(cetyl trimethyl ammonium

bromide)를 예로 들고 있으며 탄소나노튜브 용액은

아크릴계 우레탄계 등 또는 전도성 고분자계 유무기

하이브리드계 바인더가 포함될 수 있다

- 봉공처리는 산화표면 홀과 산화피막을 봉공하여 내식

성 등이 향상되도록 보호 층을 형성시키는 것으로 비

등수 가압증기에 의한 수화봉공 금속염을 포함한 열

수에 의한 금속염 봉공 오일로 도포나 침적하는 유기

물 봉공 양극산화 피막 층에 도장하는 도장에 의한

39

봉공 등이 있다

반도체 소자를 제조하는 과정에는 불순물 이온을

주입하는 장비가 이용되고 있다 (주)하이닉스 반도

체의 특허에서는 이온주입 장비의 웨이퍼 지지 장

치 리프트 핀의 끝단을 라운드 처리하고 리프트 핀

에 테플론을 코팅하여 리프트 핀과 웨이퍼 후면의

접촉 시 웨이퍼 후면에 스크래치와 같은 손상이 유

발되는 것을 억제할 수 있게 한다16)

⑷ 탄소나노튜브(CNTs Carbon Nano Tubes)17)

탄소나노튜브는 탄소의 동소체로 1991년 일본 NEC 연구

소의 Ijima박사에 의해 전자 현미경을 통해 처음으로 확

인되었다 1985년에 Kroto와 Smalley가 탄소의 동소체인

풀러렌(탄소 원자 60개가 모인 것C60)을 처음으로 발

견한 이후 전기방전 시 흑연 음극 상에 형성된 탄소덩어

리를 투과전자현미경으로 분석하는 과정에서 발견하여

Nature학술지에 처음으로 발표되었다18) 탄소나노튜브에

서 탄소원자 하나는 주위의 다른 탄소원자 3개와 sp2결

합을 하여 육각형 벌집무늬를 형성하며 이 튜브의 직경

이 대략 수 나노미터(nm nanometer) 정도로 극히 작기

40

때문에 나노튜브라고 부르게 되었다 이 탄소나노튜브는

전기 세기가 클수록 더 수축하는 성질을 가지고 있는 등

튜브의 직경이 nm수준으로 극히 작아서 특유의 전기화

학적 특성을 나타낸다

Ku 등19)에 의하면 CNTs는 전기방사법(arc-discharge)

레이저증발 법(laser vaporization) 플라즈마 화학기상증

착 법(plasma enhanced chemical vapor deposition) 열

화학 기상증착 법(thermal chemical vapor deposition) 등

의 다양한 합성법이 개발되어 대량생산이 가능하다

CNTs의 종류는 벽의 수에 따라 단일 벽 탄소나노튜브

(SWNTs) 이중 벽 탄소나노튜브(DWNTs) 다중벽 탄소

나노튜브(MWNTs)가 있으며 물성에 관한 많은 연구결

과 기계적 전기적 열적으로 우수한 성능을 갖고 있음이

입증되었다

CNTs는 인장강도와 탄성률 면에서 지금까지 발견된 재

료 중 가장 강하고 질기며 다중벽 CNT는 63GPa에 이른

다 표준 단일 벽 CNT는 25GPa의 압력까지 변형 없이

지탱된다 그래핀의 대칭성과 특이한 전기적 구조 때문에

CNTs의 구조는 그것의 전기적 특성에 영향을 미쳐 금속

성이나 반도체의 특성을 나타내고 이론적으로 금속성

41

CNTs는 구리와 같은 금속의 1000배가 큰 4times109Acm

2

전류 밀도를 운반할 수 있으며 나노크기의 단면으로 전

자가 튜브의 축 방향으로만 전파되고 전자의 이동은 양

자효과를 수반하여 1차원 전도체로 간주된다

CNTs는 우수한 물성과 상대적으로 큰 표면적으로 갖고

있어 충전제(filler)로써 에폭시 폴리스틸렌 폴리우레탄

등 고분자와 혼합하여 폴리머의 기계적 전기적 특성을

향상시키려는 연구가 활발하다 CNTs가 폴리머 중에서

충전제 역할을 하기 위해서는 고른 분산이 필요하나 반

데르발스 힘에 의한 CNTs 응집현상(agglomeration)으로

인해 효과적인 분산이 어려워 오히려 폴리머의 물성을

저해하므로 이것을 개선하기 위한 다양한 기계적 화학적

분산 방법이 연구되고 있다

- CNTs를 분산시키기 위한 가장 일반적인 방법은 용매

나 폴리머에 CNTs를 투입하고 초음파처리를 하는 것

으로 초음파처리를 하면 SWNTs의 길이가 짧아지고

다발(bundle)이 얇아져 분산력이 증가한다

- CNTs 표면을 산이나 아민으로 기능화하여 분산을 높

이는 방법도 연구되고 있으며 MWNTs를 HNO3

H2O2NH4OH 용액에 침지시켜 MWNTs에폭시 복합

42

재료는 전기적 특성을 향상시키려는 연구와 산과 아

민 등의 기능기를 도입하여 SWNTs의 열전도도를 향

상시키려는 연구들이 수행되고 있다

- 기계적 분산방법인 전단혼합방법은 좁은 관이나 상대

적으로 높은 속도의 유동을 이용하여 발생한 전단력

으로 CNTs를 분산시키는 방법이다 Ku 등19)은 전단

혼합과 초음파처리를 이용하여 MWNTs로 강화된

에폭시 복합재료를 만들어 기계적 및 열적 특성을 연

구하였다

⑸ 내마모성 테프론 코팅

ㅇ 재료의 부식은 구조재에 원하지 않은 변화 원인으로 작

용하여 경제적인 문제로 귀결되는 심각한 문제이다 이들

원치 않는 변화는 때로 적절한 코팅에 의한 표면처리로

예방할 수 있다 가장 일반적이고 자주 사용되는 전착 코

팅은 아연에 기초한 아연 코팅 및 합금 코팅으로 이들

코팅은 간단한 기술로써 내부식성이 양호하여 전 표면처

리의 약 14에 해당하나 최근 낮은 마찰계수 등 다른 특

성들이 매우 중요하게 되었다 이들 특성은 다층 코팅으

로 대응할 수 있으나 두께가 증가하고 기술이 복잡하여

가능한 해결방법으로는 복합체 코팅이 있다 복합체 코팅

43

은 일반기계와 자동차 전자부품 및 컴퓨터 등 다양한 분

야에 적용된다 금속 기질에 미세한 PTFE 입자의 전착

에 의한 증착은 새로운 세대의 복합체 코팅으로써 가장

바람직한 특성은 양호한 내마모성 자기윤활 내부식성이

다 M Paderovaacute 등20)에 의하면 이들 특성은 주로 사용

한 입자(흑연 다이아몬드 MoS2 또는 PTFE)와 용액의

유형(pH 온도 bath 등) 뿐 아니라 입자의 크기 농도

분산 및 형태학에 의존한다

ㅇ 충전되지 않은 PTFE의 마모율은 736-741times10-4mm3Nm

로 내마모성이 낮아 다양한 충전제들이 첨가되고 있다

Xing-Dong Yuan 등21)은 진공 조건에서 PTFE 코팅

의 마모특성을 연구하여 초기에는 하중이 증가함에 따

라 마찰계수가 감소하나 하중이 6N 이상으로 커지면

마찰계수도 증가하며 압력이 PTFE 코팅의 마찰계수

에 미치는 영향이 거의 없고 마모는 압력이 증가하면

초기에는 감소하나 10Pa 보다 높으면 급격히 증가한

다고 보고하였다

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위해서는 윤활제로 PTFE

계 수지 접착제로는 폴리아미드이미드수지 산화철 분말

44

및 브론즈 분말 등을 혼합한 조성물을 사용하거나 미국

특허에서는 스와시플레이트 형 압축기의 플레이트 표면

에 MoS2 흑연 PTFE계 윤활제와 열경화성 수지인 폴리

아미드이미드(PAI) 조성물을 코팅하여 내마모 및 윤활성

을 부여하고 있다22) 내열성 향상을 위해서는 고체윤활

제 접착제수지 및 저융점 금속인 Sn Pb In Bi 등을 함

유하는 합금이나 화합물을 사용하여 금속의 잠열을 이용

내열성 향상을 시도하기도 한다

ㅇ 그간 철강(스테인리스강 탄소강 아연도금강판 등)의 내

부식성 향상을 위한 많은 연구들이 수행되어 왔다 4플루

오르에틸렌(C2H4) 4플루오르에탄(CF4) 6플루오르에탄

(C2F6) 3플루오르화에탄(CHF3) 8플루오르화에탄(C4F8)

같은 불소화된 단량체의 플라즈마 중합에 의한 테플론

류 코팅은 그들의 소수성으로 인해 금속의 내부식성 향

상을 위한 대안으로 주목을 받고 있다 A Delimi 등23)

은 유도결합 고주파플라즈마(inductively coupled radio

fre- quency plasma)를 사용하여 소수성 박막 불소수지

필름을 탄소강에 증착하고 3염수에서 내부식성을 평가

한 결과 1개월 동안 9nm의 필름이 유지되는 것을 관찰

하여 불소고분자 박막이 금속과 금속산화물의 보호층이

될 수 있음을 보고하였다

45

ㅇ PTFE를 이용한 세라믹코팅 기술로는 알루미늄 및 알루

미늄 합금 공작물을 양극처리에 의해서 티타늄 및또는

지르코늄 산화물을 포함하는 내식성 내열성 및 내마모

성 세라믹 코팅을 하고 이어서 양극처리된 공작물을

PTFE 또는 실리콘 함유 코팅과 같은 제 2 코팅으로 코

팅한다 이 발명은 가소성을 가지는 경질의 필름 내에서

내식성 내열성 및 내마모성을 제공하는 티타늄 및또는

지르코늄 산화물의 양극처리 층으로 기판을 예비-코팅함

으로써 알루미늄 기판에 보다 긴 수명의 코팅을 형성하

는데 특히 유용하다24)

ㅇ Nosaka 등25)은 PTFE로 대표되는 불소수지는 마모-링이

나 극저온 밸브의 실링부에 많이 사용되며 진공치환법에

의해 탄소재료에 PTFE나 MoS2 분말을 1-2wt 함침시

키면 무함침한 것에 비해 마모가 약 13로 감소한다고

보고하였다 한편 저자들은 터보펌프의 실링재료가 극저

온 환경에서 보이는 특이한 현상을 극복하기 위해 베어

링의 표면에 노출된 유리섬유를 불소산으로 처리하여 용

해 제거하고 윤활성을 높인 유리섬유강화 테프론 리테이

너를 개발하여 내구성과 윤활성을 향상시킬 수 있었다고

보고하고 있다

46

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위한 또 다른 특허로는

폴리실록산계 접착제를 단독 혹은 폴리에스테르계 접착

제와 병용하고 고체 윤활제로 MoS2(이황화몰리브덴

WS2(이황화텅스텐) h-BN(육방정 질화붕소) 팽창흑연

및 PTFE를 사용하고 충전제로 탄화규소 알루미나 산화

지르콘 산화티탄 등의 미분말을 사용하여 내마모 내열

및 윤활성을 부여하고자 하는 내마모성 및 윤활성 코팅

조성물에 관한 특허가 있다26)

ㅇ 내열성 내후성 내오염성 내약품성 내구성 등의 물성

은 유지하면서 비점착성을 높이기 위해 무기계 세라믹

코팅 조성물에 PTFE를 첨가하기도 한다 이러한 하이

브리드 코팅 조성물에 관한 특허로는 불소수지(01sim25

중량) 콜로이달 실리카나 콜로이달 알루미나 등 무

기계고분자 바인더(20sim80중량) 알콕시실란 화합물

(1sim50중량) 수용성 유기용제(1sim10중량) 충전제

또는 안료(5sim50중량) 및 물(100중량 까지 보충)로

이루어진 코팅 조성물에 관한 것으로 무기질 도료 및

무기계 세라믹 코팅에 의해 내열성 내오염성 내약품

성과 내구성을 유지하고 접착력을 높이기 위해 소량의

PTFE를 사용하는 것이 있다27)

47

ㅇ 정전 복사기에 사용되는 정착기재부의 최외층에 코팅하

여 기계적 성질 및 내마모성을 향상시키려는 목적으로

불소수지 기질 중에 분산된 불소화 다이아몬드를 함유하

는 입자로 구성된 조성물에 관한 일본 특허28)가 있다

ㅇ 부식 특성을 개선한 흑색 무크롬(chrome-free) 다층 내

부식 마무리 칠과 방법에 관한 특허29)로는 ASTM B 117

표준으로 시험할 때 백색 부식에는 최소 500시간 염수분

무시간 및 적색 부식에는 1500시간 염수분무시간에 적합

하게 설계된 마무리 칠에 관한 것이 있다 이 다층 시스

템은 광택(gloss) 4 이상을 만족하는 자동차 차체 강판

자동차 하부와 내장에 사용되기 위해 설계된 것으로 이

다층 마무리 칠은 3층 부식 방지 시스템을 형성하도록

아연-철 전기도금 기질 오르토인산을 사용한 무전해 인

산염 결정 전환 층과 XylanTeflon 실러 코팅의 조합이

다

ㅇ 전통적으로 철 강판(steel sheet)은 크롬산 염 전환 코팅

으로 개질되어 왔으나 6가 크롬이 배출되어 환경을 오염

시키는 문제점이 있어 강판의 내-부식성을 개선하기 위

해 고분자 수지 코팅들이 수행되고 있으나 이 방법은 고

48

분자 코팅 층이 열전도도를 감소시키는 단점을 가지고

있다 Kang 등30)은 강판 위의 고분자 코팅 층의 열전도

도를 향상시키기 위해 초미세-크기 다이몬드(μD)입자를

열전도 물질로 사용하였다 다양한 음이온 및 비-이온

계면활성제들을 사용하여 수용액 중에서 무거운 μD입자

의 안정화를 시험들을 한 결과 1-피렌카르복시산(PCA)

이 가장 양호하였다 그림 3-2는 이 시험 결과를 요약한

것이다

- 강판 위에 PCA로 안정화 된 μD 입자를 함유한 폴리

우레탄-기초 코팅 층은 열전도도가 0351W(mK)에서

0434 W(mK)(10 wtμD)로 향상되었으며 더욱 144

시간 동안 염수 분무 시험결과 부식거동은 관찰되지

않았다

그림 3-2 피렌카르복시산을 이용한 μD 표면처리

ㅇ 자동차공업에서는 기본적인 특성으로 내마모성이 요구되

49

는 강철 기계부품들의 마찰특성을 향상시키기 위해 다양

한 금속 및 고분자 코팅들이 광범하게 이용된다 내-마

모 코팅은 두 가지 주요 특성인 높은 표면경도와 자기-

윤활 특성이 필요하다 후자의 범주에 속하는 것이

PTFE와 MoS2 기초 코팅이다 무전해 니켈 코팅은 높은

경도로 인해 양호한 마찰 특성을 보이며 한편 열처리를

통해 경도를 향상시킬 수 있다 PTFE입자의 첨가는 코

팅경도를 감소시키나 자기-윤활특성을 부여한다 S

Rossi 등3132)은 마찰특성을 향상시키기 위해 이용되는 탄

소강에 이용되는 몇 가지 공업적인 코팅에 관한 부식거

동에 관해 평가 PTFE입자를 함유한 무전해 니켈-인

(Electroless Nickel-Phophorus)코팅은 PTFE 입자(자기-

윤활 특성)를 갖는 외층과 장벽-효과를 갖는 내층으로

인한 이중 특성으로 가장 양호한 특성을 보였다고 보고

하고 있다

ㅇ 모든 기계적 시스템은 동적 요소를 필요로 하며 마찰과

마모를 줄이기 위한 다양한 수단들이 가능하나 그 선택

은 환경이나 조작 조건에 제한을 받는다 PTFE는 자기

윤활 낮은 마찰계수 높은 열안정성과 화학약품 안정성

으로 산업분야에 널리 사용되는 엔지니어링 고분자이지

만 내마모성이 매우 부족하다 이러한 이유로 금속

-PTFE충전 복합체들이 PTFE의 마찰특성과 금속충전제

50

의 내마모성을 결합하여 특정 분야의 용도로 소개되어

왔으나 금속-고분자 물질에서의 충전제의 역할은 완전히

설명되지 않고 있다 복합체 표면의 과잉의 충전제 농도

는 미끄러지는 동안 부하를 지지하여 내마모성을 증가시

키는 것으로 생각되며 PTFE의 마모율은 Mo Zn Ni

Y2O3 및 SiO2 같은 무기 충전제에 의해 1000배가량 감소

되었다는 보고도 있다 유리섬유 구리 세라믹 탄소섬유

절단 탄소섬유 나노입자를 포함한 경질의 충전제 입자들

이 PTFE의 내마모성을 높이기 사용되어 왔다

ㅇ 비교적 두꺼운 코팅에는 열분사(thermal spray) 용사기

술이 정립되어 있고 용사 코팅은 내마모 내마찰 내프레

팅(fretting) 및 내부식을 요하는 산업에 많이 이용되고

있다

- 용사 몰리브덴(Mo)코팅은 실질적 내마모성 코팅으로

가장 광범하게 이용되며 프레임용사(flame spray)거나

와이어용사(wire spray)기술로 생산된 몰리브덴(Mo)

코팅은 흠이나 마모에 대한 고도의 저항을 얻기 위한

가장 좋은 코팅재료 중의 하나이다

- 알루미늄 청동(aluminium bronze)은 높은 내-부식성

과 내마모성을 갖는 것이 특징이다 저압 플라즈마 용

51

사 기술은 자기-아닐링(self-anealing)과 부서지기 쉽

도록 유도하는 γ-상의 형성을 피할 수 있도록 높은

냉각 속도를 얻는 데 사용되며 알루미늄 청동 저압

플라즈마 용사 코팅은 낮은 마찰과 마모를 보였고 비

교적 최근 플라즈마 용사 기술을 이용하여 알루미늄

기질에 고분자-세라믹 복합체를 코팅하는 기술이 개

발되었다33)복합체 코팅으로 행한 마찰 시험에서 낮

은 마찰계수를 얻을 수 있었다

- 낮은 마찰계수와 고 내마모성을 갖는 이성분 금속

-PTFE 코팅이 개발되었고 이들의 마찰 공학적 성능

이 보고되었다 PTFE-기초 복합체 설계에서 일반적

인 접근방법은 경질의 충전 입자들을 도입하는 것으

로 M Yamane 등34)은 PTFE-금속 이성분 코팅의 마

찰 마모성능에 관한 연구 결과 알루미늄 청동 코팅이

Mo코팅에 비해 PTFE 저장소(reservoir)에 유용했음

을 보고하였다

⑹ 충전 또는 강화 플루오르화 탄소1)

ㅇ 분말이나 강화섬유 등 전형적인 충전재들이 충전 또는

강화 플루오르화 탄소에 사용된다 충전재는 저온흐름

52

을 향상시키는 데 사용되며 수축과 균열을 줄이고 열

팽창을 낮추며 열전도율을 향상시킨다

ㅇ 분말이나 단섬유로 된 전형적인 충전제를 표 3-5에 종합

하였다 유리섬유는 가장 보편적인 PTFE 충전제로 화

학 및 전기적 특성에 최소로 영향을 미치며 기계적 특

성을 크게 향상시킨다 분말에 비해 섬유는 압축강도

강성도 및 지지용량을 더욱 향상시키나 분말은 충전

테플론의 내구성에 거의 영향을 미치지 않는다 금속분

말은 특히 열전도도를 향상시키며 고속에서 발생하는 마

찰열을 소멸하는데 도움이 되며 전기저항을 상당히 감소

시켜 금속-충전 조성물은 양호한 절연체는 아니다

ㅇ 흑연(graphite) MoS2는 초기 내구성과 마찰을 개선하고

기계적 특성을 향상시킨다 석면은 많은 유용한 특성을

갖지만 가공 처리 중 가스가 방출할 뿐 아니라 사용금지

물질이다 표 3-5 외에도 금속 망 장섬유 다공성 금속

등 다양한 충전제들이 있으며 다양한 종류의 제품들이

상업 생산되고 있어 최종 선정을 하기 전에 플라스틱 가

공업자로부터 보다 완전한 정보와 추천을 받는 것이 바

람직하다

53

표 3-5 불소수지용 충전제

ㅇ 압축강력 인장과 압축 시의 탄성률 및 항복강력은 첨가

제의 첨가에 의해 모두 증가하나 일반으로 인장강력과

신도 및 충격강도는 손실된다 통상 충전 테플론은 압축

상태에서 사용되므로 인장강력의 감소는 중요하지 않다

인장강력의 손실은 설치(연속적인 링-실링)할 때 인장되

는 재료에서 중요하다 열팽창 계수는 비-충전 테플론에

비해 감소되어 통상 금속 부품의 팽창계수와 잘 맞는다

ㅇ 마찰과 마모를 수반하는 분야에서 가장 중요한 것은 충

전제로 얻어지는 PV한계치의 증가와 마모의 감소다 비-

54

충전 테플론에 비해 PV한계치 크기는 개략적으로 1차원

적으로 증가하나 마모인자는 3차원적으로 감소한다 충전

테플론의 평균치들은 동적 마찰계수는 01-02 PV한계치

는 10000-20000 psi-fpm 마모상수는 10times10-10in3-min

lb-ft-hr이다 그림 3-3은 충전 테플론 PTFE의 마찰계

수에 미치는 충전제 종류와 농도의 효과에 관한 것이다

그림 3-3 테플론 PTFE에 미치는 충전제 종류와 농도1)

ㅇ 내마모성을 향상시키는 충전제는 실제로 연마저항성을

감소시키는 것으로 날카로운 입자는 보다 쉽게 침투하고

충전제 입자와 수지 사이의 경계를 따라 충전 플라스틱

을 찢는다 따라서 라이닝 슈트 같은 분야의 적용 시는

55

비-충전테플론이 보다 바람직하다

⑺ 시트 테이프 및 박층(laminates)

ㅇ 대부분의 플루오르화탄소는 충전 여부에 관계없이 두

께 1mil(0001 in)까지 시트나 테이프로 만들 수 있고

시트나 테이프를 찍어서 원하는 형상의 립-씰(lip seal)

펌프 컵(pump cup) 피스톤 링(piston rings) 가스켓

(gaskets) 등을 만들 수 있다

ㅇ 유체의 누설을 정지시키는 밀봉기능 부품 중 각종기기의

접합부나 배관 플랜지 등의 밀봉에 사용되는 가스켓

(gaskets)은 석면이 널리 사용되어 왔으나 유해물질 배

출 및 이동량 보고제도(PRTR Pollutant Release and

Transfer Register)에서 발암성을 가진 제1종 지정 화학

물질로 지정되어 사용이 금지되어 PTFE가 가스켓으로

개발되었다 PTFE는 용융 알칼리 금속 및 그 용액과 불

소 및 3불화염소에 의해 약간 침식되나 모든 화학약품에

안정하고 우수한 내부식 재료로 C-F결합력이 크고 F원

자가 C-C결합의 주위를 간격 없이 들러 싸고 있기 때문

에 다른 물질의 공격을 방어하고 있고 내열성은 260로

높다35)

56

- PTFE 필러를 사용한 PTFE 나선 권형 가스켓은 석

면에 대한 사용규제와 상관없이 사용되어 왔으며 유

연한 필러를 사용하므로 석면 가스켓 보다 낮은 체결

압력에서도 실 특성이 우수하고 내식 면에서도 광범

하고 다양한 유체에 사용이 가능하다 다만 단열성 면

에서는 석면 나선 권형 가스켓 보다 사용온도 범위가

제한된다

ㅇ 산업 기계나 자동차의 브레이크 제동장치에 부착하여 마

찰력을 부가하는 브레이크 라이닝에서는 마찰계수와 내

마모력 및 충격계수 등 마찰특성이 우수한 석면을 주로

사용하여 왔으나 제동 시 발생하는 미세 석면분진으로

인해 대기오염에 의한 환경을 파괴 뿐 아니라 인체에 흡

입될 경우 암을 유발하여 PRTR로 사용이 금지되었다

석면을 대체할 유기질 또는 무기질 된 다양한 비석면 마

찰 섬유 등이 사용되고 있으며 마찰 섬유에 테프론을 코

팅하여 브레이크라이닝의 수명향상 제동 시 발생하는 소

음 떨림 및 제동력 향상을 위한 제품개발이 시도되고

있다

- 예로 국내 특허36)에서는 브레이크 라이닝(또는 패드)

의 마찰재 배합재료 중 유기섬유(Kevlar섬유 pulp섬

57

유 등)에 테프론을 코팅하고 코팅된 유기섬유에 결합

재 충전재 윤활재 마찰안정재 마찰조정재 등을 소정

의 배합비로 배합하여 성형하고 열처리하여 브레이크

패드 또는 라이닝을 제조한다

ㅇ 초소형 정밀기계(MEMS Micro-Electromechanical

System)분야에서는 점착방지를 위해 불화 유기박막을

사용한다 Park 등37)은 단층 두께의 불화 유기박막의

특성을 접촉각 측정을 통해 분석하였다

⑻ DLC 코팅3839)

ㅇ DLC(diamond-like carbon)는 몇 가지 다이아몬드의 전

형적인 특성을 나타내는 비정질 탄소물질로 극도의 내마

모 특성을 필요로 하는 재료의 코팅에 이용되고 있다

DLC코팅은 연마 마모를 감소시키기 위한 재료에 유용하

여 엔드밀 드릴비트 금형 같은 공구는 물론 자동차 기

계부품 및 전자산업 등 산업전반에 걸쳐 적용된다40)

ㅇ 환경오염 문제로 인해 PRTR(Pollutant Release and

Transfer Register 유해물질 배출 및 이동량 보고 제

도) 이 시행되어 습동 부품이나 절삭 시에 사용되는 오

일이나 그리스에 포함되는 첨가제(MoS2 Zn 등)와 이들

58

부품을 세정할 때 사용되는 용매 기계부품의 수명을 연

장시키기 위해 활용되었던 Cr도금 폐액에서 발생하는 6

가 크롬 등의 오염물질들에 대한 규제가 더욱 강화되어

DLC에 의한 무윤활 습동과 무윤활 절삭을 지향한 공구

와 기계 부품의 개발이 관심을 끌고 있다4142)

- 일본 내에서는 PRTR이 시행되고 이것에 저촉되는 재

료에 관해서는 MSDS(Material Safety Data Sheet)를

첨부해야할 의무가 있고 부품가공 습동 용도에서는

대상 리스트에 올라 있는 오일 오일 중의 중금속 도

금폐액을 어떻게 경제성 있는 환경 친화적 공정과 재

료로 전환할 것인가를 고려하면서 무윤활 습동 무윤

활 절삭 탈크롬 도금의 3가지 키워드가 대두되고

DLC코팅이 대안으로 모색되고 있다

- DLC코팅 적용기술과 과제에 관한 자료로는 자동차

관련부품 적용사례 엔진부위 마찰 작동 밸브계의 마

찰저감 DLC와 윤활제에 의한 마찰저감 기술을 중심

으로 살펴본 보고가 있다43)

ㅇ DLC는 7가지 형태가 존재하며 모두 상당한 양의 sp3혼

성궤도 탄소원자를 함유한다 다양한 형태의 DLC가 진

공 환경으로 적합한 재료들에 적용가능하며 유럽에서의

59

2006년 위탁 DLC코팅 시장은 3천만euro로 추정되었고 국

내도 활발한 상용화가 시도되고 있다

ㅇ 사반면상(tetahedral) 비정질 탄소 ta-C를 2두께로 코

팅하면 연마마모에 대한 스테인레스 강(304 type)의 내구

성을 증가시켜 수명을 1주일에서 85년으로 늘이며 이러

한 DLC의 형태는 sp3결합 탄소 원자로만 이루어지기 때

문에 순수한 DLC로 간주되며 수소 sp2흑연 탄소 금속

같은 충전제가 생산경비를 낮추거나 원하는 특성을 부여

하기 위하여 사용되고 있다

ㅇ DLC를 만드는 방법에는 sp3탄소 보다 낮은 밀도의 sp

2

에 의존하는 몇 가지 방법들이 있으며 압력 충격 촉매

또는 이들의 조합으로 sp2결합탄소 원자들을 sp3결합탄소

로 근접시킨다 최근 초고압 하에서 탄소의 경량 특성을

갖는 초경도 무정형 다이아몬드가 만들어졌다 탄소로 만

들어지는 다이아몬드 그래파이트는 결정구조를 가지나

DLC는 비정질이라는 점에서 크게 다르고 200 정도의

저온에서 형성시킬 수 있다는 점이 통상의 PVD막에 비

해 훨씬 우위에 있다

ㅇ DLC코팅은 제조공정이 복잡하고 생산 단가가 비싸 적용

이 어려우며 적용되는 소재가 제한되는 단점을 갖는다

60

주요제법으로는 고주파 플라즈마 법 이온화 증착법 스

페터링법 등을 들수 있다 고주파 플라즈마 법은 메탄가

스가 원료로 사용되고 막 중의 수소가 약 30(원자)로

평활성이 우수하고 마찰계수가 작으나 경도가 낮다 이

온화 증착법은 벤젠을 사용하며 막은 단단하나 면의 조

도가 거칠고 후막화 하기 위해 스패터링 방법이 검토되

고 있다

⑼ 불소수지의 안전성

ㅇ 테플론 PTFE의 열분해는 200(392)에서 감지되며 이

것은 몇 가지 플루오르화 탄소 기체들과 승화물질을 방

출한다4445)1955년 동물실험에 관한 한 연구에서는 이들

물질이 250(482) 이하에서는 의미 있는 양이 아니라

고 결론지었으나 최근 비-점착 주방기구인 프라이팬이

나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가열할 때 조류를

죽일 수 있는 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수

도 있다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있다45)

ㅇ 표 3-6은 EWG가 보고한 3-5분 내에 370까지 불소수

지를 가열할 때 발생되는 15종의 불소화합물에 관한 것

이다 테플론과 같은 코팅물질들이 장기적으로 인체에 미

61

치는 영향에 관한 연구는 이루어지지 않고 있으나 독감

과 유사한 질병을 유발할 수 있으며 이를 중합체 증기열

(polymer fume fever)이라 한다

표 3-6 15종의 유해물질 및 유독성 기체44)

ㅇ 최근 표 3-6의 화합물들 중 특히 TFA와 과불화된

(perfluorinated) PFOA(perfluorooctanoic acid)에 관심이

증가되고 있다 PFOA는 새로운 환경오염물질로 미국 환

경보호청(EPA)에 의하면 보통 때는 문제가 없으나 조리

과정에서 프라이팬에 열을 가하고 강하게 긁을 경우 용

62

출되어 나오며 이것이 음식물과 함께 인체에 흡수되는

것으로 추정하였다 한편 DuPont의 테플론 PTFE 연구

결과에 의하면 검출한계인 9ppb 이상 검출되지 않으며

테플론 주방기구에서는 PFOA가 존재하지 않는다고 발

표하고 있다

- 물이나 공기를 통해 환경에 노출된 PFOA는 고 콜레

스테롤 궤양성 대장염 갑상선 질환 고환암 신장암

및 임신성 고혈압과 관련된다고 보고되었다

- PFOA는 불소수지 생산과정에서 사용되는 첨가물로써

암모늄 형태로 PTFE 유화중합에 계면활성제로 사용

되며 불소수지의 품질과 균일성을 유지하기 위해 필

수적인 첨가물이기 때문에 전 세계 모든 불소수지 제

조업체가 사용 중에 있다 한편 국내 주력 산업인 반

도체 생산 과정에서도 PFOA를 대량으로 사용하고 있

어 체계적인 실태조사와 대책수립이 필요하다는 의견

들이 대두되고 있다

⑽ 불소화합물의 안전성과 환경대책

ㅇ 표 3-6에서 살펴본 바와 같이 테플론을 급격히 고온으로

가열하면 2종의 발암물질을 포함한 유독성 가스가 발생

63

하고 특히 불소화합물 중 MFA(monofluoroacetic acid)는

적은 양으로도 치명적 해를 끼치고 PEIF(perfluoro-

isobutene)는 신경가스제로 여러 가지 질환을 발생시킨다

한다44)

따라서 테플론으로 코팅된 장치를 재 코팅하기

위해 테프론을 고온으로 급격히 가열하거나 소각 등을

통해 제거할 때는 발생 가능성이 있는 유독가스를 제거

하기 위한 별도의 설비를 이용하여야 하고 유 등44)의 보

고서에서와 같이 중조(NaHCO3)를 포화시킨 충분한 물로

유독 산성 물질을 중화시키는 것도 고려할 만하다 한편

부식대전 방지 코팅도 테플론 코팅 일변도에서 세라믹

코팅 CNTs이나 DLC 코팅기술로 대응하는 것을 추천하

고 싶으며 이것은 유해물질 배출 및 이동량 보고제도

(PRTR Pollutant Release and Transfer Register)에 대

비하는 등 기업의 장래를 고려하는 것도 될 것이다

ㅇ PTFE를 사용한 취사도구는 1960년대 이래 사용되어 오

고 있으나 최근 들어 이것의 안전성이 논쟁의 주제가 되

고 있으며 논의 주체는 PFOA(perfluorooctanoic acid)이

다 PFOA는 PTFE를 비롯한 많은 불소수지의 생산에

사용되며 DuPont의 테플론 PTFE 연구 결과에 의하면

프라이팬을 260 이상 고온에서 가열하거나 코팅이 벗

겨져도 PFOA가 존재하지 않는다고 한다 그러나 물이나

64

공기 토양 식품포장재 등 여러 곳에서 PFOA 오염사실

이 보고되고 있다 한다44)

- 미국 EPA는 인체와 환경에 대한 PFOA 연구를 계속

하고 있으며 2015년까지 PFOA 및 이와 관련된 화합

물 방출을 배제할 프로그램을 갖고 있으나 PTFE-기

초 비점착 취사기구를 중지시킬 타당성을 갖고 있지

는 않다 최종제품은 PFOA가 아닌 PTFE이기 때문이

다

- 수십 년 동안 불소수지 비점착 코팅이 시장을 지배하

였으나 최근 몇 가지 신기술들이 출현되고 있으며 이

들 대부분은 실리콘 세라믹과 실리콘 기술로 이들 코

팅은 PTFE와 PFOA를 함유하지 않는다

- 오늘날 출시된 비점착 취사용구는 수많은 상표로 팔

리고 있으며 DuPont에 의하면 대부분의 취사용구 코

팅은 정상적으로 사용할 때 3-5년 견딜 수 있을 것으

로 예측한다 너무 문질러서는 안 되고 따뜻한 비눗

물로 씻어주는 것이 좋으며 닳거나 흠이 생기지 않도

록 나무 플라스틱이나 코팅된 재료로 만든 도구를 선

택하고 보관도 흠이 생기지 않을 장소나 캐비닛을 권

장하고 있다

65

ㅇ 국내의 불소수지 안전성에 관한 것으로는 재질규격(납과

카드뮴)과 용출규격(납 과망간산칼륨소비량 증발잔류물)

이 식품용 기구 및 용기 포장 공전46)에 기재되어 있으며

최근 국내에서도 PFOA를 비롯한 유해 불소화합물에 관

한 관심이 커져 가고 있다

ㅇ PFOA 문제가 표면화 되면서 환경 보전형 불소계 발수

유제의 개발과 공업화도 새로이 부각되고 있다 이에 관

한 보고서를 모니터링한 KISTI자료47)를 중심으로 간단히

요약하면 발수제의 주요성분 퍼플루오로알킬기(Rf기)함

유 폴리머의 기능은 Rf기의 고리길이에 크게 의존하므로

PFOA문제 해법으로 탄소수 8 이상인 종래의 불소화학

에서 탈피 짧은 고리 Rf기(탄소수 6)를 가진 새로운 단

량체를 선택하여 발수제를 제조함으로써 환경 보전형 불

소계 발수유제를 개발하고 공업화하였다 한다

66

제 4 장

지원결과

1 지원결과 종합

테프론 코팅 기술의 문제점과 부식대전방지용 테플

론 코팅에 관한 정보 외에 신청기업의 요청에 따

라 C-나노튜브 코팅 및 DLC증착에 관련된 기술 정

보도 제공하였다

테플론은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat resistant)

비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coefficient of

friction) 내약품성(chemical resistance)과 특이한 전기적

특성(unique electrical properties) 및 온내구력(cryogenic

stability)으로 그 응용범위가 광범하며 용도에 따른 엄격

한 품질관리가 요구될 것으로 생각되어 중소기업에 적합

한 기초능력 배양과 신제품을 구상하기 위한 최신기술에

관한 정보를 제공하고자 하였다

67

불소수지의 코팅은 두께와 첨가제가 관건으로 이에 관한

자료를 제공하고자 하였으며 불소수지의 전기특성 폭발

성 환경과 반도체 제조공정에서의 대전 방지 처리를 위

한 정전기 관리 지표 등을 특허를 중심으로 조사하여 제

공하고자 하였다

C-나노튜브를 이용한 대전방지 코팅 기술 및 C-나노튜

브의 제법 등 이것에 관한 기초정보를 제공하고자 하였

으며 내마모성 테플론 코팅에 관해서는 테플론을 이용한

세라믹 코팅 기술에 관한 정보도 제공하고자 하였다

테플론의 기계적 전기적 특성을 강화하기 위해 사용되는

충전제를 종합하고 기초이론을 정립함으로써 금후 원부

자재의 선정에 도움을 주었다

테플론은 석면 대체재로도 주목받고 있어 이에 관한 특

허 정보들을 제공하였으며 다이아몬드의 전형적인 특성

을 나타내는 DLC의 코팅관련 기술 정보를 환경오염 문

제와 연관하여 자료를 제공하였고 최근 비-점착 주방기

구인 프라이팬이나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가

열할 때 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수도 있

다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있어 이에

관한 정보도 제공하였다

68

2 지원의 한계

중소기업이 당면한 문제는 전문기술의 확보다 관련 기술

이 비약적으로 발전하는 추세에 비추어 한정된 인원으로

신기술을 소화하고 개발하기는 어려울 것이므로 출연연

구기관이나 대학과 공동연구를 모색할 수 있으나 이것도

중소기업으로서는 경제적 부담이 될 수밖에 없을 것으로

생각된다 가능하다면 앞으로도 KISTI의 정보지원이 계

속되기를 바라고 있었다

3 기대효과

부식대전 방지 테플론 코팅에 관한 기본 기술이 배양되

어 합리적인 원부 원료의 수입검사 공정관리 및 제품관

리를 통해 원가절감은 물론 신제품 신기술에 관한 정보

수집 및 분석능력이 배양되고 개발력이 확충되어 기업

경쟁력 향상에 도움이 될 것이다

69

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저자소개

김학주(金鶴柱) 서울대학교 문리과대학 화학과 졸업 이학사

전북대학교 대학원 화학과 이학박사

(주)삼양사 의약연구소장 신성대학교 교수

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 폴리에스테르 섬유의 연중직방기술 외 다수

저서 기기분석 공업물리화학 일반화학

성용길(成墉吉)

동국대학교 이과대학 화학과 졸업 이학사 이학석사

부산대학교 대학원 화학과 이학박사(Dr Sci)

University of Utah USA Ph D(공학박사) Post Dr

유타대학교 연구교수 부산대학교 교수 동국대학교 교수

동국대학교 명예교수 한국원자력문화진흥원 이사

과학문화연구원전문연구위원 한국도량형과학문화연구원 원장

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 의료용 기능성 고분자재료에 관한 연구 외 330편

저서 고분자 물성론 (서울대학교 출판부 공저) 외 10권

36

계가 작아져 박리에 의한 정전기의 발생량이 적어지

나 불소수지는 절연성을 가지므로 테프론 코팅에서는

카본 블랙이나 전도성 고분자 등을 필러로 사용한다

대전방지가 필요한 반도체 제조장비 디스플레이 장치 및

테스트 장치 등의 작업 스테이지를 테프론 코팅함으로써

작업 스테이지의 정전기 발생을 방지하는 방법의 단점의

하나는 제작비용이 상대적으로 많이 드는 것으로 디스펜

서의 경우 디스플레이 기판이 대형화됨에 따라 작업 스

테이지의 크기가 커져 제작비용이 증가한다 또한 불소수

지의 경도가 낮아 코팅 막에 스크래치가 발생하고 이 부

분은 평탄도 유지가 어려우며 입자들이 발생하는 요인으

로 작용하며 불소수지가 절연성이므로 카본블랙이나 전

도성 고분자 등의 도전성 필러를 충전하여 대전방지에

적합한 면-저항을 갖도록 할 경우 카본블랙은 구형으로

분진이 발생하는 문제점이 있고 전도성 고분자를 사용할

경우는 내용제성이 약하고 과량의 바인더를 사용하여야

하며 박막 형성이 어렵고 불소수지의 경도를 보완하기

위해 아노다이징 처리를 하는 경우는 이후 별도의 코팅

과정을 거쳐야 하므로 제작비용과 제작시간이 증가하는

등 여러 가지 단점들이 있다 이러한 문제점들을 해결하

기 위한 방법으로는 작업 스테이지와 기판이 만나는 면

에 정전기 발생을 최소화시킴과 동시에 그 제조비용이

37

절감되고 적절한 면-저항을 조절할 수 있으며 마찰계수

가 낮고 내마모성이 향상된 작업스테이지 표면의 대전방

지 처리 방법에 관한 국내의 탑나노시스 사의 특허15)가

있다

- 탑나노시스 사의 특허 목적은 작업스테이지의 기판과

만나는 면에 정전기의 발생을 최소화시킴과 동시에

그 제조비용이 저감되고 적절히 면-저항을 조절할 수

있으며 마찰계수가 낮고 내마모성이 향상된 스테이지

표면의 대전방지 처리 방법에 관한 것으로 이 특허에

서는 금속소재의 작업 스테이지 표면을 아노다이징

처리하여 복수의 산화표면 홀들을 형성시키고 여기에

탄소나노튜브를 삽입하고 경화하며 탄소나노튜브 경

화 후에 표면을 봉공 처리한다

- 작업스테이지 표면은 106-10

9Ωsq의 면-저항을 갖는

것이 바람직하며 산화표면 홀들은 직경 30-900nm 깊

이 100-900nm가 바람직하다 아노다이징 처리를 하는

금속소재는 Al Mg Zn Ti Ta(탄탈륨) Hf(하프늄)

Nb(니오븀) 등일 수 있고 이 발명에서는 가벼우며 일

정 강도를 갖고 가공성이 우수한 Al합금을 예로 들어

설명하고 있다

38

- 알루미늄소재 작업스테이지 표면에 산화피막(Al2O3)처

리를 하는 아노다이징(anodizing 양극산화)에서 전해

액은 수산화나트륨이나 수산과 황산 등이 사용될 수

있고 수산화나트륨의 농도(20-50) 공급전압 전류

및 시간 등을 조절하여 산화표면 홀의 크기(D)와 깊

이(L)를 조절하며 D와 L에 따라 대전방지 효과나 내

구성 및 표면경도를 조절한다

- 탄소나노튜브를 산화표면 홀 내에 삽입시키는 단계는

전해 흡착 하여 이루어질 수 있고 정전도장을 통해서

도 이루어질 수 있다 탄소나노튜브는 분산제를 포함

하는 용액으로 코팅되며 분산제로는 소듐 도데실설페

이트(SDS) 트리톤X Tween20(폴리옥시에틸렌 소르

비탄모노올레이트) CTAB(cetyl trimethyl ammonium

bromide)를 예로 들고 있으며 탄소나노튜브 용액은

아크릴계 우레탄계 등 또는 전도성 고분자계 유무기

하이브리드계 바인더가 포함될 수 있다

- 봉공처리는 산화표면 홀과 산화피막을 봉공하여 내식

성 등이 향상되도록 보호 층을 형성시키는 것으로 비

등수 가압증기에 의한 수화봉공 금속염을 포함한 열

수에 의한 금속염 봉공 오일로 도포나 침적하는 유기

물 봉공 양극산화 피막 층에 도장하는 도장에 의한

39

봉공 등이 있다

반도체 소자를 제조하는 과정에는 불순물 이온을

주입하는 장비가 이용되고 있다 (주)하이닉스 반도

체의 특허에서는 이온주입 장비의 웨이퍼 지지 장

치 리프트 핀의 끝단을 라운드 처리하고 리프트 핀

에 테플론을 코팅하여 리프트 핀과 웨이퍼 후면의

접촉 시 웨이퍼 후면에 스크래치와 같은 손상이 유

발되는 것을 억제할 수 있게 한다16)

⑷ 탄소나노튜브(CNTs Carbon Nano Tubes)17)

탄소나노튜브는 탄소의 동소체로 1991년 일본 NEC 연구

소의 Ijima박사에 의해 전자 현미경을 통해 처음으로 확

인되었다 1985년에 Kroto와 Smalley가 탄소의 동소체인

풀러렌(탄소 원자 60개가 모인 것C60)을 처음으로 발

견한 이후 전기방전 시 흑연 음극 상에 형성된 탄소덩어

리를 투과전자현미경으로 분석하는 과정에서 발견하여

Nature학술지에 처음으로 발표되었다18) 탄소나노튜브에

서 탄소원자 하나는 주위의 다른 탄소원자 3개와 sp2결

합을 하여 육각형 벌집무늬를 형성하며 이 튜브의 직경

이 대략 수 나노미터(nm nanometer) 정도로 극히 작기

40

때문에 나노튜브라고 부르게 되었다 이 탄소나노튜브는

전기 세기가 클수록 더 수축하는 성질을 가지고 있는 등

튜브의 직경이 nm수준으로 극히 작아서 특유의 전기화

학적 특성을 나타낸다

Ku 등19)에 의하면 CNTs는 전기방사법(arc-discharge)

레이저증발 법(laser vaporization) 플라즈마 화학기상증

착 법(plasma enhanced chemical vapor deposition) 열

화학 기상증착 법(thermal chemical vapor deposition) 등

의 다양한 합성법이 개발되어 대량생산이 가능하다

CNTs의 종류는 벽의 수에 따라 단일 벽 탄소나노튜브

(SWNTs) 이중 벽 탄소나노튜브(DWNTs) 다중벽 탄소

나노튜브(MWNTs)가 있으며 물성에 관한 많은 연구결

과 기계적 전기적 열적으로 우수한 성능을 갖고 있음이

입증되었다

CNTs는 인장강도와 탄성률 면에서 지금까지 발견된 재

료 중 가장 강하고 질기며 다중벽 CNT는 63GPa에 이른

다 표준 단일 벽 CNT는 25GPa의 압력까지 변형 없이

지탱된다 그래핀의 대칭성과 특이한 전기적 구조 때문에

CNTs의 구조는 그것의 전기적 특성에 영향을 미쳐 금속

성이나 반도체의 특성을 나타내고 이론적으로 금속성

41

CNTs는 구리와 같은 금속의 1000배가 큰 4times109Acm

2

전류 밀도를 운반할 수 있으며 나노크기의 단면으로 전

자가 튜브의 축 방향으로만 전파되고 전자의 이동은 양

자효과를 수반하여 1차원 전도체로 간주된다

CNTs는 우수한 물성과 상대적으로 큰 표면적으로 갖고

있어 충전제(filler)로써 에폭시 폴리스틸렌 폴리우레탄

등 고분자와 혼합하여 폴리머의 기계적 전기적 특성을

향상시키려는 연구가 활발하다 CNTs가 폴리머 중에서

충전제 역할을 하기 위해서는 고른 분산이 필요하나 반

데르발스 힘에 의한 CNTs 응집현상(agglomeration)으로

인해 효과적인 분산이 어려워 오히려 폴리머의 물성을

저해하므로 이것을 개선하기 위한 다양한 기계적 화학적

분산 방법이 연구되고 있다

- CNTs를 분산시키기 위한 가장 일반적인 방법은 용매

나 폴리머에 CNTs를 투입하고 초음파처리를 하는 것

으로 초음파처리를 하면 SWNTs의 길이가 짧아지고

다발(bundle)이 얇아져 분산력이 증가한다

- CNTs 표면을 산이나 아민으로 기능화하여 분산을 높

이는 방법도 연구되고 있으며 MWNTs를 HNO3

H2O2NH4OH 용액에 침지시켜 MWNTs에폭시 복합

42

재료는 전기적 특성을 향상시키려는 연구와 산과 아

민 등의 기능기를 도입하여 SWNTs의 열전도도를 향

상시키려는 연구들이 수행되고 있다

- 기계적 분산방법인 전단혼합방법은 좁은 관이나 상대

적으로 높은 속도의 유동을 이용하여 발생한 전단력

으로 CNTs를 분산시키는 방법이다 Ku 등19)은 전단

혼합과 초음파처리를 이용하여 MWNTs로 강화된

에폭시 복합재료를 만들어 기계적 및 열적 특성을 연

구하였다

⑸ 내마모성 테프론 코팅

ㅇ 재료의 부식은 구조재에 원하지 않은 변화 원인으로 작

용하여 경제적인 문제로 귀결되는 심각한 문제이다 이들

원치 않는 변화는 때로 적절한 코팅에 의한 표면처리로

예방할 수 있다 가장 일반적이고 자주 사용되는 전착 코

팅은 아연에 기초한 아연 코팅 및 합금 코팅으로 이들

코팅은 간단한 기술로써 내부식성이 양호하여 전 표면처

리의 약 14에 해당하나 최근 낮은 마찰계수 등 다른 특

성들이 매우 중요하게 되었다 이들 특성은 다층 코팅으

로 대응할 수 있으나 두께가 증가하고 기술이 복잡하여

가능한 해결방법으로는 복합체 코팅이 있다 복합체 코팅

43

은 일반기계와 자동차 전자부품 및 컴퓨터 등 다양한 분

야에 적용된다 금속 기질에 미세한 PTFE 입자의 전착

에 의한 증착은 새로운 세대의 복합체 코팅으로써 가장

바람직한 특성은 양호한 내마모성 자기윤활 내부식성이

다 M Paderovaacute 등20)에 의하면 이들 특성은 주로 사용

한 입자(흑연 다이아몬드 MoS2 또는 PTFE)와 용액의

유형(pH 온도 bath 등) 뿐 아니라 입자의 크기 농도

분산 및 형태학에 의존한다

ㅇ 충전되지 않은 PTFE의 마모율은 736-741times10-4mm3Nm

로 내마모성이 낮아 다양한 충전제들이 첨가되고 있다

Xing-Dong Yuan 등21)은 진공 조건에서 PTFE 코팅

의 마모특성을 연구하여 초기에는 하중이 증가함에 따

라 마찰계수가 감소하나 하중이 6N 이상으로 커지면

마찰계수도 증가하며 압력이 PTFE 코팅의 마찰계수

에 미치는 영향이 거의 없고 마모는 압력이 증가하면

초기에는 감소하나 10Pa 보다 높으면 급격히 증가한

다고 보고하였다

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위해서는 윤활제로 PTFE

계 수지 접착제로는 폴리아미드이미드수지 산화철 분말

44

및 브론즈 분말 등을 혼합한 조성물을 사용하거나 미국

특허에서는 스와시플레이트 형 압축기의 플레이트 표면

에 MoS2 흑연 PTFE계 윤활제와 열경화성 수지인 폴리

아미드이미드(PAI) 조성물을 코팅하여 내마모 및 윤활성

을 부여하고 있다22) 내열성 향상을 위해서는 고체윤활

제 접착제수지 및 저융점 금속인 Sn Pb In Bi 등을 함

유하는 합금이나 화합물을 사용하여 금속의 잠열을 이용

내열성 향상을 시도하기도 한다

ㅇ 그간 철강(스테인리스강 탄소강 아연도금강판 등)의 내

부식성 향상을 위한 많은 연구들이 수행되어 왔다 4플루

오르에틸렌(C2H4) 4플루오르에탄(CF4) 6플루오르에탄

(C2F6) 3플루오르화에탄(CHF3) 8플루오르화에탄(C4F8)

같은 불소화된 단량체의 플라즈마 중합에 의한 테플론

류 코팅은 그들의 소수성으로 인해 금속의 내부식성 향

상을 위한 대안으로 주목을 받고 있다 A Delimi 등23)

은 유도결합 고주파플라즈마(inductively coupled radio

fre- quency plasma)를 사용하여 소수성 박막 불소수지

필름을 탄소강에 증착하고 3염수에서 내부식성을 평가

한 결과 1개월 동안 9nm의 필름이 유지되는 것을 관찰

하여 불소고분자 박막이 금속과 금속산화물의 보호층이

될 수 있음을 보고하였다

45

ㅇ PTFE를 이용한 세라믹코팅 기술로는 알루미늄 및 알루

미늄 합금 공작물을 양극처리에 의해서 티타늄 및또는

지르코늄 산화물을 포함하는 내식성 내열성 및 내마모

성 세라믹 코팅을 하고 이어서 양극처리된 공작물을

PTFE 또는 실리콘 함유 코팅과 같은 제 2 코팅으로 코

팅한다 이 발명은 가소성을 가지는 경질의 필름 내에서

내식성 내열성 및 내마모성을 제공하는 티타늄 및또는

지르코늄 산화물의 양극처리 층으로 기판을 예비-코팅함

으로써 알루미늄 기판에 보다 긴 수명의 코팅을 형성하

는데 특히 유용하다24)

ㅇ Nosaka 등25)은 PTFE로 대표되는 불소수지는 마모-링이

나 극저온 밸브의 실링부에 많이 사용되며 진공치환법에

의해 탄소재료에 PTFE나 MoS2 분말을 1-2wt 함침시

키면 무함침한 것에 비해 마모가 약 13로 감소한다고

보고하였다 한편 저자들은 터보펌프의 실링재료가 극저

온 환경에서 보이는 특이한 현상을 극복하기 위해 베어

링의 표면에 노출된 유리섬유를 불소산으로 처리하여 용

해 제거하고 윤활성을 높인 유리섬유강화 테프론 리테이

너를 개발하여 내구성과 윤활성을 향상시킬 수 있었다고

보고하고 있다

46

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위한 또 다른 특허로는

폴리실록산계 접착제를 단독 혹은 폴리에스테르계 접착

제와 병용하고 고체 윤활제로 MoS2(이황화몰리브덴

WS2(이황화텅스텐) h-BN(육방정 질화붕소) 팽창흑연

및 PTFE를 사용하고 충전제로 탄화규소 알루미나 산화

지르콘 산화티탄 등의 미분말을 사용하여 내마모 내열

및 윤활성을 부여하고자 하는 내마모성 및 윤활성 코팅

조성물에 관한 특허가 있다26)

ㅇ 내열성 내후성 내오염성 내약품성 내구성 등의 물성

은 유지하면서 비점착성을 높이기 위해 무기계 세라믹

코팅 조성물에 PTFE를 첨가하기도 한다 이러한 하이

브리드 코팅 조성물에 관한 특허로는 불소수지(01sim25

중량) 콜로이달 실리카나 콜로이달 알루미나 등 무

기계고분자 바인더(20sim80중량) 알콕시실란 화합물

(1sim50중량) 수용성 유기용제(1sim10중량) 충전제

또는 안료(5sim50중량) 및 물(100중량 까지 보충)로

이루어진 코팅 조성물에 관한 것으로 무기질 도료 및

무기계 세라믹 코팅에 의해 내열성 내오염성 내약품

성과 내구성을 유지하고 접착력을 높이기 위해 소량의

PTFE를 사용하는 것이 있다27)

47

ㅇ 정전 복사기에 사용되는 정착기재부의 최외층에 코팅하

여 기계적 성질 및 내마모성을 향상시키려는 목적으로

불소수지 기질 중에 분산된 불소화 다이아몬드를 함유하

는 입자로 구성된 조성물에 관한 일본 특허28)가 있다

ㅇ 부식 특성을 개선한 흑색 무크롬(chrome-free) 다층 내

부식 마무리 칠과 방법에 관한 특허29)로는 ASTM B 117

표준으로 시험할 때 백색 부식에는 최소 500시간 염수분

무시간 및 적색 부식에는 1500시간 염수분무시간에 적합

하게 설계된 마무리 칠에 관한 것이 있다 이 다층 시스

템은 광택(gloss) 4 이상을 만족하는 자동차 차체 강판

자동차 하부와 내장에 사용되기 위해 설계된 것으로 이

다층 마무리 칠은 3층 부식 방지 시스템을 형성하도록

아연-철 전기도금 기질 오르토인산을 사용한 무전해 인

산염 결정 전환 층과 XylanTeflon 실러 코팅의 조합이

다

ㅇ 전통적으로 철 강판(steel sheet)은 크롬산 염 전환 코팅

으로 개질되어 왔으나 6가 크롬이 배출되어 환경을 오염

시키는 문제점이 있어 강판의 내-부식성을 개선하기 위

해 고분자 수지 코팅들이 수행되고 있으나 이 방법은 고

48

분자 코팅 층이 열전도도를 감소시키는 단점을 가지고

있다 Kang 등30)은 강판 위의 고분자 코팅 층의 열전도

도를 향상시키기 위해 초미세-크기 다이몬드(μD)입자를

열전도 물질로 사용하였다 다양한 음이온 및 비-이온

계면활성제들을 사용하여 수용액 중에서 무거운 μD입자

의 안정화를 시험들을 한 결과 1-피렌카르복시산(PCA)

이 가장 양호하였다 그림 3-2는 이 시험 결과를 요약한

것이다

- 강판 위에 PCA로 안정화 된 μD 입자를 함유한 폴리

우레탄-기초 코팅 층은 열전도도가 0351W(mK)에서

0434 W(mK)(10 wtμD)로 향상되었으며 더욱 144

시간 동안 염수 분무 시험결과 부식거동은 관찰되지

않았다

그림 3-2 피렌카르복시산을 이용한 μD 표면처리

ㅇ 자동차공업에서는 기본적인 특성으로 내마모성이 요구되

49

는 강철 기계부품들의 마찰특성을 향상시키기 위해 다양

한 금속 및 고분자 코팅들이 광범하게 이용된다 내-마

모 코팅은 두 가지 주요 특성인 높은 표면경도와 자기-

윤활 특성이 필요하다 후자의 범주에 속하는 것이

PTFE와 MoS2 기초 코팅이다 무전해 니켈 코팅은 높은

경도로 인해 양호한 마찰 특성을 보이며 한편 열처리를

통해 경도를 향상시킬 수 있다 PTFE입자의 첨가는 코

팅경도를 감소시키나 자기-윤활특성을 부여한다 S

Rossi 등3132)은 마찰특성을 향상시키기 위해 이용되는 탄

소강에 이용되는 몇 가지 공업적인 코팅에 관한 부식거

동에 관해 평가 PTFE입자를 함유한 무전해 니켈-인

(Electroless Nickel-Phophorus)코팅은 PTFE 입자(자기-

윤활 특성)를 갖는 외층과 장벽-효과를 갖는 내층으로

인한 이중 특성으로 가장 양호한 특성을 보였다고 보고

하고 있다

ㅇ 모든 기계적 시스템은 동적 요소를 필요로 하며 마찰과

마모를 줄이기 위한 다양한 수단들이 가능하나 그 선택

은 환경이나 조작 조건에 제한을 받는다 PTFE는 자기

윤활 낮은 마찰계수 높은 열안정성과 화학약품 안정성

으로 산업분야에 널리 사용되는 엔지니어링 고분자이지

만 내마모성이 매우 부족하다 이러한 이유로 금속

-PTFE충전 복합체들이 PTFE의 마찰특성과 금속충전제

50

의 내마모성을 결합하여 특정 분야의 용도로 소개되어

왔으나 금속-고분자 물질에서의 충전제의 역할은 완전히

설명되지 않고 있다 복합체 표면의 과잉의 충전제 농도

는 미끄러지는 동안 부하를 지지하여 내마모성을 증가시

키는 것으로 생각되며 PTFE의 마모율은 Mo Zn Ni

Y2O3 및 SiO2 같은 무기 충전제에 의해 1000배가량 감소

되었다는 보고도 있다 유리섬유 구리 세라믹 탄소섬유

절단 탄소섬유 나노입자를 포함한 경질의 충전제 입자들

이 PTFE의 내마모성을 높이기 사용되어 왔다

ㅇ 비교적 두꺼운 코팅에는 열분사(thermal spray) 용사기

술이 정립되어 있고 용사 코팅은 내마모 내마찰 내프레

팅(fretting) 및 내부식을 요하는 산업에 많이 이용되고

있다

- 용사 몰리브덴(Mo)코팅은 실질적 내마모성 코팅으로

가장 광범하게 이용되며 프레임용사(flame spray)거나

와이어용사(wire spray)기술로 생산된 몰리브덴(Mo)

코팅은 흠이나 마모에 대한 고도의 저항을 얻기 위한

가장 좋은 코팅재료 중의 하나이다

- 알루미늄 청동(aluminium bronze)은 높은 내-부식성

과 내마모성을 갖는 것이 특징이다 저압 플라즈마 용

51

사 기술은 자기-아닐링(self-anealing)과 부서지기 쉽

도록 유도하는 γ-상의 형성을 피할 수 있도록 높은

냉각 속도를 얻는 데 사용되며 알루미늄 청동 저압

플라즈마 용사 코팅은 낮은 마찰과 마모를 보였고 비

교적 최근 플라즈마 용사 기술을 이용하여 알루미늄

기질에 고분자-세라믹 복합체를 코팅하는 기술이 개

발되었다33)복합체 코팅으로 행한 마찰 시험에서 낮

은 마찰계수를 얻을 수 있었다

- 낮은 마찰계수와 고 내마모성을 갖는 이성분 금속

-PTFE 코팅이 개발되었고 이들의 마찰 공학적 성능

이 보고되었다 PTFE-기초 복합체 설계에서 일반적

인 접근방법은 경질의 충전 입자들을 도입하는 것으

로 M Yamane 등34)은 PTFE-금속 이성분 코팅의 마

찰 마모성능에 관한 연구 결과 알루미늄 청동 코팅이

Mo코팅에 비해 PTFE 저장소(reservoir)에 유용했음

을 보고하였다

⑹ 충전 또는 강화 플루오르화 탄소1)

ㅇ 분말이나 강화섬유 등 전형적인 충전재들이 충전 또는

강화 플루오르화 탄소에 사용된다 충전재는 저온흐름

52

을 향상시키는 데 사용되며 수축과 균열을 줄이고 열

팽창을 낮추며 열전도율을 향상시킨다

ㅇ 분말이나 단섬유로 된 전형적인 충전제를 표 3-5에 종합

하였다 유리섬유는 가장 보편적인 PTFE 충전제로 화

학 및 전기적 특성에 최소로 영향을 미치며 기계적 특

성을 크게 향상시킨다 분말에 비해 섬유는 압축강도

강성도 및 지지용량을 더욱 향상시키나 분말은 충전

테플론의 내구성에 거의 영향을 미치지 않는다 금속분

말은 특히 열전도도를 향상시키며 고속에서 발생하는 마

찰열을 소멸하는데 도움이 되며 전기저항을 상당히 감소

시켜 금속-충전 조성물은 양호한 절연체는 아니다

ㅇ 흑연(graphite) MoS2는 초기 내구성과 마찰을 개선하고

기계적 특성을 향상시킨다 석면은 많은 유용한 특성을

갖지만 가공 처리 중 가스가 방출할 뿐 아니라 사용금지

물질이다 표 3-5 외에도 금속 망 장섬유 다공성 금속

등 다양한 충전제들이 있으며 다양한 종류의 제품들이

상업 생산되고 있어 최종 선정을 하기 전에 플라스틱 가

공업자로부터 보다 완전한 정보와 추천을 받는 것이 바

람직하다

53

표 3-5 불소수지용 충전제

ㅇ 압축강력 인장과 압축 시의 탄성률 및 항복강력은 첨가

제의 첨가에 의해 모두 증가하나 일반으로 인장강력과

신도 및 충격강도는 손실된다 통상 충전 테플론은 압축

상태에서 사용되므로 인장강력의 감소는 중요하지 않다

인장강력의 손실은 설치(연속적인 링-실링)할 때 인장되

는 재료에서 중요하다 열팽창 계수는 비-충전 테플론에

비해 감소되어 통상 금속 부품의 팽창계수와 잘 맞는다

ㅇ 마찰과 마모를 수반하는 분야에서 가장 중요한 것은 충

전제로 얻어지는 PV한계치의 증가와 마모의 감소다 비-

54

충전 테플론에 비해 PV한계치 크기는 개략적으로 1차원

적으로 증가하나 마모인자는 3차원적으로 감소한다 충전

테플론의 평균치들은 동적 마찰계수는 01-02 PV한계치

는 10000-20000 psi-fpm 마모상수는 10times10-10in3-min

lb-ft-hr이다 그림 3-3은 충전 테플론 PTFE의 마찰계

수에 미치는 충전제 종류와 농도의 효과에 관한 것이다

그림 3-3 테플론 PTFE에 미치는 충전제 종류와 농도1)

ㅇ 내마모성을 향상시키는 충전제는 실제로 연마저항성을

감소시키는 것으로 날카로운 입자는 보다 쉽게 침투하고

충전제 입자와 수지 사이의 경계를 따라 충전 플라스틱

을 찢는다 따라서 라이닝 슈트 같은 분야의 적용 시는

55

비-충전테플론이 보다 바람직하다

⑺ 시트 테이프 및 박층(laminates)

ㅇ 대부분의 플루오르화탄소는 충전 여부에 관계없이 두

께 1mil(0001 in)까지 시트나 테이프로 만들 수 있고

시트나 테이프를 찍어서 원하는 형상의 립-씰(lip seal)

펌프 컵(pump cup) 피스톤 링(piston rings) 가스켓

(gaskets) 등을 만들 수 있다

ㅇ 유체의 누설을 정지시키는 밀봉기능 부품 중 각종기기의

접합부나 배관 플랜지 등의 밀봉에 사용되는 가스켓

(gaskets)은 석면이 널리 사용되어 왔으나 유해물질 배

출 및 이동량 보고제도(PRTR Pollutant Release and

Transfer Register)에서 발암성을 가진 제1종 지정 화학

물질로 지정되어 사용이 금지되어 PTFE가 가스켓으로

개발되었다 PTFE는 용융 알칼리 금속 및 그 용액과 불

소 및 3불화염소에 의해 약간 침식되나 모든 화학약품에

안정하고 우수한 내부식 재료로 C-F결합력이 크고 F원

자가 C-C결합의 주위를 간격 없이 들러 싸고 있기 때문

에 다른 물질의 공격을 방어하고 있고 내열성은 260로

높다35)

56

- PTFE 필러를 사용한 PTFE 나선 권형 가스켓은 석

면에 대한 사용규제와 상관없이 사용되어 왔으며 유

연한 필러를 사용하므로 석면 가스켓 보다 낮은 체결

압력에서도 실 특성이 우수하고 내식 면에서도 광범

하고 다양한 유체에 사용이 가능하다 다만 단열성 면

에서는 석면 나선 권형 가스켓 보다 사용온도 범위가

제한된다

ㅇ 산업 기계나 자동차의 브레이크 제동장치에 부착하여 마

찰력을 부가하는 브레이크 라이닝에서는 마찰계수와 내

마모력 및 충격계수 등 마찰특성이 우수한 석면을 주로

사용하여 왔으나 제동 시 발생하는 미세 석면분진으로

인해 대기오염에 의한 환경을 파괴 뿐 아니라 인체에 흡

입될 경우 암을 유발하여 PRTR로 사용이 금지되었다

석면을 대체할 유기질 또는 무기질 된 다양한 비석면 마

찰 섬유 등이 사용되고 있으며 마찰 섬유에 테프론을 코

팅하여 브레이크라이닝의 수명향상 제동 시 발생하는 소

음 떨림 및 제동력 향상을 위한 제품개발이 시도되고

있다

- 예로 국내 특허36)에서는 브레이크 라이닝(또는 패드)

의 마찰재 배합재료 중 유기섬유(Kevlar섬유 pulp섬

57

유 등)에 테프론을 코팅하고 코팅된 유기섬유에 결합

재 충전재 윤활재 마찰안정재 마찰조정재 등을 소정

의 배합비로 배합하여 성형하고 열처리하여 브레이크

패드 또는 라이닝을 제조한다

ㅇ 초소형 정밀기계(MEMS Micro-Electromechanical

System)분야에서는 점착방지를 위해 불화 유기박막을

사용한다 Park 등37)은 단층 두께의 불화 유기박막의

특성을 접촉각 측정을 통해 분석하였다

⑻ DLC 코팅3839)

ㅇ DLC(diamond-like carbon)는 몇 가지 다이아몬드의 전

형적인 특성을 나타내는 비정질 탄소물질로 극도의 내마

모 특성을 필요로 하는 재료의 코팅에 이용되고 있다

DLC코팅은 연마 마모를 감소시키기 위한 재료에 유용하

여 엔드밀 드릴비트 금형 같은 공구는 물론 자동차 기

계부품 및 전자산업 등 산업전반에 걸쳐 적용된다40)

ㅇ 환경오염 문제로 인해 PRTR(Pollutant Release and

Transfer Register 유해물질 배출 및 이동량 보고 제

도) 이 시행되어 습동 부품이나 절삭 시에 사용되는 오

일이나 그리스에 포함되는 첨가제(MoS2 Zn 등)와 이들

58

부품을 세정할 때 사용되는 용매 기계부품의 수명을 연

장시키기 위해 활용되었던 Cr도금 폐액에서 발생하는 6

가 크롬 등의 오염물질들에 대한 규제가 더욱 강화되어

DLC에 의한 무윤활 습동과 무윤활 절삭을 지향한 공구

와 기계 부품의 개발이 관심을 끌고 있다4142)

- 일본 내에서는 PRTR이 시행되고 이것에 저촉되는 재

료에 관해서는 MSDS(Material Safety Data Sheet)를

첨부해야할 의무가 있고 부품가공 습동 용도에서는

대상 리스트에 올라 있는 오일 오일 중의 중금속 도

금폐액을 어떻게 경제성 있는 환경 친화적 공정과 재

료로 전환할 것인가를 고려하면서 무윤활 습동 무윤

활 절삭 탈크롬 도금의 3가지 키워드가 대두되고

DLC코팅이 대안으로 모색되고 있다

- DLC코팅 적용기술과 과제에 관한 자료로는 자동차

관련부품 적용사례 엔진부위 마찰 작동 밸브계의 마

찰저감 DLC와 윤활제에 의한 마찰저감 기술을 중심

으로 살펴본 보고가 있다43)

ㅇ DLC는 7가지 형태가 존재하며 모두 상당한 양의 sp3혼

성궤도 탄소원자를 함유한다 다양한 형태의 DLC가 진

공 환경으로 적합한 재료들에 적용가능하며 유럽에서의

59

2006년 위탁 DLC코팅 시장은 3천만euro로 추정되었고 국

내도 활발한 상용화가 시도되고 있다

ㅇ 사반면상(tetahedral) 비정질 탄소 ta-C를 2두께로 코

팅하면 연마마모에 대한 스테인레스 강(304 type)의 내구

성을 증가시켜 수명을 1주일에서 85년으로 늘이며 이러

한 DLC의 형태는 sp3결합 탄소 원자로만 이루어지기 때

문에 순수한 DLC로 간주되며 수소 sp2흑연 탄소 금속

같은 충전제가 생산경비를 낮추거나 원하는 특성을 부여

하기 위하여 사용되고 있다

ㅇ DLC를 만드는 방법에는 sp3탄소 보다 낮은 밀도의 sp

2

에 의존하는 몇 가지 방법들이 있으며 압력 충격 촉매

또는 이들의 조합으로 sp2결합탄소 원자들을 sp3결합탄소

로 근접시킨다 최근 초고압 하에서 탄소의 경량 특성을

갖는 초경도 무정형 다이아몬드가 만들어졌다 탄소로 만

들어지는 다이아몬드 그래파이트는 결정구조를 가지나

DLC는 비정질이라는 점에서 크게 다르고 200 정도의

저온에서 형성시킬 수 있다는 점이 통상의 PVD막에 비

해 훨씬 우위에 있다

ㅇ DLC코팅은 제조공정이 복잡하고 생산 단가가 비싸 적용

이 어려우며 적용되는 소재가 제한되는 단점을 갖는다

60

주요제법으로는 고주파 플라즈마 법 이온화 증착법 스

페터링법 등을 들수 있다 고주파 플라즈마 법은 메탄가

스가 원료로 사용되고 막 중의 수소가 약 30(원자)로

평활성이 우수하고 마찰계수가 작으나 경도가 낮다 이

온화 증착법은 벤젠을 사용하며 막은 단단하나 면의 조

도가 거칠고 후막화 하기 위해 스패터링 방법이 검토되

고 있다

⑼ 불소수지의 안전성

ㅇ 테플론 PTFE의 열분해는 200(392)에서 감지되며 이

것은 몇 가지 플루오르화 탄소 기체들과 승화물질을 방

출한다4445)1955년 동물실험에 관한 한 연구에서는 이들

물질이 250(482) 이하에서는 의미 있는 양이 아니라

고 결론지었으나 최근 비-점착 주방기구인 프라이팬이

나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가열할 때 조류를

죽일 수 있는 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수

도 있다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있다45)

ㅇ 표 3-6은 EWG가 보고한 3-5분 내에 370까지 불소수

지를 가열할 때 발생되는 15종의 불소화합물에 관한 것

이다 테플론과 같은 코팅물질들이 장기적으로 인체에 미

61

치는 영향에 관한 연구는 이루어지지 않고 있으나 독감

과 유사한 질병을 유발할 수 있으며 이를 중합체 증기열

(polymer fume fever)이라 한다

표 3-6 15종의 유해물질 및 유독성 기체44)

ㅇ 최근 표 3-6의 화합물들 중 특히 TFA와 과불화된

(perfluorinated) PFOA(perfluorooctanoic acid)에 관심이

증가되고 있다 PFOA는 새로운 환경오염물질로 미국 환

경보호청(EPA)에 의하면 보통 때는 문제가 없으나 조리

과정에서 프라이팬에 열을 가하고 강하게 긁을 경우 용

62

출되어 나오며 이것이 음식물과 함께 인체에 흡수되는

것으로 추정하였다 한편 DuPont의 테플론 PTFE 연구

결과에 의하면 검출한계인 9ppb 이상 검출되지 않으며

테플론 주방기구에서는 PFOA가 존재하지 않는다고 발

표하고 있다

- 물이나 공기를 통해 환경에 노출된 PFOA는 고 콜레

스테롤 궤양성 대장염 갑상선 질환 고환암 신장암

및 임신성 고혈압과 관련된다고 보고되었다

- PFOA는 불소수지 생산과정에서 사용되는 첨가물로써

암모늄 형태로 PTFE 유화중합에 계면활성제로 사용

되며 불소수지의 품질과 균일성을 유지하기 위해 필

수적인 첨가물이기 때문에 전 세계 모든 불소수지 제

조업체가 사용 중에 있다 한편 국내 주력 산업인 반

도체 생산 과정에서도 PFOA를 대량으로 사용하고 있

어 체계적인 실태조사와 대책수립이 필요하다는 의견

들이 대두되고 있다

⑽ 불소화합물의 안전성과 환경대책

ㅇ 표 3-6에서 살펴본 바와 같이 테플론을 급격히 고온으로

가열하면 2종의 발암물질을 포함한 유독성 가스가 발생

63

하고 특히 불소화합물 중 MFA(monofluoroacetic acid)는

적은 양으로도 치명적 해를 끼치고 PEIF(perfluoro-

isobutene)는 신경가스제로 여러 가지 질환을 발생시킨다

한다44)

따라서 테플론으로 코팅된 장치를 재 코팅하기

위해 테프론을 고온으로 급격히 가열하거나 소각 등을

통해 제거할 때는 발생 가능성이 있는 유독가스를 제거

하기 위한 별도의 설비를 이용하여야 하고 유 등44)의 보

고서에서와 같이 중조(NaHCO3)를 포화시킨 충분한 물로

유독 산성 물질을 중화시키는 것도 고려할 만하다 한편

부식대전 방지 코팅도 테플론 코팅 일변도에서 세라믹

코팅 CNTs이나 DLC 코팅기술로 대응하는 것을 추천하

고 싶으며 이것은 유해물질 배출 및 이동량 보고제도

(PRTR Pollutant Release and Transfer Register)에 대

비하는 등 기업의 장래를 고려하는 것도 될 것이다

ㅇ PTFE를 사용한 취사도구는 1960년대 이래 사용되어 오

고 있으나 최근 들어 이것의 안전성이 논쟁의 주제가 되

고 있으며 논의 주체는 PFOA(perfluorooctanoic acid)이

다 PFOA는 PTFE를 비롯한 많은 불소수지의 생산에

사용되며 DuPont의 테플론 PTFE 연구 결과에 의하면

프라이팬을 260 이상 고온에서 가열하거나 코팅이 벗

겨져도 PFOA가 존재하지 않는다고 한다 그러나 물이나

64

공기 토양 식품포장재 등 여러 곳에서 PFOA 오염사실

이 보고되고 있다 한다44)

- 미국 EPA는 인체와 환경에 대한 PFOA 연구를 계속

하고 있으며 2015년까지 PFOA 및 이와 관련된 화합

물 방출을 배제할 프로그램을 갖고 있으나 PTFE-기

초 비점착 취사기구를 중지시킬 타당성을 갖고 있지

는 않다 최종제품은 PFOA가 아닌 PTFE이기 때문이

다

- 수십 년 동안 불소수지 비점착 코팅이 시장을 지배하

였으나 최근 몇 가지 신기술들이 출현되고 있으며 이

들 대부분은 실리콘 세라믹과 실리콘 기술로 이들 코

팅은 PTFE와 PFOA를 함유하지 않는다

- 오늘날 출시된 비점착 취사용구는 수많은 상표로 팔

리고 있으며 DuPont에 의하면 대부분의 취사용구 코

팅은 정상적으로 사용할 때 3-5년 견딜 수 있을 것으

로 예측한다 너무 문질러서는 안 되고 따뜻한 비눗

물로 씻어주는 것이 좋으며 닳거나 흠이 생기지 않도

록 나무 플라스틱이나 코팅된 재료로 만든 도구를 선

택하고 보관도 흠이 생기지 않을 장소나 캐비닛을 권

장하고 있다

65

ㅇ 국내의 불소수지 안전성에 관한 것으로는 재질규격(납과

카드뮴)과 용출규격(납 과망간산칼륨소비량 증발잔류물)

이 식품용 기구 및 용기 포장 공전46)에 기재되어 있으며

최근 국내에서도 PFOA를 비롯한 유해 불소화합물에 관

한 관심이 커져 가고 있다

ㅇ PFOA 문제가 표면화 되면서 환경 보전형 불소계 발수

유제의 개발과 공업화도 새로이 부각되고 있다 이에 관

한 보고서를 모니터링한 KISTI자료47)를 중심으로 간단히

요약하면 발수제의 주요성분 퍼플루오로알킬기(Rf기)함

유 폴리머의 기능은 Rf기의 고리길이에 크게 의존하므로

PFOA문제 해법으로 탄소수 8 이상인 종래의 불소화학

에서 탈피 짧은 고리 Rf기(탄소수 6)를 가진 새로운 단

량체를 선택하여 발수제를 제조함으로써 환경 보전형 불

소계 발수유제를 개발하고 공업화하였다 한다

66

제 4 장

지원결과

1 지원결과 종합

테프론 코팅 기술의 문제점과 부식대전방지용 테플

론 코팅에 관한 정보 외에 신청기업의 요청에 따

라 C-나노튜브 코팅 및 DLC증착에 관련된 기술 정

보도 제공하였다

테플론은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat resistant)

비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coefficient of

friction) 내약품성(chemical resistance)과 특이한 전기적

특성(unique electrical properties) 및 온내구력(cryogenic

stability)으로 그 응용범위가 광범하며 용도에 따른 엄격

한 품질관리가 요구될 것으로 생각되어 중소기업에 적합

한 기초능력 배양과 신제품을 구상하기 위한 최신기술에

관한 정보를 제공하고자 하였다

67

불소수지의 코팅은 두께와 첨가제가 관건으로 이에 관한

자료를 제공하고자 하였으며 불소수지의 전기특성 폭발

성 환경과 반도체 제조공정에서의 대전 방지 처리를 위

한 정전기 관리 지표 등을 특허를 중심으로 조사하여 제

공하고자 하였다

C-나노튜브를 이용한 대전방지 코팅 기술 및 C-나노튜

브의 제법 등 이것에 관한 기초정보를 제공하고자 하였

으며 내마모성 테플론 코팅에 관해서는 테플론을 이용한

세라믹 코팅 기술에 관한 정보도 제공하고자 하였다

테플론의 기계적 전기적 특성을 강화하기 위해 사용되는

충전제를 종합하고 기초이론을 정립함으로써 금후 원부

자재의 선정에 도움을 주었다

테플론은 석면 대체재로도 주목받고 있어 이에 관한 특

허 정보들을 제공하였으며 다이아몬드의 전형적인 특성

을 나타내는 DLC의 코팅관련 기술 정보를 환경오염 문

제와 연관하여 자료를 제공하였고 최근 비-점착 주방기

구인 프라이팬이나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가

열할 때 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수도 있

다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있어 이에

관한 정보도 제공하였다

68

2 지원의 한계

중소기업이 당면한 문제는 전문기술의 확보다 관련 기술

이 비약적으로 발전하는 추세에 비추어 한정된 인원으로

신기술을 소화하고 개발하기는 어려울 것이므로 출연연

구기관이나 대학과 공동연구를 모색할 수 있으나 이것도

중소기업으로서는 경제적 부담이 될 수밖에 없을 것으로

생각된다 가능하다면 앞으로도 KISTI의 정보지원이 계

속되기를 바라고 있었다

3 기대효과

부식대전 방지 테플론 코팅에 관한 기본 기술이 배양되

어 합리적인 원부 원료의 수입검사 공정관리 및 제품관

리를 통해 원가절감은 물론 신제품 신기술에 관한 정보

수집 및 분석능력이 배양되고 개발력이 확충되어 기업

경쟁력 향상에 도움이 될 것이다

69

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저자소개

김학주(金鶴柱) 서울대학교 문리과대학 화학과 졸업 이학사

전북대학교 대학원 화학과 이학박사

(주)삼양사 의약연구소장 신성대학교 교수

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 폴리에스테르 섬유의 연중직방기술 외 다수

저서 기기분석 공업물리화학 일반화학

성용길(成墉吉)

동국대학교 이과대학 화학과 졸업 이학사 이학석사

부산대학교 대학원 화학과 이학박사(Dr Sci)

University of Utah USA Ph D(공학박사) Post Dr

유타대학교 연구교수 부산대학교 교수 동국대학교 교수

동국대학교 명예교수 한국원자력문화진흥원 이사

과학문화연구원전문연구위원 한국도량형과학문화연구원 원장

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 의료용 기능성 고분자재료에 관한 연구 외 330편

저서 고분자 물성론 (서울대학교 출판부 공저) 외 10권

37

절감되고 적절한 면-저항을 조절할 수 있으며 마찰계수

가 낮고 내마모성이 향상된 작업스테이지 표면의 대전방

지 처리 방법에 관한 국내의 탑나노시스 사의 특허15)가

있다

- 탑나노시스 사의 특허 목적은 작업스테이지의 기판과

만나는 면에 정전기의 발생을 최소화시킴과 동시에

그 제조비용이 저감되고 적절히 면-저항을 조절할 수

있으며 마찰계수가 낮고 내마모성이 향상된 스테이지

표면의 대전방지 처리 방법에 관한 것으로 이 특허에

서는 금속소재의 작업 스테이지 표면을 아노다이징

처리하여 복수의 산화표면 홀들을 형성시키고 여기에

탄소나노튜브를 삽입하고 경화하며 탄소나노튜브 경

화 후에 표면을 봉공 처리한다

- 작업스테이지 표면은 106-10

9Ωsq의 면-저항을 갖는

것이 바람직하며 산화표면 홀들은 직경 30-900nm 깊

이 100-900nm가 바람직하다 아노다이징 처리를 하는

금속소재는 Al Mg Zn Ti Ta(탄탈륨) Hf(하프늄)

Nb(니오븀) 등일 수 있고 이 발명에서는 가벼우며 일

정 강도를 갖고 가공성이 우수한 Al합금을 예로 들어

설명하고 있다

38

- 알루미늄소재 작업스테이지 표면에 산화피막(Al2O3)처

리를 하는 아노다이징(anodizing 양극산화)에서 전해

액은 수산화나트륨이나 수산과 황산 등이 사용될 수

있고 수산화나트륨의 농도(20-50) 공급전압 전류

및 시간 등을 조절하여 산화표면 홀의 크기(D)와 깊

이(L)를 조절하며 D와 L에 따라 대전방지 효과나 내

구성 및 표면경도를 조절한다

- 탄소나노튜브를 산화표면 홀 내에 삽입시키는 단계는

전해 흡착 하여 이루어질 수 있고 정전도장을 통해서

도 이루어질 수 있다 탄소나노튜브는 분산제를 포함

하는 용액으로 코팅되며 분산제로는 소듐 도데실설페

이트(SDS) 트리톤X Tween20(폴리옥시에틸렌 소르

비탄모노올레이트) CTAB(cetyl trimethyl ammonium

bromide)를 예로 들고 있으며 탄소나노튜브 용액은

아크릴계 우레탄계 등 또는 전도성 고분자계 유무기

하이브리드계 바인더가 포함될 수 있다

- 봉공처리는 산화표면 홀과 산화피막을 봉공하여 내식

성 등이 향상되도록 보호 층을 형성시키는 것으로 비

등수 가압증기에 의한 수화봉공 금속염을 포함한 열

수에 의한 금속염 봉공 오일로 도포나 침적하는 유기

물 봉공 양극산화 피막 층에 도장하는 도장에 의한

39

봉공 등이 있다

반도체 소자를 제조하는 과정에는 불순물 이온을

주입하는 장비가 이용되고 있다 (주)하이닉스 반도

체의 특허에서는 이온주입 장비의 웨이퍼 지지 장

치 리프트 핀의 끝단을 라운드 처리하고 리프트 핀

에 테플론을 코팅하여 리프트 핀과 웨이퍼 후면의

접촉 시 웨이퍼 후면에 스크래치와 같은 손상이 유

발되는 것을 억제할 수 있게 한다16)

⑷ 탄소나노튜브(CNTs Carbon Nano Tubes)17)

탄소나노튜브는 탄소의 동소체로 1991년 일본 NEC 연구

소의 Ijima박사에 의해 전자 현미경을 통해 처음으로 확

인되었다 1985년에 Kroto와 Smalley가 탄소의 동소체인

풀러렌(탄소 원자 60개가 모인 것C60)을 처음으로 발

견한 이후 전기방전 시 흑연 음극 상에 형성된 탄소덩어

리를 투과전자현미경으로 분석하는 과정에서 발견하여

Nature학술지에 처음으로 발표되었다18) 탄소나노튜브에

서 탄소원자 하나는 주위의 다른 탄소원자 3개와 sp2결

합을 하여 육각형 벌집무늬를 형성하며 이 튜브의 직경

이 대략 수 나노미터(nm nanometer) 정도로 극히 작기

40

때문에 나노튜브라고 부르게 되었다 이 탄소나노튜브는

전기 세기가 클수록 더 수축하는 성질을 가지고 있는 등

튜브의 직경이 nm수준으로 극히 작아서 특유의 전기화

학적 특성을 나타낸다

Ku 등19)에 의하면 CNTs는 전기방사법(arc-discharge)

레이저증발 법(laser vaporization) 플라즈마 화학기상증

착 법(plasma enhanced chemical vapor deposition) 열

화학 기상증착 법(thermal chemical vapor deposition) 등

의 다양한 합성법이 개발되어 대량생산이 가능하다

CNTs의 종류는 벽의 수에 따라 단일 벽 탄소나노튜브

(SWNTs) 이중 벽 탄소나노튜브(DWNTs) 다중벽 탄소

나노튜브(MWNTs)가 있으며 물성에 관한 많은 연구결

과 기계적 전기적 열적으로 우수한 성능을 갖고 있음이

입증되었다

CNTs는 인장강도와 탄성률 면에서 지금까지 발견된 재

료 중 가장 강하고 질기며 다중벽 CNT는 63GPa에 이른

다 표준 단일 벽 CNT는 25GPa의 압력까지 변형 없이

지탱된다 그래핀의 대칭성과 특이한 전기적 구조 때문에

CNTs의 구조는 그것의 전기적 특성에 영향을 미쳐 금속

성이나 반도체의 특성을 나타내고 이론적으로 금속성

41

CNTs는 구리와 같은 금속의 1000배가 큰 4times109Acm

2

전류 밀도를 운반할 수 있으며 나노크기의 단면으로 전

자가 튜브의 축 방향으로만 전파되고 전자의 이동은 양

자효과를 수반하여 1차원 전도체로 간주된다

CNTs는 우수한 물성과 상대적으로 큰 표면적으로 갖고

있어 충전제(filler)로써 에폭시 폴리스틸렌 폴리우레탄

등 고분자와 혼합하여 폴리머의 기계적 전기적 특성을

향상시키려는 연구가 활발하다 CNTs가 폴리머 중에서

충전제 역할을 하기 위해서는 고른 분산이 필요하나 반

데르발스 힘에 의한 CNTs 응집현상(agglomeration)으로

인해 효과적인 분산이 어려워 오히려 폴리머의 물성을

저해하므로 이것을 개선하기 위한 다양한 기계적 화학적

분산 방법이 연구되고 있다

- CNTs를 분산시키기 위한 가장 일반적인 방법은 용매

나 폴리머에 CNTs를 투입하고 초음파처리를 하는 것

으로 초음파처리를 하면 SWNTs의 길이가 짧아지고

다발(bundle)이 얇아져 분산력이 증가한다

- CNTs 표면을 산이나 아민으로 기능화하여 분산을 높

이는 방법도 연구되고 있으며 MWNTs를 HNO3

H2O2NH4OH 용액에 침지시켜 MWNTs에폭시 복합

42

재료는 전기적 특성을 향상시키려는 연구와 산과 아

민 등의 기능기를 도입하여 SWNTs의 열전도도를 향

상시키려는 연구들이 수행되고 있다

- 기계적 분산방법인 전단혼합방법은 좁은 관이나 상대

적으로 높은 속도의 유동을 이용하여 발생한 전단력

으로 CNTs를 분산시키는 방법이다 Ku 등19)은 전단

혼합과 초음파처리를 이용하여 MWNTs로 강화된

에폭시 복합재료를 만들어 기계적 및 열적 특성을 연

구하였다

⑸ 내마모성 테프론 코팅

ㅇ 재료의 부식은 구조재에 원하지 않은 변화 원인으로 작

용하여 경제적인 문제로 귀결되는 심각한 문제이다 이들

원치 않는 변화는 때로 적절한 코팅에 의한 표면처리로

예방할 수 있다 가장 일반적이고 자주 사용되는 전착 코

팅은 아연에 기초한 아연 코팅 및 합금 코팅으로 이들

코팅은 간단한 기술로써 내부식성이 양호하여 전 표면처

리의 약 14에 해당하나 최근 낮은 마찰계수 등 다른 특

성들이 매우 중요하게 되었다 이들 특성은 다층 코팅으

로 대응할 수 있으나 두께가 증가하고 기술이 복잡하여

가능한 해결방법으로는 복합체 코팅이 있다 복합체 코팅

43

은 일반기계와 자동차 전자부품 및 컴퓨터 등 다양한 분

야에 적용된다 금속 기질에 미세한 PTFE 입자의 전착

에 의한 증착은 새로운 세대의 복합체 코팅으로써 가장

바람직한 특성은 양호한 내마모성 자기윤활 내부식성이

다 M Paderovaacute 등20)에 의하면 이들 특성은 주로 사용

한 입자(흑연 다이아몬드 MoS2 또는 PTFE)와 용액의

유형(pH 온도 bath 등) 뿐 아니라 입자의 크기 농도

분산 및 형태학에 의존한다

ㅇ 충전되지 않은 PTFE의 마모율은 736-741times10-4mm3Nm

로 내마모성이 낮아 다양한 충전제들이 첨가되고 있다

Xing-Dong Yuan 등21)은 진공 조건에서 PTFE 코팅

의 마모특성을 연구하여 초기에는 하중이 증가함에 따

라 마찰계수가 감소하나 하중이 6N 이상으로 커지면

마찰계수도 증가하며 압력이 PTFE 코팅의 마찰계수

에 미치는 영향이 거의 없고 마모는 압력이 증가하면

초기에는 감소하나 10Pa 보다 높으면 급격히 증가한

다고 보고하였다

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위해서는 윤활제로 PTFE

계 수지 접착제로는 폴리아미드이미드수지 산화철 분말

44

및 브론즈 분말 등을 혼합한 조성물을 사용하거나 미국

특허에서는 스와시플레이트 형 압축기의 플레이트 표면

에 MoS2 흑연 PTFE계 윤활제와 열경화성 수지인 폴리

아미드이미드(PAI) 조성물을 코팅하여 내마모 및 윤활성

을 부여하고 있다22) 내열성 향상을 위해서는 고체윤활

제 접착제수지 및 저융점 금속인 Sn Pb In Bi 등을 함

유하는 합금이나 화합물을 사용하여 금속의 잠열을 이용

내열성 향상을 시도하기도 한다

ㅇ 그간 철강(스테인리스강 탄소강 아연도금강판 등)의 내

부식성 향상을 위한 많은 연구들이 수행되어 왔다 4플루

오르에틸렌(C2H4) 4플루오르에탄(CF4) 6플루오르에탄

(C2F6) 3플루오르화에탄(CHF3) 8플루오르화에탄(C4F8)

같은 불소화된 단량체의 플라즈마 중합에 의한 테플론

류 코팅은 그들의 소수성으로 인해 금속의 내부식성 향

상을 위한 대안으로 주목을 받고 있다 A Delimi 등23)

은 유도결합 고주파플라즈마(inductively coupled radio

fre- quency plasma)를 사용하여 소수성 박막 불소수지

필름을 탄소강에 증착하고 3염수에서 내부식성을 평가

한 결과 1개월 동안 9nm의 필름이 유지되는 것을 관찰

하여 불소고분자 박막이 금속과 금속산화물의 보호층이

될 수 있음을 보고하였다

45

ㅇ PTFE를 이용한 세라믹코팅 기술로는 알루미늄 및 알루

미늄 합금 공작물을 양극처리에 의해서 티타늄 및또는

지르코늄 산화물을 포함하는 내식성 내열성 및 내마모

성 세라믹 코팅을 하고 이어서 양극처리된 공작물을

PTFE 또는 실리콘 함유 코팅과 같은 제 2 코팅으로 코

팅한다 이 발명은 가소성을 가지는 경질의 필름 내에서

내식성 내열성 및 내마모성을 제공하는 티타늄 및또는

지르코늄 산화물의 양극처리 층으로 기판을 예비-코팅함

으로써 알루미늄 기판에 보다 긴 수명의 코팅을 형성하

는데 특히 유용하다24)

ㅇ Nosaka 등25)은 PTFE로 대표되는 불소수지는 마모-링이

나 극저온 밸브의 실링부에 많이 사용되며 진공치환법에

의해 탄소재료에 PTFE나 MoS2 분말을 1-2wt 함침시

키면 무함침한 것에 비해 마모가 약 13로 감소한다고

보고하였다 한편 저자들은 터보펌프의 실링재료가 극저

온 환경에서 보이는 특이한 현상을 극복하기 위해 베어

링의 표면에 노출된 유리섬유를 불소산으로 처리하여 용

해 제거하고 윤활성을 높인 유리섬유강화 테프론 리테이

너를 개발하여 내구성과 윤활성을 향상시킬 수 있었다고

보고하고 있다

46

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위한 또 다른 특허로는

폴리실록산계 접착제를 단독 혹은 폴리에스테르계 접착

제와 병용하고 고체 윤활제로 MoS2(이황화몰리브덴

WS2(이황화텅스텐) h-BN(육방정 질화붕소) 팽창흑연

및 PTFE를 사용하고 충전제로 탄화규소 알루미나 산화

지르콘 산화티탄 등의 미분말을 사용하여 내마모 내열

및 윤활성을 부여하고자 하는 내마모성 및 윤활성 코팅

조성물에 관한 특허가 있다26)

ㅇ 내열성 내후성 내오염성 내약품성 내구성 등의 물성

은 유지하면서 비점착성을 높이기 위해 무기계 세라믹

코팅 조성물에 PTFE를 첨가하기도 한다 이러한 하이

브리드 코팅 조성물에 관한 특허로는 불소수지(01sim25

중량) 콜로이달 실리카나 콜로이달 알루미나 등 무

기계고분자 바인더(20sim80중량) 알콕시실란 화합물

(1sim50중량) 수용성 유기용제(1sim10중량) 충전제

또는 안료(5sim50중량) 및 물(100중량 까지 보충)로

이루어진 코팅 조성물에 관한 것으로 무기질 도료 및

무기계 세라믹 코팅에 의해 내열성 내오염성 내약품

성과 내구성을 유지하고 접착력을 높이기 위해 소량의

PTFE를 사용하는 것이 있다27)

47

ㅇ 정전 복사기에 사용되는 정착기재부의 최외층에 코팅하

여 기계적 성질 및 내마모성을 향상시키려는 목적으로

불소수지 기질 중에 분산된 불소화 다이아몬드를 함유하

는 입자로 구성된 조성물에 관한 일본 특허28)가 있다

ㅇ 부식 특성을 개선한 흑색 무크롬(chrome-free) 다층 내

부식 마무리 칠과 방법에 관한 특허29)로는 ASTM B 117

표준으로 시험할 때 백색 부식에는 최소 500시간 염수분

무시간 및 적색 부식에는 1500시간 염수분무시간에 적합

하게 설계된 마무리 칠에 관한 것이 있다 이 다층 시스

템은 광택(gloss) 4 이상을 만족하는 자동차 차체 강판

자동차 하부와 내장에 사용되기 위해 설계된 것으로 이

다층 마무리 칠은 3층 부식 방지 시스템을 형성하도록

아연-철 전기도금 기질 오르토인산을 사용한 무전해 인

산염 결정 전환 층과 XylanTeflon 실러 코팅의 조합이

다

ㅇ 전통적으로 철 강판(steel sheet)은 크롬산 염 전환 코팅

으로 개질되어 왔으나 6가 크롬이 배출되어 환경을 오염

시키는 문제점이 있어 강판의 내-부식성을 개선하기 위

해 고분자 수지 코팅들이 수행되고 있으나 이 방법은 고

48

분자 코팅 층이 열전도도를 감소시키는 단점을 가지고

있다 Kang 등30)은 강판 위의 고분자 코팅 층의 열전도

도를 향상시키기 위해 초미세-크기 다이몬드(μD)입자를

열전도 물질로 사용하였다 다양한 음이온 및 비-이온

계면활성제들을 사용하여 수용액 중에서 무거운 μD입자

의 안정화를 시험들을 한 결과 1-피렌카르복시산(PCA)

이 가장 양호하였다 그림 3-2는 이 시험 결과를 요약한

것이다

- 강판 위에 PCA로 안정화 된 μD 입자를 함유한 폴리

우레탄-기초 코팅 층은 열전도도가 0351W(mK)에서

0434 W(mK)(10 wtμD)로 향상되었으며 더욱 144

시간 동안 염수 분무 시험결과 부식거동은 관찰되지

않았다

그림 3-2 피렌카르복시산을 이용한 μD 표면처리

ㅇ 자동차공업에서는 기본적인 특성으로 내마모성이 요구되

49

는 강철 기계부품들의 마찰특성을 향상시키기 위해 다양

한 금속 및 고분자 코팅들이 광범하게 이용된다 내-마

모 코팅은 두 가지 주요 특성인 높은 표면경도와 자기-

윤활 특성이 필요하다 후자의 범주에 속하는 것이

PTFE와 MoS2 기초 코팅이다 무전해 니켈 코팅은 높은

경도로 인해 양호한 마찰 특성을 보이며 한편 열처리를

통해 경도를 향상시킬 수 있다 PTFE입자의 첨가는 코

팅경도를 감소시키나 자기-윤활특성을 부여한다 S

Rossi 등3132)은 마찰특성을 향상시키기 위해 이용되는 탄

소강에 이용되는 몇 가지 공업적인 코팅에 관한 부식거

동에 관해 평가 PTFE입자를 함유한 무전해 니켈-인

(Electroless Nickel-Phophorus)코팅은 PTFE 입자(자기-

윤활 특성)를 갖는 외층과 장벽-효과를 갖는 내층으로

인한 이중 특성으로 가장 양호한 특성을 보였다고 보고

하고 있다

ㅇ 모든 기계적 시스템은 동적 요소를 필요로 하며 마찰과

마모를 줄이기 위한 다양한 수단들이 가능하나 그 선택

은 환경이나 조작 조건에 제한을 받는다 PTFE는 자기

윤활 낮은 마찰계수 높은 열안정성과 화학약품 안정성

으로 산업분야에 널리 사용되는 엔지니어링 고분자이지

만 내마모성이 매우 부족하다 이러한 이유로 금속

-PTFE충전 복합체들이 PTFE의 마찰특성과 금속충전제

50

의 내마모성을 결합하여 특정 분야의 용도로 소개되어

왔으나 금속-고분자 물질에서의 충전제의 역할은 완전히

설명되지 않고 있다 복합체 표면의 과잉의 충전제 농도

는 미끄러지는 동안 부하를 지지하여 내마모성을 증가시

키는 것으로 생각되며 PTFE의 마모율은 Mo Zn Ni

Y2O3 및 SiO2 같은 무기 충전제에 의해 1000배가량 감소

되었다는 보고도 있다 유리섬유 구리 세라믹 탄소섬유

절단 탄소섬유 나노입자를 포함한 경질의 충전제 입자들

이 PTFE의 내마모성을 높이기 사용되어 왔다

ㅇ 비교적 두꺼운 코팅에는 열분사(thermal spray) 용사기

술이 정립되어 있고 용사 코팅은 내마모 내마찰 내프레

팅(fretting) 및 내부식을 요하는 산업에 많이 이용되고

있다

- 용사 몰리브덴(Mo)코팅은 실질적 내마모성 코팅으로

가장 광범하게 이용되며 프레임용사(flame spray)거나

와이어용사(wire spray)기술로 생산된 몰리브덴(Mo)

코팅은 흠이나 마모에 대한 고도의 저항을 얻기 위한

가장 좋은 코팅재료 중의 하나이다

- 알루미늄 청동(aluminium bronze)은 높은 내-부식성

과 내마모성을 갖는 것이 특징이다 저압 플라즈마 용

51

사 기술은 자기-아닐링(self-anealing)과 부서지기 쉽

도록 유도하는 γ-상의 형성을 피할 수 있도록 높은

냉각 속도를 얻는 데 사용되며 알루미늄 청동 저압

플라즈마 용사 코팅은 낮은 마찰과 마모를 보였고 비

교적 최근 플라즈마 용사 기술을 이용하여 알루미늄

기질에 고분자-세라믹 복합체를 코팅하는 기술이 개

발되었다33)복합체 코팅으로 행한 마찰 시험에서 낮

은 마찰계수를 얻을 수 있었다

- 낮은 마찰계수와 고 내마모성을 갖는 이성분 금속

-PTFE 코팅이 개발되었고 이들의 마찰 공학적 성능

이 보고되었다 PTFE-기초 복합체 설계에서 일반적

인 접근방법은 경질의 충전 입자들을 도입하는 것으

로 M Yamane 등34)은 PTFE-금속 이성분 코팅의 마

찰 마모성능에 관한 연구 결과 알루미늄 청동 코팅이

Mo코팅에 비해 PTFE 저장소(reservoir)에 유용했음

을 보고하였다

⑹ 충전 또는 강화 플루오르화 탄소1)

ㅇ 분말이나 강화섬유 등 전형적인 충전재들이 충전 또는

강화 플루오르화 탄소에 사용된다 충전재는 저온흐름

52

을 향상시키는 데 사용되며 수축과 균열을 줄이고 열

팽창을 낮추며 열전도율을 향상시킨다

ㅇ 분말이나 단섬유로 된 전형적인 충전제를 표 3-5에 종합

하였다 유리섬유는 가장 보편적인 PTFE 충전제로 화

학 및 전기적 특성에 최소로 영향을 미치며 기계적 특

성을 크게 향상시킨다 분말에 비해 섬유는 압축강도

강성도 및 지지용량을 더욱 향상시키나 분말은 충전

테플론의 내구성에 거의 영향을 미치지 않는다 금속분

말은 특히 열전도도를 향상시키며 고속에서 발생하는 마

찰열을 소멸하는데 도움이 되며 전기저항을 상당히 감소

시켜 금속-충전 조성물은 양호한 절연체는 아니다

ㅇ 흑연(graphite) MoS2는 초기 내구성과 마찰을 개선하고

기계적 특성을 향상시킨다 석면은 많은 유용한 특성을

갖지만 가공 처리 중 가스가 방출할 뿐 아니라 사용금지

물질이다 표 3-5 외에도 금속 망 장섬유 다공성 금속

등 다양한 충전제들이 있으며 다양한 종류의 제품들이

상업 생산되고 있어 최종 선정을 하기 전에 플라스틱 가

공업자로부터 보다 완전한 정보와 추천을 받는 것이 바

람직하다

53

표 3-5 불소수지용 충전제

ㅇ 압축강력 인장과 압축 시의 탄성률 및 항복강력은 첨가

제의 첨가에 의해 모두 증가하나 일반으로 인장강력과

신도 및 충격강도는 손실된다 통상 충전 테플론은 압축

상태에서 사용되므로 인장강력의 감소는 중요하지 않다

인장강력의 손실은 설치(연속적인 링-실링)할 때 인장되

는 재료에서 중요하다 열팽창 계수는 비-충전 테플론에

비해 감소되어 통상 금속 부품의 팽창계수와 잘 맞는다

ㅇ 마찰과 마모를 수반하는 분야에서 가장 중요한 것은 충

전제로 얻어지는 PV한계치의 증가와 마모의 감소다 비-

54

충전 테플론에 비해 PV한계치 크기는 개략적으로 1차원

적으로 증가하나 마모인자는 3차원적으로 감소한다 충전

테플론의 평균치들은 동적 마찰계수는 01-02 PV한계치

는 10000-20000 psi-fpm 마모상수는 10times10-10in3-min

lb-ft-hr이다 그림 3-3은 충전 테플론 PTFE의 마찰계

수에 미치는 충전제 종류와 농도의 효과에 관한 것이다

그림 3-3 테플론 PTFE에 미치는 충전제 종류와 농도1)

ㅇ 내마모성을 향상시키는 충전제는 실제로 연마저항성을

감소시키는 것으로 날카로운 입자는 보다 쉽게 침투하고

충전제 입자와 수지 사이의 경계를 따라 충전 플라스틱

을 찢는다 따라서 라이닝 슈트 같은 분야의 적용 시는

55

비-충전테플론이 보다 바람직하다

⑺ 시트 테이프 및 박층(laminates)

ㅇ 대부분의 플루오르화탄소는 충전 여부에 관계없이 두

께 1mil(0001 in)까지 시트나 테이프로 만들 수 있고

시트나 테이프를 찍어서 원하는 형상의 립-씰(lip seal)

펌프 컵(pump cup) 피스톤 링(piston rings) 가스켓

(gaskets) 등을 만들 수 있다

ㅇ 유체의 누설을 정지시키는 밀봉기능 부품 중 각종기기의

접합부나 배관 플랜지 등의 밀봉에 사용되는 가스켓

(gaskets)은 석면이 널리 사용되어 왔으나 유해물질 배

출 및 이동량 보고제도(PRTR Pollutant Release and

Transfer Register)에서 발암성을 가진 제1종 지정 화학

물질로 지정되어 사용이 금지되어 PTFE가 가스켓으로

개발되었다 PTFE는 용융 알칼리 금속 및 그 용액과 불

소 및 3불화염소에 의해 약간 침식되나 모든 화학약품에

안정하고 우수한 내부식 재료로 C-F결합력이 크고 F원

자가 C-C결합의 주위를 간격 없이 들러 싸고 있기 때문

에 다른 물질의 공격을 방어하고 있고 내열성은 260로

높다35)

56

- PTFE 필러를 사용한 PTFE 나선 권형 가스켓은 석

면에 대한 사용규제와 상관없이 사용되어 왔으며 유

연한 필러를 사용하므로 석면 가스켓 보다 낮은 체결

압력에서도 실 특성이 우수하고 내식 면에서도 광범

하고 다양한 유체에 사용이 가능하다 다만 단열성 면

에서는 석면 나선 권형 가스켓 보다 사용온도 범위가

제한된다

ㅇ 산업 기계나 자동차의 브레이크 제동장치에 부착하여 마

찰력을 부가하는 브레이크 라이닝에서는 마찰계수와 내

마모력 및 충격계수 등 마찰특성이 우수한 석면을 주로

사용하여 왔으나 제동 시 발생하는 미세 석면분진으로

인해 대기오염에 의한 환경을 파괴 뿐 아니라 인체에 흡

입될 경우 암을 유발하여 PRTR로 사용이 금지되었다

석면을 대체할 유기질 또는 무기질 된 다양한 비석면 마

찰 섬유 등이 사용되고 있으며 마찰 섬유에 테프론을 코

팅하여 브레이크라이닝의 수명향상 제동 시 발생하는 소

음 떨림 및 제동력 향상을 위한 제품개발이 시도되고

있다

- 예로 국내 특허36)에서는 브레이크 라이닝(또는 패드)

의 마찰재 배합재료 중 유기섬유(Kevlar섬유 pulp섬

57

유 등)에 테프론을 코팅하고 코팅된 유기섬유에 결합

재 충전재 윤활재 마찰안정재 마찰조정재 등을 소정

의 배합비로 배합하여 성형하고 열처리하여 브레이크

패드 또는 라이닝을 제조한다

ㅇ 초소형 정밀기계(MEMS Micro-Electromechanical

System)분야에서는 점착방지를 위해 불화 유기박막을

사용한다 Park 등37)은 단층 두께의 불화 유기박막의

특성을 접촉각 측정을 통해 분석하였다

⑻ DLC 코팅3839)

ㅇ DLC(diamond-like carbon)는 몇 가지 다이아몬드의 전

형적인 특성을 나타내는 비정질 탄소물질로 극도의 내마

모 특성을 필요로 하는 재료의 코팅에 이용되고 있다

DLC코팅은 연마 마모를 감소시키기 위한 재료에 유용하

여 엔드밀 드릴비트 금형 같은 공구는 물론 자동차 기

계부품 및 전자산업 등 산업전반에 걸쳐 적용된다40)

ㅇ 환경오염 문제로 인해 PRTR(Pollutant Release and

Transfer Register 유해물질 배출 및 이동량 보고 제

도) 이 시행되어 습동 부품이나 절삭 시에 사용되는 오

일이나 그리스에 포함되는 첨가제(MoS2 Zn 등)와 이들

58

부품을 세정할 때 사용되는 용매 기계부품의 수명을 연

장시키기 위해 활용되었던 Cr도금 폐액에서 발생하는 6

가 크롬 등의 오염물질들에 대한 규제가 더욱 강화되어

DLC에 의한 무윤활 습동과 무윤활 절삭을 지향한 공구

와 기계 부품의 개발이 관심을 끌고 있다4142)

- 일본 내에서는 PRTR이 시행되고 이것에 저촉되는 재

료에 관해서는 MSDS(Material Safety Data Sheet)를

첨부해야할 의무가 있고 부품가공 습동 용도에서는

대상 리스트에 올라 있는 오일 오일 중의 중금속 도

금폐액을 어떻게 경제성 있는 환경 친화적 공정과 재

료로 전환할 것인가를 고려하면서 무윤활 습동 무윤

활 절삭 탈크롬 도금의 3가지 키워드가 대두되고

DLC코팅이 대안으로 모색되고 있다

- DLC코팅 적용기술과 과제에 관한 자료로는 자동차

관련부품 적용사례 엔진부위 마찰 작동 밸브계의 마

찰저감 DLC와 윤활제에 의한 마찰저감 기술을 중심

으로 살펴본 보고가 있다43)

ㅇ DLC는 7가지 형태가 존재하며 모두 상당한 양의 sp3혼

성궤도 탄소원자를 함유한다 다양한 형태의 DLC가 진

공 환경으로 적합한 재료들에 적용가능하며 유럽에서의

59

2006년 위탁 DLC코팅 시장은 3천만euro로 추정되었고 국

내도 활발한 상용화가 시도되고 있다

ㅇ 사반면상(tetahedral) 비정질 탄소 ta-C를 2두께로 코

팅하면 연마마모에 대한 스테인레스 강(304 type)의 내구

성을 증가시켜 수명을 1주일에서 85년으로 늘이며 이러

한 DLC의 형태는 sp3결합 탄소 원자로만 이루어지기 때

문에 순수한 DLC로 간주되며 수소 sp2흑연 탄소 금속

같은 충전제가 생산경비를 낮추거나 원하는 특성을 부여

하기 위하여 사용되고 있다

ㅇ DLC를 만드는 방법에는 sp3탄소 보다 낮은 밀도의 sp

2

에 의존하는 몇 가지 방법들이 있으며 압력 충격 촉매

또는 이들의 조합으로 sp2결합탄소 원자들을 sp3결합탄소

로 근접시킨다 최근 초고압 하에서 탄소의 경량 특성을

갖는 초경도 무정형 다이아몬드가 만들어졌다 탄소로 만

들어지는 다이아몬드 그래파이트는 결정구조를 가지나

DLC는 비정질이라는 점에서 크게 다르고 200 정도의

저온에서 형성시킬 수 있다는 점이 통상의 PVD막에 비

해 훨씬 우위에 있다

ㅇ DLC코팅은 제조공정이 복잡하고 생산 단가가 비싸 적용

이 어려우며 적용되는 소재가 제한되는 단점을 갖는다

60

주요제법으로는 고주파 플라즈마 법 이온화 증착법 스

페터링법 등을 들수 있다 고주파 플라즈마 법은 메탄가

스가 원료로 사용되고 막 중의 수소가 약 30(원자)로

평활성이 우수하고 마찰계수가 작으나 경도가 낮다 이

온화 증착법은 벤젠을 사용하며 막은 단단하나 면의 조

도가 거칠고 후막화 하기 위해 스패터링 방법이 검토되

고 있다

⑼ 불소수지의 안전성

ㅇ 테플론 PTFE의 열분해는 200(392)에서 감지되며 이

것은 몇 가지 플루오르화 탄소 기체들과 승화물질을 방

출한다4445)1955년 동물실험에 관한 한 연구에서는 이들

물질이 250(482) 이하에서는 의미 있는 양이 아니라

고 결론지었으나 최근 비-점착 주방기구인 프라이팬이

나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가열할 때 조류를

죽일 수 있는 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수

도 있다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있다45)

ㅇ 표 3-6은 EWG가 보고한 3-5분 내에 370까지 불소수

지를 가열할 때 발생되는 15종의 불소화합물에 관한 것

이다 테플론과 같은 코팅물질들이 장기적으로 인체에 미

61

치는 영향에 관한 연구는 이루어지지 않고 있으나 독감

과 유사한 질병을 유발할 수 있으며 이를 중합체 증기열

(polymer fume fever)이라 한다

표 3-6 15종의 유해물질 및 유독성 기체44)

ㅇ 최근 표 3-6의 화합물들 중 특히 TFA와 과불화된

(perfluorinated) PFOA(perfluorooctanoic acid)에 관심이

증가되고 있다 PFOA는 새로운 환경오염물질로 미국 환

경보호청(EPA)에 의하면 보통 때는 문제가 없으나 조리

과정에서 프라이팬에 열을 가하고 강하게 긁을 경우 용

62

출되어 나오며 이것이 음식물과 함께 인체에 흡수되는

것으로 추정하였다 한편 DuPont의 테플론 PTFE 연구

결과에 의하면 검출한계인 9ppb 이상 검출되지 않으며

테플론 주방기구에서는 PFOA가 존재하지 않는다고 발

표하고 있다

- 물이나 공기를 통해 환경에 노출된 PFOA는 고 콜레

스테롤 궤양성 대장염 갑상선 질환 고환암 신장암

및 임신성 고혈압과 관련된다고 보고되었다

- PFOA는 불소수지 생산과정에서 사용되는 첨가물로써

암모늄 형태로 PTFE 유화중합에 계면활성제로 사용

되며 불소수지의 품질과 균일성을 유지하기 위해 필

수적인 첨가물이기 때문에 전 세계 모든 불소수지 제

조업체가 사용 중에 있다 한편 국내 주력 산업인 반

도체 생산 과정에서도 PFOA를 대량으로 사용하고 있

어 체계적인 실태조사와 대책수립이 필요하다는 의견

들이 대두되고 있다

⑽ 불소화합물의 안전성과 환경대책

ㅇ 표 3-6에서 살펴본 바와 같이 테플론을 급격히 고온으로

가열하면 2종의 발암물질을 포함한 유독성 가스가 발생

63

하고 특히 불소화합물 중 MFA(monofluoroacetic acid)는

적은 양으로도 치명적 해를 끼치고 PEIF(perfluoro-

isobutene)는 신경가스제로 여러 가지 질환을 발생시킨다

한다44)

따라서 테플론으로 코팅된 장치를 재 코팅하기

위해 테프론을 고온으로 급격히 가열하거나 소각 등을

통해 제거할 때는 발생 가능성이 있는 유독가스를 제거

하기 위한 별도의 설비를 이용하여야 하고 유 등44)의 보

고서에서와 같이 중조(NaHCO3)를 포화시킨 충분한 물로

유독 산성 물질을 중화시키는 것도 고려할 만하다 한편

부식대전 방지 코팅도 테플론 코팅 일변도에서 세라믹

코팅 CNTs이나 DLC 코팅기술로 대응하는 것을 추천하

고 싶으며 이것은 유해물질 배출 및 이동량 보고제도

(PRTR Pollutant Release and Transfer Register)에 대

비하는 등 기업의 장래를 고려하는 것도 될 것이다

ㅇ PTFE를 사용한 취사도구는 1960년대 이래 사용되어 오

고 있으나 최근 들어 이것의 안전성이 논쟁의 주제가 되

고 있으며 논의 주체는 PFOA(perfluorooctanoic acid)이

다 PFOA는 PTFE를 비롯한 많은 불소수지의 생산에

사용되며 DuPont의 테플론 PTFE 연구 결과에 의하면

프라이팬을 260 이상 고온에서 가열하거나 코팅이 벗

겨져도 PFOA가 존재하지 않는다고 한다 그러나 물이나

64

공기 토양 식품포장재 등 여러 곳에서 PFOA 오염사실

이 보고되고 있다 한다44)

- 미국 EPA는 인체와 환경에 대한 PFOA 연구를 계속

하고 있으며 2015년까지 PFOA 및 이와 관련된 화합

물 방출을 배제할 프로그램을 갖고 있으나 PTFE-기

초 비점착 취사기구를 중지시킬 타당성을 갖고 있지

는 않다 최종제품은 PFOA가 아닌 PTFE이기 때문이

다

- 수십 년 동안 불소수지 비점착 코팅이 시장을 지배하

였으나 최근 몇 가지 신기술들이 출현되고 있으며 이

들 대부분은 실리콘 세라믹과 실리콘 기술로 이들 코

팅은 PTFE와 PFOA를 함유하지 않는다

- 오늘날 출시된 비점착 취사용구는 수많은 상표로 팔

리고 있으며 DuPont에 의하면 대부분의 취사용구 코

팅은 정상적으로 사용할 때 3-5년 견딜 수 있을 것으

로 예측한다 너무 문질러서는 안 되고 따뜻한 비눗

물로 씻어주는 것이 좋으며 닳거나 흠이 생기지 않도

록 나무 플라스틱이나 코팅된 재료로 만든 도구를 선

택하고 보관도 흠이 생기지 않을 장소나 캐비닛을 권

장하고 있다

65

ㅇ 국내의 불소수지 안전성에 관한 것으로는 재질규격(납과

카드뮴)과 용출규격(납 과망간산칼륨소비량 증발잔류물)

이 식품용 기구 및 용기 포장 공전46)에 기재되어 있으며

최근 국내에서도 PFOA를 비롯한 유해 불소화합물에 관

한 관심이 커져 가고 있다

ㅇ PFOA 문제가 표면화 되면서 환경 보전형 불소계 발수

유제의 개발과 공업화도 새로이 부각되고 있다 이에 관

한 보고서를 모니터링한 KISTI자료47)를 중심으로 간단히

요약하면 발수제의 주요성분 퍼플루오로알킬기(Rf기)함

유 폴리머의 기능은 Rf기의 고리길이에 크게 의존하므로

PFOA문제 해법으로 탄소수 8 이상인 종래의 불소화학

에서 탈피 짧은 고리 Rf기(탄소수 6)를 가진 새로운 단

량체를 선택하여 발수제를 제조함으로써 환경 보전형 불

소계 발수유제를 개발하고 공업화하였다 한다

66

제 4 장

지원결과

1 지원결과 종합

테프론 코팅 기술의 문제점과 부식대전방지용 테플

론 코팅에 관한 정보 외에 신청기업의 요청에 따

라 C-나노튜브 코팅 및 DLC증착에 관련된 기술 정

보도 제공하였다

테플론은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat resistant)

비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coefficient of

friction) 내약품성(chemical resistance)과 특이한 전기적

특성(unique electrical properties) 및 온내구력(cryogenic

stability)으로 그 응용범위가 광범하며 용도에 따른 엄격

한 품질관리가 요구될 것으로 생각되어 중소기업에 적합

한 기초능력 배양과 신제품을 구상하기 위한 최신기술에

관한 정보를 제공하고자 하였다

67

불소수지의 코팅은 두께와 첨가제가 관건으로 이에 관한

자료를 제공하고자 하였으며 불소수지의 전기특성 폭발

성 환경과 반도체 제조공정에서의 대전 방지 처리를 위

한 정전기 관리 지표 등을 특허를 중심으로 조사하여 제

공하고자 하였다

C-나노튜브를 이용한 대전방지 코팅 기술 및 C-나노튜

브의 제법 등 이것에 관한 기초정보를 제공하고자 하였

으며 내마모성 테플론 코팅에 관해서는 테플론을 이용한

세라믹 코팅 기술에 관한 정보도 제공하고자 하였다

테플론의 기계적 전기적 특성을 강화하기 위해 사용되는

충전제를 종합하고 기초이론을 정립함으로써 금후 원부

자재의 선정에 도움을 주었다

테플론은 석면 대체재로도 주목받고 있어 이에 관한 특

허 정보들을 제공하였으며 다이아몬드의 전형적인 특성

을 나타내는 DLC의 코팅관련 기술 정보를 환경오염 문

제와 연관하여 자료를 제공하였고 최근 비-점착 주방기

구인 프라이팬이나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가

열할 때 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수도 있

다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있어 이에

관한 정보도 제공하였다

68

2 지원의 한계

중소기업이 당면한 문제는 전문기술의 확보다 관련 기술

이 비약적으로 발전하는 추세에 비추어 한정된 인원으로

신기술을 소화하고 개발하기는 어려울 것이므로 출연연

구기관이나 대학과 공동연구를 모색할 수 있으나 이것도

중소기업으로서는 경제적 부담이 될 수밖에 없을 것으로

생각된다 가능하다면 앞으로도 KISTI의 정보지원이 계

속되기를 바라고 있었다

3 기대효과

부식대전 방지 테플론 코팅에 관한 기본 기술이 배양되

어 합리적인 원부 원료의 수입검사 공정관리 및 제품관

리를 통해 원가절감은 물론 신제품 신기술에 관한 정보

수집 및 분석능력이 배양되고 개발력이 확충되어 기업

경쟁력 향상에 도움이 될 것이다

69

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75

저자소개

김학주(金鶴柱) 서울대학교 문리과대학 화학과 졸업 이학사

전북대학교 대학원 화학과 이학박사

(주)삼양사 의약연구소장 신성대학교 교수

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 폴리에스테르 섬유의 연중직방기술 외 다수

저서 기기분석 공업물리화학 일반화학

성용길(成墉吉)

동국대학교 이과대학 화학과 졸업 이학사 이학석사

부산대학교 대학원 화학과 이학박사(Dr Sci)

University of Utah USA Ph D(공학박사) Post Dr

유타대학교 연구교수 부산대학교 교수 동국대학교 교수

동국대학교 명예교수 한국원자력문화진흥원 이사

과학문화연구원전문연구위원 한국도량형과학문화연구원 원장

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 의료용 기능성 고분자재료에 관한 연구 외 330편

저서 고분자 물성론 (서울대학교 출판부 공저) 외 10권

38

- 알루미늄소재 작업스테이지 표면에 산화피막(Al2O3)처

리를 하는 아노다이징(anodizing 양극산화)에서 전해

액은 수산화나트륨이나 수산과 황산 등이 사용될 수

있고 수산화나트륨의 농도(20-50) 공급전압 전류

및 시간 등을 조절하여 산화표면 홀의 크기(D)와 깊

이(L)를 조절하며 D와 L에 따라 대전방지 효과나 내

구성 및 표면경도를 조절한다

- 탄소나노튜브를 산화표면 홀 내에 삽입시키는 단계는

전해 흡착 하여 이루어질 수 있고 정전도장을 통해서

도 이루어질 수 있다 탄소나노튜브는 분산제를 포함

하는 용액으로 코팅되며 분산제로는 소듐 도데실설페

이트(SDS) 트리톤X Tween20(폴리옥시에틸렌 소르

비탄모노올레이트) CTAB(cetyl trimethyl ammonium

bromide)를 예로 들고 있으며 탄소나노튜브 용액은

아크릴계 우레탄계 등 또는 전도성 고분자계 유무기

하이브리드계 바인더가 포함될 수 있다

- 봉공처리는 산화표면 홀과 산화피막을 봉공하여 내식

성 등이 향상되도록 보호 층을 형성시키는 것으로 비

등수 가압증기에 의한 수화봉공 금속염을 포함한 열

수에 의한 금속염 봉공 오일로 도포나 침적하는 유기

물 봉공 양극산화 피막 층에 도장하는 도장에 의한

39

봉공 등이 있다

반도체 소자를 제조하는 과정에는 불순물 이온을

주입하는 장비가 이용되고 있다 (주)하이닉스 반도

체의 특허에서는 이온주입 장비의 웨이퍼 지지 장

치 리프트 핀의 끝단을 라운드 처리하고 리프트 핀

에 테플론을 코팅하여 리프트 핀과 웨이퍼 후면의

접촉 시 웨이퍼 후면에 스크래치와 같은 손상이 유

발되는 것을 억제할 수 있게 한다16)

⑷ 탄소나노튜브(CNTs Carbon Nano Tubes)17)

탄소나노튜브는 탄소의 동소체로 1991년 일본 NEC 연구

소의 Ijima박사에 의해 전자 현미경을 통해 처음으로 확

인되었다 1985년에 Kroto와 Smalley가 탄소의 동소체인

풀러렌(탄소 원자 60개가 모인 것C60)을 처음으로 발

견한 이후 전기방전 시 흑연 음극 상에 형성된 탄소덩어

리를 투과전자현미경으로 분석하는 과정에서 발견하여

Nature학술지에 처음으로 발표되었다18) 탄소나노튜브에

서 탄소원자 하나는 주위의 다른 탄소원자 3개와 sp2결

합을 하여 육각형 벌집무늬를 형성하며 이 튜브의 직경

이 대략 수 나노미터(nm nanometer) 정도로 극히 작기

40

때문에 나노튜브라고 부르게 되었다 이 탄소나노튜브는

전기 세기가 클수록 더 수축하는 성질을 가지고 있는 등

튜브의 직경이 nm수준으로 극히 작아서 특유의 전기화

학적 특성을 나타낸다

Ku 등19)에 의하면 CNTs는 전기방사법(arc-discharge)

레이저증발 법(laser vaporization) 플라즈마 화학기상증

착 법(plasma enhanced chemical vapor deposition) 열

화학 기상증착 법(thermal chemical vapor deposition) 등

의 다양한 합성법이 개발되어 대량생산이 가능하다

CNTs의 종류는 벽의 수에 따라 단일 벽 탄소나노튜브

(SWNTs) 이중 벽 탄소나노튜브(DWNTs) 다중벽 탄소

나노튜브(MWNTs)가 있으며 물성에 관한 많은 연구결

과 기계적 전기적 열적으로 우수한 성능을 갖고 있음이

입증되었다

CNTs는 인장강도와 탄성률 면에서 지금까지 발견된 재

료 중 가장 강하고 질기며 다중벽 CNT는 63GPa에 이른

다 표준 단일 벽 CNT는 25GPa의 압력까지 변형 없이

지탱된다 그래핀의 대칭성과 특이한 전기적 구조 때문에

CNTs의 구조는 그것의 전기적 특성에 영향을 미쳐 금속

성이나 반도체의 특성을 나타내고 이론적으로 금속성

41

CNTs는 구리와 같은 금속의 1000배가 큰 4times109Acm

2

전류 밀도를 운반할 수 있으며 나노크기의 단면으로 전

자가 튜브의 축 방향으로만 전파되고 전자의 이동은 양

자효과를 수반하여 1차원 전도체로 간주된다

CNTs는 우수한 물성과 상대적으로 큰 표면적으로 갖고

있어 충전제(filler)로써 에폭시 폴리스틸렌 폴리우레탄

등 고분자와 혼합하여 폴리머의 기계적 전기적 특성을

향상시키려는 연구가 활발하다 CNTs가 폴리머 중에서

충전제 역할을 하기 위해서는 고른 분산이 필요하나 반

데르발스 힘에 의한 CNTs 응집현상(agglomeration)으로

인해 효과적인 분산이 어려워 오히려 폴리머의 물성을

저해하므로 이것을 개선하기 위한 다양한 기계적 화학적

분산 방법이 연구되고 있다

- CNTs를 분산시키기 위한 가장 일반적인 방법은 용매

나 폴리머에 CNTs를 투입하고 초음파처리를 하는 것

으로 초음파처리를 하면 SWNTs의 길이가 짧아지고

다발(bundle)이 얇아져 분산력이 증가한다

- CNTs 표면을 산이나 아민으로 기능화하여 분산을 높

이는 방법도 연구되고 있으며 MWNTs를 HNO3

H2O2NH4OH 용액에 침지시켜 MWNTs에폭시 복합

42

재료는 전기적 특성을 향상시키려는 연구와 산과 아

민 등의 기능기를 도입하여 SWNTs의 열전도도를 향

상시키려는 연구들이 수행되고 있다

- 기계적 분산방법인 전단혼합방법은 좁은 관이나 상대

적으로 높은 속도의 유동을 이용하여 발생한 전단력

으로 CNTs를 분산시키는 방법이다 Ku 등19)은 전단

혼합과 초음파처리를 이용하여 MWNTs로 강화된

에폭시 복합재료를 만들어 기계적 및 열적 특성을 연

구하였다

⑸ 내마모성 테프론 코팅

ㅇ 재료의 부식은 구조재에 원하지 않은 변화 원인으로 작

용하여 경제적인 문제로 귀결되는 심각한 문제이다 이들

원치 않는 변화는 때로 적절한 코팅에 의한 표면처리로

예방할 수 있다 가장 일반적이고 자주 사용되는 전착 코

팅은 아연에 기초한 아연 코팅 및 합금 코팅으로 이들

코팅은 간단한 기술로써 내부식성이 양호하여 전 표면처

리의 약 14에 해당하나 최근 낮은 마찰계수 등 다른 특

성들이 매우 중요하게 되었다 이들 특성은 다층 코팅으

로 대응할 수 있으나 두께가 증가하고 기술이 복잡하여

가능한 해결방법으로는 복합체 코팅이 있다 복합체 코팅

43

은 일반기계와 자동차 전자부품 및 컴퓨터 등 다양한 분

야에 적용된다 금속 기질에 미세한 PTFE 입자의 전착

에 의한 증착은 새로운 세대의 복합체 코팅으로써 가장

바람직한 특성은 양호한 내마모성 자기윤활 내부식성이

다 M Paderovaacute 등20)에 의하면 이들 특성은 주로 사용

한 입자(흑연 다이아몬드 MoS2 또는 PTFE)와 용액의

유형(pH 온도 bath 등) 뿐 아니라 입자의 크기 농도

분산 및 형태학에 의존한다

ㅇ 충전되지 않은 PTFE의 마모율은 736-741times10-4mm3Nm

로 내마모성이 낮아 다양한 충전제들이 첨가되고 있다

Xing-Dong Yuan 등21)은 진공 조건에서 PTFE 코팅

의 마모특성을 연구하여 초기에는 하중이 증가함에 따

라 마찰계수가 감소하나 하중이 6N 이상으로 커지면

마찰계수도 증가하며 압력이 PTFE 코팅의 마찰계수

에 미치는 영향이 거의 없고 마모는 압력이 증가하면

초기에는 감소하나 10Pa 보다 높으면 급격히 증가한

다고 보고하였다

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위해서는 윤활제로 PTFE

계 수지 접착제로는 폴리아미드이미드수지 산화철 분말

44

및 브론즈 분말 등을 혼합한 조성물을 사용하거나 미국

특허에서는 스와시플레이트 형 압축기의 플레이트 표면

에 MoS2 흑연 PTFE계 윤활제와 열경화성 수지인 폴리

아미드이미드(PAI) 조성물을 코팅하여 내마모 및 윤활성

을 부여하고 있다22) 내열성 향상을 위해서는 고체윤활

제 접착제수지 및 저융점 금속인 Sn Pb In Bi 등을 함

유하는 합금이나 화합물을 사용하여 금속의 잠열을 이용

내열성 향상을 시도하기도 한다

ㅇ 그간 철강(스테인리스강 탄소강 아연도금강판 등)의 내

부식성 향상을 위한 많은 연구들이 수행되어 왔다 4플루

오르에틸렌(C2H4) 4플루오르에탄(CF4) 6플루오르에탄

(C2F6) 3플루오르화에탄(CHF3) 8플루오르화에탄(C4F8)

같은 불소화된 단량체의 플라즈마 중합에 의한 테플론

류 코팅은 그들의 소수성으로 인해 금속의 내부식성 향

상을 위한 대안으로 주목을 받고 있다 A Delimi 등23)

은 유도결합 고주파플라즈마(inductively coupled radio

fre- quency plasma)를 사용하여 소수성 박막 불소수지

필름을 탄소강에 증착하고 3염수에서 내부식성을 평가

한 결과 1개월 동안 9nm의 필름이 유지되는 것을 관찰

하여 불소고분자 박막이 금속과 금속산화물의 보호층이

될 수 있음을 보고하였다

45

ㅇ PTFE를 이용한 세라믹코팅 기술로는 알루미늄 및 알루

미늄 합금 공작물을 양극처리에 의해서 티타늄 및또는

지르코늄 산화물을 포함하는 내식성 내열성 및 내마모

성 세라믹 코팅을 하고 이어서 양극처리된 공작물을

PTFE 또는 실리콘 함유 코팅과 같은 제 2 코팅으로 코

팅한다 이 발명은 가소성을 가지는 경질의 필름 내에서

내식성 내열성 및 내마모성을 제공하는 티타늄 및또는

지르코늄 산화물의 양극처리 층으로 기판을 예비-코팅함

으로써 알루미늄 기판에 보다 긴 수명의 코팅을 형성하

는데 특히 유용하다24)

ㅇ Nosaka 등25)은 PTFE로 대표되는 불소수지는 마모-링이

나 극저온 밸브의 실링부에 많이 사용되며 진공치환법에

의해 탄소재료에 PTFE나 MoS2 분말을 1-2wt 함침시

키면 무함침한 것에 비해 마모가 약 13로 감소한다고

보고하였다 한편 저자들은 터보펌프의 실링재료가 극저

온 환경에서 보이는 특이한 현상을 극복하기 위해 베어

링의 표면에 노출된 유리섬유를 불소산으로 처리하여 용

해 제거하고 윤활성을 높인 유리섬유강화 테프론 리테이

너를 개발하여 내구성과 윤활성을 향상시킬 수 있었다고

보고하고 있다

46

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위한 또 다른 특허로는

폴리실록산계 접착제를 단독 혹은 폴리에스테르계 접착

제와 병용하고 고체 윤활제로 MoS2(이황화몰리브덴

WS2(이황화텅스텐) h-BN(육방정 질화붕소) 팽창흑연

및 PTFE를 사용하고 충전제로 탄화규소 알루미나 산화

지르콘 산화티탄 등의 미분말을 사용하여 내마모 내열

및 윤활성을 부여하고자 하는 내마모성 및 윤활성 코팅

조성물에 관한 특허가 있다26)

ㅇ 내열성 내후성 내오염성 내약품성 내구성 등의 물성

은 유지하면서 비점착성을 높이기 위해 무기계 세라믹

코팅 조성물에 PTFE를 첨가하기도 한다 이러한 하이

브리드 코팅 조성물에 관한 특허로는 불소수지(01sim25

중량) 콜로이달 실리카나 콜로이달 알루미나 등 무

기계고분자 바인더(20sim80중량) 알콕시실란 화합물

(1sim50중량) 수용성 유기용제(1sim10중량) 충전제

또는 안료(5sim50중량) 및 물(100중량 까지 보충)로

이루어진 코팅 조성물에 관한 것으로 무기질 도료 및

무기계 세라믹 코팅에 의해 내열성 내오염성 내약품

성과 내구성을 유지하고 접착력을 높이기 위해 소량의

PTFE를 사용하는 것이 있다27)

47

ㅇ 정전 복사기에 사용되는 정착기재부의 최외층에 코팅하

여 기계적 성질 및 내마모성을 향상시키려는 목적으로

불소수지 기질 중에 분산된 불소화 다이아몬드를 함유하

는 입자로 구성된 조성물에 관한 일본 특허28)가 있다

ㅇ 부식 특성을 개선한 흑색 무크롬(chrome-free) 다층 내

부식 마무리 칠과 방법에 관한 특허29)로는 ASTM B 117

표준으로 시험할 때 백색 부식에는 최소 500시간 염수분

무시간 및 적색 부식에는 1500시간 염수분무시간에 적합

하게 설계된 마무리 칠에 관한 것이 있다 이 다층 시스

템은 광택(gloss) 4 이상을 만족하는 자동차 차체 강판

자동차 하부와 내장에 사용되기 위해 설계된 것으로 이

다층 마무리 칠은 3층 부식 방지 시스템을 형성하도록

아연-철 전기도금 기질 오르토인산을 사용한 무전해 인

산염 결정 전환 층과 XylanTeflon 실러 코팅의 조합이

다

ㅇ 전통적으로 철 강판(steel sheet)은 크롬산 염 전환 코팅

으로 개질되어 왔으나 6가 크롬이 배출되어 환경을 오염

시키는 문제점이 있어 강판의 내-부식성을 개선하기 위

해 고분자 수지 코팅들이 수행되고 있으나 이 방법은 고

48

분자 코팅 층이 열전도도를 감소시키는 단점을 가지고

있다 Kang 등30)은 강판 위의 고분자 코팅 층의 열전도

도를 향상시키기 위해 초미세-크기 다이몬드(μD)입자를

열전도 물질로 사용하였다 다양한 음이온 및 비-이온

계면활성제들을 사용하여 수용액 중에서 무거운 μD입자

의 안정화를 시험들을 한 결과 1-피렌카르복시산(PCA)

이 가장 양호하였다 그림 3-2는 이 시험 결과를 요약한

것이다

- 강판 위에 PCA로 안정화 된 μD 입자를 함유한 폴리

우레탄-기초 코팅 층은 열전도도가 0351W(mK)에서

0434 W(mK)(10 wtμD)로 향상되었으며 더욱 144

시간 동안 염수 분무 시험결과 부식거동은 관찰되지

않았다

그림 3-2 피렌카르복시산을 이용한 μD 표면처리

ㅇ 자동차공업에서는 기본적인 특성으로 내마모성이 요구되

49

는 강철 기계부품들의 마찰특성을 향상시키기 위해 다양

한 금속 및 고분자 코팅들이 광범하게 이용된다 내-마

모 코팅은 두 가지 주요 특성인 높은 표면경도와 자기-

윤활 특성이 필요하다 후자의 범주에 속하는 것이

PTFE와 MoS2 기초 코팅이다 무전해 니켈 코팅은 높은

경도로 인해 양호한 마찰 특성을 보이며 한편 열처리를

통해 경도를 향상시킬 수 있다 PTFE입자의 첨가는 코

팅경도를 감소시키나 자기-윤활특성을 부여한다 S

Rossi 등3132)은 마찰특성을 향상시키기 위해 이용되는 탄

소강에 이용되는 몇 가지 공업적인 코팅에 관한 부식거

동에 관해 평가 PTFE입자를 함유한 무전해 니켈-인

(Electroless Nickel-Phophorus)코팅은 PTFE 입자(자기-

윤활 특성)를 갖는 외층과 장벽-효과를 갖는 내층으로

인한 이중 특성으로 가장 양호한 특성을 보였다고 보고

하고 있다

ㅇ 모든 기계적 시스템은 동적 요소를 필요로 하며 마찰과

마모를 줄이기 위한 다양한 수단들이 가능하나 그 선택

은 환경이나 조작 조건에 제한을 받는다 PTFE는 자기

윤활 낮은 마찰계수 높은 열안정성과 화학약품 안정성

으로 산업분야에 널리 사용되는 엔지니어링 고분자이지

만 내마모성이 매우 부족하다 이러한 이유로 금속

-PTFE충전 복합체들이 PTFE의 마찰특성과 금속충전제

50

의 내마모성을 결합하여 특정 분야의 용도로 소개되어

왔으나 금속-고분자 물질에서의 충전제의 역할은 완전히

설명되지 않고 있다 복합체 표면의 과잉의 충전제 농도

는 미끄러지는 동안 부하를 지지하여 내마모성을 증가시

키는 것으로 생각되며 PTFE의 마모율은 Mo Zn Ni

Y2O3 및 SiO2 같은 무기 충전제에 의해 1000배가량 감소

되었다는 보고도 있다 유리섬유 구리 세라믹 탄소섬유

절단 탄소섬유 나노입자를 포함한 경질의 충전제 입자들

이 PTFE의 내마모성을 높이기 사용되어 왔다

ㅇ 비교적 두꺼운 코팅에는 열분사(thermal spray) 용사기

술이 정립되어 있고 용사 코팅은 내마모 내마찰 내프레

팅(fretting) 및 내부식을 요하는 산업에 많이 이용되고

있다

- 용사 몰리브덴(Mo)코팅은 실질적 내마모성 코팅으로

가장 광범하게 이용되며 프레임용사(flame spray)거나

와이어용사(wire spray)기술로 생산된 몰리브덴(Mo)

코팅은 흠이나 마모에 대한 고도의 저항을 얻기 위한

가장 좋은 코팅재료 중의 하나이다

- 알루미늄 청동(aluminium bronze)은 높은 내-부식성

과 내마모성을 갖는 것이 특징이다 저압 플라즈마 용

51

사 기술은 자기-아닐링(self-anealing)과 부서지기 쉽

도록 유도하는 γ-상의 형성을 피할 수 있도록 높은

냉각 속도를 얻는 데 사용되며 알루미늄 청동 저압

플라즈마 용사 코팅은 낮은 마찰과 마모를 보였고 비

교적 최근 플라즈마 용사 기술을 이용하여 알루미늄

기질에 고분자-세라믹 복합체를 코팅하는 기술이 개

발되었다33)복합체 코팅으로 행한 마찰 시험에서 낮

은 마찰계수를 얻을 수 있었다

- 낮은 마찰계수와 고 내마모성을 갖는 이성분 금속

-PTFE 코팅이 개발되었고 이들의 마찰 공학적 성능

이 보고되었다 PTFE-기초 복합체 설계에서 일반적

인 접근방법은 경질의 충전 입자들을 도입하는 것으

로 M Yamane 등34)은 PTFE-금속 이성분 코팅의 마

찰 마모성능에 관한 연구 결과 알루미늄 청동 코팅이

Mo코팅에 비해 PTFE 저장소(reservoir)에 유용했음

을 보고하였다

⑹ 충전 또는 강화 플루오르화 탄소1)

ㅇ 분말이나 강화섬유 등 전형적인 충전재들이 충전 또는

강화 플루오르화 탄소에 사용된다 충전재는 저온흐름

52

을 향상시키는 데 사용되며 수축과 균열을 줄이고 열

팽창을 낮추며 열전도율을 향상시킨다

ㅇ 분말이나 단섬유로 된 전형적인 충전제를 표 3-5에 종합

하였다 유리섬유는 가장 보편적인 PTFE 충전제로 화

학 및 전기적 특성에 최소로 영향을 미치며 기계적 특

성을 크게 향상시킨다 분말에 비해 섬유는 압축강도

강성도 및 지지용량을 더욱 향상시키나 분말은 충전

테플론의 내구성에 거의 영향을 미치지 않는다 금속분

말은 특히 열전도도를 향상시키며 고속에서 발생하는 마

찰열을 소멸하는데 도움이 되며 전기저항을 상당히 감소

시켜 금속-충전 조성물은 양호한 절연체는 아니다

ㅇ 흑연(graphite) MoS2는 초기 내구성과 마찰을 개선하고

기계적 특성을 향상시킨다 석면은 많은 유용한 특성을

갖지만 가공 처리 중 가스가 방출할 뿐 아니라 사용금지

물질이다 표 3-5 외에도 금속 망 장섬유 다공성 금속

등 다양한 충전제들이 있으며 다양한 종류의 제품들이

상업 생산되고 있어 최종 선정을 하기 전에 플라스틱 가

공업자로부터 보다 완전한 정보와 추천을 받는 것이 바

람직하다

53

표 3-5 불소수지용 충전제

ㅇ 압축강력 인장과 압축 시의 탄성률 및 항복강력은 첨가

제의 첨가에 의해 모두 증가하나 일반으로 인장강력과

신도 및 충격강도는 손실된다 통상 충전 테플론은 압축

상태에서 사용되므로 인장강력의 감소는 중요하지 않다

인장강력의 손실은 설치(연속적인 링-실링)할 때 인장되

는 재료에서 중요하다 열팽창 계수는 비-충전 테플론에

비해 감소되어 통상 금속 부품의 팽창계수와 잘 맞는다

ㅇ 마찰과 마모를 수반하는 분야에서 가장 중요한 것은 충

전제로 얻어지는 PV한계치의 증가와 마모의 감소다 비-

54

충전 테플론에 비해 PV한계치 크기는 개략적으로 1차원

적으로 증가하나 마모인자는 3차원적으로 감소한다 충전

테플론의 평균치들은 동적 마찰계수는 01-02 PV한계치

는 10000-20000 psi-fpm 마모상수는 10times10-10in3-min

lb-ft-hr이다 그림 3-3은 충전 테플론 PTFE의 마찰계

수에 미치는 충전제 종류와 농도의 효과에 관한 것이다

그림 3-3 테플론 PTFE에 미치는 충전제 종류와 농도1)

ㅇ 내마모성을 향상시키는 충전제는 실제로 연마저항성을

감소시키는 것으로 날카로운 입자는 보다 쉽게 침투하고

충전제 입자와 수지 사이의 경계를 따라 충전 플라스틱

을 찢는다 따라서 라이닝 슈트 같은 분야의 적용 시는

55

비-충전테플론이 보다 바람직하다

⑺ 시트 테이프 및 박층(laminates)

ㅇ 대부분의 플루오르화탄소는 충전 여부에 관계없이 두

께 1mil(0001 in)까지 시트나 테이프로 만들 수 있고

시트나 테이프를 찍어서 원하는 형상의 립-씰(lip seal)

펌프 컵(pump cup) 피스톤 링(piston rings) 가스켓

(gaskets) 등을 만들 수 있다

ㅇ 유체의 누설을 정지시키는 밀봉기능 부품 중 각종기기의

접합부나 배관 플랜지 등의 밀봉에 사용되는 가스켓

(gaskets)은 석면이 널리 사용되어 왔으나 유해물질 배

출 및 이동량 보고제도(PRTR Pollutant Release and

Transfer Register)에서 발암성을 가진 제1종 지정 화학

물질로 지정되어 사용이 금지되어 PTFE가 가스켓으로

개발되었다 PTFE는 용융 알칼리 금속 및 그 용액과 불

소 및 3불화염소에 의해 약간 침식되나 모든 화학약품에

안정하고 우수한 내부식 재료로 C-F결합력이 크고 F원

자가 C-C결합의 주위를 간격 없이 들러 싸고 있기 때문

에 다른 물질의 공격을 방어하고 있고 내열성은 260로

높다35)

56

- PTFE 필러를 사용한 PTFE 나선 권형 가스켓은 석

면에 대한 사용규제와 상관없이 사용되어 왔으며 유

연한 필러를 사용하므로 석면 가스켓 보다 낮은 체결

압력에서도 실 특성이 우수하고 내식 면에서도 광범

하고 다양한 유체에 사용이 가능하다 다만 단열성 면

에서는 석면 나선 권형 가스켓 보다 사용온도 범위가

제한된다

ㅇ 산업 기계나 자동차의 브레이크 제동장치에 부착하여 마

찰력을 부가하는 브레이크 라이닝에서는 마찰계수와 내

마모력 및 충격계수 등 마찰특성이 우수한 석면을 주로

사용하여 왔으나 제동 시 발생하는 미세 석면분진으로

인해 대기오염에 의한 환경을 파괴 뿐 아니라 인체에 흡

입될 경우 암을 유발하여 PRTR로 사용이 금지되었다

석면을 대체할 유기질 또는 무기질 된 다양한 비석면 마

찰 섬유 등이 사용되고 있으며 마찰 섬유에 테프론을 코

팅하여 브레이크라이닝의 수명향상 제동 시 발생하는 소

음 떨림 및 제동력 향상을 위한 제품개발이 시도되고

있다

- 예로 국내 특허36)에서는 브레이크 라이닝(또는 패드)

의 마찰재 배합재료 중 유기섬유(Kevlar섬유 pulp섬

57

유 등)에 테프론을 코팅하고 코팅된 유기섬유에 결합

재 충전재 윤활재 마찰안정재 마찰조정재 등을 소정

의 배합비로 배합하여 성형하고 열처리하여 브레이크

패드 또는 라이닝을 제조한다

ㅇ 초소형 정밀기계(MEMS Micro-Electromechanical

System)분야에서는 점착방지를 위해 불화 유기박막을

사용한다 Park 등37)은 단층 두께의 불화 유기박막의

특성을 접촉각 측정을 통해 분석하였다

⑻ DLC 코팅3839)

ㅇ DLC(diamond-like carbon)는 몇 가지 다이아몬드의 전

형적인 특성을 나타내는 비정질 탄소물질로 극도의 내마

모 특성을 필요로 하는 재료의 코팅에 이용되고 있다

DLC코팅은 연마 마모를 감소시키기 위한 재료에 유용하

여 엔드밀 드릴비트 금형 같은 공구는 물론 자동차 기

계부품 및 전자산업 등 산업전반에 걸쳐 적용된다40)

ㅇ 환경오염 문제로 인해 PRTR(Pollutant Release and

Transfer Register 유해물질 배출 및 이동량 보고 제

도) 이 시행되어 습동 부품이나 절삭 시에 사용되는 오

일이나 그리스에 포함되는 첨가제(MoS2 Zn 등)와 이들

58

부품을 세정할 때 사용되는 용매 기계부품의 수명을 연

장시키기 위해 활용되었던 Cr도금 폐액에서 발생하는 6

가 크롬 등의 오염물질들에 대한 규제가 더욱 강화되어

DLC에 의한 무윤활 습동과 무윤활 절삭을 지향한 공구

와 기계 부품의 개발이 관심을 끌고 있다4142)

- 일본 내에서는 PRTR이 시행되고 이것에 저촉되는 재

료에 관해서는 MSDS(Material Safety Data Sheet)를

첨부해야할 의무가 있고 부품가공 습동 용도에서는

대상 리스트에 올라 있는 오일 오일 중의 중금속 도

금폐액을 어떻게 경제성 있는 환경 친화적 공정과 재

료로 전환할 것인가를 고려하면서 무윤활 습동 무윤

활 절삭 탈크롬 도금의 3가지 키워드가 대두되고

DLC코팅이 대안으로 모색되고 있다

- DLC코팅 적용기술과 과제에 관한 자료로는 자동차

관련부품 적용사례 엔진부위 마찰 작동 밸브계의 마

찰저감 DLC와 윤활제에 의한 마찰저감 기술을 중심

으로 살펴본 보고가 있다43)

ㅇ DLC는 7가지 형태가 존재하며 모두 상당한 양의 sp3혼

성궤도 탄소원자를 함유한다 다양한 형태의 DLC가 진

공 환경으로 적합한 재료들에 적용가능하며 유럽에서의

59

2006년 위탁 DLC코팅 시장은 3천만euro로 추정되었고 국

내도 활발한 상용화가 시도되고 있다

ㅇ 사반면상(tetahedral) 비정질 탄소 ta-C를 2두께로 코

팅하면 연마마모에 대한 스테인레스 강(304 type)의 내구

성을 증가시켜 수명을 1주일에서 85년으로 늘이며 이러

한 DLC의 형태는 sp3결합 탄소 원자로만 이루어지기 때

문에 순수한 DLC로 간주되며 수소 sp2흑연 탄소 금속

같은 충전제가 생산경비를 낮추거나 원하는 특성을 부여

하기 위하여 사용되고 있다

ㅇ DLC를 만드는 방법에는 sp3탄소 보다 낮은 밀도의 sp

2

에 의존하는 몇 가지 방법들이 있으며 압력 충격 촉매

또는 이들의 조합으로 sp2결합탄소 원자들을 sp3결합탄소

로 근접시킨다 최근 초고압 하에서 탄소의 경량 특성을

갖는 초경도 무정형 다이아몬드가 만들어졌다 탄소로 만

들어지는 다이아몬드 그래파이트는 결정구조를 가지나

DLC는 비정질이라는 점에서 크게 다르고 200 정도의

저온에서 형성시킬 수 있다는 점이 통상의 PVD막에 비

해 훨씬 우위에 있다

ㅇ DLC코팅은 제조공정이 복잡하고 생산 단가가 비싸 적용

이 어려우며 적용되는 소재가 제한되는 단점을 갖는다

60

주요제법으로는 고주파 플라즈마 법 이온화 증착법 스

페터링법 등을 들수 있다 고주파 플라즈마 법은 메탄가

스가 원료로 사용되고 막 중의 수소가 약 30(원자)로

평활성이 우수하고 마찰계수가 작으나 경도가 낮다 이

온화 증착법은 벤젠을 사용하며 막은 단단하나 면의 조

도가 거칠고 후막화 하기 위해 스패터링 방법이 검토되

고 있다

⑼ 불소수지의 안전성

ㅇ 테플론 PTFE의 열분해는 200(392)에서 감지되며 이

것은 몇 가지 플루오르화 탄소 기체들과 승화물질을 방

출한다4445)1955년 동물실험에 관한 한 연구에서는 이들

물질이 250(482) 이하에서는 의미 있는 양이 아니라

고 결론지었으나 최근 비-점착 주방기구인 프라이팬이

나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가열할 때 조류를

죽일 수 있는 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수

도 있다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있다45)

ㅇ 표 3-6은 EWG가 보고한 3-5분 내에 370까지 불소수

지를 가열할 때 발생되는 15종의 불소화합물에 관한 것

이다 테플론과 같은 코팅물질들이 장기적으로 인체에 미

61

치는 영향에 관한 연구는 이루어지지 않고 있으나 독감

과 유사한 질병을 유발할 수 있으며 이를 중합체 증기열

(polymer fume fever)이라 한다

표 3-6 15종의 유해물질 및 유독성 기체44)

ㅇ 최근 표 3-6의 화합물들 중 특히 TFA와 과불화된

(perfluorinated) PFOA(perfluorooctanoic acid)에 관심이

증가되고 있다 PFOA는 새로운 환경오염물질로 미국 환

경보호청(EPA)에 의하면 보통 때는 문제가 없으나 조리

과정에서 프라이팬에 열을 가하고 강하게 긁을 경우 용

62

출되어 나오며 이것이 음식물과 함께 인체에 흡수되는

것으로 추정하였다 한편 DuPont의 테플론 PTFE 연구

결과에 의하면 검출한계인 9ppb 이상 검출되지 않으며

테플론 주방기구에서는 PFOA가 존재하지 않는다고 발

표하고 있다

- 물이나 공기를 통해 환경에 노출된 PFOA는 고 콜레

스테롤 궤양성 대장염 갑상선 질환 고환암 신장암

및 임신성 고혈압과 관련된다고 보고되었다

- PFOA는 불소수지 생산과정에서 사용되는 첨가물로써

암모늄 형태로 PTFE 유화중합에 계면활성제로 사용

되며 불소수지의 품질과 균일성을 유지하기 위해 필

수적인 첨가물이기 때문에 전 세계 모든 불소수지 제

조업체가 사용 중에 있다 한편 국내 주력 산업인 반

도체 생산 과정에서도 PFOA를 대량으로 사용하고 있

어 체계적인 실태조사와 대책수립이 필요하다는 의견

들이 대두되고 있다

⑽ 불소화합물의 안전성과 환경대책

ㅇ 표 3-6에서 살펴본 바와 같이 테플론을 급격히 고온으로

가열하면 2종의 발암물질을 포함한 유독성 가스가 발생

63

하고 특히 불소화합물 중 MFA(monofluoroacetic acid)는

적은 양으로도 치명적 해를 끼치고 PEIF(perfluoro-

isobutene)는 신경가스제로 여러 가지 질환을 발생시킨다

한다44)

따라서 테플론으로 코팅된 장치를 재 코팅하기

위해 테프론을 고온으로 급격히 가열하거나 소각 등을

통해 제거할 때는 발생 가능성이 있는 유독가스를 제거

하기 위한 별도의 설비를 이용하여야 하고 유 등44)의 보

고서에서와 같이 중조(NaHCO3)를 포화시킨 충분한 물로

유독 산성 물질을 중화시키는 것도 고려할 만하다 한편

부식대전 방지 코팅도 테플론 코팅 일변도에서 세라믹

코팅 CNTs이나 DLC 코팅기술로 대응하는 것을 추천하

고 싶으며 이것은 유해물질 배출 및 이동량 보고제도

(PRTR Pollutant Release and Transfer Register)에 대

비하는 등 기업의 장래를 고려하는 것도 될 것이다

ㅇ PTFE를 사용한 취사도구는 1960년대 이래 사용되어 오

고 있으나 최근 들어 이것의 안전성이 논쟁의 주제가 되

고 있으며 논의 주체는 PFOA(perfluorooctanoic acid)이

다 PFOA는 PTFE를 비롯한 많은 불소수지의 생산에

사용되며 DuPont의 테플론 PTFE 연구 결과에 의하면

프라이팬을 260 이상 고온에서 가열하거나 코팅이 벗

겨져도 PFOA가 존재하지 않는다고 한다 그러나 물이나

64

공기 토양 식품포장재 등 여러 곳에서 PFOA 오염사실

이 보고되고 있다 한다44)

- 미국 EPA는 인체와 환경에 대한 PFOA 연구를 계속

하고 있으며 2015년까지 PFOA 및 이와 관련된 화합

물 방출을 배제할 프로그램을 갖고 있으나 PTFE-기

초 비점착 취사기구를 중지시킬 타당성을 갖고 있지

는 않다 최종제품은 PFOA가 아닌 PTFE이기 때문이

다

- 수십 년 동안 불소수지 비점착 코팅이 시장을 지배하

였으나 최근 몇 가지 신기술들이 출현되고 있으며 이

들 대부분은 실리콘 세라믹과 실리콘 기술로 이들 코

팅은 PTFE와 PFOA를 함유하지 않는다

- 오늘날 출시된 비점착 취사용구는 수많은 상표로 팔

리고 있으며 DuPont에 의하면 대부분의 취사용구 코

팅은 정상적으로 사용할 때 3-5년 견딜 수 있을 것으

로 예측한다 너무 문질러서는 안 되고 따뜻한 비눗

물로 씻어주는 것이 좋으며 닳거나 흠이 생기지 않도

록 나무 플라스틱이나 코팅된 재료로 만든 도구를 선

택하고 보관도 흠이 생기지 않을 장소나 캐비닛을 권

장하고 있다

65

ㅇ 국내의 불소수지 안전성에 관한 것으로는 재질규격(납과

카드뮴)과 용출규격(납 과망간산칼륨소비량 증발잔류물)

이 식품용 기구 및 용기 포장 공전46)에 기재되어 있으며

최근 국내에서도 PFOA를 비롯한 유해 불소화합물에 관

한 관심이 커져 가고 있다

ㅇ PFOA 문제가 표면화 되면서 환경 보전형 불소계 발수

유제의 개발과 공업화도 새로이 부각되고 있다 이에 관

한 보고서를 모니터링한 KISTI자료47)를 중심으로 간단히

요약하면 발수제의 주요성분 퍼플루오로알킬기(Rf기)함

유 폴리머의 기능은 Rf기의 고리길이에 크게 의존하므로

PFOA문제 해법으로 탄소수 8 이상인 종래의 불소화학

에서 탈피 짧은 고리 Rf기(탄소수 6)를 가진 새로운 단

량체를 선택하여 발수제를 제조함으로써 환경 보전형 불

소계 발수유제를 개발하고 공업화하였다 한다

66

제 4 장

지원결과

1 지원결과 종합

테프론 코팅 기술의 문제점과 부식대전방지용 테플

론 코팅에 관한 정보 외에 신청기업의 요청에 따

라 C-나노튜브 코팅 및 DLC증착에 관련된 기술 정

보도 제공하였다

테플론은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat resistant)

비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coefficient of

friction) 내약품성(chemical resistance)과 특이한 전기적

특성(unique electrical properties) 및 온내구력(cryogenic

stability)으로 그 응용범위가 광범하며 용도에 따른 엄격

한 품질관리가 요구될 것으로 생각되어 중소기업에 적합

한 기초능력 배양과 신제품을 구상하기 위한 최신기술에

관한 정보를 제공하고자 하였다

67

불소수지의 코팅은 두께와 첨가제가 관건으로 이에 관한

자료를 제공하고자 하였으며 불소수지의 전기특성 폭발

성 환경과 반도체 제조공정에서의 대전 방지 처리를 위

한 정전기 관리 지표 등을 특허를 중심으로 조사하여 제

공하고자 하였다

C-나노튜브를 이용한 대전방지 코팅 기술 및 C-나노튜

브의 제법 등 이것에 관한 기초정보를 제공하고자 하였

으며 내마모성 테플론 코팅에 관해서는 테플론을 이용한

세라믹 코팅 기술에 관한 정보도 제공하고자 하였다

테플론의 기계적 전기적 특성을 강화하기 위해 사용되는

충전제를 종합하고 기초이론을 정립함으로써 금후 원부

자재의 선정에 도움을 주었다

테플론은 석면 대체재로도 주목받고 있어 이에 관한 특

허 정보들을 제공하였으며 다이아몬드의 전형적인 특성

을 나타내는 DLC의 코팅관련 기술 정보를 환경오염 문

제와 연관하여 자료를 제공하였고 최근 비-점착 주방기

구인 프라이팬이나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가

열할 때 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수도 있

다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있어 이에

관한 정보도 제공하였다

68

2 지원의 한계

중소기업이 당면한 문제는 전문기술의 확보다 관련 기술

이 비약적으로 발전하는 추세에 비추어 한정된 인원으로

신기술을 소화하고 개발하기는 어려울 것이므로 출연연

구기관이나 대학과 공동연구를 모색할 수 있으나 이것도

중소기업으로서는 경제적 부담이 될 수밖에 없을 것으로

생각된다 가능하다면 앞으로도 KISTI의 정보지원이 계

속되기를 바라고 있었다

3 기대효과

부식대전 방지 테플론 코팅에 관한 기본 기술이 배양되

어 합리적인 원부 원료의 수입검사 공정관리 및 제품관

리를 통해 원가절감은 물론 신제품 신기술에 관한 정보

수집 및 분석능력이 배양되고 개발력이 확충되어 기업

경쟁력 향상에 도움이 될 것이다

69

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저자소개

김학주(金鶴柱) 서울대학교 문리과대학 화학과 졸업 이학사

전북대학교 대학원 화학과 이학박사

(주)삼양사 의약연구소장 신성대학교 교수

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 폴리에스테르 섬유의 연중직방기술 외 다수

저서 기기분석 공업물리화학 일반화학

성용길(成墉吉)

동국대학교 이과대학 화학과 졸업 이학사 이학석사

부산대학교 대학원 화학과 이학박사(Dr Sci)

University of Utah USA Ph D(공학박사) Post Dr

유타대학교 연구교수 부산대학교 교수 동국대학교 교수

동국대학교 명예교수 한국원자력문화진흥원 이사

과학문화연구원전문연구위원 한국도량형과학문화연구원 원장

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 의료용 기능성 고분자재료에 관한 연구 외 330편

저서 고분자 물성론 (서울대학교 출판부 공저) 외 10권

39

봉공 등이 있다

반도체 소자를 제조하는 과정에는 불순물 이온을

주입하는 장비가 이용되고 있다 (주)하이닉스 반도

체의 특허에서는 이온주입 장비의 웨이퍼 지지 장

치 리프트 핀의 끝단을 라운드 처리하고 리프트 핀

에 테플론을 코팅하여 리프트 핀과 웨이퍼 후면의

접촉 시 웨이퍼 후면에 스크래치와 같은 손상이 유

발되는 것을 억제할 수 있게 한다16)

⑷ 탄소나노튜브(CNTs Carbon Nano Tubes)17)

탄소나노튜브는 탄소의 동소체로 1991년 일본 NEC 연구

소의 Ijima박사에 의해 전자 현미경을 통해 처음으로 확

인되었다 1985년에 Kroto와 Smalley가 탄소의 동소체인

풀러렌(탄소 원자 60개가 모인 것C60)을 처음으로 발

견한 이후 전기방전 시 흑연 음극 상에 형성된 탄소덩어

리를 투과전자현미경으로 분석하는 과정에서 발견하여

Nature학술지에 처음으로 발표되었다18) 탄소나노튜브에

서 탄소원자 하나는 주위의 다른 탄소원자 3개와 sp2결

합을 하여 육각형 벌집무늬를 형성하며 이 튜브의 직경

이 대략 수 나노미터(nm nanometer) 정도로 극히 작기

40

때문에 나노튜브라고 부르게 되었다 이 탄소나노튜브는

전기 세기가 클수록 더 수축하는 성질을 가지고 있는 등

튜브의 직경이 nm수준으로 극히 작아서 특유의 전기화

학적 특성을 나타낸다

Ku 등19)에 의하면 CNTs는 전기방사법(arc-discharge)

레이저증발 법(laser vaporization) 플라즈마 화학기상증

착 법(plasma enhanced chemical vapor deposition) 열

화학 기상증착 법(thermal chemical vapor deposition) 등

의 다양한 합성법이 개발되어 대량생산이 가능하다

CNTs의 종류는 벽의 수에 따라 단일 벽 탄소나노튜브

(SWNTs) 이중 벽 탄소나노튜브(DWNTs) 다중벽 탄소

나노튜브(MWNTs)가 있으며 물성에 관한 많은 연구결

과 기계적 전기적 열적으로 우수한 성능을 갖고 있음이

입증되었다

CNTs는 인장강도와 탄성률 면에서 지금까지 발견된 재

료 중 가장 강하고 질기며 다중벽 CNT는 63GPa에 이른

다 표준 단일 벽 CNT는 25GPa의 압력까지 변형 없이

지탱된다 그래핀의 대칭성과 특이한 전기적 구조 때문에

CNTs의 구조는 그것의 전기적 특성에 영향을 미쳐 금속

성이나 반도체의 특성을 나타내고 이론적으로 금속성

41

CNTs는 구리와 같은 금속의 1000배가 큰 4times109Acm

2

전류 밀도를 운반할 수 있으며 나노크기의 단면으로 전

자가 튜브의 축 방향으로만 전파되고 전자의 이동은 양

자효과를 수반하여 1차원 전도체로 간주된다

CNTs는 우수한 물성과 상대적으로 큰 표면적으로 갖고

있어 충전제(filler)로써 에폭시 폴리스틸렌 폴리우레탄

등 고분자와 혼합하여 폴리머의 기계적 전기적 특성을

향상시키려는 연구가 활발하다 CNTs가 폴리머 중에서

충전제 역할을 하기 위해서는 고른 분산이 필요하나 반

데르발스 힘에 의한 CNTs 응집현상(agglomeration)으로

인해 효과적인 분산이 어려워 오히려 폴리머의 물성을

저해하므로 이것을 개선하기 위한 다양한 기계적 화학적

분산 방법이 연구되고 있다

- CNTs를 분산시키기 위한 가장 일반적인 방법은 용매

나 폴리머에 CNTs를 투입하고 초음파처리를 하는 것

으로 초음파처리를 하면 SWNTs의 길이가 짧아지고

다발(bundle)이 얇아져 분산력이 증가한다

- CNTs 표면을 산이나 아민으로 기능화하여 분산을 높

이는 방법도 연구되고 있으며 MWNTs를 HNO3

H2O2NH4OH 용액에 침지시켜 MWNTs에폭시 복합

42

재료는 전기적 특성을 향상시키려는 연구와 산과 아

민 등의 기능기를 도입하여 SWNTs의 열전도도를 향

상시키려는 연구들이 수행되고 있다

- 기계적 분산방법인 전단혼합방법은 좁은 관이나 상대

적으로 높은 속도의 유동을 이용하여 발생한 전단력

으로 CNTs를 분산시키는 방법이다 Ku 등19)은 전단

혼합과 초음파처리를 이용하여 MWNTs로 강화된

에폭시 복합재료를 만들어 기계적 및 열적 특성을 연

구하였다

⑸ 내마모성 테프론 코팅

ㅇ 재료의 부식은 구조재에 원하지 않은 변화 원인으로 작

용하여 경제적인 문제로 귀결되는 심각한 문제이다 이들

원치 않는 변화는 때로 적절한 코팅에 의한 표면처리로

예방할 수 있다 가장 일반적이고 자주 사용되는 전착 코

팅은 아연에 기초한 아연 코팅 및 합금 코팅으로 이들

코팅은 간단한 기술로써 내부식성이 양호하여 전 표면처

리의 약 14에 해당하나 최근 낮은 마찰계수 등 다른 특

성들이 매우 중요하게 되었다 이들 특성은 다층 코팅으

로 대응할 수 있으나 두께가 증가하고 기술이 복잡하여

가능한 해결방법으로는 복합체 코팅이 있다 복합체 코팅

43

은 일반기계와 자동차 전자부품 및 컴퓨터 등 다양한 분

야에 적용된다 금속 기질에 미세한 PTFE 입자의 전착

에 의한 증착은 새로운 세대의 복합체 코팅으로써 가장

바람직한 특성은 양호한 내마모성 자기윤활 내부식성이

다 M Paderovaacute 등20)에 의하면 이들 특성은 주로 사용

한 입자(흑연 다이아몬드 MoS2 또는 PTFE)와 용액의

유형(pH 온도 bath 등) 뿐 아니라 입자의 크기 농도

분산 및 형태학에 의존한다

ㅇ 충전되지 않은 PTFE의 마모율은 736-741times10-4mm3Nm

로 내마모성이 낮아 다양한 충전제들이 첨가되고 있다

Xing-Dong Yuan 등21)은 진공 조건에서 PTFE 코팅

의 마모특성을 연구하여 초기에는 하중이 증가함에 따

라 마찰계수가 감소하나 하중이 6N 이상으로 커지면

마찰계수도 증가하며 압력이 PTFE 코팅의 마찰계수

에 미치는 영향이 거의 없고 마모는 압력이 증가하면

초기에는 감소하나 10Pa 보다 높으면 급격히 증가한

다고 보고하였다

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위해서는 윤활제로 PTFE

계 수지 접착제로는 폴리아미드이미드수지 산화철 분말

44

및 브론즈 분말 등을 혼합한 조성물을 사용하거나 미국

특허에서는 스와시플레이트 형 압축기의 플레이트 표면

에 MoS2 흑연 PTFE계 윤활제와 열경화성 수지인 폴리

아미드이미드(PAI) 조성물을 코팅하여 내마모 및 윤활성

을 부여하고 있다22) 내열성 향상을 위해서는 고체윤활

제 접착제수지 및 저융점 금속인 Sn Pb In Bi 등을 함

유하는 합금이나 화합물을 사용하여 금속의 잠열을 이용

내열성 향상을 시도하기도 한다

ㅇ 그간 철강(스테인리스강 탄소강 아연도금강판 등)의 내

부식성 향상을 위한 많은 연구들이 수행되어 왔다 4플루

오르에틸렌(C2H4) 4플루오르에탄(CF4) 6플루오르에탄

(C2F6) 3플루오르화에탄(CHF3) 8플루오르화에탄(C4F8)

같은 불소화된 단량체의 플라즈마 중합에 의한 테플론

류 코팅은 그들의 소수성으로 인해 금속의 내부식성 향

상을 위한 대안으로 주목을 받고 있다 A Delimi 등23)

은 유도결합 고주파플라즈마(inductively coupled radio

fre- quency plasma)를 사용하여 소수성 박막 불소수지

필름을 탄소강에 증착하고 3염수에서 내부식성을 평가

한 결과 1개월 동안 9nm의 필름이 유지되는 것을 관찰

하여 불소고분자 박막이 금속과 금속산화물의 보호층이

될 수 있음을 보고하였다

45

ㅇ PTFE를 이용한 세라믹코팅 기술로는 알루미늄 및 알루

미늄 합금 공작물을 양극처리에 의해서 티타늄 및또는

지르코늄 산화물을 포함하는 내식성 내열성 및 내마모

성 세라믹 코팅을 하고 이어서 양극처리된 공작물을

PTFE 또는 실리콘 함유 코팅과 같은 제 2 코팅으로 코

팅한다 이 발명은 가소성을 가지는 경질의 필름 내에서

내식성 내열성 및 내마모성을 제공하는 티타늄 및또는

지르코늄 산화물의 양극처리 층으로 기판을 예비-코팅함

으로써 알루미늄 기판에 보다 긴 수명의 코팅을 형성하

는데 특히 유용하다24)

ㅇ Nosaka 등25)은 PTFE로 대표되는 불소수지는 마모-링이

나 극저온 밸브의 실링부에 많이 사용되며 진공치환법에

의해 탄소재료에 PTFE나 MoS2 분말을 1-2wt 함침시

키면 무함침한 것에 비해 마모가 약 13로 감소한다고

보고하였다 한편 저자들은 터보펌프의 실링재료가 극저

온 환경에서 보이는 특이한 현상을 극복하기 위해 베어

링의 표면에 노출된 유리섬유를 불소산으로 처리하여 용

해 제거하고 윤활성을 높인 유리섬유강화 테프론 리테이

너를 개발하여 내구성과 윤활성을 향상시킬 수 있었다고

보고하고 있다

46

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위한 또 다른 특허로는

폴리실록산계 접착제를 단독 혹은 폴리에스테르계 접착

제와 병용하고 고체 윤활제로 MoS2(이황화몰리브덴

WS2(이황화텅스텐) h-BN(육방정 질화붕소) 팽창흑연

및 PTFE를 사용하고 충전제로 탄화규소 알루미나 산화

지르콘 산화티탄 등의 미분말을 사용하여 내마모 내열

및 윤활성을 부여하고자 하는 내마모성 및 윤활성 코팅

조성물에 관한 특허가 있다26)

ㅇ 내열성 내후성 내오염성 내약품성 내구성 등의 물성

은 유지하면서 비점착성을 높이기 위해 무기계 세라믹

코팅 조성물에 PTFE를 첨가하기도 한다 이러한 하이

브리드 코팅 조성물에 관한 특허로는 불소수지(01sim25

중량) 콜로이달 실리카나 콜로이달 알루미나 등 무

기계고분자 바인더(20sim80중량) 알콕시실란 화합물

(1sim50중량) 수용성 유기용제(1sim10중량) 충전제

또는 안료(5sim50중량) 및 물(100중량 까지 보충)로

이루어진 코팅 조성물에 관한 것으로 무기질 도료 및

무기계 세라믹 코팅에 의해 내열성 내오염성 내약품

성과 내구성을 유지하고 접착력을 높이기 위해 소량의

PTFE를 사용하는 것이 있다27)

47

ㅇ 정전 복사기에 사용되는 정착기재부의 최외층에 코팅하

여 기계적 성질 및 내마모성을 향상시키려는 목적으로

불소수지 기질 중에 분산된 불소화 다이아몬드를 함유하

는 입자로 구성된 조성물에 관한 일본 특허28)가 있다

ㅇ 부식 특성을 개선한 흑색 무크롬(chrome-free) 다층 내

부식 마무리 칠과 방법에 관한 특허29)로는 ASTM B 117

표준으로 시험할 때 백색 부식에는 최소 500시간 염수분

무시간 및 적색 부식에는 1500시간 염수분무시간에 적합

하게 설계된 마무리 칠에 관한 것이 있다 이 다층 시스

템은 광택(gloss) 4 이상을 만족하는 자동차 차체 강판

자동차 하부와 내장에 사용되기 위해 설계된 것으로 이

다층 마무리 칠은 3층 부식 방지 시스템을 형성하도록

아연-철 전기도금 기질 오르토인산을 사용한 무전해 인

산염 결정 전환 층과 XylanTeflon 실러 코팅의 조합이

다

ㅇ 전통적으로 철 강판(steel sheet)은 크롬산 염 전환 코팅

으로 개질되어 왔으나 6가 크롬이 배출되어 환경을 오염

시키는 문제점이 있어 강판의 내-부식성을 개선하기 위

해 고분자 수지 코팅들이 수행되고 있으나 이 방법은 고

48

분자 코팅 층이 열전도도를 감소시키는 단점을 가지고

있다 Kang 등30)은 강판 위의 고분자 코팅 층의 열전도

도를 향상시키기 위해 초미세-크기 다이몬드(μD)입자를

열전도 물질로 사용하였다 다양한 음이온 및 비-이온

계면활성제들을 사용하여 수용액 중에서 무거운 μD입자

의 안정화를 시험들을 한 결과 1-피렌카르복시산(PCA)

이 가장 양호하였다 그림 3-2는 이 시험 결과를 요약한

것이다

- 강판 위에 PCA로 안정화 된 μD 입자를 함유한 폴리

우레탄-기초 코팅 층은 열전도도가 0351W(mK)에서

0434 W(mK)(10 wtμD)로 향상되었으며 더욱 144

시간 동안 염수 분무 시험결과 부식거동은 관찰되지

않았다

그림 3-2 피렌카르복시산을 이용한 μD 표면처리

ㅇ 자동차공업에서는 기본적인 특성으로 내마모성이 요구되

49

는 강철 기계부품들의 마찰특성을 향상시키기 위해 다양

한 금속 및 고분자 코팅들이 광범하게 이용된다 내-마

모 코팅은 두 가지 주요 특성인 높은 표면경도와 자기-

윤활 특성이 필요하다 후자의 범주에 속하는 것이

PTFE와 MoS2 기초 코팅이다 무전해 니켈 코팅은 높은

경도로 인해 양호한 마찰 특성을 보이며 한편 열처리를

통해 경도를 향상시킬 수 있다 PTFE입자의 첨가는 코

팅경도를 감소시키나 자기-윤활특성을 부여한다 S

Rossi 등3132)은 마찰특성을 향상시키기 위해 이용되는 탄

소강에 이용되는 몇 가지 공업적인 코팅에 관한 부식거

동에 관해 평가 PTFE입자를 함유한 무전해 니켈-인

(Electroless Nickel-Phophorus)코팅은 PTFE 입자(자기-

윤활 특성)를 갖는 외층과 장벽-효과를 갖는 내층으로

인한 이중 특성으로 가장 양호한 특성을 보였다고 보고

하고 있다

ㅇ 모든 기계적 시스템은 동적 요소를 필요로 하며 마찰과

마모를 줄이기 위한 다양한 수단들이 가능하나 그 선택

은 환경이나 조작 조건에 제한을 받는다 PTFE는 자기

윤활 낮은 마찰계수 높은 열안정성과 화학약품 안정성

으로 산업분야에 널리 사용되는 엔지니어링 고분자이지

만 내마모성이 매우 부족하다 이러한 이유로 금속

-PTFE충전 복합체들이 PTFE의 마찰특성과 금속충전제

50

의 내마모성을 결합하여 특정 분야의 용도로 소개되어

왔으나 금속-고분자 물질에서의 충전제의 역할은 완전히

설명되지 않고 있다 복합체 표면의 과잉의 충전제 농도

는 미끄러지는 동안 부하를 지지하여 내마모성을 증가시

키는 것으로 생각되며 PTFE의 마모율은 Mo Zn Ni

Y2O3 및 SiO2 같은 무기 충전제에 의해 1000배가량 감소

되었다는 보고도 있다 유리섬유 구리 세라믹 탄소섬유

절단 탄소섬유 나노입자를 포함한 경질의 충전제 입자들

이 PTFE의 내마모성을 높이기 사용되어 왔다

ㅇ 비교적 두꺼운 코팅에는 열분사(thermal spray) 용사기

술이 정립되어 있고 용사 코팅은 내마모 내마찰 내프레

팅(fretting) 및 내부식을 요하는 산업에 많이 이용되고

있다

- 용사 몰리브덴(Mo)코팅은 실질적 내마모성 코팅으로

가장 광범하게 이용되며 프레임용사(flame spray)거나

와이어용사(wire spray)기술로 생산된 몰리브덴(Mo)

코팅은 흠이나 마모에 대한 고도의 저항을 얻기 위한

가장 좋은 코팅재료 중의 하나이다

- 알루미늄 청동(aluminium bronze)은 높은 내-부식성

과 내마모성을 갖는 것이 특징이다 저압 플라즈마 용

51

사 기술은 자기-아닐링(self-anealing)과 부서지기 쉽

도록 유도하는 γ-상의 형성을 피할 수 있도록 높은

냉각 속도를 얻는 데 사용되며 알루미늄 청동 저압

플라즈마 용사 코팅은 낮은 마찰과 마모를 보였고 비

교적 최근 플라즈마 용사 기술을 이용하여 알루미늄

기질에 고분자-세라믹 복합체를 코팅하는 기술이 개

발되었다33)복합체 코팅으로 행한 마찰 시험에서 낮

은 마찰계수를 얻을 수 있었다

- 낮은 마찰계수와 고 내마모성을 갖는 이성분 금속

-PTFE 코팅이 개발되었고 이들의 마찰 공학적 성능

이 보고되었다 PTFE-기초 복합체 설계에서 일반적

인 접근방법은 경질의 충전 입자들을 도입하는 것으

로 M Yamane 등34)은 PTFE-금속 이성분 코팅의 마

찰 마모성능에 관한 연구 결과 알루미늄 청동 코팅이

Mo코팅에 비해 PTFE 저장소(reservoir)에 유용했음

을 보고하였다

⑹ 충전 또는 강화 플루오르화 탄소1)

ㅇ 분말이나 강화섬유 등 전형적인 충전재들이 충전 또는

강화 플루오르화 탄소에 사용된다 충전재는 저온흐름

52

을 향상시키는 데 사용되며 수축과 균열을 줄이고 열

팽창을 낮추며 열전도율을 향상시킨다

ㅇ 분말이나 단섬유로 된 전형적인 충전제를 표 3-5에 종합

하였다 유리섬유는 가장 보편적인 PTFE 충전제로 화

학 및 전기적 특성에 최소로 영향을 미치며 기계적 특

성을 크게 향상시킨다 분말에 비해 섬유는 압축강도

강성도 및 지지용량을 더욱 향상시키나 분말은 충전

테플론의 내구성에 거의 영향을 미치지 않는다 금속분

말은 특히 열전도도를 향상시키며 고속에서 발생하는 마

찰열을 소멸하는데 도움이 되며 전기저항을 상당히 감소

시켜 금속-충전 조성물은 양호한 절연체는 아니다

ㅇ 흑연(graphite) MoS2는 초기 내구성과 마찰을 개선하고

기계적 특성을 향상시킨다 석면은 많은 유용한 특성을

갖지만 가공 처리 중 가스가 방출할 뿐 아니라 사용금지

물질이다 표 3-5 외에도 금속 망 장섬유 다공성 금속

등 다양한 충전제들이 있으며 다양한 종류의 제품들이

상업 생산되고 있어 최종 선정을 하기 전에 플라스틱 가

공업자로부터 보다 완전한 정보와 추천을 받는 것이 바

람직하다

53

표 3-5 불소수지용 충전제

ㅇ 압축강력 인장과 압축 시의 탄성률 및 항복강력은 첨가

제의 첨가에 의해 모두 증가하나 일반으로 인장강력과

신도 및 충격강도는 손실된다 통상 충전 테플론은 압축

상태에서 사용되므로 인장강력의 감소는 중요하지 않다

인장강력의 손실은 설치(연속적인 링-실링)할 때 인장되

는 재료에서 중요하다 열팽창 계수는 비-충전 테플론에

비해 감소되어 통상 금속 부품의 팽창계수와 잘 맞는다

ㅇ 마찰과 마모를 수반하는 분야에서 가장 중요한 것은 충

전제로 얻어지는 PV한계치의 증가와 마모의 감소다 비-

54

충전 테플론에 비해 PV한계치 크기는 개략적으로 1차원

적으로 증가하나 마모인자는 3차원적으로 감소한다 충전

테플론의 평균치들은 동적 마찰계수는 01-02 PV한계치

는 10000-20000 psi-fpm 마모상수는 10times10-10in3-min

lb-ft-hr이다 그림 3-3은 충전 테플론 PTFE의 마찰계

수에 미치는 충전제 종류와 농도의 효과에 관한 것이다

그림 3-3 테플론 PTFE에 미치는 충전제 종류와 농도1)

ㅇ 내마모성을 향상시키는 충전제는 실제로 연마저항성을

감소시키는 것으로 날카로운 입자는 보다 쉽게 침투하고

충전제 입자와 수지 사이의 경계를 따라 충전 플라스틱

을 찢는다 따라서 라이닝 슈트 같은 분야의 적용 시는

55

비-충전테플론이 보다 바람직하다

⑺ 시트 테이프 및 박층(laminates)

ㅇ 대부분의 플루오르화탄소는 충전 여부에 관계없이 두

께 1mil(0001 in)까지 시트나 테이프로 만들 수 있고

시트나 테이프를 찍어서 원하는 형상의 립-씰(lip seal)

펌프 컵(pump cup) 피스톤 링(piston rings) 가스켓

(gaskets) 등을 만들 수 있다

ㅇ 유체의 누설을 정지시키는 밀봉기능 부품 중 각종기기의

접합부나 배관 플랜지 등의 밀봉에 사용되는 가스켓

(gaskets)은 석면이 널리 사용되어 왔으나 유해물질 배

출 및 이동량 보고제도(PRTR Pollutant Release and

Transfer Register)에서 발암성을 가진 제1종 지정 화학

물질로 지정되어 사용이 금지되어 PTFE가 가스켓으로

개발되었다 PTFE는 용융 알칼리 금속 및 그 용액과 불

소 및 3불화염소에 의해 약간 침식되나 모든 화학약품에

안정하고 우수한 내부식 재료로 C-F결합력이 크고 F원

자가 C-C결합의 주위를 간격 없이 들러 싸고 있기 때문

에 다른 물질의 공격을 방어하고 있고 내열성은 260로

높다35)

56

- PTFE 필러를 사용한 PTFE 나선 권형 가스켓은 석

면에 대한 사용규제와 상관없이 사용되어 왔으며 유

연한 필러를 사용하므로 석면 가스켓 보다 낮은 체결

압력에서도 실 특성이 우수하고 내식 면에서도 광범

하고 다양한 유체에 사용이 가능하다 다만 단열성 면

에서는 석면 나선 권형 가스켓 보다 사용온도 범위가

제한된다

ㅇ 산업 기계나 자동차의 브레이크 제동장치에 부착하여 마

찰력을 부가하는 브레이크 라이닝에서는 마찰계수와 내

마모력 및 충격계수 등 마찰특성이 우수한 석면을 주로

사용하여 왔으나 제동 시 발생하는 미세 석면분진으로

인해 대기오염에 의한 환경을 파괴 뿐 아니라 인체에 흡

입될 경우 암을 유발하여 PRTR로 사용이 금지되었다

석면을 대체할 유기질 또는 무기질 된 다양한 비석면 마

찰 섬유 등이 사용되고 있으며 마찰 섬유에 테프론을 코

팅하여 브레이크라이닝의 수명향상 제동 시 발생하는 소

음 떨림 및 제동력 향상을 위한 제품개발이 시도되고

있다

- 예로 국내 특허36)에서는 브레이크 라이닝(또는 패드)

의 마찰재 배합재료 중 유기섬유(Kevlar섬유 pulp섬

57

유 등)에 테프론을 코팅하고 코팅된 유기섬유에 결합

재 충전재 윤활재 마찰안정재 마찰조정재 등을 소정

의 배합비로 배합하여 성형하고 열처리하여 브레이크

패드 또는 라이닝을 제조한다

ㅇ 초소형 정밀기계(MEMS Micro-Electromechanical

System)분야에서는 점착방지를 위해 불화 유기박막을

사용한다 Park 등37)은 단층 두께의 불화 유기박막의

특성을 접촉각 측정을 통해 분석하였다

⑻ DLC 코팅3839)

ㅇ DLC(diamond-like carbon)는 몇 가지 다이아몬드의 전

형적인 특성을 나타내는 비정질 탄소물질로 극도의 내마

모 특성을 필요로 하는 재료의 코팅에 이용되고 있다

DLC코팅은 연마 마모를 감소시키기 위한 재료에 유용하

여 엔드밀 드릴비트 금형 같은 공구는 물론 자동차 기

계부품 및 전자산업 등 산업전반에 걸쳐 적용된다40)

ㅇ 환경오염 문제로 인해 PRTR(Pollutant Release and

Transfer Register 유해물질 배출 및 이동량 보고 제

도) 이 시행되어 습동 부품이나 절삭 시에 사용되는 오

일이나 그리스에 포함되는 첨가제(MoS2 Zn 등)와 이들

58

부품을 세정할 때 사용되는 용매 기계부품의 수명을 연

장시키기 위해 활용되었던 Cr도금 폐액에서 발생하는 6

가 크롬 등의 오염물질들에 대한 규제가 더욱 강화되어

DLC에 의한 무윤활 습동과 무윤활 절삭을 지향한 공구

와 기계 부품의 개발이 관심을 끌고 있다4142)

- 일본 내에서는 PRTR이 시행되고 이것에 저촉되는 재

료에 관해서는 MSDS(Material Safety Data Sheet)를

첨부해야할 의무가 있고 부품가공 습동 용도에서는

대상 리스트에 올라 있는 오일 오일 중의 중금속 도

금폐액을 어떻게 경제성 있는 환경 친화적 공정과 재

료로 전환할 것인가를 고려하면서 무윤활 습동 무윤

활 절삭 탈크롬 도금의 3가지 키워드가 대두되고

DLC코팅이 대안으로 모색되고 있다

- DLC코팅 적용기술과 과제에 관한 자료로는 자동차

관련부품 적용사례 엔진부위 마찰 작동 밸브계의 마

찰저감 DLC와 윤활제에 의한 마찰저감 기술을 중심

으로 살펴본 보고가 있다43)

ㅇ DLC는 7가지 형태가 존재하며 모두 상당한 양의 sp3혼

성궤도 탄소원자를 함유한다 다양한 형태의 DLC가 진

공 환경으로 적합한 재료들에 적용가능하며 유럽에서의

59

2006년 위탁 DLC코팅 시장은 3천만euro로 추정되었고 국

내도 활발한 상용화가 시도되고 있다

ㅇ 사반면상(tetahedral) 비정질 탄소 ta-C를 2두께로 코

팅하면 연마마모에 대한 스테인레스 강(304 type)의 내구

성을 증가시켜 수명을 1주일에서 85년으로 늘이며 이러

한 DLC의 형태는 sp3결합 탄소 원자로만 이루어지기 때

문에 순수한 DLC로 간주되며 수소 sp2흑연 탄소 금속

같은 충전제가 생산경비를 낮추거나 원하는 특성을 부여

하기 위하여 사용되고 있다

ㅇ DLC를 만드는 방법에는 sp3탄소 보다 낮은 밀도의 sp

2

에 의존하는 몇 가지 방법들이 있으며 압력 충격 촉매

또는 이들의 조합으로 sp2결합탄소 원자들을 sp3결합탄소

로 근접시킨다 최근 초고압 하에서 탄소의 경량 특성을

갖는 초경도 무정형 다이아몬드가 만들어졌다 탄소로 만

들어지는 다이아몬드 그래파이트는 결정구조를 가지나

DLC는 비정질이라는 점에서 크게 다르고 200 정도의

저온에서 형성시킬 수 있다는 점이 통상의 PVD막에 비

해 훨씬 우위에 있다

ㅇ DLC코팅은 제조공정이 복잡하고 생산 단가가 비싸 적용

이 어려우며 적용되는 소재가 제한되는 단점을 갖는다

60

주요제법으로는 고주파 플라즈마 법 이온화 증착법 스

페터링법 등을 들수 있다 고주파 플라즈마 법은 메탄가

스가 원료로 사용되고 막 중의 수소가 약 30(원자)로

평활성이 우수하고 마찰계수가 작으나 경도가 낮다 이

온화 증착법은 벤젠을 사용하며 막은 단단하나 면의 조

도가 거칠고 후막화 하기 위해 스패터링 방법이 검토되

고 있다

⑼ 불소수지의 안전성

ㅇ 테플론 PTFE의 열분해는 200(392)에서 감지되며 이

것은 몇 가지 플루오르화 탄소 기체들과 승화물질을 방

출한다4445)1955년 동물실험에 관한 한 연구에서는 이들

물질이 250(482) 이하에서는 의미 있는 양이 아니라

고 결론지었으나 최근 비-점착 주방기구인 프라이팬이

나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가열할 때 조류를

죽일 수 있는 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수

도 있다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있다45)

ㅇ 표 3-6은 EWG가 보고한 3-5분 내에 370까지 불소수

지를 가열할 때 발생되는 15종의 불소화합물에 관한 것

이다 테플론과 같은 코팅물질들이 장기적으로 인체에 미

61

치는 영향에 관한 연구는 이루어지지 않고 있으나 독감

과 유사한 질병을 유발할 수 있으며 이를 중합체 증기열

(polymer fume fever)이라 한다

표 3-6 15종의 유해물질 및 유독성 기체44)

ㅇ 최근 표 3-6의 화합물들 중 특히 TFA와 과불화된

(perfluorinated) PFOA(perfluorooctanoic acid)에 관심이

증가되고 있다 PFOA는 새로운 환경오염물질로 미국 환

경보호청(EPA)에 의하면 보통 때는 문제가 없으나 조리

과정에서 프라이팬에 열을 가하고 강하게 긁을 경우 용

62

출되어 나오며 이것이 음식물과 함께 인체에 흡수되는

것으로 추정하였다 한편 DuPont의 테플론 PTFE 연구

결과에 의하면 검출한계인 9ppb 이상 검출되지 않으며

테플론 주방기구에서는 PFOA가 존재하지 않는다고 발

표하고 있다

- 물이나 공기를 통해 환경에 노출된 PFOA는 고 콜레

스테롤 궤양성 대장염 갑상선 질환 고환암 신장암

및 임신성 고혈압과 관련된다고 보고되었다

- PFOA는 불소수지 생산과정에서 사용되는 첨가물로써

암모늄 형태로 PTFE 유화중합에 계면활성제로 사용

되며 불소수지의 품질과 균일성을 유지하기 위해 필

수적인 첨가물이기 때문에 전 세계 모든 불소수지 제

조업체가 사용 중에 있다 한편 국내 주력 산업인 반

도체 생산 과정에서도 PFOA를 대량으로 사용하고 있

어 체계적인 실태조사와 대책수립이 필요하다는 의견

들이 대두되고 있다

⑽ 불소화합물의 안전성과 환경대책

ㅇ 표 3-6에서 살펴본 바와 같이 테플론을 급격히 고온으로

가열하면 2종의 발암물질을 포함한 유독성 가스가 발생

63

하고 특히 불소화합물 중 MFA(monofluoroacetic acid)는

적은 양으로도 치명적 해를 끼치고 PEIF(perfluoro-

isobutene)는 신경가스제로 여러 가지 질환을 발생시킨다

한다44)

따라서 테플론으로 코팅된 장치를 재 코팅하기

위해 테프론을 고온으로 급격히 가열하거나 소각 등을

통해 제거할 때는 발생 가능성이 있는 유독가스를 제거

하기 위한 별도의 설비를 이용하여야 하고 유 등44)의 보

고서에서와 같이 중조(NaHCO3)를 포화시킨 충분한 물로

유독 산성 물질을 중화시키는 것도 고려할 만하다 한편

부식대전 방지 코팅도 테플론 코팅 일변도에서 세라믹

코팅 CNTs이나 DLC 코팅기술로 대응하는 것을 추천하

고 싶으며 이것은 유해물질 배출 및 이동량 보고제도

(PRTR Pollutant Release and Transfer Register)에 대

비하는 등 기업의 장래를 고려하는 것도 될 것이다

ㅇ PTFE를 사용한 취사도구는 1960년대 이래 사용되어 오

고 있으나 최근 들어 이것의 안전성이 논쟁의 주제가 되

고 있으며 논의 주체는 PFOA(perfluorooctanoic acid)이

다 PFOA는 PTFE를 비롯한 많은 불소수지의 생산에

사용되며 DuPont의 테플론 PTFE 연구 결과에 의하면

프라이팬을 260 이상 고온에서 가열하거나 코팅이 벗

겨져도 PFOA가 존재하지 않는다고 한다 그러나 물이나

64

공기 토양 식품포장재 등 여러 곳에서 PFOA 오염사실

이 보고되고 있다 한다44)

- 미국 EPA는 인체와 환경에 대한 PFOA 연구를 계속

하고 있으며 2015년까지 PFOA 및 이와 관련된 화합

물 방출을 배제할 프로그램을 갖고 있으나 PTFE-기

초 비점착 취사기구를 중지시킬 타당성을 갖고 있지

는 않다 최종제품은 PFOA가 아닌 PTFE이기 때문이

다

- 수십 년 동안 불소수지 비점착 코팅이 시장을 지배하

였으나 최근 몇 가지 신기술들이 출현되고 있으며 이

들 대부분은 실리콘 세라믹과 실리콘 기술로 이들 코

팅은 PTFE와 PFOA를 함유하지 않는다

- 오늘날 출시된 비점착 취사용구는 수많은 상표로 팔

리고 있으며 DuPont에 의하면 대부분의 취사용구 코

팅은 정상적으로 사용할 때 3-5년 견딜 수 있을 것으

로 예측한다 너무 문질러서는 안 되고 따뜻한 비눗

물로 씻어주는 것이 좋으며 닳거나 흠이 생기지 않도

록 나무 플라스틱이나 코팅된 재료로 만든 도구를 선

택하고 보관도 흠이 생기지 않을 장소나 캐비닛을 권

장하고 있다

65

ㅇ 국내의 불소수지 안전성에 관한 것으로는 재질규격(납과

카드뮴)과 용출규격(납 과망간산칼륨소비량 증발잔류물)

이 식품용 기구 및 용기 포장 공전46)에 기재되어 있으며

최근 국내에서도 PFOA를 비롯한 유해 불소화합물에 관

한 관심이 커져 가고 있다

ㅇ PFOA 문제가 표면화 되면서 환경 보전형 불소계 발수

유제의 개발과 공업화도 새로이 부각되고 있다 이에 관

한 보고서를 모니터링한 KISTI자료47)를 중심으로 간단히

요약하면 발수제의 주요성분 퍼플루오로알킬기(Rf기)함

유 폴리머의 기능은 Rf기의 고리길이에 크게 의존하므로

PFOA문제 해법으로 탄소수 8 이상인 종래의 불소화학

에서 탈피 짧은 고리 Rf기(탄소수 6)를 가진 새로운 단

량체를 선택하여 발수제를 제조함으로써 환경 보전형 불

소계 발수유제를 개발하고 공업화하였다 한다

66

제 4 장

지원결과

1 지원결과 종합

테프론 코팅 기술의 문제점과 부식대전방지용 테플

론 코팅에 관한 정보 외에 신청기업의 요청에 따

라 C-나노튜브 코팅 및 DLC증착에 관련된 기술 정

보도 제공하였다

테플론은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat resistant)

비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coefficient of

friction) 내약품성(chemical resistance)과 특이한 전기적

특성(unique electrical properties) 및 온내구력(cryogenic

stability)으로 그 응용범위가 광범하며 용도에 따른 엄격

한 품질관리가 요구될 것으로 생각되어 중소기업에 적합

한 기초능력 배양과 신제품을 구상하기 위한 최신기술에

관한 정보를 제공하고자 하였다

67

불소수지의 코팅은 두께와 첨가제가 관건으로 이에 관한

자료를 제공하고자 하였으며 불소수지의 전기특성 폭발

성 환경과 반도체 제조공정에서의 대전 방지 처리를 위

한 정전기 관리 지표 등을 특허를 중심으로 조사하여 제

공하고자 하였다

C-나노튜브를 이용한 대전방지 코팅 기술 및 C-나노튜

브의 제법 등 이것에 관한 기초정보를 제공하고자 하였

으며 내마모성 테플론 코팅에 관해서는 테플론을 이용한

세라믹 코팅 기술에 관한 정보도 제공하고자 하였다

테플론의 기계적 전기적 특성을 강화하기 위해 사용되는

충전제를 종합하고 기초이론을 정립함으로써 금후 원부

자재의 선정에 도움을 주었다

테플론은 석면 대체재로도 주목받고 있어 이에 관한 특

허 정보들을 제공하였으며 다이아몬드의 전형적인 특성

을 나타내는 DLC의 코팅관련 기술 정보를 환경오염 문

제와 연관하여 자료를 제공하였고 최근 비-점착 주방기

구인 프라이팬이나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가

열할 때 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수도 있

다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있어 이에

관한 정보도 제공하였다

68

2 지원의 한계

중소기업이 당면한 문제는 전문기술의 확보다 관련 기술

이 비약적으로 발전하는 추세에 비추어 한정된 인원으로

신기술을 소화하고 개발하기는 어려울 것이므로 출연연

구기관이나 대학과 공동연구를 모색할 수 있으나 이것도

중소기업으로서는 경제적 부담이 될 수밖에 없을 것으로

생각된다 가능하다면 앞으로도 KISTI의 정보지원이 계

속되기를 바라고 있었다

3 기대효과

부식대전 방지 테플론 코팅에 관한 기본 기술이 배양되

어 합리적인 원부 원료의 수입검사 공정관리 및 제품관

리를 통해 원가절감은 물론 신제품 신기술에 관한 정보

수집 및 분석능력이 배양되고 개발력이 확충되어 기업

경쟁력 향상에 도움이 될 것이다

69

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11 등록번호 10-0811228(조철환 내열 세라믹 주방용기의

불소수지코팅방법 및 그 방법에 의해 불소수지 코팅된

내열 세라믹 주방용기)

12 등록번호 10-0449561(주식회사 봉성비에스 완충기용

피스톤의 테플론 코팅장치)

13 WO 2000054614(Solex Robotics Systems Inc Anti-

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이치옹 모니터링분석 KISTI

75

저자소개

김학주(金鶴柱) 서울대학교 문리과대학 화학과 졸업 이학사

전북대학교 대학원 화학과 이학박사

(주)삼양사 의약연구소장 신성대학교 교수

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 폴리에스테르 섬유의 연중직방기술 외 다수

저서 기기분석 공업물리화학 일반화학

성용길(成墉吉)

동국대학교 이과대학 화학과 졸업 이학사 이학석사

부산대학교 대학원 화학과 이학박사(Dr Sci)

University of Utah USA Ph D(공학박사) Post Dr

유타대학교 연구교수 부산대학교 교수 동국대학교 교수

동국대학교 명예교수 한국원자력문화진흥원 이사

과학문화연구원전문연구위원 한국도량형과학문화연구원 원장

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 의료용 기능성 고분자재료에 관한 연구 외 330편

저서 고분자 물성론 (서울대학교 출판부 공저) 외 10권

40

때문에 나노튜브라고 부르게 되었다 이 탄소나노튜브는

전기 세기가 클수록 더 수축하는 성질을 가지고 있는 등

튜브의 직경이 nm수준으로 극히 작아서 특유의 전기화

학적 특성을 나타낸다

Ku 등19)에 의하면 CNTs는 전기방사법(arc-discharge)

레이저증발 법(laser vaporization) 플라즈마 화학기상증

착 법(plasma enhanced chemical vapor deposition) 열

화학 기상증착 법(thermal chemical vapor deposition) 등

의 다양한 합성법이 개발되어 대량생산이 가능하다

CNTs의 종류는 벽의 수에 따라 단일 벽 탄소나노튜브

(SWNTs) 이중 벽 탄소나노튜브(DWNTs) 다중벽 탄소

나노튜브(MWNTs)가 있으며 물성에 관한 많은 연구결

과 기계적 전기적 열적으로 우수한 성능을 갖고 있음이

입증되었다

CNTs는 인장강도와 탄성률 면에서 지금까지 발견된 재

료 중 가장 강하고 질기며 다중벽 CNT는 63GPa에 이른

다 표준 단일 벽 CNT는 25GPa의 압력까지 변형 없이

지탱된다 그래핀의 대칭성과 특이한 전기적 구조 때문에

CNTs의 구조는 그것의 전기적 특성에 영향을 미쳐 금속

성이나 반도체의 특성을 나타내고 이론적으로 금속성

41

CNTs는 구리와 같은 금속의 1000배가 큰 4times109Acm

2

전류 밀도를 운반할 수 있으며 나노크기의 단면으로 전

자가 튜브의 축 방향으로만 전파되고 전자의 이동은 양

자효과를 수반하여 1차원 전도체로 간주된다

CNTs는 우수한 물성과 상대적으로 큰 표면적으로 갖고

있어 충전제(filler)로써 에폭시 폴리스틸렌 폴리우레탄

등 고분자와 혼합하여 폴리머의 기계적 전기적 특성을

향상시키려는 연구가 활발하다 CNTs가 폴리머 중에서

충전제 역할을 하기 위해서는 고른 분산이 필요하나 반

데르발스 힘에 의한 CNTs 응집현상(agglomeration)으로

인해 효과적인 분산이 어려워 오히려 폴리머의 물성을

저해하므로 이것을 개선하기 위한 다양한 기계적 화학적

분산 방법이 연구되고 있다

- CNTs를 분산시키기 위한 가장 일반적인 방법은 용매

나 폴리머에 CNTs를 투입하고 초음파처리를 하는 것

으로 초음파처리를 하면 SWNTs의 길이가 짧아지고

다발(bundle)이 얇아져 분산력이 증가한다

- CNTs 표면을 산이나 아민으로 기능화하여 분산을 높

이는 방법도 연구되고 있으며 MWNTs를 HNO3

H2O2NH4OH 용액에 침지시켜 MWNTs에폭시 복합

42

재료는 전기적 특성을 향상시키려는 연구와 산과 아

민 등의 기능기를 도입하여 SWNTs의 열전도도를 향

상시키려는 연구들이 수행되고 있다

- 기계적 분산방법인 전단혼합방법은 좁은 관이나 상대

적으로 높은 속도의 유동을 이용하여 발생한 전단력

으로 CNTs를 분산시키는 방법이다 Ku 등19)은 전단

혼합과 초음파처리를 이용하여 MWNTs로 강화된

에폭시 복합재료를 만들어 기계적 및 열적 특성을 연

구하였다

⑸ 내마모성 테프론 코팅

ㅇ 재료의 부식은 구조재에 원하지 않은 변화 원인으로 작

용하여 경제적인 문제로 귀결되는 심각한 문제이다 이들

원치 않는 변화는 때로 적절한 코팅에 의한 표면처리로

예방할 수 있다 가장 일반적이고 자주 사용되는 전착 코

팅은 아연에 기초한 아연 코팅 및 합금 코팅으로 이들

코팅은 간단한 기술로써 내부식성이 양호하여 전 표면처

리의 약 14에 해당하나 최근 낮은 마찰계수 등 다른 특

성들이 매우 중요하게 되었다 이들 특성은 다층 코팅으

로 대응할 수 있으나 두께가 증가하고 기술이 복잡하여

가능한 해결방법으로는 복합체 코팅이 있다 복합체 코팅

43

은 일반기계와 자동차 전자부품 및 컴퓨터 등 다양한 분

야에 적용된다 금속 기질에 미세한 PTFE 입자의 전착

에 의한 증착은 새로운 세대의 복합체 코팅으로써 가장

바람직한 특성은 양호한 내마모성 자기윤활 내부식성이

다 M Paderovaacute 등20)에 의하면 이들 특성은 주로 사용

한 입자(흑연 다이아몬드 MoS2 또는 PTFE)와 용액의

유형(pH 온도 bath 등) 뿐 아니라 입자의 크기 농도

분산 및 형태학에 의존한다

ㅇ 충전되지 않은 PTFE의 마모율은 736-741times10-4mm3Nm

로 내마모성이 낮아 다양한 충전제들이 첨가되고 있다

Xing-Dong Yuan 등21)은 진공 조건에서 PTFE 코팅

의 마모특성을 연구하여 초기에는 하중이 증가함에 따

라 마찰계수가 감소하나 하중이 6N 이상으로 커지면

마찰계수도 증가하며 압력이 PTFE 코팅의 마찰계수

에 미치는 영향이 거의 없고 마모는 압력이 증가하면

초기에는 감소하나 10Pa 보다 높으면 급격히 증가한

다고 보고하였다

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위해서는 윤활제로 PTFE

계 수지 접착제로는 폴리아미드이미드수지 산화철 분말

44

및 브론즈 분말 등을 혼합한 조성물을 사용하거나 미국

특허에서는 스와시플레이트 형 압축기의 플레이트 표면

에 MoS2 흑연 PTFE계 윤활제와 열경화성 수지인 폴리

아미드이미드(PAI) 조성물을 코팅하여 내마모 및 윤활성

을 부여하고 있다22) 내열성 향상을 위해서는 고체윤활

제 접착제수지 및 저융점 금속인 Sn Pb In Bi 등을 함

유하는 합금이나 화합물을 사용하여 금속의 잠열을 이용

내열성 향상을 시도하기도 한다

ㅇ 그간 철강(스테인리스강 탄소강 아연도금강판 등)의 내

부식성 향상을 위한 많은 연구들이 수행되어 왔다 4플루

오르에틸렌(C2H4) 4플루오르에탄(CF4) 6플루오르에탄

(C2F6) 3플루오르화에탄(CHF3) 8플루오르화에탄(C4F8)

같은 불소화된 단량체의 플라즈마 중합에 의한 테플론

류 코팅은 그들의 소수성으로 인해 금속의 내부식성 향

상을 위한 대안으로 주목을 받고 있다 A Delimi 등23)

은 유도결합 고주파플라즈마(inductively coupled radio

fre- quency plasma)를 사용하여 소수성 박막 불소수지

필름을 탄소강에 증착하고 3염수에서 내부식성을 평가

한 결과 1개월 동안 9nm의 필름이 유지되는 것을 관찰

하여 불소고분자 박막이 금속과 금속산화물의 보호층이

될 수 있음을 보고하였다

45

ㅇ PTFE를 이용한 세라믹코팅 기술로는 알루미늄 및 알루

미늄 합금 공작물을 양극처리에 의해서 티타늄 및또는

지르코늄 산화물을 포함하는 내식성 내열성 및 내마모

성 세라믹 코팅을 하고 이어서 양극처리된 공작물을

PTFE 또는 실리콘 함유 코팅과 같은 제 2 코팅으로 코

팅한다 이 발명은 가소성을 가지는 경질의 필름 내에서

내식성 내열성 및 내마모성을 제공하는 티타늄 및또는

지르코늄 산화물의 양극처리 층으로 기판을 예비-코팅함

으로써 알루미늄 기판에 보다 긴 수명의 코팅을 형성하

는데 특히 유용하다24)

ㅇ Nosaka 등25)은 PTFE로 대표되는 불소수지는 마모-링이

나 극저온 밸브의 실링부에 많이 사용되며 진공치환법에

의해 탄소재료에 PTFE나 MoS2 분말을 1-2wt 함침시

키면 무함침한 것에 비해 마모가 약 13로 감소한다고

보고하였다 한편 저자들은 터보펌프의 실링재료가 극저

온 환경에서 보이는 특이한 현상을 극복하기 위해 베어

링의 표면에 노출된 유리섬유를 불소산으로 처리하여 용

해 제거하고 윤활성을 높인 유리섬유강화 테프론 리테이

너를 개발하여 내구성과 윤활성을 향상시킬 수 있었다고

보고하고 있다

46

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위한 또 다른 특허로는

폴리실록산계 접착제를 단독 혹은 폴리에스테르계 접착

제와 병용하고 고체 윤활제로 MoS2(이황화몰리브덴

WS2(이황화텅스텐) h-BN(육방정 질화붕소) 팽창흑연

및 PTFE를 사용하고 충전제로 탄화규소 알루미나 산화

지르콘 산화티탄 등의 미분말을 사용하여 내마모 내열

및 윤활성을 부여하고자 하는 내마모성 및 윤활성 코팅

조성물에 관한 특허가 있다26)

ㅇ 내열성 내후성 내오염성 내약품성 내구성 등의 물성

은 유지하면서 비점착성을 높이기 위해 무기계 세라믹

코팅 조성물에 PTFE를 첨가하기도 한다 이러한 하이

브리드 코팅 조성물에 관한 특허로는 불소수지(01sim25

중량) 콜로이달 실리카나 콜로이달 알루미나 등 무

기계고분자 바인더(20sim80중량) 알콕시실란 화합물

(1sim50중량) 수용성 유기용제(1sim10중량) 충전제

또는 안료(5sim50중량) 및 물(100중량 까지 보충)로

이루어진 코팅 조성물에 관한 것으로 무기질 도료 및

무기계 세라믹 코팅에 의해 내열성 내오염성 내약품

성과 내구성을 유지하고 접착력을 높이기 위해 소량의

PTFE를 사용하는 것이 있다27)

47

ㅇ 정전 복사기에 사용되는 정착기재부의 최외층에 코팅하

여 기계적 성질 및 내마모성을 향상시키려는 목적으로

불소수지 기질 중에 분산된 불소화 다이아몬드를 함유하

는 입자로 구성된 조성물에 관한 일본 특허28)가 있다

ㅇ 부식 특성을 개선한 흑색 무크롬(chrome-free) 다층 내

부식 마무리 칠과 방법에 관한 특허29)로는 ASTM B 117

표준으로 시험할 때 백색 부식에는 최소 500시간 염수분

무시간 및 적색 부식에는 1500시간 염수분무시간에 적합

하게 설계된 마무리 칠에 관한 것이 있다 이 다층 시스

템은 광택(gloss) 4 이상을 만족하는 자동차 차체 강판

자동차 하부와 내장에 사용되기 위해 설계된 것으로 이

다층 마무리 칠은 3층 부식 방지 시스템을 형성하도록

아연-철 전기도금 기질 오르토인산을 사용한 무전해 인

산염 결정 전환 층과 XylanTeflon 실러 코팅의 조합이

다

ㅇ 전통적으로 철 강판(steel sheet)은 크롬산 염 전환 코팅

으로 개질되어 왔으나 6가 크롬이 배출되어 환경을 오염

시키는 문제점이 있어 강판의 내-부식성을 개선하기 위

해 고분자 수지 코팅들이 수행되고 있으나 이 방법은 고

48

분자 코팅 층이 열전도도를 감소시키는 단점을 가지고

있다 Kang 등30)은 강판 위의 고분자 코팅 층의 열전도

도를 향상시키기 위해 초미세-크기 다이몬드(μD)입자를

열전도 물질로 사용하였다 다양한 음이온 및 비-이온

계면활성제들을 사용하여 수용액 중에서 무거운 μD입자

의 안정화를 시험들을 한 결과 1-피렌카르복시산(PCA)

이 가장 양호하였다 그림 3-2는 이 시험 결과를 요약한

것이다

- 강판 위에 PCA로 안정화 된 μD 입자를 함유한 폴리

우레탄-기초 코팅 층은 열전도도가 0351W(mK)에서

0434 W(mK)(10 wtμD)로 향상되었으며 더욱 144

시간 동안 염수 분무 시험결과 부식거동은 관찰되지

않았다

그림 3-2 피렌카르복시산을 이용한 μD 표면처리

ㅇ 자동차공업에서는 기본적인 특성으로 내마모성이 요구되

49

는 강철 기계부품들의 마찰특성을 향상시키기 위해 다양

한 금속 및 고분자 코팅들이 광범하게 이용된다 내-마

모 코팅은 두 가지 주요 특성인 높은 표면경도와 자기-

윤활 특성이 필요하다 후자의 범주에 속하는 것이

PTFE와 MoS2 기초 코팅이다 무전해 니켈 코팅은 높은

경도로 인해 양호한 마찰 특성을 보이며 한편 열처리를

통해 경도를 향상시킬 수 있다 PTFE입자의 첨가는 코

팅경도를 감소시키나 자기-윤활특성을 부여한다 S

Rossi 등3132)은 마찰특성을 향상시키기 위해 이용되는 탄

소강에 이용되는 몇 가지 공업적인 코팅에 관한 부식거

동에 관해 평가 PTFE입자를 함유한 무전해 니켈-인

(Electroless Nickel-Phophorus)코팅은 PTFE 입자(자기-

윤활 특성)를 갖는 외층과 장벽-효과를 갖는 내층으로

인한 이중 특성으로 가장 양호한 특성을 보였다고 보고

하고 있다

ㅇ 모든 기계적 시스템은 동적 요소를 필요로 하며 마찰과

마모를 줄이기 위한 다양한 수단들이 가능하나 그 선택

은 환경이나 조작 조건에 제한을 받는다 PTFE는 자기

윤활 낮은 마찰계수 높은 열안정성과 화학약품 안정성

으로 산업분야에 널리 사용되는 엔지니어링 고분자이지

만 내마모성이 매우 부족하다 이러한 이유로 금속

-PTFE충전 복합체들이 PTFE의 마찰특성과 금속충전제

50

의 내마모성을 결합하여 특정 분야의 용도로 소개되어

왔으나 금속-고분자 물질에서의 충전제의 역할은 완전히

설명되지 않고 있다 복합체 표면의 과잉의 충전제 농도

는 미끄러지는 동안 부하를 지지하여 내마모성을 증가시

키는 것으로 생각되며 PTFE의 마모율은 Mo Zn Ni

Y2O3 및 SiO2 같은 무기 충전제에 의해 1000배가량 감소

되었다는 보고도 있다 유리섬유 구리 세라믹 탄소섬유

절단 탄소섬유 나노입자를 포함한 경질의 충전제 입자들

이 PTFE의 내마모성을 높이기 사용되어 왔다

ㅇ 비교적 두꺼운 코팅에는 열분사(thermal spray) 용사기

술이 정립되어 있고 용사 코팅은 내마모 내마찰 내프레

팅(fretting) 및 내부식을 요하는 산업에 많이 이용되고

있다

- 용사 몰리브덴(Mo)코팅은 실질적 내마모성 코팅으로

가장 광범하게 이용되며 프레임용사(flame spray)거나

와이어용사(wire spray)기술로 생산된 몰리브덴(Mo)

코팅은 흠이나 마모에 대한 고도의 저항을 얻기 위한

가장 좋은 코팅재료 중의 하나이다

- 알루미늄 청동(aluminium bronze)은 높은 내-부식성

과 내마모성을 갖는 것이 특징이다 저압 플라즈마 용

51

사 기술은 자기-아닐링(self-anealing)과 부서지기 쉽

도록 유도하는 γ-상의 형성을 피할 수 있도록 높은

냉각 속도를 얻는 데 사용되며 알루미늄 청동 저압

플라즈마 용사 코팅은 낮은 마찰과 마모를 보였고 비

교적 최근 플라즈마 용사 기술을 이용하여 알루미늄

기질에 고분자-세라믹 복합체를 코팅하는 기술이 개

발되었다33)복합체 코팅으로 행한 마찰 시험에서 낮

은 마찰계수를 얻을 수 있었다

- 낮은 마찰계수와 고 내마모성을 갖는 이성분 금속

-PTFE 코팅이 개발되었고 이들의 마찰 공학적 성능

이 보고되었다 PTFE-기초 복합체 설계에서 일반적

인 접근방법은 경질의 충전 입자들을 도입하는 것으

로 M Yamane 등34)은 PTFE-금속 이성분 코팅의 마

찰 마모성능에 관한 연구 결과 알루미늄 청동 코팅이

Mo코팅에 비해 PTFE 저장소(reservoir)에 유용했음

을 보고하였다

⑹ 충전 또는 강화 플루오르화 탄소1)

ㅇ 분말이나 강화섬유 등 전형적인 충전재들이 충전 또는

강화 플루오르화 탄소에 사용된다 충전재는 저온흐름

52

을 향상시키는 데 사용되며 수축과 균열을 줄이고 열

팽창을 낮추며 열전도율을 향상시킨다

ㅇ 분말이나 단섬유로 된 전형적인 충전제를 표 3-5에 종합

하였다 유리섬유는 가장 보편적인 PTFE 충전제로 화

학 및 전기적 특성에 최소로 영향을 미치며 기계적 특

성을 크게 향상시킨다 분말에 비해 섬유는 압축강도

강성도 및 지지용량을 더욱 향상시키나 분말은 충전

테플론의 내구성에 거의 영향을 미치지 않는다 금속분

말은 특히 열전도도를 향상시키며 고속에서 발생하는 마

찰열을 소멸하는데 도움이 되며 전기저항을 상당히 감소

시켜 금속-충전 조성물은 양호한 절연체는 아니다

ㅇ 흑연(graphite) MoS2는 초기 내구성과 마찰을 개선하고

기계적 특성을 향상시킨다 석면은 많은 유용한 특성을

갖지만 가공 처리 중 가스가 방출할 뿐 아니라 사용금지

물질이다 표 3-5 외에도 금속 망 장섬유 다공성 금속

등 다양한 충전제들이 있으며 다양한 종류의 제품들이

상업 생산되고 있어 최종 선정을 하기 전에 플라스틱 가

공업자로부터 보다 완전한 정보와 추천을 받는 것이 바

람직하다

53

표 3-5 불소수지용 충전제

ㅇ 압축강력 인장과 압축 시의 탄성률 및 항복강력은 첨가

제의 첨가에 의해 모두 증가하나 일반으로 인장강력과

신도 및 충격강도는 손실된다 통상 충전 테플론은 압축

상태에서 사용되므로 인장강력의 감소는 중요하지 않다

인장강력의 손실은 설치(연속적인 링-실링)할 때 인장되

는 재료에서 중요하다 열팽창 계수는 비-충전 테플론에

비해 감소되어 통상 금속 부품의 팽창계수와 잘 맞는다

ㅇ 마찰과 마모를 수반하는 분야에서 가장 중요한 것은 충

전제로 얻어지는 PV한계치의 증가와 마모의 감소다 비-

54

충전 테플론에 비해 PV한계치 크기는 개략적으로 1차원

적으로 증가하나 마모인자는 3차원적으로 감소한다 충전

테플론의 평균치들은 동적 마찰계수는 01-02 PV한계치

는 10000-20000 psi-fpm 마모상수는 10times10-10in3-min

lb-ft-hr이다 그림 3-3은 충전 테플론 PTFE의 마찰계

수에 미치는 충전제 종류와 농도의 효과에 관한 것이다

그림 3-3 테플론 PTFE에 미치는 충전제 종류와 농도1)

ㅇ 내마모성을 향상시키는 충전제는 실제로 연마저항성을

감소시키는 것으로 날카로운 입자는 보다 쉽게 침투하고

충전제 입자와 수지 사이의 경계를 따라 충전 플라스틱

을 찢는다 따라서 라이닝 슈트 같은 분야의 적용 시는

55

비-충전테플론이 보다 바람직하다

⑺ 시트 테이프 및 박층(laminates)

ㅇ 대부분의 플루오르화탄소는 충전 여부에 관계없이 두

께 1mil(0001 in)까지 시트나 테이프로 만들 수 있고

시트나 테이프를 찍어서 원하는 형상의 립-씰(lip seal)

펌프 컵(pump cup) 피스톤 링(piston rings) 가스켓

(gaskets) 등을 만들 수 있다

ㅇ 유체의 누설을 정지시키는 밀봉기능 부품 중 각종기기의

접합부나 배관 플랜지 등의 밀봉에 사용되는 가스켓

(gaskets)은 석면이 널리 사용되어 왔으나 유해물질 배

출 및 이동량 보고제도(PRTR Pollutant Release and

Transfer Register)에서 발암성을 가진 제1종 지정 화학

물질로 지정되어 사용이 금지되어 PTFE가 가스켓으로

개발되었다 PTFE는 용융 알칼리 금속 및 그 용액과 불

소 및 3불화염소에 의해 약간 침식되나 모든 화학약품에

안정하고 우수한 내부식 재료로 C-F결합력이 크고 F원

자가 C-C결합의 주위를 간격 없이 들러 싸고 있기 때문

에 다른 물질의 공격을 방어하고 있고 내열성은 260로

높다35)

56

- PTFE 필러를 사용한 PTFE 나선 권형 가스켓은 석

면에 대한 사용규제와 상관없이 사용되어 왔으며 유

연한 필러를 사용하므로 석면 가스켓 보다 낮은 체결

압력에서도 실 특성이 우수하고 내식 면에서도 광범

하고 다양한 유체에 사용이 가능하다 다만 단열성 면

에서는 석면 나선 권형 가스켓 보다 사용온도 범위가

제한된다

ㅇ 산업 기계나 자동차의 브레이크 제동장치에 부착하여 마

찰력을 부가하는 브레이크 라이닝에서는 마찰계수와 내

마모력 및 충격계수 등 마찰특성이 우수한 석면을 주로

사용하여 왔으나 제동 시 발생하는 미세 석면분진으로

인해 대기오염에 의한 환경을 파괴 뿐 아니라 인체에 흡

입될 경우 암을 유발하여 PRTR로 사용이 금지되었다

석면을 대체할 유기질 또는 무기질 된 다양한 비석면 마

찰 섬유 등이 사용되고 있으며 마찰 섬유에 테프론을 코

팅하여 브레이크라이닝의 수명향상 제동 시 발생하는 소

음 떨림 및 제동력 향상을 위한 제품개발이 시도되고

있다

- 예로 국내 특허36)에서는 브레이크 라이닝(또는 패드)

의 마찰재 배합재료 중 유기섬유(Kevlar섬유 pulp섬

57

유 등)에 테프론을 코팅하고 코팅된 유기섬유에 결합

재 충전재 윤활재 마찰안정재 마찰조정재 등을 소정

의 배합비로 배합하여 성형하고 열처리하여 브레이크

패드 또는 라이닝을 제조한다

ㅇ 초소형 정밀기계(MEMS Micro-Electromechanical

System)분야에서는 점착방지를 위해 불화 유기박막을

사용한다 Park 등37)은 단층 두께의 불화 유기박막의

특성을 접촉각 측정을 통해 분석하였다

⑻ DLC 코팅3839)

ㅇ DLC(diamond-like carbon)는 몇 가지 다이아몬드의 전

형적인 특성을 나타내는 비정질 탄소물질로 극도의 내마

모 특성을 필요로 하는 재료의 코팅에 이용되고 있다

DLC코팅은 연마 마모를 감소시키기 위한 재료에 유용하

여 엔드밀 드릴비트 금형 같은 공구는 물론 자동차 기

계부품 및 전자산업 등 산업전반에 걸쳐 적용된다40)

ㅇ 환경오염 문제로 인해 PRTR(Pollutant Release and

Transfer Register 유해물질 배출 및 이동량 보고 제

도) 이 시행되어 습동 부품이나 절삭 시에 사용되는 오

일이나 그리스에 포함되는 첨가제(MoS2 Zn 등)와 이들

58

부품을 세정할 때 사용되는 용매 기계부품의 수명을 연

장시키기 위해 활용되었던 Cr도금 폐액에서 발생하는 6

가 크롬 등의 오염물질들에 대한 규제가 더욱 강화되어

DLC에 의한 무윤활 습동과 무윤활 절삭을 지향한 공구

와 기계 부품의 개발이 관심을 끌고 있다4142)

- 일본 내에서는 PRTR이 시행되고 이것에 저촉되는 재

료에 관해서는 MSDS(Material Safety Data Sheet)를

첨부해야할 의무가 있고 부품가공 습동 용도에서는

대상 리스트에 올라 있는 오일 오일 중의 중금속 도

금폐액을 어떻게 경제성 있는 환경 친화적 공정과 재

료로 전환할 것인가를 고려하면서 무윤활 습동 무윤

활 절삭 탈크롬 도금의 3가지 키워드가 대두되고

DLC코팅이 대안으로 모색되고 있다

- DLC코팅 적용기술과 과제에 관한 자료로는 자동차

관련부품 적용사례 엔진부위 마찰 작동 밸브계의 마

찰저감 DLC와 윤활제에 의한 마찰저감 기술을 중심

으로 살펴본 보고가 있다43)

ㅇ DLC는 7가지 형태가 존재하며 모두 상당한 양의 sp3혼

성궤도 탄소원자를 함유한다 다양한 형태의 DLC가 진

공 환경으로 적합한 재료들에 적용가능하며 유럽에서의

59

2006년 위탁 DLC코팅 시장은 3천만euro로 추정되었고 국

내도 활발한 상용화가 시도되고 있다

ㅇ 사반면상(tetahedral) 비정질 탄소 ta-C를 2두께로 코

팅하면 연마마모에 대한 스테인레스 강(304 type)의 내구

성을 증가시켜 수명을 1주일에서 85년으로 늘이며 이러

한 DLC의 형태는 sp3결합 탄소 원자로만 이루어지기 때

문에 순수한 DLC로 간주되며 수소 sp2흑연 탄소 금속

같은 충전제가 생산경비를 낮추거나 원하는 특성을 부여

하기 위하여 사용되고 있다

ㅇ DLC를 만드는 방법에는 sp3탄소 보다 낮은 밀도의 sp

2

에 의존하는 몇 가지 방법들이 있으며 압력 충격 촉매

또는 이들의 조합으로 sp2결합탄소 원자들을 sp3결합탄소

로 근접시킨다 최근 초고압 하에서 탄소의 경량 특성을

갖는 초경도 무정형 다이아몬드가 만들어졌다 탄소로 만

들어지는 다이아몬드 그래파이트는 결정구조를 가지나

DLC는 비정질이라는 점에서 크게 다르고 200 정도의

저온에서 형성시킬 수 있다는 점이 통상의 PVD막에 비

해 훨씬 우위에 있다

ㅇ DLC코팅은 제조공정이 복잡하고 생산 단가가 비싸 적용

이 어려우며 적용되는 소재가 제한되는 단점을 갖는다

60

주요제법으로는 고주파 플라즈마 법 이온화 증착법 스

페터링법 등을 들수 있다 고주파 플라즈마 법은 메탄가

스가 원료로 사용되고 막 중의 수소가 약 30(원자)로

평활성이 우수하고 마찰계수가 작으나 경도가 낮다 이

온화 증착법은 벤젠을 사용하며 막은 단단하나 면의 조

도가 거칠고 후막화 하기 위해 스패터링 방법이 검토되

고 있다

⑼ 불소수지의 안전성

ㅇ 테플론 PTFE의 열분해는 200(392)에서 감지되며 이

것은 몇 가지 플루오르화 탄소 기체들과 승화물질을 방

출한다4445)1955년 동물실험에 관한 한 연구에서는 이들

물질이 250(482) 이하에서는 의미 있는 양이 아니라

고 결론지었으나 최근 비-점착 주방기구인 프라이팬이

나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가열할 때 조류를

죽일 수 있는 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수

도 있다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있다45)

ㅇ 표 3-6은 EWG가 보고한 3-5분 내에 370까지 불소수

지를 가열할 때 발생되는 15종의 불소화합물에 관한 것

이다 테플론과 같은 코팅물질들이 장기적으로 인체에 미

61

치는 영향에 관한 연구는 이루어지지 않고 있으나 독감

과 유사한 질병을 유발할 수 있으며 이를 중합체 증기열

(polymer fume fever)이라 한다

표 3-6 15종의 유해물질 및 유독성 기체44)

ㅇ 최근 표 3-6의 화합물들 중 특히 TFA와 과불화된

(perfluorinated) PFOA(perfluorooctanoic acid)에 관심이

증가되고 있다 PFOA는 새로운 환경오염물질로 미국 환

경보호청(EPA)에 의하면 보통 때는 문제가 없으나 조리

과정에서 프라이팬에 열을 가하고 강하게 긁을 경우 용

62

출되어 나오며 이것이 음식물과 함께 인체에 흡수되는

것으로 추정하였다 한편 DuPont의 테플론 PTFE 연구

결과에 의하면 검출한계인 9ppb 이상 검출되지 않으며

테플론 주방기구에서는 PFOA가 존재하지 않는다고 발

표하고 있다

- 물이나 공기를 통해 환경에 노출된 PFOA는 고 콜레

스테롤 궤양성 대장염 갑상선 질환 고환암 신장암

및 임신성 고혈압과 관련된다고 보고되었다

- PFOA는 불소수지 생산과정에서 사용되는 첨가물로써

암모늄 형태로 PTFE 유화중합에 계면활성제로 사용

되며 불소수지의 품질과 균일성을 유지하기 위해 필

수적인 첨가물이기 때문에 전 세계 모든 불소수지 제

조업체가 사용 중에 있다 한편 국내 주력 산업인 반

도체 생산 과정에서도 PFOA를 대량으로 사용하고 있

어 체계적인 실태조사와 대책수립이 필요하다는 의견

들이 대두되고 있다

⑽ 불소화합물의 안전성과 환경대책

ㅇ 표 3-6에서 살펴본 바와 같이 테플론을 급격히 고온으로

가열하면 2종의 발암물질을 포함한 유독성 가스가 발생

63

하고 특히 불소화합물 중 MFA(monofluoroacetic acid)는

적은 양으로도 치명적 해를 끼치고 PEIF(perfluoro-

isobutene)는 신경가스제로 여러 가지 질환을 발생시킨다

한다44)

따라서 테플론으로 코팅된 장치를 재 코팅하기

위해 테프론을 고온으로 급격히 가열하거나 소각 등을

통해 제거할 때는 발생 가능성이 있는 유독가스를 제거

하기 위한 별도의 설비를 이용하여야 하고 유 등44)의 보

고서에서와 같이 중조(NaHCO3)를 포화시킨 충분한 물로

유독 산성 물질을 중화시키는 것도 고려할 만하다 한편

부식대전 방지 코팅도 테플론 코팅 일변도에서 세라믹

코팅 CNTs이나 DLC 코팅기술로 대응하는 것을 추천하

고 싶으며 이것은 유해물질 배출 및 이동량 보고제도

(PRTR Pollutant Release and Transfer Register)에 대

비하는 등 기업의 장래를 고려하는 것도 될 것이다

ㅇ PTFE를 사용한 취사도구는 1960년대 이래 사용되어 오

고 있으나 최근 들어 이것의 안전성이 논쟁의 주제가 되

고 있으며 논의 주체는 PFOA(perfluorooctanoic acid)이

다 PFOA는 PTFE를 비롯한 많은 불소수지의 생산에

사용되며 DuPont의 테플론 PTFE 연구 결과에 의하면

프라이팬을 260 이상 고온에서 가열하거나 코팅이 벗

겨져도 PFOA가 존재하지 않는다고 한다 그러나 물이나

64

공기 토양 식품포장재 등 여러 곳에서 PFOA 오염사실

이 보고되고 있다 한다44)

- 미국 EPA는 인체와 환경에 대한 PFOA 연구를 계속

하고 있으며 2015년까지 PFOA 및 이와 관련된 화합

물 방출을 배제할 프로그램을 갖고 있으나 PTFE-기

초 비점착 취사기구를 중지시킬 타당성을 갖고 있지

는 않다 최종제품은 PFOA가 아닌 PTFE이기 때문이

다

- 수십 년 동안 불소수지 비점착 코팅이 시장을 지배하

였으나 최근 몇 가지 신기술들이 출현되고 있으며 이

들 대부분은 실리콘 세라믹과 실리콘 기술로 이들 코

팅은 PTFE와 PFOA를 함유하지 않는다

- 오늘날 출시된 비점착 취사용구는 수많은 상표로 팔

리고 있으며 DuPont에 의하면 대부분의 취사용구 코

팅은 정상적으로 사용할 때 3-5년 견딜 수 있을 것으

로 예측한다 너무 문질러서는 안 되고 따뜻한 비눗

물로 씻어주는 것이 좋으며 닳거나 흠이 생기지 않도

록 나무 플라스틱이나 코팅된 재료로 만든 도구를 선

택하고 보관도 흠이 생기지 않을 장소나 캐비닛을 권

장하고 있다

65

ㅇ 국내의 불소수지 안전성에 관한 것으로는 재질규격(납과

카드뮴)과 용출규격(납 과망간산칼륨소비량 증발잔류물)

이 식품용 기구 및 용기 포장 공전46)에 기재되어 있으며

최근 국내에서도 PFOA를 비롯한 유해 불소화합물에 관

한 관심이 커져 가고 있다

ㅇ PFOA 문제가 표면화 되면서 환경 보전형 불소계 발수

유제의 개발과 공업화도 새로이 부각되고 있다 이에 관

한 보고서를 모니터링한 KISTI자료47)를 중심으로 간단히

요약하면 발수제의 주요성분 퍼플루오로알킬기(Rf기)함

유 폴리머의 기능은 Rf기의 고리길이에 크게 의존하므로

PFOA문제 해법으로 탄소수 8 이상인 종래의 불소화학

에서 탈피 짧은 고리 Rf기(탄소수 6)를 가진 새로운 단

량체를 선택하여 발수제를 제조함으로써 환경 보전형 불

소계 발수유제를 개발하고 공업화하였다 한다

66

제 4 장

지원결과

1 지원결과 종합

테프론 코팅 기술의 문제점과 부식대전방지용 테플

론 코팅에 관한 정보 외에 신청기업의 요청에 따

라 C-나노튜브 코팅 및 DLC증착에 관련된 기술 정

보도 제공하였다

테플론은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat resistant)

비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coefficient of

friction) 내약품성(chemical resistance)과 특이한 전기적

특성(unique electrical properties) 및 온내구력(cryogenic

stability)으로 그 응용범위가 광범하며 용도에 따른 엄격

한 품질관리가 요구될 것으로 생각되어 중소기업에 적합

한 기초능력 배양과 신제품을 구상하기 위한 최신기술에

관한 정보를 제공하고자 하였다

67

불소수지의 코팅은 두께와 첨가제가 관건으로 이에 관한

자료를 제공하고자 하였으며 불소수지의 전기특성 폭발

성 환경과 반도체 제조공정에서의 대전 방지 처리를 위

한 정전기 관리 지표 등을 특허를 중심으로 조사하여 제

공하고자 하였다

C-나노튜브를 이용한 대전방지 코팅 기술 및 C-나노튜

브의 제법 등 이것에 관한 기초정보를 제공하고자 하였

으며 내마모성 테플론 코팅에 관해서는 테플론을 이용한

세라믹 코팅 기술에 관한 정보도 제공하고자 하였다

테플론의 기계적 전기적 특성을 강화하기 위해 사용되는

충전제를 종합하고 기초이론을 정립함으로써 금후 원부

자재의 선정에 도움을 주었다

테플론은 석면 대체재로도 주목받고 있어 이에 관한 특

허 정보들을 제공하였으며 다이아몬드의 전형적인 특성

을 나타내는 DLC의 코팅관련 기술 정보를 환경오염 문

제와 연관하여 자료를 제공하였고 최근 비-점착 주방기

구인 프라이팬이나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가

열할 때 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수도 있

다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있어 이에

관한 정보도 제공하였다

68

2 지원의 한계

중소기업이 당면한 문제는 전문기술의 확보다 관련 기술

이 비약적으로 발전하는 추세에 비추어 한정된 인원으로

신기술을 소화하고 개발하기는 어려울 것이므로 출연연

구기관이나 대학과 공동연구를 모색할 수 있으나 이것도

중소기업으로서는 경제적 부담이 될 수밖에 없을 것으로

생각된다 가능하다면 앞으로도 KISTI의 정보지원이 계

속되기를 바라고 있었다

3 기대효과

부식대전 방지 테플론 코팅에 관한 기본 기술이 배양되

어 합리적인 원부 원료의 수입검사 공정관리 및 제품관

리를 통해 원가절감은 물론 신제품 신기술에 관한 정보

수집 및 분석능력이 배양되고 개발력이 확충되어 기업

경쟁력 향상에 도움이 될 것이다

69

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저자소개

김학주(金鶴柱) 서울대학교 문리과대학 화학과 졸업 이학사

전북대학교 대학원 화학과 이학박사

(주)삼양사 의약연구소장 신성대학교 교수

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 폴리에스테르 섬유의 연중직방기술 외 다수

저서 기기분석 공업물리화학 일반화학

성용길(成墉吉)

동국대학교 이과대학 화학과 졸업 이학사 이학석사

부산대학교 대학원 화학과 이학박사(Dr Sci)

University of Utah USA Ph D(공학박사) Post Dr

유타대학교 연구교수 부산대학교 교수 동국대학교 교수

동국대학교 명예교수 한국원자력문화진흥원 이사

과학문화연구원전문연구위원 한국도량형과학문화연구원 원장

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 의료용 기능성 고분자재료에 관한 연구 외 330편

저서 고분자 물성론 (서울대학교 출판부 공저) 외 10권

41

CNTs는 구리와 같은 금속의 1000배가 큰 4times109Acm

2

전류 밀도를 운반할 수 있으며 나노크기의 단면으로 전

자가 튜브의 축 방향으로만 전파되고 전자의 이동은 양

자효과를 수반하여 1차원 전도체로 간주된다

CNTs는 우수한 물성과 상대적으로 큰 표면적으로 갖고

있어 충전제(filler)로써 에폭시 폴리스틸렌 폴리우레탄

등 고분자와 혼합하여 폴리머의 기계적 전기적 특성을

향상시키려는 연구가 활발하다 CNTs가 폴리머 중에서

충전제 역할을 하기 위해서는 고른 분산이 필요하나 반

데르발스 힘에 의한 CNTs 응집현상(agglomeration)으로

인해 효과적인 분산이 어려워 오히려 폴리머의 물성을

저해하므로 이것을 개선하기 위한 다양한 기계적 화학적

분산 방법이 연구되고 있다

- CNTs를 분산시키기 위한 가장 일반적인 방법은 용매

나 폴리머에 CNTs를 투입하고 초음파처리를 하는 것

으로 초음파처리를 하면 SWNTs의 길이가 짧아지고

다발(bundle)이 얇아져 분산력이 증가한다

- CNTs 표면을 산이나 아민으로 기능화하여 분산을 높

이는 방법도 연구되고 있으며 MWNTs를 HNO3

H2O2NH4OH 용액에 침지시켜 MWNTs에폭시 복합

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재료는 전기적 특성을 향상시키려는 연구와 산과 아

민 등의 기능기를 도입하여 SWNTs의 열전도도를 향

상시키려는 연구들이 수행되고 있다

- 기계적 분산방법인 전단혼합방법은 좁은 관이나 상대

적으로 높은 속도의 유동을 이용하여 발생한 전단력

으로 CNTs를 분산시키는 방법이다 Ku 등19)은 전단

혼합과 초음파처리를 이용하여 MWNTs로 강화된

에폭시 복합재료를 만들어 기계적 및 열적 특성을 연

구하였다

⑸ 내마모성 테프론 코팅

ㅇ 재료의 부식은 구조재에 원하지 않은 변화 원인으로 작

용하여 경제적인 문제로 귀결되는 심각한 문제이다 이들

원치 않는 변화는 때로 적절한 코팅에 의한 표면처리로

예방할 수 있다 가장 일반적이고 자주 사용되는 전착 코

팅은 아연에 기초한 아연 코팅 및 합금 코팅으로 이들

코팅은 간단한 기술로써 내부식성이 양호하여 전 표면처

리의 약 14에 해당하나 최근 낮은 마찰계수 등 다른 특

성들이 매우 중요하게 되었다 이들 특성은 다층 코팅으

로 대응할 수 있으나 두께가 증가하고 기술이 복잡하여

가능한 해결방법으로는 복합체 코팅이 있다 복합체 코팅

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은 일반기계와 자동차 전자부품 및 컴퓨터 등 다양한 분

야에 적용된다 금속 기질에 미세한 PTFE 입자의 전착

에 의한 증착은 새로운 세대의 복합체 코팅으로써 가장

바람직한 특성은 양호한 내마모성 자기윤활 내부식성이

다 M Paderovaacute 등20)에 의하면 이들 특성은 주로 사용

한 입자(흑연 다이아몬드 MoS2 또는 PTFE)와 용액의

유형(pH 온도 bath 등) 뿐 아니라 입자의 크기 농도

분산 및 형태학에 의존한다

ㅇ 충전되지 않은 PTFE의 마모율은 736-741times10-4mm3Nm

로 내마모성이 낮아 다양한 충전제들이 첨가되고 있다

Xing-Dong Yuan 등21)은 진공 조건에서 PTFE 코팅

의 마모특성을 연구하여 초기에는 하중이 증가함에 따

라 마찰계수가 감소하나 하중이 6N 이상으로 커지면

마찰계수도 증가하며 압력이 PTFE 코팅의 마찰계수

에 미치는 영향이 거의 없고 마모는 압력이 증가하면

초기에는 감소하나 10Pa 보다 높으면 급격히 증가한

다고 보고하였다

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위해서는 윤활제로 PTFE

계 수지 접착제로는 폴리아미드이미드수지 산화철 분말

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및 브론즈 분말 등을 혼합한 조성물을 사용하거나 미국

특허에서는 스와시플레이트 형 압축기의 플레이트 표면

에 MoS2 흑연 PTFE계 윤활제와 열경화성 수지인 폴리

아미드이미드(PAI) 조성물을 코팅하여 내마모 및 윤활성

을 부여하고 있다22) 내열성 향상을 위해서는 고체윤활

제 접착제수지 및 저융점 금속인 Sn Pb In Bi 등을 함

유하는 합금이나 화합물을 사용하여 금속의 잠열을 이용

내열성 향상을 시도하기도 한다

ㅇ 그간 철강(스테인리스강 탄소강 아연도금강판 등)의 내

부식성 향상을 위한 많은 연구들이 수행되어 왔다 4플루

오르에틸렌(C2H4) 4플루오르에탄(CF4) 6플루오르에탄

(C2F6) 3플루오르화에탄(CHF3) 8플루오르화에탄(C4F8)

같은 불소화된 단량체의 플라즈마 중합에 의한 테플론

류 코팅은 그들의 소수성으로 인해 금속의 내부식성 향

상을 위한 대안으로 주목을 받고 있다 A Delimi 등23)

은 유도결합 고주파플라즈마(inductively coupled radio

fre- quency plasma)를 사용하여 소수성 박막 불소수지

필름을 탄소강에 증착하고 3염수에서 내부식성을 평가

한 결과 1개월 동안 9nm의 필름이 유지되는 것을 관찰

하여 불소고분자 박막이 금속과 금속산화물의 보호층이

될 수 있음을 보고하였다

45

ㅇ PTFE를 이용한 세라믹코팅 기술로는 알루미늄 및 알루

미늄 합금 공작물을 양극처리에 의해서 티타늄 및또는

지르코늄 산화물을 포함하는 내식성 내열성 및 내마모

성 세라믹 코팅을 하고 이어서 양극처리된 공작물을

PTFE 또는 실리콘 함유 코팅과 같은 제 2 코팅으로 코

팅한다 이 발명은 가소성을 가지는 경질의 필름 내에서

내식성 내열성 및 내마모성을 제공하는 티타늄 및또는

지르코늄 산화물의 양극처리 층으로 기판을 예비-코팅함

으로써 알루미늄 기판에 보다 긴 수명의 코팅을 형성하

는데 특히 유용하다24)

ㅇ Nosaka 등25)은 PTFE로 대표되는 불소수지는 마모-링이

나 극저온 밸브의 실링부에 많이 사용되며 진공치환법에

의해 탄소재료에 PTFE나 MoS2 분말을 1-2wt 함침시

키면 무함침한 것에 비해 마모가 약 13로 감소한다고

보고하였다 한편 저자들은 터보펌프의 실링재료가 극저

온 환경에서 보이는 특이한 현상을 극복하기 위해 베어

링의 표면에 노출된 유리섬유를 불소산으로 처리하여 용

해 제거하고 윤활성을 높인 유리섬유강화 테프론 리테이

너를 개발하여 내구성과 윤활성을 향상시킬 수 있었다고

보고하고 있다

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ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위한 또 다른 특허로는

폴리실록산계 접착제를 단독 혹은 폴리에스테르계 접착

제와 병용하고 고체 윤활제로 MoS2(이황화몰리브덴

WS2(이황화텅스텐) h-BN(육방정 질화붕소) 팽창흑연

및 PTFE를 사용하고 충전제로 탄화규소 알루미나 산화

지르콘 산화티탄 등의 미분말을 사용하여 내마모 내열

및 윤활성을 부여하고자 하는 내마모성 및 윤활성 코팅

조성물에 관한 특허가 있다26)

ㅇ 내열성 내후성 내오염성 내약품성 내구성 등의 물성

은 유지하면서 비점착성을 높이기 위해 무기계 세라믹

코팅 조성물에 PTFE를 첨가하기도 한다 이러한 하이

브리드 코팅 조성물에 관한 특허로는 불소수지(01sim25

중량) 콜로이달 실리카나 콜로이달 알루미나 등 무

기계고분자 바인더(20sim80중량) 알콕시실란 화합물

(1sim50중량) 수용성 유기용제(1sim10중량) 충전제

또는 안료(5sim50중량) 및 물(100중량 까지 보충)로

이루어진 코팅 조성물에 관한 것으로 무기질 도료 및

무기계 세라믹 코팅에 의해 내열성 내오염성 내약품

성과 내구성을 유지하고 접착력을 높이기 위해 소량의

PTFE를 사용하는 것이 있다27)

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ㅇ 정전 복사기에 사용되는 정착기재부의 최외층에 코팅하

여 기계적 성질 및 내마모성을 향상시키려는 목적으로

불소수지 기질 중에 분산된 불소화 다이아몬드를 함유하

는 입자로 구성된 조성물에 관한 일본 특허28)가 있다

ㅇ 부식 특성을 개선한 흑색 무크롬(chrome-free) 다층 내

부식 마무리 칠과 방법에 관한 특허29)로는 ASTM B 117

표준으로 시험할 때 백색 부식에는 최소 500시간 염수분

무시간 및 적색 부식에는 1500시간 염수분무시간에 적합

하게 설계된 마무리 칠에 관한 것이 있다 이 다층 시스

템은 광택(gloss) 4 이상을 만족하는 자동차 차체 강판

자동차 하부와 내장에 사용되기 위해 설계된 것으로 이

다층 마무리 칠은 3층 부식 방지 시스템을 형성하도록

아연-철 전기도금 기질 오르토인산을 사용한 무전해 인

산염 결정 전환 층과 XylanTeflon 실러 코팅의 조합이

다

ㅇ 전통적으로 철 강판(steel sheet)은 크롬산 염 전환 코팅

으로 개질되어 왔으나 6가 크롬이 배출되어 환경을 오염

시키는 문제점이 있어 강판의 내-부식성을 개선하기 위

해 고분자 수지 코팅들이 수행되고 있으나 이 방법은 고

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분자 코팅 층이 열전도도를 감소시키는 단점을 가지고

있다 Kang 등30)은 강판 위의 고분자 코팅 층의 열전도

도를 향상시키기 위해 초미세-크기 다이몬드(μD)입자를

열전도 물질로 사용하였다 다양한 음이온 및 비-이온

계면활성제들을 사용하여 수용액 중에서 무거운 μD입자

의 안정화를 시험들을 한 결과 1-피렌카르복시산(PCA)

이 가장 양호하였다 그림 3-2는 이 시험 결과를 요약한

것이다

- 강판 위에 PCA로 안정화 된 μD 입자를 함유한 폴리

우레탄-기초 코팅 층은 열전도도가 0351W(mK)에서

0434 W(mK)(10 wtμD)로 향상되었으며 더욱 144

시간 동안 염수 분무 시험결과 부식거동은 관찰되지

않았다

그림 3-2 피렌카르복시산을 이용한 μD 표면처리

ㅇ 자동차공업에서는 기본적인 특성으로 내마모성이 요구되

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는 강철 기계부품들의 마찰특성을 향상시키기 위해 다양

한 금속 및 고분자 코팅들이 광범하게 이용된다 내-마

모 코팅은 두 가지 주요 특성인 높은 표면경도와 자기-

윤활 특성이 필요하다 후자의 범주에 속하는 것이

PTFE와 MoS2 기초 코팅이다 무전해 니켈 코팅은 높은

경도로 인해 양호한 마찰 특성을 보이며 한편 열처리를

통해 경도를 향상시킬 수 있다 PTFE입자의 첨가는 코

팅경도를 감소시키나 자기-윤활특성을 부여한다 S

Rossi 등3132)은 마찰특성을 향상시키기 위해 이용되는 탄

소강에 이용되는 몇 가지 공업적인 코팅에 관한 부식거

동에 관해 평가 PTFE입자를 함유한 무전해 니켈-인

(Electroless Nickel-Phophorus)코팅은 PTFE 입자(자기-

윤활 특성)를 갖는 외층과 장벽-효과를 갖는 내층으로

인한 이중 특성으로 가장 양호한 특성을 보였다고 보고

하고 있다

ㅇ 모든 기계적 시스템은 동적 요소를 필요로 하며 마찰과

마모를 줄이기 위한 다양한 수단들이 가능하나 그 선택

은 환경이나 조작 조건에 제한을 받는다 PTFE는 자기

윤활 낮은 마찰계수 높은 열안정성과 화학약품 안정성

으로 산업분야에 널리 사용되는 엔지니어링 고분자이지

만 내마모성이 매우 부족하다 이러한 이유로 금속

-PTFE충전 복합체들이 PTFE의 마찰특성과 금속충전제

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의 내마모성을 결합하여 특정 분야의 용도로 소개되어

왔으나 금속-고분자 물질에서의 충전제의 역할은 완전히

설명되지 않고 있다 복합체 표면의 과잉의 충전제 농도

는 미끄러지는 동안 부하를 지지하여 내마모성을 증가시

키는 것으로 생각되며 PTFE의 마모율은 Mo Zn Ni

Y2O3 및 SiO2 같은 무기 충전제에 의해 1000배가량 감소

되었다는 보고도 있다 유리섬유 구리 세라믹 탄소섬유

절단 탄소섬유 나노입자를 포함한 경질의 충전제 입자들

이 PTFE의 내마모성을 높이기 사용되어 왔다

ㅇ 비교적 두꺼운 코팅에는 열분사(thermal spray) 용사기

술이 정립되어 있고 용사 코팅은 내마모 내마찰 내프레

팅(fretting) 및 내부식을 요하는 산업에 많이 이용되고

있다

- 용사 몰리브덴(Mo)코팅은 실질적 내마모성 코팅으로

가장 광범하게 이용되며 프레임용사(flame spray)거나

와이어용사(wire spray)기술로 생산된 몰리브덴(Mo)

코팅은 흠이나 마모에 대한 고도의 저항을 얻기 위한

가장 좋은 코팅재료 중의 하나이다

- 알루미늄 청동(aluminium bronze)은 높은 내-부식성

과 내마모성을 갖는 것이 특징이다 저압 플라즈마 용

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사 기술은 자기-아닐링(self-anealing)과 부서지기 쉽

도록 유도하는 γ-상의 형성을 피할 수 있도록 높은

냉각 속도를 얻는 데 사용되며 알루미늄 청동 저압

플라즈마 용사 코팅은 낮은 마찰과 마모를 보였고 비

교적 최근 플라즈마 용사 기술을 이용하여 알루미늄

기질에 고분자-세라믹 복합체를 코팅하는 기술이 개

발되었다33)복합체 코팅으로 행한 마찰 시험에서 낮

은 마찰계수를 얻을 수 있었다

- 낮은 마찰계수와 고 내마모성을 갖는 이성분 금속

-PTFE 코팅이 개발되었고 이들의 마찰 공학적 성능

이 보고되었다 PTFE-기초 복합체 설계에서 일반적

인 접근방법은 경질의 충전 입자들을 도입하는 것으

로 M Yamane 등34)은 PTFE-금속 이성분 코팅의 마

찰 마모성능에 관한 연구 결과 알루미늄 청동 코팅이

Mo코팅에 비해 PTFE 저장소(reservoir)에 유용했음

을 보고하였다

⑹ 충전 또는 강화 플루오르화 탄소1)

ㅇ 분말이나 강화섬유 등 전형적인 충전재들이 충전 또는

강화 플루오르화 탄소에 사용된다 충전재는 저온흐름

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을 향상시키는 데 사용되며 수축과 균열을 줄이고 열

팽창을 낮추며 열전도율을 향상시킨다

ㅇ 분말이나 단섬유로 된 전형적인 충전제를 표 3-5에 종합

하였다 유리섬유는 가장 보편적인 PTFE 충전제로 화

학 및 전기적 특성에 최소로 영향을 미치며 기계적 특

성을 크게 향상시킨다 분말에 비해 섬유는 압축강도

강성도 및 지지용량을 더욱 향상시키나 분말은 충전

테플론의 내구성에 거의 영향을 미치지 않는다 금속분

말은 특히 열전도도를 향상시키며 고속에서 발생하는 마

찰열을 소멸하는데 도움이 되며 전기저항을 상당히 감소

시켜 금속-충전 조성물은 양호한 절연체는 아니다

ㅇ 흑연(graphite) MoS2는 초기 내구성과 마찰을 개선하고

기계적 특성을 향상시킨다 석면은 많은 유용한 특성을

갖지만 가공 처리 중 가스가 방출할 뿐 아니라 사용금지

물질이다 표 3-5 외에도 금속 망 장섬유 다공성 금속

등 다양한 충전제들이 있으며 다양한 종류의 제품들이

상업 생산되고 있어 최종 선정을 하기 전에 플라스틱 가

공업자로부터 보다 완전한 정보와 추천을 받는 것이 바

람직하다

53

표 3-5 불소수지용 충전제

ㅇ 압축강력 인장과 압축 시의 탄성률 및 항복강력은 첨가

제의 첨가에 의해 모두 증가하나 일반으로 인장강력과

신도 및 충격강도는 손실된다 통상 충전 테플론은 압축

상태에서 사용되므로 인장강력의 감소는 중요하지 않다

인장강력의 손실은 설치(연속적인 링-실링)할 때 인장되

는 재료에서 중요하다 열팽창 계수는 비-충전 테플론에

비해 감소되어 통상 금속 부품의 팽창계수와 잘 맞는다

ㅇ 마찰과 마모를 수반하는 분야에서 가장 중요한 것은 충

전제로 얻어지는 PV한계치의 증가와 마모의 감소다 비-

54

충전 테플론에 비해 PV한계치 크기는 개략적으로 1차원

적으로 증가하나 마모인자는 3차원적으로 감소한다 충전

테플론의 평균치들은 동적 마찰계수는 01-02 PV한계치

는 10000-20000 psi-fpm 마모상수는 10times10-10in3-min

lb-ft-hr이다 그림 3-3은 충전 테플론 PTFE의 마찰계

수에 미치는 충전제 종류와 농도의 효과에 관한 것이다

그림 3-3 테플론 PTFE에 미치는 충전제 종류와 농도1)

ㅇ 내마모성을 향상시키는 충전제는 실제로 연마저항성을

감소시키는 것으로 날카로운 입자는 보다 쉽게 침투하고

충전제 입자와 수지 사이의 경계를 따라 충전 플라스틱

을 찢는다 따라서 라이닝 슈트 같은 분야의 적용 시는

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비-충전테플론이 보다 바람직하다

⑺ 시트 테이프 및 박층(laminates)

ㅇ 대부분의 플루오르화탄소는 충전 여부에 관계없이 두

께 1mil(0001 in)까지 시트나 테이프로 만들 수 있고

시트나 테이프를 찍어서 원하는 형상의 립-씰(lip seal)

펌프 컵(pump cup) 피스톤 링(piston rings) 가스켓

(gaskets) 등을 만들 수 있다

ㅇ 유체의 누설을 정지시키는 밀봉기능 부품 중 각종기기의

접합부나 배관 플랜지 등의 밀봉에 사용되는 가스켓

(gaskets)은 석면이 널리 사용되어 왔으나 유해물질 배

출 및 이동량 보고제도(PRTR Pollutant Release and

Transfer Register)에서 발암성을 가진 제1종 지정 화학

물질로 지정되어 사용이 금지되어 PTFE가 가스켓으로

개발되었다 PTFE는 용융 알칼리 금속 및 그 용액과 불

소 및 3불화염소에 의해 약간 침식되나 모든 화학약품에

안정하고 우수한 내부식 재료로 C-F결합력이 크고 F원

자가 C-C결합의 주위를 간격 없이 들러 싸고 있기 때문

에 다른 물질의 공격을 방어하고 있고 내열성은 260로

높다35)

56

- PTFE 필러를 사용한 PTFE 나선 권형 가스켓은 석

면에 대한 사용규제와 상관없이 사용되어 왔으며 유

연한 필러를 사용하므로 석면 가스켓 보다 낮은 체결

압력에서도 실 특성이 우수하고 내식 면에서도 광범

하고 다양한 유체에 사용이 가능하다 다만 단열성 면

에서는 석면 나선 권형 가스켓 보다 사용온도 범위가

제한된다

ㅇ 산업 기계나 자동차의 브레이크 제동장치에 부착하여 마

찰력을 부가하는 브레이크 라이닝에서는 마찰계수와 내

마모력 및 충격계수 등 마찰특성이 우수한 석면을 주로

사용하여 왔으나 제동 시 발생하는 미세 석면분진으로

인해 대기오염에 의한 환경을 파괴 뿐 아니라 인체에 흡

입될 경우 암을 유발하여 PRTR로 사용이 금지되었다

석면을 대체할 유기질 또는 무기질 된 다양한 비석면 마

찰 섬유 등이 사용되고 있으며 마찰 섬유에 테프론을 코

팅하여 브레이크라이닝의 수명향상 제동 시 발생하는 소

음 떨림 및 제동력 향상을 위한 제품개발이 시도되고

있다

- 예로 국내 특허36)에서는 브레이크 라이닝(또는 패드)

의 마찰재 배합재료 중 유기섬유(Kevlar섬유 pulp섬

57

유 등)에 테프론을 코팅하고 코팅된 유기섬유에 결합

재 충전재 윤활재 마찰안정재 마찰조정재 등을 소정

의 배합비로 배합하여 성형하고 열처리하여 브레이크

패드 또는 라이닝을 제조한다

ㅇ 초소형 정밀기계(MEMS Micro-Electromechanical

System)분야에서는 점착방지를 위해 불화 유기박막을

사용한다 Park 등37)은 단층 두께의 불화 유기박막의

특성을 접촉각 측정을 통해 분석하였다

⑻ DLC 코팅3839)

ㅇ DLC(diamond-like carbon)는 몇 가지 다이아몬드의 전

형적인 특성을 나타내는 비정질 탄소물질로 극도의 내마

모 특성을 필요로 하는 재료의 코팅에 이용되고 있다

DLC코팅은 연마 마모를 감소시키기 위한 재료에 유용하

여 엔드밀 드릴비트 금형 같은 공구는 물론 자동차 기

계부품 및 전자산업 등 산업전반에 걸쳐 적용된다40)

ㅇ 환경오염 문제로 인해 PRTR(Pollutant Release and

Transfer Register 유해물질 배출 및 이동량 보고 제

도) 이 시행되어 습동 부품이나 절삭 시에 사용되는 오

일이나 그리스에 포함되는 첨가제(MoS2 Zn 등)와 이들

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부품을 세정할 때 사용되는 용매 기계부품의 수명을 연

장시키기 위해 활용되었던 Cr도금 폐액에서 발생하는 6

가 크롬 등의 오염물질들에 대한 규제가 더욱 강화되어

DLC에 의한 무윤활 습동과 무윤활 절삭을 지향한 공구

와 기계 부품의 개발이 관심을 끌고 있다4142)

- 일본 내에서는 PRTR이 시행되고 이것에 저촉되는 재

료에 관해서는 MSDS(Material Safety Data Sheet)를

첨부해야할 의무가 있고 부품가공 습동 용도에서는

대상 리스트에 올라 있는 오일 오일 중의 중금속 도

금폐액을 어떻게 경제성 있는 환경 친화적 공정과 재

료로 전환할 것인가를 고려하면서 무윤활 습동 무윤

활 절삭 탈크롬 도금의 3가지 키워드가 대두되고

DLC코팅이 대안으로 모색되고 있다

- DLC코팅 적용기술과 과제에 관한 자료로는 자동차

관련부품 적용사례 엔진부위 마찰 작동 밸브계의 마

찰저감 DLC와 윤활제에 의한 마찰저감 기술을 중심

으로 살펴본 보고가 있다43)

ㅇ DLC는 7가지 형태가 존재하며 모두 상당한 양의 sp3혼

성궤도 탄소원자를 함유한다 다양한 형태의 DLC가 진

공 환경으로 적합한 재료들에 적용가능하며 유럽에서의

59

2006년 위탁 DLC코팅 시장은 3천만euro로 추정되었고 국

내도 활발한 상용화가 시도되고 있다

ㅇ 사반면상(tetahedral) 비정질 탄소 ta-C를 2두께로 코

팅하면 연마마모에 대한 스테인레스 강(304 type)의 내구

성을 증가시켜 수명을 1주일에서 85년으로 늘이며 이러

한 DLC의 형태는 sp3결합 탄소 원자로만 이루어지기 때

문에 순수한 DLC로 간주되며 수소 sp2흑연 탄소 금속

같은 충전제가 생산경비를 낮추거나 원하는 특성을 부여

하기 위하여 사용되고 있다

ㅇ DLC를 만드는 방법에는 sp3탄소 보다 낮은 밀도의 sp

2

에 의존하는 몇 가지 방법들이 있으며 압력 충격 촉매

또는 이들의 조합으로 sp2결합탄소 원자들을 sp3결합탄소

로 근접시킨다 최근 초고압 하에서 탄소의 경량 특성을

갖는 초경도 무정형 다이아몬드가 만들어졌다 탄소로 만

들어지는 다이아몬드 그래파이트는 결정구조를 가지나

DLC는 비정질이라는 점에서 크게 다르고 200 정도의

저온에서 형성시킬 수 있다는 점이 통상의 PVD막에 비

해 훨씬 우위에 있다

ㅇ DLC코팅은 제조공정이 복잡하고 생산 단가가 비싸 적용

이 어려우며 적용되는 소재가 제한되는 단점을 갖는다

60

주요제법으로는 고주파 플라즈마 법 이온화 증착법 스

페터링법 등을 들수 있다 고주파 플라즈마 법은 메탄가

스가 원료로 사용되고 막 중의 수소가 약 30(원자)로

평활성이 우수하고 마찰계수가 작으나 경도가 낮다 이

온화 증착법은 벤젠을 사용하며 막은 단단하나 면의 조

도가 거칠고 후막화 하기 위해 스패터링 방법이 검토되

고 있다

⑼ 불소수지의 안전성

ㅇ 테플론 PTFE의 열분해는 200(392)에서 감지되며 이

것은 몇 가지 플루오르화 탄소 기체들과 승화물질을 방

출한다4445)1955년 동물실험에 관한 한 연구에서는 이들

물질이 250(482) 이하에서는 의미 있는 양이 아니라

고 결론지었으나 최근 비-점착 주방기구인 프라이팬이

나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가열할 때 조류를

죽일 수 있는 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수

도 있다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있다45)

ㅇ 표 3-6은 EWG가 보고한 3-5분 내에 370까지 불소수

지를 가열할 때 발생되는 15종의 불소화합물에 관한 것

이다 테플론과 같은 코팅물질들이 장기적으로 인체에 미

61

치는 영향에 관한 연구는 이루어지지 않고 있으나 독감

과 유사한 질병을 유발할 수 있으며 이를 중합체 증기열

(polymer fume fever)이라 한다

표 3-6 15종의 유해물질 및 유독성 기체44)

ㅇ 최근 표 3-6의 화합물들 중 특히 TFA와 과불화된

(perfluorinated) PFOA(perfluorooctanoic acid)에 관심이

증가되고 있다 PFOA는 새로운 환경오염물질로 미국 환

경보호청(EPA)에 의하면 보통 때는 문제가 없으나 조리

과정에서 프라이팬에 열을 가하고 강하게 긁을 경우 용

62

출되어 나오며 이것이 음식물과 함께 인체에 흡수되는

것으로 추정하였다 한편 DuPont의 테플론 PTFE 연구

결과에 의하면 검출한계인 9ppb 이상 검출되지 않으며

테플론 주방기구에서는 PFOA가 존재하지 않는다고 발

표하고 있다

- 물이나 공기를 통해 환경에 노출된 PFOA는 고 콜레

스테롤 궤양성 대장염 갑상선 질환 고환암 신장암

및 임신성 고혈압과 관련된다고 보고되었다

- PFOA는 불소수지 생산과정에서 사용되는 첨가물로써

암모늄 형태로 PTFE 유화중합에 계면활성제로 사용

되며 불소수지의 품질과 균일성을 유지하기 위해 필

수적인 첨가물이기 때문에 전 세계 모든 불소수지 제

조업체가 사용 중에 있다 한편 국내 주력 산업인 반

도체 생산 과정에서도 PFOA를 대량으로 사용하고 있

어 체계적인 실태조사와 대책수립이 필요하다는 의견

들이 대두되고 있다

⑽ 불소화합물의 안전성과 환경대책

ㅇ 표 3-6에서 살펴본 바와 같이 테플론을 급격히 고온으로

가열하면 2종의 발암물질을 포함한 유독성 가스가 발생

63

하고 특히 불소화합물 중 MFA(monofluoroacetic acid)는

적은 양으로도 치명적 해를 끼치고 PEIF(perfluoro-

isobutene)는 신경가스제로 여러 가지 질환을 발생시킨다

한다44)

따라서 테플론으로 코팅된 장치를 재 코팅하기

위해 테프론을 고온으로 급격히 가열하거나 소각 등을

통해 제거할 때는 발생 가능성이 있는 유독가스를 제거

하기 위한 별도의 설비를 이용하여야 하고 유 등44)의 보

고서에서와 같이 중조(NaHCO3)를 포화시킨 충분한 물로

유독 산성 물질을 중화시키는 것도 고려할 만하다 한편

부식대전 방지 코팅도 테플론 코팅 일변도에서 세라믹

코팅 CNTs이나 DLC 코팅기술로 대응하는 것을 추천하

고 싶으며 이것은 유해물질 배출 및 이동량 보고제도

(PRTR Pollutant Release and Transfer Register)에 대

비하는 등 기업의 장래를 고려하는 것도 될 것이다

ㅇ PTFE를 사용한 취사도구는 1960년대 이래 사용되어 오

고 있으나 최근 들어 이것의 안전성이 논쟁의 주제가 되

고 있으며 논의 주체는 PFOA(perfluorooctanoic acid)이

다 PFOA는 PTFE를 비롯한 많은 불소수지의 생산에

사용되며 DuPont의 테플론 PTFE 연구 결과에 의하면

프라이팬을 260 이상 고온에서 가열하거나 코팅이 벗

겨져도 PFOA가 존재하지 않는다고 한다 그러나 물이나

64

공기 토양 식품포장재 등 여러 곳에서 PFOA 오염사실

이 보고되고 있다 한다44)

- 미국 EPA는 인체와 환경에 대한 PFOA 연구를 계속

하고 있으며 2015년까지 PFOA 및 이와 관련된 화합

물 방출을 배제할 프로그램을 갖고 있으나 PTFE-기

초 비점착 취사기구를 중지시킬 타당성을 갖고 있지

는 않다 최종제품은 PFOA가 아닌 PTFE이기 때문이

다

- 수십 년 동안 불소수지 비점착 코팅이 시장을 지배하

였으나 최근 몇 가지 신기술들이 출현되고 있으며 이

들 대부분은 실리콘 세라믹과 실리콘 기술로 이들 코

팅은 PTFE와 PFOA를 함유하지 않는다

- 오늘날 출시된 비점착 취사용구는 수많은 상표로 팔

리고 있으며 DuPont에 의하면 대부분의 취사용구 코

팅은 정상적으로 사용할 때 3-5년 견딜 수 있을 것으

로 예측한다 너무 문질러서는 안 되고 따뜻한 비눗

물로 씻어주는 것이 좋으며 닳거나 흠이 생기지 않도

록 나무 플라스틱이나 코팅된 재료로 만든 도구를 선

택하고 보관도 흠이 생기지 않을 장소나 캐비닛을 권

장하고 있다

65

ㅇ 국내의 불소수지 안전성에 관한 것으로는 재질규격(납과

카드뮴)과 용출규격(납 과망간산칼륨소비량 증발잔류물)

이 식품용 기구 및 용기 포장 공전46)에 기재되어 있으며

최근 국내에서도 PFOA를 비롯한 유해 불소화합물에 관

한 관심이 커져 가고 있다

ㅇ PFOA 문제가 표면화 되면서 환경 보전형 불소계 발수

유제의 개발과 공업화도 새로이 부각되고 있다 이에 관

한 보고서를 모니터링한 KISTI자료47)를 중심으로 간단히

요약하면 발수제의 주요성분 퍼플루오로알킬기(Rf기)함

유 폴리머의 기능은 Rf기의 고리길이에 크게 의존하므로

PFOA문제 해법으로 탄소수 8 이상인 종래의 불소화학

에서 탈피 짧은 고리 Rf기(탄소수 6)를 가진 새로운 단

량체를 선택하여 발수제를 제조함으로써 환경 보전형 불

소계 발수유제를 개발하고 공업화하였다 한다

66

제 4 장

지원결과

1 지원결과 종합

테프론 코팅 기술의 문제점과 부식대전방지용 테플

론 코팅에 관한 정보 외에 신청기업의 요청에 따

라 C-나노튜브 코팅 및 DLC증착에 관련된 기술 정

보도 제공하였다

테플론은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat resistant)

비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coefficient of

friction) 내약품성(chemical resistance)과 특이한 전기적

특성(unique electrical properties) 및 온내구력(cryogenic

stability)으로 그 응용범위가 광범하며 용도에 따른 엄격

한 품질관리가 요구될 것으로 생각되어 중소기업에 적합

한 기초능력 배양과 신제품을 구상하기 위한 최신기술에

관한 정보를 제공하고자 하였다

67

불소수지의 코팅은 두께와 첨가제가 관건으로 이에 관한

자료를 제공하고자 하였으며 불소수지의 전기특성 폭발

성 환경과 반도체 제조공정에서의 대전 방지 처리를 위

한 정전기 관리 지표 등을 특허를 중심으로 조사하여 제

공하고자 하였다

C-나노튜브를 이용한 대전방지 코팅 기술 및 C-나노튜

브의 제법 등 이것에 관한 기초정보를 제공하고자 하였

으며 내마모성 테플론 코팅에 관해서는 테플론을 이용한

세라믹 코팅 기술에 관한 정보도 제공하고자 하였다

테플론의 기계적 전기적 특성을 강화하기 위해 사용되는

충전제를 종합하고 기초이론을 정립함으로써 금후 원부

자재의 선정에 도움을 주었다

테플론은 석면 대체재로도 주목받고 있어 이에 관한 특

허 정보들을 제공하였으며 다이아몬드의 전형적인 특성

을 나타내는 DLC의 코팅관련 기술 정보를 환경오염 문

제와 연관하여 자료를 제공하였고 최근 비-점착 주방기

구인 프라이팬이나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가

열할 때 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수도 있

다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있어 이에

관한 정보도 제공하였다

68

2 지원의 한계

중소기업이 당면한 문제는 전문기술의 확보다 관련 기술

이 비약적으로 발전하는 추세에 비추어 한정된 인원으로

신기술을 소화하고 개발하기는 어려울 것이므로 출연연

구기관이나 대학과 공동연구를 모색할 수 있으나 이것도

중소기업으로서는 경제적 부담이 될 수밖에 없을 것으로

생각된다 가능하다면 앞으로도 KISTI의 정보지원이 계

속되기를 바라고 있었다

3 기대효과

부식대전 방지 테플론 코팅에 관한 기본 기술이 배양되

어 합리적인 원부 원료의 수입검사 공정관리 및 제품관

리를 통해 원가절감은 물론 신제품 신기술에 관한 정보

수집 및 분석능력이 배양되고 개발력이 확충되어 기업

경쟁력 향상에 도움이 될 것이다

69

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저자소개

김학주(金鶴柱) 서울대학교 문리과대학 화학과 졸업 이학사

전북대학교 대학원 화학과 이학박사

(주)삼양사 의약연구소장 신성대학교 교수

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 폴리에스테르 섬유의 연중직방기술 외 다수

저서 기기분석 공업물리화학 일반화학

성용길(成墉吉)

동국대학교 이과대학 화학과 졸업 이학사 이학석사

부산대학교 대학원 화학과 이학박사(Dr Sci)

University of Utah USA Ph D(공학박사) Post Dr

유타대학교 연구교수 부산대학교 교수 동국대학교 교수

동국대학교 명예교수 한국원자력문화진흥원 이사

과학문화연구원전문연구위원 한국도량형과학문화연구원 원장

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 의료용 기능성 고분자재료에 관한 연구 외 330편

저서 고분자 물성론 (서울대학교 출판부 공저) 외 10권

42

재료는 전기적 특성을 향상시키려는 연구와 산과 아

민 등의 기능기를 도입하여 SWNTs의 열전도도를 향

상시키려는 연구들이 수행되고 있다

- 기계적 분산방법인 전단혼합방법은 좁은 관이나 상대

적으로 높은 속도의 유동을 이용하여 발생한 전단력

으로 CNTs를 분산시키는 방법이다 Ku 등19)은 전단

혼합과 초음파처리를 이용하여 MWNTs로 강화된

에폭시 복합재료를 만들어 기계적 및 열적 특성을 연

구하였다

⑸ 내마모성 테프론 코팅

ㅇ 재료의 부식은 구조재에 원하지 않은 변화 원인으로 작

용하여 경제적인 문제로 귀결되는 심각한 문제이다 이들

원치 않는 변화는 때로 적절한 코팅에 의한 표면처리로

예방할 수 있다 가장 일반적이고 자주 사용되는 전착 코

팅은 아연에 기초한 아연 코팅 및 합금 코팅으로 이들

코팅은 간단한 기술로써 내부식성이 양호하여 전 표면처

리의 약 14에 해당하나 최근 낮은 마찰계수 등 다른 특

성들이 매우 중요하게 되었다 이들 특성은 다층 코팅으

로 대응할 수 있으나 두께가 증가하고 기술이 복잡하여

가능한 해결방법으로는 복합체 코팅이 있다 복합체 코팅

43

은 일반기계와 자동차 전자부품 및 컴퓨터 등 다양한 분

야에 적용된다 금속 기질에 미세한 PTFE 입자의 전착

에 의한 증착은 새로운 세대의 복합체 코팅으로써 가장

바람직한 특성은 양호한 내마모성 자기윤활 내부식성이

다 M Paderovaacute 등20)에 의하면 이들 특성은 주로 사용

한 입자(흑연 다이아몬드 MoS2 또는 PTFE)와 용액의

유형(pH 온도 bath 등) 뿐 아니라 입자의 크기 농도

분산 및 형태학에 의존한다

ㅇ 충전되지 않은 PTFE의 마모율은 736-741times10-4mm3Nm

로 내마모성이 낮아 다양한 충전제들이 첨가되고 있다

Xing-Dong Yuan 등21)은 진공 조건에서 PTFE 코팅

의 마모특성을 연구하여 초기에는 하중이 증가함에 따

라 마찰계수가 감소하나 하중이 6N 이상으로 커지면

마찰계수도 증가하며 압력이 PTFE 코팅의 마찰계수

에 미치는 영향이 거의 없고 마모는 압력이 증가하면

초기에는 감소하나 10Pa 보다 높으면 급격히 증가한

다고 보고하였다

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위해서는 윤활제로 PTFE

계 수지 접착제로는 폴리아미드이미드수지 산화철 분말

44

및 브론즈 분말 등을 혼합한 조성물을 사용하거나 미국

특허에서는 스와시플레이트 형 압축기의 플레이트 표면

에 MoS2 흑연 PTFE계 윤활제와 열경화성 수지인 폴리

아미드이미드(PAI) 조성물을 코팅하여 내마모 및 윤활성

을 부여하고 있다22) 내열성 향상을 위해서는 고체윤활

제 접착제수지 및 저융점 금속인 Sn Pb In Bi 등을 함

유하는 합금이나 화합물을 사용하여 금속의 잠열을 이용

내열성 향상을 시도하기도 한다

ㅇ 그간 철강(스테인리스강 탄소강 아연도금강판 등)의 내

부식성 향상을 위한 많은 연구들이 수행되어 왔다 4플루

오르에틸렌(C2H4) 4플루오르에탄(CF4) 6플루오르에탄

(C2F6) 3플루오르화에탄(CHF3) 8플루오르화에탄(C4F8)

같은 불소화된 단량체의 플라즈마 중합에 의한 테플론

류 코팅은 그들의 소수성으로 인해 금속의 내부식성 향

상을 위한 대안으로 주목을 받고 있다 A Delimi 등23)

은 유도결합 고주파플라즈마(inductively coupled radio

fre- quency plasma)를 사용하여 소수성 박막 불소수지

필름을 탄소강에 증착하고 3염수에서 내부식성을 평가

한 결과 1개월 동안 9nm의 필름이 유지되는 것을 관찰

하여 불소고분자 박막이 금속과 금속산화물의 보호층이

될 수 있음을 보고하였다

45

ㅇ PTFE를 이용한 세라믹코팅 기술로는 알루미늄 및 알루

미늄 합금 공작물을 양극처리에 의해서 티타늄 및또는

지르코늄 산화물을 포함하는 내식성 내열성 및 내마모

성 세라믹 코팅을 하고 이어서 양극처리된 공작물을

PTFE 또는 실리콘 함유 코팅과 같은 제 2 코팅으로 코

팅한다 이 발명은 가소성을 가지는 경질의 필름 내에서

내식성 내열성 및 내마모성을 제공하는 티타늄 및또는

지르코늄 산화물의 양극처리 층으로 기판을 예비-코팅함

으로써 알루미늄 기판에 보다 긴 수명의 코팅을 형성하

는데 특히 유용하다24)

ㅇ Nosaka 등25)은 PTFE로 대표되는 불소수지는 마모-링이

나 극저온 밸브의 실링부에 많이 사용되며 진공치환법에

의해 탄소재료에 PTFE나 MoS2 분말을 1-2wt 함침시

키면 무함침한 것에 비해 마모가 약 13로 감소한다고

보고하였다 한편 저자들은 터보펌프의 실링재료가 극저

온 환경에서 보이는 특이한 현상을 극복하기 위해 베어

링의 표면에 노출된 유리섬유를 불소산으로 처리하여 용

해 제거하고 윤활성을 높인 유리섬유강화 테프론 리테이

너를 개발하여 내구성과 윤활성을 향상시킬 수 있었다고

보고하고 있다

46

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위한 또 다른 특허로는

폴리실록산계 접착제를 단독 혹은 폴리에스테르계 접착

제와 병용하고 고체 윤활제로 MoS2(이황화몰리브덴

WS2(이황화텅스텐) h-BN(육방정 질화붕소) 팽창흑연

및 PTFE를 사용하고 충전제로 탄화규소 알루미나 산화

지르콘 산화티탄 등의 미분말을 사용하여 내마모 내열

및 윤활성을 부여하고자 하는 내마모성 및 윤활성 코팅

조성물에 관한 특허가 있다26)

ㅇ 내열성 내후성 내오염성 내약품성 내구성 등의 물성

은 유지하면서 비점착성을 높이기 위해 무기계 세라믹

코팅 조성물에 PTFE를 첨가하기도 한다 이러한 하이

브리드 코팅 조성물에 관한 특허로는 불소수지(01sim25

중량) 콜로이달 실리카나 콜로이달 알루미나 등 무

기계고분자 바인더(20sim80중량) 알콕시실란 화합물

(1sim50중량) 수용성 유기용제(1sim10중량) 충전제

또는 안료(5sim50중량) 및 물(100중량 까지 보충)로

이루어진 코팅 조성물에 관한 것으로 무기질 도료 및

무기계 세라믹 코팅에 의해 내열성 내오염성 내약품

성과 내구성을 유지하고 접착력을 높이기 위해 소량의

PTFE를 사용하는 것이 있다27)

47

ㅇ 정전 복사기에 사용되는 정착기재부의 최외층에 코팅하

여 기계적 성질 및 내마모성을 향상시키려는 목적으로

불소수지 기질 중에 분산된 불소화 다이아몬드를 함유하

는 입자로 구성된 조성물에 관한 일본 특허28)가 있다

ㅇ 부식 특성을 개선한 흑색 무크롬(chrome-free) 다층 내

부식 마무리 칠과 방법에 관한 특허29)로는 ASTM B 117

표준으로 시험할 때 백색 부식에는 최소 500시간 염수분

무시간 및 적색 부식에는 1500시간 염수분무시간에 적합

하게 설계된 마무리 칠에 관한 것이 있다 이 다층 시스

템은 광택(gloss) 4 이상을 만족하는 자동차 차체 강판

자동차 하부와 내장에 사용되기 위해 설계된 것으로 이

다층 마무리 칠은 3층 부식 방지 시스템을 형성하도록

아연-철 전기도금 기질 오르토인산을 사용한 무전해 인

산염 결정 전환 층과 XylanTeflon 실러 코팅의 조합이

다

ㅇ 전통적으로 철 강판(steel sheet)은 크롬산 염 전환 코팅

으로 개질되어 왔으나 6가 크롬이 배출되어 환경을 오염

시키는 문제점이 있어 강판의 내-부식성을 개선하기 위

해 고분자 수지 코팅들이 수행되고 있으나 이 방법은 고

48

분자 코팅 층이 열전도도를 감소시키는 단점을 가지고

있다 Kang 등30)은 강판 위의 고분자 코팅 층의 열전도

도를 향상시키기 위해 초미세-크기 다이몬드(μD)입자를

열전도 물질로 사용하였다 다양한 음이온 및 비-이온

계면활성제들을 사용하여 수용액 중에서 무거운 μD입자

의 안정화를 시험들을 한 결과 1-피렌카르복시산(PCA)

이 가장 양호하였다 그림 3-2는 이 시험 결과를 요약한

것이다

- 강판 위에 PCA로 안정화 된 μD 입자를 함유한 폴리

우레탄-기초 코팅 층은 열전도도가 0351W(mK)에서

0434 W(mK)(10 wtμD)로 향상되었으며 더욱 144

시간 동안 염수 분무 시험결과 부식거동은 관찰되지

않았다

그림 3-2 피렌카르복시산을 이용한 μD 표면처리

ㅇ 자동차공업에서는 기본적인 특성으로 내마모성이 요구되

49

는 강철 기계부품들의 마찰특성을 향상시키기 위해 다양

한 금속 및 고분자 코팅들이 광범하게 이용된다 내-마

모 코팅은 두 가지 주요 특성인 높은 표면경도와 자기-

윤활 특성이 필요하다 후자의 범주에 속하는 것이

PTFE와 MoS2 기초 코팅이다 무전해 니켈 코팅은 높은

경도로 인해 양호한 마찰 특성을 보이며 한편 열처리를

통해 경도를 향상시킬 수 있다 PTFE입자의 첨가는 코

팅경도를 감소시키나 자기-윤활특성을 부여한다 S

Rossi 등3132)은 마찰특성을 향상시키기 위해 이용되는 탄

소강에 이용되는 몇 가지 공업적인 코팅에 관한 부식거

동에 관해 평가 PTFE입자를 함유한 무전해 니켈-인

(Electroless Nickel-Phophorus)코팅은 PTFE 입자(자기-

윤활 특성)를 갖는 외층과 장벽-효과를 갖는 내층으로

인한 이중 특성으로 가장 양호한 특성을 보였다고 보고

하고 있다

ㅇ 모든 기계적 시스템은 동적 요소를 필요로 하며 마찰과

마모를 줄이기 위한 다양한 수단들이 가능하나 그 선택

은 환경이나 조작 조건에 제한을 받는다 PTFE는 자기

윤활 낮은 마찰계수 높은 열안정성과 화학약품 안정성

으로 산업분야에 널리 사용되는 엔지니어링 고분자이지

만 내마모성이 매우 부족하다 이러한 이유로 금속

-PTFE충전 복합체들이 PTFE의 마찰특성과 금속충전제

50

의 내마모성을 결합하여 특정 분야의 용도로 소개되어

왔으나 금속-고분자 물질에서의 충전제의 역할은 완전히

설명되지 않고 있다 복합체 표면의 과잉의 충전제 농도

는 미끄러지는 동안 부하를 지지하여 내마모성을 증가시

키는 것으로 생각되며 PTFE의 마모율은 Mo Zn Ni

Y2O3 및 SiO2 같은 무기 충전제에 의해 1000배가량 감소

되었다는 보고도 있다 유리섬유 구리 세라믹 탄소섬유

절단 탄소섬유 나노입자를 포함한 경질의 충전제 입자들

이 PTFE의 내마모성을 높이기 사용되어 왔다

ㅇ 비교적 두꺼운 코팅에는 열분사(thermal spray) 용사기

술이 정립되어 있고 용사 코팅은 내마모 내마찰 내프레

팅(fretting) 및 내부식을 요하는 산업에 많이 이용되고

있다

- 용사 몰리브덴(Mo)코팅은 실질적 내마모성 코팅으로

가장 광범하게 이용되며 프레임용사(flame spray)거나

와이어용사(wire spray)기술로 생산된 몰리브덴(Mo)

코팅은 흠이나 마모에 대한 고도의 저항을 얻기 위한

가장 좋은 코팅재료 중의 하나이다

- 알루미늄 청동(aluminium bronze)은 높은 내-부식성

과 내마모성을 갖는 것이 특징이다 저압 플라즈마 용

51

사 기술은 자기-아닐링(self-anealing)과 부서지기 쉽

도록 유도하는 γ-상의 형성을 피할 수 있도록 높은

냉각 속도를 얻는 데 사용되며 알루미늄 청동 저압

플라즈마 용사 코팅은 낮은 마찰과 마모를 보였고 비

교적 최근 플라즈마 용사 기술을 이용하여 알루미늄

기질에 고분자-세라믹 복합체를 코팅하는 기술이 개

발되었다33)복합체 코팅으로 행한 마찰 시험에서 낮

은 마찰계수를 얻을 수 있었다

- 낮은 마찰계수와 고 내마모성을 갖는 이성분 금속

-PTFE 코팅이 개발되었고 이들의 마찰 공학적 성능

이 보고되었다 PTFE-기초 복합체 설계에서 일반적

인 접근방법은 경질의 충전 입자들을 도입하는 것으

로 M Yamane 등34)은 PTFE-금속 이성분 코팅의 마

찰 마모성능에 관한 연구 결과 알루미늄 청동 코팅이

Mo코팅에 비해 PTFE 저장소(reservoir)에 유용했음

을 보고하였다

⑹ 충전 또는 강화 플루오르화 탄소1)

ㅇ 분말이나 강화섬유 등 전형적인 충전재들이 충전 또는

강화 플루오르화 탄소에 사용된다 충전재는 저온흐름

52

을 향상시키는 데 사용되며 수축과 균열을 줄이고 열

팽창을 낮추며 열전도율을 향상시킨다

ㅇ 분말이나 단섬유로 된 전형적인 충전제를 표 3-5에 종합

하였다 유리섬유는 가장 보편적인 PTFE 충전제로 화

학 및 전기적 특성에 최소로 영향을 미치며 기계적 특

성을 크게 향상시킨다 분말에 비해 섬유는 압축강도

강성도 및 지지용량을 더욱 향상시키나 분말은 충전

테플론의 내구성에 거의 영향을 미치지 않는다 금속분

말은 특히 열전도도를 향상시키며 고속에서 발생하는 마

찰열을 소멸하는데 도움이 되며 전기저항을 상당히 감소

시켜 금속-충전 조성물은 양호한 절연체는 아니다

ㅇ 흑연(graphite) MoS2는 초기 내구성과 마찰을 개선하고

기계적 특성을 향상시킨다 석면은 많은 유용한 특성을

갖지만 가공 처리 중 가스가 방출할 뿐 아니라 사용금지

물질이다 표 3-5 외에도 금속 망 장섬유 다공성 금속

등 다양한 충전제들이 있으며 다양한 종류의 제품들이

상업 생산되고 있어 최종 선정을 하기 전에 플라스틱 가

공업자로부터 보다 완전한 정보와 추천을 받는 것이 바

람직하다

53

표 3-5 불소수지용 충전제

ㅇ 압축강력 인장과 압축 시의 탄성률 및 항복강력은 첨가

제의 첨가에 의해 모두 증가하나 일반으로 인장강력과

신도 및 충격강도는 손실된다 통상 충전 테플론은 압축

상태에서 사용되므로 인장강력의 감소는 중요하지 않다

인장강력의 손실은 설치(연속적인 링-실링)할 때 인장되

는 재료에서 중요하다 열팽창 계수는 비-충전 테플론에

비해 감소되어 통상 금속 부품의 팽창계수와 잘 맞는다

ㅇ 마찰과 마모를 수반하는 분야에서 가장 중요한 것은 충

전제로 얻어지는 PV한계치의 증가와 마모의 감소다 비-

54

충전 테플론에 비해 PV한계치 크기는 개략적으로 1차원

적으로 증가하나 마모인자는 3차원적으로 감소한다 충전

테플론의 평균치들은 동적 마찰계수는 01-02 PV한계치

는 10000-20000 psi-fpm 마모상수는 10times10-10in3-min

lb-ft-hr이다 그림 3-3은 충전 테플론 PTFE의 마찰계

수에 미치는 충전제 종류와 농도의 효과에 관한 것이다

그림 3-3 테플론 PTFE에 미치는 충전제 종류와 농도1)

ㅇ 내마모성을 향상시키는 충전제는 실제로 연마저항성을

감소시키는 것으로 날카로운 입자는 보다 쉽게 침투하고

충전제 입자와 수지 사이의 경계를 따라 충전 플라스틱

을 찢는다 따라서 라이닝 슈트 같은 분야의 적용 시는

55

비-충전테플론이 보다 바람직하다

⑺ 시트 테이프 및 박층(laminates)

ㅇ 대부분의 플루오르화탄소는 충전 여부에 관계없이 두

께 1mil(0001 in)까지 시트나 테이프로 만들 수 있고

시트나 테이프를 찍어서 원하는 형상의 립-씰(lip seal)

펌프 컵(pump cup) 피스톤 링(piston rings) 가스켓

(gaskets) 등을 만들 수 있다

ㅇ 유체의 누설을 정지시키는 밀봉기능 부품 중 각종기기의

접합부나 배관 플랜지 등의 밀봉에 사용되는 가스켓

(gaskets)은 석면이 널리 사용되어 왔으나 유해물질 배

출 및 이동량 보고제도(PRTR Pollutant Release and

Transfer Register)에서 발암성을 가진 제1종 지정 화학

물질로 지정되어 사용이 금지되어 PTFE가 가스켓으로

개발되었다 PTFE는 용융 알칼리 금속 및 그 용액과 불

소 및 3불화염소에 의해 약간 침식되나 모든 화학약품에

안정하고 우수한 내부식 재료로 C-F결합력이 크고 F원

자가 C-C결합의 주위를 간격 없이 들러 싸고 있기 때문

에 다른 물질의 공격을 방어하고 있고 내열성은 260로

높다35)

56

- PTFE 필러를 사용한 PTFE 나선 권형 가스켓은 석

면에 대한 사용규제와 상관없이 사용되어 왔으며 유

연한 필러를 사용하므로 석면 가스켓 보다 낮은 체결

압력에서도 실 특성이 우수하고 내식 면에서도 광범

하고 다양한 유체에 사용이 가능하다 다만 단열성 면

에서는 석면 나선 권형 가스켓 보다 사용온도 범위가

제한된다

ㅇ 산업 기계나 자동차의 브레이크 제동장치에 부착하여 마

찰력을 부가하는 브레이크 라이닝에서는 마찰계수와 내

마모력 및 충격계수 등 마찰특성이 우수한 석면을 주로

사용하여 왔으나 제동 시 발생하는 미세 석면분진으로

인해 대기오염에 의한 환경을 파괴 뿐 아니라 인체에 흡

입될 경우 암을 유발하여 PRTR로 사용이 금지되었다

석면을 대체할 유기질 또는 무기질 된 다양한 비석면 마

찰 섬유 등이 사용되고 있으며 마찰 섬유에 테프론을 코

팅하여 브레이크라이닝의 수명향상 제동 시 발생하는 소

음 떨림 및 제동력 향상을 위한 제품개발이 시도되고

있다

- 예로 국내 특허36)에서는 브레이크 라이닝(또는 패드)

의 마찰재 배합재료 중 유기섬유(Kevlar섬유 pulp섬

57

유 등)에 테프론을 코팅하고 코팅된 유기섬유에 결합

재 충전재 윤활재 마찰안정재 마찰조정재 등을 소정

의 배합비로 배합하여 성형하고 열처리하여 브레이크

패드 또는 라이닝을 제조한다

ㅇ 초소형 정밀기계(MEMS Micro-Electromechanical

System)분야에서는 점착방지를 위해 불화 유기박막을

사용한다 Park 등37)은 단층 두께의 불화 유기박막의

특성을 접촉각 측정을 통해 분석하였다

⑻ DLC 코팅3839)

ㅇ DLC(diamond-like carbon)는 몇 가지 다이아몬드의 전

형적인 특성을 나타내는 비정질 탄소물질로 극도의 내마

모 특성을 필요로 하는 재료의 코팅에 이용되고 있다

DLC코팅은 연마 마모를 감소시키기 위한 재료에 유용하

여 엔드밀 드릴비트 금형 같은 공구는 물론 자동차 기

계부품 및 전자산업 등 산업전반에 걸쳐 적용된다40)

ㅇ 환경오염 문제로 인해 PRTR(Pollutant Release and

Transfer Register 유해물질 배출 및 이동량 보고 제

도) 이 시행되어 습동 부품이나 절삭 시에 사용되는 오

일이나 그리스에 포함되는 첨가제(MoS2 Zn 등)와 이들

58

부품을 세정할 때 사용되는 용매 기계부품의 수명을 연

장시키기 위해 활용되었던 Cr도금 폐액에서 발생하는 6

가 크롬 등의 오염물질들에 대한 규제가 더욱 강화되어

DLC에 의한 무윤활 습동과 무윤활 절삭을 지향한 공구

와 기계 부품의 개발이 관심을 끌고 있다4142)

- 일본 내에서는 PRTR이 시행되고 이것에 저촉되는 재

료에 관해서는 MSDS(Material Safety Data Sheet)를

첨부해야할 의무가 있고 부품가공 습동 용도에서는

대상 리스트에 올라 있는 오일 오일 중의 중금속 도

금폐액을 어떻게 경제성 있는 환경 친화적 공정과 재

료로 전환할 것인가를 고려하면서 무윤활 습동 무윤

활 절삭 탈크롬 도금의 3가지 키워드가 대두되고

DLC코팅이 대안으로 모색되고 있다

- DLC코팅 적용기술과 과제에 관한 자료로는 자동차

관련부품 적용사례 엔진부위 마찰 작동 밸브계의 마

찰저감 DLC와 윤활제에 의한 마찰저감 기술을 중심

으로 살펴본 보고가 있다43)

ㅇ DLC는 7가지 형태가 존재하며 모두 상당한 양의 sp3혼

성궤도 탄소원자를 함유한다 다양한 형태의 DLC가 진

공 환경으로 적합한 재료들에 적용가능하며 유럽에서의

59

2006년 위탁 DLC코팅 시장은 3천만euro로 추정되었고 국

내도 활발한 상용화가 시도되고 있다

ㅇ 사반면상(tetahedral) 비정질 탄소 ta-C를 2두께로 코

팅하면 연마마모에 대한 스테인레스 강(304 type)의 내구

성을 증가시켜 수명을 1주일에서 85년으로 늘이며 이러

한 DLC의 형태는 sp3결합 탄소 원자로만 이루어지기 때

문에 순수한 DLC로 간주되며 수소 sp2흑연 탄소 금속

같은 충전제가 생산경비를 낮추거나 원하는 특성을 부여

하기 위하여 사용되고 있다

ㅇ DLC를 만드는 방법에는 sp3탄소 보다 낮은 밀도의 sp

2

에 의존하는 몇 가지 방법들이 있으며 압력 충격 촉매

또는 이들의 조합으로 sp2결합탄소 원자들을 sp3결합탄소

로 근접시킨다 최근 초고압 하에서 탄소의 경량 특성을

갖는 초경도 무정형 다이아몬드가 만들어졌다 탄소로 만

들어지는 다이아몬드 그래파이트는 결정구조를 가지나

DLC는 비정질이라는 점에서 크게 다르고 200 정도의

저온에서 형성시킬 수 있다는 점이 통상의 PVD막에 비

해 훨씬 우위에 있다

ㅇ DLC코팅은 제조공정이 복잡하고 생산 단가가 비싸 적용

이 어려우며 적용되는 소재가 제한되는 단점을 갖는다

60

주요제법으로는 고주파 플라즈마 법 이온화 증착법 스

페터링법 등을 들수 있다 고주파 플라즈마 법은 메탄가

스가 원료로 사용되고 막 중의 수소가 약 30(원자)로

평활성이 우수하고 마찰계수가 작으나 경도가 낮다 이

온화 증착법은 벤젠을 사용하며 막은 단단하나 면의 조

도가 거칠고 후막화 하기 위해 스패터링 방법이 검토되

고 있다

⑼ 불소수지의 안전성

ㅇ 테플론 PTFE의 열분해는 200(392)에서 감지되며 이

것은 몇 가지 플루오르화 탄소 기체들과 승화물질을 방

출한다4445)1955년 동물실험에 관한 한 연구에서는 이들

물질이 250(482) 이하에서는 의미 있는 양이 아니라

고 결론지었으나 최근 비-점착 주방기구인 프라이팬이

나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가열할 때 조류를

죽일 수 있는 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수

도 있다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있다45)

ㅇ 표 3-6은 EWG가 보고한 3-5분 내에 370까지 불소수

지를 가열할 때 발생되는 15종의 불소화합물에 관한 것

이다 테플론과 같은 코팅물질들이 장기적으로 인체에 미

61

치는 영향에 관한 연구는 이루어지지 않고 있으나 독감

과 유사한 질병을 유발할 수 있으며 이를 중합체 증기열

(polymer fume fever)이라 한다

표 3-6 15종의 유해물질 및 유독성 기체44)

ㅇ 최근 표 3-6의 화합물들 중 특히 TFA와 과불화된

(perfluorinated) PFOA(perfluorooctanoic acid)에 관심이

증가되고 있다 PFOA는 새로운 환경오염물질로 미국 환

경보호청(EPA)에 의하면 보통 때는 문제가 없으나 조리

과정에서 프라이팬에 열을 가하고 강하게 긁을 경우 용

62

출되어 나오며 이것이 음식물과 함께 인체에 흡수되는

것으로 추정하였다 한편 DuPont의 테플론 PTFE 연구

결과에 의하면 검출한계인 9ppb 이상 검출되지 않으며

테플론 주방기구에서는 PFOA가 존재하지 않는다고 발

표하고 있다

- 물이나 공기를 통해 환경에 노출된 PFOA는 고 콜레

스테롤 궤양성 대장염 갑상선 질환 고환암 신장암

및 임신성 고혈압과 관련된다고 보고되었다

- PFOA는 불소수지 생산과정에서 사용되는 첨가물로써

암모늄 형태로 PTFE 유화중합에 계면활성제로 사용

되며 불소수지의 품질과 균일성을 유지하기 위해 필

수적인 첨가물이기 때문에 전 세계 모든 불소수지 제

조업체가 사용 중에 있다 한편 국내 주력 산업인 반

도체 생산 과정에서도 PFOA를 대량으로 사용하고 있

어 체계적인 실태조사와 대책수립이 필요하다는 의견

들이 대두되고 있다

⑽ 불소화합물의 안전성과 환경대책

ㅇ 표 3-6에서 살펴본 바와 같이 테플론을 급격히 고온으로

가열하면 2종의 발암물질을 포함한 유독성 가스가 발생

63

하고 특히 불소화합물 중 MFA(monofluoroacetic acid)는

적은 양으로도 치명적 해를 끼치고 PEIF(perfluoro-

isobutene)는 신경가스제로 여러 가지 질환을 발생시킨다

한다44)

따라서 테플론으로 코팅된 장치를 재 코팅하기

위해 테프론을 고온으로 급격히 가열하거나 소각 등을

통해 제거할 때는 발생 가능성이 있는 유독가스를 제거

하기 위한 별도의 설비를 이용하여야 하고 유 등44)의 보

고서에서와 같이 중조(NaHCO3)를 포화시킨 충분한 물로

유독 산성 물질을 중화시키는 것도 고려할 만하다 한편

부식대전 방지 코팅도 테플론 코팅 일변도에서 세라믹

코팅 CNTs이나 DLC 코팅기술로 대응하는 것을 추천하

고 싶으며 이것은 유해물질 배출 및 이동량 보고제도

(PRTR Pollutant Release and Transfer Register)에 대

비하는 등 기업의 장래를 고려하는 것도 될 것이다

ㅇ PTFE를 사용한 취사도구는 1960년대 이래 사용되어 오

고 있으나 최근 들어 이것의 안전성이 논쟁의 주제가 되

고 있으며 논의 주체는 PFOA(perfluorooctanoic acid)이

다 PFOA는 PTFE를 비롯한 많은 불소수지의 생산에

사용되며 DuPont의 테플론 PTFE 연구 결과에 의하면

프라이팬을 260 이상 고온에서 가열하거나 코팅이 벗

겨져도 PFOA가 존재하지 않는다고 한다 그러나 물이나

64

공기 토양 식품포장재 등 여러 곳에서 PFOA 오염사실

이 보고되고 있다 한다44)

- 미국 EPA는 인체와 환경에 대한 PFOA 연구를 계속

하고 있으며 2015년까지 PFOA 및 이와 관련된 화합

물 방출을 배제할 프로그램을 갖고 있으나 PTFE-기

초 비점착 취사기구를 중지시킬 타당성을 갖고 있지

는 않다 최종제품은 PFOA가 아닌 PTFE이기 때문이

다

- 수십 년 동안 불소수지 비점착 코팅이 시장을 지배하

였으나 최근 몇 가지 신기술들이 출현되고 있으며 이

들 대부분은 실리콘 세라믹과 실리콘 기술로 이들 코

팅은 PTFE와 PFOA를 함유하지 않는다

- 오늘날 출시된 비점착 취사용구는 수많은 상표로 팔

리고 있으며 DuPont에 의하면 대부분의 취사용구 코

팅은 정상적으로 사용할 때 3-5년 견딜 수 있을 것으

로 예측한다 너무 문질러서는 안 되고 따뜻한 비눗

물로 씻어주는 것이 좋으며 닳거나 흠이 생기지 않도

록 나무 플라스틱이나 코팅된 재료로 만든 도구를 선

택하고 보관도 흠이 생기지 않을 장소나 캐비닛을 권

장하고 있다

65

ㅇ 국내의 불소수지 안전성에 관한 것으로는 재질규격(납과

카드뮴)과 용출규격(납 과망간산칼륨소비량 증발잔류물)

이 식품용 기구 및 용기 포장 공전46)에 기재되어 있으며

최근 국내에서도 PFOA를 비롯한 유해 불소화합물에 관

한 관심이 커져 가고 있다

ㅇ PFOA 문제가 표면화 되면서 환경 보전형 불소계 발수

유제의 개발과 공업화도 새로이 부각되고 있다 이에 관

한 보고서를 모니터링한 KISTI자료47)를 중심으로 간단히

요약하면 발수제의 주요성분 퍼플루오로알킬기(Rf기)함

유 폴리머의 기능은 Rf기의 고리길이에 크게 의존하므로

PFOA문제 해법으로 탄소수 8 이상인 종래의 불소화학

에서 탈피 짧은 고리 Rf기(탄소수 6)를 가진 새로운 단

량체를 선택하여 발수제를 제조함으로써 환경 보전형 불

소계 발수유제를 개발하고 공업화하였다 한다

66

제 4 장

지원결과

1 지원결과 종합

테프론 코팅 기술의 문제점과 부식대전방지용 테플

론 코팅에 관한 정보 외에 신청기업의 요청에 따

라 C-나노튜브 코팅 및 DLC증착에 관련된 기술 정

보도 제공하였다

테플론은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat resistant)

비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coefficient of

friction) 내약품성(chemical resistance)과 특이한 전기적

특성(unique electrical properties) 및 온내구력(cryogenic

stability)으로 그 응용범위가 광범하며 용도에 따른 엄격

한 품질관리가 요구될 것으로 생각되어 중소기업에 적합

한 기초능력 배양과 신제품을 구상하기 위한 최신기술에

관한 정보를 제공하고자 하였다

67

불소수지의 코팅은 두께와 첨가제가 관건으로 이에 관한

자료를 제공하고자 하였으며 불소수지의 전기특성 폭발

성 환경과 반도체 제조공정에서의 대전 방지 처리를 위

한 정전기 관리 지표 등을 특허를 중심으로 조사하여 제

공하고자 하였다

C-나노튜브를 이용한 대전방지 코팅 기술 및 C-나노튜

브의 제법 등 이것에 관한 기초정보를 제공하고자 하였

으며 내마모성 테플론 코팅에 관해서는 테플론을 이용한

세라믹 코팅 기술에 관한 정보도 제공하고자 하였다

테플론의 기계적 전기적 특성을 강화하기 위해 사용되는

충전제를 종합하고 기초이론을 정립함으로써 금후 원부

자재의 선정에 도움을 주었다

테플론은 석면 대체재로도 주목받고 있어 이에 관한 특

허 정보들을 제공하였으며 다이아몬드의 전형적인 특성

을 나타내는 DLC의 코팅관련 기술 정보를 환경오염 문

제와 연관하여 자료를 제공하였고 최근 비-점착 주방기

구인 프라이팬이나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가

열할 때 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수도 있

다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있어 이에

관한 정보도 제공하였다

68

2 지원의 한계

중소기업이 당면한 문제는 전문기술의 확보다 관련 기술

이 비약적으로 발전하는 추세에 비추어 한정된 인원으로

신기술을 소화하고 개발하기는 어려울 것이므로 출연연

구기관이나 대학과 공동연구를 모색할 수 있으나 이것도

중소기업으로서는 경제적 부담이 될 수밖에 없을 것으로

생각된다 가능하다면 앞으로도 KISTI의 정보지원이 계

속되기를 바라고 있었다

3 기대효과

부식대전 방지 테플론 코팅에 관한 기본 기술이 배양되

어 합리적인 원부 원료의 수입검사 공정관리 및 제품관

리를 통해 원가절감은 물론 신제품 신기술에 관한 정보

수집 및 분석능력이 배양되고 개발력이 확충되어 기업

경쟁력 향상에 도움이 될 것이다

69

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저자소개

김학주(金鶴柱) 서울대학교 문리과대학 화학과 졸업 이학사

전북대학교 대학원 화학과 이학박사

(주)삼양사 의약연구소장 신성대학교 교수

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 폴리에스테르 섬유의 연중직방기술 외 다수

저서 기기분석 공업물리화학 일반화학

성용길(成墉吉)

동국대학교 이과대학 화학과 졸업 이학사 이학석사

부산대학교 대학원 화학과 이학박사(Dr Sci)

University of Utah USA Ph D(공학박사) Post Dr

유타대학교 연구교수 부산대학교 교수 동국대학교 교수

동국대학교 명예교수 한국원자력문화진흥원 이사

과학문화연구원전문연구위원 한국도량형과학문화연구원 원장

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 의료용 기능성 고분자재료에 관한 연구 외 330편

저서 고분자 물성론 (서울대학교 출판부 공저) 외 10권

43

은 일반기계와 자동차 전자부품 및 컴퓨터 등 다양한 분

야에 적용된다 금속 기질에 미세한 PTFE 입자의 전착

에 의한 증착은 새로운 세대의 복합체 코팅으로써 가장

바람직한 특성은 양호한 내마모성 자기윤활 내부식성이

다 M Paderovaacute 등20)에 의하면 이들 특성은 주로 사용

한 입자(흑연 다이아몬드 MoS2 또는 PTFE)와 용액의

유형(pH 온도 bath 등) 뿐 아니라 입자의 크기 농도

분산 및 형태학에 의존한다

ㅇ 충전되지 않은 PTFE의 마모율은 736-741times10-4mm3Nm

로 내마모성이 낮아 다양한 충전제들이 첨가되고 있다

Xing-Dong Yuan 등21)은 진공 조건에서 PTFE 코팅

의 마모특성을 연구하여 초기에는 하중이 증가함에 따

라 마찰계수가 감소하나 하중이 6N 이상으로 커지면

마찰계수도 증가하며 압력이 PTFE 코팅의 마찰계수

에 미치는 영향이 거의 없고 마모는 압력이 증가하면

초기에는 감소하나 10Pa 보다 높으면 급격히 증가한

다고 보고하였다

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위해서는 윤활제로 PTFE

계 수지 접착제로는 폴리아미드이미드수지 산화철 분말

44

및 브론즈 분말 등을 혼합한 조성물을 사용하거나 미국

특허에서는 스와시플레이트 형 압축기의 플레이트 표면

에 MoS2 흑연 PTFE계 윤활제와 열경화성 수지인 폴리

아미드이미드(PAI) 조성물을 코팅하여 내마모 및 윤활성

을 부여하고 있다22) 내열성 향상을 위해서는 고체윤활

제 접착제수지 및 저융점 금속인 Sn Pb In Bi 등을 함

유하는 합금이나 화합물을 사용하여 금속의 잠열을 이용

내열성 향상을 시도하기도 한다

ㅇ 그간 철강(스테인리스강 탄소강 아연도금강판 등)의 내

부식성 향상을 위한 많은 연구들이 수행되어 왔다 4플루

오르에틸렌(C2H4) 4플루오르에탄(CF4) 6플루오르에탄

(C2F6) 3플루오르화에탄(CHF3) 8플루오르화에탄(C4F8)

같은 불소화된 단량체의 플라즈마 중합에 의한 테플론

류 코팅은 그들의 소수성으로 인해 금속의 내부식성 향

상을 위한 대안으로 주목을 받고 있다 A Delimi 등23)

은 유도결합 고주파플라즈마(inductively coupled radio

fre- quency plasma)를 사용하여 소수성 박막 불소수지

필름을 탄소강에 증착하고 3염수에서 내부식성을 평가

한 결과 1개월 동안 9nm의 필름이 유지되는 것을 관찰

하여 불소고분자 박막이 금속과 금속산화물의 보호층이

될 수 있음을 보고하였다

45

ㅇ PTFE를 이용한 세라믹코팅 기술로는 알루미늄 및 알루

미늄 합금 공작물을 양극처리에 의해서 티타늄 및또는

지르코늄 산화물을 포함하는 내식성 내열성 및 내마모

성 세라믹 코팅을 하고 이어서 양극처리된 공작물을

PTFE 또는 실리콘 함유 코팅과 같은 제 2 코팅으로 코

팅한다 이 발명은 가소성을 가지는 경질의 필름 내에서

내식성 내열성 및 내마모성을 제공하는 티타늄 및또는

지르코늄 산화물의 양극처리 층으로 기판을 예비-코팅함

으로써 알루미늄 기판에 보다 긴 수명의 코팅을 형성하

는데 특히 유용하다24)

ㅇ Nosaka 등25)은 PTFE로 대표되는 불소수지는 마모-링이

나 극저온 밸브의 실링부에 많이 사용되며 진공치환법에

의해 탄소재료에 PTFE나 MoS2 분말을 1-2wt 함침시

키면 무함침한 것에 비해 마모가 약 13로 감소한다고

보고하였다 한편 저자들은 터보펌프의 실링재료가 극저

온 환경에서 보이는 특이한 현상을 극복하기 위해 베어

링의 표면에 노출된 유리섬유를 불소산으로 처리하여 용

해 제거하고 윤활성을 높인 유리섬유강화 테프론 리테이

너를 개발하여 내구성과 윤활성을 향상시킬 수 있었다고

보고하고 있다

46

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위한 또 다른 특허로는

폴리실록산계 접착제를 단독 혹은 폴리에스테르계 접착

제와 병용하고 고체 윤활제로 MoS2(이황화몰리브덴

WS2(이황화텅스텐) h-BN(육방정 질화붕소) 팽창흑연

및 PTFE를 사용하고 충전제로 탄화규소 알루미나 산화

지르콘 산화티탄 등의 미분말을 사용하여 내마모 내열

및 윤활성을 부여하고자 하는 내마모성 및 윤활성 코팅

조성물에 관한 특허가 있다26)

ㅇ 내열성 내후성 내오염성 내약품성 내구성 등의 물성

은 유지하면서 비점착성을 높이기 위해 무기계 세라믹

코팅 조성물에 PTFE를 첨가하기도 한다 이러한 하이

브리드 코팅 조성물에 관한 특허로는 불소수지(01sim25

중량) 콜로이달 실리카나 콜로이달 알루미나 등 무

기계고분자 바인더(20sim80중량) 알콕시실란 화합물

(1sim50중량) 수용성 유기용제(1sim10중량) 충전제

또는 안료(5sim50중량) 및 물(100중량 까지 보충)로

이루어진 코팅 조성물에 관한 것으로 무기질 도료 및

무기계 세라믹 코팅에 의해 내열성 내오염성 내약품

성과 내구성을 유지하고 접착력을 높이기 위해 소량의

PTFE를 사용하는 것이 있다27)

47

ㅇ 정전 복사기에 사용되는 정착기재부의 최외층에 코팅하

여 기계적 성질 및 내마모성을 향상시키려는 목적으로

불소수지 기질 중에 분산된 불소화 다이아몬드를 함유하

는 입자로 구성된 조성물에 관한 일본 특허28)가 있다

ㅇ 부식 특성을 개선한 흑색 무크롬(chrome-free) 다층 내

부식 마무리 칠과 방법에 관한 특허29)로는 ASTM B 117

표준으로 시험할 때 백색 부식에는 최소 500시간 염수분

무시간 및 적색 부식에는 1500시간 염수분무시간에 적합

하게 설계된 마무리 칠에 관한 것이 있다 이 다층 시스

템은 광택(gloss) 4 이상을 만족하는 자동차 차체 강판

자동차 하부와 내장에 사용되기 위해 설계된 것으로 이

다층 마무리 칠은 3층 부식 방지 시스템을 형성하도록

아연-철 전기도금 기질 오르토인산을 사용한 무전해 인

산염 결정 전환 층과 XylanTeflon 실러 코팅의 조합이

다

ㅇ 전통적으로 철 강판(steel sheet)은 크롬산 염 전환 코팅

으로 개질되어 왔으나 6가 크롬이 배출되어 환경을 오염

시키는 문제점이 있어 강판의 내-부식성을 개선하기 위

해 고분자 수지 코팅들이 수행되고 있으나 이 방법은 고

48

분자 코팅 층이 열전도도를 감소시키는 단점을 가지고

있다 Kang 등30)은 강판 위의 고분자 코팅 층의 열전도

도를 향상시키기 위해 초미세-크기 다이몬드(μD)입자를

열전도 물질로 사용하였다 다양한 음이온 및 비-이온

계면활성제들을 사용하여 수용액 중에서 무거운 μD입자

의 안정화를 시험들을 한 결과 1-피렌카르복시산(PCA)

이 가장 양호하였다 그림 3-2는 이 시험 결과를 요약한

것이다

- 강판 위에 PCA로 안정화 된 μD 입자를 함유한 폴리

우레탄-기초 코팅 층은 열전도도가 0351W(mK)에서

0434 W(mK)(10 wtμD)로 향상되었으며 더욱 144

시간 동안 염수 분무 시험결과 부식거동은 관찰되지

않았다

그림 3-2 피렌카르복시산을 이용한 μD 표면처리

ㅇ 자동차공업에서는 기본적인 특성으로 내마모성이 요구되

49

는 강철 기계부품들의 마찰특성을 향상시키기 위해 다양

한 금속 및 고분자 코팅들이 광범하게 이용된다 내-마

모 코팅은 두 가지 주요 특성인 높은 표면경도와 자기-

윤활 특성이 필요하다 후자의 범주에 속하는 것이

PTFE와 MoS2 기초 코팅이다 무전해 니켈 코팅은 높은

경도로 인해 양호한 마찰 특성을 보이며 한편 열처리를

통해 경도를 향상시킬 수 있다 PTFE입자의 첨가는 코

팅경도를 감소시키나 자기-윤활특성을 부여한다 S

Rossi 등3132)은 마찰특성을 향상시키기 위해 이용되는 탄

소강에 이용되는 몇 가지 공업적인 코팅에 관한 부식거

동에 관해 평가 PTFE입자를 함유한 무전해 니켈-인

(Electroless Nickel-Phophorus)코팅은 PTFE 입자(자기-

윤활 특성)를 갖는 외층과 장벽-효과를 갖는 내층으로

인한 이중 특성으로 가장 양호한 특성을 보였다고 보고

하고 있다

ㅇ 모든 기계적 시스템은 동적 요소를 필요로 하며 마찰과

마모를 줄이기 위한 다양한 수단들이 가능하나 그 선택

은 환경이나 조작 조건에 제한을 받는다 PTFE는 자기

윤활 낮은 마찰계수 높은 열안정성과 화학약품 안정성

으로 산업분야에 널리 사용되는 엔지니어링 고분자이지

만 내마모성이 매우 부족하다 이러한 이유로 금속

-PTFE충전 복합체들이 PTFE의 마찰특성과 금속충전제

50

의 내마모성을 결합하여 특정 분야의 용도로 소개되어

왔으나 금속-고분자 물질에서의 충전제의 역할은 완전히

설명되지 않고 있다 복합체 표면의 과잉의 충전제 농도

는 미끄러지는 동안 부하를 지지하여 내마모성을 증가시

키는 것으로 생각되며 PTFE의 마모율은 Mo Zn Ni

Y2O3 및 SiO2 같은 무기 충전제에 의해 1000배가량 감소

되었다는 보고도 있다 유리섬유 구리 세라믹 탄소섬유

절단 탄소섬유 나노입자를 포함한 경질의 충전제 입자들

이 PTFE의 내마모성을 높이기 사용되어 왔다

ㅇ 비교적 두꺼운 코팅에는 열분사(thermal spray) 용사기

술이 정립되어 있고 용사 코팅은 내마모 내마찰 내프레

팅(fretting) 및 내부식을 요하는 산업에 많이 이용되고

있다

- 용사 몰리브덴(Mo)코팅은 실질적 내마모성 코팅으로

가장 광범하게 이용되며 프레임용사(flame spray)거나

와이어용사(wire spray)기술로 생산된 몰리브덴(Mo)

코팅은 흠이나 마모에 대한 고도의 저항을 얻기 위한

가장 좋은 코팅재료 중의 하나이다

- 알루미늄 청동(aluminium bronze)은 높은 내-부식성

과 내마모성을 갖는 것이 특징이다 저압 플라즈마 용

51

사 기술은 자기-아닐링(self-anealing)과 부서지기 쉽

도록 유도하는 γ-상의 형성을 피할 수 있도록 높은

냉각 속도를 얻는 데 사용되며 알루미늄 청동 저압

플라즈마 용사 코팅은 낮은 마찰과 마모를 보였고 비

교적 최근 플라즈마 용사 기술을 이용하여 알루미늄

기질에 고분자-세라믹 복합체를 코팅하는 기술이 개

발되었다33)복합체 코팅으로 행한 마찰 시험에서 낮

은 마찰계수를 얻을 수 있었다

- 낮은 마찰계수와 고 내마모성을 갖는 이성분 금속

-PTFE 코팅이 개발되었고 이들의 마찰 공학적 성능

이 보고되었다 PTFE-기초 복합체 설계에서 일반적

인 접근방법은 경질의 충전 입자들을 도입하는 것으

로 M Yamane 등34)은 PTFE-금속 이성분 코팅의 마

찰 마모성능에 관한 연구 결과 알루미늄 청동 코팅이

Mo코팅에 비해 PTFE 저장소(reservoir)에 유용했음

을 보고하였다

⑹ 충전 또는 강화 플루오르화 탄소1)

ㅇ 분말이나 강화섬유 등 전형적인 충전재들이 충전 또는

강화 플루오르화 탄소에 사용된다 충전재는 저온흐름

52

을 향상시키는 데 사용되며 수축과 균열을 줄이고 열

팽창을 낮추며 열전도율을 향상시킨다

ㅇ 분말이나 단섬유로 된 전형적인 충전제를 표 3-5에 종합

하였다 유리섬유는 가장 보편적인 PTFE 충전제로 화

학 및 전기적 특성에 최소로 영향을 미치며 기계적 특

성을 크게 향상시킨다 분말에 비해 섬유는 압축강도

강성도 및 지지용량을 더욱 향상시키나 분말은 충전

테플론의 내구성에 거의 영향을 미치지 않는다 금속분

말은 특히 열전도도를 향상시키며 고속에서 발생하는 마

찰열을 소멸하는데 도움이 되며 전기저항을 상당히 감소

시켜 금속-충전 조성물은 양호한 절연체는 아니다

ㅇ 흑연(graphite) MoS2는 초기 내구성과 마찰을 개선하고

기계적 특성을 향상시킨다 석면은 많은 유용한 특성을

갖지만 가공 처리 중 가스가 방출할 뿐 아니라 사용금지

물질이다 표 3-5 외에도 금속 망 장섬유 다공성 금속

등 다양한 충전제들이 있으며 다양한 종류의 제품들이

상업 생산되고 있어 최종 선정을 하기 전에 플라스틱 가

공업자로부터 보다 완전한 정보와 추천을 받는 것이 바

람직하다

53

표 3-5 불소수지용 충전제

ㅇ 압축강력 인장과 압축 시의 탄성률 및 항복강력은 첨가

제의 첨가에 의해 모두 증가하나 일반으로 인장강력과

신도 및 충격강도는 손실된다 통상 충전 테플론은 압축

상태에서 사용되므로 인장강력의 감소는 중요하지 않다

인장강력의 손실은 설치(연속적인 링-실링)할 때 인장되

는 재료에서 중요하다 열팽창 계수는 비-충전 테플론에

비해 감소되어 통상 금속 부품의 팽창계수와 잘 맞는다

ㅇ 마찰과 마모를 수반하는 분야에서 가장 중요한 것은 충

전제로 얻어지는 PV한계치의 증가와 마모의 감소다 비-

54

충전 테플론에 비해 PV한계치 크기는 개략적으로 1차원

적으로 증가하나 마모인자는 3차원적으로 감소한다 충전

테플론의 평균치들은 동적 마찰계수는 01-02 PV한계치

는 10000-20000 psi-fpm 마모상수는 10times10-10in3-min

lb-ft-hr이다 그림 3-3은 충전 테플론 PTFE의 마찰계

수에 미치는 충전제 종류와 농도의 효과에 관한 것이다

그림 3-3 테플론 PTFE에 미치는 충전제 종류와 농도1)

ㅇ 내마모성을 향상시키는 충전제는 실제로 연마저항성을

감소시키는 것으로 날카로운 입자는 보다 쉽게 침투하고

충전제 입자와 수지 사이의 경계를 따라 충전 플라스틱

을 찢는다 따라서 라이닝 슈트 같은 분야의 적용 시는

55

비-충전테플론이 보다 바람직하다

⑺ 시트 테이프 및 박층(laminates)

ㅇ 대부분의 플루오르화탄소는 충전 여부에 관계없이 두

께 1mil(0001 in)까지 시트나 테이프로 만들 수 있고

시트나 테이프를 찍어서 원하는 형상의 립-씰(lip seal)

펌프 컵(pump cup) 피스톤 링(piston rings) 가스켓

(gaskets) 등을 만들 수 있다

ㅇ 유체의 누설을 정지시키는 밀봉기능 부품 중 각종기기의

접합부나 배관 플랜지 등의 밀봉에 사용되는 가스켓

(gaskets)은 석면이 널리 사용되어 왔으나 유해물질 배

출 및 이동량 보고제도(PRTR Pollutant Release and

Transfer Register)에서 발암성을 가진 제1종 지정 화학

물질로 지정되어 사용이 금지되어 PTFE가 가스켓으로

개발되었다 PTFE는 용융 알칼리 금속 및 그 용액과 불

소 및 3불화염소에 의해 약간 침식되나 모든 화학약품에

안정하고 우수한 내부식 재료로 C-F결합력이 크고 F원

자가 C-C결합의 주위를 간격 없이 들러 싸고 있기 때문

에 다른 물질의 공격을 방어하고 있고 내열성은 260로

높다35)

56

- PTFE 필러를 사용한 PTFE 나선 권형 가스켓은 석

면에 대한 사용규제와 상관없이 사용되어 왔으며 유

연한 필러를 사용하므로 석면 가스켓 보다 낮은 체결

압력에서도 실 특성이 우수하고 내식 면에서도 광범

하고 다양한 유체에 사용이 가능하다 다만 단열성 면

에서는 석면 나선 권형 가스켓 보다 사용온도 범위가

제한된다

ㅇ 산업 기계나 자동차의 브레이크 제동장치에 부착하여 마

찰력을 부가하는 브레이크 라이닝에서는 마찰계수와 내

마모력 및 충격계수 등 마찰특성이 우수한 석면을 주로

사용하여 왔으나 제동 시 발생하는 미세 석면분진으로

인해 대기오염에 의한 환경을 파괴 뿐 아니라 인체에 흡

입될 경우 암을 유발하여 PRTR로 사용이 금지되었다

석면을 대체할 유기질 또는 무기질 된 다양한 비석면 마

찰 섬유 등이 사용되고 있으며 마찰 섬유에 테프론을 코

팅하여 브레이크라이닝의 수명향상 제동 시 발생하는 소

음 떨림 및 제동력 향상을 위한 제품개발이 시도되고

있다

- 예로 국내 특허36)에서는 브레이크 라이닝(또는 패드)

의 마찰재 배합재료 중 유기섬유(Kevlar섬유 pulp섬

57

유 등)에 테프론을 코팅하고 코팅된 유기섬유에 결합

재 충전재 윤활재 마찰안정재 마찰조정재 등을 소정

의 배합비로 배합하여 성형하고 열처리하여 브레이크

패드 또는 라이닝을 제조한다

ㅇ 초소형 정밀기계(MEMS Micro-Electromechanical

System)분야에서는 점착방지를 위해 불화 유기박막을

사용한다 Park 등37)은 단층 두께의 불화 유기박막의

특성을 접촉각 측정을 통해 분석하였다

⑻ DLC 코팅3839)

ㅇ DLC(diamond-like carbon)는 몇 가지 다이아몬드의 전

형적인 특성을 나타내는 비정질 탄소물질로 극도의 내마

모 특성을 필요로 하는 재료의 코팅에 이용되고 있다

DLC코팅은 연마 마모를 감소시키기 위한 재료에 유용하

여 엔드밀 드릴비트 금형 같은 공구는 물론 자동차 기

계부품 및 전자산업 등 산업전반에 걸쳐 적용된다40)

ㅇ 환경오염 문제로 인해 PRTR(Pollutant Release and

Transfer Register 유해물질 배출 및 이동량 보고 제

도) 이 시행되어 습동 부품이나 절삭 시에 사용되는 오

일이나 그리스에 포함되는 첨가제(MoS2 Zn 등)와 이들

58

부품을 세정할 때 사용되는 용매 기계부품의 수명을 연

장시키기 위해 활용되었던 Cr도금 폐액에서 발생하는 6

가 크롬 등의 오염물질들에 대한 규제가 더욱 강화되어

DLC에 의한 무윤활 습동과 무윤활 절삭을 지향한 공구

와 기계 부품의 개발이 관심을 끌고 있다4142)

- 일본 내에서는 PRTR이 시행되고 이것에 저촉되는 재

료에 관해서는 MSDS(Material Safety Data Sheet)를

첨부해야할 의무가 있고 부품가공 습동 용도에서는

대상 리스트에 올라 있는 오일 오일 중의 중금속 도

금폐액을 어떻게 경제성 있는 환경 친화적 공정과 재

료로 전환할 것인가를 고려하면서 무윤활 습동 무윤

활 절삭 탈크롬 도금의 3가지 키워드가 대두되고

DLC코팅이 대안으로 모색되고 있다

- DLC코팅 적용기술과 과제에 관한 자료로는 자동차

관련부품 적용사례 엔진부위 마찰 작동 밸브계의 마

찰저감 DLC와 윤활제에 의한 마찰저감 기술을 중심

으로 살펴본 보고가 있다43)

ㅇ DLC는 7가지 형태가 존재하며 모두 상당한 양의 sp3혼

성궤도 탄소원자를 함유한다 다양한 형태의 DLC가 진

공 환경으로 적합한 재료들에 적용가능하며 유럽에서의

59

2006년 위탁 DLC코팅 시장은 3천만euro로 추정되었고 국

내도 활발한 상용화가 시도되고 있다

ㅇ 사반면상(tetahedral) 비정질 탄소 ta-C를 2두께로 코

팅하면 연마마모에 대한 스테인레스 강(304 type)의 내구

성을 증가시켜 수명을 1주일에서 85년으로 늘이며 이러

한 DLC의 형태는 sp3결합 탄소 원자로만 이루어지기 때

문에 순수한 DLC로 간주되며 수소 sp2흑연 탄소 금속

같은 충전제가 생산경비를 낮추거나 원하는 특성을 부여

하기 위하여 사용되고 있다

ㅇ DLC를 만드는 방법에는 sp3탄소 보다 낮은 밀도의 sp

2

에 의존하는 몇 가지 방법들이 있으며 압력 충격 촉매

또는 이들의 조합으로 sp2결합탄소 원자들을 sp3결합탄소

로 근접시킨다 최근 초고압 하에서 탄소의 경량 특성을

갖는 초경도 무정형 다이아몬드가 만들어졌다 탄소로 만

들어지는 다이아몬드 그래파이트는 결정구조를 가지나

DLC는 비정질이라는 점에서 크게 다르고 200 정도의

저온에서 형성시킬 수 있다는 점이 통상의 PVD막에 비

해 훨씬 우위에 있다

ㅇ DLC코팅은 제조공정이 복잡하고 생산 단가가 비싸 적용

이 어려우며 적용되는 소재가 제한되는 단점을 갖는다

60

주요제법으로는 고주파 플라즈마 법 이온화 증착법 스

페터링법 등을 들수 있다 고주파 플라즈마 법은 메탄가

스가 원료로 사용되고 막 중의 수소가 약 30(원자)로

평활성이 우수하고 마찰계수가 작으나 경도가 낮다 이

온화 증착법은 벤젠을 사용하며 막은 단단하나 면의 조

도가 거칠고 후막화 하기 위해 스패터링 방법이 검토되

고 있다

⑼ 불소수지의 안전성

ㅇ 테플론 PTFE의 열분해는 200(392)에서 감지되며 이

것은 몇 가지 플루오르화 탄소 기체들과 승화물질을 방

출한다4445)1955년 동물실험에 관한 한 연구에서는 이들

물질이 250(482) 이하에서는 의미 있는 양이 아니라

고 결론지었으나 최근 비-점착 주방기구인 프라이팬이

나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가열할 때 조류를

죽일 수 있는 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수

도 있다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있다45)

ㅇ 표 3-6은 EWG가 보고한 3-5분 내에 370까지 불소수

지를 가열할 때 발생되는 15종의 불소화합물에 관한 것

이다 테플론과 같은 코팅물질들이 장기적으로 인체에 미

61

치는 영향에 관한 연구는 이루어지지 않고 있으나 독감

과 유사한 질병을 유발할 수 있으며 이를 중합체 증기열

(polymer fume fever)이라 한다

표 3-6 15종의 유해물질 및 유독성 기체44)

ㅇ 최근 표 3-6의 화합물들 중 특히 TFA와 과불화된

(perfluorinated) PFOA(perfluorooctanoic acid)에 관심이

증가되고 있다 PFOA는 새로운 환경오염물질로 미국 환

경보호청(EPA)에 의하면 보통 때는 문제가 없으나 조리

과정에서 프라이팬에 열을 가하고 강하게 긁을 경우 용

62

출되어 나오며 이것이 음식물과 함께 인체에 흡수되는

것으로 추정하였다 한편 DuPont의 테플론 PTFE 연구

결과에 의하면 검출한계인 9ppb 이상 검출되지 않으며

테플론 주방기구에서는 PFOA가 존재하지 않는다고 발

표하고 있다

- 물이나 공기를 통해 환경에 노출된 PFOA는 고 콜레

스테롤 궤양성 대장염 갑상선 질환 고환암 신장암

및 임신성 고혈압과 관련된다고 보고되었다

- PFOA는 불소수지 생산과정에서 사용되는 첨가물로써

암모늄 형태로 PTFE 유화중합에 계면활성제로 사용

되며 불소수지의 품질과 균일성을 유지하기 위해 필

수적인 첨가물이기 때문에 전 세계 모든 불소수지 제

조업체가 사용 중에 있다 한편 국내 주력 산업인 반

도체 생산 과정에서도 PFOA를 대량으로 사용하고 있

어 체계적인 실태조사와 대책수립이 필요하다는 의견

들이 대두되고 있다

⑽ 불소화합물의 안전성과 환경대책

ㅇ 표 3-6에서 살펴본 바와 같이 테플론을 급격히 고온으로

가열하면 2종의 발암물질을 포함한 유독성 가스가 발생

63

하고 특히 불소화합물 중 MFA(monofluoroacetic acid)는

적은 양으로도 치명적 해를 끼치고 PEIF(perfluoro-

isobutene)는 신경가스제로 여러 가지 질환을 발생시킨다

한다44)

따라서 테플론으로 코팅된 장치를 재 코팅하기

위해 테프론을 고온으로 급격히 가열하거나 소각 등을

통해 제거할 때는 발생 가능성이 있는 유독가스를 제거

하기 위한 별도의 설비를 이용하여야 하고 유 등44)의 보

고서에서와 같이 중조(NaHCO3)를 포화시킨 충분한 물로

유독 산성 물질을 중화시키는 것도 고려할 만하다 한편

부식대전 방지 코팅도 테플론 코팅 일변도에서 세라믹

코팅 CNTs이나 DLC 코팅기술로 대응하는 것을 추천하

고 싶으며 이것은 유해물질 배출 및 이동량 보고제도

(PRTR Pollutant Release and Transfer Register)에 대

비하는 등 기업의 장래를 고려하는 것도 될 것이다

ㅇ PTFE를 사용한 취사도구는 1960년대 이래 사용되어 오

고 있으나 최근 들어 이것의 안전성이 논쟁의 주제가 되

고 있으며 논의 주체는 PFOA(perfluorooctanoic acid)이

다 PFOA는 PTFE를 비롯한 많은 불소수지의 생산에

사용되며 DuPont의 테플론 PTFE 연구 결과에 의하면

프라이팬을 260 이상 고온에서 가열하거나 코팅이 벗

겨져도 PFOA가 존재하지 않는다고 한다 그러나 물이나

64

공기 토양 식품포장재 등 여러 곳에서 PFOA 오염사실

이 보고되고 있다 한다44)

- 미국 EPA는 인체와 환경에 대한 PFOA 연구를 계속

하고 있으며 2015년까지 PFOA 및 이와 관련된 화합

물 방출을 배제할 프로그램을 갖고 있으나 PTFE-기

초 비점착 취사기구를 중지시킬 타당성을 갖고 있지

는 않다 최종제품은 PFOA가 아닌 PTFE이기 때문이

다

- 수십 년 동안 불소수지 비점착 코팅이 시장을 지배하

였으나 최근 몇 가지 신기술들이 출현되고 있으며 이

들 대부분은 실리콘 세라믹과 실리콘 기술로 이들 코

팅은 PTFE와 PFOA를 함유하지 않는다

- 오늘날 출시된 비점착 취사용구는 수많은 상표로 팔

리고 있으며 DuPont에 의하면 대부분의 취사용구 코

팅은 정상적으로 사용할 때 3-5년 견딜 수 있을 것으

로 예측한다 너무 문질러서는 안 되고 따뜻한 비눗

물로 씻어주는 것이 좋으며 닳거나 흠이 생기지 않도

록 나무 플라스틱이나 코팅된 재료로 만든 도구를 선

택하고 보관도 흠이 생기지 않을 장소나 캐비닛을 권

장하고 있다

65

ㅇ 국내의 불소수지 안전성에 관한 것으로는 재질규격(납과

카드뮴)과 용출규격(납 과망간산칼륨소비량 증발잔류물)

이 식품용 기구 및 용기 포장 공전46)에 기재되어 있으며

최근 국내에서도 PFOA를 비롯한 유해 불소화합물에 관

한 관심이 커져 가고 있다

ㅇ PFOA 문제가 표면화 되면서 환경 보전형 불소계 발수

유제의 개발과 공업화도 새로이 부각되고 있다 이에 관

한 보고서를 모니터링한 KISTI자료47)를 중심으로 간단히

요약하면 발수제의 주요성분 퍼플루오로알킬기(Rf기)함

유 폴리머의 기능은 Rf기의 고리길이에 크게 의존하므로

PFOA문제 해법으로 탄소수 8 이상인 종래의 불소화학

에서 탈피 짧은 고리 Rf기(탄소수 6)를 가진 새로운 단

량체를 선택하여 발수제를 제조함으로써 환경 보전형 불

소계 발수유제를 개발하고 공업화하였다 한다

66

제 4 장

지원결과

1 지원결과 종합

테프론 코팅 기술의 문제점과 부식대전방지용 테플

론 코팅에 관한 정보 외에 신청기업의 요청에 따

라 C-나노튜브 코팅 및 DLC증착에 관련된 기술 정

보도 제공하였다

테플론은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat resistant)

비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coefficient of

friction) 내약품성(chemical resistance)과 특이한 전기적

특성(unique electrical properties) 및 온내구력(cryogenic

stability)으로 그 응용범위가 광범하며 용도에 따른 엄격

한 품질관리가 요구될 것으로 생각되어 중소기업에 적합

한 기초능력 배양과 신제품을 구상하기 위한 최신기술에

관한 정보를 제공하고자 하였다

67

불소수지의 코팅은 두께와 첨가제가 관건으로 이에 관한

자료를 제공하고자 하였으며 불소수지의 전기특성 폭발

성 환경과 반도체 제조공정에서의 대전 방지 처리를 위

한 정전기 관리 지표 등을 특허를 중심으로 조사하여 제

공하고자 하였다

C-나노튜브를 이용한 대전방지 코팅 기술 및 C-나노튜

브의 제법 등 이것에 관한 기초정보를 제공하고자 하였

으며 내마모성 테플론 코팅에 관해서는 테플론을 이용한

세라믹 코팅 기술에 관한 정보도 제공하고자 하였다

테플론의 기계적 전기적 특성을 강화하기 위해 사용되는

충전제를 종합하고 기초이론을 정립함으로써 금후 원부

자재의 선정에 도움을 주었다

테플론은 석면 대체재로도 주목받고 있어 이에 관한 특

허 정보들을 제공하였으며 다이아몬드의 전형적인 특성

을 나타내는 DLC의 코팅관련 기술 정보를 환경오염 문

제와 연관하여 자료를 제공하였고 최근 비-점착 주방기

구인 프라이팬이나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가

열할 때 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수도 있

다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있어 이에

관한 정보도 제공하였다

68

2 지원의 한계

중소기업이 당면한 문제는 전문기술의 확보다 관련 기술

이 비약적으로 발전하는 추세에 비추어 한정된 인원으로

신기술을 소화하고 개발하기는 어려울 것이므로 출연연

구기관이나 대학과 공동연구를 모색할 수 있으나 이것도

중소기업으로서는 경제적 부담이 될 수밖에 없을 것으로

생각된다 가능하다면 앞으로도 KISTI의 정보지원이 계

속되기를 바라고 있었다

3 기대효과

부식대전 방지 테플론 코팅에 관한 기본 기술이 배양되

어 합리적인 원부 원료의 수입검사 공정관리 및 제품관

리를 통해 원가절감은 물론 신제품 신기술에 관한 정보

수집 및 분석능력이 배양되고 개발력이 확충되어 기업

경쟁력 향상에 도움이 될 것이다

69

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저자소개

김학주(金鶴柱) 서울대학교 문리과대학 화학과 졸업 이학사

전북대학교 대학원 화학과 이학박사

(주)삼양사 의약연구소장 신성대학교 교수

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 폴리에스테르 섬유의 연중직방기술 외 다수

저서 기기분석 공업물리화학 일반화학

성용길(成墉吉)

동국대학교 이과대학 화학과 졸업 이학사 이학석사

부산대학교 대학원 화학과 이학박사(Dr Sci)

University of Utah USA Ph D(공학박사) Post Dr

유타대학교 연구교수 부산대학교 교수 동국대학교 교수

동국대학교 명예교수 한국원자력문화진흥원 이사

과학문화연구원전문연구위원 한국도량형과학문화연구원 원장

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 의료용 기능성 고분자재료에 관한 연구 외 330편

저서 고분자 물성론 (서울대학교 출판부 공저) 외 10권

44

및 브론즈 분말 등을 혼합한 조성물을 사용하거나 미국

특허에서는 스와시플레이트 형 압축기의 플레이트 표면

에 MoS2 흑연 PTFE계 윤활제와 열경화성 수지인 폴리

아미드이미드(PAI) 조성물을 코팅하여 내마모 및 윤활성

을 부여하고 있다22) 내열성 향상을 위해서는 고체윤활

제 접착제수지 및 저융점 금속인 Sn Pb In Bi 등을 함

유하는 합금이나 화합물을 사용하여 금속의 잠열을 이용

내열성 향상을 시도하기도 한다

ㅇ 그간 철강(스테인리스강 탄소강 아연도금강판 등)의 내

부식성 향상을 위한 많은 연구들이 수행되어 왔다 4플루

오르에틸렌(C2H4) 4플루오르에탄(CF4) 6플루오르에탄

(C2F6) 3플루오르화에탄(CHF3) 8플루오르화에탄(C4F8)

같은 불소화된 단량체의 플라즈마 중합에 의한 테플론

류 코팅은 그들의 소수성으로 인해 금속의 내부식성 향

상을 위한 대안으로 주목을 받고 있다 A Delimi 등23)

은 유도결합 고주파플라즈마(inductively coupled radio

fre- quency plasma)를 사용하여 소수성 박막 불소수지

필름을 탄소강에 증착하고 3염수에서 내부식성을 평가

한 결과 1개월 동안 9nm의 필름이 유지되는 것을 관찰

하여 불소고분자 박막이 금속과 금속산화물의 보호층이

될 수 있음을 보고하였다

45

ㅇ PTFE를 이용한 세라믹코팅 기술로는 알루미늄 및 알루

미늄 합금 공작물을 양극처리에 의해서 티타늄 및또는

지르코늄 산화물을 포함하는 내식성 내열성 및 내마모

성 세라믹 코팅을 하고 이어서 양극처리된 공작물을

PTFE 또는 실리콘 함유 코팅과 같은 제 2 코팅으로 코

팅한다 이 발명은 가소성을 가지는 경질의 필름 내에서

내식성 내열성 및 내마모성을 제공하는 티타늄 및또는

지르코늄 산화물의 양극처리 층으로 기판을 예비-코팅함

으로써 알루미늄 기판에 보다 긴 수명의 코팅을 형성하

는데 특히 유용하다24)

ㅇ Nosaka 등25)은 PTFE로 대표되는 불소수지는 마모-링이

나 극저온 밸브의 실링부에 많이 사용되며 진공치환법에

의해 탄소재료에 PTFE나 MoS2 분말을 1-2wt 함침시

키면 무함침한 것에 비해 마모가 약 13로 감소한다고

보고하였다 한편 저자들은 터보펌프의 실링재료가 극저

온 환경에서 보이는 특이한 현상을 극복하기 위해 베어

링의 표면에 노출된 유리섬유를 불소산으로 처리하여 용

해 제거하고 윤활성을 높인 유리섬유강화 테프론 리테이

너를 개발하여 내구성과 윤활성을 향상시킬 수 있었다고

보고하고 있다

46

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위한 또 다른 특허로는

폴리실록산계 접착제를 단독 혹은 폴리에스테르계 접착

제와 병용하고 고체 윤활제로 MoS2(이황화몰리브덴

WS2(이황화텅스텐) h-BN(육방정 질화붕소) 팽창흑연

및 PTFE를 사용하고 충전제로 탄화규소 알루미나 산화

지르콘 산화티탄 등의 미분말을 사용하여 내마모 내열

및 윤활성을 부여하고자 하는 내마모성 및 윤활성 코팅

조성물에 관한 특허가 있다26)

ㅇ 내열성 내후성 내오염성 내약품성 내구성 등의 물성

은 유지하면서 비점착성을 높이기 위해 무기계 세라믹

코팅 조성물에 PTFE를 첨가하기도 한다 이러한 하이

브리드 코팅 조성물에 관한 특허로는 불소수지(01sim25

중량) 콜로이달 실리카나 콜로이달 알루미나 등 무

기계고분자 바인더(20sim80중량) 알콕시실란 화합물

(1sim50중량) 수용성 유기용제(1sim10중량) 충전제

또는 안료(5sim50중량) 및 물(100중량 까지 보충)로

이루어진 코팅 조성물에 관한 것으로 무기질 도료 및

무기계 세라믹 코팅에 의해 내열성 내오염성 내약품

성과 내구성을 유지하고 접착력을 높이기 위해 소량의

PTFE를 사용하는 것이 있다27)

47

ㅇ 정전 복사기에 사용되는 정착기재부의 최외층에 코팅하

여 기계적 성질 및 내마모성을 향상시키려는 목적으로

불소수지 기질 중에 분산된 불소화 다이아몬드를 함유하

는 입자로 구성된 조성물에 관한 일본 특허28)가 있다

ㅇ 부식 특성을 개선한 흑색 무크롬(chrome-free) 다층 내

부식 마무리 칠과 방법에 관한 특허29)로는 ASTM B 117

표준으로 시험할 때 백색 부식에는 최소 500시간 염수분

무시간 및 적색 부식에는 1500시간 염수분무시간에 적합

하게 설계된 마무리 칠에 관한 것이 있다 이 다층 시스

템은 광택(gloss) 4 이상을 만족하는 자동차 차체 강판

자동차 하부와 내장에 사용되기 위해 설계된 것으로 이

다층 마무리 칠은 3층 부식 방지 시스템을 형성하도록

아연-철 전기도금 기질 오르토인산을 사용한 무전해 인

산염 결정 전환 층과 XylanTeflon 실러 코팅의 조합이

다

ㅇ 전통적으로 철 강판(steel sheet)은 크롬산 염 전환 코팅

으로 개질되어 왔으나 6가 크롬이 배출되어 환경을 오염

시키는 문제점이 있어 강판의 내-부식성을 개선하기 위

해 고분자 수지 코팅들이 수행되고 있으나 이 방법은 고

48

분자 코팅 층이 열전도도를 감소시키는 단점을 가지고

있다 Kang 등30)은 강판 위의 고분자 코팅 층의 열전도

도를 향상시키기 위해 초미세-크기 다이몬드(μD)입자를

열전도 물질로 사용하였다 다양한 음이온 및 비-이온

계면활성제들을 사용하여 수용액 중에서 무거운 μD입자

의 안정화를 시험들을 한 결과 1-피렌카르복시산(PCA)

이 가장 양호하였다 그림 3-2는 이 시험 결과를 요약한

것이다

- 강판 위에 PCA로 안정화 된 μD 입자를 함유한 폴리

우레탄-기초 코팅 층은 열전도도가 0351W(mK)에서

0434 W(mK)(10 wtμD)로 향상되었으며 더욱 144

시간 동안 염수 분무 시험결과 부식거동은 관찰되지

않았다

그림 3-2 피렌카르복시산을 이용한 μD 표면처리

ㅇ 자동차공업에서는 기본적인 특성으로 내마모성이 요구되

49

는 강철 기계부품들의 마찰특성을 향상시키기 위해 다양

한 금속 및 고분자 코팅들이 광범하게 이용된다 내-마

모 코팅은 두 가지 주요 특성인 높은 표면경도와 자기-

윤활 특성이 필요하다 후자의 범주에 속하는 것이

PTFE와 MoS2 기초 코팅이다 무전해 니켈 코팅은 높은

경도로 인해 양호한 마찰 특성을 보이며 한편 열처리를

통해 경도를 향상시킬 수 있다 PTFE입자의 첨가는 코

팅경도를 감소시키나 자기-윤활특성을 부여한다 S

Rossi 등3132)은 마찰특성을 향상시키기 위해 이용되는 탄

소강에 이용되는 몇 가지 공업적인 코팅에 관한 부식거

동에 관해 평가 PTFE입자를 함유한 무전해 니켈-인

(Electroless Nickel-Phophorus)코팅은 PTFE 입자(자기-

윤활 특성)를 갖는 외층과 장벽-효과를 갖는 내층으로

인한 이중 특성으로 가장 양호한 특성을 보였다고 보고

하고 있다

ㅇ 모든 기계적 시스템은 동적 요소를 필요로 하며 마찰과

마모를 줄이기 위한 다양한 수단들이 가능하나 그 선택

은 환경이나 조작 조건에 제한을 받는다 PTFE는 자기

윤활 낮은 마찰계수 높은 열안정성과 화학약품 안정성

으로 산업분야에 널리 사용되는 엔지니어링 고분자이지

만 내마모성이 매우 부족하다 이러한 이유로 금속

-PTFE충전 복합체들이 PTFE의 마찰특성과 금속충전제

50

의 내마모성을 결합하여 특정 분야의 용도로 소개되어

왔으나 금속-고분자 물질에서의 충전제의 역할은 완전히

설명되지 않고 있다 복합체 표면의 과잉의 충전제 농도

는 미끄러지는 동안 부하를 지지하여 내마모성을 증가시

키는 것으로 생각되며 PTFE의 마모율은 Mo Zn Ni

Y2O3 및 SiO2 같은 무기 충전제에 의해 1000배가량 감소

되었다는 보고도 있다 유리섬유 구리 세라믹 탄소섬유

절단 탄소섬유 나노입자를 포함한 경질의 충전제 입자들

이 PTFE의 내마모성을 높이기 사용되어 왔다

ㅇ 비교적 두꺼운 코팅에는 열분사(thermal spray) 용사기

술이 정립되어 있고 용사 코팅은 내마모 내마찰 내프레

팅(fretting) 및 내부식을 요하는 산업에 많이 이용되고

있다

- 용사 몰리브덴(Mo)코팅은 실질적 내마모성 코팅으로

가장 광범하게 이용되며 프레임용사(flame spray)거나

와이어용사(wire spray)기술로 생산된 몰리브덴(Mo)

코팅은 흠이나 마모에 대한 고도의 저항을 얻기 위한

가장 좋은 코팅재료 중의 하나이다

- 알루미늄 청동(aluminium bronze)은 높은 내-부식성

과 내마모성을 갖는 것이 특징이다 저압 플라즈마 용

51

사 기술은 자기-아닐링(self-anealing)과 부서지기 쉽

도록 유도하는 γ-상의 형성을 피할 수 있도록 높은

냉각 속도를 얻는 데 사용되며 알루미늄 청동 저압

플라즈마 용사 코팅은 낮은 마찰과 마모를 보였고 비

교적 최근 플라즈마 용사 기술을 이용하여 알루미늄

기질에 고분자-세라믹 복합체를 코팅하는 기술이 개

발되었다33)복합체 코팅으로 행한 마찰 시험에서 낮

은 마찰계수를 얻을 수 있었다

- 낮은 마찰계수와 고 내마모성을 갖는 이성분 금속

-PTFE 코팅이 개발되었고 이들의 마찰 공학적 성능

이 보고되었다 PTFE-기초 복합체 설계에서 일반적

인 접근방법은 경질의 충전 입자들을 도입하는 것으

로 M Yamane 등34)은 PTFE-금속 이성분 코팅의 마

찰 마모성능에 관한 연구 결과 알루미늄 청동 코팅이

Mo코팅에 비해 PTFE 저장소(reservoir)에 유용했음

을 보고하였다

⑹ 충전 또는 강화 플루오르화 탄소1)

ㅇ 분말이나 강화섬유 등 전형적인 충전재들이 충전 또는

강화 플루오르화 탄소에 사용된다 충전재는 저온흐름

52

을 향상시키는 데 사용되며 수축과 균열을 줄이고 열

팽창을 낮추며 열전도율을 향상시킨다

ㅇ 분말이나 단섬유로 된 전형적인 충전제를 표 3-5에 종합

하였다 유리섬유는 가장 보편적인 PTFE 충전제로 화

학 및 전기적 특성에 최소로 영향을 미치며 기계적 특

성을 크게 향상시킨다 분말에 비해 섬유는 압축강도

강성도 및 지지용량을 더욱 향상시키나 분말은 충전

테플론의 내구성에 거의 영향을 미치지 않는다 금속분

말은 특히 열전도도를 향상시키며 고속에서 발생하는 마

찰열을 소멸하는데 도움이 되며 전기저항을 상당히 감소

시켜 금속-충전 조성물은 양호한 절연체는 아니다

ㅇ 흑연(graphite) MoS2는 초기 내구성과 마찰을 개선하고

기계적 특성을 향상시킨다 석면은 많은 유용한 특성을

갖지만 가공 처리 중 가스가 방출할 뿐 아니라 사용금지

물질이다 표 3-5 외에도 금속 망 장섬유 다공성 금속

등 다양한 충전제들이 있으며 다양한 종류의 제품들이

상업 생산되고 있어 최종 선정을 하기 전에 플라스틱 가

공업자로부터 보다 완전한 정보와 추천을 받는 것이 바

람직하다

53

표 3-5 불소수지용 충전제

ㅇ 압축강력 인장과 압축 시의 탄성률 및 항복강력은 첨가

제의 첨가에 의해 모두 증가하나 일반으로 인장강력과

신도 및 충격강도는 손실된다 통상 충전 테플론은 압축

상태에서 사용되므로 인장강력의 감소는 중요하지 않다

인장강력의 손실은 설치(연속적인 링-실링)할 때 인장되

는 재료에서 중요하다 열팽창 계수는 비-충전 테플론에

비해 감소되어 통상 금속 부품의 팽창계수와 잘 맞는다

ㅇ 마찰과 마모를 수반하는 분야에서 가장 중요한 것은 충

전제로 얻어지는 PV한계치의 증가와 마모의 감소다 비-

54

충전 테플론에 비해 PV한계치 크기는 개략적으로 1차원

적으로 증가하나 마모인자는 3차원적으로 감소한다 충전

테플론의 평균치들은 동적 마찰계수는 01-02 PV한계치

는 10000-20000 psi-fpm 마모상수는 10times10-10in3-min

lb-ft-hr이다 그림 3-3은 충전 테플론 PTFE의 마찰계

수에 미치는 충전제 종류와 농도의 효과에 관한 것이다

그림 3-3 테플론 PTFE에 미치는 충전제 종류와 농도1)

ㅇ 내마모성을 향상시키는 충전제는 실제로 연마저항성을

감소시키는 것으로 날카로운 입자는 보다 쉽게 침투하고

충전제 입자와 수지 사이의 경계를 따라 충전 플라스틱

을 찢는다 따라서 라이닝 슈트 같은 분야의 적용 시는

55

비-충전테플론이 보다 바람직하다

⑺ 시트 테이프 및 박층(laminates)

ㅇ 대부분의 플루오르화탄소는 충전 여부에 관계없이 두

께 1mil(0001 in)까지 시트나 테이프로 만들 수 있고

시트나 테이프를 찍어서 원하는 형상의 립-씰(lip seal)

펌프 컵(pump cup) 피스톤 링(piston rings) 가스켓

(gaskets) 등을 만들 수 있다

ㅇ 유체의 누설을 정지시키는 밀봉기능 부품 중 각종기기의

접합부나 배관 플랜지 등의 밀봉에 사용되는 가스켓

(gaskets)은 석면이 널리 사용되어 왔으나 유해물질 배

출 및 이동량 보고제도(PRTR Pollutant Release and

Transfer Register)에서 발암성을 가진 제1종 지정 화학

물질로 지정되어 사용이 금지되어 PTFE가 가스켓으로

개발되었다 PTFE는 용융 알칼리 금속 및 그 용액과 불

소 및 3불화염소에 의해 약간 침식되나 모든 화학약품에

안정하고 우수한 내부식 재료로 C-F결합력이 크고 F원

자가 C-C결합의 주위를 간격 없이 들러 싸고 있기 때문

에 다른 물질의 공격을 방어하고 있고 내열성은 260로

높다35)

56

- PTFE 필러를 사용한 PTFE 나선 권형 가스켓은 석

면에 대한 사용규제와 상관없이 사용되어 왔으며 유

연한 필러를 사용하므로 석면 가스켓 보다 낮은 체결

압력에서도 실 특성이 우수하고 내식 면에서도 광범

하고 다양한 유체에 사용이 가능하다 다만 단열성 면

에서는 석면 나선 권형 가스켓 보다 사용온도 범위가

제한된다

ㅇ 산업 기계나 자동차의 브레이크 제동장치에 부착하여 마

찰력을 부가하는 브레이크 라이닝에서는 마찰계수와 내

마모력 및 충격계수 등 마찰특성이 우수한 석면을 주로

사용하여 왔으나 제동 시 발생하는 미세 석면분진으로

인해 대기오염에 의한 환경을 파괴 뿐 아니라 인체에 흡

입될 경우 암을 유발하여 PRTR로 사용이 금지되었다

석면을 대체할 유기질 또는 무기질 된 다양한 비석면 마

찰 섬유 등이 사용되고 있으며 마찰 섬유에 테프론을 코

팅하여 브레이크라이닝의 수명향상 제동 시 발생하는 소

음 떨림 및 제동력 향상을 위한 제품개발이 시도되고

있다

- 예로 국내 특허36)에서는 브레이크 라이닝(또는 패드)

의 마찰재 배합재료 중 유기섬유(Kevlar섬유 pulp섬

57

유 등)에 테프론을 코팅하고 코팅된 유기섬유에 결합

재 충전재 윤활재 마찰안정재 마찰조정재 등을 소정

의 배합비로 배합하여 성형하고 열처리하여 브레이크

패드 또는 라이닝을 제조한다

ㅇ 초소형 정밀기계(MEMS Micro-Electromechanical

System)분야에서는 점착방지를 위해 불화 유기박막을

사용한다 Park 등37)은 단층 두께의 불화 유기박막의

특성을 접촉각 측정을 통해 분석하였다

⑻ DLC 코팅3839)

ㅇ DLC(diamond-like carbon)는 몇 가지 다이아몬드의 전

형적인 특성을 나타내는 비정질 탄소물질로 극도의 내마

모 특성을 필요로 하는 재료의 코팅에 이용되고 있다

DLC코팅은 연마 마모를 감소시키기 위한 재료에 유용하

여 엔드밀 드릴비트 금형 같은 공구는 물론 자동차 기

계부품 및 전자산업 등 산업전반에 걸쳐 적용된다40)

ㅇ 환경오염 문제로 인해 PRTR(Pollutant Release and

Transfer Register 유해물질 배출 및 이동량 보고 제

도) 이 시행되어 습동 부품이나 절삭 시에 사용되는 오

일이나 그리스에 포함되는 첨가제(MoS2 Zn 등)와 이들

58

부품을 세정할 때 사용되는 용매 기계부품의 수명을 연

장시키기 위해 활용되었던 Cr도금 폐액에서 발생하는 6

가 크롬 등의 오염물질들에 대한 규제가 더욱 강화되어

DLC에 의한 무윤활 습동과 무윤활 절삭을 지향한 공구

와 기계 부품의 개발이 관심을 끌고 있다4142)

- 일본 내에서는 PRTR이 시행되고 이것에 저촉되는 재

료에 관해서는 MSDS(Material Safety Data Sheet)를

첨부해야할 의무가 있고 부품가공 습동 용도에서는

대상 리스트에 올라 있는 오일 오일 중의 중금속 도

금폐액을 어떻게 경제성 있는 환경 친화적 공정과 재

료로 전환할 것인가를 고려하면서 무윤활 습동 무윤

활 절삭 탈크롬 도금의 3가지 키워드가 대두되고

DLC코팅이 대안으로 모색되고 있다

- DLC코팅 적용기술과 과제에 관한 자료로는 자동차

관련부품 적용사례 엔진부위 마찰 작동 밸브계의 마

찰저감 DLC와 윤활제에 의한 마찰저감 기술을 중심

으로 살펴본 보고가 있다43)

ㅇ DLC는 7가지 형태가 존재하며 모두 상당한 양의 sp3혼

성궤도 탄소원자를 함유한다 다양한 형태의 DLC가 진

공 환경으로 적합한 재료들에 적용가능하며 유럽에서의

59

2006년 위탁 DLC코팅 시장은 3천만euro로 추정되었고 국

내도 활발한 상용화가 시도되고 있다

ㅇ 사반면상(tetahedral) 비정질 탄소 ta-C를 2두께로 코

팅하면 연마마모에 대한 스테인레스 강(304 type)의 내구

성을 증가시켜 수명을 1주일에서 85년으로 늘이며 이러

한 DLC의 형태는 sp3결합 탄소 원자로만 이루어지기 때

문에 순수한 DLC로 간주되며 수소 sp2흑연 탄소 금속

같은 충전제가 생산경비를 낮추거나 원하는 특성을 부여

하기 위하여 사용되고 있다

ㅇ DLC를 만드는 방법에는 sp3탄소 보다 낮은 밀도의 sp

2

에 의존하는 몇 가지 방법들이 있으며 압력 충격 촉매

또는 이들의 조합으로 sp2결합탄소 원자들을 sp3결합탄소

로 근접시킨다 최근 초고압 하에서 탄소의 경량 특성을

갖는 초경도 무정형 다이아몬드가 만들어졌다 탄소로 만

들어지는 다이아몬드 그래파이트는 결정구조를 가지나

DLC는 비정질이라는 점에서 크게 다르고 200 정도의

저온에서 형성시킬 수 있다는 점이 통상의 PVD막에 비

해 훨씬 우위에 있다

ㅇ DLC코팅은 제조공정이 복잡하고 생산 단가가 비싸 적용

이 어려우며 적용되는 소재가 제한되는 단점을 갖는다

60

주요제법으로는 고주파 플라즈마 법 이온화 증착법 스

페터링법 등을 들수 있다 고주파 플라즈마 법은 메탄가

스가 원료로 사용되고 막 중의 수소가 약 30(원자)로

평활성이 우수하고 마찰계수가 작으나 경도가 낮다 이

온화 증착법은 벤젠을 사용하며 막은 단단하나 면의 조

도가 거칠고 후막화 하기 위해 스패터링 방법이 검토되

고 있다

⑼ 불소수지의 안전성

ㅇ 테플론 PTFE의 열분해는 200(392)에서 감지되며 이

것은 몇 가지 플루오르화 탄소 기체들과 승화물질을 방

출한다4445)1955년 동물실험에 관한 한 연구에서는 이들

물질이 250(482) 이하에서는 의미 있는 양이 아니라

고 결론지었으나 최근 비-점착 주방기구인 프라이팬이

나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가열할 때 조류를

죽일 수 있는 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수

도 있다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있다45)

ㅇ 표 3-6은 EWG가 보고한 3-5분 내에 370까지 불소수

지를 가열할 때 발생되는 15종의 불소화합물에 관한 것

이다 테플론과 같은 코팅물질들이 장기적으로 인체에 미

61

치는 영향에 관한 연구는 이루어지지 않고 있으나 독감

과 유사한 질병을 유발할 수 있으며 이를 중합체 증기열

(polymer fume fever)이라 한다

표 3-6 15종의 유해물질 및 유독성 기체44)

ㅇ 최근 표 3-6의 화합물들 중 특히 TFA와 과불화된

(perfluorinated) PFOA(perfluorooctanoic acid)에 관심이

증가되고 있다 PFOA는 새로운 환경오염물질로 미국 환

경보호청(EPA)에 의하면 보통 때는 문제가 없으나 조리

과정에서 프라이팬에 열을 가하고 강하게 긁을 경우 용

62

출되어 나오며 이것이 음식물과 함께 인체에 흡수되는

것으로 추정하였다 한편 DuPont의 테플론 PTFE 연구

결과에 의하면 검출한계인 9ppb 이상 검출되지 않으며

테플론 주방기구에서는 PFOA가 존재하지 않는다고 발

표하고 있다

- 물이나 공기를 통해 환경에 노출된 PFOA는 고 콜레

스테롤 궤양성 대장염 갑상선 질환 고환암 신장암

및 임신성 고혈압과 관련된다고 보고되었다

- PFOA는 불소수지 생산과정에서 사용되는 첨가물로써

암모늄 형태로 PTFE 유화중합에 계면활성제로 사용

되며 불소수지의 품질과 균일성을 유지하기 위해 필

수적인 첨가물이기 때문에 전 세계 모든 불소수지 제

조업체가 사용 중에 있다 한편 국내 주력 산업인 반

도체 생산 과정에서도 PFOA를 대량으로 사용하고 있

어 체계적인 실태조사와 대책수립이 필요하다는 의견

들이 대두되고 있다

⑽ 불소화합물의 안전성과 환경대책

ㅇ 표 3-6에서 살펴본 바와 같이 테플론을 급격히 고온으로

가열하면 2종의 발암물질을 포함한 유독성 가스가 발생

63

하고 특히 불소화합물 중 MFA(monofluoroacetic acid)는

적은 양으로도 치명적 해를 끼치고 PEIF(perfluoro-

isobutene)는 신경가스제로 여러 가지 질환을 발생시킨다

한다44)

따라서 테플론으로 코팅된 장치를 재 코팅하기

위해 테프론을 고온으로 급격히 가열하거나 소각 등을

통해 제거할 때는 발생 가능성이 있는 유독가스를 제거

하기 위한 별도의 설비를 이용하여야 하고 유 등44)의 보

고서에서와 같이 중조(NaHCO3)를 포화시킨 충분한 물로

유독 산성 물질을 중화시키는 것도 고려할 만하다 한편

부식대전 방지 코팅도 테플론 코팅 일변도에서 세라믹

코팅 CNTs이나 DLC 코팅기술로 대응하는 것을 추천하

고 싶으며 이것은 유해물질 배출 및 이동량 보고제도

(PRTR Pollutant Release and Transfer Register)에 대

비하는 등 기업의 장래를 고려하는 것도 될 것이다

ㅇ PTFE를 사용한 취사도구는 1960년대 이래 사용되어 오

고 있으나 최근 들어 이것의 안전성이 논쟁의 주제가 되

고 있으며 논의 주체는 PFOA(perfluorooctanoic acid)이

다 PFOA는 PTFE를 비롯한 많은 불소수지의 생산에

사용되며 DuPont의 테플론 PTFE 연구 결과에 의하면

프라이팬을 260 이상 고온에서 가열하거나 코팅이 벗

겨져도 PFOA가 존재하지 않는다고 한다 그러나 물이나

64

공기 토양 식품포장재 등 여러 곳에서 PFOA 오염사실

이 보고되고 있다 한다44)

- 미국 EPA는 인체와 환경에 대한 PFOA 연구를 계속

하고 있으며 2015년까지 PFOA 및 이와 관련된 화합

물 방출을 배제할 프로그램을 갖고 있으나 PTFE-기

초 비점착 취사기구를 중지시킬 타당성을 갖고 있지

는 않다 최종제품은 PFOA가 아닌 PTFE이기 때문이

다

- 수십 년 동안 불소수지 비점착 코팅이 시장을 지배하

였으나 최근 몇 가지 신기술들이 출현되고 있으며 이

들 대부분은 실리콘 세라믹과 실리콘 기술로 이들 코

팅은 PTFE와 PFOA를 함유하지 않는다

- 오늘날 출시된 비점착 취사용구는 수많은 상표로 팔

리고 있으며 DuPont에 의하면 대부분의 취사용구 코

팅은 정상적으로 사용할 때 3-5년 견딜 수 있을 것으

로 예측한다 너무 문질러서는 안 되고 따뜻한 비눗

물로 씻어주는 것이 좋으며 닳거나 흠이 생기지 않도

록 나무 플라스틱이나 코팅된 재료로 만든 도구를 선

택하고 보관도 흠이 생기지 않을 장소나 캐비닛을 권

장하고 있다

65

ㅇ 국내의 불소수지 안전성에 관한 것으로는 재질규격(납과

카드뮴)과 용출규격(납 과망간산칼륨소비량 증발잔류물)

이 식품용 기구 및 용기 포장 공전46)에 기재되어 있으며

최근 국내에서도 PFOA를 비롯한 유해 불소화합물에 관

한 관심이 커져 가고 있다

ㅇ PFOA 문제가 표면화 되면서 환경 보전형 불소계 발수

유제의 개발과 공업화도 새로이 부각되고 있다 이에 관

한 보고서를 모니터링한 KISTI자료47)를 중심으로 간단히

요약하면 발수제의 주요성분 퍼플루오로알킬기(Rf기)함

유 폴리머의 기능은 Rf기의 고리길이에 크게 의존하므로

PFOA문제 해법으로 탄소수 8 이상인 종래의 불소화학

에서 탈피 짧은 고리 Rf기(탄소수 6)를 가진 새로운 단

량체를 선택하여 발수제를 제조함으로써 환경 보전형 불

소계 발수유제를 개발하고 공업화하였다 한다

66

제 4 장

지원결과

1 지원결과 종합

테프론 코팅 기술의 문제점과 부식대전방지용 테플

론 코팅에 관한 정보 외에 신청기업의 요청에 따

라 C-나노튜브 코팅 및 DLC증착에 관련된 기술 정

보도 제공하였다

테플론은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat resistant)

비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coefficient of

friction) 내약품성(chemical resistance)과 특이한 전기적

특성(unique electrical properties) 및 온내구력(cryogenic

stability)으로 그 응용범위가 광범하며 용도에 따른 엄격

한 품질관리가 요구될 것으로 생각되어 중소기업에 적합

한 기초능력 배양과 신제품을 구상하기 위한 최신기술에

관한 정보를 제공하고자 하였다

67

불소수지의 코팅은 두께와 첨가제가 관건으로 이에 관한

자료를 제공하고자 하였으며 불소수지의 전기특성 폭발

성 환경과 반도체 제조공정에서의 대전 방지 처리를 위

한 정전기 관리 지표 등을 특허를 중심으로 조사하여 제

공하고자 하였다

C-나노튜브를 이용한 대전방지 코팅 기술 및 C-나노튜

브의 제법 등 이것에 관한 기초정보를 제공하고자 하였

으며 내마모성 테플론 코팅에 관해서는 테플론을 이용한

세라믹 코팅 기술에 관한 정보도 제공하고자 하였다

테플론의 기계적 전기적 특성을 강화하기 위해 사용되는

충전제를 종합하고 기초이론을 정립함으로써 금후 원부

자재의 선정에 도움을 주었다

테플론은 석면 대체재로도 주목받고 있어 이에 관한 특

허 정보들을 제공하였으며 다이아몬드의 전형적인 특성

을 나타내는 DLC의 코팅관련 기술 정보를 환경오염 문

제와 연관하여 자료를 제공하였고 최근 비-점착 주방기

구인 프라이팬이나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가

열할 때 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수도 있

다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있어 이에

관한 정보도 제공하였다

68

2 지원의 한계

중소기업이 당면한 문제는 전문기술의 확보다 관련 기술

이 비약적으로 발전하는 추세에 비추어 한정된 인원으로

신기술을 소화하고 개발하기는 어려울 것이므로 출연연

구기관이나 대학과 공동연구를 모색할 수 있으나 이것도

중소기업으로서는 경제적 부담이 될 수밖에 없을 것으로

생각된다 가능하다면 앞으로도 KISTI의 정보지원이 계

속되기를 바라고 있었다

3 기대효과

부식대전 방지 테플론 코팅에 관한 기본 기술이 배양되

어 합리적인 원부 원료의 수입검사 공정관리 및 제품관

리를 통해 원가절감은 물론 신제품 신기술에 관한 정보

수집 및 분석능력이 배양되고 개발력이 확충되어 기업

경쟁력 향상에 도움이 될 것이다

69

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저자소개

김학주(金鶴柱) 서울대학교 문리과대학 화학과 졸업 이학사

전북대학교 대학원 화학과 이학박사

(주)삼양사 의약연구소장 신성대학교 교수

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 폴리에스테르 섬유의 연중직방기술 외 다수

저서 기기분석 공업물리화학 일반화학

성용길(成墉吉)

동국대학교 이과대학 화학과 졸업 이학사 이학석사

부산대학교 대학원 화학과 이학박사(Dr Sci)

University of Utah USA Ph D(공학박사) Post Dr

유타대학교 연구교수 부산대학교 교수 동국대학교 교수

동국대학교 명예교수 한국원자력문화진흥원 이사

과학문화연구원전문연구위원 한국도량형과학문화연구원 원장

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 의료용 기능성 고분자재료에 관한 연구 외 330편

저서 고분자 물성론 (서울대학교 출판부 공저) 외 10권

45

ㅇ PTFE를 이용한 세라믹코팅 기술로는 알루미늄 및 알루

미늄 합금 공작물을 양극처리에 의해서 티타늄 및또는

지르코늄 산화물을 포함하는 내식성 내열성 및 내마모

성 세라믹 코팅을 하고 이어서 양극처리된 공작물을

PTFE 또는 실리콘 함유 코팅과 같은 제 2 코팅으로 코

팅한다 이 발명은 가소성을 가지는 경질의 필름 내에서

내식성 내열성 및 내마모성을 제공하는 티타늄 및또는

지르코늄 산화물의 양극처리 층으로 기판을 예비-코팅함

으로써 알루미늄 기판에 보다 긴 수명의 코팅을 형성하

는데 특히 유용하다24)

ㅇ Nosaka 등25)은 PTFE로 대표되는 불소수지는 마모-링이

나 극저온 밸브의 실링부에 많이 사용되며 진공치환법에

의해 탄소재료에 PTFE나 MoS2 분말을 1-2wt 함침시

키면 무함침한 것에 비해 마모가 약 13로 감소한다고

보고하였다 한편 저자들은 터보펌프의 실링재료가 극저

온 환경에서 보이는 특이한 현상을 극복하기 위해 베어

링의 표면에 노출된 유리섬유를 불소산으로 처리하여 용

해 제거하고 윤활성을 높인 유리섬유강화 테프론 리테이

너를 개발하여 내구성과 윤활성을 향상시킬 수 있었다고

보고하고 있다

46

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위한 또 다른 특허로는

폴리실록산계 접착제를 단독 혹은 폴리에스테르계 접착

제와 병용하고 고체 윤활제로 MoS2(이황화몰리브덴

WS2(이황화텅스텐) h-BN(육방정 질화붕소) 팽창흑연

및 PTFE를 사용하고 충전제로 탄화규소 알루미나 산화

지르콘 산화티탄 등의 미분말을 사용하여 내마모 내열

및 윤활성을 부여하고자 하는 내마모성 및 윤활성 코팅

조성물에 관한 특허가 있다26)

ㅇ 내열성 내후성 내오염성 내약품성 내구성 등의 물성

은 유지하면서 비점착성을 높이기 위해 무기계 세라믹

코팅 조성물에 PTFE를 첨가하기도 한다 이러한 하이

브리드 코팅 조성물에 관한 특허로는 불소수지(01sim25

중량) 콜로이달 실리카나 콜로이달 알루미나 등 무

기계고분자 바인더(20sim80중량) 알콕시실란 화합물

(1sim50중량) 수용성 유기용제(1sim10중량) 충전제

또는 안료(5sim50중량) 및 물(100중량 까지 보충)로

이루어진 코팅 조성물에 관한 것으로 무기질 도료 및

무기계 세라믹 코팅에 의해 내열성 내오염성 내약품

성과 내구성을 유지하고 접착력을 높이기 위해 소량의

PTFE를 사용하는 것이 있다27)

47

ㅇ 정전 복사기에 사용되는 정착기재부의 최외층에 코팅하

여 기계적 성질 및 내마모성을 향상시키려는 목적으로

불소수지 기질 중에 분산된 불소화 다이아몬드를 함유하

는 입자로 구성된 조성물에 관한 일본 특허28)가 있다

ㅇ 부식 특성을 개선한 흑색 무크롬(chrome-free) 다층 내

부식 마무리 칠과 방법에 관한 특허29)로는 ASTM B 117

표준으로 시험할 때 백색 부식에는 최소 500시간 염수분

무시간 및 적색 부식에는 1500시간 염수분무시간에 적합

하게 설계된 마무리 칠에 관한 것이 있다 이 다층 시스

템은 광택(gloss) 4 이상을 만족하는 자동차 차체 강판

자동차 하부와 내장에 사용되기 위해 설계된 것으로 이

다층 마무리 칠은 3층 부식 방지 시스템을 형성하도록

아연-철 전기도금 기질 오르토인산을 사용한 무전해 인

산염 결정 전환 층과 XylanTeflon 실러 코팅의 조합이

다

ㅇ 전통적으로 철 강판(steel sheet)은 크롬산 염 전환 코팅

으로 개질되어 왔으나 6가 크롬이 배출되어 환경을 오염

시키는 문제점이 있어 강판의 내-부식성을 개선하기 위

해 고분자 수지 코팅들이 수행되고 있으나 이 방법은 고

48

분자 코팅 층이 열전도도를 감소시키는 단점을 가지고

있다 Kang 등30)은 강판 위의 고분자 코팅 층의 열전도

도를 향상시키기 위해 초미세-크기 다이몬드(μD)입자를

열전도 물질로 사용하였다 다양한 음이온 및 비-이온

계면활성제들을 사용하여 수용액 중에서 무거운 μD입자

의 안정화를 시험들을 한 결과 1-피렌카르복시산(PCA)

이 가장 양호하였다 그림 3-2는 이 시험 결과를 요약한

것이다

- 강판 위에 PCA로 안정화 된 μD 입자를 함유한 폴리

우레탄-기초 코팅 층은 열전도도가 0351W(mK)에서

0434 W(mK)(10 wtμD)로 향상되었으며 더욱 144

시간 동안 염수 분무 시험결과 부식거동은 관찰되지

않았다

그림 3-2 피렌카르복시산을 이용한 μD 표면처리

ㅇ 자동차공업에서는 기본적인 특성으로 내마모성이 요구되

49

는 강철 기계부품들의 마찰특성을 향상시키기 위해 다양

한 금속 및 고분자 코팅들이 광범하게 이용된다 내-마

모 코팅은 두 가지 주요 특성인 높은 표면경도와 자기-

윤활 특성이 필요하다 후자의 범주에 속하는 것이

PTFE와 MoS2 기초 코팅이다 무전해 니켈 코팅은 높은

경도로 인해 양호한 마찰 특성을 보이며 한편 열처리를

통해 경도를 향상시킬 수 있다 PTFE입자의 첨가는 코

팅경도를 감소시키나 자기-윤활특성을 부여한다 S

Rossi 등3132)은 마찰특성을 향상시키기 위해 이용되는 탄

소강에 이용되는 몇 가지 공업적인 코팅에 관한 부식거

동에 관해 평가 PTFE입자를 함유한 무전해 니켈-인

(Electroless Nickel-Phophorus)코팅은 PTFE 입자(자기-

윤활 특성)를 갖는 외층과 장벽-효과를 갖는 내층으로

인한 이중 특성으로 가장 양호한 특성을 보였다고 보고

하고 있다

ㅇ 모든 기계적 시스템은 동적 요소를 필요로 하며 마찰과

마모를 줄이기 위한 다양한 수단들이 가능하나 그 선택

은 환경이나 조작 조건에 제한을 받는다 PTFE는 자기

윤활 낮은 마찰계수 높은 열안정성과 화학약품 안정성

으로 산업분야에 널리 사용되는 엔지니어링 고분자이지

만 내마모성이 매우 부족하다 이러한 이유로 금속

-PTFE충전 복합체들이 PTFE의 마찰특성과 금속충전제

50

의 내마모성을 결합하여 특정 분야의 용도로 소개되어

왔으나 금속-고분자 물질에서의 충전제의 역할은 완전히

설명되지 않고 있다 복합체 표면의 과잉의 충전제 농도

는 미끄러지는 동안 부하를 지지하여 내마모성을 증가시

키는 것으로 생각되며 PTFE의 마모율은 Mo Zn Ni

Y2O3 및 SiO2 같은 무기 충전제에 의해 1000배가량 감소

되었다는 보고도 있다 유리섬유 구리 세라믹 탄소섬유

절단 탄소섬유 나노입자를 포함한 경질의 충전제 입자들

이 PTFE의 내마모성을 높이기 사용되어 왔다

ㅇ 비교적 두꺼운 코팅에는 열분사(thermal spray) 용사기

술이 정립되어 있고 용사 코팅은 내마모 내마찰 내프레

팅(fretting) 및 내부식을 요하는 산업에 많이 이용되고

있다

- 용사 몰리브덴(Mo)코팅은 실질적 내마모성 코팅으로

가장 광범하게 이용되며 프레임용사(flame spray)거나

와이어용사(wire spray)기술로 생산된 몰리브덴(Mo)

코팅은 흠이나 마모에 대한 고도의 저항을 얻기 위한

가장 좋은 코팅재료 중의 하나이다

- 알루미늄 청동(aluminium bronze)은 높은 내-부식성

과 내마모성을 갖는 것이 특징이다 저압 플라즈마 용

51

사 기술은 자기-아닐링(self-anealing)과 부서지기 쉽

도록 유도하는 γ-상의 형성을 피할 수 있도록 높은

냉각 속도를 얻는 데 사용되며 알루미늄 청동 저압

플라즈마 용사 코팅은 낮은 마찰과 마모를 보였고 비

교적 최근 플라즈마 용사 기술을 이용하여 알루미늄

기질에 고분자-세라믹 복합체를 코팅하는 기술이 개

발되었다33)복합체 코팅으로 행한 마찰 시험에서 낮

은 마찰계수를 얻을 수 있었다

- 낮은 마찰계수와 고 내마모성을 갖는 이성분 금속

-PTFE 코팅이 개발되었고 이들의 마찰 공학적 성능

이 보고되었다 PTFE-기초 복합체 설계에서 일반적

인 접근방법은 경질의 충전 입자들을 도입하는 것으

로 M Yamane 등34)은 PTFE-금속 이성분 코팅의 마

찰 마모성능에 관한 연구 결과 알루미늄 청동 코팅이

Mo코팅에 비해 PTFE 저장소(reservoir)에 유용했음

을 보고하였다

⑹ 충전 또는 강화 플루오르화 탄소1)

ㅇ 분말이나 강화섬유 등 전형적인 충전재들이 충전 또는

강화 플루오르화 탄소에 사용된다 충전재는 저온흐름

52

을 향상시키는 데 사용되며 수축과 균열을 줄이고 열

팽창을 낮추며 열전도율을 향상시킨다

ㅇ 분말이나 단섬유로 된 전형적인 충전제를 표 3-5에 종합

하였다 유리섬유는 가장 보편적인 PTFE 충전제로 화

학 및 전기적 특성에 최소로 영향을 미치며 기계적 특

성을 크게 향상시킨다 분말에 비해 섬유는 압축강도

강성도 및 지지용량을 더욱 향상시키나 분말은 충전

테플론의 내구성에 거의 영향을 미치지 않는다 금속분

말은 특히 열전도도를 향상시키며 고속에서 발생하는 마

찰열을 소멸하는데 도움이 되며 전기저항을 상당히 감소

시켜 금속-충전 조성물은 양호한 절연체는 아니다

ㅇ 흑연(graphite) MoS2는 초기 내구성과 마찰을 개선하고

기계적 특성을 향상시킨다 석면은 많은 유용한 특성을

갖지만 가공 처리 중 가스가 방출할 뿐 아니라 사용금지

물질이다 표 3-5 외에도 금속 망 장섬유 다공성 금속

등 다양한 충전제들이 있으며 다양한 종류의 제품들이

상업 생산되고 있어 최종 선정을 하기 전에 플라스틱 가

공업자로부터 보다 완전한 정보와 추천을 받는 것이 바

람직하다

53

표 3-5 불소수지용 충전제

ㅇ 압축강력 인장과 압축 시의 탄성률 및 항복강력은 첨가

제의 첨가에 의해 모두 증가하나 일반으로 인장강력과

신도 및 충격강도는 손실된다 통상 충전 테플론은 압축

상태에서 사용되므로 인장강력의 감소는 중요하지 않다

인장강력의 손실은 설치(연속적인 링-실링)할 때 인장되

는 재료에서 중요하다 열팽창 계수는 비-충전 테플론에

비해 감소되어 통상 금속 부품의 팽창계수와 잘 맞는다

ㅇ 마찰과 마모를 수반하는 분야에서 가장 중요한 것은 충

전제로 얻어지는 PV한계치의 증가와 마모의 감소다 비-

54

충전 테플론에 비해 PV한계치 크기는 개략적으로 1차원

적으로 증가하나 마모인자는 3차원적으로 감소한다 충전

테플론의 평균치들은 동적 마찰계수는 01-02 PV한계치

는 10000-20000 psi-fpm 마모상수는 10times10-10in3-min

lb-ft-hr이다 그림 3-3은 충전 테플론 PTFE의 마찰계

수에 미치는 충전제 종류와 농도의 효과에 관한 것이다

그림 3-3 테플론 PTFE에 미치는 충전제 종류와 농도1)

ㅇ 내마모성을 향상시키는 충전제는 실제로 연마저항성을

감소시키는 것으로 날카로운 입자는 보다 쉽게 침투하고

충전제 입자와 수지 사이의 경계를 따라 충전 플라스틱

을 찢는다 따라서 라이닝 슈트 같은 분야의 적용 시는

55

비-충전테플론이 보다 바람직하다

⑺ 시트 테이프 및 박층(laminates)

ㅇ 대부분의 플루오르화탄소는 충전 여부에 관계없이 두

께 1mil(0001 in)까지 시트나 테이프로 만들 수 있고

시트나 테이프를 찍어서 원하는 형상의 립-씰(lip seal)

펌프 컵(pump cup) 피스톤 링(piston rings) 가스켓

(gaskets) 등을 만들 수 있다

ㅇ 유체의 누설을 정지시키는 밀봉기능 부품 중 각종기기의

접합부나 배관 플랜지 등의 밀봉에 사용되는 가스켓

(gaskets)은 석면이 널리 사용되어 왔으나 유해물질 배

출 및 이동량 보고제도(PRTR Pollutant Release and

Transfer Register)에서 발암성을 가진 제1종 지정 화학

물질로 지정되어 사용이 금지되어 PTFE가 가스켓으로

개발되었다 PTFE는 용융 알칼리 금속 및 그 용액과 불

소 및 3불화염소에 의해 약간 침식되나 모든 화학약품에

안정하고 우수한 내부식 재료로 C-F결합력이 크고 F원

자가 C-C결합의 주위를 간격 없이 들러 싸고 있기 때문

에 다른 물질의 공격을 방어하고 있고 내열성은 260로

높다35)

56

- PTFE 필러를 사용한 PTFE 나선 권형 가스켓은 석

면에 대한 사용규제와 상관없이 사용되어 왔으며 유

연한 필러를 사용하므로 석면 가스켓 보다 낮은 체결

압력에서도 실 특성이 우수하고 내식 면에서도 광범

하고 다양한 유체에 사용이 가능하다 다만 단열성 면

에서는 석면 나선 권형 가스켓 보다 사용온도 범위가

제한된다

ㅇ 산업 기계나 자동차의 브레이크 제동장치에 부착하여 마

찰력을 부가하는 브레이크 라이닝에서는 마찰계수와 내

마모력 및 충격계수 등 마찰특성이 우수한 석면을 주로

사용하여 왔으나 제동 시 발생하는 미세 석면분진으로

인해 대기오염에 의한 환경을 파괴 뿐 아니라 인체에 흡

입될 경우 암을 유발하여 PRTR로 사용이 금지되었다

석면을 대체할 유기질 또는 무기질 된 다양한 비석면 마

찰 섬유 등이 사용되고 있으며 마찰 섬유에 테프론을 코

팅하여 브레이크라이닝의 수명향상 제동 시 발생하는 소

음 떨림 및 제동력 향상을 위한 제품개발이 시도되고

있다

- 예로 국내 특허36)에서는 브레이크 라이닝(또는 패드)

의 마찰재 배합재료 중 유기섬유(Kevlar섬유 pulp섬

57

유 등)에 테프론을 코팅하고 코팅된 유기섬유에 결합

재 충전재 윤활재 마찰안정재 마찰조정재 등을 소정

의 배합비로 배합하여 성형하고 열처리하여 브레이크

패드 또는 라이닝을 제조한다

ㅇ 초소형 정밀기계(MEMS Micro-Electromechanical

System)분야에서는 점착방지를 위해 불화 유기박막을

사용한다 Park 등37)은 단층 두께의 불화 유기박막의

특성을 접촉각 측정을 통해 분석하였다

⑻ DLC 코팅3839)

ㅇ DLC(diamond-like carbon)는 몇 가지 다이아몬드의 전

형적인 특성을 나타내는 비정질 탄소물질로 극도의 내마

모 특성을 필요로 하는 재료의 코팅에 이용되고 있다

DLC코팅은 연마 마모를 감소시키기 위한 재료에 유용하

여 엔드밀 드릴비트 금형 같은 공구는 물론 자동차 기

계부품 및 전자산업 등 산업전반에 걸쳐 적용된다40)

ㅇ 환경오염 문제로 인해 PRTR(Pollutant Release and

Transfer Register 유해물질 배출 및 이동량 보고 제

도) 이 시행되어 습동 부품이나 절삭 시에 사용되는 오

일이나 그리스에 포함되는 첨가제(MoS2 Zn 등)와 이들

58

부품을 세정할 때 사용되는 용매 기계부품의 수명을 연

장시키기 위해 활용되었던 Cr도금 폐액에서 발생하는 6

가 크롬 등의 오염물질들에 대한 규제가 더욱 강화되어

DLC에 의한 무윤활 습동과 무윤활 절삭을 지향한 공구

와 기계 부품의 개발이 관심을 끌고 있다4142)

- 일본 내에서는 PRTR이 시행되고 이것에 저촉되는 재

료에 관해서는 MSDS(Material Safety Data Sheet)를

첨부해야할 의무가 있고 부품가공 습동 용도에서는

대상 리스트에 올라 있는 오일 오일 중의 중금속 도

금폐액을 어떻게 경제성 있는 환경 친화적 공정과 재

료로 전환할 것인가를 고려하면서 무윤활 습동 무윤

활 절삭 탈크롬 도금의 3가지 키워드가 대두되고

DLC코팅이 대안으로 모색되고 있다

- DLC코팅 적용기술과 과제에 관한 자료로는 자동차

관련부품 적용사례 엔진부위 마찰 작동 밸브계의 마

찰저감 DLC와 윤활제에 의한 마찰저감 기술을 중심

으로 살펴본 보고가 있다43)

ㅇ DLC는 7가지 형태가 존재하며 모두 상당한 양의 sp3혼

성궤도 탄소원자를 함유한다 다양한 형태의 DLC가 진

공 환경으로 적합한 재료들에 적용가능하며 유럽에서의

59

2006년 위탁 DLC코팅 시장은 3천만euro로 추정되었고 국

내도 활발한 상용화가 시도되고 있다

ㅇ 사반면상(tetahedral) 비정질 탄소 ta-C를 2두께로 코

팅하면 연마마모에 대한 스테인레스 강(304 type)의 내구

성을 증가시켜 수명을 1주일에서 85년으로 늘이며 이러

한 DLC의 형태는 sp3결합 탄소 원자로만 이루어지기 때

문에 순수한 DLC로 간주되며 수소 sp2흑연 탄소 금속

같은 충전제가 생산경비를 낮추거나 원하는 특성을 부여

하기 위하여 사용되고 있다

ㅇ DLC를 만드는 방법에는 sp3탄소 보다 낮은 밀도의 sp

2

에 의존하는 몇 가지 방법들이 있으며 압력 충격 촉매

또는 이들의 조합으로 sp2결합탄소 원자들을 sp3결합탄소

로 근접시킨다 최근 초고압 하에서 탄소의 경량 특성을

갖는 초경도 무정형 다이아몬드가 만들어졌다 탄소로 만

들어지는 다이아몬드 그래파이트는 결정구조를 가지나

DLC는 비정질이라는 점에서 크게 다르고 200 정도의

저온에서 형성시킬 수 있다는 점이 통상의 PVD막에 비

해 훨씬 우위에 있다

ㅇ DLC코팅은 제조공정이 복잡하고 생산 단가가 비싸 적용

이 어려우며 적용되는 소재가 제한되는 단점을 갖는다

60

주요제법으로는 고주파 플라즈마 법 이온화 증착법 스

페터링법 등을 들수 있다 고주파 플라즈마 법은 메탄가

스가 원료로 사용되고 막 중의 수소가 약 30(원자)로

평활성이 우수하고 마찰계수가 작으나 경도가 낮다 이

온화 증착법은 벤젠을 사용하며 막은 단단하나 면의 조

도가 거칠고 후막화 하기 위해 스패터링 방법이 검토되

고 있다

⑼ 불소수지의 안전성

ㅇ 테플론 PTFE의 열분해는 200(392)에서 감지되며 이

것은 몇 가지 플루오르화 탄소 기체들과 승화물질을 방

출한다4445)1955년 동물실험에 관한 한 연구에서는 이들

물질이 250(482) 이하에서는 의미 있는 양이 아니라

고 결론지었으나 최근 비-점착 주방기구인 프라이팬이

나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가열할 때 조류를

죽일 수 있는 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수

도 있다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있다45)

ㅇ 표 3-6은 EWG가 보고한 3-5분 내에 370까지 불소수

지를 가열할 때 발생되는 15종의 불소화합물에 관한 것

이다 테플론과 같은 코팅물질들이 장기적으로 인체에 미

61

치는 영향에 관한 연구는 이루어지지 않고 있으나 독감

과 유사한 질병을 유발할 수 있으며 이를 중합체 증기열

(polymer fume fever)이라 한다

표 3-6 15종의 유해물질 및 유독성 기체44)

ㅇ 최근 표 3-6의 화합물들 중 특히 TFA와 과불화된

(perfluorinated) PFOA(perfluorooctanoic acid)에 관심이

증가되고 있다 PFOA는 새로운 환경오염물질로 미국 환

경보호청(EPA)에 의하면 보통 때는 문제가 없으나 조리

과정에서 프라이팬에 열을 가하고 강하게 긁을 경우 용

62

출되어 나오며 이것이 음식물과 함께 인체에 흡수되는

것으로 추정하였다 한편 DuPont의 테플론 PTFE 연구

결과에 의하면 검출한계인 9ppb 이상 검출되지 않으며

테플론 주방기구에서는 PFOA가 존재하지 않는다고 발

표하고 있다

- 물이나 공기를 통해 환경에 노출된 PFOA는 고 콜레

스테롤 궤양성 대장염 갑상선 질환 고환암 신장암

및 임신성 고혈압과 관련된다고 보고되었다

- PFOA는 불소수지 생산과정에서 사용되는 첨가물로써

암모늄 형태로 PTFE 유화중합에 계면활성제로 사용

되며 불소수지의 품질과 균일성을 유지하기 위해 필

수적인 첨가물이기 때문에 전 세계 모든 불소수지 제

조업체가 사용 중에 있다 한편 국내 주력 산업인 반

도체 생산 과정에서도 PFOA를 대량으로 사용하고 있

어 체계적인 실태조사와 대책수립이 필요하다는 의견

들이 대두되고 있다

⑽ 불소화합물의 안전성과 환경대책

ㅇ 표 3-6에서 살펴본 바와 같이 테플론을 급격히 고온으로

가열하면 2종의 발암물질을 포함한 유독성 가스가 발생

63

하고 특히 불소화합물 중 MFA(monofluoroacetic acid)는

적은 양으로도 치명적 해를 끼치고 PEIF(perfluoro-

isobutene)는 신경가스제로 여러 가지 질환을 발생시킨다

한다44)

따라서 테플론으로 코팅된 장치를 재 코팅하기

위해 테프론을 고온으로 급격히 가열하거나 소각 등을

통해 제거할 때는 발생 가능성이 있는 유독가스를 제거

하기 위한 별도의 설비를 이용하여야 하고 유 등44)의 보

고서에서와 같이 중조(NaHCO3)를 포화시킨 충분한 물로

유독 산성 물질을 중화시키는 것도 고려할 만하다 한편

부식대전 방지 코팅도 테플론 코팅 일변도에서 세라믹

코팅 CNTs이나 DLC 코팅기술로 대응하는 것을 추천하

고 싶으며 이것은 유해물질 배출 및 이동량 보고제도

(PRTR Pollutant Release and Transfer Register)에 대

비하는 등 기업의 장래를 고려하는 것도 될 것이다

ㅇ PTFE를 사용한 취사도구는 1960년대 이래 사용되어 오

고 있으나 최근 들어 이것의 안전성이 논쟁의 주제가 되

고 있으며 논의 주체는 PFOA(perfluorooctanoic acid)이

다 PFOA는 PTFE를 비롯한 많은 불소수지의 생산에

사용되며 DuPont의 테플론 PTFE 연구 결과에 의하면

프라이팬을 260 이상 고온에서 가열하거나 코팅이 벗

겨져도 PFOA가 존재하지 않는다고 한다 그러나 물이나

64

공기 토양 식품포장재 등 여러 곳에서 PFOA 오염사실

이 보고되고 있다 한다44)

- 미국 EPA는 인체와 환경에 대한 PFOA 연구를 계속

하고 있으며 2015년까지 PFOA 및 이와 관련된 화합

물 방출을 배제할 프로그램을 갖고 있으나 PTFE-기

초 비점착 취사기구를 중지시킬 타당성을 갖고 있지

는 않다 최종제품은 PFOA가 아닌 PTFE이기 때문이

다

- 수십 년 동안 불소수지 비점착 코팅이 시장을 지배하

였으나 최근 몇 가지 신기술들이 출현되고 있으며 이

들 대부분은 실리콘 세라믹과 실리콘 기술로 이들 코

팅은 PTFE와 PFOA를 함유하지 않는다

- 오늘날 출시된 비점착 취사용구는 수많은 상표로 팔

리고 있으며 DuPont에 의하면 대부분의 취사용구 코

팅은 정상적으로 사용할 때 3-5년 견딜 수 있을 것으

로 예측한다 너무 문질러서는 안 되고 따뜻한 비눗

물로 씻어주는 것이 좋으며 닳거나 흠이 생기지 않도

록 나무 플라스틱이나 코팅된 재료로 만든 도구를 선

택하고 보관도 흠이 생기지 않을 장소나 캐비닛을 권

장하고 있다

65

ㅇ 국내의 불소수지 안전성에 관한 것으로는 재질규격(납과

카드뮴)과 용출규격(납 과망간산칼륨소비량 증발잔류물)

이 식품용 기구 및 용기 포장 공전46)에 기재되어 있으며

최근 국내에서도 PFOA를 비롯한 유해 불소화합물에 관

한 관심이 커져 가고 있다

ㅇ PFOA 문제가 표면화 되면서 환경 보전형 불소계 발수

유제의 개발과 공업화도 새로이 부각되고 있다 이에 관

한 보고서를 모니터링한 KISTI자료47)를 중심으로 간단히

요약하면 발수제의 주요성분 퍼플루오로알킬기(Rf기)함

유 폴리머의 기능은 Rf기의 고리길이에 크게 의존하므로

PFOA문제 해법으로 탄소수 8 이상인 종래의 불소화학

에서 탈피 짧은 고리 Rf기(탄소수 6)를 가진 새로운 단

량체를 선택하여 발수제를 제조함으로써 환경 보전형 불

소계 발수유제를 개발하고 공업화하였다 한다

66

제 4 장

지원결과

1 지원결과 종합

테프론 코팅 기술의 문제점과 부식대전방지용 테플

론 코팅에 관한 정보 외에 신청기업의 요청에 따

라 C-나노튜브 코팅 및 DLC증착에 관련된 기술 정

보도 제공하였다

테플론은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat resistant)

비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coefficient of

friction) 내약품성(chemical resistance)과 특이한 전기적

특성(unique electrical properties) 및 온내구력(cryogenic

stability)으로 그 응용범위가 광범하며 용도에 따른 엄격

한 품질관리가 요구될 것으로 생각되어 중소기업에 적합

한 기초능력 배양과 신제품을 구상하기 위한 최신기술에

관한 정보를 제공하고자 하였다

67

불소수지의 코팅은 두께와 첨가제가 관건으로 이에 관한

자료를 제공하고자 하였으며 불소수지의 전기특성 폭발

성 환경과 반도체 제조공정에서의 대전 방지 처리를 위

한 정전기 관리 지표 등을 특허를 중심으로 조사하여 제

공하고자 하였다

C-나노튜브를 이용한 대전방지 코팅 기술 및 C-나노튜

브의 제법 등 이것에 관한 기초정보를 제공하고자 하였

으며 내마모성 테플론 코팅에 관해서는 테플론을 이용한

세라믹 코팅 기술에 관한 정보도 제공하고자 하였다

테플론의 기계적 전기적 특성을 강화하기 위해 사용되는

충전제를 종합하고 기초이론을 정립함으로써 금후 원부

자재의 선정에 도움을 주었다

테플론은 석면 대체재로도 주목받고 있어 이에 관한 특

허 정보들을 제공하였으며 다이아몬드의 전형적인 특성

을 나타내는 DLC의 코팅관련 기술 정보를 환경오염 문

제와 연관하여 자료를 제공하였고 최근 비-점착 주방기

구인 프라이팬이나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가

열할 때 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수도 있

다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있어 이에

관한 정보도 제공하였다

68

2 지원의 한계

중소기업이 당면한 문제는 전문기술의 확보다 관련 기술

이 비약적으로 발전하는 추세에 비추어 한정된 인원으로

신기술을 소화하고 개발하기는 어려울 것이므로 출연연

구기관이나 대학과 공동연구를 모색할 수 있으나 이것도

중소기업으로서는 경제적 부담이 될 수밖에 없을 것으로

생각된다 가능하다면 앞으로도 KISTI의 정보지원이 계

속되기를 바라고 있었다

3 기대효과

부식대전 방지 테플론 코팅에 관한 기본 기술이 배양되

어 합리적인 원부 원료의 수입검사 공정관리 및 제품관

리를 통해 원가절감은 물론 신제품 신기술에 관한 정보

수집 및 분석능력이 배양되고 개발력이 확충되어 기업

경쟁력 향상에 도움이 될 것이다

69

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저자소개

김학주(金鶴柱) 서울대학교 문리과대학 화학과 졸업 이학사

전북대학교 대학원 화학과 이학박사

(주)삼양사 의약연구소장 신성대학교 교수

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 폴리에스테르 섬유의 연중직방기술 외 다수

저서 기기분석 공업물리화학 일반화학

성용길(成墉吉)

동국대학교 이과대학 화학과 졸업 이학사 이학석사

부산대학교 대학원 화학과 이학박사(Dr Sci)

University of Utah USA Ph D(공학박사) Post Dr

유타대학교 연구교수 부산대학교 교수 동국대학교 교수

동국대학교 명예교수 한국원자력문화진흥원 이사

과학문화연구원전문연구위원 한국도량형과학문화연구원 원장

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 의료용 기능성 고분자재료에 관한 연구 외 330편

저서 고분자 물성론 (서울대학교 출판부 공저) 외 10권

46

ㅇ 기계부품이나 장치 등에 내마모성 재료를 코팅하여 저마

찰 비점착 내마모성 부여하기 위한 또 다른 특허로는

폴리실록산계 접착제를 단독 혹은 폴리에스테르계 접착

제와 병용하고 고체 윤활제로 MoS2(이황화몰리브덴

WS2(이황화텅스텐) h-BN(육방정 질화붕소) 팽창흑연

및 PTFE를 사용하고 충전제로 탄화규소 알루미나 산화

지르콘 산화티탄 등의 미분말을 사용하여 내마모 내열

및 윤활성을 부여하고자 하는 내마모성 및 윤활성 코팅

조성물에 관한 특허가 있다26)

ㅇ 내열성 내후성 내오염성 내약품성 내구성 등의 물성

은 유지하면서 비점착성을 높이기 위해 무기계 세라믹

코팅 조성물에 PTFE를 첨가하기도 한다 이러한 하이

브리드 코팅 조성물에 관한 특허로는 불소수지(01sim25

중량) 콜로이달 실리카나 콜로이달 알루미나 등 무

기계고분자 바인더(20sim80중량) 알콕시실란 화합물

(1sim50중량) 수용성 유기용제(1sim10중량) 충전제

또는 안료(5sim50중량) 및 물(100중량 까지 보충)로

이루어진 코팅 조성물에 관한 것으로 무기질 도료 및

무기계 세라믹 코팅에 의해 내열성 내오염성 내약품

성과 내구성을 유지하고 접착력을 높이기 위해 소량의

PTFE를 사용하는 것이 있다27)

47

ㅇ 정전 복사기에 사용되는 정착기재부의 최외층에 코팅하

여 기계적 성질 및 내마모성을 향상시키려는 목적으로

불소수지 기질 중에 분산된 불소화 다이아몬드를 함유하

는 입자로 구성된 조성물에 관한 일본 특허28)가 있다

ㅇ 부식 특성을 개선한 흑색 무크롬(chrome-free) 다층 내

부식 마무리 칠과 방법에 관한 특허29)로는 ASTM B 117

표준으로 시험할 때 백색 부식에는 최소 500시간 염수분

무시간 및 적색 부식에는 1500시간 염수분무시간에 적합

하게 설계된 마무리 칠에 관한 것이 있다 이 다층 시스

템은 광택(gloss) 4 이상을 만족하는 자동차 차체 강판

자동차 하부와 내장에 사용되기 위해 설계된 것으로 이

다층 마무리 칠은 3층 부식 방지 시스템을 형성하도록

아연-철 전기도금 기질 오르토인산을 사용한 무전해 인

산염 결정 전환 층과 XylanTeflon 실러 코팅의 조합이

다

ㅇ 전통적으로 철 강판(steel sheet)은 크롬산 염 전환 코팅

으로 개질되어 왔으나 6가 크롬이 배출되어 환경을 오염

시키는 문제점이 있어 강판의 내-부식성을 개선하기 위

해 고분자 수지 코팅들이 수행되고 있으나 이 방법은 고

48

분자 코팅 층이 열전도도를 감소시키는 단점을 가지고

있다 Kang 등30)은 강판 위의 고분자 코팅 층의 열전도

도를 향상시키기 위해 초미세-크기 다이몬드(μD)입자를

열전도 물질로 사용하였다 다양한 음이온 및 비-이온

계면활성제들을 사용하여 수용액 중에서 무거운 μD입자

의 안정화를 시험들을 한 결과 1-피렌카르복시산(PCA)

이 가장 양호하였다 그림 3-2는 이 시험 결과를 요약한

것이다

- 강판 위에 PCA로 안정화 된 μD 입자를 함유한 폴리

우레탄-기초 코팅 층은 열전도도가 0351W(mK)에서

0434 W(mK)(10 wtμD)로 향상되었으며 더욱 144

시간 동안 염수 분무 시험결과 부식거동은 관찰되지

않았다

그림 3-2 피렌카르복시산을 이용한 μD 표면처리

ㅇ 자동차공업에서는 기본적인 특성으로 내마모성이 요구되

49

는 강철 기계부품들의 마찰특성을 향상시키기 위해 다양

한 금속 및 고분자 코팅들이 광범하게 이용된다 내-마

모 코팅은 두 가지 주요 특성인 높은 표면경도와 자기-

윤활 특성이 필요하다 후자의 범주에 속하는 것이

PTFE와 MoS2 기초 코팅이다 무전해 니켈 코팅은 높은

경도로 인해 양호한 마찰 특성을 보이며 한편 열처리를

통해 경도를 향상시킬 수 있다 PTFE입자의 첨가는 코

팅경도를 감소시키나 자기-윤활특성을 부여한다 S

Rossi 등3132)은 마찰특성을 향상시키기 위해 이용되는 탄

소강에 이용되는 몇 가지 공업적인 코팅에 관한 부식거

동에 관해 평가 PTFE입자를 함유한 무전해 니켈-인

(Electroless Nickel-Phophorus)코팅은 PTFE 입자(자기-

윤활 특성)를 갖는 외층과 장벽-효과를 갖는 내층으로

인한 이중 특성으로 가장 양호한 특성을 보였다고 보고

하고 있다

ㅇ 모든 기계적 시스템은 동적 요소를 필요로 하며 마찰과

마모를 줄이기 위한 다양한 수단들이 가능하나 그 선택

은 환경이나 조작 조건에 제한을 받는다 PTFE는 자기

윤활 낮은 마찰계수 높은 열안정성과 화학약품 안정성

으로 산업분야에 널리 사용되는 엔지니어링 고분자이지

만 내마모성이 매우 부족하다 이러한 이유로 금속

-PTFE충전 복합체들이 PTFE의 마찰특성과 금속충전제

50

의 내마모성을 결합하여 특정 분야의 용도로 소개되어

왔으나 금속-고분자 물질에서의 충전제의 역할은 완전히

설명되지 않고 있다 복합체 표면의 과잉의 충전제 농도

는 미끄러지는 동안 부하를 지지하여 내마모성을 증가시

키는 것으로 생각되며 PTFE의 마모율은 Mo Zn Ni

Y2O3 및 SiO2 같은 무기 충전제에 의해 1000배가량 감소

되었다는 보고도 있다 유리섬유 구리 세라믹 탄소섬유

절단 탄소섬유 나노입자를 포함한 경질의 충전제 입자들

이 PTFE의 내마모성을 높이기 사용되어 왔다

ㅇ 비교적 두꺼운 코팅에는 열분사(thermal spray) 용사기

술이 정립되어 있고 용사 코팅은 내마모 내마찰 내프레

팅(fretting) 및 내부식을 요하는 산업에 많이 이용되고

있다

- 용사 몰리브덴(Mo)코팅은 실질적 내마모성 코팅으로

가장 광범하게 이용되며 프레임용사(flame spray)거나

와이어용사(wire spray)기술로 생산된 몰리브덴(Mo)

코팅은 흠이나 마모에 대한 고도의 저항을 얻기 위한

가장 좋은 코팅재료 중의 하나이다

- 알루미늄 청동(aluminium bronze)은 높은 내-부식성

과 내마모성을 갖는 것이 특징이다 저압 플라즈마 용

51

사 기술은 자기-아닐링(self-anealing)과 부서지기 쉽

도록 유도하는 γ-상의 형성을 피할 수 있도록 높은

냉각 속도를 얻는 데 사용되며 알루미늄 청동 저압

플라즈마 용사 코팅은 낮은 마찰과 마모를 보였고 비

교적 최근 플라즈마 용사 기술을 이용하여 알루미늄

기질에 고분자-세라믹 복합체를 코팅하는 기술이 개

발되었다33)복합체 코팅으로 행한 마찰 시험에서 낮

은 마찰계수를 얻을 수 있었다

- 낮은 마찰계수와 고 내마모성을 갖는 이성분 금속

-PTFE 코팅이 개발되었고 이들의 마찰 공학적 성능

이 보고되었다 PTFE-기초 복합체 설계에서 일반적

인 접근방법은 경질의 충전 입자들을 도입하는 것으

로 M Yamane 등34)은 PTFE-금속 이성분 코팅의 마

찰 마모성능에 관한 연구 결과 알루미늄 청동 코팅이

Mo코팅에 비해 PTFE 저장소(reservoir)에 유용했음

을 보고하였다

⑹ 충전 또는 강화 플루오르화 탄소1)

ㅇ 분말이나 강화섬유 등 전형적인 충전재들이 충전 또는

강화 플루오르화 탄소에 사용된다 충전재는 저온흐름

52

을 향상시키는 데 사용되며 수축과 균열을 줄이고 열

팽창을 낮추며 열전도율을 향상시킨다

ㅇ 분말이나 단섬유로 된 전형적인 충전제를 표 3-5에 종합

하였다 유리섬유는 가장 보편적인 PTFE 충전제로 화

학 및 전기적 특성에 최소로 영향을 미치며 기계적 특

성을 크게 향상시킨다 분말에 비해 섬유는 압축강도

강성도 및 지지용량을 더욱 향상시키나 분말은 충전

테플론의 내구성에 거의 영향을 미치지 않는다 금속분

말은 특히 열전도도를 향상시키며 고속에서 발생하는 마

찰열을 소멸하는데 도움이 되며 전기저항을 상당히 감소

시켜 금속-충전 조성물은 양호한 절연체는 아니다

ㅇ 흑연(graphite) MoS2는 초기 내구성과 마찰을 개선하고

기계적 특성을 향상시킨다 석면은 많은 유용한 특성을

갖지만 가공 처리 중 가스가 방출할 뿐 아니라 사용금지

물질이다 표 3-5 외에도 금속 망 장섬유 다공성 금속

등 다양한 충전제들이 있으며 다양한 종류의 제품들이

상업 생산되고 있어 최종 선정을 하기 전에 플라스틱 가

공업자로부터 보다 완전한 정보와 추천을 받는 것이 바

람직하다

53

표 3-5 불소수지용 충전제

ㅇ 압축강력 인장과 압축 시의 탄성률 및 항복강력은 첨가

제의 첨가에 의해 모두 증가하나 일반으로 인장강력과

신도 및 충격강도는 손실된다 통상 충전 테플론은 압축

상태에서 사용되므로 인장강력의 감소는 중요하지 않다

인장강력의 손실은 설치(연속적인 링-실링)할 때 인장되

는 재료에서 중요하다 열팽창 계수는 비-충전 테플론에

비해 감소되어 통상 금속 부품의 팽창계수와 잘 맞는다

ㅇ 마찰과 마모를 수반하는 분야에서 가장 중요한 것은 충

전제로 얻어지는 PV한계치의 증가와 마모의 감소다 비-

54

충전 테플론에 비해 PV한계치 크기는 개략적으로 1차원

적으로 증가하나 마모인자는 3차원적으로 감소한다 충전

테플론의 평균치들은 동적 마찰계수는 01-02 PV한계치

는 10000-20000 psi-fpm 마모상수는 10times10-10in3-min

lb-ft-hr이다 그림 3-3은 충전 테플론 PTFE의 마찰계

수에 미치는 충전제 종류와 농도의 효과에 관한 것이다

그림 3-3 테플론 PTFE에 미치는 충전제 종류와 농도1)

ㅇ 내마모성을 향상시키는 충전제는 실제로 연마저항성을

감소시키는 것으로 날카로운 입자는 보다 쉽게 침투하고

충전제 입자와 수지 사이의 경계를 따라 충전 플라스틱

을 찢는다 따라서 라이닝 슈트 같은 분야의 적용 시는

55

비-충전테플론이 보다 바람직하다

⑺ 시트 테이프 및 박층(laminates)

ㅇ 대부분의 플루오르화탄소는 충전 여부에 관계없이 두

께 1mil(0001 in)까지 시트나 테이프로 만들 수 있고

시트나 테이프를 찍어서 원하는 형상의 립-씰(lip seal)

펌프 컵(pump cup) 피스톤 링(piston rings) 가스켓

(gaskets) 등을 만들 수 있다

ㅇ 유체의 누설을 정지시키는 밀봉기능 부품 중 각종기기의

접합부나 배관 플랜지 등의 밀봉에 사용되는 가스켓

(gaskets)은 석면이 널리 사용되어 왔으나 유해물질 배

출 및 이동량 보고제도(PRTR Pollutant Release and

Transfer Register)에서 발암성을 가진 제1종 지정 화학

물질로 지정되어 사용이 금지되어 PTFE가 가스켓으로

개발되었다 PTFE는 용융 알칼리 금속 및 그 용액과 불

소 및 3불화염소에 의해 약간 침식되나 모든 화학약품에

안정하고 우수한 내부식 재료로 C-F결합력이 크고 F원

자가 C-C결합의 주위를 간격 없이 들러 싸고 있기 때문

에 다른 물질의 공격을 방어하고 있고 내열성은 260로

높다35)

56

- PTFE 필러를 사용한 PTFE 나선 권형 가스켓은 석

면에 대한 사용규제와 상관없이 사용되어 왔으며 유

연한 필러를 사용하므로 석면 가스켓 보다 낮은 체결

압력에서도 실 특성이 우수하고 내식 면에서도 광범

하고 다양한 유체에 사용이 가능하다 다만 단열성 면

에서는 석면 나선 권형 가스켓 보다 사용온도 범위가

제한된다

ㅇ 산업 기계나 자동차의 브레이크 제동장치에 부착하여 마

찰력을 부가하는 브레이크 라이닝에서는 마찰계수와 내

마모력 및 충격계수 등 마찰특성이 우수한 석면을 주로

사용하여 왔으나 제동 시 발생하는 미세 석면분진으로

인해 대기오염에 의한 환경을 파괴 뿐 아니라 인체에 흡

입될 경우 암을 유발하여 PRTR로 사용이 금지되었다

석면을 대체할 유기질 또는 무기질 된 다양한 비석면 마

찰 섬유 등이 사용되고 있으며 마찰 섬유에 테프론을 코

팅하여 브레이크라이닝의 수명향상 제동 시 발생하는 소

음 떨림 및 제동력 향상을 위한 제품개발이 시도되고

있다

- 예로 국내 특허36)에서는 브레이크 라이닝(또는 패드)

의 마찰재 배합재료 중 유기섬유(Kevlar섬유 pulp섬

57

유 등)에 테프론을 코팅하고 코팅된 유기섬유에 결합

재 충전재 윤활재 마찰안정재 마찰조정재 등을 소정

의 배합비로 배합하여 성형하고 열처리하여 브레이크

패드 또는 라이닝을 제조한다

ㅇ 초소형 정밀기계(MEMS Micro-Electromechanical

System)분야에서는 점착방지를 위해 불화 유기박막을

사용한다 Park 등37)은 단층 두께의 불화 유기박막의

특성을 접촉각 측정을 통해 분석하였다

⑻ DLC 코팅3839)

ㅇ DLC(diamond-like carbon)는 몇 가지 다이아몬드의 전

형적인 특성을 나타내는 비정질 탄소물질로 극도의 내마

모 특성을 필요로 하는 재료의 코팅에 이용되고 있다

DLC코팅은 연마 마모를 감소시키기 위한 재료에 유용하

여 엔드밀 드릴비트 금형 같은 공구는 물론 자동차 기

계부품 및 전자산업 등 산업전반에 걸쳐 적용된다40)

ㅇ 환경오염 문제로 인해 PRTR(Pollutant Release and

Transfer Register 유해물질 배출 및 이동량 보고 제

도) 이 시행되어 습동 부품이나 절삭 시에 사용되는 오

일이나 그리스에 포함되는 첨가제(MoS2 Zn 등)와 이들

58

부품을 세정할 때 사용되는 용매 기계부품의 수명을 연

장시키기 위해 활용되었던 Cr도금 폐액에서 발생하는 6

가 크롬 등의 오염물질들에 대한 규제가 더욱 강화되어

DLC에 의한 무윤활 습동과 무윤활 절삭을 지향한 공구

와 기계 부품의 개발이 관심을 끌고 있다4142)

- 일본 내에서는 PRTR이 시행되고 이것에 저촉되는 재

료에 관해서는 MSDS(Material Safety Data Sheet)를

첨부해야할 의무가 있고 부품가공 습동 용도에서는

대상 리스트에 올라 있는 오일 오일 중의 중금속 도

금폐액을 어떻게 경제성 있는 환경 친화적 공정과 재

료로 전환할 것인가를 고려하면서 무윤활 습동 무윤

활 절삭 탈크롬 도금의 3가지 키워드가 대두되고

DLC코팅이 대안으로 모색되고 있다

- DLC코팅 적용기술과 과제에 관한 자료로는 자동차

관련부품 적용사례 엔진부위 마찰 작동 밸브계의 마

찰저감 DLC와 윤활제에 의한 마찰저감 기술을 중심

으로 살펴본 보고가 있다43)

ㅇ DLC는 7가지 형태가 존재하며 모두 상당한 양의 sp3혼

성궤도 탄소원자를 함유한다 다양한 형태의 DLC가 진

공 환경으로 적합한 재료들에 적용가능하며 유럽에서의

59

2006년 위탁 DLC코팅 시장은 3천만euro로 추정되었고 국

내도 활발한 상용화가 시도되고 있다

ㅇ 사반면상(tetahedral) 비정질 탄소 ta-C를 2두께로 코

팅하면 연마마모에 대한 스테인레스 강(304 type)의 내구

성을 증가시켜 수명을 1주일에서 85년으로 늘이며 이러

한 DLC의 형태는 sp3결합 탄소 원자로만 이루어지기 때

문에 순수한 DLC로 간주되며 수소 sp2흑연 탄소 금속

같은 충전제가 생산경비를 낮추거나 원하는 특성을 부여

하기 위하여 사용되고 있다

ㅇ DLC를 만드는 방법에는 sp3탄소 보다 낮은 밀도의 sp

2

에 의존하는 몇 가지 방법들이 있으며 압력 충격 촉매

또는 이들의 조합으로 sp2결합탄소 원자들을 sp3결합탄소

로 근접시킨다 최근 초고압 하에서 탄소의 경량 특성을

갖는 초경도 무정형 다이아몬드가 만들어졌다 탄소로 만

들어지는 다이아몬드 그래파이트는 결정구조를 가지나

DLC는 비정질이라는 점에서 크게 다르고 200 정도의

저온에서 형성시킬 수 있다는 점이 통상의 PVD막에 비

해 훨씬 우위에 있다

ㅇ DLC코팅은 제조공정이 복잡하고 생산 단가가 비싸 적용

이 어려우며 적용되는 소재가 제한되는 단점을 갖는다

60

주요제법으로는 고주파 플라즈마 법 이온화 증착법 스

페터링법 등을 들수 있다 고주파 플라즈마 법은 메탄가

스가 원료로 사용되고 막 중의 수소가 약 30(원자)로

평활성이 우수하고 마찰계수가 작으나 경도가 낮다 이

온화 증착법은 벤젠을 사용하며 막은 단단하나 면의 조

도가 거칠고 후막화 하기 위해 스패터링 방법이 검토되

고 있다

⑼ 불소수지의 안전성

ㅇ 테플론 PTFE의 열분해는 200(392)에서 감지되며 이

것은 몇 가지 플루오르화 탄소 기체들과 승화물질을 방

출한다4445)1955년 동물실험에 관한 한 연구에서는 이들

물질이 250(482) 이하에서는 의미 있는 양이 아니라

고 결론지었으나 최근 비-점착 주방기구인 프라이팬이

나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가열할 때 조류를

죽일 수 있는 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수

도 있다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있다45)

ㅇ 표 3-6은 EWG가 보고한 3-5분 내에 370까지 불소수

지를 가열할 때 발생되는 15종의 불소화합물에 관한 것

이다 테플론과 같은 코팅물질들이 장기적으로 인체에 미

61

치는 영향에 관한 연구는 이루어지지 않고 있으나 독감

과 유사한 질병을 유발할 수 있으며 이를 중합체 증기열

(polymer fume fever)이라 한다

표 3-6 15종의 유해물질 및 유독성 기체44)

ㅇ 최근 표 3-6의 화합물들 중 특히 TFA와 과불화된

(perfluorinated) PFOA(perfluorooctanoic acid)에 관심이

증가되고 있다 PFOA는 새로운 환경오염물질로 미국 환

경보호청(EPA)에 의하면 보통 때는 문제가 없으나 조리

과정에서 프라이팬에 열을 가하고 강하게 긁을 경우 용

62

출되어 나오며 이것이 음식물과 함께 인체에 흡수되는

것으로 추정하였다 한편 DuPont의 테플론 PTFE 연구

결과에 의하면 검출한계인 9ppb 이상 검출되지 않으며

테플론 주방기구에서는 PFOA가 존재하지 않는다고 발

표하고 있다

- 물이나 공기를 통해 환경에 노출된 PFOA는 고 콜레

스테롤 궤양성 대장염 갑상선 질환 고환암 신장암

및 임신성 고혈압과 관련된다고 보고되었다

- PFOA는 불소수지 생산과정에서 사용되는 첨가물로써

암모늄 형태로 PTFE 유화중합에 계면활성제로 사용

되며 불소수지의 품질과 균일성을 유지하기 위해 필

수적인 첨가물이기 때문에 전 세계 모든 불소수지 제

조업체가 사용 중에 있다 한편 국내 주력 산업인 반

도체 생산 과정에서도 PFOA를 대량으로 사용하고 있

어 체계적인 실태조사와 대책수립이 필요하다는 의견

들이 대두되고 있다

⑽ 불소화합물의 안전성과 환경대책

ㅇ 표 3-6에서 살펴본 바와 같이 테플론을 급격히 고온으로

가열하면 2종의 발암물질을 포함한 유독성 가스가 발생

63

하고 특히 불소화합물 중 MFA(monofluoroacetic acid)는

적은 양으로도 치명적 해를 끼치고 PEIF(perfluoro-

isobutene)는 신경가스제로 여러 가지 질환을 발생시킨다

한다44)

따라서 테플론으로 코팅된 장치를 재 코팅하기

위해 테프론을 고온으로 급격히 가열하거나 소각 등을

통해 제거할 때는 발생 가능성이 있는 유독가스를 제거

하기 위한 별도의 설비를 이용하여야 하고 유 등44)의 보

고서에서와 같이 중조(NaHCO3)를 포화시킨 충분한 물로

유독 산성 물질을 중화시키는 것도 고려할 만하다 한편

부식대전 방지 코팅도 테플론 코팅 일변도에서 세라믹

코팅 CNTs이나 DLC 코팅기술로 대응하는 것을 추천하

고 싶으며 이것은 유해물질 배출 및 이동량 보고제도

(PRTR Pollutant Release and Transfer Register)에 대

비하는 등 기업의 장래를 고려하는 것도 될 것이다

ㅇ PTFE를 사용한 취사도구는 1960년대 이래 사용되어 오

고 있으나 최근 들어 이것의 안전성이 논쟁의 주제가 되

고 있으며 논의 주체는 PFOA(perfluorooctanoic acid)이

다 PFOA는 PTFE를 비롯한 많은 불소수지의 생산에

사용되며 DuPont의 테플론 PTFE 연구 결과에 의하면

프라이팬을 260 이상 고온에서 가열하거나 코팅이 벗

겨져도 PFOA가 존재하지 않는다고 한다 그러나 물이나

64

공기 토양 식품포장재 등 여러 곳에서 PFOA 오염사실

이 보고되고 있다 한다44)

- 미국 EPA는 인체와 환경에 대한 PFOA 연구를 계속

하고 있으며 2015년까지 PFOA 및 이와 관련된 화합

물 방출을 배제할 프로그램을 갖고 있으나 PTFE-기

초 비점착 취사기구를 중지시킬 타당성을 갖고 있지

는 않다 최종제품은 PFOA가 아닌 PTFE이기 때문이

다

- 수십 년 동안 불소수지 비점착 코팅이 시장을 지배하

였으나 최근 몇 가지 신기술들이 출현되고 있으며 이

들 대부분은 실리콘 세라믹과 실리콘 기술로 이들 코

팅은 PTFE와 PFOA를 함유하지 않는다

- 오늘날 출시된 비점착 취사용구는 수많은 상표로 팔

리고 있으며 DuPont에 의하면 대부분의 취사용구 코

팅은 정상적으로 사용할 때 3-5년 견딜 수 있을 것으

로 예측한다 너무 문질러서는 안 되고 따뜻한 비눗

물로 씻어주는 것이 좋으며 닳거나 흠이 생기지 않도

록 나무 플라스틱이나 코팅된 재료로 만든 도구를 선

택하고 보관도 흠이 생기지 않을 장소나 캐비닛을 권

장하고 있다

65

ㅇ 국내의 불소수지 안전성에 관한 것으로는 재질규격(납과

카드뮴)과 용출규격(납 과망간산칼륨소비량 증발잔류물)

이 식품용 기구 및 용기 포장 공전46)에 기재되어 있으며

최근 국내에서도 PFOA를 비롯한 유해 불소화합물에 관

한 관심이 커져 가고 있다

ㅇ PFOA 문제가 표면화 되면서 환경 보전형 불소계 발수

유제의 개발과 공업화도 새로이 부각되고 있다 이에 관

한 보고서를 모니터링한 KISTI자료47)를 중심으로 간단히

요약하면 발수제의 주요성분 퍼플루오로알킬기(Rf기)함

유 폴리머의 기능은 Rf기의 고리길이에 크게 의존하므로

PFOA문제 해법으로 탄소수 8 이상인 종래의 불소화학

에서 탈피 짧은 고리 Rf기(탄소수 6)를 가진 새로운 단

량체를 선택하여 발수제를 제조함으로써 환경 보전형 불

소계 발수유제를 개발하고 공업화하였다 한다

66

제 4 장

지원결과

1 지원결과 종합

테프론 코팅 기술의 문제점과 부식대전방지용 테플

론 코팅에 관한 정보 외에 신청기업의 요청에 따

라 C-나노튜브 코팅 및 DLC증착에 관련된 기술 정

보도 제공하였다

테플론은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat resistant)

비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coefficient of

friction) 내약품성(chemical resistance)과 특이한 전기적

특성(unique electrical properties) 및 온내구력(cryogenic

stability)으로 그 응용범위가 광범하며 용도에 따른 엄격

한 품질관리가 요구될 것으로 생각되어 중소기업에 적합

한 기초능력 배양과 신제품을 구상하기 위한 최신기술에

관한 정보를 제공하고자 하였다

67

불소수지의 코팅은 두께와 첨가제가 관건으로 이에 관한

자료를 제공하고자 하였으며 불소수지의 전기특성 폭발

성 환경과 반도체 제조공정에서의 대전 방지 처리를 위

한 정전기 관리 지표 등을 특허를 중심으로 조사하여 제

공하고자 하였다

C-나노튜브를 이용한 대전방지 코팅 기술 및 C-나노튜

브의 제법 등 이것에 관한 기초정보를 제공하고자 하였

으며 내마모성 테플론 코팅에 관해서는 테플론을 이용한

세라믹 코팅 기술에 관한 정보도 제공하고자 하였다

테플론의 기계적 전기적 특성을 강화하기 위해 사용되는

충전제를 종합하고 기초이론을 정립함으로써 금후 원부

자재의 선정에 도움을 주었다

테플론은 석면 대체재로도 주목받고 있어 이에 관한 특

허 정보들을 제공하였으며 다이아몬드의 전형적인 특성

을 나타내는 DLC의 코팅관련 기술 정보를 환경오염 문

제와 연관하여 자료를 제공하였고 최근 비-점착 주방기

구인 프라이팬이나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가

열할 때 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수도 있

다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있어 이에

관한 정보도 제공하였다

68

2 지원의 한계

중소기업이 당면한 문제는 전문기술의 확보다 관련 기술

이 비약적으로 발전하는 추세에 비추어 한정된 인원으로

신기술을 소화하고 개발하기는 어려울 것이므로 출연연

구기관이나 대학과 공동연구를 모색할 수 있으나 이것도

중소기업으로서는 경제적 부담이 될 수밖에 없을 것으로

생각된다 가능하다면 앞으로도 KISTI의 정보지원이 계

속되기를 바라고 있었다

3 기대효과

부식대전 방지 테플론 코팅에 관한 기본 기술이 배양되

어 합리적인 원부 원료의 수입검사 공정관리 및 제품관

리를 통해 원가절감은 물론 신제품 신기술에 관한 정보

수집 및 분석능력이 배양되고 개발력이 확충되어 기업

경쟁력 향상에 도움이 될 것이다

69

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저자소개

김학주(金鶴柱) 서울대학교 문리과대학 화학과 졸업 이학사

전북대학교 대학원 화학과 이학박사

(주)삼양사 의약연구소장 신성대학교 교수

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 폴리에스테르 섬유의 연중직방기술 외 다수

저서 기기분석 공업물리화학 일반화학

성용길(成墉吉)

동국대학교 이과대학 화학과 졸업 이학사 이학석사

부산대학교 대학원 화학과 이학박사(Dr Sci)

University of Utah USA Ph D(공학박사) Post Dr

유타대학교 연구교수 부산대학교 교수 동국대학교 교수

동국대학교 명예교수 한국원자력문화진흥원 이사

과학문화연구원전문연구위원 한국도량형과학문화연구원 원장

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 의료용 기능성 고분자재료에 관한 연구 외 330편

저서 고분자 물성론 (서울대학교 출판부 공저) 외 10권

47

ㅇ 정전 복사기에 사용되는 정착기재부의 최외층에 코팅하

여 기계적 성질 및 내마모성을 향상시키려는 목적으로

불소수지 기질 중에 분산된 불소화 다이아몬드를 함유하

는 입자로 구성된 조성물에 관한 일본 특허28)가 있다

ㅇ 부식 특성을 개선한 흑색 무크롬(chrome-free) 다층 내

부식 마무리 칠과 방법에 관한 특허29)로는 ASTM B 117

표준으로 시험할 때 백색 부식에는 최소 500시간 염수분

무시간 및 적색 부식에는 1500시간 염수분무시간에 적합

하게 설계된 마무리 칠에 관한 것이 있다 이 다층 시스

템은 광택(gloss) 4 이상을 만족하는 자동차 차체 강판

자동차 하부와 내장에 사용되기 위해 설계된 것으로 이

다층 마무리 칠은 3층 부식 방지 시스템을 형성하도록

아연-철 전기도금 기질 오르토인산을 사용한 무전해 인

산염 결정 전환 층과 XylanTeflon 실러 코팅의 조합이

다

ㅇ 전통적으로 철 강판(steel sheet)은 크롬산 염 전환 코팅

으로 개질되어 왔으나 6가 크롬이 배출되어 환경을 오염

시키는 문제점이 있어 강판의 내-부식성을 개선하기 위

해 고분자 수지 코팅들이 수행되고 있으나 이 방법은 고

48

분자 코팅 층이 열전도도를 감소시키는 단점을 가지고

있다 Kang 등30)은 강판 위의 고분자 코팅 층의 열전도

도를 향상시키기 위해 초미세-크기 다이몬드(μD)입자를

열전도 물질로 사용하였다 다양한 음이온 및 비-이온

계면활성제들을 사용하여 수용액 중에서 무거운 μD입자

의 안정화를 시험들을 한 결과 1-피렌카르복시산(PCA)

이 가장 양호하였다 그림 3-2는 이 시험 결과를 요약한

것이다

- 강판 위에 PCA로 안정화 된 μD 입자를 함유한 폴리

우레탄-기초 코팅 층은 열전도도가 0351W(mK)에서

0434 W(mK)(10 wtμD)로 향상되었으며 더욱 144

시간 동안 염수 분무 시험결과 부식거동은 관찰되지

않았다

그림 3-2 피렌카르복시산을 이용한 μD 표면처리

ㅇ 자동차공업에서는 기본적인 특성으로 내마모성이 요구되

49

는 강철 기계부품들의 마찰특성을 향상시키기 위해 다양

한 금속 및 고분자 코팅들이 광범하게 이용된다 내-마

모 코팅은 두 가지 주요 특성인 높은 표면경도와 자기-

윤활 특성이 필요하다 후자의 범주에 속하는 것이

PTFE와 MoS2 기초 코팅이다 무전해 니켈 코팅은 높은

경도로 인해 양호한 마찰 특성을 보이며 한편 열처리를

통해 경도를 향상시킬 수 있다 PTFE입자의 첨가는 코

팅경도를 감소시키나 자기-윤활특성을 부여한다 S

Rossi 등3132)은 마찰특성을 향상시키기 위해 이용되는 탄

소강에 이용되는 몇 가지 공업적인 코팅에 관한 부식거

동에 관해 평가 PTFE입자를 함유한 무전해 니켈-인

(Electroless Nickel-Phophorus)코팅은 PTFE 입자(자기-

윤활 특성)를 갖는 외층과 장벽-효과를 갖는 내층으로

인한 이중 특성으로 가장 양호한 특성을 보였다고 보고

하고 있다

ㅇ 모든 기계적 시스템은 동적 요소를 필요로 하며 마찰과

마모를 줄이기 위한 다양한 수단들이 가능하나 그 선택

은 환경이나 조작 조건에 제한을 받는다 PTFE는 자기

윤활 낮은 마찰계수 높은 열안정성과 화학약품 안정성

으로 산업분야에 널리 사용되는 엔지니어링 고분자이지

만 내마모성이 매우 부족하다 이러한 이유로 금속

-PTFE충전 복합체들이 PTFE의 마찰특성과 금속충전제

50

의 내마모성을 결합하여 특정 분야의 용도로 소개되어

왔으나 금속-고분자 물질에서의 충전제의 역할은 완전히

설명되지 않고 있다 복합체 표면의 과잉의 충전제 농도

는 미끄러지는 동안 부하를 지지하여 내마모성을 증가시

키는 것으로 생각되며 PTFE의 마모율은 Mo Zn Ni

Y2O3 및 SiO2 같은 무기 충전제에 의해 1000배가량 감소

되었다는 보고도 있다 유리섬유 구리 세라믹 탄소섬유

절단 탄소섬유 나노입자를 포함한 경질의 충전제 입자들

이 PTFE의 내마모성을 높이기 사용되어 왔다

ㅇ 비교적 두꺼운 코팅에는 열분사(thermal spray) 용사기

술이 정립되어 있고 용사 코팅은 내마모 내마찰 내프레

팅(fretting) 및 내부식을 요하는 산업에 많이 이용되고

있다

- 용사 몰리브덴(Mo)코팅은 실질적 내마모성 코팅으로

가장 광범하게 이용되며 프레임용사(flame spray)거나

와이어용사(wire spray)기술로 생산된 몰리브덴(Mo)

코팅은 흠이나 마모에 대한 고도의 저항을 얻기 위한

가장 좋은 코팅재료 중의 하나이다

- 알루미늄 청동(aluminium bronze)은 높은 내-부식성

과 내마모성을 갖는 것이 특징이다 저압 플라즈마 용

51

사 기술은 자기-아닐링(self-anealing)과 부서지기 쉽

도록 유도하는 γ-상의 형성을 피할 수 있도록 높은

냉각 속도를 얻는 데 사용되며 알루미늄 청동 저압

플라즈마 용사 코팅은 낮은 마찰과 마모를 보였고 비

교적 최근 플라즈마 용사 기술을 이용하여 알루미늄

기질에 고분자-세라믹 복합체를 코팅하는 기술이 개

발되었다33)복합체 코팅으로 행한 마찰 시험에서 낮

은 마찰계수를 얻을 수 있었다

- 낮은 마찰계수와 고 내마모성을 갖는 이성분 금속

-PTFE 코팅이 개발되었고 이들의 마찰 공학적 성능

이 보고되었다 PTFE-기초 복합체 설계에서 일반적

인 접근방법은 경질의 충전 입자들을 도입하는 것으

로 M Yamane 등34)은 PTFE-금속 이성분 코팅의 마

찰 마모성능에 관한 연구 결과 알루미늄 청동 코팅이

Mo코팅에 비해 PTFE 저장소(reservoir)에 유용했음

을 보고하였다

⑹ 충전 또는 강화 플루오르화 탄소1)

ㅇ 분말이나 강화섬유 등 전형적인 충전재들이 충전 또는

강화 플루오르화 탄소에 사용된다 충전재는 저온흐름

52

을 향상시키는 데 사용되며 수축과 균열을 줄이고 열

팽창을 낮추며 열전도율을 향상시킨다

ㅇ 분말이나 단섬유로 된 전형적인 충전제를 표 3-5에 종합

하였다 유리섬유는 가장 보편적인 PTFE 충전제로 화

학 및 전기적 특성에 최소로 영향을 미치며 기계적 특

성을 크게 향상시킨다 분말에 비해 섬유는 압축강도

강성도 및 지지용량을 더욱 향상시키나 분말은 충전

테플론의 내구성에 거의 영향을 미치지 않는다 금속분

말은 특히 열전도도를 향상시키며 고속에서 발생하는 마

찰열을 소멸하는데 도움이 되며 전기저항을 상당히 감소

시켜 금속-충전 조성물은 양호한 절연체는 아니다

ㅇ 흑연(graphite) MoS2는 초기 내구성과 마찰을 개선하고

기계적 특성을 향상시킨다 석면은 많은 유용한 특성을

갖지만 가공 처리 중 가스가 방출할 뿐 아니라 사용금지

물질이다 표 3-5 외에도 금속 망 장섬유 다공성 금속

등 다양한 충전제들이 있으며 다양한 종류의 제품들이

상업 생산되고 있어 최종 선정을 하기 전에 플라스틱 가

공업자로부터 보다 완전한 정보와 추천을 받는 것이 바

람직하다

53

표 3-5 불소수지용 충전제

ㅇ 압축강력 인장과 압축 시의 탄성률 및 항복강력은 첨가

제의 첨가에 의해 모두 증가하나 일반으로 인장강력과

신도 및 충격강도는 손실된다 통상 충전 테플론은 압축

상태에서 사용되므로 인장강력의 감소는 중요하지 않다

인장강력의 손실은 설치(연속적인 링-실링)할 때 인장되

는 재료에서 중요하다 열팽창 계수는 비-충전 테플론에

비해 감소되어 통상 금속 부품의 팽창계수와 잘 맞는다

ㅇ 마찰과 마모를 수반하는 분야에서 가장 중요한 것은 충

전제로 얻어지는 PV한계치의 증가와 마모의 감소다 비-

54

충전 테플론에 비해 PV한계치 크기는 개략적으로 1차원

적으로 증가하나 마모인자는 3차원적으로 감소한다 충전

테플론의 평균치들은 동적 마찰계수는 01-02 PV한계치

는 10000-20000 psi-fpm 마모상수는 10times10-10in3-min

lb-ft-hr이다 그림 3-3은 충전 테플론 PTFE의 마찰계

수에 미치는 충전제 종류와 농도의 효과에 관한 것이다

그림 3-3 테플론 PTFE에 미치는 충전제 종류와 농도1)

ㅇ 내마모성을 향상시키는 충전제는 실제로 연마저항성을

감소시키는 것으로 날카로운 입자는 보다 쉽게 침투하고

충전제 입자와 수지 사이의 경계를 따라 충전 플라스틱

을 찢는다 따라서 라이닝 슈트 같은 분야의 적용 시는

55

비-충전테플론이 보다 바람직하다

⑺ 시트 테이프 및 박층(laminates)

ㅇ 대부분의 플루오르화탄소는 충전 여부에 관계없이 두

께 1mil(0001 in)까지 시트나 테이프로 만들 수 있고

시트나 테이프를 찍어서 원하는 형상의 립-씰(lip seal)

펌프 컵(pump cup) 피스톤 링(piston rings) 가스켓

(gaskets) 등을 만들 수 있다

ㅇ 유체의 누설을 정지시키는 밀봉기능 부품 중 각종기기의

접합부나 배관 플랜지 등의 밀봉에 사용되는 가스켓

(gaskets)은 석면이 널리 사용되어 왔으나 유해물질 배

출 및 이동량 보고제도(PRTR Pollutant Release and

Transfer Register)에서 발암성을 가진 제1종 지정 화학

물질로 지정되어 사용이 금지되어 PTFE가 가스켓으로

개발되었다 PTFE는 용융 알칼리 금속 및 그 용액과 불

소 및 3불화염소에 의해 약간 침식되나 모든 화학약품에

안정하고 우수한 내부식 재료로 C-F결합력이 크고 F원

자가 C-C결합의 주위를 간격 없이 들러 싸고 있기 때문

에 다른 물질의 공격을 방어하고 있고 내열성은 260로

높다35)

56

- PTFE 필러를 사용한 PTFE 나선 권형 가스켓은 석

면에 대한 사용규제와 상관없이 사용되어 왔으며 유

연한 필러를 사용하므로 석면 가스켓 보다 낮은 체결

압력에서도 실 특성이 우수하고 내식 면에서도 광범

하고 다양한 유체에 사용이 가능하다 다만 단열성 면

에서는 석면 나선 권형 가스켓 보다 사용온도 범위가

제한된다

ㅇ 산업 기계나 자동차의 브레이크 제동장치에 부착하여 마

찰력을 부가하는 브레이크 라이닝에서는 마찰계수와 내

마모력 및 충격계수 등 마찰특성이 우수한 석면을 주로

사용하여 왔으나 제동 시 발생하는 미세 석면분진으로

인해 대기오염에 의한 환경을 파괴 뿐 아니라 인체에 흡

입될 경우 암을 유발하여 PRTR로 사용이 금지되었다

석면을 대체할 유기질 또는 무기질 된 다양한 비석면 마

찰 섬유 등이 사용되고 있으며 마찰 섬유에 테프론을 코

팅하여 브레이크라이닝의 수명향상 제동 시 발생하는 소

음 떨림 및 제동력 향상을 위한 제품개발이 시도되고

있다

- 예로 국내 특허36)에서는 브레이크 라이닝(또는 패드)

의 마찰재 배합재료 중 유기섬유(Kevlar섬유 pulp섬

57

유 등)에 테프론을 코팅하고 코팅된 유기섬유에 결합

재 충전재 윤활재 마찰안정재 마찰조정재 등을 소정

의 배합비로 배합하여 성형하고 열처리하여 브레이크

패드 또는 라이닝을 제조한다

ㅇ 초소형 정밀기계(MEMS Micro-Electromechanical

System)분야에서는 점착방지를 위해 불화 유기박막을

사용한다 Park 등37)은 단층 두께의 불화 유기박막의

특성을 접촉각 측정을 통해 분석하였다

⑻ DLC 코팅3839)

ㅇ DLC(diamond-like carbon)는 몇 가지 다이아몬드의 전

형적인 특성을 나타내는 비정질 탄소물질로 극도의 내마

모 특성을 필요로 하는 재료의 코팅에 이용되고 있다

DLC코팅은 연마 마모를 감소시키기 위한 재료에 유용하

여 엔드밀 드릴비트 금형 같은 공구는 물론 자동차 기

계부품 및 전자산업 등 산업전반에 걸쳐 적용된다40)

ㅇ 환경오염 문제로 인해 PRTR(Pollutant Release and

Transfer Register 유해물질 배출 및 이동량 보고 제

도) 이 시행되어 습동 부품이나 절삭 시에 사용되는 오

일이나 그리스에 포함되는 첨가제(MoS2 Zn 등)와 이들

58

부품을 세정할 때 사용되는 용매 기계부품의 수명을 연

장시키기 위해 활용되었던 Cr도금 폐액에서 발생하는 6

가 크롬 등의 오염물질들에 대한 규제가 더욱 강화되어

DLC에 의한 무윤활 습동과 무윤활 절삭을 지향한 공구

와 기계 부품의 개발이 관심을 끌고 있다4142)

- 일본 내에서는 PRTR이 시행되고 이것에 저촉되는 재

료에 관해서는 MSDS(Material Safety Data Sheet)를

첨부해야할 의무가 있고 부품가공 습동 용도에서는

대상 리스트에 올라 있는 오일 오일 중의 중금속 도

금폐액을 어떻게 경제성 있는 환경 친화적 공정과 재

료로 전환할 것인가를 고려하면서 무윤활 습동 무윤

활 절삭 탈크롬 도금의 3가지 키워드가 대두되고

DLC코팅이 대안으로 모색되고 있다

- DLC코팅 적용기술과 과제에 관한 자료로는 자동차

관련부품 적용사례 엔진부위 마찰 작동 밸브계의 마

찰저감 DLC와 윤활제에 의한 마찰저감 기술을 중심

으로 살펴본 보고가 있다43)

ㅇ DLC는 7가지 형태가 존재하며 모두 상당한 양의 sp3혼

성궤도 탄소원자를 함유한다 다양한 형태의 DLC가 진

공 환경으로 적합한 재료들에 적용가능하며 유럽에서의

59

2006년 위탁 DLC코팅 시장은 3천만euro로 추정되었고 국

내도 활발한 상용화가 시도되고 있다

ㅇ 사반면상(tetahedral) 비정질 탄소 ta-C를 2두께로 코

팅하면 연마마모에 대한 스테인레스 강(304 type)의 내구

성을 증가시켜 수명을 1주일에서 85년으로 늘이며 이러

한 DLC의 형태는 sp3결합 탄소 원자로만 이루어지기 때

문에 순수한 DLC로 간주되며 수소 sp2흑연 탄소 금속

같은 충전제가 생산경비를 낮추거나 원하는 특성을 부여

하기 위하여 사용되고 있다

ㅇ DLC를 만드는 방법에는 sp3탄소 보다 낮은 밀도의 sp

2

에 의존하는 몇 가지 방법들이 있으며 압력 충격 촉매

또는 이들의 조합으로 sp2결합탄소 원자들을 sp3결합탄소

로 근접시킨다 최근 초고압 하에서 탄소의 경량 특성을

갖는 초경도 무정형 다이아몬드가 만들어졌다 탄소로 만

들어지는 다이아몬드 그래파이트는 결정구조를 가지나

DLC는 비정질이라는 점에서 크게 다르고 200 정도의

저온에서 형성시킬 수 있다는 점이 통상의 PVD막에 비

해 훨씬 우위에 있다

ㅇ DLC코팅은 제조공정이 복잡하고 생산 단가가 비싸 적용

이 어려우며 적용되는 소재가 제한되는 단점을 갖는다

60

주요제법으로는 고주파 플라즈마 법 이온화 증착법 스

페터링법 등을 들수 있다 고주파 플라즈마 법은 메탄가

스가 원료로 사용되고 막 중의 수소가 약 30(원자)로

평활성이 우수하고 마찰계수가 작으나 경도가 낮다 이

온화 증착법은 벤젠을 사용하며 막은 단단하나 면의 조

도가 거칠고 후막화 하기 위해 스패터링 방법이 검토되

고 있다

⑼ 불소수지의 안전성

ㅇ 테플론 PTFE의 열분해는 200(392)에서 감지되며 이

것은 몇 가지 플루오르화 탄소 기체들과 승화물질을 방

출한다4445)1955년 동물실험에 관한 한 연구에서는 이들

물질이 250(482) 이하에서는 의미 있는 양이 아니라

고 결론지었으나 최근 비-점착 주방기구인 프라이팬이

나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가열할 때 조류를

죽일 수 있는 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수

도 있다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있다45)

ㅇ 표 3-6은 EWG가 보고한 3-5분 내에 370까지 불소수

지를 가열할 때 발생되는 15종의 불소화합물에 관한 것

이다 테플론과 같은 코팅물질들이 장기적으로 인체에 미

61

치는 영향에 관한 연구는 이루어지지 않고 있으나 독감

과 유사한 질병을 유발할 수 있으며 이를 중합체 증기열

(polymer fume fever)이라 한다

표 3-6 15종의 유해물질 및 유독성 기체44)

ㅇ 최근 표 3-6의 화합물들 중 특히 TFA와 과불화된

(perfluorinated) PFOA(perfluorooctanoic acid)에 관심이

증가되고 있다 PFOA는 새로운 환경오염물질로 미국 환

경보호청(EPA)에 의하면 보통 때는 문제가 없으나 조리

과정에서 프라이팬에 열을 가하고 강하게 긁을 경우 용

62

출되어 나오며 이것이 음식물과 함께 인체에 흡수되는

것으로 추정하였다 한편 DuPont의 테플론 PTFE 연구

결과에 의하면 검출한계인 9ppb 이상 검출되지 않으며

테플론 주방기구에서는 PFOA가 존재하지 않는다고 발

표하고 있다

- 물이나 공기를 통해 환경에 노출된 PFOA는 고 콜레

스테롤 궤양성 대장염 갑상선 질환 고환암 신장암

및 임신성 고혈압과 관련된다고 보고되었다

- PFOA는 불소수지 생산과정에서 사용되는 첨가물로써

암모늄 형태로 PTFE 유화중합에 계면활성제로 사용

되며 불소수지의 품질과 균일성을 유지하기 위해 필

수적인 첨가물이기 때문에 전 세계 모든 불소수지 제

조업체가 사용 중에 있다 한편 국내 주력 산업인 반

도체 생산 과정에서도 PFOA를 대량으로 사용하고 있

어 체계적인 실태조사와 대책수립이 필요하다는 의견

들이 대두되고 있다

⑽ 불소화합물의 안전성과 환경대책

ㅇ 표 3-6에서 살펴본 바와 같이 테플론을 급격히 고온으로

가열하면 2종의 발암물질을 포함한 유독성 가스가 발생

63

하고 특히 불소화합물 중 MFA(monofluoroacetic acid)는

적은 양으로도 치명적 해를 끼치고 PEIF(perfluoro-

isobutene)는 신경가스제로 여러 가지 질환을 발생시킨다

한다44)

따라서 테플론으로 코팅된 장치를 재 코팅하기

위해 테프론을 고온으로 급격히 가열하거나 소각 등을

통해 제거할 때는 발생 가능성이 있는 유독가스를 제거

하기 위한 별도의 설비를 이용하여야 하고 유 등44)의 보

고서에서와 같이 중조(NaHCO3)를 포화시킨 충분한 물로

유독 산성 물질을 중화시키는 것도 고려할 만하다 한편

부식대전 방지 코팅도 테플론 코팅 일변도에서 세라믹

코팅 CNTs이나 DLC 코팅기술로 대응하는 것을 추천하

고 싶으며 이것은 유해물질 배출 및 이동량 보고제도

(PRTR Pollutant Release and Transfer Register)에 대

비하는 등 기업의 장래를 고려하는 것도 될 것이다

ㅇ PTFE를 사용한 취사도구는 1960년대 이래 사용되어 오

고 있으나 최근 들어 이것의 안전성이 논쟁의 주제가 되

고 있으며 논의 주체는 PFOA(perfluorooctanoic acid)이

다 PFOA는 PTFE를 비롯한 많은 불소수지의 생산에

사용되며 DuPont의 테플론 PTFE 연구 결과에 의하면

프라이팬을 260 이상 고온에서 가열하거나 코팅이 벗

겨져도 PFOA가 존재하지 않는다고 한다 그러나 물이나

64

공기 토양 식품포장재 등 여러 곳에서 PFOA 오염사실

이 보고되고 있다 한다44)

- 미국 EPA는 인체와 환경에 대한 PFOA 연구를 계속

하고 있으며 2015년까지 PFOA 및 이와 관련된 화합

물 방출을 배제할 프로그램을 갖고 있으나 PTFE-기

초 비점착 취사기구를 중지시킬 타당성을 갖고 있지

는 않다 최종제품은 PFOA가 아닌 PTFE이기 때문이

다

- 수십 년 동안 불소수지 비점착 코팅이 시장을 지배하

였으나 최근 몇 가지 신기술들이 출현되고 있으며 이

들 대부분은 실리콘 세라믹과 실리콘 기술로 이들 코

팅은 PTFE와 PFOA를 함유하지 않는다

- 오늘날 출시된 비점착 취사용구는 수많은 상표로 팔

리고 있으며 DuPont에 의하면 대부분의 취사용구 코

팅은 정상적으로 사용할 때 3-5년 견딜 수 있을 것으

로 예측한다 너무 문질러서는 안 되고 따뜻한 비눗

물로 씻어주는 것이 좋으며 닳거나 흠이 생기지 않도

록 나무 플라스틱이나 코팅된 재료로 만든 도구를 선

택하고 보관도 흠이 생기지 않을 장소나 캐비닛을 권

장하고 있다

65

ㅇ 국내의 불소수지 안전성에 관한 것으로는 재질규격(납과

카드뮴)과 용출규격(납 과망간산칼륨소비량 증발잔류물)

이 식품용 기구 및 용기 포장 공전46)에 기재되어 있으며

최근 국내에서도 PFOA를 비롯한 유해 불소화합물에 관

한 관심이 커져 가고 있다

ㅇ PFOA 문제가 표면화 되면서 환경 보전형 불소계 발수

유제의 개발과 공업화도 새로이 부각되고 있다 이에 관

한 보고서를 모니터링한 KISTI자료47)를 중심으로 간단히

요약하면 발수제의 주요성분 퍼플루오로알킬기(Rf기)함

유 폴리머의 기능은 Rf기의 고리길이에 크게 의존하므로

PFOA문제 해법으로 탄소수 8 이상인 종래의 불소화학

에서 탈피 짧은 고리 Rf기(탄소수 6)를 가진 새로운 단

량체를 선택하여 발수제를 제조함으로써 환경 보전형 불

소계 발수유제를 개발하고 공업화하였다 한다

66

제 4 장

지원결과

1 지원결과 종합

테프론 코팅 기술의 문제점과 부식대전방지용 테플

론 코팅에 관한 정보 외에 신청기업의 요청에 따

라 C-나노튜브 코팅 및 DLC증착에 관련된 기술 정

보도 제공하였다

테플론은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat resistant)

비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coefficient of

friction) 내약품성(chemical resistance)과 특이한 전기적

특성(unique electrical properties) 및 온내구력(cryogenic

stability)으로 그 응용범위가 광범하며 용도에 따른 엄격

한 품질관리가 요구될 것으로 생각되어 중소기업에 적합

한 기초능력 배양과 신제품을 구상하기 위한 최신기술에

관한 정보를 제공하고자 하였다

67

불소수지의 코팅은 두께와 첨가제가 관건으로 이에 관한

자료를 제공하고자 하였으며 불소수지의 전기특성 폭발

성 환경과 반도체 제조공정에서의 대전 방지 처리를 위

한 정전기 관리 지표 등을 특허를 중심으로 조사하여 제

공하고자 하였다

C-나노튜브를 이용한 대전방지 코팅 기술 및 C-나노튜

브의 제법 등 이것에 관한 기초정보를 제공하고자 하였

으며 내마모성 테플론 코팅에 관해서는 테플론을 이용한

세라믹 코팅 기술에 관한 정보도 제공하고자 하였다

테플론의 기계적 전기적 특성을 강화하기 위해 사용되는

충전제를 종합하고 기초이론을 정립함으로써 금후 원부

자재의 선정에 도움을 주었다

테플론은 석면 대체재로도 주목받고 있어 이에 관한 특

허 정보들을 제공하였으며 다이아몬드의 전형적인 특성

을 나타내는 DLC의 코팅관련 기술 정보를 환경오염 문

제와 연관하여 자료를 제공하였고 최근 비-점착 주방기

구인 프라이팬이나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가

열할 때 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수도 있

다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있어 이에

관한 정보도 제공하였다

68

2 지원의 한계

중소기업이 당면한 문제는 전문기술의 확보다 관련 기술

이 비약적으로 발전하는 추세에 비추어 한정된 인원으로

신기술을 소화하고 개발하기는 어려울 것이므로 출연연

구기관이나 대학과 공동연구를 모색할 수 있으나 이것도

중소기업으로서는 경제적 부담이 될 수밖에 없을 것으로

생각된다 가능하다면 앞으로도 KISTI의 정보지원이 계

속되기를 바라고 있었다

3 기대효과

부식대전 방지 테플론 코팅에 관한 기본 기술이 배양되

어 합리적인 원부 원료의 수입검사 공정관리 및 제품관

리를 통해 원가절감은 물론 신제품 신기술에 관한 정보

수집 및 분석능력이 배양되고 개발력이 확충되어 기업

경쟁력 향상에 도움이 될 것이다

69

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저자소개

김학주(金鶴柱) 서울대학교 문리과대학 화학과 졸업 이학사

전북대학교 대학원 화학과 이학박사

(주)삼양사 의약연구소장 신성대학교 교수

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 폴리에스테르 섬유의 연중직방기술 외 다수

저서 기기분석 공업물리화학 일반화학

성용길(成墉吉)

동국대학교 이과대학 화학과 졸업 이학사 이학석사

부산대학교 대학원 화학과 이학박사(Dr Sci)

University of Utah USA Ph D(공학박사) Post Dr

유타대학교 연구교수 부산대학교 교수 동국대학교 교수

동국대학교 명예교수 한국원자력문화진흥원 이사

과학문화연구원전문연구위원 한국도량형과학문화연구원 원장

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 의료용 기능성 고분자재료에 관한 연구 외 330편

저서 고분자 물성론 (서울대학교 출판부 공저) 외 10권

48

분자 코팅 층이 열전도도를 감소시키는 단점을 가지고

있다 Kang 등30)은 강판 위의 고분자 코팅 층의 열전도

도를 향상시키기 위해 초미세-크기 다이몬드(μD)입자를

열전도 물질로 사용하였다 다양한 음이온 및 비-이온

계면활성제들을 사용하여 수용액 중에서 무거운 μD입자

의 안정화를 시험들을 한 결과 1-피렌카르복시산(PCA)

이 가장 양호하였다 그림 3-2는 이 시험 결과를 요약한

것이다

- 강판 위에 PCA로 안정화 된 μD 입자를 함유한 폴리

우레탄-기초 코팅 층은 열전도도가 0351W(mK)에서

0434 W(mK)(10 wtμD)로 향상되었으며 더욱 144

시간 동안 염수 분무 시험결과 부식거동은 관찰되지

않았다

그림 3-2 피렌카르복시산을 이용한 μD 표면처리

ㅇ 자동차공업에서는 기본적인 특성으로 내마모성이 요구되

49

는 강철 기계부품들의 마찰특성을 향상시키기 위해 다양

한 금속 및 고분자 코팅들이 광범하게 이용된다 내-마

모 코팅은 두 가지 주요 특성인 높은 표면경도와 자기-

윤활 특성이 필요하다 후자의 범주에 속하는 것이

PTFE와 MoS2 기초 코팅이다 무전해 니켈 코팅은 높은

경도로 인해 양호한 마찰 특성을 보이며 한편 열처리를

통해 경도를 향상시킬 수 있다 PTFE입자의 첨가는 코

팅경도를 감소시키나 자기-윤활특성을 부여한다 S

Rossi 등3132)은 마찰특성을 향상시키기 위해 이용되는 탄

소강에 이용되는 몇 가지 공업적인 코팅에 관한 부식거

동에 관해 평가 PTFE입자를 함유한 무전해 니켈-인

(Electroless Nickel-Phophorus)코팅은 PTFE 입자(자기-

윤활 특성)를 갖는 외층과 장벽-효과를 갖는 내층으로

인한 이중 특성으로 가장 양호한 특성을 보였다고 보고

하고 있다

ㅇ 모든 기계적 시스템은 동적 요소를 필요로 하며 마찰과

마모를 줄이기 위한 다양한 수단들이 가능하나 그 선택

은 환경이나 조작 조건에 제한을 받는다 PTFE는 자기

윤활 낮은 마찰계수 높은 열안정성과 화학약품 안정성

으로 산업분야에 널리 사용되는 엔지니어링 고분자이지

만 내마모성이 매우 부족하다 이러한 이유로 금속

-PTFE충전 복합체들이 PTFE의 마찰특성과 금속충전제

50

의 내마모성을 결합하여 특정 분야의 용도로 소개되어

왔으나 금속-고분자 물질에서의 충전제의 역할은 완전히

설명되지 않고 있다 복합체 표면의 과잉의 충전제 농도

는 미끄러지는 동안 부하를 지지하여 내마모성을 증가시

키는 것으로 생각되며 PTFE의 마모율은 Mo Zn Ni

Y2O3 및 SiO2 같은 무기 충전제에 의해 1000배가량 감소

되었다는 보고도 있다 유리섬유 구리 세라믹 탄소섬유

절단 탄소섬유 나노입자를 포함한 경질의 충전제 입자들

이 PTFE의 내마모성을 높이기 사용되어 왔다

ㅇ 비교적 두꺼운 코팅에는 열분사(thermal spray) 용사기

술이 정립되어 있고 용사 코팅은 내마모 내마찰 내프레

팅(fretting) 및 내부식을 요하는 산업에 많이 이용되고

있다

- 용사 몰리브덴(Mo)코팅은 실질적 내마모성 코팅으로

가장 광범하게 이용되며 프레임용사(flame spray)거나

와이어용사(wire spray)기술로 생산된 몰리브덴(Mo)

코팅은 흠이나 마모에 대한 고도의 저항을 얻기 위한

가장 좋은 코팅재료 중의 하나이다

- 알루미늄 청동(aluminium bronze)은 높은 내-부식성

과 내마모성을 갖는 것이 특징이다 저압 플라즈마 용

51

사 기술은 자기-아닐링(self-anealing)과 부서지기 쉽

도록 유도하는 γ-상의 형성을 피할 수 있도록 높은

냉각 속도를 얻는 데 사용되며 알루미늄 청동 저압

플라즈마 용사 코팅은 낮은 마찰과 마모를 보였고 비

교적 최근 플라즈마 용사 기술을 이용하여 알루미늄

기질에 고분자-세라믹 복합체를 코팅하는 기술이 개

발되었다33)복합체 코팅으로 행한 마찰 시험에서 낮

은 마찰계수를 얻을 수 있었다

- 낮은 마찰계수와 고 내마모성을 갖는 이성분 금속

-PTFE 코팅이 개발되었고 이들의 마찰 공학적 성능

이 보고되었다 PTFE-기초 복합체 설계에서 일반적

인 접근방법은 경질의 충전 입자들을 도입하는 것으

로 M Yamane 등34)은 PTFE-금속 이성분 코팅의 마

찰 마모성능에 관한 연구 결과 알루미늄 청동 코팅이

Mo코팅에 비해 PTFE 저장소(reservoir)에 유용했음

을 보고하였다

⑹ 충전 또는 강화 플루오르화 탄소1)

ㅇ 분말이나 강화섬유 등 전형적인 충전재들이 충전 또는

강화 플루오르화 탄소에 사용된다 충전재는 저온흐름

52

을 향상시키는 데 사용되며 수축과 균열을 줄이고 열

팽창을 낮추며 열전도율을 향상시킨다

ㅇ 분말이나 단섬유로 된 전형적인 충전제를 표 3-5에 종합

하였다 유리섬유는 가장 보편적인 PTFE 충전제로 화

학 및 전기적 특성에 최소로 영향을 미치며 기계적 특

성을 크게 향상시킨다 분말에 비해 섬유는 압축강도

강성도 및 지지용량을 더욱 향상시키나 분말은 충전

테플론의 내구성에 거의 영향을 미치지 않는다 금속분

말은 특히 열전도도를 향상시키며 고속에서 발생하는 마

찰열을 소멸하는데 도움이 되며 전기저항을 상당히 감소

시켜 금속-충전 조성물은 양호한 절연체는 아니다

ㅇ 흑연(graphite) MoS2는 초기 내구성과 마찰을 개선하고

기계적 특성을 향상시킨다 석면은 많은 유용한 특성을

갖지만 가공 처리 중 가스가 방출할 뿐 아니라 사용금지

물질이다 표 3-5 외에도 금속 망 장섬유 다공성 금속

등 다양한 충전제들이 있으며 다양한 종류의 제품들이

상업 생산되고 있어 최종 선정을 하기 전에 플라스틱 가

공업자로부터 보다 완전한 정보와 추천을 받는 것이 바

람직하다

53

표 3-5 불소수지용 충전제

ㅇ 압축강력 인장과 압축 시의 탄성률 및 항복강력은 첨가

제의 첨가에 의해 모두 증가하나 일반으로 인장강력과

신도 및 충격강도는 손실된다 통상 충전 테플론은 압축

상태에서 사용되므로 인장강력의 감소는 중요하지 않다

인장강력의 손실은 설치(연속적인 링-실링)할 때 인장되

는 재료에서 중요하다 열팽창 계수는 비-충전 테플론에

비해 감소되어 통상 금속 부품의 팽창계수와 잘 맞는다

ㅇ 마찰과 마모를 수반하는 분야에서 가장 중요한 것은 충

전제로 얻어지는 PV한계치의 증가와 마모의 감소다 비-

54

충전 테플론에 비해 PV한계치 크기는 개략적으로 1차원

적으로 증가하나 마모인자는 3차원적으로 감소한다 충전

테플론의 평균치들은 동적 마찰계수는 01-02 PV한계치

는 10000-20000 psi-fpm 마모상수는 10times10-10in3-min

lb-ft-hr이다 그림 3-3은 충전 테플론 PTFE의 마찰계

수에 미치는 충전제 종류와 농도의 효과에 관한 것이다

그림 3-3 테플론 PTFE에 미치는 충전제 종류와 농도1)

ㅇ 내마모성을 향상시키는 충전제는 실제로 연마저항성을

감소시키는 것으로 날카로운 입자는 보다 쉽게 침투하고

충전제 입자와 수지 사이의 경계를 따라 충전 플라스틱

을 찢는다 따라서 라이닝 슈트 같은 분야의 적용 시는

55

비-충전테플론이 보다 바람직하다

⑺ 시트 테이프 및 박층(laminates)

ㅇ 대부분의 플루오르화탄소는 충전 여부에 관계없이 두

께 1mil(0001 in)까지 시트나 테이프로 만들 수 있고

시트나 테이프를 찍어서 원하는 형상의 립-씰(lip seal)

펌프 컵(pump cup) 피스톤 링(piston rings) 가스켓

(gaskets) 등을 만들 수 있다

ㅇ 유체의 누설을 정지시키는 밀봉기능 부품 중 각종기기의

접합부나 배관 플랜지 등의 밀봉에 사용되는 가스켓

(gaskets)은 석면이 널리 사용되어 왔으나 유해물질 배

출 및 이동량 보고제도(PRTR Pollutant Release and

Transfer Register)에서 발암성을 가진 제1종 지정 화학

물질로 지정되어 사용이 금지되어 PTFE가 가스켓으로

개발되었다 PTFE는 용융 알칼리 금속 및 그 용액과 불

소 및 3불화염소에 의해 약간 침식되나 모든 화학약품에

안정하고 우수한 내부식 재료로 C-F결합력이 크고 F원

자가 C-C결합의 주위를 간격 없이 들러 싸고 있기 때문

에 다른 물질의 공격을 방어하고 있고 내열성은 260로

높다35)

56

- PTFE 필러를 사용한 PTFE 나선 권형 가스켓은 석

면에 대한 사용규제와 상관없이 사용되어 왔으며 유

연한 필러를 사용하므로 석면 가스켓 보다 낮은 체결

압력에서도 실 특성이 우수하고 내식 면에서도 광범

하고 다양한 유체에 사용이 가능하다 다만 단열성 면

에서는 석면 나선 권형 가스켓 보다 사용온도 범위가

제한된다

ㅇ 산업 기계나 자동차의 브레이크 제동장치에 부착하여 마

찰력을 부가하는 브레이크 라이닝에서는 마찰계수와 내

마모력 및 충격계수 등 마찰특성이 우수한 석면을 주로

사용하여 왔으나 제동 시 발생하는 미세 석면분진으로

인해 대기오염에 의한 환경을 파괴 뿐 아니라 인체에 흡

입될 경우 암을 유발하여 PRTR로 사용이 금지되었다

석면을 대체할 유기질 또는 무기질 된 다양한 비석면 마

찰 섬유 등이 사용되고 있으며 마찰 섬유에 테프론을 코

팅하여 브레이크라이닝의 수명향상 제동 시 발생하는 소

음 떨림 및 제동력 향상을 위한 제품개발이 시도되고

있다

- 예로 국내 특허36)에서는 브레이크 라이닝(또는 패드)

의 마찰재 배합재료 중 유기섬유(Kevlar섬유 pulp섬

57

유 등)에 테프론을 코팅하고 코팅된 유기섬유에 결합

재 충전재 윤활재 마찰안정재 마찰조정재 등을 소정

의 배합비로 배합하여 성형하고 열처리하여 브레이크

패드 또는 라이닝을 제조한다

ㅇ 초소형 정밀기계(MEMS Micro-Electromechanical

System)분야에서는 점착방지를 위해 불화 유기박막을

사용한다 Park 등37)은 단층 두께의 불화 유기박막의

특성을 접촉각 측정을 통해 분석하였다

⑻ DLC 코팅3839)

ㅇ DLC(diamond-like carbon)는 몇 가지 다이아몬드의 전

형적인 특성을 나타내는 비정질 탄소물질로 극도의 내마

모 특성을 필요로 하는 재료의 코팅에 이용되고 있다

DLC코팅은 연마 마모를 감소시키기 위한 재료에 유용하

여 엔드밀 드릴비트 금형 같은 공구는 물론 자동차 기

계부품 및 전자산업 등 산업전반에 걸쳐 적용된다40)

ㅇ 환경오염 문제로 인해 PRTR(Pollutant Release and

Transfer Register 유해물질 배출 및 이동량 보고 제

도) 이 시행되어 습동 부품이나 절삭 시에 사용되는 오

일이나 그리스에 포함되는 첨가제(MoS2 Zn 등)와 이들

58

부품을 세정할 때 사용되는 용매 기계부품의 수명을 연

장시키기 위해 활용되었던 Cr도금 폐액에서 발생하는 6

가 크롬 등의 오염물질들에 대한 규제가 더욱 강화되어

DLC에 의한 무윤활 습동과 무윤활 절삭을 지향한 공구

와 기계 부품의 개발이 관심을 끌고 있다4142)

- 일본 내에서는 PRTR이 시행되고 이것에 저촉되는 재

료에 관해서는 MSDS(Material Safety Data Sheet)를

첨부해야할 의무가 있고 부품가공 습동 용도에서는

대상 리스트에 올라 있는 오일 오일 중의 중금속 도

금폐액을 어떻게 경제성 있는 환경 친화적 공정과 재

료로 전환할 것인가를 고려하면서 무윤활 습동 무윤

활 절삭 탈크롬 도금의 3가지 키워드가 대두되고

DLC코팅이 대안으로 모색되고 있다

- DLC코팅 적용기술과 과제에 관한 자료로는 자동차

관련부품 적용사례 엔진부위 마찰 작동 밸브계의 마

찰저감 DLC와 윤활제에 의한 마찰저감 기술을 중심

으로 살펴본 보고가 있다43)

ㅇ DLC는 7가지 형태가 존재하며 모두 상당한 양의 sp3혼

성궤도 탄소원자를 함유한다 다양한 형태의 DLC가 진

공 환경으로 적합한 재료들에 적용가능하며 유럽에서의

59

2006년 위탁 DLC코팅 시장은 3천만euro로 추정되었고 국

내도 활발한 상용화가 시도되고 있다

ㅇ 사반면상(tetahedral) 비정질 탄소 ta-C를 2두께로 코

팅하면 연마마모에 대한 스테인레스 강(304 type)의 내구

성을 증가시켜 수명을 1주일에서 85년으로 늘이며 이러

한 DLC의 형태는 sp3결합 탄소 원자로만 이루어지기 때

문에 순수한 DLC로 간주되며 수소 sp2흑연 탄소 금속

같은 충전제가 생산경비를 낮추거나 원하는 특성을 부여

하기 위하여 사용되고 있다

ㅇ DLC를 만드는 방법에는 sp3탄소 보다 낮은 밀도의 sp

2

에 의존하는 몇 가지 방법들이 있으며 압력 충격 촉매

또는 이들의 조합으로 sp2결합탄소 원자들을 sp3결합탄소

로 근접시킨다 최근 초고압 하에서 탄소의 경량 특성을

갖는 초경도 무정형 다이아몬드가 만들어졌다 탄소로 만

들어지는 다이아몬드 그래파이트는 결정구조를 가지나

DLC는 비정질이라는 점에서 크게 다르고 200 정도의

저온에서 형성시킬 수 있다는 점이 통상의 PVD막에 비

해 훨씬 우위에 있다

ㅇ DLC코팅은 제조공정이 복잡하고 생산 단가가 비싸 적용

이 어려우며 적용되는 소재가 제한되는 단점을 갖는다

60

주요제법으로는 고주파 플라즈마 법 이온화 증착법 스

페터링법 등을 들수 있다 고주파 플라즈마 법은 메탄가

스가 원료로 사용되고 막 중의 수소가 약 30(원자)로

평활성이 우수하고 마찰계수가 작으나 경도가 낮다 이

온화 증착법은 벤젠을 사용하며 막은 단단하나 면의 조

도가 거칠고 후막화 하기 위해 스패터링 방법이 검토되

고 있다

⑼ 불소수지의 안전성

ㅇ 테플론 PTFE의 열분해는 200(392)에서 감지되며 이

것은 몇 가지 플루오르화 탄소 기체들과 승화물질을 방

출한다4445)1955년 동물실험에 관한 한 연구에서는 이들

물질이 250(482) 이하에서는 의미 있는 양이 아니라

고 결론지었으나 최근 비-점착 주방기구인 프라이팬이

나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가열할 때 조류를

죽일 수 있는 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수

도 있다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있다45)

ㅇ 표 3-6은 EWG가 보고한 3-5분 내에 370까지 불소수

지를 가열할 때 발생되는 15종의 불소화합물에 관한 것

이다 테플론과 같은 코팅물질들이 장기적으로 인체에 미

61

치는 영향에 관한 연구는 이루어지지 않고 있으나 독감

과 유사한 질병을 유발할 수 있으며 이를 중합체 증기열

(polymer fume fever)이라 한다

표 3-6 15종의 유해물질 및 유독성 기체44)

ㅇ 최근 표 3-6의 화합물들 중 특히 TFA와 과불화된

(perfluorinated) PFOA(perfluorooctanoic acid)에 관심이

증가되고 있다 PFOA는 새로운 환경오염물질로 미국 환

경보호청(EPA)에 의하면 보통 때는 문제가 없으나 조리

과정에서 프라이팬에 열을 가하고 강하게 긁을 경우 용

62

출되어 나오며 이것이 음식물과 함께 인체에 흡수되는

것으로 추정하였다 한편 DuPont의 테플론 PTFE 연구

결과에 의하면 검출한계인 9ppb 이상 검출되지 않으며

테플론 주방기구에서는 PFOA가 존재하지 않는다고 발

표하고 있다

- 물이나 공기를 통해 환경에 노출된 PFOA는 고 콜레

스테롤 궤양성 대장염 갑상선 질환 고환암 신장암

및 임신성 고혈압과 관련된다고 보고되었다

- PFOA는 불소수지 생산과정에서 사용되는 첨가물로써

암모늄 형태로 PTFE 유화중합에 계면활성제로 사용

되며 불소수지의 품질과 균일성을 유지하기 위해 필

수적인 첨가물이기 때문에 전 세계 모든 불소수지 제

조업체가 사용 중에 있다 한편 국내 주력 산업인 반

도체 생산 과정에서도 PFOA를 대량으로 사용하고 있

어 체계적인 실태조사와 대책수립이 필요하다는 의견

들이 대두되고 있다

⑽ 불소화합물의 안전성과 환경대책

ㅇ 표 3-6에서 살펴본 바와 같이 테플론을 급격히 고온으로

가열하면 2종의 발암물질을 포함한 유독성 가스가 발생

63

하고 특히 불소화합물 중 MFA(monofluoroacetic acid)는

적은 양으로도 치명적 해를 끼치고 PEIF(perfluoro-

isobutene)는 신경가스제로 여러 가지 질환을 발생시킨다

한다44)

따라서 테플론으로 코팅된 장치를 재 코팅하기

위해 테프론을 고온으로 급격히 가열하거나 소각 등을

통해 제거할 때는 발생 가능성이 있는 유독가스를 제거

하기 위한 별도의 설비를 이용하여야 하고 유 등44)의 보

고서에서와 같이 중조(NaHCO3)를 포화시킨 충분한 물로

유독 산성 물질을 중화시키는 것도 고려할 만하다 한편

부식대전 방지 코팅도 테플론 코팅 일변도에서 세라믹

코팅 CNTs이나 DLC 코팅기술로 대응하는 것을 추천하

고 싶으며 이것은 유해물질 배출 및 이동량 보고제도

(PRTR Pollutant Release and Transfer Register)에 대

비하는 등 기업의 장래를 고려하는 것도 될 것이다

ㅇ PTFE를 사용한 취사도구는 1960년대 이래 사용되어 오

고 있으나 최근 들어 이것의 안전성이 논쟁의 주제가 되

고 있으며 논의 주체는 PFOA(perfluorooctanoic acid)이

다 PFOA는 PTFE를 비롯한 많은 불소수지의 생산에

사용되며 DuPont의 테플론 PTFE 연구 결과에 의하면

프라이팬을 260 이상 고온에서 가열하거나 코팅이 벗

겨져도 PFOA가 존재하지 않는다고 한다 그러나 물이나

64

공기 토양 식품포장재 등 여러 곳에서 PFOA 오염사실

이 보고되고 있다 한다44)

- 미국 EPA는 인체와 환경에 대한 PFOA 연구를 계속

하고 있으며 2015년까지 PFOA 및 이와 관련된 화합

물 방출을 배제할 프로그램을 갖고 있으나 PTFE-기

초 비점착 취사기구를 중지시킬 타당성을 갖고 있지

는 않다 최종제품은 PFOA가 아닌 PTFE이기 때문이

다

- 수십 년 동안 불소수지 비점착 코팅이 시장을 지배하

였으나 최근 몇 가지 신기술들이 출현되고 있으며 이

들 대부분은 실리콘 세라믹과 실리콘 기술로 이들 코

팅은 PTFE와 PFOA를 함유하지 않는다

- 오늘날 출시된 비점착 취사용구는 수많은 상표로 팔

리고 있으며 DuPont에 의하면 대부분의 취사용구 코

팅은 정상적으로 사용할 때 3-5년 견딜 수 있을 것으

로 예측한다 너무 문질러서는 안 되고 따뜻한 비눗

물로 씻어주는 것이 좋으며 닳거나 흠이 생기지 않도

록 나무 플라스틱이나 코팅된 재료로 만든 도구를 선

택하고 보관도 흠이 생기지 않을 장소나 캐비닛을 권

장하고 있다

65

ㅇ 국내의 불소수지 안전성에 관한 것으로는 재질규격(납과

카드뮴)과 용출규격(납 과망간산칼륨소비량 증발잔류물)

이 식품용 기구 및 용기 포장 공전46)에 기재되어 있으며

최근 국내에서도 PFOA를 비롯한 유해 불소화합물에 관

한 관심이 커져 가고 있다

ㅇ PFOA 문제가 표면화 되면서 환경 보전형 불소계 발수

유제의 개발과 공업화도 새로이 부각되고 있다 이에 관

한 보고서를 모니터링한 KISTI자료47)를 중심으로 간단히

요약하면 발수제의 주요성분 퍼플루오로알킬기(Rf기)함

유 폴리머의 기능은 Rf기의 고리길이에 크게 의존하므로

PFOA문제 해법으로 탄소수 8 이상인 종래의 불소화학

에서 탈피 짧은 고리 Rf기(탄소수 6)를 가진 새로운 단

량체를 선택하여 발수제를 제조함으로써 환경 보전형 불

소계 발수유제를 개발하고 공업화하였다 한다

66

제 4 장

지원결과

1 지원결과 종합

테프론 코팅 기술의 문제점과 부식대전방지용 테플

론 코팅에 관한 정보 외에 신청기업의 요청에 따

라 C-나노튜브 코팅 및 DLC증착에 관련된 기술 정

보도 제공하였다

테플론은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat resistant)

비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coefficient of

friction) 내약품성(chemical resistance)과 특이한 전기적

특성(unique electrical properties) 및 온내구력(cryogenic

stability)으로 그 응용범위가 광범하며 용도에 따른 엄격

한 품질관리가 요구될 것으로 생각되어 중소기업에 적합

한 기초능력 배양과 신제품을 구상하기 위한 최신기술에

관한 정보를 제공하고자 하였다

67

불소수지의 코팅은 두께와 첨가제가 관건으로 이에 관한

자료를 제공하고자 하였으며 불소수지의 전기특성 폭발

성 환경과 반도체 제조공정에서의 대전 방지 처리를 위

한 정전기 관리 지표 등을 특허를 중심으로 조사하여 제

공하고자 하였다

C-나노튜브를 이용한 대전방지 코팅 기술 및 C-나노튜

브의 제법 등 이것에 관한 기초정보를 제공하고자 하였

으며 내마모성 테플론 코팅에 관해서는 테플론을 이용한

세라믹 코팅 기술에 관한 정보도 제공하고자 하였다

테플론의 기계적 전기적 특성을 강화하기 위해 사용되는

충전제를 종합하고 기초이론을 정립함으로써 금후 원부

자재의 선정에 도움을 주었다

테플론은 석면 대체재로도 주목받고 있어 이에 관한 특

허 정보들을 제공하였으며 다이아몬드의 전형적인 특성

을 나타내는 DLC의 코팅관련 기술 정보를 환경오염 문

제와 연관하여 자료를 제공하였고 최근 비-점착 주방기

구인 프라이팬이나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가

열할 때 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수도 있

다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있어 이에

관한 정보도 제공하였다

68

2 지원의 한계

중소기업이 당면한 문제는 전문기술의 확보다 관련 기술

이 비약적으로 발전하는 추세에 비추어 한정된 인원으로

신기술을 소화하고 개발하기는 어려울 것이므로 출연연

구기관이나 대학과 공동연구를 모색할 수 있으나 이것도

중소기업으로서는 경제적 부담이 될 수밖에 없을 것으로

생각된다 가능하다면 앞으로도 KISTI의 정보지원이 계

속되기를 바라고 있었다

3 기대효과

부식대전 방지 테플론 코팅에 관한 기본 기술이 배양되

어 합리적인 원부 원료의 수입검사 공정관리 및 제품관

리를 통해 원가절감은 물론 신제품 신기술에 관한 정보

수집 및 분석능력이 배양되고 개발력이 확충되어 기업

경쟁력 향상에 도움이 될 것이다

69

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저자소개

김학주(金鶴柱) 서울대학교 문리과대학 화학과 졸업 이학사

전북대학교 대학원 화학과 이학박사

(주)삼양사 의약연구소장 신성대학교 교수

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 폴리에스테르 섬유의 연중직방기술 외 다수

저서 기기분석 공업물리화학 일반화학

성용길(成墉吉)

동국대학교 이과대학 화학과 졸업 이학사 이학석사

부산대학교 대학원 화학과 이학박사(Dr Sci)

University of Utah USA Ph D(공학박사) Post Dr

유타대학교 연구교수 부산대학교 교수 동국대학교 교수

동국대학교 명예교수 한국원자력문화진흥원 이사

과학문화연구원전문연구위원 한국도량형과학문화연구원 원장

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 의료용 기능성 고분자재료에 관한 연구 외 330편

저서 고분자 물성론 (서울대학교 출판부 공저) 외 10권

49

는 강철 기계부품들의 마찰특성을 향상시키기 위해 다양

한 금속 및 고분자 코팅들이 광범하게 이용된다 내-마

모 코팅은 두 가지 주요 특성인 높은 표면경도와 자기-

윤활 특성이 필요하다 후자의 범주에 속하는 것이

PTFE와 MoS2 기초 코팅이다 무전해 니켈 코팅은 높은

경도로 인해 양호한 마찰 특성을 보이며 한편 열처리를

통해 경도를 향상시킬 수 있다 PTFE입자의 첨가는 코

팅경도를 감소시키나 자기-윤활특성을 부여한다 S

Rossi 등3132)은 마찰특성을 향상시키기 위해 이용되는 탄

소강에 이용되는 몇 가지 공업적인 코팅에 관한 부식거

동에 관해 평가 PTFE입자를 함유한 무전해 니켈-인

(Electroless Nickel-Phophorus)코팅은 PTFE 입자(자기-

윤활 특성)를 갖는 외층과 장벽-효과를 갖는 내층으로

인한 이중 특성으로 가장 양호한 특성을 보였다고 보고

하고 있다

ㅇ 모든 기계적 시스템은 동적 요소를 필요로 하며 마찰과

마모를 줄이기 위한 다양한 수단들이 가능하나 그 선택

은 환경이나 조작 조건에 제한을 받는다 PTFE는 자기

윤활 낮은 마찰계수 높은 열안정성과 화학약품 안정성

으로 산업분야에 널리 사용되는 엔지니어링 고분자이지

만 내마모성이 매우 부족하다 이러한 이유로 금속

-PTFE충전 복합체들이 PTFE의 마찰특성과 금속충전제

50

의 내마모성을 결합하여 특정 분야의 용도로 소개되어

왔으나 금속-고분자 물질에서의 충전제의 역할은 완전히

설명되지 않고 있다 복합체 표면의 과잉의 충전제 농도

는 미끄러지는 동안 부하를 지지하여 내마모성을 증가시

키는 것으로 생각되며 PTFE의 마모율은 Mo Zn Ni

Y2O3 및 SiO2 같은 무기 충전제에 의해 1000배가량 감소

되었다는 보고도 있다 유리섬유 구리 세라믹 탄소섬유

절단 탄소섬유 나노입자를 포함한 경질의 충전제 입자들

이 PTFE의 내마모성을 높이기 사용되어 왔다

ㅇ 비교적 두꺼운 코팅에는 열분사(thermal spray) 용사기

술이 정립되어 있고 용사 코팅은 내마모 내마찰 내프레

팅(fretting) 및 내부식을 요하는 산업에 많이 이용되고

있다

- 용사 몰리브덴(Mo)코팅은 실질적 내마모성 코팅으로

가장 광범하게 이용되며 프레임용사(flame spray)거나

와이어용사(wire spray)기술로 생산된 몰리브덴(Mo)

코팅은 흠이나 마모에 대한 고도의 저항을 얻기 위한

가장 좋은 코팅재료 중의 하나이다

- 알루미늄 청동(aluminium bronze)은 높은 내-부식성

과 내마모성을 갖는 것이 특징이다 저압 플라즈마 용

51

사 기술은 자기-아닐링(self-anealing)과 부서지기 쉽

도록 유도하는 γ-상의 형성을 피할 수 있도록 높은

냉각 속도를 얻는 데 사용되며 알루미늄 청동 저압

플라즈마 용사 코팅은 낮은 마찰과 마모를 보였고 비

교적 최근 플라즈마 용사 기술을 이용하여 알루미늄

기질에 고분자-세라믹 복합체를 코팅하는 기술이 개

발되었다33)복합체 코팅으로 행한 마찰 시험에서 낮

은 마찰계수를 얻을 수 있었다

- 낮은 마찰계수와 고 내마모성을 갖는 이성분 금속

-PTFE 코팅이 개발되었고 이들의 마찰 공학적 성능

이 보고되었다 PTFE-기초 복합체 설계에서 일반적

인 접근방법은 경질의 충전 입자들을 도입하는 것으

로 M Yamane 등34)은 PTFE-금속 이성분 코팅의 마

찰 마모성능에 관한 연구 결과 알루미늄 청동 코팅이

Mo코팅에 비해 PTFE 저장소(reservoir)에 유용했음

을 보고하였다

⑹ 충전 또는 강화 플루오르화 탄소1)

ㅇ 분말이나 강화섬유 등 전형적인 충전재들이 충전 또는

강화 플루오르화 탄소에 사용된다 충전재는 저온흐름

52

을 향상시키는 데 사용되며 수축과 균열을 줄이고 열

팽창을 낮추며 열전도율을 향상시킨다

ㅇ 분말이나 단섬유로 된 전형적인 충전제를 표 3-5에 종합

하였다 유리섬유는 가장 보편적인 PTFE 충전제로 화

학 및 전기적 특성에 최소로 영향을 미치며 기계적 특

성을 크게 향상시킨다 분말에 비해 섬유는 압축강도

강성도 및 지지용량을 더욱 향상시키나 분말은 충전

테플론의 내구성에 거의 영향을 미치지 않는다 금속분

말은 특히 열전도도를 향상시키며 고속에서 발생하는 마

찰열을 소멸하는데 도움이 되며 전기저항을 상당히 감소

시켜 금속-충전 조성물은 양호한 절연체는 아니다

ㅇ 흑연(graphite) MoS2는 초기 내구성과 마찰을 개선하고

기계적 특성을 향상시킨다 석면은 많은 유용한 특성을

갖지만 가공 처리 중 가스가 방출할 뿐 아니라 사용금지

물질이다 표 3-5 외에도 금속 망 장섬유 다공성 금속

등 다양한 충전제들이 있으며 다양한 종류의 제품들이

상업 생산되고 있어 최종 선정을 하기 전에 플라스틱 가

공업자로부터 보다 완전한 정보와 추천을 받는 것이 바

람직하다

53

표 3-5 불소수지용 충전제

ㅇ 압축강력 인장과 압축 시의 탄성률 및 항복강력은 첨가

제의 첨가에 의해 모두 증가하나 일반으로 인장강력과

신도 및 충격강도는 손실된다 통상 충전 테플론은 압축

상태에서 사용되므로 인장강력의 감소는 중요하지 않다

인장강력의 손실은 설치(연속적인 링-실링)할 때 인장되

는 재료에서 중요하다 열팽창 계수는 비-충전 테플론에

비해 감소되어 통상 금속 부품의 팽창계수와 잘 맞는다

ㅇ 마찰과 마모를 수반하는 분야에서 가장 중요한 것은 충

전제로 얻어지는 PV한계치의 증가와 마모의 감소다 비-

54

충전 테플론에 비해 PV한계치 크기는 개략적으로 1차원

적으로 증가하나 마모인자는 3차원적으로 감소한다 충전

테플론의 평균치들은 동적 마찰계수는 01-02 PV한계치

는 10000-20000 psi-fpm 마모상수는 10times10-10in3-min

lb-ft-hr이다 그림 3-3은 충전 테플론 PTFE의 마찰계

수에 미치는 충전제 종류와 농도의 효과에 관한 것이다

그림 3-3 테플론 PTFE에 미치는 충전제 종류와 농도1)

ㅇ 내마모성을 향상시키는 충전제는 실제로 연마저항성을

감소시키는 것으로 날카로운 입자는 보다 쉽게 침투하고

충전제 입자와 수지 사이의 경계를 따라 충전 플라스틱

을 찢는다 따라서 라이닝 슈트 같은 분야의 적용 시는

55

비-충전테플론이 보다 바람직하다

⑺ 시트 테이프 및 박층(laminates)

ㅇ 대부분의 플루오르화탄소는 충전 여부에 관계없이 두

께 1mil(0001 in)까지 시트나 테이프로 만들 수 있고

시트나 테이프를 찍어서 원하는 형상의 립-씰(lip seal)

펌프 컵(pump cup) 피스톤 링(piston rings) 가스켓

(gaskets) 등을 만들 수 있다

ㅇ 유체의 누설을 정지시키는 밀봉기능 부품 중 각종기기의

접합부나 배관 플랜지 등의 밀봉에 사용되는 가스켓

(gaskets)은 석면이 널리 사용되어 왔으나 유해물질 배

출 및 이동량 보고제도(PRTR Pollutant Release and

Transfer Register)에서 발암성을 가진 제1종 지정 화학

물질로 지정되어 사용이 금지되어 PTFE가 가스켓으로

개발되었다 PTFE는 용융 알칼리 금속 및 그 용액과 불

소 및 3불화염소에 의해 약간 침식되나 모든 화학약품에

안정하고 우수한 내부식 재료로 C-F결합력이 크고 F원

자가 C-C결합의 주위를 간격 없이 들러 싸고 있기 때문

에 다른 물질의 공격을 방어하고 있고 내열성은 260로

높다35)

56

- PTFE 필러를 사용한 PTFE 나선 권형 가스켓은 석

면에 대한 사용규제와 상관없이 사용되어 왔으며 유

연한 필러를 사용하므로 석면 가스켓 보다 낮은 체결

압력에서도 실 특성이 우수하고 내식 면에서도 광범

하고 다양한 유체에 사용이 가능하다 다만 단열성 면

에서는 석면 나선 권형 가스켓 보다 사용온도 범위가

제한된다

ㅇ 산업 기계나 자동차의 브레이크 제동장치에 부착하여 마

찰력을 부가하는 브레이크 라이닝에서는 마찰계수와 내

마모력 및 충격계수 등 마찰특성이 우수한 석면을 주로

사용하여 왔으나 제동 시 발생하는 미세 석면분진으로

인해 대기오염에 의한 환경을 파괴 뿐 아니라 인체에 흡

입될 경우 암을 유발하여 PRTR로 사용이 금지되었다

석면을 대체할 유기질 또는 무기질 된 다양한 비석면 마

찰 섬유 등이 사용되고 있으며 마찰 섬유에 테프론을 코

팅하여 브레이크라이닝의 수명향상 제동 시 발생하는 소

음 떨림 및 제동력 향상을 위한 제품개발이 시도되고

있다

- 예로 국내 특허36)에서는 브레이크 라이닝(또는 패드)

의 마찰재 배합재료 중 유기섬유(Kevlar섬유 pulp섬

57

유 등)에 테프론을 코팅하고 코팅된 유기섬유에 결합

재 충전재 윤활재 마찰안정재 마찰조정재 등을 소정

의 배합비로 배합하여 성형하고 열처리하여 브레이크

패드 또는 라이닝을 제조한다

ㅇ 초소형 정밀기계(MEMS Micro-Electromechanical

System)분야에서는 점착방지를 위해 불화 유기박막을

사용한다 Park 등37)은 단층 두께의 불화 유기박막의

특성을 접촉각 측정을 통해 분석하였다

⑻ DLC 코팅3839)

ㅇ DLC(diamond-like carbon)는 몇 가지 다이아몬드의 전

형적인 특성을 나타내는 비정질 탄소물질로 극도의 내마

모 특성을 필요로 하는 재료의 코팅에 이용되고 있다

DLC코팅은 연마 마모를 감소시키기 위한 재료에 유용하

여 엔드밀 드릴비트 금형 같은 공구는 물론 자동차 기

계부품 및 전자산업 등 산업전반에 걸쳐 적용된다40)

ㅇ 환경오염 문제로 인해 PRTR(Pollutant Release and

Transfer Register 유해물질 배출 및 이동량 보고 제

도) 이 시행되어 습동 부품이나 절삭 시에 사용되는 오

일이나 그리스에 포함되는 첨가제(MoS2 Zn 등)와 이들

58

부품을 세정할 때 사용되는 용매 기계부품의 수명을 연

장시키기 위해 활용되었던 Cr도금 폐액에서 발생하는 6

가 크롬 등의 오염물질들에 대한 규제가 더욱 강화되어

DLC에 의한 무윤활 습동과 무윤활 절삭을 지향한 공구

와 기계 부품의 개발이 관심을 끌고 있다4142)

- 일본 내에서는 PRTR이 시행되고 이것에 저촉되는 재

료에 관해서는 MSDS(Material Safety Data Sheet)를

첨부해야할 의무가 있고 부품가공 습동 용도에서는

대상 리스트에 올라 있는 오일 오일 중의 중금속 도

금폐액을 어떻게 경제성 있는 환경 친화적 공정과 재

료로 전환할 것인가를 고려하면서 무윤활 습동 무윤

활 절삭 탈크롬 도금의 3가지 키워드가 대두되고

DLC코팅이 대안으로 모색되고 있다

- DLC코팅 적용기술과 과제에 관한 자료로는 자동차

관련부품 적용사례 엔진부위 마찰 작동 밸브계의 마

찰저감 DLC와 윤활제에 의한 마찰저감 기술을 중심

으로 살펴본 보고가 있다43)

ㅇ DLC는 7가지 형태가 존재하며 모두 상당한 양의 sp3혼

성궤도 탄소원자를 함유한다 다양한 형태의 DLC가 진

공 환경으로 적합한 재료들에 적용가능하며 유럽에서의

59

2006년 위탁 DLC코팅 시장은 3천만euro로 추정되었고 국

내도 활발한 상용화가 시도되고 있다

ㅇ 사반면상(tetahedral) 비정질 탄소 ta-C를 2두께로 코

팅하면 연마마모에 대한 스테인레스 강(304 type)의 내구

성을 증가시켜 수명을 1주일에서 85년으로 늘이며 이러

한 DLC의 형태는 sp3결합 탄소 원자로만 이루어지기 때

문에 순수한 DLC로 간주되며 수소 sp2흑연 탄소 금속

같은 충전제가 생산경비를 낮추거나 원하는 특성을 부여

하기 위하여 사용되고 있다

ㅇ DLC를 만드는 방법에는 sp3탄소 보다 낮은 밀도의 sp

2

에 의존하는 몇 가지 방법들이 있으며 압력 충격 촉매

또는 이들의 조합으로 sp2결합탄소 원자들을 sp3결합탄소

로 근접시킨다 최근 초고압 하에서 탄소의 경량 특성을

갖는 초경도 무정형 다이아몬드가 만들어졌다 탄소로 만

들어지는 다이아몬드 그래파이트는 결정구조를 가지나

DLC는 비정질이라는 점에서 크게 다르고 200 정도의

저온에서 형성시킬 수 있다는 점이 통상의 PVD막에 비

해 훨씬 우위에 있다

ㅇ DLC코팅은 제조공정이 복잡하고 생산 단가가 비싸 적용

이 어려우며 적용되는 소재가 제한되는 단점을 갖는다

60

주요제법으로는 고주파 플라즈마 법 이온화 증착법 스

페터링법 등을 들수 있다 고주파 플라즈마 법은 메탄가

스가 원료로 사용되고 막 중의 수소가 약 30(원자)로

평활성이 우수하고 마찰계수가 작으나 경도가 낮다 이

온화 증착법은 벤젠을 사용하며 막은 단단하나 면의 조

도가 거칠고 후막화 하기 위해 스패터링 방법이 검토되

고 있다

⑼ 불소수지의 안전성

ㅇ 테플론 PTFE의 열분해는 200(392)에서 감지되며 이

것은 몇 가지 플루오르화 탄소 기체들과 승화물질을 방

출한다4445)1955년 동물실험에 관한 한 연구에서는 이들

물질이 250(482) 이하에서는 의미 있는 양이 아니라

고 결론지었으나 최근 비-점착 주방기구인 프라이팬이

나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가열할 때 조류를

죽일 수 있는 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수

도 있다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있다45)

ㅇ 표 3-6은 EWG가 보고한 3-5분 내에 370까지 불소수

지를 가열할 때 발생되는 15종의 불소화합물에 관한 것

이다 테플론과 같은 코팅물질들이 장기적으로 인체에 미

61

치는 영향에 관한 연구는 이루어지지 않고 있으나 독감

과 유사한 질병을 유발할 수 있으며 이를 중합체 증기열

(polymer fume fever)이라 한다

표 3-6 15종의 유해물질 및 유독성 기체44)

ㅇ 최근 표 3-6의 화합물들 중 특히 TFA와 과불화된

(perfluorinated) PFOA(perfluorooctanoic acid)에 관심이

증가되고 있다 PFOA는 새로운 환경오염물질로 미국 환

경보호청(EPA)에 의하면 보통 때는 문제가 없으나 조리

과정에서 프라이팬에 열을 가하고 강하게 긁을 경우 용

62

출되어 나오며 이것이 음식물과 함께 인체에 흡수되는

것으로 추정하였다 한편 DuPont의 테플론 PTFE 연구

결과에 의하면 검출한계인 9ppb 이상 검출되지 않으며

테플론 주방기구에서는 PFOA가 존재하지 않는다고 발

표하고 있다

- 물이나 공기를 통해 환경에 노출된 PFOA는 고 콜레

스테롤 궤양성 대장염 갑상선 질환 고환암 신장암

및 임신성 고혈압과 관련된다고 보고되었다

- PFOA는 불소수지 생산과정에서 사용되는 첨가물로써

암모늄 형태로 PTFE 유화중합에 계면활성제로 사용

되며 불소수지의 품질과 균일성을 유지하기 위해 필

수적인 첨가물이기 때문에 전 세계 모든 불소수지 제

조업체가 사용 중에 있다 한편 국내 주력 산업인 반

도체 생산 과정에서도 PFOA를 대량으로 사용하고 있

어 체계적인 실태조사와 대책수립이 필요하다는 의견

들이 대두되고 있다

⑽ 불소화합물의 안전성과 환경대책

ㅇ 표 3-6에서 살펴본 바와 같이 테플론을 급격히 고온으로

가열하면 2종의 발암물질을 포함한 유독성 가스가 발생

63

하고 특히 불소화합물 중 MFA(monofluoroacetic acid)는

적은 양으로도 치명적 해를 끼치고 PEIF(perfluoro-

isobutene)는 신경가스제로 여러 가지 질환을 발생시킨다

한다44)

따라서 테플론으로 코팅된 장치를 재 코팅하기

위해 테프론을 고온으로 급격히 가열하거나 소각 등을

통해 제거할 때는 발생 가능성이 있는 유독가스를 제거

하기 위한 별도의 설비를 이용하여야 하고 유 등44)의 보

고서에서와 같이 중조(NaHCO3)를 포화시킨 충분한 물로

유독 산성 물질을 중화시키는 것도 고려할 만하다 한편

부식대전 방지 코팅도 테플론 코팅 일변도에서 세라믹

코팅 CNTs이나 DLC 코팅기술로 대응하는 것을 추천하

고 싶으며 이것은 유해물질 배출 및 이동량 보고제도

(PRTR Pollutant Release and Transfer Register)에 대

비하는 등 기업의 장래를 고려하는 것도 될 것이다

ㅇ PTFE를 사용한 취사도구는 1960년대 이래 사용되어 오

고 있으나 최근 들어 이것의 안전성이 논쟁의 주제가 되

고 있으며 논의 주체는 PFOA(perfluorooctanoic acid)이

다 PFOA는 PTFE를 비롯한 많은 불소수지의 생산에

사용되며 DuPont의 테플론 PTFE 연구 결과에 의하면

프라이팬을 260 이상 고온에서 가열하거나 코팅이 벗

겨져도 PFOA가 존재하지 않는다고 한다 그러나 물이나

64

공기 토양 식품포장재 등 여러 곳에서 PFOA 오염사실

이 보고되고 있다 한다44)

- 미국 EPA는 인체와 환경에 대한 PFOA 연구를 계속

하고 있으며 2015년까지 PFOA 및 이와 관련된 화합

물 방출을 배제할 프로그램을 갖고 있으나 PTFE-기

초 비점착 취사기구를 중지시킬 타당성을 갖고 있지

는 않다 최종제품은 PFOA가 아닌 PTFE이기 때문이

다

- 수십 년 동안 불소수지 비점착 코팅이 시장을 지배하

였으나 최근 몇 가지 신기술들이 출현되고 있으며 이

들 대부분은 실리콘 세라믹과 실리콘 기술로 이들 코

팅은 PTFE와 PFOA를 함유하지 않는다

- 오늘날 출시된 비점착 취사용구는 수많은 상표로 팔

리고 있으며 DuPont에 의하면 대부분의 취사용구 코

팅은 정상적으로 사용할 때 3-5년 견딜 수 있을 것으

로 예측한다 너무 문질러서는 안 되고 따뜻한 비눗

물로 씻어주는 것이 좋으며 닳거나 흠이 생기지 않도

록 나무 플라스틱이나 코팅된 재료로 만든 도구를 선

택하고 보관도 흠이 생기지 않을 장소나 캐비닛을 권

장하고 있다

65

ㅇ 국내의 불소수지 안전성에 관한 것으로는 재질규격(납과

카드뮴)과 용출규격(납 과망간산칼륨소비량 증발잔류물)

이 식품용 기구 및 용기 포장 공전46)에 기재되어 있으며

최근 국내에서도 PFOA를 비롯한 유해 불소화합물에 관

한 관심이 커져 가고 있다

ㅇ PFOA 문제가 표면화 되면서 환경 보전형 불소계 발수

유제의 개발과 공업화도 새로이 부각되고 있다 이에 관

한 보고서를 모니터링한 KISTI자료47)를 중심으로 간단히

요약하면 발수제의 주요성분 퍼플루오로알킬기(Rf기)함

유 폴리머의 기능은 Rf기의 고리길이에 크게 의존하므로

PFOA문제 해법으로 탄소수 8 이상인 종래의 불소화학

에서 탈피 짧은 고리 Rf기(탄소수 6)를 가진 새로운 단

량체를 선택하여 발수제를 제조함으로써 환경 보전형 불

소계 발수유제를 개발하고 공업화하였다 한다

66

제 4 장

지원결과

1 지원결과 종합

테프론 코팅 기술의 문제점과 부식대전방지용 테플

론 코팅에 관한 정보 외에 신청기업의 요청에 따

라 C-나노튜브 코팅 및 DLC증착에 관련된 기술 정

보도 제공하였다

테플론은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat resistant)

비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coefficient of

friction) 내약품성(chemical resistance)과 특이한 전기적

특성(unique electrical properties) 및 온내구력(cryogenic

stability)으로 그 응용범위가 광범하며 용도에 따른 엄격

한 품질관리가 요구될 것으로 생각되어 중소기업에 적합

한 기초능력 배양과 신제품을 구상하기 위한 최신기술에

관한 정보를 제공하고자 하였다

67

불소수지의 코팅은 두께와 첨가제가 관건으로 이에 관한

자료를 제공하고자 하였으며 불소수지의 전기특성 폭발

성 환경과 반도체 제조공정에서의 대전 방지 처리를 위

한 정전기 관리 지표 등을 특허를 중심으로 조사하여 제

공하고자 하였다

C-나노튜브를 이용한 대전방지 코팅 기술 및 C-나노튜

브의 제법 등 이것에 관한 기초정보를 제공하고자 하였

으며 내마모성 테플론 코팅에 관해서는 테플론을 이용한

세라믹 코팅 기술에 관한 정보도 제공하고자 하였다

테플론의 기계적 전기적 특성을 강화하기 위해 사용되는

충전제를 종합하고 기초이론을 정립함으로써 금후 원부

자재의 선정에 도움을 주었다

테플론은 석면 대체재로도 주목받고 있어 이에 관한 특

허 정보들을 제공하였으며 다이아몬드의 전형적인 특성

을 나타내는 DLC의 코팅관련 기술 정보를 환경오염 문

제와 연관하여 자료를 제공하였고 최근 비-점착 주방기

구인 프라이팬이나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가

열할 때 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수도 있

다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있어 이에

관한 정보도 제공하였다

68

2 지원의 한계

중소기업이 당면한 문제는 전문기술의 확보다 관련 기술

이 비약적으로 발전하는 추세에 비추어 한정된 인원으로

신기술을 소화하고 개발하기는 어려울 것이므로 출연연

구기관이나 대학과 공동연구를 모색할 수 있으나 이것도

중소기업으로서는 경제적 부담이 될 수밖에 없을 것으로

생각된다 가능하다면 앞으로도 KISTI의 정보지원이 계

속되기를 바라고 있었다

3 기대효과

부식대전 방지 테플론 코팅에 관한 기본 기술이 배양되

어 합리적인 원부 원료의 수입검사 공정관리 및 제품관

리를 통해 원가절감은 물론 신제품 신기술에 관한 정보

수집 및 분석능력이 배양되고 개발력이 확충되어 기업

경쟁력 향상에 도움이 될 것이다

69

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이치옹 모니터링분석 KISTI

75

저자소개

김학주(金鶴柱) 서울대학교 문리과대학 화학과 졸업 이학사

전북대학교 대학원 화학과 이학박사

(주)삼양사 의약연구소장 신성대학교 교수

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 폴리에스테르 섬유의 연중직방기술 외 다수

저서 기기분석 공업물리화학 일반화학

성용길(成墉吉)

동국대학교 이과대학 화학과 졸업 이학사 이학석사

부산대학교 대학원 화학과 이학박사(Dr Sci)

University of Utah USA Ph D(공학박사) Post Dr

유타대학교 연구교수 부산대학교 교수 동국대학교 교수

동국대학교 명예교수 한국원자력문화진흥원 이사

과학문화연구원전문연구위원 한국도량형과학문화연구원 원장

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 의료용 기능성 고분자재료에 관한 연구 외 330편

저서 고분자 물성론 (서울대학교 출판부 공저) 외 10권

50

의 내마모성을 결합하여 특정 분야의 용도로 소개되어

왔으나 금속-고분자 물질에서의 충전제의 역할은 완전히

설명되지 않고 있다 복합체 표면의 과잉의 충전제 농도

는 미끄러지는 동안 부하를 지지하여 내마모성을 증가시

키는 것으로 생각되며 PTFE의 마모율은 Mo Zn Ni

Y2O3 및 SiO2 같은 무기 충전제에 의해 1000배가량 감소

되었다는 보고도 있다 유리섬유 구리 세라믹 탄소섬유

절단 탄소섬유 나노입자를 포함한 경질의 충전제 입자들

이 PTFE의 내마모성을 높이기 사용되어 왔다

ㅇ 비교적 두꺼운 코팅에는 열분사(thermal spray) 용사기

술이 정립되어 있고 용사 코팅은 내마모 내마찰 내프레

팅(fretting) 및 내부식을 요하는 산업에 많이 이용되고

있다

- 용사 몰리브덴(Mo)코팅은 실질적 내마모성 코팅으로

가장 광범하게 이용되며 프레임용사(flame spray)거나

와이어용사(wire spray)기술로 생산된 몰리브덴(Mo)

코팅은 흠이나 마모에 대한 고도의 저항을 얻기 위한

가장 좋은 코팅재료 중의 하나이다

- 알루미늄 청동(aluminium bronze)은 높은 내-부식성

과 내마모성을 갖는 것이 특징이다 저압 플라즈마 용

51

사 기술은 자기-아닐링(self-anealing)과 부서지기 쉽

도록 유도하는 γ-상의 형성을 피할 수 있도록 높은

냉각 속도를 얻는 데 사용되며 알루미늄 청동 저압

플라즈마 용사 코팅은 낮은 마찰과 마모를 보였고 비

교적 최근 플라즈마 용사 기술을 이용하여 알루미늄

기질에 고분자-세라믹 복합체를 코팅하는 기술이 개

발되었다33)복합체 코팅으로 행한 마찰 시험에서 낮

은 마찰계수를 얻을 수 있었다

- 낮은 마찰계수와 고 내마모성을 갖는 이성분 금속

-PTFE 코팅이 개발되었고 이들의 마찰 공학적 성능

이 보고되었다 PTFE-기초 복합체 설계에서 일반적

인 접근방법은 경질의 충전 입자들을 도입하는 것으

로 M Yamane 등34)은 PTFE-금속 이성분 코팅의 마

찰 마모성능에 관한 연구 결과 알루미늄 청동 코팅이

Mo코팅에 비해 PTFE 저장소(reservoir)에 유용했음

을 보고하였다

⑹ 충전 또는 강화 플루오르화 탄소1)

ㅇ 분말이나 강화섬유 등 전형적인 충전재들이 충전 또는

강화 플루오르화 탄소에 사용된다 충전재는 저온흐름

52

을 향상시키는 데 사용되며 수축과 균열을 줄이고 열

팽창을 낮추며 열전도율을 향상시킨다

ㅇ 분말이나 단섬유로 된 전형적인 충전제를 표 3-5에 종합

하였다 유리섬유는 가장 보편적인 PTFE 충전제로 화

학 및 전기적 특성에 최소로 영향을 미치며 기계적 특

성을 크게 향상시킨다 분말에 비해 섬유는 압축강도

강성도 및 지지용량을 더욱 향상시키나 분말은 충전

테플론의 내구성에 거의 영향을 미치지 않는다 금속분

말은 특히 열전도도를 향상시키며 고속에서 발생하는 마

찰열을 소멸하는데 도움이 되며 전기저항을 상당히 감소

시켜 금속-충전 조성물은 양호한 절연체는 아니다

ㅇ 흑연(graphite) MoS2는 초기 내구성과 마찰을 개선하고

기계적 특성을 향상시킨다 석면은 많은 유용한 특성을

갖지만 가공 처리 중 가스가 방출할 뿐 아니라 사용금지

물질이다 표 3-5 외에도 금속 망 장섬유 다공성 금속

등 다양한 충전제들이 있으며 다양한 종류의 제품들이

상업 생산되고 있어 최종 선정을 하기 전에 플라스틱 가

공업자로부터 보다 완전한 정보와 추천을 받는 것이 바

람직하다

53

표 3-5 불소수지용 충전제

ㅇ 압축강력 인장과 압축 시의 탄성률 및 항복강력은 첨가

제의 첨가에 의해 모두 증가하나 일반으로 인장강력과

신도 및 충격강도는 손실된다 통상 충전 테플론은 압축

상태에서 사용되므로 인장강력의 감소는 중요하지 않다

인장강력의 손실은 설치(연속적인 링-실링)할 때 인장되

는 재료에서 중요하다 열팽창 계수는 비-충전 테플론에

비해 감소되어 통상 금속 부품의 팽창계수와 잘 맞는다

ㅇ 마찰과 마모를 수반하는 분야에서 가장 중요한 것은 충

전제로 얻어지는 PV한계치의 증가와 마모의 감소다 비-

54

충전 테플론에 비해 PV한계치 크기는 개략적으로 1차원

적으로 증가하나 마모인자는 3차원적으로 감소한다 충전

테플론의 평균치들은 동적 마찰계수는 01-02 PV한계치

는 10000-20000 psi-fpm 마모상수는 10times10-10in3-min

lb-ft-hr이다 그림 3-3은 충전 테플론 PTFE의 마찰계

수에 미치는 충전제 종류와 농도의 효과에 관한 것이다

그림 3-3 테플론 PTFE에 미치는 충전제 종류와 농도1)

ㅇ 내마모성을 향상시키는 충전제는 실제로 연마저항성을

감소시키는 것으로 날카로운 입자는 보다 쉽게 침투하고

충전제 입자와 수지 사이의 경계를 따라 충전 플라스틱

을 찢는다 따라서 라이닝 슈트 같은 분야의 적용 시는

55

비-충전테플론이 보다 바람직하다

⑺ 시트 테이프 및 박층(laminates)

ㅇ 대부분의 플루오르화탄소는 충전 여부에 관계없이 두

께 1mil(0001 in)까지 시트나 테이프로 만들 수 있고

시트나 테이프를 찍어서 원하는 형상의 립-씰(lip seal)

펌프 컵(pump cup) 피스톤 링(piston rings) 가스켓

(gaskets) 등을 만들 수 있다

ㅇ 유체의 누설을 정지시키는 밀봉기능 부품 중 각종기기의

접합부나 배관 플랜지 등의 밀봉에 사용되는 가스켓

(gaskets)은 석면이 널리 사용되어 왔으나 유해물질 배

출 및 이동량 보고제도(PRTR Pollutant Release and

Transfer Register)에서 발암성을 가진 제1종 지정 화학

물질로 지정되어 사용이 금지되어 PTFE가 가스켓으로

개발되었다 PTFE는 용융 알칼리 금속 및 그 용액과 불

소 및 3불화염소에 의해 약간 침식되나 모든 화학약품에

안정하고 우수한 내부식 재료로 C-F결합력이 크고 F원

자가 C-C결합의 주위를 간격 없이 들러 싸고 있기 때문

에 다른 물질의 공격을 방어하고 있고 내열성은 260로

높다35)

56

- PTFE 필러를 사용한 PTFE 나선 권형 가스켓은 석

면에 대한 사용규제와 상관없이 사용되어 왔으며 유

연한 필러를 사용하므로 석면 가스켓 보다 낮은 체결

압력에서도 실 특성이 우수하고 내식 면에서도 광범

하고 다양한 유체에 사용이 가능하다 다만 단열성 면

에서는 석면 나선 권형 가스켓 보다 사용온도 범위가

제한된다

ㅇ 산업 기계나 자동차의 브레이크 제동장치에 부착하여 마

찰력을 부가하는 브레이크 라이닝에서는 마찰계수와 내

마모력 및 충격계수 등 마찰특성이 우수한 석면을 주로

사용하여 왔으나 제동 시 발생하는 미세 석면분진으로

인해 대기오염에 의한 환경을 파괴 뿐 아니라 인체에 흡

입될 경우 암을 유발하여 PRTR로 사용이 금지되었다

석면을 대체할 유기질 또는 무기질 된 다양한 비석면 마

찰 섬유 등이 사용되고 있으며 마찰 섬유에 테프론을 코

팅하여 브레이크라이닝의 수명향상 제동 시 발생하는 소

음 떨림 및 제동력 향상을 위한 제품개발이 시도되고

있다

- 예로 국내 특허36)에서는 브레이크 라이닝(또는 패드)

의 마찰재 배합재료 중 유기섬유(Kevlar섬유 pulp섬

57

유 등)에 테프론을 코팅하고 코팅된 유기섬유에 결합

재 충전재 윤활재 마찰안정재 마찰조정재 등을 소정

의 배합비로 배합하여 성형하고 열처리하여 브레이크

패드 또는 라이닝을 제조한다

ㅇ 초소형 정밀기계(MEMS Micro-Electromechanical

System)분야에서는 점착방지를 위해 불화 유기박막을

사용한다 Park 등37)은 단층 두께의 불화 유기박막의

특성을 접촉각 측정을 통해 분석하였다

⑻ DLC 코팅3839)

ㅇ DLC(diamond-like carbon)는 몇 가지 다이아몬드의 전

형적인 특성을 나타내는 비정질 탄소물질로 극도의 내마

모 특성을 필요로 하는 재료의 코팅에 이용되고 있다

DLC코팅은 연마 마모를 감소시키기 위한 재료에 유용하

여 엔드밀 드릴비트 금형 같은 공구는 물론 자동차 기

계부품 및 전자산업 등 산업전반에 걸쳐 적용된다40)

ㅇ 환경오염 문제로 인해 PRTR(Pollutant Release and

Transfer Register 유해물질 배출 및 이동량 보고 제

도) 이 시행되어 습동 부품이나 절삭 시에 사용되는 오

일이나 그리스에 포함되는 첨가제(MoS2 Zn 등)와 이들

58

부품을 세정할 때 사용되는 용매 기계부품의 수명을 연

장시키기 위해 활용되었던 Cr도금 폐액에서 발생하는 6

가 크롬 등의 오염물질들에 대한 규제가 더욱 강화되어

DLC에 의한 무윤활 습동과 무윤활 절삭을 지향한 공구

와 기계 부품의 개발이 관심을 끌고 있다4142)

- 일본 내에서는 PRTR이 시행되고 이것에 저촉되는 재

료에 관해서는 MSDS(Material Safety Data Sheet)를

첨부해야할 의무가 있고 부품가공 습동 용도에서는

대상 리스트에 올라 있는 오일 오일 중의 중금속 도

금폐액을 어떻게 경제성 있는 환경 친화적 공정과 재

료로 전환할 것인가를 고려하면서 무윤활 습동 무윤

활 절삭 탈크롬 도금의 3가지 키워드가 대두되고

DLC코팅이 대안으로 모색되고 있다

- DLC코팅 적용기술과 과제에 관한 자료로는 자동차

관련부품 적용사례 엔진부위 마찰 작동 밸브계의 마

찰저감 DLC와 윤활제에 의한 마찰저감 기술을 중심

으로 살펴본 보고가 있다43)

ㅇ DLC는 7가지 형태가 존재하며 모두 상당한 양의 sp3혼

성궤도 탄소원자를 함유한다 다양한 형태의 DLC가 진

공 환경으로 적합한 재료들에 적용가능하며 유럽에서의

59

2006년 위탁 DLC코팅 시장은 3천만euro로 추정되었고 국

내도 활발한 상용화가 시도되고 있다

ㅇ 사반면상(tetahedral) 비정질 탄소 ta-C를 2두께로 코

팅하면 연마마모에 대한 스테인레스 강(304 type)의 내구

성을 증가시켜 수명을 1주일에서 85년으로 늘이며 이러

한 DLC의 형태는 sp3결합 탄소 원자로만 이루어지기 때

문에 순수한 DLC로 간주되며 수소 sp2흑연 탄소 금속

같은 충전제가 생산경비를 낮추거나 원하는 특성을 부여

하기 위하여 사용되고 있다

ㅇ DLC를 만드는 방법에는 sp3탄소 보다 낮은 밀도의 sp

2

에 의존하는 몇 가지 방법들이 있으며 압력 충격 촉매

또는 이들의 조합으로 sp2결합탄소 원자들을 sp3결합탄소

로 근접시킨다 최근 초고압 하에서 탄소의 경량 특성을

갖는 초경도 무정형 다이아몬드가 만들어졌다 탄소로 만

들어지는 다이아몬드 그래파이트는 결정구조를 가지나

DLC는 비정질이라는 점에서 크게 다르고 200 정도의

저온에서 형성시킬 수 있다는 점이 통상의 PVD막에 비

해 훨씬 우위에 있다

ㅇ DLC코팅은 제조공정이 복잡하고 생산 단가가 비싸 적용

이 어려우며 적용되는 소재가 제한되는 단점을 갖는다

60

주요제법으로는 고주파 플라즈마 법 이온화 증착법 스

페터링법 등을 들수 있다 고주파 플라즈마 법은 메탄가

스가 원료로 사용되고 막 중의 수소가 약 30(원자)로

평활성이 우수하고 마찰계수가 작으나 경도가 낮다 이

온화 증착법은 벤젠을 사용하며 막은 단단하나 면의 조

도가 거칠고 후막화 하기 위해 스패터링 방법이 검토되

고 있다

⑼ 불소수지의 안전성

ㅇ 테플론 PTFE의 열분해는 200(392)에서 감지되며 이

것은 몇 가지 플루오르화 탄소 기체들과 승화물질을 방

출한다4445)1955년 동물실험에 관한 한 연구에서는 이들

물질이 250(482) 이하에서는 의미 있는 양이 아니라

고 결론지었으나 최근 비-점착 주방기구인 프라이팬이

나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가열할 때 조류를

죽일 수 있는 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수

도 있다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있다45)

ㅇ 표 3-6은 EWG가 보고한 3-5분 내에 370까지 불소수

지를 가열할 때 발생되는 15종의 불소화합물에 관한 것

이다 테플론과 같은 코팅물질들이 장기적으로 인체에 미

61

치는 영향에 관한 연구는 이루어지지 않고 있으나 독감

과 유사한 질병을 유발할 수 있으며 이를 중합체 증기열

(polymer fume fever)이라 한다

표 3-6 15종의 유해물질 및 유독성 기체44)

ㅇ 최근 표 3-6의 화합물들 중 특히 TFA와 과불화된

(perfluorinated) PFOA(perfluorooctanoic acid)에 관심이

증가되고 있다 PFOA는 새로운 환경오염물질로 미국 환

경보호청(EPA)에 의하면 보통 때는 문제가 없으나 조리

과정에서 프라이팬에 열을 가하고 강하게 긁을 경우 용

62

출되어 나오며 이것이 음식물과 함께 인체에 흡수되는

것으로 추정하였다 한편 DuPont의 테플론 PTFE 연구

결과에 의하면 검출한계인 9ppb 이상 검출되지 않으며

테플론 주방기구에서는 PFOA가 존재하지 않는다고 발

표하고 있다

- 물이나 공기를 통해 환경에 노출된 PFOA는 고 콜레

스테롤 궤양성 대장염 갑상선 질환 고환암 신장암

및 임신성 고혈압과 관련된다고 보고되었다

- PFOA는 불소수지 생산과정에서 사용되는 첨가물로써

암모늄 형태로 PTFE 유화중합에 계면활성제로 사용

되며 불소수지의 품질과 균일성을 유지하기 위해 필

수적인 첨가물이기 때문에 전 세계 모든 불소수지 제

조업체가 사용 중에 있다 한편 국내 주력 산업인 반

도체 생산 과정에서도 PFOA를 대량으로 사용하고 있

어 체계적인 실태조사와 대책수립이 필요하다는 의견

들이 대두되고 있다

⑽ 불소화합물의 안전성과 환경대책

ㅇ 표 3-6에서 살펴본 바와 같이 테플론을 급격히 고온으로

가열하면 2종의 발암물질을 포함한 유독성 가스가 발생

63

하고 특히 불소화합물 중 MFA(monofluoroacetic acid)는

적은 양으로도 치명적 해를 끼치고 PEIF(perfluoro-

isobutene)는 신경가스제로 여러 가지 질환을 발생시킨다

한다44)

따라서 테플론으로 코팅된 장치를 재 코팅하기

위해 테프론을 고온으로 급격히 가열하거나 소각 등을

통해 제거할 때는 발생 가능성이 있는 유독가스를 제거

하기 위한 별도의 설비를 이용하여야 하고 유 등44)의 보

고서에서와 같이 중조(NaHCO3)를 포화시킨 충분한 물로

유독 산성 물질을 중화시키는 것도 고려할 만하다 한편

부식대전 방지 코팅도 테플론 코팅 일변도에서 세라믹

코팅 CNTs이나 DLC 코팅기술로 대응하는 것을 추천하

고 싶으며 이것은 유해물질 배출 및 이동량 보고제도

(PRTR Pollutant Release and Transfer Register)에 대

비하는 등 기업의 장래를 고려하는 것도 될 것이다

ㅇ PTFE를 사용한 취사도구는 1960년대 이래 사용되어 오

고 있으나 최근 들어 이것의 안전성이 논쟁의 주제가 되

고 있으며 논의 주체는 PFOA(perfluorooctanoic acid)이

다 PFOA는 PTFE를 비롯한 많은 불소수지의 생산에

사용되며 DuPont의 테플론 PTFE 연구 결과에 의하면

프라이팬을 260 이상 고온에서 가열하거나 코팅이 벗

겨져도 PFOA가 존재하지 않는다고 한다 그러나 물이나

64

공기 토양 식품포장재 등 여러 곳에서 PFOA 오염사실

이 보고되고 있다 한다44)

- 미국 EPA는 인체와 환경에 대한 PFOA 연구를 계속

하고 있으며 2015년까지 PFOA 및 이와 관련된 화합

물 방출을 배제할 프로그램을 갖고 있으나 PTFE-기

초 비점착 취사기구를 중지시킬 타당성을 갖고 있지

는 않다 최종제품은 PFOA가 아닌 PTFE이기 때문이

다

- 수십 년 동안 불소수지 비점착 코팅이 시장을 지배하

였으나 최근 몇 가지 신기술들이 출현되고 있으며 이

들 대부분은 실리콘 세라믹과 실리콘 기술로 이들 코

팅은 PTFE와 PFOA를 함유하지 않는다

- 오늘날 출시된 비점착 취사용구는 수많은 상표로 팔

리고 있으며 DuPont에 의하면 대부분의 취사용구 코

팅은 정상적으로 사용할 때 3-5년 견딜 수 있을 것으

로 예측한다 너무 문질러서는 안 되고 따뜻한 비눗

물로 씻어주는 것이 좋으며 닳거나 흠이 생기지 않도

록 나무 플라스틱이나 코팅된 재료로 만든 도구를 선

택하고 보관도 흠이 생기지 않을 장소나 캐비닛을 권

장하고 있다

65

ㅇ 국내의 불소수지 안전성에 관한 것으로는 재질규격(납과

카드뮴)과 용출규격(납 과망간산칼륨소비량 증발잔류물)

이 식품용 기구 및 용기 포장 공전46)에 기재되어 있으며

최근 국내에서도 PFOA를 비롯한 유해 불소화합물에 관

한 관심이 커져 가고 있다

ㅇ PFOA 문제가 표면화 되면서 환경 보전형 불소계 발수

유제의 개발과 공업화도 새로이 부각되고 있다 이에 관

한 보고서를 모니터링한 KISTI자료47)를 중심으로 간단히

요약하면 발수제의 주요성분 퍼플루오로알킬기(Rf기)함

유 폴리머의 기능은 Rf기의 고리길이에 크게 의존하므로

PFOA문제 해법으로 탄소수 8 이상인 종래의 불소화학

에서 탈피 짧은 고리 Rf기(탄소수 6)를 가진 새로운 단

량체를 선택하여 발수제를 제조함으로써 환경 보전형 불

소계 발수유제를 개발하고 공업화하였다 한다

66

제 4 장

지원결과

1 지원결과 종합

테프론 코팅 기술의 문제점과 부식대전방지용 테플

론 코팅에 관한 정보 외에 신청기업의 요청에 따

라 C-나노튜브 코팅 및 DLC증착에 관련된 기술 정

보도 제공하였다

테플론은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat resistant)

비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coefficient of

friction) 내약품성(chemical resistance)과 특이한 전기적

특성(unique electrical properties) 및 온내구력(cryogenic

stability)으로 그 응용범위가 광범하며 용도에 따른 엄격

한 품질관리가 요구될 것으로 생각되어 중소기업에 적합

한 기초능력 배양과 신제품을 구상하기 위한 최신기술에

관한 정보를 제공하고자 하였다

67

불소수지의 코팅은 두께와 첨가제가 관건으로 이에 관한

자료를 제공하고자 하였으며 불소수지의 전기특성 폭발

성 환경과 반도체 제조공정에서의 대전 방지 처리를 위

한 정전기 관리 지표 등을 특허를 중심으로 조사하여 제

공하고자 하였다

C-나노튜브를 이용한 대전방지 코팅 기술 및 C-나노튜

브의 제법 등 이것에 관한 기초정보를 제공하고자 하였

으며 내마모성 테플론 코팅에 관해서는 테플론을 이용한

세라믹 코팅 기술에 관한 정보도 제공하고자 하였다

테플론의 기계적 전기적 특성을 강화하기 위해 사용되는

충전제를 종합하고 기초이론을 정립함으로써 금후 원부

자재의 선정에 도움을 주었다

테플론은 석면 대체재로도 주목받고 있어 이에 관한 특

허 정보들을 제공하였으며 다이아몬드의 전형적인 특성

을 나타내는 DLC의 코팅관련 기술 정보를 환경오염 문

제와 연관하여 자료를 제공하였고 최근 비-점착 주방기

구인 프라이팬이나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가

열할 때 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수도 있

다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있어 이에

관한 정보도 제공하였다

68

2 지원의 한계

중소기업이 당면한 문제는 전문기술의 확보다 관련 기술

이 비약적으로 발전하는 추세에 비추어 한정된 인원으로

신기술을 소화하고 개발하기는 어려울 것이므로 출연연

구기관이나 대학과 공동연구를 모색할 수 있으나 이것도

중소기업으로서는 경제적 부담이 될 수밖에 없을 것으로

생각된다 가능하다면 앞으로도 KISTI의 정보지원이 계

속되기를 바라고 있었다

3 기대효과

부식대전 방지 테플론 코팅에 관한 기본 기술이 배양되

어 합리적인 원부 원료의 수입검사 공정관리 및 제품관

리를 통해 원가절감은 물론 신제품 신기술에 관한 정보

수집 및 분석능력이 배양되고 개발력이 확충되어 기업

경쟁력 향상에 도움이 될 것이다

69

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저자소개

김학주(金鶴柱) 서울대학교 문리과대학 화학과 졸업 이학사

전북대학교 대학원 화학과 이학박사

(주)삼양사 의약연구소장 신성대학교 교수

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 폴리에스테르 섬유의 연중직방기술 외 다수

저서 기기분석 공업물리화학 일반화학

성용길(成墉吉)

동국대학교 이과대학 화학과 졸업 이학사 이학석사

부산대학교 대학원 화학과 이학박사(Dr Sci)

University of Utah USA Ph D(공학박사) Post Dr

유타대학교 연구교수 부산대학교 교수 동국대학교 교수

동국대학교 명예교수 한국원자력문화진흥원 이사

과학문화연구원전문연구위원 한국도량형과학문화연구원 원장

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 의료용 기능성 고분자재료에 관한 연구 외 330편

저서 고분자 물성론 (서울대학교 출판부 공저) 외 10권

51

사 기술은 자기-아닐링(self-anealing)과 부서지기 쉽

도록 유도하는 γ-상의 형성을 피할 수 있도록 높은

냉각 속도를 얻는 데 사용되며 알루미늄 청동 저압

플라즈마 용사 코팅은 낮은 마찰과 마모를 보였고 비

교적 최근 플라즈마 용사 기술을 이용하여 알루미늄

기질에 고분자-세라믹 복합체를 코팅하는 기술이 개

발되었다33)복합체 코팅으로 행한 마찰 시험에서 낮

은 마찰계수를 얻을 수 있었다

- 낮은 마찰계수와 고 내마모성을 갖는 이성분 금속

-PTFE 코팅이 개발되었고 이들의 마찰 공학적 성능

이 보고되었다 PTFE-기초 복합체 설계에서 일반적

인 접근방법은 경질의 충전 입자들을 도입하는 것으

로 M Yamane 등34)은 PTFE-금속 이성분 코팅의 마

찰 마모성능에 관한 연구 결과 알루미늄 청동 코팅이

Mo코팅에 비해 PTFE 저장소(reservoir)에 유용했음

을 보고하였다

⑹ 충전 또는 강화 플루오르화 탄소1)

ㅇ 분말이나 강화섬유 등 전형적인 충전재들이 충전 또는

강화 플루오르화 탄소에 사용된다 충전재는 저온흐름

52

을 향상시키는 데 사용되며 수축과 균열을 줄이고 열

팽창을 낮추며 열전도율을 향상시킨다

ㅇ 분말이나 단섬유로 된 전형적인 충전제를 표 3-5에 종합

하였다 유리섬유는 가장 보편적인 PTFE 충전제로 화

학 및 전기적 특성에 최소로 영향을 미치며 기계적 특

성을 크게 향상시킨다 분말에 비해 섬유는 압축강도

강성도 및 지지용량을 더욱 향상시키나 분말은 충전

테플론의 내구성에 거의 영향을 미치지 않는다 금속분

말은 특히 열전도도를 향상시키며 고속에서 발생하는 마

찰열을 소멸하는데 도움이 되며 전기저항을 상당히 감소

시켜 금속-충전 조성물은 양호한 절연체는 아니다

ㅇ 흑연(graphite) MoS2는 초기 내구성과 마찰을 개선하고

기계적 특성을 향상시킨다 석면은 많은 유용한 특성을

갖지만 가공 처리 중 가스가 방출할 뿐 아니라 사용금지

물질이다 표 3-5 외에도 금속 망 장섬유 다공성 금속

등 다양한 충전제들이 있으며 다양한 종류의 제품들이

상업 생산되고 있어 최종 선정을 하기 전에 플라스틱 가

공업자로부터 보다 완전한 정보와 추천을 받는 것이 바

람직하다

53

표 3-5 불소수지용 충전제

ㅇ 압축강력 인장과 압축 시의 탄성률 및 항복강력은 첨가

제의 첨가에 의해 모두 증가하나 일반으로 인장강력과

신도 및 충격강도는 손실된다 통상 충전 테플론은 압축

상태에서 사용되므로 인장강력의 감소는 중요하지 않다

인장강력의 손실은 설치(연속적인 링-실링)할 때 인장되

는 재료에서 중요하다 열팽창 계수는 비-충전 테플론에

비해 감소되어 통상 금속 부품의 팽창계수와 잘 맞는다

ㅇ 마찰과 마모를 수반하는 분야에서 가장 중요한 것은 충

전제로 얻어지는 PV한계치의 증가와 마모의 감소다 비-

54

충전 테플론에 비해 PV한계치 크기는 개략적으로 1차원

적으로 증가하나 마모인자는 3차원적으로 감소한다 충전

테플론의 평균치들은 동적 마찰계수는 01-02 PV한계치

는 10000-20000 psi-fpm 마모상수는 10times10-10in3-min

lb-ft-hr이다 그림 3-3은 충전 테플론 PTFE의 마찰계

수에 미치는 충전제 종류와 농도의 효과에 관한 것이다

그림 3-3 테플론 PTFE에 미치는 충전제 종류와 농도1)

ㅇ 내마모성을 향상시키는 충전제는 실제로 연마저항성을

감소시키는 것으로 날카로운 입자는 보다 쉽게 침투하고

충전제 입자와 수지 사이의 경계를 따라 충전 플라스틱

을 찢는다 따라서 라이닝 슈트 같은 분야의 적용 시는

55

비-충전테플론이 보다 바람직하다

⑺ 시트 테이프 및 박층(laminates)

ㅇ 대부분의 플루오르화탄소는 충전 여부에 관계없이 두

께 1mil(0001 in)까지 시트나 테이프로 만들 수 있고

시트나 테이프를 찍어서 원하는 형상의 립-씰(lip seal)

펌프 컵(pump cup) 피스톤 링(piston rings) 가스켓

(gaskets) 등을 만들 수 있다

ㅇ 유체의 누설을 정지시키는 밀봉기능 부품 중 각종기기의

접합부나 배관 플랜지 등의 밀봉에 사용되는 가스켓

(gaskets)은 석면이 널리 사용되어 왔으나 유해물질 배

출 및 이동량 보고제도(PRTR Pollutant Release and

Transfer Register)에서 발암성을 가진 제1종 지정 화학

물질로 지정되어 사용이 금지되어 PTFE가 가스켓으로

개발되었다 PTFE는 용융 알칼리 금속 및 그 용액과 불

소 및 3불화염소에 의해 약간 침식되나 모든 화학약품에

안정하고 우수한 내부식 재료로 C-F결합력이 크고 F원

자가 C-C결합의 주위를 간격 없이 들러 싸고 있기 때문

에 다른 물질의 공격을 방어하고 있고 내열성은 260로

높다35)

56

- PTFE 필러를 사용한 PTFE 나선 권형 가스켓은 석

면에 대한 사용규제와 상관없이 사용되어 왔으며 유

연한 필러를 사용하므로 석면 가스켓 보다 낮은 체결

압력에서도 실 특성이 우수하고 내식 면에서도 광범

하고 다양한 유체에 사용이 가능하다 다만 단열성 면

에서는 석면 나선 권형 가스켓 보다 사용온도 범위가

제한된다

ㅇ 산업 기계나 자동차의 브레이크 제동장치에 부착하여 마

찰력을 부가하는 브레이크 라이닝에서는 마찰계수와 내

마모력 및 충격계수 등 마찰특성이 우수한 석면을 주로

사용하여 왔으나 제동 시 발생하는 미세 석면분진으로

인해 대기오염에 의한 환경을 파괴 뿐 아니라 인체에 흡

입될 경우 암을 유발하여 PRTR로 사용이 금지되었다

석면을 대체할 유기질 또는 무기질 된 다양한 비석면 마

찰 섬유 등이 사용되고 있으며 마찰 섬유에 테프론을 코

팅하여 브레이크라이닝의 수명향상 제동 시 발생하는 소

음 떨림 및 제동력 향상을 위한 제품개발이 시도되고

있다

- 예로 국내 특허36)에서는 브레이크 라이닝(또는 패드)

의 마찰재 배합재료 중 유기섬유(Kevlar섬유 pulp섬

57

유 등)에 테프론을 코팅하고 코팅된 유기섬유에 결합

재 충전재 윤활재 마찰안정재 마찰조정재 등을 소정

의 배합비로 배합하여 성형하고 열처리하여 브레이크

패드 또는 라이닝을 제조한다

ㅇ 초소형 정밀기계(MEMS Micro-Electromechanical

System)분야에서는 점착방지를 위해 불화 유기박막을

사용한다 Park 등37)은 단층 두께의 불화 유기박막의

특성을 접촉각 측정을 통해 분석하였다

⑻ DLC 코팅3839)

ㅇ DLC(diamond-like carbon)는 몇 가지 다이아몬드의 전

형적인 특성을 나타내는 비정질 탄소물질로 극도의 내마

모 특성을 필요로 하는 재료의 코팅에 이용되고 있다

DLC코팅은 연마 마모를 감소시키기 위한 재료에 유용하

여 엔드밀 드릴비트 금형 같은 공구는 물론 자동차 기

계부품 및 전자산업 등 산업전반에 걸쳐 적용된다40)

ㅇ 환경오염 문제로 인해 PRTR(Pollutant Release and

Transfer Register 유해물질 배출 및 이동량 보고 제

도) 이 시행되어 습동 부품이나 절삭 시에 사용되는 오

일이나 그리스에 포함되는 첨가제(MoS2 Zn 등)와 이들

58

부품을 세정할 때 사용되는 용매 기계부품의 수명을 연

장시키기 위해 활용되었던 Cr도금 폐액에서 발생하는 6

가 크롬 등의 오염물질들에 대한 규제가 더욱 강화되어

DLC에 의한 무윤활 습동과 무윤활 절삭을 지향한 공구

와 기계 부품의 개발이 관심을 끌고 있다4142)

- 일본 내에서는 PRTR이 시행되고 이것에 저촉되는 재

료에 관해서는 MSDS(Material Safety Data Sheet)를

첨부해야할 의무가 있고 부품가공 습동 용도에서는

대상 리스트에 올라 있는 오일 오일 중의 중금속 도

금폐액을 어떻게 경제성 있는 환경 친화적 공정과 재

료로 전환할 것인가를 고려하면서 무윤활 습동 무윤

활 절삭 탈크롬 도금의 3가지 키워드가 대두되고

DLC코팅이 대안으로 모색되고 있다

- DLC코팅 적용기술과 과제에 관한 자료로는 자동차

관련부품 적용사례 엔진부위 마찰 작동 밸브계의 마

찰저감 DLC와 윤활제에 의한 마찰저감 기술을 중심

으로 살펴본 보고가 있다43)

ㅇ DLC는 7가지 형태가 존재하며 모두 상당한 양의 sp3혼

성궤도 탄소원자를 함유한다 다양한 형태의 DLC가 진

공 환경으로 적합한 재료들에 적용가능하며 유럽에서의

59

2006년 위탁 DLC코팅 시장은 3천만euro로 추정되었고 국

내도 활발한 상용화가 시도되고 있다

ㅇ 사반면상(tetahedral) 비정질 탄소 ta-C를 2두께로 코

팅하면 연마마모에 대한 스테인레스 강(304 type)의 내구

성을 증가시켜 수명을 1주일에서 85년으로 늘이며 이러

한 DLC의 형태는 sp3결합 탄소 원자로만 이루어지기 때

문에 순수한 DLC로 간주되며 수소 sp2흑연 탄소 금속

같은 충전제가 생산경비를 낮추거나 원하는 특성을 부여

하기 위하여 사용되고 있다

ㅇ DLC를 만드는 방법에는 sp3탄소 보다 낮은 밀도의 sp

2

에 의존하는 몇 가지 방법들이 있으며 압력 충격 촉매

또는 이들의 조합으로 sp2결합탄소 원자들을 sp3결합탄소

로 근접시킨다 최근 초고압 하에서 탄소의 경량 특성을

갖는 초경도 무정형 다이아몬드가 만들어졌다 탄소로 만

들어지는 다이아몬드 그래파이트는 결정구조를 가지나

DLC는 비정질이라는 점에서 크게 다르고 200 정도의

저온에서 형성시킬 수 있다는 점이 통상의 PVD막에 비

해 훨씬 우위에 있다

ㅇ DLC코팅은 제조공정이 복잡하고 생산 단가가 비싸 적용

이 어려우며 적용되는 소재가 제한되는 단점을 갖는다

60

주요제법으로는 고주파 플라즈마 법 이온화 증착법 스

페터링법 등을 들수 있다 고주파 플라즈마 법은 메탄가

스가 원료로 사용되고 막 중의 수소가 약 30(원자)로

평활성이 우수하고 마찰계수가 작으나 경도가 낮다 이

온화 증착법은 벤젠을 사용하며 막은 단단하나 면의 조

도가 거칠고 후막화 하기 위해 스패터링 방법이 검토되

고 있다

⑼ 불소수지의 안전성

ㅇ 테플론 PTFE의 열분해는 200(392)에서 감지되며 이

것은 몇 가지 플루오르화 탄소 기체들과 승화물질을 방

출한다4445)1955년 동물실험에 관한 한 연구에서는 이들

물질이 250(482) 이하에서는 의미 있는 양이 아니라

고 결론지었으나 최근 비-점착 주방기구인 프라이팬이

나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가열할 때 조류를

죽일 수 있는 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수

도 있다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있다45)

ㅇ 표 3-6은 EWG가 보고한 3-5분 내에 370까지 불소수

지를 가열할 때 발생되는 15종의 불소화합물에 관한 것

이다 테플론과 같은 코팅물질들이 장기적으로 인체에 미

61

치는 영향에 관한 연구는 이루어지지 않고 있으나 독감

과 유사한 질병을 유발할 수 있으며 이를 중합체 증기열

(polymer fume fever)이라 한다

표 3-6 15종의 유해물질 및 유독성 기체44)

ㅇ 최근 표 3-6의 화합물들 중 특히 TFA와 과불화된

(perfluorinated) PFOA(perfluorooctanoic acid)에 관심이

증가되고 있다 PFOA는 새로운 환경오염물질로 미국 환

경보호청(EPA)에 의하면 보통 때는 문제가 없으나 조리

과정에서 프라이팬에 열을 가하고 강하게 긁을 경우 용

62

출되어 나오며 이것이 음식물과 함께 인체에 흡수되는

것으로 추정하였다 한편 DuPont의 테플론 PTFE 연구

결과에 의하면 검출한계인 9ppb 이상 검출되지 않으며

테플론 주방기구에서는 PFOA가 존재하지 않는다고 발

표하고 있다

- 물이나 공기를 통해 환경에 노출된 PFOA는 고 콜레

스테롤 궤양성 대장염 갑상선 질환 고환암 신장암

및 임신성 고혈압과 관련된다고 보고되었다

- PFOA는 불소수지 생산과정에서 사용되는 첨가물로써

암모늄 형태로 PTFE 유화중합에 계면활성제로 사용

되며 불소수지의 품질과 균일성을 유지하기 위해 필

수적인 첨가물이기 때문에 전 세계 모든 불소수지 제

조업체가 사용 중에 있다 한편 국내 주력 산업인 반

도체 생산 과정에서도 PFOA를 대량으로 사용하고 있

어 체계적인 실태조사와 대책수립이 필요하다는 의견

들이 대두되고 있다

⑽ 불소화합물의 안전성과 환경대책

ㅇ 표 3-6에서 살펴본 바와 같이 테플론을 급격히 고온으로

가열하면 2종의 발암물질을 포함한 유독성 가스가 발생

63

하고 특히 불소화합물 중 MFA(monofluoroacetic acid)는

적은 양으로도 치명적 해를 끼치고 PEIF(perfluoro-

isobutene)는 신경가스제로 여러 가지 질환을 발생시킨다

한다44)

따라서 테플론으로 코팅된 장치를 재 코팅하기

위해 테프론을 고온으로 급격히 가열하거나 소각 등을

통해 제거할 때는 발생 가능성이 있는 유독가스를 제거

하기 위한 별도의 설비를 이용하여야 하고 유 등44)의 보

고서에서와 같이 중조(NaHCO3)를 포화시킨 충분한 물로

유독 산성 물질을 중화시키는 것도 고려할 만하다 한편

부식대전 방지 코팅도 테플론 코팅 일변도에서 세라믹

코팅 CNTs이나 DLC 코팅기술로 대응하는 것을 추천하

고 싶으며 이것은 유해물질 배출 및 이동량 보고제도

(PRTR Pollutant Release and Transfer Register)에 대

비하는 등 기업의 장래를 고려하는 것도 될 것이다

ㅇ PTFE를 사용한 취사도구는 1960년대 이래 사용되어 오

고 있으나 최근 들어 이것의 안전성이 논쟁의 주제가 되

고 있으며 논의 주체는 PFOA(perfluorooctanoic acid)이

다 PFOA는 PTFE를 비롯한 많은 불소수지의 생산에

사용되며 DuPont의 테플론 PTFE 연구 결과에 의하면

프라이팬을 260 이상 고온에서 가열하거나 코팅이 벗

겨져도 PFOA가 존재하지 않는다고 한다 그러나 물이나

64

공기 토양 식품포장재 등 여러 곳에서 PFOA 오염사실

이 보고되고 있다 한다44)

- 미국 EPA는 인체와 환경에 대한 PFOA 연구를 계속

하고 있으며 2015년까지 PFOA 및 이와 관련된 화합

물 방출을 배제할 프로그램을 갖고 있으나 PTFE-기

초 비점착 취사기구를 중지시킬 타당성을 갖고 있지

는 않다 최종제품은 PFOA가 아닌 PTFE이기 때문이

다

- 수십 년 동안 불소수지 비점착 코팅이 시장을 지배하

였으나 최근 몇 가지 신기술들이 출현되고 있으며 이

들 대부분은 실리콘 세라믹과 실리콘 기술로 이들 코

팅은 PTFE와 PFOA를 함유하지 않는다

- 오늘날 출시된 비점착 취사용구는 수많은 상표로 팔

리고 있으며 DuPont에 의하면 대부분의 취사용구 코

팅은 정상적으로 사용할 때 3-5년 견딜 수 있을 것으

로 예측한다 너무 문질러서는 안 되고 따뜻한 비눗

물로 씻어주는 것이 좋으며 닳거나 흠이 생기지 않도

록 나무 플라스틱이나 코팅된 재료로 만든 도구를 선

택하고 보관도 흠이 생기지 않을 장소나 캐비닛을 권

장하고 있다

65

ㅇ 국내의 불소수지 안전성에 관한 것으로는 재질규격(납과

카드뮴)과 용출규격(납 과망간산칼륨소비량 증발잔류물)

이 식품용 기구 및 용기 포장 공전46)에 기재되어 있으며

최근 국내에서도 PFOA를 비롯한 유해 불소화합물에 관

한 관심이 커져 가고 있다

ㅇ PFOA 문제가 표면화 되면서 환경 보전형 불소계 발수

유제의 개발과 공업화도 새로이 부각되고 있다 이에 관

한 보고서를 모니터링한 KISTI자료47)를 중심으로 간단히

요약하면 발수제의 주요성분 퍼플루오로알킬기(Rf기)함

유 폴리머의 기능은 Rf기의 고리길이에 크게 의존하므로

PFOA문제 해법으로 탄소수 8 이상인 종래의 불소화학

에서 탈피 짧은 고리 Rf기(탄소수 6)를 가진 새로운 단

량체를 선택하여 발수제를 제조함으로써 환경 보전형 불

소계 발수유제를 개발하고 공업화하였다 한다

66

제 4 장

지원결과

1 지원결과 종합

테프론 코팅 기술의 문제점과 부식대전방지용 테플

론 코팅에 관한 정보 외에 신청기업의 요청에 따

라 C-나노튜브 코팅 및 DLC증착에 관련된 기술 정

보도 제공하였다

테플론은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat resistant)

비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coefficient of

friction) 내약품성(chemical resistance)과 특이한 전기적

특성(unique electrical properties) 및 온내구력(cryogenic

stability)으로 그 응용범위가 광범하며 용도에 따른 엄격

한 품질관리가 요구될 것으로 생각되어 중소기업에 적합

한 기초능력 배양과 신제품을 구상하기 위한 최신기술에

관한 정보를 제공하고자 하였다

67

불소수지의 코팅은 두께와 첨가제가 관건으로 이에 관한

자료를 제공하고자 하였으며 불소수지의 전기특성 폭발

성 환경과 반도체 제조공정에서의 대전 방지 처리를 위

한 정전기 관리 지표 등을 특허를 중심으로 조사하여 제

공하고자 하였다

C-나노튜브를 이용한 대전방지 코팅 기술 및 C-나노튜

브의 제법 등 이것에 관한 기초정보를 제공하고자 하였

으며 내마모성 테플론 코팅에 관해서는 테플론을 이용한

세라믹 코팅 기술에 관한 정보도 제공하고자 하였다

테플론의 기계적 전기적 특성을 강화하기 위해 사용되는

충전제를 종합하고 기초이론을 정립함으로써 금후 원부

자재의 선정에 도움을 주었다

테플론은 석면 대체재로도 주목받고 있어 이에 관한 특

허 정보들을 제공하였으며 다이아몬드의 전형적인 특성

을 나타내는 DLC의 코팅관련 기술 정보를 환경오염 문

제와 연관하여 자료를 제공하였고 최근 비-점착 주방기

구인 프라이팬이나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가

열할 때 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수도 있

다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있어 이에

관한 정보도 제공하였다

68

2 지원의 한계

중소기업이 당면한 문제는 전문기술의 확보다 관련 기술

이 비약적으로 발전하는 추세에 비추어 한정된 인원으로

신기술을 소화하고 개발하기는 어려울 것이므로 출연연

구기관이나 대학과 공동연구를 모색할 수 있으나 이것도

중소기업으로서는 경제적 부담이 될 수밖에 없을 것으로

생각된다 가능하다면 앞으로도 KISTI의 정보지원이 계

속되기를 바라고 있었다

3 기대효과

부식대전 방지 테플론 코팅에 관한 기본 기술이 배양되

어 합리적인 원부 원료의 수입검사 공정관리 및 제품관

리를 통해 원가절감은 물론 신제품 신기술에 관한 정보

수집 및 분석능력이 배양되고 개발력이 확충되어 기업

경쟁력 향상에 도움이 될 것이다

69

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저자소개

김학주(金鶴柱) 서울대학교 문리과대학 화학과 졸업 이학사

전북대학교 대학원 화학과 이학박사

(주)삼양사 의약연구소장 신성대학교 교수

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 폴리에스테르 섬유의 연중직방기술 외 다수

저서 기기분석 공업물리화학 일반화학

성용길(成墉吉)

동국대학교 이과대학 화학과 졸업 이학사 이학석사

부산대학교 대학원 화학과 이학박사(Dr Sci)

University of Utah USA Ph D(공학박사) Post Dr

유타대학교 연구교수 부산대학교 교수 동국대학교 교수

동국대학교 명예교수 한국원자력문화진흥원 이사

과학문화연구원전문연구위원 한국도량형과학문화연구원 원장

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 의료용 기능성 고분자재료에 관한 연구 외 330편

저서 고분자 물성론 (서울대학교 출판부 공저) 외 10권

52

을 향상시키는 데 사용되며 수축과 균열을 줄이고 열

팽창을 낮추며 열전도율을 향상시킨다

ㅇ 분말이나 단섬유로 된 전형적인 충전제를 표 3-5에 종합

하였다 유리섬유는 가장 보편적인 PTFE 충전제로 화

학 및 전기적 특성에 최소로 영향을 미치며 기계적 특

성을 크게 향상시킨다 분말에 비해 섬유는 압축강도

강성도 및 지지용량을 더욱 향상시키나 분말은 충전

테플론의 내구성에 거의 영향을 미치지 않는다 금속분

말은 특히 열전도도를 향상시키며 고속에서 발생하는 마

찰열을 소멸하는데 도움이 되며 전기저항을 상당히 감소

시켜 금속-충전 조성물은 양호한 절연체는 아니다

ㅇ 흑연(graphite) MoS2는 초기 내구성과 마찰을 개선하고

기계적 특성을 향상시킨다 석면은 많은 유용한 특성을

갖지만 가공 처리 중 가스가 방출할 뿐 아니라 사용금지

물질이다 표 3-5 외에도 금속 망 장섬유 다공성 금속

등 다양한 충전제들이 있으며 다양한 종류의 제품들이

상업 생산되고 있어 최종 선정을 하기 전에 플라스틱 가

공업자로부터 보다 완전한 정보와 추천을 받는 것이 바

람직하다

53

표 3-5 불소수지용 충전제

ㅇ 압축강력 인장과 압축 시의 탄성률 및 항복강력은 첨가

제의 첨가에 의해 모두 증가하나 일반으로 인장강력과

신도 및 충격강도는 손실된다 통상 충전 테플론은 압축

상태에서 사용되므로 인장강력의 감소는 중요하지 않다

인장강력의 손실은 설치(연속적인 링-실링)할 때 인장되

는 재료에서 중요하다 열팽창 계수는 비-충전 테플론에

비해 감소되어 통상 금속 부품의 팽창계수와 잘 맞는다

ㅇ 마찰과 마모를 수반하는 분야에서 가장 중요한 것은 충

전제로 얻어지는 PV한계치의 증가와 마모의 감소다 비-

54

충전 테플론에 비해 PV한계치 크기는 개략적으로 1차원

적으로 증가하나 마모인자는 3차원적으로 감소한다 충전

테플론의 평균치들은 동적 마찰계수는 01-02 PV한계치

는 10000-20000 psi-fpm 마모상수는 10times10-10in3-min

lb-ft-hr이다 그림 3-3은 충전 테플론 PTFE의 마찰계

수에 미치는 충전제 종류와 농도의 효과에 관한 것이다

그림 3-3 테플론 PTFE에 미치는 충전제 종류와 농도1)

ㅇ 내마모성을 향상시키는 충전제는 실제로 연마저항성을

감소시키는 것으로 날카로운 입자는 보다 쉽게 침투하고

충전제 입자와 수지 사이의 경계를 따라 충전 플라스틱

을 찢는다 따라서 라이닝 슈트 같은 분야의 적용 시는

55

비-충전테플론이 보다 바람직하다

⑺ 시트 테이프 및 박층(laminates)

ㅇ 대부분의 플루오르화탄소는 충전 여부에 관계없이 두

께 1mil(0001 in)까지 시트나 테이프로 만들 수 있고

시트나 테이프를 찍어서 원하는 형상의 립-씰(lip seal)

펌프 컵(pump cup) 피스톤 링(piston rings) 가스켓

(gaskets) 등을 만들 수 있다

ㅇ 유체의 누설을 정지시키는 밀봉기능 부품 중 각종기기의

접합부나 배관 플랜지 등의 밀봉에 사용되는 가스켓

(gaskets)은 석면이 널리 사용되어 왔으나 유해물질 배

출 및 이동량 보고제도(PRTR Pollutant Release and

Transfer Register)에서 발암성을 가진 제1종 지정 화학

물질로 지정되어 사용이 금지되어 PTFE가 가스켓으로

개발되었다 PTFE는 용융 알칼리 금속 및 그 용액과 불

소 및 3불화염소에 의해 약간 침식되나 모든 화학약품에

안정하고 우수한 내부식 재료로 C-F결합력이 크고 F원

자가 C-C결합의 주위를 간격 없이 들러 싸고 있기 때문

에 다른 물질의 공격을 방어하고 있고 내열성은 260로

높다35)

56

- PTFE 필러를 사용한 PTFE 나선 권형 가스켓은 석

면에 대한 사용규제와 상관없이 사용되어 왔으며 유

연한 필러를 사용하므로 석면 가스켓 보다 낮은 체결

압력에서도 실 특성이 우수하고 내식 면에서도 광범

하고 다양한 유체에 사용이 가능하다 다만 단열성 면

에서는 석면 나선 권형 가스켓 보다 사용온도 범위가

제한된다

ㅇ 산업 기계나 자동차의 브레이크 제동장치에 부착하여 마

찰력을 부가하는 브레이크 라이닝에서는 마찰계수와 내

마모력 및 충격계수 등 마찰특성이 우수한 석면을 주로

사용하여 왔으나 제동 시 발생하는 미세 석면분진으로

인해 대기오염에 의한 환경을 파괴 뿐 아니라 인체에 흡

입될 경우 암을 유발하여 PRTR로 사용이 금지되었다

석면을 대체할 유기질 또는 무기질 된 다양한 비석면 마

찰 섬유 등이 사용되고 있으며 마찰 섬유에 테프론을 코

팅하여 브레이크라이닝의 수명향상 제동 시 발생하는 소

음 떨림 및 제동력 향상을 위한 제품개발이 시도되고

있다

- 예로 국내 특허36)에서는 브레이크 라이닝(또는 패드)

의 마찰재 배합재료 중 유기섬유(Kevlar섬유 pulp섬

57

유 등)에 테프론을 코팅하고 코팅된 유기섬유에 결합

재 충전재 윤활재 마찰안정재 마찰조정재 등을 소정

의 배합비로 배합하여 성형하고 열처리하여 브레이크

패드 또는 라이닝을 제조한다

ㅇ 초소형 정밀기계(MEMS Micro-Electromechanical

System)분야에서는 점착방지를 위해 불화 유기박막을

사용한다 Park 등37)은 단층 두께의 불화 유기박막의

특성을 접촉각 측정을 통해 분석하였다

⑻ DLC 코팅3839)

ㅇ DLC(diamond-like carbon)는 몇 가지 다이아몬드의 전

형적인 특성을 나타내는 비정질 탄소물질로 극도의 내마

모 특성을 필요로 하는 재료의 코팅에 이용되고 있다

DLC코팅은 연마 마모를 감소시키기 위한 재료에 유용하

여 엔드밀 드릴비트 금형 같은 공구는 물론 자동차 기

계부품 및 전자산업 등 산업전반에 걸쳐 적용된다40)

ㅇ 환경오염 문제로 인해 PRTR(Pollutant Release and

Transfer Register 유해물질 배출 및 이동량 보고 제

도) 이 시행되어 습동 부품이나 절삭 시에 사용되는 오

일이나 그리스에 포함되는 첨가제(MoS2 Zn 등)와 이들

58

부품을 세정할 때 사용되는 용매 기계부품의 수명을 연

장시키기 위해 활용되었던 Cr도금 폐액에서 발생하는 6

가 크롬 등의 오염물질들에 대한 규제가 더욱 강화되어

DLC에 의한 무윤활 습동과 무윤활 절삭을 지향한 공구

와 기계 부품의 개발이 관심을 끌고 있다4142)

- 일본 내에서는 PRTR이 시행되고 이것에 저촉되는 재

료에 관해서는 MSDS(Material Safety Data Sheet)를

첨부해야할 의무가 있고 부품가공 습동 용도에서는

대상 리스트에 올라 있는 오일 오일 중의 중금속 도

금폐액을 어떻게 경제성 있는 환경 친화적 공정과 재

료로 전환할 것인가를 고려하면서 무윤활 습동 무윤

활 절삭 탈크롬 도금의 3가지 키워드가 대두되고

DLC코팅이 대안으로 모색되고 있다

- DLC코팅 적용기술과 과제에 관한 자료로는 자동차

관련부품 적용사례 엔진부위 마찰 작동 밸브계의 마

찰저감 DLC와 윤활제에 의한 마찰저감 기술을 중심

으로 살펴본 보고가 있다43)

ㅇ DLC는 7가지 형태가 존재하며 모두 상당한 양의 sp3혼

성궤도 탄소원자를 함유한다 다양한 형태의 DLC가 진

공 환경으로 적합한 재료들에 적용가능하며 유럽에서의

59

2006년 위탁 DLC코팅 시장은 3천만euro로 추정되었고 국

내도 활발한 상용화가 시도되고 있다

ㅇ 사반면상(tetahedral) 비정질 탄소 ta-C를 2두께로 코

팅하면 연마마모에 대한 스테인레스 강(304 type)의 내구

성을 증가시켜 수명을 1주일에서 85년으로 늘이며 이러

한 DLC의 형태는 sp3결합 탄소 원자로만 이루어지기 때

문에 순수한 DLC로 간주되며 수소 sp2흑연 탄소 금속

같은 충전제가 생산경비를 낮추거나 원하는 특성을 부여

하기 위하여 사용되고 있다

ㅇ DLC를 만드는 방법에는 sp3탄소 보다 낮은 밀도의 sp

2

에 의존하는 몇 가지 방법들이 있으며 압력 충격 촉매

또는 이들의 조합으로 sp2결합탄소 원자들을 sp3결합탄소

로 근접시킨다 최근 초고압 하에서 탄소의 경량 특성을

갖는 초경도 무정형 다이아몬드가 만들어졌다 탄소로 만

들어지는 다이아몬드 그래파이트는 결정구조를 가지나

DLC는 비정질이라는 점에서 크게 다르고 200 정도의

저온에서 형성시킬 수 있다는 점이 통상의 PVD막에 비

해 훨씬 우위에 있다

ㅇ DLC코팅은 제조공정이 복잡하고 생산 단가가 비싸 적용

이 어려우며 적용되는 소재가 제한되는 단점을 갖는다

60

주요제법으로는 고주파 플라즈마 법 이온화 증착법 스

페터링법 등을 들수 있다 고주파 플라즈마 법은 메탄가

스가 원료로 사용되고 막 중의 수소가 약 30(원자)로

평활성이 우수하고 마찰계수가 작으나 경도가 낮다 이

온화 증착법은 벤젠을 사용하며 막은 단단하나 면의 조

도가 거칠고 후막화 하기 위해 스패터링 방법이 검토되

고 있다

⑼ 불소수지의 안전성

ㅇ 테플론 PTFE의 열분해는 200(392)에서 감지되며 이

것은 몇 가지 플루오르화 탄소 기체들과 승화물질을 방

출한다4445)1955년 동물실험에 관한 한 연구에서는 이들

물질이 250(482) 이하에서는 의미 있는 양이 아니라

고 결론지었으나 최근 비-점착 주방기구인 프라이팬이

나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가열할 때 조류를

죽일 수 있는 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수

도 있다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있다45)

ㅇ 표 3-6은 EWG가 보고한 3-5분 내에 370까지 불소수

지를 가열할 때 발생되는 15종의 불소화합물에 관한 것

이다 테플론과 같은 코팅물질들이 장기적으로 인체에 미

61

치는 영향에 관한 연구는 이루어지지 않고 있으나 독감

과 유사한 질병을 유발할 수 있으며 이를 중합체 증기열

(polymer fume fever)이라 한다

표 3-6 15종의 유해물질 및 유독성 기체44)

ㅇ 최근 표 3-6의 화합물들 중 특히 TFA와 과불화된

(perfluorinated) PFOA(perfluorooctanoic acid)에 관심이

증가되고 있다 PFOA는 새로운 환경오염물질로 미국 환

경보호청(EPA)에 의하면 보통 때는 문제가 없으나 조리

과정에서 프라이팬에 열을 가하고 강하게 긁을 경우 용

62

출되어 나오며 이것이 음식물과 함께 인체에 흡수되는

것으로 추정하였다 한편 DuPont의 테플론 PTFE 연구

결과에 의하면 검출한계인 9ppb 이상 검출되지 않으며

테플론 주방기구에서는 PFOA가 존재하지 않는다고 발

표하고 있다

- 물이나 공기를 통해 환경에 노출된 PFOA는 고 콜레

스테롤 궤양성 대장염 갑상선 질환 고환암 신장암

및 임신성 고혈압과 관련된다고 보고되었다

- PFOA는 불소수지 생산과정에서 사용되는 첨가물로써

암모늄 형태로 PTFE 유화중합에 계면활성제로 사용

되며 불소수지의 품질과 균일성을 유지하기 위해 필

수적인 첨가물이기 때문에 전 세계 모든 불소수지 제

조업체가 사용 중에 있다 한편 국내 주력 산업인 반

도체 생산 과정에서도 PFOA를 대량으로 사용하고 있

어 체계적인 실태조사와 대책수립이 필요하다는 의견

들이 대두되고 있다

⑽ 불소화합물의 안전성과 환경대책

ㅇ 표 3-6에서 살펴본 바와 같이 테플론을 급격히 고온으로

가열하면 2종의 발암물질을 포함한 유독성 가스가 발생

63

하고 특히 불소화합물 중 MFA(monofluoroacetic acid)는

적은 양으로도 치명적 해를 끼치고 PEIF(perfluoro-

isobutene)는 신경가스제로 여러 가지 질환을 발생시킨다

한다44)

따라서 테플론으로 코팅된 장치를 재 코팅하기

위해 테프론을 고온으로 급격히 가열하거나 소각 등을

통해 제거할 때는 발생 가능성이 있는 유독가스를 제거

하기 위한 별도의 설비를 이용하여야 하고 유 등44)의 보

고서에서와 같이 중조(NaHCO3)를 포화시킨 충분한 물로

유독 산성 물질을 중화시키는 것도 고려할 만하다 한편

부식대전 방지 코팅도 테플론 코팅 일변도에서 세라믹

코팅 CNTs이나 DLC 코팅기술로 대응하는 것을 추천하

고 싶으며 이것은 유해물질 배출 및 이동량 보고제도

(PRTR Pollutant Release and Transfer Register)에 대

비하는 등 기업의 장래를 고려하는 것도 될 것이다

ㅇ PTFE를 사용한 취사도구는 1960년대 이래 사용되어 오

고 있으나 최근 들어 이것의 안전성이 논쟁의 주제가 되

고 있으며 논의 주체는 PFOA(perfluorooctanoic acid)이

다 PFOA는 PTFE를 비롯한 많은 불소수지의 생산에

사용되며 DuPont의 테플론 PTFE 연구 결과에 의하면

프라이팬을 260 이상 고온에서 가열하거나 코팅이 벗

겨져도 PFOA가 존재하지 않는다고 한다 그러나 물이나

64

공기 토양 식품포장재 등 여러 곳에서 PFOA 오염사실

이 보고되고 있다 한다44)

- 미국 EPA는 인체와 환경에 대한 PFOA 연구를 계속

하고 있으며 2015년까지 PFOA 및 이와 관련된 화합

물 방출을 배제할 프로그램을 갖고 있으나 PTFE-기

초 비점착 취사기구를 중지시킬 타당성을 갖고 있지

는 않다 최종제품은 PFOA가 아닌 PTFE이기 때문이

다

- 수십 년 동안 불소수지 비점착 코팅이 시장을 지배하

였으나 최근 몇 가지 신기술들이 출현되고 있으며 이

들 대부분은 실리콘 세라믹과 실리콘 기술로 이들 코

팅은 PTFE와 PFOA를 함유하지 않는다

- 오늘날 출시된 비점착 취사용구는 수많은 상표로 팔

리고 있으며 DuPont에 의하면 대부분의 취사용구 코

팅은 정상적으로 사용할 때 3-5년 견딜 수 있을 것으

로 예측한다 너무 문질러서는 안 되고 따뜻한 비눗

물로 씻어주는 것이 좋으며 닳거나 흠이 생기지 않도

록 나무 플라스틱이나 코팅된 재료로 만든 도구를 선

택하고 보관도 흠이 생기지 않을 장소나 캐비닛을 권

장하고 있다

65

ㅇ 국내의 불소수지 안전성에 관한 것으로는 재질규격(납과

카드뮴)과 용출규격(납 과망간산칼륨소비량 증발잔류물)

이 식품용 기구 및 용기 포장 공전46)에 기재되어 있으며

최근 국내에서도 PFOA를 비롯한 유해 불소화합물에 관

한 관심이 커져 가고 있다

ㅇ PFOA 문제가 표면화 되면서 환경 보전형 불소계 발수

유제의 개발과 공업화도 새로이 부각되고 있다 이에 관

한 보고서를 모니터링한 KISTI자료47)를 중심으로 간단히

요약하면 발수제의 주요성분 퍼플루오로알킬기(Rf기)함

유 폴리머의 기능은 Rf기의 고리길이에 크게 의존하므로

PFOA문제 해법으로 탄소수 8 이상인 종래의 불소화학

에서 탈피 짧은 고리 Rf기(탄소수 6)를 가진 새로운 단

량체를 선택하여 발수제를 제조함으로써 환경 보전형 불

소계 발수유제를 개발하고 공업화하였다 한다

66

제 4 장

지원결과

1 지원결과 종합

테프론 코팅 기술의 문제점과 부식대전방지용 테플

론 코팅에 관한 정보 외에 신청기업의 요청에 따

라 C-나노튜브 코팅 및 DLC증착에 관련된 기술 정

보도 제공하였다

테플론은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat resistant)

비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coefficient of

friction) 내약품성(chemical resistance)과 특이한 전기적

특성(unique electrical properties) 및 온내구력(cryogenic

stability)으로 그 응용범위가 광범하며 용도에 따른 엄격

한 품질관리가 요구될 것으로 생각되어 중소기업에 적합

한 기초능력 배양과 신제품을 구상하기 위한 최신기술에

관한 정보를 제공하고자 하였다

67

불소수지의 코팅은 두께와 첨가제가 관건으로 이에 관한

자료를 제공하고자 하였으며 불소수지의 전기특성 폭발

성 환경과 반도체 제조공정에서의 대전 방지 처리를 위

한 정전기 관리 지표 등을 특허를 중심으로 조사하여 제

공하고자 하였다

C-나노튜브를 이용한 대전방지 코팅 기술 및 C-나노튜

브의 제법 등 이것에 관한 기초정보를 제공하고자 하였

으며 내마모성 테플론 코팅에 관해서는 테플론을 이용한

세라믹 코팅 기술에 관한 정보도 제공하고자 하였다

테플론의 기계적 전기적 특성을 강화하기 위해 사용되는

충전제를 종합하고 기초이론을 정립함으로써 금후 원부

자재의 선정에 도움을 주었다

테플론은 석면 대체재로도 주목받고 있어 이에 관한 특

허 정보들을 제공하였으며 다이아몬드의 전형적인 특성

을 나타내는 DLC의 코팅관련 기술 정보를 환경오염 문

제와 연관하여 자료를 제공하였고 최근 비-점착 주방기

구인 프라이팬이나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가

열할 때 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수도 있

다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있어 이에

관한 정보도 제공하였다

68

2 지원의 한계

중소기업이 당면한 문제는 전문기술의 확보다 관련 기술

이 비약적으로 발전하는 추세에 비추어 한정된 인원으로

신기술을 소화하고 개발하기는 어려울 것이므로 출연연

구기관이나 대학과 공동연구를 모색할 수 있으나 이것도

중소기업으로서는 경제적 부담이 될 수밖에 없을 것으로

생각된다 가능하다면 앞으로도 KISTI의 정보지원이 계

속되기를 바라고 있었다

3 기대효과

부식대전 방지 테플론 코팅에 관한 기본 기술이 배양되

어 합리적인 원부 원료의 수입검사 공정관리 및 제품관

리를 통해 원가절감은 물론 신제품 신기술에 관한 정보

수집 및 분석능력이 배양되고 개발력이 확충되어 기업

경쟁력 향상에 도움이 될 것이다

69

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저자소개

김학주(金鶴柱) 서울대학교 문리과대학 화학과 졸업 이학사

전북대학교 대학원 화학과 이학박사

(주)삼양사 의약연구소장 신성대학교 교수

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 폴리에스테르 섬유의 연중직방기술 외 다수

저서 기기분석 공업물리화학 일반화학

성용길(成墉吉)

동국대학교 이과대학 화학과 졸업 이학사 이학석사

부산대학교 대학원 화학과 이학박사(Dr Sci)

University of Utah USA Ph D(공학박사) Post Dr

유타대학교 연구교수 부산대학교 교수 동국대학교 교수

동국대학교 명예교수 한국원자력문화진흥원 이사

과학문화연구원전문연구위원 한국도량형과학문화연구원 원장

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 의료용 기능성 고분자재료에 관한 연구 외 330편

저서 고분자 물성론 (서울대학교 출판부 공저) 외 10권

53

표 3-5 불소수지용 충전제

ㅇ 압축강력 인장과 압축 시의 탄성률 및 항복강력은 첨가

제의 첨가에 의해 모두 증가하나 일반으로 인장강력과

신도 및 충격강도는 손실된다 통상 충전 테플론은 압축

상태에서 사용되므로 인장강력의 감소는 중요하지 않다

인장강력의 손실은 설치(연속적인 링-실링)할 때 인장되

는 재료에서 중요하다 열팽창 계수는 비-충전 테플론에

비해 감소되어 통상 금속 부품의 팽창계수와 잘 맞는다

ㅇ 마찰과 마모를 수반하는 분야에서 가장 중요한 것은 충

전제로 얻어지는 PV한계치의 증가와 마모의 감소다 비-

54

충전 테플론에 비해 PV한계치 크기는 개략적으로 1차원

적으로 증가하나 마모인자는 3차원적으로 감소한다 충전

테플론의 평균치들은 동적 마찰계수는 01-02 PV한계치

는 10000-20000 psi-fpm 마모상수는 10times10-10in3-min

lb-ft-hr이다 그림 3-3은 충전 테플론 PTFE의 마찰계

수에 미치는 충전제 종류와 농도의 효과에 관한 것이다

그림 3-3 테플론 PTFE에 미치는 충전제 종류와 농도1)

ㅇ 내마모성을 향상시키는 충전제는 실제로 연마저항성을

감소시키는 것으로 날카로운 입자는 보다 쉽게 침투하고

충전제 입자와 수지 사이의 경계를 따라 충전 플라스틱

을 찢는다 따라서 라이닝 슈트 같은 분야의 적용 시는

55

비-충전테플론이 보다 바람직하다

⑺ 시트 테이프 및 박층(laminates)

ㅇ 대부분의 플루오르화탄소는 충전 여부에 관계없이 두

께 1mil(0001 in)까지 시트나 테이프로 만들 수 있고

시트나 테이프를 찍어서 원하는 형상의 립-씰(lip seal)

펌프 컵(pump cup) 피스톤 링(piston rings) 가스켓

(gaskets) 등을 만들 수 있다

ㅇ 유체의 누설을 정지시키는 밀봉기능 부품 중 각종기기의

접합부나 배관 플랜지 등의 밀봉에 사용되는 가스켓

(gaskets)은 석면이 널리 사용되어 왔으나 유해물질 배

출 및 이동량 보고제도(PRTR Pollutant Release and

Transfer Register)에서 발암성을 가진 제1종 지정 화학

물질로 지정되어 사용이 금지되어 PTFE가 가스켓으로

개발되었다 PTFE는 용융 알칼리 금속 및 그 용액과 불

소 및 3불화염소에 의해 약간 침식되나 모든 화학약품에

안정하고 우수한 내부식 재료로 C-F결합력이 크고 F원

자가 C-C결합의 주위를 간격 없이 들러 싸고 있기 때문

에 다른 물질의 공격을 방어하고 있고 내열성은 260로

높다35)

56

- PTFE 필러를 사용한 PTFE 나선 권형 가스켓은 석

면에 대한 사용규제와 상관없이 사용되어 왔으며 유

연한 필러를 사용하므로 석면 가스켓 보다 낮은 체결

압력에서도 실 특성이 우수하고 내식 면에서도 광범

하고 다양한 유체에 사용이 가능하다 다만 단열성 면

에서는 석면 나선 권형 가스켓 보다 사용온도 범위가

제한된다

ㅇ 산업 기계나 자동차의 브레이크 제동장치에 부착하여 마

찰력을 부가하는 브레이크 라이닝에서는 마찰계수와 내

마모력 및 충격계수 등 마찰특성이 우수한 석면을 주로

사용하여 왔으나 제동 시 발생하는 미세 석면분진으로

인해 대기오염에 의한 환경을 파괴 뿐 아니라 인체에 흡

입될 경우 암을 유발하여 PRTR로 사용이 금지되었다

석면을 대체할 유기질 또는 무기질 된 다양한 비석면 마

찰 섬유 등이 사용되고 있으며 마찰 섬유에 테프론을 코

팅하여 브레이크라이닝의 수명향상 제동 시 발생하는 소

음 떨림 및 제동력 향상을 위한 제품개발이 시도되고

있다

- 예로 국내 특허36)에서는 브레이크 라이닝(또는 패드)

의 마찰재 배합재료 중 유기섬유(Kevlar섬유 pulp섬

57

유 등)에 테프론을 코팅하고 코팅된 유기섬유에 결합

재 충전재 윤활재 마찰안정재 마찰조정재 등을 소정

의 배합비로 배합하여 성형하고 열처리하여 브레이크

패드 또는 라이닝을 제조한다

ㅇ 초소형 정밀기계(MEMS Micro-Electromechanical

System)분야에서는 점착방지를 위해 불화 유기박막을

사용한다 Park 등37)은 단층 두께의 불화 유기박막의

특성을 접촉각 측정을 통해 분석하였다

⑻ DLC 코팅3839)

ㅇ DLC(diamond-like carbon)는 몇 가지 다이아몬드의 전

형적인 특성을 나타내는 비정질 탄소물질로 극도의 내마

모 특성을 필요로 하는 재료의 코팅에 이용되고 있다

DLC코팅은 연마 마모를 감소시키기 위한 재료에 유용하

여 엔드밀 드릴비트 금형 같은 공구는 물론 자동차 기

계부품 및 전자산업 등 산업전반에 걸쳐 적용된다40)

ㅇ 환경오염 문제로 인해 PRTR(Pollutant Release and

Transfer Register 유해물질 배출 및 이동량 보고 제

도) 이 시행되어 습동 부품이나 절삭 시에 사용되는 오

일이나 그리스에 포함되는 첨가제(MoS2 Zn 등)와 이들

58

부품을 세정할 때 사용되는 용매 기계부품의 수명을 연

장시키기 위해 활용되었던 Cr도금 폐액에서 발생하는 6

가 크롬 등의 오염물질들에 대한 규제가 더욱 강화되어

DLC에 의한 무윤활 습동과 무윤활 절삭을 지향한 공구

와 기계 부품의 개발이 관심을 끌고 있다4142)

- 일본 내에서는 PRTR이 시행되고 이것에 저촉되는 재

료에 관해서는 MSDS(Material Safety Data Sheet)를

첨부해야할 의무가 있고 부품가공 습동 용도에서는

대상 리스트에 올라 있는 오일 오일 중의 중금속 도

금폐액을 어떻게 경제성 있는 환경 친화적 공정과 재

료로 전환할 것인가를 고려하면서 무윤활 습동 무윤

활 절삭 탈크롬 도금의 3가지 키워드가 대두되고

DLC코팅이 대안으로 모색되고 있다

- DLC코팅 적용기술과 과제에 관한 자료로는 자동차

관련부품 적용사례 엔진부위 마찰 작동 밸브계의 마

찰저감 DLC와 윤활제에 의한 마찰저감 기술을 중심

으로 살펴본 보고가 있다43)

ㅇ DLC는 7가지 형태가 존재하며 모두 상당한 양의 sp3혼

성궤도 탄소원자를 함유한다 다양한 형태의 DLC가 진

공 환경으로 적합한 재료들에 적용가능하며 유럽에서의

59

2006년 위탁 DLC코팅 시장은 3천만euro로 추정되었고 국

내도 활발한 상용화가 시도되고 있다

ㅇ 사반면상(tetahedral) 비정질 탄소 ta-C를 2두께로 코

팅하면 연마마모에 대한 스테인레스 강(304 type)의 내구

성을 증가시켜 수명을 1주일에서 85년으로 늘이며 이러

한 DLC의 형태는 sp3결합 탄소 원자로만 이루어지기 때

문에 순수한 DLC로 간주되며 수소 sp2흑연 탄소 금속

같은 충전제가 생산경비를 낮추거나 원하는 특성을 부여

하기 위하여 사용되고 있다

ㅇ DLC를 만드는 방법에는 sp3탄소 보다 낮은 밀도의 sp

2

에 의존하는 몇 가지 방법들이 있으며 압력 충격 촉매

또는 이들의 조합으로 sp2결합탄소 원자들을 sp3결합탄소

로 근접시킨다 최근 초고압 하에서 탄소의 경량 특성을

갖는 초경도 무정형 다이아몬드가 만들어졌다 탄소로 만

들어지는 다이아몬드 그래파이트는 결정구조를 가지나

DLC는 비정질이라는 점에서 크게 다르고 200 정도의

저온에서 형성시킬 수 있다는 점이 통상의 PVD막에 비

해 훨씬 우위에 있다

ㅇ DLC코팅은 제조공정이 복잡하고 생산 단가가 비싸 적용

이 어려우며 적용되는 소재가 제한되는 단점을 갖는다

60

주요제법으로는 고주파 플라즈마 법 이온화 증착법 스

페터링법 등을 들수 있다 고주파 플라즈마 법은 메탄가

스가 원료로 사용되고 막 중의 수소가 약 30(원자)로

평활성이 우수하고 마찰계수가 작으나 경도가 낮다 이

온화 증착법은 벤젠을 사용하며 막은 단단하나 면의 조

도가 거칠고 후막화 하기 위해 스패터링 방법이 검토되

고 있다

⑼ 불소수지의 안전성

ㅇ 테플론 PTFE의 열분해는 200(392)에서 감지되며 이

것은 몇 가지 플루오르화 탄소 기체들과 승화물질을 방

출한다4445)1955년 동물실험에 관한 한 연구에서는 이들

물질이 250(482) 이하에서는 의미 있는 양이 아니라

고 결론지었으나 최근 비-점착 주방기구인 프라이팬이

나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가열할 때 조류를

죽일 수 있는 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수

도 있다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있다45)

ㅇ 표 3-6은 EWG가 보고한 3-5분 내에 370까지 불소수

지를 가열할 때 발생되는 15종의 불소화합물에 관한 것

이다 테플론과 같은 코팅물질들이 장기적으로 인체에 미

61

치는 영향에 관한 연구는 이루어지지 않고 있으나 독감

과 유사한 질병을 유발할 수 있으며 이를 중합체 증기열

(polymer fume fever)이라 한다

표 3-6 15종의 유해물질 및 유독성 기체44)

ㅇ 최근 표 3-6의 화합물들 중 특히 TFA와 과불화된

(perfluorinated) PFOA(perfluorooctanoic acid)에 관심이

증가되고 있다 PFOA는 새로운 환경오염물질로 미국 환

경보호청(EPA)에 의하면 보통 때는 문제가 없으나 조리

과정에서 프라이팬에 열을 가하고 강하게 긁을 경우 용

62

출되어 나오며 이것이 음식물과 함께 인체에 흡수되는

것으로 추정하였다 한편 DuPont의 테플론 PTFE 연구

결과에 의하면 검출한계인 9ppb 이상 검출되지 않으며

테플론 주방기구에서는 PFOA가 존재하지 않는다고 발

표하고 있다

- 물이나 공기를 통해 환경에 노출된 PFOA는 고 콜레

스테롤 궤양성 대장염 갑상선 질환 고환암 신장암

및 임신성 고혈압과 관련된다고 보고되었다

- PFOA는 불소수지 생산과정에서 사용되는 첨가물로써

암모늄 형태로 PTFE 유화중합에 계면활성제로 사용

되며 불소수지의 품질과 균일성을 유지하기 위해 필

수적인 첨가물이기 때문에 전 세계 모든 불소수지 제

조업체가 사용 중에 있다 한편 국내 주력 산업인 반

도체 생산 과정에서도 PFOA를 대량으로 사용하고 있

어 체계적인 실태조사와 대책수립이 필요하다는 의견

들이 대두되고 있다

⑽ 불소화합물의 안전성과 환경대책

ㅇ 표 3-6에서 살펴본 바와 같이 테플론을 급격히 고온으로

가열하면 2종의 발암물질을 포함한 유독성 가스가 발생

63

하고 특히 불소화합물 중 MFA(monofluoroacetic acid)는

적은 양으로도 치명적 해를 끼치고 PEIF(perfluoro-

isobutene)는 신경가스제로 여러 가지 질환을 발생시킨다

한다44)

따라서 테플론으로 코팅된 장치를 재 코팅하기

위해 테프론을 고온으로 급격히 가열하거나 소각 등을

통해 제거할 때는 발생 가능성이 있는 유독가스를 제거

하기 위한 별도의 설비를 이용하여야 하고 유 등44)의 보

고서에서와 같이 중조(NaHCO3)를 포화시킨 충분한 물로

유독 산성 물질을 중화시키는 것도 고려할 만하다 한편

부식대전 방지 코팅도 테플론 코팅 일변도에서 세라믹

코팅 CNTs이나 DLC 코팅기술로 대응하는 것을 추천하

고 싶으며 이것은 유해물질 배출 및 이동량 보고제도

(PRTR Pollutant Release and Transfer Register)에 대

비하는 등 기업의 장래를 고려하는 것도 될 것이다

ㅇ PTFE를 사용한 취사도구는 1960년대 이래 사용되어 오

고 있으나 최근 들어 이것의 안전성이 논쟁의 주제가 되

고 있으며 논의 주체는 PFOA(perfluorooctanoic acid)이

다 PFOA는 PTFE를 비롯한 많은 불소수지의 생산에

사용되며 DuPont의 테플론 PTFE 연구 결과에 의하면

프라이팬을 260 이상 고온에서 가열하거나 코팅이 벗

겨져도 PFOA가 존재하지 않는다고 한다 그러나 물이나

64

공기 토양 식품포장재 등 여러 곳에서 PFOA 오염사실

이 보고되고 있다 한다44)

- 미국 EPA는 인체와 환경에 대한 PFOA 연구를 계속

하고 있으며 2015년까지 PFOA 및 이와 관련된 화합

물 방출을 배제할 프로그램을 갖고 있으나 PTFE-기

초 비점착 취사기구를 중지시킬 타당성을 갖고 있지

는 않다 최종제품은 PFOA가 아닌 PTFE이기 때문이

다

- 수십 년 동안 불소수지 비점착 코팅이 시장을 지배하

였으나 최근 몇 가지 신기술들이 출현되고 있으며 이

들 대부분은 실리콘 세라믹과 실리콘 기술로 이들 코

팅은 PTFE와 PFOA를 함유하지 않는다

- 오늘날 출시된 비점착 취사용구는 수많은 상표로 팔

리고 있으며 DuPont에 의하면 대부분의 취사용구 코

팅은 정상적으로 사용할 때 3-5년 견딜 수 있을 것으

로 예측한다 너무 문질러서는 안 되고 따뜻한 비눗

물로 씻어주는 것이 좋으며 닳거나 흠이 생기지 않도

록 나무 플라스틱이나 코팅된 재료로 만든 도구를 선

택하고 보관도 흠이 생기지 않을 장소나 캐비닛을 권

장하고 있다

65

ㅇ 국내의 불소수지 안전성에 관한 것으로는 재질규격(납과

카드뮴)과 용출규격(납 과망간산칼륨소비량 증발잔류물)

이 식품용 기구 및 용기 포장 공전46)에 기재되어 있으며

최근 국내에서도 PFOA를 비롯한 유해 불소화합물에 관

한 관심이 커져 가고 있다

ㅇ PFOA 문제가 표면화 되면서 환경 보전형 불소계 발수

유제의 개발과 공업화도 새로이 부각되고 있다 이에 관

한 보고서를 모니터링한 KISTI자료47)를 중심으로 간단히

요약하면 발수제의 주요성분 퍼플루오로알킬기(Rf기)함

유 폴리머의 기능은 Rf기의 고리길이에 크게 의존하므로

PFOA문제 해법으로 탄소수 8 이상인 종래의 불소화학

에서 탈피 짧은 고리 Rf기(탄소수 6)를 가진 새로운 단

량체를 선택하여 발수제를 제조함으로써 환경 보전형 불

소계 발수유제를 개발하고 공업화하였다 한다

66

제 4 장

지원결과

1 지원결과 종합

테프론 코팅 기술의 문제점과 부식대전방지용 테플

론 코팅에 관한 정보 외에 신청기업의 요청에 따

라 C-나노튜브 코팅 및 DLC증착에 관련된 기술 정

보도 제공하였다

테플론은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat resistant)

비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coefficient of

friction) 내약품성(chemical resistance)과 특이한 전기적

특성(unique electrical properties) 및 온내구력(cryogenic

stability)으로 그 응용범위가 광범하며 용도에 따른 엄격

한 품질관리가 요구될 것으로 생각되어 중소기업에 적합

한 기초능력 배양과 신제품을 구상하기 위한 최신기술에

관한 정보를 제공하고자 하였다

67

불소수지의 코팅은 두께와 첨가제가 관건으로 이에 관한

자료를 제공하고자 하였으며 불소수지의 전기특성 폭발

성 환경과 반도체 제조공정에서의 대전 방지 처리를 위

한 정전기 관리 지표 등을 특허를 중심으로 조사하여 제

공하고자 하였다

C-나노튜브를 이용한 대전방지 코팅 기술 및 C-나노튜

브의 제법 등 이것에 관한 기초정보를 제공하고자 하였

으며 내마모성 테플론 코팅에 관해서는 테플론을 이용한

세라믹 코팅 기술에 관한 정보도 제공하고자 하였다

테플론의 기계적 전기적 특성을 강화하기 위해 사용되는

충전제를 종합하고 기초이론을 정립함으로써 금후 원부

자재의 선정에 도움을 주었다

테플론은 석면 대체재로도 주목받고 있어 이에 관한 특

허 정보들을 제공하였으며 다이아몬드의 전형적인 특성

을 나타내는 DLC의 코팅관련 기술 정보를 환경오염 문

제와 연관하여 자료를 제공하였고 최근 비-점착 주방기

구인 프라이팬이나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가

열할 때 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수도 있

다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있어 이에

관한 정보도 제공하였다

68

2 지원의 한계

중소기업이 당면한 문제는 전문기술의 확보다 관련 기술

이 비약적으로 발전하는 추세에 비추어 한정된 인원으로

신기술을 소화하고 개발하기는 어려울 것이므로 출연연

구기관이나 대학과 공동연구를 모색할 수 있으나 이것도

중소기업으로서는 경제적 부담이 될 수밖에 없을 것으로

생각된다 가능하다면 앞으로도 KISTI의 정보지원이 계

속되기를 바라고 있었다

3 기대효과

부식대전 방지 테플론 코팅에 관한 기본 기술이 배양되

어 합리적인 원부 원료의 수입검사 공정관리 및 제품관

리를 통해 원가절감은 물론 신제품 신기술에 관한 정보

수집 및 분석능력이 배양되고 개발력이 확충되어 기업

경쟁력 향상에 도움이 될 것이다

69

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저자소개

김학주(金鶴柱) 서울대학교 문리과대학 화학과 졸업 이학사

전북대학교 대학원 화학과 이학박사

(주)삼양사 의약연구소장 신성대학교 교수

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 폴리에스테르 섬유의 연중직방기술 외 다수

저서 기기분석 공업물리화학 일반화학

성용길(成墉吉)

동국대학교 이과대학 화학과 졸업 이학사 이학석사

부산대학교 대학원 화학과 이학박사(Dr Sci)

University of Utah USA Ph D(공학박사) Post Dr

유타대학교 연구교수 부산대학교 교수 동국대학교 교수

동국대학교 명예교수 한국원자력문화진흥원 이사

과학문화연구원전문연구위원 한국도량형과학문화연구원 원장

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 의료용 기능성 고분자재료에 관한 연구 외 330편

저서 고분자 물성론 (서울대학교 출판부 공저) 외 10권

54

충전 테플론에 비해 PV한계치 크기는 개략적으로 1차원

적으로 증가하나 마모인자는 3차원적으로 감소한다 충전

테플론의 평균치들은 동적 마찰계수는 01-02 PV한계치

는 10000-20000 psi-fpm 마모상수는 10times10-10in3-min

lb-ft-hr이다 그림 3-3은 충전 테플론 PTFE의 마찰계

수에 미치는 충전제 종류와 농도의 효과에 관한 것이다

그림 3-3 테플론 PTFE에 미치는 충전제 종류와 농도1)

ㅇ 내마모성을 향상시키는 충전제는 실제로 연마저항성을

감소시키는 것으로 날카로운 입자는 보다 쉽게 침투하고

충전제 입자와 수지 사이의 경계를 따라 충전 플라스틱

을 찢는다 따라서 라이닝 슈트 같은 분야의 적용 시는

55

비-충전테플론이 보다 바람직하다

⑺ 시트 테이프 및 박층(laminates)

ㅇ 대부분의 플루오르화탄소는 충전 여부에 관계없이 두

께 1mil(0001 in)까지 시트나 테이프로 만들 수 있고

시트나 테이프를 찍어서 원하는 형상의 립-씰(lip seal)

펌프 컵(pump cup) 피스톤 링(piston rings) 가스켓

(gaskets) 등을 만들 수 있다

ㅇ 유체의 누설을 정지시키는 밀봉기능 부품 중 각종기기의

접합부나 배관 플랜지 등의 밀봉에 사용되는 가스켓

(gaskets)은 석면이 널리 사용되어 왔으나 유해물질 배

출 및 이동량 보고제도(PRTR Pollutant Release and

Transfer Register)에서 발암성을 가진 제1종 지정 화학

물질로 지정되어 사용이 금지되어 PTFE가 가스켓으로

개발되었다 PTFE는 용융 알칼리 금속 및 그 용액과 불

소 및 3불화염소에 의해 약간 침식되나 모든 화학약품에

안정하고 우수한 내부식 재료로 C-F결합력이 크고 F원

자가 C-C결합의 주위를 간격 없이 들러 싸고 있기 때문

에 다른 물질의 공격을 방어하고 있고 내열성은 260로

높다35)

56

- PTFE 필러를 사용한 PTFE 나선 권형 가스켓은 석

면에 대한 사용규제와 상관없이 사용되어 왔으며 유

연한 필러를 사용하므로 석면 가스켓 보다 낮은 체결

압력에서도 실 특성이 우수하고 내식 면에서도 광범

하고 다양한 유체에 사용이 가능하다 다만 단열성 면

에서는 석면 나선 권형 가스켓 보다 사용온도 범위가

제한된다

ㅇ 산업 기계나 자동차의 브레이크 제동장치에 부착하여 마

찰력을 부가하는 브레이크 라이닝에서는 마찰계수와 내

마모력 및 충격계수 등 마찰특성이 우수한 석면을 주로

사용하여 왔으나 제동 시 발생하는 미세 석면분진으로

인해 대기오염에 의한 환경을 파괴 뿐 아니라 인체에 흡

입될 경우 암을 유발하여 PRTR로 사용이 금지되었다

석면을 대체할 유기질 또는 무기질 된 다양한 비석면 마

찰 섬유 등이 사용되고 있으며 마찰 섬유에 테프론을 코

팅하여 브레이크라이닝의 수명향상 제동 시 발생하는 소

음 떨림 및 제동력 향상을 위한 제품개발이 시도되고

있다

- 예로 국내 특허36)에서는 브레이크 라이닝(또는 패드)

의 마찰재 배합재료 중 유기섬유(Kevlar섬유 pulp섬

57

유 등)에 테프론을 코팅하고 코팅된 유기섬유에 결합

재 충전재 윤활재 마찰안정재 마찰조정재 등을 소정

의 배합비로 배합하여 성형하고 열처리하여 브레이크

패드 또는 라이닝을 제조한다

ㅇ 초소형 정밀기계(MEMS Micro-Electromechanical

System)분야에서는 점착방지를 위해 불화 유기박막을

사용한다 Park 등37)은 단층 두께의 불화 유기박막의

특성을 접촉각 측정을 통해 분석하였다

⑻ DLC 코팅3839)

ㅇ DLC(diamond-like carbon)는 몇 가지 다이아몬드의 전

형적인 특성을 나타내는 비정질 탄소물질로 극도의 내마

모 특성을 필요로 하는 재료의 코팅에 이용되고 있다

DLC코팅은 연마 마모를 감소시키기 위한 재료에 유용하

여 엔드밀 드릴비트 금형 같은 공구는 물론 자동차 기

계부품 및 전자산업 등 산업전반에 걸쳐 적용된다40)

ㅇ 환경오염 문제로 인해 PRTR(Pollutant Release and

Transfer Register 유해물질 배출 및 이동량 보고 제

도) 이 시행되어 습동 부품이나 절삭 시에 사용되는 오

일이나 그리스에 포함되는 첨가제(MoS2 Zn 등)와 이들

58

부품을 세정할 때 사용되는 용매 기계부품의 수명을 연

장시키기 위해 활용되었던 Cr도금 폐액에서 발생하는 6

가 크롬 등의 오염물질들에 대한 규제가 더욱 강화되어

DLC에 의한 무윤활 습동과 무윤활 절삭을 지향한 공구

와 기계 부품의 개발이 관심을 끌고 있다4142)

- 일본 내에서는 PRTR이 시행되고 이것에 저촉되는 재

료에 관해서는 MSDS(Material Safety Data Sheet)를

첨부해야할 의무가 있고 부품가공 습동 용도에서는

대상 리스트에 올라 있는 오일 오일 중의 중금속 도

금폐액을 어떻게 경제성 있는 환경 친화적 공정과 재

료로 전환할 것인가를 고려하면서 무윤활 습동 무윤

활 절삭 탈크롬 도금의 3가지 키워드가 대두되고

DLC코팅이 대안으로 모색되고 있다

- DLC코팅 적용기술과 과제에 관한 자료로는 자동차

관련부품 적용사례 엔진부위 마찰 작동 밸브계의 마

찰저감 DLC와 윤활제에 의한 마찰저감 기술을 중심

으로 살펴본 보고가 있다43)

ㅇ DLC는 7가지 형태가 존재하며 모두 상당한 양의 sp3혼

성궤도 탄소원자를 함유한다 다양한 형태의 DLC가 진

공 환경으로 적합한 재료들에 적용가능하며 유럽에서의

59

2006년 위탁 DLC코팅 시장은 3천만euro로 추정되었고 국

내도 활발한 상용화가 시도되고 있다

ㅇ 사반면상(tetahedral) 비정질 탄소 ta-C를 2두께로 코

팅하면 연마마모에 대한 스테인레스 강(304 type)의 내구

성을 증가시켜 수명을 1주일에서 85년으로 늘이며 이러

한 DLC의 형태는 sp3결합 탄소 원자로만 이루어지기 때

문에 순수한 DLC로 간주되며 수소 sp2흑연 탄소 금속

같은 충전제가 생산경비를 낮추거나 원하는 특성을 부여

하기 위하여 사용되고 있다

ㅇ DLC를 만드는 방법에는 sp3탄소 보다 낮은 밀도의 sp

2

에 의존하는 몇 가지 방법들이 있으며 압력 충격 촉매

또는 이들의 조합으로 sp2결합탄소 원자들을 sp3결합탄소

로 근접시킨다 최근 초고압 하에서 탄소의 경량 특성을

갖는 초경도 무정형 다이아몬드가 만들어졌다 탄소로 만

들어지는 다이아몬드 그래파이트는 결정구조를 가지나

DLC는 비정질이라는 점에서 크게 다르고 200 정도의

저온에서 형성시킬 수 있다는 점이 통상의 PVD막에 비

해 훨씬 우위에 있다

ㅇ DLC코팅은 제조공정이 복잡하고 생산 단가가 비싸 적용

이 어려우며 적용되는 소재가 제한되는 단점을 갖는다

60

주요제법으로는 고주파 플라즈마 법 이온화 증착법 스

페터링법 등을 들수 있다 고주파 플라즈마 법은 메탄가

스가 원료로 사용되고 막 중의 수소가 약 30(원자)로

평활성이 우수하고 마찰계수가 작으나 경도가 낮다 이

온화 증착법은 벤젠을 사용하며 막은 단단하나 면의 조

도가 거칠고 후막화 하기 위해 스패터링 방법이 검토되

고 있다

⑼ 불소수지의 안전성

ㅇ 테플론 PTFE의 열분해는 200(392)에서 감지되며 이

것은 몇 가지 플루오르화 탄소 기체들과 승화물질을 방

출한다4445)1955년 동물실험에 관한 한 연구에서는 이들

물질이 250(482) 이하에서는 의미 있는 양이 아니라

고 결론지었으나 최근 비-점착 주방기구인 프라이팬이

나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가열할 때 조류를

죽일 수 있는 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수

도 있다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있다45)

ㅇ 표 3-6은 EWG가 보고한 3-5분 내에 370까지 불소수

지를 가열할 때 발생되는 15종의 불소화합물에 관한 것

이다 테플론과 같은 코팅물질들이 장기적으로 인체에 미

61

치는 영향에 관한 연구는 이루어지지 않고 있으나 독감

과 유사한 질병을 유발할 수 있으며 이를 중합체 증기열

(polymer fume fever)이라 한다

표 3-6 15종의 유해물질 및 유독성 기체44)

ㅇ 최근 표 3-6의 화합물들 중 특히 TFA와 과불화된

(perfluorinated) PFOA(perfluorooctanoic acid)에 관심이

증가되고 있다 PFOA는 새로운 환경오염물질로 미국 환

경보호청(EPA)에 의하면 보통 때는 문제가 없으나 조리

과정에서 프라이팬에 열을 가하고 강하게 긁을 경우 용

62

출되어 나오며 이것이 음식물과 함께 인체에 흡수되는

것으로 추정하였다 한편 DuPont의 테플론 PTFE 연구

결과에 의하면 검출한계인 9ppb 이상 검출되지 않으며

테플론 주방기구에서는 PFOA가 존재하지 않는다고 발

표하고 있다

- 물이나 공기를 통해 환경에 노출된 PFOA는 고 콜레

스테롤 궤양성 대장염 갑상선 질환 고환암 신장암

및 임신성 고혈압과 관련된다고 보고되었다

- PFOA는 불소수지 생산과정에서 사용되는 첨가물로써

암모늄 형태로 PTFE 유화중합에 계면활성제로 사용

되며 불소수지의 품질과 균일성을 유지하기 위해 필

수적인 첨가물이기 때문에 전 세계 모든 불소수지 제

조업체가 사용 중에 있다 한편 국내 주력 산업인 반

도체 생산 과정에서도 PFOA를 대량으로 사용하고 있

어 체계적인 실태조사와 대책수립이 필요하다는 의견

들이 대두되고 있다

⑽ 불소화합물의 안전성과 환경대책

ㅇ 표 3-6에서 살펴본 바와 같이 테플론을 급격히 고온으로

가열하면 2종의 발암물질을 포함한 유독성 가스가 발생

63

하고 특히 불소화합물 중 MFA(monofluoroacetic acid)는

적은 양으로도 치명적 해를 끼치고 PEIF(perfluoro-

isobutene)는 신경가스제로 여러 가지 질환을 발생시킨다

한다44)

따라서 테플론으로 코팅된 장치를 재 코팅하기

위해 테프론을 고온으로 급격히 가열하거나 소각 등을

통해 제거할 때는 발생 가능성이 있는 유독가스를 제거

하기 위한 별도의 설비를 이용하여야 하고 유 등44)의 보

고서에서와 같이 중조(NaHCO3)를 포화시킨 충분한 물로

유독 산성 물질을 중화시키는 것도 고려할 만하다 한편

부식대전 방지 코팅도 테플론 코팅 일변도에서 세라믹

코팅 CNTs이나 DLC 코팅기술로 대응하는 것을 추천하

고 싶으며 이것은 유해물질 배출 및 이동량 보고제도

(PRTR Pollutant Release and Transfer Register)에 대

비하는 등 기업의 장래를 고려하는 것도 될 것이다

ㅇ PTFE를 사용한 취사도구는 1960년대 이래 사용되어 오

고 있으나 최근 들어 이것의 안전성이 논쟁의 주제가 되

고 있으며 논의 주체는 PFOA(perfluorooctanoic acid)이

다 PFOA는 PTFE를 비롯한 많은 불소수지의 생산에

사용되며 DuPont의 테플론 PTFE 연구 결과에 의하면

프라이팬을 260 이상 고온에서 가열하거나 코팅이 벗

겨져도 PFOA가 존재하지 않는다고 한다 그러나 물이나

64

공기 토양 식품포장재 등 여러 곳에서 PFOA 오염사실

이 보고되고 있다 한다44)

- 미국 EPA는 인체와 환경에 대한 PFOA 연구를 계속

하고 있으며 2015년까지 PFOA 및 이와 관련된 화합

물 방출을 배제할 프로그램을 갖고 있으나 PTFE-기

초 비점착 취사기구를 중지시킬 타당성을 갖고 있지

는 않다 최종제품은 PFOA가 아닌 PTFE이기 때문이

다

- 수십 년 동안 불소수지 비점착 코팅이 시장을 지배하

였으나 최근 몇 가지 신기술들이 출현되고 있으며 이

들 대부분은 실리콘 세라믹과 실리콘 기술로 이들 코

팅은 PTFE와 PFOA를 함유하지 않는다

- 오늘날 출시된 비점착 취사용구는 수많은 상표로 팔

리고 있으며 DuPont에 의하면 대부분의 취사용구 코

팅은 정상적으로 사용할 때 3-5년 견딜 수 있을 것으

로 예측한다 너무 문질러서는 안 되고 따뜻한 비눗

물로 씻어주는 것이 좋으며 닳거나 흠이 생기지 않도

록 나무 플라스틱이나 코팅된 재료로 만든 도구를 선

택하고 보관도 흠이 생기지 않을 장소나 캐비닛을 권

장하고 있다

65

ㅇ 국내의 불소수지 안전성에 관한 것으로는 재질규격(납과

카드뮴)과 용출규격(납 과망간산칼륨소비량 증발잔류물)

이 식품용 기구 및 용기 포장 공전46)에 기재되어 있으며

최근 국내에서도 PFOA를 비롯한 유해 불소화합물에 관

한 관심이 커져 가고 있다

ㅇ PFOA 문제가 표면화 되면서 환경 보전형 불소계 발수

유제의 개발과 공업화도 새로이 부각되고 있다 이에 관

한 보고서를 모니터링한 KISTI자료47)를 중심으로 간단히

요약하면 발수제의 주요성분 퍼플루오로알킬기(Rf기)함

유 폴리머의 기능은 Rf기의 고리길이에 크게 의존하므로

PFOA문제 해법으로 탄소수 8 이상인 종래의 불소화학

에서 탈피 짧은 고리 Rf기(탄소수 6)를 가진 새로운 단

량체를 선택하여 발수제를 제조함으로써 환경 보전형 불

소계 발수유제를 개발하고 공업화하였다 한다

66

제 4 장

지원결과

1 지원결과 종합

테프론 코팅 기술의 문제점과 부식대전방지용 테플

론 코팅에 관한 정보 외에 신청기업의 요청에 따

라 C-나노튜브 코팅 및 DLC증착에 관련된 기술 정

보도 제공하였다

테플론은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat resistant)

비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coefficient of

friction) 내약품성(chemical resistance)과 특이한 전기적

특성(unique electrical properties) 및 온내구력(cryogenic

stability)으로 그 응용범위가 광범하며 용도에 따른 엄격

한 품질관리가 요구될 것으로 생각되어 중소기업에 적합

한 기초능력 배양과 신제품을 구상하기 위한 최신기술에

관한 정보를 제공하고자 하였다

67

불소수지의 코팅은 두께와 첨가제가 관건으로 이에 관한

자료를 제공하고자 하였으며 불소수지의 전기특성 폭발

성 환경과 반도체 제조공정에서의 대전 방지 처리를 위

한 정전기 관리 지표 등을 특허를 중심으로 조사하여 제

공하고자 하였다

C-나노튜브를 이용한 대전방지 코팅 기술 및 C-나노튜

브의 제법 등 이것에 관한 기초정보를 제공하고자 하였

으며 내마모성 테플론 코팅에 관해서는 테플론을 이용한

세라믹 코팅 기술에 관한 정보도 제공하고자 하였다

테플론의 기계적 전기적 특성을 강화하기 위해 사용되는

충전제를 종합하고 기초이론을 정립함으로써 금후 원부

자재의 선정에 도움을 주었다

테플론은 석면 대체재로도 주목받고 있어 이에 관한 특

허 정보들을 제공하였으며 다이아몬드의 전형적인 특성

을 나타내는 DLC의 코팅관련 기술 정보를 환경오염 문

제와 연관하여 자료를 제공하였고 최근 비-점착 주방기

구인 프라이팬이나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가

열할 때 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수도 있

다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있어 이에

관한 정보도 제공하였다

68

2 지원의 한계

중소기업이 당면한 문제는 전문기술의 확보다 관련 기술

이 비약적으로 발전하는 추세에 비추어 한정된 인원으로

신기술을 소화하고 개발하기는 어려울 것이므로 출연연

구기관이나 대학과 공동연구를 모색할 수 있으나 이것도

중소기업으로서는 경제적 부담이 될 수밖에 없을 것으로

생각된다 가능하다면 앞으로도 KISTI의 정보지원이 계

속되기를 바라고 있었다

3 기대효과

부식대전 방지 테플론 코팅에 관한 기본 기술이 배양되

어 합리적인 원부 원료의 수입검사 공정관리 및 제품관

리를 통해 원가절감은 물론 신제품 신기술에 관한 정보

수집 및 분석능력이 배양되고 개발력이 확충되어 기업

경쟁력 향상에 도움이 될 것이다

69

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저자소개

김학주(金鶴柱) 서울대학교 문리과대학 화학과 졸업 이학사

전북대학교 대학원 화학과 이학박사

(주)삼양사 의약연구소장 신성대학교 교수

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 폴리에스테르 섬유의 연중직방기술 외 다수

저서 기기분석 공업물리화학 일반화학

성용길(成墉吉)

동국대학교 이과대학 화학과 졸업 이학사 이학석사

부산대학교 대학원 화학과 이학박사(Dr Sci)

University of Utah USA Ph D(공학박사) Post Dr

유타대학교 연구교수 부산대학교 교수 동국대학교 교수

동국대학교 명예교수 한국원자력문화진흥원 이사

과학문화연구원전문연구위원 한국도량형과학문화연구원 원장

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 의료용 기능성 고분자재료에 관한 연구 외 330편

저서 고분자 물성론 (서울대학교 출판부 공저) 외 10권

55

비-충전테플론이 보다 바람직하다

⑺ 시트 테이프 및 박층(laminates)

ㅇ 대부분의 플루오르화탄소는 충전 여부에 관계없이 두

께 1mil(0001 in)까지 시트나 테이프로 만들 수 있고

시트나 테이프를 찍어서 원하는 형상의 립-씰(lip seal)

펌프 컵(pump cup) 피스톤 링(piston rings) 가스켓

(gaskets) 등을 만들 수 있다

ㅇ 유체의 누설을 정지시키는 밀봉기능 부품 중 각종기기의

접합부나 배관 플랜지 등의 밀봉에 사용되는 가스켓

(gaskets)은 석면이 널리 사용되어 왔으나 유해물질 배

출 및 이동량 보고제도(PRTR Pollutant Release and

Transfer Register)에서 발암성을 가진 제1종 지정 화학

물질로 지정되어 사용이 금지되어 PTFE가 가스켓으로

개발되었다 PTFE는 용융 알칼리 금속 및 그 용액과 불

소 및 3불화염소에 의해 약간 침식되나 모든 화학약품에

안정하고 우수한 내부식 재료로 C-F결합력이 크고 F원

자가 C-C결합의 주위를 간격 없이 들러 싸고 있기 때문

에 다른 물질의 공격을 방어하고 있고 내열성은 260로

높다35)

56

- PTFE 필러를 사용한 PTFE 나선 권형 가스켓은 석

면에 대한 사용규제와 상관없이 사용되어 왔으며 유

연한 필러를 사용하므로 석면 가스켓 보다 낮은 체결

압력에서도 실 특성이 우수하고 내식 면에서도 광범

하고 다양한 유체에 사용이 가능하다 다만 단열성 면

에서는 석면 나선 권형 가스켓 보다 사용온도 범위가

제한된다

ㅇ 산업 기계나 자동차의 브레이크 제동장치에 부착하여 마

찰력을 부가하는 브레이크 라이닝에서는 마찰계수와 내

마모력 및 충격계수 등 마찰특성이 우수한 석면을 주로

사용하여 왔으나 제동 시 발생하는 미세 석면분진으로

인해 대기오염에 의한 환경을 파괴 뿐 아니라 인체에 흡

입될 경우 암을 유발하여 PRTR로 사용이 금지되었다

석면을 대체할 유기질 또는 무기질 된 다양한 비석면 마

찰 섬유 등이 사용되고 있으며 마찰 섬유에 테프론을 코

팅하여 브레이크라이닝의 수명향상 제동 시 발생하는 소

음 떨림 및 제동력 향상을 위한 제품개발이 시도되고

있다

- 예로 국내 특허36)에서는 브레이크 라이닝(또는 패드)

의 마찰재 배합재료 중 유기섬유(Kevlar섬유 pulp섬

57

유 등)에 테프론을 코팅하고 코팅된 유기섬유에 결합

재 충전재 윤활재 마찰안정재 마찰조정재 등을 소정

의 배합비로 배합하여 성형하고 열처리하여 브레이크

패드 또는 라이닝을 제조한다

ㅇ 초소형 정밀기계(MEMS Micro-Electromechanical

System)분야에서는 점착방지를 위해 불화 유기박막을

사용한다 Park 등37)은 단층 두께의 불화 유기박막의

특성을 접촉각 측정을 통해 분석하였다

⑻ DLC 코팅3839)

ㅇ DLC(diamond-like carbon)는 몇 가지 다이아몬드의 전

형적인 특성을 나타내는 비정질 탄소물질로 극도의 내마

모 특성을 필요로 하는 재료의 코팅에 이용되고 있다

DLC코팅은 연마 마모를 감소시키기 위한 재료에 유용하

여 엔드밀 드릴비트 금형 같은 공구는 물론 자동차 기

계부품 및 전자산업 등 산업전반에 걸쳐 적용된다40)

ㅇ 환경오염 문제로 인해 PRTR(Pollutant Release and

Transfer Register 유해물질 배출 및 이동량 보고 제

도) 이 시행되어 습동 부품이나 절삭 시에 사용되는 오

일이나 그리스에 포함되는 첨가제(MoS2 Zn 등)와 이들

58

부품을 세정할 때 사용되는 용매 기계부품의 수명을 연

장시키기 위해 활용되었던 Cr도금 폐액에서 발생하는 6

가 크롬 등의 오염물질들에 대한 규제가 더욱 강화되어

DLC에 의한 무윤활 습동과 무윤활 절삭을 지향한 공구

와 기계 부품의 개발이 관심을 끌고 있다4142)

- 일본 내에서는 PRTR이 시행되고 이것에 저촉되는 재

료에 관해서는 MSDS(Material Safety Data Sheet)를

첨부해야할 의무가 있고 부품가공 습동 용도에서는

대상 리스트에 올라 있는 오일 오일 중의 중금속 도

금폐액을 어떻게 경제성 있는 환경 친화적 공정과 재

료로 전환할 것인가를 고려하면서 무윤활 습동 무윤

활 절삭 탈크롬 도금의 3가지 키워드가 대두되고

DLC코팅이 대안으로 모색되고 있다

- DLC코팅 적용기술과 과제에 관한 자료로는 자동차

관련부품 적용사례 엔진부위 마찰 작동 밸브계의 마

찰저감 DLC와 윤활제에 의한 마찰저감 기술을 중심

으로 살펴본 보고가 있다43)

ㅇ DLC는 7가지 형태가 존재하며 모두 상당한 양의 sp3혼

성궤도 탄소원자를 함유한다 다양한 형태의 DLC가 진

공 환경으로 적합한 재료들에 적용가능하며 유럽에서의

59

2006년 위탁 DLC코팅 시장은 3천만euro로 추정되었고 국

내도 활발한 상용화가 시도되고 있다

ㅇ 사반면상(tetahedral) 비정질 탄소 ta-C를 2두께로 코

팅하면 연마마모에 대한 스테인레스 강(304 type)의 내구

성을 증가시켜 수명을 1주일에서 85년으로 늘이며 이러

한 DLC의 형태는 sp3결합 탄소 원자로만 이루어지기 때

문에 순수한 DLC로 간주되며 수소 sp2흑연 탄소 금속

같은 충전제가 생산경비를 낮추거나 원하는 특성을 부여

하기 위하여 사용되고 있다

ㅇ DLC를 만드는 방법에는 sp3탄소 보다 낮은 밀도의 sp

2

에 의존하는 몇 가지 방법들이 있으며 압력 충격 촉매

또는 이들의 조합으로 sp2결합탄소 원자들을 sp3결합탄소

로 근접시킨다 최근 초고압 하에서 탄소의 경량 특성을

갖는 초경도 무정형 다이아몬드가 만들어졌다 탄소로 만

들어지는 다이아몬드 그래파이트는 결정구조를 가지나

DLC는 비정질이라는 점에서 크게 다르고 200 정도의

저온에서 형성시킬 수 있다는 점이 통상의 PVD막에 비

해 훨씬 우위에 있다

ㅇ DLC코팅은 제조공정이 복잡하고 생산 단가가 비싸 적용

이 어려우며 적용되는 소재가 제한되는 단점을 갖는다

60

주요제법으로는 고주파 플라즈마 법 이온화 증착법 스

페터링법 등을 들수 있다 고주파 플라즈마 법은 메탄가

스가 원료로 사용되고 막 중의 수소가 약 30(원자)로

평활성이 우수하고 마찰계수가 작으나 경도가 낮다 이

온화 증착법은 벤젠을 사용하며 막은 단단하나 면의 조

도가 거칠고 후막화 하기 위해 스패터링 방법이 검토되

고 있다

⑼ 불소수지의 안전성

ㅇ 테플론 PTFE의 열분해는 200(392)에서 감지되며 이

것은 몇 가지 플루오르화 탄소 기체들과 승화물질을 방

출한다4445)1955년 동물실험에 관한 한 연구에서는 이들

물질이 250(482) 이하에서는 의미 있는 양이 아니라

고 결론지었으나 최근 비-점착 주방기구인 프라이팬이

나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가열할 때 조류를

죽일 수 있는 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수

도 있다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있다45)

ㅇ 표 3-6은 EWG가 보고한 3-5분 내에 370까지 불소수

지를 가열할 때 발생되는 15종의 불소화합물에 관한 것

이다 테플론과 같은 코팅물질들이 장기적으로 인체에 미

61

치는 영향에 관한 연구는 이루어지지 않고 있으나 독감

과 유사한 질병을 유발할 수 있으며 이를 중합체 증기열

(polymer fume fever)이라 한다

표 3-6 15종의 유해물질 및 유독성 기체44)

ㅇ 최근 표 3-6의 화합물들 중 특히 TFA와 과불화된

(perfluorinated) PFOA(perfluorooctanoic acid)에 관심이

증가되고 있다 PFOA는 새로운 환경오염물질로 미국 환

경보호청(EPA)에 의하면 보통 때는 문제가 없으나 조리

과정에서 프라이팬에 열을 가하고 강하게 긁을 경우 용

62

출되어 나오며 이것이 음식물과 함께 인체에 흡수되는

것으로 추정하였다 한편 DuPont의 테플론 PTFE 연구

결과에 의하면 검출한계인 9ppb 이상 검출되지 않으며

테플론 주방기구에서는 PFOA가 존재하지 않는다고 발

표하고 있다

- 물이나 공기를 통해 환경에 노출된 PFOA는 고 콜레

스테롤 궤양성 대장염 갑상선 질환 고환암 신장암

및 임신성 고혈압과 관련된다고 보고되었다

- PFOA는 불소수지 생산과정에서 사용되는 첨가물로써

암모늄 형태로 PTFE 유화중합에 계면활성제로 사용

되며 불소수지의 품질과 균일성을 유지하기 위해 필

수적인 첨가물이기 때문에 전 세계 모든 불소수지 제

조업체가 사용 중에 있다 한편 국내 주력 산업인 반

도체 생산 과정에서도 PFOA를 대량으로 사용하고 있

어 체계적인 실태조사와 대책수립이 필요하다는 의견

들이 대두되고 있다

⑽ 불소화합물의 안전성과 환경대책

ㅇ 표 3-6에서 살펴본 바와 같이 테플론을 급격히 고온으로

가열하면 2종의 발암물질을 포함한 유독성 가스가 발생

63

하고 특히 불소화합물 중 MFA(monofluoroacetic acid)는

적은 양으로도 치명적 해를 끼치고 PEIF(perfluoro-

isobutene)는 신경가스제로 여러 가지 질환을 발생시킨다

한다44)

따라서 테플론으로 코팅된 장치를 재 코팅하기

위해 테프론을 고온으로 급격히 가열하거나 소각 등을

통해 제거할 때는 발생 가능성이 있는 유독가스를 제거

하기 위한 별도의 설비를 이용하여야 하고 유 등44)의 보

고서에서와 같이 중조(NaHCO3)를 포화시킨 충분한 물로

유독 산성 물질을 중화시키는 것도 고려할 만하다 한편

부식대전 방지 코팅도 테플론 코팅 일변도에서 세라믹

코팅 CNTs이나 DLC 코팅기술로 대응하는 것을 추천하

고 싶으며 이것은 유해물질 배출 및 이동량 보고제도

(PRTR Pollutant Release and Transfer Register)에 대

비하는 등 기업의 장래를 고려하는 것도 될 것이다

ㅇ PTFE를 사용한 취사도구는 1960년대 이래 사용되어 오

고 있으나 최근 들어 이것의 안전성이 논쟁의 주제가 되

고 있으며 논의 주체는 PFOA(perfluorooctanoic acid)이

다 PFOA는 PTFE를 비롯한 많은 불소수지의 생산에

사용되며 DuPont의 테플론 PTFE 연구 결과에 의하면

프라이팬을 260 이상 고온에서 가열하거나 코팅이 벗

겨져도 PFOA가 존재하지 않는다고 한다 그러나 물이나

64

공기 토양 식품포장재 등 여러 곳에서 PFOA 오염사실

이 보고되고 있다 한다44)

- 미국 EPA는 인체와 환경에 대한 PFOA 연구를 계속

하고 있으며 2015년까지 PFOA 및 이와 관련된 화합

물 방출을 배제할 프로그램을 갖고 있으나 PTFE-기

초 비점착 취사기구를 중지시킬 타당성을 갖고 있지

는 않다 최종제품은 PFOA가 아닌 PTFE이기 때문이

다

- 수십 년 동안 불소수지 비점착 코팅이 시장을 지배하

였으나 최근 몇 가지 신기술들이 출현되고 있으며 이

들 대부분은 실리콘 세라믹과 실리콘 기술로 이들 코

팅은 PTFE와 PFOA를 함유하지 않는다

- 오늘날 출시된 비점착 취사용구는 수많은 상표로 팔

리고 있으며 DuPont에 의하면 대부분의 취사용구 코

팅은 정상적으로 사용할 때 3-5년 견딜 수 있을 것으

로 예측한다 너무 문질러서는 안 되고 따뜻한 비눗

물로 씻어주는 것이 좋으며 닳거나 흠이 생기지 않도

록 나무 플라스틱이나 코팅된 재료로 만든 도구를 선

택하고 보관도 흠이 생기지 않을 장소나 캐비닛을 권

장하고 있다

65

ㅇ 국내의 불소수지 안전성에 관한 것으로는 재질규격(납과

카드뮴)과 용출규격(납 과망간산칼륨소비량 증발잔류물)

이 식품용 기구 및 용기 포장 공전46)에 기재되어 있으며

최근 국내에서도 PFOA를 비롯한 유해 불소화합물에 관

한 관심이 커져 가고 있다

ㅇ PFOA 문제가 표면화 되면서 환경 보전형 불소계 발수

유제의 개발과 공업화도 새로이 부각되고 있다 이에 관

한 보고서를 모니터링한 KISTI자료47)를 중심으로 간단히

요약하면 발수제의 주요성분 퍼플루오로알킬기(Rf기)함

유 폴리머의 기능은 Rf기의 고리길이에 크게 의존하므로

PFOA문제 해법으로 탄소수 8 이상인 종래의 불소화학

에서 탈피 짧은 고리 Rf기(탄소수 6)를 가진 새로운 단

량체를 선택하여 발수제를 제조함으로써 환경 보전형 불

소계 발수유제를 개발하고 공업화하였다 한다

66

제 4 장

지원결과

1 지원결과 종합

테프론 코팅 기술의 문제점과 부식대전방지용 테플

론 코팅에 관한 정보 외에 신청기업의 요청에 따

라 C-나노튜브 코팅 및 DLC증착에 관련된 기술 정

보도 제공하였다

테플론은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat resistant)

비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coefficient of

friction) 내약품성(chemical resistance)과 특이한 전기적

특성(unique electrical properties) 및 온내구력(cryogenic

stability)으로 그 응용범위가 광범하며 용도에 따른 엄격

한 품질관리가 요구될 것으로 생각되어 중소기업에 적합

한 기초능력 배양과 신제품을 구상하기 위한 최신기술에

관한 정보를 제공하고자 하였다

67

불소수지의 코팅은 두께와 첨가제가 관건으로 이에 관한

자료를 제공하고자 하였으며 불소수지의 전기특성 폭발

성 환경과 반도체 제조공정에서의 대전 방지 처리를 위

한 정전기 관리 지표 등을 특허를 중심으로 조사하여 제

공하고자 하였다

C-나노튜브를 이용한 대전방지 코팅 기술 및 C-나노튜

브의 제법 등 이것에 관한 기초정보를 제공하고자 하였

으며 내마모성 테플론 코팅에 관해서는 테플론을 이용한

세라믹 코팅 기술에 관한 정보도 제공하고자 하였다

테플론의 기계적 전기적 특성을 강화하기 위해 사용되는

충전제를 종합하고 기초이론을 정립함으로써 금후 원부

자재의 선정에 도움을 주었다

테플론은 석면 대체재로도 주목받고 있어 이에 관한 특

허 정보들을 제공하였으며 다이아몬드의 전형적인 특성

을 나타내는 DLC의 코팅관련 기술 정보를 환경오염 문

제와 연관하여 자료를 제공하였고 최근 비-점착 주방기

구인 프라이팬이나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가

열할 때 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수도 있

다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있어 이에

관한 정보도 제공하였다

68

2 지원의 한계

중소기업이 당면한 문제는 전문기술의 확보다 관련 기술

이 비약적으로 발전하는 추세에 비추어 한정된 인원으로

신기술을 소화하고 개발하기는 어려울 것이므로 출연연

구기관이나 대학과 공동연구를 모색할 수 있으나 이것도

중소기업으로서는 경제적 부담이 될 수밖에 없을 것으로

생각된다 가능하다면 앞으로도 KISTI의 정보지원이 계

속되기를 바라고 있었다

3 기대효과

부식대전 방지 테플론 코팅에 관한 기본 기술이 배양되

어 합리적인 원부 원료의 수입검사 공정관리 및 제품관

리를 통해 원가절감은 물론 신제품 신기술에 관한 정보

수집 및 분석능력이 배양되고 개발력이 확충되어 기업

경쟁력 향상에 도움이 될 것이다

69

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75

저자소개

김학주(金鶴柱) 서울대학교 문리과대학 화학과 졸업 이학사

전북대학교 대학원 화학과 이학박사

(주)삼양사 의약연구소장 신성대학교 교수

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 폴리에스테르 섬유의 연중직방기술 외 다수

저서 기기분석 공업물리화학 일반화학

성용길(成墉吉)

동국대학교 이과대학 화학과 졸업 이학사 이학석사

부산대학교 대학원 화학과 이학박사(Dr Sci)

University of Utah USA Ph D(공학박사) Post Dr

유타대학교 연구교수 부산대학교 교수 동국대학교 교수

동국대학교 명예교수 한국원자력문화진흥원 이사

과학문화연구원전문연구위원 한국도량형과학문화연구원 원장

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 의료용 기능성 고분자재료에 관한 연구 외 330편

저서 고분자 물성론 (서울대학교 출판부 공저) 외 10권

56

- PTFE 필러를 사용한 PTFE 나선 권형 가스켓은 석

면에 대한 사용규제와 상관없이 사용되어 왔으며 유

연한 필러를 사용하므로 석면 가스켓 보다 낮은 체결

압력에서도 실 특성이 우수하고 내식 면에서도 광범

하고 다양한 유체에 사용이 가능하다 다만 단열성 면

에서는 석면 나선 권형 가스켓 보다 사용온도 범위가

제한된다

ㅇ 산업 기계나 자동차의 브레이크 제동장치에 부착하여 마

찰력을 부가하는 브레이크 라이닝에서는 마찰계수와 내

마모력 및 충격계수 등 마찰특성이 우수한 석면을 주로

사용하여 왔으나 제동 시 발생하는 미세 석면분진으로

인해 대기오염에 의한 환경을 파괴 뿐 아니라 인체에 흡

입될 경우 암을 유발하여 PRTR로 사용이 금지되었다

석면을 대체할 유기질 또는 무기질 된 다양한 비석면 마

찰 섬유 등이 사용되고 있으며 마찰 섬유에 테프론을 코

팅하여 브레이크라이닝의 수명향상 제동 시 발생하는 소

음 떨림 및 제동력 향상을 위한 제품개발이 시도되고

있다

- 예로 국내 특허36)에서는 브레이크 라이닝(또는 패드)

의 마찰재 배합재료 중 유기섬유(Kevlar섬유 pulp섬

57

유 등)에 테프론을 코팅하고 코팅된 유기섬유에 결합

재 충전재 윤활재 마찰안정재 마찰조정재 등을 소정

의 배합비로 배합하여 성형하고 열처리하여 브레이크

패드 또는 라이닝을 제조한다

ㅇ 초소형 정밀기계(MEMS Micro-Electromechanical

System)분야에서는 점착방지를 위해 불화 유기박막을

사용한다 Park 등37)은 단층 두께의 불화 유기박막의

특성을 접촉각 측정을 통해 분석하였다

⑻ DLC 코팅3839)

ㅇ DLC(diamond-like carbon)는 몇 가지 다이아몬드의 전

형적인 특성을 나타내는 비정질 탄소물질로 극도의 내마

모 특성을 필요로 하는 재료의 코팅에 이용되고 있다

DLC코팅은 연마 마모를 감소시키기 위한 재료에 유용하

여 엔드밀 드릴비트 금형 같은 공구는 물론 자동차 기

계부품 및 전자산업 등 산업전반에 걸쳐 적용된다40)

ㅇ 환경오염 문제로 인해 PRTR(Pollutant Release and

Transfer Register 유해물질 배출 및 이동량 보고 제

도) 이 시행되어 습동 부품이나 절삭 시에 사용되는 오

일이나 그리스에 포함되는 첨가제(MoS2 Zn 등)와 이들

58

부품을 세정할 때 사용되는 용매 기계부품의 수명을 연

장시키기 위해 활용되었던 Cr도금 폐액에서 발생하는 6

가 크롬 등의 오염물질들에 대한 규제가 더욱 강화되어

DLC에 의한 무윤활 습동과 무윤활 절삭을 지향한 공구

와 기계 부품의 개발이 관심을 끌고 있다4142)

- 일본 내에서는 PRTR이 시행되고 이것에 저촉되는 재

료에 관해서는 MSDS(Material Safety Data Sheet)를

첨부해야할 의무가 있고 부품가공 습동 용도에서는

대상 리스트에 올라 있는 오일 오일 중의 중금속 도

금폐액을 어떻게 경제성 있는 환경 친화적 공정과 재

료로 전환할 것인가를 고려하면서 무윤활 습동 무윤

활 절삭 탈크롬 도금의 3가지 키워드가 대두되고

DLC코팅이 대안으로 모색되고 있다

- DLC코팅 적용기술과 과제에 관한 자료로는 자동차

관련부품 적용사례 엔진부위 마찰 작동 밸브계의 마

찰저감 DLC와 윤활제에 의한 마찰저감 기술을 중심

으로 살펴본 보고가 있다43)

ㅇ DLC는 7가지 형태가 존재하며 모두 상당한 양의 sp3혼

성궤도 탄소원자를 함유한다 다양한 형태의 DLC가 진

공 환경으로 적합한 재료들에 적용가능하며 유럽에서의

59

2006년 위탁 DLC코팅 시장은 3천만euro로 추정되었고 국

내도 활발한 상용화가 시도되고 있다

ㅇ 사반면상(tetahedral) 비정질 탄소 ta-C를 2두께로 코

팅하면 연마마모에 대한 스테인레스 강(304 type)의 내구

성을 증가시켜 수명을 1주일에서 85년으로 늘이며 이러

한 DLC의 형태는 sp3결합 탄소 원자로만 이루어지기 때

문에 순수한 DLC로 간주되며 수소 sp2흑연 탄소 금속

같은 충전제가 생산경비를 낮추거나 원하는 특성을 부여

하기 위하여 사용되고 있다

ㅇ DLC를 만드는 방법에는 sp3탄소 보다 낮은 밀도의 sp

2

에 의존하는 몇 가지 방법들이 있으며 압력 충격 촉매

또는 이들의 조합으로 sp2결합탄소 원자들을 sp3결합탄소

로 근접시킨다 최근 초고압 하에서 탄소의 경량 특성을

갖는 초경도 무정형 다이아몬드가 만들어졌다 탄소로 만

들어지는 다이아몬드 그래파이트는 결정구조를 가지나

DLC는 비정질이라는 점에서 크게 다르고 200 정도의

저온에서 형성시킬 수 있다는 점이 통상의 PVD막에 비

해 훨씬 우위에 있다

ㅇ DLC코팅은 제조공정이 복잡하고 생산 단가가 비싸 적용

이 어려우며 적용되는 소재가 제한되는 단점을 갖는다

60

주요제법으로는 고주파 플라즈마 법 이온화 증착법 스

페터링법 등을 들수 있다 고주파 플라즈마 법은 메탄가

스가 원료로 사용되고 막 중의 수소가 약 30(원자)로

평활성이 우수하고 마찰계수가 작으나 경도가 낮다 이

온화 증착법은 벤젠을 사용하며 막은 단단하나 면의 조

도가 거칠고 후막화 하기 위해 스패터링 방법이 검토되

고 있다

⑼ 불소수지의 안전성

ㅇ 테플론 PTFE의 열분해는 200(392)에서 감지되며 이

것은 몇 가지 플루오르화 탄소 기체들과 승화물질을 방

출한다4445)1955년 동물실험에 관한 한 연구에서는 이들

물질이 250(482) 이하에서는 의미 있는 양이 아니라

고 결론지었으나 최근 비-점착 주방기구인 프라이팬이

나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가열할 때 조류를

죽일 수 있는 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수

도 있다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있다45)

ㅇ 표 3-6은 EWG가 보고한 3-5분 내에 370까지 불소수

지를 가열할 때 발생되는 15종의 불소화합물에 관한 것

이다 테플론과 같은 코팅물질들이 장기적으로 인체에 미

61

치는 영향에 관한 연구는 이루어지지 않고 있으나 독감

과 유사한 질병을 유발할 수 있으며 이를 중합체 증기열

(polymer fume fever)이라 한다

표 3-6 15종의 유해물질 및 유독성 기체44)

ㅇ 최근 표 3-6의 화합물들 중 특히 TFA와 과불화된

(perfluorinated) PFOA(perfluorooctanoic acid)에 관심이

증가되고 있다 PFOA는 새로운 환경오염물질로 미국 환

경보호청(EPA)에 의하면 보통 때는 문제가 없으나 조리

과정에서 프라이팬에 열을 가하고 강하게 긁을 경우 용

62

출되어 나오며 이것이 음식물과 함께 인체에 흡수되는

것으로 추정하였다 한편 DuPont의 테플론 PTFE 연구

결과에 의하면 검출한계인 9ppb 이상 검출되지 않으며

테플론 주방기구에서는 PFOA가 존재하지 않는다고 발

표하고 있다

- 물이나 공기를 통해 환경에 노출된 PFOA는 고 콜레

스테롤 궤양성 대장염 갑상선 질환 고환암 신장암

및 임신성 고혈압과 관련된다고 보고되었다

- PFOA는 불소수지 생산과정에서 사용되는 첨가물로써

암모늄 형태로 PTFE 유화중합에 계면활성제로 사용

되며 불소수지의 품질과 균일성을 유지하기 위해 필

수적인 첨가물이기 때문에 전 세계 모든 불소수지 제

조업체가 사용 중에 있다 한편 국내 주력 산업인 반

도체 생산 과정에서도 PFOA를 대량으로 사용하고 있

어 체계적인 실태조사와 대책수립이 필요하다는 의견

들이 대두되고 있다

⑽ 불소화합물의 안전성과 환경대책

ㅇ 표 3-6에서 살펴본 바와 같이 테플론을 급격히 고온으로

가열하면 2종의 발암물질을 포함한 유독성 가스가 발생

63

하고 특히 불소화합물 중 MFA(monofluoroacetic acid)는

적은 양으로도 치명적 해를 끼치고 PEIF(perfluoro-

isobutene)는 신경가스제로 여러 가지 질환을 발생시킨다

한다44)

따라서 테플론으로 코팅된 장치를 재 코팅하기

위해 테프론을 고온으로 급격히 가열하거나 소각 등을

통해 제거할 때는 발생 가능성이 있는 유독가스를 제거

하기 위한 별도의 설비를 이용하여야 하고 유 등44)의 보

고서에서와 같이 중조(NaHCO3)를 포화시킨 충분한 물로

유독 산성 물질을 중화시키는 것도 고려할 만하다 한편

부식대전 방지 코팅도 테플론 코팅 일변도에서 세라믹

코팅 CNTs이나 DLC 코팅기술로 대응하는 것을 추천하

고 싶으며 이것은 유해물질 배출 및 이동량 보고제도

(PRTR Pollutant Release and Transfer Register)에 대

비하는 등 기업의 장래를 고려하는 것도 될 것이다

ㅇ PTFE를 사용한 취사도구는 1960년대 이래 사용되어 오

고 있으나 최근 들어 이것의 안전성이 논쟁의 주제가 되

고 있으며 논의 주체는 PFOA(perfluorooctanoic acid)이

다 PFOA는 PTFE를 비롯한 많은 불소수지의 생산에

사용되며 DuPont의 테플론 PTFE 연구 결과에 의하면

프라이팬을 260 이상 고온에서 가열하거나 코팅이 벗

겨져도 PFOA가 존재하지 않는다고 한다 그러나 물이나

64

공기 토양 식품포장재 등 여러 곳에서 PFOA 오염사실

이 보고되고 있다 한다44)

- 미국 EPA는 인체와 환경에 대한 PFOA 연구를 계속

하고 있으며 2015년까지 PFOA 및 이와 관련된 화합

물 방출을 배제할 프로그램을 갖고 있으나 PTFE-기

초 비점착 취사기구를 중지시킬 타당성을 갖고 있지

는 않다 최종제품은 PFOA가 아닌 PTFE이기 때문이

다

- 수십 년 동안 불소수지 비점착 코팅이 시장을 지배하

였으나 최근 몇 가지 신기술들이 출현되고 있으며 이

들 대부분은 실리콘 세라믹과 실리콘 기술로 이들 코

팅은 PTFE와 PFOA를 함유하지 않는다

- 오늘날 출시된 비점착 취사용구는 수많은 상표로 팔

리고 있으며 DuPont에 의하면 대부분의 취사용구 코

팅은 정상적으로 사용할 때 3-5년 견딜 수 있을 것으

로 예측한다 너무 문질러서는 안 되고 따뜻한 비눗

물로 씻어주는 것이 좋으며 닳거나 흠이 생기지 않도

록 나무 플라스틱이나 코팅된 재료로 만든 도구를 선

택하고 보관도 흠이 생기지 않을 장소나 캐비닛을 권

장하고 있다

65

ㅇ 국내의 불소수지 안전성에 관한 것으로는 재질규격(납과

카드뮴)과 용출규격(납 과망간산칼륨소비량 증발잔류물)

이 식품용 기구 및 용기 포장 공전46)에 기재되어 있으며

최근 국내에서도 PFOA를 비롯한 유해 불소화합물에 관

한 관심이 커져 가고 있다

ㅇ PFOA 문제가 표면화 되면서 환경 보전형 불소계 발수

유제의 개발과 공업화도 새로이 부각되고 있다 이에 관

한 보고서를 모니터링한 KISTI자료47)를 중심으로 간단히

요약하면 발수제의 주요성분 퍼플루오로알킬기(Rf기)함

유 폴리머의 기능은 Rf기의 고리길이에 크게 의존하므로

PFOA문제 해법으로 탄소수 8 이상인 종래의 불소화학

에서 탈피 짧은 고리 Rf기(탄소수 6)를 가진 새로운 단

량체를 선택하여 발수제를 제조함으로써 환경 보전형 불

소계 발수유제를 개발하고 공업화하였다 한다

66

제 4 장

지원결과

1 지원결과 종합

테프론 코팅 기술의 문제점과 부식대전방지용 테플

론 코팅에 관한 정보 외에 신청기업의 요청에 따

라 C-나노튜브 코팅 및 DLC증착에 관련된 기술 정

보도 제공하였다

테플론은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat resistant)

비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coefficient of

friction) 내약품성(chemical resistance)과 특이한 전기적

특성(unique electrical properties) 및 온내구력(cryogenic

stability)으로 그 응용범위가 광범하며 용도에 따른 엄격

한 품질관리가 요구될 것으로 생각되어 중소기업에 적합

한 기초능력 배양과 신제품을 구상하기 위한 최신기술에

관한 정보를 제공하고자 하였다

67

불소수지의 코팅은 두께와 첨가제가 관건으로 이에 관한

자료를 제공하고자 하였으며 불소수지의 전기특성 폭발

성 환경과 반도체 제조공정에서의 대전 방지 처리를 위

한 정전기 관리 지표 등을 특허를 중심으로 조사하여 제

공하고자 하였다

C-나노튜브를 이용한 대전방지 코팅 기술 및 C-나노튜

브의 제법 등 이것에 관한 기초정보를 제공하고자 하였

으며 내마모성 테플론 코팅에 관해서는 테플론을 이용한

세라믹 코팅 기술에 관한 정보도 제공하고자 하였다

테플론의 기계적 전기적 특성을 강화하기 위해 사용되는

충전제를 종합하고 기초이론을 정립함으로써 금후 원부

자재의 선정에 도움을 주었다

테플론은 석면 대체재로도 주목받고 있어 이에 관한 특

허 정보들을 제공하였으며 다이아몬드의 전형적인 특성

을 나타내는 DLC의 코팅관련 기술 정보를 환경오염 문

제와 연관하여 자료를 제공하였고 최근 비-점착 주방기

구인 프라이팬이나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가

열할 때 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수도 있

다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있어 이에

관한 정보도 제공하였다

68

2 지원의 한계

중소기업이 당면한 문제는 전문기술의 확보다 관련 기술

이 비약적으로 발전하는 추세에 비추어 한정된 인원으로

신기술을 소화하고 개발하기는 어려울 것이므로 출연연

구기관이나 대학과 공동연구를 모색할 수 있으나 이것도

중소기업으로서는 경제적 부담이 될 수밖에 없을 것으로

생각된다 가능하다면 앞으로도 KISTI의 정보지원이 계

속되기를 바라고 있었다

3 기대효과

부식대전 방지 테플론 코팅에 관한 기본 기술이 배양되

어 합리적인 원부 원료의 수입검사 공정관리 및 제품관

리를 통해 원가절감은 물론 신제품 신기술에 관한 정보

수집 및 분석능력이 배양되고 개발력이 확충되어 기업

경쟁력 향상에 도움이 될 것이다

69

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불소수지코팅방법 및 그 방법에 의해 불소수지 코팅된

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75

저자소개

김학주(金鶴柱) 서울대학교 문리과대학 화학과 졸업 이학사

전북대학교 대학원 화학과 이학박사

(주)삼양사 의약연구소장 신성대학교 교수

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 폴리에스테르 섬유의 연중직방기술 외 다수

저서 기기분석 공업물리화학 일반화학

성용길(成墉吉)

동국대학교 이과대학 화학과 졸업 이학사 이학석사

부산대학교 대학원 화학과 이학박사(Dr Sci)

University of Utah USA Ph D(공학박사) Post Dr

유타대학교 연구교수 부산대학교 교수 동국대학교 교수

동국대학교 명예교수 한국원자력문화진흥원 이사

과학문화연구원전문연구위원 한국도량형과학문화연구원 원장

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 의료용 기능성 고분자재료에 관한 연구 외 330편

저서 고분자 물성론 (서울대학교 출판부 공저) 외 10권

57

유 등)에 테프론을 코팅하고 코팅된 유기섬유에 결합

재 충전재 윤활재 마찰안정재 마찰조정재 등을 소정

의 배합비로 배합하여 성형하고 열처리하여 브레이크

패드 또는 라이닝을 제조한다

ㅇ 초소형 정밀기계(MEMS Micro-Electromechanical

System)분야에서는 점착방지를 위해 불화 유기박막을

사용한다 Park 등37)은 단층 두께의 불화 유기박막의

특성을 접촉각 측정을 통해 분석하였다

⑻ DLC 코팅3839)

ㅇ DLC(diamond-like carbon)는 몇 가지 다이아몬드의 전

형적인 특성을 나타내는 비정질 탄소물질로 극도의 내마

모 특성을 필요로 하는 재료의 코팅에 이용되고 있다

DLC코팅은 연마 마모를 감소시키기 위한 재료에 유용하

여 엔드밀 드릴비트 금형 같은 공구는 물론 자동차 기

계부품 및 전자산업 등 산업전반에 걸쳐 적용된다40)

ㅇ 환경오염 문제로 인해 PRTR(Pollutant Release and

Transfer Register 유해물질 배출 및 이동량 보고 제

도) 이 시행되어 습동 부품이나 절삭 시에 사용되는 오

일이나 그리스에 포함되는 첨가제(MoS2 Zn 등)와 이들

58

부품을 세정할 때 사용되는 용매 기계부품의 수명을 연

장시키기 위해 활용되었던 Cr도금 폐액에서 발생하는 6

가 크롬 등의 오염물질들에 대한 규제가 더욱 강화되어

DLC에 의한 무윤활 습동과 무윤활 절삭을 지향한 공구

와 기계 부품의 개발이 관심을 끌고 있다4142)

- 일본 내에서는 PRTR이 시행되고 이것에 저촉되는 재

료에 관해서는 MSDS(Material Safety Data Sheet)를

첨부해야할 의무가 있고 부품가공 습동 용도에서는

대상 리스트에 올라 있는 오일 오일 중의 중금속 도

금폐액을 어떻게 경제성 있는 환경 친화적 공정과 재

료로 전환할 것인가를 고려하면서 무윤활 습동 무윤

활 절삭 탈크롬 도금의 3가지 키워드가 대두되고

DLC코팅이 대안으로 모색되고 있다

- DLC코팅 적용기술과 과제에 관한 자료로는 자동차

관련부품 적용사례 엔진부위 마찰 작동 밸브계의 마

찰저감 DLC와 윤활제에 의한 마찰저감 기술을 중심

으로 살펴본 보고가 있다43)

ㅇ DLC는 7가지 형태가 존재하며 모두 상당한 양의 sp3혼

성궤도 탄소원자를 함유한다 다양한 형태의 DLC가 진

공 환경으로 적합한 재료들에 적용가능하며 유럽에서의

59

2006년 위탁 DLC코팅 시장은 3천만euro로 추정되었고 국

내도 활발한 상용화가 시도되고 있다

ㅇ 사반면상(tetahedral) 비정질 탄소 ta-C를 2두께로 코

팅하면 연마마모에 대한 스테인레스 강(304 type)의 내구

성을 증가시켜 수명을 1주일에서 85년으로 늘이며 이러

한 DLC의 형태는 sp3결합 탄소 원자로만 이루어지기 때

문에 순수한 DLC로 간주되며 수소 sp2흑연 탄소 금속

같은 충전제가 생산경비를 낮추거나 원하는 특성을 부여

하기 위하여 사용되고 있다

ㅇ DLC를 만드는 방법에는 sp3탄소 보다 낮은 밀도의 sp

2

에 의존하는 몇 가지 방법들이 있으며 압력 충격 촉매

또는 이들의 조합으로 sp2결합탄소 원자들을 sp3결합탄소

로 근접시킨다 최근 초고압 하에서 탄소의 경량 특성을

갖는 초경도 무정형 다이아몬드가 만들어졌다 탄소로 만

들어지는 다이아몬드 그래파이트는 결정구조를 가지나

DLC는 비정질이라는 점에서 크게 다르고 200 정도의

저온에서 형성시킬 수 있다는 점이 통상의 PVD막에 비

해 훨씬 우위에 있다

ㅇ DLC코팅은 제조공정이 복잡하고 생산 단가가 비싸 적용

이 어려우며 적용되는 소재가 제한되는 단점을 갖는다

60

주요제법으로는 고주파 플라즈마 법 이온화 증착법 스

페터링법 등을 들수 있다 고주파 플라즈마 법은 메탄가

스가 원료로 사용되고 막 중의 수소가 약 30(원자)로

평활성이 우수하고 마찰계수가 작으나 경도가 낮다 이

온화 증착법은 벤젠을 사용하며 막은 단단하나 면의 조

도가 거칠고 후막화 하기 위해 스패터링 방법이 검토되

고 있다

⑼ 불소수지의 안전성

ㅇ 테플론 PTFE의 열분해는 200(392)에서 감지되며 이

것은 몇 가지 플루오르화 탄소 기체들과 승화물질을 방

출한다4445)1955년 동물실험에 관한 한 연구에서는 이들

물질이 250(482) 이하에서는 의미 있는 양이 아니라

고 결론지었으나 최근 비-점착 주방기구인 프라이팬이

나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가열할 때 조류를

죽일 수 있는 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수

도 있다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있다45)

ㅇ 표 3-6은 EWG가 보고한 3-5분 내에 370까지 불소수

지를 가열할 때 발생되는 15종의 불소화합물에 관한 것

이다 테플론과 같은 코팅물질들이 장기적으로 인체에 미

61

치는 영향에 관한 연구는 이루어지지 않고 있으나 독감

과 유사한 질병을 유발할 수 있으며 이를 중합체 증기열

(polymer fume fever)이라 한다

표 3-6 15종의 유해물질 및 유독성 기체44)

ㅇ 최근 표 3-6의 화합물들 중 특히 TFA와 과불화된

(perfluorinated) PFOA(perfluorooctanoic acid)에 관심이

증가되고 있다 PFOA는 새로운 환경오염물질로 미국 환

경보호청(EPA)에 의하면 보통 때는 문제가 없으나 조리

과정에서 프라이팬에 열을 가하고 강하게 긁을 경우 용

62

출되어 나오며 이것이 음식물과 함께 인체에 흡수되는

것으로 추정하였다 한편 DuPont의 테플론 PTFE 연구

결과에 의하면 검출한계인 9ppb 이상 검출되지 않으며

테플론 주방기구에서는 PFOA가 존재하지 않는다고 발

표하고 있다

- 물이나 공기를 통해 환경에 노출된 PFOA는 고 콜레

스테롤 궤양성 대장염 갑상선 질환 고환암 신장암

및 임신성 고혈압과 관련된다고 보고되었다

- PFOA는 불소수지 생산과정에서 사용되는 첨가물로써

암모늄 형태로 PTFE 유화중합에 계면활성제로 사용

되며 불소수지의 품질과 균일성을 유지하기 위해 필

수적인 첨가물이기 때문에 전 세계 모든 불소수지 제

조업체가 사용 중에 있다 한편 국내 주력 산업인 반

도체 생산 과정에서도 PFOA를 대량으로 사용하고 있

어 체계적인 실태조사와 대책수립이 필요하다는 의견

들이 대두되고 있다

⑽ 불소화합물의 안전성과 환경대책

ㅇ 표 3-6에서 살펴본 바와 같이 테플론을 급격히 고온으로

가열하면 2종의 발암물질을 포함한 유독성 가스가 발생

63

하고 특히 불소화합물 중 MFA(monofluoroacetic acid)는

적은 양으로도 치명적 해를 끼치고 PEIF(perfluoro-

isobutene)는 신경가스제로 여러 가지 질환을 발생시킨다

한다44)

따라서 테플론으로 코팅된 장치를 재 코팅하기

위해 테프론을 고온으로 급격히 가열하거나 소각 등을

통해 제거할 때는 발생 가능성이 있는 유독가스를 제거

하기 위한 별도의 설비를 이용하여야 하고 유 등44)의 보

고서에서와 같이 중조(NaHCO3)를 포화시킨 충분한 물로

유독 산성 물질을 중화시키는 것도 고려할 만하다 한편

부식대전 방지 코팅도 테플론 코팅 일변도에서 세라믹

코팅 CNTs이나 DLC 코팅기술로 대응하는 것을 추천하

고 싶으며 이것은 유해물질 배출 및 이동량 보고제도

(PRTR Pollutant Release and Transfer Register)에 대

비하는 등 기업의 장래를 고려하는 것도 될 것이다

ㅇ PTFE를 사용한 취사도구는 1960년대 이래 사용되어 오

고 있으나 최근 들어 이것의 안전성이 논쟁의 주제가 되

고 있으며 논의 주체는 PFOA(perfluorooctanoic acid)이

다 PFOA는 PTFE를 비롯한 많은 불소수지의 생산에

사용되며 DuPont의 테플론 PTFE 연구 결과에 의하면

프라이팬을 260 이상 고온에서 가열하거나 코팅이 벗

겨져도 PFOA가 존재하지 않는다고 한다 그러나 물이나

64

공기 토양 식품포장재 등 여러 곳에서 PFOA 오염사실

이 보고되고 있다 한다44)

- 미국 EPA는 인체와 환경에 대한 PFOA 연구를 계속

하고 있으며 2015년까지 PFOA 및 이와 관련된 화합

물 방출을 배제할 프로그램을 갖고 있으나 PTFE-기

초 비점착 취사기구를 중지시킬 타당성을 갖고 있지

는 않다 최종제품은 PFOA가 아닌 PTFE이기 때문이

다

- 수십 년 동안 불소수지 비점착 코팅이 시장을 지배하

였으나 최근 몇 가지 신기술들이 출현되고 있으며 이

들 대부분은 실리콘 세라믹과 실리콘 기술로 이들 코

팅은 PTFE와 PFOA를 함유하지 않는다

- 오늘날 출시된 비점착 취사용구는 수많은 상표로 팔

리고 있으며 DuPont에 의하면 대부분의 취사용구 코

팅은 정상적으로 사용할 때 3-5년 견딜 수 있을 것으

로 예측한다 너무 문질러서는 안 되고 따뜻한 비눗

물로 씻어주는 것이 좋으며 닳거나 흠이 생기지 않도

록 나무 플라스틱이나 코팅된 재료로 만든 도구를 선

택하고 보관도 흠이 생기지 않을 장소나 캐비닛을 권

장하고 있다

65

ㅇ 국내의 불소수지 안전성에 관한 것으로는 재질규격(납과

카드뮴)과 용출규격(납 과망간산칼륨소비량 증발잔류물)

이 식품용 기구 및 용기 포장 공전46)에 기재되어 있으며

최근 국내에서도 PFOA를 비롯한 유해 불소화합물에 관

한 관심이 커져 가고 있다

ㅇ PFOA 문제가 표면화 되면서 환경 보전형 불소계 발수

유제의 개발과 공업화도 새로이 부각되고 있다 이에 관

한 보고서를 모니터링한 KISTI자료47)를 중심으로 간단히

요약하면 발수제의 주요성분 퍼플루오로알킬기(Rf기)함

유 폴리머의 기능은 Rf기의 고리길이에 크게 의존하므로

PFOA문제 해법으로 탄소수 8 이상인 종래의 불소화학

에서 탈피 짧은 고리 Rf기(탄소수 6)를 가진 새로운 단

량체를 선택하여 발수제를 제조함으로써 환경 보전형 불

소계 발수유제를 개발하고 공업화하였다 한다

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제 4 장

지원결과

1 지원결과 종합

테프론 코팅 기술의 문제점과 부식대전방지용 테플

론 코팅에 관한 정보 외에 신청기업의 요청에 따

라 C-나노튜브 코팅 및 DLC증착에 관련된 기술 정

보도 제공하였다

테플론은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat resistant)

비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coefficient of

friction) 내약품성(chemical resistance)과 특이한 전기적

특성(unique electrical properties) 및 온내구력(cryogenic

stability)으로 그 응용범위가 광범하며 용도에 따른 엄격

한 품질관리가 요구될 것으로 생각되어 중소기업에 적합

한 기초능력 배양과 신제품을 구상하기 위한 최신기술에

관한 정보를 제공하고자 하였다

67

불소수지의 코팅은 두께와 첨가제가 관건으로 이에 관한

자료를 제공하고자 하였으며 불소수지의 전기특성 폭발

성 환경과 반도체 제조공정에서의 대전 방지 처리를 위

한 정전기 관리 지표 등을 특허를 중심으로 조사하여 제

공하고자 하였다

C-나노튜브를 이용한 대전방지 코팅 기술 및 C-나노튜

브의 제법 등 이것에 관한 기초정보를 제공하고자 하였

으며 내마모성 테플론 코팅에 관해서는 테플론을 이용한

세라믹 코팅 기술에 관한 정보도 제공하고자 하였다

테플론의 기계적 전기적 특성을 강화하기 위해 사용되는

충전제를 종합하고 기초이론을 정립함으로써 금후 원부

자재의 선정에 도움을 주었다

테플론은 석면 대체재로도 주목받고 있어 이에 관한 특

허 정보들을 제공하였으며 다이아몬드의 전형적인 특성

을 나타내는 DLC의 코팅관련 기술 정보를 환경오염 문

제와 연관하여 자료를 제공하였고 최근 비-점착 주방기

구인 프라이팬이나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가

열할 때 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수도 있

다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있어 이에

관한 정보도 제공하였다

68

2 지원의 한계

중소기업이 당면한 문제는 전문기술의 확보다 관련 기술

이 비약적으로 발전하는 추세에 비추어 한정된 인원으로

신기술을 소화하고 개발하기는 어려울 것이므로 출연연

구기관이나 대학과 공동연구를 모색할 수 있으나 이것도

중소기업으로서는 경제적 부담이 될 수밖에 없을 것으로

생각된다 가능하다면 앞으로도 KISTI의 정보지원이 계

속되기를 바라고 있었다

3 기대효과

부식대전 방지 테플론 코팅에 관한 기본 기술이 배양되

어 합리적인 원부 원료의 수입검사 공정관리 및 제품관

리를 통해 원가절감은 물론 신제품 신기술에 관한 정보

수집 및 분석능력이 배양되고 개발력이 확충되어 기업

경쟁력 향상에 도움이 될 것이다

69

참고문헌

1 Francis J Clauss Chapter 9 Fluorocarbons Solid

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およびこれを備えた機械裝置)

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10 등록번호10-0365003 (주식회사 엘지아이 열처리를 이

용한 테프론 코팅 방법)

11 등록번호 10-0811228(조철환 내열 세라믹 주방용기의

불소수지코팅방법 및 그 방법에 의해 불소수지 코팅된

내열 세라믹 주방용기)

12 등록번호 10-0449561(주식회사 봉성비에스 완충기용

피스톤의 테플론 코팅장치)

13 WO 2000054614(Solex Robotics Systems Inc Anti-

staticNon-sparkling Coatings for Explosive Environ-

ments)

14 WO 2012123103(WLGore amp Associates GMBH Use

of an Ionic Fluoropolymers as Antistatic Coaating)

15 WO 2012053774(탑나노시스 ldquo작업 스테이지 표면의 대

전방지 처리 방법 및 상기 방법에 의하여 표면이 대전

방지된 작업 스테이지rdquo)

16 공개특허10-2008-0061943(주식회사 하이닉스반도체 이

온 주입장비의 웨이퍼 지지 장치)

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리드 코팅 조성물 및 그를 이용한 도막 형성 방법rdquo 대

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モンドを含むテフロン定着器部材)

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業化rdquo ファインケミカル(日本) 37(11) 2008 pp39-44

이치옹 모니터링분석 KISTI

75

저자소개

김학주(金鶴柱) 서울대학교 문리과대학 화학과 졸업 이학사

전북대학교 대학원 화학과 이학박사

(주)삼양사 의약연구소장 신성대학교 교수

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 폴리에스테르 섬유의 연중직방기술 외 다수

저서 기기분석 공업물리화학 일반화학

성용길(成墉吉)

동국대학교 이과대학 화학과 졸업 이학사 이학석사

부산대학교 대학원 화학과 이학박사(Dr Sci)

University of Utah USA Ph D(공학박사) Post Dr

유타대학교 연구교수 부산대학교 교수 동국대학교 교수

동국대학교 명예교수 한국원자력문화진흥원 이사

과학문화연구원전문연구위원 한국도량형과학문화연구원 원장

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 의료용 기능성 고분자재료에 관한 연구 외 330편

저서 고분자 물성론 (서울대학교 출판부 공저) 외 10권

58

부품을 세정할 때 사용되는 용매 기계부품의 수명을 연

장시키기 위해 활용되었던 Cr도금 폐액에서 발생하는 6

가 크롬 등의 오염물질들에 대한 규제가 더욱 강화되어

DLC에 의한 무윤활 습동과 무윤활 절삭을 지향한 공구

와 기계 부품의 개발이 관심을 끌고 있다4142)

- 일본 내에서는 PRTR이 시행되고 이것에 저촉되는 재

료에 관해서는 MSDS(Material Safety Data Sheet)를

첨부해야할 의무가 있고 부품가공 습동 용도에서는

대상 리스트에 올라 있는 오일 오일 중의 중금속 도

금폐액을 어떻게 경제성 있는 환경 친화적 공정과 재

료로 전환할 것인가를 고려하면서 무윤활 습동 무윤

활 절삭 탈크롬 도금의 3가지 키워드가 대두되고

DLC코팅이 대안으로 모색되고 있다

- DLC코팅 적용기술과 과제에 관한 자료로는 자동차

관련부품 적용사례 엔진부위 마찰 작동 밸브계의 마

찰저감 DLC와 윤활제에 의한 마찰저감 기술을 중심

으로 살펴본 보고가 있다43)

ㅇ DLC는 7가지 형태가 존재하며 모두 상당한 양의 sp3혼

성궤도 탄소원자를 함유한다 다양한 형태의 DLC가 진

공 환경으로 적합한 재료들에 적용가능하며 유럽에서의

59

2006년 위탁 DLC코팅 시장은 3천만euro로 추정되었고 국

내도 활발한 상용화가 시도되고 있다

ㅇ 사반면상(tetahedral) 비정질 탄소 ta-C를 2두께로 코

팅하면 연마마모에 대한 스테인레스 강(304 type)의 내구

성을 증가시켜 수명을 1주일에서 85년으로 늘이며 이러

한 DLC의 형태는 sp3결합 탄소 원자로만 이루어지기 때

문에 순수한 DLC로 간주되며 수소 sp2흑연 탄소 금속

같은 충전제가 생산경비를 낮추거나 원하는 특성을 부여

하기 위하여 사용되고 있다

ㅇ DLC를 만드는 방법에는 sp3탄소 보다 낮은 밀도의 sp

2

에 의존하는 몇 가지 방법들이 있으며 압력 충격 촉매

또는 이들의 조합으로 sp2결합탄소 원자들을 sp3결합탄소

로 근접시킨다 최근 초고압 하에서 탄소의 경량 특성을

갖는 초경도 무정형 다이아몬드가 만들어졌다 탄소로 만

들어지는 다이아몬드 그래파이트는 결정구조를 가지나

DLC는 비정질이라는 점에서 크게 다르고 200 정도의

저온에서 형성시킬 수 있다는 점이 통상의 PVD막에 비

해 훨씬 우위에 있다

ㅇ DLC코팅은 제조공정이 복잡하고 생산 단가가 비싸 적용

이 어려우며 적용되는 소재가 제한되는 단점을 갖는다

60

주요제법으로는 고주파 플라즈마 법 이온화 증착법 스

페터링법 등을 들수 있다 고주파 플라즈마 법은 메탄가

스가 원료로 사용되고 막 중의 수소가 약 30(원자)로

평활성이 우수하고 마찰계수가 작으나 경도가 낮다 이

온화 증착법은 벤젠을 사용하며 막은 단단하나 면의 조

도가 거칠고 후막화 하기 위해 스패터링 방법이 검토되

고 있다

⑼ 불소수지의 안전성

ㅇ 테플론 PTFE의 열분해는 200(392)에서 감지되며 이

것은 몇 가지 플루오르화 탄소 기체들과 승화물질을 방

출한다4445)1955년 동물실험에 관한 한 연구에서는 이들

물질이 250(482) 이하에서는 의미 있는 양이 아니라

고 결론지었으나 최근 비-점착 주방기구인 프라이팬이

나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가열할 때 조류를

죽일 수 있는 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수

도 있다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있다45)

ㅇ 표 3-6은 EWG가 보고한 3-5분 내에 370까지 불소수

지를 가열할 때 발생되는 15종의 불소화합물에 관한 것

이다 테플론과 같은 코팅물질들이 장기적으로 인체에 미

61

치는 영향에 관한 연구는 이루어지지 않고 있으나 독감

과 유사한 질병을 유발할 수 있으며 이를 중합체 증기열

(polymer fume fever)이라 한다

표 3-6 15종의 유해물질 및 유독성 기체44)

ㅇ 최근 표 3-6의 화합물들 중 특히 TFA와 과불화된

(perfluorinated) PFOA(perfluorooctanoic acid)에 관심이

증가되고 있다 PFOA는 새로운 환경오염물질로 미국 환

경보호청(EPA)에 의하면 보통 때는 문제가 없으나 조리

과정에서 프라이팬에 열을 가하고 강하게 긁을 경우 용

62

출되어 나오며 이것이 음식물과 함께 인체에 흡수되는

것으로 추정하였다 한편 DuPont의 테플론 PTFE 연구

결과에 의하면 검출한계인 9ppb 이상 검출되지 않으며

테플론 주방기구에서는 PFOA가 존재하지 않는다고 발

표하고 있다

- 물이나 공기를 통해 환경에 노출된 PFOA는 고 콜레

스테롤 궤양성 대장염 갑상선 질환 고환암 신장암

및 임신성 고혈압과 관련된다고 보고되었다

- PFOA는 불소수지 생산과정에서 사용되는 첨가물로써

암모늄 형태로 PTFE 유화중합에 계면활성제로 사용

되며 불소수지의 품질과 균일성을 유지하기 위해 필

수적인 첨가물이기 때문에 전 세계 모든 불소수지 제

조업체가 사용 중에 있다 한편 국내 주력 산업인 반

도체 생산 과정에서도 PFOA를 대량으로 사용하고 있

어 체계적인 실태조사와 대책수립이 필요하다는 의견

들이 대두되고 있다

⑽ 불소화합물의 안전성과 환경대책

ㅇ 표 3-6에서 살펴본 바와 같이 테플론을 급격히 고온으로

가열하면 2종의 발암물질을 포함한 유독성 가스가 발생

63

하고 특히 불소화합물 중 MFA(monofluoroacetic acid)는

적은 양으로도 치명적 해를 끼치고 PEIF(perfluoro-

isobutene)는 신경가스제로 여러 가지 질환을 발생시킨다

한다44)

따라서 테플론으로 코팅된 장치를 재 코팅하기

위해 테프론을 고온으로 급격히 가열하거나 소각 등을

통해 제거할 때는 발생 가능성이 있는 유독가스를 제거

하기 위한 별도의 설비를 이용하여야 하고 유 등44)의 보

고서에서와 같이 중조(NaHCO3)를 포화시킨 충분한 물로

유독 산성 물질을 중화시키는 것도 고려할 만하다 한편

부식대전 방지 코팅도 테플론 코팅 일변도에서 세라믹

코팅 CNTs이나 DLC 코팅기술로 대응하는 것을 추천하

고 싶으며 이것은 유해물질 배출 및 이동량 보고제도

(PRTR Pollutant Release and Transfer Register)에 대

비하는 등 기업의 장래를 고려하는 것도 될 것이다

ㅇ PTFE를 사용한 취사도구는 1960년대 이래 사용되어 오

고 있으나 최근 들어 이것의 안전성이 논쟁의 주제가 되

고 있으며 논의 주체는 PFOA(perfluorooctanoic acid)이

다 PFOA는 PTFE를 비롯한 많은 불소수지의 생산에

사용되며 DuPont의 테플론 PTFE 연구 결과에 의하면

프라이팬을 260 이상 고온에서 가열하거나 코팅이 벗

겨져도 PFOA가 존재하지 않는다고 한다 그러나 물이나

64

공기 토양 식품포장재 등 여러 곳에서 PFOA 오염사실

이 보고되고 있다 한다44)

- 미국 EPA는 인체와 환경에 대한 PFOA 연구를 계속

하고 있으며 2015년까지 PFOA 및 이와 관련된 화합

물 방출을 배제할 프로그램을 갖고 있으나 PTFE-기

초 비점착 취사기구를 중지시킬 타당성을 갖고 있지

는 않다 최종제품은 PFOA가 아닌 PTFE이기 때문이

다

- 수십 년 동안 불소수지 비점착 코팅이 시장을 지배하

였으나 최근 몇 가지 신기술들이 출현되고 있으며 이

들 대부분은 실리콘 세라믹과 실리콘 기술로 이들 코

팅은 PTFE와 PFOA를 함유하지 않는다

- 오늘날 출시된 비점착 취사용구는 수많은 상표로 팔

리고 있으며 DuPont에 의하면 대부분의 취사용구 코

팅은 정상적으로 사용할 때 3-5년 견딜 수 있을 것으

로 예측한다 너무 문질러서는 안 되고 따뜻한 비눗

물로 씻어주는 것이 좋으며 닳거나 흠이 생기지 않도

록 나무 플라스틱이나 코팅된 재료로 만든 도구를 선

택하고 보관도 흠이 생기지 않을 장소나 캐비닛을 권

장하고 있다

65

ㅇ 국내의 불소수지 안전성에 관한 것으로는 재질규격(납과

카드뮴)과 용출규격(납 과망간산칼륨소비량 증발잔류물)

이 식품용 기구 및 용기 포장 공전46)에 기재되어 있으며

최근 국내에서도 PFOA를 비롯한 유해 불소화합물에 관

한 관심이 커져 가고 있다

ㅇ PFOA 문제가 표면화 되면서 환경 보전형 불소계 발수

유제의 개발과 공업화도 새로이 부각되고 있다 이에 관

한 보고서를 모니터링한 KISTI자료47)를 중심으로 간단히

요약하면 발수제의 주요성분 퍼플루오로알킬기(Rf기)함

유 폴리머의 기능은 Rf기의 고리길이에 크게 의존하므로

PFOA문제 해법으로 탄소수 8 이상인 종래의 불소화학

에서 탈피 짧은 고리 Rf기(탄소수 6)를 가진 새로운 단

량체를 선택하여 발수제를 제조함으로써 환경 보전형 불

소계 발수유제를 개발하고 공업화하였다 한다

66

제 4 장

지원결과

1 지원결과 종합

테프론 코팅 기술의 문제점과 부식대전방지용 테플

론 코팅에 관한 정보 외에 신청기업의 요청에 따

라 C-나노튜브 코팅 및 DLC증착에 관련된 기술 정

보도 제공하였다

테플론은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat resistant)

비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coefficient of

friction) 내약품성(chemical resistance)과 특이한 전기적

특성(unique electrical properties) 및 온내구력(cryogenic

stability)으로 그 응용범위가 광범하며 용도에 따른 엄격

한 품질관리가 요구될 것으로 생각되어 중소기업에 적합

한 기초능력 배양과 신제품을 구상하기 위한 최신기술에

관한 정보를 제공하고자 하였다

67

불소수지의 코팅은 두께와 첨가제가 관건으로 이에 관한

자료를 제공하고자 하였으며 불소수지의 전기특성 폭발

성 환경과 반도체 제조공정에서의 대전 방지 처리를 위

한 정전기 관리 지표 등을 특허를 중심으로 조사하여 제

공하고자 하였다

C-나노튜브를 이용한 대전방지 코팅 기술 및 C-나노튜

브의 제법 등 이것에 관한 기초정보를 제공하고자 하였

으며 내마모성 테플론 코팅에 관해서는 테플론을 이용한

세라믹 코팅 기술에 관한 정보도 제공하고자 하였다

테플론의 기계적 전기적 특성을 강화하기 위해 사용되는

충전제를 종합하고 기초이론을 정립함으로써 금후 원부

자재의 선정에 도움을 주었다

테플론은 석면 대체재로도 주목받고 있어 이에 관한 특

허 정보들을 제공하였으며 다이아몬드의 전형적인 특성

을 나타내는 DLC의 코팅관련 기술 정보를 환경오염 문

제와 연관하여 자료를 제공하였고 최근 비-점착 주방기

구인 프라이팬이나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가

열할 때 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수도 있

다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있어 이에

관한 정보도 제공하였다

68

2 지원의 한계

중소기업이 당면한 문제는 전문기술의 확보다 관련 기술

이 비약적으로 발전하는 추세에 비추어 한정된 인원으로

신기술을 소화하고 개발하기는 어려울 것이므로 출연연

구기관이나 대학과 공동연구를 모색할 수 있으나 이것도

중소기업으로서는 경제적 부담이 될 수밖에 없을 것으로

생각된다 가능하다면 앞으로도 KISTI의 정보지원이 계

속되기를 바라고 있었다

3 기대효과

부식대전 방지 테플론 코팅에 관한 기본 기술이 배양되

어 합리적인 원부 원료의 수입검사 공정관리 및 제품관

리를 통해 원가절감은 물론 신제품 신기술에 관한 정보

수집 및 분석능력이 배양되고 개발력이 확충되어 기업

경쟁력 향상에 도움이 될 것이다

69

참고문헌

1 Francis J Clauss Chapter 9 Fluorocarbons Solid

Lubricants and Self-lubricating Solids Academic

Press 1972 pp195sim238

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ed1984 pp398-403

3 두루텍 Corrosion amp Erosion Protective System 기술자

료

4 VC Malshe Nivedita S Sangaj Fluorinated acrylic

copolymers Part I Study of Clear Coatings Progress in

Organic Coatings 53(2005) pp 207-211

5 이장호 등 테프론 코팅 전열관 표면으로의 열 및 물질

전달 특성에 관한 실험적 연구 대한기계학회논문집 B

권 27(8) 2003 pp1051sim1060

6 WO 2008154391(Alcoa Inc Heat Exchager)

7 JP-2010-78036(株式會社ルネサステクノロジ 配管チユブ

およびこれを備えた機械裝置)

8 Eun-Joo Kim et al Teflon coating of fabric filters

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7 JP-2005-237860(三洋電氣株式會社 電氣掃除機)

70

10 등록번호10-0365003 (주식회사 엘지아이 열처리를 이

용한 테프론 코팅 방법)

11 등록번호 10-0811228(조철환 내열 세라믹 주방용기의

불소수지코팅방법 및 그 방법에 의해 불소수지 코팅된

내열 세라믹 주방용기)

12 등록번호 10-0449561(주식회사 봉성비에스 완충기용

피스톤의 테플론 코팅장치)

13 WO 2000054614(Solex Robotics Systems Inc Anti-

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14 WO 2012123103(WLGore amp Associates GMBH Use

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15 WO 2012053774(탑나노시스 ldquo작업 스테이지 표면의 대

전방지 처리 방법 및 상기 방법에 의하여 표면이 대전

방지된 작업 스테이지rdquo)

16 공개특허10-2008-0061943(주식회사 하이닉스반도체 이

온 주입장비의 웨이퍼 지지 장치)

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under Vacuum Conditions Wear269(2010) pp291-297

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Sliding Film and Sliding Device Swash-plate Type

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Ceramic Oxides Prior to Organic or Inorganic

Coating)

25 野坂正隆 低溫環境下におけるドライボロジドライボロ

ジスト(日本) 52(11) 2007 pp759sim764

26 이계영 김태균 김종구 ldquo내마모성 및 윤활성 코팅 조성

물rdquo 대한민국 특허 등록번호 10-1151909(2012)

27 (주)바론에스엘 ldquo불소수지와 세라믹의 유무기 하이브

리드 코팅 조성물 및 그를 이용한 도막 형성 방법rdquo 대

한민국 공개특허 10-2013-0028553 (2013)

28 JP-2010-261035(Xerox Corporation フツ素ナノダイヤ

モンドを含むテフロン定着器部材)

29 WO 2006 017259(Thomae Kurt J Multilayer

Corrosion- resistant Finish and Method)

30 Eunsoo Kang Seongcheol Choi Changhoon Choi

Sang Eun Shim Aqueous dispersion of submicron-

sized diamond particles for thermally conductive

polyurethane coating Colloids and Surfaces A

Physiochem Eng Aspects415(2012) pp255-261

31 S Rossi F Chini etal Corrosion Protection

Properties of Electoless NickelPTFE Phosphate

MoS2 and BronzePTFE Coatings Applied to Wear

Resistance of Carbon Steel Surface and Coatings

73

Technology173(2003) pp235-242

32 S Rossi F Deflorian F Venturini Improvement of

Surface finishing and Corrosion Resistance of

Prototypes by Direct Metal Laser Sintering Journal

of Materials Processing Technology 148(2004)

pp301-309

33 Mateus C Costil S Bolot R Coddet CCeramicfluo-

ropolymer Composite Coatings by Thermal Spraying-

a Modification of Surface Properties Surf Coat

Technol 2005 191 pp108-118

34 Masaaki Yamane Tadeusz A Stolarski Shogo Tobe

Influence of counter material on friction and wear

performance of PTFEndashmetal binary coatings

Tribology International 41 (2008) pp269ndash281

35 이치옹 분석자료 ldquo나선형 개스킷의 비석면화rdquo Takashi

Miyoshi 배관기술(일) 46(10) 2004 pp43-47

36 등록번호 10-0522254(백원두 브레이크 라이닝(또는 패

드) 제조방법)

37 Jin-Goo Park et al Characterization of Fluorocarbon

Thin Films by Contact Angles Measurements Journal

of Microelectronics amp Packaging Society6(1) 1999

pp39sim49

74

38 유호천 ldquoDLC 코팅 표면처리rdquo KiSTi 중소기업 정보지

원 2011 10 11

39 유호천 ldquoPVD DLC TRD 코팅설비를 활용한 복합충

개발및 제품적용rdquo KiSTi 중소기업 정보지원 2010 10

21

40 김유상 ldquo알루미늄합금에의 DLC코팅기술rdquo KiSTi 첨단

기술정보분석 2013 02-01

41 국립환경과학원 ldquo화학물질 배출량 조사 OECD와 협력

강화rdquo 보도자료 (2010 11 18)

42 월간기계기술 기자 ldquo새로운 코팅기술과 공구에 대한 적

용rdquo 2005년 3월호

43 加納 眞 ldquoDLC コ-ティングの適用技術と課題rdquo トライ

ボロジスト(日本) 52(3) 2007 pp186-191 송희국 모티

터링분석 KiSTi

44 식품의약안전청 연구보고서(연구책임자 유승석) 불소

지코팅 주방기구의 안전성 평가 2004 12

45 Teflon offgas studies Environmental Working Group Ewg

org Retrieved on 2013-01-01

46 식품의약품안전청 ldquo식품용 기구 및 용기 포장 공전rdquo 2012

47 廣野高生 ldquo環境保全型フッ素系 撥水撥油剤の 開發と 工

業化rdquo ファインケミカル(日本) 37(11) 2008 pp39-44

이치옹 모니터링분석 KISTI

75

저자소개

김학주(金鶴柱) 서울대학교 문리과대학 화학과 졸업 이학사

전북대학교 대학원 화학과 이학박사

(주)삼양사 의약연구소장 신성대학교 교수

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 폴리에스테르 섬유의 연중직방기술 외 다수

저서 기기분석 공업물리화학 일반화학

성용길(成墉吉)

동국대학교 이과대학 화학과 졸업 이학사 이학석사

부산대학교 대학원 화학과 이학박사(Dr Sci)

University of Utah USA Ph D(공학박사) Post Dr

유타대학교 연구교수 부산대학교 교수 동국대학교 교수

동국대학교 명예교수 한국원자력문화진흥원 이사

과학문화연구원전문연구위원 한국도량형과학문화연구원 원장

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 의료용 기능성 고분자재료에 관한 연구 외 330편

저서 고분자 물성론 (서울대학교 출판부 공저) 외 10권

59

2006년 위탁 DLC코팅 시장은 3천만euro로 추정되었고 국

내도 활발한 상용화가 시도되고 있다

ㅇ 사반면상(tetahedral) 비정질 탄소 ta-C를 2두께로 코

팅하면 연마마모에 대한 스테인레스 강(304 type)의 내구

성을 증가시켜 수명을 1주일에서 85년으로 늘이며 이러

한 DLC의 형태는 sp3결합 탄소 원자로만 이루어지기 때

문에 순수한 DLC로 간주되며 수소 sp2흑연 탄소 금속

같은 충전제가 생산경비를 낮추거나 원하는 특성을 부여

하기 위하여 사용되고 있다

ㅇ DLC를 만드는 방법에는 sp3탄소 보다 낮은 밀도의 sp

2

에 의존하는 몇 가지 방법들이 있으며 압력 충격 촉매

또는 이들의 조합으로 sp2결합탄소 원자들을 sp3결합탄소

로 근접시킨다 최근 초고압 하에서 탄소의 경량 특성을

갖는 초경도 무정형 다이아몬드가 만들어졌다 탄소로 만

들어지는 다이아몬드 그래파이트는 결정구조를 가지나

DLC는 비정질이라는 점에서 크게 다르고 200 정도의

저온에서 형성시킬 수 있다는 점이 통상의 PVD막에 비

해 훨씬 우위에 있다

ㅇ DLC코팅은 제조공정이 복잡하고 생산 단가가 비싸 적용

이 어려우며 적용되는 소재가 제한되는 단점을 갖는다

60

주요제법으로는 고주파 플라즈마 법 이온화 증착법 스

페터링법 등을 들수 있다 고주파 플라즈마 법은 메탄가

스가 원료로 사용되고 막 중의 수소가 약 30(원자)로

평활성이 우수하고 마찰계수가 작으나 경도가 낮다 이

온화 증착법은 벤젠을 사용하며 막은 단단하나 면의 조

도가 거칠고 후막화 하기 위해 스패터링 방법이 검토되

고 있다

⑼ 불소수지의 안전성

ㅇ 테플론 PTFE의 열분해는 200(392)에서 감지되며 이

것은 몇 가지 플루오르화 탄소 기체들과 승화물질을 방

출한다4445)1955년 동물실험에 관한 한 연구에서는 이들

물질이 250(482) 이하에서는 의미 있는 양이 아니라

고 결론지었으나 최근 비-점착 주방기구인 프라이팬이

나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가열할 때 조류를

죽일 수 있는 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수

도 있다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있다45)

ㅇ 표 3-6은 EWG가 보고한 3-5분 내에 370까지 불소수

지를 가열할 때 발생되는 15종의 불소화합물에 관한 것

이다 테플론과 같은 코팅물질들이 장기적으로 인체에 미

61

치는 영향에 관한 연구는 이루어지지 않고 있으나 독감

과 유사한 질병을 유발할 수 있으며 이를 중합체 증기열

(polymer fume fever)이라 한다

표 3-6 15종의 유해물질 및 유독성 기체44)

ㅇ 최근 표 3-6의 화합물들 중 특히 TFA와 과불화된

(perfluorinated) PFOA(perfluorooctanoic acid)에 관심이

증가되고 있다 PFOA는 새로운 환경오염물질로 미국 환

경보호청(EPA)에 의하면 보통 때는 문제가 없으나 조리

과정에서 프라이팬에 열을 가하고 강하게 긁을 경우 용

62

출되어 나오며 이것이 음식물과 함께 인체에 흡수되는

것으로 추정하였다 한편 DuPont의 테플론 PTFE 연구

결과에 의하면 검출한계인 9ppb 이상 검출되지 않으며

테플론 주방기구에서는 PFOA가 존재하지 않는다고 발

표하고 있다

- 물이나 공기를 통해 환경에 노출된 PFOA는 고 콜레

스테롤 궤양성 대장염 갑상선 질환 고환암 신장암

및 임신성 고혈압과 관련된다고 보고되었다

- PFOA는 불소수지 생산과정에서 사용되는 첨가물로써

암모늄 형태로 PTFE 유화중합에 계면활성제로 사용

되며 불소수지의 품질과 균일성을 유지하기 위해 필

수적인 첨가물이기 때문에 전 세계 모든 불소수지 제

조업체가 사용 중에 있다 한편 국내 주력 산업인 반

도체 생산 과정에서도 PFOA를 대량으로 사용하고 있

어 체계적인 실태조사와 대책수립이 필요하다는 의견

들이 대두되고 있다

⑽ 불소화합물의 안전성과 환경대책

ㅇ 표 3-6에서 살펴본 바와 같이 테플론을 급격히 고온으로

가열하면 2종의 발암물질을 포함한 유독성 가스가 발생

63

하고 특히 불소화합물 중 MFA(monofluoroacetic acid)는

적은 양으로도 치명적 해를 끼치고 PEIF(perfluoro-

isobutene)는 신경가스제로 여러 가지 질환을 발생시킨다

한다44)

따라서 테플론으로 코팅된 장치를 재 코팅하기

위해 테프론을 고온으로 급격히 가열하거나 소각 등을

통해 제거할 때는 발생 가능성이 있는 유독가스를 제거

하기 위한 별도의 설비를 이용하여야 하고 유 등44)의 보

고서에서와 같이 중조(NaHCO3)를 포화시킨 충분한 물로

유독 산성 물질을 중화시키는 것도 고려할 만하다 한편

부식대전 방지 코팅도 테플론 코팅 일변도에서 세라믹

코팅 CNTs이나 DLC 코팅기술로 대응하는 것을 추천하

고 싶으며 이것은 유해물질 배출 및 이동량 보고제도

(PRTR Pollutant Release and Transfer Register)에 대

비하는 등 기업의 장래를 고려하는 것도 될 것이다

ㅇ PTFE를 사용한 취사도구는 1960년대 이래 사용되어 오

고 있으나 최근 들어 이것의 안전성이 논쟁의 주제가 되

고 있으며 논의 주체는 PFOA(perfluorooctanoic acid)이

다 PFOA는 PTFE를 비롯한 많은 불소수지의 생산에

사용되며 DuPont의 테플론 PTFE 연구 결과에 의하면

프라이팬을 260 이상 고온에서 가열하거나 코팅이 벗

겨져도 PFOA가 존재하지 않는다고 한다 그러나 물이나

64

공기 토양 식품포장재 등 여러 곳에서 PFOA 오염사실

이 보고되고 있다 한다44)

- 미국 EPA는 인체와 환경에 대한 PFOA 연구를 계속

하고 있으며 2015년까지 PFOA 및 이와 관련된 화합

물 방출을 배제할 프로그램을 갖고 있으나 PTFE-기

초 비점착 취사기구를 중지시킬 타당성을 갖고 있지

는 않다 최종제품은 PFOA가 아닌 PTFE이기 때문이

다

- 수십 년 동안 불소수지 비점착 코팅이 시장을 지배하

였으나 최근 몇 가지 신기술들이 출현되고 있으며 이

들 대부분은 실리콘 세라믹과 실리콘 기술로 이들 코

팅은 PTFE와 PFOA를 함유하지 않는다

- 오늘날 출시된 비점착 취사용구는 수많은 상표로 팔

리고 있으며 DuPont에 의하면 대부분의 취사용구 코

팅은 정상적으로 사용할 때 3-5년 견딜 수 있을 것으

로 예측한다 너무 문질러서는 안 되고 따뜻한 비눗

물로 씻어주는 것이 좋으며 닳거나 흠이 생기지 않도

록 나무 플라스틱이나 코팅된 재료로 만든 도구를 선

택하고 보관도 흠이 생기지 않을 장소나 캐비닛을 권

장하고 있다

65

ㅇ 국내의 불소수지 안전성에 관한 것으로는 재질규격(납과

카드뮴)과 용출규격(납 과망간산칼륨소비량 증발잔류물)

이 식품용 기구 및 용기 포장 공전46)에 기재되어 있으며

최근 국내에서도 PFOA를 비롯한 유해 불소화합물에 관

한 관심이 커져 가고 있다

ㅇ PFOA 문제가 표면화 되면서 환경 보전형 불소계 발수

유제의 개발과 공업화도 새로이 부각되고 있다 이에 관

한 보고서를 모니터링한 KISTI자료47)를 중심으로 간단히

요약하면 발수제의 주요성분 퍼플루오로알킬기(Rf기)함

유 폴리머의 기능은 Rf기의 고리길이에 크게 의존하므로

PFOA문제 해법으로 탄소수 8 이상인 종래의 불소화학

에서 탈피 짧은 고리 Rf기(탄소수 6)를 가진 새로운 단

량체를 선택하여 발수제를 제조함으로써 환경 보전형 불

소계 발수유제를 개발하고 공업화하였다 한다

66

제 4 장

지원결과

1 지원결과 종합

테프론 코팅 기술의 문제점과 부식대전방지용 테플

론 코팅에 관한 정보 외에 신청기업의 요청에 따

라 C-나노튜브 코팅 및 DLC증착에 관련된 기술 정

보도 제공하였다

테플론은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat resistant)

비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coefficient of

friction) 내약품성(chemical resistance)과 특이한 전기적

특성(unique electrical properties) 및 온내구력(cryogenic

stability)으로 그 응용범위가 광범하며 용도에 따른 엄격

한 품질관리가 요구될 것으로 생각되어 중소기업에 적합

한 기초능력 배양과 신제품을 구상하기 위한 최신기술에

관한 정보를 제공하고자 하였다

67

불소수지의 코팅은 두께와 첨가제가 관건으로 이에 관한

자료를 제공하고자 하였으며 불소수지의 전기특성 폭발

성 환경과 반도체 제조공정에서의 대전 방지 처리를 위

한 정전기 관리 지표 등을 특허를 중심으로 조사하여 제

공하고자 하였다

C-나노튜브를 이용한 대전방지 코팅 기술 및 C-나노튜

브의 제법 등 이것에 관한 기초정보를 제공하고자 하였

으며 내마모성 테플론 코팅에 관해서는 테플론을 이용한

세라믹 코팅 기술에 관한 정보도 제공하고자 하였다

테플론의 기계적 전기적 특성을 강화하기 위해 사용되는

충전제를 종합하고 기초이론을 정립함으로써 금후 원부

자재의 선정에 도움을 주었다

테플론은 석면 대체재로도 주목받고 있어 이에 관한 특

허 정보들을 제공하였으며 다이아몬드의 전형적인 특성

을 나타내는 DLC의 코팅관련 기술 정보를 환경오염 문

제와 연관하여 자료를 제공하였고 최근 비-점착 주방기

구인 프라이팬이나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가

열할 때 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수도 있

다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있어 이에

관한 정보도 제공하였다

68

2 지원의 한계

중소기업이 당면한 문제는 전문기술의 확보다 관련 기술

이 비약적으로 발전하는 추세에 비추어 한정된 인원으로

신기술을 소화하고 개발하기는 어려울 것이므로 출연연

구기관이나 대학과 공동연구를 모색할 수 있으나 이것도

중소기업으로서는 경제적 부담이 될 수밖에 없을 것으로

생각된다 가능하다면 앞으로도 KISTI의 정보지원이 계

속되기를 바라고 있었다

3 기대효과

부식대전 방지 테플론 코팅에 관한 기본 기술이 배양되

어 합리적인 원부 원료의 수입검사 공정관리 및 제품관

리를 통해 원가절감은 물론 신제품 신기술에 관한 정보

수집 및 분석능력이 배양되고 개발력이 확충되어 기업

경쟁력 향상에 도움이 될 것이다

69

참고문헌

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Sliding Film Sliding Member Composition for

Sliding Film and Sliding Device Swash-plate Type

Compressor Process for Forming Sliding Film and

Process for Producing Sliding Film)

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Aktien Article of Manufacture and Process for

Anodically Coating an Aluminum Substrate with

72

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Coating)

25 野坂正隆 低溫環境下におけるドライボロジドライボロ

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26 이계영 김태균 김종구 ldquo내마모성 및 윤활성 코팅 조성

물rdquo 대한민국 특허 등록번호 10-1151909(2012)

27 (주)바론에스엘 ldquo불소수지와 세라믹의 유무기 하이브

리드 코팅 조성물 및 그를 이용한 도막 형성 방법rdquo 대

한민국 공개특허 10-2013-0028553 (2013)

28 JP-2010-261035(Xerox Corporation フツ素ナノダイヤ

モンドを含むテフロン定着器部材)

29 WO 2006 017259(Thomae Kurt J Multilayer

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30 Eunsoo Kang Seongcheol Choi Changhoon Choi

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35 이치옹 분석자료 ldquo나선형 개스킷의 비석면화rdquo Takashi

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36 등록번호 10-0522254(백원두 브레이크 라이닝(또는 패

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74

38 유호천 ldquoDLC 코팅 표면처리rdquo KiSTi 중소기업 정보지

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39 유호천 ldquoPVD DLC TRD 코팅설비를 활용한 복합충

개발및 제품적용rdquo KiSTi 중소기업 정보지원 2010 10

21

40 김유상 ldquo알루미늄합금에의 DLC코팅기술rdquo KiSTi 첨단

기술정보분석 2013 02-01

41 국립환경과학원 ldquo화학물질 배출량 조사 OECD와 협력

강화rdquo 보도자료 (2010 11 18)

42 월간기계기술 기자 ldquo새로운 코팅기술과 공구에 대한 적

용rdquo 2005년 3월호

43 加納 眞 ldquoDLC コ-ティングの適用技術と課題rdquo トライ

ボロジスト(日本) 52(3) 2007 pp186-191 송희국 모티

터링분석 KiSTi

44 식품의약안전청 연구보고서(연구책임자 유승석) 불소

지코팅 주방기구의 안전성 평가 2004 12

45 Teflon offgas studies Environmental Working Group Ewg

org Retrieved on 2013-01-01

46 식품의약품안전청 ldquo식품용 기구 및 용기 포장 공전rdquo 2012

47 廣野高生 ldquo環境保全型フッ素系 撥水撥油剤の 開發と 工

業化rdquo ファインケミカル(日本) 37(11) 2008 pp39-44

이치옹 모니터링분석 KISTI

75

저자소개

김학주(金鶴柱) 서울대학교 문리과대학 화학과 졸업 이학사

전북대학교 대학원 화학과 이학박사

(주)삼양사 의약연구소장 신성대학교 교수

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 폴리에스테르 섬유의 연중직방기술 외 다수

저서 기기분석 공업물리화학 일반화학

성용길(成墉吉)

동국대학교 이과대학 화학과 졸업 이학사 이학석사

부산대학교 대학원 화학과 이학박사(Dr Sci)

University of Utah USA Ph D(공학박사) Post Dr

유타대학교 연구교수 부산대학교 교수 동국대학교 교수

동국대학교 명예교수 한국원자력문화진흥원 이사

과학문화연구원전문연구위원 한국도량형과학문화연구원 원장

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 의료용 기능성 고분자재료에 관한 연구 외 330편

저서 고분자 물성론 (서울대학교 출판부 공저) 외 10권

60

주요제법으로는 고주파 플라즈마 법 이온화 증착법 스

페터링법 등을 들수 있다 고주파 플라즈마 법은 메탄가

스가 원료로 사용되고 막 중의 수소가 약 30(원자)로

평활성이 우수하고 마찰계수가 작으나 경도가 낮다 이

온화 증착법은 벤젠을 사용하며 막은 단단하나 면의 조

도가 거칠고 후막화 하기 위해 스패터링 방법이 검토되

고 있다

⑼ 불소수지의 안전성

ㅇ 테플론 PTFE의 열분해는 200(392)에서 감지되며 이

것은 몇 가지 플루오르화 탄소 기체들과 승화물질을 방

출한다4445)1955년 동물실험에 관한 한 연구에서는 이들

물질이 250(482) 이하에서는 의미 있는 양이 아니라

고 결론지었으나 최근 비-점착 주방기구인 프라이팬이

나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가열할 때 조류를

죽일 수 있는 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수

도 있다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있다45)

ㅇ 표 3-6은 EWG가 보고한 3-5분 내에 370까지 불소수

지를 가열할 때 발생되는 15종의 불소화합물에 관한 것

이다 테플론과 같은 코팅물질들이 장기적으로 인체에 미

61

치는 영향에 관한 연구는 이루어지지 않고 있으나 독감

과 유사한 질병을 유발할 수 있으며 이를 중합체 증기열

(polymer fume fever)이라 한다

표 3-6 15종의 유해물질 및 유독성 기체44)

ㅇ 최근 표 3-6의 화합물들 중 특히 TFA와 과불화된

(perfluorinated) PFOA(perfluorooctanoic acid)에 관심이

증가되고 있다 PFOA는 새로운 환경오염물질로 미국 환

경보호청(EPA)에 의하면 보통 때는 문제가 없으나 조리

과정에서 프라이팬에 열을 가하고 강하게 긁을 경우 용

62

출되어 나오며 이것이 음식물과 함께 인체에 흡수되는

것으로 추정하였다 한편 DuPont의 테플론 PTFE 연구

결과에 의하면 검출한계인 9ppb 이상 검출되지 않으며

테플론 주방기구에서는 PFOA가 존재하지 않는다고 발

표하고 있다

- 물이나 공기를 통해 환경에 노출된 PFOA는 고 콜레

스테롤 궤양성 대장염 갑상선 질환 고환암 신장암

및 임신성 고혈압과 관련된다고 보고되었다

- PFOA는 불소수지 생산과정에서 사용되는 첨가물로써

암모늄 형태로 PTFE 유화중합에 계면활성제로 사용

되며 불소수지의 품질과 균일성을 유지하기 위해 필

수적인 첨가물이기 때문에 전 세계 모든 불소수지 제

조업체가 사용 중에 있다 한편 국내 주력 산업인 반

도체 생산 과정에서도 PFOA를 대량으로 사용하고 있

어 체계적인 실태조사와 대책수립이 필요하다는 의견

들이 대두되고 있다

⑽ 불소화합물의 안전성과 환경대책

ㅇ 표 3-6에서 살펴본 바와 같이 테플론을 급격히 고온으로

가열하면 2종의 발암물질을 포함한 유독성 가스가 발생

63

하고 특히 불소화합물 중 MFA(monofluoroacetic acid)는

적은 양으로도 치명적 해를 끼치고 PEIF(perfluoro-

isobutene)는 신경가스제로 여러 가지 질환을 발생시킨다

한다44)

따라서 테플론으로 코팅된 장치를 재 코팅하기

위해 테프론을 고온으로 급격히 가열하거나 소각 등을

통해 제거할 때는 발생 가능성이 있는 유독가스를 제거

하기 위한 별도의 설비를 이용하여야 하고 유 등44)의 보

고서에서와 같이 중조(NaHCO3)를 포화시킨 충분한 물로

유독 산성 물질을 중화시키는 것도 고려할 만하다 한편

부식대전 방지 코팅도 테플론 코팅 일변도에서 세라믹

코팅 CNTs이나 DLC 코팅기술로 대응하는 것을 추천하

고 싶으며 이것은 유해물질 배출 및 이동량 보고제도

(PRTR Pollutant Release and Transfer Register)에 대

비하는 등 기업의 장래를 고려하는 것도 될 것이다

ㅇ PTFE를 사용한 취사도구는 1960년대 이래 사용되어 오

고 있으나 최근 들어 이것의 안전성이 논쟁의 주제가 되

고 있으며 논의 주체는 PFOA(perfluorooctanoic acid)이

다 PFOA는 PTFE를 비롯한 많은 불소수지의 생산에

사용되며 DuPont의 테플론 PTFE 연구 결과에 의하면

프라이팬을 260 이상 고온에서 가열하거나 코팅이 벗

겨져도 PFOA가 존재하지 않는다고 한다 그러나 물이나

64

공기 토양 식품포장재 등 여러 곳에서 PFOA 오염사실

이 보고되고 있다 한다44)

- 미국 EPA는 인체와 환경에 대한 PFOA 연구를 계속

하고 있으며 2015년까지 PFOA 및 이와 관련된 화합

물 방출을 배제할 프로그램을 갖고 있으나 PTFE-기

초 비점착 취사기구를 중지시킬 타당성을 갖고 있지

는 않다 최종제품은 PFOA가 아닌 PTFE이기 때문이

다

- 수십 년 동안 불소수지 비점착 코팅이 시장을 지배하

였으나 최근 몇 가지 신기술들이 출현되고 있으며 이

들 대부분은 실리콘 세라믹과 실리콘 기술로 이들 코

팅은 PTFE와 PFOA를 함유하지 않는다

- 오늘날 출시된 비점착 취사용구는 수많은 상표로 팔

리고 있으며 DuPont에 의하면 대부분의 취사용구 코

팅은 정상적으로 사용할 때 3-5년 견딜 수 있을 것으

로 예측한다 너무 문질러서는 안 되고 따뜻한 비눗

물로 씻어주는 것이 좋으며 닳거나 흠이 생기지 않도

록 나무 플라스틱이나 코팅된 재료로 만든 도구를 선

택하고 보관도 흠이 생기지 않을 장소나 캐비닛을 권

장하고 있다

65

ㅇ 국내의 불소수지 안전성에 관한 것으로는 재질규격(납과

카드뮴)과 용출규격(납 과망간산칼륨소비량 증발잔류물)

이 식품용 기구 및 용기 포장 공전46)에 기재되어 있으며

최근 국내에서도 PFOA를 비롯한 유해 불소화합물에 관

한 관심이 커져 가고 있다

ㅇ PFOA 문제가 표면화 되면서 환경 보전형 불소계 발수

유제의 개발과 공업화도 새로이 부각되고 있다 이에 관

한 보고서를 모니터링한 KISTI자료47)를 중심으로 간단히

요약하면 발수제의 주요성분 퍼플루오로알킬기(Rf기)함

유 폴리머의 기능은 Rf기의 고리길이에 크게 의존하므로

PFOA문제 해법으로 탄소수 8 이상인 종래의 불소화학

에서 탈피 짧은 고리 Rf기(탄소수 6)를 가진 새로운 단

량체를 선택하여 발수제를 제조함으로써 환경 보전형 불

소계 발수유제를 개발하고 공업화하였다 한다

66

제 4 장

지원결과

1 지원결과 종합

테프론 코팅 기술의 문제점과 부식대전방지용 테플

론 코팅에 관한 정보 외에 신청기업의 요청에 따

라 C-나노튜브 코팅 및 DLC증착에 관련된 기술 정

보도 제공하였다

테플론은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat resistant)

비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coefficient of

friction) 내약품성(chemical resistance)과 특이한 전기적

특성(unique electrical properties) 및 온내구력(cryogenic

stability)으로 그 응용범위가 광범하며 용도에 따른 엄격

한 품질관리가 요구될 것으로 생각되어 중소기업에 적합

한 기초능력 배양과 신제품을 구상하기 위한 최신기술에

관한 정보를 제공하고자 하였다

67

불소수지의 코팅은 두께와 첨가제가 관건으로 이에 관한

자료를 제공하고자 하였으며 불소수지의 전기특성 폭발

성 환경과 반도체 제조공정에서의 대전 방지 처리를 위

한 정전기 관리 지표 등을 특허를 중심으로 조사하여 제

공하고자 하였다

C-나노튜브를 이용한 대전방지 코팅 기술 및 C-나노튜

브의 제법 등 이것에 관한 기초정보를 제공하고자 하였

으며 내마모성 테플론 코팅에 관해서는 테플론을 이용한

세라믹 코팅 기술에 관한 정보도 제공하고자 하였다

테플론의 기계적 전기적 특성을 강화하기 위해 사용되는

충전제를 종합하고 기초이론을 정립함으로써 금후 원부

자재의 선정에 도움을 주었다

테플론은 석면 대체재로도 주목받고 있어 이에 관한 특

허 정보들을 제공하였으며 다이아몬드의 전형적인 특성

을 나타내는 DLC의 코팅관련 기술 정보를 환경오염 문

제와 연관하여 자료를 제공하였고 최근 비-점착 주방기

구인 프라이팬이나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가

열할 때 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수도 있

다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있어 이에

관한 정보도 제공하였다

68

2 지원의 한계

중소기업이 당면한 문제는 전문기술의 확보다 관련 기술

이 비약적으로 발전하는 추세에 비추어 한정된 인원으로

신기술을 소화하고 개발하기는 어려울 것이므로 출연연

구기관이나 대학과 공동연구를 모색할 수 있으나 이것도

중소기업으로서는 경제적 부담이 될 수밖에 없을 것으로

생각된다 가능하다면 앞으로도 KISTI의 정보지원이 계

속되기를 바라고 있었다

3 기대효과

부식대전 방지 테플론 코팅에 관한 기본 기술이 배양되

어 합리적인 원부 원료의 수입검사 공정관리 및 제품관

리를 통해 원가절감은 물론 신제품 신기술에 관한 정보

수집 및 분석능력이 배양되고 개발력이 확충되어 기업

경쟁력 향상에 도움이 될 것이다

69

참고문헌

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불소수지코팅방법 및 그 방법에 의해 불소수지 코팅된

내열 세라믹 주방용기)

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피스톤의 테플론 코팅장치)

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業化rdquo ファインケミカル(日本) 37(11) 2008 pp39-44

이치옹 모니터링분석 KISTI

75

저자소개

김학주(金鶴柱) 서울대학교 문리과대학 화학과 졸업 이학사

전북대학교 대학원 화학과 이학박사

(주)삼양사 의약연구소장 신성대학교 교수

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 폴리에스테르 섬유의 연중직방기술 외 다수

저서 기기분석 공업물리화학 일반화학

성용길(成墉吉)

동국대학교 이과대학 화학과 졸업 이학사 이학석사

부산대학교 대학원 화학과 이학박사(Dr Sci)

University of Utah USA Ph D(공학박사) Post Dr

유타대학교 연구교수 부산대학교 교수 동국대학교 교수

동국대학교 명예교수 한국원자력문화진흥원 이사

과학문화연구원전문연구위원 한국도량형과학문화연구원 원장

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 의료용 기능성 고분자재료에 관한 연구 외 330편

저서 고분자 물성론 (서울대학교 출판부 공저) 외 10권

61

치는 영향에 관한 연구는 이루어지지 않고 있으나 독감

과 유사한 질병을 유발할 수 있으며 이를 중합체 증기열

(polymer fume fever)이라 한다

표 3-6 15종의 유해물질 및 유독성 기체44)

ㅇ 최근 표 3-6의 화합물들 중 특히 TFA와 과불화된

(perfluorinated) PFOA(perfluorooctanoic acid)에 관심이

증가되고 있다 PFOA는 새로운 환경오염물질로 미국 환

경보호청(EPA)에 의하면 보통 때는 문제가 없으나 조리

과정에서 프라이팬에 열을 가하고 강하게 긁을 경우 용

62

출되어 나오며 이것이 음식물과 함께 인체에 흡수되는

것으로 추정하였다 한편 DuPont의 테플론 PTFE 연구

결과에 의하면 검출한계인 9ppb 이상 검출되지 않으며

테플론 주방기구에서는 PFOA가 존재하지 않는다고 발

표하고 있다

- 물이나 공기를 통해 환경에 노출된 PFOA는 고 콜레

스테롤 궤양성 대장염 갑상선 질환 고환암 신장암

및 임신성 고혈압과 관련된다고 보고되었다

- PFOA는 불소수지 생산과정에서 사용되는 첨가물로써

암모늄 형태로 PTFE 유화중합에 계면활성제로 사용

되며 불소수지의 품질과 균일성을 유지하기 위해 필

수적인 첨가물이기 때문에 전 세계 모든 불소수지 제

조업체가 사용 중에 있다 한편 국내 주력 산업인 반

도체 생산 과정에서도 PFOA를 대량으로 사용하고 있

어 체계적인 실태조사와 대책수립이 필요하다는 의견

들이 대두되고 있다

⑽ 불소화합물의 안전성과 환경대책

ㅇ 표 3-6에서 살펴본 바와 같이 테플론을 급격히 고온으로

가열하면 2종의 발암물질을 포함한 유독성 가스가 발생

63

하고 특히 불소화합물 중 MFA(monofluoroacetic acid)는

적은 양으로도 치명적 해를 끼치고 PEIF(perfluoro-

isobutene)는 신경가스제로 여러 가지 질환을 발생시킨다

한다44)

따라서 테플론으로 코팅된 장치를 재 코팅하기

위해 테프론을 고온으로 급격히 가열하거나 소각 등을

통해 제거할 때는 발생 가능성이 있는 유독가스를 제거

하기 위한 별도의 설비를 이용하여야 하고 유 등44)의 보

고서에서와 같이 중조(NaHCO3)를 포화시킨 충분한 물로

유독 산성 물질을 중화시키는 것도 고려할 만하다 한편

부식대전 방지 코팅도 테플론 코팅 일변도에서 세라믹

코팅 CNTs이나 DLC 코팅기술로 대응하는 것을 추천하

고 싶으며 이것은 유해물질 배출 및 이동량 보고제도

(PRTR Pollutant Release and Transfer Register)에 대

비하는 등 기업의 장래를 고려하는 것도 될 것이다

ㅇ PTFE를 사용한 취사도구는 1960년대 이래 사용되어 오

고 있으나 최근 들어 이것의 안전성이 논쟁의 주제가 되

고 있으며 논의 주체는 PFOA(perfluorooctanoic acid)이

다 PFOA는 PTFE를 비롯한 많은 불소수지의 생산에

사용되며 DuPont의 테플론 PTFE 연구 결과에 의하면

프라이팬을 260 이상 고온에서 가열하거나 코팅이 벗

겨져도 PFOA가 존재하지 않는다고 한다 그러나 물이나

64

공기 토양 식품포장재 등 여러 곳에서 PFOA 오염사실

이 보고되고 있다 한다44)

- 미국 EPA는 인체와 환경에 대한 PFOA 연구를 계속

하고 있으며 2015년까지 PFOA 및 이와 관련된 화합

물 방출을 배제할 프로그램을 갖고 있으나 PTFE-기

초 비점착 취사기구를 중지시킬 타당성을 갖고 있지

는 않다 최종제품은 PFOA가 아닌 PTFE이기 때문이

다

- 수십 년 동안 불소수지 비점착 코팅이 시장을 지배하

였으나 최근 몇 가지 신기술들이 출현되고 있으며 이

들 대부분은 실리콘 세라믹과 실리콘 기술로 이들 코

팅은 PTFE와 PFOA를 함유하지 않는다

- 오늘날 출시된 비점착 취사용구는 수많은 상표로 팔

리고 있으며 DuPont에 의하면 대부분의 취사용구 코

팅은 정상적으로 사용할 때 3-5년 견딜 수 있을 것으

로 예측한다 너무 문질러서는 안 되고 따뜻한 비눗

물로 씻어주는 것이 좋으며 닳거나 흠이 생기지 않도

록 나무 플라스틱이나 코팅된 재료로 만든 도구를 선

택하고 보관도 흠이 생기지 않을 장소나 캐비닛을 권

장하고 있다

65

ㅇ 국내의 불소수지 안전성에 관한 것으로는 재질규격(납과

카드뮴)과 용출규격(납 과망간산칼륨소비량 증발잔류물)

이 식품용 기구 및 용기 포장 공전46)에 기재되어 있으며

최근 국내에서도 PFOA를 비롯한 유해 불소화합물에 관

한 관심이 커져 가고 있다

ㅇ PFOA 문제가 표면화 되면서 환경 보전형 불소계 발수

유제의 개발과 공업화도 새로이 부각되고 있다 이에 관

한 보고서를 모니터링한 KISTI자료47)를 중심으로 간단히

요약하면 발수제의 주요성분 퍼플루오로알킬기(Rf기)함

유 폴리머의 기능은 Rf기의 고리길이에 크게 의존하므로

PFOA문제 해법으로 탄소수 8 이상인 종래의 불소화학

에서 탈피 짧은 고리 Rf기(탄소수 6)를 가진 새로운 단

량체를 선택하여 발수제를 제조함으로써 환경 보전형 불

소계 발수유제를 개발하고 공업화하였다 한다

66

제 4 장

지원결과

1 지원결과 종합

테프론 코팅 기술의 문제점과 부식대전방지용 테플

론 코팅에 관한 정보 외에 신청기업의 요청에 따

라 C-나노튜브 코팅 및 DLC증착에 관련된 기술 정

보도 제공하였다

테플론은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat resistant)

비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coefficient of

friction) 내약품성(chemical resistance)과 특이한 전기적

특성(unique electrical properties) 및 온내구력(cryogenic

stability)으로 그 응용범위가 광범하며 용도에 따른 엄격

한 품질관리가 요구될 것으로 생각되어 중소기업에 적합

한 기초능력 배양과 신제품을 구상하기 위한 최신기술에

관한 정보를 제공하고자 하였다

67

불소수지의 코팅은 두께와 첨가제가 관건으로 이에 관한

자료를 제공하고자 하였으며 불소수지의 전기특성 폭발

성 환경과 반도체 제조공정에서의 대전 방지 처리를 위

한 정전기 관리 지표 등을 특허를 중심으로 조사하여 제

공하고자 하였다

C-나노튜브를 이용한 대전방지 코팅 기술 및 C-나노튜

브의 제법 등 이것에 관한 기초정보를 제공하고자 하였

으며 내마모성 테플론 코팅에 관해서는 테플론을 이용한

세라믹 코팅 기술에 관한 정보도 제공하고자 하였다

테플론의 기계적 전기적 특성을 강화하기 위해 사용되는

충전제를 종합하고 기초이론을 정립함으로써 금후 원부

자재의 선정에 도움을 주었다

테플론은 석면 대체재로도 주목받고 있어 이에 관한 특

허 정보들을 제공하였으며 다이아몬드의 전형적인 특성

을 나타내는 DLC의 코팅관련 기술 정보를 환경오염 문

제와 연관하여 자료를 제공하였고 최근 비-점착 주방기

구인 프라이팬이나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가

열할 때 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수도 있

다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있어 이에

관한 정보도 제공하였다

68

2 지원의 한계

중소기업이 당면한 문제는 전문기술의 확보다 관련 기술

이 비약적으로 발전하는 추세에 비추어 한정된 인원으로

신기술을 소화하고 개발하기는 어려울 것이므로 출연연

구기관이나 대학과 공동연구를 모색할 수 있으나 이것도

중소기업으로서는 경제적 부담이 될 수밖에 없을 것으로

생각된다 가능하다면 앞으로도 KISTI의 정보지원이 계

속되기를 바라고 있었다

3 기대효과

부식대전 방지 테플론 코팅에 관한 기본 기술이 배양되

어 합리적인 원부 원료의 수입검사 공정관리 및 제품관

리를 통해 원가절감은 물론 신제품 신기술에 관한 정보

수집 및 분석능력이 배양되고 개발력이 확충되어 기업

경쟁력 향상에 도움이 될 것이다

69

참고문헌

1 Francis J Clauss Chapter 9 Fluorocarbons Solid

Lubricants and Self-lubricating Solids Academic

Press 1972 pp195sim238

2 FW Billmeyer Textbook of Polymer Science 3rd

ed1984 pp398-403

3 두루텍 Corrosion amp Erosion Protective System 기술자

료

4 VC Malshe Nivedita S Sangaj Fluorinated acrylic

copolymers Part I Study of Clear Coatings Progress in

Organic Coatings 53(2005) pp 207-211

5 이장호 등 테프론 코팅 전열관 표면으로의 열 및 물질

전달 특성에 관한 실험적 연구 대한기계학회논문집 B

권 27(8) 2003 pp1051sim1060

6 WO 2008154391(Alcoa Inc Heat Exchager)

7 JP-2010-78036(株式會社ルネサステクノロジ 配管チユブ

およびこれを備えた機械裝置)

8 Eun-Joo Kim et al Teflon coating of fabric filters

for enhancement of high temperature durability J of

the Korean Oil Chemists 28(2) 2011 pp232sim239

7 JP-2005-237860(三洋電氣株式會社 電氣掃除機)

70

10 등록번호10-0365003 (주식회사 엘지아이 열처리를 이

용한 테프론 코팅 방법)

11 등록번호 10-0811228(조철환 내열 세라믹 주방용기의

불소수지코팅방법 및 그 방법에 의해 불소수지 코팅된

내열 세라믹 주방용기)

12 등록번호 10-0449561(주식회사 봉성비에스 완충기용

피스톤의 테플론 코팅장치)

13 WO 2000054614(Solex Robotics Systems Inc Anti-

staticNon-sparkling Coatings for Explosive Environ-

ments)

14 WO 2012123103(WLGore amp Associates GMBH Use

of an Ionic Fluoropolymers as Antistatic Coaating)

15 WO 2012053774(탑나노시스 ldquo작업 스테이지 표면의 대

전방지 처리 방법 및 상기 방법에 의하여 표면이 대전

방지된 작업 스테이지rdquo)

16 공개특허10-2008-0061943(주식회사 하이닉스반도체 이

온 주입장비의 웨이퍼 지지 장치)

17 Polytetrafluoroethylene Aluminum magnesium boride

Diamond-like carbon Carbon nanotube -Wikipedia

the free encyclopedia

18 Ijima S Helical Microtubes of Graphitic Carbon

Nature vol 354 1991 pp56-58

71

19 Min Ye Ku etal Measurement of Mechanical

Property and Thermal Expansion Coefficient of

Carbonnanotube-Reinforced Epoxy Composites

Trans Korean Soc Mech Eng A vol 37 No

5(2013) pp 657-664

20 M Pazderovaacute M Bradaacuteč M Valeš Tribological

Behaviour of Composite Coatings Procedia

Engineering 10(2011) pp472-477

21 Xing-Dong Yuan Xiao-Jie Yang A Study on

Friction and Wear Properties of PTFE Coatings

under Vacuum Conditions Wear269(2010) pp291-297

22 USP 6752O65(Kabuski Kaisha Toyota Jidoshokki

Sliding Film Sliding Member Composition for

Sliding Film and Sliding Device Swash-plate Type

Compressor Process for Forming Sliding Film and

Process for Producing Sliding Film)

23 Amel Delimi Elisabeth Galopin etal Ivestigation of

the Corrosion Behaviour of Carbon Steel Coated with

Fluoropolymer Thin Films Surface amp Coatings

Technology205(2011) pp4011-4017

24 WO 2006047500(Henkelkommanditgesellschaft auf

Aktien Article of Manufacture and Process for

Anodically Coating an Aluminum Substrate with

72

Ceramic Oxides Prior to Organic or Inorganic

Coating)

25 野坂正隆 低溫環境下におけるドライボロジドライボロ

ジスト(日本) 52(11) 2007 pp759sim764

26 이계영 김태균 김종구 ldquo내마모성 및 윤활성 코팅 조성

물rdquo 대한민국 특허 등록번호 10-1151909(2012)

27 (주)바론에스엘 ldquo불소수지와 세라믹의 유무기 하이브

리드 코팅 조성물 및 그를 이용한 도막 형성 방법rdquo 대

한민국 공개특허 10-2013-0028553 (2013)

28 JP-2010-261035(Xerox Corporation フツ素ナノダイヤ

モンドを含むテフロン定着器部材)

29 WO 2006 017259(Thomae Kurt J Multilayer

Corrosion- resistant Finish and Method)

30 Eunsoo Kang Seongcheol Choi Changhoon Choi

Sang Eun Shim Aqueous dispersion of submicron-

sized diamond particles for thermally conductive

polyurethane coating Colloids and Surfaces A

Physiochem Eng Aspects415(2012) pp255-261

31 S Rossi F Chini etal Corrosion Protection

Properties of Electoless NickelPTFE Phosphate

MoS2 and BronzePTFE Coatings Applied to Wear

Resistance of Carbon Steel Surface and Coatings

73

Technology173(2003) pp235-242

32 S Rossi F Deflorian F Venturini Improvement of

Surface finishing and Corrosion Resistance of

Prototypes by Direct Metal Laser Sintering Journal

of Materials Processing Technology 148(2004)

pp301-309

33 Mateus C Costil S Bolot R Coddet CCeramicfluo-

ropolymer Composite Coatings by Thermal Spraying-

a Modification of Surface Properties Surf Coat

Technol 2005 191 pp108-118

34 Masaaki Yamane Tadeusz A Stolarski Shogo Tobe

Influence of counter material on friction and wear

performance of PTFEndashmetal binary coatings

Tribology International 41 (2008) pp269ndash281

35 이치옹 분석자료 ldquo나선형 개스킷의 비석면화rdquo Takashi

Miyoshi 배관기술(일) 46(10) 2004 pp43-47

36 등록번호 10-0522254(백원두 브레이크 라이닝(또는 패

드) 제조방법)

37 Jin-Goo Park et al Characterization of Fluorocarbon

Thin Films by Contact Angles Measurements Journal

of Microelectronics amp Packaging Society6(1) 1999

pp39sim49

74

38 유호천 ldquoDLC 코팅 표면처리rdquo KiSTi 중소기업 정보지

원 2011 10 11

39 유호천 ldquoPVD DLC TRD 코팅설비를 활용한 복합충

개발및 제품적용rdquo KiSTi 중소기업 정보지원 2010 10

21

40 김유상 ldquo알루미늄합금에의 DLC코팅기술rdquo KiSTi 첨단

기술정보분석 2013 02-01

41 국립환경과학원 ldquo화학물질 배출량 조사 OECD와 협력

강화rdquo 보도자료 (2010 11 18)

42 월간기계기술 기자 ldquo새로운 코팅기술과 공구에 대한 적

용rdquo 2005년 3월호

43 加納 眞 ldquoDLC コ-ティングの適用技術と課題rdquo トライ

ボロジスト(日本) 52(3) 2007 pp186-191 송희국 모티

터링분석 KiSTi

44 식품의약안전청 연구보고서(연구책임자 유승석) 불소

지코팅 주방기구의 안전성 평가 2004 12

45 Teflon offgas studies Environmental Working Group Ewg

org Retrieved on 2013-01-01

46 식품의약품안전청 ldquo식품용 기구 및 용기 포장 공전rdquo 2012

47 廣野高生 ldquo環境保全型フッ素系 撥水撥油剤の 開發と 工

業化rdquo ファインケミカル(日本) 37(11) 2008 pp39-44

이치옹 모니터링분석 KISTI

75

저자소개

김학주(金鶴柱) 서울대학교 문리과대학 화학과 졸업 이학사

전북대학교 대학원 화학과 이학박사

(주)삼양사 의약연구소장 신성대학교 교수

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 폴리에스테르 섬유의 연중직방기술 외 다수

저서 기기분석 공업물리화학 일반화학

성용길(成墉吉)

동국대학교 이과대학 화학과 졸업 이학사 이학석사

부산대학교 대학원 화학과 이학박사(Dr Sci)

University of Utah USA Ph D(공학박사) Post Dr

유타대학교 연구교수 부산대학교 교수 동국대학교 교수

동국대학교 명예교수 한국원자력문화진흥원 이사

과학문화연구원전문연구위원 한국도량형과학문화연구원 원장

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 의료용 기능성 고분자재료에 관한 연구 외 330편

저서 고분자 물성론 (서울대학교 출판부 공저) 외 10권

62

출되어 나오며 이것이 음식물과 함께 인체에 흡수되는

것으로 추정하였다 한편 DuPont의 테플론 PTFE 연구

결과에 의하면 검출한계인 9ppb 이상 검출되지 않으며

테플론 주방기구에서는 PFOA가 존재하지 않는다고 발

표하고 있다

- 물이나 공기를 통해 환경에 노출된 PFOA는 고 콜레

스테롤 궤양성 대장염 갑상선 질환 고환암 신장암

및 임신성 고혈압과 관련된다고 보고되었다

- PFOA는 불소수지 생산과정에서 사용되는 첨가물로써

암모늄 형태로 PTFE 유화중합에 계면활성제로 사용

되며 불소수지의 품질과 균일성을 유지하기 위해 필

수적인 첨가물이기 때문에 전 세계 모든 불소수지 제

조업체가 사용 중에 있다 한편 국내 주력 산업인 반

도체 생산 과정에서도 PFOA를 대량으로 사용하고 있

어 체계적인 실태조사와 대책수립이 필요하다는 의견

들이 대두되고 있다

⑽ 불소화합물의 안전성과 환경대책

ㅇ 표 3-6에서 살펴본 바와 같이 테플론을 급격히 고온으로

가열하면 2종의 발암물질을 포함한 유독성 가스가 발생

63

하고 특히 불소화합물 중 MFA(monofluoroacetic acid)는

적은 양으로도 치명적 해를 끼치고 PEIF(perfluoro-

isobutene)는 신경가스제로 여러 가지 질환을 발생시킨다

한다44)

따라서 테플론으로 코팅된 장치를 재 코팅하기

위해 테프론을 고온으로 급격히 가열하거나 소각 등을

통해 제거할 때는 발생 가능성이 있는 유독가스를 제거

하기 위한 별도의 설비를 이용하여야 하고 유 등44)의 보

고서에서와 같이 중조(NaHCO3)를 포화시킨 충분한 물로

유독 산성 물질을 중화시키는 것도 고려할 만하다 한편

부식대전 방지 코팅도 테플론 코팅 일변도에서 세라믹

코팅 CNTs이나 DLC 코팅기술로 대응하는 것을 추천하

고 싶으며 이것은 유해물질 배출 및 이동량 보고제도

(PRTR Pollutant Release and Transfer Register)에 대

비하는 등 기업의 장래를 고려하는 것도 될 것이다

ㅇ PTFE를 사용한 취사도구는 1960년대 이래 사용되어 오

고 있으나 최근 들어 이것의 안전성이 논쟁의 주제가 되

고 있으며 논의 주체는 PFOA(perfluorooctanoic acid)이

다 PFOA는 PTFE를 비롯한 많은 불소수지의 생산에

사용되며 DuPont의 테플론 PTFE 연구 결과에 의하면

프라이팬을 260 이상 고온에서 가열하거나 코팅이 벗

겨져도 PFOA가 존재하지 않는다고 한다 그러나 물이나

64

공기 토양 식품포장재 등 여러 곳에서 PFOA 오염사실

이 보고되고 있다 한다44)

- 미국 EPA는 인체와 환경에 대한 PFOA 연구를 계속

하고 있으며 2015년까지 PFOA 및 이와 관련된 화합

물 방출을 배제할 프로그램을 갖고 있으나 PTFE-기

초 비점착 취사기구를 중지시킬 타당성을 갖고 있지

는 않다 최종제품은 PFOA가 아닌 PTFE이기 때문이

다

- 수십 년 동안 불소수지 비점착 코팅이 시장을 지배하

였으나 최근 몇 가지 신기술들이 출현되고 있으며 이

들 대부분은 실리콘 세라믹과 실리콘 기술로 이들 코

팅은 PTFE와 PFOA를 함유하지 않는다

- 오늘날 출시된 비점착 취사용구는 수많은 상표로 팔

리고 있으며 DuPont에 의하면 대부분의 취사용구 코

팅은 정상적으로 사용할 때 3-5년 견딜 수 있을 것으

로 예측한다 너무 문질러서는 안 되고 따뜻한 비눗

물로 씻어주는 것이 좋으며 닳거나 흠이 생기지 않도

록 나무 플라스틱이나 코팅된 재료로 만든 도구를 선

택하고 보관도 흠이 생기지 않을 장소나 캐비닛을 권

장하고 있다

65

ㅇ 국내의 불소수지 안전성에 관한 것으로는 재질규격(납과

카드뮴)과 용출규격(납 과망간산칼륨소비량 증발잔류물)

이 식품용 기구 및 용기 포장 공전46)에 기재되어 있으며

최근 국내에서도 PFOA를 비롯한 유해 불소화합물에 관

한 관심이 커져 가고 있다

ㅇ PFOA 문제가 표면화 되면서 환경 보전형 불소계 발수

유제의 개발과 공업화도 새로이 부각되고 있다 이에 관

한 보고서를 모니터링한 KISTI자료47)를 중심으로 간단히

요약하면 발수제의 주요성분 퍼플루오로알킬기(Rf기)함

유 폴리머의 기능은 Rf기의 고리길이에 크게 의존하므로

PFOA문제 해법으로 탄소수 8 이상인 종래의 불소화학

에서 탈피 짧은 고리 Rf기(탄소수 6)를 가진 새로운 단

량체를 선택하여 발수제를 제조함으로써 환경 보전형 불

소계 발수유제를 개발하고 공업화하였다 한다

66

제 4 장

지원결과

1 지원결과 종합

테프론 코팅 기술의 문제점과 부식대전방지용 테플

론 코팅에 관한 정보 외에 신청기업의 요청에 따

라 C-나노튜브 코팅 및 DLC증착에 관련된 기술 정

보도 제공하였다

테플론은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat resistant)

비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coefficient of

friction) 내약품성(chemical resistance)과 특이한 전기적

특성(unique electrical properties) 및 온내구력(cryogenic

stability)으로 그 응용범위가 광범하며 용도에 따른 엄격

한 품질관리가 요구될 것으로 생각되어 중소기업에 적합

한 기초능력 배양과 신제품을 구상하기 위한 최신기술에

관한 정보를 제공하고자 하였다

67

불소수지의 코팅은 두께와 첨가제가 관건으로 이에 관한

자료를 제공하고자 하였으며 불소수지의 전기특성 폭발

성 환경과 반도체 제조공정에서의 대전 방지 처리를 위

한 정전기 관리 지표 등을 특허를 중심으로 조사하여 제

공하고자 하였다

C-나노튜브를 이용한 대전방지 코팅 기술 및 C-나노튜

브의 제법 등 이것에 관한 기초정보를 제공하고자 하였

으며 내마모성 테플론 코팅에 관해서는 테플론을 이용한

세라믹 코팅 기술에 관한 정보도 제공하고자 하였다

테플론의 기계적 전기적 특성을 강화하기 위해 사용되는

충전제를 종합하고 기초이론을 정립함으로써 금후 원부

자재의 선정에 도움을 주었다

테플론은 석면 대체재로도 주목받고 있어 이에 관한 특

허 정보들을 제공하였으며 다이아몬드의 전형적인 특성

을 나타내는 DLC의 코팅관련 기술 정보를 환경오염 문

제와 연관하여 자료를 제공하였고 최근 비-점착 주방기

구인 프라이팬이나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가

열할 때 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수도 있

다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있어 이에

관한 정보도 제공하였다

68

2 지원의 한계

중소기업이 당면한 문제는 전문기술의 확보다 관련 기술

이 비약적으로 발전하는 추세에 비추어 한정된 인원으로

신기술을 소화하고 개발하기는 어려울 것이므로 출연연

구기관이나 대학과 공동연구를 모색할 수 있으나 이것도

중소기업으로서는 경제적 부담이 될 수밖에 없을 것으로

생각된다 가능하다면 앞으로도 KISTI의 정보지원이 계

속되기를 바라고 있었다

3 기대효과

부식대전 방지 테플론 코팅에 관한 기본 기술이 배양되

어 합리적인 원부 원료의 수입검사 공정관리 및 제품관

리를 통해 원가절감은 물론 신제품 신기술에 관한 정보

수집 및 분석능력이 배양되고 개발력이 확충되어 기업

경쟁력 향상에 도움이 될 것이다

69

참고문헌

1 Francis J Clauss Chapter 9 Fluorocarbons Solid

Lubricants and Self-lubricating Solids Academic

Press 1972 pp195sim238

2 FW Billmeyer Textbook of Polymer Science 3rd

ed1984 pp398-403

3 두루텍 Corrosion amp Erosion Protective System 기술자

료

4 VC Malshe Nivedita S Sangaj Fluorinated acrylic

copolymers Part I Study of Clear Coatings Progress in

Organic Coatings 53(2005) pp 207-211

5 이장호 등 테프론 코팅 전열관 표면으로의 열 및 물질

전달 특성에 관한 실험적 연구 대한기계학회논문집 B

권 27(8) 2003 pp1051sim1060

6 WO 2008154391(Alcoa Inc Heat Exchager)

7 JP-2010-78036(株式會社ルネサステクノロジ 配管チユブ

およびこれを備えた機械裝置)

8 Eun-Joo Kim et al Teflon coating of fabric filters

for enhancement of high temperature durability J of

the Korean Oil Chemists 28(2) 2011 pp232sim239

7 JP-2005-237860(三洋電氣株式會社 電氣掃除機)

70

10 등록번호10-0365003 (주식회사 엘지아이 열처리를 이

용한 테프론 코팅 방법)

11 등록번호 10-0811228(조철환 내열 세라믹 주방용기의

불소수지코팅방법 및 그 방법에 의해 불소수지 코팅된

내열 세라믹 주방용기)

12 등록번호 10-0449561(주식회사 봉성비에스 완충기용

피스톤의 테플론 코팅장치)

13 WO 2000054614(Solex Robotics Systems Inc Anti-

staticNon-sparkling Coatings for Explosive Environ-

ments)

14 WO 2012123103(WLGore amp Associates GMBH Use

of an Ionic Fluoropolymers as Antistatic Coaating)

15 WO 2012053774(탑나노시스 ldquo작업 스테이지 표면의 대

전방지 처리 방법 및 상기 방법에 의하여 표면이 대전

방지된 작업 스테이지rdquo)

16 공개특허10-2008-0061943(주식회사 하이닉스반도체 이

온 주입장비의 웨이퍼 지지 장치)

17 Polytetrafluoroethylene Aluminum magnesium boride

Diamond-like carbon Carbon nanotube -Wikipedia

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18 Ijima S Helical Microtubes of Graphitic Carbon

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19 Min Ye Ku etal Measurement of Mechanical

Property and Thermal Expansion Coefficient of

Carbonnanotube-Reinforced Epoxy Composites

Trans Korean Soc Mech Eng A vol 37 No

5(2013) pp 657-664

20 M Pazderovaacute M Bradaacuteč M Valeš Tribological

Behaviour of Composite Coatings Procedia

Engineering 10(2011) pp472-477

21 Xing-Dong Yuan Xiao-Jie Yang A Study on

Friction and Wear Properties of PTFE Coatings

under Vacuum Conditions Wear269(2010) pp291-297

22 USP 6752O65(Kabuski Kaisha Toyota Jidoshokki

Sliding Film Sliding Member Composition for

Sliding Film and Sliding Device Swash-plate Type

Compressor Process for Forming Sliding Film and

Process for Producing Sliding Film)

23 Amel Delimi Elisabeth Galopin etal Ivestigation of

the Corrosion Behaviour of Carbon Steel Coated with

Fluoropolymer Thin Films Surface amp Coatings

Technology205(2011) pp4011-4017

24 WO 2006047500(Henkelkommanditgesellschaft auf

Aktien Article of Manufacture and Process for

Anodically Coating an Aluminum Substrate with

72

Ceramic Oxides Prior to Organic or Inorganic

Coating)

25 野坂正隆 低溫環境下におけるドライボロジドライボロ

ジスト(日本) 52(11) 2007 pp759sim764

26 이계영 김태균 김종구 ldquo내마모성 및 윤활성 코팅 조성

물rdquo 대한민국 특허 등록번호 10-1151909(2012)

27 (주)바론에스엘 ldquo불소수지와 세라믹의 유무기 하이브

리드 코팅 조성물 및 그를 이용한 도막 형성 방법rdquo 대

한민국 공개특허 10-2013-0028553 (2013)

28 JP-2010-261035(Xerox Corporation フツ素ナノダイヤ

モンドを含むテフロン定着器部材)

29 WO 2006 017259(Thomae Kurt J Multilayer

Corrosion- resistant Finish and Method)

30 Eunsoo Kang Seongcheol Choi Changhoon Choi

Sang Eun Shim Aqueous dispersion of submicron-

sized diamond particles for thermally conductive

polyurethane coating Colloids and Surfaces A

Physiochem Eng Aspects415(2012) pp255-261

31 S Rossi F Chini etal Corrosion Protection

Properties of Electoless NickelPTFE Phosphate

MoS2 and BronzePTFE Coatings Applied to Wear

Resistance of Carbon Steel Surface and Coatings

73

Technology173(2003) pp235-242

32 S Rossi F Deflorian F Venturini Improvement of

Surface finishing and Corrosion Resistance of

Prototypes by Direct Metal Laser Sintering Journal

of Materials Processing Technology 148(2004)

pp301-309

33 Mateus C Costil S Bolot R Coddet CCeramicfluo-

ropolymer Composite Coatings by Thermal Spraying-

a Modification of Surface Properties Surf Coat

Technol 2005 191 pp108-118

34 Masaaki Yamane Tadeusz A Stolarski Shogo Tobe

Influence of counter material on friction and wear

performance of PTFEndashmetal binary coatings

Tribology International 41 (2008) pp269ndash281

35 이치옹 분석자료 ldquo나선형 개스킷의 비석면화rdquo Takashi

Miyoshi 배관기술(일) 46(10) 2004 pp43-47

36 등록번호 10-0522254(백원두 브레이크 라이닝(또는 패

드) 제조방법)

37 Jin-Goo Park et al Characterization of Fluorocarbon

Thin Films by Contact Angles Measurements Journal

of Microelectronics amp Packaging Society6(1) 1999

pp39sim49

74

38 유호천 ldquoDLC 코팅 표면처리rdquo KiSTi 중소기업 정보지

원 2011 10 11

39 유호천 ldquoPVD DLC TRD 코팅설비를 활용한 복합충

개발및 제품적용rdquo KiSTi 중소기업 정보지원 2010 10

21

40 김유상 ldquo알루미늄합금에의 DLC코팅기술rdquo KiSTi 첨단

기술정보분석 2013 02-01

41 국립환경과학원 ldquo화학물질 배출량 조사 OECD와 협력

강화rdquo 보도자료 (2010 11 18)

42 월간기계기술 기자 ldquo새로운 코팅기술과 공구에 대한 적

용rdquo 2005년 3월호

43 加納 眞 ldquoDLC コ-ティングの適用技術と課題rdquo トライ

ボロジスト(日本) 52(3) 2007 pp186-191 송희국 모티

터링분석 KiSTi

44 식품의약안전청 연구보고서(연구책임자 유승석) 불소

지코팅 주방기구의 안전성 평가 2004 12

45 Teflon offgas studies Environmental Working Group Ewg

org Retrieved on 2013-01-01

46 식품의약품안전청 ldquo식품용 기구 및 용기 포장 공전rdquo 2012

47 廣野高生 ldquo環境保全型フッ素系 撥水撥油剤の 開發と 工

業化rdquo ファインケミカル(日本) 37(11) 2008 pp39-44

이치옹 모니터링분석 KISTI

75

저자소개

김학주(金鶴柱) 서울대학교 문리과대학 화학과 졸업 이학사

전북대학교 대학원 화학과 이학박사

(주)삼양사 의약연구소장 신성대학교 교수

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 폴리에스테르 섬유의 연중직방기술 외 다수

저서 기기분석 공업물리화학 일반화학

성용길(成墉吉)

동국대학교 이과대학 화학과 졸업 이학사 이학석사

부산대학교 대학원 화학과 이학박사(Dr Sci)

University of Utah USA Ph D(공학박사) Post Dr

유타대학교 연구교수 부산대학교 교수 동국대학교 교수

동국대학교 명예교수 한국원자력문화진흥원 이사

과학문화연구원전문연구위원 한국도량형과학문화연구원 원장

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 의료용 기능성 고분자재료에 관한 연구 외 330편

저서 고분자 물성론 (서울대학교 출판부 공저) 외 10권

63

하고 특히 불소화합물 중 MFA(monofluoroacetic acid)는

적은 양으로도 치명적 해를 끼치고 PEIF(perfluoro-

isobutene)는 신경가스제로 여러 가지 질환을 발생시킨다

한다44)

따라서 테플론으로 코팅된 장치를 재 코팅하기

위해 테프론을 고온으로 급격히 가열하거나 소각 등을

통해 제거할 때는 발생 가능성이 있는 유독가스를 제거

하기 위한 별도의 설비를 이용하여야 하고 유 등44)의 보

고서에서와 같이 중조(NaHCO3)를 포화시킨 충분한 물로

유독 산성 물질을 중화시키는 것도 고려할 만하다 한편

부식대전 방지 코팅도 테플론 코팅 일변도에서 세라믹

코팅 CNTs이나 DLC 코팅기술로 대응하는 것을 추천하

고 싶으며 이것은 유해물질 배출 및 이동량 보고제도

(PRTR Pollutant Release and Transfer Register)에 대

비하는 등 기업의 장래를 고려하는 것도 될 것이다

ㅇ PTFE를 사용한 취사도구는 1960년대 이래 사용되어 오

고 있으나 최근 들어 이것의 안전성이 논쟁의 주제가 되

고 있으며 논의 주체는 PFOA(perfluorooctanoic acid)이

다 PFOA는 PTFE를 비롯한 많은 불소수지의 생산에

사용되며 DuPont의 테플론 PTFE 연구 결과에 의하면

프라이팬을 260 이상 고온에서 가열하거나 코팅이 벗

겨져도 PFOA가 존재하지 않는다고 한다 그러나 물이나

64

공기 토양 식품포장재 등 여러 곳에서 PFOA 오염사실

이 보고되고 있다 한다44)

- 미국 EPA는 인체와 환경에 대한 PFOA 연구를 계속

하고 있으며 2015년까지 PFOA 및 이와 관련된 화합

물 방출을 배제할 프로그램을 갖고 있으나 PTFE-기

초 비점착 취사기구를 중지시킬 타당성을 갖고 있지

는 않다 최종제품은 PFOA가 아닌 PTFE이기 때문이

다

- 수십 년 동안 불소수지 비점착 코팅이 시장을 지배하

였으나 최근 몇 가지 신기술들이 출현되고 있으며 이

들 대부분은 실리콘 세라믹과 실리콘 기술로 이들 코

팅은 PTFE와 PFOA를 함유하지 않는다

- 오늘날 출시된 비점착 취사용구는 수많은 상표로 팔

리고 있으며 DuPont에 의하면 대부분의 취사용구 코

팅은 정상적으로 사용할 때 3-5년 견딜 수 있을 것으

로 예측한다 너무 문질러서는 안 되고 따뜻한 비눗

물로 씻어주는 것이 좋으며 닳거나 흠이 생기지 않도

록 나무 플라스틱이나 코팅된 재료로 만든 도구를 선

택하고 보관도 흠이 생기지 않을 장소나 캐비닛을 권

장하고 있다

65

ㅇ 국내의 불소수지 안전성에 관한 것으로는 재질규격(납과

카드뮴)과 용출규격(납 과망간산칼륨소비량 증발잔류물)

이 식품용 기구 및 용기 포장 공전46)에 기재되어 있으며

최근 국내에서도 PFOA를 비롯한 유해 불소화합물에 관

한 관심이 커져 가고 있다

ㅇ PFOA 문제가 표면화 되면서 환경 보전형 불소계 발수

유제의 개발과 공업화도 새로이 부각되고 있다 이에 관

한 보고서를 모니터링한 KISTI자료47)를 중심으로 간단히

요약하면 발수제의 주요성분 퍼플루오로알킬기(Rf기)함

유 폴리머의 기능은 Rf기의 고리길이에 크게 의존하므로

PFOA문제 해법으로 탄소수 8 이상인 종래의 불소화학

에서 탈피 짧은 고리 Rf기(탄소수 6)를 가진 새로운 단

량체를 선택하여 발수제를 제조함으로써 환경 보전형 불

소계 발수유제를 개발하고 공업화하였다 한다

66

제 4 장

지원결과

1 지원결과 종합

테프론 코팅 기술의 문제점과 부식대전방지용 테플

론 코팅에 관한 정보 외에 신청기업의 요청에 따

라 C-나노튜브 코팅 및 DLC증착에 관련된 기술 정

보도 제공하였다

테플론은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat resistant)

비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coefficient of

friction) 내약품성(chemical resistance)과 특이한 전기적

특성(unique electrical properties) 및 온내구력(cryogenic

stability)으로 그 응용범위가 광범하며 용도에 따른 엄격

한 품질관리가 요구될 것으로 생각되어 중소기업에 적합

한 기초능력 배양과 신제품을 구상하기 위한 최신기술에

관한 정보를 제공하고자 하였다

67

불소수지의 코팅은 두께와 첨가제가 관건으로 이에 관한

자료를 제공하고자 하였으며 불소수지의 전기특성 폭발

성 환경과 반도체 제조공정에서의 대전 방지 처리를 위

한 정전기 관리 지표 등을 특허를 중심으로 조사하여 제

공하고자 하였다

C-나노튜브를 이용한 대전방지 코팅 기술 및 C-나노튜

브의 제법 등 이것에 관한 기초정보를 제공하고자 하였

으며 내마모성 테플론 코팅에 관해서는 테플론을 이용한

세라믹 코팅 기술에 관한 정보도 제공하고자 하였다

테플론의 기계적 전기적 특성을 강화하기 위해 사용되는

충전제를 종합하고 기초이론을 정립함으로써 금후 원부

자재의 선정에 도움을 주었다

테플론은 석면 대체재로도 주목받고 있어 이에 관한 특

허 정보들을 제공하였으며 다이아몬드의 전형적인 특성

을 나타내는 DLC의 코팅관련 기술 정보를 환경오염 문

제와 연관하여 자료를 제공하였고 최근 비-점착 주방기

구인 프라이팬이나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가

열할 때 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수도 있

다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있어 이에

관한 정보도 제공하였다

68

2 지원의 한계

중소기업이 당면한 문제는 전문기술의 확보다 관련 기술

이 비약적으로 발전하는 추세에 비추어 한정된 인원으로

신기술을 소화하고 개발하기는 어려울 것이므로 출연연

구기관이나 대학과 공동연구를 모색할 수 있으나 이것도

중소기업으로서는 경제적 부담이 될 수밖에 없을 것으로

생각된다 가능하다면 앞으로도 KISTI의 정보지원이 계

속되기를 바라고 있었다

3 기대효과

부식대전 방지 테플론 코팅에 관한 기본 기술이 배양되

어 합리적인 원부 원료의 수입검사 공정관리 및 제품관

리를 통해 원가절감은 물론 신제품 신기술에 관한 정보

수집 및 분석능력이 배양되고 개발력이 확충되어 기업

경쟁력 향상에 도움이 될 것이다

69

참고문헌

1 Francis J Clauss Chapter 9 Fluorocarbons Solid

Lubricants and Self-lubricating Solids Academic

Press 1972 pp195sim238

2 FW Billmeyer Textbook of Polymer Science 3rd

ed1984 pp398-403

3 두루텍 Corrosion amp Erosion Protective System 기술자

료

4 VC Malshe Nivedita S Sangaj Fluorinated acrylic

copolymers Part I Study of Clear Coatings Progress in

Organic Coatings 53(2005) pp 207-211

5 이장호 등 테프론 코팅 전열관 표면으로의 열 및 물질

전달 특성에 관한 실험적 연구 대한기계학회논문집 B

권 27(8) 2003 pp1051sim1060

6 WO 2008154391(Alcoa Inc Heat Exchager)

7 JP-2010-78036(株式會社ルネサステクノロジ 配管チユブ

およびこれを備えた機械裝置)

8 Eun-Joo Kim et al Teflon coating of fabric filters

for enhancement of high temperature durability J of

the Korean Oil Chemists 28(2) 2011 pp232sim239

7 JP-2005-237860(三洋電氣株式會社 電氣掃除機)

70

10 등록번호10-0365003 (주식회사 엘지아이 열처리를 이

용한 테프론 코팅 방법)

11 등록번호 10-0811228(조철환 내열 세라믹 주방용기의

불소수지코팅방법 및 그 방법에 의해 불소수지 코팅된

내열 세라믹 주방용기)

12 등록번호 10-0449561(주식회사 봉성비에스 완충기용

피스톤의 테플론 코팅장치)

13 WO 2000054614(Solex Robotics Systems Inc Anti-

staticNon-sparkling Coatings for Explosive Environ-

ments)

14 WO 2012123103(WLGore amp Associates GMBH Use

of an Ionic Fluoropolymers as Antistatic Coaating)

15 WO 2012053774(탑나노시스 ldquo작업 스테이지 표면의 대

전방지 처리 방법 및 상기 방법에 의하여 표면이 대전

방지된 작업 스테이지rdquo)

16 공개특허10-2008-0061943(주식회사 하이닉스반도체 이

온 주입장비의 웨이퍼 지지 장치)

17 Polytetrafluoroethylene Aluminum magnesium boride

Diamond-like carbon Carbon nanotube -Wikipedia

the free encyclopedia

18 Ijima S Helical Microtubes of Graphitic Carbon

Nature vol 354 1991 pp56-58

71

19 Min Ye Ku etal Measurement of Mechanical

Property and Thermal Expansion Coefficient of

Carbonnanotube-Reinforced Epoxy Composites

Trans Korean Soc Mech Eng A vol 37 No

5(2013) pp 657-664

20 M Pazderovaacute M Bradaacuteč M Valeš Tribological

Behaviour of Composite Coatings Procedia

Engineering 10(2011) pp472-477

21 Xing-Dong Yuan Xiao-Jie Yang A Study on

Friction and Wear Properties of PTFE Coatings

under Vacuum Conditions Wear269(2010) pp291-297

22 USP 6752O65(Kabuski Kaisha Toyota Jidoshokki

Sliding Film Sliding Member Composition for

Sliding Film and Sliding Device Swash-plate Type

Compressor Process for Forming Sliding Film and

Process for Producing Sliding Film)

23 Amel Delimi Elisabeth Galopin etal Ivestigation of

the Corrosion Behaviour of Carbon Steel Coated with

Fluoropolymer Thin Films Surface amp Coatings

Technology205(2011) pp4011-4017

24 WO 2006047500(Henkelkommanditgesellschaft auf

Aktien Article of Manufacture and Process for

Anodically Coating an Aluminum Substrate with

72

Ceramic Oxides Prior to Organic or Inorganic

Coating)

25 野坂正隆 低溫環境下におけるドライボロジドライボロ

ジスト(日本) 52(11) 2007 pp759sim764

26 이계영 김태균 김종구 ldquo내마모성 및 윤활성 코팅 조성

물rdquo 대한민국 특허 등록번호 10-1151909(2012)

27 (주)바론에스엘 ldquo불소수지와 세라믹의 유무기 하이브

리드 코팅 조성물 및 그를 이용한 도막 형성 방법rdquo 대

한민국 공개특허 10-2013-0028553 (2013)

28 JP-2010-261035(Xerox Corporation フツ素ナノダイヤ

モンドを含むテフロン定着器部材)

29 WO 2006 017259(Thomae Kurt J Multilayer

Corrosion- resistant Finish and Method)

30 Eunsoo Kang Seongcheol Choi Changhoon Choi

Sang Eun Shim Aqueous dispersion of submicron-

sized diamond particles for thermally conductive

polyurethane coating Colloids and Surfaces A

Physiochem Eng Aspects415(2012) pp255-261

31 S Rossi F Chini etal Corrosion Protection

Properties of Electoless NickelPTFE Phosphate

MoS2 and BronzePTFE Coatings Applied to Wear

Resistance of Carbon Steel Surface and Coatings

73

Technology173(2003) pp235-242

32 S Rossi F Deflorian F Venturini Improvement of

Surface finishing and Corrosion Resistance of

Prototypes by Direct Metal Laser Sintering Journal

of Materials Processing Technology 148(2004)

pp301-309

33 Mateus C Costil S Bolot R Coddet CCeramicfluo-

ropolymer Composite Coatings by Thermal Spraying-

a Modification of Surface Properties Surf Coat

Technol 2005 191 pp108-118

34 Masaaki Yamane Tadeusz A Stolarski Shogo Tobe

Influence of counter material on friction and wear

performance of PTFEndashmetal binary coatings

Tribology International 41 (2008) pp269ndash281

35 이치옹 분석자료 ldquo나선형 개스킷의 비석면화rdquo Takashi

Miyoshi 배관기술(일) 46(10) 2004 pp43-47

36 등록번호 10-0522254(백원두 브레이크 라이닝(또는 패

드) 제조방법)

37 Jin-Goo Park et al Characterization of Fluorocarbon

Thin Films by Contact Angles Measurements Journal

of Microelectronics amp Packaging Society6(1) 1999

pp39sim49

74

38 유호천 ldquoDLC 코팅 표면처리rdquo KiSTi 중소기업 정보지

원 2011 10 11

39 유호천 ldquoPVD DLC TRD 코팅설비를 활용한 복합충

개발및 제품적용rdquo KiSTi 중소기업 정보지원 2010 10

21

40 김유상 ldquo알루미늄합금에의 DLC코팅기술rdquo KiSTi 첨단

기술정보분석 2013 02-01

41 국립환경과학원 ldquo화학물질 배출량 조사 OECD와 협력

강화rdquo 보도자료 (2010 11 18)

42 월간기계기술 기자 ldquo새로운 코팅기술과 공구에 대한 적

용rdquo 2005년 3월호

43 加納 眞 ldquoDLC コ-ティングの適用技術と課題rdquo トライ

ボロジスト(日本) 52(3) 2007 pp186-191 송희국 모티

터링분석 KiSTi

44 식품의약안전청 연구보고서(연구책임자 유승석) 불소

지코팅 주방기구의 안전성 평가 2004 12

45 Teflon offgas studies Environmental Working Group Ewg

org Retrieved on 2013-01-01

46 식품의약품안전청 ldquo식품용 기구 및 용기 포장 공전rdquo 2012

47 廣野高生 ldquo環境保全型フッ素系 撥水撥油剤の 開發と 工

業化rdquo ファインケミカル(日本) 37(11) 2008 pp39-44

이치옹 모니터링분석 KISTI

75

저자소개

김학주(金鶴柱) 서울대학교 문리과대학 화학과 졸업 이학사

전북대학교 대학원 화학과 이학박사

(주)삼양사 의약연구소장 신성대학교 교수

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 폴리에스테르 섬유의 연중직방기술 외 다수

저서 기기분석 공업물리화학 일반화학

성용길(成墉吉)

동국대학교 이과대학 화학과 졸업 이학사 이학석사

부산대학교 대학원 화학과 이학박사(Dr Sci)

University of Utah USA Ph D(공학박사) Post Dr

유타대학교 연구교수 부산대학교 교수 동국대학교 교수

동국대학교 명예교수 한국원자력문화진흥원 이사

과학문화연구원전문연구위원 한국도량형과학문화연구원 원장

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 의료용 기능성 고분자재료에 관한 연구 외 330편

저서 고분자 물성론 (서울대학교 출판부 공저) 외 10권

64

공기 토양 식품포장재 등 여러 곳에서 PFOA 오염사실

이 보고되고 있다 한다44)

- 미국 EPA는 인체와 환경에 대한 PFOA 연구를 계속

하고 있으며 2015년까지 PFOA 및 이와 관련된 화합

물 방출을 배제할 프로그램을 갖고 있으나 PTFE-기

초 비점착 취사기구를 중지시킬 타당성을 갖고 있지

는 않다 최종제품은 PFOA가 아닌 PTFE이기 때문이

다

- 수십 년 동안 불소수지 비점착 코팅이 시장을 지배하

였으나 최근 몇 가지 신기술들이 출현되고 있으며 이

들 대부분은 실리콘 세라믹과 실리콘 기술로 이들 코

팅은 PTFE와 PFOA를 함유하지 않는다

- 오늘날 출시된 비점착 취사용구는 수많은 상표로 팔

리고 있으며 DuPont에 의하면 대부분의 취사용구 코

팅은 정상적으로 사용할 때 3-5년 견딜 수 있을 것으

로 예측한다 너무 문질러서는 안 되고 따뜻한 비눗

물로 씻어주는 것이 좋으며 닳거나 흠이 생기지 않도

록 나무 플라스틱이나 코팅된 재료로 만든 도구를 선

택하고 보관도 흠이 생기지 않을 장소나 캐비닛을 권

장하고 있다

65

ㅇ 국내의 불소수지 안전성에 관한 것으로는 재질규격(납과

카드뮴)과 용출규격(납 과망간산칼륨소비량 증발잔류물)

이 식품용 기구 및 용기 포장 공전46)에 기재되어 있으며

최근 국내에서도 PFOA를 비롯한 유해 불소화합물에 관

한 관심이 커져 가고 있다

ㅇ PFOA 문제가 표면화 되면서 환경 보전형 불소계 발수

유제의 개발과 공업화도 새로이 부각되고 있다 이에 관

한 보고서를 모니터링한 KISTI자료47)를 중심으로 간단히

요약하면 발수제의 주요성분 퍼플루오로알킬기(Rf기)함

유 폴리머의 기능은 Rf기의 고리길이에 크게 의존하므로

PFOA문제 해법으로 탄소수 8 이상인 종래의 불소화학

에서 탈피 짧은 고리 Rf기(탄소수 6)를 가진 새로운 단

량체를 선택하여 발수제를 제조함으로써 환경 보전형 불

소계 발수유제를 개발하고 공업화하였다 한다

66

제 4 장

지원결과

1 지원결과 종합

테프론 코팅 기술의 문제점과 부식대전방지용 테플

론 코팅에 관한 정보 외에 신청기업의 요청에 따

라 C-나노튜브 코팅 및 DLC증착에 관련된 기술 정

보도 제공하였다

테플론은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat resistant)

비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coefficient of

friction) 내약품성(chemical resistance)과 특이한 전기적

특성(unique electrical properties) 및 온내구력(cryogenic

stability)으로 그 응용범위가 광범하며 용도에 따른 엄격

한 품질관리가 요구될 것으로 생각되어 중소기업에 적합

한 기초능력 배양과 신제품을 구상하기 위한 최신기술에

관한 정보를 제공하고자 하였다

67

불소수지의 코팅은 두께와 첨가제가 관건으로 이에 관한

자료를 제공하고자 하였으며 불소수지의 전기특성 폭발

성 환경과 반도체 제조공정에서의 대전 방지 처리를 위

한 정전기 관리 지표 등을 특허를 중심으로 조사하여 제

공하고자 하였다

C-나노튜브를 이용한 대전방지 코팅 기술 및 C-나노튜

브의 제법 등 이것에 관한 기초정보를 제공하고자 하였

으며 내마모성 테플론 코팅에 관해서는 테플론을 이용한

세라믹 코팅 기술에 관한 정보도 제공하고자 하였다

테플론의 기계적 전기적 특성을 강화하기 위해 사용되는

충전제를 종합하고 기초이론을 정립함으로써 금후 원부

자재의 선정에 도움을 주었다

테플론은 석면 대체재로도 주목받고 있어 이에 관한 특

허 정보들을 제공하였으며 다이아몬드의 전형적인 특성

을 나타내는 DLC의 코팅관련 기술 정보를 환경오염 문

제와 연관하여 자료를 제공하였고 최근 비-점착 주방기

구인 프라이팬이나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가

열할 때 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수도 있

다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있어 이에

관한 정보도 제공하였다

68

2 지원의 한계

중소기업이 당면한 문제는 전문기술의 확보다 관련 기술

이 비약적으로 발전하는 추세에 비추어 한정된 인원으로

신기술을 소화하고 개발하기는 어려울 것이므로 출연연

구기관이나 대학과 공동연구를 모색할 수 있으나 이것도

중소기업으로서는 경제적 부담이 될 수밖에 없을 것으로

생각된다 가능하다면 앞으로도 KISTI의 정보지원이 계

속되기를 바라고 있었다

3 기대효과

부식대전 방지 테플론 코팅에 관한 기본 기술이 배양되

어 합리적인 원부 원료의 수입검사 공정관리 및 제품관

리를 통해 원가절감은 물론 신제품 신기술에 관한 정보

수집 및 분석능력이 배양되고 개발력이 확충되어 기업

경쟁력 향상에 도움이 될 것이다

69

참고문헌

1 Francis J Clauss Chapter 9 Fluorocarbons Solid

Lubricants and Self-lubricating Solids Academic

Press 1972 pp195sim238

2 FW Billmeyer Textbook of Polymer Science 3rd

ed1984 pp398-403

3 두루텍 Corrosion amp Erosion Protective System 기술자

료

4 VC Malshe Nivedita S Sangaj Fluorinated acrylic

copolymers Part I Study of Clear Coatings Progress in

Organic Coatings 53(2005) pp 207-211

5 이장호 등 테프론 코팅 전열관 표면으로의 열 및 물질

전달 특성에 관한 실험적 연구 대한기계학회논문집 B

권 27(8) 2003 pp1051sim1060

6 WO 2008154391(Alcoa Inc Heat Exchager)

7 JP-2010-78036(株式會社ルネサステクノロジ 配管チユブ

およびこれを備えた機械裝置)

8 Eun-Joo Kim et al Teflon coating of fabric filters

for enhancement of high temperature durability J of

the Korean Oil Chemists 28(2) 2011 pp232sim239

7 JP-2005-237860(三洋電氣株式會社 電氣掃除機)

70

10 등록번호10-0365003 (주식회사 엘지아이 열처리를 이

용한 테프론 코팅 방법)

11 등록번호 10-0811228(조철환 내열 세라믹 주방용기의

불소수지코팅방법 및 그 방법에 의해 불소수지 코팅된

내열 세라믹 주방용기)

12 등록번호 10-0449561(주식회사 봉성비에스 완충기용

피스톤의 테플론 코팅장치)

13 WO 2000054614(Solex Robotics Systems Inc Anti-

staticNon-sparkling Coatings for Explosive Environ-

ments)

14 WO 2012123103(WLGore amp Associates GMBH Use

of an Ionic Fluoropolymers as Antistatic Coaating)

15 WO 2012053774(탑나노시스 ldquo작업 스테이지 표면의 대

전방지 처리 방법 및 상기 방법에 의하여 표면이 대전

방지된 작업 스테이지rdquo)

16 공개특허10-2008-0061943(주식회사 하이닉스반도체 이

온 주입장비의 웨이퍼 지지 장치)

17 Polytetrafluoroethylene Aluminum magnesium boride

Diamond-like carbon Carbon nanotube -Wikipedia

the free encyclopedia

18 Ijima S Helical Microtubes of Graphitic Carbon

Nature vol 354 1991 pp56-58

71

19 Min Ye Ku etal Measurement of Mechanical

Property and Thermal Expansion Coefficient of

Carbonnanotube-Reinforced Epoxy Composites

Trans Korean Soc Mech Eng A vol 37 No

5(2013) pp 657-664

20 M Pazderovaacute M Bradaacuteč M Valeš Tribological

Behaviour of Composite Coatings Procedia

Engineering 10(2011) pp472-477

21 Xing-Dong Yuan Xiao-Jie Yang A Study on

Friction and Wear Properties of PTFE Coatings

under Vacuum Conditions Wear269(2010) pp291-297

22 USP 6752O65(Kabuski Kaisha Toyota Jidoshokki

Sliding Film Sliding Member Composition for

Sliding Film and Sliding Device Swash-plate Type

Compressor Process for Forming Sliding Film and

Process for Producing Sliding Film)

23 Amel Delimi Elisabeth Galopin etal Ivestigation of

the Corrosion Behaviour of Carbon Steel Coated with

Fluoropolymer Thin Films Surface amp Coatings

Technology205(2011) pp4011-4017

24 WO 2006047500(Henkelkommanditgesellschaft auf

Aktien Article of Manufacture and Process for

Anodically Coating an Aluminum Substrate with

72

Ceramic Oxides Prior to Organic or Inorganic

Coating)

25 野坂正隆 低溫環境下におけるドライボロジドライボロ

ジスト(日本) 52(11) 2007 pp759sim764

26 이계영 김태균 김종구 ldquo내마모성 및 윤활성 코팅 조성

물rdquo 대한민국 특허 등록번호 10-1151909(2012)

27 (주)바론에스엘 ldquo불소수지와 세라믹의 유무기 하이브

리드 코팅 조성물 및 그를 이용한 도막 형성 방법rdquo 대

한민국 공개특허 10-2013-0028553 (2013)

28 JP-2010-261035(Xerox Corporation フツ素ナノダイヤ

モンドを含むテフロン定着器部材)

29 WO 2006 017259(Thomae Kurt J Multilayer

Corrosion- resistant Finish and Method)

30 Eunsoo Kang Seongcheol Choi Changhoon Choi

Sang Eun Shim Aqueous dispersion of submicron-

sized diamond particles for thermally conductive

polyurethane coating Colloids and Surfaces A

Physiochem Eng Aspects415(2012) pp255-261

31 S Rossi F Chini etal Corrosion Protection

Properties of Electoless NickelPTFE Phosphate

MoS2 and BronzePTFE Coatings Applied to Wear

Resistance of Carbon Steel Surface and Coatings

73

Technology173(2003) pp235-242

32 S Rossi F Deflorian F Venturini Improvement of

Surface finishing and Corrosion Resistance of

Prototypes by Direct Metal Laser Sintering Journal

of Materials Processing Technology 148(2004)

pp301-309

33 Mateus C Costil S Bolot R Coddet CCeramicfluo-

ropolymer Composite Coatings by Thermal Spraying-

a Modification of Surface Properties Surf Coat

Technol 2005 191 pp108-118

34 Masaaki Yamane Tadeusz A Stolarski Shogo Tobe

Influence of counter material on friction and wear

performance of PTFEndashmetal binary coatings

Tribology International 41 (2008) pp269ndash281

35 이치옹 분석자료 ldquo나선형 개스킷의 비석면화rdquo Takashi

Miyoshi 배관기술(일) 46(10) 2004 pp43-47

36 등록번호 10-0522254(백원두 브레이크 라이닝(또는 패

드) 제조방법)

37 Jin-Goo Park et al Characterization of Fluorocarbon

Thin Films by Contact Angles Measurements Journal

of Microelectronics amp Packaging Society6(1) 1999

pp39sim49

74

38 유호천 ldquoDLC 코팅 표면처리rdquo KiSTi 중소기업 정보지

원 2011 10 11

39 유호천 ldquoPVD DLC TRD 코팅설비를 활용한 복합충

개발및 제품적용rdquo KiSTi 중소기업 정보지원 2010 10

21

40 김유상 ldquo알루미늄합금에의 DLC코팅기술rdquo KiSTi 첨단

기술정보분석 2013 02-01

41 국립환경과학원 ldquo화학물질 배출량 조사 OECD와 협력

강화rdquo 보도자료 (2010 11 18)

42 월간기계기술 기자 ldquo새로운 코팅기술과 공구에 대한 적

용rdquo 2005년 3월호

43 加納 眞 ldquoDLC コ-ティングの適用技術と課題rdquo トライ

ボロジスト(日本) 52(3) 2007 pp186-191 송희국 모티

터링분석 KiSTi

44 식품의약안전청 연구보고서(연구책임자 유승석) 불소

지코팅 주방기구의 안전성 평가 2004 12

45 Teflon offgas studies Environmental Working Group Ewg

org Retrieved on 2013-01-01

46 식품의약품안전청 ldquo식품용 기구 및 용기 포장 공전rdquo 2012

47 廣野高生 ldquo環境保全型フッ素系 撥水撥油剤の 開發と 工

業化rdquo ファインケミカル(日本) 37(11) 2008 pp39-44

이치옹 모니터링분석 KISTI

75

저자소개

김학주(金鶴柱) 서울대학교 문리과대학 화학과 졸업 이학사

전북대학교 대학원 화학과 이학박사

(주)삼양사 의약연구소장 신성대학교 교수

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 폴리에스테르 섬유의 연중직방기술 외 다수

저서 기기분석 공업물리화학 일반화학

성용길(成墉吉)

동국대학교 이과대학 화학과 졸업 이학사 이학석사

부산대학교 대학원 화학과 이학박사(Dr Sci)

University of Utah USA Ph D(공학박사) Post Dr

유타대학교 연구교수 부산대학교 교수 동국대학교 교수

동국대학교 명예교수 한국원자력문화진흥원 이사

과학문화연구원전문연구위원 한국도량형과학문화연구원 원장

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 의료용 기능성 고분자재료에 관한 연구 외 330편

저서 고분자 물성론 (서울대학교 출판부 공저) 외 10권

65

ㅇ 국내의 불소수지 안전성에 관한 것으로는 재질규격(납과

카드뮴)과 용출규격(납 과망간산칼륨소비량 증발잔류물)

이 식품용 기구 및 용기 포장 공전46)에 기재되어 있으며

최근 국내에서도 PFOA를 비롯한 유해 불소화합물에 관

한 관심이 커져 가고 있다

ㅇ PFOA 문제가 표면화 되면서 환경 보전형 불소계 발수

유제의 개발과 공업화도 새로이 부각되고 있다 이에 관

한 보고서를 모니터링한 KISTI자료47)를 중심으로 간단히

요약하면 발수제의 주요성분 퍼플루오로알킬기(Rf기)함

유 폴리머의 기능은 Rf기의 고리길이에 크게 의존하므로

PFOA문제 해법으로 탄소수 8 이상인 종래의 불소화학

에서 탈피 짧은 고리 Rf기(탄소수 6)를 가진 새로운 단

량체를 선택하여 발수제를 제조함으로써 환경 보전형 불

소계 발수유제를 개발하고 공업화하였다 한다

66

제 4 장

지원결과

1 지원결과 종합

테프론 코팅 기술의 문제점과 부식대전방지용 테플

론 코팅에 관한 정보 외에 신청기업의 요청에 따

라 C-나노튜브 코팅 및 DLC증착에 관련된 기술 정

보도 제공하였다

테플론은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat resistant)

비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coefficient of

friction) 내약품성(chemical resistance)과 특이한 전기적

특성(unique electrical properties) 및 온내구력(cryogenic

stability)으로 그 응용범위가 광범하며 용도에 따른 엄격

한 품질관리가 요구될 것으로 생각되어 중소기업에 적합

한 기초능력 배양과 신제품을 구상하기 위한 최신기술에

관한 정보를 제공하고자 하였다

67

불소수지의 코팅은 두께와 첨가제가 관건으로 이에 관한

자료를 제공하고자 하였으며 불소수지의 전기특성 폭발

성 환경과 반도체 제조공정에서의 대전 방지 처리를 위

한 정전기 관리 지표 등을 특허를 중심으로 조사하여 제

공하고자 하였다

C-나노튜브를 이용한 대전방지 코팅 기술 및 C-나노튜

브의 제법 등 이것에 관한 기초정보를 제공하고자 하였

으며 내마모성 테플론 코팅에 관해서는 테플론을 이용한

세라믹 코팅 기술에 관한 정보도 제공하고자 하였다

테플론의 기계적 전기적 특성을 강화하기 위해 사용되는

충전제를 종합하고 기초이론을 정립함으로써 금후 원부

자재의 선정에 도움을 주었다

테플론은 석면 대체재로도 주목받고 있어 이에 관한 특

허 정보들을 제공하였으며 다이아몬드의 전형적인 특성

을 나타내는 DLC의 코팅관련 기술 정보를 환경오염 문

제와 연관하여 자료를 제공하였고 최근 비-점착 주방기

구인 프라이팬이나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가

열할 때 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수도 있

다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있어 이에

관한 정보도 제공하였다

68

2 지원의 한계

중소기업이 당면한 문제는 전문기술의 확보다 관련 기술

이 비약적으로 발전하는 추세에 비추어 한정된 인원으로

신기술을 소화하고 개발하기는 어려울 것이므로 출연연

구기관이나 대학과 공동연구를 모색할 수 있으나 이것도

중소기업으로서는 경제적 부담이 될 수밖에 없을 것으로

생각된다 가능하다면 앞으로도 KISTI의 정보지원이 계

속되기를 바라고 있었다

3 기대효과

부식대전 방지 테플론 코팅에 관한 기본 기술이 배양되

어 합리적인 원부 원료의 수입검사 공정관리 및 제품관

리를 통해 원가절감은 물론 신제품 신기술에 관한 정보

수집 및 분석능력이 배양되고 개발력이 확충되어 기업

경쟁력 향상에 도움이 될 것이다

69

참고문헌

1 Francis J Clauss Chapter 9 Fluorocarbons Solid

Lubricants and Self-lubricating Solids Academic

Press 1972 pp195sim238

2 FW Billmeyer Textbook of Polymer Science 3rd

ed1984 pp398-403

3 두루텍 Corrosion amp Erosion Protective System 기술자

료

4 VC Malshe Nivedita S Sangaj Fluorinated acrylic

copolymers Part I Study of Clear Coatings Progress in

Organic Coatings 53(2005) pp 207-211

5 이장호 등 테프론 코팅 전열관 표면으로의 열 및 물질

전달 특성에 관한 실험적 연구 대한기계학회논문집 B

권 27(8) 2003 pp1051sim1060

6 WO 2008154391(Alcoa Inc Heat Exchager)

7 JP-2010-78036(株式會社ルネサステクノロジ 配管チユブ

およびこれを備えた機械裝置)

8 Eun-Joo Kim et al Teflon coating of fabric filters

for enhancement of high temperature durability J of

the Korean Oil Chemists 28(2) 2011 pp232sim239

7 JP-2005-237860(三洋電氣株式會社 電氣掃除機)

70

10 등록번호10-0365003 (주식회사 엘지아이 열처리를 이

용한 테프론 코팅 방법)

11 등록번호 10-0811228(조철환 내열 세라믹 주방용기의

불소수지코팅방법 및 그 방법에 의해 불소수지 코팅된

내열 세라믹 주방용기)

12 등록번호 10-0449561(주식회사 봉성비에스 완충기용

피스톤의 테플론 코팅장치)

13 WO 2000054614(Solex Robotics Systems Inc Anti-

staticNon-sparkling Coatings for Explosive Environ-

ments)

14 WO 2012123103(WLGore amp Associates GMBH Use

of an Ionic Fluoropolymers as Antistatic Coaating)

15 WO 2012053774(탑나노시스 ldquo작업 스테이지 표면의 대

전방지 처리 방법 및 상기 방법에 의하여 표면이 대전

방지된 작업 스테이지rdquo)

16 공개특허10-2008-0061943(주식회사 하이닉스반도체 이

온 주입장비의 웨이퍼 지지 장치)

17 Polytetrafluoroethylene Aluminum magnesium boride

Diamond-like carbon Carbon nanotube -Wikipedia

the free encyclopedia

18 Ijima S Helical Microtubes of Graphitic Carbon

Nature vol 354 1991 pp56-58

71

19 Min Ye Ku etal Measurement of Mechanical

Property and Thermal Expansion Coefficient of

Carbonnanotube-Reinforced Epoxy Composites

Trans Korean Soc Mech Eng A vol 37 No

5(2013) pp 657-664

20 M Pazderovaacute M Bradaacuteč M Valeš Tribological

Behaviour of Composite Coatings Procedia

Engineering 10(2011) pp472-477

21 Xing-Dong Yuan Xiao-Jie Yang A Study on

Friction and Wear Properties of PTFE Coatings

under Vacuum Conditions Wear269(2010) pp291-297

22 USP 6752O65(Kabuski Kaisha Toyota Jidoshokki

Sliding Film Sliding Member Composition for

Sliding Film and Sliding Device Swash-plate Type

Compressor Process for Forming Sliding Film and

Process for Producing Sliding Film)

23 Amel Delimi Elisabeth Galopin etal Ivestigation of

the Corrosion Behaviour of Carbon Steel Coated with

Fluoropolymer Thin Films Surface amp Coatings

Technology205(2011) pp4011-4017

24 WO 2006047500(Henkelkommanditgesellschaft auf

Aktien Article of Manufacture and Process for

Anodically Coating an Aluminum Substrate with

72

Ceramic Oxides Prior to Organic or Inorganic

Coating)

25 野坂正隆 低溫環境下におけるドライボロジドライボロ

ジスト(日本) 52(11) 2007 pp759sim764

26 이계영 김태균 김종구 ldquo내마모성 및 윤활성 코팅 조성

물rdquo 대한민국 특허 등록번호 10-1151909(2012)

27 (주)바론에스엘 ldquo불소수지와 세라믹의 유무기 하이브

리드 코팅 조성물 및 그를 이용한 도막 형성 방법rdquo 대

한민국 공개특허 10-2013-0028553 (2013)

28 JP-2010-261035(Xerox Corporation フツ素ナノダイヤ

モンドを含むテフロン定着器部材)

29 WO 2006 017259(Thomae Kurt J Multilayer

Corrosion- resistant Finish and Method)

30 Eunsoo Kang Seongcheol Choi Changhoon Choi

Sang Eun Shim Aqueous dispersion of submicron-

sized diamond particles for thermally conductive

polyurethane coating Colloids and Surfaces A

Physiochem Eng Aspects415(2012) pp255-261

31 S Rossi F Chini etal Corrosion Protection

Properties of Electoless NickelPTFE Phosphate

MoS2 and BronzePTFE Coatings Applied to Wear

Resistance of Carbon Steel Surface and Coatings

73

Technology173(2003) pp235-242

32 S Rossi F Deflorian F Venturini Improvement of

Surface finishing and Corrosion Resistance of

Prototypes by Direct Metal Laser Sintering Journal

of Materials Processing Technology 148(2004)

pp301-309

33 Mateus C Costil S Bolot R Coddet CCeramicfluo-

ropolymer Composite Coatings by Thermal Spraying-

a Modification of Surface Properties Surf Coat

Technol 2005 191 pp108-118

34 Masaaki Yamane Tadeusz A Stolarski Shogo Tobe

Influence of counter material on friction and wear

performance of PTFEndashmetal binary coatings

Tribology International 41 (2008) pp269ndash281

35 이치옹 분석자료 ldquo나선형 개스킷의 비석면화rdquo Takashi

Miyoshi 배관기술(일) 46(10) 2004 pp43-47

36 등록번호 10-0522254(백원두 브레이크 라이닝(또는 패

드) 제조방법)

37 Jin-Goo Park et al Characterization of Fluorocarbon

Thin Films by Contact Angles Measurements Journal

of Microelectronics amp Packaging Society6(1) 1999

pp39sim49

74

38 유호천 ldquoDLC 코팅 표면처리rdquo KiSTi 중소기업 정보지

원 2011 10 11

39 유호천 ldquoPVD DLC TRD 코팅설비를 활용한 복합충

개발및 제품적용rdquo KiSTi 중소기업 정보지원 2010 10

21

40 김유상 ldquo알루미늄합금에의 DLC코팅기술rdquo KiSTi 첨단

기술정보분석 2013 02-01

41 국립환경과학원 ldquo화학물질 배출량 조사 OECD와 협력

강화rdquo 보도자료 (2010 11 18)

42 월간기계기술 기자 ldquo새로운 코팅기술과 공구에 대한 적

용rdquo 2005년 3월호

43 加納 眞 ldquoDLC コ-ティングの適用技術と課題rdquo トライ

ボロジスト(日本) 52(3) 2007 pp186-191 송희국 모티

터링분석 KiSTi

44 식품의약안전청 연구보고서(연구책임자 유승석) 불소

지코팅 주방기구의 안전성 평가 2004 12

45 Teflon offgas studies Environmental Working Group Ewg

org Retrieved on 2013-01-01

46 식품의약품안전청 ldquo식품용 기구 및 용기 포장 공전rdquo 2012

47 廣野高生 ldquo環境保全型フッ素系 撥水撥油剤の 開發と 工

業化rdquo ファインケミカル(日本) 37(11) 2008 pp39-44

이치옹 모니터링분석 KISTI

75

저자소개

김학주(金鶴柱) 서울대학교 문리과대학 화학과 졸업 이학사

전북대학교 대학원 화학과 이학박사

(주)삼양사 의약연구소장 신성대학교 교수

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 폴리에스테르 섬유의 연중직방기술 외 다수

저서 기기분석 공업물리화학 일반화학

성용길(成墉吉)

동국대학교 이과대학 화학과 졸업 이학사 이학석사

부산대학교 대학원 화학과 이학박사(Dr Sci)

University of Utah USA Ph D(공학박사) Post Dr

유타대학교 연구교수 부산대학교 교수 동국대학교 교수

동국대학교 명예교수 한국원자력문화진흥원 이사

과학문화연구원전문연구위원 한국도량형과학문화연구원 원장

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 의료용 기능성 고분자재료에 관한 연구 외 330편

저서 고분자 물성론 (서울대학교 출판부 공저) 외 10권

66

제 4 장

지원결과

1 지원결과 종합

테프론 코팅 기술의 문제점과 부식대전방지용 테플

론 코팅에 관한 정보 외에 신청기업의 요청에 따

라 C-나노튜브 코팅 및 DLC증착에 관련된 기술 정

보도 제공하였다

테플론은 비점착성(non-sticking) 내열성(heat resistant)

비유성(non-wetting) 저마찰계수(low coefficient of

friction) 내약품성(chemical resistance)과 특이한 전기적

특성(unique electrical properties) 및 온내구력(cryogenic

stability)으로 그 응용범위가 광범하며 용도에 따른 엄격

한 품질관리가 요구될 것으로 생각되어 중소기업에 적합

한 기초능력 배양과 신제품을 구상하기 위한 최신기술에

관한 정보를 제공하고자 하였다

67

불소수지의 코팅은 두께와 첨가제가 관건으로 이에 관한

자료를 제공하고자 하였으며 불소수지의 전기특성 폭발

성 환경과 반도체 제조공정에서의 대전 방지 처리를 위

한 정전기 관리 지표 등을 특허를 중심으로 조사하여 제

공하고자 하였다

C-나노튜브를 이용한 대전방지 코팅 기술 및 C-나노튜

브의 제법 등 이것에 관한 기초정보를 제공하고자 하였

으며 내마모성 테플론 코팅에 관해서는 테플론을 이용한

세라믹 코팅 기술에 관한 정보도 제공하고자 하였다

테플론의 기계적 전기적 특성을 강화하기 위해 사용되는

충전제를 종합하고 기초이론을 정립함으로써 금후 원부

자재의 선정에 도움을 주었다

테플론은 석면 대체재로도 주목받고 있어 이에 관한 특

허 정보들을 제공하였으며 다이아몬드의 전형적인 특성

을 나타내는 DLC의 코팅관련 기술 정보를 환경오염 문

제와 연관하여 자료를 제공하였고 최근 비-점착 주방기

구인 프라이팬이나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가

열할 때 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수도 있

다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있어 이에

관한 정보도 제공하였다

68

2 지원의 한계

중소기업이 당면한 문제는 전문기술의 확보다 관련 기술

이 비약적으로 발전하는 추세에 비추어 한정된 인원으로

신기술을 소화하고 개발하기는 어려울 것이므로 출연연

구기관이나 대학과 공동연구를 모색할 수 있으나 이것도

중소기업으로서는 경제적 부담이 될 수밖에 없을 것으로

생각된다 가능하다면 앞으로도 KISTI의 정보지원이 계

속되기를 바라고 있었다

3 기대효과

부식대전 방지 테플론 코팅에 관한 기본 기술이 배양되

어 합리적인 원부 원료의 수입검사 공정관리 및 제품관

리를 통해 원가절감은 물론 신제품 신기술에 관한 정보

수집 및 분석능력이 배양되고 개발력이 확충되어 기업

경쟁력 향상에 도움이 될 것이다

69

참고문헌

1 Francis J Clauss Chapter 9 Fluorocarbons Solid

Lubricants and Self-lubricating Solids Academic

Press 1972 pp195sim238

2 FW Billmeyer Textbook of Polymer Science 3rd

ed1984 pp398-403

3 두루텍 Corrosion amp Erosion Protective System 기술자

료

4 VC Malshe Nivedita S Sangaj Fluorinated acrylic

copolymers Part I Study of Clear Coatings Progress in

Organic Coatings 53(2005) pp 207-211

5 이장호 등 테프론 코팅 전열관 표면으로의 열 및 물질

전달 특성에 관한 실험적 연구 대한기계학회논문집 B

권 27(8) 2003 pp1051sim1060

6 WO 2008154391(Alcoa Inc Heat Exchager)

7 JP-2010-78036(株式會社ルネサステクノロジ 配管チユブ

およびこれを備えた機械裝置)

8 Eun-Joo Kim et al Teflon coating of fabric filters

for enhancement of high temperature durability J of

the Korean Oil Chemists 28(2) 2011 pp232sim239

7 JP-2005-237860(三洋電氣株式會社 電氣掃除機)

70

10 등록번호10-0365003 (주식회사 엘지아이 열처리를 이

용한 테프론 코팅 방법)

11 등록번호 10-0811228(조철환 내열 세라믹 주방용기의

불소수지코팅방법 및 그 방법에 의해 불소수지 코팅된

내열 세라믹 주방용기)

12 등록번호 10-0449561(주식회사 봉성비에스 완충기용

피스톤의 테플론 코팅장치)

13 WO 2000054614(Solex Robotics Systems Inc Anti-

staticNon-sparkling Coatings for Explosive Environ-

ments)

14 WO 2012123103(WLGore amp Associates GMBH Use

of an Ionic Fluoropolymers as Antistatic Coaating)

15 WO 2012053774(탑나노시스 ldquo작업 스테이지 표면의 대

전방지 처리 방법 및 상기 방법에 의하여 표면이 대전

방지된 작업 스테이지rdquo)

16 공개특허10-2008-0061943(주식회사 하이닉스반도체 이

온 주입장비의 웨이퍼 지지 장치)

17 Polytetrafluoroethylene Aluminum magnesium boride

Diamond-like carbon Carbon nanotube -Wikipedia

the free encyclopedia

18 Ijima S Helical Microtubes of Graphitic Carbon

Nature vol 354 1991 pp56-58

71

19 Min Ye Ku etal Measurement of Mechanical

Property and Thermal Expansion Coefficient of

Carbonnanotube-Reinforced Epoxy Composites

Trans Korean Soc Mech Eng A vol 37 No

5(2013) pp 657-664

20 M Pazderovaacute M Bradaacuteč M Valeš Tribological

Behaviour of Composite Coatings Procedia

Engineering 10(2011) pp472-477

21 Xing-Dong Yuan Xiao-Jie Yang A Study on

Friction and Wear Properties of PTFE Coatings

under Vacuum Conditions Wear269(2010) pp291-297

22 USP 6752O65(Kabuski Kaisha Toyota Jidoshokki

Sliding Film Sliding Member Composition for

Sliding Film and Sliding Device Swash-plate Type

Compressor Process for Forming Sliding Film and

Process for Producing Sliding Film)

23 Amel Delimi Elisabeth Galopin etal Ivestigation of

the Corrosion Behaviour of Carbon Steel Coated with

Fluoropolymer Thin Films Surface amp Coatings

Technology205(2011) pp4011-4017

24 WO 2006047500(Henkelkommanditgesellschaft auf

Aktien Article of Manufacture and Process for

Anodically Coating an Aluminum Substrate with

72

Ceramic Oxides Prior to Organic or Inorganic

Coating)

25 野坂正隆 低溫環境下におけるドライボロジドライボロ

ジスト(日本) 52(11) 2007 pp759sim764

26 이계영 김태균 김종구 ldquo내마모성 및 윤활성 코팅 조성

물rdquo 대한민국 특허 등록번호 10-1151909(2012)

27 (주)바론에스엘 ldquo불소수지와 세라믹의 유무기 하이브

리드 코팅 조성물 및 그를 이용한 도막 형성 방법rdquo 대

한민국 공개특허 10-2013-0028553 (2013)

28 JP-2010-261035(Xerox Corporation フツ素ナノダイヤ

モンドを含むテフロン定着器部材)

29 WO 2006 017259(Thomae Kurt J Multilayer

Corrosion- resistant Finish and Method)

30 Eunsoo Kang Seongcheol Choi Changhoon Choi

Sang Eun Shim Aqueous dispersion of submicron-

sized diamond particles for thermally conductive

polyurethane coating Colloids and Surfaces A

Physiochem Eng Aspects415(2012) pp255-261

31 S Rossi F Chini etal Corrosion Protection

Properties of Electoless NickelPTFE Phosphate

MoS2 and BronzePTFE Coatings Applied to Wear

Resistance of Carbon Steel Surface and Coatings

73

Technology173(2003) pp235-242

32 S Rossi F Deflorian F Venturini Improvement of

Surface finishing and Corrosion Resistance of

Prototypes by Direct Metal Laser Sintering Journal

of Materials Processing Technology 148(2004)

pp301-309

33 Mateus C Costil S Bolot R Coddet CCeramicfluo-

ropolymer Composite Coatings by Thermal Spraying-

a Modification of Surface Properties Surf Coat

Technol 2005 191 pp108-118

34 Masaaki Yamane Tadeusz A Stolarski Shogo Tobe

Influence of counter material on friction and wear

performance of PTFEndashmetal binary coatings

Tribology International 41 (2008) pp269ndash281

35 이치옹 분석자료 ldquo나선형 개스킷의 비석면화rdquo Takashi

Miyoshi 배관기술(일) 46(10) 2004 pp43-47

36 등록번호 10-0522254(백원두 브레이크 라이닝(또는 패

드) 제조방법)

37 Jin-Goo Park et al Characterization of Fluorocarbon

Thin Films by Contact Angles Measurements Journal

of Microelectronics amp Packaging Society6(1) 1999

pp39sim49

74

38 유호천 ldquoDLC 코팅 표면처리rdquo KiSTi 중소기업 정보지

원 2011 10 11

39 유호천 ldquoPVD DLC TRD 코팅설비를 활용한 복합충

개발및 제품적용rdquo KiSTi 중소기업 정보지원 2010 10

21

40 김유상 ldquo알루미늄합금에의 DLC코팅기술rdquo KiSTi 첨단

기술정보분석 2013 02-01

41 국립환경과학원 ldquo화학물질 배출량 조사 OECD와 협력

강화rdquo 보도자료 (2010 11 18)

42 월간기계기술 기자 ldquo새로운 코팅기술과 공구에 대한 적

용rdquo 2005년 3월호

43 加納 眞 ldquoDLC コ-ティングの適用技術と課題rdquo トライ

ボロジスト(日本) 52(3) 2007 pp186-191 송희국 모티

터링분석 KiSTi

44 식품의약안전청 연구보고서(연구책임자 유승석) 불소

지코팅 주방기구의 안전성 평가 2004 12

45 Teflon offgas studies Environmental Working Group Ewg

org Retrieved on 2013-01-01

46 식품의약품안전청 ldquo식품용 기구 및 용기 포장 공전rdquo 2012

47 廣野高生 ldquo環境保全型フッ素系 撥水撥油剤の 開發と 工

業化rdquo ファインケミカル(日本) 37(11) 2008 pp39-44

이치옹 모니터링분석 KISTI

75

저자소개

김학주(金鶴柱) 서울대학교 문리과대학 화학과 졸업 이학사

전북대학교 대학원 화학과 이학박사

(주)삼양사 의약연구소장 신성대학교 교수

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 폴리에스테르 섬유의 연중직방기술 외 다수

저서 기기분석 공업물리화학 일반화학

성용길(成墉吉)

동국대학교 이과대학 화학과 졸업 이학사 이학석사

부산대학교 대학원 화학과 이학박사(Dr Sci)

University of Utah USA Ph D(공학박사) Post Dr

유타대학교 연구교수 부산대학교 교수 동국대학교 교수

동국대학교 명예교수 한국원자력문화진흥원 이사

과학문화연구원전문연구위원 한국도량형과학문화연구원 원장

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 의료용 기능성 고분자재료에 관한 연구 외 330편

저서 고분자 물성론 (서울대학교 출판부 공저) 외 10권

67

불소수지의 코팅은 두께와 첨가제가 관건으로 이에 관한

자료를 제공하고자 하였으며 불소수지의 전기특성 폭발

성 환경과 반도체 제조공정에서의 대전 방지 처리를 위

한 정전기 관리 지표 등을 특허를 중심으로 조사하여 제

공하고자 하였다

C-나노튜브를 이용한 대전방지 코팅 기술 및 C-나노튜

브의 제법 등 이것에 관한 기초정보를 제공하고자 하였

으며 내마모성 테플론 코팅에 관해서는 테플론을 이용한

세라믹 코팅 기술에 관한 정보도 제공하고자 하였다

테플론의 기계적 전기적 특성을 강화하기 위해 사용되는

충전제를 종합하고 기초이론을 정립함으로써 금후 원부

자재의 선정에 도움을 주었다

테플론은 석면 대체재로도 주목받고 있어 이에 관한 특

허 정보들을 제공하였으며 다이아몬드의 전형적인 특성

을 나타내는 DLC의 코팅관련 기술 정보를 환경오염 문

제와 연관하여 자료를 제공하였고 최근 비-점착 주방기

구인 프라이팬이나 오븐에 코팅된 테플론을 고온으로 가

열할 때 유독성분이 방출되어 인체에 해를 끼칠 수도 있

다는 연구결과가 미국 환경활동그룹(Environmental

Working Group Ewg)를 중심으로 제기되고 있어 이에

관한 정보도 제공하였다

68

2 지원의 한계

중소기업이 당면한 문제는 전문기술의 확보다 관련 기술

이 비약적으로 발전하는 추세에 비추어 한정된 인원으로

신기술을 소화하고 개발하기는 어려울 것이므로 출연연

구기관이나 대학과 공동연구를 모색할 수 있으나 이것도

중소기업으로서는 경제적 부담이 될 수밖에 없을 것으로

생각된다 가능하다면 앞으로도 KISTI의 정보지원이 계

속되기를 바라고 있었다

3 기대효과

부식대전 방지 테플론 코팅에 관한 기본 기술이 배양되

어 합리적인 원부 원료의 수입검사 공정관리 및 제품관

리를 통해 원가절감은 물론 신제품 신기술에 관한 정보

수집 및 분석능력이 배양되고 개발력이 확충되어 기업

경쟁력 향상에 도움이 될 것이다

69

참고문헌

1 Francis J Clauss Chapter 9 Fluorocarbons Solid

Lubricants and Self-lubricating Solids Academic

Press 1972 pp195sim238

2 FW Billmeyer Textbook of Polymer Science 3rd

ed1984 pp398-403

3 두루텍 Corrosion amp Erosion Protective System 기술자

료

4 VC Malshe Nivedita S Sangaj Fluorinated acrylic

copolymers Part I Study of Clear Coatings Progress in

Organic Coatings 53(2005) pp 207-211

5 이장호 등 테프론 코팅 전열관 표면으로의 열 및 물질

전달 특성에 관한 실험적 연구 대한기계학회논문집 B

권 27(8) 2003 pp1051sim1060

6 WO 2008154391(Alcoa Inc Heat Exchager)

7 JP-2010-78036(株式會社ルネサステクノロジ 配管チユブ

およびこれを備えた機械裝置)

8 Eun-Joo Kim et al Teflon coating of fabric filters

for enhancement of high temperature durability J of

the Korean Oil Chemists 28(2) 2011 pp232sim239

7 JP-2005-237860(三洋電氣株式會社 電氣掃除機)

70

10 등록번호10-0365003 (주식회사 엘지아이 열처리를 이

용한 테프론 코팅 방법)

11 등록번호 10-0811228(조철환 내열 세라믹 주방용기의

불소수지코팅방법 및 그 방법에 의해 불소수지 코팅된

내열 세라믹 주방용기)

12 등록번호 10-0449561(주식회사 봉성비에스 완충기용

피스톤의 테플론 코팅장치)

13 WO 2000054614(Solex Robotics Systems Inc Anti-

staticNon-sparkling Coatings for Explosive Environ-

ments)

14 WO 2012123103(WLGore amp Associates GMBH Use

of an Ionic Fluoropolymers as Antistatic Coaating)

15 WO 2012053774(탑나노시스 ldquo작업 스테이지 표면의 대

전방지 처리 방법 및 상기 방법에 의하여 표면이 대전

방지된 작업 스테이지rdquo)

16 공개특허10-2008-0061943(주식회사 하이닉스반도체 이

온 주입장비의 웨이퍼 지지 장치)

17 Polytetrafluoroethylene Aluminum magnesium boride

Diamond-like carbon Carbon nanotube -Wikipedia

the free encyclopedia

18 Ijima S Helical Microtubes of Graphitic Carbon

Nature vol 354 1991 pp56-58

71

19 Min Ye Ku etal Measurement of Mechanical

Property and Thermal Expansion Coefficient of

Carbonnanotube-Reinforced Epoxy Composites

Trans Korean Soc Mech Eng A vol 37 No

5(2013) pp 657-664

20 M Pazderovaacute M Bradaacuteč M Valeš Tribological

Behaviour of Composite Coatings Procedia

Engineering 10(2011) pp472-477

21 Xing-Dong Yuan Xiao-Jie Yang A Study on

Friction and Wear Properties of PTFE Coatings

under Vacuum Conditions Wear269(2010) pp291-297

22 USP 6752O65(Kabuski Kaisha Toyota Jidoshokki

Sliding Film Sliding Member Composition for

Sliding Film and Sliding Device Swash-plate Type

Compressor Process for Forming Sliding Film and

Process for Producing Sliding Film)

23 Amel Delimi Elisabeth Galopin etal Ivestigation of

the Corrosion Behaviour of Carbon Steel Coated with

Fluoropolymer Thin Films Surface amp Coatings

Technology205(2011) pp4011-4017

24 WO 2006047500(Henkelkommanditgesellschaft auf

Aktien Article of Manufacture and Process for

Anodically Coating an Aluminum Substrate with

72

Ceramic Oxides Prior to Organic or Inorganic

Coating)

25 野坂正隆 低溫環境下におけるドライボロジドライボロ

ジスト(日本) 52(11) 2007 pp759sim764

26 이계영 김태균 김종구 ldquo내마모성 및 윤활성 코팅 조성

물rdquo 대한민국 특허 등록번호 10-1151909(2012)

27 (주)바론에스엘 ldquo불소수지와 세라믹의 유무기 하이브

리드 코팅 조성물 및 그를 이용한 도막 형성 방법rdquo 대

한민국 공개특허 10-2013-0028553 (2013)

28 JP-2010-261035(Xerox Corporation フツ素ナノダイヤ

モンドを含むテフロン定着器部材)

29 WO 2006 017259(Thomae Kurt J Multilayer

Corrosion- resistant Finish and Method)

30 Eunsoo Kang Seongcheol Choi Changhoon Choi

Sang Eun Shim Aqueous dispersion of submicron-

sized diamond particles for thermally conductive

polyurethane coating Colloids and Surfaces A

Physiochem Eng Aspects415(2012) pp255-261

31 S Rossi F Chini etal Corrosion Protection

Properties of Electoless NickelPTFE Phosphate

MoS2 and BronzePTFE Coatings Applied to Wear

Resistance of Carbon Steel Surface and Coatings

73

Technology173(2003) pp235-242

32 S Rossi F Deflorian F Venturini Improvement of

Surface finishing and Corrosion Resistance of

Prototypes by Direct Metal Laser Sintering Journal

of Materials Processing Technology 148(2004)

pp301-309

33 Mateus C Costil S Bolot R Coddet CCeramicfluo-

ropolymer Composite Coatings by Thermal Spraying-

a Modification of Surface Properties Surf Coat

Technol 2005 191 pp108-118

34 Masaaki Yamane Tadeusz A Stolarski Shogo Tobe

Influence of counter material on friction and wear

performance of PTFEndashmetal binary coatings

Tribology International 41 (2008) pp269ndash281

35 이치옹 분석자료 ldquo나선형 개스킷의 비석면화rdquo Takashi

Miyoshi 배관기술(일) 46(10) 2004 pp43-47

36 등록번호 10-0522254(백원두 브레이크 라이닝(또는 패

드) 제조방법)

37 Jin-Goo Park et al Characterization of Fluorocarbon

Thin Films by Contact Angles Measurements Journal

of Microelectronics amp Packaging Society6(1) 1999

pp39sim49

74

38 유호천 ldquoDLC 코팅 표면처리rdquo KiSTi 중소기업 정보지

원 2011 10 11

39 유호천 ldquoPVD DLC TRD 코팅설비를 활용한 복합충

개발및 제품적용rdquo KiSTi 중소기업 정보지원 2010 10

21

40 김유상 ldquo알루미늄합금에의 DLC코팅기술rdquo KiSTi 첨단

기술정보분석 2013 02-01

41 국립환경과학원 ldquo화학물질 배출량 조사 OECD와 협력

강화rdquo 보도자료 (2010 11 18)

42 월간기계기술 기자 ldquo새로운 코팅기술과 공구에 대한 적

용rdquo 2005년 3월호

43 加納 眞 ldquoDLC コ-ティングの適用技術と課題rdquo トライ

ボロジスト(日本) 52(3) 2007 pp186-191 송희국 모티

터링분석 KiSTi

44 식품의약안전청 연구보고서(연구책임자 유승석) 불소

지코팅 주방기구의 안전성 평가 2004 12

45 Teflon offgas studies Environmental Working Group Ewg

org Retrieved on 2013-01-01

46 식품의약품안전청 ldquo식품용 기구 및 용기 포장 공전rdquo 2012

47 廣野高生 ldquo環境保全型フッ素系 撥水撥油剤の 開發と 工

業化rdquo ファインケミカル(日本) 37(11) 2008 pp39-44

이치옹 모니터링분석 KISTI

75

저자소개

김학주(金鶴柱) 서울대학교 문리과대학 화학과 졸업 이학사

전북대학교 대학원 화학과 이학박사

(주)삼양사 의약연구소장 신성대학교 교수

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 폴리에스테르 섬유의 연중직방기술 외 다수

저서 기기분석 공업물리화학 일반화학

성용길(成墉吉)

동국대학교 이과대학 화학과 졸업 이학사 이학석사

부산대학교 대학원 화학과 이학박사(Dr Sci)

University of Utah USA Ph D(공학박사) Post Dr

유타대학교 연구교수 부산대학교 교수 동국대학교 교수

동국대학교 명예교수 한국원자력문화진흥원 이사

과학문화연구원전문연구위원 한국도량형과학문화연구원 원장

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 의료용 기능성 고분자재료에 관한 연구 외 330편

저서 고분자 물성론 (서울대학교 출판부 공저) 외 10권

68

2 지원의 한계

중소기업이 당면한 문제는 전문기술의 확보다 관련 기술

이 비약적으로 발전하는 추세에 비추어 한정된 인원으로

신기술을 소화하고 개발하기는 어려울 것이므로 출연연

구기관이나 대학과 공동연구를 모색할 수 있으나 이것도

중소기업으로서는 경제적 부담이 될 수밖에 없을 것으로

생각된다 가능하다면 앞으로도 KISTI의 정보지원이 계

속되기를 바라고 있었다

3 기대효과

부식대전 방지 테플론 코팅에 관한 기본 기술이 배양되

어 합리적인 원부 원료의 수입검사 공정관리 및 제품관

리를 통해 원가절감은 물론 신제품 신기술에 관한 정보

수집 및 분석능력이 배양되고 개발력이 확충되어 기업

경쟁력 향상에 도움이 될 것이다

69

참고문헌

1 Francis J Clauss Chapter 9 Fluorocarbons Solid

Lubricants and Self-lubricating Solids Academic

Press 1972 pp195sim238

2 FW Billmeyer Textbook of Polymer Science 3rd

ed1984 pp398-403

3 두루텍 Corrosion amp Erosion Protective System 기술자

료

4 VC Malshe Nivedita S Sangaj Fluorinated acrylic

copolymers Part I Study of Clear Coatings Progress in

Organic Coatings 53(2005) pp 207-211

5 이장호 등 테프론 코팅 전열관 표면으로의 열 및 물질

전달 특성에 관한 실험적 연구 대한기계학회논문집 B

권 27(8) 2003 pp1051sim1060

6 WO 2008154391(Alcoa Inc Heat Exchager)

7 JP-2010-78036(株式會社ルネサステクノロジ 配管チユブ

およびこれを備えた機械裝置)

8 Eun-Joo Kim et al Teflon coating of fabric filters

for enhancement of high temperature durability J of

the Korean Oil Chemists 28(2) 2011 pp232sim239

7 JP-2005-237860(三洋電氣株式會社 電氣掃除機)

70

10 등록번호10-0365003 (주식회사 엘지아이 열처리를 이

용한 테프론 코팅 방법)

11 등록번호 10-0811228(조철환 내열 세라믹 주방용기의

불소수지코팅방법 및 그 방법에 의해 불소수지 코팅된

내열 세라믹 주방용기)

12 등록번호 10-0449561(주식회사 봉성비에스 완충기용

피스톤의 테플론 코팅장치)

13 WO 2000054614(Solex Robotics Systems Inc Anti-

staticNon-sparkling Coatings for Explosive Environ-

ments)

14 WO 2012123103(WLGore amp Associates GMBH Use

of an Ionic Fluoropolymers as Antistatic Coaating)

15 WO 2012053774(탑나노시스 ldquo작업 스테이지 표면의 대

전방지 처리 방법 및 상기 방법에 의하여 표면이 대전

방지된 작업 스테이지rdquo)

16 공개특허10-2008-0061943(주식회사 하이닉스반도체 이

온 주입장비의 웨이퍼 지지 장치)

17 Polytetrafluoroethylene Aluminum magnesium boride

Diamond-like carbon Carbon nanotube -Wikipedia

the free encyclopedia

18 Ijima S Helical Microtubes of Graphitic Carbon

Nature vol 354 1991 pp56-58

71

19 Min Ye Ku etal Measurement of Mechanical

Property and Thermal Expansion Coefficient of

Carbonnanotube-Reinforced Epoxy Composites

Trans Korean Soc Mech Eng A vol 37 No

5(2013) pp 657-664

20 M Pazderovaacute M Bradaacuteč M Valeš Tribological

Behaviour of Composite Coatings Procedia

Engineering 10(2011) pp472-477

21 Xing-Dong Yuan Xiao-Jie Yang A Study on

Friction and Wear Properties of PTFE Coatings

under Vacuum Conditions Wear269(2010) pp291-297

22 USP 6752O65(Kabuski Kaisha Toyota Jidoshokki

Sliding Film Sliding Member Composition for

Sliding Film and Sliding Device Swash-plate Type

Compressor Process for Forming Sliding Film and

Process for Producing Sliding Film)

23 Amel Delimi Elisabeth Galopin etal Ivestigation of

the Corrosion Behaviour of Carbon Steel Coated with

Fluoropolymer Thin Films Surface amp Coatings

Technology205(2011) pp4011-4017

24 WO 2006047500(Henkelkommanditgesellschaft auf

Aktien Article of Manufacture and Process for

Anodically Coating an Aluminum Substrate with

72

Ceramic Oxides Prior to Organic or Inorganic

Coating)

25 野坂正隆 低溫環境下におけるドライボロジドライボロ

ジスト(日本) 52(11) 2007 pp759sim764

26 이계영 김태균 김종구 ldquo내마모성 및 윤활성 코팅 조성

물rdquo 대한민국 특허 등록번호 10-1151909(2012)

27 (주)바론에스엘 ldquo불소수지와 세라믹의 유무기 하이브

리드 코팅 조성물 및 그를 이용한 도막 형성 방법rdquo 대

한민국 공개특허 10-2013-0028553 (2013)

28 JP-2010-261035(Xerox Corporation フツ素ナノダイヤ

モンドを含むテフロン定着器部材)

29 WO 2006 017259(Thomae Kurt J Multilayer

Corrosion- resistant Finish and Method)

30 Eunsoo Kang Seongcheol Choi Changhoon Choi

Sang Eun Shim Aqueous dispersion of submicron-

sized diamond particles for thermally conductive

polyurethane coating Colloids and Surfaces A

Physiochem Eng Aspects415(2012) pp255-261

31 S Rossi F Chini etal Corrosion Protection

Properties of Electoless NickelPTFE Phosphate

MoS2 and BronzePTFE Coatings Applied to Wear

Resistance of Carbon Steel Surface and Coatings

73

Technology173(2003) pp235-242

32 S Rossi F Deflorian F Venturini Improvement of

Surface finishing and Corrosion Resistance of

Prototypes by Direct Metal Laser Sintering Journal

of Materials Processing Technology 148(2004)

pp301-309

33 Mateus C Costil S Bolot R Coddet CCeramicfluo-

ropolymer Composite Coatings by Thermal Spraying-

a Modification of Surface Properties Surf Coat

Technol 2005 191 pp108-118

34 Masaaki Yamane Tadeusz A Stolarski Shogo Tobe

Influence of counter material on friction and wear

performance of PTFEndashmetal binary coatings

Tribology International 41 (2008) pp269ndash281

35 이치옹 분석자료 ldquo나선형 개스킷의 비석면화rdquo Takashi

Miyoshi 배관기술(일) 46(10) 2004 pp43-47

36 등록번호 10-0522254(백원두 브레이크 라이닝(또는 패

드) 제조방법)

37 Jin-Goo Park et al Characterization of Fluorocarbon

Thin Films by Contact Angles Measurements Journal

of Microelectronics amp Packaging Society6(1) 1999

pp39sim49

74

38 유호천 ldquoDLC 코팅 표면처리rdquo KiSTi 중소기업 정보지

원 2011 10 11

39 유호천 ldquoPVD DLC TRD 코팅설비를 활용한 복합충

개발및 제품적용rdquo KiSTi 중소기업 정보지원 2010 10

21

40 김유상 ldquo알루미늄합금에의 DLC코팅기술rdquo KiSTi 첨단

기술정보분석 2013 02-01

41 국립환경과학원 ldquo화학물질 배출량 조사 OECD와 협력

강화rdquo 보도자료 (2010 11 18)

42 월간기계기술 기자 ldquo새로운 코팅기술과 공구에 대한 적

용rdquo 2005년 3월호

43 加納 眞 ldquoDLC コ-ティングの適用技術と課題rdquo トライ

ボロジスト(日本) 52(3) 2007 pp186-191 송희국 모티

터링분석 KiSTi

44 식품의약안전청 연구보고서(연구책임자 유승석) 불소

지코팅 주방기구의 안전성 평가 2004 12

45 Teflon offgas studies Environmental Working Group Ewg

org Retrieved on 2013-01-01

46 식품의약품안전청 ldquo식품용 기구 및 용기 포장 공전rdquo 2012

47 廣野高生 ldquo環境保全型フッ素系 撥水撥油剤の 開發と 工

業化rdquo ファインケミカル(日本) 37(11) 2008 pp39-44

이치옹 모니터링분석 KISTI

75

저자소개

김학주(金鶴柱) 서울대학교 문리과대학 화학과 졸업 이학사

전북대학교 대학원 화학과 이학박사

(주)삼양사 의약연구소장 신성대학교 교수

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 폴리에스테르 섬유의 연중직방기술 외 다수

저서 기기분석 공업물리화학 일반화학

성용길(成墉吉)

동국대학교 이과대학 화학과 졸업 이학사 이학석사

부산대학교 대학원 화학과 이학박사(Dr Sci)

University of Utah USA Ph D(공학박사) Post Dr

유타대학교 연구교수 부산대학교 교수 동국대학교 교수

동국대학교 명예교수 한국원자력문화진흥원 이사

과학문화연구원전문연구위원 한국도량형과학문화연구원 원장

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 의료용 기능성 고분자재료에 관한 연구 외 330편

저서 고분자 물성론 (서울대학교 출판부 공저) 외 10권

69

참고문헌

1 Francis J Clauss Chapter 9 Fluorocarbons Solid

Lubricants and Self-lubricating Solids Academic

Press 1972 pp195sim238

2 FW Billmeyer Textbook of Polymer Science 3rd

ed1984 pp398-403

3 두루텍 Corrosion amp Erosion Protective System 기술자

료

4 VC Malshe Nivedita S Sangaj Fluorinated acrylic

copolymers Part I Study of Clear Coatings Progress in

Organic Coatings 53(2005) pp 207-211

5 이장호 등 테프론 코팅 전열관 표면으로의 열 및 물질

전달 특성에 관한 실험적 연구 대한기계학회논문집 B

권 27(8) 2003 pp1051sim1060

6 WO 2008154391(Alcoa Inc Heat Exchager)

7 JP-2010-78036(株式會社ルネサステクノロジ 配管チユブ

およびこれを備えた機械裝置)

8 Eun-Joo Kim et al Teflon coating of fabric filters

for enhancement of high temperature durability J of

the Korean Oil Chemists 28(2) 2011 pp232sim239

7 JP-2005-237860(三洋電氣株式會社 電氣掃除機)

70

10 등록번호10-0365003 (주식회사 엘지아이 열처리를 이

용한 테프론 코팅 방법)

11 등록번호 10-0811228(조철환 내열 세라믹 주방용기의

불소수지코팅방법 및 그 방법에 의해 불소수지 코팅된

내열 세라믹 주방용기)

12 등록번호 10-0449561(주식회사 봉성비에스 완충기용

피스톤의 테플론 코팅장치)

13 WO 2000054614(Solex Robotics Systems Inc Anti-

staticNon-sparkling Coatings for Explosive Environ-

ments)

14 WO 2012123103(WLGore amp Associates GMBH Use

of an Ionic Fluoropolymers as Antistatic Coaating)

15 WO 2012053774(탑나노시스 ldquo작업 스테이지 표면의 대

전방지 처리 방법 및 상기 방법에 의하여 표면이 대전

방지된 작업 스테이지rdquo)

16 공개특허10-2008-0061943(주식회사 하이닉스반도체 이

온 주입장비의 웨이퍼 지지 장치)

17 Polytetrafluoroethylene Aluminum magnesium boride

Diamond-like carbon Carbon nanotube -Wikipedia

the free encyclopedia

18 Ijima S Helical Microtubes of Graphitic Carbon

Nature vol 354 1991 pp56-58

71

19 Min Ye Ku etal Measurement of Mechanical

Property and Thermal Expansion Coefficient of

Carbonnanotube-Reinforced Epoxy Composites

Trans Korean Soc Mech Eng A vol 37 No

5(2013) pp 657-664

20 M Pazderovaacute M Bradaacuteč M Valeš Tribological

Behaviour of Composite Coatings Procedia

Engineering 10(2011) pp472-477

21 Xing-Dong Yuan Xiao-Jie Yang A Study on

Friction and Wear Properties of PTFE Coatings

under Vacuum Conditions Wear269(2010) pp291-297

22 USP 6752O65(Kabuski Kaisha Toyota Jidoshokki

Sliding Film Sliding Member Composition for

Sliding Film and Sliding Device Swash-plate Type

Compressor Process for Forming Sliding Film and

Process for Producing Sliding Film)

23 Amel Delimi Elisabeth Galopin etal Ivestigation of

the Corrosion Behaviour of Carbon Steel Coated with

Fluoropolymer Thin Films Surface amp Coatings

Technology205(2011) pp4011-4017

24 WO 2006047500(Henkelkommanditgesellschaft auf

Aktien Article of Manufacture and Process for

Anodically Coating an Aluminum Substrate with

72

Ceramic Oxides Prior to Organic or Inorganic

Coating)

25 野坂正隆 低溫環境下におけるドライボロジドライボロ

ジスト(日本) 52(11) 2007 pp759sim764

26 이계영 김태균 김종구 ldquo내마모성 및 윤활성 코팅 조성

물rdquo 대한민국 특허 등록번호 10-1151909(2012)

27 (주)바론에스엘 ldquo불소수지와 세라믹의 유무기 하이브

리드 코팅 조성물 및 그를 이용한 도막 형성 방법rdquo 대

한민국 공개특허 10-2013-0028553 (2013)

28 JP-2010-261035(Xerox Corporation フツ素ナノダイヤ

モンドを含むテフロン定着器部材)

29 WO 2006 017259(Thomae Kurt J Multilayer

Corrosion- resistant Finish and Method)

30 Eunsoo Kang Seongcheol Choi Changhoon Choi

Sang Eun Shim Aqueous dispersion of submicron-

sized diamond particles for thermally conductive

polyurethane coating Colloids and Surfaces A

Physiochem Eng Aspects415(2012) pp255-261

31 S Rossi F Chini etal Corrosion Protection

Properties of Electoless NickelPTFE Phosphate

MoS2 and BronzePTFE Coatings Applied to Wear

Resistance of Carbon Steel Surface and Coatings

73

Technology173(2003) pp235-242

32 S Rossi F Deflorian F Venturini Improvement of

Surface finishing and Corrosion Resistance of

Prototypes by Direct Metal Laser Sintering Journal

of Materials Processing Technology 148(2004)

pp301-309

33 Mateus C Costil S Bolot R Coddet CCeramicfluo-

ropolymer Composite Coatings by Thermal Spraying-

a Modification of Surface Properties Surf Coat

Technol 2005 191 pp108-118

34 Masaaki Yamane Tadeusz A Stolarski Shogo Tobe

Influence of counter material on friction and wear

performance of PTFEndashmetal binary coatings

Tribology International 41 (2008) pp269ndash281

35 이치옹 분석자료 ldquo나선형 개스킷의 비석면화rdquo Takashi

Miyoshi 배관기술(일) 46(10) 2004 pp43-47

36 등록번호 10-0522254(백원두 브레이크 라이닝(또는 패

드) 제조방법)

37 Jin-Goo Park et al Characterization of Fluorocarbon

Thin Films by Contact Angles Measurements Journal

of Microelectronics amp Packaging Society6(1) 1999

pp39sim49

74

38 유호천 ldquoDLC 코팅 표면처리rdquo KiSTi 중소기업 정보지

원 2011 10 11

39 유호천 ldquoPVD DLC TRD 코팅설비를 활용한 복합충

개발및 제품적용rdquo KiSTi 중소기업 정보지원 2010 10

21

40 김유상 ldquo알루미늄합금에의 DLC코팅기술rdquo KiSTi 첨단

기술정보분석 2013 02-01

41 국립환경과학원 ldquo화학물질 배출량 조사 OECD와 협력

강화rdquo 보도자료 (2010 11 18)

42 월간기계기술 기자 ldquo새로운 코팅기술과 공구에 대한 적

용rdquo 2005년 3월호

43 加納 眞 ldquoDLC コ-ティングの適用技術と課題rdquo トライ

ボロジスト(日本) 52(3) 2007 pp186-191 송희국 모티

터링분석 KiSTi

44 식품의약안전청 연구보고서(연구책임자 유승석) 불소

지코팅 주방기구의 안전성 평가 2004 12

45 Teflon offgas studies Environmental Working Group Ewg

org Retrieved on 2013-01-01

46 식품의약품안전청 ldquo식품용 기구 및 용기 포장 공전rdquo 2012

47 廣野高生 ldquo環境保全型フッ素系 撥水撥油剤の 開發と 工

業化rdquo ファインケミカル(日本) 37(11) 2008 pp39-44

이치옹 모니터링분석 KISTI

75

저자소개

김학주(金鶴柱) 서울대학교 문리과대학 화학과 졸업 이학사

전북대학교 대학원 화학과 이학박사

(주)삼양사 의약연구소장 신성대학교 교수

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 폴리에스테르 섬유의 연중직방기술 외 다수

저서 기기분석 공업물리화학 일반화학

성용길(成墉吉)

동국대학교 이과대학 화학과 졸업 이학사 이학석사

부산대학교 대학원 화학과 이학박사(Dr Sci)

University of Utah USA Ph D(공학박사) Post Dr

유타대학교 연구교수 부산대학교 교수 동국대학교 교수

동국대학교 명예교수 한국원자력문화진흥원 이사

과학문화연구원전문연구위원 한국도량형과학문화연구원 원장

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 의료용 기능성 고분자재료에 관한 연구 외 330편

저서 고분자 물성론 (서울대학교 출판부 공저) 외 10권

70

10 등록번호10-0365003 (주식회사 엘지아이 열처리를 이

용한 테프론 코팅 방법)

11 등록번호 10-0811228(조철환 내열 세라믹 주방용기의

불소수지코팅방법 및 그 방법에 의해 불소수지 코팅된

내열 세라믹 주방용기)

12 등록번호 10-0449561(주식회사 봉성비에스 완충기용

피스톤의 테플론 코팅장치)

13 WO 2000054614(Solex Robotics Systems Inc Anti-

staticNon-sparkling Coatings for Explosive Environ-

ments)

14 WO 2012123103(WLGore amp Associates GMBH Use

of an Ionic Fluoropolymers as Antistatic Coaating)

15 WO 2012053774(탑나노시스 ldquo작업 스테이지 표면의 대

전방지 처리 방법 및 상기 방법에 의하여 표면이 대전

방지된 작업 스테이지rdquo)

16 공개특허10-2008-0061943(주식회사 하이닉스반도체 이

온 주입장비의 웨이퍼 지지 장치)

17 Polytetrafluoroethylene Aluminum magnesium boride

Diamond-like carbon Carbon nanotube -Wikipedia

the free encyclopedia

18 Ijima S Helical Microtubes of Graphitic Carbon

Nature vol 354 1991 pp56-58

71

19 Min Ye Ku etal Measurement of Mechanical

Property and Thermal Expansion Coefficient of

Carbonnanotube-Reinforced Epoxy Composites

Trans Korean Soc Mech Eng A vol 37 No

5(2013) pp 657-664

20 M Pazderovaacute M Bradaacuteč M Valeš Tribological

Behaviour of Composite Coatings Procedia

Engineering 10(2011) pp472-477

21 Xing-Dong Yuan Xiao-Jie Yang A Study on

Friction and Wear Properties of PTFE Coatings

under Vacuum Conditions Wear269(2010) pp291-297

22 USP 6752O65(Kabuski Kaisha Toyota Jidoshokki

Sliding Film Sliding Member Composition for

Sliding Film and Sliding Device Swash-plate Type

Compressor Process for Forming Sliding Film and

Process for Producing Sliding Film)

23 Amel Delimi Elisabeth Galopin etal Ivestigation of

the Corrosion Behaviour of Carbon Steel Coated with

Fluoropolymer Thin Films Surface amp Coatings

Technology205(2011) pp4011-4017

24 WO 2006047500(Henkelkommanditgesellschaft auf

Aktien Article of Manufacture and Process for

Anodically Coating an Aluminum Substrate with

72

Ceramic Oxides Prior to Organic or Inorganic

Coating)

25 野坂正隆 低溫環境下におけるドライボロジドライボロ

ジスト(日本) 52(11) 2007 pp759sim764

26 이계영 김태균 김종구 ldquo내마모성 및 윤활성 코팅 조성

물rdquo 대한민국 특허 등록번호 10-1151909(2012)

27 (주)바론에스엘 ldquo불소수지와 세라믹의 유무기 하이브

리드 코팅 조성물 및 그를 이용한 도막 형성 방법rdquo 대

한민국 공개특허 10-2013-0028553 (2013)

28 JP-2010-261035(Xerox Corporation フツ素ナノダイヤ

モンドを含むテフロン定着器部材)

29 WO 2006 017259(Thomae Kurt J Multilayer

Corrosion- resistant Finish and Method)

30 Eunsoo Kang Seongcheol Choi Changhoon Choi

Sang Eun Shim Aqueous dispersion of submicron-

sized diamond particles for thermally conductive

polyurethane coating Colloids and Surfaces A

Physiochem Eng Aspects415(2012) pp255-261

31 S Rossi F Chini etal Corrosion Protection

Properties of Electoless NickelPTFE Phosphate

MoS2 and BronzePTFE Coatings Applied to Wear

Resistance of Carbon Steel Surface and Coatings

73

Technology173(2003) pp235-242

32 S Rossi F Deflorian F Venturini Improvement of

Surface finishing and Corrosion Resistance of

Prototypes by Direct Metal Laser Sintering Journal

of Materials Processing Technology 148(2004)

pp301-309

33 Mateus C Costil S Bolot R Coddet CCeramicfluo-

ropolymer Composite Coatings by Thermal Spraying-

a Modification of Surface Properties Surf Coat

Technol 2005 191 pp108-118

34 Masaaki Yamane Tadeusz A Stolarski Shogo Tobe

Influence of counter material on friction and wear

performance of PTFEndashmetal binary coatings

Tribology International 41 (2008) pp269ndash281

35 이치옹 분석자료 ldquo나선형 개스킷의 비석면화rdquo Takashi

Miyoshi 배관기술(일) 46(10) 2004 pp43-47

36 등록번호 10-0522254(백원두 브레이크 라이닝(또는 패

드) 제조방법)

37 Jin-Goo Park et al Characterization of Fluorocarbon

Thin Films by Contact Angles Measurements Journal

of Microelectronics amp Packaging Society6(1) 1999

pp39sim49

74

38 유호천 ldquoDLC 코팅 표면처리rdquo KiSTi 중소기업 정보지

원 2011 10 11

39 유호천 ldquoPVD DLC TRD 코팅설비를 활용한 복합충

개발및 제품적용rdquo KiSTi 중소기업 정보지원 2010 10

21

40 김유상 ldquo알루미늄합금에의 DLC코팅기술rdquo KiSTi 첨단

기술정보분석 2013 02-01

41 국립환경과학원 ldquo화학물질 배출량 조사 OECD와 협력

강화rdquo 보도자료 (2010 11 18)

42 월간기계기술 기자 ldquo새로운 코팅기술과 공구에 대한 적

용rdquo 2005년 3월호

43 加納 眞 ldquoDLC コ-ティングの適用技術と課題rdquo トライ

ボロジスト(日本) 52(3) 2007 pp186-191 송희국 모티

터링분석 KiSTi

44 식품의약안전청 연구보고서(연구책임자 유승석) 불소

지코팅 주방기구의 안전성 평가 2004 12

45 Teflon offgas studies Environmental Working Group Ewg

org Retrieved on 2013-01-01

46 식품의약품안전청 ldquo식품용 기구 및 용기 포장 공전rdquo 2012

47 廣野高生 ldquo環境保全型フッ素系 撥水撥油剤の 開發と 工

業化rdquo ファインケミカル(日本) 37(11) 2008 pp39-44

이치옹 모니터링분석 KISTI

75

저자소개

김학주(金鶴柱) 서울대학교 문리과대학 화학과 졸업 이학사

전북대학교 대학원 화학과 이학박사

(주)삼양사 의약연구소장 신성대학교 교수

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 폴리에스테르 섬유의 연중직방기술 외 다수

저서 기기분석 공업물리화학 일반화학

성용길(成墉吉)

동국대학교 이과대학 화학과 졸업 이학사 이학석사

부산대학교 대학원 화학과 이학박사(Dr Sci)

University of Utah USA Ph D(공학박사) Post Dr

유타대학교 연구교수 부산대학교 교수 동국대학교 교수

동국대학교 명예교수 한국원자력문화진흥원 이사

과학문화연구원전문연구위원 한국도량형과학문화연구원 원장

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 의료용 기능성 고분자재료에 관한 연구 외 330편

저서 고분자 물성론 (서울대학교 출판부 공저) 외 10권

71

19 Min Ye Ku etal Measurement of Mechanical

Property and Thermal Expansion Coefficient of

Carbonnanotube-Reinforced Epoxy Composites

Trans Korean Soc Mech Eng A vol 37 No

5(2013) pp 657-664

20 M Pazderovaacute M Bradaacuteč M Valeš Tribological

Behaviour of Composite Coatings Procedia

Engineering 10(2011) pp472-477

21 Xing-Dong Yuan Xiao-Jie Yang A Study on

Friction and Wear Properties of PTFE Coatings

under Vacuum Conditions Wear269(2010) pp291-297

22 USP 6752O65(Kabuski Kaisha Toyota Jidoshokki

Sliding Film Sliding Member Composition for

Sliding Film and Sliding Device Swash-plate Type

Compressor Process for Forming Sliding Film and

Process for Producing Sliding Film)

23 Amel Delimi Elisabeth Galopin etal Ivestigation of

the Corrosion Behaviour of Carbon Steel Coated with

Fluoropolymer Thin Films Surface amp Coatings

Technology205(2011) pp4011-4017

24 WO 2006047500(Henkelkommanditgesellschaft auf

Aktien Article of Manufacture and Process for

Anodically Coating an Aluminum Substrate with

72

Ceramic Oxides Prior to Organic or Inorganic

Coating)

25 野坂正隆 低溫環境下におけるドライボロジドライボロ

ジスト(日本) 52(11) 2007 pp759sim764

26 이계영 김태균 김종구 ldquo내마모성 및 윤활성 코팅 조성

물rdquo 대한민국 특허 등록번호 10-1151909(2012)

27 (주)바론에스엘 ldquo불소수지와 세라믹의 유무기 하이브

리드 코팅 조성물 및 그를 이용한 도막 형성 방법rdquo 대

한민국 공개특허 10-2013-0028553 (2013)

28 JP-2010-261035(Xerox Corporation フツ素ナノダイヤ

モンドを含むテフロン定着器部材)

29 WO 2006 017259(Thomae Kurt J Multilayer

Corrosion- resistant Finish and Method)

30 Eunsoo Kang Seongcheol Choi Changhoon Choi

Sang Eun Shim Aqueous dispersion of submicron-

sized diamond particles for thermally conductive

polyurethane coating Colloids and Surfaces A

Physiochem Eng Aspects415(2012) pp255-261

31 S Rossi F Chini etal Corrosion Protection

Properties of Electoless NickelPTFE Phosphate

MoS2 and BronzePTFE Coatings Applied to Wear

Resistance of Carbon Steel Surface and Coatings

73

Technology173(2003) pp235-242

32 S Rossi F Deflorian F Venturini Improvement of

Surface finishing and Corrosion Resistance of

Prototypes by Direct Metal Laser Sintering Journal

of Materials Processing Technology 148(2004)

pp301-309

33 Mateus C Costil S Bolot R Coddet CCeramicfluo-

ropolymer Composite Coatings by Thermal Spraying-

a Modification of Surface Properties Surf Coat

Technol 2005 191 pp108-118

34 Masaaki Yamane Tadeusz A Stolarski Shogo Tobe

Influence of counter material on friction and wear

performance of PTFEndashmetal binary coatings

Tribology International 41 (2008) pp269ndash281

35 이치옹 분석자료 ldquo나선형 개스킷의 비석면화rdquo Takashi

Miyoshi 배관기술(일) 46(10) 2004 pp43-47

36 등록번호 10-0522254(백원두 브레이크 라이닝(또는 패

드) 제조방법)

37 Jin-Goo Park et al Characterization of Fluorocarbon

Thin Films by Contact Angles Measurements Journal

of Microelectronics amp Packaging Society6(1) 1999

pp39sim49

74

38 유호천 ldquoDLC 코팅 표면처리rdquo KiSTi 중소기업 정보지

원 2011 10 11

39 유호천 ldquoPVD DLC TRD 코팅설비를 활용한 복합충

개발및 제품적용rdquo KiSTi 중소기업 정보지원 2010 10

21

40 김유상 ldquo알루미늄합금에의 DLC코팅기술rdquo KiSTi 첨단

기술정보분석 2013 02-01

41 국립환경과학원 ldquo화학물질 배출량 조사 OECD와 협력

강화rdquo 보도자료 (2010 11 18)

42 월간기계기술 기자 ldquo새로운 코팅기술과 공구에 대한 적

용rdquo 2005년 3월호

43 加納 眞 ldquoDLC コ-ティングの適用技術と課題rdquo トライ

ボロジスト(日本) 52(3) 2007 pp186-191 송희국 모티

터링분석 KiSTi

44 식품의약안전청 연구보고서(연구책임자 유승석) 불소

지코팅 주방기구의 안전성 평가 2004 12

45 Teflon offgas studies Environmental Working Group Ewg

org Retrieved on 2013-01-01

46 식품의약품안전청 ldquo식품용 기구 및 용기 포장 공전rdquo 2012

47 廣野高生 ldquo環境保全型フッ素系 撥水撥油剤の 開發と 工

業化rdquo ファインケミカル(日本) 37(11) 2008 pp39-44

이치옹 모니터링분석 KISTI

75

저자소개

김학주(金鶴柱) 서울대학교 문리과대학 화학과 졸업 이학사

전북대학교 대학원 화학과 이학박사

(주)삼양사 의약연구소장 신성대학교 교수

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 폴리에스테르 섬유의 연중직방기술 외 다수

저서 기기분석 공업물리화학 일반화학

성용길(成墉吉)

동국대학교 이과대학 화학과 졸업 이학사 이학석사

부산대학교 대학원 화학과 이학박사(Dr Sci)

University of Utah USA Ph D(공학박사) Post Dr

유타대학교 연구교수 부산대학교 교수 동국대학교 교수

동국대학교 명예교수 한국원자력문화진흥원 이사

과학문화연구원전문연구위원 한국도량형과학문화연구원 원장

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 의료용 기능성 고분자재료에 관한 연구 외 330편

저서 고분자 물성론 (서울대학교 출판부 공저) 외 10권

72

Ceramic Oxides Prior to Organic or Inorganic

Coating)

25 野坂正隆 低溫環境下におけるドライボロジドライボロ

ジスト(日本) 52(11) 2007 pp759sim764

26 이계영 김태균 김종구 ldquo내마모성 및 윤활성 코팅 조성

물rdquo 대한민국 특허 등록번호 10-1151909(2012)

27 (주)바론에스엘 ldquo불소수지와 세라믹의 유무기 하이브

리드 코팅 조성물 및 그를 이용한 도막 형성 방법rdquo 대

한민국 공개특허 10-2013-0028553 (2013)

28 JP-2010-261035(Xerox Corporation フツ素ナノダイヤ

モンドを含むテフロン定着器部材)

29 WO 2006 017259(Thomae Kurt J Multilayer

Corrosion- resistant Finish and Method)

30 Eunsoo Kang Seongcheol Choi Changhoon Choi

Sang Eun Shim Aqueous dispersion of submicron-

sized diamond particles for thermally conductive

polyurethane coating Colloids and Surfaces A

Physiochem Eng Aspects415(2012) pp255-261

31 S Rossi F Chini etal Corrosion Protection

Properties of Electoless NickelPTFE Phosphate

MoS2 and BronzePTFE Coatings Applied to Wear

Resistance of Carbon Steel Surface and Coatings

73

Technology173(2003) pp235-242

32 S Rossi F Deflorian F Venturini Improvement of

Surface finishing and Corrosion Resistance of

Prototypes by Direct Metal Laser Sintering Journal

of Materials Processing Technology 148(2004)

pp301-309

33 Mateus C Costil S Bolot R Coddet CCeramicfluo-

ropolymer Composite Coatings by Thermal Spraying-

a Modification of Surface Properties Surf Coat

Technol 2005 191 pp108-118

34 Masaaki Yamane Tadeusz A Stolarski Shogo Tobe

Influence of counter material on friction and wear

performance of PTFEndashmetal binary coatings

Tribology International 41 (2008) pp269ndash281

35 이치옹 분석자료 ldquo나선형 개스킷의 비석면화rdquo Takashi

Miyoshi 배관기술(일) 46(10) 2004 pp43-47

36 등록번호 10-0522254(백원두 브레이크 라이닝(또는 패

드) 제조방법)

37 Jin-Goo Park et al Characterization of Fluorocarbon

Thin Films by Contact Angles Measurements Journal

of Microelectronics amp Packaging Society6(1) 1999

pp39sim49

74

38 유호천 ldquoDLC 코팅 표면처리rdquo KiSTi 중소기업 정보지

원 2011 10 11

39 유호천 ldquoPVD DLC TRD 코팅설비를 활용한 복합충

개발및 제품적용rdquo KiSTi 중소기업 정보지원 2010 10

21

40 김유상 ldquo알루미늄합금에의 DLC코팅기술rdquo KiSTi 첨단

기술정보분석 2013 02-01

41 국립환경과학원 ldquo화학물질 배출량 조사 OECD와 협력

강화rdquo 보도자료 (2010 11 18)

42 월간기계기술 기자 ldquo새로운 코팅기술과 공구에 대한 적

용rdquo 2005년 3월호

43 加納 眞 ldquoDLC コ-ティングの適用技術と課題rdquo トライ

ボロジスト(日本) 52(3) 2007 pp186-191 송희국 모티

터링분석 KiSTi

44 식품의약안전청 연구보고서(연구책임자 유승석) 불소

지코팅 주방기구의 안전성 평가 2004 12

45 Teflon offgas studies Environmental Working Group Ewg

org Retrieved on 2013-01-01

46 식품의약품안전청 ldquo식품용 기구 및 용기 포장 공전rdquo 2012

47 廣野高生 ldquo環境保全型フッ素系 撥水撥油剤の 開發と 工

業化rdquo ファインケミカル(日本) 37(11) 2008 pp39-44

이치옹 모니터링분석 KISTI

75

저자소개

김학주(金鶴柱) 서울대학교 문리과대학 화학과 졸업 이학사

전북대학교 대학원 화학과 이학박사

(주)삼양사 의약연구소장 신성대학교 교수

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 폴리에스테르 섬유의 연중직방기술 외 다수

저서 기기분석 공업물리화학 일반화학

성용길(成墉吉)

동국대학교 이과대학 화학과 졸업 이학사 이학석사

부산대학교 대학원 화학과 이학박사(Dr Sci)

University of Utah USA Ph D(공학박사) Post Dr

유타대학교 연구교수 부산대학교 교수 동국대학교 교수

동국대학교 명예교수 한국원자력문화진흥원 이사

과학문화연구원전문연구위원 한국도량형과학문화연구원 원장

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 의료용 기능성 고분자재료에 관한 연구 외 330편

저서 고분자 물성론 (서울대학교 출판부 공저) 외 10권

73

Technology173(2003) pp235-242

32 S Rossi F Deflorian F Venturini Improvement of

Surface finishing and Corrosion Resistance of

Prototypes by Direct Metal Laser Sintering Journal

of Materials Processing Technology 148(2004)

pp301-309

33 Mateus C Costil S Bolot R Coddet CCeramicfluo-

ropolymer Composite Coatings by Thermal Spraying-

a Modification of Surface Properties Surf Coat

Technol 2005 191 pp108-118

34 Masaaki Yamane Tadeusz A Stolarski Shogo Tobe

Influence of counter material on friction and wear

performance of PTFEndashmetal binary coatings

Tribology International 41 (2008) pp269ndash281

35 이치옹 분석자료 ldquo나선형 개스킷의 비석면화rdquo Takashi

Miyoshi 배관기술(일) 46(10) 2004 pp43-47

36 등록번호 10-0522254(백원두 브레이크 라이닝(또는 패

드) 제조방법)

37 Jin-Goo Park et al Characterization of Fluorocarbon

Thin Films by Contact Angles Measurements Journal

of Microelectronics amp Packaging Society6(1) 1999

pp39sim49

74

38 유호천 ldquoDLC 코팅 표면처리rdquo KiSTi 중소기업 정보지

원 2011 10 11

39 유호천 ldquoPVD DLC TRD 코팅설비를 활용한 복합충

개발및 제품적용rdquo KiSTi 중소기업 정보지원 2010 10

21

40 김유상 ldquo알루미늄합금에의 DLC코팅기술rdquo KiSTi 첨단

기술정보분석 2013 02-01

41 국립환경과학원 ldquo화학물질 배출량 조사 OECD와 협력

강화rdquo 보도자료 (2010 11 18)

42 월간기계기술 기자 ldquo새로운 코팅기술과 공구에 대한 적

용rdquo 2005년 3월호

43 加納 眞 ldquoDLC コ-ティングの適用技術と課題rdquo トライ

ボロジスト(日本) 52(3) 2007 pp186-191 송희국 모티

터링분석 KiSTi

44 식품의약안전청 연구보고서(연구책임자 유승석) 불소

지코팅 주방기구의 안전성 평가 2004 12

45 Teflon offgas studies Environmental Working Group Ewg

org Retrieved on 2013-01-01

46 식품의약품안전청 ldquo식품용 기구 및 용기 포장 공전rdquo 2012

47 廣野高生 ldquo環境保全型フッ素系 撥水撥油剤の 開發と 工

業化rdquo ファインケミカル(日本) 37(11) 2008 pp39-44

이치옹 모니터링분석 KISTI

75

저자소개

김학주(金鶴柱) 서울대학교 문리과대학 화학과 졸업 이학사

전북대학교 대학원 화학과 이학박사

(주)삼양사 의약연구소장 신성대학교 교수

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 폴리에스테르 섬유의 연중직방기술 외 다수

저서 기기분석 공업물리화학 일반화학

성용길(成墉吉)

동국대학교 이과대학 화학과 졸업 이학사 이학석사

부산대학교 대학원 화학과 이학박사(Dr Sci)

University of Utah USA Ph D(공학박사) Post Dr

유타대학교 연구교수 부산대학교 교수 동국대학교 교수

동국대학교 명예교수 한국원자력문화진흥원 이사

과학문화연구원전문연구위원 한국도량형과학문화연구원 원장

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 의료용 기능성 고분자재료에 관한 연구 외 330편

저서 고분자 물성론 (서울대학교 출판부 공저) 외 10권

74

38 유호천 ldquoDLC 코팅 표면처리rdquo KiSTi 중소기업 정보지

원 2011 10 11

39 유호천 ldquoPVD DLC TRD 코팅설비를 활용한 복합충

개발및 제품적용rdquo KiSTi 중소기업 정보지원 2010 10

21

40 김유상 ldquo알루미늄합금에의 DLC코팅기술rdquo KiSTi 첨단

기술정보분석 2013 02-01

41 국립환경과학원 ldquo화학물질 배출량 조사 OECD와 협력

강화rdquo 보도자료 (2010 11 18)

42 월간기계기술 기자 ldquo새로운 코팅기술과 공구에 대한 적

용rdquo 2005년 3월호

43 加納 眞 ldquoDLC コ-ティングの適用技術と課題rdquo トライ

ボロジスト(日本) 52(3) 2007 pp186-191 송희국 모티

터링분석 KiSTi

44 식품의약안전청 연구보고서(연구책임자 유승석) 불소

지코팅 주방기구의 안전성 평가 2004 12

45 Teflon offgas studies Environmental Working Group Ewg

org Retrieved on 2013-01-01

46 식품의약품안전청 ldquo식품용 기구 및 용기 포장 공전rdquo 2012

47 廣野高生 ldquo環境保全型フッ素系 撥水撥油剤の 開發と 工

業化rdquo ファインケミカル(日本) 37(11) 2008 pp39-44

이치옹 모니터링분석 KISTI

75

저자소개

김학주(金鶴柱) 서울대학교 문리과대학 화학과 졸업 이학사

전북대학교 대학원 화학과 이학박사

(주)삼양사 의약연구소장 신성대학교 교수

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 폴리에스테르 섬유의 연중직방기술 외 다수

저서 기기분석 공업물리화학 일반화학

성용길(成墉吉)

동국대학교 이과대학 화학과 졸업 이학사 이학석사

부산대학교 대학원 화학과 이학박사(Dr Sci)

University of Utah USA Ph D(공학박사) Post Dr

유타대학교 연구교수 부산대학교 교수 동국대학교 교수

동국대학교 명예교수 한국원자력문화진흥원 이사

과학문화연구원전문연구위원 한국도량형과학문화연구원 원장

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 의료용 기능성 고분자재료에 관한 연구 외 330편

저서 고분자 물성론 (서울대학교 출판부 공저) 외 10권

75

저자소개

김학주(金鶴柱) 서울대학교 문리과대학 화학과 졸업 이학사

전북대학교 대학원 화학과 이학박사

(주)삼양사 의약연구소장 신성대학교 교수

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 폴리에스테르 섬유의 연중직방기술 외 다수

저서 기기분석 공업물리화학 일반화학

성용길(成墉吉)

동국대학교 이과대학 화학과 졸업 이학사 이학석사

부산대학교 대학원 화학과 이학박사(Dr Sci)

University of Utah USA Ph D(공학박사) Post Dr

유타대학교 연구교수 부산대학교 교수 동국대학교 교수

동국대학교 명예교수 한국원자력문화진흥원 이사

과학문화연구원전문연구위원 한국도량형과학문화연구원 원장

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원(현)

논문 의료용 기능성 고분자재료에 관한 연구 외 330편

저서 고분자 물성론 (서울대학교 출판부 공저) 외 10권