정전도장

왜 배우는가: 정전도장은 도장 공정의 도료 손실을 줄이고 도막 품질을 높이는 대표적 전기응용 기술이다. 정전분체도장은 무용제 공정이라 환경·안전 규제 대응에 유리해 실무에서 널리 쓰이고, 두 문항 모두 원리와 특징을 묻기 때문에 시험에서 반복해 출제된다.

출제 이력: 제119회 1교시 13번, 제115회 1교시 13번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

정전도장은 도료 입자를 고전압으로 대전시켜 접지된 피도물에 정전기적 흡인력으로 부착시키는 도장법이다. 도료 입자를 직류 고전압으로 대전시켜 접지된 피도체에 정전 흡인력으로 부착시키는 도장 방법이다.

• 정전도장(Electrostatic Coating)
• 정전분체도장(Electrostatic Powder Coating)
• 코로나 방전(Corona Discharge)
• 정전 흡인력(Electrostatic Attraction)
• 도착효율(Transfer Efficiency)
• 패러데이 케이지 효과(Faraday Cage Effect)
• 역이온화(Back Ionization)
• 대전 방식(Charging Method)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 도료를 전기적으로 충전해서 물체 쪽으로 끌어당겨 붙이는 도장이다. 일반 스프레이는 도료가 공중에 흩어져 낭비되지만, 정전도장은 도료가 물체에 끌려가므로 낭비가 적다.

정식 정의는 다음과 같다. 정전도장은 직류 고전압에 의한 코로나 방전(부분 절연파괴)과 정전 흡인력을 응용하여 도료를 도장하는 방법이다. 도료 입자는 분무 노즐 근처에서 전하를 얻고, 접지된 피도물과 입자 사이의 전기장을 따라 이동하여 표면에 부착한다.

코로나 방전은 전극 주변의 강한 전기장에서 기체가 부분적으로 이온화되어 나타나는 방전이다. 정전도장에서 입자를 대전시키는 주된 수단이다.

정전분체도장은 도료를 용제 없이 고체 분말로 공급하는 방식이다. 분체는 정전 흡인으로 피도물에 붙은 뒤 가열 용융되고 경화되어 도막이 된다. 분체도료는 합성수지와 안료를 주로 하고 경화제, 충전재를 필요에 따라 배합한 분말 도료다.

대전 방식은 세 가지로 나뉜다. 직접 대전(Direct Charging)은 도료 공급 탱크나 배관에 전극을 담가 대전시킨다. 마찰 대전(Tribo Charging)은 도료가 노즐 내부 벽과 마찰하면서 전하를 얻는다. 분무 후 대전(Post-atomization Charging)은 분무된 입자가 노즐 출구 하류의 전기장을 지나며 대전된다. 분체도장에서는 코로나 건과 마찰 건이 주로 쓰인다.

3. 등장 배경과 필요성

기존 용제형 도료는 유기용제가 대기로 방출되어 대기오염과 화재 위험을 일으킨다. 또 스프레이 도장은 도료의 상당량이 공중에 흩어져 버려지는 오버스프레이가 많아 원가와 폐기물 처리 비용이 높다.

정전도장은 이 문제를 줄이기 위해 발전했다. 입자가 전기장을 따라 피도물에 끌려가므로 도착효율이 높아진다. 한편 분체도장은 용제를 쓰지 않아 소방·환경 규제와 폐수 처리 부담이 없다. 분체 오버스프레이는 회수해 재사용할 수 있어 도료 손실이 적다.

열경화성 분체도료는 1950년대 열가소성 수지에서 출발해 이후 다양한 용도로 확대되었다. 이런 배경으로 정전분체도장은 자동차 부품, 가전, 금속 구조물 도장에 널리 쓰인다.

정전도장은 한계도 함께 가진다. 정전기가 볼록한 부분에 모여 볼록부는 두껍고 오목부는 얇게 칠해지는 경향이 있다. 이 결점을 보완하려고 전착도장이 함께 쓰인다.

4. 구성요소·원리·절차

정전도장은 도료 입자를 전기적으로 대전시킨 뒤 접지된 피도물과의 정전기적 흡인력으로 부착시키는 도장법이다. 구성요소는 고전압 발생장치, 대전 전극(건), 도료 공급 장치, 접지된 피도물로 나뉜다. 이 중 도료를 대전시키는 방식이 원리의 핵심이다.

정전도장의 원리는 세 단계로 설명한다. 첫째, 노즐 부근에서 고전압에 의한 코로나 방전이 일어나 공기 이온이 생성된다. 둘째, 도료 입자가 이 이온과 충돌하여 같은 극성으로 대전된다. 셋째, 같은 극성끼리 서로 밀어내어 미립자가 퍼지고, 접지된 피도물과의 사이에 생긴 정전기적 흡인력으로 피도물 표면에 부착된다. 정전 흡인력은 도료 입자가 전기력선을 따라 이동하도록 만든다.

정전도장은 도료를 대전시켜 접지된 피도물에 정전기적 흡인력으로 부착시키는 방법이다.

대전 방식은 근거에 따르면 세 가지로 나뉜다. 직접 대전(Direct charging)은 전극을 도료 공급 탱크나 배관에 담가 도료 자체를 대전시키는 방식이다. 마찰 대전(Tribo charging)은 도료가 건의 통로를 지나며 벽과 마찰해 정전하가 쌓이는 방식이다. 분무 후 대전(Post-atomization charging)은 노즐 출구 하류의 전기장 속에서 미립화된 도료가 전하를 얻는 방식이며, 전기 유도나 코로나 또는 전극 링·메쉬·그리드로 전기장을 만든다.

정전분체도장은 같은 원리를 분체(고체 분말) 도료에 적용한다. 분체 입자는 대전 후 접지된 피도물에 부착되고, 이후 가열하면 분말이 녹아 평활한 도막을 이루며 열경화성 수지라면 중합으로 경화된다. 분체는 용제가 없으므로 액체 도장과 달리 탱크에서 체류시키는 방식과 달리 공기로 이송하여 분사하는 것이 일반적이다.

• 피도물 전처리(탈지·세척·인산염 피막 처리)를 하고 건조한다.
• 피도물을 접지하고 건 또는 디스크에서 도료를 미립화한다.
• 고전압을 인가하여 도료 입자를 대전시키고 흡인 부착시킨다.
• 피도물을 가열(소부)하여 분체를 용융·평활화하고 경화시킨다.
• 떨어진 과분무 분체는 회수하여 재사용한다.

정전 흡인력의 크기는 전극과 피도물 사이의 전위차와 거리에 의존한다. 전기장의 세기는 두 전극 사이 전위차를 거리로 나눈 값으로 근사할 수 있으며, 평행판 모델에서 E = \dfrac{V}{d} 로 쓴다. 여기서 E는 전기장의 세기(V/m), V는 인가 전압(V), d는 전극 사이 거리(m)다. 예를 들어 전압 60kV, 거리 0.3m이면 E = \dfrac{60{,}000}{0.3} = 2.0 \times 10^{5} V/m 이며, 이는 수 10만 V/m 수준으로 대전 입자를 끌어당기기에 충분한 값이다.

정전도장은 도료가 전기장 선을 따라 움직이므로 볼록한 부분에 전하가 몰려 두껍게 칠해지고 오목한 부분은 얇아지는 경향이 있다. 이 결점을 보완하기 위해 전착도장법이 쓰인다.

5. 관련 법령·기준·표준

정전도장과 정전분체도장에는 도장 전용 전기 기준이 따로 정해져 있지 않다. 대신 설비의 고전압 부분은 전기설비 관련 법규와 안전기준을 따른다. 전기설비 기준은 2021-01-01 부터 한국전기설비규정(KEC)이 적용되며, 도장 시설의 방폭과 화재·폭발 방지는 소방 및 산업안전 기준이 함께 적용된다. 아래 표는 본문에서 쓰는 핵심 기준값을 정리한 것이다.

소부 온도와 시간은 분체 종류에 따라 달라지므로 제조사 사양을 우선한다. 전기설비의 감전과 절연은 한국전기설비규정(KEC)의 고압·특고압 기준을 따르고, 도장 부스 내 화재·폭발은 소방 기준의 위험장소 구분을 따른다. 최근에는 전기설비와 소방 기준이 함께 적용되는 도장 설비의 안전 설계가 강조된다.

6. 유형과 비교

정전도장은 도료를 대전시키는 위치와 방법에 따라 세 가지로 나눈다. 대전 위치가 도료 공급 측인지 분무 이후인지에 따라 도착 효율과 적용 대상이 달라진다.

직접 충전은 구조가 단순하지만 도료 공급계 전체가 고전압 영역에 들어가 안전 관리가 어렵다. 트라이보 충전은 고전압 발생기 없이 마찰만으로 대전하므로 설비가 간단하다. 분사 후 충전은 실무에서 가장 널리 쓰이는 방식이다.