성형성과 광택 지속성을 가지는 자기

수복 코팅 필름

1. 필름 표면 장식 기술에 대해서

표면 장식 기술이란, 플라스틱 등의 소재로 이루어지는 성형체의 표면에 착색 등의 가공을 해서 원소재와는 다른 질감과 내구성을 부여하는 것으로서 사용자에게 만족감을 가져다주는 것이다. 그 수법은 크게 나누어 “도장”, “도금”, “필름 표면 장식”등이 있고, 그 공법이나 사용 재료 등에 따라 더욱 여러 개의 방법으로 분류된다.

이 표면 장식 기술에 있어서 현재의 동향으로는 제조 공정에서의 환경부하 물질 저감이나 최종 제품의 고부가가치화, 코스트다운의 관점에서 필름 표면 장식이 확대 방향에 있어서 특히 자동차, 가전, 스마트 디바이스 용도에서의 신장이 기대되고 있다.

대표적인 필름 표면 장식 기술의 수법을 [표 1]에 정리하였다. 「스프레이 도장」은 성형체의 표면에 도제(塗劑)를 내뿜어서 건조, 경화하는 것이다. 다양한 형상에 대응할 수 있는 메리트가 있는 반면에 디자인이나 정밀도에 한계가 있어서 더욱 환경부하의 관점에서 문제가 있다. 「인몰드 전사」는 미리 인쇄한 필름을 금형에 세트하고 사출 성형할 때 성형체에 “전사”하는 것이다. 노트북 등의 전자 기기 하우징체 등으로 많이 이용되고 있지만 성형 신장률이 낮은 “얕은 성형”에 한정된다.

이러한 것에 비교하여 「인서트 성형」은 인쇄된 필름을 예비 성형(프리폼 성형)하고 수지를 사출 성형해서 일체화하는 것이다. 또한 「피복 성형」은 가열한 필름을 입체 형상의 성형체에 “형압”하고 감압하는 것으로 피복하는 것이다. 이러한 기술은 어느것이나 얕은 드로잉부터 딥드로잉까지 폭넓게 대응할 수 있고, 또한 친환경적인 필름 표면 장식 기술이다. 본문에서 소개하는 당사의 신규 개발품은 이러한 성형법을 타겟으로 하고 있다.

필름 표면 장식 성형에서는 사용되는 제품 분야나 디자인에 따라 필름에 요구되는 성형 신장률이 다르다. <그림 1>에 필름 표면 장식 성형이 사용되는 용도, 재료, 성형성의 관계를 나타낸다. 노트북이나 스마트폰 등의 전자 기기 하우징체에서는 필름에 요구되는 최대 성형 신장률이 대체로 200% 이하인 것에 비교하여 자동차 내장, 백색가전, 생활용품 등에서는 보다 입체적인 형상이 필요하기 때문에 최대 성형 신장률로서 300% 정도까지 있다. 그리고 성형 신장률이나 성형 공법의 관점까지 고려하여 필름 표면 장식 성형에 사용되는 기재 필름종이 선택되고 있다. 일반적으로 전자기기 등의 하우징체 용도에서는 기재 필름에 폴리에스테르를 사용하는 것에 비교하여 자동차나 가전, 생활용품 등에서는 기재 필름에 폴리카보네이트나 아크릴 등이 사용된다. 그리고 대부분의 경우, 상처를 방지하기 위해서 표면에 “하드 코팅”이 실시되고 있다.

이 필름 표면 장식 성형에서의 현재 트렌드로써, 피아노 블랙 마감으로 대표되는 것 같은, 강력한 광택과 깊은 색조로부터 고급감이 느껴지는 「고광택 마감」이 있다. 또 하나에는, 보다 복잡한 형을 만들 수 있는 「고신장률 성형체」에 대한 시프트이며, 기존에 과반을 차지하고 있는 최대 신장률이 150% 정도까지의 얕은 드로잉 용도로부터, 최대 신장률이 300% 근방의 딥드로잉 용도로의 적용이 확대하고 있다.

2. 기존의 필름 표면 장식 기술 과제

필름 표면 장식 성형은 앞서 말한 것처럼 앞으로 발전이 기대되는 기술이지만, 보급이 되려면 아직도 몇개의 과제가 남아 있다. 그 하나는 제품을 장기간 사용할 때 점차 광택감이 저하되는 문제이다. <그림 2>에 실생활 환경에서 사용할 때의 광택감 변화를, 가로축에 실생활 환경에서의 사용 기간을, 세로축에 광택감을 그려서 정리하였다. 최대 신장률 110% 정도의 비교적 성형성이 낮은 표면 장식 성형용 필름은 장기간 사용하더라도 광택감이 어느 정도 지속하지만, 최대 신장률 300% 정도의 성형성이 높은 재료에서는 광택감의 대폭적인 저하가 일어나서 사용자에게 불쾌감을 준다. 이 광택 저하의 정체는 생활 환경에서의 반복 마모에 의한 미세한 상처이다.

이 문제에 관해서 <그림 3>에 가로축에 최대 성형 신장률을, 세로축에 광택감 유지(내상성)를 잡고, 기존의 하드 코팅된 폴리에스테르, 폴리카보네이트, 아크릴 등의 성형용 필름과 당사의 기존 제품, 후술하는 신규 개발품을 정리하였다. 기존 기술은 「성형 신장률이 높을수록 내상성이 나쁘다」라고 말하는 “트레이드오프”의 관계에 있다.

필자 등은 이 문제에 대하여 실제의 환경에서 광택감에 영향을 주는 상처 형성의 거동을 반정량적으로 평가하였다. <그림 4>에 성형체를 가방 속에 넣고 가지고 다닐 때 가방의 내용물과 성형체 충돌에 의한 상처를 상정하고, 그 인자에 관해서 해석한 결과를 나타낸다. 표면에 대한 상처 형성 인자를, ① 상처는 생기는 것의 경도, ② 상처가 생길 때의 부하, ③ 문지르는 회수의 3개로 나누어 검토했더니 실제의 환경에서는 문지르는 재료의 경도는 낮고, 상처를 내는 부하도 비교적 작지만 그 회수가 대단히 많은 것에 특징이 있다. 소위 저부가, 저경도 재료에 의한 “Abration”에 상당하는 것을 알 수 있다 1).

토레이그룹에서는 기존의 “하드 코팅 필름”과는 다른 방법으로, 상처가 생기기 어렵게 만든 표면 장식 성형용 필름으로서 「자기 수복 코팅 필름 “터프톱Ⓡ SR”」을 개발하여 2011년부터 판매하고 있다 2). 여기서, 당사 기존 제품과 신규 개발품을 포함한 「자기 수복 코팅」의 메커니즘을 <그림 5>에 설명한다. 자기 수복 코팅은 표면에 상처가 생겨도 단시간에 수복하는 것이다. 그 메커니즘은 외력에 의해서 절단된 표면이 수복하는 것이 아니라 표면의 슬립성에 의해서 탄성 변형하기 쉬운 분자 골격으로 인해서 표면이 “변형하여” 외력을 흡수, 회복하는 것으로서 수복하는 것이다.

자기 수복 코팅과 하드 코팅의 실생활 환경에서의 상처에 대해서 <그림 6>에 나타낸다. 하드 코팅은 고가교 밀도의 단단한 층이 표면에 형성되어 있는데 일반적으로 약한 재료이다. 이러한 코팅층은 낮은 부하라서 부드러운 재료에 의해서 반복 마찰되는 경우에도 도막 내에 스트레인이 축적되어 흠집이 생긴다. 이것에 비교하여 자기 수복 코팅은 외력을 흡수, 회복할 수 있기 때문에 반복 마찰에 대하여 대단히 강하다는 특징이 있다. 앞서 말한 실제 생활 환경에서의 장시간 사용에서 광택 저하에 대하여 하드 코팅보다 유리하게 작용한다.

3. 본개발품의 기술 포인트

본개발품은 앞서 말한 필름 표면 장식 성형에서 사용자의 니즈에 맞추어 당사의 자기 수복 코팅 필름의 기존 제품을 비약적으로 진화시켜서 2개의 기능, 즉 성형하기 쉬움=「간편 성형성」과 「광택 지속성」의 양립을 실현하고 있다. 구체적으로는 <그림 3>에서 말한 것처럼 성형성으로서 최대 성형 신장률 300%를 달성함과 동시에 광택의 지속성으로서 연필 경도 2H의 하드 코팅을 상회하는 내상성을 달성하고 있다 3).

본개발품의 콘셉트에 관해서 <그림 7>에 나타낸다. 본개발품은 필름 기재 상에 자기 수복 코팅층이 구성되어 있고, 이 코팅층의 표면 부분과 두께 방향에 각각 기술포인트가 있다.

우선, 「광택감의 지속성」에 관해서는 자기 수복 코팅층을 신속하게 탄성 회복하는 섬 성분과, 완만하게 탄성 회복하는 바다 부분으로 이루어진 「미세 해도 구조」로 만들어서 내상성을 강화하였다.

이러한 미세 해도 구조 효과에 관해서 <그림 8>에 나타낸다. 기존의 자기 수복 코팅은 완만하게 탄성 회복하는 「바다 성분」만으로 구성되어 있기 때문에 빠른 속도에서의 충돌에는 약하고, 상처가 나기 쉬운 경향이 있었다. 이것에 대하여 표면을 미세 해도 구조로 만들어서 신속하게 탄성 회복하는 섬 성분을 미분산시킨 구조를 만드는 것으로서, 빠른 속도에서의 충돌에도 상처가 나지 않는 특성을 부여하고 있다.

「간편 성형성」에 대해서는 자기 수복 코팅층을 두께 방향으로, 내상성에 필요한 복원력이 높은 조직과 성형성에 필요한 신장률 좋은 조직을 이음매 없이 형성한, 「두께 방향 경사 구조」를 도입하는 것으로 달성하였다.

두께 방향 경사 구조의 효과에 관해서 <그림 9>에 나타낸다. 기존의 자기 수복 코팅은 기재 상에 복원력이 있는 조직만으로 형성되어 있기 때문에 성형시의 응력이 잔존한다. 계면에 집중하기 때문에 신장률이 커지면 도막(塗膜)이 파괴되는 문제가 있었다. 본 개발품에서는 기재측에서 표면측을 향하여 신장률이 좋은 조직부터 복원력이 높은 조직으로 이음매 없이 변하는 두께 방향 경사 구조 도입에 의해서 성형시의 응력을 완화, 흡수하여 코팅층을 끊어지기 어렵게 만들어서 최대 성형 신장률 300%의 간편 성형성을 달성하고 있다.

본개발품의 특징에 대해서 [표 2]에 나타낸다. 기존의 하드 코팅 필름이나 당사 기존 형의 자기 수복 코팅 필름에 대하여 성형 신장률을 크게 향상하고, 300% 신장하더라도 크랙(Crack)이 보이지 않는다. 또한, 광택의 지속성은 연필 경도 2H의 하드 코팅이나 당사의 기존 제품보다도 우수하다.

본개발품과 기존 기술, 당사의 기존 제품 특성을 [표 3]에 나타낸다. 본개발품은 기존 기술로는 불가능한, 최대 신장률 300%와 광택 지속성의 양립을 달성하였고, 헤이즈, 투명성 등 다른 특성에 관해서는 기존 기술에 대하여 동등 이상의 특성을 보이고 있다. 또한, 성형성에 관해서도 <사진 1>에서 보는 것처럼, 딥드로잉 형상에 추종할 수 있다.

맺음말

자기 수복 코팅 필름은 물리적으로 끊어진 도막(塗膜)이 복원, 재생하는 기술이 아니다. 그러나 누구나 생각하는 「상처가 생기지 않으려면 단단해야 한다」라고 하는 상식을 뒤집는 독특한 재료이다. 그 특징으로서 표면을 “단단히 만든다”는 것으로는 피할 수 없는 “약하다”는 문제를 피할 수 있는 뛰어난 메리트가 있다. 토레이그룹에서는 이 「자기 수복 코팅 필름」을 더욱 진화시키는데 가령 경도와의 양립이나 내 구성 등 여러 가지 기능과 복합시키는 것으로서, 폭넓은 필름 표면 장식 성형에서의 여러 니즈(needs)에 적응해 감과 동시에 그 특성을 살린 신규 용도로의 전개를 진행시켜 갈 것이다.

일본 “PLASTICS AGE” 2015년 9월호 전재