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다양한 전자 장치에서 활용되는 컨포멀 코팅

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글/리암 크리츨리(Liam Critchley), 화학 및 나노 기술 전문 작가이자 저널리스트

제공/마우저 일렉트로닉스(Mouser Electronics)

컨포멀 코팅(conformal coating)은 재료의 표면 전체를 덮는 특수한 유형의 코팅으로, 다양한 전자 부품을 열적, 기계적, 환경적 스트레스로부터 보호하고 의료 산업을 비롯한 다양한 분야에서 부품을 살균 상태로 유지하는 데 사용될 수 있다. 컨포멀 코팅은 다양한 이점을 가지고 있는데, 그 중에서도 복잡한 기하학적 구조를 지닌 표면에 완전히 맞아떨어질 수 있다는 이점은 이 코팅 방식이 사용되는 가장 주요한 이유로 꼽힌다. 또한, 고온에 대한 저항성과, 그리고 ‘열전도성 컨포멀 코팅’이라는 명칭으로 불리게 만든 특성인 열을 균일하게 방출하는 능력은, 잔열이 많이 발생하면서도 부품 손상을 방지하기 위해 열이 균일하게 분산되어야 하는 환경에서 그 진가를 발휘한다. 열전도성 컨포멀 코팅이 가장 널리 활용되고는 있지만, 컨포멀 코팅은 전자 장치에서 다양한 목적으로 사용될 수 있다.

컨포멀 코팅에 사용되는 다양한 재료

컨포멀 코팅은 다양한 재료들로 만들어질 수 있으며, 각각의 재료는 용도에 따라 고유한 장점을 지니고 있다. 도포 방법은 스프레이나 딥 코팅처럼 간단할 수 있지만, 핵심은 표면을 완전히 덮을 수 있을 정도로 충분히 유동적이면서 코팅을 효과적이고 견고한 방어막으로 만들 수 있는 경화성 재료에 있다. 컨포멀 코팅은 주로 에폭시 수지, 아크릴, 폴리우레탄, 실리콘, 파릴렌과 같은 재료들로 만들어진다. 이 재료들은 모두 특별한 특성을 지니고 있고 가격도 모두 다르며, 전자 장치 내에서의 용도 역시 다르다.

에폭시 수지는 절연성 폴리머로서, 열을 분산하는 훌륭한 매체이다. 이들은 대부분의 유해한 자극에 대해 방어막이 되어줄 만큼 충분히 강하지만, 기판의 표면에서 경화되면 재작업을 하거나 제거하기가 본질적으로 어려워진다. 화학 재료를 사용하면 코팅이 손상되기 때문에 코팅을 태우는 것만이 재작업을 위한 유일한 옵션이다. 하지만 전자 장치에 있어서 이는 바람직한 접근 방식이 아니다.

아크릴은 이와 다른 종류의 폴리머 수지이다. 아크릴은 상온에서 도포가 가능하므로 도포 과정에 열을 사용할 필요가 없으며, 액상 도포형 코팅용으로 방어막 특성이 가장 높은 것으로 알려져 있다. 아크릴을 사용하는 또 다른 이유는 사용 수명이 길며 경화 단계에서 주변 부품에 잔류 열을 방출하지 않기 때문이다. 단점은 다양한 용매가 이들을 용해할 수 있어 열적, 기계적 안정성은 높지만 화학적 안정성은 그렇지 않다는 것이다.

폴리우레탄은 가장 흔히 사용되는 재료이며, 가장 비용이 적게 드는 옵션이라는 부분도 큰 장점으로 꼽힌다. 우레탄은 에스테르 함유 성분이 포함된 기본 유기 분자이고, 폴리우레탄은 단량체 단위 사이의 우레탄 결합으로 구성된 고분자 재료다. 폴리우레탄은 구성을 쉽게 조정할 수 있으며 단일 성분, 2성분, UV 경화성 및 수성 컨포멀 코팅을 포함하여 광범위한 컨포멀 코팅을 만드는 데 사용할 수 있기 때문에 널리 사용된다. 이는 열적, 화학적, 전기적 자극에 대한 유익한 방어막을 제공하는 점 외에 습기에 대한 저항성도 제공하는 것으로 널리 알려져 있다. 폴리우레탄의 한 가지 단점은 알칼리 용매를 사용하면 쉽게 제거된다는 점이다.

실리콘은 산소와 규소 원자가 교대로 결합하여 사슬식 구조를 형성, 여기에 탄소 및 수소 원자가 부착된 화합물인 실록산 단위(siloxane unit)로 구성된 고분자 재료다. 실리콘은 다른 자극뿐 아니라 온도에도 강한 저항력을 갖게 하는데, 이는 실리콘이 방열 코팅으로서 사용된다는 것을 의미한다. 하지만 이는 화학적 침식에는 안정적이지만, 역학적인 힘에 있어서는 가장 강력한 코팅 성능을 제공하지 못하고 쉽게 마모될 수 있다.

파릴렌은 지금까지 언급한 재료들 중에서 유일하게 기체 방식으로 도포되는 코팅 재료이지만, 이 도포 공정은 다른 코팅 방법으로는 도달할 수 없는 매우 작은 틈까지도 스며들 수 있음을 의미한다. 이는 매우 균일한 코팅 방법으로 알려져 있으며, 경화 과정이 필요 없다. 게다가 생물학적 침식에 강하며 부품과 장치를 살균 상태로 만들 수도 있다. 그러나 파릴렌 코팅은 도포 비용이 다른 방법에 비해 훨씬 높기 때문에, 추가적인 핀포인트식 적용이 필요치 않은 경우 사용이 제한될 수 있다.

컨포멀 코팅을 사용하는 부품

전기 장치 내의 모든 부품이 컨포멀 코팅의 이점을 누릴 수 있는 것은 아니며, 이런 경우에는 다른 코팅 기술을 사용하거나 코팅을 전혀 하지 않는 것이 오히려 더 좋다. 그러나 어떤 부품들은 표면 전체를 덮는 코팅으로 인해 기하학적 구조에 상관없이 열적, 기계적, 환경적 스트레스를 견디는 등 다양한 이점을 누릴 수 있다. 기존의 코팅 방법이 전체 표면을 덮을 수 없거나 다른 코팅 방법들의 비용이 인상될 때마다, 다양한 표면에 적용할 수 있고 완전한 방어막을 제공할 수 있다는 장점은 복잡한 부품과 장치에서 더욱 효과적으로 활용되었다. 또한 부품들은 기계적, 열적 스트레스를 받을 가능성이 있거나, 설치 과정에서 험하게 다루어지거나, 물리적 손상을 입을 가능성이 있거나, 부품 소독이 필요할 때 컨포멀 코팅의 이점을 얻을 수 있다.

이들 모두를 일일이 명시하기에는 너무 많은 사례가 있지만, 컨포멀 코팅을 적용할 수 있는 부품의 종류와 그 이유를 설명하기 위해 몇 가지 부품을 살펴볼 수는 있다. 이를 통해 컨포멀 코팅이 적용 가능한 범위를 확인해볼 수 있을 것이다.

첫 번째 예시는 전기 모터이다. 모터에는 코팅하거나 보호하기 어려운 작고 움직이는 기계 부품이 많이 포함되어 있다. 하지만 모터는 다양한 전자 장치에 사용되는 중요한 부품이다. 모터에 에폭시, 폴리우레탄, 파릴렌이 주로 사용되는 이유는 다양하다. 우선 에폭시는 모터의 내부 온도를 조절하여 제품 수명을 연장할 수 있다. 또한 에폭시는 마모에 대한 높은 저항성을 제공한다. 폴리우레탄은 모터에 습기와 마모에 대한 저항력을 제공하며, 파릴렌은 기체 형태로 작은 틈을 뚫고 모터의 복잡한 기하학적 구조를 코팅할 수 있기에 사용된다. 파릴렌은 또한 부분적으로 윤활유 역할을 할 수 있다. 이는 고유한 드라이 필름의 윤활성을 갖추고 있어 움직이는 부품 표면에 코팅이 존재하면 움직임이 방해받지 않기 때문이다.

두 번째 예시는 회로 보드이다. 회로 보드는 컨포멀 코팅 방식이 사용되는 가장 대표적인 사례라고 할 수 있다. 에폭시와 파릴렌 모두 회로 보드에 널리 사용되는 재료들이다. 에폭시는 온도를 조절하고 심각한 과열을 방지할 수 있다는 특성을 갖추었기에 회로 보드에 사용되는데, 회로 보드에는 열을 동시에 방출할 수 있는 다양한 부품이 포함되어 있어 회로 보드의 수명이 늘어나게 된다. 파릴렌은 회로 보드의 표면에 존재하는 모든 작은 틈을 덮을 수 있다는 점 때문에 사용된다. 또한 재료가 갖춘 고유의 윤활성은 소수성 상호 작용으로 인해 파릴렌 코팅된 회로 보드를 물 손상과 먼지로부터 덜 민감하게 만들어준다.

세 번째 예시는 전자 장치에 사용되는 자석이다. 이는 가장 명확한 부품이 아니고 여기에 부착되는 재료 역시 마찬가지지만, 이들은 다양한 화학 재료에 민감한 경우가 많다. 그렇기 때문에 파릴렌은 이러한 경우에 유일하게 사용되는 재료인데, 이는 증착 방법 때문이다. 코팅을 기체 방식으로 증착하면 자석의 전이 금속 이온이 증착 분자와 반응하는 것을 방지할 수 있다. 액체 코팅의 경우, 자석 표면과 반응하는 경향이 있어 자석에 손상을 입히고 결과적으로 자석의 기능을 저하할 수 있기 때문이다.

네 번째이자 마지막 예시는 전력 저항이다. 전력 저항 소자는 온도가 높으며 작용하는 물리적 힘이 적어 실리콘이 가장 많이 활용되는 분야 중 하나이다. 전력 저항의 열은 실리콘 코팅에 의해 방출되며, 실리콘 코팅은 고온을 견디며 고르게 방출될 수 있기 때문에 전자 장치의 어느 부분에도 국부적으로 열을 방출하지 않는다.

맺음말

컨포멀 코팅은 형상에 관계없이 전자 부품을 코팅하여 고온이나 기계적 마모에 대해 강한 내성을 제공할 뿐 아니라 의료 애플리케이션에서 사용될 경우 살균 상태로 만들 수 있는 방법을 제시한다. 또한 컨포멀 코팅은 전자 부품에서 발생한 열을 방출할 수 있기 때문에, 다른 부품에서 방출되는 잔류 열로부터 생긴 국부적인 열점으로 인해 전자 부품이 과열되는 것을 막을 수 있다. 그렇기에 다양한 재료를 코팅 표면에 사용할 수 있는 컨포멀 코팅은 광범위한 분야에서 다양한 애플리케이션에 적용할 수 있는 기술이다. 

leekh@seminet.co.kr
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