분체도료는 고체 분말입니다. 그 분말 하나하나의 크기 — 즉 입자 크기 분포(Particle Size Distribution, PSD)가 유동화 품질, 도착 효율, 도막 두께, 오렌지필 발생 여부에 큰 영향을 줍니다. 현장에서 "분체가 뭉친다", "도막이 울퉁불퉁하다", "회수 분체도료를 쓰면 품질이 떨어진다"는 불량들은 상당수가 PSD 문제입니다. 이 글은 μm 단위의 눈에 보이지 않는 세계로 들어가, 그 숫자들이 현장에서 어떤 의미를 갖는지를 처음부터 끝까지 파헤칩니다.

분체도료 입자 크기 분포(PSD) 분석 — 레이저 회절 측정 장비와 D10·D50·D90 분포 곡선 도해. 분체도장 품질의 핵심 변수를 나타내는 PowderKorea 대표 이미지.

분체도료의 입자 크기 분포(PSD)는 유동화·도착 효율·도막 품질을 결정하는 핵심 변수입니다.

Part 1 of 2
기초부터 현장 관리까지 — 초보자도 엔지니어도 함께

01 입자 크기란 무엇인가 — μm 단위의 세계

분체도료를 손으로 집어보면 매끄러운 고체 분말처럼 느껴집니다. 그런데 그 분말 하나하나의 지름은 대략 20~90 μm(마이크로미터) 수준입니다. 1 μm는 1mm의 1,000분의 1입니다. 사람 머리카락 굵기가 약 70 μm이니, 분체도료 입자 하나는 머리카락 굵기와 비슷하거나 그보다 작습니다.

크기 감각 잡기

머리카락 굵기 ≈ 70 μm / 분체도료 표준 입자(D50) ≈ 35~50 μm / 미세먼지(PM10) ≤ 10 μm
즉, 분체도료 입자는 머리카락보다 얇고, 미세먼지보다는 수 배 굵습니다.

이 크기가 왜 중요한가? 분체도장은 고압 전기로 이 입자들에 전하(電荷)를 부여하고, 전기적 인력으로 피도물에 부착시킨 다음, 열로 녹여 연속적인 도막을 만드는 공정입니다. 입자가 너무 작으면 공중에 떠다니거나 뭉쳐버리고, 너무 크면 피도물에 붙기도 전에 바닥으로 떨어집니다. 분체도료의 입자들의 크기가 도장 공정 전체를 지배합니다.

그리고 현실의 분체도료는 단일한 크기로 만들어지지 않습니다. 제조 과정에서 크고 작은 입자들이 함께 만들어지며, 이 크기들의 통계적 분포를 입자 크기 분포(Particle Size Distribution, PSD)라고 합니다. PSD를 이해하는 것이 이 글의 핵심입니다.

02 어떻게 측정하는가 — 레이저 회절의 원리

레이저 회절(Laser Diffraction) 입자 크기 측정 원리 다이어그램. 레이저 빔이 분체 입자를 통과할 때 회절 각도가 달라지는 것을 센서가 감지하여 입자 크기를 역산하는 과정. 큰 입자는 작은 각도, 작은 입자는 큰 각도로 빛이 꺾이는 원리.

그림 1. 레이저 회절 측정 원리 — 입자 크기에 따라 빛이 꺾이는 각도(회절각)가 달라지는 원리를 이용한다 (ISO 8130-13 기준).

PSD를 측정하는 업계 표준 방법은 레이저 회절(Laser Diffraction)을 이용한 방법입니다. ISO 8130-13과 ASTM D5861에서 규정하는 이 방법이 어떻게 작동하는지 직관적으로 설명하겠습니다.

빛이 작은 물체를 만나면 꺾인다

레이저 빔(단색 광선)이 입자를 지나갈 때, 빛은 그냥 직진하지 않습니다. 입자의 가장자리를 돌아가려는 성질 — 이것을 회절(diffraction)이라고 합니다. 핵심은 "입자가 작을수록 빛이 더 크게 꺾인다"는 것입니다. 반대로 입자가 클수록 빛은 작은 각도로만 꺾입니다.

물리학 포인트

이 현상은 프라운호퍼 회절(Fraunhofer Diffraction) 이론으로 설명됩니다. 빛의 파장(λ)과 입자 반경(r) 사이의 관계에서, 회절각(θ)은 대략 θ ∝ λ/r로 표현됩니다. r이 작아질수록 θ가 커집니다. 레이저 회절 장비는 이 회절각의 분포를 역산하여 입자 크기 분포를 계산합니다.

장비 안에서 일어나는 일

레이저 회절 장비 안에서는 다음과 같은 순서로 측정이 이루어집니다.

  1. 레이저 발사: 단일 파장의 레이저 빔이 분체 시료를 향해 발사됩니다.
  2. 산란 패턴 감지: 빔이 수천~수만 개의 입자를 통과하면서 각 입자 크기에 따라 서로 다른 각도로 회절됩니다. 렌즈 뒤편의 반원형 광센서 배열이 이 회절광의 강도를 각도별로 측정합니다.
  3. 역산 계산: 소프트웨어가 "이런 산란 패턴을 만들려면 어떤 크기의 입자들이 몇 %씩 있어야 하는가"를 수치적으로 역산합니다.
  4. 결과 출력: 부피 기준(volume-based)의 입자 크기 분포 곡선 및 D10·D50·D90 수치로 출력됩니다.
중요: 부피 기준(Volume-Based) 측정

레이저 회절은 부피 기준 분포를 제공합니다. 개수 기준이 아닙니다. 45 μm 입자 하나의 부피는 15 μm 입자 27개와 같습니다. 즉, 굵은 입자 몇 개가 전체 부피 통계를 크게 좌우합니다. 이것이 "굵은 입자 꼬리(coarse tail)"가 실제 도장 품질에 생각보다 훨씬 큰 영향을 미치는 이유입니다.

03 D10·D50·D90 — 세 숫자가 말하는 것

레이저 회절 결과지에는 항상 D10, D50, D90이라는 세 숫자가 등장합니다. 이 숫자들은 무엇을 의미할까요?

핵심 정의

Dxx는 "전체 부피의 xx%가 이 크기 이하의 입자로 이루어져 있다"는 뜻입니다.
예: D50 = 40 μm이면, 전체 분체 부피의 절반이 40 μm보다 작은 입자로 구성됩니다.

표 1. D10·D50·D90의 정의와 현장적 의미 (ISO 8130-13 기준)
지표 정의 현장적 역할 이 값이 크면 이 값이 작으면
D10 하위 10% 크기 한계 (미세 입자 대표) 유동화 안정성·습기 민감도 지표 유동화는 안정, 대전 효율 저하 뭉침(lumping), 역이온화 위험↑
D50 중앙값 (전체 부피를 반으로 나누는 크기) 도막 두께·도장 클래스 기준 도막 두꺼워짐, 레벨링 저하 얇은 도막, 세밀 도장 가능
D90 상위 10%를 제외한 최대 크기 (굵은 입자 대표) 오렌지필·TE(도착효율) 손실 지표 오렌지필, 바닥 낙하(low TE)↑ 매끄러운 도막, 얇은 필름 가능

현장에서 이 숫자가 어떻게 나타나는가

교과서적으로는 D50이 크면 도막이 두꺼워진다고 합니다. 실제 현장에서는 D90이 더 큰 문제가 됩니다. D90 이상의 굵은 입자들은 부스 안에서 운동에너지가 너무 커서, 정전기력으로 피도물에 끌리기 전에 이미 바닥으로 떨어집니다. 도착 효율(Transfer Efficiency, TE)이 직접적으로 낮아집니다.

반대로 D10이 너무 작은 경우(10 μm 미만 입자가 전체의 10% 이상), 이 초미세 입자들은 두 가지 문제를 동시에 일으킵니다.

첫 번째는 흩날림입니다. 미세 입자는 질량이 극히 작아서 정전기력보다 부스 내 공기 흐름(이송 공기, 배기 기류)의 힘이 훨씬 크게 작용합니다. 피도물 근처까지 도달했다가도 배기 기류에 휩쓸려 필터로 빨려 들어갑니다. 현장에서 "도료가 흩날리고 도장이 잘 안 된다"는 현상의 주된 원인이 여기 있습니다.

두 번째는 역이온화(Back Ionization)입니다. 부스 기류를 뚫고 피도물에 도달한 미세 입자들은 전하-질량비(q/m)가 높아 표면에 빠르게, 빽빽하게 쌓입니다. 이 전하 밀도가 임계값을 넘으면 도막 내부에서 방전이 발생하고, 방전으로 생성된 양이온이 건 방향으로 역류하면서 날아오는 분체 입자의 음전하를 중화시킵니다. 전하를 잃은 분체는 정전기 인력을 잃어 피도물에 부착되지 못합니다. 전압을 올려도 도장이 오히려 더 안 되는 상황이 이 경우입니다. 역이온화의 상세 메커니즘은 패러데이 케이지 효과 글에서 다루고 있습니다.

미분(초미세 입자) 과다 시 현장 흐름

미분이 많아지면 두 방향으로 동시에 문제가 생깁니다.

미분 과다
  ├─ [질량 너무 작음] 부스 배기에 흩날림 → 도착 효율 급감
  └─ [q/m 높음] 피도물 표면에 고밀도 전하층 형성
              └─ 역이온화 발생 → 뒤따라오는 분체 밀어냄
                        └─ 도막 불량, 크레터, 핀홀

회수 분체도료를 반복 사용할수록 미분 비율이 높아지는 이유, 그리고 신규 분체도료와의 혼합이 필요한 이유가 여기 있습니다. 자세한 내용은 Part 2에서 다룹니다.

분체도료 D10·D50·D90 입자 크기 분포 곡선(PSD curve) 다이어그램. 누적 부피 분포 곡선(S자형)에서 D10·D50·D90 지점을 표시하고, 각각이 의미하는 미세 입자/중앙값/굵은 입자 구간을 설명하는 도해. 정규분포 히스토그램과 누적곡선 동시 표시.

그림 2. PSD 분포 곡선 — 히스토그램(막대)과 누적 분포 곡선(S자형)에서 D10·D50·D90의 위치. D90 이후의 "굵은 꼬리(coarse tail)"가 실제 도장 품질에 미치는 영향이 크다.

표 2. 용도별 권장 입자 크기 스펙 (업계 기준 / ISO 8130-13 참고)
용도 D10 (μm) D50 (μm) D90 (μm) 목표 도막
범용 산업용 10 – 15 35 – 45 70 – 85 일반 광택·내구성
박막 (자동차) 8 – 12 30 – 35 55 – 65 최대 평활성
중방식 방청 15 – 20 45 – 55 85 – 110 고도막 (250 μm 이상)
텍스처·샌드 12 – 18 50 – 75 100 – 150 의도적 표면 질감

04 Span — 분포의 폭이 실은 더 중요하다

D50 하나만 보고 분체 품질을 판단하는 것은 위험합니다. D50이 같아도 분포의 폭(넓음/좁음)에 따라 도장 결과가 완전히 달라질 수 있습니다. 이를 수치화한 것이 Span입니다.

Span 계산식
Span = ( D90 − D10 ) / D50
예: D10=12, D50=42, D90=88이면 → Span = (88−12)/42 = 1.81

Span이 작을수록 입자 크기가 균일하고(tight distribution), 클수록 다양한 크기가 섞여 있습니다(broad distribution).

Span이 너무 좁을 때 (< 1.0)

모든 입자가 비슷한 크기라 입자 사이 공간이 많이 생깁니다. 용융 후 이 빈틈을 채우려면 수지가 많이 흘러야 하고, 흐름이 부족하면 핀홀·크레터가 발생합니다.

적절한 Span (1.0 – 1.8)

작은 입자가 큰 입자 사이의 빈틈을 채워 초기 패킹 밀도가 높아집니다. 용융 시 필요한 흐름이 적어 도막이 더 연속적으로 형성됩니다.

Span이 너무 넓을 때 (> 2.5)

미세 입자와 굵은 입자가 동시에 많아집니다. 미세 입자는 유동화 불안정을 유발하고, 굵은 입자는 오렌지필과 TE 손실의 원인이 됩니다. 분쇄(milling) 공정 이상이나 회수 분체도료(회수 분체도료)의 과도 혼합을 의심해야 합니다.

교과서적으로는 Span이 좁을수록 균일한 도막에 유리하다고 합니다. 실제 현장에서는 경험적으로 Span 1.2~1.8 범위가 "핀홀도 없고, 오렌지필도 없는" 최적 구간으로 알려져 있습니다. 이 범위에서 Andreasen 패킹 이론이 예측하는 입자 정전 효율이 가장 높습니다.

05 유동화(Fluidization) — 분체가 액체처럼 흘러야 도장이 된다

분체도료 호퍼(hopper) 내부 유동화 상태 비교 다이어그램. 왼쪽: 정상 유동화 상태 — 공기가 균일하게 분체 층을 통과하며 분체가 액체처럼 유동하는 상태. 오른쪽: 유동화 실패 상태 — 공기가 채널(rat-hole)로 빠져나가며 분체가 뭉쳐있는 상태.

그림 3. 호퍼 내부 유동화 상태 비교 — 정상 유동화(좌)와 Rat-hole 형성으로 인한 유동화 실패(우).

분체도장 시스템에서 분체도료는 호퍼(hopper)라는 저장 용기 하단의 다공판(fluidizing plate)에서 공기를 불어넣어 유동화(fluidization)됩니다. 유동화란 공기가 고체 입자 사이를 통과하면서 분체 전체가 마치 액체처럼 흘러 다니는 상태를 말합니다. 이 상태가 되어야 분체가 이송 호스를 통해 안정적으로 스프레이건으로 공급됩니다.

최소 유동화 속도(Umf)란

공기 속도를 서서히 높이다 보면 어느 순간 분체가 부유하기 시작합니다. 이 임계점을 최소 유동화 속도(Minimum Fluidization Velocity, Umf)라고 합니다. Umf 이하에서는 분체가 고정층(packed bed) 상태로 머물고, 이상에서는 팽창하면서 유동화됩니다.

D10(미세 입자 비율)이 높아지면 Umf가 달라집니다. 작은 입자일수록 표면적이 넓어 공기 저항은 크지만, 동시에 입자 간 부착력(응집력)도 강해집니다. 미세 입자가 과도하면 Umf 이후에도 유동화가 불안정해집니다.

현장 적용 포인트

호퍼 유동화 공기압을 서서히 낮췄을 때 분체 표면이 갑자기 꺼지듯 무너진다면(bed collapse), 미세 입자 함량이 과도하거나 수분에 의한 응집이 시작된 신호입니다. 정상 분체는 공기를 빼도 천천히 가라앉습니다.

06 Geldart 분류 — 내 분체는 어떤 타입인가

모든 분체가 같은 방식으로 유동화되는 것은 아닙니다. 영국의 화공학자 D. Geldart는 입자 크기와 밀도에 따라 분체의 유동화 거동을 4가지로 분류했습니다. 이것이 Geldart 분류(Geldart Classification)입니다.

표 3. Geldart 분류와 분체도장에서의 적용 (Geldart, 1973)
그룹 입자 특성 유동화 거동 분체도장 적용
Group A
(Aeratable)		 30–100 μm, 낮은 밀도 쉽게 유동화, 균일 팽창 후 거품 형성 표준 이상적 범주. 대부분의 열경화성 분체도료
Group B
(Sand-like)		 100–500 μm, 모래 유사 Umf에서 즉시 거품 형성 일부 헤비 텍스처 분체, 슬러리형
Group C
(Cohesive)		 < 20 μm, 매우 미세 응집성 강함, 채널·rat-hole 형성 문제 구간. 과도한 미세 입자, 회수 분체도료 누적 시 전이
Group D
(Spouting)		 크고 무거운 입자 분수형(spouting) 유동화 대형 금속 플레이크, 과굵은 입자("boulder")

Group A → Group C 전이: 현장에서 가장 위험한 변화

정상 분체도료는 Group A입니다. 그런데 회수 분체도료(reclaim powder)가 반복 사용되면서 미세 입자가 축적되거나, 수분에 의해 입자가 뭉치면 Group C 거동으로 전이됩니다. Group C 분체는 유동화 공기가 분체 전체를 통과하지 못하고 일부 구멍(채널 혹은 rat-hole)으로 빠져나갑니다. 결과는 스프레이건에서의 "spitting(뱉어내기)", "surging(간헐적 분출)", 최악의 경우 호퍼 완전 정체입니다.

Rat-hole 현상 진단

호퍼 옆면을 손바닥으로 탁 쳤을 때 분체가 쏟아져 나온다면 rat-hole이 형성된 상태입니다. 유동화 공기가 균일하게 분포하지 못하고 있다는 신호입니다. 호퍼를 비우고 미세 입자 비율을 점검해야 합니다.

07 습도·온도와 덩어리(Lumping) 문제

PSD를 완벽하게 관리해도 보관·운용 환경이 잘못되면 입자들이 뭉쳐 사실상 더 큰 입자처럼 거동합니다. 분체도료의 수분 민감성(hygroscopicity) 문제입니다.

덩어리가 생기는 세 가지 메커니즘

① 모세관 브리지(Capillary Bridge): 상대습도가 60%를 초과하면 입자 사이 미세 공간에 수분이 응결됩니다. 이 물방울이 표면장력으로 입자들을 서로 잡아당겨 소프트 덩어리를 만듭니다. 아직 이 단계에서는 풀 수 있습니다.

② Tg 저하(Plasticization): 수분이 흡수되면 수지의 유리전이온도(Tg)가 낮아집니다. 보관 온도가 낮아진 Tg를 초과하면 입자 표면이 부드러워지면서 서로 융착됩니다. 이 단계에서는 덩어리를 깨도 이미 입자가 변질된 상태입니다.

③ 고체 브리지(Solid Bridge): 흡수된 수분이 수지나 첨가제 일부를 용해시켰다가 다시 건조되면서, 입자들 사이에 고체 성분이 굳어버립니다. 이 단계는 되돌릴 수 없습니다.

표 4. 상대습도(RH)와 분체도장 공정 영향 (업계 기준)
상대습도 (%) 물리적 변화 도장 결과
< 30% 과도한 정전기 축적 역이온화, 불량한 wrap, 호스 스파킹
40 – 60% 이상적 상태 안정적 유동화, 예측 가능한 도착 효율
65 – 80% 모세관 브리지 형성 시작 surging, 소프트 덩어리, 인젝터 막힘
> 85% Tg 저하, 고체 브리지 형성 하드 케이킹, 완전 유동화 실패
현장 관리 기준
  • 보관·도장 부스 온도: 18–25°C, 상대습도: 40–60% 유지
  • 유동화 공기는 노점(dew point) −40°C 이하의 제습 공기 사용
  • 개봉된 분체도료 포대는 밀봉하여 재보관, 냉장고에서 꺼낸 분체는 실온 적응 후 사용
  • 장시간 사용하지 않은 호퍼 내 분체는 덩어리 여부 육안 점검 후 유동화 테스트

08 Part 1 결론 — 그리고 더 깊은 곳으로

Part 1에서 배운 것들

분체도료의 입자 크기(PSD)는 단순한 제품 스펙이 아닙니다. D10은 유동화 안정성과 역이온화 위험을, D50은 도막 두께와 커버리지를, D90은 오렌지필과 도착 효율을 각각 지배합니다. Span은 이 세 값의 관계를 하나의 숫자로 압축해 분포 전체의 품질을 나타냅니다.

Geldart 분류 관점에서 정상 분체도료는 Group A로 안정적으로 유동화됩니다. 그러나 미세 입자가 축적되거나 수분이 개입되면 Group C로 전이되어 rat-hole, surging, 완전 유동화 실패로 이어집니다. 온도·습도 관리는 PSD 관리만큼이나 중요한 이유입니다.

이 내용들은 현장 엔지니어라면 반드시 이해해야 할 기초이자, 불량 원인 추적의 출발점입니다.

다음 편 예고 — Part 2: 전문가 심화편
전하-질량비의 물리학, 도착 효율의 수학, 그리고 사이클론 회수 시스템까지

Part 1의 내용이 충분히 이해되었다면, 이제 더 깊은 곳으로 들어갑니다. Part 2는 PSD를 수식과 물리 법칙으로 해석합니다. 준비가 된 분만 따라오십시오. 😄

  • Pauthenier 방정식 — 입자 크기와 최대 대전량의 관계, 왜 미세 입자가 역이온화를 유발하는가
  • Stokes 법칙과 도장 부스 공기역학 — 굵은 입자는 왜 바닥으로 떨어지는가
  • Andreasen 패킹 모델 — 넓은 분포가 핀홀을 줄이는 이유
  • 신규 분체도료 / 회수 분체도료 60:40 혼합비 — Fines enrichment 현상의 물리학, 이 비율이 장비 제조사 경험칙에서 나온 이유, 그리고 사이클론 회수 시스템
  • ASTM D3451 · ISO 8130-13 기반 공정 관리 기준

참고 문헌

  1. Geldart, D. (1973). Types of gas fluidization. Powder Technology, 7(5), 285–292. doi.org/10.1016/0032-5910(73)80037-3
  2. ISO 8130-13:2021. Coating powders — Part 13: Particle size analysis by laser diffraction.
  3. ASTM D5861. Standard Guide for Significance of Particle Size Measurements.
  4. ASTM D3451. Standard Guide for Testing Coating Powders and Powder Coatings.
  5. Diamond Vogel. (n.d.). Particle Size Distribution Technical Bulletin. diamondvogel.com
  6. Tiger Coatings. (2024). Why Particle Morphology Matters in Powder Coating. tiger-coatings.com
  7. Prater Industries. (n.d.). Basics of Powder Coating Particle Size and Distribution. praterindustries.com
  8. HMG Powder Coatings. (n.d.). Knowledge: Fluidisation. hmgpowdercoatings.com
  9. PowderKorea. (2026). 패러데이 케이지 효과의 원리와 극복 전략. powderkorea.com
  10. PowderKorea. (2021). 분체도장 도막 두께에 대해서(DFT). powderkorea.com