1. 서 론
또한 국제적으로 석유자원의 매장량은 한정되어 있어 지속적인 유가 상승을 초래할 것이다. 유가 상승으로 인해 석유 관련 제품 가격이 상승하였고, 이는 pulp, latex 및 에너지 가격이 상승되는 결과를 가져왔다. 우리나라의 제지 산업은 펄프 및 주·부원료의 해외 수입 의존도가 높은 상황으로 유가 상승에 의한 원자재 가격의 상승은 더욱 더 제지산업의 침체를 야기 시킬 수 있다. 뿐만 아니라 외국의 신흥 제지업체의 등장으로 인한 국제 경쟁이 심화된 상황에 놓여 글로벌 경쟁력 강화를 위한 대책이 필요하다. 따라서 환경문제, 유가상승 및 외국의 대규모 신흥제지업체에 따른 경쟁력 약화문제를 해결하기 위해 국내 제지산업의 이산화탄소 및 원가 절감을 위한 해결 방안이 시급히 필요하다.3-6)
코팅용 도공액에 사용되는 바인더의 비중을 살펴보면 석유 기반 라텍스가 차지하는 비중이 매우 높은 것을 알 수 있다. 이러한 석유 기반의 기존 SBR 라텍스를 자연에서 얻을 수 있는 전분을 이용하여 생성한 바이오 바인더로 대체한다면 탄소 배출량 및 생산 원가 모두 줄일 수 있을 것이라고 사료된다.7)
따라서 본 연구에서는 현재 top 코팅에서 사용되는 SBR 라텍스를 바이오바인더로 대체하여 도공액과 도공지의 물성을 비교하고 인쇄 실험을 통해 바이오 바인더와 SBR 라텍스의 대체 가능성 및 원가절감 가능성을 평가하였다.
2. 재료 및 방법
2.1 공시재료
2.1.2 도공용 안료
도공용 안료는 입자크기가 서로 다른 2종의 GCC (Setacarb-K, Hydrocarb 60, Omya) 및 1종의 clay (Hydragloss, Engelhard사, U.S.A.)를 사용하였으며, 그 물성은 Table 1에 나타내었다.
2.2 실험방법
2.2.1 도공액 제조
Pre 코팅 및 top 코팅용 도공액의 고형분 농도는 각각 60%, 64%로 제조하였다. Pre 코팅층은 Table 4와 같이 제조하였으며 top 코팅층은 Table 5와 같이 점차 바이오바인더의 대체율을 높이면서 다섯 가지 배합비로 제조하였다.
2.2.2 도공지 제작
도공지는 실험실용 반자동 코터(K-control coater, RK print Coat Instrument Ltd, U.K)를 사용하여 제작하였다. Pre-coating 도공량을 편면 8±1 g/m2으로 하여 도공 후, 105 ℃의 열풍 건조기(YJ-8600D, Yujin Electronics, KOREA)에서 20초간 건조하였다. 제조된 도공지를 다시 편면 12±1 g/m2으로 top-coating 하였다. 그 후, 슈퍼 캘린더(Supercalender, Beloit Corporatiom, U.S.A.)를 사용하여 온도 70 ℃, 압력 300 psi에서 도공지가 steel면으로 향하게 한 후 2회 통과시켰다.
3. 결과 및 고찰
3.1 Top 코팅층의 바인더 대체에 따른 도공액 물성
3.2 Top 코팅층의 바인더 대체에 따른 도공지 물성
3.2.1 거칠음도 및 광택
Fig. 3과 4는 각각 도공지의 거칠음도와 광택 측정 결과를 보여주고 있다. 바이오바인더의 대체가 없는 샘플 A의 경우를 살펴보면 낮은 거칠음도 및 높은 광택이 나타났고 바이오바인더 대체 비율이 높아짐에 따라 거칠음도는 상승하고 백지광택은 낮아지는 경향이 나타났다. 안정성이 뛰어난 라텍스는 점차 건조가 되면서 완전하게 밀집 충전이 되어 필름이 형성되지만, 바이오바인더의 경우 전분으로써 내수성이 약하고 열가소성이 아니기 때문에 캘린더 처리에 있어 평활성 및 광택 발현성이 떨어진 결과라고 사료된다.
3.2.2 백색도, 백감도 및 불투명도
Fig. 5와 6은 각각 도공지의 백색도와 백감도를 나타내고 있다. 바이오바인더의 대체 비율이 증가함에 따라 백색도와백감도가 점차 감소하는 것으로 나타났다. 백색도 및 백감도는 원지의 영향을 많이 받는데 모두 동일한 원지를 사용하였기 때문에 원인이 될 수 없다고 판단된다. 따라서 일반적으로 알려져 있는 합성 바인더가 천연계 바인더 보다 색조면에 뛰어난 성능을 가지고 있기 때문이라고 사료된다.
Fig. 7은 도공지의 불투명도를 결과를 보여주고 있다. 바이오바인더 대체율에 따라 불투명도 값이 높아지는 경향을 보였다. 불투명도를 지배하는 인자에는 굴절율과 캘린더 처리 효과에 관계되는 열가소성이 있는데 열가소성이 상대적으로 떨어지는 전분의 경우 표면의 거칠음도가 높아 빛에 대한 굴절율을 높였을 것이라 사료된다.
3.2.3 Stiffness
Fig. 8은 도공지의 stiffness 측정 결과를 나타내고 있다. 명확한 경향성을 보이지는 않지만 바이오바인더가 첨가되지 않은 샘플 A보다 바이오바인더가 첨가된 대부분의 샘플들에서 stiffness가 향상된 것을 볼 수 있다. 바이오바인더 첨가량이 많아지면서 전분의 겔화가 일어나 강도를 향상시킨 것이라 사료된다.
3.3 Top 코팅층의 바인더 대체에 따른 인쇄 평가
3.3.1 Ink set-off 평가
Fig. 9는 RI 테스트용 인쇄기를 이용하여 Ink set-off를 실시한 인쇄샘플의 사진이며 Fig. 10은 인쇄샘플을 5점법을 통해 평가한 결과이다. 잉크세트성이 빠르면 인쇄광택의 저하가 발생하며, 느리게 되면 인쇄 시 뒷묻음이 발생 한다. Cyan 잉크가 묻어날수록 잉크세트성이 불량한 것으로 잉크세트 능력의 차이가 확실하게 나타났다. 바이오바인더 대체 비율이 높아질수록 잉크세트 능력이 좋아지는 것을 확인할 수 있다.
3.3.2 인쇄광택
Fig. 11는 인쇄 광택 측정 결과 값이다. Top 코팅층의 바이오바인더 대체 비율이 증가함에 따라 광택이 감소하는 경향을 보였다. 이 결과는 앞서 서술한 백지광택과도 비슷한 경향을 보이는 것인데, 인쇄광택은 일반적으로 백지광택에서 영향을 많이 받기 때문이라고 사료된다.
4. 결 론
본 연구에서는 SB 라텍스와 바이오 바인더의 대체 비율이 다른 다섯 가지의 탑층 도공액을 적용 시킨 후 도공액의 물성 및 도공지의 물성을 비교 분석해 보았다. 또한 RI 인쇄 테스트를 이용한 인쇄적성 및 인쇄 강도를 측정하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
1. 톱 코팅용 도공액의 점도는 바이오 바인더 사용량이 증가함에 따라 증가하였고 도공액의 보수성은 향상되었다.
2. 광학적인 측면에서 바이오 바인더의 대체 비율이 증가함에 따라 불투명도를 제외한 대부분의 광학적성질이 떨어지는 것으로 나타났다.
3. 바이오 바인더의 대체 비율이 증가함에 따라 거칠음도가 증가하여 도공지 광택 및 인쇄 광택이 저하되는 것을 확인하였으며, 반면 stiffness가 향상되는 것을 확인하였다.
4. 인쇄 세트성은 바이오 바인더 대체 비율이 증가함에 따라 개선되었으나 dry 및 wet pick에 대한 저항력이 감소되었다.
이상의 결과에서 볼 수 있는 바와 같이 톱 코팅용 도공액에 바이오 바인더를 사용할 경우 개선할 수 있는 것보다 악영향을 미치는 것이 더 많기 때문에 비록 친환경적이고 가격이 저렴하다고 할지라도 SB 라텍스를 사용하거나 소량 배합하여 사용하는 것이 더 바람직한 것으로 사료된다.
