1. 서 론
인쇄모틀(mottle)이란 도공지 인쇄 시 나타나는 인쇄결함 중 하나로서 인쇄면 상에서 잉크가 종이에 균일하게 인쇄되지 않고 작은 얼룩이 나타나는 것을 말한다. 인쇄모틀의 원인은 원지의 불균일성으로 인한 부위별 도공량의 변이와 바인더 마이그레이션(binder migration)에 인한 바인더의 불균일한 분포 때문이다.1)
특히 바인더 마이그레이션은 매체의 공극에 의해 결정되는데 Lucas-Washburn 식(Eq. 1)에 의하면 매체 공극의 지름이 증가할수록 액체의 침투거리가 증가한다고 알려져 있다. 이 공식에 따라 프리코팅층의 공극을 조절하게 되면 탑코팅층 도피 시 탑코팅층 도공액 내 액체의 이동거리를 최소화 시킬 수 있으며 이 탑코팅층 도공액 내 바인더 마이그레이션을 감소시킬 수 있다. 다시 말해 프리코팅층의 공극 조절로 탑코팅층의 바인더 마이그레이션을 감소시킬 수 있으며 그에 따라 최종 인쇄모틀 발생까지 조절 가능하다고 사료되어진다.2,3)
여기서 ι: penetration distance, η: viscosity of liquid, r: pore radious, t: penetration time, ϒ: surface tension of liquid, θ: contact angle between the liquid and the solid phases.
이처럼 다층도공은 프리코팅층의 조절을 통하여 싱글도공에 비해 인쇄모틀에 원인이 되는 바인더 마이그레이션이 적게 발생한다는 장점을 가진다. 이러한 이유로 프리코팅층의 공극구조가 탑코팅층의 인쇄모틀에 가장 많은 영향을 미치는 인자이기 때문에 프리코팅층의 공극구조를 적절히 형성시켜 인쇄모틀을 줄이려는 연구가 많이 수행되어졌다.4-6) 프리코팅층의 조절로 인하여 인쇄결함인 인쇄모틀을 줄일 뿐만 아니라 탑코팅층의 최종 인쇄적성에도 영향을 미친다는 것이다. 이러한 프리코팅층의 공극구조는 프리코팅액의 주성분인 도공안료 및 바인더에 의하여 결정되며 프리코팅층의 안료특성 또는 배합 및 바인더 물성에 의하여 최종 인쇄적성까지 조절 가능하다.
최근 인쇄모틀에 영향을 미치는 프리코팅층 공극의 분포 및 크기의 측정에 대한 많은 연구가 수행되어졌다.5-8) 반면 프리코팅층의 흡수거동 측정에 관한 연구는 수행되어지지 않았으며 만약 프리코팅층의 흡수거동의 측정이 가능하다면 인쇄모틀과 프리코팅층과의 상관관계를 파악할 수 있다.
이에 본 연구에서는 프리코팅층에 안료배합 변경 및 서로 다른 물성의 바인더를 적용한 도공지를 사용하여 프리코팅층의 흡수거동 및 탑층의 mottle index를 PEA(print evenness analyzer)를 사용하여 평가하였다. 또한 프리코팅층의 흡수거동 및 탑코팅층의 인쇄모틀과 mottle index와의 상관관계를 규명하였다.
2. 재료 및 방법
2.1 공시재료
2.1.2 안 료
본 연구에 사용한 도공용 안료는 입자크기가 서로 다른 두 종류의 GCC(ground calcium carbonate) 및 clay 그리고 한 종류의 talc를 사용하였으며 그 물성은 Table 1과 같다.
2.1.3 바인더
도공액 중 바인더에 의한 변화를 확인하기 위해 물성이 서로 다른 4종의 SB계열 라텍스(L1-L4)와 안료에 의한 변화를 확인하기 위해 두 종류의 SB계열 라텍스(K1과 K2)를 사용하였고, 그 물성은 Table 2와 같다. L1과 L2는 입자경에 의한 변화를 확인할 수 있으며, L1과 L4는 Tg에 따른 변화, L3과 L4는 gel content에 의한 변화를 확인할 수 있다.
2.2 실험방법
2.2.1 도공액의 제조
도공액의 프리코팅층의 고형분 농도를 62%로 탑코팅층의 고형분 농도를 65%로 제조하였다. 바인더의 종류를 변경한 프리코팅층은 Table 3으로 안료 배합비를 변경한 프리코팅층은 Table 4의 배합비로 제조하였으며, 탑코팅층은 Table 5의 배합비로 도공액을 제조하였다.
Table 3
Formulations of pre-coating (unit: pph)
| A | B | C | D | |
|---|---|---|---|---|
| GCC1 | 100 | |||
| L1 | 10 | - | - | - |
| L2 | - | 10 | - | - |
| L3 | - | - | 10 | - |
| L4 | - | - | - | 10 |
| Rheology modifiers | 0.10 | |||
| Lubricant | 0.50 | |||
| Insolubilizer | 0.30 | |||
2.2.2 도공지 제조
도공지는 실험실용 반자동 코터(K-control coater, RK Print Coat Instrument Ltd, UK)를 사용하여 제조하였다. 프리코팅량을 편면 9±2 g/m2으로 하였다. 도공 후, 105℃의 열풍 건조기(YJ-8600D, Yujin Electronics, Korea)에서 30초간 건조하였다. 제조된 프리 도공지에 다시 편면 9±2 g/m2으로 탑코팅 하였다. 그 후, 슈퍼 캘린더(supercalender, Beloit Corporation, USA)를 사용하여 온도 70℃, 압력 300 psi에서 도공지가 steel면으로 향하게 한 후 1회 통과시켰다.
2.2.3 도공지의 흡수성 평가
프리코팅층 및 탑코팅층의 흡수거동을 평가하기 위하여 Fig. 1의 PEA(print evenness analyzer) module을 이용하여 측정하였다. PEA는 초음파를 방출하는 transmitter와 횡 방향으로 1 mm 간격마다 32개의 센서가 장착된 receiver로 구성되어있다(Fig. 2). Sample holder에 시편을 붙여 PEA의 measuring cell에 넣으면 종이 샘플로 물이 흡수, 침투된다. Transmitter에서 방출된 초음파는 종이 샘플을 투과하여 receiver에서 측정된 데이터를 컴퓨터에서 처리하여 모니터에 1 mm 간격마다 종이의 흡수도를 나타내어준다(Fig. 2).9,10) 일반적인 도공공정을 고려하여 0-1초 영역에서 흡수거동을 측정 및 평가하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1 프리코팅층의 흡수거동
Fig. 3은 프리코팅층에 서로 다른 안료배합을 적용한 도공지의 1초 동안의 흡수거동을 평가한 것이다. 입자경이 작은 GCC 2를 첨가할수록 액체의 흡수가 느리게 일어나는 것을 확인하였다. 또한 clay의 첨가로 인하여 액체 흡수가 느려진다는 것도 확인하였다. 이는 입자경이 작은 안료 첨가 및 종횡비가 높은 안료 첨가에 따라 도공층의 팩킹 상태가 변화하였으며 이로 인하여 도공층의 공극구조가 변경되어 흡수거동 특성이 변화하였을 것이라 사료된다. Talc는 초기에 흡수그래프가 반대로 나타나는 것을 관찰하였는데 이는 PEA측정 시 초기 값의 상승은 wettability와 관련되어지므로 talc의 wettability에 의한 결과라 사료된다.
Fig. 4는 프리코팅층에 서로 다른 물성의 라텍스를 적용한 도공지의 1초 동안의 흡수거동을 평가한 것이다. 입자경이 작은 라텍스를 첨가할수록 액체의 흡수가 빠르게 일어나는 것을 확인하였다. 또한 Tg가 낮은 라텍스 적용 시 흡수가 느려지는 것을 확인하였다. 반면 gel content에 의한 차이는 미미하였다. 이는 라텍스 물성 중 Tg와 입자경이 프리코팅층의 흡수거동에 미치는 영향이 큰 것으로 사료된다. 반면 안료배합 변경에서와는 다르게 그 차이가 확연하게 나타나지 않았다. 이는 안료가 바인더 대비 도공층 내 많은 부분을 차지하기 때문이라 사료된다.
3.2 프리코팅층의 시간별 흡수 균일성 평가
Fig. 5는 프리코팅층에 서로 다른 안료배합을 적용한 도공지의 시간별 흡수 균일성을 나타내고 있다. 입자경이 큰 GCC 1을 첨가한 경우에 1초 동안 가장 불균일하게 흡수되는 것을 확인할 수 있었다. 또한 clay 첨가에 따라 흡수성이 GCC 1 대비 균일해지는 것을 확인할 수 있었다. 입자경이 작은 GCC 2 및 clay 첨가 시와는 다르게 talc는 0.1초에서는 불균일한 흡수를 보이지만 시간이 지남에 따라 흡수성이 균일해지는 것을 확인할 수 있었다. 이는 talc의 wettability에 의한 것이라 사료된다.
Fig. 6은 프리코팅층에 서로 다른 물성의 라텍스를 적용한 도공지의 시간별 흡수 균일성을 나타내고 있다. 입자경이 작은 라텍스 첨가 시 프리코팅층에서 1초 동안 가장 불균일하게 흡수되는 것을 확인할 수 있었다. 또한 Tg가 낮을수록 균일한 흡수 능력을 보여주었으나 그 차이가 입자경에 의한 차이 대비 미미하였다. 반면 gel content에 의한 차이는 미미하였다. 프리코팅층의 흡수균일성은 라텍스 물성 중 입자경에 의한 차이가 크다는 것을 확인할 수 있었다. 반면 라텍스 물성에 의한 차이는 안료배합에 의한 차이보다 작았는데 이는 안료가 프리코팅층의 흡수거동에 보다 큰 영향을 미친 결과라 사료된다.
3.3 탑코팅층의 mottle index 평가
Fig. 7은 프리코팅층에 서로 다른 안료배합을 적용한 도공지의 탑코팅층의 mottle index를 보여주고 있다. 탑코팅층의 mottle index는 흡수시간영역에 따른 각 부위별 PEA 초음파 강도의 표준편차로 평가한다.1) 프리코팅층에 입자경이 큰 GCC 1 첨가 시 mottle index가 가장 높은 것을 확인할 수 있었다. 입자경이 작은 GCC2, clay 및 talc 첨가 시 mottle index가 GCC 1 대비 감소하였으며 특히 입자경이 작은 clay 1에서 가장 낮은 mottle index가 얻어질 수 있음을 확인하였다. 이를 통하여 프리코팅층의 특성이 탑코팅층의 mottle index에 영향을 미친다고 사료된다.
Fig. 8은 프리코팅층에 서로 다른 물성의 라텍스를 적용한 도공지의 탑코팅층의 mottle index를 보여주고 있다. 프리코팅층에 Tg가 낮은 라텍스 적용 시 mottle index가 낮아지며 입자경이 작을수록 mottle index는 높아지는 것을 확인할 수 있었다. 반면 gel content에 의한 차이는 미미하였다. 이는 프리코팅층의 라텍스 물성 중 Tg 및 입자경이 탑코팅층의 인쇄모틀에 영향을 미친다고 사료된다. 특히, Tg에 의한 차이가 다른 물성 대비 큼에 따라 프리코팅층 라텍스의 Tg에 따라 최종 인쇄적성에 영향을 미친다고 판단된다.
3.4 Mottle index와 인쇄모틀과의 상관관계
Fig. 9는 프리코팅층에 서로 다른 안료배합을 적용한 도공지의 mottle index와 인쇄모틀과의 상관관계를 보여주고 있다. 인쇄모틀 값은 기존 실험에서 인쇄모틀 평가 시 수행되어진 RI 및 Croda 인쇄 실험의 잉크농도의 표준오차 값을 사용하여 평가하였다. 인쇄를 통하여 얻은 인쇄모틀 결과와 PEA를 사용하여 얻은 mottle index와는 높은 상관관계를 가지는 것을 확인하였다.
Fig. 10은 프리코팅층에 서로 다른 물성의 라텍스를 적용한 도공지의 mottle index와 인쇄모틀과의 상관관계를 보여주고 있다. 프리코팅층의 안료배합을 변경하였을 때와 마찬가지로 프리코팅층에 서로 다른 물성의 라텍스 적용 시에도 인쇄모틀과 mottle index와는 높은 상관관계를 가지는 것을 확인하였다.
3.5 프리코팅층의 흡수거동 및 탑코팅층의 mottle index와의 상관관계 평가
Fig. 11은 프리코팅층에 서로 다른 안료배합을 적용한 프리코팅층의 흡수거동과 mottle index과의 상관관계를 보여주고 있다. 프리코팅층의 흡수거동과 mottle index와는 대체적으로 높은 상관관계를 가지는 것을 확인하였다. 이를 통하여 프리코팅층의 흡수거동에 따라 mottle index를 조절할 수 있다고 사료된다.
Fig. 11
Correlation between mottle index of top-coated layer and water absorption behavior of pre-coated layer.
Fig. 12는 프리코팅층에 서로 다른 물성의 바인더를 적용한 프리코팅층의 흡수거동과 mottle index과의 상관관계를 보여주고 있다. 프리코팅층의 흡수거동과 mottle index와는 높은 상관관계를 가지는 것을 확인하였다. 이는 프리코팅층의 흡수거동에 따라 mottle index를 조절할 수 있다고 사료된다.
4. 결 론
본 연구에서는 프리코팅층의 안료배합 변경 및 서로 다른 물성의 바인더를 적용한 도공지를 PEA(print evenness analyzer) 초음파 module을 이용하여 흡수거동 및 mottle index를 측정하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
입자경이 큰 GCC를 프리코팅층에 적용하였을 때 액체의 흡수가 가장 높았으며 시간에 따라 불균일한 흡수를 보였다. 반면 입자경이 작으며 종횡비가 큰 안료를 적용하였을 때 액체의 흡수가 느려지며 균일한 흡수를 보여주었다. 반면 talc의 경우는 clay 및 GCC와는 다르게 처음에는 흡수가 빠르고 불균일한 흡수를 보여줬으나 시간이 지남에 따라 균일하게 흡수되는 것을 확인 할 수 있었다. 입자경이 낮은 라텍스 적용 시 프리코팅층의 흡수성이 높았으며 Tg가 낮을수록 흡수성이 낮음을 확인하였다. 반면 gel content에 의한 차이는 미미하였다. 프리코팅층에 입자경이 작은 GCC 및 clay 첨가에 의하여 탑코팅층의 mottle index가 감소하였다. 프리코팅층에 적용한 라텍스의 Tg가 낮을수록 mottle index가 감소하였으며 입자경이 작을수록 mottle index가 증가하였다. 프리코팅층의 안료배합 변경 및 물성이 다른 라텍스 적용 시 탑코팅층의 mottle index는 인쇄모틀과 프리코팅층의 흡수거동과 높은 상관관계를 가지고 있었다.
연구 결과에 따르면 프리코팅층의 흡수 거동 평가에서는 안료 입자의 크기 및 종류 그리고 라텍스의 물성에 의해 흡수정도와 균일성을 파악 할 수 있었으며 프리코팅층이 탑코팅층에 영향을 미친다는 것을 확인하였다. 이는 탑코팅층의 물성은 프리코팅층에 의해 조절 된다는 것을 확인하였다. 이러한 결과로 인하여 프리코팅층 흡수거동의 조절을 통하여 탑코팅층의 인쇄적성을 조절 할 수 있기 때문에 우수한 고품질의 도공지를 생산할 수 있을 것이라 사료된다.
