1. 서 론
최근 각 제지회사에서 지금까지 생산해 오던 품질을 넘어선 새로운 도공지 및 도공판지의 개발과 원가 절감에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히, 도공지 및 도공판지에 우수한 표면특성을 부여하는 것이 인쇄 품질 향상에 있어 중요하기 때문에 고가의 원료를 사용하고 있다. 그러나 최근 생산 원가 절감을 위하여 저가 원료의 사용을 증가시키면서 필러층에 사용된 저가 원료의 색이 표면으로 비치지 않도록 하는 기술의 개발이 절실히 요구되고 있다.
백상지 분야에서는 종이의 불투명도를 향상시키기 위하여 펄프의 배합을 조정하거나 충전제를 사용하는 방법을 적용하고 있으나 도공지의 경우에는 원지 제조에 양질의 원료를 사용하기 때문에 도공층의 불투명도 향상을 위한 기술 개발에 필요성을 느끼지 못했다. 그러나 판지의 경우에는 일반 백상지나 도공지와 달리 필러층에 저품질의 폐지를 원료로 사용하기 때문에 필러층 또는 필러층과 표층의 중간층의 짙은 색이 표면에 비치지 않도록 차단시켜 주기 위해서는 도공층의 불투명도가 중요한 역할을 한다. 물론 도공액의 주성분인 무기안료가 빛을 산란시켜 불투명도를 향상시켜 주기는 하지만 굴절지수가 비슷한 바인더가 안료 사이의 공간을 채우기 때문에 충전제만큼 큰 효과를 얻기 어렵다.
도공에 대한 연구는 무수히 많이 이루어졌지만 대부분이 도공층의 표면 또는 도공층의 구조 및 기공도를 조절하여 잉크의 침투 및 전이를 최적화함으로써 인쇄품질을 향상시키기 위한 연구가 많은 부분을 차지하고 있다. 이러한 일환으로 안료 입자의 모양과 크기를 조절하거나,1-3) 다른 안료를 이용한 다층 도공을 실시하거나,4,5) 또는 여러 종류의 안료를 혼합하여 사용하는 방법6-9) 등에 대한 연구가 이루어졌다. 그러나 상기와 같이 다양한 변화를 주었음에도 불구하고 불투명도에서 큰 변화를 나타내지 않았다. 이러한 이유로 도공과 관련된 연구에서 불투명도 개선에 대한 관심이 낮아졌다고 할 수 있다.
따라서 본 연구에서는 기존 연구 접근 방법과 달리 빛의 흡수를 증가시키는 방법을 통하여 도공층의 불투명도를 향상하기 위한 일환으로 염료의 적용을 시도하였다. 종이 도공에서 염료를 도공액에 적용한 예도 있으나10) 연구 목적은 외관을 보기 좋게 하고자 하는 것으로 불투명도의 개선 효과에 대하여는 평가되지 않았다. 종이 제조 시 습부에서 염료를 첨가할 경우 빛의 흡수에 의하여 불투명도의 개선 효과가 얻어질 수 있음은 이미 오래전에 알려졌으나11) 도공지 또는 도공판지의 불투명도 개선을 위한 수단으로는 검토된 경우가 확인된 바 없다.
본 연구에서는 도공판지의 Pre층에 각각 Violet과 Blue 염료의 배합비를 달리하여 도공지의 광학적 성질 및 인쇄품질에 미치는 영향에 대하여 조사를 실시하였다.
Table 1.
Properties of latex
| Gel content (%) | Particle size (Å) | pH | Viscosity (cPs) |
|---|
| SB Latex (703) | 50.1 | 1212 | 8.00 | 322 |
| SB Latex (760) | 50.0 | 851 | 8.15 | 230 |
2. 재료 및 방법
2.1 공시재료
2.1.1 도공원지
본 연구에 사용된 원지는 해외 O사의 평량 80 g/m2의 백상지를 사용하였다.
2.1.2 도공용 안료
Pre층에 GCC(KFMT-60HS, 태경산업)와 PCC(Syncarb F0474-On45%, Omya), Top층에는 GCC(Setacarb-K, HG)와 1종의 Clay(Hydragloss, Engelhard사, U.S.A.)를 사용하였다.
2.1.3 바인더 및 기타 첨가제
바인더는 Pre층에 SB Latex(SBL SL 703 Bulk, LG화학), Biobinder(Biz Biocat Top-2, 비즈켐)를 사용하였고 Top층에는 SB Latex(SBL SL 760 Bulk, LG화학)를 사용하였다. 공통적으로 첨가된 기타 첨가제로 유동성 개량제(Sterocoll-FD, DR-5311, 정원화학), 코팅량 상승제(Sterocoll-BL, WS-3000BL, 한국종합화학) 및 Blue, Violet, Black염료(Ponolith Blue J · Violet J · Black 381z, KEMIRA)를 사용하였다.
Table 2.
Properties of pigment
| Pigments | %.<10 µm | %.<25 µm | %.<50 µm | %.<75 µm | %.<90 µm | Mean particles
diameter (d50%) |
|---|
| GCC 60 | 1.020 | 1.501 | 2.267 | 3.781 | 6.108 | 2.267 |
| GCC 95 | 0.203 | 0.298 | 0.722 | 1.147 | 1.526 | 0.722 |
| Clay1 | 0.144 | 0.203 | 0.293 | 0.586 | 2.090 | 0.293 |
Table 3.
Formulations of pre-coating colour
| A | B | C | D | E | F |
|---|
| GCC 60 | 90 |
| PCC | 10 |
| SB Latex | 10 |
| STERO-BL | 0.04 |
| STERO-FD | 0.08 |
| Violet | 0.0075 | 0.0108 | 0.014 | 0.0165 | 0.019 | 0.007 |
| Blue | 0.014 | 0.0108 | 0.0075 | 0.005 | 0.0025 | 0.0038 |
| Black | - | - | - | - | - | 0.0108 |
| NaOH | 0.05 |
| TSC | 68% |
2.2 실험방법
2.2.1 도공액의 제조
Pre 코팅 및 Top 코팅용 도공액의 고형분 농도는 각각 68%, 67%로 제조하였다. 도공액에 투입되는 염료의 배합이 도공판지의 불투명도에 미치는 영향을 조사하기 위하여 Violet 염료와 Blue 염료의 투입량을 조절하였고, 상기 두 가지 염료의 투입량을 줄이고 소량의 Black 염료를 투입하여 총 6가지 Pre 코팅용 도공액을 제조하였다. Top 코팅층은 Violet과 Blue의 비율을 65:35로 고정시킨 후 6조건의 도공지를 제조하였다.
2.2.2 도공지 제조
도공지 제조방법으로는 실험실용 반 자동 코터(K-control, RK Print Coat Instrument Ltd., U.K.)를 사용하여 pre-coating 도공량을 편면 20±1 g/m2으로 하여 도공 후, 105℃의 열풍 건조기(YJ-8600D, Yujin Electronics, KOREA)에서 20초간 건조하였다. 제조된 도공지를 다시 편면 15±1 g/m2으로 top-coating 하였다. 그 후, 항온항습실에서 1일 동안 항습처리를 실시하고 슈퍼 캘린더(Supercalender, Beloit Corporation, U.S.A.)를 사용하여 온도 70℃, 압력 300 psi에서 도공지가 steel면으로 향하게 한 후 2회 통과시켰다.
2.2.3 광학적 특성
Top-coating까지 처리한 도공지의 거칠음도(PPS, L&W, Sweden), 광택도(Gloss meter, Model T480A, Technidyne corp., U.S.A.), Stiffness(Taber stiffness tester, Toyoseiki, Japan), 백색도, 백감도 그리고 불투명도(Elrepho 3300, Datacolor, International, U.S.A.) 값을 측정하였다.
Table 4.
Formulations of top-coating colour
| Top coating |
|---|
| GCC | 100 |
| SB Latex | 10 |
| STERO-BL | - |
| STERO-FD | 0.05 |
| Violet | 0.014 |
| Blue | 0.0075 |
| Black | - |
| NaOH | 0.1 |
| TSC | 67% |
2.2.4 인쇄적성 측정
도공지의 인쇄적성 평가 및 광택은 RI(RI-ll, KRK, JAPAN) 인쇄적성시험기로 평가하였다. 2가지 색상의 잉크(Magenta, Cyan)를 사용하여 인쇄면의 광택도(Gloss meter, Model T480A, Technidyne corp.)와 Dry-Pick 및 Wet-Pick 그리고 Croda ink test(GRETAG CH-8105 Regensdorf, Switzerland)로 인쇄 Mottle을 측정하였다.
Table 5.
Properties of top-coating color (TSC: 67%)
| Formulation | Viscosity (cPs) | Water retention (g/m2) |
|---|
| Top-coat | 8015 | 86.56 |
3. 결과 및 고찰
3.1 염료 배합비가 도공액 및 도공지에 미치는 영향
3.1.1 도공액의 점도 및 보수성
Figs. 1-2는 pre 코팅층 도공액의 점도 및 보수성을 나타낸 것이다. 비록 소량이 첨가되기는 했으나 Blue 염료보다 Violet 염료 투입량이 증가할수록 점도가 높아졌으며, Black 염료가 투입되었을 때도 점도가 높아지는 경향을 나타내었다. 보수성의 경우에는 Blue 염료 투입량 증가 시에는 미첨가 시와 별 차이가 나타나지 않았으나 Violet 염료 투입량이 증가되거나 Black 염료가 투입되었을 때는 다소 우수한 보수성을 나타내었는데 이는 점도가 높았던 점이 작용한 것으로 판단되었다. 이상과 같이 비록 미량의 염료가 사용되었지만 염료의 종류에 따라서도 도공액의 점도 및 보수성에 영향을 미칠 수 있음을 확인할 수 있었다.
Fig. 1.
Viscosity of pre-coating color.
Fig. 2.
Water retention of viscosity of pre-coating color.
3.2 도공지 물성평가
3.2.1 거칠음도 및 광택
Pre 코팅용 도공액에 미량의 염료를 적용하였음에도 불구하고 Fig. 3에서 보는 바와 같이 Violet 염료가 많이 투입된 D와 E의 거칠기가 높게 나와 염료의 배합에 따라 도공판지의 거칠기가 조절될 수 있음을 확인할 수 있었다. 그러나 도공판지의 광택도는 Fig. 4와 같이 염료의 배합 조건에 관계없이 비슷한 결과를 나타내었다.
Fig. 3.
Roughness of coated paper.
Fig. 4.
Paper gloss of coated paper.
3.2.2 백색도, 백감도 및 불투명도
도공판지의 광학적 성질을 측정한 결과 Figs. 5 및 6에서 보는 바와 같이 백색도와 백감도는 캘린더링 전후의 결과가 매우 다르게 나타났다. 이와 같은 현상은 캘린더링에 따른 빛의 산란에 기여하는 것으로 알려진 기공구조의 변화에서 비롯된 것으로 생각되며, 염료 배합에 따른 도공층의 캘린더링 효과도 다르게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 그러나 캘린더링 후의 백색도와 백감도 측정결과는 측정 시 사용되는 빛의 파장범위가 다른데도 불구하고 염료 배합에 따라 비슷한 경향을 나타내었으며, 일정한 경향을 나타내지 않아 현장 적용을 위해서는 염료 배합이 미치는 영향에 대한 보다 정밀한 추가 연구가 요구된다. 본 연구에서 가장 관심을 갖고 접근한 도공판지의 불투명도는 Fig. 7에서 보는 바와 같이 Violet 염료와 Blue 염료를 특정 비율로 배합한 C의 경우에 다소 높은 값을 나타내었으며, 특히 100% 이상의 불투명도를 나타내어 형광효과가 불투명도 향상에 기여한 것으로 판단되었다.
Fig. 5.
Brightness of coated paper.
Fig. 6.
Whiteness of coated paper.
Fig. 7.
Opacity of coated paper.
3.3 도공지 인쇄적성 평가
도공판지의 잉크 세트성은 Fig. 8에서 나타낸 바와 같이 염료의 배합 조건에 관계없이 유사한 경향을 나타내어 염료의 투입 및 배합이 잉크세트성에는 영향을 미치지 않았음을 확인할 수 있었다. 바인더의 건조접착력과 습윤접착력의 경우 Figs. 9-10에서 보는 바와 같이 비록 Black 염료 투입 시 미소한 감소를 나타내기는 했지만 뚜렷한 차이를 나타내지 않아 바인더의 접착력도 염료의 투입 및 배합에 별 영향을 받지 않았음을 확인할 수 있었다.
Fig. 8.
Ink-set off of coated paper.
Fig. 9.
Dry-pick of coated paper.
Fig. 10.
Wet-pick of coated paper.
Fig. 11은 인쇄 광택 측정 결과를 나타낸 것으로 염료의 투입 및 배합에 따른 일정한 경향을 확인할 수 없었으며, 인쇄 얼룩은 Fig. 12에서 보는 바와 같이 Violet 염료의 투입량이 증가할수록 감소하는 경향을 나타내었으며, Black 염료 투입 시에도 감소하는 경향을 나타내었다.
Fig. 11.
Print gloss of coated paper.
Fig. 12.
Printing mottle of coated paper.
4. 결 론
본 연구는 기존 연구 접근 방법과 달리 빛의 흡수를 증가시키는 방법을 통하여 도공판지의 불투명도를 향상하기 위한 일환으로 염료의 적용을 시도하였다.
비록 소량이 첨가되기는 했으나 Blue 염료보다 Violet 염료 투입량이 증가할수록 점도가 높아졌으며, Black 염료가 투입되었을 때도 점도가 높아지는 경향을 나타내었다. 보수성의 경우에는 Blue 염료 투입량 증가 시에는 첨가하지 않은 것과 별 차이가 나타나지 않았으나 Violet 염료 투입량이 증가되거나 Black 염료가 투입되었을 때는 다소 우수한 보수성을 나타내었다. Violet 염료가 많이 투입될수록 도공판지의 거칠기가 높아졌으며, 광택도는 염료의 배합 조건에 관계없이 비슷한 결과를 나타내었다. 백색도와 백감도는 일정한 경향을 나타내지 않았으며, 불투명도는 Violet 염료와 Blue 염료를 특정 비율로 혼합하였을 때를 제외하고는 염료의 배합에 따른 차이를 확인할 수 없었다. 잉크 세트성, 건조접착력, 습윤접착력 및 인쇄광택도 염료의 배합 효과가 확인되지 않았으나, 인쇄 얼룩은 Violet 염료의 배합량이 증가하거나 Black 염료가 투입될 경우 감소되었다.
Acknowledgements
본 연구는 2017년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연구재단 기초연구사업(No. NRF-2017R1D1A3B03034031) 지원을 받아 수행됨.
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