1. 서 론
코팅은 원지의 표면 특성을 향상시키기 위해 주로 사용된다. 표면 특성에는 광택, 광학적 성질, 평활성 등이 있으며, 코팅을 하기 위해 만들어지는 도공액은 안료, 바인더, 기타 첨가제 등으로 구성되어 있다. 그중에서 가장 중요한 것은 안료이다. 현재 사용되고 있는 안료는 클레이, 탄산칼슘, 실리카가 주로 사용되고 있으며, 더욱더 많은 안료를 이용하여 도공지의 품질을 개선시키려는 여러 가지 실험이 진행되고 있다.1)
현재 정보화 사회의 발전으로 정보산업용지의 사용량이 점차 증가하고 있는 추세이다. 주로 사용되는 정보산업용지의 예로는 감열지, 잉크제트용지를 들 수 있다. 잉크제트용지는 가정용 프린터기의 보급으로 인해 점점 더 많은 양이 사용될 것으로 판단된다. 잉크제트용지는 친수성의 염료잉크를 사용하여 인쇄하는 것이 특징이다. 이러한 이유 때문에, 친수성인 도공층이 요구된다. 만약 친수성의 도공층이 형성되지 않아 잉크가 표면에 머무르게 된다면, 코팅층의 잉크가 번지고 망점이 증가하며 잉크색의 오염이 증가하게 된다는 문제점을 야기한다. 따라서, 친수성의 도공층을 형성하기 위해서는 안료 및 바인더 역시 친수성의 특징을 가져야 한다. 현재 주로 사용되고 있는 잉크제트용지의 안료로는 실리카, 바인더로는 폴리비닐알코올(poly vinyl alcohol)이 주로 사용되고 있다.2,3)
잉크제트용지에 주로 사용되는 실리카는 다공성의 구조를 가지고 있으며, 친수성이 높다는 특징을 가지고 있다. 실리카를 이용하여 도공층을 형성하게 되면, 친수성이 강한 도공층을 만들 수 있어, 잉크제트용지에 사용되는 염료를 쉽게 도공층 내부로 침투시킬 수 있다는 장점이 존재한다. 하지만, 실리카는 다른 안료들에 비해 가격적으로 비싸다는 단점을 가지고 있으며, 도공액의 점도를 높여 유동성에 문제를 발생시킨다. 유동성의 문제로 인해 고속도공이 불가능해질 뿐 아니라, 작업성과 주행성 측면에서 여려가지 문제점을 야기시킨다.4) 이러한 문제점을 해결하기 위해 실리카를 대체하려는 안료를 찾는 노력이 진행되고 있다.
이러한 안료 중에서 천연 제올라이트는 다공성의 구조를 가지고 있으며, 도공액의 점도가 실리카보다 낮아 유동성에서의 문제를 어느 정도 해결해줄 것이라고 예상된다. 또한, 제올라이트는 실리카와 마찬가지로 강한 친수성을 띠기 때문에 잉크제트용지의 안료로 사용될 가능성이 있다고 판단하였다. 먼저, 실리카를 제올라이트로 대체하려는 연구를 진행하기 전에 실험실적으로 사용할 수 있는 제올라이트를 얻기 위한 실험을 진행하였다.5)
본 실험에서는 볼밀(Tradtional ball mill)과 위성볼밀(planetary ball mill)을 이용하여 제올라이트의 분쇄실험을 진행하였다. 볼밀의 변수에는 rpm과 시간, 볼의 크기, 경도, 강도, 무게, 볼의 양 등이 있다. 볼밀(Tradtional ball mill)은 최대 rpm이 80 rpm이기 때문에 속도에 대한 비교를 할 수 없으며, 볼밀(Tradtional ball mill)과 위성볼밀(planetary ball mill)의 효율성을 검토하기 위하여 24시간 동안 가동시켜 6시간 단위로 무게를 측정하였으며, 24시간 후에 만들어진 제올라이트의 평균입자경과 무게를 측정하여 그 효율성을 비교하였다.6)
2. 실험방법
2.1 공시재료
본 연구에서는 볼밀의 조작 변수인 볼의 크기, 무게, 볼의 양, rpm과 시간을 이용하여 제올라이트의 분쇄 효율을 측정하였다. Fig. 1과 같은 볼밀(Traditional ball mill)을 이용하여 시간, 볼의 양과 볼의 크기에 따른 실험을 진행하였으며, Fig. 2와 같은 위성볼밀(Planetary ball mill)를 이용하여 rpm과 시간에 따른 실험을 진행하였다.
2.1 볼밀(Tratditional ball mill)
볼밀(Traditional ball mill)에 사용된 볼밀용기(jar)의 크기는 외경 22.5 cm, 내경 13.5 cm, 높이 18 cm이며 알루미나 재질이었다. 볼은 10 mm, 15 mm를 Table 1에 나타낸 비율대로 사용하였다. 24시간 동안 볼밀을 가동하여 6시간마다 분쇄된 제올라이트의 무게를 측정하였다. 볼밀(Traditional ball mill)의 속도를 80 rpm으로 고정시켜 실험을 진행하였다. 제올라이트는 A-3. granular를 사용하였으며, 실험 조건당 300 g씩 사용하였다.7)
2.2 위성볼밀(Planetary ball mill)
위성볼밀(Planetary ball mill)에 사용된 볼밀용기(jar)의 크기는 외경 6.8 cm, 내경 5.7 cm, 높이 5 cm이며 sintered corundum 재질을 사용하였다. 볼은 알루미나 재질을 사용하였으며, 15 mm와 10 mm를 사용하였다. 24시간 동안 볼밀을 가동하여 6시간마다 분쇄된 제올라이트의 무게를 측정하였다. 위성볼밀(Planetary ball mill)의 속도는 100 rpm, 250 rpm, 400 rpm 으로 나눠서 실험을 진행하였으며, 6시간 단위로 24시간 동안 가동하여 무게를 측정하여 효율성을 검토하였다. 볼의 개수는 15 mm 볼 75개 10 mm 볼 25개의 비율로 사용하여 실험을 진행하였다.8-10)
3. 결과 및 고찰
3.1 볼밀(Traditional ball mill)을 이용한 볼 비율에 따른 분쇄량
볼밀(Tradtional ball mill)은 시료와 볼을 함께 Jar에 담아 회전시킴으로써 낙차로 인한 충격과 전단응력에 의해 분쇄되는 특징을 가지고 있다. 볼밀의 변수에는 rpm과 시간, 볼의 크기, 경도, 강도, 무게, 볼의 양 등이 있는데 볼의 비율을 달리하여 실험하였고 볼밀(Traditional ball mill)을 6시간 동안 가동시켜 분쇄된 제올라이트의 양을 Fig. 3에 나타내었다. 15 mm 볼 225개와 10 mm 볼 75개를 사용한 조건이 100 mesh, 140 mesh를 통과한 제올라이트의 양이 가장 많이 나타내었으며, 10 mm 볼의 비율이 증가할수록 제올라이트의 분쇄량이 줄어드는 것을 확인할 수 있었다.
볼밀(Traditional ball mill)을 12시간 동안 가동시켜 분쇄된 제올라이트의 양을 Fig. 4에 나타내었다. 15 mm 볼 225개와 10 mm 볼 75개를 사용한 조건이 140 mesh를 통과한 제올라이트의 양이 가장 많이 나타내었으며, 100 mesh를 통과한 제올라이트의 양이 가장 많은 조건은 15 mm 볼 150개, 10 mm 볼 150개를 사용한 조건이었다. 또한, 6시간 때의 결과와 마찬가지로 10 mm 볼의 비율이 증가할수록 제올라이트의 분쇄량이 줄어드는 것을 확인할 수 있었다.
볼밀(Traditional ball mill)을 18 시간 동안 가동시켜 분쇄된 제올라이트의 양을 Fig. 5에 나타내었다. 15 mm 볼 225개와 10 mm 볼 75개를 사용한 조건이 140 mesh를 통과한 제올라이트의 양이 가장 많이 나타내었으며, 100 mesh를 통과한 제올라이트의 양이 가장 많은 조건은 15 mm 볼 225개, 10 mm 볼 75개를 사용한 조건이었다. 또한, 6, 12시간 때의 결과와 마찬가지로 10 mm 볼의 비율이 증가할수록 제올라이트의 분쇄량이 줄어드는 것을 확인할 수 있었다.
볼밀(Traditional ball mill)을 24시간 동안 가동시켜 분쇄된 제올라이트의 양을 Fig. 6에 나타내었다. 15 mm 볼 225개와 10 mm 볼 75개를 사용한 조건이 140 mesh를 통과한 제올라이트의 양이 가장 많이 나타내었으며, 100 mesh를 통과한 제올라이트의 양이 가장 많은 조건은 15 mm 볼 150개, 10 mm 볼 150개를 사용한 조건이었다. 또한, 모든 시간 때의 결과와 마찬가지로 10 mm 볼의 비율이 증가할수록 제올라이트의 분쇄량이 줄어드는 것을 확인할 수 있었다. 모든 시간에서의 결괏값을 보았을 때, 15 mm 볼 225개와 10 mm 볼 75개를 사용한 조건에서 가장 좋은 효율을 나타내었다. 이러한 결과는 15 mm 볼 사이사이에 빈 공간을 크기가 더 작은 10 mm 볼이 메꾸어주어 제올라이트의 분쇄효율을 증가시켰다고 사료된다.11,12)
3.2 볼밀(Traditional ball mill)을 이용하여 분쇄한 제올라이트의 평균입자경
먼저, 100 mesh를 통과하여 140 mesh를 통과하지 못한 제올라이트의 입자크기를 조건별로 비교한 결괏값을 Fig. 7에 나타내었다. 15 mm 볼 75개, 10 mm 볼 225 개를 사용한 조건에서 평균입자크기가 다른 조건에 비해 확연하게 큰 것을 알 수 있었다. 15 mm 볼 75개와 10 mm 볼 225개를 사용한 조건에서 입자크기가 가장 크게 나온 이유는 작은 볼의 개수가 큰 볼의 개수보다 너무 많아서 빈 공간이 많아 분쇄가 제대로 이루어지지 않은 것으로 판단되었다.
다음으로는, 140 mesh를 통과한 제올라이트의 입자크기를 조건별로 비교한 결과 값을 Fig. 8에 나타내었다. Fig. 7과 마찬가지로 15 mm 볼 225개와 10 mm 볼 75개를 사용한 조건에서 평균입자크기가 가장 크게 나타내었다. 이 조건 역시 100 mesh를 통과한 효율성 검토와 마찬가지 이유로 작은 볼의 개수가 많을 때 분쇄가 제대로 이루어지지 않아 입자크기가 큰 것으로 사료된다.13)
3.3 위성볼밀(Planetary ball mill)을 이용한 rpm에 따른 분쇄량
위성볼밀(Planetary ball mill)을 이용하여 제올라이트를 rpm에 따라 분쇄시켰을 때의 효율성을 검토하였다. 위성볼밀(planetary ball mill)은 자전, 공전의 원리를 이용한 볼밀로 시료와 Ball을 담고 있는 Jar가 Plate와 반대로 회전을 하기 때문에 최대 600 rpm까지 속도를 높일 수 있으며, Jar 내부의 볼에 회전력이 발생하고 Jar와 Ball의 속도차에 의해 발생한 전단력과 충격력으로 시료의 입자를 파쇄한다는 특징이 있다.
6시간에서의 제올라이트 분쇄량을 Fig. 9에 나타내었다. 100 rpm에서는 100 mesh, 140 mesh를 통과하는 제올라이트의 효율이 250 rpm과 400 rpm에 비해 현저히 떨어지는 것을 확인할 수 있었으며, rpm이 올라갈수록 분쇄량이 증가하며, 더 작은 크기의 제올라이트를 얻을 수 있는 것을 확인하였다.
12시간에서의 제올라이트 분쇄량을 Fig. 10에 나타내었다. 100 rpm에서는 6시간에서의 결괏값과 마찬가지로 100 mesh, 140 mesh를 통과하는 제올라이트의 효율이 250 rpm과 400 rpm에 비해 현저히 떨어지는 것을 확인할 수 있었으며, rpm이 올라갈수록 분쇄량이 증가하며, 더 작은 크기의 제올라이트를 얻을 수 있는 것을 확인하였다.
18시간에서의 제올라이트 분쇄량을 Fig. 11에 나타내었다. 100 rpm에서는 6시간과 12시간에서의 결괏값과 마찬가지로 100 mesh, 140 mesh를 통과하는 제올라이트의 효율이 250 rpm과 400 rpm에 비해 현저히 떨어지는 것을 확인할 수 있었으며, rpm이 올라갈수록 분쇄량이 증가하며, 더 작은 크기의 제올라이트를 얻을 수 있는 것을 확인하였다.
24시간에서의 제올라이트 분쇄량을 Fig. 12에 나타내었다. 100 rpm에서는 100 mesh를 통과하는 제올라이트의 양이 증가하기 시작했으며, 140 mesh에서의 효율은 전혀 찾을 수가 없었다. 또한, 250 rpm에서의 140 mesh의 분쇄량이 가장 많이 생겼으며, 분쇄되지 않았던 100 mesh를 통과한 제올라이트가 더 작은 단위로 분쇄된 것으로 생각된다. 400 rpm에서는 140 mesh를 통과한 제올라이트가 더 작은 크기로 분쇄되어 분쇄량이 줄어들게 되고, 분쇄되지 않았던 100 mesh를 통과하지 못한 제올라이트가 분쇄되어 100 mesh를 통과하여 분쇄량이 증가한 것으로 사료된다.14)
4. 결 론
본 연구에서는 잉크젯용 도공지의 안료로 사용되고 있는 실리카를 제올라이트로 대체하기 위한 기초 연구의 일환으로 도공 안료로서 사용할 수 있는 제올라이트의 분쇄 효율성에 대하여 검토를 진행하였다. 24 시간 동안 실험을 진행하여 6시간 단위로 100 mesh와 140 mesh를 통과하여 나오는 제올라이트의 무게 및 평균입자경을 측정하여 분쇄 효율성을 검토하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
1) 볼밀(Traditional ball mill)을 이용하여 제올라이트를 분쇄하였을 때, 볼 비율에 따른 분쇄량을 6, 12, 18, 24시간으로 구분하여 효율성을 측정한 결과를 비교하였다. 모든 시간에서 15 mm 볼 225 개와 10 mm 볼 75개를 사용한 조건이 가장 효율이 좋았다. 10 mm 볼의 비율이 증가할수록 효율성은 떨어지는 것을 확인할 수 있었으며, 이는 제올라이트에 가해지는 힘이 줄어들었기 때문이라고 사료된다.15)
2) 위성볼밀(Planetary ball mill)을 이용하여 제올라이트를 분쇄하였을 때, 속도를 높게할수록 분쇄량은 증가하는 것을 알 수 있었다. 하지만 입자크기를 작게하기 위해서는 250 rpm을 사용하는 것이 가장 효율이 좋은 것으로 확인되었다. 250 rpm과 400 rpm에서의 효율을 검토한 결과 100 mesh를 통과하는 제올라이트를 얻기 위해서는 400 rpm을 12시간 동안 사용하는 것이 가장 효율이 좋은 것으로 판단되었으며, 140 mesh를 통과하는 제올라이트를 얻기 위해서는 400 rpm으로 18시간 가동시키는 것이 가장 좋은 것으로 판단되었다.
제올라이트의 분쇄효율에 대한 실험을 진행한 결과, 입자크기가 큰 볼을 75%, 입자크기가 작은 볼을 25%를 사용하였을 때 효율성이 가장 좋았으며, 24시간 실험을 진행하는 동안에서는 rpm이 빠른 경우 더 많은 분쇄량을 얻을 수 있는 것을 알 수 있었다.
