1. 서 론
도공액은 안료, 바인더, 기타 첨가제 등으로 구성된다. 그중 바인더의 주된 역할은 안료와 안료 또는 안료와 섬유를 접착시키는 것이 목적이며, 특히 합성 바인더는 도공액의 점도를 저하시켜 고속도공이 가능하고 천연 바인더와 달리 모노머 투입량을 임의로 조절할 수 있어서 인쇄공정 중 코팅층의 뜯김이나 지분의 발생을 억제한다.1-3)
이러한 이점 때문에 도공용으로 SB-Latex 바인더가 주로 이용되어 왔다. SB-Latex 바인더는 스틸렌(styrene)과 부타디엔(butadiene) 모노머의 공중합체로서 부타디엔의 공중합 비율이 30% 이상이 될 경우, 실온 성막이 가능한 상태에서 광택과 접착성, 탄성, 유연성의 조절이 용이해진다.4) 하지만 styrene과 butadiene은 석유계 물질로서 한정된 원유자원에서 비롯되는 가격 불안정성, 석유화학 공정을 통한 모노머 제조과정은 이산화탄소와 같은 유해가스의 발생을 동반하기 때문에 환경에의 악영향이 문제점으로 지적되고 있다.5)
이러한 시점에서 비닐아세테이트-에틸렌 공중합체(vinyl acetate-ethylene copolymer, VAE 에멀션)는 SB-Latex 바인더에 비해 안정적이고 저렴한 가격에 공급이 가능하고 제조 과정이 상대적으로 친환경적인 이점으로 인해 SB-Latex 바인더의 대체재로서 주목받고 있다.6,7) VAE 에멀션 바인더는 공중합체 제조과정에 투입하는 에틸렌의 양을 조정함으로써 쉽게 에멀션의 유리전이 온도(Tg)를 다양하게 변화시킬 수 있지만 열가소성수지가 주성분이기 때문에 내열성이 떨어져 구조적으로 고온에서는 견디기 힘들고 내수성에 한계가 있다는 단점이 지적되고 있다.8-10)
수분산의 에멀션 형태로 제조되는 합성 바인더(SB-Latex, VAE 에멀션 바인더)는 도공층의 공고화 과정(건조과정)에서 바인더의 층간 분포 상태, 안료 간 융착에 기여하는 바인더의 성막(필름) 특성 등이 제조된 도공지의 물성과 인쇄적성에 직접적으로 영향하는 것으로 생각할 수 있다.11) 다시 말해, 건조 시에 인접한 바인더 간 거리가 단축되어 밀집충전 상태에 도달하고 연속필름을 형성해야 안료와의 결합력을 발현하기 용이하게 되는데 이때 바인더의 성막에 의해 형성되는 연속필름의 구조가 무엇보다 중요하다.12) 예를 들어, 바인더가 화학적으로 유사한 구조를 갖고 있더라도 분산 안정성의 차이(불균질한 응집구조)에 의해 불균일한 건조 필름을 형성하거나 일부 중합 성분이 상이하므로 가교 구조의 차이를 나타내게 될 경우, 물과 접촉 시에 상대적으로 기계적 성질이 저하되기 쉬운 구조를 형성할 수 있다.13,14)
본 연구는 현재 도공용 바인더로서 주로 사용되고 있는 SB-Latex 바인더를 VAE 에멀션 바인더로 대체하기 위한 목적으로 수행되었으며, VAE 에멀션 바인더의 입자경의 크기와 입자분포 특성이 상이한 경우, 도공지의 특성에 어떠한 영향을 미치는지 검토함으로써 도공용 바인더로서 VAE 에멀션의 적용성을 분석하였다. 이를 위해 1종류의 SB-Latex와 4종류의 VAE 에멀션 바인더를 사용하여 도공액의 배합조성을 설계하였고 제조된 도공지 시료에 대해 도공지 물성과 인쇄적성을 평가하였다.
2. 재료 및 방법
2.1 공시재료
2.1.2 도공용 안료
본 연구에 사용된 도공용 안료는 입자크기가 서로 다른 2가지 종류의 중질 탄산칼슘(GCC)과 1종류의 No. 1 클레이가 사용되었다. 기본 물성은 Table 2에 나타냈다.
2.2 실험방법
2.2.1 도공액 제조
도공액의 고형분 농도는 프리 코팅용의 경우 67 wt%, 탑 코팅용의 경우는 68 wt%로 제조하였다. 중질탄산칼슘(GCC-A)과 VAE 에멀션 바인더 1종(VAE-3)을 선택하여 프리 코팅용 도공액을 제조하였고, 이때 탑 코팅용의 도공액은 중질탄산칼슘(GCC-B)과 클레이를 9:1의 비율로 조성하였으며 Table 3에 나타낸 5종류의 바인더를 각각 이용하여 더블코팅 방식으로 총 5종류의 도공지를 제조하는 데 각각의 도공액을 이용하였고 배합비는 Tables 4-5와 같다.
2.2.2 도공지 제조
도공지는 실험실용 반자동 코터(K-control, RK Print Coat Instrument Co., Ltd., UK)를 사용하여 제조하였다. 프리 코팅층의 도공량은 편면 8±1 g/cm2, 탑 코팅층의 도공량은 편면 12±1 g/cm2으로 조절하였다. 도공액을 도포한 원지는 열풍건조기(YJ-8600D, Yujin Electronics, S. Korea)에서 105℃, 25초의 조건으로 건조하였다. 그 후 슈퍼캘린더(Supercalender, Beloit Coporation, USA)를 사용하여 도공면이 steel roll을 향하게 하여 온도 70℃, 선압 300 psi의 조건으로 2회 처리하였다.
2.2.3 도공액의 물성
저전단 점도는 DV-II viscometer(Brookfield, USA)를 이용하여 60 rpm 조건으로 측정하였다. 도공액의 pH는 pH meter(PB-11, Sartorius Korea Co., Ltd., S. Korea)를 사용하여 측정하였으며, 보수성은 보수성 측정기(AÅ-GWR, Kaltex scientific Inc., USA)를 사용하여 측정하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1 도공액의 물성
3.1.1 도공액의 점도와 보수성
Fig. 1에 top 층에 도포를 목적으로 제조된 도공액의 점도 측정결과를 나타내었다. Table 3에 나타낸 5종의 합성 바인더(SB-Latex, VAE 에멀션 바인더)의 저전단점도 측정결과와 달리 VAE-1 에멀션 바인더를 첨가한 도공액의 점도가 가장 낮은 값을 나타내었고 VAE-3 에멀션 바인더를 이용한 경우가 가장 높은 값을 나타내었다. 그 밖에 SB-Latex 바인더와 2종의 VAE 에멀션 바인더(VAE-2, VAE-4)는 유사한 점도 특성을 나타냈다.
Fig. 2에 도공액의 보수성 측정결과를 나타내었다. SB-Latex 바인더를 첨가한 도공액(Control)의 경우 탈수량(225 g/m2)이 가장 높았고, 나머지 4종의 VAE 에멀션 바인더를 첨가한 도공액은 150 g/m2 전후의 범위에서 유사한 수준의 탈수량을 나타냈다. SB-Latex 바인더보다는 VAE 에멀션 바인더의 경우가 보수성 개선에 있어 효과적인 것으로 분석된다.
3.2 도공지의 물성
3.2.1 거칠음도 및 광택
Fig. 3에 SB-Latex와 VAE 에멀션 바인더를 이용하여 제조된 도공지의 표면거칠음도의 측정결과를 나타냈다. 바인더의 종류에 따른 영향으로 SB-Latex와 VAE 에멀션 바인더를 비교하면, SB-Latex 바인더를 사용한 도공지(control)가 VAE 에멀션 바인더를 사용한 도공지 보다 표면이 평활한 구조인 것으로 나타났다. 그리고, 3종류의 VAE 에멀션 바인더(VAE-1~VAE-3)에 의해 각각 제조된 도공지를 비교할 경우, 바인더의 평균 입자경이 클수록 거칠음도가 높고 표면이 덜 평활한 구조를 형성하는 것을 알 수 있었다. 한편, 4종류의 VAE 에멀션 바인더 중에서 평균 입자경이 가장 큰 바인더(VAE-4)의 경우, 앞선 3종류의 VAE 에멀션 바인더들과 달리 제조된 도공지의 표면 거칠음도가 가장 낮은 결과를 나타냈으며 SB-Latex 바인더를 사용한 경우와 비교하여 거칠음도의 차이가 그다지 크지 않은 유사한 결과를 보였다. 이와 같은 결과는, 앞서 언급한 3종류의 VAE 에멀션 바인더(VAE-1~VAE-3)가 평균 입자경을 의미하는 피크가 하나만 존재하는 입도 분포를 나타내는 데 비해 VAE-4 에멀션 바인더는 상대적으로 평균 입자경은 가장 큰 값을 나타냈지만 입자경 분포도 내에 중심피크가 2개 존재하는 형태로 입도 분포범위가 넓은 특성을 갖고 있어 4종류의 VAE 에멀션 바인더가 첨가된 도공지 시료 중에서 가장 평활한 도공층을 형성한 것으로 사료된다.
SB-Latex 바인더를 사용한 경우, VAE 에멀션 바인더를 사용한 도공지에 비해 입자경에 상관없이 거칠음도가 낮은 결과를 나타냈는데 이는 부타디엔을 포함하는 SB-Latex 바인더가 상대적으로 필름 형성 능력이 우수하고 평활한 표면구조를 형성하는 데 기여한 것으로 생각된다. 이는 도공지의 백지 광택에서도 SB-Latex 바인더를 사용한 경우와 VAE 에멀션 바인더를 사용한 도공지 간에 물성 차이를 나타내는 원인으로 생각된다. Fig. 4는 도공지의 백지 광택의 결과를 나타내고 있다. 앞서 언급한 바와 같이 SB-Latex를 이용하여 제조된 도공지가 4종류의 VAE 에멀션 바인더를 이용한 도공지에 비해 백지 광택이 상대적으로 우수한 결과를 나타냈다.
3.2.2 백색도, 백감도 및 불투명도
Fig. 5는 도공지의 백색도 결과를 보여주고 있다. VAE 에멀션 바인더를 배합한 도공지의 경우 미미하지만 백색도가 증가하는 경향을 나타냈다. 이는 VAE 에멀션 바인더 자체 백색도가 SB-Latex의 그것에 비해 상대적으로 높기 때문으로 생각된다.
Fig. 6은 도공지의 백감도 결과를 보여주고 있다. VAE 에멀션 바인더를 배합한 도공지의 경우가 미미하지만 백감도가 높은 경향을 나타내었다. 이 또한 VAE 에멀션 바인더의 자체 백감도가 SB-Latex보다 상대적으로 높기 때문에 영향을 받은 것으로 사료된다. 5종류의 도공지의 백색도와 백감도의 경우, 유의미한 측면에서 볼 때 큰 차이를 보이기보다는 유사한 값을 나타내는 것으로 생각할 수 있다.
Fig. 7은 도공지의 불투명도 결과를 보여주고 있다. 불투명도의 경우, 바인더의 입자크기 또는 종류에 따른 영향이 뚜렷하지 않았고 유사한 경향을 나타냈다. 5종류의 바인더를 이용하여 제조된 도공지의 경우, 이들의 특성의 차이가 불투명도에 미치는 영향이 미미한 것으로 판단되었다.
3.3 도공지의 인쇄 평가
RI-II 인쇄적성 시험기를 이용하여 5종류의 도공지 샘플에 대해 잉크 셋오프성, 건조 뜯김강도, 습윤 뜯김강도를 측정하고 그 결과를 5점법으로 나타냈다.
3.3.1 Ink Set-off 평가
Fig. 8에 5종류의 도공지에 대한 잉크 셋오프성을 평가한 결과를 나타냈다. RI-II 인쇄적성 시험기를 이용하여 일정한 양의 청색 잉크(Cyan)를 5종류의 도공지 샘플에 도포한 후, 일정 시간이 경과한 뒤에 다른 원지에 묻어난 양을 평가한 결과이다. 5점법의 숫자 중에서 5에 가까울수록 묻어난 양이 많다는 의미이고 0에 가까울수록 묻어난 양이 적은 것을 의미한다. 일반적으로 잉크 세트성이 빠르면 인쇄 광택의 저하가 발생하고, 느리게 되면 뒷묻음 현상이 증가하기 때문에 Fig. 8의 결과에 나타낸 바와 같이 청색 잉크가 많이 묻어날수록 잉크 세트성이 불량한 것으로 판단할 수 있다.
바인더의 배합조성에 따라 안료와 바인더가 형성하는 도공층의 공극 형태가 상이한 구조를 형성할 것으로 추정되는데, SB-Latex 바인더와 VAE 에멀션 바인더를 비교할 경우, SB-Latex 바인더를 이용한 도공지가 뒷묻음이 적고 잉크 셋오프성이 우수한 결과를 나타냈다. VAE-1 에멀션 바인더부터 VAE-3 에멀션 바인더까지 3종류의 도공지 샘플 간의 비교에서는 입자크기가 작은 VAE 에멀션 바인더를 사용한 도공지가 잉크 셋오프성이 가장 우수한 결과를 나타냈고 뒷묻음 정도는 SB-Latex 바인더를 이용하여 제조한 도공지와 거의 유사한 수준으로 우수한 결과를 보이는 것을 알 수 있었다. 이는 다른 도공지 샘플에 비해 도공층 내부로 비히클 성분의 침투와 잉크의 건조가 빠르기 때문에 잉크의 뒷묻음 현상이 감소하여 잉크 셋오프성이 상대적으로 우수한 결과를 나타낸 것으로 분석된다(Fig. 8).
3.3.2 Dry-pick과 wet-pick strength
Figs. 9-10에 각각 건조 뜯김강도와 습윤 뜯김강도의 측정결과를 나타냈다. 건조 뜯김강도의 경우, SB-Latex와 VAE-4 에멀션 바인더를 사용한 도공지 샘플이 가장 우수한 결과를 나타냈다. 유사한 입자경 또는 입도 분포도의 조건, 다시 말해 SB-Latex와 3종류의 VAE 에멀션 바인더(VAE-1~VAE-3)에 의해 제조된 도공지 샘플 간에 비교의 경우, SB-Latex 바인더를 이용하여 제조된 도공지가 강도적 측면에서 다소 우수한 것으로 나타났다. 한편, 입자경이 작은 바인더가 일정 비율 포함된 VAE 에멀션 바인더(VAE-4)의 경우는 접착강도를 증가시켜 SB-Latex 바인더를 이용하여 제조한 도공지와 동일한 수준의 도공층 강도를 갖는 것을 알 수 있었다.
습윤 뜯김강도의 경우, 건조 뜯김강도의 결과와 상이한 특성을 나타냈다. 바인더의 입자크기와는 상관없이 VAE 에멀션 바인더를 이용한 도공지 샘플은 내수강도의 부족으로 습윤 뜯김강도가 저하되는 경향을 나타냈다. 이는 SB-Latex의 스틸렌 구조보다 VAE 에멀션의 아세테이트 그룹이 상대적으로 친수성을 띠기 때문으로 사료된다.
4. 결 론
본 연구에서는 종이 도공에서 주로 사용되는 SB-Latex 바인더와 신규로 이용이 가능한 바인더로서 입자특성이 다른 4종류의 VAE 에멀션 바인더의 적용성을 비교하였다. 각각의 바인더를 이용하여 5종류의 도공지 샘플을 제조하였고, 도공지의 물성과 인쇄적성을 비교 평가함으로써 다음과 같은 결론을 얻었다.
VAE 에멀션 바인더(VAE-1~VAE-3)에 의해 각각 제조된 도공지는 바인더의 평균 입자경이 작을수록 표면이 평활한 구조를 형성하는 것을 알 수 있었다. 유사한 수준의 입자경 또는 입도분포를 갖는 VAE 에멀션 바인더와 SB-Latex 바인더를 사용한 도공지를 비교할 경우, SB-Latex 바인더를 사용한 도공지가 상대적으로 평활한 도공층을 형성하는 것을 알 수 있었다.
도공층의 구조적인 측면에서 비교할 때, SB-Latex 바인더를 이용한 도공지가 뒷묻음이 적고 잉크 셋오프성이 우수한 결과를 나타냈다. 3종류의 VAE 에멀션 바인더(VAE-1~VAE-3)를 각각 이용하여 제조된 도공지 샘플 간의 비교에서는 입자크기가 작은 VAE-3 에멀션 바인더를 사용한 도공지가 잉크 셋오프성이 가장 우수한 결과를 나타내었고 뒷묻음 정도는 SB-Latex 바인더를 이용하여 제조한 도공지와 거의 유사한 수준으로 우수한 결과를 보이는 것을 알 수 있었다.
건조 뜯김강도의 경우, SB-Latex와 VAE-4 에멀션 바인더를 사용한 도공지 샘플이 가장 우수한 결과를 나타냈다. 입자경이 유사한 경우 VAE 에멀션 바인더(VAE-1~VAE-3)보다 SB-Latex 바인더를 이용하여 제조된 도공지가 강도적 측면에서 다소 우수한 것으로 나타났다. 입자경이 작은 바인더가 일정 비율 포함된 형태의 VAE 에멀션 바인더를 이용함으로써 접착강도를 증가시켜 SB-Latex 바인더에 준하는 수준의 도공층 강도를 얻을 수 있을 것으로 기대된다.
