1. 서 론
최근 들어 도공지 제조 기술은 도공지 시장의 수요변화와 품질에 대한 요구수준의 다양화로 도공지의 생산성 향상, 품질의 고급화 및 원가 절감을 위한 다양한 노력이 필요하게 되었다. 이와 관련하여 코터의 고속화, 대형화, 도공액 제조 공정의 자동화 등 제반 여건이 급속하게 변화하고 있다. 또한, 다색인쇄가 가능한 오프셋 윤전기의 도입에 따라 인쇄물이 고급화되고 있으며 각종 잡지나 간행물 등의 저평량화에 따른 도공량의 경량화가 이루어지고 있는 실정이다.1,2)
도공액은 주원료인 안료와 바인더 그리고 보조약품 등이 배합되어 만들어지는데 이 중 가장 많은 비중을 차지하는 것은 안료와 바인더이다.3) 이들 원료를 어떻게 조합하고, 고형분을 어떻게 설정하는가에 따라 도공액의 특성이 결정된다.
최근 도공지 제조시 도공지 생산효율을 높이고 제조원단위의 개선을 위한 구체적인 방법의 한가지로서 원지위에 코팅된 도공층의 건조에 소모되는 에너지의 사용량을 줄이고자 많은 노력이 이루어지고 있다. 실질적인 해결책으로서 도공액의 고형분 농도를 올리기 위한 다양한 시도들이 이루어지고 있다. 하지만 도공액의 고형분을 올리기 위한 노력과 이에 대한 고민은 매우 중요한 과제임에도 불구하고 이를 실행하는데 있어서 도공액의 고형분의 증가에 따른 점도 상승과 작업성 문제는 이를 제한하는 가장 큰 장애요소이다.
코터의 종류에 따라 최적 고형분의 범위가 다르지만, 최근 제지현장에서는 에너지 절약의 관점에서 도공액의 고형분을 높이기 위한 연구와 기술개발이 많이 이루어지고 있다.4-6) 실제로 높은 고형분 농도의 도공액(high solids content coating color)을 이용하여 코팅작업을 수행할 경우, 도공지의 피복률(도공층 두께)을 향상시켜 smoothness 및 광택을 향상시킨다. 또한, 바인더 요구량을 감소시키고 인쇄모틀(mottling)을 줄여주며 건조 시 건조에너지를 절감시키는 효과를 나타낼 수 있다.7)
한편 도공지의 중요한 성질이라 할 수 있는 인쇄적성은 다층도공의 경우 각 도공층의 구조적 특성에 의하여 많은 영향을 받는데, 특히 프리코팅층용 도공액을 구성하는 안료의 배합이 도공층의 구조와 인쇄적성에 미치는 영향에 대한 연구 결과를 보고한 바 있다.8-10)
본 연구팀은 최근 도공지 제조와 관련한 기술 및 연구동향을 파악하고 고고형분 도공액을 이용한 도공지 생산기술이 갖는 의미를 이해함으로써 이와 관련한 새로운 도공배합 및 설계에 대한 필요성을 인식하게 되었으며, 이에 본 연구에서는 서로 다른 특성을 갖는 3종류의 탄산칼슘을 이용하여 안료의 배합비율을 조절하고 프리코팅층 제조용 도공액의 고형분 농도를 높게 설계하여 프리코팅층에 적용하였으며, 고형분 농도 상승에 따른 도공판지의 표면물성 및 인쇄적성을 평가하였다.
2. 재료 및 방법
2.1 공시재료
2.1.3 도공용 바인더 및 첨가제
도공용 바인더는 2가지 종류의 SB Latex(L사, Republic of Korea)와 Acryl Latex(ST-K, J사)를 사용하였으며, 바인더의 물성은 Table 2와 같다. 공통적으로 유동성 개량제(Sterocoll(FD), DR-5311, J사)와 2가지 색상의 염료(Violet: PONOLITH VIOLET J, Blue: PONOLITH BLUE J, K사) 그리고 코팅량 상승제(Sterocoll(BL), WS-3000(BL), H사)를 사용하였다.
2.2 실험방법
2.2.1 도공액의 제조
프리코팅층 도공액은 Table 3과 같이 2종류의 PCC와 1종류의 GCC의 배합비를 조정하여 고형분 농도를 다르게 하여 제조하였으며 도공액의 물성은 저전단 점도, 고전단 점도, 도공액의 보수성을 평가하였다. 도공액의 pH는 10.3±0.1로 조절하였다.
Table 3.
Formulations of the pre-coating colors
(unit: pph)
2.2.2 도공액의 물성 측정
도공액의 저전단 점도는 DV-II(Brookfield사, USA)를 이용하여 Spindle No. 4, 60 rpm의 조건에서 측정하였다. 도공액의 고전단 점도는 DV-10(Kaltec사, USA)을 이용하여 4,400 rpm, Bob E형의 조건에서 측정하였다. 도공액의 보수성은 AÅ-GWR(Kaltex Scientific Inc., USA)을 이용하여 도공액의 보수성(탈수량)을 측정하였다.
2.2.3 도공판지 제조
도공판지 제조를 위하여 실험실용 반자동 코터(K-control, RK Print Coat Instrument Ltd., UK)를 사용하여 프리코팅층 도공량을 편면 30±2 g/m2으로 조정하여 도공 후, 105°C의 열풍 건조기(YJ-8600D, Yujin Electronics, Republic of Korea)에서 25초간 건조시켰다. 그 후, 항온항습실에서 24시간 동안 항습처리를 실시하고 슈퍼캘린더(Supercalender, Beloit Corporation, USA)를 사용하여 온도 70°C, 압력 300 psi에서 도공판지가 steel면으로 향하게 한 후 2회 통과시켰다.
3. 결과 및 고찰
3.1 도공액의 물성
3.1.1 도공액의 점도
Fig. 1에 프리코팅층용으로 제조된 5가지 도공액의 저전단 점도를 나타내었다. 중질탄산칼슘을 안료구성의 주성분(90-100 pph)으로 하고 평균 입자경의 차이가 있는 다른 2종류의 경질탄산칼슘의 배합비율(0-10 pph)을 다르게 설계하여 도공액을 제조하였고 이들의 저전단 점도를 비교하였다. 도공액 A와 B는 동일한 배합조건으로서 고형분농도가 각각 69 wt%와 69.5 wt%로 다르고, 도공액 C와 D도 중질탄산칼슘(100 pph)를 사용한 도공배합으로서 도공액의 고형분 농도가 69 wt%와 69.5 wt%로 다르게 설계되었다. 비교 기준이 되는 도공액(control)에 비해 입자경이 작은 탄산칼슘의 배합이 높은 도공액 A-D의 경우가 저전단 점도가 다소 높은 결과를 나타내고 있다. 고형분 농도에 따라 도공액 A와 B 또는 도공액 C와 D를 비교할 경우, 고형분 농도가 높은 도공액 B와 D가 높은 저전단 점도를 나타내는 것을 확인하였다.
Fig. 2에 프리코팅층용으로 제조된 5가지 도공액의 고전단 점도를 나타냈다. 앞서 나타낸 저전단 점도의 결과에서는 기준이 되는 도공액(control)에 비해 입자경이 작은 탄산칼슘의 배합이 높은 도공액 A-D의 경우가 저전단 점도가 높은 결과를 나타내었지만, 고전단 점도에서는 안료의 평균입자경이 작은 PCC(1.80 μm)와 GCC (1.36 μm)의 첨가량이 높은 도공액 A-D의 경우가 상대적으로 입자경이 큰 PCC(3.26 μm)의 첨가비율이 높은 도공액(control)에 비해 점도가 낮은 경향을 나타냈다.
도공액의 배합조건은 같으나 고형분 농도가 다른 도공액 A와 B, 그리고 도공액 C와 D는 각각 고형분 농도가 69 wt%에서 69.5 wt%로 높아짐에 따라 고전단 점도는 높아지는 경향을 나타냈다. 비록 0.5%의 고형분 차이이지만 본 연구에서 적용한 69%의 고형분은 이미 고 고형분에 해당되며, 미세한 고형분의 변화에도 저전단 및 고전단 점도에 명백한 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다. 이는 저전단 점도의 결과와 유사한 경향을 나타냈다.
3.1.2 도공액의 보수성
Fig. 3에 프리코팅층용으로 제조된 5가지 도공액의 보수성 평가 결과를 일정시간 가압 탈수를 통해 원지로 침투한 물의 양으로 나타내었다. 평균입자경이 3.26 μm로 큰 안료가 사용된 도공액(control)과 달리 평균입자경이 1.80 μm로 상대적으로 작은 PCC가 사용된 도공액 A와 B, 평균입자경이 1.36 μm인 중질탄산칼슘만으로 안료배합을 구성한 도공액 C와 D의 경우 탈수량이 control에 비해 낮은 결과를 나타내었다. 이는 도공액에 포함된 안료에 의해 형성되는 도공층의 적층구조의 차이에 의해 기인하는 것으로 생각되며 치밀한 구조를 형성할수록 탈수를 억제할 수 있어 보수성에 차이를 나타낸 것으로 판단되었다.
또한, 고형분 농도의 차에 따른 비교로서 도공액 A와 B 또는 도공액 C와 D를 각각 비교하여 보면, 도공액 A보다는 B, 도공액 C보다는 D가 탈수량이 감소하는 결과를 나타내었다. 다시 말해 고형분 농도가 높을수록 보수성이 개선되는 경향을 나타내었다.
3.2 도공판지의 물성
3.2.1 거칠음도 및 광택
Fig. 4는 도공판지의 거칠음도를 보여 주고 있다. 프리코팅층의 고형분 농도를 높이고 각각의 도공액의 안료배합을 다르게 설계하여 적용한 도공층의 거칠음도 결과를 비교해보면 칼렌더 처리 전에 비교한 도공지 표면의 거칠음도는 다소 차이를 나타내는 것을 알 수 있으나 칼렌더 처리후의 비교에서는 거칠음도의 차이는 감소된 결과를 나타내었다.
본 실험에 사용된 탄산칼슘을 이용한 도공배합과 도공액의 고형분 농도의 차이에 따른 비교의 경우, 최종적으로 얻어진 도공지 샘플의 표면의 거칠음도에 미치는 영향은 그다지 크지 않은 것으로 판단됐다.
Fig. 5는 도공판지의 광택을 보여 주고 있다. 입자경이 상대적으로 작은 PCC(control과 A 비교) 적용 시 및 GCC 단독 적용 시(C, D) 그리고 고형분농도 상승(A와 B비교, C와 D비교)에 따라 광택이 상승하는 결과를 나타냈다. 이는 서로 다른 입자경의 PCC를 적용 시 상대적으로 작은 입자경을 갖는 PCC가 큰 입자경을 갖는 PCC보다 도공층 표면의 거칠음을 효과적으로 감소시키는 것으로 보여지며, 그 결과 상대적으로 도공지의 표면 광택을 개선하는데 이점이 있는 것으로 판단되었다. GCC 단독 적용 시 광택이 우수한 것은 다분산성인 GCC의 분산이 잘 이루어진 결과로 사료된다. 또한, 고형분 농도가 높을수록 도공층이 공고화되기까지 원지 위에 도포된 도공층의 적층구조가 붕괴되는 비율이 적고 그 결과 원지의 요철을 매우고 평활한 표면구조를 유지하기 용이하기 때문에 상대적으로 광택이 개선된 것으로 판단되었다.
3.2.2 백색도, 백감도 및 불투명도
Fig. 6은 도공판지의 백색도를 보여 주고 있다. 자체 백색도가 97.20%로 높은 PCC를 일부 도공배합에 사용한 도공지 A, B가 다른 도공지 샘플에 비해 백색도가 우수한 결과를 나타내었다. 한편 도공액의 고형분 농도가 증가할수록 백색도가 증가하는 경향을 나타내었다. 이는 도공액의 고형분 농도가 높을수록 도공액의 부동화가 촉진되어 bulky한 도공층을 형성하며 백색도 개선에 영향한 것으로 분석되었다.
Fig. 7에 도공판지의 백감도를 나타내었다. 백감도는 백색도와 유사한 경향을 나타내었다. 이는 도공액의 농도가 증가할수록 도공액의 부동화가 촉진되어 표면이 평활하고 bulky한 도공층을 형성한 것으로 사료된다.
Fig. 8에 도공판지의 불투명도를 나타내었다. 불투명도는 캘린더 처리 전·후 모든 샘플 간에 차이가 미미했다. 이는 원지의 평량이 높아 충분한 불투명도를 얻을 수 있고, 도공층의 공극구조의 상이함이 도공지의 불투명도에 미치는 영향이 상대적으로 적게 나타났기 때문에 5종류의 도공지가 유사한 결과를 나타낸 것으로 판단됐다.
3.3 도공지의 인쇄 특성 평가
3.3.1 Ink set-off 평가
Fig. 9는 RI 테스트용 인쇄기를 이용하여 ink set-off를 측정한 인쇄샘플을 5점법을 통해 평가한 결과이다. 도공액의 농도변화로 인한 도공판지의 ink set-off의 차이는 그다지 크지 않고 유사한 결과를 나타내었다.
3.3.2 Dry-pick 및 wet-pick 평가
Fig. 10은 RI 테스트용 인쇄기를 이용하여 도공판지 인쇄샘플의 건조뜯김강도와 습윤뜯김강도를 5점법을 통해 평가한 결과이다. 건조표면강도에서 농도가 상승할수록 강도가 다소 증가하였지만 차이는 그다지 크지 않은 결과를 나타내었다. 이는 도공액의 부동화 촉진과 관련지어 분석할 수 있는데, 도공액의 고형분 농도가 높을수록 바인더의 마이그레이션이 적게 일어날 것을 기대할 수 있고 그 결과 도공층 구조의 강도적인 불균일함이 억제됐기 때문이라고 분석된다.
3.3.3 Ink trapping
Fig. 11은 도공판지의 ink trapping을 실시한 인쇄샘플을 5점법을 통해 평가한 결과이다. 도공액 농도가 69 wt%에서 69.5 wt%로 고고형분화됨에 따라 이론적으로는 바인더의 마이그레이션 억제와 함께 상대적으로 bulky한 도공층 구조가 형성되고 건조과정상에서 도공층의 적층구조의 변형이 상대적으로 억제되는 효과를 기대할 수 있다. 하지만 Fig. 11에 나타낸 ink trapping 테스트 결과를 참고로 해석할 경우, 그 차이는 그다지 크지 않은 것으로 추정되며, 도공지 샘플 간에 ink trapping 테스트에 의한 차이는 미미한 것으로 나타났다.
4. 결 론
본 연구에서는 프리코팅층용 도공액 제조 시 입자 크기가 다른 2종의 PCC와 1종의 GCC를 배합하여 제조한 도공판지의 표면특성 변화를 관찰하였으며 인쇄를 통한 인쇄적성을 평가하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
비록 미세하지만 도공액의 고형분 농도를 증가시키고 입자크기가 다른 2종의 PCC로 GCC의 일부를 대체한 결과 광택 및 백색도 그리고 백감도가 증가하는 결과를 확인했다. 고형분 농도 상승에도 건조표면강도와 습윤표면강도의 차이는 미미하였으나 인쇄모틀 및 ink set off가 우수해지는 결과를 보였다. PCC와 GCC 배합의 경우 백색도와 백감도가 우수하였고 GCC 단독 사용시 광택이 우수해지는 결과를 확인하였다. 연구 결과에 의하면 PCC와 GCC를 혼용한 결과 도공판지의 표면특성이 향상되는 결과를 확인 하였다.
연구 결과에 의하면 평균 입자경 및 입자형태가 다른 안료를 이용하여 안료배합을 설계할 경우, 프리코팅층의 도공층 구조가 탑코팅층의 표면특성 및 인쇄적성에 크게 영향하는 것을 알 수 있었다. 즉, 안료의 고유특성의 차에 의해 얻어진 프리코팅층의 면 특성이 탑코팅층에 영향을 미친다는 것을 확인하였다. 이는 입자형태와 입자 크기 차이로 인하여 탑코팅층 내 안료 및 수분 그리고 바인더의 이동 및 분포에 있어서 차이를 발생시키며 최종적인 도공지 표면특성에 영향하는 것으로 판단된다. 또한, 바인더의 필름형성 능력과 결합력의 차이도 도공판지의 표면특성 및 인쇄적성에 큰 영향을 미치는 것으로 판단된다.
