1. 서 론
21세기에 들어서면서 세계는 경제와 사회 등 산업 전반적인 부분에서 기술기반 복합사회로 전환되고 있다. 전자산업과 같이 인쇄 기술이 접목된 산업군의 확장으로 인쇄산업 또한 저가격, 고품질, 소량 다품종 생산이 가능하도록 변화하고 있다. 또한 소비자의 요구가 다양해짐으로서 상업용 인쇄물 시장 역시 소량 다품종으로 변해가고 있다. 이와 같은 변화에 빠르게 대응하기 위한 인쇄방법의 변화 중심에 디지털 인쇄가 있다.1-3) 현재 디지털 인쇄방식은 액체의 잉크를 사용하는 잉크젯 방식과 고체 토너의 색재를 사용하는 방식으로 대별되고 있다. 토너 방식에 비하여 잉크젯 방식은 피인쇄체인 종이의 구조적 특성과 표면 특성에 의하여 화선 재현성에 많은 영향을 받게된다.4-6) 비도공지와 같이 표면이 균일하지 못한 종이의 경우 잉크의 침투가 용이해 색 농도의 저하와 같은 심각한 문제로 나타난다.7,8) 또한 섬유 간 결합을 통해 형성된 응집체의 크기 및 분포가 균일하지 못해 지합 불균일에 의한 인쇄 모틀이 발생하는 경우가 있다.9-12) 그리고 다공성 재료로서 구성 성분과 첨가되는 첨가물에 의해 물리적인 특성 변화가 많이 나타나며, 이러한 영향에 의하여 인쇄물의 컬러 및 품질이 달라진다.6,13) 반면, 고체 토너 방식의 경우 잉크젯 방식의 잉크보다 상대적으로 큰 입자의 분산정도를 나타내며, 열융착에 의한 고착이 이루어짐으로 상대적으로 종이의 표면 특성에 많은 영향을 받는다.
이러한 디지털 인쇄물의 품질에 대한 연구는 20세기 디지털 인쇄기가 보급되기 시작하면서 망점의 재현성, 인쇄물의 광택 등에 대한 연구가 진행되었으며, 동시에 디지털 인쇄용지의 물리적인 특성과 인쇄물 품질의 상관관계에 대한 연구가 수행되었으며 현재까지도 지속적인 연구가 수행되고 있다.14-16) 최근 들어 환경적인 부분에 대한 관심이 높아지면서 디지털 인쇄용지에 재생펄프를 사용하는 연구 및 재생펄프를 사용한 인쇄물의 품질에 관한 연구들도 발표되었다.17-20)
따라서 본 연구에서는 유럽, 미국, 아시아에서 수거한 인쇄용지 4종에 대한 표면 특성과 잉크젯 방식 및 토너 방식의 디지털 인쇄기에 의해 재현된 화상을 광학적인 장비를 통하여 분석함으로써 디지털 인쇄용지의 표면 특성이 인쇄품질에 미치는 영향에 대하여 연구하였다. 가장 기본적인 색 농도 및 균일성, 뒤비침, 중첩성(trapping), 망점 재현성에 대하여 연구를 수행하였다. 본 연구를 통하여 수집된 데이터는 디지털 인쇄용지의 품질 향상을 위한 기초연구로 더욱 다양한 재료의 적용성 및 디지털 인쇄물의 품질 향상 및 안정성을 목적으로 하고 있다.
2. 재료 및 방법
2.1 공시 재료
종이의 표면 특성이 인쇄 품질에 미치는 영향을 평가하기 위해 본 연구에서는 평량, 밀도 및 평활도가 다른 미국에서 생산된 1종, 유럽에서 생산된 1종, 아시아에서 생산된 2종의 인쇄용지를 시료로 사용하였다. 본 실험에 사용된 용지 중 2종의 경우(sample 3, sample 4)에는 재생펄프가 함유된 디지털 인쇄용지로, 모든 시료들은 ISO 187에 의거하여 온도 23±1℃, 상대습도 50±2% 조건의 항온·항습실에서 24 시간 이상 조습 처리하였다. Table 1에 각 용지의 기본물성을 표시하였다.
인쇄에 사용된 잉크젯 방식의 잉크는 일반적으로 130-150 nm 정도의 분산도를 가지고 있으며, 고체형태인 토너의 분산정도는 10 ㎛이하로 잉크젯 방식에 비하여 상대적으로 큰 입자분포를 나타내고 있다.21)
Table 1.
Properties of digital printing papers
2.2 디지털인쇄용지의 광학적인 방법에 의한 표면 거칠음도 측정
지금까지 종이 표면의 거칠음도를 측정하는 방식은 대부분 PPS(Parker print-surf) tester로 측정하였다. 측정 방법은 종이 표면의 가장 높은 부분과 낮은 부분의 높이차로서 그 수치가 낮을수록 평활한 표면임을 의미하는 방식으로 측정되었다. 하지만 실제 얼마만큼의 굴곡이 있는지를 알 수는 없었다. 따라서 본 연구에서 사용한 광학적인 측정 장비(OptiTopo, L&W, Sweden)에서는 양쪽에서 60°의 각도로 입사한 빛에 의해 인쇄용지의 표면 거칠음도에 따라 나타난 그림자의 길이를 측정하여 입체적인 방법으로 인쇄용지의 표면 거칠음을 측정한다. 특히 표면 거칠음도에 의해 나타난 골과 산의 높이를 각각 ±1.5 ㎛, ±3 ㎛, ±5 ㎛의 세분화된 측정값으로 표시할 수 있다. 이와 같이 세분화된 표면분석에 따라 우선적으로 산부분에 잉크와 토너와 같은 색 재료가 먼저 안착될 것이고, 충분한 공급 양이 주어지지 않으면 상당부분의 골부분에서는 잉크가 잔류하지 못할 것이므로, 표면 거칠음도에 따른 잉크의 전이 특성, 모틀 발생 예상 및 화선부 망점 빠짐 등을 예측하고 측정할 수 있다. Fig. 1에서 광학적인 측정 장비의 측정 원리를 간략히 나타내었다.
2.3 인쇄 시험 및 평가
인쇄 시험은 액체 타입의 잉크젯 프린터(HP printer, USA)와 토너 방식의 레이저 프린터(Samsung, laser printer, Korea)를 사용하여, 100%의 솔리드 패치와 색상 농도를 50%로 재현한 솔리드 패치 그리고 톤 재현을 위한 50% 망점 패치를 50 mm × 50 mm의 크기로 인쇄하였다. 실험 조건은 23±1℃, 상대습도 50±1%의 조건하에서 표준인쇄방식으로 실 인쇄하였다.
인쇄물의 품질 평가는 농도법에 의한 객관적인 인쇄물 평가를 위하여 반사 농도계(X-Rite exact, USA)를 사용하여 각 시료에 대하여 10회 측정하여 평균값으로 표시하였다. 인쇄물의 색 농도(color density)는 각 컬러 잉크에 대한 반사율을 측정하여 인쇄물의 농도로 나타내었으며,11,12) 인쇄물의 뒤비침은 인쇄된 이면에서의 반사율을 측정하여 뒤비침 값으로 나타내었다. 잉크 중첩성(trapping)은 오버프린트 된 Red(M+Y), Green(C+Y), Blue(C+M)에 대하여 첫 번째 잉크에 두 번째 잉크가 얼마나 중첩되었는지를 백분율로 표시하여 측정하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1 디지털 인쇄용지의 표면 거칠음도
디지털 인쇄용지의 표면 거칠음도를 OptiTopo 장비를 사용하여 측정된 값을 Table 2에 나타내었다. OSD(OptiTopo surface deviation)로 표시된 값은 세분화된 표면 거칠음도의 값을 평균적으로 나타낸 것이다. 측정된 결과 값을 비교해 보면 sample 1과 sample 2에서 상대적으로 좋은 결과를 나타내고 있음을 알 수 있었다. Sample 3과 sample 4의 경우 재생 펄프를 포함한 디지털 인쇄용지로서 MD, CD 모두 OSD 값이 상대적으로 높게 나타난 것을 알 수 있었다. 특히 hill과 crater의 분포를 비교해 보면 sample 1의 경우 5.0 ㎛ 이상 또는 이하의 것이 거의 분포하고 있지 않는 반면 재생펄프가 포함된 sample 3, sample 4의 경우에 상당부분 나타나고 있는 것을 알 수 있다. 따라서 재생 펄프가 포함되면 표면 거칠음도는 더욱 상이하게 나타나는 것을 알 수 있었다. 이러한 표면 거칠음도는 잉크의 피복저항 값을 증가시켜 상대적으로 균일한 인쇄품질을 표현하지 못할 것으로 판단된다.6)
Fig. 2에 기존의 종이의 표면 거칠음도 측정법인 PPS로 측정된 값과 OptiTopo 장비를 사용하여 측정된 값을 비교하여 보았다. 단순히 종이의 표면 특성만을 비교한 것으로 표면 거칠음도는 동일한 경향을 나타내고 있다. 단 PPS로 측정된 값과 OptiTopo 장비로 측정된 값의 차이는 앞에서도 언급한 것과 같이 단순히 가장 높은 수치와 낮은 수치의 차이에 의한 것이 아니라, OptiTopo 장비에 의한 측정은 전체적인 표면 거칠음도의 평균으로 나타내었기 때문에 이러한 차이가 발생한 것으로 판단된다. Fig. 3은 인쇄가 진행되는 MD에서 각 용지에 분포하고 있는 hill과 crater에 대한 측정 값을 2.36 ㎛로 가장 수치가 높게 나타난 sample 3과 1.10 ㎛로 가장 낮게 나타난 sample 1을 비교한 그래프이다. Fig. 3에서 확인되는 것과 같이 sample 3의 경우, 분포하고 있는 영역이 아주 크게 나타남을 알 수 있다. 따라서 hill과 crater가 많이 분포하고 있다는 것은 결국 종이가 상대적으로 아주 거칠다는 것을 표현하는 것이다. 이러한 세분화된 분석을 통해 잉크의 망점 빠짐 또는 인쇄 모틀을 예측할 수 있을 것으로 판단된다. 실제 측정된 표면을 비교한 그림을 Fig. 4에 나타내었다. Fig. 4에 나타난 것과 같이 sample 1과 sample 2에 비하여 sample 3과 sample 4는 확연하게 표면의 굴곡이 나타나고 있음을 알 수 있다.
Table 2.
Results of OptiTopo surface deviation
3.2 인쇄물의 품질 특성
3.2.1 잉크 색 농도
Figs. 5-8은 각 컬러 잉크에 대한 인쇄물의 농도 값 결과를 나타내고 있다. Sample 1, sample 2는 그림에서 보여 지는 것과 같이 인쇄물의 색 농도 차이가 크게 나타나지 않았다. 하지만 상대적으로 OSD가 2.36 ㎛와 1.63 ㎛로 높고, hill과 crater의 분포가 많이 나타난 sample 3과 sample 4에서 인쇄물의 색 농도 값이 낮아지는 것을 볼 수 있었다. 이와 같은 현상은 표면 특성이 거친 용지의 경우 전이된 잉크가 종이표면의 요철 부분을 채운 후 잉크가 침투하기 때문에 균일한 색 농도를 얻기 위해서는 필요로 하는 잉크 양이 많아지기 때문에 나타난 현상으로 파악된다.11,12) 하지만 토너 잉크젯 모두 동일한 양을 공급했기 때문에 상대적으로 인쇄용지의 표면이 거친 sample 3과 sample 4에서 낮은 색 농도 값을 나타낸 것으로 판단된다.
또한 투기도가 273.5 sec로 아주 높은 값을 가지고 있는 sample 3에서 색 농도가 상대적으로 낮은 결과를 보여주고 있다. 특히 잉크젯의 경우 Figs. 5-8에서 보는 것과 같이 토너방식에 비하여 아주 낮게 나타난 것을 알 수 있는데, 이것은 내부로 침투되어 들어간 잉크가 많았기 때문으로 판단되며, 뒤비침에 영향을 많이 미쳤을 것으로 생각되어진다.
잉크젯 방식과 토너 방식의 결과를 비교해 보면, 토너방식에서 좋은 결과를 나타내고 있다. 그 이유는 액체 타입인 잉크젯 방식은 젖음 발생 후 침투가 일어나는 반면 고체 타입의 토너 방식은 상대적으로 침투가 거의 일어나지 않고 표면에 잔류하는 토너가 많았기 때문에 잉크젯 방식보다 높은 색 농도를 나타내고 있음을 알 수 있다. 하지만 토너 방식에서도 sample 3의 경우가 대체적으로 낮은 색 농도 값을 나타내고 있다. 그 이유는 앞에서 언급한 것과 같이 표면의 거칠음도가 높아 요철이 많았기 때문에 균일한 색 농도를 나타내지 못했기 때문으로 판단된다.
Figs. 9와 10은 인쇄된 면의 hill과 crater의 분포를 나타낸 값을 비교한 것이다. 비교적 표면이 평활한 sample 1과 거칠음도가 많이 분포한 sample 3을 비교해 보았을 때, 토너 방식과 잉크젯 방식 모두 sample 3에서 표면 거칠음도가 높게 나타나고 있음을 알 수 있었다. 더욱이 인쇄가 되지 않은 디지털 인쇄용지의 표면에서의 hill과 crater의 분포를 나타낸 Fig. 3과 비교해 보았을 때, 인쇄된 후에 그 분포가 많이 나타남을 알 수 있었다. 그 이유는 건조되는 과정에서 토너 방식은 수지가 열에 의해 액상으로 변하고 다시 고상으로 변화는 과정을 거치며, 잉크젯의 경우에는 액상의 잉크가 젖음에 의해 디지털 인쇄용지의 수축에 의한 영향 때문으로 판단된다.21) 하지만 토너 방식이 잉크젯 방식 보다는 상대적으로 적게 발생한 것은 고체 열가소성 수지가 경화되는 과정에서의 수축 폭이 작았기 때문으로 판단된다.
3.2.2 뒤비침
인쇄물의 뒤비침 현상은 black 잉크의 solid 부분에 대한 결과에 대하여 Fig. 11에 나타내었다. 인쇄물의 뒤비침 현상은 색 농도와 반비례적인 관계를 나타내고 있음을 알 수 있었다. 용지의 표면 거칠음도가 높거나 많이 분포하면 상대적으로 잉크 수리성이 균일하지 못하기 때문에 잉크젯 잉크의 경우에서는 젖음 특성의 변화가 발생하고, 잉크의 침투가 부분적으로 달라져 색 농도와 마찬가지로 뒤비침 또한 부분적으로 다르게 나타남을 알 수 있었다. 상대적으로 고체의 토너는 골과 산 부분 모두 동시에 열에 의해 융착되기 때문에 균일한 뒤비침 현상을 나타내고 있음을 알 수 있었다. 더욱이 액체의 잉크젯 방식에 의한 색 재현에서 토너 방식에 의한 화상 재현 보다 뒤비침이 많이 발생한 것을 알 수 있는데, 이것은 액상 성분의 디지털 인쇄용지로의 모세관 침투에 의한 현상으로 판단되어지며, 토너 방식의 경우에는 침투가 거의 일어나지 않았기 때문에 디지털 인쇄용지의 표면 거칠음도 보다는 다른 물성에 의한 영향을 받았기 때문으로 생각되어진다.
Sample 2의 경우 sample 1보다 더 많은 침투에 의한 뒤비침 값이 아주 조금 높게 나타난 것을 알 수 있는데, 이것은 지합이 74.1로 sample 1의 57.7보다 높게 나타났기 때문으로 지합 불균일의 영향을 받은 것으로 판단되어 진다. 하지만 그 차이는 토너 방식의 경우 0.01(D), 잉크젯 방식 0.02(D)로서 거의 육안으로는 구분이 되는 않는 미비한 정도이다. Sample 3과 sample 4는 sample 1과 sample 2에 비하여 뒤비침이 다소 많이 일어난 것을 알 수 있었다. 이것은 디지털 인쇄용지의 물성 중에서 밀도와 투기도의 영향을 받은 것으로 판단된다.
또한 sample 3의 경우 뒤비침 현상이 sample 4보다도 많이 나타났다. 그 이유는 디지털 인쇄용지의 물성 중 투기도에서 273.5 sec로 sample 4의 49.8 sec 보다도 아주 높은 값을 나타내었기 때문에 이러한 결과가 나타나게 되었다고 생각되어진다. 더욱이 sample 3의 경우 재생펄프를 사용한 디지털 인쇄용지로서 단섬유의 재생펄프가 함유되면 공극의 구조가 가늘어져 동일한 양의 잉크가 공급되더라도 침투속도가 빨라지기 때문에 이러한 뒤비침 영향이 많이 발생한 것으로 판단되어진다. Sample 4의 경우 sample 1과 sample 2에 비하여 상대적으로 뒤비침이 높게 나타난 것은 콥 사이즈가 가장 높아 내수성이 좋지 않았기 때문으로 판단된다.
3.2.3 중첩성
일반적인 잉크에 의한 재현 방식은 감색 혼합이지만, 망점을 이용한 재현에 있어서는 여러 색의 망점이 빛의 반사로 합쳐져서 중간색으로 표현된다. 이러한 색의 표현을 잉크의 중첩성 혹은 트래핑이라 부른다. Figs. 12-14에 R(M+Y), G(C+Y), B(C+M) 색상에 대하여 측정한 트래핑 값을 그래프로 나타내었다. 트래핑 값이 높게 나타났다는 것은 그 만큼 첫 번째 인쇄된 잉크 위에 두 번째 인쇄된 잉크가 잘 부착되었다는 의미이다. 디지털 인쇄용지의 표면이 상대적으로 평활한 sample 1과 sample 2에서 트래핑 율이 높게 나타난 것은 첫 번째 인쇄된 면이 비교적 균일하여 고른 색 농도를 나타내고 있고, 그 위에 두 번째 잉크 또한 고르게 중첩되었기 때문에 디지털 인쇄용지의 표면이 거친 sample 3과 sample 4보다 높은 트래핑 율을 나타내고 있음을 알 수 있었다. 또한 토너 방식의 트래핑 값이 잉크젯 방식보다 평균 7% 높게 나타난 것으로 판단할 때 색 재현을 위한 트래핑 율은 디지털 인쇄용지와의 표면 거칠음도와 상관관계를 가지면서 잉크 상호간의 부착력에 영향을 받은 것으로 생각되어진다.6)
3.2.4 망점 재현성
Fig. 15에 각 시료에 대하여 측정된 망점 형상을 나타내었다. 디지털 인쇄용지의 표면이 상대적으로 가장 평활한 sample 1에서 망점의 재현이 좋게 나타남을 알 수 있었다. 상대적으로 표면이 가장 거친 sample 3에서는 토너방식 및 잉크젯 방식 모두 점이 빠진 현상이 많이 나타남을 알 수 있었다. 따라서 디지털 인쇄용지의 표면 거칠음도가 높거나 많이 분포하고 있으면, 균일한 색 농도를 얻지 못하는 것과 마찬가지로, 작은 망점으로 표현되는 화선부가 소실되어 균일한 색상을 재현하지 못하는 것을 알 수 있었다. 또한 잉크젯 방식에 비하여 토너 방식에서 망점 형상이 좋은 결과를 나타내고 있는데 그 이유는 건조방식의 차이로 판단된다. 잉크젯 방식은 디지털 인쇄용지의 표면에 잉크가 안착되고 침투에 의해서 건조가 일어나기 때문에 표면이 거칠면 상대적으로 피복저항 값이 커져 잉크의 젖음 특성이 나빠지기 때문이며, 토너 방식은 열과 함께 압력이 주어져 순간적으로 거친 표면이 평활해지기 때문에 이러한 차이가 나타난 것으로 판단된다.6,21) 또한 토너 방식 색 재료의 분산정도가 잉크젯 방식보다 훨씬 크기 때문에 상대적으로 인쇄용지의 표면 요철을 일정 부분 덮어버려 잉크젯 방식보다는 좋은 망점 재현을 나타낸 것으로 생각되어진다. 하지만 토너 방식 또한 용지의 표면 거칠음도가 클 경우에는 압착 시 굴곡의 차이가 나타나기 때문에 인쇄용지의 표면이 평활 할수록 균일한 전이가 이루어진다는 것을 확인할 수 있었다.
4. 결 론
디지털 인쇄용지의 표면 거칠음도를 세분화하여 분석하고, 그 결과와 인쇄물의 품질을 비교한 결과 컬러잉크에 대한 인쇄물의 색 농도 값은 sample 1과 sample 2에서는 비슷한 경향을 나타내었지만, OSD가 2.36 ㎛와 1.63 ㎛로 높고, hill과 crater의 분포가 많이 나타난 sample 3과 sample 4에서 인쇄물의 색 농도 값이 낮아지는 것을 볼 수 있었다. 디지털 인쇄용지의 표면 거칠음이 상대적으로 높게 되면 필요로 하는 잉크 양 또한 많아져야 하지만, 동일한 잉크 공급에 의한 결과로 요철부분에 의한 영향으로 판단되며, 건조 후 모틀과 같은 문제가 발생 할 수 있을 것으로 판단된다. 또한 재생펄프가 혼합된 sample 3의 경우 가장 낮은 결과를 나타내었다. 따라서 디지털 인쇄용지에 재생펄프를 사용할 경우 지합 개선 및 밀도개선이 필요할 것으로 판단되어진다. 또한 잉크젯 방식과 토너 방식을 비교해 본 결과, 토너 방식이 더 우수한 것으로 나타났으며 이는 액체 타입인 잉크젯 방식은 다공성 재료인 디지털 인쇄용지에 침투가 일어났기 때문으로 고체 타입의 토너 방식에 비하여 상대적으로 표면에 잔류하는 잉크가 적었기 때문이다. 또한 뒤비침의 결과의 경우 디지털 인쇄용지의 물성 중 표면 거칠음도 보다는 밀도와 투기도의 영향을 받는 것으로 판단된다.
인쇄물 품질 중 트래핑에 대한 결과, 인쇄용지의 표면이 평활 할수록 첫 번째 전이되는 색 잉크가 균일하게 전이되어 두 번째 색 잉크 또한 균일한 표면 위에 균일하게 전이되기 때문에 좋은 결과가 나타난다는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 처음에 안착되는 잉크나 토너는 균일하게 안착되어야 두 번째 세 번째 안착되는 색 재료에 영향을 주어 중첩성이 좋아진다. 따라서 디지털 인쇄용지의 표면 거칠음도는 중첩성에도 영향을 주는 주요한 인자로 파악되었다. 또한 색 재현을 위한 중첩성은 잉크 상호간의 부착력의 관계 또한 중요한 요인으로 파악되었다. 망점 재현성의 결과에서도 디지털 인쇄용지 표면의 거칠음도가 낮아지면 상대적으로 균일하고 좋은 망점 형상을 재현하는 것을 확인 할 수 있었으며, 잉크젯 방식에 비하여 토너 방식의 재현이 상대적으로 좋은 결과를 나타내고 있음을 알 수 있었다.
본 연구의 실험결과 디지털 인쇄용지의 표면 거칠음도와 인쇄품질에 상호작용에 대한 연구를 통하여 지금까지의 측정방식과는 달리 좀 더 넓은 면적에서 세분화된 인쇄용지의 표면 거칠음도를 측정함으로서 디지털 인쇄물의 품질에 대한 정밀한 분석이 가능하였으며, 이러한 기초자료 확보를 통한 디지털 인쇄용지의 인쇄품질에 관한 지속적인 연구가 수행되어야 할 것으로 생각되어진다.
