1. 서 론
최근, 지금까지 생산해 오던 품질을 넘어선 새로운 도공지 및 도공판지의 개발 및 원가 절감에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이 가운데 도공 안료(coating pigment)도 중요한 역할을 담당하고 있다. 도공지 및 도공판지가 뛰어난 표면특성을 갖는 것이 종이의 품질에 있어 중요한데 종종 고가의 안료를 사용해야 할 때가 있다. 또한, 제조 단가를 절감해야 하는 시점에서 이와 같이 고가의 안료 사용량을 줄일 수 있는 최적의 안료 선택 또는 안료 배합 기술의 개발은 제지산업에 있어서 중요한 과제이다. 따라서 도공액 배합에 있어서 안료 자체 원래의 가치를 잘 이해하여 어떤 안료 특성이 도공층 구조와 도공지 성능에 어떠한 영향을 미치는지를 파악하는 것이 필요하다.1)
보편적으로 제지산업에서 원가 절감을 위해 프리코팅층에 입자경이 큰 GCC를 단독 적용하고 있다. 이렇게 구성되어진 프리코팅층은 원가면에서 이점은 있지만 입자가 큰 안료들로 구성되고 있어 입자가 작고 균일한 안료로 구성되어 있는 탑코팅층에 비해 불균일한 프리코팅층을 형성하고 있다. 그에 따라 탑코팅층 및 인쇄적성에 많은 영향을 미치게 된다. 이러한 이유로 최근 프리코팅층에 적용하고 있는 입자경이 큰 GCC의 일부를 입자경이 작거나 종횡비(Aspect ratio)가 큰 안료로 대체하여 프리코팅층의 특성을 변화시키려는 연구가 진행 중이다.2,3,4) 이는 도공층의 주성분인 안료의 입자경 및 입자 형태가 도공층의 공극 특성을 조절하며 도공지 자체의 물성뿐만 아니라 인쇄적성에도 밀접한 관계가 있기 때문이다.
이렇게 프리코팅층에 종횡비가 큰 안료의 첨가는 프리코팅층의 공극 구조 및 물성을 변화시키며 탑코팅층 도포시 프리코팅층의 공극구조 변화에 따라 탑코팅층의 바인더 마이그레이션이 감소하게 되며 바인더 마이그레이션의 감소는 최종 인쇄모틀에 영향을 주게 된다. 결과적으로 프리코팅층의 안료 배합에 따라 탑코팅층의 인쇄적성을 향상시킬 수 있다.5,6)
이에 본 논문에서는 입자경이 서로 다른 GCC 1종, Clay 2종 및 PCC 1종 그리고 SB Latex 대체용 biobased latex를 일정 비율로 혼용하여 프리코팅층에 적용하여 탑코팅층의 물성 변화를 확인 하였으며, 두 가지 방법의 인쇄 실험을 통하여 인쇄모틀 및 인쇄적성을 평가하였다.
2. 재료 및 방법
2.1 공시재료
2.1.2 도공용 안료
본 연구에 사용된 도공용 안료로는 프리코팅층에 입자경이 서로 다른 2가지 종류의 GCC 및 PCC, Clay 그리고 소성 Clay를 사용하였으며 안료의 물성은 Table 1에 나타내었다.
Table 1.
Properties of coating pigments
2.1.3 도공용 바인더 및 첨가제
도공용 바인더는 2가지 종류의 SB Latex(프리코팅층: SBL SL 703 Bulk, 탑코팅층: SBL SL 760 Bulk, A사, Korea) 및 biobased latex(Biz Biocat Top-2, B사)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
프리 코팅층 도공액 고형분 농도를 64%로, 탑코팅층 도공액의 고형분 농도를 67%로 제조하였다. 프리코팅층은 Table 3의 배합비로 제조하였으며, 탑코팅층은 Table 4의 배합비로 도공액을 제조하였으며 도공액 물성은 Table 5와 같다.
Table 3.
Formulations of pre-coating
2.2.2 도공판지 제작
도공판지 제작방법으로는 실험실용 반자동 코터(K-control coater, RK Print Coat Instrument Ltd., U.K.)를 사용하여 프리코팅층 도공량을 편면 19±2 g/m2으로 조정하여 도공 후, 105°C의 열풍 건조기(YJ-8600D, Yujin Electronics, Korea)에서 25초간 건조시켰다. 제조된 도공판지를 다시 편면 10±2 g/m2으로 탑코팅 하였으며 열풍건조기에서 25초간 건조시켰다. 그 후, 항온항습실에서 24시간 동안 항습처리를 실시하고 슈퍼 캘린더(Supercalender, Beloit Corporation, U.S.A.)를 사용하여 온도 70°C, 압력 300 psi에서 도공판지가 Steel면으로 향하게 한 후 2회 통과시켰다.
2.2.3 도공판지 물성 측정
탑코팅까지 처리한 도공판지의 거칠음도(PPS, L&W Co. Ltd., Sweden), 광택도(Gloss meter, model T480A, Technidyne Corp, U.S.A.), 백색도와 백감도, 불투명도(Elrepho 3300, Datacolor, International, U.S.A.)를 측정하였다.
2.2.4 도공판지의 인쇄적성 평가
도공판지의 인쇄적성을 평가하기 위하여 Croda 잉크 테스트 및 RI(RI-ll, KRK, JAPAN) 인쇄 실험을 실시하였다. Croda 잉크 테스트는 Croda 잉크를 실험 시편(2 cm×3 cm)에 전이시킨 다음, 일정시간(3분) 후 닦아내어 잉크농도 측정기(D196, Gretag)를 이용하여 각각의 시편에서 20회 잉크농도를 측정 후, 측정값의 표준오차를 구하여 인쇄 균일성을 평가하였으며 이를 도공판지의 인쇄 모틀로 평가하였다.
RI 인쇄 실험의 경우 실험 시편(2 cm×18 cm)에 Magenta 잉크와 Cyan 잉크를 0.5 g 전이시킨 후 Ink set-off 및 도공판지의 표면강도를 측정하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1 도공판지의 물성 평가
3.1.1 거칠음도 및 광택
Fig. 1은 도공판지의 거칠음도를 보여 주고 있다. PCC의 사용량을 증대시킬수록 거칠음도가 높아지는 결과를 보였으며(Control과 A 비교), Clay 적용 시 PCC보다 거칠음도가 낮아지는 결과를 확인하였다(Control과 B, C 비교). 또한, 상대적으로 입자경이 작은 Clay가 거칠음도가 낮은 결과를 나타내었다(B와 C비교). biobased latex의 사용량이 증대될수록 거칠음도가 상승하는 결과를 나타내었다(Control과 D, E 비교). 이는 라텍스와 biobased latex의 필름형성 차이에 의한 표면 특성의 차이라 사료되며 안료의 형태 및 바인더의 차이가 도공판지의 거칠음도에 큰 영향을 미친다고 판단되어진다.
Fig. 2는 도공판지의 광택을 보여주고 있다. Clay가 첨가된 도공판지에서 높은 광택 값을 나타내었다(B, C). 반면, biobased latex의 첨가량이 증대될수록 광택 값이 낮아지는 결과를 나타내었다(Control과 D, E 비교). 안정성이 뛰어난 라텍스는 점차 건조가 되면서 완전하게 밀집 충전이 되어 필름이 형성되지만, biobased latex의 경우 전분으로써 내수성이 약하고 열가소성이 아니기 때문에 캘린더 처리에 있어 광택 발현성이 떨어진 결과라고 사료된다.
3.1.2 백색도, 백감도 및 불투명도
Fig. 3은 도공판지의 백색도 결과를 보여 주고 있다. PCC 안료를 증대 시킬수록 백색도가 높아지는 경향을 보였으며(Control과 A 비교), 상대적으로 입자경이 큰 Clay이 일수록 빛의 산란이 커져 백색도가 증가하는 결과를 나타내었다(B와 C 비교). 이는 안료고유의 백색도 차이에 따른 결과로 사료되어진다. 그리고 biobased latex의 첨가량이 증가 할수록 백색도가 다소 감소하는 경향을 나타내었으나 차이는 미미하였다(D와 E 비교).
Fig. 4는 도공판지의 백감도 결과를 보여 주고 있다. 백감도는 백색도와 같은 경향을 나타내었다. 입자경이 큰 안료를 증대 시킬수록 백감도가 높아지는 경향을 보였으며(Control과 A 비교), 상대적으로 입자경이 큰 Clay이 일수록 백감도가 증가하는 결과를 나타내었다(B와 C 비교). biobased latex의 첨가량이 증가 할수록 백색도가 다소 감소하는 경향을 나타내었으나 차이는 미미하였다(D와 E 비교).
Fig. 5는 도공판지의 불투명도 결과를 보여주고 있다. 캘린더 처리 전·후 모든 시료간에 차이가 미미했다. 이는 원지의 평량이 커 이러한 결과를 보인 것으로 사료되어진다.
3.2 도공지의 인쇄 평가
3.2.1 Ink Set-off 평가
Fig. 6은 RI 테스트용 인쇄기를 이용하여 Ink set-off를 측정한 인쇄샘플을 5점법을 통해 평가한 결과이다. 잉크세트성이 빠르면 인쇄광택의 저하가 발생하며, 느리게 되면 인쇄 시 뒷묻음이 발생 한다. Cyan 잉크가 묻어날수록 잉크세트성이 불량한 것으로 D가 가장 우수하였고 E는 표면강도가 약해 시편이 뜯겨져 Ink set-off를 측정할 수가 없었다.
3.2.2 Dry-pick 및 Wet-pick 평가
Fig. 7은 RI 테스트용 인쇄기를 이용하여 실시한 도공판지의 건조표면강도와 습윤표면강도 인쇄샘플을 5점법을 통해 평가한 결과이다. 안료 배합을 다르게 한 샘플간에는 도공판지 표면강도가 비슷하게 나타났으나 biobased latex 대체율이 증가 될수록 건조표면강도와 습윤표면강도는 현저히 떨어지는 것으로 나타났다(D, E).
3.2.3 Croda ink 테스트
Fig. 8은 도공판지의 인쇄모틀을 측정한 결과 값을 나타내고 있다. biobased latex 대체율이 높을수록 인쇄모틀이 감소하는 경향을 나타내었으며 잉크와의 친화성이 우수한 PCC가 Clay보다 표준편차가 적었으나 PCC의 사용량이 증대될수록 인쇄모틀이 좋지 않은 경향을 나타 내었다. 이는 입자경이 상대적으로 작은 GCC의 첨가량이 증가되어 원지의 피복성과 균일성이 개선이 되어 인쇄모틀이 보다 더 우수하다고 사료되어진다.
4. 결 론
본 연구에서는 프리코팅층에 서로 다른 안료 배합 및 SB Latex 대체용 biobased latex를 혼용 적용하여 도공판지의 표면특성 변화를 관찰하였으며 인쇄를 통하여 인쇄적성을 평가하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
PCC의 사용량을 증대 시킬시 도공판지의 거칠음도, 백색도 및 백감도가 증가하는 결과를 확인하였으며, 인쇄모틀 발생이 많아지는 것을 확인하였다. 안료의 입자경이 인쇄모틀에 영향을 미친다는 것을 확인하였다. Clay 안료 사용 시 광택은 증가하며 거칠음도가 낮아지나 안료특유의 색상 때문에 백색도와 백감도가 감소하며 인쇄모틀이 일어나는 결과를 확인하였다. 동일 첨가량에서 입자경이 큰 소성 Clay 사용시 광택, 백색도 및 백감도가 상승하는 결과를 확인하였으나, 인쇄모틀이 발생하는 결과를 나타냈다. biobased latex와 SB Latex의 혼용사용 시 biobased latex의 비율이 높아질수록 거칠음도는 높아졌고 광택, 백색도 및 백감도가 감소하는 결과를 확인하였고 표면강도가 많이 떨어지는 결과를 확인하였으나 인쇄모틀이 감소하는 결과를 나타냈다.
연구 결과에 의하면 안료의 물성 중 입자경 및 입자형태에 의하여 탑코팅층의 표면특성 및 인쇄적성에 큰 영향을 미쳤다. 안료의 고유특성에 의해 프리코팅층의 면 특성이 탑코팅층에 영향을 미친다는 것을 확인하였다. 이는 입자형태와 입자 크기 차이로 인하여 탑코팅층 내 안료 및 수분 그리고 바인더의 이동 및 분포의 차이에 의해 발생한다. 또한, 바인더의 필름형성 능력과 결합력의 차이로 도공판지의 표면특성 및 인쇄적성에 큰 영향을 미치는 것을 확인하였다.
