1. 서 론
1인당 국민소득이 증가하고 생활의 질이 높아지면서 티슈의 고급화가 진행되고 있다. 티슈의 경우 구매자가 중요하게 판단하는 특성은 부드러움(softness), 강도, 물 흡수성(absorbency)이다. 티슈의 부드러움은 위의 3가지 특성 중 가장 중요시하는 항목으로서 구매자가 주관적으로 판단하기 때문에 객관적인 평가 방법이 필요하다.1)
티슈의 부드러움 평가 방법의 연구는 1980년대 스웨덴의 Hallmark에 의해 진행되었는데 티슈의 주관적 부드러움은 표면 부드러움(surface softness)과 벌크 부드러움(bulk softness)으로 구성되어 있다고 하였다.2) 벌크 부드러움은 티슈가 손바닥 사이에서 구겨질 때 느끼는 부드러움이고 표면 부드러움은 티슈 표면을 손가락 끝으로 만졌을 때 느끼는 부드러움이다. 벌크 부드러움은 인장강도 측정기를 이용하여 측정 가능하고, 표면 부드러움은 탐침측정 방법을 이용하여 Kato 사의 KES-SE-SR Surface Tester(KES tester)장치로 측정한 결과 주관적인 부드러움과 상관관계가 있었음을 확인하였다.3)
티슈의 표면 부드러움을 객관적으로 측정하는 방법은 크게 3가지가 있는데 (1) 탐침(stylus profiling) 방법, (2) 전자현미경(electron microscope) 방법, (3) 광학적(optical) 방법이 있다. 탐침에 의한 방법은 탐침 접촉 반경의 표면에 산과 골 사이의 높이 상태를 측정하여 표면의 형상을 해석하기 위한 보편적인 방법이지만 측정하는 위치에 따른 의존도가 크다는 단점이 있다. 전자현미경에 의한 방법은 정밀한 측정이 가능하지만 장비의 가격이 매우 비싸고 장비를 사용하려면 전문적인 지식이 필요하다는 어려움이 있다.
표면 부드러움은 표면 거칠음도와 관련이 있는데 영국의 Mandelbrot가 제안한 프랙탈 이론을 이용하여 프랙탈 차원(fractal dimension, FD)을 분석하였다. 프랙탈 이론이란 자기유사성(self-similarity)을 가지고 있으면서 프랙탈 차원 값을 가지는 조건을 만족하는 모형을 프랙탈 모형이라고 정의한다.4) 번개, 눈꽃 송이, 뇌 등과 같이, 티슈 표면의 거칠은 형태도 자기유사성과 프랙탈 차원 값을 가지기 때문에 프랙탈 특성을 가진다고 판단하였다. 티슈의 표면분석을 위해 사용되는 TSA(tissue sample analyzer), 화상 분석과 프랙탈 차원 값의 상관관계를 비교하였다.5-9) TSA방법은 각 특성에 대한 평균값 한 개로 결과가 표현되기 때문에 제약이 있다. 따라서 본 연구에서는 수많은 티슈의 표면 높이 변이를 측정하기 위하여 접촉식 측정방법의 일종인 KES tester를 이용하였다.
본 연구에서는 2개 회사의 화장실용 티슈와 미용티슈에 대해서 소프트너(softener) 사용 유무에 따라 TSA, 화상 분석, 프랙탈 차원 값을 측정하고 결과를 분석하였다.10)
2. 재료 및 방법
2.1 공시재료
본 연구에서는 소프트너가 사용되지 않은 화장실용 티슈(bath tissue, BT) 2종과 내첨소프트너 및 내첨+외첨소프트너가 사용된 미용 티슈(facial tissue, FT) 2종을 분양받아 공시재료로 사용하였다. 각 시료의 특성은 Table 1과 같다. 분양받은 티슈들은 KS M ISO 187에 의하여 23±1℃, 상대습도 50±2%의 항온항습실에서 8시간 조습 처리한 후 물성을 측정하였다. KS M ISO 12625-6에 따라 평량을 측정하였다.
Table 1.
Characteristics of tissue sample
| Number | Grade | Basis weight (g/m2) | Ply number | Internal softener | External softener |
|---|
| 1 | BT | 16.2 | 1 | × | × |
| 2 | FT | 15.0 | 1 | ○ | × |
| 3 | FT | 17.8 | 1 | ○ | ○ |
| 4 | BT | 15.0 | 1 | × | × |
| 5 | FT | 13.7 | 1 | ○ | × |
| 6 | FT | 13.9 | 1 | ○ | ○ |
2.2 실험방법
2.2.1 TSA를 이용한 티슈 부드러움 측정
23±1℃, 상대습도 50±2%로 조습 처리된 티슈를 TSA (EMTEC, Germany)를 이용하여 TS7000, TS750, D value를 측정하였다. TS7000이란 개개의 섬유특성, 섬유 간 결합과 티슈의 벌크와 같은 구조에 따라 부드러움을 결정하는 지표이다. TS750은 크리핑, 엠보싱의 면적과 구조의 높이에 따른 부드러움 지표이며 티슈가 부드러운 특성을 가질수록 TS7000과 TS750의 지표는 낮게 나타난다. D value는 티슈의 인장강도와 상관관계가 높은 강직성을 나타내고 높을수록 더욱 부드럽다. HF (hand feel)는 이 3개의 지표를 종합하여 나타낸 최종 부드러움을 나타내는 값으로 높을수록 더욱 부드럽다. HF, TS7000, TS750, D value 값은 티슈의 겹수, 평량, 두께를 기반으로 하여 수학적 계산으로 구한다.
2.2.2 티슈표면 화상 분석
일반적인 티슈의 표면은 Fig. 1과 같이 보인다. 좀 더 자세히 살펴보면 크리프의 다양한 특성을 볼 수 있는데, 그러한 티슈의 크리프 특성을 분석하고자 하였다. 부드러움의 영향인자인 단위 길이당 크리프 바(crepe bar)의 개수와 크리프 바의 강도(crepe bar intensity), FFE (free fiber end)를 KemViewTM, SSA-FFE (sheet structure analyzer and free fiber end)를 이용하여 측정하였다. 크리프 바의 강도는 crepe visibility로 표현 가능하며 크리프가 표면으로부터 돌출되어 또렷하게 보이는 정도의 값이고 크리프의 가시성 혹은 강렬함을 나타낸다. FFE란 Fig. 2에서 보는 바와 같이 티슈 표면에서 서있는 50 µm 이상의 길이를 가지는 섬유를 말하고, 그 섬유의 개수를 측정한 것이다. 일반적으로 볼 때 KemViewTM를 통하여 측정한 크리프 바의 개수와 크리프 바의 강도가 낮아질수록, FFE의 개수가 많아질수록 티슈는 부드럽다고 알려져 있다.11)
Fig. 1.
Image of the sheet structure (scale bar = 3,000 µm ).
Fig. 2.
Image of the FFE.
2.2.3 티슈 표면의 프랙탈 차원 값 측정
KES tester를 이용하여 측정 길이는 20 mm이고, 측정 조건은 민감도 high, 적용 하중 5 gf, 측정 속도 1.0 mm/s.로 실험하였다.12) 측정거리를 x축으로, 거칠음도의 높낮이는 y축인 데이터가 추출된다. KES tester만을 이용하면 측정 데이터 값이 200-260개가 추출되는데 이는 정확한 프랙탈 차원 값을 도출하기 어려우므로 data logger를 이용하여 2,000여 개의 데이터를 추출하였다. 추출된 데이터는 통계 프로그램인 SAS JMP를 이용하여 time series의 Variogram 방법을 통하여 추출된 값에 log를 취한 x, y 값들을 나타내는 그래프의 기울기를 Fig. 3에서 보는 바와 같이 구하였다.13)Eq. 1을 이용하여 프랙탈 차원 값을 계산하였고 프랙탈 차원 값이 낮을수록 부드럽다고 판단한다.13,14)
FD: 프랙탈 차원 값,
Slope: 기울기.
Fig. 3.
Slope of variogram graph.
3. 결과 및 고찰
3.1 소프트너 사용에 따른 부드러움 특성
3.1.1 TSA에 의한 부드러움 특성 분석
TSA를 통하여 부드러움을 측정한 결과는 Table 2와 같다. 티슈별 내첨, 외첨소프트너 사용 유무에 따라 TSA를 통하여 부드러움을 측정하였다. HF를 보면 소프트너를 사용하였을 때 전체적으로 부드러움이 증가하는 결과를 보였다.15) D value는 내첨, 내첨+외첨 소프트너 사용 시 1, 2, 3번 샘플은 감소하다가 증가하였고 4, 5, 6번 샘플은 증가하였다가 감소하였다. 이는 최종 제품의 섬유 종류와 소프트너의 종류가 다르기 때문에 나타난 결과로 판단되고, 소프트너가 사용되지 않은 제품과 내첨+외첨소프트너를 사용하였을 때의 결과를 비교해보면 사용하였을 때 부드러움이 증가하였다.
Table 2.
Data summary of TSA
| Test items | Description | Sample no. |
|---|
| #1 | #2 | #3 | #4 | #5 | #6 |
|---|
| TS7000 | Lower the better | 18.60 | 14.53 | 10.30 | 23.30 | 16.55 | 15.57 |
| TS750 | Lower the better | 12.43 | 10.41 | 8.76 | 16.99 | 8.97 | 9.58 |
| D value mm/N | Higher the better | 3.97 | 3.32 | 4.21 | 3.23 | 3.70 | 3.57 |
| HF | Higher the better | 81.10 | 85.20 | 97.30 | 76.50 | 84.00 | 84.70 |
3.1.2 KemViewTM, SSA-FFE에 의한 부드러움 특성 분석
KemViewTM, SSA-FFE를 이용하여 티슈의 부드러움을 측정한 결과는 Table 3과 같다. 크리프 바의 개수와 강도를 측정한 티슈의 이미지는 Fig. 4에 나타내었다. 크리프 바의 개수는 소프트너가 사용됨에 따라서 증가되고 크리프 바의 강도는 1, 2, 3번 샘플은 감소하지만 4, 5, 6번은 증가하다가 감소하는 경우를 보였다. 크리프 바의 강도는 크리프의 가시성으로 소프트너가 사용되어질 때 감소하였고 Fig. 4의 표면 이미지를 보아도 뚜렷한 차이가 있다. 이는 소프트너가 사용되지 않은 원지의 표면과 사용한 소프트너 종류에 따라 차이가 발생한 것으로 판단된다. FFE 개수의 경우 외첨소프트너를 도포하였을 시 감소하였는데 외첨소프트너 특성상 티슈 표면에 코팅처리하여 도포를 하였기 때문에 작은 크기의 FFE가 표면에 돌출되지 못하였다고 판단하였다.
Table 3.
Data summary from KemViewTM and SSA-FFE
| Test items | Description | Sample no. |
|---|
| #1 | #2 | #3 | #4 | #5 | #6 |
|---|
| Crepe #/cm | Higher the better | 20.9 | 31.9 | 33.7 | 24.6 | 29.0 | 33.2 |
| Intensity of creping (%) | Lower the better | 1.01 | 0.96 | 0.71 | 0.70 | 0.81 | 0.77 |
| FFE count folded (#/cm²) | Higher the better | 28.1 | 43.1 | 24.4 | 24.8 | 14.1 | 14.2 |
Fig. 4.
Images of the sheet structure (scale bar = 3,000 µm ).
3.1.3 프랙탈 차원값에 의한 티슈 부드러움 분석
KES tester와 data logger를 통해 측정한 프랙탈 차원 값은 Table 4과 같다. KES tester로 MMD(mean deviation from average surface friction)16,17)를 측정하였고 내첨소프트너와 외첨소프트너가 사용됨에 따라 프랙탈 차원 값은 상승하는 결과를 보였다. 소프트너가 티슈 표면의 수소결합의 파괴로 섬유의 마찰계수가 증가하였기 때문에 나온 결과로 판단되었다. 1 µm당 한 개의 데이터가 추출되는 마이크로 단위였기에 섬유의 마찰계수는 증가되었고 프랙탈 차원 값의 증가로 이어졌다.
Table 4.
FD value of sample
| Test items | Sample no. |
|---|
| #1 | #2 | #3 | #4 | #5 | #6 |
|---|
| FD | 1.21 | 1.28 | 1.28 | 1.25 | 1.24 | 1.26 |
3.2 부드러움 측정방법 간 상관관계 분석
Figs. 5-7에서 프랙탈 차원 값과 KemViewTM, SSA-FFE방법, TSA의 상관관계를 비교해 보았다. 프랙탈 차원 값과 단위 길이당 크리프 바의 개수의 상관관계는 0.6922으로 높은 상관관계를 보이나 크리프 바의 강도와는 0.1568으로 낮은 값을 보였다. 이로써 접촉식 부드러움 측정 방법에서 크리프 바의 강도보다는 크리프 바의 개수가 더욱 높은 상관관계를 가졌다고 판단하였다. 프랙탈 차원 값과 HF 값의 상관관계를 보면 0.2814로 낮은 상관관계를 가졌다. HF는 벌크, 섬유 간 결합 등의 티슈의 구조와 크리핑, 엠보싱, 강직성을 종합하여 나온 지표이지만 프랙탈 차원 값은 티슈 표면의 마찰만을 측정하였기 때문에 상관관계가 적다고 판단하였다.
Fig. 5.
Correlation of FD value and crepe bar count.
Fig. 6.
Correlation of FD value and crepe intensity of creping.
Fig. 7.
Correlation of FD value and HF.
4. 결 론
본 연구에서는 티슈 소프트너 사용에 따른 부드러움을 3가지 측정 방법으로 측정하여 비교 분석하였다. TSA 방법과 화상 분석법은 소프트너의 영향으로 인한 부드러움 증가가 파악되었으나 프랙탈 차원 값은 반대의 결과를 보였다. 이러한 결과는 소프트너의 티슈 수소결합의 파괴로 표면의 부드러움이 저하되었기 때문으로 판단되었다. 측정 방법 간 상관관계는 같은 샘플을 같은 목적으로 측정하였지만 프랙탈 차원 값과 크리프 바의 개수를 제외하고 0.5 이상의 상관관계를 보이지 못하였다. 티슈 부드러움을 간접적으로 측정하는 방법은 다양하지만, 아직 국제적으로 측정방법이 표준화되어 있지 않다. 그러나 티슈의 부드러움은 소비자가 구매를 결정하는 중요한 특성이기 때문에 객관적이고도 표준화된 부드러움 측정 방법이 필요하다. 따라서 단위길이당 크리프 바의 개수, 크리프 바의 강도, FFE(free fiber end), 프랙탈 차원 값 등이 티슈의 부드러움 특성과 관계가 있을 수 있는 것으로 판단되었다.
Acknowledgements
본 연구는 산업통상자원부 및 한국산업기술평가관리원의 산업기술표준화 및 인증지원사업(국가표준기술력향상사업)의 일환으로 수행하였습니다(10065715, 티슈의 Softness 측정기술 국제 표준화).
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