1. 서 론
전통 한지의 섬유소 원료인 닥 인피섬유는 목질계 섬유와 비교하여 세포벽의 화학 조성분, 미세구조 및 섬유의 장폭비 등 화학적·물리적 특성의 차이가 있다. 특히, 닥인피섬유는 목질섬유보다 섬유장이 길고 분자량이 높아 이를 이용하여 만든 한지의 강도는 목재펄프 소재의 종이에 비해 훨씬 높으며, 섬유의 미세 구조에 따라 한지는 물리화학적, 보존성 측면에서도 양지에 비해 우수하다고 알려져 있으며, 한지 섬유 소재의 소취성, 항균성 등의 기능성을 지닌다는 연구 결과도 발표되고 있다.1-3) 이에 최근에는 서화용, 공예용, 문구용, 가정 생활용품용, 건축용 등 전통적 용도 외에도 고급 의류용, 의료용품용, 첨단과학 소재 등으로 응용되며 닥 섬유에 대한 새로운 관심이 고조되고 있다.4) 그러나 닥 섬유는 비목질계 섬유의 일반적 특징인 섬유의 장폭비가 매우 커 오늘날 고속 초지기로는 시트화하기 어려운 특성이 있다. 따라서 한지는 전통적으로 수작업에 의한 흘림뜨기 및 가둠뜨기 방법으로 초지하여 왔으며, 최근에는 현대식 공정 시스템을 개량 접목한 기계화 시스템 연구도 시도되고 있다.5-7)
일반적으로 한지 제조공정은 섬유 원료의 준비 단계로 닥 거두기, 닥무지, 닥 껍질 벗기기, 흑피 벗기기, 닥 삶기, 일광 표백하기, 티 고르기 등이 있으며, 초지공정으로는 고해하기, 닥풀내기, 통물 만들기, 흘림뜨기 및 가둠뜨기, 바탕자리 쌓기, 물짜기, 말리기 등이 있고, 가공공정으로는 도침, 재단하기, 선별 및 포장 등 세부공정으로 구분할 수 있다. 이와 같은 한지 제조 공정 중 도침은 한지의 용도에 따라 섬유 조직구조를 치밀화 시켜 밀도 증대, 물리적 강도 및 표면 평활성을 개선할 수 있으며, 시트의 지질을 평활하게 함으로써 인쇄적성, 가공성 등을 향상하기 위한 목적으로 수행되기도 한다. 또한 한지는 고해공정을 거치지만 장섬유로 구성되어 있어 섬유 간 결합구조에 따른 시트 내의 공극율이 높아 인쇄, 표면 가공 시 번짐 현상을 야기하게 되며, 이를 개선하기 위해 도침 처리를 통한 발묵 특성을 개선하기도 한다.8)
전통적 방법으로 도침공정은 무거운 돌을 이용하여 종이를 눌러 놓았다가 그 위를 방망이 등으로 두드리던 도련공정에서 발전된 형태로써 다듬이나 방아를 이용하여 여러 겹으로 쌓인 종이를 두드려 표면 평활성 뿐 아니라 광택을 부여하였지만, 오늘날에는 동력식 도침기를 주로 이용하고 있다.9) 도침 공정을 거친 시트는 고해공정에 의해 종이 표면에 발생하는 잔털과 같은 미세한 섬유 피브릴들을 고착시켜 주며, 섬유의 치밀도 향상에 따라 번짐을 막아 사이징 효과를 유도할 수 있다. 또한 기존 연구 결과에 따르면 도침공정에 따라 내절도, 파열강도, 인장강도 등 시트의 기계적 강도 특성도 개선된다.10,11) 따라서 밀도 및 표면 평활성이 요구되는 용도에 접목할 경우 도침 처리는 필수적이라 할 수 있다.
목재섬유를 주원료로 사용하는 오늘날의 제지공정에서는 시트의 표면가공 처리표면 사이징 및 캘린더링 처리가 주로 행해지며, 이러한 처리를 통해 시트 두께와 밀도를 균질화시키고, 시트 평활성 및 광택도 등의 표면 특성을 개선시킨다. 특히 캘린더링은 종이에 평활성과 광택을 부여함으로써 시트의 표면 특성 및 인쇄적성을 개선할 수 있으며 도공용 원지의 도공적성과 물성 개선에도 도움을 주는 것으로 알려져 있다.12) 현대적인 표면 가공처리인 캘린더링 처리는 전통적인 도침처리와 그 목적 및 효율성이 유사하다고 볼 수 있다. 이에 본 연구에서는 전통 수초한지의 기계화 공정 응용 목적으로 캘린더링 처리를 접목하고자 하였다. 따라서 전통 한지의 물리적 특성 개선, 자동화 공정의 하나로서 한지의 도침 처리에 대한 대안의 방법으로서 제지용 파일럿 슈퍼 캘린더를 사용하여 캘린더링에 따른 한지의 표면 구조 특성 변화를 분석해 보고자 하였다.
2. 재료 및 방법
2.1 공시재료
본 실험에 사용된 한지는 국내 J 전통한지 공방에서 제조한 흘림뜨기 초지 방식의 미도침 수초 한지로써 63 cm × 93 cm 규격의 한지를 분양 받아 사용하였다. 흘림뜨기 초지 방식의 한지는 섬유가 교차되도록 수초하기 때문에 기계초지한 종이와 같이 섬유의 배향성이 뚜렷하게 나타나지 않으나 물질의 종방향과 횡방향에 따라 물성의 차이가 존재한다.13) 따라서 초지 시 물질의 종방향과 횡방향을 구분하여 각각 VD(vertical direction, 종방향), HD(horizontal direction, 횡방향)으로 명칭 하였다. 시험에 사용한 한지 시료의 물리적 특성을 Table 1에 나타냈다.
2.2 실험방법
2.2.1 시험편 준비
본 연구에서는 63 cm × 93 cm 규격의 한지 시료를 각각 20 cm × 30 cm 크기로 6 분할 재단하여 사용하였다. 흘림뜨기 초지한 한지 시트 1장에서 시험 시료를 채취하기 위해 재단한 모식도를 Fig. 1에 나타냈다.
2.2.2 슈퍼캘린더링
사용된 슈퍼캘린더는 실험실용 파일럿 슈퍼캘린더(Beloit Co. Ltd.)로써 슈퍼캘린더링 시 온도와 압력을 조절할 수 있다. 본 연구에서는 슈퍼캘린더링 처리 변수로 온도, 압력, 캘린더 통과횟수를 조절하였으며, 온도는 20℃, 40℃, 60℃의 3 조건으로 설정하였고, 압력은 0.5 kgf/cm2, 1 kgf/cm2, 1.5 kgf/cm2, 2 kgf/cm2의 4 단계로 조절하였으며, 슈퍼캘린더 통과횟수는 1회부터 3회까지 반복처리 하였다.14)
3. 결과 및 고찰
3.1 슈퍼캘린더링 압력에 따른 한지의 물리적 특성
전통 한지 제조는 닥 섬유 원료 제조공정부터 초지공정, 한지 가공공정에 이르기까지의 전 공정이 수작업에 의존한다. 슈퍼캘린더링 효과를 부여하는 도침처리도 다듬이 또는 디딜방아 형태의 수작업을 행했으나 오늘날에는 전동식으로 개량된 형태로서 합성수지 또는 스테인리스 재질의 공이가 달린 디딜방아형, 상하로 움직이는 추 형태의 도침기를 제작하여 사용하고 있으며, 도침 횟수 및 표면 가공 첨가제 등을 달리하여 용도에 맞게 처리하고 있다. 이 때 도침기 추의 무게에 따라 한지에 가해지는 도침 압력이 달라지며, 한지 겹침 매수 등에 따라 균일하게 도침처리하기에 어려움도 상존한다. 본 연구에서는 이러한 단점을 극복하기 위한 시도의 한 방법으로써 양지용 슈퍼캘린더를 이용한 한지의 표면처리 효과를 분석해 보고자 하였으며, 슈퍼캘린더링 압력과 처리 횟수 조절에 따른 한지의 표면특성 변화를 비교하였다. Fig. 2는 슈퍼캘린더의 롤 온도를 상온으로 고정시킨 후 슈퍼캘린더링 압력을 변화시켜 처리한 종이의 밀도변화이다. 슈퍼캘린더링 압력을 증가함에 따라 한지의 밀도는 증가하는 경향을 나타냈으며, 압력 1.0 kgf/cm2 - 1.5 kgf/cm2 범위에서 밀도 증가 폭이 가장 높았고, 1.5 kgf/cm2 이상의 압력 조건에서는 밀도 변화가 없거나 또는 미세하게 상승하는 결과를 나타냈다. 압력 조건의 증가에 따른 밀도 증가 특성은 슈퍼캘린더링 반복 회수에 상관없이 유사한 경향을 나타냈다. 또한 동일 압력에서 슈퍼캘린더링 처리 회수를 반복했을 때 밀도는 각 압력조건에서 1회 처리 시 보다 2회 처리했을 경우 약 10% 정도 향상되었으며, 3회 반복 처리 시에는 1-2회 처리 조건보다 증가율은 낮았다.
Figs. 3 및 4는 슈퍼캘린더링 압력을 달리하였을 때 한지의 표면구조 특성에 미치는 영향을 나타낸 결과로서 거칠음도(Fig. 3) 및 평활도(Fig. 4) 결과이다. Kwon 등15)의 선행 연구결과에 의하면 목질계 섬유로 구성된 인쇄용지를 슈퍼캘린더링 처리했을 경우 시트의 평활도는 증가하였고 거칠음도는 감소하는 결과를 나타냈다. 본 연구에서의 비목질계 인피 섬유로 구성된 전통 한지에서도 슈퍼캘린더링 압력을 증가함에 따라 평활도는 증가하였고 거칠음도는 감소하는 경향을 나타냈다. 또한 Fig. 2의 밀도 변화와 마찬가지로 슈퍼캘린더링 압력 1.5 kgf/cm2 조건에서 평활도 및 거칠음도 값이 크게 개선되었으며, 또한 슈퍼캘린더링 반복 회수 1-2회 조건에서 큰 폭으로 향상되는 경향을 나타냈다. 이와 같은 결과들로 보아 캘린더링 처리에 의해 한지의 표면 특성이 개선되는 것으로 판단된다. 한지의 경우 두께 변이가 크고 지합이 좋지 않다는 특성을 가지고 있는데, 현대적인 표면처리 기술인 캘린더링 처리를 적용하여 이와 같은 문제들을 개선시킬 수 있을 것으로 기대된다.
이와 같이 시트의 밀도 증가 및 표면 평활성이 개선된 한지의 경우 밀도 및 평활성 인자와 밀접한 상관관계를 지니는 광택도 특성에도 영향을 미쳤으며, 그 결과를 Fig. 5에 나타냈다. 종이의 광택도는 수직에 대해 일정한 각도로 시트의 표면에 입사하는 광과 일정한 각도로 표면으로부터 반사하는 광을 검출하여 나타낸 값으로서 본 연구에서는 75°에서의 거울면 광택도 값을 나타냈다. Fig. 5의 결과에서 광택도는 슈퍼캘린더링 처리 회수에 상관없이 0.5 kgf/cm2 압력 조건에서 보다 2 kgf/cm2 압력 조건에서 광택도 변화는 1.5배 이상 높게 나타났다. 이러한 결과는 Figs. 3 과 4에서 평활도 증가 및 거칠음도 감소와 마찬가지로 수초 한지의 표면 구조가 보다 균일해지고, 이에 따라 빛의 정반사 되는 양이 증가했기 때문으로 사료된다. 일반적으로 종이 시트에 광이 입사하면 종이와 섬유층 계면에서부터 산란과 굴절이 일어나게 되며 종이 구조의 내부 또한 섬유층과 공기층의 반복이기 때문에 지속적으로 산란과 굴절이 일어나게 된다. 따라서 밀도가 높고 섬유 간 결합력이 높을 경우에는 빛의 산란이 상대적으로 적게 되고 이는 불투명도 특성을 개선시키게 된다. 결과에서와 같이 전통 한지를 슈퍼 캘린더로 압착시켜 밀도를 증가시켜 이에 따른 불투명도를 측정하여 Fig. 6에 나타냈다. 슈퍼캘린더링 압력이 증가할수록, 통과 횟수가 많아질수록 불투명도는 감소하는 경향은 나타났다. 또한 압력의 변화에 따른 불투명도의 감소가 크게 나타난 반면, 통과횟수에 따른 변화는 압력 1 kgf/cm2 범위 외에는 큰 차이를 나타내지 않았다. 이러한 결과는 슈퍼캘린더링의 횟수 증가가 Figs. 2-4에 나타낸 바와 같이 섬유간 결합간격을 좁혀 밀도를 증가시키고 평활도를 증가시키기는 하지만, 캐린더링 처리에 의해 한지 시트의 공극 감소로 인해 빛을 산란시킬 수 있는 표면적인 감소되어 불투명도가 감소된 것이다.
3.2 슈퍼캘린더링 온도 변화에 따른 한지의 물리적 특성
현대식 초지공정에서는 슈퍼캘린더링 처리 시 지종과 목표 품질에 따라 롤의 압력 뿐 아니라 온도를 달리하게 된다. 온도에 따라 종이의 광택을 조절할 수 있기 때문에 고광택특성이 필요한 지종의 경우 고온에서 슈퍼캘린더링을 진행한다. 따라서 본 실험에서는 도침공정에서 조절하지 못했던 온도 인자를 슈퍼캘린더링으로 변화시킴으로써 광학적 특성과 더불어 물리적 특성의 변이를 확인하고자 하였으며, 이를 Figs. 7-11에 나타냈다. Fig. 7은 압력 1 kgf/cm2의 조건에서 캘린더 롤의 온도를 20℃, 40℃, 60℃로 변화시켜 처리한 종이의 밀도 변화이다. 온도가 증가함에 따라 한지의 밀도는 증가하는 경향을 나타냈으며 40℃ - 60℃ 범위보다는 20℃ - 40℃ 범위에서 밀도 증가율이 더 높게 나타났다. 이는 실온상태에서보다 롤에 온도를 가했을 때 슈퍼캘린더링 효과가 높게 나타나는 것으로서, Fig. 2와 비교하면 고온에서 슈퍼캘린더링을 진행할 경우 압력에 의한 효과보다 온도에 의한 효과가 더 크다는 것을 알 수 있다. 온도 변화 시에는 처리횟수에 따라서도 상당한 밀도증가를 나타냈으며, 60℃의 온도에서 캘린더 롤 통과횟수를 2회 이상으로 설정하면 약 0.3 g/cm3의 저밀도 한지가 0.7 g/cm3까지 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
Figs. 8 및 9는 슈퍼캘린더링 온도를 달리하여 처리하였을 때 종이의 표면특성에 미치는 영향을 나타낸 것으로서 거칠음도 및 평활도 결과이다. 캘린더 롤의 온도가 증가함에 따라 거칠음도는 개선되었으며 평활도는 증대되었다. 이는 Figs. 3과 4의 결과와 비교하였을 때 밀도 결과에서와 마찬가지로 캘린더 롤의 온도 변화가 압력 변화보다 평활도 및 거칠음도의 개선에 높게 기여하였다. 그러나 40℃ - 60℃ 범위에서 상당한 표면 특성의 개선 결과를 예상했던 것과는 달리 20℃ - 40℃ 범위에서는 거칠음도 개선 정도에 미치지 못하였다. Fig. 9에서 온도의 증가에 따라 약 2배의 증가율을 보이는 평활도는 광택과 관련성이 가장 큰 요소이므로, 평활도의 증가에 따라 광택도의 증가에도 영향을 미칠 것으로 사료되어 그 결과를 Fig. 10에 나타냈다. Fig. 10은 롤 온도의 변화에 따른 광택변화를 한지의 발 방향과 발 직각방향에서 각기 얻은 결과로서 온도의 증가에 따라 광택 발현이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 특히 Fig. 5에 따르면 캘린더 압력 2 kgf/cm2, 캘린더 통과 횟수 3회 조건에서 최대 약 14 point의 광택도 값을 나타냈지만 Fig. 10에서 캘린더 롤 온도 60℃, 캘린더 통과 횟수 3회 조건에서 약 16 point의 광택도 값을 나타낸 것으로 보아 캘린더링 시 온도 조건을 조절하여 한지의 광택도를 개선시킬 수 있을 것으로 판단된다.
위와 같은 결과들로 볼 때 캘린더링 시 온도 조건이 압력조건 보다 한지 시트의 표면 특성 및 광택성 개선에 보다 많은 영향을 미치는 것으로 판단된다. 즉, Fig. 7에 볼 수 있듯이 온도 조절을 통해 더욱 고밀도의 시트를 제조할 수 있으며, 치밀해진 섬유시트에 따라 빛 산란도와 불투명도의 수치가 감소할 것으로 예상하고 슈퍼캘린더링 롤 온도 변화에 따른 한지의 불투명도를 측정하여 Fig. 11에 나타냈다.
결과에 따르면 슈퍼캘린더링 온도가 증가됨에 따라 불투명도는 감소되었으며, 특히 캘린더링 통과 횟수가 1회에서 3회로 증가될수록 불투명도는 1 point에서 2 point 까지 감소되었다. Fig. 5에서 실온의 조건에서 슈퍼캘린더링의 횟수를 증가시켰을 때 섬유 간 결합이 높아져 고밀도 특성을 나타냈으나 불투명도 변화에 큰 영향을 미치지 못한 반면, Fig. 10의 온도변화에서는 통과 횟수 증가에 따라 불투명도 감소가 나타남을 확인하였다. 이러한 결과로 볼 때 캘린더링 온도가 증가될수록 섬유의 밀도가 증가하고 시트 표면의 공극이 감소되어 빛을 산란시킬 수 있는 광학적 접촉 면적이 감소되어 불투명도가 감소되는 것으로 보인다.
4. 결 론
본 연구에서는 전통 한지의 도침처리를 통한 시트의 표면 평활성, 구조의 치밀성, 광택도 향상 등의 효과를 슈퍼캘린더링 처리에 따른 영향성을 평가하고자 하였다. 슈퍼캘린더링 처리 변수로서 온도, 압력, 통과 횟수 등 3 가지 인자를 고려하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
1. 전통 도침처리 공정과 달리 슈퍼캘린더링의 온도에 따라 20℃와 40℃ 범위의 온도 상승에 따라 구조적, 표면적, 광학적 특성의 변화가 가장 크게 나타다. 40℃와 60℃ 범위에서는 20℃와 40℃ 범위에서 보다는 높지 않았지만 불투명도는 최대 2 point 정도 감소하였으며, 이를 통해 슈퍼캘린더링 시 온도 변화는 시트 밀도 등 표면특성 변화에 영향하는 주요인자로 판단된다.
2. 슈퍼캘린더링 압력의 경우 0.5 kgf/cm2부터 2 kgf/cm2까지 4 단계로 압력 변화를 주었을 때 압력이 높아질수록 평활도와 밀도는 개선되었지만 1.5 kgf/cm2 이상에서는 큰 효과를 나타내지 않았다.
3. 슈퍼캘린더의 통과 횟수에 따라 밀도, 평활도, 광택도 등은 온도 및 압력 증가와 유사한 경향을 보였으며, 각각의 조절 변이의 차이를 비교하였을 때 통과횟수 1회에서 2회 범위의 표면특성이 가장 높은 결과를 나타냈다.
이상의 결론에서와 같이 한지의 슈퍼캘린더링 처리를 통해 전통 한지의 도침처리에 의한 광택도 향상, 거칠음도 감소, 평활성 증대, 치밀성 향상 효과를 확인할 수 있었다.
