1. 서 론
현재 제지업계에서 주로 사용되는 안료로는 클레이와 GCC(Ground Calcium Carbornate)가 대표적이다. 하지만, Clay의 사용량을 줄이고 중질 탄산칼슘를 원가절감 및 인쇄적성의 향상을 목적으로 사용량을 늘리고 있는 추세이다.1,2,3) 중질 탄산칼슘을 많이 사용하게 되면 건조에너지를 절약할 수 있으며, 생산성도 증가시킬 수 있는 장점을 가지고 있다.3,4,5) 또한 제올라이트는 국내 매장량이 많아 쉽게 구할 수 있는 안료로써, 다공질 구조를 가지고 있으며 우수한 친수성을 가지고 있다. 또한, 화학적 개질 처리가 요구되지 않아 가공처리가 단순하다는 장점을 가지고 있어 가격 측면에서 큰 이점을 가지고 있다.6,7,8,9)
도공지를 제조할 때 바인더 마이그레이션(binder- migration), 스크레치(scratch)와 인쇄모틀(mottle) 등 여러 가지 문제점이 발생하는 경우가 많다.10,11) 이러한 문제점을 해결하기 위하여 다층도공을 진행하여 도공지의 품질을 향상시키고 있다.12) 다층도공은 탑 코팅층과 프리 코팅층으로 구분하여 코팅을 여러번 진행하는 것이다.1,2,3,4,5,6) 다층도공은 프리 코팅층에 값싼 안료를 사용하여 원료비를 줄일 수 있는 장점을 가지고 있으며, 좋은 품질의 도공지를 제조할 수 있다. 또한, 도공 시, 위에서 말한 여러 가지 문제점들을 해결하는 방안이 되기도 한다.13,14,15) 인쇄모틀의 경우, 도공량의 불균일과 도공층의 바인더(binder)의 분포 불균일로 인해 인쇄 시에 잉크가 균일하게 인쇄되지 않고 작은 얼룩을 만드는 것을 말한다.10,11) 이는 바인더 마이그레이션을 감소시킬 경우, 인쇄모틀 역시 감소시킬 수 있다는 뜻이다. 바인더 마이그레이션의 주원인은 프리코팅층이기 때문에 제지업계에서 여러 안료를 사용하여 프리코팅층에 적용을 하기 위한 노력을 하고 있다.16)
이에 본 연구에서는 GCC, PCC와 국내 매장량이 많고 다공질 구조를 갖는 제올라이트를 배합하여 인쇄용지 프리코팅층의 안료로서 적용하고 도공액을 제조하여 도공지를 제조하여, 표면특성 및 인쇄적성을 비교 분석하여 제올라이트의 적용 가능성을 평가하였다.
2. 재료 및 방법
2.1 공시재료
2.1.1 도공 원지
본 연구에 사용된 원지는 국내 H사의 평량 75 g/m2의 백상지를 사용하였으며 그 물성은 Table 1에 나타내었다.
Table 1.
Properties of base paper
| Grammage (g/m2) | 75 |
| Thickness (㎛) | 100 |
| Opacity (%) | 99 |
| Brightness (%) | 89 |
2.1.2 안료
본 연구에서는 Table 2와 같은 중질 탄산칼슘(GCC), 클레이, 입자경 1.6 µm 크기의 경질 탄산칼슘(PCC)과 실험실에서 분쇄한 입자경 60 µm의 제올라이트(Zeolite, A-3, granular, Daejung Chemicals & Metals Co., Ltd., Korea)를 안료(pigment)로 사용하였다.
Table 2.
Physical properties of coating pigments (unit: µm)
| %. <d10 | %. <d25 | %. <d50 | %. <d75 | %. <d90 | |
| GCC* A | 1.020 | 1.501 | 2.267 | 3.781 | 6.108 |
| GCC* B | 0.203 | 0.298 | 0.722 | 1.147 | 1.526 |
| No.1 Clay | 0.144 | 0.203 | 0.293 | 0.586 | 2.090 |
2.1.3 바인더
본 연구에 사용된 바인더는 프리층과 탑층 모두 SB- Latex를 사용하였으며, 라텍스의 물성은 Table 3에 나타내었다.
Table 3.
Physical properties of the synthetic binders
| Average particle size (nm) | Viscosity (cPs)* | Tg (℃) | pH | |
| SB-Latex | 170 | 124 | 11 | 8.1 |
2.1.4 기타 첨가제
기타 도공용 첨가제로는 분산제(WTY-117, sodium polyacrylate, 분자량: 약 7,000), 폴리 아미드 계열의 내수화제(PRO·WET-400G), 칼슘 스테아레이트 타입의 윤활제(LUB·REX-55), 그리고 유동성 조절제(CV -5001F, 알칼리 팽윤형 합성 증점제, polyacrylate copolymer, 분자량: 약 300,000)를 사용하였다.
2.2 실험방법
2.2.1 도공액 제조
탑층의 도공액의 경우, 총고형분 농도 65%로 제조하였으며, GCC 70 parts, Clay 30 parts로 제조하였다. 또한, 프리층의 도공액의 경우, 총고형분 농도 62%로 제조하였으며, GCC 100 parts를 기준으로 PCC를 20 parts 대체하여 도공액을 제조하였고 제올라이트는 10 parts, 20 parts, 30 parts를 대체하여 탑층의 배합비는 Table 4에, 프리층의 배합비는 Table 5와 같이 설계하였고 도공액의 물성은 Table 6과 같다.
Table 4.
Formulations of the top-coating color (unit: pph)
| Control | |
| Pigment (GCC B) | 70 |
| Pigment (Clay) | 30 |
| Binder (SB-Latex) | 12 |
| Dispersant | 0.12 |
| NaOH | 0.2 |
| Rheology modifiers | 0.15 |
| Lubricant | 0.4 |
| Insolubilizer | 0.4 |
| Total solid content (wt%) | 65 |
Table 5.
Formulations of the pre-coating color (unit: pph)
Table 6.
Properties of coating color
| Coating layer | Formulation | Viscosity (cPs) | Water retention (g/m2) |
| Pre | GCC | 638 | 103.13 |
| PCC | 675 | 112.50 | |
| Zeo 10 | 838 | 101.71 | |
| Zeo 20 | 1130 | 99.46 | |
| Zeo 30 | 1530 | 97.67 | |
| Top | Control | 1100 | 124.08 |
2.2.2 도공지 제조
도공지는 실험실용 반자동 코터(K-control, RK Print Coat Instrument Co. Ltd., UK)를 사용하여 제조하였다. 프리코팅층의 도공량은 편면 8±1 g/m2, 탑코팅층의 도공량은 편면 12±1 g/m2으로 조절하였다. 도공액을 도포한 원지는 열풍건조기(YJ-8600D, Yujin Electronics, S. Korea)에서 105℃, 25초의 조건으로 건조하였다. 그 후 슈퍼캘린더(Supercalender, Beloit Coporation, USA)를 사용하여 도공면이 steel roll을 향하게 하여 온도 70℃, 선압 300 psi의 조건으로 2회 처리하였다.
2.2.3 도공액의 물성 측정
저전단 점도는 DV-II viscometer(Brookfield, USA)를 이용하여 60 rpm 조건으로 측정하였다. 보수성은 보수성 측정기(AÅ-GWR, Kaltex scientific inc, U.S.A)를 사용하여 측정하였다. 보수성 측정 방법은 면적 8 cm2의 원형 테스트 셀에 제조한 도공액 샘플 10 mL를 넣고 60초 동안 2 bar의 압력을 가하여 폴리카보네이트 소재의 공극 크기가 5.0 마이크로미터인 멤브레인 필터를 통과한 수분의 탈수량을 1250을 곱하여 면적 1 m2 당 탈수량을 계산하여 도공액의 보수성을 측정하였다.
2.2.4 도공지의 물성 측정 및 인쇄적성 평가
도공지의 거칠음도는 Parker Print Surf(L&W Co. Ltd., Sweden), 광택도는 Gloss meter(model T480A, Technidyne Coporation, USA), 백색도와 백감도, 불투명도는 Elrepho 3300(Datacolor International, USA)을 이용하여 측정하였다. 도공지의 인쇄적성은 인쇄적성 시험기(RI-II, KRK, Japan)를 이용하여 5종류의 도공지 샘플에 대한 인쇄적성을 측정·비교하였다. 잉크 셋오프성(Ink set-off), 잉크 트래핑(Ink trapping), 건조뜯김(Dry-pick)와 습윤뜯김(Wet-pick) 강도에 대한 평가를 실시하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1 도공지의 물성
3.1.1 거칠음도
Fig. 1에 5가지의 도공액의 거칠음도 결과값을 나타내었다. PCC를 배합하였을 때, 평활도가 가장 좋은 값을 나타내었으며, 제올라이트의 배합량을 증가시킬수록 평활성이 저하되는 것을 확인할 수 있었다. 이는 프리층에 입자크기가 큰 제올라이트를 배합하였기 때문에 평활성이 감소하였다고 사료되며, PCC의 입자크기가 다른 안료보다 작기 때문에 평활성이 가장 좋은 것이라고 사료된다.
3.2.2 도공지의 광학적 성질
Figs. 2, 3, 4, 5에 5가지의 도공액의 광학적 성질 결과값을 나타내었다. 백색도 및 백감도는 안료의 색상에 영향을 많이 받는데, 제올라이트의 색상이 다른 안료들에 비해 누런 빛을 띄기 때문에, 제올라이트의 배합량을 증가시킬수록 결과값이 좋지 않은 것을 확인하였다. 또한, 불투명도 결과값은 크게 차이가 있지 않았다. PCC가 제올라이트와 GCC에 비해 백색도가 상대적으로 높기 때문에 가장 높은 결과를 나타내었다고 사료된다.
Fig. 5에 5가지의 도공액의 광택 결과값을 나타내었다. 광택은 평활도에 영향을 많이 받기 때문에 입자가 조밀하여 평활도가 가장 높은 PCC를 배합했을 시 가장 높은 결과를 나타내었으며, 제올라이트의 배합비가 증가할수록 평활도가 낮아져 광택이 낮아지는 경향을 나타내었다.
3.3 인쇄적성
3.3.1 잉크 셋오프성
Fig. 6에서 입자형태에 따라 다른 잉크 셋오프성 결과값을 나타내는 것을 확인하였다. 프리 코팅층의 안료배합에 따라 탑코팅층의 인쇄적성에 영향을 미치는 것을 확인하였다. 잉크 셋팅은 안료의 크기와 형태에 따라 도공층 표면에 공극 크기에 영향을 주게 된다. 또한, 칼렌더 처리 시 표면층 안료의 입자경의 크기가 작을수록 도공층 표면에 공극 크기가 microsize화 되어 잉크의 모세관 현상 등에 의해 잉크 셋팅이 우수해진다고 보고되었다.14,15,16) 이는 안료의 종류와 배합에 따라 형성하는 도공층의 공극형태가 상이한 구조를 형성하고 있는 것으로 추정된다. 위의 결과로 탑층은 동일하지만 프리층의 구조가 다름에 따라 탑 코팅층의 인쇄 적성에 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다.
3.3.2 잉크 트래핑
Fig. 7에서 입자 형태에 따라 다른 잉크 트래핑 결과값을 나타내는 것을 확인하였다. GCC만을 사용한 배합설계에 비해 다른 안료들을 사용하였을 때, 도공층 내부로의 액체 침투가 상대적으로 지연되는 공극구조를 갖는다. 이는, 제올라이트의 입자경이 다른 안료에 비해 크기 때문에, 공극구조의 불균일성에 의해 잉크 침투가 용이하지 못한 구조를 갖게 된다고 사료된다. 이러한 불균일한 구조로 인해 도공지 표면으로 전이된 잉크의 건조속도가 상대적으로 느리게 되며, 나중에 전이되는 잉크가 먼저 인쇄된 잉크 위로 올라가면서 뭉개지며 색이 섞이는 현상이 발생하게 되었다고 사료된다.
3.3.3 Dry-pick
Fig. 8에서 5가지의 다층도공지의 dry-pick 결과값을 5점법을 통해 나타내었다. Dry-pick의 경우, 바인더의 요구량에 따라 결정되는데, 제올라이트의 입자크기가 다른 안료에 비해 크기 때문에 제올라이트의 배합량을 증가시켰을 경우, 안료의 비표면적이 줄어들어 안료와 안료사이의 결합강도에 대한 바인더 요구량이 줄어들어 dry-pick 강도가 좋아지는 것으로 사료된다.
3.3.4 Wet-pick
Fig. 9에서 5가지의 다층도공지의 wet-pick 결과값을 5점법을 통해 나타내었다. Dry-pick 결과값과 마찬가지로 제올라이트의 입자크기가 다른 안료에 비해 크기 때문에 제올라이트의 배합량을 증가시켰을 경우, 안료의 비표면적이 줄어들어 안료와 안료사이의 결합강도에 대한 바인더 요구량이 줄어들어 wet-pick 강도가 좋아지는 것으로 사료된다.
4. 결 론
본 연구에서는 다층 도공지의 프리층의 안료로서 제올라이트의 적용 가능성에 대한 연구를 진행하였다. 다층 도공에서 프리코팅층의 안료로 입자경이 큰 GCC를 주로 사용하는데, 이 연구에 사용된 안료는 GCC, PCC와 국내 매장량이 많고 다공질 구조를 갖는 제올라이트를 배합하여 인쇄용지 프리코팅층의 안료로서 적용하고 도공액을 제조하여 도공지를 제조하여, 표면특성 및 인쇄적성을 비교 분석하였다.
입자크기가 다른 안료에 비해 큰 제올라이트를 프리층에 안료로서 배합하게 되면, 점도는 높아지고 평활도가 떨어져 광택에 영향을 끼치는 것을 확인하였다. 광학적 성질 역시 제올라이트의 본연의 색상 때문에 다른 안료들에 비해 감소하는 것을 확인하였다. 인쇄적성의 결과 중 ink set-off, dry-pick, wet-pick 결과값에서는 GCC만을 사용한 조건에서 우수하였지만, 제올라이트의 배합량을 증가시킬수록 더 양호해지는 것을 확인할 수 있었다. Ink-trapping은 제올라이트의 배합량을 증가시킬수록 저하되는 것을 확인할 수 있었다.
입자크기가 큰 제올라이트를 프리층에 안료로서 사용하기에 종이 물성에서의 문제점이 많았지만, 입자크기를 조절하여 프리층에 안료로서 사용한다면, 다공질의 제올라이트가 인쇄 용지 안료로서 적용이 가능할 것이라 생각된다. 또한, 인쇄적성 측면에서도 제올라이트의 배합량을 증가시키면 좋아지는 경향을 보았을 때, 추후, 제올라이트의 배합량과 입자크기 조절에 대한 연구가 필요하다고 생각된다.
