1. 서 론
도공액은 주원료인 안료와 바인더로 구성된다. 그 중 바인더는 보통 도공액 내 안료 기준으로 8~20 part 정도 사용되어진다. 바인더는 도공층 내에서 안료와 안료 및 안료와 원지의 접착 역할을 하고 있으며 바인더의 첨가량 및 특성에 따라 도공층의 특성이 달라진다고 알려져 있다. 이에 도공용 바인더의 종류 및 특성에 따라 최종 인쇄적성에 영향을 미친다는 연구가 많이 수행되었다.
현재 도공용 바인더로는 천연계 바인더와 아크릴계 그리고 스티렌-부타디엔계의 합성 바인더가 널리 사용되고 있다. 그 중에서도 아크릴계 그리고 스티렌-부타디엔계의 합성 바인더가 주를 이루는데 이러한 합성 바인더는 석유자원을 기반으로 합성된다. 전 세계적으로 석유자원은 그 매장량이 한정되어 있어 앞으로 지속적인 유가 상승을 야기시킬 것이다. 따라서 미래 지속적인 개발이 불명확한 합성바인더 시장은 제지산업에 막대한 영향을 끼칠 것으로 사료된다. 또한 환경문제가 크게 대두되고 교토의정서가 발표된 현 시점에서 이산화탄소의 발생을 최소한으로 하는 친환경적인 개발이 필요하다. 구성비의 98% 이상이 탄소로 이루어져 있는 합성바인더의 사용을 줄이고 천연계에서 얻을 수 있는 전분을 이용한 바인더를 개발하여 상용화 한다면 원가절감과 친환경적인 이점을 동시에 얻을 수 있을 것이다.1-4)
본 연구실에서는 도공용 바이오 바인더의 도입 가능성을 평가하기 위한 연구를 수행한 결과5) 전분을 이용하여 제조한 초기 버전의 바이오 바인더를 SB 라텍스와 혼합 사용함에 따라 도공액의 점도가 상승하고 보수성이 향상되었으며, 비록 거칠음도가 다소 증가되기는 했으나 불투명도와 인쇄모틀의 개선 효과가 확인되었고, dry-pick이 큰 영향을 받지 않음으로써 SB 라텍스의 일부를 친환경적이고 경제적인 전분계 바이오-바인더로 대체하는 것이 가능함을 확인할 수 있었다.5)
이에 본 연구에서는 코팅용 전분계 바이오-바인더 실용화를 위한 문제점 파악 및 해결을 위한 일환으로 pre 코팅층에 사용되는 SB 라텍스를 새로 개발한 바이오-바인더로 대체하여 도공액 및 도공지의 특성 변화를 평가하였다.
2. 재료 및 방법
2.1 공시재료
2.1.2 도공용 안료
도공용 안료는 입자크기가 서로 다른 2종의 GCC (Setacarb-K, Hydrocarb 60, Omya) 및 1종의 clay (Hydragloss, Engelhard사, U.S.A.)를 사용하였으며, 그 물성은 Table 1에 나타내었다.
2.1.3 도공용 바인더
도공용 바인더는 1종의 SB계열 라텍스와 1종의 바이오 바인더(S-5932, Bizchem)를 사용하였고, 라텍스의 물성은 Table 2와 같으며 바이오바인더의 물성은 Table 3과 같다.
2.2 실험방법
2.2.1 도공액 제조
Pre 코팅 및 top 코팅용 도공액의 고형분 농도는 각각 60%, 65%로 제조하였다. Pre 코팅층은 Table 4와 같이 점차 바이오-바인더의 대체율을 높이면서 다섯 가지 배합비로 제조하였으며, top 코팅층은 Table 5와 같이 제조하였다. 또한 바이오-바인더는 Bizchem사의 촉매(Biz Biocat-11) 및 물과 혼합하여 30%로 호화시킨 후 투입하여 도공액을 제조하였다.
2.2.2 도공지 제조
도공지는 실험실용 반자동 코터(K-control coater, RK Print Coat Instrument Ltd, U.K)를 사용하여 제작하였다. Pre-coating 도공량을 편면 8±1 g/m2으로 하여 도공 후, 105℃의 열풍 건조기(YJ-8600D, Yujin Electronics, Korea)에서 20초간 건조하였다. 제조된 도공지를 다시 편면 12±1 g/m2으로 top-coating하였다. 그 후, 슈퍼캘린더(Supercalender, Beloit Corporatiom, U.S.A.)를 사용하여 온도 70℃, 압력 300 psi에서 도공지가 steel면으로 향하게 한 후 2회 통과시켰다.
3. 결과 및 고찰
3.1 Pre 코팅층의 바이오-바인더 대체에 따른 도공액 물성
3.1.1 도공액의 점도 및 보수성
Table 6은 top 코팅층 도공액의 점도 및 보수성을 나타낸 것이며, Fig. 2와 3은 pre 코팅층 도공액의 점도 및 보수성 측정 결과를 보여주고 있다. 바이오-바인더의 대체 비율이 높아짐에 따라 An 등5)에 의하면 점도가 상승하고 보수성이 향상되는 것을 확인할 수 있었다. 이것은 도공액의 점도 상승에 의해 원지 모세관으로의 침투 속도가 감소한 때문이라고 사료된다.
3.2 프리 코팅층의 바이오-바인더 대체에 따른 도공지의 물성
3.2.1 거칠음도 및 광택
Fig. 4와 5는 각각 도공지의 거칠음도와 광택 측정 결과를 보여주고 있다. SB 라텍스만을 바인더로 사용한 샘플 A의 경우 낮은 거칠음도 및 높은 광택을 나타낸 반면, 바이오-바인더 대체 비율이 높아짐에 따라 거칠음도가 상승하고 백지광택은 낮아지는 경향을 나타내었다. 안정성이 뛰어난 라텍스는 점차 건조가 되면서 완전하게 밀집 충전이 되어 필름이 형성되지만, 바이오-바인더의 경우 주성분이 전분으로써 내수성이 약하고 열가소성이 아니기 때문에 캘린더 처리에 있어 평활성 및 광택 발현성이 떨어진 결과라고 사료된다.
3.2.2 백색도, 백감도 및 불투명도
Fig. 6은 도공지의 백색도 결과를 보여주고 있다. Pre 코팅층의 경우 대체 비율이 높아질수록 백색도가 증가하다가 100% 바이오 바인더를 사용한 샘플 E의 경우 다시 감소하여 SB 라텍스와 비슷한 수준을 나타내었다. 그러나 top 코팅을 한 후에는 pre 코팅에서 바이오 바인더로 소량 대체 시 증가하다가 그 이후 감소하여 SB 라텍스와 비슷하거나 다소 낮아지는 경향을 나타내었다. 이와 같은 결과가 얻어진 것은 다른 성질을 지닌 2종의 바인더가 혼합됨으로서 빛을 산란시킬 수 있는 부위가 다소 증가되었으며, 프리 코팅층의 광학적 특성이 top 코팅 후에도 영향을 미치기 때문인 것으로 사료된다. 백감도의 경우는 Fig. 7에서 보는 바와 같이 대체로 pre 코팅 및 top 코팅 후에 비슷한 경향을 나타내었으나, 단지 top 코팅 후의 백감도 감소가 현저하였다.
Fig. 8은 도공지의 불투명도 결과를 보여주고 있다. Pre 코팅의 경우에는 바이오 바인더의 대체율 변화에 따른 일정한 변화를 나타내지 않았으며, 톱 코팅 후의 경우에는 pre 코팅에서 바이오 바인더 대체율이 높아질수록 불투명도가 상승하는 것으로 나타났지만 그 값의 차가 근소하여 거의 비슷한 수준이라고 사료된다.
3.2.3 Stiffness
Fig. 9는 도공지의 stiffness 측정 결과를 나타내고 있다. 값의 차이는 근소하나 바이오-바인더의 첨가로 stiffness가 향상되는 것으로 나타났다. 첨가량이 많아지면서 전분의 겔화로 인해 강도향상에 효과가 나타난다고 사료된다.
3.3 Pre 코팅층의 바인더 대체에 따른 인쇄적성 평가
3.3.1 Ink set-off 평가
Fig. 10은 RI 인쇄시험기를 이용하여 Ink set-off 실험을 실시한 인쇄샘플의 사진이며 Fig. 11은 인쇄샘플을 5점법을 통해 평가한 결과이다. 잉크세트성이 빠르면 인쇄광택의 저하가 발생하며, 느리게 되면 인쇄 시 뒷묻음이 발생하였다. Cyan 잉크가 묻어날수록 잉크세트성이 불량한 것으로 평가되는데 잉크세트 능력의 차이가 근소하기는 하지만 샘플 A의 경우에서 제일 잉크의 색이 연하게 나타났다.
3.3.2 인쇄광택
Fig. 12는 인쇄 광택 측정 결과 값이다. Pre 코팅층의 바이오-바인더 대체 비율이 증가함에 따라 광택이 감소하는 경향을 보였다. 이 결과는 앞서 서술한 백지광택과도 비슷한 경향을 보이는 것인데, 인쇄광택은 일반적으로 백지광택에서 영향을 많이 받기 때문이라고 사료된다.
4. 결 론
본 연구에서는 SB 라텍스와 바이오-바인더의 대체율이 다른 다섯 가지의 pre층 도공액을 적용시켜 제조한 도공지 물성의 변화를 조사하였고 인쇄 실험을 통해 인쇄적성 및 인쇄 강도를 평가하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
1. 바이오바인더의 대체 비율이 증가함에 따라 평활도 및 광택이 저하되는 것을 확인하였다.
2. 백색도, 백감도 및 불투명도에 있어 바이오-바인더로 일부 대체할 경우 기존의 SB 라텍스를 사용할 경우와 큰 차이를 나타내지 않았다.
3. 바이오바인더의 대체를 통해 stiffness를 향상시킬 수 있었다.
4. 잉크세트성, dry pick 및 wet pick 강도는 기존의 SB 라텍스를 사용하는 것보다 바이오-바인더를 대체할 경우 그 성능이 다소 떨어지는 경향을 보였다.
연구 결과에 의하면 기존의 SB 라텍스를 바이오-바인더로 100% 대체하면 도공지의 성능이 저하되는 결과를 초래하지만, 이번 연구 결과를 통해 50% 이하의 범위에서의 대체라면 SB 라텍스를 바인더로 사용하여 제조한 도공지와 품질이 유사한 제품을 생산하면서도 친환경적인 제품을 생산할 수 있고 더욱이 제품의 생산원가를 절감할 수 있을 것으로 사료된다.
