고속 도공용 잉크젯 용지 제조에 관한 기본 연구(제1보) - 바인더의 배합 조성과 잉크젯 용지의 물성 -
김선구 1 , 정경모 2 , 이용규 3†
접수일(2020년 12월 4일), 수정일(2020년 12월 18일), 채택일(2020년 12월 21일)
Basic Study on Manufacturing Ink-jet Paper for High Speed Coating (I):
Composition of Binder and Properties of Ink-jet Paper
Sun-Goo Kim 1 , Kyoung-Mo Jeong 2 , Yong-Kyu Lee 3†
Received December 4, 2020; Received in revised form December 18, 2020; Accepted December 21, 2020
ABSTRACT
In this study, two types of PVA(OH) with different molecular weights and VAE emulsion binder were used to investigate the effect of the difference in the formulation composition on the properties of the coating colors and the coated papers. The viscosity of the coating colors were decreased as the mixing ratio of the VAE emulsion binder increased rather than the amount of water-soluble polymer (PVA(OH)). The air permeability and contact angle of the coated papers were also improved as the blending ratio of the VAE emulsion binder increased. It was believed that printability (ink density) of coated papers were decreased as the amount of the VAE increased because the absorption characteristics of the VAE film for hydrophilic liquid were lower than that of PVA(OH). Meanwhile, the use of low molecular weight PVA(OH) seemed to be advantageous in terms of improving air permeability, contact angle, and printability of coated papers.
Keywords: Ink-jet paper, VAE emulsion, PVA(OH), printability, fluidity
Printed in Korea http://dx.doi.org/10.7584/JKTAPPI.2020.12.52.6.140
1 강원대학교 산림환경과학대학 제지공학과(Dept. of Paper Science & Engineering, College of Forest & Environmental Sciences, Kangwon Natl. Univ.), 학생
2 강원대학교 산림과학연구소(The Institute of Forest Science, Kangwon Natl. Univ.), 연구교수
3 강원대학교 산림환경과학대학 제지공학과(Dept. of Paper Science & Engineering, College of Forest & Environmental Sciences, Kangwon Natl. Univ.), 교수
† 교신저자(Corresponding author): E-mail: [email protected] (Address: Dept. of Paper Science & Engineering, College of Forest & Environmental Sciences, Natl. Univ. Chuncheon, Republic of Korea)
1. 서 론
최근 도공지 시장은 품질에 대한 요구수준의 다양화로 도공지의 생산성 및 원가 절감 등과 관련하여 다양한 노 력이 필요하게 되었다. 2007-2008년에 불어 닥친 전 세 계적인 불황과 IT기술에 기반 한 인터넷과 스마트폰의 보급 확대로 인해 선진국을 중심으로 한 전 세계적으로 인쇄·필기용지 수요가 정체되거나 감소하는 상황에 이르 고 있다. 일부 인쇄·필기용지의 수요확대가 가능한 곳으 로 중국과 그 밖의 발전도상에 있는 아시아 지역, 브라질 등이 언급되고 있지만 이미 시장이 성숙되어 있는 유럽과 북미의 경우는 계속적으로 큰 폭의 감소가 예상되며 일본 을 포함한 한국도 이와 유사할 것으로 평가되고 있다.
1)이와 달리 고속의 Roll to Roll 인쇄에 의한 잉크젯 용 지의 소비는 점점 증가하고 있다. 잉크젯 인쇄가 컴퓨터 의 출력수단으로서뿐 아니라 산업용 프린터와 인쇄산업 용의 고품위 인쇄기로 그 역할을 담당하기에 이르렀기 때문이다. 산업기술의 발달로 화상정보 처리능력이 개선 되고 잉크젯 헤드의 기술고도화 등이 얻어낸 결과이기도 하다. 시장 상황을 살펴보면 이러한 경향은 온디맨드 인 쇄의 잠재수요가 반영된 것이고, 인쇄물의 재고를 줄이 고 개인의 요구(필요성)에 따라 맞춤형 콘텐츠를 제공함 으로써 가능하게 되었다.
2,3)앞으로 오프셋 인쇄용지가 담당하던 시장의 일부를 잉 크젯 용지가 담당하게 될 것이라는 기대감이 점점 커지 고 있는 것은 사실이지만 잉크젯 용지 시장의 실질적인 성장을 위해서는 다양한 상업적인 요소들이 적절히 작용 해야 하므로 아직은 좀 더 상황을 지켜볼 필요가 있을 것 으로 생각된다. 아직까지 일반 오프셋 인쇄용지에 비해 잉크젯 용지의 가격이 고가이기 때문에 잉크젯 방식에 의한 출판물 제작에 필요한 다른 상업적인 요소들이 모 두 만족된다 할지라도 적극적인 변화를 기대하기는 어려 운 상황으로 보인다.
2-4)오프셋 인쇄용지에 비해 잉크젯 용지가 고가인 이유는 일반 오프셋 용지 제조에 사용되는 재료에 비해 잉크젯 용지 제조에 사용되는 재료의 가격이 고가인 경우가 많기 때문이다. 특히 고품질의 인쇄물을 얻기 위한 잉크젯용 배합조성에서는 다공질의 실리카와 친수성의 수용성바인 더인 polyvinyl alcohol(PVA(OH))가 주로 사용되는데 이와 같이 제조된 잉크젯용 도공액의 점도는 일반 오프셋 용 도공액에 비해 그 점도가 상당히 높기 때문에 작업성
측면에서 많은 불리한 점을 보이고 있다. 다시 말해 수용 성바인더를 사용하기 때문에 고형분을 높이기 어렵고, 건 조 시에 수분 증발에 필요한 에너지 소비량이 일반 도공 지 제조 공정과 비교해서 월등히 높은 것 등이 잉크젯 용 지의 제조 단가를 높게 만드는 주된 원인이 되고 있다.
5-8)오프셋 인쇄용지에 준하는 수준으로 잉크젯 용지의 가 격 경쟁력 확보를 위해서는 제조상의 문제점들을 이해하 고 이를 개선하기 위한 다양한 노력이 필요할 것으로 생 각된다. 그 일례로서 작업성을 저해하는 고가의 실리카 를 대체할 수 있는 저가의 신규 소재의 발굴과 고속 도공 기술 개발을 통한 생산원가의 절감 등을 들 수 있다. 특 히, 고속 도공 기술의 개발을 위해서는 수용성 바인더 (PVA(OH))를 대신할 새로운 바인더 조성에 대한 연구가 시급하며 작업성을 고려한 새로운 배합조성이 잉크젯 용 지의 품질적인 요구특성을 만족할 수 있는 가에 대한 다 양한 검토도 함께 필요할 것으로 생각된다.
8-17)Kim 등은 vinyl acetate-ethylene(VAE) 에멀션 바인 더는 PVA(OH)와 유사한 화학구조를 지니고 있으며 용 융상태의 선상고분자로 높은 점도를 나타내는 PVA(OH) 와 달리 에멀션 형태이기 때문에 도공지 제조 시 공정상 에서 기능부여와 작업성 개선 측면에서 그 적용성이 높 은 것으로 보고한 바 있다.
6)따라서 본 연구에서는 수용 성 고분자(PVA(OH))와 에멀션 바인더(VAE)의 혼용 시 도공액의 특성 변화를 이해하고 배합조성의 설계에 관련 된 영향인자를 살펴보기 위한 목적으로 분자량이 각기 다른 2종류의 PVA(OH)와 VAE 에멀션 바인더를 이용하 여 배합조성을 설계하고 제조된 도공액과 도공지의 물성 을 분석함으로써 고속 도공용 잉크젯 용지 제조와 배합 조성 설계에 관련하여 기초연구를 수행하였다.
2. 재료 및 방법
2.1 공시재료
2.1.1 도공원지본 연구에 사용된 원지는 국내 H사의 평량 80 g/m
2의 백상지를 사용하였으며 그 물성은 Table 1에 나타내었다.
2.1.2 안료
본 연구에서는 Table 2에 나타낸 바와 같이 silica를 안
료(pigment)로 사용하였다.
2.1.3 바인더
본 연구에서 합성바인더와 수용성 바인더를 각각 또는 혼용하여 배합조성에 이용하였다. 합성바인더로는 1종류 의 VAE 에멀션 바인더를 이용하였으며 수용성 바인더로 는 중합도가 각기 다른 2종류의 PVA(OH)를 이용하였 다. 각각의 물성은 Table 3과 Table 4에 나타내었다.
2.1.4 기타 첨가제
본 연구에서는 기타 첨가제로 분산제(WY-117, Jeong Won Chemical Co., Ltd., Korea)를 이용하였다.
2.2 실험방법
2.2.1 도공액 제조수용성 바인더인 PVA(OH)와 VAE 에멀션 바인더의 혼 용에 따른 영향을 검토하고자 20 parts 범위에서 분자량 이 다른 2종의 PVA(OH)에 VAE 에멀션 바인더의 배합비 를 각각 변화시켜 Table 5와 Table 6에 나타낸 바와 같이
10종류의 도공액을 제조하였다. 안료는 silica 100 parts, 분산제의 첨가량은 0.3 parts로 고정하였고 도공액의 고 형분농도는 15 wt%가 되도록 배합조성을 설계하였다.
2.2.2 도공지 제조
도공작업에는 실험실용 반자동 코터(K-control, RK Print Coat Instrument Co. Ltd., UK)를 사용하였고 Tables 5, 6의 배합조성에 따라 얻어진 도공액을 각각 이용하여 10종류의 도공지를 제조하였다. 원지 표면의 도공량은 전건상태에서 13±1 g/cm
2이 되도록 조절하였 고 편면에 1회 코팅하였다. 도공액을 도포한 원지는 열풍 건조기(YJ-8600D, Yujin Electronics, Korea)에서 105℃, 25초의 조건으로 건조하였다.
2.2.3 도공액의 물성
저전단 점도는 DV-II viscometer(Brookfield, USA) 를 이용하여 60 rpm 조건으로 측정하였다.
2.2.4 도공지의 물성과 인쇄적성