Korea Technical Association of The Pulp and Paper Industry
[ Article ]
Journal of Korea Technical Association of the Pulp and Paper Industry - Vol. 51, No. 4, pp.72-80
ISSN: 0253-3200 (Print)
Print publication date 30 Aug 2019
Received 17 Jul 2019 Revised 16 Aug 2019 Accepted 20 Aug 2019
DOI: https://doi.org/10.7584/JKTAPPI.2019.08.51.4.72

닥섬유 소재의 장기보존용 문서표지의 보존성 평가

정소윤 ; 백소라1 ; 김형진
국민대학교 문화재보존학과
1국민대학교 임산생명공학과
Evaluation of Preservation Properties of Long-Term Preservative Documents Made from Mulberry Fibers
So-Yoon Jung ; So-Ra Back1 ; Hyoung-Jin Kim
Department of Conservation of Cultural Heritage, Kookmin University, Seoul, 02707
1Department of Forest Products & Biotechnology, Kookmin University, Seoul, 02707

Correspondence to: † E-mail: hyjikim@kookmin.ac.kr

Abstract

The objective of this study is to develop the base paper for the preservation of records. To enhance the preservation characteristics, Dak fibers instead of wood pulp were used to produce the base paper.

To make machine-made Hanji paper produced from Dak fibers sustainable for long-term storage of records, the pretreatment conditions on the pulp fibers and additive requirements were examined. To evaluate the preservation properties, several Hanji substrates were prepared by designing various experiments and their physical, optical and mechanical properties were compared with those of the commercial products.

The machine-made Hanji paper prepared by the design of experiments was in compliance with the specifications of KS M ISO 11108 and met the storage and durability requirements for preserving documents. The Hanji substrate cured at 120°C under an accelerated dry heat aging environment showed significant changes in its physical properties. However, the Hanji substrate cured at 80°C and 65% RH under an accelerated wet and heat aging environment, showed least changes in physical properties, which were comparable with the commercial substrates.

It is concluded that the machine-made Hanji paper produced from Dak fibers can be adequately used in preserving documents for long-term storage. However, it is necessary to produce a high based weight substrate to preserve covers and folders. To accomplish this, preparing either one-ply composite or a multiple-ply substrate (2-ply or 3-ply) should be considered.

Keywords:

Machine-made Hanji, document cover, preserved goods, mulberry fiber, preservation

1. 서 론

미국, 캐나다, 독일 등과 같이 기록물 관리 선진국에서는 국가의 중요 기록물에 대한 보존 특성을 인식하고 보존용 기록문서의 보관 기법에 관한 연구뿐 아니라 보존용품의 개발도 활발히 전개하고 있다.1-4) 최근 국내에서도 기록물의 수집량 증가 및 다양화로 인해 체계적으로 보존처리해야 할 기록물의 양이 점차 증가되고 있어 기록물 관리를 위한 보존용품의 검증이 중요하다. 그러나 국내의 기록물 관리기관에서는 장기 보관해야 하는 기록물에 일반 상용의 보존용품을 사용하거나 또는 고가의 수입 보존용품을 사용하고 있다.

「공공기록물 관리에 관한 법률 시행령(대통령령 제29563호) 및 공공기록물 관리에 관한 법률 시행규칙(행정안전부령 제11호)」에 의하면 기록물 보존에 관한 국내 규격으로 기록물철 표지(별표 2, 제8조 제1항 및 제9조 제2항), 진행문서파일(별표 3, 제9조 제1항), 보존용 표지(별표 4, 제9조 제4항), 보존상자의 규격(별표 5, 제9조 제4항), 보존상자 표지(별표 6, 제9조 제5항), 카드류 보존봉투(별표 7, 제10조 제2항), 도면류 보존봉투(별표 8, 제11조 제1항), 사진·필름류 보존봉투(별표 9, 제12조 제1항) 등에 대한 특성이 제시되어 있다. 그러나 편철, 문서류 표지, 보존상자 등의 규격으로 치수, 평량, 두께 등에 대한 표기 사항이 전부이며, 재질 특성으로서 중성지 또는 보존용지의 사용을 권장하고 있다. 국내에서도 기록물 보존용품 개발에 관한 연구가 수행된 바가 있지만 주로 보존용지나 보존상자 개발에 국한된 연구가 이루어졌다.5-9)

기록물은 일반문서류(문서, 도면, 카드 등), 시청각류(비디오, 오디오, 사진), 행정박물류(관인, 상징물, 기념물), 간행물류 등의 다양한 유형으로 구분할 수 있다.10) 이처럼 기록물의 관리에 있어 기록물의 종류, 크기, 형식을 기준으로 기록물의 특성을 고려한 보존용품을 사용해야 한다. 그러나 국내의 기록물 장기보존과 관련된 산업은 대부분의 보존용품을 수입하여 사용하고 있으며, 주로 목재펄프를 기반으로 제조된 수입 제품을 사용하고 있다. 따라서 국내에서도 기록물을 장기 보존할 수 있는 보존상자류, 문서용 폴더류, 봉투류 등에 대한 재질 및 디자인 관련 연구가 요구되고 있다.

본 연구에서는 보존용품 개발에 적용하기 위한 원지 제조를 목표로 하였다. 따라서 주요 섬유 원료로서 보존 특성11-13)이 우수한 닥섬유를 주원료로 사용하여 기록물 장기보존용 기계한지를 제조하였으며, 닥섬유의 전처리 조건14-17) 및 보존용지로서의 필요 인자인 첨가제 조건을 검토하였다. 또한, 시험생산 설계에 따라 제조한 기계한지와 기존 상업용 보존용품의 물리적·광학적·강도적 특성을 비교·분석하여 보존용품으로서의 활용 가능성을 평가하였다.


2. 재료 및 방법

2.1 공시 재료

2.1.1 섬유 원료

선행 연구17,18)에 기인하여 닥섬유를 기반으로 한 기록물 장기보존용 기계한지를 제조하기 위해 국내산 닥 펄프 80%와 SwBKP 20%를 혼합한 원료를 사용하였다. 닥나무 백피는 경상북도 의성 지역에서 생산 및 가공된 것을 공급받았으며, SwBKP는 캐나다산으로 국내 J 기계한지 회사에서 공급받아 사용하였다.

2.1.2 첨가제

기계한지를 보존용지의 목적으로 사용하기 위해서는 KS M ISO 9706에 따른 보존 특성이 요구되며, 또한 KS M ISO 11108에 따른 보존용지의 보존성 및 내구성에 대한 요구조건을 충족하여야 한다. 따라서 초지 공정에서 기계한지의 기록보존용지로서의 요구조건을 충족시키는 첨가제를 사용하였다. 사용한 부원료의 종류는 Table 1과 같다.

Paper-making additives

2.1.3 상용 보존용품 6종

보존용 기계한지 원지로서 시험 생산한 기계한지의 보존 특성을 비교하고자 상용화된 보존용품 6종을 선정하여 분석하였다. 상용 보존용품 6종에 대한 특성을 Table 2에 나타냈다.

Characteristics of commercial preservation goods

2.2 실험 방법

2.2.1 닥 인피섬유의 증해

국내산 닥섬유를 이용한 기계한지를 제조하기 위해 닥나무 백피를 수산화나트륨(97%, Daejung, Korea)를 이용하여 활성알칼리 농도 10%로 조절한 다음 파일럿 다이제스터(150 L, Daeil Machinery Co., Korea)를 이용하여 최고온도 120℃ 조건에서 60 min 동안 증해하였다. 이 때 최고온도까지의 도달시간은 30 min이었으며, 유지시간은 60 min으로 조절하였다. 증해 후 대형 세척망을 이용하여 수돗물로 알칼리를 세척한 다음 대형 수조에서 물에 하루 동안 침지한 후 사용하였다.

2.2.2 기계한지 제조

선행 연구17,18)에서와 같이 국내 J 기계한지 회사의 pilot machine을 이용하여 국내산 닥섬유 펄프 80%와 SwBKP 20%를 혼합한 지료를 사용하여 시험 생산한 기계한지의 물리적·광학적 시험결과를 기본 인자로 고려하여 보존용 기계한지를 생산하였다. 닥섬유 펄프는 칼비터로 30 min 동안 해리 및 고해시켜 사용하였으며, 침엽수 펄프(SwBKP, Canada)는 J 기계한지 회사의 공정용 환비터로 550 mL-CSF까지 고해한 후 지료 농도 0.25%가 되도록 머신 체스트 내에서 지료조성 하였다. 또한, 첨가제로서 전건섬유 대비 PAM 2%, AKD 3%, GCC 5%를 첨가하였으며, 장망초지 시스템을 이용하여 목표 평량 80g/m2의 기계한지를 생산하였다. 초지 시 닥섬유의 배향성을 조절하기 위해 와이어 성형부에 특수하게 설계된 shaking 기능을 도입하여 기계한지의 지합 및 CD profile을 개선하였다.

2.2.3 기계한지의 분석

시험생산한 기계한지에 대한 보존용 원지로서의 특성을 분석하고, 현재 기록물 보존용으로 상용화된 보존용지에 대한 보존성 및 내구성을 비교·분석하고자 가속열화를 실시하였다. 가속열화 조건으로는 습식가온 열화 및 건식가속 열화를 적용하였으며, 각각의 열화 조건 및 표준시험법을 Table 3에 나타냈다.

Accelerated aging methods of pilot machine-made Hanji

가속열화 후 시험생산한 기계한지 원지와 상용의 기존 보존용품 6종을 표준시험법에 따라 백색도(KS M ISO 2470-1, L&W, Sweden), 인장강도(KS M ISO 1924-2, L&W), 내절도(KS M ISO 5626, MIT, USA), pH(KS M ISO 6588-1, Thermo orion, USA), 회분(KS M ISO 1762, Daihan scientific, Korea) 등의 특성을 분석하였다.


3. 결과 및 고찰

3.1 시험생산 기계한지의 물리적·화학적 특성

Table 4에서와 같이 닥섬유 90%와 SwBKP를 20%를 혼합한 지료 원료를 사용하여 기계한지를 제조한 결과 목표 평량 80 g/m2에 상응하는 기계한지를 제조하였다. 시험생산한 기계한지가 KS M ISO 11108에 규정된 보존용지로서의 보존성 및 내구성 요구조건에 부합하는지를 검증하고자 시험생산 기계한지의 물리적·화학적 특성을 분석하였으며, 그 결과를 Table 4에 나타냈다.

Physical and chemical properties of machine-made Hanji

장망식 초지기로 생산한 기계한지는 KS M ISO 11108에 규정된 보존용지의 요구조건보다 월등히 높은 내절도 및 인열강도 특성을 나타냈으며, 특히 보존용지로서의 주요 특성인 pH 및 회분함량 조건에서도 부합하여 물리적 및 화학적 특성에 있어 보존용지 적합성을 확인할 수 있었다.

3.2 시험생산 기계한지의 열화 특성

가속열화 조건에 따라 시험생산한 기계한지의 백색도 및 yellowness 변화를 측정하였으며, 그 결과를 Figs. 12에 나타냈다. 보존용지의 주요 열화 지표로서 백색도 및 yellowness 변화를 고려하고 있으며, 종이 시트의 열화에 따라 황변화 되어 백색도가 감소하는 연구결과는 이미 연구자들에 의해 보고되었다.19-21) Fig. 1에서와 같이 가속열화 조건에 따라 백색도는 미세하게 증가한 결과를 나타냈으나 변화 폭은 표준편차 범위 이내로서 오차에 의한 결과로 판단된다. 3 조건의 가속열화 방법에서 열화 시간에 따라 yellowness는 상승하는 결과(Fig. 2)를 나타냈으며, 가장 가혹한 열화 조건인 120℃의 건식열화 조건에서 황변화 정도가 높았다.

Fig. 1.

Changes in brightness according to accelerated aging conditions.

Fig. 2.

Changes in yellowness according to accelerated aging conditions.

종이의 열화거동 지표로 검토할 수 있는 인장강도 및 내절도의 물리적 강도 변화를 측정하였다. 3 조건의 열화 방법에 따라 기계한지의 인장강도 및 내절도 변화를 분석하였으며, 그 결과를 Figs. 34에 나타냈다. Fig. 3에서는 열화 조건에 따른 기계한지의 인장강도 변화를 평량으로 보정하여 인장지수로 나타냈으며, 열화 초기에는 미세한 인장강도 증가 현상이 나타냈으나 가속열화 시간이 경과할수록 인장강도는 감소하였다. Fig. 4의 내절도 변화는 가속열화 시간이 길어질수록 현저한 내절도 감소 경향을 나타냈다. 이상의 결과에서와 같이 가속열화 조건에 관계없이 열화 기간이 길어질수록 시험 생산한 보존용지의 인장강도 및 내절도는 감소하는 경향을 보였으며, 특히 건식열화 조건인 120℃ 열화 조건에서 물리적 강도 감소율이 가장 높게 나타났다. 인장강도 및 내절도 결과에서 표준편차 값이 큰 것은 닥섬유는 목재펄프에 비해 섬유장이 길기 때문에 시험생산한 기계한지의 지합이 불균일한 결과로 사료되며, 이에 따라 기계한지의 물리적 강도에도 영향을 미치는 것으로 판단되었다. Fig. 5는 시험생산한 기계한지의 가속 노화 조건에 따른 pH 변화이다. 가속 노화 조건에서 습윤가열 노화는 pH에 큰 변화가 없었으나, 건열노화에서는 감소하는 결과를 나타냈다. 특히, 120℃의 고온에 의한 가속 노화에서 pH 감소 폭이 가장 높게 나타났다.

Fig. 3.

Changes in tensile index according to accelerated aging conditions.

Fig. 4.

Changes in folding endurance according to accelerated aging conditions.

Fig. 5.

Changes in pH value according to accelerated aging conditions.

3.3 시험생산 기계한지의 활용 가능성 평가

시험생산한 기계한지와 상용화된 보존용품 6종에 대해 KS M ISO 5630-3에 의거하여 10일 동안 가속 시험생산한 기계한지와 상용화된 보존용품 6종에 대해 KS M ISO 5630-3에 의거하여 10일 동안 가속 열화를 실시하였으며, Fig. 6에 yellowness 변화를 나타냈다. 각각의 시료별 열화특성은 열화 전·후의 yellowness, 인장강도, 내절도의 변화로 비교·분석하였으며, Figs. 6-9의 결과에 나타낸 변화율(%)은 시험생산한 기계한지와 상용화된 6종의 보존용품에 대한 초기 물리적 특성이 다르므로 각 시료에 대한 열화 특성을 평가하기 쉽게 열화 전 물리적 특성에 대한 열화 후 물리적 특성의 변화율로 환산하였으며, Eq. 1에 따라 계산하였다.

Fig. 6.

Changes in yellowness of commercial preservative products and trial products of machine-made Hanji due to accelerated aging.where   ▶ Prototype: Machine-made Hanji,   ▶ Sample 1: UP envelope (Perma/Dur®),   ▶ Sample 2: UP folder (Perma/Dur®),   ▶ Sample 3: Pure guard 120 cream,   ▶ Sample 4: AF hard board,   ▶ Sample 5: AF protect H 104.7,   ▶ Sample 6: AF protect H 209.4

Fig. 7.

Changes in tensile index of commercial preservation products and trial products of machine-made Hanji due to accelerated aging.

Fig. 8.

Changes in folding endurance of commercial preservation products and trial products of machine-made Hanji due to accelerated aging.

Fig. 9.

Changes in pH value of commercial preservation products and trial products of machine-made Hanji due to accelerated aging.

Rate of change, %=A1-A0A0×100[1] 
where,
A0: Deterioration value of sample before accelerated degradation
A1: Deterioration value of sample after accelerated degradation

상업용 보존용품으로 수입기관으로부터 구입한 sample 1은 제본 시 서적의 면지용으로 사용하는 보존용품이며, sample 2는 폴더나 배접, 마운팅용 소재로 사용하는 보존용품, sample 3은 사진을 넣는 봉투용 보존용품, sample 4는 보존상자나 폴더용으로 사용되는 하드보드지, sample 5와 sample 6은 봉투나 보존상자의 합지식 등에 사용되는 보존용품이다. 이처럼 상업용 보존용품 6종과 시험생산한 기계한지를 가속열화 처리에 따라 분석한 결과, 보존용지로서 이 조건에 부합한 원지로 판단되며 가속 열화에 따른 황변화 현상이 크게 일어나지 않은 것을 확인할 수 있었다. 특히 samples 2와 3은 타 보존용품에 비해 가속 열화에 따른 황변이 거의 일어나지 않았으며 상대적으로 열화 안정성을 보였다. 시험 생산한 기계한지의 경우 samples 2와 3에 비해 가속열화에 따른 황변화가 일어났지만 samples 2와 3을 제외한 보존용품보다는 낮은 색 변화를 보였다.

Fig. 7Fig. 8은 상용화된 보존용품 6종과 시험생산한 기계한지의 가속열화에 따른 인장강도 및 내절도 변화를 나타낸 결과이다. Fig. 7에서와 같이 각각의 제품들은 5% 이내의 인장강도 변화율을 나타냈다. 특히 samples 4-6은 보존상자나 폴더용 등으로 사용되는 원지 특성상 외부 충격에 견딜 수 있는 강도를 지닌 것으로 확인되었으며, samples 1-3에 비해 인장강도 변화율이 훨씬 낮은 것으로 확인되었다. 또한 시험생산한 기계한지의 경우 변화율은 2.19%로 상용 보존용품과 근사하거나 적은 변화율을 보였다. 시험생산한 기계한지의 내절도는 장섬유인 닥섬유의 영향으로 상용화 보존용품의 내절도 값보다 10배 이상의 우수한 특성을 나타냈다(Fig. 8). 반면, 가속열화에 따른 내절도 변화율은 상용 보존용품 samples 1-3에 비해 크고 sample 5와 유사하게 나타났다. 이와 같이, 상용 보존용품에 비해 시험생산한 기계한지의 내절도 변화율이 큰 것은 상대적으로 큰 오차범위와 불균일한 지합 특성으로 인한 결과로 판단된다. Sample 4의 경우 시료의 두께가 두꺼워 내절도 측정이 불가능하였다.

Fig. 9는 상업용 보존용품 6종과 시험생산한 기계한지의 가속 열화에 따른 pH 변화이다. 시험생산한 기계한지의 pH 감소율은 약 2.85%로 상용 보존용품과 비교하였을 때 유사한 결과를 나타냈다. 또한 가속 열화 후에도 알칼리성으로 안정적인 것으로 나타났으나, 이와 같이 pH 안정성에 대한 결과가 닥섬유 또는 목재섬유에 기인한 것인지, 기타 첨가제에 의한 것인지에 대한 결과는 밝히지 못했다.


4. 결 론

한지의 특성을 부여하는 닥섬유 기반의 공공기록 장기보존 문서표지용 기계한지를 모델링 하여 국내산 닥섬유 80%와 SwBKP 20%를 혼합한 원료를 사용하여 국내 J 기계한지 회사에서 기계한지를 시험생산하였다. 시험생산 기계한지가 보존용품으로서의 가능성과 보존용품에 요구되는 보존성을 평가하고자 6종의 상업용 보존용품과 물리적 특성을 비교·분석하였으며, 그 결과를 요약하였다.

  • 1. 시험생산 기계한지는 KS M ISO 11108에서 요구하는 내절도 150회 이상(MD 방향 1,088회, CD 방향 290회), 인열강도 350 mN 이상(MD 방향 2,827 mN, CD 방향 1,976 mN)을 충족하였으며, pH 7.5 이상(9.30) 및 ash 함량 3% 이상(3.21%)으로 규정된 보존용지로서 요구조건에 부합하여 전반적인 보존용지로서의 사용 가능함을 확인하였다.
  • 2. 시험생산한 기계한지를 가속열화시켰을 때, 105℃의 환경조건에서 건식열화 했을 때보다 80℃, 65% RH 환경에서 습식열화를 진행할 때 더욱 황변이 야기되었으며, 물리적 강도 특성도 감소하는 경향을 보였다. 특히 120℃ 환경조건의 건식열화에서 시험편의 열화가 가장 크게 일어났다. 반면, pH의 경우 105℃ 환경에서 건식열화 한 조건보다 80℃, 65% RH 환경조건에서 습식열화를 진행할 때 더 안정한 것으로 나타났다.
  • 3. 가속 열화 조건 중 120℃의 건열 환경에서 열화시켰을 때 시험생산 기계한지의 물성 변화가 가장 크게 나타났다.
  • 4. 시험생산 기계한지를 80℃, 65%의 습열 환경에서 습식 열화를 10일 진행했을 때 상용 보존용품과 유사하거나 물성 변화가 낮게 나타났다.
  • 5. 이와 같은 결과로서 닥섬유 소재의 시험생산한 기계한지는 보존용품으로서 활용 가능하다고 판단되었다.

Acknowledgments

본 연구는 2015년도 안전행정부 국가기록원의 기록보존기술 연구개발 사업의 일환으로 ‘공공기록 장기보존 문서표지용 기계한지 시제품 개발’ 사업의 지원을 받아 수행되었습니다.

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Fig. 1.

Fig. 1.
Changes in brightness according to accelerated aging conditions.

Fig. 2.

Fig. 2.
Changes in yellowness according to accelerated aging conditions.

Fig. 3.

Fig. 3.
Changes in tensile index according to accelerated aging conditions.

Fig. 4.

Fig. 4.
Changes in folding endurance according to accelerated aging conditions.

Fig. 5.

Fig. 5.
Changes in pH value according to accelerated aging conditions.

Fig. 6.

Fig. 6.
Changes in yellowness of commercial preservative products and trial products of machine-made Hanji due to accelerated aging.where   ▶ Prototype: Machine-made Hanji,   ▶ Sample 1: UP envelope (Perma/Dur®),   ▶ Sample 2: UP folder (Perma/Dur®),   ▶ Sample 3: Pure guard 120 cream,   ▶ Sample 4: AF hard board,   ▶ Sample 5: AF protect H 104.7,   ▶ Sample 6: AF protect H 209.4

Fig. 7.

Fig. 7.
Changes in tensile index of commercial preservation products and trial products of machine-made Hanji due to accelerated aging.

Fig. 8.

Fig. 8.
Changes in folding endurance of commercial preservation products and trial products of machine-made Hanji due to accelerated aging.

Fig. 9.

Fig. 9.
Changes in pH value of commercial preservation products and trial products of machine-made Hanji due to accelerated aging.

Table 1.

Paper-making additives

Additives Origin
Filler GCC O Co., Korea
Dispersing agent PAM J Co., Korea
Sizing agent AKD J Co., Korea

Table 2.

Characteristics of commercial preservation goods

Sample Sample 1 Sample 2 Sample 3 Sample 4 Sample 5 Sample 6
Measurement
※ Sample 1: UP envelope(Perma/Dur®), Sample 2: UP folder(Perma/Dur®), Sample 3: Pure guard 120 cream, Sample 4: AF hard board, Sample 5: AF protect H 104.7, Sample 6: AF protect H 209.4
Basis weight, g/m2 119.77 241.28 117.11 397.45 104.53 210.50
Thickness, μm 163.06 285.92 154.42 460.08 127.74 260.24
L* 95.53 93.46 96.36 74.81 95.76 95.44
a* -1.26 -0.35 -0.90 -1.83 -1.44 -1.13
b* 11.08 17.33 9.70 0.51 10.45 8.85
Brightness, %ISO 70.11 63.80 78.18 47.69 75.59 77.15
Yellowness, % 19.45 31.15 17.17 N/A 18.17 15.64
Tensile index, Nm/g 75.08 76.72 53.60 47.61 90.59 70.49
Tearing strength, mN 757.80 2,052.10 1,031.00 - 935.80 1,938.80
Folding endurance, times 31.00 88.90 81.70 - 82.40 138.80
Ash, % 16.42 9.13 0.20 1.83 4.85 5.73
pH 9.09 9.34 6.59 7.18 9.19 7.47

Table 3.

Accelerated aging methods of pilot machine-made Hanji

Test
standard
Environmental
condition
Aging time,
day
Wet aging KS M ISO 5630-3 80℃, 65% RH 5, 10, 15
Dry aging KS M ISO 5630-1 105℃ 3, 6, 9
KS M ISO 5630-4 120℃ 2, 4, 6

Table 4.

Physical and chemical properties of machine-made Hanji

KS M ISO 11108 Machine-made Hanji
( ) standard deviation
Basis weight, g/m2 - 80.2 (1.90)
Folding endurance, times MD 150< 1,088.6 (218.57)
CD 150< 290.4 (101.50)
Tearing resistance, mN MD 350< 2,827.4 (649.04)
CD 350< 1,976.4 (345.99)
pH 7.5-10.0 9.3 (0.01)
Ash, % 3.0< 3.2 (0.08)