Current Issue

Journal of Korea Technical Association of the Pulp and Paper Industry - Vol. 51 , No. 5

[ Article ]
Journal of Korea Technical Association of the Pulp and Paper Industry - Vol. 51, No. 4, pp.21-28
Abbreviation: J. Korea TAPPI
ISSN: 0253-3200 (Print)
Print publication date 30 Aug 2019
Received 02 Jul 2019 Revised 18 Jul 2019 Accepted 22 Jul 2019
DOI: https://doi.org/10.7584/JKTAPPI.2019.08.51.4.21

잔류성 유기물질(POPs)이 없는 친환경 잉크의 개발 및 인쇄 품질에 관한 연구(제2보): 실 인쇄 시험에 의한 인쇄품질
하영백 ; 정종식1 ; 오정문2
(주)프린피아 기술연구소
1욱성화학(주) 기술연구소
2대한잉크(주) 기술연구소

Development of an Eco-friendly Ink without Persistent Organic Pollutants and Study of Print Quality for Eco-friendly Inks II: Print Quality of the Trial Printing Test
Young-Baeck Ha ; Jong-Sik Jeong1 ; Jeong-Moon Oh2
Prinpia Co., Ltd. R&D Lab., Seoul, 08513, Republic of Korea
1UKSEUNG CHEMICAL Co., Ltd. R&D Center, 174, Gaejwa-ro, GeumJeong-gu, Busan, 46259, Republic of Korea
2Dae Han Ink Co., Ltd. Institute of Technology, 79, Cheongbuksandan-ro, Cheongbuk-myeon, Pyeongtack-si, Kyeonggi-do, 17792, Republic of Korea
Correspondence to : † E-mail: jackyha@hanmail.net

Funding Information ▼

Abstract

Printing inks contain various chemicals, some of which are toxic to humans. These inks are commonly used in baby books, magazines, and packaging materials, including those for food and medicines. Because of the prevalence of printing inks, efforts have been made to manufacture ecofriendly inks containing no harmful substances. In previous studies, we have prepared ecofriendly inks that remove persistent organic pollutants from a pigment. In this study, we investigated their printed quality in terms of the color density, dry down, dot gain, trapping, and L*a*b* values. The results comply with the ISO 12647-2 specifications and demonstrate that these ecofriendly inks exhibit the same print quality as that exhibited by the existing printing inks. Therefore, future research will focus on quality stabilization of the inks for mass production.


Keywords: Harmful, eco-friendly inks, persistent organic pollutants, printed density, dry down, dot gain, trapping, L*a*b*

1. 서 론

인쇄제품을 제작하기 위해 사용되는 다양한 재료 중, 종이 다음으로 많이 사용되고 있는 재료가 인쇄용 잉크이다. 인쇄용 잉크는 색을 나타내는 염료와 안료 및 이러한 색 재료를 피인쇄체까지 이동시키고 고착시키는 역할을 하는 비이클 그리고 부가적인 기능을 향상시키기 위한 보조제로 구성되어 있다. 이와 같은 잉크의 구성성분은 다양한 화학 물질로 이루어져 있으며, 다양한 화학물질은 인체에 유해한 물질을 다수 포함하고 있다.1-5) 특히 인쇄용 잉크는 유아용 서적, 출판물 그리고 각종 음식물, 약품 등을 포함하는 포장재료 등에 사용되며 우리 생활과 밀접한 관계를 유지하고 있다. 최근 들어 환경 친화적인 제품에 대한 관심이 높아지면서 새책 증후군과 같은 인쇄물에서 발생할 수 있는 환경오염 및 유해성분에 대한 관심이 높아지고 있다.6-8) 아동용 서적이나 출판물에서의 새책 증후군을 유발할 수 있는 원인들로는 인쇄물 내 포함되어 있는 휘발성 유기화합물(VOCs), 포름알데히드, 잔류성 유기 화합물(POPs) 등을 들 수 있다. 휘발성 유기화합물은 non IPA 인쇄 및 석유계 용제들을 함유하지 않는 무용제 인쇄용 잉크들의 사용, 포름알데히드의 경우에서는 비이클 성분 내에 존재하는 바인더(binder)의 합성변화를 통하여 벤젠고리의 개환을 유도하여 포름알데히드가 발생하지 않는 잉크용 바인더의 개발 등으로 환경적으로 많은 개선을 이루었다.9-12) 하지만 인쇄물에서 색상을 나타내는 용도로 사용되는 잉크용 안료에는 여전히 많은 잔류성 유기 화합물들이 포함되어 있다. 이와 같은 잔류성 유기 화합물은 새책 증후군뿐 아니라, 생물에 고농도로 축적되어 인간과 생태계에 큰 위해를 주는 물질 중 하나이다. 특히 잔류성 유기 화합물의 경우 기름기에 용해되는 특성을 가지고 있어, 패스트푸드 포장지에 사용되면 기름에 녹아서 인체에 계속적으로 축적되기 때문에 주의가 필요하다.13) 또한 극소량의 유해 물질에도 취약한 미취학 아동들의 도서에 사용되어도 이와 같은 문제들은 발생하기 때문에 잔류성 유기 화합물이 없는 인쇄물은 사람 특히 저항력이 떨어지는 어린이 등에게 반드시 필요하다고 판단되어진다. 하지만 다양한 친환경 물질로 만들어진 인쇄용 잉크 또한 인쇄물의 색상 품질에 나쁜 영향을 미치게 되면 결국 사용자로부터 외면 받게 될 것이다. 따라서 친환경 물질로 구성된 인쇄용 잉크의 인쇄품질에 대한 연구는 실제 인쇄기를 사용하여 반드시 시행되어야 한다. 실제 인쇄기의 경우 습수를 사용하기 때문에 색 농도 저하(dry down)와 같은 인쇄품질에 나쁜 영향을 미치는 요인들을 파악할 수 있다.14,15)

따라서 본 연구에서는 전보에서 개발한 잔류성 유기 화합물이 없는 안료를 사용하여 침투건조가 상대적으로 잘 일어나는 인쇄용 잉크에 대한 실 인쇄 테스트를 진행하여, 친환경 인쇄잉크의 인쇄물에 대한 품질 평가를 목적으로 연구를 수행하였다.


2. 재료 및 방법
2.1 공시재료

실제 인쇄기를 사용하여 인쇄품질을 비교 평가하기 위하여 인쇄용 잉크는 전보에서 밝힌 것과 같은 방법으로 제조된 ECO 잉크와 기존의 국내잉크 A 그리고 외국산 잉크 F를 사용하여 실 인쇄하였다. 사용된 잉크의 기본 물성은 전보에서 측정된 값으로 Table 1에 나타내었다.13)

Table 1. 
Properties of ink samples
Properties Diameter
(60s, mm)
Viscosity
(Poise)
Tack Value
(32℃, 400 rpm)
Sample
Cyan A 34 280 8.5
F 39 260 8.0
ECO 35 260 8.0
Magenta A 35 240 7.8
F 38 220 7.6
ECO 35 230 7.5
Yellow A 36 170 6.0
F 42 155 5.5
ECO 36 160 5.7
Black A 36 200 6.5
F 42 190 6.5
ECO 36 190 6.2
※ Existing domestic ink (A), EU ink (F), Eco-friendly ink (ECO)

또한 친환경 인쇄잉크의 인쇄품질을 확인하기 위하여 75 g/cm2의 교과서 용지와 120 g/cm2의 도공지 두 종류에 대하여 인쇄를 실시하였다. 각 용지의 기본물성은 제조회사로부터 제공 받았지만, 본 연구의 목적은 잉크의 품질 비교이기 때문에 표시하지 않았다.

2.2 인쇄품질 및 평가

ECO 잉크의 인쇄물 품질 측정을 위하여 실제 4도 인쇄기(KBA Rapida 105, KBA, Germany)를 사용하여 Fig. 1의 시험용 target(GATF 4-Color Test Form 5.1)을 full color 인쇄하였다. 인쇄 품질 측정용 target은 각 시료에 대하여 20,000장씩 인쇄를 행하였으며, 품질 평가를 위하여 각 시료에 대하여 500장당 한 장씩 시료를 채취하여 그 평균값으로 평가하였다.


Fig. 1. 
GATF 4-Color Test Form 5.1.

평가에 사용된 측정 장비는 반사농도계(X-Rite 550, x-rite, USA)를 사용하여 인쇄물의 색상 농도와 dry down 값을 측정하였으며, 자동컬러 측정장치(IntelliTrax2, x-rite, USA)를 사용하여 인쇄물의 dot gain, trapping, L*a*b* 값 등을 측정하여 분석하였다.10-17)


3. 결과 및 고찰
3.1 각 시료의 색상 농도

각 시료에 대한 인쇄물의 색상 농도 결과를 Fig. 2에 나타내었다. 그림에서 나타난 것과 같이 120 g/cm2의 도공지에서 기존의 제품 A의 평균 색상 농도는 K=1.69, C=1.36, M=1.40, Y=1.03이었으며, 외국산 잉크 F의 평균 색상 농도는 K=1.71, C=1.38, M=1.41, Y=1.03으로 나타났다. 그리고 본 연구에 의하여 생산된 ECO 잉크의 평균 색상 농도 결과는 K=1.68, C=1.37, M=1.39, Y=1.01로 나타났으며 이와 같은 결과는 ISO 12647-2에서 규정하고 있는 농도 값 K=1.70, C=1.40, M=1.50, Y=1.05에 거의 일치하는 색상 농도 결과를 나타냄을 알 수 있었다.15) 하지만 75 g/cm2의 교과서 용지에서의 결과는 semi-coated지로 분류하여 결과 값을 비교해 본 결과 기존의 제품 A와 외국산 잉크 F의 평균 색상 농도 경우에서는 ISO 12647-2 규정에 K=1.60, C=1.30, M=1.40, Y=1.00에 ±0.02 이내의 결과를 나타내었다. 하지만 ECO 잉크의 경우 평균 색상 농도가 K=1.56, C=1.26, M=1.35, Y=0.95로 나타났다. 이러한 결과가 나타난 이유는 친환경 잉크를 제조하기 위하여 건조촉진제인 Co, Mn 대신에 Ce을 사용함과 동시에 건조문제를 해결하기 위해 침투건조를 상대적으로 촉진시켰기 때문으로 판단된다.13) 코팅량이 높은 도공지 혹은 코트지에 비해 상대적으로 흡유도가 높은 semi-coated지에서 비이클 등의 성분 침투가 보다 높게 나타나 표면에 잔류하는 잉크 성분이 상대적으로 적어서 색상 농도 값이 낮게 나타난 것으로 판단된다.16,17)


Fig. 2. 
Results of the printed ink density.

3.2 인쇄물의 색상 농도 저하

인쇄잉크의 인쇄된 직후와 완전히 건조가 일어난 후의 인쇄물의 색상 농도의 변화는 빛의 반사율에 의하여 그 값이 다르게 나타난다. 인쇄된 직후에는 잉크 성분 중 액상 성분이 남아있어 반사율이 높게 나타나는 반면, 완전히 건조가 일어난 후에는 잉크 성분 중 대부분의 액상 성분이 사라지기 때문에 반사율이 낮아지게 된다. 이러한 차이에 의하여 인쇄물의 색상 농도가 다르게 나타나는데, 이러한 현상을 인쇄물의 색상 농도 저하 즉 드라이다운(dry down)이라고 부른다. 따라서 이러한 색상 농도 저하는 적게 나타날수록 그 값이 좋다고 표현할 수 있다. 다음의 Fig. 3에 실 인쇄에 의한 색상 농도 저하 결과를 나타내었다. 120 g/cm2의 도공지에서 기존의 제품 A와 ECO 잉크의 색상 농도저하는 K 잉크에서 각각 0.06과 0.07, C 잉크에서 0.05와 0.04, M 잉크에서 0.04와 0.03 그리고 Y 잉크에서 0.02, 0.03 정도로 비슷하게 나타났다. 반면 외국산 잉크 F의 경우에서는 K 잉크에서 0.09, C 잉크에서 0.09, M 잉크에서 0.07 그리고 Y 잉크에서 0.04로 나타났으며, 기존의 제품 A와 ECO 잉크에 비하여 상대적으로 색상 농도저하가 많이 일어난 것으로 나타났다. 이러한 이유는 Table 1의 잉크의 유동성(DM) 부분에서 F 잉크가 높게 나타났기 때문으로, 잉크가 피인쇄체에 부착될 경우의 우선 부착 젖음, 확산 젖음, 침투 젖음의 순으로 이루어지는데, 유동성이 좋은 경우 부착과 동시에 확산이 다소 많이 발생하여 피인쇄체 위에 잔존하는 잔류 잉크의 두께 층이 얇아졌기 때문에 건조 후 인쇄물의 색상 농도의 저하 현상이 높게 나타난 것으로 판단된다.16,17)


Fig. 3. 
Results of the dry down of ink density.

75 g/cm2의 교과서 용지의 경우에서는 색상 농도저하가 도공지에 비하여 더욱 많이 발생한 것을 알 수 있었다. 이와 같은 결과는 피인쇄체로 잉크를 구성하는 비이클 성분 등의 흡유력 차이로 인하여, 잉크 건조가 일어나는 시간동안 피인쇄체로 침투된 잉크의 영향 때문으로 판단되어진다.13,15)

특히 도공지에서 보다 기존의 A 잉크보다 ECO 잉크의 색상 농도 저하가 다소 높게 나타났는데 이는 건조촉진을 위해 침투 건조성을 개선시켰기 때문으로 생각되어진다. 하지만 색상 농도의 차이가 ±0.03 이하로 큰 차이를 보이지 않았다.

3.3 인쇄물의 망점확대

인쇄기계에서 잉크가 피인쇄체로 전이되는 순간 압력에 의하여 잉크 전이가 나타나기 때문에 반드시 어느 정도의 망점확대(dot gain)가 발생한다. 망점확대가 많이 발생하면 인쇄물의 품질제어(색상)에 나쁜 영향을 미치기 때문에 ISO 12647-2에서도 이에 대한 규정을 정하고 있다.15) 도공지의 경우 50% 망점에서 K=20%, C=16%, M=16%, Y=15%의 망점확대는 허용하고 있으며, 교과서용지와 같은 semi-coated지에서는 K=20%, C=17%, M=17%, Y=16%의 망점확대까지 허용하고 있다. 이러한 ISO 12647-2 기준에 준하여 실험한 결과를 Fig. 4-5에 나타내었다. Fig. 4에서는 120 g/cm2의 도공지의 결과를 나타내었는데 기존의 잉크 A에서는 K=14.3%, C=12.9%, M=12.4%, Y=13.8%의 결과로 ISO 12647-2 규정보다 낮은 결과를 보여주었다. 외국산 잉크 F는 K=18.0%, C=16.1%, M=16.7%, Y=15.2%로 ISO 12647-2 규정보다 부분적으로 다소 높은 값을 나타내었으며, ECO 잉크의 경우에서는 K=16.7%, C=13.7%, M=14.5%, Y=11.3%의 값을 나타내었다. 이는 ISO 12647-2 규정의 허용범위 이내의 결과이며, Table 1의 유동성과 점도의 결과로부터 알 수 있듯이 3종류의 비교 샘플간 유동성이 가장 높고, 점도가 가장 낮은 외국산 잉크보다 망점확대가 우수한 결과를 나타내었다. 하지만 기존의 잉크 A보다는 망점확대가 다소 많이 나타난 것은 침투 건조를 촉진하기 위하여 사용된 재료 때문에 유동성은 높으나 점도가 상대적으로 조금 낮았기 때문으로 판단된다.16,17)


Fig. 4. 
Results of the dot gain for 120 g/cm2 coated paper.


Fig. 5. 
Results of the dot gain for 75 g/cm2 semi-coated paper.

75 g/cm2의 교과서 용지의 결과를 Fig. 5에 나타내었으며, 기존의 잉크 A는 K=16.7%, C=13.0%, M=13.0%, Y=14.3%로 나타났으며, 외국산 잉크 F는 K=18.4%, C=17.3%, M=16.8%, Y=17.1%로 도공지보다 상대적으로 높게 나타났다. 더욱이 외국산 잉크 F의 경우에서는 C 잉크와 Y 잉크에서 ISO 12647-2 규정보다 높게 나타났으며, 그 이유는 잉크의 유동성의 영향으로 생각되어진다.13,15,17)

마지막으로 ECO 잉크의 경우에서는 K=17.8%, C=14.2%, M=15.4%, Y=15.5%로 기존의 잉크 A에 비하여 상대적으로 높은 값을 나타내고 있지만, ISO 12647-2에서 규정한 망점확대 비율보다는 낮게 나타남을 알 수 있었다.

3.4 잉크 트래핑

원색의 잉크가 서로 중첩되어 2차색을 나타내는 것을 잉크의 트래핑이라고 하며, 인쇄물의 색조에 영향을 미치고, 잉크 상호간의 작용에 의하여 그 효과가 나타난다. 이와 같은 이유로 ISO 12647-2에서도 트래핑 효율의 기준을 가지고 있다. 그 기준 값은 red(M+Y)=70%, green(C+Y)=80%, blue(C+M)=75%이다.15,17)

아래의 Fig. 6에 각 시료에 대한 트래핑 값을 나타내었다. 120 g/cm2의 도공지의 각 잉크별 트래핑은 모두 ISO 12647-2 규정의 트래핑 효율 값보다 높은 우수한 트래핑 적성을 나타내었다. 또한 75 g/cm2의 교과서 용지의 경우에서도 모든 잉크에서 ISO 12647-2 규정을 만족시키는 결과를 나타내었다.


Fig. 6. 
Results of the ink trapping.

3.5 L*a*b* 색상 값

Lab 색 공간에서 L값은 밝기를 나타낸다. L=0이면 검은색이며, L=100이면 흰색을 나타낸다. -a은 green 색상 방향이며, +a는 red 색상 방향이다. -b는 blue 색상 방향이며, +b 방향은 yellow이다. L*a*b* 색 공간에서 서로 다른 두 색의 거리는 인간이 느끼는 색상의 차이와 비례하도록 만들어졌기 때문에 최근에는 인쇄물의 색상을 평가하는 지표로 사용되고 있다. 더욱이 ISO 12647-2에서는 각 색상에 대한 L*a*b* 값을 종이별로 규정하고 있다.13,15,17) 본 연구에 의해서 개발된 잉크의 Lab 값은 120 g/cm2의 도공지에 대하여 ISO 12647-2 규정에 제시된 기준을 만족하는 특성을 나타내었고, 그 결과물로서 공인시험성적서(TAK-2018-195293, TAK-2019-010072, 한국화학융합시험연구원)를 획득하였다. 단 75 g/cm2의 교과서 용지의 경우는 평량 분류법에 의하여 PS2에 해당하기에 본 실험에서는 제외하였으며, 120 g/cm2의 도공지에 대한 결과를 아래 Table 2에 나타내었다.

Table 2. 
Results of L*a*b* color value for each ink
Samples L* a* b* ΔE Remarks
ISO
12647-2
K 16.00 0.00 0.00 5.00
C 54.00 -36.00 -49.00 5.00
M 46.00 72.00 -5.00 5.00
Y 87.00 -6.00 90.00 5.00
A K 18.82 0.49 1.33 2.73 ≤5.00
C 56.47 -35.47 -50.94 3.26
M 50.01 72.14 -7.23 4.70
Y 88.86 -7.18 91.72 3.62
F K 18.13 -0.16 -0.17 2.86 ≤5.00
C 56.12 -34.24 -51.05 3.67
M 47.52 73.37 -4.17 2.41
Y 88.33 -7.88 90.48 2.53
ECO K 18.56 0.46 1.54 3.13 ≤5.00
C 54.36 -33.15 -52.83 4.85
M 47.61 73.46 -4.46 2.42
Y 88.51 -7.98 91.32 2.98


4. 결 론

전보에서 연구한 것과 같이 안료의 합성 조건과 마이크로웨이브 필터 방식으로 전환한 공정 시스템의 변화를 통하여 잔류성 유기오염물질인 PAA 및 PCBs가 전혀 검출되지 않는 안료와 Co, Mn과 같은 중금속 물질을 포함하는 건조제를 사용하는 대신에 Ce를 사용한 건조제로 비이클을 만들었으며, 산화제로 사용된 유해물질 HQ와 THQ가 검출되지 않는 친환경 인쇄용 잉크의 실 인쇄 테스트의 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

120 g/cm2의 도공지에서는 기존의 인쇄용 잉크 A와 동일한 수준이며, ISO 12647-2 규정에 부합되는 인쇄물 색상 농도 값인 K=1.68, C=1.37, M=1.39, Y=1.01을 얻을 수 있었다. 75 g/cm2의 교과서 용지에서는 K=1.56, C=1.26, M=1.36, Y=0.97 정도로 ISO 12647-2 규정의 K=1.60, C=1.30, M=1.40, Y=1.00 값보다 평균 0.04정도 낮은 값을 보였지만, 색상오차 허용범위인 ±0.05 이내에 포함되었다. 인쇄전후의 인쇄물 색상 농도저하의 경우에서도 기존의 잉크와 거의 동일한 수준의 성능을 나타내었으며, 망점확대의 경우 ECO 잉크는 120 g/cm2의 도공지에서 K=16.7%, C=13.7%, M=14.5%, Y=11.3%, 75 g/cm2의 교과서 용지에서 K=17.8%, C=14.2%, M=15.4%, Y=15.5%를 나타냈으며, ISO 12647-2에서 규정한 허용 범위 이내에 들어가는 것을 알 수 있었다. 잉크 트래핑 측면에서도 ISO 12647-2의 규정 범위 이내에 측정값이 존재함을 알 수 있었으며, 색상 Lab에 대한 측정에서도 120 g/cm2의 도공지의 경우는 ISO 12647-2 규정에 허용되는 오차 범위 내에 결과를 나타내었다.

따라서 본 연구로 만들어진 친환경 인쇄잉크인 ECO 잉크는 품질적인 부분에서 기존의 잉크와 거의 유사한 품질을 가지고 있다고 판단된다. 따라서 양산 안정화를 위한 인자 도출 및 품질관리에 관한 지속적인 연구 수행을 통해 얻어진 데이터를 활용하여 중국, 인도, 동남아 등에 치중되어 있는 인쇄 물량에, 친환경 기술을 우위로 내세워 EU, 미국, 일본 등의 친환경 인쇄물량을 국내로 흡수, 인쇄 관련 매출의 확대, 인쇄물 수출 확대 등을 이끌어낼 수 있는 역할을 수행할 수 있도록 노력하고자 한다.


Acknowledgments

이 연구는 2019년도 산업통상자원부 및 산업기술평가관리원(KEIT) 연구비 지원에 의한 연구임(‘10062431’).


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