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Journal of Korea Technical Association of the Pulp and Paper Industry - Vol. 53 , No. 1

[ Article ]
Journal of Korea Technical Association of the Pulp and Paper IndustryVol. 52, No. 6, pp.5-16
Abbreviation: J. Korea TAPPI
ISSN: 0253-3200 (Print)
Print publication date 31 Dec 2020
Received 20 Oct 2020 Revised 05 Nov 2020 Accepted 09 Nov 2020
DOI: https://doi.org/10.7584/JKTAPPI.2020.12.52.6.5

잉크젯 인쇄의 최신 기술과 전망(제1보) : 잉크의 특성과 잉크젯 용지
정경모1 ; 이용규2,
1강원대학교 산림과학연구소, 연구교수
2강원대학교 산림환경과학대학 제지공학과, 교수

Advanced Technology and Prospect of the Ink-jet Printing (I) : Ink Characteristics and Ink-jet Paper
Kyoung-Mo Jeong1 ; Yong-Kyu Lee2,
1The Institute of Forest Science, Kangwon Natl. Univ.
2Dept. of Paper Science & Engineering, College of Forest & Environmental Sciences, Kangwon Natl. Univ.
Correspondence to : †E-mail: yklee@kangwon.ac.kr (Address: Dept. of Paper Science & Engineering, College of Forest & Environmental Sciences, Natl. Univ. Chuncheon, 24341, Republic of Korea)

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Abstract

The aim of this review is to introduce the information concerning advanced technology of ink-jet printing regarding characteristics and ink-jet paper. It is believed that ink-jet paper having suitable liquid absorption characteristics and drying techniques are required to improve image quality on high-speed inkjet printing. Although the development of high quality ink-jet paper is important, the demand or the dual-purpose coated paper that can be used with offset and ink-jet printing is expected to increase for the time being. Meanwhile, it is important to get cost down and raise the productivity of the ink-jet paper to secure competitiveness comparable to that of offset coated paper. For those objectives we think that the development of new technologies is required for pigment development, composition design of the coating ingredients, and rheological characteristics analysis of coating colors.


Keywords: Ink-jet, coated paper, porous surface, new printing materials, rheology

1. 서 론

잉크젯 인쇄방식은 컴퓨터의 출력 디바이스로서의 역할 뿐 아니라 산업용 프린터, 최근에는 인쇄산업용의 고품위 고속 인쇄기로서의 역할까지 담당하기에 이르렀다. 산업기술의 발전으로 화상정보의 처리능력 향상, 잉크젯 헤드의 기술 성숙과 고도화 등을 통해 화상정보를 고속으로 처리할 수 있게 되었고 인쇄물의 내구성도 확보하면서 그 지위가 새롭게 자리매김하게 되었다.1,2)

일반적인 잉크젯 기술은 수성 잉크를 사용함으로써 종이 또는 다양한 흡수성 기재표면에 잉크를 정착시켜 화상을 형성하는 것이다. 이와 같은 방법이 실용화를 위해 검토되기 시작했던 70년대에는 오늘날과 같이 다양한 영역에서 적용 가능한 기술로 발전할 것으로 예상하지 못했다. 그러나 잉크 방울을 토출시켜 화상을 형성하는 잉크젯 기술이 잉크를 토출하는 헤드부의 다열화와 싱글패스(single pass) 방식의 개발 등을 통해 고속화를 달성하였다. 이러한 기술적 성숙은 수성잉크를 이용해 권취지(롤지)에 고속으로 인쇄하는 디지털 인쇄, 즉 가변인쇄를 실현하는 수단으로써 성장을 지속하여 왔으며 최근에는 인쇄화질도 오프셋 인쇄기에 준하는 수준으로 향상되기에 이르렀다.1-4)

아직까지는 저비용의 용지와 잉크를 이용한 중간 정도 품질(중질)의 칼라 화상을 출력하는 데 이용되고 있으며 소량의 부수, 수신명, 콘텐츠의 인쇄에 개별적으로 대응하는 전략으로 차별화를 추구하고 있으며 DM(direct mail), 트랜젝션, 트랜스프로모션 등이 대상이 되고 있다. 한편, 디지털 방식의 인쇄물을 제공하는 또 하나의 수단으로써 전자사진 방식이 사용되고 있으며 각각의 특징에 따라 다양한 분야에서 활용되고 있다. 전자사진에 의한 디지털 인쇄가 아직까지는 일반적인 방법으로 생각되고 있지만 가까운 장래에 전자사진 방식(토너)에 의한 출력 부수는 잉크젯 방식에 추월당할 것으로 보고 있다. 화질은 전자사진 방식이 우수하지만 잉크젯 방식이 생산속도와 생산단가 측면에서 이점이 있기 때문에 머지않아 잉크젯 방식이 전자사진 방식보다 우위를 점할 것으로 예측되고 있다. 금후 잉크젯 인쇄방식이 고화질화를 위한 기술개발에 계속적으로 노력을 기울인다면 IT 기술의 진보와 함께 디지털 인쇄 분야에서 한층 더 성장할 것으로 판단된다.1,5)

본 논문에서는 잉크의 특성과 기록용지에 관련된 기술 동향에 대해 살펴보고 앞으로의 기술 개발과 전망에 대해 소개하고자 한다. 먼저 잉크젯 헤드와 잉크의 종류에 대해 구분하였고 잉크의 기본물성과 주된 요구 특성에 대해서 살펴보았다. 최근 인쇄산업용 잉크젯 기술의 발달로 고속화가 진행됨에 따라 인쇄 잉크와 잉크젯 용지에도 이에 적합한 물성이 요구되고 있다. 침투가 어려운 도공지에 대한 잉크젯 인자 및 정착기술도 향상되었는데 인쇄산업용 고속 잉크젯 인쇄에서 요구되는 용지와 잉크 기술의 현재 상황과 금후의 전망 등에 대해서 살펴보았다.


2. 프린트 헤드 기술

현재 주로 사용되고 있는 잉크젯 인쇄 방식은 Fig. 1에 나타낸 바와 같이 크게 두 가지로 나뉜다. 산업용으로 주로 이용되는 고속토출의 연속방식과 개인 사용자 등에 사용되는 드롭 온 디멘드 방식이다.1,5)


Fig. 1. 
Overview of inkjet technological process.

2.1 드롭 온 디멘드

드롭 온 디멘드 방식은 다시 서멀 방식과 피에조 방식으로 구분된다(Fig. 2).1,3,5)


Fig. 2. 
Inkjet printing methods (Drop on Demand: (A) thermal, (B) piezo).

2.1.1 서멀 잉크젯

잉크실 내의 히터를 순간적으로 가열할 때 발생하는 기포의 체적변화를 이용해 20∼30 µm 정도의 아주 작은 노즐로부터 잉크를 토출시킨다. 구조가 단순하기 때문에 고밀도화가 가능하다.

2.1.2 피에조 잉크젯

잉크실 내의 피에조 소자가 전압인가에 의해 변형되는 것을 이용하여 잉크를 토출시키는 방식이다. 헤드의 구조가 복잡하고 기포가 들어가면 압력제어가 곤란한 문제점이 있지만 분사량의 제어가 비교적 용이한 편이다. 앞서 설명한 서멀 방식이 열을 가하는 방식이기 때문에 토출에 앞서 잉크실 내에 체류하고 있는 잉크(재료)에 좋지 않은 영향을 미칠 수 있으므로 각종 기능재료를 잉크젯 인쇄 방식으로 인쇄하고자 할 경우에는 피에조 방식의 헤드가 주로 이용된다.

2.2 연속 주사형 잉크젯

연속방식은 잉크실에 고압을 가해 얻어진 초음파 진동을 통해 미소한 잉크 방울을 토출시킨다. 토출된 잉크 방울에 전하를 부여하고 전계에 의해 비상방향을 제어함으로써 화상을 형성하며 사용되지 않은 잉크는 회수되어 재이용된다. 공업용의 마킹(marking)과 폼 인쇄의 넘버링 등에 이용되고 있다. 헤드로부터 인쇄매체까지 1 cm 이상 거리를 둘 수 있어 요철이 있는 표면에도 인자가 가능한 것이 장점이다(Fig. 3).


Fig. 3. 
Inkjet printing methods (Continuous type).


3. 잉크의 분류와 특징
3.1 잉크의 분류

잉크의 조성은 기본적으로 용매와 색재로 이루어진다. 잉크의 분류는 관점에 따라 다양하게 구분되고 있다. 잉크 베이스에 주목하면 크게 용제형과 고상형으로 나눌 수 있고, 용제형은 수용액 타입과 비수용액 타입으로 구분할 수 있다. 건조방식에 따라 살펴보면 수계용매를 이용한 침투건조형, 유기계 용매의 증발을 이용한 증발건조형, 왁스의 용융–고화를 이용한 상변화(솔리드)형, 적외선(UV) 또는 전자선(EB) 조사에 의한 경화반응형 등으로 분류가 가능하다. 여기서는 용매에 따른 분류로 구분하여 살펴보고자 한다.3-5)

3.1.1 용매에 의한 분류

용매의 종류에 따라 수계, 오일계, 용제계 잉크로 구분할 수 있다. 수계와 오일계 잉크는 인쇄매체에 침투함으로써, 용제계 잉크는 용제의 증발에 의해 건조된다.

(가) 수계 잉크

인쇄 분야에서 주로 이용되고 있다. 인쇄 품질을 개선하기 위해서 잉크 포획력이 높은 정착제의 개발과 양이온성 처리액에 의한 전처리 등으로 인쇄된 도트의 화상 번짐을 억제하고 화질향상을 위한 잉크 설계가 필요하다. 신문인쇄 분야에서는 미세문자의 시인성 향상, 번짐과 뒤비침의 억제, 다색 인쇄 시 혼색에 따른 브리딩 발생의 억제 등의 과제가 중요시되고 있다.

(나) 오일계 잉크

고비점의 지방족 탄화수소계 용제와 대두유 등으로 구성된 오일계 잉크는 토출 안정성이 우수한 장점으로 인해 고속 사무용 프린터 등에 주로 이용되고 있다.

(다) 용제계 잉크

용제계 잉크는 사인보드(sign board)와 간판 등에 사용될 수 있다. 메틸에틸케톤과 시클로헥사논 등이 주된 용제로 이용되어 왔지만 유해물질의 배출로 인해 환경 문제가 사회적 이슈로 대두되면서 저향기·저자극성의 친환경 용매(알콜계, 글리콜 디에테르계)의 이용이 증가하고 있다.

(라) 무용제계 잉크

무용제계 잉크로는 적외선 조사 등에 의해 중합·건조시키는 UV 경화형 잉크와 열을 가해 용융상태로 토출시키고 액체에서 고체상태로 상변화를 유도하여 정착시키는 솔리드 잉크가 있다.

3.2 잉크의 특성
3.2.1 잉크의 기본 물성

잉크는 5-20%의 색재를 포함하고 있는데 주로 염료와 안료가 대부분이다. 안료 잉크는 무기안료를 사용하던 예전과는 달리 큰 입자를 갖는 유기안료를 사용하여 투과성을 향상시킴으로 그 수요가 증가하고 있다. 염료 잉크의 경우는 인쇄에 의해 형성된 잉크 필름층이 전체적으로 종이 내부로 흡수되어 색이 발현되는 반면에 안료 잉크는 잉크 내의 비히클 성분만을 종이 내부로 침투시키고 색재 성분(안료)을 표면에 잔류시키면서 색을 발현하게 된다.6)

(가) 점도

잉크의 점도는 토출 시의 액적의 형태에 크게 영향을 준다. 수성 잉크의 경우, 물에 색재와 고분자 첨가제가 포함되므로 물과 비교했을 때 저온에서 점도 상승 폭이 크게 된다. 따라서 프린터의 구동 온도 범위 안에서 저온 또는 고온 영역에서 액적을 형성하는데 문제가 발생하기 쉽다. 건조 방지제는 비점이 높은 수용성 유기용제가 주된 성분으로 구성되어 있기 때문에 물과 혼합될 경우, 그 혼합비율에 따라 점도 변화에 미치는 영향이 크게 된다. 일반적으로 휘발성분 또는 수분의 증발이 잉크의 점도 변화에 미치는 영향이 적은 것이 바람직하기 때문에 잉크 설계 단계에서 물과 건조방지제의 혼합 시 점도 변화가 적도록 설계하는 것이 바람직하다.5)

Fig. 4는 서멀 방식의 잉크젯 헤드에서 노즐을 통해 토출된 여러 개의 잉크 방울이 어떻게 한 개의 잉크 방울로 변화되는가 하는 과정을 고속 카메라를 이용하여 측정한 결과이다.3)


Fig. 4. 
Forming of the ink droplet from individual drops on the thermal inkjet processes.

(나) 표면장력

순수한 물은 통상 프린터의 동작 온도에서는 약 70 mN/m의 표면장력을 나타낸다. 실제 프린터의 조성물에서는 색재와 수용성 용제, 그밖에 다양한 계면활성 물질을 포함할 경우, 20∼60 mN/m의 표면장력을 나타낸다. 하지만 표면장력은 정적표면장력과 동적표면장력의 2가지로 구분할 수 있으며 일반적으로 사용되는 표면장력 측정기는 주로 정적표면장력을 측정하는 데 이용된다. 예를 들어 계면활성제와 같은 첨가제를 소량 투입하여 잉크의 표면장력이 감소되는 경우, 정적표면장력이 낮은 값을 나타내더라도 동적표면장력은 높은 값을 나타낼 수 있으므로 주의가 필요하다. 실제 프린터에서의 잉크의 거동을 살펴보면 수용성 유기용제를 포함하는 잉크는 표면장력 측정기에서 얻어진 결과를 반영하는 특성을 나타내는데 비해 계면활성제를 포함하는 잉크는 표면장력 측정기로 측정하였을 때 낮은 수치를 얻었을지라도 실제로는 높은 표면장력에서 볼 수 있는 특성을 나타내는 경우가 많다.4)

(다) pH

잉크 중에 음이온성 염료와 음이온계 첨가제(분산제, 방부·녹방지제)를 포함하는 경우, 잉크의 pH는 알칼리 영역인 것이 잉크 안정성 측면에서 바람직하다. 이와 달리 양이온 염료의 경우에는 잉크의 pH는 산성 영역이 되도록 제어하는 것이 바람직하다. 일반적으로 잉크 공급계통의 소재와의 상용성을 고려하여 잉크의 pH는 중성에서 약알칼리 영역이 되도록 설계하는 경우가 많다. 잉크의 pH 안정성이 저하될 경우에 대기에 존재하는 탄산가스를 흡수하거나 저장 및 공급 장치를 구성하는 소재와 장시간 접촉하는 과정에서 산성의 성분이 혼입되어 잉크의 pH를 저하시키는 문제를 일으킬 수 있다. 이러한 경우에는 알칼리성의 pH 조정제를 첨가하는 것이 바람직하다.4)

(라) 전기전도도

연속주사형의 잉크젯 방식에 사용되는 잉크에 있어서 전기 전도도는 중요한 물성이다. 잉크의 전기전도도는 전계에 의해 비상방향을 제어하는 하전제어의 경우에 토출된 잉크 방울에 정전하를 주입하는 데 영향을 미친다. 또한 잉크의 잔량을 확인하는 방법으로 전극을 이용하는 경우에 잉크는 일정 이상의 전기전도도를 갖는 것이 바람직하다.

3.2.2 잉크의 동적 특성

(가) 잉크 노즐 막힘

잉크젯 인쇄의 경우, 대단히 작은 노즐에서 잉크를 토출시키기 때문에 노즐의 막힘 혹은 액적이 휘는 현상을 만들기 쉽고, 단 한 개의 노즐에서 이상이 생겨도 크게 화상 품질을 손상하게 된다. 그 때문에 잉크젯 기록에 있어서 요구되는 특성은 무엇보다 다양한 사용 환경에 있어서 노즐의 막힘을 일으키지 않고, 항상 안정한 잉크의 토출을 확보하는 것이 중요하고 다른 요구품질 특성보다도 이 부분에 대한 신뢰성을 확보하기 위한 잉크 특성이 우선되는 경우가 많다.2)

(나) 잉크의 토출 안정성

잉크의 토출 안정성은 노즐 막힘의 문제가 영향을 미치는 경우가 있지만 노즐이 정상이더라도 잉크가 토출되지 않는 현상으로 본질적으로 노즐 막힘과 다르다. 토출안정성은 전면인쇄 모드에서 발생하기 쉬운 연속 토출안정성과 대기모드(토출하고 나서 다음 토출까지의 사이의 운전 중지기간)에서 발생하기 쉬운 비연속 토출 안정성으로 크게 2가지로 구분할 수 있다.2)


4. 산업 기술의 발전과 잉크젯 인쇄기의 고속화

제조업 등의 산업 기술이 발전함에 따라 자연스럽게 프린터 헤드의 성능, 컴퓨터 처리 능력, 소프트웨어 기술 등이 개선되었고 인쇄 설비기술의 고도화와 더불어 잉크젯 인쇄의 고속화와 고품질화의 실현이 가능하게 되었다. 인쇄 품질 측면을 중시하면서 고속화에 필요한 중요 영향인자를 3가지로 구분하여 보면 1) 인쇄원리에 기초한 고속화, 2) 가변을 실현하는 고속 화상처리, 3) 수성잉크의 처리(건조)를 지배적인 요소로 들 수 있다. Fig. 5는 컬러 인쇄를 위한 다색 잉크젯 인쇄기의 기본 구조를 나타내고 있다.2,4)


Fig. 5. 
System configuration for a multi-color continuous inkjet printing system.

4.1 인쇄 프로세스에 있어서 고속화

고속화의 한 가지 방법으로 헤드의 수를 증가시키는 방법을 언급하였는데 헤드 단위체의 고속화는 잉크 방울의 단위시간당 분사수와 밀접한 관계가 있다. 이를 위해 피에조 타입의 헤드에서는 초음파 진동의 주파수 대응, 잉크의 유체로서의 응답성 등이 프린터 헤드의 설계사항에 포함된다.

4.2 고속 화상처리

고속 가변성을 실현하는 화상처리는 인쇄방식과 관계없이 잉크젯 또는 전자사진이더라도 공통으로 사용할 수 있는 전자사진 기술을 의미한다. 예를 들자면 후지제록스의 잉크젯 인쇄기 1400 IJ CCFPS와 전자사진 인쇄기 Versant 2100은 실제 같은 화상처리 콘트롤러를 이용하고 있다.

4.3 잉크 수분의 제어

일반적인 가정용 잉크젯 프린터에서는 자연 건조되도록 침투가 잉크와 종이의 상호작용에 의해 제어되고 있고, 기계적인 보조 장치는 존재하지 않기 때문에 수분을 의식하지 않는다. 그렇지만 고속의 인쇄산업용 잉크젯 인쇄기에 있어서는 잉크를 종이에 고속으로 침투시킴과 동시에 고속으로 건조시킬 필요가 있다. 건조가 불충분한 경우에는 용지 배송롤 등을 사이에 두고 용지면에 전사된다. 혹은 권취 롤지의 대향면(뒷면)에 전사되는 등의 문제가 발생한다. Fig. 6은 잉크젯 인쇄 장치에 있어서 (a) 접촉 드럼형 히터, (b) 비접촉 적외선 히터의 예를 나타내고 있다. 이들 히터를 이용하여 용지의 온도는 100℃ 부근까지 가열되고, 또한 건조시간은 1초 정도이며, 동시에 대량의 수증기를 발생하기 때문에 배기 덕트 등의 설비가 필요하게 된다. 수분을 포함하는 용지는 팽윤되고 가열된 용지는 수축하기 때문에 컬, 주름 등의 용지변형도 건조와 밀접하게 관련되어 있다.


Fig. 6. 
Dryer structures of the inkjet printing machine ((A) contact type, (B) non-contact type).


5. 잉크젯 용지
5.1 일반적인 요구특성

잉크젯 방식에 의한 인쇄의 경우는 잉크가 기재의 표면에 머무는 것이 아니라 내부로 침투함으로써 정착이 되는 특징을 갖는다. 그 때문에 기재로 사용되는 매체에는 잉크를 잘 흡수할 수 있는 구조가 필요하다. 미도공의 보통지에는 통상 사이즈 처리가 되어 물을 어느 정도까지는 받아들이지 않는 구조로 설계되어 있다. 잉크제트 잉크는 노즐의 건조 방지를 위해 습윤제로 불리는 알코올계 액체 (이소프로필 알코올, 에틸렌 글리콜 등, 10-30%)가 첨가되어 있기 때문에 액체의 표면장력이 낮아 사이징 처리가 된 미도공 보통지에도 침투가 용이하다.4)

이러한 이유로 과거 PPC 용지로 불리던 보통지에도 일단 사용할 수 있었다. 그러나 종이는 목재 세포에 유래하는 직경 5-30 µm정도의 섬유로 구성되어있기 때문에 잉크는 섬유에 흡수되어 확산하기 쉽고, 이것은 페더링이라고 불리는 도트형상의 확산 원인이 된다. 또한 보통지는 불투명도를 높이기 위해 클레이, 탄산칼슘 같은 무기 안료를 충전제로 첨가하는데 잉크젯 잉크는 지층에 깊이 스며들기 때문에 불투명도가 높을 경우, 잉크가 숨겨져서 발색이 저하되는 문제를 나타내었다. 이러한 문제점을 개선하기 위해서 행하는 것이 잉크젯용 도공이다.7-9)

일반적으로 오프셋 인쇄용의 도공지는 클레이와 탄산칼슘을 주재료로 한 무기안료를 바인더 라텍스와 혼합시켜 도포하게 된다. 이러한 도공배합은 치밀하고 소수성의 도공층을 만들기 때문에 오프셋 방식의 유성잉크에는 적당하지만 잉크젯에는 적절하지 않다. 실제로 사용해 보면 잉크가 완전히 침투하지 않고 표면에 응집하기 때문에 발색이 떨어지는 결과물을 얻게 된다. 잉크젯 잉크의 발색 효과가 우수하고 안정된 인쇄 품질을 얻기 위해 실리카겔과 친수성 바인더(폴리비닐 알코올, PVOH)를 이용한 도공배합이 적용되고 있으며, 이렇게 제조된 도공지는 잉크가 미세한 공극에 빠르게 침투하고 작고 또한 색농도가 높은 도트를 형성하게 된다.7,10,11,13-15)

5.2 흡액성의 평가

잉크젯 용지의 품질은 잉크젯 방식의 프린터를 이용해 직접 인쇄를 해 보면 쉽게 확인할 수 있다. 만약 인쇄 품질이 불충분한 경우, 어떠한 원인에 의한 것인지 분석할 수 있는 능력은 제품설계 및 품질 관리를 위해서 중요하다. 잉크 수용층 표면의 흡액 속도 또는 액체의 접촉각 등을 평가하는 것이 가장 일반적인 평가 방법으로써 널리 알려져 있다.

흡액 속도의 측정이 가능한 방법으로 브리스토 측정법을 들 수 있다. 이 방법은 작은 단형의 개구부를 갖은 흡액헤드에 일정량의 액을 넣어 이것을 종이에 접촉시켜 일정속도로 표면을 주사하고, 액이 전이해서 만드는 띠상의 전이영역의 면적으로 부터 전이량을 결정한다. 개구부의 폭을 주사속도로 나눈 것이 종이 위에 하나의 점이 액체에 접촉한 시간이 되기 때문에 주사속도를 다양하게 바꾸는 것에 의해 수밀리초-수초의 범위로 접촉시간을 바꿔 액체의 흡수곡선을 그리는 것이 가능하다. 접촉각을 측정하는 방법도 유용한 수단으로 자주 이용되고 있다.11)

5.3 잉크젯 용지의 개발

지금까지 개발된 잉크젯 용지의 종류를 살펴보면 첫째, 도공량이 적고 감촉과 인쇄품질이 비 보통지에 가까운 저가 제품이 보급형의 등급으로써 문서 인쇄를 목적으로 주로 사용되고 있다. 둘째로, 화상의 인쇄를 포함하는 문서의 경우나 좀 더 높은 수준의 중급 인쇄물을 얻고자 하는 경우에 백색도가 높고 인쇄된 컬러의 발색도 좋지만 가격은 광택 전용지에 비해 저렴한 매트 도공지가 많이 이용되었다. 셋째로 컬러 화상의 인쇄 또는 컬러 사진의 출력을 포함하는 인쇄물의 경우는 광택을 갖는 잉크젯 전용지가 다수 개발되어 사용되고 있다. 이러한 고품질의 전용지는 인쇄품질은 충분히 높지만 손쉽게 이용하기에는 가격 측면에서 부담이 있다.7,8,10,12,16)

통상의 안료 도공에서는 평판상의 클레이 입자가 치밀한 도공층을 만들기 때문에 평활한 표면을 얻기 쉽고 추가적으로 칼렌더 처리를 행해서 광택을 얻을 수 있다. 이와 달리 잉크젯 도공에서는 흡액성을 좋게 하기 위해서 다공질 실리카를 이용하기에 표면이 거칠게 되고 또한 소수성의 라텍스를 바인더로 이용하여 칼렌더 처리에 의한 광택 부여가 어려웠다. 당시 광택을 갖는 잉크젯 도공지는 도공 후 경면롤로 가압시키면서 건조하는 캐스트 도공을 이용하였고 저속에서 조업이 행해졌기 때문에 제품의 생산 단가가 높았다.

인쇄품질의 면에서는 친수화, 내후화 및 뒤비침 현상의 개선이 최대의 과제였고 내수성의 향상을 위해 인쇄 전에 내수화제를 도포하는 기술이 실용화되기도 하였다. 잉크젯 인쇄는 개인용 컴퓨터의 출력 수단으로써 오랫동안 중심적인 위치를 유지해 왔고 헤드를 대형화하는 것에 의해 고속화로의 진전이 이루어 졌다. 인쇄부에서 헤드에 의한 왕복운동을 없애고 전폭 헤드를 설치함으로써 오프셋 윤전기와 같은 인쇄 속도를 얻고자 한 시도가 이제는 현실이 되어 인쇄 산업용 고속 잉크젯 인쇄기 개발 등에 이용되고 있다. 한편, 이러한 고속 잉크젯 인쇄에서는 잉크의 신속한 정착, 즉 짧은 시간 내에 잉크의 흡수 및 건조가 필요하게 되므로 수성 잉크를 받아들이는 수용층에 대한 설계에 새로운 기술이 요구되게 되었다.2,5)


6. 고속 잉크젯 용지
6.1 잉크 수용층의 역할

일반적으로 가정용, 사진, 와이드 포맷의 잉크젯에서는 염료 또는 안료라고 하는 색재를 포함하는 잉크를 용지 위에 떨어뜨려서 수분을 용지의 섬유 등에 침투시키면서 용지를 채색하는 방식으로 화상을 형성한다. 이때 색재는 잉크 방울의 떨어진 지점에 고정되고 수분은 용지에 침투한 후 자연 건조된다. 침투속도가 늦어지면 미처 건조되지 않은 잉크는 지면위에 남고 너무 빠르면 색재가 용지 안으로 깊이 침투하여 색이 옅어지게 된다. 혹은 섬유에 따라 새의 깃털 상으로 퍼져서 문자가 번지는 현상(feathering)이 발생한다. 이와 같은 경우, 잉크에 포함된 재료를 조정함으로써 침투속도를 제어하고 용지 표면에서 색재의 고착을 어떻게 제어할지에 대한 기술적인 검토가 필요하다. 잉크젯 인쇄를 위해 용지 표면에 구성되는 잉크 수용층은 CaCO3를 함유시키거나 혹은 실리카, 수용성 폴리머를 도포하는 것이 일반적이며 이들을 적절히 혼용함으로써 색재의 움직임을 제어하기 위한 주요 수단으로써 이용되고 있다.2,7-10,17-20)

6.2 소량침투 또는 비침투 기재의 이용
6.2.1 잉크의 침투거동

대부분의 인쇄소에서는 그동안 오프셋 인쇄 방식을 이용해 다수의 인쇄물을 취급해 왔다. 인터넷의 이용량 증가와 신문, 잡지, 서적 등의 기존의 인쇄물의 사용 범위가 감소함에 따라 다품종 소량 인쇄에 적합한 산업용 잉크젯 인쇄기의 이용이 늘고 있다. 따라서 오랫동안 오프셋 인쇄방식에 의해 인쇄물을 제작해 온 인쇄 숙련공의 입장에서는 오프셋 인쇄의 장점에 익숙하기 때문에 고속의 잉크젯 인쇄기에서 오프셋 방식에 사용되는 오프셋용 도공지를 병용할 수 없을까 하고 생각하기 쉽다. 도공지의 이용분야는 카탈로그, 팸플릿, 캘린더 등 대체로 잉크젯 인쇄 방식이 적용되고 있는 비즈니스 폼보다도 고화질의 조건이 요구된다. 하지만 최근 들어 상품가치를 우선시 하는 고품질의 오프셋 인쇄에 추가적으로 가변의 고객정보를 인쇄하는 공정을 잉크젯 인쇄 방식으로 마무리 하고자 하는 시도는 인건비 절감 측면에서 아주 유리하며 후 공정과의 연결 측면에서 긍정적이다.2,5)

Fig. 7(A)는 잉크젯 전용지(사진용) 위에, (B)는 소량침투만 가능한 도공지 위에 잉크 방울이 시간차에 따라 2방울 착지 후 침투해 가는 모습을 관찰한 결과이다. 잉크젯 전용지는 첫 번째 잉크방울은 적하 후에 침투를 개시하고, 두 번째 방울이 13.2 ms 후에 적하되었을 때에 첫 번째 잉크는 거의 침투를 종료하지만, 도공지에서는 거의 침투하지 않기 때문에 두 번째 잉크와 바로 섞이기 시작하고 약 1.5 ms 후에는 합체되는 모습을 나타낸다. 시간 경과에 따라 잉크젯 전용지는 34.6 ms 후에 표면에서 수용층 내부로 침투를 완료하고 2개의 도트를 형성하지만, 침투가 지연되는 도공지는 건조에 1초 이상의 시간이 요구되고 지면상의 도트는 첫 번째와 두 번째 잉크방울이 혼색되어 농도가 불균일하고 상대적으로 망점이 확대된 1점의 도트를 형성하게 된다.2)


Fig. 7. 
Differences in penetration behavior based on differences in ink penetration into the coated papers ((A) ink-jet type, (B) small amount penetration type).

6.2.2 도공지에서의 잉크 정착과 건조

수성잉크가 부적합한 도공지에 잉크젯 방식에 의해 인쇄하기 위해서는 일반적으로 알려진 바와 같이 잉크의 침투 메커니즘에 따라 건조를 유도하기보다는 용지 표면에 색재 성분을 고착시키거나 색재 이외의 용매를 고속으로 제거하는 형태로 건조를 촉진시키는 것이 중요하다. 보고된 바에 의하면 개량된 잉크를 적용함으로써 기존 건조 설비를 그대로 이용하면서 도공지에 잉크를 정착하는 것이 가능하다. 색재를 용지에 정착시키기 위해서는 수지 성분을 이용하는 것이 효과적이다. 오래전부터 잉크 제조 시에 안료(색재)를 물에 안정적으로 분산시키기 위해서 수지가 사용되고 있으며 수지를 통해 색재를 용지에 접착시키는 것이 가능하다. 한편, 물과 보습제는 잉크를 구성하는 주된 용매 성분인데 글리세린 등과 같은 비점이 높은 보습제를 잉크에 포함시키는 것이 요구된다. 이는 침투성이 떨어져서 수성잉크가 부적합한 도공지 위에 화질이 우수한 인쇄물을 잉크젯 인쇄방식을 통해 얻기 위해 꼭 필요한 잉크의 설계 조건으로 언급되고 있다. 이는 일반적인 잉크젯용 잉크의 설계 기술과는 다소 차이가 있는 것으로 생각된다.2,5)

증발을 조절하기 위한 방법으로 보습 성분을 이용하지 않고 다른 형태의 첨가물을 통해 색 발현의 안정성을 얻기 위한 잉크가 잉크젯 인쇄기 메이커에 의해 개발되었다. Fig. 8은 일반 오프셋용 도공지에 이와 같이 개발된 흑색 잉크(Premium K, 후지제록스)를 이용하여 600 DPI 잉크젯 인쇄기(100 m/min)에 의해 인쇄한 인쇄결과로서 흑백 화상이 잘 인쇄되어 깨끗한 화상을 보이고 있다. Fig. 9는 지면에 대한 잉크의 정착강도를 평가하는 지표로서 잉크의 smudge(얼룩, 이하 스머지로 표기)의 발생 정도를 평가한 결과를 나타내었다. 잉크의 정착 강도를 평가하는 방법은 (1) 인쇄종료 후 일정의 시간 내에, (2) 인쇄된 면에 백지를 일정의 하중으로 눌러서, (3) 수평방향에 일정속도로 문지르는 것으로 (4) 백지에 전사한 잉크의 농도를 측정하는 방법이다. 그림 중에 잉크젯용 잉크 A, B는 색재로서 안료를 이용한 일반적인 특성의 잉크이고 Premium K 잉크는 흡수성이 낮은 인쇄면에도 색재의 정착이 용이한 제품으로 잉크 A, B와 비교해서 서머지 발생이 적고 잉크가 잘 정착하는 결과를 보이고 있다.2)


Fig. 8. 
Printing example of the ink-jet ink (Premium K) on the coated paper.


Fig. 9. 
Fixing strength of the ink-jet inks on the media ((A) paper, (B) paper (ink-jet type), (C) coated paper (off-set type)).

6.2.3 인쇄 중 도공지 표면에서 잉크의 이동 방지

잉크젯 방식으로 도공지 위에 칼라 화상을 인쇄하고 우수한 화질을 얻기 위해서는 “도공지 표면에서 미건조 잉크 방울의 접촉에 의한 혼색과 잉크의 이동 방지”라는 요구 조건을 만족해야 한다.

권취지 타입의 1200 DPI 프린터(후지제록스(제), 160 m/min)를 이용하여 2종류의 인쇄용지((a) IJ 도공지, (b) 오프셋용 도공지)에 샘플 화상을 인자한 결과를 Fig. 10에 나타냈다. 오프셋용 도공지의 경우, 표면에 잉크가 착탄한 후 인접한 잉크 방울과 접촉하여 혼색됨으로 모틀 문제가 발생한 결과를 나타내었다. 이것은 Fig. 7(B)에 나타낸 잉크 방울의 혼색에 의한 결과와 동일한 현상이다. Fig. 8에 나타낸 흑색 잉크와 달리 컬러 잉크에서는 망점(도트)의 이동이 두드러지기 쉽고 200% 이상의 고농도 인자를 행하기 위해서는 혼색과 망점 이동의 발생빈도가 더욱 높다. 혼색 현상은 Fig. 7에 나타낸 것과 같이 잉크가 지면에 착탄한 후에 밀리 초 단위에서 발생하기 때문에 Fig. 6에 나타낸 통상의 건조 장치에서는 이를 제어하기가 시간적으로 불충분하며 혼색 현상을 방지하기 위한 방법으로는 다음을 예로 들 수 있다.2)


Fig. 10. 
Mottle phenomenon caused by the migration of ink droplets on the paper surfaces ((A) coated paper (ink-jet type), (B) coated paper (off-set type)).

1) 용지 측면에서의 대응

수성 잉크젯 잉크는 용지에 대한 의존성이 아주 높기 때문에 용지를 잘 설계하는 것이 가장 빠른 해결책으로 생각된다. 하지만 현재까지 잉크젯 적성을 갖고 가격(원가경쟁력), UV 니스 적성이 오프셋용의 코트지와 동등한 잉크젯 용지는 없는 것으로 보고되고 있기 때문에 이와 관련된 기술 개발이 무엇보다 중요하다고 판단된다.

고품질의 잉크젯 용지의 개발도 중요하지만 실제로는 도공층의 인쇄적성은 적정한 수준으로 유지하고 도공액의 배합조성을 잘 설계해서 생산성을 높이고 오프셋용 도공지에 준하는 가격 경쟁력을 확보하는 측면에서 다양한 연구가 필요할 것으로 생각된다. 이를 위해 저가의 새로운 안료개발과 배합조성 설계에 적용하기 위해 도공액의 유변특성을 잘 이해하고 작업성과 생산성을 높이기 위해 도공액의 고전단 점도를 제어하기 위한 연구 및 기술개발이 선행되어야 할 것으로 생각된다.21)

2) 잉크 측면에서의 대응

잉크는 프린터 헤드와의 상성이 중요 항목이기 때문에 설계의 자유도는 낮다. “안료의 나노분산 기술”을 이용하여 비침투 필름에 대응 가능한 새로운 잉크가 개발되어 DRUPA 2016에서 발표된 바 있다. 시스템 측면에서의 접근이 함께 수반되어야 할 것으로 평가되고 있으며 주된 용도가 필름용 잉크이기 때문에 도공지(오프셋용)에 적용이 가능한지는 명확히 알려져 있지 않다.2,5)

3) 프리코트 시스템에서의 대응

Fig. 11에 용지 표면에 정착보조 기능층(프리코팅층)을 형성하고 잉크를 고정, 건조시키는 과정을 모식적으로 나타내었다. 여기서 프리코팅액은 롤 코터 등에 의해 기재 위에 도포되며 건조공정을 거쳐서 기능성을 갖는 층을 형성하게 된다.


Fig. 11. 
Conceptual diagram of the ink fixing with pre-coating layer on the multi-color inkjet printing.

잉크젯에 있어서 프리코팅 기술이라는 것은 본래 가정용 프린터 BJC-700(캐논(주), 1997)에 당시 보통지의 내수성을 향상할 목적으로 전용헤드를 탑재하고 잉크의 분사에 앞서서 프리 코팅액을 분사·도포하는 것으로 처음 실용화되었다. 현재는 동일한 방법을 적용하여 휴렛 팩커드(社)에 의해 “Bonding agent”라는 명칭으로 용지의 뒤비침을 억제하고 문자의 농도를 높일 목적으로 책 등의 인쇄에 제공되고 있다.2)

Fig. 12에 일반 오프셋용 도공지에 프리코팅층을 설계하고 200 DPI 프린터(후지제록스(제), 160 m/min)를 이용하여 인자함으로써 프리코팅에 의해 잉크방울의 이동과 혼색을 억제하여 화질을 향상시킨 2종류의 인쇄 화상의 비교 결과를 나타내었다. 여기서 Fig. 10Fig. 12에서 사용한 도공지의 종류는 다르며 모틀의 발생상황도 다름에 유의해야 한다. 용지에 따라 화상처리를 최적화하기 위해 분사되는 잉크의 양이 같지 않고 용지자체의 흡수특성 또한 다르기 때문에 인쇄 모틀의 발생상황을 동일한 관점에서 해석하는 것은 곤란할 것으로 생각된다.2)


Fig. 12. 
Improvement of the inkjet printing quality with pre-coating layer on the surface of coated paper ((A) non pre-coated. (B) pre-coated)).

프리코팅층에서의 화학반응에는 산, 알카리, 이온 등이 이용되고 있으며, 각각의 방식에 따라 도포 후에 보존기간이 다르다. 프리 코팅액을 도포한 후에 바로 인쇄하고 싶은 경우에는 인라인으로 잉크젯 프린터에 끼워 넣는 방식을 선택할 수 있다. 하지만 시간적으로 여유가 있는 상황에서는 오프라인으로 예비용지에 도포하고 건조하는 방식이 효율적일 수 있으므로 상황에 따라 적절한 판단이 필요하다. 인라인 방식은 인쇄 속도에 맞추기 위해 프리코팅속도를 높여야 하고 따라서 건조공정을 포함해서 장치가 커지게 될 수 있다. 프리코팅이 불필요한 용지도 사용하기 때문에 경우에 따라서는 효율적이지 못한 작업이 될 수 있다. 한편, 오프라인에서 도포장치를 사용하는 경우에는 별도의 공정을 조합하기 위해 준비단계를 포함해서 일정한 작업시간과 노동력이 요구된다. 양쪽 모두 프리코팅에 설비비용과 운용비가 부가되기 때문에 비용 측면에서 바람직하지 않을 수 있다.2,4,5)


7. 금후의 전망

지금까지 잉크젯 인쇄가 오프셋 인쇄 방식을 능가할 것이라고 생각하는 사람은 거의 없었을 것으로 생각된다. 왜냐하면 잉크젯용 잉크는 안료를 나노미터 수준으로 미세화하고 수중에서 안전하게 분산시키기 위해 친수화 처리라는 쉽지 않은 문제를 해결해야 했고 비용면에서도 인쇄 방식에서 기인하는 차이로 인해 오프셋 인쇄(잉크)를 추월하기 어렵다고 판단되었다. 따라서 대량의 고화질 인쇄 영역에서는 종래의 오프셋 인쇄방식이 주류를 이루고 가변이 요구되는 디지털 인쇄에서는 잉크젯 방식에 의해 점유되는 형태로 양분해서 나갈 것이라는 예상이 일반적이었다. 하지만 산업인쇄 분야에서 잉크젯 인쇄방식은 고속화와 관련된 기술개발을 통해 새로운 활력을 얻게 되었다. 그 후 해상도 1200 DPI의 산업용 잉크젯 인쇄기가 보급되었고 오프셋 방식의 인쇄물에 준하는 수준의 고화질화도 얻게 되었다. 잉크젯 인쇄의 기본원리에 역행하는 것과 같은 침투가 어려운 용지에 대한 인자 및 정착기술도 향상되었다.

수성 잉크젯 잉크는 용지에 대한 의존성이 아주 높기 때문에 용지를 잘 설계하는 것이 아주 중요하다. 앞서 언급한 것과 같이 고품질의 잉크젯 용지의 개발도 중요하지만 현실적인 접근은 잉크젯 용지의 인쇄적성을 적정한 수준으로 유지하면서, 도공액의 배합조성을 잘 설계해서 생산성을 높이고 오프셋용 도공지에 준하는 코스트 경쟁력을 확보하는 것이 중요하리라 생각된다. 이를 위해 저가의 새로운 안료개발, 새로운 배합조성 설계, 도공액의 유변특성 분석 등과 관련한 연구 및 기술 개발이 크게 요구될 것으로 생각된다.13)


Acknowledgments

본 연구는 2020년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업임(No. NRF-2020R1I1A3A04037788).


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