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Journal of Korea Technical Association of the Pulp and Paper Industry - Vol. 53 , No. 5

[ Article ]
Journal of Korea Technical Association of the Pulp and Paper Industry - Vol. 53, No. 5, pp.97-103
Abbreviation: J. Korea TAPPI
ISSN: 0253-3200 (Print)
Print publication date 30 Oct 2021
Received 04 Oct 2021 Revised 22 Oct 2021 Accepted 25 Oct 2021
DOI: https://doi.org/10.7584/JKTAPPI.2021.10.53.5.97

잉크젯용 도공 안료의 이용에 관한 연구 (I) : 제올라이트의 입자크기가 잉크젯용 도공액의 유동성 및 도공지 품질에 미치는 영향
김민제1 ; 이용규2,
1강원대학교 산림환경과학대학 제지공학과, 학생
2강원대학교 산림환경과학대학 제지공학과, 교수

Study on the Use of Coating Pigment for Inkjet Printing (I) : Effect of Zeolite Particle Size on the Rheological Properties of Coating Color and Coated Paper Quality for Inkjet Printing
Min-Je Kim1 ; Yong-Kyu Lee2,
1Department of Paper Science & Engineering, College of Forest & Environmental Sciences, Kangwon National Universitity
2Department of Paper Science & Engineering, College of Forest & Environmental Sciences, Kangwon National Universitity
Correspondence to : E-mail: yklee@kangwon.ac.kr (Address: Department of Paper Science & Engineering, College of Forest & Environmental Sciences, National Universitity Chuncheon, 24341, Republic of Korea)

Funding Information ▼

Abstract

In order to improve or maintain the printing quality of inkjet paper, it is important to design the paper that controls the ink container well. Until now, synthetic silica having excellent ink absorption has been mainly used for the manufacture of ink-jets paper. However, synthetic silica used for manufacturing inkjet paper is more expensive than calcium carbonate and clay, and the viscosity of the coating color is high, so it is not suitable for high-speed coating. Experiments using calcium carbonate and clay have been conducted so far, but there was a problem that the bleeding occurred more than using silica. For this reason, research on alternative pigments to replace synthetic silica has been in progress for a long time, and pigments suppliers are developing various engineering pigments. If synthetic silica is partially replaced with zeolite and applied to the mixed composition, it will be possible to reduce drying energy and increase productivity due to higher solids concentration and workability than the conventional inkjet coating solutions.


Keywords: Ink-jet paper, zeolite, silica, printability

1. 서 론

현재 정보화 사회가 되어감에 따라 정보를 신속하고 정확하게 전달하기 위해 각종 정보 산업 도공지의 사용 및 보급이 증가하고 있다. 그중에서 잉크젯 도공지는 잉크젯 프린터기의 보급으로 인해 사용량이 급증하고 있다. 또한, 디지털 인쇄기술의 발전에 의해 고속 인쇄에 적합한 잉크젯 도공지에 대한 수요와 기대감이 증가하고 있다. 이에 따라 잉크젯 도공지의 품질을 개선하고 가격부담을 최대한 억제하는 방향으로 새로운 지종에 대한 기대감이 형성되고 있다.1-2)

잉크젯 프린터는 수성의 염료잉크를 사용하기 때문에 잉크가 매체의 표면에 머물지 않고 내부로 침투, 정착하여 발생하는 점이 특징이다. 또한, 수분의 침투가 늦어지면 도공지 표면에서 잉크의 번짐이 발생하여 망점이 커져 잉크색의 오염이 발생할 수 있기 때문에 친수성이고 다공성의 도공층을 요구한다.3)

현재 잉크젯 도공지에 주로 사용되고 있는 안료로는 실리카와 바인더로는 폴리비닐알코올(Poly Vinyl Alcohol)을 사용하고 있다. 실리카는 우수한 친수성의 특성을 가지고 있기 때문에 수성염료잉크를 사용하는 잉크젯 프린터에 적합하며, 다공성의 구조를 가지고 있어 잉크젯 도공지에 주로 사용되고 있다. 하지만, 실리카는 비용부담이 매우 크다는 단점을 가지고 있으며, 도공액의 점도를 매우 증가시켜 유동성 불량과 작업성, 주행성 측면에서 여러 가지 문제점을 가지고 있다. 바인더로 사용되고 있는 폴리비닐알코올의 경우 수용성 바인더이며 접착성이 매우 우수한 바인더로 알려져 있다. 또한, 실리카와 비슷하게 친수성이기 때문에 수용성 염료잉크를 사용하는 잉크젯 잉크와의 상용성도 우수하여 수용성 도공층을 요구하는 잉크젯 도공지에 적합한 바인더이다.4-5)

이에 따라, 실리카의 비용부담을 해결하기 위하여 실리카와 특성이 비슷한 제올라이트를 이용하여 잉크젯 도공지를 제조하려 한다. 제올라이트는 다공질 구조를 가지고 있으며, 기공이 균일하고 분산 안정성이 뛰어나다는 특징을 가지고 있다. 현재는 흡착제와 촉매제 등으로 주로 사용되고 있으며 도공 안료로는 보고된 예가 거의 없는 실정이다. 또한, 기공이 균일하고 분산 안정성이 뛰어나다는 특성을 가지고 있다. 물을 잘 흡착하는 효과를 가지고 있어 흡착제 및 탈수제로도 이용되고 있다. 제올라이트는 실리카에 비해 가격도 저렴한 것으로 알려져 있다.6-7)

따라서 본 논문에서는 국내 매장량이 적고, 가격적 측면이나 유동성 불량 및 고속 도공 측면에서 문제점을 갖고 있는 실리카 안료를 대체하기 위한 기초 연구로 제올라이트를 사용하여 잉크젯 도공지를 제조하여 평가하였다. 4종류의 입자크기가 다른 제올라이트 시료를 제조하였으며, 실리카와 PVA(Poly Vinyl Alcohol)을 배합하여 도공액을 만들었으며, 다른 조건들은 실리카와 제올라이트를 안료로 사용하고 PVA를 바인더로서 배합하여 도공액을 만들었다. 그 후, 도공액의 점도와 도공지의 물성을 측정하여 조건별 차이점을 비교, 분석하여 실리카를 제올라이트로 대체할 수 있을지에 대한 검토를 진행하였다.8)


2. 재료 및 방법
2.1 공시재료
2.1.1 안료

본 연구에서는 Table 1과 같은 실리카(S-Chemtech Co., Ltd., Korea)와 제올라이트(Zeolite, A-3, granular, Daejung Chemicals & Metals Co., Ltd., Korea)를 안료(pigment)로 사용하였다.

Table 1. 
Properties of the pigment
Particle size (μm)
Silica* 3.5
Zeolite-A 68.9
Zeolite-B 76.8
Zeolite-C 96.7
Zeolite-D 151
* Silica: Gel type silica

2.1.2 바인더

본 연구에서 수용성 바인더인 PVA(Polyvinyl alcohol 500, Daejung Chemicals & Metals Co., Ltd., Korea)를 배합조성에 이용하였다. PVA의 물성은 Table 2에 나타내었다.

Table 2. 
Properties of the PVA water-soluble binders
Molecular weight (Mw) Degree of saponification (mol)
PVA 44,000 86-88

2.1.3 기타 첨가제

본 연구에서는 기타 첨가제로 분산제(WY-117, Jeong Won Chemical Co., Ltd., Korea)를 이용하였다.

2.2 실험방법
2.2.1 도공액 제조

잉크젯 도공지에 주로 사용되는 실리카를 대체하기 위해 제올라이트를 혼합하여 사용하였다. 안료는 실리카 90 parts에 제올라이트를 10 parts를 대체하여 사용하였으며, 각각의 조건에서 들어가는 제올라이트는 입자크기가 각기 다른 제올라이트를 사용하였다. 분산제의 첨가량은 0.3 parts로 고정하였고 도공액의 고형분농도는 15 wt%가 되도록 배합조성을 설계하였다.

2.2.2 도공액의 물성 및 도공지 물성

저전단 점도는 DV-II viscometer(Brookfield, USA)를 이용하여 60 rpm 조건으로 측정하였다. 또한 모세관 타입의 high shear viscometer(AX-100, ACA systems Oy, Finland)를 이용하여 도공액의 고전단 점도를 측정하였다. 도공지의 평활도는 L&W Bendtsen tester, 두께는 L&W Micrometer를 이용하여 측정하였으며, 거칠음도는 Parker Print Surf(L&W Co. Ltd., Sweden), 광학적 성질(백색도, 백감도, 불투명도)는 Elrepho 3300(Datacolor International, USA)을 이용하여 측정하였다. 인장강도는 L&W Tensile tester를 사용하였으며, 파열강도는 L&W Bursting strength tester를 사용하였고, 투기도는 APPI T251에 의거하여 Automated air permeability tester(FRANK-PTI GmbH, Germany)와 접촉각은 Model PG-3(FIBRO system AB, Sweden)을 이용하여 측정하였다. 잉크농도 측정기는 Gregag D196(GRETAG Limited CH-8105 Regensdorf, Switzerland)를 이용하여 도공지 조건당 3번씩 측정하여 평균값을 이용하여 값을 나타냈다.


3. 결과 및 고찰
3.1 코팅액의 점도

실리카와 입자크기가 다른 4종류의 제올라이트를 이용하여 Table 3의 배합에 의해 제조한 5종류의 도공액의 low shear viscosity 결과를 Fig. 1에 나타내었다. 실리카만을 사용하여 도공액을 제조하였을 때가 다른 도공액들에 비해 점도가 매우 높았으며, 나머지 4개의 도공액에서는 큰 차이를 찾지 못하였다.

Table 3. 
Formulations of the coating colors
1 2 3 4 5
Pigments Silica 100 90 90 90 90
Zeolite 0 10 10 10 10
Binders PVA 20
Dispersant 0.3
Total solids content (wt%) 15


Fig. 1. 
Low shear viscosity of the five kinds of coating colors.

또한, Table 3의 배합에 의해 제조한 5종류의 도공액의 high shear viscosity 결과를 Fig. 2에 나타내었다. 실리카만을 사용하여 도공액을 제조하였을 때와 실리카와 제올라이트를 배합하여 만든 도공액 모두 전단응력이 증가할수록 점도가 상승하는 결과값을 보였다. 실리카만을 사용한 도공액이 모든 구간에서 제올라이트와 배합한 도공액보다 훨씬 높은 점도를 나타내었다. 또한, 입자크기가 작은 제올라이트를 사용할수록 점도 값이 감소하는 것을 알 수 있었다.9-10) 이 결과는 입자크기와 입자형태가 큰 제올라이트 사이사이에 입자크기가 작은 실라카가 침투하여 유동성을 방해한 것이라고 사료된다.11)


Fig. 2. 
High shear viscosity of the five kinds of coating colors.

3.2 광택

실리카와 입자크기가 다른 4가지 종류의 제올라이트를 이용하여 Table 3의 배합에 의해 제조한 5종류의 잉크젯 도공지의 광택을 Fig 3에 나타내었다. 실리카만을 이용하여 만든 잉크젯 도공지에 비해 제올라이트를 일부분 배합하여 만든 잉크젯 도공지에서 큰 차이를 보이지는 않았지만, 대부분 양호한 값을 나타냈다. 하지만, 제올라이트의 입자크기가 커질수록 광택 결과값은 점점 저하되었다. 입자크기가 큰 안료를 사용할수록 표면에 평활도가 떨어지기 때문에 광택이 점차 저하되었다고 사료된다.12)


Fig. 3. 
Paper gloss of the five kinds of coated papers.

3.3 백색도, 백감도와 불투명도

5종류의 잉크젯용 도공지 샘플에 대한 백색도, 백감도, 불투명도를 각각 Figs. 4, 5, 6에 나타내었다. 도공지의 백색도, 백감도는 실리카와 제올라이트의 자체 색상에 의해 주로 영향을 받기 때문에 별 다른 차이를 찾지 못하고 유사한 결과를 나타내었다.


Fig. 4. 
Brightness of the five kinds of coated papers.


Fig. 5. 
Whiteness of the five kinds of coated papers.


Fig. 6. 
Opacity of the five kinds of coated papers.

불투명도의 경우 5종류의 도공지가 다른 광학적 성질과 같이 모두 유사한 값을 나타내었다. 실리카와 제올라이트를 배합하여 사용하였을 때와 실리카만을 사용하여 만든 잉크젯 도공지에서 광학적 성질에서는 차이가 없었다.13-15)

3.4 거칠음도와 투기도

5종류의 잉크젯 도공지 샘플 표면에 대한 거칠음도의 측정결과를 Fig. 7에 나타내었다. 1번 조건에서의 거칠음도가 가장 좋지 않은 결과 값을 나타내었으며, 제올라이트의 입자크기가 작을수록 거칠음도가 더 좋은 결과를 나타내었다. 이는, 입자크기가 작은 제올라이트를 사용한 조건에서 공극 사이사이에 작은 입자들이 침투하게 되어 입자크기가 큰 제올라이트를 이용한 조건보다 높은 값을 나타내었다고 생각된다.


Fig. 7. 
Roughness of the five kinds of coated papers.

5종류의 잉크젯 도공지 샘플에 대한 투기도 결과를 Fig. 8에 나타내었다. 실리카와 입자크기가 작은 제올라이트를 배합하여 도공지를 제조하였을 때, 투기저항성이 가장 높은 값을 나타내었으며, 입자크기가 커질수록 투기저항성이 낮아지는 경향을 나타내었다. 입자크기가 커질수록 생기는 공극이 많아져 투기저항성이 감소한 것으로 사료된다.


Fig. 8. 
Air permeability of the five kinds of coated papers.

3.5 표면 접촉각

5종류의 잉크젯 도공지 샘플에 대한 접촉각을 Fig. 9에 나타내었다. 실리카만을 사용하여 제조한 도공지인 1번 조건보다 입자크기가 작은 제올라이트를 일부분 대체하여 제조한 도공지가 초기 접촉각이 더 낮게 나타났으며, 제올라이트의 입자크기가 클수록 초기 접촉각은 점점 증가하는 것을 알 수 있었다. 또한, 모든 조건에서 모두 30초 이내에 물을 모두 흡수하는 것을 알 수 있었다. 이는, 제올라이트와 실리카 모두 물을 잘 흡수하는 친수성 특성을 가지기 때문이라고 사료된다.16)


Fig. 9. 
Contact angle of the five kinds of coated papers.

3.6 잉크 농도

실리카와 실리카를 일부분 제올라이트로 대체하여 제조된 5종류의 잉크젯 도공지 샘플에 대한 잉크 농도를 Fig. 10에 나타내었다. 그래프에서 보는 바와 같이 각 샘플 간에 차이가 없는 것을 알 수 있었다. 이러한 농도 결과값을 보았을 때, 실리카를 값이 저렴하고 유동성이 양호한 제올라이트 10 parts로 대체, 배합하여 사용해도 큰 문제가 없을 것으로 판단된다.


Fig. 10. 
Ink density of the five kinds of coated papers.


4. 결 론

본 연구에서는 잉크젯용 도공지 제조에 주로 사용되고 있는 실리카 안료 일부를 제올라이트 안료로 대체하여 제조한 도공액의 유동성과 잉크젯 도공지의 품질을 평가하여 다음과 같은 결과를 얻었다.

  • 1) 광학적 성질에서는 실리카만을 사용한 잉크젯 도공지와 일부분 제올라이트로 대체한 잉크젯 도공지에서 큰 차이를 나타내지 않았다.
  • 2) 실리카만을 이용하여 도공액을 제조할 시 문제점인 점도가 매우 높다는 단점을 보완할 수 있었지만, high shear 측면에서는 서로 다른 안료를 사용하다 보니 좋지 않은 결과를 나타낸 것을 알 수 있었다.
  • 3) 제올라이트의 입자크기에 따라 도공액의 물성과 도공지의 물성의 차이가 크게 나타났다. 입자크기가 작은 제올라이트를 사용할수록 모든 물성 측면에서 좋은 결과 값을 나타냈으며, 입자크기가 커질수록 강도와 광학적 측면을 제외한 나머지 물성에서 결과 값이 저하된다는 것을 알 수 있었다.
  • 4) 도공지를 제조한 후, 잉크 농도에서도 큰 차이가 없었다.

실리카만을 이용하여 제조한 잉크젯용 도공지보다 실리카와 제올라이트 10 parts를 배합하여 만든 잉크젯용 도공액의 유동특성이 더 좋아지고, 광학적 성질은 비슷한 값을 나타내었다. 또한, 잉크 농도 측면에서도 차이가 미비한 것을 보았을 때, 실리카를 제올라이트로 10 parts 대체하여 잉크젯용 도공지를 제조할 수 있을 것으로 사료된다. 금후, 제올라이트의 입자크기 조절 및 배합비 증가에 대한 연구가 더 진행되어야 할 것으로 사료된다.


Acknowledgments

본 연구는 2020년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업임(No. NRF-2020R1I1A3A04037788). 캐필러리형 고전단 점도계의 사용이 가능하도록 도움을 주신 삼보과학(주) 김원경 대표님께 깊은 감사의 말씀을 드립니다.


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