[논문]친환경 플라즈마 기술을 이용한 고품질 인쇄용지 제조 (제1보) - 전압의 변화에 따른 도공원지 표면처리 -

신동준; 김선경; 이용규

친환경 플라즈마 기술을 이용한 고품질 인쇄용지 제조 (제1보) - 전압의 변화에 따른 도공원지 표면처리 -
Manufacturing of High Quality Coated Paper using Environmental Friendly Plasma Technology (I) - Surface treatment of base paper by different voltages - 원문보기

펄프 종이기술 = Journal of Korea TAPPI, v.43 no.5, 2011년, pp.55 - 59

신동준 (강원대학교 산림환경과학대학 제지공학과) , 김선경 (강원대학교 산림환경과학대학 제지공학과) , 이용규 (강원대학교 산림환경과학대학 제지공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Atmospheric plasma technology was utilized in order to modify surface characteristics of base paper for coating. Argon(Ar) and oxygen(O2) gases were used. It was found that contact angle of a water droplet was decreased with increasing voltage during plasma treatment, meaning that the hydrophilicity of paper surface was increased. On the other hand, the physical properties like roughness and optical properties such as gloss, brightness and opacity were not influenced by the plasma treatment. In conclusion, atmospheric plasma technology can be utilized to control hydrophilicity of paper surface without affecting physical properties of the paper.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

따라서 본 연구에서는 도공층에 기여하는 가장 큰 인자인 도공원지에 Ar/O₂가스를 사용한 대기압 플라즈마를 이용하여 표면 처리하여 원지의 표면특성을 개질하여 우수한 도공지 제조에 적합한 도공원지를 제조하고자 하였다.
본 연구는 도공공정 중 도공원지에 새로운 어플리케이션으로써 대기압 플라즈마 처리의 적용 가능성을 알아보고자 하였다. 그 결과는 다음과 같다.

제안 방법

시료에 적외선을 흡수시키거나 투과시켜서 정성분석과 정량분석을 수행하는 장치인 적외선 분광 분석기(FT-IR, BIO-RAD, Cambridge, U.S.A.)를 사용하여 샘플의 표면을 관찰함으로써 표면의 화학적인 결합 상태 및 분포의 변화를 분석하였다.
반응기체인 아르곤과 산소는 각각 5000 scc, 250 scc을 사용하였고, Table 1에서와 같이 인가 전력을 0, 20, 40 W 그리고 60 W로 변화하였다. 시료의 위치는 플라즈마 장치로부터 3 mm에 위치시켜 각각의 샘플을 2회 처리하였다.
원지 물성은 거칠음도(PPS, L&W, Sweden), 백지광택(Gloss meter, Model T480A, Technidyne corp, U.S.A.), 백색도, 백감도, 불투명도(Elrepho 3000, Datacolor, International, U.S.A.)를 측정하였다.
플라즈마 처리를 통한 원지 표면특성 변화를 분석하기 위하여 The Pocket Goniometer(PG-3, FIBRO system AB SWEDEN) 접촉각 측정기로 탈이온수 물방울에 대한 표면 접촉각과, 대기압 플라즈마로 처리된 반대면의 접촉각을 측정하였다.

대상 데이터

AC고전압(최대 power 2 kW, 최대 인가전압 15 kV, 출력 주파수 30 kHz)이 발생되는 전극은 스테인스틸로 외경이 12 mm이고 유전체로 외경이 20 mm이고, 두께가 2 mm인 알루미나 관을 사용하였다. 접지전극은 그물 형태의 스테인스틸로 유전체 관의 외부에 감겼다.
접지전극은 그물 형태의 스테인스틸로 유전체 관의 외부에 감겼다. 반응기체인 아르곤과 산소는 각각 5000 scc, 250 scc을 사용하였고, Table 1에서와 같이 인가 전력을 0, 20, 40 W 그리고 60 W로 변화하였다. 시료의 위치는 플라즈마 장치로부터 3 mm에 위치시켜 각각의 샘플을 2회 처리하였다.
본 연구에 사용된 원지는 국내 H사에서 분양 받은 평량 75 g/m², 두께 100 ㎛의 도공 원지를 사용하였다.
상압 플라즈마는 Fig. 1 에서와 같이 Dielectric barrier discharge (DBD)형의 플라즈마를 사용하였다. DBD형 플라즈마 장치는 두 개의 평행한 금속 전극으로 구성되어 있다.

이론/모형

대기압 플라즈마의 전압을 변화하여 처리한 도공원지의 표면 화학 변화를 알아보기 위하여 적외선 분광법을 사용하였다. 적외선 분광계는 시료에 적외선을 흡수시키거나 투과시켜 정성분석을 수행하는 장치이다.

성능/효과

1. 전압이 높아질수록 플라즈마 처리한 면의 접촉각이 낮아졌고, 처리하지 않은 반대면은 영향을 받지 않았다.
2. 대기압 플라즈마를 처리한 원지 표면은 산화가 되었고, 전압이 높을수록 더 많은 산화작용이 일어났다.
3. 도공원지에 대기압 플라즈마의 전압을 달리 하여 처리해도 원지 자체 물성인 백지광 택도와 거칠음도는 물론이고, 광학적 특성인 백색도, 불투명도도 크게 변하지 않았 다.
이러한 목적을 달성하기 위해 도공지의 품질 특성에 맞는 도공층을 원지 위에 형성시키는 것이 필요하다.⁸⁾ 도공층의 구조에 영향을 미치는 주요 인자로는 원지의 특성, 안료 형태와 입도 분포, 바인더의 성질 도공액 내에 존재하는 교질입자의 상호작용 등이 있다.^9,10)
영역의 methylene group의 intensity 로 나눈 값을 oxidation index라고 한다. Methylene group과 carbonyl group은 플라즈마 처리 후 전압이 높아질수록 다소 감소하는 경향을 나타냈고, oxidation index는 각각 1.03, 1.04, 1.15와 1.04 값을 나타냈다. 이는 도공원지에 플라즈마 처리를 할 경우 원지 표면이 산화되었다는 것을 알 수 있다.
또한 대기압 플라즈마를 처리한 면과는 다르게 반대면의 접촉각은 거의 변함이 없었다. 이로부터 대기압 플라즈마의 처리는 처리된 면에만 영향을 준다는 사실을 확인할 수 있었다.
2에 나타내었다. 전압이 강해질수록 물방울의 접촉각이 확연히 낮아지는 것을 관찰할 수 있었고, 20 W와 40 W 사이에서 급격한 기울기가 나타났다. 또한 대기압 플라즈마를 처리한 면과는 다르게 반대면의 접촉각은 거의 변함이 없었다.

후속연구

대기압 플라즈마로 원지를 처리할 경우, 원지의 물리적․광학적 특성은 변화 없이 원지 표면의 화학 구조만 변하였다. 또한 처리된 면과 전압이 강해짐에 따라 개질되기 때문에 사용목적에 맞게 요구되는 수준에서의 처리는 유용할 것이라 판단되며, 이러한 특징을 활용한다면 우수한 품질의 도공지 제조에 요구되는 도공원지 제조가 가능하다고 사료된다.
플라즈마 처리는 원지의 특성이 친수성/소수성으로 개질되어 도공액을 원지에 도포 시 바인더 마이그레이션에 영향을 미치므로 도공특성을 제어할 수 있을 것이라 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	플라즈마 표면처리는 주로 어디에 적용되어 왔는가?	플라즈마 표면처리는 주로 폴리머 또는 금속박막코팅에 대해 적용되어 왔다. 최근에는 진공을 필요로 하지 않는 대기압 플라즈마의 생산 공정 자동화에 대한 연구가 활발히 진행되고 있고, 응용 분야가 넓어 개발의 중요성을 갖고 있다.
	대기압 플라즈마 공정은 무엇을 이용하는가?	대기압 플라즈마 공정은 대기압에서 발생하는 플라즈마를 이용하므로 진공 시스템이 필요 없으며, 대면적 기판에 대응 가능한 플라즈마 발생, 균일한 플라즈마를 이용할 수 있고, 이전의 장치보다 시스템을 제작, 유지, 보수하는데 비용이 적게 드는 이점이 있다.6) 또한 표면 특성 개선 및 표면 세정효과에 대한 연구가 진행되고 있어 앞으로 그 가치가 기대되고 있다.
	본 연구를 통해 도공공정 중 도공원지에 새로운 어플리케이션으로써 대기압 플라즈마 처리의 적용 가능성을 알아본 결과는?	1. 전압이 높아질수록 플라즈마 처리한 면의 접촉각이 낮아졌고, 처리하지 않은 반대면은 영향을 받지 않았다. 2. 대기압 플라즈마를 처리한 원지 표면은 산화가 되었고, 전압이 높을수록 더 많은 산화작용이 일어났다. 3. 도공원지에 대기압 플라즈마의 전압을 달리 하여 처리해도 원지 자체 물성인 백지광 택도와 거칠음도는 물론이고, 광학적 특성인 백색도, 불투명도도 크게 변하지 않았 다.

참고문헌 (16)

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상세보기
임현아, 강진하, 이용규, "비목재펄프를 이용한 도공원지의 특성이 도공지의 물성 및 인쇄적성에 미치는영향(II) -볏짚 표백 크라프트 펄프-" Journal of Korea TAPPI Vol. 32. No. 4, (2000).
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Lee. Y. K., Onabe. F. and Usuda, M., Studies on flow properties of coating colors(VI)-Propeties of coating color containing amphoteric latex, Japan Tappi J. 46(8):75 (1992).
이학래, 도공원지의 특성이 도공지 품질에 미치는 영향, 제지계 224:67(1991)
이용규, "종이도공학". 2008, 강원대학교 제지공학과 (2008).
John Mcmury, "Organic Chemistry", THOMSON, Vol. 6.
한치선, "유기기기분석", 광림사 Vol. 1, 17:85
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