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잉크젯 프린팅용 pink-red 수계 무기잉크의 제조 및 특성평가
Characterization and synthesis of aqueous pink-red ceramic ink for digital inkjet printing 원문보기

한국결정성장학회지 = Journal of the Korean crystal growth and crystal technology, v.25 no.1, 2015년, pp.20 - 26  

이원준 (한국세라믹기술원) ,  황해진 (인하대학교 신소재공학부) ,  한규성 (한국세라믹기술원) ,  조우석 (한국세라믹기술원) ,  김진호 (한국세라믹기술원)

초록
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세라믹 잉크젯 기술은 아트타일, 장식용 도자기 등에 이용되고 있으며, 원료의 효율이 높고 낮은 제작비용으로 다양한 이미지를 빠르고 정확하게 인쇄할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 잉크젯 프린팅 타일에 나노세라믹안료를 적용하기 위해서는 안정적인 잉크분산성 확보가 필수적이다. 본 논문에서는 잉크젯 인쇄용 수계 pink-red 세라믹잉크의 특성을 보여주고 있다. $CaCr_{0.1}Sn_{0.8}SiO_5$ 안료는 고상법을 이용하여 합성하였고, 잉크 토출 시 잉크젯 헤드의 노즐 막힘을 방지하기 위해 어트리션밀을 이용하여 분쇄한 안료를 사용 하였다. 수계 세라믹잉크 제조 시 $CaCr_{0.1}Sn_{0.8}SiO_5$ 나노안료의 농도는 10 wt%로 고정하였고, sodium dodecyl sulfate(SDS)를 0.4 wt% 첨가 하였을 때 최적의 분산성을 가지는 것을 확인할 수 있었다. 또한 수계 세라믹 잉크의 원활한 토출을 위해 polyvinyl alcohol(PVA)을 0.18 wt% 첨가하여 점도 조절을 하였다. 제조된 pinkred 세라믹 잉크는 토출 시 $180{\mu}s$ 이후 구형의 단일액적을 형성 하는 것을 확인할 수 있었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Ceramic ink-jet printing technology in art tiles, decorated tablewares and other porcelain products has many advantages of fast and precision printing of various images with high efficiency and low cost. For the application to ink-jet printing, ceramic ink requires a stable dispersibility with nano-...

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

  • CaCr0.1Sn0.8SiO5 나노 무기안료의 분산성을 향상시키기 위해 계면활성제 농도에 따른 입도를 분석하였다. 사용된 계면활성제로는 양이온성 계면활성제인 CTAB와 음이온성 계면활성제인 SDS를 농도별로 첨가하여 진행하였다.
  • 8SiO5 나노 무기안료를 용매에 분산시켜 시간경과 따른 침전거동을 관찰하였다. Fig. 6은 CaCr0.1Sn0.8SiO5 나노 무기안료를 증류수와 에틸렌글리콜에 각각 가장 작은 평균 입도를 보이는 농도 조건의 CTAB(0.2 wt%)와 SDS(0.4 wt%)를 첨가하여 240시간까지 침전되는 정도를 확인하였다. 에틸렌글리콜에 CTAB를 첨가하여 분산시킨 경우 1시간 이후부터 급격하게 침전되는 것을 확인할 수 있었고, 에틸렌글리콜에 SDS를 첨가한 경우는 48시간이 경과한 후부터 침전이 시작되었다.
  • Pink-red를 발색하는 CaCr0.1Sn0.8SiO5 나노무기안료를 이용하여 잉크젯 프린팅에 적용 가능한 수계 나노세라믹 잉크를 제조하였다. CaCr0.
  • 8SiO5 무기안료를 이용하여 잉크젯 프린팅에 적용 가능한 수계 세라믹 잉크를 제조하였다. 고상합성법으로 제조된 CaCr0.1Sn0.8SiO5 무기안료는 밀링 공정을 통해 미립화 하였으며, 무기안료 미립화에 따른 미세구조 변화 및 발색거동을 관찰하였다. 또한 미립화된 CaCr0.
  • 따라서 본 연구에서는 Pink-red를 발색하며 비화학양론 조성비로 제조된 CaCr0.1Sn0.8SiO5 무기안료를 이용하여 잉크젯 프린팅에 적용 가능한 수계 세라믹 잉크를 제조하였다. 고상합성법으로 제조된 CaCr0.
  • 따라서 앞서의 결과들로부터 CaCr0.1Sn0.8SiO5 pink-red 나노세라믹 잉크의 제조는 밀링 공정 2시간으로 미립화된무기안료를 선택하여 진행하였다.
  • 8SiO5 pink-red 무기안료의 경우 입자의 응집으로 인해 수십 µm의 크기를 가지는 입자로 존재하기 때문에 이를 이용하여 잉크젯 프린팅용 잉크로의 사용할 경우 분산안정성 저하와 함께 노즐 막힘과 같은 문제점이 발생할 가능성이 있다. 따라서 잉크젯 프린팅에 적용 가능한 200 nm 이하의 입자크기를 가지는 나노무기안료로 미립화하기 위해 어트리션밀을 이용하여 분쇄공정을 진행하였으며 밀링 시간에 따른 미세구조 변화를 FE-SEM과 PSA 분석을 통하여 확인하였다. Fig.
  • 또한 국제조명위원회(CIE: Commission intenationale de I’Eclairage)표색계의 값(L*a*b*)을 통해 밀링 시간에 따른 발색 거동을 확인하였다.
  • 5 %, SAMCHUN)을 기반으로 잉크를 제조한 뒤 분산 안정성을 확인하였다. 또한 나노세라믹잉크의 점도조절을 위하여 PVA(polyvinyl alcohol hydrolyzed, 98~99 %, Alfa Aesar)를 첨가하여 잉크토출 특성을 확인하였다. 제조된 수계 세라믹 잉크의 액적 형성거동을 확인하기 위해 구동전압 95 V, pulse wave 10 µs 의 조건으로 drop watcher를 이용하여 토출특성을 분석하였다.
  • 8SiO5 무기안료는 밀링 공정을 통해 미립화 하였으며, 무기안료 미립화에 따른 미세구조 변화 및 발색거동을 관찰하였다. 또한 미립화된 CaCr0.1Sn0.8SiO5 무기안료를 이용하여 나노세라믹잉크를 제조하고, 잉크제조에 따른 나노무기안료의 분산안정도를 확인하였다. 최종적으로 제조된 pinkred 세라믹 나노무기잉크의 액적 형성 과정을 관찰함으로써 잉크젯 프린팅 적용가능성을 확인하였다.
  • 또한 국제조명위원회(CIE: Commission intenationale de I’Eclairage)표색계의 값(L*a*b*)을 통해 밀링 시간에 따른 발색 거동을 확인하였다. 또한 분산안정성을 확인하기 위해 미립화된 무기안료를 증류수와 에탄올에 장입하여 최적의 계면활성제를 첨가한 후 시간에 따른 침강테스트를 진행하였다. 또한 제조된 잉크의 토출특성을 평가하기 위해 잉크 토출 장비인 drop watcher를 이용하여 액적 형성 거동을 확인 하였다.
  • 4 wt% 첨가하였을 때 가장 분산특성이 높게 나타나는 것으로 확인된다. 또한 안정적인 착색을 위해 10 wt%의 나노 무기안료를 첨가하여 제조하였고, PVA를 0.18 wt% 첨가하여 잉크젯 프린팅에 적합한 점도로 조절하였다. 제조된 수계 세라믹 잉크의 토출 특성을 평가한 결과 약 180 µs 후 구형의 단일 액적을 형성하는 것으로 보아 수계 세라믹잉크의 가능성을 확인할 수 있었다.
  • 또한 분산안정성을 확인하기 위해 미립화된 무기안료를 증류수와 에탄올에 장입하여 최적의 계면활성제를 첨가한 후 시간에 따른 침강테스트를 진행하였다. 또한 제조된 잉크의 토출특성을 평가하기 위해 잉크 토출 장비인 drop watcher를 이용하여 액적 형성 거동을 확인 하였다.
  • 미립화 공정을 통한 CaCrSnSiO5 나노무기안료는 잉크제조 시 양이온성 계면활성제인 CTAB(Cetyltrimethylammonium bromide) 혹은 음이온성 계면활성제인 SDS(Sodium dodecyl sulfate)를 첨가하여 분산시켰고, 분산효과를 확인하기 위해서 계면활성제의 농도를 달리하여 안료 입도를 분석하였다. 이후 가장 낮은 입도가 측정된 계면활성제의 농도를 선택하여 증류수와 에틸렌글리콜(Ethylene glycol, 99.
  • 4는 밀링에 따른 입도변화가 색상에 주는 영향을 관찰한 결과를 보여주고 있다. 밀링 공정 후 무기안료를 증류수에 동일한 농도로 분산한 뒤 슬라이드글라스 위에 균일하게 도포하여 색상변화를 측정하였다. Fig.
  • 밀링 속도는 800 rpm이며,지르코니아 볼을 사용하여 BPR(ball to powder ratio) 100 : 1의 조건으로 에탄올과 함께 3시간까지 밀링을 진행하였다. 밀링 후 200 mesh sieve를 이용하여 사용된 볼을 제거하고 evaporator를 이용하여 건조시킨 후 최종적으로 나노무기안료를 제조하였다.
  • 분산안정성은 나노세라믹잉크의 저장안정성에 미치는 중요한 인자이기 때문에 CaCr0.1Sn0.8SiO5 나노 무기안료를 용매에 분산시켜 시간경과 따른 침전거동을 관찰하였다. Fig.
  • 8SiO5 나노 무기안료의 분산성을 향상시키기 위해 계면활성제 농도에 따른 입도를 분석하였다. 사용된 계면활성제로는 양이온성 계면활성제인 CTAB와 음이온성 계면활성제인 SDS를 농도별로 첨가하여 진행하였다.
  • 어트리션 밀링 공정 후 무기안료 입자의 미세화에 의한 결정구조를 확인하기 위해 XRD 측정을 진행하였다. Fig.
  • 잉크젯 프린팅 시에 적당한 표면장력 값은 25~40 mN/m이며, 점도 값이 20 mPa · s 이상이면 헤드에 가해지는 전압이 높아져서 수명이 감소하는 문제가 발생하고 점도가 10 mPa · s 이하로 너무 낮으면 잉크토출 시 액적이 늘어지는 현상이 발생한다[13-16]. 이러한 점들을 감안하여 최종적으로 제조된 분산안정성이 확인된 수계 세라믹잉크의 점도 변화에 따른 액적 형성거동을 확인하기 위해서 drop watcher를 이용하여 잉크 토출 실험을 진행한 결과를 보여주고 있다. 먼저 잉크젯 프린팅에 적절한 점도를 확보하기 위해 PVA를 증류수에 0~0.
  • 제조된 세라믹 안료의 결정구조를 확인하기 위해 X-ray diffractometer(XRD, Rigaku, D/2500VL/PC)를 이용하여 분석하였고, 안료의 밀링시간별 입자의 크기와 형상을 확인하기 위해 Field emission electron microscope(FE-SEM, Jeol, JSM-6390)와 레이저 회절방식의 입도 분석기(LA950-V2, HORIBA)를 사용하였다. 또한 국제조명위원회(CIE: Commission intenationale de I’Eclairage)표색계의 값(L*a*b*)을 통해 밀링 시간에 따른 발색 거동을 확인하였다.
  • 제조된 수계 세라믹 잉크의 액적 형성거동을 확인하기 위해 구동전압 95 V, pulse wave 10 µs 의 조건으로 drop watcher를 이용하여 토출특성을 분석하였다.

대상 데이터

  • CaCr0.1Sn0.8SiO5 무기안료를 합성하기 위한 출발원료로 CaO(Calcium oxide, 98.0 %, JUNSEI) 1 mol과 Cr2O3(Chromium oxide, 98.5 %, SANCHUN) 0.1 mol과 SnO2(Tin oxide, Chemical Pure, JUNSEI) 0.8 mol과 SiO2(Silicon oxide, 99.0 %, SHOWA) 1 mol을 사용하였다. 합성에 대한 광화제로 H3BO3를 0.
  • 출발 안료로는 기존의 선행연구로 Lee[10] 등에 의해 보고된 비화화학적 조성CaCr0.1Sn0.8SiO5)과 광화제(H3BO3)를 이용하여 고상합성법으로 제조된 무기안료를 사용하였다. 합성한 CaCr0.

이론/모형

  • 고상합성법으로 제조된 CaCrSnSiO5 무기안료 미립화를 위한 밀링 공정은 어트리션밀(KMD-1S, 고려소재개발)을 이용하여 진행하였다. 밀링 속도는 800 rpm이며,지르코니아 볼을 사용하여 BPR(ball to powder ratio) 100 : 1의 조건으로 에탄올과 함께 3시간까지 밀링을 진행하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
나노세라믹잉크 무기안료의 분산 안정성이 중요한 이유는? 이와 같은 도자제품용 잉크젯 프린팅 시스템에 있어서 핵심적인 요소는 고온(> 1,000oC)에서 안정적으로 발색하는 나노세라믹잉크의 기술개발이 필수적이다. 특히 잉크내 무기안료의 분산안정성은 세라믹 잉크의 저장안정성(Storage stability), 작업특성(Application properties), 품질의 균일성에 영향을 미치는 매우 중요한 요소이다[5]. 또한 잉크젯프린터 구동 시 노즐 막힘과 같은 문제점들을 초래할 수 있다. 따라서 이를 개선하기 위해 200 nm 이하의 무기안료 입자를 가지며, 분산 안정성이 확보된 세라믹잉크가 필요한 실정이다[6-8].
세라믹 잉크젯 기술의 장점은? 세라믹 잉크젯 기술은 아트타일, 장식용 도자기 등에 이용되고 있으며, 원료의 효율이 높고 낮은 제작비용으로 다양한 이미지를 빠르고 정확하게 인쇄할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 잉크젯 프린팅 타일에 나노세라믹안료를 적용하기 위해서는 안정적인 잉크분산성 확보가 필수적이다.
나노세라믹안료를 잉크젯 프린팅 타일에 사용하려면 필요한 조건은? 세라믹 잉크젯 기술은 아트타일, 장식용 도자기 등에 이용되고 있으며, 원료의 효율이 높고 낮은 제작비용으로 다양한 이미지를 빠르고 정확하게 인쇄할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 잉크젯 프린팅 타일에 나노세라믹안료를 적용하기 위해서는 안정적인 잉크분산성 확보가 필수적이다. 본 논문에서는 잉크젯 인쇄용 수계 pink-red 세라믹잉크의 특성을 보여주고 있다.
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참고문헌 (16)

  1. J. Miettinen, V. Pekkanen, K. Kaija, P. Manasikkamaki, J. Mantysalo, M. Mantysalo, J. Niittynen, J. Pekkanen, T. Saviauk and R. Ronkka, "Inkjet printed system-inpackage design and manufacturing", J. Microelectron. 39 (2008) 1740. 

  2. N.R. Bieri, J. Chung, S.E. Haferi, D. Poulikakos and C.P. Grigoropoulos, "Microstructuring by printing and laser curing of nanoparticle solutions", Appl. Phys. Lett. 82 (2003) 3529. 

  3. R.A. Street, W.S. Wong, S.E. Ready, M.L. Chabinyc, A.C. Arias, S. Limb, A. Salleo and R. Lujan, "Jet printing flexible displays", Mater. Today 9 (2006) 32. 

  4. P.M.T. Cavalcante, M. Dondi, G. Guarini, M. Raimondo and G. Baldi, "Colour performance of ceramic nano-pigments", Dyes Pigm. 80 (2009) 226. 

  5. S. Rohrsetzer, P. Kovacs and M. Nagy, "A new experimental method for determination of the repulsive force-distance relationship between disperse particles", J. Colloid & Polymer Sci. 264 (1986) 812. 

  6. H.P. Le, "Progress and trends in ink-jet printing technology", J. Imaging Sci. 42 (1998) 49. 

  7. Z. Hu, M. Xue, Q. Zhang, Q. Sheng and Y. Liu, "Nanocolorants: A novel class of colorants, the preparation and performance characterizations", Dyes and Pigm. 76 (2008) 173. 

  8. I. Fasaki, K. Siamos, M. Arin, P. Lommens, I. Van- Driessche, S.C. Hopkins, B.A. Glowacki and I. Arabazis, "Ultrasound assisted preparation of stable waterbased nanocrystalline $TiO_2$ suspensions for photocatalytic applications of inkjet-printed films", Appl. Catal. A: General. 60 (2012) 411. 

  9. H.S. Lee and B.H. Lee, "Influence of $CrCl_3$ in sphenepink pigments", J. Kor. Ceram. Soc. 45 (2008) 268. 

  10. W.J. Lee, H.J. Hwang, J.H. Kim, W.S. Cho and K.S. Han, "Synthesis and characterization of thermally stable pink-red inoganic pigment for digital color", J. Korean Cryst. Growth Cryst. Technol. 24 (2014) 169. 

  11. K.C. Lee, J.W. Yoon, J.H. Kim, K.T. Hwang and K.S. Han, "Sysnthesis and characterization of $CoAl_2O_4$ glazed blue ceramic ink for inl-jet printing", J. Mater. Res. 24 (2014) 73. 

  12. K.C. Lee, J.W. Yoon, J.H. Kim, K.T. Hwang and K.S. Han, "Preparation and characterization of $CoAl_2O_4$ blue ceramic nano pigments by attrition milling", J. Korean Cryst. Growth Cryst. Technol. 23 (2013) 255. 

  13. H. Dong, W. Carr and J.F. Morris, "An experimental study of demand drop-on-demand drop formation", Phys. Fluids 8 (2006) 072102. 

  14. Q. Xu and O.A. Basaran, "Computational analysis of drop-on-demand drop formation", Phys. Fluids 10 (2007) 102111. 

  15. X. Zhang and O.A. Basaran, "An experimental study of dynamics drop formation", Phys. Fluids 7 (1995) 1184. 

  16. P.K. Notz, A.U. Chen and O.A. Basaran, "Satellite drop: Unexpected dynamics and change of scaling during pinch-off", Phys. Fluids 13 (2001) 549. 

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