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문제 정의
- 본 연구에서는 도공층 표면의 수분 접촉각을 평가하여 도공층 표면의 공극 구조 변화에 의한 수성 플렉소 인쇄 적성의 영향을 간접적으로 평가하고자 하였다. 증류수를 이용하여 도공층 표면의 접촉각을 평가하였으며, 물방울의 접촉 후 10초간의 접촉각 변화를 측정한 결과가 Fig.
- 특히 현재 커튼 코팅이 가장 효과적으로 활용될 수 있는 도공 라이너지 생산 분야에 있어 도공층의 공극 구조에 대한 기본 연구가 국내외적으로 전무한 실정이다. 본 연구에서는 동일제지에서 생산된 커튼 코팅 라이너지와 파일럿 커튼 코팅 설비로도 공액안료 조성을 달리하여 제작된 커튼 코팅 라이너지를 이용하여 커튼 코팅 방식으로 형성된 도공층의 공극 구조에 대해 고찰하였다. 이를 위해 공극률 뿐 아니라 공극의 aspect ratio, 도공층 내 공극의 분포 평가 등 도공층의 미세한 구조 분석이 가능한 FE-SEM(전계방출 주사전자현미경)을 이용하였다.
제안 방법
- 2011년 제조분 커튼 코팅 도공 라이너지 샘플의 생산에 사용된 도공액을 이용하여 동일한 지종의 라이너지 원지 상에 블레이드 코팅을 실시하였다. 실험용 블레이드 코터 (MLC Maiyo coater, MITSUI ELECTRIC CO.
- FE-SEM 관찰 시 in-lens 타입의 SE(secondary electron) 디텍터를 사용하였으며 가속전압은 2 kV, WD(working distance)는 약 3.2 mm로 하고 15,000배의 배율로 도공층 분석을 위한 z-direction 절단면 이미지를 얻었다.
- 22 소프트웨어를 이용하여 이미지 분석을 실시하였다. Median 3×3 필터를 통해 FE-SEM 이미지의 노이즈를 제거한 후 threshold# 통해 전체 이미지에서 공극 부분만을 추출하였다. 그 후 공극의 면적을 측정하여 공극률을 평가하였다.
- Median 3×3 필터를 통해 FE-SEM 이미지의 노이즈를 제거한 후 threshold# 통해 전체 이미지에서 공극 부분만을 추출하였다. 그 후 공극의 면적을 측정하여 공극률을 평가하였다.
- 동일제지에서 2011년 커튼 코팅 방식으로 생산한 도공 라이너지와 블레이드 코팅 방식으로 제조한 도공 라이너지, 2008년 파일럿 커튼 코터에서 시험 생산한 도공 라이너지 샘플의 도공층 공극 구조를 FE-SEM을 이용하여 분석하였고 도공 표면의 접촉각을 평가하였다. 커튼 코팅 초기 생산분에 비해 최근 생산분은 도공액 내 계면활성제의 함량을 감소시키고, 바인더 마이그레이션을 조절하여 도공 표층의 S/B latex 함량을 증가 시켜 공극률을 감소시킨 것으로 생각된다.
- top coating color에서 GCC와 clay의 배합 비율을 달리하였다. 또한 pre coating과 top coating이 동시에 일어나는 커튼 코팅 방식으로 도공하여 pre coating과 top coating 사이에서 도공층간의 경계가 명확히 드러나지 않음에 따라 본 연구에서는 전체 도공층 영역 중 top coating 영역이라고 판단되는 도공 표면에서부터 약 8~10 ㎛ 구간까지의 부분만을 분석하였다.
- 이를 위해 공극률 뿐 아니라 공극의 aspect ratio, 도공층 내 공극의 분포 평가 등 도공층의 미세한 구조 분석이 가능한 FE-SEM(전계방출 주사전자현미경)을 이용하였다. 또한 동일제지의 커튼 코팅 라이너지 생산에 이용되는 도공액을 이용하여 라이너지 상에 블레이드 코팅 방식으로 도공 하여 코팅 방식에 따른 도공층의 구조 변화를 평가하였다.
- 본 연구에서 사용한 도공 라이너지는 도공 안료의 조성이 pre coating color는 서로 유사하고 top coating color에서 GCC와 clay의 배합 비율을 달리하였다. 또한 pre coating과 top coating이 동시에 일어나는 커튼 코팅 방식으로 도공하여 pre coating과 top coating 사이에서 도공층간의 경계가 명확히 드러나지 않음에 따라 본 연구에서는 전체 도공층 영역 중 top coating 영역이라고 판단되는 도공 표면에서부터 약 8~10 ㎛ 구간까지의 부분만을 분석하였다.
- 본 연구에서는 동일제지에서 생산한 커튼 코팅방식으로 제작된 도공 라이너지를 분양받아 커튼 코팅 도공층의 구조분석에 이용하였다. 총 4종의 커튼 코팅 도공 라이너 지중 1종은 2011년 동일제지에서 생산한 것이며 3종의 도공 라이너지는 동일제지에서 2008년 파일럿 커튼 코터를 이용해 도공액 안료 조성비를 달리하여 시험 생산한 것이다.
- 지종의 라이너지 원지 상에 블레이드 코팅을 실시하였다. 실험용 블레이드 코터 (MLC Maiyo coater, MITSUI ELECTRIC CO., LTD., Model No. PM-9040H MC2)를 사용하였으며 코팅 속도는 100 m/min, 건조 시에는 열풍 건조시 130℃, IR 건조시 100℃로 총 5초 간 건조하였다. 2011년 제조분 커튼 코팅 도공 라이너지 샘플과 동일한 수준으로 도공량을 조절하고자 하였으나 일반적인 도공 원지에 비해 낮은 수준의 표면 평활성을 갖는 라이너지 상에 블레이드 코팅을 실시함에 따라 도공량을 조절하는 것이 어려워 pre 코팅시 19 g/m2, top 코팅시 14 g/n?로 이중도공을 실시하였다.
- 절단한 도공 라이너지는 전도성을 부여하기 위해 표면을 백금 코팅한 후 FE-SEM(SUPRA 55VP, Carl Zeiss AG )을 이용하여 도공층을 관찰하였다. FE-SEM 관찰 시 in-lens 타입의 SE(secondary electron) 디텍터를 사용하였으며 가속전압은 2 kV, WD(working distance)는 약 3.
- 접촉각 측정기 (DSA100, Kruss GmbH)를 사용하여 물과 도공층 표면의 접촉각과 일정 시간 동안의 접촉각의 변화 양상을 평가하였다.
- 의한 수성 플렉소 인쇄 적성의 영향을 간접적으로 평가하고자 하였다. 증류수를 이용하여 도공층 표면의 접촉각을 평가하였으며, 물방울의 접촉 후 10초간의 접촉각 변화를 측정한 결과가 Fig. 5와 같다. Fig.
- 커튼 코팅 방식으로 제작된 도공 라이너지 4종과 블레이드 코팅을 실시한 도공 라이너지 1종을 용융된 파라핀 왁스에 함침시킨 후 경화시키고, 이를 razor blade를 이용하여 단면을 절단하였다. 절단한 도공 라이너지는 ethyl acetate와 ethyl ether를 이용하여 파라핀 왁스를 용출시켰다.
데이터처리
- 도공층 z-direction 절단면의 FE-SEM 이미지를 Image-Pro Plus 4.5.1.22 소프트웨어를 이용하여 이미지 분석을 실시하였다. Median 3×3 필터를 통해 FE-SEM 이미지의 노이즈를 제거한 후 threshold# 통해 전체 이미지에서 공극 부분만을 추출하였다.
이론/모형
- 본 연구에서는 동일제지에서 생산된 커튼 코팅 라이너지와 파일럿 커튼 코팅 설비로도 공액안료 조성을 달리하여 제작된 커튼 코팅 라이너지를 이용하여 커튼 코팅 방식으로 형성된 도공층의 공극 구조에 대해 고찰하였다. 이를 위해 공극률 뿐 아니라 공극의 aspect ratio, 도공층 내 공극의 분포 평가 등 도공층의 미세한 구조 분석이 가능한 FE-SEM(전계방출 주사전자현미경)을 이용하였다. 또한 동일제지의 커튼 코팅 라이너지 생산에 이용되는 도공액을 이용하여 라이너지 상에 블레이드 코팅 방식으로 도공 하여 코팅 방식에 따른 도공층의 구조 변화를 평가하였다.
성능/효과
- 1에서 각각의 도공 라이너지의 도공층 내 공극률을 나타내었다. Top layer에서 도공 안료로 GCC를 100 pph 사용한 2011년 생산분 커튼 코팅 라이너보드와 블레이드 코팅 라이너보드를 비교하면 블레이드 코팅 방식에서 보다 높은 공극률을 나타내었다.
- 위 4종의 도공 라이너지 생산 시 도공원지는 같은 지종으로 100% 재활용 원료를 사용하고 콘디벨트 건조 처리된 것이나 2011년 생산 도공 라이너지와 2008년 시험 생산 도공 라이너지 사이에는 제작 시기의 차이가 존재함에 따라 어느 정도 원지 물성의 변이는 존재할 수 있다.
- 초기 접촉각 측정 결과는 각각 95°, 83°의 수분 접촉각을 갖는 2011년 생산 커튼 코팅 라이너 지와 블레이드 코팅 라이너지, 그리고 약 60°로 거의 동일한 수분 접촉각을 갖는 시험 생산 샘플로 구별되었다. 2011년 생산 커튼 코팅 라이너지와 블레이드 코팅 라이너 지는 동일한 도공액을 사용하였음에도 블레이드 코팅의 경우에 비해 커튼 코팅에서 더 높은 접촉각을 나타내었으며, 접촉각의 변화량 역시 더 낮았다.
후속연구
- 3). 따라서 커튼 코팅 시 도공액의 표면장력을 높여줌에 따라 생산된 도공 라이너지의 플렉소 인쇄 시 보다 우수한 인쇄적성을 나타낼 수 있을 것으로 기대된다.
- 커튼 코팅 초기 생산분에 비해 최근 생산분은 도공액 내 계면활성제의 함량을 감소시키고, 바인더 마이그레이션을 조절하여 도공 표층의 S/B latex 함량을 증가 시켜 공극률을 감소시킨 것으로 생각된다. 이는 수성 잉크를 사용하는 플렉소 인쇄 공정에서 도공층 내부로의 잉크 수리성을 감소시켜 인쇄 적성을 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.
- 커튼 코팅 설비의 운전 조건 확립 및 도공지 품질 최적화가 이루어짐에 따라 커튼 코팅 기술의 실용화 연구는 확립 단계에 이르렀다고 생각되나 컨투어 코팅층의 안료 배열 및 공극 구조 연구와 같은 커튼 코팅에 대한 기초연구는 더욱 필요하다고 판단된다. 특히 현재 커튼 코팅이 가장 효과적으로 활용될 수 있는 도공 라이너지 생산 분야에 있어 도공층의 공극 구조에 대한 기본 연구가 국내외적으로 전무한 실정이다.
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