(Paste)잉크제조법과 생산기술

印刷インキ基礎講座, 色材,71〔1〕,57―67(1998)

野口典久

 

1. 서론

​

잉크업계에서는 지금까지 품질설계라고 하면 수지, 니스 설계 및 배합기술이 중심이었지만, 품질 시스템의 요구사항을 규정한 ISO9000이나 환경 매니지먼트의 요구사항을 규정한 ISO14000에서도 나타나 있듯이 최근에는 제조법이 품질을 크게 좌우하는 요인으로서 이전보다 중요시되고 있다.그리고, 잉키의 제조법 및 생산 기술도 다른 분야와 마찬가지로, 목표로 하는 것은 "하드웨어(기계적) 및 소프트(제조법 및 정보의 관리 기술 etc) 양면에서 연구해, 설계 품질을 채운 제품을 안정적으로 해 불균형 없이 저렴(이니셜 및 러닝 코스트 모두)에 단시간에 안전하게, 그리고 환경을 더럽히는 일 없이 생산하는 프로세스를 구축한다"는 것에 있다.

​

실제로 이들 목표를 가능한 한 높은 수준으로 달성하기 위해서는 다양한 생산기술이나 관리방법의 개발이 필요하며, 대응해야 할 과제는 광범위하다.그러나, 여기에서는 잉키의 생산을 특징짓는,

​

a)안료의 분산과

b)소 로트, 다품종, 단납기에의 대응,

​

에 초점을 맞혀 잉키 제조법 및 생산 기술의 면에서 잉크 품질 및 생산 효율을 향상시키기 위해서 어떠한 대처, 궁리가 이루어지고 있는지 봐 가고 싶다.

​

2. 안료의 분산과 제조법

​

인쇄 잉크의 종류는 다양하지만, 그 조성은 대별하면, 안료(비히클이나 조제에 녹지 않고, 인쇄물에 색재현하는 미분말)+비히클(수지가 용매에 용해된 것)+조제(건조제, 왁스,뒤 복사방지제etc)로 이루어진다. 그리고, 인쇄 잉크는 이것들을 조합한 균질의 분산계로 인쇄 기계를 사용해, 다수의 복제를 만들었다. 인쇄잉크의 품질은 인쇄의 쉬움(닥터적성, 롤간의 전이 등 인쇄기상의 안정성 etc)을 가리키는 "인쇄적성"과 인쇄물의 좋고 나쁨의 농도, 색재현성, 계조성, 광택 등 "인쇄효과"로 대표된다. 그리고 이들 품질은 안료의 분산 상태에 크게 큰 영향을 받는다.

​

2.1 안료의 분산

일반적으로 분체안료의 그 자체의 입자경은 1/10~1/100μm의 오더이지만, 제조공정도중의 여과나, 열풍건조 조작에 의해 응집(어그로머레이션)하고 수10 ~ 100μm의 크기가 있다. 분산이란, 이 응집한 안료를 풀고, 비히클 속에 균일하게 서스펜션한 상태를 만들어 내는 것인데, 세 가지 요소를 포함하고 있다.

​

a)그라인딩.. 강력한 기계력으로 응집된 안료를 1차 입자 또는 1차 입자 근처까지 푼다.

b) 웨팅.. 안료의 표면에 부착되어 있는 기체나 물, 오염물을 비히클에 치환한다.

c) 디스퍼전·1·다시 응집(프로큘레이션)이 일어나지 않게 비히클 속에 안정화 시킨다.

​

안료의 분산 상태를 모식적으로 그렸다(그림 1).

그러면, 이러한 분산 조작을 생산 현장에서는 어떻게 달성한 것일까.

​

그림1 어글로머레이션, 분산, 플로큐레이션

2) 2.잉크 제조법

그림 2, 그림 3에 잉크의 생산 공정을 나타내었다. 표1에 공정의 역할과 주요 설비를 정리하였다. 실제 생산라인을 보면, 제조법은 잉키의 점도에 의해 결정되며,

​

a) 그림1의 비즈-밀법이라고 부르는, 비즈를 매체로서 사용하는 연육기를 이용하여 저점도 잉크에 적합한 제법과

b) 그림1-2의 롤밀, 니더등을 이용한 페이스트상 잉크를 만드는데 적합한 제조법으로 나뉜다.

분산에 사용되는 밀을, 잉크의 점도 범위에 의해 분류한 것이 그림4이다. 또, 이러한 제조법 중에서도 생산효율을 높히고, 생산로트의 크기에 따라서도,

1)비즈 밀법에서는 고정탱크를 이용하여, 연속적으로 생산하고, 롤밀 법으로는 니더와 대형 롤을 이용하여 생산하는 대형 로또 생산라인

​

2)소형분산기(소형비즈밀,소형롤밀etc)나 배치식(회분식)분산기를 이용하여 생산하는 중소 로트 생산 라인

​

3) 1,2의 생산라인을 사용하여, 미리 베이스 잉크를 생산해두고, 이것들을 혼합, 조색, 조정해서 출하하는 소형로트 생산라인으로 나눌수 있다.

​

일반적인 잉크가 제조된 법은 이상과 깉지만 실제 생산 라인은 여러가지 고유기술을 살리고 품질에도 생산성에도 차이가 생긴다. 여러가지 제조법의 연구(생산기술)중에서 몇 가지를 소프트, 하드 양면에서 개설하고, 잉크 제조법과 생산기술 면에서 잉크품질과 생산효율과의 관계를 보고 싶다.

​

​

3. 소프트면에서 본 잉크제조법과 생산기술적 어프로치

​

이 장은 착색 등 잉크관련 내용으로 중간 생략합니다

​

4. 하드면에서 본 잉크제조법과 생산기술적 어프로치

​

이상, 제조법으로부터 품질이나 생산 효율을 높은 연구를 몇 가지 봐 왔지만, 플래시 제법 이외, 아직도 응집한 안료의 분산이 생산 프로세스의 중심 공정이다.이전에는 기계 메이커가 독자적으로 개발한 안료 분산용 기계설비 (분산기)를 유저가 제조법마다 선택해 사용하고 있었지만, 최근에는 제품이나 제조법에 맞추어 기제품을 개조하거나 개발 단계로부터 유저와 메이커가 각각의 고유 기술을 서로 나타내고, 공동으로 목표로 하는 성능을 얻을 수 있도록 개발 설계하는 일도 많다.

​

그러나, 이러한 다종의 분산기도 그 분산 원리로 보면, 비즈밀, 롤 밀, 그 외의 분산기로 크게 나눌 수 있다.이러한 기계적 구조의 특징이나 연구, 사용법에 대해 설명하면서, 하드면에서 잡힌 제조법과 생산기술의 어프로치를 바라보고 싶다.

​

4.1 비즈밀

비즈밀의 가장 일반적인 것으로 샌드밀을 들 수 있다.배치식 습식분산기인 볼밀이나 아트라이터의 생산효율을 향상시키기 위해 1950년대 미국의 듀폰사에서 개발된 연속 습식분산기(비즈밀)이다. 기본적인 구조를 그림 8에 나타낸다.

​

가늘고 긴 베셀에 디스크를 복수매 붙이는 교배축(회전축)을 삽입해, 베셀내의 비즈(모래, 유리, 스틸, 세라믹 등 각종)를 고속으로 처리액과 함께 교반한다. 그런 후, 펌프로 보내진 밀베이스 안의 응집한 안료는, 고속으로 움직이는 비즈상호간이나 비즈가 베셀내벽, 샤프트(디스크 포함)와 부딪칠 때 끼여주거나, 동시에 생긴 강한 전단 응력에 의해 분산되어진다.

즉, 이 분산력은 이하의 요인과 밀접한 관련을 가지고,

·"비즈의 충돌 횟수",

·"비즈의 질량, 속도와 관련한 충돌의 충격력",

·"교반축, 비즈에 의해 생기는 전단응력","

이것들이 많고 강할수록 분산력이 높은 샌드밀이 된다.

​

이들 기본원리에 따라 샌드밀은 다양한 개량이나 신기종이 개발되어 가장 진보가 큰, 그리고 생산성이 높은 분산기다. 이하, 샌드밀의 주요부별로 역할과 고성능화에의 걸음을 보고 싶다.

​

​

4.1.1. 교반축

교반축은 비즈를 가능한 한 효율적으로 가속시켜(에너지를 부여), 운동방향이 랜덤(속도변동량이 커)하게 되도록, 그리고 비즈가 밀베이스의 흐름 출구방향으로 치우치지 않게 하는 역할을 했다. 처음에는 디스크 형상의 개발이나 매수(매수)를 검토하여, 교배축으로서의 효율을 향상시켜왔다.

​

그러나 디스크 타입의 교반축이면 축근방은 원심력이 약하고 비즈량도 적어져 이곳을 통과한 밀베이스는 충분히 분산되지 않고 배출되는 결점이 있다. 최근에는 주속의 충분한, 비즈의 움직임이 심한 베셀 부근을 혼련존으로 할 수 있도록 샤프트를 굵게 해, 비즈를 보다 강력하게 랜덤 교반하도록, 이 굵은 샤프트 뿐만 아니라, 베셀에도 핀을 배치한 카운터핀 타입의 분산기(그림 9)도 개발되고 있다.

이 타입의 분산기는 밀 베이스가 고점도라 하더라도 비중이 큰 스틸비즈, 세라믹 비즈를 이용하면 필요한 교반를 얻을 수 있고, 세로형 분산기가 고점도 평판 잉크에서도 점차 활용되고 있다. 그 외 더욱, 이러한 기구를 한 걸음 진행시킨 것으로서 아닐라 타입(동심 이중 원통)의 분산기나 샤프트에 홈을 새긴 것(SpikeMill), 디스크나 핀과 다른 특수한 형태의 교배 날개를 가진 분산기(Dyno→MillECM)도 개발되고 있다(그림10).

​

4.1.2. 세퍼레이터

비즈와 밀베이스를 분리(여과)시키기 위한 기구이다. 분산기의 성능과는 관계가 없는 것처럼 보이지만 실제로는 세퍼레이터 사양에 따라 비즈의 충전량, 사용 가능한 비즈경이 정해져 내압이나 내부온도의 상승을 통해 품질이나 생산성의 양불에도 큰 영향을 미친다.

​

크게 나누면 스크린 방식(망)과 갭 방식(좁은 슬릿)의 세퍼레이터가 있다.스크린 방식은 각종 망이 사용되며 갭 방식은 좁은 슬릿으로 밀베이스와 비즈를 분리한다.이것들이 개량됨으로써 초기의 세로형 스크린 분리방식의 샌드밀에 비하면,

​

a) 비즈의 충진량을 지금까지의 60%에서 80~95%로 증가시킬 수 있다

b) 비즈경이 종래 1mm Φ전후가 한계였다→0.2mmΦ 까지 사용가능

​

100리터의 베셀용기를 필요로 한 샌드밀이 15~20리터의 용기로 동등한 성능을 얻을 수 있을 정도가 되었다. 또한 각각의 세퍼레이터의 특징과 혼련기의 성격을 표3에 나타내었다.

4.1.3. 비즈

​

비즈의 충돌 횟수를 많이, 게다가 개개의 충돌의 강도를 크게 하면 분산효율은 높아진다. 이 조건을 채우기 위해서는, 고비중인 미세 비즈의 활용을 생각할 수 있다.

​

a)고비중 미세비즈의 활용

단위체적당 비즈개수는 직경비의 역수의 3승으로 많아진다. 예를 들어, 2.OmmΦ와 0.8mmΦ의 비즈의 단위체적당 비즈개수를 비교하면 약 16배나 된다. 그만큼, 충돌회수가 증가한다. 또, 같은 비즈경이라도 같은 운동을 한다면, 높은 비중의 비즈는 많은 에너지를 가지고, 충돌시의 힘은 강하다. (같은 입경의 유리비즈보다, 지르코니아비즈에서는 2~ 3배의 에너지를 가진다) 실제로는 취급난이도니 비즈 마모를 고려하여, 0.6~1.0mmΦ 비즈경이 많이 사용된다.

​

b) 운동에너지에서 본 충돌의 강약

그러나 잉크가 고점도인 경우 비즈 질량이 작으면 움직임이 점성에 방해되어 충돌시의 충격력이 약해져 분산이 진행되지 않다. 비즈경이 큰 (2~3mmΦ), 게다가 높은 비중의 스틸(비중 7.8)이나 최근에는 지르코니아(비중 6.0)가 분산에 효과적이다. 이 밖에 잉크 점도가 낮은 경우라도 응집력이 강한 안료라면 비즈가 어느 지름까지는 작은 지름일수록 좋은 분산을 나타내지만, 그 이상 가늘어지면 오히려 분산이 진행되지 않는 현상을 볼 수 있다. 이것은, 비즈가 가지는 운동 에너지가 작고, 개개의 충돌의 강함이 불충분하게 되기 때문이라고 생각할 수 있다.

​

유사한 사례로서 어트라이터나 볼밀의 경우 비즈 개개가 가진 운동 에너지를 계산해 본다. 볼밀에서 17mm 돛의 스틸비즈를 사용한 경우와, 샌드밀에서 1rnmone의 유리비즈를 사용한 경우를 비교하면, 스틸비즈는 400배 이상의 운동에너지를 가진다. 시간을 두고 충돌의 횟수를 벌어들이는 것으로써, 상당한 분산력을 가지고 있는 것으로 추정된다. 실제로 볼밀이 아니면 잘 분산되지 않는 일부의 그라비아 잉크(컴파운드, 흑계 잉크 및 무기계 안료 잉크의 일부)가 존재하는 것도 이 이유 때문이다.

4.1.4 기타 성능에 관련된 요인

​

a)축회전수

일반적으로 디스크나 핀 등 교반익 선단의 주속으로 규정된다. 저점도인 경우는 9~15m/s, 고점도의 경우, 비즈의 비중, 입경 모두 큰 것을 사용하므로 6~10m/s이다.더 이상의 주속은 비즈에 유효하게 에너지가 전해지지 않거나, 단지 발열 및 기계나 비 즈의 마모를 재촉하게 된다.

b)축 실링

처리물(밀베이스)이 구동축과 본체와의 틈에서 새는 것을 방지하는 기구이다. 비교적 트러블이 많이 발생하는 곳이다. 축 실링의 내압이 높으면 토출량이나 처리물 점도의 한계폭도 많이 잡을 수 있어 분산기의 용도가 넓어진다. 최근에는 높은 압력(6기압 정도까지)에도 견디는 더블 메카니컬 실이 많이 채용되어 고성능화가 도모되고 있다.그러나 발열이 크고 매체에 의한 냉각용 유닛이 필요하거나 고가이기도 하다.

c) 냉각

분산기의 고성능화에 따라 발열량도 많아진다. 그러나, 목적으로 하는 품질을 얻기 위해서는 저온에서의 온도 제어가 필요한 것이 많다. 기계적으로는 베셀 뿐만이 아니라, 샤프트내에도 냉각수를 통해, 전열 면적을 많이 취하고 있다. 또 냉각수로를 스파이럴 형상(나사 구상)으로 해, 수류속을 빠르게 해 열의 경막 저항의 저감을 도모하고 있다.

​

이와 같이 비즈밀은 그 분산 원리를 중심으로, 현재도 여러가지 관점으로부터 성능향상을 도모되고 있다.

​

​

4.2. 롤밀

​

이상 비즈밀을 설명했지만, 전혀 분산기구가 다른 분산기로서 롤밀을 다루고 싶다.예로 부터 사용해 온 분산기로 기본적인 구조를 그림 11에 나타내었다. 3개의 롤이 각각 인접하는 롤과는 역방향으로, 게다가 다른 속도로(예 1:3:9) 회전하므로, 롤 접촉면에서는 큰 평형응력이 생긴다. 처리물은 좁은 롤 간극으로 이끌려, 이 큰 비틀림 응력을 받고, 접촉면 반대편에서 끌려감으로써 발생하는 캐비테이션을 통해 양호한 분산을 얻을 수 있다. 또한, 고점도 잉크에 있어서 어려운 여과, 탈포도 가능하다. 이 밖에 비교적 물갈이가 쉽고 소량생산도 어렵지 않게 해 주는 등 기동성도 있다.이러한 이유로부터, 특히 평판 잉크의 생산에서는 현재도 주력 기종이다.

그러나 유기용제를 사용한 저점도 도료 잉크의 경우 전면 개방돼 박막상으로 늘어나므로 용제가 증발하기 쉬워 공해 등 작업 환경 측면에서 문제가 있다.게다가 좀처럼 1 pass로 분산이 완료되지 않아 생산성에서도 요구에 대처하지 못해 거의 사용되지 않고 있다. 롤밀의 사양은 제품의 점성이나 용도(혼련 또는 통담기)에 따라 다르다. 롤크라운, 회전대비, 롤스피드(회전수)를 최적화해 사용 목적에 맞는 사양으로 한다. 그러나 최근에는 롤 냉각기구를 고안하여 열팽창을 균일화하고 크라운을 부여하지 않으며 또한 대형 롤(1300mm폭→1800 또는 2000mm폭)이 개발되어 용도를 가리지 않고 사용할 수 있게 되었다.또 톱롤 회전수는 수동조절형으로 200rpm, 유압식 400rpm 정도이지만 600rpm까지 올려 생산성도 2배 이상 향상시킨 것도 있다.

​

4.3 기타 분산기

이상, 대표적인 분산기에 대해서 말했는데, 이 밖에도 용도에 보다 뛰어난 능력을 발휘하는 분산기 및 분산 기구가 다른 것을 얼마 표 5에 정리해 소개한다.

5. 결론

이상, 잉크의 제조법과 생산기술을 잉크품질과 생산효율의 관련으로 보아 왔다. 이러한 것으로부터, 생산 프로세스중의 혼련, 분산 공정에 초점을 맞추어 왔지만, 그 전후의 공정의 배합·프리미엄, 조색·조정, 여과·충전(출하 검사 포함) 공정도, 또한 그 공정 간을 잇는 물류에서 본 유기적인 연결도 중요하다.

​

그러나, 현실의 잉크 생산은, 주로 혼련설비의 성능 향상에 지는 효율화가 주체가 되어, 그 전후의 공정은 일부를 제외하고 성인화가 불가분이다. 게다가, 소품종, 큰 로트의 연속 생산 라인은 너무 적어, 배치 프로세스이며, 공정간의 유기적 연결, 물건의 이동이 되면 사람 손에 의한 것이 대부분이다. 제어도 공정간을 걸치는 프로세스적인 것은 적고, 단체 설비의 컨트롤이 중심이다.

​

향후, 생산 프로세스로서 파악되었을 때의 효율화, 새로운 시스템의 개발이 중요하다고 생각한다.확실히 배치 프로세스의 효율화는 어렵지만, 그 장점을 그대로 유연하게 만들 수 있는 각종 이동조 생산방식 FMS(플렉시블 메뉴팩처링 시스템)이나, 자동 파이프 전환 시스템 XY 라우터 등 과제해결의 한 방책으로서 흥미를 갖는다.

​

또, 동시에 수주로부터 출하까지의 생산 관리 기술, 구체적으로는 수주에 응한 원료의 발주, 원료·제품의 입출하, 재고 관리, 생산 계획의 입안 등 DCS나 그 소프트의 충실도 잊어서는 안 된다.이 밖에 잉크업계는 취급하는 원료 안에 위험물, 특정화학물질, 기타 다양한 석유화학제품을 포함하므로 안전, 산업폐기물 처리, 감축, 에너지절약, 공해문제 등 더욱 적극적으로 대처해야 할 것이다.

​

ㅁ파파고에게 감사드립니다