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Journal of Korea TAPPI Vol. 47. No. 2, 2015, 9-16p ISSN(Print) : 0253-3200 Printed in Korea http://dx.doi.org/10.7584/ktappi.2015.47.2.009 원지의충전물함량이도공지의접힘터짐에미치는영향 서동일오규덕이학래윤혜정접수일 (2015년 3월 3일 ), 수정일 (2015년 4월 14일 ), 채택일 (2015년 4월 17일 ) Effect of Ash Content in Base Paper on Fold Cracking of Coated Paper Dongil Seo, Kyu Deok Oh, Hak Lae Lee and Hye Jung Youn Received March 3, 2015; Received in revised form April 14, 2015; Accepted April 17, 2015 ABSTRACT High loading of base paper is regarded as one of reasons to aggravate fold cracking of coated paper. But the relationship between the ash content of base paper and fold cracking of coated paper has not been shown yet. We investigated the effect of ash content in base paper on the fold cracking of coated paper. Handsheets with three different ash contents (19.5-23.5%) were prepared, and double layered coating were applied on the top side of the handsheets. A gravimetric water retention meter (AA-GWR) was employed to fold the paper with a uniform pressure after solid printing on the coated surface. The fold cracking was digitized by calculating the cracked area by means of an image analysis technique. Results suggested that high ash content in the base paper increased the fold cracking of the outer surface of coated papers. In the case of inner surface greater fold crack areas were obtained, and the number of cracks decreased because long and wide cracks were formed. Reduction in tensile strength and thickness appeared to give greater fold cracking for highly loaded papers. Keywords: Ash, Coated paper, Coating, Fold cracking, Image analysis, Filler 1. 서론 오늘날제지업계의주요한화두중하나는주재료이자천연자원인펄프사용을줄이는것이다. 국내의많은백상지제조업체는이를위해종이내에회분함량 을늘리는방안을강구하고있다. 최근들어충전물을고분자등으로전처리하는기술등다양한방안이종이내충전물의함량을증가시킬수있는방안으로소개되면서제지업체는해당업체의공정에알맞은기술을선택하여적용하고자많은노력을기울이고있다. 1) 그결 서울대학교농업생명과학대학산림과학부 (Dept. of Forest Sciences, Seoul National University, Seoul, 151-921, Korea) 교신저자 (Corresponding Author): lhakl@snu.ac.kr

10 서동일오규덕이학래윤혜정펄프종이기술 47(2) 2015 과최근 5년사이에몇몇백상지업체에서는충전물함량을 5% 포인트가량상승시키기도하였다. 최근들어잡지, 광고전단물, 카탈로그, 캘린더용으로사용되는아트지지종에서접힘터짐이발생한다는보고가늘고있는데, 그원인으로최근증가된원지의충전물함량이주된원인의하나로지목되고있다. 접힘터짐은코팅된종이를접었을때접힘면에위치한도공층이갈라지거나떨어져나가는현상을일컫는다. 접지과정에서접히는면의바깥쪽에는인장응력이발생하고, 안쪽부분에는압축응력이발생하는데, 도공지를구성하는원지나도공층이이를견디지못하고붕괴되면접힘터짐이발생한다. 2) 도공층의원료조성이나도공층의구조등이도공층의접힘터짐에미치는영향등은보고된바있으나 3,4,5) 아직도공원지의충전물함량과접힘터짐의관계를보고한연구는없었다. 접힘터짐문제는고평량지종뿐아니라저평량지종에서도그문제가심각하다. 일반적으로고평량지종이접힘터짐문제가크게발생해야하지만 250-300 gsm에해당하는고평량지종은접지에앞서괘선처리를하기때문에접힘터짐의문제가덜발생하고있기도하다. 그러나일반적으로평량이 100-200 gsm 사이에존재하는지종들은괘선작업을거치지않기때문에터짐문제가빈번하게발생하고있는실정이다. 도공지의접힘터짐에대한연구는그발생원인을밝히거나문제를개선하기위한방안을찾기위한목표를가지고시행되어왔다. 그과정에서많은연구팀들은접근방향을도공원지와도공층의두가지측면으로나누어문제에다가가고있으며, 원지와코팅층모두터짐에영향한다는사실을밝혀내고있다. 3,6,7,8) 도공원지를주안에두고수행했던연구는펄프의구성, 원지의평량이나구조, 기계적성질등과접힘터짐의관련을구명하고자하였다. 활엽수가주를이루는도공원지에침엽수펄프를 10% 가량섞으면접힘터짐이완화된다 6) 고보고된바있으며, 괘선처리를하지않는다면평량이높을수록터짐이악화된다 9) 는연구결과도보고된바있었다. 그러나고평량지종의경우에는원지를다층으로구성하거나괘선처리를한다면문제를줄일수있다. 10) 기계적성질과관련해서는고해도를높이거나지력증강제를사용해원지의인장강도를높이는것은오히려터짐에악영향을미치는것 으로알려져있다. 6,11) 만약인장강도와접힘터짐이반비례하는관계라면충전물함량증대에따라접힘터짐이완화될여지가있다. 충전물함량이늘수록인장강도가저하되기때문이다. 도공층의특성과접힘터짐의관계를밝히는연구도활발히진행되고있다. 도공안료의종류에따른접힘터짐의변화, 3) 이중도공을하는경우에 pre층과 top층의비율이미치는영향 4) 등실제적인의문에대한해답을얻기위한연구도수행된바있다. 이때 pre층의바인더로사용하는전분의양이많아지고, top층에사용하는라텍스유리전이온도가올라갈때접힘터짐이악화된다는보고도있었다. 3,5) 이러한터짐을완화시키기위한방안으로는안료나라텍스의종류와투입량을변화시켜도공층의신장률을높이는방법이알려져있다. 12) 접힘터짐을평가하는방법으로는터짐부위를스캔하여이미지분석을통해크랙이발생한영역의넓이를계산한사례가있었다. 7,8) 이러한방식은스캔하는영역의크기에따라터짐이발생한영역의비율이변하기때문에넓이값은절대적이지않으며, 다만동일한조건에서이루어진실험대상에대하여상대적인비교를할수있다. 본연구의목적은최근들어심화된접힘터짐이도공원지의충전물함량이늘어난데서오는지를밝히는것이다. 기존의연구에서널리사용되는이미지분석법을이용하여접힘터짐을분석하였고분산분석을통해결과의유의성을확인하였다. 2.1 공시재료 2. 재료및방법 실험실에서제조한수초지를도공원지로사용하였다. 펄프는유칼립투스 Hw-BKP로여수도 CSF 450 ml로고해하여준비하였다. 원지에투입한충전물은오미야코리아의중질탄산칼슘 (GCC) Hydrocarb 75F 이었다. 충전물을보류시키기위해양이온성폴리아크릴아미드 (C-PAM) Percol 63(BASF) 을보류제로사용하였다. 코팅안료로 GCC를이용했으며오미야코리아의 Hydrocarb 60과 Setacarb 77K 두가지를각각 pre 층과 top층에사용하였다. 바인더로는 pre층과 top층

원지의충전물함량이도공지의접힘터짐에미치는영향 11 에 LG화학에서생산한 SB 라텍스 M710(Tg: -19, 입도 : 180 nm) 과 760(Tg: -6, 입도 : 123 nm) 을각각적용하였다. 코바인더로에스테르전분 (Samyang Genex Corp., Korea) 과 carboxymethyl cellulose(finfix-5, CP Kelco, Korea) 를사용하였다. 도공지인쇄를위해유성의검정잉크 (Holbein Works, Japan) 를이용하였다. 2.2 실험방법 2.2.1 도공원지제조및코팅펄프슬러리의농도를 0.5 wt% 로준비하고교반중인지료에 GCC와 C-PAM을차례로투입하여충전물함량이 19.5, 21.0, 23.5 wt% 가되도록평량 150 gsm의수초지를제조하였다. 120 의실린더드라이어를이용하여종이를건조시켰고, 선압 42 N/m 압력의소프트닙캘린더를통과시킨후에온도 23, 상대습도 50% 조건의항온항습실에서조습시켰다. 도공액은 Table 1과같이준비하고수초지의 top면에이중으로도공하였다. 메이요코터를이용하여분당 100 m의속도로로드블레이드코팅을실시하였다. 도공량은 pre층과 top층모두 20 gsm씩, 총 40 gsm이되도록로드를바꾸어가며코팅하였다. 건조가완료된샘플은다시한번위와같은조건에서캘린더링하였다. 2.2.2 인쇄및접힘터짐평가도공지를길이 20 cm, 너비 2.5 cm로자르고스카치테이프를샘플의양끝에붙여대지에고정시켰다. 롤러에잉크를고르게묻히고샘플의길이방향으로 RI 인쇄기를이용하여잉크를도포하였다. 인쇄한샘플은 완전히건조되도록항온항습조건에서 24시간이상보관하였다. 종이를접을때일정한압력을주기위한장비로보수도측정에사용되는 AA-GWR을이용하였다. 접지에앞서터짐이발생하지않도록조심스럽게샘플을구부려장치의틈에위치시키고 1초간압력을가하였다. 접지를끝낸샘플은 90 가량접은상태로양쪽끝을고정하여보관과정에서추가적인파괴가일어나지않도록하였다. 스캐너 (hp Scanjet 5530) 로 2400 dpi의터짐이미지를얻었다. 샘플은 30 로꺾인아크릴거치대 6) 에장착하여구부러진정도가일정하게스캔하였다. 스캔한이미지에서가로 0.8 mm, 세로 200 mm의크기로터짐이발생한영역을추출하였다. 해당이미지는 8-bit의그레이스케일로변환하고문턱값을동일하게조정하였다. 그후바이너리이미지로전환하여이미지분석에사용하였다. 이작업을통해터짐이일어난영역은하얗게, 온전한부분은검게나타냄으로써영역을이치화하였다. 이미지분석프로그램 image J를이용하여터짐이발생한영역, 즉희게보이는부분의넓이를백분율로계산하였다. 8) 또, 터짐이연결된정도를수치화하기위해하얗게나타난크랙의개수를측정하였다. 측정된값의크기가작을수록크랙이연결되어있음을의미한다. 이때노이즈를감소시키기위해크랙의넓이를기준으로하위 5% 의매우작은크랙을제외하고평가하였다. 2.2.3 원지물성측정도공원지의두께는 Micrometer(L&W Co., Sweden) Table 1. Coating formulation for the pre and top layer Pre-coating color Top-coating color Pigment, pph 100 (Hydrocarb 60) 100 (Setacarb 77K) Binder, pph 7 (SB latex M710) 12 (SB latex 760) Co-binder, pph 4 (Esterified starch) 0.15 (CMC) Dispersant, pph 0.1 0.1 Insolubilizer, pph 0.5 0.5 Lubricant, pph 0.5 0.5 NaOH, pph 0.1 0.15 Total solids content, % 60 67

12 서동일오규덕이학래윤혜정펄프종이기술 47(2) 2015 를이용하여측정하였다. Tensile tester(l&w Co., Sweden) 를이용하여 TAPPI Test method T494 om-96 에의거한인장강도와신장률을측정하였다. 샘플의휨강성과내부결합강도는각각 Bending resistance tester(l&w Co., Sweden) 와 Scott internal bond tester(precision, USA) 로 T556 pm-95, T569 pm-00에의거하여측정하였다. 3. 결과및고찰 3.1 도공지의접힘터짐이미지분석에사용한터짐영역의이미지를 Fig. 1 에나타내었다. 이들은각각다섯개의샘플을한데모아나타낸것이다. 해당이미지는도공지를접지할때코팅층을바깥쪽에위치하도록한경우로, 본연구에서는이렇게발생한터짐을바깥쪽터짐이라명하였다. 왼쪽의이미지는스캔한이미지를재단한후에그레이스케일로변환한것으로음영을확인할수있어실제와유사한시각적정보를제공한다. 우측은크랙의넓이를계산하기위해바이너리이미지로전환된샘플의모습이다. 검정과흰색의두가지색으로만나타나기때문에실제모습과는거리가있으나이미지분석을위해서는필수적이다. 이로부터전체영역중에서흰 색부분이차지하는영역의넓이를백분율로얻을수있다. 8) 바깥쪽터짐은대체로실금의형태를나타내고있었다. 원지내에충전물함량이많아질수록크랙의너비가확장하는모습을보였다. 크랙의너비는매우중요한의미를갖는다. Fig. 1에서가장좌측에위치한회분함량 19.5% 샘플은처리된이미지에서흰영역, 즉터짐영역이발견되지만실제육안으로는확인할수없는수준이었다. 사람의눈에터짐이보이려면크랙의너비가일정수준을넘어야한다는것을알수있었다. 이미지분석을통해바이너리이미지에서크랙의넓이를백분율로계산하고평균치를나타내었다 (Fig. 2). 눈으로인지할수있는결과와마찬가지로회분함량증 Fig. 2. Cracked area of the coated paper as a function of the ash level in the base paper. (P=.003, One-Way ANOVA) Fig. 1. Gray scale and binary images of outer fold cracking of the coated paper containing different amounts of ash (19.5, 21.0, 23.5%) in the base paper. Fig. 3. Gray scale and binary images of the inner fold cracking for coated paper.

원지의충전물함량이도공지의접힘터짐에미치는영향 13 가에따라터짐면적이증가하는것을확인할수있다. 충전물함량이 19.5% 에서 21.0, 23.5% 로늘어날때크랙의넓이는각각 1.9배, 2.3배증가하였다. 분산분석을통해이들간의차이가통계적으로유의한수준임을밝힐수있었다 (P=.003). 이를통해원지의고충전화가최근빈번하게발생하는아트지의접힘터짐에영향을주는것으로판단할수있었다. 코팅층이안쪽에오도록접었을때발생한터짐현상은 Fig. 3에나타내었다. 이들안쪽터짐은 Fig. 1의바깥쪽터짐과비교하여터짐의정도가훨씬심함을알수있다. 바깥쪽터짐과비교하여크기가크고폭도매우넓었다. 도공층이바깥쪽으로접히는경우에는원래의길이보다인장력에의해신장되는정도만차이가발생하지만안쪽으로접히는경우에는곡률반경이 0 에접근하는상태로변형되기때문에도공층이단순한압축변형으로그치는것이아니라원지로부터분리되어떨어져나가기때문으로보인다. 이때문에안쪽터짐으로발생한크랙은매우랜덤한형태를나타내었다. 바깥쪽터짐이충전물함량과크랙면적이비례하는데반해, 안쪽터짐은그러한경향을나타내지않았다. 그러나크랙의형태가원지의충전물함량에따라변하는것을확인할수있다. 낮은회분함량에서불균일한형태의크랙이, 충전물함량이높을때는접지한선을따라굵은선을형성하며떨어져나가는경향을보였다. 이러한경향은이미지분석으로크랙의개수를셈 으로써수치화할수있었다. 연결된영역을하나의크랙으로보는방법으로개수를세었을때, 충전물함량이 23.5% 인경우에크랙의개수가가장적은것으로나타났다 (Fig. 4). 이는충전물함량이증가할수록연결된형태로안쪽터짐이발생한다는것을의미한다. 3.2 도공원지의물성현장에서는제품의벌크를유지하기위해캘린더압력을조절하고는있지만, 본실험에서는캘린더선압을일정하게유지했기때문에 Fig. 5에보이는것처럼충전물투입량변화에따른종이두께의변화가불가피하게발생하였다. 회분함량이 19.5% 에서 21% 와 23.5% 로증가하자두께는각각 1.5, 24% 감소하는결과를나타내었다. 종이를반으로접는과정에서바깥쪽에위치한부위는신장하게된다. 13) 종이가얇을수록 180 접었을때형성되는말단부위의곡률이커지기때문에변형이상대적으로크게발생하며, 늘어나야하는비율이증가함을의미한다. 따라서도공층의신장률이일정함을고려한다면, 얇은종이에코팅된도공층에인장응력이비교적크게작용하여터짐이더많이발생한것으로생각할수있다. 그러나현장에서발생하는접힘터짐의원인을두께감소에기인한다고할수는없는실정이다. 왜냐하면캘린더압력을조절함으로써두께를일정한수준으로유지할수있기때문이다. 그렇다면최근의접힘터짐이원지를구성하는섬유의밀도가변한데서오는것 Fig. 4. Number of cracks on the coated paper as a function of the ash level in the base paper. The cracks that occupy the top 95% of the total crack area were included in the counting. Fig. 5. Thickness of the base paper vs. ash content.

14 서동일오규덕이학래윤혜정펄프종이기술 47(2) 2015 Fig. 6. Tensile index of the base paper vs. ash content. Fig. 7. Strain at break of the base paper vs. ash content. 은아닌지의심해볼필요가있다. 그영향을알아보는실험이수행된다면문제해결의실마리를제공받을수있을것같다. 충전물함량증대에따른원지의인장강도와변형률의저하가관찰되었다. 이는섬유사이에위치한충전물이종이의강도를발현하는섬유간결합을방해한결과이다. 1) 기존에수행된한연구에서는원지의인장강도가상승하면인장응력이도공층에집중되어터짐이심화된다 11) 고보고했는데, 본연구에까지이와같은메커니즘이적용되지는않았다. 이실험에서는인장성능의저하와접힘터짐의증가가함께나타났다 (Figs. 2, 6, 7). 기존의연구에서전분계지력증강제를이용해인장 강도를상승시켰던것이터짐을악화시킨원인일수있다. 도공층을다룬기존의연구에따르면바인더로전분이많이투입된경우에도공층의신장률도좋지않을뿐더러접힘터짐도많이발생한다. 5) 이는전분이건조된후에뻣뻣한성질을갖는데서비롯된현상이다. 아직까지원지의휨강성과접힘터짐의상관관계를보고한연구는없다. 다만휨강성이낮아종이가유연하면접힘터짐이완화된다는가설이제기되고있기는하다. 본연구의결과에의하면충전물이많이함유되어휨강성이낮은샘플에서접힘터짐이많이일어났다 (Fig. 8). 그러나그렇다고해서휨강성과터짐사이에반비례하는관계가있다는것을확증하기위해서는더욱많은연구가필요하다. 회분함량이 19.5% 에서 21% 와 23.5% 로늘어나자내부결합강도는각각 20% 및 47% 감소하였다 (Fig. 9). 고평량지종의경우에는종이를다층으로구성하기도하는데, 접지할때원지내부에서층분리가일어나면서응력을다수흡수해접힘터짐을완화시킨다는보고가있다. 10) 이러한결과는내부결합강도가낮으면터짐을완화시킬수있다는것을의미하지만 Fig. 9의결과는그것이항상사실이라고는할수는없다는것을보여주고있다. Fig. 9는단일구조였던본실험의도공지는원지의내부결합강도가낮아진다고해서터짐이적게발생하지는않음을보여준다. 지금까지의결과로미루어볼때원지강도와접힘터짐의직접적인상관관계를찾거나, 종이강도를증가시키거나감소시켜서터짐을완화하려는시도는본 Fig. 8. Bending stiffness of the base paper vs. ash content.

원지의충전물함량이도공지의접힘터짐에미치는영향 15 사사 본연구는 2013년도산업통상자원부의재원으로한국에너지기술평가원 (KETEP) 의지원을받아수행한연구과제입니다. (No.2013201010211B) Literature cited Fig. 9. Internal bonding strength (Scott bond energy) of the base paper vs. ash content. 질에서어긋난접근방법일가능성이높다. 원지의기계적성질에서해답을찾기보다는원지와도공층을구성하는성분이나구조를변화시킴으로써접힘터짐의 6,10) 해결책을찾는것이적절한접근방법일것으로판 단된다. 4. 결론 본연구에서는충전물함량과접힘터짐의상관관계를조사하였고, 도공원지의충전물함량이증가할때도공지의접힘터짐이심화되는현상을확인하였다. 접지할때도공층이바깥쪽에위치하는경우에충전물함량이늘어남에따라터짐면적이증가하였다. 그러나접지시코팅층이안쪽에위치하는안쪽터짐의경우에충전물함량과터짐면적사이에는유의한상관관계가없었다. 다만, 충전물함량에따라터짐부위의모양이변했는데, 충전물함량이늘어날수록접지된선을따라선명한띠를형성하며도공층이파괴되었다. 도공액의조성은모두동일했기때문에터짐정도의변화는원지에서기인한것으로여겨진다. 회분함량의증가로도공원지의두께가감소한것이말단의곡률을크게만들어터짐을심화시킨주요원인으로판단되었다. 하지만원지의신장률감소역시접힘터짐에영향을미치는것으로판단된다. 원지의내부결합강도가낮을수록접힘터짐이감소하는경향은단층지를활용할경우에는확인되지않았다. 1. Seo, D., Im, W.H., Youn, H.J., and Lee, H.L., The effects of process variables for GCC pre-flocculation on floc and handsheet properties, NPPRJ 27(2):382-387 (2012). 2. Babier, C., Larsson, P.L., and Östlund, S.,Experimental investigation of damage at folding of coated paper, NPPRJ 17(1):34-38 (2002). 3. Oh, K.D., Sim, K., Lee, H.L., Youn, H.J., Han, C.S., Yeu, S.U., and Lee, Y.M., Effect of GCC and clay on the characteristic of fold cracking of coated paper, Proceeding of fall conference of the Korea TAPPI p.47 (2013). 4. Oh, K.D., Lee, H.L., Sim, K., Youn, H.J., Han, C.S., Yeu, S.U., and Lee, Y.M., Influence of coat weight ratio in double coating on fold crack of coated paper, Proceeding of spring conference of the Korea TAPPI pp.411-421 (2012). 5. Oh, K.D., Lee, H.L., Sim, K., Youn, H.J., Han, C.S., Yeu, S.U., and Lee, Y.M., Evaluation of the fold cracking patterns of coated papers with binder conditions, Proceeding of fall conference of the Korea TAPPI pp.103-109 (2012). 6. Sim, K., Youn, H.J., Oh, K.D., Lee, H.L., Han, C.S., and Lee, Y.M., Fold cracking of coated paper: The effect of pulp fiber composition and beating, NPPRJ 27(2):445-450 (2012). 7. Pál, M., Novaković, D., Pavlović, Ž., and Dedijer, S, Influence of the scanning resolution on image segmentation accuracy for an objective fold cracking evaluation, Conference proceedings of 6th symposium on graphic arts pp.138-143 (2013). 8. Yang, A., Xie, Y., and Renjung, W., From theory to practice: improving the fold crack resistance of industrially produced triple coated paper, TAPPI Paper

16 서동일오규덕이학래윤혜정펄프종이기술 47(2) 2015 Con Conf., Covington, KY, USA, May 1-4, 1845-1858 (2011). 9. Sim, K., Youn, H.J., Oh, K.D., and Lee, H.L., Fold cracking of coated paper depending on grammage and pulp mixing ration of base, Proceeding of fall conference of the Korea TAPPI pp.237-243 (2012). 10. Sim, K., Youn, H.J., Oh, K.D., Lee, H.L., Lee, H., and Yeu, S.U., Fold cracking of coated board depending layer composition, Proceeding of spring conference of the Korea TAPPI p.46 (2013). 11. Sim, K., Youn, H.J., Oh, K.D., Lee, H.L., Han, C.S., Yeu, S.U., and Lee, Y.M., Relationship between the mechanical strength of base paper and the fold cracking of coated paper, Proceeding of spring conference of the Korea TAPPI pp.125-134 (2012). 12. Oh, K.D., Lee, H.L., and Youn, H.J., Effect of folding direction on fold cracking of coated paper, Proceeding of spring conference of the Korea TAPPI p.21 (2014). 13. Barbier, C., Folding of paper a literature survey, Dept. of Solid Mechanics, Stockholm, Sweden, Report 259, KTH, (1999).