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ISSN : 1225-0562(Print)
ISSN : 2287-7258(Online)
Korean Journal of Materials Research Vol.29 No.10 pp.631-638
DOI : https://doi.org/10.3740/MRSK.2019.29.10.631

Printability of Thermally and Chemically Stable Silica-Titanium Dioxide Composite Coating Layer

Hye Jin Kim1,2, Kyu Sung Han1, Kwang Taek Hwang1, Sahn Nahm2, Jin Ho Kim1
1Ceramic ware Center, Korea Institute of Ceramic Engineering and Technology, Icheon 17303, Republic of Korea
2Department of Material Science and Engineering, Korea University, Seoul 02841, Republic of Korea
Corresponding author E-Mail : (J. H. Kim, KICET)
August 5, 2019 September 10, 2019 September 18, 2019

Abstract


As automation systems become more common, there is growing interest in functional labeling systems using organic and inorganic hybrid materials. Especially, the demand for thermally and chemically stable labeling paper that can be used in a high temperature environment above 300 °C and a strong acid and base atmosphere is increasing. In this study, a composite coating solution for the development of labeling paper with excellent thermal and chemical stability is prepared by mixing a silica inorganic binder and titanium dioxide. The silica inorganic binder is synthesized using a sol-gel process and mixed with titanium dioxide to improve whiteness at high-temperature. Adhesion between the polyimide substrate and the coating layer is secured and the surface properties of the coating layer, including the thermal and chemical stability, are investigated in detail. The effects of the coating solution dispersion on the surface properties of the coating layer are also analyzed. Finally, it is confirmed that the developed functional labeling paper showed excellent printability.



실리카–이산화티탄 복합 코팅층의 열적, 화학적 안정성 및 인쇄적성 평가

김 혜진1,2, 한 규성1, 황 광택1, 남 산2, 김 진호1
1한국세라믹기술원 도자융합기술센터
2고려대학교 신소재공학과

초록


    © Materials Research Society of Korea. All rights reserved.

    This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

    1.서 론

    실리카(SiO2)는 지각 중에 가장 많이 존재하는 성분으 로, 이온 배열이 규칙적이고 이를 이용한 표면처리 방 법이 비교적 쉬우며 다공성 물질이라는 장점 때문에 흡 착제, 흡수제, 촉매의 담체 등에 널리 사용되고 있다.1) 또한 실리카는 졸-겔(sol-gel) 공정을 통한 유무기 하이 브리드 재료로도 사용된다. 유무기 하이브리드 재료는 용 액 상태에서 제조되어 용액에 다양한 실란 화합물의 적 용이 가능하다는 특징이 있으며, 무기물이 갖는 우수한 기계적 강도와 유기물이 갖는 유연성, 성형성 등의 장 점을 동시에 가질 수 있다.2) 오늘날 정보화 사회에서 고 속화와 자동화 시스템이 일반화 되면서 제품의 이력 관 리를 위해 이러한 유무기 하이브리드 재료를 사용하는 기능성 라벨지(label)에 대한 관심이 증가하고 있다. 그 중에서도 PCB회로기판, TV브라운관 등 300 °C 이상의 온도가 발생하는 제조 공정에서 사용할 수 있는 바코드 프린팅용 고온 라벨지에 관한 관심이 증가하고 있다.3-5)

    고온 라벨지 개발을 위해서는 기재(substrate)와 결합성 을 가지며, 열적, 화학적 안정성을 갖춘 무기 바인더 개발 이 필수이다. 바인더는 라벨지의 기재와 코팅층을 결합시 켜주는 역할을 하며, 내열(heat-resistant) 및 내식(corrosionresistant) 특성을 갖는 무기 바인더가 사용될 수 있다.6) Ryu와 Yang 등은 규산나트륨 수용액과 콜로이달 실리카 를 코팅액의 기재에 대한 바인더로 사용하여 우수한 열 적 특성과 수분 환경에서의 내구성 등에 대하여 보고하 였다.7,8) 또한 Kang등은 PCB용 바코드 라벨지 개발에 있 어서 고온안정성과 화학안정성이 우수한 고온용 실리카 계 무기 바인더를 개발에 대하여 보고하였다.9) 이와 같 이 실리카계 무기 바인더를 적용하여 우수한 결과를 보 여주는 연구가 많이 보고되고 있다.10-13)

    본 연구에서는 폴리이미드(polyimide) 필름에 접착성이 우수하고 열적, 화학적 안정성을 갖춘 실리카 무기 바 인더 및 이를 이용한 고온 라벨지를 개발하고자 한다. 고온 라벨지의 기재로 사용되는 폴리이미드 필름은 열 적?화학적 안정성은 우수하지만, 고유의 갈색(brown) 컬 러로 인하여 바코드 인쇄를 위한 백색의 표면 코팅층 이 필요하다. 이산화티탄은 고온용 무기 백색 안료이며 화학적 성질이 안정하고 무독하다. 또한 산, 알칼리에 대 한 저항성이 강하고 착색력, 은폐력이 가장 크기 때문 에 백색 안료들 중에 가장 많이 사용된다.14-15) 졸-겔 공 정으로 제조한 실리카 무기 바인더에 이산화티탄을 혼 합하는 방식으로 코팅액을 제조하였다. 또한, 코팅액의 분산제(dispersant) 첨가량에 따른 분산안정성(dispersion stability) 및 분산제가 최종 코팅층에 미치는 영향에 대 해 확인하였다. 또한, 코팅층의 밀착성(adhesion), 백색도 (whiteness) 및 광택도(glossiness)를 측정하였고, 300°C 이상의 고온 환경 및 강산과 강염기 조건의 환경 하에 서 고온용 복합 코팅층의 특성 변화에 대하여 확인하였 다. 최종적으로 고온 라벨지의 인쇄성을 보기 위해 인 쇄적성(printability) 평가를 진행하였다.

    2. 실험방법

    Fig. 2는 SiO2– TiO2 복합 코팅층 제조 공정을 나타 낸다. 고온 라벨지용 실리카 무기 바인더는 실록산(Si-OSi) 구조의 금속 알콕사이드 전구체를 사용하였고 졸-겔 방법을 이용하여 제조하였다. 실리카 출발 물질인 TEOS (tetraethyl orthosilicate, 98 %, Aldrich) 2.5 ml를 에탄올 (ethanol) 15 ml와 증류수(H2O) 15 ml에 교반 후 촉매 물질로 질산(HNO3, 65 %)을 첨가하였다. 질산 첨가를 통 한 가수분해 과정에서 용액은 70 °C 조건에서 120분동 안 저속으로 교반 후 상온에서 숙성 과정을 진행하였으 며, 실리카 무기 바인더 코팅층의 내마모성 향상을 위 하여 알루미늄 알콕사이드(aluminum isopropoxide, 98%, Aldrich)를 0.1 g 추가하였다.9) 백색 안료인 이산화티탄 (㈜유신라이텍)의 정보는 Table 1에 기재하였으며, 결정 구조는 Fig. 1에서 확인할 수 있다. 평균 입경 230 nm 에 루타일(rutile) 결정구조의 분말을 사용하였다. 이산화 티탄을 실리카 무기 바인더 코팅액 중량의 20, 30, 40, 50 % 비율로 추가한 후 24시간 혼합하여 복합 코팅액 (실리카 무기 바인더 + 이산화티탄)을 제조하였다. 이후에 폴리이미드 필름 위에서 코팅층의 열경화 특성 부여를 위하여 경화제로서 트리에틸아민(triethylamine, 98%)을 코팅액 대비 5 wt% 첨가하였다. 또한, 코팅층의 분산성 을 위해 분산제(Darvan, PHYSICAL PROPERTIES)를 이산화티탄 중량 대비 1, 5, 10, 15 % 첨가하였다. 코팅 층 제조는 바코터(bar coater)를 부착하여 코팅하는 반자 동 도공장치(KP-3000VH, 기배이앤티)를 사용하였으며, 바 코터는 No. 24를 이용하여 폴리이미드 필름 위에 코팅 공정을 진행하였다. 코팅액을 70 mm/s의 속도로 편면 도 포한 후, 오븐에서 150 °C, 30분 동안 건조 및 열경화 과정을 진행 하였다.

    기재인 폴리이미드 필름과 복합 코팅층의 접착성 평가 는 ASTM D3359 규격 기준으로 밀착성 정도를 측정하 였으며, 접착 특성에 따라 5B(0 % 제거)에서 0B(65 % 이상 제거)로 정량화된다. 코팅층의 표면 성분 분포는 FE-SEM(S-4700, Hitachi)의 EDX(energy dispersive xray spectroscope) Mapping 방식으로서 확인하였고, 코팅 층의 표면 거칠기(surface roughness)는 3D 레이저 현미 경(OLS40-SU, OLYMPUS)을 이용하여 측정하였다. 코팅 액의 분산 안정성은 Turbiscan(Turbiscan Lab, Leanontech) 으로 측정하여 평가 하였다. 근적외선 광원(880 nm)을 이용하여 글라스 재질의 튜브에 담긴 샘플을 수직으로 5 시간 동안 5분 주기로 측정하였다. 코팅층의 고온 안 정성은 설정 온도(200 ~ 500 °C)에 도달한 오븐에 장입 하여 30분간 유지한 후 백색도와 광택도 변화를 측정 하여 평가하였다. 그리고 화학 안정성은 인쇄회로기판 제 조 공정에 세정제로 사용되는 HVF cleaner(pH 13.6)와 Circuposit conditioner(pH 1.6)를 사용하여 20 cc 용액에서 복합 코팅층 시편(1 cm × 1 cm)을 1분간 유지한 후 백색 도와 광택도의 변화를 측정하여 평가하였다. 실리카 무 기 바인더와 이산화티탄 복합 코팅층의 백색도는 휴대 용 백색도 측정기(ME-WSB-1)로 관찰하였으며, 광택도는 광택도 측정기(Rivers Park II 9104, BYK Gardner)를 이용하여 GU 60° 기준에서 측정하였다. 복합 코팅층의 인쇄 적성 평가는 고온 사용이 가능하고 ㈜대한잉크에 서 제조한 베젤(bezel)용 흑색잉크를 사용하였고 그라비 어 인쇄적성 시험기(CG1, IGT testing system)를 이용하 여 평가하였다.

    3. 결과 및 고찰

    Fig. 3은 이산화티탄 첨가량에 따른 실리카 무기 바인 더 복합 코팅층 표면의 (a)백색도(whiteness)와 (b)표면 거칠기(surface roughness) 변화를 나타낸다. 이산화티탄 첨가량 최적화는 코팅층의 백색도, 기재 은폐력 및 기 재와 코팅층의 밀착성을 고려하여야 한다. 코팅액 중량 대비 이산화티탄 첨가량이 20 wt%인 경우에는 폴리이미 드 필름의 갈색이 보이는 것을 확인 할 수 있으며, 이 는 은폐(hiding)가 충분히 이루어지지 않음을 알 수 있 다. 반면에 이산화티탄 첨가량이 30 wt% 이상인 경우부 터 폴리이미드 필름이 백색으로 완전히 코팅되어 갈색 이 보이지 않았으며 육안상으로는 첨가량 40 wt%, 50 wt%인 경우에도 큰 차이를 발견할 수 없었다. 이산화티 탄 첨가량이 20 wt%에서 코팅층의 백색도는 64.1이며, 30 wt%에서는 88.2로 크게 증가하였다. 이러한 결과는 이 산화티탄 20 wt% 조건에서 폴리이미드 필름의 은폐가 충 분히 이루어지지 않았기 때문이다. 또한 40 wt% 이상의 첨가량에서는 백색도 값의 변화가 거의 없었으며, 이는 이산화티탄 첨가량이 30 wt% 이상인 경우에 폴리이미드 필름 기재의 은폐 효과가 충분히 발현된다는 것을 보여 주고 있다. 복합 코팅층의 광택도 및 마찰, 내마모성 등 의 성능에 영향을 미치는 표면 거칠기를 확인하기 위해 3D 레이저 현미경을 통하여 측정하였다.9) 이산화티탄 첨 가량이 20 wt%에서 거칠기 값(Ra)이 0.106 μm에서 30 wt% 첨가시에는 0.128 μm으로 증가하였으며 이산화티탄 40 wt%인 경우 0.203 μm에서 이산화티탄 50 wt%로 증 가할 경우 0.311 μm로 증가하였다. 또한 3D 이미지에서 도 이산화티탄 함량이 증가할수록 거칠기 정도가 변화 하는 것을 볼 수 있으며 이를 통해 복합 코팅층의 표 면 거칠기는 이산화티탄 농도가 증가할수록 거칠기 정 도가 증가하는 것을 확인할 수 있다. 특히 이산화티탄 첨가량 40 wt% 이상에서 표면 거칠기가 크게 증가하고, 코팅 균일성이 크게 저하되는 것을 확인할 수 있다. 이 상의 결과로부터 이산화티탄 첨가량은 상대적으로 백색 도가 우수하고 표면 거칠기 값이 낮은 코팅액 중량 대 비 30 wt%로 최적화 하였다.

    Fig. 4는 분산제 첨가량에 따른 코팅액의 분산 안정성 변화를 보여주고 있다. 분산제는 일반적으로 수계 슬러 리에 가장 많이 사용되는 darvan을 사용하였다.16) 코팅액 의 분산성 향상 및 복합 코팅층의 균일성 확보를 위해 분산제를 첨가하였으며, 분산제는 이산화티탄 중량 대비 1 wt%, 5 wt%, 10wt%, 15wt%를 첨가하였다. 시료를 Turbiscan 기기에 삽입하고 설정 온도 45 °C에 도달하 는 시간을 고려하여 30분 후부터 측정을 시작하였다. 최 초 측정 시작 시간을 기준으로 5시간동안 5분 주기로 측정하였다. Turbiscan은 파장이 880 nm인 근적외선(near infrared)을 광원으로 사용하며 분석 시 측정셀의 아래쪽 부터 위쪽으로 움직이면서 매 40 간격으로 pulsed NIR 을 조사하며 시료 전체 높이(55 mm)를 스캐닝한다. Fig. 4(a)는 분산제 첨가량에 따른 침전 및 응집 현상에 의 한 분산 안정성의 변화를 종합적으로 평가하기 위해 Turbiscan stability index(TSI)를 보여주고 있다. TSI는 아래의 식 (1)에서 보듯이 시료 높이(H)에서 시간에 따 라 측정된 각 profile간의 거리(di)로써 Scani에서 Scani-1 간의 차이를 모두 더해 절대값으로 나타내었다.

    d i = h | scan i ( h ) -scan i-1 ( h ) | H
    (1)

    TSI지수는 항상 양(+)의 방향으로 증가하며 TSI 값이 커질수록 분산 안정성이 나빠진다는 것을 의미한다.17) 분 산제 첨가량을 10 wt%까지 증가하는 경우, 분산제를 첨 가하지 않았을 경우 보다 확연하게 분산 안정성이 향 상되고 있는 것을 확인할 수 있다. 그러나 분산제를 15 wt% 첨가하였을 경우에는 이산화티탄의 재응집 현상으 로 인하여 분산제를 첨가하지 않았을 경우보다 오히려 분산 안정성이 감소한 것을 확인할 수 있다. 따라서 분 산제 첨가량은 이산화티탄 대비 10 wt%를 최적의 첨가 량으로 선정하였다. Fig. 4(b)와 Fig. 4(c)는 복합코팅액 의 분산제 무첨가(0 wt%)와 30 wt% 첨가 조건에서의 후 방 산란(backscattering) 측정 결과이다. 후방 산란 값 측 정의 경우 높이에 따른 입자의 거동을 관찰하기 위하여 측정 셀을 임의적으로 상층(35-43 mm), 중간(15-25 mm), 하층부(0-5 mm)로 나누어 시료 내부 변화를 분석하였다. X축은 모두 측정 셀의 높이(mm)를 의미하며, Y축은 시 료의 분산 상태에 따른 backscattering(%)을 의미한다. Fig. 4(b) 결과에서 분산제 무첨가시 시료 상층부부터 후 방 산란 값이 증가하거나 감소하는 변화가 많으며 하층 부에서도 안정되지 않고 계속하여 침전 중에 응집하는 변화를 보이는 것으로 사료된다. 반면에 Fig. 4(c)의 분 산제 10 wt% 첨가 결과에서는 시료 중간부 에서 후방 산란 값이 증가하거나 감소하는 변화 없는 것으로 보여 전체적으로 입자들이 침전은 하지만 침전 중에 응집은 일어나지 않는 것으로 나타났다. 따라서 10 wt%의 분산 제를 첨가하였을 경우 분산제를 첨가하지 않았을 경우 보다 분산 안정성이 향상된 것을 확인 할 수 있다.

    Fig. 5는 분산제 첨가량에 따른 복합 코팅층의 표면 관 찰 결과이다. Fig. 5(a)의 분산제 무첨가(0 wt%) 조건에 서 코팅액의 이산화티탄 분산이 제대로 되지 않아 수많 은 응집 및 기포 현상이 표면에서 관찰되었다. 분산제 첨가량 1 wt%와 5 wt% 조건에서는 코팅층 표면에서 기 포는 줄어들었지만 여전히 분산이 제대로 되지 않음을 볼 수 있다. 반면에 Fig. 5(d)의 분산제를 10 wt% 첨가 조건에서에는 코팅층 표면에서 응집과 기포 부위가 관 찰 되지 않았으며 분산이 가장 잘 되었음을 알 수 있 다. 그러나, 분산제 첨가량이 15 wt%로 증가시 복합 코 팅층 표면의 응집과 기포가 재 관찰되면서 분산성이 다 시 감소하였음을 볼 수 있다. 이러한 결과는 앞서 Fig. 4(a)의 TSI 지수 분석 결과에서 코팅액의 분산 안정성 변화 거동과 일치하는 것을 알 수 있다.

    Fig. 6은 분산제 여부에 따른 복합 코팅층의 표면 성분 을 FE-SEM(field emission scanning electron microscope) 의 EDX(energy dispersive x-ray spectroscopy) Mapping 방식으로 분석한 결과이다. Fig. 6(a), (b)는 분산제 무 첨가(0 wt%) 조건에서의 각각 Si, Ti의 Mapping 결과를 나타낸다. Mapping에서는 흰색으로서 성분 분포를 나타 내는데, Fig. 6(b)을 보면 Ti가 골고루 분산되어 있지 않 고 부분적으로 응집되어 있는 것을 확인 할 수 있다. Fig. 6(c), (d)는 분산제 10 wt% 첨가시 각각 Si, Ti의 Mapping 결과를 나타낸다. Fig. 6(d)에서 Ti는 Fig. 6 (b)와 비교하였을 때 코팅층 표면에 전체적으로 균일하 게 분포되어 있는 것을 관찰 할 수 있다. 따라서 일정 량의 분산제를 첨가함으로써 복합 코팅층의 분산성이 향 상 되었다는 것을 확인 할 수 있다. 이상의 결과로부터 분산제 첨가가 실리카 무기 바인더 내에서 이산화티탄 의 분산에 영향을 주어 최종적으로 복합 코팅층의 표면 특성을 변화 시키는 것을 알 수 있다.

    Fig. 7은 이산화티탄 30 wt%와 이산화티탄 대비 분산 제 10 wt%의 코팅액으로 폴리이미드 필름에 코팅한 SiO2 – TiO2 복합 코팅층을 보여주고 있다. Fig. 7(a)는 폴리 이미드 필름에 코팅된 복합 코팅층을 20 × 20 cm 면적으 로 전면 코팅한 사진이며 Fig. 7(b)는 복합 코팅층의 표 면을 FE-SEM을 이용하여 30,000배에서 관찰한 사진이 다. Fig. 7(c)는 복합 코팅층의 단면을 광학 현미경(optical microscope)을 이용하여 관찰한 결과이다. Fig. 7(a)에서 복합 코팅층은 폴리이미드 필름 위에 균일하게 코팅된 것을 확인할 수 있으며, 이는 Fig. 7(b)에서도 복합 코 팅층이 필름 위에 전체적으로 고르게 퍼져있는 것을 확 인 할 수 있다. Fig. 7(c)에서 복합 코팅층의 평균 두께는 13 μm 임을 알 수 있다. 코팅 공정에 사용된 코팅 바 (coating bar)는 No. 24(54.8 μm)를 사용하였으며, 따라서 기재 표면에서 건조 및 경화에 따른 최종 복합 코팅층 은 최초 두께의 25 %로 감소하는 것을 알 수 있다. 일 반적으로 코팅층이 건조 과정에서 최초 두께의 50 % 감 소되는 현상과 비교 시 실리카 무기 바인더와 이산화티 탄 복합 코팅층은 건조 및 경화 과정을 통하여 폴리이 미드 필름 위에서 매우 견고한 구조로 코팅 되었음을 보 여주고 있다. 또한 복합 코팅층의 접착 특성 평가(ASTM D3359) 결과 5B(0 % 제거)를 나타내며, 이는 코팅층과 기재의 우수한 밀착성을 확인하였다.

    Fig. 8은 폴리이미드 필름에 코팅된 복합 코팅층의 고 온 안정성 및 화학 안정성 평가 결과이다. Fig. 8(a)는 고온 안정성 평가로서 온도 변화에 따른 복합 코팅층의 백색도 값(L*)과 광택도 값(Gu, 60º)의 변화를 관찰하였 으며, 실험 조건은 각 설정 온도의 오븐에 코팅지를 장 입하고 30분간 유지한 이후에 변화를 측정하였다. 결과 에서 복합 코팅층의 백색도는 상온에서 88.2이며, 400 °C 에서는 88.9로 측정되어 온도 증가에 따른 백색도의 변 화는 없는 것으로 확인되었다. 500 °C 조건에서도 복합 코팅층의 백색도는 89.1로 유지되는 것이 확인되었으나, 폴리이미드 필름 기재가 500 °C에서는 견디지 못하여 더 이상의 고온 실험은 진행되지 않았다. 복합 코팅층의 백 색도는 300 °C 이상에서도 감소하지 않는 우수한 물성 을 보이는 것을 확인하였다. 또한, 온도에 따른 복합 코 팅층의 광택도 변화를 보여주고 있으며, 광택도는 상온 14.0에서 400 °C에서 14.2으로 변화가 관찰되지 않았다. 이러한 결과는 개발한 복합 코팅층이 매우 우수한 고온 안정성을 갖고 있음을 보여주고 있다. Fig. 8(b)는 복합 코팅층의 화학 안정성 평가 결과를 보여주고 있다. 평 가는 인쇄회로기판(Rigid PCB) 제작 과정에서 실제 사 용하는 화학물질을 사용하였으며, pH 1.6인 강산성 용 액, pH 13.6인 강염기성 용액으로 측정되었다. 복합 코 팅층의 백색도는 강산성 용액(88.2→ 88.4)과 강염기성 용 액(88.2→ 88.6) 모두에서 변화가 관찰되지 않았다. 또한 광택도 평가 결과에서도 복합 코팅층은 강산성 용액(14.0 → 13.9)과 염기성 용액(14.0→ 14.4)에서 우수한 결과를 보여주고 있다. 이상의 결과로부터 졸-겔 공정으로 제조 한 실리카 무기 바인더와 이산화티탄을 혼합한 복합 코 팅층은 폴리이미드 필름에서 우수한 밀착성과 열적?화학 적 안정성을 갖는 것으로 확인되었다. 특히 고온 안정 성 평가에서는 500 °C까지도 백색도와 광택도의 변화가 없이 우수한 물성을 보이는 것을 확인하였다.

    Fig. 9는 최적화 코팅액(TiO2 30 wt%, dispersant 10 wt%)으로 폴리이미드 필름에 제조한 SiO2– TiO2 복합 코 팅층의 인쇄적성 평가 결과이다. 평가는 그라비어(gravature) 인쇄적성 시험기를 사용해 복합 코팅층의 인쇄된 시편 의 일정한 망점 빠짐(missing dot)이 일어난 거리를 측 정하였다. Fig. 9(a)는 전체 중량 대비 이산화티탄 함량 에 따른 그래프 이며 이산화티탄 함량이 낮을수록 망점 빠짐이 일어난 거리가 증가하는, 즉 인쇄적성이 향상되 는 것을 확인 할 수 있다. 인쇄 소재의 거칠기와 평활 도는 그라비어 인쇄에 큰 영향을 미치므로18) 거칠기 값 이 가장 낮았던 이산화티탄 30 wt%의 인쇄성이 우수한 결과를 나타내고 있으며, 이러한 결과는 Fig. 3의 결과 와 일치하는 것을 알 수 있다. Fig. 9(b)는 이산화티탄 대비 분산제 함량에 따른 그래프 이며 분산제가 5 wt% 에서 10 wt%로 증가함에 따라 망점 빠짐이 일어난 거 리도 증가하였다. 반면에 분산제가 10 wt%에서 15 wt% 로 증가하였을 경우에는 망점 빠짐이 급격히 빠르게 진 행된 것을 확인 할 수 있다. 따라서 분산제가 10 wt% 인 경우에 우수한 인쇄적성을 나타내며 이러한 결과는 Fig. 5 결과와 일치하는 것을 알 수 있다.

    4.결 론

    300 °C 이상에서 열적, 화학적 안정성이 우수한 고온 라벨지 개발을 진행하였다. 폴리이미드 필름 기재와 코 팅층이 고온에서도 우수한 밀착성을 갖추어야 하기 때 문에 졸-겔 공정을 통하여 실리카 무기 바인더를 제조 하여 사용하였으며, 바코드 인쇄를 위한 백색 코팅층을 위해 이산화티탄을 무기안료를 혼합하였다. 복합 코팅액 (실리카 무기 바인더+이산화티탄)은 백색도와 표면 거칠 기 평가를 통해 이산화티탄 첨가량을 최적화 하였으며, 백색도 값이 우수하고 표면 거칠기 값이 가장 낮은 전 체 중량 대비 30 wt%를 사용하였다. 또한 복합 코팅층 표면의 분산성 향상을 위해 일정량의 분산제를 첨가하 였고 분산 안정성 및 표면 관찰 결과 분산제는 이산화 티탄 대비 10 wt%를 첨가하였을 때 가장 분산성이 향 상되었음을 확인하였다. 고온 안정성 평가 결과 400 °C 까지 백색도와 광택도의 큰 변화가 발견되지 않았다. 화 학 안정성 평가인 강산성(pH 1.6), 강염기성(pH 13.6) 세 정제 처리 후에 도 백색도와 광택도 모두 큰 변화가 발 견되지 않았으며 우수한 고온안정성과 화학적 안정성을 갖는 것을 확인하였다. 최종적으로 그라비어 인쇄적성 평 가 결과 최적화 코팅액(TiO2 30 wt%, dispersant 10 wt%) 조건에서 망점 빠짐이 일어난 거리가 가장 길었고 따라 서 고온 라벨지의 우수한 인쇄적성을 확인하였다. 이러 한 결과로부터 실리카 무기 바인더와 이산화티탄을 혼 합한 복합 코팅액을 개발하였고, 폴리이미드 필름에 우 수한 밀착성과 백색도 및 광택도에 대해 열적, 화학적 안정성과 고온 잉크에서도 우수한 인쇄적성을 갖추고 있 음을 확인하였다.

    Figure

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    X-ray diffraction pattern of TiO2 powders used in this study

    MRSK-29-10-631_F2.gif

    Coating process of SiO2 – TiO2 complex coating solution.

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    Effect of TiO2 contents to (a) whiteness and (b) surface roughness of SiO2-TiO2 complex coating layer.

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    Dispersion stability of SiO2 – TiO2 complex coating solution according to dispersant contents: (a) Turbiscan stability index, (b) Backscattering (dispersant : 0 wt%), (c) Backscattering (dispersant : 10wt%).

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    Surface images of SiO2 – TiO2 complex coating layer according to dispersant contents: (a) 0 %, (b) 1 wt%, (c) 5 wt%, (d) 10 wt%, (e) 15 wt%.

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    Elemental mapping of SiO2-TiO2 complex coating surface: (a) Si (dispersant : 0 wt%), (b) Ti (dispersant : 0 wt%), (c) Si (dispersant : 10 wt%), and (d) Ti (dispersant : 10 wt%).

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    (a) Surface image, (b) SEM image and (c) cross-section optical image of SiO2 – TiO2 complex coating layer. (TiO2 30 wt%, dispersant 10 wt%)

    MRSK-29-10-631_F8.gif

    (a) Thermal and (b) chemical stability of SiO2-TiO2 complex coating layer (TiO2 30 wt%, dispersant 10 wt%).

    MRSK-29-10-631_F9.gif

    Effect of (a) TiO2 contents and (b) dispersant contents to printability of SiO2 – TiO2 complex coating layer.

    Table

    Physical properties of TiO2 powders used in this study.

    Reference

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