3D 플라스틱 싱글 패스 UV LED 잉크젯 인쇄: 잉크 화학과 폴리머 표면

3D 플라스틱 싱글 패스 UV LED 잉크젯 인쇄: 잉크 화학과 폴리머 표면

산업용 잉크젯 인쇄는 패드, 스크린, 플렉소/그라비어 인쇄 같은 기존 아날로그 공정이 전통적으로 담당해 온 장식 분야에 큰 영향을 주고 있습니다. 잉크젯 기술은 연속식 단색 용제 잉크에서 드롭 온 디맨드 풀 컬러로, 이진(binary)에서 그레이스케일로, 수은 증기 램프에서 UV LED 경화로, 스캐닝 평판 프린터에서 360° 회전식으로 발전해 왔습니다. 새로운 영역은 독성 및 생체적합성 인증을 받은 신규 잉크를 사용한 3D 플라스틱 제품 대상의 싱글 패스 UV LED 컬러 인쇄입니다. 싱글 패스는 스캐닝보다 빠르고 비용 생산성이 높지만, 기술이 더 복잡하고 정밀한 엔지니어링이 필요합니다. 여기에 저표면에너지 폴리머에서 잉크 접착이 본질적으로 어렵다는 점까지 더해집니다. 잉크 점도와 표면 젖음을 판단하기 위해 동적 접촉각을 살펴봅니다.

핵심 요약

• 싱글 패스는 스캐닝보다 빠르고 비용 생산성이 높지만, 엔지니어링이 훨씬 복잡합니다.
• 스캐닝은 오류를 가려 줍니다. 여러 번의 패스가 누락되거나 위치가 어긋난 도트를 가리지만, 싱글 패스에는 그런 여유가 없습니다.
• 잉크 선정이 가장 중요한 단일 결정입니다. 프린트헤드 종류, 경화 파라미터, 전처리 필요 여부를 결정합니다.
• 색 번짐은 싱글 패스의 위험 요소입니다. 많은 잉크 양이 한 번의 패스로 도포되기 때문입니다.
• 저점도, 저표면장력 잉크는 비극성이어서 자연스럽게 젖지 않는 폴리올레핀, 나일론, TPE/고무에서 어려움을 겪습니다.

스캐닝 인쇄와 싱글 패스 인쇄 비교

잉크젯 프린터는 잉크를 한 번 또는 여러 번의 패스로 도포하여 인쇄합니다. 프린트헤드가 대상물 위를 움직이거나, 대상물이 고정된 프린트헤드 또는 프린트헤드 어레이 아래를 움직입니다. 스캐닝, 즉 멀티 패스 인쇄는 프린터가 기재를 완전히 덮고 필요한 디테일을 구현하기 위해 기재 위를 여러 번 지나간다는 뜻입니다.

스캐닝의 장점은 누락되거나 위치가 어긋난 도트 같은 인쇄 오류가 덜 눈에 띈다는 것입니다. 단점은 완전한 잉크 도포를 위해 같은 영역을 여러 번 지나가야 하므로 느리다는 점입니다. 싱글 패스 인쇄에서는 프린트헤드가 이송 시스템 위에서 움직이는 기재(또는 웹)에 직접 인쇄합니다. 싱글 패스의 큰 장점은 더 높은 속도와 생산성 향상입니다.

자주 묻는 질문

스캐닝 잉크젯과 싱글 패스 잉크젯의 차이는 무엇입니까?

스캐닝, 즉 멀티 패스 방식에서는 프린터가 완전한 도포와 디테일을 얻기 위해 기재 위를 여러 번 지나갑니다. 싱글 패스 방식에서는 프린트헤드가 움직이는 대상물에 한 번의 패스로 직접 인쇄합니다. 스캐닝은 느리지만 오류에 관대하고, 싱글 패스는 더 빠르고 생산성이 높지만 오류 허용도가 훨씬 낮습니다.

싱글 패스 인쇄는 왜 제대로 구현하기가 더 어렵습니까?

실수를 덮어 줄 두 번째 패스가 없기 때문입니다. 누락되거나 어긋난 도트는 모두 눈에 띄며, 전체 잉크 양이 점진적으로 쌓이지 않고 한꺼번에 도포되므로 색 번짐 제어가 매우 중요해집니다.

잉크젯 프로젝트에서 가장 중요한 결정은 무엇입니까?

잉크입니다. 잉크 선정이 프린트헤드 종류, 경화 파라미터, 표면 전처리 필요 여부 같은 시스템 구성 요소를 결정합니다. 유체 화학, 점도와 전단, 각 방울을 분사하는 물리 현상이 극한 조건에서 정밀하게 작동해야 하며, 이러한 요구는 싱글 패스에서 더욱 커집니다.

잉크젯 잉크는 왜 특정 플라스틱에 접착하기 어렵습니까?

잉크젯 잉크는 점도와 표면장력이 낮은 반면, 폴리올레핀, 나일론, TPE 또는 고무 기재는 비극성이고 화학적으로 불활성이며 소수성이어서 자연스럽게 젖지 않기 때문입니다. 표면 에너지를 높이지 않으면 잉크는 접착에 필요한 밀착 접촉을 이루지 못합니다.

싱글 패스 잉크젯은 어디에서 이미 성능을 입증했습니까?

주로 웹 복권, 스마트 카드, 세라믹 타일, 판지 카톤과 박스 같은 2D 용도입니다. 새로운 영역은 독성 및 생체적합성 인증 잉크를 사용한 3D 플라스틱 제품의 싱글 패스 컬러 인쇄입니다.

UV 경화 잉크

모든 용도에서 잉크 선정은 프린트헤드 종류, 경화 파라미터, 잠재적인 표면 전처리 필요 여부를 포함한 시스템 구성 요소를 결정하는 가장 중요한 단일 결정입니다. 유체 화학(점도와 전단)과 각 잉크 방울을 분사하는 물리 현상은 극한 조건에서 작동하도록 정밀하게 거동해야 합니다. 이러한 요인은 스캐닝에 비해 싱글 패스 인쇄에서 더욱 커집니다.

싱글 패스 잉크젯은 웹 복권, 스마트 카드, 세라믹 타일, 판지 카톤과 박스 등의 2D 인쇄를 중심으로 이미 한동안 사용되어 왔습니다. 초기의 기술적 과제는 극복되었으며, 잉크 화학과 폴리머 과학의 최근 발전과 더불어 저표면에너지 폴리머에 대한 풀 컬러 싱글 패스 UV LED 잉크젯 인쇄가 가능해졌습니다. 선택 사양인 인라인 전처리와 비전을 갖춘 완전 자동화 양산 시스템이 제공됩니다. 이 글에서는 UV 경화 잉크, 폴리머 표면, 젖음을 살펴봅니다.

UV 잉크는 잉크 속 광개시제가 고강도 자외선 광원과 상호작용할 때 고체로 경화됩니다. UV 잉크는 사실상 용제를 포함하지 않으므로 더 친환경적으로 간주됩니다. 그러나 이러한 잉크에는 독성 우려가 있습니다. 미경화 UV 잉크에는 인체에 해로운 미반응 단량체가 있습니다. 완성된 경화 인쇄물에도 미반응 단량체가 잔류할 수 있습니다. 방사조도계 사용을 강력히 권장합니다.

안료 착색 UV 경화 잉크의 개별 구성 성분에는 통상 단량체(저점도 액체), 올리고머(접착 및 경화 특성), 안료(색상), 광개시제(UV 경화), 첨가제(젖음 및 분산제)가 포함됩니다.

각 성분은 최종 잉크 배합의 성능 특성을 최적화하는 데 중요한 역할을 합니다. 싱글 패스 잉크젯 인쇄용 UV 백색 잉크는 쉽게 침강하는 크고 무거운 TiO2 안료 입자 때문에 프로세스 컬러에 비해 배합하기가 까다롭습니다.

점도(엄밀히는 전단 점도)는 프린트헤드 노즐을 통한 유동과 분사 펄스를 조절하는 핵심 파라미터입니다. 압전식 드롭 온 디맨드 프린트헤드에서 분사 펄스는 압전 소자를 움직여 압력 차를 유도하는 전압입니다(그림 1).

방울이 분사되면 교번하는 압력 진동이 시간이 지남에 따라 감쇠합니다(댐핑 효과). 높은 유량과 작은 노즐 직경 때문에 유체는 고전단 속도 영역에서 작동합니다. 또한 점도는 프린트헤드 잉크 챔버로의 잉크 충전에도 영향을 줍니다. 점도는 일반적으로 전단 속도가 증가하면 감소하며 이를 “전단 박화(shear-thinning)” 유체라고 합니다(전단 속도에 따라 점도가 증가하는 반대 현상은 “틱소트로픽” 유체라고 합니다).

잉크가 더 진해지거나 묽어지면 전단 분사 성능이 나빠질 수 있습니다. 노즐 안에서 잉크는 전단과 신장을 동시에 받으며, 신장 점도는 잉크 필라멘트의 형성과 분열, 이어지는 방울 형성에 영향을 주므로 이를 이해하는 것이 중요합니다.

예를 들어 Apollo FTX 잉크 시리즈는 ASTM D 4236(LHAMA – 16 CFR 1500.14)에 따라 성인과 어린이(인체 피부 접촉)에게 안전하도록 배합 및 인정되었으며 생체적합성 시험도 거쳤습니다.† 화학 조성은 특정 UV LED 경화 특성과 외관에 정밀하게 맞춰져 있어 미경화(끈적임)나 과경화(취성)가 없습니다.

이 잉크는 높고 일관된 유동성(안정적인 레올로지 거동)과 노즐에서 나오는 잉크의 토출 접촉각(균일한 제트 분열)을 갖습니다. 이 잉크는 젖음성, 접착력, 그리고 백색 잉크(베이스 층)와 CMYK++ 색상 간의 분자 간 접착력이 탁월합니다. 니트릴 고무와 라텍스를 포함한 많은 저표면에너지 기재에서는 표면 전처리가 필요하지 않습니다.

최종 경화 물성은 식기세척기 시험을 포함하여 타의 추종을 불허하는 내스크래치/내마모성과 내화학성을 보여 줍니다. 이 잉크는 Ricoh, Mimaki, Xaar, Toshiba, Konica Minolta의 특정 프린트헤드 모델과 호환됩니다.

폴리머 표면과 젖음

싱글 패스 인쇄에서는 스캔 프린터와 비교해 한 번의 패스로 도포되는 잉크 양이 많아 색 번짐이 생기므로, 정확한 잉크 점도가 이를 제어하는 데 매우 중요합니다. 잉크젯 잉크는 점도와 표면장력이 낮아 폴리올레핀, 나일론, TPE/고무 등 많은 폴리머에서 접착 문제를 일으킵니다. 이러한 기재는 비극성이고 화학적으로 불활성인 플라스틱으로, 소수성이며 자연스럽게 젖지 않습니다.

평평한 고체 표면 위에 정지(평형) 상태로 놓인 단일 액체 방울을 생각해 봅시다. 고체 표면과 끝점에서 방울 상부 표면에 그은 접선이 이루는 각을 접촉각이라 합니다. 이는 접촉점에서의 접선과 고체 표면의 수평선 사이의 각도입니다.

그러나 잉크 유체와 접촉각은 정적이 아니라 동적입니다. 방울이 고체 표면에 붙어 있는 상태에서 고체 표면을 기울이면 방울은 앞으로 쏠리며 아래로 미끄러집니다. 이때 형성되는 각도를 각각 전진각(θa)과 후퇴각(θr)이라 합니다(그림 2).

방울의 모양은 모든 액체가 표면의 수축을 통해 포함된 부피를 표면적이 가장 작은 형태로 만들려는 분자간 힘 때문에 나타납니다. 표면을 수축시키는 분자간 힘을 “표면장력”이라 합니다. 잉크젯 잉크의 표면장력은 프린트헤드에서의 적절한 분사를 좌우합니다.

표면 에너지의 척도인 표면장력은 dynes/cm 단위로 표현됩니다. 액체(잉크)의 표면장력에 비해 고체 기재의 표면 에너지가 높을수록 젖음성이 좋아지고 접촉각이 작아집니다. 통상적으로 기재의 표면 에너지가 액체의 표면장력보다 약 8~10 dynes/cm 클 때 허용 가능한 접착 결합을 얻을 수 있습니다.

접촉각은 일반적으로 표면 화학의 변화와 표면 형상의 변화에 영향을 받습니다. 전진 접촉각은 기재 표면의 저에너지(미개질) 성분에 가장 민감하고, 후퇴각은 표면 전처리로 도입된 고에너지 산화기에 더 민감합니다.

후퇴각은 전처리 후 표면의 개질된 성분을 가장 잘 나타내는 측정값입니다. 표면 상호작용, 최적의 분사, 방울이 놓인 뒤 경화가 시작될 때까지 필요한 시간을 이해하려면 동적 접촉각을 측정하는 것이 중요합니다. 이 정보가 없으면 위성 방울, 오버스프레이, 미스트 등 심각한 잉크젯 인쇄 품질 문제가 발생합니다. dyne 용액보다는 탄도 증착(ballistic deposition)을 활용하는 접촉각 측정 기기를 사용하는 것이 권장됩니다.

결론

경질 및 연질/신축성 제품에 대한 싱글 패스 UV LED 컬러 인쇄는 산업용 잉크젯 기술을 바꾸고 있는 최신 발전 중 하나입니다. 성공적인 양산을 이루려면 프로젝트 초기에 여러 공정 요인과 상호 관계를 이해해야 합니다.

참고 문헌

• Sabreen, S., Taylor D., Inkjet Printing for Flexible and Wearable Plastic, Plastics Decorating, January/February 2020

†Apollo FTX Ink 시리즈는 구매할 수 있습니다. The Sabreen Group(972.820.6777 또는 [email protected])으로 문의해 주십시오.

Scott R. Sabreen은 표면 전처리, 접착 결합, 잉크젯 인쇄, 레이저 마킹, 장식 및 마감, 제품 보안 등 플라스틱 2차 가공 제조 공정을 전문으로 하는 엔지니어링 컨설팅 기업 The Sabreen Group, Inc.의 설립자이자 사장입니다. Sabreen은 30년 넘게 선구적인 기술을 개발하고 제조 문제를 해결해 왔습니다. 972.820.6777로 연락하시거나 www.sabreen.com을 방문하시면 됩니다.

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