플라스틱 제품용 잉크젯 기술 혁신

플라스틱 제품용 잉크젯 기술 혁신

3차원 플라스틱 제품에 대한 디지털 잉크젯 인쇄 수요가 기하급수적으로 늘고 있습니다. 안정적인 운영을 위한 응용 과제는 최적의 잉크 화학과 프린트헤드 설계, 잉크와 폴리머 기재의 적합성, 그리고 경화입니다. 이 글에서는 잉크젯을 새로운 기회로 확장할 때 폴리머 표면 적합성과 결합되는 주요 공정 요소를 다룹니다.

잉크젯 인쇄는 아날로그 인쇄보다 훨씬 복잡하고 섬세합니다. 잉크젯은 노즐이 정확한 크기의 방울을 정밀하게 분사해야 합니다. 고품질 잉크젯 인쇄 시스템은 프린트헤드, 잉크, 전자 컨트롤러, 전처리, 경화를 동시에 통합해야 합니다. 이 모든 요소가 함께 작동해야 의도한 결과를 얻을 수 있습니다. 잉크젯 기술에 투자하는 대부분의 기업은 여러 기재를 장식하기를 원합니다. 같은 폴리머 계열 내에서도 플라스틱 사이에 상당한 화학적, 물리적 차이가 있는 경우가 많아 모든 소재에 인쇄하기는 쉽지 않습니다. 이처럼 인쇄 기술의 역설적인 과제가 존재하며, 이는 안정적인 세 다리 의자로 설명할 수 있습니다(그림 1).

세 가지 주요 입력 공정 파라미터가 있으며 각각 하나의 다리에 해당합니다. 1) 폴리머 기재, 2) 잉크젯 프린터, 3) 잉크와 전처리의 적합성입니다. 우수한 인쇄 품질을 얻으려면 모든 요소가 안정적이어야 합니다. 어느 한 다리를 바꾸면 균형이 깨져 나머지도 수정해야 합니다. 굴곡진 플라스틱 형상에 잉크젯으로 인쇄하는 것은 OEM 프린터/프린트헤드 선택지가 상대적으로 적어 더욱 복잡합니다. 각 OEM은 제한된 범위에 맞게 개발된 인증 잉크로 사용을 한정합니다. 잉크젯 인쇄와 표면 과학의 세부 사항을 깊이 이해하면 전례 없는 성능과 결과를 얻을 수 있습니다.

핵심 요약

• UV 잉크는 즉시 경화되고 용제를 방출하지 않지만, 직접 접착되는 플라스틱은 제한적입니다.
• 바인더는 다른 모든 잉크 유형과 달리 경화 중에 모노머와 올리고머의 연쇄 반응으로 형성됩니다.
• 안료만 사용하는 색상 구현에는 실질적인 한계가 있습니다. CMYK 잉크는 부분적으로 불투명하여 아래 층을 가리므로 인기 있는 여러 Pantone 별색을 구현할 수 없습니다.
• 낮은 점도와 낮은 표면 장력은 아세탈, 폴리올레핀, 폴리우레탄에서 접착을 방해합니다.
• 경화가 불량한 잉크는 외관이 나쁠 뿐만 아니라 위험합니다.

UV 경화형 잉크젯 잉크

자외선(UV) 경화형 잉크젯 잉크는 3차원 플라스틱 제품 인쇄에 널리 채택되었습니다. UV 경화형 잉크는 즉시 건조되고, 소수의 플라스틱에 직접 접착되며, 용제를 방출하지 않고, 일부 OEM 플랫폼용으로 공급됩니다. '접착이 어려운' 폴리머 기재까지 적용 범위를 넓히려면 장식과 인쇄의 까다로운 요건을 충족하는 맞춤 배합 전문 지식이 필요합니다. 배합 담당자는 마이크로 토출이 가능한 유체를 구현하는 고유한 화학과 신속한 경화를 보장하는 경화 메커니즘, 그리고 완성된 잉크의 물리적, 화학적 특성을 알아야 하므로 다른 어떤 잉크 유형보다 작업이 더 복잡합니다.

건조된 잉크의 대부분은 바인더로, 색을 제자리에 고정하고 마모로부터 보호하며 표면에 접착시킵니다. 바인더는 대개 폴리머입니다. UV 잉크 인쇄가 다른 유형과 다른 점은 경화 중에 모노머와 올리고머의 연쇄 반응으로 폴리머가 형성된다는 것입니다. 모노머는 점도가 낮은 액체이므로 액상 잉크 캐리어 역할도 하며 물이나 용제가 필요 없습니다. 그래서 UV 경화 잉크는 고형분 100%이며 용제 잉크의 이상적인 대안이 됩니다. 올리고머(더 큰 반응성 분자)는 여러 화학 작용기를 가지며 바인더를 제대로 형성하는 데 중요합니다.

중합은 UV 광에 잠시 노출되면 시작됩니다. UV 광은 가시광선보다 파장이 짧고 에너지가 높은 전자기 방사선입니다. 근자외선(파장 390–200나노미터)이 대부분의 UV 경화에 사용됩니다. 이는 다시 UV-A(390–320나노미터, 장파), UV-B(320–280나노미터, 중파), UV-C(280–200나노미터, 단파)로 세분됩니다. 근자외선 외에도 원자외선(200–10나노미터)과 심자외선(31–1나노미터) 등의 UV 범주가 있습니다. 기존 수은 UV 경화 램프에서 가장 일반적인 피크 파장은 365나노미터이며, 수은 I-line(광 스펙트럼)이라고도 합니다.

UV 반응 성분은 광개시제로, 에너지를 흡수하고 분해되어 유형에 따라 자유 라디칼 또는 양이온인 반응성이 매우 높은 화학종을 생성하는 화합물입니다. 각 화학종은 모노머 또는 올리고머의 한 부분과 결합하여 활성을 다른 부분으로 전달하고, 그 부분이 다시 다른 모노머와 반응하는 식으로 폴리머를 형성합니다.

자유 라디칼 방식의 잉크젯 UV 잉크는 비교적 낮은 비용과 아크릴레이트 계열 모노머의 폭넓은 공급 덕분에 시장을 지배합니다. 이들은 내구성이 뛰어난 내마모성부터 유연성까지 바람직한 성능 특성을 지닌 다양한 폴리머를 제공합니다. 자유 라디칼 중합의 단점은 공기 중 산소에 대한 고유의 민감성으로, 사슬 길이가 짧아지는 경우가 많습니다. 반응이 매우 빠르더라도 UV 광이 사라지면 가교가 사실상 멈춥니다. 따라서 배합에는 광개시제 함량이 높습니다. 자유 라디칼 잉크가 UV 경화 잉크젯 잉크 소비량의 압도적 다수를 차지하지만, 정교한 요구에는 양이온 UV 경화 잉크가 부상하고 있습니다.

양이온 중합은 일반적으로 접착력이 더 우수하고 노광이 끝난 뒤에도 반응이 계속되는 완전히 다른 화학 계열을 제공합니다. 식품 접촉 가능성이 있어 미반응 모노머가 바람직하지 않은 경우에는 충분한 중합이 필수적입니다. 또한 두꺼운 코팅에는 지속적인 가교가 유리합니다. UV 경화 잉크는 본질적으로 UV를 흡수하므로 두꺼운 잉크의 하부는 훨씬 적은 방사선을 받아 상부만큼 즉시 경화되지 않지만, 양이온 잉크는 이후 몇 시간 동안 계속 중합됩니다.

양이온 잉크는 산소에 의한 중합 저해를 받지 않지만 수분은 영향을 줄 수 있습니다. 물이 양이온 중간 화합물과 반응할 수 있으므로 상대 습도가 80%를 넘으면 경화가 지연될 수 있습니다. 양이온 잉크는 자유 라디칼 잉크보다 낮은 에너지의 UV 광원으로 중합을 개시할 수 있습니다. 많은 자유 라디칼 시스템에 사용되는 고에너지 수은 UV 램프보다 열이 적게 발생하므로 온도에 민감한 기재에도 인쇄할 수 있습니다. 주요 잉크 공급업체는 물량이 너무 적고 OEM 기대치를 충족하는 데 드는 노력이 과도하기 때문에 양이온 잉크를 제공하지 않습니다. 하지만 새로운 응용 분야 개발에 관심이 있는 전문 제조업체에서는 구할 수 있습니다.

3차원 인쇄 제품 중에는 소비자가 손에 쥐고 아주 가까이서 눈으로 검사하는 것이 많습니다. 영숫자 텍스트는 6포인트 이하일 수도 있습니다. 눈에 띄는 인쇄 결함을 피하고 가독성을 확보하려면 매우 높은 해상도의 인쇄가 필요합니다. 고해상도 잉크젯 인쇄에는 기재 위 도트의 간격과 도트를 이루는 방울의 크기(부피)라는 두 가지 주요 요소가 있습니다. 아날로그 기술은 라인 간격 또는 스크린 크기(흔히 인치당 약 300선)로 표현하지만, 도트 크기의 범위가 매우 넓어 말 그대로 1% 단위로 0에서 100% 커버리지까지 구현합니다. UV 잉크젯 프린트헤드는 아직 아날로그의 가장 작은 도트에 미치지 못하며 무한히 조정 가능한 그레이스케일도 갖추지 못했습니다. 또한 기본 노즐 간격은 300dpi를 넘는 경우가 드뭅니다. 고해상도는 방울을 촘촘하게 배치하여(현재 최대 1,800×1,800dpi) 얻으며, 일반적인 왕복 헤드 프린터에서는 여러 번의 패스와 미세한 이송이 필요합니다. 결과물은 인상적이지만 인쇄 속도를 희생해야 합니다.

자주 묻는 질문

UV 잉크젯 잉크가 어떤 플라스틱에는 접착되고 어떤 플라스틱에는 접착되지 않는 이유는 무엇입니까?

잉크젯 잉크는 점도와 표면 장력이 낮은 반면, 아세탈, 폴리올레핀, 폴리우레탄 같은 화학적으로 불활성인 플라스틱은 소수성이며 자연 상태에서는 젖음성이 없습니다. 기재 표면 에너지를 높이는 전처리 없이는 잉크가 접착에 필요한 밀착 접촉을 이룰 수 없습니다.

잉크젯으로 Pantone 별색을 구현할 수 있습니까?

안정적으로는 어렵습니다. UV 잉크는 안료 착색제만 사용하며, CMYK 세트는 층을 두껍게 쌓을 수 있어 넓은 색역을 제공하지만 안료가 부분적으로 불투명하여 아래 색을 가립니다. 농도가 2차색으로 완전히 전환되지 않아 주요 브랜드에서 선호하는 여러 Pantone 색상을 구현할 수 없습니다.

잉크젯 장비에 별색을 그냥 추가하면 안 되는 이유는 무엇입니까?

잉크젯 프린터에서 별색을 교체하는 일은 플렉소 인쇄나 아날로그 인쇄보다 훨씬 어렵습니다. 프린트헤드가 6개, 8개 또는 10개인 장비라면 별색을 탑재할 수 있겠지만, 교체 부담 때문에 이 방식은 선호되지 않습니다.

UV 잉크 배합이 다른 잉크 유형보다 어려운 이유는 무엇입니까?

배합 담당자는 안정적으로 마이크로 토출되고, 빠르게 경화되며, 완성된 필름에서 요구되는 물리적, 화학적 특성을 구현하는 유체를 만들어야 하는데, 바인더 폴리머는 경화 중에만 형성됩니다. 이러한 조합 때문에 다른 어떤 잉크 유형보다 작업이 더 복잡합니다.

UV 잉크의 경화 부족은 어떤 위험이 있습니까?

경화가 불량한 잉크는 끈적이거나 부서지기 쉬운 정도가 아니라 위험합니다. 경화는 가정하지 말고 잉크 화학과 램프 사양에 맞춰야 합니다.

안료와 컬러 팔레트

UV 잉크는 안료 착색제만 사용하지만 범위가 넓어 심각한 제약이 되지 않습니다. 배합 및 잉크 제조 기술의 발전으로 제조업체는 흰색(W)을 제공할 수 있게 되었으며, 이는 어두운 색상의 기재 위 바탕이나 투명 소재의 배경으로 특히 유용합니다. 잉크젯 기본색인 시안, 마젠타, 옐로, 블랙(CMYK)을 함께 쓰면 잉크 층을 두껍게 쌓을 수 있어 넓은 색역을 제공합니다. 그러나 안료 기반이므로 적어도 부분적으로 불투명하여 아래 색을 가립니다. 농도가 2차색으로 완전히 전환되지 않아 주요 브랜드에서 선호하는 여러 Pantone 색상을 구현할 수 없습니다. 아날로그 인쇄는 특별히 배합된 별색을 사용합니다. 특히 프린트헤드가 6개, 8개, 10개인 장비에서는 이 시장에서도 별색을 사용할 수 있겠지만, 잉크젯 프린터에서 별색을 교체하는 것이 플렉소 인쇄나 스크린 인쇄보다 훨씬 어렵기 때문에 선호되지 않습니다. 이는 연속된 이미지로 작업을 전환할 수 있는 디지털의 강점과도 상충합니다. 대안은 CM과 Y 사이의 중간 색상을 가진 강렬한 잉크로 구성된 확장 색역 잉크 세트를 사용하는 것입니다. 라벨 및 광고 인쇄에서는 빨강, 초록, 파랑(RGB) 또는 주황, 초록, 보라(OGV)를 사용하여 색역을 넓히고 대부분의 밝고 지정된 강렬한 브랜드 색상을 커버합니다. 이러한 색상은 3차원 플라스틱 제품용으로도 맞춤 배합할 수 있습니다.

밝은 색상, 특히 살색을 재현하는 것은 UV 경화 잉크젯 인쇄의 지속적인 난제입니다. 현재 4피코리터까지 작아진 가장 작은 CMK 방울조차 사진 수준의 사실감을 내기에는 너무 큽니다. 그러나 연한 마젠타(lm)와 연한 시안(lc)의 보조 세트를 포함하면 개별 도트로 인한 결함이 사라집니다. 프린터 OEM은 이 시장에 CMYKlclmW 옵션을 제공하고 있습니다.

햇빛에 의한 변색은 인쇄 내구성의 주요 우려 사항이 될 수 있습니다. UV 잉크는 염료가 아닌 안료를 사용하므로 데스크톱 잉크보다 본질적으로 햇빛에 덜 민감합니다. 자동차 도료 업계의 안료로 잉크를 만들면 매우 우수한 내변색성을 얻을 수 있습니다. 비용은 더 들지만 프리미엄 잉크에 사용됩니다. 햇빛은 폴리머도 열화시켜 백화(초킹)와 취성을 일으킬 수 있습니다.

UV 광 아래에서의 폴리머 안정성은 UV 잉크젯 초창기에 옥외 광고 산업을 지원하기 위해 필수가 되었습니다. 이는 모노머와 올리고머 선정, 안정제 배합, 그리고 내구성이 가장 요구되는 경우에는 오버 바니시로 확보합니다. 5년간 옥외 광 노출은 흔히 충족되는 기대치입니다.

첨가제는 모든 잉크 배합에 필수적입니다. 플라스틱 인쇄용 잉크에는 흔히 접착 촉진제가 들어 있습니다. 잉크젯의 핵심인 토출과 액적 형성에는 점도 조절제와 계면활성제의 세심한 균형이 필요합니다. 균형이 맞지 않으면 잉크가 미스트 형태로 퍼지거나 헤드에서 젖어 번질 수 있으며, 둘 다 바람직하지 않습니다. 이러한 성분은 기재 위에서의 잉크 젖음과 흐름, 즉 접착과 도트 게인도 제어합니다. 대개 특정 표면 화학에 맞춰 최적화되지만 한계가 있습니다. 예를 들어 저표면에너지 기재를 적시는 잉크는 프린트헤드에서 새어 나옵니다. 이 때문에 많은 표면은 잉크가 기능하는 범위에 들도록 처리해야 합니다.

표면 전처리 – 잉크와 플라스틱 기재의 적합성

잉크젯 잉크는 점도와 표면 장력이 낮아 아세탈, 폴리올레핀, 폴리우레탄 같은 많은 폴리머 기재에서 접착 결합에 어려움이 생깁니다. 이러한 종류의 화학적으로 불활성인 플라스틱은 소수성이며 자연 상태에서는 젖음성이 없습니다. 평평한 고체 표면 위에 정지 상태(평형)로 놓인 단일 액체 방울을 생각해 봅시다. 고체 표면과 끝점에서 방울 상단 표면에 그은 접선이 이루는 각도를 접촉각이라 하며, 접촉점에서의 접선과 고체 표면의 수평선 사이의 각도(x)입니다. 그림 2를 참조하십시오.

기포/방울의 형태는 모든 액체가 표면의 수축을 통해 담긴 부피를 표면적이 가장 작은 형태로 만들려는 경향을 갖는 분자간 힘 때문에 생깁니다. 표면을 수축시키는 분자간 힘을 '표면 장력'이라 합니다. 표면 에너지를 측정한 값인 표면 장력은 dynes/cm로 나타냅니다. 액체(물, 인쇄 잉크, 접착제/봉지재, 코팅 등)의 표면 장력에 비해 고체 기재의 표면 에너지가 높을수록 '젖음성'이 좋아지고 접촉각은 작아집니다(그림 2). 일반적으로 기재의 표면 에너지가 액체의 표면 장력보다 약 8~10 dynes/cm 높을 때 허용 가능한 접착 결합을 얻을 수 있습니다.

실제로 유체와 접촉각은 정적이지 않고 동적입니다. 그림 3을 참조하십시오. 동적 접촉각(DCA)이 가장 중요합니다. 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.

접촉각은 일반적으로 표면 화학의 변화와 표면 형상의 변화 모두의 영향을 받는 것으로 간주됩니다. 전진 접촉각은 기재 표면의 저에너지(미변성) 성분에 가장 민감하고, 후퇴각은 표면 전처리로 도입된 고에너지 산화기에 더 민감합니다. 따라서 후퇴각은 dyne 용액으로 측정할 때 전처리 후 표면의 변성된 성분을 가장 잘 나타내는 측정값입니다. 그러므로 표면이 변성된 모든 소재에서 전진 접촉각과 후퇴 접촉각을 모두 측정하는 것이 중요합니다.

인쇄기의 속도도 잉크의 유효 표면 장력에 영향을 줄 수 있습니다. 정적으로 표면 장력이 25 dynes로 측정되는 잉크가 고속 인쇄기에서는 동적으로 표면 장력 40 dynes인 잉크처럼 거동할 수 있습니다(참고 2). 잉크젯 프린트헤드와 인쇄 시스템이 토출하는 유체에 미치는 작용은 토출 중 그리고 인쇄 표면 및 다른 잉크나 코팅 층과 상호작용하는 동안 유체 성분이 재배열되는 방식에 상당한 영향을 줄 수 있습니다. 잉크젯 프린트헤드의 방울 토출 주파수가 높아지고 단일 패스 풀 폭 어레이로 잉크젯 프린터와 인쇄기의 속도가 빨라지면서, 잉크, 코팅, 기재 사이의 표면 장력 상호작용은 새로운 과제를 안겨 줍니다.

제조업체는 접착 결합 문제를 판단하고 일상적인 표면 검사를 수행할 때 접촉각 측정만을 유일한 예측 지표로 삼으려는 경향이 강합니다. 소수성 표면을 접착 가능한 친수성 표면으로 활성화하는 화학적 표면 작용기도 그에 못지않게 중요합니다. 화학적 표면 활성화에는 기상 '글로우 방전' 표면 산화 전처리 공정이 사용됩니다. 표면 전처리는 기재의 표면 에너지를 높이고 산화성 화학 작용기를 형성하여 대부분의 잉크 접착 문제를 해결합니다.

기상 표면 산화 공정 방식에는 전기 코로나 방전, 화염 처리, 저온 가스 플라즈마, 자외선 조사가 있습니다. 각 방식은 응용 분야별로 특화되어 있으며 고유한 장점과 잠재적 한계가 있습니다. 플라즈마에서 생성되는 자유 전자, 이온, 준안정종, 라디칼, UV에서 일어나는 기본적인 화학적, 물리적 반응은 대부분의 폴리머 기재 표면의 분자 결합을 끊을 만큼 충분한 에너지로 표면에 영향을 줄 수 있습니다. 이렇게 하면 폴리머 표면에 반응성이 매우 높은 자유 라디칼이 생성되고, 이 라디칼은 가교를 이루거나 산소가 있으면 빠르게 반응하여 기재 표면에 다양한 화학 작용기를 형성합니다. 형성되어 접착성을 높이는 극성 작용기에는 카르보닐(C=O), 카르복실(HOOC), 하이드로퍼옥사이드(HOO-), 하이드록실(HO-)기가 있습니다. 폴리머에 도입된 반응성 작용기가 소량이라도 표면의 화학적 작용성과 젖음성을 개선하는 데 매우 유익할 수 있습니다.

처리의 정도 또는 품질은 플라스틱 표면의 청결도에 영향을 받습니다. 최적의 전처리와 이어지는 잉크 접착을 위해서는 표면이 깨끗해야 합니다. 실리콘 이형제, 먼지, 분진, 그리스, 오일, 지문 같은 표면 오염물은 처리를 방해합니다. 소재의 순도도 중요한 요소입니다. 처리된 플라스틱의 보관 수명은 수지 종류, 배합, 보관 장소의 주변 환경에 따라 달라집니다. 처리된 제품의 보관 수명은 산화 방지제, 가소제, 슬립제와 대전 방지제, 착색제와 안료, 안정제 등의 존재로 제한됩니다. 처리된 표면이 고온에 노출되면 분자 사슬 이동성이 높아지며, 사슬 이동성이 높을수록 처리 효과의 노화가 빨라집니다. 처리된 소재 내 폴리머 사슬의 이동성은 처리로 생성된 접착 부위를 표면에서 멀어지게 합니다. 이러한 성분은 결국 폴리머 표면으로 이행할 수 있습니다. 따라서 전처리 후에는 가능한 한 빨리 제품을 접착, 코팅, 도장, 인쇄 또는 장식하기를 권장합니다.

결론

디지털 UV 잉크젯은 3차원 플라스틱 제품의 인쇄와 장식에 혁신을 일으키고 있습니다. 잉크젯은 복잡한 다변수 공정입니다. 접착이 어려운 폴리머에 인쇄하는 데에는 OEM 표준 잉크와 프린터의 범위를 넘어서는 상당한 과제가 있습니다. 저표면에너지 플라스틱에 토출하는 저점도 잉크는 화학적, 물리적으로 맞지 않아 접착 문제를 해결하려면 전처리가 필요한 경우가 많습니다. UV 경화 기술에는 상당한 이점이 있지만, 경화가 불량한 잉크는 위험합니다. 잉크젯 인쇄와 소재 표면 과학의 세부 사항을 이해하면 신규 응용 분야의 요구를 충족하는 맞춤 솔루션을 구현할 수 있습니다.

참고 문헌

• “Solving the Problems of Plastics Adhesion”, Plastics Engineering, April 2011, Scott R. Sabreen, The Sabreen Group Inc.
• “Some Things to Remember About Dynamic Surface Tension”, PFFC, April 2003, Dr. Richard M. Podhajny, Ph.D.

Scott R. Sabreen은 플라스틱 2차 가공 제조 공정(표면 전처리, 접착 결합, 장식 및 마감, 레이저 마킹, 제품 보안)을 전문으로 하는 엔지니어링 기업 The Sabreen Group, Inc.의 설립자이자 사장입니다. 그는 25년 넘게 신기술을 개발하고 제조 문제를 해결해 왔습니다. 888.SABREEN으로 연락하시거나 www.sabreen.com 또는 www.plasticslasermarking.com을 방문하시면 됩니다.

Dene Taylor 박사는 2000년에 인쇄 및 포장 산업을 위한 SPF-Inc를 설립하여 디지털 인쇄를 새로운 시장과 응용 분야에 맞게 적용하는 데 주력해 왔습니다. 나노 화학자인 그는 보유한 미국 특허 25건 중 절반가량이 디지털 인쇄와 관련되어 있습니다. SGIA, TAPPI, Radtech 회원입니다. [email protected]으로 연락하실 수 있습니다.

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