높은 점도와 높은 고형분이 우리가 원하는 유제 두께를 보증하는 것이 아니다.

이상적인 제판 시스템을 위해서 세 번째 특성인 rheology와 함께 이들 유제 특성을 고려해야 하는 일이 왜 중요한지를 알아보자.

우리는 액상 감광 유제가 어떻게 mesh에 코팅되는지 알고 있다고 하더라도, 코팅된 유제 두께 이면에 있는 물리적 화학적 특징을 알고 있는지 의문이다.

그리고 각각의 다른 mesh에 어떤 유제가 더 쉽게 적용되는지 그리고 유제 두께를 결정하는 변수가 고형분과 점도만이 유제막 두께를 결정 하는 것이 아니라는 사실도 알고 있었는지 반문해 보자.

대부분 사람들은 고형분과 점도, 그 용어 자체에만 매달리는 경향이 있고 또 적어도 이것들이 중요한 것이라고만 이해하고 있다. 그러나 이 분야의 경험자에게 유제의 또 다른 변수인 유동성의 정의를 물어보면 금방 당황하게 된다. 고형분과 점도 그리고 유동학은 우리가 최종적으로 얻고자 하는 제판 두께에 영향을 미치는 감광성 유제의 물리적 특성 들이다.

물론, 제판 두께는 꼭 유제 특성들의 결과라고는 볼 수 없다. 특정 인쇄를 위해 올바른 제판은 많은 변수들의 올바른 조합이 요구되는데, 3가지의 분야로 나누어 볼 수 있다.

1. coating 변수 : bucket 타입, 스피드, 압력 등등

2. mesh 변수 : mesh 카운트, 선경, 오프닝 크기, 텐션 등등

3. 감광성 유제 변수

여기에서의 관점은 마지막 분야인 유제에 관해서 다루어 보기로 한다.

고형분, 점도 그리고 유동학에 관해 자세히 살펴보면, 이것들이 무엇인지 어디서 왔고 또 유제 코팅 과정 중에 어떤 영향을 미치는지 알게 될 것이다.

첫째, 감광성 유제가 무엇인지 알아본다.

과학적 용어 “유제”는 액체 안에서의 부유물 입자를 의미한다.

유제의 비근한 예를 보면, 마요네즈, 스킨 로션, 썬 로션, 학생들이 쓰는 풀, 페인트 같은 것들이다. 스크린 인쇄 분야에서 우리는 흔히 감광성 유제를 언급할 때 “유제”라고 그냥 말하고 있다. 스크린 인쇄 분야에서 사용하고 있는 “유제”의 소극적인 의미에서의 명칭은 유제가 감광성 분자를 함유하고 있기 때문에 “감광성 유제 - photo emulsion"이라고 부른다.

혹시 “이 유제는 뻑뻑한데 틀림없이 고형분이 높다.”라는 말을 들어본 적이 있는가?

거래처나 유제 영업 담당자가 높은 고형분과 높은 점도를 동일시 할 때 무척 당황스럽다. 사실 점도와 고형분 사이에는 직접적인 상관관계가 없기 때문이다.

높은 점도를 가지면서 높은 고형분을 갖는 것이 가능하다고 해도, 점도의 수준은 고형분의 결과에 필수적인 것은 아니다. 왜 그런가를 이해하기 위해서 먼저 우리는 감광성 유제의 기본적 화학적 성질을 이해하여야 한다.

감광성 유제는 액체상태이므로 결국 코팅된 것은 비 휘발성(비 증발성 )물질을 남겨 놓고 건조가 된다. 여기에서 남아있는 화학적 물질을 고형분이라고 부르고 이것은 건조 후에 스크린 위에 남아있는 물질이다. 만약 고형분이 40%라면, 60%는 물과 약간의 휘발성(증발성) 용제이다.

일부 유제 제조자들은 고형분의 표시를 “중간” “높음” 등으로 표시하는데, 이 용어들은 어떤 산업 표준에도 없는 용어라는 것을 명심하자. 이것들은 단지 제조업자들의 주관적인 용어에 불과 하다. 만일 어떤 제조업자가 “중간” 고형분이라고 표기할 때, 이것이 다른 제조업자에 비해 높은 고형분 수준이라고 생각 될지도 모르지만, 현재의 감광성 유제의 제조 기술로 볼 때, “높은” 고형분 정도 즉, 35% 수준 정도에서는 납득이 될 수 있는 이야기이다. 그렇지만 이 정도는 “평균”이라고 하는 것이 나을 듯하다. 소수의 제조업자들만이 고형분을 45% 또는 그 이상으로 올렸을 뿐이다. 물론, 우리가 볼 때 30% 이하로 생각되는 고형분을 “낮음” 이라고 표기하는 제조업자들은 없을 것이다.   

점도(viscosity)는 흐름에 대한 액체의 저항 단위이다. 점도는 분자의 양, 크기, 구조와 분자사이의 힘과 온도에 따라 달라진다. 점도는 또한  “물처럼 엷거나 당밀(糖蜜)처럼 진한” 이런 식으로 표현 할 수도 있다. 그렇지만 점도는 점도계로 측정될 수 있다.

참고로, 물은 대략 0 centipoise(cps)이고, 상온에서 펜케익 시럽은 대략 20,000 cps 정도가 된다.

감광성 유제 안에 함유된 polymer의 구조와 양은 건조된 고형분의 양, 점도, 그리고 유동성에 커다란 영향을 미친다.

기본적인 감광성유제는 두가지 polymer를 갖는데, 폴리 비닐 아세테이트( PVAc )와 폴리 비닐 알콜( PVOH )이다. 비록 이들 둘 다 비닐 폴리머이지만, 각자 다른 화학적 물리적 특성을 가지고 있다. 폴리머들은 모노머라고 불리는 각각의 조각들의 중합 반응( free-radical polymerization )에 의해 정형화 되어진다. 이 과정은 많은 작은 모노머들이 반복되는 형태로 계속 서로 달라붙고 , 폴리머라고 불리는 긴 체인 분자의 형태를 이루는 통제된 반응 환경 안에서 이루어진다. 최종의 폴리머 분자는 다양성을 보여주는데 - 서로 다른 기능을 갖는 그룹이 형성된다. 그러므로,  많은 양의 모노머 결합이 PVAc와 PVOH의 거의 무한한 변화를 형성시키는 반응이 일어난다.

PVAc 폴리머는 매우 크고, 유기적인 분자이다. 현탁액(懸濁液)안에서,  이들은 빛을 가릴 정도로 충분히 크지만, 눈에 보일 정도는 아니고 확대경으로 보일 정도이다. PVAc emulsion은 정형적으로 우유처럼 보이고 - 물 정도의 점도로 흰 투명 상태이다. PVAc emulsion이 물에 용해된다고 하지만, 보통 50%에서 65% 정도로 제조된다. 전형적인 PVAc emulsion은 55%의 고형분과 1000cps 점도 보다 낮다.

건조된 PVAc는 일반적으로 상당히 물에 대한 공포심(hydrophobia)을 갖지만 내용제성이 있는 것은 아니다. PVAc가 감광 유제에서 상당히 많은 부분을 차지하기 때문에 고형분의 형성에 많은 부분을 공헌한다.

PVOH 폴리머는 음(陰)으로 볼 수 있고 PVAc는 양(陽)이다. PVOH의 조각 크기는 상당히 작기 때문에 용액은 반투명하게 보이고 엷은 색상이다. PVOH 폴리머들은 물에 자연 친화력을 갖는 폴리머 체인 위에 기능적 그룹을 가지고 있다. 다른 말로, 친수성(親水性) 또는 물을 사랑하는 폴리머들이다. 이런 물에 대한 애착으로, PVOH 용액은 매우 낮은 고형분에서 조차도 젤리 같은 액체로 되는 경향이 있고, 상당히 걸쭉(thick)해진다.

마치 냉장고에 있는 꿀처럼, 20% 고형분을 갖는 PVOH emulsion이 50,000cps 또는 그이상의 점도에 도달하는 일이 불가능한 일이 아니다.

PVAc와는 대조적으로, PVOH는 상당한 내 용제성을 가지며 내수성은 없다.

기본적인 플라스티졸 잉크 생산품은 실제로 색상과 기능을 갖는 PVOH 용액과 다를게 없다. PVAc와 PVOH emulsion의 특성 비교는 <표 1>과 같다.

< 표 1> Polyvinyl emulsion의 특성

일반적인 디아죠 유제는 PVAc와 PVOH를 갖는다. 제판이 견뎌야 하는 잉크의 타입에 따라서 PVAc와 PVOH의 비율이 결정된다. 내수성 디아죠 감광성 유제는 내용제성 감광성 유제에 비해서 PVAc의 비율이 PVOH의 비율보다 크다. 그러므로 높은 고형분과 낮은 점도가 전형적으로 내수성 유제의 특성이다.

물론 예외도 존재한다.

PVAc와 PVOH의 선택을 제외하고, 공식 안에는 점도와 고형분을 조정하는 수많은 배치 방법이 있다. 점도는 50%의 고형분에서의 물 같은 100CPS부터 51% 고형분의 40,000CPS 로 조정이 가능하고, 고형분도 불활성 필러( 전분이나 목재 가루 같은 분말 )의 첨가 등으로 조정이 가능하다. 이런 필러 종류들은 고형분을 올리는 값싼 방법이지만, 노광 시간과 제판 해상도에 무척 안 좋은 영향을 미친다.

감광 유제는 고형분과 점도의 어떤 조합을 가질 수밖에 없는데, 예를 들면, 낮은 고형분과 저점도, 낮은 고형분과 고점도, 높은 고형분 저점도, 또는 높은 고형분 고점도 등의 조합이다. 그러므로 고형분이 높다고 유제막을 두껍게 만든다고는 상상해서는 안된다.

케찹병 안의 케찹을 부울 수 없을때, 병을 흔들어서 부으면 된다. 이때 우리는 소위 shear-thinning rheology라고 부르는 현상을 목격하게 된다. 유동학이란 물질이 변화 압력에 영향을 받을 때 물질의 흐름과 변화에 대한 과학이다. 간단하게 말해서, 액체가 움직임에 따라서 액체의 점도가 어떻게 변화 될 것인가 하는 것이다. 비록 다른 시나리오로 기술한다면 많은 다른 구분이 있을 수 있겠지만, 여기서는 감광 유제에 적용되는 3가지 중요한 타입에 관해서 고려해 본다.( 그림 2 참조 )

액체는 그 유동학적 특징에 의해 분류된다. shear stress의 증가에 따라, 어떤 것은 점도가 올라가고(shear thickening), 어떤 것은 영향을 받지 않으며(newtonian), 그리고 감광성 유제처럼 점도가 낮아지게 된다(shear thinning).

rheology에 대한 설명  : 물을 빠르게 휘저어도 점도의 변화는 없다, 그러나 케찹을 부울때는 병을 빠르게 흔들수록 유동성이 증가해서, 더 빠르게 케찹을 부을 수 있다. 물과 케찹의 차이는 원래의 점도 뿐 만아니라, 액체가 움직이면서 점도가 어떻게 변화하는 가에 있다.     

많은 스크린 인쇄 잉크는 shear-thinning 특성을 보여준다. 잉크를 스크린 위에 부었을때는 고점도이지만, 스퀴지가 잉크를 mesh를 통해 밀어낼 때는, 즉 그것을 shearing 할 때는, 잉크의 점도는 낮아진다. 스퀴지가 한번 지나가고 스크린이 올라오면, 즉 shear stress가 제거되면, 잉크는 고점도로 다시 돌아온다. 이런 특성으로 잉크가 빨리 흐르게 되고, 제판의 모양대로 잉크가 형태를 갖게 되는데, 잉크가 경화 될 때까지 그 형태를 유지하게 된다.

잉크처럼, 감광 유제도 이러한 shear-thinning 특성을 갖는다. 바켓트 안의 유제는 높은 점도를 갖지만, 바켓트로 메쉬위에 유제를 코팅하면서, 감광 유제의 점도는 낮아지고, 이로 인해 감광 유제가 메쉬 오프닝을 빠르게 채우게 해준다. 코팅을 멈추면 유제의 점도는 원래대로 증가하게 된다. 각각의 유제 마다 다른 shear-thinning 형태를 보여준다. 같은 고형분과 점도의 감광 유제라 하더라도, 동일한 유제 두께를 형성하는 것은 아니다. 만약 355메쉬와 같은 고 메쉬에 유제를 도포한다고 할 때, 높은 shear-thinning 비율을 갖는 유제가 더 두꺼운 유제막을 갖는다. 이러한 높은 shear-thinning 비율은 유제가 더 쉽게 메쉬 안으로 흐르게 하고, 스크린 위에 더 많은 유제가 도포 되게 한다.

저 메쉬에서는, rheology( 유동학 )형태에 따라 결과가 더 명확해 진다.

다음 그림은 코팅 과정에서의 rheology의 효과를 보여준다.

<그림 3 > 유제의 유동성이 도포공정에 미치는 영향

61mesh에 비슷한 고형분( blue: 52%, pink: 48% )과 점도를 갖는 SBQ TYPE의 유제가 코팅된 사진이다. 그러나 코팅 과정 중에 다른 shear stress로 인해 다른 코팅 결과를 보여준다. 코팅 방법은 날카로운 날을 갖는 바켓트에 각각의 유제를 담고, WET-ON-WET 방식으로 인쇄면 2회, 스퀴지면 5회의 코팅을 하였다. 건조는 인쇄면이 밑으로 가도록 해서 온도 24도( 섭씨 ), 습도 25%의 조건에서 공기 팬 순환 방식으로 건조하였다. <그림 3> 에서 명백하게 알 수 있듯이, BLUE 감광 유제는 메쉬에 유제의 흘러넘침 현상이 없이 두껍게 코팅되어 있다. <그림 4>에서는 제판의 확대 사진을 통해서 더욱 더 유제의 두께를 확인 할 수 있다.

< 그림 4 >

제판 두께에서의 유동학( rheology )의 효과

제판 후의 blue 유제의 EOM은 400미크론의 두께를 갖는다. 비 운동 상태에서의 고 점도와 높은 shear-thinning의 특성을 갖는 감광 유제는 후막 제판에 적합하다. 즉, 유제막의 두께가 다르게 나오는 이유는 그 유제의 shear-thinning 특성이 다른데서 설명할 수 있다.

메쉬위에 유제가 코팅 될 때, 두 유제가 비슷하게 점도가 낮아지고 또 코팅을 멈추었을때 점도가 비슷하게 회복 된다고 해도, 이 두 유제의 차이점은 비운동 상태에서의 점도와 shear-thinning 비율이다. <그림 5>에서 보듯이, blue 유제는 처음의 점도가 높고, 코팅중에  거의 pink 유제의 점도와 비슷할 정도로 급격히 낮아진다. 코팅 후에는, shear-stress가 제거되고, 유제의 점도는 원래대로 회복된다. pink 유제는 낮은 shear-thinning 비율을 갖고, 비운동 상태에서의 점도도 낮기 때문에, 분자 사이의 힘으로 건조 전 그의 덩어리를 유지할 수 없기 때문에, 결과적으로 평탄하지 못한 코팅이 된다.

즉,  낮은 고형분의 유제로 같은 점도의 높은 고형분의 유제 수준 또는 그 이상의 유제막 두께를 형성하는 것이 가능하다. 우수한 shear-thinning 능력이 있으면, 낮은 고형분의 감광 유제로도 빠른 유제막 형성을 할 수 있다.

<그림 5>

-이것은 <그림 3>에서 보여주는 제판에 사용되어진 두가지 감광 유제의 점도 변화에 대한 비교를 보여준다. blue 감광 유제는 pink 유제에 비해 초기 점도가 높고 또 더 커다란 shear-thinning rheology를 가지고 있다. 결과적으로, 코팅이 끝났을 때, 높은 점도로 인해 스크린으로 부터의 유제 흐름에 대한 저항이 크기 때문에 blue 감광유제는 더욱더 평탄하고 두꺼운 막을 얻을 수 있다.