수성코팅(인쇄 포장용)

[시나브로]

국내는 고광택 인쇄물이 대부분    

과자와 같은 음식료품이나 공산물 포장인쇄에서 제일 먼저 문제가 되었던 것이 바로 수성코팅이다.

국내의 경우 톨루엔을 사용하는 유성코팅에 엔드리스(endless)판을 이용한 고광택 인쇄물이 대부분이다.

인쇄 후 이와 같은 유성코팅으로 샘플을 만들어 보낸 결과 100% 휘발성유기화합물(VOC)에 의한 사용불가라는 통보를 받았다. 이러한 우리만의 특성이 선진 세계 시장의 흐름을 역행하는 세계화에 걸림이 되고 있지는 않은지 생각해 볼 문제이다.

이에 본 고에서는 수성코팅의 필요성, 유성코팅과의 차이 등에 관해 알아보기로 한다.

코팅의 정의 

코팅은 물건을 수송, 보관하는 포장재의 가치 및 상태를 보호하기 위하여 적절한 재료 또는 용기를 물품에 시공하는 기술 또는 시공한 상태를 말한다. 또한 코팅은 품질보호, 품질보존, 편리성, 판매촉진, 정보성과 상품성, 환경 적합성 등이 필요하기 때문에 적절한 재료를 선택하여야 한다. 현재 시장에서는 인쇄기에서 유성바니시로 코팅하는 기계코팅, 단순히 코팅만하는 불변코팅, 광택을 내는 오버코팅, 필름을 접착하는 라미네이션(lamination), UV를 이용한 UV코팅 등이 있다.

코팅재의 종류

유성코팅 :  용매로 톨루엔과 같은 극성 유기용제를 사용하기 때문에 작업장과 환경을 오염시킬 뿐만 아니라 용제로 인해 인화

                 성이 있고 인체에 유해한 단점이 있어 선진국에서는 사용하지 않고 있으나, 재료가 저렴하고 손쉽게 얻을 수 있는 

                 장점이 있다.

수성코팅 : 유성용제의 단점을 친 환경적으로 대응하기 위하여, 우레아포름알데 히드와 저분자량의 다가알코올을 경화시키거

                나, 폴리아미드, 폴리스티렌, 폴리에스터, 폴리비닐리덴의 수용성 에멀젼을 사용하여 냉각접착을 실시 또는 폴리에

                틸렌 옥사이드의 수용성 바니시를 사용하는 것이 일반적이다.

UV코팅 : 알킬아크릴레이트 모노머와 이를 경화시키는 경화제와 수용성 아크릴 산으로 이루어진 혼합물과 옥사조린이나 옥사

              진이 함유된 메타크릴레이트를 이용하는 조성물이 사용되다가 현재는 100% 고형분인 UV경화형 오버프린팅 조성물

              이 일반적이나 재료값이 비싼 것이 단점이다.

코팅재료의 요구특성

① 코팅작업성이 좋아 핀홀, 브러싱, 캐터링, 비산, 쓰레드(실처럼 늘어지는 현상) 등이 없어야 하며 코팅 중에 점도 상승이 적

    어야 한다.

② 건조성이 좋아 브록킹이 없어야 한다.

③ 소재(종이)와 부착이 좋아 잘 묻고, 갈라짐, 떨어짐이 없어야 한다.

④ 잉크를 번지게 하거나 변색시키지 않아야 한다.

⑤ 식품포장용인 경우 냄새가 나거나, 식품의 맛을 해치지 않아야 한다.

⑥ 코팅된 피막이 황변이 적고 광택이 좋아야 한다.

⑦ 코팅 조성물의 저장 안정성이 좋아야 한다.

⑧ 가격이 경제적이어야 한다.유성OPV의 문제점주 용제로 사용되고 있는 톨루엔은 극성 유기용제로 상온에서 증발이 용이하

    여 작업도중 유기용매가 증발하여 점도 변화를 일으켜 코팅의 불균일성을 일으키고 작업 환경이 극성 유기용매에 노출되어

    있어 작업자의 건강을 해치고, 포장재에 사용되는 경우 인체에 해를 끼칠 수 있는 잔류 용매가 있어 여러 가지 법적인 규제

    를 받고 있다.

소방법 시행령 :  톨루엔의 경우 인화점이 7 이하로 제 1석유류로 지정되어 있으며, 지정수량은 100이다.

                        이 이상의 수량을 초과하여 일반제품을 생산 가공할 경우는 위험물 취급에 대한 별도의 시설이나 준공검사를

                        받아야 하며, 소방예방에 관한 교육 및 활동 등을 실시해야 한다.

산업안전법 :  제42조 및 동법시행령 제93조제2항의 규정에 의하여 인체에 유해한 가스 등 화학물질에 대한 작업환경평가와

                    근로자의 보건상 유해하지 아니한 기준을 정하고 이 기준을 초과하였을 경우 제재를 실시한다고 되어있다.  

                   노출기준은 거의 모든 근로자에게 건강상 나쁜 영향을 미치지 아니하는 기준을 말하며, 1일 작업시간 동안의

                   시간가중평균 노출기준(TWA), 단시간 노출기준(STEL) 또는 최고노출기준(Ceiling, C)으로 표시한다.

                   단시간 노출기준(STEL)은 근로자가 1회에 15분간 유해요인에 노출되는 경우의 기준으로 이 기준 이하에서는

                    1 회 노출간격이 1시간 이상인 경우 1일 작업시간 동안 4회까지 노출이 허용될 수 있는 기준을 말한다.    

유해화학물질 환경배출량 보고(TRI)제도 :

건강이나 환경에 악영향을 미치는 환경오염사건을 예방하고 화학물질을 안전하게 관리하기 위한 국제적인 움직임의 하나로 경제협력개발기구(OECD)와 UN에서  각각 “OECD결정문”과 ‘지구환경 실천강령(Agenda 21)’을 통하여 유해화학물질의

배출에 따른 대책을 강구하기 위해 ‘환경오염물질의 배출 및 이송목록제도(PRTR)’를 도입하였다. 현재 OECD 회원국 중 미국, 캐나다, 호주, 멕시코, 영국, 네덜란드, 프랑스, 노르웨이, 한국 등이 PRTR제도를 도입하여 시행 중이며, 2000년에는 섬유, 자동차, 조선 등 23개 대상 업종 중 100인 이상 사업장을 기준으로 했으나 2001년 이후에는 섬유, 자동차 등 23개 업종 50인 이상 사업장으로 확대했다. 또한 중소규모의 인쇄업종에도 적용이 될 예정이다. 인쇄분야는 [22류]로 지정되어있으며 출판, 인쇄 및 기록매체 복제업을 말하며, 특히 유성코팅의 경우는 휘발성 유기화학물질에 등록되어 있다.

식품위생법 :  

제3장 8조에 유독  유해물질이 들어 있거나 묻어 있어 인체의 건강을 해할 우려가 있는 기구 및 용기  포장과 식품 또는 식품첨가물에 접촉되어 이에 유해한 영향을 줌으로써 인체의 건강을 해할 우려가 있는 기구 및 용기  포장을 판매하거나 판매의 목적으로 제조, 수입, 저장, 운반 또는 진열하거나 영업상 사용하지 못한다고 되어있다.문제는 이와 같이 국내에서도 유성코팅에 대한 규제 법규는 있으며, 이 법규대로라면 대부분의 유성코팅 관련업체는 규제의 대상이 된다. 그러나 현재 대부분의 업체가 중소기업임을 감안하여 강력한 단속이 이뤄지지 않는 것이 현실이다.

유성과 수성코팅액의 조성원료 수지 :  

유성 코팅액의 경우 보통 요구르트 병으로 많이 사용하는 폴리스티렌(이하 PS수지)을 톨루엔으로 녹인 용액을 사용한다. 이때 신규 또는 재생 수지나 수지의 함량으로 점도를 맞추고 있으며, 이때 소포제 등의 첨가제도 병행 사용되고 있다. 수성코팅의 경우 PS와 아크릴계 에멀젼 수지가 주로 사용되고 있으며, 용제로는 IPA와 같은 알코올과 물이 사용되고 있다. 일반 수지를 수성화하기 위한 에멀젼 수지를 사용하기 때문에 기존의 PS단독 사용의 유성 코팅액보다는 값이 3~4배 비싸다. 수성 코팅액의 저가격화를 위해 개발된 열가소성 폴리에스터는 2가 이상의 알코올과 2가 이상의 카르본산 중축합 반응에 의해 만들어진 폴리에틸렌텔레프탈레이트(PET) 수지이다. 이 수지는 연신강도가 우수하고 투명성, 충격성, 굴곡성, 치수안정성이 뛰어난 장점이 있으나 연화온도가 낮아 기존의 엔드리스 칼렌딩으로는 광택있는 피막을 얻을 수 없는 단점이 있다.

수성화의 방법은 수용성, 수분산, 유화(Emulsion)중합, 현탁(Suspension)중합 등 여러 방법이 있으나 현재 시중에서는 유화중합과 현탁중합을 이용한 수지가 사용되고 있다. 유화중합은 수지 셀(cell)의 크기가 0.2㎛정도이나 현탁중합은 5㎛정도로 차이가 있다. 수지의 설계는 작업적성과 내수성을 감안해야한다. 수성화가 용이하면 내수성이 급격히 떨어지게 되므로, 이에 대한 대비도 필요하다. 또한 코팅액의 점도상승과 전단력의 영향으로 코팅시 광택이 저하되는 레벨링(Leveling)의 문제가 발생하기 쉽다.

사용용제의 비교 :

유성코팅에는 톨루엔과 같은 유기용매가 사용되고, 수성 코팅액은 물이나 알코올이 사용된다. 기존의 코터와 칼렌더로 사용하는 재료만 바꿔서는 수성화가 이뤄지지는 않는다. 왜냐면 우선 용제만 보더라도 물과 톨루엔은 많은 차이가 있다. 톨루엔의 1g을 증발시키는 데는 85cal의 열량만 있으면 가능하나 물은 539cal의 열량이 필요하며, 톨루엔의 표면장력은 29dyne/cm로 낮아 잉크 위에 잘 도포되나 물은 73dyne/cm로 높아 잉크 위에 잘 젖지 않는다. 따라서 기존의 열풍건조로는 물의 증발에 한계가 있어 이에 대한 보완이 요구된다. 보통 이를 해결하기 위하여 많은 양의 알코올을 투입하는 것은 바람직한 해결책이 아니며, 유럽이나 일본과 같은 선진국에서는 이러한 알코올 타입을 규제하거나 달리 구분하기도 한다. 수성코팅에는 물을 사용하기 때문에 겨울철에는 보관에 세심한 주의가 필요하다. 톨루엔의 어는점은 -95℃로 아무리 혹독한 겨울에도 얼지 않으나 물은 기온이 영하로 떨어지면 얼기 때문에 일정한 실내온도를 유지시킬 필요가 있다.또 수지가 물에 녹는 수용성을 높이기 위하여 아민(amine)류가 들어간다. 수성잉크의 암모니아 냄새가 나는 것은 이 때문이다. 아민류에는 암모니아, Monoethanolamine, AMP(amino methyl propanol), Morpholine, Diethylamine, Diethylethanolamine, Dimethylethylamine 등이 사용된다 . 이는 작업환경과 냄새  그리고 경제성을 감안해서 설계한다.

코팅공정

국내에서 사용되고 있는 코팅공정은 인쇄기와 별도로 가동되는 Off-machine공정이다. 이는 선진국에서 대부분 채용되는 인쇄기에 달려있는 On-machine공정에 비해 생산성이나 원가부분에서 떨어지는 단점이 있으나 광택발현이 좋다는 장점이 있다. 인쇄기의 경우 시간당 1만1천매 이상의 속도에서 건조가 이뤄져야 하므로 도막의 두께나 건조에 제약이 있다. 환경 친화적인 제품을 사용하려면 어느 정도의 품질저하는 감수해야 하기 때문이다.  코팅액은 물에 수지가 분산되어 있는 상태로 종이에 전이되면 일부 용제와 물이 흡수되거나 증발함에 따라 다음의 그림과 같이 점차 고형 화되면서 평활해져 광택을 띠게 된다. 국내 포장인쇄물에 사용되는 코터(coater)를 다음의 그림에 나타내었다. 이때 수성코팅과 유성코팅은 앞에서 이야기 한 바와 같이 증발열이 상이하여 건조부분이 달라져야 한다. 기존의 유성코터를 수성코터로 만들려면 이에 대한 보완이 요구된다. 유성의 경우 인쇄물의 온도가 40℃이상만 되어도 바람을 이용하여 증발이 가능하나 수성제품의 경우는 70℃이상 올리는 것이 바람직하다.

제품에 대한 환경인증

요즘은 앞에서 이야기한 법적인 규제외에도 향후 발생할 수 있는 문제에 대해서도 대비해야 한다. 제조물책임에 대한 법률(PL법)에도 신경을 써야한다. 잉크도 환경친화적인 수성잉크나 대두유잉크, 방향족용제가 없는 잉크를 요구하기도 하고, 전체 인쇄물에서 환경호르몬이나 중금속이 없는 것을 요구하기도 한다. 이와 같은 문제를 가장 손쉽게 예방할 수 있는 것이 코팅물질의 환경인증이다. 속에 어떤 물질이 있어도 일단 밖에 환경친화적인 물질이 코팅되어 있으면 이를 피해갈 수 있다.  

다음의 그림은 당사와 S화학회사에서 공동 개발한 수성 코팅액의 미국 식품의약청(FDA)에서 통과한 인증서이다.  물론 지금 현재 국내와 같은 실정에서 꿈만 같은 이상적인 이야기인지는 모르겠으나 전 세계적인 흐름은 환경친화적인 흐름이고, 경제사정이 우리보다 못한 나라에서도 수성코팅은 널리 사용되고 있다. 우리나라만의 고유한 고광택 유성코팅은 시대의 흐름에 비춰보면 한시적일 수밖에 없으며, 인쇄물 수출에 크게 걸림돌이 되고 있는 것도 현실이다. 국내의 경우도 포장용 인쇄의 많은 양이 생산성, 환경친화성 등을 이유로 플렉소 인쇄로 대체되고 있는 것을 보면 포장용기 발주회사, 인쇄회사, 재료 공급회사 등이 머리를 맞대고 노력해야 할 시점이 되었다고 생각한다. <이재수ㆍ한솔제지기술연구소 수석연구원>