오프셋 인쇄의 인쇄적성 최적화 시뮬레이션에 관한 연구

Abstract

본 연구는 여섯 개의 소주제로 구성하였다. 첫 번째와 두 번째 주제에서는 인쇄적성에 대한 코팅구조의 영향을 파악하기 위한 실험을 실험실과 pilot scale 단계까지 시스템적으로 실시하였고, 세 번째 주제에서는 인쇄적성에 미치는 환경적 영향을 파악하기 위하여 처음으로 새로운 접근방법을 가지고 저온상태에서의 잉크 수리성 문제를 탐구하였으며, 네 번째로는 저평량화와 고급화되는 경향에 대응하여 핵심적으로 요구되는 인쇄적성 중의 하나인 인쇄 뒤비침과 관련하여 새로운 인쇄 뒤비침의 평가 수단과 다양한 인쇄조건의 영향을 제시하였으며, 다섯 번째로는 윤전 인쇄에서 발생하는 인쇄주름 문제에 대해 현실적인 평가법을 마련하고 종이의 제조특성에 따른 영향과 현장에서의 실험을 기반으로 인쇄조건의 영향을 파악하였다. 마지막 여섯 번째로는 인쇄적성의 최적화를 위해 실제 현장에서의 활용 가능한 인쇄재료특성과 최적조건을 수립할 수 있는 방안에 대하여 현실적인 연구결과를 제안하였다. 각 연구결과로부터 도출된 결론을 다음과 같이 요약하였다. 첫 번째 주제에서는 인쇄 광택과 잉크 세팅에 대한 구조인자의 영향을 조사하기 위하여 표면의 거칠음, 공극 크기, 공극율을 각각 분리시켜 독립적으로 변화시킨 모델 코팅을 제조하고, 다양한 잉크량 수준에서 인쇄를 실시하여 잉크 세팅과 인쇄 광택의 상호관계를 조사하였다. 연구결과로부터 도출된 결론은 다음과 같다. ● 인쇄 광택에 대하여 폭 넓은 범위에 걸쳐 표면 거칠음, 공극 크기, 공극율의 영향을 정량적으로 나타낼 수 있었다. 거칠음은 잉크량이 과도한 수준에서도 인쇄 광택에 영향하는 것으로 나타났고, 공극율이 낮고 공극 크기가 클수록 높은 인쇄 광택을 나타냄이 확인되었다. ● 표면 거칠음이 높을수록 잉크필름의 tack을 낮추는 것으로 나타났으나 거칠음은 전반적으로 잉크 세팅속도에는 크게 영향하지 않았다. ● 잉크 세팅은 코팅의 공극율이 클수록 빠르게 진행되고 일정한 공극율 수준에서 공극의 크기가 클수록 느리게 나타났으며 잉크 세팅 속도는 단순화된 흡수 모델에 의해 설명될 수 있었다. ● 폭 넓은 표면 거칠음(또는 광택) 범위에서 인쇄 광택과 잉크 세팅 간의 상관성을 얻었으며, 코팅 광택이 높아질수록 인쇄 광택은 잉크 세팅에 보다 민감하게 반응하는 것을 알 수 있었다. ● 인쇄 광택과 잉크 세팅의 관계는 평활성이 높은 표면상에서 산포가 커지는 것으로 나타났다. 현재의 이해로는 인쇄 광택을 잉크 세팅으로 설명하는 경향이 있으므로 이에 대한 공극 크기와 공극율 또는 기타 인자의 영향에 대해 향후 심도 있는 연구가 필요하다. 본 연구결과를 통하여 얻어진 인쇄적성에 대한 코팅구조의 영향은 정량적인 결과를 제시하므로 시뮬레이션과 모델링을 통해 검증되고 입증될 수 있을 것이라 판단한다. 향후 본 연구결과를 바탕으로 코팅구조의 최적화를 위한 보다 현실적인 노력이 뒤따라야 할 것이다. 두 번째 주제에서는 산업용지에서 코팅층의 구조가 인쇄 및 후가공 오버코팅 품질에 미치는 영향을 연구하였다. 특히 실험실적 범위를 벗어나 pilot scale로 모델을 제조하고 실인쇄와 연결하여 그간 현실적 제약이 따르던 인쇄 작업성의 평가를 실행하였고 연구 결과가 적은 인쇄 후가공 품질에 대한 코팅구조의 영향을 조사할 수 있었다. 연구의 결과로서 다음과 같은 결론을 도출하였다. ● 인쇄품질에는 top 코팅층이 보다 중요한 역할을 하며 오버코팅의 균일성에는 pre 코팅층의 역할이 유의하게 나타났다. 즉 pre층의 바인더 함량이 낮을수록 오버코팅의 균일성이 상승하였으나 top층은 일정한 영향을 주지 않았다. ● 바인더 함량의 변화에 따른 표면 뜯김을 조사하여 문제 예방을 위한 임계 바인더 함량을 실증적으로 도출하였으며, 다색인쇄의 특성에 맞게 인쇄 유닛별로 요구되는 표면강도의 차별성을 제시하였다. ● 바인더함량이 낮고 잉크 세팅이 과도하게 빠른 코팅은 실인쇄에서 모틀링, 파일링, 표면 뜯김 등의 문제를 야기한다는 것을 확인하였다. ● 코팅구조의 복합함수로서 인쇄 광택과 오버코팅 광택의 결과를 설명할 수 있었으며 오버코팅 광택은 공극율에 비례하고 표면 거칠음에 반비례한다는 것을 알 수 있었다. 본 연구결과를 통하여 인쇄적성에 대한 코팅구조의 영향을 pilot scale로 확장하여 실제 인쇄단계에 접목하고 결과를 확인함으로써 실험실 단계의 결론을 검증하고 현장적용 전단계로 연구결과를 연결시켰다. 본 연구결과를 토대로 인쇄 및 인쇄 후공정에 대한 보다 확장되고 심도 있는 연구가 뒤따라야 할 것이다. 세 번째 주제에서는 계절적이나 지역적으로 언제든 냉혹한 저온환경에 노출될 수 있는 냉각된 종이에서 발생하는 동결 인쇄문제에 대하여 처음으로 과학적인 접근이 이루어졌다. 저온 환경에 노출되는 종이의 인쇄적성의 개선 방향에 초점을 둔 연구결과로서 다음과 같은 결론을 얻었다. ● 동결인쇄 문제의 직접적 원인으로 표면 응결수의 형성, 재료의 비활성화, 잉크의 유동성 악화 등을 제시하였다. ● 동결 인쇄적성에 대하여, 코팅의 구성, 코팅층의 형성, 종이의 구조 및 흡수성과의 영향을 제시하였다. 이로부터 바인더의 함량, 코팅량, 코팅층의 수가 높을수록 동결 잉크 수리성이 떨어지는 것으로 나타났다. 이 결과에 대한 원인으로는 근본적으로 코팅층의 구조가 치밀하고 흡수성이 저하되기 때문인 것을 제시하였다. ● 저온 상태의 잉크 수리성 문제를 개선하기 위해 종이 제조측면에서는 최적화된 코팅량 제어와 라텍스 조합, mild한 건조조건 유지, 제품구조를 bulky하게 유도하는 것이 바람직할 것으로 제안하였다. ● 흡수성과 관련하여서는 구조적 측면이 중요하므로 지나친 친수성의 증가는 습수나 응결수분에 의한 결합력 저하와 함께 코팅층의 뜯김을 수반할 수 있음을 경계해야 한다. 동결 인쇄문제의 해결을 위해 재료측면에서는 냉각조건에 보다 내성을 나타낼 수 있는 연구개발이 필요하다. 하지만 앞서 도출한 어떤 결과보다도 궁극적인 것은 동결인쇄 문제에 완벽한 재료는 없으므로 환경에 대한 문제인식을 갖고 철저한 관리와 대응을 하는 것이 가장 바람직하다. 네 번째 주제에서는 인쇄 뒤비침에 대한 적절한 평가법이 없는 문제를 극복하고 다양한 인쇄조건의 변화가 인쇄 뒤비침에 미치는 영향을 조사하였다. 연구의 결과로서 다음과 같은 결론을 도출하였다. ● 인쇄 뒤비침에 대한 평가방법으로 새로운 화상분석 평가방법을 고안하고 이를 검증하여 육안평가와 매우 높은 상관성을 얻었다. 특징으로는 육안평가와의 상관성을 높이기 위해 contrast 효과를 도입하였고 인쇄 뒤비침 수준을 단일 지표화한 것이다. ● Heatset 윤전인쇄에서의 강제 건조는 자연 건조보다 큰 인쇄 뒤비침을 나타내었다. 이는 잉크의 증발에 의한 인쇄 뒤비침 감소보다 유동성 증가에 따른 침투효과가 크기 때문에 인쇄 뒤비침을 증가시키는 것으로 제안하였다. ● 잉크의 유화 진행에 따라 동일 잉크량을 기준으로 초기에는 인쇄 뒤비침을 상승시키지만 지속되는 유화진행에 따라 잉크내 수분의 희석효과로 인쇄 뒤비침이 감소되는 것으로 나타났다. 최종적인 인쇄 뒤비침은 실제 인쇄환경에서 인쇄농도에 따른 기준작업을 할 경우 잉크량 증가 및 침투효과와 희석효과간의 경쟁관계에 의해 인쇄 뒤비침이 결정될 것으로 판단된다. ● 동일한 인쇄농도 또는 공급량 수준이라 하더라도 제조사별 잉크의 인쇄 뒤비침 결과는 큰 차이를 나타내어 인쇄 뒤비침을 경감하기 위한 재료의 최적화가 필요함을 시사하였다. 본 연구결과를 토대로 새로운 인쇄 뒤비침 평가법을 활용한 연구 활성화에 기여할 것으로 판단되며 바람직한 인쇄조건의 수립을 위한 노력이 지속되어야 할 것이다. 다섯 번째 주제에서는 상업 윤전인쇄에서 오랜 문제로 간주되는 인쇄주름에 대하여 새로운 평가법을 고안 도입하여 인쇄주름을 최소화하기 위한 종이의 조성조건에 따른 영향을 파악하였고 다양한 인쇄조건의 영향을 파악고자 하였다. 연구의 결과로서 얻은 결론은 다음과 같다. ● 종이의 제조측면에서 침엽펄프의 여수도 상향과 활엽펄프와 회분의 배합비를 증량하는 것은 인쇄주름을 완화시킬 수 있었다. ● 잉크량 하향은 인쇄주름을 크게 감소시키는 것으로 나타났다. 따라서 운전조건 측면에서는 최적의 잉크량을 사용하는 표준화가 중요하며, 재료측면에서는 잉크 요구량이 최적화되도록 설계되어야 한다. ● 건조조건, 습수공급량 등의 변화에 의한 인쇄주름은 각 용지사별로 상반되거나 일관되지 않았다. 이는 용지에 따라 인쇄적성이 다르므로 이에 맞는 선택적 인쇄조건이 존재할 수 있다고 판단된다. 본 연구의 결과를 토대로 최적화된 인쇄조건의 운영을 위해 좀 더 확장된 연구가 필요하겠고 종이나 잉크와 같은 인쇄재료의 영향에 대한 심화된 연구가 후속되어야 할 것이다. 마지막 여섯 번째 주제에서는 다양한 재료와 실험방법을 도입하여 여러 인쇄재료의 인쇄적성과 상호작용을 조사하고 결과를 조합하여 인쇄적성의 최적화 측면에서 분석하였다. 연구의 결과로 다음과 같은 결론을 얻었다. ● 습수의 특성과 표준조건을 제시하고 알코올 사용의 주의 사항을 보여주었으며 습수와 인쇄판의 상호작용에 의한 부식효과를 제시하였다. ● 잉크의 기본 품질특성으로부터 입도의 개선점과 tack의 문제점을 제시하였고 첨가제 사용에 따른 잉크의 특성변화를 제시하였다. ● 인쇄의 효율성과 비용측면에서 잉크의 품질특성을 도출하고 최적화된 재료선택의 중요성을 제시하였다. 또한 다색인쇄에서 색상재현의 핵심이 되는 중첩성은 각 색상별 잉크의 세팅에 크게 영향 받는다는 것을 알 수 있었다. ● 고속조건에서 잉크의 유화거동 조사를 통해 불안정한 유화거동을 보이는 잉크는 습수에 비교적 관계없이 작업성과 품질에 문제를 초래할 수 있다는 것을 알 수 있었다. ● 잉크와 습수 간에는 선택적인 호환성이 존재하며 이들의 조합조건에 따라 인쇄품질과 작업성은 크게 영향을 받을 수 있음을 나타내었다. ● 종합적으로 인쇄재료의 선택과 조합에 관하여 과학적인 접근을 통해 인쇄품질, 비용, 작업성측면에서 인쇄 생산환경의 최적화를 꾀할 수 있는 방안을 제시하였다.

This thesis is composed of four parts of main researches which are again formulated with total 6 subjects. In the first and second subject, the effect of coating structure on printabilities was explored with the model coatings formulated and treated systematically both in the laboratory and pilot facilities. In the third section, for the purpose of elucidating the effect of environmental effect on printabilities, ink transfer problems on a cooled paper were explored with a novel technique and approaches. In the fourth part, as a response of the trends in which papers become lighter and customer require higher qualities, the effect of printing conditions on print through was investigated with the help of novel technique to evaluate print through ever reliably. In the fifth subject, a chronicle problem in heatset web offset process called ‘fluting’ was the target to be hammered down by enlightening the effect of printing conditions and manufacturing aspects of paper with the aid of new protocol developed for fluting reproduction in laboratory environment. Finally, in the sixth part, practically motivated research was committed to suggest a systematic approach for optimization in using many printing materials by characterizing their performance for the cases of their multiple combinations each other. Many of their combinations and resulting performances are shown and summarized. Below are more detailed abstracts for each subject. Print gloss and ink setting has been a subject of many studies in terms of the effect of coating structure. However, exclusive influence of the structural factors on them has been seldomly reported because it was hardly possible to differentiate each factor independently while others are constant. In this section of the studies, based on full factorial design, model coatings are elaborately prepared both with various contents of binder and different types of pigments so that pore structure should be characterized in terms of pore size and porosity. Then, surface roughness of the sample with the same coating formulation was manipulated by ‘matte-calendering’ technique, resulting in controlled series of sample with several levels of rough surfaces. Following the printing steps, the characteristics of ink transfer on the sample are obtained and utilized to produce a quantitative response of the quality attributes as a function of surface roughness and pore structure. Also measured are ink tack dynamics on the coatings. Then the effect of structural factors on ink setting behavior was explored to which a relation between print gloss and ink setting on controlled surface was revealed. Ink film printed on rougher surface exerts lower tack force during splitting, however roughness did not influence the rate of ink setting overall. Higher porosity of the coating produces faster ink setting, while higher pore size at a constant level of porosity results in slower rate of ink setting. In this work, relationship between print gloss and ink setting over a wide range of coating roughness has been acquired, in which print gloss becomes more sensitive for ink setting as coating gloss gets higher. The above research has been extended such that model coatings on paperboard from pilot coater were prepared and characterized in terms of structural factors. From the results, coatings with faster setting due to lower binder contents has been suffered from severe mottling, piling, and picking during press runs. Lower contents of binder in pre-coat layer increased the uniformity of overcoating quality while changes in top-coat layer did not show any trend. It was possible to explain the results of both print gloss and overcoat gloss as a combined function of structural factors. However the effect of porosity on overcoating gloss was opposite; higher porosity produced higer gloss of overcoating surface, which may be attributed to the flowability of vapor during the hot-pressed calendering. Paper could be situated in a cooled environment seasonally or regionally otherwise it is forced to be in a controlled circumstance. In this section of the paper, printing problems on a cooled paperboard are investigated and charac- terized in terms of paper properties. For this purpose, various kinds of sample are cooled down under a specially designed freezing device and printed for observing their printability. Causes for poor ink transfer on a cooled paperboard are suggested due to condensation, surface inactivity, and rheological change in ink film. Paperboards with higher amount of binder, thick and/or multi coat layers are more vulnerable to poor ink traps. Severe drying could cause the same effect as that of higher binder formulation. It is shown that more absorptive porous structure is desirable for better ink receptivity in a cooled status. Printing on a dampened surface may be an indicator for ink transferability on a cooled paper. This part is finalized with some suggestions of desirable directions for papermakers and printshops. Print-through is one of the most important attributes of print quality and has long been a subject to study. However, some aspects of print through are still in need to be enlighten. In this paper, different kinds of evaluating methods for print through are compared using densitometry, brightness, and image analysis. Printing conditions including ink feed, drying condition, and emulsification rate are systematically changed to effect print-through both on uncoated and coated commercial papers. Also several inks from different makers are introduced and compared in terms of print-through propensity. From the results, densitometry was not a good indicator for print through on the papers in this study. The novel treatment of image processing was reliable enough to produce good correlations with visual judgement. The distinct feature of the technique was the numerical treatment by the introduction of contrast effect between bright and dark area. Ink feed has a strong effect on print through especially for the uncoated paper and should be considered within a region of optimum ink feed level in real world. Contribution of faster ink(oil) absorption seems to be more competitive than that of ink(oil) evaporation resulting in severer print-through for hot drying process. It is shown that ink-water emulsification rate increases print through at mild ink-feed level but easy to decrease it with lower print density due to the increase of water contents in emulsion. It is believed that the effect of absorption overwhelms that of density drop at mild emulsification level. This study does not include the effect of ink attributes in detail but shows that distinctive differences in print through may be resulted from different ink brands and is finalized with some suggestions. A printing defect known as ‘fluting’ or ‘waviness’ of the web printed by heatset web offset printing process is one of the chronically serious problems by deteriorating quality of final prints. In this paper, we firstly studied the effect of pulps formulations and treatment on the fluting tendencies. Then, the influence of many printing conditions on fluting are investigated including drying temperature, fountain solution amount, ink supply, and different presses. For this purpose, novel techniques to reproduce and appraise fluting in laboratory was introduced. As results, the freeness of softwood pulp was significantly affecting on fluting such that the higher freeness, the less fluting. Higher formulations of hardwood pulps and/or ash contents produced significantly less fluting. Ink supply in printing was a distinctive factor for fluting, as the lower ink amount, the milder fluting. However, changes in drying temperature and fountain solution supply produced inconsistent results for each paper, which might imply a probability of optimization between printing conditions and papers in terms of their printabilities. As like conventional wisdom, different presses output comparably discernible quality and more work should be followed to verify the effect of hardware conditions on fluting in detail. In offset printing, there are many of materials are involved for printing such as ink, fountain solution, alcohol, plate, blanket, paper, etc. However, despite of their importance, there are huge obstacles ahead of practical studies for the optimized use of them simply because of so many materials and thereby their combinations. In this report, various printing-materials in commercial market were investigated in terms of their characteristic properties and their performance when combined with each other. For the verification of fountain solutions available in Korea, standardized conditions were analysed and chemical interactions of fountain solutions with printing plate were reported. To characterize sheetfed and web offset printing inks, their basic properties such as particle size, tack, and viscosity were experimented with and without an additive of compound or varnish. Evaluations for printabilities and print qualities from laboratory printings were followed. For accessing the combined performance of each ink and fountain solution, emulsification behaviors are analyzed. This paper finalized by summarizing all the results and showing how one can construct optimization protocols in choosing and using printing materials in terms of print quality, cost, and runnability. From this study, it was obviously proofed and confirmed that press shops must practice standardization in the use of printing materials for higher productivity and quality. Also customized best-conditions for their own sites should be pro-actively pursued and constructed. Furthermore, wider and systematic approaches for obscure troubles are requested. This research may be one good protocol for that purpose.