용제(솔벤트)와 수성 출력은 긴 역사를 갖고 있으며, 그에 따라 출력된 잉크의 건조 시기는 자연스럽게 정해졌다. 이러한 고전적 출력 잉크에서는 바인더(잉크를 굳게 하는 물질)로 주로 폴리머(중합체)가 사용되는데, 폴리머는 이미 굳어진 상태이기 때문에 용제나 수분이 증발하기를 기다리기만 하면 된다. 다시 말해, 출력이 더 이상 축축하지 않고 밀리지 않으면 잉크가 완전히 건조된 것으로 본다. 반면, UV 경화 잉크로 작업을 할 경우 작업 과정은 기존의 방식과 완전히 달라진다. UV 경화 잉크의 건조 시기를 결정하는 방법에 대해 질문하기 전에, 우선은 UV 경화 잉크가 어떻게 작동하는지 이해한다면 큰 도움이 될 것이다.
이름에서도 알 수 있듯이, UV 경화 잉크 출력에 사용되는 프린터는 증발성이거나 산화성(공기 건조) 경화와는 달리, 출력된 잉크를 굳히기 위해서 UV 에너지를 사용해야 한다. 그렇다면 UV 경화 잉크는 전형적인 출력용 잉크와 어떻게 다른 것일까? UV 잉크는 기존의 잉크처럼 물이나 용제 속에서 굳어지거나 고정된 형태의 바인더를 가진 대신, 바인더가 될 개시 원료가 UV 경화성 잉크 제제(포뮬레이션)에 포함되어 있다.
프린터에서 기판으로 잉크를 분사한 후에 UV 광원을 쪼이면 화학반응이 일어나게 되고, 바인더는 순식간에 소재 위에서 굳어진다. 막 출력된 축축한 잉크가 자외선에 노출되자마자 순식간에 종이나 소재 위에서 굳어지는 작용은 마치 화학 공장의 축소판처럼 보인다. 두 과정의 차이는 <그래프1>에서 볼 수 있다. 잉크 바인더를 생성하는 중합 공정은 대개 1초 이내에 폴리머가 굳어짐으로써 매우 빠른 속도로 진행된다. 모든 과정이 적절히 이루어진다면, 잉크는 테스트와 동시에 즉시 건조되는 것이다.
▲ 광원은 출력된 잉크의 건조 시간 및 경화 속도에 큰 영향을 미친다. 조명 제조업자는 출력 제조업자 및 조제사(포뮬레이터)와 긴밀히 협력해 소재의 위치에 따라 적절한 빛을 설정해야 한다.
건조 시간과 경화 속도
하지만 불행히도, 실제 작업장에서는 늘 건조가 순식간에 이루어지지는 않는다. UV 잉크의 건조 시간 또는 경화에 영향을 줄 수 있는 몇 가지 변수가 있기 때문이다. 광원은 출력된 잉크의 건조 시간 및 경화 속도에 큰 영향을 미친다. 조명 제조업자는 출력 제조업자 및 조제사(포뮬레이터)와 긴밀히 협력해 소재의 위치에 따라 적절한 빛을 설정해야 한다. UV 광원의 세기가 특정 수준 이하로 떨어지면, 건조 시간 및 경화 속도는 상당한 영향을 받기 때문이다. 이러한 현상은 램프의 노화로 인해 사양보다 적은 양의 빛을 생성할 때 주로 발생한다. UV 광원의 증감 여부는 육안으로는 확인할 수 없기 때문에 UV 측정기나 UV 광량계를 사용하여 정기적으로 확인해야 한다.
UV 경화성 잉크의 건조 시간에 극적으로 영향을 줄 수 있는 또 다른 요소는 잉크 제제에 어떤 성분을 섞느냐에 달려 있다. 폴리머 혹은 바인더가 출력된 기판(서브 스트레이트) 상에서 직접 굳어질 경우, 잉크 제제 안에 어떤 성분이 들어 있느냐에 따라 바인더가 굳어지는 데 걸리는 시간이 극적으로 달라진다. 이러한 사항을 고려하여, 잉크 제조사는 원하는 건조 시간을 위해 잉크를 조정해야 한다. 건조 시간 및 경화 속도는 제제의 적절한 균형을 맞추는 것이 매우 중요하기 때문에, 잉크를 희석하거나 양을 늘리기 위해 다른 성분을 첨가하면 건조 시간에 영향을 미치게 된다.
보편적으로 건조 시간과 경화 시간(또는 속도)이라는 용어를 서로 바꾸어 쓸 수 있는 동등한 의미로 사용했다. 하지만 기존의 잉크 출력과는 달리, 두 개념 사이에는 기술적인 차이가 있다. 건조라는 용어는 ‘건조 후 만져봄’이라는 개념을 통해 쉽게 이해할 수 있다. 다시 말해, 출력된 잉크를 만졌을 때 더는 손가락에 액체 물질이 묻어 나오지 않는 상태가 바로 건조라고 할 수 있다. 반면 경화는 폴리머 바인더가 굳어질 때 일어나는 반응이라고 생각하면 된다. UV 경화 후 굳어진 폴리머를 만져보면 건조되었다 할지라도, 실제로는 완전히 반응이 끝나지 않았을 수 있다. 그 이유는 폴리머가 UV 경화를 통해 굳어질 때, 고체 상태에 도달한 뒤에도 화학 반응을 일으키는 요소들에서 반응성 결합이 이루어지기 때문이다.
자외선에 노출된 후에 일어나는 일에 대한 기술적 논의를 좀 더 진행하기 위해, UV 경화성 아크릴레이트나 메타크릴산염의 사용에 관해서 설명해 보자면 다음과 같다. 이러한 재료들은 대부분 UV 경화성 잉크에 사용되며, 출력에서 가장 많이 쓰이는 재료이기도 하다. 그 외에 양이온이나 티올 성분과 같은 기타 UV 경화성 물질이 있는데, 이들은 건조 상태에 도달한 후에 프린터에서 더 높은 수준의 경화를 보이지만 전체적인 UV 경화 잉크 시장에서는 사용 비율이 높지 않다.
제제의 각 성분에 반응성 있는 그룹이 많을수록 교차 밀도가 높아져서 경화가 더 잘 이루어진다. 반응성 그룹이 많을수록 다른 그룹들과의 거리가 가까워지기 때문에 반응이 일어날 확률이 더 높아지는 것이다. 반면, 일단 결합이 이루어지면 하나 이상의 그룹을 가진 성분들은 더는 잉크를 통해 이동할 수 없으므로 추가 반응이 일어나지 않을 것이다. 이 효과에 의해 경화의 양은 반대 방향으로 유도되는 경향이 있다. 따라서 각 분자 상의 반응성 그룹의 수가 증가할수록 제제 내에서 반응성 결합의 총전환율은 감소하는 것이다.
▲ 계측기를 사용해 LED 경화 램프의 정확한 측정값을 도출하는 것은 중요하다. 이는 출력 작업 시에 충분한 에너지를 발산하는 동시에, 민감한 광학 구성 요소를 보호해 장비 수명을 연장한다. 사진은 다중 대역 접근법을 사용해 측정한 데이터다.
건조와 경화의 개념적 차이
이를 시각화하기 위해서 용기 두 개를 떠올려 보자. 하나의 용기에는 분자 한 개가 하나의 그룹을 이루고 있고, 다른 용기에는 분자 양쪽에 두 개의 반응성 그룹을 포함한 분자가 있다고 가정해 보자. UV 경화성 잉크에서 반응을 시작하는 것은 ‘free radical’이라고 하는 반응성 화학종의 형성이다. free radical은 UV 에너지에 노출될 때 제제 내의 개시제가 반응할 때 발생한다.
우리는 이 실험에서 각각의 용기 안에 경화를 시작하기 위해 같은 수의 free radical을 넣고 UV 광원에 노출한다고 가정해 보자. free radical이 각각의 용기 안에서 반응성 있는 그룹들과 반응하기 시작하면 폴리머가 형성되어 커지기 시작한다. 바로 그런 이유로 잉크가 건조해지는 것이다. 만일 우리가 개시 직후에 반응을 멈춘다면 우리는 각 샘플에서 비슷한 수의 그룹이 반응할 것이라 기대할 수 있다. UV 경화를 그대로 진행하게 하며 실험을 이어가 보자. 단일관능성(mono functional: 유기 화합물에 함유된 관능기가 1개뿐인 화합물을 말한다) 성분의 경우, 폴리머는 끈끈한 상태였다가 점점 유리질 또는 건조 상태가 되는 시점까지 계속 성장한다. 각각 반응하지 않은 단일관능성 성분은 폴리머 케이지 내에서 이동하며 free radical과 반응한다.
2관능성(di functional) 성분 역시 성분의 중합 반응은 유리질 상태에서 고체 폴리머로 진행될 것이다. 하지만 2관능성 모노머의 그룹 중 하나가 성장 중인 폴리머 상의 free radical과 반응하면, 더 이상 이동성을 띠지 못하고 성분 속에 있는 두 번째 그룹을 위해 다른 반응성 있는 free radical을 찾는다. 다시 말해, 2관능성 성분은 이제 성장하는 폴리머에 꼼짝없이 갇힌 채 정착되어 제제 내에서 반응하지 않은 다른 성분들과 가까워질 수 없게 되는 것이다. 결국 경화 과정이 완료된 후에도 많은 그룹이 반응하지 않은 채 남아 있는 상태가 될 것이다. 단일관능성 성분의 경우, 일부 미반응 물질도 존재하지만, 성장하는 폴리머 케이지 내에서 이동할 수 있기 때문에 단일관능성 성분이 반응할 확률이 더 높다.
바로 그러한 이유로 UV 잉크 제조사들은 완전히 건조된 UV 잉크와 완전히 경화된 UV 잉크를 구분하는 것이다. 완전건조라는 용어는 자외선에 노출된 후 잉크가 말라 버린다는 의미이다. 반면 완전경화 또는 경화율이란 잉크 속에서 반응하여 폴리머 바인더의 일부가 된 그룹의 수를 가리킨다. 대부분의 UV 잉크는 약 50~60%의 가량의 그룹이 반응하여 잉크 바인더의 일부가 될 때, 액체 상태에서 건조 폴리머 상태로 전환하기 시작한다. 얼마나 많은 그룹이 폴리머 케이지 안에 갇혀 있는지에 따라, 경화율은 100% 미만으로 제한될 것이다. 출력된 잉크를 프린터에서 꺼냈을 때, 일반적으로 80~95% 경화율을 보인다.
작업자가 완전히 건조된 UV 잉크를 출력했으며, 이상적인 요소들을 모두 갖추었다 하더라도, 최종 잉크 안에는 사용되지 않은 반응성 그룹이 남아 있으므로, 완전히 경화된 것은 아니라는 사실을 잊지 말아야 한다.
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