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전통적인 방법의 textile 날염시장의 50% 이상이 screen printing 제품이 점하고 있고, 이를 처리량으로 따지면 연간 150억㎡에 달한다. Fig. 1은 2012년도의 염료와 안료를 사용하는 전통적인 날염에서의 전체 생산량을 290억㎡으로 보고, 각각의 염료가 차지하는 비율을 나타낸 것이다.
pigment 날염의 주 시장은 home-textile 분야가 1위를 점하고 있는데(1), 이는 우수한 일광 견뢰도와 간단한 공정(print-dry-fix), 그리고 잔류 약품의 washing-off 처리가 불필요하다는 점 등 일반 염료를 사용하는 것보다 커다란 잇 점이 있기 때문이다(fig. 2).
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또 pigment 날염의 경우 염료베이스의 날염보다 chemical cost와 환경 cost(폐수 배출, 폐기물, 용수 및 에너지 사용)가 매우 낮다는 장점이 있다(2, 3). 최근의 연구결과에 따르면, 일반 염료베이스의 날염과 pigment 날염에서의 에너지 사용량과 탄소배출량(CO2) 및 용수사용량을 비교한 결과, pigment printing의 경우 용수 사용량과 에너지 및 폐기물 및 탄소 배출량은 일반 염료베이스의 날염에 비해 평균 60% 정도 줄어드는 것으로 나타났다. 이처럼 낮은 양상은 pigment printing에서 필요한 공정이 짧다는 것으로, 이는 mercerization-wash off 단계를 제외한 것이다.
그러나 pigment printing의 불리한 면은, 잘 알려진 바와 같이 일반 염료에 베이스의 날염에 비해 칼라 영역이 비교적 좁고 brightness 또한 약하다는 것이다. 또 어느 영역에서는 견뢰도가 낮을 뿐 아니라, 선택한 binder의 종류에 따라 날염물의 hardness 또한 다소 문제가 있다.
그렇지만, pigment 분산기술과 chemical의 지속적인 개선과 binder와 각종 첨가제의 개발 등으로, 특히 친환경적인 cross-linking agent(예, ZERO-formaldehyde chemistry(4))의 개발로 pigment printing은 전통적인 프린트 산업에서 major 산업으로 거듭날 것으로 예상되고 있다.
Digital Textile Printing with Pigment inks
그러나 현재의 DTP 시장의 흐름을 볼 때, 비록 DTP시장이 2013년 현재 roll-to-roll 방식에서 5억㎡에 머물고 있다 할지라도, 주요 채색기술은 분산잉크로, 전체 시장의 50%를 이상을 차지하고 있고 이어 반응성 잉크가 26% 내외를 형성하고 있다. 이 중 roll-to-roll 방식에서 사용하는 pigment 잉크는 전체의 3% 미만에 불과하다.
DTG(Digital-to-Garment) 분야는 오직 digital textile pigment system에서만 상당한 발전을 거듭해 왔다. DTG market은 T-shirt의 digital printing에 본질로 하고 있다. 이 분야의 산업의 지표는 T-shirt의 숫자로 나타낸다. Roll-to-roll digital printing 방식과 비교하기 위해 DTG T-shirt volume을 평균 pigment 사용량으로 환산해야 한다.
DTG market을 기반으로 현재, 필자의 견해로서는 연간 25% 성장률(CAGR)로 연간 500톤의 잉크를 소비하는 것으로 보인다. 일반적으로 적은 규모의 roll-to-roll 방식의 digital textile pigment volume만을 감안, DTG volume으로 따지면, fig. 2에서처럼 전통적인 스크린 날염에서 사용하는 pigment의 총 사용량이 전체 염료의 52% 인 것인데 반해, DTP 내에서는 16%에 불과하다는 결론에 이른다.
전통적인 섬유산업에서 pigment의 잇 점은 짧은 공정 step과 낮은 환경 코스트라는 점을 우리는 잘 알고 있다. 전통적인 날염법에서 digital 날염법으로 전환하면 보다 많은 환경 친화적 요소와 에너지 절감효과를 동시에 얻을 수 있다.
전통적인 pigment 날염을 pigment ink를 이용한 digital textile pigment printing 기법으로의 전환은 다음 두 가지의 명백한 factor에 좌우된다.
① color 외관과 견뢰도 및 최종제품의 촉감을 일반 screen 날염물과 비교해 동등 또는 그 이상으로 실현시킬 수 있는 기술적 해법
② 무역회사와 merchant 또는 소매상에 대해, 그들이 전통적으로 실시하고 있는 pigment screen printing의 sourcing cost와 비교할 수 있는 단위면적(㎡)당 종합적인 print value
종합적인 cost 비교는 매우 복잡해서, 간단히 말하면, printing의 실제 cost에 부가되는 수많은 요인에 좌우된다. 이들은 환경적인 지속가능성과 에너지 코스트 절감 등을 고려해야 한다(7). 또 소매점에 있어서의 textile value chain 전략, 예를 들면 source와이 근접성과 수급의 용이성, 그리고 제품 생산 주기의 감소이며, 이것들은 소매상에게 실질적인 이익을 제공해 줄 수 있다. 이들 모든 요인은 digital-textile printing 기술의 production-cost viability를 평가할 때에 고려되어야 한다.
Textile Pigment Ink Development
Pigment와 염료는 용해성 측면에서 다르다. Pigment는 불용성의 색소이기 때문에 물리적으로 water base 상에 정밀하게 분산시켜야 한다. DTP의 성공열쇠는 매우 안정적이고 매우 fine하며, 균일한 입자로 이루어 졌으며, 뒤이어 나타나는 aggregation과 flocculation이 제한된 분산체의 textile pigment ink를 개발하는데 있다.
전통적 날염기법에 사용되는 표준 pigment 색소가 출발물질이 된다. 대표적인 색소가 C.I. Pigment Yellow 83과 Orange, Red 122, Red 146, Green 6, Blue 15.1, 그리고 Blue 15.3, Black 7과 White 6 등이 있다.
Print-color head의 channel 수에 따라 개발된 DTP용 pigment 잉크가 이 범위 내에서 선정된다. DTG에 사용되는 대표적인 잉크는 CMYK로, 이들 제품은 일반적으로 C.I. Pigment Yellow 74와 Red 122, 그리고 Blue 15.1과 Black 7이 있으며, titanium dioxide white(C.I. Pigment White 6)도 함께 사용한다.
전통적인 기법의 날염과 digital-textile pigmeny와의 주된 차이점은, particle size 분포로, DTP용 pigment 분산체의 경우 평균 particle size가 100~150nm 수준인 것에 반해 일반 screen printing용 pigment 분산체는 그 크기가 10배나 크다(fig. 3).
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평균 입자 크기가 작으면 분산안정성이 좋으나, 이는 복잡한 기술영역으로, 여기에는 major color와 각종 chemical 공급자들이 수년간에 걸쳐 연구를 진행해 왔다(8, 9). 가장 최근의 기술은 전통적인 screen printing pigment 분산체에 사용된 것과는 다른 새로운 분산제를 개발해 사용한 것이다.
Digital textile Ink 분산에는 새로이 적용하고 있는 hyper-dispersion기술은 전통적인 분산제보다 높은 분자량의 분산제를 사용하는데, 이 분산제는 엄청나게 많은 site에 동시에 많은 pigment 입자와 결합해 영구 흡수층을 형성하는 것이다. Polymeric hyper-dispersants는 자체 분자 내에 두 개의 주요 구성성분을 갖고 있다.
① Pigment의 표면에 흡착할 수 있는 anchoring group
② Pigment 입자 주변에 입체적 안정장애를 유발하는 polymeric chain
Pigment Ink에 있어서의 흥미로운 연구결과는 분산제 선정기술에 있는 것으로 보고되고 있다(10).
대표적인 제품은 Lubrizol 사에서 생산한 hyper-dispersant의 Solsperse series이다. 여기에 최근의 또 다른 접근은, pigment surface 상에 -SO3Na(또는 -COONa, carboxylate, halogen or 몇몇 다른 hydrophilic gruoup)의 도입과 개질로, Cabot 사에서 개발한 diazotization chemical approach를 활용하는 것이다.
Pigment 분산체로, 특정 print-head type용의 특수 co-solvent 및 첨가제를 사용한 DTP용 pigment ink는 기본적으로 15%의 pigment 고형분을 함유하고 있다(12, 13, 14).
DTP용 pigment ink system은 DTG, 앞서 언급했듯이 market용으로 널리 이용되고 있고, textile pigment ink와 binder 기술은 DTG market에 사용되는 print head의 다양한 head 수만금 개발해 왔다.
Print head의 완성된 range는 현재 DTG area-Epson DX Series와 Fuji Dimatix Nava & Polaris, Kyocera KJ14B, Ricoh Gen 4 그리고 Brother printer head는 low and high production DTG machine 모두에 장착되어 있고, textile-pigment ink(binder system과 전처리)는 특수 print head/machine type용으로 개발되어 DTG market에서 빠른 성장과 발전을 거듭하고 있음을 반영하고 있다.
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Table. 1은 현재 사용되고 있는 몇몇 digital-textile pigment ink를 보여주고 있다. DuPont Artistri pigment range와 최근에 소개된 Kornit NeoPigment range를 제외하고는 모든 pigment ink range는 DTG market에 특화되어 있다(14). 그러나 모든 roll-to-roll DTP market을 볼 때 신세대의 고속장비로서 현재 가동되고 있는 DTP pigment solution(Reggiani ReNOIR, MS LaRio)은 아직 쓸모 있다고 볼 수 없다.
반면에 2013년 6월에 영국 런던에서 열렸던 FESPA에서 Kornit사가 소개한 Allegro digital-textile printing machine(Fig. 4)의 per-and post-treatment 및 digital textile pigment가 통합된 new range는 digital-textile pigment printing 시장에 첫 발을 내디뎠음을 보여주었고, 향후 많은 digital textile print machine 제조업체들이 이런 시도에 뒤따를 것으로 기대하고 있다.
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출처 : http://www.wtin.com (06 January 2014)/By Dr John Provost
- 손성군 통섭섬유 연구소
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