UV인쇄, 유성인쇄를 불문하고 오퍼레이터는 다양한 작업을 효율성 높이면서 고품질의 인쇄를 추구해야만 한다. 인쇄현장은 항상 바쁘지만 그 중에서도 사람 손에 의한 급배지와 잉크집 잉크보충은 아직도 부담이 큰 작업이다.
급배지는 개개의 공장 내 레이아웃 및 작업동선과 관계가 깊기 때문에 완전자동화를 향하는 문턱이 여전히 높지만, UV잉크 자동공급은 특유의 기술과제를 뛰어넘어 오늘날 실용화 단계에 이르러 있다.
본고에서는 이 기회에 잉크공급 시스템에 주목해 압송유체로서의 UV잉크 성질과 함께 전용 펌프 개발경위에 대해 소개하고자 한다.

글 ｜ 요코이 료 주식회사 KGK 기술부 매니저

잉크 공급펌프 구조
다양한 액체를 보내는 펌프 중 용적식 펌프는 동력을 직접 유체압력으로 변환하는 타입으로 원심펌프와 같은 비용적식 펌프에 비해 자흡력이 강력하고 토출압이 높다.
이것은 왕복 또는 회전하는 운동부품이 유체를 직접 빨아들여 보내는 움직임을 하는 것으로 잉크와 같은 고점도 비압축 유체를 캔 윗면에서 빨아올려 고압으로 압송하는 용도에 적용되고 있다.
펌프는 회전축 및 왕복축을 경유해 운동부품으로 동력을 전하는데, 압력경계에서 유체가새면 안 되기 때문에 「그라운드 패킹」과 같은 축봉기구를 갖추고 있다. 또 왕복펌프에는 이 그라운드부와는 별개로 피스톤 밸브구조를 가지고 있고, 여기에도 압력봉지(壓力封止) 기구를 갖추고 있다. 마찬가지로 회전식 기어펌프로 기어의 이빨 및 하우징으로 압력실을 구성하고, 기어단면에 전달되는 압력이 새는 것을 방지하고 있다.
잉크 압송용에 실용화되어 있는 용적식 펌프를 표1에 정리했다.

일반 산업용으로는 원심펌프 및 축유펌프, 얇은 격막을 형성시켜 용적변화를 일으키는 다이아플램 펌프 등이 보급되어 있는데, 어느 것이든 잉크와 같은 고점도 유체 승압에 적절하지 않다. 이에 비해 에어 구동식 플런지 펌프(본고에서는 에어펌프라고 부름)는 다음과같은 특징 때문에 인쇄공장 잉크 주공급 라인의 주류를 이루고 있다.

에어펌프 적성
오프셋 윤전기, 매엽기 잉크는 점도 자체가 비교적 높고, 압송저항이 강하다. 또 용기 및 배관 내에 장시간 체류되어 있으면 틱소트래피성에 의해 정지증점이 나타난다. 이와 같은잉크의 성질 때문에, 혹은 관끝의 잉크 정지밸브가 막히게 되어 큰 제동력(배압)을 받게 되면 에어펌프는 가압상태로 자기정지되고 능동적으로 최대압력을 발휘하게 된다. 이것이 에어펌프의 장점이자 잉크를 「무너뜨려」 압송하는데 적절한 이유이다.

전동모터로 구동되는 회전펌프는 증점된 잉크의 압송을 시작할 때 모터 부하가 급격하게상승됨을 대비해 보호회로(압력 떨어뜨리기 라인 및 모터 과부하 방지)가 필요하기 때문에 장치전체가 상당히 복잡하고, 토출압도 동등 사이즈의 에어펌프만큼 올라가지 않는다. 때문에 회전펌프는 대형탱크에 잉크 주입 및 잉여 잉크를 탱크로 되돌리는 순환공급처럼연속으로 관내 유동되어 잉크 저점도 상태를 유지하도록 하는 사용법이 활용되고 있다.

액체로서의 UV 잉크
펌프 압송시에 유성 잉크와 비교해 UV잉크는 다음과 같은 특징이 있다.
- 점도가 높아 같은 구경, 길이의 배관으로 같은 유량을 보내려면 보다 강한 펌프압력이 필요하다.
- 점도의 온도의존성이 크고 5℃ 정도 온도가 저하되면 유량이 반감되는 경우도 있다.
- 정지점도가 강하고 보관중에 한 번 굳어버린 잉크캔은 펌프에 넣어도 정상적으로 빨아올려지지 않는 경우가 있다.

UV잉크의 경화상태
인쇄용 UV잉크에는 안료 외에 중합개시제, 모노머 및 올리고머 등의 조막성분이 포함되어 있고, 경화 반응에 라디컬중합이 이용된다. UV광 조사에 따라 개시제로부터 라디컬이나오면 주위의 조막성분이 연쇄적으로 활성화 되어 중합반응이 번져나가고 고분자 폴리머(수지)를 형성시키는 경화반응이 일어난다.
한편 UV잉크는 장기 보관하는 중에 열영향 등으로 라디컬이 발생해 점점 겔화가 진행되는 「암반응」이 일어나는 경우가 있다. 또 서로 다른 제품, 다른 제조사의 UV잉크를 혼합해서 사용하지 말 것을 권장하고 있는데, 필자는 잉크제조사 변경 시 내부세척을 실시하지 않은 채로 펌프를 계속 사용해 겔화가 일어나 펌프가 동작불능이 되는 사례를 몇 번경험한 적이 있다.
즉 UV잉크 혼합에 의한 경화반응도 일어날 수 있다는 점을 이해해야 한다. 사족이지만, 잉크변경 시에는 반송부품을 분해세척하고 공급배관 내의 충분한 잉크치환(잉크 플래싱)을 추천하는 것은 이와 같은 이유 때문이다.

UV잉크 자동공급화의 벽
잉크집 잉크보충은 오퍼레이터가 직접 캔에서 주걱으로 떠서 투입하는 「수동보충」이나, 배관을 통해 펌프로 압송하는 「자동공급」중 하나를 선택해야 한다. UV인쇄의 고속화가 진행되고 있고, UV잉크는 점성이 강해 수동보충은 작업부담이 크다는 인식이 있어자동공급에 대한 요청이 늘어나고 있다.
이 때 유성잉크의 성숙된 기술을 그대로 사용할 수 있으면 좋겠지만 여기에는 UV잉크 특유의 경화 때문에 문제가 발생한다.
처음에는 UV잉크에 유성용 에어펌프를 단순히 그대로 사용해 테스트를 진행했는데, 펌프가 왕복동작하지 않고 멈춰버리고, 그라운드패킹이 마모되어 잉크가 새는 증상이 단기간에 나타났다. 이것이 에어펌프 왕복기구 특유의 트러블인지를 검증하기 위해 시판 회전펌프로도 테스트를 진행하였으나, 마찬가지로 운동부품이 굳어 움직이지 않고 잉크에 들어있는 입자성 경화물이 토출되는 예가 확인되었다. 자세하게 관찰한 바 접액과 접동에 따른 운동부품이 UV잉크 경화기점에 있었던 것이다.

즉, 광중합 및 암반응과는 다른 「상정하지 않은」 경화반응이 펌프 내부에서 일어나는것이었다. 그 결과 경화생성된 수지가 본래 필요한 부품간의 클리어런스를 막아 동작을 방해하거나 운동부품에 고착되어 부드러운 고무, 플라스틱제 패킹에 손상을 주어 봉압기능을 떨어뜨리는 것이었다.

경화재현 테스트
라디컬 중합은 UV광 조사 외에 열 및 전기화학적 작용에 의해서도 개시된다. 여기서 펌프내에서 일어나는 경화 메카니즘을 찾기 위해 다음의 방법으로 실험적 재현을 시도했다.
원추 외면과 바닥판이 이루는 각 α을 충분히 작게 하고, 두 면 사이를 점성 유체로 채워 한방향으로 회전시키면 유체에는 일정한 당기는 힘(=전단응력)이 더해진다. 이 때 토르크 및 회전속도로부터 그 유체의 점성거동을 평가하는 것이 「원추-평판형 회전점도계」이며, JIS-K7117-2에 규정되어 있는 방법이다.
이것을 응용한 간이적인 테스트 장치로 UV잉크 전단응력과 함께 경화발생 유무를 조사했다. 테스트는 입수 가능한 여러 제조사, 각색의 UV잉크, 비교용 유성잉크에 대해서 실시했다.

틈새경화
전단속도를 0에서부터 조금씩 증속시키면 개시로부터 몇초~몇십초 사이에 각사, 각색의UV잉크에서 토크 변동이 나타났고, 장치를 멈추고 내부를 관찰하였더니 잉크 경화가 확인되었다. 중앙에 광택감이 사라지고 경화물이 만들어진 것을 알 수 있다. (박리분은 회잔자측에 부착) 하지만 경화 전후 잉크의 명확한 온도변화는 관찰되지 않았다. (표2). 한편유성잉크는 전단속도와 토크가 직선관계를 유지하고, 경화도 일어나지 않았다. 또 테스트로써 UV잉크를 공기 중에서 약 60℃로 온도를 올려 몇 분간 두었는데, 경화는 일어나지 않았다.
테스트로부터 UV잉크가 좁은 부에서 전단응력을 받으면 중합반응이 일어난다는 것이 명확해졌지만, 액체마찰에 의한 국소발열 및 고체마찰에 의한 섬광온도 등이 관여되어 있는지는 판단할 수 없었다. 또 실제 펌프 고장사례에서 일정 간격으로 왕복운동, 토출압을 반복하는 에어펌프가 수개월~수년 운전 후에 돌발적으로 경화를 일으키므로 전단속도만이중합개시의 지배인자라고 단순하게 이해하기는 쉽지 않다.
즉 회전자의 선예부 중심은 재료 트레이 바닥면과 점접촉으로 테스트 후에 응착흔 등도 보이지 않았다. 물리화학분야의 연구자에게 상담한 바 구조부품에 포함된 금속원소의 일부가 라디컬 반응의 촉매로서 작용할 가능성도 지적되었지만, 필자는 별도로 실시한 테스트에서 플라스틱 부품끼리의 접동면에서도 경화 예를 많이 경험하고 있어, 금속의 개입이영향을 준다고 판단할 수는 없었다.
UV잉크는 안료(색)의 영향으로 UV광의 투과율이 다르기 때문에 경화개시 감도차가 있고,동일 UV광 아래에서는 적의 감도가 높고, 청, 먹은 감도가 둔하다고 한다. 때문에 어두운색 잉크일수록 상대적으로 감도를 올려서 경화되기 쉽게 하는 튜닝(조정)이 이루어져 있다고 한다. 회전테스트에서도 마찬가지로 먹 및 청 등의 어두운 색 잉크 쪽이 경화를 일으키기 쉬운 경향이 보였다. 이것은 실제 기계의 먹, 청 펌프에 경화 트러블이 많고, 적에서는 비교적 잘 일어나지 않는다는 경향과도 일치한다.
또 과거에 UV잉크는 압력으로 굳는다는 인식이 컸었는데, 이것은 잘못된 것이다. 압력영향을 확인하기 위해 회전테스트에서 경화된 브랜드의 UV잉크에 질소가스로 치환하고 펌프 최대 토출압의 수배에 상당하는 6MPa을 가압했지만 경화는 일어나지 않았다. 어쩌면유성펌프의 단순전용으로 경화사례가 다발했기 때문에 UV잉크는 펌프로는 보낼 수 없다=압력을 가해서는 안된다(굳어버린다)라고 오인된 것 같다.

UV잉크전용펌프 개발과 진화
펌프 내부에서 부품의 기계운동으로부터 개시제가 어떠한 자극(에너지)을 받아 라디컬이여기되어 중합이 진행되는데, 이것이 어떠한 메커니즘인지 과학적으로 정확한 설명은 어렵다. 그래도 내부경화를 피하는 전용 펌프를 개발하려면 경화의 계기를 최대한 만들지 않고 중합개시를 막는 것이 포인트가 된다는 것은 분명하다.
라디컬 중합에서 개시제로부터 라디컬이 만들어지는 반응자체는 가역적인데, 일부는 원래대로 되돌아게 되는데 그 속도가 라이컬 확산속도 보다 확률론적으로 상회하면 중합이개시되기 쉬워진다고 생각된다. 「바구니효과」로 불리는 이론인데, 여기에 착안해 펌프운동에 의한 자극으로부터 라디컬을 생성하는 기회를 얻더라도 이것을 충분히 낮은 수준으로 억제하면 거시적인 경화진전은 억제될 것이라고 생각된다. 구체적으로 아래의 것을펌프개발에 전개했다.
- 부품간 접액접동면의 저마찰화와 비점착성 향상을 노린다.
- 접동부품 주변의 잉크 체류개소가 없도록 잉크치환을 촉진하는 구조로 한다.
- 촉매작용에 기여하리라 생각되는 재질을 제외한다.
다각적인 시행착로부터 확립된 요소기술을 집약해 초대 UV잉크전용 펌프가 완성되었고UV잉크는 펌프 속이 굳어서 압송할 수 없다는 상식을 깨버리는 획기적인 제품이 만들어졌다. 단 원래 UV잉크 특성은 제조사 및 제품에 따라 천차만별이고 펌프 내에서 경화감도를 사전에 정량적으로 파악하는 것이 어려운 재료이다. 때문에 UV 잉크 공급설비의 요청을 받으면 실제 잉크샘플을 이용해 펌프 압송테스트를 매번 실시해 실용 수준에 이르지않
고 단기에 트러블이 발생하지 않는 것을 확인한 뒤에 도입하도록 판매방법을 취하고 있다.
하지만 최근 수년간 저비용, 성전력 광원에 대해 양호한 인쇄면건조가 요구되고 있으며,뛰어난 UV잉크가 차례차례 출시되게 되면 특히 고감도 잉크 사용시의 경화 트러블이 눈에 띄기 시작했다. 즉, 초대 UV펌프 적용한계가 나타나게 된 것이다. 어쩔 수 없이 펌프 판매를 중지하고, 그래도 꼭 필요하다고 하는 고객에게는 경화 트러블 가능성 및 유지관리빈도를 이해시킨 뒤에 사용하게끔 했다.
이렇게 UV펌프 버전업이 급무가 되어버렸다. 다음 제품은 축봉부의 접동 및 끝을 0에 가까운 경화억제를 위해 마찰 및 손상 가능성이 있는 약한 곳을 극한까지 없애는 것을 중점목표로 했다. 그리고 다양한 검토를 거쳐 초대 펌프의 축봉 패킹과는 구조가 전혀 다른 UV잉크 전용 특수씰을 완성시켰다. 개념적으로 초대 펌프로는 UV잉크에 대한 「저자극」을 노렸지만 신형 펌프는 「무자극」을 지향한 것이라고도 말할 수 있다 .
신형 펌프에는 몇 가지 대표 제품의 UV잉크를 이용해 각각에 대해 총 토출량 60톤 이상의연속압송 테스트를 실시해 경화에 따른 고장 및 이상마모가 일어나지 않는 것을 확인한 뒤 금년부터 판매를 개시했다. 신형 특수씰은 일반적인 사용 조건 아래에서 3~5년에 상당하는 펌프 왕복 10만 번 동작시 교환을 추천하고 있지만, 이것은 자동차 타이어의 슬립 사인과 마찬가지로 설비 기능유지를 위한 기준이지 규정회수 운전 후에 즉시 고장이 나는것이 아니기 때문에 안심해도 된다.
또 실기 검증으로 2016년 4월부터 잉크 제조사, 제품을 총망라해 인쇄회사각사에 약 30대의 신형 펌프를 선행 운용하고 있으며 현지까지 전혀 트러블없이 안정가동을 이어가고 있다.

UV잉크 공급 시스템 구성
펌프와 공급주관
펌프가 받는 압력부하는 잉크를 보내는 배관경로의 압력 손실과의 조화로 발생되는데, 압력손실이 너무 크면 펌프는 잉크를 필요량을 토출하지 못하고 너무 작으면 속도초과가 되어 운동부품의 마모가 진행된다. 압력손실에는 일반적으로 다음의 관계가 있다고 생각할수 있다. (하겐 포아즈 법칙)
압력손실 ∝ (잉크유량 x 배관길이 x 잉크점도) / 배관내경 즉 필요한 잉크유량을 확보하려고 하면 배관이 길수록, 잉크 점도가 높을수록, 관내경이 좁을수록, 펌프는 큰 저항을 받게 된다. UV잉크의 경화회피를 위해 펌프의 운동부품을 천천히 움직이고 싶으므로 토출량이 한정이 되어버리고, 배관내 평균유속은 유성잉크의 최대압송 시와 비교해 작아지게 된다.
또 배관 내에는 유속이 분포되어 있는데, 관벽에 가까울수록 유속이 작아지므로 나중에 압송되어온 신선한 잉크와의 치환이 일어나기 어렵다.
더욱이 배관 내에는 라디컬 중합을 저해하는 산소(외기)와의 접촉이 없어야하는 것도 주의해야한다. 이와 같은 체류 / 폐색상태 아래에서 암반응이 걱정되므로 배관을 가늘게 해유속을 높이는 방법이 안전하다고 한다. 결과로서 UV잉크의 배관계획에는 어느 정도 압력손실을 예상할 필요가 있고, UV펌프는 이에 따라 토출능력을 가져야만 한다.
잉크의 점성을 나타내는 대표적인 물리치 중 하나가 점도(단위 Pa·s)인데, 그 측정방법이규격화되어 있다. 하지만 캔에서 빨아올려 펌프로 압송할 때의 잉크 상태는 그 측정조건과 다른 경우가 있어 배관을 통한 「유동성」의 경향은 점도와는 맞지 않는 실태이다.
앞에서 서술한 바와 같이 UV 잉크는 온도저하 및 정지증점에 의해 성상이 크게 달라지고,동등한 「점도」에서도 색이 다른 잉크의 유속이 전혀 다르거나, 같은 제품의 잉크라도 실온 및 보광상태 등에 따라 다른 값이 얻어진다. 이처럼 실제의 유동성으로는 특정할 수없는 폭이 있으므로 펌프 설계상의 내압 제한 내에서 점도를 기준으로 이론적으로 배관길이를 계획하는 방법이 계통설계에서 적절하지 않다.
때문에 인쇄공정 내의 UV 배관 레이아웃을 계획할 때에는 「배관길이가 OO 미터 정도가되도록 배치를 조정해 주십시오.」하고 고객에게 요청하게 된다.
이것은 설비운용개시 후에 소요 잉크 보급량을 계산해내지 않으면 곤란하므로 우리의 시공경험을 바탕으로 추산해 안전허용치를 예상해 배관설계를 고려하고 있다는 점을 이해해줬으면 한다.
고객의 설비배치전체 계획의 번잡을 생각하면 UV잉크 배관은 몇 미터이든 괜찮습니다라고 말하고 싶지만 이래서는 아무렇게나 떠넘겨버리는 불안전한 계통사양이 되어버린다.

잉크 레벨센서와 분배제어변
잉크집의 잉크레벨을 센서로 감시하고 레벨 저하시에 펌프로부터 잉크를 보충하는 것이「레벨킵」이라고 부르는 잉크 보충제어로 UV잉크용 시스템에도 채용되고 있다. 신형 드럼캔용 UV펌프는 200(cc/분) 정도의 잉크 소비속도라면 인쇄기 4유닛분(양면기 2대분)의잉크를 동시에 채우지만, 실제 잉크소 비속도는 4유닛 랜덤이기 때문에 잉크 공급주관을각 통용으로 분기시킨 지관 끝에 잉크분배 제어변(여기서는 자동밸브라고 부름)을 설치하고 각 레벨 센서와의 연동으로 개폐된다.
UV펌프의 트러블만이 주목받고 있는데, 이 자동밸브도 내부의 개폐기구가 잉크에 닿기때문에 펌프끼리의 잉크경화에 의한 개폐불능 및 잉크가 새는 현상이 일어났었다. 하지만 현재 신형 펌프의 씰 기구를 소형화한 신형자동 밸브를 라인업하고 있다.
또 레벨검출에 있어서도 UV잉크 특유의 거동을 배려해야만 한다. UV잉크의 레벨링 부족이 인쇄지면에서 문제가 되는 경우가 있는데, 잉크집 내에서도 마찬가지로 잉크면이 평활화되기 어렵기 때문에 검출을 어렵게 하는 것이다. 유성잉크라면 비접촉식 초음파 센서가정전용량센서를 이용하지만, 전자는 바로 뒤에서 잉크면에 초음파를 쏘아 그 반사파를 검출하므로 평평한 잉크면에 거의 수직으로 초음파를 입사하지 않으면 반사파가 산란되어오검출되어 버린다. 한편 후자는 센서 주위에 형성된 전기적인 「장」을 잉크레벨 변동에따라 검출하므로 광범위한 잉크의 전체적인 변동을 억제하기 쉬워 UV잉크에 적절하다.
단 정전용량 센서는 초음파 센서 보다 잉크면에 가깝게 배치해서 사용하기 때문에 잉크가센서에 닿아 검출감도가 달라지는 경우가 있다. 이와 같은 종래 정전용량 센서의 결점을보완하기 위해 현재는 UV잉크가 묻어도 안정된 레벨검출이 가능한 센서 어플리케이션과독자의 보급제어 로직을 확립하고, UV잉크 전용 시스템 제품군에 추가되어 있다.

아지테이터
잉크 소비가 적은 인쇄면의 장통인쇄 때 잉크집 내의 잉크가 교반되지 않아 잉크를 보충해도 새 잉크가 섞이지 않는 정정상태가 이어지면 잉크파운틴 로러와 잉크 사이에 점점 간격이 생겨 잉크가 롤러에 감기지 않는 경우가 발생한다. 이 「파운틴 회피」도 UV잉크에서 일어나기 쉬운 불안정 거동의 하나이다.
잉크파운틴 회피는 아지테이터에 의한 기계적인 잉크교반이 유효하지만, 번잡한 연속교반까지는 필요하지 않으므로 당사에서는 간결운전에 용이하고 고점도 UV잉크 교반이 가능한 에어구동 아지테이터를 라인업하고 있다.

당연히 가능하다고 여겨 쉽게 대응했다가 의외의 문제점에 직면했었지만, 드디어 안정된UV잉크 전용 자동공급장치를 제공할 수 있게 되었다. 주변설비의 사소한 혁신이 UV인쇄발전에 일조하게 된다면 그것만으로도 행복할 것 같다.

<월간PT 2018년 3월>