식품 포장 표면 처리 기술에 대하여 Corona treatment

물질의 표면장력은 상호작용에 중요한 요소입니다.

 

서론

 

인쇄와 합지에 있어서 필름의 표면 처리는 핵심적인 요소입니다. 특히 플라스틱 필름의 경우, 표면 에너지를 높이는 코로나 처리가 널리 사용되고 있습니다. 그러나 코로나 처리는 그 과정과 결과, 한계점 등을 이해하는 것이 중요합니다. 이를 위해, 본 글에서는 코로나 처리의 원리와 효과, 그리고 표면 장력과 표면 에너지의 개념을 살펴보고, 필름의 표면 장력 측정 방법, 재질별 코로나 처리의 효과, 씰링 불량 문제, 백 코로나 처리 등에 대해 설명하고자 합니다. 

 

코로나 처리(Corona treatment)

 

코로나 처리(Corona treatment)는 고전압을 사용하여 필름이나 플라스틱 등의 표면에 고열을 가해 형질을 변화시키는 기술을 말합니다. 이 과정에서 표면의 에너지가 증가하게 되어, 인쇄나 접착제 도포 등이 더 잘 이루어지게 됩니다. 이 과정은 표면의 분자 구조를 변경하고, 표면의 에너지를 높이는 것이 목표입니다. 이는 코로나 방전을 통해 고전압을 표면에 적용함으로써 달성되며, 이 과정으로 인해 표면에 산소나 질소와 같은 활성기가 생성되어 접착력이 증가합니다.

 

그러나 이 기술에는 한계가 있습니다. 예를 들어, 처리 후에는 표면의 에너지가 시간이 지나면서 점차 감소하게 되어, 장시간 보관 후 사용할 경우 효과가 감소할 수 있습니다. 또한, 고온에 노출되는 경우 표면의 에너지가 빠르게 감소할 수 있으므로, 적절한 보관과 사용이 필요합니다. 시간이 지나면서 표면 에너지가 감소하는 주요 원인은 물질의 표면 재정렬 및 환경적 요인 때문입니다.

 

1. 표면 재정렬: 코로나 처리는 물질의 표면 분자를 활성화시켜 표면 에너지를 높이는데, 이 과정에서 표면 분자의 배열이 일시적으로 변화합니다. 그러나 시간이 지나면서 이러한 분자들이 원래의 상태로 돌아가려는 경향이 있습니다. 이러한 자연스러운 표면 재정렬 과정은 표면 에너지를 점차 감소시킵니다.

 

2. 환경적 요인: 코로나 처리 후에도 물질이 노출되는 환경조건(온도, 습도 등)에 따라 표면 상태가 변할 수 있습니다. 특히 습도가 높은 환경에서는 수분 분자가 표면에 흡착되어 표면 에너지를 낮추는 효과가 있습니다. 따라서, 코로나 처리 후에는 가능한 빨리 후속 처리(접착, 인쇄 등)를 진행하는 것이 좋습니다. 만약 그것이 불가능하다면, 표면 에너지를 유지하기 위한 적절한 보관 조건을 고려해야 합니다.

 

이와 유사한 개념으로는 플라즈마 처리(Plasma treatment)가 있습니다. 플라즈마 처리는 코로나 처리와 같이 고전압을 사용하지만, 코로나 처리보다 더 높은 에너지를 사용하여 표면에 더 많은 활성기를 생성합니다. 이로 인해, 플라즈마 처리는 코로나 처리보다 표면 에너지를 더 높여주며, 더 오랫동안 효과를 유지할 수 있습니다. 하지만, 플라즈마 처리는 장비 비용이 높으며, 처리 과정이 복잡하다는 단점이 있습니다. 따라서, 적절한 표면 처리 기술을 선택할 때는 사용하려는 용도, 시간, 비용 등을 고려해야 합니다.

 

표면 장력(Surface Tension)과 표면 에너지(Surface Energy)

 

표면 에너지와 표면 장력은 매우 밀접한 관련이 있습니다. 두 개념 모두 물질의 표면에서 발생하는 현상을 설명하는 데 사용되며, 상호 변환 가능한 개념이기도 합니다.

 

표면 에너지는 단위 면적당 에너지를 나타내는 개념입니다. 이는 물질의 표면에서 발생하는 분자간의 상호작용에 의해 결정되며, 이 상호작용은 물질의 표면에서만 발생하기 때문에 '표면 에너지'라는 이름이 붙었습니다. 표면 에너지가 높을수록, 물질의 표면은 다른 물질과의 상호작용을 더 선호하게 됩니다.

 

표면 에너지가 높은 물질이 다른 물질과의 상호작용을 선호하는 이유는 분자 간의 상호작용과 에너지 절약에 기인합니다. 물질의 표면 에너지는 그 물질의 표면 분자가 주변 환경과 상호작용하는 데 필요한 에너지를 나타냅니다. 표면 에너지가 높은 물질의 경우, 그 물질의 표면 분자는 더 많은 에너지를 갖고 있으므로, 다른 물질의 분자와 상호작용할 수 있는 가능성이 높아집니다. 이는 분자 간의 상호작용이 에너지를 낮추는 경향이 있기 때문입니다.

 

분자 간에 상호작용이 발생하면, 그 결과로 생기는 복합체의 에너지는 각 개별 분자의 에너지 합보다 낮아집니다. 이를 '에너지가 낮아지는 방향으로의 경향'이라고도 합니다. 따라서, 표면 에너지가 높은 물질의 경우, 그 물질의 표면 분자는 다른 물질의 분자와 상호작용함으로써 에너지를 줄일 수 있는 기회를 찾게 됩니다. 이는 표면 에너지가 높은 물질이 다른 물질과의 상호작용을 선호하는 이유입니다. 이러한 원리는 표면 처리 기술에서 활용됩니다. 예를 들어, 코로나 처리는 물질의 표면 에너지를 높여서 그 물질의 표면 분자가 다른 물질과의 상호작용을 더욱 선호하게 만듭니다. 이는 접착력이나 인쇄 품질 등의 향상으로 이어집니다.

 

표면 장력은 단위 길이당 힘을 나타내는 개념입니다. 이는 물질의 표면에서 발생하는 분자간의 상호작용에 의해 결정되며, 이 상호작용은 물질의 표면에서만 발생하기 때문에 '표면 장력'이라는 이름이 붙었습니다. 표면 장력이 높을수록, 물질의 표면은 자신의 형태를 유지하려는 경향이 강해집니다.

 

따라서, 표면 에너지와 표면 장력은 모두 물질의 표면에서 발생하는 분자간의 상호작용을 나타내는 개념이며, 이 두 개념은 서로 밀접한 관련이 있습니다. 표면 에너지가 증가하면, 표면 장력도 증가하게 되며, 이는 물질의 표면이 다른 물질과의 상호작용을 더 선호하게 되고, 자신의 형태를 유지하려는 경향이 강해지는 것을 의미합니다. 이러한 원리는 코로나 처리나 플라즈마 처리와 같은 표면 처리 기술에서 활용되며, 이를 통해 표면 에너지와 표면 장력을 조절하여 물질의 표면 속성을 개선할 수 있습니다.

 

필름의 표면 장력 확인 방법

 

필름의 표면 장력을 측정하는 방법 중 하나는 잉크 또는 액체를 사용하는 방법입니다. 이 방법은 빠르고 간단하며, 필드 테스트에 적합하다는 장점이 있습니다. 

 

1. 우선, 32dyne의 액체를 준비합니다. 이 액체는 특정 표면 장력을 가지도록 설계되었습니다.

 

2. 이 액체를 필름의 표면에 도포합니다. 이때, 액체는 일반적으로 브러시나 펜으로 부드럽게 필름 표면에 바릅니다.

 

3. 액체를 도포한 후, 액체가 어떻게 행동하는지 관찰합니다. 만약 액체가 즉시 퍼지지 않고, 필름 표면에 남아있다면, 필름의 표면 장력은 32dyne보다 낮다는 것을 의미합니다. 반면, 액체가 즉시 퍼져서 필름 표면에 잘 분포한다면, 필름의 표면 장력은 32dyne 이상이라는 것을 의미합니다.

 

필름의 표면 장력이 32dyne 이상일 때, 32dyne의 액체가 필름에 잘 분포되는 이유는 표면 장력이 물질 간의 상호작용을 결정하기 때문입니다. 표면 장력은 물질의 표면에서 발생하는 힘을 나타냅니다. 이 힘은 표면 분자간의 상호작용에 의해 발생하며, 물질의 표면이 다른 물질과 접촉할 때, 그 물질의 표면 분자가 다른 물질의 분자와 얼마나 잘 상호작용하는지를 결정합니다. 따라서, 필름의 표면 장력이 32dyne 이상이라면, 그 필름의 표면 분자는 32dyne의 액체의 분자와 잘 상호작용할 수 있습니다. 이는 액체가 필름의 표면에 잘 분포되는 결과를 가져옵니다.

 

반대로, 필름의 표면 장력이 32dyne 미만이라면, 그 필름의 표면 분자는 32dyne의 액체의 분자와 잘 상호작용하지 못합니다. 이는 액체가 필름의 표면에 잘 분포되지 않는 결과를 가져옵니다. 이처럼, 물질의 표면 장력은 그 물질이 다른 물질과 얼마나 잘 상호작용하는지를 결정하며, 이는 액체가 필름에 얼마나 잘 분포되는지를 결정하는 주요 요인입니다. 이 원리는 표면 장력 측정법에서 활용되며, 이를 통해 필름의 대략적인 표면 장력을 알아낼 수 있습니다.

 

이 방법은 빠르고 간편하지만, 정확한 수치를 제공하지는 않습니다. 따라서, 이 방법은 필름의 대략적인 표면 장력을 알아내는 데 유용하며, 보다 정확한 측정을 위해서는 다른 방법들을 사용해야 합니다. 예를 들어, 접촉각 측정법이나 고주파 측정법 등이 있습니다. 이런 방법들은 보다 정밀한 장비를 필요로 하지만, 정확한 표면 장력 값을 제공할 수 있습니다.

 

재질별 코로나 처리로 인한 표면장력

 

표면 장력은 물질의 특성과 관련이 있습니다. 표면 장력은 물질이 다른 물질과 접촉했을 때 발생하는 힘을 나타내며, 이는 물질의 분자 구조, 분자간의 상호작용 등에 의해 결정됩니다. PP(Polypropylene)와 LLDPE(Linear Low-Density Polyethylene)는 모두 폴리올레핀 계열의 플라스틱으로, 비극성 물질입니다. 즉, 분자 내에 전하의 불균형이 없어 다른 물질과의 접착력이 약합니다. 이들 물질의 표면 장력이 낮은 편이며, 코로나 처리를 통해 표면 장력을 증가시키더라도 상대적으로 낮은 수준에서 안정화됩니다. 이렇게 되면 약 38dyne의 표면 장력이 형성됩니다.

 

반면에, PET(Polyethylene Terephthalate)와 NY(Nylon)은 극성 물질입니다. 이들 물질은 분자 내에 전하의 불균형이 존재하여 다른 물질과의 접착력이 강합니다. 따라서, 이들 물질의 표면 장력이 원래부터 높은 편이며, 코로나 처리를 통해 표면 장력을 더욱 증가시키면 약 52dyne의 표면 장력이 형성됩니다. 이처럼, 물질의 극성, 분자 구조 등의 특성에 따라 코로나 처리 후의 표면 장력이 결정되며, 이는 각 물질의 접착력, 인쇄 품질 등에 영향을 미치게 됩니다. 이를 통해, 각 물질에 적합한 접착제나 인쇄 잉크를 선택하거나, 코로나 처리의 조건을 조절하여 최적의 결과를 얻을 수 있습니다.

 

씰링면에 코로나 처리 시 씰링 불량

 

코로나 처리 과정에서 과도한 에너지가 사용되면 필름의 표면 구조가 과도하게 개질될 수 있습니다. 이는 필름 표면의 분자 배열을 변경하고, 필름의 물성을 손상시킬 수 있습니다. 특히, 필름의 표면이 과도하게 활성화되면 필름 간의 씰링이 어려워질 수 있습니다. 이는 씰링 과정에서 필요한 필름 간의 상호 작용을 방해하기 때문입니다.

 

또한, 코로나 처리 후에 필름이 적절한 환경에서 보관되지 않으면, 처리 결과가 빠르게 소실될 수 있습니다. 예를 들어, 과도한 습기나 먼지 등의 환경적 요인은 필름의 표면 상태를 변경하고, 필름 간의 씰링을 방해할 수 있습니다. 따라서, 코로나 처리 후에 필름 간의 씰링이 제대로 이루어지지 않는다면, 코로나 처리 과정과 후속 처리 과정을 재검토하는 것이 필요합니다. 코로나 처리의 에너지 조건을 조절하거나, 처리 후의 보관 환경을 개선하는 등의 방법이 고려될 수 있습니다. 이를 통해 필름의 표면 상태를 최적화하고, 필름 간의 씰링 성능을 향상시킬 수 있을 것입니다.

 

빽 코로나 처리(Back Corona Treatment)

 

코로나 처리는 플라스틱 필름의 표면 에너지를 높이는 과정으로, 필름의 표면에 고전압을 가해 플라즈마를 생성합니다. 이 플라즈마는 필름 표면의 분자를 활성화시키고, 필름의 접착력이나 인쇄 품질을 향상시키는 데 도움이 됩니다. 그러나 코로나 처리 과정에서는 실리콘 롤과 필름 사이의 이격이 중요한 요인입니다. 이격이 너무 크면 '백 코로나 처리(Back Corona Treatment)' 현상이 발생할 수 있습니다.

 

백 코로나 처리란, 코로나 처리가 의도한 표면이 아닌 필름의 반대 표면에 일어나는 현상을 말합니다. 백 코로나 처리가 발생하면, 필름의 뒷면에 코로나 처리가 적용되어 원치 않는 변화를 초래할 수 있습니다. 예를 들어, 필름의 뒷면에 코로나 처리가 적용되면 필름의 뒷면의 표면 에너지가 높아져 원치 않는 접착이 일어날 수 있습니다. 또한, 필름의 전체 품질에 영향을 미칠 수 있습니다. 이러한 현상을 방지하기 위해, 실리콘 롤과 필름 사이의 이격을 적절히 조절하는 것이 중요합니다. 이격이 너무 크지 않도록 하여 코로나 처리가 필름의 앞면에만 정확히 적용되도록 해야 합니다. 이를 위해, 코로나 처리 시스템의 정밀한 조절과 적절한 유지보수가 필요합니다. 따라서, 백 코로나 처리는 코로나 처리 과정에서 주의해야 하는 중요한 요소로, 코로나 처리의 효과를 최대화하고 원치 않는 부작용을 최소화하기 위해 실리콘 롤과 필름 사이의 이격을 적절히 조절하는 것이 중요합니다.

 

결론

 

코로나 처리는 플라스틱 필름의 표면 처리에 중요한 역할을 하는 기술로, 필름의 표면 에너지를 높이고, 접착력과 인쇄 품질을 향상시킵니다. 그러나 이 기술의 효과와 한계를 이해하고, 적절하게 활용하기 위해서는 여러 요소들을 고려해야 합니다. 필름의 표면 장력 측정, 재질별 코로나 처리의 효과, 씰링 불량 문제, 백 코로나 처리 등은 모두 코로나 처리의 효과를 최대화하고, 원치 않는 부작용을 최소화하는데 중요한 요소입니다. 이러한 이해를 바탕으로 코로나 처리 기술을 적절하게 활용하면, 플라스틱 필름의 표면 처리를 효과적으로 개선할 수 있을 것입니다.

 

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