1. 세라믹 잉크의 안정성

세라믹 잉크는 안료를 분산 매체에 분산시켜 얻은 분산계로, 비교적 안정적입니다. 분산 안정성은 일정 시간 방치 후에도 응집이나 침전이 발생하지 않는다는 점을 고려해야 합니다. 응집은 무기 안료 입자 간의 상호 응집을 의미하며, 이는 안료 입자 간의 분산 효과와 관련이 있습니다. 침전은 무기 안료 입자가 지속적으로 응집되어 분산계 바닥에 가라앉는 현상을 말합니다. 이러한 현상에 영향을 미치는 요인으로는 무기 안료 분산계의 밀도, 입자 크기 분포, 조성 등이 있습니다. 또한, 분산계, 분산제, 결합제 및 기타 유기 화합물의 적절한 선택이 중요하며, 잉크가 장기간 보관 후에도 화학적 안정성을 유지하고 화학 반응 변화를 겪지 않도록 해야 합니다. 무기 세라믹 안료는 비중이 높아 세라믹 잉크를 일정 시간 방치하면 안료가 침전됩니다. 하지만 교반을 통해 다시 균일한 분산계를 형성할 수 있으므로, 이는 복구 가능한 과정입니다. 세라믹 잉크는 잉크젯 프린터와 노즐 내부를 순환하며, 회수 가능성이 특히 중요합니다.

잉크의 안정성에 영향을 미치는 요인으로는 브라운 운동, 중력 침강, 그리고 색소 입자의 응집이 있습니다. 브라운 운동은 주로 잉크 온도, 점도, 그리고 잉크 입자에 따라 달라집니다. 온도가 높을수록 브라운 운동이 강해지고, 점도와 입자 크기가 클수록 브라운 운동은 약해지며 입자 응집 가능성이 낮아집니다. 안료 입자는 비교적 크고 밀도가 높기 때문에 잉크의 침강 속도는 주로 안료와 용매의 밀도 차이에 따라 결정됩니다. 밀도 차이가 클수록 침강 속도가 빨라집니다. 침강 속도는 입자 크기의 제곱에 비례합니다. 입자가 클수록 침강 속도가 빨라지고, 잉크의 점도가 높을수록 침강 속도는 느려집니다. 잉크 입자 분산에는 입체적 장애와 정전기적 안정화라는 두 가지 안정화 메커니즘이 있습니다. 입체적 장애는 잉크 입자 표면에 고분자 미세 캡슐을 캡슐화하여 입자 간의 공간적 접착을 방지하는 것을 의미합니다. 현재 이 메커니즘은 세라믹 잉크 산업에서 널리 사용되고 있지만, 잉크 점도에 영향을 미쳐 시간이 지남에 따라 잉크 점도가 감소하는 경향이 있어 잉크의 안정성에 영향을 미친다는 단점이 있습니다. 정전기적 안정성을 위해서는 저분자 분산제를 사용해야 하며, 물과 극성 희석제에는 적합하지만, 현재 대부분의 세라믹 잉크는 비극성 희석제를 사용합니다.

2. 점도

적절한 점도는 잉크 경로에서 잉크의 원활한 순환을 보장하여 노즐에서 잉크가 분사되고 균일한 잉크 방울 형성을 촉진합니다. 점도가 너무 낮으면 잉크 내부의 마찰력이 작아 액체 방울이 초승달 모양으로 변형되어 진동이 감쇠되고 분사 속도에 영향을 미칩니다. 반대로 점도가 너무 높으면 잉크 유동성이 떨어지고 미세한 방울 형성이 어려워집니다. 또한 잉크 분사는 점도 변화에 매우 민감하여 작은 전단 농화 현상으로도 점도가 급격히 증가하여 인쇄가 불가능해질 수 있습니다. Xaar는 공식 웹사이트에서 Xaar 1001 GS12 노즐이 7~50mPa·s의 점도 범위를 가진 세라믹 잉크에 적합하다고 소개하고 있습니다(이는 분사 시 잉크 온도를 조절하여 점도를 7~20mPa·s로 유지할 수 있음을 의미하지만, 잉크 점도가 너무 높거나 낮으면 노즐 수명에 영향을 미칠 수 있습니다). Dimatix Fujifilm StarFireTM SG-1024/MC의 기술 매개변수 매뉴얼에 따르면, 이 노즐은 점도 범위가 8-20mPa·s인 세라믹 잉크에 사용할 수 있으며, 권장 범위는 10-14mPa·s입니다.

3. 표면장력

적절한 표면장력은 잉크 방울의 균일한 형성과 노즐 점착 방지를 보장하여 잉크젯 인쇄의 장기적인 안정성을 유지하는 데 도움이 됩니다. 세라믹 잉크의 표면장력이 너무 높으면 잉크 방울의 꼬리가 끌리는 현상이 쉽게 발생하고, 표면장력이 너무 낮으면 잉크 방울이 확산되어 위성 모양의 잉크 방울이 생성되어 패턴의 선명도와 층화성을 저하시킬 수 있습니다. 또한 잉크 온도가 증가함에 따라 잉크의 표면장력은 감소합니다. 노즐의 온도 제어 시스템을 사용하여 세라믹 잉크의 표면장력을 조절할 수 있습니다. 현재 시판되는 세라믹 잉크의 잉크젯 인쇄 온도에서의 표면장력은 약 20~35mN·m⁻¹입니다.

4. 입자 크기 분포

노즐 개구부와 잉크 경로 시스템의 한계로 인해, 잉크의 안료 입자는 원활한 잉크 분사를 보장하기 위해 충분히 작아야 합니다. 보관 및 사용 중 입자 침전을 방지하는 것 외에도, 색소 입자가 작아야 한다는 요구 사항이 있습니다. 세라믹 잉크의 입자 크기 분포는 가능한 한 좁아야 하는데, 이는 입자가 너무 굵은 색소로 인한 발색 불균일(세라믹 제품 표면의 색소 밀도 불균일) 현상과 입자가 너무 미세한 색소로 인한 발색력 저하(유약 내 색소 용융) 현상을 방지하기 위함입니다. 현재 시판되는 세라믹 잉크의 D50은 약 200~350nm이고, D90은 850nm 미만입니다.

5.고체

고형분 함량은 세라믹 잉크에 함유된 무기 세라믹 안료 및 관련 고형상 첨가제의 질량 백분율을 나타내며, 주성분은 무기 세라믹 안료입니다. 고형분 함량이 높을수록 잉크 단위 질량당 안료 함량이 높아져 세라믹 잉크젯의 색상 강도와 색 재현 범위를 향상시키고, 세라믹 잉크 사용량을 줄여 세라믹 생산 기업의 비용을 절감할 수 있습니다. 디자인 시안의 표현력 측면에서, 잉크 고형분 함량을 높이는 것이 동일 위치에 반복 인쇄하여 잉크 도트를 쌓는 것보다 효과적입니다. 동일 위치에 반복 인쇄할 경우 잉크 도트가 목표 위치에서 벗어나 선명도가 떨어질 수 있기 때문입니다. 또한 고형분 함량을 높이면 세라믹 잉크의 점도가 증가할 수 있습니다.

6. 색상은 소성 후에 나타납니다.

세라믹 잉크젯 소성의 색상에 영향을 미치는 주요 요인으로는 안료의 종류, 결정 구조, 순도, 잉크 내 안료 함량, 입자 크기 분포, 소성체 및 유약의 조성, 온도, 분위기 시스템 등이 있습니다. 일반 안료와 달리 잉크 안료는 초미세 입자 상태에서도 우수한 발색력을 가져야 합니다. 선택된 안료는 제조 과정에서 완전히 반응하고, 색상 결정이 잘 발달하며, 고온 안정성이 우수하고, 유약 침식에 대한 저항성이 있어야 합니다. 이를 위해서는 고순도, 균일한 입자 크기, 높은 활성을 가진 원료를 선택해야 합니다. 공정 측면에서는 결정 성장과 구조적 안정성을 확보하기 위해 소성 시간을 길게 해야 합니다. 잉크의 고형분 함량 또한 색상에 영향을 미치는데, 고형분 함량이 높을수록 색상이 진해집니다. 고형분 함량이 높으면 잉크의 안정성이 저하되므로, 색상에 따라 잉크의 고형분 함량을 적절히 조절해야 합니다. 입자 크기가 클수록 안료의 색상에 더 가까워집니다. 안료를 미세하게 분쇄하면 노란색이나 빨간색과 같은 일부 색상은 옅어지거나 아예 색이 없어지기도 합니다. 갈색과 주황색 잉크의 색조도 변하기 때문에 입자 크기는 색조와 색심도에 영향을 미칩니다. 입자 크기가 작아짐에 따라 잉크 색소의 융점은 일반 색소보다 훨씬 낮아집니다. 따라서 큰 온도 변화에 노출되면 색소가 완전히 녹아 결정이 아닌 용융 상태가 되어 색상 차이와 퇴색을 초래할 수 있습니다. 예를 들어 코발트 블루 안료의 발색 성능은 배위장 분리 에너지에 따라 달라집니다. 분리 에너지가 다르면 흡수되는 파장이 달라지고, 안료는 다양한 색상을 나타냅니다. Co2+(3d2)는 주황색, 노란색, 그리고 일부 녹색광을 흡수하여 보라색을 띤 파란색을 나타내고, Co3+(3d3)는 녹색 이외의 유색광을 흡수하고 녹색을 강하게 반사하여 녹색으로 나타납니다. 코발트 블루 세라믹 잉크는 주로 CoAl2O4 안료의 Co2+에 의해 발색됩니다. CoAl2O4 결정이 고온에서 녹으면 Co2+(3d2)가 Co3+(3d3)로 산화되어 색차가 발생할 수 있습니다.

7. 바디 글레이즈에 대한 적응성

다른 조건이 동일할 때, 도자기 본체와 유약의 조성은 크게 다를 수 있으며, 잉크젯 프린팅 효과 또한 크게 달라질 수 있습니다. 관련 연구에 따르면 유약 조성에 함유된 산화리튬, 산화붕소, 산화아연, 산화마그네슘, 산화안티몬 등의 다양한 금속 산화물은 잉크 색상에 영향을 미칠 수 있으므로 사용을 피하거나 줄여야 합니다. 산화칼륨은 과산화나트륨보다 도자기 잉크 색상에 더 큰 악영향을 미칩니다. 산화칼슘과 산화바륨은 도자기 잉크 색상에 심각한 영향을 미치지 않으므로 산화리튬이나 산화붕소와 같은 물질을 대체하여 사용할 수 있습니다. 산화주석은 붉은색을 내는 데 효과적이지만, 제품을 붉게 만들 수 있습니다. 산화티타늄은 붉은색과 노란색을 내는 데 효과적이지만, 제품을 노랗게 만들고 검은색을 약하게 만들 수 있습니다.

8. 건조함

건조 시간이 너무 느리면 세라믹 잉크의 과도한 확산으로 인해 색상 변화 및 패턴 번짐이 발생할 수 있습니다. 반대로 건조 시간이 너무 빠르면 세라믹 잉크의 확산이 불충분하여 빈 공간이 생기고, 잉크 방울의 팽창 및 모세관 현상으로 인해 버(burr)가 발생할 수 있습니다. 세라믹 잉크가 표면에서 건조되는 주된 방법은 잉크 방울이 표면에서 확산되는 것이며, 부차적인 방법은 공기 중에서 잉크 방울이 증발하는 것입니다. 확산 속도는 소성체 표면의 수분 함량, 소성체의 다공성, 잉크 및 계면활성제의 조성에 따라 달라집니다. 건조 시간은 잉크의 확산 계수에 따라 달라지며, 잉크 도포 밀도와 비례합니다. 고해상도 잉크젯 소성일수록 건조가 더 용이합니다.
세라믹 잉크 제조 과정에서 휘발성을 높이기 위해 일정량의 알코올 용매를 첨가할 수 있습니다. 또한 잉크젯 인쇄 요구 사항을 충족하기 위해 소량의 분산제(폴리올 알킬 에테르 및 기타 유기 화합물 등)를 첨가할 수 있습니다. 세라믹 잉크가 상온에서 너무 빨리 증발하여 분사 중단 및 노즐 막힘을 유발하는 것을 방지하기 위해 제조 과정에서 고비점의 비휘발성 보습제를 첨가해야 합니다. Colorobia는 세라믹 연구 센터 웹사이트에서 자사 세라믹 잉크의 휘발을 방지하기 위해 DEG(디에틸렌 글리콜, 비점 245℃)를 첨가한다고 밝혔으며, 유럽 특허 EP 1840178 A1에서는 분산 매체의 비점이 200℃를 초과해야 한다고 명시하고 있습니다. 수성 잉크의 경우 잉크 방울이 본체 중심부에서 가장자리로 확산되는 속도 차이로 인해 색상 차이가 발생하는 것을 방지하고, 다량의 수증기 발생을 억제하기 위해 현재 세라믹 잉크는 주로 유성(유기) 분산 시스템을 사용하고 있습니다. 특히 Xaar 1001 GS12 및 Dimatix Fujifilm StarFireTM SG-1024/MC 노즐은 사용 설명서에서 유성 세라믹 잉크 사용을 권장하고 있습니다.

9. 기타 성과 지표

상기 사항 외에도 세라믹 잉크와 노즐 간의 호환성(노즐 마모 심화, 노즐 막힘, 세라믹 잉크의 과팽창으로 인한 노즐 베이스 내 다른 노즐의 분사 영향, 적절한 전압 펄스 파형에서 원활한 작동, 분사 속도 및 잉크 방울 용량의 적정성, 잉크 방울 점착 지점의 정확성 등), 세라믹 잉크젯 프린터와의 호환성(pH 값, 부식 및 잉크 경로 시스템 용해 여부 등), 그리고 기타 성능 지표(전도도 등) 또한 세라믹 잉크젯 인쇄의 요구 사항을 일정 수준 이상 충족해야 합니다.

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