KR100644682B1

KR100644682B1 - 잉크 조성물

Info

Publication number: KR100644682B1
Application number: KR1020050009730A
Authority: KR
Inventors: 유승민; 정연경; 정수아
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2005-02-02
Filing date: 2005-02-02
Publication date: 2006-11-10
Also published as: KR20060088772A; US20060173093A1

Abstract

본 발명은 착색제, 유화제, 물 및 코솔벤트(co-solvent)를 포함하는 잉크 조성물에 있어서, 상기 유화제는 수평균 분자량이 8000 이하인 올리고머로서, 그 함량은 조성물 100 중량부를 기준으로 하여 0.07 내지 7 중량부이며, 상기 코솔벤트는 적어도 하나 이상의 비공유전자쌍 함유 헤테로 원자를 갖고 있는 C1-C20 에테르, C1-C20 에스테르계 화합물, C1-C20 카보네이트계 화합물 또는 C1-C20 설퍼(Sulfur) 함유 화합물인 것을 특징으로 하는 잉크 조성물을 제공한다. 본 발명의 잉크 조성물은 소포성과 저장안정성이 우수하며 장기간 보관하여도 카트리지에서의 노즐 막힘을 유발하지 않는다.

Description

잉크 조성물{Ink composition}

본 발명은 잉크 조성물에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 소포성과 저장안정성이 우수하며 장기간 보관하여도 카트리지에서의 노즐 막힘을 유발하지 않는 잉크젯 잉크 조성물에 관한 것이다.

잉크젯 기록 장치는 미세한 노즐을 통해서 잉크 방울을 토출시켜 미디어에 화상을 구현하는 것이다. 잉크젯 잉크가 갖추어야 할 성능으로는 미디어에서의 건조 특성이 우수하고, 화상이 번지지 않으며, 미디어 종류에 상관없이 고른 화상을 나타내고, 여러 색을 인쇄할 때 서로 다른 색의 경계면에서 색상 섞임이 생기지 않아야 하고, 화상의 내구성(내수성, 내광성, 내마찰성)이 우수하여야 한다.

이와 같은 조건을 만족시키기 위해서 다양한 잉크 조성물이 제시되었는데, 특히 고속 인쇄를 가능하게 하고 색상간 섞임을 방지하기 위해서 잉크의 건조속도를 높이려는 시도가 제시되어 왔다. 잉크의 건조는 증발(evaporation)과 투과(penetration)의 두 가지 메카니즘에 의해서 진행되는데, 증발은 잉크의 증기압에 의해 결정되며, 투과는 잉크와 미디어간의 계면 에너지에 의해 결정된다.

미디어에의 투과 속도를 향상시킴으로써 잉크의 건조시간을 낮추고 색상간 섞임을 줄이기 위해 다양한 종류의 유화제가 사용되어 왔는데, 이러한 유화제는 특성상 초기 잉크 부피의 400~500% 까지 거품 형성을 유발하므로 안정적인 잉크 토출에 악영향을 주게 된다. 따라서, 이를 방지하기 위해서 별도의 소포제를 첨가하게 되는데, 이러한 소포제의 예로는 Foamex 800, 805, 810, 815, 835, 842(TEGO사), BYK-019, 021, 022, 023, 024, 025, 028(BYK사), Surfynol DF-695 (Air Product사) 등 폴리실록산 고분자 화합물이나 F를 포함하는 탄소 화합물을 들 수 있다.

그런데 이러한 소포제를 잉크에 첨가하게 되면 소포성은 개선되지만, 상기 화합물을 소량 첨가하더라도 높은 분자량 때문에 잉크의 점도를 높여서 토출 성능을 저하시킬 뿐만 아니라, 카트리지에서의 노즐 막힘을 유발할 수 있다는 단점이 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 소포성과 저장안정성이 우수하며 장기간 보관하여도 카트리지에서의 노즐 막힘을 유발하지 않는 잉크 조성물을 제공하는 것이다.

상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명에서는,

착색제, 유화제, 물 및 코솔벤트(co-solvent)를 포함하는 잉크 조성물에 있어서,

상기 유화제는 수평균 분자량이 8000 이하인 올리고머로서,그 함량은 조성물 100 중량부를 기준으로 하여 0.07 내지 7 중량부이며,

상기 코솔벤트는 하나 이상의 비공유전자쌍 함유 헤테로 원자를 갖고 있는

C1-C20 에테르, C1-C20의 에스테르 화합물, C1-C20 카보네이트계 화합물 또는 C1-C20 설퍼 함유 화합물인 것을 특징으로 하는 잉크 조성물을 제공한다.

이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명의 잉크 조성물은 기본적으로 착색제와 물, 유화제, 그리고 코솔벤트로 이루어진다.

본 발명의 잉크 조성물에서, 유화제로는 이온성(Ionic), 양쪽 이온성(zwitterionic), 비이온성(nonionic) 유화제가 있고, 그 함량은 잉크 조성물 100 중량부를 기준으로 하여 0.01 내지 9 중량부이며, 바람직하게는 0.07 내지 7 중량부이다. 만약 유화제의 함량이 0.01 중량부 미만이면 잉크의 원하는 웨팅(wetting)을 얻기가 어려우며, 9 중량부를 초과하면 잉크의 적절한 웨팅(wetting) 특성과 유동성을 유지하기가 어려워 필요 이상의 잉크가 헤드 밖으로 흘러 나오므로 노즐 표면에 잉크가 고이는 현상이 나타나 바람직하지 못하다.

상기 잉크 조성물의 초기 거품 발생량은 초기 잉크 부피 대비 300% 이하, 특히 250% 이하이다.

상기 코솔벤트의 구조는 분자 내에 비공유 전자쌍을 보유한 헤테로 원자를 포함하고 있는 C1-C20 에테르나 C1-C20의 에스테르 화합물 또는 C1-C20 설퍼 함유 화합물로서 수 평균 분자량 8,000 이하, 바람직하게는 3,000 이하, 보다 바람직하게는 50 내지 2200인 것이 바람직하다. 만약 코솔벤트의 중량 평균 분자량이 8,000을 초과하면 소량의 사용에도 점도가 급상승하여 토출이 원할하지 않으며, 단기간 방치하여도 헤드의 노즐 표면에서 잉크가 굳어 더 이상 사용이 어렵게 된다.

상기 유화제와 코솔벤트의 중량비는 1:4000 내지 9:1, 바람직하게는 1:570 내지 7:1이며, 보다 바람직하게는 1:200 내지 5:1이다. 만약 유화제에 대한 코솔벤트의 함량이 상기 범위를 초과하면 코솔벤트에 의한 지나친 점도 상승 및 적절한 표면 장력 유지가 불가하며, 상기 범위 미만이면 유화제에 의해 형성된 버블 소멸의 효과가 너무 미약해 바람직하지 못하다.

소포제는 일반적으로 버블 친화성(bubble-philic) 부분과 친수성(hydrophilic) 부분으로 이루어진다. 소포제의 버블 친화성(bubble-philic) 부분이 용액 내에 형성된 기포막에 침입하여 사방으로 흩어지려고 함으로써 기포 두께를 얇게 하여 기포를 파괴하는 것으로 알려져 있다. 본 발명에서 사용하는 코솔벤트는 자내 비공유 전자쌍을 보유한 헤테로 원자가 버블 친화성(bubble-philic) 부분으로서 기포를 파괴하는 데 기여함으로써 유화제에 의해 유발된 잉크 내의 거품을 소멸시키게 되며, 특히 기존의 실록산 공중합체로 이루어진 소포제와는 달리 분자량이 작아 잉크의 점도를 크게 상승시키지 않으므로 토출 안정성 및 노즐 막힘에는 영향을 주지 않으면서 잉크 조성물의 소포성을 향상시킬 수 있다는 장점이 있다.

상기 코솔벤트의 구체적인 예로는 디에틸렌글리콜, 트리에틸렌글리콜, 테트라하이드로퓨란, 다이옥산, 에틸 아세테이트, 에틸 락테이트, 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, 디에틸렌글리콜 모노부틸 에테르, 트리에틸렌글리콜 모노부틸 에테르, 프로필렌 글리콜 모노부틸 에테르, 디프로필렌 글리콜 모노부틸에테르 디메틸술폭사이드, 테트라메틸렌술폰, 부타디엔술폰, 티오글리콜, 2-메틸티오에탄 올 등을 들 수 있으나 반드시 이에만 한정되는 것은 아니다.

상기 코솔벤트의 함량은 잉크 조성물 총중량 100 중량부를 기준으로 하여 1 내지 40 중량부인 것이 바람직하다. 만약 코솔벤트의 함량이 1 중량부 미만이면 소포성 특성이 나타나지 못하고, 40 중량부를 초과하면 잉크의 급격한 점도 상승으로 바람직하지 못하다.

한편, 본 발명에서 사용되는 착색제에는 특별한 제한이 없다. 즉, 물에 녹거나 분산될 수 있는 염료, 분산제와 함께 사용되어 물에 안정하게 분산될 수 있는 안료, 별도의 분산제 없이 물에 안정하게 분산될 수 있는 자가분산 안료 또는 이들의 혼합물 모두 사용이 가능하다.

상기 착색제 중 염료의 구체적인 예로는 푸드 블랙 염료(Food Black dyes), 푸드 레드 염료(Food red dyes), 푸드 옐로우 염료(Food Yellow dyes), 푸드 블루 염료(Food Blue dyes), 애시드 블랙 염료(Acid Black dyes), 애시드 레드 염료(Acid Red dyes), 애시드 블루 염료(Acid Blue dyes), 애시드 옐로우 염료(Acid Yellow dyes), 디렉트 블랙 염료(Direct Black dyes), 디렉트 블루 염료(Direct Blue dyes), 디렉트 옐로우 염료(Direct Yellow dyes), 안트라퀴논 염료(anthraquinone dyes), 모노아조염료(monoazo dyes), 디아조염료(disazo dyes), 프탈로시아닌(phthalocyanine) 유도체 등을 들 수 있고, 안료의 구체적인 예로는 카본 블랙, 그래파이트, 유리 카본(vitreous carbon), 활성화 차콜, 활성화 탄소, 안트라퀴논, 프탈로시아닌 블루, 프탈로시아닌 그린, 디아조스(diazos), 모노아조스(monoazos), 피란트론(pyranthrones), 페릴렌(perylene), 퀴나크리돈 (quinacridone), 인디고이드계 안료(indigoid pigments) 등을 들 수 있으며, 자가 분산된 안료로는 카보제트 시리즈(cabojet-series)나 오리엔트 케미칼(Orient Chemical)의 CW-series 등이 있으나, 반드시 이에만 한정되는 것은 아니다.

상기 착색제의 함량은 잉크 조성물 100 중량부를 기준으로 1 내지 15 중량부, 더욱 바람직하게는 1 내지 10 중량부가 바람직하다.

상기 잉크 조성물에서, 유화제의 구체적인 예로는 탄소수 1 내지 1000의 알킬카르복실산의 염(바람직하게는 탄소수 10 내지 200의 알킬카르복실산의 염), 탄소수 1 내지 1000의 알콜 술폰산 에스테르의 염(바람직하게는 탄소수 10 내지 200의 알콜 술폰산 에스테르의 염), 탄소수 1 내지 1000의 알킬술폰산의 염(바람직하게는 탄소수 10 내지 200의 알킬술폰산의 염), 탄소수 1 내지 1000의 알킬벤젠술폰산의 염(바람직하게는 탄소수 10 내지 200의 알킬벤젠술폰산의 염), 또는 그 혼합물, 지방산 아민염, 4급 암모늄염, 술포늄염, 포스포늄염, 이들의 염 또는 이들의 혼합물, 폴리옥시에틸렌 알킬 에테르(단, 알킬은 탄소수 1 내지 1000의 알킬기이고, 바람직하게는 탄소수 10 내지 200의 알킬기임), 폴리옥시에틸렌 알킬 페닐 에테르(단, 알킬은 탄소수 1 내지 1000의 알킬기, 바람직하게는 탄소수 10 내지 200의 알킬기임)서 , 폴리옥시에틸렌 이차 알콜 에테르, 폴리옥시에틸렌-옥시프로필렌 블록 코폴리머, 폴리글리세린 지방산 에스테르, 소르비탄 지방산 에스테르, 또는 그 혼합물, 아세틸레닉 글리콜 화합물, 이차 알코올 에톡실레이트(secondary alcohol ethoxylate) 화합물 등을 들 수 있지만 반드시 이에만 한정되는 것은 아니다.

상기 유화제는 특히 비이온성 또는 이온성 계면활성제인 것이 바람직하다.

본 발명의 잉크 조성물에 있어서, 물의 함량은 조성물 100 중량부를 기준으로 하여 40 내지 90 중량부인 것이 바람직하다. 만약 물의 함량이 40 중량부 미만이면 잉크 수용액의 착색제 밀도가 너무 커서 점도가 높아지고, 90 중량부를 초과하면 착색제의 함량이 너무 적어 색상 발현이 어려워지므로 바람직하지 못하다.

본 발명의 잉크 조성물에는 필요에 따라 추가로 습윤제, 분산제, 점도 조절제, pH 조절제, 항산화제 등의 첨가제가 더 부가될 수 있다.

상기 첨가제의 함량은 착색제 100 중량부를 기준으로 7 내지 3000 중량부, 더욱 바람직하게는 10 내지 2000 중량부가 바람직하다.

이하, 본 발명을 하기 실시예를 들어 보다 상세하게 설명하기로 하되, 본 발명이 하기 실시예로만 한정되는 것은 아니다.

<실시예>

본 실시예 및 비교예에 사용된 착색제, 유화제 및 코솔벤트는 다음과 같다.

<착색제>

Dye-C : Pro-jet Cyan 1 (Avecia)

Dye-M : Brill. Red F3B-SF (Clariant)

Dye-Y : Basacid Yellow 099 (BASF)

Dye-K : Schwarz SP (Bayer)

Pig-K : Cabot 200 (Cabot)

<유화제>

A : Polyoxyethylene(20) sorbitan monostearate (ICI, Mn 1312)

B : Sodium dioctyl sulfosuccinate (CYTEC, Mn 445)

C : TEGO Flow 425 (TEGO, Mn 1000~1500)

D : Nonylphenol Polyethylene Glycol Ether (Dow Chemical, Mn 617)

E : Johncryl-61 (Johnson Polymer, Mn 8500)

<코솔벤트>

코솔벤트 1 : 트리에틸렌글리콜

코솔벤트 2 : 프로필렌 카보네이트

코솔벤트 3 : 티오글리콜

코솔벤트 4 : 테트라메틸렌술폰

코솔벤트 5 : 2-메틸티오에탄올

하기 표 1과 같이 착색제, 유화제, 코솔벤트, 그리고 필요에 따라 기타 첨가제를 혼합한 다음 물을 첨가하여 최종 100g으로 만들고, 이를 교반기에서 30분 이상 충분히 교반하여 균일한 상태로 만들어 주었다. 그 후, 상기 혼합물을 0.45㎛의 필터에 통과시켜 잉크 조성물을 제조하였다.

샘플명	착색제 (함량^*)	유화제 (함량^*)	코솔벤트 (함량^*)	기타 첨가제 (함량^**)
실시예1	Dye-C(4)	A(1)	코솔벤트1 (6)	Glycerin(250)
실시예2	Dye-M(4)	B(0.8)	코솔벤트2 (5)	Glyerin(150), 2-Py(100)
실시예3	Dye-Y(4)	C(1)	코솔벤트3 (5)	EG(250)
실시예4	Dye-K(5)	D(1)	코솔벤트4 (6)	1,5-Pentanediol(200)
실시예5	Pig-K(5)	A(1.5)	코솔벤트5 (4)	EG(100), Caprolactam(120)
비교예1	Dye-C(4)	A(1)	-	EG(200), Glycerin(200)
비교예2	Dye-M(4)	B(0.8)	-	Glycerin(150), 2-Py(200)
비교예3	Dye-M(4)	C(0.05)	코솔벤트3 (5)	EG(250)
비교예4	Dye-Y(4)	C(10)	코솔벤트1 (5)	Glycerin(250)
비교예5	Dye-K(5)	E(1)	코솔벤트2 (6)	1,5-Pentanediol(150), EG(120)
비교예6	Pig-K(5)	D(4)	코솔벤트3 (0.5)	EG(200)

* 착색제, 유화제, 코솔벤트: 잉크조성물 100중량부 기준 함량임

* * 기타 첨가제: 착색제 100 중량부 기준 함량임

실험예 1 :소포성 실험

상기 실시예 1-5와 비교예 1-6에서 얻어진 잉크 조성물을 10ml 메스실린더에 3ml 채우고 밀봉하여 10회 힘차게 흔든 후 발생한 거품의 높이를 측정하고, 다음 식과 같이 초기 잉크조성물에 대한 거품의 부피비를 계산하여 하기와 같이 평가하였다. 그 결과는 하기 표 2에 나타내었다.

거품부피비(%) = (거품 높이-초기 잉크 높이)/(초기 잉크 높이) X 100

◎ : 0% ≤ 거품부피비 ≤ 150%

○: 150% < 거품부피비 ≤ 300%

X : 300% < 거품부피비 ≤ 400%

XX : 400% < 거품부피비

실험예 2 : 잉크 장기 저장 안정성

상기 실시예 1-5와 비교예 1-6에서 얻어진 잉크 조성물을 내열성 유리병에 100ml씩 담은 다음 입구를 밀봉하고 60℃ 항온조에 저장하였다. 이를 2개월동안 방치한 후 바닥의 침전유무와 층분리를 확인하여 다음과 같이 평가하고, 그 결과를 다음 표 2에 나타내었다.

○ : 침전 없음, 층분리 없음.

△ : 침전 없음, 층분리 있음.

X : 침전 발생

실험예 3 : 화상 성능 테스트

실시예 1-5 및 비교예 1-6에서 얻어진 잉크 조성물 중 color 잉크는 잉크 카트리지 C-60(삼성전자)에, Black 잉크는 잉크 카트리지 M-50(삼성전자)에 리필 하고 프린터(MJC-2400C, 삼성전자)에서 솔리드 박스 (10*10cm)를 인쇄한 후 솔리드 박스 내부에 생성된 흰선(white line)의 발생정도에 따라 다음과 같이 평가하고 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.

○ : 흰선의 발생이 거의 없음

△ : 흰선이 소량 발생함

X : 흰선이 많이 발생함

실험예 4 : 노즐 막힘 테스트

실시예 1-5 및 비교예 1-6에서 얻어진 잉크 조성물 중 color 잉크는 잉크 카트리지 C-60(삼성전자)에, Black 잉크는 잉크 카트리지 M-50(삼성전자)에 리필 하고 상온(25℃), 저온(-18℃)에서 2주씩 두었다가 프린팅을 하였을때 정상 인쇄가 가능하는 데 필요한 노즐청소 횟수를 측정하고 다음과 같이 평가하여 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.

◎ : 노즐청소 1회 시 정상 인쇄 가능

○ : 노즐청소 2~4회 시 정상 인쇄 가능

X : 노즐청소 5~10회 시 정상 인쇄 가능

XX : 노즐청소 11회 해도 정상 인쇄 불가

샘플명	소포성	잉크 장기 저장안정성	화상 성능 테스트	노즐 막힘 테스트
실시예1	◎	○	○	○
실시예2	○	○	○	◎
실시예3	○	○	○	◎
실시예4	◎	○	○	○
실시예5	○	○	○	◎
비교예1	X	○	○	○
비교예2	XX	○	○	◎
비교예3	◎	○	X	○
비교예4	X	△	△	XX
비교예5	○	△	△	XX
비교예6	XX	○	△	X

상기 표 2로부터, 실시예 1~5의 잉크조성물의 경우, 소포성과 잉크의 장기보관 안정성 및 화상성능이 우수하고 장기간 보관하여도 카트리지에서의 노즐막힘을 유발하지 않는 것을 알 수 있었다.

반면, 유화제 함량이 0.07 미만인 경우(비교예 3)엔 소포성은 우수하지만 인쇄시 흰 선이 많이 발생하며, 유화제 함량이 너무 높거나(비교예 4) 또는 코솔벤트의 양이 너무 적거나 유화제와 코솔벤트의 혼합중량비가 적정 범위를 벗어나게 되면(비교예 6) 소포성과 화상성능이 저하되고 장기간 보관 시 노즐에서의 막힘을 유발하며, 또한 소포성은 우수하더라도 유화제의 수평균 분자량이 너무 크면 (비교예 5) 노즐에서의 막힘을 유발하여 잉크조성물로 적당하지 않음을 알 수 있었다.

본 발명의 잉크 조성물은 소포성과 저장안정성이 우수하고 장기간 보관하여도 카트리지에서의 노즐 막힘을 유발하지 않는다.

Claims

착색제, 유화제, 물 및 코솔벤트(co-solvent)를 포함하는 잉크 조성물에 있어서,

상기 유화제는 수평균 분자량이 8000 이하인 올리고머로서, 탄소수 1 내지 1000의 알킬카르복실산의 염, 탄소수 1 내지 1000의 알콜 술폰산 에스테르의 염, 탄소수 1 내지 1000의 알킬술폰산의 염, 탄소수 1 내지 1000의 알킬벤젠술폰산의 염, 또는 그 혼합물, 지방산 아민염, 4급 암모늄염, 술포늄염, 포스포늄염, 이들의 염 또는 이들의 혼합물, 폴리옥시에틸렌 알킬 에테르, 폴리옥시에틸렌 알킬 페닐 에테르, 폴리옥시에틸렌 이차 알콜 에테르, 폴리옥시에틸렌-옥시프로필렌 블록 코폴리머, 폴리글리세린 지방산 에스테르, 소르비탄 지방산 에스테르, 또는 그 혼합물, 아세틸레닉 글리콜 화합물, 이차 알코올 에톡실레이트 또는 그 혼합물이고,

상기 코솔벤트는 테트라하이드로퓨란, 다이옥산, 에틸 아세테이트, 에틸 락테이트, 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, 디에틸렌글리콜 모노부틸 에테르, 트리에틸렌글리콜 모노부틸에테르, 프로필렌글리콜 모노부틸 에테르, 디프로필렌 글리콜 모노부틸 에테르, 디메틸술폭사이드, 테트라메틸렌술폰, 부타디엔술폰, 티오글리콜, 및 2-메틸티오에탄올로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상이며,

잉크 조성물 100 중량부를 기준으로 상기 착색제 1 내지 15 중량부, 상기 유화제 0.07 내지 7 중량부, 상기 물 40 내지 90 중량부 및 상기 코솔벤트 1 내지 40 중량부를 포함하는 잉크 조성물.
삭제
제1항에 있어서, 상기 유화제와 코솔벤트의 혼합중량비는 중량비는 1:4000 내지 9:1인 것을 특징으로 하는 잉크 조성물.
제1항에 있어서, 상기 유화제와 코솔벤트의 혼합중량비는 1:570 내지 7:1인 것을 특징으로 하는 잉크 조성물.
제1항에 있어서, 상기 조성물내에서 초기 거품 발생량은 초기 잉크 부피 대비 300% 이하인 것을 특징으로 하는 잉크 조성물.
삭제
삭제
삭제
제1항에 있어서, 습윤제, 분산제, 점도조절제, pH 조절제, 및 항산화제로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 첨가제가 더 포함된 것을 특징으로 하는 잉크 조성물.