KR102542929B1 - 소수성 조절층이 포함된 친환경 종이포장재 - Google Patents

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Abstract

종이포장재로부터 종이기재가 쉽게 분리되고, 재활용 과정에서 종이의 훼손을 방지하며, 종이를 제외한 나머지 부분은 생분해성을 갖추면서 배리어성 및 접착성을 개선하는 소수성 조절층이 포함된 친환경 종이포장재를 제시한다. 그 포장재는 종이기재와, 종이기재의 표면에 소수성을 부여하는 소수성 조절층과, 소수성 조절층 상에 형성되며 산소 및 수분을 차단하는 배리어층과, 배리어층 상에 형성되며 수분에 용해되는 수용성 접착층 및 수용성 접착층에 접착되는 생분해성 필름을 포함한다.

Description

소수성 조절층이 포함된 친환경 종이포장재{Eco-friendly packing member having hydrophobic controlling layer}
본 발명은 친환경 종이포장재에 관한 것으로, 보다 상세하게는 종이기재에 소수성을 부여하는 소수성 조절층을 활용하여 폐기된 종이포장재의 재활용을 쉽게 하는 친환경 종이포장재에 관한 것이다.
종이포장재는 식품, 음료수, 기타 물질을 포장하는 포장재로 사용된다. 일반적으로, 종이포장재는 수분투과도가 극히 낮고 가격이 저렴한 폴리올레핀 수지를 종이에 적층되거나 코팅된 방수종이가 널리 사용된다. 그런데, 방수종이는 펄프로써 회수가 어려워 재활용이 불가능하며, 전량 소각 또는 매립되고 있는 실정이어서 심각한 환경문제를 유발한다. 이에 따라, 자연계에서 생분해되는 소재를 활용한 친환경 종이포장재가 요구된다. 국내등록특허 제10-1877703호, 국내공개특허 제2019-0094848호 등은 생분해되는 소재인 폴리락트산(PolyLactic Acid, PLA), 전분 등이 이용되는 포장재가 제시되어 있다. 특히, 폴리락트산은 생분해되고 수분저항성이 우수하며, 대량생산이 가능하고 저렴하여 생분해성 포장재로 활용된다. 최근, 친환경소재인 종이와 생분해성 필름을 적층하여, 종이포장재를 재활용할 수 있는 가능성이 존재한다.
그런데, 종이포장재는 종이와 생분해성 필름이 접착되어야 하고, 수분, 가스 등을 차단하는 배리어층이 필요하다. 이를 위해, 수성접착제 및 배리어층이 부가된다. 하지만, 수성접착제 및 배리어층의 생분해는 아직 제대로 구현되지 않고 있어서, 종이포장재로부터 종이만을 분리시켜 종이를 재활용하는 방안이 요구된다. 하지만, 종이를 재활용하는 과정에서 종이가 수분과 접촉하면, 종이는 주름이 지고 뭉개지는 등과 같은 훼손이 일어난다. 종이를 펄프로 재활용하기 위해서는, 종이가 훼손되지 않도록 하는 것이 필요하다. 바람직하게는, 종이포장재에서 종이만을 분리하고 나머지 부분은 생분해성을 갖추면서, 포장재에서 요구되는 배리어성 및 접착성을 개선할 필요가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 종이포장재로부터 종이기재가 쉽게 분리되고, 재활용 과정에서 종이의 훼손을 방지하며, 종이를 제외한 나머지 부분은 생분해성을 갖추면서 배리어성 및 접착성을 개선하는 소수성 조절층이 포함된 친환경 종이포장재를 제공하는 데 있다.
본 발명의 과제를 해결하기 위한 소수성 조절층이 포함된 친환경 종이포장재는 종이기재와, 상기 종이기재의 표면에 소수성을 부여하는 소수성 조절층과, 상기 소수성 조절층 상에 형성되며 산소 및 수분을 차단하는 배리어층과, 상기 배리어층 상에 형성되며 수분에 용해되는 수용성 접착층 및 상기 수용성 접착층에 접착되는 생분해성 필름을 포함한다.
본 발명의 포장재에 있어서, 상기 소수성 조절층은 수분 또는 알칼리에 용해될 수 있다. 상기 소수성 조절층은 지방산 에스테르로 이루어질 수 있다. 상기 지방산 에스테르는 가스 그라프팅에 의해 형성될 수 있다. 상기 소수성 조절층은 알칼리에 용해되는 라텍스일 수 있다. 상기 배리어층은 단백질, 탄수화물 및 로진을 포함할 수 있고, 상기 수용성 접착층은 로진을 포함할 수 있다. 이때, 상기 로진은 에스테르화 반응에 의해 생성된 로진 에스테르일 수 있다. 상기 종이기재에는 상기 종이기재의 일부에 도포되어 경화된 경화패턴을 포함할 수 있고, 상기 경화패턴의 배열은 띠 형태, 격자 형태, 섬 형태, 울타리 형태 또는 이들이 조합된 형태로 이루어질 수 있다.
본 발명의 소수성 조절층이 포함된 친환경 종이포장재에 의하면, 소수성 조절층 및 로진을 활용함으로써, 종이포장재로부터 종이기재를 쉽게 분리하고, 재활용 과정에서 종이의 훼손을 방지하며, 종이를 제외한 나머지 부분은 생분해성을 갖추면서 배리어성 및 접착성을 개선한다.
도 1은 본 발명에 의한 제1 종이포장재를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2는 본 발명에 의한 제2 종이포장재를 설명하기 위한 단면도이다.
도 3은 본 발명에 의한 제2 종이포장재에 적용되는 경화패턴 배열의 사례들을 제시한 평면도들이다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다음에서 설명되는 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 한편, 도면들에 있어서, 막(층, 패턴) 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장될 수 있다. 또한, 막(층, 패턴)이 다른 막(층, 패턴)의 상, 상부, 하부, 일면에 있다고 언급되는 경우에, 그것은 다른 막(층, 패턴)에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 다른 막(층, 패턴)이 개재될 수도 있다.
본 발명의 실시예는 소수성 조절층 및 로진을 활용함으로써, 종이포장재로부터 종이기재를 쉽게 분리하고, 재활용 과정에서 종이의 훼손을 방지하며, 종이를 제외한 나머지 부분은 생분해성을 갖추면서 배리어성 및 접착성을 개선하는 종이포장재를 제시한다. 이를 위해, 소수성 조절층 및 로진이 함유된 종이포장재의 구조에 대하여 구체적으로 알아보고, 상기 구조에 따른 물성을 상세하게 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예에 의한 종이포장재는 식품, 음료수, 기타 물질을 포장하는 포장재로 활용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 제1 종이포장재(100)를 설명하기 위한 단면도이다. 다만, 엄밀한 의미의 도면을 표현한 것이 아니며, 설명의 편의를 위하여 도면에 나타나지 않은 구성요소가 있을 수 있다.
도 1에 의하면, 제1 종이포장재(100)는 종이기재(10), 소수성 조절층(11), 배리어층(12), 수용성 접착층(13) 및 생분해성 필름(14)을 포함한다. 종이기재(10)는 나무 펄프 또는 섬유질 물질로부터 만드는 얇은 시트 모양의 물질로써, 장섬유 및 단섬유 재질의 종이가 있다. 상기 장섬유 재질의 종이는 대부분 순수 나무로만 제조되는 종이로서, 식물 등에서 추출해낸 섬유질의 길이가 유지되어 외부 변형에 대해 강성을 갖게 되므로 찢어짐이나 터짐 현상이 방지되거나 경감되므로, 포장재로 바람직하다. 종이기재(10)는 이에 제한되지 않으나, 화학펄프의 일종인 미표백 크라프트 펄프를 주원료로 하는 크라프트지일 수 있다. 상기 크라프트지를 적용하면, 인장강도, 인열강도, 신장도 등이 우수하여 제1 종이포장재(100)가 쉽게 파손되지 않는다.
소수성 조절층(11)은 종이기재(10)의 표면에 소수성을 부여하여, 재활용할 때 종이가 훼손되지 않도록 한다. 종이기재(10)는 재활용하는 과정에서 수분과 만나면, 주름이 생기거나 뭉개져서 재활용이 어렵다. 소수성 조절층(11)이 종이기재(10)의 표면에 형성되면, 소수성 조절층(11)은 상기 수분에 의해 종이기재(10)가 훼손되지 않도록 한다. 제1 종이포장재(100)에서 종이기재(10)를 분리하고, 세척 등의 과정을 거친 다음, 소수성 조절층(11)을 제거하면, 종이기재(10)를 온전한 상태로 재활용될 수 있다. 즉, 소수성 조절층(11)을 제거하면, 종이기재(10)와 나머지 부분(A)로 분리되어 종이기재(10)의 재활용이 용이하게 이루어진다. 본 발명의 실시예는 종이기재(10)는 재활용하고, 나머지 부분(A)은 생분해를 유도하는 방안을 제시한다. 도면에서는 소수성 조절층(11)이 종이기재(10)의 일면에 형성된 것을 제시하였으나, 경우에 따라 종이기재(10)의 양면에 형성될 수도 있다.
본 발명의 실시예에 의한 소수성 조절층(11)은 수분 또는 알칼리에 의해 용해되는 특성을 가진다. 상기 수분에 의해 용해되는 소수성 조절층(11)은 지방산 에스테르를 활용한 것이 바람직하다. 상기 지방산 에스테르는 지방산과 알코올의 조합으로부터 생성된 에스테르의 한 유형이다. 알코올 성분이 글리세롤일 때, 생성된 지방산 에스테르는 모노글리세리드, 디글리세리드 또는 트리글리세리드일 수 있다. 상기 지방산 에스테르는 폴리글리세린 모노스테아레이트, 솔비탄 모노라울레이트, 솔비탄 모노스테아레이트, 솔비탄모노레이트, 글리세롤 모노스테아레이트 등이 있다. 상기 지방산 에스테르는 수용성이므로, 수분에 의해 쉽게 제거되어 재활용이 간편하고 소요비용이 절감된다.
상기 지방산 에스테르는 가스 그라프팅(gas grafting)에 의해 종이기재(10)의 표면에 형성할 수 있다. 상기 가스 그라프팅은 고온으로 압착할 때 고압을 이용하며, 종이기재(10)의 주성분인 셀룰로오스의 소수성을 향상시킨다. 구체적으로, 수산기를 포함한 친수성 표면에 가스 상태의 식물성 지방산인 염화지방산을 반응시켜 지방산 에스테르를 형성하면, 종이기재(10)의 표면이 소수화된다. 상기 가스 그라프팅은 롤(roll)에 감겨진 펄프 시트의 표면을 대량으로 소수화할 수 있고, 상기 지방산 에스테르는 수용성으로 쉽게 제거되어 재활용이 간편하고 소요비용이 절감된다. 상기 가스 그라프팅은 본 발명의 목적인 종이기재(10)의 재활용에 부합하는 방식이다.
상기 알칼리에 의해 용해되는 소수성 조절층(11)은 알칼리에 용해되는 라텍스가 바람직하다. 상기 알칼리에 용해되는 라텍스는 일반적으로 모노에틸렌이 불포화된 카르복실산과, 모노에틸렌이 불포화된 카르복실산 및 소수성 부분과 알콕시화된 부분을 가지는 거대 단량체를 포함한다. 상기 거대단량체는 모노하이드릭(monohydric) 계면활성제와 모노에틸렌 불포화 모노이소시아네이트의 우레탄 반응 생성물인 우레탄 단량체가 많이 사용된다. 상기 모노하이드릭 계면활성제는 에틸록시 또는 프로필록시 지방족 알코올이나 알킬 페놀을 포함한다. 상기 알칼리 해리성의 소수성 조절층(11)은 알칼리에 의해 쉽게 용해되므로, 소수성 조절층(11)을 제거하면, 종이기재(10)와 나머지 부분(A)로 분리되어 종이기재(10)의 재활용이 쉽게 이루어진다.
배리어층(12)은 산소 및 수분을 차단하여 포장재의 수명 및 성능을 보호한다. 배리어층(12)은 산소 및 수분을 차단하는 것 이외에 포장물의 특징에 따라 다양한 기능이 추가될 수 있다. 배리어층(12)은 일반적으로 주성분으로 폴리비닐알콜(PVA), 에틸렌비닐알코올(EVOH), 개질 나일론(Nylon), 폴리락트산(Poly Lactic Acid, PLA) 등이 공지되어 있다. 배리어층(12)은 본 발명의 범주 내에서 상기 주성분을 적절하게 혼합하여 사용될 수 있으며, 다른 물질을 주성분으로 활용될 수 있다.
배리어층(12)은 상기 주성분으로 천연물을 포함할 수 있고, 상기 천연물은 단백질, 탄수화물이 혼합된 단백질 등이 있다. 상기 단백질은 천연물에서 유래되고, 유청 단백질, 농축 유청 단백질, 대두단백질(soy protein isolate, SPI), 쌀단백질(rice protein isolate, RPI), 오트단백질(oat protein isolate, OPI), 완두단백질(pea protein isolate, PPI), 카제인(casein), 카제인나트륨(Sodium caseinate), 옥수수단백질(corn zein), 젤라틴(gelatin), 밀 단백질(Gluten) 또는 그들의 조합일 수 있다. 상기 단백질은 상기 차단층 내에서 3차원의 망상구조(network structure)를 형성하여, 높은 수준의 산소 차단성, 수분 차단성 및 투명성이 제공될 수 있다.
상기 탄수화물은 단당류, 이당류 및 다당류 중에서 선택된 1종 이상의 화합물을 포함한다. 상기 탄수화물은 다당류를 포함할 수 있고, 예를 들어 풀루란(pullulan), 카라기난(carrageenan), 키토산(chitosan), 전분(starch), 우무(agar), 펙틴(pectin) 또는 그들의 조합이 더 포함될 수 있다. 상기 단백질에 탄수화물이 혼합되면, 상기 탄수화물이 배리어층(12) 내에 형성된 단백질의 3차원의 망상구조를 구조적으로 지지한다. 상기 탄수화물은 배리어층(12)의 산소 차단성, 수분 차단성 및 투명성이 보다 개선시킨다.
본 발명의 실시예의 배리어층(12)은 로진(rosin)을 포함할 수 있다. 상기 로진은 침엽수 및 소나무에서 얻어지는 것으로, 액상 수지를 가열해서 휘발성 액체인 테르펜을 증발시켜 얻은 고체 수지를 말한다. 상온에서 로진이 부서질 수 있으나 가열하면 로진은 용해된다. 로진은 아비에트산을 비롯한 수지산으로 구성된다. 상기 수지산에는 아비에트산 이외에 이중결합 2개의 위치가 서로 다른 네오아비에트산, 팔루스트르산, 레보피마르산 등이 있다. 상기 로진은 점막에 다수의 기공이 형성되어서 배리어층의 다른 성분을 담지하여, 앵커 효과에 의해 배리어층(12)의 강성을 높인다. 상기 접착성뿐 아니라 송진이 가지고 있는 피톤치드를 함유하고 있어서 항균작용, 냄새제거 등의 특성을 가진다.
상기 로진은 천연접착제로서 적용할 수 있다. 종래의 접착제는 인체에 유해한 휘발성유기화합물인 포름알데히드의 발산을 유발한다. 상기 로진을 천연접착제로 사용하면, 인체에 유해한 포름알데히드가 발생하지 않아서 친환경적이다. 천연접착제로서의 로진은 예컨대 에스테르화 반응을 통하여 얻어진 로진에스테르가 적용된다. 로진 접착제는 배리어층(12)을 구성하는 단백질, 탄수화물 등을 결합시켜 배리어층(12)의 지지력을 높인다.
수용성 접착층(13)은 수분에 용해되는 수용성 접착제로 이루어진 층으로써, 공지된 접착제를 모두 적용할 수 있다. 예컨대, 상기 수용성 접착제는 에틸렌비닐알코올 공중합체 또는 폴리비닐아세테이트를 수분에 유화시키거나, 또는 폴리비닐피롤리돈 또는 폴리비닐알코올 등을 수분에 용해시켜 제조된다. 또한, 상기 수용성 접착제는 수성 폴리우레탄계 수지, 수성 아크릴계 수지, 수성 에폭시 수지, 수성 페놀 수지, 또는 그들의 조합을 이용할 수 있다. 수용성 접착층(13)은 천연물질을 활용할 수 있다. 상기 천연물질은 아교, 부레풀, 해초풀, 전분(starch) 및 로진을 함유할 수 있다.
생분해성 필름(14)은 생분해성 고분자를 포함하여 이루어진 필름이다. 상기 생분해성 고분자는 폴리락트산(PLA), 폴리부틸렌아디페이트테레프탈레이트(Poly(Butylene Adipate-co-Terephthalate), PBAT), 폴리부틸렌숙시네이트(Poly(Butylene Succinate), PBS), 폴리카프로락톤(PolyCaproLactone, PCL), 폴리포스페이트에스터(Polyphosphate ester) 등이 알려져 있다. 생분해성 필름(14)은 상기 생분해성 고분자에 전분, 석고, 셀룰로오스 아세테이트 등과 같은 기능성 물질을 혼합하여, 생분해성 필름(14)의 분해능력, 난연성, 지지력 등과 같은 물성을 조절할 수 있다.
소수성 조절층(11)을 수분 또는 알칼리에 의해 용해시키면 종이기재(10) 및 나머지 부분(A)으로 쉽게 분리된다. 소수성 조절층(11)이 제거된 종이기재(10)를 이용하여 펄프를 만든다. 상기 펄프를 만드는 과정은 이미 잘 알려져 있으므로, 공지의 방법으로 펄프를 제작할 수 있다. 나머지 부분(A)은 자연계에서 생분해되므로, 제1 종이포장재(100)의 친환경 특성을 유지할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 제2 종이포장재(100)를 설명하기 위한 단면도이다. 이때, 제2 종이포장재(200)는 경화패턴(20)을 제외하고 제1 종이포장재(100)와 동일하다.
도 2에 의하면, 제2 종이포장재(200)는 종이기재(10)에서 소수성 조절층(11)과 접촉하는 부분에 경화패턴(20)을 포함한다. 경화패턴(20)은 수성 자외선경화형 수지가 도포되어 경화된다. 경화패턴(20)은 패턴 형태로 경화된 상기 수성 자외선경화형 수지로 이루어지며, 종이기재(10)의 표면을 보호하면서, 종이기재(10)에 대한 소수성 조절층(11)의 접착력을 조절한다. 경화패턴(20)이 차지하는 면적이 클수록 상기 접착력은 낮아지고, 상기 면적이 작을수록 상기 접착력은 높아진다. 종이기재(10) 및 소수성 조절층(11)과의 접착력은 종이기재(10) 및 나머지 부분(A)을 분리하는 속도에 영향을 미친다. 종이기재(10) 및 그를 활용한 제2 종이포장재(200)의 종류에 따라, 상기 접착력을 조절하면 적절한 분리속도를 얻을 수 있다. 상기 수성 자외선경화형 수지는 친환경이면서 공지된 물질을 모두 적용할 수 있으며, 예컨대 수용성 천연고분자 및 양이온성 고분자를 포함할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 제2 종이포장재(200)에 적용되는 경화패턴(20) 배열(a, b, c, d)의 사례들을 제시한 평면도들이다. 여기서는 몇 가지의 패턴배열(a, b, c, d)의 예를 든 것에 불과하므로, 본 발명의 범주 내에서 다양하게 변형될 수 있다.
도 3에 의하면, 패턴배열(a, b, c, d)은 종이기재(10)에 부분적으로 도포되어 경화된 것으로, 패턴배열(a, b, c, d) 사이에는 종이기재(10)가 존재한다. 패턴배열(a, b, c, d)은 평면적으로 다양한 형태의 패턴을 활용한다. 구체적으로, 띠 형태이면서 패턴배열(a, b, c, d)의 길이 방향으로 연장되는 A 패턴, A패턴과 같은 형태이면서 접착력이 다른 B 패턴, 단독이면서 섬(island) 형태인 C 패턴, 복수개의 섬 형태인 D 패턴, C 패턴이 확장된 형태의 E 패턴, E 패턴과 같은 형태이면서 접착력이 다른 F 패턴, 울타리 형태의 G 패턴, 울타리 형태이면서 G 패턴과 접착력이 다른 H 패턴, 패턴배열(a, b, c, d)의 코너에 배치되는 I 패턴 등이 있다. 즉, 경화패턴(20)은 평면으로 보아, 띠 형태, 격자 형태, 섬 형태, 울타리 형태 또는 이들이 조합된 형태로 이루어질 수 있다.
이상, 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
10; 종이기재 11; 소수성 조절층
12; 배리어층 13; 수용성 접착층
14; 생분해성 필름 20; 경화패턴
100, 200; 제1 및 제2 종이포장재

Claims (10)

  1. 종이기재;
    상기 종이기재의 표면에 소수성을 부여하는 소수성 조절층;
    상기 소수성 조절층 상에 형성되며, 산소 및 수분을 차단하는 배리어층;
    상기 배리어층 상에 형성되며, 수분에 용해되는 수용성 접착층; 및
    상기 수용성 접착층에 접착되는 생분해성 필름을 포함하고,
    상기 소수성 조절층은 알칼리에 용해되는 라텍스인 것을 특징으로 하는 소수성 조절층이 포함된 친환경 종이포장재.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 소수성 조절층은 지방산 에스테르를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 소수성 조절층이 포함된 친환경 종이포장재.
  4. 제3항에 있어서, 상기 지방산 에스테르는 가스 그라프팅에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 소수성 조절층이 포함된 친환경 종이포장재.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서, 상기 배리어층은 단백질, 탄수화물 및 로진을 포함하는 것을 특징으로 하는 소수성 조절층이 포함된 친환경 종이포장재.
  7. 제1항에 있어서, 상기 수용성 접착층은 로진을 포함하는 것을 특징으로 하는 소수성 조절층이 포함된 친환경 종이포장재.
  8. 제6항 또는 제7항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 로진은 에스테르화 반응에 의해 생성된 로진 에스테르인 것을 특징으로 하는 소수성 조절층이 포함된 친환경 종이포장재.
  9. 제1항에 있어서, 상기 종이기재에는 상기 종이기재의 일부에 도포되어 경화된 경화패턴을 포함하는 것을 특징으로 하는 소수성 조절층이 포함된 친환경 종이포장재.
  10. 제9항에 있어서, 상기 경화패턴의 배열은 띠 형태, 격자 형태, 섬 형태, 울타리 형태 또는 이들이 조합된 형태로 이루어지는 것을 특징으로 하는 소수성 조절층이 포함된 친환경 종이포장재.
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