KR20240042825A - 종이 덮개를 구비한 음료 또는 커피 추출용 종이 캡슐 - Google Patents

종이 덮개를 구비한 음료 또는 커피 추출용 종이 캡슐 Download PDF

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Abstract

본 발명은 시판되는 캡슐 커피 머신에 장착될 수 있으며(호환용), 종이로 제조되어 사용 후 재활용(recycle) 또는 생분해 가능한 친환경 종이 커피 캡슐에 관한 것이다.

Description

종이 덮개를 구비한 음료 또는 커피 추출용 종이 캡슐{Interchangeable Paper capsule with paper lid for extracting coffee or beverage}
본 발명은 종이 덮개를 구비한 음료 또는 커피 추출용 종이 캡슐에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 시판되는 캡슐 커피 머신에 장착되어 사용될 수 있으며, 종이로 제조되어 사용 후 재활용(recycle) 또는 생분해 가능한 친환경 종이 캡슐에 관한 것이다.
커피, 녹차, 보리차, 한방차 등의 음료는 현대인들이 매일 마시고 즐기고 있는 음식물이다. 특히, 커피는 보통 성인이 하루에 한잔 이상씩 마시는 음료로서, 에스프레소 머신, 캡슐커피, 핸드드립, 콜드브루 등으로 추출된다.
네스프레소(돌체구스토)의 상표로 상업화된 캡슐커피는 1회용으로, 5g~10g, 또는 25g 정도의 소량의 커피를 용기에 담고, 이를 추출머신의 넣어 고온 고압으로 커피를 추출한다. 캡슐 내에 유지되는, 약 10 ~ 20 바의 고압. 70℃ 이상의 고온 조건으로 수분 내에 커피를 추출함으로서 짧은 시간에 높은 커피 추출 수율과 크레마를 제공하고 있다.
한국등록특허 10-1400596호, 한국 공개특허 10-2018-0108596호 등에 가압과 온수로 커피를 추출하는 캡슐커피가 개시되어 있다.
현재 시판되는 캡슐커피는 고온 고압 추출조건을 견디고, 산소 투과를 막기 위해 알루미늄, 플라스틱(PP) 등이 사용된다.
캡슐커피에 사용되는 재질들은 땅에 매립되면 분해에 수십 내지 수백년이 걸리고, 바다에서는 물고기가 플라스틱이나 캡슐을 먹어 생태계를 파괴하는 등 환경오염을 야기하고 있다.
또한, 현재 판매되는 캡슐커피는 알루미늄 리드, 은박지와 플라스틱이 동시에 포함돼 있고, 뚜껑(lid)과 바디 부분이 열융착되어 있는 구조이다. 시판되는 캡슐커피는 뚜껑을 바디로부터 분리하기가 어렵고(칼로 뚜껑을 오려내거나 뚜껑과 바디 연결부위를 절단해야 함), 분리하더라도 플라스틱 바디 상면에 알루미늄 리드지가 잔존하여 분리수거가 될 수 없다.
이러한 이유로 유럽에서는 의무적으로 캡슐커피를 제조자(네스프레소는 알루미늄 바디의 캡슐커피로서 자체 수거함)가 수거하고 있으나, 미수거율이 75%에 달해 여전히 환경오염원이 되고 있다. 또한, 유럽 일부 국가를 제외한 한국이나 중국 등에서도 사용자가 캡슐을 모아 제조사에 연락을 하면 제조사가 방문하여 수거하고 있으나, 캡슐 수집(캡슐 절단, 커피 분리, 세척 등)과 방문 요청하는 일련의 과정으로 인해 수거율이 낮고, 또한, 이러한 수거 과정은 제품의 단가를 높이는 원인이 되고 있다.
한편, 네스프레소 이외의 캡슐커피 제조사인 돌체구스토나 일리 등(대부분 캡슐 제조사들은 플라스틱(pp) 바디, 내부에 PE 필름, PP 추출판, 알루미늄 리드지(뚜껑)으로 구성되어 있음)은 자체 수거를 하지 않고, 사용자가 캡슐을 모아 호주 재활용 기업으로 국제 우편으로 발송하는 정책을 시행하고 있다. 돌체구스토나 일리의 경우 소비자가 직접 홈페이지에서 Shipping label을 출력하여 캡슐 봉투에 부착하여 우체국에 가서 발송하여야 하므로 소비자의 참여율이 매우 저조하고, 결과적으로 사용된 거의 대부분의 캡슐은 분리수거되지 못하고 쓰레기로 매립되거나 소각된다는 문제점이 있다.
한편, 국내외 호환캡슐은 돌체구스토나 일리가 시행하는 재활용 프로세스(호주 재활용 기업으로 소비자가 발송) 조차도 시행하지 않고 있어 소비되는 모든 호환캡슐은 분리수거되지 못하고 쓰레기로 매립되거나 소각된다.
캡슐커피는 소비량이 급격히 증가하여(년 500억개 이상) 이로 인해 소각되는 플라스틱, 알루미늄도 비례하여 늘어나고 있어 플라스틱 등의 소각으로 인해 유해물질(다이옥신, NOX) 배출뿐만 아니라 이산화탄소 배출량도 급격히 증가하여 기후변화(온실가스배출)에 큰 영향을 끼친다.
플라스틱 1톤당 온실가스 배출량이 5톤에 달하고(이코노믹리뷰, 2021. 9. 26일자), 소각 폐기물 중에서 이산화탄소 배출비율이 폐합성수지(65.3%), 폐유(20.4%) 순으로 높다(대한환경공학회, 폐기물 소각처리에 의한 온실가스 배출계수와 배출량변화). 반면, 종이 5g(A4 용지 1장 무게)을 제조하는 과정에 약 2.88g의 탄소를 배출시키는 것으로 알려져 있다(종이 1g당 약 0.6g, 플라스틱 1g당 약 5g의 온실가스 배출). 즉, 플라스틱이 종이에 비해 온실가스 배출량이 8배 이상 높다.
한편, 산소차단 및 수분차단을 위해 캡슐 리드지로 알루미늄 합지 필름(알루미늄 양면에 PE, PA 등 합성수지 필름이 합지 또는 코팅)을 사용하고 있다. 이러한 알루미늄 합지 필름은 다른 재질의 플라스틱과 알루미늄이합지되어 있으므로 플라스틱류로 재활용이 불가능하여 소각하여야 하고, 또한, 알루미늄의 단가가 높아 제품의 가격 상승의 요인이 되고 있다.
한편, 펄프 성형가공된 종이 용기는 특정 용기 형상(접시 등)인 몰드에 펄프 슬러리를 주입하여 초지하고, 이를 건조하는 단계를 포함하여 제조되고 있다. 이러한 펄프 성형 방법은 초지와 건조에 상당한 시간이 소요되어 생산성이 떨어지고, 내수성이나 산소차단성을 제공하기가 어렵다는 문제가 있다.
본 발명은 재활용(recycle)이 가능한 친환경 종이 (커피) 캡슐을 제공하는 것이다.
본 발명은 수분 차단성 및 산소 차단성이 개선된 종이 (커피) 캡슐을 제공하는 것이다.
본 발명은 소비자가 쉽게 분리수거 할 수 있는 종이 커피 캡슐을 제공하는 것이다.
본 발명은 종래 많이 사용하고 있는 PE 코팅된 종이(종이컵, 컵용기 등)와 동일한 밀도를 가져 이들과 동일한 공정 조건(시간, 첨가제, pH)에서 재활용(recycle) 처리를 수행할 수 있는 종이 커피 캡슐을 제공하는 것이다.
본 발명은 분리수거 및 재활용 가능하고, 알루미늄 리드지를 대체할 수 있는 리드지(덮개)를 사용한 종이 커피 캡슐을 제공하는 것이다.
본 발명은 플라스틱 함량을 현저히 줄여 온실가스를 감축할 수 있는 친환경 종이 캡슐을 제공하는 것이다.
본 발명은 기존 캡슐커피 머신에 장착하여 사용할 수 있도록 고압(10bar ~ 20bar)과 고온(70℃ 이상 90℃ 미만)에서도 커피 추출이 가능한 호환용 종이 캡슐을 제공하는 것이다.
본 발명은 가공성과 생산성이 높은 종이 캡슐을 제공하는 것이다.
하나의 양상에서, 본 발명은
커피 또는 음료 추출을 위한 종이 캡슐로서, 상기 종이 캡슐은
종이 옆지를 감거나 접어 융착시킨 원통형 하우징(10) ;
상기 하우징 하단에 융착 접합되는 종이 밑지(20) ; 및
상기 하우징(10) 상단이 외측 방향으로 감겨 형성(컬링)된 후 압착된 플랫부(A) ; 및
상기 플랫부 상면에 융착된 종이 덮개(30)를 포함하고,
상기 종이 캡슐 내부에 분쇄 커피나 분쇄 음료가루가 충진되고,
상기 종이 옆지, 종이 밑지 및 종이덮개는 종이 기재(40)에 내수성 및 열접착성의 제 1 배리어층(50)이 코팅되고,
상기 종이 밑지(20)는 캡슐 추출 머신에 장착된 물 공급 니들로 관통가능하고,
상기 캡술 추출 머신의 물 공급 니들로 물이 상기 캡슐 내부로 공급되면, 캡슐 내부에 형성된 압력으로 상기 종이덮개(30)가 두께 방향으로 신장되어 미세틈이 형성되거나 종이 기재(40)를 형성하는 섬유(fiber) 사이의 기공이 확대되고, 상기 미세틈이나 확대된 기공을 통해 추출된 커피액이 외부로 배출되는 종이 캡슐에 관한 것이다.
본원발명의 발명자는 별도의 접착제 없이 열접착성의 제 1배리어층이 코팅된 종이 옆지를 감아 융착하여 하우징을 형성하고, 하우징에 밑지 및 (컬링 부위에) 덮개를 가압 융착하여 제조한 종이 캡슐이 캡슐 커피 머신의 추출압력인 15bar와 19bar의 추출압력에도 종이가 찢어지거나 융착부위가 벌어지지 않음을 발견하고 본 발명을 완성하게 되었다.
본원발명의 종이 (커피) 캡슐은 종이 기재상에 제 1 또는 제 2 배리어층이 코팅된 종이만을 사용하므로, 이러한 코팅된 종이는 종이류로 분리수거될 수 있고, 또한, 분리수거된 종이캡슐은 해리 공정을 통해 섬유(fiber)는 회수되어 재활용되고, 일부 나머지 코팅 부분은 해리 공정시 이물질로 회수되어 소각될 수 있다.
본 발명의 종이 캡슐은 산소차단성과 내수성의 제 1 배리어층과 열접착성과 내수성을 가진 제 2 배리어층을 적층하여 수분 차단성, 산소 차단성 및 열접착성을 모두 구현함으로서 커피분말이나 음료 분말을 충진하여 장기간 유통할 수 있는 종이용기와 리드(Lid)지로 활용될 수 있다.
본 발명의 종이캡슐은 종이기재의 비율이 80~90부피% 이상이고, 일면에만 플라스틱류가 코팅되고, 칼렌더 공정(압착)을 거치지 않아 기존 종이용기(PE 코팅된 종이컵, 컵라면 용기 등)와 동일한 조건에서 재활용 공정이 수행될 수 있다.
또한, 종래 커피캡슐의 리드지는 재활용이 불가능한 알루미늄 합지 필름(또는 EVOH 합지필름)이었으나, 본 발명의 종이캡슐은 리드지(덮개)의 재질로 하우징과 동일한 (제 1, 제 2 배리어층이 코팅된) 종이를 사용하므로 하우징과 함께 분리수거 및 재활용이 가능하다.
본 발명의 종이캡슐은 100% 소각 처리되는 기존 플라스틱 캡슐(예를 들면, 돌체구스토, 일리 캡슐, 기타 호환 캡슐커피)에 비해 약 5%~20% 정도만 소각되고 80~95%는 종이로 회수될 수 있다.
또한, 본 발명의 종이캡슐이 100% 소각처리되는 경우에도 기존 플라스틱 캡슐(예를 들면, 돌체구스토, 일리 캡슐, 국내 제조되는 모든 호환 캡슐커피)에 비해 온실가스 배출량이 낮아 환경오염이나 기후변화에 적절히 대응할 수 있다.
또한, 본 발명의 종이캡슐은 커피 추출 후에 덮개나 하우징을 쉽게 찢을 수 있어(기존 캡슐은 덮개나 하우징 분리하기가 어렵고, 분리하더라도 리드지가 하우징 테두리에 일부 붙어 있음) 남녀노소 누구나가 쉽게 커피가루를 종이캡슐로부터 분리하고 물로 세척할 수 있다.
또한, 본원발명의 종이캡슐은 초지와 건조에 상당한 시간이 소요되어 생산성이 떨어지는 펄프 성형방식에 비해, 종이원단을 감거나 삽입하여 융착하므로 생산성이 매우 높다.
도 1은 돌체구스토 캡슐 커피의 내부 구조도이다.
도 2는 본 발명의 종이 캡슐의 단면도이다.
도 3은 제 2 배리어층이 적층된 종이캡슐의 일구현예이다.
도 4는 칼집이나 미세홀(70)의 예이다.
도 5는 종이캡슐이 추출머신에 장착, 인클로징, 추출, 탈착되는 과정을 도시한 예이다.
도 6은 추출머신의 장벽부(1500)를 도시한 평면도와 사시도이다.
도 7은 커피 추출 후 덮개(리드지)의 앞과 뒤를 도시한 도면이다.
도 8은 도 2의 종이캡슐을 제조하는 방법을 도시한 것이다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시 태양을 도면을 들어 설명한다. 그러나 본 발명의 범위는 하기 실시 태양에 대한 설명 또는 도면에 제한되지 아니한다. 즉, 본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한, 본 명세서에서 기술되는 "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 2는 본 발명의 종이 캡슐의 단면도이고, 도 3은 제 2 배리어층이 적층된 종이캡슐의 일구현예이고, 도 4는 칼집이나 미세홀(70)의 예이고, 도 5는 종이캡슐이 추출머신에 장착, 인클로징, 추출, 탈착되는 과정을 도시한 예이고, 도 6은 추출머신의 장벽부(1500)를 도시한 평면도와 사시도이고, 도 7은 커피 추출 후 리드지의 앞과 뒤를 도시한 도면이고, 도 8은 도 2의 종이캡슐을 제조하는 방법을 도시한 것이다.
도 2 내지 도 8을 참고하면, 본 발명의 종이 커피 캡슐은 하우징(10), 종이 밑지(20), 플랫부(A) 및 종이 덮개(30)를 포함한다.
본 발명의 종이 커피 캡슐은 분쇄된 커피가루 뿐만 아니라 분쇄된 음료 가루(차 가루, 한방차 가루 등 사람이 마실 수 있는 음료를 추출할 수 있는 고체 가루를 모두 지칭하는 용어임)를 추출할 수도 있다. 즉, 본 발명의 종이 캡슐은 내부에 담겨지는 내용물이 분쇄 커피 가루뿐만 아니라 음료 가루도 포함할 수 있다(이하에서는 편의상 종이 커피 캡슐, 종이캡슐로 지칭할 수 있다).
본 발명의 종이 커피 캡슐(종이 캡슐)은 네스프레소 머신(이하, 추출 머신)에 장착 가능한 호환용 캡슐일 수 있다.
따라서, 본 발명의 종이 커피 캡슐은 네스프레소 캡슐과 전체적인 형상, 상부 덮개 직경 및 높이가 유사할 수 있다.
종이 커피 캡슐은 분쇄된 커피를 5~6g정도 담을 수 있다.
종이 커피 캡슐은 덮개(lid) 직경이 35mm 내외일 수 있고, 높이가 25~28mm일 수 있다.
본 발명의 종이 커피 캡슐은 1회용일 수 있다.
본 발명의 종이 커피 캡슐은 네스프레소 추출압력인 19bar 내외에서 고온(70~80℃)으로 커피를 추출할 수 있다.
상기 하우징(10)은 상하부가 통공되고, 내부에 소량의 분쇄 커피 가루가 충진 가능하다.
상기 하우징(10)은 내측에 내수성 및 열접착성의 제 1 배리어층이 코팅된 종이 옆지를 감고, 오버랩된 면을 융착하여 제조된다.
상기 종이 밑지(20)는 상기 하우징 하단에 삽입되어 융착될 수 있다.
예를 들면, 도 2와 같이, 상기 밑지가 하우징 하단으로 삽입되어 밑지의 테두리부가 접혀지면, 밑지의 테두리부와 하우징 하단을 융착하여 밑지를 접합할 수 있다.
상기 종이밑지(20) 상부에 분쇄 커피가 충진될 수 있다.
상기 플랫부(A)는 상기 하우징(10) 상단이 외측 방향으로 감겨 형성(컬링)된 후 압착된다. 상기 플랫부(A)는 판상이므로 컬링된 경우에 비해 종이덮개와의 접촉면적이 넓어 접착력을 향상시킬 수 있다.
상기 종이 덮개(lid)(30)는 상기 플랫부(A)에 융착접합될 수 있다.
본 발명의 종이 커피 캡슐을 형성하는 모든 구성요소(하우징(10) 내지 종이덮개(30))가 종이 재질이다.
도 2를 참고하면, 상기 종이 옆지(10), 종이 밑지(20) 및 종이덮개(30)는 종이 기재(40)에 내수성 및 열접착성의 제 1 배리어층(50)이 형성된다.
상기 종이기재(40)는 컵원지(표백 화학펄프 100%로 제조된 판지), 백판지, 특수지, 포장용지 둥일 수 있으나 반드시 이에 한정되지 않는다.
상기 종이기재(40)는 100 내지 500g/㎡, 150 내지 400g/㎡, 150 내지 400g/㎡ 200 내지 360g/㎡ 220 내지 300g/㎡ 평량일 수 있으나 반드시 이에 한정되지 않는다. 상기 종이기재(40)는 두께가 100~500㎛, 150 내지 400㎛, 150 내지 400㎛, 200 내지 360㎛, 220 내지 300㎛, 220 내지 280㎛일 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
상기 제 1 배리어층(50)은 내수성 및 열접착성 조건을 만족하는 공지된 필름이나 코팅제층 일 수 있다. 상기 제 1 배리어층은 고온의 열이나 초음파에 의해 녹아 접착될 수 있으므로 별도의 접착제 없이도 상기 하우징, 및지, 덮개 구조를 접착할 수 있다.
상기 제 1 배리어층은 5 내지 50g/㎡, 5 내지 40g/㎡, 5 내지 30g/㎡, 5 내지 25g/㎡, 5 내지 20g/㎡ 함량으로 종이에 코팅될 수 있으나 반드시 상기 함량에 제한되지 않는다. 상기 제 1 배리어층의 두께는 5 내지 50㎛, 5 내지 40㎛, 5 내지 30㎛, 5 내지 25㎛, 5 내지 20㎛일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
예를 들면, 상기 제 1 배리어층은 PE층, 생분해 코팅제층 또는 재활용(Recycle) 가능한 친환경 코팅제층(이하, 친환경 코팅제층)일 수 있다.
폴리에틸렌이 일면에 코팅된 종이는 커피 가루를 분리한 후 다른 종이류(신문, 판지, 책 등)와 함께 분리수거될 수 있다.
상기 생분해성 코팅제층은 컵원지에 코팅가능하고, 종이컵으로서 사용가능한 물성(내수성, 무독성, 내열성, 열봉합성, 생분해성)을 가진 공지된 생분해성 종이 코팅제가 코팅한 층이다.
본 발명은 공지되고 시판되는 생분해성 종이 코팅제가 코팅된 종이(컵원지)를 구매하여 사용할 수 있다.
공지된 생분해성 종이 코팅제 또는 이를 포함하는 종이는 한국 등록특허 10-2140079, 10-2023160호를 참고할 수 있다. 공지된 생분해성 종이 코팅제는 PLA 함유 코팅제일 수 있다.
상기 친환경 코팅제층은 공지된 친환경 코팅제가 종이에 코팅되거나 형성된 층이다.
상기 친환경 코팅제층은 컵원지로서 사용가능한 물성(내수성, 무독성, 내열성, 열봉합성, 생분해성)을 가진 공지된 친환경 종이 코팅제가 코팅한 층이다.
예를 들면, 상기 친환경 코팅제는 내수성 및 열봉함성(열접착성)이 우수하고, 식품 포장제지 및 종이컵용으로서 인체에 무해하며, 제지 원료로서 리사이클링 가능하고, 자연분해성도 가지고 있는 제품이면 제한없이 사용될 수 있다.
예를 들면, 상기 친환경 코팅제는 한국 공개 10-2020-0115936호, 한국 등록 10-1752340호을 참고할 수 있다. 본 발명의 친환경 코팅제가 형성된 종이로는 ㈜리페이퍼, ㈜한솔제지, ㈜한국제지(상품명 ; 그린실드) 및 ㈜무림제지(상품명 : 네오포레)에서 제조판매하는 친환경 코팅제가 형성된 컵원지가 사용될 수 있다. 또한, 상기 친환경 코팅제로 리페이퍼, 바스프 등에서 생산 판매하는 공지된 친환경 코팅제를 사용할 수 있다.
도 3을 참고하면, 상기 종이 옆지(10), 종이 밑지(20) 및 종이덮개(30)는 종이 기재(40)상에 접착제층(41), 산소 또는 수분 방지성의 제 2 배리어층(60) 및 내수성 및 열접착성의 제 1 배리어층(50)이 순차로 적층될 수 있다.
도 3의 상기 종이 옆지(10), 종이 밑지(20) 및 종이덮개(30)는 상기 제 1 배리어층(50) 상에 상기 제 2 배리어층(60)이 적층된 필름을 제조하고, 이를 종이기재(40)에 접착제층(41)을 이용하여 라미네이팅할 수 있다.
예를 들면, 상기 제 1 배리어층은 PE층 또는 PET층일 수 있으며, 바람직하게는 PE층일 수 있다.
상기 제 2 배리어층은 에틸렌비닐알코올(EVOH, Ethylene Vinyl Alcohol) 함유 코팅층, 폴리비닐리덴 클로라이드(PVDC, Polyvinylidene chloride) 함유 코팅층, 나일론 필름층, 폴리비닐알코올(PVOH, polyvinyl alcohol) 함유 코팅층, 알루미늄 증착 필름층 중 어느 하나의 층일 수 있다. 예를 들면, 상기 제 2 배리어층으로는 시판되는 에틸렌비닐알코올 필름, 나일론 필름, 또는 알루미늄 증착 필름인 PE/EVOH/PE, PE/나일론/PE, PE/알루미늄/PE를 사용할 수 있으며, 이 경우, 에틸렌비닐알코올층, 나일론층이나 알루미늄 증착필름층은 제 1 배리어층인 PE층 사이에 위치될 수 있다.
또한, 상기 제 2 배리어층이 폴리비닐리덴 클로라이드(PVDC, Polyvinylidene chloride) 함유 코팅층이고, 좀 더 구체적으로는 상기 고분자 중합체가 폴리염화비닐리덴(PVDC)과 염화비닐 또는 아크릴로니트릴과의 공중합체일 수 있다.
상기 제 2 배리어층은 폴리비닐리덴 클로라이드(PVDC, Polyvinylidene chloride) 함유 코팅용 수성 코팅제가 종이기재(40)상에 코팅된 후 건조되어 형성될 수 있다. 상기 제 2 배리어층 위에 제 1 배리어층(예를 들면, PE)을 코팅하여 도 3의 종이를 제조할 수 있다.
또한, 상기 제 2 배리어층은 상기 폴리비닐알코올(PVOH, polyvinyl alcohol) 함유 코팅층이고, 상기 폴리비닐알코올(PVOH, polyvinyl alcohol) 함유 코팅층은 종이기재 상에 코팅될 수 있다. 상기 폴리비닐알코올(PVOH, polyvinyl alcohol) 함유 코팅층은 물에 폴리비닐알코올(PVOH) 및 에폭시기를 갖는 실란을 혼합한 코팅제를 종이기재 상에 코팅하여 제조될 수 있다.
이때, 접착제로 PVA 또는 폴리에스테르계 접착제를 종이기재 상에 먼저 코팅 및 건조 후 상기 폴리비닐알코올(PVOH, polyvinyl alcohol) 함유 코팅층을 코팅할 수 있다. 이어서, 제 1 배리어층(예를 들면, PE)을 제 2 배리어층 상에 코팅 및 건조하여 제조할 수 있다.
한편, 상기 제 2 배리어층이 상기 폴리비닐알코올(PVOH, polyvinyl alcohol) 함유 코팅층인 경우, 상기 폴리비닐알코올(PVOH, polyvinyl alcohol) 함유 코팅층이 제 1 배리어층(예를 들면 PE층) 상에 먼저 코팅될 수 있다(제 1 배리어층+제 2 배리어층, 이하 배리어 필름, 해당 제품은 SR 테크노팩의 GB-8을 구입하여 사용할 수 있음).
상기 제 1 배리어층(50)과 상기 제 2 배리어층(60) 사이에는 접착력을 부여하는 접착층(도면 미표시, 예를 들면, PVA층 또는 폴리에스테르계 접착제층)이 형성될 수 있다. 이어서, 배리어 필름을 상기 종이기재상에 PVA 접착제를 이용하여 적층하면 도 3의 종이가 형성될 수 있다.
도 3의 경우, 상기 종이기재(40)는 두께가 150 내지 400㎛, 상기 제 1 배리어층의 두께는 5 내지 30㎛, 바람직하게는 10~25㎛, 보다 바람직하게는 15~20㎛일 수 있고, 상기 제 2 배리어층의 두께는 1~1.5㎛, 접착제층의 두께는 1㎛ 이내일 수 있다.
일예로서, 종이캡슐의 종이(종이옆지, 밑지, 덮개)는 종이기재 두께 240㎛, 상기 제 1 배리어층의 두께 20㎛, 제 2 배리어층의 두께 1㎛, 접착제층(41)의 두께 1㎛로 형성될 수 있다. 이 경우, 종이는 전체 두께가 262㎛이고, 종이기재의 부피 비율(단면이 동일하므로 두께비가 부피비임)은 91.6부피%(240/262), 그 외 플라스틱의 부피비율은 8.4부피%(22/262)이다.
본 발명의 종이캡슐은 구성요소가 모두 종이류이고, 특히, 종이기재의 비율이 91.6부피%에 달하므로 종이 재활용 공정에서 상당량의 종이(섬유)를 분리회수할 수 있다. 재활용 공정에서 종이류(일면에만 플라스틱이 코팅된 종이만 해당됨)는 해리되어 물에 용해되고, 플라스틱은 입자(덩어리) 형태로 상층부에 부유하게 된다.
본 발명의 종이캡슐은 종이기재의 비율이 91.6부피%이므로 플라스틱 바디, 부직포 필터와 알루미늄 리드로 구성된 종래 캡슐에 비해 90% 내외의 플라스틱과 알루미늄 전부를 종이로 교체할 수 있다. 플라스틱이 종이에 비해 온실가스 배출량이 8배 이상 높다는 점을 고려하면, 본 발명의 종이캡슐은 기존 플라스틱 캡슐에 비해 온실가스 배출량을 약 7.2 배 정도 낮출 수 있다(종이캡슐이 플라스틱 캡슐의 90%를 종이로 대체하는 것으로 상정한 것이고, 부피비와 중량비의 차이는 고려하지 않은 대략적인 값임).
도 5는 종이캡슐이 추출머신(1000)에 장착(a), 인클로징(b), 추출(c), 탈착(d)되는 과정을 도시한 예이다. 상기 추출머신(1000)은 공지되어 시판되고 있는 캡슐커피 추출머신일 수 있으며, 예를 들면, 상기 추출머신은 네스프레소 캡슐머신일 수 있다.
상기 추출머신(1000)은 하우징 내부에 물통(1100), 가압 펌프(1200), 히터(1300), 인클로징부(1400) 및 장벽부(1500)를 포함한다.
물통(1100), 가압 펌프(1200), 히터(1300), 인클로징부(1400) 및 장벽부(1500)는 이미 공지되어 있는 네스프레소 머신의 구성품들이다. 본 발명의 종이캡슐(100)은 상기 인클로징부(1400)와 장벽부(1500) 사이에 위치된 후 압착되고, 물통(1100), 가압 펌프(1200), 히터(1300) 및 배관을 통해 가열된 물이 캡슐 내부로 유입될 수 있다.
상기 인클로징부(1400)는 좌우로 슬라이딩 가능하고, 내부에 물공급배관, 밸브(1410) 및 물공급니들(1420)이 형성될 수 있다.
상기 장벽부(1500)는 상기 인클로징부(1400)와 소정 간격 공간을 띄워 형성되고, 상기 인클로징부를 향해 슬라이딩될 수 있다.
도 6을 참고하면, 상기 장벽부(1500)는 원형의 금속 구조물로서, 상기 종이덮개(30)의 외측면과 밀착된다.
상기 장벽부(1500)는 원형의 바디(body)(1510) 구조물, 돌출부(1520), 미세홀(1530) 및 후면의 홀(1540)을 구비할 수 있다.
상기 원형의 바디 구조물(1510)은 테두리(1511), 상기 테두리 내측에 형성되되 테두리 보다 높이가 낮은 함몰면(1512)을 구비한다.
상기 돌출부(1520)는 상기 함몰면(1512)에 소정 간격으로 위치되되, 돌출부의 높이는 테두리부의 상면 높이와 같거나 작도록 형성될 수 있다.
상기 미세홀(1530)은 돌출부와 돌출부 사이에 위치될 수 있다.
상기 홀(1540)은 상기 장벽부의 후면측에 형성된 홀로서, 상기 미세홀(1530)과 통공되고, 상기 미세홀보다 직경이 크게 형성될 수 있다.
도 5a와 같이, 본 발명의 종이캡슐(100)이 캡슐머신의 투입구를 통해 삽입되면, 도 5b와 같이, 종이캡슐은 인클로징부(1400)와 장벽부(1500) 사이에 밀착된다. 상기 도 5b를 참고하면, 상기 종이덮개(30)는 여전히 판상의 리드(lid) 형상을 그대로 유지하고 있다.
도 5c와 같이, 상기 캡술 추출 머신의 물 공급 니들로 물이 상기 캡슐 내부로 공급되면, 캡슐 내부에 형성된 압력으로 상기 종이덮개(30)가 물 공급 방향(종이 두께 방향임)으로 신장되어 미세틈이 형성되거나 종이 기재(40)를 형성하는 섬유(fiber) 사이의 기공이 확대된다.
좀 더 자세하게는, 상기 물 공급 니들(1410)로부터 상기 캡슐 내부로 물이 공급되면, 상기 종이 덮개(30)는 캡슐 내부에 형성된 압력에 의해 장벽부의 함몰면(1512)로 신장되어 상기 종이기재가 찢어지거나 상기 종이기재를 형성하는 섬유(fiber)들 사이의 기공이 확대될 수 있다.
종이덮개는 물의 압력이 가해지기 전에는 판상의 리드(lid) 형상이지만, 추출머신의 압력(19bar)이 가해지면 종이기재는 함몰면으로 신장되면서(종이기재의 두께 방향으로 신장됨) 찢어지거나 섬유 사이의 기공이 확대된다. 도 7을 참고하면, 종이덮개에 다수개의 볼록부가 그대로 유지되어 있는데, 이는 종이기재가 두께 방향으로 신장된 후 원래의 판상으로 복귀되지 않았음을 보여준다.
즉, 상기 물 공급 니들(1410)로부터 상기 캡슐 내부로 물이 공급되면, 상기 종이기재(40)와 제 2 배리어층(60)은 두께 방향의 연신에 의해 파단되지만, 상기 제 1 배리어층(50)은 파단되지 않는다.
도 3에서, 종이덮개의 바람직한 두께는 상기 제 1 배리어층 10~30㎛, 제 2 배리어층 1~1.5㎛, 종이기재 200~300㎛일 수 있다.
상기 제 2 배리어층은 제 1 배리어층(50)에 비해 두께가 1/7~1/30로 매우 얇아 압력 증가에 따른 두께 방향 신장(압축강도나 압축스트레스)에 의해 파단된다.
즉, 상기 종이기재 뿐만 아니라 제 2 배리어층도 압력 증가에 따른 두께 방향 신장에 의해 파단되어 미세틈이나 홀이 형성될 수 있다.
반면, 상기 제 1 배리어층은 압력이 가해지더라도 찢어지지 않아 물(또는 커피 추출액)은 상기 제 1 배리어층을 통과할 수 없다.
즉, 상기 제 1 배리어층은 캡슐에 형성된 압력에 의해 연신될 뿐 찢어지지 않아 커피 배출이 이루어지지 않는다. 따라서, 본원발명의 종이덮개는, 도 2와 도 3을 참고하면, 상기 제 1 배리어층(50)의 일부 또는 전부를 관통하거나 절개하는 하나 이상의 칼집이나 미세홀(70)을 구비한다.
상기 캡슐 내부로 주입된 물은 상기 제 1 배리어층(50)의 칼집이나 미세홀(70), 파단된 제 2 배리어층(60)과 종이기재(40)의 미세틈을 통해 종이 캡슐 외부로 추출된 후 장벽부의 미세홀(1530) 및 홀(1540)을 경유하여 배출될 수 있다.
상기 칼집이나 미세홀(70)은 상기 장벽부(1500)의 함몰면(1512)에 대응되도록 상기 제 1 배리어층(50)에 형성될 수 있다. 상기 칼집이나 미세홀(70)이 돌출부(1520)에 대응되도록 형성되는 경우, 돌출부(1520)가 상기 칼집이나 미세홀(70)을 압착하므로 커피 추출액이 칼집이나 미세홀(70)을 통해 종이기재나 제 2 배리어층으로 배출되는 것이 어렵다.
상기 미세홈이나 칼집(70)의 깊이는 종이 덮개의 두께, 캡슐 머신으로 가해지는 압력을 고려하여 선정될 수 있다.
도 2와 같이, 종이덮개가 종이 기재와 제 1 배리어층으로 구성되는 경우, 미세홈이나 칼집(70)의 깊이는 상기 제 1 배리어층(50) 두께의 30%~100%, 50~100%, 60~100%, 70~100%, 80~100%, 90~100%로 형성될 수 있다.
도 3와 같이, 종이덮개가 종이 기재, 제 1 배리어층 및 제 2 배리어층으로 구성되는 경우, 미세홈이나 칼집(70)의 깊이는 상기 제 1 배리어층(50) 두께의 50~100%, 60~100%, 70~100%, 80~100%, 90~100%로 형성할 수 있다. 제 2 배리어층에 미세홈이나 칼집이 형성되는 것을 완전히 배제하는 것은 아니다. 다만, 이 경우 종이캡슐의 산소 차단성이 일부 감소될 수 있다.
미세홈이나 칼집(70)은 다양한 방법으로 형성시킬 수 있다. 예를 들면, 프레스로 칼날을 종이 밑지의 소정 깊이까지 하강시켜 칼집(칼날 삽입으로 삽입부분의 종이가 벌어져 있음)을 형성시킬 수 있다.
도 4를 참고하면, 미세홈이나 칼집(70)의 형상은 다양하게 형성될 수 있다. 예를 들면, 미세홈이나 칼집(21a)은 홀, 선이나 +, C, U, ∧, ∨, 〈, 〉 등의 형상일 수 있다.
다른 양상에 본 발명은 종이 캡슐 제조방법에 관련된다.
도 8을 참고하면, 본 발명의 종이캡슐 제조방법은 하우징 형성 단계, 종이밑지 융착단계, 하우징의 상단을 컬링하는 단계, 커피를 충진하는 단계 및 종이 덮개 융착단계를 포함할 수 있다.
상기 하우징 형성 단계는 내측에 배리어층(제 1 배리어층, 제 2 배리어층, 도면 미표시)이 코팅된 옆지를 부채꼴로 절단하고, 이를 리프팅 암을 이용하여 하우징 형상의 실린더에 감은 후 오버랩되는 면을 지그(열융착기 또는 초음파 융착기가 내장되어 있음)로 압착하여 접착할 수 있다.
상기 종이 밑지(20) 융착 단계는 원형의 밑지를 상기 하우징 하단에 삽입하는 단계와 밑지 삽입에 의해 접혀진 밑지 테두리부와 하우징 하단을 융착하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 컬링 단계는 하우징을 회전시키면서 상단측 일부를 외측방향으로 감아주는 공정이다. 상기 컬링 단계는 기존의 종이컵의 컬링 공정에 비해 하우징 상단측을 좀 더 많이 감아준다. 도 8과 같이, 상기 컬링 단계는 감겨진 하우징 상단의 끝부분(B, 1~3mm 정도)이 하우징의 상부측에 접촉하도록 감아주는 단계이다.
상기 종이덮개 융착 공정에서 컬링된 끝부분(B)이 하우징 상단 측면을 따라 접착되어 종이덮개와 하우징의 접착력을 높일 수 있다.
상기 커피 충진단계는 소정량(예를 들면 5.5g)을 상기 하우징 내부에 주입하여 압착하는 단계이다.
상기 커피 충진단계는 캡슐형상의 틀에 커피분말을 주입하는 단계, 소정압력으로 상기 커피분말을 압착하는 단계, 압착된 커피 덩어리를 상기 하우징 내부에 삽입하는 단계 및 하우징 내부의 커피를 압착하는 단계를 포함한다.
예를 들면, 상기 커피 분말 압착 압력은 1~5bar 범위일 수 있다.
상기 종이 덮개 융착단계는 종이덮개(30)를 하우징 상단(컬링 부위)에 위치시키는 단계, 압착하여 융착하는 단계를 포함할 수 있다.
앞에서 언급한 바와 같이, 상기 압착하여 융착하는 단계에서 컬링된 끝부분(B)이 하우징 상단 측면을 따라 접착되어 플랫부(A)가 형성되고, 상기 플랫부(A)는 종이덮개와 하우징의 접착력을 높일 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 구현예를 예로 들어 상세하게 설명하였으나, 이러한 설명은 단순히 본 발명의 예시적인 실시예를 설명 및 개시하는 것이다. 당업자는 본 발명의 범위 및 요지로부터 벗어남이 없이 상기 설명 및 첨부 도면으로부터 다양한 변경, 수정 및 변형예가 가능함을 용이하게 인식할 것이다.

Claims (10)

  1. 커피 또는 음료 추출을 위한 종이 캡슐로서, 상기 종이 캡슐은
    종이 옆지를 감거나 접어 융착시킨 원통형 하우징(10) ;
    상기 하우징 하단에 융착 접합되는 종이 밑지(20) ; 및
    상기 하우징(10) 상단이 외측 방향으로 감겨 형성(컬링)된 후 압착된 플랫부(A) ; 및
    상기 플랫부 상면에 융착된 종이 덮개(30)를 포함하고,
    상기 종이 캡슐 내부에 분쇄 커피나 분쇄 음료가루가 충진되고,
    상기 종이 옆지(10), 종이 밑지(20) 및 종이덮개(30)는 종이 기재(40)에 내수성 및 열접착성의 제 1 배리어층(50)이 코팅되고,
    상기 종이 밑지(20)는 캡슐 추출 머신에 장착된 물 공급 니들로 관통가능하고,
    상기 캡슐 추출 머신의 물 공급 니들로 물이 상기 캡슐 내부로 공급되면, 캡슐 내부에 형성된 압력으로 상기 종이덮개(30)가 두께 방향으로 신장되어 미세틈이 형성되거나 종이 기재(40)를 형성하는 섬유(fiber) 사이의 기공이 확대되고, 상기 미세틈이나 확대된 기공을 통해 추출된 커피액이 외부로 배출되는 것을 특징으로 하는 종이 캡슐.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 종이 캡슐은 캡슐 추출 머신(1000)의 인클로징부(1400)와 요철이 형성된 장벽부(1500)의 사이에 밀착된 후, 상기 물 공급 니들(1410)로부터 상기 캡슐 내부로 물이 공급되면, 상기 종이 덮개(30)는 캡슐 내부에 형성된 압력에 의해 장벽부의 함몰면(1512)으로 신장되어 상기 종이기재가 찢어지거나 상기 종이기재를 형성하는 섬유(fiber)들 사이의 기공이 확대되고, 커피 추출액은 찢어진 틈이나 확대된 기공을 통해 배출되는 것을 특징으로 하는 종이 캡슐.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 종이 옆지, 종이 밑지 및 종이덮개는
    종이 기재(40)상에 접착제층(41), 산소 또는 수분 방지성의 제 2 배리어층(60) 및 내수성 및 열접착성의 제 1 배리어층(50)이 순차로 적층되는 것을 특징으로 하는 종이 캡슐.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 종이 덮개(30)는 상기 제 1 배리어층(50)의 일부 또는 전부를 관통하거나 절개하는 하나 이상의 칼집이나 미세홀(70)을 구비하고, 상기 캡슐 내부로 주입된 물은 상기 칼집이나 미세홀을 경유하여 상기 종이 기재로 유입되는 것을 특징으로 하는 종이 캡슐.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 물 공급 니들(1410)로부터 상기 캡슐 내부로 물이 공급되면, 상기 종이기재(40), 접착제층(41) 및 제 2 배리어층(60)은 두께 방향 연신에 의해 파단되되, 상기 제 1 배리어층(50)은 파단되지 않고,
    상기 캡슐 내부로 주입된 물은 제 1 배리어층(50)의 상기 칼집이나 미세홀을 경유하여 상기 제 2 배리어층이나 종이기재에 형성된 찢어진 틈이나 확대된 기공을 통해 배출되는 것을 특징으로 하는 종이 캡슐.
  6. 제 4항에 있어서, 상기 칼집이나 미세홀(70)은 상기 장벽부(1500)의 함몰면(1512)에 대응되도록 상기 종이덮개의 내측에 하나 이상 형성되는 것을 특징으로 하는 종이 캡슐.
  7. 제 3항에 있어서, 상기 종이기재(40)는 두께가 150 내지 400㎛, 제 1 배리어층의 두께는 10~30㎛이고, 상기 제 2 배리어층의 두께는 1~1.5㎛인 것을 특징으로 하는 종이 캡슐.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 제 1 배리어층은 PE층, 생분해 코팅제층 또는 재활용(Recycle) 가능한 친환경 코팅제층인 것을 특징으로 하는 종이 캡슐.
  9. 제 3항에 있어서, 상기 제 2 배리어층은
    에틸렌비닐알코올(EVOH, Ethylene Vinyl Alcohol) 함유 코팅층, 폴리비닐리덴 클로라이드(PVDC, Polyvinylidene chloride) 함유 코팅층, 나일론 필름층, 폴리비닐알코올(PVOH, polyvinyl alcohol) 함유 코팅층, 알루미늄 증착 필름층 중 어느 하나의 층인 것을 특징으로 하는 종이 캡슐.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 캡슐은 물 공급으로 인해 내부 압력이 5~20bar 범위로 상승되는 것을 특징으로 하는 종이 캡슐.
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