각각의 지표성분에 대한 표준물질: Curcumin(98%), Demethoxy-curcumin, bis-Demethoxycurcumin, Carminic acid, Indigo(98%), Indirubin(97%)은 Avention사(U.S.A)로부터 HPLC 등급을 구매하여 사용하였다. Ammonium acetate, Acetonitrile, Formic acid는 Sigma-Aldrich사(U.S.A)의 HPLC 등급을 사용하였으며 Methanol은 J. T. Baker사(U.S.A)에서 구매하였다. 증류수는 Milli-Q System로 생산된 3차 증류수를 사용하였다. 천연염료를 사용한 잉크 및 프린팅 된 패턴 5종 원단은 (주)디티아이를 통해 제공받아 분석하였다.

천연 인디고 염료의 천연 유래 여부를 확인하기 위하여 Korea Apparel Testing & Research Institute에 의뢰하여 ASTM D 6866-20에 준하여 흑연화 후 가속기 질량 분석기(Accelerator Mass Spectrometry, AMS)로 ¹⁴C을 측정하였다(ASTM International, 2020).

분석에 사용된 HPLC-MS/MS 분석은 QTrapR 5500(AB Sciex, U.S.A)을 사용하였으며 사용된 컬럼 및 이동상의 HPLC 분석조건은 Table 2에 나타내었다.

사용된 질량분석기는 전기분무 이온화(electrospray ionization, ESI) 방법으로 이온화하였으며 negative와 positive mode에서는 각각 −4500V, 4500V의 Ionspray Voltage(IS)를 가했다. Nebulizing gas와 drying gas는 50 psi로 설정하였다. 그 외의 모분자 이온 및 조각 이온에 대한 조건은 아래 Table 3에 나열하였다.

천연염료 지표물질에 대한 검정곡선은 external standard calibration method를 사용하여 1, 2, 5, 10, 20, 50 μg/L의 6개 농도로 3회 반복 측정하였으며 실험하였으며 이때 검출한계(Limit of Detection, LOD) 및 정량한계(Limit of Quantification, LOQ)를 검량선의 기울기에 근거하여 산출하였다.

• LOD = 3.3 × (SD/SC)
• LOQ = 10 × (SD/SC)
• SD : standard deviation of the response
• SC : slope of calibration curve

천연 염료를 사용한 천연잉크-DTP 섬유제품 5종에 대한 지표성분 추출을 위하여 제품을 5 mm × 5 mm로 자른 후 0.25 g을 0.01 g까지 정확하게 칭량하여 40 mL바이알에 담은 후 dimethyl sulfoxide 500 μL를 넣고 70^oC 항온수조에서 30분간 초음파로 1차 추출 후 methanol 4.5 mL을 분주하여 초음파로 30분간 2차 추출을 한다.

추출된 시료는 원심분리기를 사용하여 6000 rpm으로 10분간 원심분리하여 이물질 및 미세한 원단 조각을 제거하고 상등액을 0.22 μm PVDF Syringe filter로 필터 후 HPLC-MS/MS로 분석하였다. 모든 시료는 3회 반복 시험하였다.

기존의 천연염색 혹은 오랜된 염색물의 경우, 추출 용매로써 TFA등을 사용하는 경우가 존재한다(Serrano et al., 2011). 그러나 천연 염료를 활용한 DTP의 경우, Drop and Demand 방식으로 염색하기 때문에 Methanol만으로도 지표성분 추출이 가능하다. 그러나 Carminic acid의 경우 지용성을 띄고 있어 Methanol만 사용하면 추출효율이 떨어질 수 있다. 본 논문에서는 동시분석을 다루기 때문에 모든 시료에 공통으로 적용 가능한 추출방법으로써 DMSO와 Methanol을 순차적으로 분주하는 2단계 추출을 고안하게 되었다.

사용된 염료의 천연 유래 확인을 위하여 바이오탄소(¹⁴C)의 함량을 확인한 결과. 강황, 쪽, 양홍 염료의 현대 탄소에 대한 백분율(percent Modern Carbon)이 각각 106.2, 103.7, 107.1%로 나타났다. 바이오탄소함량은 아래의 식에 따라 계산하였으며 방사성동위원소함량 pMC 값에 대기보정계수 REF 값을 나누고 100을 곱하여 정수로 반올림하였다.

• *방사성동위원소함량 (pMC) : 가속질량분석기의 측정값 대기보정계수 (REF) : 100.0 (pMC 값이 100~105일 경우)

보정한 결과 바이오탄소함량이 각각 97, 100, 96%로 나타나 본 연구의 DTP잉크 제조에 사용된 3 가지 염료는 96%이상으로 천연 유래 염료로 확인되었다(Table 4). 쪽 염료를 제외한 강황과 양홍 염료의 바이오탄소 함량이 100%가 아닌 것은 염료 제조공정 과정에서 사용된 화학물질 등이 잔류된 것으로 추정된다.

이상의 바이오 탄소 함유에 관한 정보를 통해 시판되고 있는 천연염재 및 천연염색 제품에서 추출된 염료의 천연유래를 확인할 수 있을 것이며, 이러한 절차는 다소 비용이 소요되기는 하겠지만, 천연유래 소재 및 제품에 대한 값어치를 객관적으로 인정할 수 있는 중요한 자료로 활용되어 천연유래 소재 및 제품 시장의 활성화와 공정한 상거래를 유도할 수 있을 것이다.

DTP 섬유제품으로부터 추출한 지표성분들에 대한 분석 결과는 Fig. 1에서 total ion chromatogram(TIC)로 확인할 수 있다. Carminic acid 가장 먼저 4.03분에 검출이 되었으며 Indigo와 Indirubin읜 각각 6.99분과 7.41분에 검출 되었다. 강황의 지표성분인 커큐미노이드 계열의 3종은 Curcumin 7.30분, Demethoxycurcumin 7.20분, bis-Demethoxycurcumin은 7.09분에 검출되었다. 커큐미노이드의 경우 다른 선행연구(Guddadarangavvanahally et al., 2002)와 비교해보았을 때, 검출된 순서 및 함량의 비와 유사하게 검출 되었다. 이로써 3종의 색상에 대한 지표성분을 동시 분석법으로 확인 할 수 있다.

Fig. 1. 
TIC of standards using HPLC-MS/MS.

각 지표물질에 따른 표준 검량선을 얻을 수 있었으며(Fig. 2). 모든 지표물질의 결정계수(R²)는 0.999 이상의 높은 직선성을 보였다. 검출한계와 정량한계는 KOLAS G15 화학적 시험방법의 유효성 확인을 위한 지침(Korea Laboratory Accreditation Scheme, 2020)에 따라 7번의 반복 시험을 진행하여 반응의 표준편차와 검량선의 기울기에 근거하여 산출하였고 정밀도(%RSD)를 측정한 결과는 Table 5과 같다. 도시된 바와 같이 %RSD 값이 5.5~5.8으로 양호한 값을 보였으며 낮은 LOD, LOQ값을 가져 미량의 염료가 사용된 시료에서도 지표성분을 검출할 수 있음을 확인했다.

Fig. 2. 
Calibration curve for each analyte.

다양한 패턴으로 염색된 제품 5종을 분석하였으며 패턴의 형태와 모양은 Fig. 3에 도시된 바와 같다. 각각 pattern 1, 2, 3, 4, 5 시료를 앞서 언급된 전처리 방법을 통한 지표물질 함량의 결과를 Table 6에 도시하였다. Pattern 1은 노란색 잉크에 사용된 강황의 지표물질인 Curcumin이 41.36 mg/L로 가장 높은 함량으로 검출 되었으며 Demethoxycurcumin 4.98 mg/L, bis-Demethoxycurcumin가 3.41 mg/L 또한 높은 함량을 보였다. 청색 잉크에 사용된 쪽의 지표물질인 Indigo가 24.19 mg/L와 Indirubin가 0.24 mg/L이 검출 되었다. 쪽 염료는 추출방법 및 원산지 등에 의한 지표물질의 함량 비율 차이가 비교적 큰 것으로 알려져 있다.(Oh, 2010) 본 논문에서는 Cyan 색상을 위하여 자주색을 띄는 Indirubin 보다 파란계열을 띄는 Indigo의 함량이 높은 생쪽에서 추출한 잉크를 사용하였기 때문에 인디고의 함량이 높게 나타난 것을 확인할 수 있었다. 적색 잉크에 사용된 코치닐의 지표물질인 Carminic acid 1.23 mg/L로 검출되었다. 시료의 주 색상에 따라 같은 계열의 지표물질들 또한 비슷한 경향성을 보였다. Pattern 2는 청색의 대표 지표물질인 Indigo가 62.27 mg/L이었으며 두 번째로 높은 함량을 보인 지표물질은 노란색 계열의 Curcumin이 5.55 mg/L의 함량을 보였다. 그 뒤로 Carminic acid가 1.29 mg/L 함유된 것으로 분석되었다. Pattern 2의 지표물질 함량을 보았을 때, 전반적으로 청색계열의 색상이 많고 노란색, 적색 순으로 인쇄된 것으로 지표물질의 함량과 육안으로 확인하는 실제 패턴의 색상이 일치함을 확인 할 수 있었다.

Fig. 3. 
Various pattern fabric of naturally-derived DTP textile products.

Pattern 3 또한 Indigo의 함량이 40.10 mg/L로 pattern 3에서 분석된 지표물질 중에 가장 높으며 그 뒤로, Curcumin와 Carminic acid가 각각 1.45, 1.44 mg/L로 분석되었다. pattern 1과 pattern 3의 지표물질 결과로 보라색을 내기 위해서는 청색과 적색의 잉크가 혼합되어 사용됨을 추측할 수 있다. 이때 Carminic acid의 경우 1.29 mg/L 으로써, 40.10 mg/L인 Indigo에 비교해 보았을 때 미량으로도 붉은 색을 표현 할 수 있음을 알 수 있었다.

Pattern 4는 Indigo의 함량이 21.93 mg/L로 가장 높았고 Curcumin 5.62 mg/L, Carminic acid 0.91 mg/L 순으로, 녹색을 만들기 위해 청색 잉크와 노란색 잉크가 사용된 것으로 판단된다. Pattern 5 또한 Indigo가 42.10 mg/L로 가장 높은 함량을 보였고 그 뒤로 Curcumin 4.87 mg/L가 함유되어 있으며 Carminic acid는 검출한계 이하의 값으로 분석되었다. Fig. 3의 pattern 5에 적색이 육안으로 확인되지 않는 것을 볼 수 있으며 지표성분분석 결과 또한 붉은색 잉크의 지표성분이 검출되지 않았음을 보였다.

DTP 방식의 특징으로 노즐에서 잉크를 분사시켜 층층이 겹쳐 색을 내는 디지털 날염의 특성상 보라색 계열의 색상이 있는 패턴 제품에서 쪽 염료와 양홍 염료의 지표물질이 많이 분석되었으며 검은색이 관찰되는 시료에서 3가지 색상의 지표물질이 모두 분석되는 것을 확인 할 수 있었다.

실제 프린트 제품 5종의 전처리 및 지표물질 동시분석법을 통해 천연염료 사용하여 제조된 DTP 잉크로 프린트한 제품의 지표물질에 대한 동시분석 가능성을 확인 할 수 있었다.