최적의 UV 경화 품질 획득을 위한 최상의 조명 설정 방법

UV 경화 재료의 품질은 경화에 사용되는 UV LED 시스템의 영향을 크게 받는다. 잉크, 접착제, 폴리머 또는 코팅을 경화하든 최종 제품은 UV LED 시스템의 세가지 주요 특성인 파장, 조도 및 에너지 밀도에 따라 달라진다. 경화될 재료는 피크 방사 조도 또는 에너지 밀도 값에 따라 매우 다른결과를 경험할 수 있다. 다양한 UV LED 시스템 특성을 식별하고 이를 경화성 재료의 광화학적 특성과 일치시키는 능력은 보다 빠르고 효율적인 경화 공정개발에 매우 중요하다.

UV 경화는 UV 빛을 사용하여 광화학 반응을 시작하여 폴리머의 가교 네트워크를 생성하는 프로세스이다. 복사조도와 에너지밀도 관계는 각 용도에 따라 다르므로 최적의 경화결과를 얻기 위한 최상의 조명 설정을 결정하는 것은 지정자에게 달려 있다.

이 기사는 이러한 주요 개념을 정의하는 것으로 시작한다. 그런 다음 서로 다른 조명기간의 차이가 이러한 요인의 변화를 통해 전체 경화에 어떤 영향을 미칠 수 있는지에 대해 설명한다.

조도(Irradiance)

조도는 단위 면적당 총 복사 전력이다. 조도의 SI 단위는 제곱미터당 와트(W/m2)이다. 복사조도는 경화 표면에 따라 약간씩 달라지므로 UV LED 시스템 제조업체는 일반적으로 데이터시트에 최대 복사조도를 인용한다. 피크 방사조도는 UV LED 시스템에서 최대 방사조도 지점이다. UV LED 시스템이 대상 표면에 대해 상대적으로 움직이는 경우 조명기 구조 및 전력의 특성이므로 속도에 따라 달라지지 않는다.

UV LED 시스템에서 방사조도는 사용자가 제어할 수 있다. LED 출력은 전류에 따라 선형적으로 증가하지 않지만 조명기 제조업체는 조명기에 선형 강도 제어기능을 제공한다. 복사조도는 대상 재료를 관통하는 데 필요한 전력을 제공하고 경화 프로세스를 시작하기 때문에 경화에 중요한 매개변수이다. 방사 조도가 필요한 임계값을 충족하지 않으면 경화가 발생하지 않거나 경화깊이가 충분하지 않을 수 있다. 마찬가지로 조사 수준이 너무 높으면 대상 기판이 손상되거나 과경화되어 경화된 기판이 부서지기 쉽다. 조사 수준은 작동 거리에 따라 다르다. 낙하 정도는 조명기의 디자인과 시스템 제조업체가 사용하는 광학장치에 따라 다르다.

에너지 밀도

에너지 밀도(선량)는 특정 시간동안 받는 방사 조도이다. 에너지 밀도는 제곱센티미터당 줄(J/cm2) 단위로 표시되며 정적 시스템의 경우 방사조도에 빛에 노출된 시간(체류 시간)을 곱하여 계산된다. 그러나 대부분의 응용 분야에서 UV LED 시스템과 기판은 서로 상대적으로 움직인다. 이 경우 에너지 설계를 계산하기 위해 최대 방사조도를 사용하는 경우 기판이 항상 최대 방사조도에 노출되 는 것은 아니기 때문에 공식은 더 높은 에너지 밀도 값을 출력한 다. 에너지 밀도를 표현하는 더 좋은 방법은 다음과 같다.

여기서 ∫ I(t)는 시간에 따른 조도이다. 따라서 에너지 밀도는 시간 경과에 따른 방사 조도의 적분이다. 흔히 저지르는 실수는 피크 방사조도에 드웰을 곱하여 에너지 밀도를 계산하는 것이다. 이 계산은 UV LED 시스템과 기판이 움직이지 않는 설정에 해당 된다. 유지 시간을 늘리거나 라인 속도를 줄임으로써 에너지 밀도를 높일 수 있다. 사용 가능한 다른 옵션으로는 더 많은 시스템을 사용하거나 동일한 시스템으로 표면을 여러 번 통과하는 것이 있다. 대부분의 응용 분야에서 에너지 밀도는 조사량보다 적지만 변화한다.

파장 선택
 

대상 재료는 완전히 경화되기 위해 올바른 광스펙트럼에 충분히 노출되어야 한다. 일반적으로 더 긴 파장의 LED(UVA(320- 395nm) 및 UVV(395-455nm)는 더 깊숙이 침투하는 반면, 더 짧은 UVC 파장은 더 나은 표면 경화를 제공한다. 오늘날 UVA 및 UVV LED는 현재 UVC (200 280 nm) 기반 LED 시스템보다 더 높은 방사 조도를 출력하고 저렴하다.

일반적으로 UV LED 시스템의 피크 파장이 대상 물질의 피크 흡수 파장과 거의 일치하는 것이 중요하다. 그러나 UV LED 시스템을 고려할 때 복사조도, 에너지 밀도, 비용 및 기타 요인이 경화 공정의 성공 여부에 영향을 미친다. 경우에 따라 더 긴 파장이 경화 대상 물질의 넓은 흡수 스펙트럼을 기반으로 최적의 선택처럼 보이지 않더라도 더 긴 파장을 사용하는 장치가 최선의 선택이 될 수 있다.

예를 들어, 사용자는 UV LED 경화 시스템으로 전환하고 싶지만 경화 시스템용으로 개발된 잉크 공식을 변경하고 싶지는 않다. 전적으로 잉크의 흡수 스펙트럼에 기초하여 처음에는 365nm 조명기가 395nm 시스템보다 높은 흡수 가능성을 기반으로 395nm 시스템보다 더 나은 옵션인 것으로 보인다. 그러나 395nm LED의 우수한 성능 특성과 저렴한 비용으로 인해 때때로 395nm 시스템이 365nm UV LED 시스템보다 더 빠르고 저렴한 경화를 제공할 수 있다.

UV LED 시스템 설계 선택의 영향

실제로 성공적인 경화 솔루션을 제공하는 것은 함께 작동하는 복사조도와 에너지 밀도의 조합이다. 이 섹션에서는 예제 시스템에 대한 작은 변경을 통해 방사조도와 선량사이의 관계를 조사한다. 이는 UV LED 시스템 제조업체의 설계 간 사양 차이를 설명하는데 도움이 된다. 또한 조명기가 경화 대상에 대해 이동하는 재료를 경화하는데 사용될 때 방사조도와 선량사이의 관계가 항상 선형이 아니라는점을 설명한다.

UV LED 시스템 윈도우 폭

<표1>에서 복사조도 및 에너지 밀도에 대한 창 너비의 영향을 조사한다. 다른 제조업체의 UV LED 시스템은 유사한 최대 방사 조도 사양을 가진 유사한 폼 팩터를 가질 수 있다. 그러나 이러한 UV LED 시스템은 에너지 밀도 관점에서 모두 동일하지 않을 수 있다. 4개의 UV LED 시스템이 있고 각 UV LED 시스템에 대해 복사조도, LED 밀도 및 컨베이어 속도를 동일하게 유지하지만 윈도우 폭은 다양하다고 가정한다. <표1>에서 볼 수 있듯이 에너지 밀도는 창 너비가 증가함에 따라 타겟 재료가 UV 광에 노출되는 시간(소위 휴지 시간)을 효과적으로 증가시키면서 방사 조도는 동일하게 유지되면서 증가한다.

LED 밀도는 시스템의 전체 방사 조도 및 에너지 밀도에 영향을 미친다. LED 밀도가 높을수록 UV LED 시스템에서 더 많은 방사 조도와 에너지 밀도를 생성할 수 있다. 그러나 LED 수와 밀도의 증가는 LED 시스템 풋프린트 또는 UV LED 시스템 제조업체가 사용하는 냉각 선택에 영향을 미칠 수 있다. 일반적으로 팬 냉각식 시스템의 경우 LED 및/또는 밀도가 증가하면 더 큰 방열판 및 팬을 수용하기 위해 UV LED 시스템 설치 공간이 증가해야 한다

(그림 1). 더 높은 방사 조도 또는 에너지 밀도가 필요한 경우 수 냉식 시스템은 사용하지만 냉각 장치에 추가 공간이 필요하다. 따라서 적절한 열관리를 유지하기 위해 LED 밀도와 UV LED 시스 템의 전반적인 기계적 설치 공간 사이에는 균형이 필요하다. LED 밀도는 UV LED 시스템 제조업체에서 결정하며 최종 사용자가 지정할 수 없다.

휴지 시간

<표2>에서 복사조도 및 에너지 밀도에 대한 컨베이어 벨트 속도의 영향을 조사한다. 복사조도, LED 밀도 및 창 너비는 일정하게 유지되는 반면 컨베이어 벨트 속도는 1에서 4cm/s까지 다양하다. 이 경우 벨트 속도가 증가함에 따라 유지 시간이 감소하여 복사 조도는 동일하게 유지되는 동안 에너지 밀도가 감소한다.

작동 거리

순수 LED는 모든 방향으로 빛을 방출한다. 광학으로 설계된 UV LED 시스템 내에 패키 징된 LED는 베어 LED와 동일한 프로파일로 빛을 거의 출력하지 않는다. 조명기 시스템을 대상 기판에서 멀리 이동하면 빛이 경화될 영 역 외부로 더 퍼지기 시작한다. 빛의 확산 정도는 사용된 광학 장치의 기능이다. 이렇게 많은 양의 빛을 잃으면 보조 렌즈나 광학 장치를 사용하여 이 높은 각도의 빛을 캡처하고 치료할 대상 영역으로 다시 초점을 맞추어 방 사 조도를 높일 수 있다.

광학 설계가 방사조도에 대해 가질 수 있는 차이를 설명하기 위해 다양한 작동 거리에서 동일한 UV LED 시스템을 세가지 광학 헤드 디자인과 비교한다(그림2 참조).

첫 번째 조명기에는 로드 렌즈가 장착되어 발산각이 10°에 불과한 시준된 광선을 생성 한다(그림2, 오른쪽 상단 사진 참조). 두 번째 조명기에는 40°의 발산 각도에서 램프가 빛을 출력할 수 있도록 하는 하이 프로파일 반사기가 있다(그림2, 왼쪽 아래 사진 참조). 마지막으로 세 번째 조명기에는 램프가 110°의 발산각에서 빛을 출력할 수 있도록 하는 매우 낮은 높이의 반사기가 있다(그림2, 오른쪽 아래 사진 참조). 이 조명기가 대상 물질에서 멀어지면 복사조도와 에너지 밀도가 상대적으로 짧은 작업 거리에서 크게 떨어진다(그림2 그래프 참조).

이에 비해 시준 로드 렌즈가 장착된 조명기는 방사 조도 및 에너지 밀도 감소가 최소화된다. 경우에 따라 높은 반사경 옵션이 있는 조명기가 응용 분야에 더 적합할 수 있다. 더 높은 각도에서 방출되는 빛은 특정 경화 공정에 바람직할 수 있다. 예를 들어, 3D 인쇄 애플리케이션은 이전에 경화된 레이어의 추가 경화를 위해 더 높은 각도의 빛으로부터 이점을 얻을 수 있다. 조명기는 추가 광학 장치가 필요하지 않거나 공간 제약으로 인해 조명기의 렌즈 버전을 사용할 수 없도록 기판에 너무 가깝게 배치된다. 추가 수직 설치 공간이 필요하기 때문이다.

조도 및 에너지 밀도 제한

조사량, 에너지 밀도 및 파장은 UV LED 시스템 설계(크기, 광학 등), 시스템 공급업체 및 작동 시간에 따라 다르다. LED 시스템 외부에서 조명기를 생산 라인(작동 거리, 조명 각도)에 통합하고 시스템 유지 관리는 최적의 UV LED 시스템 성능에 매우 중요하다.

판, 경화 재료, 분배 방법 및 원하는 경화 마감도 고려해야 한다. 추가 방사 조도가 제공될 때 일부 재료는 더 빨리 경화되지 않거나 너무 높은 방사 조도는 원치 않는 물리적 또는 화학적 변화를 유발하는 대상 기판에 손상을 초래할 수 있다.

장기간에 걸쳐 복사 조도와 에너지 밀도를 증가시키는 것은 UV LED 시스템을 저하시킬 수 있으므로 항상 선호되는 것은 아니다. 따라서 최상의 결과를 얻기 위해서는 조도와 에너지 밀도 사이의 이상적인 균형을 유지하면서 이상적인 프로세스를 개발하는 것이 중요하다. UV LED 시스템의 신뢰성으로 인해 프로세스가 최적화되면 경화 프로세스는 매우 반복 가능하다.

조도 및 에너지 밀도 측정

UV LED 시스템의 광출력 측정은 장치의 기능을 이해하는 데 중요하다. 예를 들어 복사계 및 선량계와 같은 광학센서는 서로 다른 각도 응답을 가질 수 있다. 결과적으로 센서는 종종 제어 도구를 처리하는데 사용된다. LED 출력은 시간이 지남에 따라 변경 될 수 있으며 센서가 정확하게 측정하는 기능은 경화 공정을 관리하는 중요한 도구이다. 센서 제조업체에서 권장하는 대로 센서를 정기적으로 보정해야 한다. 다양한 테스트 결과를 비교하기 위해 반복 가능하고 정확한 측정 프로세스를 개발하고 정기적으로 사용해야 한다.

결론

요약하면 피크 복사조도(W/cm2)와 에너지 밀도(J/cm2)는 최적의 UV LED 시스템과 애플리케이션에 대한 설정 구성을 결정할 때 중요한 변수이다.

조명기를 지정할 때 올바른 방사 조도와 에너지 밀도는 용도에 따라 다르다. 특히 일부 두꺼운 경화 응용 분야의 경우, 레이어 전체에서 경화가 시작되도록 하기 위해 높은 방사조도가 가장 중요하다. 다른 사용 사례에서는 방사 조도가 훨씬 낮을 수 있지만 재료가 UV LED 시스템 아래를 통과할 때 전체 경화를 보장하려면 에너지 밀도가 높아야 한다.

자료제공: ProPhotonix(www.prophotonix.com)