UV 경화란 무엇인가요?
이 글에서는 ‘엑시머 UV 경화를 이용한 표면 무광화’라는 주제를 다루지만, 먼저 UV 경화가 무엇인지 설명하는 것이 중요합니다.
UV 경화는 다양한 인쇄 및 코팅 분야에 사용되는 다재다능한 기술입니다. 잉크젯, 플렉소, 그라비어, 스크린, 오프셋, 슬롯다이, 마이어로드, 롤러, 커튼, 스프레이 등 다양한 전사 및 증착 방식에 적합합니다. 수은 증기, 발광 다이오드(LED), 엑시머 램프는 모두 생산 환경에서 부품과 기판에 UV 에너지를 전달합니다. 일부 제조 공정에서는 단일 UV 경화 기술만으로는 달성할 수 없는 특정 특성을 달성하기 위해 세 가지 기술을 조합하여 사용하기도 합니다.
UV 경화는 좁은 웹, 중간 웹, 넓은 웹 컨버터가 잉크, 코팅, 접착제, 압출물을 작은 설치 면적에 고속으로 인라인 방식으로 빠르게 경화시키는 동시에 기존 건조 재료보다 뛰어난 성능을 발휘할 수 있도록 합니다. UV 경화는 건조가 아닙니다. 이는 분자 수준의 화학 반응으로, 만졌을 때 젖어 있는 액체 상태의 물질을 완전히 건조된 가교 중합체로 변환합니다. 변환기의 이점을 위해, 이러한 물질 변환은 1초도 채 되지 않는 짧은 시간 안에 이루어집니다.
UV 제형은 일반적으로 100% 고형분으로, 증발이 필요한 액상 캐리어를 포함하지 않으며, 웹에 열을 전달하는 에너지 소모가 큰 열 건조기가 필요하지 않습니다. 웹이 UV 경화 스테이션을 통과하는 즉시 추가 가공, 시트, 슬리팅, 되감기 및 배송 준비가 완료됩니다. 또한, UV 경화된 표면은 후속 제조 라인 구성 요소나 마감 장비를 통과할 때 긁히거나 손상되지 않습니다. 이 모든 것이 재공품의 재고 부족을 방지하고, 스크랩을 줄이며, 리드 타임을 단축합니다.
UV 반응은 분자 간에 강력한 화학 결합을 형성하여 기판에 대한 뛰어난 접착력을 제공합니다. 이와 대조적으로, 기존의 웹 및 시트 건조 공정은 폴리머 필름이나 코팅지와 같은 비다공성 기판 표면에 분리된 잔류 고형물을 남기거나, 코팅되지 않은 종이와 같은 다공성 물질의 상층에 분산시킵니다. UV 가교 공정의 또 다른 특징은 매우 바람직하고 견고한 기능적 및 미적 특성을 구현하는 길고 연속적인 분자 사슬을 생성한다는 것입니다.
무광택 대 광택
UV 경화 소재는 자연스럽게 광택과 윤기를 냅니다. 이는 UV 제형이 100% 고형분이며 분자량이 낮기 때문입니다. 이 두 가지 특성 덕분에 UV 제형은 도포 시 웹 위로 부드럽고 고르게 흐르다가 즉시 경화됩니다. 매끄러운 표면은 본질적으로 반사성을 지니므로 경화된 표면에는 동일한 입사각으로 빛이 반사됩니다. 표면의 반사도가 높을수록 광택이 더 강하고 거울처럼 보입니다.
반면, 무광 표면은 거칠고 전체 표면적이 더 넓습니다. 따라서 무광 표면은 광택 표면보다 더 많은 빛을 흡수합니다. 또한 무광 표면은 반사된 빛을 여러 방향으로 산란시킵니다. 이를 난반사라고 하며, 무광 표면이 흐릿하게 보이고 눈부심 방지 및 지문 방지 기능을 나타내는 이유입니다.
UV 포뮬러는 무광택 또는 반광택 소재를 만들기 위해 무광화제를 첨가합니다. 무광화제는 흄드 실리카, 탄산칼슘, 왁스 또는 활석 분말과 같은 고체 입자로, 소재 표면에 경화됩니다. 이러한 첨가제의 입자 크기와 조성을 조절하면 경화된 표면에서 빛이 산란되는 방식과 그에 따른 무광택의 정도에 영향을 미칩니다. 하지만 포뮬러에 첨가할 수 있는 무광화제의 양과 그에 따른 광택 감소에는 한계가 있습니다. 고체 입자의 농도가 너무 높으면 투명도가 떨어지고 점도가 증가하여 포뮬러 도포가 어려워지기 때문입니다. 경화 공정에 엑시머 UV 램프를 사용하면 포뮬러에서 무광화제를 사용하지 않고도 무광 표면을 제작할 수 있습니다.
UV 경화 소스
수은 증기, LED, 엑시머 램프 기술은 모두 자외선 에너지를 방출하지만, 에너지를 생성하는 메커니즘과 그에 따른 자외선 출력의 특성은 매우 다릅니다. 이러한 차이점을 이해하는 것은 기술을 올바르게 적용하고 그 가치를 극대화하는 데 매우 중요합니다.
수은 증기 램프
수은 증기 램프는 중압 가스 방전 램프의 한 종류로, 소량의 원소 수은과 특정 불활성 가스 혼합물이 밀봉된 석영관 내에서 플라즈마로 기화됩니다. 기화된 수은 플라즈마는 석영관에서 360도 방향으로 방사되는 광범위 자외선을 생성합니다. 석영관 뒤에 위치한 최적의 형상의 반사경은 방출된 자외선 에너지를 웹이나 시트에 집중시키는 데 사용됩니다. 그림 1(a)는 여러 개의 수은 아크 램프와 램프헤드 어셈블리의 이미지를 보여줍니다.
GEW의 수은 아크 램프 시스템에 대한 자세한 내용은 여기에서 확인할 수 있습니다.
UV LED 램프
LED 램프는 얇은 반도체 결정질 재료의 여러 칩이 한 줄 또는 여러 줄의 조합으로 전기적으로 연결된 고체 전자 장치입니다. LED의 음극 영역에 있는 자유 전자가 양극 영역으로 이동하면 에너지가 낮은 상태로 전이합니다. 이러한 에너지 감소는 빛과 열의 조합으로 반도체에서 방출됩니다. LED에서 방출되는 열은 전기적 비효율성으로 인한 것이며 적외선 에너지 때문이 아닙니다.
UV LED는 DC 전원에 연결되면 준단색 파장 대역의 에너지를 방출합니다. 방출된 빛은 반사경을 사용하지 않고 각 LED에서 180도 전방으로 투사되며, 빠르고 쉽게 켜고 끌 수 있고, 전력을 완전히 선형적으로 조절할 수 있습니다. 그림 1(b)는 훨씬 더 긴 어레이에 통합된 세 개의 LED 모듈과 그에 상응하는 LED 램프 헤드를 보여줍니다. 그림의 보라색 사각형은 각각 하나의 LED를 나타냅니다.
GEW의 UV LED 경화 시스템에 대한 자세한 내용은 여기에서 확인하세요.
엑시머 램프
수은 증기 램프와 마찬가지로 엑시머 램프는 가스 방전 램프의 한 종류입니다. 엑시머 램프는 유전체 장벽 역할을 하는 석영관으로 구성됩니다. 이 관은 엑시머 또는 엑시플렉스 분자를 형성할 수 있는 희가스로 채워져 있습니다. 다양한 가스는 각기 다른 여기 분자를 생성하며, 램프에서 방출되는 특정 파장을 결정합니다.
코일 전극은 석영관의 안쪽을 따라, 접지 전극은 바깥쪽을 따라 배치됩니다. 고주파 전압이 램프에 펄스로 인가됩니다. 이로 인해 전자가 내부 전극 내부로 흐르고 가스 혼합물을 가로질러 외부 접지 전극으로 방전됩니다. 이러한 과학적 현상을 유전체 장벽 방전(DBD)이라고 합니다.
전자가 가스를 통과하면서 원자와 상호 작용하여 엑시머 또는 엑시플렉스 분자를 생성하는 에너지가 부여되거나 이온화된 물질을 생성합니다. 엑시머 및 엑시플렉스 분자는 수명이 매우 짧으며, 여기 상태에서 바닥 상태로 분해되면서 준단색 분포의 광자가 방출됩니다. 엑시머 램프와 해당 램프 헤드의 이미지는 그림 1(c)에 나와 있습니다.
GEW의 엑시머 경화 시스템에 대한 자세한 내용은 여기에서 확인할 수 있습니다.
방출 파장의 중요한 차이
전극 아크, LED, 엑시머 램프의 가장 중요한 차이점 중 하나는 스펙트럼 분포입니다. 수은 증기 램프는 VUV(100~200nm), UVC(200~285nm), UVB(285~315nm), UVA(315~400nm), UVV(400~450nm), 가시광선(400~700nm), 적외선(700nm~1mm)의 혼합 파장을 방출한다는 점에서 광대역입니다. 모든 파장의 복사선에는 열로 변환될 수 있는 에너지가 포함되어 있지만, 적외선 파장이 주요 열 발생 대역입니다. LED 경화 램프는 주로 UVA(365, 385, 395nm) 또는 UVV(405nm) 중 하나를 중심으로 좁은 UV 대역을 방출하는 반면, 엑시머 램프는 VUV(172nm), UVC(222nm) 또는 UVA(308, 351nm)를 중심으로 좁은 UV 대역을 방출합니다.
VUV 및 UVC와 같은 단파장은 필름 투과율이 상대적으로 낮고 광자당 에너지가 상대적으로 높습니다. 반면, UVA 및 UVV와 같은 장파장은 필름 투과율이 상대적으로 높지만 광자당 에너지는 낮습니다. 각 자외선 에너지 대역에 대한 파장 흡수율과 투과 깊이 간의 관계는 그림 2에 나와 있습니다.
엑시머 램프를 사용한 무광 표면
진공 UV(100~200nm) 광자는 모든 UV 파장 중 가장 많은 에너지를 함유하지만, 필름의 최상단 10~200nm 영역에서 완전히 흡수됩니다. 따라서 172nm 엑시머 램프는 UV 제형의 가장 바깥쪽 표면만 가교하며, 완전한 경화 깊이를 달성하기 위해서는 항상 수은 또는 LED 시스템과 직렬로 연결해야 합니다.
도포된 UV 필름을 질소 불활성 환경에서 172nm 부근의 파장에 노출시키면 필름 상단이 즉시 주름지고 아래의 경화되지 않은 재료에서 떨어져 나갑니다. 이러한 주름은 미세 주름을 유발하고 잉크 또는 코팅의 총 표면적을 증가시킵니다. 따라서 엑시머는 무광화에 이상적이며 무광화제가 필요하지 않습니다.
2단계 경화 공정은 엑시머를 사용하여 표면을 경화하고, 수은 또는 LED를 사용하여 최종 경화합니다. 3단계 경화 공정은 엑시머 램프 전에 저전력 LED 또는 갈륨 도핑 수은 아크 램프를 사용합니다. 이 “사전 겔화” 램프는 잉크 또는 코팅의 점도를 높여 유출을 제한하고 웹 전체의 무광택 균일도를 향상시킵니다. 또한 광택 수준에 대한 제한적인 제어도 가능합니다. 그림 3은 단계적 엑시머 UV 경화 공정의 예를 보여줍니다.
엑시머 램프를 사용하여 필름 표면에 주름을 잡으면 수은 증기 또는 LED 경화 방식에 비해 표면이 거칠어집니다. 표면이 거칠면 경화된 재료에 더 많은 양의 빛이 흡수되는 동시에 반사된 빛은 여러 방향으로 분산됩니다. 그 결과, 눈부심 방지 및 지문 방지 기능과 함께 UV 경화와 관련된 얼룩, 화학적, 물리적 마모 및 내마모성을 제공하는 아름다운 무광택 외관이 구현됩니다. 무광화제를 사용하면 2GU 정도의 매우 낮은 광택 등급을 달성하기 어렵지만, 엑시머 UV 경화 방식을 사용하면 쉽게 달성할 수 있습니다. 또한, 수은 증기 또는 LED로만 경화된 재료에 비해 표면이 거칠지만, 엑시머 램프를 사용하면 표면적이 증가하여 경화된 표면을 만졌을 때 부드럽습니다.
GEW의 Excimer 기술을 사용한 일반적인 ExciRay 통합에 대해 자세히 알아보려면 제품 페이지를 참조하세요.
엑시머 응용
최대 2.3m 폭의 웹 및 시트에 엑시머 UV 경화 기술을 적용하는 것은 다양한 산업용 가공 분야에 활용됩니다. 일관되고 제어 가능한 무광 마감이 필요한 공정 및 제품에 이 기술이 가장 적합합니다. 마감재 및 포장용 포일, 데코용 종이 등이 그 예이며, 이러한 모든 제품은 엑시머 램프를 사용하여 가구 및 인테리어 디자인 제품의 고품질 표면을 구현합니다. 유동 인구가 많은 방과 통로에 설치되는 라미네이트 및 PVC 바닥재, 그리고 살균 및 얼룩 방지 표면이 필요한 병원 및 실험실 또한 일반적인 용도로 사용됩니다. 또한, 전자 기기, 자동차 및 눈부심 방지 및 지문 방지 표면이 필요한 기타 산업 분야에 사용되는 유리 및 플라스틱 부품과 조립품도 엑시머 UV 경화 기술이 널리 사용되고 있습니다. 엑시머 기술은 새로운 기술은 아니지만, 가공업체와 제품 제조업체의 관심이 높아지고 있습니다. 엑시머 UV 경화 기술은 다른 어떤 방식으로도 달성할 수 없는 놀라운 최종 제품 성능과 기능성을 제공하기 때문입니다.
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GEW의 엑시머 기술인 ExciRay에 대해 자세히 알아보려면 ExciRay 페이지를 방문하세요. ExciRay는 엑시머로 표면을 무광화하는 데 사용되는 기술입니다.
