GEW, Inc.의 사업 개발 담당 부사장인 Jennifer Heathcote가 작성한 이 글에서는 전문가들이 UV 경화 장치에서 방출되는 에너지를 정량화하는 방법을 설명합니다.
UV 경화 소스에서 방출되는 에너지 이해 및 정량화
UV 경화 공정에서 수은 증기와 UV LED 램프헤드에서 방출되는 자외선 에너지는 조도, 에너지 밀도, 스펙트럼 출력, 그리고 스펙트럼 조도로 특징지어집니다. 이러한 요소들과 그 정량화 방식을 이해하면 사용자는 제형, 공정 및 재료 취급의 필요에 맞춰 UV 경화 광원을 더욱 효과적으로 선택할 수 있습니다. UV 출력이 적절하게 조정되면 원하는 라인 속도와 필요한 작업 거리 또는 오프셋 거리에서 성공적이고 효율적인 광중합이 이루어집니다. 또한, 조도 및 에너지 밀도에 대한 작동 윈도우가 시간이 지남에 따라 유지되면 고품질의 제품이 일관되고 반복적으로 생산됩니다.
UV 출력을 특징짓는 일반적인 요소는 다음과 같습니다.
- 복사 조도(W/cm2) – 단위 면적당 경화 표면에 모든 전방 각도에서 도달하는 복사 전력입니다.1 일반적으로 정의된 대역폭에 대한 유효 복사 전력으로 보고되며, 측정된 UV 경화 시스템의 특정 작동 거리를 기준으로 할 때 가장 의미가 있습니다.
- 에너지 밀도(J/cm2) – 단위 면적당 경화 표면에 도달하는 복사 에너지입니다.1 일반적으로 정의된 대역폭에 대한 유효 에너지 밀도로 보고됩니다. 피크 복사 전력에 시간을 곱한 것으로 생각할 수 있지만, 대부분의 UV 경화 설정 및 제조 라인 설비의 경우 에너지 밀도 계산은 약간 더 복잡합니다. 이에 대해서는 본 문서의 뒷부분에서 설명합니다.
- 스펙트럼 출력 – 램프의 복사 전력(W)을 파장(nm)으로 나눈 값입니다. W/nm 또는 W/10nm로 표시됩니다.1
- 스펙트럼 복사 조도 – 램프의 단위 면적당 복사 전력(W/cm2)을 파장(nm)으로 나눈 값입니다. 즉, 파장당 조도를 의미하며, W/cm2/nm 단위로 표현합니다.
조도, 에너지 밀도, 스펙트럼 출력 및 스펙트럼 조도는 램프 유형, 램프 공급업체, 램프 헤드 설계, 인가 전력 및 작동 시간에 따라 달라집니다. 또한, 경화 표면에 도달하는 조도 및 에너지 밀도의 크기는 시스템이 제조 라인에 어떻게 통합되는지, 그리고 시운전 후 얼마나 잘 유지 관리되는지에 따라 크게 영향을 받습니다. 다행히 UV 경화 시스템이 제형에 적합하게 설계되고 생산 라인에 제대로 통합되면 경화 공정은 매우 반복 가능하며, 조도 및 에너지 밀도를 주기적으로 측정하고 정기적인 시스템 유지 관리를 통해 제어할 수 있습니다.
방사조도
조도(W/cm2)는 UV 경화 시스템의 단위 면적당 순간적인 전력이며, 종종 램프 강도라고도 합니다. W/cm2 단위는 J/cm2/s와 같으므로, 조도는 에너지 밀도(J/cm2)가 경화 표면에 전달되는 속도로 생각할 수 있습니다. 즉, 조도는 선량률입니다.
우주 전체에 걸쳐 에너지의 전자기파는 각각의 방출원에서 멀어지면서 서로 발산합니다. 파동이 거리에 따라 발산함에 따라 해당 조도의 크기도 감소합니다. 역제곱 법칙에 따라 조도는 이동 거리의 제곱에 반비례합니다. 따라서 방출원으로부터 정해진 거리에서의 조도를 알고 있다면, 두 번째 거리에서의 조도는 역제곱 법칙을 사용하여 계산할 수 있습니다.
UV 경화 램프헤드 근처에서는 조도가 역제곱 법칙에 거의 비례합니다. 이는 엔지니어가 UV 광선을 짧은 거리로 재지향시키고 빛의 자연적 확산을 최소화하기 위해 램프헤드 설계에 반사경과 기타 광학 장치를 통합하기 때문입니다. 또한, UV LED 램프헤드의 경우, 광원은 여러 개의 작은 다이오드로 구성되어 있으며, 각 다이오드는 방사되는 빛의 개별 점광원 역할을 합니다. 여러 LED 점광원에서 방출되는 파장이 균일하게 혼합되어 궁극적으로 단일 균일 복사원을 형성하려면 짧은 이동 거리가 필요합니다. UV 경화 램프헤드에서 짧은 거리 내에서 반사경, 광학 장치, 그리고 여러 개의 다이오드를 사용하면 역제곱 법칙을 피할 수 있습니다.
엔지니어는 UV 경화 시스템의 출력을 집중시키거나 시준하기 위해 광학 장치와 반사경을 사용합니다. 광학 장치와 반사경은 광선을 집중시켜 의도한 작동 거리에서 조도의 크기를 증가시키거나, 정의된 작동 거리 범위에서 더 일정한 조도를 유지하는 역할을 합니다. 기존 전극 아크 램프와 마이크로파 램프의 경우, 집광된 영역을 초점이라고 합니다. 반대로, 초점이나 기타 광학 장치가 없는 기존 및 UV LED 시스템은 광선이 램프헤드 어셈블리를 빠져나가는 순간 자연스럽게 서로 분산됩니다. 이로 인해 UV 광선이 훨씬 더 넓은 표면적에 도달합니다. 경화 표면이 초점 너머에 위치하도록 램프헤드를 장착하면 비슷한 결과를 얻을 수 있습니다. 일반적으로 플러드 시스템, 초점이 맞지 않게 장착된 시스템, 그리고 점점 더 먼 작동 거리에 장착된 시스템은 경화 표면의 조도를 감소시킵니다.
전극 아크 램프의 경우, 조도는 초점에서 가장 높습니다. 초점이 없는 UV LED 경화 시스템과 플러드 프로파일을 가진 기존 램프의 경우, 조도는 램프 헤드 또는 석영 창의 출구 근처에서 가장 높습니다. 기술의 본질적인 차이로 인해 UV LED 경화 시스템은 중압 수은 증기 램프에 비해 더 낮거나, 비슷하거나, 또는 훨씬 더 높은 조도 값을 방출하도록 설계될 수 있습니다. 그러나 UV LED 시스템은 훨씬 더 좁은 파장 대역에서 이러한 조도를 방출하기 때문에 기존 경화 시스템과 LED 경화 시스템을 직접 비교하기 어렵습니다. 앞서 언급했듯이 두 기술의 조도 값은 빛이 이동하는 거리에 따라 크게 영향을 받습니다. 따라서 램프 헤드와 UV 측정 도구의 상단 표면 사이 또는 램프 헤드와 경화 표면 사이의 오프셋 거리는 중요하며, 설치 및 기록 보관 시 항상 기록해야 합니다.
조도는 전극 아크 램프의 경우 집속형 또는 플러드형, UV LED의 경우 콜리메이트형 또는 플러드형과 같은 램프 헤드 구성에 따라 달라지며, UV 경화 시스템의 방출 조도는 램프 전력 및 오프셋 거리의 변화에 따라 증가하거나 감소합니다. 경화 표면에 대한 램프 전력 및 램프 헤드 위치가 변하지 않고, 시간 경과에 따른 점진적인 램프 성능 저하를 무시한다면, 웹, 시트 또는 부품이 UV 경화 시스템 앞을 통과하거나 머무는 속도와 관계없이 조도 프로파일의 각 지점에서 조도는 일정하게 유지됩니다.
실제로 대부분의 UV 경화 공정에는 재료 취급 또는 램프 헤드 자동화가 적용되기 때문에 경화 표면은 일반적으로 광원을 기준으로 이동합니다. 결과적으로 경화 표면의 작은 이동 영역에 전달되는 조도는 노출 시간에 따라 일정하지 않습니다. 이러한 동적 노출은 방출되는 출력의 미세한 변화, 웹 바운스 또는 부품의 형태 변형으로 인한 작동 거리의 변동, 셔터 작동 시간 지연, 고정된 램프 헤드 앞을 지나는 경화 표면, 또는 고정된 경화 표면 앞을 지나는 램프 헤드 등의 영향으로 발생합니다. 동적 노출은 경화 표면이 제형의 반응 시간 동안 가변적인 조도를 경험하는 모든 공정을 의미합니다.
훨씬 더 큰 웹, 시트 또는 부품의 작은 영역이 고정된 UV 경화 광원을 향해, 아래로, 그리고 멀어지는 것을 상상해 보세요. 선택된 영역이 빛에 접근함에 따라 해당 영역에 도달하는 최대 조도는 빠르게 증가합니다. 해당 영역의 조도는 램프 헤드의 초점 또는 중심을 통과하는 지점에서 최대값에 도달할 때까지 계속 증가합니다. 경화 표면의 동일한 작은 영역이 램프 헤드의 초점 또는 중심에서 멀어짐에 따라 해당 영역에 도달하는 최대 조도는 빠르게 감소합니다. UV 조도 프로파일은 경화 표면에 전달되는 최대 조도가 시간에 따라 어떻게 변하는지를 그래픽으로 보여줍니다. 방금 설명한 시나리오에서 UV 조도 프로파일은 종 모양의 곡선과 유사합니다.
반면, 정적 노출은 경화 표면이 제형의 전체 반응 시간 동안 일정한 조도를 받는 모든 공정을 의미합니다. 이는 스팟 및 영역 경화 적용 분야와 특별히 설계된 경화 챔버에서 가능합니다. 이러한 각 경우에서 램프 헤드와 경화 표면은 움직이지 않고, 전체 경화 표면은 반응 내내 균일하게 노출되며, 전달되는 UV 에너지는 즉시 켜졌다가 즉시 꺼집니다. 정적 노출은 다음과 같은 직사각형 조도 프로파일로 표현됩니다.
에너지 밀도
에너지 밀도(J/cm2)는 시간에 따른 단위 면적당 시스템의 총 전달 에너지이며, 종종 선량(dose)이라고 합니다. 수학적으로 에너지 밀도는 시간에 따른 조도의 적분이며, 노출 시간 또는 체류 시간에 따른 최대 조도를 곱하여 추정하는 경우가 많습니다. 그러나 곱셈을 통해 추정하면 경화 표면의 조도가 거의 고정되어 있지 않기 때문에 일반적으로 에너지 밀도 값이 너무 높게 나옵니다. 이는 에너지 밀도가 곡선 아래의 면적과 동일한 다음의 정적 및 동적 조도 프로파일을 통해 설명할 수 있습니다.
직사각형 프로파일은 시간에 따라 조도가 일정한 정적 노출을 나타냅니다. 반대로, 종 모양 프로파일은 경화 표면 또는 램프 헤드 중 하나가 다른 하나에 대해 움직이는 동적 노출을 나타냅니다. 직사각형 프로파일 아래의 면적은 최대 조도에 총 노출 시간을 곱하여 쉽게 계산할 수 있습니다. 동적 노출의 경우, 종 모양 곡선의 상단에 나타나는 최대 조도에 총 노출 시간을 곱하면 에너지 밀도가 크게 과대평가됩니다.
램프 전력 증가, 라인 속도 감소, 체류 시간 증가, 램프 추가 또는 경화 표면을 광원 앞에 여러 번 통과시킴으로써 에너지 밀도를 높일 수 있습니다. 분위기, 집적도 및 램프 방향과 관련된 예외가 있지만, 대부분의 응용 분야에서 에너지 밀도는 작동 거리의 영향을 최소화합니다. LED의 경우, 최적의 간격을 가진 다이오드가 있는 더 넓은 램프를 사용하여 추가적인 에너지 밀도를 제공합니다.
스펙트럼 출력 및 스펙트럼 조도
스펙트럼 출력은 램프의 복사 출력(W)을 파장(nm)으로 나눈 값입니다. 스펙트럼 출력은 W/nm 또는 W/10nm로 표시됩니다.1 이와 밀접한 관련이 있는 것은 단위 파장당 복사 조도(W/cm2/nm)인 스펙트럼 복사 조도입니다.1 둘 다 분광 복사계를 사용하여 측정하는데, 분광 복사계는 복사계와 단색화 장치의 기능을 결합하여 미세하게 분할된 대역폭에서 복사 조도를 측정하는 기기입니다.1
자외선과 가시광선 파장은 일반적으로 10억 분의 1미터(0.000000001m) 또는 나노미터(nm) 단위로 측정됩니다. 참고로, 종이 한 장의 두께는 약 10만 나노미터입니다. ISO2 표준 UV 스펙트럼 범위는 10~400nm로 정의되고, 가시광선 범위는 400~700nm입니다. UV 경화를 위해 업계 기관과 전문가들은 자외선을 200~450nm로 분류합니다. 결과적으로, 서로 다르고 때로는 중복되는 범위가 실무에서 자주 참조되고 사용됩니다. UV 경화 광원의 파장 분포와 분포 전반에 걸친 상대적인 전력을 설명하고 전달하는 가장 좋은 방법은 스펙트럼 출력 또는 스펙트럼 조도 그래프를 사용하는 것입니다.
스펙트럼 출력/조도 그래프는 y축에 시스템의 복사 출력 또는 조도, x축에 해당 파장을 나타내는 선 또는 막대 차트입니다. 스펙트럼 출력/조도는 램프 유형의 요소이며 수은, 철, 갈륨 중압 증기 램프와 365, 385, 395, 405nm LED에 따라 다릅니다. 스펙트럼 출력/조도는 램프 헤드에서 빛이 방향적으로 방출되는 방식에 영향을 미치는 기계 및 전기 시스템 설계 특징, 반사경, 창 및 기타 기능의 물리적 특성, 램프 구동 전력, 냉각 시스템의 효율성에 따라 달라집니다. 제품의 스펙트럼 출력/조도 차트는 램프 및 시스템 공급업체에서 제공하는 사양입니다. 이는 참조용으로만 제공되며 해당 기술의 현장 사용자가 일반적으로 측정하거나 재생성하는 것이 아닙니다. 광원이 다른 구성 요소와 완전히 통합된 후에는 개별 UV 램프 또는 LED의 스펙트럼 출력 및 스펙트럼 조도가 UV 경화 시스템의 스펙트럼 출력 및 스펙트럼 조도와 크게 다르다는 점에 유의해야 합니다.
스펙트럼 출력/조도는 (W/nm) 또는 (W/cm2/nm)로 표현되는 절대값, 임의적, 상대적, 정규화된(단위 없음) 측정값 등 여러 가지 방식으로 표시할 수 있습니다. 프로파일은 일반적으로 정보를 선 또는 막대 차트로 표시하며, 막대 차트는 일반적으로 10nm 대역에 대한 출력을 통합합니다. 10nm 대역을 사용하면 정보를 해석하기가 더 쉬워지고 선 방출 스펙트럼의 영향을 정량화하는 어려움이 줄어듭니다.1 상대적 및 정규화된 스펙트럼 그래프가 가장 일반적인 표현 방식입니다.
무엇을 측정하고, 어떻게 측정하는가?
스펙트럼 출력과 스펙트럼 조도는 특수 분광 복사계를 사용하여 측정하는 램프 사양인 반면, 조도와 에너지 밀도는 저렴하고 기성품인 휴대용 복사계를 사용하여 현장에서 측정할 수 있습니다.
GEW의 mUVm 옵션과 같은 경우, UV 모니터링을 램프 헤드와 해당 시스템 제어 장치에 직접 통합할 수 있습니다. 복사계로 조도와 에너지 밀도를 측정할 때, 측정값은 항상 복사계 공급업체가 선택한 표준 교정 소스를 기준으로 합니다. 현장 측정값은 절대값이 아닙니다. 공장 교정 소스와 직접적으로 상관관계가 있는 상대값입니다. 즉, 계측기마다 보고되는 값이 다를 수 있습니다.
결과적으로, 복사계는 동일한 계측기와 측정 프로토콜을 사용하여 특정 실험실이나 생산 라인의 시간 경과에 따른 UV 출력을 모니터링하는 공정 제어 장치로 사용하는 것이 가장 좋습니다. 측정된 조도 또는 에너지 밀도 값이 최소값 아래로 떨어지면 시스템을 조정하여 공정을 다시 제어할 수 있습니다. 복사계는 수은등이나 LED를 측정하도록 설계되었다는 점에 유의해야 합니다. 동일한 유형의 계측기가 두 가지 유형의 방출원을 모두 측정하는 것은 아닙니다.
복사계는 지정된 파장 범위에서 시스템의 조도를 초당 여러 번 샘플링합니다. 샘플이 기록되는 빈도를 샘플링 속도라고 합니다. 샘플링은 계측기가 광원 앞을 지날 때 시간에 따라 발생합니다. 시스템의 최대 조도는 샘플링된 데이터 포인트 집합 내에서 가장 큰 단일 값으로 보고됩니다. UVC, UVB, UVA, UVV 등 서로 다른 대역폭에서 측정된 개별 최대 조도 값은 가산적이지 않습니다. 최대 조도의 정의는 특정 파장 또는 파장 범위에서 측정된 최대값입니다. 조도 값을 샘플링하는 파장 범위는 계측기의 고정 사양이며, 계측기 포토다이오드의 감도와 범위에 따라 결정됩니다.
복사계가 자외선 광원 앞을 지날 때 수집된 최대 복사 조도 데이터 포인트의 전체 집합이 복사 조도 프로파일을 형성합니다. 이 프로파일을 적분한 값, 즉 곡선 아래의 면적이 에너지 밀도입니다. 아래 이미지의 종 모양 프로파일과 같은 동적 노출의 경우, 에너지 밀도는 여러 개의 작은 영역을 계산하고 더하여 결정됩니다. 각 작은 사각형의 면적은 프로파일의 각 데이터 포인트에 데이터 포인트 사이의 시간을 곱하여 결정됩니다. 이는 비선형 프로파일 아래의 면적을 적분하는 잘 확립된 방법이며, 에너지 밀도를 측정하는 복사계를 적분 복사계라고 부르는 이유입니다.
수은 및 UV LED 경화 소스의 스펙트럼 출력 차이
기존 UV 경화 시스템의 출력은 자외선(UV), 가시광선, 적외선 파장에 걸쳐 있습니다. 이러한 이유로 아크 UV 램프와 마이크로파 UV 램프는 모두 광대역 또는 광스펙트럼으로 간주됩니다. 표준 중압 수은 증기 시스템의 출력은 자외선, 가시광선, 적외선을 거의 동일한 비율로 포함합니다. 자외선 대역 내 스펙트럼 분포는 철(Fe), 갈륨(Ga), 납(Pb), 주석(Sn), 비스무트(Bi), 인듐(In)과 같은 소량의 금속 도펀트를 첨가하여 약간 변경할 수 있습니다. 기본 수은과 불활성 가스 혼합물에 금속이 첨가된 램프는 일반적으로 도핑, 첨가 또는 금속 할로겐화물이라고 합니다.
이와는 대조적으로, UV LED 출력은 일부 가시광선 출력과 적외선 출력을 제외한 자외선 대역에 집중됩니다. UV LED는 제작된 고체 다이오드 배열에 전류가 흐를 때 빛을 방출합니다. 여러 개의 개별 다이오드가 단일 행, 일련의 행과 열 또는 다른 구성으로 패키징됩니다. 다이오드 배열은 방출원의 길이와 너비를 형성합니다. UV LED 시스템의 스펙트럼 출력은 복잡한 재료 과학에 기반합니다. 이 과정에서 수백 또는 수천 개의 다이오드가 클린룸의 웨이퍼 위에 층층이 성장한 후 제조 후 개별적으로 다이싱되거나 추출됩니다. LED의 방출 파장은 생산 후 변경하거나 조정할 수 없습니다. 그러나 조도의 크기는 주어진 경화 시스템에 따라 매우 자유롭게 조절 가능하며 일반적으로 전극 아크 및 마이크로파 램프보다 더 넓은 범위를 가집니다.
다음 스펙트럼 조도 차트는 광대역 수은 램프와 시중에서 판매되는 UV LED 간의 일반적인 관계를 보여줍니다. 표준 수은 출력은 여러 개의 녹색 음영 피크로 표시되고, UV LED 출력은 더 높은 보라색 종형 곡선으로 표시됩니다. 수은 출력의 약 3분의 1은 가시광선 대역 오른쪽에 위치하며 그림에는 표시되지 않은 적외선 영역(700nm~1mm)에 존재합니다. 반면, UV LED 시스템은 적외선을 사용하지 않으므로 기존 수은 램프보다 경화 표면에 전달되는 총 열량이 훨씬 적습니다. 그러나 자외선 파장은 여전히 복사 에너지의 한 형태이며, 일부 UV 에너지는 표면에 도달하면 결국 열로 변환됩니다.
이 분광 조도 차트는 어떤 중요한 정보를 전달합니까?
분광 조도 차트는 UVC(200~285nm), UVB(285~315nm), UVA(315~400nm), UVV(400~450nm), 그리고 가시광선(400~700nm) 파장에 걸쳐 수은(Hg) 광대역 출력과 UV LED 기술의 준단색 출력 간의 차이를 명확하게 보여줍니다. 둘째, 광대역 램프의 경우 파장에 따라 조도의 상대적인 크기가 어떻게 달라지는지, 그리고 UV LED에서 수은보다 더 높은 조도가 가능하다는 사실을 보여줍니다. 마지막으로, 수은 램프와 UV LED 시스템 모두 UV 에너지를 방출하지만, 시스템, 제형 및 응용 분야 개발 시 고려해야 할 파장과 조도의 상당한 차이가 있습니다.
이 차트는 일반적인 GEW 전극 아크 램프와 GEW의 상용 LED 시스템을 전반적으로 보여주는 예시임을 강조합니다. 아크 램프의 분포는 다른 제품의 경우 약간 다를 수 있으며, 부가 램프의 경우 상당히 다를 수 있습니다. 조달 관점에서 UV LED는 반도체 제조업체에서 파장 허용 오차 및 출력에 따라 공급 및 가격이 책정되며, 일반적인 허용 오차는 ±5nm입니다. 결과적으로 다이오드 스택업에는 항상 약간의 편차가 있으며, 이는 LED 곡선이 최대가 되는 스펙트럼 프로파일과 파장에 영향을 미칩니다. LED의 경우, 미세한 파장 변화는 일반적으로 경화에 큰 차이를 초래하지 않습니다. 대부분의 UV LED 경화 응용 분야에서는 주어진 UV LED 파장에서의 조도와 해당 에너지 밀도가 가교에 더 큰 영향을 미칩니다.
실제로 스펙트럼 출력/조도 차트는 어떻게 사용됩니까?
스펙트럼 출력/조도 차트는 다양한 경화 램프 또는 시스템 설계를 비교하고 기존 UV 제형의 광개시제 패키지 및 안료 함량과 정확하게 연결하는 데 주로 사용되는 도구입니다. 제형업체와 원자재 공급업체 또한 스펙트럼 출력/조도 차트를 활용하여 새로운 화학 물질을 개발합니다. 모든 UV 광원이 모든 제형을 경화시키는 것은 아니며, 특정 스펙트럼 방출은 특정 용도에 더 적합합니다. 이는 제형업체가 다양한 시판 광개시제 중에서 선택하기 때문입니다. 광개시제는 자외선을 흡수하고 폴리머 내에서 가교를 유도하는 화학 반응의 일부입니다. 광개시제는 광범위한 파장 범위에서 자외선을 흡수하지만, 특정 광개시제는 항상 특정 파장에 더 반응성이 높으며, 개시를 위해 최소 임계 조도가 필요합니다. 또한, 다양한 광개시제는 설계, 자외선 에너지와의 반응, 그리고 나머지 화학 반응에 따라 서로 다른 심미적 및 기능적 폴리머 특성을 나타냅니다. 제조업체는 사용 가능한 광개시제 흡수 곡선을 스펙트럼 출력 차트와 비교하여 평가하고, 제조 라인과 프레스의 요구 사항과 최종 제품의 사용 요구 사항을 기반으로 균형과 혼합 결정을 내립니다.
전극 아크 및 UV LED 경화 시스템을 위한 파장 침투
아래 이미지에서 알 수 있듯이, 긴 UVA와 UVV 파장은 잉크, 코팅, 접착제 깊숙이 침투하는 반면, 짧은 UVC 파장은 화학 물질 표면에서 흡수됩니다. 이러한 정보와 상용 경화 장치의 스펙트럼 출력 및 분광 조도를 바탕으로, 제조업체는 자사의 잉크, 코팅, 접착제에 더 적합한 광원과 램프 유형을 권장합니다. 이러한 권장 사항은 램프 사양(수은, 철, 갈륨 등) 또는 LED 파장 선호도(365, 385, 395 또는 405nm)의 형태로 제공됩니다. 궁극적으로 제조업체는 자사의 제품이 다양한 UV 경화 시스템에서 작동하도록 해야 하는데, 이러한 시스템들이 반드시 동일한 출력을 내는 것은 아니지만, 이는 항상 쉬운 일이 아닙니다.
광범위 스펙트럼 수은 램프를 직접적으로 모방하는 UV LED 광원은 없지만, LED에서 방출되는 파장이 길어질수록 스펙트럼 분포가 철 또는 갈륨 램프의 상단 부분과 더 유사해집니다. 이 램프는 385~405nm 범위에서 일부 출력을 방출합니다. 385, 395, 405nm LED와 철 및 갈륨 도핑 램프는 모두 더 길고 가시광선에 가까운 파장을 사용하여 화학 물질 깊숙이 침투하고, 특히 더 두껍고 불투명한 흰색이며 색소가 고농도인 제형의 경우 경화가 더 잘 됩니다. UV LED 투명 코팅의 경우, 황변 없이 단단하고 화학적으로 강하며 긁힘에 강한 표면 경화를 달성하는 것이 가장 큰 과제였습니다. 대부분의 코팅 제형은 표면 가교를 위해 광대역 램프에서 방출되는 더 짧은 UVC 파장에 의존하며, 더 긴 UV LED 파장에 반응하는 광개시제는 노출 중에 황변하거나 흐려질 수 있기 때문입니다. 이러한 미세한 변색은 잉크의 안료로 쉽게 가릴 수 있지만, 투명 화학에서는 더 눈에 띄게 나타날 수 있습니다.
일반적으로 UV LED 시스템은 기존 시스템보다 더 깊은 경화(through curing) 측면에서 유리합니다. 이는 UVA와 UVV 파장의 농도 때문입니다. 그러나 UVC를 방출하지 않는 광원에 최적화되지 않은 제형의 경우, UV LED는 표면 경화에 어려움을 겪을 수 있습니다. UV LED의 제형이 UVC를 방출하지 않는 광원에 최적화되지 않은 경우, UV LED는 표면 경화에 어려움을 겪을 수 있습니다. UV LED의 제형이 서로 맞지 않으면, 일부 제형은 끈적거리거나 끈적거릴 수 있습니다. 화학 반응 최적화, UV LED 광원의 적절한 선택, 더 높은 조도 활용, 그리고 신중한 통합을 통해 표면 경화 문제를 해결할 수 있습니다. LED 경화 장치에 UVC 다이오드를 추가하는 것은 더욱 까다로운 산업용 코팅의 경우 궁극적으로 필수적일 수 있습니다. 그러나 275~285nm의 UVC LED가 최대 조도, 신뢰성 및 수명을 크게 향상시켰음에도 불구하고, 이 기술은 UVA LED보다 뒤떨어져 있으며 아직 대부분의 응용 분야에서 경제적으로 실현 가능하지 않습니다. 오늘날 제조 라인에 설치되고 운영되는 UV LED 경화 시스템의 대부분은 395nm이며, 그래픽 인쇄 분야에 사용되는 대부분의 잉크, 코팅 및 접착제는 이 파장에서 경화되도록 설계되었습니다.
조도, 에너지 밀도 및 파장
조도, 에너지 밀도, 그리고 파장은 모두 UV 경화에 중요한 역할을 합니다. 첫째, 광개시제 패키지가 쉽게 흡수하는 파장의 최소 조도가 경화 표면에 전달되어야 합니다. 이러한 조건에서 광개시제는 자외선 에너지를 흡수하고, 자유 라디칼을 생성하며, 화학 반응 내에서 가교를 촉진합니다. 동적 UV 경화 공정에서 종 모양 조도 프로파일의 가장 바깥쪽 꼬리 부분은 종종 최소 한계 조도 미만으로 떨어져 화학 반응 내에서 충분한 가교를 형성하지 못하지만, 경화 표면이 램프 헤드에 가까워짐에 따라 더 적합한 조도가 빠르게 형성됩니다. 둘째, 최소 한계 조도 또는 그 이상이 반응 시간 동안 유지되어야 합니다. 마지막으로, 필요한 조도가 경화 표면에 전달되고 유지되면 에너지 밀도는 경화의 원동력이 되며, 가장 빠른 라인 속도 또는 가장 짧은 사이클 시간을 위한 제한 요소가 됩니다. 다시 말해, 에너지 밀도는 제조 라인의 최대 재료 처리 속도와 UV 잉크, 코팅 및 접착제에서 달성할 수 있는 광중합 정도에 크게 영향을 미치는 요소입니다.
UV 화학의 진화
거의 70년 동안, 시장과 응용 분야에 따라 UV 경화 산업은 기존 수은 및 수은 도핑 램프의 스펙트럼 방출에 맞춰 화학 기술을 개발해 왔습니다. 모든 역사적 화학 기술은 수은의 광범위한 스펙트럼 출력에 대응하도록 특별히 설계된 원료를 사용합니다. 2005년에서 2010년 사이에 몇몇 제조업체들이 협대역 UVA LED 화학 기술 개발에 전념하기 시작했습니다. 그러나 기존 경화 업계의 대부분은 최종 사용자의 관심이 높아지고 UV LED 경화의 실현 가능성과 경제성이 개선될 때까지 참여를 미루었습니다. 2010년에서 2020년 사이에 더 많은 제조업체들이 참여했으며, 특히 산업용 코팅 분야의 많은 업체들이 2021년이 다가옴에 따라 이제 막 시장에 진입하고 있습니다. 시장 수요가 실현될 때까지 UV LED 시스템 출시를 미룬 많은 기존 경화 시스템 공급업체들도 마찬가지입니다.
일반적으로 광범위 스펙트럼 수은 램프 시스템용으로 설계된 기존 UV 화학 물질은 장파장 및 준단색 UV LED에서는 경화가 잘 되지 않습니다. 스펙트럼 출력의 차이로 인해, UV LED 광원으로 완전히 경화되도록 기존 화학 물질을 재구성해야 합니다. 점점 더 많은 잉크, 코팅 및 접착제 회사가 UV LED 제품을 개발함에 따라, 단일 제형으로 LED 경화가 가능하면서도 기존 광대역 램프와 역호환되는 화학 물질을 설계하는 추세입니다. 이를 이중 경화 화학 물질이라고 하며, 재고 관리(SKU)를 줄이고 UV LED 기술로의 전환을 용이하게 하기 위한 것입니다.
앞으로 몇 년 동안 점점 더 많은 제형이 이중 경화 기능을 갖추게 될 것이며, 수은 전용 제형은 필요 없게 되어 결국 단종될 것입니다. 이는 과거에 전극 아크 램프용으로 설계된 모든 것이 내일 당장 사라질 것이라는 의미는 아닙니다. 특히 고기능성 산업용 잉크 및 코팅을 사용하는 산업, 복잡한 3D 부품 프로파일을 제작하고 더 넓은 작업 거리에서 경화하는 산업 등 많은 산업에서 제형, 램프 및 통합에 대한 추가 개발 작업이 필요하기 때문입니다. 이는 단순히 LED가 기존 UV 제조 공정에 미치는 영향을 이해하기 위해 각 산업에서 어떤 일이 일어나고 있는지 주의 깊게 살펴봐야 한다는 것을 의미합니다. UV LED로의 전환은 진행 중이지만, 각 산업 및 응용 분야의 요구에 따라 계획적이고 점진적으로 진행됩니다. 특정 전극 아크 램프 또는 특정 UV LED 경화 시스템이 잉크, 코팅 또는 접착제를 경화하는 데 적합한지, 그리고 어떤 램프 유형 또는 LED 파장이 전체 공정 및 화학 반응에 가장 적합한지 판단하는 데 있어 응용 분야의 스펙트럼 출력, 분광 조도, 조도 및 에너지 밀도 요구 사항을 주의 깊게 파악하는 것이 중요합니다.
1RadTech North America. (2005). Glossary of Terms – Terminology Used for Ultraviolet (UV) Curing Process Design and Measurement. RadTech UV Measurements Group. pp. 1 – 6. https://www.radtech.org/images/pdf_upload/UVGLOSS_rev4-05.pdf
2International Organization for Standardization.
