진공에 관련된 힘에 반응하는 용기의 베이스 구조 document_id A220623023048

환경 및 다른 이슈의 결과로서, 과거 유리 용기에 제공되었던 수많은 상품들이 현재는 플라스틱 용기, 더 구체적으로는 폴리에스테르, 좀더 구체적으로는 PET(polyethylene terephtalate) 용기들이 사용되고 있다. 소비자들 뿐만 아니라 제조업자와 충진자(filler)도 PET용기가 가볍고, 저가이며, 재생가능하고 대량으로 제조가능하다는 것을 인식하고 있다. 제조업자들은 현재 음료수와 같은 다양한 액체 상품들에 PET 용기를 제공한다. 쥬스와 아이소토닉(isotonic)과 같은 이런 액체 상품들은 종종 액체 상품이 상승된 온도, 통상적으로 68℃에서 96℃ 그리고 대개 약 85℃인 동안에 용기에 채워진다. 이런 방식으로 패키지 되었을 때, 액체 상품의 고온은 액체를 충진(filling)할 때 용기를 살균한다. 용기 산업에서는 이 공정이 고온 충진 공정으로 불리며, 위 공정을 견디도록 설계된 용기들은 고온 충진 또는 열 경화된 용기라고 불린다. 고온 충진은 높은 산성물을 가지는 상품을 위해 적당한 공정이지, 높지 않은 산성물을 가지는 상품에는 일반적으로 적당하지 않다. 그러나 산성이 높지 않은 상품은 다른 방식으로 처리되어야 한다. 그럼에도 불구하고, 높지 않은 산성 상품의 제조업자와 충진자들 역시 그들의 상품을 PET에 제공하기를 바란다. 산성이 높지 않은 상품에 대해서 파스퇴르화(pasteurization)와 레토르트(retort)는 선호되는 살균 공정이다. 열 경화된 용기는 파스퇴르화와 레토르트에 필요한 온도와 시간 요구를 견딜 수 없기 때문에, 파스퇴르화와 레토르트는 PET 용기의 제조업자들을 어렵게 한다. 파스퇴르화와 레토르트는 모두 용기에 내용물이 채워진 후 용기의 내용물을 살균하거나 요리하는데 필요한 공정이다. 양 공정들은 특정 온도로 용기의 내용물들을 가열하는 단계를 포함하는데, 보통 약 70℃ 이상으로 특정길이의 시간(20-60분)동안 가열한다. 레토르트는 용기에 외부로 압력을 가하기 때문에 더 높은 온도를 이용한다는 점에서 파스퇴르화와 다르다. 또한, 용기 내부의 압력을 견디기 위하여 레토르트는 용기의 외측으로 증가된 압력을 가한다. 용기의 외부에 가해지는 압력은 필수적인데, 이는 고온의 수조가 종종 사용되고 과압(overpressure)이 용기의 내용물의 액체 뿐만 아니라 액체 형태의 물을 각각의 끓는점 온도 이상으로 유지시키기 때문이다. PET는 결정화된 폴리머(crystallizable polymer)이다. 이것은 PET가 비정질 (amorphous)또는 반 결정화된 형태(semi-crystalline form)에서 사용할 수 있다는 것을 의미한다. 그 물질의 일체성을 유지하는 PET 용기의 능력은 PET 용기의 "결정도(crystallinity)"라고도 알려진 결정화된 형태에서의 PET 용기의 백분율과 관련된다. 결정도 백분율은 다음과 같은 방정식에 의하여 부피비로서 특징지어진다. 여기서, ρ는 PET 물질의 밀도이고, ρa는 순수한 비정질 PET 물질(1.333 g/cc)이며, ρc는 순수 결정화된(crystalline) 물질(1.455 g/cc)이다. 용기 제조자들은 용기의 PET 폴리머 결정도를 증가시키기 위하여 기계적인 공정과 열 공정을 사용한다. 기계적인 공정은 인장 경화(strain hardening)를 달성하기 위하여 비정질 물질로 순응시키는 단계를 포함한다. 이 공정은 공통적으로 길이방향 축을 따라 PET의 초기형태로 늘리는 단계와 PET 용기를 형성하기 위하여 횡 또는 반경방향 축을 따라서 PET의 초기형태로 팽창하는 단계를 포함한다. 조합은 용기의 분자 구조의 양축 지향(biaxial orientation)이라고 알려진 것을 촉진한다. PET 용기의 제조업자들은 용기 측벽의 결정도를 20% 정도 가지는 PET 용기를 생산하기 위하여 현재 기계적인 공정을 사용한다. 열 공정은 크리스탈 성장을 촉진하기 위하여 비정질 또는 반 결정화된 것 중의 하나인 물질을 가열하는 단계를 포함한다. 비정질 물질에서, PET 물질의 열 공정은 광의 투과를 간섭하는 구과(球顆) 형태(spherulitic morphology)를 초래한다. 다시 말하면, 결과적인 결정화된 물질은 불투명하고, 따라서 일반적으로 바람직하지 않다. 그러나, 기계적인 공정 이후에 사용되면, 양축 분자 지향을 가지는 용기의 그 부분들에 대해서 열 공정은 더 높은 결정도와 뛰어난 투명도를 초래한다. 열 경화라고 알려진 지향된 PET 용기의 열 공정은 통상적으로 약 121℃-l77℃의 온도로 가열된 주형(mold)에 대하여 PET 초기형태로 블로우 몰딩하는 단계와 약 2초 내지 5초 동안 가열된 주형에 대하여 블로우된 용기를 유지하는 단계를 포함한다. 약 85℃에서 고온으로 채워져야 하는 PET 쥬스 병의 제조업자들은 25-30%범위의 전체 결정도를 가지는 PET 병들을 생산하기 위하여 현재 열 경화를 사용한다. 고온으로 채워진 뒤, 열 경화 용기들은 마개가 씌워지고 대략 5분동안 충진 온도로 잔류된다. 그리고 나서 용기들은 제품과 함께 라벨링, 패키징과 배송 작업으로 이송되기 전에 급속히 냉각된다. 냉각됨으로써 용기 내의 액체의 부피는 줄어든다. 이 제품 수축 현상은 용기내의 진공 생성을 초래한다. 일반적으로 용기 내의 진공압은 대기압(즉, 759mmHg ~ 380mmHg) 보다 작은 1-380mm/Hg 범위이다. 이런 진공압이 제어되지 못하거나 수용되지 못하면, 이런 진공압은 용기의 변형을 초래하게 되어 미적으로 받아들여질 수 없는 용기가 되거나 불안정한 용기가 되게 만든다. 전형적으로, 산업에서는 측벽의 구조 또는 진공 패널을 가지고 진공 관련 압력을 수용한다. 진공 패널들은 일반적으로 용기 측벽의 원하지 않는 변형을 제거하기 위하여 제어된 방식으로 진공압하에서 안쪽으로 찌그러진다. 진공 패널이 용기가 고온 충진 과정의 엄격함을 지탱하도록 허용하는 반면, 그것들은 몇가지 제한과 단점을 제공한다. 첫째, 진공 패널은 유리같은 매끄러운 외관을 만들지 않는다. 둘째, 패키저(packager)는 보통 감기는 랩 또는 슬리브 라벨을 진공 패널위로 용기에 부착한다. 가끔, 측벽과 진공 패널에 있는 이러한 라벨의 외관은 라벨이 주름지거나 매끄럽지 않다. 뿐만 아니라, 용기를 잡는 사람은 라벨 아래로 진공 패널을 일반적으로 느끼며, 종종 다양한 패널의 균열과 요부로 라벨을 민다. 뿐만 아니라 진공압으로부터 초래되는 용기의 변형을 조절하는 것을 돕기 위하여 섬세한 개선은 용기 측벽에 핀치 그립 기하구조(pinch grip geometry)의 사용을 하도록 하여 왔다. 그러나, 진공 패널에 관하여 핀치 그립 기하구조에도 유사한 제한과 단점이 존재한다. 고온 충진 플라스틱 용기가 진공을 수용하는 구조적 특징을 갖지 않고도 상기 목적을 달성하기 위한 또 다른 방법은 질소 주입 기술의 사용이다. 그러나 이 기술을 사용할 때의 한가지 단점은 현재의 기술로 이룰 수 있는 최소한의 라인 속도는 분당 대략 200개의 용기에 제한된다는 점이다. 그 정도의 느린 라인 속도는 거의 허용될 수 없다. 뿐만 아니라, 주입의 일관성은 효율적인 작업을 이루기 위한 기술적인 수준에 도달하지 못하고 있다. 따라서, 매끄럽고 유리와 같은 외관을 가질 수 있도록 실질적인 기하구조없이 측벽을 가지는 유리 용기의 외관을 흉내내는 고온의 충진에서 초래되는 진공압을 수용할 수 있는 개선된 용기의 필요성이 존재한다. 따라서, 발명의 목적은 그러한 용기를 제공하는 것이다.