산업 공정에서 광원을 사용하는 시스템 및 방법 document_id A220623052984

여기 개시된 본 발명은 물질 변환 등의 산업 공정에서 사용되는 광원에 관한 것이다. 특히, 여기 개시된 발명은 광에너지가 존재하는 반응 공정의 대상인 가공 면과 관련하여 유체 흐름을 제공하는 기술을 위한 시스템 및 방법에 관련되는 것이다. 빛은 여러 화학적 반응을 일으킬 수 있다. 그러한 광-기동 공정(light-initiated processes)은 다수의 산업 공정의 중요한 부분이다. 특정 프로세스의 일부로서의 빛의 적용가능성은 광원의 몇 가지 중요한 특성에 좌우되는데, 예를 들면, 광원에 의해 방사된 전체 광학 파워, 광원에 의해 방사된 파장, 광원 간섭성(coherence), 광원의 휘도(radiance)(파워/영역 x 호도법(steradian)), 시준(collimation) 정도, 및 파워 안정성과 같은 특성들이 있다. 오늘날 산업상의 응용에 있어서 상당한 경제적 의미를 가지는 빛의 특정 적용은 접착제 및 기타 감광 물질에 대한 중합, 경화 또는 기타 반응이다. 빛의 애플리케이션은 낮은 투과성을 갖는 레이어를 통해 재료가 조사되도록 한다. 빛의 애플리케이션은 하나 이상의 특정 주파수가 사용되도록 한다. 빛의 애플리케이션은 빛이 반응의 촉매로 작용하도록 한다. 빛의 애플리케이션은 일반적으로 빛이 프로세스(예를 들어, 접착)에서 사용되는 하나 이상의 물질에 의해 흡수되도록 한다. 빛의 애플리케이션은 그 빛이 처리될 때 사용되는 하나 이상의 물질에 의해 흡수되지 않도록 하거나, 또는, 바람직하지 않게 흡수되면, 그 흡수의 임의의 열적 또는 다른 바람직하지 않은 측면(예를 들어, 가공물의 바람직하지 않은 열의 경감)이 나타나도록 할 수도 있다. 어떤 경우에서도, 중합 또는 다른 반응(예를 들어, 촉매을 포함하거나 포함하지 않는)에 의해 접합되거나, 봉인되거나, 화학적으로 변경되는 물질과 관련하여 빛의 애플리케이션은, 오늘날 다수의 산업 애플리케이션에서 상당한 장벽이면서 큰 발전의 기회를 제공한다. 일부 화학적 반응에서, 산소의 존재는 화학적 반응에 해롭다. 산소의 해로운 영향은 산업계에 잘 알려져 있다. 예를 들어, Ciba Specialty Chemical Inc.의 L. Misev 박사에 의한 "Nitrogen Inerting Benefits Thin UV Coating Cure"라는 제목의 논문은 다음과 같이 제안하고 있다. UV 경화 공정 동안 산소의 존재는 자유 라디칼(radical) 시스템에 따라 경화에 해로운 영향을 가진다. 산소는 자유 라디칼과 반응하고 광 기동자(photoinitiator), 단량체(monomer) 또는 확대 체인 라디칼과 반응하여 과산화 라디칼을 형성한다. 과산화 라디칼의 반응성은 자유 라디칼 중합 처리를 계속하기에 불충분하여 체인 종료 및 시스템의 경화 부족을 초래한다. 산소 보급은 필름 표면 아래 몇 마이크로 미터 내에서 가장 효과를 받기 때문에, 얇은 코팅, 특히 프린팅 잉크 및 오버프린트 바니시(overprint varnish)가 특히 영향을 받기 쉽다. 이는 필름 표면에서 가장 높은 자외선 강도에 의한 증가된 광 기동자 라디칼 조성을 중화한다. 그러므로, UV 경화가 공기 중에서 일어날 때, 이중 결합 전환의 정도는 Beer-Lambert 법칙에 따라 코팅 내에서 광 강도 분산에만 좌우되지 않는다. 비활성, 특히, UV 노출 잉크 또는 코팅 표면의 질소 제거에 의한 이익 정도는 여러 요인에 좌우되고 특정 공정 조건 하에서 가장 잘 결정될 수 있다. Dr. Misey에 따르면, 산소로 저해된 경화의 문제점을 극복하기 위한 기술은 질소와 같은 무산소 기체로 코팅 표면을 덮는 것에 의해 산소를 제거하는 것이다. 임의의 비활성 기술은 다른 기술 문헌에서 제시된다. 예를 들어, K. Studer 등에 의한 논문 "Progress in Organic Coatings, Overcoming oxygen inhibition in UV-curing of acrylate coating by carbon dioxide inerting:PartⅡ"은 다음과 같이 제안한다. 산소 방해를 극복하는 가장 유효한 방법은, UV 오븐을 질소[6,7] 또는 이산화탄소[8]로 세척하여, 비활성 공기 내에서 작업하는 것이다. 공기보다 무거운 후자의 기체가 컨테이너 내에서 쉽게 유지될 수 있다. 그러면, K. Studer 등에 의해 설명된 바와 같이, 비활성에 관한 일반적인 기술은 컨테이너 세척, 즉, 분명히 가공물을 질소 또는 이산화 탄소의 비활성 공기 내에 담그는 것이다. 참조된 다른 기술 문헌은 알려진 임의의 질소 비활성 기술을 보여준다. 예를 들어, R.W. Johnson의 "DYNAMIC MECHANICAL ANALYSIS OF UV-CURABLE COATING WHILE CURING", DSM Desotech Inc., Elgin, IL 60120; R. Muller의 2001년 RadTech Europe Conference 회보 149쪽(전술한 바와 같이 [6]과 같이 Studer 등에서 참조됨); 그리고, T. Henke의 2001년 RadTech Europe Conference 회보 145쪽(전술한 바와 같이, [8]과 같이 Studer 등에서 참조됨)가 있다. 일부 환경에서, 산소가 제거된 비활성 공기 안에 가공물을 담그는 것은 위험하거나 실용적이지 못하다. 예를 들어, 가공물이 사람들과 함께 작업되어야만 하는 환경 안에 있을 경우, 그러한 비활성 기체는 그러한 사람들에게 안전하지 않다. 다른 경우, 예를 들어, 가공물이 빠르게 움직이는 기계 어셈블리의 일부거나 이에 의해 움직일 때, 비활성 담금은 실용적이지 않다. 이러한 다른 경우에, 이동중의 기계는 비활성 공기를 바람직하지 않게 혼합거나, 흩뜨리거나, 또는 분산시키는데,예를 들어, 비활성 공기를 산소와 혼합하거나, 공핍 기능과 어긋나게 작업이 이루어지게 한다. 또는 효과적인 분리를 위해 작용 가능한 개스킷 및 씰링을 필요로 한다. 예를 들어 비용, 유지보수 등과 같은 부가 문제가 파생된다. 그러한 상황은 광학 저장 매체를 형성하기 위해 재료를 함께 결합하는데 사용되는 접착제들이 경화될 때 만나게 된다. 그러한 매체의 예로는, CD, DVD가 있다. CD 또는 DVD(CD/DVD)는 일반적으로 두 개의 디스크 모양의 투명 부품의 물질로 만들어진다. 디스크의 하나 또는 둘의 수평면은 일반적으로 금속으로 형성되는 반사면으로 코팅된다. 코팅된 수평 부품은 일반적으로 UV 경화 가능 접착 레진을 사용하여 함께 결합된다. 도 2A~2C는 각각 종래 DVD(210,220,230)의 세 실시예의 단면을 나타낸다. 그러한 종래의 DVD는 종래의 CD와 유사한 단면을 갖는다. 특히, 도 2A는 DVD-5라 일반적으로 불리는 단면 단층 디스크(210)의 일부의 단면을 나타낸다. DVD-5는 4.38 GByte의 데이터까지 포함할 수 있다. 도 2A에 도시된 바와 같이, DVD(210)는 각각 보통 600 마이크론 두께인 폴리카보네이트(PC) 물질의 두 레이어(211,212)를 포함한다. 폴리카보네이트 레이어(211,212) 사이에 끼인 것은 일반적으로 20~50 마이크론 두께의 UV 경화 가능 레진 레이어(213)와 일반적으로 45~60 nm 두께의 알루미늄 레이어(214)이다. 도 2B는 DVD-9라 보통 불리우는 단면 2중 층 디스크(220)의 일부의 단면을 나타낸다. DVD-9는 거의 7.5 GByte의 데이터까지 포함할 수 있다. 디스크(220)는 일반적으로 600 마이크론 두께인 폴리카보네이트 물질의 두 레이어(221,222)를 포함한다. 폴리카보네이트 레이어(221,222) 사이에 끼인 것은 일반적으로 50~60 마이크론 두께인 알루미늄 레이어(223), 일반적으로 40~70 마이크론 두께인 UV 경화가능 레진 레이어(224), 및 일반적으로 10~15nm 두께인 실리콘, 은 또는 금으로 만들어진 레이어(225)이다. 도 2C는 보통 DVD-10이라 불리는 이중면 DVD 디스크(230)의 일부의 단면을 나타낸다. DVD-10은 각 면에 4.38 GByte로 8.75 GByte까지 담을 수 있다. 디스크(230)는 일반적으로 각각 600 마이크론 두께인 폴리카보네이트 물질의 두 레이어(231,232)를 포함한다. 두 폴리카보네이트 레이어(231,232) 사이에 끼인 것은, 일반적으로 50nm 두께인 제 1 알루미늄 레이어(233), 일반적으로 40~70 마이크론 두께인 UV-경화 가능 레진 레이어(234), 및 일반적으로 50nm 두께인 제 2 알루미늄 레이어(235)이다. 이들은 대표적인 광학 저장 디스크이고, 다양한 요인에 따라 이들과 다른 구조가 변화하는 것이 계획된다. 예를 들어, 상술한 구조에서, 반사 층은 종종 실리콘으로 선택된다. 광학 저장 매체의 구조의 주요 측면은 구성 요소가 접착으로 함께 결합되는 것이다. 이 측면은 물질 또는 구성 요소의 다른 특징이 변경하더라도 유지되는 것으로 이해된다(예를 들어, 산업이 블루 레이 및 HD-DVD(High Density Digital Versatile/Video Discs)와 같은 다른 표준으로 옮겨 가는 것과 같음). CD/DVD에서, 직접 두 폴리카보네이트 레이어 사이에 바람직한 UV 경화 가능 접착 레진은 주위 공기에서 산소로부터 분리되므로, 산소의 존재에 의해 일어나는 부작용이 제거된다. 그 경우에도, 두 폴리카보네이트 레이어가 그 사이에 배치된 UV-경화가능 레진과 함께 배치될 때, 레진 일부는 새어나오거나, 밖으로 흐르거나, 그렇지 않으면 두 폴리카보네이트 레이어 바깥에 만들어져 그에 의해 폴리카보네이트 레이어의 하나 이상의 원주 에지 위 또는 에지를 따라(예를 들어 바깥 에지 위 또는 에지를 따라) 구슬을 형성할 수도 있다. 에지를 따라 또는 에지 위의 레진 구슬은 경화 공정 동안 산소에 노출되는 경향이 있다. 사용된 특정 레진 그리고 산소에 노출에 따라 불완전한 경화가 발생하고, 바람직하지 않은 "찐득찐득한" 에지의 CD/DVD를 생산한다. CD/DVD 제작에 사용되는 기계는 복잡하고 빠르게 움직이는 부분을 포함한다. 따라서, 이 기계는 기술 문헌에서 제안된 바와 같이 비활성 담금이 일반적으로 부적합 하다는 것이 이해된다. CD/DVD 제작과 관련하는 다른 문제는 폴리카보네이트 레이어 사이의 접착 레진 레이어가 경화될 때 폴리카보네이트 레이어의 열적 부하이다. 폴리카보네이트 레이어의 열적 부하는 완성 CD/DVD의 오차와 왜곡(예를 들어, 축, 측면, 및 두께 치수에서)을 가져오고, 차례로, 완성 CD/DVD의 나쁜 읽기/쓰기 특성을 일반적으로 가져온다. 또한, CD/DVD의 정보를 읽고 쓰기 위하여 CD/DVD 산업이 더 낮은 기동자 농도와 더 짧은 파장(더 높은 에너지 방사)으로 옮겨 가듯이, 두 상이한 파워 밀도가 접착 경화 작용 동안 사용된다: 호기성 환경을 위한 하나의 파워 밀도(즉, CD/DVD의 에지에 산소-존재 환경)과 혐기성 환경을 위한 다른 파워 밀도(즉, CD/DVD 내부에 산소 감소 또는 산소 부족 환경). 경화의 다른 경우에서는, 요구되는 결과는 CD/DVD의 제작에 바람직한 것 이외의 다른 파라미터를 가지도록 특성화하여도 좋다. 예를 들어, 디지털 그래픽에서 아크릴산 잉크를 경화할 때, 요구되는 마감은 건조되고 고광택을 가져야 한다. 이는 많은 양의 에너지를 폴리머 잉크 조성 안으로 방한하거나 비활성 방법으로 달성된다. 프린트 매체는 여러 물질로 구성되는 경향이 있고, 일반적으로 여러 열 민감 기판과 함께 염화폴리비닐, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌과 같은 예를 들어 플라스틱과 조화되지 않는 방법인 더 높은 에너지 방법으로 지정될 수 있다. 광학 저장 매체와 디지털 그래픽의 생산 시 전술된 도전과 문제점은 특히 광 근접 처리 시 산업 공정에서 문제점과 도전을 대표한다. 따라서, 그러한 처리를 촉진하도록 개선된 환경 조건을 제공하는 방법 및 시스템에 대한 필요가 있다. 위에서 밝힌 대표적인 문제점을 통해 나타내어진 바와 같이, 전술된 더 일반적인 필요성으로 한정하지 않는다면, 가공물 또는 기판의 선택된 부분의 비활성화에 대한 필요가 있다. 일 실시예로서, 그러한 비활성화는 반응이 적절하게 달성되도록, 잉크, 코팅 또는 접착제와 같은 UV-경화 가능 물질을 포함하는 광 경화 가능 물질과 관련되거나 그러한 광 경화 가능 물질을 포함하는 가공물 또는 기판의 표면 또는 에지에서 일어난다(예를 들어 빠르게 움직이는 가공물 또는 기판). 예를 들어, 산소 또는 다른 억제제, 또는 다른 불순물, 오염물질, 또는 존재하거나 특정 계측치 이상에서 존재하면 반응에 장애가 되는 물질의 존재에 의해 일어나는 해로운 영향이 없거나 실질적으로 없이, 반응은 시작, 진행 및 완료 중 적어도 하나를 수행한다. 또한, 상기 비활성의 환경에 빛을 제공하기 위한 기술이 필요하다. 또한, 예를 들어 가공물 또는 기판이 호기성 환경 및 혐기성 환경을 가지는 것과 같은 상이한 환경적, 물리적, 또는 화학적 특성을 가지는 기판 또는 가공물에 대한 광반응 동안 변화 가능한 광 특성을 제공하기 위한 기술이 필요하다. 필요한 기술은 가공물(work piece)의 표면에서 또는 표면 아래에서 반응이 가능하도록 하는 것이고, 그러한 가공물의 표면과 관련하여, 유체 흐름이 제공된다. 가공물이 빛에 노출되는 환경하에서, 반응이 가공물의 표면에 또는 표면 아래에서 촉진되도록 하는 것이다. 또한, 요구되는 기술은, 전술된 바와 같이, 광 노출과 관련된 광 반응인 반응을 가능하게 하는 기술이다.