インクジェットUV LED硬化技術の進歩

インクジェットUV LED硬化技術の進歩

3次元プラスチック製品へのデジタルUVインクジェット印刷は、「本格的な実用段階」を迎えています。UV LED硬化技術の進歩により、従来の水銀蒸気ランプに伴う多くの硬化上の問題が解消されます。

UV LEDランプは、濡れにくく熱に敏感なポリマーやウレタン／ゴム基材上の低粘度UVインクの硬化に優れています。ただし、すべてのLEDが同じ構造や同等の性能特性を持つわけではありません。本稿は、プラスチックへの産業用UVインクジェット印刷におけるプロセスの進歩を紹介するシリーズの第1回です。

最近まで、UV LEDは、広範な商業的受容を妨げる技術的・経済的な障壁に直面していました。LEDの高コストと入手性の低さ、低い出力と効率、熱管理の問題に加え、インクとの適合性が、市場受容を妨げる制約要因でした。UV LED技術の進歩により、硬化へのUV LEDの活用は、プラスチックへのインクジェット印刷における最も重要なブレークスルーの1つと言っても過言ではありません。

重要ポイント

• 3つの進展が水銀との差を埋めました。インクの再配合、ランプ出力の向上、ピーク放射照度を高める集光レンズです。
• 経済性の面では395 nmが有力な選択肢となることが多く、波長が長いほど、365 nmよりも低いワット単価でワットあたりより多くのエネルギーが得られます。
• LEDには異なる化学が必要です。光開始剤はランプに合わせる必要があり、それに伴ってモノマーとオリゴマーも変わります。
• 水冷は広い面積での高出力密度に適し、空冷はヘッドサイズを犠牲にする代わりに、チラーや配管が不要になります。
• 即時のオン・オフは生産性の向上につながります。デジタル印刷は少量生産で停止が頻繁なことが多いためです。

UV LED硬化は操作や制御が容易で、水銀（Hg）蒸気ランプに比べて多くの利点があります。小型の半導体デバイスは、UVランプの約10倍にあたる20,000時間以上の動作寿命を持つよう設計されています。出力は長期間にわたって極めて安定しています。UV LEDは赤外線（IR）を含まない純粋なUVを放射するため、熱に敏感なプラスチック基材にも適したプロセスです。表1「UV LEDと水銀蒸気ランプの比較」を参照してください。

よくあるご質問

UV LEDの波長はどれを指定すべきですか？

用途とインクの選定に応じて、通常は365 nm、385 nm、395 nmです。波長が長くなるほど、出力と効率が上がり、ワット単価は下がるため、395 nmのほうが365 nmよりも経済的に配合を硬化できる場合が多くあります。一部の化学系では、より短い波長が必要です。

既存の水銀ランプ用インクをそのままLEDで硬化できないのはなぜですか？

光開始剤はランプの発光スペクトルに合わせてあるためです。LEDには異なる光開始剤が必要で、それを変更するには、配合中のモノマーとオリゴマーも変える必要があります。インクは、単に硬化方法を変えるのではなく、再配合しなければなりません。

UV LEDが水銀ランプと競合できるようになった要因は何ですか？

3つの要因が重なりました。化学者がランプに合わせてインクを再配合する方法を習得したこと。ダイオード設計の改善と、より高密度な実装を可能にする効率的な冷却によって、ランプ出力が上がったこと。そして、ランプアセンブリのレンズが出力を集光し、ピーク放射照度を高めたことです。

水冷と空冷のどちらがよいですか？

水冷は非常に効率よく熱を除去し、広い硬化面積での高出力密度に適しており、LEDヘッドをコンパクトに保って狭い場所にも設置できます。その代償として、重量が増え、チラーや配管が必要になります。熱負荷が許す場合、空冷であればそうした複雑さを避けられます。

即時のオン・オフには、実務上どのような利点がありますか？

生産性と収益です。デジタル印刷は少量生産で停止が頻繁なことが多く、フルパワーになるまで暖機が必要な水銀ランプと異なり、LEDランプは暖機のロスなしに即座にオン・オフできます。

UV LEDの初期開発における要因

LEDとHg蒸気ランプでは、発光スペクトルが異なります。光開始剤は、ランプ、モノマー、速度、用途に合わせて選定されます。安定した硬化を実現するには、LEDには異なる光開始剤が必要で、それに伴い、配合中のモノマーとオリゴマーも変わります。

UV LED技術で最も精査されている領域の1つが、最大放射出力と効率です。インクの硬化には、硬化性インクに集中したエネルギーを届ける必要があります。水銀（Hg）ランプには通常リフレクターが付いており、光線を集束させてインク表面で光が最も集中するようにします。これによりピーク出力が大幅に高まり、競合する反応が打ち消されます。初期のLEDランプは集光されていませんでした。

LEDシステムで高出力と高効率を実現するには、光学系やパッケージングによって放射エネルギーを集中させます。高出力システムでは、LEDダイを集合アレイにして使用します。放射照度は、LEDダイの接合部温度に反比例します。

ダイの温度を低く保つことで、寿命が延び、信頼性が向上し、効率と出力が高まります。UV LEDをアレイにパッケージングする際の従来の課題は解決されており、用途に応じた代替ソリューションも用意されています。LED技術の開発と普及の多くは、民生用電子機器やディスプレイによって推進されてきました。

近年の重要な進展

• 第一に、配合の変更と材料が開発され、豊富な知見が共有されました。多くの化学者が、ランプに合わせてインクを再配合する方法を理解しています。
• 第二に、ランプ出力が向上しました。ダイオードの設計が改善され、冷却も効率化したことで、ダイオードをより密に実装できます。その結果、ランプ面、あるいは流体面でのワット毎単位面積で表されるランプ出力が高まっています。
• 第三に、ランプアセンブリのレンズが出力を集光し、ピーク放射照度が高まりました。これらの進展の組み合わせにより、LEDは多くの用途でHgランプに直接対抗できる、あるいは上回る存在になっています。

波長

用途とインクの選定に応じて、提供される波長は通常365 nm、385 nm、395 nmです。特定の化学系向けには、より長い波長も利用できます。波長が長くなるにつれて、出力、効率、コストも上昇します。たとえば、365 nmのLEDは395 nmのLEDよりも出力が低くなります。

ダイの性能は長波長ほど優れており、出力あたりのコスト（ワット単価）が低く、より多くのエネルギーを供給できます。用途の実績から、395 nmのソリューションのほうが、365 nmの代替策よりも経済的に配合を効果的に硬化できる場合が多いことがわかっています。ただし、安定した硬化を得るために、365 nm以下の波長が必要な場合もあります。

統合システムソリューション

LED硬化は、デジタルインクジェット印刷と最も相性が良い技術です。往復動作するプリントヘッドでは、高温で重いHgランプには大型のスキャニングシステムフレームが必要ですが、LEDでは不要です。固定ヘッド式の機械では、プリントヘッドをモジュール化し、重なり合う列として設置します。コンパクトで低温のUVランプは、ヘッドモジュールに取り付けるのに適しています。さらに、デジタル印刷は少量生産で停止が頻繁なことが多いため、即時の「オン・オフ」により、生産性と収益が向上します。

熱管理と光学系

熱管理の方式には、水冷と空冷の2つがあります。水冷は、特に広い硬化面積で高い出力密度が求められる用途で、熱を除去する非常に効率的な方法です。水冷では、より高い効率と信頼性で、より低い温度を実現できます。

水冷の2つ目の利点は、UV LEDヘッドがコンパクトなため、硬化領域の周囲のスペースが限られた場所にも組み込めることです。水冷ソリューションの欠点は、硬化ユニットの重量が増すこと、そしてチラーや水配管による複雑さとコストが加わることです。

2つ目の熱管理ソリューションは空冷です。空冷は、水冷と比べて熱を除去する効果が本質的に低くなります。ただし、強化された気流方式と光学系を用いることで、通常は最大12 W/cm²の非常に効果的な空冷式硬化システムが実現します。空冷システムの利点は、組み込みが容易、軽量、低コストで、外部チラーが不要なことです。

UV LED出力の最大化は極めて重要です。選択的な光学系を通じて、LEDのエネルギーを基材やインクにより効率よく届けられます。統合システムには、反射からレンズによる集光まで、さまざまな手法が取り入れられています。光学系は、特定の性能基準を満たすようにカスタマイズできます。OEM（エンドユーザー）は、UV LEDランプの光学系がどのように提供されているかを必ずしも気にする必要はありませんが、サプライヤーの専門性は様々であり、すべてのUV LEDシステムが同等ではないことを認識しておくべきです。

Scott R. Sabreenは、プラスチック二次加工（レーザーマーキング、表面前処理、接着、加飾・仕上げ、製品セキュリティ）を専門とするエンジニアリング会社、The Sabreen Group, Inc.の創業者兼社長です。Sabreenは30年以上にわたり、先駆的な技術の開発と製造上の課題の解決に取り組んできました。連絡先は電話972.820.6777、またはwww.sabreen.comもしくはwww.plasticslasermarking.comをご覧ください。

Dene Taylor博士は、印刷・包装業界向けにSPF-Inc.を2000年に設立し、デジタル印刷を新たな市場や用途へ適応させることに注力しています。ナノ化学者としての経歴を持ち、米国特許25件のうち約半数がデジタル印刷に関するものです。SGIA、TAPPI、RadTechの会員です。連絡先は[email protected]です。

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