잉크젯 UV LED 경화 기술의 발전

잉크젯 UV LED 경화 기술의 발전

3차원 플라스틱 제품에 대한 디지털 UV 잉크젯 인쇄는 '본격적으로 활용할 준비가 되었습니다.' UV LED 경화 기술의 발전으로 기존 수은 증기 램프와 관련된 많은 경화 문제가 해결되었습니다.

UV LED 램프는 젖음성이 없고 열에 민감한 폴리머 및 우레탄/고무 기재 위의 저점도 UV 잉크를 경화하는 데 우수합니다. 다만 모든 LED가 같은 구조로 만들어지거나 동일한 성능 특성을 보이는 것은 아닙니다. 이 글은 플라스틱 산업용 UV 잉크젯 인쇄의 공정 발전을 소개하는 연재의 첫 번째 글입니다.

최근까지 UV LED는 폭넓은 상업적 수용을 가로막는 기술적, 경제적 장벽에 직면해 있었습니다. LED의 높은 비용과 제한된 공급, 낮은 출력과 효율, 열 관리 문제에 잉크 적합성까지 더해져 시장 수용을 막는 요인이 되었습니다. UV LED 기술이 발전하면서 경화에 UV LED를 활용하는 것은 플라스틱 잉크젯 인쇄에서 가장 중요한 돌파구 중 하나라 할 수 있습니다.

핵심 요약

• 세 가지 발전이 수은 램프와의 격차를 좁혔습니다. 잉크의 재배합, 램프 출력 향상, 최대 조사 강도를 높이는 집광 렌즈입니다.
• 395 nm는 경제적인 선택인 경우가 많습니다. 파장이 길수록 365 nm보다 와트당 비용이 낮으면서 와트당 에너지를 더 많이 제공합니다.
• LED에는 다른 화학이 필요합니다. 광개시제를 램프에 맞춰야 하고, 이에 따라 모노머와 올리고머도 달라집니다.
• 수냉식은 넓은 면적에서 높은 출력 밀도에 적합하고, 공랭식은 헤드가 커지는 대신 칠러와 배관이 필요 없습니다.
• 디지털 인쇄는 소량 생산과 잦은 정지가 많으므로 즉시 켜고 끌 수 있다는 점은 생산성 향상으로 이어집니다.

UV LED 경화는 운영과 제어가 쉬우며 수은(Hg) 증기 램프에 비해 여러 장점이 있습니다. 소형 반도체 소자는 UV 램프보다 약 10배 긴 20,000시간 이상의 작동 수명을 목표로 설계됩니다. 출력이 장기간 매우 일정합니다. UV LED는 적외선(IR) 없이 순수한 UV만 방출하므로 열에 민감한 플라스틱 기재에 공정 친화적입니다. 표 1 'UV LED와 수은 증기 램프 비교'를 참조하십시오.

자주 묻는 질문

어떤 UV LED 파장을 지정해야 합니까?

응용 분야와 잉크 선택에 따라 보통 365 nm, 385 nm 또는 395 nm입니다. 파장이 길어질수록 출력과 효율은 높아지고 와트당 비용은 낮아지므로, 395 nm가 365 nm보다 경제적으로 배합을 경화하는 경우가 많습니다. 일부 화학 조성에는 더 짧은 파장이 필요합니다.

기존 수은 램프용 잉크를 LED로 그냥 경화할 수 없는 이유는 무엇입니까?

광개시제가 램프의 발광 스펙트럼에 맞춰져 있기 때문입니다. LED에는 다른 광개시제가 필요하고, 이를 바꾸려면 배합의 모노머와 올리고머도 달라져야 합니다. 잉크는 다시 경화하는 것이 아니라 재배합해야 합니다.

UV LED가 수은 램프와 경쟁할 수 있게 된 계기는 무엇입니까?

세 가지가 함께 작용했습니다. 화학자들이 램프에 맞게 잉크를 재배합하는 방법을 터득했고, 다이오드 설계 개선과 더 촘촘한 배치를 가능하게 하는 효율적인 냉각으로 램프 출력이 높아졌으며, 램프 어셈블리의 렌즈가 출력을 집중시켜 최대 조사 강도를 높였습니다.

수냉식과 공랭식 중 무엇이 낫습니까?

수냉식은 열을 매우 효율적으로 제거하고, 넓은 경화 면적의 높은 출력 밀도에 적합하며, LED 헤드를 작게 유지하여 좁은 설치 공간에 유리하지만 무게가 늘고 칠러와 배관이 추가됩니다. 공랭식은 열 부하가 허용하는 경우 그러한 복잡성을 피할 수 있습니다.

즉시 켜고 끌 수 있는 것은 실질적으로 어떤 이점이 있습니까?

생산성과 수익입니다. 디지털 인쇄는 소량 생산과 잦은 정지가 많은데, 최대 출력까지 예열해야 하는 수은 램프와 달리 LED 램프는 예열 낭비 없이 즉시 켜고 끌 수 있습니다.

UV LED 초기 개발 요인

LED와 Hg 증기 램프는 발광 스펙트럼이 다릅니다. 광개시제는 램프, 모노머, 속도, 응용 분야에 맞춰 선정됩니다. 안정적인 경화를 위해 LED에는 다른 광개시제가 필요하며, 이에 따라 배합의 모노머와 올리고머도 달라집니다.

UV LED 기술에서 가장 면밀히 검토되는 영역 중 하나는 생성되는 최대 복사 출력과 효율입니다. 잉크 경화에는 경화성 잉크에 집중된 에너지를 전달해야 합니다. 수은 Hg 램프는 대개 반사경이 있어 광선을 집중시키므로 잉크 표면에서 빛이 가장 집중됩니다. 이는 최대 출력을 크게 높이고 경쟁 반응을 방지합니다. 초기 LED 램프는 집광이 이루어지지 않았습니다.

LED 시스템은 광학계 및/또는 패키징으로 복사 에너지를 집중시켜 높은 출력과 효율을 달성할 수 있습니다. 고출력 시스템은 LED 다이를 그룹으로 묶은 어레이를 사용합니다. 조사 강도는 LED 다이의 접합 온도에 반비례합니다.

다이를 더 차갑게 유지하면 수명이 늘고 신뢰성이 높아지며 효율과 출력이 향상됩니다. UV LED를 어레이로 패키징하는 데 따른 과거의 난제는 해결되었으며, 응용 분야에 따라 다른 대안도 제공됩니다. LED 기술의 개발과 채택은 상당 부분 가전제품과 디스플레이가 이끌어 왔습니다.

최근의 주요 발전

• 첫째, 배합 변경과 소재가 개발되었고 방대한 지식이 공유되었습니다. 이제 많은 화학자가 램프에 맞게 잉크를 재배합하는 방법을 이해하고 있습니다.
• 둘째, 램프 출력이 높아졌습니다. 다이오드 설계가 개선되고 냉각이 더 효율적이어서 다이오드를 더 촘촘히 배치할 수 있습니다. 이는 램프 면, 더 정확하게는 유체에서의 단위 면적당 와트로 측정되는 램프 출력을 높입니다.
• 셋째, 램프 어셈블리의 렌즈가 출력을 집중시켜 최대 조사 강도가 높아졌습니다. 이러한 발전이 결합되면서 LED는 많은 응용 분야에서 Hg 램프보다 우수하지는 않더라도 직접 경쟁할 수 있게 되었습니다.

파장

응용 분야와 잉크 선택에 따라 제공되는 파장은 보통 365nm, 385nm, 395nm를 포함합니다. 특정 화학 조성에는 더 높은 파장도 제공됩니다. 파장이 길어질수록 출력, 효율, 비용도 함께 커집니다. 예를 들어 365nm LED는 395nm LED보다 출력이 낮습니다.

다이의 성능은 파장이 길수록 좋고, 더 많은 에너지를 내면서 와트당 출력 비용은 낮아집니다. 적용 사례를 보면 395nm 솔루션이 365nm 대안보다 경제적으로 배합을 효과적으로 경화하는 경우가 많습니다. 다만 안정적인 경화를 위해 365nm 또는 더 짧은 파장이 필요한 경우도 있습니다.

통합 시스템 솔루션

LED 경화는 디지털 잉크젯 인쇄를 가장 잘 보완합니다. 왕복 프린트헤드에서는 뜨겁고 무거운 Hg 램프가 대형 스캐닝 시스템 프레임을 필요로 하지만, LED에서는 그럴 필요가 없습니다. 고정 헤드 장비는 프린트헤드를 모듈로 조립하여 겹치는 열로 설치합니다. 작고 발열이 적은 UV 램프는 헤드 모듈에 부착하기에 알맞습니다. 또한 디지털 인쇄는 소량 생산과 잦은 정지가 많으므로 즉시 '켜기/끄기'가 가능하면 생산성과 수익이 높아집니다.

열 관리와 광학계

열 관리 방식에는 수냉과 공랭 두 가지가 있습니다. 수냉은 열을 제거하는 매우 효율적인 방법으로, 특히 넓은 경화 면적에서 높은 출력 밀도가 필요한 응용 분야에 적합합니다. 수냉을 사용하면 더 높은 효율과 신뢰성으로 더 낮은 온도를 얻을 수 있습니다.

수냉의 두 번째 장점은 UV LED 헤드 크기가 작아 경화 영역 주변 공간이 제한된 곳에도 통합할 수 있다는 점입니다. 수냉 솔루션의 단점은 경화 장치의 무게가 늘고 칠러와 수 배관으로 인해 복잡성과 비용이 추가된다는 점입니다.

두 번째 열 관리 솔루션은 공랭입니다. 공랭은 본질적으로 물보다 열 제거 효과가 낮습니다. 그러나 강화된 공기 흐름 방식과 광학계를 활용하면 일반적으로 제곱센티미터당 최대 12W에 이르는 매우 효과적인 공랭 경화 시스템을 구현할 수 있습니다. 공랭 시스템의 장점은 통합이 쉽고, 가볍고, 비용이 낮으며, 외부 칠러가 필요 없다는 점입니다.

UV LED 출력을 극대화하는 것이 중요합니다. 선별된 광학계를 통해 LED의 에너지를 기재나 잉크에 더 잘 전달할 수 있습니다. 반사에서 렌즈를 이용한 집광에 이르기까지 다양한 기법이 통합 시스템에 적용됩니다. 광학계는 특정 성능 기준에 맞게 맞춤 제작할 수 있습니다. OEM(최종 사용자)이 UV LED 램프에서 광학계가 어떻게 구현되는지까지 반드시 신경 쓸 필요는 없지만, 공급업체마다 전문성이 다르며 모든 UV LED 시스템이 동등하지 않다는 점은 인식해야 합니다.

Scott R. Sabreen은 플라스틱 2차 가공 제조 공정(레이저 마킹, 표면 전처리, 접착 결합, 장식 및 마감, 제품 보안)을 전문으로 하는 엔지니어링 기업 The Sabreen Group, Inc.의 설립자이자 사장입니다. Sabreen은 30년 넘게 선구적인 기술을 개발하고 제조 문제를 해결해 왔습니다. 972.820.6777로 연락하시거나 www.sabreen.com 또는 www.plasticslasermarking.com을 방문하시면 됩니다.

Dene Taylor 박사는 2000년에 인쇄 및 포장 산업을 위한 SPF-Inc.를 설립하여 디지털 인쇄를 새로운 시장과 응용 분야에 맞게 적용하는 데 주력해 왔습니다. 나노 화학자인 그는 보유한 미국 특허 25건 중 절반가량이 디지털 인쇄와 관련되어 있습니다. SGIA, TAPPI, RadTech 회원입니다. [email protected]으로 연락하실 수 있습니다.

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