EP1479991A2 - Trocknung von beschichteten, insbesondere farbstoffbeschichteten CD-R und DVD Recordable Substraten mittels kurzwelliger Infrarotstrahlung zur Entfernung von Lösungsmittelresten - Google Patents

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EP1479991A2
EP1479991A2 EP20040011791 EP04011791A EP1479991A2 EP 1479991 A2 EP1479991 A2 EP 1479991A2 EP 20040011791 EP20040011791 EP 20040011791 EP 04011791 A EP04011791 A EP 04011791A EP 1479991 A2 EP1479991 A2 EP 1479991A2
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EP
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substrate
coated
wavelength
radiation
drying
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EP20040011791
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Inventor
Marco Dr. Huber
Holger Schramm
Emmerich Manfred Novak
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Singulus Technologies AG
Original Assignee
Singulus Technologies AG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F26—DRYING
    • F26B—DRYING SOLID MATERIALS OR OBJECTS BY REMOVING LIQUID THEREFROM
    • F26B15/00—Machines or apparatus for drying objects with progressive movement; Machines or apparatus with progressive movement for drying batches of material in compact form
    • F26B15/02—Machines or apparatus for drying objects with progressive movement; Machines or apparatus with progressive movement for drying batches of material in compact form with movement in the whole or part of a circle
    • F26B15/04—Machines or apparatus for drying objects with progressive movement; Machines or apparatus with progressive movement for drying batches of material in compact form with movement in the whole or part of a circle in a horizontal plane
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F26B3/00—Drying solid materials or objects by processes involving the application of heat
    • F26B3/28—Drying solid materials or objects by processes involving the application of heat by radiation, e.g. from the sun
    • F26B3/30—Drying solid materials or objects by processes involving the application of heat by radiation, e.g. from the sun from infrared-emitting elements

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for drying coated, in particular dye-coated substrates, in particular a method for removal of solvent residues from e.g. B. CD-R substrates or DVD recordable half substrates, which have been coated with an organic substance, in particular dye.
  • Optical data carriers such as CD-R, that are easy to write during production or DVD Recordable, must be made from polycarbonate or from substrates consist of a UV-cured polymer, coated with an organic dye become.
  • the respective substances, such as dyes, dissolved in organic solvents are, on a spin coating process, the so-called spin coating Applied substrates.
  • the coated substrates have to be dried, i.e. the solvent must be removed. Because a lot of different Solvents as well as different substances, e.g. B. dyes, for use come, the drying of the coated substrates must be independent of the physical properties of these substances.
  • one layer of solvent must still penetrate organic dye, which is on the polycarbonate substrate, at temperatures be heated between about 60 ° C and 100 ° C. This warming conveys the Solvent molecules have a sufficiently high mobility to reach the free surface of the Diffuse dye layer where the volatile substances then evaporate. This Evaporation is additionally supported by an increased ambient temperature. The Drying of the coated substrates must be done completely, i.e. the solvent must be removed completely, as any remaining solvent residues are unfavorable affect the quality of a finished CD-R or DVD Recordable.
  • the invention is therefore based on the object of an improved method and improved device for drying coated, in particular dye-coated To provide substrates.
  • the method according to the invention is intended in particular to Deformation of the substrates during the drying process is reduced or completely be avoided. Furthermore, the time required for the drying process should be reduced become.
  • the invention is based on the basic idea of drying a substrate with a substance dissolved in a solvent, e.g. B. dye, is coated, so for removal the solvent contained in the layer applied to the substrate, use electromagnetic radiation in the infrared range in a wavelength range, in which the substrate material absorbs radiation, for which the substrate material therefore one has the largest possible absorption coefficient.
  • the present invention is another principle of Energy input to the substrate, i.e. the basis for heating the substrate: the irradiated photons are processed by the photophysical processes Polycarbonate substrate absorbs, causing the molecular components of the material to increase Vibrations are excited. This conversion of photonic energy into Mechanical vibration energy has an effect on material heating.
  • Photon source z. B. infrared emitters used the photons in the short-wave Emit infrared range. The spectral emission maximum of the used Infrared emitters are at wavelengths between approximately 1.3 ⁇ m and 1.7 ⁇ m. This area corresponds to a sharply defined absorption band of the polycarbonate, which is around 1.5 ⁇ m lies. As a result, more than 60% of the radiant energy absorbed by the polycarbonate while outside of this Wavelength window essentially no absorption takes place.
  • the method according to the invention is significant and is of the order of about 10 Seconds.
  • the method according to the invention shortens the drying process The time required is significant compared to the known method and depends on the method used Dye between about 10 and 20 s. Since the infrared radiation continues only in areas is absorbed near the surface of the irradiated side of the substrate and thus the If the substrate is only heated in these areas, the mechanical stability of the remains Polycarbonate substrate obtained during drying.
  • Dye and solvent and their amount between about 10 and 20 s.
  • the coating i.e. the solvent or the dissolved substance, e.g. the dye
  • the coating has a relatively high absorption coefficient.
  • the Application layer not heated by the substrate but directly.
  • the drying process time is reduced from a few minutes a few seconds.
  • the on the Limited surface heating ensures the maintenance of mechanical stability of the substrates against warping and further leads to a rapid cooling of the Substrates after drying. This means that further process steps at Production of such easily writable media is simplified.
  • the drying device according to the invention can be used, for example, as a continuous system be trained.
  • the embodiment shown in FIGS. 1 and 2 is concerned is a continuous system in which the substrates circulate on a circular path.
  • the Substrates can, for example, CD-R substrates or DVD R half substrates, or DVD R Dual layer half substrates, or Blu-Ray Recordable or HD DVD Recordable half substrates his.
  • the device housing 1 is cylindrical, which on a coaxial base plate 2 is arranged.
  • a circular orbit Support arrangements 5 On the rotary indexing table 3 there are several in a circular orbit Support arrangements 5 are provided, on which substrates to be dried (not shown) are filed; these particularly circular substrates are centered by an inner support 5b and supported on the outer edge by an outer support 5a, i.e. these substrates lie only on the support device in order to Avoid impairments of the drying effect as far as possible. Between the adjacent support arrangements are for separating the respective Drying positions arranged chamber plates 8, the levels of which are in the Cut device axis A.
  • Radiation source arrangement 7 with brackets 6 for the radiation sources 7a such as for example IR emitters.
  • a substrate to be dried is attached to one Feed position 9 with the help of a transport device, not shown, in the Feed position 9 loaded, and after the rotation of the rotary indexing table 3 with the substrates the dried substrate at the discharge position 10 with the help of completed drying a transport device, also not shown, of the substrate support arrangement removed and then processed in a suitable manner.
  • the drying device according to the invention is preferably used in an overall system Manufacture of optical data carriers used; the described invention Concept enables use in existing, conventional production plants for optical data carriers without significant changes to this system.

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Abstract

Durch die Erfindung wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Trocknung eines Substrats, insbesondere eines CD-R Substrats oder eines DVD Recordable Halbsubstrats, das mit einem in einem Lösungsmittel gelösten Farbstoff beschichtet ist, bereitgestellt, bei dem das beschichtete Substrat mit elektromagnetischer Strahlung im Infrarotbereich bestrahlt wird. Die beschichtete Seite des Substrats wird dabei mit Strahlung im kurzwelligen Infrarotbereich mit einem Intensitätsmaxium bei einer Wellenlänge vorzugsweise zwischen etwa 1,3 µm und 1,7 µm bestrahlt. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Trocknung von beschichteten, insbesondere farbstoffbeschichteten Substraten, insbesondere ein Verfahren zur Entfernung von Lösungsmittelresten von z. B. CD-R Substraten oder DVD Recordable Halbsubstraten, die mit einer organischen Substanz, insbesondere Farbstoff, beschichtet wurden.
Während der Fertigung einfach beschreibbarer optischer Datenträger, wie beispielsweise CD-R oder DVD Recordable, müssen die Substrate, die üblicherweise aus Polycarbonat oder aus einem UV-gehärtetem Polymer bestehen, mit einem organischen Farbstoff beschichtet werden. Die jeweiligen Substanzen, wie Farbstoffe, die in organischen Lösungsmitteln gelöst sind, werden über ein Rotationsbeschichtungsverfahren, das sogenannte Spin-coating, auf die Substrate aufgebracht. Anschließend müssen die beschichteten Substrate getrocknet werden, d.h. das Lösungsmittel muss entfernt werden. Da eine Vielzahl unterschiedlicher Lösungsmittel sowie unterschiedliche Substanzen, z. B. Farbstoffe, zur Verwendung kommen, muss die Trocknung der beschichteten Substrate unabhängig von den physikalischen Eigenschaften dieser Stoffe erfolgen.
Je nach verwendetem Lösungsmittel muss eine Schicht eines noch lösungsmitteldurchsetzten organischen Farbstoffs, die sich auf dem Polycarbonatsubstrat befindet, auf Temperaturen zwischen etwa 60°C und 100°C erwärmt werden. Diese Erwärmung vermittelt den Lösungsmittelmolekülen eine genügend hohe Mobilität, um zur freien Oberfläche der Farbstoffschicht zu diffundieren, wo die flüchtigen Stoffe dann verdunsten. Diese Verdunstung wird durch eine erhöhte Umgebungstemperatur zusätzlich unterstützt. Die Trocknung der beschichteten Substrate muss vollständig geschehen, d.h. das Lösungsmittel muss restlos entfernt werden, da sich eventuell zurückbleibende Lösungsmittelreste ungünstig auf die Qualität einer fertiggestellten CD-R oder DVD Recordable auswirken.
In bekannten Verfahren zum Trocknen farbstoffbeschichteter Substrate werden Heißluftöfen eingesetzt. Hierbei nimmt das zu trocknende Substrat Wärme durch einen Wärmeübertrag an der Kontaktfläche Luft/Substrat auf. Durch diese vergleichsweise uneffektive Art des Energieübertrags zwischen Luft und dem Polycarbonatsubstrat bzw. der Farbstoffschicht beträgt die Dauer des Trocknungsprozesses je nach verwendetem Farbstoff zwischen zehn und zwanzig Minuten. Neben der zu trocknenden Farbstoffschicht wird bei diesem bekannten Verfahren das gesamte Polycarbonatsubstrat aufgeheizt. Ein unerwünschter Nebeneffekt dieser Erwärmung ist die Erweichung des Polycarbonatträgers, wodurch das Substrat sich in radialer und axialer Richtung mechanisch verformen kann. In Kombination mit der langen Prozesszeit führt die Materialerweichung zu einer starken Einwirkung der Gravitation, wodurch das Substrat gebogen wird. Mechanische Unterstützungen, die diesem schädlichen Einfluss entgegenwirken sollen, sind nur begrenzt einsetzbar, denn sie dürfen nicht die Gleichmäßigkeit der Erwärmung stören, indem sie den Strom der Heißluft beeinflussen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zur Trocknung beschichteter, insbesondere farbstoffbeschichteter Substrate bereitzustellen. Durch das erfindungsgemäße Verfahren soll insbesondere die Verformung der Substrate während des Trocknungsprozesses verringert bzw. vollständig vermieden werden. Weiterhin soll die für den Trocknungsprozess benötigte Zeit verringert werden.
Die Aufgaben werden durch die in den Patentansprüchen enthaltenen Merkmale gelöst.
Die Erfindung basiert auf dem Grundgedanken, zur Trocknung eines Substrats, das mit einer in einem Lösungsmittel gelösten Substanz, z. B. Farbstoff, beschichtet ist, also zum Entfernen des in der auf dem Substrat aufgetragenen Schicht enthaltenen Lösungsmittels, elektromagnetische Strahlung im Infrarotbereich in einem Wellenlängenbereich einzusetzen, in dem das Substratmaterial Strahlung absorbiert, für den das Substratmaterial also einen möglichst großen Absorptionskoeffizienten hat, zu verwenden. Vorzugsweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die beschichtete Seite des Substrats mit Strahlung im kurzwelligen Infrarotbereich mit einem Intensitätsmaximum bei einer Wellenlänge zwischen etwa 1 µm und 2 µm, vorzugsweise zwischen 1,3 µm und 1,7 µm bestrahlt, da das Polycarbonat, aus dem die CD- und DVD- Substrate bestehen, in diesem Bereich eine Absorptionsbande aufweist.
Im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren zur Trocknung von beschichteten Substraten und zur Verwendung eines Heißluftofens liegt der vorliegenden Erfindung ein anderes Prinzip des Energieeintrages auf das Substrat, also zur Erwärmung des Substrates zu Grunde: Die eingestrahlten Photonen werden durch photophysikalische Prozesse durch das Polycarbonatsubstrat absorbiert, wodurch die molekularen Bestandteile des Materials zu Schwingungen angeregt werden. Diese Umwandlung von photonischer Energie in mechanische Schwingungsenergie wirkt sich in einer Materialerwärmung aus. Als Photonenquelle werden z. B. Infrarotstrahler eingesetzt, die Photonen im kurzwelligen Infrarotbereich emittieren. Das spektrale Emissionsmaximum der verwendeten Infrarotstrahler liegt bei Wellenlängen zwischen etwa 1,3 µm und 1,7 µm. Dieser Bereich entspricht einer scharf definierten Absorptionsbande des Polycarbonats, die bei etwa 1,5 µm liegt. Dadurch werden in dem genannten Wellenlängenbereich mehr als 60 % der eingestrahlten Energie vom Polycarbonat absorbiert, während außerhalb dieses Wellenlängenfensters im Wesentlichen keine Absorption stattfindet.
Da photophysikalische Prozesse innerhalb von Sekundenbruchteilen ablaufen und die eingestrahlte elektromagnetische Energie direkt durch Schwingungsanregung in Wärmenergie umgewandelt wird, verkürzt sich die zum Aufheizen des Substrats benötigte Zeit durch das erfindungsgemäße Verfahren signifikant und liegt in der Größenordnung von etwa 10 Sekunden.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren verkürzt sich die für den Trocknungsprozess benötigte Zeit signifikant gegenüber dem bekannten Verfahren und liegt je nach verwendetem Farbstoff zwischen etwa 10 und 20 s. Da weiterhin die Infrarotstrahlung nur in Bereichen nahe der Oberfläche der bestrahlten Seite des Substrates absorbiert wird und somit das Substrat nur in diesen Bereichen aufgeheizt wird, bleibt die mechanische Stabilität des Polycarbonatsubstrats während der Trocknung erhalten.
Die Erwärmung der das Lösungsmittel enthaltenden Auftragsschicht, z. B. Farbstoffschicht, findet durch Wärmeabgabe durch das Polycarbonatsubstrat statt. Da die Dicke der Auftragsschicht in einer Größenordnung von nur etwa 100 nm liegt, wird auch die Auftragsschicht innerhalb weniger Sekunden vollständig -aufgeheizt. Die für den gesamten Trocknungsprozess benötigte Zeit beträgt damit je nach verwendeter Substanz, z. B.
Farbstoff, und Lösungsmittel sowie deren Menge etwa zwischen 10 und 20 s. Durch die verkürzte Prozesszeit und durch die Tatsache, dass die Infrarotabsorption und damit die Materialaufheizung nur oberflächennah an der bestrahlten Seite stattfindet, wird die vollständige Erweichung des Polycarbonatsubstrats und damit das durch den Einfluss der Gravitation bewirkte Verbiegen des Substrats vermieden.
Es ist auch möglich, das spektrale Emissionsmaximum der Infrarotstrahlen so zu wählen, daß die Beschichtung, d.h. das Lösungsmittel bzw. die gelöste Substanz, also z.B. der Farbstoff, einen relativ hohen Absorptionskoeffizienten aufweist. In diesem Falle wird also die Auftragsschicht nicht durch das Substrat sondern direkt erwärmt.
Durch die Nutzung eines effektiveren Energieeintrages gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung, verkürzt sich die Trocknungsprozesszeit von einigen Minuten auf einige Sekunden. Die Anwendung der Infrarotbestrahlung gemäß der vorliegenden Erfindung in Reihen- bzw. Inline-Fertigungsanlagen von CD-R oder DVD Recordable ermöglicht somit eine platz- und prozesszeitsparende Realisierung des Trocknungsprozesses. Die auf die Oberfläche beschränkte Erwärmung gewährleistet die Erhaltung der mechanischen Stabilität der Substrate gegen Verwerfungen und führt weiterhin zu einer raschen Abkühlung der Substrate nach der Trocknung. Damit wird die Durchführung weiterer Prozessschritte bei der Herstellung solcher einfach beschreibbarer Medien vereinfacht.
Die Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die anliegende Zeichnung näher erläutert; es zeigen:
  • Figur 1 eine Schrägansicht einer Trockenstation gemäß der vorliegenden Erfindung und
  • Figur 2 eine Schrägansicht eines Axialschnitts einer erfindungsgemäßen Trockenstation.
    • Die erfindungsgemäße Trocknungsvorrichtung kann beispielsweise als Durchlaufanlage ausgebildet sein. Bei der in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsform handelt es sich um eine Durchlaufanlage, bei der die Substrate auf einer Kreisbahn umlaufen. Die Substrate können beispielsweise CD-R Substrate oder DVD R Halbsubstrate, oder DVD R Dual Layer Halbsubstrate, oder Blu-Ray Recordable oder HD DVD Recordable Halbsubstrate sein. Bei dieser Ausführungsform ist das Gerätegehäuse 1 zylindrisch ausgebildet, das auf einer dazu koaxialen Grundplatte 2 angeordnet ist. Oberhalb der Grundplatte 2 ist ein Drehteller in Form eines Rundschalttisches 3 angeordnet, der durch einen Antriebsmotor 4 in Drehbewegung versetzt wird; dieser Antriebsmotor 4 befindet sich gemäß Figur 2 auf der Grundplatte 2 etwa koaxial zum Gerätezylinder und schaltet den Rundschalttisch 3 in Richtung des Pfeils B schrittweise und synchron mit der Zufuhr von Substraten an einer Zufuhrposition 9 und entsprechend synchron zum Abführen von getrockneten Substraten an der Abführposition 10 fort.
    Auf dem Rundschalttisch 3 sind auf einer kreisförmigen Umlaufbahn mehrere Unterstützungsanordnungen 5 vorgesehen, auf denen zu trocknende Substrate (nicht dargestellt) abgelegt werden; diese insbesondere kreisförmigen Substrate werden mittig von einer Innenunterstützung 5b und am Außenrand durch eine Außenunterstützung 5a abgestützt, d.h. diese Substrate liegen nur kleinflächig auf der Unterstützungseinrichtung auf, um Beeinträchtigungen der Trocknungswirkung möglichst weitgehend zu vermeiden. Zwischen den nebeneinanderliegenden Unterstützungsanordnungen sind zur Trennung der jeweiligen Trocknungspositionen voneinander Kammerbleche 8 angeordnet, deren Ebenen sich in der Geräteachse A schneiden.
    Axial versetzt oberhalb der kreisförmig angeordneten Substrat-Unterstützungsanordnung 5, 5a, 5b für die mehreren Substrate befindet sich eine dazu koaxiale, kreisförmige Strahlungsquellenanordnung 7 mit Halterungen 6 für die Strahlungsquellen 7a, wie beispielsweise IR-Strahler.
    Wie in Figur 1 schematisch angedeutet, wird ein zu trocknendes Substrat an einer Zuführposition 9 mit Hilfe einer nicht dargestellten Transporteinrichtung in die Zuführposition 9 geladen, und nach dem Umlauf des Rundschalttisches 3 mit den Substraten wird mit beendigter Trocknung das getrocknete Substrat an der Abführposition 10 mit Hilfe einer ebenfalls nicht dargestellten Transporteinrichtung von der Substrat-Unterstützungsanordnung entnommen und dann in geeigneter Weise weiter bearbeitet.
    Die erfindungsgemäße Trocknungseinrichtung wird vorzugsweise in einer Gesamtanlage zur Herstellung von optischen Datenträgern eingesetzt; das beschriebene erfindungsgemäße Konzept ermöglicht den Einsatz bei bereits bestehenden, herkömmlichen Produktionsanlagen für optische Datenträger ohne wesentliche Änderung dieser Anlage.

    Claims (17)

    1. Verfahren zur Trocknung eines Substrats, das mit einer in einem Lösungsmittel gelösten Substanz beschichtet ist, durch Bestrahlung mit elektromagnetischer Strahlung, wobei die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung so gewählt ist, dass das Substratmaterial und/oder das Lösungsmittel und/oder die gelöste Substanz bei dieser Wellenlänge einen relativ hohen Absorptionskoeffizienten aufweist.
    2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die gelöste Substanz ein Farbstoff ist.
    3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die beschichtete Seite des Substrats bestrahlt wird.
    4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die gelöste Substanz eine organische Verbindung ist.
    5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die gelöste Substanz ein organischer Farbstoff ist.
    6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Substratmaterial ein Polycarbonat oder ein UV-gehärtetes Polymer ist.
    7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Substrat ein CD-R Substrat oder ein DVD R Halbsubstrat oder ein DVD R Dual Layer Halbsubstrat, oder ein Blu-Ray Recordable oder ein HD DVD Recordable Halbsubstrat ist.
    8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Strahlung im kurzwelligen Infrarotbereich liegt.
    9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Strahlung ein Intensitätsmaximum bei einer Wellenlänge zwischen 1 µm und 2 µm aufweist.
    10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Strahlung ein Intensitätsmaximum bei einer Wellenlänge zwischen 1,3 µm und 1,7 µm aufweist.
    11. Vorrichtung zur Trocknung eines Substrats, das mit einer in einem Lösungsmittel gelösten Substanz beschichtet ist mit einer Strahlungsquelle (7) zum Bestrahlen des Substrats, deren Strahlungswellenlänge so gewählt ist, dass das Substratmaterial und/oder das Lösungsmittel und/oder die gelöste Substanz bei dieser Wellenlänge einen relativ hohen Absorptionskoeffizienten aufweist.
    12. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die gelöste Substanz ein Farbstoff ist.
    13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Strahlungsquelle Infrarotstrahlung im kurzwelligen Infrarotbereich emittiert.
    14. Vorrichtung nach Anspruch 11, 12 oder 13, wobei das spektrale Emissionsmaximum der Strahlungsquelle bei einer Wellenlänge zwischen 1,3 µm und 1,7 µm liegt.
    15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei das spektrale Emissionsmaximum der Strahlungsquelle bei einer Wellenlänge von 1,5 µm liegt.
    16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15 mit einer Durchlaufanordnung (3, 4, 5) zwischen einer Zuführposition (9) und einer Abführposition (10) und einer Strahlungsquellenanordnung (7) zum Bestrahlen der Substrate auf der Durchlaufstrecke.
    17. Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei die Durchlaufstrecke kreisförmig oder gerade ist.
    EP20040011791 2003-05-19 2004-05-18 Trocknung von beschichteten, insbesondere farbstoffbeschichteten CD-R und DVD Recordable Substraten mittels kurzwelliger Infrarotstrahlung zur Entfernung von Lösungsmittelresten Withdrawn EP1479991A2 (de)

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