KR100914027B1 - 라이트튜브를 이용한 광중합 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광중합 반응기 내의 광중합 물질에 광에너지를 효율적으로 전달하기 위해 라이트튜브(Light Tube), 라이트가이드(Light Guide) 등의 광에너지 전달 매개체를 이용하는 광중합 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광중합을 필요로 하는 분야에 사용되는 다양한 레진, 폴리머 합성, 필름 가공을 광중합에 의하여 경화시켜 제품을 생산하기 위한 원통 또는 다각통 형의 광중합반응탱크와, 광중합 반응물의 교반을 위해 다수의 임펠러가 형성된 교반기와, 라이트튜브에 광원을 삽입하여 형성된 에너지발생장치를 상기 광중합반응탱크 내부 또는 외부에 설치하여 구성된 광중합 장치에 관한 것이다.
라이트튜브, 광중합, 광에너지, 증착, 파장, 석영, 파이렉스, 유리, 아크릴

Description

라이트튜브를 이용한 광중합 장치{LIGHT CURING UNIT USING LIGHT GUIDE TUBE}
본 발명은 광원을 광에너지 전달 매개체인 라이트튜브 내부 또는 외부에 삽입하여 형성된 에너지발생장치를 이용하여 레진, 폴리머 합성, 필름 가공에 따른 광중합 반응을 효율적으로 할 수 있도록 구성된 광중합 장치에 관한 것이다.
현대생활에서는 플라스틱, 합성섬유, 합성고무부터 시작하여 종이 포장재료 등에 까지 광범위한 합성고분자가 사용되고 있다. 합성고분자 중의 감광성 고분자는 광(U.V, visible, IR, E-beam, X-ray)의 작용에 의하여 단시간 내에 화학적 변화를 일으킴으로써 용해도, 점도, 투면도, 굴절률 등의 물성변화를 일으키는 재료이고, IC, LSI, VLSI의 미세 가공분야의 중요한 것이다. 또한 광이 조사되는 부분에서 선택적으로 작용이 일어나는 장점 때문에 광 개시제를 이용한 U.V-curing resin 표면코팅에, 광분해형 고분자의 Tg, 결정성 등 물리적 성질 개선으로 농업용 비닐 응용에 확대되고 있다.
광중합은 감광성 촉매로 총칭되는 광개시제와 광증감제에 의해서 자외선의 흡수는 방향족 화합물에서는
Figure 112008002348100-pat00001
전자전이 또는 카르보닐 화합물에서는
Figure 112008002348100-pat00002
전이가 동반되며 흡수된 광에너지는 Jablonsky Diagram처럼 불활성된다.
광중합 반응은 광이량화 반응이 대부분이며 각 반응에 하나의 광자가 필요한 직접 광중합반응(Direct photopolymerization)과 생성된 개시제 라디칼의 연쇄중합에 의한 광개시 중합반응으로 크게 나눌 수 있다.
여기된 분자의 광 개시 반응은 원래 단일항 상태와 삼중항 상태의 반응성은 비슷하나 삼중항 상태의 수명이 길기 때문에 대부분 광 화학 반응은 삼중항 상태에서 일어난다고 알려져 있다.
종래에는 레진(resin), 폴리머 합성, 필름 가공 등을 열에 의해 개시제를 넣고 열에 의해 열중합을 하는 방법을 사용하였으나, 이런 종래의 방법은 열 에너지에 대한 비용이 많이 들고, 반응시간이 수 시간에서 수십 시간까지 걸리며 고고형분화(高固形分化)가 어려울 뿐만 아니라, 용제를 사용하여야 하기 때문에 환경에 영향을 미치는 문제가 있었다.
상기와 같은 문제를 해결하고자 본 발명에서는 반응시간을 수 초에서 수십 초로 단축할 수 있고, 용제 등의 유해물질을 사용하지 않음으로써 친환경적이며, 광에너지 발생장치를 광중합반응기 내부에 효율적으로 설치할 수 있도록 하여, 생산 비용절감, 장치 성형의 용이성, 환경보호의 효과를 갖는 라이트튜브를 이용한 광중합 장치의 제공을 발명의 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 원통 또는 다각통 형의 광중합반응탱크와, 그 광중합반응탱크의 내부에 설치되어 반응물의 교반을 위한 다수의 임펠러가 부착된 교반기와, 그 교반기와 간섭되지 않도록 배치하여 반응물에 에너지를 공급하도록 설치되어 있는 에너지발생장치로 구성되고, 그 에너지발생장치는 에너지 전달 매개체인 라이트튜브 내부에 광원을 삽입하여 형성되는 것으로, 그 라이트튜브는 석영(Quartz), 파이렉스(Pyrex), 유리(Glass), 아크릴(Acryl), 광섬유, 글래스 샤프트(Glass Shaft) 중 선택되는 어느 1종의 재질의 5 ~ 50mm 관경을 갖는 원통형 관 외부표면에 TiO2, SiO2, SiO2, ZrO2, ZnS, MgF2, In2O3, Cr2O3, Ai, Pt, Au, Ag, Cu, Cr, Si, Ni, Ta2O3, Ge 중 선택되는 어느 1종 이상의 증착물질을 진공 증착하여 1 ~ 100층의 증착막을 형성하여, 그 원통형 관의 외측 표면에 형성된 증착막의 광의 간섭을 이용하여 100 ~ 3500㎚의 범위에서의 특정 파장만이 투과되도록 구성된 라이트튜브를 이용한 광중합 장치를 그 주요 기술적 구성으로 한다.
이하, 상기한 기술적 구성을 더욱 상세히 살펴보도록 한다.
상기 광중합반응탱크는 광중합 반응을 위한 공간으로 그 재질은 스테인리스 스틸(Stainless Steel, STS)이 대표적이며, 그 형태로는 기본적인 원통형 외에 사각박스 형 등의 다각형 형태가 사용가능하다.
상기 광중합반응탱크 내부의 광중합 물질의 광중합 반응을 위한 에너지로는 UV(자외선), EB(전자빔), 적외선, X-선, 가시광선 또는 엑시머 레이저의 레이저선, 일광 및 열선(예를 들면, 방사열 및 복사열) 중 선택되는 어느 1종 이상이 사용되며, 그 에너지는 자외선 램프(UV LAMP), 비져블 램프(VISIBLE LAMP), 아이알 램프(IR LAMP), 전자빔(EB), 레이저(RASER)의 광원으로부터 공급된다.
그 광원은 광중합반응탱크의 외부 또는 내부에 설치가능하며, 외부에 설치할 경우에는 스테인리스 스틸(Stainless Steel, STS) 재질로 이루어진 광중합반응탱크 일부분을 하기의 라이트튜브 재질을 사용하여 광에너지 전달 영역을 형성한다.
그리고 광원을 내부에 설치하는 경우에는 그 광원을 라이트튜브 내부에 삽입하여 형성된 에너지발생장치를 교반기와 중첩되지 않도록 설치하여 사용한다. 상기 라이트튜브는 레진(resin), 폴리머 합성, 필름 가공의 광중합 반응을 위한 광에너지 전달 매개체 역할을 한다.
상기 광중합반응탱크 내부에는 레진 등의 광중합 물질의 교반을 위한 교반기가 설치되며, 그 교반기에는 다수개의 임펠러가 형성된다. 그 교반기는 다수개의 임펠러를 이용하여 교반을 통한 반응성을 높이며 이때 교반속도는 60 ~ 100rpm 이다. 그 교반속도가 60rpm 미만인 경우에는 반응물의 충분한 교반이 이루어지지 않아 반응성 향상을 기대할 수 없고, 100rpm을 초과하게 되는 경우에는 필요 이상의 에너지가 사용되어 비효율적이므로, 상기 교반속도는 60 ~ 100rpm을 유지하는 것이 바람직하다.
그리고 그 교반기는 광중합반응탱크 외부의 모터로 작동되는 속도조절기와 연결되어 있어 그 교반속도를 조절할 수 있도록 구성된다.
또한 광중합반응탱크 외부에는 광중합 반응과정에서 발생하는 열을 감지하여 냉각장치와 연결되어 광중합반응탱크의 온도를 조절할 수 있는 온도조절계가 구성된다.
상기 에너지발생장치는 광중합반응탱크 내부의 광중합 물질에서 광중합 반응이 일어날 수 있도록 광에너지를 공급하기 위한 것으로, 앞서 살펴본 바와 같이, 광원이 라이트튜브 내부에 삽입된 형태로 구성된다.
그 라이트튜브는 석영(Quartz), 파이렉스(Pyrex), 유리(Glass), 아크릴(Acryl), 광섬유, 글래스 샤프트(Glass Shaft) 중 선택되는 어느 1종의 재질의 판형 일측면을 TiO2, SiO2, SiO2, ZrO2, ZnS, MgF2, In2O3, Cr2O3, Ai, Pt, Au, Ag, Cu, Cr, Si, Ni, Ta2O3, Ge 중 선택되는 어느 1종 이상의 증착물질을 1 ~ 100층으로 진공 증착하여 제조된다.
상기 광원을 라이트튜브에 삽입하지 않고 광중합반응탱크 내부에 직접 설치하게 되는 경우에는 광원이 레진 등의 광중합 물질에 직접접촉하게 되어, 광원의 수명 및 성능이 저하될 뿐만 아니라, 광중합 반응물에 심각한 오염을 줄 수 있기 때문에, 이를 방지하기 위해서는 광원을 직접 노출하지 않은 상태를 유지하는 것이 바람직하다.
즉 이와 같은 문제를 해결하기 위해 라이트튜브를 사용하게 된다. 그러나 그 라이트튜브가 광투과성이 떨어진다면 광에너지를 광중합 물질에 효율적으로 제공할 수 없기 때문에 상기의 구성을 갖는 라이트튜브를 사용하는 것이 바람직하다.
특히 광투과 효율이 좋은 석영 또는 파이렉스 재질로 튜브를 만들 경우 내화학성 및 내구성에서 더 좋은 결과를 얻을 수 있으므로, 바람직하게는 석영 또는 파이렉스 재질의 튜브 표면에 증착 물질을 진공 증착한 라이트튜브를 사용하는 것이 바람직하다.
증착막을 입힌 라이트튜브는 광의 간섭을 이용하여 100 ~ 3500㎚의 범위의 특정 파장만을 투과하며, 그 파장 범위를 벗어날 경우에는 광중합 반응이 일어나지 않거나, 일어나더라도 미미하게 일어나게 되므로, 상기 파장범위를 유지하는 것이 바람직하다.
이와 같이 라이트튜브의 구성은 광원에서 공급되는 에너지를 광중합 물질에 전달하는 매개체로서의 기능을 결정하는 것으로 매우 중요한 것이라고 할 수 있다.
상기 튜브 표면에 형성되는 증착막의 진공증착은 진공증착기를 이용하며, 10-3 Torr 이하의 고진공이 유지되는 조건에서 증착 물질을 전자빔으로 가열체 기판에서 증발시켜 튜브표면에 증착하여 이루어진다.
상기 압력이 10-3 Torr를 초과할 경우에는 증착막 형성이 용이하지 않으므로, 상기 압력은 10-3 Torr를 유지하는 것이 바람직하다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 라이트튜브를 이용한 광중합 장치는 레진, 폴리머 합성, 필름 가공을 효율적으로 할 수 있도록 광원을 라이트튜브에 삽입하여 광중합반응탱크 내부에 설치하거나, 외부에 설치하게 될 경우 스테인리스 스틸 재질의 광중합반응탱크 일부를 라이트튜브와 동일한 구성을 갖는 재질을 가짐으로서, 광중합 고고형분화 및 비용 절감과 에너지 절약 및 반응 안정성을 기대할 수 있다.
그리고 용제를 사용하지 않음으로써 환경 보호 측면에서의 효과가 있다.
또한, 종래에는 반응에 소요되는 시간이 수시간이 소요되었으나, 본 발명에 따른 광중합 장치를 이용할 경우에는 수 초에서 수십 초로 반응시간을 단축함으로써 생산성 향상을 기대할 수 있다.
더하여, 광원을 라이트튜브에 삽입하여 구성된 에너지발생장치는 성형 등의 가공성 및 취급이 용이하며, 간단한 구성으로 인해 대량 생산이 가능하여 산업화 측면에서 유리한 효과를 갖는다.
이상에서 살펴 본 기술적 구성을 도면에 도시되어 있는 내용을 참고하여 구체적으로 살펴보도록 한다.
먼저, 도 1(실시 예 1)은 본 발명의 기술적 구성을 가장 기본적으로 보여주고 있는 광중합장치(100)를 나타낸 단면도로서,
스테인리스 스틸 재질의 광중합반응탱크(1) 내부에 에너지발생장치(3)를 광중합반응탱크(1) 상부에 가로방향으로 배치하여 하부로 에너지를 전달할 수 있도록 구성되어 있다. 그 에너지발생장치(3)는 라이트튜브(31) 내부에 광원(32)이 삽입된 형태를 갖는다.
상기 광원(32)은 유브이 램프(UV LAMP), 비져블 램프(VISIBLE LAMP), 아이알 램프(IR LAMP), 전자빔(EB), 레이저(RASER) 중 선택되는 어느 1종 이상이 사용되며, 그 광원을 통해 발생하는 UV(자외선), EB(전자빔), 적외선, X-선, 가시광선 또는 엑시머 레이저의 레이저 선, 일광 및 열선(예를 들면, 방사열 및 복사열)을 광중합 반응 에너지로 사용한다.
상기 광중합반응탱크(1)는 다양한 형태로 제조하여 사용이 가능하며, 가장 대표적인 형태는 원통형이나, 사각통과 같은 다각통 형태로 제조하여 사용이 가능하다. 그리고 그 광중합반응탱크(1)에는 광중합 반응에서 발생한 열을 제어하기 위한 냉각장치 설치가 가능하다.
상기 광중합반응탱크(1)의 내부에는 반응물의 교반을 위한 교반기(2)가 설치 되며, 그 교반기(2)에는 다수의 임펠러(21)가 형성되어 효율적인 교반이 이루어지도록 한다. 그리고 그 교반기(2)는 광중합반응탱크(1) 외부의 속도조절기와 연결되어 속도표시장치를 통해 교반속도를 확인하여 속도를 조절할 수 있도록 구성된다.
상기 에너지발생장치(3)는 광중합반응탱크(1) 내부에 설치됨으로써 광중합 반응 에너지를 레진 등에 효율적으로 제공할 수 있으며, 광원(32)을 광중합 반응물질과 직접 접촉하지 않도록 라이트튜브(31) 내부에 삽입하여 구성함으로써 광중합 반응물질의 오염을 예방할 수 있고, 광원(32)의 수명 및 성능을 향상시킬 수 있다.
상기 에너지발생장치(3)에서 중요하게 고려되어야 할 것은 에너지 전달 매개체인 라이트튜브(31)로서, 석영(Quartz), 파이렉스(Pyrex), 유리(Glass), 아크릴(Acryl), 광섬유, 글래스 샤프트(Glass Shaft) 중에서 선택되는 어느 1종의 재질로 이루어진 5 ~ 50mm의 관경을 갖는 원통형 관의 바깥 표면에 TiO2, SiO2, SiO2, ZrO2, ZnS, MgF2, In2O3, Cr2O3, Ai, Pt, Au, Ag, Cu, Cr, Si, Ni, Ta2O3, Ge 중 선택되는 어느 1종 이상의 증착물질을 1 ~ 100층으로 진공 증착하여 증착막을 입힘으로써, 광의 간섭을 이용하여 광원에서 발생하는 에너지 중 100 ~ 3500㎚의 범위에서의 특정 파장만을 투과하도록 구성된다.
상기 라이트튜브(31)는 광원(32)에서 발생하는 에너지를 레진 등의 광중합 물질에 전달하는 매개체 역할을 하는 것으로, 광중합 반응에 큰 영향을 미치게 되므로 상기와 같은 구성을 갖는 라이트튜브(31)를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 광중합반응탱크(1)의 외부에는 광중합 반응과정에서 발생하는 열을 감 지하여 광중합반응탱크(1)의 온도를 조절할 수 있는 온도조절기(22)가 구성되고, 상기 교반기(2)와 연결되어 속도를 조절하는 속도조절기(23)가 구성되며, 광량을 측정하여 표시하는 광량 표시 및 광량조절기(24)가 구성된다.
상기 구성에 대한 더욱 구체적인 예를 들자면, 50mm의 관경을 갖는 유리 튜브 바깥 표면으로 TiO2을 진공증착기를 이용하여 10-3 Torr의 압력으로 1층의 두께가 0.01mm가 되도록 20층의 증착막을 형성한다.
이와 같이 유리 튜브의 바깥 표면에 증착막이 형성된 라이트튜브(31) 내부에 유브이 램프(UV LAMP)를 삽입한다.
이와 같이 구성된 에너지 발생장치(3)를 광중합반응탱크(1)의 내부 상부로 2개 설치하며, 이때 그 에너지 발생장치(3)는 교반기(2)를 사이에 두고, 그 교반기(2)와 일정간격이 떨어진 위치에 설치한다.
도 2는 본 발명의 실시 예 2에 따른 광중합장치(100)를 나타낸 단면도로서, 상기 실시 예1과 동일한 구성을 갖으나, 다만 에너지 분산성을 높이기 위해 다층 구조로 에너지 발생장치(3)를 구성하고 있다. 이는 레진 등의 광중합 물질의 광중합 반응시 균일한 에너지를 공급함으로써 광중합 반응효율을 높일 수 있음에 착안한 구성이다.
도 3은 본 발명의 실시 예 3에 따른 광중합 장치(100)를 나타낸 단면도로서, 스테인리스 스틸(STS) 재질의 광중합반응탱크(1) 외부에 광원(32)이 설치된 구성을 보이고 있는 것으로, 그 광원(32)은 광중합반응탱크(1)와 길이방향으로 동일하게 배치되도록 구성된다.
이와 같이 광원(32)이 광중합반응탱크(1) 외부에 설치되는 경우에는 그 광원(32)에서 공급되는 에너지를 광중합반응탱크(1) 내부의 광중합 반응 물질에 공급하기 위해, 스테인리스 스틸로 이루어진 광중합반응탱크(1)의 일부를 상기 실시 예 1에서 언급된 라이트튜브(31)와 동일한 재질로 형성하여 광에너지가 투과되도록 한다.
도 4는 본 발명의 실시 예 4에 따른 광중합 장치를 나타낸 단면도로서, 상기 실시 예 3과 동일한 배치로 광원(32)을 설치하나, 광중합반응탱크(1) 외부가 아닌 내부에 설치하며, 그 광원(32)은 실시 예 1에서 살펴본 라이트튜브(31) 내부에 삽입한다.
도 5는 본 발명의 실시 예 5에 따른 광중합 장치를 나타낸 단면도로서, 상기 실시 예 1 내지 4에서의 광중합반응탱크(1)와 구조를 달리한 것으로, 그 광중합반응탱크(1)가 이중 관 형태로 구성된다.
그 광중합반응탱크(1)의 내측 관(11) 내부와 광중합반응탱크(1) 외부에 각각 광원(32)이 설치되며, 그 광원(32)의 에너지를 광중합 반응물에 공급하기 위해 광 중합반응탱크(1)의 일부를 상기 실시 예 1의 라이트튜브(31)와 동일한 재질로 형성하여 광에너지가 투과되도록 한다.
도 6은 본 발명의 실시 예 6에 따른 광중합 장치의 도시한 단면도로서, 전체적인 구성은 실시 예 1 내지 4와 동일하나, 광섬유(4) 및 라이트튜브(31)와 동일한 재질을 갖는 라이트 가이드(샤프트)(5)를 광중합반응탱크(1)에 설치하여, 그 광섬유(4) 및 라이트튜브(31)의 끝단에 광원(spot cure uv cure machine)을 설치하여 막대형태의 매개체(광섬유, 라이트튜브)를 이용해 광중합반응탱크(1)의 내부로 에너지를 전달하는 구성을 보이고 있다.
도 7은 에너지발생장치(3)의 다른 실시 예를 보이고 있는 것으로, 광원(32)이 삽입된 라이트튜브(31)를 미코팅튜브(33)로 감싸고 있는 구조를 보이고 있다. 이와 같은 구조는 라이트튜브(31)를 보호할 수 있는 구조를 갖는 것으로, 광원(32)에서 발생한 광에너지는 라이트튜브(31)에 의해 100 ~ 3500㎚의 범위에서의 특정 파장만이 투과되게 되고, 이와 같이 투과된 광에너지는 미코팅튜브(유리재질 등)에 의해 광중합 물질에 그대로 광에너지가 전달될 수 있는 구조를 보이고 있다.
상기 미코팅큐브(33)는 석영(Quartz), 파이렉스(Pyrex), 유리(Glass), 아크릴(Acryl), 광섬유, 글래스 샤프트(Glass Shaft) 중 선택되는 어느 1종의 재질을 갖는다.
도 1은 본 발명의 실시 예 1에 따른 광중합 장치를 도시한 단면도.
도 2는 본 발명의 실시 예 2에 따른 광중합 장치의 도시한 단면도.
도 3은 본 발명의 실시 예 3에 따른 광중합 장치의 도시한 단면도.
도 4는 본 발명의 실시 예 4에 따른 광중합 장치의 도시한 단면도.
도 5는 본 발명의 실시 예 5에 따른 광중합 장치의 도시한 단면도.
도 6은 본 발명의 실시 예 6에 따른 광중합 장치의 도시한 단면도.
도 7은 본 발명의 에너지발생장치의 다른 실시 예를 도시한 단면도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 *
1 : 광중합반응탱크
2 : 교반기
21: 임펠러
3 : 에너지발생장치
31: 라이트튜브
32: 광원
4 : 광섬유
100: 광중합 장치

Claims (4)

  1. 원통 또는 다각통 형의 광중합반응탱크(1)와, 그 광중합반응탱크(1)의 내부 에 설치되어 반응물의 교반을 위한 다수의 임펠러(21)가 부착된 교반기(2)와, 그 교반기(2)와 간섭되지 않도록 내부에 배치하여 반응물에 에너지를 공급하도록 설치되어 있는 에너지발생장치(3)로 구성되고,
    그 에너지발생장치(3)는 에너지 전달 매개체인 라이트튜브(31) 내부에 광원(32)을 삽입하여 형성되는 것으로, 그 라이트튜브(31)는 석영(Quartz), 파이렉스(Pyrex), 유리(Glass), 아크릴(Acryl), 광섬유, 글래스 샤프트(Glass Shaft) 중 선택되는 어느 1종의 재질의 5 ~ 50mm 관경을 갖는 원통형 관 외부표면에 TiO2, SiO2, SiO2, ZrO2, ZnS, MgF2, In2O3, Cr2O3, Ai, Pt, Au, Ag, Cu, Cr, Si, Ni, Ta2O3, Ge 중 선택되는 어느 1종 이상의 증착물질을 진공 증착하여 1 ~ 100층의 증착막을 형성하여, 그 원통형 관의 외측 표면에 형성된 증착막의 광의 간섭을 이용하여 100 ~ 3500㎚의 범위에서의 특정 파장만이 투과되도록 구성된 것임을 특징으로 하는 라이트튜브를 이용한 광중합 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 진공 증착은 10-3Torr 이하의 고진공이 유지되는 조건의 진공 증착기를 이용하여 증착물질을 전자빔으로 증발시켜 튜브 표면에 증착하는 것 임을 특징으로 하는 라이트튜브를 이용한 광중합 장치.
  3. 제 1항에 있어서, 광원(22)은 라이트튜브(31) 내부에 삽입되거나 또는 광중합반응탱크(1) 외부에 설치되는 것으로, 유브이 램프(UV LAMP), 비져블 램프(VISIBLE LAMP), 아이알 램프(IR LAMP), 전자빔(EB), 레이저(RASER) 중 선택되는 어느 1종 이상인 것을 특징으로 하는 라이트튜브를 이용한 광중합 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    에너지발생장치(3)는 그 외둘레로 석영(Quartz), 파이렉스(Pyrex), 유리(Glass), 아크릴(Acryl), 광섬유, 글래스 샤프트(Glass Shaft) 중 선택되는 어느 1종의 재질로 이루어진 미코팅튜브(33)가 형성됨을 특징으로 하는 라이트튜브를 이용한 광중합 장치.
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