KR101569539B1 - 유전체 재료 상의 전하를 변경시키기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

유전체 재료 상의 전하를 변경시키는 방법은 적어도 약전도성의 액체를 유전체 재료의 적어도 일부분에 도포하는 것을 포함한다. 액체는 이어서 유전체 재료로부터 적어도 부분적으로 제거되어, 유전체 재료의 적어도 일부분 상에 실질적으로 균일한 정전기 전하를 남긴다. 몇몇 방법은 순 중성임과 동시에 완전 중성인 유전체 재료를 제공한다. 다른 방법은 후속 처리를 위해 사용되는 전하 패턴을 생성한다.

Description

유전체 재료 상의 전하를 변경시키기 위한 장치 및 방법{APPARATUS AND METHODS FOR ALTERING CHARGE ON A DIELECTRIC MATERIAL}

본 발명은 중합체 웨브(web)와 같은 유전체 재료 상의 전하를 중화(neutralizing) 또는 달리 변경시키기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다.

중화

웨브가 다양한 롤러, 바아(bar) 및 기타 웨브 취급 장비 위로 그리고 그 둘레로 이동하는 웨브 취급 작업에서 웨브(예를 들어, 중합체 웨브) 상의 정전기 전하의 발생은 자주 일어난다. 웨브 상의 정전기 전하는 웨브와 다양한 롤 및 장비의 접촉 및 분리, 필름의 롤의 풀림/감김 및 웨브의 E-빔 또는 코로나 처리(AC 또는 DC)에의 노출을 비롯한 많은 원인으로부터 발생한다. 웨브 내의/상의 전하는 또한 캐스팅(casting) 동안의 필름의 정전기 피닝(electrostatic pinning)과 같은 이전의 공정들로부터 존재할 수 있다. 웨브 상의 정전기 전하는 스파크 점화(spark ignition) 위험으로 인해, 뿐만 아니라 이들 정전기 전하가 이후에 코팅된 액체 층을 붕괴시켜서 바람직하지 않은 패턴을 형성하게 할 수 있기 때문에, 정밀 코팅의 영역에 해로울 수 있다(예를 들어, 문헌["Coating & Drying Defects", Gutoff and Cohen, Wiley, NY, 1995] 참조). 불균질한 전하 패턴 외에도, 균질한 전하가 또한 코팅 결함을 생성할 수 있다.

예를 들어, 사진 산업에서, 사진 코팅 물질이 랜덤하게 대전된 웨브에 도포될 때, 이러한 사진 코팅 물질의 상당한 불균일한 두께 분포가 종종 발생한다. 사진 필름에 사용되는, 폴리에스테르계 물질 등과 같이 고유전성 물질의 높은 표면 저항으로 인해, 다양한 세기 및 극성의 비교적 높은 정전기 전하가 서로 매우 인접한 웨브 영역들을 차지하는 것은 아주 흔하다. 이러한 코팅 물질을, 예를 들어 사진의 포지티브(positive) 또는 네거티브(negative) 성분으로 사용하는 것은 웨브 전체에 걸쳐 적어도 최소 두께 코팅을 제공하고 그럼으로써 그러한 불균일한 두께 분포를 보상하기 위해 종종 비교적 두꺼운 코팅의 사용을 필요로 하며, 이는 효과적인 코팅 두께를 생성하기 위해 필연적으로 비교적 고가의 사진 코팅 물질의 사용의 증가를 가져온다. 사진 반점(photographic mottle)과 같은 시각적 효과가 또한 불균일하게 대전된 웨브를 사진 코팅 물질로 코팅한 결과이다. 과거의 관행은 이러한 불균일한 전하 분포 및 그의 단점을 허용하는 것 또는 사진 코팅 물질을 도포하기 전에 랜덤하게 대전된 웨브를 가능한 한 많이 중화시키려는 것을 포함하였다.

대전된 웨브를 중화시키기 위한 다양한 기술이 공지되어 있다.

미국 특허 제2,952,559호에 설명된 기술은 구속된(bounded) 또는 분극형(polarization-type) 정전기 전하를 중화시키려는 목적으로 대향하는 웨브 표면들에 대해 스프링력에 의해 편의되어 있는 한 쌍의 대향하는 접지된 압력 롤러들 사이로 대전된 웨브를 통과시키는 것과, 이어서 웨브를 코팅하기 전에 표면 전하를 먼저 중화시키고 그 후 특정한 웨브 표면 전하 레벨을 달성하기 위해 웨브의 표면 상으로 이온화된 공기를 송풍하는 것을 포함한다. 실제 코팅 공정 동안에 웨브 표면 전하의 극성과 반대인 극성을 갖는 전압을 코팅 어플리케이터에 인가함으로써 이와 같이 생성된 표면 전하 레벨이 보상된다.

미국 특허 제3,730,753호에 설명된 다른 기술은 표면을 대체로 균일하게 대전시키기 위해 웨브 표면에 제1 극성의 대전된 입자들을 "플러딩"(flooding)하는 것 및 그 후에 그 표면에 대체로 전하가 없게 하기 위해 상기 웨브 표면에 부여된 전하를 제거하는 것을 포함한다. 웨브 표면에 부가된 전하의 양 및/또는 그로부터 제거된 전하의 양은 표면 상의 전하 변동 및 순 전하(net charge)가 허용가능한 레벨로 하강되도록 제어될 수 있다.

전술한 방법들 외에도, 또한 다음과 같은 상업적으로 이용가능한 중화 시스템이 있다:

이온화된 공기 공급원을 제공하는 공기 이온화기(Air Ionizer). 공기는 자연적으로 이온을 함유한다. 그러나, 이들 이온이 대부분의 경우에 정전기에 민감한 장치들을 보호할 정도로 충분히 빨리 정전기 전하를 중화시키기에는 충분하게 많지 않다. 게다가, 공기 이온은 청정실 내의 HEPA 및 ULPA 필터에 의해 제거된다.

하나 이상의 전극 및 고전압 전원 장치로 이루어진 정전기 제거기(Electrical Static Eliminator). 정전기 제거기로부터의 이온 발생은 고전압 전극 주변의 공기 공간에서 일어난다. 이들 이온은 이어서 재료 상의 정전기 전하 쪽으로 끌려가며, 그 결과 중화된다. 엠케이에스 이온 시스템즈 앤드 심코(MKS Ion Systems and Simco)(일리노이 툴 웍스 컴퍼니(Illinois Tool Works company))와 같은 정전기 제거기의 다양한 공급처가 있다.

유도 정전기 제거기(Induction Static Eliminator)는 재료 상의 정전기 전하로 인한 전계에 응답하여 중화 이온이 발생되는 수동형(passive) 장치이다. 통상의 유도 정전기 제거기의 예는 스태틱 스트링(STATIC STRING™), 틴셀(tinsel), 니들 바아(needle bar) 및 브러시를 포함한다.

공기 분자의 조사(irradiation)에 의해 이온을 생성하는 방사선형 정전기 제거기(Nuclear Static Eliminator). 대부분의 모델은 정전기 전하를 중화시키는 이온 쌍(ion pair)을 생성하기 위해 알파 입자 방출 동위 원소를 사용한다. 이들은 종종 방사선형 바아(Nuclear Bar)로 또한 불린다.

이들 구매가능한 중화 시스템 각각은 순 중화된(즉, 초기 전하가 상당했던 경우, 통상의 정전기 측정기로 측정될 때의 전계의 크기가 초기보다 실질적으로 더 낮도록 됨) 웨브를 획득하는 수단을 제공한다. 그러나, 순 중화된 웨브가 여전히 상당한 전하를 가질 수 있다.

유전체 상의 정전기 전하를 중화시키기 위해 액체를 사용하는 것이 또한 언급되었다. 접지로의 경로를 갖는 적어도 약전도성(weakly conductive)의 유체에 유전체 재료를 노출시킴으로써 그 유전체 재료 상의 전하를 중화시키는 기본적인 개념이 문헌에 언급되었다(예를 들어, 문헌[page 956 of J. Lowell and A.C. Rose-Innes, Advances in Physics, 1980, Vol. 29, No. 6, 947-1023] 참조). 예를 들어, 미국 특허 제6,176,245 B1호는 전방 슬롯에서 세정액을 제거하고 후방 슬롯으로부터 언더코트(undercoat)를 공급하는 웨브 세정 및 정전기 제거 장치(web cleaning and destaticizing apparatus)를 기술한다. 언더코트는 특히 전방 슬롯에서의 세정액 벗겨내기(scraping off)에 의해 발생된 정전기를 제거하기 위해 도포된다. 미국 특허 제6,176,245 B1호는 정전기 제거 언더코트의 전기 전도율을 명시적으로 필요로 하지는 않지만, 미국 특허 제6,176,245 B1호는 약전도성 용액인 88% 메틸 에틸 케톤을 함유하는 용액을 기술한다. 또한, 미국 특허 제6,176,245 B1호는 액체가 접지로의 경로를 제공해야 한다는 것을 명시적으로 언급하고 있지는 않지만, 그 실험에서 사용된 슬롯형 웨브 세정 및 정전기 제거 장치가 금속과 같은 전도성 재료로 제조되었을 가능성이 있다. 이 장치는 세정액이 제거된, 웨브의 동일한 면의 처리로 제한된다. 이 장치를 사용하여 개선되는 전하 분포의 유형에 관한 논의는 없다.

미국 특허 제6,231,679 B1호는 미국 특허 제6,176,245 B1호에 기술되어 있는 것과 유사한 장치를 사용하는 공정을 기술한다. 미국 특허 제6,176,245 B1호에서와 같이, 유체 전도율 또는 접지 경로 요건이 논의되어 있지 않다. 이 장치를 사용하여 개선되는 전하 분포의 유형에 관한 논의는 없다.

더 이전의 특허인, 미국 특허 제2,967,119호는 연속적인 필름을 초음파 세정하고 비증발식으로 건조(예를 들어, 남아 있는 유체를 에어 나이핑(air knifing))시키는 데 사용될 수 있는 초음파 공정 및 장치를 기술한다. 미국 특허 제2,967,119호의 목적은 필름을 세정하는 것이지만, 미국 특허 제2,967,119호는 건조기 작동의 추가의 특징이 필름이 건조기를 정전기 전하가 없는 상태로 남겨 둔다는 것임을 교시한다. 이러한 전하 제거 효과가 몇몇 청구항에서 항상 비증발식 건조 단계와 관련하여 추가되어 있다. 미국 특허 제2,967,119호에는 필요한 유체 전도율 레벨에 대한 어떠한 통찰도 제시되어 있지 않으며, 결론적으로 정전기 제거가 초음파 탱크에서 보다는 건조기에서 실제로 일어난다는 것을 보여주는 어떠한 데이터도 제공되어 있지 않다. 게다가, 미국 특허 제2,967,119호는 본 공정 및 장치에 의해 다뤄지는 전하 분포의 유형에 대해서도 명시하고 있지 않다.

미국 특허 제6,176,245 B1호, 미국 특허 제6,231,679B1호, 및 미국 특허 제2,967,119호는 중화를 달성하기 위해 액체를 사용하는 것을 기술하고 있지만, 양면(dual-side) 또는 양극성(bipolar) 전하 분포에 관한 것이 아니다.

적지 않은 정전기 전하 분포를 제거하는 상업적으로 이용가능한 방법들. 이들 전하 분포는 최종 제품에 상당한 결함을 야기할 수 있다.

유전체 표면 상에 패턴 형성된 전하 분포의 생성:

기판 상의 전하 분포는 전하 패턴에 맞춰 물질의 침착을 제어하는 데 사용될 수 있다. "제록스(xerox)" 방법은 이러한 공정의 잘 알려진 예이다. 제록스 방법에서, 광전도체 실린더(photoconductor cylinder)가 균일하게 대전된다. 이어서, 광전도체의 영역들을 방전시켜 정전기 패턴을 남기기 위해 광이 사용된다. 토너 입자들이 이어서 광전도체 상의 대전된 영역들로 우선적으로 끌려가서, 광전도체 실린더 상에 토너 패턴을 생성한다. 토너 패턴은 이어서 다른 기판(예컨대, 종이)으로 전사되고, 완성된 제품 상에 이미지를 설정하기 위해 융해된다. 복사기 및 레이저 프린터에 적용된 제록스 방법에 대한 여러 변형들이 있다. 그러나, 이들 종래의 제로그라피(xerography) 방법들은 전하 확산(라인 번짐) 및 감쇠를 겪기 쉬운 광전도체에 의존하며, 마이크로미터 길이 스케일 및 그 이하에서 안정적으로 전하-패턴이 형성될 수 없다.

광전도체의 한계를 피하기 위한 시도로서, 마이크로-전하 패턴 및 나노-전하 패턴을 기판 상에 직접 생성하는 방법들이 개발되었다. 이들 미세한 전하 패턴은 이어서 입자들의 침착을 유도하여 기판 상에 마이크로-스케일 또는 나노-스케일 특징부를 생성하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 미네소타 대학의 헤이코 자콥스 그룹(Heiko Jacobs' group)은 일련의 간행물(C. R. Barry, J. Gu, and H. O. Jacobs, Nano Letters 5 (10) (2005) 2078; H. O. Jacobs and C. Barry, 미국 특허 출원 제20050123687(A1)호)을 가지고 있으며, 여기서 이들은 은 나노입자들이 침착되는 일렉트릿 기판(electret substrate) 상에 미세한 전하 패턴을 생성하기 위해 "나노-제로그라피"를 사용한다. 그 연구에서, 대전된 도구의 직접 접촉에 의해 전하 패턴이 달성된다. 이 도구는 리소그라피를 사용하여 실리콘 상에 생성되었고 금으로 도금함으로써 전도성으로 제조되었다. 그 저자들은 100 마이크로미터 미만의 패턴 형성 능력을 가능하게 하는 10 ㎚ 정도로 작은 실리콘 스탬프 특징부가 생성될 수 있는 것으로 주장한다.

"마이크로-제로그라피" 및 "나노-제로그라피"를 비롯한 모든 제로그라피 방법은 기판 상에 제어된 전하 패턴을 생성할 수 있는 능력에 의존한다. 직접 접촉 대전을 통해 마이크로-스케일 및 나노-스케일의 전하 패턴을 생성하는 보고된 방법은 원자 현미경 프로브(atomic force microscopy probe)(P. Mesquida, A. Stemmer, Adv. Mater. 13 (18) (2001) 1395; N. Naujoks, A. Stemmer, Microelectronic Engineering 78-79 (2005) 331), 스테인레스강 니들(stainless steel needle)(T. J. Krinke et al, App. Phys. Letters 78 (2001) 3708) 또는 나노-스탬프(nano-stamp)(C. R. Barry, N. Z. Lwin, W. Zheng, and H. O. Jacobs, App. Phys. Letters, 83 (26) (2003) 5527)의 사용을 포함한다. 이들 직접 접촉 방법 외에도, 마이크로-스케일 또는 나노-스케일 전하 패턴은 또한 집속된 이온 및 전자 빔을 사용하여 생성되었다(H. Fudouzi et al, Langmuir 18 (2002) 7648).

상기 언급된 제어된 전하 패턴을 생성하는 방법은 충전 및 방전 광전도체 재료에 의존하는 표준 제로그라피 기술의 특징부 크기 제한을 해소할 수 있었다. 그러나, 상기 언급된 방법은 일반적으로 매우 느리고 그리고/또는 문헌에 설명된 미세하고 예리한 특징부를 달성하기 위해 특수 기판(예를 들어, 일렉트릿)의 사용을 필요로 한다.

나노-제로그라피 및 마이크로-제로그라피의 분야에서의 다른 문제는 최종 패턴의 기판에의 접착이다. 상기 언급된 배경기술은 유전체(또는 일렉트릿) 기판 상에 전하 패턴을 배치하는 방법을 제공하며, 그 전하 패턴은 그 후 제2 물질의 침착을 안내하는 데 사용될 수 있다. 제2 물질(즉, 나노입자)이 침착되면, 접착의 문제가 해결되어야만 한다. 예를 들어, 이것은 열 및/또는 압력을 사용하여 행해질 수 있다.

본 발명은 유전체 재료 상의 전하 분포를 제거 또는 변경시키는 장치 및 방법에 관한 것이다. 몇몇 실시 형태에서, 본 발명의 장치 및 방법은 유전체(예를 들어, 웨브)의 표면 또는 표면들의 적어도 일부분을, 적어도 약전도성이고 소정의 전위에서 유지되는 액체와 접촉시킴으로써 유전체 재료 상의 전하 분포를 변경시킨다.

일 태양은 유전체 재료 상의 전하를 변경시키는 방법이며, 이 방법은, 표면 상에, 접지 전위에 대해 측정되는 실질적으로 불균일한 정전기 전하 분포를 갖는 유전체 재료를 획득하는 단계; 적어도 약전도성의 액체를 유전체 재료의 표면에 도포하는 단계; 및 적어도 약전도성의 액체를 표면으로부터 적어도 부분적으로 제거하여, 표면 상에 실질적으로 균일한 정전기 전하가 남게 하는 단계를 포함한다.

다른 태양은 유전체 재료 상에 정전기 전하 패턴을 생성하는 방법이며, 이 방법은, 제1 전하 전위를 갖는 유전체 재료를 획득하는 단계; 제2 전하 전위를 갖는 적어도 약전도성의 액체를 유전체 재료의 제1 부분에 도포하는 단계; 및 액체를 유전체 재료의 제1 부분으로부터 적어도 부분적으로 제거하여, 유전체 재료의 제1 부분 상에 실질적으로 균일한 정전기 전하가 남게 하는 단계를 포함한다.

또 다른 태양은 유전체 재료의 긴 웨브를 중화시키는 방법이며, 이 방법은, 적어도 약전도성의 액체를 접지 전위에 전기적으로 결합시키는 단계; 전적으로 접지 전위와 실질적으로 동일하지는 않은 전하 전위를 갖는 유전체 재료를 획득하는 단계; 긴 웨브 상의 전하를 중화시키기 위해 연속 웨브의 일부분을 액체 내에 침지시켜서 긴 웨브의 상기 부분을 완전히 덮도록 하는 단계; 연속 웨브의 상기 부분을 액체로부터 제거하는 단계; 및 침지 후에 액체를 연속 웨브로부터 적어도 부분적으로 건조시키는 단계를 포함한다.

몇몇 실시 형태에서, 액체는 유전체 웨브의 양 면과 동시에 균일하게 접촉하면서 접지 전위에서 유지되는 통상의 용매이다. 이 용매는 이어서 비증발식 방법 및/또는 증발식 방법을 이용하여 웨브의 두 면으로부터 대칭적으로 제거된다. 이들 실시 형태에서, 최종 웨브는 순 중성(net neutral)일 뿐만 아니라, 일반적으로 양면 중성(dual-side neutral)이다.

몇몇 실시 형태에서, 액체는 사실상 접지되어 있는 적어도 약전도성의 제2 면을 갖는 유전체 웨브의 제1 면과 균일하게 접촉하면서 접지 전위에서 유지되는 통상의 용매이다. 이 용매는 이어서 비증발식 방법 및/또는 증발식 방법을 이용하여 웨브의 제1 면으로부터 대칭적으로 제거된다. 이들 실시 형태에서, 최종 웨브는 순 중성일 뿐만 아니라, 일반적으로 양면 중성이다.

몇몇 실시 형태에서, 액체는 유전체 웨브의 양 면과 동시에 균일하게 접촉하면서 0이 아닌 전위에서 유지되는 통상의 용매이다. 이 용매는 이어서 비증발식 방법 및/또는 증발식 방법을 이용하여 웨브의 두 면으로부터 대칭적으로 제거된다. 이들 실시 형태에서, 최종 웨브의 양 면이 대체로 균일하게 대전된다.

몇몇 실시 형태에서, 액체는 유전체 웨브의 제1 면과 균일하게 접촉하면서 0이 아닌 전위에서 유지되는 통상의 용매이며, 유전체 웨브의 제2 면은 적어도 약전도성이고 사실상 접지되어 있다. 이 용매는 이어서 비증발식 방법 및/또는 증발식 방법을 이용하여 웨브의 제1 면으로부터 대칭적으로 제거된다. 이들 실시 형태에서, 최종 웨브의 제1 면이 대체로 균일하게 대전된다.

몇몇 실시 형태에서, 제1 전위에서 유지되는 제1 액체가 유전체 웨브의 제1 면과 균일하게 접촉하도록 되어 있는 반면, 유전체 웨브의 제2 면은, 예를 들어 제2 전위에서 유지되는 제2 액체와 접촉함으로써 제2 전위에서 유지된다. 이 용매는 이어서 비증발식 방법 및/또는 증발식 방법을 이용하여 웨브의 양 면으로부터 제거된다. 이들 실시 형태에서, 최종 웨브는 순 대전되어(net charged) 있을 뿐만 아니라, 일반적으로 양면 대전되어(dual-side charged) 있다.

몇몇 실시 형태에서, 제1 전위에서 유지되는 제1 액체가 유전체 웨브의 제1 면과 균일하게 접촉하도록 되어 있는 반면, 유전체 웨브의 제2 면은, 예를 들어 전도성 물체와 접촉함으로써 제2 전위에서 유지된다. 이들 실시 형태에서, 최종 웨브는 순 대전되어 있을 뿐만 아니라, 일반적으로 양면 대전되어 있다.

몇몇 실시 형태에서, 제1 전위에서 유지되는 제1 액체가 (예를 들어, 패턴 형성된 도구의 사용을 통해) 유전체 웨브의 제1 면과 불균일하게 접촉하도록 되어 있는 반면, 유전체 웨브의 제2 면은, 예를 들어 제2 전위에서 유지되는 제2 액체와 접촉함으로써 제2 전위에서 유지된다. 이 용매는 이어서 비증발식 방법 및/또는 증발식 방법을 이용하여 웨브의 두 면으로부터 제거된다. 이들 실시 형태에서, 최종 웨브는 순 전하 패턴을 가질 뿐만 아니라, 일반적으로 양면 전하 패턴을 갖는다.

몇몇 실시 형태에서, 제1 전위에서 유지되는 제1 액체가 (예를 들어, 패턴 형성된 도구의 사용을 통해) 유전체 웨브의 제1 면과 불균일하게 접촉하도록 되어 있는 반면, 유전체 웨브의 제2 면은, 예를 들어 전도성 물체와 접촉함으로써 제2 전위에서 유지된다. 이 용매는 이어서 비증발식 방법 및/또는 증발식 방법을 이용하여 웨브의 제1 면으로부터 제거된다. 이들 실시 형태에서, 최종 웨브는 순 전하 패턴을 가질 뿐만 아니라, 일반적으로 양면 전하 패턴을 갖는다.

몇몇 실시 형태에서, 액체는 사실상 접지되어 있는 적어도 약전도성의 제2 면을 갖는 유전체 웨브의 제1 면과 (예를 들어, 패턴 형성된 도구의 사용을 통해) 불균일하게 접촉하면서 접지 전위에서 유지되는 통상의 용매이다. 이 용매는 이어서 비증발식 방법 및/또는 증발식 방법을 이용하여 웨브의 제1 면으로부터 제거된다. 이들 실시 형태에서, 최종 웨브는 일반적으로 웨브의 제1 면 상에 패턴 형성된 전하 분포를 갖는다.

몇몇 실시 형태에서, 액체는 경화성(예를 들어, 아크릴레이트 용액)이고, 제거되기보다는 제위치에서 경화된다. 이들 실시 형태에서, 최종 웨브는 일반적으로 균일한 또는 패턴 형성된 전하 분포를 가질 뿐만 아니라, 일반적으로 남아 있는 물질이 고화되어 있다.

몇몇 실시 형태에서, 본 발명은 이동하는 웨브 상의 전하 분포를 제거 또는 변경시키는 장치 및 방법에 관한 것이다. 많은 실시 형태에서, 본 발명의 장치 및 방법은 순 중성인 웨브를 제공한다. 이들 실시 형태에서, 웨브는 순 중성일 뿐만 아니라, 일반적으로 양면 중성이다.

본 발명에 따르면, 본 장치 및 방법은 적어도 소정의 전도율을 갖는 액체 용매로 중화될 웨브와 접촉한다. 용매라는 용어는 웨브를 습윤시키는 액체를 지칭하도록 사용되며, 반드시 임의의 특정의 화학종의 용매화(solvation)를 의미하지는 않는다. 용매는 보통 동시에 웨브의 양 면과 접촉하게 된다. 용매는 임의의 적합한 수단, 예컨대 침지(예를 들어, 풀(pool) 또는 조(bath)에 담그기), 양 면 상으로의 동시 코팅, 웨브의 양 면에 동시에 포화된 위크(wick) 또는 천(cloth)의 적용, 웨브 표면 상으로의 증기의 흡수/흡착 또는 응축 등에 의해 도포된다. 용매는 이어서 증발식 수단 및/또는 비증발식 수단을 이용하여 제거 및/또는 건조된다. 비증발식 방법은 용매의 적어도 일부를 제거하기 위한 위크, 에어 나이프(air knife), 고무 롤러(squeegee) 등과 같은 물리적 장치의 사용을 포함한다. 추가로 또는 대안적으로, 용매의 적어도 일부가 웨브로부터 증발식으로 제거될 수 있고, 증발은 공기 대류, 가열 등과 같은 방법에 의해 향상될 수 있다. 그 결과 얻어지는 바람직한 웨브는, 이하에서 정의되는 바와 같이, 순 중화되고 양면 중화된다.

특정한 일 실시 형태에서, 본 발명은 웨브 상에 중성 전하를 제공하는 방법에 관한 것이다. 이 방법은 적어도 소정의 전도율을 갖는 액체 용매를 웨브의 양 면에 도포하는 단계를 포함한다. 웨브는 이동하는 웨브일 수 있다.

다른 특정한 실시 형태에서, 본 발명은 웨브 상에 중성 전하를 제공하기 위한 장치에 관한 것이다. 이 장치는 롤러, 닙(nip) 등과 같은 웨브 취급 장비, 및 적어도 소정의 전도율을 갖는 액체 용매의 공급원을 포함하는 전하 변경 스테이션(charge modification station)을 포함한다. 전하 변경 스테이션 및 이를 사용하는 방법은 기존의 웨브 취급 공정에 쉽게 추가되기에 특히 적합하다.

도 1은 제1 면 상에 접지된 전도성 배킹을 갖고 반대편 면 상에 표면 전하를 갖는 웨브의 개략도.
도 2는 하나의 면 상에 표면 전하를 갖고 전도성 구성요소를 갖지 않는 웨브의 개략도.
도 3은 하나의 면 상에 접지된 전도성 배킹을 갖고 반대편 면 상에 표면 전하를 가지며, 이때 반대편 면이 접지된 전도성 요소에 매우 근접해 있는, 웨브의 개략도.
도 4는 접지된 표면 및 평균이 0이고 rms 값이 10⁵ C/㎡이며 주기가 1.3 ㎝ / 0.5 인치인 사인파 전하 분포를 갖는 0.05 ㎜ / 0.002 인치(약 0.0508 ㎜) 웨브에 대한 하부 플레이트에서의 전계를 나타낸 그래픽 표현으로서, 웨브 대 플레이트 거리는 약 0.5 ㎝ / 0.2 인치임.
도 5는 접지된 표면 및 평균이 0이고 rms 값이 10⁵ C/㎡이며 주기가 1.3 ㎝ (0.5 인치)인 사인파 전하 분포를 갖는 0.05 ㎜ / 0.002 인치 웨브에 대한 하부 플레이트에서의 전계를 웨브 대 플레이트 갭의 함수로서 나타낸 그래픽 표현.
도 6은 접지된 표면 및 평균이 0이고 rms 값이 10⁵ C/㎡이며 주기가 1.3 ㎝ / 0.5 인치인 사인파 전하 분포를 갖는 0.05 ㎜ / 0.002 인치 웨브에 대한 법선력을 나태는 그래픽 표현으로서, 웨브 대 플레이트 거리는 0.025 ㎜ (0.001 인치)임.
도 7은 접지된 표면 및 평균이 0이고 rms 값이 10⁵ C/㎡이며 주기가 1.3 ㎝ / 0.5 인치인 사인파 전하 분포를 갖는 0.05 ㎜ / 0.002 인치 웨브에 대한 전계의 법선력을 웨브 대 플레이트 갭의 함수로서 나타낸 그래픽 표현.
도 8은 본 발명에 따른 전하 변경 시스템을 포함하는 웨브 취급 장치의 개략도.
도 9는 본 발명에 기술된 실시예에 사용되는 웨브 취급 장치의 개략도.
도 10은 중화가 행해지지 않은 실시예로부터의 분말 코팅된 웨브의 현미경 사진.
도 11은 종래의 방사선형 바아 및 종래의 석영 램프 아래를 통과한 실시예로부터의 분말 코팅된 웨브의 현미경 사진.
도 12는 정전기 스트링(static string), 질소 에어 나이프 및 IR 램프 아래를 통과한 실시예로부터의 분말 코팅된 웨브의 현미경 사진.
도 13은 본 발명에 따라, 아이소프로필 알코올로 중화된 실시예로부터의 분말 코팅된 웨브의 현미경 사진.
도 14는 중화가 행해지지 않은 실시예로부터의 웨브 상의 전하의 그래픽 표현.
도 15는 정전기 스트링 및 질소 에어 나이프 아래를 통과한 다음에 아이소프로필 알코올로 습윤된 실시예로부터의 웨브 상의 전하의 그래픽 표현.
도 16은 방사선형 바아 아래로, 질소 에어 나이프 및 IR 히터가 켜진 상태로 통과하고 아세톤에 침지된 실시예로부터의 웨브 상의 전하의 그래픽 표현.
도 17은 방사선형 바아 아래로, 질소 에어 나이프 및 IR 히터가 켜진 상태로 통과하고 아세톤에 침지된 실시예로부터의 웨브 상의 전하의 그래픽 표현.
도 18은 방사선형 바아 아래를 통과하고 아세톤으로 와이핑된 실시예로부터의 웨브 상의 전하의 그래픽 표현.
도 19는 방사선형 바아 아래로, 질소 에어 나이프 및 IR 히터가 켜진 상태로 통과하고 헵탄에 침지된 실시예로부터의 웨브 상의 전하의 그래픽 표현.
도 20은 방사선형 바아 아래로, 질소 에어 나이프 및 IR 히터가 켜진 상태로 통과하고 수돗물에 침지된 실시예로부터의 웨브 상의 전하의 그래픽 표현.
도 21은 방사선형 바아 아래로, 질소 에어 나이프 및 IR 히터가 켜진 상태로 통과하고 톨루엔에 침지된 실시예로부터의 웨브 상의 전하의 그래픽 표현.
도 22는 방사선형 바아 아래로, 질소 에어 나이프 및 IR 히터가 켜진 상태로 통과하고 탈이온수(DI water)에 침지된 실시예로부터의 웨브 상의 전하의 그래픽 표현.
도 23은 방사선형 바아 아래로, 질소 에어 나이프 및 IR 히터가 켜진 상태로 통과하고 탈이온수 및 아이소프로필 알코올의 2회 스플래쉬(splash)에 침지된 실시예로부터의 웨브 상의 전하의 그래픽 표현.
도 24는 방사선형 바아 아래로, 질소 에어 나이프 및 IR 히터가 켜진 상태로 통과하고 염수(saline)(식탁용 소금을 첨가한 수돗물)에 침지된 실시예로부터의 웨브 상의 전하의 그래픽 표현.
도 25는 방사선형 바아 아래로, 질소 에어 나이프 및 IR 히터가 켜진 상태로 통과하고 플루오로카본 첨가제를 갖는 탈이온수에 침지된 실시예로부터의 웨브 상의 전하의 그래픽 표현.
도 26은 방사선형 바아 아래로, 질소 에어 나이프 및 IR 히터가 켜진 상태로 통과하고 에탄올에 침지된 실시예로부터의 웨브 상의 전하의 그래픽 표현.
도 27는 본 발명에 기술된 실시예에 사용되는 제2 웨브 취급 장치의 개략도.
도 28은 유전체 재료 상에 정전기 전하 패턴을 생성하는 방법을 도시하는 흐름도.
도 29는 패턴 형성 도구에 액체를 도포하는 방법의 제1 동작을 도시하는 개략적인 사시도.
도 30은 패턴 형성 도구에 액체를 도포하는 방법의 제2 동작을 도시하는 개략적인 사시도.
도 31은 도 30의 제2 동작을 추가로 도시하는 개략적인 사시도.
도 32는 패턴 형성 도구로부터 유전체 재료에 액체를 도포하는 방법을 도시하는 개략적인 사시도.
도 33은 패턴 형성 도구로부터 유전체 재료에 액체를 도포하는 방법을 추가로 도시하는 개략적인 사시도.
도 34는 수행된 시험에서 측정된 유전체 재료 상의 정전기 전하 전위의 플롯도.
도 35는 도 34에 도시된 유전체 재료를 중화시킨 후의 정전기 전하 전위의 플롯도.
도 36은 도 35에 도시된 유전체 재료를 다시 대전시킨 후의 정전기 전하 전위의 플롯도.
도 37은 액체 코팅된 패턴 형성 도구로 스탬핑한 후의 유전체 재료의 정전기 전하 전위의 플롯도.
도 38은 전하 패턴을 생성하는 방법의 제1 동작을 도시하는 개략적인 측면 블록도.
도 39는 전하 패턴을 생성하는 방법의 제2 동작을 도시하는 개략적인 측면 블록도.
도 40은 전하 패턴을 생성하는 방법의 제3 동작을 도시하는 개략적인 측면 블록도.
도 41은 수행된 소정의 시험에서 사용되는 패턴 형성 도구의 스탬핑 표면의 도면.
도 42는 시험 동안에 토너 입자들에 매우 근접하여 배치된 후의 유전체 재료의 사진.
도 43은 다른 시험 동안에 토너 입자들에 매우 근접하여 배치된 후의 유전체 재료의 사진.
도 44는 도 43에 도시된 유전체 재료의 다른 부분의 사진.
도 45는 도 44에 도시된 유전체 재료의 고배율 사진.
도 46은 다른 시험 동안에 토너 입자들에 매우 근접하여 배치된 후의 유전체 재료의 사진.
도 47은 도 46에 도시된 유전체 재료의 하나의 토너 트레이스(toner trace)의 고배율 사진.
도 48은 제1 두께를 갖는 유전체 재료 상의 대전된 액체로부터 방출되는 전계를 도시하는 개략적인 측면 블록도.
도 49는 제2 두께를 갖는 유전체 재료 상의 대전된 액체로부터 방출되는 전계를 도시하는 개략적인 측면 블록도.
도 50은 제3 두께를 갖는 유전체 재료 상의 대전된 액체로부터 방출되는 전계를 도시하는 개략적인 측면 블록도.
본 발명의 장치 및 방법을 특징짓는 이들 및 다른 다양한 특징들이 첨부된 특허청구범위에 상세히 지적되어 있다. 본 발명의 장치 및 방법, 그의 이점, 그의 용도 및 그의 용도에 의해 달성되는 목적의 보다 양호한 이해를 위해, 본 발명에 따른 바람직한 실시 형태들이 도시되고 설명되어 있는 도면들 및 수반되는 설명을 참조해야 할 것이다.

본 발명은 (순 중성뿐만 아니라) 양면 중성 또는 양극성 중성인 물품, 바람직하게는 양 표면이 중성인 물품을 제공하는 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따라 중화될 물품을 위한 재료의 예는 유전체 재료들(예를 들어, 폴리에스테르, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌), 천(예를 들어, 나일론), 종이, 라미네이트(laminate), 유리 등을 포함한다. 이 물품은 전도성 층 또는 정전기 방지 층을 포함할 수 있다. 중화될 표면은 절연성, 정전기 방지성 및/또는 전도성인 영역들을 가질 수 있으며; 이들 영역은 고의로 의도되거나 그렇지 않을 수 있다. 본 발명의 장치 및 방법은 유전체 재료를 포함하는 물품에 특히 적합하다. 몇몇 실시 형태에서, 물품은 웨브이다. 본 명세서에서 "웨브"라는 용어를 사용하는 것은 연장된 길이(예를 들어, 1 m 초과, 보통 10 m 초과, 및 종종 100 m 초과), 폭(예를 들어, 0.25 m 내지 5 m) 및 두께(예를 들어, 3 내지 1500 마이크로미터, 예컨대 최대 3000 마이크로미터)를 갖는 시트 스톡(sheet stock)의 웨브인 것으로 의도된다. 다른 실시 형태에서, 물품은 연장된 길이보다는 불연속적인 또는 개별적인 물품이다. 예를 들어, 하나의 시트 또는 한 장의 재료는, 예를 들어 0.5 미터의 길이 및 0.5 미터의 폭을 가질 수 있다. 불연속적인 물품은 대체로 평면형일 수 있거나 3차원 토포그래피(topography)를 가질 수 있다.

상업적으로 이용가능한 중화 시스템은 순 중화되는(즉, 초기 전하가 상당하다고 할 때, 통상의 정전기 측정기로 측정될 때의 전계의 크기가 실질적으로 초기보다 더 낮음) 웨브를 얻는 수단을 제공하는 것으로 알려져 있다. 그러나, 순 중화된 웨브가 여전히 상당한 전하를 가지고 있을 수 있다.

예를 들어, 평균이 0이고 진폭이 A_s이며 공간 주기가 X_s인 사인파 표면 전하 분포를 갖는 프리스팬(freespan)에 있는 웨브는 급속하게 감쇠하는 표면 전하 분포로부터 발생하는 전계를 웨브 상부 또는 하부에 가질 것이며, 웨브는 웨브로부터 몇 주기(X_s)의 거리에 있는 정전기 측정기로 측정될 때 중성으로 보일 것이다. 표면 전하의 실제 rms 값이 상당히 클 수 있더라도 웨브는 중성으로 보일 것이다.

표준 정전기 센서로 측정될 때 웨브가 중성으로 보일 수 있지만 상당한 전하 분포를 가질 수 있는 많은 다른 상황들이 있다. 이들 전하 분포는 코팅 및 건조와 같은 웨브 기반 공정에 결함을 야기할 수 있고, 이들 전하 분포를 결함이 감소 또는 제거되는 레벨로 중화시키는 방법이 필요하다. 이들 전하 분포가 중화되어야 하는 레벨은 공정(예를 들어, 라인 속도, 코팅 및 건조 방법), 재료(예를 들어, 코팅 용액, 필름 조성물, 구조물 및 두께), 및 문제의 특정 결함의 함수이다. 예를 들어, 상용 중화기는 아크 발생 결함(arcing defect)을 제거하는 데는 충분하지만, 몇몇 코팅 및 건조 결함을 제거하기에는 충분하지 않다. 본 발명의 방법은 코팅 및/또는 건조 결함이 감소되고 그리고/또는 웨브 청결성이 향상되도록 전하 분포를 제거 또는 변경시키는 것을 목표로 한다. 또한, 물품 상의 바람직하지 않은 전하 분포의 중화에 의해, 좁은 간극을 포함하는 하류 장비가 용이하게 사용될 수 있다. 예를 들어, 그러한 중화된 물품은, 예컨대 갭 건조기(gap dryer)에서 터치다운(touchdown)되는 경향이 적다.

본 설명에서, 유전체 웨브 상의 전하 분포를 논의할 때 "순 전하"(net charge) 또는 "극성 전하"(polar charge) 및 "단면 전하"(single side charge), 또는 "양극성 전하"(bipolar charge)를 언급한다. 순 전하는 전계 측정기를 사용하여 (다른 물체로부터 멀리 떨어져 있는) 프리스팬에 있는 웨브에서의 전계를 측정하는 것으로부터 추론되는 유전체 웨브 상의 단위면적당 겉보기 전하로서 정의된다. 전계 측정기와 웨브 사이의 갭은 전형적으로 약 1.27 ㎝ 내지 5 ㎝ (약 0.5 내지 2 인치)이다. 이와 같이 얻은 정전기 측정치는, 전형적으로 센티미터(인치) 정도의 직경을 갖는 면적인 측정 프로브의 스폿 크기 상에서의 전하 분포의 함수이다. 이러한 방식으로 측정된 전하는 또한 극성 전하로 지칭된다. "순 중화"는 웨브 상의 순 전하 또는 극성 전하의 크기의 감소를 지칭한다. 낮은 순 전하 측정치는 스폿 크기 면적 상의 전하 분포가 어느 위치에서나 낮다는 것이 아니라 오히려 스폿 크기 면적 상의 전하 분포의 소정의 평균이 낮다는 것을 의미한다. 전술한 사인파 전하 분포는, 이 분포의 주기가 스폿 크기 직경보다 훨씬 더 짧은 경우, 낮은 순 전하 또는 극성 전하를 갖는 것으로 나타날 것이다.

"단면 전하"는, 웨브의 다른 표면이 접지된 도체에 인접하거나 바람직하게는 그와 접촉하고 있는 동안, 웨브의 하나의 표면 상의 전계 또는 그 표면의 전위를 측정하기 위해 전계 측정기 또는 전압 측정기를 사용하여 추론되는 단위면적당 겉보기 전하이다. 전계 측정기 또는 전압 측정기와 웨브 표면 사이의 갭은 보통 0.5 내지 5.0 밀리미터이다. 이와 같이 얻은 정전기 측정치는, 전형적으로 밀리미터 정도의 직경을 갖는 면적인 측정 프로브의 스폿 크기 상에서의 전하 분포의 함수이다. 순 전하는 거의 없지만 단면 전하가 상당하게 되는 전하 분포는 때때로 "양극성 전하 분포"로 지칭된다. "단면 중화" 또는 "양극성 전하 중화"는 웨브 상의 단면 전하 또는 양극성 전하의 크기의 감소를 지칭한다. 낮은 단면 전하 측정치는 스폿 크기 면적 상의 전하 분포가 어느 위치에서나 낮다는 것이 아니라 오히려 스폿 크기 면적 상의 전하 분포의 소정의 평균이 낮다는 것을 의미한다. 전술한 사인파 전하 분포는, 이 분포의 주기가 측정 장치의 스폿 크기 직경보다 훨씬 더 짧은 경우, 낮은 단면 또는 양극성 전하를 갖는 것으로 나타날 것이다.

양극성 전하의 다른 간단한 예로서, 하나의 표면 상에 균일한 전하 분포 q_s를 갖고 반대편 표면 상에 균일한 전하 분포 -q_s를 갖는 유전체 웨브를 고려한다. 프리스팬에서, (상부 및 하부 전하의 합이 0이기 때문에) 순 전하 또는 극성 전하 측정치가 0이 될 것이다. 단면 전하 측정치는 어느 면이 접지된 물체 상에 배치되었는지에 따라 -q_s 또는 +q_s가 될 것이다. 상용 중화기는 이러한 양극성 전하에 거의 영향을 주지 않을 것인데, 그 이유는 웨브가 이미 순 중성이기 때문이다.

양극성 전하 분포의 다른 예로서, 평균이 0이 아니고 하나의 표면 상에서 p(x)=A_ssin(2πx/X_p)+q_s이며 반대편 표면 상에서 -p(x)의 전하 분포를 갖는 사인파 전하 분포를 갖는 웨브를 고려한다. 프리스팬에서의 순 전하 측정이 몇 X_p보다 큰 직경을 갖는 스폿 크기를 사용하여 수행되는 경우, 웨브는 순 전하를 거의 갖지 않는 것으로 나타날 것이다. 몇 X_p보다 큰 직경을 갖는 스폿 크기를 사용하여 수행된 단면 전하 측정 스캔은 어느 표면이 접지된 물체에 대항하여 배치되었는지에 따라 +q_s 또는 -q_s가 될 것이다. 단면 측정 스캔이 X_p보다 훨씬 작은 스폿 크기 직경을 사용하여 수행되는 경우, 단면 전하의 사인파 성질이 드러날 것이다.

양극성 전하 분포의 또 다른 예로서, 하나의 면 상에서 랜덤한 전하 분포 R(x)를 갖고 다른 면 상에서 -R(x)를 갖는 웨브를 고려한다. 스폿 크기 X_s에 걸쳐 적분될 때, R(x)의 제1 및 제2 모멘트가 각각 +q_s 및 A_s로 수렴한다. 프리스팬에서의 순 전하 측정이 X_s보다 훨씬 큰 직경을 갖는 스폿 크기를 사용하여 수행되는 경우, 웨브는 순 전하를 거의 갖지 않는 것으로 나타날 것이다. X_s보다 훨씬 큰 직경을 갖는 스폿 크기를 사용하여 수행되는 단면 전하 측정 스캔은 어느 표면이 접지된 물체에 대항하여 배치되었는지에 따라 일정한 단면 전하 +q_s 또는 -q_s가 될 것이다. 단면 측정 스캔이 X_s보다 훨씬 작은 스폿 크기 직경을 사용하여 수행되는 경우, 단면 전하의 랜덤한 성질이 드러날 것이다.

순 전하 또는 극성 전하와 단면 전하 또는 양극성 전하 모두가 바람직한 레벨로 감소된 경우, 초기에 대전된 유전체 웨브가 "양면 중화"된 것으로 고려된다. "순 전하" 및 "단면 전하"라는 용어는 정전기 측정을 통해 정의되고 실제 전하 분포의 특정의 위치 또는 크기를 암시하지도 않고 그에 대해 알 필요도 없다는 것에 유의한다. 전하 분포는 유전체의 표면 상에 존재할 수 있거나, 유전체 내부에 있을 수 있거나, 둘 다일 수 있다. (전술한 것들보다 더 작은 스폿 크기를 갖는) 전술한 것들보다 더 민감한 정전기 감지 프로브(예를 들어, 원자 현미경 프로브)가, 원하는 감도에 따라, 보다 미세한 길이 스케일로 순 전하 또는 극성 전하, 및 단면 전하 또는 양극성 전하를 추론하는 데 사용될 수 있다.

본 명세서에 기술된 방법은 적어도 상기 논의된 길이 스케일로, 그러나 표준 정전기 측정 장비를 사용하여 용이하게 검출될 수 없을 수도 있는 더 작은 길이 스케일을 포함하여, 웨브 상에서의 극성 전하 및 양극성 전하 둘다의 감소를 제공한다. "중화"라는 용어는 모든 전하가 완전히 제거된 것을 의미하지 않는데, 그 이유는, 예를 들어 너무 약하여 결함을 야기하지 않는 외부 전계를 발생시키는 잔류 전하가 있을 수 있거나, 예를 들어 외부 전계를, 결함을 허용가능한 범위에 들어가게 하는 레벨로 본질적으로 약화시키는 이중 층이 형성되었거나, 예를 들어 나머지 양극성 전하 분포의 길이 스케일이 원래의 양극성 전하 분포와 연관된 결함이 감소 또는 제거될 정도로 충분히 작기 때문이다.

도 1은 하나의 면이 접지되어 있고 다른 면 상에 균일한 표면 전하 q_s를 갖는 격리된 웨브를 도시한다. 도 1의 웨브(5)는 제1 면(6) 및 반대편 제2 면(8)을 가지며, 이들 사이의 두께가 b이다. 면(6)은 예컨대 면(6)에 충분하게 매우 근접하거나 그와 접촉하게 위치될 수 있는 임의의 적합한 요소에 의해 접지되어 있다. 많은 공정에서, 면(6)은 접지되어 있는, 롤과 같은 웨브 취급 공정의 장비와의 접촉을 통해 접지된다. 몇몇 실시 형태에서, 면(6)의 접지는 웨브 자체의 전도성 코팅 또는 층을 통해 이루어질 수 있다. 웨브(5)의 면(8)에서의 전위는 다음과 같이 주어진다:

여기서, ε₀ 및 ε은 각각 자유 공간의 전기 유전율(permittivity) 및 웨브의 비유전율(relative permittivity)이다. 격리된 웨브(5)의 경우, 웨브(5) 외측의 전계는 0인 반면, 웨브 내측의 전계는 다음과 같이 주어진다:

예로서, 표면 전하 q_s = 10^-5 C/㎡, ε = 5 및 b=약 0.051 ㎜ (0.002 인치)를 갖는 경우에, 프리스팬에서 면(8)에서의 전위는 Φ_s = 11.5 V이고, 웨브(5) 내에서의 전계는 E_w = 226 ㎸/m이다. 약 25 ㎜ (1 인치) 갭에서 전계 측정기로 측정된 웨브(5)의 전압은 11.5 V이다. 격리된 웨브 외측에서의 전계가 어느 위치에서나 0이기 때문에, 표준 중화 장치는 표면 전하에 거의 영향을 주지 않을 것이다.

도 1 및 연관된 상기 논의는 상용 이온화기를 사용하여 용이하게 중화될 수 없는 양극성 전하 분포의 매우 간단한 예에 불과하다. 도 1에 도시된 격리된 웨브(5)는 면(6) 상에서 접지되어 있기 때문에 웨브(5) 외부에 전계선이 없다. 배경기술에서 논의된 것과 같은 상용 이온화 중화기는 중화를 위한 이온을 얻기 위해 대전된 웨브로부터 방출되거나 그에서 종료하는 전계에 의존한다. 도 1에 도시된 격리된 웨브(5) 외부에 전계가 없기 때문에, 상용 이온화 중화 장치는 웨브(5) 상에 있을 수도 있는 상당한 전하를 감소시키는 데 효과적이지 않다. 또한 상용 이온화기를 사용하여 즉각 중화될 수 없는 많은 다른 형태의 양극성 전하 분포가 있다. 본 발명에 기술된 방법은 상용 또는 이전에 공지된 중화 장치를 사용하여 중화될 수 없는 많은 문제가 있는 양극성 전하 분포를 중화시키는 데 사용될 수 있다.

상기 상황을 접지된 면이 없는 웨브를 도시하는 도 2와 비교한다. 도 2에서, 웨브(10)는 제1 면(12) 및 반대편 제2 면(14)을 가지며 이들 사이의 두께가 b이다. q_s = 10^-5 C/㎡인 예시적인 경우에, 격리된 웨브(10) 외측의 전계의 크기는 어느 위치에서나 565 ㎸/m이고, 약 25 ㎜ (1 인치) 갭에서 전계 측정기로 측정된 웨브(10)의 전압은 28.7 ㎸이다. 이러한 상황에서, 웨브(10) 외측에서의 전계는 매우 강하고, 상용 중화기는 이러한 웨브를 실질적으로 순 중화시키는 데 사용될 수 있다.

동일한 표면 전하에 대해, (예를 들어, 도 1에서와 같이) 전도성 면을 갖는 약 0.051 ㎜ (0.002 인치) 두께 웨브의 표면 전위(전압)가 (예를 들어, 도 3에서와 같이) 전도성 면이 없는 약 0.051 ㎜ (0.002 인치) 웨브의 경우보다 1000배 초과로 더 낮다는 것에 유의한다. 웨브 둘다가 상당한 전하 분포를 갖더라도 마찬가지이다.

이제 도 3을 참조하면, 접지된 면을 갖는 웨브가 전도성 플레이트와 같은 접지된 요소 위에서 거리 a에 배치되어 있는 예가 제공되어 있다. 사용 중에, 웨브 상의 전하는 2개의 접지된 요소들 사이에서 분할된다. 도 3에서, 접지된 제1 면(16), 반대편 제2 면(18)을 갖고 이들 사이의 거리가 b인 웨브(15)가 도시되어 있다. 제2 면(18)은 접지된 요소(20) 위에서 거리 a에 있다. 웨브(15) 아래의 갭에서의(즉, 면(18)과 플레이트(20) 사이의) 전계는 다음과 같이 주어지고:

웨브(15) 상의 단위면적당 전기력은 다음과 같이 주어진다:

수학식 4는 웨브(15)가 접지 플레이트(20)로 끌려갈 것임을 나타내고, 이러한 "전기 압력(electric pressure)"은 갭이 감소함에 따라 증가할 것이다. 갭 a가 웨브 두께 b에 비해 크게 될 때, 인력(force of attraction)은 0에 접근할 것이다. 갭 a가 웨브 두께 b에 비해 작게 될 때, 단위면적당 힘은 전도성 배킹이 없는 웨브의 단위면적당 힘

에 접근할 것이다. 도 1 및 도 2의 논의에서 상기 주어진 파라미터들에 대해, 이러한 웨브(15)는 단지 11.5 V의 전압을 갖는다. 그러나, 하부 플레이트(20)에 대한 제한적인 인력("피닝 힘(pinning force)"으로도 지칭됨)은 5.65 N/㎡이다. 게다가, 웨브(15)의 전압 판독치가 표면 전하에 따라 선형적으로 증가할 것이지만, 인력은 2차식으로(quadratically) 증가할 것이다. 이것은 명목상 "중성" 웨브(약 25.4 ㎜ (1 인치) 갭에서 전계 측정기로 측정됨)가 상당한 전하를 가질 수 있는 많은 상황들 중 일례에 불과하다. 몇몇 상황에서, 이러한 전하로 인한 전계가 코팅, 건조, 웨브 취급 및 청결에 문제를 야기할 수 있다. 예를 들어, 이들 전기력은 웨브가 접지된 물체에 매우 근접하여 위치되는 오븐에서 웨브(15)의 바람직하지 않은 방향성을 야기할 수 있다. 또한, 유체 계면이 전계의 작용으로 상당히 교란될 수 있다는 것이 잘 알려져 있고, 이들 교란이 코팅된 재료에 제품 결함을 야기할 수 있다. 예를 들어, 문헌[J. R. Melcher and G. I. Taylor, "Annual Review of Fluid Mechanics", 1969: 111-146]; 문헌[D. A. Saville, "Annual Review of Fluid Mechanics", January 1997, Vol. 29, 27-64]; 및 문헌["Coating & Drying Defects", Gutoff and Cohen, Wiley, NY, 1995]을 참조한다.

상용 중화기 또는 이온화기를 사용하여 용이하게 중화되지 않는 많은 다른 형태의 양극성 전하 분포가 존재한다. 예를 들어, 하나의 면 상에 접지된 배킹을 갖고 다른 면 상에 평균이 0이고 rms 값이 q_s인 사인파 양극성 전하 분포

를 갖는 격리된 웨브를 고려한다. X_s 또는 그보다 큰 정도의 웨브 두께의 경우, 격리된 웨브 아래의 전계는 X_s 정도의 거리에서 급속히 소멸한다. 웨브 두께가 X_s 미만으로 감소될 때, 웨브 외부의 전계가 보다 급속히 소멸한다. X_s보다 100배 정도 작은 두께를 갖는 격리된 웨브의 경우, 전계는 주로 웨브 내로 한정되고, 웨브 외부의 전계는 매우 약하다. 이제 접지된 전도성 플레이트가 웨브의 유전체 면으로부터 멀리 거리 g에 배치된 상황을 고려한다. 갭 = 1.27 ㎜ (0.05 인치), 웨브 두께 = 0.127 ㎜ (0.005 인치) 및 주기 X_s = 12.7 ㎜ (0.5 인치)인 경우에, 하부 플레이트에서의 전계의 법선 성분이 도 4에 도시되어 있다. 웨브 두께에 대한 갭의 비가 이렇게 큰 경우에도, 갭에서의 전계는 ㎸/m 범위에 있다. 도 4 내지 도 7에서, 전하 분포의 rms 값이 10^5 C/㎡인 것으로 하였고, 웨브의 전기 유전율(electric permittivity)이 갭에서의 공기의 전기 유전율의 5배인 것으로 하였다. 공기의 전기 유전율은 진공의 전기 유전율인 것으로 하였다.

도 5는 웨브 두께 = 0.127 ㎜ (0.005 인치) 및 주기 X_s = 12.7 ㎜ (0.5 인치)인 경우에 대해 접지된 요소에서의 전계의 법선 성분의 rms 값을 갭 거리의 함수로서 도시한다. 도 5로부터, 웨브 두께보다 10배 초과로 큰 갭에 대해 아주 큰 전계가 달성될 수 있음을 알 수 있다. 도 4에서의 rms 값은

를 곱함으로써 피크 값으로 변환될 수 있다.

도 1과 관련하여 논의된 일정한 표면 전하의 경우와 유사하게, 이들 사인파 전하 분포가 또한 코팅, 웨브 취급, 건조 및 청결에 바람직하지 않은 효과를 야기할 수 있다. 예를 들어, 도 6은 갭이 웨브 두께보다 10배 정도 더 작고 전하 분포의 주기보다 10000배 정도 더 작은 웨브 상에서의 단위면적당 법선력(전기 응력 텐서의 법선 성분) 프로파일을 도시한다. 도 7은 웨브 두께 = 0.127 ㎜ (0.005 인치) 및 주기 X_s = 12.7 ㎜ (0.5 인치)인 경우에 대해 웨브 상의 전기 응력의 평균 법선 성분의 크기를 갭의 함수로서 도시한다.

계산이 간단하도록 하기 위해, 상기 논의된 이론적인 예는 하나의 면 상에 접지된 배킹을 갖고 다른 면 상에 표면 전하 분포를 갖는 웨브에 대한 것이다. 실제로는, 유전체 재료의 하나의 표면 또는 양 표면 상에 또는 그 내부에 양극성 전하 분포가 존재할 수 있다.

본 발명에 따르면, 웨브의 전하 변경은 웨브의 양 면을, 보통 동시에 액체 용매와 접촉시킨 다음에 용매를 제거 및/또는 건조시킴으로써 달성될 수 있다.

액체는 침지(예를 들어, 풀 또는 조에 담그기), 코팅(예를 들어, 다이 코팅, 나이프 코팅) 또는 분무, 웨브의 양 면에 포화된 위크 또는 천의 적용, 웨브 표면 상으로의 증기의 흡수/흡착 또는 응축 등을 비롯한 임의의 적합한 수단에 의해 웨브에 도포될 수 있다. 전체 표면, 바람직하게는 양 표면이 액체에 의해 완전히 그리고 연속적으로 덮여 있는 것이 바람직하다.

도포 이후에, 액체는 증발식 및/또는 비증발식 수단을 이용하여 제거 및/또는 건조된다. 비증발식 방법은 용매의 적어도 일부를 제거하기 위한 위크, 에어 나이프, 고무 롤러 등과 같은 물리적 장치의 사용을 포함한다. 추가로 또는 대안적으로, 용매의 적어도 일부가 웨브로부터 증발식으로 제거될 수 있고, 증발은 공기 대류, 가열 등과 같은 방법에 의해 향상될 수 있다. 그 결과 얻어지는 바람직한 웨브는, 상기 정의된 바와 같이, 순 중화되고 양면 중화된다.

몇몇 실시 형태에서, 액체는 웨브 상에 하나 이상의 성분을 남겨두면서 액체의 하나 이상의 성분을 제거하는 것과 같이 단지 부분적으로 제거된다. 예를 들어, 몇몇 실시 형태에서, 액체는 용매 및 아크릴레이트를 포함한다. 필요할 경우, 아크릴레이트가 남아 있고 유전체 재료의 표면 상에 전하를 보유하면서 용매가 제거될 수 있다. 액체 용매의 제거 이전 또는 이후에 아크릴레이트를 고화시키기 위해 전자빔 방사가 사용될 수 있다. 다른 실시 형태에서, 액체는 2가지 이상의 혼화성 액체의 혼합물이다. 액체들 중 제1 액체는 비교적 높은 증기압을 갖는 반면, 액체들 중 제2 액체는 비교적 낮은 증기압을 갖는다. 제1 액체는 증발에 의해 제거되고, 제2 액체가 남는다. 필요할 경우, 제2 액체는 이어서 고체로 경화된다. 제1 액체의 일례가 톨루엔이고, 제2 액체의 일례가 절연유(transformer oil)이다.

몇몇 실시 형태에서, 본 발명에 따른 웨브 전하를 변경시키기에 적합한 액체는 일반적으로 적어도 약 1 x 10⁵ pS/m 및 약 1 x 10⁹ pS/m 이하의 전도율을 갖는 유기 용매 또는 알코올이다. 물질의 전도율은 그 물질을 통해 전하가 얼마나 잘 흐르는지를 나타낸다. 일반적으로, 물(즉, 증류수, 수돗물, 염수 등)은 원하는 범위 내의 또는 그에 가까운 전도율 레벨을 갖지만, 물이 이들 장치 및 방법에 바람직한 주된 용매는 아닌 것으로 밝혀졌다.

본 발명에 따른 웨브 전하를 변경하는 데 적합한 용매는 보통 적어도 약 10 및 약 40 이하의 유전 상수(dielectric constant)를 갖는다. 몇몇 실시 형태에서, 적합한 용매는 약 15 내지 약 35의 유전 상수를 갖는다. 유전 상수는 물질(예를 들어, 액체)이 전계에 응답하여 극성화됨으로써 물질 내의 전계를 감쇠시킬 수 있는 능력과 관련된다. 유전 상수는 물질의 커패시턴스(즉, 물질이 전하를 얼마나 잘 저장하는지)와 관련된다. 공기는 약 1의 유전 상수를 갖는다. 그러나, 유전 상수가 너무 높으면(아마도 액체의 다른 특성들과 관련하여) 액체가 웨브를 효과적으로 중화시킬 수 있는 능력을 감소시키는 경향이 있다는 것이 연구자들에 의해 밝혀졌다. 즉, 유전 상수가 너무 높은 것이 본 발명의 장치 및 방법에 바람직하지 않다.

중화에 적합한 용매의 예는 아이소프로필 알코올 또는 아이소프로판올, 메탄올, 에탄올, 메틸 에틸 케톤(MEK) 및 아세톤을 포함한다. 용매라는 용어는 본 명세서에서 웨브를 습윤시키는 액체를 지칭하도록 사용되며, 반드시 임의의 특정의 화학종의 용매화를 의미하지는 않는다는 것에 또한 유의한다. 용매는 "용매"로서 통상 알려진 액체이다. 2가지 이상의 용매의 혼합물이 또한 사용될 수 있다.

도 8은 본 발명에 따른 전하 변경 시스템을 포함하는 웨브 취급 장치의 개략도이다. 도 8은 웨브(21)(제1 면(21a) 및 제2 면(21b)을 가짐)를 위한 웨브 공급원(22), 전하 변경 스테이션(24), 및 코팅 스테이션(26)을 갖는 웨브 취급 공정(20)을 도시한다. 웨브는 다양한 롤러(28), 닙(29), 텐더(tender), 및 기타 잘 알려진 웨브 취급 장비를 갖는, 웨브 공급원(22)으로부터 전하 변경 스테이션(24)으로, 그리고 코팅 스테이션(26)으로의 경로를 따른다.

웨브 공급원(22)은 코어를 갖거나 코어가 없을 수 있는 롤로서 감긴 긴 길이의 웨브(21)일 수 있다. 대안적으로, 웨브 공급원(22)은 웨브 취급 공정(20) 직전에 웨브(21)를 형성하는 압출 공정일 수 있다. 그러나, 대부분의 실시 형태에서, 그리고 도 8에 도시된 바와 같이, 웨브 공급원(22)은 웨브 재료의 롤이다. 웨브(21)가 웨브 공급원(22)으로부터 풀릴 때, 양 면(21a, 21b)은 전하를 띠고; 이러한 현상은 잘 알려져 있다.

이러한 실시 형태에서, 웨브 공급원(22)으로부터의 웨브(21)는 잘 알려진 일련의 롤(28)을 통해 공급된다. 각각의 롤(28)에서, 웨브(21)는 각각의 롤(28)과의 접촉 및 이로부터의 해제로 인해 전하를 띤다. 전형적으로, 롤(28)과 접촉하는 웨브(21)의 면이 전하를 띤다.

롤(28)로부터, 웨브(21)는 구동 닙(29)으로 이동하고, 이어서 아이들러 롤(31)로 이동한다. 아이들러 롤(31)로부터, 웨브(21)는 전하 변경 스테이션(24)으로 진행한다.

코팅 웨브는 그의 이전의 이력에서의 여러 원인들로 인한 전기 대전 상태로 전하 변경 스테이션(24)으로 진입한다. 이러한 원인은 웨브(21)의 제조로 인한 대전, 웨브 공급원(22)를 얻기 위한 취급, 웨브의 권취 롤로의 감기 및 그 롤의 취급, 권취 롤로부터 풀기, 다양한 웨브 취급 구성요소와의 접촉 및 그로부터의 분리, 다른 웨브 정전기 중화 또는 대전 장치로부터의 대전 등을 포함할 수 있다.

웨브 취급 공정(20)에서의 다양한 텐셔너 롤(28), 구동 닙(29) 및 아이들러 롤(31)은 물론 존재할 수 있는 기타 롤은 종래의 잘 알려진 웨브 취급 장비이다. 계속되는 전하의 축적을 방지하기 위해, 처리 동안 웨브(21)와의 접촉 지점(즉, 롤러, 닙, 바 등)의 수를 제한하는 것이 일반적으로 잘 알려져 있다.

본 발명에 따르면, 웨브 취급 공정(20)은 웨브(21)로부터 축적된 전하를 제거하고 양면 또는 양극성 중화된 웨브 또는 적어도 본질적으로 양면 또는 양극성 중화된 웨브를 제공하는 전하 변경 스테이션(24)을 포함한다. 많은 바람직한 실시 형태에서, 양 면(21a, 21b)은 전하 변경 스테이션(24)으로부터 나올 때 양면 또는 양극성 중화된다.

도 8의 예시된 실시 형태에서, 전하 변경 스테이션(24)은 용매를 수용하여 보유하는 용기(25)를 포함한다. 용기(25)는 웨브(21)의 전체 폭이 용기(25) 내에 보유된 전도성 용매에 침지될 수 있도록 충분히 크고(넓고) 깊다. 바람직한 실시 형태에서, 양 면(21a, 21b)은 전도성 용매에 완전히 침지된다.

용기(25)는 접지되어 있다.

전하 변경 스테이션(24)은 바람직하게는 웨브(21)(즉, 양 면(21a, 21b))의 용기(25)에 대한 대칭적 노출을 제공한다. 용매 내에서의 웨브(21)의 체류 시간은 면(21a, 21b) 상의 용매의 연속적인 코팅을 제공하기에 충분한 임의의 기간일 수 있으며, 용매에 의해 습윤되지 않은 표면 영역이 없는 것이 바람직하다.

용기(25)의 하류는 웨브(21)로부터 용매의 액체 성분을 제거하는 건조 장치(30)이다. 건조 장치(30)는 웨브의 양 면으로부터 용매를 제거하기 위해 비증발식 방법, 예컨대 위크, 고무 롤러, 댐(dam), 나이프 및 공기 스트림(예를 들어, 에어 나이프)을 이용할 수 있다. 추가로 또는 대안적으로, 건조 장치(30)는 웨브(21)로부터 용매의 증발을 용이하게 하는 수동형 장치를 포함할 수 있다. 이러한 장치의 예는 오븐, 송풍기, 방사(예를 들어, IR 램프) 등을 포함한다. 건조 장치(30)는 바람직하게는 웨브(21)의 면(21a, 21b)의 대칭적 건조를 제공한다.

선택적으로, 전하 변경 스테이션(24)에 본질적으로 순 중성인 웨브를 제공하기 위해, 하나 이상의 종래의 중화 시스템(37)이 웨브 경로에서 전하 변경 스테이션(24) 이전에 제공될 수 있다. 상업적으로 이용가능한 중화 시스템(37)의 예는 공기 이온화기, 엠케이에스 이온 시스템즈 앤드 심코(일리노이 툴 웍스 컴퍼니)로부터의 시스템과 같은 정전기 제거기, 유도 정전기 제거기(예를 들어, 정전기 스트링, 틴셀, 니들 바아, 및 브러시), 및 방사선형 정전기 제거기 등을 포함한다.

연구자들에 의해 완전히 결정되지 않은 메커니즘에 의해, 그 결과 얻어진 건조된 웨브(21)가 양면 또는 양극성 중성이거나 적어도 본질적으로 양면 또는 양극성 중성이다. 양 면(21a, 21b)은, 용매로 완전히 습윤되고 건조된 경우, 양면 또는 양극성 중성이거나 적어도 본질적으로 양면 또는 양극성 중성이다.

상기 제공된 바와 같이, 적어도 약전도성의 용매는 약 10 내지 약 40의 유전 상수를 갖는다. 적어도 약전도성이라는 기준을 만족시킴에도 불구하고, 탈이온수(de-ionized water), 염수, 및 계면활성제/물 용액이, 아마도 그들 용액의 높은 유전 상수로 인해, 바람직한 중화 결과를 제공하지 않는다는 것이 연구자들에 의해 밝혀졌다.

도 8로 돌아가서, 이제 양면 또는 양극성 중성이거나 본질적으로 양면 또는 양극성 중성인 웨브(21)가 면(21b)에 코팅(32)이 도포되는 코팅 스테이션(26)으로 진행한다. 코팅(32)은 광학 디스플레이, 그래픽, 보호 층, 이미징 층, 사진 층, 전자 층, 접착제, 연마제 등을 위한 코팅과 같은 임의의 코팅일 수 있다.

코팅 스테이션(26)으로부터, 웨브(21)는 코팅(32)를 건조시키기 위해, 예를 들어 코팅(32)으로부터 임의의 용매를 제거하기 위해 건조기(27)로 진행한다. 이러한 예에서, 건조기(27)는 갭 건조기이다.

본질적으로 양면 또는 양극성 중성은 아닌 웨브 상에 코팅을 제공하는 이전의 공정들에서, 건조 패턴(예를 들어, 소용돌이, 나선, 어안(fish eye) 등)이 종종 발생한다는 것을 잘 알려져 있다. 코팅된 면(면(21b)) 또는 코팅된 면의 반대편 면(면(21a)) 중 어느 하나 상에 정전기 전하를 갖는 것이 건조 패턴을 용이하게 하는 것으로 여겨진다. 본 발명에 따라 웨브를 중화시킴으로써, 건조 패턴이 방지된다.

전하 변경 스테이션(24) 및 그의 변형은 양면 또는 양극성 중성 웨브로부터 이득을 갖는 다양한 응용에 특히 적합하다. 다양한 예가 이상에서 제공되었다. 전하 변경 스테이션(24) 및 그의 변형은 또한 대전된 웨브를 이용할 수 있는 응용에 적합하다. 예를 들어, 이러한 웨브는 양면 메니스커스(meniscus) 코팅 공정(양 다이가 접지되어 있음)에서 사용될 수 있다. 이러한 공정에서, 전하 변경 시스템은 코팅 롤 이전의 프리스팬에 존재할 수 있으며, 이에 따라 코팅 롤 이전에 용매가 건조될 수 있는 시간을 허용한다. 이러한 경우에, 웨브는 상부면 및 하부면 전하가 0인 상태로 코팅 스테이션에 진입하여야 하고, 코팅 롤에서 나오는 웨브의 마찰대전(tribocharging)만이 문제가 되어야 한다. 후방면에서의 잔류 용매화가 이러한 마찰대전 효과를 얼마간 조정할 수 있다.

또한, 웨브 취급 공정(20)은 처리 동안에 그리고 코팅을 도포하는 것(예를 들어, 코팅 스테이션(26)에서) 또는 건조하는 것 또는 도포된 코팅을 경화시키는 것(예를 들어, 건조기(27)에서)과 같은 중요한 단계들 이전의 웨브 경로에서의 임의의 지점에서 아이들러 및 기타 롤과 같은 요소들의 웨브(21)에 대한 접촉을 최소화하도록 설계된다.

실시예, 도 9 내지 도 27

하기의 비제한적인 실시예는 본 발명의 다양한 실시 형태를 예시한다.

하기의 실시예에 대해, 스카치팩(Scotchpak(TM)) 필름(0.35 ㎜ (1.4 밀(mil)) 폴리에스테르, 타입(Type) 860140, 쓰리엠 컴퍼니(3M Company)로부터 구매가능함)의 롤형 웨브를 필름 공급원으로서 사용하였다. 잘 알려진 바와 같이, 웨브를 풀 때, 필름 웨브의 양 면이 그와 연관된 전하를 가졌다. 이하에 기술되는 도 9의 정전기 중화 장치를 웨브 상의 전하를 중화시키기 위해 사용하였다. 필름 공급원은 도 9에서 도면 부호 40으로 예시되어 있다. 이 필름이 필름 공급원(40)으로부터 풀어서, 제1 면(40a) 및 제2 면(40b)을 노출시켰다.

웨브(40) 상의 순 전하를 중화시키기 위한 종래의 방사선형 바아(42), 본 발명에 따른 중화 조립체(50), 에어 나이프(52), 건조 장치(54)(이러한 구성에서, IR 램프), 및 정전기 전하 측정 센서(56, 57)를 포함하는 웨브 경로를 생성하기 위해 브레드보드 아이들러 모듈(breadboard idler module)을 사용하였다. 안전 예방 수단으로서 그리고 전형적인 하우스 압축 공기(house compressed air)(오일 등)로부터 시스템의 오염을 방지하기 위해 깨끗한 하우스 질소를 에어 나이프에 공급하였다.

방사선형 바아(42)는 종래의 웨브 중화 시스템으로부터 획득된 것을 나타내는 상당히 순 중성인 웨브를 생성하는 데 사용되는 뉴클레오스타트(NUCLEOSTAT) 모델 P-2001 정전기 제거기였다. 몇몇 시험에서, 방사선형 바아(42)를, 이하에서 확인되는 바와 같이, 정전기 스트링(43)으로 대체하였다.

중화 조립체(50)는 알루미늄 캐서롤 팬(casserole pan)(55) 및 아이들러 롤 조립체(51)로 구성하였다. 아이들러 조립체(51)는 웨브(40)가 용매의 풀(양 면을 습윤시킴)을 통해 수평으로 대략 약 0.254 미터 (10 인치) 이동하게 하였다. 웨브(40)는 용매 풀을 수직으로 빠져나가 2개의 다른 아이들러(53)를 통해 N₂ 공급 에어 나이프(52)(엑스에어 코포레이션(Exair Corporation))로 이송되었다. 에어 나이프에 대한 공급 압력은 대략 80 PSI 질소였다. 웨브(40)는 한 쌍의 500 와트 IR 램프(54)(쿠퍼 라이팅(Cooper Lighting), 모델 W0500) 사이를 수직으로 이동하였다.

웨브 전압을 하기와 같이 측정하였다:

순 웨브 전압을, 쓰리엠 모델 718 정전기 측정기(57)를 사용하여, IR 램프 이후에 생성된 프리스팬에서 측정하였다.

상부면(면(40b)) 웨브 전압을, 모델 1034EL 프로브를 구비한 먼로 일렉트로닉스 아이소프로브(Monroe Electronics Isoprobe) 정전기 전압 측정기 모델 279를 사용하여, 접지된 아이들러(58) 상에서 측정하였다. 몇몇 시험에서, 상부면 전압 판독치가 순 전압 판독치보다 몇 자리수 더 작았다. 이것은 이하의 이론에 기인하였다: 예를 들어, 웨브가 하나의 면에 전하 q를 갖고 다른 면에 0 전하를 갖는 경우, 718 정전기 측정기에 의한 순 전압 판독치는 qa/εε_o일 것이고, 여기서 a = 25.4 ㎜ (1 인치)이다. 웨브의 대전되지 않은 면이 접지된 아이들러에 대항하여 배치된 경우, 먼로 전압 측정기를 사용한 상부면 전압 판독치는 qd/ε일 것이고, 여기서 d는 웨브 두께이다. 따라서, 순 전압에 대한 상부면 전압의 비는 ∝ d/a이다. 상부면에 전하 q를 갖는 0.02 ㎜ (1 밀) 웨브의 경우, 상부면 전압 판독치는 순 전압 판독치보다 1000배 작을 것이다.

순 전압 데이터 및 상부면 전압 데이터를 텍트로닉스(Tektronix) TDS 3034B 오실로스코프를 통해 수집하였다. 이 스코프는 20초 시간 간격에 걸쳐 500개 데이터 점을 수집하도록 설정하였다.

건조 후에, 임의의 전하가 있는지의 여부, 및 존재하는 경우, 그 샘플에 어떤 패턴이 존재하는지를 시각화하기 위해, 몇몇 샘플을 양극성 정전기 분말로 코팅하였다. 사용된 방법은 문헌[Harry H. Hull, "A method for studying the distribution and sign of static charges on solid materials", Journal of Applied Physics, volume 20, December 1949, p. 1157-1159]에 기술되어 있다. 도 10 내지 도 13은 대전된 웨브를 분말 코팅할 때와 중성 웨브를 분말 코팅할 때의 시각적 결과를 도시한다. 도 10은 중화가 행해지지 않은 실시예로부터의 분말 코팅된 웨브의 현미경 사진이다. 도 11은 종래의 방사선형 바아 및 종래의 석영 램프 아래를 통과한 실시예로부터의 분말 코팅된 웨브의 현미경 사진이다. 도 12는 정전기 스트링, 질소 에어 나이프 및 IR 램프 아래를 통과한 실시예로부터의 분말 코팅된 웨브의 현미경 사진이다. 도 13은 본 발명에 따라, 아이소프로필 알코올로 중화된 실시예로부터의 분말 코팅된 웨브의 현미경 사진이다.

시험을 위해 하기의 용매를 이용하였다:

메탄올, HPLC 등급

에탄올, 팜코 브랜드(Pharmco Brand), 200 프루프(Proof)

벌크 랩 공급원(bulk lab supply)으로부터의 아이소프로판올

벌크 랩 공급원으로부터의 메틸 에틸 케톤

벌크 랩 공급원으로부터의 아세톤

벌크 랩 공급원으로부터의 헵탄

벌크 랩 공급원으로부터의 톨루엔

실험실 건물에 대한 탈이온수 공급원으로부터의 탈이온수

교외 정수 처리 센터(미국 미네소타주 우드베리시)로부터의 수돗물

구내식당 공급원으로부터의 식탁용 소금, 모톤(Morton) 식탁용 소금

22 dyne/㎝ 표면 장력인 것으로 예상되는 쓰리엠 플루오라드(Fluorad) FC-171, 0.01 중량%

도 9의 장치를 중화 조립체(50)에 존재하는 용매로서 메탄올, 에탄올, 아이소프로판올(IPA), 메틸 에틸 케톤(MEK), 아세톤, 헵탄, 톨루엔, 탈이온수, 수돗물, 염수, 및 플루오라드 FC-171 각각을 사용하여 작동시켰다.

간섭이 최소이면서 최상으로 작동하는 용매는 메탄올, 에탄올, MEK 및 IPA였다.

시험한 용매들로부터(메탄올, 에탄올, MEK 또는 IPA 중 하나이든 그렇지 않든 간에), 웨브를 중화시키기 위한 바람직한 방법에 관한 다양한 상세 사항이 발견되었다. 예를 들어, 아세톤이 처음에 바람직한 용매 중 하나가 아니었지만, 그러한 시험이 웨브에 걸쳐 용매의 균일한 (면마다의) 탈습윤(dewetting) 및 건조를 제공하는 것의 중요성을 보여주었다. 용매 침지 이후 아이들러(53)를 갖는 바람직하지 않은 비대칭적 웨브 경로를 보상하기 위해 웨브의 양 면의 균일한/대칭적 건조가 이루어지도록 그 면 상의 에어 나이프를 조절하면, 순 중화 및 양면 또는 양극성 중화 둘다에 대해 정전기 중화가 효과적으로 되는 것으로 밝혀졌다. 적절한 조절이 있는 경우, 20 m/분 웨브 속도 이상에서도 양호한 양면 또는 양극성 중화가 달성되었다.

도 14 내지 도 27은 다양한 실시예에서 웨브 상에 존재하는 전하의 그래픽 표현이다. 모든 시험에 대해, 달리 지시되지 않는 한, 웨브 속도는 4 m/분이었다. 각각의 프로브를 고정된 웨브 교차(crossweb) 위치에 장착하였으며, 따라서 수집된 데이터가 특정 웨브 교차 위치의 전압을 나타낸다. 이들 도면에서 시간 축은 라인 속도와 곱하여 거리로 변환될 수 있다.

도 14는 종래의 방사선형 바아 아래를 통과한 후 웨브에 존재하는 전하를 도시한다. 이것은 상용 중화기를 사용하여 달성가능한 것과 유사한, 기본적인 경우의 일례라고 할 수 있다. 웨브 상에서의 실제 전하 변동은, 생성부터 측정까지의 물질의 특정 이력에 따라, 롤마다 그리고 하나의 롤 내에서 변할 것이다. 도 14는 이러한 특정의 구매가능한 미처리된 웨브에 대해 상업적으로 이용가능한 중화 방법들이 이용된 후에 존재하는 전하 변동을 알려주기 위한 것이다. 도 15는 본 발명에 따라, 웨브가 아이소프로필 알코올에 침지되기 이전 및 이후에 웨브에 존재하는 전하를 도시한다. 도 16은 본 발명에 따라, 웨브가 아세톤에 침지된 후에 웨브에 존재하는 전하를 도시한다. 유도된 순 전하는 웨브의 2개의 대향하는 면의 불균일한 습윤으로 인한 것이었다. 도 17은 본 발명에 따라, 웨브가 아세톤에 균일하게 침지되고 대칭적으로 건조된 후에 웨브에 존재하는 전하를 도시한다. 이것은 공정 중에 용매의 대칭적인 습윤 및 건조의 중요성을 설명한다.

도 18은 본 발명에 따른 몇몇 방법에 대해 위크 또는 천이 이용될 수 있음을 도시한다. 이러한 실시예에서, 본 발명에 따라, 아세톤을 다시 용매로서 이용하였다. 이전 실시예와 같은 침지 팬 대신에, 아세톤으로 축축하게 되고 접지된 와이핑 천(예컨대, "와이팔(Wypall)")을 이동하는 웨브의 양 면 상에 동시에 보유되게 하였다. 도 18은 아세톤의 도포 시에 순 전하 및 상부면 전하의 우수한 중화를 갖는 와이핑 전후를 도시한다.

그러나, 전술한 바와 같이, 실행된 실험들에 대해 모든 용매가 효과적인 것은 아니었다. IPA 및 아세톤에 대해 사용된 것과 동일한 웨브 속도 및 침지 시간에 대해, 헵탄(도 19), 수돗물(도 20) 및 톨루엔(도 21)은 웨브의 상부면을 중화시키지 않았을 뿐만 아니라 필름 상에 0이 아닌 순 전하도 생성하였다(종래의 중화만의 기본적인 경우에 대해서는 도 14 참조).

도 22는 중화 시 탈이온수의 결과를 도시한다. 물 및 탈이온수의 중화를 개선시키기 위한 시도로서, IPA의 스플래쉬를 추가하였고; 그 결과가 도 23에 도시되어 있으며, 이는 아이소프로필 알코올의 2회 스플래쉬가 탈이온수에 부가되었을 때의 결과를 도시한다. IPA 함량이 증가됨에 따라, 시스템이 모든 IPA 시스템의 양호한 성능에 더 가깝게 되었다(도 14 참조).

다른 일련의 시험에서, 물의 전도율의 효과를 조사하였다. 탈이온수(최소 전도성)를 수돗물(얼마간의 이온 오염) 및 염수(수돗물에 식탁 소금을 첨가함)와 비교하였다. 도 24와 비교하여 도 22를 참조한다. 외관상, 물의 이온 전도율(ionic conductivity)을 높은 수준으로 하는 것 자체만으로 웨브 중화에 효과적일 수 없다는 것이 밝혀졌다.

또 다른 일련의 시험에서, 정전기 중화에 대한 표면 장력의 효과를 조사하였다. 탈이온수(최대 72 dyne/㎝ 표면 장력)(도 22)를 0.01%의 FC-171 플루오로계면활성제를 갖는 탈이온수(약 21 dyne/㎝ 표면 장력)(도 25)와 비교하였다. 다시, 계면활성제는 물이 웨브를 중화시킬 수 있게 하는 데 효과가 없었다.

다양한 용매의 특성이 이하에 제공되어 있다.

상기 주어진 실시예에서의 공정 시간은 대략 웨브가 용매에 의해 습윤되는 지점으로부터 용매가 웨브로부터 완전히 건조되는 지점까지의 웨브 경로 거리를 웨브 속도로 나눈 것이었다. 이들 실시예에서, 공정 시간은 약 0.5분이었다. 적절한 양면 중화에 대한 필요 조건(충분 조건은 아님)이 유체의 전기적 완화 시간(electrical relaxation time)(절대 유전율을 전도율로 나눈 것)의 크기의 자리수가 공정 시간의 크기의 자리수보다 작을 가능성이 있다. 용매 특성을 연구자의 제한된 시험 결과와 비교하는 것이 이러한 요건의 유효성을 확인하는 것으로 보인다. 예를 들어, 헵탄 및 톨루엔은 본 발명에 따르면 효과가 좋지는 않지만, 추정된 공정 시간보다 적어도 10배 더 높은 완화 시간을 갖는다.

물이 전기적 완화 시간과 관련하여 이 요건을 충족시키지만, 물은 본 발명에 따르면 효과가 좋지 않은 것으로 밝혀졌다. 소금이 첨가된 물은 매우 높은 전도율 및 낮은 완화 시간을 갖지만, 바람직한 용매보다 효과가 덜하다. 사용되는 특정 기판에 대한 물의 습윤/탈습윤 특성이 중요한 역할을 할 수 있으며, 효과가 좋은 용매들 모두가 25 dyne/㎝보다 작은 표면 장력을 갖는다. 그러나, 물에서 유사한 표면 장력을 달성하기 위해 플루오로계면활성제를 첨가하는 것이 원하는 양호한 중화 결과를 제공하지 않았다.

중화 액체에 계면활성제 또는 소금과 같은 용질을 포함하지 않는 것이 바람직한 것으로 생각되는데, 그 이유는 이들이 중화된 웨브에 원하지 않는 잔류물을 남길 수 있기 때문이다. 이것에 대한 예외는 이러한 잔류물을 남겨, 사실상 중화 작동과 일종의 코팅 작동을 조합하는 것이 바람직한 상황일 수 있다.

다른 용매, 즉 쓰리엠 노벡(Novec) HFE-7100, 7200, 및 7500(최고 비등점 최고)을 실험실 벤치 스케일(lab bench scale)로 시험하였다. 이러한 경우, 필름 웨브(스카치팩 필름)의 샘플을 다음을 포함하는 다앙한 용매에 담궜다:

(1) 아세톤, IPA, 메탄올과 같은 웨브라인 시험으로부터의 양호한 실험;

(2) 탈이온수, 헵탄, 톨루엔과 같은 웨브라인 시험으로부터의 불량인 실험; 및

(3) 플루오로카본 쓰리엠 노벡 HFE-7100, 7200, 및 7500(최고 비등점)과 같은 시험하지 않은 용매.

이들 시험에서, 필름의 샘플(약 60.96 ㎝ (약 2 피트) 길이)을 롤로부터 풀었다. 이 길이의 약 절반을 접지된 알루미늄 카세롤 팬(도 9의 웨브라인 시험에서 사용된 것과 유사함)에 포함된 용매에 침지시켰다. 샘플을 제거 전에 약 30초 동안 팬에 남겨두었고 실험실 내의 움직이지 않는 공기 내에 걸어둠으로써 건조시켰다. 공기 건조는 최대 수 분이 걸릴 것이다. 건조 후에, 샘플에 전하 패턴이 존재하는지의 여부를 시각화하기 위해 샘플을 양극성 정전기 분말로 코팅하였다. 사용된 방법은 문헌[Harry H. Hull, "A method for studying the distribution and sign of static charges on solid materials", Journal of Applied Physics, volume 20, December 1949, p. 1157-1159]에 기술되어 있다.

이 시험의 결과는 (침지된 경우) 용매들 전부가 바람직하지 않은 전하 패턴을 제거하였고, 담그지 않은 절반의 샘플에서는 정전기 전하 패턴이 명백하게 나타났음을 보여주었다. 달리 말하면, 완화 시간에 비해 충분히 긴 공정 시간이 면들의 대칭적 처리와 조합되는 경우, 헵탄, 톨루엔 및 물과 같은 액체들조차도 웨브 샘플을 완전히 중화시키도록 작용하였다. 정전기 분말 방법은 절대적인 정전기 레벨이 아니라 오히려 시각화된 일반적인 정전기 패턴을 제공한다는 것에 유의한다. 또한, 정전기 분말 방법은 반드시 침투적인데, 그 이유는 웨브 표면에 대한 대전된 입자들의 침착을 수반하기 때문이다.

본 발명의 방법들이 또한 순 전하를 제공하거나 다르게는 용매를 사용하여 웨브 상의 전하를 변경시키는 데 사용될 수 있다는 것을 보여주기 위한 시험을 또한 행하였다. 이하에 기술되는 도 27의 장치를 웨브 상의 전하를 변경시키기 위해 사용하였다.

시린지 펌프(syringe pump)(80)에 장착된 시린지와 유체 연통하는 다이(82)를, 다이를 접지로부터 절연시키기 위해 테플론(Teflon) 플레이트 상에 장착하였다. 튜브 및 시린지는 절연 재료로 제조되어, 유체가 전기적으로 절연되는 것을 보장한다. 웨브 재료(84)(0.05 ㎜ (2 밀) PET 웨브)의 롤을 제공하였고 접지된 코팅 롤(86)로 공급하였다. 코팅 롤(86)보다 얼마간 이전에서 웨브를 중화시키기 위해 종래의 정전기 스트링을 사용하였다. 다이(82)는 웨브 상에 아이소프로필 알코올(IPA)의 연속 코팅을 도포하였으며, 웨브는 이어서 건조를 위해 종래의 대류 오븐(88)을 통과하였다.

도 27에 도시된 위치들(90, 92, 94)에서 전압을 측정하기 위해 휴대형 측정기(쓰리엠 코포레이션(3M Corporation), 모델 709 정전기 센서)를 사용하였다. 위치(90)는 하부가 대략 접지에 있는 상태에서 상부면 전하를 측정하였다. 위치(92, 94)는 총 웨브 전하를 측정하였다.

웨브는 다이(82)에 의해 전방면이, 다이(82)에 의해 후방면이 또는 양 면이 IPA로 습윤되었다. 위치(92)에서, IPA를 사용하였을 때 웨브는 대체로 여전히 습윤되었다. 위치(94)에서, 웨브가 촉각으로는 건조된 것으로 보였다.

(0.50 ㎜ (20 밀 갭)에서) 아크가 발생할 때까지 다이(82)에 대한 전압(V)을 증가시킴으로써 시스템의 전기적 무결성을 시험하였다. 전압 강하가 < 4000 볼트인 경우 전류 누설이 일어나지 않는다는 것이 밝혀졌다. 여기에 제시된 운전은 1㎸의 다이 전압(V)에서 행하였다.

6회의 운전을 행하였으며, 여기에 보고되어 있다:

(1) 제어 - 건조 운전. IPA 없음, 전하 없음

(2) IPA 후방 (V=0) - 코팅 롤 바로 이전에서 웨브의 후방면에 IPA가 분출되었음. 다이에 IPA 코팅 없음, 전하 없음

(3) IPA 전방 (V=0) - 다이로부터 상부면에 IPA가 코팅됨. 전하 없음, 후방면 IPA 없음

(4) IPA 전방/후방 (V=0) - 상부면에 IPA가 코팅되고, 후방 면에 분무됨. 전하 없음

(5) IPA 전방 (V=1000V) - 1000V에서 상부에 IPA가 코팅됨. 후방면에 IPA 없음

(6) IPA 전방/후방 (V=1000) - 1000V에서 상부에 IPA가 코팅되고, 후방면에 IPA가 분무됨.

갭은 0.50 ㎜ (20 밀)로 설정하였고, IPA 유량은 1.5 mL/분이었다. 이들 운전으로부터의 전압 측정치가 이하의 표에 주어져 있다.

결과로부터, 후방면(이 경우에, 접지 전위에 있음) 상에 IPA가 습윤되는 경우, 웨브가 IPA가 코팅된 다이에서의 인가된 전위와 동일한 전위로 "코팅"될 수 있다는 것을 알 수 있다. 최종 건조된 웨브는 매우 균일하고 안정된 전하 분포를 가졌다. 후방면에서의 IPA의 역할은 안정된 정전기 기준점(이 경우에, 접지)을 제공하는 것이다.

건조 후에, 웨브는 본질적으로 정전기 전위로 코팅된다. 본 발명은 웨브에 지정된 균일한 정전기 전위를 제공하는 방법 및 장치를 기술한다. 중화의 경우에, 지정된 균일한 정전기 전위가 0, 즉 접지이다. 웨브 대전의 경우에, 지정된 균일한 정전기 전위는 0이 아니다. 중화 실시예에서, 이용된 코팅 방법은 통상적으로 공지된 방법인 딥 코팅(dip coating)이었다. 대전 실험에서, 이용된 코팅 방법은 통상적으로 공지된 코팅 방법인 슬롯 다이 코팅(slot die coating)이었다.

전술한 대전 실험에서, 최종 전하가 시간에 따라 안정된 것으로 보였으며(서서히 감소(bleed off)하는 것으로 보이지 않음), 이는 부가의 코팅이 이러한 "전하 코팅"의 상부에 도포될 수 있음을 나타낸다.

여기서, 운전 4 및 운전 6에서, 3개의 위치("건조" 위치(94)를 포함함) 모두에서 전압의 작은 시간 변동이 있었던 반면, 다른 경우에서(웨브의 적어도 한 면이 IPA로 습윤되지 않았던 경우) 전압 측정치의 시간 변동이 상당하였다는 것에 유의한다. 본 방법이 안정적이기 위해서는, 웨브의 양 면이 안정된 전위에 유지되어야 하는 것으로 보인다. 이것은 양 면에 용액을 코팅하는 것에 의해 또는, 예를 들어 처리 동안에 접지된 물체에 대항하여 유지하거나, 예를 들어 그에 대항하여 전도성 배킹을 둠으로써 한 면이 지정된 전위에 있도록 보장하는 것에 의해 행해질 수 있다.

몇몇 예시적인 응용은 하기를 포함한다. 코팅 롤 이전의 프리스팬에서 웨브의 양면 메니스커스 코팅(양 다이가 접지되어 있음)은 코팅 롤 이전에 IPA가 건조될 수 있는 시간을 허용한다. 이러한 경우에, 웨브는 상부면 및 하부면 전하가 0인 상태로 코팅 스테이션에 진입하여야 하고, 코팅 롤에서 나오는 웨브의 마찰대전만이 문제가 되어야 한다. 후방면에서의 잔류 IPA가 이러한 마찰대전 효과를 얼마간 조정할 수 있다.

대안적으로, 2개의 메니스커스 다이들 사이의 전압 강하를 사용하여 전하를 사전 코팅할 수 있다. 이것은 진입하는 웨브의 코로나 대전(corona charging)으로부터 획득될 수 있는 것보다 훨씬 더 균일한 "전하 코팅"을 제공할 수 있다. 이러한 "전하 코팅" 기술은 또한 절연 유체에서의 매립된 전하들의 효과를 조정하는 데 유용할 수 있다.

도 28은 유전체 재료 상에 정전기 전하 패턴을 생성하는 방법(100)을 도시하는 흐름도이다. 방법(100)은 동작(102, 104, 106, 108)을 포함한다. 동작(102)에서, 제1 정전기 전하 전위를 갖는 유전체 재료가 획득된다. 몇몇 실시 형태에서, 제1 전하 전위는 스코로트론(scorotron)과 같은 유전체 재료에 인가되었다. 다른 실시 형태에서, 유전체 재료 상에 전하가 거의 또는 전혀 존재하지 않으며, 그에 따라 제1 전하 전위는 접지 전위와 실질적으로 동일하다. 동작(102)이 동작(104) 이전에 행해지는 것으로 도시되어 있지만, 방법(100)의 다른 실시 형태는 동작(104) 이후에 동작(102)을 수행한다.

이어서, 제2 전하 전위를 갖는 패턴 형성 도구에 액체를 도포하기 위해 동작(104)이 수행된다. 스탬프 또는 실린더와 같은 도구는 3차원 프로파일을 갖는 표면을 포함한다. 예를 들어, 몇몇 도구는 리세스에 의해 분리되는 복수의 리지(ridge)를 포함한다. 리지는 원하는 패턴을 한정하는 스탬핑 표면을 포함한다. 리지는 원하는 패턴의 간격을 한정하도록 스탬핑 표면을 분리시킨다. 액체가 스탬핑 표면에 도포된다. 일 실시 형태에서, 도구는 액체에 대항하여 가압되거나 액체 내에 담궈진다. 다른 실시 형태에서, 액체는 분무되거나 다른 방식으로 스탬핑 표면에 도포된다.

액체는 전형적으로 적어도 약간의 전도성이 있다. 몇몇 실시 형태에서, 예를 들어 액체는 비경화된 아크릴레이트 단량체를 포함한다. 몇몇 실시 형태에서, 액체는 공정 시간 미만의 정전기 완화 시간을 갖는다. 다른 실시 형태에서, 액체는 메탄올, 에탄올, 메틸 에틸 케톤, 아이소프로판올, 또는 아세톤 중의 하나이다.

도구는 전형적으로 적어도 약간의 전도성이 있으며, 몇몇 실시 형태에서, 금속을 포함한다. 도구는 제1 정전기 전하 전위와 상이한 제2 정전기 전하 전위를 갖는다. 몇몇 실시 형태에서, 도구 및 관련 액체는 전하를 거의 또는 전혀 갖지 않으며, 그에 따라 정전기 전하 전위는 접지와 실질적으로 동일하다. 다른 실시 형태에서, 제2 정전기 전하 전위는 제1 정전기 전하 전위보다 크다. 또 다른 실시 형태에서, 제2 정전기 전하 전위는 제1 정전기 전하 전위보다 작다.

이어서, 패턴 형성 도구를 사용하여 유전체 재료에 액체를 도포하여 유전체 재료의 표면 상에 정전기 전하 패턴을 생성하기 위해 동작(106)이 수행된다. 예를 들어, 도구 및 관련 액체가 유전체 재료의 표면에 대항하여 가압되고, 액체의 적어도 일부가 스탬핑 표면으로부터 유전체 재료로 전사된다. 액체가 유전체 재료에 도포될 때, 접촉 위치들에서 정전기 전하가 변경된다.

몇몇 실시 형태에서, 도구 및 액체가 접지에 연결된다. 그 결과, 도구 및 액체는 부분적으로 또는 전체적으로 접촉 위치들에서 전하를 중화시킨다. 도구 및 액체와 접촉하지 않은 영역은 정전기 전하의 상당한 변경을 보이지 않는다.

다른 실시 형태에서, 도구 및 액체가 대전된다. 그 결과, 접촉 위치들에서 전하가 유전체 재료로 전달되는 반면, 유전체 재료의 나머지 영역은 정전기 전하의 상당한 변경을 보이지 않는다.

유전체 재료와 액체 및 도구 사이의 접촉의 결과로서, 유전체 재료의 표면 상에 전하 패턴이 생성된다.

이어서, 후속 처리를 위해 전하 패턴이 사용되는 동작(108)이 수행된다. 예를 들어, 토너 입자들을 대전된 영역으로 끌어당기기 위해 전하 패턴이 사용된다.

도 29 내지 도 33은 대전된 유전체 재료 상에 전하 패턴을 생성하는 예시적인 방법을 도시한다. 보다 구체적으로는, 도 29 내지 도 31은 도 28에 도시된 동작(104) 중과 같이 패턴 형성 도구에 액체를 도포하는 방법을 도시한다. 도 32 및 도 33은 전하 패턴을 생성하기 위해 도 28에 도시된 동작(106) 중과 같이 유전체 재료에 액체를 도포하는 방법을 도시한다.

도 29는 패턴 형성 도구에 액체를 도포하는 방법의 제1 동작을 도시하는 개략적인 사시도이다. 이 동작은 시트(112), 용기(114) 및 액체(116)를 수반한다. 시트(112)는 유리 시트, 금속 플레이트, 또는 다른 재료의 시트와 같은 재료의 시트이다. 액체(116)는 용기(114) 내에 포함되어 있다. 용기(114)는 액체(116)를 포함하기에 적합한 임의의 용기이다. 이러한 제1 동작에서, 시트(112)가 탱크(114)에 담궈지고, 그 후 제거된다. 제거된 때, 얇은 액체(116) 층이 시트(112) 상에 남아 있다.

도 30 및 도 31은 패턴 형성 도구에 액체를 도포하는 방법의 제2 동작을 도시하는 개략적인 사시도이다. 이 동작은 플레이트(112), 액체(116) 및 패턴 형성 도구(120)를 수반한다. 패턴 형성 도구(120)는 스탬핑 표면(122)을 포함한다.

액체가 플레이트에 도포된 후에(예를 들어, 도 29에 도시됨), 액체는 그 다음에 패턴 형성 도구(120)의 스탬핑 표면(122)으로 전사된다. 그렇게 하기 위해, 패턴 형성 도구(120)의 스탬핑 표면(122)이 시트(112) 상의 액체(116)에 대항하여 가압된다. 패턴 형성 도구(120)가 그 후 시트(112)로부터 분리된다. 액체(116)의 적어도 일부가 스탬핑 표면(122)으로 전사된다. 이러한 실시 형태에서, 패턴 형성 도구(120)는 접지에 전기적으로 결합되어 있다.

도 32 및 도 33은 패턴 형성 도구로부터 유전체 재료에 액체를 도포하는 방법을 도시하는 개략적인 사시도이다. 이 방법은 액체가 패턴 형성 도구(120)의 스탬핑 표면(122)에 도포된 후에 행해진다(예를 들어, 도 29 내지 도 31을 참조하여 기술된 바와 같음).

이러한 실시 형태에서, 유전체 재료(132)가 대전된 다음에 접지된 플레이트(130) 상에 배치되거나, 접지된 플레이트(130) 상에 있는 동안에 대전된다. 예를 들어, 유전체 재료(132)에 실질적으로 균일한 전하를 가하기 위해 스코로트론이 사용된다. 필요할 경우, 원하는 전하를 달성하기 위해 다른 전하 변경 장치가 사용된다. 재료(132)의 유전체 성질로 인해, 접지된 플레이트(130)의 존재에도 불구하고 전하가 유전체 재료(132)의 표면 상에 남아 있게 된다.

패턴 형성 도구(120)의 스탬핑 표면(122)이 유전체 재료(132)의 표면에 대항하여 가압된다. 스탬핑 표면(122) 상의 액체(116)의 적어도 일부가 유전체 재료(132) 상으로 전사된다. 그 때, 유전체 재료(132) 상에 존재하는 전하가 스탬핑 표면(122)로부터 액체(116)에 의해 중화된다. 그러나, 액체(116) 및 스탬핑 표면(122)과 접촉하지 않는 유전체 재료(132) 상에 존재하는 전하는 중화되지 않는다. 패턴 형성 도구(120)의 스탬핑 표면(122)의 형상 및 패턴에 대응하는 정전기 전하 패턴이 유전체 재료(132) 상에 형성된다.

패턴 형성 도구 및 액체를 사용하는 것과 같이, 유전체 재료에 전하를 가하는 다른 실시 형태가 유용하다. 이러한 실시 형태에서, 패턴 형성 도구 및 관련 액체가 (예컨대, 고전압 전원 장치에의 전기적 결합에 의해) 유전체 재료의 정전기 전하 전위보다 큰 정전기 전하 전위로 대전된다. 몇몇 실시 형태에서, 유전체 재료는 대전되어 있지 않다. 대전된 액체가 유전체 재료에 도포될 때, 전하가 액체에 의해 전달된다. 액체가 건조된 후에도, 전하가 접촉된 영역들 상에 남아 있다.

몇몇 실시 형태는 마이크로플렉소인쇄(microflexoprinting) 공정과 유사한 속도로 마이크로-스케일로 전하 패턴 형성을 가능하게 하며, 기판이 침착되는 액체와 양립가능한 표면 에너지를 갖는다면, 사실상 모든 유전체 기판 상에 전하 패턴을 형성하는 데 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 몇몇 실시 형태는, 예를 들어, 제2 물질(즉, 나노입자)의 안내된 침착 이후에 제위치에서 경화될 수 있는 비경화된 아크릴레이트의 대전된 패턴의 침착을 포함한다. 기판에의 접착은 임의의 경화된 물질과 동일한 품질을 갖는다. 다양한 단량체, 가교결합제, 개시제 및 기능 성분이 사용될 수 있다. 액체는 전도성이 높을 필요는 없다. 본 명세서에 예시된 바와 같이, 정전기 방지 체제(antistat regime)에서의 전도율이 액체 패턴의 적절한 대전을 가능하게 하기에 충분하다. 본 발명에 따른 몇몇 실시 형태는 또한, 예를 들어 아이소프로필 알코올 또는 메틸 에틸 케톤과 같은 통상의 용매의 대전된 패턴의 침착을 포함한다. 용매는 이어서 표면으로부터 증발될 수 있고, 그에 따라 대전된 패턴이 유전체의 표면 상에 남는다. 유전체 표면에 부여되는 전파 분포가 전하를 침착시키는 데 사용되는 액체의 유형에 상관 없이 그리고 액체가 제위치에 남아 있거나 증발하는지에 상관 없이 균일하거나 패턴 형성되어 있을 수 있다.

실시예, 도 34 내지 도 50

하기의 비제한적인 실시예는 본 발명의 다양한 실시 형태를 예시한다.

도 34 내지 도 37은 수행된 시험에서 측정된 유전체 재료 상의 정전기 전하 전위를 도시한다. 이러한 실시예는 접지된 전도성 도구로부터 전하 유전체 재료 상으로 비경화된 아크릴레이트 단량체를 침착시킴으로써 전하 패턴이 생성될 수 있다는 것을 보여준다.

유전체 전위의 측정치는 수동 xy 스테이지(manual xy stage)에 장착된 트렉(Trek) 모델 401P-E 고속 프로브를 갖는 트렉 모델 400 정전기 전압 측정기에 의해 매핑하였다. 약 1 ㎜의 샘플 갭에 대한 프로브를 사용하였다.

도 34는 유전체 재료를 대전시킨 후의 유전체 재료 상의 정전기 전하 전위의 플롯도이다. 맞춤 제작된(custom built) 25.4 ㎝ (10") 스코로트론을 사용하여 대전을 수행하였다. 스코로트론의 스크린은 2MOhm 저항기를 통해 접지하였다. 코로나-방출 전극(금 도금된 톱니 블레이드)을 글래스만(Glassman) +10㎸, 30㎃ 고전압 DC 전원 장치를 사용하여 지정된 전압에서 유지하였다. 2MOhm 저항기로 인해 스코로트론의 스크린이 스코로트론 블레이드에 인가된 전압의 함수인 전위에서 유지된다. 유전체 재료를 접지된 알루미늄 플레이트의 상부 표면에 테이핑하였고, 스코로트론 장치 아래로 통과시켰다. 스코로트론과 유전체 재료 사이에 약 1 ㎜의 갭이 있었다. 이것으로 인해, 유전체 재료의 상부 표면이 대략 스코로트론 스크린 전위로 대전되었다.

이러한 단계에서, 스코로트론 대전 장치는 +7㎸의 블레이드 전위로 대전되었다. 도 34에 도시된 바와 같이, 그 결과의 대전된 유전체 재료는 약 900 볼트 정도의 표면 전위를 가졌다.

도 35는 유전체 재료로부터 전하를 제거한 후의 정전기 전하 전위의 플롯도이다. 도 34에 도시된 바와 같이 유전체 재료를 대전시킨 후에, 전하가 유전체 재료로부터 실질적으로 제거되었다. 도 35에 도시된 바와 같이, 유전체 재료의 생성된 전하 전위는 약 0 볼트였다.

도 36은 유전체 재료를 다시 대전시킨 후의 정전기 전하 전위의 플롯도이다. 이러한 단계에서, 스코로트론 대전 장치를 다시 사용하였지만, 이 때 블레이드 전위가 +8㎸였다. 도 36에 도시된 바와 같이, 그 결과의 대전된 유전체 재료는 약 1400 볼트 정도의 표면 전위를 가졌다.

도 37은 액체 코팅된 패턴 형성 도구로 스탬핑한 후의 유전체 재료의 정전기 전하 전위의 플롯도이다. 패턴 형성 도구는 대략 5 ㎜ 이격된 2개의 리브(rib)를 갖는 전도성 재료로 제조하였다. 도구는 접지에 전기적으로 결합시켰다.

얇은 아크릴레이트 단량체 코트를 도 29 내지 도 31에 도시된 공정을 통해 패턴 형성 도구의 스탬핑 표면에 도포하였다. 아크릴레이트 단량체는 10^-10 S/m 정도의 전도율을 갖는다. 패턴 형성 도구의 스탬핑 표면을 이어서 대전된 유전체 재료에 대항하여 가압하고 제거하였다.

생성된 정전기 전하 전위가 도 37에 도시되어 있다. 생성된 정전기 전하 전위는 대전된 영역들과 덜 대전된 영역들의 패턴을 포함한다. 대전된 영역들(예를 들어, 약 1 내지 2 ㎜ 및 9 내지 12 ㎜의 x)는 약 1400 볼트의 정전기 전위를 갖는 반면, 덜 대전된 영역들(예를 들어, 약 0 ㎜ 및 약 6 ㎜에서의 x)은 약 300 볼트의 정전기 전위를 갖는다. 따라서, 패턴 형성 도구 및 아크릴레이트 단량체와 접촉되었던 영역들은 패턴 형성 도구 및 아크릴레이트 단량체와 접촉되지 않았던 영역들보다 감소된 전하를 갖는다.

도 38 내지 도 50은 수행된 시험에서 측정된 유전체 재료 상의 정전기 전하 전위를 도시한다. 이들 실시예는 대전된 패턴 형성 도구로부터 상대적으로 비대전된 유전체 재료 상으로 비경화된 아크릴레이트 단량체를 침착시킴으로써 전하 패턴이 생성될 수 있다는 것을 보여준다. 대전된 아크릴레이트 단량체는 이어서 토너 입자들을 끌어당기는 데 사용될 수 있다.

도 38 내지 도 40은 토너 입자들을 끌어당길 수 있는 유전체 재료(160) 상의 전하 패턴을 생성하는 방법을 도시한다. 이들 시험에서, 패턴 형성 도구(150)를 사용하였다. 패턴 형성 도구는 폭이 대략 100 마이크로미터인 평탄한 특징부를 갖는 일 편의 그라비어 롤 재료였다. 도구의 일부분이 도 41에 도시되어 있다.

도 38은 전하 패턴을 생성하는 방법의 제1 동작을 도시하는 개략적인 측면 블록도이다. 이 동작은 스탬핑 표면(152)을 갖는 패턴 형성 도구(150), 액체(154), 유전체 재료 시트(156) 및 플레이트(158)를 수반하였다.

유전체 재료 시트(156)를 플레이트(158)의 상부에 배치하였다. 액체(154)를 유전체 재료 시트(156)의 상부에 배치하였다. 이러한 실시예에서, 액체(154)는 아크릴레이트 단량체였다. 패턴 형성 도구(150)를 전압 공급원에 전기적으로 결합시켰고, 이 전압 공급원은 +10㎸, 30㎃ 고전압 DC 전원 장치였다. 패턴 형성 도구(150)를 액체(154) 내로 가압하여, 액체(154)가 스탬핑 표면(152)을 코팅하게 하였다. 패턴 형성 도구(150)를 그 후 액체(154)로부터 제거하였다.

도 39는 전하 패턴을 생성하는 방법의 제2 동작을 도시하는 개략적인 측면 블록도이다. 이 동작은 패턴 형성 도구(150), 액체(154), 유전체 재료(160), 패드(162) 및 플레이트(164)를 수반하였다. 플레이트(164)는 접지에 전기적으로 결합된 금속 플레이트였다. 패드(162)를 고무 패드(162) 상에 장착하였다. 유전체 재료(160)를 고무 패드(162) 상에 장착하였다. 패턴 형성 도구(150)는 전술한 바와 같이 액체(154)의 코팅을 갖는 스탬핑 표면(152)을 포함하였다.

유전체 재료(160)의 표면에 액체(154)를 도포하기 위해 스탬핑 표면(152)을 패턴 형성 도구(150)에 대항하여 가압하였다. 패턴 형성 도구(150)를 그 후 유전체 재료(160)로부터 제거하였다. 액체(154)의 일부가 유전체 재료(160)의 표면 상에 남아 있었다.

도 39가 패드(162)의 사용을 도시하지만, 몇몇 시험은 패드(162) 없이 수행하였다. 이하에서 기술하는 바와 같이, 패드(162)의 사용은 대전된 액체로부터의 전계의 선예도(sharpness)를 감소시키는 경향이 있다. 따라서, 패드(162)가 필요하지 않다.

도 40은 전하 패턴을 생성하는 방법의 제3 동작을 도시하는 개략적인 측면 블록도이다. 이 동작은 그 상에 패턴 형성된 액체(154)를 갖는 유전체 재료(160), 패드(162) 및 플레이트(164)를 수반하였다. 또한, 토너(170) 및 플레이트(172)를 사용하였다.

플레이트(172)는 접지에 전기적으로 결합된 금속 플레이트였다. 토너(170)를 플레이트(172)의 상부에 배열하였다.

플레이트(164), 패드(162) 및 유전체 재료(160)를 전도시켜 토너(170)에 매우 근접하게 배치하였다. 유전체 재료(160)로의 토너(170)의 전사를 용이하게 하도록 플레이트(172) 및 토너(170)를 교반시켰다.

유전체 재료(160)가 토너(170)에 매우 근접하여 배치되었을 때, 유전체 재료(160) 상의 패턴 형성되고 대전된 액체(154)에 의해 생성된 전계로 인해 토너 입자(170)가 대전된 액체(154)로 끌려가 고착되었다.

도 41은 몇몇 시험에서 사용된 패턴 형성 도구(150)의 일부분이다. 패턴 형성 도구(150)는 약 100 마이크로미터의 폭을 갖는 특징부들을 포함한다. 갭이 인접한 특징부들을 분리시킨다.

도 42 내지 도 47은 도 41에 도시된 패턴 형성 도구를 사용하여 도 38 내지 도 40을 참조하여 기술된 바와 같이 수행한 3개의 개별적인 시험의 결과를 도시한다. 제1 시험의 결과가 도 42에 도시되어 있다. 제2 시험의 결과가 도 43 내지 도 45에 도시되어 있다. 제3 시험의 결과가 도 46 및 도 47에 도시되어 있다.

도 42는 제1 시험 동안에 토너 입자들에 매우 근접하여 배치된 후의 유전체 재료의 사진이다. 제1 시험에서, 고무 패드(162)를 포함하는 도 38 내지 도 40의 구성을 사용하였다. 패턴 형성 도구(150)에 전기적으로 결합된 DC 전원 장치를 +2㎸로 설정하였다. 사용된 액체(예를 들어, 도 38)는 약 0.127 ㎜ (0.005 인치) 두께로 코팅된 메틸 에틸 케톤(MEK) 중의 25 중량% 아센트럼(Accentrum) 아크릴레이트였다.

유전체 재료가 토너에 매우 근접하여 배치되었을 때, 토너가 대전된 액체 패턴으로 끌려갔다. 생성된 토너 트레이스의 사진이 도시되어 있다. 사진을 캡처하기 위해서는 올림푸스(Olympus) SZK12 현미경을 사용하였다.

도 43 내지 도 45는 제2 시험 동안에 토너 입자들에 매우 근접하여 배치된 후의 유전체 재료의 사진이다. 제2 시험에서, 고무 패드(162)가 유전체 재료(160)와 플레이트(164) 사이에 사용되지 않은 것을 제외하고는, 도 38 내지 도 40의 구성을 사용하였다. 패턴 형성 도구(150)에 전기적으로 결합된 DC 전원 장치를 +1㎸로 설정하였다. 액체는 약 0.127 ㎜ (0.005 인치) 두께로 코팅된 MEK 중의 5 중량% 중량 퍼센트 아센트럼 아크릴레이트였다. 도 43 및 도 44는 토너 트레이스를 포함한 유전체 재료(160)의 2개의 상이한 영역의 사진이다. 도 45는 유전체 재료(160) 상의 하나의 토너 트레이스의 고배율 이미지이다.

도 46 및 도 47은 제3 시험 동안에 토너 입자들에 매우 근접하여 배치된 후의 유전체 재료의 사진이다. 제3 시험에서, 도 38 내지 도 40의 구성을 사용하였다. 패턴 형성 도구(150)에 전기적으로 결합된 DC 전원 장치를 +1㎸로 설정하였다. 액체는 약 0.127 ㎜ (0.005 인치) 두께로 코팅된 MEK 중의 5 중량% 중량 퍼센트 아센트럼 아크릴레이트였다. 도 46은 이러한 시험에서 얻어진 유전체 재료 상의 토너 트레이스의 사진이다. 도 47은 이러한 시험에서 얻어진 하나의 토너 트레이스의 확대도이다.

도 48 내지 도 50은 유전체 재료(188) 상의 대전된 액체(184)로부터 방출되는 전계에 대한 유전체 재료 두께의 영향을 도시한다. 이 실험 구성은 토너(170)를 갖지 않고 하나의 유전체 층으로 조합된 유전체 재료(160) 및 패드(162)를 갖는 도 40에 도시된 시스템을 모델링하도록 설계하였다.

도 48 내지 도 50은 전계에 대한 패드 두께의 영향을 정성적으로 도시한다. 이러한 실시예에서, 유전체 재료를 전도성 플레이트(180)에 장착하였다. 전도성 플레이트를 접지에 전기적으로 결합시켰다. 대전되고 패턴 형성된 액체(184)를 유전체 재료(182)에 도포하였다. 제2 전도성 플레이트(188)를 유전체 재료 및 패턴 형성된 액체로부터 이격시켰다. 제2 전도성 플레이트(188)를 또한 접지에 전기적으로 결합시켰다. 유전체 재료(182)와 제2 전도성 플레이트(188) 사이의 공간에서의 전계를 도 48 내지 도 50에 도시된 바와 같이 측정하였다. 그 결과는 더 두꺼운 유전체 재료(도 48)에서보다 더 얇은 유전체 재료(도 50)에서 전계가 더 예리하고 더 집속되어 있음을 보여준다. 이것은 더 얇은 유전체 재료로 예리한 이미지들이 생성된다는 것을 암시한다.

유사하게, 이들 시험은 더 예리하고 더 집속된 이미지가 인접한 고무 패드(도 39 및 도 40에 도시된 162)를 갖지 않는 얇은 유전체 패드로부터 생성된다는 것을 알려주지만, 이것이 구체적으로 시험하지는 않았다.

상기 명세서 및 실시예들이 본 발명의 특정 실시 형태들의 제조 및 사용에 대한 완전한 설명을 제공하는 것으로 생각된다. 많은 실시 형태들이 본 발명의 사상 및 범주로부터 벗어남이 없이 이루어질 수 있기 때문에, 본 발명의 진정한 범주 및 사상은 이하에 첨부된 특허청구범위의 넓은 의미에 존재한다.

Claims (21)

1. 유전체 재료 상의 전하를 변경시키는 방법으로서,
   표면 상에, 접지 전위에 대해 측정되는 불균일한 정전기 전하 분포를 갖는 유전체 재료를 획득하는 단계;
   18.51 이상 32.7 이하의 유전 상수(dielectric constant)를 갖는 적어도 약전도성(weakly conductive)의 액체를 유전체 재료의 표면에 도포하는 단계; 및
   적어도 약전도성의 액체를 표면으로부터 적어도 부분적으로 제거하여, 표면 상에 균일한 정전기 전하가 남게 하는 단계
   를 포함하는 방법.
2. 유전체 재료 상에 정전기 전하 패턴을 생성하는 방법으로서,
   제1 전하 전위를 갖는 유전체 재료를 획득하는 단계;
   18.51 이상 32.7 이하의 유전 상수를 가지고, 제2 전하 전위를 갖는 적어도 약전도성의 액체를 유전체 재료의 제1 부분에 도포하는 단계; 및
   액체를 유전체 재료의 제1 부분으로부터 적어도 부분적으로 제거하여, 유전체 재료의 제1 부분 상에 균일한 정전기 전하가 남게 하는 단계
   를 포함하는 방법.
3. 유전체 재료의 긴 웨브를 중화시키는 방법으로서,
   18.51 이상 32.7 이하의 유전 상수를 갖는 적어도 약전도성의 액체를 접지 전위에 전기적으로 결합시키는 단계;
   접지 전위와 동일하지 않은 전하 전위를 갖는 유전체 재료를 획득하는 단계;
   긴 웨브 상의 전하를 중화시키기 위해 연속 웨브의 부분을 액체 내에 침지시켜서 긴 웨브의 부분을 완전히 덮도록 하는 단계;
   연속 웨브의 상기 부분을 액체로부터 제거하는 단계; 및
   침지 후에 액체를 연속 웨브로부터 적어도 부분적으로 건조시키는 단계
   를 포함하는 방법.
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