KR101623299B1 - 대면적 코팅용 uv led 경화장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 자외선 경화형 수지로 코팅된 제품을 UV LED로 경화하는 장치에 있어서: 하우징(12)에 히트싱크(31)를 개재하여 다수의 LED모듈(15)을 구비하는 광조사헤드(10); 상기 다수의 LED모듈(15)에 연결되어 전원을 인가하는 전원공급기(20); 상기 LED모듈(15)의 히트싱크(31)를 수냉자켓(33)으로 감싸고, 방열기(35) 측으로 냉각수 순환경로를 구성하는 냉각수단(30); 및 상기 LED모듈(15)의 발열 온도와 광출력을 설정 범위로 유지하는 제어수단(40);을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, COB LED 광원을 이용한 대면적 UV 경화에 있어서 최대 광출력 10,000mw/㎠ 이상을 구현하면서 수냉식으로 LED 광원을 쿨링하여 광출력을 유지하는 효과가 있다.

Description

대면적 코팅용 UV LED 경화장치{UV LED curing apparatus for large suface coating}
본 발명은 코팅용 UV LED 경화장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 각종 제품의 부분품간 접합 외에 그림, 사진, 문자를 인쇄하고 경화는 코팅 공정에 적용하기 위한 대면적 코팅용 UV LED 경화장치에 관한 것이다.
통상 UV LED 경화는 광 개시제가 함유된 자외선 경화형 수지로 코팅된 각종 제품에 적용하여 제조현장의 친환경성과 생산성 향상은 물론 표면 경도, 표면 광택, 전기 절연성 등의 물성을 높이는 기술로 각광받고 있다. 특히 UV 경화용 램프로 고효율의 LED 광원을 사용하는 경우 일반적인 UV 램프에 비하여 설비의 사이즈와 전력소모량을 축소할 수 있다. 다만, 어느 경우에나 UV 경화 과정의 발열로 인한 제품의 열변형과 내구성 약화에 주의를 요한다.
이와 관련되어 참조할 수 있는 선행기술문헌으로 한국 공개특허공보 제2007-0022001호(선행문헌 1), 한국 등록특허공보 제1272801호(선행문헌 2) 등이 알려져 있다.
선행문헌 1은 줄지어 엇갈리며 180nm 및 420nm 사이의 파장에서 빛을 방출하고, 가시광선을 방출하는 열이 상기 장치의 검사를 위하여 포함될 수 있으며, 냉각 시스템이 광도를 유지하기 위하여 UV-LED 어셈블리를 원하는 온도로 유지한다. 이에 따라, 칩의 가열로 빛의 세기가 감소될 때 기판의 일정한 온도를 유지하고, 일정한 광도와 균일한 패턴의 빛을 제공하는 효과를 기대한다.
선행문헌 2는 덮개를 포함하는 진공챔버; 상측에 조사유닛부가 결합되는 유닛결합부, 상기 유닛결합부의 측면에 관통된 배출부 및 상기 유닛결합부와 대응되게 냉각수가 통과하는 수냉자켓을 포함하는 LED장착자켓; 외부로부터 수냉자켓으로 냉각수를 공급하고, 수냉자켓으로부터 외부로 냉각수가 배출되는 입출관;등으로 이루어진다. 이에 따라, 조사유닛부의 광조사로 인한 LED칩의 열화를 방지하고 LED의 광 효율을 극대화할 수 있는 효과를 기대한다.
상기한 선행문헌에 의하면 제조현장에서 설비 사이즈와 전력소모량 절감을 기대할 수 있기는 하지만, 고속으로 피딩되는 제품의 UV 경화를 위한 대면적 설비에 대응한 설계요소를 반영하지 않아 한계성을 보이고 있다.
1. 한국 공개특허공보 제2007-0022001호 "UV 경화방법 및 장치" (공개일자 : 2007. 2. 23.) 2. 한국 등록특허공보 제1272801호 "진공 챔버 UV-LED 경화장치" (공개일자 : 2013. 4. 9.)
상기와 같은 종래의 문제점들을 개선하기 위한 본 발명의 목적은, COB 방식의 LED 광원을 이용한 대면적 UV 경화에 있어서 최대 광출력 10,000mw/㎠ 이상을 구현하면서 수냉식으로 LED 광원을 쿨링하여 광출력을 유지하는 대면적 코팅용 UV LED 경화장치를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 자외선 경화형 수지로 코팅된 제품을 UV LED로 경화하는 장치에 있어서: 하우징에 히트싱크를 개재하여 다수의 LED모듈을 구비하는 광조사헤드; 상기 다수의 LED모듈에 연결되어 전원을 인가하는 전원공급기; 상기 LED모듈의 히트싱크를 수냉자켓으로 감싸고, 방열기 측으로 냉각수 순환경로를 구성하는 냉각수단; 및 상기 LED모듈의 발열 온도와 광출력을 설정 범위로 유지하는 제어수단;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 광조사헤드는 COB 패키징 방식의 LED모듈을 사용하여 광출력 10,000mw/㎠ 이상과 길이방향 편차 10% 이내로 유지하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 전원공급기는 다수의 LED모듈을 직병렬 회로로 연결하여 전원을 인가하도록 분배기를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 냉각수단은 각각의 LED모듈에 대하여 병렬적 회로로 냉각수 순환경로를 구성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 제어수단은 광조사헤드의 냉각수 온도를 검출하는 온도센서, 각각의 LED모듈에 대한 광출력을 검출하는 광센서, LED모듈의 온도와 광출력에 대응하여 전원공급기와 냉각수단의 출력을 변동하는 제어기를 구비하는 것을 특징으로 한다.
이상과 같이 본 발명에 의하면, COB LED 광원을 이용한 대면적 UV 경화에 있어서 최대 광출력 10,000mw/㎠ 이상을 구현하면서 수냉식으로 LED 광원을 쿨링하여 광출력을 유지하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 장치를 전체적으로 나타내는 구성도
도 2는 본 발명에 따른 장치의 광조사헤드를 투시하여 나타내는 구성도
도 3은 본 발명에 따른 장치의 주요 전기회로 연결을 나타내는 구성도
도 4는 본 발명에 따른 장치의 주요 냉각회로 연결을 나타내는 구성도
이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 자외선 경화형 수지로 코팅된 제품을 UV LED로 경화하는 장치에 관하여 제안한다. 특히 고속으로 피딩되는 제품의 UV 경화를 위한 대면적 설비를 대상으로 하지만 반드시 이에 국한되는 것은 아니다.
본 발명에 따르면 광조사헤드(10)가 하우징(12)에 히트싱크(31)를 개재하여 다수의 LED모듈(15)을 구비하는 구조이다. 광조사헤드(10)는 냉각수 순환경로를 수용하는 통형의 구조로서 저면에 3~7개의 LED모듈(15)을 일렬로 구비한다. 각각의 LED모듈(15)은 기판의 배면에 전열성이 우수한 히트싱크(31)와 결합된다. 히트싱크(31)는 적어도 부분적으로 냉각수 순환경로 상으로 노출된다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 광조사헤드(10)는 COB 패키징 방식의 LED모듈(15)을 사용하여 광출력 10,000mw/㎠ 이상과 길이방향 편차 10% 이내로 유지하는 것을 특징으로 한다. 하나의 LED모듈(15)은 기판 상에 다수의 LED칩을 탑재하여 부피와 중량을 축소하면서 다양한 형태로 배열하는 유연성을 높일 수 있다. 기판의 일부를 히트싱크(31)와 공유하면 열저항을 축소하여 대면적 광조사헤드(10)의 구성에 유리하다. 이에 광출력 10,000mw/㎠ 이상과 길이방향 편차 10% 이내로 유지하는 성능의 달성이 가능하다. 광출력 10,000mw/㎠ 은 설비의 최대 출력을 목표로 하고, 길이방향 편차는 각각의 LED모듈(15) 간의 광출력 차이를 의미한다.
또, 본 발명에 따르면 전원공급기(20)가 상기 다수의 LED모듈(15)에 연결되어 전원을 인가하는 구조이다. 전원공급기(20)는 기본적으로 OPV(Over Protect Voltage)/OPC(Over Protect Current) 기능이 장착된 정전류 제어방식으로서 DC 전압 및 전류를 자유롭게 조절이 가능하며 LED모듈(15)의 LED칩에 과접압이 유발되는 것을 방지하는 회로를 포함한다.
이때, 전원공급기(20)는 LED모듈(15)에 직류전원을 공급하는 스위치 모드 전원공급기(SMPS: Switching Mode Power Supply)의 전압을 제어하여 광출력을 유지하도록 구성한다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 전원공급기(20)는 다수의 LED모듈(15)을 직병렬 회로로 연결하여 전원을 인가하도록 분배기(25)를 구비하는 것을 특징으로 한다. 일예로, LED모듈(15)에 종횡으로 탑재된 다수의 LED칩 중에서 종방향으로 배치된 것들을 직렬회로로 연결한 다음 횡방향의 열들을 병렬회로로 연결한다. 이에 어느 하나의 LED칩이 수명을 다하여 소등되어도 광출력의 급감을 완화하여 제품 불량을 방지할 수 있다. 분배기(25)는 LED모듈(15)과 전원공급기(20) 사이에 개재되어 직병렬 회로 연결모드를 커넥터 방식으로 용이하게 변경하도록 구성한다.
또, 본 발명에 따르면 냉각수단(30)이 상기 LED모듈(15)의 히트싱크(31)를 수냉자켓(33)으로 감싸고, 방열기(35) 측으로 냉각수 순환경로를 구성하는 구조를 지닌다. 도 2를 참조하면 LED모듈(15)의 상측으로 히트싱크(31)가 배치되고, 그 상측으로 수냉자켓(33)이 지그재그 유로로 배치되고, 그 상측에 수관(34)이 하우징(12)의 외부로 연장된다. 수냉자켓(33)에 의한 냉각수 순환경로에는 히트싱크(31)의 적어도 일부가 노출 상태로 배치된다.
한편, 도 4는 냉각수단(30)으로서 광조사헤드(10)와 방열기(35) 사이에 순환펌프(36), 보충탱크(38) 등을 구비하여 냉각수의 순환 사이클을 구동함을 예시한다. 순환펌프(36)는 간단한 구성으로 유량 제어가 용이한 다이아프램 방식을 적용할 수도 있다. 보충탱크(38)는 냉각수를 보충하는 동시에 순환 사이클의 열적 충격을 완화한다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 냉각수단(30)은 각각의 LED모듈(15)에 대하여 병렬적 회로로 냉각수 순환경로를 구성하는 것을 특징으로 한다. 도시의 편의를 위해 수관(34)을 2개로 도시하지만 LED모듈(15)의 설치 수량에 따라 균일한 냉각을 도모하도록 증설될 수 있다. 예컨대, 냉각수가 중앙으로 유입되고 양측으로 분기되어 배출되는 병렬적 순환경로로 구성할 수 있다. 물론 더 세분화하여 각각의 LED모듈(15)에 냉각수 유입관과 배출관을 독립적으로 형성할 수도 있다.
또, 본 발명에 따르면 제어수단(40)이 상기 LED모듈(15)의 발열 온도와 광출력을 설정 범위로 유지하는 구조를 지닌다. 제어수단(40)은 각각의 LED모듈(15)에 대한 제어로 광조사헤드(10)의 전체적인 발열 온도와 광출력을 조절한다. 고속으로 피딩되는 제품의 UV 경화를 위한 대면적 설비에 있어서 제품의 종류에 대응한 유연한 제어를 기반으로 양산의 생산성과 품질을 향상하는 동시에 설비의 내구성 저하를 방지하는 설계요소가 중요하다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 제어수단(40)은 광조사헤드(10)의 냉각수 온도를 검출하는 온도센서(41), 각각의 LED모듈(15)에 대한 광출력을 검출하는 광센서(43), LED모듈(15)의 온도와 광출력에 대응하여 전원공급기(20)와 냉각수단(30)의 출력을 변동하는 제어기를 구비하는 것을 특징으로 한다. 온도센서(41)는 하우징(12)에 수용된 각각의 LED모듈(15)에 대하여 설치하는 것이 좋다. 이외에 도 4처럼 방열기(35)에도 별도의 온도센서(42)를 설치한다. 광센서(43)도 하우징(12)에 수용된 각각의 LED모듈(15)에 대하여 설치하는 것이 좋다. 광센서(43)는 포토다이오드나 Cds(황화 카드뮴)를 사용하여 광출력의 변화를 전류값이나 저항값으로 생성한다. 제어기는 마이크로프로세서, 메모리, 입출력인터페이스를 구비하는 마이컴 회로로 구성된다. 제어기의 구체적인 예로서 PLC(54) 또는 PC(47) 중 적어도 하나를 적용할 수 있다.
작동에 있어서, 제어수단(40)의 제어기는 평상시 제품의 종류에 대응하여 LED모듈(15)에 대한 광출력을 제어하고, 온도센서(41)(42)의 온도를 측정하여 방열기(35)와 순환펌프(36)에 대한 출력변동으로 설정 범위의 온도를 유지한다. 그러나 광조사헤드(10)의 온도가 설정치(예컨대 60℃) 이상이 되면 알람을 발생하는 동시에 전원공급기(20)의 전원 공급을 차단하여 LED모듈(15)의 손상과 제품 불량이 발생하는 것을 방지한다. 이외에 제어기는 LED모듈(15)의 광출력이 저하되면 알람을 발생할 수도 있다.
본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.
10: 광조사헤드 12: 하우징
15: LED모듈 20: 전원공급기
25: 분배기 30: 냉각수단
31: 히트싱크 33: 수냉자켓
34: 수관 35: 방열기
36: 순환펌프 38: 보충탱크
40: 제어수단 41, 42: 온도센서
43: 광센서 45: PLC
47: PC

Claims (5)

  1. 자외선 경화형 수지로 코팅된 대면적의 제품을 UV LED로 경화하는 장치에 있어서:
    하우징(12)에 히트싱크(31)를 개재하여 다수의 LED모듈(15)을 구비하는 광조사헤드(10);
    상기 다수의 LED모듈(15)에 연결되어 전원을 인가하는 전원공급기(20);
    상기 LED모듈(15)의 히트싱크(31)를 수냉자켓(33)으로 감싸고, 방열기(35) 측으로 냉각수 순환경로를 구성하는 냉각수단(30); 및
    상기 LED모듈(15)의 발열 온도와 광출력을 설정 범위로 유지하는 제어수단(40);을 포함하여 이루어지되,
    상기 전원공급기(20)는 다수의 LED모듈(15)을 직병렬 회로로 연결하여 전원을 인가하도록 분배기(25)를 구비하고,
    상기 냉각수단(30)은 각각의 LED모듈(15)에 대하여 병렬적 회로로 냉각수 순환경로를 구성하며,
    상기 제어수단(40)은 광조사헤드(10)의 냉각수 온도를 검출하는 온도센서(41), 각각의 LED모듈(15)에 대한 광출력을 검출하는 광센서(43), LED모듈(15)의 온도와 광출력에 대응하여 전원공급기(20)와 냉각수단(30)의 출력을 변동하는 제어기를 구비하는 것을 특징으로 하는 대면적 코팅용 UV LED 경화장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 광조사헤드(10)는 COB 패키징 방식의 LED모듈(15)을 사용하여 광출력 10,000mw/㎠ 이상과 길이방향 편차 10% 이내로 유지하는 것을 특징으로 하는 대면적 코팅용 UV LED 경화장치.
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