KR20030088145A - 가변형 정전 스프레이 코팅 장치 및 방법 - Google Patents

가변형 정전 스프레이 코팅 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

정전기장에 응답하여 액적의 박무와 습윤 코팅을 생성하는 정전 스프레이 헤드로부터 기판이나 전달면 상에 액적을 분사함으로써 액체 코팅을 형성한다. 분사 도중, 정전기장을 반복적으로 변화시켜, 액적에 의해 침적되는 패턴을 변화시킨다. 코팅의 균일성을 향상시키는 2개 이상의 픽 앤드 플레이스 디바이스와 습윤 코팅을 접촉시킬 수 있다.

Description

가변형 정전 스프레이 코팅 장치 및 방법 {VARIABLE ELECTROSTATIC SPRAY COATING APPARATUS AND METHOD}
정전 스프레이 코팅은 전형적으로 액체를 무화하는 단계와, 무화된 액적을 정전기장에서 침적시키는 단계를 포함한다. 상기 액적의 평균 직경과 크기 분포는 특정 스프레이 코팅 헤드에 따라 광범위하게 변화될 수 있다. 전기 전도성과 표면 장력 및 액체 점도 등과 같은 다른 요소들도 액적의 직경 및 크기 분포에 상당히 중요한 역할을 한다. 대표적인 정전 스프레이 코팅 헤드 및 장치는, 예컨데 미국 특허 제2.658.536호, 제2.695.002호, 제2.733.171호, 제2.809.128호, 제2.893.894호, 제3.486.483호, 제4.748.043호, 제4.749.125호, 제4.788.016호, 제4.830.872호, 제4.846.407호, 제4.854.506호, 제4.990.359호, 제5.049.404호, 제5.326.598호, 제5.702.527호, 제5.954.907호 등에 개시되어 있다. 금속 스트립에 캔 성형용 윤활유를 정전기적으로 스프레이하기 위한 장치는, 예컨대 미국 특허 제2.447.664호, 제2.710.589호, 제2.762.331호, 제2.994.618호, 제3.726.701호, 제4.073.966호, 제4.170.193호 등에 개시되어 있다. 롤 코팅 도포기는, 예를 들면 미국 특허 제4.569.864호, 유럽 특허 공개 제949380호, 독일 OLS DE 198 14 689A1호에 개시되어 있다.
일반적으로, 스프레이 코팅 헤드로 이송된 액체는 액체 유동 시의 불안정으로 인해 액적으로 분해되며, 종종 정전기장의 인가에 의해 적어도 부분적으로 영향을 받는다. 전형적으로, 정전 스프레이 헤드로부터의 하전 액적은, 스프레이 헤드를 통과하는 물품이나 무한 웹 또는 기타 기판을 향하도록 정전기장에 의해 지향된다. 일부 용도에 있어서, 필요로 하는 코팅 두께가 액적의 평균 직경보다 큰 경우, 상기 액적은 다른 액적의 상부에 안착되어 합체된 후 코팅을 형성한다. 또 다른 용도에 있어서, 필요로 하는 코팅 두께가 평균 액적 직경보다 작은 경우, 액적은 충격 시에 이격되고, 연속적인 무공극형 코팅을 형성하기 위해 분산되어야만 한다.
금속 스트립에 캔 성형용 윤활유를 정전 스프레이하는 장치는, 예를 들면 미국 특허 제3.726.701호, 제4.073.966호, 제4.170.193호에 개시되어 있다. 상기 미국 특허 제3.726.701호에서, 정전 전위는 코팅될 물품의 속도와 침적률에 따라 조정된다.
미국 특허 제2.733.171호에서는 침적된 코팅 재료의 박리 또는 리빙(ribbing)을 감소시키기 위하여, 정전 스프레이 헤드의 기계적 요동과, 스프레이 헤드 정전 방출 와이어의 간헐적 이동을 이용하고 있다.
미국 특허 제5.049.404호에서는, 노즐을 떠나는 액체의 표면 형상을 안정시키고 저유량에서의 노즐 막힘을 감소시키고 매우 얇은 코팅을 얻기 위하여, 유전성 정전 스프레이 노즐의 압전 진동을 이용하고 있다.
본 발명은 기판을 코팅하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
도 1a는 본 발명에 따른 장치의 개략적인 측면도.
도 1b는 도 1a의 장치의 정전 스프레이 헤드 및 도전성 전달면의 사시도.
도 1c는 도 1a의 장치의 정전 스프레이 헤드 및 도전성 전달면의 또 다른 사시도.
도 2a는 분사 도중 정전기장을 변화시키는 데에 사용되는 회로를 도시한 도면.
도 2b는 고전압에서의 도 2a의 정전 스프레이 헤드의 개략적인 입력 단부를 도시한 도면.
도 2c는 저전압 상태에 있는 도 2a의 정전 스프레이 헤드의 개략적인 측면도.
도 3은 본 발명의 다른 장치를 부분적으로 절단 도시한 개략적인 측면도.
도 4a는 도전성 전송 벨트가 구비된 본 발명의 장치의 개략적인 측면도.
도 4b는 도 4a의 장치 일부와 다공성 웹을 확대 도시한 측면도.
도 5a는 일련의 정전 스프레이 헤드와 도전성 드럼이 구비된 본 발명의 장치의 개략적인 측면도.
도 5b는 도 5a의 장치에서, 인접한 레인에 코팅 스트라이프를 스프레이하는 장치의 개략적인 단면도.
도 5c는 일련의 정전 스프레이 헤드와 단일의 도전성 드럼이 구비된, 본 발명의 장치를 개략적으로 도시한 도면.
도 6은 웹 상에서의 코팅 결함을 개략적으로 도시한 측면도.
도 7은 픽 앤드 플레이스 디바이스의 개략적인 측면도.
도 8은 웹 상에서 단일의 대형 캘리퍼 스파이크에 대한 코팅 캘리퍼-웹 거리를 도시한 그래프.
도 9는 주기가 10인 단일의 주기적인 픽 앤드 플레이스 디바이스와 도 8의 스파이크가 만났을 때, 코팅 캘리퍼-웹 거리를 도시한 그래프.
도 10은 주기가 10인 2개의 주기적인 픽 앤드 플레이스 디바이스와 도 8의 스파이크가 만났을 때, 코팅 캘리퍼-웹 거리를 도시한 그래프.
도 11은 주기가 10 및 5인 2개의 주기적 픽 앤드 플레이스 디바이스와 도 8의 스파이크가 만났을 때, 코팅 캘리퍼-웹 거리를 도시한 그래프.
도 12는 주기가 10, 5, 2인 3개의 주기적인 픽 앤드 플레이스 디바이스와 도 8의 스파이크가 만났을 때, 코팅 캘리퍼-웹 거리를 도시한 그래프.
도 13은 주기가 5인 장치와 주기가 2인 6개의 장치에 이어 주기가 10인 하나의 주기적인 픽 앤드 플레이스 디바이스와 도 8의 스파이크가 만났을 때, 코팅 캘리퍼-웹 거리를 도시한 그래프.
도 14는 주기가 10인 반복적인 스파이크 결함에 대한, 코팅 캘리퍼-웹 거리를 도시한 그래프.
도 15는 주기가 7인 하나의 주기적인 픽 앤드 플레이스 디바이스와 도 14의 스파이크가 만났을 때, 코팅 캘리퍼-웹 거리를 도시한 그래프.
도 16은 주기가 7, 5, 4, 8, 3, 3, 3인 7개의 일련의 주기적인 픽 앤드 플레이스 디바이스와 도 14의 스파이크가 만났을 때, 코팅 캘리퍼-웹 거리를 도시한 그래프.
도 17은 주기가 7, 5, 4, 8, 3, 3, 3, 2인 8개의 일련의 주기적인 픽 앤드 플레이스 디바이스와 도 14의 스파이크가 만났을 때, 코팅 캘리퍼-웹 거리를 도시한 그래프.
도 18은 동일하게 작동되지 않고 직경이 동일한 일련의 접촉 롤을 포함하는 개선된 스테이션이 구비된 장치의 개략적인 측면도.
도 19는 본 발명에 사용되는 제어 시스템의 개략적인 측면도.
도 20은 정전기장 상태가 변화될 때 반복적인 액적 패턴의 제공에 필요한 드럼 회전수를 도시한 그래프.
본 발명에 참조로 인용되고, 본 출원인에 의해 2001년 4월 24일자로 출원된 발명의 명칭이 "정전 스프레이 코팅 장치 및 방법"인 계류 중인 미국 특허 출원 제09/841,380호에는, 액체로 적셔진 도전성 전달면 상에 액적을 정전 스프레이함으로써 기판에 액체 코팅을 도포하고, 이와 같이 도포된 액체의 일부를 상기 전달면으로부터 기판으로 전송하여 코팅을 형성하는 장치 및 방법이 개시되어 있다.
본 발명에 참조로 인용되고, 본 출원인에 의해 2001년 1월 10일자로 출원된 발명의 명칭이 "코팅 장치 및 방법"인 계류 중인 미국 특허 출원 제09/757,955호에는, 기판 상에서의 습윤 코팅의 균일성을 개선하기 위한 장치 및 방법이 개시되어 있다. 상기 코팅은 제1 위치에서 2개 이상의 보다 주기적인 픽 앤드 플레이스 디바이스(pick-and-place device)의 습윤면과 접촉하며, 상기 제1위치와는 상이한 기판 위치에서 재접촉되고, 상기 제1위치로부터의 거리에 대해 서로 주기적으로 연관되지 않는다. 상기 코팅은 에어리스 스프레이 노즐, 정전 스프레이 노즐, 스피닝 디스크 스프레이 노즐, 공압 스프레이 노즐 등과 같은 포인트 소스(point source) 노즐과; 라인 소스(line source) 무화 장치를 사용하여 도포될 수 있다. 노즐은 기판을 횡단하여 전후로 요동될 수 있다.
전술한 용도로 사용하기 위한 장치 및 방법은, 특히 조합하여 사용되었을 때 매우 균일한 코팅을 제공할 수 있다.
본 발명은 코팅 균일성을 향상시킨다. 본 발명의 특징에 따르면, 기판 상에 액체 코팅을 형성하는 방법은,
a) 정전기장에 응답하여 패턴을 형성하는 정전 스프레이 헤드로부터 기판 상에 액체의 액적 패턴을 스프레이하는 단계와,
b) 패턴을 반복적으로 변화시키기 위하여, 상기 스프레이 단계중 정전기장을 전기적으로 반복해서 변화시키는 단계를 포함한다.
한 가지 바람직한 방법은, 도전성 전달면 상에 액적 패턴을 스프레이하는 단계와, 액체 코팅을 형성하기 위해 도포된 액체의 일부를 전달면으로부터 기판으로 이송하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 기판 상에 액체 코팅을 형성하는 방법은,
a) 정전기장에 응답하여 패턴을 형성하는 정전 스프레이 헤드로부터 기판 또는 전달면 상에 액체의 액적 패턴을 스프레이하는 단계와;
b) 패턴을 제1 방향으로 반복적으로 변화시키는 단계와;
c) 임의의 순서로,
i) 상기 전달면이 사용될 때, 도포된 코팅의 일부를 전달면으로부터 기판으로 이송하는 단계와;
ii) 제2 방향으로의 코팅 균일성을 향상시키기 위하여, 상기 코팅을 2개 이상의 픽 앤드 플레이스 디바이스와 접촉시키는 단계
를 포함한다.
또한, 본 발명은 정전기장에 응답하여 기판 상에 액적 패턴 및 습윤 코팅을 형성하는 정전 스프레이 헤드와, 분사 도중 정전기장을 전기적으로 반복해서 변화시켜 패턴을 반복적으로 변화시키는 장치나 회로가 구비된 장치를 제공한다. 한가지 바람직한 실시예에서, 상기 장치나 회로는 패턴을 제1 방향으로 변화시키며, 또한 상기 장치는 코팅 균일성을 향상시키기 위하여 제2 방향으로 상기 습윤 코팅과 주기적으로 접촉 및 재접촉할 수 있는 2개 이상의 픽 앤드 플레이스 디바이스를 더 포함한다.
본 발명의 방법 및 장치는 도전성, 반도전성, 절연성, 다공성, 비다공성 기판상에 매우 균일한 박막 코팅이나 후막 코팅을 제공할 수 있다. 본 발명의 장치는 구성, 설치 및 작동이 간단하며, 코팅 두께 및 코팅 균일성의 조정이 용이하다.
일부 정전 스프레이 코팅 처리에 있어서, 필요로 하는 코팅 두께는 정전 스프레이 코팅 헤드에 의해 침적될 액적의 평균 직경보다 작다. 본 발명에서 이러한처리는 "박막 처리"로 언급될 것이며, 최종적인 코팅은 "박막 코팅"으로 언급될 것이다. 또 다른 정전 스프레이 코팅처리에 있어서, 필요로 하는 코팅 두께는 액적의 평균 직경보다 크다. 본 발명에서 이러한 처리는 "후막 처리"로 언급될 것이며, 최종적인 코팅은 "후막 코팅"으로 언급될 것이다.
본 발명은 도전성, 반도전성, 절연성, 다공성, 또는 비다공성 기판 상에 거의 균일한 무공극형 박막 코팅이나 후막 코팅을 도포하는 데에 사용될 수 있는 간단한 코팅 처리를 제공한다. 본 발명의 정전 스프레이 장치는 이동 중인 웹을 코팅하는 데에 특히 유용하지만, 이에 한정되지 않는다. 일부 실시예에서는, 코팅시 사용되는 정전 스프레이 코팅 헤드에 의해 발생되는 전하를 기판 상에 침적시키지 않고서도, 코팅이 형성될 수 있다.
본 발명의 한 가지 실시예에서, 정전기장은 분사 도중 전기적으로 반복해서 변화됨으로써, 목표 기판 상에 침적되는 액적 패턴을 반복적으로 변화시킨다. 다른 실시예에서, 목표 기판 상에 침적된 액적 패턴은 제1 방향으로 반복적으로 변화되며(예를 들면, 전기적 또는 기계적으로 반복해서 변화되는 정전기장을 이용하여), 액적으로 형성된 습윤 코팅은 하나 이상의 픽 앤드 플레이스 디바이스와 접촉하여 제2 방향으로의 코팅 균일성을 향상시킨다.
"액적 패턴의 반복적인 변화" 또는 "반복적으로 변화되는 액적 패턴"이라는 용어는, 이동 방향을 갖는 이동 중인 목표 기판 상에 습윤 액체 코팅이 정전기적으로 도포될 때, 코팅된 부분의 외곽이 기판 이동 방향과는 다른 방향으로 물리적으로 이동하거나, 또는 기판 상의 습윤 코팅의 분포 또는 코팅 중량이 기판 이동 방향과는 다른 방향으로 변화되고, 이러한 이동이나 변화가 주기적으로 재현되는 것을 의미한다. 이러한 패턴 변화는, 예를 들면 액적이 생성되는 공간 상에서의 위치 변화(스프레이 헤드 상에서의 한 지점에 대한)와, 또는 액적의 크기, 갯수, 궤적 변화에 의해 발생될 수 있다. 예를 들면, 기판이 제1 방향으로 이동하는 곳에서, 액적 패턴에 의해 형성된 코팅 영역의 외곽은 제2 방향으로 이동할 수 있으며, 하나 이상의 제3 방향으로 이동한 후, 다시 제2 방향으로 이동할 수 있으며; 상기 외곽은 확장, 수축, 그리고 다시 확장되며; 또는 상기 코팅된 영역 내의 액적은 제1 방향이나 코팅 중량에 따라 정렬되고, 하나 이상의 다른 분포 또는 코팅 중량으로 배치된 후, 다시 제1 방향이나 코팅 중량에 따라 정렬된다. 이러한 재발성 변화는 지속적이거나 주기적이거나 순환성일 필요가 없으며, 크기가 동일할 필요도 없다. 연장된 시간동안 액적 패턴이 일정하게 유지되지 않도록, 상기 변화는 분사 도중 자주 실행되어야 한다.
"기계적으로 반복해서 변화되는" 정전기장이라는 용어는, 이동 방향을 갖는 이동 중인 목표 기판 상에 습윤 액체 코팅이 도포될 때, 액적 패턴이 변화할 수 있도록 그리고 이동이 재발할 수 있도록, 목표위 공간의 고정점에 대한 스프레이 헤드 위치가 충분히 이동해야 한다는 것을 의미한다. 이러한 재발성 이동은 연속적일 필요가 없으며; 또한 주기적, 순환성, 또는 동일한 크기를 가질 필요도 없다. 연장된 시간 동안 액적 패턴이 일정하게 유지되지 않도록, 상기 이동은 분사 도중 자주 실행되어야 한다. 상기 이동은, 예를 들면 스프레이 헤드와 목표물 사이의 거리를 증가시키거나 감소시킴으로써, 또는 스프레이 헤드를 목표물에 대해 평행하게 이동시킴으로써 실행될 수 있다.
"전기적으로 반복해서 변화되는" 정전기장이라는 용어는, 인가된 전압 또는 스프레이 헤드 상에서(또는 정전기장 조정 전극 또는 제2 스프레이 헤드 등과 같이, 스프레이 헤드 및 목표물에 근접한 하나 이상의 다른 목표물 상에서) 지면에 인가된 전압이 충분히 변화됨으로써, 정전기장 및 액적 패턴이 변화될 수 있으며, 그리고 이러한 변화가 재발될 수 있다는 것을 의미하며; 또한 스프레이 헤드 또는 목표물이 아닌 물체는 스프레이 헤드에 대해 충분히 이동되므로써, 정전기장 및 액적 패턴이 변화될 수 있고 또한 이러한 이동이 재발될 수 있다는 것을 의미한다. 이러한 재발성 이동이나 변화는 연속적일 필요가 없으며; 주기적, 순환성, 또는 동일한 크기를 가질 필요도 없다. 전술한 이동이나 변화는 연장된 시간 동안 액적 패턴이 일정하게 유지되지 않도록, 분사 도중 자주 실행되어야 한다. 또한, 상기 이동 또는 변화는, 예를 들면 스프레이 헤드와 목표물 사이의 전압을 제1 값으로부터 상기 제1 값보다 높거나 낮은 값으로 변화시킨 후 다시 제1 값의 방향으로 복귀시키거나, 근방의 정전기장 조정전극에 인가된 전압을 변화시키거나, 근방의 정전 스프레이 헤드에 인가된 전압을 변화시키거나, 또는 근방의 정전기장 조정 전극이나 제2 정전 스프레이 헤드를 이동시키므로써 실행될 수 있다.
"분사 도중"이라는 용어는 액적이 정전 스프레이 헤드에 의해 방출되는 도중임을 의미한다.
"코팅의 균일성을 개선한다"라는 용어는, 하나 이상의 균일성 측정 기준에 따라 평가하였을 때, 전술한 바와 같이 정전기장을 변화시키지 않은 조건으로 준비된 코팅에 비해 높은 균일성을 나타내는 것을 의미한다. 코팅 균일성의 개선을 측정하는 데에는 많은 측정 기준들이 사용될 수 있다. 이러한 측정 기준의 실시예로는 캘리퍼 표준 이탈, 평균 캘리퍼로 나눈 최소(또는 최대) 캘리퍼의 비율, 범위[고정된 관찰점에서 시간 경과시 최대 캘리퍼에서 최소 캘리퍼를 뺀 것으로 한정], 및 공극 영역의 감소 등이 포함된다. 예를 들면, 본 발명의 한 가지 바람직한 실시예는 75% 이상, 또는 심지어 95% 이상의 감소를 제공한다. 불연속 코팅(또는 다른 용어로, 초기에 공극을 갖는 코팅)인 경우, 본 발명은 전체 공극 면적을 50% 이상, 75% 이상, 90% 이상 감소시킬 수 있으며, 심지어는 결함성 공극을 완전히 제거할 수도 있다. 본 기술 분야의 숙련자라면, 필요로 하는 코팅 균일성에 대한 개선은 코팅, 코팅 설비 및 코팅 조건, 및 코팅될 기판의 용도 등이 포함된 여러 요소에 따르는 것임을 인식할 수 있을 것이다.
본 발명의 한 가지 바람직한 실시예에서, 액적 패턴은 제1 방향으로 변화되며, 제2 방향으로의 코팅 균일성을 개선하기 위해 2개 이상의 픽 앤드 플레이스 디바이스가 사용되며, 상기 제1 방향 및 제2 방향은 기판의 평면 내에 존재하며, 서로 상이한 평면이다. 이동하는 웹에 도포되는 코팅의 경우, 제1 방향은 전형적으로 웹횡단 방향 또는 수직 방향이며, 제2 방향은 길이 방향 또는 기계 방향이 될 것이다.
도 1a에 있어서, 정전 스프레이 코팅 장치(30)는 코팅액(13)의 액적 패턴 또는 박무(mist)(13a)를 접지된 회전 드럼(14)에 분배하는 정전 스프레이 헤드(31)를 포함한다. 상기 회전 드럼(14)은 그 회전 드럼(14)의 회전 주기에 의해 형성된 간격으로 스프레이 헤드(11) 아래에서 드럼 상의 동일한 지점을 주기적으로 제공한 후 이를 다시 제공하면서, 스프레이 헤드(11)를 지나 연속적으로 순환된다. 본 기술 분야의 숙련자라면, 이러한 장치에서 드럼 또는 기타 다른 도전성 전달면은 접지되지 않음을 인식할 것이다. 그 대신에, 필요할 경우, 상기 도전성 전달면은 무화된 하전 액적보다 낮은 전압만을 필요로 할 수 있다. 그러나, 일반적으로는 상기 도전성 전달면을 접지하는 것이 가장 편리하다.
스프레이 헤드(31)는 미국 특허 제5.326.598호에 개시되어 있으며, 때로는 "전기 분사 헤드"로도 언급된다. 전술한 특허 명세서들에 개시된 헤드를 포함하여, 다양한 형태의 정전 스프레이 헤드가 사용될 수 있다. 정전 스프레이 헤드는 거의 균일한 하전 액적의 박무를 생성한다. 스프레이 헤드는 일련의 방출 돌기를 포함하며, 상기 돌기로부터 하나 이상의 액체 박무 어레이가 방출되며, 박무 패턴은 분사 도중 변화된다. 특히, 정전 스프레이 헤드(또는 서로 적절히 집단화된 일련의 정전 스프레이 헤드)는 라인을 생성하거나 또는 하전 액적 어레이를 형성하며, 이러한 액적은 하나 이상의 박무를 형성한다. 스프레이 헤드(31)는 액체 공급갤러리(33, 34)가 구비된 다이 몸체(32)를 포함한다. 액체(13)는 상기 갤러리(33, 34) 및 와이어(36)를 통해 흐른 후, 와이어(36)의 주위에 곡률 반경이 일정한 액체 박막을 형성한다. 스프레이 헤드(31)와 드럼(14) 사이의 제1 전압(V1)은, 액적을 무화시킨 후 드럼(14)을 향해 가압하는 정전기장을 생성한다. 액적에 영향을 미치는 정전기장은 스프레이 헤드(31)에 의해 침적되는 액적 패턴을 변화시키기 위하여 분사 도중 반복적으로 변화된다. 전극(35)과 드럼(14) 사이에 선택적으로 인가되는 제2 전압(V2)은 액적을 드럼(14)을 향해 가압하는 또 다른 정전기장을 생성한다. 필요할 경우, 상기 제2 전압(V2)은 생략될 수 있으며, 전극(35)은 접지될 수 있다. 제1 전압(V1)이 인가되었을 때, 액체(13)는 일련의 이격된 필라멘트(도 3a에서는 도시 않음)를 형성하며, 이러한 필라멘트는 와이어(36)로부터 하방으로 연장되는 박무(13a)로 분류(分流)된다. 상기 박무(13a)는 그 말단부에서 분산되어, 회전 드럼(14)에 안착되는 고하전 액적의 균일한 박무를 생성한다. 설정된 인가 전압에서, 박무(13a)는 와이어(36)를 따라 공간 상에서 일시적으로 고정된다. 인가 전압(V1)의 변화는 와이어(36)를 따른 박무와 필라멘트의 갯수 및 그 이격 거리의 변화를 유발시켜, 드럼(14) 상에 침적되는 액적 패턴을 웹횡단 방향으로 이동시킨다.
드럼(14)이 회전함에 따라, 도포된 액적은 입구점(17)에서 이동 중인 웹(16)과 접촉한다. 닙 롤(26)은 입구점(17)에서 이동 중인 웹(16)을 드럼(14)으로 가압한다. 닙 압력은 분리점(18) 이전에 드럼(14) 상에서 무공극 코팅에 이미 안착되어 있는 액적의 분산 및 합체에 도움을 준다. 분리점(18)에서, 코팅의 일부는 웹(16)에 남아 있으며, 코팅의 나머지 부분은 드럼(14) 상에 남아있다. 드럼(14)이 수회 회전하여 안정 상태에 도달하면, 드럼(14)의 전체면은 코팅이 습윤된 상태로 되며, 웹(16)에 의해 제거된 코팅량은 드럼(14)에 침적된 양과 동일하다. 드럼(14) 상의 습윤면은 웹(16)와 접촉하기 전에 새롭게 도포된 액체(13)의 액적의분산 및 합체를 도와준다. 액적의 분산에 관한 문제점은 드럼(14) 상에서 닙 롤(26)에 의해 발휘된 압력으로 인해 더욱 감소된다. 무화된 액적이 기판상에 직접 분사되어 액적 자체의 물리적 특성에 기초한 비율로 분산되는 경우보다 훨씬 짧은 시간에, 액적의 합체 및 코팅이 연속적으로 이루어진다. 이것은 액적이 넓게 분산되려는 경향을 띄는 박막 코팅에 특히 유용하다.
코팅 장치(30)는 8롤 개선 스테이션(37)을 포함하며, 이러한 스테이션의 동작에 대해서는 2001년 1월 10일자 출원된 미국 특허 출원 제09/757,955호에 개시되어 있다. 상기 개선 스테이션(37)은 아이들러 롤(38a∼38g)과, 직경이 상이한 픽 앤드 플레이스 롤(39a∼39h)을 포함한다. 이러한 개선 스테이션에서, 웹(16)의 습윤측은 픽 앤드 플레이스 롤(39a∼39h)의 습윤면과 접촉하며, 이에 따라 코팅은 하기에 서술되는 바와 같이 웹하방 방향으로 더욱 균일하게 된다. 도 1a에 도시된 장치 및 방법은 웹하방 방향으로의 균일성이 매우 높은 코팅을 형성하는 데에 특히 유용하다.
도 1b는 코팅 장치(30)의 웹상부측으로부터 도 1a의 정전 스프레이 헤드(31) 및 드럼(14)을 투시한 사시도이다. 측부 팬(12a)은 미끄럼 로드(12b, 12c)상에 장착되며, 또 다른 측부 팬(15a)은 미끄럼 로드(15b, 15c)상에 장착된다. 상기 측부 팬(12a, 15a)은 코팅 폭을 조절하기 위하여 단독으로 또는 함께 이동될 수 있다. 과도한 코팅액은 댐(12d, 15d)에 의해 안내된다. 필요할 경우, 상기 미끄럼 로드(12b, 12c, 15b, 15c)는 접촉이 이루어질 때까지 서로를 향해 이동될 수도 있으며, 그후 폭이 변하는 다른 측부 팬이 로드를 따라 부가되어 웹하방으로의 스트라이프형 코팅 패턴을 생성할 수도 있다.
도 1c는 코팅 장치(30)의 웹하부측으로부터 도 1a의 정전 스프레이 헤드(31) 및 드럼(14)을 투시한 사시도이다. 명확히 도시하기 위하여, 전극(35)은 생략되었다. 드럼(14)의 중앙에 있는 스트라이프는 코팅액(13)으로 젖어있다. 액체 박무(13a)는 와이어(36)의 하부로 연장되지만, 도 1b와 달리 도 1c에서는 전압(V1)이 감소되었기 때문에, 와이어(36)를 따라 단위 길이당 여러 개의 필라멘트가 있다[따라서, 여러개의 박무(13a)가 있다].
박무(13a) 사이의 이격 거리로 인하여, 드럼(14) 상에 안착된 액적은 드럼을 횡단하여 코팅 캘리퍼가 높은 영역과 낮은 영역을 형성하려는 경향을 띈다. 박막 코팅에 있어서, 상기 코팅 캘리퍼가 낮은 영역은 도 1b에 도시된 바와 같이 때로는 희미한 스트라이프(13b)로 보일 때도 있다. 닙 롤(26) 및 분리점(18)을 통과한 후, 도 1c에 상세히 도시된 바와 같이 상기 스트라이프는 분리점(18)과 박무(13a)의 목표 영역 사이에서 드럼(14)의 일부에서는 잘 보이지 않는다.
분사 도중 정전기장을 변화시키므로써, 상기 낮은 캘리퍼 영역은 더욱 위축되고, 목표 기판 또는 전달면 상의 코팅 균일성은 더욱 개선된다. 이러한 변화는 여러 가지 방법으로 실행될 수 있다. 예를 들면, 도 1a 내지 도 1c에 도시된 스프레이 헤드에 있어서, 스프레이 헤드(31)와 드럼(14) 사이의 전압(V1)을 반복적으로 변화시키면, 와이어(36)를 따른 박무(13a)의 갯수와 이격 거리를 투시 가능하게 변화시킬 수 있으며, 이에 따라 액적 패턴은 웹횡단 방향으로 드럼(14)을 따라 전후로 이동될 수 있다. 분사 도중 정전기장이 변화될 수 있는 다른 방법으로는 드럼(14) 또는 기타 다른 목표물의 정전 전위를 상승 및 하강시키는 방법(예를 들면, 전위를 상승시킨 후 다시 접지시키는 방법)과; 제1 스프레이 헤드에서 정전기장을 충분히 변화시키기 위하여, 근처의 정전기장 조정 전극 또는 제2 스프레이 헤드를 이동하는 방법과; 또는 상승 및 하강하는 예비 하전 전압(pre-charge voltage)을 이용하여 기판을 예비 하전시키는 방법 등이 있다. 2개의 정전기장 조정 전극이 사용될 때, 한쪽 전극에는 대칭 전압이 인가되고, 다른쪽 전극은 접지되거나 상이한 전압이 인가된 후, 분사 도중에 변화된다. 분사 도중 액적 패턴이 적절히 변화되기만 한다면, 특정 기법의 선택은 중요한 사항이 아니다. 일반적으로는 구조를 간단히 하고 잠재적인 기계적 마모원을 제거하기 위하여, 기판위 공간에서의 고정점에 대해 스프레이 헤드의 물리적 위치를 변화시키는 단계를 포함하지 않는 정전기장 변화 기법이 바람직하다.
정전기장 변화는 주기적이거나(예를 들면, 사인파, 구형파 또는 기타 다른 주기함수), 또는 비주기적일 수 있다(예를 들면, 시간에서 선형 램프 함수에 기초한 변화 또는 랜덤 워크, 및 기타 다른 비주기 함수). 이러한 변화들은 모두 유용한 것으로 나타난다. 사인파 또는 기타 다른 완만한 주기 함수에 기초한 변화도 바람직하다. 0보다 큰 값으로부터, 부분적으로 코팅액의 성분과 정전 스프레이 헤드의 형태에 의존하는 값을 상한값으로 하는 주파수 범위가 사용될 수 있다.
도 2a에는 정전 스프레이 헤드에 인가되는 전압을 변화시키는 데에 사용될 수 있는 간단한 회로가 도시되어 있다. 적어도 하나의 함수 발생기(10)와 직류 저전압원(20)은 적절한 출력 전압을 갖는다. 상기 함수 발생기(10)는 적절한 출력 파형 및 주기를 갖는다. 함수 발생기(10)와 직류 저전압원(20)은 고전압 동력 공급부(22)의 입력부에 직렬로 연결되며; 상기 함수 발생기(10)와 직류 저전압원(20)은 함수 발생기(10)가 함수 발생기(10)와 직렬연결된 직류 저전압원(20)을 통해 생성된 전체 전압을 가감하여 변화시킬 수 있는 파형을 생성할 수 있도록 조정될 수 있다. 예를 들면, 만일 고전압 동력원(22)이 50kV의 출력을 생성하기 위하여 +10VDC를 필요로 한다면, 함수 발생기(10)는 정점 대 정점이 약 ±1VAC인 교류 파형을 생성하도록 조정될 수 있으며, 직류 전원(20)은 약 +7VDC를 생성할 수 있도록 조정될 수 있다. 따라서, 동력 공급부(22)에 약 +6VDC 내지 약 +8VDC 사이에서 주기적으로 변화되는 입력 신호가 제공될 수 있으며, 이에 따라 방출 와이어(36)와 지면 사이에서 주기적으로 변화되는 약 30kV 내지 40kV의 대응 전압을 생성한다는 실질적인 효과를 제공한다. 전압이 변화함에 따라, 와이어(36)를 따른 박무(13a)의 갯수와 이격 거리도 변화될 것이며, 이에 따라 와이어(36)상에서의 기준점[예를 들면, 도 2b 및 도 2c에서 지점(C)]에 대해 액적이 생성되는 공간 위치도 변화될 것이다. 이와 마찬가지로, 목표 기판 상에 침적된 액체의 액적 패턴도 변화된다. 도 2b에 도시된 바와 같이, 고전압일 경우 박무(13a)는 매우 많으며, 방출 와이어(36)를 따라 매우 밀접하게 형성된다. 도 2c에 도시된 바와 같이, 저전압인 경우 박무(13a)는 적고, 와이어(36)를 따라 밀접하게 형성되지 않는다. 전압의 변화에 따라, 박무(13a)는 와이어(36)를 따라 전후로 이동할 것이며; 드럼(14) 상에 주기적으로 이동하는, 높은 코팅 캘리퍼 영역과 낮은 코팅 캘리퍼 영역을 생성할것이다. 정전기장이 고정되어 있고, 상기 높거나 낮은 캘리퍼 영역 및 박무가 분사 도중 그 위치를 변화시키지 않는 경우에 비해, 상기 높거나 낮은 코팅 캘리퍼의 이동영역은 개선 스테이션(37)에서 훨씬 용이하게 평탄하게 될 수 있다.
도 3에서는 도1의 장치(30)가 사용되었지만, 아이들러 롤(38a)이 개선 롤로 전환되었고, 웹(16)는 드럼(14)의 상부를 통과할 수 있도록 나선형으로 형성되어 있다. 이러한 장치는 도 1a 내지 도 1c에 도시된 장치에 비해, 그다지 균일하지 않은 초기 코팅을 생성한다. 도 3에 도시된 장치로 절연 기판을 코팅할 때는 일반적으로 정전 웹 예비 하전(도 3에 도면부호 23으로 도시)이 이용되며, 코팅후 중화 처리부(도 3에 도면부호 25로 도시) 및 개선 스테이션을 사용하는 것이 바람직하다.
필요에 따라, 도 1a 내지 도 1c에 도시된 장치의 사용 시에는 웹 예비 하전이 사용될 수도 있다. 그러나, 도 1a 내지 도 1c에 도시된 장치의 중요한 장점은, 웹 예비 하전 또는 코팅후 웹 중화처리를 실행하지 않고서도, 절연체 및 반도체 기판을 코팅할 수 있다는 점이다.
본 발명에 따른 도 4a의 코팅 장치는, 순환하는 접지된 도전성 전송벨트(41) 상에 코팅액(13)의 박무(13a)를 분포시키기 위한 정전 스프레이 헤드(11)를 이용하고 있다. 상기 장치(40)는 도전성 전달면을 순환시키고 이러한 전달면을 거의 균일하게 코팅하기 위해, 개선 스테이션을 이용한다. 벨트(41)(금속 밴드 등의 도전성 물질로 제조)는 조향 유니트(42)와, 아이들러(43a, 43b, 43c, 43d)와, 직경이 상이한 픽 앤드 플레이스 롤(44a, 44b, 44c)과, 백업 롤(45) 상에서 순환한다. 목표 웹(48)은 동력구동된 롤(49)에 의해 작동되어, 벨트(41)가 백업 롤(45) 주위로 순환할 때 벨트(41)와 접촉한다. 픽 앤드 플레이스 롤(44a, 44b, 44c)은 구동되지 않기 때문에 벨트(41)와 함께 회전하며, 예를 들면 각각 1.36, 1.25, 및 1의 상대 직경을 갖는다. 벨트(41) 상의 코팅은 액체로 충진된 닙영역(46a, 46b, 46c)에서 픽 앤드 플레이스 롤(44a 내지 44c)의 표면과 접촉한다. 액체 코팅은 분리점(47a, 47b, 47c)에서 분기되며, 코팅의 일부는 분리점(47a, 47b, 47c)으로부터 멀어지면서 회전함에 따라 픽 앤드 플레이스롤(44a, 44b, 44c)에 잔존하게 된다. 나머지 코팅은 벨트(41)와 함께 전방으로 이동한다. 분리점(47a, 47b, 47c)의 바로 앞에서 코팅 캘리퍼의 웹하방으로의 변화는 분리점(47a, 47b, 47c)을 통과할 때 픽 앤드 플레이스 롤(44a, 44b, 44c)의 표면과 벨트(41)상에서의 액체 캘리퍼 변화에 반영된다. 벨트(41)의 이동에 이어서, 픽 앤드 플레이스 롤(44a, 44b, 44c) 상의 액체는 벨트(41)를 따라 새로운 위치에서 벨트(41)상에 재침적된다.
장치(40)의 시동과 벨트(41)의 수회 회전에 이어, 롤(44a, 44b, 44c)의 표면과 벨트(41)는 거의 균일한 액체 습윤층으로 코팅될 것이다. 벨트(41)가 일단 액체로 코팅되면, 도포된 코팅액(13)의 무화 액적이 벨트(41)에 도달하는 영역에서는 더 이상 3상의(공기, 코팅액, 벨트) 습윤 라인이 존재하지 않을 것이다. 이것은 건조 웹을 직접 코팅하는 경우에 비해, 코팅액(13)의 도포를 훨씬 용이하게 한다.
롤(45, 49)이 서로 결합되면, 벨트(41)상의 습윤 코팅의 일부는 목표 웹(48)으로 전달된다. 단지 액체의 절반만 롤(45, 49)로 전달되기 때문에, 전송 벨트를 사용하지 않고 또한 그 코팅된 웹을 롤의 갯수가 동일한 개선 스테이션을 통과시키지 않고 건조 웹을 코팅하는 경우에 비해, 스프레이 헤드(11) 바로 아래 영역에서 벨트(41) 상에서의 균일하지 않은 캘리퍼 비율이 상당히 작다(예를 들면, 거의 절반). 안정상태에서의 동작시, 코팅액(13)은 코팅이 목표 웹(48)으로 전달되는 비율과 동일한 비율로 스프레이 헤드(11)에 의해 벨트(41)에 가해진다.
벨트(41)와 도 4a에 도시된 기타 다른 롤 사이의 속도차와, 벨트(41)와 웹(48) 사이의 속도차를 이용할 수도 있지만, 벨트(41)와 픽 앤드 플레이스 롤(44a, 44b, 44c) 사이의 속도차 또는 벨트(41)와 웹(48) 사이의 속도차는 사용되지 않는다. 따라서, 장치(40)의 기계적 구성이 간단해진다.
도 4b는 도 4a에 도시된 롤(45, 49)의 확대도이다. 도 4b에 도시된 바와 같이, 목표 웹(48)은 다공성이다. 상기 목표 웹(48)은 필요할 경우 비다공성일 수도 있다. 닙 압력을 적절히 조정하면, 습윤 코팅은 다른 웹면 또는 웹 내부로 관통되지 않고 다공성 목표 웹의 구멍 내로 관통되도록 조절될 수 있으며, 또한 다공성 웹의 상부면까지로 제한될 수도 있다. 이와는 달리, 종래의 정전 스프레이 코팅이나 기타 다른 스프레이 코팅 기법으로 다공성 웹을 직접 코팅하는 경우에는, 도포된 무화 액적이 웹의 구멍을 자주 관통하거나 때로는 이들 구멍을 완전히 관통하기도 한다. 이러한 현상은 제직 패턴이 대형인 직물 웹이나, 실질적인 공극 체적을 갖는 비직물 웹에서 특히 심하다.
도 5a 및 도 5b는 인접한 중첩 레인이나 분리된 레인에서 웹에 코팅 스트라이프를 도포할 수 있는 본 발명에 따른 장치(50)의 개략적인 측단면도이다. 일련의 정전 스프레이 헤드(51a, 51b, 51c)는 웹(53)의 폭을 가로질러 측방향으로 이격된 위치에서, 액체의 박무(52a, 52b, 52c)를 웹(53)에 도포한다. 상기 웹(53)은 도전성 회전 드럼(55a, 55b, 55c)의 하부에서 닙 롤(54a, 54b, 54c)과 테이크오프 롤(56a, 56b, 56c)의 위를 통과한다. 접지판(57a, 57b, 57c, 57d)은 정전 스프레이 헤드(51a, 51b, 51c) 사이의 정전 간섭을 제거하는 데에 도움을 주며; 필요할 경우, 이러한 간섭을 유발시켜 인가 가능한 하나 이상의 정전기장을 변화시키도록 전압을 변경시킬 수도 있다. 상기 드럼(55b)은 드럼(55a)에서 도포된 코팅용 개선 스테이션 롤로 작용하며, 드럼(55c)은 드럼(55a, 55b)에서 도포된 코팅용 개선 스테이션 롤로 작용한다.
도 5b에 도시된 바와 같이, 정전 스프레이 헤드(51a, 51b, 51c)는 코팅 스트라이프를 레인에 도포하도록 설치된다. 본 기술 분야의 숙련자라면 정전 스프레이 헤드(51a, 51b, 51c)는 다른 측방향 위치로 이격될 수도 있으며; 드럼(55c) 위의 측부 팬(12a, 15a)(명확히 도시하기 위하여 도 5b에서는 각각 하나씩만 도시) 등과 같은 기타 다른 마스킹 장치를 사용하여, 각각의 코팅 스트라이프의 폭과 측방향 위치를 제어하도록 조정될 수도 있음을 인식해야 한다. 따라서, 코팅 스트라이프는 서로 부분적으로 중첩되거나 완전히 중첩될 수 있으며, 또는 필요에 따라 코팅되지 않은 웹의 스트라이프에 의해 분리될 수도 있다. 정전 스프레이 헤드(51a, 51b, 51c)는 상이한 코팅 특성을 포함할 수 있으므로, 본 기술분야의 숙련자라면 여러가지 상이한 특성들이 웹(53)을 횡단하여 동시에 코팅될 수 있음을 인식할 수 있을 것이다.
도 5c는 단일의 도전성 회전 드럼(14)이나 기타 다른 전달면 및 다수의 정전스프레이 헤드(59a, 29b)를 사용하여, 코팅 스트라이프를 레인에 도포할 수 있는 본 발명에 따른 장치(58)의 개략적인 측단면도이다. 도 5a 및 도 5b의 장치(50)에 의해, 장치(58)의 정전 스프레이 헤드(59a, 59b)는 다양한 측방향 위치로 이격될 수 있으며; 측부 팬이나 기타 다른 마스킹 장치를 사용하여, 각각의 코팅 스트라이프의 폭과 측방향 위치를 제어하도록 조정될 수 있다. 따라서, 장치(58)에 의해 생성된 코팅 스트라이프는 완전히 중첩되거나 부분적으로 중첩되며, 또는 서로 접촉되거나, 또는 필요에 따라 코팅되지 않은 웹의 스트라이프에 의해 분리될 수 있다. 만일 정전 스프레이 헤드(59a, 59b)가 서로 충분히 밀착된 상태로 설치된다면, 정전 스프레이 헤드(59a 또는 59b) 중 어느 한쪽에서의 정전기장 변화는 다른쪽 정전 스프레이 헤드(59b 또는 59a)에서의 정전기장 변화를 유발하여, 두 스프레이 헤드에 의해 생성되는 액적 패턴을 변화시킨다.
전달면의 상부[예를 들면, 도 5c에서 드럼(14)의 상부]에는 2개 이상의 스프레이 헤드가 위치하여, 동일한 레인에 2개 이상의 액체를 침적시키도록 배치될 수 있다. 이에 의해, 독특한 성분 변화와 층형 코팅의 적용 및 혼합이 가능하게 된다. 예를 들면, 일부 무용제 실리콘 제제는 2개의 혼합되지 않는 화학물을 사용한다. 이들은 혼합시 희미해지는 2개의 상이한 아크릴화 폴리실록산을 포함하며, 충분한 시간 주기 동안 교반되지 않는다면 2개 이상의 상(phase)으로 분리될 것이다. 또한, 많은 에폭시-실리콘 폴리머 전구체 및 기타 다른 폴리머화 가능한 제제는 제제의 나머지 부분과 혼합되지 않는 액정 성분을 포함하고 있다. 이러한 제제 성분을 연속한 노즐로부터 연속적으로 분사함으로써, 본 발명자는 성분들이 혼합되는방식과, 웹 하방의 농도와 두께를 조작할 수 있게 되었다. 개선 스테이션을 통해 도포된 코팅의 통과에 이어 연속적으로 배치된 스프레이 헤드의 조합 사용에 의해, 본 발명자는 성분들을 반복적으로 분리 및 재조합할 수 있었다. 이것은 제제의 혼합이나 급속 반응이 어려울 때 특히 유용하다.
액적이 스프레이 헤드로부터 기판 또는 전달면으로 이동할 때, 필요할 경우에는 액적에 의한 반응을 저지하거나 촉진시키기 위하여, 불활성 또는 활성 기압이 사용될 수 있다. 또한, 기판이나 전달면은 도포된 액체에 의한 반응을 촉진시키거나 억제하기 위해 가열되거나 냉각될 수 있다.
주기적으로 전기적으로 변화되는 정전기장과 회전 드럼에 도포된 액적 패턴에 있어서, 본 발명은 드럼의 회전 각주파수(角周波數)의 변화 주기와 연관된 연산을 통해서도 이해될 수 있다. 만일 주기가 τ인 가변 전압(V)이 통상의 정전 스프레이 장치에 인가된다면, 스프레이 패턴은 주기(τ)와 함께 변화될 것이다. 이러한 정전 스프레이 장치는 반경이 RD이고 표면 속도 S로 이동하는 회전 드럼 상에 코팅을 침적시키기 위해, 또한 드럼의 하부에 감싸여진 이동 중인 웹에 코팅을 전달하는 데에 사용될 수 있다. 본 발명자들은 웹과 드럼 표면이 동일한 속도 또는 거의 동일한 속도로 이동하는 것으로 가정하였다. 드럼상의 한 지점은 짧은 시간 dt동안 짧은 거리 ds만큼 이동하여, S = ds/dt가 된다. 드럼 상의 한 지점의 회전은 드럼의 중앙축과 좌표 시스템의 원점이 일치하는, 원통형 좌표 시스템을 이용하여 양호하게 도시될 수 있다. 중앙축선에 수직한 2개의 선이 도시되며, 첫번째 선은공간에 고정되어 있다. 두번째 선은 중앙 축선으로부터 상기 공간에 고정된 첫번째 선까지 도시되므로, 두번째 선은 드럼과 함께 공간에서 회전하게 된다. 두 선들 사이의 각도를 한정하기 위해 각도 θ가 사용된다. 이러한 상태에서 드럼이 회전하면, 각도 θ는 시간 t에서 θ로부터 시간 t + dt에서 θ+ dθ까지 변할 것이다. 드럼 표면상의 한 지점은 시간 dt에서 거리 ds만큼 이동한다. 상기 거리 ds는 아치 길이 RDdθ로 한정된다. 그 결과, ds = RDdθ= RDdθ(dt/dt) = RD(dθ/dt)dt = RDωθ이며, ωD= dθ/dt는 드럼의 회전 각주파수이다. 따라서, S = ds/dt = RDωD는 드럼 반경(RD)에 대한 웹 속도(S)와 드럼의 회전 각주파수(ωD)와 관련이 있다. 마찬가지로, 만일 시간 t = 0 에서 θ= 0 이라면, 롤은 θ= 2π일 때 완전한 일회전을 형성하게 된다. 만일 이러한 일회전을 형성하는 시간이 회전 시간 τD의 주기로 한정되고 dθ= ωDdt 라면, 2π= ωDτD가 된다. 즉, 각주파수는 ωD= 2π/τD만큼 주기와 연관이 있다.
주기에 따른 각주파수와 관련된 이러한 개념은 시간에 따라 반복적으로 작동되는 장치에 적용될 수 있다는 것이 일반적이다. 따라서, 만일 박무가 액적의 패턴을 주기 τ로 요동시킨다면, 그 각주파수 ω는 ω= 2π/τ만큼 주기와 연관된다. 만일 박무가 주기 τ로 횡단 웹을 변화시킬 수 있다면, 요동하는 스프레이의 각주파수는 ω= 2π/τ가 될 것이다. 만일 요동 스프레이의 주기(τ)가 드럼의 일회전에 필요한 주기(τD) 보다 길다면, 드럼은 박무 패턴의 완전한 1회 요동에 소요되는시간보다 짧은 시간에 완전한 회전을 달성할 것이다. 여러 번의 회전이 필요하지만, 결국 박무는 드럼상의 특정 위치에 침적되는 코팅 패턴을 반복할 것이다. ILτD= ISτ일 때(IS및 IL는 정수), 코팅 패턴이 반복되며; 상기 IS는 작은 정수이고, IL은 큰 정수이다. τD는 드럼이 일회전하는 데에 소요되는 시간이기 때문에, 상기 IL은 스프레이 패턴이 드럼 상에 동일하게 반복되기 전에 소요되는 드럼 회전수이다. 이와 마찬가지로, IS는 스프레이 패턴 자체가 드럼상에서 반복되는 데에 소요되는 스프레이 패턴의 주기수이다. 주기가 역전되었을 때도 이와 유사하게 설명될 수 있다. 즉, τD가 τD보다 클 때, ISτD= ILτ이면(IS및 IL는 정수) 코팅 패턴이 반복되며; 상기 IS는 작은 정수이고, IL은 큰 정수이다. τD는 드럼의 일회전에 소요되는 시간이기 때문에, 상기 IS는 스프레이 패턴이 드럼상에 반복되기 전에 소요되는 드럼 회전수를 다시 제공할 것이다. 이와 마찬가지로, IL은 스프레이 패턴 자체가 드럼 상에 반복되기 전에 소요되는 스프레이 패턴의 주기수를 다시 제공할 것이다.
τD가 스프레이 패턴 주기보다 큰지 또는 작은지를 알고 있다면, 코팅 패턴을 반복하는 데에 필요한 실제 회전수가 결정될 수 있다. 두가지 상태에서의 처리과정은 동일하다. 예를 들면, 드럼 회전 시간(τD)이 스프레이 패턴 주기(τ)보다 짧다고 가정하면, ILτD= ISτ가 만족되어야 한다. 만일 드럼의 직경(RD)을 알고있고, 박무의 요동 주기(τ)를 측정할 수 있다면, 비율 τ/τD= IL/IS= [τ/2πRD]S = N이 되고, 이러한 비율은 항상 정수일 필요는 없다. 드럼 상에 반복된 스프레이 패턴으로 나타나기 위해서는 τ/τD= IL/IS= N 또는 간단히 NIS= IL로 감소될 필요가 있다. 정수(IS)에 대한 값을 결정하기 위하여, 본 발명자는 스프레드 시트에서 컬럼의 아래로 정수 1, 2, 3,....n 을 기입하였다. 대응하는 셀에서의 다음 컬럼에는 각각의 정수를 n과 곱하였다. 제2컬럼에서의 산물이 정수를 제공하게 되는 첫번째 열(row)은 IL에 대한 값을 생성한다. 선택적으로, 만일 X가 임의의 수라면, X가 정수일 때만 X-INT(X) = 0 이므로, 본 발명자는 스프레드 시트의 첫번째 컬럼에서 Ii를 i번째의 정수로 하였으며(즉, I1= 1, I2= 2, I3= 3,... Ii= i,... In= n), 스프레드 시트의 두번째 컬럼의 대응 셀에는 NIi= INT(NIi)를 배치하였다. 값이 제로 근처일 때, 첫번째 컬럼에서 대응의 정수는 Is로 나타난다. 두 경우에 있어서, 만일 IS또는 IL이 전술한 바와는 다른 방법으로 결정되었다면, N값을 알고 있기 때문에, IL/IS= N 으로 부터 다른 정수를 얻을 수 있다. 그 결과, 스프레이 패턴 자체가 드럼 상에 반복되기 전에, 필요로 하는 드럼 회전수와 스프레이 패턴의 주기수를 결정할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 방법과 장치는 제2 방향으로의 코팅 균일성을 개선시키는 2개 이상의 픽 앤드 플레이스 디바이스가 구비된 개선 스테이션을 사용할 수 있다. 이동 중인 웹을 코팅하는 단계와 웹횡단 방향으로 액적 패턴을 변화시키는 단계를 포함하는 방법에 있어서, 상기 제2 방향은 통상적으로 웹하방 방향이다. 상기 개선 스테이션은 전술한 미국 특허 출원 제09/757,955호에 개시되어 있으며, 하기에 이에 대해 서술될 것이다. 도 6에 있어서, 기판(이러한 실시예에서는, 연속한 웹)에는 공칭 캘리퍼 또는 두께(h)를 갖는 액체 코팅(61)이 도시되어 있다. 만일 공칭 캘리퍼 위로의 높이(H)를 갖는 임의의 국부적인 스파이크(62)가 그 어떠한 이유로 인해 침적되었다면, 또는 임의의 국부적인 오목부[공칭 캘리퍼 하부로 높이(H')를 갖는 부분 공동(63), 또는 깊이(h)를 갖는 공극(64) 등과 같은]가 그 어떤 이유로 인해 형성된다면, 길이가 짧은 코팅 기판은 불완전한 것으로 되며, 따라서 사용할 수 없다. 개선 스테이션은 2개 이상의 픽 앤드 플레이스 개선 장치(도 6에서는 도시 안함)의 습윤 코팅된 표면을 코팅(61)과 주기적으로(예를 들면, 순환성으로) 접촉시킨다. 이에 의해, 스파이크(61) 등과 같은 불균일한 코팅 부분이 낮아지고, 기판의 다른 장소에 위치되며; 코팅 물질은 공동(63)이나 공극(64) 등과 같은 불균일한 코팅 부분에 위치된다. 픽 앤드 플레이스 디바이스의 안착 주기는 그 작동이 기판을 따라 코팅 결함을 강화하지 않도록 선택된다. 상기 픽 앤드 플레이스 디바이스는 필요할 경우 결함이 외관상 보일 경우에만 코팅과 접촉될 수도 있다. 선택적으로, 상기 픽 앤드 플레이스 디바이스는 접촉점에 결함이 존재하는지의 여부에 따라 코팅과 접촉할 수 있다.
도 7에는 이동 중인 웹(60) 상에서의 코팅을 개선하기 위해 본 발명에 사용된 픽 앤드 플레이스 디바이스(70)가 도시되어 있다. 상기 장치(70)는 중앙허브(71)를 포함하며, 이러한 허브 주위로 장치(70)가 회전할 수 있다. 상기 장치(70)는 이동 중인 웹(60)의 코팅된 폭을 횡단하여 연장되며, 상기 웹은 롤(72)상에서 장치(70)를 지나서 전송된다. 픽 앤드 플레이스 표면(75, 76)에 부착된 2개의 반경 방향 아암(73, 74)은 허브(71)로부터 연장된다. 상기 표면(75, 76)은 장치(70)가 회전할 때 공간에 독특한 원형 아치를 생성하도록 굴곡진다. 웹(60)에 대한 공간 관계 및 그 회전으로 인해, 픽 앤드 플레이스 표면(75, 76)은 롤(72)과 대향하여 웹(60)과 주기적으로 접촉한다. 웹(60)과 표면(75, 76) 상의 습윤 코팅(도 7에서는 도시 안함)은 시작점(78)으로부터 분리점(77)까지 웹(60)상에서 폭이 A인 접촉 영역을 충진한다. 분리점에서, 픽 앤드 플레이스 디바이스(70)가 계속 회전하고 웹(60)이 롤(72) 위로 이동할 때, 일부 액체는 웹(60) 및 표면(75)에 머무른다. 일회전이 완료되면, 표면(75)은 액체의 일부를 웹(60) 상의 길이 방향으로 새로운 장소에 위치시킨다. 그동안 상기 웹(60)은 픽 앤드 플레이스 표면(75)의 일회전에 필요한 시간에 웹 속도를 곱한 값과 동일한 거리를 이동할 것이다. 이러한 방식에 의해, 액체 코팅의 일부는 웹의 한쪽 위치로부터 들어올려지고, 그후 다른 시간 및 다른 위치에 안착된다. 픽 앤드 플레이스 표면(75, 76)은 이러한 동작을 제공한다.
픽 앤드 플레이스 디바이스의 주기는, 장치가 기판을 따라 습윤 코팅의 일부를 한쪽 위치로부터 들어올린 후 다른 위치에 안착시키는 데에 필요한 시간이나, 장치의 표면 부분에 의한 2개의 연속한 접점들 사이에서 기판을 따른 거리로 표시된다. 예를 들면, 만일 도 7에 도시된 장치(70)가 60rpm 으로 회전하고 장치에 대한 상대운동이 일정하게 유지되는 경우, 주기는 1초이다.
2개 이상의 상이한 주기를 갖는, 바람직하게는 3개 이상의 상이한 주기를 갖는 다수의 픽 앤드 플레이스 디바이스가 사용된다. 쌍으로 이루어진 주기는 서로의 정수배와는 관련없는 상태가 가장 바람직하다. 픽 앤드 플레이스 디바이스의 주기는 여러 가지 방법으로 변화될 수 있다. 예를 들면, 회전 장치의 내경을 변화시키거나, 회전 장치 또는 요동 장치의 속도를 변화시키거나, 고정된 관찰자에게 보여지는 초기 공간 위치에 대해 장치를 기판의 길이를 따라 반복적으로(예를 들면, 연속적으로) 이동시킴으로써, 또는 회전 장치의 회전 속도에 대해 기판의 이동속도를 변화시킴으로써; 상기 주기를 변화시킬 수 있다. 상기 주기는 완만하게 변화되는 함수일 필요는 없으며, 시간에 대해 일정할 필요도 없다.
여러가지 다양한 기구에 의해 액체 코팅 기판과 주기적으로 접촉될 수 있으며, 다양한 형태를 취하는 픽 앤드 플레이스 디바이스가 사용될 수 있다. 예를 들면, 픽 앤드 플레이스 디바이스의 습윤 코팅 표면을 요동시켜 기판과 접촉 및 분리시키기 위해, 왕복동 기구(예를 들면, 상하로 운동하는)가 사용될 수 있다. 상기 픽 앤드 플레이스 디바이스는 기계적 마모에 비교적 저항성을 갖는 베어링이나 기타 다른 적절한 캐리어를 사용하여 장치에 회전력을 부여하여 장치를 지지하는 것이 용이하기 때문에, 회전하는 것이 바람직하다.
도 7에 도시된 픽 앤드 플레이스 디바이스가 아령 형상을 취하고 2개의 비연속적인 접촉면을 포함하고 있음에도 불구하고, 픽 앤드 플레이스 디바이스는 다른 형태를 취할 수도 있으며, 비연속적인 접촉면을 구비할 필요도 없다. 따라서, 도1a와 도 3 및 도 4a에 도시된 바와 같이, 픽 앤드 플레이스 디바이스는 기판과 접촉하는 일련의 롤 형태를 취하거나, 습윤측이 일련의 습윤롤 및 기판과 접촉하는 무한 벨트 형식을 취하거나, 그 습윤측이 기판과 접촉하는 일련의 벨트 형상이나, 이러한 형상들이 조합된 형태를 취할 수도 있다. 이러한 회전하는 픽 앤드 플레이스 디바이스는 기판과 연속적으로 접촉한 상태로 유지되는 것이 바람직하다.
이동 중인 웹이나 이동 방향성을 갖는 기타 다른 기판을 코팅하는 데에는 회전 롤을 이용하는 개선 스테이션이 바람직하다. 롤은 이동 기판과 동일한 원주 속도로, 또는 이러한 속도보다 높거나 낮은 속도로 회전할 수 있다. 필요할 경우, 상기 장치는 이동 기판의 방향과 반대 방향으로 회전할 수도 있다. 적어도 2개의 회전하는 픽 앤드 플레이스 디바이스는 회전 방향이 동일하고 주기적으로 회전하지 않는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 이동 방향성을 갖는 기판이나 웹 상의 코팅을 개선하는 용도로서, 적어도 2개의 픽 앤드 플레이스 디바이스의 회전 방향은 기판의 이동 방향과 동일한 것이 바람직하다. 이러한 픽 앤드 플레이스 디바이스는 동일한 방향으로 또한, 기판의 속도와 거의 동일한 속도로 회전하는 것이 가장 바람직하다. 이러한 동작은 기판에 대해 견딜 수 있으며 기판의 이동시 함께 이동되는 종동 롤을 사용하여 이루어질 수 있다.
초기에 코팅을 도 7에 도시된 픽 앤드 플레이스 디바이스와 접촉시켰을 때, 일정할 길이의 결함성 물질이 생산될 수 있다. 시동시 픽 앤드 플레이스 전달면(75, 76)은 건조하다. 첫번째 접촉시, 장치(70)는 영역(A)에서 웹(60) 상의 제1위치에서 웹(60)과 접촉된다. 분리점(77)에 있어서, 시작점(78)에서 영역(A)에인입되는 액체의 거의 절반은 전달면(75 또는 76)을 코팅액으로 적신 후 웹으로부터 제거될 것이다. 인입된 코팅 캘리퍼가 균일하고 또한 필요로 하는 평균 캘리퍼와 동일하더라도, 이러한 액체의 분기는 웹(60) 상에 결함성의 낮은 코팅 캘리퍼의 스폿을 생성한다. 전달면(75, 76)이 제2 위치에서 웹(60)과 접촉할 때, 제2 코팅액과의 접촉 및 분리가 발생되며, 제2 결함 영역이 생성된다. 그러나, 제2 결함 영역은 제1 결함 영역보다는 코팅 결함성이 심하지 않다. 각각의 연속적인 접촉은 웹 상에 결함이 적은 영역을 생성하며, 평형에 도달할 때까지 평균 캘리퍼로부터의 이탈이 점진적으로 적어진다. 따라서, 초기의 접촉은 일정 시간 동안 주기적인 캘리퍼 변화를 유발한다. 이것은 반복성 결함을 제공하며, 그 자체가 바람직한 것이 아니다.
웹과 표면 사이의 액체 분기 비율이 항상 일정한 값으로 유지되지는 않는다. 상기 분기 비율은 여러가지 요소들에 의해 영향을 받지만, 이러한 요소들은 예측할 수 없는 경향을 띄고 있다. 만일 분기 비율이 갑자기 변화된다면, 픽 앤드 플레이스 디바이스가 장시간 작동 중이더라도 웹하방으로 주기적인 캘리퍼 변화가 나타난다. 만일 픽 앤드 플레이스 디바이스의 전달면 상에 이물질이 칩입했다면, 상기 장치는 각각의 접촉부에 웹하방으로 주기적인 결함을 형성할 것이다. 따라서, 단지 하나의 픽 앤드 플레이스 디바이스를 사용하게 되면 잠재적으로 길이가 긴 스크랩 물질을 생성할 수도 있다.
양호한 코팅 균일성을 달성하기 위하여, 개선 스테이션은 2개 이상의, 바람직하게는 3개 이상의, 더욱 바람직하게는 5개 이상 심지어 8개 이상의 픽 앤드 플레이스 디바이스를 사용할 수도 있다. 픽 앤드 플레이스 전달면 상의 코팅액이 평형값을 이룬 후, 임의의 높거나 낮은 코팅 캘리퍼 스파이크가 스테이션을 통과할 수 있다. 이러한 상태가 발생했을 때, 만일 결함과 접촉되었다면, 단일의 픽 앤드 플레이스 디바이스에 의한 또는 접촉 주기가 동일한 여러 개의 픽 앤드 플레이스 디바이스의 어레이에 의한 웹과의 주기적 접촉은 캘리퍼에 웹하방으로 주기적인 결함을 복제할 것이다. 또 다시 스크랩이 생성될 것이며, 코팅에 관한 숙련자라면 이러한 장치를 사용하지 않을 것이다. 코팅된 웹에는 본래 결함의 복합 영상을 포함하는 일정 길이의 웹보다는 오직 하나의 결함만 포함되는 것이 훨씬 바람직하다. 따라서, 단일의 장치, 또는 접촉 주기가 동일하거나 강화된 일련의 장치는 매우 불리할 수 있다. 그러나, 스테이션에 인입되는 임의의 초기 결함이나 제1접촉에 의해 발생되는 그 어떤 결함도, 결함 재발이 아닌 결함을 감소시키도록 접촉 주기가 선택되는 2개 이상의 픽 앤드 플레이스 디바이스가 구비된 개선 스테이션을 사용하면 감소될 수 있다. 이러한 개선 스테이션은 결함성 코팅 길이를 증가시키는 것이 아니라 개선된 코팅 균일성을 제공할 수 있으며, 또한 결함이 더 이상 불유쾌한 것이 아닐 정도로 입력 결함을 감소시킬 수 있다.
전술한 정전 스프레이 헤드와 개선 스테이션의 조합을 사용함으로써, 개선 스테이션의 출구에 웹하방으로 새로운 코팅 형상이 생성될 수 있다. 즉, 복합적인 픽 앤드 플레이스 디바이스를 사용함으로써, 본 발명자는 정전 스프레이 헤드에 의해 도포된 코팅 결함을 수정할 수 있다. 이러한 결함은 개선 스테이션에서의 제1 장치에 의해 결함 영상으로 재증식되고; 제2 장치 및 기타 다른 일련의 장치로부터증식 및 재증식되는, 또 다른 결함 영상으로 변형될 것이다. 본 발명자는 긍정적인 방식과 부정적인 방식으로 이를 실행하여, 실질적으로 균일한 캘리퍼 또는 제어된 캘리퍼 변화에 도달할 수 있게 되었다. 본 발명자는 실제로 복합 파형을 생성할 수 있었으며; 이러한 파형은, 파형 각각의 긍정적인 부가 및 부정적인 부가에 의해 실제로 필요로 하는 균일성이 생성될 수 있도록 조합되는 방식으로, 부가될 수 있다. 뒤집혀진 코팅이 개선 스테이션을 통과하는 경우, 스폿이 높은 코팅의 일부는 실제로 하강하고, 낮은 스폿으로 다시 복귀한다.
본 발명에 따른 개선 스테이션의 수학적 모델링에 의해, 예측 및 이해가 용이하게 된다. 이러한 모델링은 유체 역학에 기초하고 있으며, 양호한 관찰값을 제공한다. 도 8은 주기적으로 접촉하는 픽 앤드 플레이스 전달 장치(도 9에서는 도시 안함)에 접근하는 웹 상의 제1 위치에 있는 임의의 단일 스파이크 입력부(81)에 대해, 웹을 따른 길이 방향(장치의 방향) 거리-액체 코팅 캘리퍼를 도시한 그래프이다. 도 9 내지 도 13은 수학적 모델을 도시하고 있으며, 스파이크 입력부(81)가 하나 이상의 주기적 픽 앤드 플레이스 접촉장치와 만날 때, 웹을 따른 액체 코팅 캘리퍼를 도시하고 있다.
도 9는 스파이크 입력부(81)가 단일의 픽 앤드 플레이스 접촉장치와 만날 때, 제1 위치에서 웹 상에 남아있는 감소된 스파이크(91)와, 제2 위치 및 일련의 위치에서 웹 상에 위치된 재증식된 스파이크(92, 93, 94, 95, 96, 97)의 양을 도시하고 있다. 초기의 입력 스파이크(81)의 정점은 하나의 단위 길이와 2개의 캘리퍼 단위 높이이다. 접촉장치의 주기는 10개의 단위 길이와 같다. 입력 결함의 영상은 6개의 단위 길이보다 긴 길이에 대해, 10개의 단위 길이 증가분만큼 주기적으로 반복된다. 따라서, 결함성 코팅 또는 "거절된" 웹의 길이는 입력 결함의 길이에 비해 상당히 증가한다. 물론 정확한 결함 길이는 필요로 하는 최종 용도에 따른 허용 가능한 코팅 캘리퍼의 가변성에 의존한다.
도 10은 스파이크 입력부(81)가 10 단위 길이의 주기를 갖는 2개의 주기적인 연속한 동기성 픽 앤드 플레이스 접촉 장치와 만날 때, 제1위치에서 웹 상에 남아있는 감소된 스파이크(101)와, 제2위치 및 일련의 위치에서 웹 상에 위치된 재증식된 일부 스파이크(102, 103, 104, 105, 106, 107, 108, 109)의 양을 도시하고 있다. 단일의 주기적인 픽 앤드 플레이스 디바이스를 사용했을 때와 비교하면, 길이가 긴 웹 상에 적은 양의 스파이크 영상이 발생된다.
도 11은 10 및 5의 단위 길이의 주기를 갖는 2개의 주기적인 연속한 동기성 접촉 장치가 사용될 때 형성되는 코팅을 도시하고 있다. 이러한 장치는 주기와 관련된 코팅 주기를 갖는다. 이러한 장치의 픽 앤드 플레이스 동작은 웹을 따라 주기와 연관된 위치에 코팅을 침적시킬 것이다. 도 10과 비교하였을 때, 스파이크 영상 크기는 상당히 감소되었지만, 길이가 약간 짧은 결함성 코팅 웹이 생성된다.
도 12는 10, 5, 및 2의 주기를 갖는 주기적 픽 앤드 플레이스 디바이스가 사용될 때의 코팅을 도시하고 있다. 주기가 10인 장치와 주기가 5인 장치는 주기적으로 연관되어 있다. 주기가 10인 장치와 주기가 2인 장치는 주기적으로 연관되어 있다. 그러나, 주기가 5인 장치와 주기가 2인 장치는 주기적으로 연관되어 있지 않으며(5는 2의 정수배가 아니기 때문에); 따라서 이러한 장치열은 웹 상의 제1위치에서 코팅과 접촉한 후, 상기 제1위치로부터의 거리에 대해서는 서로 주기적으로 연관되지 않은 웹 상의 제2위치 및 제3위치에서 코팅과 재접촉하는, 제1 및 제2의 주기적 픽 앤드 플레이스 디바이스를 포함한다. 도 9 내지 도 11에 동작이 도시되어 있는 장치와 비교하면, 캘리퍼의 이탈이 상당히 적고, 결함성 코팅 웹의 길이가 상당히 짧다.
도 13은 제1 장치가 10의 주기를 갖고, 제2 장치가 5의 주기를 가지며, 제3 장치 내지 제8 장치가 2의 주기를 갖는 8개의 일련의 접촉 장치를 도시하고 있다. 도 9 내지 도 11에 도시된 장치와 비교하면, 스파이크 영상의 크기는 더욱 감소되었고, 코팅 캘리퍼 균일성이 상당히 개선되었다.
임의의 결함이 스파이크 형태가 아니라 오목하게 형성되는 경우에도(예를 들면, 코팅되지 않은 공극), 유사한 코팅 개선 결과를 얻을 수 있다.
전술한 임의의 스파이크 및 오목부 결함은 개선 스테이션에 나타날 수 있는 일반적인 결함들 중 하나에 속한다. 두번째로 중요한 결함은 주기적으로 반복되는 결함이다. 물론, 코팅 설비의 제조에서는 이러한 두 가지 결함이 동시에 발생되는 것이 통상적이다. 만일 높거나 낮은 코팅 스파이크 또는 오목부가 연속적으로 작동중인 웹 상에 제공된다면, 코팅 설비 작동자는 일반적으로 결함의 원인을 찾을 것이고, 이를 제거하기 위해 노력할 것이다. 도 7에 도시된 단일의 주기적인 픽 앤드 플레이스 디바이스는 코팅의 품질 개선에 도움을 주지 못하며, 오히려 품질을 악화시킬 수도 있다. 그러나, 도 7에 확대 도시된 장치와 기능적으로 유사한 장치에 의한 코팅과의 간헐적인 주기적 접촉은, 장치가 2개 이상 사용되는 경우와 장치의 주기가 적절히 선택된 경우에 코팅 균일성을 향상시킨다. 임의의 주기적인 변화와 연속적인 주기적 변화 그리고 이들의 조합에서 개선이 이루어지고 있음을 발견할 수 있다. 일반적으로, 각각의 장치에 의해 상대적 접촉 타이밍을 조정하면 양호한 결과를 얻을 수 있으므로, 바람직스럽지 않은 부가적인 영향을 피할 수 있다. 코팅과 연속적으로 접촉하는 롤을 사용하면 이러한 복잡함을 피할 수 있고, 간단하면서도 양호한 해결책을 제공할 수 있다. 웹 상에서 작동하는 롤 표면의 모든 증가분은 웹과 주기적으로 접촉하기 때문에, 롤 표면은 일련의 연결된 간헐적인 주기적 접촉면으로 간주될 수 있다. 이와 마찬가지로, 무한 회전 벨트는 롤과 동일한 기능을 실행할 수 있다. 필요할 경우, 뫼비우스 띠 형태의 벨트가 사용될 수도 있다. 코팅 분야의 숙련자라면 타원형 롤이나 브러시 등과 같은 기타 다른 장치도 개선 스테이션에서 주기적 픽 앤드 플레이스 디바이스로 사용될 수 있음을 인식할 수 있을 것이다. 장치의 주기성이 정확할 필요는 없다. 간단한 반복 접촉만으로도 충분하다.
도 14는 주기적 접촉 픽 앤드 플레이스 전달 장치에 접근하는, 크기가 동일한 일련의 반복적 스파이크 입력부들에 대한 액체 코팅 캘리퍼-웹 거리를 도시한 그래프이다. 만일 픽 앤드 플레이스 디바이스가 이러한 반복적 결함과 주기적으로 동시에 접촉한다면, 또한 주기가 결함 주기와 동일하다면, 초기 시동후 장치에 의한 변화가 발생되지 않는다. 이것은 장치의 주기가 결함 주기의 정수배인 경우에도 적용된다. 코팅 과정의 시뮬레이션에 따르면, 주기가 입력부 결함 주기보다 짧을 경우, 단일의 장치가 훨씬 많은 결함 주기를 생성하는 것으로 나타나고 있다.도 15에는 주기가 10인 반복성 결함이 주기가 7인 주기적 픽 앤드 플레이스 롤장치와 만났을 때의 결과가 도시되어 있다.
복합 장치를 사용하고 또한 그 접촉 주기를 적절히 선택함으로써, 본 발명자는 불균일이 심한 입력 코팅의 품질을 상당히 개선할 수 있다. 도 16 및 도 17은 도 14에 도시된 결함 패턴을 갖는 코팅이 그 주기가 전혀 연관되지 않은 7개 또는 8개의 일련의 주기적인 픽 앤드 플레이스 롤 장치에 노출되었을 때의 시뮬레이션 결과를 도시하고 있다. 도 16에 있어서, 장치는 주긱 7, 5, 4, 8, 3, 3, 3이다. 도 17에 있어서, 장치는 주기가 7, 5, 4, 8, 3, 3, 3, 2이다. 이러한 두 경우에서, 가장 높은 스파이크의 크기는 75% 이상 감소된다. 따라서, 스파이크의 갯수가 증가되더라도, 코팅 캘리퍼의 균일성이 전체적으로 상당히 개선될 수 있다.
건조, 경화, 겔화, 결정화, 또는 시간의 경과에 따른 상변화 등과 같은 요소들은 사용되는 롤 갯수에 제한을 가할 수 있다. 만일 코팅액에 휘발성 성분이 포함되었다면, 여러 롤을 통한 전달 소요 시간은 액체가 응고될 정도로 건조를 진행시킬 수도 있다. 실제로, 건조 과정은 하기에 상세히 서술되는 바와 같이 개선 스테이션에 의해 가속된다. 그 어떤 경우라도, 개선 스테이션에서의 작동중 어떤 이유로 인해 만일 코팅의 상변화(phase change)가 발생되었다면, 웹 상에서의 코팅이 붕괴되는 패턴을 유발할 것이다. 따라서, 일반적으로는 가능한 한 적은 갯수의 롤을 사용하여 필요로 하는 코팅 균일성을 생성하는 것이 바람직하다.
도 18은 크기는 동일하지만 속도가 다른 일련의 픽 앤드 플레이스 롤 접촉기를 사용하는 균일성 개선 스테이션(180)을 도시하고 있다. 액체 코팅된 웹(181)은개선 스테이션(180)에 인입되기 전에 한쪽면이 코팅된다(도 18에서는 도시되지 않은 정전 스프레이 헤드를 사용하여). 웹(181) 상의 액체 코팅 캘리퍼는 픽 앤드 플레이스 접촉기 롤(182)에 접근할 때 공간 상에서 어떤 순간에 시간에 맞게 웹하방 방향으로 변화된다. 고정된 관찰자에게 상기 코팅 캘리퍼는 시간 변화로 나타날 것이다. 이러한 변화는 웹하방 방향으로 일시적인 임의의 주기적 성분과, 일시적인 주기적 성분을 포함하고 있다. 웹(181)은 스테이션(180)을 통과하는 통로를 따르도록 지향되며, 아이들러 롤(183, 185)에 의해 픽 앤드 플레이스 접촉기 롤(182, 184, 186, 187)과 접촉한다. 상기 통로는 웹의 습윤 코팅측이 픽 앤드 플레이스 롤과 물리적으로 접촉되도록 선택된다. 픽 앤드 플레이스 롤(182, 184, 186, 187)(도 18에서는 모두 동일한 직경으로 도시되었음)은 웹(181)과 함께 회전하지만 서로에 대해 변화되는 속도로 회전하도록 구동된다. 속도는 웹(181) 상의 코팅 균일성을 개선할 수 있도록 조정된다. 적어도 2개의, 바람직하게는 2개 이상의 픽 앤드 플레이스 롤(182, 184, 186, 187)은 속도가 동일하지 않으며, 서로 정수배의 속도를 갖지 않는다.
픽 앤드 플레이스 롤(182)에 대한 모멘트에 있어서, 액체 코팅은 분리점(189)에서 분기된다. 분리점(189)으로부터 멀어지는 방향으로 회전함에 따라, 코팅의 일부는 웹과 함께 전방으로 이동하며, 나머지 액체는 롤(182)과 함께 이동한다. 분리점 바로 직전의 코팅 캘리퍼 변화는 웹(181)과 롤(182)이 분리점(189)을 통과할 때, 웹(181) 상의 액체 캘리퍼와 롤(182)의 표면상의 액체 캘리퍼에 반영된다. 웹(181) 상의 코팅이 롤(182)과 먼저 접촉하고 롤(182)이 일회전 한 후, 롤(182) 상의 액체와 웹(181)상의 유입 액체는 인입점(188)에서 만나게 되며, 이에 따라 인입점(188)과 분리점(189) 사이에 액체 충진된 닙 영역(196)을 형성한다. 상기 영역(196)에는 공기가 포함되어 있지 않다. 고정된 관찰자에 대해, 상기 영역(196)으로 인입되는 액체의 유량은 웹(181)에 인입되는 액체와 롤(182)에 인입되는 액체를 더한 값이다. 롤(182)의 실제 동작은 웹 상의 한 위치에서 웹(181)으로부터 물질을 들어올린 후, 물질의 일부를 웹 상의 다른 위치에 내려놓는 것이다.
유사한 형태에 있어서, 액체 코팅은 분리점(191, 193, 195)에서 분기된다. 코팅의 일부는 인입점(190, 192)에서 웹(181)과 재접촉한 후, 웹(181)에 재도포된다.
전술한 일련의 간헐적인 픽 앤드 플레이스 접촉 장치에 있어서, 인입되는 웹 상에서 액체 코팅 캘리퍼의 임의의 변화 및 주기적 변화는 매우 상당히 그리고 양호하게 감소되며, 이러한 변화는 도 18의 주기적 접촉 롤의 픽 앤드 플레이스 동작에 의해 거의 제거될 것이다. 전술한 장치에 있어서, 웹 상의 액체 코팅과 접촉하여 작동되는 단일의 롤 또는 주기적으로 연관되어 있는 롤의 열은 일반적으로 결함을 증식시키고 상당량의 값비싼 스크랩을 생산하려는 경향을 띤다.
다수의 픽 앤드 플레이스 롤을 사용함으로써, 진폭을 감소시키는 동시에 일련의 스파이크나 오목부를 통합하여, 연속적으로 약간 변하지만 스파이크 및 오목부가 없고 균일성이 양호한 코팅을 형성할 수 있다. 도 18에 도시된 바와 같이, 이것은 상이한 속도로 구동되는 동일 직경의 롤 장치를 사용하면 달성될 수 있다.도 1a와 도 3 및 도4에 도시된 바와 같이, 이것은 일련의 롤 장치의 직경을 변화시킴으로써 달성될 수 있다. 만일 롤이 독립적으로 구동되지 않지만 웹과의 견인에 의해 회전한다면, 각각의 롤 주기는 습윤 웹과의 견인과 직경에 연관성을 갖는다. 크기가 다른 롤을 선택한 경우에는 초기 설정을 위한 여분의 시간을 필요로 하지만, 롤은 구동되지 않고 웹과 함께 회전하기 때문에, 개선 스테이션의 전체 비용이 상당히 감소된다.
상세한 수학적 시뮬레이션이 없는 경우, 픽 앤드 플레이스 롤 직경 세트를 결정할 수 있는 추천할 만한 실험적 처리와 그 주기에 대해 서술하기로 한다. 먼저, 웹하방으로의 코팅 중량을 연속적으로 측정한 후, 개선 스테이션에 바람직하지 않은 주기적 결함의 입력 주기(P)를 결정한다. 그후, 주기의 정수배 또는 약수를 피할 수 있는, 입력주기 보다 크거나 작은 범위의 주기로 일련의 픽 앤드 플레이스 롤을 선택한다. 이러한 집단으로부터, 어떤 롤이 그 자체만으로도 균일성 개선을 제공할 수 있는지를 결정한다. 나머지 집단으로부터, 상기 선택된 제1 롤과 함께 사용시 균일성 개선을 최상으로 제공할 수 있는 제2 롤을 선택한다. 2개의 롤이 선택된 후, 사용할 수 있는 롤 중에서 최상의 개선을 제공하는 픽 앤드 플레이스 롤을 하나하나씩 차례대로 부가한다. 최상의 롤 세트는 사용하는 균일성 기준과, 초기의 개선되지 않은 웹하방의 변화에 의존한다. 본 발명의 양호한 초기의 롤 세트는 0.03씩 증가하는 입력 결함의 0.26배 내지 1.97배 범위의 주기(Q)를 갖는 롤을 포함한다. 상기 주기(Q)가 0.5, 0.8, 1.1, 1.25, 1.4, 1.7인 경우는 제외된다. 또한, 주기가 (Q + nP) 및 (Q + kP)인 경우도 가능하다.
도 19는 개선 스테이션에 사용하기 위한 캘리퍼 관찰 및 제어 시스템을 도시하고 있다. 이러한 시스템에 의해 코팅 캘리퍼 변화의 관찰과, 개선 스테이션에서 하나 이상의 픽 앤드 플레이스 디바이스의 주기 조정이 가능해지며, 따라서 필요로 하는 기타 다른 코팅 균일성의 변화를 개선시킬 수 있다. 이것은 인입되는 이탈 주기가 변화될 경우 특히 유용하다. 도 19에 있어서, 픽 앤드 플레이스 전달롤(201, 202, 203)은 제어기(250)로부터의 신호에 응답하여 롤의 회전비를 독립적으로 제어할 수 있는 동력 구동 시스템(도 19에는 도시 안함)에 부착된다. 상기 회전비는 모두 서로 대응할 필요는 없으며, 기판(205)의 속도에도 대응할 필요가 없다. 센서(210, 220, 230, 240)는 기판(205)이나 이러한 기판위 코팅의 하나 이상의 특성(예를 들면, 캘리퍼)을 검출할 수 있으며, 하나 이상의 픽 앤드 플레이스 롤(201, 202, 203)의 전후에 배치될 수 있다. 상기 센서(210, 220, 230, 240)는 신호 라인(211, 212, 213, 214)을 거쳐 제어기(250)에 연결된다. 상기 제어기(250)는 하나 이상의 센서(210, 220, 230, 240)로부터의 신호를 처리하여 필요로 하는 로직 및 제어 함수를 적용하여, 적절한 아날로그 또는 디지탈 조정 신호를 생성한다. 이러한 조정 신호는 하나 이상의 롤 속도를 조정하기 위하여 하나 이상의 픽 앤드 플레이스 롤(201, 202, 203)을 위한 모터 구동부로 송신된다. 한 가지 실시예에서, 자동제어기(250)는 개선된 코팅 캘리퍼의 최소한의 표준 이탈을 찾기 위하여, 롤(201)의 출력측에서 코팅 캘리퍼의 표준 이탈을 연산하여 제어 함수를 실행하도록 프로그램된다. 롤(201, 202, 203)이 독립적으로 제어되는지의 여부에 따라, 나머지 픽 앤드 플레이스 롤의 후방에 위치된 센서로부터의 단일의 또는 복합 가변형의 적절한 제어루프 제어 알고리즘이 사용되어 코팅 균일성을 제어할 수 있다. 상기 센서(210, 220, 230, 240)는 광밀도 게이지, 베타 게이지, 커패시턴스 게이지, 형광 게이지 또는 흡수 게이지 등과 같은 다양한 검출 시스템을 사용할 수 있다. 필요할 경우, 픽 앤드 플레이스 롤이 아닌 여러 개의 센서가 사용될 수도 있다. 예를 들면, 코팅 캘리퍼를 연속적으로 관찰하기 위하여 센서(240)와 같은 단일의 센서를 사용하거나, 또는 픽 앤드 플레이스 롤(201, 202, 203)을 위한 제어 함수를 실행할 수도 있다.
전술한 바와 같이, 개선 스테이션은 개선 스테이션의 작동전이나 작동 중일 때 그 회전속도가 선택되거나 가변되는 종동 픽 앤드 플레이스 롤을 사용할 수 있다. 픽 앤드 플레이스 롤의 주기는 다른 방법으로도 양호하게 변화될 수 있다. 예를 들면, 롤 직경은 롤의 표면 속도를 유지하면서 변화될 수 있다(예를 들면, 롤을 확장시키거나 오그라들게 하는 또는 팽창시키거나 수축시키는). 롤의 직경은 일정할 필요가 없으며; 필요할 경우 왕관형, 접시형, 원추형 또는 기타 다른 형상의 단면을 취할 수도 있다. 이러한 형상 및 기타 다른 형상은 롤 세트의 주기를 변화시킬 수 있다. 또한, 롤의 위치 또는 롤 사이의 기판 통로 길이도 작동시 변화될 수 있다. 그 회전축이 기판 경로에 수직하지 않은(또는 항상 수직을 유지하지 않는) 하나 이상의 롤이 배치될 수 있다. 이러한 배치는 상기 롤이 코팅을 들어올려 이를 기판에서 측방향으로 변위된 위치에 다시 내려놓기 때문에, 성능을 향상시킨다. 정전 스프레이 헤드에 대한 액체 유량도 예를 들면 주기적으로 변경될 수 있으며, 그 주기 또한 변화될 수 있다. 이러한 모든 변화는 유용한 대안책으로서, 전술한 바와 같은 경험칙에 의한 롤 크기에 부가하여 사용할 수 있다. 개선 스테이션의 성능과 마무리된 코팅 캘리퍼의 균일성에 영향을 미치기 위하여 모든 것을 사용할 수 있다. 예를 들면, 본 발명자는 하나 이상의 픽 앤드 플레이스 디바이스의 주기성이나 상대 속도의 소규모 변화, 또는 하나 이상의 장치와 기판 사이의 변화가 성능 강화에 유용하다는 것을 알게 되었다. 이것은 한정된 롤 갯수 또는 한정된 주기가 사용될 때 특히 유용하다. 임의의 변화 또는 제어된 변화도 사용될 수 있다. 변화는 분리된 모터를 사용하고 모터 속도를 변경하여, 롤을 독립적으로 구동시킴으로써 얻을 수 있다. 본 기술분야의 숙련자라면 회전 속도는 예를 들면 가변형 속도 전달기, 벨트 및 풀리, 기어 체인 및 스프라켓 시스템, 한정된 슬립 클러치, 또는 직접 구동되지 않지만 다른 롤과의 접촉에 의해 마찰 구동되는 롤 등과 같은 여러가지 방법을 사용하여 변화될 수 있으며; 상기 풀리나 스프라켓의 직경은 변화될 수 있음을 인식할 수 있을 것이다. 주기적 변화 및 비주기적 변화 모두 사용될 수 있다. 비주기적 변화는 간헐적 변화와, 시간에 따른 선형 램프 함수에 기초한 변화와, 랜덤 워크 및 기타 다른 비주기 함수를 포함한다. 이러한 모든 변화는 롤 갯수가 고정된 개선 스테이션의 성능을 향상시킬 수 있는 것으로 나타난다. 평균 0.5% 정도의 소규모 속도 변화로 개선된 결과를 얻을 수 있다.
일정한 속도차도 유용하게 사용될 수 있다. 이에 의해, 불리한 성능 조건을 피할 수 있는 회전주기를 선택할 수 있다. 회전 속도가 고정되었을 때, 이러한 조건들은 롤 크기의 선택에 의해 바람직하게 피할 수 있다.
액적 패턴이 변화 가능한 정전 스프레이 헤드와 개선 스테이션을 조합하여 사용하면 상호 보완적 장점을 제공한다. 정전 스프레이 헤드는 액적 패턴을 기판이나 전달면 그리고 기판상에 도포한다. 만일 스프레이 헤드에 대해 유량이 고정된 상태로 유지된다면, 기판 전달속도는 일정하며, 침적되는 대부분의 액적은 기판으로 전달되어, 액체의 평균 침적이 거의 균일하게 될 것이다. 그러나, 상기 액체가 일반적으로 공간 상에서 불안정한 액적으로 침적되기 때문에, 코팅 캘리퍼는 국부적으로 변화된다. 정전기장의 변화는 액적 패턴을 웹횡단 방향으로 변화시키고, 따라서 코팅 캘리퍼에서의 높고 낮은 스폿을 웹횡단 방향으로 전후 이동시킨다. 개선 스테이션은 이러한 웹횡단 방향으로의 캘리퍼 변화를 제거할 수 있다. 또한, 상기 개선 스테이션은 액적을 일정한 코팅으로 전환하거나, 코팅의 균일성을 개선하거나, 액적 분산에 소요되는 시간과 장치 길이를 감소시킬 수 있다. 롤 또는 기타 달리 선택된 픽 앤드 플레이스 디바이스와 초기 액적의 접촉 동작과, 액적 액체의 일부를 제거하는 동작과, 제거된 부분을 기판의 일부 다른 위치에 위치시키는 동작은 기판 상의 표면 범위를 증가시키고, 코팅된 스폿들 사이의 거리를 감소시키며, 일부 경우에는 액적 개체 밀도를 증가시킨다. 상기 개선 스테이션은 액적 및 기판 상에 압력을 생성하여, 액적 분산비를 가속시킨다. 스프레이 헤드로부터 액적 패턴을 변화시킴으로써(특히, 기계 방향이 아닌 방향으로 패턴을 변화시킴으로써), 개선 스테이션의 효율이 증가된다. 따라서 정전 스프레이 헤드와 선택된 픽 앤드 플레이스 디바이스를 조합하여 사용하면, 최종 코팅의 균일성이 향상된다.
다른 방법에 따르면, 전술한 정전기장의 변화 및 액적 패턴의 변화는 개선스테이션에 의도적으로 가변성 코팅을 제공함으써 코팅 균일성을 향상시키며, 상기 가변성 코팅은 그 위치가 기계 방향이 아닌 전후 방향으로 이동하는 캘리퍼 변화를 갖는다.
만일 액적의 평균 직경이 필요로 하는 코팅 두께 보다 작고 분무 침적률이 연속적인 코팅을 충분히 생성할 수 있다면, 분무의 통계적 특성상 코팅 캘리퍼에 불균일성을 형성할 것이다. 또한, 롤 또는 기타 다른 픽 앤드 플레이스 디바이스의 사용에 의해 코팅 균일성을 향상시킬 수 있다.
정전 스프레이 헤드와 픽 앤드 플레이스 디바이스의 양호한 조합은 특정한 각각의 용도에 대해 실험적으로 또는 가상적으로 테스트될 수 있다. 본 발명의 사용에 의해, 100% 고형 코팅 성분은 평균적으로 매우 낮은 캘리퍼를 갖는, 무공극형 또는 거의 무공극형의 경화 코팅으로 전환될 수 있다. 예를 들면, 10㎛ 이하, 1㎛ 이하, 0.5㎛ 이하, 심지어 0.1㎛ 이하의 두께를 갖는 코팅을 얻을 수 있다. 10㎛ 이상의 두께를 갖는 코팅(예를 들면, 100㎛ 이상)도 얻을 수 있다. 이러한 두꺼운 코팅은 하나 이상의(또는 심지어 모든) 픽 앤드 플레이스 디바이스의 표면을 홈가공, 너얼 가공, 에칭 또는 기타 다른 형상 가공 등에 의해 증가된 습윤 코팅 두께를 수용할 수 있으므로 매우 유용하다.
개선 스테이션은 건조 기판을 생산하는 데에 소요되는 시간을 감소시키고, 코팅 캘리퍼 서지 효과를 개선할 수 있다. 개선 스테이션은 전술한 바와 같은 이유로 인한 코팅 캘리퍼 서지를 감소시킨다. 개선 스테이션에 인입되는 코팅이 이미 균일한 경우라도, 개선 스테이션은 건조율을 상당히 증가시킨다. 이론에 의하지 않고서도, 본 발명자는 습윤 코팅과 픽 앤드 플레이스 디바이스와의 반복적인 접촉은 노출된 액체 표면적을 증가시키며, 이에 따라 열 및 질량 이동비가 증가된다는 것을 알게 되었다. 기판상에 액체의 반복적인 분기와 제거 및 재침적은, 온도와 농도입자 그리고 열 및 질량 이동비를 증가시킴으로써, 건조율을 강화시킨다. 또한, 습윤 기판에 대한 픽 앤드 플레이스 디바이스의 이동과 접근성은 습윤 코팅의 액체 표면 근처에 경계층을 한정하는 파괴율에 도움을 준다. 이러한 모든 요소는 건조에 도움이 되는 것으로 밝혀졌다. 따라서, 이동 중인 웹을 포함하는 처리과정에서, 코팅 스테이션으로부터 웹 하방에 있는 소형이거나 짧은 건조 스테이션(예를 들면, 건조 오븐이나 취입기)을 사용할 수 있다. 필요할 경우, 상기 개선 스테이션은 건조 스테이션으로 연장될 수도 있다.
본 발명의 장치 및 방법은 가요성이거나 딱딱한 다양한 기판 상에 코팅을 도포하는 데에 사용될 수 있으며, 이러한 기판에는 종이, 플라스틱(예를 들면, 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌; 폴리에스테르; 페놀; 폴리카보네이트; 폴리이미드; 폴리아미드; 폴리아세탈; 폴리비닐 알콜; 페닐 산화물; 폴리아릴설폰; 폴리스티렌; 실리콘; 요소; 디알릴 프탈레이트; 아크릴; 셀룰로오스 아세테이트; 폴리비닐 클로라이드 등과 같은 염화폴리머; 플루오로카본; 에폭시; 멜라민 등등), 고무, 유리, 세라믹, 금속, 생물학적 유도 물질, 및 이들의 조합물이나 그 조성물 등이 포함된다. 필요할 경우, 기판은 기판 표면에 코팅이 수용될 수 있도록 코팅의 도포 전에 예열될 수 있다(예를 들면, 도화선, 코로나 처리, 화염 처리 또는 기타 다른 표면처리에 의해). 상기 기판은 연속적이며(예를 들면, 웹), 또는 한정된 길이를 갖는다(예를 들면, 시트). 상기 기판은 다양한 표면 형상(예를 들면, 부드러운, 직조된, 패턴화된, 미세 구조화되거나 다공성 등등)을 포함할 수 있으며, 다양한 벌크 특성(예를 들면, 모두 동질성이거나, 이질성이거나, 주름이 잡히거나, 직조되거나, 비직조된)을 포함할 수 있다. 예를 들면, 미세 구조화된 기판을 코팅할 때(코팅이 기판의 상부로부터 도포되고, 목표로 하는 미세 구조는 기판의 상부 표면에 있는), 코팅은 미세 구조의 최상부 부분으로부터 용이하게 도포될 수 있다. 코팅액의 표면장력과, 인가된 닙 압력(존재할 경우)과, 미세 구조의 기하학적 형상과 표면 에너지는 미세 구조의 최하부(예를 들면 계곡부)에서의 코팅 실행여부가 결정된다. 미세 구조의 계곡부 내에 코팅을 침적시키는 데에 도움을 주기 위해, 필요하다면 기판의 예비 하전이 실행될 수도 있다. 도 1a 내지 도 3에 도시된 드럼 전달 방법이나 도 4a 및 도 4b에 도시된 전송 벨트 방법을 사용하여 코팅된 다공성 웹에서는 위킹 플로우(wicking flow)가 주로 코팅의 관통깊이를 결정한다.
기판의 용도는 테이프, 멤브레인(예를 들면 연료전지 멤브레인), 절연, 광필름 또는 광부품, 사진 필름, 전자 필름이나 전자 회로 또는 전자 부품, 그 전구체 등과 같이 다양하다. 상기 기판은 코팅층의 하부에 단층 또는 다층을 포함한다.
본 발명은 하기의 실시예를 참조로 상세히 서술될 것이며, 이러한 실시예에서 모든 부품과 비율은 특정하게 언급하지 않는한 중량 퍼센트이다.
실시예 1
35㎛의 두께와 30.5㎝의 폭을 갖는 폴리에틸렌 텔레프탈레이트(PET) 웹이 아이들러 롤 위로, 50.8㎝의 직경과 61㎝의 폭을 갖는 접지된 스텐레스 스틸 드럼의하부로, 또한 다른 아이들러 롤 위를 통과한다. 웹은 드럼 원주의 거의 절반과 접촉한다. 드럼은 이동 중인 웹과 동일한 표면 속도로, 즉 S = 7.62 m/min 의 속도로 함께 회전한다. 상기 드럼은 0.5sec-1의 ωD= S/RD의 회전 각주파수와, τD= 2π/ωD의 회전 주기를 갖는다.
HP6216A 0-30 VDC 동력원(휴렛 패커드 인코포레이티드)과 PM5134 함수 발생기(필립스 일렉트로닉스 엔브이)는, PS/WG-50N6-DM50kVDC의 입력부와 6밀리암페어 네거티브 출력부 및 고압 동력 공급부(글라스만 하이 볼티지 인코포레이티드)에 직렬로 연결된다. 상기 HP6216A 동력원은 약 6.5VDC를 제공하도록 조정되며, PM5134 함수 발생기는 HP5315B 유니버셜 카운터(휴렛 패터드 인코포레이티드)로 측정하였을 때 주기가 27.4초인 AC 사인파를 제공하도록 조정될 수 있다. Fluke 8000A 디지탈 멀티미터(플루케 코포레이션)로 측정하였을 때 글라스만 고압 동력공급구로의 입력전압이 4.51볼트 내지 8.62볼트로 변화될 때까지, 사인파의 크기가 증가된다. 이러한 요동형 입력에 의해, 출력 전압이 -22.6kV에서 42.6kV로 변화되는 것을 관찰하였다. 글라스만 동력 공급부의 출력은 미국 특허 제5.326.598호에서처럼 정전모드에서 작동되는 정전 스프레이 헤드의 다이 와이어에 직렬로 연결되는 2개의 200㏁을 통해 공급된다. 스프레이 헤드는 미국 특허 제5.702.527호에 개시된 바와 같은 후퇴 유동모드로 작동되도록 변형될 수도 있다. 400㏁의 전체 안전 저항은 사람이 다이 와이어를 우발적으로 만진 경우에도 동력 공급부로부터 125㎂ 이하의 전류가 연속적으로 인출되는 것을 보장한다. 스프레이 헤드의 정전기장조정전극("추출기 로드"로 공지되어 있다)은 접지된다. 상기 다이 와이어는 드럼 표면으로부터 10.8㎝의 고정거리로 유지된다. 스프레이 헤드 슬롯은 33㎝의 폭을 갖는다. 그러나, 무화된 액적의 박무 내에서의 전하 반발로 인해, 스프레이 헤드는 드럼을 횡단하여 38㎝ 폭의 박무를 분사할 수 있다.
14㎝의 폭과 25.4㎝의 길이를 갖는 접지된 측부 팬은 드럼 바로 위에서 스프레이 헤드의 단부 아래에 위치된다. 상기 측부 팬은 코팅 폭을 10㎝ 내지 30㎝로 하기 위하여 미끄럼 막대 상에서 측부 대 측부로 조정된다. 웹의 전체 폭이 위치될 수 있도록 측부 팬은 30.4㎝의 거리로 분리된다.
전체 외경이 10.2㎝인 닙 롤은 드럼에 대해 위치되어, 2개의 공압 실린더에 의해 0.276MPa의 닙 압력으로 정위치에 지지된다. 상기 닙 롤은 경도가 80이고 두께가 0.794㎝인 폴리머 커버층을 포함한다.
미국 특허 제5.858.545호의 제10 실시예에 개시된 바와 같이, 2,2'-(2,5-티오페네딜)비스[5-tert-부틸벤족사졸레](유비텍스TM-OB 형광염료, 시바 스페셜티 케미칼즈 코포레이션)의 0.3pph(parts per hundred)의 첨가에 의해 무용제 실리콘 아크릴레이트 UV 경화 가능한 해제 코팅 제제가 준비되어 변형된다.
상기 해제 제제는 드럼 상에 1.2㎛ 두께의 코팅을 생성할 수 있는 유량으로 금속 회전 드럼의 상부에 정전 분사된다. 드럼이 수회 회전한 후, 드럼의 표면은 해제 코팅으로 적셔지고, 평형 상태에 도달된다. 드럼이 회전하여 정전 스프레이 헤드를 지나감에 따라, 정전 스프레이 박무 내의 액적은 액적상의 전하가 확산되는접지 드럼으로 견인된다.
액체 박무의 어레이는 방출 와이어로부터 드럼을 향해 돌출되어, 드럼 상에 변화하는 무화된 액적 패턴을 형성한다. 마이너스 42.6kV의 맥시멈 글라스만 동력 공급 전압에서는 와이어를 따라 1㎝당 2 내지 3개의 박무가 존재한다. 정전기장이 감소함에 따라, 박무의 갯수도 감소되며, 박무 사이의 이격 거리는 증가된다. 정전기장의 주기적 변화는 박무를 드럼 폭을 횡단하여 전후로 이동시켜, 전술한 바와 같이 변화되는 액적 패턴을 생성한 후, 드럼을 횡단하여 높고 낮은 캘리퍼 코팅의 이송 영역에 이를 제공한다. 상기 높고 낮은 캘리퍼 코팅 영역은 습윤 코팅상에 Model801의 "흑색광" 형광 설비(비쥬얼 이펙츠 인코포레이티드)를 비추면 용이하게 관찰할 수 있다.
상기 다이 와이어는 다이보다 길며; 다이 와이어의 젖지 않은 세그먼트가 코로나로 가기 때문에, 글라스만 동력 공급부 전압이 요동할 때 비선형 전류는 안전저항을 통과한다. 안전저항이 제공되거나 제공되지 않을 수도 있는 글라스만 동력 공급부로 전류-전압 측정이 실행되며; 코팅 용액이 존재하지 않을 때, 다이 와이어상의 전압은 주기중 -22kV 내지 25kV 사이에서 변화되는 것으로 추정된다. 코로나에 대한 전류-전압 관계가 선형이 아니기 때문에, 와이어에서의 전압 변화는 사인 곡선을 이루지 않는다. 이러함에도 불구하고 와이어를 따라 주기적인 형태로 서서히 증가한 후 감소되는, 와이어 상의 박무들 사이의 분리를 관찰할 수 있다. 비사인형 변화특성도 관찰될 수 있다. 본 기술 분야의 숙련자라면 안전 저항을 제거함으로써 다이 와이어 상에 사인파형 전압 변화가 발생될 수도 있음을 인식할 수 있을 것이다.
드럼이 일회전하는 데에 소요되는 시간은 글라스만 동력 공급부가 일회 요동하는 데에 소요되는 시간보다 짧다. τD(12.57초)가 τ(27.4초) 보다 짧기 때문에, ILτD= ISτ(IS및 IL는 정수)에 의해 코팅 패턴의 반복이 결정되며; 상기 IS는 작은 정수이고, IL은 큰 정수이다. τD는 드럼의 일회전에 소요되는 시간이기 때문에, 상기 IL은 스프레이 패턴이 드럼상에 반복되기 전에 소요되는 드럼 회전수이다. 반복 코팅 패턴의 기준으로서, τ= 27.4초, RD= 0.254m, S = 7.62 m/min, N = τ/τD= IL/IS= [τ/(2πRD)]S = 2.18, NIS= IL인 경우, 스프레드 시트의 연산은 정수 결과를 제공하는 제1 산물로서 2.18(50) = 109로 나타난다. 따라서, 드럼상의 설정 위치가 본래의 코팅 패턴을 보기 전에, 드럼은 109 회전 한다. 마찬가지로, 액적 패턴의 요동은 동일한 액적 패턴이 드럼 상의 반복점 상에 안착되기 전에 50회 반복된다. 도 20에는 증가분이 0.002인, 2,17 내지 2.2의 τ/τD를 제공하는 상이한 웹 속도 또는 스프레이 패턴에서의 스프레이 시트의 연산 결과가 도시되어 있다. 만일 패턴 주기가 매우 미세하게 증가하거나(예를 들면 27.4초에서 27.65초), 웹 속도가 매우 미세하게 증가한다면(예를 들면 7.62m/min 에서 7.69m/min), τ/τD는 2.2가 되고, 스프레드 시트의 연산 결과는 2.2(5) = 11 이 된다. 이러한 미세한 증가에 대해, 박무는 매번 드럼이 11 회전하고 스프레이의 주기가 5인 반복 패턴을 포함할 것이다.
드럼이 이동 중인 웹을 지나서 회전함에 따라, 도포된 액적은 웹 표면과 접촉한다. 닙 롤은 액적을 강제로 분산시겨, 무공극형 코팅과 합체되게 한다. 닙 롤의 표면은 한쪽 위치에 깊은 홈을 포함하여, 코팅에 관찰 가능한 결함을 유발시킨다.
웹이 회전 드럼을 통과할 때, 코팅액의 일부는 드럼 상에 남아있고, 나머지는 웹 상에 남아있다. 흑색광을 사용하여 분리점 직후의 웹을 관찰하면, 낮은 코팅 캘리퍼의 이송 영역이 웹으로 이송되었음을 알 수 있다.
코팅된 웹은 웹의 습윤측이 8개의 픽 앤드 플레이스 롤과 접촉하는 8개의 롤 개선 스테이션을 통과한다. 닙으로부터 개선 스테이션 초입까지의 통로길이는 0.86m 이며, 개선 스테이션을 통과하는 통로길이는 1.14m이다. 8개의 롤의 각각의 직경은 54.86, 69.52, 39.65, 56.90, 41.66, 72.85, 66.04, 52.53mm이며, 모두 ±0.025의 공차를 갖는다. 상기 롤은 웨벡스 인코포레이티드에 의해 제조되어, 16Ra로 마무리되고 크롬도금된 롤 표면을 구비한 역학적으로 평형화된 스틸 라이브 축 롤(steel live shaft roll)이다. 개선 스테이션은 닙 롤 상의 홈 마크에 의해 관찰 가능한 패턴을 포함하여, 웹 상에 코팅되지 않은 모든 영역을 제거하며; 흑색광을 조사하여 평가하였을 때, 시각적으로 훨씬 개선된 균일성을 갖는 코팅을 제공하였다.
실시예 2
실시예 1의 방법과 웹 및 코팅을 사용하여, 측부 팬은 30.4㎝ 이하의 다양한 분리 폭으로 조정된다. 웹 속도는 7.62m/min으로 고정되며, 1.2㎛ 두께의 코팅이0.28MPa의 압력으로 웹에 도포된다. 흑색광을 조사하여 평가하였을 때, 각각의 측부 팬에서 균일한 코팅을 얻을 수 있었다.
실시예 3
실시예 1의 방법과 웹 및 코팅을 사용하여, 측부 팬은 해제 제제으로 다시 코팅된다. 다이 와이어상의 미세한 다공성 오염조각은 다이의 한쪽 단부 근처에 약간 높은 유량을 유발한다. 이러한 형상은 코팅 두께가 증가된 영역을 생성하며; 모델 LS-50B 냉광 분광측정기의 센서 아래로 코팅된 웹 샘플을 통과시키고, 영향을 받은 다이 와이어의 한쪽 단부 근처에 형광 강도를 기입하면 관찰할 수 있다. 웹의 나머지는 균일한 형광 강도일 때 코팅 균일성이 매우 양호한 것으로 나타났다.
해제 특성은 845 북테이프(쓰리엠)의 2.54㎝의 광폭 스트라이프를 코팅된 샘플 웹의 상부측(코팅측) 및 후방측과, 코팅되지 않은 샘플의 대응하는 제어측에 도포하여 평가된다. 상기 샘플은 70℃에서 3일 또는 7일 경과된다. 도포된 코팅의 특성은 테이프를 2.3m/min의 비율로 이동시키는 데에 필요한 180°박리력을 측정하여 평가된다. 코팅의 이송은 제거된 테이프 샘플을 깨끗한 유리에 재고착한 후, 유리로부터 테이프를 제거하는 데에 필요한 180°박리력을 측정하여 평가된다. 샘플 상태, 박리강도값 등이 표 1에 도시되어 있다.
상태 해제@20℃,g/25 min 재고착@20℃g/25 min 해제@70℃g/25 min 재고착@70℃g/25 min
제어, 3일 1279 923 1351 879
코팅, 3일 35 1288 94 892
제어, 7일 1286 927 1366 804
코팅, 7일 36 1196 135 735
표1의 데이터에서, 도포된 코팅은 양호한 해제 특성을 제공하며, 해제 코팅을 북테이프의 접착제로 전달시키지 않음을 알 수 있다. 도포된 코팅에 대한 접착제의 해제 특성 및 재고착 특성은 코팅이 70℃로 가열되는 경우에도 유지된다. 예를 들면, 제어 샘플(7일, 70℃)의 해제 박리력은 테이프가 유리로부터 박리될 때 ±6% 변화된다. 코팅된 샘플(7일, 70℃)의 해제 박리력은 테이프가 유리에서 박리될 때 ±8% 변화된다. 이러한 유사한 박리 변화값은 코팅된 PET샘플이 코팅되지 않은 PET샘플과 매우 유사한 형태를 갖고 있음을 나타낸다. 따라서, 이러한 데이터는 얇고 균일한 코팅 박막을 비도전성 웹 상에 코팅하기 위한 본 발명의 유용성를 나타낸다.
본 발명은 양호한 실시예를 참조로 서술되었기에 이에 한정되지 않으며, 본 기술분야의 숙련자라면 첨부된 청구범위로부터의 일탈없이 본 발명에 다양한 변형과 수정이 가해질 수 있음을 인식해야 한다.

Claims (49)

  1. 기판 상에 액체 코팅을 형성하는 방법에 있어서,
    a) 정전기장에 응답하여 패턴을 형성하는 정전 스프레이 헤드로부터 기판 상에 액체의 액적 패턴을 분사하는 단계와,
    b) 패턴을 반복적으로 변화시키기 위하여, 분사 중에 정전기장을 전기적으로 반복해서 변화시키는 단계를 포함하는 것인 액체 코팅 형성 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 정전기장은 연속적으로 변화되는 것인 액체 코팅 형성 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 정전기장은 주기적으로 변화되는 것인 액체 코팅 형성 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 정전기장은 비주기적으로 변화되는 것인 액체 코팅 형성 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 정전기장은 코팅 감시 신호에 응답하여 변화되는 것인 액체 코팅 형성 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 정전기장은 상기 스프레이 헤드와 기판 사이의 전압을 변경시킴으로써 변화되는 것인 액체 코팅 형성 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 정전기장은 상기 스프레이 헤드 부근 물체 상의 전압을 변경시킴으로써 변화되는 것인 액체 코팅 형성 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 스프레이 헤드는 방출 와이어를 포함하며, 액체의 박무 어레이가 상기 와이어로부터 방출되고, 박무의 이격 거리와 갯수가 분사 도중 변화되는 것인 액체 코팅 형성 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 스프레이 헤드는 일련의 방출 돌기를 포함하며, 하나 이상의 액체 박무 어레이가 상기 방출 돌기로부터 방출되고, 박무 패턴이 분사 도중 변화되는 것인 액체 코팅 형성 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 기판은 전도성 전달면을 포함하며, 액체 코팅의 일부가 상기 전달면으로부터 이동 중인 웹으로 전달되는 것인 액체 코팅 형성 방법.
  11. 제1항에 있어서, 액적은 평균 직경을, 액체 코팅은 평균 캘리퍼를 갖고, 상기 평균 직경은 상기 평균 캘리퍼보다 크며, 코팅에는 공극이 거의 없는 것인 액체 코팅 형성 방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 코팅은 완전히 또는 부분적으로 중첩되는 하나 이상의 스트라이프를 이루며 도포되며, 이 스트라이프는 서로 접촉하거나, 코팅되지 않은 기판에 의해 분리되는 것인 액체 코팅 형성 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상이한 조성물이 2개 이상의 스트라이프에 도포되는 것인 액체 코팅 형성 방법.
  14. 제12항에 있어서, 2개 이상의 스트라이프에 동일한 조성물이 도포되는 것인 액체 코팅 형성 방법.
  15. 기판 상에 액체 코팅을 형성하는 방법에 있어서,
    a) 정전기장에 응답하여 패턴을 형성하는 정전 스프레이 헤드로부터 기판 또는 전달면 상에 액적 패턴을 분사하는 단계와;
    b) 상기 액적 패턴을 제1 방향으로 반복적으로 변화시키는 단계와;
    c) 임의 순서로,
    i) 상기 전달면이 사용될 때, 도포된 코팅의 일부를 전달면으로부터 기판으로 이송하는 단계와;
    ii) 제2 방향으로의 코팅 균일성을 향상시키기 위하여, 상기 코팅을 2개 이상의 픽 앤드 플레이스 디바이스와 접촉시키는 단계
    를 포함하는 것인 액체 코팅 형성 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 정전기장은 반복해서 전기적으로 변화되는 것인 액체 코팅 형성 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 정전기장은 상기 스프레이 헤드와 기판 또는 전달면 사이의 전압을 변경시킴으로써 변화되는 것인 액체 코팅 형성 방법.
  18. 제16항에 있어서, 상기 정전기장은 전극 또는 제2스프레이 헤드를 조정하는 정전기장 부근의 위치를 변경시킴으로써 변화되는 것인 액체 코팅 형성 방법.
  19. 제15항에 있어서, 상기 정전기장은 반복해서 기계적으로 변화되는 것인 액체 코팅 형성 방법.
  20. 제15항에 있어서, 상기 스프레이 헤드는 방출 와이어를 포함하며, 액체의 박무 어레이가 상기 와이어로부터 방출되고, 박무의 이격 거리와 갯수는 분사 도중 변화되는 것인 액체 코팅 형성 방법.
  21. 제15항에 있어서, 상기 스프레이 헤드는 일련의 방출 돌기를 포함하며, 상기 돌기로부터 하나 이상의 액체 박무 어레이가 방출되고, 박무 패턴은 분사 도중 변화되는 것인 액체 코팅 형성 방법.
  22. 제15항에 있어서, 전도성 전달면이 사용되는 것인 액체 코팅 형성 방법.
  23. 제15항에 있어서, 상기 코팅은 3개 이상의 픽 앤드 플레이스 디바이스와 접촉하는 것인 액체 코팅 형성 방법.
  24. 제15항에 있어서, 상기 기판은 이동 중인 웹을 포함하는 것인 액체 코팅 형성 방법.
  25. 제15항에 있어서, 상기 액적은 평균 직경을, 상기 액체 코팅은 평균 캘리퍼를 갖고, 상기 평균 직경은 상기 평균 캘리퍼보다 크며, 상기 액체 코팅에는 거의 공극이 없는 것인 액체 코팅 형성 방법.
  26. 제15항에 있어서, 상기 코팅은 완전히 중첩되거나 부분적으로 중첩되는 하나 이상의 스트라이프를 이루며 도포되고, 이 스트라이프는 서로 접촉하거나, 코팅되지 않은 기판에 의해 분리되는 것인 액체 코팅 형성 방법.
  27. 정전기장에 응답하여 기판 상에 습윤 코팅과 액적 패턴을 생성하는 정전 스프레이 헤드와, 패턴을 반복적으로 변화시키기 위하여, 분사 도중 정전기장을 반복해서 전기적으로 변화시키는 장치 또는 회로를 포함하는 코팅 장치.
  28. 제27항에 있어서, 상기 패턴은 제1 방향으로 변화하고, 제2 방향으로의 코팅 균일성을 향상시키기 위하여 습윤 코팅과 주기적으로 접촉 및 재접촉할 수 있는 2개 이상의 픽 앤드 플레이스 디바이스를 더 포함하는 것인 코팅 장치.
  29. 제27항에 있어서, 상기 정전기장은 연속적으로 변화되는 것인 코팅 장치.
  30. 제27항에 있어서, 상기 정전기장은 주기적으로 변화되는 것인 코팅 장치.
  31. 제27항에 있어서, 상기 정전기장은 비주기적으로 변화되는 것인 코팅 장치.
  32. 제27항에 있어서, 상기 정전기장은 코팅 감시 신호에 응답하여 변화되는 것인 코팅 장치.
  33. 제27항에 있어서, 상기 정전기장은 상기 스프레이 헤드와 기판 사이의 전압을 변경시킴으로써 변화되는 것인 코팅 장치.
  34. 제27항에 있어서, 상기 스프레이 헤드는 방출 와이어를 포함하며, 액체의 박무 어레이가 상기 방출 와이어로부터 방출되고, 박무의 이격 거리와 갯수는 분사도중 변화되는 것인 코팅 장치.
  35. 제27항에 있어서, 상기 스프레이 헤드는 일련의 방출 돌기를 포함하며, 상기 돌기로부터 하나 이상의 액체 박무 어레이가 방출되고, 박무 패턴은 분사 도중 변화되는 것인 코팅 장치.
  36. 제27항에 있어서, 상기 기판은 전도성 전달면을 포함하며, 습윤 코팅의 일부는 상기 전달면으로부터 이동 중인 웹으로 전달되는 것인 코팅 장치.
  37. 제27항에 있어서, 상기 액적은 평균 직경을, 상기 습윤 코팅은 평균 캘리퍼를 갖고, 상기 평균 직경은 상기 평균 캘리퍼보다 크며, 상기 습윤 코팅에는 공극이 거의 없는 것인 코팅 장치.
  38. 제27항에 있어서, 복수 개의 정전 스프레이 헤드가 상기 기판에 1종 이상의 코팅 조성물을 하나 이상의 스트라이프를 이루면서 도포하는 것인 코팅 장치.
  39. 제38항에 있어서, 상기 스프레이 헤드는 복수 종의 코팅 조성물을 하나의 스트라이프에 도포하는 것인 코팅 장치.
  40. 제38항에 있어서, 상기 스프레이 헤드는 복수 개의 스트라이프에 코팅 조성물을 도포하는 것인 코팅 장치.
  41. 정전기장에 응답하여 기판 상에 습윤 코팅과 액적 패턴을 생성하는 정전 스프레이 헤드와, 패턴을 변경하기 위하여 정전기장을 변화시키는 장치 또는 회로와, 습윤 코팅과 주기적으로 접촉 및 재접촉할 수 있는 2개 이상의 픽 앤드 플레이스 디바이스를 포함하며, 상기 정전기장은 코팅의 균일성을 개선하기 위하여 분사 도중 반복적으로 변화되는 것인 코팅 장치.
  42. 제41항에 있어서, 상기 정전기장은 반복해서 전기적으로 변화되는 것인 코팅 장치.
  43. 제42항에 있어서, 상기 정전기장은 상기 스프레이 헤드와 기판 사이의 전압을 변경시킴으로써 변화되는 것인 코팅 장치.
  44. 제42항에 있어서, 상기 정전기장은 상기 스프레이 헤드 부근의 물체의 위치를 변경시킴으로써 변화되는 것인 코팅 장치.
  45. 제41항에 있어서, 상기 정전기장은 반복해서 기계적으로 변화되는 것인 코팅 장치.
  46. 제41항에 있어서, 상기 스프레이 헤드는 방출 와이어를 포함하며, 액체의 박무 어레이가 상기 방출 와이어로부터 방출되고, 박무의 이격 거리와 갯수는 분사 도중 변화되는 것인 코팅 장치.
  47. 제41항에 있어서, 상기 스프레이 헤드는 일련의 방출 돌기를 포함하며, 상기 방출 돌기로부터 하나 이상의 액체 박무 어레이가 방출되고, 박무 패턴은 분사 도중 변화되는 것인 코팅 장치.
  48. 제41항에 있어서, 상기 액적은 평균 직경을, 상기 습윤 코팅은 평균 캘리퍼를 갖고, 상기 평균 직경은 상기 평균 캘리퍼보다 크며, 상기 습윤 코팅에는 공극이 거의 없는 것인 코팅 장치.
  49. 제41항에 있어서, 복수 개의 정전 스프레이 헤드가 상기 기판에 1종 이상의 코팅 조성물을 완전히 중첩되거나 부분적으로 중첩되는 복수 개의 스트라이프를 이루면서 도포하며, 상기 스트라이프는 서로 접촉하거나, 코팅되지 않은 기판에 의해 분리되는 것인 코팅 장치.
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