KR20150146344A - Uv/led를 이용한 수지 경화 및 오폐수 살균장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 UV/LED를 사용 자외선을 조사하려 전자부품에 도포된 수지 및 자동차용 도장 페인트를 경화시키거나 수돗물의 정수과정에서 살균작업에 사용할 수 있도록 발명한 UV/LED를 이용한 멀티 수지도포 경화 및 오폐수 살균장치에 관한 것이다.
본 발명은 UV LED를 사용한 자외선 조사장치(100)로서 0~400W 출력를 자유롭게 조정할 수 있으며 UV LED 헤드의 효과적 방열을 위해서 내부공기 유입 방열판구조와 LED냉각을 위한 수냉식 방수타입 공간을 확보하고 외부 공기의 흐름이 용이 하도록 발열핀을 구비시켜 경화 및 살균 위치에 따른 효과적인 경화 및 살균이 가능하게 구성한 것이다.
본 발명은 자외선을 조사하기 위해 광원으로 엘이디를 사용하여 광원으로부터 발생된 열에 의해 경화대상이 열변화되는 것을 최소화시키며, 경화대상에 적합한 복수 파장의 자외선을 조사하고, 엘이디로부터 조사된 광을 집속하여 광 밀집도를 높이므로 경화 작업을 수행하는 데 소요되는 시간을 절약할 수 있는 등의 효과가 있다.

Description

UV/LED를 이용한 수지 경화 및 오폐수 살균장치{stiffening and sterilization apparatus by using UV/LED}

본 발명은 UV/LED를 이용한 멀티 수지도포 경화 및 오폐수 살균장치에 관한 것으로, 좀더 상세하게는 UV/LED를 사용 자외선을 조사하려 전자부품에 도포된 수지 및 자동차용 도장 페인트를 경화시키거나 수돗물의 정수과정에서 살균작업에 사용할 수 있도록 발명한 UV/LED를 이용한 멀티 수지도포 경화 및 오폐수 살균장치에 관한 것이다.

자외선 이용분야는 의료 분야에서 생체 내외부의 자외선 조사에 의한 살균, 치료, 분광(발광) 진단에 사용되었고, 산업분야에서는 광물이나 전자 부품의 조립 작업에 자외선 경화형의 수지를 경화시키는 목으로 자외선 조사장치가 이용되고 있는데, 그 중 자외선을 이용하여 수지를 경화시키는 자외선 조사장치는 소품 부품의 접착·고정 분야까지 널리 사용되고 있다.

상기한 타입의 자외선 조사장치는 전원 회로 등을 내장한 장치 본체인 컨트롤러와, 자외선을 조사하는 헤드와, 이들을 접속하는 케이블을 구비하고 있다. 컨트롤러에 자외선원인 고압 수은 램프나 수은크세논 램프를 내장하고, 컨트롤러와 헤드를 접속하는 케이블에 내장된 석영 유리 제질의 헤드까지 자외선을 전달하여 헤드로부터 수지가 도포된 접착부에 조사된다. 동일한 컨트롤러에 복수의 헤드를 접속하여 복수 개소에서 자외선을 조사가능한 자외선 조사장치도 존재한다.

자외선은 조사장치는 살균 및 노광램프인 Hg lamp등에 비하여 많은 장점을 갖추고 있으며, 반도체칩의 특성상 원하는 단일 스펙트럼(spectrum)만 나오게 할수 있어서 Hg 램프와 같이 파워 분산이 되지 않으므로 Hg lamp보다 효율이 훨씬 높고, 반도체기술로 패키징이 되어 매우 견고하며 수은과 같은 중금속 규제물질을 포함하고 있지 않다. 수명면에서도 70%의 출력에서 Hg lamp가 전형적으로는 2천 시간 정도의 수명을 갖지만 UV/LED는 장수명을 유지할 수 있으며, 전원을 켜고 빛이 발광을 위해 동작하기 위한 on/off cycling도 즉시 응답하는 장점을 갖고 있다. 이러한 장점을 활용하여 자외선발광다이오드를 램프모듈화하여 살균분야와 노광분야등에 적용함으로써 기존 시장의 대체와 신규시장 창출에 기여할 수 있다.

자외선 발광다이오드를 이용한 램프는 기존의 일반 사용되는 Hg lamp에 비하여 많은 장점을 갖추고 있다. 기존 램프와 비교 하였을때 UV/LED는 반도체칩의 특성상 원하는 단일 spectrum만 나오게 할수 있어서 Hg 램프와 같이 파워분산이 되지 않으므로 Hg lamp보다 효율이 훨씬 높고, 일반 Hg lamp가 글래스 재질로 놓치면 잘 깨질 수 있고 다루기가 불편한 반면에 UV/LED는 반도체이고 반도체기술로 패키징이 되어 매우 견고하며 Hg lamp의 수은과 같은 중금속 규제물질을 포함하고 있은 친환경적소재로 RoHs제재로부터 자유롭다. 수명면에서도 70%의 출력에서 Hg lamp가 전형적으로는 2천시간정도의 수명을 갖지만 UV/LED는 장 수명을 유지할 수 있으며, 전원을 켜고 빛이 발광을 위해 동작하기위한 on/off cycling도 Hg lamp는 천천히 응답하지만 UV/LED는 즉시 응답하는 장점을 갖고 있다.

상기한 장점을 활용하여 살균 자외선 램프 마켓은 427M$ (UVA/UVB대역 261M$, UVC대역 166M$) 으로 다양한 분야에 활용되고 있는데 자외선 경화부분에 120M$,water/air purification부분에 115M$, tanning부분에 60 M$,Analytical instruments 50 M$, Black-lights 30 M$, Medical Phototherapy 25M$, 기타부분에 27M$를 형성하고 있다. 향후시장은 다양한 장점을 가진 자외선발광다이오드를 이용한 램프를 사용하는 방향으로 전환하게 될 것이므로 미리 준비가 필요하다.

종래에는 살균, 분광(발광)이나, 광물이나 전자 부품의 조립 작업에 있어서의 자외선 경화형의 수지를 경화시키는 목적 등에 자외선 조사장치가 이용되고 있었다.

상기한 종래 자외선 조사장치는 복수의 헤드를 동일한 출력, 조사 타이밍으로 밖에 조사할 수 없기 때문에 헤드마다 다른 설정으로서 작업을 할 수 없을 뿐만 아니라 헤드가 복수 있는 이점을 살린 작업을 할 수 없었으며, 동일한 자외선원을 이용하여 자외선을 전달한다고 하는 구성상의 이유로 인해서 자외선 출력이나 조사 시간 등 다른 조건을 설정하는 것은 물리적으로 불가능했다.

실질적으로 자외선의 조사 타이밍을 복수의 헤드 사이에서 연동시킬 수 없으며, 모든 헤드에서 동일한 타이밍에 조사 개시, 종료시키는 것밖에 할 수 없었다. 또한, 조사할 필요가 없는 헤드라도 컨트롤러에 접속해 두는 것만으로 다른 헤드를 조사시키면 함께 조사되어 버리기 때문에 다른 조사 조건의 자외선을 얻기 위해서는 조건의 수만큼 자외선 조사 장치를 준비하여야 하므로 매우 불편했다.

본 발명은 전술한 바와 같은 종래 자외선 조사장치가 가지는 문제점을 해결하기 위해 창출한 것으로서, 사용자가 사용 조건에 따라 각 헤드마다 개별 출력, 조사 타이밍 등을 설정할 수 있도록 함으로써 사용성을 비약적으로 향상시킬 수 있도록 함에 기술적 과제의 주안점을 두고 완성한 UV/LED를 이용한 수지 경화 및 오폐수 살균장치를 제공하고자 한다.

상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명은 UV/LED를 사용한 자외선 조사장치(100)로서 0~400W 출력를 자유롭게 조정할 수 있으며 UV/LED 헤드의 효과적 방열을 위해서 내부공기 유입 방열판구조와 LED냉각을 위한 수냉식 방수타입 공간을 확보하고 외부 공기흐름이 용이 하도록 발열핀을 구비시켜 경화 및 살균 위치에 따른 효과적인 경화 및 살균이 가능하게 구성한 것을 기술적 특징으로 하는 것이다.

본 발명에서 제시하는 UV/LED를 이용한 수지 경화 및 오폐수 살균장치는 자외선을 조사하기 위해 광원으로 엘이디를 사용하여 광원으로부터 발생된 열에 의해 경화대상이 열변화되는 것을 최소화시키며, 경화대상에 적합한 복수 파장의 자외선을 조사하고, 엘이디로부터 조사된 광을 집속하여 광 밀집도를 높이므로 경화 작업을 수행하는 데 소요되는 시간을 절약할 수 있으며, 사용자가 사용 조건에 따라 각 헤드마다 개별 출력, 조사 타이밍 등을 설정할 수 있도록 함으로써 사용성을 비약적으로 향상시킬 수 있는 등의 효과가 있다.

도 1은 본 발명에서 제시하는 UV/LED를 이용한 수지 경화 및 오폐수 살균장치의 사시도.
도 2는
도 3은 본 발명의 동작과정을 설명하기 위한 플로우 챠트.
도 4는 본 발명의 현장 적용을 도시한 참고도.
도 5는 본 발명에 의해 경화된 시편의 사진

도 1에 본 발명에서 제시하는 UV/LED를 이용한 수지 경화 및 오폐수 살균장치의 사시도가 도시되는데, 도시된 바와 같이 본 발명은 살균 모듈 및 전원 모듈을 포함하며, 살균 모듈은 반도체 칩 형태로 제작된 자외선 발광 다이오드(UV/LED, ultraviolet light-emitting diode)를 통해 자외선을 생성 및 발산하며, 발산된 자외선을 통해 대상을 살균하고, 전원 모듈은 대상물의 경화 및 살균 모듈에 자외선을 생성하기 위한 전원을 공급한다.

본 발명의 실시 예에 따른 경화 또는 살균을 모듈은 발열판, PCB 기판(이하, "기판"으로 축약함) , 복수개의 UV/LED칩, 렌즈부 및 반사판을 포함하며, PCB 기판의 복수개의 UV/LED칩들이 배열되어 실장되고, 타면에는 수냉식 발열판 및 냉각 발산 핀이 형성되며, UV/LED칩들이 자외선을 발산하는 방향으로 소정 간격 이격되어 렌즈부가 형성된다

그리고 기판과 렌즈부의 사이의 이격된 공간은 대상의 조사를 위하여 원통형 유리봉 및 랜즈를 구비한 반사판이 형성되고, 대상물의 경화장치 및 살균 헤드 모듈에 대상물의 출력정도를 조정하여 전원이 인가되면 기판에 실장된 복수개의 UV/LED칩들은 자외선을 발산하며, 발산된 자외선은 직접 렌즈부에 도달하거나, 원통형 유리구 또는 렌즈를 통하여 도달한다. 이때, UV/LED칩 에서 발산된 점광원의 자외선은 렌즈부에서 라인 또는 면 광원의 자외선으로 확산되고, 발산 각도가 확장되어 렌즈부로부터 다시 발산된다. 이와 같이, 다시 발산된 라인, 면광원의 자외선은 대상물을 경화 시키거나 살균한다. 경화 장치 및 살균 모듈의 각 구성에 대해 보다 상세히 설명하기로 한다.

발열판은 수냉식 방열 텡크를 구비하고 열 발산을 위한 냉각 핀을 설치한다. 복수개의 UV/LED칩과 이를 실장하는 기판에서 발산하는 열을 냉각하기 위한 것이다. 발열판은 수냉식 열 확산기(Heat spreader), 열 파이프(heat pipe) 등을 이용하여 형성할 수있다.

UV/LED 칩은 기판에 실장 되며, 기판은 정전압,정전류 동적 헤드룸 제어방식 스마트 SMPS 전원 모듈로 부터의 전원을 공급받아 복수의 UV/LED칩에 인가한다. 이에 따라, 복수의 UV/LED칩이 자외선을 발산한다. 전원을 공급 받기 위하여, 기판은 전원 모듈로부터 전원을 공급받는 커넥터부를 포함한다. 기판은 그 기판을 형성하는 재질에 따라, 에폭시 수지(Epoxy Resin) 기판, 컴퍼지트(COMPOGITE BaseMaterial) 기판, 연성(Flexible Base material) 기판, 세라믹(Ceramic Base material) 기판 및 금속(METALCored Base Material) 기판으로 구분될 수 있다. 또한, 기판은 그 특성에 따라 경성 기판(RIGID PCB), 연성 기판(FLEXIBLE PCB) 및 경연성 기판(RIGID-FLEXIBLE PCB)으로 구분할 수 있다. UV/LED칩은 자외선 발광 다이오드를 반도체 칩 형태로 제작한 반도체 소자이다. 이러한 UV/LED칩은 기판의 인쇄 회로 패턴에 따라, 직렬 구조 및 병렬 구조, 직렬 병렬 혼합 구조 등으로 기판에 본딩(bonding)이 가능하며, COB 타입 UV/LED칩의 위치 및 배열 구조도 상하 구조, 좌우 구조로 배열 가능하고 UV/LED칩의 수도 출력되는 UV/LED칩의 파워에 따라 전체 출력을 조절할 수 있도록 가감할 수 있다. UV/LED칩은 그 UV/LED칩이 발산하는 파장에 따라 장파장(UV-A), 중파장(UV-B) 및 단파장 자외선(UV-C)을 발산하는 칩으로 구분할 수 있다. UV-A는 320 내지 360nm의 파장을 가지며, UV-B는 280 내지 320nm의 파장을 가지고, UV-C는 250 내지 280nm의 파장을 가진다.

기판의 인쇄 회로 패턴에 따라 배열되어, UV/LED칩 어레이(array)를 형성한다. 이러한 UV/LED칩 어레이는 동종의 파장을 발산하는 UV/LED칩들을 일률적으로 배열하거나, 이종의 파장을 발산하는 UV/LED칩들을 섞어서 배열할 수 있다.

UV/LED칩은 패키징 구조에 따라, SMD(표면 실장 부품, surface mounteddevice) 타입 또는 TO-CAN 타입으로 제작될 수 있다. 이때, UV/LED칩은 패키징하는 봉지재로서 내장되는 UV/LED을 보호하면서 열적안정성을 확보할 수 있는 소재를 사용하는 것이 바람직하며, 예컨대 실리콘 계열의 자외선 봉지재가 사용될 수 있다. 특히 실리콘 계열의 자외선 봉지재 중에서 UV-A 대역의 UV/LED에는 광속 투과율 80% 이상, 굴절률 1.4 이상, 접착력 130 이상인 자외선 봉지재가 사용될 수 있다. UV-B 대역의 UV/LED에는 광속 투과율 80% 이상, 굴절률 1.45 이상, 접착력 140 이상인 자외선 봉지재가 사용될 수 있다.

UV/LED칩은 라인 광원 또는 점광원의 자외선을 방출하며, 그 점광원의 자외선이 확산판을 통과함에 따라 라인 광원 또는 면광원의 자외선으로 확산된다.

반사판은 UV/LED칩에서 발산되는 자외선을 반사하며, 반사된 자외선은 렌즈부에 입사된다. 반사판은 자외선의 반사율을 높이기 위하여 내측면에 반사코팅을 할 수 있다. 이때, 코딩 재료의 재질은 반사 특성이 좋은 Al, Au, Ag 등의 반사 금속막을 사용함이 바람직하다.

복수개의 UV/LED칩들은 동종의 파장을 발산하는 것들로 일률적으로 배열되거나, 이종의 파장을 발산하는 것들이 섞여서 배열될 수 있다. 이에, 동종의 파장을 발산하는 복수개의 UV/LED칩 들이 일률적으로 배열된 경우, 구동부는 기판에 배열된 복수개의 UV/LED칩들 중 일부만을 구동시켜 대상물에 따른 경화 및 살균 장치에 소비되는 전력을 절전하거나, 그 파장의 세기를 조절할 수 있다.

태양으로부터 지구로 직접 전달되는 자외선(UV, ultraviolet)은 UV-A(320~360nm) UV-B (280~320nm), UVC(250~280nm)의 3가지 형태가 있으며, 대기중의 오존층에서 대부분 흡수되고 지구표면에 도달되는 99%는 UVA(320~360nm) 형태로 식물에 단지 작은 해가 있고, UV-B(280~ 320nm)는 식물 조직의 손상과 인간에게 피부암을 유발시킬 수 있으며, UV-C(250~280nm)는 박테리아와 바이러스를 태워 죽일 수 있다. 이러한 자외선의 살균효과는 자외선 파장대중에서도 주로 250nm에서 280nm 사이의 UV-C 영역에 의해 발생한다. UV-C가 살균 자외선으로 특징되어지는 것은 세포내에 존재하는 DNA가 UV-C를 잘 흡수하기 때문이다.

UV-C 중에서도 253.7nm(대략 254nm)의 파장이 DNA에 가장 잘 흡수되며, 이 파장이 미생물 유전자 물질인 DNA를 영구히 손상시켜 사멸케 하는 것으로 알려져 있다. 또한, 가장 높은 살균 효과를 나타내는 파장은 265nm이다. 저압 또는 고출력 저압 아말감 램프가 방출하는 254nm의 파장이 매우 높은 자외선 살균 효과를 가지나 이는 램프의 특성 상 254nm의 파장만을 방출하기 때문에 그 파장이 가장 높은 효과를 가지는 것으로 알려져 있을 뿐 실제로는 265nm가 가장 높은 효율을 갖는 것으로 보고되어 있다. 자외선 경화 및 살균의 장점은 모든 세균을 살균할 수 있으며 채소나 과일 등에 쬐여 주었을 때는 미네랄 성분 등은 그대로 유지되고 PH 변화가 전혀 없으며 빛에 조사받은 균에 내성을 주지 않으며, 사용 방법이 간단하고 경제적이기 때문에 많이 사용하고 있다. 이러한 자외선 경화및 살균을 통해 공기 및 수질에 오염되어 있거나 가정의 식기 또는 생활 용품에 오염되어 있는 인체에 유해한 세균, 대장균, 바이러스 등의 진균류를 살균할 수 있다. UV/LED칩은 자외선 발광 다이오드를 반도체 칩 형태로 제작한 것이다.

종래의 기술에 따른 UV를 이용한 살균 방식은 수은 램프를 사용하며, 수은 램프(Hg lamp)는 다중의 스펙트럼(spectrum)을 발산한다. 이에 따라, 종래의 UV를 이용한 경화 및 살균 방식은 다중의 스펙트럼 중 필요한 파장을 선택하고 나머지 파장들은 없애기 위한 필터를 사용해야만 한다. 반면, 도 8b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 UV/LED는 어느 하나의 스펙트럼만 발산하며, 이러한 UV/LED는 반도체칩의 특성상 필요한 스펙트럼만 발산하도록 할 수 있어, 필터를 사용하지 않아도 된다. 이러한 이유로 본 발명의 실시 예에 따른 UV/LED를 이용한 살균 방식은 종래의 기술에 따른 수은 램프와 같이 그 파워가 분산되지 않으며, 이에 따라, 수은 램프 보다 효율이 높다.

앞서 설명한 바와 같이, 수은 램프는 원하는 파장만을 발산하도록 필터링해야 하며, 이에 따라, 수은 램프를 이용한 살균 장치는 필터링을 위해 박막의 코팅 재료를 이용하여 그 내부를 코팅한다. 게다가, 수은 램프를 이용한 살균 장치는 열이 많이 발생하므로 장시간 사용하는 경우 살균 장치 내부에 박막의 코팅 재료들이 녹아 부스러기로 떨어지고 빛을 받는 부분의 색상이 변할 수 있다. 반면, UV/LED를 이용한 살균 장치는 상술한 문제점이 발생하지 않는다. 수은 램프는 글래스 재질로 깨지기 십상이고, 다루기가 불편하다. 반면, UV/LED는 반도체이고 반도체 기술로 패키징이 되어 매우 견고하다. 수은 램프는 수은을 함유하고 있어서 유해물제한지침(RoHS, Restriction of Hazardous Substances Directive)에 의한 제재와 환경 문제가 있지만, UV/LED는 중금속 규제 물질을 포함하고 있지 않아 친환경적이다.

수은 램프는 70%의 출력에서 1천 시간 내지 2만 시간이 수명을 가진다. 전형적으로는, 수은 램프는 2천 시간 정도의 수명을 가진다. 반면, UV/LED는 전형적으로는 UV/LED는 5만 시간의 수명을 가지며, 10만 시간 수명을 가질수도 있다. 이는 반영구적인 수명을 가진다고 할 수 있다.

전원을 켜고 빛이 발광을 위해 동작하기 위한 응답 시간(on/off cycling)도 수은 램프의 경우 응답 속도가 느리지만, 이에 비해, UV/LED는 즉시 응답하는 장점을 가진다.

상술한 바와 같은 본 발명의 발광 다이오드를 이용한 경화 및 살균 장치는 다양한 분야에서 응용되어 사용될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 발광 다이오드를 이용한 경화 및 살균 장치를 채용할 수 있다.

또한, 수도사업부의 물 정수과정에서 나타나는 오염물질 살균, 수조살균 및 UV 살균기를 대체하는 용도로 본 발명의 실시예에 따른 발광 다이오드를 이용한 살균 장치를 채용할 수 있다.

한편, 본 명세서와 도면에 개시 된 본 발명의 실시 예들은 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 본 발명의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

10: 자외선 살균 및 정화장치

Claims (1)

1. UV/LED를 사용한 자외선 조사장치(100)로서 0~400W 출력를 자유롭게 조정 할 수 있으며 UV/LED 헤드의 효과적 방열을 위해서 내부공기 유입 방열판구조와 LED냉각을 위한 수냉식 방수타입 공간을 확보하고 외부 공기흐름이 용이 하도록 발열핀을 구비하고;
   상기 UV/LED 어레이가 SMT 작업된 PCB 헤드기판은 세라믹 기판, 금속 기판 및 연성 기판 중 어느 하나로 형성하며;
   상기 자외선 필터 봉지재 및 유리봉 프리즘은 발광 다이오드가 상기 단,장파장을 발산하는 발광 다이오드가 상기 단파장을 발산하도록 하고;
   상기 렌즈 프리즘부는 석영, 특수아크릴 또는 특수 플라스틱 재질 중 어느 하나를 선택하여 형성하며;
   상기 살균 모듈은 상기 기판에 접하여 형성되며 상기 UV/LED칩 및 상기 기판에서 발산되는 열을 방출하는 발열판을 포함하고;
   상기 발열판은 열 발열을 위하여 LED ASSY PCB 발열판에 수냉식을 이용한 공냉식 핀 열 싱크(heat sink), 열 파이프(heat pipe) 중 어느 하나로 형성하여 구성한 것을 특징으로 하는 UV/LED를 이용한 수지 경화 및 오폐수 살균장치

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