KR20160075591A - 코팅의 복사 에너지 경화를 위한 장치 - Google Patents

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존 군터
제롬 크레멘
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밀텍 코포레이션
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Abstract

복사 에너지로 재료를 경화시키기 위한 디바이스 및 방법이 설명된다. 디바이스가, 반-타원인 제1 반사기 및 제2 반사기를 포함한다. 그러한 타원은 상이한 길이들의 축들을 가지는 제1 반사기 및 제2 반사기를 형성하고, 그러한 반사기들은, 반사기들의 초점들이 중첩되도록, 정렬된다. 반사기의 근거리 초점에서의 복사 에너지 공급원이 반사기의 원거리 초점에서의 기판 상의 코팅을 경화시키기 위한 에너지를 제공할 수 있다. 2개의 반사기의 상이한 크기들이 복사 에너지의 포커싱 오류를 감소시키고 경화 시스템으로 개선된 효율을 제공한다.

Description

코팅의 복사 에너지 경화를 위한 장치{APPARATUS FOR RADIANT ENERGY CURING OF A COATING}
섬유, 막대, 필라멘트 등과 같은 고종횡비 재료가 보호를 위한 또는 다른 목적을 위한 중합체 재료로 종종 코팅된다. 예를 들어, 통신을 포함한, 여러 적용예에서 광을 전달하기 위해서 이용되는 광섬유가, 수분 및 마모로부터 광섬유를 보호하기 위해서, 마이크로벤딩(microbending) 손실을 줄이기 위해서, 섬유의 보다 용이한 취급을 허용하기 위해서, 그리고 번들 내의 개별적인 섬유의 식별(예를 들어, 채색)을 단순화하기 위해서 디자인된 하나 이상의 중합체 층으로 전형적으로 코팅된다.
광섬유를 코팅하기 위한 전형적인 방법에서, 액체 광경화성 중합체 재료가 섬유의 표면으로 먼저 도포된다. 이어서, 이러한 코팅이, 예를 들어 복사 에너지, 예를 들어, 자외선 에너지로 섬유를 조사하는 것(irradiating)에 의해서 경화된다.
그러한 코팅의 조사 경화를 위한 다양한 디바이스가 디자인되었다. 예를 들어, Wood 에게 허여된 미국 특허 제4,710,638호는 복사 에너지로 중합체 코팅을 처리하기 위한 장치를 설명한다. 이러한 장치는, 단일 타원을 함께 형성하는 제1 및 제2 반사기, 2개의 반사기에 의해서 형성된 타원의 하나의 포커스에 위치되는 광원, 및 타원의 제2 포커스 근처의 보조적인 반사기를 포함한다. 중합체-코팅된 섬유가 제2 포커스에 배치될 수 있고 광원으로부터의 복사 에너지가 중합체를 경화시킬 수 있다. 모두 Rhoades에게 허여된 미국 특허 제6,419,749호 및 제6,511,715호가, 단일 타원을 그리고 타원의 하나의 포커스에 배치된 광원을 함께 형성하는 2개의 반사기를 포함하는 유사한 디바이스를 설명한다. Rhoades의 디바이스가 또한 제1 및 제2의 동심적인 관들을 포함한다. 광원으로부터의 자외선 광이 제1 관을 통과하여 제1관을 관통하는 필라멘트 상의 코팅을 경화시키고, 제2 동심적 관이 적외선을 반사시키고 자외선 광을 통과시켜, 제1 관을 통과할 때, 필라멘트 상의 코팅을 연소(burning) 및 파괴시키는 것을 방지한다. Carter 등에게 허여된 미국 특허 제6,626,561호는, 램프 전구를 위한 장착부를 가질 수 있는 제1 반사기 상의 단부 반사기가 포함된, 다른 유사 디바이스를 설명한다.
모든 그러한 이전에 공지된 광학적 시스템은, 일차 그리고 이차 반사기의 교차 섹션이 단일 타원을 형성하도록 배치된, 2개의 타원형-형상의 반사기(1, 25)를 포함하는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같은 기본적인 디자인을 포함한다. 일차 반사기(1) 및 이차 반사기(25)가 단일 타원을 형성함에 따라, 일차 반사기(1)의 근거리 초점(near focal point)(2)이 이차 반사기(25)의 원거리 초점(2)과 일치된다. 유사하게, 일차 반사기(1)의 원거리 초점(4)이 이차 반사기(25)의 근거리 초점(4)과 일치된다. 일차 그리고 이차 반사기가 동일한 장축(major axis)을 공유한다. 광원(10)이, 일차 반사기(1)에 가장 근접한 장축 상의 근거리 초점(2)에서 또는 그 근처에서, 타원형 공간 내에서 현수된다(suspended). 광섬유와 같은, 복사 에너지에 노출되는 재료가, 예를 들어 석영 관(7) 내의, 일차 반사기(1)로부터 가장 먼 초점(4)과 실질적으로 일치되어 타원형 공간 내에 위치된다.
그러한 디바이스가 당업계에서 여러 가지 개선을 설명하지만, 그러한 디바이스에는 문제점이 여전히 존재한다. 예를 들어, 제조 생산 속도(rate)가 경화 또는 노출시키고자 하는 재료로의 복사 에너지의 전달 효율에 의해서 제한됨에 따라, 제조자는 생산 속도를 개선하기 위해서 부가적인 복사 노출 유닛을 부가하여야 하고, 이는 자본 비용, 운영 비용, 및 유지 비용을 증가시킨다. 중합체 조성 및/또는 코팅 방법을 변경하는 것에 의해서, 그리고 경화 복사선의 최적의 파장을 선택하는 것에 의해서, Woods 및 Carter 등에 의해서 설명된 바와 같은 시스템으로 부가적인 반사기를 부가하는 것과 같은 기술에 의해서 코팅 및 경화 프로세스의 효율을 개선하기 위한 시도가 있었다.
당업계에서 추가적인 개선의 여지가 존재한다. 예를 들어, 중합체를 경화시키는 복사 에너지의 보다 효율적인 이용을 제공하는 디바이스가 당업계에서 요구된다.
발명의 양태 및 장점이 이하의 설명에서 부분적으로 기술되거나, 설명으로부터 자명할 수 있거나, 발명의 실시를 통해서 학습될 수 있을 것이다.
일 실시예에 따라서, 복사 에너지, 예를 들어 화학 복사선(actinic radiation), 전자 비임 복사선, 등의 이용에 의해서 코팅을 경화시키기 위한 디바이스가 개시된다. 예를 들어, 디바이스가, 제1 타원의 단부 부분에 상응하는 횡단면 형상을 가지는 일차 반사기를 포함할 수 있다. 이러한 제1 타원이 장축 및 단축 그리고 근거리 초점 및 원거리 초점을 갖는다. 제1 타원의 장축이 제1 지점에서 일차 반사기를 양분한다. 제1 타원의 근거리 초점이, 제1 타원의 원거리 초점 보다 이러한 제1 양분 지점에 더 근접한다.
디바이스가 또한 이차 반사기를 포함한다. 이차 반사기의 횡단면 형상이 제2 타원의 단부 부분에 상응한다. 제2 타원이 장축 및 단축 그리고 근거리 초점 및 원거리 초점을 갖는다. 제2 타원의 장축이 제2 지점에서 이차 반사기를 양분한다. 제2 타원의 근거리 초점이, 제2 타원의 원거리 초점 보다 이러한 제2 양분 지점에 더 근접한다. 제1 타원의 장축 및 제2 타원의 장축이 상이한 길이들을 가지고, 제1 타원의 단축 및 제2 타원의 단축이 상이한 길이들을 갖는다. 제1 타원의 장축이 제2 타원의 장축과 공선적(collinear)이 되도록, 일차 반사기 및 이차 반사기가 정렬된다. 또한, 제1 타원의 근거리 초점이 제2 타원의 원거리 초점과 본질적으로 상응하도록 그리고 제1 타원의 원거리 초점이 제2 타원의 근거리 초점과 본질적으로 상응하도록, 일차 그리고 이차 반사기가 정렬된다.
디바이스가 또한 복사 에너지를 위한 공급원을 포함할 수 있다. 복사 에너지 공급원이 제1 타원의 근거리 초점 및 제2 타원의 원거리 초점과 실질적으로 겹쳐지도록, 복사 에너지 공급원이 디바이스 내에 위치될 수 있다.
또한, 고종횡비 기판 상의 중합체 코팅을 경화시키기 위한 방법이 개시된다. 방법은 일반적으로 코팅된 고종횡비 기판을, 제1 타원의 원거리 초점 및 제2 타원의 근거리 초점과 본질적으로 겹치는 지점을 통과하는 라인을 따라서 통과시키는 단계를 포함한다. 이러한 라인은 또한 제1 및 제2 타원의 장축들에 본질적으로 수직으로 연장한다. 기판이 이러한 라인을 따라서 통과할 때, 에너지 공급원이, 고종횡비 기판과 충돌하고 중합체 코팅을 경화시키는 복사 에너지를 방출한다.
다른 실시예에 따라서, 복사 에너지의 이용에 의해서 코팅을 경화시키기 위한 디바이스를 위한 반사기가 개시된다. 반사기는 타원의 단부 부분에 상응하는 횡단면 형상을 갖는다. 이러한 타원이 장축 및 단축에 의해서 형성될 수 있다. 반사기가 그러한 디바이스에 대해서 이전에 공지된 반사기 보다 작다. 예를 들어, 반사기 형상을 형성하는 타원의 장축이 약 5.10 인치 내지 약 5.75 인치의 길이를 가질 수 있고, 단축이 약 2.70 인치 내지 약 4.05 인치의 길이를 가질 수 있다.
다른 실시예에 따라서, 복사 에너지의 이용에 의해서 코팅을 경화시키기 위한 디바이스를 위한 교체 부분의 키트가 개시된다. 예를 들어, 그러한 키트가 일차 반사기 및 이차 반사기를 포함할 수 있고, 2개의 반사기가 상이한 크기들일 수 있다. 보다 구체적으로, 2개의 반사기가 2개의 타원에 의해서 형성되는 횡단면 형상을 가지며, 제1 타원이 일차 반사기를 형성할 수 있고, 이차 반사기를 형성하는 제2 타원의 장축 보다 긴 장축을 가질 수 있으며, 제1 타원이 제2 타원의 단축 보다 긴 단축을 가질 수 있다. 양 타원이 공지된 바와 같이 제1 및 제2 초점을 가질 것이다. 제1 타원의 제1 및 제2 초점들 사이의 거리가 제2 타원의 제1 및 제2 초점들 사이의 거리와 본질적으로 동일할 수 있다.
당업자에 대한, 본 발명의 최적 모드를 포함하는, 본 발명의 전체적이고 가능하게 하는(enabling) 개시 내용이 첨부 도면을 참조한 명세서에 기술되어 있다.
도 1은 종래 기술의 타원 반사기 시스템 내의 복사 에너지 경로를 도시한 도면이다.
도 2는 종래 기술의 타원 반사기 시스템 내의 체적 복사 공급원(volume radiant source)에 의해서 도입되는 광학적 오류를 도시한 도면이다.
도 3은 본원에서 설명된 바와 같은 디바이스 내의 일차 반사기의 기하형태를 도시한다.
도 4는 본원에서 설명된 바와 같은 디바이스 내의 이차 반사기의 기하형태를 도시한다.
도 5는 본원에서 개시된 바와 같은 반사기 시스템의 일 실시예의 개략도이다.
도 6은 종래 기술의 반사기 시스템 및 본원에서 개시된 바와 같은 반사기 시스템의 중첩을 도시한다.
도 7은 본원에서 개시된 바와 같은 반사기 시스템의 사시도이다.
도 8은 본원에서 개시된 바와 같은 반사기 시스템을 포함할 수 있는 경화 디바이스의 일 실시예를 도시한다.
도 9는 도 7의 반사기 시스템의 측면도이다.
도 10은 도 7의 반사기 시스템의 단부도이다.
도 11는 도 7의 반사기 시스템의 일차 조립체의 저면도이다.
도 12는 도 7의 반사기 시스템의 이차 조립체의 상면도이다.
당업자는, 본 설명이 단지 예시적인 실시예에 관한 설명이고, 본 개시 내용의 보다 넓은 양태를 제한하는 것으로서 의도되지 않는다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 각각의 예가 발명의 설명에 의해서 제공되고, 발명의 제한으로 제공되지 않는다. 사실상, 발명의 범위 및 사상으로부터 벗어나지 않고도 여러 가지 수정 및 변경이 발명에서 이루어질 수 있다는 것이 당업자에게 명확할 것이다. 예를 들어, 일 실시예의 부분으로서 도시되거나 설명된 특징이 다른 실시예와 함께 이용되어 다른 추가적인 실시예를 초래할 수 있다. 그에 따라, 본 발명은, 첨부된 청구항 및 그 균등물의 범위 내의 그러한 수정 및 변경을 포함하도록 의도된다.
일 실시예에서, 복사 에너지로 재료를 노출 또는 경화시키기 위해서 이용될 수 있는 장치가 본원에서 개시된다. 다른 실시예에서, 그러한 디바이스 내에서 이용될 수 있는 것으로서의 구성요소가 개시된다. 하나의 특별한 실시예에서, 하나 이상의 구성요소가 디바이스를 위한 대체 부분으로서 제공될 수 있을 것이고, 예를 들어 키트로 제공될 수 있을 것이다. 디바이스가, 예를 들어, 광섬유, 섬유, 필라멘트, 실(yarn), 케이블, 파이프, 및 도관, 등과 같은 고종횡비 기판 상의 광 경화성 중합체 재료를 경화시키는데 특히 유리할 수 있다.
여기에서 개시된 시스템의 장점은, 종래 기술의 반사기 시스템 내의 표적화 오류(targeting error)의 인식을 통한 복사 경화 에너지의 보다 효과적인 표적화를 포함한다. 도 1은 일차 반사기(1), 이차 반사기(25), 제1 초점(2), 제2 초점(4), 및 복사 에너지 공급원(10)을 포함하는 종래 기술 디바이스를 도시한다. 전술한 바와 같이, 코팅된 기판이, 예를 들어 석영 관(7) 내에서, 제2 초점(4)에 위치되는 상태에서, 복사 에너지 공급원이 제1 초점(2)으로부터 제2 초점(4)까지 표적화된 에너지 파동을 방출한다. 도시된 바와 같이, 공급원(10)으로부터 기판까지의 복사 에너지가 3개의 경로 중 하나, 즉 시스템(22)을 가로지르는 직선, 일차 반사기(1)에서 반사되는 경로(20) 또는 이차 반사기(25)에서 반사되는 경로(21) 중 하나를 취할 수 있다.
실제로, 복사 에너지 공급원(10)은 초점(2)에 위치된 점 공급원이 아니다. 오히려, 그리고 도 2에 도시된 바와 같이, 복사 에너지 공급원(10)은 체적 에너지 공급원이고, 에너지는, 초점(2)에 상응하는 중앙 지점으로부터가 아니라 공급원(10)의 표면으로부터 방출된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 실제 에너지 파동(30)은 일차 반사기(1) 근처의 복사 에너지 공급원(10)의 표면으로부터 방출될 것이다. 도시된 바와 같이, 이차 반사기(25)에서의 파동(30)의 반사 이후에, 파동은 제2 초점(4)에 위치되는 표적을 타격하지 않는다. 오히려, 실제 에너지 파동(30)은 모두가 표적을 벗어난다. 부가적인 반사기(26)의 존재는 이러한 문제를 경감하지 않는다. 대조적으로, 종래 기술의 시스템이 디자인된 이론적인 에너지 파동(31)은 일차 반사기(1) 근처의 초점(2)에 위치되는 이론적인 점 공급원에서 기원하고, 이차 반사기(25)를 타격하고, 그리고 초점(4) 상에서 수렴한다. 이론적인 파동(31)의 기원이 초점(2)으로부터 실제 파동(30)으로 멀리 이동됨에 따라, 초점(4)으로부터 멀리 에너지 파동을 산란시키는 광학적 오류가 도입되어, 경화시키고자 하는 중합체를 수반하는 기판으로 전달되는 복사 에너지를 감소시킨다.
도 1 및 도 2의 종래 기술의 시스템에서 표적에서의 오류가 이하의 식에 의해서 개산(槪算)될 수 있다:
표적에서의 오류 = [이동된 거리] x 탄젠트(Φ)
여기에서 Φ는 초점(2)에서의 점 공급원으로부터의 이론적 파동(31)과 복사 에너지 공급원(10)의 표면으로부터의 실제 파동 사이의 입사 각도의 차이이다.
이러한 오류로부터의 표적에서의 에너지 손실이 상당할 수 있다. 전술된 바와 같이 그리고 도 1에 도시된 바와 같이, 복사 에너지의 대부분이 복사 에너지 공급원으로부터 표적(경화 또는 노출시키기 위한 재료)까지 3개의 경로 중 하나를 취한다.
경로(20): 복사 공급원(10) -> 반사기 1 -> 표적(4)
경로(21): 복사 공급원(10) -> 반사기 25 -> 표적(4)
경로(22): 복사 공급원(10) -> 표적(4)
복사 에너지의 약 73%가 일차 반사기(1)를 먼저 타격하고 이어서 경로(20) 상의 표적(4)으로 반사된다. 복사 에너지의 2% 미만이 복사 에너지 공급원(10)으로부터 경로(22) 상의 표적(4)으로 직접적으로 이동한다. 복사 에너지의 약 22%가 이차 반사기(25)를 먼저 타격하고 이어서 경로(21) 상의 표적(4)으로 반사된다. 각각의 경로를 따라서 이동하는 복사 에너지의 정확한 양이 일차 반사기(1) 및 복사 에너지 공급원(10)의 상대적인 크기들에 의해서 결정된다.
여기에서 개시된 디바이스가 복사 에너지 공급원으로부터 이러한 경로를 따라서 통과하는 표적으로의 에너지 전달의 효율을 증가시킬 수 있다. 개시된 디바이스의 이용에 의해서, 이러한 경로를 통해서 표적과 충돌하는 복사 에너지의 양, 및 그에 따른 복사 에너지 공급원으로부터 표적으로 전달되는 에너지의 총량이 증가될 수 있다.
개시된 디바이스의 반사기 시스템이, 횡단면적 기하형태가 도 3에 도시되어 있는 일차 반사기(101)를 이용하고, 횡단면적 기하형태가 도 4에 도시된 이차 반사기(201)를 이용한다. 일차 반사기(101)는 타원(110)(예를 들어, 반(semi)-타원)의 단부 부분에 상응하는 횡단면 형상을 갖는다. 타원(110)이, 도시된 바와 같이, 장축(106), 단축(108), 근거리 초점(102) 및 원거리 초점(104)에 의해서 형성된다. 도시된 바와 같이, 장축(106)이 지점(103)에서 일차 반사기(101)를 양분하도록, 일차 반사기(101)가 타원(110)에 상응한다. 또한, 타원(110)의 근거리 초점(102)이, 원거리 초점(104) 보다 이러한 양분 지점에 더 근접한다. 타원(110)의 이러한 근거리 초점(102)이 또한 일차 반사기(101)의 근거리 초점(102)으로서 지칭될 수 있고, 타원(110)의 원거리 초점(104)이 또한 일차 반사기(101)의 원거리 초점(104)으로서 지칭될 수 있다. 일 실시예에서, 타원(110)의 장축이 약 5.8 인치 내지 약 6.5 인치, 또는 약 5.9 인치 내지 약 6.2 인치일 수 있고, 일 실시예에서, 타원(110)의 단축이 약 4.1 인치 내지 약 4.5 인치, 또는 약 4.2 인치 내지 약 4.3 인치일 수 있다.
이차 반사기(201)가 타원(210)(예를 들어, 반-타원)의 단부 부분에 상응하는 횡단면 형상을 갖는다는 점에서 유사한 기하형태를 갖는다. 타원(210)이, 도시된 바와 같이, 장축(206), 단축(208), 근거리 초점(202) 및 원거리 초점(204)에 의해서 형성된다. 도시된 바와 같이, 장축(206)이 지점(203)에서 이차 반사기(201)를 양분하도록, 이차 반사기(201)가 타원(210)에 상응한다. 또한, 타원(210)의 근거리 초점(202)이, 원거리 초점(204) 보다 이러한 양분 지점에 더 근접한다. 타원(210)의 이러한 근거리 초점(202)이 또한 이차 반사기(201)의 근거리 초점(202)으로서 지칭될 수 있고, 타원(210)의 원거리 초점(204)이 또한 이차 반사기(201)의 원거리 초점(204)으로서 지칭될 수 있다. 일 실시예에서, 타원(210)의 장축이 약 5.10 인치 내지 약 5.75 인치, 예를 들어 약 5.2 인치 내지 약 5.6 인치일 수 있고, 타원(210)의 단축이 약 2.70 인치 내지 약 4.05 인치, 예를 들어 약 2.8 인치 내지 약 4.0 인치일 수 있다.
일 실시예에서, 일차 반사기 및 이차 반사기의 상대적인 크기가 반사기를 설명하는 2개의 타원의 축들의 비율로서 보고될 수 있다. 예를 들어, 이차 반사기(201)를 설명하는 타원(210)의 장축(206)이, 일차 반사기(101)를 설명하는 타원(110)의 장축(106)의 길이의 약 84% 내지 약 95%, 또는 약 88% 내지 약 92%일 수 있다. 이차 반사기(201)를 설명하는 타원(210)의 단축(208)이, 일차 반사기(101)를 설명하는 타원(110)의 단축(108)의 길이의 약 63% 내지 약 96%, 또는 약 70% 내지 약 90%일 수 있다.
반사기(101, 201)의 형상을 각각 형성하는 2개의 타원(110, 210)이 장축(106, 206)의 길이 및 단축(108, 208)의 길이와 관련하여 서로 상이하다. 예를 들어, 도시된 실시예에서, 타원(110)의 장축(106)이 타원의 장축(206) 보다 길고, 타원(110)의 단축(108)이 타원(210)의 단축(208) 보다 길다. 각각의 타원의 2개의 초점들 사이의 거리가 본질적으로 동일하고, 다시 말해서 제1 타원(110)의 2개의 초점들(102 및 104) 사이의 거리가 제2 타원(210)의 2개의 초점들(202, 204) 사이의 거리와 본질적으로 동일하다. 본원에서 사용된 바와 같이, 거리 또는 위치와 관련하여 '본질적으로 동일하다'는 용어는 서로 동일한, 일부 실시예에서 서로 약 10% 이내인, 또는 일부 실시예에서 서로 약 5% 이내인 2개의 값을 일반적으로 지칭한다.
반사기 시스템이 서로 정렬되어 그 사이에 공동을 형성하는 제1 및 제2 반사기를 포함한다. 예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이, 장축(106, 206)이 공선적이 되도록 그리고 단축(108, 208)이 또한 공선적이 되도록, 일차 반사기(101) 및 이차 반사기(201)가 서로 정렬된다. 또한, 일차 반사기(101)와 이차 반사기(201)의 정렬 시에, 타원(110)/반사기(101)의 근거리 초점(102)이 타원(210)/반사기(201)의 원거리 초점(204)과 중첩되고, 타원(110)/반사기(101)의 원거리 초점(104)이 타원(210)/반사기(201)의 근거리 초점(202)과 중첩된다.
도 5는 또한 근거리 초점(102)에 위치된 복사 에너지 공급원(10)을 도시한다. 이용 중에, 도시된 바와 같이, 중첩된 초점(102, 204)으로부터 방출된 이론적 에너지 파동(5)이 이차 반사기(201)에서 반사될 수 있고 초점(104, 202) 상으로 충돌할 수 있다. 이는, 초점(102, 204)에서 점 공급원으로부터 방출된 이론적 에너지 파동(5)의 경우가 될 수 있을 것이다. 그러나, 전술한 바와 같이, 복사 에너지 공급원(10)이 점 공급원이 아니고, 공급원(10)의 표면에서 복사 에너지가 방출되는 체적 공급원이다. 도 5의 에너지 파동(6)은, 복사 에너지 공급원(10)으로부터 방출되는 에너지의 보다 현실적인 경로를 도시한다. 도시된 바와 같이, 지역(17) 내의 파동(6)의 오류가 매우 작고, 2개의 에너지 파동(5, 6)이 매우 근접되어 중첩된다. 이차 반사기(201)의 보다 작은 크기로 인해서, 이차 반사기(201)를 타격하는 광이, 이전의 공지된 시스템의 보다 큰 이차 반사기를 타격하는 광에 비해서, 표적까지 더 짧은 거리를 이동하고, 이는, 2개의 반사기가 동일한 크기를 가지는 현재의 시스템에 대비할 때, 표적에서 결과적인 오류를 감소시킨다. 개시된 시스템의 이용에 의해서, 이차 반사기(201)로부터 반사되는 복사 에너지의 보다 많은 부분이 표적을 타격한다. 그에 따라, 초점(104, 202)과 본질적으로 일치되는 스폿에 위치될 수 있는 지역(17) 내의 경화 또는 노출시키고자 하는 제품이, 이전의 공지된 반사기 시스템에 비해서, 공급원(10)으로부터의 보다 많은 양의 복사 에너지를 수용할 수 있다.
만약 일차 반사기에 비해서 이차 반사기가 극히 작다면, 2개의 반사기의 접합부 근처의 일차 반사기로부터 반사되는 에너지를 차단하는 것으로부터, 또는 에너지 공급원으로부터 접합부로 지향되는 에너지를 차단하는 것으로부터, 에너지의 소정 비율이 2개의 반사기들 사이의 접합부에서 상실될 수 있다. 2개의 반사기들 사이의 접합부에서 에너지의 과다량을 차단하는 것이, 표적에 도달하는 복사 에너지의 양을 감소시킬 수 있고, 이는 개시된 디자인으로부터의 이득을 상쇄시킬 수 있다. 또한, 만약 이차 반사기가 너무 작다면, 이는 경화시키고자 하는 재료에 기계적으로 나쁜 영향을 미칠 것이다. 그에 따라, 일차 반사기와 이차 반사기 사이의 접합부에서 과다한 양의 복사 에너지를 상실하지 않고, 복사 에너지를 표적 상으로 보다 양호하게 포커싱하도록, 개시된 이차 반사기가 디자인되었다.
도 6은 이전의 실행에 따른 크기를 가지는 이차 반사기(25)와 개시된 시스템의 이차 반사기(201)의 중첩을 도시하며, 양자는 설명된 바와 같이 일차 반사기(101)와 정렬되어 있다. 도시된 바와 같이, 개시된 시스템이 산란의 영향을 감소시킬 수 있고, 이차 반사기(201)로부터 반사되고 104에서 표적을 타격하는 복사 에너지의 양을 증가시킬 수 있다.
체적 공급원으로부터 이차 반사기를 타격하는 에너지 파동이 각도 오류(Φ)를 가지며, 여기에서 Φ는 점 공급원으로부터의 이론적인 파동과 체적 공급원으로부터의 실제 파동 사이의 입사각의 차이이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 근거리 초점(102)에서 점 공급원으로부터 방출되고 이차 반사기(201)에서 반사되는 이론적인 파동(51)이 원거리 초점(104) 상으로 충돌할 수 있다. 체적 에너지 공급원(10)의 표면으로부터 방출하는 실제 파동(53)이 이차 반사기(201)에서 유사하게 반사될 수 있고 원거리 초점(104)으로부터 거리를 두고 충돌할 수 있다. 비교하면, 근거리 초점(102)에서 점 공급원으로부터 방출되고 이차 반사기(25)에서 반사되는 이론적인 파동(50)이 원거리 초점(104) 상으로 충돌할 수 있다. 체적 에너지 공급원(10)의 표면으로부터 방출하는 실제 파동(52)이 이차 반사기(25)에서 반사될 수 있고 원거리 초점(104)으로부터 거리를 두고 충돌할 수 있다. 도시된 바와 같이, 이러한 거리는, 개시된 시스템에서 이용되는 바와 같은 작은 이차 반사기에 대한 것 보다 멀다. 이차 반사기와 표적 사이의 이동 거리를 감소시키는 것에 의해서, 개시된 디바이스의 이차 반사기가 각도 오류(Φ)의 영향을 감소시킬 수 있다. 본질적으로, 실제 파동(53)에 의해서 이동된 거리가 실제 파동(52)이 이동한 거리 보다 짧고, 이는, 초점(104) 근처에서 유지되는 기판을 표적화하는데 있어서 적은 오류를 초래한다.
도 7은, 경화 디바이스 내에서 위치될 수 있는 일반적인 정렬로 유지된 일차 반사기(101)와 이차 반사기(201)를 포함하는 사시도이다. 도 9는 2개의 반사기의 측면도이고, 도 10은 반사기의 단부도이며, 도 11은 반사기의 일차 조립체의 저면도이고, 그리고 도 12는 반사기의 이차 조립체의 상면도이다. 도시된 바와 같이, 2개의 반사기(101, 201)가 대략적으로 동일한 축방향 높이(예를 들어, 서로의 높이의 약 1/2 인치 이내)에 있을 수 있으나, 이는 개시된 디바이스의 요건은 아니다. 반사기의 높이가, 일반적으로 구체적인 적용예에 따라서, 크게 달라질 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 반사기가 약 4 인치 내지 약 90 인치 높이를, 또는 일부 실시예에서, 약 6 인치 내지 약 10 인치의 높이를 가질 수 있다. 또한, 2개의 반사기의 여러 가지 특징, 예를 들어 홀, 배출부(vent), 등의 정확한 위치가 달라질 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
반사기가, 종래 기술에서 공지된 바와 같이, 매우 반사적인 표면을 가지도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 반사기가, 자외선을 반사시키고 마이크로파 에너지에 대해서 비흡수적인 물질로 형성되거나 코팅될 수 있다. 반사기가, 예를 들어, 자외선 에너지, 및 적외선 에너지, 등을 포함하는, 임의의 희망하는 복사 에너지를 반사시키도록 디자인될 수 있다. 당업계에 잘 알려진 기술에 의해서 도포된 알루미늄 처리된(aluminized) 코팅이 일 실시예에서 이용될 수 있다.
도 8은 2개의 분리 가능한 하위 조립체: 일차 반사기 조립체(60) 및 이차 반사기 조립체(61)를 포함하는 장치를 도시한다.
일차 반사기 조립체(60)가 하우징(62), 하나 이상의 도파관(64)을 통해서 일차 반사기(101)에 의해서 형성된 RF 공동으로 RF 에너지를 공급하는 적어도 하나의 마그네트론(63), 2개의 타원형 단부 반사기(101, 201), 및 UV 광 및 냉각 공기가 일차 반사기 조립체를 빠져나갈 수 있게 하는 RF-불투명 스크린(65)을 포함한다. 전술한 바와 같이, 무전극 전구(electrodeless bulb)과 같은 복사 에너지 공급원(10)이 일차 반사기(101)의 근거리 초점(102)에서 RF 공동 내에 배치될 수 있다. 무전극 전구와 같은 복사 에너지 공급원으로 에너지를 공급하기(energizing) 위한 장치가 당업계에 잘 알려져 있고 그에 따라 본원에서 길게 설명하지 않는다. 일 실시예가, 본원에서 참조로 포함되는, Ury 에게 허여된 미국 특허 제4,359,668호에서 설명되어 있다.
본원에서 개시된 디바이스 및 방법이 복사 에너지 공급원에 의해서 제한되지 않고, 예를 들어, 가시광선, 적외선, 및/또는 자외선 복사 에너지 공급원을 포함하는, 당업계에서 공지된 바와 같은 임의 유형이 이용될 수 있다는 것을 이해하여야 할 것이다. 일 실시예에서, 복사 에너지 공급원이 마이크로파에 의해서 에너지를 공급 받는 무전극 자외선 전구이다. 다른 실시예에서, 복사 에너지 공급원이 수은 아크 램프, 예를 들어 중간 압력 수은 아크 램프일 수 있다. 복사 에너지 공급원이, 복사 에너지의 스펙트럼 출력을 변경할 수 있는 재료 또는 디바이스를 포함할 수 있다. 복사 에너지 공급원의 다른 적합한 예가, 비제한적으로, (예를 들어, 어레이의) 발광 다이오드, 및 할로겐 적외선 램프, 등을 포함할 수 있다.
이차 반사기 조립체(61)가 하우징(66), 이차 반사기(201), 이차 반사기(201)를 일차 반사기(101)에 대해서 정렬시키기 위한 당업계에서 일반적으로 공지된 바와 같은 특징부, 도시된 바와 같은, 초점(104)과 연계하여 선택적인 투명 석영 관(7)을 장착하기 위한 특징부, 및 이차 반사기 조립체(61)를 일차 반사기 조립체(60)로 고정하기 위한 체결 방법(67)을 포함한다.
도 8에 도시된 바와 같이, 복사 에너지 공급원(10)이 일차 반사기(101)의 근거리 초점(102)과 본질적으로 일치하여 위치될 수 있다. 정렬 핀(66)을 이용하여, 이차 반사기(201)를 일차 반사기(101)에 대해서 적절하게 위치시킬 수 있다.
이용 중에, 경화시키고자 하는 재료로 코팅된 기판, 예를 들어 경화되지 않은 중합체 코팅을 포함하는 광섬유가 일차 반사기(101)의 원거리 초점(104)을 통과할 수 있다. 그러한 기판은, 일차 반사기(101) 및 이차 반사기(201)를 형성하는 타원의 장축에 본질적으로 수직인 방향으로 원거리 초점(104)을 통과한다.
기판으로 도포된 경화 가능 코팅의 조성 및 복사 에너지의 경화가 당업계에 잘 알려져 있고 그에 따라 본원에서 구체적으로 설명하지 않는다. 예를 들어, 코팅으로서 유용한 조성, 코팅 도포 방법 및 자외선 복사선의 이용에 의해서와 같은 코팅 경화 방법이, 예를 들어, Vazirani에게 허여된 미국 특허 제4,099,837호, Martin에게 허여된 미국 특허 제4,115,087호, Levy에게 허여된 미국 특허 제4,324,575호, 및 Bishop 등에게 허여된 미국 특허 제4,514,037호에서 설명되어 있고, 이들 모두의 내용이 본원에서 참조로 포함된다. 복사 에너지에 노출되는 기판이, 전술한 바와 같이, 원거리 초점(104)과 실질적으로 일치되는 타원 공간 내에 위치될 수 있다.
도시된 실시예에서, 디바이스가 또한, 원거리 초점(104) 상에 또는 그 근처에 위치될 수 있는 투명 석영 관(7)을 포함한다. 일 실시예에서, 기판이 석영 관(7)을 통과할 수 있고, 복사 에너지가 석영 관(7) 내에서 기판과 접촉할 수 있다.
본원에서 설명된 바와 같은 장치가, 복사 에너지로 처리될 수 있는 재료로 고종횡비 기판이 코팅될 수 있는 다양한 프로세스에서 이용될 수 있다. 예를 들어, 코팅된 광섬유와 연계하여 이용하는 것에 더하여, 장치를 이용하여, 비제한적으로, 실, 필라멘트, 파이프, 케이블, 및 도관 등을 포함하는 필라멘트 또는 막대-유사 기판 상의 잉크 또는 페인트를 경화시킬 수 있을 것이다.
경화 시스템의 구성요소가 시스템의 수명에 걸쳐서 필요에 따라서 이용되고 교체될 수 있다. 예를 들어, 일차 반사기 및 이차 반사기 모두가, 시스템의 다른 구성요소 보다 짧은 수명을 가질 수 있다. 그에 따라, 필요할 때 그러한 구성요소를 적절한 교체 부분으로 교체하는 것이 재정적으로 편의적일 수 있을 것이다. 일 실시예에서, 일차 및/또는 이차 반사기가 경화 장치를 위한 교체 부분으로서 제공될 수 있다. 이는, 이전에 공지된 큰 이차 반사기를 본원에서 설명된 작은 반사기로 교체하는데 있어서 특히 유리한 것으로 입증될 수 있을 것이다. 그에 따라, 일 실시예에서, 작은 이차 반사기가 개별적인 구성요소로서 제공될 수 있을 것이다.
다른 실시예에서, 시스템의 복수의 교체 가능한 부분이, 예를 들어 시스템을 위한 교체 부분들의 키트로 함께 제공될 수 있다. 키트가, 예를 들어, 일차 반사기, 및 작은 이차 반사기를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 시스템의 부가적인 구성요소가 또한 키트 내에 포함될 수 있다. 예를 들어, 교체 키트가, 비제한적으로, 일차 반사기, 이차 반사기, 교체 복사 에너지 공급원, 및 조립체의 스크린 등을 포함할 수 있다.
본 발명이, 이하에서 제공되는, 예를 참조할 때 보다 잘 이해될 수 있을 것이다.
예
당업계에 이전에 공지된 바와 같은 반사기 시스템과 개시된 시스템을 비교하기 위해서, 비교 출력 테스트를 실시하였다. 동일한 UV 램프 모듈을 양 테스트에서 이용하였고; 2가지 테스트에 대해서 이차 반사기 조립체 만이 변화되었다. 이러한 테스트는, 일차 반사기에 대해서 이격된 초점 상에서 센터링된 4 mm x 4 mm 정사각형 영역 내의 UVA 광의 상대적인 세기를 측정하였다. 데이터 값은 무차원적이었고(dimensionless) 그리고 2개의 시스템의 상대적인 성능을 비교하는데 있어서 유효하였다. 표 1은 종래 기술의 시스템의 결과를 나타내고, 표 2는 개시된 시스템의 결과를 나타낸다.
Figure pct00001
종래 기술의 시스템에서, 평균 세기가 6.707이었고, 최대 세기가 8.002이었다.
Figure pct00002
개시된 시스템에서, 평균 세기가 7.384이었고, 최대 세기가 8.816이었다.
본 시스템은 10.1% 만큼 평균 세기를 증가시켰고, 10.1% 만큼 피크 세기를 증가시켰다.
이러한 기술된 설명은, 최적의 모드를 포함한, 발명을 개시하기 위해서 그리고 또한 당업자가, 임의의 디바이스 또는 시스템을 제조 및 이용하는 것 그리고 임의의 포함된 방법을 실시하는 것을 포함하여, 발명을 실시할 수 있게 하기 위해서 예를 이용하였다. 발명의 특허받을 수 있는 범위가 청구범위에 의해서 규정되고, 당업자에게 안출될 수 있는 다른 예를 포함할 수 있을 것이다. 그러한 다른 예가 청구범위의 문헌적 언어와 상이하지 않은 구조적 요소를 포함하는 경우에, 또는 그러한 다른 예가 청구범위의 문헌적 언어와 사소한 차이를 가지는 균등한 구조적 요소를 포함하는 경우에, 그러한 다른 예가 청구범위의 범위 내에 포함될 것이다.

Claims (15)

  1. 복사 에너지의 이용에 의해서 코팅을 경화시키기 위한 디바이스이며:
    제1 타원의 단부 부분에 상응하는 횡단면 형상을 가지는 일차 반사기로서, 상기 제1 타원이 장축 및 단축 그리고 근거리 초점 및 원거리 초점을 가지며, 상기 제1 타원의 장축이 제1 지점에서 상기 일차 반사기를 양분하고, 상기 제1 타원의 근거리 초점이, 상기 제1 타원의 원거리 초점 보다 상기 제1 양분 지점에 더 근접하는, 일차 반사기; 및
    제2 타원의 단부 부분에 상응하는 횡단면 형상을 가지는 이차 반사기로서, 상기 제2 타원이 장축 및 단축 그리고 근거리 초점 및 원거리 초점을 가지며, 상기 제2 타원의 장축이 제2 지점에서 이차 반사기를 양분하고, 상기 제2 타원의 근거리 초점이, 상기 제2 타원의 원거리 초점 보다 상기 제2 양분 지점에 더 근접한, 이차 반사기를 포함하고,
    상기 제1 타원의 장축 및 상기 제2 타원의 장축이 상이한 길이들을 가지고, 상기 제1 타원의 단축 및 상기 제2 타원의 단축이 상이한 길이들을 가지며, 상기 제1 타원의 장축이 상기 제2 타원의 장축과 공선적이 되도록 그리고 상기 제1 타원의 근거리 초점이 상기 제2 타원의 원거리 초점과 본질적으로 상응하도록 그리고 상기 제1 타원의 원거리 초점이 상기 제2 타원의 근거리 초점과 본질적으로 상응하도록, 상기 일차 반사기 및 이차 반사기가 서로 정렬되는, 디바이스.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 타원의 장축이 상기 제2 타원의 장축 보다 길고, 예를 들어 상기 제2 타원의 장축의 길이가 상기 제1 타원의 장축의 길이의 약 84% 내지 약 95%인, 디바이스.
  3. 제1항에 있어서, 상기 상기 제1 타원의 단축이 상기 제2 타원의 단축 보다 길고, 예를 들어 상기 제2 타원의 단축의 길이가 상기 제1 타원의 단축의 길이의 약 63% 내지 약 96%인, 디바이스.
  4. 제1항에 있어서, 복사 에너지를 위한 공급원을 더 포함하고, 상기 복사 에너지를 위한 공급원은 상기 제1 타원의 근거리 초점 및 상기 제2 타원의 원거리 초점과 실질적으로 겹쳐지도록 위치되는, 디바이스.
  5. 제1항에 있어서, 상기 일차 및 이차 반사기가 자외선 광을 반사하고 및/또는 적외선 에너지를 흡수하고 및/또는 상기 일차 반사기 및 상기 이차 반사기가 대략적으로 서로 동일한 높이인, 디바이스.
  6. 제1항에 있어서, 상기 일차 반사기가 일차 반사기 조립체의 구성요소이고 상기 이차 반사기가 이차 반사기 조립체의 구성요소이고, 상기 일차 반사기 조립체 및 상기 이차 반사기 조립체가 서로 제거 가능하게 부착될 수 있고, 상기 디바이스는, UV 광 및 공기가 상기 일차 반사기 조립체를 빠져나갈 수 있게 하는 스크린을 선택적으로 더 포함하는, 디바이스.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제2 타원의 제1 초점과 연계하여 투명 관을 더 포함하는, 디바이스.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제2 타원의 장축이 약 5.10 인치 내지 약 5.75 인치의 장축을 가지고, 상기 제2 타원의 단축이 약 2.70 인치 내지 약 4.05 인치의 길이를 가지는, 이차 반사기.
  9. 제8항에 있어서, 상기 이차 반사기가, 약 4 인치 내지 약 90 인치의 높이를 가지는, 이차 반사기.
  10. 제8항에 있어서, 상기 이차 반사기가, 자외선 에너지를 반사하는 물질로 형성되거나 코팅되고 및/또는 상기 이차 반사기가 마이크로파 에너지에 대해서 비흡수적이고, 예를 들어 상기 이차 반사기가 알루미늄 처리된 코팅을 포함하는, 이차 반사기.
  11. 복사 에너지의 이용에 의해서 코팅을 경화하기 위한 디바이스를 위한 교체 부분의 키트로서, 제1항의 일차 반사기 및 이차 반사기를 포함하는, 키트.
  12. 제11항에 있어서,
    복사 에너지를 위한 공급원, 예를 들어 무전극 전구를 더 포함하고, 그리고 선택적으로 RF-불투명 스크린을 더 포함하는, 키트.
  13. 고종횡비 기판 상의 중합체 코팅을 경화시키기 위한 방법이며, 상기 방법이 제1항의 디바이스를 통해서 고종횡비 기판을 통과시키는 단계를 포함하고, 상기 고종횡비 기판은, 제1 타원의 원거리 초점 및 제2 타원의 근거리 초점과 본질적으로 겹치는 지점을 통과하는 라인을 따라서 상기 디바이스를 통과하고, 상기 라인은 상기 제1 및 제2 타원의 장축들에 본질적으로 수직으로 연장하고, 상기 고종횡비가 표면 상에서 광 경화 가능 중합체 재료를 포함하고, 상기 방법이 복사 에너지의 이용에 의해서 상기 광 경화 가능 중합체 재료를 경화시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 기판이 광섬유, 섬유, 필라멘트, 실, 케이블, 파이프, 또는 도관인, 방법.
  15. 제13항에 있어서, 상기 복사 에너지가 자외선 에너지를 포함하고, 상기 광 경화 가능 중합체 재료가 자외선 에너지에 의해서 경화되는, 방법.
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