KR20190125464A - 적외선 건조기 유닛을 갖는 인쇄기 - Google Patents
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Abstract
공지된 인쇄기들에는 용매 함유 인쇄용 잉크를 프린트 기재 상으로의 도포를 위한 프린터 어셈블리, 프린트 기재를 프린터 어셈블리에서 프린트 기재를 건조하기 위한 적어도 하나의 적외선 방사체를 포함하는 건조기 유닛으로 이송하기 위한 이송 장치가 설치된다. 이를 기초로, 균일성 및 용매 함유 및, 특히, 수성, 인쇄용 잉크의 건조의 신속성의 면에서 개선되며, 건조기 유닛이 적외선 방사체의 능동 냉각을 필요로 하지 않는 건조기 장치를 갖는 인쇄기를 제공하기 위하여, 본 발명은 적외선 방사체가 유전체이며 가열될 때 적외선을 방출하는 발열체 물질로 제조되는 평면 발열체로서 설계되는 것을 제안하며, 건조될 프린트 기재를 향하는 가열면 및 전기 접촉부에 의해 조절 가능한 전류원에 연결되는, 전기 전도성 귀금속 함유 저항체 물질로 제조된 발열도체의 인쇄 도체가 도포되는 접촉면을 포함한다.
Description
본 발명은 용매 함유 인쇄용 잉크를 프린트 기재(printing substrate) 상으로 도포(application)하기 위한 프린터 어셈블리(printer assembly), 프린트 기재를 프린터 어셈블리에서 프린트 기재의 건조를 위해 적어도 하나의 적외선 방사체(infrared radiator)를 포함하는 건조기 유닛으로 이송시키기 위한 이송 장치(transport device)를 구비한 인쇄기(printing machine)에 관한 것이다.
예를 들면 오프셋 인쇄기(offset printing machines), 석판 인쇄기(lithographic printing machines), 윤전(인쇄)기(rotary printing machines) 또는 플렉소 인쇄기(flexo printing machines)가 인쇄용 잉크를 종이, 판지, 필름 또는 카톤(carton)으로 제조되는 시트형 또는 웹형 프린트 기재 상으로 프린트(인쇄)하기 위해 사용된다. 오일, 수지 및 결합제는 인쇄용 잉크의 대표적인 성분이다. UV 경화성 인쇄용 잉크와 관련하여, 프린트 기재 상의 경화 및 부착은 자외선에 의한 광개시를 통해 개시되는 중합에 기초한다. 용매 함유 및 특히 물 함유 인쇄용 잉크들 및 래커들은 물리적 및 화학적 건조 공정들 둘 다에 기초될 수 있는 건조 공정을 필요로 한다. 물리적 건조 공정들은 용매들의 증발 및 프린트 기재로의 그 확산을 포함하며, 이것은 또한 "일소(sweeping away)"라고도 지칭된다. 화학적 건조는 인쇄용 잉크들의 성분들의 산화 및/또는 중합인 것으로 이해된다.
물리적 건조 공정과 화학적 건조 공정 사이에는 오버랩되는 부분이 있다. 예를 들면, 용매들의 일소(sweeping away)는 단량체 수지 분자들의 근사(비슷한 것)를 가져올 수 있어, 해당될 경우, 이들이 더 용이하게 중합할 수 있다. 따라서, 인쇄된 플린트 기재의 건조를 위한 건조 장치들은 용매를 제거하며 및/또는 가교 반응들을 개시하기 위해 사용된다.
DE 102005046230 A1은 인쇄용 잉크를 인쇄 시트 상으로 인쇄하기 위한 인쇄 메커니즘, 래커를 인쇄된 인쇄 시트에 도포하기 위한 래커링 장치를 구비한 윤전(인쇄)기를 기술한다. 시트 경로의 영역에는, 탄소 방사체의 형태로 또한 구현될 수 있는 적외선 방사체 형태의 적외선 방출 건조 설비들이 인쇄 메커니즘 및 래커링 장치의 하류에 배치된다.
이러한 유형의 적외선 방사체들은 보통 석영 유리로 제조되는 불활성 가스로 채워진 방사체 튜브에서 둘러싸인 코일 또는 웹의 형태로 탄소 또는 텅스텐으로 제조된 가열 필라멘트(heating filament)를 갖는다. 가열 필라멘트들은 방사체 튜브의 하나의 단부 및/또는 양 단부들을 통해 도입되는 전기 커넥터들에 연결된다.
가열 필라멘트들 자체는 매우 작은 열 질량 및, 따라서, 1 내지 2초 범위의 신속한 반응 시간을 갖는다. 그러나 석영 유리, 필라멘트, 전기 커넥터들, 및 반사기로 구성된 IR 건조기 시스템이 열평형을 달성하는데 수 분이 걸릴 수 있다.
현대 윤전(인쇄)기에서 프린트 기재는 3 내지 5 m/s의 웹 속도로 작동되며 이 속도는 시작에서도 설정되기 때문에, 프린트 기재의 1500 m까지는 열평형에 도달할 때까지 손실이 될 수 있다. 개별 인쇄 공정들 사이에서 교대(교번)하면서, 이들 손실들은 각각의 새로운 인쇄 공정으로 발생된다.
석영 튜브 방사체들이 전력이 더 높을수록, 이들은 더 빨리 IR 건조기 시스템의 온도에 도달한다. 그러나 전력을 증가시키는 것은 프린트 기재의 과열로 이어질 수 있는 적외선 방사체에 의해 방출된 에너지의 양을 증가시킬 뿐만 아니라, 스펙트럼의 단파 범위의 방향으로 그것을 이동시키는 방출된 방사선의 주 파장을 또한 변화시킨다.
수성(water-based) 인쇄용 잉크들과 관련하여, 적외선 방사체의 주 방사 파장이 물의 흡수 특성과 매칭되게 하는 것이, 즉 약 2.75 ㎛인 것이 바람직하다. 따라서 이전의 상업용 적외선 방사체들은 매칭된 방사 스펙트럼을 또한 포함하며; 그러나 그때 이들은 낮은 전력을 가지며, 충분히 높은 방사 출력에 대해, 비교적 큰 방사 표면 및 상응하여 높은 열용량을 필요로하며, 이것은, 결국, 적외선 방사체의 비교적 긴 가열 및 냉각 시간을 야기하며 따라서 건조기 유닛이 천천히 반응하도록 만든다. 또는 적외선 방사체들이 높은 전력을 가지며 천천히 반응하지 않으며; 그러나 그때 그들의 방사 스펙트럼은 물의 흡수 특성에 최적으로 적응되지 않는다.
종종, 서로 이웃하여 배치된 다수의 적외선 방사체 튜브들은 패널 방사체를 형성한다. 프린트 기재 상의 균일한 방사를 달성하기 위하여, 방사체 튜브들의 종축들이 프린트 기재의 이송 방향으로 정렬된 경우, 패널 방사체와 프린트 기재 사이의 거리는 개별 방사체 튜브들 사이의 중심 대 중심 거리의 적어도 1.5 배이어야 한다. 패널 방사체와 프린트 기재 사이의 이러한 최소 거리가 비교적 큰 것은 프린트 기재 레벨에서의 낮은 유효 방사선 강도로 이어지며, 이것은 필요한 방사선 출력이 프린트 기재에 인가되는 반응 시간을 증가시킨다.
그러나, 신속한 반응 시간은 특히 프린트 기재가 그것에 인쇄되는 다음 컬러를 갖거나 또는 래커 도포에 의해 처리되고 있거나 또는 후방측에서의 인쇄를 위해 인쇄기에서 역전되고 있기 전에 멀티 컬러 인쇄를 위해 요구된다. 이것은 인쇄 메커니즘들 사이에 프린트 기재가 배치되는 비교적 짧은 시간 기간 때문이며, 필요한 방사선 출력은 인쇄된 이미지가 과열에 의해 손상되지 않고 프린트 기재에 작용할 필요가 있다.
또한, 약 1000-2750 nm의 범위의 방사 파장을 갖는 단파 및 중파 적외선 방사체들은, 특히 전형적인 인쇄기들인 좁고 사방이 막힌 어셈블리 공간들에서, 이들을 과열로부터 보호하기 위하여, 양자는 능동적으로 냉각될 필요가 있다. 직접 적외선 방사체들에서 취입되고 있는 냉각 공기의 흐름이 종종 이 목적을 위해 형성된다. 그러나, 적외선 방사체를 지나 흐르는 냉각 공기는 따뜻한 공정 공기와 상호작용하며, 이것은, 그 중에서도, 습기를 소멸시키는 역할을 하며, 따라서 프린트 기재 상에서의 온도는 변화되며 습기의 소멸이 감소된다.
따라서 본 발명은 균일성 및 용매 함유 및, 특히, 수성(water-based) 인쇄용 잉크의 건조의 신속성의 면에서 개선되며, 건조기 유닛이 적외선 방사체의 능동적인 냉각 없이 작동하는 건조기 장치를 갖는 인쇄기를 제공하는 목적에 기초한다.
상기 목적은 적외선 방사체가 유전체이며 가열될 때 적외선을 방출하는 발열체(발열소자)(heating element) 물질로 제조되는 평면형 또는 2차원 발열체로서 설계되며, 건조될 프린트 기재를 향하는 가열면 및 전기 접촉부에 의해 조절 가능한 전류원에 연결되는, 전기 전도성 귀금속 함유 저항체 물질로 제조된 발열도체(heating conductor)의 인쇄 도체(printed conductor)가 도포(적용)되는(applied) 접촉면을 포함한다는 점에서 상기 명시된 유형의 적외선 방사체에 기초한 본 발명에 따라 달성된다.
본 발명에 따르는 인쇄기의 적외선 건조기 유닛은 건조될 프린트 기재를 향하는 가열면을 포함하는 적어도 하나의 발열체(발열소자)를 포함한다. 가열면은 프린트 기재의 방향으로 적외선을 방출한다. 그것은 평면으로 설계되며, 가장 단순한 경우, 평평하거나(level) 편평하게(flat) 설계되지만, 평면성으로부터 벗어나는 평면형 기하학적 형상 및 구조를 또한 포함할 수도 있다. 가열면의 평면성은 상응하게 평면형인 방사선장을 가져오며 프린트 기재와 발열체 사이에 짧은 거리가 설정되는 것을 가능하게 한다. 이것은 건조 공정의 균일성 및 신속성에 기여하며; 이것은 이하에서 더욱 상세히 설명될 것이다.
발열체는 적어도 부분적으로 유전체(dielectric material)로 구성된다. 상기 유전체는 전기적으로 비전도성이며 따라서 전류의 직접 흐름에 의해 쉽게 가열될 수 없지만, 발열도체의 인쇄 도체를 통해 열전도에 의해 가열될 수 있다. 따라서, 인쇄 도체는 직접 발열체의 가열을 위해 사용된다. 가열로 인해, 발열체 물질은 가능한 가깝게 물의 흡수 특성에 대응하는 중파 파장 범위의 적외선을 방출한다.
발열체는 실제 적외선 방출 소자이다. 이것은 다층 구조로 설계될 수 있지만, 전부 유전 발열체 물질로 제조되는 것이 바람직하다. 인쇄 도체에 의해 점유된 표면 영역들은 이웃하는 인쇄 도체 섹션들 사이의 단락 및 플래시오버를 신뢰 가능하게 방지하기 위하여 전기 절연 물질로 구성하는 것이 필수적이다.
발열체의 발열도체에 대한 접촉은 예를 들면 가열면으로부터 반대편에 배치된 접촉면에 의해 발생한다. 접촉면은 - 전기 절연 및 열전도 중간층을 통해 - 저항체 물질로 제조된 인쇄 도체와 직접 접촉 또는 간접 접촉한다.
저항체 물질은 그것이 적어도 1000℃까지 내열성이며, 이상적으로는 산화 환경에서 또한 내열성이다는 점에서, 그것이 전기 전도성이라는 점에서, 그리고 그 전기 전도성이 온도에 따라 크게 변화하지 않는다는 점에서 또는 저항의 변화가 알려져 있다는 점에서 적외선 이용 가능하다. 이들 조건들은 특히 다음에 의해 충족된다:
(1) 귀금속 함유 저항체 물질(precious metal-containing resistor material)에 의해. 이와 관련하여 선호되는 저항체 물질은 적어도 50 원자%, 바람직하게는 적어도 95 원자%의 백금족 원소들로 구성된다. 백금족은 다음의 귀금속들을 포함한다: Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt. 이들은 순수한 원소들로서 또는 상기 원소들을 포함하는 또는 하나 이상의 다른 금속들, 특히 Au, Ag를 포함하는 합금으로서 존재한다.
(2) 내고온강(내열강), 탄탈, 페라이트계 FeCrAl 합금, 오스테나이트계 CrFeNi 합금, 실리콘 카바이드, 몰리브덴 실리사이드 또는 몰리브덴 베이스 합금으로 제조되는 저항체 물질에 의해. 이들 재료들, 특히 실리콘 카바이드(SiC), 몰리브덴 실리사이드(MoSi2), 탄탈(Ta), 내고온강 또는 Kanthal® (Kanthal®은 SANDVIK INTELLECTUAL PROPERTY AB, 811 81 Sandviken, SE의 등록 상표이다)와 같은 페라이트계 FeCrAl 합금은 공기에 내산화성이며 백금족 금속들보다 덜 비싸다.
인쇄 도체는 바람직하게는 예를 들면 스크린 인쇄에 의해 저항체 페이스트로부터 또는 잉크젯 인쇄에 의해 금속 함유 잉크로부터 제조되는 후막층의 형태로 형성되며 이어서 고온에서 버닝된다. 인쇄 도체는 예를 들면 나선형 형상 또는 구불구불한 형상 라인 패턴으로 연장된다. 발열체 물질의 흡수 능력이 높은 것은 가열면의 인쇄 도체 점유 밀도가 비교적 낮은 경우에도 균일한 방사를 가능하게 한다. 낮은 점유 밀도는 인쇄 도체의 이웃하는 섹션들 사이의 최소 거리가 1 mm 이상, 바람직하게는 2 mm 이상인 것을 특징으로 한다. 인쇄 도체의 섹션들 사이의 거리가 큰 것은 특히 진공에서 고전압에서 작동 시 발생할 수 있는 플래시오버(flashover)를 방지한다. 인쇄 도체는 전기적으로 절연성 및/또는 광학적으로 회절성 물질로 제조된 커버층에 의해, 적어도 부분적으로, 코팅될 수 있다. 커버층은 반사기로서 기능하며 및/또는 인쇄 도체의 기계적 보호 및 안정화의 기능을 한다.
발열도체의 인쇄 도체는 전기 접촉부에 연결되며 이에 의해 이것은 전기 회로에 연결될 수 있다. 바람직하게는, 전기 접촉부는 예를 들면 플러그, 스크루 또는 클램프 연결을 통해 분리할 수 있는 것과 같은 전기 접촉부를 통해 전기 회로에 연결될 수 있다.
발열체의 평면 형상 및 적외선 방출은 적외선 방사의 균질 평면 방출 및, 이와 관련된, 프린트 기재와 발열체 사이의 거리의 감소를 가능하게 한다. 이러한 수단에 의해, 얇은 발열체 벽들 및/또는 비교적 낮은 인쇄 도체 점유 밀도에 대해서도 단위 면적당 높은 방사 출력을 제공하며 균질한 방출 및 균일한 온도장을 발생시키는 것이 실현 가능하다.
균일한 방출(uniform emission) 및 높은 방사율(high emissivity)로 인해, 프린트 기재와 발열체 사이의 거리는 작게 유지될 수 있으며, 이것은 상응하게 조사 강도(irradiation intensity) 및 효율을 증가시킨다. 거리는 15 mm미만이 선호된다.
거리가 작은 것은 프린트 기재에서의 100 kW/m2 초과의 및 심지어 200 kW/m2 초과의 높은 출력 밀도를 가능하게 하며 현대의 고성능 인쇄기들에서의 종이 낭비의 감소로 이어진다. 바람직하게는, 발열체는 180 kW/m2 초과의 출력 밀도를 달성하기 위해, 바람직하게는 180 kW/m2 내지 265 kW/m2의 범위의 출력 밀도를 달성하기 위해 설계된다. 이와 관련하여, 단위 면적당 출력은 인쇄 도체에 의해 점유되는 베이스 바디 표면에 관련된 인쇄 도체의 연결된 전기 부하로서 정의된다.
따뜻한 공정 공기의 강제 흐름은 프린트 기재 상의 온도를 조절하며 습기를 소멸시킨다. 습기의 소멸은 (주로 온도에 의해 결정되는) 공정 공기의 흡수 능력 및 (주로 흐름 특성들에 의해 결정되는) 공정 공기의 프린트 기재에 대한 효과에 의존한다. 얇은 발열체들은 낮는 열용량을 가지며 신속한 온도 변화를 가능하게 한다. 따라서 적외선 방사체를 지나 흐르는 냉각 공기에 의한 능동 냉각이 요구되지 않는다. 따라서, 본 발명에 따르는 인쇄기를 사용하여, 따뜻한 공정 공기와 상호작용하는 것은 그 온도 및 흐름 특성들에 영향을 미쳐 프린트 기재 및 따뜻한 공정 공기의 온도를 감소시킬 수 있으며 따라서 습기의 소멸이 느리게 되는 것이 방지될 수 있다.
가능한 최단 반응 시간을 위하여, 따라서 본 발명에 따르는 인쇄기에는 10 mm 미만의 플레이트 두께를 갖는 플레이트 형상 발열체가 설치되는 것이 바람직하다. 이송 장치는 프린트 기재의 이송을 위한 최대 포맷 폭을 정의하며, 이에 의해, 바람직한 경우에서, 전체 포맷 폭을 가로지르는 조사(irradiation)를 위해, 발열체는 서로 독립하여 전기적으로 제어될 수 있는 다수의 발열체 부분들로 구성된다.
이와 관련하여, 발열체 부분들은 인쇄기의 최대 가능한 포맷 폭에 걸친다. 이들은, 예를 들면, 클리어런스 없이 서로에 대해 배치된다. 이들은 서로 별개로 스위칭 또는 제어될 수 있기 때문에, 개별 발열체들이 필요에 따라 회로에 더해지거나 빼질 수 있다. 활성화된 발열체(들)에서 비활성화된 발열체(들)로의 열전도로 인한 임의의 열 손실은 추가적인 열 분리에 의해 감소될 수 있다.
발열체 물질이 비정질 모재 성분(amorphous matrix component) 및 반도체 재료 형태의 추가 성분(additional component)을 포함하는 것이 유리한 것으로 입증되었다.
석영 유리와 같은 비정질 물질은 즉시 쓸 수 있는 적용을 위해 적절한 기하학적 형상을 갖도록, 즉 예를 들면 평면, 곡면 또는 주름 플레이트 형태로 용이하게 제조될 수 있다. 그 안에 매립된 추가 성분은 실리콘과 같은, 반도체 재료의 그 자신의 비정질 또는 결정질 상을 형성한다. 가전자대와 전도대 사이의 에너지 차이(밴드갭 에너지(bandgap energy))는 온도가 상승함에 따라 감소한다. 그러나, 활성화 에너지가 충분히 높은 경우, 전자들이 가전자대에서 전도대로 상승될 수 있으며, 이것은 흡수 계수의 명확한 증가와 관련된다. 전도대의 열-활성화된 점유는 반도체 물질이 어떤 파장들(예를 들면 약 1000 nm로부터와 같은)에 대해 실온에서 어느 정도 투명하며 고온에서 불투명하게 변하게 되는 것으로 이어진다. 따라서, 흡수 및 방사율은 발열체 물질의 온도 상승으로 증가할 수 있다. 이러한 효과는, 그 중에서도, 구조(비정질/결정질) 및 반도체의 도핑(doping)에 의존한다. 예를 들면 순수한 실리콘은 약 600℃로부터 방출에 있어서 눈에 띄는 증가를 보이며, 약 1000 ℃로부터 포화에 도달한다.
반도체 물질이 충분히 가열되는 경우, 따라서 이것은 에너지가 풍부한, 여기 상태(고에너지 들뜬 상태)(energy-rich, excited state)를 띨 수 있으며, 여기서 이것은 높은 출력 밀도에서 적외선을 방출한다. 이러한 상태에서, 반도체의 추가 성분은 발열체의 광학적 및 열적 특성들을 상당히 결정하며; 특히, 그것은 (780 nm와 1 mm 사이의 파장 범위를 의미하는) 스펙트럼의 적외선 범위에서의 흡수를 가져오며 그리고, 특히, 파장 범위 약 2750 nm에서의 흡수를 가져온다. 이러한 유형의 발열체는 180 kW/m2 초과의 출력 밀도, 바람직하게는 180 kW/m2 내지 265 kW/m2의 범위의 출력 밀도를 달성하는 것을 가능하게 한다.
따라서 이러한 유형의 발열체 물질은 적어도 물질의 열적 여기(thermal excitation) 및 따라서 방사선의 높은 방출을 달성하기 위하여 도달될 필요가 있는 여기 온도(excitation temperature)를 갖는다. 그때 추가 성분은 적외선을 방출하는 발열체 물질로 이어진다. 반구상의 분광 반사율 Rgh 및 투과율 Tgh이 알려진 경우, 방사율 
은 다음과 같이 계산될 수 있다:
이와 관련하여, "방사율(emissivity)"은 "분광노멀방사율(방사도)(spectral normal degree of emission)"인 것으로 이해될 것이다. 이것은 명칭 "Black-Body Boundary Conditions" (BBC)에 의해 공지되며 "DETERMINING THE TRANSMITTANCE AND EMITTANCE OF TRANSPARENT AND SEMITRANSPARENT MATERIALS AT ELEVATED TEMPERATURES"; J. Manara, M. Keller, D. Kraus, M. Arduini-Schuster; 5th European Thermal-Sciences Conference, The Netherlands (2008)"에 공개된 측정 원리에 의해 결정된다.
추가 성분으로 도핑된 모재는 추가 성분이 없는 경우보다 더 높은 열 방사 흡수를 갖는다. 이것은 복사를 통한 인쇄 도체로부터 발열체로의 에너지 전달의 증가된 분율, 열의 더 신속한 분포, 및 프린트 기재를 향한 더 높은 방사율을 가져온다. 이러한 수단에 의해, 얇은 발열체 벽들 및/또는 비교적 낮은 인쇄 도체 점유 밀도에 대해서도 단위 면적당 높은 방사 출력을 제공하며 균질한 방출 및 균일한 온도장을 발생시키는 것이 실현 가능하다.
추가 성분은 바람직하게는 발열체 물질 내에, 적어도 부분적으로, 원소 규소로서 존재하며 발열체 물질에서 2와 8 ㎛ 사이의 파장에 대해 600℃의 온도에서 적어도 0.7의 방사율 
그리고 1,000℃의 온도에서 적어도 0.8의 방사율 
을 가져오는 양으로 매립된다.
따라서 반도체 물질, 특히 여기서는 바람직하게 사용되는 원소 규소는 유리질 모재 물질을 블랙으로 만드는 효과를 가지며 실온에서 그렇게 되지만, 또한 예를 들면 600℃ 이상의 상승된 온도에서도 그렇게 되는 효과를 갖는다. 그 결과 고온에서의 높은 광대역 방출의 면에서 양호한 방출 특성들이 달성된다. 이와 관련하여, 반도체 물질은 모재에 분산되는 원소 반도체 상을 형성한다. 이러한 상은 다수의 반도체 원소들 또는 금속들을 함유할 수 있다 (그러나 금속들은 단지 50중량%까지, 더 좋기는 20중량% 이내; 추가 성분의 중량 분율에 관하여).
발열체 물질의 열 흡수는 추가 성분의 분율에 의존한다. 규소의 경우, 중량 분율은 바람직하게는 적어도 0.1%이어야 한다. 다른 한편으로는, 규소 분율이 높은 것은 석영 유리 모재의 화학적 및 기계적 특성들에 대해 역효과를 미칠 수 있다. 이것을 고려하면, 규소인 추가 성분의 중량 분율은 바람직하게는 0.1 내지 5% 범위 내이다.
본 발명에 따르는 인쇄기의 바람직한 실시형태에서, 건조기 유닛은 프린트 기재의 운송 방향으로 차례로 배열된 다수의 발열체들을 포함한다.
이와 관련하여, 각각의 건조기 유닛은 이에 할당된 프린터 어셈블리를 갖는다. 프린터 어셈블리들의 수가 더 크면 높은 프린팅 속도 및 높은 프린팅 퀄러티를 가능하게 한다.
특히 상기 실시형태의 인쇄기의 경우 프린트 기재와 발열체들 사이에 있는 공간으로 공정 공기를 공급하기 위한 장치를 제공하는 것이 유리한 것으로 입증되었다.
공정 공기는 프린트 기재를 건조하기 위해 그리고 인쇄용 잉크로부터 용매, 즉 예를 들면 물을 제거하기 위해 사용된다. 프린트 기재를 프린트 기재의 웹 폭을 가로질러 시간에 대해 꾸준하게 그리고 균등하게 건조시키기 위하여, 공정 공기의 흐름이 층류이며 가능한 재현가능한 것이 바람직하다. 이러한 목표에 대한 기여가 발열체들의 가열 표면이 평평하며, 바람직하게는 평면인 것에 의해, 그리고 가열 표면들과 프린트 기재 사이의 갭이 좁은 것에 의해 본 발명에 따르는 인쇄기에서 이루어진다.
본 발명에 따르는 인쇄기는 윤전 인쇄, 오프셋 인쇄, 평판 인쇄, 활판 인쇄, 스크린 인쇄 또는 그라비아 인쇄를 위해 사용될 수 있다. 그러나, 특히 프린터 어셈블리가 잉크젯 프린트 헤드를 포함하며, 이에 의해 구동 모터가 설치된 적어도 하나의 견인 롤러가 프린트 기재의 이송 방향으로 볼 때 건조기 유닛에서 하류에 배치되는 것이 특히 시간 증명되었다.
잉크젯 인쇄 과정에서 이미지 생성 장치는 그에 의해 잉크의 작은 방울들이 프린트 기재로 전달되는 하나 이상의 노즐을 포함하는 잉크젯 프린트 헤드로서 설계된다. 특히 수성(water-based) 잉크가 사용되는 경우, 프린트 기재는 변형될 수 있으며, 예를 들면 리플을 형성할 수 있으며, 이것은 조악한 인쇄 품질, 프린트 헤드 및 프린트 기재에 대한 손상, 및 프린트 기재의 고르지 못한 건조로 이어질 수 있다. 후자는 특히 - 본 발명에 따르는 인쇄기에서 설정될 수 있는 - 프린트 기재와 건조기 유닛 사이의 거리가 매우 작을 경우 현저한다. 이러한 효과를 중화시키기 위해 그리고 가능한 프린트 기재의 가장 고르며 재현가능한 평면도(planarity)를 제공하기 위해, 그 자체의 구동 모터가 설치된 적어도 하나의 견인 롤러가 프린트 기재의 이송 방향으로 볼 때 건조기 유닛으로부터 하류에 배치된다.
견인 롤러가 동시에 냉각 롤러로서 설계되는 경우, 프린트 기재는 건조기 유닛 바로 뒤에 냉각될 수 있으며, 이것은 특히 에너지의 잠재적으로 높은 입력을 고려할 때, 프린트 기재에 대한 어떤 손상을 최소화시키는데 도움이 될 수 있다.
본 발명은 균일성 및 용매 함유 및, 특히, 수성 인쇄용 잉크의 건조의 신속성의 면에서 개선되며, 건조기 유닛이 적외선 방사체의 능동적인 냉각 없이 작동하는 건조기 장치를 갖는 인쇄기를 제공한다.
이하에서는, 본 발명이 예시적인 실시형태와 특허 도면을 기초로 더욱 상세히 설명된다. 도면에서:
도 1은 프린터 어셈블리 및 적외선 건조기 유닛을 통한 프린트 기재를 위한 이송 경로를 갖는 본 발명에 따르는 인쇄기의 세부사항의 개략도를 도시하며;
도 2는 반사기 층을 갖는 본 발명에 따르는 발열체의 실시형태의 개략도 및 측면도를 도시하며;
도 3은 건조기 유닛의 발열체의 스타트업 거동의 다이어그램을 도시하며;
도 4는 석영 유리 피복관(cladding tube) 및 Kanthal® 코일을 구비한 종래의 적외선 방사체와 비교한 타일 형상 발열체의 방출 스펙트럼의 다이어그램을 도시하며;
도 5는 본 발명에 따르는 인쇄기의 사용 동안 프린트 기재에 입사하는 적외선의 조사 프로파일(irradiation profile)을 보여주는 다이어그램을 도시하며;
도 6은 타일형 발열체와 종래기술에 따르는 적외선 패널형 방사체에 의한 프린트 기재의 조사의 균질성 및 강도의 비교를 2개의 다이어그램 (a) 및 (b)에 의해 도시한다.
도 1은 프린터 어셈블리 및 적외선 건조기 유닛을 통한 프린트 기재를 위한 이송 경로를 갖는 본 발명에 따르는 인쇄기의 세부사항의 개략도를 도시하며;
도 2는 반사기 층을 갖는 본 발명에 따르는 발열체의 실시형태의 개략도 및 측면도를 도시하며;
도 3은 건조기 유닛의 발열체의 스타트업 거동의 다이어그램을 도시하며;
도 4는 석영 유리 피복관(cladding tube) 및 Kanthal® 코일을 구비한 종래의 적외선 방사체와 비교한 타일 형상 발열체의 방출 스펙트럼의 다이어그램을 도시하며;
도 5는 본 발명에 따르는 인쇄기의 사용 동안 프린트 기재에 입사하는 적외선의 조사 프로파일(irradiation profile)을 보여주는 다이어그램을 도시하며;
도 6은 타일형 발열체와 종래기술에 따르는 적외선 패널형 방사체에 의한 프린트 기재의 조사의 균질성 및 강도의 비교를 2개의 다이어그램 (a) 및 (b)에 의해 도시한다.
인쇄기(printing machine)
도 1은 모두 포함해서 그것에 할당된 참조번호 1을 갖는 롤러 잉크젯 인쇄기의 형태의 본 발명에 따르는 인쇄기의 실시형태의 개략도를 도시한다. 언와인더(unwinder)(2)에서 출발하여, 예를 들면 종이와 같은 프린트 기재(printing substrate)로 제조된 물질 웹(머티리얼 웹)(material web)(3)은 프린터 어셈블리(printer assembly)(40)로 전진한다. 프린터 어셈블리는 이에 의해 용매 함유, 그리고 특히 물 함유, 인쇄용 잉크들이 프린트 기재 상으로 도포되는 물질 웹(3)을 따라 차례로 배치되는 다수의 잉크젯 프린트 헤드들(4)을 포함한다.
이송 방향(5)으로 볼 때, 물질 웹(3)은 프린터 어셈블리(40)에서 편향 롤러(6)를 통해 적외선 건조기 유닛(70)으로 전진한다. 후자는 물질 웹에서 용매를 건조 및/또는 일소(sweeping away)하기 위해 설계된 다수의 적외선 발열체들(7)을 갖도록 구성된다.
물질 웹(3)의 추가의 이송 경로는 그 자체의 견인 구동 모터가 설치되며 웹 텐션(web tension)을 설정하기 위해 사용되는 견인 롤러(연신 롤러)(draw roller)(8)를 통해 권취롤러(winding roller)(9)까지이다.
수개의 발열체들(7) - 예시적인 실시형태에서는 이들 중 8개가 도시됨 - 은 인쇄기(1)의 최대 포맷 폭에 걸쳐 연장되는 히팅 블록으로 결합된다. 히팅 블록의 개별 발열체들(7)은 클리어런스 없이 서로에 대해 배치되며, 프린트 기재의 치수들 및 잉크 커버리지에 따라서 서로 분리되어 제어될 수 있다. 전기적 및 열적 절연체는 개별 발열체들(7) 사이에 배치된다. 발열체들의 가열 표면과 물질 웹(3)의 상부측 사이의 자유 거리는 10 mm이다.
물질 웹(3)의 이송 속도는 5 m/s로 설정된다. 이것은 개별 처리 단계들의 최적화를 통해 가능하게 되며 그리고 특히 높은 건조 속도를 필요로 하는 비교적 높은 속도이다. 상기 요구조건을 충족하기 위해 필요한 건조기 유닛(70)은 도 2 내지 도 5를 기초로 이하에서 더욱 상세히 설명될 것이다.
도 1에서와 동일한 참조번호들이 다른 도면들에서 사용되는 한, 이들은 본 발명에 따르는 인쇄기의 기술에 의해 위에서 더욱 상세히 설명된 바와 같은 설계에서 동일한 또는 등가인 구성요소들 및 부품들을 나타낸다.
발열체(heating element)
도 2에 개략적으로 도시된 발열체(heating element)(7)의 실시형태는 평면 방출 표면(하부측 26) 및 또한 평면 상부측(25)을 갖는 타일형 베이스 바디(20)를 갖는 적외선 방사체이다. 차례로 반사기 층(24)에 매립되는 인쇄 도체(printed conductor)(23)가 베이스 바디의 상부측(25) 상으로 도포된다.
베이스 바디(20)는 2.0 mm의 플레이트 두께 및 10 cm x 20 cm의 측방향 치수를 갖는 직사각형 형상을 갖는다. 이것은 원소 규소의 상 영역들은 균질하게 분포되는, 석영 유리로 제조되는 모재를 갖는 복합 재료로 구성된다. 상기 Si 상의 중량 분율은 2.5%이며 Si 상 영역들의 최대 평균 치수들은(중간값) 약 1 내지 10 ㎛의 범위 내이다. 복합 재료는 기밀이며, 이것은 2.19 g/㎤의 밀도를 가지며, 약 1200℃의 온도까지 안정적이다. 이것은 고온에서 높은 방사율 및 열 방사의 높은 흡수를 보여준다.
인쇄 도체(23)는 베이스 바디(20)의 상부측(25)에 백금 저항체 페이스트로부터 형성된다. 양 단부들은 이들에 용접된 전기 에너지를 공급하기 위한 케이블 또는 클램프를 갖는다. 인쇄 도체(23)는 베이스 바디(20)의 가열 표면을 매우 타이트하게 커버하여 인쇄 도체의 이웃하는 섹션들 사이에 2 mm의 균등한 거리가 유지되는 구불구불한(미앤더링) 프로파일을 보여준다. 도시된 횡단면에서, 인쇄 도체(23)는 1 mm의 폭 및 20 ㎛의 두께를 갖는 직사각형 프로파일을 갖는다. 작은 두께로 인해, 적외선 방사체 내의 비싼 인쇄 도체 물질(백금)에 의해 차지하는 물질의 분율은 그 효율에 비해 작다. 인쇄 도체(23)는 베이스 바디(20)의 상부측(25)과 직접 접촉하여 베이스 바디(20)로의 최대 가능한 열전달이 달성된다. 반대편 하부측(26)은 열 방사를 위한 방출 표면으로서 적외선 방사체의 사용의 역할을 한다. 방출의 방향은 방향 화살표(27)에 의해 표시된다.
반사기 층(24)은 불투명 석영 유리로 구성되며 1.0-1.5 mm 사이의 평균 층 두께를 갖는다. 그것은 크랙이 없음과 2.15 g/㎤의 높은 밀도를 특징으로 하며 1100℃ 이상의 온도까지 열적으로 안정적이다. 반사기 층(24)은 베이스 바디(20)의 전체 가열 면적을 커버하며 그것은 인쇄 도체(23)를 완전히 커버하며 따라서 주변의 화학적 또는 기계적 영향들로부터 그것을 보호한다.
스타트업 거동의 측정(measurement of the start-up behavior)
인쇄기가 스위칭 온 된 후 신속한 반응 시간을 갖는 건조기 유닛(70)은 인쇄 공정 동안 낮은 종이 낭비를 위한 요건이다. 도 3의 다이어그램은 도 2를 기초로 기술되는 발열체(7)가 스위칭 온 된 후 시간에 대한 온도 프로파일을 도시한다. 최대 전기 연결 부하(maximum electrical connected load)에 의한 작동에서 도달되는 최대 온도에 대해 표준화된 온도 Trel (%로)가 스위치-온 시간(초)에 대해 Y축에 나타낸다. 이와 관련하여, Trel은 써모파일 측정 센서(thermopile measuring sensor)를 사용하여 가열 표면으로부터 5 mm의 거리에서 측정된다.
200 kW/m²까지의 최대 전기 연결 부하의 인쇄 도체(23)로의 인가 시, 종래의 중파 적외선 방사체들과 비교하여 짧은 시간 후에 최대 온도에 도달되며 추가 가열 공정 동안 본질적으로 일정하게 계속 유지된다. 종래의 중파 적외선 방사체들과 비교하여 반응 시간이 짧은 것은 종이 낭비를 감소시킨다. 또한, 본 발명에 따르는 인쇄기(1)는 발열체들(7)에 대한 공기 냉각의 구현을 필요로 하지 않는다. 이것은 공정 효율을 증가시키는데, 왜냐하면 차가운 냉각 공기가 프린트 기재(3)의 온도를 감소시키며 습기의 소멸을 방해하기 때문이다. 냉각이 없는 발열체들(7)과 습기 운반을 위한 따뜻한 대류 공정 공기의 조합은 현대의 고성능 인쇄기들에서의 인쇄 공정을 최적화한다.
방사율의 측정(measurement of the emissivity)
복합 재료는 고온에서 높은 방사율 및 열방사의 높은 흡수를 나타낸다. 실온에서, 복합 재료의 방사율은 적분구(integrating sphere)를 사용하여 측정된다. 이것은 분광 반구 반사율(spectral hemispherical reflectance) Rgh 및 분광 반구 투과율(spectral hemispherical transmittance) Tgh을 측정하기 위해 사용될 수 있으며, 이로부터 노멀방사율(normal emissivity)이 계산될 수 있다. 상승된 온도에서의 방사율은 BBC 샘플 챔버(sample chamber)가 추가의 광학 시스템에 의해 결합되는 FTIR 분광계(spectrometer)(Bruker IFS 66vFTIR)에 의해 2 내지 18 ㎛ 파장 범위에서 측정되며, 상기 언급된 BBC 측정 원리를 적용한다. 이와 관련하여, 샘플 챔버에는 샘플 홀더의 앞과 뒤에서 반구들 내에는 온도 조절 장치가 설치된 흑체 환경들, 및 검출기를 갖는 빔 출구 개구가 제공된다. 2 mm의 두께를 갖는 측정 샘플들은 분리된 노에서 소정의 온도로 가열되며, 측정을 위해, 소정의 온도로 설정된 흑체 환경들을 갖는 샘플 챔버의 빔 경로로 이송된다. 검출기에 의해 검출된 강도(intensity)는 방출, 반사, 및 투과 부분들로 구성되며, 즉 샘플 자체에 의해 방출된 강도, 정면 반구로부터 샘플에 입사되고 샘플에 의해 반사되는 강도, 및 배면 반구로부터 샘플에 입사되고 샘플에 의해 투과되는 강도. 3개의 측정들이 개별 파라미터들, 즉 방출, 반사, 및 투과의 정도를 결정하기 위해 수행될 필요가 있다.
2 내지 약 4 ㎛ 파장 범위에서 복합 재료에서 측정된 방출의 정도는 온도의 함수이다. 온도가 높아질수록, 방출이 높아진다. 600℃에서, 2 내지 4 ㎛ 파장 범위에서의 노멀방사율(방사도)(normal degree of emission)은 0.7 이상이다. 1000℃에서, 2 내지 8 ㎛ 전체 파장 범위에서의 노멀방사율(방사도)은 0.8 이상이다.
도 4는 동일한 출력에서 석영 유리 피복관(cladding tube) 및 Kanthal®로 제조된 가열 코일을 구비한 종래의 적외선 방사체의 방출 스펙트럼(곡선 B)과 비교한 발열체(7)의 방출 스펙트럼(곡선 A)을 도시한다. 방출 출력 Prel (최대값에 대한 상대값(%로)이 좌측 y축에 표시되며 그리고 파장 λ(nm로)은 x축에 표시된다. 추가적으로, 물의 투과 스펙트럼이 선도에 포함되며(곡선 C), 이에 의해 상대 파라미터 TH2O가 우측 y축에 표시된다.
베이스 바디(20) 상의 인쇄 도체(23)의 온도는 1000℃로 조절된다. Kanthal® 코일을 갖는 기준 방사체는 또한 약 1000℃의 온도에서 작동된다. 타일 형상을 갖는 발열체(7)가 1500 nm에서 약 2000 nm까지의 파장 범위에서 방출 피크를 가지며 이것은 표준 방사체의 방출 프로파일보다 더 좋은 2750 nm에서의 물의 투과 피크에 매칭된다는 것은 분명하다. 동일한 전력 및 동일한 거리에서, 이것은 표준 적외선 방사체와 비교하여 프린트 기재(3)에서 약 25% 더 높은 출력 밀도를 가져온다.
방출된 방사선의 공간적 균질성(균일성)의 측정(measurement of the spatial homogeneity of the emitted radiation)
방출된 방사선의 공간적 균질성은 IEC 62798 (2014)에 따라 테스트 된다. 이 목적을 위해, 적외선 패널 방사체는 테스팅 장치에 설치되며 이동 가능한 테이블에 장착된다. 광출력은 적외선 방사체의 방출 표면으로부터 10 mm의 소정의 작동 거리에서 열전형 감지기(thermoelectric detector)에 의해 검출된다. 조사 강도(irradiation intensity)는 5 mm의 단차들에 있는 수개의 측정 위치들에서 측정된다. 조사 강도는 그것이 샘플의 가운데 근처의 10개의 측정 위치들에서 측정된 최대값으로부터 +/- 5% 이하만큼 변하는 경우 충분히 균질한 것으로 정의된다. 이러한 유형의 측정은 이하에서는 "축방향 측정(axial measurement)"으로 지칭된다.
도 5의 다이어그램은 타일 형상을 갖는 발열체(7)를 사용하여 축방향 측정들의 결과를 도시한다. 표준화된 광출력 L(%로)이 y축에 표시되며, 축들의 원점을 통해 연장되며 발열체(7)의 측방향 치수와 관련된 중심선으로부터 측방향 거리 A(mm로)가 x축에 표시된다.
광출력의 측방향 프로파일은 10 mm의 작동 거리에서 측정된다. 측방향 프로파일은 중심선 주위에 연장된 영역에 걸쳐 거의 100%에서 비교적 균질한다. 이것은 명백한데 왜냐하면 광출력이 중심선 주위에 10개 이상의 측정점들을 갖는 작동 영역에서 최대값(100%)의 95% 이하로 떨어지지 않기 때문이다.
도 6의 다이어그램 (a) 및 (b)는 조사의 균질성 및/또는 강도 및 방사체와 프린트 기재 사이의 거리 사이의 관계뿐만 아니라 수개의 개별 방사체들로 구성된 적외선 패널 방사체(다이어그램 (a))와 본 발명에 따른 인쇄기(1)에서의 사용을 위한 타일 형상을 갖는 발열체(7)(다이어그램 (b)) 사이의 관련 차이들을 개략적으로 도시한다. 균질성(homogeneity) "H" 및 가열 제품에 입사하는 방사 강도(radiation intensity) "I"는, 각각, 방사체와 프린트 기재 사이의 거리 "A" (또한 관련 단위들로)에 대해 다이어그램 (a) 및 (b)의 세로 좌표에서, 관련 단위들로 표시된다. 다이어그램 (a)에서 패널 방사체(71)는 서로 이웃하여 배치되며 그 피복관들이 3개의 원들에 의해 표시되는 다수의 중파 또는 단파 복사 히터들에 의해 나타낸다. 본 발명에 따르는 인쇄기의 타일 형상을 갖는 발열체(7)는 다이어그램 (B)에서 크로스해칭된 직사각형에 의해 표시된다. 타일 형상을 갖는 발열체(7)와 탄소 방사체들의 평면 배치(71)는 이와 관련하여 동일한 전기 연결 부하를 갖는다.
거리 A에 대한 균질성(균일성)(homogeneity) H의 프로파일은 파선 곡선 H에 의해 표시되며 강도 I의 프로파일은 연속 곡선에 의해 표시된다. 따라서, 조사 강도 I는 표준 패널 방사체(71)와 타일 형상 발열체(7)에서 대략 동일한 정도로 거리 A에 따라 감소하지만, 조사의 균질성은 발열체(7)의 경우 대체로 거리 A와 독립적이며, 반면에 그것은 표준 적외선 패널 방사체(71)에서는, 짧은 거리에서, 낮다.
그레이 해칭된 영역은 프린트 기재에서의 허용 가능한 조사 균질성(acceptable irradiation homogeneity)이 명백한 "작동 영역(working area)"을 개략적으로 정의한다. 이러한 균질성은 표준 적외선 패널 방사체(71)에서는 어떤 거리를 유지함에 의해 달성될 수 있지만, 이것은 조사 강도의 상당한 손실과 관련된다는 것이 분명하다. 그에 반해서, 타일 형상 발열체(7)는 방사의 강도가 또한 높은 매우 짧은 거리들에서도 충분히 높은 균질성을 가능하게 한다. 따라서, 발열체(7)는 개별 탄소 방사체들로 제조된 패널 방사체(71)와 비교하여 상당히 개선된 효율을 갖는다.
Claims (9)
- 용매 함유 인쇄용 잉크를 프린트 기재 상으로의 도포를 위한 프린터 어셈블리, 프린트 기재를 프린터 어셈블리에서 프린트 기재를 건조하기 위한 적어도 하나의 적외선 방사체를 포함하는 건조기 유닛으로 이송하기 위한 이송 장치를 갖는 인쇄기에 있어서,
적외선 방사체는 유전체이며 가열될 때 적외선을 방출하는 발열체 물질로 제조되는 평면 발열체로서 설계되며, 건조될 프린트 기재를 향하는 가열면 및 전기 접촉부에 의해 조절 가능한 전류원에 연결되는, 전기 전도성 귀금속 함유 저항체 물질로 제조된 발열도체의 인쇄 도체가 도포되는 접촉면을 포함하는 것을 특징으로 하는 인쇄기. - 제1항에 있어서,
발열체는 플레이트형이며 10 mm 미만의 플레이트 두께를 갖도록 구현되는 것을 특징으로 하는 인쇄기. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
이송 장치는 프린트 기재의 이송을 위한 최대 포맷 폭을 정의하며, 전체 포맷 폭을 가로지르는 조사를 위한 발열체는 서로 독립하여 전기적으로 제어될 수 있는 다수의 발열체 부분들로 구성되는 것을 특징으로 하는 하는 인쇄기. - 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서,
발열체 물질이 비정질 모재 성분 및 반도체 재료 형태의 추가 성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 하는 인쇄기. - 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서,
건조기 유닛은 프린트 기재의 이송 방향으로 차례로 배열된 다수의 발열체들을 포함하는 것을 특징으로 하는 하는 인쇄기. - 제5항에 있어서,
프린트 기재와 발열체들 사이의 사이에 있는 공간으로 공정 공기를 공급하기 위한 장치가 제공되는 것을 특징으로 하는 하는 인쇄기. - 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서,
프린터 어셈블리가 잉크젯 프린트 헤드를 포함하며, 구동 모터가 설치된 적어도 하나의 견인 롤러가 프린트 기재의 이송 방향으로 볼 때 건조기 유닛에서 하류에 배치되는 것을 특징으로 하는 하는 인쇄기. - 제7항에 있어서,
견인 롤러가 냉각 롤러로서 구현되는 것을 특징으로 하는 하는 인쇄기. - 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서,
발열체는 180 kW/m2 초과의 출력 밀도를 달성하기 위해, 바람직하게는 180 kW/m2 내지 265 kW/m2의 범위의 출력 밀도를 달성하기 위해 설계되는 것을 특징으로 하는 하는 인쇄기.
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