UV LED 경화기의 특징

UV LED 경화기는 수천 mw/cm2의 고강도 UV가 조사되고, 열이 거의 발생하지 않는 등 여러가지 장점이 있다. 이를 정리하면 다음과 같다.

UV LED 경화기 장점 요약 No 장 점 세부 내용 1 열변형 제로 열선이 전혀 없으므로 필름 열변형이 전혀 없다 2 초고강도 UV 방사 4000mw/cm2의 초고강도 UV를 방사 하므로 품질 향상과 생산성 향상 3 복합 파장 UV LED 모든 UV LED 경화기는 파장이 365nm 혹은 385nm 등의 단일 파장만 나오는데, SMT의 UV LED 경화기는 세계적으로 유일하게 복합 파장이 나오는 UV LED 경화기이므로 어떤 수지이던지 즉시 경화가 된다 4 기포 발생 획기적인 개선 열이 전혀 발생하지 않으므로 기포 문제가 대부분 해결된다. 5 투과율, 확산 등 품질의 획기적인 개선 열이 전혀 없으므로 제품의 광학적인 품질이 크게 개선된다. 6 황변 방지 황변 방지 황변되는 파장이 안나오므로 황변 문제 획기적으로 개선된다 7 즉시 ON/OFF ON후 즉시 100% 발광하므로 워밍 압/대기 시간 불필요 8 접착력 향상 UV강도가 10-100배 강하므로 접착력이 획기적으로 개선된다 9 수명 40,000시간 Heat Spread 탑재하여 수명 40,000시간 으로 매우 길다 10 경화기 폭 10mm - 세계 최소 폭 세계 최소 폭: 경화기 폭 10mm 로 좁으므로 UV확산이 전혀 없어어 광학필름 생산시 공정수 줄일수 있다. 11 램프 냉각용 닥트설치 불필요 열이 없으므로 램프 냉각용 닥트 설치할 필요 없고, 냉각용 클린 에어도 불필요하다 12 에너지 비용 95% 절약 에너지 비용 : 최대 95% 절약 13 환경 친화적 - No 오존, No 수은, No CO2 No 오존, No 수은, No CO2이므로 환경 친화적이다 14 무한 가변 파워 20-120%로 미세 가변이 매우 쉽다

UV LED 경화기의 장점을 좀더 세부적으로 보면 다음과 같다.


1). 광학필름 열변형 제로
UV LED 경화기는 크기가 1X1mm인 칩이 수십-수백개 모여 에서 수천 mw/cm2의 고강도 UV가 조사되고, 열이 거의 발생하지 않는 등 여러가지 장점이 있다. LED 칩은 설계된 단일 파장만 방사하는 반도체 소자로 되어 있으므로 램프 타입처럼 자기 고유의 파장 이외에 다른 파장은 전혀 방사되지 않고, 설계된 파장만 100% 방사된다.
LED 칩에서 단일 파장만 방사되고 적외선은 전혀 방사되지 않으므로 경화하는 필름에는 열이 전혀 전달되지 않는다.
광학 필름에 열이 전달되지 않으므로 필름의 열변형이 전혀 발생되지 않는다.

2). 4000mw/cm2의 초고강도 UV를 방사
Uv 코팅의 세부 규격, 예를 들면 수지의 uv흡수율, uv개시제의 종류와 량, 색상, 코팅 두께에 따라 다르기는 하지만 대체적으로 uv경화하는 데는 600-1200mJ/cm2의 UV에너지를 필요로 한다. 어떤 코팅액 20미크론으로 코팅시 경화 조건이 800mJ/cm2의 UV에너지가 필요하다면 다음과 같이 uv를 조사할 수 있다.

조건1. 200mw/cm2 X4sec = 800mJ/cm2
조건2. 400mw/cm2 X2sec = 800mJ/cm2
조건3. 600mw/cm2 X1.33sec = 800mJ/cm2
조건4. 800mw/cm2 X1sec = 800mJ/cm2
조건5. 1600mw/cm2 X0.5sec = 800mJ/cm2
상기 조건 1-5번 모두 uv경화 에너지가 같으므로 경화가 잘 이루어진다. 그러나 품질은 1,2번 조건 보다 5번 조건이 월등히 좋다. 뿐만 아니라 생산성은 5번 조건이 1번에 비하면 8배나 빨라진다.
UV LED 경화기는 4000mw/cm2의 초고강도 UV가 방사되므로 품질 향상과 생산성 향상 측면에서 엄청난 이익을 가져온다.

3). 복합 파장 UV LED 경화기
현재 미국, 일본, 독일의 UV LED 경화기는 파장이 365nm 혹은 385nm 등의 단일 파장만 나온다. 단일 파장만 나오는 UV LED 경화기는 현재 사용하고 있는 수지 혹은 접착제와 안맞는 경우가 많은데, SMT에서는 세계적으로 유일하게 복합 파장이 나오는 UV LED 경화기를 개발하여 모든 수지, 잉크, 코팅제, 접착제에 정확히 맞는 파장을 선택하여 사용할 수 있다
SMT를 제외한 세계의 모든 UV LED 경화기는 파장이 365nm 혹은 385nm 등의 단일 파장만 나오므로 UV 수지가 잘 경화되지 않는데 비해, SMT의 UV LED 경화기는 현재 사용하고 있는 수지 혹은 접착제와 모두 매치 된다.

4). 기포 발생 획기적인 개선
휴대폰 키패드 용 uv몰드, 휴대폰 uv코팅에서 경화된 uv수지의 기포는 품질문제를 결정하는 핵심이다. 내부기포, 화산형 기포, 코팅 바닥 기포 등은 가로X세로 1인치 내에 0.1mm 이상의 기포 1개만 있어도 불량으로 처리하는 경우가 많으므로 기술 담당자와 품질관리 담당자는 기포에 대해 거의 노이로제 수준이다.
경화된 uv수지의 기포는 여러가지 요인이 있다.
1. 수지의 조성 - monomer, oligomer의 종류와 량
2. 점도 조절을 위한 솔벤트의 종류와 량 ? 종류별로 증기압이 매우 다르다
3. Uv 경화시 받는 열 ? 가장 중요한 항목이다
4. 코팅제의 충분한 탈기(탈포) ? 용액중 증발하는 기포
5. 모재 표면의 불순물 ? 1미론 크기의 미세 한 크기도 seed로 작용한다
6. 코팅 전후와 IR 구간에서 레벨링 시의 열 이력 ? 코팅전 모재의 온도와 경화직전의 온도 프로파일
7. 작업실의 미세 분진
8. 기타
등 여러가지 원인이 있고, 상기 원인 2가지 이상에서 오는 경우도 많다.
그러나 제품을 uv경화하는 중에 열을 많이 받으므로 monomer, oligomer, 솔벤트가 열을 받고, 그 열이 monomer, oligomer, 솔벤트 등의 휘발분의 증기압을 상승시켜 일부가 증발한다. 휘발분이 미리 증발하여 레벨링 과정에서 완전히 날아가서 표면이 충분히 레벨링되면 내부기포나 화산형 기포 문제는 생기지 않는다.
그러나 레벨링이 끝나고 uv경화하는 동안 다시 열을 많이 받으면 레벨링 과정에서 미처 날아가지 못한 휘발분이 증발하여 일부는 코팅층을 완전히 빠져나가서 화산형 기포의 원인이 되고, 미처 코팅층을 빠져 나가지 못한 기포는 수지 내부에 갇혀 내부기포가 된다.
기포 종류별로 생성 원인, 발생 과정이 이러하므로 uv 경화 공정 중에 받는 열이 기포 발생에 가장 큰 원인이라고 할 수 있다.
UV LED 경화기는 uv경화중에 열이 전혀 발생하지 않으므로 기포 문제가 대부분 해결된다.

5). 광학필름의 투과율, 확산 등 품질의 획기적인 개선
광학필름에서 경화된 uv수지는 빛을 투과, 확산, 굴절시키는 광학계(Optical Media, Optical System)로 작용한다.
Optical System의 시각에서 광학 필름을 보면 투과율, 확산도 등 광학 특성은 LCD에서 매우 중요하다. PET위에 형성된 uv수지 층은 광학 유리와 달리 Tg가 매우 낮고, 작은 열에 의해서도 광학 특성이 변형되기 쉽다. 원래 설계된 값에서 광학 특성이 변경되면 LCD에서
R, G, B, W 등 일정한 파장의 투과율과 확산계수가 변한다. 이러한 광학 특성 변화는 매우 중요한데 이러한 광학 특성은 경화된 수지가 받는 열에 지배를 받고, 이 열은 UV경화하는 동안 UV램프에서 방사되는 열에 기인한다. UV LED 경화기는 이러한 열 문제가 전혀 없으므로 많은 품질 관리의 문제가 해결된다.

6).황변 방지,
고팅 및 접착에 사용되는 uv 경화형 수지는 자외선을 받으면 황변을 일으킨다.
황변된 정도에 따라 다르지만, 일단 황변은 그 제품의 성능과 품질에 결정적인 영향을 미친다 경화된 uv수지가 황변되면 일정한 파장에 대해 투과율, 확산 계수, 굴절율이 달라 지므로 생산된 제품의 성능과 품질에 결정적인 영향을 미치는 것이다,
황변되는 정도는 고팅 및 접착에 사용하는 uv 경화형 수지의 종류와 레스피(Recipe)에 따라 다르고, 자외선의 파장 및 경화중 받는 열에 따라 다르다
결론적으로 요약하면 황변되는 정도는 uv 경화형 수지가 uv경화되는 동안 받는 uv 파장과 경화중 받는 열에 의해 결정된다.
UV LED 경화기는 황변되지 않는 파장을 선택할수 있도, uv경화 하는 동안 열을 전혀 받지 않으므로 황변 문제를 획기적으로 개선할 수 있다.

7). 즉시 ON/OFF - 워밍 압/대기 시간 불필요
UV램프는 off 후 재 점등 시간이 5-10분 걸린다. 램프 점등후 워밍압 되는데 다시 3-5분이 소요된다. 코팅기의 트라블 혹은 후공정 라인에서 트라블 발생시 UV경화기를 OFF시켜야 하고, 필요시 다시 켜야 하는데 OFF후 최소 5-10분 후에 ON해야 램프가 점등된다. 더구나 워밍-압 되는데 3-5분이 소요되므로 5-10분 후에야 UV경화를 할수 있어서 간단한 트라블이 발생해도 최소 7-10분 후에야 생산을 할수 있다,
이에 비해 UV LED는 on-off 스위칭 시간이 10-9 -10-8초로 매우 짧다, 10-9 -10-8는 상첨자로해야 한다.
코팅기에 트라블이 생기면 즉시 UV LED 경화기를 off시키고 트라블이 해결되어 UV경화기를 ON하면 즉시100% 발광되어 즉시 생산을 할수 있다.

8). 접착력 향상 - UV강도가 10-100배 강하므로 접착 신뢰도 향상
Uv 코팅, 인쇄, 접착에서 접착력은 매우 중요하다. UV경화가 잘된 제품이라도 접착력에서 문제가 생기면 모든 제품이 불량으로 이어지는 경우가 많다.
UV경화에서 접착력은 경화도와 별개인 경우가 많다.
접착력은 모재와 경화된 접착제 혹은 코팅층의 각각의 표면에너지에 기인한다.
PET, PI의 표면 에너지는 표면처리 상태와 보관 방법에 따라 다르기는 하지만 25-32mN/m이고, 코팅액 혹은 접착제의 에너지는 36-42mN/m이므로 표면에너지 차이 때문에 경화후 접착력이 나빠서 떨어진다. 코팅액 혹은 잉크의 에너지가 36-42mN/m으로 큰 차이를 보이므로 어떤 종류의 코팅액은 접착력이 좋고, 어떤 코팅액은 접착력이 나쁘다. 그래서 모재를 플라즈마 처리하거나 잉크를 바꾸면 접착력이 개선된다.
이처럼 접착력은 대부분 피착면과 코팅액 혹은 접착제의 에너지 차에 기인하는 것으로 알려져 있다.
그러나 근래에 들어 uv경화시 고강도 uv를 조사하면 접착력이 크게 개선된다는 보고가 많다.
50mW/cm2의 낮은 uv강도로 조사하는 것 보다 500mW/cm2의 높은 uv강도로 경화하면 접착력이 크게 개선되는 경우가 많다. 이에 대한 정확한 메커니즘은 수지와 모재의 구조에 따라 차이가 많으므로 각 케이스에 대한 체계적인 메커니즘 규명이 부족하긴 하지만 실무적으로 접착력을 증가시키는데 500-2000mW/cm2의 고강도 uv가 많이 이용된다.

9). 수명 40,000시간 - Heat Spread 탑재
LED는 입력 electrical power 대비 UV 출력은 약 0.1-8%이고, 70%가 컨버터 손실, 20% 이상이 Junction heat로 변환된다. 소자의 junction에서 발생되는 열은 칩 자체의 온도를 상승시키고, 칩 온도가 상승하면 uv방사 효율이 낮아지는 것은 물론, led 칩의 수명이 급격히 줄어든다. 따라서 칩에서 발생한 열을 어떻게 잘 방출시느냐가 가장 중요하다.
칩의 온도가 45도 이하로 낮게 유지 되어야 원래 설계된 대로 UV를 잘 방사하므로 열을 잘 방출하기 위한 소재의 선택, 방열 기구의 설계가 UV LED 설계에서 가장 중요하다
SMT의 SUV2010-F UV LED 경화기는 칩에서 발생한 열을 Heat Spread를 통하여 즉시 외부로 방출하여 칩 온도가 항상 45도 이하로 낮게 유지되므로 수명이 40,000시간 이상이다. 더구나 작업 공정상 ON/OFF를 자주 반복하는 경우는 램프 타입에서는 워밍-압 시간 때문에 램프를 계속 ON 상태를 유지해야 했으나, UV LED 경화기는 UV조사를 하지 않는 시간 동안은 항상 OFF한다. 칩이 OFF된 때는 칩에서 열이 전혀 발생되지 않으므로 칩이 45도 이하로 유지 된다.
칩의 바닥은 SiC, Si, Sapphire등이 알루미늄 혹은 PCB에 붙어 있다. 알루미늄이나 PCB의 열전달은 전도에 의한 열전달로 열전도도는 150-200W/mK이다. SMT가 UV LED 경화기 용으로 개발한 Heat Spread의 열전도도는 2500-4000W/mK로 열을 순간적으로 냉각수로 전달하므로 칩에서 방출된 열이 즉시 제거되어 칩 온도가 최대 45도 이하로 유지된다.
이러한 초고 열전도도의 Heat Spread는 200W, 400w급의 가로등용 led램프에 채택되어 고와트급 LED램프 성능을 향상 시킨다.
UV LED 경화기는 수명이 40,000시간 이상의 장수명이므로 10-50년 동안 램프를 교체할 필요가 전혀 없이 반영구적이므로 램프 교체에 따른 램프 구매비와 램프 교체비용, 교체시의 작업로스가 전혀 없다.
현재 램프타입 UV경화기 사용시 연간 비용: 20KW4등형 경화기 사용시 램프 교체에 따른 비용은 대략 다음과 같다
1. 램프 구입비 : 30만원*4개*4회/년*10년=4800만원
2. 램프 교체비 : 15만원/일*2명*4회/년*10년=1200만원
3. 램프 교체시 생산 로스 : 1000만원/시간*4회/년*10년=4억원

10). 경화기 폭 10mm - 세계 최소 폭, UV확산 제로
SMT의 SUV2010-F UV LED 경화기는 폭이16mm로 매우 좁다.
uv램프 방식 UV 경화기는 조사 폭이 100-150mm이다. UV램프식 경화기의 조사 폭이 100mm로 넓으면 uv는 조사기의 폭 만큼 확산이 일어난다. 확산된 uv가 평면상의 필름에 조사되는 경우는 조사폭이 넓어도 아무 문제가 없으나, 코팅 롤러 바로 뒤에서 uv를 조사하는 경우에는 심각한 문제가 발생한다.
롤러에 묻어 있는 uv액에 UV가 닿으면 액이 코팅롤러에 경화되어 붙게 되므로 이를 제거하기 위해서 많은 시간이 소요되며, 특히 프리즘 시트, MLF, 복합시트 등의 광학필름 생산시에는 UV가 코팅 롤러 바로 뒤에서 10mm로 접게 조사되면 생산 공정을 대폭적으로 줄여 생산성을 획기적으로 줄일 수 있다.

11). 램프 냉각용 닥트설치비 제로, 클린 에어 생산비용 제로
uv램프 방식 UV 경화기는 램프 1등이 대략 10-30 KW이고 UV램프를 대략 4-12등 사용한다.
20 KW UV램프를 6등 사용한다고 가정하는 경우에도 UV에너지 기준으로 UV LED 경화기 1대만 사용하면 UV 경화가 잘 된다.
20 KW UV램프를 6등형 사용하는 UV경화기를 운전할 경우 총 발열량은
총 발열량 = 20 KW X 6등X 80%=96KW 가 된다.
96KW의 열을 제거하기 위해 약 300m3/min = 18,000m3/h의 냉각용 공기를 uv경화기에 공급하면서 더워진 공기는 다시 블로어로 제거해 줘야 한다. 물론 작업장이 클린룸 안이라면 냉각용 공기는 당연히 헤파필터로 0.1미크론 까지 정제된 공기여야 한다. 한다.
헤파필터로 정제된 냉각 공기 300m3/min의 생산비는 대략 20KW/h X 24h/D X 60\/KWH = 28.800\/D이다. 공급된 냉각 공기 300m3/min를 배기해서 버리는데도 약 28.800\/D의 전력비가 든다
20 KW UV램프 6등형 사용하는 UV경화기를 사용할 경우, 1년 동안의 냉각 공기용 전력비가 28.800\/D X2(클린에어생산과 배기) X360일 = 2080만원의 전력비를 냉각 공기의 전력비로 지출해야 한다. 뿐만 아니라 설비 도입 초기에 냉각용 닥트와 공조 설비에 수천만원이 들어간다.
SMT의 UV LED 경화기를 사용하는 경우 냉각용 에어가 전혀 불필요하므로 공조설비비 투자와 운전에 필요한 전력비, 헤파필터 교체비가 전혀 불필요하다.

12). 에너지 비용 : 최대 95% 절약
앞에서 본 광학용 필름 생산에 20 KW UV램프를 6등 사용하는 경우 총 전력비는
= 20 KW X 6등 = 120KWH이다. 동일한 광학용 필름 생산에 UV LED 경화기를 사용하는 경우 전력비는 768W로서 120KWH 대비 5.3%만 필요하므로 에너지가 획기적으로 절감됨은 물론 이로 인한 CO2배출권을 판매하여 얻는 이익도 막대하다.

13). 환경 친화적 - No 오존, No 수은, No CO2
UV LED경화기는 365nm 혹은 385nm단일 파장만 나오므로 램프를 초기에 점등할 때 나오는 185nm가 전혀 나오지 않고 이에 따라 오존이 전혀 발생하지 않으므로 친 환경적이다.
한편 UV 램프식 경화기와 달리 수은을 전혀 사용하지 않으므로 램프가 깨어져서 발생하는 작업장의 수은 오염이 전혀 없다.
뿐만 아니라 소비 전력이 약 5% 수준에 불과하므로 CO2배출이 90%이상 줄어드는데 따른 이익이 크다.

14). 무한 가변 파워 : 20-120%로 미세 가변이 용이
UV 램프 타입 uv 경화기는 uv량을 80W/cm , 100W/cm , 120W/cm의 3단계로 조절하는데 비해 UV LED경화기는 콘트롤러에서 인가 전압 전류를 임의로 셋팅하기가 매우 쉽고, 설정 범위도 1%의 Resolution으로 임의 조절이 간단하다.

용도
LCD 패널, 광학 필름, 프리즘 시트, MLF, 복합시트, OLED, CD, 리드 프레임 CD, PE/PP/AC필름, 키패드용 UV몰드, RFID인쇄, 태양광 발전(Photo Voltaic) 산업용 대형 UV 프린터, 사무용 소형 UV 프린터. 실크인쇄, 스크린인쇄 복합유리제조, 자동차 부품, 전선 연접기, 열전사지


UV LED 와 UV LAMP 방식 비교

구 분	UV LED 방식	기존 UV LAMP 방식
광 출력	100mW/cm2~4000mW/cm2	30mW/cm2~200mw/cm2
UV 파장	365nm, 385nm 단일 파장 혹은 365nm, 385nm 복합 파장	254nm~1000nm혼합파장 (365nm10~17%)
광원수명	40,000시간 이상 ON/OFF사용시 120,000시간	1,000시간
방사 면적	10x25mm ~ 50x 2400mm	100-2000 mm
소비전력	16-768W/모듈	1-29.6KW /Lamp
열변형	- 전혀 없다(최대 +5℃)	- 매우 심하다(+100℃)
장 단점	- 파장 별 선택적 광 출력 가능 - 원하는 파장의 uv만 출력 - ON.OFF 지연시간이 없다 - 자유로운 광 출력량 조절    (20-120%) - 조시유닛의 크기가 매우 작다 - 별도의 배기 장치 전혀 불필요 - 초기 투자금액이 크다	- 파장 선택폭이 전혀 없음 - 총 출력대비 UV10~20%, IR 은70~80%의    저효율 - NO,OFF시간이 3분 ~10분이 필요 - 광 출력의 조절이 어려움    (50-75%-100% 3단계) - 조사유닛 의 크기가 크고 무겁다 - 냉각용 헤파 필터드 에어 소모량이    많으므로 별도의 배기 라인을 설치해야    하고, 냉각수등이 필요 - 초기투자 금액이 저렴하다