KR20140035145A - 엘이디를 이용한 자외선 스팟 경화기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자외선 경화기에 관한 것으로서, 특히, 엘이디로부터 방출된 광을, 세 개의 렌즈를 이용하여 스팟 형태의 빔으로 변경시킬 수 있는, 엘이디를 이용한 자외선 스팟 경화기를 제공하는 것을 기술적 과제로 한다. 이를 위해 본 발명에 따른 엘이디를 이용한 자외선 스팟 경화기는, 엘이디(LED)로 구성되며, 자외선 스팟 경화 시스템의 제어기로부터 전송되어온 제어신호에 따라 자외선을 출력하는 발광모듈; 상기 발광모듈의 상단에 장착되어 있는 제1렌즈; 상기 제1렌즈 상단에 상기 제1렌즈와 일정한 간격을 두고 장착되어 있는 제2렌즈; 및 상기 제2렌즈 상단에 상기 제2렌즈와 일정한 간격을 두고 장착되어 있는 제3렌즈를 포함한다.

Description

엘이디를 이용한 자외선 스팟 경화기{ULTRA VIOLET SPOT CURE APPARATUS USING A LED}

본 발명은 자외선 경화기에 관한 것으로서, 특히, 엘이디를 이용한 자외선 스팟 경화기에 관한 것이다.

자외선도료는 환경친화성과 경제성 그리고 작업성 및 생산성의 향상과, 에너지의 절감 효과 등으로 점차 그 사용이 증가 되고 있다. 이러한 자외선도료는 자외선(UV : Ultra Violet) 경화형 재료라는 특징을 가지고 있다. 즉, 자외선도료는 자외선(100~400nm)의 에너지에 의해 광화학반응을 일으켜, 액상으로부터 고상으로 경화하는 재료를 의미한다.

자외선 도료는 자외선 경화기와의 관계에 따라, 반응시간 및 도막의 물성이 달라지는 특성을 지니게 된다. 이러한 자외선도료 및 자외선 경화기는 대형 가구 및 마루바닥재의 제조뿐만 아니라, 반도체 및 휴대폰과 같은 가전제품의 제조 등에도 널리 이용되고 있다.

자외선 경화기는 라인 형태의 빔을 조사할 수 있는 형태로 구성될 수도 있으며, 스팟(Spot) 형태의 빔을 조사할 수 있는 형태로 구성될 수도 있다.

스팟 형태의 빔을 조사할 수 있는, 종래의 자외선 스팟 경화기는 다음과 같은 문제점을 가지고 있다.

첫째, 종래의 자외선 스팟 경화기는, 수은 중압램프에 반사판을 이용하여 광파이버에 빛을 전달하여, 자외선(UV) 빔을 조사한다. 따라서, 종래의 자외선 스팟 경화기는 광 손실이 많고, 또한 광조사강도가 30W/㎠ ~ 120mW/㎠로 매우 낮아, 최종 경화제품이 경화하는데 2분 이상 소요된다.

둘째, 종래의 자외선 스팟 경화기는, 과도한 열방출로 인한 경화제품의 변형 및 작업환경의 위험성이 증가가 발생하므로 이를 방지하기 위해 충분한 냉각시스템을 구성해야 하므로, 추가비용이 발생한다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 엘이디로부터 방출된 광을, 세 개의 렌즈를 이용하여 스팟 형태의 빔으로 변경시킬 수 있는, 엘이디를 이용한 자외선 스팟 경화기를 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.

상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 엘이디를 이용한 자외선 스팟 경화기는, 엘이디(LED)로 구성되며, 자외선 스팟 경화 시스템의 제어기로부터 전송되어온 제어신호에 따라 자외선을 출력하는 발광모듈; 상기 발광모듈의 상단에 장착되어 있는 제1렌즈; 상기 제1렌즈 상단에 상기 제1렌즈와 일정한 간격을 두고 장착되어 있는 제2렌즈; 및 상기 제2렌즈 상단에 상기 제2렌즈와 일정한 간격을 두고 장착되어 있는 제3렌즈를 포함한다.

본 발명은 엘이디로부터 방출된 광을, 세 개의 렌즈를 이용하여 스팟 형태의 빔으로 변경시킴으로써, 신속하게 자외선도료를 경화시킬 수 있어 경화제품의 생산효율을 증가시킬 수 있으며, 친환경생산라인 구축과 원가절감 등을 향상시킬 수 있다는 효과를 제공한다.

도 1은 본 발명에 따른 엘이디를 이용한 자외선 스팟 경화기와 이를 제어하기 위한 제어기의 외형을 나타낸 사시도.
도 2는 본 발명에 따른 엘이디를 이용한 자외선 스팟 경화기의 내부 구성을 나타낸 예시도.
도 3은 본 발명에 따른 엘이디를 이용한 자외선 스팟 경화기의 헤드부를 상세히 나타낸 예시도.
도 4는 본 발명에 따른 엘이디를 이용한 자외선 스팟 경화기에 적용되는 렌즈들의 형태를 나타낸 예시도.
도 5는 본 발명에 따른 엘이디를 이용한 자외선 스팟 경화기에 의해 자외선이 출력되고 있는 상태를 나타낸 예시도.
도 6은 본 발명에 따른 엘이디를 이용한 자외선 스팟 경화기의 특성을 설명하기 위한 시뮬레이션 결과를 나타낸 예시도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 대해 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 엘이디를 이용한 자외선 스팟 경화기와 이를 제어하기 위한 제어기의 외형을 나타낸 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 엘이디를 이용한 자외선 스팟 경화기의 내부 구성을 나타낸 예시도이고, 도 3은 본 발명에 따른 엘이디를 이용한 자외선 스팟 경화기의 헤드부를 상세히 나타낸 예시도이고, 도 4는 본 발명에 따른 엘이디를 이용한 자외선 스팟 경화기에 적용되는 렌즈들의 형태를 나타낸 예시도이고, 도 5는 본 발명에 따른 엘이디를 이용한 자외선 스팟 경화기에 의해 자외선이 출력되고 있는 상태를 나타낸 예시도이며, 도 6은 본 발명에 따른 엘이디를 이용한 자외선 스팟 경화기의 특성을 설명하기 위한 시뮬레이션 결과를 나타낸 예시도이다.

본 발명에 따른 엘이디를 이용한 자외선 스팟 경화기(400)는, 자외선도료가 도포되어 있는 제품의 표면에 자외선을 출력시켜, 자외선도료를 경화시키는 것으로서, 도 1에 도시된 바와 같이, 제어기(300)의 제어에 따라 구동된다.

제어기(300)는 다양한 버튼 및 디스플레이로 구성되어 있다. 사용자가 상기 버튼을 이용하여 스팟 경화기(400)의 구동을 시작하면, 제어기(300)로부터 상기 스팟 경화기(400)로 전원이 공급된다. 이에 따라, 스팟 경화기(400)는 자외선을 방출시켜, 자외선도료를 경화시킨다.

본 발명에 따른 엘이디를 이용한 자외선 스팟 경화기(400)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 방열부(200) 및 헤드부(100)로 구성된다.

우선, 상기 헤드부(100)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 엘이디(LED)로 구성되며, 자외선 스팟 경화 시스템의 제어기(300)로부터 전송되어온 제어신호에 따라 자외선을 출력하는 발광모듈(140), 상기 발광모듈(140)의 상단에 장착되어 있는 제1렌즈(110), 상기 제1렌즈(110) 상단에 상기 제1렌즈(110)와 일정한 간격을 두고 장착되어 있는 제2렌즈(120) 및 상기 제2렌즈(120) 상단에 상기 제2렌즈(120)와 일정한 간격을 두고 장착되어 있는 제3렌즈(130)를 포함한다.

상기 발광모듈(140)은 상기 제어기(300)로부터 전송되어온 구동신호 및 전원에 의해 구동되어 자외선을 출력한다. 상기 발광모듈(140)의 광원으로부터는 자체적으로 UV 365nm, 385nm 등의 특정 파장만이 출력된다. 상기 발광모듈(140)을 구성하는 엘이디는, 순방향으로는 전기를 통하게 하고 역방향으로는 전기가 통하지 않게 하는 반도체 소자의 일종으로서, 반도체의 P-N 접합구조를 이용하여 주입된 소수캐리어(전자, 양공)의 재결합에 의하여 발광한다. 즉, LED는 순방향으로 일정 전압이 인가되었을 때 빛을 발산하는 것으로서, 종래의 램프에 비해 소형이고, 수명이 길며 전기 에너지가 빛 에너지로 직접 변하기 때문에 발광효율이 높다는 특징을 가지고 있다. 또한, 엘이디는 가격경쟁력이 있고 발광 효율이 높다는 특징을 가지고 있다. 한편, 상기 엘이디의 파장은 자외선 도료의 특성 및 경화 정도 등에 따라 다양하게 변경될 수 있다. 상기 발광모듈(140)과 상기 제어기(300) 간에는 PWM 및 RS232 통신을 통해 각종 제어신호가 송수신될 수 있다.

상기 제1렌즈(110)는 상기 발광모듈(140)로부터 출력된 자외선을 최대한 수렴시키는 기능을 수행한다. 이를 위해, 상기 제1렌즈(110)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 볼록면을 갖는 집광렌즈로 형성된다.

즉, 상기 제1렌즈는 상기 발광모듈로부터 출력된 지향각이 큰 자외선 광의 각도를 최소화시켜, 광을 모아주는 기능을 수행한다. 즉, 상기 제1렌즈는, 상기 발광모듈로부터 출력된 광이 퍼져서 광 손실이 발생되는 현상을 방지하는 기능을 수행한다.

상기 제2렌즈(120)는 상기 제1렌즈(110)를 통해 수렴한 광이 기 설정된 발산각을 갖도록 상기 광을 굴절시키는 기능을 수행한다. 이를 위해 상기 제2렌즈(120)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 입사면은 볼록렌즈로 형성되고, 출사면은 비구면으로 형성된 집광렌즈로 형성된다.

즉, 상기 제2렌즈는 상기 제1렌즈를 통해 전달된 광을, 목표점에 수렴시키는 역할을 수행한다.

상기 제3렌즈(130)는 상기 제2렌즈(120)를 통해 출력된 광을 스팟형 빔으로 변경시키는 기능을 수행한다. 이를 위해 상기 제3렌즈(130)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 양면이 볼록한 형태로 형성되고, 양면의 곡률이 다른 집광렌즈로 형성된다.

즉, 상기 제3렌즈는 상기 제2렌즈를 통해 목표점으로 수렴된 광을, 최대 조사강도를 갖는 스팟형 빔으로 변경시키는 기능을 수행한다. 이를 위해, 상기 제3렌즈는, 최종 결상점의 상흐림을 최소화하여 수차를 제거하는 기능을 수행한다.

특히, 상기 제3렌즈(130)는, 상기 제3렌즈(130)의 광축을 기준으로, 상기 광축에 수직인 면 상에 위치하는 X축 방향의 초점거리의 비가 1: 2: 4인 집광렌즈로 형성될 수 있다.

즉, 상기 발광모듈로부터 상기 제1렌즈, 제2렌즈, 제3렌즈의 중심을 관통하는 광축을 기준으로, 상기 발광모듈로부터 각 제1렌즈, 제2렌즈, 제3렌즈의 중심 수직면 상까지의 각 거리의 비가 1: 2: 4인 것이 바람직하다.

여기서, 상기 발광모듈(광원)과 상기 각 렌즈간의 거리 비율비 1:2:4 이어야 하는 이유는, 각 렌즈들이 상기한 바와 같은 거리 비율에 있을 때, 광의 효율이 최대로 나타나기 때문이다. 즉, 상기 거리 비율은, 광학계 근축 설계에 따른 위치 선정에 의한 것이다. 부연 설명하면, 상기 각 렌즈에 대해 수차제거를 수행하고, 각 렌즈 초점거리를 최적화하면 상기한 바와 같은 비율이 나온다.

한편, 상기 렌즈들의 각 곡률 및 각도를 최적화하지 않으면 광학수차가 발생하여 최종 빔의 세기 및 광효율이 떨어진다. 이런 단점들을 보완하기 위해, 본 발명에서는 각 렌즈들의 곡률반경을 도 4에 도시된 바와 같은 형태로 수치화시키고 있다.

상가 제1렌즈(110)와 상기 제2렌즈(120)는 제1고정부(160)에 의해 고정되어 있다. 이를 위해, 상기 제1고정부(160)의 내주면에는 상기 제1렌즈(110)를 지지하기 위한 제1지지부(170) 및 상기 제2렌즈(120)를 지지하기 위한 제2지지부(180)가 형성되어 있다.

상기 제3렌즈(130)는 제2고정부(190)에 의해 고정되어 있다. 이를 위해, 상기 제3고정부(190)의 내주면에는 상기 제3렌즈(130)를 지지하기 위한 제3지지부(150)가 형성되어 있다.

상기 제2고정부(190)는 나사홈을 통해 상기 제1고정부(170)에 체결된다. 즉, 상기 제1고정부(170)의 외주면(또는 내주면)과, 상기 제2고정부(190)의 내주면(또는 외주면) 각각에는, 도 3에 도시된 바와 같이, 서로 대응되는 나사홈이 형성되어 있어서, 상기 제1고정부(170)와 상기 제2고정부(190)를 회전시키면, 상기 제1고정부(170)와 상기 제2고정부(190)가 체결될 수 있다.

여기서, 상기 제2고정부(190)가 상기 나사홈을 통해 상기 제1고정부(170)의 내주면 또는 외주면을 회전하는 것에 의해, 상기 제3렌즈(130)와 상기 제2렌즈(120) 사이의 거리가 조정되어 경화조사거리가 가변될 수 있다.

상기한 바와 같은 헤드부(100)의 구성에 의해, 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명은 광학적으로 원하는 초점거리를 조정할 수 있고, 경화 타겟면에 빔형태로 광을 모아주어 아주 높은 조사강도를 출력할 수 있으며, 빔의 균일도를 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명은 2초 이내에 경화를 완료시킬 수 있으며, 고객이 원하는 경화 거리 등을 자유롭게 구현할 수 있다.

다음, 방열부(200)는 상기 헤드부(100)에 연결되어 상기 헤드부(100)로부터 발생된 열을 방출시키는 기능을 수행한다.

이를 위해, 상기 헤드부(100) 중 상기 발광모듈(140)의 하단에는, 상기 제1고정부(170)에 의해 고정되어 있는 공랭식 형태의 방열부(200) 또는 수냉식 형태의 방열부(200)가, 접촉되어 있다.

상기 방열부(200)의 내부에는 열방출을 위해 원기둥 형태로 홀이 형성되어 있으며, 상기 방열부(200) 전체는 원통형의 방열핀으로 형성될 수 있다.

즉, 상기 방열부(200)는 상기 발광모듈(140)의 엘이디(LED)에 의해 발생되어 상기 엘이디를 지지하고 있는 기판으로 전달되어온 열을 외부로 방출시키기 위한 것으로서, 공랭식 또는 수냉식으로 형성될 수 있다. 이러한 공랭식 방열부는, 커버와 일체로 형성될 수 있다. 수냉식 방열부는 차가운 냉매가 흐를 수 있는 관이 내부에 형성되어 있다.

부연하여 설명하면, 상기 방열부(200)는, 상기 발광모듈(140)의 UV 발광다이오드가 어레이 된 메탈PCB 모듈(Module) 밑에 접합된 수냉식 또는 공랭식 일체형 방열구조로 방열효과를 최적화하여, UV 발광다이오드의 수명연장과 경화세기를 일정하게 유지시키는 기능을 수행할 수 있다.

상기한 바와 같은 본 발명에 따른 엘이디를 이용한 자외선 스팟 경화기(400)의 특징을 정리하면 다음과 같다.

본 발명은 광조사강도가 6000mW/㎠이상 조사되어, 1초 안에 경화가 가능하여 생산 효율을 높일 수 있다.

종래의 엘이디를 이용한 자외선 스팟 경화기는, 렌즈 12mm 적용 시 광조사강도가 600 ~ 700mW/㎠ 정도 측정되지만, 본 발명은 동일 크기 렌즈 광학계를 적용하여 광조사강도가 3000mW/㎠ ∼ 6000mW/㎠로 초고속 경화 구현을 크게 개선하였다. 따라서, 본 발명은 경화제품의 생산효율의 증가 및 친환경생산라인 구축, 원가절감 등을 향상시킬 수 있다. 본 발명의 시뮬레이션 결과는 도 6에 도시되어 있다. 즉, 도 6은 빔 경화거리에 따른 광조사강도 분포를 나타낸 것이다.

본 발명은 경화제품의 변형을 미리 방지할 수 있고, 작업환경을 개선시킬 수 있으며, 시스템을 매우 작고 효율적으로 구성하여 생산 공정원가를 10%이상 절감시킬 수 있다.

본 발명은 열변형이나 생산성 향상, 품질 향상 등의 문제들을 해결할 수 있다.

본 발명은 종래의 램프를 이용한 자외선 스팟 경화기(UV Lamp Spot)의 단점들을 보완할 뿐만 아니라, 광조사 강도가 3000mW/㎠ 이상 조사되어, 2초 안에 경화가 가능하여 생산 효율을 높일 수 있으며, 자외선도료가 경화되지 않는 문제를 해결할 수 있다.

본 발명은 광학계 3매 렌즈를 구성하여, 자외선(UV) 에너지를 광학적으로 효율적으로 모아줄 수 있으며, 원하는 형태의 빔을 만들어 낼 수 있다.

핸드폰 조립 공정 중 가장 까다로운 공정 중의 하나인 마이크로 스피커 접착은, 기계적인 음향을 배제하기 위해 매우 튼튼하며 유연성있게 플라스틱과 메탈을 접착시켜야 하는 아주 정밀한 공정이다. 본 발명은 이러한 정밀 공정에 이용될 수 있다.

자외선(UV) 경화기를 사용하는 산업계 중에서, PP, PE, PVC, PET, 광학필름 등 열변형 및 온도에 민감한 광학용 필름 제조공정은, 단 1℃라도 낮추는 것이 제품 품질과 생산성을 결정하므로, 본 발명은 이런 제조 공정에 적용될 수 있다.

또한, 본 발명은 내시경의 제조 및 수리에 사용될 수도 있다. 본 발명에 의한 자외선(UV) 접착은 내시경 카메라의 엔드실링 접착 및 광학 접착 그리고 프리즘에도 사용될 수 있다. 내시경의 수리는 주로 스페셜한 작업으로서, 고도의 레벨을 요구하는 코팅에 주로 사용되는 내시경 커버수리에도 본 발명은 사용될 수 있다.

본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.　 그러므로, 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100 : 헤드부 200 : 방열부
300 : 제어기
400 : 엘이디를 이용한 자외선 스팟 경화기

Claims (10)

1. 엘이디(LED)로 구성되며, 자외선 스팟 경화 시스템의 제어기로부터 전송되어온 제어신호에 따라 자외선을 출력하는 발광모듈;
   상기 발광모듈의 상단에 장착되어 있는 제1렌즈;
   상기 제1렌즈 상단에 상기 제1렌즈와 일정한 간격을 두고 장착되어 있는 제2렌즈; 및
   상기 제2렌즈 상단에 상기 제2렌즈와 일정한 간격을 두고 장착되어 있는 제3렌즈를 포함하는 엘이디를 이용한 자외선 스팟 경화기.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 제1렌즈는, 상기 발광모듈로부터 출력된 상기 자외선을 일정한 방향으로 모아주고,
   상기 제2렌즈는, 상기 제1렌즈를 통해 전달된 상기 자외선을 목표점에 수렴시키며,
   상기 제3렌즈는, 상기 제2렌즈를 통해 상기 목표점으로 수렴된 광을, 스팟형 빔으로 변경시키는 것을 특징으로 하는 엘이디를 이용한 자외선 스팟 경화기.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 제1렌즈는 볼록면을 갖는 집광렌즈로 형성되고,
   상기 제2렌즈는 입사면은 볼록렌즈로 형성되고, 출사면은 비구면으로 형성된 집광렌즈로 형성되며,
   상기 제3렌즈는 양면이 볼록한 형태로 형성되고, 양면의 곡률이 다른 집광렌즈로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 엘이디를 이용한 자외선 스팟 경화기.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 발광모듈로부터 상기 제1렌즈, 제2렌즈, 제3렌즈의 중심을 관통하는 광축을 기준으로, 상기 발광모듈로부터 각 제1렌즈, 제2렌즈, 제3렌즈의 중심 수직면 상까지의 각 거리의 비가 1: 2: 4인 것을 특징으로 하는 엘이디를 이용한 자외선 스팟 경화기.
5. 제 2 항에 있어서,
   상가 제1렌즈와 상기 제2렌즈는 제1고정부에 의해 고정되어 있고,
   상기 제3렌즈는 제2고정부에 의해 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 엘이디를 이용한 자외선 스팟 경화기.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 제2고정부는 나사홈을 통해 상기 제1고정부에 체결되는 것을 특징으로 하는 엘이디를 이용한 자외선 스팟 경화기.
7. 제 5 항에 있어서,
   상기 제2고정부가 상기 나사홈을 통해 상기 제1고정부의 내주면 또는 외주면을 회전하는 것에 의해, 상기 제3렌즈와 상기 제2렌즈 사이의 거리가 조정되어 경화조사거리가 가변될 수 있는 것을 특징으로 하는 엘이디를 이용한 자외선 스팟 경화기.
8. 제 5 항에 있어서,
   상기 발광모듈의 하단에는, 상기 제1고정부에 의해 고정되어 있는 공랭식 형태의 방열부가, 접촉되어 있는 것을 특징으로 하는 엘이디를 이용한 자외선 스팟 경화기.
9. 제 7 항에 있어서,
   상기 방열부의 내부에는 열방출을 위해 원기둥 형태로 홀이 형성되어 있으며, 상기 방열부 전체는 원통형의 방열핀으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 엘이디를 이용한 자외선 스팟 경화기.
10. 제 5 항에 있어서,
    상기 발광모듈의 하단에는, 상기 제1고정부에 의해 고정되어 있는 수냉식 형태의 방열부가, 접촉되어 있는 것을 특징으로 하는 엘이디를 이용한 자외선 스팟 경화기.

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