UV テクニカルガイド

紫外線応用の基礎知識

1. 紫外線とは

光は電磁波の一種で、波長によって性質、作用が異なります。波長の短い方から順にガンマ線、X 線、紫外線、可視光線、赤外線と分類され、可視光線よりも波長の短いものが紫外線です。紫外線(UV) の中でも、波長の長いほうからA・B・C と大別されています。
紫外線は可視光線よりも波長が短い光の総称であり、およそ1 ～ 400nm の波長を持つ電磁波です（一般的には特に100 ～ 400nm の波長域を指します）。
100 ～ 280nm の「短波長（UV-C）」、280 ～ 315nm の「中波長（UV-B）」、315 ～ 400nm の「長波長（UV-A）」の3 種類に分類されます。

紫外線とは波長100〜400nmの電磁波で、可視光線より短く、X線より長い領域に位置します。太陽光や水銀ランプなどに含まれ、化学反応を起こしやすい性質を持つため、殺菌・硬化・表面処理・分析など多くの技術分野で利用されています。

2. UVランプとUV-LEDの波長

UV-LED は従来のランプの発光時に含まれる必要波長域以外の紫外線や赤外線（熱線）が少なく、生産プロセスでの影響が軽減されます。
必要な波長のみをエネルギーに変換するという特徴により、電力消費量、CO2 削減へとつながり、あらゆる分野へ活躍の場を広げています。

3.紫外(UV) 硬化の原理

一般的に紫外線硬化剤はモノマー・オリゴマー（プレポリマー）・光重合開始剤等で構成され、紫外線を照射することにより光重合開始剤が励起され、モノマーやオリゴマーと重合します。これを「光重合反応」といいます。
光重合反応によって紫外線硬化樹脂は固体に変化します。
この化学反応は光を利用した技術で、熱による乾燥とは基本的に異なるものです。
UV 硬化は、数秒で樹脂が硬化し、乾燥のための長時間の熱エネルギー消費を抑えられ、無溶剤化も可能なため、環境汚染物質(VOC) の発生を抑えることができる地球環境にやさしい優れた製造プロセスを構築できます。

4. LED紫外線（UV）硬化のメリット

	UVランプ	UV-LED
■メンテナンスコスト	寿命が約1,000時間と短く、管理コストの負担が大きい。	寿命が20,000時間と長寿命のため、ランプ交換の管理コストが少ない。
■設計の自由度	ランプ形状が画一的でワークに合わせた設計ができない。	UV-LEDの配置をワークに合わせて設計できるため、自由度が極めて高い。
■安定性	点灯開始から光量が安定するまでに長いウォームアップ時間が必要。	極めて短いウォームアップ時間で安定した照射が可能。
■点灯 / 消灯の応答性	ランプ点灯状態での機械的なシャッターの動作に照射の遮断のため、遅い。	電気的なON/OFF制御で応答速度は100ms以下と速い。
■分光特性	波長領域が広いため、必要とする波長以外にも様々な波長を含む。	波長領域が狭い必要な波長のみを選択できる。
■ワークへの熱の影響	ランプから熱源となる赤外線が発生するため、ワークへの熱影響が大きい。	波長領域が狭く、赤外線を含まないため、ワークへの熱影響が少ない。
■省スペース	オゾンを発生させる恐れがある波長を含むため、ダクト設備が必要になり、設備構造が複雑で大規模になる。	オゾン発生の心配が無いため、ダクト設備は不要で小規模になる。
■省エネルギー	発光時の発熱が多く、常時点灯のため、消費電力が高い。	発光時の発熱が少なく、必要な時だけ高速でON/OFFできるため、UVランプと比べて消費電力は約70～80%削減できる。
■環境負荷	水銀を含む構造のため、ランプ製造工程、使用後の廃棄時の環境負荷が高い。	水銀を含まない構造で、RoHS指令に対応しており、環境負荷が極めて低い。

5. 紫外線の用途

紫外線硬化技術は、塗装・塗料、ハードコーティング、電子部品・光学部品などの精密部品の接着、液晶パネルの貼り合わせ、印刷全般などのあらゆる分野の生産現場で活用されています。

印刷

インクジェット印刷、スクリーン印刷
フレキソ印刷、壁材用装飾紙印刷
ラベル印刷、金属印刷、ラベル印刷

接着

FPD（ガラス、フィルム）の貼り合わせ
スマートフォンの貼り合わせ
カメラモジュールのレンズ接着
医療機器の接着

塗装

自動車部品のハードコート
金属の防汚塗装、レンズのハードコート
建築材の塗装

コーティング

電子基板の表面コーティング
光学フィルムのコーティング
フィルムラミネート加工

洗浄・改質

光触媒、光還元、光洗浄
樹脂改質・半導体エッチングの洗浄

実験・研究

UV硬化樹脂開発、光触媒材料
活性評価試験、蛍光発光解析
医療機器開発、各種波長照射評価

UV硬化のしくみ

1. UV硬化の用途

UV硬化(UV Curing)とは

UV硬化とは、紫外線硬化樹脂などに紫外線を照射することにより重合反応が起き液体が固体になるプロセスを指します。
UV硬化は現在の産業界において必要不可欠な基礎技術としていろいろな分野で利用されています。

UV硬化の用途

・UV接着、粘着材、光学レンズ、ラミネート
・表面コーティング（合板、鋼板、プラスチック部品など）
・半導体製造工程におけるレジスト
・UVインクの乾燥(硬化)、電子部品への印字硬化
・歯科材料、３D光造形
・液晶フィルムディスプレイ基板、カバーガラスなどの接着

UV硬化のメリット

・熱乾燥処理が不要なため乾燥のための設備スペースが不要。
・硬化するまでが数秒と高速で製造ラインのボトルネックになりにくい。
・ワークへの熱ダメージが低減できる。
・硬化時に発生する揮発性有害物質(VOC)が発生しない。
・体積変化が極めて少ないので精密部品の接着に有効。

2. 紫外線で固まる理由

UV硬化の仕組み

照射された紫外線により化学反応が起こり、「液体→ゲル状→固体」と変化します。この時に起こる反応を重合反応といいます。
重合反応とはモノマー（単量体）やポリマー（重合体）を反応させて繋ぎ合わせ、目的のポリマーを合成する化学反応のことをいいます。
元となるモノマーやポリマー、目的とするポリマーの種類や形状により、様々な重合方法が存在します。

モノマー

モノマーが
数十個結合すると
オリゴマーとなる

オリゴマー

更に数百個以上
結合することで
ポリマーとなる

ポリマー

紫外線硬化樹脂

紫外線硬化樹脂は一般的にプレポリマー、モノマー、光重合開始剤、添加剤で構成されており、以下の役割を持ってます。
そのため、照射装置（光源）と紫外線硬化樹脂（プレポリマー、モノマー、光重合開始剤、添加剤）を正しく組み合わせることが重要です。

プレポリマー	紫外線（UV）硬化樹脂の主成分
モノマー	樹脂の粘度調整をする反応希釈剤
光重合開始剤	紫外線を照射されると光重合結合反応を開始する化合物
添加物	充填剤・着色剤・チクソ剤

3. ランプ光源とLED光源

紫外線照射によるUV硬化のための光源として、これまでは水銀ランプ、高圧水銀ランプ、メタルハライドランプなどが主流でしたが、
近年、低消費電力・長寿命であるLED光源が採用されるケースが非常に増えています。

	LED光源の性質	ランプ光源（非LED）
消費電力	低	高
発熱	少ない	多い
波長域	狭い	広い（ブロード）
点灯制御	ミリ秒単位の点灯・消灯の切り替え制御が出来、細かな調光も可能	電気的な細かい制御が出来ないため点灯・消灯の切り替えに時間がかかる
寿命	寿命が長いため、交換頻度が低い	ランプ寿命が短いため、高頻度の交換が必要
環境負荷	水銀を含まないため環境負荷が低い	水銀など有害物質を含むため環境負荷が高い

4. UV硬化の速度

UV照射によって樹脂が硬化する際、数秒程度で硬化します。
しかし周囲環境や照射器とUV硬化樹脂の組み合わせにより硬化速度が遅い場合や表面にタックが残る場合、硬化しない場合もあります。

5. UV硬化を妨げる要因

UV硬化は環境、UV硬化樹脂、照射強度、波長といった4つの要素が重要です。

ケース1: 酸素の影響

大気中の酸素の影響で反応が阻害される場合があります。
・光重合開始剤の酸素による脱活性
・開始剤や成長ポリマーと酸素の反応
照射雰囲気を窒素やその他の不活性ガスで置換する方法で酸素阻害を軽減する方法があります。

ケース2: 高湿度

高湿下で硬化反応が著しく損なわれる場合があります。
照射環境の湿度を確認して硬化に適な環境にしてください。

ケース3: 硬化剤の配合と照射光

光重合開始剤の配合と照射するUVの波長が適合していない。
UV硬化剤樹脂とUV波長の選定を最適にしてください。

ケース4: 硬化膜が厚い

硬化剤の膜が厚すぎて表面近くが先に硬化し、奥まで光が届かず固まらない場合があります。
適正膜厚を再検討してください。

ケース5: 照射強度

照射強度が弱い場合。
この場合ハイパワーUV-LED照射装置をご検討ください。

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	UVランプ	UV-LED
■メンテナンスコスト	寿命が約1,000時間と短く、管理コストの負担が大きい。	寿命が20,000時間と長寿命のため、ランプ交換の管理コストが少ない。
■設計の自由度	ランプ形状が画一的でワークに合わせた設計ができない。	UV-LEDの配置をワークに合わせて設計できるため、自由度が極めて高い。
■安定性	点灯開始から光量が安定するまでに長いウォームアップ時間が必要。	極めて短いウォームアップ時間で安定した照射が可能。
■点灯 / 消灯の応答性	ランプ点灯状態での機械的なシャッターの動作に照射の遮断のため、遅い。	電気的なON/OFF制御で応答速度は100ms以下と速い。
■分光特性	波長領域が広いため、必要とする波長以外にも様々な波長を含む。	波長領域が狭い必要な波長のみを選択できる。
■ワークへの熱の影響	ランプから熱源となる赤外線が発生するため、ワークへの熱影響が大きい。	波長領域が狭く、赤外線を含まないため、ワークへの熱影響が少ない。
■省スペース	オゾンを発生させる恐れがある波長を含むため、ダクト設備が必要になり、設備構造が複雑で大規模になる。	オゾン発生の心配が無いため、ダクト設備は不要で小規模になる。
■省エネルギー	発光時の発熱が多く、常時点灯のため、消費電力が高い。	発光時の発熱が少なく、必要な時だけ高速でON/OFFできるため、UVランプと比べて消費電力は約70～80%削減できる。
■環境負荷	水銀を含む構造のため、ランプ製造工程、使用後の廃棄時の環境負荷が高い。	水銀を含まない構造で、RoHS指令に対応しており、環境負荷が極めて低い。