제3장 Heat seal 가열의 기본 - 4(Heat seal의 가열법의 특징)

[YDfamily]

(3) 열풍 가열 방식

우유 카톤, 튜브 용기와 같은 두꺼운 재료를 표면으로부터 전열 가열로 행하면 접착면을 용착 온도로 가열하는 데에 장시간이 필요하게 되어 생산성이 좋지 않다. 이러한 경우에는 고온으로 가열한 열풍을 접촉면에 불어 가열한다.

열풍 가열은 압축 공기를 고온으로 가열한 radiator를 통과시켜 400~500℃의 열풍으로 가열한다. 그 후 빠르게 냉각 존을 이용하여 압착 접착을 완성시킨다. 튜브의 HS에 적용한 예를 도3.8에 나타내었다. 열풍 가열에는 고온의 공기를 불어 행하기 때문에 가열이 고르지 못함이 발생하기 쉽기 때문에 비가열물을 회전하여 가열의 균일화를 모색하고 있다.

도3.8 열풍 방식에 의한 튜브 용기의 HS

(4) 초음파 가열 방식

물질에 음파를 부여하면 그 전파 속도는 물질의 질량에 따라 다르다. 질량이 다른 재료를 접합시킨 면에 직각으로 초음파를 가하면 접합되는 면에 반사가 일어나 불규칙한 진동으로 되는 에너지 로스가 발생하여 발열한다. 이 발열을 이용한 것이 초음파 seal이다. 초음파 seal기는 자기나 전계를 걸면 기계적으로 변형하는 자기왜곡, 전기왜곡 소자를 진동원으로 사용한다. 진동 소자의 면 전력을 지수 함수 horn을 사용하여 집속하고, 가열부를 압착한다. 초음파 seal의 구성과 재료에 따른 발열층의 서로 다른 예를 도3.9에 나타냈다. 초음파 seal의 발열은 재료의 내부에서가 아니고 밀도가 다른 접합면에 있는 것과 음파의 진행 도중에 공간이 있는 것에 의해 이 부위로의 에너지 전파는 거의 상쇠된다. 밀착시키기 위해서 큰 압력을 가해 진동시킬 필요가 있다. 도3.9(b)에 재료의 구성마다의 발열면을 예시하였다. 단일층재의 경우는 발열면의 수가 적기 때문에 비교적 용이하게 목적을 달성 가능한데, 라미네이션의 경우는 불연속면이 다수 있고, 진동이 가해진 측으로부터 순차발열하기 때문에 접착면에 필요한 발열을 시키는 것이 어렵게 된다. 알루미늄 박 등의 금속박이 라미네이션 되면 거의 음파는 금속면에서 반사되기 때문에 접착층이 알루미늄박의 뒷면의 경우는 가열은 불가하게 된다.

도3.9 초음파 seal의 구성과 발열층

(5) Induction 가열방식

Induction seal은 교류 자계를 금속박에 방사하여 박 내에 전기 유도 전류를 발생시켜 발생 전류의 joule 열을 이용하여 인접의 접착층의 용융과 상대 측의 재료를 가열한다

병의 inner seal에 사용되고, 기법으로서는 오래 되었는데, 재료 설계나 장치의 조정이 어려워 별로 이용되고 있지는 않는다. 하지만 포장의 밀봉에 대한 security성의 요구가 높아지고 있고, cap과 함께 미리 장착 후 seal로 자르기 때문에 악용 방지 기능이 재검토되고, 새로운 주목을 모으고 있다. Induction seal은 원형의 주변만 가열 가능한 전기 현상의 특수성이 있다. Induction seal을 실시하는 데에는 coil수 100KHz의 교류 전류를 흘려 자계를 만들고, 그 자계 안을 소정의 가열 시간으로 통과시켜 접착을 행한다.

금속박면에 대해 수직의 자계가 작용하면 박막면에 자력선 1개마다에 원형상 전류가 발생한다(도3.10(b)에서는 모형적으로 크게 표현하였다). 발생한 전류의 크기는 같고, 이웃과의 방향은 반대로 되기 때문에 서로 치고 받기 때문에 원의 내측에는 전류의 발생이 없다. 하지만 최 외주는 이 밸런스가 성립하지 않기 때문에 원주 전류의 발생이 일어난다. Induction seal은 이 원주 전류를 이용하여 원형의 병구의 가열에 적용하고 있다.

(a) Induction seal의 구성                                    (b) 외주전류의 발생 원리 도3.10 Induction seal의 구성과 발열의 원리

이 설명을 도3.10(b)에 나타내었다. Induction seal의 특징을 이용한 병의 inner seal의 방법을 도3.10(a)에 의해 설명한다. 포장계에서는 발열용의 금속박에는 알루미늄이 많이 사용된다. 알루미늄박에 미리 heat sealant를 코팅해 두고, 이 induction seal은 개봉 시에는 병구에 남을 수 있도록 하여 이용자 자신이 확인하여 개봉하는 것이 요구되어지고 있기 때문에 개봉 후의 재밀봉에 이용되는 cap 내의 패킹재에 가벼운 접착(소프트 라미네이션)으로 장착하도록 하고 있다. Inner seal재는 내용물의 충전 후의 capping으로 단단히 죄어 장착됨으로써 induction seal기에 걸려진다. 병구의 접착 부위와 heat sealant의 용착면에 MTMS 센서를 삽입하여 측정한 온도 거동을 도3.11에 나타내었다. 자기화(磁氣化) 시간이 가열온도 조작량으로 된다. Induction seal은 원형의 주변의 가열 방식이므로, 병이나 컵의 병구 seal에 한정되어 적용되고 있다.

도3.11 Induction seal의 용착면 온도 응답 사례

Induction seal의 달성에 관계하는 요소는 이하의 것이 있다.

① 피가열체가 받는 자속 밀도: 여자(勵磁)원의 전력, 자속(磁束)의 수속(收束), 여자 coil로부터 피가열체까지의 거리

② 여자 시간: 여자 zone의 통과 시간, 여자 장치의 작동시간

③ 금속박 발열 능력: 금속박의 전기저항, 두께

④ Heat sealant의 열용량: Heat sealant의 두께, 물성

⑤ 피접착층의 열용량: 유리, 플라스틱

Induction seal의 과열(과여자)는 금속박도 용해하기 때문에, seal상에 큰 구멍이 생기는 중대한 결함이 된다.