제3장 Heat seal 가열의 기본 - 3(양면 가열과 편면 가열의 특징)

[YDfamily]

3.3.2 양면 가열과 편면 가열의 특징

HS의 가열은 접착면의 양면으로부터 행하는 것과 편면으로부터 행하는 2가지의 방법이 있다.

양면과 편면의 가열방법의 선택은 다음의 요소가 관계한다.

① 초음파나 인덕션 seal과 같이 1면만 발열하는 기능으로 제약

② 적용하는 포장재료가 단층 필름에서는 표층이 우선 용해하기 때문에, 다른 쪽을 용융상태로 하지 않도록 기재와 하는 경우(예; 임펄스 실링)

③ 표층에 용착 온도에서는 용융하지 않는 재료가 리미네이션 된 필름에서는 용착 후의 이송도 용이하기 때문에 양면 가열에서 시간의 단축화를 모색

④ 주변온도나 받침대의 온도 변화의 영향을 배제하여, 가열의 안정화를 모색하는 양면 가열의 이용

실시에 있어서는 방법의 특징과 요구되는 마무리를 우선하여 선택한다.

양면 가열과 편면 가열의 특징을 heat zone 방식을 예를 들어 해석한 것을 도3.5에 나타내었다. 도3.5(a)는 양면 가열의 모델이다. 가열 직전의 재료의 표면, 용착면 온도는 실온으로 되어 있다(그림에서는 짧은 점선). 재료가 가열체에 압착시기면 표면으로부터의 열공급에 의해 접착면의 최하점에 한 V자 상의 온도 분포로 상승한다. 2가지의 가열체가 동일하므로 접착면이 끝나는 점이기 때문에 용착면 온도는 가열 온도와 재료의 열전도성에 의해 결정된다. 가열시간이 길어지면 재료 내의 온도 분포는 가열 온도에 점차 가까워져 균일하게 된다(그림에서는 긴 점선). 가열 온도가 재료의 용융 온도보다 높으면 재료의 가열대는 연화 또는 액상으로 된다. 재료가 단일재의 경우에는 가열대는 액상화 상태로 되기 때문에 가열체에 점착하거나 이송으로 파손되기 때문에 양면 가열은 부적합이다. 양면 가열에는 표층부분에 접착층의 용착 온도보다 높은 재료의 사용으로 표층재를 강체로 한 라미네이션 소재에 적합하다.

편면 가열의 열류 해석을 도3.5(b)에 나타내었다. 편면 가열은 일방이 가열체, 다른 방향이 보통은 상온의 받침대로 구성된다. 열류는 가열체 온도와 받침대와 받침대와의 온도차로 결정되고, 가열 측으로부터 받침대로 향하는 일방향이 된다. 열접착면은 열류의 한 통과점으로 되기 때문에 받침대의 온도가 결정 요소로 된다. 편면 가열에서는 접착면이 용융 온도로 된 때에 가열을 정지하면, 받침대 측의 재료는 조금 연화 하는데, 액상화에 도달하지 않는 강성을 유지하고 있다. 편면 가열에서는 단일층의 재료라도 가열 직후에 2층이 액상화 하지 않기 때문에 취급은 용이하다. 편면 가열은 일방으로부터의 가열로 되고, 접착면으로의 열 공급은 반감하기 때문에, 접착면의 온도 상승은 양면 가열보다도 지연된다. 처리량의 감소를 가열 온도의 고온화로 보완하려고 한다면 재료의 가열면의 열 열화는 증대하게 된다.

(a) 양면가열(양면 동일 온도) (b)편면 가열 도3.5 양면 가열과 편면 가열의 특징

3.3.3 HS의 가열법의 특징

표3.1에 나타난 HS의 가열방법, 구조, 특징을 해설한다

(1) Heat zone 방식

Heat zone 방식은 HS의 가열 조작으로 가장 많이 사용되는 방법이다. 기본적인 구조는 도3.6에 나온 대로, 발열체(heater), 온도 센서로 구성된 가열체(heat bar)가 하나로 구성되었다. 그리고 가열체의 표면 온도의 분포를 작게 하기 위해서 heat pipe가 heater로 가열면의 사이에 장착되어 있다. Heat pipe의 삽입으로 표면 온도의 분포를 0.2℃ 정도로 제어할 수 있는 것이 가능하다.

온도 센서는 heater에 근접한 위치에 삽입하고, heater의 발열 온도를 조절 온도보다 높지 않도록 빠르게 검지하여, 히터를 소손(燒損)되지 않도록 하는 것과 조절의 흔들림을 작게 한다.

온도 조절 센서는 가열체의 중심부에 삽입하는 것으로 표면 온도는 센서 부근의 온도(조절계의 지시)보다 늦게 변화한다. 반대로 표면 온도가 변화하여도 조절 동작은 늦게 반응한다.

비례, 미분, 적분 동작을 적용하면 조절 온도의 흔들림(헌팅)을 억제 가능하다. 가열체의 표면으로부터의 열방사와 열방사와 구조물로의 열유출이 있기 때문에, 표면온도는 조절온도보다 수℃ 낮게 되는데, 표면 부근에 온도 센서를 추가하여 표면 온도를 검지하여 소정의 조절치와 차이분의 설정치를 보정하면 표면 온도를 미소변화로 조절하는 것이 가능하다. 표면 온도의 정밀한 조절법은 9.3에 기술하였다.

Heat zone의 가열면의 높이 단변 치수는 제품의 HS폭에 일치하도록 설계한다. Heat zone의 길이는 제품의 폭으로부터 결정되는데 양단의 온도차를 고려하여 제품의 폭의 1.3배 이상으로 설계하면 좋다.

히터의 발열 용량은 다음 식을 만족하도록 설계한다.

필요 발열량 = (흡수열량 / 1개) * (단위시간의 조작회수) / (발열과 전열로스)

                    흡수열량 / 1개 = (열용량 / 단위면적) * 가열면적

한 벌의 heat zone은 생산 기계에 장착되어 자동적인 기계 동작을 한다. 용착면 온도차 패턴은 도3.1에 나타내었다.

도3.6 Heat zone의 구성과 동작

(2) 임펄스(impulse) 가열방식

Impulse seal은 폭이 2~5mm, 두께가 0.1~0.15mm의 저항선에 테프론 테이프로 커버를 하고, 한쪽은 가열을 하지 않는 압착제(press bar)로 구성된다. 피가열재를 끼워 20~50A의 전류를 단시간(high pulse상: 0.2~수초) 흘려서 가열시키고, 전류를 정지시킨 후도 수초간 압착한 상태로 냉각을 행한다. 구조의 개요는 도3.7(a)에 나타내었다. 냉각을 빠르게 하기 위해 impulse seal의 발열체는 가늘고, 얇게 발열원의 열용량을 작게 하고 있다. 발열량은 (온도) * (시간)으로 되기 때문에 단시간에 가열하기 위해서는 발열체 온도를 올릴 수밖에 없다. Impulse seal에서는 0.1~0.2mm의 테프론으로 저항선을 커버하여 열류 조절을 행하고 있다. 통상 impulse sealer에는 가열량의 변경은 저항선에 흐르는 전류를 일정하게 하여 통전시간의 조절을 행한다. 그러므로 시간을 길게 하면 발열 온도는 높아진다. Impulse seal의 용착면 온도와 재료의 표면 온도의 모습의 측정 사례를 도3.7(b)에 나타내었다. 이 그림의 통전 시간은 0.4s(①)와 0.75s(②)이다. 표면 온도는 커버재인 테프론과 피가열재 사이에 센서를 삽입, 용착면 온도는 접착면에 센서를 삽입하여 온도 응답을 관측한 것이 있다. 표면온도/용착면 온도 공히 온도 상승은 heat zone 방식과 동일한 응답 패턴을 나타내는데, 용착면 온도의 피크점은 피가열 재료의 열전달로 늦게 나온다. 0.4s의 가열에서는 피크점의 용착면 온도가 92.5℃일 때, 표면은 135℃에 달한다. 같은 모습으로 0.75s에서는 용착면 온도가 145℃의 때, 표면 온도는 198℃로 된다. 온도차는 43℃, 53℃로 되고 있다. 이 상황에서 표면부는 열 열화를 일으키는 과열 상태로 되고 있다. 전류가 과대하여 재료 내의 열공급이 너무 크기 때문에 전류치를 낮추고 반복 조작을 빠르게 하기 위해서는 가열계의 열용량이 작은 5mm 이하의 열선을 사용한다. HS폭이 5mm 이하라면 peel seal의 박리 에너지는 tear seal의 파단 에너지 보다 작기 때문에 impulse seal에서는 tear seal의 온도대를 선택할 필요가 있다(8.1.5 참조)

(a) Impulse seal의 구성

(b) Impulse seal의 온도 응답 도3.7 Impulse 방식의 구조와 용착면 온도 응답