BASIM SEKTÖRÜNDE KULLANILAN ULTRAVİYOLE IŞIK YAYAN DİYOTLAR (UV LED) ULTRAVIOLET LIGHT EMITTING DIODES USED IN PRINTING INDUSTRY

Transkript

1 BASIM SEKTÖRÜNDE KULLANILAN ULTRAVİYOLE IŞIK YAYAN DİYOTLAR (UV LED) ULTRAVIOLET LIGHT EMITTING DIODES USED IN PRINTING INDUSTRY Sinan SÖNMEZ Doç.Dr., Marmara Üniversitesi, Uygulamalı Bilimler Yüksekokulu, İstanbul Ali Rıza IŞIK FlintGroup - Turkey, İstanbul ABSTRACT Recently, Ultraviolet Light Emitting Diodes (UV LED) have been heard mostly in printing industry, but it is a topic that most people have not enough information about what happened. Especially, because of the providing many advantages in issues of time, energy, printability of different substrate etc., printing industry s interest about UV LED has been increasing. This study was made for the purpose of the providing on the information about UV LED for printing industry. It is included in UV LED light, differences between with conventional UV, the types and structure of UV LED inks in the study. Also, UV curing, advantages and disadvantages of UV LED curing, instead of whole world and our country was mentioned. Keywords : UV, LED, Ink, Curing, ÖZET Ultraviyole ışık yayan diyotlar (UV LED) basım sektöründe son zamanlarda çok duyulan, fakat ne olduğu konusunda çoğu kişinin yeterince bilgi sahibi olmadığı bir konudur. Özellikle zaman, enerji, farklı baskıaltı malzemelerine basılabilirlik v.b. konularında birçok avantaj sağlaması sebebiyle, baskı sektörünün UV LED teknolojisine olan ilgisini arttırmaktadır. Bu çalışma baskı sektörüne UV LED hakkında bilgi sağlamak amacıyla yapılmıştır. Çalışmada UV LED ışık, Konvansiyonel UV ile arasındaki farklar, UV LED mürekkeplerin yapısı ve tiplerine yer verilmiştir. Ayrıca UV kürlenme, UV LED kürlenmenin avantaj ve dezavantajlarına yer verilerek, tüm dünyada ve ülkemizdeki yerine değinilmiştir. Anahtar Kelimeler : UV, LED, Mürekkep, Kürlenme GİRİŞ Dünya da hızla kullanımı yaygınlaşan ve ülkemizde de son yıllarda adını sık sık duyduğumuz U.V. LED mürekkep ve lakların kürlenmesi, baskı sistemlerine birçok avantajlar getirmiştir. U.V. LED sistemler baskı esnasında oluşan ısı, ozon ve civanın etkisini elimine ederek, baskı ortamlarının daha güvenli hale gelmesini sağlamaktadırlar. Bu sebeple U.V. LED kurutma sistemleri toksik, karmaşık ve sıcaklık yayan geleneksel U.V. kürleme sistemlerinin çevresel olarak düzenlenmiş hali olarak kısaca tanımlanabilirler. 119

2 U.V. LED lerin yaydıkları sıcaklık oranlarının az olması ve daha az oranda soğutmaya ihtiyaç duymalarına neden olmaktadır. Bu ısı kaynaklı kuruma sistemlerinin enerji maliyetleri azaltmakta ve ısı kaynaklı tehlikelerin bertaraf edilmesini sağlamaktadır. Bunun yanı sıra U.V. LED lerin, geleneksel U.V. lambalara göre daha uzun ömürlü olmaları ve lamba değişim aşamasında ortaya çıkabilecek risklerinin azaltılmasını işletmelerin maddi kayıplarının azalmaktadır. Aynı zamanda U.V. LED lerin ısı yaymamaları son zamanlarda yaygın bir şekilde kullanılan termoplastik baskı altı malzemelere de güvenli baskı yapma fırsatı sağlamıştır. Bu sistemin daha ayrıntılı bir şekilde öğrenilmesi amacıyla yapılan bu çalışmada kullanılan ışık kaynakları, çalışma sistemleri, mürekkep türleri ve yapıları, kürlenme, dünyadaki ve ülkemizdeki yeri hakkında bilgiler verilmiştir. 1. U.V. IŞIK UV ışık elektromanyetik spektrumun bir parçasıdır. Ultraviyole ışınları görünen ışın ile X- ışınları arasında kalan elektromanyetik radyasyonlardır. Morötesi ya da ultraviyole (kısaca UV) ışınım, dalga boyu 100 ile 400 nm arasındaki ışınıma denir. Dalga boylarının kısalığı sebebiyle insan gözüyle görülemezler. Gözümüz, 400 ile 700 nm dalga boyları arasına duyarlıdır (Şekil 1). Şekil 1: Elektromanyetik spektrum Ultraviyole (UV) radyasyon, güneşten gelen ışık enerjisinin bir şeklidir. Enerjinin değişik şekilleri, dalga boylarına göre sınıflandırılır. En kısa dalga boylu radyasyon en fazla enerjik olandır. UV radyasyon UVA, UVB, UVC olmak üzere üç kategoride sınıflandırılır. Ultraviyole C (UVC nm): Yüksek enerjiye sahiptirler. Kısa dalga boyuna sahip olduklarından mürekkep film kalınlığının derinliğine nüfuz edemezler. Üst yüzeyde iyi kürleme özelliğine sahiptir. Ultraviyole B (UVB nm): UV-B dalgaları daha büyüktür ve mürekkep filminin içine girebiliyor. Böylelikle mürekkebin iç kısmını kurutuyor. Ultraviyole A (UVA nm): Uzun dalga boyundadır. Bu özelliğinden dolayı mürekkep filminin dibine kadar girebiliyor. Düşük enerjiye sahiptir. 120

3 2. U.V. LED LED, ingilizce de Light Emitting Diode kelimelerinin kısaltılmış halidir ve Işık Yayan Diyot anlamına gelir. LED ler elektrik enerjisini ışığa dönüştüren yarı iletken devre elemanlarıdır. LED lerin genel görünüşü Şekil 2 deki gibidir. Şekil 2: LED lerin genel görünümü LED lerin ortama yaydığı ışığın frekansı, spektrumun görünür ışık bölgesine denk düşer. Bununla birlikte gözle görülemeyen frekansta ışık yayan kızılötesi (infrared, IR) veya morötesi (ultraviole, UV) LED ler de vardır. LED lerin yaydığı ışık, LED çipi içerisindeki yarı iletken katkı maddeleri ile ilgilidir. LED in hangi renkte ışık yayması isteniyorsa galyum, arsenit, alüminyum, fosfat, indiyum, nitrit gibi kimyasal malzemelerden uygun oranda yarı iletken malzemeye katkı yapılır (GaAIAs, GaAs, GaAsP, GaP, InGaAIP, SiC, GaN). Böylece LED çipinin istenen dalga boyunda ışıma yapması sağlanır. Örneğin kırmızı renk (660nm) için GaAlAs, sarı renk (595nm) için InGaAIP, yeşil renk (565nm) için GaP, mavi renk (430nm) için GaN kullanılır. LED imal eden firmalar kataloglarında LED in yaydığı ışığın dalga boyunu verilmektedir. UV LED ışınları, belirli bir dalga boyununun etrafında merkezlenmiş dar bir spektral çıktıya sahiptir (+/- 10nm). Bazı firmaların ürünleri 365nm, 385nm, 395nm ya da 405nm dalga boylarını kullanır. Burada görülüyor ki UV LED dalga boyları görünür ışığa çok yakın ve dar bir spektral aralıktadır. Bu yakın monokromatik dağılım mürekkepler, boyalar ve yapıştırıcılar tam kür sağlamak için yeni kimyasal formülasyonlar gerektirir. LED UV Lambalar UVA nın görünür ışığa yakın kısmından sadece bir kısmını yansıtıyor. UVB ve UVC ışınlarını kesinlikle yansıtmıyor. Standart UV kürleme çoğunluğu gereksiz ve potansiyel olarak zararlı UV-C ve kızılötesi yayımların spektaral alandan arta kalan ile dar bir salınım aralığı içinde meydana gelir. UV LED ışıklar bu dar yayılım aralığı sağlar. 3. KONVANSİYONEL U.V. ile UV LED ARASINDAKİ FARKLAR Konvansiyonel UV lerde kürlenme de civa lambaları kullanır. Bunlar 240nm ve üstündeki bir yelpazede radyasyon yayabilir. 240 nm ve daha düşüklerde UV ozon oluşturur. Lambaların (Şekil 3) sıcaklık üretmesi, malzemelerde erime veya yanma meydana getirebilir, bundan 121

4 dolayı soğutma ihtiyaçi ortaya çıkar ki, bu da ekstra bir maliyettir. Tipik olarak UV kürlemede kullanılan enerjinin üçte biri soğutma için kullanılır. Şekil 3: UV Lamba UV kürleme de gelişmekte olan farklı lamba teknolojilerinin kullanıldığı iki yeni tip mevcuttur. Bazı satıcılar tarafından özellikle HUV ve UV LED olarak bunları adlandırmıştır. HUV da, H yüksek reaktif anlamına gelmektedir. Bunlar daha duyarlıdır, bu nedenle de standart UV mürekkepleri kadar enerjiye gereksinim duyulmaz ve daha düşük güçteki lambalar kullanılabilirler. HUV lerde kullanılan lambalar civadan ziyade demir katkılıdır. Bunlar ozon üretmedeki ozon ekstraksiyon gereğini ortadan kaldırdığından ozon gazı yaymazlar. Bunlar aynı zamanda daha düşük enerji ile daha az ısı ürettiklerinden dolayı, soğutma için kullanılan enerjiyi minimize ederek UV kurutma sisteminin güç tüketimini azaltmaya yardımcı olurlar. Şekil 4: UV LED LED (Şekil 4), ışık yayan diyot olarak adlandırılmaktadır. Bunların yaydıkları UV, ozon oluşturmayan, dalga boyu çok daha dar bir banttadır (Şekil 5). Ayrıca Konvansiyonel UV ye oranla daha uzun dalga boyundalar. LED ler geleneksel ampullere göre elektromanyetik radyasyondan elektriğe dönüştürmede daha etkilidir, buna rağmen mükemmel değildirler ve sıcaklık üretirler. Bundan dolayı da sıcaklığın uzaklaştırılmasına ihtiyaç duyarlar. Şekil 5: LED UV dalga boyu 122

5 Konvansiyonel UV ve LED UV lerin bazı temel özellikleri Tablo 1 de verilmiştir. Tablo 1: Konvansiyonel UV ve UV LED arasındaki farklar Konvansiyonel UV UV LED Lamba Ömrü 500-2,000 saat > 20,000 saat Çevre Civa Atığı Civa Yok Ozon Üretimi Ozon Gazı Yok Enerji Yüksek Düşük (>%50) Bakım Lamba Bakımı, Bakım Gerektirmez Reflektör temizliği v.b. Aç/Kapa 4-5 Dakika Anlık Isı 350 C 60 C Dalga Boyu UV LED MÜREKKEPLERİN YAPISI Konvansiyonel UV ile LED UV mürekkepleri arasında yapı olarak bir fark bulunmamaktadır. LED UV mürekkeplerinde kullanılan Photoinitiator ler LED UV Dalga boyunda reaksiyon verip kürlenecek yapıdadır. Ayrıca LED UV de daha yüksek performans veren Oligomer ve Monomerler tercih edilmektedir. Oligomers (Çoklu Monomer): Sıvıdırlar ve molekül ağırlığı yüksek olduğundan viskoziteyi yükseltirler. Tutunma, Özellik, Pigment Kaplama, esneklik ve çizilme direnci gibi özellikleri verir (%20-65) Monomers: Monomerler oligomerlerden daha sıvıdır ve moleküler ağırlığı düşüktür. Monomerler mürekkebin akıcılığını ve yüzey gerilimi ayarlar, kürlenme, yapışma gibi özellikleri verir (%15-60) Photoinitiators: Kürlenme (Polimerleşme) Kuruma (%10-15) Pigments: Renk, Işık haslığı, kimyasal dayanım özelliklerini verirler (5-30) Katkı maddeleri (Additives): Akışkanlık, İnceltici, Silikon, Stabilite, Köpük önleme, Adezyon v.b.(%1-5) Wax: Kayganlık, Sürtünme direnci (%1-4) Laklar için de aynı yapı geçerlidir. Laklarda renklendirici pigment yoktur. Yüzey düzgünleştirici katkılar, sürtünme direnci arttırıcı Wax lar matlaştırıcı parlatıcı v.b. özellik veren çeşitli ajanlar vardır. Ayrıca laklarda Oligomer-Monomerlerin ve katkıların oranı, Laka verilmek istenen özelliğe göre değişir. 123

6 5. KÜRLENME U.V. terimi sıvı bir film tabakasını katıya dönüştürmek için UV enerjiden (genellikle nm dalga boyu ağırlığında mor ötesi ışınlar) yararlanılması için kullanılan terimdir. Bu işlemin bir diğer tanımıda çapraz bağlanmadır. Likit tepkisel yapıdaki tepkisel bileşenlerin çapraz bağlanması UV radyasyon enerjisinin uygulanmasının tetiklediği zincirsel reaksiyon şeklinde gerçekleşen kimyasal bir süreçtir (Şekil 6). UV ışınları Hareket geçirici bileşen içeren likit taşıyıcı Radikallerin taşıyıcı üzerindeki etkileri Polimerleşme Sert film tabakası Şekil 6: UV ışınları etkisi sonucunda film tabakasının oluşması Mürekkep kuruduğunda oluşan mekanik kaynaşma veya polimerizasyon işlemi UV Işık kaynağından gelen belirli dalga boylarındaki ışıkların emilmesi yöntemi ile foto-tetikleyiciler tarafından yerine getirilir. Işık emildiğinde, reaktif parçacıklar veya serbest radikaller oluşturularak buna bağlı polimerizasyon reaksiyonu başlatılır. Polimerizasyon devam ettikçe mürekkep filmi daha yüksek oranda mekanik kaynaşma sağlayacak hale gelir ve mürekkep filmine sertlik, parlaklık, esneklik ve tutunma özellikleri kazandırılır (Şekil 7). 124

7 Şekil 7: Ultraviyole ışınlarına UV mürekkebin tepkimesi Kürlenmenin Performansı= UV miktarı + UV yoğunluğu + Thermal çalışma alanı+ Mürekkep özellikleri + Mürekkep film kalınlığı + Baskı hızı bağlı olarak değişmektedir. LED UV veya UV kürlenmede, Islak tabaka UV dalga boyundaki enerjiye maruz kaldığında %100 Polimerleşme olmaz. Foton başlatıcılar aldıkları enerji ile polimerleşmeyi başlatmış olurlar. Gerçek kürlenme saat sonra gerçekleşir LED Kürlenmenin Avantajları 1. Çabuk kuruma, 2. Hızlı ve tutarlı üretkenlik / verimlilik, 3. Solvent ya da CO2 emisyonları yok 4. Kısa sürede baskıya giriş 5. Düşük Isı ve Isıya duyarlı baskı malzemeleri üzerine baskıda kolaylık (LED) 6. Baskı sonrası işlemlere hızlı geçiş 7. İyi performans 8. Yüksek parlaklık / çok düzgün yüzeyler 125

8 9. Düşük yangın riski (LED) 10. Düşük Enerji (LED) 11. Bakım Gerektirmez (LED) 12. Ozon Gazı oluşmaz (LED) 13. Düşük ortam kokusu (LED) 14. Haznede kurumaz 15. Baskı sırasında stabil kalma (Viskozite v.s.) 16. Kütlesel kayıp yok ve tonaja olumlu katkı 17. Çok amaçlı mürekkepler 18. Aynı makine üzerinde diğer baskı teknikleri ile kombinasyon olması LED kürlenmesinin avantajlarıdır LED Kürlenmenin Dezavantajları 1. Hammadde maliyetleri (daha pahalı mürekkepler) 2. Yüksek yatırım 3. Cilt ve gözde tahriş ya da kaşıntı, 4. Bazı malzemelerde adezyon problemi (PET, BOPP), 5. Solvent ve Su bazlı uygulamalara oranla daha yüksek korona gereksinimi, 6. Bazı uygulamalarda baskı sırasında koku seviyesinde artış, 7. Baskıdan sonra kokunun devam etmesi, 8. İyi kürlenmediğinde yapışma riskinin olabilmesi, 9. Görünür ışığa yakın dalga boyundaki ışıklar ile kürlendiğinden, Gün ışığı ve hatta bazı ortam ışıklarından etkilenme LED kürlenmesinin dezavantajlarıdır Kurumayı Etkileyen Faktörler 1. Makinenin hızı 2. Lambanın gücü 3. Lambanın durumu 4. Mürekkep filminin kalınlığı 5. Renk tonu 6. Beyaz, Siyah, Metalik renklerdeki baskılar kuruma süresini etkileyen faktörlerdi 126

9 6. UV LED DÜNYADA VE ÜLKEMİZDEKİ YERİ Tüm baskı alanlarında hızlı teknolojik gelişmeler UV LED kürlemesinin artarak kabul gördüğünü göstermektedir. Son kullanıcılar artan bir şekilde ekipman üreticilerinden yeni ve yenilikçi baskı kapasitesi sağlayan LED seçenekleri istemekte ve piyasadaki lider satıcılar bu isteğe yanıt vermektedirler. Bu tür heyecan verici ve hızla gelişen teknolojiyle karşılaşan sistem tasarımcıları ve son kullanıcılar sürekli değişen UV LED kürleme alanını yakından takip etmektedirler. Sivil sanayide bir çok konuda yerli UV LED teknolojisinin belirgin avantajları ortaya çıkmasına rağmen, baskı sektöründe diğer sektörlere nazaran UV LED kullanımı daha geç başlamıştır. Bugün UV LED pazarı yıllık % 20 den fazla bir büyüme ile 2020 de çok daha büyük bir pazara ulaşacağı tahmin edilmektedir. Son zamanlarda ülkemizde de hızla yaygınlaşan UV LED, özellikle baskı sonrasına hızlı geçişi sağlaması, sağlıklı çalışma ortamına sağladığı katkı sebebinden dolayı çoğu basım işletmesi tarafından talep edilmektedir. 7. SONUÇ ve ÖNERİLER Günümüzde enerji gereksinimlerinin artması, çevre ve sağlık açısından birçok kısıtlamanın getirilmiş olması UV LED teknolojisine yatırımlarının gerekliliğini giderek arttırmaktadır. Basım işletmeleri sistemlerinde UV LED teknolojisine yer vermekte ve UV LED teknolojisinin birçok avantajını görmektedir. Fakat UV LED teknolojisini geleneksel UV teknolojisinden pahalı bir teknoloji olması sistemin birçok işletmeye girmesini engel teşkil etsede, UV LED teknolojisinin sağladığı birçok avantaj uzun vadede işletmelere büyük katkılar sağlayacaktır. UV LED teknolojisinde kullanılan ledlerin üretim maliyetlerin düşürülme yolları ve mürekkep içerisinde kullanılan fotobaşlatıların daha ucuza mal etme yolları bulunarak, UV LED teknolojisin iki temel gideri büyük oranlarda azaltılabilir ve böylece basım sektöründe kullanımı yaygınlaştırılabilir. 8. KAYNAKLAR Demirel, M. (2012). Matbaa Mürekkepleri Hakkında Genel Bilgiler, Matbaa Teknik, Ağustos, İstanbul. Işık, A. (2016). UV Mürekkep ve Laklar, Flint Group, İstanbul. Flint Group (2014). Inks for UV LED: A Strategic Progression into the Future of Narrow Web Printing. Flint Group (2016). LED Curing: Ultraking XCURA LED

10 UV LED for Flexo