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UV硬化の仕組み

1.UV硬化の用途

UV硬化とは

UV硬化(紫外線硬化:UV curing)とは、紫外線硬化樹脂などへ、紫外線を照射することで重合反応が起こり、液体から固体となるプロセスや方法を指します。

UV硬化は、産業界全般において、欠かせない基礎技術として様々な分野で利用されております。
例えば下記用途で用いられています。

  • 紫外線照射装置によるUV接着、粘着材、光学レンズ、ラミネート
  • 表面コーティング(木材、金属、プラスチック等)
  • 半導体製造工程におけるフォトレジスト
  • UVインクの硬化、電子部品の印字硬化
  • 歯科材料、3D光造形
  • 液晶フィルムディスプレイ基板の仮止め

UV硬化のメリット

  • 固まるのが数秒と高速のため、製造ラインのボトルネックになりにくい。
  • 電力消費が大きな熱乾燥処理が不要。乾燥のための広い空間が不要。
  • ワークに対する熱ダメージが小さい。
  • 固まる際に揮発性の有害物質が発生しない。
  • 精密さを要求される分野で有用。

2.紫外線でなぜ固まる?

なぜ紫外線を照射するだけで、液体が固体になるのでしょう?

UV硬化の仕組み

紫外線に反応して化学反応が起こり、分子量の小さな物質が結合し分子量が大きくなり、融点が上昇することで、「液体→ゲル状→固体」と進みます。この間数秒程度です。

UV硬化における化学反応は用いる材料によって異なるため一概には言えませんが、まず光化学反応として光重合反応が起こり、その結果として酸や塩基による触媒反応が起こります。そして重合反応により高分子化し、硬化することになります。

UV硬化の際、紫外線照射における光のエネルギーによって、重厚反応(polymerization)が起こります。
こちらの図をご覧ください。

重厚反応(polymerization)

重合とは、いくつかの分子が結合し、元よりも大きい分子量の化合物を作ることを指しますが、UV硬化のプロセスにおいても、この反応が起こります。

重合を行う際、モノマー(monomer)が基質となります。
こちらのモノマーが、いくつか結合することでオリゴマー(oligomer)となります。
オリゴマーの分子量がさらに大きくなると、ポリマー(polymer)と呼ばれます。

モノマー、オリゴマー、ポリマーは、それぞれ分子量によって区別されています。
つまり、ポリマーは重合を経て、多数のモノマーが結合した化合物と言えるでしょう。

光重合反応が起こる要件

重合開始剤は、特定の波長域の光に対し、光重合反応を生じます。

光重厚反応

そのため、照射装置(光源)と硬化材料(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。
尚、増感剤を添加することにより、反応する波長域を拡げることができます。
ワークの形状や塗膜・接着剤の厚み、環境などにより、最適な光源は様々です。