ポール・ミルズ、ジム・レイモント
UVプロセスに携わる者にとって、UV測定とプロセス制御は重要なテーマである。UV測定の原理を理解することは問題の解決に役立つ。塗料メーカーや原料サプライヤーは、顧客が従うべきUV硬化条件の仕様をどのように確立するか、硬化仕様をどのように最適化し伝えるか、そしてUV硬化条件の仕様をどのように現場で再現し、適用するかを検討する必要がある。塗料メーカーは、顧客が実験室での硬化条件を自社工場で再現できるように、十分な情報を顧客に提供しなければならない。そのためには、プロセスを完全に説明し再現するために必要な情報が何であるかを、両者が理解する必要がある。また、測定を行う際には、これらの測定結果を混乱させる要因に注意し、適切な注意が払われるようにすることも役立つ。
本稿はUVランプメーカーや塗料メーカーを対象としているが、製造者にとっても有益であることは間違いない。サプライヤーにとっては、関係者全員が同じ言語を理解し、話せば、物事はスムーズに進むだろう。
最初に、UV測定の最上位にある3つの基本パラメータである波長、照度、エネルギー密度を振り返ることから始める。
放射線とは、特定の種類の電磁エネルギーである。可視光は電球が点灯しているときに放射される。赤外線は、オーブンをオンにしたときに、紫外線は、紫外線光源をオンにしたときに放射される。
紫外線（Ultraviolet）は、その名の通り「ウルトラ」（ラテン語で彼方を意味する）バイオレット（紫）である電磁スペクトルの一部でエネルギーを放出することを特徴とする。紫色光は可視光線の端にあり、波長は400nm付近と最も短い。紫外線は紫色光の終端域にあり、波長は10nmから400nmである。約200nm以下の紫外線は主に真空中にある。私たちは、200nmから400nmの範囲を「工業用に使用される」紫外線と考えている。電磁スペクトルのこの領域には、「緑」や「オレンジ」といった色に相当する「名称」がないため、ISO分類基準であるISO-DIS-21348に従って、UVの波長域を文字（UVA、UVB、UVC）であらわすことが多い。個々のスペクトルのピークはナノメートル単位で表記されることもある。一般的なUVバンドとその範囲は次の通りである:
UVA 400~315 nm
UVB 315~280 nm
UVC 280~200 nm
紫外線の波長が200nmより短いものは真空紫外線（VUV）と表現されることがあるが、波長が長く紫外線と可視光の境界線上にあるものは紫外線（UVV）と呼ばれることがある。この2つの用語を混同しないよう注意が必要である。
実用的な観点からは、UV光源、特に高圧水銀ランプのような広域スペクトルランプや、鉄やガリウムなどを封入したランプには、それぞれの領域に該当するピークがある。図1はUVランプの典型的な発光スペクトルである。塗料メーカーは通常、配合材料（光重合開始剤、増感剤、安定剤、その他の材料）のUV吸収特性に合った光源を選択する。これらの材料には、図2の一例で示すような吸収スペクトルがあり、効率のよい硬化システムを得るためには、使用予定のUV光源と一致させる必要がある。
理想的には、UV光源は塗料メーカーの要求に基づいて選択されることが望ましいが、現実的には、塗料メーカーは、顧客が既に持っている、あるいは特定の調合で使用する予定の既存のUV光源にあわせることが多い。
UV光源から数ナノメートル毎の個々の発光波長を測定するには、分光計または分光放射照度計と呼ばれる高度な装置が必要である。分光放射照度計は、個々のピークを測定できるため、光学部品や新しいタイプのバルブの研究開発に有用なツールになる。しかし、塗料メーカーやエンドユーザーにとって、UV光源の発光スペクトルはすでに既知のものであり、生産環境において分光放射照度計で詳細なスペクトルを測定することは現実的ではない。より広い「帯域」でUV放射を測定できる、よりシンプルな測定器の方が一般的で、価格も手頃で実用的であり、使いやすい。
強度とは、簡単に言えば、UV光源の出力エネルギーのことである。「調光器」を調整することでUV出力を上げることもできる。出力を上げると、UV光源は同じようにより多くのUVを放射するが、光源の出力を2倍にしても、UV出力が2倍になるわけではない。UV光源の出力は、光源の印加電力量によって分類される。300ワット/インチのバルブは、バルブの1インチ長さに対して300ワットの電気エネルギーが印加されている。印加された出力は、硬化面に到達するUVの光量を示すものではない。硬化面に到達するUVの大きさは照度と呼ばれる。1平方センチメートルは、あらゆる角度から到達するUVを追跡するために使用される面積であり、一般に直接測定によって決定される。理論的には、常に硬化表面で測定を実施したい。これは、実験室ではプロセス製造装置での実測定よりも簡単に実施できる。現実的には、「強度」と「照度」という用語が同じ意味で使われることがあるが、科学的な見地からは、照度とは、特定の面積（私たちの場合は1平方センチメートル、cm2）に基づいて特定の（硬化）表面に到達する紫外線のことである。
照度をどのように測定するかが重要である。多くのUVランプには、UVエネルギーを集光または拡散させるためのリフレクター（反射鏡）がある。UV出力は、これらのリフレクターの形状や、ランプのエネルギーが一箇所に集中しているか（集光か）、拡散しているか（平行光か）によって異なる場合があり、また一般的に有電極ランプはランプ両端部分では大きく落ちる。このようなばらつきがあるため、プロセス中に測定した最大値を記録するのが最も有益かもしれない。この「ピーク照度」は、他の方法では伝えるのが難しい意味のある情報を伝える値であり、ピーク照度（通常、光源から特定の距離で測定されたものとして指定される）は、ランプ出力の一般的な表現である。
ピーク照度の数値には、ランプの出力、ランプから測定器までの距離、入射光が測定器に当たる角度など、さまざまな要因が影響する。
ランプ出力がある一定レベルで安定し、測定器がポジション1からポジション2、そしてポジション3、4へと移動する単純なシナリオでは、測定値は適切に反応する（図3）。測定値は、光源の直進経路に移動すると上昇し、反対側に移動すると再び下降する。光源から遠ざかるにつれて、測定された照度は減少することが分かる。照度は距離の2乗の割合で減少する。測定点を2倍遠ざけると、照度は1/4に減少すると予想される。(22=4、照度は1/4に減少)
照度測定や、より一般的にはピーク照度は、W/cm2またはmW/cm2の単位で表されるのが通例である。一般的な工業用UV光源は、UVA領域では100mW/cm2未満から5,000mW/cm2（5W/cm2）以上を出力する。照度は、UV硬化の「パンチ力」と見なされることが多い。（適切な波長における）照度は、コーティングやフィルムに浸透するのに必要なエネルギーを提供する。この 「パンチ力」には、硬化の深さと基材の接着を得る力がある。また、照度が十分でない場合、用途によっては完全な硬化が得られないが、照度とエネルギー密度が一緒に与えられることで、多くの用途に最適な硬化プロファイルが得られる場合もある。
エネルギー密度とは、UV照射の時間的要素を考慮したものである。1秒間の1ワットは1ジュールに相当する。エネルギー密度は、1cm2あたりのJ（またはmJ）で表される。理想的には、硬化する製品は一定の照度レベルでUV照射される。UV光源がオンの状態で、製品が静止しており、シャッターが一定時間開閉する露光方式は、「正方形」の露光プロファイルに近似している。エネルギー密度は、照射時間と照度が分かれば近似できる。ピーク照度750mW/cm2の「正方形」露光プロファイルにて UV光源を3秒間照射した場合、エネルギー密度の測定値は3×750または2,250mJ/cm2（2.25J/cm2）となる。しかし、実際の照射プロセスの大半は「正方形」露光ではなく、製品がランプの下を動くか、ランプが製品の上で動くかのどちらかである。照度レベルが照射プロセスのなかで変化する場合、光量計で光量を測定し、総エネルギー密度を計算する必要がある。
エネルギー密度は、材料の硬化全体に重要であり、歴史的にも、塗料メーカーがエンドユーザーと共有する最も一般的な「UV値」であった。しかし、これは必ずしも全体像を示すものではない。波長は選択されたランプの種類によって決定されるため（一般的な測定要件ではない）、最適なピーク照度（W/cm2）とエネルギー密度（J/cm2）を特定することは、UVによる最高の硬化物を作るために必要な2つの重要な変数であることに変わりはない。しかし、これらの測定に影響を与え、エラーの原因となる可能性のある要因も数多くある。
UV測定器とその適切な使用方法と限界値を理解することは、貴社と貴社の顧客の双方が測定値をよりよく理解することにつながる。混乱や測定エラーを引き起こす可能性のある要因にはどのようなものがあるのだろうか？その要因は、装置の限界、顧客による誤用？これらの要因の中には、UV測定装置の限界に起因するものと、測定手順に起因するものがある。いずれにしても、これらの問題を認識しておくことで、誤ったデータや誤解を招くようなデータの記録や報告を避けることができるかもしれない。
工学的な検出器回路では、目的とするバンド域の測定に外来信号が干渉するのを防ぎ、感度を最大化するために、バンドパスフィルターを使用するのが一般的である。広いスペクトルを持つ紫外線については、UVA、UVB、UVC、可視紫外線といったバンドごとに測定を細分化するのが便利である。この細分化により、各バンド内での感度が向上し、より正確な測定が可能になる。しかし問題は、各「チャンネル」がバンドパスフィルターを使用しているため、バンド域の両端の測定値が減衰してしまうことである。
実際のバンドパスフィルターの応答曲線を図4と図5に示す。図4の曲線は単一の広帯域測定器のものであり、図5の曲線は4チャンネルの光量計のものである。
フィルタリングに関連した問題も生じる。例えば、395nmの単一波長出力であるUV-LED光源は、LEDの出力が強いこの領域では、既存のフィルターのスペクトル応答性が低いため、既存のフィルターにとって理想的ではない。この状況に対処するため、UV-LED光源用の新しいフィルターが開発されている。
メーカーによって帯域幅に違いがある。各メーカーは、その製品/機器の設計に基づいて光学応答部品を選択しているので、あるブランドの光量計で測定された数値は、全く同じUV条件下で測定しても、別のブランドの光量計で測定された数値と異なる。例えば、EIT社のある光量計は320～390nmのフィルターでUVAを測定するが、別のブランドの光量計は250～415nmの幅広いフィルターを使用する。この2つの測定器で測定した数値は異なる。光学部品の性能はかなり良くなってきているが、それでも光学部品間やロット間でわずかなばらつきがあるのは見受けられる。このようなわずかなばらつきを完全に取り除くことは、機器のコストを大幅に押し上げることになる。
ほとんどの光量計はフォトディテクター（フォトダイオードなど）を使用し、その上部に入射光を集光、フィルタリング、拡散するための光学部品が積層されている。これらの部品の典型的な「光学系の構成」を図6に示す。材料や手法はメーカーによって異なる。
ほとんどの光量計はコサイン応答を再現しようとする。UV硬化型コーティングはコサイン状に挙動し、90°に入射するUVは45°やその他の角度で入射するよりも「硬化させる」力が大きいと考えられている。理論的には、「硬化させる」力は入射角の余弦に比例して減少する。例えば、図7に示すように、45°の角度では、読み取り値は最大読み取り値のCos(45°)または0.707倍へと減少する。この余弦成分は理想的な条件であり、光量計の光学系をこの応答と一致させようとする。
この例では、45°の角度では、読み取り値は最大読み取り値のCos(45)または0.707倍へと減少する。
2つ目のタイプの誤差は、測定の形状に関連している。測定器が光源の真下に位置しているとき、測定値は最大となる。上の図で説明したように、光量計をこの軸から遠ざけると、読み取り値が減少することはすでに見た通りである。添付の図8は、現実の光学系が期待される応答からどのように読み取り値がずれるかを示す実例である。最も内側の曲線は、プローブタイプの測定器での最初の光学設計を示しており、このコサイン応答は、最も外側のコサイン曲線で示される期待値から大きく外れていた。設計を再考した結果、実際の応答（中央の曲線で示される）は適合性が良くなり、より正確なデータが得られるようになった。コサイン応答は、光源のプロファイリングにおいて、ランプの最大照度と直接一致しない測定を必要とする重要な特性である。固定された光源から既知の角度に光量計を動かし、理想的なコサイン曲線と比較することで、ユニットのコサイン応答をチェックすることは可能であるが、光量計の光学系の構成の品質を証明できるメーカーから機器を購入する方が簡単かもしれない。
測定に適したレンジの光量計を選ぶことは重要である。低強度（出力）の光源に高強度（出力）測定用の装置を使用すると、正確な結果が得られない。逆に、低強度（出力）の光源用に設計された測定器を高強度（出力）の光源の測定に使用すると、測定器が損傷する可能性が高くなる。
光量計は、測定用の小型電子ディテクターと、入射する紫外線エネルギーを調整するための多くの光学部品の影響を受けている。測定器はディテクターに到達するUV量のバランスをとる必要がある。適切な信号を生成するためには、十分な量の紫外線がディテクターに到達する必要がある。一方で、ディテクターに到達するUV量が多すぎると、ソラリゼーションによって測定器を損傷する可能性がある。一部のコンポーネントは、高強度のUVに継続的に曝されると、劣化（または「ソラリゼーション」）する可能性がある。ソラリゼーションは通常、光学系の透過特性を変化させ、時間の経過とともに衰（または減少）させることで、測定値に影響を与える。ソラリゼーションプロセスは、適切な光学系の材料を選択することで最小限に抑えることができるが、残念ながら避けられないことも少なくない。定期的な校正によって変化を補正することができるが、長期的には光学部品の交換が必要になる場合もある。
プロセス中に測定器にかかる熱は、UV硬化中の避けられない副産物である。多くのUVランプは、UV領域よりも長波長の赤外線や対流でより多くのエネルギーを放射する。UV光量計はこのエネルギーを測定していない場合が多いが、その影響を受ける。特に非常に高出力の光源を長時間露光する場合、プロセス中の熱がUV測定の誤差を生む可能性がある。測定器の検出器がどのように反応するか、サプライヤーに確認することが重要である。多くの測定器の反応は、測定値を低下させる。
極端な高温下にさらされると測定器を損傷させることがある。内部温度が推奨動作温度（例えば65℃）を超えた場合に警告を発する内部アラームを備えているものもある。
サプライヤーにとって測定方法の最も一般的かつ重要な用途の一つは、硬化条件の仕様書の作成である。前述した議論から、優れた仕様書において何が重要であるかが、ある程度明らかになることを期待する。波長、照度、エネルギー密度はすべて硬化プロセスにとって重要であり、硬化条件の仕様書の一部に含まれているべきである。
UV光源の出力は時間とともに変化する可能性があり（実際に変化する）、またすべての顧客が指定された光源を使用するとは限らないため、UV光源を説明するだけでは十分ではない。そのため、例えば300W/inのフュージョン（現エクセリタスノーブルライト）Hランプや200W/inの鉄ドープランプでテストを行うとしても、この記述は仕様書の代わりにはならない。
「フュージョン600W/inランプ」
この情報だけではお粗末な説明になる。これでは情報が少なすぎて何もできない。600W/inはこのランプに入る電力の指標であり、塗料に照射されるUVについての情報はない。どの波長？H、V、Dランプ？エネルギー密度は？
「400W/inの水銀ランプで5秒間」
少し良くなったが、塗料に到達するUVよりも光源に関する情報がまだ多い。私たちが知りたいのは、照度や積算光量の測定情報である。
「600 mJ/cm2」
さらに良くなった。少なくとも、測定情報が示された。しかし、かなりの重要なデータがまだ省かれている。例えば、波長は？
「600 mJ/cm2 UVA」
良い表記だ。どの測定器を使うかさえわかれば、この仕様を再現するのに十分な情報が示されている。
「600 mJ/cm2 UVA（EIT 320-390）」
より良い仕様である。このデータを測定するためにどのような光量計が使用されたかがわかる。
「300 mW/cm2 600 mJ/cm2 UVA (EIT 320-390)」
もっとも良い表記である。適切な硬化を確実にするための情報と、実験室での条件を現場で再現する方法が完備されている。
コーティングプロセスによっては、表面硬化と深部硬化の両方を完全に行うために、2種類のランプを使用することがある。この場合、適切なデータと硬化情報を記載する必要がある。どのような場合でも、UVバルブの種類や塗膜の厚さ、塗布データなどの追加情報があれば、顧客は貴社の意図を理解しやすくなり、適切なプロセスを確立し維持するための、より完全なガイドラインを得ることができる。このような事前のコミュニケーションは、将来的にコストのかかる、責任追及されるミスをなくすのに役立つ。
UV測定には、波長、照度（一般的にはピーク照度）、エネルギー密度（積算光量）に関する記述が含まれることを紹介した。フィルタリング、ソラリゼーション、コサイン誤差など、照度測定に影響を与える要因について紹介した。
エンドユーザーは、UV測定によってプロセスをモニターし、問題が発生した場合のトラブルシューティングを行う。サプライヤーはこれらのUV硬化の仕様の確立を支援する必要がある。情報の受信者が提供者の意図を明確に理解するためには、明確なコミュニケーションが不可欠である。そのために、硬化の仕様書にはプロセスを再現するために必要な基本的要素を含めるべきである。
＊原文はコンサルタントであるPaul Mills氏ならびにEIT2.0社（旧EIT社） Director of SalesのJim Raymont氏によって英文で作成され、北米ラドテック協会が発行したRadTech Report Magazine 2009年4月/5月/6月号の34から41ページに掲載されました。本資料は、EIT2.0社ならびに北米ラドテック協会より、和訳許可および日本のお客様へのオリジナル資料の解釈を目的とした転載許可のもと、エクセリタスノーブルライトジャパン株式会社が和訳し要約したものです。
英和に齟齬があるときは英文が優先します。
UV測定に役立つ情報を公開しています。是非併せてご覧ください。
