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High Voltage Power Supply Units

What Is a High Voltage Power Supply Unit?

High Voltage Power SuppliesA high-voltage power supply unit is a power supply unit that handles particularly high voltages.

High voltage generally refers to voltages ranging from several thousand volts (V = volts: a unit of voltage) to several tens of thousands of V or higher. The voltage transmitted by power companies is 6.6 kV or higher, but high voltage is generally defined as 600 V AC (750 V DC) or higher.

The electrical appliances we use in our daily lives have low voltages of 100 VAC or 200 VAC. This is due to the fact that the standard power supply voltage transmitted from the power company’s generation facilities to each household is either 100 VAC or 200 VAC.

Although typical power supply units are 100 VAC or 200 VAC, some equipment may want to generate higher voltages depending on the conditions of use. Specifically, these are devices that require higher voltages than the power supply voltage or devices to be tested for tolerance to high voltages. In order to clear this requirement, a transducer that generates higher voltage than the power supply voltage used by general users is needed. High-voltage power supply units are used in such cases.

Uses of Applications of High Voltage Power Supply Units

High-voltage power supply units are mainly used for operating products that require high voltages and to withstand voltage testing.

Examples of equipment that require high voltage include equipment used for painting automobile bodies and construction materials, equipment used for surface treatment of metals and plastics, X-ray radiation equipment used for radiation therapy and x-rays, and electron microscopes.

Pressure resistance testing is performed on industrial electrical equipment such as electric wires. Products are often tested to withstand voltages of 1500 V for 1 minute or 1800 V for 1 second before shipment, and that insulation withstand voltages be tested. Therefore, the introduction of high-voltage power supply units is mandatory. They are also used for practical training to acquire qualifications as high voltage and special high voltage electricity handlers.

Principle of High Voltage Power Supply Units

High-voltage power supply units are converters that input general AC power transmitted to the end of the line and output it as high-voltage. A converter is a device (unit) that converts the AC power supply voltage transmitted from the power company into DC voltage using a circuit with diodes called a rectifier and smoothes the voltage with an electrolytic capacitor.

However, simply using a converter unit will only output a DC voltage that is smoothed at a low voltage because it is 100V or 200V, and will not provide the high voltage of 10 times or 100 times or more the voltage originally desired. It is possible to boost the voltage simply by the turn ratio of the step-up transformer, but the turn ratio has a practical limit.

To obtain a high voltage, a Cockcroft-Walton circuit combining a diode and a capacitor is used. This method uses the storage capacity of the capacitor and the rectifying action of the diode. After the capacitor stores electricity in response to an AC input in one direction, the voltage is boosted when a current flows in the opposite direction.

This circuit method is commonly used to raise the voltage by layering the rectifier-based circuit described earlier and is also referred to as a doubling voltage circuit or a high-voltage generator circuit among technical personnel. Since the voltage increase is an even multiplication, it is not possible to boost the voltage by an odd number of times. High voltages of 1 kV or higher can be obtained by combining an appropriate high voltage diode and ceramic capacitor.

Other Information on High Voltage Power Supply Units

1. High Voltage Power Supply Module

High-voltage power supply modules are high-voltage compatible power supply units capable of supplying high voltages that generally generate 1 kV or more.

Among these, power supply unit manufacturers with an established reputation for their technological expertise in downsizing through higher efficiency while ensuring low noise and reliability have achieved low prices by improving the quantity and ease of use of their products, and have modularized their high-voltage output power supply modules as general-purpose products.

Major manufacturers and products of high-voltage power supply modules include the OHV series by Bellnix, the TCR series by American High Voltage; the HGP series by Matsusada Precision, HitekPower by General Products; the TMK series by Takasago Machinery Works, the C14051 series by Hamamatsu Photonics, etc. The more the output current increases in addition to the original high voltage, the larger the size of the module becomes. Therefore, it is necessary to select a module with attention to its margin, temperature rise, and dielectric strength depending on the actual use of the load. 

2. High-Voltage Power Supply Board

The substrate of a high-voltage power supply is a high-voltage circuit, so there are some precautions that must be taken for the substrate used in the high-voltage circuit. This is because the higher the voltage, the more the standard requires that the insulation distance of the board be sufficiently secured. The higher the voltage is, the greater the possibility of serious electric shock during work. To ensure safety, safety measures against withstand voltage and electric shock must be taken, including the creepage distance and insulation distance of the circuit board and the installation of safety grounding.

In practice, the IEC standard absolutely requires a board pattern design that ensures insulation distances between conductive copper foil patterns on the board based on each country’s standards. Failure to comply with this requirement may result in fines or other penalties as a violation of the law, and not only penalties, but also a loss of social credibility. Therefore, both the manufacturer and the user must be very careful to ensure that the insulation distance of the board pattern meets the standard.

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塗布装置

塗布装置とは

塗布装置の種類

図1. 塗布装置の種類

塗布装置とは、製品や材料に薬品などを塗布するための装置です。

一般的な塗布装置は、塗布する対象物の形状や塗布する薬品と塗布の目的によって塗布方法が異なるため、さまざまな用途に応じてロールコータスピンコータディップコーター、スプレー塗布やディスペンス塗布など、さまざまな塗布方法が用いられています。

近年では、半導体製造分野やFPD (フラットパネルディスプレイ) 製造分野、太陽電池や二次電池製造分野などの工業分野においては、精密な塗布精度が求められるため、塗布技術の向上と共に塗布装置が飛躍的に進化しています。

塗布装置の使用用途

塗布装置は、半導体分野や二次電池など様々な製造工程で対象物に塗液を塗布する用途で使用されています。パソコン、液晶テレビ、スマートフォン、タブレットなど、特に薄型で高機能・高密度化が求められる半導体製造分野やFPD (フラットパネルディスプレイ) 製造分野におけるフォトリソグラフィ工程で、フォトレジストを塗布するスピン塗布装置を利用する場合が多いです。

二次電池や太陽電池、自動車部品から住宅建材・繊維・医療などで使用される機能性フィルムやシート状製品に対しては、シール材接着剤、電極材をなどの薬品を塗布するロール塗布装置やスプレー塗布装置、ディスペンス塗布装置などが利用されています。

塗布装置の原理

図2 塗布装置の特徴

図2. 塗布装置の特徴

塗布装置は、さまざまな生産品材料への対応や薬液などの材料を塗布する装置です。主にロール状塗布、スピン塗布、スプレー塗布、ディスペンス塗布に大別できます。

1. ロール状塗布装置

ロール状塗布装置は、一般的にフィルムやシートなど比較的薄く平面材料に対する塗布に用いられます。

塗布する薬液の液溜まりに接するローラーの回転とフィルムやシートなどの材料の巻取り回転を利用して塗布するグラビアコーター、リバースコーターなどを塗布する薬液の性質や粘度、塗布する膜厚に応じてさまざまな塗布方法が用いられます。

ロールtoロールでの塗布が可能で、最も高速塗布にむいた方法です。これらの方法の特徴は、塗布液と被塗布対象物の間で、ビードを形成し被塗布対象物、または被塗布対象物とロールの両方が移動したり回転したりすることで塗液にせん断力をかけ薄く塗布することです。

このビードを安定化させることが、高品質な塗布に欠かせません。

2. スピン塗布装置

スピン塗布装置は、半導体製造分野やFPD (フラットパネルディスプレイ) 製造分野におけるフォトリソグラフィ工程で使用するフォトレジストを回転するテーブル上の生産品に吐出後、テーブルが回転する遠心力により薬液の広がる作用を利用して薄膜を形成する塗布方式を採用する装置です。

最も薄く塗布できる手法ですが、複数枚の塗布や連続生産ができないため大量生産には不向きです。

3.  スプレー塗布装置

スプレー塗布装置は、自動車や外壁建材などの塗装に対して薬液をスプレーで微細粒子に変換して塗布し、塗布対象物が大型の場合、ロボットの広域可動範囲を利用することで高精度且つ広範囲の塗布方式を採用する装置です。

空気、電気、超音波の3種類の粒状噴霧を生成する方式が存在します。

4. ディップ塗布装置

ディップ塗布装置は、対象物の形状は問わず、ディップコート液に浸けて引き上げる方式です。均一な薄膜を形成することが可能で、光学レンズ、医療系や電子デバイスなどに用いられています。

対象物の形状は問わず、塗布液のロスが少なく均一な薄膜を形成することができる点がディップ塗布装置の特徴です。

5. ディスペンス塗布装置

ディスペンス塗布装置は、比較的精密な線状塗布が求められる状況で使用されます。塗布量のコントロールが可能なディスペンスー機構を備え、更に精密な塗布が要求される場合には、ロボットを用いることで塗布量の精度と正確性を兼ね備えた塗布方式を採用する装置です。 もちろん塗布速度などは劣りますが、細かいところへのスポット塗布や複雑な形状の塗膜が形成可能です。

塗布装置のその他情報

塗布欠陥と塗布装置

図3 塗布欠陥と塗布装置

図3. 塗布欠落と塗布装置

どんなに高性能な塗布装置にて塗布を行ったとしても、粘度のあわない塗液や塗布速度などの塗布条件によっては綺麗な塗布面が得られないことがあります。コーティングの欠陥の種類とその対処法は、下記の通りです。

1. 塗布によって発生する欠陥

欠陥 原因 対処法
空気同伴 被塗布物に塗液を塗布する際に、空気が逃げ切れないことで発生。 塗布速度を低下させることで解決。
リブスジ 塗布部に塗布方向に対して逆圧力勾配ができることで発生。 塗液の粘度や塗布速度を低下させることで解決。
気泡混入によるスジやホール 塗液中に泡があることで発生。 泡抜き対策を施す。
横ダン状のムラ 主にリバースグラビア方式などで発生。 被塗布物の振動抑制やグラビアの回転速度を変えることで解決。
ムラ 塗液が塗膜内で流動をおこすことで発生。 塗液を改善することで対応する。
異物 塗液が凝集したり、ゲル状になることで発生。 フィルターを導入するなどで対応する。
はじき 塗液の表面張力が高いことで発生。 界面活性剤などを添加することで対応する。

 

2. 乾燥によって発生する欠陥

欠陥 原因 対処法
ゆず肌 (塗面がゆず皮のように凹凸になる) 乾燥速度が早すぎることで発生。 乾燥速度を弱くしたり界面活性剤を添加することで対応。
風紋 熱風乾燥で発生。 吹き付ける熱風の速度を弱めることで対応する。
割れ 塗膜の収縮によって発生。 厚塗りをやめることなどによって対応する。

 

コーティングは塗布装置と乾燥と塗液をそれぞれ適切に選択することで、成立する技術です。使いたい塗液の条件や乾燥炉のスペックなども考慮して、適切な塗布装置を選択することが大切です。

参考文献

https://www.keyence.co.jp/ss/products/measure/sealing/coater-type/