KR20160140742A - 확산-최적화된 티핑 페이퍼 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 일산화탄소의 최대 감소를 위해 티핑 페이퍼(4)의 웹을 플라즈마 천공함으로써 담배 제품, 특히 필터 담배를 위한 확산-최적화된 티핑 페이퍼(4)를 제조하는 방법에 관한 것으로, 천공된 티핑 페이퍼(4)의 확산율 및 투과율(P)은 인라인 방식으로 측정되고, 정의 가능한 목표 투과율(Psoll)을 항상 유지하면서 천공 매개변수를 제어함으로써 확산율이 최대화된다.

Description

확산-최적화된 티핑 페이퍼{DIFFUSION-OPTIMIZED TIPPING PAPER}
본 발명은, 일산화탄소의 최대 감소를 달성하기 위한 마우스피스 안감 종이의 천공 조절 방법, 및 이러한 방법에 따라 제조된 마우스피스 안감 종이에 관한 것이다.
흡연 중 CO 농도 감소는, 한편으로는 각각 담배 스트랜드의 단부, 궐련지 및 권지의 기공을 통해 또는 추가적으로 천공에 의해 형성된 구멍에 의해 궐련의 내부로 공기가 유입됨으로써 일어나는 소위 연기의 희석에 의해서, 그리고 다른 한편으로는 각각 기공 또는 천공에 의해 형성된 구멍들을 통한 궐련 내부로부터 외부로의 일산화탄소 확산에 의해 발생한다. 따라서 일산화탄소의 확산은 공기의 유입과 동일한 기공 및 구멍을 통하여 반대 방향으로 발생한다. 외부로의 일산화탄소의 확산은, 이러한 과정에서 산소, 질소 등과 같은 가스가 궐련의 내부로 확산되므로, 가스 교환으로 간주될 수도 있다. 공기의 유입에 의한 연기의 희석은 종종 환기로도 불리며, 궐련의 어느 부분을 통해 공기가 궐련의 내부로 유입되는지에 따라, 필터 환기와 담배 스트랜드 환기가 구별된다.
궐련의 드래그 저항은 희석의 정도와 관련이 있다. 상기 드래그 저항은 흡연 시 궐련의 기공 및 구멍을 통해 흡인되는 외기의 체적 유량이 얼마나 높은지를 결정한다. 궐련의 마우스 단부를 통한 총 체적 유량에 대한 궐련의 개별 부분들의 기공 및 구멍을 통한 외기의 체적 유량의 비는 환기의 정도로도 불리며, 여기서 또한 필터 환기의 정도와 담배 스트랜드 환기의 정도가 구별된다.
완성된 궐련에서는, 환기의 정도가 실질적으로 궐련의 풍미에 영향을 끼쳐 변경할 수 있으므로, 각각 균일한 희석 또는 드래그 저항 또는 균일한 환기의 정도를 가지는 것이 바람직하다.
환기의 정도는 궐련지 및 마우스피스 안감 종이의 투과율에서 비롯된다. 그러므로, 제조 중 궐련지와 마우스피스 안감 종이 둘 다의 투과율을 일정하게 유지할 필요가 있다.
사용된 원지의 다공성(전체 체적에 대한 캐비티 체적의 비)과 같은 특성과 관계 없이 일정한 투과율을 설정할 수 있게 하기 위해, 마우스피스 안감 종이용 원지에 추가적인 조정 가능한 천공이 가해진다.
담배 스트랜드 및 필터 외에도, 보통의 필터 담배 또는 통상적인 담배 튜브는 담배 스트랜드를 감싸는 궐련지, 고다공성 필터 권지, 및 마우스피스 안감 종이로 구성된다. 다른 작업 라인에서 작업되거나 미리 천공된 마우스피스 안감 종이가 사용되는 경우 고다공성 필터지가 요구된다.
종종 "티핑 페이퍼" 또는 짧게 "티핑"으로도 지칭되는 마우스피스 안감 종이는 필터 및 필터 권지를 완전히 둘러싼다. 이는 필터 담배를 피우는 동안 담배를 피우는 사람의 입술이 닿는 필터 담배의 부분이다. 전형적으로, 티핑 페이퍼는 또한 필터 담배의 종방향으로 담배 스트랜드의 종방향 영역 내로 약간 돌출되며, 궐련지 둘레를 스스로 둘러싸며 접착 연결에 의해 이에 연결된다. 이러한 접착 연결이 확립됨으로써, 필터 부분과 담배 스트랜드 부분은 담배 제조기에서 기계적으로 상호 연결된다. 티핑 페이퍼는 가장 흔하게는 실제로 종이이지만, 예를 들어 필름 또는 포일일 수도 있다. 티핑 페이퍼가 필름 또는 포일로 구성되는 경우, 이는 셀로판으로 구성될 수 있다. 마우스피스 안감 종이는 보통 시각적으로 어필하는 인쇄 디자인을 갖는다. 이러한 인쇄 디자인은 흔히 코르크와 비슷하다.
담배 스트랜드 단부에서 마우스피스 안감 종이는 보통 부분적으로 천공되도록 구성됨에 따라, 궐련을 빨아들이는 동안 주변으로부터의 공기가 필터 내로 유입되고 담배 스트랜드로부터 나오는 연기 흐름와 혼합되어 연기 값을 감소시킨다.
전형적으로, 천공된 구멍이 인쇄 작업에 의해 다시 막히는 것을 방지하기 위해, 마우스피스 안감 종이는 인쇄 후에 천공된다.
마우스피스 안감 종이 밑에 놓이는 필터 권지는 높은 다공성을 갖도록 구현되므로, 필터 영역에서 궐련의 전체 또는 나머지 투과율은 마우스피스 안감 종이의 다공성에 의해 제한된다. 마우스피스 안감 종이의 다공성은 각각 천공에 의해 형성된 구멍 크기 또는 구멍 개수에 의해 얻을 수 있다.
따라서, 각각 나머지 궐련 매개변수(궐련지 및 필터 권지의 다공성, 담배 스트랜드 및 필터의 드래그 저항 등) 및 환기의 정도 또는 궐련의 연기 값에 대해 미리 정의된 목표 값을 알고 있다면, 마우스피스 안감 종이의 투과율에 대한 공칭 값이 미리 정의될 수 있다. 환기의 정도 및 연기 값에 대한 목표 값은 보통 궐련 제조자에 의해 미리 정의되고, 그에 따라 투과율에 대한 공칭 값은 차후에 마우스피스 안감 종이 제조자에 의해 확립되어 마우스피스 안감 종이의 제조 중에 참조될 수 있다.
종래 기술에서, 천공에 의해 마우스피스 안감 종이의 투과율을 미리 정의된 공칭 값으로 조절하는 역할을 하는 방법이 있다.
EP 0056223 A2는, 천공된 페이퍼 웹 상으로 향하여 통과 및 반사(예를 들어, 가시광)되는 전자기파의 비율에 의해 페이퍼 웹의 투과율이 결정되는, 전기 천공 설비를 조절하기 위한 방법을 보여준다. 투과율의 공칭 값에 대한 실제 값의 편차는 스파크 에너지를 조절하는 데에 이용된다.
DE 3016622 A1은, 페이퍼 웹의 투과율이 측정되는, 전기 천공 설비를 조절하기 위한 방법을 보여준다. 이렇게 얻은 측정값은, 방전 주파수 및 기간 및/또는 웹 속도에 의해 천공의 구멍 크기 또는 구멍 개수를 조절하는 데에 이용된다.
DE 2833527 A1은, 페이퍼 웹의 투과율이 측정되는, 전기 천공 설비를 조절하기 위한 방법을 보여준다. 이렇게 얻은 측정값은, 방전 주파수에 의해 천공의 구멍 크기를 조절하는 데에 이용된다. 이는, 충분히 높은 주파수의 경우에 동일한 천공 구멍을 통해 복수의 방전이 서로 연속적으로 수행되고 따라서 이러한 구멍은 각각의 방전으로 약간 넓어지는 것으로 발생할 수 있다. 전극을 냉각하기 위한 압축 공기는 전극의 단부들의 방향으로 취입되도록 규정된다.
DE 2802315 A1은, 페이퍼 웹의 다공성이 테스트 장치에서 측정되는, 전기 천공 설비를 제어하기 위한 방법을 보여준다. 이렇게 얻은 측정값은, 방전 주파수에 의해 또는 개별적인 전극 쌍들을 끔으로써 천공의 구멍 크기를 조절하는 데에 이용되어, 이러한 방식으로 천공-구멍 개수를 조절하게 된다.
종래 기술의 천공 설비 및 조절 방법에서 일산화탄소의 확산에 끼치는 천공의 영향은 지금까지 고려되지 않았다. 그러한 이유는, 일산화탄소의 확산이 천공의 영향을 받지 않는다는 의견 또는 일정한 투과율이 얻어지는 경우에는 상기 일산화탄소의 확산이 천공의 영향을 받을 수 없다는 의견이 지금까지 우세했기 때문일 수 있다.
일산화탄소의 감소는 실질적인 건강 양상을 구성하므로, 천공이 일산화탄소의 확산에 끼치는 영향을 연구하고 확산-최적화된 마우스피스 안감 종이를 개발하는 것이 본 출원인에게 중요한 관심사였다.
본 발명의 목적은 마우스피스 안감 종이를 천공하기 위한 개선된 방법을 제공하는 데에 있으며, 마우스피스 안감 종이의 투과율이 일정할 때 연기의 일산화탄소 감소가 최대화될 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위해, 연속 페이퍼 웹 또는 필름 웹으로서 이용 가능한 마우스피스 안감 종이의 천공을 조절된 천공 장치에서 수행하는 것이 제안되며, 여기서 천공된 마우스피스 안감 종이의 확산율 및 투과율은 인라인 방식으로, 다시 말해서 천공기 상에서 바로 결정되고, 미리 정의 가능한 투과율을 계속해서 지키면서 천공 매개변수를 조절함으로써 확산율이 최대화된다.
한 가지 가능성은 천공으로 제조된 마우스피스 안감 종이의 구멍의 구멍 크기를 측정하고 천공 매개변수를 제어함에 따라 일산화탄소의 최대 확산을 위한 구멍 크기를 확립하는 데에 있다. 마우스피스 안감 종이의 투과율은, 천공 구멍 개수가 얻어진 구멍 크기에 따라 각각 얻어지거나 제어되는 것으로 일정하게 유지된다.
이러한 2-단계 조절 방법으로 천공을 통한 일산화탄소의 확산이 최대화되고 투과율이 일정하게 유지될 수 있다.
하기의 이론에서 또한 설명되는 바와 같이, 본 출원인은 개개의 천공 구멍들의 구멍 직경이 최소일 때 일산화탄소의 확산이 최대가 된다고 판단하였다. 기술적인 이유에서 구멍 직경은 임의적으로 작게 구현될 수 없으므로, 본 발명에 따른 방법은, 구멍 직경을 응용에 따라 달성 가능한 최소 구멍 직경으로 조절하고, 요구되는 투과율을 달성하기 위해 천공 구멍의 개수를 이러한 직경에 맞게 조정하는 것으로 이루어진다. 종래 기술과 비교하여, 투과율에 대한 요구조건을 지키면서 일산화탄소의 최대 감소를 달성한다는 점에서 유리하다. 따라서 가능한 한 궐련의 풍미와 드래그 저항에 영향을 끼치지 않으면서 바람직하지 않은 일산화탄소의 농도가 감소된다.
본 발명에 따른 조절 방법은, 본 출원인에 의해 개발된 플라즈마 천공 방법을 이용하여 가장 잘 구현된다. 한편으로, 플라즈마 천공은 우선 극도로 작은 구멍 직경을 가능하게 하고, 다른 한편으로 플라즈마 천공은 매우 명확하고 빠른 천공 매개변수 조절을 가능하게 한다.
본 발명은 하기의 도면들로 도시된다.
도 1은 일정한 투과율(P)에서의 구멍 개수(N)에 따른, 확산에 이용 가능한 면적(A)와 천공의 구멍 반경(r) 사이의 이론적 상관관계를 보여준다.
도 2는 예시적인 플라즈마 천공 헤드의 디자인을 단면도로 보여준다.
도 3은 다른 예시적인 플라즈마 천공 헤드의 디자인을 단면도로 보여준다.
도 4는 에너지원으로서 레이저를 구비한 다른 예시적인 플라즈마 천공 헤드의 디자인을 단면도로 보여준다.
도 5는 본 발명에 따른 조절의 제1 변형예의 개략적 디자인을 보여준다.
도 6은 본 발명에 따른 조절의 제2 변형예의 개략적 디자인을 보여준다.
도 7은 조절의 개략적인 도시와 함께 본 발명에 따른 천공 설비의 개략적인 디자인을 보여준다.
먼저, 이론 상의 물리적 접근을 설명하지만, 본 발명이 이러한 이론에 구애되는 것은 아니다.
일산화탄소의 감소는 연기 흐름의 희석 및 확산에 의해 발생한다. 연기 흐름의 희석에 의한 일산화탄소의 감소는 궐련의 투과율(P)에 의해 결정되며, 결과적으로, 일정한 투과율(P)이 미리 정의된 경우 확산을 최대화함으로써 CO 감소를 최대화해야 한다.
수학적 접근에 의한 해결책을 제시하기에 앞서, 일정한 투과율(P)에서 확산율을 최대화할 가능성을 물리적 상관 관계로 설명할 것이다. 이 문헌에서 투과율은 차압으로 인한 마우스피스 안감 종이의 투과율인 것으로 이해한다. 차압은 궐련에서의 드래그에 의해 발생된다. 간략하게는, 여기서 투과율은 마우스피스 안감 종이의 천공을 통해 궐련의 내부로 얼마나 많은 외기가 인입되는지의 척도이다. 각각 일정한 구멍 밀도 또는 개수에서 천공 구멍이 작을수록 이로 인해 드래그 저항이 커지고, 따라서 구멍이 작을수록 투과율이 낮아진다. 구멍 밀도는 단위 면적 당 구멍 개수로 이해한다.
이 문헌에서 확산율은 농도 차이로 인한 마우스피스 안감 종이의 투과율로서 이해한다. 여기서, 흡연 중 일산화탄소의 농도는 주위 공기에서보다 궐련에서 더 높다. 따라서 일산화탄소의 확산은 외기의 유입 방향과 반대로, 내부로부터 외부로 발생한다. 농도 차이를 제외하고, 확산 레벨은 확산에 이용 가능한 면적(A)에 의존한다.
여기서, 전체적으로 적은 개수의 큰 구멍들과 동일한 투과율(P)을 갖는 많은 개수의 작은 구멍들은 적은 개수의 큰 구멍들보다 더 큰 면적(A)를 가진다. 따라서, 투과율(P)을 일정하게 유지하면서 가능한 한 작은 구멍들을 가능한 한 많이 천공함으로써 확산을 최대화할 수 있다.
마우스피스 안감 종이의 투과율(P)은, 구멍 크기 및 구멍 개수의 천공 매개변수에 의해 수정될 수 있다. 여기서, 투과율(P)은 다음 식을 이용하여 근사치로 계산될 수 있다.
Figure pct00001
여기서η은 공기의 동적 점도를 나타낸다. n은 구멍 개수이다. r은 구멍 반경이다. d는 종이의 두께이다. p는 종이의 외측과 내측 사이의 차압이며, v는 천공 방법에 따라 경험적으로 결정된 투과율 지수이다.
궐련으로부터의 일산화탄소 확산율은, 공기 중의 일산화탄소의 확산 계수와 확산에 이용 가능한 면적(A)의 곱으로서 근사적으로 얻어진다. 본 발명의 관찰에서, 이는 확산에 이용 가능한 면적(A)이 더 커질수록 확산율이 증가한다고 하기에 충분하다. 이러한 면적(A)은 구멍의 면적(r2π)에 구멍 개수(n)를 곱한 것으로부터 얻어진다.
A = nr 2 ?
투과율(P)이 일정한 경우, 구멍 개수(n) 대 구멍 반경(r)의 비는, 구멍 면적들의 합이 최대화되도록 선택된다. 투과율(P), 구멍 반경(r), 구멍 개수(n), 및 확산 면적(A)의 상관 관계가 도 1에 도시되어 있다. 투과율(P)의 값이 일정한 경우, 구멍들의 반경(r)은 구멍 개수(n)가 증가함에 따라 꾸준히 감소한다. 반대로, 확산 면적(A)(A = nr 2 π)는, 구멍 개수(n)가 증가하고 구멍 반경(r)이 감소함에 따라 증가한다. 따라서 마우스피스 안감 종이를 통한 일산화탄소의 확산을 최대화하기 위해서는, 각각 구멍 개수를 최대화하거나 구멍 크기를 최소화할 필요가 있다.
이 맥락에서 제한 요소는 구멍 크기이며, 이는 기술적인 이유에서 이용된 마우스피스 안감 종이의 유형 및 천공 방법에 따라 구멍 크기는 임의적으로 작은 크기로 이루어지도록 구현될 수 없기 때문이다. 그러나, 달성 가능한 최소 구멍 직경(Dmin)을 얻도록 천공 매개변수를 제어하는 것이 가능하다.
이러한 달성 가능한 최소 구멍 직경(Dmin)은 많은 매개변수(종이 두께(d), 종이의 유형 및 코팅, 공기 습도, 기압, 에너지원의 출력 편차 등)에 따라 달라지므로, 본 발명에 따르면 구멍 직경(D)은 광학적 수단에 의해 인라인 방식으로 측정되며 측정된 값은 천공 매개변수(에너지원의 출력; 에너지 펄스의 기간; 페이퍼 웹으로부터 에너지원의 간격; 가스 공급의 유형, 부피 및 압력; 페이퍼 웹의 속도 등)를 조절하는 데 이용된다.
천공 구멍 개수는 달성 가능한 최소 구멍 직경(Dmin)에 맞게 조정된다. 이는 계산에 의해서 또는 천공된 페이퍼 웹의 투과율(P)의 광학적 측정에 의해서 발생할 수 있다.
계산에 의해서 구멍 개수(n)는 다음으로부터 얻어진다.
Figure pct00002
공칭 투과율(Psoll)은 각각 환기의 정도에 의해 또는 궐련 제조자의 연기 값에 의해 간접적으로 정해진다. η,Δp 및 v는 각각 일정하거나 또는 사용된 천공 과정에 따라 달라진다. 따라서, 각각 종이 두께(d)와 구멍 반경(r), 또는 구멍 직경(D)(D=2r)이 측정되는 경우, 요구되는 구멍 개수(n)를 계산할 수 있다.
바람직하게, 천공된 종이의 투과율(P)은 추가적인 제2의 제어 루프에서 측정되고, 구멍 개수(n)는 이에 상응하게 투과율(P)을 공칭값으로 유지하도록 제어된다.
구멍 크기를 조절하기 위한 천공 매개변수가 구멍 개수(n)에 영향을 끼치지 않고, 반대로 구멍 개수(n)가 구멍 직경(D)에 영향을 끼치지 않는 경우, 2개의 독립적인 제어 루프를 가지는 구현이 가능하다.
다수의 천공 헤드들에서는, 예를 들어 개별적인 천공 헤드들에 에너지 임펄스가 인가되지 않는 것으로 구멍 개수(n)를 얻을 수 있다. 단일 천공 헤드의 경우, 구멍 개수(n)는 각각 에너지 임펄스의 주파수 또는 횟수에 의해 제어되는 방식으로 얻을 수 있다.
페이퍼 웹, 특히 마우스피스 안감 종이 웹 또는 마우스피스 안감 종이(4)를 플라즈마-천공하기 위한 플라즈마 천공 헤드가 도 2에 도시되어 있다. 면적의 측면에서 가능한 한 작은 에너지원이, 마우스피스 안감 종이(4)의 적어도 하나의 평면 측에 배치된다. 이 예에서, 바늘 형상의 전극(2), 또는 더 구체적으로 2개의 전극(2, 5) 사이에서의 높은 전압(AC 전압 또는 DC 전압)의 짧은 인가가 에너지원으로서 사용된다. 천공은 정상 대기에서, 또는 특별한 가스 분위기, 예컨대 보호 가스 분위기 또는 정의 가능한 가스 조성을 가진 분위기에서 발생할 수 있다. 여기서, 이러한 분위기는 정상 압력 또는 주변 압력(기압)에 비해 높거나 낮은 압력을 가질 수 있다.
바람직하게, 가스 조성은 주변 분위기와 관계 없이 플라즈마의 위치에서 직접적으로 변형될 수 있다.
이를 위해, 전극(2)은 바람직하게 파이프(1) 내에 부착된다. 파이프(1)는 가압된 가스 또는 가스 혼합물을 운반하는 역할을 한다. 더 알아보기 쉽도록, 도면에서의 가스 유동은 화살표를 사용하여 나타내었다. 파이프(1)의 전단에 노즐(1.1)이 위치된다. 이러한 노즐(1.1)은, 마우스피스 안감 종이(4)와 대향하는 전극의 선단 영역에서 전극(2) 주위에 동심을 이루도록 배치된다. 따라서 파이프(1)와 노즐(1.1)로 둘러싸인 캐비티(1.2)를 통해 마우스피스 안감 종이(4)의 방향으로, 가압된 가스 또는 가스 혼합물이 전극(2) 주위에서 환형으로 도입된다. 비슷한 방식으로 구현된 바늘 형상의 대향 전극(5) 또는 도 3에 도시된 바와 같은 평면형 대향 전극(5)이 티핑 페이퍼(4)의 다른 측에 위치될 수 있다.
캐비티(1.2)를 통해 불활성 가스 또는 고농도의 불활성 가스를 가진 가스 혼합물을 도입함으로써, 또 다른 가스 조성을 갖는 좁은 영역이 마우스피스 안감 종이(4)를 향해서 이러한 가스 유동의 중심에, 다시 말해서 전극(2)의 바로 앞에 남아 있다. 이 영역에서 불활성 가스의 농도는 노즐(1.1)로부터의 직접적인 유동에서보다 다소 낮다. 그로 인해서, 가스가 이러한 영역에서 이온화됨에 따라 승화에 의해 마우스피스 안감 종이(4)에 궁극적으로 구멍을 생성하는 국부적인 플라즈마(3)를 생성하는 것을 더 용이하게 할 수 있다. 플라즈마(3)에, 특히 그 주위에 이미 고농도의 불활성 가스가 존재하므로, 마우스피스 안감 종이(4)의 표면 상에서의 산화가 방지되고, 그로 인해 구멍의 주변부에서의 시각적 변색이 방지된다. 저농도의 불활성 가스를 갖는 영역 및 그에 따른 플라즈마(3)의 팽창은 노즐(1.1)의 타이트하거나 다소 더 넓은 디자인에 의해, 또는 노즐(1.1)로부터 전극(2)이 돌출되는 거리를 변형함으로써 확장 또는 감소될 수 있다.
전극들(2, 5) 사이의 전압 임펄스의 주파수, 기간 및 진폭 외에도, 바람직하게는 본 발명에 따른 조절 방법에서 하기의 매개변수 중 적어도 하나가 제어 가능하다:
- 노즐의 개구 직경;
- 노즐과 전극 선단 사이의 간격;
- 페이퍼 웹으로부터 전극의 간격;
- 웹 스피드;
- 가스 압력;
- 가스 조성;
- 가스의 유동 체적.
다수의 바늘 전극(2)의 일반적인 배열의 경우, 바람직하게 노즐의 개구 직경 및/또는 노즐과 전극 선단 사이의 간격이 제어될 수 있는데, 이는 이들의 변형이 플라즈마의 유효 위치에서 직접적으로 발생함에 따라 천공에 일시적으로 매우 즉각적인 효과를 가지기 때문이다.
게다가, 이러한 2개의 매개변수는 다른 전극(2)과 관계 없이 각각의 전극(2)에서 개별적으로 얻을 수 있고, 그로 인해 각각의 개별 전극(2)을 달성 가능한 최소 구멍 직경(Dmin)으로 제어할 수 있다.
도 4는 에너지원으로서 레이저 빔(6)을 가진, 본 발명에 따른 바람직한 천공 헤드를 보여준다. 천공은 정상 대기 또는 특별한 가스 분위기, 예컨대 보호 가스 분위기 또는 정의 가능한 가스 조성을 갖는 분위기에서 발생할 수 있다. 여기서, 이러한 분위기는 정상 압력 또는 주변 압력(기압)에 비해 더 높거나 낮은 압력을 가질 수 있다.
바람직하게, 가스 조성은 주변 대기와 관계 없이 플라즈마의 위치에서 직접적으로 변형될 수 있다.
이를 위해, 파이프(1)의 하단에 또한 노즐(1.1)이 배치된다. 두 가지 작업을 처리하는 렌즈(7)가 이러한 노즐(1.1)에 동심이 되도록 위치된다. 렌즈(7)는 첫째로 마우스피스 안감 종이(4)의 표면 상에 레이저 빔(6)의 초점을 맞추는 역할을 한다. 둘째로, 렌즈(7)는 노즐(1.1)로부터의 가스 유동에 원하는 방식으로, 구체적으로는 가스 유동이 렌즈(7) 주위에 환형이 되도록 발생하는 방식으로 영향을 끼치는 역할을 한다. 불활성 가스 또는 가스 혼합물이 렌즈(7) 주위에서 구형으로 흘러나올 수 있게 하기 위해, 렌즈는 예를 들어 얇은 와이어로 파이프(1)에 고정되거나 또는 전극(2)과 같이 파이프(1)에서 수직으로 이어지는 강성 광도파로의 단부에 위치된다. 이 경우, 가스 혼합물이 충분히 낮은 농도의 불활성 가스로 이온화되기 위해 플라즈마(3)는 레이저 빔(6)의 에너지 밀도가 충분히 높은 영역으로 제한된다. 레이저 빔(6)의 에너지 밀도는 렌즈(7)의 초점에서 최대이고, 거기에서 불활성 가스의 농도는 가장 낮으며, 그에 따라 국부적인 작은 면적의 플라즈마(3)가 생성될 수 있다.
레이저 펄스의 출력, 초점 거리, 주파수, 기간 및 기하형상 외에, 바람직하게는 하기의 매개변수 중 하나가 본 발명에 따른 조절 방법에서 제어 가능하다:
- 노즐의 개구 직경;
- 노즐과 렌즈 또는 도광 선단 사이의 간격;
- 웹 속도;
- 가스 압력;
- 가스 조성;
- 가스의 유동 체적.
질소(N2), 아르곤(Ar), 헬륨(Ne), 네온(Ne) 또는 이산화탄소(CO2)가 불활성 가스로서 이용될 수 있다. 개별적인 유형의 불활성 가스가 특정한 혼합비를 이용하여 서로 조합되거나 노즐을 통해 처리 공간 내로 흐르게 함으로써 조합되는 것도 가능하다. 불활성 가스 또는 가스 혼합물이 압축된 상태로 노즐(1.1)을 빠져나가므로, 전극(2) 또는 렌즈(7) 주위에서 구형으로 환형 영역 내의 가스 또는 가스 혼합물의 밀도는 전극(2) 또는 렌즈(7)의 바로 앞의 영역에서보다 더 높다. 가스의 밀도가 높을수록 상기 가스를 이온화하기 위해 더 많은 에너지가 요구된다. 추가적으로, 이온 및 전자가 가스 유동에 의해 씻겨 나간다. 이러한 두 가지 효과는 또한 플라즈마(3)가 국부화되는 데에 기여한다.
따라서 구멍 직경(D)의 조절은 또한 플라즈마 천공의 경우 압축된 공기가 가스 혼합물로 사용될 때 발생할 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 제1 조절 변형예를 개략적으로 보여준다. 여기서, 각각 계산될 수 있는 구멍 크기, 또는 구멍 직경(D) 및 구멍 반경(r)은, 2개의 예시된 제어 루프 중 가장 안쪽 것에 의해 제어되고, 구멍 개수(n)는 가장 바깥쪽 제어 루프에 의해 제어된다.
구멍 반경(r) 또는 직경(D)은 각각 측정 장치(12)에 의해 측정된다. 달성 가능한 최소 구멍 반경(rmin)으로 구멍 반경(r)을 감소시키기 위해, 제어기(13)는 구동 장치(14)의 제어 인자(u)를 제어한다. 달성 가능한 최소 구멍 반경(rmin)은, 예를 들어 생성된 플라즈마가 조금이라도 종이에 구멍을 형성하기에 너무 약해질 때까지 구멍 반경(r)이 천공 매개변수의 변경에 의해 감소된다는 점에서, 조정 단계에서 결정될 수 있다. 임계 구멍 반경(그 밑으로는 천공이 더 이상 신뢰 가능하지 않음)의 약간 위로 조정된 후에, 달성 가능한 최소 구멍 반경(rmin) 형태의 공칭값이 얻어진다.
제어기(13)는 구동 장치(14)에 작용하는 제어 인자(u)를 제공한다. 예컨대 가스 압력, 가스 조성, 노즐 직경, 또는 에너지원의 선단으로부터 노즐의 간격과 같은 구동 변수(y)는, 구동 장치(14)에 의해 변경될 수 있다. 구동 변수(14)의 변경은 페이퍼 웹(4)(제어 경로(11)) 상의 플라즈마(3)가 변경되게 하여, 결과적으로 구멍 반경(r)이 변하게 된다.
측정 장치(22)는 바람직하게 EP 0056223 A2에 나타난 바와 같이 전자파에 의해 투과율(P)을 측정한다. 천공 구멍의 개수(n)는 측정된 값과 미리 정의된 공칭값(Psoll)의 차이에 의해 제어된다. 제어 인자(u')는 개개의 천공 헤드를 켜거나 끄는 효과를 갖는다.
예를 들어, 측정 장치(12)는, 페이퍼 웹 상을 향해 천공 장치와 동기화되는 방식으로 페이퍼 웹의 천공 열의 이미지를 촬영하는 선형 카메라(예를 들어 광 [레이저] 마이크로미터의 고해상도 CMOS 또는 CCD 카메라)일 수 있으며, 그에 따라 하나의 천공 열의 천공 구멍 개수 및 구멍 직경(D)은 데이터 처리 시스템에서 이미지를 분석함으로써 결정 가능하다.
도 6은 본 발명에 따른 조절의 제2 변형예의 제어 루프를 보여준다. 여기서, 조정 단계에서, 예를 들어 에너지원(전극(2) 또는 레이저 빔(6))의 모든 에너지 펄스의 50% 내지 80%만 실제로 천공으로 이어지는 지점까지 선택된 천공 매개변수를 변경함으로써 처음에 구멍 크기가 감소되고, 플라즈마 방전으로 이어지지 않는 에너지 임펄스에 대한 플라즈마를 생성하는 에너지 임펄스의 비율은 하기에서 "방전율"로 지칭된다. 이후에, 바람직하게는 요구되는 투과율(Psoll)을 결과적인 방전율로부터 얻는 방식으로 다른 제어 매개변수를이 에너지 밀도를 제어하는 데 사용된다.
예를 들어, 조정 단계에서 구멍 크기를 최소화하는 것은, 75%의 방전율이 달성될 때까지 일정한 에너지원 출력에서 가스 압력 또는 가스 유량을 증가시키거나 또는 가스 조성을 변화시키는 것으로 수행될 수 있다. 그 후, 이들 가스 매개변수가 일정하게 유지되고, 방전율을 증가 또는 감소시킴으로써 투과율(p)이 미리 정의된 공칭값을 갖도록 에너지원의 매개변수(예를 들어, 에너지 임펄스의 기간, 주파수, 진폭)이 제어된다.
그럼에도 불구하고 요구되는 투과율(Psoll)이 최대 방전율에 못 미치는 상황이 된다면, 예를 들어 가스 압력을 감소시키거나, 가스 혼합물 중 불활성 가스의 비율을 감소시키거나, 또는 웹 속도를 조정함으로써, 확산율 감소를 감수하고 구멍 크기를 약간 확장시켜야 한다. 이러한 변형예를 구현하기 위해, 구멍 개수(n)(또는, 각각 구멍 밀도), 구멍 크기(구멍 반경(r)) 및 투과율(P)을 계측적으로 획득하는 측정 장치(32)가 제공된다. 측정 장치의 데이터는 데이터 처리 시스템에서 분석되고, 소프트웨어로서 구현될 수 있는 제어기(13)에 의해 하나의(또는 복수의) 구동 변수가 생성된다.
바람직하게, 데이터 처리 시스템은 구멍 개수(n)와 평균 구멍 크기를 곱하여 전체 천공 면적을 계산 및 저장할 수 있으며, 전체 천공 면적은 종이의 확산율에 대한 주요 수치(확산 면적(A))를 나타낼 수 있거나, 또는 그로부터 종이의 확산율이 계산될 수 있다.
구멍 개수(n)(또는, 각각 구멍 밀도), 구멍 크기(구멍 반경(r)), 및 투과율(P) 외에, 웹의 두께(d)를 획득하는 것이 또한 유리하다. 바람직하게, 종이 두께(d)를 연속적으로 측정하기 위한 비-접촉 방법이 이용되며, 이러한 방법은 종래 기술에 알려져 있고, 예를 들어 문헌 US4107606 (A), EP0995076 (A1), US6281679 (B1)에 나타나 있다. 여기서 종이 두께(d)를 측정하기 위한 측정 장치는, 웹의 방향에서 봤을 때 바람직하게 천공 장치의 앞에, 또는 천공 장치의 뒤에 배치될 수 있다.
특히, 극심하게 변하는 특성(원지의 두께(d) 및 투과율(P) 또는 코팅의 두께(d))을 갖는 다양한 종이의 경우, 천공 장치 앞에서 두께를 측정하는 것 말고도 투과율의 측정을 수행하는 것이 필요할 수 있다. 이 경우, 각각의 경우에 뒤따르는 천공을 위한 요구되는 천공 구멍의 개수는, 종이 매개변수 및 달성 가능한 최소 구멍 직경(D)으로부터 대략적으로 계산될 수 있고, 실제로 얻은 투과율(P)을 측정하기 위한 천공 장치 뒤에 배치되는 측정 장치의 측정된 값에 의해 식이 조정되는 것으로 선택적으로 제어될 수 있다. 대안적으로, 방전율 또한 기본 종이의 두께(d) 및 투과율(P)에 따라 제어될 수 있다.
8개의 천공 헤드를 구비한 레일 및 측정 장치(8)를 가진, 본 발명에 따른 예시적인 플라즈마 천공 장치가 도 7에 도시된다. 여기서 8개라는 천공 헤드의 개수는 명확성의 이유에서 나온 것으로, 실제 구현의 경우에 천공 헤드의 개수는 예를 들어 레일 당 15 내지 30개일 수 있고, 복수의 레일이 서로 앞뒤로 및/또는 서로 좌우로, 서로 평행하게 되도록 배치될 수 있다. 페이퍼 웹(4)은 선택적으로 가변 속도로, 장치를 통해 왼쪽에서 오른쪽으로 연속으로 이동된다. 서로 위아래로 놓여 다수의 층을 형성하여 천공 장치를 통해 동시에 안내되는 2개 이상의 페이퍼 웹이 천공되는 것 또한 가능하다.
특히 바람직하게, 측정 장치(12, 22)가 하나의 측정 장치(8)로서 구성되고, 이의 신호가 데이터 처리 시스템(9)에서 분석된다. 데이터 처리 시스템(9)은 반경(r), 구멍 개수(n) 및 투과율(P)을 결정하고, 소프트웨어로서 구현되는 제어기(13, 23)에 의해 제어 인자(u, u')를 생성한다. 바람직하게, 개개의 천공 헤드 상에 타겟이 되는 방식으로 매개변수들이 변경될 수 있게 하기 위해, 또는 예를 들어 마모로 인해 개개의 천공 헤드들이 다른 것보다 상당히 더 큰 천공 구멍을 생성하는 경우에 대응할 수 있게 하기 위해, 각각의 천공 헤드에 대한 구멍 반경(r) 또는 구멍 직경(D)이 각각 획득된다.
(CORESTA 단위(CU))의) 공칭 투과율(Psoll) 대신, 환기 정도, 드래그 저항 및/또는 달성될 연기 값을 데이터 처리 시스템에 입력할 수도 있다. 공칭 투과율(Psoll)은 결과적으로 데이터 처리 시스템에 저장된 계산 규칙에 의해 계산될 수 있다.
각각 구멍 반경(r) 또는 구멍 직경(D), 각각 구명 개수(n) 또는 구멍 밀도, 및 투과율(P)은 데이터 처리 시스템을 위한 입력값의 역할을 한다. 종이 두께(d), 원지의 투과율(P), 선택적 코팅의 유형 및 두께, 및 웹 속도는 부가적인 입력값이다. 코팅 또는 원지의 두께(d) 및 투과율(P)이 전체 페이퍼 웹에 걸쳐 각각 일정한 경우, 천공 시작 전에 이들 값이 데이터 처리 시스템으로 입력되기에 충분하다. 특히, 원지 또는 코팅된 종이의 투과율(P)이 천공에 의해 달성된 투과율(P)에 비해 무시해도 될 정도로 작은 경우, 원지의 투과율(P)을 고려하는 것은 생략해도 된다. 구멍 반경(r) 및 구멍 개수(n)는 천공 장치 뒤의 측정 장치(8)에 의해 계측적으로 획득되고, 바람직하게 투과율(P)은 또한 측정 장치(8)에 의해, 또는 구멍 개수(n), 구멍 반경(r) 및, 페이퍼 웹의 두께(d)를 이용하여 획득되고, 데이터 처리 시스템은 하기의 식(또는 다른 식)에 따라 투과율(P)을 계산할 수 있다.
Figure pct00003
웹 속도는 데이터 처리 시스템의 입력값의 역할을 하며, 웹 속도가 입력값에 따라 제어되어야 하는 경우에 출력값(구동 변수)으로서의 역할을 할 수도 있다. 다른 출력값(구동 변수)은 다음을 포함할 수 있다: 전극들(2, 5) 사이의 전압 임펄스의 주파수, 기간 및 진폭; 페이퍼 웹으로부터 전극의 간격; 전극 선단으로부터 노즐의 간격; 레이저 임펄스의 출력, 초점 거리, 주파수, 기간 및 기하형상; 노즐과 렌즈 또는 도광 선단 사이의 간격; 가스 압력; 노즐의 개구 직경; 가스 조성; 가스의 유량.
종래기술과 달리 본 발명은, 확산에 의한 일산화탄소 감소에 천공이 끼치는 영향이 고려됨에 따라, 처음으로 마우스피스 안감 종이의 확산-최적화된 천공이 수행되고, 따라서 처음으로 확산-최적화되어 천공된 마우스피스 안감 종이가 제조된다는 점에서 유리하다.
더구나, 천공 장치의 전형적인 제어 가능한 매개변수(에너지원의 에너지 임펄스의 출력, 기간, 주파수, 및 웹 속도) 외에도, 가스 또는 가스 혼합물의 목표로 하는 도입에 의해, 목표로 하는 구멍 크기 감소를 가능하게 하는 추가의 제어 가능한 매개변수(가스 압력, 가스 양, 가스 조성, 노즐 기하형상)가 이용 가능하고, 플라즈마 천공에 의해 추가적으로 가능하게 되는 구멍의 향상된 배치 정확성에 의해 더 높은 구멍 밀도가 또한 달성될 수 있으므로, 플라즈마 천공을 위한 방법이 이러한 맥락에서 특히 유리하다.

Claims (18)

  1. 일산화탄소의 최대 감소를 위해 마우스피스 안감 종이(4)의 웹을 천공함으로써 담배 제품, 특히 필터 담배를 위한 확산-최적화된 마우스피스 안감 종이(4)를 제조하는 방법에 있어서,
    천공된 마우스피스 안감 종이(4)의 확산율 및 투과율(P)은 인라인 방식으로 결정되고, 미리 정의 가능한 공칭 투과율(Psoll)을 일정하게 지키면서 천공 매개변수를 조절함으로써 확산율이 최대화되는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    환기의 정도, 드래그 저항 및/또는 달성할 연기 값을 미리 정의함으로써 공칭 투과율(Psoll)이 미리 정의되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    천공 구멍 개수, 또는 구멍의 밀도 및/또는 구멍 직경(D)을 각각 계측적으로 얻는 것으로 확산율이 대략적으로 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    인라인 방식으로 종이 두께(d)가 측정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    달성 가능한 최소 구멍 직경(Dmin)이 설정되고 구멍 개수(n)를 조절함으로써 투과율(P)이 일정하게 유지되도록 천공 매개변수가 제어되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    사용되는 마우스피스 안감 종이(4)에 대한 달성 가능한 최소 구멍 직경(Dmin)은, 조정 단계에서 천공 파라미터의 자동 또는 수동 변경에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    구멍 직경(D)이 계측적으로 획득되고, 요구되는 구멍 개수(n)는 계산에 의해, 바람직하게는 하기 식에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 방법:
    Figure pct00004
    .
  8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    바람직하게는 적어도 하나의 에너지원의 에너지 임펄스의 대략 50% 내지 80%만 천공으로 이어질 때까지 플라즈마의 에너지 밀도가 감소되는 것으로 구멍 크기가 최소화되고, 그 후에 플라즈마의 에너지 밀도 변화로 인해 천공 구멍 개수 또는 구멍 밀도가 각각 얻어지도록 천공 매개변수가 제어되며, 이 때 투과율(P)의 실제 값이 공칭 투과율(Psoll)과 같은 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    구멍 크기를 조절하는 것은 다음의 하나 또는 복수의 척도에 의해 확립되는 것을 특징으로 하는 방법: 가스 압력 변경; 가스 유량 변경; 가스 조성 변경, 특히 불활성 가스의 농도 변경; 노즐의 개구 면적 변경; 에너지원의 선단이 노즐로부터 돌출되는 거리 변경; 웹 속도의 변경.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    천공으로 이어지는 적어도 하나의 에너지원의 에너지 임펄스의 횟수를 조절하는 것은, 전극(2)에 대한 전압 임펄스의 주파수, 기간 및/또는 진폭이 변경되는 것, 또는 하나 또는 복수의 레이저 빔(6)의 광 임펄스의 출력, 초점 거리, 주파수, 기간 및/또는 기하형상이 변경되는 것으로 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    복수의 천공 헤드에 의해 동시에 천공이 수행되며, 각각의 생성된 구멍의 구멍 직경(D)이 결정되고, 데이터 처리 시스템에서 각각의 천공 헤드에 생성된 구멍의 직경이 할당되는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 적어도 하나의 에너지원이 바람직하게는 90°의 각도로 마우스피스 안감 종이(4) 상으로 향하고, 이러한 에너지원은 선단을 포함하여 이로부터 에너지 빔이 마우스피스 안감 종이(4) 상으로 향하는, 마우스피스 안감 종이(4)의 웹을 천공하는 장치에 있어서,
    웹의 방향에서 봤을 때, 각각 천공 구멍의 크기 및 개수 또는 밀도, 및 마우스피스 안감 종이(4)의 투과율(P)을 획득하는 측정 장치가 천공 장치 뒤에 배치되고,
    측정 장치의 데이터를 천공 매개변수의 조절을 위한 적어도 하나의 제어 인자로 변환시키는 데이터 처리 시스템이 제공되는 것을 특징으로 하는 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    천공 장치에서 마우스피스 안감 종이는, 주위 분위기에 비해 더 높거나 낮은 비율의 불활성 가스 및/또는 더 낮거나 높은 압력을 갖는 가스 분위기로 둘러싸이는 것을 특징으로 하는 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    각각의 에너지원은 마우스피스 안감 종이(4)에 대향하는 단부를 가진 파이프(1) 내에 부착되고, 가압된 가스 또는 가스 혼합물을 위한 배출 개구의 역할을 하는 노즐(1.1)이 배치되며, 에너지원의 선단은 노즐(1.1)에 동심이 되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
  15. 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 에너지원은 전극(2)에 의해 형성되며, 적어도 하나의 대향 전극(5)이 마우스피스 안감 종이(4)의 다른 측에 제공되는 것을 특징으로 하는 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    DC 또는 AC 전압 형태의 높은 전압이 전극들(2, 5) 사이에 인가될 수 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  17. 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    에너지원은 레이저인 것을 특징으로 하는 장치.
  18. 제12항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    마우스피스 안감 종이(4)의 웹의 두께(d)를 인라인 방식으로 측정하는 장치가 제공되는 것을 특징으로 하는 장치.
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