[논문]1 차원 Lumped 모델을 이용한 산업용 잉크젯 프린팅 헤드 토출 특성 해석

심원철; 김영재; 박창성; 유영석; 정재우; 오용수; 박성준

문제 정의

이중압전 방식은 액츄에이터(Actuator)의 제어성이 우수할 뿐 아니라 열 방식에 비하여 수계, 유기 용제 및 monomer 를 이용한 잉크에 적용이 가능하고, 온도 상승에 따른 잉크 물성의 변화를 가져오지 않기 때문에 산업용 헤드는 대부분 압전 방식을 채택하고 있다. 따라서 본 연구에서는 압전 방식의 헤드 중에서 가장 일반적으로 사용하는 굽힘 모드 (Bend mode)로 구동되는 잉크젯 헤드의 해석 모델을 수행하였다. 현재 잉크젯의 토출 성능 해석을 위해서는 상용 코드(code)를 사용하여 잉크젯 형상에 부합하는 3차원 모델링 후 격자(Mesh)를 나누고 경계 조건을 입력하여 계산을 진행하는 방법을 사용하고 있다.
따라서 이를 정확하게 해석하기 위해서 조밀한 격자(Fine mesh)가 필요하여 전체 토출해석 진행을 위해서는 수 일 정도 소요하므로 신속하게 설계 인자를 찾아내고 이를 최적화하는데 오랜 시간이 걸린다는 단점이 있다. 따라서 본 연구에서는 잉크젯 헤드의 성능을 해석하기 위한 이론적 해석 tool 을 확보하는 동시에 빠른 시간 내에 성능을 평가하기 위하여 1 차원으로 단순화한 해석모델을 개발하였으며 이를 이용하여 토출 성능을 예측하고 평가하였다.

제안 방법

개발된 1 차원 해석 모델을 이용하여 잉크젯 헤드의 리스트릭터 깊이를 변화하면서 토출 성능을 해석하였다. Fig.
노즐의 메니스커스 속도 및 유량을 구하기 위해 계산된 엑츄에이터와 유체 소자의 특성 상수를 입력하고 구동 조건을 결정한다. 앞에서 얻어진 잉크젯 헤드의 시스템 방정식은 4 차 Runge-Kutta method 를 이용해서 수치 적분하고 이를 1차 미분방정식으로 변환하여 행렬 형태로 바꾸어 계산한다.
사용하였다. 액츄에이터의 윗면에 lOOkPa 의 압력을 가하고 이에 의한 각 절점(Node)의 변위를 계산하여 체적 변위를 구하고 이를 압력으로 나누어 엑츄에이터의 컴플라이언스를 구하는 방법을 택하였다.
11 와 같이 감소하게 된다. 이를 확인하기 위해 20KHz 까지 토출 주파수 (Jetting frequency)를 증가하면서 액적 체적 변화를 관찰하였다(Fig. 12). 리스트릭터 깊이가 130m 일때, 액적 체적은 토출 주파수 변화에 따라 거의 변하지 않지만 42 m 일때, 액적 체적이 급격하게 감소하는 것을 볼 수 있다.

대상 데이터

0 X 10-19 [m5/N] 이다. 리스트릭터 길이는 2000µm, 폭은 50 µm, 깊이는 130 pm 로 선정하였으며 노즐은 직경이 30 µm, 길이는 30 pm 로 선정하였다. 식 (10),(11)로부터 얻어진 노즐의 리지스턴스(Rr)는 5.
액츄에이터는 Fig. 6 과 같이 PZT 와 멤브레인 (Membrane) 2 층으로 구성되어 있다. 멤브레인의 폭은 600gm, 길이는 3000gm 그리고 두께는 40gm 이다.
토출에 사용된 잉크의 밀도 (Density) 는 1000 kg/m3 이고 표면장력 (Surface tension)은 0.025N/m, 점도(Viscosity)는 4.8cPs 이다. 잉크 내 음속을 1500 m/s 라 할때, 체임버의 컴플라이언스는 2.

데이터처리

Fig. 8 과 같은 구동 파형(Wave form)으로 압전 액쥬에이터를 구동할 경우 1 차원 해석 프로그램의 해석 결과와 실제 제작된 헤드의 성능을 비교하였다. q 은 1.

이론/모형

앞에서 얻어진 잉크젯 헤드의 시스템 방정식은 4 차 Runge-Kutta method 를 이용해서 수치 적분하고 이를 1차 미분방정식으로 변환하여 행렬 형태로 바꾸어 계산한다. 1 차원 해석 프로그램의 흐름도(Fig. 7)와 같이 1 차원 lumped 모델링을 이용하여 잉크젯 헤드 성능 해석을 위한 프로그램을 개발하였으며 이를 구동하기 위해 Matlab 을 사용하였다.
방정식의 변수가 서로 다르다. 따라서 이를 일관된 법칙으로 모델링하기 위해서는 시스템을 대표하는 구성 요소들로 나누고 특성 상수들로 표현한 후, Table 1과 같은 관계를 이용하여 등가화하는 Lumped 모델링 방법이 사용된다.4,5,6 탄성 에너지를 저장하는 요소를 컴플라이언스(Compliance) 라고 정의하며 운동 에너지를 저장하는 요소를 이너턴스(Inertance), 에너지 발산 요소는 리지스턴스 (Resistance)라고 한다.
구동 조건을 결정한다. 앞에서 얻어진 잉크젯 헤드의 시스템 방정식은 4 차 Runge-Kutta method 를 이용해서 수치 적분하고 이를 1차 미분방정식으로 변환하여 행렬 형태로 바꾸어 계산한다. 1 차원 해석 프로그램의 흐름도(Fig.
액츄에이터의 컴플라언스(G) 계산을 위해서 상용 해석 프로그램인 CoventorWareTM 를 사용하였다. 액츄에이터의 윗면에 lOOkPa 의 압력을 가하고 이에 의한 각 절점(Node)의 변위를 계산하여 체적 변위를 구하고 이를 압력으로 나누어 엑츄에이터의 컴플라이언스를 구하는 방법을 택하였다.

성능/효과

1 차원 Lumped 모델을 이용하여 잉크젯 헤드의 성능을 시뮬레이션하고 인가된 구동 파형에 의한 액적 속도와 토출 체적을 실험치와 비교한 결과 10% 내외에서 일치하는 결과를 나타내어 개발된 모델의 정확성을 검증하였다. 하지만 해석 결과와 측정 결과에서 발생된 오차는 1 차원 Lumped 모델을 통해 계산된 이너턴스와 리지스턴스 값이 실제 노즐과 리스트릭터 형상을 완벽하게 반영하기 어렵기 때문에 기인한 것으로 판단된다.

후속연구

하지만 해석 결과와 측정 결과에서 발생된 오차는 1 차원 Lumped 모델을 통해 계산된 이너턴스와 리지스턴스 값이 실제 노즐과 리스트릭터 형상을 완벽하게 반영하기 어렵기 때문에 기인한 것으로 판단된다. 따라서 3 차원 해석 모델을 통한 유체 해석을 통하여 보다 정확한 이너턴스와 리지스턴스 상수 값을 얻는다면 1 차원 Lumped 모델의 정확성을 향상시킬 수 있을 것이다. 본 논문에서 개발된 1 차원 Lumped 모델을 통해 실험으로는 측정하기 어려운 체임버 내 압력변화, 메니스커스의 움직임에 대한 정보를 통해 잉크젯 헤드의 거동 분석에 이용할 수 있을 뿐만 아니라 잉크젯 헤드를 구성하는 각 요소들의 파라미터 변화에 따른 민감도 해석을 통해 헤드 성능 최적화에 활용될 수 있다.
따라서 3 차원 해석 모델을 통한 유체 해석을 통하여 보다 정확한 이너턴스와 리지스턴스 상수 값을 얻는다면 1 차원 Lumped 모델의 정확성을 향상시킬 수 있을 것이다. 본 논문에서 개발된 1 차원 Lumped 모델을 통해 실험으로는 측정하기 어려운 체임버 내 압력변화, 메니스커스의 움직임에 대한 정보를 통해 잉크젯 헤드의 거동 분석에 이용할 수 있을 뿐만 아니라 잉크젯 헤드를 구성하는 각 요소들의 파라미터 변화에 따른 민감도 해석을 통해 헤드 성능 최적화에 활용될 수 있다.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

1 차원 Lumped 모델을 이용한 산업용 잉크젯 프린팅 헤드 토출 특성 해석
Performance Analysis of the Industrial Inkjet Printing Head Using 1D Lumped Model 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

데이터처리

이론/모형

성능/효과

후속연구

참고문헌 (6)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

1 차원 Lumped 모델을 이용한 산업용 잉크젯 프린팅 헤드 토출 특성 해석 Performance Analysis of the Industrial Inkjet Printing Head Using 1D Lumped Model 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

데이터처리

이론/모형

성능/효과

후속연구

참고문헌 (6)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

심원철 (1) 김영재 (1) 박창성 (1) 유영석 (2) 정재우 (6) 오용수 (6) 박성준 (6)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

1 차원 Lumped 모델을 이용한 산업용 잉크젯 프린팅 헤드 토출 특성 해석
Performance Analysis of the Industrial Inkjet Printing Head Using 1D Lumped Model 원문보기

AI 본문요약
AI-Helper