[논문]피에조 구동형 잉크젯 노즐에서의 미세 액적 형성 특성

신평호; 성재용; 이석종

doi:10.5407/jksv.2008.6.1.047

피에조 구동형 잉크젯 노즐에서의 미세 액적 형성 특성
On the Characteristics of the Droplet Formation from an Inkjet Nozzle Driven by a Piezoelectric Actuator 원문보기

한국가시화정보학회지= Journal of the Korean society of visualization, v.6 no.1, 2008년, pp.47 - 52

신평호 (서울산업대학교 NID융합기술대학원) , 성재용 (서울산업대학교 기계공학과) , 이석종 (서울산업대학교 에너지환경대학원)

Abstract ▼ AI-Helper

The present study has focused on the characteristics of droplet formation from an inkjet nozzle driven by a piezoelectric actuator. As an operating fluid, ethylene glycol was used and the physical properties of it such as viscosity, surface tension, contact angle and shear stress were measured. During the experiments, various temperatures and driving voltages are imposed on a capillary tube. These conditions result in a proper drive condition or an overdrive condition. In case of the proper drive condition, an image processing technique is applied to measure the diameter of a single free drop. As a result, the size of droplet is increased when the driving voltage is increased from 160 V to 190 V at 25$^{\circ}C$ In the overdrive condition where temperature or driving voltage becomes higher than the proper drive condition, satellites and the misdirected jets happen.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

단일 액적이 형성되기 위해서는 이와 같이 8개의 과정이 문제없이 잘 진행되어야 한다. 그러나 실제로는 동일한 유체를 사용하더라도 온도, 구동전압, 펄스폭, 구동주파수 등 작동조건에 따라서 이상현상을 흔히 볼 수 있으며, 본 연구에서는 주요하게 온도와 구동전압의 변화에 따른 이상 현상을 고찰하였다. Fig.
DOD 방식의 피에조 구동형 잉크젯 노즐에 관한 이상의 연구들은 대부분 상온에서 수행되었으며, 온도 및 구동 전압과 액적 크기의 상관관계에 대한 체계적인 해석은 수행되지 않았다. 따라서 본 연구에서는 잉크젯 노즐의 작동 변수로 온도와 전압을 선정하고 이들이 액적 크기 및 형성 특성에 미치는 영향을 고찰하고자 한다. 본 실험에서는 전자 패키징에 사용되는 실버 나노잉크에 대한 선행 연구로서 이와 비슷한 점도를 가지는 에틸렌글리콜을 사용하였고, 온도와 전압에 따라 노즐 출구에서 나오는 액적의 크기와 특성을 측정하였다.

제안 방법

노즐의 온도, 구동 전압을 변경하면서 그에 따른 액적 형성 실험을 수행하였다. 구동전압이 주기적인 펄스 형태로 주어지기 때문에 구동 주기에 맞춰서 액적이 형성되며, Fig.
제어기에서 발생되는 압전 구동 신호는 오실로스코프(oscilloscope)를 통하여 정밀하게 모니터링하였다. 또한 노즐 출구부에 설치된 LED strobe와 CCD 카메라를 제어함으로써 노즐 출구에서 형성되어 떨어지는 액적을 펄스주기에 동기화하여 영상을 획득한다. 액적이 마이크로 크기를 가지고 있어 CCD 카메라에 현미경 대물렌즈(objective lens)를 설치하였다.
표면장력과 접촉각은 깨끗한 유리표면 위에서힘의평형이 이루어진 정적인(static) 상태에서 측정하였다. 미세 액적을 형성하는 실험조건으로는 피에조 구동전압을 160~210V 범위에서 10V씩 변화시키면서 관찰하였으며, 온도는 25℃, 35℃, 45℃의 세 가지 조건에서 실험하였다. 이때, 피에조 구동 펄스 주기와 펄스폭은 각각 500 µs, 30 µs로 고정하였다.
따라서 본 연구에서는 잉크젯 노즐의 작동 변수로 온도와 전압을 선정하고 이들이 액적 크기 및 형성 특성에 미치는 영향을 고찰하고자 한다. 본 실험에서는 전자 패키징에 사용되는 실버 나노잉크에 대한 선행 연구로서 이와 비슷한 점도를 가지는 에틸렌글리콜을 사용하였고, 온도와 전압에 따라 노즐 출구에서 나오는 액적의 크기와 특성을 측정하였다. 액적의 크기를 측정하기 위해 독창적인 영상처리 기법(image processing technique)을 사용하였다.
본 연구에서는 피에조 구동형 잉크젯 노즐에서의 미세액적 형성 특성을 온도와 구동전압에 따라 실험하고 분석하였다. 작동 유체인 에틸렌글리콜에 대하여 점도, 표면장력 등 관련 물성치를 측정하였으며, 액적 형성 과정에서의 이상 현상이 온도와 구동전압 등 작동조건에 따라 나타남을 확인하였다.
최종적으로 경계추출(edge detection) 과정을 거쳐 액적의 경계선을 구하고 내부 영역의 면적을 픽셀단위로 계산한다. 액적은 구형으로 가정하여 계산된 면적으로부터 직경을 산출 하였으며, 실제길이와 영상의 픽셀간격 간의 확대비 (scale factor)를 곱하여 실제 액적의 크기를 산출하였다.
액적의 크기를 정밀하게 측정하기 위하여 영상처리 기법을 도입하였으며, Fig. 4는 구체적인 영상 처리과정을 나타낸다. 원시영상(original image)에서 미디언필터 (median filter)를 적용함으로써 영상획득단계에서 발생되는 노이즈를 제거한다.
이상 현상의 주요 발생 원인은 온도의 증가에 따른 점도의 감소이며, 구동전 압이 너무 크면 위성 액적이 형성된다. 액적의 크기를 측정하기 위하여 영상처리기법을 도입하였으며 측정 불확도가 2% 이내 임을 확인하였다. 측정된 액적의 크기는 구동전압에 따라 선형적으로 증가하였다.
또한 노즐 출구부에 설치된 LED strobe와 CCD 카메라를 제어함으로써 노즐 출구에서 형성되어 떨어지는 액적을 펄스주기에 동기화하여 영상을 획득한다. 액적이 마이크로 크기를 가지고 있어 CCD 카메라에 현미경 대물렌즈(objective lens)를 설치하였다.
본 실험에서 사용된 유체는 에틸렌글리콜이며, 점도계(Brookfield, DV-III+ULTRA Rheometer)를 이용하여 점도를 온도에 따른 함수로 측정하였다. 유체의 표면장력과 접촉각은 접촉각측정기(KSV, CAM200)를 이용하여 상온(25℃)에서 측정하였다. 표면장력과 접촉각은 깨끗한 유리표면 위에서힘의평형이 이루어진 정적인(static) 상태에서 측정하였다.
이때, 피에조 구동 펄스 주기와 펄스폭은 각각 500 µs, 30 µs로 고정하였다.
모세관 힘에 의해서 액체가 공급되면 피에조에 의해서 액적이 분사되고 노즐부에 히터(heater)와 열센서(thermo sensor)도 부착되어 있어 온도 제어를 할 수 있다. 제어기에서 발생되는 압전 구동 신호는 오실로스코프(oscilloscope)를 통하여 정밀하게 모니터링하였다. 또한 노즐 출구부에 설치된 LED strobe와 CCD 카메라를 제어함으로써 노즐 출구에서 형성되어 떨어지는 액적을 펄스주기에 동기화하여 영상을 획득한다.
유체의 표면장력과 접촉각은 접촉각측정기(KSV, CAM200)를 이용하여 상온(25℃)에서 측정하였다. 표면장력과 접촉각은 깨끗한 유리표면 위에서힘의평형이 이루어진 정적인(static) 상태에서 측정하였다. 미세 액적을 형성하는 실험조건으로는 피에조 구동전압을 160~210V 범위에서 10V씩 변화시키면서 관찰하였으며, 온도는 25℃, 35℃, 45℃의 세 가지 조건에서 실험하였다.
한 주기에 대한 펄스폭은 30 µs이며, 펄스에 동기화되어 시간지연(time delay)을 변경하면서 순차적 영상을 획득하였다.

대상 데이터

2는 피에조 구동형 잉크젯 노즐을 이용한 미세 액적형성 실험장치의 구성도를 나타낸다. Fig. 2의 실험장치 구성은 압전 소자용 제어기(Microdrop, MD-E201-H), 피에조 구동형 잉크젯 노즐(Microdrop, MDK-140), CCD 카메라 및 LED strobe로 구성되어 있다. 제어기에서는 피에조소자에 들어가는 전압, 펄스폭, 펄스주기를 조절할 수 있다.
본 실험에서 사용된 유체는 에틸렌글리콜이며, 점도계(Brookfield, DV-III+ULTRA Rheometer)를 이용하여 점도를 온도에 따른 함수로 측정하였다. 유체의 표면장력과 접촉각은 접촉각측정기(KSV, CAM200)를 이용하여 상온(25℃)에서 측정하였다.

이론/모형

반면, 피에조 구동 방식은 압전소자에 전기를 가하여 주면 압력으로 변환되어 모세관의 체적을 변화시켜 노즐 출구로부터 유체를 분사한다. 본 연구에서는 피에조 구동방식을 채택하였다. 피에조 구동형 잉크젯은 유기EL 프린팅, 전도성 잉크를 이용한 RFID 패터닝, 바이오 물질 분배 등 많은 응용분야를 가지고 있다.
본 실험에서는 전자 패키징에 사용되는 실버 나노잉크에 대한 선행 연구로서 이와 비슷한 점도를 가지는 에틸렌글리콜을 사용하였고, 온도와 전압에 따라 노즐 출구에서 나오는 액적의 크기와 특성을 측정하였다. 액적의 크기를 측정하기 위해 독창적인 영상처리 기법(image processing technique)을 사용하였다.

성능/효과

작동 유체인 에틸렌글리콜에 대하여 점도, 표면장력 등 관련 물성치를 측정하였으며, 액적 형성 과정에서의 이상 현상이 온도와 구동전압 등 작동조건에 따라 나타남을 확인하였다. 이상 현상의 주요 발생 원인은 온도의 증가에 따른 점도의 감소이며, 구동전 압이 너무 크면 위성 액적이 형성된다. 액적의 크기를 측정하기 위하여 영상처리기법을 도입하였으며 측정 불확도가 2% 이내 임을 확인하였다.
본 연구에서는 피에조 구동형 잉크젯 노즐에서의 미세액적 형성 특성을 온도와 구동전압에 따라 실험하고 분석하였다. 작동 유체인 에틸렌글리콜에 대하여 점도, 표면장력 등 관련 물성치를 측정하였으며, 액적 형성 과정에서의 이상 현상이 온도와 구동전압 등 작동조건에 따라 나타남을 확인하였다. 이상 현상의 주요 발생 원인은 온도의 증가에 따른 점도의 감소이며, 구동전 압이 너무 크면 위성 액적이 형성된다.

후속연구

이는 전압이 높 으면 압전 소자의 변위가 커져서 내부에 발생되는 압력파가 커지고 그에 따른 분사력이 증가하기 때문인 것으로 판단된다. 액적 크기에 영향을 주는 인자는 구동 전압뿐만 아니라 펄스 파형에 따라 달라질 수 있으며, 향후 이에 대한 추가적인 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	잉크젯 기술은 노즐의 구동방식에 따라 어떻게 나뉘는가?	잉크젯 기술은 노즐의 구동방식에 따라 Fig. 1과 같이 continuous 방식과 drop-on-demand(DOD) 방식으로 나누어진다. Continuous 방식은 액체분사(liquid jet)를 형성하기 위해서 잉크가 펌프에 의해서 노즐까지 이송되어지는 반면에 DOD 방식은 용기(reservoir)에 있는 유체가 모세관 힘(capillary force)에 의해서 노즐로 이송되는 것이 주된 차이점이다.
	전자 패키징 공정에서는 잉크젯을 이용하면 생기는 장점은?	잉크젯(inkjet) 기술은 프린터 외에도 MEMS, 반도 체 공정 등에서 폭넓게 사용되고 있으며, 특히 금속 잉크를 이용한 마이크로 회로 패터닝 및 전자 패키징 공정에서의 마이크로 범프(bump) 제작에서 중요한 역할을 한다. 전자 패키징 공정에서는 잉크젯을 이용하면 공정을 획기적으로 줄일 수 있는 장점이 있으나 범퍼의 크기와 피치간격을 미세하게 제어하기 위해서는 많은 연구가 필요하다. 따라서 잉크젯 기술이 더욱 더 발전되어지기 위해서는 다양한 물질에 대응할 수 있는 잉크젯 노즐의 설계와 제작에 대한 체계적인 접근이 무엇보다 시급하다.
	continuous 방식과 drop-on-demand(DOD) 방식의 차이점은?	1과 같이 continuous 방식과 drop-on-demand(DOD) 방식으로 나누어진다. Continuous 방식은 액체분사(liquid jet)를 형성하기 위해서 잉크가 펌프에 의해서 노즐까지 이송되어지는 반면에 DOD 방식은 용기(reservoir)에 있는 유체가 모세관 힘(capillary force)에 의해서 노즐로 이송되는 것이 주된 차이점이다. 이 중에서 DOD 방식은 지금까지 열적(thermal) 구동 방식과 피에조 (piezoelectric) 구동 방식을 주로 사용하여 왔다.

참고문헌 (9)

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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