패턴 형상, 인쇄 및 건조 조건이 전도성 잉크를 이용한 그라비아 인쇄 결과물의 성능에 미치는 영향 Influence of Micro Pattern Geometry and Printing and Curing Conditions in Gravure Printing on Printing Performance When Using Conductive Ink원문보기
e-Printing은 전통 인쇄 기술을 기반으로 하는 전자소자를 생산하기위한 새로운 기술이다. 이러한 인쇄 전자 소자들은 가격을 낮추기 위하여 대면적 인쇄가 요구된다. 이렇듯 원가를 절감하며 전자 소자에 요구되는 정밀도를 충족하기 위하여 롤투롤(Roll to Roll) 방식의 그라비아(Gravure) 인쇄 시스템이 하나의 대안으로 제시된다. 그라비아 인쇄에는 인쇄 전자 소자의 성능에 영향을 미치는 요소들이 매우 많다 : 건조 방식, 건조 온도, 운전 장력, 인쇄 속도, 잉크 점도, 잉크의 전도성, 망점 및 패턴의 정밀도. 이상에서 언급한 요소들은 각각 매우 밀접한 관계를 가지고 있다. 따라서 인쇄 전자소자의 성능을 향상시키기 위해서는 반듯이 인쇄 적합조건을 찾아야만 한다. 본 논문에서는, 전도성 잉크 및 그라이아 인쇄기를 사용하여 다양한 요소의 조건을 변화하여 패턴(선 및 면)을 인쇄하였으며, 각 인쇄 요소의 변화가 인쇄 전자소자의 성능에 미치는 영향에 관하여 분석 및 연구를 수행하였다.
e-Printing은 전통 인쇄 기술을 기반으로 하는 전자소자를 생산하기위한 새로운 기술이다. 이러한 인쇄 전자 소자들은 가격을 낮추기 위하여 대면적 인쇄가 요구된다. 이렇듯 원가를 절감하며 전자 소자에 요구되는 정밀도를 충족하기 위하여 롤투롤(Roll to Roll) 방식의 그라비아(Gravure) 인쇄 시스템이 하나의 대안으로 제시된다. 그라비아 인쇄에는 인쇄 전자 소자의 성능에 영향을 미치는 요소들이 매우 많다 : 건조 방식, 건조 온도, 운전 장력, 인쇄 속도, 잉크 점도, 잉크의 전도성, 망점 및 패턴의 정밀도. 이상에서 언급한 요소들은 각각 매우 밀접한 관계를 가지고 있다. 따라서 인쇄 전자소자의 성능을 향상시키기 위해서는 반듯이 인쇄 적합조건을 찾아야만 한다. 본 논문에서는, 전도성 잉크 및 그라이아 인쇄기를 사용하여 다양한 요소의 조건을 변화하여 패턴(선 및 면)을 인쇄하였으며, 각 인쇄 요소의 변화가 인쇄 전자소자의 성능에 미치는 영향에 관하여 분석 및 연구를 수행하였다.
e-Printing is a new manufacturing technology for electronic products and is based on traditional printing technology. The electronic products require a large area to facilitate printing and to be economical. A gravure printing system that supports a roll to roll (R2R) manufacturing process can be us...
e-Printing is a new manufacturing technology for electronic products and is based on traditional printing technology. The electronic products require a large area to facilitate printing and to be economical. A gravure printing system that supports a roll to roll (R2R) manufacturing process can be used to reduce the cost and to achieve the required accuracy. Many factors such as drying method, drying temperature, tension,-printing velocity, ink viscosity, ink conductivity, pattern accuracy, and dot geometry influence the performance of printed electronics. These factors are closely interrelated. The optimum condition for printing must be determined to enhance the performance of the printed electronics. In this study, lines and areas are printed using a gravure printer with conductive ink under different conditions of the above mentioned factors. The results are analyzed to investigate the influence of various factors on the performance of the printed electronics.
e-Printing is a new manufacturing technology for electronic products and is based on traditional printing technology. The electronic products require a large area to facilitate printing and to be economical. A gravure printing system that supports a roll to roll (R2R) manufacturing process can be used to reduce the cost and to achieve the required accuracy. Many factors such as drying method, drying temperature, tension,-printing velocity, ink viscosity, ink conductivity, pattern accuracy, and dot geometry influence the performance of printed electronics. These factors are closely interrelated. The optimum condition for printing must be determined to enhance the performance of the printed electronics. In this study, lines and areas are printed using a gravure printer with conductive ink under different conditions of the above mentioned factors. The results are analyzed to investigate the influence of various factors on the performance of the printed electronics.
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문제 정의
본 논문에서는 그라비아 인쇄의 핵심요소 중 하나인, 인쇄용 롤의 관점에서 가공 형상 및 인쇄 및 건조 조건들이 인쇄 전자 소자의 인쇄 결과에 어떠한 영향을 미치는지에 대하여 고찰하였다.
본 연구에서는 R2R system의 핵심 요소 중에 하나인 인쇄용 롤의 가공 조건의 변화에 따른 인쇄 결과물의 형상 왜곡 및 전기적 성능의 변화를 분석하고, 그라비아 인쇄용 롤의 관점에서 인쇄 결과물의 성능을 최적화 할 수 있는 조건을 찾는 것이 목적이다. 이는 차후의 전도성 잉크를 이용한 인쇄 전자 소자(도선, 저항, 캐패시터, 인덕터 등의 수동소자, 박막트랜지스터(TFT)를 비롯한 능동소자) 및 RFID tag, flexible display 등의 광학소자, solar-cell, flexible battery 등의 에너지 소자, 각종 센서의 인쇄 시, 최적화 되어진 인쇄용 롤의 생산을 통하여 불량률 최소화를 도모하고자 한다.
가설 설정
하지만, 각 패턴에 따라 잉크의 전이량의 차이가 발생하고 이로 인하여 패턴의 단선 및 왜곡이 발생하였기 때문에 비저항은 서로 다른 결과 값을 가진다. 각 패턴을 하나의 구조체로 가정하면, 계산된 비저항으로부터 어떠한 패턴이 잉크의 전이율 및 전기적 성능이 뛰어난지를 알 수 있다. 또한, 동일 패턴 디자인에 대하여 선폭이 다르더라도, 선 길이와 폭의 비가 같기 때문에 동일한 저항값과 비저항을 가져야한다.
제안 방법
IGT F-1 mini gravure printer와 열풍건조기(Fig. 3)를 이용하여 선정된 전도성 잉크와의 적합성 및 솔벤트 함량결정을 위한 실험을 진행하였다.
각각의 substrate에 전이된 잉크의 두께 및 표면상태, 왜곡 정도를 관찰하였다(Fig. 4, Table 2). 대부분의 substrate에서 양호한 결과를 보였으며, 그 중 Coveme사의 제품과 SKC사의 AH81, SH34의 경우 잉크 전이량 측면에서 결과가 뛰어났지만(Fig.
그 결과 8~10%에서는 망점과 망점 사이의 공간에 잉크가 채워지지 않는 부분이 다량 발생하였으며, 12%에서는 양호한 결과를 가져왔다. 또한, 잉크 전이에 적절한 인쇄 속도를 구하는 실험도 병행하였다. 그 결과 15mpm 미만, 42mpm 이상에서는 잉크전이에 문제가 발생하였다.
모든 패턴을 선폭, 선 간격 그리고 망점의 형상과 해상도를 기준으로 6그룹으로 분류하여 제작하였다(Table 3). 선폭이 90㎛이하인 경우, 잉크의 퍼짐을 고려하여 선 간격을 다른 패턴들에 비하여 높게 결정하였다.
인쇄 조건은 Table 4, 건조 조건은 Table 5와 같으며 열풍건조 방식을 사용하였다. 본 2차 실험에서는 잉크의 소모량을 최소화하기 위하여, 공기 압축식 분사기를 사용하여 잉크를 공급하였다.
본 실험에서는 레이저 조각 부식 기법을 이용하여 각 조건 별로 6개의 롤을 제작하였다. 실험에 사용된 패턴은 총 10가지이며 그중 대표적인 패턴은 Fig.
잉크의 전이율 및 패턴 형상 왜곡 등을 고려한 적정 솔벤트 함량을 구하기 위하여, 중량대비 8~12%의 함량으로 실험을 하였다. 그 결과 8~10%에서는 망점과 망점 사이의 공간에 잉크가 채워지지 않는 부분이 다량 발생하였으며, 12%에서는 양호한 결과를 가져왔다.
측정된 결과를 토대로 각 망점의 형상, 구성, 해상도, 패턴의 방향(MD(Machine direction, 소재 진행방향) or CMD(Cross machine direction, 인쇄 롤의 축 방향)) 등에 관하여 data를 정리하고 도표화 하였다.
측정된 형상 자료 및 저항, 잉크의 비저항(resistivity,ρ)을 이용하여 각 패턴의 이론적 저항 값과 비저항을 구하였다.
대상 데이터
4, Table 2). 대부분의 substrate에서 양호한 결과를 보였으며, 그 중 Coveme사의 제품과 SKC사의 AH81, SH34의 경우 잉크 전이량 측면에서 결과가 뛰어났지만(Fig. 4), SH34를 제외한 다른 제품들은 상대적으로 매우 고가 이므로 SH34를 선정하였다.
Parmod KCG-100은 항공 규정상 솔벤트(solvent)와 같은 위험물질을 함유할 수 없기 때문에, 적정 솔벤트를 중량대비 희석하여 사용하여야 한다. 본 실험에서는 n-Propyl acetate를 사용하였다. 희석비율에 따른 점성의 변화는 Fig.
본 인쇄 실험에 사용 된 잉크는, 잉크의 전이율 및 접착성, 건조 성능 등을 고려하여 solvent base의 Parmod KCG-100(Parelec, USA)를 선정하게 되었다.
본 실험에서는 레이저 조각 부식 기법을 이용하여 각 조건 별로 6개의 롤을 제작하였다. 실험에 사용된 패턴은 총 10가지이며 그중 대표적인 패턴은 Fig. 5와 같다.
앞에서 결정된 100㎛ 두께의 SH34와 Parmod KCG-100 전도성 잉크를 이용하여 인쇄실험을 진행하였다. 인쇄 조건은 Table 4, 건조 조건은 Table 5와 같으며 열풍건조 방식을 사용하였다.
인쇄 방식, 인쇄 속도, 운전 장력, 인쇄 시 잉크의 공급 방법, 건조 시간, 건조 온도, 개략적인 web 소재의 특성 등을 고려하여 최적화 되어진 전도성 잉크를 선정하였다.
이론/모형
인쇄 결과물의 측정을 위하여 비접촉 두께 측정방법으로서 interferometer 방식의 Nano Scan과 공구현미경을 사용하였고, multi-tester를 사용하여 저항을 측정하였다.
성능/효과
결과를 다시 한 번 살펴보면, MD상의 패턴들보다 CMD상의 패턴의 성능이 우수하였지만, CMD상의 패턴 형상 왜곡이 상대적으로 심하였다. 또한 특정 선폭(70㎛) 이하에서는 망점으로 구성된 패턴들의 성능이 매우 낮았으며, 홈 형상으로 구성된 패턴들의 성능이 우수하였다.
잉크의 전이율 및 패턴 형상 왜곡 등을 고려한 적정 솔벤트 함량을 구하기 위하여, 중량대비 8~12%의 함량으로 실험을 하였다. 그 결과 8~10%에서는 망점과 망점 사이의 공간에 잉크가 채워지지 않는 부분이 다량 발생하였으며, 12%에서는 양호한 결과를 가져왔다. 또한, 잉크 전이에 적절한 인쇄 속도를 구하는 실험도 병행하였다.
결과를 다시 한 번 살펴보면, MD상의 패턴들보다 CMD상의 패턴의 성능이 우수하였지만, CMD상의 패턴 형상 왜곡이 상대적으로 심하였다. 또한 특정 선폭(70㎛) 이하에서는 망점으로 구성된 패턴들의 성능이 매우 낮았으며, 홈 형상으로 구성된 패턴들의 성능이 우수하였다. 본 실험에서는 실험을 위한 단순한 형상 위주의 가공을 하였지만, 실제 제품을 설계, 생산 할 경우에는 MD와 CMD상의 패턴들이 항상 존재한다.
비저항의 변화를 각 조건 별로 살펴보면, 홈 형상으로 구성된 패턴의 경우 선폭이 증가할수록 비저항이 일정부분 증가함을 알 수 있다. 하지만 90㎛ 선폭의 경우 급격하게 성능이 저하된다(Fig.
이상에서 언급한 바와 같이 가공 해상도가 낮을수록 패턴의 왜곡이 심하며, 망점으로 구성된 패턴 보다는 홈 형상으로 가공된 패턴의 왜곡이 심하다는 것을 알 수 있다(Fig. 8~9).
이상의 결과는 on-line curing을 수행하는 R2R 공정에서는, 한정된 건조 온도와 챔버의 길이에 의해 인쇄 속도가 매우 중요한 요인으로 작용한다 할 수 있다. 인쇄 전자 소자에 사용 될 패턴의 체적을 미리 계산하여, 이에 맞게 각 요소들의 값을 설정하여야만 할 것이다.
측정결과를 살펴보면, 한 가지 흥미로운 점을 발견 할 수 있다. 전체 패턴 형상 중에서 왜곡이 심한 CMD상의 패턴들이 동일 선폭에서 낮은 비저항을 나타냄으로써 전기적 성능이 더 우수함을 알 수 있다(Fig. 14). 이는 각각의 경우에 따라 성능이 우수해지는 요인이 다르다.
한 가지 특이한 점은, 실험 결과에서도 나타나듯이, MD 상의 홈 형상 패턴 선폭 70㎛ 이상, CMD 상의 홈 형상 패턴 선폭 90㎛ 이상에서는 패턴들의 중앙에 잉크가 전이되지 않는 현상이 발생한다(Fig. 12). 이는 두 가지 측면에서 원인을 가정 할 수 있다.
후속연구
본 연구에서는 R2R system의 핵심 요소 중에 하나인 인쇄용 롤의 가공 조건의 변화에 따른 인쇄 결과물의 형상 왜곡 및 전기적 성능의 변화를 분석하고, 그라비아 인쇄용 롤의 관점에서 인쇄 결과물의 성능을 최적화 할 수 있는 조건을 찾는 것이 목적이다. 이는 차후의 전도성 잉크를 이용한 인쇄 전자 소자(도선, 저항, 캐패시터, 인덕터 등의 수동소자, 박막트랜지스터(TFT)를 비롯한 능동소자) 및 RFID tag, flexible display 등의 광학소자, solar-cell, flexible battery 등의 에너지 소자, 각종 센서의 인쇄 시, 최적화 되어진 인쇄용 롤의 생산을 통하여 불량률 최소화를 도모하고자 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
그라비아(Gravure) 인쇄 시스템의 인쇄 전자 소자의 성능에 영향을 미치는 요소들은?
이렇듯 원가를 절감하며 전자 소자에 요구되는 정밀도를 충족하기 위하여 롤투롤(Roll to Roll) 방식의 그라비아(Gravure) 인쇄 시스템이 하나의 대안으로 제시된다. 그라비아 인쇄에는 인쇄 전자 소자의 성능에 영향을 미치는 요소들이 매우 많다 : 건조 방식, 건조 온도, 운전 장력, 인쇄 속도, 잉크 점도, 잉크의 전도성, 망점 및 패턴의 정밀도. 이상에서 언급한 요소들은 각각 매우 밀접한 관계를 가지고 있다.
e-Printing이란?
e-Printing은 전통 인쇄 기술을 기반으로 하는 전자소자를 생산하기위한 새로운 기술이다. 이러한 인쇄 전자 소자들은 가격을 낮추기 위하여 대면적 인쇄가 요구된다.
인쇄 전자 소자들에게 대면적 인쇄가 필요한 이유는 무엇인가?
e-Printing은 전통 인쇄 기술을 기반으로 하는 전자소자를 생산하기위한 새로운 기술이다. 이러한 인쇄 전자 소자들은 가격을 낮추기 위하여 대면적 인쇄가 요구된다. 이렇듯 원가를 절감하며 전자 소자에 요구되는 정밀도를 충족하기 위하여 롤투롤(Roll to Roll) 방식의 그라비아(Gravure) 인쇄 시스템이 하나의 대안으로 제시된다.
참고문헌 (6)
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