[논문]롤투롤 전자인쇄 건조공정의 공기역학적 특성분석

서용호; 장영배; 김창완

문제 정의

본 논문에서 전산유체해석 결과와 비교를 위해두 개의 슬롯 노즐을 갖는 압력 패드 에어 바에 의해 발생하는 공기역학적 힘을 실험적으로 측정하였다. Fig.
본 논문은 전자인쇄 공정을 위한 롤투롤 장비의 건조기 설계에 핵심적인 역할을 하는 압력 패드 에어 바의 공기역학적 특성을 실험 및 수치해석 방법으로 분석하고자 한다. 두 개의 슬롯 노즐을 가진 압력패드 에어 바에 의해 발생된 공기역학적 힘을 측정하고, 전산유체해석 결과와 비교하여 롤투롤 공정의 웹에 작용하는 공기역학적 압력분포를 예측할 수 있었다.

가설 설정

공기부양 건조기 내부의 유체는 정상 상태이며 비압축성으로 가정하였다. 또한 온도의 영향을 고려하지 않으므로 등온 유체로 가정하여 나비어-스톡스(Na vier-Stokes, equations) 방정 식 을 기 본으로 하여 유체의 운동방정식을 정식화하였다.
수행하였다. 열 전달을 고려하지 않는 가정하에 25笆 등온유체로 설정하였다. 전산 유체해석을 위한 격자 모델(Mesh model)을 Fig.
일반적으로 유동에 의한 유연한 웹의 거동을 고려해야 하나, 본 연구에서는 웹의 특성 분석보다는 건조기 내부에서 웹 주위의 공기압력 분포분석을 위하여 웹을 강체로 가정하여 전산 유체해석을 수행하였다. 열 전달을 고려하지 않는 가정하에 25笆 등온유체로 설정하였다.
정상 상태실험 결과에서 얻은 유체의 레이놀즈 수(Reynolds Number)가 약 4000-6000 이므로 난류로 고려하였고, ” 일반적으로 사용되는 난류 모델인 표준 k-E 모델을 사용하였다. 체적력(Body force)의 영향은 무시하고, 슬롯노즐 출구 압력만이 작용한다고 가정하였다. 열 문제를 동반하지 않는 등온 유체의 지배방정식은 연속방정식(Continuity equation)과 나비어-스톡스 방정식의 두 식으로 표현할 수 있다.

제안 방법

실험변수는 Table 2에 나타냈다. 각각의 에어 바에 대하여 슬롯 노즐 출구와 평판 사이의 높이, 공급압력의 서로 다른 조합에 따른 평판이 받는 압력분포를 측정하였다.
5 는 강체 평 판(Rigid plate), 에 어 바 그리고 압력 측정장치로 구성된 실험장비를 개략적으로 나타낸다. 강체 평판을 X 축으로 이동시키면서 평판 상의 압력을 측정하였다. 강체 평판 상의압력 분포를 측정하기 위하여 사용된 에어 바의 종류는 두 가지 형태이며 형상에 대한 치수는 Table 1에 작성하였다.
공기부양 건조기의 설계변수인 에어 바의 형상 치수, 부양높이, 공급압력 사이의 영향력 분석을 하였다. 이를 통하여 웹이 받는 압력분포에 영향을 주는 변수들을 효과적으로 분석하였다.
방법으로 분석하고자 한다. 두 개의 슬롯 노즐을 가진 압력패드 에어 바에 의해 발생된 공기역학적 힘을 측정하고, 전산유체해석 결과와 비교하여 롤투롤 공정의 웹에 작용하는 공기역학적 압력분포를 예측할 수 있었다. 이를 통하여 건조기의 설계변수인 에어 바의 형상 치수, 부양높이, 공급압력 사이의 영향력 분석을 하였다.
본 논문에서는 롤투롤 전자인쇄기의 건조기 내부의 압력패드 에어 바를 통해 웹에 작용하는 압력 특성을 실험과 전산유체해석 방법을 이용하여 분석하였다.
에어 바의 형상을 결정짓는 주요 변수들과 부양 높이 그리고 공급압력 등의 공기역학적 특성을 결정짓는 매개 변수를 선정하여 분석을 하였다. 매개변수 분석에 사용한 주요 변수들은 두 개의 슬롯 노즐 사이의 거리인 에어 바의 폭(w), 슬롯 노즐의 폭(b), 에어 바의 윗면과 슬롯노즐 출구 사이의 거리(s), 웹과 슬롯노즐 출구 사이의 거리(h), 그리고 공급압력(P。)이다.
에어 바의 형상 치수와 해석 변수는 실험에서 사용한 에어 바 형상(Table 1)과 실험 변수(Table 2)를 사용하였다. 웹의 폭은 360 mm 이고, 에어 바의 길이(40。mm) 보다 작게 하여 웹의 중심에서부터 끝단까지 압력입력 조건을 가하였다.
두 개의 슬롯 노즐을 가진 압력패드 에어 바에 의해 발생된 공기역학적 힘을 측정하고, 전산유체해석 결과와 비교하여 롤투롤 공정의 웹에 작용하는 공기역학적 압력분포를 예측할 수 있었다. 이를 통하여 건조기의 설계변수인 에어 바의 형상 치수, 부양높이, 공급압력 사이의 영향력 분석을 하였다. 이를 통하여 웹이 받는 압력분포에 영향을 주는 변수들을 효과적으로 분석하였다.
이를 통하여 건조기의 설계변수인 에어 바의 형상 치수, 부양높이, 공급압력 사이의 영향력 분석을 하였다. 이를 통하여 웹이 받는 압력분포에 영향을 주는 변수들을 효과적으로 분석하였다.
8 에 나타내었다. 입구 경계조건은 슬롯노즐의 출구에 압력으로 적용하였고, 강체로 가정된 웹과 에어 바의 표면은 벽면 조건으로 하였다. 근접한 에어 바 사이의 유동은 대기압과 같은 조건으로 하였다' XY 평면과 YZ 평면에는 대칭 경계조건을 부여하였다.

대상 데이터

6(b)에서 나타낸 것과 같이 4 분의 1 모델로 단순화하였다. 에어 바의 형상 치수와 해석 변수는 실험에서 사용한 에어 바 형상(Table 1)과 실험 변수(Table 2)를 사용하였다. 웹의 폭은 360 mm 이고, 에어 바의 길이(40。mm) 보다 작게 하여 웹의 중심에서부터 끝단까지 압력입력 조건을 가하였다.

이론/모형

가정하였다. 또한 온도의 영향을 고려하지 않으므로 등온 유체로 가정하여 나비어-스톡스(Na vier-Stokes, equations) 방정 식 을 기 본으로 하여 유체의 운동방정식을 정식화하였다. 정상 상태실험 결과에서 얻은 유체의 레이놀즈 수(Reynolds Number)가 약 4000-6000 이므로 난류로 고려하였고, ” 일반적으로 사용되는 난류 모델인 표준 k-E 모델을 사용하였다.
연속방정식과 나비어-스톡스 방정식은 속도와 압력 항으로 다음과 같이 표현된다. 이 방정식을 유한체 적법 (FVM: Finite Volume Method)을 사용하여 이산화하여 변환된 대수 방정식을 수치 기법의 알고리즘을 사용하여 유체 유동 문제를 풀고 해석하였다. 9
또한 온도의 영향을 고려하지 않으므로 등온 유체로 가정하여 나비어-스톡스(Na vier-Stokes, equations) 방정 식 을 기 본으로 하여 유체의 운동방정식을 정식화하였다. 정상 상태실험 결과에서 얻은 유체의 레이놀즈 수(Reynolds Number)가 약 4000-6000 이므로 난류로 고려하였고, ” 일반적으로 사용되는 난류 모델인 표준 k-E 모델을 사용하였다. 체적력(Body force)의 영향은 무시하고, 슬롯노즐 출구 압력만이 작용한다고 가정하였다.

성능/효과

또한 건조기 내부 압력 계산을 위해 제안된 전산유체해석 모델을 이용한 수치해석 결과가 실험 결과와 유사한 경향을 보였다. 따라서 추후에롤투롤 전자인쇄기의 건조기 설계 시에는 제안된 전산 유체해석 모델을 사용할 수 있음을 검증하였다.
에어 바의 형상과 관련된 변수인 두 개의 슬롯노즐 사이의 거리인 에어 바 폭의 감소, 유동장의 입구 영역인 슬롯 노즐 폭의 증가, 에어 바의 윗면과 슬롯노즐 입구 사이의 거리가 증가할수록 웹이 받는 압력은 높아짐을 고찰할 수 있었다. 또한 공급압력이 증가할수록 웹이 받는 압력은 증가하며, 웹과 슬롯노즐 출구 사이의 거리인 부양높이가 증가할수록 웹이 받는 압력은 감소하고 쿠션압력이 매우 낮아짐을 알 수 있었다. 또한 건조기 내부 압력 계산을 위해 제안된 전산유체해석 모델을 이용한 수치해석 결과가 실험 결과와 유사한 경향을 보였다.
동일한 조건에서 공급압력이 증가할수록 쿠션압력이 높아진다’ 입구 경계조건의 압력이 커지므로 웹이 받는 압력 또한 커진다. 에어 바 형상의 변화에 따른 압력분포에 비하여 공급 압력에 따른 압력 변화는 공급 압력에 비례하여 증가하는 것을 확인할 수 있다.
결정됨을 알 수 있었다. 에어 바의 형상과 관련된 변수인 두 개의 슬롯노즐 사이의 거리인 에어 바 폭의 감소, 유동장의 입구 영역인 슬롯 노즐 폭의 증가, 에어 바의 윗면과 슬롯노즐 입구 사이의 거리가 증가할수록 웹이 받는 압력은 높아짐을 고찰할 수 있었다. 또한 공급압력이 증가할수록 웹이 받는 압력은 증가하며, 웹과 슬롯노즐 출구 사이의 거리인 부양높이가 증가할수록 웹이 받는 압력은 감소하고 쿠션압력이 매우 낮아짐을 알 수 있었다.
여기서 x=0 인 지점은 에어 바의 중심을 의미한다. 에어제트를 분출하는 두 개의 슬롯노즐 사이의 거리인 에어 바의 폭이 증가할수록 웹과 에어 바 사이의 쿠션 압력이 감소하는 경향을 보인다. 이는 에어 바의 폭이 증가할수록 두 개의 슬롯노즐로 둘러 쌓인 영역이 커지고, 늘어난 영역만큼 유동이 빠져나가는 출구 면적이 증가하였기 때문이다.
에어제트의 분출 각도를 고정한 경우에 대해서 압력 패드 에어 바의 공기역학적 특성은 에어 바의 폭(W), 슬롯노즐의 두께(b), 에어 바의 윗면과 슬롯 노즐 출구 사이의 거리(s)와 같은 기하학적 형상을 결정짓는 변수들과 공급압력(P。), 부양높이(h)에 의해 결정됨을 알 수 있었다. 에어 바의 형상과 관련된 변수인 두 개의 슬롯노즐 사이의 거리인 에어 바 폭의 감소, 유동장의 입구 영역인 슬롯 노즐 폭의 증가, 에어 바의 윗면과 슬롯노즐 입구 사이의 거리가 증가할수록 웹이 받는 압력은 높아짐을 고찰할 수 있었다.

후속연구

전산유체해석을 통한 부양높이와 공급압력에 따른 쿠션 압력의 크기는 부양높이가 작을수록 실험과 유사한 결과를 보인다. 그러나 실험과 해석에서 쿠션 압력의 평균 값은 공급압력(P。)과 효과적인 전압(耳) 사이의 상관계수인 노즐계수의 선정에 따라차이가 발생하므로 적절한 노즐계수의 선정에 대한 연구가 필요하다고 판단된다.

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