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문제 정의
- 본 연구는 연속적인 생산을 위해서 온라인 성능향상 및 연속공정에서 인쇄 깊이에 따른 전도성 잉크의 건조특성에 관한 연구로써 인쇄 롤 패턴의 깊이에 따른 실험적 분석과 열풍 건조 방식, 적외선 건조방식을 비교 분석하고 열풍과 적외선을 병용한 건조 방식을 통하여 하나의 라인 안에서 건조 및 큐어링 시간을 줄여 대량생산과 건조 성능향상을 위해 연구하였다.
- 큐어링의 목적은 인쇄 공정에서의 솔벤트와 같은 첨가제 및 용제들의 제거를 위한 건조 후에 전기 전도도의 향상을 위한 전도성 잉크를 경화시켜 주는 것이다. 건조 공정의 경우 비교적 낮은 건조 온도에서 짧은 건조 시간만으로도 건조 과정이 완료된다.
제안 방법
- 실험은 프린팅 장비를 이용하여 전도성 잉크를 PET 필름에 인쇄하고 이 필름을 컨베이어형 열풍 및 적외선 병용 건조 장치에서 열풍 건조 장치와 적외선 건조 장치를 단독으로 작동시킬 때와 같이 열풍+IR을 병용해서 작동시킨다. 건조 및 큐어링온도 변화는 열풍 건조 장치에서는 120oC, 135oC, 150oC로 하였고 적외선 건조 장치에서는 80oC, 100oC, 120oC, 150oC로 하였다. 열풍 및 적외선 병용 건조 장치에서는 기본 열풍 장치 온도 120oC, 135oC, 150oC에서 적외선 장치에 가해지는 전력량을 각각 1160W(80oC), 3250W(100oC), 3760W (120oC), 3946W(150oC)로 적용하였다.
- 열풍 및 적외선 병용 건조 장치에서는 기본 열풍 장치 온도 120oC, 135oC, 150oC에서 적외선 장치에 가해지는 전력량을 각각 1160W(80oC), 3250W(100oC), 3760W (120oC), 3946W(150oC)로 적용하였다. 건조 시간 변화 8초, 13초, 26초, 52초, 130초, 180초에 따른 PET 필름의 저항 변화를 측정한다.
- 결론으로 오븐형 큐어링 장치를 컨베이어 형태로 바꾸기 위해 열풍건조, 적외선건조, 열풍 및 적외선 병용 건조 장치를 사용하여 전도성 잉크에 대한 건조특성을 실험한 결과는 다음과 같다.
- 건조 공정의 경우 비교적 낮은 건조 온도에서 짧은 건조 시간만으로도 건조 과정이 완료된다. 그래서 본 실험에서는 건조 공정과 큐어링 공정을 한 공정에서 진행하는 것을 목표로 하기 때문에 큐어링 온도 및 시간 조건으로 건조 과정을 같이 진행한다.
- 또한, 정밀한 저항 측정을 위해 AIT 사의 측정 범위가 1 m/sq 2 /sq인 4-point probe 저항 측정 장비인 CMT-100MP 제품을 사용하였다.
- 실험 데이터의 건조 조건에 따른 인쇄 깊이 측정을 위한 오븐건조, 열풍건조, IR+열풍건조 조건에 따른 IGT패턴의 셀 깊이(33 µm, 31 µm, 30 µm, 29 µm) 값의 인쇄 깊이 측정을 위한 Fig. 4 Nano Scan전자 현미경 장비를 이용하여 PET필름에 인쇄된 전도성 잉크의 건조 상태에 따라 변화되는 깊이를 측정하였다.
- 실험에 관한 변수들은 가장 기본인 건조 방식의 변화에 따른 저항의 차이와 건조 온도, 건조 시간, 패턴의 셀 깊이 값에 따른 변수를 설정하여 실험하였다. 실험 매체는 RFID 안테나와 같은 전자회로 패턴 인쇄에 사용되는 Parelec사의 전도성 잉크를 이용하였다.
- 실험은 프린팅 장비를 이용하여 전도성 잉크를 PET 필름에 인쇄하고 이 필름을 컨베이어형 열풍 및 적외선 병용 건조 장치에서 열풍 건조 장치와 적외선 건조 장치를 단독으로 작동시킬 때와 같이 열풍+IR을 병용해서 작동시킨다. 건조 및 큐어링온도 변화는 열풍 건조 장치에서는 120oC, 135oC, 150oC로 하였고 적외선 건조 장치에서는 80oC, 100oC, 120oC, 150oC로 하였다.
- 2와 같은 건조 장치를 사용하였다. 연속적인 생산이 가능하도록 인쇄 및 큐어링 과정이 온라인상에서 이루어 질 수 있는 컨베이어 형태의 건조 장치로서 열풍 건조 장치 사이에 적외선 건조 장치를 위치시켜 적외선 및 열풍 건조 방식 단독으로도 사용이 가능하고 적외선 및 열풍 건조 장치를 병용해서도 사용이 가능하도록 제작되었다.
- 건조 및 큐어링온도 변화는 열풍 건조 장치에서는 120oC, 135oC, 150oC로 하였고 적외선 건조 장치에서는 80oC, 100oC, 120oC, 150oC로 하였다. 열풍 및 적외선 병용 건조 장치에서는 기본 열풍 장치 온도 120oC, 135oC, 150oC에서 적외선 장치에 가해지는 전력량을 각각 1160W(80oC), 3250W(100oC), 3760W (120oC), 3946W(150oC)로 적용하였다. 건조 시간 변화 8초, 13초, 26초, 52초, 130초, 180초에 따른 PET 필름의 저항 변화를 측정한다.
- 이를 근거로 오븐 건조 장치, 열풍 건조 장치, 적외선 건조 장치, 열풍+IR병용 건조 장치의 건조 방식의 변화에 따른 전도성 잉크의 건조 성능 비교 실험을 실시하였다.
대상 데이터
- Parelec 사의 Parmod VLT 잉크를 사용하였고 사용된 모재는 SKC의 SH34P 100 µm PET 필름이 사용되었다.
- 실험에 관한 변수들은 가장 기본인 건조 방식의 변화에 따른 저항의 차이와 건조 온도, 건조 시간, 패턴의 셀 깊이 값에 따른 변수를 설정하여 실험하였다. 실험 매체는 RFID 안테나와 같은 전자회로 패턴 인쇄에 사용되는 Parelec사의 전도성 잉크를 이용하였다.
- Parelec 사의 Parmod VLT 잉크를 사용하였고 사용된 모재는 SKC의 SH34P 100 µm PET 필름이 사용되었다. 프린팅 장비로는 Fig. 3과 같은IGT Testing System사의 IGT Printability Tester F1장비를 사용 하여 인쇄력은 200N 으로 일정하게 유지 하였으며 패턴 롤 셀 깊이(33, 31, 30, 29); 스크린각 53o; 스타일 (style)130o인 테스트용 에니널스판(anilox discs)를 사용하였다.
- 1과 같은 오븐이 사용되었다. 허용 온도 범위는 250oC~300oC까지 가능하며 0.1oC단위로 제어가 가능 하게 주문 제작된 오븐을 사용하였다. 그리고 적외선 및 열풍 건조 방식의 큐어링 과정을 진행하기 위한 건조 장치로서 본 실험에는 Fig.
성능/효과
- 5는 오븐 건조 장치에서 큐어링 온도가 150일때 큐어링 시간 변화에 따른 비저항 변화를 그래프로 나타내면 다음과 같다. Parelec 사의 제품 카탈로그 상의 저항과 기초 실험 결과 비저항이 큐어링 시간의 변화에 따라 같은 형태의 경향성을 보였으며 본 실험에 사용 된 전도성 잉크의 성능에는 문제가 없다고 판단 하였다.
- 따라서 셀 깊이에 관계없이 IR80+Hot-air150와 IR100oC+Hot-air135oC가 26초로 가장 최적인 것으로 실험결과가 나왔다.
- 6 실험 결과 열풍, 열풍+IR 건조가 오븐 건조 보다 초기 저항이 낮았으며 짧은 시간 안에 낮은 저항에 도달 할 수 있다. 열풍+IR건조의 경우 IR의 영향으로 인하여 기본 열풍 온도가 높아질수록 PET필름의 모제가 견디는 온도는 낮아졌고 열풍135oC+IR80oC~100oC에서 오븐건조 150oC기준 3분 데이터를 비교실험 결과 가장 좋은 데이터 값을 볼 수 있다.
- 열풍, IR+열풍 건조가 오븐 건조보다 초기 저항이 낮았으며 짧은 시간 안에 낮은 저항에 도달 할 수 있고 IR의 영향으로 인하여 PET필름이 견디는 온도는 낮아졌다. 오븐 건조보다 열풍, IR+열풍 건조방식의 건조시간이 짧아지는 것을 볼 수 있으며 Parelec 잉크의 경우 열풍 건조 온도가 135oC, 150oC에서 IR 램프의 온도가 80oC~100oC에서 최적의 건조 성능을 보였다.
- 열풍, IR+열풍 건조가 오븐 건조보다 초기 저항이 낮았으며 짧은 시간 안에 낮은 저항에 도달 할 수 있고 IR의 영향으로 인하여 PET필름이 견디는 온도는 낮아졌다. 오븐 건조보다 열풍, IR+열풍 건조방식의 건조시간이 짧아지는 것을 볼 수 있으며 Parelec 잉크의 경우 열풍 건조 온도가 135oC, 150oC에서 IR 램프의 온도가 80oC~100oC에서 최적의 건조 성능을 보였다.
후속연구
- 이를 통하여 열풍 및 적외선 병용 건조 장치를 이용할 경우 전도성 잉크를 사용하는 인쇄방식의 건조 성능을 만족시키면서 건조 및 큐어링 시간을 단축 할 수 있고 현재 일반적으로 사용되고 있는 오븐형 큐어링 장치를 컨베이어 형태로 바꾸는 것이 가능해지며 전자회로 패턴을 값싸게 대량 생산 하기 위한 가장 최적의 건조 장치 병용 조건을 찾는 경제적 측면과 공간적 측면을 고려한 추가적인 연구가 필요할 것으로 보인다.
- 현재 일반적으로 사용되고 있는 오븐형 건조 및 큐어링장치를 컨베이어형으로 바꾸기 위해서는 열풍 건조 장치를 비롯하여 적외선 건조 장치 등 다양한 건조 장치들을 병용 하였을 때의 건조 특성에 관한 연구 또한 진행하여 전도성 잉크의 건조 성능을 만족시키는 최적의 건조 조건을 찾는 연구가 필요하다.
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