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문제 정의
- 한편으로는 토출되는 액적의 크기(체적)을 측정하는 방법도 있으나 비젼 측정 방법을 이용한 체적 측정 방법은 부정확하여 일반적으로 수%의 측정 오차가 존재한다.6 따라서 이러한 측정 오차로 상호간섭을 효과적으로 측정하기에는 어려움이 있기 때문에 본 연구에서는 토출 속도의 변화로 상호간섭을 평가하였다.
- 이러한 상호 간섭의 원인으로는유체적, 전기적, 구조적으로 특정 노즐의 토출이 다른 노즐의 토출 성능에 영향을 주기 때문이다. 본 연구에서는 이러한 상호 간섭의 원인을 체계적으로 측정하고 분석하고 평가하는 방법을 제시하려고 한다. 상호 간섭의 원인을 효과적으로 파악해야만 프린팅 과정 중에서 각 노즐의 토출량의 변화의 원인 및 정도를 평가할 수 있다.
제안 방법
- 5 와 같이 1-30 개의 노즐을 모두토출 시킨 상태에서 1 번부터 차례로 토출 속도를 측정하였다. 30 번 이후에는 선택된 그룹의 노즐을 모두 토출시키면서 관찰 하려고 하는 노즐 1 개씩만 토출하면서 속도를 측정하였다. 이를 통해 노즐 1 개만 토출하였을 때와 비교하여 토출 속도가 변화하는 비 를 Fig.
- 이러한 압력파를 간접적으로 측정하는 방법으로, 레이져 속도계를 사용하는 방법이다. 7 본 연구에서는 레이져 속도계를 사용하여 상호 간섭의 영향을 측정하였다. 이를 위하여 Polytech 사의 레이져 속도계(CLV-2534)를 사용하였으며, 이득은 10mm/s/V 로 설정하였다.
- SE-128 은 0.508mm 간격으로 노즐이 128 개가있으므로 각 노즐 위치에 대한 속도를 측정하기 위하여 스테이지를 정밀하게 해당 노즐을 위치 시키고 선택된 노즐에 대한 속도 측정을 Fig. 3과 같이 전 노즐에 대해 자동으로 스캐닝하도록 소프트웨어를 개발하였다.
- 활용하였다. 개발된 프린팅 시스템에서는 다양한 프린팅 알고리 즘 뿐만 아니라 Drop watcher 기 능이 있어 잉크젯 토출 특성을 정밀 하게 측정할 수 있는 기능을 포함하였다. 개발된 프린팅 시스템의 자세한 내용은 논문을 참조할 수 있다.
- 508mm 이고 측정 범위는 1 개의 노즐의 간격과 비슷한 허용 범위 내의 alignment 로도 측정이 가능함을 보여준다. 그렇지만 해당 노즐의 중심으로부터 거리 차이에 의해서 약간의 전압 차이가 존재하기 때문에 이를 최소화하기 위하여 레이져 속도계의 위치는 고정하고 다른 노즐의 토출 상태를 변화시켜 이때의 진동량을 측정하여 상호 간섭을 측정하였다.
- 다중.노즐 헤드의 상호 간섭을 측정하기 위하여 1 개의 노즐만을 토출시켰을 때의 측정된 토출 특성을 기준으로 하였다. 이렇게 측정된 기준 토출 특성과 주변의 다른 노즐이 동시에 토출되었을 때 토출 특성이 변화하는 영향을 비교하여 평가하였다.
- 노즐의 상호 간섭을 측정하기 위하여 원하는 노즐만을 선택하여 토출시키고 이때 상호 간섭을 측정하기 위하여 스테이지(stage) 제어를 통하여 해당 노즐을 정확하게 카메라가 관측할 수 있도록 시스템을 제작하였다.
- 이러한 영향은 주로 주변 노즐의 토출이 관심 노즐의 압력파 변화를 야기 시킨 유체적인 상호 간섭이 주된 영향임을 밝혔다. 또한 레이져 속도계를 사용하여 이러한 영향을 검증하였다.
- 따라서 본 레이저 진동 측정 방법으로 잉크젯 헤드내의 유체의 압력파에 의한 상호 간섭만을 측정함을 알 수 있었다. 또한 토출 속도 변화에 비해 레이져 속도계 측정 시 진동의 변화량이 작아서 전 노즐 또는 홀수번 (짝수번) 노즐 전체의 토출에 대한 압력파 변화량을 측정하였다.
- 이를 위하여 1개 노즐(84 번 노즐)을 토출시키면서 레이져 진동계의 헤드 측정 위치를 스테이지를 이동 시키면서 전압의 크기를 측정하였다. 레이져 속도계의 측정 노이즈를 줄이기 위하여 기준 토출 신호를 위한 트리거 신호를 사용하여 데이터 획득 후 약 20 회 평균을 구하였다. 측정 결과 신호가 해당 노즐 부분의 중심으로부터 약 ±0.
- 상용화 다증 노즐 잉크젯 헤드인 SE-128 에 대해서 상호 간섭 현상을 측정하고 분석하였다. 다른 노즐이 동시에 토출이 되는 경우 주변의 어떤 노즐이 토출이 되는지에 따라서 토출 속도가 증가하기도 하고 감소하기도 하였다.
- 상호 간섭의 측정 및 평가를 위하여 1개 노즐씩 토출시킨 후에 각각의 노즐에 대해 속도를 측정한 데이터를 기준으로 하였다. 이때 주변 노즐이 토출이 되었을 때 해당노즐의 속도의 변화를 측정하였다.
- 잉크젯 헤드 내의 압력파의 간접적인 측정을 위하여 레이저 속도계(laser vibrometer)를 사용하여 상호 간섭 효과에 의한 압력파의 변화를 측정하였다. 압력파의 크기 변화로부터 다중 노즐의 상호 간섭의 크기 및 원인 등을 분석하고 이를 Vision 으로 측정한 토출 속도와 비교하여 실험결과를 검증하였다.
- 유체적인 영향은 잉크젯 헤드 내에서 잉크의 압력파가 한 노즐에 발생하여 다른 노즐에 영향을 미치지 않아야 하는데 그 영향이 다른 노즐에 어느 정도 영향을 미치고 있음을 알 수 있다. 여기서 토출 특성의 변화가 구조적 상호 간섭의 영향도 있을 수 있는데 이것은 레이저 진동계를 사용한 진동측정을 통하여 평가하였다.
- 데이터를 기준으로 하였다. 이때 주변 노즐이 토출이 되었을 때 해당노즐의 속도의 변화를 측정하였다. Fig.
- 이러한 토출 특성으로 상호 간섭을 측정할 때 절대 속도를 이용하지 않고 각 노즐에서의 속도변화의 변화율로 평가하였다. 이를 통하여 헤드 의제 조상의 문제점에 의한 속도 변화 부분의 영향을 배제하고 상호 간섭만의 영향을 평가하는 것이 가능하였다.
- 노즐 헤드의 상호 간섭을 측정하기 위하여 1 개의 노즐만을 토출시켰을 때의 측정된 토출 특성을 기준으로 하였다. 이렇게 측정된 기준 토출 특성과 주변의 다른 노즐이 동시에 토출되었을 때 토출 특성이 변화하는 영향을 비교하여 평가하였다. 이를 위하여 자동으로 다중 노즐 헤드의 토출 특성 측정이 가능한 시스템 및 소프트웨어를 개발하였다.
- 따라서 압력파에 의한 유체적인 영향과 구조적인 연성 (couple)에 의한 상호 간섭을 측정하는 것이 가능하였다. 이를 위하여 1개 노즐(84 번 노즐)을 토출시키면서 레이져 진동계의 헤드 측정 위치를 스테이지를 이동 시키면서 전압의 크기를 측정하였다. 레이져 속도계의 측정 노이즈를 줄이기 위하여 기준 토출 신호를 위한 트리거 신호를 사용하여 데이터 획득 후 약 20 회 평균을 구하였다.
- 이를 위하여 스테이지를 미세하게 제어하여 해당 노즐의 위치를 알아 내었다. 실험을 위한 전체 장치는 Fig.
- 이렇게 측정된 기준 토출 특성과 주변의 다른 노즐이 동시에 토출되었을 때 토출 특성이 변화하는 영향을 비교하여 평가하였다. 이를 위하여 자동으로 다중 노즐 헤드의 토출 특성 측정이 가능한 시스템 및 소프트웨어를 개발하였다. 이러한 잉크젯 헤드내의 상호 간섭은 잉크젯 헤드내의 압력파와 관련이 있다.
- 일부 노즐군의 토출에 의한 상호 간섭을 평가하기 위하여 Fig. 5 와 같이 1-30 개의 노즐을 모두토출 시킨 상태에서 1 번부터 차례로 토출 속도를 측정하였다. 30 번 이후에는 선택된 그룹의 노즐을 모두 토출시키면서 관찰 하려고 하는 노즐 1 개씩만 토출하면서 속도를 측정하였다.
- 2와 같은 사다리꼴 형태의 전압을 인가하였다. 입력전압을 위하여 상승 시간, 하강 시간, 휴지 시간을 각각 3ns 로 고정하였고 입력 전압의 크기는 65V 로 인가하였다.
- 이러한 잉크젯 헤드내의 상호 간섭은 잉크젯 헤드내의 압력파와 관련이 있다. 잉크젯 헤드 내의 압력파의 간접적인 측정을 위하여 레이저 속도계(laser vibrometer)를 사용하여 상호 간섭 효과에 의한 압력파의 변화를 측정하였다. 압력파의 크기 변화로부터 다중 노즐의 상호 간섭의 크기 및 원인 등을 분석하고 이를 Vision 으로 측정한 토출 속도와 비교하여 실험결과를 검증하였다.
- 있었다. 토출의 세기는 토출을 위한 압력파의 크기와 비례관계가 있으므로 카메라로 관찰된 상호 간섭의 현상을 레이져 속도계를 이용하여 검증할 수 있었다.
대상 데이터
- 실제 고정밀도의 인쇄가 필요한 경우가 아니라면 한 개의 드라이브로부터 여러 개의 노즐의 같은 전압을 인가하고 토출의 on-off 여부만 제어하는 방법을 많이 사용하게 된다. 본 연구에서는 다중 노즐 잉크젯 헤드를 구동하기 위한 방법 중에서 한 개의 드라이브를 사용하여 여러 개의 노즐을 구동하는 헤드인 Dimatix 사의 SE-128 을 사용하였다. 다중.
- 토출군의 끝부분의 상호 간섭 영향이 점차로 작아지는 것은 이러한 영향이 전기적인 영향 보다는 유체적인 영향이 주된 영향임을 추측할 수 있다. 실험에 사용한 SE-128 헤드는 1 개의 드라이버가 여러 헤드를 동시에 구동하기 때문에 헤드 구동 수가 늘어나면서 구동 전압이 토출 노즐의 수에 따라서 영향을 받게 된다. 이러한 영향은 토출군에서의 거리에 관계없이 동일하게 된다.
- 토출 실험을 위한 사용잉크는 DGMA based dye ink 를 사용하였으며, 각 노즐에서 토출을 위하여 Fig. 2와 같은 사다리꼴 형태의 전압을 인가하였다. 입력전압을 위하여 상승 시간, 하강 시간, 휴지 시간을 각각 3ns 로 고정하였고 입력 전압의 크기는 65V 로 인가하였다.
이론/모형
- 노즐의 상호 간섭 측정 및 평가를 위하여 본 저자의 연구실에서 개발한 잉크젯 프린팅 시스템을 활용하였다. 개발된 프린팅 시스템에서는 다양한 프린팅 알고리 즘 뿐만 아니라 Drop watcher 기 능이 있어 잉크젯 토출 특성을 정밀 하게 측정할 수 있는 기능을 포함하였다.
성능/효과
- 9% 증가함을 알 수 있다. 결론적으로 기준 노즐로부터(84 번 노즐) 1, 3, 5, ...의노즐 간격으로 토출시킨 경우 압력파를 상승 시켜 토출 속도가 증가하였다. 이것은 Fig.
- 결론적으로 상호 간섭에 의한 속도의 영향은 SE-128 인 경우 해당 노즐로부터 2, 4, 6..
- 결론적으로는 토출시키는 노즐군 부분에서 주로 토출 속도의 변화가 발생했다. 홀수(짝수)의 군만 토출시키는 경우에는 같은 홀수(짝수) 쪽에서는 속도의 감소가 있었고, 반면에 짝수(홀수)에서는 속도의 증가를 가져왔다.
- 이는 구조적인 연성에 의한 상호 간섭에 의한 영향은 상대적으로 적어서 측정이 불가함을 알 수 있었다. 따라서 본 레이저 진동 측정 방법으로 잉크젯 헤드내의 유체의 압력파에 의한 상호 간섭만을 측정함을 알 수 있었다. 또한 토출 속도 변화에 비해 레이져 속도계 측정 시 진동의 변화량이 작아서 전 노즐 또는 홀수번 (짝수번) 노즐 전체의 토출에 대한 압력파 변화량을 측정하였다.
- 6 의전반적인 특성 변화는 상호 간섭보다는 실험 조건변화임을 알 수 있다. 따라서 이를 고려하면 주변 노즐에 비교해 본다면 상호 간섭에 의해 1-30 번 노즐에서 약 6% 정도 속도가 감소하였다고 할 수 있다.
- 3mm 범위에서 측정이 됨을 알 수 있다. 본 연구에서 사용된 노즐간의 간격이 0.508mm 이고 측정 범위는 1 개의 노즐의 간격과 비슷한 허용 범위 내의 alignment 로도 측정이 가능함을 보여준다. 그렇지만 해당 노즐의 중심으로부터 거리 차이에 의해서 약간의 전압 차이가 존재하기 때문에 이를 최소화하기 위하여 레이져 속도계의 위치는 고정하고 다른 노즐의 토출 상태를 변화시켜 이때의 진동량을 측정하여 상호 간섭을 측정하였다.
- 만큼의 노즐 간격에 의한 영향은 토출 증가로 관찰되었다. 상호 간섭에 의해서 속도의 감소의 폭이 속도의 증가의 폭보다 컸으며 전체 노즐이 모두 켜지는 경우에는 두 개의효과가 서로 상쇄되어 약간의 속도 감소가 있었다.
- 변화율로 평가하였다. 이를 통하여 헤드 의제 조상의 문제점에 의한 속도 변화 부분의 영향을 배제하고 상호 간섭만의 영향을 평가하는 것이 가능하였다.
- 레이져 속도계의 측정 노이즈를 줄이기 위하여 기준 토출 신호를 위한 트리거 신호를 사용하여 데이터 획득 후 약 20 회 평균을 구하였다. 측정 결과 신호가 해당 노즐 부분의 중심으로부터 약 ±0.3mm 범위에서 측정이 됨을 알 수 있다. 본 연구에서 사용된 노즐간의 간격이 0.
- 14와 같이 얻었다. 흘수 노즐을 모두 토출시키면서 84 번 노즐을 관찰한 결과는 진동 신호가 4.9% 증가함을 알 수 있다. 결론적으로 기준 노즐로부터(84 번 노즐) 1, 3, 5, .
후속연구
- 달라질 수 있다. 그러나 본 방법에 의한즉정 방법 및 평가는 사용하는 헤드를 평가하는데 있어서 참고 자료 및 기준으로 활용할 수 있다.
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