[논문]메니스커스 제어를 위한 정전기력 헤드용 공압 잉크공급장치 개발

양영진; 고정범; 당현우; 김형찬; 최경현; 조경호

doi:10.7736/kspe.2012.29.4.455

[국내논문] 메니스커스 제어를 위한 정전기력 헤드용 공압 잉크공급장치 개발
Development of Pneumatic Ink Supply System for Electrostatic head on Meniscus control 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.29 no.4, 2012년, pp.455 - 460

양영진 (제주대학교 메카트로닉스공학과) , 고정범 (제주대학교 전자공학과) , 당현우 (제주대학교 전자공학과) , 김형찬 (제주대학교 전자공학과) , 최경현 (제주대학교 메카트로닉스공학과) , 조경호 (제주대학교 메카트로닉스공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The Electrostatic Inkjet system has many applications in cost and time effective manufacturing of printed electronics like RFIDs, OLEDs and flexible displays etc. This paper presents pneumatic ink supply system for an electrohydrodynamic deposition (EHD) setup for the precise pressure control to produce a small amount of discharge at the end of the capillary. The meniscus shape depends upon the applied pneumatic pressure to the ink supply system. Furthermore, this paper also compares meniscus shapes at different applied pneumatic pressures. It is concluded that patterning of constant line-width can be achieved better by controlling the meniscus shape using this technique.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는 안정적인 메니스커스 형성 및 제어를 위해 공압으로 잉크를 공급하는 공압 잉크공 급장치를 설계하였다. 이 공압 잉크공급장치는 정압과 차압을 각각 걸 수 있으며, 디스플레이를 통해 반복적이고, 손쉽게 압력 값을 설정할 수 있다.

제안 방법

개발된 공압 잉크공급장치를 적용하여 균일한 선폭의 패턴을 구현하였다.
공압 잉크공급장치로부터 일정한 공기압을 받고, 잉크 펌프로부터 일정하게 잉크를 공급받을 수 있는 잉크챔버를 설계하였다. 이 잉크챔버는 피에조에서 사용되는 잉크챔버를 수정 및 보완을 하였다.
기존의 syringe 펌프를 통해 잉크를 공급하는 방법은 syringe 펌프가 일정한 압력으로 밀어 준다고 하여도 유량이 일정하지 않게 된다. 그래서 적절한 메니스커스를 형성 및 제어 하고 공급되는 유량을 일정하게 하기 위해서 공압 잉크공급장치를 설계하였다.
실험에 사용된 노즐은 30 ㎛의 내경을 가지며, 액적 토출 현상에 대한 실험을 위하여 일정한 유량 공급이 되도록 공압 잉크공급장치를 통해 잉크를 헤드의 오리피스까지 공급한 뒤 DC0~4kV 전압을 헤드에 인가하여 액적 토출현상을 제어한다
액적 토출의 특성은 고전압 조건에 많은 영향을 받기 때문에, 액적 토출 현상을 관찰하고 제어하기 위해 5,000~10,000FPS 의 초고속 카메라를 설치하였다.
왼쪽은 공압 제어부이고, 오른쪽은 잉크 헤드이다. 잉크 헤드는 챔버의 상부에서 일정한 압력의 공기가 들어올 수 있도록 피팅을 체결, 측면에는 일정한 압력으로 잉크가 들어올 수 있도록 튜브를 체결하고, 밑에는 노즐이 체결될 수 있도록 설계하였다.
하지만 항상 잉크에 일정한 압력을 가지고 주입이 되고, 그 잉크를 안정적인 메니스 커스 형성이 되도록 공압으로 제어한다. 잉크챔버가 커질경우 많은 양의 잉크가 주입되어야 하며, 챔버 속 압력의 변화가 생길 수 있어 실험 시 잉크의 양을 10ml 로 선정하고 챔버의 체적을 설계하였다. Fig.

성능/효과

syringe 펌프를 이용하여 패터닝한 결과는 선폭의 균일성과 직진도가 떨어지지만, 개발한 공압 잉크공급 장치를 이용하여 패터닝하면 일정한 선폭의 패터닝 결과를 얻을 수 있었다.
7kPa 인 진공압으로 잡아줘서 안정적인 메니스커스가 되도록 한다. 개발하는 공압 잉크공급장치는 레귤레이터를 통해 일정하게 압력을 유지시켜 잉크가 소모됨에 압력의 차로 인해 소모된 잉크량 만큼 유량이 공급되며, 인가된 전하와 압력 등 실험조건을 바꿔가면서 실험을 진행할 수 있도록 공압 잉크공급장치 박스 전면부의 버튼을 조절하면 압력을 선형적으로 변화 시킬 수 있는 장점을 가지고 있다.
본 연구를 기반으로 30 ㎛ 노즐 대비 최소 20 ㎛의선폭을 균일성 있는 패턴을 형성할 수 있었다. 기존연구에서는 동일 선폭을 형성할 수 있으나 패턴의 균일성과 재현성을 확보할 수 없었으나, 본 연구를 통하여 패턴의 균일성과 재현성 확보하여, 안정적인 잉크젯 시스템을 구현할 수 있다.
본 연구를 기반으로 30 ㎛ 노즐 대비 최소 20 ㎛의선폭을 균일성 있는 패턴을 형성할 수 있었다. 기존연구에서는 동일 선폭을 형성할 수 있으나 패턴의 균일성과 재현성을 확보할 수 없었으나, 본 연구를 통하여 패턴의 균일성과 재현성 확보하여, 안정적인 잉크젯 시스템을 구현할 수 있다.

후속연구

하지만 정전기력 기반의 프리팅 공정은 피에조 프린팅 공정보다 토출되는 양이 미세하기 때문에 정밀한 설정 압력 제어가 필요하다. 특히 ESD, EHD 에 적용 가능한 잉크공급 장치는 현재 개발된 부분이 없고, 각 연구팀이 보유하고 있는 공정 특성을 만족하는 잉크공급 장치를 개발하여 사용하여야 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	메니스커스란 무엇인가?	메니스커스는 헤드에 잉크가 공급되어 토출되기 직전 노즐 끝단 잉크의 형성 모양을 일컸는데, 메니스커스 형성 모양에 따라 토출의 안정, 패터닝의 안정성이 영향을 받는다. 4 이러한 메니스커스 제어를 통한 프린팅 안정성 확보를 위한 연구가 기본적인 연구로 진행되고 있으며, 그 중요성도 부각되고 있다.
	정전기력 기반의 잉크젯 헤드 개발에 대한 국내의 상황은?	특히, 정전기력 기반의 잉크젯 헤드는 프린팅 기술의 핵심적인 부분으로 EHD(Electrohydrodynamic), ESD (Electrostaticdynamic), DOD(Drop-ondemand), Continuous Spray 등으로 분류되어 유럽국 가나 일본 등에서 선행하여 기술 개발을 주도하고 있다. 3 국내에서도 잉크, 장비, 헤드, 기판 등 세부 분야로 나뉘어 많은 연구가 진행 중이나, 상용화 단계의 기술로 발전하기 위하여 해결해야 할 문제점이 산적한 실정이며, 최근 헤드의 안정성과 재현성 등의 문제를 토출 현상인 메니스커스 (Meniscus) 제어를 통하여 해결하기 위한 연구가 이슈가 되고 있다.
	잉크젯 프린팅 기술의 장점은?	최근 디스플레이 산업에서 잉크젯 프린팅 기술이 크게 주목을 받고 있다. 잉크젯 프린팅 기술은 기존의 사진식각 공정을 대체할 수 있어 재료비 절감, 공정 수 감소 등이 가능하며, 저온에서 직접 적인 미세패턴 형성이 가능하다. 1 주로 직접 분사 패터닝 방식을 이용한 공정 방식을 적용하고, OPV(Organic photovoltaics), RFID(radio frequency identification)태그, OLED(Organic light-emitting diode), 플렉시블 센서, 플렉시블 디스플레이, E-paper(전자 종이) 등과 같은 응용 매체를 저가·대량 생산 기술로 개발하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.

참고문헌 (7)

Choi, K. H., Khan, S., Dang, H. W., Doh, Y. H. and Hong, S. J., "Electrohydrodynamic Spray Deposition of ZnO Nanoparticles," Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 49, No. 5, Paper No. 05EC08, 2010.

상세보기
Choi, K.-H., Rahman, A., Ko, J.-B., Rehmani, A., Ali, A., Doh, Y.-H. and Kim, D.-S., "Development and ejection behavior of different material-based electrostatic ink-jet heads," The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, Vol. 48, No. 1-4, pp. 165-173, 2010.

상세보기
Kim, H. C., Ko, J. B., Kim, D. S., Doh, Y. H. and Choi, K. H., "Study of High aspect ratio pattern development use the Electrostatic Inkjet," Proc. of KSPE Autumn Conference, pp. 751-752, 2009.
Joffre, C., Prunet-Foch, B., Berthomme, S. and Cloupeau, M., "Deformation of Liquid Meniscus Under the Action of an Electric Field," J. Electrostatics, Vol. 13, No. 2, pp. 151-165, 1982.

상세보기
Kim, J.-W., Choi, K.-H. and Kim, D.-S., "A Study for Micro-pattering using an Electrostatic Inkjet," Proc. of KSME Autumn Conference, pp. 1103-1106, 2008.
Ko, J.-B., "Development of Electrostatic Inkjet Head for Printed Electronics," Faculty of Applied Energy System Major of Electronic Engineering, Master of Science, Jeju National University, pp. 11-13, 2010.
Chatterjee, J., "Prediction of coupled menisci shapes by Young-Laplace equation and the resultant variability in capillary retention," Journal of Collioid and Interface Science, Vol. 314, No. 1, pp. 199-206, 2007.

상세보기

저자의 다른 논문 :

LOADING...

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증