[논문]자기변형잉크젯헤드에서 토출된 액적의 정적 착지정확도 모델링 및 실험적 검증

유은주; 박영우

doi:10.7736/kspe.2013.30.1.77

자기변형잉크젯헤드에서 토출된 액적의 정적 착지정확도 모델링 및 실험적 검증
Modeling and Experimental Verification on Static Landing Accuracy of Droplets from Magnetostrictive Inkjet Head 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.30 no.1, 2013년, pp.77 - 84

유은주 (충남대학교 대학원 기계설계.메카트로닉스공학과) , 박영우 (충남대학교 메카트로닉스공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Most research on the inkjet printing technology has focused on the development of inkjet head itself, and of process, not on the landing accuracy of the droplets to a target. Thus, this paper presents the modeling and experimental verification on the static landing accuracy and precision of the droplets from the magnetostrictive inkjet head. A simple model based on the angle deviation of a nozzle tip and on a distance to a substrate is considered, assuming that there is no ambient effect. The angle deviation of the nozzle tip is determined by using its digital image with the aid of a pixel calculation program, and the distance to the substrate is set to 1 mm. Three experiments have planned and preformed. The first experiment is to collect the initial data for the landing distribution of the droplets. The second experiment is to collect the repeatability data of the stage used. Then, these data are used to rederive the equation for the final landing position of the droplet. The final experiment is to verify the equation and to show the calibration results. The respective landing accuracy of the droplet after calibration on the x-axis and on y axis has improved from $338.51{\mu}m$ and $-133.63{\mu}m$ to $7.06{\mu}m$ and $13.11{\mu}m$. The respective percent improvement on the x-axis and on y axis reaches about 98 and about 90. The respective landing precision of the droplet after calibration on the x-axis and on y axis has improved from ${\pm}182.6{\mu}m$ and ${\pm}182.88{\mu}m$ to ${\pm}24.64{\mu}m$ and ${\pm}42.76{\mu}m$. The respective percent improvement on the x-axis and on y axis reaches about 87 and about 77.

주제어

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문제 정의

본 논문에서는 선행 연구에서 수행한 자기변형 잉크젯 헤드의 액적 형성 연구를 바탕으로 액적 형성 이후의 과정을 모델링하고 액적과 기판 사이의 관계 규명하여 토출된 액적의 착지 위치를 예측하고 기판의 위치보정을 통한 착지 정확도 향상에 관한 연구를 수행하고자 한다.⁴ 따라서 토출된 액적의 착지 위치에 직접적인 영향을 주는 노즐과 스테이지에 초점을 맞추어 토출된 액적의 착지 위치를 예측하고, 경향을 파악하여 최종적으로 액적이 떨어지는 기판의 위치보정을 통한 특정 위치 토출의 가능성을 검증한다.
하지만 이 초기상태는 액적의 토출이 이상적으로 이루어질 때만 가능한 것으로 노즐의 형상에 의해 일정 토출 각도를 갖고 이에 따른 액적의 착지 위치가 달라지게 된다. 따라서 본 논문에서는 시스템의 초기상태에서 액적이 노즐의 형상에 의해 갖는 액적의 착지 위치 예측 식을 도출하고, 실제로 스테이지를 고정한 초기상태의 액적 반복 토출 실험을 통한 착지 위치 결과를 분석한다. 또한 초기상태의 스테이지 위치 반복 실험을 통해 동일 좌표로의 스테이지 이송 시 노즐의 끝단과 일직선이 되는 위치로부터 토출 위치가 벗어나는 정도를 분석한다.
또한 이러한 연구를 통해 유체의 특정위치 토출이 가능해짐으로써 고정도의 유체 토출을 실현 할 수 있기 때문에 궁극적으로는 패터닝 기술이나 자동화 기술과 같은 보다 발전된 연구의 초석을 다질 수 있다. 본 논문에서는 선행 연구에서 수행한 자기변형 잉크젯 헤드의 액적 형성 연구를 바탕으로 액적 형성 이후의 과정을 모델링하고 액적과 기판 사이의 관계 규명하여 토출된 액적의 착지 위치를 예측하고 기판의 위치보정을 통한 착지 정확도 향상에 관한 연구를 수행하고자 한다.⁴ 따라서 토출된 액적의 착지 위치에 직접적인 영향을 주는 노즐과 스테이지에 초점을 맞추어 토출된 액적의 착지 위치를 예측하고, 경향을 파악하여 최종적으로 액적이 떨어지는 기판의 위치보정을 통한 특정 위치 토출의 가능성을 검증한다.
정적 모델링은 자기변형 잉크젯 헤드의 성능 정량화 및 향상을 위한 필수 과정으로 액적 형성 이후에 토출된 액적이 기판으로 떨어지는 일련의 과정을 통해 액적과 기판 사이의 관계를 표현 할 수 있다. 본 논문에서는 스테이지가 고정된 상태의 정적 상태를 모델링하고 액적의 착지 위치에 가장 큰 영향을 주는 노즐 형상만을 분석하여 모델링 한다. Fig.
본 논문에서는 자기변형 잉크젯 헤드에서 토출된 액적의 착지 위치를 예측하여 이를 보정하여 토출 액적의 착지 정확도를 향상하는 연구를 수행하였다. 보정 결과 x 축에 대한 액적의 착지 정확도는 338.
본 논문에서는 자기변형 잉크젯 헤드의 액적 형성과정 이후에 관한 토출 액적의 착지 위치를 예측하고, 이 예측을 통해 액적의 특정 위치 토출에 대한 착지 정확도를 향상시키는 내용을 다루었다. 토출된 액적의 착지 위치 예측을 위한 가장 기본 단계는 자기변형 잉크젯 헤드 시스템을 단순화하여 노즐과 기판 사이의 정적 모델링을 하는 것으로 이 단계에서 어떠한 가정을 세우고, 어떠한 요인을 고려하여 어떻게 접근을 하느냐에 따라 결과가 달라 질 수 있다.

가설 설정

점성유동은 레이놀즈 수(Reynolds number)에 의해 층류와 난류로 나뉘는데 본 시스템은 유속이 느리므로 난류보다는 층류에 더 가깝다고 볼 수 있다. 따라서 토출 유체는 비압축성 뉴턴 유체로 점성 층류 유동을 갖는다고 가정한다.
본 논문에서 토출되는 액적은 구체에 가해지는 항력보다 큰 힘으로 자기변형재료가 유체에 힘을 가하고 시스템의 모델링 시 액적의 토출 속도보다는 노즐의 형상에 초점을 맞추므로 토출되는 액적에 가해지는 항력은 스토크스의 법칙(Stokes’ law)을 따를 때 항력은 무시할 정도로 작다고 가정한다.
2 ms 이다. 이처럼 액적이 떨어지는 구간과 시간이 짧기 때문에 액적이 토출되어 기판에 도달하기까지의 유체 증발량을 미소하다고 보고, 액적의 토출 시 유체의 증발을 무시한다는 가정을 한다.
m 의 거리에 있는 전하들까지 작용한다. 하지만 본 논문의 자기변형 잉크젯 헤드에서 토출되는 액적의 분사방식은 액적 하나하나를 개별적으로 토출하는 요구적하(Drop on Demand) 방식으로 자기 변형재료가 유체를 밀어주는 힘이 쿨롱 힘보다 크고 노즐 끝단에서 액적이 토출되는 순간이 미소하므로 이 때의 쿨롱 힘은 무시한다고 가정한다.
노즐과 기판 사이의 공간은 실제로 유동이 있는 공기가 존재하며 이 유동은 토출된 액적의 착지 위치에 영향을 미칠 수 있는 요인 중 하나이다. 하지만 외부의 바람이나 외력이 가해지지 않는 상태이기 때문에 토출되는 액적의 토출 궤적에 영향을 줄 만큼의 유동이 없다고 보고 노즐과 기판사이의 공간은 유동이 없는 공기로 채워져 있다고 가정한다.

제안 방법

액적의 정적 착지 정확도 실험은 총 세 가지로 이루어진다. 가장 먼저 이루어지는 액적의 반복 토출 실험은 시스템의 초기상태에서 이루어지며 노즐의 형상에 의해 토출된 액적이 토출 원점으로부터 벗어나는 정도를 분석한다. 그 다음은 정적오차에 해당하는 부분으로써 스테이지의 이송 시에 발생하는 위치오차를 고려하기 위한 스테이지 반복 이송 실험이다.
5 먼저 시스템의 정적오차의 경우, 시스템 구성 장치의 편평도와 직진성에 관한 부분으로써 시스템 전체의 편평도와 스테이지의 직진성을 기계적인 구조로 보장해야 하며 이를 위해 전체 시스템을 방진테이블 위에 설치한다. 구조의 동적 오차는 시스템의 동적 모델링에서 주로 고려해야 할 부분으로 본 논문에서는 스테이지의 이송 시에 발생하는 위치오차만을 실험적으로 고려한다.
자기 변형 잉크젯 헤드에 사용하는 노즐은 높은 화학적 저항성과 낮은 마찰력의 장점을 가지는 붕규산염 재질의 유리 노즐로 가공 특성상 균일한 크기나 내부의 형상을 얻기 어렵고 끝단의 표면이 불균일하다. 따라서 본 시스템에서 사용한 노즐의 내부 형상 분석을 통한 토출 각도의 오차를 고려하여 그에 따른 착지 위치의 오차를 보정한다.
따라서 본 논문에서는 시스템의 초기상태에서 액적이 노즐의 형상에 의해 갖는 액적의 착지 위치 예측 식을 도출하고, 실제로 스테이지를 고정한 초기상태의 액적 반복 토출 실험을 통한 착지 위치 결과를 분석한다. 또한 초기상태의 스테이지 위치 반복 실험을 통해 동일 좌표로의 스테이지 이송 시 노즐의 끝단과 일직선이 되는 위치로부터 토출 위치가 벗어나는 정도를 분석한다. 이 두 실험 결과는 최종 액적의 착지 위치의 예측식에 적용하여 초기상태를 보정한다.
본 논문에서는 노즐에서의 액적형성 이후의 과정에 관한 토출 액적의 정적 모델링을 통해 착지 정확도를 향상시키는 것이므로 자기변형 잉크젯 시스템의 모델링은 시스템 전체를 대상으로 하는 것이 아니라 실제 액적이 토출되는 노즐과 액적이 떨어지는 기판까지를 범위로 하여 진행된다.
본 논문에서는 위 세 가지의 오차에 노즐 형상오차를 추가하였다. 노즐 형상의 경우, 토출된 액적의 토출 각도에 큰 영향을 주는 요소로 액적의 착지 위치에 직접적인 영향을 주기 때문이다.
또한 초기상태의 스테이지 위치 반복 실험을 통해 동일 좌표로의 스테이지 이송 시 노즐의 끝단과 일직선이 되는 위치로부터 토출 위치가 벗어나는 정도를 분석한다. 이 두 실험 결과는 최종 액적의 착지 위치의 예측식에 적용하여 초기상태를 보정한다. 이 때 액적에 대한 착지 정확도와 정밀도의 측면에서 분석하고, 보정하여 토출된 액적의 착지 정확도를 향상한다.
측정 시스템은 자기변형 잉크젯 헤드에서 토출된 액적을 분석하기 위한 것으로 영상을 찍는 디지털 현미경과 픽셀(Pixel)계산 프로그램으로 이루어진다. 이 때, 고려해야 할 것은 객관적인 기준이다.
각 구성 시스템 사이의 오차는 각 구성 요소들 간의 영향에 따른 것으로 각 구성 요소들의 상호연관성을 파악하여 요소들 간의 간섭을 최소화해야 한다. 특히 액적이 토출되는 노즐의 끝단과 액적이 떨어지는 기판의 원하는 토출 위치가 일직선으로 배치되어야 하는 초기 상태에서 둘 사이가 일직선으로 배치가 되지 않으면 액적의 착지 위치에 큰 영향을 미치게 되고 만약 이 오차가 일관적이지 않다면 이를 보정 할 수 있는 방법이 없기 때문에 본 논문에서는 기판 고정판을 제작하여 스테이지에 부착하고, z 축을 통해 일직선 배치를 할 수 있도록 한다.

성능/효과

따라서 본 시스템의 정적 모델링 시, 고려해야 할 여러 요인 중 액적의 착지 위치에 가장 영향을 주는 요인인 노즐의 내부 형상과 스테이지만을 고려한 기본 모델링을 통해 보상을 수행하였고 그 결과 결과 x 축에 대한 액적의 착지 정확도는 약 98%, y 축의 착지 정확도는 약 90% 향상시켰다. 본 논문에서 고려하지 않은 액적의 토출 속도나 기판에 따른 액적의 퍼짐 정도와 같은 액적 자체의 정보를 기본 모델링에 추가한다면 실제 시스템과 근사한 모델링이 가능하고, 실험 샘플 역시 더 많은 수를 확보하여 모집단을 얻을 수 있다면 이론적으로 부족한 부분도 충분히 보정 가능 할 것이다.
보정 결과 x 축에 대한 액적의 착지 정확도는 338.51 μm 에서 7.06 μm 로 약 98%, y 축의 착지 정확도는 -133.63 μm 에서 13.11 μm 로 약 90% 향상되었다.
먼저 유체는 압축성과 점성계수의 변동, 점성의 유무에 따라 세분화된다. 본 논문에서 사용한 유체는 수성잉크로 물과 비슷한 물성치를 갖고 시각적인 효과가 있다. 물은 비압축성 유체로 유체의 유동 중에 밀도의 변화가 없는 유동이다.

후속연구

따라서 본 시스템의 정적 모델링 시, 고려해야 할 여러 요인 중 액적의 착지 위치에 가장 영향을 주는 요인인 노즐의 내부 형상과 스테이지만을 고려한 기본 모델링을 통해 보상을 수행하였고 그 결과 결과 x 축에 대한 액적의 착지 정확도는 약 98%, y 축의 착지 정확도는 약 90% 향상시켰다. 본 논문에서 고려하지 않은 액적의 토출 속도나 기판에 따른 액적의 퍼짐 정도와 같은 액적 자체의 정보를 기본 모델링에 추가한다면 실제 시스템과 근사한 모델링이 가능하고, 실험 샘플 역시 더 많은 수를 확보하여 모집단을 얻을 수 있다면 이론적으로 부족한 부분도 충분히 보정 가능 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	잉크젯 프린팅 기술이란?	잉크젯 프린팅 기술은 수십에서 수백 마이크로미터의 직경을 갖는 액적을 특정 위치에 형성시키는 기술로써 기계, 전자, 유체의 복잡한 메커니즘을 통해 마이크로미터 단위의 액적을 다루기 때문에 구현이 어렵다.1 이러한 잉크젯 프린팅 기술은 사무용에서부터 전자 재료의 토출 등 그 응용범위가 점점 넓어지고 있다.
	자기변형 잉크젯의 제어 시스템은 어떻게 구성되는가?	제어 시스템은 랩뷰(LabVIEW) 기반의 유저 인터페이스(User Interface, UI), 데이터 수집기(DAQ, NI USB-625), 전류 앰프, xy 스테이지 제어기 등으로 구성된다. 유저 인터페이스는 자기변형 잉크젯 헤드에서 액적을 토출 하기 위한 구동파형 제어 부분과 액적이 떨어지는 기판의 위치를 결정하는 xy 축 스테이지 제어부분으로 나눌 수 있다.
	본 시스템에서 토출 유체는 비압축성 뉴턴 유체로 점성 층류 유동을 갖는다고 가정하는 이유는?	또한 점성유체로써 점성에 의한 전단응력을 고려해서 해석해야 하는 점성유동이다. 점성유동은 레이놀즈 수(Reynolds number)에 의해 층류와 난류로 나뉘는데 본 시스템은 유속이 느리므로 난류보다는 층류에 더 가깝다고 볼 수 있다. 따라서 토출 유체는 비압축성 뉴턴 유체로 점성 층류 유동을 갖는다고 가정한다.

참고문헌 (5)

Yoo, J. H. and Park, Y. W., "Experimental investigation of magnetostrictive DoD inkjet head for droplet formation," Current Applied Physics, Vol. 11, No. 1, pp. 353-359, 2011.

상세보기
Kwon, K. S., "Development of a Test Stand for Measuring Ink Jetting Performance," J. of the KSPE, Vol. 25, No. 8, pp. 45-50, 2008.
Sedighi, N., Murad, S., and Aggarwal, S. K., "Molecular Dynamics Simulations of Nanodroplet Spreading on Solid Surfaces, Effect of Droplet Size," Fluid Dynamics Research, Vol. 42, No. 3, Paper No. 035501, 2010.

상세보기
Yoo, J. H. and Park, Y. W., "Development of Magnetostrictive Inkjet Head for Liquid Droplet Formation," Journal of Applied Physics, Vol. 111, No. 7, Paper No. 07A936, 2012.
Feng, J. Q., "A General Fluid Dynamic Analysis of Drop Ejection in Drop-on-Demand Ink Jet Devices," J. Imaging Science and Technology, Vol. 46, No. 5, pp. 398-408, 2002.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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