[논문]미소 액적의 접촉각 및 건조 특성 측정 시스템 개발

권계시; 안승현; 장민혁

doi:10.7736/kspe.2013.30.4.414

미소 액적의 접촉각 및 건조 특성 측정 시스템 개발
Development of Measurement System for Contact Angle and Evaporation Characteristics of a Micro-droplet on a Substrate 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.30 no.4, 2013년, pp.414 - 420

권계시 (순천향대학교 기계공학과) , 안승현 (순천향대학교 기계공학과) , 장민혁 (순천향대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

We developed inkjet based measurement system for micro-droplet behavior on a substrate. By using the inkjet dispenser, a droplet, which is as small as few pico-liter in volume, can be jetted and the amount can be controlled. After jetting, the droplet image on the substrate is acquired from side view camera. Then, droplet profile is extracted to measure droplet volume, contact angle and evaporation characteristics. Also top view image of the droplet is acquired for better understanding of droplet shape. The previous contact angle measurement method has limitations since it mainly measures the ratio of height and contact diameter of droplet on a substrate. Unlike previous measurement system, our proposed method has advantages because various behavior of droplet on substrate can be effectively analyzed by extracting the droplet profile.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

다양한 기판 및 잉크에 대한 현상 측정 및 기판의 온도에 따른 증발 특성 측정에 대한 연구를 진행중이다.
1 과 같이 개발하였다. 본 연구실에서는 토출 현상을 측정하기 위하여 평가 장치를 개발하여 발표하였다.⁸ 기존의 잉크젯 토출 측정 장치와 본 연구에서 사용한 실험 장치의 차이점은 기판에서의 거동을 효과적으로 볼 수 있도록 2 축 스테이지를 구성하고 상단에서 액적을 관찰 할 수 있도록 카메라를 설치한 것이다.
본 연구에서는 주로 CCD 카메라를 사용하여 기판 위의 잉크의 젖음 특성 및 건조특성을 효과적으로 분석하고 평가할 수 있는 통합 시스템을 개발하는 것을 목표로 하였다. 개발한 시스템은 이러한 실험과 동시에 분석 결과를 사용자에 보여주는 것이 가능하도록 자동화하였다.
6(b)와 같은 거동을 측정하게 되면 프로파일의 결과가 실제 현상을 설명하기에 부족할 수 있다. 이를 보완적으로 측정하기 위하여 측면의 이미지와 상단부의 이미지를 동시에 측정 할 수 있도록 하였다. 토출 현상을 보기 위해서는 측면 카메라가 노즐의 위치에 있어야 한다.
실험할 때의 모든 이미지는 날짜 별로 저장이 된다. 저장된 이미지는 추후에 재생 기능을 통해 마치 실시간으로 분석이 되는 것처럼 보여줄 수도 있도록 하였다. 본 방법은 일반 CCD 카메라를 사용한 방법에 대하여 주로 다루었다.

제안 방법

1) 기존의 접촉각 측정 방법은 주로 2θ 방법에 근거 하고 있는데 본 연구에서 제안하는 방법은 에지 검출에 의하여 액적의 프로파일을 추출하고 이를 통하여 접촉각을 검출한다.
1) 잉크젯을 이용하여 토출되는 액적의 양을 제어가 가능하도록 시스템을 구성하였다. 액적의 양을 제어하는 방법으로는 파형을 이용하여 수 pL 이하의 양을 제어하거나 액적의 방울 수를 이용하여 수십 pL 이상의 토출양을 제어할 수 있다.
2) 건조 과정의 분석을 위하여 기판위의 액적의 형상의 프로파일 좌표를 저장하였고 이를 추후에 분석할 수 있도록 하였다. 건조 특성의 이해를 돕기 위해 액적의 시간에 따른 프로파일은 3 차원 형태로 보여줄 수 있도록 하였다.
2) 에지 검출을 사용하여 기판위의 액적을 체적을 실시간으로 측정하였다.
3) 에지 검출을 이용하여 잉크의 옆 모양의 형상을 건조과정에 대해서 측정이 가능할 뿐더러 기판 위에서도 잉크의 퍼짐 형상을 관찰할 수 있는 시스템을 구성하였다.
3) 측면에서 액적을 관찰하는 것 뿐만 아니라 상단에서 동시에 관찰 할 수 있도록 하였다. 이를 통하여 퍼짐이 대칭이 아닌 경우에 이를 평가 할 수 있도록 하였다.
4) 잉크 액적사이의 간격을 조절하면 실제 프린팅 현상을 실시간 관찰 및 분석이 가능한 기능을 추가 하였다.
4) 잉크젯을 이용하여 액적의 토출 주파수 및 토출 방울수를 자동으로 조절하여 토출 과정중의 액적의 기판 위의 거동 현상과 토출 후의 건조과정을 동시에 측정할 수 있도록 하였다.
5) 모든 이미지를 정해진 시간에 저장하여 추후에 실시간 실험하는 것처럼 분석할 수 있는 시스템을 구성하였다.
2) 건조 과정의 분석을 위하여 기판위의 액적의 형상의 프로파일 좌표를 저장하였고 이를 추후에 분석할 수 있도록 하였다. 건조 특성의 이해를 돕기 위해 액적의 시간에 따른 프로파일은 3 차원 형태로 보여줄 수 있도록 하였다.
기판위의 잉크의 거동을 측정하기 위하여 접촉각 측정 및 건조 특성을 측정 할 수 있는 시스템을 개발하였다. 본 연구에서 개발한 시스템은 다음과 같은 특징을 갖는다.
잉크젯 노즐에서는 일정 정도의 음의 압력이 걸려야 한다. 따라서 이를 위하여 잉크 공급부(reservoir)의 높이를 이용하여 노즐의 압력을 제어하였다. 따라서 헤드 노즐의 높이에 비해서 잉크 공급부에서 잉크의 높이가 낮게 하여 약간의 음의 압력이 걸리도록 하였다.
접촉각등은 기판의 표면의 상태에 따라서 잉크의 양에 따른 다른 결과를 가져올 수 있다. 따라서 잉크젯 디스펜싱을 사용한 정밀한 잉크 액적의 크기 측정 및 원하는 양을 정확하게 디스펜싱 할 수 있는 것을 특징인 측정 장치를 Fig. 1 과 같이 개발하였다. 본 연구실에서는 토출 현상을 측정하기 위하여 평가 장치를 개발하여 발표하였다.
따라서 이를 위하여 잉크 공급부(reservoir)의 높이를 이용하여 노즐의 압력을 제어하였다. 따라서 헤드 노즐의 높이에 비해서 잉크 공급부에서 잉크의 높이가 낮게 하여 약간의 음의 압력이 걸리도록 하였다. 또한 헤드의 메인터넌스를 위하여 공기 압력으로 잉크를 밀어내는 퍼지(purge)가 가능하게 하였다.
2 와 같은 잉크의 액적의 양에 따른 기판위의 다른 현상을 정확히 측정하기 위해서는 기판위의 액적의 양을 실시간으로 측정하였다. 또한 건조과정을 측정 할 수 있도록 시간에 따른 액적의 양과 접촉각을 측정하였다.
사용된 스테이지의 구동 범위는 20 x 85 mm 이다. 또한 측면 카메라를 이동하기 위한 전동 stage 를 추가로 사용하여 측면과 동시에 상단에서 측정이 가능하도록 하였다.
본 연구에서는 Fig. 2 와 같은 잉크의 액적의 양에 따른 기판위의 다른 현상을 정확히 측정하기 위해서는 기판위의 액적의 양을 실시간으로 측정하였다. 또한 건조과정을 측정 할 수 있도록 시간에 따른 액적의 양과 접촉각을 측정하였다.
⁸ 그러나 실제 기판위의 잉크의 체적은 바로 계산하기가 어렵다. 본 연구에서는 Fig. 3 와 같은 수평방향의 다수의 직선 관심영역에서 검출된 에지를 이용하여 근사적으로 잉크 프로파일의 좌표를 구하고 이를 이용하여 Fig. 5 와 같이 미소 원기둥 요소의 체적의 합으로 기판 위의 액적의 체적을 실시간으로 구하였다. 자세한 알고리즘 구현 방법은 참고서적에서 참고 할 수 있다.
본 연구에서는 건조 과정의 효과적인 이해를 위하여 시간에 따른 프로파일을 저장하고 이를 Fig. 7 과 같이 3 차원 형상으로 보여줄 수 있도록 소프트웨어를 구성하였다.¹¹ 또한 측정 프로파일을 사용하여 다양한 현상을 측정 및 분석 할 수 있고 저장된 데이터를 사용하여 후처리가 가능하다.
9 와 같이 자동으로 해당 방울수만 토출이 되도록 소프트웨어를 구성하였다. 이러한 토출 과정을 측정하고 그 이후의 건조과정까지 측정 할 수 있도록 소프트웨어를 구성하였다.
예를 접촉각이 크면 쉽게 선이 끊어지고 접촉각이 작으면 선폭이 굵어질 수 있다. 이러한 현상을 보다 효과적으로 평가하기 위하여 Fig. 12 와 같이 스테이지를 움직이면서 토출된 액적간의 패턴 형성과정을 측정하는 것을 평가 할 수 있도록 하였다.¹¹ 스테이지 속도 및 토출 간격등을 조절할 수 있도록 하였고 이를 통하여 프린팅 조건등을 최적화하는 것이 가능하다.
3) 측면에서 액적을 관찰하는 것 뿐만 아니라 상단에서 동시에 관찰 할 수 있도록 하였다. 이를 통하여 퍼짐이 대칭이 아닌 경우에 이를 평가 할 수 있도록 하였다.
측면 측정을 위하여 Zoom Lens 인 MORITEXML-Z07545 (배율 0.75~4.5) 와 Lens adaptor 인 MORITEX-ML-Z20 (배율 2)을 사용하여 총 배율은 약 9 배까지 가능하도록 사용하였다. 한편으로는 상단에서 토출된 액적을 측정하기 위하여 MORITEX_MML6_ST65 (배율 6)의 렌즈를 사용하였다.

대상 데이터

11 은 10 초 동안 10 Hz 로 토출을 시키는 과정과 그 이후의 기판 위에서 잉크의 접촉각 현상과 증발하면서 실시간으로 측정한 체적을 구하는 과정중에 소프트웨어를 캡춰한 그림이다.¹¹ 토출을 위한 액체로는 초순수를 사용하였고 기판으로는 발수 코팅을 한 유리를 사용하였다. 측정 결과로서 Fig.
CCD 카메라로는 SONY XC ES 50 을 사용하였다. CCD 카메라로부터의 이미지를 획득하기 위하여 NI 사의 PCI-1405 를 사용하였다.
기판 위의 거동을 효과적으로 측정하기 위하여 기판 고정장치를 움직이기 위하여 x-y stage(SGSP, Sigma Koki, Japan)를 사용하였다. 사용된 스테이지의 구동 범위는 20 x 85 mm 이다. 또한 측면 카메라를 이동하기 위한 전동 stage 를 추가로 사용하여 측면과 동시에 상단에서 측정이 가능하도록 하였다.
CCD 카메라로부터의 이미지를 획득하기 위하여 NI 사의 PCI-1405 를 사용하였다. 카메라는 측면과 상단에서 토출 액적의 위에서의 형상을 관찰할 수 있도록 2 개의 카메라를 사용하였다.
토출을 위한 잉크젯 헤드로는 Microfab 의 단일 노즐인 MJ-AT-01-50 의 직경 50 μm 의 노즐을 갖는 헤드를 사용하였다.
5) 와 Lens adaptor 인 MORITEX-ML-Z20 (배율 2)을 사용하여 총 배율은 약 9 배까지 가능하도록 사용하였다. 한편으로는 상단에서 토출된 액적을 측정하기 위하여 MORITEX_MML6_ST65 (배율 6)의 렌즈를 사용하였다.

이론/모형

CCD 카메라로는 SONY XC ES 50 을 사용하였다. CCD 카메라로부터의 이미지를 획득하기 위하여 NI 사의 PCI-1405 를 사용하였다. 카메라는 측면과 상단에서 토출 액적의 위에서의 형상을 관찰할 수 있도록 2 개의 카메라를 사용하였다.
⁸ 기존의 제팅 성능 측정 장치와 주로 달라지는 것은 잉크 액적이 기판에 떨어졌을 때를 측정하려고 하기 위한 하드웨어 부분과 이를 분석하기 위한 소프트웨어이다. 기판 위의 거동을 효과적으로 측정하기 위하여 기판 고정장치를 움직이기 위하여 x-y stage(SGSP, Sigma Koki, Japan)를 사용하였다. 사용된 스테이지의 구동 범위는 20 x 85 mm 이다.
본 방법에서는 기존의 2θ 방법이 아닌 에지 검출을 이용한 기판위의 잉크 프로파일 (형상)측정 방법을 이용하였다.

성능/효과

5) 기존의 디스펜싱 시스템 뿐만 아니라 다양한 제팅 방법, 잉크젯, 전기 수력학 잉크젯으로 형성된 액적을 측정할 수 있고 다양한 측정 알고리즘을 적용할 수 있는 확장성을 갖는다.

후속연구

본 시스템 개발을 통하여 실험의 효율성 및 최근 대두 되고 있는 전자 인쇄에서 필요로 하는 잉크 및 기판의 특성을 다양한 조건에서 효율적으로 평가하는 것이 가능할 것으로 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	기판과 잉크의 관계를 측정하기 위한 장치에는 무엇이 있는가?	기존의 기판과 잉크의 관계를 측정하기 위한 장치로는 접촉각 측정 장치가 있다. 그러나 일반적으로 상용화된 접촉각 장치는 2 가지 문제가 있다.
	잉크젯 기술을 제조 공정에 적용하기 위해 중요하게 고려해야 할 요소에는 무엇이 있는가?	잉크젯 기술을 제조 공정에 적용하기 위해서는 정밀한 스테이지 (stage), 잉크젯 헤드, 잉크 및 재료, 기판 (substrate)이 중요한 요소가 되고 있다.
	일반적으로 상용화된 접촉각 측정 장치의 문제점은 무엇인가?	그러나 일반적으로 상용화된 접촉각 장치는 2 가지 문제가 있다. 첫 번째 문제로는 잉크젯 액적과 같은 아주 작은 양의 액적을 만들지 못할 뿐더러 액적 양을 제어하기가 힘들어 액적 양에 따른 평가가 불가능하다. 또한 접촉각 뿐만 아니라 건조과정에서의 프로파일, 기판으로의 잉크가 흡수가 되는 경우 평가, 기판의 표면의 거칠기가 균일 하지 않은 경우 등의 현상을 종합적으로 평가해야 되는데 그런 중요한 평가 등이 불가능 하다.

참고문헌 (11)

Chandra, S., Marzo, M. D., Qiao, Y. M., and Tartarini, P., "Effect of liquid-solid contact angle on droplet evaporation," Fire Safety Journal, Vol. 27, No. 2, pp. 141-158, 1996.

상세보기
Deagan, R. D., Bakajin, O., Dupont, T. F., Huber, G., Nagel, S. R., and Witten, T. A., "Capillary flow as the cause of ring stains from dried liquid drops," Nature, Vol. 389, pp. 827-829, 1997.

상세보기
Lim, T., Han, S., Jung, J., Chung, J. T., Ko, S., and Grigoropoulos, C. P., "Experimental study on spreading and evaporation of inkjet printed pico-liter droplet on a heated substrate," International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 52, pp. 431-441, 2009.

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Son, Y., Kim, C., Yang, D. H., and Ahn, D. J., "Spreading of an inkjet droplet on a solid surface with a controlled contact angle at low weber and Reynolds numbers," Langmuir, Vol. 24, pp. 2900- 2907, 2008.

상세보기
Ikegawa, M. and Azuma, H., "Droplet behaviors on substrates in thin-film formation using ink-jet printing," JSME International Journal - Series B, Vol. 47, No. 3, pp. 490-496, 2004.

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Lok, B. K., "Transient contact angle of evaporating inkjet droplet on transparent polymer substrate," SIMTech Technical Reports, Vol. 11, No. 3, pp. 166- 171, 2010.
Yang, M.-W. and Lin, S.-Y., "A method for correcting the contact angle from the ${\theta}$ /2 method," Colloids and Surface A: Physicochem. Eng. Aspects, Vol. 220, pp. 199-210, 2003.

상세보기
Kwon, K. S., "Development of a test stand for measuring ink jetting performance," J. Korean Soc. Precis. Eng., Vol. 25, No. 8, pp. 45-50, 2008.
Kwon, K. S., "Speed measurement of ink droplet by using edge detection techniques," Measurement, Vol. 42, No. 1, pp. 45-50, 2009.
Kwon, K. S., "LabVIEW Machine Vision," Adbooks, 2012.
Kwon, K. S., "Contact angle measurement," http:// youtu.be/W4s3XuAdHdw

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표제어: PCR

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용어 설명 출처 목록 (6)

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