[논문]초정밀 미세 패턴을 위한 전기 수력학 잉크젯 프린팅 시스템

노형래; 고정국; 권계시

doi:10.3795/ksme-b.2013.37.9.873

초정밀 미세 패턴을 위한 전기 수력학 잉크젯 프린팅 시스템
Electrohydrodynamic Inkjet Printing System for Ultrafine Patterning 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.37 no.9 = no.336, 2013년, pp.873 - 877

노형래 (순천향대학교 기계공학과) , 고정국 (순천향대학교 전기로봇공학과) , 권계시 (순천향대학교 기계공학과)

초록
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잉크젯 기술은 가정용 프린터에서부터 제조 도구로 확대 되었다. 최근 인쇄전자 분야에서 고해상도 인쇄가 요구되고 있다. 기존의 잉크젯 인쇄 패터닝 방식을 향상 시키기 위해 전기수력학잉크젯 기술이 최근 주목을 받고 있는데 노즐 직경보다 작은 방울을 토출할 수 있고 넓은 점도 범위와 재료를 사용할 수 있기 때문이다. 본 논문에서는 미세 패터닝을 위한 EHD 프린팅 시스템이다. 요구 적출형 프린팅에 의해 다양한 패턴을 인쇄하고 벡터와 레스터 프린팅 알고리즘을 개발하였다. 내경이 $8{\mu}m$ 인 노즐을 이용하여 $7{\mu}m$ 이하의 미세 전도성 선폭을 EHD 방식을 통해 만들 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

The application of inkjet technology has been broadening from home printers to manufacturing tools. Recently, there have been demands for high-resolution printing, especially in the field of printed electronics applications. To improve upon the conventional inkjet printing patterning method, electrohydrodynamic (EHD) inkjet technology has recently attracted attention because droplets smaller than the nozzle diameter can be ejected and materials with wider viscosity range can be used for jetting. In this study, an EHD jet printing system for fine patterning is presented. To print various patterns based on drop on demand printing, vector and raster printing algorithm are implanted in the printing software. Fine conductive patterns with line width of less than $7{\mu}m$ can be easily achieved via EHD jet using a nozzle with inner diameter of $8{\mu}m$.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

(5,6) 최적화된 구동 전압을 인가해주기 위해서 본 연구에서는 Fig. 1과 같이 비젼 측정방법을 사용하여 토출 현상과 전압의 관계를 규명하였다.
인쇄전자를 위한 프린팅은 여러 재료의 패턴이 층을 이루면서 프린팅이 되는 경우가 많다. 따라서 캐드 소프트웨어에서 그린 다층 도면을 원하는 층(layer)만 선택하여 비트맵으로 변환 후에 프린팅할 수 있도록 소프트웨어를 구현하였다.
개발된 CAD 내장형 소트웨어는 프린팅을 위한 캐드의 기능을 구현하기 위하여 직선, 원, 원호, 블락, 배열(Array), 이전으로 되돌리기 (undo), 삭제(delete)등의 기본적인 명령어와 줌 (zoom)기능 등을 포함하여 별도의 CAD를 사용하지 않고도 원하는 패턴을 쉽게 그리고 프린팅할 수 있다. 또한 다른 캐드 소프트웨어를 사용하더라도 dxf file의 형태를 저장이 되어 있으면 이를 읽어서 패터닝 정보를 가져올 수 있도록 하였다.
비트맵 프린팅을 위하여 각 픽셀의 간격을 실제 프린팅 간격으로 입력함으로서 프린팅의 크기를 조절할 수 있도록 하였다. 또한 단위 길이(예를 들면 1mm)에 몇 개의 픽셀로 정의 되는지에 따라 프린팅 정밀도와 이미지 크기를 정의할 수 있도록 하였다.
CAD 파일이 있는 경우에는 CAD 파일을 읽고 분석하여 개발된 CAD 뷰어에 CAD의 정보를 효과적으로 사용자에게 보여주고 CAD 명령어 리스트를 사용자가 확인할 수 있도록 소프트웨어를 구성하였다. 만약 기존의 CAD 의 정보에서 패턴의 추가 및 삭제가 필요하면 이를 쉽게 수정할 수 있도록 소프트웨어를 구성하였다.
응용에 따라서는 캐드의 정보를 비트맵의 이미지 형태로 변환이 되어야 한다. 벡터 프린팅을 위한 정보를 래스터 프린팅을 위한 정보(비트맵 이미지)로 변환시키는 알고리즘을 본 연구실에서 개발된 소프트웨어에서 구현하여 CAD 의 정보를 이미지 파일 (bitmap 이미지)로 전환시키는 알고리즘을 구현하였다. 알고리즘 전환을 위하여 Fig.
본 연구실에서 개발한 잉크젯 프린팅 방법인 벡터 프린팅 방법과 래스터 프린팅 방법⁽⁷⁾을 수력학적 잉크젯의 프린팅을 위하여 개선하였으며 나노 실버 잉크를 사용하여 다양한 패터닝으로 수행함으로서 개발된 알고리즘을 검증하였다.
본 연구에서는 토출 측정 방법을 개발하고 이를 통하여 최적의 조건을 도출하고 이를 프린팅에 응용하였다. 토출 방법으로는 요구 적출형(Drop on demand)방식으로 1 개의 구동 전압의 펄스가 1개의 액적을 만들 수 있는 펄스 구동방식을 사용하였다.
비트맵 프린팅을 위하여 각 픽셀의 간격을 실제 프린팅 간격으로 입력함으로서 프린팅의 크기를 조절할 수 있도록 하였다. 또한 단위 길이(예를 들면 1mm)에 몇 개의 픽셀로 정의 되는지에 따라 프린팅 정밀도와 이미지 크기를 정의할 수 있도록 하였다.
벡터 프린팅을 위한 정보를 래스터 프린팅을 위한 정보(비트맵 이미지)로 변환시키는 알고리즘을 본 연구실에서 개발된 소프트웨어에서 구현하여 CAD 의 정보를 이미지 파일 (bitmap 이미지)로 전환시키는 알고리즘을 구현하였다. 알고리즘 전환을 위하여 Fig. 4와 같이 소프트웨어를 개발하여 dxf 파일을 분석하고 이를 이미지에 표현함으로서 비트맵을 생성시켰다.
요구적출형 프린팅 방법을 사용하기 위하여 DC+펄스 전압을 인가하였으며 전압의 조건을 최적화 하기 위하여 가시화 측정 방법을 이용하였다.
캐드를 사용한 프린팅 방법은 주로 벡터 프린팅이므로 노즐이 1개 있는 프린팅에 적합하나 노즐이 여러 개가 있거나 복잡한 패터닝이 필요할 때는 캐드의 도면을 비트맵 이미지로 프린팅해야 될 필요가 있다. 이러한 벡터 프린팅과 래스터 프린팅의 장단점은 기존의 본 연구실에서 발표된 논문에 비교하였다.⁽⁷⁾
전기수력학 프린팅 방식을 프린팅에 응용하기 위하여 프린팅 시스템을 구성하였다. 효과적인 프린팅을 위하여 다양한 알고리즘을 구현하였다.
전기수력학적 제팅을 프린팅에 응용하기 위하여 XY의 평면 프린팅을 위한 2축의 리니어 모터를 사용하여 스테이지를 구성하였고, 헤드의 높이를 자동으로 제어하려고 Z 축의 스테이지를 추가로 구성하였다. 정밀한 위치 제어와 패터닝을 위한 패턴 카메라와 프린팅 과정을 관찰하기 위한 카메라가 구성되어 있다.
제팅 이미지를 측정하기 위한 카메라는 USB카메라 (모델명: UI-1640SE-C-HQ) 를 사용하였고 적절한 제팅 모니터링을 위해 6배율의 렌즈를 사용하였다. 제어 및 프린팅을 위한 소프트웨어는 LabVIEW를 사용하여 개발하였다.
캐드 내장형 프린팅 소프트웨어를 Fig. 3과 같이 개발하여 별도의 CAD 프로그램 없이도 자체적으로 정밀한 패턴을 그릴 수 있도록 하였고 입력된 프린팅 좌표의 정보를 이용하여 프린팅이 되도록 하였다.
프린팅을 위하여 그림 파일 jpg, png, gif, bmp 등의 다양한 이미지를 프린팅을 할 수 있도록 프린팅 알고리즘을 구현하였다.
여기서 프린팅을 위한 프린팅 파라미터는 스테이지 속도, 가속도 및 헤드의 토출 주파수이다. 한편으로는 여러 노즐을 사용하여 복잡한 패턴을 위하여 비트맵 이미지가 필요한데 이를 위하여 CAD의 패턴 정보를 래스터 프린팅의 정보인 비트맵 이미지로 변환하는 알고리즘을 구현하였다.
전기수력학 프린팅 방식을 프린팅에 응용하기 위하여 프린팅 시스템을 구성하였다. 효과적인 프린팅을 위하여 다양한 알고리즘을 구현하였다. 특히 프린팅 소프트웨어 내에 캐드 소프트웨어 기능을 탑재하여 사용자의 편의성을 증대 시켰다.
효과적인 프린팅을 위하여 캐드 내장형 소프트웨어를 완성 시켰으며 원하는 패터닝을 별도의 캐드 없이 손쉽게 그릴 수 있었고 이를 벡터 형태로 프린팅 시키거나 래스터로 변환하여 프린팅할 수 있도록 소프트웨어를 개발하였다.

대상 데이터

스테이지 제어를 위한 모션 컨트롤러는 NI-7390, 고전압 Amp로는 TREK사의 고전압 앰프(모델명: 2220)을 사용하였고, 유체 공급 시스템으로는 수두를 이용하였다. 또한 펄스의 형상을 만들기 위하여 Agilent사의 임의 파형 발생기(모델명: 33220 A)를 사용하였다. 또한 제팅을 위한 고전압 펄스를 발생하기 위한 트리거 신호는 카운터 보드 (NI CB-68LPR) 를 사용하여 발생시켰다.
스테이지 제어를 위한 모션 컨트롤러는 NI-7390, 고전압 Amp로는 TREK사의 고전압 앰프(모델명: 2220)을 사용하였고, 유체 공급 시스템으로는 수두를 이용하였다. 또한 펄스의 형상을 만들기 위하여 Agilent사의 임의 파형 발생기(모델명: 33220 A)를 사용하였다.
또한 제팅을 위한 고전압 펄스를 발생하기 위한 트리거 신호는 카운터 보드 (NI CB-68LPR) 를 사용하여 발생시켰다. 제팅 이미지를 측정하기 위한 카메라는 USB카메라 (모델명: UI-1640SE-C-HQ) 를 사용하였고 적절한 제팅 모니터링을 위해 6배율의 렌즈를 사용하였다. 제어 및 프린팅을 위한 소프트웨어는 LabVIEW를 사용하여 개발하였다.

이론/모형

비트맵 이미지는 바이너리 이미지로 변환이 되고 이러한 바이너리 이미지는 프린팅할 부분과 프린팅하지 않을 부분의 데이터로 사용할 수 있다. 비트맵 이미지를 사용한 프린팅 알고리즘은 본 연구실에서 발표한 최근 논문(7)을 참고할 수 있다.
본 연구에서는 토출 측정 방법을 개발하고 이를 통하여 최적의 조건을 도출하고 이를 프린팅에 응용하였다. 토출 방법으로는 요구 적출형(Drop on demand)방식으로 1 개의 구동 전압의 펄스가 1개의 액적을 만들 수 있는 펄스 구동방식을 사용하였다.^(5,6)

성능/효과

(9) 실험으로 구한 안정적인 토출을 위한 전압 조건은 8µm 노즐을 사용하였을 때 Vpulse=400V, Vdc=400V 와 pulse 폭은 0.3ms 이었다.
개발된 CAD 내장형 소트웨어는 프린팅을 위한 캐드의 기능을 구현하기 위하여 직선, 원, 원호, 블락, 배열(Array), 이전으로 되돌리기 (undo), 삭제(delete)등의 기본적인 명령어와 줌 (zoom)기능 등을 포함하여 별도의 CAD를 사용하지 않고도 원하는 패턴을 쉽게 그리고 프린팅할 수 있다. 또한 다른 캐드 소프트웨어를 사용하더라도 dxf file의 형태를 저장이 되어 있으면 이를 읽어서 패터닝 정보를 가져올 수 있도록 하였다.
패턴의 선폭은 노즐의 내경과 관계가 있었으며 8µm 내경의 노즐을 사용하고 은나노 잉크를 사용하였을 때 5-7µm 이하의 프린팅된 dot 을 얻을 수 있었으며 이를 이용한 선을 패터닝 하였을때 7µm 이하의 선폭을 안정적으로 얻을 수 있었다. 또한 원하는 위치에 정밀하게 액적을 토출하는 것이 가능하였다.

후속연구

고정된 위치에서 나노 실버 잉크를 연속 제팅시 빠른 증발로 인하여 3 차원 구조물을 쉽게 만들 수 있었다. 이러한 연구를 지속하여 보다 복잡한 3 차원 미소 구조물을 프린팅하는 연구를 진행 중이다.
이러한 요구 적출형 프린팅 방법을 확장하여 향후 연구과제로서 전기수력학적 잉크젯을 이용하여 3 차원 미세 구조물을 만드는 연구를 진행 중이다.
향후의 과제로서 비트맵 이미지의 정보를 벡터 프린팅을 위한 정보로 변환하는 알고리즘을 개발 중이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	CCD 카메라를 사용하는 방법의 장점은?	CCD 카메라를 이용하는 경우에도 LED 의 점등 을 제어하여 10µs 이하의 짧은 토출 현상을 가시 화하는 것이 가능하였다. CCD 카메라를 사용하는 방법은 가격이 저렴하고 실시간으로 토출 상태를 이미지 분석이 가능하기 때문에 기존의 고속 카메 라 측정에 비해서 장점이 있다.
	최적의 토출 조건 중 가장 변경하기 쉬운 인자는?	최적의 토출 조건은 잉크의 특성, 유체의 공급 시스템, 토출 전압에 의해 다르게 되므로 이러한 조건을 최적화 하는 것이 필요하다. 그 중에서 인 가하는 전압은 가장 변경하기 쉽고 효과적인 방법 이다. 이때 구동 전압으로는 DC+펄스 전압을 사 용하였다.
	최근 인쇄전자 분야에서 요구되는 것은?	잉크젯 기술은 가정용 프린터에서부터 제조 도구로 확대 되었다. 최근 인쇄전자 분야에서 고해상도 인쇄가 요구되고 있다. 기존의 잉크젯 인쇄 패터닝 방식을 향상 시키기 위해 전기수력학잉크젯 기술이 최근 주목을 받고 있는데 노즐 직경보다 작은 방울을 토출할 수 있고 넓은 점도 범위와 재료를 사용할 수 있기 때문이다.

참고문헌 (10)

Murata, K., 2003, "Super-Fine Ink-Jet Printing for Nanotechnology," Proceeding of the International Conference on MEMS, NANO and Smart Systems.
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Kim, M.C. and Lee S.Y., 2002, "Effect of Nozzle Material on Drop Size Distribution in Electrohydodynamic Spraying," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. B, Vol.28, No.11, pp.1451-1457.
Lee, J. B. and Hwang J. H., 1999, "Electrohydrodynamic Characteristics of an Electro-Spray System," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. B, Vol.23, No.8, pp.1031-1039.
Li J and Zhang P 2009, "Formation and Droplet Size of EHD Dripping induced by Superimposing and Electric Pulse to Background Voltage," Journal of Electrostatics 67, pp.562-567.

상세보기
Mishra S, Barton K L, Alleyne A G, Ferreira P M and Rogers J A 2010, "High-Speed and Drop-on-demand Printing with a Pulsed Electrohydrodynamic Jet," Journal of Micromechanics and Microengineering 20095026.
Kwon, K.S., and Go, J.K. and Kim, J.W. 2010, "Development of Inkjet Printing System for Printed Electronics," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A , Vol. 34, No. 10, pp. 1537-1542.

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Kwon, K.S., and Lee, D.Y. 2012, "Visualization of Electro-hydrodynamic Ink Jetting Using CCD Camera," Journal of Korean Society for Precision Engineering, Vol. 29, No. 3, pp. 295-301.

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Kwon, K.S. and Lee, D.Y. 2013 "Investigation of Pulse Voltage Shape Effects on Electrohydrodynamic Jets Using Vision Measurement Technique," Journal of Micromechanics and Microengineering, Vol. 23, 065018.

상세보기
Electrohydrodynamic (EHD) Inkjet Printing, Online: http://www.youtube.com/watch?vM3cRCWwwImc.

저자의 다른 논문 :

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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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