본 연구에서는 코팅 공정에 사용되는 슬롯다이(slot-die)에 대해 조건에 따른 코팅 성능을 연구하였다. 슬롯다이 코팅은 코팅 되는 필름의 속도, 코팅액의 점도 그리고 슬롯다이로 주입 되는 압력에 따라 코팅 품질이 많이 달라진다. 따라서 본 논문에서는 CFD 코드를 이용하여 안정적인 코팅을 위한 최적의 조건을 찾았다. 다양한 코팅액의 점도와 슬롯다이 입구의 압력 그리고 코팅 필름의 속도에 대해서 해석을 수행하였다. 그 결과로 $5kgf/cm^2$의 압력과 100cps 의 점도 그리고 20m/min 의 속도 조합에서 가장 안정적으로 코팅액이 잘 도포되었다.
본 연구에서는 코팅 공정에 사용되는 슬롯다이(slot-die)에 대해 조건에 따른 코팅 성능을 연구하였다. 슬롯다이 코팅은 코팅 되는 필름의 속도, 코팅액의 점도 그리고 슬롯다이로 주입 되는 압력에 따라 코팅 품질이 많이 달라진다. 따라서 본 논문에서는 CFD 코드를 이용하여 안정적인 코팅을 위한 최적의 조건을 찾았다. 다양한 코팅액의 점도와 슬롯다이 입구의 압력 그리고 코팅 필름의 속도에 대해서 해석을 수행하였다. 그 결과로 $5kgf/cm^2$의 압력과 100cps 의 점도 그리고 20m/min 의 속도 조합에서 가장 안정적으로 코팅액이 잘 도포되었다.
In this paper, we study the coating performance according to the slot-die conditions in the coating process. The quality of the slot-die coating depends on factors such as feeding speed of film, the viscosity of liquid, and the pressure applied to the slot-die. In this study, we determine the optimu...
In this paper, we study the coating performance according to the slot-die conditions in the coating process. The quality of the slot-die coating depends on factors such as feeding speed of film, the viscosity of liquid, and the pressure applied to the slot-die. In this study, we determine the optimum conditions for a stable coating by performing 2-D and 3-D simulations. We carry out numerical simulations with respect to the feeding velocity of the film, the pressure of the slot-die inlet, and the viscosity of the coating liquid. Based on the results, the coating was the most reliable when the pressure of the inlet was $5kgf/cm^2$, the viscosity was about 100 cps and the velocity was 20 m/min.
In this paper, we study the coating performance according to the slot-die conditions in the coating process. The quality of the slot-die coating depends on factors such as feeding speed of film, the viscosity of liquid, and the pressure applied to the slot-die. In this study, we determine the optimum conditions for a stable coating by performing 2-D and 3-D simulations. We carry out numerical simulations with respect to the feeding velocity of the film, the pressure of the slot-die inlet, and the viscosity of the coating liquid. Based on the results, the coating was the most reliable when the pressure of the inlet was $5kgf/cm^2$, the viscosity was about 100 cps and the velocity was 20 m/min.
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문제 정의
본 논문에서는 슬롯다이 코팅의 최적화 조건을 찾기 위해 코팅액이 필름에 도포되는 과정을 3차원 및 2차원으로 해석하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
제안 방법
2 차원 해석은 Fig. 4 와 같이 모델링 하였고 코팅액이 슬롯다이에서 나오는 시점부터 필름에 코팅이 되는 시점까지 모델링을 하였다. Fig.
3 차원 해석은 Fig. 5 같이 5 개 지점을 잡아 단면의 속도를 구하였고, 코팅액이 입구로 들어와서 출구로 나가는 과정에서 나가는 동안 각 지점의 속도 분포는 어떤 차이를 보이는지 비교하였다. 이때 그래프의 속도 범위를 조절하여 각 지점끼리 좀 더 명확하게 비교할 수 있도록 하였다.
이때 그래프의 속도 범위를 조절하여 각 지점끼리 좀 더 명확하게 비교할 수 있도록 하였다. 그리고 5 개의 지점 중에서 속도가 가장 빠른 중간 지점인 3 번 포인트의 출구 속도를 기준으로 하여 조건에 따라 출구의 속도 차이를 비교하였다. 해석은 Table 1 과 같이 조건에 따라 case 를 4 개로 나누어서 해석을 진행하였다.
Case 7 의 경우 앞의 case 5 보다 점도를 300 cps로 증가시켰다. 그리고 슬롯다이의 틈새의 폭이 어떤 영향을 주는지 알아 보기 위해 슬롯다이의 틈을 0.3mm 로, 슬롯다이와 필름까지 거리를 0.45mm 로 증가 시켰다. 이 경우는 내려오는 코팅액이 0.
따라서 본 논문에서는 슬롯다이 코팅의 최적화된 조건을 찾기 위해 상용 CFD 해석 소프트웨어인 CFD-ACE+를 사용하여 2차원 및 3차원 해석을 병행하여 진행하였다.
그 이유는 출구의 속도가 다른 곳의 속도보다 매우 높아 다른 곳의 속도 차이를 그래프 상에서 확인하기 어려웠다. 따라서 지점들의 속도 분포 차이를 좀 더 명확하게 확인하기 위해 그래프의 범위를 조절하여 코팅액이 저장되는 공간의 속도 분포를 자세히 볼 수 있도록 했다.
입구(inlet)로 코팅액이 공급되고 출구(outlet)로코팅액이 나가게 된다. 모델링은 슬롯다이 내부 코팅액의 모양을 모델링하였다. 좌측 아래의 두꺼운 부분에 코팅액이 채워지고, 우측 상단의 출구로 나가게 된다.
슬롯다이는 코팅액을 공기중에 토출하는 장치이기 때문에 코팅액의 움직임을 평가하기 위해서는 공기와 액체에 대한 이상 유동을 반드시 고려해야 한다. 본 논문은 상이 두 개(공기, 유체) 가 있는 이상(Two-Phase) 유동 유체와 공기의 경계에 대한 관련식을 사용해야 한다. 동적 경계를 표현하는 방법으로, Level Set 방법, Phase Field 방법, VOF(Volume Of Fluid) 방법 등이 있는데, VOF 방법은 가장 오래된 해석 기법 중 하나로 VOF 방법에 사용되는 함수는 각 상의 질량보존식을 만족한다는 장점이 있고, 비압축성 점성유체에 대한 복잡한 표면을 효과적으로 수치 모의할 수 있어 현재 다상유동해석에 널리 사용되고 있기 때문에 본연구를 위해서 VOF 방법을 사용하였다.
코팅액은 입구로 주입되고 필름인 (3)부분이 속도 V 를 유지하며 좌측으로 이동한다. 코팅액은 입구로 들어와 (3)에 점착되고 (3)이 좌측으로 이동함에 따라 코팅이 어떻게 진행되는지 해석하였다.
도출된 각 유속을 이용하여 2D해석을 수행 한 결과, 과도하게 낮은 유속으로 인하여 과도한 해석 시간이 요구되어, 이에 이후 진행된 2차원 해석에서는 각 case 별 상대적 차이를 비교하기 위해 2D 가정된 모델 입구에 압력 조건을 직접 적용하여 해석을 진행 하였고 case 조건은 Table 3과 같이 주었다. 코팅의 품질은 코팅의 두께와 코팅의 균질성에 따라 평가하였다.
이론/모형
본 논문은 상이 두 개(공기, 유체) 가 있는 이상(Two-Phase) 유동 유체와 공기의 경계에 대한 관련식을 사용해야 한다. 동적 경계를 표현하는 방법으로, Level Set 방법, Phase Field 방법, VOF(Volume Of Fluid) 방법 등이 있는데, VOF 방법은 가장 오래된 해석 기법 중 하나로 VOF 방법에 사용되는 함수는 각 상의 질량보존식을 만족한다는 장점이 있고, 비압축성 점성유체에 대한 복잡한 표면을 효과적으로 수치 모의할 수 있어 현재 다상유동해석에 널리 사용되고 있기 때문에 본연구를 위해서 VOF 방법을 사용하였다. VOF를 이용한 다상 유동 해석의 지배 방정식은 다음과 같다.
성능/효과
(1) 슬롯다이 내부의 유동에서는 점도보다 압력이 속도에 주는 영향이 더 크다는 것을 확인하였다.
(5) 슬롯다이 입구의 압력은 슬롯다이의 출구 속도에 매우 큰 영향을 끼친다. 슬롯다이의 압력이 1.
(6) 코팅의 두께의 균일성 및 코팅의 단락이 없는 우수한 코팅의 최적 조건은 슬롯다이의 틈이 0.3mm, 필름과의 거리가 0.2mm인 조건에서 압력이 5.0kg f /cm2 이고, 점도가 100cps, 필름의 속도가 20m/min의 경우이다.
이 경우에는 압력이 높아 코팅액이 내려오는 속도가 빠른 것을 확인할 수 있다. 0.0021s 만에 반 이상 내려온 모습을 보여주어 case 5 에 비해 필름까지 내려오는 속도가 더 빠른 것을 확인했다.
5 개 지점의 속도 분포를 비교해보면 3 번 지점에서 가장 높은 속도를 보였다. 그리고 1번 지점과 5번 지점에서 코팅액이 저장된 공간에서 속도는 0 m/s으로 나타났지만 출구로 갈수록 속도가 증가하는 것을 확인하였다.
5 개 지점의 속도 분포를 비교해보면 3 번 지점에서 가장 높은 속도를 보였다. 그리고 1번 지점과 5번 지점에서 코팅액이 저장된 공간에서 속도는 0 m/s으로 나타났지만 출구로 갈수록 속도가 증가하는 것을 확인하였다. (b)의 경우 가장 속도가 높은 3번 포인트의 출구 부분을 확대 한 그림이다.
6 는 case 1 에서 코팅액의 유선을 나타낸 그림이다. 슬롯다이 내부에서는 낮은 속도로 인해 슬롯다이 내부의 유동은 혼합되지 않고 일정한 경로로 이동하는 것을 확인하였다. 입구에서 나누어진 코팅액들은 비교적 균등하게 출구까지 분배되어 출구에서는 모든 구간에서 코팅액이 밖으로 토출되는 것을 확인할 수 있다.
(5) 슬롯다이 입구의 압력은 슬롯다이의 출구 속도에 매우 큰 영향을 끼친다. 슬롯다이의 압력이 1.5kg f /cm 2 에서 5kg f /cm 2 로 약 333% 증가하면 속도는 평균적으로 약 331.5% 증가 하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
매우 정밀한 인쇄 전자의 회로는 어떠한 문제를 발생시킬 수 있는가?
인쇄 전자의 회로는 매우 정밀하기 때문에 회로 간의 간섭이 발생 될 우려가 있다. 따라서 인쇄전자 기술에서 중요한 부분을 차지하는 것이 코팅 기술인데, 절연성 물질로 인쇄된 전자회로를 코팅해주어야 전자회로가 정상적으로 작동을 할 수 있다.
최근 인쇄전자 기술이 많은 이슈가 되는 이유는 무엇인가
최근 인쇄전자 기술은 많은 이슈가 되고 있는데 그 이유로는 기존의 전자회로 공정 과정 보다 공정 단계를 간소화 할 수 있고 또한 대량생산에 용의하여 제조원가가 상대적으로 저렴하고 초 박막, 유연성이 높아 휘어도 전기가 통하기 때문이다. 또한 저렴한 원가로 일회용 디스플레이, 스마트카드 등 다양한 분야에서 응용 가능성이 있고, 높은 성장 잠재력과 파괴력 때문에 전 세계적으로 약 3,000여 기업과 기관들이 기술개발 및 상품개발에 참여하고 있기 때문이다.
인쇄 전자의 회로 관련 슬롯다이 코팅에 대한 연구가 많이 진행된 이유는 무엇인가
이러한 이유로 많은 업체와 연구진들은 여러 가지 코팅 방법에 대해 폭넓은 연구를 있고, 그 중에서 슬롯다이 코팅에 대한 연구가 많이 진행 되고 있다. 그 이유로는 슬롯다이에 들어가는 코팅액의 제어와 슬롯다이 내부의 구조를 적절하게 만들 수 있다면 코팅되는 넓이의 제한 없이 넓은 범위를 한 번에 코팅 할 수 있고, 균일한 두께로 코팅 가능함으로 인해 재현성이 우수하고 신뢰성이 좋다는 장점이 있기 때문이다.
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