[논문]RFID TAG 미세패턴 성형을 위한 공구혼 진동해석

김강은; 이봉구; 최성주

doi:10.5762/kais.2016.17.12.652

RFID TAG 미세패턴 성형을 위한 공구혼 진동해석
Modal Analysis of an Ultrasonic Tool Horn for RFID TAG Micro-pattern Forming 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.17 no.12, 2016년, pp.652 - 658

김강은 (한국생산기술연구원 극한제조기술그룹) , 이봉구 (영남이공대학교 기계계열) , 최성주 (한국기술교육대학교 기계공학부)

초록
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본 논문에서는 유한 요소법(FEM) 시뮬레이션을 사용하여 초음파 미세패턴 성형에 사용되는 초음파 공구혼을 이론적 연구와 유한요소해석을 통하여 조사 하였다. 이 방법은 FEM 해석으로 얻어진 초기 설계 추정치에 기초한다. 초음파 미세패턴 성형에 필요한 고유주파수와 공구 혼의 공진주파수를 유한요소해석을 통하여 예측하였다. ANSYS S/W를 이용한 FEM 분석은 초음파 혼의 진동모드 형상의 최적 설계기술로 공진 주파수를 예측하기 위해 사용하였다. 초음파 진동자에 전원이 공급되면, 초음파 진동자에 공급된 전기에너지가 기계적인 운동에너지로 변환되어 진동이 발생하게 된다. 초음파 공구혼의 종진동 에너지를 이용하여 절연시트위에 RFID TAG 패턴 성형을 하게 된다. 초음파 진동을 이용한 마이크로 단위의 형상정밀도 향상을 위해서는 공구혼의 종진동모드만을 이용하여 성형 해야 한다. 본 연구에서는 초음파 마이크로패턴 성형에 필요한 공구혼의 고유진동수 및 진동모드를 갖는 설계변수를 고찰하고, 유한요소해석 결과를 바탕으로 공구혼을 제작함으로써 마이크로패턴 성형에 응용하고자 한다. 유한요소해석 결과를 바탕으로 RFID TAG의 미세패턴 성형을 위한 초음파 공구혼의 최적설계 및 제작에 반영하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, the theoretical research and simulation using the Finite Element Method (FEM) to design and form a micro-pattern for an ultrasonic horn is described. The present method is based on an initial design estimate obtained by FEM analysis. The natural and resonant frequencies required for the ultrasonic tool horn used for forming the fine pattern were predicted by finite element analysis. FEM analysis using ANSYS S/W was used to predict the resonant frequency for the optimum technical design of the ultrasonic horn vibration mode shape. When electrical power is supplied to the ultrasonic transducer, it is converted into mechanical movement energy, leading to vibration. The RFID TAG becomes the pattern formed on the insulating sheet by using the longitudinal vibration energy of the ultrasonic tool horn. The FEM analysis result is then incorporated into the optimal design and manufacturing of the ultrasonic tool horn.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

56MHz RFID TAG 안테나의 미세패턴을 구현하기 위한 많은 연구들이 진행되었고, 형태별, 기능별로 상당한 부분에 대해서도 상용화가 이루어지고 있는 상황이다[5,6]. 따라서, 본 연구에서는 13.56MHz RFID TAG 안테나의 미세패턴 성형이 가능한 초음파 미세패턴 제조시스템을 개발하고, 초음파 종진동을 이용하여 고분자 필름과 같은 절연 시트 층에 RFID TAG 안테나를 압입성형해서 ONE-Sheet Inlay 형태의 미세패턴 성형공정을 이용한 RFID TAG 안테나를 제조할 수 있는 초음파 미세패턴 성형기술을 개발하고자 한다. 즉 초음파 종진동을 이용하여 미세패턴성형 기술에 필요한 공구혼의 공진설계와 ANSYS를 이용하여 공구혼의 고유진동수와 진동모드를 갖는 초음파 공구 혼의 설계변수를 고찰하고 해석 결과를 반영하여 공구혼을 제작함으로써 미세패턴 성형에 응용하고자 한다.
본 논문에서는 초음파 종진동 모드를 이용한 RFID TAG의 초음파 미세패턴 성형을 위한 기초 연구를 수행하였으며, 특히 가공에 필요한 진동특성 구현을 위한 초음파 공구혼의 설계에 관해 연구하였다. 초음파 공구 혼의 파동방정식인 이론적인 접근방법과 유한요소 해석 프로그램인 ANSYS S/W를 이용한 진동 모달 해석을 병행하여 초음파 진동을 이용한 융착에 필요한 공진주파수인 60kHz와 공구혼의 출력단에 최대 진폭이 발생시킬 수 있는 스텝형 공구혼의 형상설계에 관한 연구를 수행하였다.

제안 방법

부스터와 체결되기 위해 혼의 시작부에 M6의 나사 부를 가지도록 설계되었으며, 혼의 출력 측의 팁은 혼의 전체 길이의 끝부분에 위치하게 하여 최대 진폭을 발생하도록 설계하였다. 1차원 파동방정식을 이용하여 계산된 혼의 형상치수를 결정하였으며, 혼의 스텝 부분에서 발생하는 응력집중을 최소화시키기 위하여 R값을 9mm로 주었으며, 혼의 형상변수에 따라 혼의 고유진동수가 변화하므로, 가진 주파수인 60kHz의 고유진동수를 찾기 위해 모드해석을 하여 혼의 고유진동수와 진동모드를 유한요소 법을 이용하여 시뮬레이션 하였다.
이론적 파동방정식을 통해 혼의 직경은 압전소자(PZT)의 지름을 고려하여 60kHz 공구혼의 경우는 Ø15㎜로 설계하였다. Fig. 3에서와 같이 원통형 툴혼의 지름은 28mm이며 60kHz 공진의 길이의 경우도 공진 길이보다 조금 길게 56mm로 제작하여 종진동 모드를 발생시키는 최적의 초음파 공구혼의 설계치수를 제시하였다. 수치해석 방법을 이용한 공진설계기법으로 개발된 60kHz의 종진동모드를 이용한 공구혼의 출력단 부분에서 형성되는 4∼5㎛ 진폭의 초음파 마찰열은 절연 시트지와 접촉면에서 진폭과 같은 가압 깊이에 이르면 용착이 가능한 정상상태의 온도에 도달함을 알 수 있 었다.
4에 나타내었다. 경계조건은 공구혼이 진동자 및 증폭장치와 체결되어 있으나 체결된 부위에서 변위량(진폭)이 동일한 점을 고려하였으며, 초음파 용착에 사용되는 종진동 모드를 고려하여 Fig.5와 같이 X축 축방 향에 대하여자유 상태(Free)로, Y축과 Z축 방향은 고정된(Fixed) 형태로 해석을 수행하여 가진 주파수가 각각 60kHz에 근접하고, 진폭이 최대가 되는 종진동 모드를 찾아 혼의 형상을 설계하도록 하였다.
3과 같이 설계하였다. 반파장 길이에서의 최대 진폭을 가지기 때문에 편각코일 와이어를 어느 위치에서도 일정하게 가압할 수 있도록 원형의 출력 단 모양으로 설계하였다. 혼의 직경은 압전소자(PZT)의 지름을 고려하여 60kHz 공구혼의 경우는 Ø15mm로 설계하였다.
3에 제시하였다. 부스터와 체결되기 위해 혼의 시작부에 M6의 나사 부를 가지도록 설계되었으며, 혼의 출력 측의 팁은 혼의 전체 길이의 끝부분에 위치하게 하여 최대 진폭을 발생하도록 설계하였다. 1차원 파동방정식을 이용하여 계산된 혼의 형상치수를 결정하였으며, 혼의 스텝 부분에서 발생하는 응력집중을 최소화시키기 위하여 R값을 9mm로 주었으며, 혼의 형상변수에 따라 혼의 고유진동수가 변화하므로, 가진 주파수인 60kHz의 고유진동수를 찾기 위해 모드해석을 하여 혼의 고유진동수와 진동모드를 유한요소 법을 이용하여 시뮬레이션 하였다.
초음파 공구 혼의 파동방정식인 이론적인 접근방법과 유한요소 해석 프로그램인 ANSYS S/W를 이용한 진동 모달 해석을 병행하여 초음파 진동을 이용한 융착에 필요한 공진주파수인 60kHz와 공구혼의 출력단에 최대 진폭이 발생시킬 수 있는 스텝형 공구혼의 형상설계에 관한 연구를 수행하였다. 이론적 파동방정식을 통해 혼의 직경은 압전소자(PZT)의 지름을 고려하여 60kHz 공구혼의 경우는 Ø15㎜로 설계하였다. Fig.
적층형 구조를 갖는 원통형 압전 액츄에이터에 공구 혼을 가진 할 때 가진 주파수는 액츄에이터의 길이방향 모드의 고유 진동수를 이용하게 된다. 이론적인 파동방정식을 통해 구한 공구혼 모델의 고유진동수인 60kHz를 판단하기 위해 설계된 스텝형 혼을 솔리드웍스에서 3D 모델링 한 후 상용 유한요소 해석 S/W인 ANSYS Workbench S/W를 사용하여 모드해석(Modal analysis)과 조화응답(Harmonic Response)해석을 하였다. Fig.
56MHz RFID TAG 안테나의 미세패턴 성형이 가능한 초음파 미세패턴 제조시스템을 개발하고, 초음파 종진동을 이용하여 고분자 필름과 같은 절연 시트 층에 RFID TAG 안테나를 압입성형해서 ONE-Sheet Inlay 형태의 미세패턴 성형공정을 이용한 RFID TAG 안테나를 제조할 수 있는 초음파 미세패턴 성형기술을 개발하고자 한다. 즉 초음파 종진동을 이용하여 미세패턴성형 기술에 필요한 공구혼의 공진설계와 ANSYS를 이용하여 공구혼의 고유진동수와 진동모드를 갖는 초음파 공구 혼의 설계변수를 고찰하고 해석 결과를 반영하여 공구혼을 제작함으로써 미세패턴 성형에 응용하고자 한다.
본 논문에서는 초음파 종진동 모드를 이용한 RFID TAG의 초음파 미세패턴 성형을 위한 기초 연구를 수행하였으며, 특히 가공에 필요한 진동특성 구현을 위한 초음파 공구혼의 설계에 관해 연구하였다. 초음파 공구 혼의 파동방정식인 이론적인 접근방법과 유한요소 해석 프로그램인 ANSYS S/W를 이용한 진동 모달 해석을 병행하여 초음파 진동을 이용한 융착에 필요한 공진주파수인 60kHz와 공구혼의 출력단에 최대 진폭이 발생시킬 수 있는 스텝형 공구혼의 형상설계에 관한 연구를 수행하였다. 이론적 파동방정식을 통해 혼의 직경은 압전소자(PZT)의 지름을 고려하여 60kHz 공구혼의 경우는 Ø15㎜로 설계하였다.
60,811Hz의 각각의 고유주파수가 발생하는 경우에 공구 혼의 출력 단에서 최대 진폭이 나타나고 있음을 확인 할 수 있다. 최적 설계한 혼의 입력 면을 60kHz로 가진했을 때 출력 단 부분에서 진폭변화를 보기 위해 혼의 양끝 면의 나사구멍에 실린더 구속을 지정하고, 진동에너지 입력부에 혼의 입력 면에 전달되는 부스터 출력 면에 기계적인 힘을 설정하여 하모닉 해석을 하였다. Fig.

대상 데이터

본 연구에 사용된 액츄에이터 공구 혼은 원통형 스텝형 혼으로 공구혼 입력 단에는 압전 세라믹(PZT)을 적층시키고 볼트로 고정한 BLT(Bolt Langevin Transducer)를 사용하였다. 적층형 구조를 갖는 원통형 압전 액츄에이터에 공구 혼을 가진 할 때 가진 주파수는 액츄에이터의 길이방향 모드의 고유 진동수를 이용하게 된다.
본 연구에서는 공구혼의 재료로 STD-11를 사용하였다. 그리고 편각코일 와이어를 용착하기 위해 가진 주파수를 60kHz 대역을 사용하였으며, 실험에 사용된 공구혼은 Table 1의 물성치를 나타내고 있다.

이론/모형

4에 모드 해석을 수행하기 위한 스텝형 공구혼의 유한요소 해석모델을 도시하였고, 초음파 용착에 적합한 출력 단에서 진폭의 균일도와 증폭도가 일정하도록 하였다. 유한요소 모델은 해석의 신뢰도를 높이기 위해 3차원 사면체 요소(Tetrahedron element)를 사용하였으며, 60kHz 유한요소로 생성된 모델을 Fig.4에 나타내었다. 경계조건은 공구혼이 진동자 및 증폭장치와 체결되어 있으나 체결된 부위에서 변위량(진폭)이 동일한 점을 고려하였으며, 초음파 용착에 사용되는 종진동 모드를 고려하여 Fig.

성능/효과

6와 같이 1, 2, 6, 12차 모드에서 종진동 모드가 발생하였고, 본 연구에서 초음파 진동을 이용한 미세패턴 성형을 위한 공구혼의 고유주파수가 60kHz이므로 12차 모드인 60,811Hz의 고유주파수가 나타나고 있음을 해석을 결과를 통하여 확인할 수 있다. 60,811Hz의 각각의 고유주파수가 발생하는 경우에 공구 혼의 출력 단에서 최대 진폭이 나타나고 있음을 확인 할 수 있다. 최적 설계한 혼의 입력 면을 60kHz로 가진했을 때 출력 단 부분에서 진폭변화를 보기 위해 혼의 양끝 면의 나사구멍에 실린더 구속을 지정하고, 진동에너지 입력부에 혼의 입력 면에 전달되는 부스터 출력 면에 기계적인 힘을 설정하여 하모닉 해석을 하였다.
모드 해석의 결과, Fig. 6와 같이 1, 2, 6, 12차 모드에서 종진동 모드가 발생하였고, 본 연구에서 초음파 진동을 이용한 미세패턴 성형을 위한 공구혼의 고유주파수가 60kHz이므로 12차 모드인 60,811Hz의 고유주파수가 나타나고 있음을 해석을 결과를 통하여 확인할 수 있다. 60,811Hz의 각각의 고유주파수가 발생하는 경우에 공구 혼의 출력 단에서 최대 진폭이 나타나고 있음을 확인 할 수 있다.
3에서와 같이 원통형 툴혼의 지름은 28mm이며 60kHz 공진의 길이의 경우도 공진 길이보다 조금 길게 56mm로 제작하여 종진동 모드를 발생시키는 최적의 초음파 공구혼의 설계치수를 제시하였다. 수치해석 방법을 이용한 공진설계기법으로 개발된 60kHz의 종진동모드를 이용한 공구혼의 출력단 부분에서 형성되는 4∼5㎛ 진폭의 초음파 마찰열은 절연 시트지와 접촉면에서 진폭과 같은 가압 깊이에 이르면 용착이 가능한 정상상태의 온도에 도달함을 알 수 있 었다. 상기 연구결과를 토대로 향후 초음파 미세패턴 성형을 위한 공구혼의 형상설계에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
조화응답(Harmonic Response) 해석을 통해 나타난 주파수와 진폭결과 역시 60kHz 부근에서 초음파 가진 에 따른 RAID TAG 미세패턴이 이루어지는 공구혼의 출력단 가장 큰 진폭의 변화를 보이면 진동함을 확인하였다.

후속연구

수치해석 방법을 이용한 공진설계기법으로 개발된 60kHz의 종진동모드를 이용한 공구혼의 출력단 부분에서 형성되는 4∼5㎛ 진폭의 초음파 마찰열은 절연 시트지와 접촉면에서 진폭과 같은 가압 깊이에 이르면 용착이 가능한 정상상태의 온도에 도달함을 알 수 있 었다. 상기 연구결과를 토대로 향후 초음파 미세패턴 성형을 위한 공구혼의 형상설계에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	RFID가 다양한 분야에서 응용되기 위해서 안테나의 소형화가 이루어져야하는 이유는?	RFID는 사물에 대한 정보를 담고 있는 TAG와 그 정보를 판독하는 리더 시스템으로 구분되며, TAG는 안테나와 TAG 칩 등으로 구성된다. 원거리에서 전자기파를 이용하는 UHF 대역 TAG 안테나는 공진 주파수 파장에 의해서 크기가 제약되며, 기존 다이폴 형태의 상용 TAG 안테나는 약 15cm(λ/2)의 크기를 가진다. 따라서 RFID가 다양한 분야에서 응용되기 위해서는 무엇보다 안테나의 소형화가 이루어져야 한다.
	RFID이란?	RFID는 사물에 대한 정보를 담고 있는 TAG와 그 정보를 판독하는 리더 시스템으로 구분되며, TAG는 안테나와 TAG 칩 등으로 구성된다. 원거리에서 전자기파를 이용하는 UHF 대역 TAG 안테나는 공진 주파수 파장에 의해서 크기가 제약되며, 기존 다이폴 형태의 상용 TAG 안테나는 약 15cm(λ/2)의 크기를 가진다.
	RFID/USN의 무선인식기술의 장점은?	그리고 정보화 사회가 다양성과 독창성을 추구하면서 급속하게 발달함에 따라 사물에 부착된 센서를 통하여 정보를 습득하고 관리하는 무선인식 기술인 RFID/USN(Ubiquitous Sensor Network)에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. RFID/USN의 무선인식기술은 바코드나 스마트카드와 같은 기존 인식장치보다 많은 기능을 가지고 있고, 전송율과 전력효율 등의 우수한 연구가 선행되고 있어 다양한 분야에서 구현되고 있다. 이와 같은 기술의 실용화 대응방안으로 RFID(Radio Frequency Identification) 기술이 제안되었다[1].

참고문헌 (7)

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상세보기
J. A. Dobbins, R. L. Rogers, "Folded conical helix antenna, IEEE Trans. Antennas Propagal., vol. 49, pp. 1777-1781, DEC., 2001. DOI: https://doi.org/10.1109/8.982460

상세보기
K. K. Paek, B. K. Ju, "Market and Technology Trends in RFID, Polymer science and technology", vol. 17, no. 1, pp. 25, Feb., 2006.
Huault, G., "How Did They Do That? Play Tag With RFID Manufacturers, Retailers, Shipping Companies, and even Government Officials are Either using or Implementing The use of RFID Tags to Better Identify, Track, and Manage Products. We show you how RFID tags work", SMART COMPUTING, vol. 15, no. 4, 2004.
Y. S. Seo, "A Study on Micro Structure Imprinting System using Ultrasonic Vibration Energy", Seoul National University of Science and technology. 2012.

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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