[논문]CFD 해석을 이용한 롤투롤 슬롯-다이 내부 유동 분석 및 최적화

김성용; 이창우

doi:10.7736/kspe.2016.33.8.611

CFD 해석을 이용한 롤투롤 슬롯-다이 내부 유동 분석 및 최적화
Analysis and Optimization on Inside Flows of Fluid in Roll-to-Roll Slot-Die Nozzle by CFD Simulation 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.33 no.8, 2016년, pp.611 - 616

Abstract ▼ AI-Helper

Computational fluid dynamic simulation based on the ABAQUS software was conducted to observe the inside flow of slot-die nozzle. The slot-die nozzle was modeled as 3-dimensional structure and three significant parameters were determined: inlet velocity of fluid, reservoir angles, number of strips none of which have been mentioned previously in the literature. The design of experiment, full factorial analysis was performed within determined design and process levels. The simulation result shows the inlet fluid velocity is most significant factor for the flows of inside nozzle. As an interaction effect, reservoir angle is closely related with number of strip that should address when the nozzle is designed. Moreover, the optimized values of each determined parameter were obtained as 35 mm/s of inlet velocity, 3 of strip numbers, and $22^{\circ}$ of reservoir angles. Based on these parameters, the outlet velocity was obtained as 0.53% of outlet uniformity which is improved from 8.67% of nominal results.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

폭방향 불 균일성은 합지 (Lamination) 공정이나 유기 태양전지 인쇄 시 결함을 발생시킬 수 있으므로 심도 있는 연구가 필요하다. 그러나 선행 연구되었던 공정 조건 최적화⁷ 자체로는 한계가 있으므로 본 연구에서는 전산유체해석을 활용하여 슬롯다이 설계를 다양하게 수행하고 시뮬레이션을 통해 얻어진 결과를 바탕으로 최적의 폭 방향 균일코팅 면을 확보하기 위한 설계 가이드라인을 제시하였다.
본 연구는 슬롯-다이 코팅의 다이 출측 속도 프로파일의 균일성을 높이기 위하여 시뮬레이션을 실시, 그 결과를 바탕으로 다이 구조 및 공정 조건을 최적화 하였다.

제안 방법

(2) 다이 출측의 속도 편차의 원인 분석을 위해 입측의 유속, reservoir의 출측 각도, 스트립의 수에 따른 출측의 속도 불균형을 시뮬레이션을 통해 확인을 하였다.
(3) 시뮬레이션 결과를 바탕으로 실험계획법을 통해 다이의 구조 및 공정 조건에 대한 최적화를 진행하였다.
Reservoir 각도를 22°, 스트립 개수를 3, 입측 속도입력을 35 mm/s로 설정했다.
1(b)의 삽입 그래프와 같이 단면적이 유지되도록 수직 길이 (Vertical Length)를 설정하였다. 마지막으로 스트립 개수는 유기태양전지 공정에서 중요한 파라미터 중 하나이므로 전면 코팅을 비롯하여 여러 단계의 스트립 조건을 설정하였다.
입측 속도에 대한 출측 속도의 변화는 각 조건 별로 차이가 있지만 그래프 상으로 기울기가 크게 변하지는 않았다. 본 박스 플롯 (Box Plot)의 값은 출측 프로파일의 폭 방향 변화를 나타내며 이를 더욱 면밀하게 분석하기 위해 다음 절과 같이 완전요인분석을 수행하였다.
슬롯-다이 노즐 (Nozzle) 내부의 유동을 전산 유체해석 기반으로 분석하기 위해 Fig. 1과 같이 3차원 모델링을 수행하였다. 시뮬레이션의 입력 변수를 결정하기 위해 선행논문을 바탕으로 screening을 수행하였다.
1과 같이 3차원 모델링을 수행하였다. 시뮬레이션의 입력 변수를 결정하기 위해 선행논문을 바탕으로 screening을 수행하였다. 최근 고려되지 않았던 공정조건 외의 변수인 reservoir의 형상 및 스트립 (Strip)의 개수 그리고 입력 유체 속도가 Table 1과 같이 실험계획법(Design Of Experiment: D.
앞서 얻어진 최적 봉우리 값을 바탕으로 출측의 속도 편차를 줄일 수 있는 다이 형상의 최적화 작업을 진행하기 위해 시뮬레이션을 수행하였다. Reservoir 각도를 22°, 스트립 개수를 3, 입측 속도입력을 35 mm/s로 설정했다.
는 i번째 출측 유체속도이며, n은 폭방향으로의 유체 속도 프로파일 개수 그리고 ā는 평균 값을 나타낸다. 평균 값 대비 표준편차 값의 비를 퍼센트로 나타내어 출측 유체 속도 프로파일의 균일도를 평가했다.

대상 데이터

유체 타입은 뉴턴 (Newtonian) 유체를 사용하였으며, 출측의 압력은 0 Pa, 유체의 점도는 1800 mPa·s로 유체의 밀도는 0.96 g/cm2으로 설정하였다.

성능/효과

(1) 슬롯-다이 코팅 간 출측의 속도 편차는 불균일 코팅면을 형성하는 원인이 되며, 이는 제품에 영향을 미치게 된다.
(4) 최적화 결과 기존의 시뮬레이션에서 출측 속도 평균 균일도 8.67%에서 0.53%로 성능이 향상됨을 알 수 있다.
5(a)와 같이 나타냈으며 폭 방향 속도 프로파일을 얻은 후 Fig.5(b)로 나타낸 결과 출측의 속도 균일도는 0.53%로 기존 시뮬레이션의 평균 값 8.67%에 비하여 감소된 것을 확인할 수 있었다.
¹⁴ 본 등고선도는 각 설정 변수의 결과값에 대한 주효과 및 교호효과를 나타낸다. 결과적으로 F값은 스트립의 개수 (C)가 5.32로 가장 높게 나타났으며 그 다음으로 입측 속도 (A) 변수가 2.49, 그리고 reservoir 각도 (B)는 1.3으로 나타났는데 reservoir 각도가 입측 속도와의 교호작용을 고려했을 때 1.41로 주 효과 보다 높게 나타남으로 슬롯-다이 내부의 형상은 유체 입력속도에 더 민감하게 변화하는 것을 확인하였다.
3과 같다. 분석 결과 스트립의 개수 증가에 따라 전체적인 출측 속도 프로파일이 증가하는 것을 볼 수 있었으며 이는 스트립의 개수가 증가하면서 출구 면적이 줄어드는 동시에 나타나는 일반적 현상이다. 또한 reservoir의 출측 각도에 따라 출측 속도 프로파일의 미세한 변화가 발생하며, 이는 슬롯-다이 코팅 공정에 큰 영향을 미치게 된다.

후속연구

(5) 얻어진 결과는 코팅 최종제품의 기판 상의 증착을 균일하게 하여 폭방향 편차를 줄일 수 있는 설계 변수로 활용 될 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	기능성 코팅 필름의 균일한 박막 형성을 위한 코팅방법에는 무엇이 있는가?	최근 산업 발전을 통한 유연 필름 (Flexible Film) 상의 인쇄공정 및 소자가 많은 이슈가 되고 있으며, 특히 상용화에 가까운 응용 제품 (Application) 개발을 위한 기술로서 박막 코팅 공정이 활발하게 연구되고 있다. 기능성 코팅 필름의 균일한 박막 형성을 위한 코팅 방법에는 그라비어 (Gravure), 블레이드 (Blade), 스프레이 (Spray), 슬롯-다이 코팅 등의 방법이 있는데, 그 중 슬롯-다이 코팅은 높은 균일도의 박막 형성을 하는데 적합하며 여러 공정 조건을 적절하게 설정함으로 예측 가능한 (PreMetered) 박막 두께를 형성할 수 있다는 장점으로 널리 사용되고 있다.1
	슬롯-다이 코팅의 장점은 무엇인가?	최근 산업 발전을 통한 유연 필름 (Flexible Film) 상의 인쇄공정 및 소자가 많은 이슈가 되고 있으며, 특히 상용화에 가까운 응용 제품 (Application) 개발을 위한 기술로서 박막 코팅 공정이 활발하게 연구되고 있다. 기능성 코팅 필름의 균일한 박막 형성을 위한 코팅 방법에는 그라비어 (Gravure), 블레이드 (Blade), 스프레이 (Spray), 슬롯-다이 코팅 등의 방법이 있는데, 그 중 슬롯-다이 코팅은 높은 균일도의 박막 형성을 하는데 적합하며 여러 공정 조건을 적절하게 설정함으로 예측 가능한 (PreMetered) 박막 두께를 형성할 수 있다는 장점으로 널리 사용되고 있다.1

참고문헌 (14)

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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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