[논문]경제성을 갖춘 고점성 디지털 프린터의 개발

강태원; 최원식; 김태우; 이기성

doi:10.7735/ksmte.2016.25.4.258

경제성을 갖춘 고점성 디지털 프린터의 개발
Development of Economic Digital Printing with High-Viscosity Material 원문보기

한국생산제조학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, v.25 no.4, 2016년, pp.258 - 265

강태원 (Division of Advanced Mechanical Engineering Mechanical & Biomedical Engineering, Kangwon Nat'l Univ.) , 최원식 (Kredix) , 김태우 (Mechanical ENgineering, Kookmin University) , 이기성 (Mechanical ENgineering, Kookmin University)

Abstract ▼ AI-Helper

Digital printing has been used in various industrial areas, including semiconductor manufacturing and textile printing. However, implications on ceramic textile have not been well established so far. Printing high-viscosity materials requires an understanding of their behavior. An inorganic high viscous material with a viscosity range of 20-30 cps is analyzed using a viscometer and through X-ray diffraction. In this study, a digital printer is designed and assembled using a high-viscosity material with software for PC control, resulting in reduced processing at a fast area velocity of $20m^2/hr$. The present study demonstrated that the printer is capable of controlling the shape of the drop mass to smear ink smoothly onto the ceramic surface under an economic budget. In addition, to avoid any difficulty in color management, the ceramic printer is equipped with an independent color management system designed to cope with images on a highly viscous material.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서, 본 연구에서는 가격경쟁력이 있도록 저가의 Cortex M4를 사용하여 고점성 잉크를 분사하는 헤드의 제어용 소프트웨어가 적용된 시제품의 개발이 목적이다.
한편, 기존의 사무용 디지털 프린팅 잉크는 점성이 낮아서 세라믹 타일에 이미지 프린팅이 불가하다. 본 연구에서 고점성 잉크 자체를 개발하는 것은 아니지만, 잉크의 점성을 증가시키는 요인을 확인하기 위하여 실험하였다. 고점성 프린터에 적용되는 20-30 cps의 점성 범위를 갖는 잉크 2종을 표면이 가공된 알루미나 기판에 프린팅 하였고, 이를 150°C의 온도, 대기 중에서 24 hr 건조시킨 후 건조된 소재를 X-선 회절기(XRD: x-ray diffractometer)로 분석하였다.

제안 방법

(1) 이론적인 출력까지 속도를 증가시키기 위해서는 보다 효과적인 기구 개선이 필요하여, 본 연구에서는 가격경쟁력이 있도록 저가의 Cortex M4를 사용하여 고점성 잉크를 분사하는 헤드의 제어용 소프트웨어를 적용하였다. 본 연구를 통해서, 이론적으로는 세라믹 타일을 단위면적당 약 20 m2/h까지 출력할 수 있다는 결과를 얻었다.
그 하나는 Fig. 14와 같이 색상을 관리해주는 CMS(색상관리시스템) 소프트웨어를 본 연구에서 개발하고 그것과 연계하여 프로그램이 구동되는 가를 확인하는 것이다.
본 연구에서 고점성 잉크 자체를 개발하는 것은 아니지만, 잉크의 점성을 증가시키는 요인을 확인하기 위하여 실험하였다. 고점성 프린터에 적용되는 20-30 cps의 점성 범위를 갖는 잉크 2종을 표면이 가공된 알루미나 기판에 프린팅 하였고, 이를 150°C의 온도, 대기 중에서 24 hr 건조시킨 후 건조된 소재를 X-선 회절기(XRD: x-ray diffractometer)로 분석하였다.
본 연구 개발을 통하여 시작품 상태의 고점성 잉크젯 프린터 시스템을 구축하였으며, 테스트를 해본결과, 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구는 승화전사 과정 없이 재료 위에 출력하기 위하여, 컴퓨터 상에서 이미지에 대한 색상을 자동으로 분석한 후, 출력 시스템에서 디자인된 이미지의 색상 그대로를 재현함으로써 기존의 공정을 획기적으로 단축하는 장점을 가진 하드웨어 구성을 의미한다.
본 연구에서는 잉크젯의 물리적인 간격이 목적 출력물의 해상도만큼 높지 않다는 점을 해결하기 위하여 멀티패스 출력을 통하여 원하는 출력물의 해상도를 증진할 수 있도록 소프트웨어를 구성하였다.
여기서, 기구적인 각축의 모터 및 가동거리, 속도 등의 구체적 사항들을 살펴보면, 정밀급모터를 사용하여 μm 단위의 스테이지 시스템을 구현하였으며, 속도 또한 1,000 mm/sec급으로 타일 및 기타 재료에 비해 빠르게 프린팅 할 수 있도록 만들었다. 이러한 속도를 만들어 내기 위해서 신호 속도는 대략 1 Mbps정도로 하드웨어적으로 1,000 mm/sec를 움직일 때 약 1.

성능/효과

(2) 시제품에서 얻어진 결과를 바탕으로 실제 양산용 장비를 제작할 경우, 이론적 수치에 거의 근접한 결과를 얻을 수 있을 것으로 판단되며, 본 연구에서 개발된 자체 프로그램으로 장비제어가 가능하다.
(3) 본 연구는, 고급 세라믹 타일에 이미지를 입히는 경우에 사용되는 전사 또는 자외선 차단 코팅의 경우에는 가격 경쟁력과 생산성에서 열세를 면치 못하는 단점을 극복할 수 있는 디지털 프린터의 시제품을 개발 완성하였다.
장점을 살펴보면, 첫째, 다품종 소량으로 생산할 수 있어 디자인 대응력이 신속히 이루어져 다양한 디자인을 개발할 수 있는 기반이 만들어진다는 것이다. 둘째는, 디자인이 완성된 후에도 양산에 8-10주가 소요되는 기존 타일의 생산 공정에 반해 세라믹 프린터는 디자인이 완성된 후 즉시 양산이 가능하다는 것이다. 셋째로, 고객의 주문한 양만큼만 양산할 수 있어 재고 절감 효과를 제공한다는 것이다.
넷째, 시공 현장의 요구에 따른 칼라 조정이나 이미지의 크기조절 그리고 타일의 규격에 따른 다양한 표현이 가능하다는 것이다. 마지막으로, 타일의 대표적 인쇄 기법인 실크 인쇄 라인과 달리 칼라 1도 인쇄별로 건조공정이 불필요하여 최대 1/10 이상 생산라인이 축소, 단순화될 수 있다는 것이 큰 장점이다.
(1) 이론적인 출력까지 속도를 증가시키기 위해서는 보다 효과적인 기구 개선이 필요하여, 본 연구에서는 가격경쟁력이 있도록 저가의 Cortex M4를 사용하여 고점성 잉크를 분사하는 헤드의 제어용 소프트웨어를 적용하였다. 본 연구를 통해서, 이론적으로는 세라믹 타일을 단위면적당 약 20 m2/h까지 출력할 수 있다는 결과를 얻었다.
둘째는, 디자인이 완성된 후에도 양산에 8-10주가 소요되는 기존 타일의 생산 공정에 반해 세라믹 프린터는 디자인이 완성된 후 즉시 양산이 가능하다는 것이다. 셋째로, 고객의 주문한 양만큼만 양산할 수 있어 재고 절감 효과를 제공한다는 것이다. 넷째, 시공 현장의 요구에 따른 칼라 조정이나 이미지의 크기조절 그리고 타일의 규격에 따른 다양한 표현이 가능하다는 것이다.

후속연구

유기상(amorphous phase)과 함께 무기상(inorganic oxide)으로 추정되는 피크가 검출되었으며, 이는 잉크의 유기용매에 고온에서 내성이 있는 세라믹 소재가 혼합되어 있는 것을 나타낸다^[7,8]. 점성에 따른 헤더에서의 분사에 관한 세라믹 소재의 영향을 향후 더 연구할 필요가 있다.
특히 생산성과 관련하여, 본 과제 개발로 기대하는 효과는 타일 산업의 변화를 유도하는 것이다. Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	잉크젯 프린팅 기술의 핵심은 무엇인가?	잉크젯 프린팅 기술이라 함은 그 부피가 수십 피코리터 이하의 작은 액적을 전기 또는 자기로부터 나오는 힘이나 공압에 의하여 초당 대략 수 백번 이상의 빈도로 인쇄할 대상에 분사하여 직접 무늬를 만드는 기술이 핵심이며, 잉크젯 프린팅 시스템이라 함은 이러한 액적을 분사하는 헤드에 분사할 재료를 공급하는 공급부,헤드의 분사 제어를 위한 전자회로 및 소프트웨어, 헤드를 이송하기 위한 이송부, 그리고 분사 재료를 저장하고 관리하는 저장부 등의 구성이 핵심이라고 할 수 있다[7-9].
	세라믹 타일에 적용되는 디지털프린팅으로 전환하는 것이 느린 원인은 무엇인가?	아날로그 방식에서 디지털 방식으로 전환하면서 다양한 분야의 변화를 요구하는 상황이 발생하고 있는데, 그 중에서 가장 늦게 변화하고 있는 부분 중의 하나가 세라믹 타일에 적용되는 디지털프린팅 분야이다. 그 원인 중의 하나는 잉크젯 프린팅과 타일제조의 공정에 있어서 고온과정을 거치는 과정이 경제적으로 해결되어져야 하기 때문이다. 이를 해결하기 위한 연구는 두 가지 관점에서 진행되고 있다.
	잉크젯 프린터를 구현하기 위해서 어떤 요소기술을 갖추어야 하는가?	잉크젯 프린터를 구현하기 위해서는, Fig. 1에서와 같이 요소기술인 잉크젯 프린트 헤드, 잉크 및 잉크 고착 코팅액, 정밀기기 시스템과 헤드 분사제어 펌웨어 등 3가지 핵심부품 요소기술과 이들 기술을 종합하는 기술을 갖추어야 한다. 기존에 사용되는 특수 제어 보드는 커스터마이즈된 특수 FPGA(filed programmable gate array)를 사용하고 있기 때문에, 고가의 가격대를 형성하는 이유가 되고 있다.

참고문헌 (10)

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상세보기
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원문보기 상세보기
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L. Rayleigh, 1879, Proc. R. Soc. London, 29, 71-76

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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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