[논문]젯팅 디스펜서 변위확대장치의 응답지연 개선 연구

하명우; 이광희; 홍승민; 이철희

doi:10.5050/ksnve.2016.26.5.546

젯팅 디스펜서 변위확대장치의 응답지연 개선 연구
Improvement for Response Delays of Displacement Magnifier in Jetting Dispenser 원문보기

한국소음진동공학회논문집 = Transactions of the Korean society for noise and vibration engineering, v.26 no.5, 2016년, pp.546 - 551

하명우 (Department of Mechanical Engineering, Inha University) , 이광희 (Department of Mechanical Engineering, Inha University) , 홍승민 (PROTEC. CO. LTD) , 이철희 (Department of Mechanical Engineering, Inha University)

Abstract ▼ AI-Helper

The objective of this study is to investigate the response delays between piezo-stack actuator and the displacement magnifier of jetting dispenser and to reduce its falling time in terms of displacement optimization. The dispenser is driven by the dual piezo-stack actuators with a hinge lever mechanism to precisely control flow rate of the working fluid (3000 cP). It is commonly found that piezo actuator-driven jetting dispensers involving viscous working fluids have displacement optimization problem for ideal performance. The response delay of the system is caused by the phenomenon that the displacement magnifier cannot exactly follow the motion of the piezo actuators. The response delay may lower the performance of the system due to the inaccurate discharge of working fluid or even damages to the system itself due to inharmonious motion of piezo actuators with lever system. To reduce its response delay, a new displacement profile obtained from displacement optimization is suggested; its performance is tested through finite element analysis; and experiments are carried out to verify the performance of the obtained displacement profile.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

이 연구에서는 압전작동기에서 발생되는 변위의 프로파일이 레버에 미치는 영향과 디스펜서에서 발생하는 응답 지연 현상을 최소화하기 위해 변위 프로파일에 대한 분석을 진행하였다. 또한, 유한요소 해석을 통해 최적의 변위형태를 제안하였으며 실험을 통해 유한요소 해석으로 도출된 최적의 변위프로파일이 실제로 토출지연을 감소시키는지 비교하였다.

가설 설정

모델링 된 디스펜싱 시스템은 압전작동기, 힌지-레버 구조의 변위확대장치, 로드, 노즐로 구성되어 있다. 모델은 모두 유연체로 가정하였고 해석을 위한 요소는 4면체 요소를 적용하여 생성하였다. 요소의 개수는 122 632개이며 절점의 개수는 29 073개이다.

제안 방법

이 연구에서는 압전작동기에서 발생되는 변위의 프로파일이 레버에 미치는 영향과 디스펜서에서 발생하는 응답 지연 현상을 최소화하기 위해 변위 프로파일에 대한 분석을 진행하였다. 또한, 유한요소 해석을 통해 최적의 변위형태를 제안하였으며 실험을 통해 유한요소 해석으로 도출된 최적의 변위프로파일이 실제로 토출지연을 감소시키는지 비교하였다.
유한요소 해석에서 검증한 변위 프로파일이 실제 제작된 젯팅 디스펜서에도 적용이 가능한지 확인하기 위해 실험을 실시하였다. 실험은 실제 제작된 젯팅 디스펜서(ZEUS-Mini, Protec)를 사용하였으며 오픈 루프 컨트롤러를 통해 변위 프로파일을 입력하여 제어하였다.
이 연구에서는 고속 작동 조건에서의 젯팅 디스펜서 변위확대장치가 압전작동기의 변위로 인해 받게 되는 영향과 응답 지연 현상을 유한요소해석을 통해 고찰하고 실제 실험과 비교하여 검증하였다.
이 현상이 계속될 경우 토출 지연 현상으로 인해 토출 신뢰도를 떨어뜨리는 결과를 가져오며 지연이 계속될 경우 압전작동기가 파손되는 현상까지 일어났다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 압전작동기에서 발생하는 변위에 대한 변위확대 장치의 응답의 지연을 최소화하는 변위 프로파일을 동적 해석을 통하여 찾아내었다.
먼저 젯팅 디스펜서의 변위확대장치를 유한요소 해석하기 위해 3D 모델링을 수립하였고 동역학 상용패키지 프로그램인 DAFUL을 이용하여 변위확대 장치의 동역학 해석을 수행하였다. 정확한 해석을 수행하기 위해서는 정밀한 유한요소 모델링이 필수적이므로 해석의 정확도를 높이고 해석에 걸리는 시간을 줄이기 위해 불필요한 디스펜서 부품들을 제외하였고, 디스펜싱 시스템에서 해석에 필요한 부분만을 최대한 단순화하여 모델링 하였다.
그러므로 이러한 문제점 해결을 위해 새로운 변위 프로파일을 제안하였다. 제안된 프로파일은 두 개의 압전작동기를 손상시키지 않는 범위에서 3 μm씩 상승 및 하강시켜 압전작동기가 최대한 동시에 움직일 수 있도록 구현한 것이다. 제안된 프로파일을 적용하여 해석한 결과, 0.
1은 이 연구에서 고려된 젯팅 디스펜서의 개략도이다. 초기의 압전작동기를 이용한 젯팅 디스펜서는 초기 위치의 복원을 위해 변위확대장치 하부에 스프링이 장착되었지만 이 연구에서 고려된 젯팅 디스펜서는 변위확대 장치 하부의 복원 스프링 대신 압전작동기 하부 캡에 접시 스프링을 장착하여 초기 위치로 돌아갈 수 있도록 하였다.

대상 데이터

모델링 된 디스펜싱 시스템은 압전작동기, 힌지-레버 구조의 변위확대장치, 로드, 노즐로 구성되어 있다. 모델은 모두 유연체로 가정하였고 해석을 위한 요소는 4면체 요소를 적용하여 생성하였다.
8과 같다. 실험 데이터는 젯팅 디스펜서를 구동시킨 후 컨트롤러와 DAQ, 컴퓨터를 TCP/IP로 연결하여 수집하였으며, 모든 신호는 펄스 제어기를 통해 디지털 신호로 바꾸어 10 kHz 주기로 샘플링 하였다. 실험에 사용된 압전작동기의 특성은 Table 1과 같으며 유한요소 해석에서 검증한 변위 프로파일을 컨트롤러에 입력하여 실험을 수행하였다.
유한요소 해석에서 검증한 변위 프로파일이 실제 제작된 젯팅 디스펜서에도 적용이 가능한지 확인하기 위해 실험을 실시하였다. 실험은 실제 제작된 젯팅 디스펜서(ZEUS-Mini, Protec)를 사용하였으며 오픈 루프 컨트롤러를 통해 변위 프로파일을 입력하여 제어하였다. 실험장비와 측정 장비는 Fig.
모델은 모두 유연체로 가정하였고 해석을 위한 요소는 4면체 요소를 적용하여 생성하였다. 요소의 개수는 122 632개이며 절점의 개수는 29 073개이다. Fig.
이 연구에서 고려된 젯팅 디스펜서에서는 토출과정에서 0.4 ms의 응답 지연 현상을 보인다. 이러한 응답 지연 현상은 압전작동기와 힌지-레버 구조의 변위확대장치 간의 힘의 전달 시 압전작동기의 빠른 응답 속도를 변위확대장치가 받아들이지 못하여 생기는 현상이다.
이 연구에서 고려한 디스펜싱 시스템은 두 개의 압전작동기가 설치된 젯팅 디스펜서이다. 압전작동기는 캡에 의해 보호된다.

데이터처리

먼저 젯팅 디스펜서의 변위확대장치를 유한요소 해석하기 위해 3D 모델링을 수립하였고 동역학 상용패키지 프로그램인 DAFUL을 이용하여 변위확대 장치의 동역학 해석을 수행하였다. 정확한 해석을 수행하기 위해서는 정밀한 유한요소 모델링이 필수적이므로 해석의 정확도를 높이고 해석에 걸리는 시간을 줄이기 위해 불필요한 디스펜서 부품들을 제외하였고, 디스펜싱 시스템에서 해석에 필요한 부분만을 최대한 단순화하여 모델링 하였다.

성능/효과

137 ms로 낮아지는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 해석을 통해 얻은 변위 프로파일을 실제 제작된 젯팅 디스펜서에 적용하여 실험한 결과 응답 지연 현상이 약 0.1 ms로 낮아진 결과를 보였다. 이 연구를 통하여 디스펜싱 시스템의 응답 지연 문제를 해결하였고 이를 통해 토출 신뢰도가 낮아지는 것을 예방하고 응답 지연 시간이 줄어든 만큼 용액이 토출되는 시간인 falling time을 줄일 수 있어 향후 다양한 점도의 액체를 토출하는데 그 응용범위가 늘어났다고 볼 수 있을 것이다.
제안된 프로파일은 두 개의 압전작동기를 손상시키지 않는 범위에서 3 μm씩 상승 및 하강시켜 압전작동기가 최대한 동시에 움직일 수 있도록 구현한 것이다. 제안된 프로파일을 적용하여 해석한 결과, 0.137 ms의 지연을 보여 기존 대비 0.263 ms의 지연현상을 낮추는 결과를 보였다. 여기서 변위 프로파일의 최대 변위 값이 36μm인 것은 실제 제작된 젯팅 디스펜서에서는 압전작동기의 최대 전압 값인 150 V를 사용하지 않고 130 V를 사용하기 때문에 선형적인 압전작동기의 변위 특성을 고려하여 130 V일 때의 최대 변위인 36 μm를 사용하 였다.
해석 결과를 통해 압전작동기가 변위확대장치에 가하는 변위 프로파일을 바꾸었을 때 기존 문제점인 0.4 ms의 응답지연이 0.137 ms로 낮아지는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 해석을 통해 얻은 변위 프로파일을 실제 제작된 젯팅 디스펜서에 적용하여 실험한 결과 응답 지연 현상이 약 0.

후속연구

1 ms로 낮아진 결과를 보였다. 이 연구를 통하여 디스펜싱 시스템의 응답 지연 문제를 해결하였고 이를 통해 토출 신뢰도가 낮아지는 것을 예방하고 응답 지연 시간이 줄어든 만큼 용액이 토출되는 시간인 falling time을 줄일 수 있어 향후 다양한 점도의 액체를 토출하는데 그 응용범위가 늘어났다고 볼 수 있을 것이다.

참고문헌 (7)

Hong, S.-M., 2014, Fabrication and Characteristics of Jetting dispenser with Dual Piezostack Acturators, Inha University, Doctoral Thesis.
Nguyen, Q. H., Choi, M. K., Yun, B. Y. and Choi, S. B., 2007, Design of a Novel Jetting Dispenser Featuring Piezostack and Linear Pump, Journal of Intelligent Material Systems and Structures, Vol. 19, pp. 333~341.

상세보기
Choi, M. K., Nguyen, Q. H., Yoon, B. Y. and Choi, S. B., 2006, Design and Control of Jetting Dispenser Driven by Piezoelectric Actuator, Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, Vol. 16, No. 11, pp. 1165~1171.

원문보기 상세보기
Yun, B. Y., Hung, Q. H., Sohn, J. W. and Choi, S. B., 2008, Performance Characteristics of High Speed Jetting Dispenser Using Piezoactuator, Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, Vol. 18, No. 4, pp. 432~438.

원문보기 상세보기
Ham, Y.-B., Seo, W.-S., Kong, T.-W., Choi, H.-I., Cha, J.-G., Park, J.-H. and Yun, S.-N., 2008, A Micro Dispenser Using Multilayer Piezoelectric Actuator for Nanoliter Droplet Jetting, KSPE 2008 Spring Conference, pp. 639~640.
Sohn, J. W., Hong, S.-M., Kim, G.-W. and Choi, S.-B., 2015, Experimental Analysis of Operating Parameters for Piezoelectric Jetting Dispenser, Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, Vol. 25, No. 10, pp. 687~691.
Jeon, J. C., Hong, S. M., Choi, M. K. and Choi, S. B., 2014, Design and Performance Evaluation of a New Jetting Dispenser System Using Two Piezostack Actuators, Smart Materials and Structures, Vol. 24, No. 1, pp. 015020-1~11.

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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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