[논문]광섬유 WOW 액상코팅 공정의 코팅액 유동특성 해석연구

김경진; 박중윤

광섬유 WOW 액상코팅 공정의 코팅액 유동특성 해석연구
Analysis of Coating Flow Characteristics in Wet-on-Wet Optical Fiber Liquid Coating Process 원문보기

반도체디스플레이기술학회지 = Journal of the semiconductor & display technology, v.16 no.4, 2017년, pp.91 - 96

김경진 (금오공과대학교 기계시스템공학과) , 박중윤 (금오공과대학교 기계시스템공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this computational study of optical fiber manufacturing, WOW (wet-on-wet) double coating process on freshly drawn glass fiber has been numerical modelled and simulated using a simplified geometry of typical optical fiber coating apparatus. The numerical domain includes primary and secondary coating dies along with secondary coating cup and the interface between primary and secondary coating liquids are investigated using level set method. Coating liquid viscosity is an important parameter and its dependence on temperature is also considered. Since there would be possibility for pressure and temperature of primary coating liquid to be increased substantially at high fiber drawing speed, the effects of increased pressure and temperature of primary coating liquid are examined on flow patterns of coating liquids in secondary coating cup. In case that both pressure and temperature of primary coating liquid are high enough, liquid interface becomes noticeably unstable and this flow instability could adversely affect the uniform coatings and final quality of produced optical fiber.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 WOW 방식의 이중 액상코팅 공정을 대상으로 다차원 전산해석적 연구를 수행하였으며, 현재 광섬유 생산시스템의 고속 인출속도 하에서 발생하는 여러 공정상 문제점을 반영하여 코팅장치 내 이중 코팅액 유동특성 및 공정 불안정성의 원인 분석을 목적으로 한다.
본 연구에서는 광섬유 생산시스템의 WOW방식 코팅공정에 대한 비정상 전산유동해석을 수행하여 이중 액상코팅층의 유동특성을 분석하였다. 2,400 mpm의 고속 광섬유 인출속도에서 이전 공정 문제점으로 인하여 1차 코팅액의 압력과 온도가 상승하는 조건하에 진입압력과 온도 변화가 2차 코팅컵 내 코팅액 유동 및 계면 형성에 미치는 영향을 살펴보았다.
본 연구에서는 광섬유 제조시스템의 고속 액상 이중코팅공정에서 코팅액 유동 불안정성 발생 원인을 분석하였으며, 이는 반도체, 디스플레이 장치 대상 기판 이중 코팅 등 기술영역에서도 유사하게 적용되리라 판단된다.

가설 설정

1과 같이 1차 코팅컵 영역은 제외하고, 2차 코팅컵 및 1차와 2차 코팅다이 영역만을 전산유동해석 대상으로 하였다. 코팅액 점도가 매우 높고 유로가 매우 작으므로 유동 레이놀즈수가 1,000 이하가 되기에 코팅액 유동은 비정상 층류유동을 가정하였으며, 축대칭 형상을 고려하면 2차원적 전산해석이 가능하다.

제안 방법

본 연구에서는 광섬유 생산시스템의 WOW방식 코팅공정에 대한 비정상 전산유동해석을 수행하여 이중 액상코팅층의 유동특성을 분석하였다. 2,400 mpm의 고속 광섬유 인출속도에서 이전 공정 문제점으로 인하여 1차 코팅액의 압력과 온도가 상승하는 조건하에 진입압력과 온도 변화가 2차 코팅컵 내 코팅액 유동 및 계면 형성에 미치는 영향을 살펴보았다. 1차 코팅액 진입압력만 또는 진입온도만 상승한 경우에는 두 코팅액 유동 및 계면이 안정적으로 형성되었다.
각 코팅컵 내로 유입되는 코팅액의 공급압력 및 온도는 코팅공정을 정밀 조정하는 중요한 공정인자로서 전산해석모델에서 이를 경계조건으로 반영하였으며, 2차 코팅다이의 출구는 대기압 조건의 출구유동조건을 주었다. 각 코팅다이의 중심을 통과하는 유리섬유의 직경은 산업표준인 125 μm이며, 광섬유 인출속도 역시 유리섬유 표면속도로 주어 유리섬유의 움직임을 해석에 포함시켰다.
본 연구에서는 실제 코팅장치의 형상을 반영하여 해석대상 형상치수를 정하였다. 1차 및 2차 코팅다이의 직경은 각각 0.
본 코팅공정 연구에서는 상용 다물리해석 패키지인COMSOL 4.3을 이용하여 코팅액 유동 및 대류열전달 해석을 수행하였다. 코팅다이 및 코팅컵 내벽에서는 열손실이 크지 않기에 단열조건을 주었으며, 광섬유 인출속도가 매우 높기에 유리섬유 표면 역시 단열로 처리하였다.
앞서 언급된 바처럼 1차 코팅액 진입압력과 온도의 25개 조합에 대한 전산유동해석을 진행하여 각 경우에 대하여 계면 안정성을 파악하였으며, 그 결과는 Fig. 5에 정리되어 있다. 대체적으로 1차 코팅액의 진입온도 및 압력이 높아질수록 2차 코팅컵 내 코팅액 유동 및 계면이 불안정해짐을 볼 수 있다.
이러한 1차 코팅액의 압력 및 온도 상승이 2차 코팅컵내 유동특성 및 안정성, 그리고 각 코팅층 두께 형성에 미치는 영향을 분석하기 위하여 1차 코팅다이에 진입하는 1차 코팅액의 온도와 압력에 변화를 주어 전산유동해석을 진행하였다. 이 때 적용된 코팅액 진입온도 및 압력 범위는 각각 60-105°C 및 10-65 bar이며 총 25개 조합이 전산해석에 동원되었다.
코팅다이 및 코팅컵 내벽에서는 열손실이 크지 않기에 단열조건을 주었으며, 광섬유 인출속도가 매우 높기에 유리섬유 표면 역시 단열로 처리하였다. 전산해석에는 정방형 격자를 활용하였다. 여기서 해석격자 개수는 3,300개이며, 속도구배가 심하게 나타나는 유리섬유 표면 및 코팅다이 내벽 인근에 충분히 작은 격자를 배치하였다.
3을 이용하여 코팅액 유동 및 대류열전달 해석을 수행하였다. 코팅다이 및 코팅컵 내벽에서는 열손실이 크지 않기에 단열조건을 주었으며, 광섬유 인출속도가 매우 높기에 유리섬유 표면 역시 단열로 처리하였다. 전산해석에는 정방형 격자를 활용하였다.
1차 및 2차 코팅액은 실제 공정에서 가장 많이 사용되는 DSM Desolite DP-1004와 DS-2015를 각각 대상으로 하였다[9]. 코팅액의 점도는 온도에 매우 큰 영향을 받기에, 제조사가 제공하는 점도 데이터를 이용하여 다음과 같은 관계식을 이용하여 1차 및 2차 코팅액 점도의 온도 의존성을 유동해석에 고려하였다[7].

대상 데이터

1차 및 2차 코팅액은 실제 공정에서 가장 많이 사용되는 DSM Desolite DP-1004와 DS-2015를 각각 대상으로 하였다[9]. 코팅액의 점도는 온도에 매우 큰 영향을 받기에, 제조사가 제공하는 점도 데이터를 이용하여 다음과 같은 관계식을 이용하여 1차 및 2차 코팅액 점도의 온도 의존성을 유동해석에 고려하였다[7].
실제 광섬유 대량 생산시스템의 WOW 방식 코팅장치는 상당히 복잡한 형상을 지니지만, 현 연구에서는 이를 간소화하여 전산해석 대상으로 삼았다. 또한 여기서는 이중 액상코팅액 유동을 대상으로 하기에, Fig. 1과 같이 1차 코팅컵 영역은 제외하고, 2차 코팅컵 및 1차와 2차 코팅다이 영역만을 전산유동해석 대상으로 하였다. 코팅액 점도가 매우 높고 유로가 매우 작으므로 유동 레이놀즈수가 1,000 이하가 되기에 코팅액 유동은 비정상 층류유동을 가정하였으며, 축대칭 형상을 고려하면 2차원적 전산해석이 가능하다.
실제 광섬유 대량 생산시스템의 WOW 방식 코팅장치는 상당히 복잡한 형상을 지니지만, 현 연구에서는 이를 간소화하여 전산해석 대상으로 삼았다. 또한 여기서는 이중 액상코팅액 유동을 대상으로 하기에, Fig.
전산해석에는 정방형 격자를 활용하였다. 여기서 해석격자 개수는 3,300개이며, 속도구배가 심하게 나타나는 유리섬유 표면 및 코팅다이 내벽 인근에 충분히 작은 격자를 배치하였다.

이론/모형

참고로 인출속도와 코팅장치 크기를 감안한 유리섬유의 장치 내 체류시간은 약 40 μs이다. 두 코팅액은 비혼화성을 가정하였는데 섞이지 않는 두 액체간 계면 해석을 위하여 Level Set 기법을 적용하였으며, 경계면 상의 표면장력은 0.0125 N/m로 주었다[7]. 점도 이외의 코팅액 물성은 온도 의존성이 크지 않으므로 일정하게 주었다[8].

성능/효과

Fig. 3(a) 및 3(b)와 같이 1차 코팅액의 진입온도 또는 압력 중 하나의 인자만 높은 경우에는 두 인자가 모두 낮은 경우와 더불어 계면이 안정적으로 형성됨을 보여주고 있다. 하지만 진입온도 및 압력이 모두 높을 때는 Fig.
비정상 유동해석은 1차 코팅재의 2차 코팅다이 진입직전을 초기조건으로 하여 시간적 유동패턴이 일정해지는 시점까지 계산을 진행하였는데, 계산시간은 각 조건에 따라 다르지만 초기조건에서 최대 1,000 μs까지이면 충분하였다.
하지만 진입압력 및 온도 모두 상당히 높은 경우에는 1차 코팅액의 유량이 과다해지고 2차 코팅액 유량이 억제되었다. 이에 따라 코팅액 간 계면이 매우 불안정해지는 경향을 보여 안정적이고 균일한 이중코팅층 형성에 방해요소가 될 수 있음을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	최근의 광섬유 표면 코팅공정은?	예전에는 1차 액상코팅 및 경화 이후에 2차 액상코팅 및 경화가 이루어지는 WOD(wet-on-dry) 방식이 사용되었으나, 최근에는 Fig. 1과 같이 1차 및 2차 액상코팅 이후에 이중 액상층을 함께 경화하는 WOW(wet-on-wet) 방식이 널리 쓰이고 있다[3].
	광섬유란?	고순도 실리카 계열의 가느다란 유리 매질을 통하여 광신호 정보를 전달하는 광섬유는 기존 구리선 등에 비하여 신호 전송속도가 매우 빠르고 신호 전송손실이 매우 낮으며, 뛰어난 정보보안성 및 경량성, 유연성 등 많은 기술적 장점을 지니고 있기에 정보통신분야를 중심으로 광범위한 산업분야에 널리 쓰이고 있다. 또한 최근 들어서는 광섬유 디스플레이의 소재로서도 각광을 받고 있다[1].
	광섬유의 장점은?	고순도 실리카 계열의 가느다란 유리 매질을 통하여 광신호 정보를 전달하는 광섬유는 기존 구리선 등에 비하여 신호 전송속도가 매우 빠르고 신호 전송손실이 매우 낮으며, 뛰어난 정보보안성 및 경량성, 유연성 등 많은 기술적 장점을 지니고 있기에 정보통신분야를 중심으로 광범위한 산업분야에 널리 쓰이고 있다. 또한 최근 들어서는 광섬유 디스플레이의 소재로서도 각광을 받고 있다[1].

참고문헌 (10)

Koike, Y. and Ishigure, T., "High-Bandwidth Plastic Optical Fiber for Fiber to the Display," Journal of Lightwave Technology, Vol. 24, pp. 4541-4553, (2006).

상세보기
Paek, U. C., "Free Drawing and Polymer Coating of Silica Glass Optical Fibers," Journal of Heat Transfer, Vol. 121, pp. 1-15, (1999).

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Kim, K., Kwak, H. S., Park, S. H., and Lee, Y. S., "Theoretical Prediction on Double-Layer Coating in Wet-on-Wet Optical Fiber Coating Process," Journal of Coatings Technology and Research, Vol. 8, pp. 35-44, (2011).

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Panoliaskos, A., Hallett, W. L. H., and Garis, I., "Prediction of Optical Fiber Coating Thickness." Applied Optics, Vol. 24, pp. 2309-2312, (1985).

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Yoo, S. Y. and Jaluria, Y., "Isothermal Flow in an Optical Fiber Coating Applicator and Die System," Journal of Lightwave Technology, Vol. 24, pp. 449-463, (2006).

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Yang, A., Tao, X. M., and Cheng, X. Y., "Prediction of Fiber Coating Via Liquid-Phase Process." Journal of Materials Processing Technology, Vol. 202, pp. 365-373, (2008).

상세보기
Kim, K. and Kwak, H. S., "Computational Analysis of Double Layer Coating Die Flow in Optical Fiber Manufacturing System." Proceedings of Asia-Pacific International Congress on Engineering and Natural Sciences, Bangkok, Thailand, pp. 655-661, (April 2013).
Park, S., Kim, K., and Kwak, H. S., "Effects of Convergent Angle of Nozzle Contraction on High-Speed Optical Coating Flow." Journal of Computational Fluids Engineering, Vol. 21, pp. 11-18, (2016).

원문보기 상세보기
DSM Desotech, Desolite Fiber Coatings Product Data, Desolite DP-1004 and DS-2015, (2009).
Back, S. K., Jang, S. H., and Cho, U. R., "Synthesis of Hard Coating Solution for Plastic Display Plate." Journal of Semiconductor and Display Technology, Vol. 16, pp. 45-51, (2017).

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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